КОЛЛЕКТОР РАССЕЯННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в целом, к коллектору рассеянных электронов (SEC/КРЭ). В частности, изобретение относится к коллектору рассеянных электронов для использования в рентгеновской трубке для создания рентгеновских лучей.

К будущим требованиям в отношении источника рентгеновского излучения для получения высококачественного изображения в компьютерной томографии и в области сердечно-сосудистых исследований относятся большая мощность/ток разряда, меньший размер фокальных пятен (FS) в сочетании с возможностью активно регулировать размер фокальных пятен, их соотношение и положение, с более коротким периодом времени для охлаждения и, что касается компьютерного томографа, более коротким промежутком времени вращения гантри (сканирующая система томографа). В дополнение к этому, конструкция трубки ограничена по длине и весу для того, чтобы достичь легкого обращения с ней при использовании в сердечно-сосудистых исследованиях и в осуществляемой гантри установки для применений в области компьютерной томографии.

Один путь, чтобы достичь большей мощности и более быстрого охлаждения, заключается в использовании сложной идеи управления теплом внутри рентгеновской трубки. В биполярных рентгеновских трубках около 40% тепловой нагрузки мишени обусловлено электронами, отраженными от мишени, которые заново ускоряются по направлению к мишени и ударяют ее за пределами фокального пятна. Следовательно, эти электроны способствуют повышению температуры мишени и вызывают афокальное излучение.

Поэтому одним ключевым компонентом разрабатываемого в настоящее время поколения рентгеновских трубок является коллектор рассеянных электронов (SEC), размещенный перед мишенью. Такая рентгеновская трубка содержит источник излучения электронов, носитель, который вращается вокруг оси вращения и который снабжен материалом, который вырабатывает рентгеновские лучи в результате падения/воздействия электронов, теплопоглощающий элемент, расположенный между источником и носителем, и систему охлаждения, которая находится в тепловой связи с теплопоглощающим элементом.

Источник, носитель и теплопоглощающий элемент размещены в вакуумном пространстве устройства. Носитель имеет форму диска и установлен с возможностью вращения на оси посредством подшипника. Во время работы электронный луч, вырабатываемый источником, проходит через центральную полость, предусмотренную в теплопоглощающем элементе, и ударяется о вырабатывающий рентгеновские лучи материал носителя в положении столкновения рядом с окружностью носителя. В результате в упомянутом положении столкновения вырабатываются рентгеновские лучи, которые исходят из рентгеновского выходного окна, выполненного в корпусе, окружающем вакуумное пространство. Теплопоглощающий элемент имеет такой же электрический потенциал, что и носитель, и размещен между источником и носителем, чтобы ловить электроны, которые отражаются от носителя, и чтобы поглощать тепловое излучение, вырабатываемое носителем при его нагреве во время работы, в результате чего теплопоглощающий элемент нагревается во время работы.

Для того чтобы отводить тепло от теплопоглощающего элемента, к упомянутому элементу прикреплена система охлаждения, при этом система охлаждения содержит канал для охлаждающей жидкости, система охлаждения выполнена в периферийном участке теплопоглощающего элемента в непосредственном тепловом контакте с теплопоглощающим элементом. Теплопоглощающий элемент изготовлен, например, из молибдена и имеет относительно большую массу и объем, так что теплопоглощающий элемент обладает большой теплопоглощающей способностью. Таким образом, когда устройство временно находится в работе, чтобы выработать рентгеновские лучи с относительно высоким уровнем энергии, временно происходит поглощение относительно большой доли тепла теплопоглощающим элементом. Кроме того, скорость теплопередачи от теплопоглощающего элемента к системе охлаждения ограничена, при этом тепло, поглощенное теплопоглощающим элементом, постепенно передается системе охлаждения в течение времени, когда устройство вырабатывает рентгеновские лучи, и позднее, когда устройство не работает. В результате упомянутой постепенной передачи тепла от теплопоглощающего элемента к системе охлаждения предотвращают пиковые тепловые нагрузки на систему охлаждения, таким образом предотвращают и такие проблемы в работе системы охлаждения, как закипание охлаждающей жидкости или плавление тонкостенных конструкций системы охлаждения.

