CN104576268B - X射线发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够以简单的结构为基础根据X射线管的使用目的、使用方法、或者其构造等而使照射窗的发热不会传递到不希望传递的部分的X射线发生装置。在X射线发生装置中，使通过对配置于X射线管内的真空气氛中的靶(2)照射电子束B而产生的X射线经由气密密封设于X射线管的开口的照射窗(3)放射到X射线管外，在这样的X射线发生装置中，通过使照射窗(3)具有在该照射窗(3)的展宽方向和厚度方向上热传导系数不同的热各向异性，能相对地减小使照射窗(3)的热量向不希望传递的方向的热传导系数，在不伴随着追加部件等的情况下就能解决现有技术中的问题。

Description

X射线发生装置

技术领域

本发明涉及用在产业用X射线检查装置、医疗用X射线检查装置、或者利用X射线的衍射或折射的各种X射线分析装置、测定装置等中的X射线发生装置，更详细地，涉及在X射线管内的真空气氛中使电子撞击靶来产生X射线的方式的X射线发生装置。

背景技术

在X射线发生装置中，除了特殊情况以外，都是在抽成真空的X射线管内配置靶和电子源，使由电子源生成的电子加速，作为电子束来撞击靶，由此产生X射线。所产生的X射线经由设于X射线管、气密密封其内部和外部的照射窗被取出到外部。

在X射线管中，因与靶的保持或电子束的照射、或者X射线的取出等相关的单元的差异，在X射线管的照射窗附近的结构中如图10、11中以示意图表示那样有透射型和反射型。

在表征透射型的X射线管的图10中，101是设于X射线管的前端部的靶托(targetholder)，102是靶，靶102与照射窗103一体地层叠形成在内侧。在这样的透射型的X射线管中，通过将电子束B照射到靶102，而从靶102上的电子束照射点即X射线发生点102a产生的X射线以沿电子束B的行进方向的方向DT为中心经由照射窗103放射到外部。

另一方面，在表征反射型的X射线管的图11中，201是靶托，202是靶，203是照射窗，通过将电子束B照射到靶202，而从靶202上的电子束照射点即X射线发生点202a产生的X射线经由抵接在设于X射线的取出方向DR的靶托开口部的照射窗203而放射到外部。

在上述的透射型以及反射型的X射线管的任一者中，作为照射窗103、203的材质，都使用Be、Al等的轻金属。

可是，由靶产生的X射线的能量是进行撞击的电子束的能量的约1％程度，剩下的99％变换成热能。为此，在图10所示的透射型的X射线管中，由于靶102处于高温，因此与其一体化的照射窗103也成为高温。

另一方面，在图11所示的反射型的X射线管中，虽然照射窗203难以受到靶202的发热的影响，但由靶202反射的电子束B撞击照射窗203会使其发热。

X射线管的照射窗成为高温与如下的各种问题相关联，例如X射线管内的向真空气氛中的气体放出、热应力引起的对真空钎焊部的负担、被检查物从大气侧接近照射窗的情况下的热的影响等。

为此，以往为了抑制照射窗的温度上升而做出各种努力。例如，对照射窗或者其周边进行水冷或空气冷，或者采用使透射型的X射线管的靶紧贴热传导系数良好的材料的金刚石来将热导向散热体的结构(例如参考专利文献1)。另外，在反射型的X射线管中，在X射线管内设置屏蔽部件以使得由靶反射的电子束不会撞击到照射窗的结构(例如参考专利文献2)。

另外，在作为照射窗的材料采用热传导系数差的材料的情况下，由于电子线照射位置在真空中而易于到达熔点，因此通常不进行。

专利文献

专利文献1：JP特开平4-144045号公报

专利文献2：JP特开2004-111336号公报

为了抑制X射线管中的照射窗的温度上升，最有效果的是减少发热的根本原因即撞击到照射窗的电子束量，但关于透射型X射线管，减少电子束量就会减少产生的X射线量，由此会影响到装置性能。

另外，在通过水冷或空气冷来强制冷却照射窗的情况下，需要用于冷却的空间和成本。专利文献2中公开的在反射型X射线管中设置电子的屏蔽部件的技术也还需要将用到的相应部件装备在X射线管内，需要空间和成本。

