JP2011086463A - 回転陽極型ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを低減しつつ、陽極ターゲットに発生する熱を効率よく放出させることが可能な信頼性の高い回転陽極型Ｘ線管を提供することを目的とする。
【解決手段】 電子を放出する陰極１０と、陰極１０から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲット層２２を有する陽極ターゲット２０と、内部に冷却液が流れる固定部３０と、固定部３０の外側に潤滑剤８０を介して配置され、陽極ターゲット２０を支持し、固定部３０を軸として陽極ターゲット２０とともに回転可能な回転部４０と、陽極ターゲット２０と回転部４０とを接続するフランジ５０と、回転部４０と接続され、回転部４０の外側に間隔をもって配置され、熱伝導性を有する遮蔽部６０と、陰極１０および陽極ターゲット２０を収容する真空外囲器９０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、Ｘ線を発生する回転陽極型Ｘ線管に関する。

回転陽極型Ｘ線管は、電子を放出する陰極と、Ｘ線を放出する陽極ターゲットと、陽極ターゲットを回転可能に支持する回転部および固定部と、陰極および陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、によって構成されている。陰極と陽極ターゲットとの間に高電圧を印加することにより、陰極側から放出された電子が陽極ターゲットに衝突し、陽極ターゲットからＸ線が放射される。

陰極から放出された電子が陽極ターゲットに衝突すると、陽極ターゲットに熱が発生する。陽極ターゲットは、発生する熱により１０００℃以上に高温になることがある。陽極ターゲットで発生した熱は、陽極ターゲットを回転可能に支持する回転部や固定部などに伝達されことがある。

例えば、特許文献１によれば、回転軸を回転自在に支持する軸受の温度上昇を抑えることを目的として、回転子と回転軸との間に、先端部が回転子の先端部より突出ように配置された管状部を備え、陽極ターゲットからの熱の熱経路を増大させる構成が開示されている。

また、例えば、特許文献２によれば、良好な熱放出特性を有する回転陽極型Ｘ線管を提供することを目的として、陽極ターゲットと、陽極ターゲットと機械的に連結した回転体と、この回転体と嵌合部分にすべり軸受が設けられ、内部に空洞が設けられた固定体と、を備え、固定体の空洞部分に形成される冷却用通路と空洞の壁面との間に保護部材が設けられた構成が開示されている。

特開平２−９４３４２号公報 特開２００４−５５２６２号公報

陽極ターゲットで発生した熱が回転部および固定部に伝達されることがあるため、回転部および固定部は、一般的に耐熱性の高いモリブデン（Ｍｏ）などの金属材料によって形成されることが多い。しかしながら、モリブデンなどの金属材料は高価であるため、製造コストの低減が必要とされる。

この発明の目的は、製造コストを低減しつつ、陽極ターゲットに発生する熱を効率よく放出させることが可能な信頼性の高い回転陽極型Ｘ線管を提供することにある。

この発明の一態様によれば、電子を放出する陰極と、前記陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲット層を有する陽極ターゲットと、内部に冷却液が流れる固定部と、前記固定部の外側に潤滑剤を介して配置され、前記陽極ターゲットを支持し、前記固定部を軸として前記陽極ターゲットとともに回転可能な前記回転部と、前記陽極ターゲットと前記回転部とを接続するフランジと、前記回転部と接続され、前記回転部の外側に間隔をもって配置され、熱伝導性を有する遮蔽部と、前記陰極および前記陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、製造コストを低減しつつ、陽極ターゲットに発生する熱を効率よく放出させることが可能な信頼性の高い回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

図１は、この発明の一実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、回転陽極型Ｘ線管の他の構成の部分を概略的に示す断面図である。

以下、この発明の一実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管について図面を参照して説明する。

図１に示すように、回転陽極型Ｘ線管１は、陰極１０、陽極ターゲット２０と、陽極ターゲット２０を回転可能に支持する固定部３０および回転部４０と、陰極１０および陽極ターゲット２０を収納した真空外囲器９０と、を有している。

陰極１０は、電子を放出するフィラメント１１を有している。

陽極ターゲット２０は、陰極１０と対向するように配置されている。陽極ターゲット２０は、陽極２１と、陽極２１の表面Ｓ１（すなわち、陰極１０と対向する面）に陰極１０と対向する位置に設けられた陽極ターゲット層２２と、を有している。陽極２１は、回転軸Ａを中心とする傘状である。陽極２１は、陽極２１の裏面Ｓ２（すなわち、陰極１０と対向する面と反対の面）から回転軸Ａに沿った方向に後退した円形状の後退面２１ＡＳを有する凹部２１Ａを有している。陽極２１は、モリブデン（Ｍｏ）などによって形成されている。陽極２１は、回転軸Ａを中心に回転可能である。陽極ターゲット層２２は、輪状である。陽極ターゲット層２２は、タングステン（Ｗ）などによって形成されている。

