JP2001216928A - X線管 - Google Patents

X線管

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JP2001216928A
JP2001216928A JP2000370749A JP2000370749A JP2001216928A JP 2001216928 A JP2001216928 A JP 2001216928A JP 2000370749 A JP2000370749 A JP 2000370749A JP 2000370749 A JP2000370749 A JP 2000370749A JP 2001216928 A JP2001216928 A JP 2001216928A
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JP
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bearing
envelope
ray tube
anode
shaft
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JP2000370749A
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Inventor
Daniel E Kuzniar
イー クズニアー ダニエル
Jason P Harris
ピー ハリス ジェソン
Gerald J Carlson
ジェイ カールソン ジェラルド
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Philips Nuclear Medicine Inc
Original Assignee
Marconi Medical Systems Inc
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Publication date
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    • H01J35/04Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/105Cooling of rotating anodes, e.g. heat emitting layers or structures
    • H01J35/107Cooling of the bearing assemblies
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    • H01J35/101Arrangements for rotating anodes, e.g. supporting means, means for greasing, means for sealing the axle or means for shielding or protecting the driving
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された冷却とX線管軸受の発熱を減少し
た回転陽極X線管を提供する。 【解決手段】 X線管(20)は陰極(23)及び陰極
(23)と動作関係にある陽極(24)を含む。陽極
(24)は軸(32)上に搭載される。X線管は軸(3
2)を回転可能に受ける少なくとも1つの軸受(58)
を含む。少なくとも1つの軸受(58)は外側レース部
材に外側軸受レース(66)と、内側軸受レース(6
2)と、内側及び外側軸受レース間に動作的に配置され
た複数の軸受部材(64)とを含む。X線管(20)
は、また管部品を収納しそして内側表面(79)に沿っ
て熱伝導的に接触した少なくとも1つの軸受(58)の
外側レース部材を受ける排気されたエンベロープ(7
8)を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、X線管、特に回転
陽極X線管に関し、より詳細には改良された冷却とX線
管軸受の発熱を減少した装置に関する。
【0002】
【従来の技術】典型的にX線管ハウジング集合体は、金
属又はガラスで作られたエンベロープを有しX線管ハウ
ジング内に支持されたX線管を含む。X線管ハウジング
はその中に支持されているX線管へ電気的接続を与え
る。ハウジングはオイルなどのエンベロープを囲む流体
に充填されていて、X線管の内部部品から放射される熱
を吸収することによりX線管の冷却を助ける。
【0003】図1には従来のX線管120が概略的に示
されていて、普通の軸受集合体の構成を示している。こ
れは軸受の冷却効率と軸受けの大きさを制限し、このた
め軸受の熱的及び機械的負荷に限界がある。X線管12
0は、陰極集合体122、陽極集合体124と、エンベ
ロープ126を含む。ハウジング128はX線管120
を収納して冷却オイルや他の適当な媒体が充填されて、
管120を取り囲む。
【0004】陰極集合体122は、陰極収束カップと少
なくとも1つの陰極フイラメントを含む。支持ブラケッ
トが陰極カップをエンベロープ内に搭載する。電気導体
が収束カップとカソードフイラメントに取り付けられ
る。導体は、カップとフイラメントのそれぞれに適当な
電気エネルギー源を与える。
【0005】陽極集合体124は、従来方法により軸1
32に搭載された円形陽極ディスク130を含む。典型
的な環状ターゲット領域が陽極ディスクの周縁回りに位
置する。軸132は内部軸受レース134、136を画
定する軸受シャフト133に取り付けられる。外側軸受
部材146は高純度銅軸受ハウジング148内に摩擦的
に受けられる。外側軸受レース142、144が外側軸
受部材146内に形成される。複数のボール又は他の軸
受部材140が内側軸受レース134、136と外側軸
受レース142、144の間に受けられる。軸受ハウジ
ング148はボルト125でもってエンベロープ128
の非電気伝導部分に取り付けられる。
【0006】誘導モーター150が陽極集合体124を
回転する。誘導モーターは真空エンベロープ126の外
に位置して駆動コイル152を有するステータを含む。
エンベロープ内のローター集合体154は軸受集合体を
収納して陽極軸132に動作可能に接続されている。ロ
ーター集合体154は、軸132に接続された一般に円
筒形支持部材155に既知の方法で取り付けられた円筒
