JP2009164038A

JP2009164038A - 固定陽極型ｘ線管および一体型ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2009164038A
Application number: JP2008002148A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Hara; 孝信原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23

Abstract

【課題】固定陽極型Ｘ線管の陽極に取り付けられる冷却フィンが高い耐電圧性能を有する一体型Ｘ線発生装置を提供する。
【解決手段】一体型Ｘ線発生装置は、主要部の固定陽極型Ｘ線管１１および高電圧発生器１２を絶縁油１３で充填された一つのハウジング１４内に収納した構造になっている。固定陽極型Ｘ線管１１から放射するＸ線２７は放射窓１５から取り出される。固定陽極型Ｘ線管１１は、例えばガラス製の真空外囲器１６内において、陰極側に陰極フィラメント１７と集束電極１８、陽極側に陽極ターゲット１９が配置されている。そして、外部に延出した陽極２０の端部に熱伝導特性および耐電圧特性が優れたセラミックス材料により形成された冷却フィン２１が取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定陽極型Ｘ線管および一体型Ｘ線発生装置に係り、特に、その固定した陽極ターゲットで発生する熱の放熱構造に関する。

Ｘ線管は、高真空下で陰極側から放出し加速した電子ビームを陽極側に配置の陽極ターゲットに衝突させ、陽極ターゲットからＸ線を放射させる電子管であって、例えば医療診断、非破壊検査、分析評価などの種々の用途におけるＸ線発生手段として使用されている。このＸ線管には、大別して、瞬時的に大負荷に耐えられる回転陽極型Ｘ線管と、一般に短時間の許容負荷は比較的に小さく長時間にわたって使用できる固定陽極型Ｘ線管がある。そして、その用途に応じて陽極および陰極間に数１０ｋＶ〜２００ｋＶ程度の高電圧が印加され、エネルギー供給がなされる。

Ｘ線管に供給される上記エネルギーは、Ｘ線の他にその大部分例えば９９％以上は熱に変わり、Ｘ線が高出力になるに従いＸ線管からの発熱量が増加することから、Ｘ線管およびそれを装着したＸ線発生装置に対する放熱機構が、その用途に応じて種々に施される。そして、固定陽極型Ｘ線管を使用した一体型Ｘ線発生装置は、Ｘ線の高出力化と共に、装置の小型軽量化、低コスト化、信頼性向上等が強く求められ、その放熱の仕方が種々に検討されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、従来からよく使用されている一体型Ｘ線発生装置の一例の概略構成について図６を参照して説明する。図６に示したＸ線発生装置は、例えば医療用としてコンパクト化されたモノタンク式と呼ばれる一体型Ｘ線発生装置であり、主要部となる固定陽極型Ｘ線管１０１および高電圧発生器１０２を絶縁油１０３で充填された一つのハウジング１０４内に収納した構成になっている。なお、固定陽極型Ｘ線管１０１から放射するＸ線はハウジング１０４の一部に設けられた放射窓１０５から取り出されるようになっている。通常、このハウジング１０４は導電体材により形成され、あるいはその内壁にＸ線遮蔽材が取り付けられている。

固定陽極型Ｘ線管１０１は、図６においてその管の一部を切截して示しているように、ガラス製の真空外囲器１０６内の陰極側に配置の陰極フィラメント１０７と集束電極１０８、陽極側に配置の陽極ターゲット１０９、真空外囲器１０６から外部に延出した例えば銅（Ｃｕ）製の陽極１１０、および陽極１１０の端部に取り付けられた金属材から成る冷却フィン１１１を有する。

そして、高電圧発生器１０２は、例えば高圧トランス、フィラメント用トランスを備え、低圧用ケーブル１１２を通した低圧の交流入力から高電圧を生成する。また、高圧用ケーブル１１３を通して陽極１１０に所望の高電圧が供給され、フィラメント用ケーブル１１４を通して陰極側に所要の電圧が供給される。

