阅读说明：本技术 无氧铜外罩的软x射线管 (Soft X-ray tube with oxygen-free copper outer cover ) 是由 申云峰 柯炳育 申龙来 朱甫 胥广通 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无氧铜外罩的软X射线管,包括发射X射线的放射端子、供X射线撞击并将其反射的阳极、约束X射线使其定向发射的集束管、设置于放射端子两端用于为其供电的导电杆,其特征在于,阳极完全裸露在外部,导电杆的位置设置有作为阴极固定底座存在的陶瓷绝缘子,陶瓷绝缘子上开设有贯通孔,导电杆通过贯通孔穿过陶瓷绝缘子,阳极与陶瓷绝缘子之间设置有外罩,外罩与陶瓷绝缘子之间设置有用于连接两者的可伐接头,通过改变可伐接头的长短可以改变阳极与陶瓷绝缘子的间距。本发明的有益效果是,本发明将常规X射线管的阳极直接暴露在空气中,通过大面积的与空气接触,从而实现靶极热量的快速散出,从而避免因热量聚集而加速老化。(The invention discloses a soft X-ray tube with an oxygen-free copper outer cover, which comprises a radiation terminal for emitting X-rays, an anode for impacting and reflecting the X-rays, a bundling tube for restraining the X-rays to be emitted directionally, and conductive rods arranged at two ends of the radiation terminal and used for supplying power to the radiation terminal. The invention has the advantages that the anode of the conventional X-ray tube is directly exposed in the air and is contacted with the air in a large area, so that the heat of the target is rapidly dissipated, and the accelerated aging caused by heat accumulation is avoided.)

无氧铜外罩的软X射线管

技术领域

本发明涉及电子射线管领域，特别是一种无氧铜外罩的软X射线管。

背景技术

软X射线管的原理为，当加热的钨灯丝产生的热电子经过管电压的加速后撞击靶极时产生X射线。如果加速的电子碰撞瞬间的速度是v，则电子的运动能量是1/2mv2,加速的电子碰撞停止的瞬间，这个运动能量转化为X射线和热能，成立“运动能量是1/2mv2＝X射线能量+热能”这样的关系。在普通的医疗诊断用加速电压范围(150kv以下)，入射电子束能量的1％左右转换成X射线，99％的能量转换成热能，并且所产生的X射线中只有一部分放射到可利用的照射角度内。

当前的消除静电用软X射线管结构中，铍窗内面的靶极为镀金材质且产生的X射线跟电子束同方向。这样的结构虽然可以加大照射角度，但由于X射线的穿透率限制镀金靶极的厚度，所以会影响靶极的耐久性。并且产生X射线时在铍窗内面的镀金靶极上所产生的部分热量通过窗口排到外部，余下的热量传达到铍窗支撑杆通过外表面散发，但由于铍窗支撑杆的导热率较低，所以具有靶极因受热加速损坏的弊病。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有结构散热效率低，整体结构容易老化的问题，设计了一种无氧铜外罩的软X射线管。

实现上述目的本发明的技术方案为，无氧铜外罩的软X射线管，包括发射X射线的放射端子、供X射线撞击并将其反射的阳极、约束X射线使其定向发射的集束管、设置于所述放射端子两端用于为其供电的导电杆，所述阳极完全裸露在外部，所述导电杆的位置设置有作为阴极固定底座存在的陶瓷绝缘子，所述陶瓷绝缘子上开设有贯通孔，所述导电杆通过所述贯通孔穿过所述陶瓷绝缘子，所述阳极与所述陶瓷绝缘子之间设置有外罩，所述外罩与所述陶瓷绝缘子之间设置有用于连接两者的可伐接头，通过改变所述可伐接头的长短可以改变所述阳极与所述陶瓷绝缘子的间距。

为了发挥各部件的最高性能，所述阳极的材质为无氧铜材质，所述外罩的材质为无氧铜材质，所述集束管为镍集束管，所述导电杆为镍导电杆。

考虑到实际使用时，可能会出现热量急需散热或保持较低温度的可能，所述阳极的外形为圆筒型，所述阳极的端面上设置有便于外接散热件从而提高所述阳极散热能力的固定塞。

作为另一种外罩结构的实施方式，为了增强散热性能，所述阳极和所述外罩的外形为梳齿状的片状结构。

除了上述基本结构外，还包括以下结构，所述外罩的侧面上开有空槽，在该空槽位置设置有铂窗，所述铂窗与所述外罩之间设置有便于所述铂窗固定的支撑杆，所述外罩的侧面且与所述铂窗相对的位置开设有用于管腔排气的真空排气管。

