JP2014506377A - 高融点中間層及びｖｐｓ焦点軌道を伴うアノード・ディスク素子 - Google Patents
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Abstract
アノード30は、炭素(例えば炭素強化炭素複合体又は他のセラミック基板50)を構築することによって形成される。延性高融点金属が、少なくとも焦点軌道部分36に、高融点金属カーバイド層52及び延性高融点金属層54を形成するために、セラミック基板に電気メッキをされる。高Z高融点金属が、少なくとも焦点軌道部分に、真空プラズマ溶射された高Z高融点金属層56を形成するために、延性高融点金属層に真空プラズマ溶射される。
Description
本出願は、X線撮影技術に関し、回転アノードX線管に関する特定のアプリケーションを見出し、特にそれを参照して説明される。
回転アノードX線管は、その特性が高温度、高強度、良好な熱伝導率及び良好な熱容量を含むディスク形高融点金属ターゲットを含む。X線装置中の回転アノードは、アノード回転から、そしてCTスキャナにおいてはガントリー回転から、大きい機械的ストレスを受ける。さらに、アノードは、X線生成プロセスによって引き起こされる熱機械的ストレスに起因して応力を加えられる。X線は、X線が放射されるのに十分に高い温度に焦点を加熱する、アノードの焦点軌道の電子衝撃によって生成される。焦点及びアノード面に印加されるエネルギーの大半は、対処される必要がある熱に変わる。電子衝撃による焦点の局所的な加熱は、ターゲット角度、焦点軌道直径、焦点サイズ、回転周波数、印加されるパワー並びに金属特性(例えば熱伝導率、密度及び比熱)の関数である。焦点温度及び熱機械的ストレスは、上述の変数を制御することによって管理される。X線管プロトコルは、材料特性制限から生じるこれらの変数を変更する能力によって制限される。
高融点金属アノード・ディスクX線管は、焦点に隣接した局所的な容積から熱を除去する材料の能力によって、及び、基板材料の機械的特性によって、制限される。高融点金属基板を炭素繊維強化炭素(CFC)複合体回転アノードに置き換えることが提案された。CFCアノードは、基板材料の機械的強度を最大化するために基材をカスタマイズする機会を生成する。しかしながら、焦点及び焦点軌道から局所的な熱を除去する能力に関する問題が依然として存在する。
例えば、CFC複合基板上に炭化タンタル(TaC)層を生成するためにタンタル(Ta)の化学蒸着(CVD)を用い、その後、焦点軌道を形成するためにタングステン(W)又はタングステンレニウム(W-Re)のCVDを用いることが提案されている。このプロセスは高価であるだけでなく、信頼性に問題がある。化学蒸着は、(草の葉に類似した)円柱状の金属構造を形成する。そのような構造にクラックが生じるか又は欠けると、クラックは円柱状構造を通って炭素基板まで容易に伝播し、X線管を破壊する。
本出願は、上記の問題などを克服するCFC基板アノードを生成するための電解メッキ及び真空プラズマ溶射の組み合わせを説明する。
１つの態様によると、アノードは、炭素又はセラミック基板を含む。高融点金属炭化物層が、少なくとも基板の焦点軌道部分を被覆する。少なくとも焦点軌道部分において、延性高融点金属層が、炭化物層を被覆する。少なくとも焦点軌道部分において、真空溶射高Z高融点金属層が、延性高融点金属層を被覆する。
他の態様によると、X線管が提供され、当該X線管は、真空エンベロープ、先行する段落に記載されるアノード、アノードを回転させるためのモータ及びカソードを含む。
他の態様によると、撮像装置が提供され、当該撮像装置は、ガントリー、先行する段落に記載されるX線管、X線管から検査領域の向かい側においてガントリーに取り付けられる放射線検出器を含む。
他の態様によると、上述のアノードを製造する方法が提供される。少なくとも焦点軌道部分に、カーバイド層及び延性金属層を形成するために、炭素又はセラミック基板が構築されて、延性高融点金属によって電気メッキをされる。少なくとも、焦点軌道部分は、真空プラズマ溶射高Z高融点金属層を形成するために高Z金属を真空プラズマ溶射される。