形スリーブ156を含む。典型的に、スリーブ156は
銅などの熱的及び電気的に伝導な材料により形成されて
いる。モーターにエネルギーが伝えられると、ローター
集合体154はエンベロープ126内で回転する。
【0007】X線を発生するために、陰極フイラメント
は熱的放射を発生して、これにより電子雲を生ずるよう
に電流により加熱される。100ないし200kV程度
の高電位が陰極集合体と陽極集合体の間に加えられる。
この電位は放射された電子が陰極からエンベロープ内の
真空領域を通過して回転する陽極のターゲットに流れる
ようにする。陰極カップは電子を環状ターゲット軌跡に
指向するビームに収束する。電子ビームはX線を発生す
るのに十分なエネルギーでもってターゲットに衝突す
る。
【0008】電子ビームは、X線発生の際に陽極に衝突
する時、かなりの熱を発生する。回転する陽極構造はX
線発生の際に生ずる熱的負荷の分散のために採用されて
いる。環状ターゲット部分に沿った経路の各部はX線発
生の際に非常に高温に熱せられ、そして電子ビームで再
び打たれるように戻ってくるまで回転する間、冷却され
る。コンピュータ・トモグラフイ(CT)などの高出力
X線管の応用においては、X線の発生は例えば1200
ないし1400℃の温度範囲までしばしば陽極集合体を
加熱する。
【0009】X線管の動作時に、X線管は真空のエンベ
ロープを取り囲みハウジング内を流れるオイル又は他の
冷却流体を使用して冷却される。オイルはエンベロープ
を通じて陽極集合体により放射される熱を吸収する役割
を果たす。しかし、陽極130から放射される熱の一部
はまたローター及び軸受集合体により吸収される。これ
に加えて、軸132に沿って陽極130からいくらかの
熱が軸受集合体内に伝えられる。軸受集合体内のいくら
かの熱はエンベロープ126を介して放射し、そして熱
の一部は装着ボルト125の近くの軸受ハウジング14
8の端に伝えられる。軸受集合体から熱を除去するこれ
ら機構は非効率的であり、その結果として軸受集合体の
部品の温度は所望の温度より高くなる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】図1に示されるような
従来のX線管は、軸受ハウジングや誘導モーターのロー
ターなどの軸受を取り囲むいくつかの部品を有する。こ
れらの部品は、(i)軸受から熱を除去する効率に限界
を与え、そして(ii)与えられた管について軸受集合
体の部品の大きさに限界を与え、従ってより大きな機械
的な負荷を取扱う能力に限界を与える。軸受集合体の冷
却の限界の結果、多くの高出力X線管応用において軸受
の温度が約400℃になることは普通である。不都合な
ことに、このような高温度は軸受の性能に悪い影響を与
えるであろう。例えば、軸受の各ボールに与えられた潤
滑油の過剰な及び/又は長い加熱は潤滑油の効果を減少
する。これに加えて、潤滑油が沸騰してX線管内の真空
を汚染する。さらに、過剰な及び/又は長い加熱は軸受
の寿命を短くし、その結果としてX線管の寿命を短くす
る。このため、熱源に関係無く(i)軸受に到達する熱
量を減少させそして(ii)軸受の熱を効率的に除去す
ることが望まれる。
【0011】陽極集合体から軸受集合体へ通過する熱量
を減少する既知の方法の1つは、陽極と軸受集合体との
間の熱的シールドを機械的に確実にすることである。熱
的シールドは陽極130から軸受集合の方向に放射され
た熱の一部を遮断することによりベアリング集合体を保
護する役割を果たす。不都合なことに、熱的シールドは
陽極130からの熱移動から軸受集合体を完全に保護す
ることができす、放射された熱の一部は軸受集合体に吸
収される。これに加えて、熱的シールドは軸受け集合体
への熱移動を減少するのに役立つが、熱的シールドは軸
受集合体に既に吸収されている熱を除去したり又は冷却
したりする役割を有しない。さらに、軸受集合体がロー
ターにより取り囲まれているため、軸受集合体はハウジ
ングに収納されている冷却流体に熱を効率良く放射する
ことができない。従って、一旦、熱が軸受集合体に移る
と、容易に散逸しない。
【0012】軸受温度の限界により生ずる別の不利益
は、管の排気やシーゾンニングなどの管の製造の際のさ
まざまなプロセスが悪影響を受けることである。管を排
気することは管を真空に排気するプロセスである。真空
ポンプが管に動作的に取り付けられている間、管は高温
度で内部部品により動作される。気体が管から除去され
る速度と結果として得られる最終の管の圧力は、排気中
の陽極などの部品温度に関係する。部品の温度が高けれ
ば高いほど、管からより効率的に気体が除去されて排気
後により低い管圧となる。軸受の温度の限界は、排気の
際に部品、すなわち、陽極が到達できる温度を減少させ
る結果となる。
【0013】従来の軸受の設計は、シーゾンニングの際
の部品の温度を制限する。シーゾンニングは管が連続的
により高い電圧と出力にさらされるプロセスである。こ
の「焼き入れ(バーンイン)」工程は、管を動作中で経
験される高電圧において電気的により安定にすることを
助ける。シーゾンニング工程の際に、陽極ターゲット収
束軌跡がそれが経験する最高温度のいくつかにさらされ
る。シーゾンニングの際、陽極の収束軌跡が気体を外に
出し、真空エンベロープ内に気体分子を放出し、これに
より気体圧力を上昇する。放出された気体は真空エンベ
ロープ内のゲッターにより吸収される。再び、軸受温度
の限界がX線管のシーゾンニングの際の内部部品温度の
減少を生ずる。
【0014】これに加えて、より高い出力及び/又はよ
り高い回転速度の陽極の応用では、(i)陽極円板の大
きさ、(ii)動作速度への回転陽極の加速度、及び
(iii)CT筐体内の患者回りのX線管の回転速度の
いずれかを増加する時に、受容可能なランアウト仕様に
維持することが望ましい。これらのより高出力及び/又
はより高速度の応用は軸受に増加された熱的及び機械的
負荷を与える。従来の軸受集合体の設計では、軸受の大
きさに限界を与える軸受を取り囲むいくつかの構成部品
を有する。部品のいくつかは軸受ハウジングと誘導モー
ターローターを含む。軸受の大きさの限界の結果とし
て、従来の大きさの軸受集合体が軸受の寿命とランアウ
ト仕様を妥協することなく処理することができる機械的
及び熱的負荷には限界がある。
【0015】陽極の大きさも従来の陽極及び軸受集合体
搭載構造により制限を受けている。これら搭載構造の多
くはX線管をX線管ハウジング内に片持ちばりの方法で
支持している。この搭載構成は搭載構造が動作中に変形
に耐え得るように十分な強さを有することを必要とす
