專利名稱：用于增加x射線管中的輻射傳熱的裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及x射線管，更具體來說，涉及x射線管的 輩巴面和/或耙軸上的高輻射涂層(emissive coating )。
背景技術(shù)：
X射線系統(tǒng)通常包括x射線管、檢測(cè)器以及支承x射線管和檢測(cè) 器的軸承組件。在操作中，其上放置對(duì)象的成像臺(tái)位于x射線管與檢 測(cè)器之間。x射線管通常向?qū)ο蠓派渖渚€、如x射線。該射線通常穿 過成像臺(tái)上的對(duì)象并照射到檢測(cè)器上。當(dāng)射線穿過對(duì)象時(shí)，對(duì)象的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)引起在檢測(cè)器所接收的射線的空間變化。然后，檢測(cè)器傳送所 接收的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)將射線變化轉(zhuǎn)換成圖像，它可用于評(píng)估對(duì)象的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，對(duì)象可包括但不限于醫(yī)療成像過 程中的患者以及例如計(jì)算機(jī)層析X射線照相(CT)包裹掃描儀的包裹 中的無生物。
X射線管包括包含靶的陽極結(jié)構(gòu)，電子束照到靶上以及從靶上生 成x射線。x射線管陰極提供聚焦電子束，它在穿過陰極-陽極真空間 隙被加速，并且在與陽極靶碰撞時(shí)產(chǎn)生x射線。由于當(dāng)電子束撞擊耙 時(shí)所產(chǎn)生的高溫，所以陽極組件通常以高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以便散發(fā)在焦點(diǎn) 所產(chǎn)生的熱量。陽極通常由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來轉(zhuǎn)動(dòng)，其中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有 內(nèi)置于支承盤形陽極靶的懸軸的鼓形轉(zhuǎn)子以及帶有圍繞x射線管的 延長(zhǎng)頸的銅繞組的鐵定子結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)陽極組件的轉(zhuǎn)子由定子來驅(qū)動(dòng)。
新一代x射線管增加了對(duì)于提供更高峰值功率的需求。但是，更 高峰值功率引起在靶組件中出現(xiàn)更高峰值溫度，特別是在靶"軌道 (track)，，或者電子束碰撞靶的點(diǎn)處。因此，由于所施加的增加的峰值功率，關(guān)于靶存在使用壽命和可靠性問題。
輻射涂層可施加到X射線管耙，以便增強(qiáng)輻射傳熱，并且降低其 中的部件、如靶和軸承組件的工作溫度。但是，這類涂層通?；谘?br> 化物、如Zr02-Ti02-Al203的混合物，它們趨向于不穩(wěn)定并且在例如 1200°C或以上時(shí)脫氣。脫氣通常包括一氧化碳(CO),它產(chǎn)生于氧化 物成分(例如Ti02)在其工作溫度下與靶基體的還原組分(例如 TZM-Mo中的Mo2C相)的不良化學(xué)穩(wěn)定性。CO和其它脫氣產(chǎn)物損害 x射線管的高真空環(huán)境，從而使這類反應(yīng)產(chǎn)物不合需要。
因此，希望具有一種在減少脫氣放出的同時(shí)改進(jìn)x射線靶和軸承 的熱性能和穩(wěn)定性的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于改進(jìn)x射線管靶的熱性能的裝置，它克服了 上述缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于生成x射線的靶組件包括靶基體以
及施加到耙基體的 一部分的輻射涂層，輻射涂層包含碳化物和碳氮化
物中之一或多種。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，制造X射線管靶組件的方法包括形成
包含Mo及其合金的乾基體以及在該基體上形成輻射涂層，其中輻射 涂層包含碳化物和碳氮化物中之一或多種。
本發(fā)明的又一個(gè)方面包括具有x射線檢測(cè)器和x射線放射源的成 像系統(tǒng)。X射線源包括陰極和陽極。陽極包括靶基底材料(base material)以及加在靶基底材料、具有包含碳化物和碳氮化物中之一 或多種的分子化合物的輻射涂層。
通過以下詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的其它各種特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)非 常明顯。


