具有轴承的辐射发射设备及其制造方法

专利名称：具有轴承的辐射发射设备及其制造方法
技术领域：
本发明的一个实施例是辐射发射设备，例如装备了具有轴承的旋转阳极的筒的X-射线管及其制造方法。本发明的一个实施例可用于医学照相，在使用高能辐射发射设备时还能用于无损探测及控制领域。
背景技术：
例如在放射学中，X-射线由装备了绕轴旋转阳极的电子管产生。在阴极和阳极之间产生的强电场使得阴极发射的电子撞击阳极，产生X-射线。对此X-射线而言，正极性沿其轴施加在阳极上，而负极性施加在阴极上。所述设备主要通过绝缘片或电子管壳体绝缘。该壳体可由玻璃部分地制成。
当所述管在高能状态下使用时，在阳极上电子的碰撞会使阳极产生异常发热效应。如果所述能量过高，阳极的发射体轨迹可能退化并布满碰撞孔凹痕。为了防止这类过热，阳极制造成旋转以便不断更新和不断冷却的表面出现在电子流面前。管的电动机因此驱动阳极的轴在机械轴承中自由旋转。所述轴设置在阳极腔中。阳极腔在阳极的支撑中自身形成。一方面，轴承被阳极支撑支持，另一方面，它又支持阳极轴。
在实践中以及在工业规模制造时，轴承由与少量应用的磁轴承成对比的标准球轴承组成。旋转阳极产生的问题起源于在轴承的轴旋转期间滚珠的金属涂层快速磨损。使用寿命结果约为100小时，提供了约为6个月至1年的管使用周期。为克服这些问题球可以涂覆金属，以薄层的形式的铅或银。
为了减少金属层的过早磨损，润滑膜置于滚珠和轴承表面之间、轴承和阳极轴之间的界面上。腔内部填充镓-铟-锡基液体。选取这样的液体是因为其改善摩擦系数、减少滚珠之间的碰撞噪音和增大由于阳极的发热或者通过对流或者通过传导的方式向固定部分的热传递。通常不选其它润滑液体，因为它们的排气性能不佳。
镓-铟-锡基合金的使用已经被证明是麻烦的根源。实际上，这种合金在环境温度(自摄氏10度开始)下成液态，一与空气接触即迅速氧化。该氧化物为固态并且在大约一到两分钟的极短时间内呈表面膜的形状。这意味着在中性气氛或真空下对这种液体的任何工业规模的处理必须有些预防措施。此外，该膜没有润滑特性，确实差得远呢。而且镓有高腐蚀性的。如果这样的混合物进行处理，即使在实验室中，液体可能被撒出或可能漏出或溢出，在处理表面上产生坑洼或沉淀。在白色例如清洁的空间、尤其在制造过程中的系统中(在管道的壳内)接下来要除去所有这些坑洼或沉淀将会非常困难。即使锈被擦掉，它会在几秒内以其它褐色锈在刚刚清理掉(但不彻底)的位置重新出现。因而空间的状态不满足制造的质量要求。
因而困难有两类在实验室或工厂中合金本身的处理，以及在管道制造期间在真空下它的插入轴承的方式。因而，尽管其对与轴承的滚珠有关联的轴承的润滑起作用，该液体的纯度可能随着时间的推移退化并且最终在滚珠涂敷的情况下没有任何效果。
目前和将来为了改善诊断，电子管需要的功率不断升高。功率的提高使阳极的重量增加到6-8公斤。因此，轴承中的作用变得关键。因而，就使用在2转每秒的连续旋转的计算机摄影而言，轴承受到大约8G的加速度。3到4转每秒的转速是期待的。因此，轴承的使用寿命，以及因此所述管、附带所述滚珠和所述液体的使用寿命，将在时间上受限。实际上，因为和如果轴承内部出现发热和摩擦，所述液体可能丧失其特性并因此失去其品质。
旋转阳极的使用必须进一步满足三种主要的限制。第一，阳极的旋转必须尽可能自由和充分，并且动平衡的简单解决方案必须计划来防止管在阳极旋转时摇动。第二，阳极必须能够承受高电压(通常，钢制的球轴承满足该目的)。第三，阳极靶上电子的碰撞产生的热量和在轴中扩散必须有效释放。
JP-A-5258691描述了一种球轴承由镓合金润滑的装置。然而，该装置不满足上述限制。实际上，由于转子的大直径在那里平衡很困难，热释放由小尺寸的固定轴产生，并且没有作改善热和电传导的设计。
