JP4161328B2 - 複合ハウジングを有するｘ線発生装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は，X線発生装置に関し，とくに輻射保護および当該単一の真空ハウジングのボディーを通す直接な熱伝導を可能にする，改良された単一の真空ハウジングを有するX線管に関する。
発明の背景
X線発生装置は，一般に間が離されたアノード組立体とカソード組立体を有する真空エンクロージャを含む。カソード組立体はアノード組立体のアノードターゲットの焦点スポットに電子ビームを当てるように，配置された電子放出カソードを有する。動作において，カソードにより放出される電子が，カソードとアノードターゲットとの間で形成される高電圧により，アノードターゲットへと加速される。加速された電子は，真空エンクロージャにある窓を通過するX線ビームを発生するために十分な運動エネルギーをもって，アノードターゲットの焦点スポット領域に衝突する。
しかし，入力エネルギーの約1パーセントのみがX線放射に変換されるだけである。入力エネルギーの大半はアノード組立体の質量に蓄積される熱エネルギーに変換されていまう。アノードを回転させることで，X線生成の間に発生した熱がアノードターゲットの広い領域にわたって広がることは従来技術において知られている。輻射による熱移動を改良するために，アノード組立体は，特別に方法でコーティングされ，たとえば米国特許第4,928,296号に開示された誘電性液体でもって，強制対流により冷却される。アノード組立体からの過剰な熱エネルギーは，取り囲むエンクロージャの熱輻射により消散する。
従来技術にしたがって設計されたX線発生装置では，真空エンクロージャは，冷却媒体，典型的には，冷却流体または強制空気のための容器として機能するハウジング内に配置される。流体冷却されるX線装置，たとえば米国特許第4,841,557号に典型的に開示された装置において，回転アノードX線管は，真空エンクロージャからの熱を少なくとも部分的に消散するために，ポンプにより循環するトランスオイルのような断熱流体で満たされたハウジング内に浸けられている。
米国特許第5,056,126号に開示された空冷X線管は，約1kVから200kVの範囲の電圧でバイアスすることができるカソードおよびアノードを有する，排気されたエンベロープ内に，配置されたハウジング，および熱伝導性材料で作られた熱ケージを含む。熱ケージは，アノードターゲットを取り囲む真空エンクロージャの内部に設けられる。熱ケージはアノードからの熱を吸収し，真空エンクロージャの端部へ，そして空気流により消散を行うハウジングの内部へと移される。X線管からの過剰な輻射は，排気されたエンベロープとハウジングとの間に設けられるリードライナーによりハウジングから出ていくことを阻止される。リードライナーはX線管のための大きなシンクとしても機能する。
このような特徴に利点はあるが，空冷管には欠点もある。排気された真空エンベロープ内に熱ケージが存在するため，熱を消散させる熱路が長くなり，リードライナーにダメージを与えかねない真空エンクロージャの内部にわたって発生する過剰な熱が生じる。
したがって，本発明の目的は，構成要素が減少し，その結果信頼性が高く，製造コストが減少する，コンパクトなX線発生装置を提供することである。
本発明の他の目的は，輻射シールドとして，パワー損失の場合に，真空エンクロージャ内の温度を平衡化するための熱リザーバとして，そしてアノード組立体および空気冷却システムの間の直接的な熱移動要素として機能する多機能真空エンクロージャを有するX線発生装置を提供することである。
さらに，本発明の他の目的は，備え付け要素として，熱リザーバーとして，そして冷却システムの要素として機能する多機能取付ブロックを有するX線発生装置を提供することである。
発明の開示
