JP2007115552A - Filament for x-ray tube and x-ray tube - Google Patents
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Description
本発明は、X線管用フィラメントに関し,特に,コイル状のフィラメントの長手方向の温度分布を均一にするための工夫に特徴のあるフィラメントに関する。また,本発明は,そのようなフィラメントを備えるX線管に関する。 The present invention relates to a filament for an X-ray tube, and more particularly to a filament characterized by a device for making the temperature distribution in the longitudinal direction of a coiled filament uniform. The present invention also relates to an X-ray tube comprising such a filament.
コイル状のX線管用フィラメントは,コイルの全長にわたって,温度分布をできるだけ均一にすることが望ましい。通常のX線管用フィラメントは,線径や巻きピッチが一様に作られているので,中央付近の温度が一番高くなり,両端付近の温度が低くなる。これに対して,フィラメントの温度分布を均一にすると,そのフィラメントから放出される電子ビームの強度分布が均一になり,その電子ビームがX線管のターゲット(対陰極)に照射されることで形成されるX線焦点の輝度分布も均一になる。また,コイルの温度分布が均一になると,温度分布が均一でないフィラメントと比較すると,コイルの線径の減少が一様になって,寿命が長くなる。さらには,コイルの温度分布が均一になると,温度分布が均一でないフィラメントと比較して,同じ管電流を得る場合でも,フィラメントの最高温度を下げることができて,やはり,フィラメントの寿命を長くできる。 It is desirable that the coiled filament for the X-ray tube has a temperature distribution as uniform as possible over the entire length of the coil. A normal filament for an X-ray tube has a uniform wire diameter and winding pitch, so the temperature near the center is highest and the temperature near both ends is low. On the other hand, when the temperature distribution of the filament is made uniform, the intensity distribution of the electron beam emitted from the filament becomes uniform, and the electron beam is formed by irradiating the target (anti-cathode) of the X-ray tube. The brightness distribution of the X-ray focal point is also uniform. In addition, when the coil temperature distribution is uniform, the coil wire diameter decreases uniformly and the life is prolonged as compared with a filament having a nonuniform temperature distribution. Furthermore, when the temperature distribution of the coil becomes uniform, the maximum temperature of the filament can be lowered even when the same tube current is obtained, as compared with a filament having a nonuniform temperature distribution, and the life of the filament can also be extended. .
本発明は,X線管用フィラメントのコイルの巻きピッチに変化を与えることに関係しているが,これに最も関連が深い技術として,次の特許文献1が知られている。なお,実用新案の文献であっても,広義の特許文献と称することにする。
この特許文献1は,X線管用フィラメントのコイルの巻きピッチについて,中央部を密に,両端を粗にすることで,コイルの中央付近の温度を高くして,電子密度分布をガウス分布にしている。したがって,温度分布を均一にするのではなく,むしろ,中央部の温度は,巻きピッチが均一な通常のコイルよりも高くなると考えられる。この特許文献1のコイルフィラメントは,例えば,中央部のピッチが80巻き/インチであり,両端部が50巻き/インチである。
In this
一方,X線管以外の技術分野においては,コイル状のフィラメントの中央のピッチを粗に,両端部のピッチを密にして,コイルの長さ方向の温度分布を均一することが知られており,例えば,次の特許文献2及び特許文献3が存在する。
特許文献2は,電子複写機用のハロゲン電球のコイルフィラメントに関するものであるが,端部のコイルピッチを中間部のそれよりも密にすることで,端部での温度低下を防いで,端部での照度を中央部と同じにしている。例えば,中間部のピッチは26.3ターン/cmであり,端部では33.8ターン/cmである。
特許文献3は,車両等に使用される電球のコイルフィラメントに関するものであるが,中央部の巻きピッチを両端部の巻きピッチよりも疎にすることで,フィラメントの長手方向の温度分布を均一にしている。さらに,この文献では,一番外側の巻きピッチを一番密にして,一番外側から中央部に向かって,巻きピッチを,順次,疎状態にすることについても開示している。
上述の特許文献2及び特許文献3によれば,コイルフィラメントの両端付近の巻きピッチを中央部よりも密にすれば,フィラメントの長手方向の温度分布が均一になることが理解できる。そこで,本発明者らは,そのような理解のもとにX線管用のフィラメントを開発したところ,単にそのような工夫をしただけでは,温度分布の均一性が不十分であることが分かった。
According to the above-mentioned
X線管のフィラメントの温度分布は,フィラメントから発生する電子ビームの密度分布に影響を及ぼし,それがターゲット上のX線焦点の輝度分布に反映される。単にフィラメント寿命を延ばすだけであれば,上述の特許文献2及び特許文献3に開示の技術を用いれば済むが,X線焦点の輝度の均一性まで考慮すると,温度分布の均一性は,より厳密性が要求される。
The temperature distribution of the filament of the X-ray tube affects the density distribution of the electron beam generated from the filament, which is reflected in the luminance distribution of the X-ray focal point on the target. If the filament life is simply extended, the techniques disclosed in
そこで,本発明の目的は,フィラメントの長手方向の温度分布の均一性をきわめて良好にできるX線管用フィラメントを提供することにある。また,本発明の別の目的は,そのようなX線管用フィラメントを備えるX線管を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a filament for an X-ray tube capable of extremely improving the uniformity of temperature distribution in the longitudinal direction of the filament. Another object of the present invention is to provide an X-ray tube having such an X-ray tube filament.
