用于旋转阳极型高功率X射线管构造的阳极盘结构的混合设计制造技术

本发明专利技术涉及高功率X射线源，尤其涉及配备了能够比根据现有技术的常规旋转X射线阳极传递高得多的短时峰值功率的旋转X射线阳极的高功率X射线源。因此，这里提出的设计原理旨在通过允许阳极极快旋转以及在邻近焦点轨迹材料(4)的区域内引入具有高热导率的轻型材料(2)而克服峰值功率的热限制。通过提供由具有高热稳定性的各向异性高比强度材料构成的旋转阳极盘部分(1，3，6)实现所述极快旋转，其中，所述材料特别适于在阳极工作时积聚的高应力。配备了根据本发明专利技术的高峰值功率阳极的X射线系统将能够以高分辨率和高覆盖率实现高速图像获取。有利地，能够将这样的高速旋转阳极盘应用到用于下述用途的X射线管中：材料检验或医学射线照相术；诸如心脏CT领域的实时获取移动对象的图像数据所需的X射线成像应用；或者任何其他需要高速图像数据获取的X射线呈现应用。

【技术实现步骤摘要】
用于旋转阳极型高功率X射线管构造的阳极盘结构的混合设计本申请是2008年8月12日提交的申请号为200880103249.8、名称为“用于旋转阳极型高功率X射线管构造的阳极盘结构的混合设计”的分案申请。
本专利技术涉及高功率X射线源，具体而言涉及X射线管构造，所述构造配备了能够传递比常规X射线源中使用的根据现有技术的常规旋转阳极高得多的短时峰值功率的旋转阳极。因此，这里提出的设计原理旨在通过允许阳极极快旋转以及在邻近焦点轨迹材料的区域内引入具有高热导率的轻便材料而克服峰值功率的热限制。有利地，能够将这样的高速旋转阳极盘应用到用于下述用途的X射线管中：材料检验或医学射线照相术；诸如心脏CT领域的实时获取移动对象的图像数据所需的X射线成像应用；或者任何其他需要高速图像数据获取的X射线呈现应用。本专利技术还涉及采用分段阳极盘的高速旋转阳极设计。
技术介绍
在当前的CT系统中，安装在扫描架上的X射线管围绕需要检查的患者的身体的纵轴旋转，同时生成X射线的锥形射束。在所述扫描架上与所述X射线管相对安装的探测器系统围绕患者的纵轴沿相同方向旋转，同时将检测到的因经过患者的身体而衰减的X射线转换成电信号。之后，运行于工作站上的图像绘制系统根据体素化体数据集重建患者身体内部的平面重组图像、表面阴影显示或体绘制图像。令人遗憾的是，施加到X射线管上的功率的99％以上都被转化成了热量。因而，有效的散热是当前的高功率X射线管的发展所面临的最大挑战。鉴于阳极对整个X射线管的运行和使用寿命的重要性，阳极往往是管设计的主要目标。与固定阳极相比，旋转阳极型X射线管具有使沉积到焦斑上的热能跨越更大的焦点轨迹的表面分布的优点。这样使得短运行时间内的功率增大成为了可能。但是，由于现在阳极是在真空中旋转，因而，热能传递到管封壳的外部很大程度上取决于辐射，而辐射无法像固定阳极中采用的液体冷却那样有效。因而，对旋转阳极的设计追求高热存储容量以及阳极和管封壳之间的良好辐射交换。与旋转阳极相关的另一难点在于支撑系统在真空中的工作，以及针对阳极高温的破坏力对这一系统提供保护。在旋转阳极X射线管的早期，阳极的有限热存储容量是高管性能的主要障碍。随着下述新技术的引入，这种情况得到了改观：钎焊到阳极上的石墨块显著提高了热存储容量和散热，液体阳极支撑系统(滑动支座)提供了与周围冷却油的热传导，旋转封壳管实现了对旋转阳极后侧的直接液冷。钨已经发展成了针对医疗应用设计的多种X射线管阳极中的标准目标材料。旋转阳极管的阳极盘通常的包括沉积到主要由诸如钼(Mo)的难熔金属构成的主体上的1mm到2mm的钨－铼(W/Re)合金薄层。铼提高了钨的延展性，降低了热机械应力，并且由于阳极表面的变粗糙的过程变得更加缓慢而提高了阳极使用寿命。理想的商业和技术合金已经被确定为由5到10％的铼(Re)和90到95％的钨(W)构成。如前所述，钎焊到钼主体的后侧的石墨块的引入代表了旋转阳极技术的进步。这种设计中的石墨块显著提高了阳极的热存储容量，同时只要求总的阳极重量略微增加。此外，更大的阳极表面以及与钼相比石墨的更加有利的发射系数加速了散热。可以采用锆(Zr)，或者为了获得更高的操作温度采用钛(Ti)，或者采用其他特殊设计的钎焊合金将钼和石墨钎焊到一起。为了避免由于为加热阳极而提供的撞击电子所带来的热应力造成的损伤，并且避免材料的蒸发，很重要的一点是获得有关阳极基座、焦点轨迹和焦斑的温度的信息。