る。しかし、搭載構造は典型的には熱が軸受集合体を通
って冷却オイルに伝わる唯一の点であるから、搭載構造
を熱伝導の良い材料を用いて作ることが好ましい。典型
的に熱伝導の良い材料は、CTシステム内で経験される
ような通常のX線管の機械的動作負荷の下の変形には対
抗できない。これら2つの要求、高い強度と良い熱伝導
率、はしばしば搭載構造の材料において衝突する選択を
命令する。設計はしばしば両機能を満足に実行できる材
料の選択の妥協である。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は、より効率的な
軸受の冷却を有し、そしてより大きな軸受の使用を可能
にしてこれによりより高い出力X線管内の陽極に関連し
たより大きな機械的及び熱的負荷を支援するX線管を提
供する必要性を満足したX線管に関する。本発明の一実
施の形態によるX線管は、陰極と、陽極と、陽極に取り
付けられた軸と、陽極を回転可能に支持するための少な
くとも1つの軸受と、を含む。軸受は外側軸受レース部
材を有する。X線管は内部表面を有する排気されるエン
ベロープを含む。エンベロープは内部表面に沿って外側
軸受レース部材を受ける。
【0017】このようなX線管は、より効率的な軸受の
冷却を達成することを可能とする。より効率的な軸受の
冷却は、排気、シーゾンニング、管動作中により高いX
線間部品温度、例えば陽極温度を可能にする。本発明は
またランアウト仕様を維持しながら、より大きな及び/
又は高出力X線管応用のためにより大きな機械的及び熱
的負荷を取扱うより大きい軸受を提供することを可能に
する。
【0018】本発明のより限定された観点によれば、内
側軸受レースは軸に形成される。
【0019】本発明の別の限定された観点においては、
軸の一部はモーターのローターを形成する。
【0020】本発明の別の限定された観点によれば、エ
ンベロープが非伝導材料及び又は非磁性材料から製造さ
れる。
【0021】本発明のより限定された観点によれば、X
線管のエンベロープは、アルミナなどのセラミック材料
により製造される。
【0022】本発明の別の限定された観点によれば、エ
ンベロープは少なくとも1つのレースマウントを含む。
【0023】本発明のより限定された観点によれば、レ
ースマウントは金属である。そして本発明のさらに限定
された観点によれば、レースマウントはKovar、ニ
ッケル合金より製造される。
【0024】本発明の別の限定された観点によれば、軸
受の内側レースは軸を構成するものよりも熱伝導により
大きな抵抗を有する材料、例えばステンレススチール、
より形成される。
【0025】本発明の別の限定された観点によれば、エ
ンベロープは陰極と陽極のディスク部分を収納する第1
エンベロープ部分を有する。第2エンベロープ部分は軸
受を熱導電的に接触して固定する。
【0026】本発明のさらに限定された観点によれば、
エンベロープの第1部分は第1材料から製造され、エン
ベロープの第2部分は第2材料から製造されている。
【0027】本発明の別の観点によれば、X線管は陽極
と、陽極を搭載するための軸と、陰極と、軸受集合体と
を有する。排気されたエンベロープは部品を収納し、そ
してエンベロープは、エンベロープの内表面に沿って少
なくとも軸受集合体の一部を受ける。また、エンベロー
プに物理的に接触した熱的シールドが含まれる。
【0028】本発明の別の限定された観点によれば、熱
的シールドは軸の近く設けられる。
【0029】本発明の別の限定された観点によれば、熱
的シールドは先端が切断された円錐の形状を有し、一般
に中心孔を有する。軸は孔の中に延びる。軸と熱的シー
ルドとの間のクリアランスは軸が自由に孔内で回転でき
る程度に十分な大きさである。
【0030】これに加えて、孔と先端が切られた円錐と
の間の熱的シールドの部分は機械的に切削されて空隙を
形成している。
【0031】本発明の別の観点によれば、X線管は陰極
と、この陰極と動作的に関係した陽極と、陽極を搭載す
るための軸と、この軸を回動可能に受ける軸受集合体と
を備える。X線管は部品を収納する排気されたエンベロ
ープの一部として円筒形壁と少なくとも軸受集合体の一
部を受ける円筒形壁の内側表面とを含む。
【0032】本発明の別の観点によれば、排気されたエ
ンベロープの一部を形成する軸受ハウジングを持った改
良されたX線管が提供される。
【0033】本発明のさらに別の観点によれば、第1熱
的シールドを有する改良されたX線管が提供される。エ
ンベロープと熱伝導的に接触した第2熱的シールドが含
まれる。
【0034】本発明の別の観点によれば、陰極と、陽極
と、陽極に取り付けられ第1熱伝導係数を持った第1材
料から製造された軸とを含む。第2熱伝導係数を持った
第2材料から形成された軸受マウントが軸に取り付けら
れている。軸受が軸受マウント上にマウントされて、軸
受が回転可能に軸を支持する。
【0035】本発明の1つの効果は、軸受がより効率的
に冷却でき、それにより排気、シーゾンニング、及び動
作の際に管部品のより高い温度を可能とする。
【0036】本発明の別の効果は、より大きな軸受をX
線管内に使用することができ、これによってより大きな
陽極に伴なうより大きな機械的及び熱的負荷に耐えるこ
とができる。
【0037】本発明の別の効果は、陽極を回転するため
のモーターのローター部分を構成するために使用される
部品数を減少できる。
【0038】本発明の別の効果は、軸受寿命の延長であ
る。
【0039】以下、添付図面を参照して、本発明の実施
の形態を例示として詳細に説明する。
【0040】
【発明の実施の形態】本発明において、X線管内の軸受
集合体部品の新しく異なった設計と配置が、回転陽極の
軸受についてより効率的な冷却を与える。本発明によれ
ば、X線管内の軸受部品は、軸受からエンベロープを取
り囲む冷却媒体へより効率的に熱を移送できるようにす
るため、排気された管エンベロープと熱伝導的に接触す
るように位置付けられる。これは軸受からより効率的に
熱を除去するために、X線管の他の部品についてより高
い動作温度、例えば気体排出、シーゾンニング、動作中
により高い陽極温度、を可能にする。これに加えて、本
発明の新規で異なる設計は、軸受の外側レースを陽極軸
の回転軸からさらに離間するように位置することを可能
とする。これはより大きな軸受部材と増大した外側レー
ス直径の使用を可能にして、コンピュータトモグラフイ
及び他のX線システムに使用されるようなより高い出力
及び/又はより高速のX線管に伴なうより大きな機械的