US 6125168公开了一种其中仅仅使用镓合金改善热传导的X-射线管。US6160868也提供用镓合金改善热导率。US 6377658属同一类型，US 6192107同样。US 4943989提供了阳极本身的冷却。由于热的原因，US 3719847提供一种汽化然后恢复到液态的液体金属。US 2003/0165217仅提供热分流。

发明内容
本发明的一个实施例为一种辐射发射设备，例如X-射线管，包括一壳体，其中产生辐射。壳体中布置有阴极和正对阴极并绕轴旋转的阳极，以及一个固定的阳极轴支撑。该支撑包括固定腔，阳极轴被固定在腔中。该支撑为可移动筒状。该支撑具有球轴承。支撑腔填充液体润滑剂，例如镓-铟-锡合金。该腔在轴出口提供用于防止合金从腔中泄漏的装置，这种装置是，例如密封封口装置。
本发明的一个实施例为一种把旋转阳极固定在辐射发射设备例如X-射线管的方法。该方法包括提供固定在阳极支撑腔内的阳极轴。在腔内建立真空。在真空下的阳极腔填充液体润滑剂，例如镓-铟-锡合金，并且因此形成一个筒。所述筒固定安装在辐射发射设备例如X-射线管中。


由于下文的描述和附图将使本发明的实施例更加清楚的理解。提供这些图仅仅是为了表示而绝不是限制本发明的范围。关于这些图图1是按照本发明一个实施例的X-射线管的示意性截面图；和图2是按照本发明一个实施例的筒的截面图。
部件列表X-射线管1壳体2壁3旋转阳极4阴极5电动机6阳极轴7阳极轨道8X-射线9窗10阳极支撑11
腔12轴承或制轮器13通道14通道15插孔16组合环17槽18位置19包封形状20两个正对的径向表面21和22轴23边界24第一轴肩25第一球轴承26衬套27第二球轴承28滚道29和30固定螺母31螺纹32最后轴肩33支撑环34安全环35末端36螺旋弹簧37后部38两个螺钉39和40具体实施方式
为解决这些问题并满足这些限制要求，本发明的一个实施例提供了用于X-射线管的筒。在本发明的一个实施例中，阳极支撑形成一个容易取出和替换的筒。筒包括以球轴承安装在固定支撑的腔内的阳极轴。当它安装在例如计算机摄影装置上时，这些轴承与管受到的高离心加速力很相称。为改善旋转，其中的滚珠不再需要用钢制造，而是可用具有很低的滚动阻力系数的陶瓷(在一个例子中是氮化硅)制造。于是不再由滚珠提供的电源和热释放由液体润滑剂例如镓-铟-锡液体金属合金提供。在筒的腔内阳极轴浸在合金中。整个腔充满合金。对填充而言，在注入合金前首先将腔抽真空。在固定到管上时，可移动阳极固定在阳极轴的一端。
本发明的一个实施例中，整个轴将浸没在液体材料的合金中，同时腔的紧密封由放置于轴出口处的密封封口装置生成。
图1表示按照本发明一个实施例的X-射线管1。管1具有壳体2。例如，壳体2被管1的壁3限制。管1还有旋转阳极4。旋转阳极4这样设置使得正对阴极5。在管1的壳体2中是驱动阳极4旋转的电动机6。阳极4具有阳极轴7。阴极5这样设置使得正对阳极轨道8。当阳极4施加高电压时，电子从阴极5逃逸出来，并且在强电场的作用下撞击阳极轨道8。在撞击作用下，由X-射线发射材料形成的阳极轨道8辐射X-射线9。射线9穿过在壁3中形成的窗10从管1中释放出来。窗10由例如玻璃或X-射线透过材料制成。它是密封的。使这样形成的壳体2处于常规真空下，特别通过随后用阻塞物塞住的抽气孔(未图示)。
为保持阳极4旋转，管1提供有阳极支撑11。支撑11是中空的且具备腔12。在腔12中，轴承或制轮器13通过支撑11来维持阳极4。为了解决在阳极4旋转期间的润滑和传热问题，液体润滑剂例如镓-铟-锡液体合金填充腔12。增加从腔12引出的通道15使得腔12被填充。填充可能在阳极轴定位后、轴7动态平衡前或后进行。如果轴7的动态平衡在填充前进行，它更好控制。然后可能使用瓶通过重力或喷射来填充腔12。在通道14中的堵塞物或简单塞子的位置或阻挡物提供了填充面上的紧密封。
