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自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來已過去一個(gè)多世紀(jì)，作為多學(xué)科理論交叉的產(chǎn)物之一——X射線管，受限于X射線產(chǎn)生的機(jī)理，屈指可數(shù)的技術(shù)衍化也主要集中在X射線管的零部件: 固定靶到旋轉(zhuǎn)靶，純金屬靶到金屬石墨復(fù)合靶，傳統(tǒng)熱絲陰極到平面熱陰極再到最新的納米冷陰極， 固定焦點(diǎn)到單向控制飛焦點(diǎn)再到多向控制飛焦點(diǎn)……無一不是為了滿足整機(jī)系統(tǒng)對(duì)X射線管更高的掃描功率，更快的陽極散熱效率，更精準(zhǔn)的焦點(diǎn)控制以達(dá)到更精細(xì)的圖像重建和更高的經(jīng)濟(jì)效益的要求， 其中很多技術(shù)被友商作為獨(dú)門絕技而限制其僅用于自家整機(jī)系統(tǒng)上。

眾所周知，旋轉(zhuǎn)陽極主要由兩部分組成：陽極靶和軸承系統(tǒng)，其中軸承系統(tǒng)包含定子和轉(zhuǎn)子。陽極靶固定于轉(zhuǎn)子上并置于真空中，定子線包通電產(chǎn)生磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械上，轉(zhuǎn)子一般大致分為兩種：滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子和滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子。

當(dāng)前，X射線管中普遍使用滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)便，可靠性高，成本低廉。

圖1 一種典型結(jié)構(gòu)的滾珠軸承組件以及內(nèi)外溝道和滾珠之間的細(xì)部示意

由于陽極靶本身的重量以及CT應(yīng)用中的機(jī)架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的額外徑向負(fù)載，將使?jié)L珠和內(nèi)外溝道之間的相互作用加劇，導(dǎo)致內(nèi)外溝道和滾珠的磨損變形。隨著運(yùn)動(dòng)間隙的變大，陽極的抖動(dòng)也會(huì)加劇，隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音，以至球管壽命終了。為了延長使用壽命，減緩磨損的產(chǎn)生，一般會(huì)在滾珠以及內(nèi)外溝道上鍍一層軟金屬（銀或鉛），軟金屬在軸承的使用過程中也起到了潤滑的作用。

從結(jié)構(gòu)上來講，轉(zhuǎn)子作為運(yùn)動(dòng)部件必然會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，通過剛性滾珠傳遞到轉(zhuǎn)軸上最終傳到管套部件上，中間幾乎不存在緩沖和減震，所以滾珠軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)必然會(huì)存在一個(gè)比較顯著的噪音（軸承壽命初期50-65dBA）。這種噪音在開始往往能夠被機(jī)架中的風(fēng)扇（探測(cè)器風(fēng)扇，機(jī)架散熱風(fēng)扇，球管散熱器風(fēng)扇）以及機(jī)架外殼所抑制，但隨著軸承的逐漸磨損，這種噪音會(huì)逐漸增大。

從材料上來講，軸承組件是純金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)熱變形較敏感，過量的變形將導(dǎo)致滾珠以及內(nèi)外溝道磨損加劇甚至軸承卡死，轉(zhuǎn)軸能承受的溫度一般不超過600℃，這就要求陽極和軸承轉(zhuǎn)子之間的連接必須使用低導(dǎo)熱效率的材料。另外，滾珠與內(nèi)外溝道之間是點(diǎn)接觸，一定程度上也減弱了陽極靶向轉(zhuǎn)軸的熱量傳遞，這也變相要求陽極靶具有更高的熱輻射效率和儲(chǔ)熱能力。一定意義上來講，滾珠軸承球管最大連續(xù)陽極輸入功率也受限于軸承本身。

從滿足整機(jī)需求上來講，為了使?jié)L珠軸承轉(zhuǎn)子的球管具備更高熱輻射效率以及更高的熱容量，這就要求更大的陽極靶面以及更大體積的儲(chǔ)熱材料；另外，隨著整機(jī)對(duì)心肺及其血管成像質(zhì)量的要求提高，就需要更高的時(shí)間分辨率，相應(yīng)的就是CT機(jī)架轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提升。這些都對(duì)軸承的負(fù)載能力和可靠性提出了更嚴(yán)苛的要求。