な負荷を支持することができる。
【0041】図2を参照すると、本発明の好ましい実施
の形態によるX線管20が、陰極集合体22と、陽極集
合体24と、軸受集合体27と、排気されたエンベロー
プ26と、誘導モーター50とを含む。ハウジング28
はX線管20を収納し、そして管20を取り囲むオイル
又は他の適当な媒体などの冷却流体で満たされている。
図2と図3に示されるハウジング28は、概略的な構造
を示すもので、X線管への必要な電気的な接続は接続端
子によりアクセス可能であるように一般的に構成されて
いる。これに加えて、熱交換流体接続(図示しない)が
設けられてハウジング内に流体を循環して冷却する。
【0042】陰極集合体22は、少なくとも1つの陰極
フイラメントと収束カップを有する陰極23を含む。陰
極23はエンベロープ26内で陰極支持ブラケット29
上で支持される。電気導体が収束カップと陰極フイラメ
ントとに接続される。導体は陰極集合体22から、排気
されたエンベロープ26とX線管ハウジング28を通っ
て、それぞれ収束カップと陰極フイラメントを動作する
ための適当な電気エネルギー源に延びる。
【0043】陽極集合体24は、X線を発生するために
適当な材料から構成された典型的には円形又は環状ディ
スク30を含む。ディスク30は陽極ディスクを回転の
ために支持する軸端31において軸32へ従来方法によ
り搭載される。軸32は、一般に線A−Aに沿った回転
軸を有する。軸端31は軸A−Aに沿って軸32の円筒
形ローター部分33内に延びる。軸32のローター部分
33は回転軸から半径方向に伸び、そして軸端31の直
径よりも大きな直径を有する。より短い軸端31は第1
肩37においてローター部分33へと伸びる。ローター
部分33はその遠い端において第2肩39を有する。遠
い端の軸延長部41は回転軸に沿って第2肩39から突
出ている。軸延長部41はローター部分33より小さい
直径を有する。
【0044】円筒形ローター部分33は、好ましくは銅
又は同様な電気伝導材料から形成された円筒35を含
む。円筒35はローター部分33の円筒形周縁回りに取
り付けられてその長さに沿って延長している。ローター
部分33は、陽極集合体24を回転するために誘導モー
ター50を形成するステーター駆動コイル52と電磁気
的に協働する。ステーター駆動コイルは典型的にはエン
ベロープ26の外側に位置する。
【0045】排気されたエンベロープ26は、第1エン
ベロープ部分74及び首とも呼ばれる第2エンベロープ
部分76とを含む。第1エンベロープ部分74は、陽極
集合体24のディスク30と陰極集合体22を収納す
る。好ましくは、第1エンベロープ部分74はガラスか
ら構成されるが、しかし、他の適当な材料、例えば金属
又はセラミックなども使用できる。第1エンベロープ部
分74に対して選ばれた材料に応じて、適当なX線透過
窓領域が設けられる。
【0046】第2エンベロープ部分76は陽極軸32の
ローター部分33と一対の軸受け58、60とを収納す
る。第2エンベロープ部分76は、一般的に円筒形壁部
分78の一端においてカップを形成する閉じた端80を
有する。陽極により近い所に位置する壁部分78の他の
端82は開端である。第2エンベロープ部分76は一般
に線A−Aに沿って延びる主中心軸を有する。円筒形壁
部分78は内側表面79とエンベロープを取り囲む冷却
媒体と接触する外側表面81とを有する。この構成は以
下に詳述するように、軸受集合体27の一部として役目
を果たすエンベロープの首76を可能にする。好ましい
実施の形態において、第2エンベロープ部分76はセラ
ミック・アルミナのような電気的に不導電性で且つ非磁
性材料から構成される。首を構成する材料は熱伝導性で
そして管動作中にそれに加えられる機械的負荷に耐える
ものが選ばれる。酸化ベリリウムなどやその他のセラミ
ックも代替的に使用できる。酸化ベリリウムはその高い
熱伝導性のために好ましいが、高コストであり且つ製造
するのが困難である。
【0047】軸32は、とりわけ第2エンベロープ部分
76と軸受58、60とを含む軸受集合体27に回転可
能に支持される。軸受58は外側レース65を定義する
外側レース部材66を有する。表面67は外側レース部
材66の外側周縁の回りに延びる。軸受58はまた内部
レース63を定義する内部レース部材62を含む。内部
レース部材62は第1肩37に近くそして陽極に最も近
い軸の軸端31のあたりのローター部分33に取り付け
られる。複数のボール又は他の軸受部材64が内側63
及び外側65のレース内に保持されて軸32を回転可能
に支持する。
【0048】軸受60は、内側レース73を定義する内
側レース部材68と外側レース71を定義する外側レー
ス部材70を有する。表面69は外側レース部材70の
外側周縁の回りに延びる。内部レース部材68は、第2
肩39に近い遠い軸延長部41の回りのローター部分3
3に取り付けられる。軸受58のそれと同様に、複数の
軸受部材64が内側73と外側71のレース内に保持さ
れて軸延長部41を支持する。代わりに、外側レース7
1は、第2エンベロープ部分76の閉端80内の領域に
充填された適当に形付けられた環状の材料に直接的に加
工してもよい。
【0049】内側レース部材62、68が形成される材
料は熱の移動に対してより大きな抵抗を有し、これによ
り軸から軸受内に移動する熱の量を減少する。内側レー
ス部材材料のためにふさわしい材料の一例はステンレス
スチールである。軸は熱移動に対して抵抗がより少ない
異なる材料から構成されてもよい。軸から内側軸受レー
ス部材を介しての熱の移動を阻止することは、本発明の
動作時においてX線管の低い軸受温度を維持するのに役
立つ。代わりに、ローター部分がX線管内で軸受レース
の条件に耐える適当な材料から製造される時、内側レー
ス63、73がそれぞれの肩部分の適当な位置において
ローター部分33の対向する端に確定されて加工されて
もよい。
【0050】軸受60の外側レース部材70が第2エン
ベロープ部分76の閉端80内に軽くプレス嵌めされて
いる時、軸受60から冷却媒体への熱伝導経路が形成さ
れる。一旦、所定位置に置かれると、外側レース部材7
0の外側周縁表面69は円筒形壁部分78の内側表面7
9と直接的に接触する。その後の組立ての際、軸受部材
64が外側レース71内に置かれる。内側レース部材6
2、68が取り付けられた軸32が首内に挿入される。
次に、追加の軸受部材64が内側レース63内に置かれ
る。軸受レース部材66は同様に壁部分78の開端82
内に軽くプレス嵌めされて、これにより軸受部材64を