本発明のX線管用フィラメントは,コイル状のフィラメントであり,巻きピッチが同一の複数のターンを有する中央部と,前記中央部の両側にあって,前記中央部の巻きピッチよりも小さい巻きピッチの複数のターンを有する二つの端部とからなる。前記端部の複数のターンの巻きピッチは,前記中央部に近いターンから一番外側のターンに向かって,順次,同じ変化量だけ減少している。そして,前記中央部の巻きピッチをpで表し,前記変化量をΔpで表し,前記フィラメントの全体の巻数をnで表し,前記二つの端部の合計の巻数をkで表すと,Δp/pが0.015から0.1までの範囲内にあり,k/nが0.3から0.8までの範囲内にある。 The filament for X-ray tube of the present invention is a coiled filament, and has a central portion having a plurality of turns having the same winding pitch, and a winding pitch that is smaller than the winding pitch of the central portion on both sides of the central portion. And two ends having a plurality of turns. The winding pitch of the plurality of turns at the end portion is sequentially decreased by the same amount of change from the turn close to the central portion toward the outermost turn. When the winding pitch of the central portion is represented by p, the amount of change is represented by Δp, the total number of turns of the filament is represented by n, and the total number of turns of the two end portions is represented by k, Δp / p Is in the range from 0.015 to 0.1, and k / n is in the range from 0.3 to 0.8.
前記k/nの値は,次の数式の範囲内にあることが好ましい。k/n=0.72−4.66(Δp/p)±0.12。 The value of k / n is preferably within the range of the following mathematical formula. k / n = 0.72-4.66 (Δp / p) ± 0.12.
本発明のX線管は,上述のような特徴を有するX線管用フィラメントを備えるものである。 The X-ray tube of the present invention includes an X-ray tube filament having the above-described characteristics.
本発明によれば,上述のように巻きピッチを工夫したことにより,コイル状のフィラメントの長手方向の温度分布が均一になる。例えば,フィラメントを2500℃程度の温度に加熱した場合に,一番外側のそれぞれ2ターンを除けば,フィラメントの長手方向の温度分布は,50℃以内の範囲に収まる。 According to the present invention, by devising the winding pitch as described above, the temperature distribution in the longitudinal direction of the coiled filament becomes uniform. For example, when the filament is heated to a temperature of about 2500 ° C., the temperature distribution in the longitudinal direction of the filament falls within a range of 50 ° C. or less except for the outermost two turns.