图2表示轴7由轴承固定在腔12中。在轴7的出口15处，有一插孔16或通常是一个固定或束缚装置设计用来接纳阳极。阳极可随后固定，例如刚好在壁3关闭之前。在出口15处，固定支撑11被固定在组合环17上，例如通过螺丝。环17可以包括O-环的槽18以提供紧密封。紧密封可通过两种补充方法获得。首先，对真空密封而言，当阳极轴不再旋转时，在环17内径和轴7外径之间的处在垂直于环17位置19的间隙被限定。该间隙的边界由轴7和环17材料上的镓-铟-锡液体金属合金的表面张力固定。该合金具备低湿度并且表面张力提供大约百分之一毫米的间隙，有利于轴7的有效旋转，而且容易满足工业规模状况。当轴7旋转时环17固定。
当轴7旋转时，液体合金的压力增加。合金易于从腔12中溢出并污染管的外壳。这种情况下，为把合金限制在腔12中，相接触的环17表面或者在区域19中与环17垂直的轴7表面，具备螺旋状起伏特征。为了使轴7给出旋转感，螺旋的螺距定位成在表面指向它以前螺旋状起伏表现似刮刀。这样一个刮刀倾向于把合金推回到腔12。
在所示实施例中，支撑在该空间处具备两个相对的同心表面。连在轴的表面为表面19，而另一个表面通过环17连在支撑上。表面19连在轴上并定位于连在支撑的表面内。如图1所示，轴7可具备包封形状20。非常重要的间隙可在包封形状20的位置处获得。它能够把螺旋起伏特征分别固定在环17和轴7的两个正对的径向表面21和22上，这些起伏特征具备把合金推回到腔12中的相同效果。
在图2中所示的可移动筒包括轴7，其设计进一步有利于工业规模操作。以轴23为中心的轴7，在阻挡轴肩中具有一连串孔或者从插孔16开始有多个台阶。直径最大的第一个孔19被设置成正对环17。在组装时环17就这样固定在轴7周围。在环17的边界24处，轴7具备第一轴肩25。自阻挡部件25开始，轴7具备直径小于面19直径的主体支撑部分。第一球轴承26和第二球轴承28安装在这个主体支撑部分上，优选强制安装。两个轴承26和28沿轴7被圆柱形衬套27相互分开。衬套27精确放入腔12的自由部分。在其中心，衬套27留下自由空间(其中随后以合金填充)。每个轴承26和28具有例如29和30的滚道，其设计用来分别把轴承一方面紧靠轴7另一方面紧靠支撑11。滚道29和30分别由轴7和支撑11保持相对旋转。
固定螺母31拧到轴7的螺纹32上。螺纹32设置在轴7的一个末端36。末端36与设置着插孔16的那一端相对着。螺纹32可设置在轴7的最后轴肩33之后。该最后轴肩33不是绝对必要的。螺母31支持支撑环34。环34把滚道30推向环17。通过安全环35(优选和衬套27具备相同的直径与轮廓)滚道30同样推着衬套27。衬套27同样推着轴承26的滚道30。在轴7内末端36中，螺旋弹簧37支托在支撑11的后部38上。穿孔14从该后部38开出。
尤其是配置有弹簧37的轴7这样安装的设置于腔12中。轴一这样放置两个螺钉39和40就把环17固定到支撑物11上。优选的，滚道29的宽度略小于滚道30的宽度，从而这些滚道29放置成既不靠着轴肩25也不靠着支撑环34。因此，轴7可自由旋转。当螺钉39和40拧入时，衬套27被环17和环32固定。
优选的，轴承26和28的滚珠不是用钢制造而是用陶瓷制造，例如氮化硅、Si3N4或称作Rex20/Si3N4的复合合金。这些滚珠具有很高的滚动阻力系数的特定前景。如果需要，轴承26和/或28的滚道29和/或30也由陶瓷制成。尤其是这些滚珠也可能用于夹圈轴承。因此，筒的轴的动态平衡可以在使腔12处于真空并充满合金以前进行。由于滚珠材料的选择，使轴7高速旋转所需要的这种平衡甚至可能不用润滑剂。此外，平衡可能在放置调节润滑剂以后进行，然后清洗，这种方式很少用。优选的，平衡在阳极固定到轴7的情况下进行。
如果必须在中性气氛情况下，通过穿孔14抽气，平衡一实现就在腔12中建立起真空。一建立起真空它就可能利用一个各安装一个旋塞的三通阀将镓-铟-锡液体金属合金注入或者利用重力使其通过穿孔14流进腔12中。然后，腔12关闭，例如通过提前插进的阀门。负的表面张力的结果是设备被紧密封。如果需要，注入的合金量正好符合腔12的容积(由于轴7、轴承26、28和衬套27的存在而缩减)。液体合金完全浸没部件轴承26和28浸在合金中。合金填满了衬套27和轴7以及弹簧37外壳之间的整个空间。