进而，若为了在照射窗自身下功夫来降低温度上升，例如使照射窗具有厚度从而增大热容量并且使向周围的热移动容易，则能预期温度上升的降低。但是，在非破坏检查中使用的X射线管的情况下，由于对被检查物进行放大投影，因此，伴随着X射线发生点(X射线焦点)与被检查物的隔离，会出现最大的放大率(摄影倍率)变小这样的问题。另外，还会出现照射窗吸收X射线的吸收量变大、能有效利用的X射线减少这样的问题点。

另外，在使靶紧贴热传导系数良好的材料来将热导向散热体的专利文献1所公开的技术中，由于散热体从靶向X射线照射侧突出，在其前端部分设置照射窗，因此也会与上述同样地出现放大率受到影响这样的问题。在此，虽然若在照射窗使用热传导系数良好的材料能抑制照射窗的局部的温度上升，但热量会在照射窗整体均匀传播，在为了使摄影倍率较大而将被检查物从大气侧靠近时，存在热量带给被检查物的影响反而变得更大的可能性。

发明内容

本发明鉴于这样的实际情况而提出，其课题在于，提供能在简单的构成的基础上根据X射线管的使用目的、使用方法、或其结构使得照射窗的发热不会传递到不希望传递的部分的X射线发生装置。

为了解决上述课题，本发明的X射线发生装置使通过对配置于X射线管内的真空气氛中的靶照射来自电子源的电子束而产生的X射线经由气密密封设于上述X射线管的开口的照射窗放射到该X射线管外，在X射线发生装置中，其特征在于，上述照射窗具有在该照射窗的展宽方向和厚度方向上热传导系数相异的热各向异性。

在此，在本发明中，作为上述照射窗，能选择使向该照射窗的展宽方向的热传导系数小于向厚度方向的热传导系数的构成、和使向该照射窗的展宽方向的热传导系数大于向厚度方向的热传导系数的构成的任一者。

另外，作为本发明中的照射窗，具体能使用由热各向异性材料构成的照射窗，更具体地，能使用由热各向异性的石墨构成的照射窗。

进而，作为本发明中的照射窗的其它材料，能选择交替层叠热传导系数相互不同的材料的层叠件。

本发明能运用在使用了透射型以及反射型的任一者的X射线管的X射线发生装置中，特别地，通过运用于在照射窗的X射线管内侧的表面一体地层叠了靶材料的透射型的X射线管中，能较大地发挥其作用效果。

本发明通过使照射窗具有热各向异性，确定了照射窗的热量的主要的传播方向而要解决课题。所谓具有热各向异性的材料是根据物体方向不同而热传导系数不同。例如，如果是板状材料，则在其厚度方向和展宽方向上热传导系数不同。

即，若安装使热传导系数小的方向配合不希望传递热的方向的热各向异性的照射窗，则能使向该方向的热的传播减少。例如，通过使向照射窗的展宽方向的热传导系数小于向厚度方向的热传导系数，因撞击照射窗的电子而产生的发热主要在照射窗的厚度方向上传播，从大气侧方向散热到空气中。由此，能抑制传播到X射线管内部的热，例如能减轻热应力带给真空钎焊部的负担、或带给气密照射窗的O环的负担等。

反之，若使向照射窗的展宽方向的热传导系数大于向厚度方向的热传导系数，则照射窗的热主要在窗的展宽方向上传播。这种情况下，能抑制从照射窗传播到大气侧的热，能减少使被检查物接近照射窗时的热的影响。

具有以上那样热各向异性的照射窗在其材料中例如能通过使用石墨等的热各向异性材料实现。另外，使向照射窗的展宽方向的热传导系数大于厚度方向的照射窗还能通过层叠热传导系数相互不同的材料实现。即，在层叠热的良导体和不良导体的照射窗中，在热性良导体层中，热在该层在整体传播，但在接下来的热性不良导体层中，热难以传递，作为整体，向照射窗的厚度方向的热的传导率相对变小，热主要在照射窗的展宽方向上传播，能得到热各向异性。