以下,図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図1は本発明の一実施例のフィラメントの正面図である。このフィラメント10は線径dの線材12を,外径Dになるように,巻数n(すなわち,nターン)でコイル状に巻いたものである。両端にはリード線14が一体につながっている。この例は,巻数nが20である。図において,一番左側のターンを第1ターンと呼び,以下,第2ターン,第3ターンとなり,一番右側のターンが第20ターンである。第1ターンの巻きピッチはp1であり,第2ターンの巻きピッチはp2であり,以下,同様である。一番右側の第20ターンの巻きピッチはp20である。これを一般的に表すと,第iターンの巻きピッチはpiであり,i=1〜nである。以下,巻きピッチを単にピッチと略称する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view of a filament according to an embodiment of the present invention. The
図示のフィラメントは,第6ターンから第15ターンまでのピッチが同一の値になっている。ピッチが同一の複数のターンからなる部分を中央部と呼び,そのピッチをpで表す。すなわち,p6=p7=…=p15=pである。第1ターンから第5ターンまでは,そのピッチが中央部のピッチよりも小さくなっている。すなわち,ピッチが中央部よりも密になっている。第16ターンから第20ターンまでも同様である。このように,中央部よりもピッチが小さくなっている部分を端部と呼ぶ。第5ターンのピッチp5は,中央部のピッチpよりも,Δpだけ小さくなっている。さらに,第4ターンのピッチp4は,ピッチp5よりもΔpだけ小さくなっている。以下,同様に,第1ターンまで,ピッチが順に減少していく。すなわち,図示の左側の端部において,第5ターン(中央部に近いターン)から第1ターン(一番外側のターン)に向かって,順次,Δpだけ,ピッチが減少していく。これを数式で表すと,p−p5=p5−p4=p4−p3=p3−p2=p2−p1=Δpである。図示の右側の端部でも同様であり,p−p16=p16−p17=p17−p18=p18−p19=p19−p20=Δpである。
In the illustrated filament, the pitch from
図2は,図1のフィラメントにおけるピッチの変化を示したグラフである。横軸はターン番号であり,縦軸は各ターンのピッチである。この例では,第6ターンから第15ターンまでの中央部では,ピッチpは0.65mm(650μm)で一定である。第5ターンのピッチp5は,中央部のピッチpよりも,Δp=30μmだけ小さくなっている,したがって,p5=0.62mmである。以下,同様に,同じ変化量Δpだけ減少していく。すなわち,p4=0.59mm,p3=0.56mm,p2=0.53mm,p1=0.50mmとなる。図示の右側の端部でも,同様に,p16=0.62mm,p17=0.59mm,p18=0.56mm,p19=0.53mm,p20=0.50mmとなる。 FIG. 2 is a graph showing a change in pitch in the filament of FIG. The horizontal axis is the turn number, and the vertical axis is the pitch of each turn. In this example, in the central portion from the sixth turn to the fifteenth turn, the pitch p is constant at 0.65 mm (650 μm). The pitch p 5 of the fifth turn is smaller than the central portion pitch p by Δp = 30 μm, and therefore, p 5 = 0.62 mm. Hereinafter, similarly, the same change amount Δp is decreased. That is, p 4 = 0.59 mm, p 3 = 0.56 mm, p 2 = 0.53 mm, and p 1 = 0.50 mm. Similarly, at the right end of the figure, p 16 = 0.62 mm, p 17 = 0.59 mm, p 18 = 0.56 mm, p 19 = 0.53 mm, and p 20 = 0.50 mm.
左側の端部では,中央部と比較してピッチが変化している巻数iは5個である。右側の端部でも,中央部と比較してピッチが変化している巻数jは5個である。それらの合計kは10個になる。したがって,このフィラメントの例では,中央部に含まれる巻数は10個であり,二つの端部に含まれる巻数(ピッチが変化する巻数)の合計kは10個である。 At the left end, the number of turns i in which the pitch is changed as compared with the central portion is five. Even at the right end, the number of turns j in which the pitch is changed as compared with the central portion is five. Their total k is 10. Therefore, in the example of this filament, the number of turns included in the center portion is 10, and the total number k of turns (number of turns whose pitch changes) included in the two end portions is 10.
図3は,図1とは別のフィラメントの温度分布のグラフである。このフィラメントは,巻数nが22であり,d=0.4mm,D=3mm,p=0.65mm,Δp=0.03mm,i=5,j=5(すなわち,k=10)である。このフィラメントについて,電流を流して2500℃付近まで加熱したときの,フィラメントの長手方向の温度分布を実測したものである。横軸はターン番号,縦軸は温度である。各ターンでの温度は,図1に示すように各ターンの頂点16のところで,光学式パイロメータで測定した。このフィラメントは,端部においてピッチが密になっているために,中央部の温度が両端に比べて高くなるようなことがない。むしろ,この例では,中央部の温度が若干低くなっている。そして,第3ターンから第20ターンまでの範囲では,温度分布は50℃の範囲内に収まっている。第1ターン,第2ターン,第21ターン,及び,第22ターンだけが,50℃の範囲内から外れている。 FIG. 3 is a graph of the temperature distribution of the filament different from FIG. This filament has 22 turns, d = 0.4 mm, D = 3 mm, p = 0.65 mm, Δp = 0.03 mm, i = 5, j = 5 (ie, k = 10). This filament was obtained by actually measuring the temperature distribution in the longitudinal direction of the filament when it was heated to around 2500 ° C. by passing an electric current. The horizontal axis is the turn number, and the vertical axis is the temperature. The temperature at each turn was measured with an optical pyrometer at the apex 16 of each turn as shown in FIG. Since this filament has a dense pitch at the end, the temperature at the center does not become higher than at both ends. Rather, in this example, the temperature at the center is slightly lower. And in the range from the 3rd turn to the 20th turn, the temperature distribution is within the range of 50 ° C. Only the first turn, the second turn, the 21st turn and the 22nd turn are out of the range of 50 ° C.
