自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來已過去一個多世紀，作為多學科理論交叉的產(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， 固定焦點到單向控制飛焦點再到多向控制飛焦點……無一不是為了滿足整機系統(tǒng)對X射線管更高的掃描功率，更快的陽極散熱效率，更精準的焦點控制以達到更精細的圖像重建和更高的經(jīng)濟效益的要求， 其中很多技術(shù)被友商作為獨門絕技而限制其僅用于自家整機系統(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)生磁場來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。機械上，轉(zhuǎn)子一般大致分為兩種：滾動軸承轉(zhuǎn)子和滑動軸承轉(zhuǎn)子。
當前，X射線管中普遍使用滾動軸承轉(zhuǎn)子，因其結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動控制簡便，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部示意
由于陽極靶本身的重量以及CT應(yīng)用中的機架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的額外徑向負載，將使?jié)L珠和內(nèi)外溝道之間的相互作用加劇，導致內(nèi)外溝道和滾珠的磨損變形。隨著運動間隙的變大，陽極的抖動也會加劇，隨之產(chǎn)生強烈的噪音，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)子作為運動部件必然會產(chǎn)生機械振動，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)動必然會存在一個比較顯著的噪音（軸承壽命初期50-65dBA）。這種噪音在開始往往能夠被機架中的風扇（探測器風扇，機架散熱風扇，球管散熱器風扇）以及機架外殼所抑制，但隨著軸承的逐漸磨損，這種噪音會逐漸增大。
從材料上來講，軸承組件是純金屬復合結(jié)構(gòu)，對熱變形較敏感，過量的變形將導致滾珠以及內(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熱效率的材料。另外，滾珠與內(nèi)外溝道之間是點接觸，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熱材料；另外，隨著整機對心肺及其血管成像質(zhì)量的要求提高，就需要更高的時間分辨率，相應(yīng)的就是CT機架轉(zhuǎn)速的進一步提升。這些都對軸承的負載能力和可靠性提出了更嚴苛的要求。
綜上所述，滾珠軸承的優(yōu)勢在滿足更高端系統(tǒng)的需求上已經(jīng)越來越不明顯。
液態(tài)流體動壓滑動軸承的應(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?；瑒虞S承中必要的用以形成液膜的流體材料，長時間以來一直困擾著這項技術(shù)在電真空領(lǐng)域的使用，它需要同時兼具導電性，耐高溫，常溫下即為流體狀態(tài)，高沸點……直到液態(tài)金屬合金被發(fā)明出來，它終于可以閃亮登場。這種液態(tài)金屬合金一般由鎵、錫、銦等幾種低熔點金屬組成，常溫下即為流體，導電性佳，沸點又極高（接近2000℃），所以不易揮發(fā)，同時本身又是金屬，導熱性極佳。
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部示意
轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間會形成一個細小的空腔（如圖2右 黑色部分），這個黑色空腔的表面是能讓液態(tài)金屬浸潤的材料，同時由于間隙極小，易形成毛細效應(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度。
從結(jié)構(gòu)上來講，因為使用了滑動軸承的原理，形成最小液膜厚度之后，轉(zhuǎn)軸和軸瓦是完全脫離開的，相互之間不存在機械摩擦，只有流體的內(nèi)摩擦，所以原理上滑動軸承幾乎不會磨損，這里順便簡單介紹下液態(tài)流體動壓滑動軸承的原理：
圖3 液態(tài)金屬軸承啟動過程中的轉(zhuǎn)軸和軸瓦的位置關(guān)系示意
圖3a為靜止狀態(tài)下，轉(zhuǎn)軸由于重力作用落于軸瓦最底部；圖3b為初始啟動過程，轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)動力矩的影響，與軸瓦發(fā)生相對運動；圖3c為啟動中段，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載形成的合力達到平衡，轉(zhuǎn)軸軸心位置達到穩(wěn)定狀態(tài)。
在液態(tài)金屬軸承開始啟動直至轉(zhuǎn)軸與軸瓦之間完全脫開這個過程中，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載下，液態(tài)金屬軸承的啟動力矩會略大于滾珠軸承。同時，由于這個過程非常短暫，液態(tài)金屬軸承運行中的磨損仍然幾乎可以忽略，并且穩(wěn)定運行后由于液體內(nèi)摩擦系數(shù)極小，使得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行的保持力矩也會極大地小于啟動力矩。
同時，液態(tài)金屬作為流體填充在轉(zhuǎn)軸和軸瓦之間，可以起到對震動的緩沖和削弱，極大地抑制了噪音的產(chǎn)生。實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性，同時相較于滾珠，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，這也是為什么這項技術(shù)目前仍然僅掌握在少數(shù)廠商手里的原因之一。
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