保持する。内側表面79は周縁表面67に直接に接触し
て、これにより別の熱的経路を完成する。外側レース部
材66及び軸受集合体の他の部品が、所定位置に固定ス
プリング72でさらに保持される。
【0051】構造的な故障を生ずるエンベロープの変形
を生ぜずに、第2エンベロープ部分76の円筒形壁部分
78と接触させてレース部材66、70を軽くプレス嵌
めされて摩擦的に保持する。これに加えて、周縁表面6
7、79と壁部分78の内部表面79間の直接的な接触
は、外側軸受レース部材66、70と冷却媒体との間に
熱的伝導接触を提供する。これは軸受から冷却媒体へ熱
をより効率的に伝導する熱的伝導経路を提供する。
【0052】第1エンベロープ部分74と第2エンベロ
ープ部分76は遷移部分84内で接合される。2つのエ
ンベロープ部分について異なる材料を有する好ましい実
施の形態において、遷移部分84は、異なる材料間で効
率的な遷移を形成する適当に形状付けられた大きさのK
ovar金属帯である。遷移部分84は既知の方法でも
ってセラミック第2エンベロープ部分76にろう付けら
れる。遷移部分84の他の端は既知の方法で第1エンベ
ロープ部分74に取り付けられる。遷移部分84は、異
なる熱膨張係数を有する材料を接続する好ましい能力に
よりKovarから構成される。Kovar遷移部分8
4は、第1エンベロープ部分74と第2エンベロープ部
分76の異なる材料の異なる熱膨張係数に起因して排気
されたエンベロープ26の構造的および真空的な整合性
に悪影響を与えることなく、X線管の動作を可能にす
る。
【0053】第2エンベロープ部分76が完全に電気的
に不伝導材料から形成される時、陽極電流を取除くため
の電流経路を設ける必要がある。陽極から電流経路のた
めの適当な端子が円筒形壁部分78を介して発電機(図
示しない)に延びていて、陽極集合体24を動作電位に
維持する。例えば、電流が軸受58又は60を介して、
円筒形壁部分78を介して延びそして発電機に電気的に
接続された端子(図示しない)に向けて流される。好ま
しくは、後の軸受は陽極の熱により近い前の軸受よりも
一般により低温であるため、電流を流す接点は後の軸
受、すなわち、軸受60、に置かれる。しかし、電気端
子はいずれかの軸受又は陽極電流のための経路を提供す
るために陽極集合体のローター端と発電機とを電気的に
接続するように配された他の適当な位置に置くことがで
きる。
【0054】複数の概略的に示される離間した管支持体
86が、X線管20をハウジング28内に固定して保持
するために設けられている。支持体は、ハウジング内で
X線管20の第2エンベロープ部分76を保持するため
の管端88を有する。壁部分78の劣化する変形を防止
するように管を保持するために使用できる既知のいくつ
かの方法のいずれも使用できる。例えば、X線管は適当
に設計された止め具、突起又は支持体86に取り付けら
れた又は形成された適当な形状の保持部材に軽くプレス
嵌めされることにより保持される。管支持体86はハウ
ジング28に固定されるための反対端90を有する。管
支持体86は、軸受58、60内の熱が壁部分78を経
て管支持体86へ移動されるように軸受の近くに位置す
る。実際に、管支持体は軸受から熱を集めるためのヒー
トシンクとして機能し、熱を管支持体へ移送してその後
にハウジング内の冷却流体に移送する。第1及び第2エ
ンベロープ部分の長さに沿ったいかなる数の適当な支持
体構成をハウジング28内にX線管20を支持保持する
ために使用してもよい。
【0055】X線管20の動作の際、陽極集合体24は
誘導モーター50により高速度で軸受58、60内で回
転される。電流が陰極フイラメントに加えられて、電子
が陰極集合体22から熱電子的に放出される。大きな電
気ポテンシャルが陽極と陰極の間を横断して加えられ
る。電子は真空空間を横断して加速され、そして陽極デ
ィスク30のターゲット部分に衝突し、これによりX線
を発生する。X線発生工程に起因して、ディスク部分3
0は高温に加熱される。陽極の熱の一部は第1エンベロ
ープ部分74を経て冷却オイル内に放射され、熱の一部
はディスク30から軸32を経てローター33へと流
れ、その後に軸受58、60へと流れる。そして熱の移
送のための伝導経路は軸受58、60から直接に円筒形
壁部分78へと進み、そしてエンベロープ26を取り囲
んでいる冷却オイルへと進む。軸受58、60と円筒形
壁部分78の間の直接的な熱経路は軸受58、60のよ
り効率的な冷却を与える。本発明の装置はより効率的に
軸受部材内の熱を冷却媒体内に伝達し、そして軸受部材
内に伝導により伝えられた熱を減少する。
【0056】図3を参照すると、本発明による第2エン
ベロープ部分76の別の構成が示されている。第2エン
ベロープ部分76は管状の円筒形壁部分100と、レー
ス部材マウント102と、端キャップ104とを含む。
第2エンベロープ部分76は、陽極軸32のローター部
分33を収納して、軸受集合体27の一部を形成する。
第2エンベロープ部分76の円筒形壁部分100は一般
的に線A−Aに沿って延びる主な中心軸を有する。円筒
形壁部分100の円形の第1開端103は陽極集合体2
4の近くに位置する。円形の第2開端103は陽極集合
体から遠く離れて位置する円筒形壁部分100の遠い端
に配置される。壁部分100はアルミナ等のセラミック
材料などの電気的不導体で且つ非磁性材料から構成され
る。図2に示された壁部分78に関連して上述されたよ
うな他の適当な材料が壁部分100のために使用でき
る。
【0057】本実施の形態の効果と差異は、排気された
エンベロープの第2部分を形成する壁部分100に接合
される端キャップ104及びレース部材マウント102
の両方又は一方を構成する材料に関係する。レース部材
マウント102及び端キャツプ104は、Kovar又
は類似の金属から構成される。Kovarが上述したよ
うに、第1及び第2エンベロープ部分の異なる材料を接
合するための遷移金属として役割を果たす能力に好まれ
る。本実施の形態のいくつかの効果は、(i)全セラミ
ック第2エンベロープ部分よりも軸受に対して近い許容
差でより容易に加工でき、(ii)金属レース部材又は
端キャップを経由してX線管電流のための発電機への電
流経路を提供し、(iii)選択される金属に応じて、
軸受から冷却媒体へのより効率的な熱伝導経路を提供す
ることである。端キャップとレース部材マウントの両方
が同じ材料から構成されることは必ずしも必要でない。
これに加えて、上記のセラミック円筒形壁部分78とセ
ラミック閉端80とを金属レース部材マウント102と
