JP4195542B2 - 回転対陰極 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生装置の回転対陰極における電流還流機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線は、高真空に排気された真空容器内で、電子銃から放出された電子が回転対陰極のターゲットに焦点の大きさに収束して衝突することにより発生する。この時、ターゲット内に発生した電荷を遅滞なく、ターゲット外に導出させないと、上記電荷の停滞した部分での電位が変化するのでいろいろな障害が生じる。これを防ぐために、抵抗の少ない電流還流経路を確保する必要がある。
【０００３】
また、この時Ｘ線の発生に寄与する電子のエネルギーは、電子銃とターゲット間に印加される管電圧と、対陰極の材質によって異なるが、０．１から１％程度であり、残りはすべて熱に変化するので冷却が必要となる。通常、ターゲットの裏面を水などで冷却しているが、流入してくる熱量が排出される熱量よりも大きくなると、ターゲットの表面に亀裂が生じたり部分的に溶解するなどの現象が生じて放出するＸ線の強度が落ちてしまうので、上記流入してくる熱量と排出される熱量とは常に平衡状態でなければならない。
【０００４】
電子銃から出射された電子は、設定条件を変更しなければ常に決まった位置に集束して焦点を形成するが、固定面よりなるターゲットの場合には常に上記ターゲットの同じ場所が上記焦点位置となるので、放出するＸ線の強度は上記ターゲットの焦点に入出力する熱量の平衡により一義的に決まるのに対して、ターゲットを回転させることにより当該ターゲット上の電子の焦点位置を刻々と移動させる回転ターゲットの場合にはＸ線は連続して出力されるが、上記ターゲット上の一点から見ると一回転に一度だけ電子の照射を受けることになり、結果として間歇照射しているような効果を得て冷却効率が改善され、入力できる熱量を大きくすることができるため、放出するＸ線の強度が大きくなる。
【０００５】
上記回転対陰極は用途により全く異なる冷却方法で製作されている。医療用のＸ線発生装置の回転対陰極は間歇運転で電子が照射されるので、平均すると単位時間当たりにターゲットの流入するエネルギーはそれほど大きなものではない。また、透過像を撮影するために使用されるので、特定の波長を選択する必要がないので破損した時以外にターゲットを交換することもない。そこで、回転対陰極は、冷却よりも高電圧印加の初期安定性を重視して運転開始時に短時間で高電圧を印加でき、大電力を供給できる管球内部の環境条件がほとんど変化しない封入管タイプで製作されている。封入管タイプでは回転対陰極がガラス等のハウジングに封じ切られているので、構造上直接冷却することができないため、回転対陰極及びその周囲の構造物からハウジングに熱輻射させることにより冷却している。熱輻射は、高温物質の表面の温度と放射率（黒体の１．０が最大）で決まり、同じ物質でも温度の高い方が放射率も高い。医療用Ｘ線装置では、透過像を得る事を主体としているので、ターゲットの材料は白色Ｘ線の強く放射されるタングステンなどの重金属ができている。特に、タングステンは融点が高いのでかなり高温での使用が可能なので、Ｘ線照射時に大電力を投入しても溶けることがなく、熱輻射の効率もよくターゲットの材料として使用される。
また、上記ハウジングを冷却媒体として絶縁油で冷却することにより、ハウジングが高温となることによる破壊から防いでいる。
【０００６】
これに対して工業用Ｘ線発生装置の回転対陰極は、常に連続運転で使用されるので、運転中は大容量の電子エネルギーを受け続けなければならず、冷却が最重要課題となるため、回転するターゲットを直接水などで強制冷却している。
本発明に係る回転対陰極は工業用のＸ線発生装置に使用されるものである。
【０００７】
一例として、従来の工業用のＸ線発生装置に用いられているＸ線管（前者という）を図４（ａ）を参照して説明する。図４（ａ）は、従来用いられている回転対陰極の説明図である。
図４（ａ）において、回転対陰極１は、ケーシング２と、上記ケーシング２内にベアりング３、３’に回転支持され、該回転対陰極１の中心軸線Ｌ−Ｌ’を通る同軸を中心として回転自在な中空の回転軸７と、該中空の回転軸７に固着されている傘形フランジ６と、該傘形フランジ６に結合されている有底円筒形のターゲット５とが、一体化となつている。そして、上記中空の回転軸７の内部を同軸的に貫通し、ケーシング２に固定金具１１（後述）で固着される中空の固定軸８を備えている。なお、上記傘形フランジ６と上記有底円筒形のターゲット５の結合部は、分解可能となっている。
【０００８】
上記中空の固定軸８には、上記ターゲット５側に該中空の固定軸８と固着されている上記中空の回転軸７の内部空間を冷却液の流入側と流出側に区分けするセパレータ９と、上記ターゲット５の反対側に上記中空の固定軸８と固着され、且つ該中空の固定軸８を上記ケーシング２に固定する固定金具１１とが設けられ、これらが一体となつている。上記固定金具１１の近傍には、冷却水（後述）を冷却水ｏｕｔ１６に流出させる冷却水穴１２が構成されている。
【０００９】
上記傘形フランジ６の底面には、モータの動力と回転数、冷却水の水量などで形状が決められた渦巻き状の回転羽根６ａが形成されている。
また、上記セパレータ９の底面には、上記中空の回転軸７の回転数、冷却水の水量などで決められた渦巻き状の固定羽根９ａが形成されている。
【００１０】
上記ケーシング２の内部には、真空容器６０の外部（大気圧）に対して中空の回転軸７を真空軸封する磁性流体を用いた真空シール１４と、ステータ１８とロータ１９からなるモータ１７と、冷却水の漏れを防止する水シール１３とが配設されている。上記モータ１７は図示しない制御回路に制御され、ロータ１９および該ロータ１９と一体的な中空の回転軸７を所定の回転速度で軸回転させる。上記ケーシング２の一端（図示では右端）には冷却水ｉｎ１５および冷却水ｏｕｔ１６が形成されている。
【００１１】
上記冷却水は冷却水ｉｎ１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、ターゲット５の底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから該中空の固定軸８の冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは、傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用を受け、また、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａでは、セパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。
【００１２】
冷却水通路を外側から内側に形成することにより中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して上記中空の回転軸７の温度が上昇する。詳細な説明を省略するが、磁性流体を用いた真空シール１４では磁力を集中させるためにポールピースの先端と上記中空の回転軸７の空隙を１００μｍ以下と、非常に狭くしているので上記中空の回転軸７の寸法が大きくなると、封止力を増すために多段に設けられたポールピースと中空の回転軸７が接触するおそれが出てくる。また、磁性流体は磁性粉をベースオイル中に浮遊させたもので、外部磁力の作用でこの磁性粉をポールピースの先端に集中させることにより、封止力を持たせることができるが、温度上昇によりベースオイルが蒸発してゆくと、流動性が悪くなり、やがてその機能を失ってしまうことになる。
【００１３】
一方、上述したようにターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大きさで照射されるが、ターゲット５に電荷が停滞すると、ターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり、焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりすると、ターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、Ｘ線発生面近傍の電位が乱れて焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して変化量の占める割合が大きくなるので影響もそれだけ大きくなる。
