用于利用相變熱交換的高亮度x射線管的冷卻裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高亮度X射線源。具體地，本發(fā)明涉及用于高亮度X射線源的冷卻裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的X射線源產(chǎn)生X射線是通過利用電子束來激發(fā)陽極從而產(chǎn)生X射線發(fā)射。在這過程中，幾乎所有的電子束的能量(比如99% )被轉(zhuǎn)換為熱量。對于目前的固定式微焦X射線管的陽極，IW/ μπι2的比功率密度和100W的總功率是典型的規(guī)格。在微焦X射線管中，被電子束(焦點)轟擊的陽極區(qū)域的面積很小，在幾十微米數(shù)量級上，以便獲得在高分辨率X射線下成像的小的源尺寸。利用金屬導(dǎo)熱機理，產(chǎn)生的熱量將傳遞在體積約Imm3的陽極上，但陽極的中心不被熔化。然而，僅靠在這種小體積的表面上的黑體輻射速率，不足以將功(率)輻射至由水或空氣進行冷卻的外部輻射吸收裝置。熱量傳導(dǎo)至一個輻射更大的區(qū)域時，將不得不通過一個長的金屬導(dǎo)熱通道，而這個通道不能將大量的熱量轉(zhuǎn)移掉，而這些大量的熱量會引起溫度顯著上升，導(dǎo)致能夠熔化被電子束轟擊的點。旋轉(zhuǎn)陽極可以使熱量分布在一個更大的區(qū)域，以避免熔化陽極。對于目前的旋轉(zhuǎn)陽極，2x10 2W/ym2的比功率密度和1kW的總功率是典型規(guī)格。同樣的原因，對于所需的X射線亮度，功率密度無法進一步提高。大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)備采用液體對流的方法(包括液態(tài)金屬和水)來冷卻陽極。然而，液體對流熱交換系數(shù)不夠高，以至于不能將大量熱量轉(zhuǎn)移掉，而這些大量的熱量會引起能夠熔化被電子束轟擊的點的溫度顯著上升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在本發(fā)明的實施例中，利用相變熱交換裝置，以提供與熱阻抗相匹配的熱轉(zhuǎn)移，所述熱阻抗是小的受熱的金屬陽極表面與大的黑體輻射或?qū)α鲹Q熱的表面之間的熱阻抗。結(jié)果是，這些設(shè)計允許X射線光源的亮度大幅增加，同時顯著提高X射線管的壽命。
[0004]在一些實施例中，利用噴射沸騰蒸發(fā)或薄膜蒸發(fā)的相變熱交換方法，被用作熱轉(zhuǎn)移機制，以匹配被電子束加熱的金屬陽極的小區(qū)域與經(jīng)輻射冷卻或?qū)α骼鋮s的表面的大區(qū)域之間的熱阻抗，而無需任何固體或液體連接。
[0005]按照本發(fā)明的目的，為了實現(xiàn)這些及其他優(yōu)點，本發(fā)明提供一種X射線發(fā)生器，所述X射線發(fā)生器包括:一用于發(fā)射電子束的陰極；一陽極；用于聚焦和引導(dǎo)電子束到所述陽極上的對準和聚焦裝置；密封的X射線管，用于包封所述陰極、所述陽極及所述對準和聚焦裝置；與所述X射線管相連的封閉的熱交換室，其中所述陽極或者構(gòu)成所述熱交換室器壁的一部分，或者與所述熱交換室器壁的一部分為熱接觸狀態(tài)；一金屬，所述金屬設(shè)置于所述熱交換室中作為由液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵獾南嘧儾牧?；以及一輸送裝置，所述輸送裝置用于將所述金屬的液體輸送到所述熱交換室器壁部分。
【附圖說明】
[0006]圖1示意性地顯示了，在本發(fā)明的一個實施例中，帶有冷卻裝置的X射線發(fā)生器系統(tǒng)。
[0007]圖2示意性地顯示了，在本發(fā)明的另一實施例中，帶有冷卻裝置的X射線發(fā)生器系統(tǒng)。
[0008]圖3示意性地顯示了用于第一或第二實施例中的陽極。
【具體實施方式】
[0009]本發(fā)明的實施例提供了一種利用相變材料來冷卻X射線管的陽極的裝置，所述相變材料將熱量從陽極的背面轉(zhuǎn)移掉。由于在使用水或某些液態(tài)金屬的噴射沸騰蒸發(fā)方法下和在使用液態(tài)金屬的薄膜蒸發(fā)方法下，熱交換通量可達到107W/m2，因此這些相變熱交換方法可以用作熱轉(zhuǎn)移機制，以匹配被電子束加熱的金屬陽極的小區(qū)域與經(jīng)輻射冷卻或?qū)α骼鋮s的表面的大區(qū)域之間的熱阻抗，而無需任何固體或液體連接。
