X射线源、X射线扫描系统及冷却X射线源的阳极的方法与流程

x射线源、x射线扫描系统及冷却x射线源的阳极的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术依赖于2020年6月25日提交的名称为“用于冷却x射线管组件的装置和方法(devices and methods for cooling an x
‑
ray tube assembly)”的美国临时申请第63/044,210号，其优先权以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本说明书总体上涉及x射线管的领域。更具体地，本说明书涉及一种用于将x射线管的阳极与包含该x射线管的空冷式导电容器热耦接的装置。


背景技术：

4.x射线管通常包括用于发射电子流的阴极和提供金属靶的阳极，电子流撞击在该金属靶上，从而产生x射线。对于低功率模式和双极模式(其中阴极和阳极以不同的电压操作)两者，阳极通常在60kv与90kv的范围之间的高电压下操作。电子在阳极上的轰击和阳极以这种高电压进行的操作产生热量，并且在示例中，该热量至少为5瓦。
5.x射线管通常封闭在导电外壳中，并且在一些情况下，x射线管与外壳之间的区域填充有导热冷却液体(诸如，冷却油)以在使x射线管与外壳电气隔离的同时进行散热。然而，在频繁或长时间使用x射线管的情况下，油的对流热传递过程可能不足以将x射线管冷却下来。在一些情况下，x射线管与外壳之间的区域填充有至少一种固体电绝缘材料，如硅酮或混合物。绝缘材料允许改善辐射屏蔽和/或导热率，而不损失材料的关键的电绝缘特性。然而，至少一种常见的电绝缘材料具有较差的导热率(<1w/(m
·
k))。
6.因此，需要一种改进x射线管的散热的装置。还需要一种将装置定位成使得其在提供x射线管的热阳极与包含x射线管的外壳之间的热耦接。


技术实现要素：

7.结合旨在是示例性和说明性而不限制范围的系统、工具和方法来描述和说明以下实施方式及其方面。本技术公开了多个实施方式。
8.在一些实施方式中，本说明书公开了一种x射线源，x射线源包括：第一外壳，由包围第一内部体积的第一连续表面限定，其中，第一外壳的第一连续表面包括导电材料；第二外壳，由包围第二内部体积的第二连续表面限定，其中，第二连续表面包括非导电材料，其中，第二外壳具有第一端和与第一端相对的第二端，其中，第二外壳定位在第一外壳的第一内部体积内，并且其中，第二连续表面的外部区域与第一连续表面的内部区域之间的区域的至少一部分包括第一材料；阴极，定位在第二外壳的第一端处，其中，阴极被配置为朝向第二外壳的第二端发射电子；阳极，定位在第二外壳的第二端处，其中，阳极至少包括靶，该靶被配置为被所发射出的电子撞击；罩，定位在所述第二外壳的第二端处，并且被配置为使得罩的至少第一部分覆盖第二外壳的第二端的至少一部分；以及至少一个传热元件，定位成紧邻在第二外壳的第二端并且在所述区域中，其中，至少一个传热元件包括第一内表面、
与所述第一内表面相对的第二外表面、第三表面、以及与所述第三表面相对的第四表面，其中，第一内表面的至少一部分与罩的第一部分的至少一部分接触，并且第二外表面的至少一部分与第一连续表面的内部区域物理接触。
9.可选地，至少一个固体传热元件与第一材料不同。
10.可选地，至少一个传热元件具有围绕所述罩周向地延伸的环形或圆柱形。
11.可选地，环形或圆柱形的至少一个传热元件包括耦接在一起的多个区段，并且其中，多个区段中的每个区段具有多边形截面面积。
12.可选地，至少一个传热元件基本上包围第二外壳的第二端并且被配置为将阳极与第一外壳热耦接。
13.可选地，至少一个传热元件包括第二材料，并且其中，第二材料具有大于10kv/mm的介电强度。
14.可选地，至少一个传热元件包括第二材料，并且其中，第二材料具有大于20w/(m
·
k)的导热率。
15.可选地，至少一个传热元件包括第二材料，并且其中，第二材料具有大于10kv/mm的介电强度和大于20w/(m
·
k)的导热率。
16.可选地，至少一个传热元件包括第二材料，并且其中，第二材料包括氧化铍和氮化铝中的至少一种。
17.可选地，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比将阳极与第一外壳之间的温度差保持在小于25开尔文。
18.可选地，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比将阳极与第一外壳之间的温度差保持在小于25开尔文，同时不将阳极放置成与第一外壳电连通。