上記以外にも帯電現象によりターゲット５や水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出したり、ベアリングが電食を起すなどの不具合も生じる。そのため、ベアリング３の近傍に接触子２０を設け、帯電を防止していた。
【００１４】
上記従来の還流機構の接触子２０を図４（ｂ）を参照して説明する。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ線管の還流機構の接触子のＡ−Ａ’断面図である。図４（ｂ）に示す如く、外筒２２は、ケーシング２に固定されており、この外筒２２の内面より斜方にバネ材２１を突設し、そのバネ材２１の先端部に接触子２０を配設し、このバネ材２１の弾性力で接触子２０をケーシング２に支持された中空の回転軸７の外周面と接触させ、有底円筒形のターゲット５に発生した電荷を環流させていた。
【００１５】
他の一例として従来の医療用Ｘ線発生装置に用いられているＸ線管（後者という）を説明する。詳細な図示を省略するが、高真空の状態で封止されたガラスのケーシング中で軸方向に支持され、回転ターゲットと、摩擦接触装置と、この回転ターゲットと連結されたロータと、上記回転ターゲットと対向して配設された電子銃と、ガラスのケーシングの外側に上記ロータと同軸に配設されたステータを備え、上記回転ターゲットに正電位、電子銃に負電位を印加し、摩擦接触装置を介して回転ターゲットの回転と関係なく、電荷を断続可能に流出させるものである。これに関するものとしては特開平１−２１７８４０号公報記載の技術がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の前者の電流還流機構の接触子２０は、炭素合金で作られており、これを用いる電流還流機構では、上記接触子２０が高速回転（６０００から１００００ｒｐｍ）する中空の回転軸７の外側にバネ圧で接触させているため、浮き上がったり、消耗したり、ベアリングから漏れだした油で汚れたりして接触不良を起こしたり、接触抵抗が大きくなったりしてターゲット５が帯電するという問題があつた。
上述の後者の医療用Ｘ線発生装置に用いられている封入型Ｘ線管では、電流還流機構の接触子が摩耗した場合にはＸ線管全体を取替えねばならなかった。そこで、管電流の流れない冷却時には接触子を退避させて摩耗を防ぐなどの対策が取られていた。
【００１７】
医療用Ｘ線発生装置の回転対陰極の熱放散は、熱輻射によるために熱伝導による熱放散に比べて、熱放散効率があまりよくない。また、一般の金属では放射率が低く、例えば銅では０．６５μｍの光に対する放射率が０．１に過ぎない。そこで、ターゲット本体の焦点以外の部分やその他の、熱輻射により熱をケーシングに放射する部品の表面はできるだけ黒色に近付け放射率を改善している。また、放熱を更によくするため、Ｘ線管球全体をケースに入れてその周囲に絶縁油を循環させて冷却と絶縁を同時に行われる方式が用いられているが、機構が複雑、且つ大形となるという問題があった。
しかしながら、ターゲットに外部から冷却水を供給していないので回転軸は中空である必要がなかったので、軸の中心に電流還流機構を設けることができた。また、上記摩擦接触装置には上記ターゲットの軸との分離・結合手段が設けられ、上記摩擦接触装置をロータ回転の中心となる対象軸線に沿って移動させることにより、機械的に分離・結合させているが、いずれにしても間歇運転の回転対陰極でなければ、使用できない機構であるという問題があった。
【００１８】
工業用Ｘ線発生装置の回転対陰極１では、シャフトを中空の二重構造とし、水冷媒で電子ビームの照射面の裏側を強制冷却するのが普通である。この構造では外側にある中空の回転軸７と、内側にある中空の固定軸８からなり、中空の回転軸７は電流通路となっているが、内側に中空の固定軸８があるため、先端迄中空のままであり、中空の固定軸８は先端の固定部分には固定金具１１があり、中空ではなくなっているが、電流通路を構成していないので中心軸では電流還流機構を構造上採れないという問題があった。
【００１９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、中空の回転軸７の中心軸に、該中心軸と同軸で、且つ中空の回転軸７と一体的な電流還流軸を設け、これをケーシング２の外部まで貫通させ、この貫通部分に電流還流機構の接触子構造部を単独のケースとして取り付けることにより、取外しメンテナンスを容易にするとともに、帯電現象が起きないようにしたものである。
ターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大きさで照射されることによりＸ線が発生するが、この時、ターゲット５の内部に発生した電荷がそのまま滞留するとターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりするとターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して占める割合が大きくなる。それ以外にも帯電現象によりベアリングが電食を起したり、ターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出すなどの不具合も生じる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線発生装置の回転対陰極の構成は、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に、上記中空の回転軸の内部に挿入された中空な固定軸とを有し、上記中空の回転軸の上記回転の中心軸に同軸的、且つ上記回転軸と一体的な電流還流軸を配設し、上記回転対陰極のケーシングの外部に接触端子部とを設け、上記同軸的、且つ一体的な電流還流軸を上記中空な固定軸を貫通させると共に、上記回転軸と一体的な電流還流軸の一端部は、上記接触端子部で回転自在に支持され、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記電流還流軸を介して、上記ターゲット、上記電流還流軸、上記ケーシングの外部に設けられた上記接触端子部という経路により還流させることを特徴とするものである。
【００２１】
上記の回転対陰極において、上記接触端子部は、着脱自在であり、該接触端子部を、中空の固定ケースと、該中空の固定ケース内に組み込まれた弾性部材と、該弾性部材の先端に設けた自在接触端子と、上記電流還流軸の支持部材と、蓋部とから構成し、上記自在接触端子が上記電流還流軸に当接するようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線発生装置の回転対陰極の他の構成は、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に挿入され、且上記ターゲットの内部冷却液を流入側と流出側に仕切る固定隔壁を持つ中空な固定軸とを有し、上記固定隔壁には、上記回転対陰極の回転数と上記冷却液量から定めた固定羽根と、該固定羽根と一体的に中心部が弾性部材で構成された円板とを設け、上記ターゲットには該ターゲットの底面の裏面に固定した金具を設け、該固定した金具を上記円板の中心部の弾性部材に当接させ、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記固定した金具を介して、上記ターゲット、上記固定した金具、上記円板、上記固定軸、上記回転対陰極のケーシングという経路により還流させることを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図３を参照して説明する。
〔実施の形態 １〕
図１は、本発明に係る回転対陰極が使用される開放型Ｘ線発生装置の説明図、図２は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施の形態の説明図、図３は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施の形態の説明図である。