Однако тепловая нагрузка мишени в данном случае определяется только электронами, определяющими рентгеновскую мощность трубки. Отраженные электроны высвобождают свою энергию в коллекторе рассеянных электронов, который встроен в систему охлаждения трубки. Охлаждающие стенки коллектора рассеянных электронов размещены на внешних площадях на большем радиусе, в то время как тепло вырабатывается на внутренних площадях на меньшем радиусе. Следовательно, внутренняя поверхность коллектора рассеянных электронов нагревается и расширяется во время рентгеновского импульса, тогда как наружная часть не расширяется. Следовательно, во время импульса возникает напряжение сжатия, обусловленное закрытой внутренней поверхностью. При охлаждении внутренняя поверхность сокращается, и напряжение ослабевает.

В дополнение к участию в регулировании теплообмена коллектор рассеянных электронов может действовать, главным образом, как рентгеновский экран в том случае, когда он изготовлен из металла с высокой точкой плавления, такого как Mo (молибден) или W (вольфрам).

Во время импульса высокой энергии напряжение сжатия может возрасти до значения, когда происходит пластическая деформация. Этот эффект ослабляет напряжение во время импульса. Но при охлаждении поверхность сокращается, что вызывает растягивающее напряжение внутри внутренней поверхности. Это может сразу же привести к образованию трещин или, после серии импульсов, к усталостным трещинам. Результатом могут быть выбросы газа, что ведет к высокой нестабильности напряжения (возникновение электрической дуги) и ионизации газа с последующей ионной бомбардировкой эмиттера (выход из строя эмиттера), т.е. мишени. Кроме этого, маленькие частицы также могут быть отделены, что приводит к тем же самым результатам, что и при входе электронного луча.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание коллектора рассеянных электронов (SEC), испытывающего уменьшенное напряжение сжатия или напряжение расширения внутри его теплопоглощающего элемента во время нагрева или охлаждения коллектора рассеянных электронов.

Эта задача решается с помощью предмета изобретения, описанного в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные приведенные в качестве примера варианты осуществления изобретения описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Предложенное изобретение относится к геометрическому изменению коллектора рассеянных электронов для того, чтобы избежать напряжения сжатия во время рентгеновского импульса. Это осуществляют путем введения пазов в пределах внутренней части коллектора рассеянных электронов, что приводит к механическому, не ограничивающему расширению внутренней поверхности без создания напряжения сжатия.

Согласно одному вариант осуществления изобретения разрезание упомянутого объема осуществляют с помощью прямых пазов в радиальном направлении (иллюстративно 8 пазов). Число пазов зависит от случая критической нагрузки. В особых случаях один паз является достаточным. В данном контексте «радиальный» обозначает, что направление прямого паза направлено в сторону фокального пятна, где электроны с высокой энергией ударяют по мишени и создают рентгеновское излучение.

Согласно другому варианту осуществления изобретения пазы наклонены по отношению к радиальному направлению, то есть они больше не являются центральными/радиальными. В качестве эффекта от такого размещения экранирование рентгеновского луча поддерживается почти постоянным по сравнению с коллектором рассеянных электронов, в котором нет пазов. Но результатом этого являются подрезанные уголковые изгибы (угол уголкового изгиба меньше, чем 90°). До тех пор пока температура основной поверхности не близка к критическому значению, эта геометрия является лучшей, чтобы избежать образования трещин и одновременно поддерживать экранирование рентгеновского луча.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения пазы выполнены закругленными. Конкретно, пазы начинаются в радиальном направлении от внутреннего отверстия и изгибаются в направлении окружности, в направлении к наружной периферии. Это гарантирует однородную температуру на внутренней поверхности и снижает уменьшение экранирования. Такая геометрия может быть осуществлена, например, с помощью электроэрозионного вырезного станка (EDM).

Обычно коллектор рассеянных электронов согласно изобретению содержит теплопоглощающий элемент, имеющий первый конец, второй конец, внешнюю периферию и центральное отверстие, при этом центральное отверстие выполнено в продольном направлении через теплопоглощающий элемент от первого конца ко второму концу, причем охлаждающий элемент имеет внешнюю периферию и внутреннюю периферию, при этом внешняя периферия теплопоглощающего элемента приспособлена находиться в контакте с внутренней периферией охлаждающего элемента, и в котором паз выполнен от центрального отверстия в направлении к внешней периферии теплопоглощающего элемента.

Паз может быть выполнен от центрального отверстия в радиальном направлении к внешней периферии теплопоглощающего элемента или наклонен по отношению к радиальному направлению, или закруглен от радиального направления к направлению по окружности.