本発明にしたがって，開口部を中にそれぞれ有する側壁，頂部壁および底部壁を有する円筒状ボディーにより形成される単一の真空エンクロージャを有するX線発生装置を提供する。頂部壁および側壁は，定格出力が150kVのX線発生装置からの，1メートル当たり100mRad/hrに等しい輻射透過のFDA条件を超えることがない，必要な輻射シールドを提供することができる材料で作られる。単一の真空エンクロージャは，間が離された，回転アノードターゲットを有するアノード組立体とカソード組立体とを有する。単一の真空エンクロージャは，アノードターゲットの熱容量よりも実質的に大きな熱容量を有する。カソード組立体は，単一の真空エンクロージャの側壁の開口部に連結されたX線窓を通して放射されるX線を発生するために，回転アノードターゲットに衝突する電子を放出する電子源を有し，カソード組立体は，前記電子源を保持するための取付構造物，およびX線に対して単一の真空エンクロージャの頂部壁の開口部をシールドするための，カソードターゲットに面し，取付構造物に取り付けられ，高Z材料から作られたディスクを，さらに有する。
本発明の一つの態様にしたがって，取付ブロックが単一の真空エンクロージャの側壁に取り付けられる。取付ブロックは，側壁の開口部に連結したポート，側壁の開口部から離れたところにX線窓を保持する，取付ブロック内に配置された窓アダプタを有する。窓アダプタはX線が透過するための，穴を中に有する円筒状ボディーを有し，ここで，窓アダプタの内部は単一の真空エンクロージャの伸長した部分である。
X線発生装置は，ファンにより生成される空気流により冷却される。複数のフィンが単一の真空エンクロージャの円筒状側壁に外周に設けられ，真空エンクロージャからフィンへ熱が直接移される。保護カバーはファンおよびフィンを覆うように備え付けられる。
空冷は，特定の形状をもつ取付ブロックを利用することで行われる。本発明の他の態様にしたがって，取付ブロックは，単一の真空エンクロージャを覆い，当該チャネルを通過する空気流により，単一の真空エンクロージャを冷却するための複数のチャネルを有するボディーを有する。
本発明のこれらおよび他の目的ならびに利点は，図面を参照して好適実施例を説明した以下の詳細な説明により明らかになろう。詳細な説明は本発明を説明するためのものであって，その範囲を限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の複合ハウジングを実施するX線発生装置の断面図である。
図２は単一の真空エンクロージャの側壁に窓アダプタを有する取付ブロックの位置を示す，本発明のX線発生装置の斜視図である。
図３aは取付ブロック内のX線窓の位置の略示図である。
図３bは取付ブロック内の窓アダプタ上のX線窓の位置の略示図である。
図４は単一の真空エンクロージャを囲む，分割した取付ブロックを示すX線発生装置の斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明のX線発生装置が図１に示され，単一の真空エンクロージャ10と，その中に配置された回転アノード組立体12およびカソード組立体14を有する。回転アノード組立体12は回転のために，シャフトを介してロータ18に連結されたアノードターゲット16を有する。ステータ20が単一の真空エンクロージャ10の外側で，真空ロータ18の近傍に配置されている。カソード組立体14は，電子源24が取り付けられた取付構造物22を有する。カソード組立体14は，単一の真空エンクロージャの頂部壁に，セラミック製分離体26により気密にされる開口部15を通して真空エンクロージャ内に配置される。カソード組立体14はまた，取付構造物22に取り付けられるディスク28，電子源24を貫通して突き出させる開口を有する。ディスク28の直径は開口部15をシールドするように選択される。
本発明の一実施例にしたがった取付ブロック30が図１および２に示されている。取付ブロック30は，中にポートを有する円筒状の形状をもち，ポートが単一の真空エンクロージャの側壁にあるX線開口部に連結されるように単一の真空エンクロージャに機械的に取り付けられる。取付ブロック30は真空エンクロージャにろう付けまたはボルト付けされ得る。電子源24により発生した電子ビームが，X線を発生させるのに十分なエネルギーをもって，アノードターゲット16に衝突するように，カソード組立体14とアノード組立体12との間に電位を形成するための高電圧手段（図せず）が備えられる。アノード組立体は，約+75kvの正の電位に維持される一方，カソード組立体は，約-75kvの負の電位に維持される。窓32はX線を透過できる。図３aおよび図３bはX線窓の，異なる取付方法を略示する。図３bの本発明の実施例にしたがって，X線窓は窓アダプタに取り付けられる。側壁にシールされた窓アダプタは単一の真空エンクロージャの伸長した部分を形成する。
