JP2015520928A - Ｘ線管用の冷却静止アノード - Google Patents

Abstract

アノード（３０）を有するＸ線管（１０）であって、前記アノード（３０）は、少なくともロッド形状のボディを備え、前記ロッド形状のボディは、前記アノード（３０）の正面側に、電子ビーム（２７）用のターゲットとして、ターゲット領域（３２）を有する前壁を有する、Ｘ線管（１０）は、前記アノード（３０）が、前記前壁まで延在する少なくとも１つの空洞を有し、前記空洞は少なくとも１つの無機塩のコーティング（５０）を有する場合には、高強度のＸ線放射が可能である。

Description

発明の分野
本発明は、Ｘ線管用の冷却静止アノードおよびＸ線管に関する。

関連技術の説明
Ｘ線管は、医療用画像化技術において、特に、ＣＴスキャナ用のＸ線源として大きな重要性を有する。当然、Ｘ線管は、他の技術分野においても同様に重要であり、例えば、結晶構造決定（例えば、非特許文献１を参照）、または、税関当局によって一般的に使用されるようになった迅速かつ信頼性の高いＸ線撮影法などが挙げられる。これらの用途では、Ｘ線ベースの分析を受ける物体についての詳細な情報を得るために、高い放射電力が必要とされる。

簡単に言えば、Ｘ線は、事前に加速された電子の急激な減速によって生成される。この目的のために、Ｘ線管は、カソードを、しばしばコイル状フィラメントの形態で備えている。このフィラメントは、電流をフィラメントに印加することによって加熱され、電子の熱放射を引き起こす。電子はアノードによって引き寄せられる。アノードとカソードとの間の電圧は、典型的には、数ｋＶのオーダであり、典型的には、２５〜１５０ｋＶであり、最大で２００ｋＶ以上になることもある。結果として、電子は、アノードの原子との非弾性散乱によって減速されるまで、アノードに向かって数ｋｅＶまで加速される。エネルギー保存により、電子の運動エネルギーの一部は、連続的エネルギースペクトルを有する光子、すなわちＸ線として放射される。Ｘ線の放射は、制動放射とも言われる。ピークが、しばしば、Ｘ線管の放射スペクトルにおいて観察される。これらのピークは、原子の励起された電子の再結合に起因する。アノードに衝突する電子の高い運動エネルギーは、不幸なことに、短波長放射だけでなく、熱にも変換される。Ｘ線管に与えられる電力の数％だけが、典型的に、Ｘ線に変換され、残りの電力は熱に変換される。Ｘ線管の、特に、アノードの効率的な冷却が、高いＸ線強度を得るために非常に重要になる。

特許文献１はＸ線管を開示している。Ｘ線管は、普通、排気された区画を有する。その区画には、電子の熱放射のためのカソード、および、電子のターゲットとしてのタングステン合金のアノードがある。アノードはディスク形状であり、電子が集束する円形の外周領域を有する。このディスクは、モータのロータシャフト上に設置されるので、動作中、電子ビームの焦点が、外周領域上に円形の焦点軌道を形成する。アノードディスクの後側には、ヒートシンクとして、グラファイトのバックプレートが取り付けられている。熱は、ヒートパイプによって、アノードからバックプレートまで伝達される。ヒートパイプは、簡単に言えば、ナトリウム、リチウム、亜鉛などの、アノードの動作条件下において流体である作動流体で部分的に充填された、排気された円筒形金属製シェルである。各金属製シェルにおいて、管によって囲まれた毛細管ウィックがある。このウィックは、焦点軌跡の近傍にある、シェルの蒸発端に流体を輸送するために役に立つ。結果として、焦点軌跡に衝突する電子によって生成される熱が液体を蒸発させる。（ここでは気相にある）蒸発した液体は、シェルのもう一方の端で凝縮して、結果として、焦点軌跡のすぐ後ろの領域から、バックプレートに向けて、熱を輸送する。

米国特許第６，８０７，３８２号明細書

Ａｓｈｃｒｏｆｔ Ｍｅｒｍｉｎ著、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｓａｕｎｄｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、第６章

発明の要旨
本発明は、アノードを冷却するための熱伝達機構が複雑かつ高価であるという所見に基づく。

本発明によって解決される課題は、Ｘ線管のアノードを冷却するための、単純で、そのため、高価でない熱伝達機構を提供することである。

上記の課題は、請求項１に記載のＸ線管用アノードによって解決される。従属請求項は、本発明の改良に関する。

上記の課題は、Ｘ線管用のアノードを提供することによって解決される。このアノードは、ロッド、例えば、円形ロッドを備えている、および／または、ロッド、例えば、円形ロッドに類似している。アノードの前面には、タングステンまたはタングステン合金で構成されたターゲット領域、例えば、インレットまたは層がある。インレットまたは層は、ロッドの前壁の前面に取り付けられている。少なくとも前壁は、モリブデン合金で構成されている。

