X射线靶、X射线发生器和X射线管的制作方法

本公开的各个实施例总体上涉及电气设备，并更具体地涉及X射线靶。

背景技术：

X射线发生器是产生X射线的装置。它普遍用于各种应用，包括药物、荧光、材料和装配检查、制造操作中的材料厚度测量、以及灭菌。在医疗应用中，X射线发生器被辐射肿瘤学家、放射师和其他人员用于实施放射治疗，并获得活体内部结构(例如，骨骼)的X射线图像。作为X射线发生器的关键部件，X射线靶的性能对生成的X 射线的特性有直接的影响。例如，增加的射束功率可以实现更快的治疗实施，并且与缩小的斑点尺寸相关联的增加的X射线的功率密度可以在医学成像应用中实现改善的图像分辨率。

当入射电子与靶碰撞时，所得能量的一小部分(大约1％的数量级)以X射线的形式发射出，其余能量作为热量释放。随着热量生成，靶的受热部分将膨胀，这可能导致靶的受热部分与未受热部分之间的交界面处的内部应力和剪切应力。由于这些应力，可能会发展出裂纹，导致靶的失效。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了一种X射线靶，以及包括X射线靶的X 射线发生器。

在第一方面，提供了一种X射线靶。X射线靶包括：沿第一方向延伸的悬置部，悬置部悬挂在电气设备的主体中。悬置部在第一方向上限定空腔，空腔具有在面对电子束的表面处的第一开口，用于接收入射到腔中的入射电子束。

通过允许靶的底部自由膨胀而不是如常规设计中的那样被限制，使得没有显著的剪切应力被引入到悬置部。

在一些实施例中，悬置部沿第一方向延伸到主体的内部空间中。

在一些实施例中，X射线靶还包括：肩部，其连接到悬置部并且在基本上垂直于第一方向的第二方向上延伸。

在一些实施例中，悬置部的底部被成形为具有基本上垂直于热膨胀方向的弯曲表面，而该热膨胀是由来自电子束的热量引起的。这实现了将抵抗热膨胀的力与靶材料内的等温线以垂直或接近垂直的方式适当对准，这将进一步减少热量引起的剪切应力。

在一些实施例中，弯曲表面具有基本为半球形的形状。这种优化的几何形状可以被认为是理想的情况，这使得半球形表面与等温线良好对准，从而进一步防止显著剪切应力的积累。

在一些实施例中，弯曲表面具有平坦的中间区域和圆角。该特定的几何形状显示出对入射X射线束自中心区域的偏离的更强的鲁棒性。另外，这种特定的几何形状可以满足一些现有设计中存在的封装限制，特别是在用于容纳X射线靶的内部空间有限的情况下，而且这种特定的几何形状同样能够减小剪切应力。

在一些实施例中，肩部和悬置部是一体形成的。这种一体形成的单件部件使X射线靶的制造过程变得容易，同时还增强了X射线靶的整体刚度。

在一些实施例中，肩部和悬置部包含铜。铜可以有效地传递走生成的热量，因此可适合用作X射线靶的主体(或基底)材料。

在一些实施例中，X射线靶还包括位于空腔内的、并位于底部的内表面上的含钨的层。钨已被证明能够实现较高的X射线生成效率。

在第二方面，提供了一种X射线发生器。X射线发生器包括：根据本公开的第一方面的X射线靶；用于容纳X射线靶的内部空间，内部空间具有第二开口，以用于使X射线靶的悬置部悬挂在内部空间中；以及冷却通道，其被布置为沿水平方向贯穿内部空间，以用于冷却受热的X射线靶。

在一些实施例中，悬置部通过由在第二开口处周向布置的保持凸缘提供的支撑件而悬挂在内部空间中。

在一些实施例中，冷却通道的下边界与悬置部的底部的外表面之间在纵向方向上的间隙基本为零。

通过将悬置部的底部和冷却通道的下边界之间的间隙尺寸调整为很小(或零)，可以最小化(或消除)射束路径中的水。此外，在间隙尺寸达到零的情况下，还可以消除底表面与水/空气的接触，从而有助于防止在该区域可能发生的氧化。

