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阳极

阅读:96发布:2020-05-12

IPRDB可以提供阳极专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及一种阳极(1),其具有一个基底构件(2),在基底构件(2)上施加有一个X射线活性层(3),其中具有一个第一冷却介质(12)的至少一个第一冷却回路(11)至少部分地在X射线活性层(3)下方的基底构件(2)中延伸,并且具有一个第二冷却介质(22)的至少一个第二冷却回路(21)被布置在第一冷却回路(11)下方。这种阳极(1)展现了明显改善的热机械性能。,下面是阳极专利的具体信息内容。

1.一种阳极,具有一个基底构件(2),在所述基底构件(2)上施加有一个X射线活性层(3),其中具有一个第一冷却介质(12)的至少一个第一冷却回路(11)至少部分地在所述X射线活性层(3)下方的所述基底构件(2)中延伸,并且具有一个第二冷却介质(22)的至少一个第二冷却回路(21)被布置在所述第一冷却回路(11)下方。

2.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,所述第一冷却介质(12)在所述第一冷却回路(11)中循环,所述第一冷却回路(11)包括至少一个第一冷却管道(13),所述至少一个第一冷却管道(13)至少部分地被布置在所述基底构件(2)中。

3.根据权利要求1或2所述的阳极,其特征在于,所述第二冷却介质(22)在所述第二冷却回路(21)中循环,所述第二冷却回路(21)包括至少一个第二冷却管道(23),所述至少一个第二冷却管道(23)至少部分地被布置在所述基底构件(2)中。

4.根据权利要求1或2所述的阳极,其特征在于,所述第二冷却介质(22)在所述第二冷却回路(21)中循环,所述第二冷却回路(21)包括至少一个第二冷却管道(23),所述至少一个第二冷却管道(23)被布置在所述基底构件(2)的外部。

5.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,所述X射线活性层(3)包含钨。

6.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,所述基底构件(2)包括一种热导率λ≥

130W·m-1·K-1的材料。

7.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,在存在多个第一冷却管道(13)的情况下,至少一个第一冷却管道(13)至少部分地被布置在所述X射线活性层(3)下方0.2mm至0.5mm的距离(t)处。

8.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,至少一个第一冷却管道(13)具有一个

0.5mm·1.0mm的横截面(Q)。

9.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,在多个第一冷却管道(13)的情况下,所述多个第一冷却管道被布置在彼此相距0.5mm的距离(a')处。

10.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,所述第一冷却介质(12)包括至少一种液态金属。

11.根据权利要求10所述的阳极,其特征在于,所述液态金属包含镓。

12.根据权利要求1或2所述的阳极,其特征在于,所述第一冷却回路(11)和所述第二冷却回路(21)通过至少一个隔板(30)而彼此分隔。

13.根据权利要求1或2所述的阳极,其特征在于,所述X射线活性层(3)通过至少一个保护层(40)与至少一个第一冷却回路(11)分隔。

14.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,在所述阳极(1)的操作状态下,所述第一冷却介质(12)具有一个流速vs≥10mm/s。

15.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,所述第一冷却介质(12)的流动方向被定向为基本垂直于所述X射线活性层(3)的较大延伸方向。

