JP2010170718A

JP2010170718A - Ｘ線管装置

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Publication number: JP2010170718A
Application number: JP2009009937A
Authority: JP
Inventors: Sadamu Tomita; 定冨田; Masaaki Ukita; 昌昭浮田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP5267150B2

Abstract

【課題】磁場発生器における温度の上昇を抑制することができるＸ線管装置を提供することを目的とする。
【解決手段】熱伝導率が互いに異なる複数の部品として、鉄からなる磁性部４Ａと銅からなる高熱伝導部４Ｂとを採用して、磁場発生器４を、磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成する。部品のうち高い方の熱伝導率である高熱伝導部４Ｂが放熱作用を有するように、冷却用のオイルなどに代表される冷媒あるいは磁場発生器４を固定する固定部を高熱伝導部４Ｂに接触させる。このように放熱作用を有することで、磁場発生器４で発生した熱は、部品のうち高い方の熱伝導率である高熱伝導部４に熱伝導して、放熱する。その結果、磁場発生器４における温度の上昇を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子ビームの陽極への衝突によりＸ線を発生させるＸ線管装置に関する。

従来のＸ線管装置としては、陽極が外囲器と一体となって回転する外囲器回転型のＸ線管装置がある（例えば、特許文献１、２参照）。かかる外囲器回転型のＸ線管装置では、Ｘ線管本体内の軸中心に設けられた陰極の電子源から発生させた電子ビームを、Ｘ線管本体の外に設けられた磁場発生器で集束、偏向させて、陽極のターゲットディスク上の所定位置に焦点を形成する。磁場発生器はコイルと磁極とヨークとで構成され、電子ビームを集束させるための集束磁場を発生させるが、同時に、電子ビームを偏向させる偏向磁場を重畳して発生させることができる。そのような磁場発生器としては、例えば、四重極磁場レンズや八重極磁場レンズがある。外囲器回転型Ｘ線管の陽極は外囲器と一体となって回転するので、集束、偏向した電子ビームがターゲットディスク上の一点に衝突することがない。したがって、電子ビームの衝突で発生した熱はターゲットディスク上の円周領域に広がり、ターゲットディスクの溶融を防止することができる。また、電子ビームの衝突で発生した熱は外囲器と一体となった陽極のターゲットからＸ線管外へ熱伝導で放熱される。したがって、Ｘ線管の冷却効率が良く、冷却時間をとることなくＸ線の連続照射も可能となる。

米国特許第４，９９３，０５５号明細書米国特許第５，８８３，９３６号明細書

しかしながら、かかる磁場発生器はＸ線管本体である外囲器の外に置かれるので、電子ビームまで遠く、磁場発生器には高い起磁力（磁場発生器に流す電流とコイルの巻数との積）が必要でコイルの発熱量が増大する。特許文献２に記載の磁場発生器では、ヨークが熱伝導率の低い鉄のみで構成されているので、コイルで発生した熱が、効率的に磁場発生器の外に放熱されない。したがって、コイルやヨークの温度が上昇し、Ｘ線管からＸ線を連続照射できないという問題が生じる。また、コイル温度の上昇により高いエネルギのＸ線を照射できないという問題も生じる。それを防止するために、コイルの線径を太くする、あるいはコイルの巻数を増やすという手段があるが、コイルが大きくなるという問題が生じる。また、より高エネルギの電子ビームを集束、偏向させるためには、強い磁場を発生する必要があり、より大きな放熱が磁場発生器に必要になる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、磁場発生器における温度の上昇を抑制することができるＸ線管装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項1に記載の発明は、電子ビームの陽極への衝突によりＸ線を発生させるＸ線管装置であって、電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器を備え、その磁場発生器を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品からなる積層構造に構成し、前記部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、磁場発生器を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品からなる積層構造に構成し、上述した部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成することで、磁場発生器で発生した熱は、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に熱伝導して、放熱作用によって放熱する。その結果、磁場発生器のコイルで発生する熱による温度の上昇を抑制することができる。その結果、温度の上昇の抑制によりＸ線の連続差動時間を長くすることができる。また、従来よりも強い磁場を発生することができ、高いエネルギのＸ線を発生させることができる。また、温度の上昇の抑制により、磁場発生器のコイルの線径を太くしたり、コイルの巻数を増やす必要がなくなるので、コイルの線径を細くして、コイルの巻数が減って、コイルを小さくすることもできる。