【００２４】
まず、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の概略を説明する。
開放型Ｘ線発生装置に使用される対陰極には電子銃から出射された電子が常に対陰極の同じ場所に焦点を結ぶ固定対陰極と円筒形の対陰極が回転しているので電子銃から出射された電子の焦点位置に対して対陰極の位置が刻々と移動して一回転に一度だけ同じ場所に来る回転対陰極があるが、ここでは区別しないで単に対陰極として説明する。
通常開放型Ｘ線発生装置では、対陰極に電圧が印加されることを避けて、電子銃に負の電圧を印加する。もし対陰極に電圧を印加する場合には対陰極をＸ線管から絶縁しなければならず、さらに外部に対する電撃防止をするとか、冷却をするときには冷媒の絶縁に配慮するなど大掛かりな対策が必要になることによるものである。
管電圧発生回路４１に３相または単相交流２００Ｖの入力電源を供給する。管電圧発生回路４１は詳細な図示を省略するが、ＳＣＲやスライダックによる電圧制御またはインバータによるパルス幅制御による制御回路、高電圧発生回路、整流回路などを包括しており、高電圧導入部５１の端子Ｌを経由してＸ線管球の真空容器６０内にある電子銃５２のフィラメント５３に管電圧を供給する。
対陰極５５は真空容器６０を経由してアースに接続されているのでフィラメント５３とは大きな電位差を生ずる。
フィラメント５３から放出された電子はこの電位差により、対陰極５５に引き寄せられる。この時のフィラメント５３と対陰極５５の電位差が管電圧であり、対陰極５５からフィラメント５３に流れる電流が管電流であり、高電圧導入部５１の端子Ｌ、管電圧発生回路４１、管電流検出回路５７を通って対陰極５５に流れるループを形成する。管電圧検出回路４３の管電圧の判定により管電圧が制御されて所定の管電圧が保たれる。
【００２５】
バイアス電圧発生回路４２に入力電源から分岐した単相交流２００Ｖを供給する。バイアス電圧発生回路４２で所定のバイアス電圧に制御されて、管電圧発生回路４１で発生した管電圧に付加されて高電圧導入部５１の端子Ｓを経由して電子銃５２のウェネルトに印加される。端子Ｓと端子Ｌの電位差がバイアス電圧となる。電子銃５２のウェネルト５４にバイアス電圧が印加されると、フィラメント５３から放出され対陰極５５に向かって飛び出した電子の飛翔方向を制御することができるので、対陰極５５上のＸ線焦点の寸法が決められる。
【００２６】
管電流制御回路５０には入力電源から分岐した単相交流２００Ｖを供給する。管電流制御回路５０によりフィラメント５３に高電圧導入部５１の端子Ｌと端子Ｃとを経由して交流または直流のフィラメント電源が供給される。直流の場合には、端子Ｃからフィラメント５３、端子Ｌに向かって電流が流れる。端子Ｌにはフィラメント電流に加算されて管電流が流れるので端子Ｃとは電流値が異なる。管電流検出回路５７の検出電流の判定によりフィラメント電圧、電流が制御されて所定の管電流が保たれる。
【００２７】
Ｘ線発生装置には、用途によりブロードフォーカス（例えばターゲット上の焦点、２×１３ｍｍ2），ノーマルフォーカス（例えばターゲット上の焦点０．５×１０ｍｍ2），ファインフォーカス（例えばタ一ゲット上の焦点０．１×１ｍｍ2），マイクロフォーカス（例えばターゲット上の焦点φ１０μｍ）と呼ばれる焦点寸法が異なるものがある。一般にはターゲット上の焦点を６°の取出し角で見込むので焦点の一方の寸法が十分の一となる。幅方向を見込む場合をラインフオ−カスと呼び、長手方向を見込む場合をポイントフォーカスと呼ぶ。
例えば、タ−ゲット上の焦点０．５×１０ｍｍ2のノーマルフォーカスではラインフォーカスは焦点０．０５×１０ｍｍ2であり、ポイントフォーカスは焦点０．５×１ｍｍ2である。取出したＸ線の焦点寸法はターゲット自体の振れや焦点寸法の伸縮の影響を受けるが、ポイントフォーカスよりラインフォーカスの幅方向が、また、ノーマルフォーカスよりもマイクロフォーカスの方がはるかに寸法が小さいので、受ける影響の度合いも大きくなる。
【００２８】
次に、図２を参照して、図１の開放型Ｘ線発生装置に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態においては、図１で説明した回路、排気装置等については、図示および説明が煩雑となるので省略し、回転対陰極１だけを図示した。
図２において、回転対陰極１は、ケーシング２と、上記ケーシング２内にベアりング３、３’に回転支持され、該回転対陰極１の中心軸線Ｌ−Ｌ’を通る同軸を中心として回転自在な中空の回転軸７と、上記中空の回転軸７に結合される傘形フランジ６と、上記傘形フランジ６に結合される有底円筒形のターゲット５とが一体化となつている。そして、該中空の回転軸７の内部を同軸的に貫通し、上記ケーシング２に固定金具３３（後述）で固着される中空の固定軸８を備えている。なお、上記傘形フランジ６と上記有底円筒形のターゲット５との結合部は、分解可能となっている。
上記中空の固定軸８には、上記ターゲット５側に中空の回転軸７の内部空間を冷却液の流入側と流出側に区分けするセパレータ９と、上記ターゲット５の反対側に該中空の固定軸８に固着し、且つ該中空の固定軸８を上記ケーシング２を固着する固定金具３３が設けられ、これらが一体となっている。また、上記中空の固定軸８は、外部への冷却水ｏｕｔ１６（後述）に連通する上記固定金具３３の近傍にあけられた冷却水が流れ出す冷却水穴１２を有している。さらに、上記固定金具３３には、電流貫通軸３１（後述）を貫通させる貫通穴が穿設されている。
【００２９】
また、上記傘形フランジ６の底面には、モータの動力と回転数、冷却水の水量などで形状が決められた渦巻き状の回転羽根６ａが形成されている。
また、上記セパレータ９の底面には、上記中空の回転軸７の回転数、冷却水の水量などで決められた渦巻き状の固定羽根９ａが形成されている。
【００３０】
上記ケーシング２の内部には、真空容器６０の外部（大気圧）に対して上記中空の回転軸７を真空軸封する磁性流体を用いた真空シール１４と、ステータ１８とロータ１９からなるモータ１７と、冷却水の漏れを防止する水シール１３とが配設されている。上記モータ１７は図示しない制御回路に制御され、ロータ１９およびこのロータ１９と一体的な上記中空の回転軸７を所定の回転速度で軸回転させる。上記ケーシング２の一端（図示では右端）には冷却水ｉｎ１５および冷却水ｏｕｔ１６が形成されている。
【００３１】
冷却水は、冷却水入口１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから中空の固定軸８に設けた冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用をうけ、また、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａではセパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。
冷却水通路を外側から内側に形成することにより上記中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して回転軸の温度が上昇する。
【００３２】
一方、上述したようにターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大ききで照射されるが、ターゲット５に電荷が滞留すると該ターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると、部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりすると、ターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、Ｘ線発生面近傍の電位が乱れて焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して占める割合が大きくなり影響もそれだけ大きくなる。
上記以外にも帯電現象により、ターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出したり、ベアリングが電食を起こすなどの不具合も生じる。