共に使用してもよい。
【0058】図3において、レース部材マウント102
は、第1開端101に位置する概して円筒形のバンドで
あり、その周縁表面67に沿って軸受58の外側レース
部材66を受け止める内側周縁表面105を有する。マ
ウント102の外側周縁表面107は冷却媒体と接触し
ている。又は、もし必要であるならば管支持体に取り付
けられる。大きさと形状に影響を与えるレース部材マウ
ント102で達成される目的のいくつかは、(i)第1
エンベロープ部分と第2エンベロープ部分の異なる材料
缶の適当な遷移部分を提供し、(ii)軽いプレス嵌め
されて軸受58の外側レース部材58を受け、(ii
i)冷却媒体へ直接に又は管支持体86へ熱的伝導経路
を提供し、(iv)X線管のための搭載位置を与え、そ
して(v)X線管エンベロープの真空密封整合性を維持
することである。
【0059】端キャップ104は端キャップ円筒形バン
ド108と円筒形バンド108の一端に位置するディス
ク形状端部分110とを有するカップ形状である。端キ
ャップ円筒形バンドの一端は、端キャップを第2エンベ
ロープ部分76の円筒形壁部分100に取り付け易くす
るために円形の開口を有する。端キャップ円筒形バンド
108はある長さと内側周縁表面109とを有する。内
側表面109は、端キャップ104内で受けられる時、
軸受60の外側レース部材70の周縁表面69に接触す
る。端キャップバンド108の外側周縁表面111は冷
却媒体に接触し及び/又は管支持体に取り付けられる。
支持体86に加えて、又は、これに代えて、端キャップ
104はボルト106(点線で示す)を使用して保持で
きる。このような搭載構成に対して、端キャップ104
の端部分110は保持ボルト106を螺着する適当な穴
を有し、そして排気された管とオイルが充填された容器
の間の真空的整合性を維持する。
【0060】陽極集合体24を動作電位ポテンシャルに
維持する電流のための適当な経路が、軸受58又は60
を経由して電気伝導性レースマウント部材102又は端
キャップ104へと与えられる。端子(図示しない)が
レースマウント102又は端キャップ104から延び
て、発電機に電気的に接続する。好ましくは、電流を運
ぶための端子が後の軸受、すなわち、軸受60の端キャ
ップ104と電気伝導的に接触して配置される。なぜな
らば、後の軸受は概して陽極の熱により近い前の軸受よ
りもより低い温度だからである。しかし、電気端子はい
ずれの軸受又は陽極電流経路を与えるために発電機と陽
極集合体のローター端とを電気的に接続するように配置
された他の適当な位置に設けることができる。
【0061】X線管20の動作時、熱移動のための伝導
経路は軸受58、60から直接にレースマウント部材1
02及び端キャップ104へそれぞれ進み、そしてエン
ベロープ26を取り囲む冷却オイル又は管支持体86へ
と進む。レース部材マウント102及び端キャップ10
4を経由する軸受58、60からの直接的な熱の伝導経
路は、従来の構成と比較してより効率的な軸受58、6
0の冷却を与える。
【0062】図4を参照すると、上述した第2エンベロ
ープ部分内に含まれる修正されたレースマウント部材2
32及び/又は修正された端キャップ246を使用した
本発明の別の実施の形態が示されている。これら修正さ
れた構造は以下に詳述する陽極軸熱的シールド/吸収体
216と共に使用される。熱的シールド/吸収体216
は個別的に又は組合せのいずれかとして、熱的シール
ド、熱吸収体、熱シンク、及び熱伝導体の機能を実行す
る。陽極軸熱的シールド/吸収体216は、(i)陽極
背面板209の後表面206及び/又は(ii)陽極軸
32の軸端31から放射された熱を吸収する。この吸収
された熱は熱的シールド216を経由して第2エンベロ
ープ部分76及び周囲の冷却媒体へ伝導される。これに
加えて、軸延長41及び端キャップ246の新規な構成
により、陽極軸32のローター部分33内の熱は軸から
冷却媒体により効率的に移送される。この特徴は軸受に
移送できるまで陽極軸内に十分に進行した熱を取除くこ
とを助ける。端キャップ246を経由して軸から除去さ
れた熱は軸受内に流入しない。この実施の形態内に含ま
れる構造は軸受集合体の冷却を改良し、そして軸受集合
体に到達する熱を減少する。類似した部品の符号番号は
本発明の他の実施の形態に関して詳細な説明で上述され
た部品と同様な部品を示す。
【0063】第2エンベロープ部分76は、管状円筒形
壁部分100と、レース部材マウント232と、端キャ
ップ246とを含む。第2エンベロープ部分76は陽極
軸32のローター部分33を収納し、そして軸受集合体
27の一部を形成する。円筒形壁部分100は概して線
B−Bに沿って延びる主要軸を有する。円筒形壁部分1
00の円形の第1開端101は陽極集合体24の近くに
位置する。円形の第2の開端103は、陽極集合体から
遠く離れて位置する円筒形壁部分100の遠い端に位置
する。壁部分100は、アルミナのようなセラミック材
料などの電気的に不導体及び非磁性材料から構成され
る。本発明の他の実施の形態について上述されたような
他の適当な材料が壁部分100のために使用できる。
【0064】レース部材マウント232は概して円筒形
帯であり、銅又はX線管動作の際に軸受を保持するため
の機械的特性と同様に適当な熱伝導性を有する類似の材
料から構成される。レース部材マウント232は、レー
スマウント232の長さに沿った少なくとも三つの部分
を含む内側周縁表面205を有す。レースマウント23
2の第1部分は、陽極集合体から最も遠くにあり、軽く
プレス嵌めされた軸受212の外側レース部材236を
受け止める軸受レース部材受止め部分211である。外
側レース部材236はレースマウント232の受止め部
分211と接触している周縁表面237を有する。レー
ス部材236の周縁表面237とレースマウント232
の受止め211の間の直接接触は外側軸受レース部材2
36との熱伝導的接触を与える。これは、軸受から熱を
冷却媒体へより効率的に伝導する熱伝導経路を提供す
る。代わりに、軸受212の外側レースは、上述した本
発明の目的を達成するための所望の熱的特性とX線管軸
受のためにふさわしい機械的特性とを有する材料から形
成される場合は、レースマウント232内に直接的に加
工できる。受止め部分211の近くには環状の溝239
があり、軸受集合体内で軸受212をさらに保持するス
ナップ・リング238を受け止める。内側表面205の
第3部分は、陽極集合体に最も近いネジ切り部分241
である。