上述した発明のＸ線管装置において、磁場発生器を、磁極とそれを支持してＸ線管本体の外周部を囲む環状のヨークとで構成し、少なくともヨークを上述した積層構造に構成してもよいし（請求項２に記載の発明）、少なくとも磁極を上述した積層構造に構成してもよい（請求項３に記載の発明）。したがって、熱の発生箇所に応じて、ヨークを積層構造にせずに磁極を積層構造に構成してもよいし、磁極を積層構造にせずにヨークを積層構造に構成してもよいし、磁極およびヨークをともに積層構造に構成してもよい。

また、上述した構成の具体的な例として下記のようなものが挙げられる。例えば、冷媒を上述した部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に接触させることで、その部品が放熱作用を有する構成である。上述した部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品は、その部品に接触された冷媒によって冷却される結果、放熱作用を有する。あるいは、他の一例では、磁場発生器を真空中に固定する固定部を備え、その固定部を上述した部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に接触させることで、その部品が放熱作用を有する構成である。

この発明に係るＸ線管装置によれば、磁場発生器を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品からなる積層構造に構成し、上述した部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成することで、磁場発生器で発生した熱は、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に熱伝導して、放熱作用によって放熱する。その結果、磁場発生器における温度の上昇を抑制することができる。

（ａ）は各実施例に係るＸ線管装置の概略側面図、（ｂ）は実施例１に係るＸ線管装置の磁場発生器の概略正面図、（ｃ）は（ｂ）の磁場発生器におけるヨークの側面図である。（ａ）は実施例２に係るＸ線管装置の磁場発生器の概略正面図、（ｂ）は（ａ）の磁場発生器におけるヨークおよびそれを固定する固定部の側面図である。（ａ）〜（ｃ）は変形例に係る磁場発生器におけるヨークの側面図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。図１（ａ）は、各実施例に係るＸ線管装置の概略側面図であり、図１（ｂ）は、実施例１に係るＸ線管装置の磁場発生器の概略正面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の磁場発生器におけるヨークの側面図である。

後述する実施例２も含めて、図１（ａ）に示すように、本実施例１に係る外囲器回転型のＸ線管装置１は、電子ビームＢを発生させる陰極２と、その陰極２を溝の中に取り付けた円筒電極３と、陰極２からの電子ビームＢを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器４と、その磁場発生器４によって集束、偏向した電子ビームＢの衝突によりＸ線を発生させる陽極５と、陰極２，円筒電極３および陽極５を内部に収容し、陽極５と一体となって回転する外囲器６とを備えている。

電子ビームＢの軸Ｏ中心に陰極２とともに円筒電極３を配設している。陰極２は、例えばタングステンで形成されたフィラメントで構成されている。フィラメントを高温に加熱することで熱電子を放出して電子ビームＢを発生させる。陰極２は、フィラメントなどに代表される熱電子放出型の他に、電界放出型であってもよく特に限定されない。

本発明の磁場発生器４は、図１（ｂ）に示すように、複数（図１（ｂ）では４つ）の磁極４ａとそれらを支持する多角形（図１（ｂ）では八角形）のヨーク４ｂとで構成される。ヨーク４ｂは、図１（ａ）に示すように、Ｘ線管本体である外囲器６の外周部を囲む環状に構成されている。磁極４ａにはコイル４ｃが直接巻かれている。別の構成として、コイル４ｃはボビン（筒）に巻かれ、そのボビンを磁極４ａに差し込むことで、磁極４ａにコイル４ｃを巻いてもよい。なお、後述するコイル４ｃに発生する熱を、ヨーク４ｂを介して逃がすために、磁極４ａあるいはヨーク４ｂの後述する磁性部４Ａ（図１（ｃ）を参照）にコイル４ｃと接触させて、磁性部４Ａに接触熱抵抗が低くなるように固定する。磁極４ａは、この発明における磁極に相当し、ヨーク４ｂは、この発明におけるヨークに相当する。

従来では、コイルに発生する熱は磁極とオイルを通じて放熱される。従来のように鉄のみのヨークでは、コイル周囲のオイル（図１（ａ）では「Ｏｉｌ」で表記）などに伝導し、コイル表面からの熱伝導がほとんどである。したがって、放熱効率が低くコイル温度が上昇してしまう。そこで、鉄よりも熱伝導率が高い材質（例えば銅やアルミ）でヨークを形成することが考えられるが、銅やアルミは非磁性材であり、ヨークとして適しない。

