技术领域
[0001] 本
发明涉及
X射线管,特别地,涉及用于成像应用的多焦点X射线管。
背景技术
[0002] 多焦点(focus)X射线管一般包括线形或者拱形几何结构的单一
阳极,其可以沿着它的长度通过两个或多个
开关电子源被照射。在典型的构型中,数百个电子源或者枪可以在超过1米的长度上照射单一阳极。通常,电子枪将单独地和连续地促动,以为了产生快速移动的X射
线束。或者,电子源可以成组促动以提供具有不断改变的空间
频率组分的X射线束。
[0003] 已知的多焦点X射线源倾向于使用利用标准
真空密封件例如共平面组件或者金属
垫片密封件制造的组
合金属和陶瓷壳体。这样的组件布置在一起非常昂贵,因为它们要求精确的机加工以满足严格的真空要求。
发明内容
[0004] 因此,本发明提供生产X射线管的方法,包括:由金属片形成第一壳体部分;由金属片形成第二壳体部分,安装电子源在其中一个壳体部分中;安装阳极在其中一个壳体部分中;以及将壳体部分连接在一起以形成限定电子源和阳极位于其中的室的壳体。
[0005] 壳体部分可以通过压
力加工形成。这使得该方法快速且有效率。壳体的各个特征,例如
焊接形成物或者用于馈通部的安装孔,可以通过
冲压形成。这可以在形成主壳体部分时在相同的
挤压工具上同时完成,或者可以作为单独的步骤完成。
[0006] 本发明进一步提供一种X射线管,包括:壳体、
支撑在该壳体中的阳极和安置来产生指向阳极的多个
位置上的电子束的X射线源,其中壳体包括由金属片形成的两个部分。
[0007] 本发明进一步通过一种生产用于X射线管的阳极的方法,方法包括提供管状构件并成形该管状构件以在其上形成靶表面。
[0008] 本发明进一步提供一种X射线管,包括:阳极;安置来产生电子束的电子源,其中阳极包括具有靶表面的管状构件,电子束能够指向到靶表面;以及冷却剂供给源,其安置来传送冷却剂以流动通过管状构件以冷却阳极。
[0009] 本发明进一步提供一种X射线管,包括:壳体;在壳体中的阳极,阳极包括冷却
导管,冷却剂能够通过该冷却导管以冷却阳极;
冷却剂回路,冷却剂能够通过该冷却剂回路提供给阳极以及从阳极返回;和馈通部,其延伸通过壳体并包括用于连接电源到阳极的电连接和冷却剂通道,该冷却剂通道安置为以形成冷却剂回路的一部分。
附图说明
[0010] 现将参照附图通过例子描述本发明的优选
实施例,在附图中:
[0011] 图1是通过根据本发明的实施例的多焦点X射线管的横截面;
[0012] 图2是通过图1的X射线管的
阴极部分中的馈通部的截面;
[0013] 图3是图2的馈通部的前视图;
[0014] 图4是图1的X射线管的阴极部分中的连接板的前视图;
[0015] 图5是通过用于图1的X射线管的阳极的HV馈通部的截面;
[0016] 图6是通过图1的管的壳体的阳极部分的横截面;
[0017] 图7是通过图1的管的高压馈通部的横截面;
[0018] 图8是图1的管的阳极的侧视图;和
[0019] 图8a是通过图8的阳极的横截面。
具体实施方式
[0020] 参照图1,X射线管10包括壳体12,其限定真空室14,具有支撑在真空室14内部的中空管状阳极16和一系列电子源或者枪18。在该实施例中,真空室为圆环面形状,安置为绕扫描体积延伸,但是对于不同的场合,也可以根据情况使用其它形状。
[0021] 壳体12形成为两个部分:阳极部分20和阴极部分22。阳极部分20截面大致为半圆形或者C形,具有形成在它的径向内边缘和外边缘上的焊接边24a、24b。阳极16通过阳极馈通部30和多个安装座支撑在阳极部分20上,该馈通部30与壳体10单独形成并焊接到壳体上,如将在下面更详细地描述的;该安装座类似于馈通部30,但是并不包括馈通部的电连接,从而仅仅用于物理支撑。退出窗26形成在阳极部分20的径向内侧,以允许由电子枪18在沿着阳极16的多个位置的每一个上产生的X射线束在径向向内方向退出壳体。
[0022] 壳体12的阴极部分22是比阳极部分20稍微更加方形的部分,具有径向内和外
侧壁32、34和平的后壁36,电子源18安装在后壁上。每个电子源18绕扫描器的弧延伸,并安置来通过电开关施加到各个控制元件的
电压以控制来自沿着阴极的各个位置的电子的抽出或者抑制,而从沿着它的长度的多个位置的每一个以受控的顺序产生电子束。