このような温度分布については,図3に示す実測値のほかに,理論計算によっても算出した。理論計算では,有限要素法を使って,電流と熱輻射を変数にして,温度分布を算出し,その温度分布ができるだけ均一になるように,Δpとk(=i+j)の値を定めた。そのときの計算上の温度分布は,図3に示す実測の温度分布とほぼ同じ傾向を示した。したがって,以下の検討では,温度分布ができるだけ均一になるように,理論計算によってΔpとkの値を求めている。 Such temperature distribution was calculated by theoretical calculation in addition to the actual measurement values shown in FIG. In the theoretical calculation, the temperature distribution is calculated using the finite element method with the current and thermal radiation as variables, and the values of Δp and k (= i + j) are determined so that the temperature distribution is as uniform as possible. The calculated temperature distribution at that time showed almost the same tendency as the actually measured temperature distribution shown in FIG. Therefore, in the following examination, the values of Δp and k are obtained by theoretical calculation so that the temperature distribution is as uniform as possible.
図4は解析結果の一覧表である。この一覧表では,さまざまなコイル仕様のフィラメントについて,ピッチ変化量Δpをパラメータとして,2500℃付近の温度において,フィラメントの長手方向の温度分布が50℃の温度範囲に収まるように(ただし,両端のそれぞれ二つのターンの温度だけは除く),最適なkの値を求めた。コイル仕様としては,線径d,コイル外径D,巻数n,中央部のピッチpがある。解析結果は,ピッチ変化量Δpをパラメータとして,そのΔpのときに,kの値をどの程度にしたら,上述のような良好な温度分布になるかを求めたものである。 FIG. 4 is a list of analysis results. In this list, for filaments with various coil specifications, the pitch variation Δp is used as a parameter so that the temperature distribution in the longitudinal direction of the filament falls within the temperature range of 50 ° C (however, at both ends) (Except for the temperature of each two turns), the optimum value of k was obtained. As coil specifications, there are a wire diameter d, a coil outer diameter D, the number of turns n, and a pitch p at the center. The analysis results are obtained by using the pitch change amount Δp as a parameter and determining how much the value of k is to achieve a good temperature distribution as described above when Δp.
例えば,d=0.2mm,D=1.13mm,n=20,p=0.65mmのコイル仕様のフィラメントについては,Δp=20μmの条件でフィラメントの端部のピッチを変化させると,i+j=k=8〜10にしたときに,温度分布が50℃の範囲内になる,というものである。図4におけるkの欄の右隣の「平均」は,kの最適範囲(例えば,8〜10)についての平均値である。最適なkの値が8〜10である場合には,両側の4ターンまたは5ターンについて,中央部に近い方から,順次,ピッチを減らしていくことになる。 For example, for a filament with a coil specification of d = 0.2 mm, D = 1.13 mm, n = 20, and p = 0.65 mm, when the pitch of the end of the filament is changed under the condition of Δp = 20 μm, i + j = When k = 8-10, the temperature distribution is within the range of 50 ° C. “Average” on the right side of the column k in FIG. 4 is an average value for the optimum range (for example, 8 to 10) of k. When the optimum value of k is 8 to 10, the pitch is sequentially reduced from the side closer to the center for 4 turns or 5 turns on both sides.