アノードは、好適には、少なくとも１つの空洞を有する。アノードの内側表面の少なくとも一部は、以下でより詳細に説明するように、少なくとも１つの無機塩または無機塩の組成物によってコーティングされる。代替的に、空洞の少なくとも一部は、少なくとも１つの無機塩によってコーティングされているといってもよい。これらの無機塩または組成物は、それぞれ、アノードの内側表面上に優れた熱伝導性を有するコーティングを形成する。このことは、ターゲット表面の領域から何らかの冷却装置までの効率的かつ単純な熱伝達を可能にする。空洞は、好適には、排気される。

好適には、空洞は、アノードの前壁の後側から、すなわち、ターゲット領域とは反対の領域から、アノードの後壁まで延在する。熱は、アノードに衝突する電子により、大部分は、アノードの原子の電子とのクーロン相互作用に起因して、ターゲット領域のすぐ後ろの材料において生成される。好適にコーティングされた空洞が、前壁の後側まで、すなわち、ターゲット領域の反対側の領域まで延在しているので、熱は、熱の発生場所から何らかの冷却装置、例えば、ヒートシンクまで伝導される。

空洞は、アノードの長手方向軸と同軸に整列された円筒形凹部の形態を有する。コーティングは、無機塩（または組成物）の溶液を空洞内に充填させ、その後、溶媒を除去することにより、コーティングが適用される。この手順は、複数回繰り返される。溶媒は、例えば、アノードの加熱および／または空洞内の圧力の低減によって、容易に除去される水である。

好適な実施形態において、アノードは、好適には、アノードの熱散逸および耐久性を強化するために、モリブデン合金で構成された部分を少なくとも備えている。

好適には、コーティングは、無機酸化物を含む。空洞をコーティングするための溶液は、以下の成分の組成物を含む。

約１０％の組成における変更が受容可能である。この組成物は、組成物の単なる１つの可能性である。さらなる組成物の例は、米国特許第６１３２８２３号、同６９１１２３１号、同６９１６４３０号、同６８１１７２０号、および、米国特許出願公開第２００５／００５６８０７号に説明されており、これらの文献は、本明細書で完全に開示されているように、参照により援用される。このような組成物を空洞に適用することによって与えられるコーティングは、電子の衝突により生成される熱のほぼ完璧に均質な分配を提供するための熱伝導性材料として作用する。

空洞は、上記の参考文献に示唆されるのと同様に排気される。熱伝導性材料は、酸化物と、１つ以上の純元素種、特にチタンおよびケイ素との組み合わせである無機材料である。

当然、アノードは、Ｘ線管の排気された区画に少なくとも部分的に含まれる。このようなＸ線管は、電子を放射するためのカソードを少なくとも備えている。カソードは、例えば、電流を印加するように構成されたタングステンフィラメントである。さらに、Ｘ線管は、アノードのターゲット領域上に電子を集束させる手段と、好適には、アノードを支持する手段とを備えている。アノードおよびカソードの少なくとも一部が排気された区画に含まれている。カソードによって放射された電子ビームは、好適には、ターゲット領域上のある点に集束される。

上記区画は、ハウジングによって囲まれており、区画とハウジングとの間に空間を形成する。冷却材がその空間内を循環する。適切な手段が当業者には周知である。より好適には、冷却材が、ヒートシンクまたはいくつかの他の冷却装置と、空間との間を循環する。

本発明のアノードおよびＸ線管は、ターゲット領域のより良好な冷却を行うことが可能である。この冷却の向上により、従来技術で説明されているように、アノードを回転させる必要はないが、少なくとも類似のＸ線強度を得ることができる。それゆえ、排気された区画においてアノードを冷却し、同時に回転させることがかなり複雑で（結果として高価で）ある場合に、アノードは、カソードに対して一定の位置に設置され、多くの技術的困難が解決される。

以下で、本発明は、図面を参照した実施形態の例に基づき、本発明の一般的な概念を限定することなしに、例示を用いて説明される。

図１は、簡略化したＸ線管の断面を示す。

図１において、Ｘ線管１０は、例えば、ガラスの区画壁によって形成された区画２０を有する。区画２０は、例えば、何らかの金属で構成されたハウジング１１に囲まれている。区画壁２０とハウジング１１との間に空間２２があり、この空間２２内を冷却材が循環する。好適には、冷却材は、空間２２と熱交換器（図示せず）との間を循環する。

区画２０は排気されており、かつ、区画２０は、電源に接続されたカソードアセンブリ２４を囲んでおり、このカソードアセンブリ２４はフィラメントカソード２６を有する。カソード２６に電力を印加することによって、カソード２６が加熱されて、電子の熱放射が得られる。

区画２０は、また、アノード３０の一部も囲んでいる。アノード３０は、円筒軸３３を有する円筒形ロッドに類似している。アノード３０は、カソードアセンブリ２４の方を向いている正面側を有する。ディスクの正面を向いている側には、カソード２６によって放射され、その後、カソード２６とアノード３０との間の電圧により加速された電子２７のための、外周ターゲット領域３２がある。ターゲット領域３２は、タングステンまたはタングステン合金の層である。この層は、モリブデン合金で構成されているロッドの前壁３７の前端に付着している。