16.根据权利要求1所述的阳极,其特征在于,一个正排量泵(16)被布置在所述第一冷却回路(11)中。

说明书全文

阳极

技术领域

[0001] 本发明涉及一种阳极。

背景技术

[0002] 这样的阳极被布置在一个X射线管中,并且用于通过电子轰击来生成X射线。多个电子从一个电子源(具有一个热离子发射体的阴极或一个场致发射体的阴极)被释放,并通过施加在电子源和阳极之间的高电压被加速,以具有期望的初始能量。当多个电子撞击到焦点所占据区域中的阳极材料上时,这些电子与阳极材料的原子核的相互作用导致这些电子的约1%的动能转化为X射线(轫致辐射),并且约99%的动能转化为热能。阳极材料中的在电子撞击时获得X射线的层也被称为X射线活性层。X射线活性层由具有一个高质子数(原子数)Z的材料(阳极材料)制成,这种材料例如为钨(W,Z=74)或者钨铼(Re,Z=75)合金。
[0003] 由于撞击阳极的电子约99%的动能(通常约70keV至最多140keV)被转化为热能,所以在电子束占据区域(焦点)中温度可达到约2600℃。因此,对于阳极而言,热管理是一个重要的任务。
[0004] 技术上规划和构造的电子束占据区域,即阴极中所生成的初始电子束在焦点中所撞击的阳极上的点,可以是静止的(静止阳极/固定阳极)或者可以形成一个焦点路径(旋转阳极X射线管或旋转活塞X射线管中的旋转阳极)。
[0005] DE 38 27 511 A1描述了一种固定阳极,在该固定阳极内部具有一个管道,水可以在该管道中流动以进行冷却(内部冷却)。
[0006] EP 1 959 528 A2公开了一种具有一个主动冷却器的二极管激光器组件。该冷却器采用一个微冷却器的形式,冷却介质(水)在该微冷却器中流动。因此,微型冷却器形成了一个主动散热器。
[0007] 进一步地,US 7,197,119 B2公开了一种旋转活塞X射线管,在这种旋转活塞X射线管中,旋转阳极的后侧在结构上是X射线壳体的一部分,并由发射体壳体中的“静止”冷却介质直接冷却。该旋转阳极的厚度不能被大幅减小,否则会发生材料失效。使用铜或TZM可以防止关键材料的失效以及由此引发的破裂,从而避免管壳内真空的严重损失。
[0008] US 5,541,975A公开了一种具有一个旋转阳极的X射线管。该旋转阳极布置在液态金属流过的转子轴上,从而对旋转阳极进行散热。
[0009] 进一步地,CN 104681378A公开了一种X射线管,其中液态金属既形成一个阳极,又被提供为冷却介质。
[0010] 最后,US 2014/0369476A1公开了一种具有被表示为LIMAX(液态金属阳极X射线)的X射线源的装置。在该X射线源中,液态金属既用于生成X射线,又用于冷却。在此,液态金属通过窗口与真空隔绝。隔绝窗口例如由金刚石组成,并且因此在阳极中流动的液态金属定义了X射线的特性。由于没有提供任何措施来局部控制液态金属的温度,所以液态金属可达到的温度有限。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种具有改善的热机械性能的阳极。
[0012] 根据本发明,该目的由权利要求1所述的装置来实现。根据本发明的阳极的多个有利实施例各自是其他权利要求的技术方案。
[0013] 权利要求1所述的阳极包括一个基底构件,在该基底构件上施加有一个X射线活性层,其中具有第一冷却介质的至少一个第一冷却回路至少部分地X射线活性层下方的基底构件中延伸,并且具有第二冷却介质的至少一个第二冷却回路被布置在第一冷却回路下方。
[0014] 根据本发明的阳极包括一个基底构件,在该基底构件的表面上施加有一个X射线活性层。X射线活性层的厚度例如为约20μm至约500μm。在操作状态下,利用朝向阳极加速并聚焦成电子束的电子来轰击X射线活性层。当电子束撞击时,X射线(轫致辐射)在X射线活性层中得以生成。
[0015] 在基底构件中,第一冷却介质流过至少一个第一冷却结构,所述至少一个第一冷却结构在X射线活性层下方延伸。第一冷却介质在至少一个第一冷却回路中循环,第一冷却结构是所述至少一个第一冷却回路的一部分。第一冷却介质可以被加热到高温,例如高达约2000℃。