【００３３】
ここで、電流還流軸３１を説明する。
電流還流軸３１は、その一端（図示では左端）を上記ターゲットの底面５ｂの回転中心に端子支持部３２を設けて、該端子支持部３２に螺入して結合させる。さらに、その他端（図示では右端）は、中空の固定軸８を貫通し、さらに該中空の固定軸８とケーシング２を固着する固定金具３３に設けた貫通穴を突き抜けて、ケーシング２の外部に設けられた接触端子部３０により、中心軸線Ｌ−Ｌ’と同軸に回転自在に支持される。上記固定金具３３の貫通穴は、該電流還流軸３１の径よりやや大きくして設けてある。
【００３４】
次に、図２に示した接触端子部３０を説明する。
接触端子部３０は、中空のケース部３０ｂと、蓋部３０ａとからなり、上記中空のケース部３０ｂには、ケーシング２の端部に該接触端子部３０を着脱自在に取付ける固定部である拡大部３０ｃが設けられ、上記中空のケース部３０ｂの中空部を上記蓋部３０ａが閉じている。
【００３５】
上記中空のケース部３０ｂには上記固定金具３３の貫通穴を突き抜け電流還流軸３１の先端と当接する炭素合金で製作した自在接触端子３０ｄが設けられ、この中空ケース部３０ｂと蓋部３０ａとで構成される空間にはバネ材３０ｈが設けられ、自在接触端子３０ｄを介して電流還流軸３１の先端を押圧して接触するようになっている。
上記電流還流軸３１の上記固定金具３３の貫通穴の突抜け部分および上記拡大部３０ｃならびに上記蓋部３０ａには、それぞれシール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅ及び水シール（Ｏリング）３０ｆならびに蓋部シール（Ｏリング）３０ｇが設けられている。
【００３６】
上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅは上記電流還流軸３１を回転自在に支持する。さらに、上記固定金具３３の貫通穴が該電流還流軸３１の径よりやや大きくして設けられているので、固定金具３３の貫通穴より冷却水が洩れる。この冷却水の洩れを上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅで上記中空のケース部３０ｂの内部に洩れないようにしている。また、冷却水が上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅを越えて、上記中空のケース部３０ｂの内部に洩れた場合でも蓋部シール（Ｏリング）３０ｇにより接触端子部３０の外部に洩れ出さないように防止している。さらに、上記固定金具３３の貫通穴より洩れた冷却水が固定部である拡大部３０ｃから洩れる場合を、水シール（Ｏリング）３０ｆにより外部に洩れ出さないように防止している。
【００３７】
上記電流還流軸３１は、例えば直径３ｍｍ、ペリリウム銅製とし、熱処理をして硬化させた若しくはネジインサートを用いてネジ部を強化した上記端子支持部３２にネジコミ式で上記電流還流軸３１を螺入している。上記端子支持部３２は、ターゲット５と一体として製作することが考えられるが、別部品を例えばＯリングを介して結合することもできる。上記バネ材３０ｈ、自在接触端子３０ｄもペリリウム銅製で好結果が得られた。
また、これらの部材は、回転対陰極１を解体することなく、着脱することができるので、メンテナンスが容易である。
【００３８】
上記構成の回転対陰極における電流還流軸の動作を説明する。
図２に示すように、モータ１７の回転により電流還流軸３１を持った中空の回転軸７が同軸を通る中心軸線Ｌ−Ｌ’を中心として高速で回転する。フィラメント５３から電子ビームが照射され、管電圧により加速され、バイアス電圧により所定の焦点寸法でターゲットの側面５ａに集束する。その際、ターゲット５に生じた電荷を速やかに焦点付近から移動させないと、本来アース電位であるはずのターゲット５が帯電することになる。
【００３９】
上記の電荷を還流するために、ターゲット５−端子支持部３２−電流還流軸３１−接触端子部３０−ケーシング２−真空容器６０の容器壁−接地端子Ｅからなる電流還流回路が形成される。
【００４０】
〔実施の形態 ２〕
次に、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施形態を図３を参照して説明する。
図３は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施形態の説明図である。図３において、図１と同一符号は同一機能、同一仕様の等価部材であるので再度の説明は省略する。
図３においては、電流還流軸３１を設ける代わりにターゲットの底部５ｂの中心部にピボット３５を設ける。また、接触端子部３０を設ける代わりにセパレータ９に設けられた水流誘導用の固定羽根９ａに円形アース板３６を固着する。円形アース板３６は、その中心部を弾性部材３６ａで構成し、上記弾性部材３６ａと上記ピボット３５とを接触させることにより電流を還流させる。上記ピボット３５は、ターゲットの底部５ｂにねじ等で固定する。その場合ターゲットの底部５ｂとの接面には真空シール用Ｏリング３７が設けられている。もちろん、上記ピボット３５はターゲット５と一体であってよい。
【００４１】
上記構成の回転対陰極における電流還流機構の動作を説明する。
電流還流機構で電荷は、ターゲット５−ピボット３５−アース板３６−中空の固定軸８−ケーシング２−真空容器６０の容器壁−接地端子Ｅと環流する。電流は電荷と逆方向に流れるが経路は同じなのでこれが電流還流回路となる。
【００４２】
冷却水は、冷却水入口１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、円形のアース板３６とセパレータ９で作られる空間３７ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから中空の固定軸８に設けられた冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは、傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用をうけ、また、円形のアース板３６とセパレータ９で作られる空間３７ａでは、セパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。この時、上記円形のアース板３６とセパレータ９と固定羽根９ａで形成される空間に冷却水が流れ、ターゲットの底面５ｂと円形のアース板３６でつくられる空間３７ｂには冷却水がほとんど流れない。
冷却水通路を外側から内側へと形成することにより、中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは、勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して回転軸の温度が上昇する。
【００４３】
上記接触端子部３０の変形例を更に説明する。図１の接触端子部３０では、中空のケース部３０ｂに自在接触端子３０ｄが設けられ、この自在接触端子３０ｄと蓋部３０ａとで構成される空間にはバネ材３０ｈが設けられ、自在接触端子３０ｄが電流還流軸３１の先端を当接するようになっていたが、バネ材３０ｈと、自在接触端子３０ｄの代わりにミニチュアベアリングを用いても差し支えない。
【００４４】
このようにして、帯電現象によりターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶けだしたり、ベアリングが電食を起こすなどの不具合を解消できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の構成によれば、電流還流機構の接触子構造部をケーシングの外側に単独のケースとして取り付けることにより取外しメンテナンスを容易にし、且つ確実に電流を還流させることによりべアリングの電食による破損、冷却水中の金属イオンの減少を計り、焦点形状を安定させることができるのでマイクロフォーカスＸ線源にも利用可能な開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極における電流環流機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る開放型Ｘ線発生装置の説明図である。
