液态金属轴承球管浅析

JEUI

液态金属轴承球管       

　　众所周知，旋转阳极主要由两部分组成：阳极靶和轴承系统，其中轴承系统包含定子和转子。阳极靶固定于转子上并置于真空中，定子线包通电产生磁场来驱动转子转动。机械上，转子一般大致分为两种：滚动轴承转子和滑动轴承转子。

　　当前，X射线管中普遍使用滚动轴承转子，因其结构简单，驱动控制简便，可靠性高，成本低廉。

　　由于阳极靶本身的重量以及CT应用中的机架旋转产生的额外径向负载，将使滚珠和内外沟道之间的相互作用加剧，导致内外沟道和滚珠的磨损变形。随着运动间隙的变大，阳极的抖动也会加剧，随之产生强烈的噪音，以至球管寿命终了。为了延长使用寿命，减缓磨损的产生，一般会在滚珠以及内外沟道上镀一层软金属（银或铅），软金属在轴承的使用过程中也起到了润滑的作用。

　　从结构上来讲，转子作为运动部件必然会产生机械振动，通过刚性滚珠传递到转轴上最终传到管套部件上，中间几乎不存在缓冲和减震，所以滚珠轴承的转动必然会存在一个比较显著的噪音（轴承寿命初期50-65dBA）。这种噪音在开始往往能够被机架中的风扇（探测器风扇，机架散热风扇，球管散热器风扇）以及机架外壳所抑制，但随着轴承的逐渐磨损，这种噪音会逐渐增大。

　　从材料上来讲，轴承组件是纯金属复合结构，对热变形较敏感，过量的变形将导致滚珠以及内外沟道磨损加剧甚至轴承卡死，转轴能承受的温度一般不超过600℃，这就要求阳极和轴承转子之间的连接必须使用低导热效率的材料。另外，滚珠与内外沟道之间是点接触，一定程度上也减弱了阳极靶向转轴的热量传递，这也变相要求阳极靶具有更高的热辐射效率和储热能力。一定意义上来讲，滚珠轴承球管最大连续阳极输入功率也受限于轴承本身。

　　从满足整机需求上来讲，为了使滚珠轴承转子的球管具备更高热辐射效率以及更高的热容量，这就要求更大的阳极靶面以及更大体积的储热材料；另外，随着整机对心肺及其血管成像质量的要求提高，就需要更高的时间分辨率，相应的就是CT机架转速的进一步提升。这些都对轴承的负载能力和可靠性提出了更严苛的要求。

　　液态流体动压滑动轴承的应用很好地解决了这些问题，但是这种轴承的引入并不是一蹴而就的。滑动轴承中必要的用以形成液膜的流体材料，长时间以来一直困扰着这项技术在电真空领域的使用，它需要同时兼具导电性，耐高温，常温下即为流体状态，高沸点……直到液态金属合金被发明出来，它终于可以闪亮登场。这种液态金属合金一般由镓、锡、铟等几种低熔点金属组成，常温下即为流体，导电性佳，沸点又极高（接近2000℃），所以不易挥发，同时本身又是金属，导热性极佳。