JP2015506547A - ろう付けｘ線管アノード - Google Patents

Abstract

Ｘ線管（３８）のアノード板（５２）とグラファイト片（５６）との間のろう付け継手（５８）を作成する方法（１００）。当該方法（１００）は、前記アノード板（５２）及び前記グラファイト片（５６）を受容するステップ（１０２）を包含する。バリア層（６６）及びろう付け層（６２）は、前記アノード板（５２）と前記グラファイト片（５６）との間に配置され（１０４，１０６，１０８）、前記グラファイト片（５６）と前記ろう付け層（６２）との間に前記バリア層（６６）が配置される。前記アノード板（５２）と前記グラファイト片（５６）との間に前記ろう付け継手（５８）を作成するため、前記ろう付け層（６２）で前記バリア層（６６）は加熱される。

Description

本願は、一般にＸ線管技術に関する。本願は、アノードＸ線管を回転させることと合わせて特定の応用を見出し、特にそれを関して説明する。しかしながら、本願はまた他の使用シナリオにおける応用を見出していること、及び必ずしも上述の応用に限定されるのではないことを理解されたい。

従来の回転アノードＸ線管は、耐火性金属ターゲットからなり、該ターゲットは多くの好ましい特性、例えば高温、高強度及び優れた熱伝導率及び熱容量を有する。Ｘ線は、アノードの焦点軌道について電子衝撃により生成される。エネルギーの大部分は、焦点スポットに適用され、その後のアノード表面は管理されなければならない熱に変換される。前記電子衝撃のせいである、焦点スポットの局部加熱は、ターゲット角度、焦点軌道直径、焦点スポットサイズ（長さ×幅）、回転数、印加電力、及び材料特性（例えば熱伝導率、密度、及び比熱）の関数である。

焦点スポット温度及び熱機械的応力は、上述の変数を制御することにより管理される。しかしながら多くの場合、材料特性限界のため、これら変数を変更する能力のせいで、Ｘ線管プロトコルは限定される。

従来の回転アノードＸ線管は、しばしばアノード基板材料の機械的特性、並びに局在化体積から熱を除去するための材料の能力により限定される。典型的にはＸ線アノードは、モリブデン合金、典型的にはチタンとジルコニウムとモリブデン（ＴＺＭ）との合金の基板、及びタングステン合金（おそらく９０乃至９５％タングステン及び５乃至１０％レニウム）からなる焦点軌道により製造される。これらＸ線ターゲットはまた、通常は追加の蓄熱容量のためグラファイト裏面にろう付けされる。しかしながら、グラファイト片にモリブデン基板をろう付けするこのプロセスは、新たな問題を招く。ろう付けプロセスの間、上昇した温度は基板構造を再結晶化し、よって材料それ自体の強度を減らす。加えて、このろう付けプロセスはまた剥離欠陥の開始点をもたらし得る、ろう付け合金及びグラファイトにより、脆い炭化物層を形成する。

Ｘ線アノードにおいて使用される慣用のろう付け合金はチタンである。このろう付け材料は、ろう付け継手について材料強度と延性との優れた折衷である。チタンろう付け材料は、（いくらか高温のろう付け材料と比較して）基板材料のいくらかの強度を保持するろう付け温度を有しているが、また高温用途用の優れた継手を提供する。しかしながら、ろう付け合金としてのチタンは、炭化物形成に強い親和性を有する。この炭化物は、共晶チタン（Ｔｉ）＋炭化チタン（ＴｉＣ）層内へ拡散し続け、これは純粋Ｔｉ，共晶Ｔｉ＋ＴｉＣ，及びＴｉＣの層を形成する。印加及び熱サイクルの間、共晶Ｔｉ＋ＴｉＣ内のＴｉ部分は、α−β相変態を経験する。この変態はまた、共晶構造内のＴｉ体積変化の原因である。α相とβ相との間で前後に循環する際、Ｔｉの体積変化は共晶層内にボイド形成を作り出し、これが亀裂の開始点である。一度、亀裂が脆いＴｉＣ層まで進展すると、アノードは剥離欠陥モードになりやすい。

本願は、上記の問題及びその他を克服する、新規で改善された方法及びシステムを提供する。

一態様によると、一方法は、Ｘ線管のアノード板とグラファイト片との間のろう付け継手を作成する。当該方法は、前記アノード板及び前記グラファイト片を受容するステップを包含する。前記アノード板と前記グラファイト片との間にバリア層とろう付け層とが配置され、そしてそこで前記グラファイト片と前記ろう付け層との間に前記バリア層が配置される。前記アノード板と前記グラファイト片との間に前記ろう付け継手を作成するため、前記ろう付け層で前記バリア層を加熱する。