【0065】レースマウント232は、その受止め部分
端で円筒形壁100の第1開端101に適当に取り付け
られるように構成されている。レースマウント232の
ネジ切り端はKovar帯230へ取り付けられ、次に
この帯は従来方法により第1エンベロープ部分74に接
合される。第1及び第2エンベロープ部分に接合される
時、レースマウント232はX線管の真空エンベロープ
の一部を構成する。このようにして、レースマウント2
32の外側周縁表面207は冷却媒体と直接的に接触す
るか、又は、所望ならば、ヒートシンクとして機能でき
る管支持体86に取り付けられる。
【0066】第1熱的シールド204は、陽極集合体2
4に取り付けられて、そこから軸32の軸端31又は軸
受212方向へ放射される熱を遮断する。第1熱的シー
ルド204は、従来の設計で、陽極背面板209の後表
面206の付近に環状に伸びるように構成される。
【0067】陽極軸熱的シールド/吸収体216は、先
端が切断された円錐壁217と、円錐の主軸に沿った長
手軸を有する概して円筒形の孔壁220とを有する。孔
壁220は孔221を画定する。円錐壁217と孔22
1の主要軸は軸32のB−B軸に概して沿う。円錐壁2
17の傾斜が付けられた部分226は陽極集合体32の
最近に位置する。傾斜は熱的シールド216が軸端31
に沿ってより長く延びて、孔壁220内にそれを収納す
ることを可能にする。熱的シールドが陽極集合体24方
向へ軸端31よりも長く延びることを可能にする他の傾
斜形状も、本発明の目的を満足に達成するであろう。孔
壁220は円錐壁217の傾斜された端と交差する。円
錐壁部分217の他端において、円形基板部分224が
軸受集合体27の近くに位置する。基板部分224はそ
の外側周縁がレースマウント部材232のネジ切り部分
241に螺着されるように構成されている。ぴったりと
合ったネジは、エンベロープ218の一部を形成する軸
受マウントと第2熱的シールドとの間で良い物理的及び
熱的接触が作ることができように構成されている。軸3
2の軸端31はシールド孔221内に回転自由に受けら
れる。
【0068】熱的シールド216は銅からなる単一部品
から形成される。他の良好な熱伝導体が熱的シールド2
16のために使用できる。代わりに、円錐壁217及び
孔壁220は適当に接合された個別の部品であっても良
い。好ましくは、円錐壁217及び孔壁220間の円錐
の内部体積222は切削されて、中空な内部を作る。熱
学研究はこの構成が、円錐壁217を通過して軸受マウ
ント232へ熱的シールド216の外へ熱をより効率的
に処理する結果を生ずることを示唆する。代わりに、熱
的シールド216は軸32の軸端31を受ける必要な中
心孔221を除いて中実(222で示される領域内)と
しても良い。この代わりの実施の形態において、熱的シ
ールド216は、軸及び軸受から熱を処理するための熱
導管に加えて熱シンクとしても動作する。壁217と壁
220の間が中実及び空洞である本発明の実施の形態の
両構成は、従来の熱的シールドの設計よりも軸受及び軸
からの改良された熱の除去を与えることが理解される。
【0069】X線の発生中、熱が陽極ディスク30内に
発生されて陽極集合体24から軸32の軸端31を通っ
て軸受212に伝導される。軸32の温度が増加する
時、熱が軸32の軸端31から放射される。熱的シール
ド216が円筒形孔壁220に沿った軸端31から放射
される熱を吸収する。孔壁220に吸収された熱が熱的
シールド孔壁220から円錐壁217の傾斜付けされた
端226へ伝導される。円錐壁217の傾斜付けされた
端から、熱がネジ切りされた基部224へ伝導されて、
そこは管エンベロープ218の軸受マウント232と良
い物理的及び熱的接触を持つ。そして、熱は冷却媒体に
移送される。これに加えて、第2熱的シールド216
が、陽極集合体24及び第1熱的シールド204から放
射された円錐壁217の表面上の熱を遮断する。この熱
もまた円錐壁217に沿って軸受マウント232と冷却
媒体中に伝導される。この熱的シールド216は、
(i)陽極集合体から放射される熱を吸収しそして遮断
し、(ii)軸32の軸端31から放射された熱を吸収
し、そして(iii)この吸収された熱が軸受に到達す
る前に軸受マウントと冷却媒体へ伝達し、これにより最
終的に軸受に移送される熱量を減少する。熱的シールド
216が中実な構成の時、それは熱シンクの追加的な機
能を実行し、また軸受に移送される熱を減少する。
【0070】図4をさらに参照すると、軸受内に移送さ
れる熱量を減少させる本発明の別の特徴が示される。こ
れは軸受212、214のために概して環状の内側レー
ス部材マウント208、210を含む。内側レースマウ
ント208は、ローター部分33の第1肩37近くの軸
32の軸端31の周りに搭載される。軸受212のため
の内側レース部材213は内側レースマウント208に
搭載される。レースマウント210は、ローター部分3
3の第2肩39近くの遠い軸延長部41の周りに搭載さ
れる。軸受214の内側レース部材215が内側レース
マウント210に搭載される。
【0071】軸受マウント208、210は軸32の材
料よりも熱の伝導運搬に関してより抵抗性のある材料か
ら製造されている。異なる熱伝導率を持つ異なる材料の
組合せは、軸32からの軸受212、214への熱伝導
による熱移送量を減少する。例えば、ステンレススチー
ルが軸受マウント208、210を構成して、そして軸
がより熱伝導性の異なる材料から構成されても良い。所
望の熱伝導係数及びX線管動作時に支持のための機械的
要求を満足する強度を有する他の適当な材料を使用して
も良い。軸受マウント208、210の概略環状形状は
軸とローター部分の表面に接触して、(i)軸上に軸受
を摩擦嵌め又は他の適当な方法で固定保持し、そして
(ii)軸受212、214と軸32と間に熱的阻止特
徴を与えるように構成されている。軸32のローター部
分33内に留まり軸受212、214に移送されない熱
は、軸延長部41及び端キャップ246を経由して冷却
媒体への経路を有する。本発明のこの追加的な特徴は、
軸延長部41から放射される熱を吸収するための新規で
異なる熱シンク構造を含む。
【0072】熱シンク構造は、(i)開端における外側
軸受レース部材マウント部分247及び(ii)閉端に
おける熱シンク部分249の2つの部分を有するカップ
形状円筒状中実銅端キャップ246により形成される。
外側軸受レース部材マウント部分247は、端キャップ
246の開端を形成する円形ディスク形状空洞により画