陽極２１の裏面Ｓ２には、陽極ターゲット２０の熱容量を大きくするために、熱容量部７０が接合されている。熱容量部７０は、環状であり、陽極ターゲット２０の凹部２１Ａと対向しないように配置されている。熱容量部７０は、グラファイトなどの熱容量の大きい材料によって形成されている。

固定部３０は、陽極ターゲット２０を間接的に支持している。固定部３０は、第１筒部３１と、第１底面部３２と、を有している。第１筒部３１は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心軸として筒状に形成されている。第１筒部３１の陽極ターゲット２０側の一端は、第１底面部３２によって塞がれている。第１底面部３２は、回転軸Ａを中心とする円盤状に形成されている。第１底面部３２は、陽極ターゲット２０の凹部２１Ａと対向するように配置されている。第１筒部３１と第１底面部３２とは、一体的に形成されている。固定部３０は、陽極ターゲット２０と同軸的に設けられている。固定部３０は、例えば、鉄（Ｆｅ）によって形成されている。

固定部３０の内部は、冷却液によって満たされている。冷却液は、例えば、純水、水溶液、絶縁油である。固定部３０は、冷却液を排出する排出口３０Ａを有している。固定部３０の内部には、管部３５が設けられている。管部３５は、固定部３０とともに、冷却液が流れる冷却路を形成している。管部３５の一端は、固定部３０を貫通し、固定部３０の外部に延出している。管部３５は、その一端に冷却液を取り入れる取入口３５Ａを有している。管部３５の他端は、固定部３０の第１底面部３２と間隔をおいて配置されている。管部３５は、その他端に冷却液を固定部３０の内部に吐き出す吐出口３５Ｂと、を有している。

冷却液は、管部３５の取入口３５Ａから取り入れられ、管部３５の内部を通って矢印方向に上昇し、管部３５の吐出口３５Ｂから吐き出され、管部３５の外側に移動して、管部３５と固定部３０の第１筒部３１との間を通って矢印方向に下降し、固定部３０の排出口３０Ａから排出される。

回転部４０は、固定部３０とともに陽極ターゲット２０を回転可能に支持している。回転部４０は、固定部３０の外側に配置されている。回転部４０は、第２筒部４１と、第２底面部４２と、シール部４３を有している。

第２筒部４１は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心軸として筒状に形成されている。第２筒部４１は、固定部３０の第１筒部３１より大きい径を有している。第２筒部４１は、固定部３０の第１筒部３１を囲むように配置されている。第２筒部４１は、固定部３０の第１筒部３１との間に間隔をもって配置されている。第２筒部４１の陽極ターゲット２０側の一端は、第２底面部４２によって塞がれている。

第２底面部４２は、回転軸Ａを中心とする円盤状に形成されている。第２底面部４２は、固定部３０の第１底面部３２より大きい径を有している。第２底面部４２は、陽極ターゲット２０と固定部３０との間に配置されている。第２底面部４２は、陽極ターゲット２０の凹部２０Ａおよび固定部３０の第１底面部３２と対向するように配置されている。第２底面部４２は、固定部３０の第１底面部３２および陽極ターゲット２０との間に間隔をおいて配置されている。

シール部４３は、第２筒部４１の他端に接合されている。シール部４３は、環状に形成されている。シール部４３は、固定部３０の第１筒部３１との間にわずかな間隔をおいて配置されている。

第２筒部４１と第２底面部４２とは、一体的に形成されている。回転部４０は、陽極ターゲット２０および固定部３０と同軸的に設けられている。回転部４０は、固定部３０を軸に陽極ターゲット２０とともに回転可能である。回転部４０は、例えば、鉄（Ｆｅ）によって形成されている。

潤滑剤８０は、固定部３０と回転部４０との間の隙間に充填されている。ここでは、潤滑剤として液体金属が用いられている。すなわち、液体金属８０は、固定部３０の第１筒部３１と、回転部４０の第２筒部４１との間の隙間、および、固定部３０の第１底面部３２と、回転部４０の第２底面部４２との間の隙間に充填されている。これらの隙間は、繋がっている。液体金属８０は、例えば、ガリウム・インジウム・錫合金（ＧａＩｎＳｎ）である。

