JP2005310433A

JP2005310433A - Ｘ線発生装置におけるターゲットの放熱機構

Info

Publication number: JP2005310433A
Application number: JP2004122795A
Authority: JP
Inventors: Toshio Takitani; 俊夫滝谷; Iwao Sugimoto; 巌生杉本; Akio Komura; 明夫小村
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】封入式透過型Ｘ線発生装置においてターゲットの効率の良い放熱機構を提供する。
【解決手段】Ｘ線発生装置は、電子源から照射される電子ビームをターゲット(1) に入射しまたは反射させることによりＸ線を発生させる。ターゲット(1) の反電子源側に放熱部材(2) が接合され、同部材(2) を介してターゲット(1) の熱が、直接または複数の放熱片(4) を経て、放熱部材(2) に接合された冷却手段(5) へ放出される。

【選択図】図１

Description

本発明は、電子源から照射される電子ビームをターゲットに入射しまたは反射させることにより単色高エネルギーＸ線を発生させるＸ線発生装置に関し、より詳しくは、運転中にターゲット面上の電子ビーム照射部において発生する熱を効率よく除去するターゲットの放熱機構に関するものである。

一般に、Ｘ線発生装置のターゲット（対陰極または陽極とも言う）は、銅（８．１ｋｅＶ）やモリブデン（１７．５ｋｅＶ）で構成されており、さらに高いエネルギーが求められる場合は、銀（２２．２ｋｅＶ）やタングステン（５９．３ｋｅＶ）で構成されたものが使用される。例えば、医療分野で必要とされる３０〜４０ｋｅＶ程度のＸ線は、タングステンターゲットから放出される連続Ｘ線をフィルターに通したものである。

タングステンターゲットを用いる場合、電子線照射部に発生する熱を除去する必要があり、従来、この放熱のために回転陽極型ターゲットが採用されていた。しかし、このタイプのＸ線発生装置は、電子ビーム照射部を真空ポンプで常に真空状態に保つ必要があり、かつ回転機構を有するため、大型なものとなった。

他方、電子源からターゲットまでの部分が真空容器内に封入されている封入式透過型Ｘ線発生装置は、回転陽極型ターゲットＸ線発生装置に比べ、小型で低コストなものである。しかし、前者のＸ線発生装置では、ターゲットの放熱性が後者のＸ線発生装置に比べ劣るため、高エネルギーのＸ線を発生させることができない難点がある。稀土類金属製のターゲットのように熱伝導性の低いものを用いると、この傾向が著しい。特許文献１には、ランタノイドのホウ化物または炭化物の焼結体に銅を溶浸させたものをＸ線発生材料として使うことが提案されている。
特開２００４−２２５００号公報

Ｘ線ターゲットとして特許文献１に記載のような稀土類金属化合物の焼結体を用いる場合、ターゲット材料が多孔質であるため電子励起される原子の数密度が稀薄になり、Ｘ線の発生効率が低下する。また、照射した電子線のエネルギーが多孔に溶浸された銅原子を励起するのに費やされることによっても、Ｘ線の発生効率が低下する。その上、溶浸銅の特性Ｘ線をその後フィルターで分離する作業が必要になり、稀土類金属を単体で用いる方が有利なこともある。

本発明は、従来技術の上記問題点に鑑み、封入式透過型Ｘ線発生装置においてターゲットの効率の良い放熱機構を提供することを課題とする。

本発明は、電子源から照射される電子ビームをターゲット(1) に入射しまたは反射させることによりＸ線を発生させるＸ線発生装置において、ターゲット(1) の反電子源側に放熱部材(2) が接合され、同部材(2) を介してターゲット(1) の熱が、直接または複数の放熱片(4) を経て、放熱部材(2) に接合された冷却手段(5) へ放出される、Ｘ線発生装置におけるターゲットの放熱機構である。

ターゲット(1) の厚さは、温度上昇を避けるには薄い方が好ましい。ターゲット(1) の好適な厚さは電子ビームの飛程距離の数倍程度である。ターゲット(1) の飛程距離Ｒは下記の式で与えられる。