別の態様によれば、Ｘ線管のアノードアセンブリが提供される。アノードアセンブリは、アノード板、炭素片、及び前記アノード板と前記炭素片との間のろう付け継手を包含する。前記ろう付け継手は、前記アノード板と前記グラファイト片との間にバリア層及びろう付け層を包含し、前記グラファイト片と前記ろう付け材料との間に前記バリア層を包含する。

一つの利点は、サイクリング／クリープ／変形からの応力を管理するのに好適な、延性のある（ｄｕｃｔｉｌｅ） ろう付け継手にある。

別の利点は、より厚い純粋なチタン（Ｔｉ）層（即ち、延性のある層）にある。

別の利点は、相変態に由来するボイド形成を経た共晶Ｔｉ＋炭化チタン（ＴｉＣ）層の排除にある。

別の利点は、低減された炭素の拡散速度にある。

別の利点は、ろう付け継手用途サイクリングの増加した寿命にある。

別の利点は、脆いＴｉＣ層の排除にある。

本発明のその上さらなる利点は、以下の詳細説明を読んで理解するなら、当業者により評価されよう。

本発明は、多様な及び部品の配置の形態、並びに多様なステップ及びステップの配置の形態を取り得る。図面は、もっぱら好ましい実施形態を説明する目的のためにあり、本発明を限定するものとして解釈すべきではない。

図１は、Ｘ線管アセンブリを使用するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）診断システムの略図による説明である。 図２は、図１のＸ線管アセンブリ，本願開示の態様によるアノードアセンブリを包含するＸ線管アセンブリの略図による説明である。 図３は、図２のアノードアセンブリのろう付け継手の拡大図である。 図４は、図２のアノードアセンブリを製造する方法である。

図１に関して、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ１０は、患者支持体１２上に配置された被験者を放射線検査し、その診断画像を生成する。より具体的には、患者支持体１２条の被験者の興味対象ボリュームは、検査領域１４へ移動させられる。回転ガントリ１８に搭載されたＸ線管アセンブリ１６は、検査領域１４を貫通する１本以上の放射ビームを発射する。コリメータ２０は、一方向に放射ビームをコリメートする。第３世代スキャナにおいて、２次元Ｘ線検出器２２は、Ｘ線管アセンブリ１６から検査領域１４を横断して回転ガントリ１８上に配置される。第４世代スキャナにおいて、２次元検出器２４の環もしくはアレイは、前記回転ガントリ１８を包囲する固定ガントリ２５に搭載される。

２次元Ｘ線検出器２０，２２のそれぞれは、集積回路内に接続された、もしくは好ましくは統合された光検出器の２次元アレイを包含する。前記光検出器は、受けた放射の強度を示す電気信号を発生し、前記放射強度は、Ｘ線管とシンチレーション結晶セグメントとの間の対応する線に沿った統合Ｘ線吸収を示す。

回転ガントリ１８の角度位置についての情報と共に、電気信号は，アナログ−デジタル変換器によりデジタル化される。デジタル診断データは、データメモリ２６に伝達される。データメモリ２６からのデータは、再構成プロセッサ２８により再構成される。螺旋操作及びマルチ・スライス操作テクニック、コンボリューション及び逆投影テクニック、コーンビーム再構成テクニック、その他をはじめとする様々な既知の再構成テクニックが考えらえる。再構成プロセッサ２８により生成されるボリューム画像表示は、ボリューム画像メモリ３０内に格納される。ビデオプロセッサ３２は、スライス画像、投影画像、表面レンダリング、その他を形成するため、画像メモリ３０の選択的部分を引き出し、ディスプレイデバイス３４（例えばビデオもしくはＬＣＤモニタ）上に表示するためそれら選択的部分を再フォーマットする。

図２に関して、Ｘ線管アセンブリ１６は、伝熱及び電気絶縁冷却流体（例えばオイル）で満たされたハウジング３６を包含する。より特定的には、前記冷却流体は、ハウジング３６内から熱交換器を介してハウジング３６に戻るまでポンプにより循環する。冷却流体を使用しないＸ線管アセンブリも考えられる。Ｘ線管アセンブリ１６は、ハウジング３６内で支持されたＸ線管３８をさらに包含する。Ｘ線管３８の回転アノードアセンブリ４０及びカソードアセンブリ４２を、Ｘ線管３８の減圧チャンバ４４内で互いに対向して配置する。電子ビーム４６は、カソードアセンブリブリ４２から、アノードアセンブリ４０のアノード板５２の環状で筒状の面５０における焦点スポット４８まで通過する。