フランジ５０は、陽極ターゲット２０と回転部４０とを接続している。フランジ５０は、第１フランジ部５１と、第２フランジ部５２と、を有している。第１フランジ部５１は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心として筒状に形成されている。第１フランジ部５１は、回転部４０の第２筒部４１を囲むように配置されている。第１フランジ部５１の一端は、陽極ターゲット２０の裏面Ｓ２に接合されている。第１フランジ部５１は、陽極２１と一体的に、同一材料によって形成されている。第１フランジ部５１の他端は、第２フランジ部５２の一端に接合されている。第１フランジ部５１は、回転部４０の第２筒部４１との間に間隔をおいて配置されている。第１フランジ部５１は、適度な熱抵抗を有している。

第２フランジ部５２は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心として筒状に形成されている。第２フランジ部５２は、回転部４０の第２筒部４１を囲むように配置されている。第２フランジ部５２の一端は、第１フランジ部５１の一端に接合されている。第２フランジ部５２は、回転部４０の第２筒部４１との間に間隔をおいて配置されている。第２フランジ部５２は、第１フランジ５１より熱伝導率が高い材料によって形成されている。

遮蔽部６０は、陽極ターゲット２０と回転部４０との間に配置されている。遮蔽部６０は、第３筒部６１と、第３底面部６２と、を有している。第３筒部６１は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心軸として筒状に形成されている。第３筒部６１は、回転部４０の第２筒部４１より大きい径を有している。第３筒部６１は、回転部４０の第２筒部４１を囲むように配置されている。第３筒部６１は、回転部４０の第２筒部４１との間に間隔をもって配置されている。第３筒部６１の陽極ターゲット２０側の一端は、第３底面部６２によって塞がれている。第３筒部６１の他端は、回転部４０の第２筒部４１、例えば、フランジ５０が接続された近傍領域に接合されている。

第３底面部６２は、回転軸Ａを中心とする円盤状に形成されている。第３底面部６２は、回転部４０の第２底面部４２より大きい径を有している。第３底面部６２は、陽極ターゲット２０と回転部４０との間に配置されている。第３底面部６２は、陽極ターゲット２０の凹部２１Ａおよび回転部４０の第２底面部４２と対向するように配置されている。第３底面部６２は、回転部４０の第２底面部４２および陽極ターゲット２０との間に間隔をおいて配置されている。

第３筒部６１と第３底面部６２とは、一体的に形成されている。遮蔽部６０は、鉄より高い熱伝導率を有する材料、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、セラミックスまたは合金などによって形成されている。

真空外囲器９０は、陰極１０、陽極ターゲット２０、固定部３０、回転部４０、フランジ５０、遮蔽部６０、を収容している。真空外囲器９０は、密閉されている。真空外囲器９０の内部は、真空状態に維持されている。つまり、真空外囲器９０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を真空状態に保持している。真空外囲器９０は、回転軸Ａに対して直交した方向にＸ線透過窓９０Ａを有している。固定部３０の一端は、真空外囲器を貫通し、外部に延出している。

ステータコイル２は、回転部４０の側面、すなわち第２筒部４１の側面に対向して真空外囲器９０の外側を囲むように配置されている。ステータコイル２は、環状である。

上記回転陽極型Ｘ線管１の動作時において、ステータコイル２に電流を流して磁界を発生させ、回転部４０を回転させる。回転部４０の回転により、陽極ターゲット２０が回転する。また、陰極１０に相対的に負の電圧が印加され、陽極ターゲット２０に相対的に正の電圧が印加される。例えば、陰極１０は、−１５０ｋＶの電圧が印加され、陽極ターゲット２０は、接地される。陰極１０と陽極ターゲット２０との間に電位差が生じ、陰極１０から放出された電子が陽極ターゲット２０に衝突し、陰極１０側から放出された電子が陽極ターゲット２０に衝突し、陽極ターゲット２０からＸ線が放射される。陽極ターゲット２０から照射されたＸ線がＸ線透過窓９０Ａを透介して外部に放出される。

ところで、陽極ターゲット２０の温度は、電子が陽極ターゲット層２２に衝突することによって、１０００℃以上の高温となる。上記した構成によれば、電子が陽極ターゲット２０に衝突することによって生じる熱は、陽極ターゲット２０と接合された第１フランジ部５１に伝達される。第１フランジ部５１に伝達された熱は、第１フランジ部５１が熱抵抗を有するため、第１フランジ部５１において温度が下げられる。第１フランジ部５１からの熱は、第２フランジ部５２に伝達される。第２フランジ部５２に伝達された熱は、第２フランジ部５２が高い熱伝導率を有するため、第２フランジ部５２において広い面積に拡散される。第２フランジ部５２からの熱は、回転部４０に伝達される。回転部４０に伝熱された熱は、回転部４０と固定部３０との間の隙間に充填された液体金属８０を介して、固定部３０に伝達される。さらに、固定部３０に伝導された熱は、固定部３０の内部の冷却液を媒介として、回転陽極型Ｘ線管１の外部へ放出される。このようにして、陽極ターゲット２０を冷却することが可能となる。