筒一制造好就可安装阳极7并固定在管1的壁上，例如通过螺钉。由于合金是热和电的良好导体，满足所有限制条件。
此外，尽管本发明的一个实施例已经描述了有关典型实施例，本领域普通技术人员将会理解，对功能和/或方法和/或效果可进行各种变化，并且在不偏离本发明的范围和外延的情况下其元件可被等同替换。此外，还可进行许多变更以使特殊环境或材料适应本发明的启示而不偏离其实质范围。因此，认为本发明不受限于作为设想来实施本发明的最佳模式描述的特定实施例，而是本发明包括所有落入附加权利要求范围内的实施例。而且，第一、第二等术语的使用并不表示任何顺序或重要性，而是更确切地说第一、第二等术语用来将某一个元件或特征与其它元件或特征区别开。从而，一个(a)、一个(an)等术语的使用并不表示对数量的限制，而是更确切地说表示具备至少一个提到的元件或特征。
权利要求
1.一种辐射发射设备(1)，包括一个壳体(2)，其中产生辐射；一个阴极(5)、一个位于正对阴极并绕轴(7)旋转的阳极(4)、以及一个固定的阳极轴支撑(11)布置于壳体内；所述支撑包括呈可移动筒状的固定腔(12)；阳极(4)轴(7)被固定在腔(12)中；所述支撑具有球轴承(26，28)；所述腔(12)填充液体润滑剂；以及所述腔提供用于防止液体润滑剂从腔中泄漏的装置(18，19)。
2.如权利要求1所述的设备，其中液体润滑剂为镓-铟-锡合金。
3.如权利要求1所述的设备，其中球轴承包括陶瓷滚珠。
4.如权利要求1至3其中之一所述的设备，其中球轴承包括陶瓷轴承。
5.如权利要求1至4其中之一所述的设备，其中球轴承包括夹圈。
6.如权利要求1至5其中之一所述的设备，其中在阳极轴离开支撑的出口位置处，由于润滑剂的表面张力所述支撑间隙比液体润滑剂流的自然间隙更小。
7.如权利要求1至6其中之一所述的设备，其中在阳极轴离开支撑的出口位置处，具有螺旋状或螺旋形起伏特征的支撑是这样定位的螺距，使其在阳极旋转时把液体润滑剂推回到所述腔。
8.如权利要求6至7其中之一所述的设备，其中在阳极轴离开支撑的出口位置处，支撑具有两个相对的同心表面，一个表面连接轴，另一个表面连接支撑，连接轴的表面位于连接支撑的表面内部。
9.如权利要求6至8其中之一所述的设备，其中在阳极轴离开支撑的出口位置处，支撑具有两个相对的同心表面，一个表面连接轴，另一个表面连接支撑，连接轴的表面位于连接支撑的表面外部。
10.一种将阳极固定在辐射发射设备的方法，包括提供一固定在阳极支撑腔内部的阳极轴；在腔内提供真空；向真空下的腔内填充液体润滑剂以形成筒；以及把所述筒固定安装在所述设备中。
11.如权利要求10中所述的方法，包括在腔填充液体润滑剂之前，腔内阳极轴的固定被平衡。
12.如权利要求10至11其中之一所述的方法，包括不用润滑剂，腔内阳极轴的固定就被平衡。
13.如权利要求10至12其中之一所述的方法，包括在筒固定在设备中以前，阳极就被固定在轴上。
全文摘要
一种装备了具有轴承的筒的X－射线管及其制造方法。所述管具有产生X－射线的壳体。在壳体内有一个阴极、一个位于正对阴极并绕轴(7)旋转的阳极，以及一个固定的阳极轴支撑(11)，所述支撑为一固定腔(12)，阳极轴固定在腔内。所述支撑呈可移动筒状。所述支撑具有球轴承(26、28)。支撑的腔填充镓－铟－锡合金并且所述腔在轴出口处提供用于防止合金从腔中泄漏的紧密封装置(18、19)。
文档编号H05G1/00GK1812680SQ200510104749
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者F·达汉, T·圣－马丁, J·－L·若斯, M·蒂瓦里, M·R·斯里德哈, K·巴塔查里亚 申请人:通用电气公司