【図２】本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施形態の説明図である。
【図３】本発明に係る回転対陰極における電流環流機構の他の一実施形態の説明図である。
【図４】従来における回転対陰極における電流環流機構の説明図である。
【符号の説明】
１…回転対陰極
２…ケーシング
３…ベアリング
３’…ベアリング
Ｌ−Ｌ’…回転の中心軸線
５…ターゲット
５ａ…ターゲットの側面
５ｂ…タ−ゲットの底面
６…傘形フランジ
６ａ…回転羽根
７…中空の回転軸
８…中空の固定軸
９…セパレータ
９ａ…固定羽根
１１…固定金具
１２…冷却水穴
１３…水シール
１４…真空シール
１５…冷却水ｉｎ
１５ａ…中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間
１５ｂ…傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間
１５ｃ…ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間
１６…冷却水ｏｕｔ
１６ａ…ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間
１６ｂ…中空の固定軸８の内部空間
１７…モータ
１８…ステータ
１９…ロータ
２０…接触子
２１…バネ材
２２…外筒
３０…接触端子部
３０ａ…蓋部
３０ｂ…ケース部
３０ｃ…固定部である拡大部
３０ｄ…自在接触端子
３０ｅ…シール兼用軸受（Ｏリング）
３０ｆ…水シール（Ｏリング）
３０ｇ…蓋部シール（Ｏリング）
３０ｈ…バネ材
３１…電流環流軸
３２…端子支持部
３３…固定金具
３５…ピボット
３６…円形アース板
３６ａ…弾性部材
３７ａ…円形アース板３６とセパレータ９で作られる空間
３７ｂ…ターゲットの底面５ｂと円形アース板３６で作られる空間
３８…真空シール（Ｏリング）
４１…管電圧発生回路
４２…バイアス電圧発生回路
４３…管電圧検出回路
４４…管電圧制御回路
５０…管電流制御回路
５１…高電圧導入部
５２…電子銃
５３…フィラメント
５４…ウェネルト
５５…対陰極
５６…排気装置
６０…真空容器
７０…Ｘ線管球部
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生装置の回転対陰極における電流還流機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線は、高真空に排気された真空容器内で、電子銃から放出された電子が回転対陰極のターゲットに焦点の大きさに収束して衝突することにより発生する。この時、ターゲット内に発生した電荷を遅滞なく、ターゲット外に導出させないと、上記電荷の停滞した部分での電位が変化するのでいろいろな障害が生じる。これを防ぐために、抵抗の少ない電流還流経路を確保する必要がある。
【０００３】
また、この時Ｘ線の発生に寄与する電子のエネルギーは、電子銃とターゲット間に印加される管電圧と、対陰極の材質によって異なるが、０．１から１％程度であり、残りはすべて熱に変化するので冷却が必要となる。通常、ターゲットの裏面を水などで冷却しているが、流入してくる熱量が排出される熱量よりも大きくなると、ターゲットの表面に亀裂が生じたり部分的に溶解するなどの現象が生じて放出するＸ線の強度が落ちてしまうので、上記流入してくる熱量と排出される熱量とは常に平衡状態でなければならない。
【０００４】
電子銃から出射された電子は、設定条件を変更しなければ常に決まった位置に集束して焦点を形成するが、固定面よりなるターゲットの場合には常に上記ターゲットの同じ場所が上記焦点位置となるので、放出するＸ線の強度は上記ターゲットの焦点に入出力する熱量の平衡により一義的に決まるのに対して、ターゲットを回転させることにより当該ターゲット上の電子の焦点位置を刻々と移動させる回転ターゲットの場合にはＸ線は連続して出力されるが、上記ターゲット上の一点から見ると一回転に一度だけ電子の照射を受けることになり、結果として間歇照射しているような効果を得て冷却効率が改善され、入力できる熱量を大きくすることができるため、放出するＸ線の強度が大きくなる。
【０００５】
上記回転対陰極は用途により全く異なる冷却方法で製作されている。医療用のＸ線発生装置の回転対陰極は間歇運転で電子が照射されるので、平均すると単位時間当たりにターゲットの流入するエネルギーはそれほど大きなものではない。また、透過像を撮影するために使用されるので、特定の波長を選択する必要がないので破損した時以外にターゲットを交換することもない。そこで、回転対陰極は、冷却よりも高電圧印加の初期安定性を重視して運転開始時に短時間で高電圧を印加でき、大電力を供給できる管球内部の環境条件がほとんど変化しない封入管タイプで製作されている。封入管タイプでは回転対陰極がガラス等のハウジングに封じ切られているので、構造上直接冷却することができないため、回転対陰極及びその周囲の構造物からハウジングに熱輻射させることにより冷却している。熱輻射は、高温物質の表面の温度と放射率（黒体の１．０が最大）で決まり、同じ物質でも温度の高い方が放射率も高い。医療用Ｘ線装置では、透過像を得る事を主体としているので、ターゲットの材料は白色Ｘ線の強く放射されるタングステンなどの重金属ができている。特に、タングステンは融点が高いのでかなり高温での使用が可能なので、Ｘ線照射時に大電力を投入しても溶けることがなく、熱輻射の効率もよくターゲットの材料として使用される。
また、上記ハウジングを冷却媒体として絶縁油で冷却することにより、ハウジングが高温となることによる破壊から防いでいる。
【０００６】
これに対して工業用Ｘ線発生装置の回転対陰極は、常に連続運転で使用されるので、運転中は大容量の電子エネルギーを受け続けなければならず、冷却が最重要課題となるため、回転するターゲットを直接水などで強制冷却している。
本発明に係る回転対陰極は工業用のＸ線発生装置に使用されるものである。
【０００７】
一例として、従来の工業用のＸ線発生装置に用いられているＸ線管（前者という）を図４（ａ）を参照して説明する。図４（ａ）は、従来用いられている回転対陰極の説明図である。
図４（ａ）において、回転対陰極１は、ケーシング２と、上記ケーシング２内にベアりング３、３’に回転支持され、該回転対陰極１の中心軸線Ｌ−Ｌ’を通る同軸を中心として回転自在な中空の回転軸７と、該中空の回転軸７に固着されている傘形フランジ６と、該傘形フランジ６に結合されている有底円筒形のターゲット５とが、一体化となつている。そして、上記中空の回転軸７の内部を同軸的に貫通し、ケーシング２に固定金具１１（後述）で固着される中空の固定軸８を備えている。なお、上記傘形フランジ６と上記有底円筒形のターゲット５の結合部は、分解可能となっている。
【０００８】
上記中空の固定軸８には、上記ターゲット５側に該中空の固定軸８と固着されている上記中空の回転軸７の内部空間を冷却液の流入側と流出側に区分けするセパレータ９と、上記ターゲット５の反対側に上記中空の固定軸８と固着され、且つ該中空の固定軸８を上記ケーシング２に固定する固定金具１１とが設けられ、これらが一体となつている。上記固定金具１１の近傍には、冷却水（後述）を冷却水ｏｕｔ１６に流出させる冷却水穴１２が構成されている。
【０００９】
上記傘形フランジ６の底面には、モータの動力と回転数、冷却水の水量などで形状が決められた渦巻き状の回転羽根６ａが形成されている。
また、上記セパレータ９の底面には、上記中空の回転軸７の回転数、冷却水の水量などで決められた渦巻き状の固定羽根９ａが形成されている。
【００１０】
上記ケーシング２の内部には、真空容器６０の外部（大気圧）に対して中空の回転軸７を真空軸封する磁性流体を用いた真空シール１４と、ステータ１８とロータ１９からなるモータ１７と、冷却水の漏れを防止する水シール１３とが配設されている。上記モータ１７は図示しない制御回路に制御され、ロータ１９および該ロータ１９と一体的な中空の回転軸７を所定の回転速度で軸回転させる。上記ケーシング２の一端（図示では右端）には冷却水ｉｎ１５および冷却水ｏｕｔ１６が形成されている。