[0016] 取决于阳极的配置(例如第一冷却回路和/或第二冷却回路的布置)和具体应用,第一冷却结构具有例如在0.2mm与200mm之间的高度。
[0017] 根据本发明,具有第二冷却介质的至少一个第二冷却回路在形成第一冷却回路的冷却结构下方延伸。第二冷却介质通常是具有适当添加物的水,该添加物例如为防腐剂、防冻剂和杀菌剂。根据EP 1 055 719 A1已知的是,将聚乙烯醇(PVA)作为添加剂添加到水中可以提供防冻和/或防腐保护。
[0018] 在权利要求1所述的根据本发明的方案中,第一冷却介质的方向和流速与第一冷却介质的可接受高温水平相结合,可以加速热传播,从而加速焦点占据的区域中的散热。此外,实现了处于高温水平的较大区域。由此,可以将更多的热量从高温水平(第一温度水平)的第一冷却回路传送到第二冷却回路,该第二冷却回路相对于第一冷却回路具有较低温度水平(第二温度水平)。同时,第一冷却介质的高温降低了X射线活性层和基底构件两者中的热机械应力,从而在此也将负载限制扩展至更高电子强度。此外,第二冷却介质(例如水)的沸腾温度不再限制第一冷却介质的温度。
[0019] 这可以针对具有恒定横截面的棒状固体中的热传导来简单解释。
[0020] 下式适用于棒中的热传导:δQ=λ·A·Δt·δT/δx,其中δQ表示热量,λ表示热导率,A表示横截面面积,Δt表示时间,并且δT/δx表示温度梯度。
[0021] 如果第二冷却介质(例如,水)的较低温度恒定保持在约100℃,并且假设温度上限为阳极温度,例如钨的熔化温度TS=3422℃或焦点温度TB=2600℃,则最大散热量δQ是根据棒状固体的长度(棒长度)获得的。对于第一冷却剂(例如,液体金属),横截面面积A可以被扩大,这意味着更多的热量δQ可以在第一冷却介质(液态金属)的温度水平与第二冷却介质(水)的温度水平之间流动。因此总体而言,更高的热量流动是可行的。
[0022] 由此,相对于已知的阳极,权利要求1所述的阳极展现了得到明显改善的热机械性能。
[0023] 焦点中的功率密度是最终的决定性因素。如果所选择的焦点非常小,则即使在热量的数量级为几瓦的情况下也会出现所述温度。在这种情况下,在此描述的两级冷却系统也是有利的。然而,此时,第二冷却介质也可以是气体或气体混合物(例如空气)。
[0024] 权利要求1所述的根据本发明的方案适用于静止阳极(固定阳极)和旋转阳极两者。然而,在旋转阳极的情况下,对于所涉及的冷却介质,需要一个旋转馈通单元,用以将第一冷却介质以及可选地将第二冷却介质传递到旋转系统。
[0025] 第一冷却介质在第一冷却回路中循环,并且根据本发明,第一冷却回路至少部分地在基底构件中延伸,优选地,第一冷却回路包括至少一个第一冷却管道,其至少部分地被布置在基底构件中(权利要求2)。在第一冷却回路中形成至少一个冷却管道,这确保了冷却介质被有目的地引导到基底部件中的、暴露于特别严重的热负荷的多个区域,例如X射线活性层下方的区域。
[0026] 根据本发明,第一冷却回路被至少部分地布置在X射线活性层下方的基底构件中,相比之下,对于第二冷却回路而言,完全地或部分地在基底构件中延伸并非绝对必要。根据本发明,第二冷却回路仅需要被布置在第一冷却回路下方。为了本发明的目的,对于第二冷却回路而言,两个基本等同的备选方案都是可行的,它们仅取决于所讨论的个体情况,并且也可以被组合实现。
[0027] 根据第一备选方案,第二冷却介质在第二冷却回路中循环,第二冷却回路包括至少一个第二冷却管道,该至少一个第二冷却管道至少部分地被布置在基底构件中(权利要求3)。
[0028] 根据第二备选方案,第二冷却介质在第二冷却回路中循环,第二冷却回路包括至少一个第二冷却管道,该至少一个第二冷却管道被布置在基底构件的外部(权利要求4)。第二冷却管道例如可以在布置有X射线管的发射体壳体中延伸,或者由发射体壳体本身形成。
[0029] 根据阳极的一个有利实施例,X射线活性层包含钨(权利要求5)。因此,X射线活性层可以含有纯钨(金属纯度例如约为99.97wt.%)或钨合金(例如钨-铼合金,其中铼的含量例如约1%至约15%%)。应当理解,掺杂有添加剂的钨(例如具有60ppm至65ppm的钾)也包括在内。这种X射线活性层的层厚度通常为20μm至500μm。