アノード板５２は、典型的には形状が環状で、ターゲット用途に依存するサイズである。例えばＣＴ用途のため、アノード板５２は典型的には約８インチの直径を包含する。さらに、アノード板５２は典型的には１インチ厚さの約３／４である。アノード板５２は、環状で筒状の面５０に沿って埋め込まれた、高密度タングステンコンポジットもしくはＸ線を生成するための他の好適な材料からなるの焦点軌道５４を有する、モリブデン合金（例えばチタンとジルコニウムとモリブデン（ＴＺＭ）との合金）の基板５３を包含する。放熱させるため、ろう付け材料（例えばチタン（Ｔｉ））を使用して、アノード板５２をグラファイト片５６にろう付けすることにより、ろう付け継手５８を形成する。グラファイト片５６は典型的にはアノード板５２の裏面にろう付けされるが、アノード板５２の何れの他の部分（例えば最上部）にろう付け可能である。グラファイト片５６は典型的には１／２インチ乃至２インチの厚さを有する環状形状である。さらに、グラファイト片５６は典型的にはアノード板５２に類似する。例えば、ＣＴ用途に関して、グラファイト片５６は典型的には約８インチの直径を包含する。

上記のように、典型的なろう付けプロセスを使用して形成したろう付け継手は、亀裂の開始点である共晶層（例えばＴｉ＋ＴｉＣの層）を包含する。このような共晶層の形成を排除するため、ろう付け継手５８は、グラファイト裏面５２とろう付け材料との間にバリア材料（例えばニオブ（Ｎｂ））を包含する。図３に関して、ろう付け継手５８の窓６０の拡大図が説明される。ろう付け継手５８は、ろう付け材料からなる層６２、バリア材料とろう付け材料からなる無限の（ｉｎｆｉｎａｔｅ）固溶体層６４、バリア材料からなる層６６、及びバリア材料と炭素から形成される化合物からなる層６８を包含する。典型的なろう付け継手における共晶層とは対照的に、無限の固溶体層６４においては、α相とβ相との間で前後に循環する際、ボイド形成で損なわれない。ろう付け材料及びバリア材料は典型的には化学元素である。

アノードアセンブリ４０は、アノード軸７２の周りを回転するための誘導モータアセンブリ７０に搭載される。より詳細には、アノードアセンブリ４０誘導モータアセンブリ７０のシャフト７４とロータ７６とに強固に接続される。ロータ７６は、アノード軸７２の周りでシャフト７４とアノードアセンブリ４０を回転させるための誘導モータアセンブリ７０の駆動コイル７８に電磁結合する。

カソードアセンブリ４２は静止しており、焦点軌道５４に対して間隔を置いて配置されたカソード収束カップ８０を包含する。カソードカップ８０に搭載されたカソードフィラメント８２は、Ｘ線を発生するため、アノードアセンブリ４０に向けられた電子ビーム４６を発射するよう付勢される。電子ビーム４６の電子は、カソードアセンブリ４２とアノードアセンブリ４０との間の大きな直流（ＤＣ）電位差により、アノードアセンブリ４０に向かって加速される。一実施形態において、カソードアセンブリ４２は、地面に対して−１００，０００ボルトの電位にあり、一方アノードアセンブリ４０は地面に対して＋１００，０００ボルトの電位にあり、それにより２００，０００ボルトの全電位差を有する双極構成を与える。アノードアセンブリ４０の焦点スポット４８への電子ビーム４６の加速された電子の衝撃は、アノードアセンブリ４０が１１００℃乃至１４００℃に加熱されるもととなる。

焦点スポット４８に当たる際、電子ビーム４６の一部は焦点スポット４８から反射し、減圧チャンバ４４内に散乱する。反射されるのとは反対に、アノードアセンブリ４０により吸収される電子は、Ｘ線８４及び熱エネルギーを生成するのに使われる。Ｘ線８４の一部は、被験者に向かってハウジング３６のＸ線窓アセンブリ８６を通過する。