Ｒ＝２．１×１０^−１２（Ｅ_０ ^２／ρ）［ｃｍ］
ここで、Ｅ_０は電子線のエネルギー［ｅＶ］、ρはターゲット材料の密度［ｇ／ｃｍ^３］であり、例えばＬａＢ_６の場合ρ＝４．７６ｇ／ｃｍ^３である。この式によれば、３５ｋｅＶでの飛程距離Ｒは約１５μｍであり、ターゲット(1) は３０〜４０μｍ程度の厚さのものであればその機能を果たす。

一般に、電子源からみたターゲット(1) の形状は、電子源が電子銃である場合、円形であり、電子源がフィラメントである場合、矩形である。

ターゲット(1) の材質は稀土類金属化合物、特にランタノイドであり、原子番号５７〜７１の１５種類の元素、すなわち、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの化合物である。これらのランタノイド化合物の特性Ｘ線（Ｋα線）のエネルギーは３３．４〜５４．１ｋｅＶである。したがって、ランタノイドを含むＸ線発生材料から発生したＸ線は、このようなエネルギー範囲の特性Ｘ線を含み、例えば、医療用または生体用の高エネルギーＸ線として利用できる。ランタノイドの化合物としては、ＬａＢ_４、ＬａＢ_６、ＣｅＢ_４、ＣｅＢ_６、ＰｒＢ_４、ＰｒＢ_６、ＮｄＢ_４、ＮｄＢ_６、ＮｄＢ_６６、ＳｍＢ_２、ＳｍＢ_４、ＳｍＢ_６、ＳｍＢ_６６、ＥｕＢ_６、ＧｄＢ_２、ＧｄＢ_４、ＧｄＢ_６、ＧｄＢ_１２、ＧｄＢ_６６、ＴｂＢ_２、ＴｂＢ_４、ＴｂＢ_６、ＴｂＢ_１２、ＴｂＢ_６６、ＤｙＢ_２、ＤｙＢ_４、ＤｙＢ_６、ＤｙＢ_１２、ＤｙＢ_６６、ＨｏＢ_２、ＨｏＢ_４、ＨｏＢ_６、ＨｏＢ_１２、ＨｏＢ_６６、ＥｒＢ_２、ＥｒＢ_４、ＥｒＢ_１２、ＥｒＢ_６６、ＴｍＢ_２、ＴｍＢ_４、ＴｍＢ_１２、ＴｍＢ_６６、ＹｂＢ_２、ＹｂＢ_４、ＹｂＢ_６、ＹｂＢ_１２、ＹｂＢ_６６、ＬｕＢ_２、ＬｕＢ_４、ＬｕＢ_１２、ＬｕＢ_６６等のランタノイドのホウ化物や、ＬａＣ_２、Ｌａ_２Ｃ_３、Ｌａ_２Ｃ、Ｌａ_３Ｃ、Ｌａ_１５Ｃ_１９、ＣｅＣ_２、Ｃｅ_２Ｃ_３、ＰｒＣ_２、Ｐｒ_２Ｃ_３、ＮｄＣ_２、Ｎｄ_２Ｃ_３、Ｓｍ_２Ｃ_３、ＥｕＣ_２、ＥｕＣ_６、ＧｄＣ_２、ＤｙＣ_２、ＨｏＣ_２、Ｈｏ_２Ｃ_３、ＥｒＣ_２、ＹｂＣ_６、ＬｕＣ_２等のランタノイドの炭化物が好ましい。入手のし易さと取り扱いの容易性から、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）と六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）が特に好ましい。

ターゲット(1) の電子源側の面は同面上の電子ビーム断面を含み、同面の面積が同面上の電子ビーム断面の面積に等しいかこれより大きいことが好ましい。

放熱部材(2) の材質としては熱伝導性のよいものが好ましい。透過型Ｘ線発生装置の場合、放熱部材(2) の材料としては単結晶ダイヤモンドのようなＸ線透過率の高いものが好ましい。電子源から見た放熱部材(2) の好ましい形状は、ターゲット(1) より大き目の矩形である。放熱部材(2) はターゲット(1) の反電子源側の面に例えばろう付けにより接合され、ターゲット(1) から放熱部材(2) への熱移動にできるだけ抵抗が生じないようになされている。放熱部材(2) の材質として電気絶縁材を用いることが好ましい。電気絶縁材の使用により中性点接地方式を採用することができる。

放熱部材(2) のターゲット側の面はターゲット(1) の放熱部材側の面を含み、放熱部材(2) のターゲット側の面の面積がターゲット(1) の放熱部材側の面の面積の２倍以上であるこのが好ましい。