[0030] 作为对上述示例性固体的替代方案,X射线活性层也可以含有液态金属,例如纯镓或者镓、铟和锡的合金。此时,使用在第一冷却管道中循环的第一冷却介质作为X射线活性层的材料是有利的。可选地,可以通过一个保护层(例如金刚石保护层)来防止X射线活性层可能的蒸发。
[0031] 通常,阳极的基底构件通常包括热导率λ≥130W·m-1·K-1的材料(权利要求6)。在20℃(293K)达到或超过该值的材料例如包括:钼、铜、金刚石和TZM(钛-锆-钼)合金和陶瓷耐火材料,比如钽铪碳化钽(Ta4HFC5)和碳化硅(SiC)。
[0032] 根据一个优选变型,如果阳极包括多个第一冷却管道,则至少一个第一冷却管道至少部分地被布置在X射线活性层下方0.2mm至0.5mm的距离t处(权利要求7)。
[0033] 目前医疗技术中通常使用的焦点的长度c约为5mm至10mm,宽度d约为1mm。
[0034] 阳极的另一个有利实施例的特征在于,至少一个第一冷却管道具有横截面Q=a·b,其中a=0.5mm并且b=1.0mm(权利要求8)。为了本发明的目的,横截面不必为矩形。对于至少一个第一冷却管道而言,其他横截面也可能是便利的,这取决于不同情况或要求。可以按需提供的横截面例如包括圆形横截面、三角形横截面或椭圆形横截面。在多个第一冷却管道的情况下,也可以为每个个体第一冷却管道提供不同的横截面。还可能有利的是,在相应情况下,所讨论的第一冷却管道并不保持一个恒定横截面,而是根据热力学状况,随着第一冷却管道的长度来改变该横截面。
[0035] 在多个第一冷却管道的情况下,有利的是将多个第一冷却管道布置在彼此相距0.5mm的距离a'处(权利要求9)。
[0036] 在选择a(第一冷却管道的宽度)和a'(多个冷却管道彼此之间的距离)时,重要的是:a10倍),并且a'
[0037] 为了实现(一个或多个)在第一冷却管道与X射线活性层之间的较小距离(权利要求7)、第一冷却管道的较小横截面(权利要求8)以及多个第一冷却管道彼此之间的较小距离(权利要求9),使用了例如“增材”制造方法。这些方法包括例如3D打印方法。备选地,基于扩散钎焊的制造方法也是可用的。
[0038] 由于在X射线活性层中可能出现的最高温度,有利的是:第一冷却介质含有至少一种液态金属(权利要求10),其中该液态金属有利地包含镓(权利要求11)。因此,液态金属可以是纯镓(Ga),或者是例如含68.5%的镓(Ga)、21.5%的铟(In)和10%的锡(Sn)的易熔GaInSn合金
[0039] 阳极的一个优选实施例的特征在于,第一冷却回路和第二冷却回路通过至少一个隔板而彼此分隔(权利要求12)。通过在第一冷却回路与第二冷却回路之间布置至少一个隔板,使得直观上有可能例如通过形成凹槽或通过喷砂处理来增加至少一侧的表面积。
[0040] 阳极的另一个有利实施例的特征在于,X射线活性层通过至少一个保护层与至少一个第一冷却回路相分隔(权利要求13)。通过在X射线活性层和至少一个第一冷却电路之间布置至少一个保护层,可以在很大程度上独立于第一冷却介质来选择X射线活性层的材料。
[0041] 为了确保在操作状态下快速地从X射线活性层散热,第一冷却介质优选地具有一个流速vs≥10mm/s(权利要求14)。在这种情况下,第一冷却介质的每秒流速相当于电子束宽度的倍数。第一冷却介质的这种流速允许很好地对基底构件进行冷却,并且从而允许在静止阳极和转动阳极两者中从X射线活性层进行可靠散热。
[0042] 在选择流速vs时,流速vs应当>d·1/s,其中d表示焦点宽度。
[0043] 优选地,第一冷却介质的流动方向被定向为基本上垂直于X射线活性层的较大延伸方向,并且因此垂直于X射线活性层的纵向(“逆流原理”)(权利要求15)。
[0044] 为了实现和保持一个适当的流速,有利的是:在第一冷却回路中布置一个正排量泵,例如齿轮泵(权利要求16)。
[0045] 由于在阳极的操作加热期间发生的温度梯度明显变小,所以本发明及其有利实施例使阳极内的热机械应力明显降低。