在第三方面，提供了一种X射线管。X射线管包括：根据本公开的第一方面的X射线靶。

通过以下讨论将显而易见的是，与常规X射线靶相比，根据本公开的各种实施例的这种X射线靶被配置为悬挂在空间中。这允许由电子束加热的靶部分的自由热膨胀。同时，根据本公开的各种实施例的 X射线靶的几何形状被优化以将抵抗热膨胀的力与目标材料内的等温线垂直地(或基本垂直地)对准。悬挂构造和局部优化的几何形状二者都可以最小化常规设计中在热膨胀受到标准安装方法的约束的情况下常见的剪切应力。这两种机制都显著降低了常规靶在最弱处发生剪切裂纹的风险。

附图说明

本文中所提供的附图用以进一步解释本公开内容并构成本公开的一部分。本公开的示例性实施例及其说明用于解释本公开，而非以不适当的方式限制本公开。

图1示出了根据本公开的实施例的组装在线性加速器中的X射线靶的透视图；

图2示出了根据本公开的实施例的组装在另一线性加速器中的X 射线靶的截面图；和

图3示出了常规X射线靶的示意图。

在整个附图中，相同或相似的附图标记用于指示相同或相似的元件。

具体实施方式

现在将参照若干示例实施例来论述本公开。应当理解，这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解并且由此实施本公开，而并不旨在对本公开的范围做出任何限制。

图1示出了用于X射线发生器2的X射线靶1。如图1所示，X 射线发生器2采用线性加速器的形式。应当注意，尽管参考X射线发生器2描述了本公开的各种实施例，但是也可以在诸如用于成像的X 射线管之类的一些其他设备中使用这样的X射线靶1。

如图1所示，X射线靶1包括悬置部102。悬置部102沿第一方向Y延伸并适于悬挂。例如，当X射线靶1被放置在基本水平的平面上时，第一方向Y是垂直的。以这种方式，悬置部102被悬挂而没有任何限制被施加在悬置部102上。在一些实施例中，悬置部102可以适于在第一方向Y上延伸到X射线发生器2的内部空间201中。

如图1进一步所示，在一些实施例中，X射线靶1还可以包括肩部101，其连接到悬置部102并且在基本上垂直于第一方向Y的第二方向X上延伸。例如，当射线靶1被放置在基本水平的平面上时，第二方向X是水平的。

如图1所示，悬置部102在第一方向Y上限定空腔110。空腔110 在面向电子束的表面130处具有第一开口120，以用于将入射电子束 (由空的向下箭头表示)接收到空腔110中。在操作中，入射电子束撞击悬置部102的底部103(由虚线框标示)以产生X射线。

应当理解，在本公开的实施例中，X射线靶被悬挂在面向电子束的一侧(即，上面一侧)上，而在悬置部102上(即，面对空气的一侧)没有限制。这样，可以实现自由的热膨胀。如上所述，热膨胀是由热量引起，该热量来自在底部103上接收到的电子束。由于靶的底部103现在可以自由膨胀，而并不像在常规设计中那样受到(例如通过钎焊接头)约束，因此没有显著的剪切应力被引入到悬置部102中。

作为比较，图3示意性地示出了常规目标设计的示例。所示的这种常规的目标横截面具有由例如钎焊接头约束的所有侧边缘(由四个虚线椭圆形圈出)形成的“H”形。在这种常规的设计中，当入射电子束对目标底部的中心区域加热时，将生成针对中心区域的热膨胀的显著阻力。这还将引入显著的剪切应力，特别是在靶的加热部分和未加热部分之间的交界处。图3所示的指向相反方向的箭头301和302示意性地示出了剪切应力的产生，箭头301和302之间的粗垂直虚线表示边界，这同时也是可能发展出裂纹的位置。应当理解，裂纹的位置仅仅是说明性的，并且根据在顶部和底部均边缘受限的X射线靶的特定形状或构造，裂纹也可能出现在其它位置(或某些其他脆弱处)。

返回参考图1，在一些实施例中，为了进一步降低发展裂纹的风险，悬置部102的底部103成形为具有基本上垂直于热膨胀的方向R 的弯曲表面。这种几何形状的目的在于将抵抗热膨胀的力与目标材料内的等温线垂直地或接近垂直地对准。

