自伦琴发现X射线以来已过去一个多世纪，作为多学科理论交叉的产物之一——X射线管，受限于X射线产生的机理，屈指可数的技术衍化也主要集中在X射线管的零部件: 固定靶到旋转靶，纯金属靶到金属石墨复合靶，传统热丝阴极到平面热阴极再到最新的纳米冷阴极， 固定焦点到单向控制飞焦点再到多向控制飞焦点……无一不是为了满足整机系统对X射线管更高的扫描功率，更快的阳极散热效率，更精准的焦点控制以达到更精细的图像重建和更高的经济效益的要求， 其中很多技术被友商作为独门绝技而限制其仅用于自家整机系统上。

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。

图1 一种典型结构的滚珠轴承组件以及内外沟道和滚珠之间的细部示意

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。

综上所述，滚珠轴承的优势在满足更高端系统的需求上已经越来越不明显。

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。

图2 一种典型结构的液态金属轴承组件以及转轴和轴瓦间液膜的细部示意

转轴和轴瓦之间会形成一个细小的空腔（如图2右 黑色部分），这个黑色空腔的表面是能让液态金属浸润的材料，同时由于间隙极小，易形成毛细效应，这为液态金属的注入降低了工艺难度；在转轴和轴瓦脱离的界面上，又通过镀敷抗液态金属浸润的材料，形成对液态金属的锁止，防止液态金属漏入真空而降低球管耐压强度。

从结构上来讲，因为使用了滑动轴承的原理，形成最小液膜厚度之后，转轴和轴瓦是完全脱离开的，相互之间不存在机械摩擦，只有流体的内摩擦，所以原理上滑动轴承几乎不会磨损，这里顺便简单介绍下液态流体动压滑动轴承的原理：

图3 液态金属轴承启动过程中的转轴和轴瓦的位置关系示意

图3a为静止状态下，转轴由于重力作用落于轴瓦最底部；图3b为初始启动过程，转轴受转动力矩的影响，与轴瓦发生相对运动；图3c为启动中段，转轴已经有一定转速并在转轴的左下方形成连续液膜，至此转轴与轴瓦完成分离，但转轴轴心依然没达到稳定；图3d转轴转速继续提升，最终液膜形成的支撑力与负载形成的合力达到平衡，转轴轴心位置达到稳定状态。

在液态金属轴承开始启动直至转轴与轴瓦之间完全脱开这个过程中，转轴和轴瓦之间存在一定的摩擦，这也是为什么在同样的轴承负载下，液态金属轴承的启动力矩会略大于滚珠轴承。同时，由于这个过程非常短暂，液态金属轴承运行中的磨损仍然几乎可以忽略，并且稳定运行后由于液体内摩擦系数极小，使得维持转子稳定运行的保持力矩也会极大地小于启动力矩。

同时，液态金属作为流体填充在转轴和轴瓦之间，可以起到对震动的缓冲和削弱，极大地抑制了噪音的产生。实际使用中阳极噪音甚至低于50dBA，系统使用中人耳几乎无法分辨系统噪音中源自旋转阳极的那部分，并且随着球管使用频率的增加，噪音也不会有显著的改变。

从材料上来讲，由于液态金属本身极佳的热传导性，同时相较于滚珠，它大大提高了转轴和轴瓦之间的接触面积，极大提高了阳极靶热量向轴承系统的传导效率，辅助阳极靶散热，更可以将轴瓦后端挖空直接引入冷却介质，进一步提高阳极散热效率；相较于滚珠轴承，配以相同的阳极靶，液态金属轴承可使阳极组件的热容量提高10%~20%，最大阳极散热效率提高50%。

从满足整机需求上来讲，从低载荷液态金属轴承向高载荷液态金属轴承发展，设计和生产技术上的跨度并不大，最大的难度体现在从无到有的过程，这也是为什么这项技术目前仍然仅掌握在少数厂商手里的原因之一。