附图说明

[0046] 下面参考附图更详细地解释以图解方式示出的本发明的示例性实施例,但是本发明的示例性实施例并不限于此。在附图中:
[0047] 图1示出了一个阳极的一个基底构件的图示性局部部分,
[0048] 图2示出了根据图1的阳极的基底构件中的第一冷却结构的透视细节视图。

具体实施方式

[0049] 在图1中,一个阳极被表示为1,在所示出的示例性实施例中,该阳极表现为静止阳极(固定阳极)的形式。
[0050] 阳极1包括一个基底构件2,一个X射线活性层3被施加到该基底构件2。
[0051] X射线活性层3例如含有钨,并且厚度为例如约20μm至约500μm。在操作状态下,利用朝向阳极1加速并聚焦成电子束5的电子来轰击X射线活性层3。当电子束5撞击时,X射线(轫致辐射)在X射线活性层3中在一个焦点6处生成。
[0052] 目前医疗技术中通常使用的焦点的长度约为5mm至10mm,宽度d约为1mm。
[0053] 根据本发明,具有第一冷却介质12的至少一个第一冷却回路11至少部分地在X射线活性层3下方的基底部件2中延伸。此外,根据本发明,具有第二冷却介质22的至少一个第二冷却回路21被布置在第一冷却回路11下方。
[0054] 在图1示出的示例性实施例中,第一冷却介质12以流速vS在第一冷却回路11中循环,第一冷却回路11包括至少一个第一冷却管道13,该至少一个第一冷却管道13至少部分地被布置在基底构件1中。如图2所示,第一冷却回路11优选地包括多个第一冷却管道13。由于是选择性表示,所以在图1中仅这些第一冷却管道13中的一个第一冷却管道13是可见的。
[0055] 因此,第一冷却回路11利用可预先确定数目的第一冷却管道13,形成了一个第一冷却结构10。
[0056] 第一冷却介质12例如包含镓,并可以被加热到高温,例如高达约2000℃。
[0057] 第二冷却介质22在第二冷却回路21中循环,第二冷却回路21还包括至少部分地被布置在基底构件2中的至少一个第二冷却管道23。
[0058] 因此,第二冷却回路21利用第二冷却管道23,形成了一个第二冷却结构20。
[0059] 第二冷却介质22通常是具有适当添加物的水,这些添加物例如为防腐剂、防冻剂和杀菌剂。
[0060] 在示出的示例性实施例中,第一冷却回路11和第二冷却回路21通过隔板30而彼此分隔。通过在第一冷却回路11与第二冷却回路21之间布置至少一个隔板30,使得直观上有可能例如通过形成凹槽或通过喷砂处理来增加至少一侧的表面积。
[0061] 此外,X射线活性层3通过一个保护层40与第一冷却结构10的第一冷却回路11相分隔。通过在X射线活性层3和第一冷却回路11之间布置至少一个保护层40,可以在很大程度上独立于第一冷却介质12来选择X射线活性层3的材料。
[0062] 在根据本发明的方案中,第一冷却介质12的方向和流速与第一冷却介质12的可接受高温水平相结合,可以加速热传播,并且因而加速焦点6(电子束5所占据的区域)中的散热。
[0063] 在图1示出的阳极1的实施例中,为了实现第一冷却介质12所需的流速,在第一冷却回路11中布置了一个正排量泵14。