後述する実施例２も含めて、本実施例１では、図１（ｃ）に示すように、少なくともヨーク４ｂを、鉄で形成された磁性部４Ａと、それを挟み込んで積層した高熱伝導部４Ｂとで構成することを特徴とする。すなわち、ヨーク４ｂを、熱伝導率が互いに異なる複数の部品である磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂからなる積層構造に構成し、上述した部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成することを特徴とする。ここでは、磁性部４Ａが磁性材として形成されている。高熱伝導部４Ｂは、磁性部４Ａよりも熱伝導率が高い材質、例えば銅で形成する。磁性部４Ａを高熱伝導部４Ｂが挟み込むことで、高熱伝導部４Ｂが、冷媒であるオイルに接触し、高熱伝導部４Ｂが鉄に比して大きな放熱作用を有することになる。つまり、コイル４ｃ表面のみならず、高熱伝導部４Ｂにも熱伝導して有効放熱面積が増加し、放熱しやすくなる。

以上をまとめると、磁場発生器４を、コイル４ｃと磁極４ａとそれを支持してＸ線管本体（外囲器６）の外周部を囲む環状のヨーク４ｂとで構成し、また、熱伝導率が互いに異なる複数の部品として、磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂを採用し、少なくともヨーク４ｂを、磁性部４Ａ，高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成する。鉄に比べ高い熱伝導率を有する部品である高熱伝導部４Ｂは大きな放熱作用を有する。

なお、少なくともヨーク４ｂを、磁性部４Ａ，高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成するのであれば、ヨーク４ｂのみを、磁性部４Ａ，高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成してもよいし、磁極４ａおよびヨーク４ｂをともに磁性部４Ａ，高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成してもよい。また、必ずしも、ヨーク４ｂを上述した積層構造に構成する必要はなく、熱の発生箇所に応じて、ヨーク４ｂを上述した積層構造にせずに磁極４ａを積層構造に構成してもよい。このように、磁場発生器４を、磁極４ａとそれを支持してＸ線管本体（外囲器６）の外周部を囲む環状のヨーク４ｂとで構成し、少なくともヨーク４ｂを上述した積層構造に構成してもよいし、少なくとも磁極４ａを上述した積層構造に構成してもよい。したがって、熱の発生箇所に応じて、ヨーク４ｂを積層構造にせずに磁極４ａを積層構造に構成してもよいし、磁極４ａを積層構造にせずにヨーク４ｂを積層構造に構成してもよいし、磁極４ａおよびヨーク４ｂをともに積層構造に構成してもよい。

陽極５は外囲器６内部に、外囲器６と一体となって配設されている。陽極５にはターゲット傾斜部５ａを設けており、集束、偏向した電子ビームＢが、高電圧が作る電界により陽極５に向けて加速し、ターゲット傾斜部５ａに衝突することでＸ線を発生させる。外囲器６は真空排気されている。外囲器６の陰極２側には陰極側回転軸７を配設しており、外囲器６の陽極５側には陽極側回転軸８を配設している。両回転軸７，８を回転させることで、陽極５と一体となって外囲器６が回転する。また、外囲器６の外部には、冷却用のオイル（図１（ａ）では「Ｏｉｌ」で表記）あるいは空気などで充填されている。

本実施例１に係るＸ線管装置１によれば、磁場発生器４を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品（各実施例では磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂ）からなる積層構造に構成し、上述した部品のうち磁性部４Ａを磁性材で形成することで、磁場発生器４で発生した熱は、部品のうち高い方の熱伝導率（各実施例では高熱伝導部４Ｂ）を有する部品に熱伝導して、放熱作用によって放熱する。オイルとの有効接触面積は、従来の鉄のみの場合では、例えば、40cm²であったが、本実施例１のように鉄（磁性部４Ａ）および銅（高熱伝導部４Ｂ）の積層構造の場合では、320cm²と約８倍になる。したがって、磁場発生器４における温度の上昇を抑制することができる。その結果、温度の上昇の抑制によりＸ線の連続差動時間を長くすることができ、高エネルギのＸ線を発生させることができる。また、温度の上昇の抑制により、磁場発生器４のコイル４ｃの線径を太くする、コイル４ｃの巻数を増やす必要がなくなるので、コイル４ｃの線径を細くして、コイル４ｃの巻数が減って、コイル４ｃを小さくすることもできる。さらに、放熱効率が高く、冷却用のオイル中に磁場発生器４を置く必要がなく、空気中や真空中に置く事も可能となるという効果をも奏する。