[0023] 在这个实施例中,两壳体部分20、22都由典型地利用低
碳不锈
钢例如316L的挤压金属片形成。挤压部分被刻纹(sculptured)以提供额外的强度,从而允许材料厚度减小到2毫米或者以下。刻纹设计使用大半径(典型地大于5毫米)以减小管内的内部
电场强度。
[0024] 与机加工的等同物相比时,产生的壳体部分20、22是非常刚性和轻的。进一步地,完全成圆
角(radiused)的部分提供对管内的静电场优秀的支持,其可以允许包围的真空室14的体积与机加工的管等同物相比明显减小。进一步地,暴露的金属表面的表面积趋于与机加工等同物相比为低的,因此减小在操作过程中会释放到管中的气体库存。这延长管寿命并减小相关离子
泵送系统的成本。
[0025] 在典型的应
用例如安全筛查或者医学诊断中,X射线系统的总重量通常为关键因素,并且该管结构的固有的轻的重量在满足该关键设计目标方面是重要的。
[0026] 作为对冲压的替代,旋转工艺可以用于形成壳体部分,尽管在这种情况中壁厚度以及由此最终的管的重量将与部件为冲压的相比更大。
[0027] 增加通过阴极部分22的
电隔离信号馈通部40以为了提供用于电子枪18中的控制元件的开关可能是有必要的。从制造产出角度来看,预制造馈通部,并然后将它们焊接到所形成的阴极部分22中的预切割孔42,这是有利的。参照图2和3,在一个实施例中,单个馈通部44形成为金属销,其通过
氧化
铝陶瓷盘46
铜焊或者用玻璃封(glass)到的各个孔中,陶瓷盘46自身铜焊或者用玻璃封到金属环48内,金属环48配合到圆形孔42中并然后焊接到阴极部分22。销的外端50在盘46的外侧突起,用于连接到外部控制线路,销的内端52突入到真空室14中。如可以在图3中看出的,销44安置为四排。在这个实施例中,销44和环48由Nilo-K形成,但是也可以使用其它适当材料。
[0028] 参照图4,连接板60包括绝缘支撑层62,具有安置为四排并具有到馈通销44的相应间隔的第一组连接件64和安置为沿着电子源18的阴极延伸的单行的第二组连接件66。第一组的每一连接件通过各自的导电迹线68连接到第二组的相应一个上,以使得沿着电子间隔开的控制元件可以通过从外部触头到馈通销44进行控制。
[0029] 返回来参照图3和4,两个进一步的更大直径的金属馈通销70也设置在金属-陶瓷馈通组件的陶瓷盘46中。这些销70用于提供电力到电子枪加热器组件。典型地,加热器将在低压(例如6.15V)但是高
电流(例如3.8A每32发射器模
块)下工作。有利地,这些销70可以由Mo制成,其可以直接釉封到氧化铝陶瓷端盖盘46中。
[0030] 作为替代,单个的隔离馈通部可以铜焊或者釉封到金属盘中,金属盘因此能够焊接到管壳体组件中。
[0031] 在管的制造的第一种方法中,与用于形成阴极部分22相同的冲压工具可以设置为具有切割形状,所述切割形状冲出用于馈通部件40的孔42。该冲压工具还可以设置有凹痕特征,其在阴极部分中冲出焊接准备部,所述焊接准备部待焊接到馈通组件40的环48,同时进行切割和冲压。这是非常成本有效且精确的工艺,其需要最少的操作者介入。
[0032] 在第二种方法中,冲压的阴极部分22可以
激光切割以形成孔42,阴极馈通部将焊接到孔42中。更低功率的
激光束然后能够用于围绕馈通孔42切出通道以为了形成焊接准备部。这是更昂贵的操作,但是提供给操作者更好的灵活性。
[0033] 当然,也可以使用标准机床来切出馈通孔42以及引入必要的焊接准备部。这是趋于更加昂贵的方法,因为它要求更长的设置时间以及在机加工过程中阴极部分22更广泛的夹持,结果需要更长的操作者时间。
[0034] 返回来参照图1,阳极部分20需要高压平衡(standoff),其由馈通部30提供,通过该馈通部30,阳极高压可以被连接。馈通部30包括陶瓷管80,陶瓷管在它的内端82釉封到陶瓷端盖84,在它的外端88釉封到Nilo-K金属环86。该组件提供必要的HV平衡。
[0035] 为了帮助支持所需的HV,陶瓷管80用导电膜上釉,从而在部件的两端之间产生大约10GOhm的
电阻。这迫使大约1μA的电流在高压操作过程中向下通过陶瓷,从而控制陶瓷两侧的电势梯度,同时还为可能从管内部的阳极散射并抵达陶瓷表面的任何电子提供到地的电流路径。这提供相对于高压跳火的