図5は,図4に示す解析結果をグラフに示したものである。横軸はピッチ変化量Δpであり,縦軸はピッチが変化する巻数kの値である。すべてのコイル仕様についてのデータを,同一のグラフの中で示している。このグラフは,コイル仕様にかかわらず,Δpとkの関係が同じ傾向になることを示している。ピッチ変化量Δpを大きくすると,それに最適なkの値は小さくなる傾向にある。各データの分布の中心を通る直線20,厳密に言えば最小二乗法で得られた直線20は,「k=13.7−0.136Δp」という数式になる。この直線20を用いると,例えば,Δp=25μmを選択したときは,温度分布が最も均一になる最適なkは10〜11であることが分かる。
FIG. 5 is a graph showing the analysis results shown in FIG. The horizontal axis is the pitch change amount Δp, and the vertical axis is the value of the number k of turns at which the pitch changes. Data for all coil specifications are shown in the same graph. This graph shows that the relationship between Δp and k tends to be the same regardless of the coil specifications. When the pitch change amount Δp is increased, the optimum value of k tends to decrease. A
直線20のkの値に2をプラスしたものと,2をマイナスしたものが,直線22と24である。各データは,直線22と24の範囲内にほぼ収まっている。したがって,「k=13.7−0.136Δp±2」という数式を満足するように,Δpとkを選択すれば,温度分布が均一なフィラメントが得られることになる。
図6は,Δpとkを,pとnで規格化してから示したグラフである。横軸は,ピッチ変化量Δpを中央部のピッチpで除したものであり,縦軸は,ピッチが変化する巻数kを全部の巻数nで除したものである。このように規格化することで,巻数n及びピッチpに依存しない関係,すなわち,より一般的な関係になる。各データは,Δp/pが0.015から0.1の範囲内にあり,k/nが0.3から0.8までの範囲内にある。この範囲内のデータについて,2500℃付近での温度分布が50℃以内になるようなフィラメントが得られたので,Δp/pとk/nは,まずは,このような範囲内にするのが好ましい。 FIG. 6 is a graph showing Δp and k normalized after p and n. The horizontal axis is obtained by dividing the pitch change Δp by the central pitch p, and the vertical axis is obtained by dividing the number k of turns in which the pitch changes by the total number n. By normalizing in this way, a relationship independent of the number of turns n and the pitch p, that is, a more general relationship is obtained. Each data has Δp / p in the range of 0.015 to 0.1 and k / n in the range of 0.3 to 0.8. For data within this range, a filament was obtained that had a temperature distribution around 2500 ° C. within 50 ° C. Therefore, it is preferable that Δp / p and k / n be within this range first. .
そして,各データの分布の中心を通る直線26を求めると,この直線26は,「(k/n)=0.72−4.66(Δp/p)」という数式になる。そして,この直線26の上下にプラス0.12及びマイナス0.12の直線28,30を引くと,各データはこの直線28,30の範囲内にほぼ収まる。この範囲内は「(k/n)=0.72−4.66(Δp/p)±0.12」という数式になる。この数式を満足するように,Δp/pとk/nを選択すれば,温度分布が均一なフィラメントが得られることになる。
Then, when a
図7は,上述のような工夫を施したフィラメントを備えたX線管の要部の斜視図である。フィラメント10に電流を流し,フィラメント10と回転対陰極32の間に高電圧を印加すると,フィラメント10から電子ビーム34が発生する。この電子ビーム34が回転対陰極32の外周面に照射されて,そこからX線ビームが発生する。そして,例えば,ポイントフォーカスのX線ビーム36や,ラインフォーカスのX線ビーム38を取り出すことができる。
FIG. 7 is a perspective view of an essential part of an X-ray tube including a filament that has been devised as described above. When a current is passed through the
本発明のフィラメントは,上述の回転対陰極のX線管に限らずに,固定ターゲット(静止するターゲット)のX線管にも適用できる。 The filament of the present invention can be applied not only to the above-described rotating cathode X-ray tube but also to a fixed target (stationary target) X-ray tube.
10 フィラメント
12 線材
14 リード線
16 頂点
32 回転対陰極
34 電子ビーム
36,38 X線ビーム
10
Claims (3)
巻きピッチが同一の複数のターンを有する中央部と,前記中央部の両側にあって,前記中央部の巻きピッチよりも小さい巻きピッチの複数のターンを有する二つの端部とからなり,
前記端部の複数のターンの巻きピッチは,前記中央部に近いターンから一番外側のターンに向かって,順次,同じ変化量だけ減少していき,
前記中央部の巻きピッチをpで表し,前記変化量をΔpで表し,前記フィラメントの全体の巻数をnで表し,前記二つの端部の合計の巻数をkで表すと,Δp/pが0.015から0.1までの範囲内にあり,k/nが0.3から0.8までの範囲内にあることを特徴とするX線管用フィラメント。 In coiled filament for X-ray tube,
A central portion having a plurality of turns with the same winding pitch, and two ends on both sides of the central portion and having a plurality of turns with a winding pitch smaller than the winding pitch of the central portion;
The winding pitch of the plurality of turns at the end portion decreases sequentially by the same change amount from the turn near the center to the outermost turn,
When the winding pitch of the central part is represented by p, the amount of change is represented by Δp, the total number of turns of the filament is represented by n, and the total number of turns of the two end parts is represented by k, Δp / p is 0. A filament for an X-ray tube, characterized in that it is in the range of .015 to 0.1 and k / n is in the range of 0.3 to 0.8.
k/n=0.72−4.66(Δp/p)±0.12 The filament for X-ray tubes according to claim 1, wherein the value of k / n is within the range of the following formula.
k / n = 0.72-4.66 (Δp / p) ± 0.12
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