19.可选地，第一材料包括电绝缘材料，并且其中，至少一个传热元件的导热率是至少一种电绝缘材料的导热率的至少20倍。
20.可选地，罩包括导电材料。
21.在一些实施方式中，本说明书涉及包括上述x射线源的便携式手持x射线扫描系统。
22.在一些实施方式中，本说明书公开了一种冷却x射线源中的阳极的方法，其中，x射线源包括第一封闭壳体，第一封闭壳体定位在第二封闭壳体外部并在第一封闭壳体与第二封闭壳体之间限定一空间，其中，阳极定位在第二封闭壳体的第一端处，其中，阴极定位在第二封闭壳体的第二相对端，其中，第一材料定位在该空间中，并且其中，罩被定位成围绕靠近阳极的第二封闭壳体的第一端，该方法包括：将至少一个传热元件定位成与罩热接触，并延伸穿过该空间以与第一封闭壳体的内表面热接触，其中，至少一个传热元件包括不同于第一材料的第二材料；以及操作x射线源，使得热量从阳极、通过罩、通过至少一个传热元件、并散发到第一封闭壳体。
23.可选地，至少一个传热元件是环形或圆柱形，并且环绕所述罩。
24.可选地，至少一个传热元件形成为一系列区段，该一系列区段以组合的形式产生环绕罩的环或圆柱，并且其中，该一系列区段中的每个区段由可以是弯曲形状或多边形形状的截面限定。
25.可选地，至少一个传热元件与罩的外表面积物理接触，使得至少一个传热元件的
表面覆盖罩的外表面积的30％至100％。
26.可选地，至少一个传热元件与第一封闭壳体的内表面积物理接触，使得至少一个传热元件的表面覆盖第一封闭壳体的内表面积的2％至50％。
27.可选地，第二材料具有大于10kv/mm的介电强度。
28.可选地，第二材料具有大于20w/(m
·
k)的导热率。
29.可选地，第二材料具有大于10kv/mm的介电强度和大于20w/(m
·
k)的导热率。
30.可选地，第二材料包括氧化铍和氮化铝中的至少一种。
31.可选地，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比将阳极与第一外壳之间的温度差保持在小于25开尔文。
32.可选地，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比将阳极与第一外壳之间的温度差保持在小于25开尔文，同时不将阳极放置成与第一外壳电连通。
33.可选地，第一材料包括电绝缘材料，并且其中，第二材料的导热率是第一材料的导热率的至少20倍。
34.在一些实施方式中，本说明书公开了一种用于冷却x射线源的阳极的装置，所述x射线源具有被封闭在第二壳体内的第一壳体，其中，所述第二壳体在第一端处支撑所述阳极并且在第二端处支撑阴极，并且其中，所述阳极具有定位在所述第二端处的罩，所述装置包括：至少一个传热元件，所述至少一个传热元件定位成包围所述阳极并且在所述第一外壳与所述第二外壳之间的区域中，所述至少一个传热元件具有第一内表面、与所述第一内表面相对的第二外表面、第三表面和与所述第三表面相对的第四表面，其中，所述第一内表面的表面积的至少一部分与所述罩接触，并且所述第二外表面的表面积的至少一部分与所述第一外壳接触。
35.可选地，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比将所述阳极与导电外壳之间的温度保持在小于25开尔文。
36.可选地，至少一个传热元件具有环形、短圆柱形、正方形、矩形或椭圆形的形状。
37.可选地，至少一个传热元件具有正方形、矩形、梯形、圆形和椭圆形截面形状中的一种。
38.可选地，至少一个传热元件定位成靠近所述阳极，并且将所述阳极与所述第二外壳热耦接。
39.可选地，至少一个传热元件具有大于10kv/mm的介电强度和大于20w/(m
·
k)的导热率。
40.可选地，所述第一外壳与所述第二外壳之间的区域填充有至少一种电绝缘材料，并且其中，所述至少一个传热元件的导热率是所述至少一种电绝缘材料的导热率的至少20倍。
41.可选地，罩由x射线屏蔽材料制成。
42.可选地，第一外壳是非导电材料制成的，并且所述第二外壳是导电材料制成的。
43.可选地，第二壳体支撑在便携式手持x射线扫描系统内。
44.本发明的上述和其他实施方式将在以下提供的附图和详细描述中更深入地描述。
附图说明
45.当结合附图考虑时，本说明书的这些及其他特征和优点通过参考以下详细描述而变得更好理解，从而将进一步了解本说明书的这些及其他特征和优点：