在一些实施例中，如图1所示，弯曲表面具有基本为半球形的形状。该优化的几何形状与等温线对准，从而进一步防止显著剪切应力的积累。等温线由底部103处的虚线圆示意性地表示，并且目标材料的热膨胀方向由图1中标有“R”的一组箭头表示。

在一些实施例中，如图2所示，弯曲表面具有平坦的中间区域和圆角(由虚线框标示)。可以将具有这种形状因素的X射线靶1包括到线性加速器中，特别是具有有限的用于容纳X射线靶1的可用内部空间的线性加速器。与此同时，进行较小的妥协来最小化与其他重要系统规格的折中。因此，这种形状因素可以有利地满足现有设计中存在的一些封装限制，而这些封装限制在某些情况下可能是至关重要的。如图2进一步所示，平坦的底面将有助于有效地避免在传输的X 射线束轮廓中引入不对称性。例如，如果电子束偶然轻微地偏离轴(即稍微偏离中心轴)，则入射斑点的这种轻微的水平移动将不会显著影响所生成的X射线的性能，这是因为与电子束的斑点尺寸相比，平坦底面具有相对较大的面积。另外，设计出圆角以有助于使得弯曲表面形状与等温线基本对准，以减小剪切应力。总体而言，图2中的这种 X射线靶1示出了如何在不损失X射线靶1设计的主要优点的情况下进行适应性设计以满足其他设计限制。

在一些实施例中，如图1所示，肩部101和悬置部102一体形成。例如，肩部101和悬置部102可以利用成型工艺制造为单件部件，这简化了制造过程，同时增强了整个X射线靶1的刚度。

在一些实施例中，肩部101和悬置部102包含铜。铜是用于传递生成的热量的有效材料，因此可适用于用作X射线靶1的主体(或基底)材料。在一些实施例中，悬置部102还可包括位于空腔110内并置于底部103的内表面上的含有钨的材料或其它高Z材料。这种含有钨的层104可以例如沉积在底部103的内表面上。高Z材料可以实现高的X射线生成效率。在图2所示的一些实施例中，采用钨和铜两种材料的组合来提高X射线产率，并生成在临床上更为适合的X射线谱。应当注意，本公开的范围不限于靶材料的类型或组成。还可以根据需要采用其它靶材料，例如钼、铼、glidcop或某些上述金属的合金。

继续参考图1，还示出了具有如上所述的量X射线靶1的X射线发生器2。X射线发生器2包括用于容纳X射线靶1的内部空间201，并且内部空间201具有用于便于将X射线靶1的悬置部102悬挂在内部空间201中的第二开口202。X射线发生器2还包括冷却通道210，该冷却通道210被布置为沿水平方向X贯穿内部空间201，用于将诸如冷却水的冷却流体导入内部空间201，以冷却受热的X射线靶1。在图1所示的实施例中，冷却水沿水平方向X流动。然而，沿着其他方向(例如径向、轴向或其组合)流动的其它冷却流体也是可能的。

如图1进一步所示，悬置部102通过由在第二开口202处周向布置的保持凸缘220提供的支撑件而悬挂在内部空间201中。可选地，附加的固定装置可以仅施加到肩部101，以便将肩部101牢固地固定到第二开口202。应当注意，本公开的范围不限于固定装置或固定方法。相反，可以结合本文所述的实施例使用诸如连接件、螺栓及其组合的各种固定或粘合装置。

在一些实施例中，只要冷却通道210的下边界对悬置部102的底部103的外表面没有施加显著的约束力，则冷却通道210的下边界与悬置部102的底部103的外表面之间在纵向方向Y上的间隙基本为零。这是有益的，因为通过将悬置部的底部和冷却通道的下边界之间的间隙尺寸调节到较小(或零)，可以最小化(或消除)射束路径中的水。此外，在间隙尺寸达到零的情况下，还可以消除该底表面与水 /空气的接触，从而有助于防止在该区域中可能发生的氧化。然而，本公开的范围同样不对冷却通道210的尺寸、方向或数量、或冷却通道 210相对于悬置部102的相对定位做出限制。

应当理解，本公开的上述详细实施例仅仅是举例说明或解释本公开的原理，而无意限制本公开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何修改、等价替换和改进等都将包括在本公开的保护范围内。同时，本公开的所附权利要求旨在涵盖落入权利要求或范围和边界下之下的所有变化和修改。