次に、磁場発生器を真空中に置く例として、実施例２を説明する。図２（ａ）は、実施例２に係るＸ線管装置の磁場発生器の概略正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の磁場発生器におけるヨークおよびそれを固定する固定部の断面図である。なお、実施例２に係るＸ線管装置の概略側面図については、実施例１のＸ線管装置と同じであるので、図１（ａ）を用いる。また、磁場発生器４以外のＸ線管装置１の構成については、実施例１と同じ構成であるので、その説明を省略する。

本実施例２では、図２（ａ）に示すように、真空中で磁場発生器４を固定する固定部９を備えている。さらに、図２（ｂ）に示すように、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品である高熱伝導部４Ｂに固定部９を接触させている。したがって、高熱伝導部４Ｂが固定部９を通じた放熱作用を有することになる。なお、実施例１と同様に、オイルなどに代表される冷媒を外囲器６（図１（ａ）を参照）の外部に充填させてもよい。固定部９は、この発明における固定部に相当する。

磁場発生器４を、磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂの積層構造に構成し、固定部９が磁場発生器４を固定した場合において、コイル４ｃの発熱の放熱が改善する効果を計算で求めている。以下、その計算について具体的に説明する。

図２（ａ）に示すように、固定部９による固定位置をＰとし、熱源（コイル４ｃ）と固定位置Ｐとの経路を熱の伝導経路Ｌとする。固定位置Ｐでのヨーク４ｂの温度が２５℃で一定であるとし、コイル発熱量をＱとする。鉄の熱伝導率は７３Ｗ／ｍ・Ｋ，銅の熱伝導率：３９４Ｗ／ｍ・Ｋである。
従来の鉄のみの場合、ヨーク４ｂの断面積をＳとし、コイル４ｃ付近の温度をＴ_１とすると、温度Ｔ_１は熱伝導方程式から求められ
Ｔ_１＝２５℃＋Ｑ［Ｗ］×Ｌ［ｍ］／（Ｓ［ｍ^２］×７３［Ｗ／ｍ・Ｋ］） …（１）
となる。
一方、本実施例２のように鉄（磁性部４Ａ）および銅（高熱伝導部４Ｂ）の積層構造の場合、ヨーク４ｂの断面積をＳ_Ｆ，Ｓ_Ｃとし、コイル４ｃ付近の温度をＴ_２とすると、温度Ｔ_２は熱伝導方程式から求められ
Ｔ_２＝２５℃＋Ｑ［Ｗ］×Ｌ［ｍ］／（Ｓ_Ｆ［ｍ^２］×７３［Ｗ／ｍ・Ｋ］＋
Ｓ_Ｃ［ｍ^２］×３９４［Ｗ／ｍ・Ｋ］） …（２）
となる。
上記（１）式、（２）式により、従来の鉄のみの場合のコイル付近の温度Ｔ_１と、本実施例２のように鉄（磁性部４Ａ）および銅（高熱伝導部４Ｂ）の積層構造の場合のコイル４ｃ付近の温度Ｔ_２を求める。例えば、Ｑ＝５０Ｗ，Ｌ＝０．０３ｍ，Ｓ＝１×１０^−４ｍ^２，Ｓ_Ｆ＝Ｓ_Ｃ＝０．５×１０^−４ｍ^２であれば、Ｔ_１＝２３０℃，Ｔ_２＝８９℃である。

このように、従来の鉄のみの場合には、コイル付近の温度Ｔ_１が２３０℃に達して、コイル銅線が熱で損傷する。一方、本実施例２のように鉄（磁性部４Ａ）および銅（高熱伝導部４Ｂ）の積層構造の場合には、コイル４ｃ付近の温度Ｔ_２が８９℃となり、問題はない。

本実施例２に係るＸ線管装置１によれば、実施例１と同様に、磁場発生器４を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品（各実施例では磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂ）からなる積層構造に構成し、上述した部品のうち磁性部４Ａを磁性材で形成することで、磁場発生器４で発生した熱は、部品のうち高い方の熱伝導率（高熱伝導部４Ｂ）を有する部品に熱伝導して、放熱作用によって放熱する。その結果、磁場発生器４における温度の上昇を抑制することができる。