可以由电子提供的功率P、辐射所耗散的功率P辐射和热传导所耗散的功率P传导的平衡导出阳极盘温度：P阳极＝P-P辐射-P传导在这一方程中，采用下标i说明由几种成分构成的阳极中的各种材料，例如，金属盘、石墨环和其他材料，Qi(T)＝T·Ci(T)[J]表示作为温度T(以K为单位)的函数的由各阳极成分i吸收的热能的量，Ci(T)＝ci(T)·mi[J·K-1]表示作为所述温度T的函数的所述阳极成分i的热容量，ci(T)[J·K-1·g-1]和mi[g]分别表示所述成分的比热容量和质量，其中ci是温度T的函数。如Stefan-Boltzmann定律所述，阳极盘主要通过热辐射耗散其热功率。其中，T阳极和T封壳分别表示阳极盘和封壳的温度，Ai(T)是作为具有阳极成分i的表面区域Si上的温度T的函数的该阳极成分i的阳极吸收系数，比例系数表示Stefan-Boltzmann常数，k≈1.38066·10-23J·K-1表示Boltzmann常数，c≈2.99792458·108m·s-1是真空光速，h≈6.6260693·10-34J≈4.13566743·10-15eV是普朗克常数。就具有液态金属支撑的阳极而言，还由液态金属通过热传导耗散了阳极热量当中的可观的部分。在这一语境下，应当指出，所述耗散的效率取决于X射线管的热导率常数κ[W·m-2·K-1]、支撑表面SB[m2]以及阳极盘的温度T阳极[K]和冷却油的温度T油[K]之间的温度差：P传导＝κ·SB·(T阳极-T油)[W].(2c)但是，焦斑的温度显著高于阳极盘的温度。对于标准的焦斑尺寸而言，不足0.05s的短加载时间内的温度升高可以由下式近似表达：其中，P[W]表示功率输入，AF＝2δ·l[mm2]表示焦斑的面积，Δt加载[s]是加载周期，λ[W·mm-1·K-1]表示热导率，c[J·K-1·g-1]表示比热容，ρ[g·mm-3]是焦点轨迹材料的质量密度，可以通过下式近似表示长加载时间内的温度升高：其中，δ[mm]表示焦斑半宽。尽管就固定阳极而言，方程(3a)中的加载周期Δt加载对应于施加负载的周期，但是就旋转阳极而言，必须采用间隔Δt加载’替代这一因数，以描述在阳极的一转内焦点轨迹上的点受到电子射束撞击的时间周期：其中，R[mm]表示焦点轨迹半径，f[Hz]是阳极旋转频率。采用方程(4)的Δt加载’替代方程(3a)中的Δt加载，由此通过下式近似表示旋转阳极的焦斑上的温度升高利用旋转阳极的焦斑上的温度升高和目标上的焦点轨迹的温度升高，由受到电子束加热的众多的所有表面元素形成了所述焦点轨迹，所述焦点轨迹在使用过的目标上是可以看到的高度粗糙化的环，其中，k表示说明阳极厚度、热辐射和热扩散的系数，n＝Δt加载·f表示时间Δt加载内的转数，通过结合上文给出的方程(5a)和(5b)，可以通过下式获得实现总焦斑温度升高所需的阳极功率：其中，l[mm]表示焦斑长度。如果采用诸如计算机断层摄影(CT)系统或其他系统的X射线成像系统描绘运动对象，那么通常需要高速图像生成，以避免出现运动伪影。可以举出的一个例子是人心脏的CT扫描(心脏CT)：在这种情况下，希望在不到100ms的时间内以高分辨率和高覆盖率执行对心肌层的完整CT扫描，其中，所述时间处于心脏周期中心肌层处于静止状态的时间跨度内。高速图像生成需要相应的X射线源的高峰值功率。通常将医疗或工业X射线成像系统所采用的常规X射线源实现为这样的X射线管，其中，通过大约高达150kV的高压将阴极在高真空管内发射的经聚焦的电子束加速到阳极上。在阳极上的小焦斑上，生成了作为轫致辐射和特征X射线的X射线。从电子束功率到X射线功率的转换效率很低，最多在1％和2％之间，在很多情况下甚至更低。因此，高功率X射线管的阳极承担着极高的热负本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于旋转阳极型高功率X射线管构造的混合旋转阳极盘，所述旋转阳极盘包括：–由第一材料构成的至少两个支撑结构(1，3，6)，以及–由第二材料构成的至少一个部分(2)；其中，所述第一材料具有高比强度，这是指所述第一材料是结构强度与密度相比具有高比率、从而具有高比机械阻力的材料，所述第一材料提供了高热稳定性和可设计的各向异性材料特性；其中，所述第二材料是在所述旋转阳极的表面上与焦点轨迹(4)的涂覆层材料相邻的区域内具有高热导率、同时具有高热稳定性的轻型材料；其中，所述至少两个支撑结构包括内部框架部分(1)和外部框架部分(3)；其中，所述外部框架部分(3)完全包围所述旋转阳极的所述内部框架部分(1)；并且其中，将所述旋转阳极盘划分成分立的阳极段(10a，10b)，其中，通过从所述内部框架部分(1)延伸到所述旋转阳极盘的外部框架部分(3)的内径边缘的径向直狭缝(14a)或S形狭缝(14b)将相邻的阳极段相互限定开。