他の態様によると、上述のアノードを用いる方法が提供される。アノードは回転し、電子がカソードによって放射される。電子を加速してアノードに衝突させてX線を生成するように、カソードとアノードとの間に直流電圧が印加される。
１つの利点は、焦点軌道の優れた金属組成である。
他の利点は、その費用対効果である。
他の利点は、高温、高強度、良好な熱伝導率及び良好な熱容量の特性を有する軽量のアノードである。
本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明を読み理解することで当業者により認識されるだろう。
本発明は、さまざまなコンポーネント及びコンポーネントの配置、並びに、さまざまなステップ及びステップの順序の体を成すことができる。図面は、単に好ましい実施の形態を説明することを目的としたものであって、本発明を制限するものとして解釈されてはならない。
図1を参照して、診断撮像システム10は、X線又はガンマ線管14及びX線又はガンマ線検出器16を運ぶガントリー12を含む。患者支持器18は、X線又はガンマ線管14と検出器16との間の検査領域20に配置可能である。一実施例において、医療診断撮像システムは、管14及び検出器16とともにガントリー12が検査領域20のまわりを回転するCTスキャナを含む。他の実施例において、ガントリー12は、被験者支持体18に配置される被検者のまわりで選択的に位置決め可能及び/又は回転可能であるCアーム型アセンブリーである。他の実施例において、管及び検出器は、歯科用X線システムの一部である。検査システムを含む更に他の実施の形態が考えられる。
プロセッサ22は、検出器16から電子データを受信して、それを処理する（例えば、モニタ24に表示するための適切なフォーマットの診断画像にデータを再構成する）。制御部26は、管、検出器及びプロセッサの動作パラメータを選択して、診断画像の生成を制御するために、臨床医によって操作される。
X線又はガンマ線管14は、アノードを高速で回転させることができるモータ32にシャフトによって取り付けられる回転アノード30を含む。カソード34(例えば加熱されたフィラメント)は、アノードの焦点軌道36に当たってX線又はガンマ線のビームを放射するように高電圧(電圧源は図示されていない)によって加速される電子ビームを放射する。アノード及びカソードは、真空ジャケット40中に配置される。
図2を参照して、アノード30は、軽量基板50(例えば炭素繊維強化炭素複合体、炭素複合体、グラファイト・セラミック基材等)を含む。(IV B、V B又はVI B族の高融点金属で形成される)高融点金属カーバイド層52は、少なくとも基板50の焦点軌道面を被覆する。いくつかの実施の形態では、基板全体がカーバイド層で包まれる。図示された実施の形態において、カーバイド層は、基板と電解メッキされた延性高融点層54との間のインタフェースで形をなす。延性高融点金属は、例えばカーバイド分子の厚さ程度のカーバイド層によって炭素が延性高融点層からシールドされるまで、炭素と反応する。電解メッキ延性高融点金属層54は、少なくとも焦点軌道36においてカーバイド層を覆う。延性高融点層はここでもIV B、V B又はVI B金属である。典型的な金属は、ニオビウム(Nb)、レニウム(Re)、タンタル(Ta)、クロミウム(Cr)、ジルコニウム(Zr)などを含む。延性層は、0.13 mm(0.005インチ)〜0.50 mm(0.02インチ)の範囲の厚さを有する。一実施例において、延性層は0.25 mm(0.01インチ)の厚さである。一実施例において、焦点軌道36のみが延性高融点金属でメッキされる。他の実施例において、基板の他の領域をマスキングしようと試みることのコストのために、アノード基板全体が延性層によって覆われる。オプションとして、面にメッキされる延性高融点金属の複数の層が存在することができ、例えば、金属は、カーバイド層を形成した後に変更されることができる。