放熱部材(2) の厚さは、Ｘ線透過性および熱拡散性の点から決められ、ダイヤモンド製の放熱部材(2) の場合、放熱部材(2) は真空封止の機能も合わせ持っており、真空封止の点から、好ましい厚さは０．１ｍｍ程度である。

冷却手段(5) の一つの形態は、銅のように熱伝導性のよい材料からなる冷却室ケーシング(3) と、同ケーシング(3) に配された冷媒流入管(6) および冷媒流出管(7) とを備えたものである。冷却室ケーシング(3) の底部内面に放熱部材(2) が接合されている。ダイヤモンド製の放熱部材(2) を銅製の冷却室ケーシング(3) に接合するには、前者を後者に真空ろう付けした後、真空炉内でこれを焼成する方法や、前者の表面を銅または銀でコーティンした後、これに後者を錫−銀はんだ付けで接合する方法等が適用できるが、後者の方法が好ましい。こうしてターゲット(1) および放熱部材(2) は冷却手段(5) の冷却室ケーシング(3) に収められている。

冷却室ケーシング(3) 内には多数の放熱片(4) 、例えばピンポスト、フィン、ピラミッド型構造物が設けられていることが好ましい。これら放熱片(4) は大きな伝熱面積を有し伝熱効率を高める働きをする。

冷却手段(5) の他の形態は、銅のように熱伝導性のよい材料からなる冷却ブロック(8) と、同ブロック(8) に貫通状に開けられた複数の冷媒流通穴(9) と、各穴(9) に配された熱伝導性のよい材料からなるワイヤコイル(10)とを備えたものである。

冷却手段(5) は冷却室ケーシング(3) 内に液体の冷媒、例えば水、または気体の冷媒、例えば水蒸気を循環するものである。

本発明によれば、運転中にターゲット面上の電子ビーム照射部において発生する熱をまず放熱部材へ急速に放散させ、次いで冷却手段で冷やすことにより、ターゲットから熱を効率よく除去することができる。これにより、単色高エネルギーＸ線を低コストで発生させることができる上に、ターゲット面上の電子ビーム照射部の損傷を防ぐこともできる。

本発明を図示の実施例により具体的に説明する。

実施例１
図１および図２は、本発明による、Ｘ線発生装置におけるターゲットの放熱機構の一例を示すものである。

本発明によるターゲットの放熱機構は、電子源から照射される電子ビームをターゲット(1) に入射しまたは反射させることによりＸ線を発生させるＸ線発生装置において、ターゲット(1) の反電子源側に放熱部材(2) が接合され、同部材(2) を介してターゲット(1) の熱が、直接または複数の放熱片(4) を経て、放熱部材(2) に接合された冷却手段(5) へ放出されるものである。

ターゲット(1) はＬａＢ_６で構成され、その厚さは約３５μｍである。電子源はフィラメントであり、ターゲット(1) の形状は電子源からみて矩形である。

ターゲット(1) の電子源側の面は同面上の電子ビーム断面を含み、同面の面積が同面上の電子ビーム断面の面積より大きい。

放熱部材(2) の材質は単結晶ダイヤモンドである。電子源から見た放熱部材(2) の形状は、ターゲット(1) より大き目の矩形である。放熱部材(2) はターゲット(1) の反電子源側の面にろう付けにより接合されている。

放熱部材(2) のターゲット側の面はターゲット(1) の放熱部材側の面を含み、放熱部材(2) のターゲット側の面の面積はターゲット(1) の放熱部材側の面の面積の約１０倍である。放熱部材(2) の厚さは０．１ｍｍ程度である。

冷却手段(5) は、銅製の直方体の冷却室ケーシング(3) と、同ケーシング(3) に配された冷媒流入管(6) および冷媒流出管(7) とを備えたものであり、冷媒流入管(6) から来た冷却水が冷却室ケーシング(3) 内を循環し冷媒流出管(7) を経て流出する。

冷却室ケーシング(3) の底部内面に放射部材(2) が接合され、ターゲット(1) および放熱部材(2) が冷却室ケーシング(3) に収められている。ダイヤモンド製の放熱部材(2) を銅製の冷却室ケーシング(3) に接合するには、前者の表面を銅または銀でコーティンした後、これに後者を錫−銀はんだ付けで接合する方法が採用される。