稳定性,并最小化平衡陶瓷的总长度。一旦导电釉已经施加,薄的Pt金属环
喷涂到馈通部的顶部和底部并在空气中
焙烧(fired)以提供用于连接电阻膜到HV和地的触头。
[0036] 具有良好
介电强度以及合理地高的
导电性(典型地,10kOhm-100kOhm电阻)的另一导电陶瓷
电阻器盖子90釉封到陶瓷端盖84中。有利地,提供场成形
电极89,其
覆盖陶瓷端盖84的真空侧以及端盖84和陶瓷管80的结合处,并电连接到陶瓷电阻器盖子90。电极89具有环形部分和从环形部分的径向外边缘延伸的管状部分。环形部分在它的位于中心和径向外边缘之间的真空侧面中间点上连接到陶瓷电阻器盖子90,管状部分沿着陶瓷管80的一部分但是与其间隔开地延伸以围绕陶瓷管8的部分。管状部分的远端承载唇部89a,唇部89a向着陶瓷管80向内弯曲,但是不
接触陶瓷管80。电极89的任何部分都不接触陶瓷端盖84或者陶瓷管80,并且从图1可以认识到,在端盖84接合陶瓷管80的情形下,电极和端盖之间的分隔距离增大。电极89通过它与陶瓷电阻器盖子90的电连接而保持在阳极电位,因此它具有通过截取(来自阳极或者阴极的)杂散电子以基本防止它们抵达陶瓷管80从而防止对陶瓷管80充电而提高管稳定性的优点。电极89可以由导电金属或者导电陶瓷形成。本领域技术人员将认识到替代形状的电极适于相同或者类似目的,即防止陶瓷管80或者陶瓷管的至少一部分受到来自阳极和阴极的至少一个的杂散电子。例如,可以通过延伸喷涂Pt金属环以覆盖陶瓷管80和陶瓷端盖84之间的结合处从而沿着陶瓷管80外侧部分延伸而实现类似的效果。
[0037] 陶瓷电阻器盖子90在它的两个外表面92、94上(通过Pt)
金属化以提供电流浪涌限制电阻器,该电阻器在在管自身内部发生高压跳火的情形下发挥作用。在这种情况中,整个管电压出现在这个电阻器90上,电阻器90限制电流流动从而控制跳火。电阻器90的值选取为尽可能大以最小化在跳火过程中的电流,但是尽可能小以最小化在正常管操作过程中的
热能消散和电压降。
弹簧触头(未示出)连接该陶瓷电阻器90的空气侧到阳极HV容器98的高压
端子96。
[0038] HV容器98是传统的HV设计,并包括支撑HV插头102的圆柱主体100,导电金属条103将插头102连接到高压端子96。但是,主体100具有通过它以从它的外端106延伸到它的内端109的孔的形式形成的冷却剂通道104以使得冷却剂从阳极16流回来。HV容器延伸通过陶瓷管80,但是是更小直径的,以使得在陶瓷管80内部围绕容器98形成空间108。该空间108同样在容器98的内端109和端盖84之间延伸并形成冷却剂容器。冷却剂通道104的内端经由弹性
垫圈110连接到陶瓷端盖84。两个管桩112、114延伸通过端盖
84中的孔,每个桩具有连接到中空阳极16的一个末端。孔在管桩112、114连接到它上面之前切割通过阳极16,管桩112在形成端口的孔上连接以提供到阳极16内的冷却剂通道的
流体连接。这些管桩112之一使其外端由弹性垫圈110覆盖以形成从阳极16到冷却剂通道
104的返回通道,并且另一个114连接阳极16到HV容器98和陶瓷管80之间的空间108。
[0039] 在HV容器98的外端上,空间108通过端板116闭合。端板116具有形成在其中的连接到空间108的冷却剂入口通道118和通过HV容器98与通道104连接的冷却剂出口通道120。HV容器的HV端板116在接地参考端利用O圈密封件122
螺栓连接到支撑环124来包含冷却剂,Nilo-K环86支撑在支撑环124中,并且支撑环124因此形成阳极HV
金属陶瓷馈通部的一部分。这形成冷却剂回路,通过该冷却剂回路冷却剂可以馈送到中空阳极16以及从中空阳极16馈送。馈送到入口通道118的冷却剂流入到阳极HV金属陶瓷馈通部和阳极容器98之间的空间108中,以为了冷却馈通部自身并提供适当的馈通组件HV
钝化。
它还流入到冷却剂容器的下部,在那里它在陶瓷电阻器90上流动以将其冷却。从那里,它通过管桩114流入到阳极16中。从阳极16返回的冷却剂被迫通过管桩112、将返回路径从入口冷却剂容器108分开的弹性垫圈10,然后通