所述电极杆与所述陶瓷绝缘子外端面接触的位置设置有圆盘，该圆盘能够支撑所述电极杆使其稳固在所述陶瓷绝缘子上。

为了提高X射线量的同时加快热量传递，所述阳极的靶极采用镀金膜靶极，所述放射端子为环形钨灯丝。

其有益效果在于，1.本发明将常规X射线管的阳极直接暴露在空气中，通过大面积的与空气接触，从而实现靶极热量的快速散出，从而避免因热量聚集而加速老化。

2.在材料的选择上，靶极的材质选用金靶极，利用金材质能激发更多的X射线，同时具有更高散热性能的特点，配合本产品结构的快速散热性能，实现本发明功率效率的提高。

3.本发明的外罩与陶瓷绝缘子之间通过可伐接头连接，可伐接头的长短可以改变，利用这一点，能够调节外罩与陶瓷绝缘子的距离，而阳极靶极与外罩相对位置固定，阴极放射端子与陶瓷绝缘子相对位置固定，因此也就变相的调节了阳极靶极与阴极放射端子的距离，进而就实现了对X射线激发距离的调节。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明增加散热结构的结构示意图；

图3是现有X射线管的一种结构示意图；

图4是现有X射线管的另一种结构示意图；

图5是本发明的结构装配流程图；

图中，1、放射端子；2、阳极；3、集束管；4、导电杆；5、陶瓷绝缘子；6、贯通孔；601、圆盘；7、外罩；701、铂窗；702、支撑杆；703、真空排气管；8、可伐接头；9、固定塞。

具体实施方式

为了使本领域技术人员清楚明确本发明的技术点，下面将先对现有X射线管的结构原理进行说明，以通过两者的区别说明本发明的优越性。

当加热的钨灯丝产生的热电子经过管电压的加速后撞击靶极时产生X射线。如果加速的电子碰撞瞬间的速度是v，则电子的运动能量是1/2mv,加速的电子碰撞停止的瞬间，这个运动能量转化为X射线和热能，成立“运动能量是1/2mv＝X射线能量+热能”这样的关系。在普通的医疗诊断过程中，加速电压范围在150kv以下，入射电子束能量的1％左右转换成X射线，99％的能量转换成热能。而所产生的X射线中只有一部分放射到可利用的照射角度内。而在实验室中，在以MV单位的高能量加速情况下，转换成X射线的效率可达到40％以上。加速的电子跟靶极冲突时，不是一瞬间失去所有能量而是通过几个阶段释放能量，每个阶段放出对应的任意频率的X射线产生连续光谱。这时产生的X射线光谱的最高频率和加速电压的关系如下式。

eV＝hυ_M＝(1/2)mv²,υ_M＝V/(12.40×10³)

υ_M:X射线最高频率

h：弗兰克常数

V：电子(e)加速电压(管电压)

ν：电子的速度

m：电子的质量

所发生X射线量与靶极材料的原子序数正相关，在高功率X射线管中电子束撞击靶极时，由于在焦点产生大量的热量而易于引起靶极损伤，所以除了靶极材料的原子序数以外，其热容量、热传导性、熔点等均是分析材料是否适合做靶极的重要考虑因素。因而一般靶极材料使用原子序数为74，具有高熔点的钨(W)或钨合金。如果采用原子序数为79的金(Au)作为靶极材料，则在同样的加速能量条件下比原子序数为74的钨增加7％左右的X射线发生量。

X射线的发生量与管电流和管电压也有关系，如果提高管电压则X射线的发生量会以电压平方的比例增加，并会根据不同靶极材料产生特征线，所发生的X射线光谱向高能量方向移动。X射线的发生量(I_int.)可参照下式。

I_int.∝iZV^b

i：管电流

Z：原子序数

V：加速电压(管电压)

b：任意常数(～2)