[0010]圖1示意性地顯示了，在本發(fā)明的第一實施例中的X射線源，其中，使用相變熱交換法對在X射線源中的陽極進行冷卻。X射線源可以是微焦X射線管。陰極101發(fā)射電子束102，所述電子束被對準磁鐵裝置103所調(diào)準，并進一步由電磁裝置(物鏡)104聚焦在固定陽極105的小區(qū)域上。當(dāng)電子束轟擊陽極105時，陽極發(fā)射出從X射線管的X射線窗口106處離開的X射線106A，所有上述部件均包封在真空管(外殼)107內(nèi)。陰極101和陽極105被連接于適當(dāng)?shù)碾妷?圖中未顯示)。
[0011]受到電子束轟擊的陽極上的點和陽極附近的區(qū)域，會被加熱到很高的溫度(例如1000°C或更高)，并能夠通過輻射散熱。輻射能量能夠穿透輻射透明外殼107而離開真空管。所述能量可由外部輻射吸收裝置(未顯示)來散熱，而所述外部輻射吸收裝置可進一步用對流方法進行冷卻。
[0012]在本實施例中，為了提供更強的冷卻，將真空管107與相變熱交換室109相結(jié)合，其中陽極105安裝在真空管和熱交換室之間的共用器壁上，從而使得陽極的背面(側(cè))暴露于熱交換室的內(nèi)部。來自陽極105背面(側(cè))(即遠離陰極的一側(cè))的熱通量，通過相變機制被轉(zhuǎn)移到熱交換室109的更大的器壁表面上。為了實現(xiàn)這一點，位于熱交換室109內(nèi)的噴射式噴射器108將液體噴射流IlOA噴射于陽極105的受熱點的背面，而液體在該表面上蒸發(fā)從而帶走熱量。然后蒸氣在相變熱交換室109的冷的內(nèi)表面上冷卻，冷凝后形成液體。冷凝物沿側(cè)壁落至熱交換室109的底部(如箭頭所示)，積累的液體110被栗111循環(huán)至噴射式噴射器108。該栗111和相關(guān)的管道可以設(shè)置在熱交換室109的內(nèi)部或外部。
[0013]所述液體是經(jīng)選擇的、進行熱交換且適用于高溫應(yīng)用的由液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵獾南嘧儾牧?L-V PCM)。合適的材料包括金屬，如鈉(Na)、鉀(K)、錫(Sn)等，及其合金。外殼109應(yīng)保持密封，并且除了內(nèi)部的L-V PCM之外無其他任何液體或氣體。
[0014]用于噴射液體金屬的噴射器是為人所知的，任何合適的噴射器可用于本實施例。使用噴射器可以確保將所需數(shù)量的液體金屬輸送到熱表面。在圖1的例子中，以陽極被設(shè)置為，其背面被水平放置在熱交換室的頂部，而噴射器位于陽極背表面的下方。在另一個例子中，該陽極可以被設(shè)置成其背表面是垂直或近乎垂直的。在另一個例子中，陽極的背表面位于熱交換室底部附近，并設(shè)有用于包含所述液態(tài)PCM的儲存器，并將該液體栗送至位于陽極上方的噴射器。
[0015]此外，除了噴射器，也可以利用其他輸送方式來將相變材料輸送給陽極用于蒸發(fā)。例如，降膜(falling flim)法可以被用來在陽極的背面形成液態(tài)金屬的薄膜，當(dāng)陽極背面被設(shè)置為垂直或近乎垂直時。
[0016]熱交換室109外殼，可以用對流方式如強迫空氣冷卻等，從外部進行冷卻(未在圖中顯示)。
[0017]圖3更詳細地顯示了在一個實施例中陽極105的結(jié)構(gòu)。陽極105是一片金屬，其構(gòu)成了位于在X射線管外殼和熱交換室外殼之間的一部分共用器壁105A。為了加強從陽極的正面到背面的熱轉(zhuǎn)移，陽極在105A中被電子束轟擊的附近區(qū)域要比器壁的其他部分薄，在這個實施例中，陽極本身形成了熱交換室外殼的一部分。或者，如圖3A所示，陽極105可以被安裝在構(gòu)成外殼一部分的金屬板105A上，而液態(tài)PCM被噴射在板的背面。熱量從陽極105被轉(zhuǎn)移到板的背面105B，而液態(tài)金屬被噴射到該背面。圖3A中的結(jié)構(gòu)一種變化形式是陽極105被安裝在板105B的凹槽處。
[0018]圖2示意性地顯示了，在本發(fā)明的第二實施例中的X射線源。該系統(tǒng)與圖1中所示的第一個實施例相似，不同點在于:在外殼209內(nèi)包封了額外的熱交換管系統(tǒng)。相同的組件用相同的數(shù)字標記:陰極201，電子束202，對準磁鐵裝置203，電磁鐵裝置(物鏡)204，陽極205，X射線206A，真空管(外殼)207，噴射式噴射器208，熱交換室209，L-V PCM 210，PCM液體噴射流210A，和栗211，它們執(zhí)行的功能與圖1的實施例中對應(yīng)的組件所執(zhí)行的功能是相同的。