単一の真空エンクロージャの側壁にあるX線開口部は，窓アダプタの穴の直径よりも実質的に狭い直径をもつ。取付ブロック30は，窓アダプタを覆ってもよく，X線窓は，図３aに示されたように，X線開口部の反対側のポートの端部に取り付けられてもよい。窓アダプタの材料は，真空エンクロージャ10の材料および窓32の材料と熱的に，両立するものでなければならない。窓をアノードターゲットから離れて配置することにより，窓の温度を下げることができる。このことは，動作において，真空エンクロージャ内の温度が，アノードターゲット上の焦点スポットから後方散乱した電子からの二次電子衝撃による，“二次”の寄与により，窓領域内でより高くなることから，重要である。電子がランダムな角度で散乱することから，電子の僅かな部分が窓の新しい場所を熱するように進行する。窓から離れた場所で実施された試験では，直径が0.55インチの窓に対する動作中，その温度は15秒，24キロワットの操作の間，15℃上昇したことを示した。
取付ブロックは，伝統取付機能に加え，装置の熱容量を増加させるために使用され，そしてアノード組立体から真空エンクロージャの外側領域への熱の移動を高めるための，単一の真空エンクロージャの周囲にわたって設けられたフィン34とともに使用される。
本発明の実施例にしたがって，分割した取付ブロックは図４に示されているように，その中に真空エンクロージャを覆うことができる。複数のチャネルが，空気流が貫通するように取付ブロック体内に形成されている。この実施例において，取付ブロックのこのような構造物が十分な熱貯蔵を与えることから，フィンを使用する必要はない。
本発明のX線発生装置は，真空エンクロージャからの熱がファンにより形成される空気流により消散するときに，空冷式技術を利用する。X線装置の応用例によって，空気は，図１に示されたように軸線方向に，または図４に示されているように管を横切るように向けられ得る。
本発明の単一の真空エンクロージャは放射シールドとして機能する。エンクロージャの材料および厚さの選択は，定格のビームパワーで，アノードおよびカソード組立体の間で維持される150KVで，X線発生装置から，1メータの距離で20mRad/hrに等しいFDA条件の5分の1に，輻射送信を低下させるために，その能力により限定される。材料はまた，単一の真空エンクロージャを製造する所望のコストに依存して選択され得る。たとえば，銅は最高に高い材料であるが，しかし，真空エンクロージャの頂部壁および側壁の厚さは，要求される輻射保護を達成するために，約1.35インチでなければならないが，モリブデンは，高価な材料ではあるが，壁の厚さを0.58インチに減らすことができる。
熱容量，他の非常に重要なパラメータも，真空エンクロージャの材料の選択と同様に考慮されるべきである。熱容量は，アノード組立体により蓄積された熱が，真空エンクロージャの側壁に突然に伝えられると，パワー損失の場合には，熱リザーバーとしての単一の真空エンクロージャの機能の能力の範囲を限定するからである。アノード組立体の熱容量（TM_AS）は次のように定義される。

ここで，M_iAはアノードターゲット，関連パーツを有するシャフトのようなアノード組立体の要素の質量である。
Cρ_iAはアノード組立体の各要素の比熱である。
単一の真空エンクロージャの熱容量は次のように定義される。

ここで，M_iVEは側壁，頂部壁，底部壁，関連パーツを有する取付ブロックのような単一の真空エンクロージャの質量である。
Cρ_iVEは単一の真空エンクロージャの各要素の比熱である。
動作中，ターゲット温度がT_Aのとき，アノード組立体により蓄積されるエネルギーの見積もりは，TM_As・T_Asに等しくなるが，単一の真空エンクロージャにより蓄積されるエネルギーは，TM_EV・T_VEに等しくなる。