陽極ターゲット２０は、強い輻射熱を発する。上記した構成によれば、陽極ターゲット２０からの輻射熱は、遮蔽部６０によって吸収される。陽極ターゲット２０からの輻射熱は、遮蔽部６０が高い熱伝導率を有するため、遮蔽部６０において速やかに回転部４０に伝達される。また、遮蔽部６０は、回転部４０の第２筒部４１と接合しているため、温度がより低い領域に陽極ターゲット２０からの輻射熱を伝達することができる。回転部４０に伝達された熱は、液体金属８０を介して固定部３０に伝導される。さらに、固定部３０に伝導された熱は、固定部３０の内部の冷却液を媒介として、回転陽極型Ｘ線管１の外部へ放出される。このようにして、陽極ターゲット２０を冷却することが可能となる。

つまり、上記した構成よれば、陽極ターゲット２０からの輻射熱は、遮蔽部６０よって遮蔽される。これにより、陽極ターゲット２０からの輻射熱が、陽極ターゲット２０と対向する固定部３０および回転部４０によって吸収されることを防止することができる。したがって、回転部４０および固定部３０に高価なモリブデンなどを用いず、鉄系の材料を用いた場合においても、回転部４０および固定部３０の許容温度の範囲に抑えることができる。したがって、信頼性の高い回転陽極型Ｘ線管１をえることができる。回転陽極型Ｘ線管１の温度を制御することができる。

以上、本実施の形態によれば、製造コストを低減しつつ、陽極ターゲットに発生する熱を効率よく放出させることが可能な信頼性の高い回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

なお、遮蔽部６０は、陽極ターゲット２０と対向する面を黒化していてもよい。このように構成することによって、陽極ターゲット２０からの熱をさらに吸収することができ、陽極ターゲット２０からの輻射熱を回転陽極型Ｘ線管１の外部へさらに放出することができる。

さらに、回転陽極型Ｘ線管１は、図２に示すように、遮蔽部６０より高い輻射率を有する遮蔽層１００を有していてもよい。遮蔽層１００は、陽極ターゲット２０と遮蔽部６０との間に配置され、遮蔽部６０の上に積層されている。遮蔽層１００は、第４筒部１０１と、第４底面部１０２と、を有している。第４筒部１０１は、回転軸Ａに沿って延出しており、回転軸Ａを中心軸として筒状に形成されている。第４筒部１０１は、遮蔽部６０の第３筒部６１より大きい径を有している。第４筒部１０１は、遮蔽部６０の第３筒部６１を囲むように配置されている。第４筒部１０１の陽極ターゲット２０側の一端は、第４底面部１０２によって塞がれている。第４底面部１０２は、回転軸Ａを中心とする円盤状に形成されている。第４底面部１０２は、遮蔽部６０の第３底面部６２より大きい径を有している。第４底面部１０２は、陽極ターゲット２０と遮蔽部６０との間に配置されている。第４筒部１０１と第４底面部１０２とは、一体的に形成されている。このように構成することによって、陽極ターゲット２０からの熱をさらに吸収することができ、陽極ターゲット２０からの輻射熱を回転陽極型Ｘ線管１の外部へさらに放出することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０…陰極 ２０…陽極ターゲット ２２…陽極ターゲット層 ３０…固定部 ４０…回転部 ５０…フランジ ６０…遮蔽部 ８０…液体金属 ９０…真空外囲器９０

Claims (5)

1. 電子を放出する陰極と、
   前記陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲット層を有する陽極ターゲットと、
   内部に冷却液が流れる固定部と、
   前記固定部の外側に潤滑剤を介して配置され、前記陽極ターゲットを支持し、前記固定部を軸として前記陽極ターゲットとともに回転可能な前記回転部と、
   前記陽極ターゲットと前記回転部とを接続するフランジと、
   前記回転部と接続され、前記回転部の外側に間隔をもって配置され、熱伝導性を有する遮蔽部と、
   前記陰極および前記陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、
   を備えたことを特徴とする回転陽極型Ｘ線管。
2. 前記遮蔽部は、鉄より高い熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
3. さらに、前記遮蔽部と前記陽極ターゲットとの間に位置し、前記遮蔽部の上に積層された遮蔽層を有し、
   前記遮蔽層は、前記遮蔽部より高い輻射率を有することを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
4. 前記遮蔽部は、前記陽極ターゲットと対向する面が黒化されていることを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
5. 前記回転部は、筒部と、前記筒部の前記陽極ターゲット側の一端を塞ぐ底面部と、を有し、
   前記遮蔽部は、前記回転部の前記筒部と接合されていることを特徴とする請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。

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