図４に関して、ろう付け継手５８を作成する方法１００が提供される。有利には、ろう付け継手５８は従来のろう付け継手よりも優れた塗布特性を有する。方法１００は、その中に埋め込まれた焦点軌道５４を有するアノード板５２とグラファイト片５６とを受容するステップ１０２を包含する。上記のように、アノード板５２及びグラファイト片５６の両方は、典型的には形状が環状で、アノードアセンブリ４０の用途に依存するサイズである。さらに、アノード板５２は、典型的には１インチ厚さの約３／４の厚さを包含し、グラファイト片５６は典型的には約１／２インチ乃至２インチの厚さを包含する。さらに、アノード板５２及びグラファイト片５６はそれぞれ、典型的にはサイズが同等の、ろう付け継手５８に接続される、対応する面を包含する。

典型的には物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、もしくは電解メッキの一つを使用して、グラファイト片５６の面に、バリア材料を典型的には約２／１０００インチの厚さで塗布する１０４。しかしながら、他の厚さ及び／又はバリア材料堆積のための取り組みが考えられる。典型的には、グラファイト片５２にバリア材料を塗布するステップは、加熱前のグラファイト片５６上にバリア材料と炭素（例えばＮｂ＋ＮｂＣ）とを有する、バリア材料と化合物の共晶層を形成する。バリア材料は、ろう付けの温度より高い融点（例えば１７００℃以上）を有し、いったんろう付けされたら脆い炭化物を形成しない、いずれの材料（典型的には元素）を包含する。バリア材料の例は、Ｎｂ，タンタル（Ｔａ），白金（Ｐｔ），その他を包含する。しかしながら固溶体を生成するためろう付け材料（例えばＮｂ及びＴａ）と共に溶解するバリア材料が好ましい。なぜなら固溶体はより延性があるためである。

バリア材料の上にろう付け材料を塗布する１０６。バリア材料と同様に、ろう付け材料は典型的には元素である。さらに、ろう付け材料は好ましくはＴｉである。なぜならＴｉは延性と融点との優れたバランスを与えるからである。上記のように、ろう付け時における高温は、アノード板の強度を減ずる。ろう付け材料は典型的には１インチ厚さの約４／１０００乃至６／１０００の厚さで塗布されるが、好ましくは１インチ厚さの約４／１０００乃至５／１０００の厚さで塗布される。ろう付け材料はいずれの形態で塗布可能であるが、典型的には箔もしくはペーストとして塗布される。アノード板５２の面は、ろう付け材料上に位置決めされ１０８、ろう付け継手５８を形成するため、ろう付け材料の融点より上の温度に、ろう付け材料及びバリア材料を一括して加熱する。Ｔｉにおいては、融点は約１６００°Ｃである。ろう付けの後、図３に示すようなろう付け継手５８の層６２，６４，６６，６８が形成される。これらの層は、ろう付け材料の層６２、ろう付け材料とバリア材料との固溶体層６４、バリア材料の層６６、及びバリア材料と炭素とからなる化合物の層６８を包含する。

ろう付け継手５８を形成する方法１００は、典型的なろう付け継手よりも脆くなく、より延性のあるろう付け継手をもたらす。説明のため、ＮｂとＴｉとそれぞれバリア材料とろう付け材料として使用する場合、ＴｉＣではなく、ＮｂＣの層が形成される。バリア層は、典型的なろう付けプロセスの際に形成されるＴｉＣ層の形成を防止する。有利には、ＮｂＣの層は、ＴｉＣの層よりも脆くなく、炭素拡散速度は、Ｎｂバリア層により低く、よって亀裂の開始点である共晶Ｔｉ＋ＴｉＣ層を排除する。

本書で使用されるような、メモリは、非一時的コンピュータ可読媒体；磁気ディスクもしくは他の磁気記憶媒体；光学ディスクもしくは他の光学記憶媒体；ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、もしくは他の電気メモリデバイスもしくはチップもしくは作動的に相互接続したチップのセット；インターネット／イントラネットもしくはローカルエリアネットワークを介して記憶された命令が検索される、インターネット／イントラネットサーバ；又はその他の１個以上を包含する。さらに本書で使用されるような、プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィックプロセッシングユニット（ＧＰＵ）、特定応用集積回路（ＡＳＩＣ）、現場プログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、及びその他の１個以上を包含し；ディスプレイデバイスはＬＣＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、投射ディスプレイ、タッチスクリーンディスプレイ、及びその他の１個以上を包含する。