綜上所述，滾珠軸承的優(yōu)勢(shì)在滿足更高端系統(tǒng)的需求上已經(jīng)越來越不明顯。

液態(tài)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的應(yīng)用很好地解決了這些問題，但是這種軸承的引入并不是一蹴而就的?；瑒?dòng)軸承中必要的用以形成液膜的流體材料，長時(shí)間以來一直困擾著這項(xiàng)技術(shù)在電真空領(lǐng)域的使用，它需要同時(shí)兼具導(dǎo)電性，耐高溫，常溫下即為流體狀態(tài)，高沸點(diǎn)……直到液態(tài)金屬合金被發(fā)明出來，它終于可以閃亮登場(chǎng)。這種液態(tài)金屬合金一般由鎵、錫、銦等幾種低熔點(diǎn)金屬組成，常溫下即為流體，導(dǎo)電性佳，沸點(diǎn)又極高（接近2000℃），所以不易揮發(fā)，同時(shí)本身又是金屬，導(dǎo)熱性極佳。

圖2 一種典型結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬軸承組件以及轉(zhuǎn)軸和軸瓦間液膜的細(xì)部示意

轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間會(huì)形成一個(gè)細(xì)小的空腔（如圖2右 黑色部分），這個(gè)黑色空腔的表面是能讓液態(tài)金屬浸潤的材料，同時(shí)由于間隙極小，易形成毛細(xì)效應(yīng)，這為液態(tài)金屬的注入降低了工藝難度；在轉(zhuǎn)軸和軸瓦脫離的界面上，又通過鍍敷抗液態(tài)金屬浸潤的材料，形成對(duì)液態(tài)金屬的鎖止，防止液態(tài)金屬漏入真空而降低球管耐壓強(qiáng)度。

從結(jié)構(gòu)上來講，因?yàn)槭褂昧嘶瑒?dòng)軸承的原理，形成最小液膜厚度之后，轉(zhuǎn)軸和軸瓦是完全脫離開的，相互之間不存在機(jī)械摩擦，只有流體的內(nèi)摩擦，所以原理上滑動(dòng)軸承幾乎不會(huì)磨損，這里順便簡(jiǎn)單介紹下液態(tài)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的原理：

圖3 液態(tài)金屬軸承啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)軸和軸瓦的位置關(guān)系示意

圖3a為靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)軸由于重力作用落于軸瓦最底部；圖3b為初始啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的影響，與軸瓦發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；圖3c為啟動(dòng)中段，轉(zhuǎn)軸已經(jīng)有一定轉(zhuǎn)速并在轉(zhuǎn)軸的左下方形成連續(xù)液膜，至此轉(zhuǎn)軸與軸瓦完成分離，但轉(zhuǎn)軸軸心依然沒達(dá)到穩(wěn)定；圖3d轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升，最終液膜形成的支撐力與負(fù)載形成的合力達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)軸軸心位置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在液態(tài)金屬軸承開始啟動(dòng)直至轉(zhuǎn)軸與軸瓦之間完全脫開這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間存在一定的摩擦，這也是為什么在同樣的軸承負(fù)載下，液態(tài)金屬軸承的啟動(dòng)力矩會(huì)略大于滾珠軸承。同時(shí)，由于這個(gè)過程非常短暫，液態(tài)金屬軸承運(yùn)行中的磨損仍然幾乎可以忽略，并且穩(wěn)定運(yùn)行后由于液體內(nèi)摩擦系數(shù)極小，使得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行的保持力矩也會(huì)極大地小于啟動(dòng)力矩。

同時(shí)，液態(tài)金屬作為流體填充在轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間，可以起到對(duì)震動(dòng)的緩沖和削弱，極大地抑制了噪音的產(chǎn)生。實(shí)際使用中陽極噪音甚至低于50dBA，系統(tǒng)使用中人耳幾乎無法分辨系統(tǒng)噪音中源自旋轉(zhuǎn)陽極的那部分，并且隨著球管使用頻率的增加，噪音也不會(huì)有顯著的改變。

從材料上來講，由于液態(tài)金屬本身極佳的熱傳導(dǎo)性，同時(shí)相較于滾珠，它大大提高了轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間的接觸面積，極大提高了陽極靶熱量向軸承系統(tǒng)的傳導(dǎo)效率，輔助陽極靶散熱，更可以將軸瓦后端挖空直接引入冷卻介質(zhì)，進(jìn)一步提高陽極散熱效率；相較于滾珠軸承，配以相同的陽極靶，液態(tài)金屬軸承可使陽極組件的熱容量提高10%~20%，最大陽極散熱效率提高50%。

從滿足整機(jī)需求上來講，從低載荷液態(tài)金屬軸承向高載荷液態(tài)金屬軸承發(fā)展，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)上的跨度并不大，最大的難度體現(xiàn)在從無到有的過程，這也是為什么這項(xiàng)技術(shù)目前仍然僅掌握在少數(shù)廠商手里的原因之一。