一体型Ｘ線発生装置の動作では、陰極フィラメント１０７から放出し集束電極１０８により集束された電子ビーム１１５は、高電圧が印加された陽極ターゲット１０９に衝突しＸ線１１６と熱１１７を発生させる。ここで、Ｘ線１１６は放射窓１０５から外部に取り出される。そして、陽極ターゲット１０９で発生した熱１１７は、陽極１１０を伝導しその端部の例えば銅製の冷却フィン１１１からの輻射、伝導により絶縁油１０３に伝達され、更に絶縁油１０３の対流によりハウジング１０４に伝達される。ハウジング１０４に伝達された熱は、ハウジング１０４から外気に放熱され、あるいは、図示しないがハウジング１０４を連結支持するＸ線装置の支持アームに伝達されて固定陽極型Ｘ線管１０１が冷却されるようになっている。
特開２００２−２５７９２号公報

ところで、例えば外科用あるいは歯科用に使用されるＸ線装置、産業用Ｘ線検査装置は、現在益々、固定陽極型Ｘ線管におけるＸ線の高出力化と共に、装置の小型軽量化、低コスト化、信頼性向上等が強く求められている。そこで、例えばＸ線の高出力化のために、陽極および陰極間の印加電圧が高圧化されたり、真空外囲器１０６とハウジング１０４の放射窓１０５間の離間距離が縮小化されて、Ｘ線出力の向上が図られる。

しかしながら、図６で説明したような従来の固定陽極型Ｘ線管および一体型Ｘ線発生装置では、陽極１１０と一体の金属材料から成る冷却フィン１１１は、接地電位にあるハウジング１０４との間で放電を起こし易く、その耐電圧が低い。このために、冷却フィン１１１とハウジング１０４との間の離間距離の縮小は制限されてきた。そして、陽極および陰極間の高電圧化と一体型Ｘ線発生装置のコンパクト化の両立が難しいものになっていた。また、冷却フィン１１１の各フィンの拡大が制約を受け、冷却効率を向上させることが難しいという問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、固定陽極型Ｘ線管の陽極に取り付けられる冷却フィンが高い耐電圧性能を有し、その冷却効率が高くなるＸ線管およびそれを用いた一体型Ｘ線発生装置を提供することを主目的とする。そして、一体型Ｘ線発生装置において、そのＸ線の高出力化、小型軽量化、低コスト化あるいは信頼性向上を容易にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる固定陽極型Ｘ線管は、陰極フィラメントおよび陽極ターゲットが真空外囲器内に収納され、前記陽極ターゲットに連結する陽極の一部が前記真空外囲器の外まで延出した固定陽極型Ｘ線管において、前記陰極フィラメントから放出される電子ビームが前記陽極ターゲットに衝突して発生するＸ線および熱のうち、該熱を前記固定陽極型Ｘ線管の外に放熱する冷却フィンが、セラミックス材を有して成り、前記真空外囲器の外に延出した前記陽極の端部に形成されている、構成になっている。

そして、本発明にかかる一体型Ｘ線発生装置は、上記発明の固定陽極型Ｘ線管と、前記固定陽極型Ｘ線管で使用する高電圧を発生させるための電圧発生回路とを、絶縁油が充填されたハウジング内に収納し、前記冷却フィンと前記ハウジングの間の耐電圧を向上させた構成になっている。

本発明によれば、固定陽極型Ｘ線管の陽極に取り付けられる冷却フィンが高い耐電圧性能を有し、その冷却効率が高くなるＸ線管およびそれを用いた一体型Ｘ線発生装置を提供することができる。そして、一体型Ｘ線発生装置において、そのＸ線の高出力化、小型軽量化、低コスト化、信頼性向上等が容易に実現される。

以下に本発明の好適な実施形態のいくつかについて図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は一部省略される。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる固定陽極型Ｘ線管およびそれを用いた一体型Ｘ線発生装置について図１および図２を参照して説明する。ここで、図１は一体型Ｘ線発生装置の一例を示す概略構成図であり、図２は上記Ｘ線管に取り付けられた冷却フィンの一例を示す図１のＸ_１−Ｘ_１矢視の一部拡大断面図である。

図１に示すように、例えば医療用に使用されるモノタンク式と呼ばれる一体型Ｘ線発生装置は、主要部となる固定陽極型Ｘ線管１１および高電圧発生器１２を絶縁油１３で充填された一つのハウジング１４内にコンパクトに収納した構造になっている。ここで、固定陽極型Ｘ線管１１から放射したＸ線は放射窓１５から取り出される。なお、ハウジング１４は導電体材により形成され接地電位に固定されている。あるいは、その内壁にはＸ線遮蔽材が取り付けられている。