【００１１】
上記冷却水は冷却水ｉｎ１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、ターゲット５の底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから該中空の固定軸８の冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは、傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用を受け、また、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａでは、セパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。
【００１２】
冷却水通路を外側から内側に形成することにより中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して上記中空の回転軸７の温度が上昇する。詳細な説明を省略するが、磁性流体を用いた真空シール１４では磁力を集中させるためにポールピースの先端と上記中空の回転軸７の空隙を１００μｍ以下と、非常に狭くしているので上記中空の回転軸７の寸法が大きくなると、封止力を増すために多段に設けられたポールピースと中空の回転軸７が接触するおそれが出てくる。また、磁性流体は磁性粉をベースオイル中に浮遊させたもので、外部磁力の作用でこの磁性粉をポールピースの先端に集中させることにより、封止力を持たせることができるが、温度上昇によりベースオイルが蒸発してゆくと、流動性が悪くなり、やがてその機能を失ってしまうことになる。
【００１３】
一方、上述したようにターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大きさで照射されるが、ターゲット５に電荷が停滞すると、ターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり、焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりすると、ターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、Ｘ線発生面近傍の電位が乱れて焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して変化量の占める割合が大きくなるので影響もそれだけ大きくなる。
上記以外にも帯電現象によりターゲット５や水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出したり、ベアリングが電食を起すなどの不具合も生じる。そのため、ベアリング３の近傍に接触子２０を設け、帯電を防止していた。
【００１４】
上記従来の還流機構の接触子２０を図４（ｂ）を参照して説明する。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ線管の還流機構の接触子のＡ−Ａ’断面図である。図４（ｂ）に示す如く、外筒２２は、ケーシング２に固定されており、この外筒２２の内面より斜方にバネ材２１を突設し、そのバネ材２１の先端部に接触子２０を配設し、このバネ材２１の弾性力で接触子２０をケーシング２に支持された中空の回転軸７の外周面と接触させ、有底円筒形のターゲット５に発生した電荷を環流させていた。
【００１５】
他の一例として従来の医療用Ｘ線発生装置に用いられているＸ線管（後者という）を説明する。詳細な図示を省略するが、高真空の状態で封止されたガラスのケーシング中で軸方向に支持され、回転ターゲットと、摩擦接触装置と、この回転ターゲットと連結されたロータと、上記回転ターゲットと対向して配設された電子銃と、ガラスのケーシングの外側に上記ロータと同軸に配設されたステータを備え、上記回転ターゲットに正電位、電子銃に負電位を印加し、摩擦接触装置を介して回転ターゲットの回転と関係なく、電荷を断続可能に流出させるものである。これに関するものとしては特開平１−２１７８４０号公報記載の技術がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の前者の電流還流機構の接触子２０は、炭素合金で作られており、これを用いる電流還流機構では、上記接触子２０が高速回転（６０００から１００００ｒｐｍ）する中空の回転軸７の外側にバネ圧で接触させているため、浮き上がったり、消耗したり、ベアリングから漏れだした油で汚れたりして接触不良を起こしたり、接触抵抗が大きくなったりしてターゲット５が帯電するという問題があつた。
上述の後者の医療用Ｘ線発生装置に用いられている封入型Ｘ線管では、電流還流機構の接触子が摩耗した場合にはＸ線管全体を取替えねばならなかった。そこで、管電流の流れない冷却時には接触子を退避させて摩耗を防ぐなどの対策が取られていた。
【００１７】
医療用Ｘ線発生装置の回転対陰極の熱放散は、熱輻射によるために熱伝導による熱放散に比べて、熱放散効率があまりよくない。また、一般の金属では放射率が低く、例えば銅では０．６５μｍの光に対する放射率が０．１に過ぎない。そこで、ターゲット本体の焦点以外の部分やその他の、熱輻射により熱をケーシングに放射する部品の表面はできるだけ黒色に近付け放射率を改善している。また、放熱を更によくするため、Ｘ線管球全体をケースに入れてその周囲に絶縁油を循環させて冷却と絶縁を同時に行われる方式が用いられているが、機構が複雑、且つ大形となるという問題があった。
しかしながら、ターゲットに外部から冷却水を供給していないので回転軸は中空である必要がなかったので、軸の中心に電流還流機構を設けることができた。また、上記摩擦接触装置には上記ターゲットの軸との分離・結合手段が設けられ、上記摩擦接触装置をロータ回転の中心となる対象軸線に沿って移動させることにより、機械的に分離・結合させているが、いずれにしても間歇運転の回転対陰極でなければ、使用できない機構であるという問題があった。
【００１８】
工業用Ｘ線発生装置の回転対陰極１では、シャフトを中空の二重構造とし、水冷媒で電子ビームの照射面の裏側を強制冷却するのが普通である。この構造では外側にある中空の回転軸７と、内側にある中空の固定軸８からなり、中空の回転軸７は電流通路となっているが、内側に中空の固定軸８があるため、先端迄中空のままであり、中空の固定軸８は先端の固定部分には固定金具１１があり、中空ではなくなっているが、電流通路を構成していないので中心軸では電流還流機構を構造上採れないという問題があった。
【００１９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、中空の回転軸７の中心軸に、該中心軸と同軸で、且つ中空の回転軸７と一体的な電流還流軸を設け、これをケーシング２の外部まで貫通させ、この貫通部分に電流還流機構の接触子構造部を単独のケースとして取り付けることにより、取外しメンテナンスを容易にするとともに、帯電現象が起きないようにしたものである。
ターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大きさで照射されることによりＸ線が発生するが、この時、ターゲット５の内部に発生した電荷がそのまま滞留するとターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりするとターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して占める割合が大きくなる。それ以外にも帯電現象によりベアリングが電食を起したり、ターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出すなどの不具合も生じる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線発生装置の回転対陰極の構成は、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に、上記中空の回転軸の内部に挿入された中空な固定軸とを有し、上記中空の回転軸の上記回転の中心軸に同軸的、且つ上記回転軸と一体的な電流還流軸を配設し、上記回転対陰極のケーシングの外部に接触端子部とを設け、上記同軸的、且つ一体的な電流還流軸を上記中空な固定軸を貫通させると共に、上記回転軸と一体的な電流還流軸の一端部は、上記接触端子部で回転自在に支持され、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記電流還流軸を介して、上記ターゲット、上記電流還流軸、上記ケーシングの外部に設けられた上記接触端子部という経路により還流させることを特徴とするものである。