附圖示出當(dāng)前考慮用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
附圖包括
圖1是可獲益于結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的成像系統(tǒng)的框圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例并且與圖1所示系統(tǒng)可配合使用的x
射線管的截面圖。
圖3是可獲益于結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、與非侵犯式包裹檢查
系統(tǒng)配合使用的CT系統(tǒng)的圖示。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明、設(shè)計(jì)成獲取原始圖像數(shù)據(jù)以及處理該圖像數(shù) 據(jù)供顯示和/或分析的成像系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的框圖。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明可適用于實(shí)現(xiàn)x射線管的許多工業(yè)和醫(yī)療成像 系統(tǒng)，例如x射線或乳房x射線照相系統(tǒng)。獲取體積的三維數(shù)據(jù)的其 它成像系統(tǒng)、如計(jì)算機(jī)層析X射線照相(computed tomography)系 統(tǒng)和數(shù)字x射線照相系統(tǒng)也獲益于本發(fā)明。X射線系統(tǒng)10的以下論 述只是一種這樣的實(shí)現(xiàn)的示例，而不是要在形態(tài)方面進(jìn)行限制。
如圖1所示，x射線系統(tǒng)10包括配置成發(fā)出穿過對(duì)象16的x射 線束14的x射線源12。對(duì)象16可包括人對(duì)象、行李件或者希望掃 描的其它對(duì)象。X射線源12可以是產(chǎn)生范圍通常從30keV至200 keV 的能譜的x射線的常規(guī)x射線管。x射線14穿過對(duì)象16，并且被對(duì) 象16衰減之后照射到檢測(cè)器18上。檢測(cè)器18中的各檢測(cè)器產(chǎn)生表 示照射x射線束強(qiáng)度因而表示穿過對(duì)象16時(shí)的衰減束的模擬電信號(hào)。 在一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器18是基于閃爍的檢測(cè)器，但是，還可設(shè)想 也可實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換類型檢測(cè)器(例如CZT檢測(cè)器等)。
處理器20從檢測(cè)器18接收模擬電信號(hào),并且生成與被掃描對(duì)象 16對(duì)應(yīng)的圖像。計(jì)算機(jī)22與處理器20進(jìn)行通信，以便使得使用操 作員控制臺(tái)24的操作員能夠控制掃描參數(shù)以及查看生成圖像。也就 是說，操作員控制臺(tái)24包括某種形式的操作員界面，例如鍵盤、鼠標(biāo)、語音激活控制器或者允許搡作員控制x射線系統(tǒng)10以及在顯示 單元26查看來自計(jì)算機(jī)22的重構(gòu)圖像或其它數(shù)據(jù)的任何其它適當(dāng)?shù)?輸入裝置。另外，控制臺(tái)24允許操作員將生成圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置 28中，其中存儲(chǔ)裝置28可包括硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤、光盤等。操作員 還可使用控制臺(tái)24向計(jì)算機(jī)22提供命令和指令，用于控制向x射線 源12提供功率和定時(shí)信號(hào)的源控制器30。
此外，還將針對(duì)在x射線中的使用來描述本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員還會(huì)理解，本發(fā)明同樣可適用于包括用于產(chǎn)生x射線的靶 的其它系統(tǒng)。
圖2示出結(jié)合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的x射線管12的截面圖。X 射線管12包括框架或外殼50，其中形成了 x射線窗口 52?？蚣?0 包含真空54，并且容納陽極或靶組件56、軸承盒(bearing cartridge) 58、陰極60和轉(zhuǎn)子62。靶組件56包括靶基體57，其中靶軸59連到 把基體57。在CT應(yīng)用的情況下，當(dāng)高速電子經(jīng)由陰極60與靶基體 57之間例如6萬伏或更高的電位差從陰極60導(dǎo)向靶基體57而被減 速時(shí)，產(chǎn)生x射線14。電子在焦點(diǎn)61碰撞靶軌道材料86,并且x射 線14從其中放射。X射線14通過x射線窗口 52放射到檢測(cè)器陣列、 如圖1的檢測(cè)器18。為了避免電子使把軌道材料86過熱，靶組件56 以例如90-250 Hz繞中心線64高速旋轉(zhuǎn)。