上面说明了常规软X射线管的基本原理特性，下面将结合附图3-4对其具体结构继续说明。

常规的消除静电用软X射线管具有如图3和图4所示的结构，如图4的结构铍窗内面的靶极为镀金材质且产生的X射线跟电子束同方向。一方面，这样的结构虽然可以加大照射角度，但由于X射线的穿透率限制了镀金靶极的厚度(靶极较薄，如果镀金靶极太厚会导致X射线无法穿透)，而较薄的厚度又会影响靶极的耐久性；另一方面，产生X射线时在铍窗内面的镀金靶极上所产生的热量只有部分通过窗口排到外部，余下的热量传达到铍窗支撑杆702通过外表面散发，但由于铍窗支撑杆702的导热率较低，所以常规的结构还具有靶极因受热加速损坏的弊病。

如图3的结构利用了跟电子束成90度方向放出的X射线。这样的结构虽然有改善靶极耐久性的优点，但是具有照射角度小(40度左右)的缺点，并具有连续使用时因阳极2的结构造成由于阳级积累的热量不能及时排到外部使整体温度上升引起故障的缺点。而且，图3和图4所示结构的外罩7材质全都是玻璃，具有抗冲击性比较弱的缺点。

为了避免上述所提到的现有结构的弊端，现将本发明的具体结构说明如下：

本发明为了实现对现有结构的改进，通过三个方面对其进行改制，主要为：

1.将阳极2暴露在外，从而有利于自身散热。

2.以无氧铜外罩7代替玻璃外罩7而增加了抗冲击性。

3.各部件均采用真空钎焊装接，确立了可再现性工艺。

结合附图1-2进行详细说明，本发明的阳极2采用无氧铜阳极2，该阳极2直接裸露在空气中，利用其表面直接与空气接触的特点实现阳极2温度的快速散热，该无氧铜阳极2的主体为上部圆台下部圆柱的圆筒型结构，在圆柱结构的底面中心位置有凸出的结构，该凸出部位末端形成倾斜的靶极，为了进一步的扩大该阳极2的散热能力，在此结构基础上，无氧铜阳极2的圆台顶部端面上还开设有固定塞9，必要时可以另行装接防热配件,加速靶极的散热。

本发明的阴极结构与现有产品的结构相同，均是由集束管3和陶瓷绝缘子5两部分组成，集束管3中放置有环形钨灯丝，该环形钨灯丝即为释放X射线的核心部件，为了给环形钨灯丝通电，环形钨灯丝的两端设置有镍电极杆，环形钨灯丝通过支撑杆702与镍电极杆连接，陶瓷绝缘子5中部开设有贯通孔6，镍电极杆穿过贯通孔6与外部电极连接，而且在镍电极杆与陶瓷绝缘子5外底面接触的部位固定有圆盘601，用于加强镍电极杆的牢固性，其中，环形钨灯丝通过电焊与镍电极杆连接后组装在镍集束管3上，镍电极杆与圆盘601钎焊，并在钎焊的地方需要先利用钼膏做金属化处理。

上面说明了本发明产品的阳极2结构和阴极结构，接下来需要将两者连接成一个整体，用于连接阳极2和阴极的结构即为设置于两者之间的环形外罩7，外罩7同样选用无氧铜材质，以便将靶极焦点上产生的热量通过阳极2向外排放。除靶极焦点之外加热钨灯丝时也会产生X射线管内部热量，钨灯丝产生的大部分热量也将通过外罩7导热并迅速向外排出，阳极2和外罩7均选用了导热性强的无氧铜做材质，可以保证两者的温差降到最低。

考虑到靶极上产生的X射线需要特定窗口才能散发到外界。因此，在环形外罩7的一侧面上开设有窗口，该窗口位置设置有铂窗701，铂窗701与外罩7的窗口之间通过支撑杆702连接，铍窗口由透射X射线的铍箔圆盘601在窗支撑杆702上钎焊而成。在消除静电用软X射线管发生的X射线具有软X射线领域的低能量，需用0.12t的铍箔为透过窗口，而且在消除静电用软X射线管中照射角度是非常重要的参数，取决于铍窗大小及铍窗与靶极焦点间距，因此铂窗701的大小与窗支撑杆702的厚度是很重要的结构。