冷却室ケーシング(3) 内には多数のピンポスト(4) が垂直に設けられ、伝熱効率を高める働きをする。冷却室ケーシング(3) 内の中央部には囲い壁(14)が設けられ、その内部を経て、電子源から照射される電子ビームがターゲットに入射される。冷却室ケーシング(3) 内の一側上壁にはメッシュ状の整流板(11)が垂下状に設けられている
上記構成の放熱機構によれば、運転中にターゲット(1) 面上の電子ビーム照射部において発生する熱をまず放熱部材(2) へ急速に放散させ、次いで多数のピンポスト(4) を介して冷却手段(5) で冷やすことにより、ターゲット(1) から熱を効率よく除去することができる。

実施例２
この実施例では、冷却手段(5) は、図３に示すように、銅製の冷却室ケーシング(3) と、同ケーシング(3) に垂直に配された二重管(12)とを備えたものであり、二重管(12)の内管は電子源から照射される電子ビームをターゲットに入射させるためのものであり、外管内部は冷媒流入管(6) として機能し、冷却室ケーシング(3) における外管の外側の空間は冷媒流出管(7) として機能する。冷媒流入管(6) としての外管内部を経て流下して来た冷媒は、外管の下端開口(13)から外管の外へ出て冷媒流出管(7) として機能する外側空間を上昇する。その他の構成は本質的に実施例１と同じである。

実施例３
この実施例では、冷却手段(5) は、図４および図５に示すように、銅製の直方体の冷却ブロック(8) と、同ブロック(8) に長さ方向に貫通状に開けられた複数の冷媒流通穴(9) と、各穴(9) に配された熱伝導性のよい材料からなるワイヤコイル(10)とを備えたものである。

上記構成の放熱機構によれば、運転中にターゲット(1) 面上の電子ビーム照射部において発生する熱をまず放熱部材(2) へ急速に放散させ、次いでワイヤコイル(10)を介して
冷却手段(5) で冷やすことにより、ターゲット(1) から熱を効率よく除去することができる。

実施例１のターゲットの放熱機構を示す斜視図である。実施例１のターゲットの放熱機構を示す垂直断面図である。実施例２のターゲットの放熱機構を示す垂直断面図である。実施例２のターゲットの放熱機構を示す斜視図である。図４中のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

符号の説明

(1) ターゲット
(2) 放熱部材
(3) 冷却室ケーシング
(4) ピンポスト（放熱片）
(5) 冷却手段
(6) 冷媒流入管
(7) 冷媒流出管
(8) 冷却ブロック
(9) 冷媒流通穴
(10)ワイヤコイル
(12)二重管

Claims

電子源から照射される電子ビームをターゲット(1) に入射しまたは反射させることによりＸ線を発生させるＸ線発生装置において、ターゲット(1) の反電子源側に放熱部材(2) が接合され、同部材(2) を介してターゲット(1) の熱が、直接または複数の放熱片(4) を経て、放熱部材(2) に接合された冷却手段(5) へ放出される、Ｘ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
ターゲット(1) の電子源側の面が同面上の電子ビーム断面を含み、同面の面積が同面上の電子ビーム断面の面積に等しいかこれより大きい、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
放熱部材(2) のターゲット(1) 側の面がターゲット(1) の放熱部材側の面を含み、放熱部材(2) のターゲット側の面の面積がターゲット(1) の放熱部材側の面の面積の２倍以上である、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
放熱部材(2) が電気絶縁材で構成されている、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
放熱片(4) が、冷却手段(5) の冷却室ケーシング(3) 内に設けられたピンポスト、フィンまたはピラミッド型構造物である、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
冷却手段(5) が、熱伝導性のよい材料からなる冷却室ケーシング(3) と、同ケーシング(3) に配された冷媒流入管(6) および冷媒流出管(7) とを備えたものである、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。
冷却手段(5) が、熱伝導性のよい材料からなる冷却ブロック(8) と、同ブロック(8) に貫通状に開けられた複数の冷媒流通穴(9) と、各穴(9) に配された熱伝導性のよい材料からなるワイヤコイル(10)とを備えたものである、請求項１記載のＸ線発生装置におけるターゲットの放熱機構。