上述した実施例１と相違して、本実施例２では、真空中に磁場発生器４を固定するとともに、その固定部９を上述した部品のうち高い方の熱伝導率（各実施例では高熱伝導部４Ｂ）を有する部品に接触させることで、その部品が放熱作用を有する。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）非破壊検査機器などの工業用装置やＸ線診断装置などの医用装置にも適用することができる。

（２）上述した各実施例では、磁性部４Ａを高熱伝導部４Ｂが挟み込む積層構造であったが、図３（ａ）に示すように、磁性部４Ａおよび高熱伝導部４Ｂを交互に積層する構造であってもよい。また、図３（ｂ）に示すように、オイルなどに代表される冷媒あるいは固定部に接触する側に高熱伝導部４Ｂを積層する構造であってもよい。また、オイルなどに代表される冷媒あるいは固定部に接触する側に向かって徐々に熱伝導率を高くするように、磁場発生器を、熱伝導率が互いに異なる３つ以上の部品からなる積層構造に構成してもよい。また、図３（ａ）、図３（ｂ）では、各層の厚さは均一であるが、各層が異なる厚さであってもよい。

（３）上述した各実施例では、オイルなどに代表される冷媒あるいは固定部に接触する側に、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品が積層される構造であったが、例えば、上述した実施例２のように固定部９を備えた場合に、図３（ｃ）に示すように、固定部９による固定位置Ｐ（図２（ａ）を参照）を除く箇所では部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品（例えば高熱伝導部４Ｂ）を内包し、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品を固定位置Ｐに接触させるように構成してもよい。

（４）上述した各実施例では、磁性部４Ａは鉄で、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品である高熱伝導部４Ｂは銅であったが、これらの材質を形成する物質については特に限定されない。磁場発生器４を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品からなる積層構造に構成し、上述した部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成するのであれば、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品としては、銅以外の物質であってもよく、例えば、アルミ、黄銅、りん青銅、銅アルミ合金でもよい。また、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品としては必ずしも銅などのような非磁性材に限定されず、磁場発生器４を、熱伝導率が互いに異なる複数の磁性材からなる積層構造、あるいは熱伝導率が互いに異なる複数の磁性材および非磁性材からなる積層構造に構成して、部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品も磁性材で形成してもよい。したがって、実施例に適用した場合には、部品のうち高い方の熱伝導率を有する磁性材からなる部品に冷媒や固定部を接触させることも可能である。また、磁性材であれば鉄以外の物質であってもよく、ニッケル、鉄ニッケル合金でもよい。また、ここで例示された物質を、上述した実施例や変形例（１）〜（３）に組み合わせてもよい。

（５）上述した各実施例では、八角形に代表される多角形のヨーク４ｂからなる磁場発生器（磁場発生器４）で説明したが、環状のヨークであれば形状については特に限定されず、例えば、円環状であってもよい。また、磁場発生器は、四重極磁場レンズや八重極磁場レンズなどに例示されるように、磁極の数は特に限定されるものではない。

（６）積層する方法には、ネジ止め、接着などが考えられるが、これらの方法に限定されない。

（７）高熱伝導部４Ｂは連続した一体構造が望ましいが、製作上２個以上に分割されていてもよい。

４ … 磁場発生器
４ａ … 磁極
４ｂ … ヨーク
４Ａ … 磁性部
４Ｂ … 高熱伝導部
５ … 陽極
６ … 外囲器
９ … 固定部
Ｂ … 電子ビーム
Ｏｉｌ … （冷却用の）オイル

Claims

電子ビームの陽極への衝突によりＸ線を発生させるＸ線管装置であって、電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器を備え、その磁場発生器を、熱伝導率が互いに異なる複数の部品からなる積層構造に構成し、前記部品のうち少なくとも１つを磁性材で形成することを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置において、前記磁場発生器を、磁極とそれを支持してＸ線管本体の外周部を囲む環状のヨークとで構成し、少なくともヨークを前記積層構造に構成することを特徴とするＸ線管装置。
請求項１または請求項２に記載のＸ線管装置において、前記磁場発生器を、磁極とそれを支持してＸ線管本体の外周部を囲む環状のヨークとで構成し、少なくとも磁極を前記積層構造に構成することを特徴とするＸ線管装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のＸ線管装置において、冷媒を前記部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に接触させることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のＸ線管装置において、前記磁場発生器を真空中に固定する固定部を備え、その固定部を前記部品のうち高い方の熱伝導率を有する部品に接触させることを特徴とするＸ線管装置。