本発明を好ましい実施形態に関して説明した。前述の詳細説明を読んで理解するならば、他の者には修正と変更が思いつくかもしれない。例えば、本開示はＣＴ医療用撮像の関連で記載されたけれども、回転アノードＸ線管を使用する他のシステム（例えば心血管医療用撮像に使用されるシステム及び検査及び安全のためにＸ線を使用するシステム）における用途を見出せる。本発明は、添付の請求項もしくはその同等物の範囲内に該当する限り、すべてのこのような修正と変更とを包含するものとして構築されることを意図している。

Claims (20)

1. Ｘ線管のアノード板とグラファイト片との間のろう付け継手を作成する方法であって、以下のステップ：
   前記アノード板及び前記グラファイト片を受容するステップ；
   前記アノード板と前記グラファイト片との間にバリア層とろう付け層とを配置するステップであって、前記グラファイト片と前記ろう付け層との間に前記バリア層を配置するステップ；及び
   前記アノード板と前記グラファイト片との間に前記ろう付け継手を作成するため、前記ろう付け層で前記バリア層を加熱するステップ；
   を有する前記方法。
2. 前記アノード板及び／又は前記グラファイト片の形状は環状である、請求項１に記載の方法。
3. 前記アノード板はモリブデン合金、例えばチタンとジルコニウムとモリブデン（ＴＺＭ）との合金の基板を包含する、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記アノード板は、基板内に埋め込まれた焦点軌道をさらに包含する、前記焦点軌道は、電子ビームで撃たれた場合X線を生成する材料、例えばタングステンから形成される、請求項３に記載の方法。
5. 前記配置するステップが：
   前記グラファイト片に前記バリア層を適用するステップ；
   前記バリア層に前記ろう付け層を適用するステップ；及び
   前記ろう付け層上で前記アノード板を位置決めするステップ；
   を包含する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 物理蒸着（ＰＶＤ），化学蒸着（ＣＶＤ），もしくは電解メッキの１つを使用して、前記グラファイト片に前記バリア層を適用する、請求項５に記載の方法。
7. 前記バリア層及び前記ろう付け層は、前記アノード板の対応する面とろう付けされるべき前記グラファイト片との間に配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記バリア層は、前記ろう付け層の融点より高い融点を有する、一度ろう付けされたら脆い炭化物を生成しない材料である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記バリア層はニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）の１つである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記バリア層は１インチ厚さの約２／１０００である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ろう付け層はチタン（Ｔｉ）である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記バリア層及び前記ろう付け層は、前記ろう付け層の融点、例えば約１６００℃まで加熱される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ろう付け継手は、前記ろう付け層、ろう付け材料とバリア材料との固溶体層、前記バリア層、及び前記バリア材料と炭素とからなる化合物の層を包含する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. アノード板と；
    炭素片と；
    前記アノード板と前記炭素片との間のろう付け継手であって、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法により作成される前記ろう付け継手と；
    を包含するアノードアセンブリ；及び
    X線を作成するため、前記アノードアセンブリに向けて電子ビームを方向づけるカソードアセンブリ；
    を有するX線管。
15. アノード軸の周りで前記アノードアセンブリを回転させるように構成されたモーターアセンブリをさらに包含する、請求項１４に記載のX線管。
16. 被験者の興味対象ボリュームを受容する検査領域；
    受容した放射について示すデータを生成する１個以上のX線検出器；
    前記検査領域を貫通して前記X線検出器まで１個以上の放射ビームを投影する、請求項１４及び１５のいずれか一項に記載のX線管;及び
    生成データから興味対象ボリュームの立体イメージ表示を生成する再構成プロセッサ；
    を有する、被験者をスキャンするコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ。
17. アノード板；
    炭素片；及び
    前記アノード板と前記炭素片との間のろう付け継手であって、前記アノード板と前記グラファイト片との間にバリア層及びろう付け層を包含し、前記グラファイト片と前記ろう付け材料との間に前記バリア層を包含する、前記ろう付け継手；
    を有する、X線管のアノードアセンブリ。
18. 前記ろう付け継手は、前記ろう付け層、ろう付け材料とバリア材料との固溶体層、前記バリア層、及び前記バリア材料と炭素とからなる化合物の層を有する、請求項１７に記載のアノードアセンブリ。
19. 前記ろう付け層はチタン（Ｔｉ）であり、前記バリア層は、前記ろう付け層の融点より高い融点を有する、一度ろう付けされたら脆い炭化物を生成しない材料、例えばニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）である、請求項１７及び１８のいずれか一項に記載のアノードアセンブリ。
20. 請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載のアノードアセンブリ；及び
    X線を作成するため、前記アノードアセンブリに向けて電子ビームを方向づけるカソードアセンブリ；
    を有するX線管。

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