アノードは、軸３３に沿って同軸に延在する空洞３５を有し、したがって、アノードは、前壁３７と後壁３８とを有し、前壁３７と後壁３８とはチューブ様部分３９によって接続されている。アノードは、その後端に開口部３６を有する。開口部３６を介して、コーティング５０を適用するための溶液が挿入される。その後、溶媒が除去されて、開口部が密封される。空洞が排気される。

集束手段２５は、ターゲット領域３２上の地点で電子２７を集束させる。したがって、電子ビーム２７は、ターゲット領域３２上で集束する。

アノード３０の内側表面には、例えば、表１に示したような無機塩および元素の組成物を含むコーティング５０がある。コーティングは、空洞３５内のアノードの後壁３８において、空洞３５の開口部３６を介して、無機塩および元素の溶液を充填することによって、アノードに適用される。その後、表１の例では水である、溶媒が空洞から除去される。無機塩および元素は、前壁３７、後壁３８およびチューブ部分３９の内側上にコーティングとして残る。好適には、溶媒を除去する間に、アノードが回転および／または旋回されることにより、均質のコーティング５０が得られる。

好適には、内側表面が完全にコーティングされる。コーティング５０は、優れた熱伝導性を有し、ターゲット領域３２からアノードの後端に向かう優れた熱散逸性を与える。アノードの後端は、好適には、当業者に公知のように冷却される。

動作中、電子ビーム２７がカソード２６によって放射され、ターゲット領域３２上で集束する。電子ビーム２７の電子のいくつかが、例えば、アノード３０の原子核とのクーロン相互作用に起因して減速され、結果として、Ｘ線制動放射が放射される。しかしながら、電子の大部分が、前壁の原子の電子と相互作用し、結果として、電子の運動エネルギーが熱に変換される。この熱は、空洞の内側表面に向けて散逸し、結果として、コーティング５０に伝達される。コーティング５０は、ターゲット領域から、何らかの冷却装置（図示せず）に接続されたアノードの後端への熱伝導に寄与して、この熱伝導を向上する。

参照数字のリスト
１０ Ｘ線管
１１ ハウジング
２０ 区画／区画壁
２２ （例えば冷却材用の）空間
２４ カソードアセンブリ
２６ カソード
２７ 電子ビーム
２８ Ｘ線
３０ アノード
３２ ターゲット表面／ターゲット領域
３３ アノード３０の長手方向軸
３５ 空洞
３６ 空洞の開口部
３７ 前壁
３８ 後壁
３９ チューブ部分／チューブ状部分
５０ コーティング

Claims (7)

1. Ｘ線管（１０）用のアノード（３０）であって、
   前記アノード（３０）は、ロッド形状のボディを少なくとも備え、前記ロッド形状のボディは、前記アノード（３０）の正面側に、電子ビーム（２７）用のターゲットとして、ターゲット領域（３２）を有する前壁を有する、アノード（３０）において、
   前記アノード（３０）は、前記前壁まで延在する少なくとも１つの空洞を有し、前記空洞は少なくとも１つの無機塩のコーティング（５０）を有する、
   ことを特徴とする、アノード（３０）。
2. 前記空洞（３５）は、前記アノード（３０）の後壁（３８）から前記前壁（３７）まで延在する凹部を少なくとも備えている、請求項１記載のアノード（３０）。
3. 前記前壁（３７）の少なくとも一部が、モリブデン合金で構成されている、請求項１または２記載のアノード（３０）。
4. 前記コーティング（５０）は、過酸化ナトリウム、酸化ナトリウム、ケイ素、酸化ホウ素、チタン、酸化銅、酸化コバルト、酸化ベリリウム、三酸化二ロジウム、四酸化三マンガン、および、炭酸ストロンチウムからなる群の少なくとも１つの成分を含む、請求項１から３のいずれか一項記載のアノード（３０）。
5. 少なくとも排気された区画（２０）を備えているＸ線管（１０）であって、
   前記排気された区画（２０）は、
   電子（２７）を放射するカソード（２６）と、
   ターゲット領域（３２）を有するアノード（３０）と、
   前記電子（２７）を前記ターゲット領域（３２）上に集束させる手段（２５）と
   を含み、
   前記アノード（３０）は、請求項１から４のいずれか一項記載のアノードであることを特徴とする、Ｘ線管（１０）。
6. 前記アノード（３０）は、前記区画（２０）に支持されて静止している、請求項５記載のＸ線管（１０）。
7. 前記区画（２０）はハウジング（１１）に囲まれており、前記区画と前記ハウジングとの間に空間（２２）を形成し、
   前記Ｘ線管は、前記区画（２０）と前記ハウジング（１１）との間の前記空間において冷却材を循環させる手段を備えている、請求項５または６記載のＸ線管（１０）。

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