固定陽極型Ｘ線管１１は、例えばガラス管球のような真空外囲器１６内において、その陰極側に陰極フィラメント１７と集束電極１８、陽極側に陽極ターゲット１９が配置されている。陽極ターゲット１９は一体の陽極２０になり真空外囲器１６から外部へ真空気密に延出される。ここで、陽極ターゲット１９は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属から成り、陽極２０は例えば銅から成る。

そして、外部に延出した陽極２０の端部に熱伝導特性および耐電圧特性に優れたセラミックス材料により形成された冷却フィン２１が取り付けられている。ここで、冷却フィン２１は、所要の枚数の円盤状フィン（図では３枚）を有し、図２に示すように、真空外囲器１６から延出した陽極２０にボルト２２が螺合することにより結合している。

その他に、上記冷却フィン２１の陽極２０への結合は、一体型Ｘ線発生装置の動作において陽極２０が例えば２００〜３００℃程度の温度に加熱されることを考慮し、耐熱性のある樹脂接着剤による接着、あるいはハンダ接合、ロウ付け等によっても行うことができる。ここで、樹脂接着剤としては、例えば銀（Ａｇ）粉末入りのポリイミド樹脂あるいはシリコン樹脂が好適に使用できる。ここで、上記結合においては適宜に金属コバールを介在させても構わない。

上記セラミックス材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が代表的であるが、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいはベリリア等の熱伝導率が高く電気絶縁性のあるセラミックスが好適である。ここで、ＡｌＮを使用する場合その熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上になる。また、ベリリア材料では、母材である酸化ベリリウム（ＢｅＯ）に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を適度に添加し高温焼成したものが好ましい。この場合の熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上になりアルミニウム（Ａｌ）等の金属並みになる。しかし、銅の場合の３９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度よりも小さい。

その他に使用できるセラミックス材料としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウムあるいは窒化ホウ素（ＢＮ）のようなセラミックスが挙げられる。

このようなセラミックス材料から構成された冷却フィン２１であると、冷却フィン２１を構成している各フィンがその電気絶縁性による高い耐電圧を有することから、ハウジング１４との離間距離は従来に較べて大きく低減できる。このために、冷却フィン２１の寸法を大きくし、その表面面積を拡張し絶縁油１３との接触面積を増大させることが容易になる。そして、この接触面積の増加により冷却効率が大幅に向上するようになる。

なお、高電圧発生器１２は、従来技術で説明したのと同じように例えば高圧トランス、フィラメント用トランスを備え、低圧用ケーブル２３を通した低圧の交流入力から高電圧を生成し、高圧用ケーブル２４を通して陽極２０に所望の高電圧を供給し、フィラメント用ケーブル２５を通して陰極側に所要電圧を供給する。

本実施形態の一体型Ｘ線発生装置の動作では、電子ビーム２６が陽極ターゲット１９に衝突し、Ｘ線２７が放射窓１５から外部に取り出され、陽極ターゲット１９で発生した熱２８は、陽極２０を伝導しその端部のセラミックス材料から成る冷却フィン２１からの輻射、伝導により絶縁油１３に伝達され、更に絶縁油１３の対流によりハウジング１４に伝達される。ハウジング１４に伝達された熱は、ハウジング１４から外気に放熱され、あるいは、図示しないがハウジング１４を連結支持するＸ線装置の支持アームに伝達されるようになっている。ここで、ハウジング１４の外壁に例えば多数のフィン状のヒートシンクである放熱板が取り付けられてもよい。

本実施形態では、固定陽極型Ｘ線管の陽極ターゲット１９で発生する熱は、Ｘ線管の陽極端部に結合する熱伝導特性が優れたセラミックス材料から成る冷却フィン２１を通して、ハウジング１４内の絶縁油１３と効率的に熱交換され、最終的にハウジング１４から外部に安定的に放熱される。また、冷却フィン２１は耐電圧特性に優れたセラミックス材料から成ることから、Ｘ線管の高信頼性および高電圧の動作が可能になりＸ線の安定した高出力化が容易になる。あるいは、ハウジング１４との離間距離を縮小することができるようになり、冷却フィン２１の各フィンを大きくしその表面積を増大させることにより、固定陽極型Ｘ線管の冷却効率は簡便に向上できるようになる。この冷却効率の向上もＸ線の高出力化を容易にする。