46.图1是没有有效冷却机构的现有技术的x射线源的示意性截面图，该x射线源连续操作将导致过热和故障；
47.图2是根据本说明书的实施方式的具有有效冷却机构的x射线源的立体截面图；
48.图3a是便携式手持x射线扫描系统的实施方式的立体图；以及
49.图3b是图3a的便携式手持x射线扫描系统的竖直截面图。
具体实施方式
50.本说明书涉及多个实施方式。提供以下公开以使本领域普通技术人员能够实践本发明。在本说明书中使用的语言不应被解释为对任何一个具体实施方式的一般否认、也不应被用于限制超出本文所使用的术语的含义的权利要求。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文中限定的一般原理可应用到其他实施方式和应用。而且，所使用的术语和措辞是为了描述示例性实施方式的目的，并且不应被认为是限制性的。由此，本发明将被给予包括大量选择、修改以及与本文中公开的原理和特征一致的等效物的最宽的保护范围。为了清楚起见，没有详细描述关于在涉及本发明的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊本发明。
51.在本技术的说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含(include)”、及“具有(have)”中的每一个及其形式不必限于该词语可关联的列表中的构件。在本文中应注意，除非另有明确指示，否则结合具体实施方式描述的任何特征或部件可与任何其他实施方式一起使用和实施。
52.如在本文中使用的，除非上下文另有明确规定，否则不定冠词“一个(a)”和“一个(an)”是指“至少一个”或“一个或多个”。
53.图1是现有技术的x射线源100的示意性截面图，本说明书的实施方式代表了对该x射线源100的改进。源100包括x射线管组件102，该x射线管组件102具有非导电中空壳体104，该非导电中空壳体104具有第一端107和第二端111。阴极组件106和阳极组件110分别安装到壳体104的第一端107和第二端111处。电缆116将阴极组件106与高压电源的负端子电耦接，而电缆118将阳极组件110电耦接至高压电源的正端子。
54.阴极组件106包括电子束发生器或发射器120和一个或多个聚焦电极121，以便使从发生器120提取的电子束随着该电子束传递到高电场区域114中而成形，该高电场区域114在一个或多个聚焦电极121与阳极组件110的x射线产生靶122之间。电子束发生器或发射器120是本领域普通技术人员已知的钨丝发射器。
55.壳体104内的区域114保持在足以允许电子在阴极组件106与阳极组件110之间基本不受阻碍地流动的真空。壳体104是由本领域普通技术人员已知的真空兼容的高压非导电材料制成的圆柱形管。壳体104包括至少一个x射线透射的窗口125。
56.阳极组件110包括施加到窗口125的真空侧的x射线产生靶122。阳极组件110还包括圆柱形电极128以及钨屏蔽罩123，该圆柱形电极128阻挡或抑制可从靶122反向散射的电子，该钨屏蔽罩123定位在第二端111处并覆盖该第二端111。在一些实施方式中，罩123的一
部分在非导电中空壳体104的一部分上延伸。在操作期间，从发生器120发射出的电子撞击靶122以产生通过窗口125而发出的x射线。在一些实施方式中，x射线产生靶122由诸如金或钨的材料形成。
57.x射线管组件102被定位在具有第一端132和第二端134的外壳130内。在实施方式中，外壳130由导电材料(诸如，铝)形成并且保持在接地电位。外壳130与x射线管组件102之间的区域136、137的体积填充有非导电材料，该非导电材料可以是固体、液体或气体。围绕窗口125的区域138的体积可以填充有x射线可透过的、非导电的材料。
58.钨制成的板140被定位成覆盖第二端134，使得板140中的开口142与窗口125对齐。另外，层145被定位在外壳130内并且与板140相邻，使得层145覆盖开口142。在实施方式中，层145由导电材料制成，并且可以电耦接到板140以降低开口142中的电场。不透射线的层145定位在外壳130内并且与外壳130接触，并且朝向第二端111，从而处在靠近阳极组件110的位置。
59.然而，现有技术的x射线源100的缺点在于，x射线管组件102以及，更具体地，阳极组件110在x射线产生期间易于过热，这导致随后的故障。由于区域136、137和138的非导电材料具有高耐热性，因此阳极组件110与空冷式外壳130(以及板140与层145)之间的导热率低。例如，当填充有bi2o3和硅酮的混合物时，区域136和137具有差的导热率(通常<1w/(m