发明的效果

根据本发明，由于使X射线管的照射窗具有热各向异性，因此能根据X射线管的用途、结构等来将照射窗的热主要传播的方向调节为特定的方向。例如在要抑制向X射线管的钎焊部等的热应力的作用的情况下，通过使用向照射窗的展宽方向的热传导系数小于向厚度方向的热传导系数的照射窗，将热主要导向大气侧。另外，在使被检查物接近X射线焦点来进行放大摄影等的用途的X射线管中要减少向被检查物的热的影响的情况下，通过使用向照射窗的展宽方向的热传导系数大于向厚度方向的热传导系数的照射窗，能将热主要导向X射线管侧。如此，能以与希望抑制热的传播的部分相应的选择为基础来制作X射线管。

并且，在本发明中，由于特别地不需要追加用于抑制热的传播的部件，也不需要用于热传播的空间，因此能使结构简单。当然，也可以并用用来传播热的部件来进一步提高冷却效率。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的抑制向靶托的热传播的X射线管的照射窗附近的结构的示意截面图。

图2是图1中的照射窗的热传导方法的说明图。

图3是表示本发明的其它实施方式中的抑制向靶托的热传播的X射线管的照射窗附近的结构的示意截面图。

图4是表征图3的变形例的示意截面图。

图5是表示本发明的实施方式中的抑制向大气侧的热传播的X射线管的照射窗附近的结构的示意截面图。

图6是图5中的照射窗的热传导方法的说明图。

图7是具有与图5的由热各向异性材料构成的照射窗同等功能的由层叠材料构成的照射窗的构成和热传导方法的说明图。

图8是图5的实施方式的X射线发生时的各部的温度模拟模型的说明图。

图9是使用图7的照射窗的情况下的X射线产生时的各部的温度模拟模型的说明图。

图10是表示现有的透射型X射线管的照射窗附近的构成例的示意截面图。

图11是表示现有的反射型X射线管的照射窗附近的构成例的示意截面图。

标号的说明

1 靶托

2 靶

3、13、23 照射窗

4 金属层

23a 热传导系数佳的材料

23b 热传导系数差的材料

B 电子束

具体实施方式

以下参考附图来说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的实施方式的X射线管的照射窗附近的示意截面图，是抑制照射窗的热传播到X射线管(靶托)侧的结构的示例。

该图1的示例与所述的图10在基本结构上相同，在设于抽成真空的X射线管的前端部的靶托1，气密地保持在内侧将靶2层叠一体化的照射窗3。另外，在X射线管内配置由灯丝等(未图示)构成的电子源，通过将来自该电子源的电子收敛以及加速而生成的电子束B撞击与照射窗3一体化的靶2，由此在其撞击点即X射线发生点2a产生X射线，该X射线以沿电子束B的行进方向的方向DT为中心放射到X射线管外。

该示例的特征在于由热各向异性材料、例如热各向异性石墨形成照射窗3这一点，其热传导方法的特征在于，如图2所示那样，向照射窗3的展宽方向(与电子束B垂直的方向)的热传导系数小于向照射窗3的厚度方向(与电子束B同方向)的热传导系数。即，从靶2传递到照射窗3的热大多在厚度方向上传播。

如所述那样，由靶2产生的X射线的能量是进行撞击的电子束B的能量的1％程度，剩下的99％被变换成热能。在这种X射线管中，靶2通常是几μm的薄膜，由靶2产生的热会传播到照射窗3。由于照射窗3与靶托1抵接，因此通常多数热量传递到靶托1，然后在本实施方式中，传递到照射窗3的热主要在其厚度方向上传播并逃逸到大气侧。因此，根据本实施方式，由于通过电子束B撞击靶2而产生并传播到照射窗3的热难以传递到X射线管(靶托1)，因此，在需要考虑向X射线管的钎焊部或O环部等的热量的影响的X射线管中是有用的。