あるいは、Ｘ線管１１とハウジング１４との離間距離を容易に縮小化できることから、固定陽極型Ｘ線管の高電圧化および一体型Ｘ線発生装置のコンパクト化が可能になる。このようにして、Ｘ線の高出力化、小型軽量化、低コスト化あるいは信頼性向上が容易な一体型Ｘ線発生装置が簡便に実現される。

上記実施形態の冷却フィン２１としては種々の形状のものが考えられる。例えば、冷却フィン２１は、円盤状のフィンに換えて矩形盤状、多角形盤状あるいはこれ等を組み合わせた複数枚のフィンを有するように構成されていてもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態にかかる固定陽極型Ｘ線管およびそれを用いた一体型Ｘ線発生装置について図３および図４を参照して説明する。ここで、図３は一体型Ｘ線発生装置の他の例を示す概略構成図であり、図４は上記Ｘ線管に取り付けられた冷却フィンの一例を示す図３のＸ_２−Ｘ_２矢視の一部拡大断面図である。

図３に示すように、固定陽極型Ｘ線管１１ａはサイドウインド型のＸ線管である。このＸ線管では、その真空外囲器１６の一部に筒状の開口部２９が設けられ、その縁端がフランジ部３０によりハウジング１４の所定の領域に固設できＸ線出力を向上させるようになっている。なお、このフランジ部３０には例えばベリリウム（Ｂｅ）から成る放射窓１５が取り付けられ、真空外囲器１６は高真空に保持されている。そして、この場合のモノタンク式の一体型Ｘ線発生装置においても、固定陽極型Ｘ線管１１ａおよび高電圧発生器１２は絶縁油１３で充填されたハウジング１４内に収納される。ここで、固定陽極型Ｘ線管１１ａから放射したＸ線は放射窓１５から高効率に取り出される。

固定陽極型Ｘ線管１１ａは、例えばセラミックス製の真空外囲器１６内の陰極側に陰極フィラメント１７と集束電極１８、陽極側に陽極ターゲット１９が配置されている。そして、陽極ターゲット１９は一体の陽極２０になり真空外囲器１６から外部へ真空気密に延出されている。

そして、外部に延出した陽極２０の端部に熱伝導特性および耐電圧特性が優れたセラミックス材料により表面をコーティングした冷却フィン２１ａが取り付けられている。この冷却フィン２１ａは、図３に示すように所要の枚数の円盤状フィン（図では３枚）を有し、金属材から成るフィン基体部３１の表面がセラミックス材料から成るコーティング層３２により被覆されている。ここで、コーティング層３２は、例えば所望のセラミックス材料のプラズマ溶射、あるいはセラミックス板の接着等により形成される。この接着では、耐熱性の樹脂接着剤としては、例えば銀（Ａｇ）粉末入りのポリイミド樹脂あるいはシリコン樹脂が好適に使用できる。あるいは、コーティング層３２の形成においては適宜に金属コバールを介在させても構わない。

そして、フィン基体部３１は、真空外囲器１６から延出した陽極２０にボルト２２の螺合により結合している。この冷却フィン２１ａの陽極２０への結合は、第１の実施形態で説明したように、耐熱性のある樹脂接着剤による接着、あるいはハンダ接合、ロウ付け等によっても行うことができる。

上記セラミックス材料としては、例えば窒化アルミニウムあるいはベリリア等が挙げられる。その他に、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムあるいは窒化ホウ素等も好適に使用できる。

このようなセラミックス材料で表面が覆われた冷却フィン２１ａであると、冷却フィン２１ａ表面の上記コーティング層３２が耐電圧性を有することから、ハウジング１４との離間距離を従来に較べて低減させることができる。このため、冷却フィン２１ａの寸法を大きくしその表面面積を増大させることができる。そして、簡便に面積増加による冷却効率が向上するようになる。