·
k))，而区域138的绝缘体是甚至更差的热导体。
60.对于延长的使用周期，这导致阳极组件110与外壳130之间的热梯度大，并且不幸地，限制延长周期的可用平均波束功率，从而限制x射线管组件102的性能。因此，x射线管组件102可仅在其设计的射束功率的一部分(诸如，50％或更少)下使用，在一些实施方式中，该射束功率可为约10瓦。这通常通过限制占空比来实现，例如，通过在15秒的射束时间之后关闭x射线束15秒。
61.图2是根据本说明书的实施方式的可在x射线源中实施的改进的阳极组件200的立体截面图。如图2所示，阳极组件200包括施加、沉积或定位在x射线透射窗口225的真空侧上的x射线产生靶222。真空侧也可称为非导电中空壳体、外壳或管204的第二端，其中与第二端相对的第一端容纳阴极。阳极组件200还包括基本上圆柱形的电极228，其停止或抑制可能从靶222上反向散射的电子。阳极组件200被支撑在非导电的中空壳体、外壳或管204内。图2还示出了钨屏蔽罩223，罩223的一部分在非导电中空壳体、外壳或管204的第二端的外围部分上方或周围延伸。
62.导电外壳230包含壳体或管或外壳204以及填充有电绝缘材料的体积或区域236、237。图2还示出了覆盖窗口225的体积或区域238，其填充有x射线可透过的、非导电材料，例如，聚酰亚胺(ultem)。
63.根据本说明书的一方面，至少一个传热元件205定位在紧邻罩223的阳极组件200内，使得该至少一个传热元件205与罩223热耦接并且向外延伸至导电外壳230。在实施方式中，至少一个传热元件205占据非导电管204与导电外壳230之间的区域的一部分。由此，至少一个传热元件205被定位成热耦接阳极210(该阳极处于高电压下，通常在60kv与90kv之间)并且通常热耦接到空冷式导电外壳230(该空冷式导电外壳处于接地电势)上，同时保持电气隔离。
64.在各种实施方式中，至少一个传热元件205以环、短圆柱或其具有合适的截面形状
(例如，正方形、矩形、多边形、梯形、或具有足够的内部和外部热接触面积的任何其他形状)的区段的形式来成形，以便对于热平衡中100％的占空比，使阳极210与导电外壳230之间的温度差保持在小于25开尔文。在一些实施方式中，可使用一个以上的传热元件205。例如，环形或短圆柱形的单个传热元件可被多个环或短圆柱区段(例如，通过径向分割环或短圆柱而产生的那些)代替。
65.如前所述，至少一个传热元件被配置为对于热平衡中100％的占空比，使阳极210与导电外壳230之间的温度差保持在小于25开尔文，同时仍保持阳极130与导电外壳230之间的电气隔离。在实施方式中，热平衡中100％的占空比是指x射线持续开启不受限制的时间段。
66.图2示出至少一个传热元件205的实施方式，至少一个传热元件以具有矩形截面的环的形式来成形，具有第一内表面211、第二外表面212(与第一内表面211相对)、第三表面214和第四表面216(与第三侧表面214相对)。第三表面214和第四表面216在第一内表面211与第二外表面212之间延伸。
67.在一些实施方式中，至少一个传热元件205基本包围阳极210，使得第一内表面211的至少一部分接触并且因此热耦接到x射线屏蔽罩223的一部分。在另一实施方式中，至少一个传热元件205基本包围围绕阳极210的管，且没有介于中间的罩。在实施方式中，x射线屏蔽罩223的第一内表面211所热耦接的部分是罩223的在非导电中空壳体、外壳或管204的第二端的部分上延伸的部分。第二外表面212的至少一部分接触并且因此热耦接到空冷式导电外壳230的内表面。因此，至少一个传热元件205实现和改善从x射线屏蔽罩223并且因此从阳极组件210(其通常是热的)到空冷式导电外壳230的对流传热。
68.在一些实施方式中，外壳230的外表面的至少一部分包括多个向外延伸的径向翅片或突出部以增强来自外壳230的对流传热。在实施方式中，多个翅片或突出部为导电材料，导电材料可以与外壳230的材料相同或不与外壳230的材料相同。