[0019]熱交換管212設(shè)有流體入口 213和出口 214，而冷卻液體(如水)在管中循環(huán)。管的表面提供額外的冷卻表面，以用來凝結(jié)熱交換室209內(nèi)的L-V PCM的蒸氣，而熱量被冷卻液體帶走。
[0020]綜上所述，因為在操作過程中X射線管的陽極變得非常熱，因此金屬可以用作由液體變?yōu)檎魵獾南嘧儾牧?，從而將熱量從陽極轉(zhuǎn)移到一個更大的冷卻表面。噴射器可用于將液體金屬噴射在陽極的背面，而在此背面上液體金屬被蒸發(fā)。該系統(tǒng)可以有效地將熱量從小面積的陽極背面移走。
[0021]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然可以在不背離本發(fā)明的精神或范圍情況下，對本發(fā)明的X射線發(fā)生器結(jié)構(gòu)和相關(guān)方法進行各種不同的改動或修改。因此，應(yīng)理解，本發(fā)明覆蓋了這些改動或修改形式，它們同樣落于本申請所附權(quán)利要求書及其等同形式所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種X射線發(fā)生器，其特征在于，所述X射線發(fā)生器包括: 一用于發(fā)射電子束的陰極； 一陽極； 用于聚焦和引導(dǎo)電子束到所述陽極上的對準和聚焦裝置； 密封的X射線管，用于包封所述陰極、所述陽極及所述對準和聚焦裝置； 與所述X射線管相連的封閉的熱交換室，其中所述陽極或者構(gòu)成所述熱交換室器壁的一部分，或者與所述熱交換室器壁的一部分為熱接觸狀態(tài)； 一金屬，所述金屬設(shè)置于所述熱交換室中作為由液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵獾南嘧儾牧希灰约? 一輸送裝置，所述輸送裝置用于將所述金屬的液體輸送到所述熱交換室器壁部分。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述輸送裝置包括設(shè)置在所述熱交換室中的噴射器，所述噴射器用于將所述金屬液體噴射于所述熱交換室器壁部分。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述輸送裝置還包括栗，所述栗用于將所述液體輸送至所述噴射器。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述熱交換室器壁部分水平設(shè)置于所述熱交換室的頂部，并且所述噴射器位于所述部分的下方。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述熱交換室器壁部分是垂直放置的。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述熱交換室器壁部分被設(shè)置為基本垂直，并且所述輸送裝置在該部分上面形成了液體金屬的降膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述X射線發(fā)生器還包括設(shè)置于所述熱交換室中且連接于流體入口和流體出口的熱交換管，所述熱交換管用于使冷卻液體在管內(nèi)流動。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線發(fā)生器，其特征在于，所述金屬選自下組:鈉(Na)、鉀(K)、錫(Sn)和它們的合金。
【專利摘要】一種利用相變材料對X射線管的陽極進行冷卻的裝置，該裝置將熱量從陽極轉(zhuǎn)移走。X射線管與密封的熱交換室相結(jié)合，該熱交換室含有液體金屬，作為由液體變蒸氣的相變材料(L-V？PCM)。陽極的背面暴露于該熱交換室的內(nèi)部，在熱交換室內(nèi)的噴射式噴射器將液體金屬噴射于受熱的陽極的背面。L-C？PCM在該表面上蒸發(fā)，從而帶走熱量，然后蒸氣在熱交換室的冷表面上凝結(jié)成液體。熱交換室的表面可以通過對流冷卻進行冷卻。任選地，熱交換室內(nèi)部可設(shè)有含有循環(huán)冷卻液的管道。
【IPC分類】H01J35/10
【公開號】CN105229770
【申請?zhí)枴緾N201480025191
【發(fā)明人】項曉東
【申請人】項曉東
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2014年5月5日
【公告號】US20160064176, WO2014179792A1