[0064] 此外,实现了较大的处于高温水平的区域。因此,可以将更多的热量从高温水平(第一温度水平)的第一冷却回路11传送到相对于第一冷却回路具有较低温度水平(第二温度水平)的第二冷却回路21。同时,第一冷却介质12的高温降低了X射线活性层3中的热机械应力,从而在此也将负载限制扩展至更高电子强度。此外,第二冷却介质22(例如水)的沸腾温度不再限制第一冷却介质12(例如液态金属)的温度。
[0065] 在图1示出的实施例中,阳极1包括多个第一冷却管道13,如图2所示,这些第一冷却管道13被布置在X射线活性层3下方0.2mm至0.5mm的距离t处。保护层40的最大可能层厚度对应于冷却管道13与X射线活性层3之间的距离t。
[0066] 在示出的实施例中,第一冷却管道13具有0.5mm·1.0mm的横截面Q,其中如图2所示,横截面Q不必为矩形。对于多个第一冷却管道而言,其他横截面也可能是便利的,这取决于不同情况或要求。可以按需提供的多个横截面包括例如圆形横截面、三角形横截面或椭圆形横截面。在多个第一冷却管道13的情况下,可以为每个个体第一冷却管道13提供不同的横截面。在多个单独的情况下,也可能有利的是:所讨论的第一冷却管道13并不保持恒定横截面,而是根据热力学状况,随着第一冷却管道13的长度来改变该横截面Q。在图1示出的示例性实施例中,第一冷却管道13在X射线活性层3下方具有的横截面Q比在相邻区域中具有的横截面Q小。
[0067] 在多个第一冷却管道13的情况下,有利的是:将多个第一冷却管道13布置在彼此相距0.5mm的距离a'处,如图2中所示。
[0068] 在选择a(第一冷却管道的宽度)和a'(多个冷却管道彼此间的距离)时,a10倍)并且a'
[0069] 在第一冷却结构10内,第一冷却介质12的流动方向无需保持恒定。相反,第一冷却介质12在第一冷却结构10内的流动可以随着第一冷却管道13的适当路线而变化。有利地,第一冷却介质12的流动方向被定向为基本垂直于X射线活性层3的较大延伸方向,并因此垂直于X射线活性层3的纵向(参见图2)。
[0070] 图1和图2示出了在静止阳极中一个(微型版本的)液态金属冷却系统(处于第一冷却回路11中)与一个水冷却系统(处于第二冷却回路21中)的组合。由于第一冷却介质12(液态金属)在第一冷却回路11中快速通过,所以冷却区域局部逐渐展开。
[0071] 然而,本发明不限于该示例性实施例。相反,基于所描述的实施例,本领域技术人员可以直接地创建权利要求1中限定的发明构思的其他有利实施例,这些其他有利实施例中的每一个是从属权利要求2至16的技术方案。
[0072] 相应地,示出的方案不仅适用于静止阳极,而且还适用于旋转阳极(旋转阳极X射线管或旋转活塞X射线管)。在一个旋转阳极的情况下,对于所涉及的冷却介质而言,需要图1中未示出的至少一个旋转传输馈通,用以将第一冷却介质12以及可选地将第二冷却介质
22传递到旋转系统。
[0073] 此外,不同的第一冷却介质与不同的第二冷却介质的组合也可以用于本发明的目的。
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