69.在一些实施方式中，第一内表面211的表面积的至少一部分与x射线屏蔽罩223物理接触。在一些实施方式中，第二外表面212的表面积的至少一部分与导电外壳230物理接触。在一些实施方式中，第一内表面211的30％至100％，优选地，至少50％或其中任何数值增量的范围内的表面积与x射线屏蔽罩223物理接触。在一些实施方式中，第二外表面212的30％至100％，优选地，至少50％或其中任何数值增量的范围内的表面积与导电外壳230物理接触。应理解，在优选的实施方式中，至少一个传热元件205形成为一系列区段，该一系列区段以组合的形式产生环，该环环绕罩223(使得内表面211如以上所述与罩223接触)，进而该环被导电外壳230环绕(使得外表面212如以上所述与外壳230接触)，并且其中每个区段具有可以是弯曲形状或多边形形状的截面。
70.在一些实施方式中，屏蔽罩223的被定位为与管204的长度平行的20％至100％，优选地，至少50％或其中任何数值增量范围的外表面积与第一内表面211物理接触。在一些实施方式中，导电外壳230的2％至50％，优选地，至少5％的范围内的表面积与第二外表面212物理接触。
71.在一些实施方式中，至少一个传热元件205被配置为对于热平衡中100％的占空比将阳极210与导电外壳230之间的温度差保持为小于25开尔文。在实施方式中，热平衡中100％的占空比是指x射线持续开启不受限制的时间段。
72.在实施方式中，至少一个传热元件205的导热率是区域236、237和238中的电绝缘材料的导热率的至少20倍。应当理解，阳极210与接地外壳230之间存在60kv至90kv的电位差，并且若未适当地设计，则将存在会破坏x射线源的电弧。因此，只有具有高介电强度的材料可用于至少一个传热元件205。在一些实施方式中，至少一个传热元件205由具有在大于10kv/mm的范围内的高介电强度和在大于20w/(m
·
k)的范围内的良好导热率的材料制成。此类材料包括但不限于氧化铍(beo)和氮化铝(aln)，两者都具有>100w/(m
·
k)的导热率。
73.图3a是便携式手持x射线扫描系统300的实施方式的立体图。系统300用于筛选对象，例如但不限于行李和用于隐藏在其中的威胁材料、物品或人的容器/箱子。在实施方式中，系统300具有壳体305，该壳体305具有上表面310、基部(在图3a中不可见，但与上表面310相对且基本平行)、前表面314、后表面(在图3a中不可见，但与前表面314相对且平行)、第一侧318和第二侧(在图3a中不可见，但与第一侧318相对且平行)。
74.应当理解，壳体305的形状可以是立方的、圆柱状、圆锥状、棱锥状或本领域普通技术人员将显而易见的任何其他合适的形状。优化系统300的大小和重量以使操作者能够在扫描被检查的物体的同时方便地保持并操纵壳体305。至少一个把手312设置在例如上表面310上，以允许操作者在一只手或两只手中方便地保持壳体305并且操纵装置300以使前表面314朝向被检查的物体上的不同区域指去并且指向被检查的物体上的不同区域。
75.图3b是系统300的竖直截面图。现在参考图3a和图3b，系统外壳305包括图2的x射线管304的导电外壳330。同样可以看到具有阳极310的靶322的窗口325，该窗口325通过准直器344发射空间局部化的x射线束345。还示出了将阳极310热耦接到外壳330的至少一个传热元件305。第一内表面311与阳极组件310接触，而第二外表面312与外壳330接触。在一些实施方式中，窗口325被配置作为准直器以将从阳极组件310发射出的x射线辐射形成为x射线345的成形光束。在各种实施方式中，x射线束345成形为笔形波束、锥形波束、扇形波束、单轴旋转波束或双轴旋转波束。注意，在图3b中，为了清楚起见，阴极组件尚未明确。
76.根据实施方式，成形的x射线束345在基本上垂直于前表面314的方向上通过壳体305的前表面314的中心处的开口344发出。至少一个或多个x射线反向散射检测器350(也被称为传感器)被定位成与前表面314相邻并且在前表面314后面，使得它们在开口344处包围x射线束345出现的面积或者区域并且覆盖前表面314的大部分面积，以便使检测到的反向散射信号最大化。本说明书的实施方式包括四组检测器350。在其他实施方式中，可以利用不同数量的检测器350。
77.在操作期间，成形的x射线束345与被检查的物体相互作用，以产生由检测器350检测的散射x射线，从而产生扫描数据信号。
78.以上示例仅说明本说明书的系统和方法的很多应用。尽管本文仅描述了本说明书的几个实施方式，但应当理解，在不背离本说明书的精神或范围的情况下，本说明书可以体现为许多其他的具体形式。因此，本示例和实施方式应被认为是说明性的而不是限制性的，并且说明书可以在所附权利要求的范围内进行修改。