【００２１】
上記の回転対陰極において、上記接触端子部は、着脱自在であり、該接触端子部を、中空の固定ケースと、該中空の固定ケース内に組み込まれた弾性部材と、該弾性部材の先端に設けた自在接触端子と、上記電流還流軸の支持部材と、蓋部とから構成し、上記自在接触端子が上記電流還流軸に当接するようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線発生装置の回転対陰極の他の構成は、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に挿入され、且上記ターゲットの内部冷却液を流入側と流出側に仕切る固定隔壁を持つ中空な固定軸とを有し、上記固定隔壁には、上記回転対陰極の回転数と上記冷却液量から定めた固定羽根と、該固定羽根と一体的に中心部が弾性部材で構成された円板とを設け、上記ターゲットには該ターゲットの底面の裏面に固定した金具を設け、該固定した金具を上記円板の中心部の弾性部材に当接させ、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記固定した金具を介して、上記ターゲット、上記固定した金具、上記円板、上記固定軸、上記回転対陰極のケーシングという経路により還流させることを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図３を参照して説明する。
〔実施の形態 １〕
図１は、本発明に係る回転対陰極が使用される開放型Ｘ線発生装置の説明図、図２は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施の形態の説明図、図３は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施の形態の説明図である。
【００２４】
まず、Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の概略を説明する。
開放型Ｘ線発生装置に使用される対陰極には電子銃から出射された電子が常に対陰極の同じ場所に焦点を結ぶ固定対陰極と円筒形の対陰極が回転しているので電子銃から出射された電子の焦点位置に対して対陰極の位置が刻々と移動して一回転に一度だけ同じ場所に来る回転対陰極があるが、ここでは区別しないで単に対陰極として説明する。
通常開放型Ｘ線発生装置では、対陰極に電圧が印加されることを避けて、電子銃に負の電圧を印加する。もし対陰極に電圧を印加する場合には対陰極をＸ線管から絶縁しなければならず、さらに外部に対する電撃防止をするとか、冷却をするときには冷媒の絶縁に配慮するなど大掛かりな対策が必要になることによるものである。
管電圧発生回路４１に３相または単相交流２００Ｖの入力電源を供給する。管電圧発生回路４１は詳細な図示を省略するが、ＳＣＲやスライダックによる電圧制御またはインバータによるパルス幅制御による制御回路、高電圧発生回路、整流回路などを包括しており、高電圧導入部５１の端子Ｌを経由してＸ線管球の真空容器６０内にある電子銃５２のフィラメント５３に管電圧を供給する。
対陰極５５は真空容器６０を経由してアースに接続されているのでフィラメント５３とは大きな電位差を生ずる。
フィラメント５３から放出された電子はこの電位差により、対陰極５５に引き寄せられる。この時のフィラメント５３と対陰極５５の電位差が管電圧であり、対陰極５５からフィラメント５３に流れる電流が管電流であり、高電圧導入部５１の端子Ｌ、管電圧発生回路４１、管電流検出回路５７を通って対陰極５５に流れるループを形成する。管電圧検出回路４３の管電圧の判定により管電圧が制御されて所定の管電圧が保たれる。
【００２５】
バイアス電圧発生回路４２に入力電源から分岐した単相交流２００Ｖを供給する。バイアス電圧発生回路４２で所定のバイアス電圧に制御されて、管電圧発生回路４１で発生した管電圧に付加されて高電圧導入部５１の端子Ｓを経由して電子銃５２のウェネルトに印加される。端子Ｓと端子Ｌの電位差がバイアス電圧となる。電子銃５２のウェネルト５４にバイアス電圧が印加されると、フィラメント５３から放出され対陰極５５に向かって飛び出した電子の飛翔方向を制御することができるので、対陰極５５上のＸ線焦点の寸法が決められる。
【００２６】
管電流制御回路５０には入力電源から分岐した単相交流２００Ｖを供給する。管電流制御回路５０によりフィラメント５３に高電圧導入部５１の端子Ｌと端子Ｃとを経由して交流または直流のフィラメント電源が供給される。直流の場合には、端子Ｃからフィラメント５３、端子Ｌに向かって電流が流れる。端子Ｌにはフィラメント電流に加算されて管電流が流れるので端子Ｃとは電流値が異なる。管電流検出回路５７の検出電流の判定によりフィラメント電圧、電流が制御されて所定の管電流が保たれる。
【００２７】
Ｘ線発生装置には、用途によりブロードフォーカス（例えばターゲット上の焦点、２×１３ｍｍ2），ノーマルフォーカス（例えばターゲット上の焦点０．５×１０ｍｍ2），ファインフォーカス（例えばタ一ゲット上の焦点０．１×１ｍｍ2），マイクロフォーカス（例えばターゲット上の焦点φ１０μｍ）と呼ばれる焦点寸法が異なるものがある。一般にはターゲット上の焦点を６°の取出し角で見込むので焦点の一方の寸法が十分の一となる。幅方向を見込む場合をラインフオ−カスと呼び、長手方向を見込む場合をポイントフォーカスと呼ぶ。
例えば、タ−ゲット上の焦点０．５×１０ｍｍ2のノーマルフォーカスではラインフォーカスは焦点０．０５×１０ｍｍ2であり、ポイントフォーカスは焦点０．５×１ｍｍ2である。取出したＸ線の焦点寸法はターゲット自体の振れや焦点寸法の伸縮の影響を受けるが、ポイントフォーカスよりラインフォーカスの幅方向が、また、ノーマルフォーカスよりもマイクロフォーカスの方がはるかに寸法が小さいので、受ける影響の度合いも大きくなる。
【００２８】
次に、図２を参照して、図１の開放型Ｘ線発生装置に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態においては、図１で説明した回路、排気装置等については、図示および説明が煩雑となるので省略し、回転対陰極１だけを図示した。
図２において、回転対陰極１は、ケーシング２と、上記ケーシング２内にベアりング３、３’に回転支持され、該回転対陰極１の中心軸線Ｌ−Ｌ’を通る同軸を中心として回転自在な中空の回転軸７と、上記中空の回転軸７に結合される傘形フランジ６と、上記傘形フランジ６に結合される有底円筒形のターゲット５とが一体化となつている。そして、該中空の回転軸７の内部を同軸的に貫通し、上記ケーシング２に固定金具３３（後述）で固着される中空の固定軸８を備えている。なお、上記傘形フランジ６と上記有底円筒形のターゲット５との結合部は、分解可能となっている。
上記中空の固定軸８には、上記ターゲット５側に中空の回転軸７の内部空間を冷却液の流入側と流出側に区分けするセパレータ９と、上記ターゲット５の反対側に該中空の固定軸８に固着し、且つ該中空の固定軸８を上記ケーシング２を固着する固定金具３３が設けられ、これらが一体となっている。また、上記中空の固定軸８は、外部への冷却水ｏｕｔ１６（後述）に連通する上記固定金具３３の近傍にあけられた冷却水が流れ出す冷却水穴１２を有している。さらに、上記固定金具３３には、電流貫通軸３１（後述）を貫通させる貫通穴が穿設されている。
【００２９】
また、上記傘形フランジ６の底面には、モータの動力と回転数、冷却水の水量などで形状が決められた渦巻き状の回転羽根６ａが形成されている。
また、上記セパレータ９の底面には、上記中空の回転軸７の回転数、冷却水の水量などで決められた渦巻き状の固定羽根９ａが形成されている。