軸承盒58包括前軸承組件63和后軸承組件65。軸承盒58還包 括在中心軸66的第一端68連到轉(zhuǎn)子62的中心軸66以及連在中心軸 66的第二端70的軸承轂77。前軸承組件63包括前內(nèi)座圏(race )72、 前外座圈80以及以滾動(dòng)方式與前座圏72、 80接合的多個(gè)前滾珠76。 后軸承組件65包括后內(nèi)座圈74、后外座圏82以及以滾動(dòng)方式與后 環(huán)74、 82接合的多個(gè)后滾珠78。軸承盒58包括由x射線管12支承 的套筒(stem) 83。定子(未示出)徑向設(shè)置在轉(zhuǎn)子62的外部并且驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)子62，轉(zhuǎn)子62以旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)耙組件56。在一個(gè)實(shí)施例中，受體 73設(shè)置成圍繞套筒83，并且在背板75處連到x射線管12。受體73延伸到靶軸59與軸承轂(bearinghub) 77之間所形成的間隙79中。 靶軌道材料86通常包括鴒或者鵠合金，以及耙基體57通常包括 鉬或鉬合金。熱存儲(chǔ)介質(zhì)90、如石墨可用于吸收和/或驅(qū)散在焦點(diǎn)61 附近積累的熱量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，把軌道材料86和靶基 體57可包括本領(lǐng)域已知為全金屬靶的相同材料。
在操作中，電子碰撞焦點(diǎn)61并產(chǎn)生x射線，其中所產(chǎn)生的熱量 使靶基體57的溫度增加，因而使熱量主要經(jīng)由輻射傳熱傳遞到周圍 部件，例如且主要為框架50。靶基體57中產(chǎn)生的熱量也通過把軸59 和軸承轂77以傳導(dǎo)方式傳遞到軸承盒58，從而引起軸承盒58的溫 度的增加。
沒有輻射涂層或其它表面改性，靶基體57可具有例如0.18的輻 射率。因此，來自靶組件56的輻射傳熱可受到限制，因而促進(jìn)軸承 盒58和靶組件56的其它部件增加的工作溫度。因此，為了減小到軸 承盒58的熱傳導(dǎo)以及增加到周圍部件的輻射傳熱量，輻射涂層92可 施加到靶軸59的外表面93。此外，輻射涂層97可施加到耙基體57 的表面99，而輻射涂層94也可施加到靶基體57的外周邊95。此外， 輻射涂層89可施加到耙基體57的表面91。
此外，輻射涂層可施加到框架50內(nèi)包含的其它表面，并且通常 以輻射方式與靶組件56交換熱量。例如，輻射涂層85可在外周邊表 面84施加到框架50,或者輻射涂層81可施加到軸表面88。另外， 輻射涂層98可施加到轉(zhuǎn)子62的表面69，或者輻射涂層67可在表面 96施加到受體73。另外，雖然輻射涂層67、 81、 84、 85和98僅在 其相應(yīng)表面的一小部分上示出，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，輻射 涂層67、 81、 84、 85和98與輻射涂層89、 94和97—樣可施加在它 們所施加到的相應(yīng)的整個(gè)表面。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98基于周期表中的族4、 5和6元素(以現(xiàn)代IUPAC命名)的耐火 碳化物、碳氮化物和硼化物(例如TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 Mo2C、 ZrB2、HfB2、 TiCxNy、 ZrQcNy和HfCxNy)。在碳化物的情況下，輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98還可包括Mo。在另一個(gè)實(shí)施例中，輻 射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98包括碳化硼(B4C)。在又一 個(gè)實(shí)施例中，輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98是耐火碳 化物、碳氮化物和硼化物與穩(wěn)定氧化物(包括但不限于A1203、 La203、 Y203、 Zr02和Hf02)的組合。可通過例如包括化學(xué)汽相沉積(CVD)、 物理汽相沉積(PVD)、熱/等離子體噴涂、冷噴涂、反應(yīng)釬焊(reacive brazing)、釬焊(brazing)和覆層(cladding)的工藝來施加輻射涂 層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98。
輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98可以是單相結(jié)構(gòu)或 多相結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)涂層的健壯性，這類涂層可包括多層、分級(jí)的 (graded)和/或復(fù)合微結(jié)構(gòu)。此外，在復(fù)合涂層的情況下，成分可以 是具有高輻射率的非氧化物或者是包括氧化物基材(matrix)(例如 A1203、 La203、 Y203、 Zr02和Hf02)中的至少一種熱輻射非氧化物(例 如ZrC或TiC)的復(fù)合物，它在高溫下與Mo合金是穩(wěn)定的。由于其有 利的介電性質(zhì)，這種氧化物增加有效輻射表面面積，因而增加來自其 中的輻射傳熱。
為了增強(qiáng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，薄擴(kuò)散阻擋層可施加在輻射涂層與它們所 施加到的相應(yīng)表面之間。因此，輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98可包括設(shè)置在輻射涂層67、 81、 85、 89、 92、 94、 97、 98與 其相應(yīng)表面96、 88、 84、 91、 93、 95、 99、 69之間的擴(kuò)散阻擋層。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，擴(kuò)散阻擋層可包含Ti、 Zr和Hf的氮化物和碳 氮化物，以及優(yōu)選候選物包括TiN、 ZrN、 HfN、 TiCN、 ZrCN和HfCN。
因此，根據(jù)本文所述的本發(fā)明的實(shí)施例，通過表面96、 88、 84、 91、 93、 95、 99、 69上增加的輻射率(emssivity)，經(jīng)由輻射從靶軸 59以及從扭基體57所傳遞出的熱量的增加因而減小經(jīng)由傳導(dǎo)從靶軸 59所傳遞出的熱量。因此，可降低靶組件56(包括靶軸59、軸承轂 77和軸承盒58)的工作溫度。圖3是與非侵犯式包裹檢查系統(tǒng)配合使用的CT系統(tǒng)的圖示。包 裹/行李檢查系統(tǒng)100包括可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架102,其中具有包裹或行李件可 通過的開口 104。可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架102容納高頻電i茲能量源106以及具有 由閃爍器單元組成的閃爍器陣列的檢測(cè)部件108。還提供了傳送系統(tǒng)
110，它包括傳送帶112，由結(jié)構(gòu)114支承以便自動(dòng)連續(xù)地通過開口 104傳遞待掃描的包裹或行李件116。對(duì)象116由傳送帶112通過開 口 104饋送，然后獲取成像數(shù)據(jù)，以及傳送帶112以可控且連續(xù)的方 式從開口 104取下包裹116。因此，郵政4企查人員、行李4般運(yùn)人員和 其它安全人員可通過非侵犯式檢查包裹116的內(nèi)含物中的炸藥、刀、 槍支、違禁品等。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于生成x射線的靶組件包括靶基體 以及施加到靶基體的一部分的輻射涂層，輻射涂層包含碳化物和碳氮 化物中之一或多種。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，制造x射線管靶組件的方法包括形 成包含Mo及其合金的靶基體以及在該基體上形成輻射涂層，其中輻 射涂層包含碳化物和碳氮化物中之一或多種。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例包括具有x射線檢測(cè)器和x射線放射源的 成像系統(tǒng)。X射線源包括陰極和陽極。陽極包括加到靶基底材料、具 有包含碳化物和碳氮化物中之一或多種的分子化合物的輻射涂層。
通過優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，大家知道，除非明確闡述，否貝寸， 其它等效方案、備選方案和修改方案是可能的，并且處于所附權(quán)利要 求書的范圍之內(nèi)。
部件列表
10成像系統(tǒng)20處理器
12X射線源22計(jì)算機(jī)
14X射線束24使用操作員控制臺(tái)的操作員
16對(duì)象26顯示單元
18檢測(cè)器28存儲(chǔ)裝置50 框架或外殼
52 X射線窗口
54 真空
56 陽才及或耙組件
58 軸承盒
57 靼基體
59 耙軸
67 輻射涂層
68 第一端
69 表面
70 第二端
72 前內(nèi)座圈
73 受體
