[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及高功率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。本发明还涉及采用分段阳极盘的高速旋转阳极设计。

背景技术

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，Q_i(T)＝T·C_i(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，C_i(T)＝c_i(T)·m_i[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，c_i(T)[J·K^-1·g^-1]和m_i[g]分别表示所述成分的比热容量和质量，其中c_i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。