【技术特征摘要】
2007.08.16 EP 07114454.71.一种用于旋转阳极型高功率X射线管构造的混合旋转阳极盘，所述旋转阳极盘包括：–由第一材料构成的至少两个支撑结构(1，3，6)，以及–由第二材料构成的至少一个部分(2)；其中，所述第一材料具有高比强度，这是指所述第一材料是结构强度与密度相比具有高比率、从而具有高比机械阻力的材料，所述第一材料提供了高热稳定性和可设计的各向异性材料特性；其中，所述第二材料是在所述旋转阳极的表面上与焦点轨迹(4)的涂覆层材料相邻的区域内具有高热导率、同时具有高热稳定性的轻型材料；其中，所述至少两个支撑结构包括内部框架部分(1)和外部框架部分(3)，所述内部框架部分(1)和外部框架部分(3)被所述至少一个部分(2)分隔开；其中，所述外部框架部分(3)完全包围所述旋转阳极的所述内部框架部分(1)；并且其中，将所述旋转阳极盘划分成分立的阳极段(10a，10b)，其中，通过从所述内部框架部分(1)延伸到所述旋转阳极盘的外部框架部分(3)的内径边缘的径向直狭缝(14b)或S形狭缝(14a)将相邻的阳极段相互限定开。2.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，所述第一材料由纤维强化陶瓷构成。3.根据权利要求2所述的混合旋转阳极盘，其中，所述第一材料由碳纤维强化碳(CFC)或碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)构成。4.根据权利要求1或2所述的混合旋转阳极盘，其中，由经过设计以获取高热导率的特殊石墨材料给出所述第二材料。5.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，所述旋转阳极盘相对于所述旋转阳极盘的旋转平面具有对称设计。6.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，所述旋转阳极盘的特征在于，沿径向非恒定的逐渐降低的剖面厚度。7.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，所述旋转阳极盘可以包括处于与所述焦点轨迹相邻的部分内的由所述第一材料型材料构成的额外区域(6)。8.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，所述外部框架部分(3)由碳纤维或碳纤维强化材料构成，所述外部框架部分用作对所述内部框架部分(1)的主要机械支撑。9.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，其中，将所述阳极段(10a，10b)至少部分连接至所述外部框架部分(3)。10.根据权利要求1所述的混合旋转阳极盘，包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的旋转轴(5)之间的液态金属导体(16a)，其在所述旋转阳极和其旋转轴杆(12)之间提供了液态金属连接。11.根据权利要求10所述的混合旋转阳极盘，包括处于所述内部框架部分(1)和所述旋转阳极盘的所述旋转轴杆(12)之间的径向滑动连接元件(17)。12.根据权利要求11所述的混合旋转阳极盘，包括柔性热导体(18)，其通过附接到所述内部框架部分(1)的外表面上和使所述旋转阳极围绕其旋转轴(5)旋转所需的旋转轴杆(12)的外表面上的接头(19)连接所述内部框架部分(1)和所述旋转轴杆(12)。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·莱瓦尔特，R·皮蒂格，A·朗坎普，H·里希特，T·贝尼施，W·胡芬巴赫，R·K·O·贝林，C·巴特，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL