用于旋转阳极X射线管的旋转阳极以及用于制造旋转阳极的方法

摘要

本发明提供一种用于旋转阳极X射线管的旋转阳极2，其包括具有支撑部分7的阳极盘6。焦点轨迹5位于所述阳极盘6的外径附近。所述支撑部分7沿着所述阳极盘6的径向坐标具有非均匀的材料特性，从而使所述阳极盘6的内径区域中具有较高机械负载能力，且使所述焦点轨迹5处具有较高热负载能力。因此，提供一种用于旋转阳极X射线管的旋转阳极2，以满足运行过程中产生的极限热负载和极限机械负载。此外，还提供一种用于制造此类旋转阳极2的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于旋转阳极X射线管的旋转阳极。本发明进一步涉及一种用于制 造旋转阳极X射线管的旋转阳极的方法。

背景技术

通过US3,735,458，已知一种双层旋转阳极以及一种用于使用钨制阳极部分和铸钼 合金的支撑部分来制造此类双层旋转阳极的方法。

由于支撑部分由钼合金制成，因此使用一种已知商品名称为“TZM”的材料。这种 材料除了钼之外，还包含钛、锆和碳。令人满意的是，这种材料可进行温度和形变处理， 这种处理方式已经在冶金厂中实行。钛和锆在钼中混合以降低熔点，从而可浇铸这种材 料并使重结晶温度升高到1,800℃。因此，如果支撑部分的温度保持低于1,800℃，那么 即使是在重载运行条件下，也可维持制造此旋转阳极过程中实现的机械强度增加。

根据US3,735,458，将这些材料制成圆盘，且通过传统切割工艺将圆盘的至少一侧 磨平。

此外，制造形成阳极部分的钨制圆盘，此圆盘通过磨削和/或抛光以使其至少一侧打 磨到最平滑的状态，从而同时获得不具有氧化膜的干净表面。

随后，阳极部分和支撑部分圆盘通过各自的平滑侧相接合，且在非氧化或还原环境 下，以约1,650℃的温度在炉中加热。加热后，已接合的阳极部分和支撑部分圆盘会尽 快传送到速动冲击成型装置，以便防止发射任何氧化并最小化冷却程度。在此装置中， 阳极部分和支撑部分圆盘在高能冲击下压合。由此，两个盘在非常高的压力下紧密粘合。 由于形变在低于支撑部分的重结晶温度，即1,800℃时发生，因此本文关注的是冷态形 变，除了支撑部分高度硬化之外，还将产生由冲击造成的高度形变。

但是，对于现代旋转阳极X射线管，旋转阳极在旋转阳极X射线管的运行过程中 受到极限热负载和极限机械负载的影响。因此，阳极部分处，尤其是焦点轨迹处的阳极 盘温度可能极高，其中在所述焦点轨迹处，运行过程中阴极所发射的电子会束撞击阳极 部分。这可能对阳极盘的支撑部分材料造成不必要的影响，并由其可导致阳极盘的支撑 部分材料的材料特性发生不必要的更改。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于，提供一种用于旋转阳极X射线管的旋转阳极，以满足运行过程 中的极限热负载和极限机械负载。本发明的目的进一步在于，提供一种用于制造此类旋 转阳极的方法。

这些目的通过本发明来实现，本发明提供一种用于旋转阳极X射线管的旋转阳极， 其包括：阳极盘，其具有支撑部分；焦点轨迹，其位于阳极盘的外径附近；所述支撑部 分沿着阳极盘的径向坐标具有非均匀的材料特性，从而使阳极盘的内径区域中具有较高 机械负载能力，且使焦点轨迹处，即阳极盘的外径附近具有热稳定状态，即具有较高热 负载能力。

因此，上述要求通过阳极盘的外缘和内缘处，即一方面是内径区域中且另一方面是 外径附近的不同材料特性来满足。在焦点轨迹下方，即X射线管运行过程中阴极所发射 的电子束的目标区域，阳极盘达到非常高的温度。因此需要材料处于热稳定状态，这与 具有较低屈服强度的、至少几乎完全重结晶的微观结构关联。要进行牢固固定，则内缘 处需要具有较高屈服强度，这涉及到更低的重结晶度。因此，在阳极盘的内径区域中， 支撑部分材料的结构状态在阳极盘成型后不应发生更改。

较好的情况是，在此类旋转阳极中，支撑部分由高熔点金属或高熔点金属合金制成， 所述金属或金属合金也称作难熔金属或难熔金属合金，其具有沿着阳极盘的径向坐标发 生变化的晶体微观结构。

根据此项实施例，通过颗粒结构的径向变化，即通过沿着径向坐标提供不同的颗粒 结构，从而使阳极盘的支撑部分的特性沿着径向坐标发生变化。

在旋转阳极的优选实施例中，金属或金属合金具有沿着阳极盘的径向坐标而逐渐增 加的重结晶度。

较好的情况是，金属或金属合金的重结晶度可进行选择，即在阳极盘的内径区域中 至少趋近零，且在阳极盘的外径附近的焦点轨迹处至少趋近百分之百。这表示在成型工 序结束后，金属或金属合金在阳极盘的内径区域中不会或至少可能不会重结晶，且在焦 点轨迹处完全或几乎完全重结晶。具体而言，支撑部分材料在阳极盘的内径区域中只有 极少且较小的颗粒，而在阳极盘的外径附近的焦点轨迹处呈现较多且较大的颗粒。

在另一项优选实施例中，旋转阳极的支撑部分由钼合金制成。较好的情况是，支撑 部分由合金制成，所述合金由钼构成，且进一步包含钛、锆和碳，这种合金的商品名称 也称为“TZM”。

此外，上述的材料特性分布不仅适用于“TZM”，也适用于其他难熔金属或难熔金 属合金，例如，电弧熔铸式“TZM”、“MHC”等。电弧熔铸式“TZM”是一种已在电 弧炉中熔合的“TZM”。“MHC”是钼铪碳(molybdenum-hafnium-carbide)的缩写形式， 其特性与“TMZ”类似。通常，除了钼之外，难熔金属还包括钒、铌、钽、钨、铬、钛、 锆和铪，其中出于技术和成本因素，钼、钨、锆、钒、铌较佳。具体而言，优选的是钼、 “TZM”、“MHC”、若干钼钨合金、若干钼铌合金、若干钼钒合金以及若干钼锆合金，最 后还有含钛合金。

有利地，此旋转阳极的特征在于，阳极部分在焦点轨迹处固定到支撑部分。安装在 阳极盘的支撑部分上的阳极部分形成旋转阳极的目标区域，在旋转阳极X射线管的运行 过程中，所述电子束射在所述目标区域的表面上，且所述目标区域由此发出X光辐射。 较好的情况是，此阳极部分由钨制层制成。

本发明的目的进一步通过一种用于制造旋转阳极X射线管的旋转阳极的方法来实 现，所述旋转阳极包括阳极盘，其具有支撑部分和阳极部分，所述阳极部分安装在焦点 轨迹处，所述焦点轨迹位于支撑部分外径附近的支撑部分表面上，制造步骤至少包括以 下步骤：

-通过形变工艺，以低于金属或金属合金的重结晶温度的温度使金属或金属合金形 成支撑部分，从而获得至少在阳极盘的内径区域中具有较高机械负载能力的支撑部分材 料；

-将阳极部分安装在支撑部分表面上；

-以至少与支撑部分材料的重结晶温度相同的温度，选择性地在支撑部分的外径附 近加热所述阳极盘，从而获得在焦点轨迹处具有热稳定状态，即在阳极盘的外径附近具 有较高热负载能力的支撑部分材料。

在形变工艺完成后，支撑部分材料的晶体结构“被扰乱”，从而导致其机械负载能 力，也称为屈服强度与处于呈现较大且规则颗粒的(重)结晶状态的材料的机械负载能 力相比而增加。但是，当焦点轨迹处的阳极部分以及焦点轨迹附近的阳极盘支撑部分的 材料因电子束的撞击而受热时，所述材料的已形变的晶体结构不具有热稳定性，因此在 旋转阳极X射线管中的旋转阳极运行时，晶体结构会发生更改。通过上述制造步骤中的 加热步骤，支撑部分材料的晶体结构选择性地转换成热稳定状态，即表示所述晶体结构 已重结晶。为了整体降低阳极盘的支撑部分的机械负载能力，具体而言，即机械负载能 力必定较高的阳极盘内径区域外的机械负载能力，则只有焦点轨迹附近的材料会重结 晶，尤其是在阳极盘的内径区域中的材料未进行上述加热步骤时。

由此，支撑部分材料的晶体结构在阳极盘的内径区域中将不会或至少可能不会重结 晶，且在焦点轨迹处将完全或几乎完全重结晶。具体而言，支撑部分材料在阳极盘的内 径区域中只有极少且较小的颗粒，而在阳极盘的外径附近的焦点轨迹处呈现较多且较大 的颗粒。

上述制造步骤可使阳极盘具有较高机械负载能力且同时具有热稳定状态，其中所述 机械负载能力高于完全由重结晶材料制成的阳极盘的机械负载能力，且其热负载能力高 于完全由非重结晶材料制成的阳极盘的热负载能力。

在上述制造工艺的优选实施例中，在旋转阳极安装到旋转阳极X射线管后，通过使 电子束指向阳极盘的焦点轨迹处，选择性地在支撑部分的外径附近加热所述阳极盘。

为此，将使用作为X射线管一部分的阴极所发射的电子束。所述电子束指向阳极盘 的焦点轨迹处，以加热在此区域中的支撑部分。由此，可通过非常简单且精准的方式对 这些实施重结晶工艺的区域进行加热，从而实现阳极盘的支撑部分所需求的热稳定性。 由于此工序将在抽空X射线管后进行，因此阳极盘会自动阻止热氧化。但是，与X射 线管正常运行时的电子束强度相比，所述电子束通常将具有更高的强度。

在上述制造工艺的另一项优选实施例中，在旋转阳极安装到人造旋转阳极X射线管 后，通过在焦点轨迹处向所述阳极盘的支撑部分施加热负载，选择性地在支撑部分的外 径附近加热阳极盘。

本文中所述的人造旋转X射线管可理解为一种类似于X射线管的生产设备，在此 设备中，出于制作目的，旋转阳极只在制造过程中进行固定。因此，上述制造步骤在此 生产设备中进行，且避免X射线管的结构元件在制造过程中超载。

在此优选实施例中，通过使电子束在支撑部分的背部处指向阳极盘的支撑部分，选 择性地在支撑部分的外径附近再次加热阳极盘，所述支撑部分的背部与焦点轨迹处的阳 极部分反向。

在此实施例中，再次加热将通过电子束进行；但是，电子束目前指向焦点轨迹下方 的支撑部分的背面。这样，尤其避免焦点轨迹处的阳极部分过热以及因加热步骤而由此 导致阳极部分材料磨蚀。

根据另一项实施例，提供一种上述用于制造旋转阳极X射线管的旋转阳极的方法的 变体，此变体中的旋转阳极包括阳极盘，其具有支撑部分和阳极部分，所述阳极部分安 装在焦点轨迹处，所述焦点轨迹位于支撑部分外径附近的支撑部分表面上，制造步骤至 少包括以下步骤：

-将金属或金属合金锻造成具有一定形变度分布的支撑部分，即在阳极盘的内径区 域中的形变度高于支撑部分的外径附近的形变度；

-以均匀温度加热阳极盘，以使阳极盘退火，从而获得至少在阳极盘的内径区域中 具有较高机械负载能力且在焦点轨迹处具有热稳定状态的支撑部分的材料；

-将阳极部分安装在支撑部分表面上。

这样，根据此实施例，阳极盘是具有特定形变度分布的锻造圆盘，即其在内径上的 形变度高于外径上的形变度，且随后，例如在熔炉中，向阳极盘施加均匀退火温度。这 使制作工艺更为简单且更为节省成本。

总而言之，要满足阳极盘上的极限热负载和极限机械负载所造成的较大需求，则较 为有利的是，使阳极盘的外缘和內缘处具有不同的材料特性。所述阳极盘的材料的微观 结构具有特定分布。这样，即可对材料特性进行特定调整以适应局部不同的负载需求。 高熔点金属或金属合金将作为优选材料使用，尤其是钼或钼合金，例如“TZM”。阳极 盘由一种单一材料制成，因此无需任何由不同材料构成的“分层结构”或“径向结构”。 这样，即可对材料特性进行特定调整以适应局部不同的负载需求。微观结构和材料特性 的分布通过特定形变度和特定退火工艺而形成。形变度会影响阳极盘的材料的晶体结 构。通过选择制造工艺中具有径向变化的形变度，所述圆盘的晶体结构将径向变化。温 度和退火持续时间的选择随后导致所述材料具有不同的重结晶度，且由此造成晶体结构 随着阳极盘的径向坐标而变化。生产过程的发展和控制通过硬度测量来实现。

本发明适用于旋转阳极X射线管中的每个旋转阳极。本发明在以下情况下尤其具有 优势，即大功率旋转阳极X射线管具有大功率密度，且受控热流流经阳极盘。

参考下文所述的实施例，本发明的上述方面和其他方面将显而易见并进行阐释。

附图说明

在本文中，本发明的实施例将参考附图在下文中进行更为详细的描述，其中：

图1所示为旋转阳极X射线管的内部结构元件的截面示意图，其中包括阴极和旋转 阳极，所述示意图指示了表示不同微观结构和硬度的点，

图2所示为在阳极盘的内径区域中的第一点处，根据图1的阳极盘的材料微观结构 的示意图，

图3所示为图2所图示的微观结构的显微图片，

图4所示为在位于阳极盘的内径和外径之间的中间点的第二点处，根据图1的阳极 盘的材料微观结构的示意图，

图5所示为图4所图示的微观结构的显微图片，

图6所示为在位于阳极盘的外径附近的第三点处，根据图1的阳极盘的材料微观结 构的示意图，

图7所示为图6所图示的微观结构的显微图片，以及

图8所示为根据图2到7，在第一、第二和第三点处的维氏角锥硬度(Vickers pyramid  hardness)的图例。

具体实施方式

在图1中，图示了旋转阳极X射线管的一些基本内部结构元件的截面示意图，所述 结构元件包括阴极1和阳极2。在旋转阳极X射线管的运行过程中，阴极1发射指向旋 转阳极2的电子束3，其中所述旋转阳极2围绕旋转轴4旋转。在焦点轨迹5处，电子 束3撞击旋转阳极2。

旋转阳极2包括阳极盘6，而所述阳极盘6包括由钼合金，例如所谓的“TZM”制 成的支撑部分7。在阳极盘6的外径附近的焦点轨迹5处，阳极部分8，也称为靶层， 安装到支撑部分7上。

在图1中，阳极盘6的支撑部分7的截面中还标记了三个点：第一点9，其位于阳 极盘6的内径区域中；第二点10，其位于阳极盘6的内径和外径之间的中间点处；以及 第三点11，其位于阳极盘6的外径附近。所述点9、10和11指示不同微观结构的位置 以及支撑部分7的材料硬度。

图2所示为在位于阳极盘6的内径区域中的第一点9处，根据图1的阳极盘6的支 撑部分7的材料微观结构的示意图。此微观结构具有第一状态，所述第一状态取决于支 撑部分7制造过程中的形变工艺并通过此形变工艺实现。所述材料几乎呈不规则、“被 破坏”或“被扰乱”的晶体结构，其中仅原有晶体的残留部分脱离发生形变前的材料状 态，但几乎无法看见任何颗粒。这通过均匀散列区域12以图示方式在图2中进行了描 绘。在此区域中，即在此材料中，会嵌入类似于新岛屿初始阶段的重结晶结构，所述重 结晶结构通过非常谨慎地退火，即仅稍微加热阳极盘而形成。如点13所图示的那样， 这种初始重结晶出现数量极少。在图2底部，图示了长度为200微米的标尺，通过该标 尺，即可了解该图的比例。

图3包括图2所图示的晶体微观结构的显微图片。如图2所图示的那样，晶体结构 的细节使用相同的参考编号表示。此外，该图的比例可通过图3底部的标尺得出。

图4所示为在位于阳极盘6的内径和外径之间的中间点的第二点10处，根据图1 的阳极盘6的支撑部分7的材料微观结构的示意图。此微观结构具有第二状态，所述第 二状态是一种具有更高程度的重结晶形式的状态，所述状态如图2和3所示，取决于支 撑部分7制造过程中的形变工艺且通过该形变工艺实现。处于此状态的材料依然有许多 区域仍存在不规则、“被破坏”或“被扰乱”的晶体结构，即在这些区域中，几乎无法 看见任何颗粒。在图4中，这一情形通过参考编号为12的均匀散列区域进行了描绘。 但是，图4所示的支撑部分7的细节中，大部分点发生了预先重结晶过程。此外，仍存 在一些仅可发现初始重结晶的区域，所述区域由点13进行图示。点14和15所表示的 其他区域中可发现具有清晰可见且极为有限的颗粒的预先重结晶点。已重结晶的岛状 物，即退火工艺中通过重结晶生成的新晶体的数量和密度增加。图4的底部也图示了长 度为200微米的标尺，通过该标尺，即可了解该图的比例。

图5包括图4所图示的晶体微观结构的显微图片。如图4所图示的那样，晶体结构 的细节使用相同的参考编号表示。该图的比例可通过图5底部的标尺得出。

图6所示为在位于阳极盘的外径附近的第三点处，根据图1的阳极盘6的支撑部分 7的材料微观结构的示意图。此微观结构目前具有第三状态，在此状态中，重结晶工艺 至少几乎全部完成。处于此状态中的材料既不会呈现存在不规则、“被破坏”摄或“被 扰乱”的晶体结构的区域，也不会呈现仅存在初始重结晶的区域。这表示，点14、15 和16所表示的整个预先重结晶的材料区域中可发现清晰可见且极为有限的颗粒。在图6 底部也图示了长度为200微米的标尺，通过该标尺，即可了解该图的比例。

图7包括图6所图示的晶体微观结构的显微图片。如图6中所图示的那样，晶体结 构的细节使用相同的参考编号表示。该图的比例可通过图7底部的标尺得出。

在图8中，根据图2到7的阳极盘6的支撑部分7的第一、第二和第三点9、10和 11处的维氏角锥硬度(Vickers pyramid hardness)的测量值的实例在示意图中进行了描 绘。在此图中，点9、10、11表示为位置，测量值从所述点处获得，其中第一点9对应 于位置1，第二点10对应于位置2，且第三点11对应于位置3。维氏角锥硬度的测量值 简写为HV10，其在图中由小方块表示。在支撑部分7的材料的第一点9处，即位置1 处，所测量的维氏角锥硬度HV10约265。在支撑部分7的材料的第二点10处，即位置 2处，所测量的维氏角锥硬度HV10约210，且在支撑部分7的材料的第三点11处，即 位置3处，所测量的维氏角锥硬度HV10约190。

支撑部分7表面上的材料硬度的测量值与材料内部，即表面上相应测量点正下方的 大块材料中的材料硬度的测量值相同。这样，与支撑部分7的大块材料内部相同的硬度 分布可在阳极盘6的外表面上进行测量。这样，通过在表面上进行测量，微观结构和相 关材料特性的分布可较为容易地进行控制，而无需切割支撑部分7。

参考编号列表

1旋转阳极X射线管的阴极

2旋转阳极X射线管的旋转阳极

3电子束

4旋转轴

5焦点轨迹

6旋转阳极2的阳极盘

7阳极盘6的支撑部分

8阳极盘6的阳极部分

9位于阳极盘6的内径区域中的第一点

10位于阳极盘6的内径和外径之间的中间点处的第二点

11位于阳极盘6的外径附近的第三点

12描绘“被破坏”或“被扰乱”的晶体结构的均匀散列区域

13以图示方式描绘初始重结晶的点

14具有清晰可见且极为有限的颗粒的预先重结晶点

15具有清晰可见且极为有限的颗粒的预先重结晶点

16具有清晰可见且极为有限的颗粒的预先重结晶点