パワー損失の場合，アノード組立体は冷却を開始し，真空エンクロージャは加熱を開始する。このプロセスは，アノード組立体および単一の真空組立体はが，次で定義される温度T_eqで平衡に達するまで続く。
TM_As・（T_As-T_eq）=TM_ve・（T_eq-T_VE) （3）
式（3）は次のように書くことができる。

T_As=1100℃，T_VE=100℃およびTeq=200℃で，その比は

したがって，単一の真空エンクロージャの熱容量は，アノード組立体の熱容量の少なくとも9倍となるべきである。たとえば，銅製の単一の真空エンクロージャはモリブデンよりも極めて高い熱容量をもつ。
多機能の単一に真空エンクロージャを利用する本発明により，構成要素が少なく，高い信頼性および低コストの，コンパクトなX線発生装置を製造することができる。単一の真空エンクロージャの壁は，アノードターゲットが最大限熱貯蔵容量であるとき，パワー損失のため，直接的な熱の伝導，輻射シールドおよび熱蓄積に対し，使用される。
本発明は，好適実施例を参照して説明されている。当業者であれば上記詳細な説明に基づいて，種々の変形，変更をなし得ることは明らかである。本発明が，請求の範囲および同等物の範囲内でこれら変更，変形を含むことは理解されよう。

Claims (15)

1. Ｘ線発生装置であって，
   開口部をそれぞれ中に有する円筒状の側壁，および頂部および底部壁により形成される単一の真空エンクロージャ，
   前記単一の真空エンクロージャ内に配置された回転アノードターゲットを有するアノード組立体，ならびに
   該アノード組立体から離れたカソード組立体
   を有し，
   前記頂部および側壁は，必要な輻射シールドを与えることができる材料でできており，
   前記単一の真空エンクロージャは，前記アノード組立体の熱容量よりも実質的に高い熱容量をもち，
   前記カソード組立体は，前記単一の真空エンクロージャのＸ線窓を通して放射されるＸ線を発生するために，前記回転アノードターゲットに衝突する電子を放出するための電子源と，
   該電子源を保持するために取付構造物と，
   Ｘ線に対して，前記単一の真空エンクロージャの前記頂部壁にある前記開口部をシールドするために，前記取付構造物に付設され，前記アノード組立体に面する，前記真空エンクロージャに熱的に結合したディスクと，を有する，Ｘ線発生装置。
2. 前記カソード組立体の前記ディスクは，前記アノードターゲットに向けて前記電子源を突き出させるための開口を有する，請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記ディスクは高Ｚ材により作られている，請求項２に記載のＸ線発生装置。
4. さらに前記円筒状の側壁に取り付けられた取付ブロックを有し，該取付ブロックは，前記円筒状の側壁内の前記開口部に連結されたポート，および前記円筒状の側壁内の前記開口部から距離をおいて，前記Ｘ線窓を保持するために，前記取付ブロック内に配置された窓アダプタを有し，前記窓アダプタの内部が前記単一の真空エンクロージャの伸長した一部である，請求項３に記載のＸ線発生装置。
5. さらに前記円筒状の側壁に取り付けられた取付ブロックを有し，該取付ブロックは前記Ｘ線窓で終わるポートを有し，該ポートは前記Ｘ線出口開口部に連結される，請求項３に記載のＸ線発生装置。
6. さらに，前記真空エンクロージャの前記円筒状側壁の外側周囲を覆って位置する複数のフィン，
   前記アノードターゲットを回転するためのモータ，
   前記単一のエンクロージャ内に蓄積された熱を前記複数のフィンに移動させるために，前記単一の真空エンクロージャの前記側壁の冷却のために，前記複数のフィンを通して流れる空気流を形成するファン冷却装置，および
   前記複数のフィン，モータおよびファンを中に覆う保護カバー，
   を含む，請求項３に記載のＸ線発生装置。
7. 前記真空エンクロージャの熱容量が，前記アノード組立体の熱容量より，一桁高い，請求項６に記載のＸ線発生装置。
8. Ｘ線発生装置であって，
   アノードターゲットを有する回転アノード組立体，
   該アノード組立体から離れ，Ｘ線を発生するために，前記ターゲットに衝突する電子を放出するための電子源，および該電子源を中に取り付けるためのディスクを有するカソード組立体，