少なくとも焦点軌道36は、高Z高融点金属(例えばタングステン-レニウム合金)の真空プラズマ溶射層(VPS)56によって覆われる。他の高Z高融点金属、例えばタングステン、モリブデンなどが考えられる。高Z高融点層56は、0.50mm(0.02インチ)〜2.03mm(0.08インチ)の厚さを有する。より厚い層も考えうるが、よりコストがかかる。より薄い層は、より脆性であり、より容易に割れる傾向がある。
図3を参照して、ブロック60は、アノード30を製造する第１ステップが、軽量基板50（例えば、編組み状炭素繊維基板、炭素繊維強化炭素複合体、グラファイト、セラミック又は他の軽量基板）を構築することを示す。そして基板は、例えば圧縮プロセス(ブロック62)及び熱分解炭素含浸プロセス(ブロック64)によって強化されることができる。
一旦炭素に基づくアノード基板が完成すると、少なくとも焦点軌道が、続く真空プラズマ溶射ステップの間に基板50を保護するために、例えばニオビウム、タンタル、クロミウム、ジルコニウムなどのような、IV B族、V B族又はVI B族金属のような高融点金属で電解メッキされる(ブロック66)。ニオビウムは、電気メッキを容易にするので有利である。タンタルも有利である。マスキングのコストを回避するために、基板50全体が電解メッキをされることができる。高融点金属による電解メッキは、例えば、例えばフッ化ニオブ(NbF5)、フッ化アルカリ性混合物(NaF+KF)及びフッ化アルカリ土類(CaF2)の混合物中で、混合物の融点より10℃以上高いが600℃より下の温度において、ディスクに電気メッキすることを含むことができる。メッキ・プロセスの間、融解生成物、電解メッキ槽及び電解溶射される基板は、大気の約1/3の圧力で除気され(ブロック68)、アノードは、融解生成物に対して正電位(例えば約1-3ボルト)に維持される（ブロック70）。電解メッキ・プロセスの間、ニオビウム又は他の高融点金属は、最初に薄いカーバイド層52を形成して、そして延性金属層54を形成する。オプションとして、第１の高融点金属が、カーバイド層を形成するように電解メッキされることができ、そして異なる延性高融点金属が、延性金属層の全て又は一部を形成するように、電解メッキされることができる。再び、組み合わされた延性金属及びカーバイド層の厚さは、約0.25mm(0.01インチ)であるが、例えば、0.13-0.50 mm (0.005-0.020インチ)の範囲であってもよい。
真空プラズマ溶射処理(ブロック72)において、少なくとも焦点軌道36が、高Z高融点金属(例えばタングステン-レニウム合金)を真空プラズマ溶射される。真空プラズマ溶射の間、延性高融点金属層54でメッキされた基板50の領域のみが、真空プラズマ溶射される。真空プラズマ溶射は、高Z高融点金属を、それが基板に直接溶射されたとすれば基板50に損傷を与えるのに十分な力で溶射する。延性高融点層54は、焦点軌道の真空プラズマ溶射の間、基板を保護する。延性層は、基板50と高Z高融点金属焦点軌道との間の延性遷移を提供し、この延性が高Z高融点金属及び基板の熱膨張係数を整合させる。延性層は、熱膨張係数のわずかな不整合に適応することができる。カーバイド層52は、炭素が基板から高Z高融点金属に移行することを防止する。再び、真空プラズマ溶射は、0.50-2.03 mm(0.02〜0.08インチ)、好ましくは1.00〜1.52 mm(0.04-0.06インチ)の高Z高融点金属層56を提供する。他の厚さも考え得る。より厚い層を溶射する真空プラズマも可能であるが、よりコストがかかる。真空プラズマ溶射された高Z高融点金属は、より薄くなると非常に割れやすい。真空プラズマ溶射は、その速度、低コスト、及び、高Z高融点金属層56の層状微細構造の形成において有利である。
本発明は、好ましい実施の形態を参照して説明された。上記の詳細な説明を読み理解することにより、他のものへの変更及び修正が行われることができる。添付の請求の範囲及びその均等物の範囲内である限り、本発明が全てのそのような変更及び修正を含むとして構成されることが意図されている。
Claims (20)
- 炭素又はセラミックの基板、
前記基板の少なくとも焦点軌道部分を覆う高融点金属カーバイド層、
少なくとも前記焦点軌道部分で前記カーバイド層を覆う延性高融点金属層、
少なくとも前記焦点軌道部分で前記延性高融点金属層を覆う真空プラズマ溶射された高Z高融点金属層、