定される相対的に短い円筒形壁部分である。空洞は、本
発明及び他の軸受部材について上述された特徴に一致し
た態様で軸受214の外側レース部材245をしっかり
と受けるために、中実な銅熱シンク内に十分な深さを有
する。これは軸受214から真空エンベロープを通過し
て端キャップ246を取り囲む冷却媒体へ流れる伝導熱
の経路を与える。代わりに、上述した本発明の目的を達
成するための所望の熱的特性とX線管軸受のために適当
な機械的特性とを有する材料から形成される場合、軸受
214の外側レースは直接的に端キャップ246内に機
械加工できる。
【0073】端キャップ246の熱シンク部分249は
中実な銅又は同様な材料から構成され、孔内で延長部の
自由回転を許容しそして軸B−Bに沿って軸延長部41
を受けるように構成された円筒形状孔248を含む。端
キャップ246の開端は第2エンベロープ部分76の円
筒形状壁部分100の第2開端103に適当に接着さ
れ、これにより真空エンベロープを完成する。
【0074】X線管動作時、軸32を通過して伝導され
る熱の一部は軸ローター部分33から管エンベロープの
円筒形状壁100へ放射されて、そしてその後に周囲の
冷却媒体へ放射される。熱的により低い伝導性の軸受マ
ウント208、210では、熱はまた軸延長部41へロ
ーター部分33を経由して伝導されて、そこで熱シンク
部分249へ放射される。そして熱は熱シンク249か
ら冷却媒体へ伝導される。
【0075】本発明の特定の特徴が例示された実施の形
態の1つについてのみ説明されたかもしれないが、この
ような特徴及び材料はいかなる与えられた応用について
適当又は望まれて且つ有利であれば他の実施の形態の1
又は複数の他の特徴と共に組合せても良い。
【0076】上記の本発明の説明について、当業者は修
正、変形及び改良を理解できる。このような容易な範囲
内の修正、変形及び改良も特許請求の範囲の範囲内であ
る。例えば、第1及び第2軸受58、60の外側軸受部
材の周縁表面は円筒形軸受集合体壁部分内に圧入して、
これにより両軸受を保持する軸受集合体を形成する。こ
の円筒形軸受集合体壁部分は第2エンベロープ部分内に
受けられてその内表面79と接触する円筒形周縁表面を
有する。この円筒形軸受集合体壁は図2を参照して上述
された外側軸受レース部材の周縁表面と類似した態様で
エンベロープと熱伝導的に接触するであろう。実際は、
熱的経路はいまだ軸受から冷却媒体への直接的伝導経路
である。しかし、この構造は外側軸受レース部材と第2
エンベロープ部分の円筒形壁部分79の間に追加的な挿
入された円筒形軸受集合体壁部分をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の回転陽極X線管の部分的な断面図。
【図2】 本発明の好ましい実施の形態による回転陽極
X線管の部分的な断面図。
【図3】 本発明の別の実施の形態による回転陽極X線
管の部分的な断面図。
【図4】 本発明の別の実施の形態による回転陽極X線
管の一部の断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16C 35/063 F16C 35/063 35/067 35/067 37/00 37/00 B H05G 1/02 H05G 1/02 P (72)発明者 ジェソン ピー ハリス アメリカ合衆国 イリノイ州 60504 オ ーロラ シーヴィュー ドライヴ 1949 (72)発明者 ジェラルド ジェイ カールソン アメリカ合衆国 イリノイ州 60148 ロ ンバード イースト バークシャー アベ ニュー 505

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軸(32)と、陰極(23)と、軸に取
    り付けられた陽極(24)と、軸を回転可能に支持する
    ための少なくとも1つの軸受(58、60、212、2
    14)と、内部表面を有する排気されたエンベロープ
    (26)とを備え、軸受が外側軸受レース部材(66、
    70、236、245)を有し、エンベロープがその内
    部表面に沿って少なくとも1つの軸受の外側軸受レース
    部材を受けることを特徴とするX線管。
  2. 【請求項2】 少なくとも1つの軸受が軸に形成された
    内側軸受レース(63、73、213、215)を含む
    請求項1に記載のX線管。
  3. 【請求項3】 軸(32)が、モーター(50)のロー
    ターを含む請求項1又は2に記載のX線管。
  4. 【請求項4】 エンベロープ(26)の少なくとも一部
    は電気的に不伝導性の材料を含む請求項1ないし3のい
    ずれかに記載のX線管。
  5. 【請求項5】 エンベロープ(26)の少なくとも一部
    は非磁性体材料を含む請求項1ないし4のいずれかに記
    載のX線管。
  6. 【請求項6】 エンベロープの少なくとも一部はセラミ
    ック材料を含む請求項5に記載のX線管。
  7. 【請求項7】 セラミック材料がアルミナである請求項
    6に記載のX線管。
  8. 【請求項8】 エンベロープが少なくとも1つのレース
    マウントを含む請求項1ないし7のいずれかに記載のX
    線管。
  9. 【請求項9】 少なくとも1つのレースマウントが金属
    である請求項8に記載のX線管。
  10. 【請求項10】 少なくとも1つのレースマウントがK
    ovarから作られている請求項9に記載のX線管。
  11. 【請求項11】 少なくとも1つの軸受が、軸を構成す
    る材料よりも熱の伝導に対してより抵抗性の材料から構
    成された内側レース部材を含む請求項1ないし10のい
    ずれか1つに記載のX線管。
  12. 【請求項12】 エンベロープが、陽極と陰極とを収納
    する第1エンベロープ部分と、少なくとも1つの軸受を
    固定する第2エンベロープ部分とを有する請求項1ない
    し11のいずれか1つに記載のX線管。
  13. 【請求項13】 第1エンベロープ部分が第1材料から
    形成され、第2エンベロープ部分が第2材料から形成さ
    れた少なくとも一部を含む請求項12に記載のX線管。
  14. 【請求項14】 外側軸受レース部材が排気されたエン
    ベロープの一部に形成されている請求項1ないし13の
    いずれかに記載のX線管。
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