   頂部壁，底部壁および側壁にそれぞれ開口部を有する円筒状体を有する単一の真空エンクロージャ，および
   絶縁体を通過した一対のフィード，
   を有し，
   前記ディスクの直径が前記頂部壁の開口部の直径より大きく，前記単一の真空エンクロージャおよび前記ディスクはＸ線をシールドできる材料で作られ，前記頂部壁の開口部は前記ディスクで保護され，
   前記フィードのそれぞれは，負の電圧を前記電子源に印加し，正の電圧を前記アノードターゲットに印加するために，前記頂部および底部壁のそれぞれを通して配置される，Ｘ線発生装置。
9. さらに取付ブロックを含み，該取付ブロックは，前記単一の真空エンクロージャの外側に配置され，前記端部窓をもつポートを含み，該ポートはＸ線を通過させるために，前記単一の真空エンクロージャの前記側壁にある開口部に連結される，請求項８に記載のＸ線発生装置。
10. さらに，前記側壁の外側に配置された複数のフィン，および空気を間に通過させるために，前記フィンの下方に配置されたファンを有する，請求項９に記載のＸ線発生装置。
11. 前記ファンおよび前記複数のフィンのためのカバーを含み，このことにより前記単一の真空エンクロージャからの熱が，前記カバーよりも前記複数のフィンに直接移動する，請求項１０に記載のＸ線発生装置。
12. 前記カバーの温度は２００℃を超えない，請求項１０に記載のＸ線発生装置。
13. Ｘ線発生装置であって，
    単一の真空エンクロージャと，
    前記単一の円筒状真空エンクロージャ内に配置された回転アノードターゲットをもつアノード組立体と，
    該アノード組立体から離れ，前記単一の真空エンクロージャ内に配置されたカソード組立体と，
    を有し，
    前記カソード組立体は，前記単一の真空エンクロージャの頂部壁にあるディスクを有し，前記アノードターゲットに実質的に平行であり，前記単一の真空エンクロージャおよび前記カソード組立体の前記ディスクは，前記単一の真空エンクロージャ内で生成されるＸ線および散乱電子のためのシールドである，ところのＸ線発生装置。
14. Ｘ線発生装置であって，
    単一の真空エンクロージャ，
    該単一の真空エンクロージャ内のＸ線窓を通して放射されるＸ線を発生する，前記単一の真空エンクロージャ内に配置されたアノード組立体およびカソード組立体，
    一端がＸ線窓で終わり，他端が前記出口開口部に連結されるポートを含む，取付ブロック，ならびに
    前記単一の真空エンクロージャの外側に配置される，多数のフィンおよび空気流が該フィンを通過させるファンを含む空冷システム，
    を有し，
    前記単一の真空エンクロージャは，Ｘ線のための輻射シールドであって，Ｘ線生成の間，熱の蓄積のための熱リザーバーであり，
    前記真空エンクロージャの熱容量が，前記アノード組立体の熱容量よりも大きい，ところのＸ線発生装置。
15. Ｘ線発生装置であって，
    中に開口部をそれぞれ有する円筒状の側壁，頂部および底部壁により形成され，前記頂部および底部壁が必要な輻射シールドを与えることができる材料で作られている，単一の真空エンクロージャ，
    前記単一の真空エンクロージャの前記側壁内の開口部を閉鎖するＸ線窓，
    前記単一の真空エンクロージャ内に配置された回転アノードターゲットを有するアノード組立体，
    該アノード組立体から離れ，前記単一の真空エンクロージャの前記Ｘ線窓を通して放射されるＸ線を発生させるために，前記回転アノードターゲットに衝突する電子を放出するための電子源，および前記単一の真空エンクロージャの前記頂部壁の開口部を閉鎖する輻射シールドを含む，前記電子源を保持する取付構造物を有するカソード組立体，ならびに
    前記単一の真空エンクロージャを取り囲み，空気流により前記単一の真空エンクロージャを冷却するための，内部に複数のチャネルをもつボディーを有する取付ブロック，を含み，
    前記単一の真空エンクロージャは前記アノード組立体の熱容量よりも高い熱容量をもつ，ところのＸ線発生装置

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