过冷却剂通道104,并通过出口通道120向后出去到外部冷却系统。
[0040] 在对图5的设计的
修改中,导电条103可以由高电阻浪涌电阻器替代,该电阻器为例如陶瓷插头形式的,执行与陶瓷电阻器90相同的功能。在这种情况中,陶瓷电阻器90可以省略,并且在浪涌电阻器和阳极之间提供低电阻连接。
[0041] 参照图6和7,阳极馈通部通过从围绕陶瓷管80的支撑环124延伸的支撑管126支撑在阳极壳体部分12中。该支撑管126焊接到形成在壳体的阳极部分12的外侧上的升高的圆形边128。升高的边128可以通过形成阳极部分12的冲压工具形成,以使得它从主阳极部分以平滑外形突起。冲压工具可以进一步设计为切割通过阳极部分12的弯曲后面部分130的顶部以提供清洁的焊接凸缘,阳极高压馈通部的陶瓷管80可以焊接到该凸缘。这是非常低成本且快速的制造工艺。
[0042] 或者,升高的边部分128可以在焊接之前通过利用结构
切割器切掉冲压的边部分的顶部而进行制备。这是更昂贵的操作,需要额外的操作者介入。
[0043] 一旦阳极馈通部已经焊接到升高的阳极边部分128,清洁阳极管部分20的内部以移除会影响高压稳定性的焊接碎屑是有利的。
[0044] 如果已经使用厚的金属片来形成阳极和阴极部分20、22,在该金属片中形成用于X射线束发射通过的薄的窗部分26是有利的。如果金属片是
不锈钢的,这将是可能的,因为使用不锈钢退出窗以为了吸收低
能量X射线光量子是合理的,这些光量子否则将典型地致使在医疗应用中过度的
皮肤剂量并且将导致在安全和CT应用中束硬化。
[0045] 为了产生退出窗26,适当的低成本技术是使用滚压工具以从退出窗区域偏移出金属。或者,可以使用切割或者磨削机床以使得窗区域26变薄。另一替代是在将形成退出窗的地方形成通过壳体的孔,并然后用一层片状材料例如金属覆盖该孔,所述材料能够安装在壳体的内部或者外部以覆盖孔并例如通过焊接将其密封。
[0046] 各种方法可以用于形成在中空管状阳极16上的X射线靶。参照图8,在这个实施例中,金属管132成形为圆环形式。金属管132然后被引入成形元件中并通过
水力成形而
变形,以将其成形为大致半圆形部分。形成的阳极因此具有形成靶的平面134、弯曲的后侧135和形成冷却系统的中空内部,冷却剂可以流动通过该中空内部以冷却阳极。
[0047] 理想地,水力成形工艺用于形成阳极形状。这具有使得阳极非常刚性的优点。或者,冲压工艺可以用于形成阳极16到需要的形状。
[0048] 阳极16理想地由韧性金属例如铜或者不锈钢制造。铜具有优秀的导热性的优势,但是具有相对差的机械强度并且在高温下趋于蠕变。不锈钢是非常好的真空材料并容易成形,但是具有相对差的导热性。铜和不锈钢都具有相似的
热膨胀系数,因此最小化在高温
烘烤过程中在阳极和管壳体12之间的机械
应力。
[0049] 为了提高X射线产出,用高Z折射材料例如钨涂覆形成的阳极的靶区域是有利的。沉积钨到阳极16上的低成本工艺是
热喷涂。这是一种快速工艺,可以用于沉积均匀的钨或者碳化钨厚层。
[0050] 作为替代,阳极可以由高Z和内在折射材料例如钼形成。这可以允许人们免除钨涂覆工艺,同时仍然获得高的X射线产生,尽管平均X射线能量稍微低于使用钨时。
[0051] 一旦管的内部部分已经组装(电子枪组件18和阳极组件16),管可通过焊接内和外凸缘在一起而进行密封,所述密封是当阳极和阴极部分结合在一起时进行的。通过提供如图1所示的焊接唇部24a、24b,进入管的焊接碎屑的量可以减少到很低的水平。使用清洁的TIG焊接方法以完成管组装是有利的。
[0052] 由于这个实施例的管的紧凑属性,可以通过将屏蔽材料直接围绕X射线管自身包裹而最小化整个系统的重量。例如,在这个实施例中,形成
铸造铅部分,一个成形为紧紧地围绕阴极部分22适配,一个成形为围绕阳极部分24适配。用于大约160kV的X射线管电压的典型的铅厚度将为12毫米或者甚至更小,其取决于预期的管操作电流。
[0053] 作为本发明的进一步的方面,可以认识到,多个不同尺寸的管壳体部分可以同时从单一金属片同心地冲出。例如,适于静止CT应用的预定用于圆形管的阳极或者阴极部分可以同时由具有大约2米的正方形轮廓的单一金属片形成30厘米、60厘米、90厘米和120厘米的检查孔。