を有するアノード。 - 前記カーバイド層及び前記延性高融点金属層は電解メッキされた層である、請求項１に記載のアノード。
- 前記真空プラズマ溶射された高Z高融点金属層は、タングステン-レニウム合金である、請求項１又は請求項２に記載のアノード。
- 前記延性高融点金属層はニオビウムを含み、前記カーバイド層はニオビウム・カーバイドを含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアノード。
- 真空エンベロープ、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアノード、
前記アノードを回転させるモータ、及び
カソード、
を有するX線管。 - ガントリー、
前記ガントリーに取り付けられた請求項５に記載のX線管、及び
前記ガントリーに取り付けられ、前記X線管から検査領域の向かい側に配置された放射検出器、
を有する撮像装置。 - 画像表現へと前記検出器からの信号を処理するために前記検出器に接続されたプロセッサ、及び
前記画像表現が表示される表示装置、
をさらに有する請求項６に記載の撮像装置。 - 表示される前記画像表現が患者の医療診断画像であるように前記患者を検査領域に配置するために患者支持器をさらに有する請求項７に記載の撮像装置。
- 炭素又はセラミックの基板を構築し、
少なくとも焦点軌道部分に高融点金属カーバイド層及び延性高融点金属層を形成するように前記基板を延性高融点金属で電解メッキし、
真空プラズマ溶射された高Z高融点金属層を形成するように高Z高融点金属を少なくとも前記焦点軌道部分に真空プラズマ溶射する、
アノード製造方法。 - 前記基板を圧縮し、
前記基板に熱分解炭素含浸を行う、
請求項９に記載の製造方法。 - 前記電解メッキにおいて、前記延性高融点金属は、IV B族、V B族又はVI B族から選択される、請求項９又は請求項１０に記載の製造方法。
- 前記延性高融点金属はニオビウムを含む請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記電解メッキは、フッ化ニオブ、フッ化アルカリ性混合物及びフッ化アルカリ土類の混合物中で前記基板を電解メッキすることを含む、請求項１２に記載の製造方法。
- 前記電解メッキが、塩浴中で、前記塩浴の融点より10℃高い温度と600℃との間の温度において行われる、請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記電解メッキが除気をさらに含む、請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記電解メッキの間に、電解メッキ混合物と前記基板との間に１から３ボルトの電圧を印加する、請求項９から請求項１５のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記真空プラズマ溶射された高Z高融点金属がタングステン-レニウム合金を含む、請求項９から請求項１６のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記電解メッキが、前記延性高融点金属の0.13mm(0.005インチ)から0.50mm(0.02インチ)の厚さの層を形成することを含む、請求項９から請求項１７のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記プラズマ溶射は、前記高Z高融点金属の1.00-1.52mm（0.04-0.06インチ）の層厚の層を生成する、請求項９から請求項１８のいずれか一項に記載の製造方法。
- 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアノードの使用方法であって、
前記アノードを回転させ、
カソードにより電子を放射し、
前記電子を加速させて前記アノードに衝突させてX線を生成するために前記カソードとアノードとの間にDC電圧を印加する、方法。
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