在此，在以上的实施方式中，如图3所示那样，也可以以避免由石墨等的热各向异性材料构成的照射窗3的局部的温度上升为目的，在照射窗3的大气侧表面设置金属层4，来使热均匀地扩散。该金属层4能如图4所示那样向大气侧突出地设置，这种情况下，不会通过金属层4使热传播到靶托1，而能将热有效率地放出到大气侧。金属层4能由Be或Al等构成。

图5是表示本发明的其它实施方式的X射线管的照射窗附近的示意截面图，是要抑制照射窗的热传播到大气侧的结构的示例，由于该图5所例示的基本结构与图1相同，因此对与图1相同的部件标注相同的标号，由此省略说明。

在该图5的示例中，与图1的示例的相异点在于照射窗13。即，图5的示例中的照射窗13虽然与图1相同地使用石墨等的热各向异性材料，但其热传导方法的特征在于，如图6所示那样，向照射窗13的展宽方向(与电子束B垂直的方向)的传导率大于向照射窗13的厚度方向(与电子束B同方向)的热传导系数。即，从靶2传递到照射窗13的热大多在照射窗13的展宽方向上传播。

如图1的示例中所述那样，通过电子束B的撞击而发热的靶2的热传播到照射窗13。在图5的示例中，该照射窗13的热主要在照射窗13的展宽方向上传播，能将从照射窗13向大气侧传递的热抑制得较低。因此，根据该图5的示例，通过电子束B撞击靶2而产生并传播到照射窗13的热难以传递到放置被检查物的大气侧，在不得不考虑需要在高放大率的基础性上进行摄影的被检查物、即需要考虑热带给需要在尽可能接近X射线发生点(X射线焦点)2a的状态下进行X射线摄影的被检查物的影响的X射线发生装置中有用。

在此，在图5的示例中，使用通过用石墨等的热各向异性材料而使向窗的展宽方向的热传导系数大于向厚度方向的热传导系数的照射窗13，但在使用层叠热传导系数相互不同的材料的照射窗的情况下，也能使其具有与使用了热各向异性材料的照射窗13同等的功能。

即，如图7所示那样，将由交替层叠热传导系数佳的材料23a和热传导系数差的材料23b的层叠件构成的照射窗23，置换至图5中的照射窗13，也能起到与图5的示例同等的作用。

图7的照射窗23与靶2相邻地设置热传导系数佳的材料23a的层，并且接着设置热传导系数差的材料23b，具有将它们反复层叠的结构。根据这种的照射窗23，靶2的发热就会传递到热传导系数佳的材料23a的层，在该层内均等地传播，但在接下来的热传导系数差的材料23b的层中，热难以传递。即，若从层叠体整体来看，层的展宽方向上热易于传递，但热难以向层叠方向传递。换言之，向照射窗23的扩展(横)方向的热传导系数大于向厚度(纵)方向的热传导系数。具有与图5中使用的由热各向异性材料构成的照射窗13同等的功能。

另外，作为用在图7的照射窗23中的热传导系数佳的材料23a，例如有Be或Al等的轻金属，作为热传导系数差的材料23b，能举出SiO₂等。

对本发明中的照射窗的热各向异性的程度进行叙述，现有的一般的照射窗为了良好地透射X射线而使用轻金属，其热传导系数为约100～300W/(m·K)。本发明所说的热各向异性期望热传导系数大的一侧和热传导系数小的一侧的比率为至少2倍，如果可能的话期望2个数量级以上。例如，优选在热传导系数大的方向上具有1000W/(m·K)以上的热传导系数、在小的方向上具有10W/(m·K)以下的热传导系数。

接下来叙述为了验证图5的实施方式的构成的有效性、和将该照射窗置换成图7的层叠体的构成的有效性而进行的模拟。

图8是表征在与图5的实施方式的构成相关的模拟中使用的模型的图。实施结构由于关于电子束B对称，因此在图8中示出横向一半(右侧)的截面图。作为验证实验，进行基于使用这样的模型的有限要素法的模拟。

照射窗13具有图6所示的方向的热各向异性，在模拟中使用的热传导系数在照射窗13的展宽方向设为1700W/(m·K)，在厚度方向设为7W/(m·K)。另外，作为比较例，对由热传导系数1700W/(m·K)的热各向同性材料构成的照射窗13(各种尺寸与图8相同)进行模拟。