Кроме того, в теплопоглощающем элементе может быть выполнено множество пазов, которые могут быть равномерно распределены по окружности теплопоглощающего элемента.

В особенности, в конце каждого паза может быть выполнено сверление с диаметром больше, чем толщина паза, при этом ось сверления может быть наклонена по отношению к оси центрального отверстия.

Кроме того, центральное отверстие теплопоглощающего элемента может содержать цилиндрическую секцию и коническую секцию, при этом один конец цилиндрической секции размещен на первом конце теплопоглощающего элемента, другой конец цилиндрической секции погружается в конец конической секции, имеющей меньший диаметр, причем конец конической секции, имеющий больший диаметр, размещен на втором конце теплопоглощающего элемента.

Охлаждающий элемент может быть в форме кольца и может содержать множество охлаждающих ребер на его внешней периферии.

Пазы также могут разрезать всю внутреннюю часть теплопоглощающего элемента.

Изобретение могло бы быть применено в любой сфере, в которой коллектор электронов с собирающей внутренней поверхностью (φ=0°-360° в цилиндрических координатах) нагревается, в то время как наружная поверхность охлаждается. Дополнительно, оно применимо, если этот коллектор также используется в качестве экрана рентгеновского излучения. Особенно оно применимо в рентгеновских трубках нового поколения в вариантах для компьютерной томографии и сердечно-сосудистых исследований.

Эти и другие аспекты изобретения будут понятны и объяснены со ссылкой на вариант осуществления изобретения, описанный далее.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой изометрический вид в разрезе основных элементов коллектора рассеянных электронов.

Фиг.2 представляет собой изометрический вид в разрезе коллектора рассеянных электронов согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.3 представляет собой вид снизу коллектора рассеянных электронов по фиг.2.

Фиг.4 представляет собой изометрический вид коллектора рассеянных электронов по фиг.2.

Фиг.5 представляет собой половину изометрического вида коллектора рассеянных электронов согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 представляет собой чертеж, показывающий ориентацию иллюстративного паза согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 представляет собой половину изометрического вида коллектора рассеянных электронов согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.8 представляет собой чертеж, показывающий направление иллюстративного паза согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Обычно коллектор рассеянных электронов (SEC) включает в себя теплопоглощающий элемент 10 и охлаждающий элемент 50, как это можно видеть на фиг.1. Теплопоглощающий элемент 10 является, по существу, цилиндрическим и имеет центральное отверстие. Центральное отверстие теплопоглощающего элемента 10 содержит цилиндрическую секцию 14 и коническую секцию 16. Цилиндрическая секция 14 продолжается в продольном направлении от первого конца 11 теплопоглощающего элемента 10 до, приблизительно, середины 15 теплопоглощающего элемента. Коническая секция 16 центрального отверстия продолжается от упомянутой середины 15 теплопоглощающего элемента 10 до второго конца 13 теплопоглощающего элемента 10.

Альтернативно, центральное отверстие могло бы быть выполнено с поперечным сечением, изменяющимся вдоль его продольного направления, в форме винного бокала. Кроме того, вместо конической секции могла бы быть секция, выполненная в форме купола. В любом случае больший открытый конец выполнен на втором конце теплопоглощающего элемента.

Воронка, которая образована конической секцией 16 центрального отверстия, размещена над местом, которое испускает рассеянные электроны (фокальное пятно). Таким путем электроны собираются как из колпака. Электроны или фотоны ударяют теплопоглощающий элемент 10 коллектора рассеянных электронов и будут поглощены им.

Для лучшего вывода тепла из теплопоглощающего элемента на его внешнем размере предусмотрен охлаждающий элемент 50. Охлаждающий элемент 50, по существу, представляет собой кольцо и имеет внутренний диаметр 52, который совпадает с внешней периферией 12 теплопоглощающего элемента 10 таким образом, что охлаждающий элемент 50 может быть надет и находиться в контакте с теплопоглощающим элементом 10. Поскольку охлаждающий элемент 50 находится в контакте с теплопоглощающим элементом 10, он может отводить тепло от теплопоглощающего элемента. Охлаждающий элемент 50 имеет множество охлаждающих пластин 54 на своей внешней периферии. Эти охлаждающие пластины 54 могут отводить тепло от охлаждающего элемента 50 к текучей среде. Текучей средой может быть, например, воздух или также жидкость. Если текучей средой является жидкость, то важно, чтобы эта жидкость находилась при температуре ниже своей температуры кипения. Охлаждающий элемент 50 может отводить энергию только насколько это возможно, одновременно поддерживая охлаждающую текучую среду ниже температуры ее кипения. Поверхность контакта между теплопоглощающим элементом 10 и охлаждающим элементом 50 должна быть соответствующим образом рассчитана так, чтобы только то количество энергии/тепла, которое также может быть перенесено жидкостью от охлаждающего элемента, было бы передано охлаждающему элементу.

Как упомянуто выше, в теплопоглощающем элементе 10 коллектора рассеянных электронов может произойти, что внутренняя стенка теплопоглощающего элемента нагрета слишком сильно, и, следовательно, в материале возникают напряжения. В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения теплопоглощающий элемент снабжен внутри, по меньшей мере, одним пазом. Обычно, теплопоглощающий элемент будет снабжен множеством пазов. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения теплопоглощающий элемент снабжен восемью пазами. Пазы выполнены, соответственно, от центрального отверстия в направлении к внешней периферии теплопоглощающего элемента.

Как показано на фиг.2-4, согласно первому варианту осуществления изобретения каждый паз 20 выполнен в радиальном направлении от центрального отверстия по направлению к внешней стороне теплопоглощающего элемента 10. Пазы 20, в целом, выполнены не полностью, несмотря на стенку. То есть, каждый паз 20 включает в себя конец, который открыт в центральное отверстие, и конец, расположенный внутри теплопоглощающего элемента. Каждый паз оказывает такое действие, что напряжения в материале, обусловленные сильным нагреванием материала, уменьшаются.

Уменьшение напряжений в материале теплопоглощающего элемента может быть достигнуто, если конец каждого паза 20, конец, который размещен внутри теплопоглощающего элемента, ведет в маленькое сверление 22. Это сверление 22 имеет диаметр, который больше, чем ширина соответствующего паза 20. Таким путем предотвращены разрезающие воздействия в материале, обусловленные пазами. Ось каждого маленького сверления 22 может быть размещена параллельно оси центрального отверстия. Ось сверления 22 предпочтительно размещена под углом к оси центрального отверстия. Для того чтобы достичь, насколько это возможно, равномерного распределения тепла и, таким образом, напряжений в материале теплопоглощающего элемента, маленькое сверление 22 должно быть размещено параллельно наклону конической секции 16 центрального отверстия. Каждый паз выполнен между центральным отверстием и маленьким сверлением.

Как показано на фиг.5 и 6, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения каждый из пазов 30 может быть выполнен под углом по отношению к радиальному направлению. Следовательно, пазы 30 начинаются у центрального отверстия в теплопоглощающем элементе и продолжаются под углом к радиальному направлению, в направлении к внешней периферии теплопоглощающего элемента. Это имеет то преимущество, что те электроны, которые встречают вход паза на центральном отверстии, могут быть надежно поглощены. Наклонное направление каждого паза обеспечивает, что электроны ударяют стенку, которая является достаточно толстой, чтобы поглотить электроны и рентгеновские лучи.

Как показано на фиг.7 и 8, в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения каждый из пазов 40 выполнен в изгибающемся направлении в теплопоглощающем элементе 10. Согласно упомянутому варианту осуществления изобретения пазы 40 выполнены сначала в радиальном направлении, начинаясь от центрального отверстия, и затем следуют изгибающемуся направлению внутри материала теплопоглощающего элемента, как иллюстративно показано на фиг.8. Каждый паз 40 описывает изгиб между радиальным направлением и, приблизительно, направлением по окружности теплопоглощающего элемента. Вследствие этого предотвращают, с одной стороны, то, что острые углы возникают между центральным отверстием и пазами, при этом эти углы могли бы приводить к неравномерному распределению рассеивания тепла внутри материала. С другой стороны, предусмотрена достаточная толщина материала, который надежно собирает все электроны, которые рассеяны, также как рентгеновские лучи. Как и во всех вариантах осуществления изобретения, охлаждающий элемент выполнен с наружной стороны теплопоглощающего элемента, чтобы охлаждать теплопоглощающий элемент за более короткое время.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны расцениваться как иллюстративные или приведенные в качестве примера, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления изобретения.

Другие изменения раскрытых вариантов осуществления изобретения могут быть поняты и произведены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, неопределенный артикль, обозначающий «один», не исключает множество. Единственный элемент может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована, чтобы получить преимущества. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть расценены как ограничивающие объем.