高電圧発生器１２は、第１の実施形態で説明したように、例えば同じ高圧トランス、フィラメント用トランスを備え、低圧用ケーブル２３を通した低圧の交流入力から高電圧を生成し、高圧用ケーブル２４を通して陽極２０に所望の高電圧を供給し、フィラメント用ケーブル２５を通して陰極側に所要の電圧を供給する。

なお、第２の実施形態の一体型Ｘ線発生装置の動作は、第１の実施形態の場合とほぼ同様になるので説明は省略する。

本実施形態では、第１の実施形態で説明したのと同様の効果が生じる。そして、このサイドウインド型の固定陽極型Ｘ線管において、陽極ターゲット１９のＸ線が出射する位置から放射窓１５の間の距離を小さくすることが容易になり、放射窓１５から放射されるＸ線２７の放射角度を増大させ、その照射範囲を拡大することが可能になる。

次に、上記実施形態の変形例について図５を参照して説明する。図５は上述したような固定陽極型Ｘ線管に取り付ける冷却フィンの変形例を示した一部拡大断面図である。図５に示すように、冷却フィン２１ｂは、セラミックス材料から成る複数枚の板状フィン３３（図５では３枚）と、これ等を連接する金属材料から成る連接部材３４から成り、これ等がボルト２２により一体化され連設して陽極２０に結合される構造になっている。

ここで、板状フィン３３のセラミックス材料としては、例えば窒化アルミニウム、ベリリア、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウムあるいは窒化ホウ素等が好適に使用できる。また、連接部材３４の金属材料としては、例えば銅、アルミニウム合金等が好適に使用される。

本実施形態の変形例においても、冷却フィン２１ｂは第１の実施形態あるいは第２の実施形態の場合と同様に固定陽極型Ｘ線管に取り付けられ、それ等で説明したのと同様の効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる一体型Ｘ線発生装置の一例を示す概略構成図である。本発明の第１の実施形態にかかる固定陽極型Ｘ線管に取り付けられた冷却フィンの一例を示す図１のＸ_１−Ｘ_１矢視の一部拡大断面図である。本発明の第２の実施形態にかかる一体型Ｘ線発生装置の一例を示す概略構成図である。本発明の第２の実施形態にかかる固定陽極型Ｘ線管に取り付けられた冷却フィンの一例を示す図３のＸ_２−Ｘ_２矢視の一部拡大断面図である。本発明の実施形態における固定陽極型Ｘ線管に取り付けられる冷却フィンの変形例を示す一部拡大断面図である。従来の技術における一体型Ｘ線発生装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１１，１１ａ…固定陽極型Ｘ線管，１２…高電圧発生器，１３…絶縁油，１４…ハウジング，１５…放射窓，１６…真空外囲器，１７…陰極フィラメント，１８…集束電極，１９…陽極ターゲット，２０…陽極，２１，２１ａ，２１ｂ…冷却フィン，２２…ボルト，２３…低圧用ケーブル，２４…高圧用ケーブル，２５…フィラメント用ケーブル，２６…電子ビーム，２７…Ｘ線，２８…熱，２９…開口部，３０…フランジ部，３１…フィン基体部，３２…コーティング層，３３…板状フィン，３４…連接部材

Claims

陰極フィラメントおよび陽極ターゲットが真空外囲器内に収納され、前記陽極ターゲットに連結する陽極の一部が前記真空外囲器の外まで延出した固定陽極型Ｘ線管において、
前記陰極フィラメントから放出される電子ビームが前記陽極ターゲットに衝突して発生するＸ線および熱のうち、該熱を前記固定陽極型Ｘ線管の外に放熱する冷却フィンが、セラミックス材を有して成り、前記真空外囲器の外に延出した前記陽極の端部に形成されていることを特徴とする固定陽極型Ｘ線管。
前記冷却フィンは、金属部材の表面がセラミックス層で被覆された構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
前記冷却フィンは、複数枚のセラミックス材から成る板状フィンを有し、隣接する前記板状フィンが金属材により連設された構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の固定陽極型Ｘ線管と、前記固定陽極型Ｘ線管で使用する高電圧を発生させるための電圧発生回路とを、絶縁油が充填されたハウジング内に収納してなり、前記冷却フィンと前記ハウジングの間の耐電圧を向上させたことを特徴とする一体型Ｘ線発生装置。