考虑到需要外罩7内空间维持真空环境才能保证X射线的正常激发。因此，在环形外罩7的另一侧面上开设有连通外罩7内外空间的通孔，该通孔上设置有真空排气管703，其使用方法为，在本发明的整体结构组装完成后，通过真空排气管703所在的通孔抽气，使X射线管的内空间真空，然后安装真空排气管703将该通孔封堵。除上述作用外，该真空排气管703的设置，还能为X射线管的后期维护提供便利，避免了对外罩7的拆卸破坏，降低了维护成本。

外罩7的结构上面已经进行了详细的描述，下面将说明外罩7与阴极的连接方式，在外罩7与阴极之间设置有可伐接头8，可伐接头8为一个环形薄片，可通过增减可伐接头8的长短来改变阳极2与阴极的间距，进而调整X射线从环形钨灯丝到靶极的距离。

这里对铂窗701口的必要性进行说明，本发明X射线管的输出功率大约5W左右，加速电压大约10kv，不受因靶极焦点产生的热量而引起的损坏问题的限制，因此可以自由选择靶极材料，所以这里选用了镀金(Au)的靶极。为产生软X射线需输入相应波长的加速电压，而加速电压为10kv左右，所以所产生的X射线的能量小不能穿过玻璃外罩7等外部结构，所以在X射线管结构上必须要有铍窗口。

至此，已经说明了本发明所述无氧铜外罩7软X射线管的整体结构，在此结构之外，本发明还提供另一种结构方式：

如图2所述，阳极2和外罩7的外表面设置成梳齿状的散热片结构形式，从而增加了阳极2与空气的散热接触面积，能进一步的提高阳极2的散热效率。

上面说明了各个零件构成，下面将说明本发明所述X射线管是如何组装成品的，具体装配过程如下：

各部位及整体组装由钎焊而成，其顺序如图5所示。首先需将陶瓷绝缘子5金属化，在陶瓷绝缘子5上钎焊各部件的位置上做钼金属化处理，在陶瓷绝缘子5一侧钎焊可伐接头8，通过陶瓷绝缘子5中的贯通孔6穿通镍电极杆，其末端有电极杆支撑圆盘601，将此电极杆支撑圆盘601和陶瓷绝缘子5钎焊装接。

在上述镍电极杆另一端上点焊支撑杆702之前，需先组装镍电极杆和环形灯丝、支撑杆702、及集束管3所组成的阴极部，组装顺序是在支撑杆702上点焊环形灯丝，在支撑杆702上固定装接集束管3，装接好上述环形灯丝和集束管3的支撑杆702将同镍电极杆另一端点焊接合。

之后，在无氧铜阳极2的斜面靶极上镀金(Au)膜。

其次，在上述陶瓷绝缘子5底座上钎焊可伐接头8，在上述可伐接头8上钎焊无氧铜外罩7，在上述无氧铜外罩7上钎焊无氧铜阳极2。

再次，在上述无氧铜外罩7的上端开铍窗，先在上述无氧铜外罩7的上端钎焊铍窗支撑杆702，在铍窗支撑杆702上钎焊由铍箔组成的铍窗。最后，通过真空排气管703进行真空排气使内部成真空状态后对真空排气管703封口，当组装完成基础真空度达到～10-9torr后再烘烤，在加热状态下真空度达到～10-7torr时封口。

为了使本领域技术人员相信本发明产品的真实性，下面通过在某特定条件下，本发明的实际测量值进行说明：

实验测量1.运行条件为：阴极部的镍电极杆上加管电压-10Kv(根据消除静电的要求，本发明在阴极的镍电极杆上输入-9kv～-11kv的电压)，管电流0.7mA，灯丝加热电压6V，灯丝加热电流0.9A。

室内大气中，距铍窗口1m的位置用测量仪测量了X射线量。测量的X射线量是中心部(0度)：30000mR/hr；20度：25000mR/hr；35度：20000mR/hr；35度以上时锐减了几千mR/hr(即角度大于35度时已不再适用)。根据测量的数据可以确认，本发明的照射角度是70度(左右各35度)。

实验测量2.运行条件是在阴极部的电极杆上加管电压-10Kv，管电流0.7mA，灯丝加热电压6V，灯丝加热电流0.9A。

在室温20℃时测量了运行后不同时间段阳极2的温度变化。测量结果：(阳极2和外罩7的温度差小于0.25℃，这里默认两者相同)其值如下：

如果在阳极2的固定塞9上另装防热配件，或将阳极2与外罩7做成散热片式防热结构的话，可将温度降低至40度以下。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。