模拟如图8所示那样，在电子束B的照射位置在半径5μm的区域以发热量5W为基础发热，计算成为热平衡状态的时间点的各部的温度。在表1示出电子束B轴上的真空侧以及大气侧的上升温度(℃)的计算结果。

[表1]

	真空侧	大气侧
			各向同性材料	192℃	33.6℃
各向异性材料	1955℃	10.0℃

根据模拟结果可明确，通过使用热各向异性材料使照射窗的热主要在其展宽方向上传播，能使照射窗的大气侧的表面温度降低23.6℃。

图9是表征在取代上述的热各向异性照射窗13而采用图7所示的层叠结构的照射窗23的模拟中使用的模型的图。该模拟中的模型的照射窗23以外的构成都与图8相同，模拟方法也相同。

照射窗23设为在热传导系数佳的材料23a的层间夹着热传导系数差的材料23b的层的3层结构，将各层的厚度设为0.1mm，将作为整体的厚度设为0.3mm，并将热传导系数佳的材料23a的热传导系数设为100W/(m·K)，将热传导系数差的材料的热传导系数设为5W/(m·K)。另外，作为比较例，模拟将照射窗23整体设为在单层(厚度0.3mm)使用热传导系数100W/(m·K)的材料的情况。

以与图8的模型相同的区域以及发热量进行发热，表2中示出在成为同样的热平衡状态的时间点的电子束B的照射位置处的上升温度(℃)的计算结果。

[表2]

	真空侧	大气侧
			单层	2213℃	50.5℃
三层	2282℃	42.1℃

根据该模拟结果可知，在使用层叠结构的照射窗23来使其具有热各向异性的情况下，使照射窗23的大气侧表面温度降低8.4℃。

另外，以上示出了在透射型X射线管中运用本发明的示例，但也能将本发明运用在图11所示的反射型的X射线管的照射窗，这种情况下能得到与透射型的X射线管中的效果同等的效果。

Claims (8)

1.一种X射线发生装置，对配置于X射线管内的真空气氛中的靶照射来自电子源的电子束而产生X射线，使所产生的X射线经由将设置在上述X射线管的开口进行气密密封的照射窗而放射到该X射线管外，该X射线发生装置的特征在于，

上述照射窗由热各向异性材料构成，上述照射窗具有在该照射窗的展宽方向和厚度方向上热传导系数不同的热各向异性，

上述照射窗的向该照射窗的展宽方向的热传导系数与向厚度方向的热传导系数的比率为2个数量级以上。

2.根据权利要求1所述的X射线发生装置，其特征在于，

向照射窗的展宽方向的热传导系数与向厚度方向的热传导系数之中的较大的一方的热传导系数为1000W/(m·K)以上，较小的一方的热传导系数为10W/(m·K)以下。

3.根据权利要求1所述的X射线发生装置，其特征在于，

上述照射窗的向该照射窗的展宽方向的热传导系数小于向厚度方向的热传导系数。

4.根据权利要求1所述的X射线发生装置，其特征在于，

上述照射窗的向该照射窗的展宽方向的热传导系数大于向厚度方向的热传导系数。

5.根据权利要求1所述的X射线发生装置，其特征在于，

上述热各向异性材料是石墨。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的X射线发生装置，其特征在于，

在上述照射窗的真空侧的表面一体地层叠靶材料。

7.一种X射线发生装置，对配置于X射线管内的真空气氛中的靶照射来自电子源的电子束而产生X射线，使所产生的X射线经由将设置在上述X射线管的开口进行气密密封的照射窗而放射到该X射线管外，该X射线发生装置的特征在于，

上述照射窗具有在该照射窗的展宽方向和厚度方向上热传导系数不同的热各向异性，

上述照射窗由交替层叠热传导系数相互不同的材料而得到的层叠件构成，

在上述照射窗的大气侧表面设置金属层，上述金属层向大气侧突出地设置。

8.根据权利要求7所述的X射线发生装置，其特征在于，

在上述照射窗的真空侧的表面一体地层叠靶材料。