81 輻射涂層
82 后外座圏
83 套筒
84 外周邊表面
85 輻射涂層
86 耙軌道材料 88 軸面
97 輻射涂層
99 表面
98 輻射涂層
100 包裹/行李^r查系統(tǒng) 102 可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架
104 開口
106 高頻電^f茲能量源
60陰極
61焦點(diǎn)
62轉(zhuǎn)子
63前軸承組件
64中心線
65后軸承組件
66中心軸
74后內(nèi)座圏
75背板
76多個(gè)前滾珠
77軸承轂
78多個(gè)后滾珠
79間隙
80前夕卜座圈
89輻射涂層
91表面
92輻射涂層
93外表面
94輻射涂層
95外周邊
96表面
108檢測(cè)器組件
110傳送系統(tǒng)
112傳送帶
114結(jié)構(gòu)
116包裹或4于李件
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生x射線(14)的靶組件(56)，包括靶基體(57)；以及施加到所述靶基體(57)的一部分的輻射涂層(67，81，85，89，92，94，97，98)，所述輻射涂層(67，81，85，89，92，94，97，98)包含碳化物和碳氮化物中之一或多種。
2. 如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，所述輻射涂層(67, 81， 85, 89， 92, 94， 97， 98)還包含穩(wěn)定氧化物，其包括八1203、 La203、 Y203、 Zr02和Hf02中之一。
3. 如權(quán)利要求1所述的靶(56),其中，所述輻射涂層(67， 81， 85, 89， 92， 94， 97， 98)包括碳化物，所述輻射涂層還包括Mo。
4. 如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，所述輻射涂層(67， 81， 85， 89, 92， 94, 97， 98)包括多層的、分級(jí)的和復(fù)合微結(jié)構(gòu)其中之
5. 如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，所述輻射涂層(67， 81， 85， 89， 92， 94， 97， 98)是單相材料和多相材料中之一。
6. 如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，經(jīng)由化學(xué)汽相沉積(CVD) 工藝、物理汽相沉積(PVD)工藝、熱/等離子體噴涂工藝、冷噴涂工藝、 反應(yīng)釬焊工藝、釬焊工藝和覆層工藝其中之一來施加所述輻射涂層 (67， 81, 85, 89, 92， 94, 97， 98)。
7. 如權(quán)利要求1所述的靶(56),其中，所述碳化物和碳氮化物中 之一包括族4元素、族5元素、族6元素和硼其中之一。
8. 如權(quán)利要求1所述的靶(56),其中，所述輻射涂層(67， 81， 85, 89, 92， 94, 97， 98)是B4C、 TiC、 ZrC、 HfC、 TaC、 Mo2C、 ZrB2、 HfB2、 TiCxNy、 ZrCxNy和HfCxNy其中之一 。
9. 如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，所述靶基體(57)包括靶面 (99)和外緣(94)，以及其中所述靶組件(56)還包括連到所述靶基體(57)的軸(59)，以及其中所述輻射涂層(67, 81， 85， 89， 92, 94， 97, 98) 施加到所述靶面(99)、所述外緣(94)和所述軸(59)其中之一。
10.如權(quán)利要求1所述的靶(56)，其中，所述輻射涂層(67， 81, 85, 89, 92， 94， 97, 98)包括碳化物，所述靶組件(56)還包括設(shè)置在 所述碳化物與所述靶基體(57)之間的擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層是 Ti、 Zr、 Hf的氮化物和碳氮化物中之一。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于增加X射線管中的輻射傳熱的裝置及其制造方法。一種用于產(chǎn)生X射線(14)的靶組件(56)，包括靶基體(57)以及施加到靶基體(57)的一部分的輻射涂層(67，81，85，89，92，94，97，98)，輻射涂層(67，81，85，89，92，94，97，98)包含碳化物和碳氮化物中的一種或多種。
文檔編號(hào)H01J35/00GK101582365SQ200910141789
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者D·M·利普金, D·M·格雷, D·鐘, G·A·施泰恩拉格, M·赫伯特, T·C·蒂爾尼, T·拉伯 申請(qǐng)人:通用電氣公司