【００３０】
上記ケーシング２の内部には、真空容器６０の外部（大気圧）に対して上記中空の回転軸７を真空軸封する磁性流体を用いた真空シール１４と、ステータ１８とロータ１９からなるモータ１７と、冷却水の漏れを防止する水シール１３とが配設されている。上記モータ１７は図示しない制御回路に制御され、ロータ１９およびこのロータ１９と一体的な上記中空の回転軸７を所定の回転速度で軸回転させる。上記ケーシング２の一端（図示では右端）には冷却水ｉｎ１５および冷却水ｏｕｔ１６が形成されている。
【００３１】
冷却水は、冷却水入口１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから中空の固定軸８に設けた冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用をうけ、また、ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間１６ａではセパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。
冷却水通路を外側から内側に形成することにより上記中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して回転軸の温度が上昇する。
【００３２】
一方、上述したようにターゲット５の側面に電子銃から放出された電子が焦点の大ききで照射されるが、ターゲット５に電荷が滞留すると該ターゲット５が帯電する。帯電現象が起きると、部分的に電位が下がるため等電位線が曲がり、凸レンズを挿入したような状態となり焦点寸法が小さくなる。また、帯電現象が起きたり消えたりすると、ターゲット５のＸ線発生面の電位が変化するために、Ｘ線発生面近傍の電位が乱れて焦点寸法が変化する。焦点寸法の変化量は帯電量によって決まるが、焦点寸法が小さいと焦点寸法の変化量が同じでも本来の焦点寸法に対して占める割合が大きくなり影響もそれだけ大きくなる。
上記以外にも帯電現象により、ターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶け出したり、ベアリングが電食を起こすなどの不具合も生じる。
【００３３】
ここで、電流還流軸３１を説明する。
電流還流軸３１は、その一端（図示では左端）を上記ターゲットの底面５ｂの回転中心に端子支持部３２を設けて、該端子支持部３２に螺入して結合させる。さらに、その他端（図示では右端）は、中空の固定軸８を貫通し、さらに該中空の固定軸８とケーシング２を固着する固定金具３３に設けた貫通穴を突き抜けて、ケーシング２の外部に設けられた接触端子部３０により、中心軸線Ｌ−Ｌ’と同軸に回転自在に支持される。上記固定金具３３の貫通穴は、該電流還流軸３１の径よりやや大きくして設けてある。
【００３４】
次に、図２に示した接触端子部３０を説明する。
接触端子部３０は、中空のケース部３０ｂと、蓋部３０ａとからなり、上記中空のケース部３０ｂには、ケーシング２の端部に該接触端子部３０を着脱自在に取付ける固定部である拡大部３０ｃが設けられ、上記中空のケース部３０ｂの中空部を上記蓋部３０ａが閉じている。
【００３５】
上記中空のケース部３０ｂには上記固定金具３３の貫通穴を突き抜け電流還流軸３１の先端と当接する炭素合金で製作した自在接触端子３０ｄが設けられ、この中空ケース部３０ｂと蓋部３０ａとで構成される空間にはバネ材３０ｈが設けられ、自在接触端子３０ｄを介して電流還流軸３１の先端を押圧して接触するようになっている。
上記電流還流軸３１の上記固定金具３３の貫通穴の突抜け部分および上記拡大部３０ｃならびに上記蓋部３０ａには、それぞれシール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅ及び水シール（Ｏリング）３０ｆならびに蓋部シール（Ｏリング）３０ｇが設けられている。
【００３６】
上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅは上記電流還流軸３１を回転自在に支持する。さらに、上記固定金具３３の貫通穴が該電流還流軸３１の径よりやや大きくして設けられているので、固定金具３３の貫通穴より冷却水が洩れる。この冷却水の洩れを上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅで上記中空のケース部３０ｂの内部に洩れないようにしている。また、冷却水が上記シール兼用軸受（Ｏリング）３０ｅを越えて、上記中空のケース部３０ｂの内部に洩れた場合でも蓋部シール（Ｏリング）３０ｇにより接触端子部３０の外部に洩れ出さないように防止している。さらに、上記固定金具３３の貫通穴より洩れた冷却水が固定部である拡大部３０ｃから洩れる場合を、水シール（Ｏリング）３０ｆにより外部に洩れ出さないように防止している。
【００３７】
上記電流還流軸３１は、例えば直径３ｍｍ、ペリリウム銅製とし、熱処理をして硬化させた若しくはネジインサートを用いてネジ部を強化した上記端子支持部３２にネジコミ式で上記電流還流軸３１を螺入している。上記端子支持部３２は、ターゲット５と一体として製作することが考えられるが、別部品を例えばＯリングを介して結合することもできる。上記バネ材３０ｈ、自在接触端子３０ｄもペリリウム銅製で好結果が得られた。
また、これらの部材は、回転対陰極１を解体することなく、着脱することができるので、メンテナンスが容易である。
【００３８】
上記構成の回転対陰極における電流還流軸の動作を説明する。
図２に示すように、モータ１７の回転により電流還流軸３１を持った中空の回転軸７が同軸を通る中心軸線Ｌ−Ｌ’を中心として高速で回転する。フィラメント５３から電子ビームが照射され、管電圧により加速され、バイアス電圧により所定の焦点寸法でターゲットの側面５ａに集束する。その際、ターゲット５に生じた電荷を速やかに焦点付近から移動させないと、本来アース電位であるはずのターゲット５が帯電することになる。
【００３９】
上記の電荷を還流するために、ターゲット５−端子支持部３２−電流還流軸３１−接触端子部３０−ケーシング２−真空容器６０の容器壁−接地端子Ｅからなる電流還流回路が形成される。
【００４０】
〔実施の形態 ２〕
次に、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施形態を図３を参照して説明する。
図３は、本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の他の一実施形態の説明図である。図３において、図１と同一符号は同一機能、同一仕様の等価部材であるので再度の説明は省略する。
図３においては、電流還流軸３１を設ける代わりにターゲットの底部５ｂの中心部にピボット３５を設ける。また、接触端子部３０を設ける代わりにセパレータ９に設けられた水流誘導用の固定羽根９ａに円形アース板３６を固着する。円形アース板３６は、その中心部を弾性部材３６ａで構成し、上記弾性部材３６ａと上記ピボット３５とを接触させることにより電流を還流させる。上記ピボット３５は、ターゲットの底部５ｂにねじ等で固定する。その場合ターゲットの底部５ｂとの接面には真空シール用Ｏリング３７が設けられている。もちろん、上記ピボット３５はターゲット５と一体であってよい。
【００４１】
上記構成の回転対陰極における電流還流機構の動作を説明する。
電流還流機構で電荷は、ターゲット５−ピボット３５−アース板３６−中空の固定軸８−ケーシング２−真空容器６０の容器壁−接地端子Ｅと環流する。電流は電荷と逆方向に流れるが経路は同じなのでこれが電流還流回路となる。
【００４２】
冷却水は、冷却水入口１５から回転対陰極１の内部に供給され、中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間１５ａ、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂ、ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間１５ｃ、円形のアース板３６とセパレータ９で作られる空間３７ａ、中空の固定軸８の内部空間１６ｂから中空の固定軸８に設けられた冷却水穴１２を経て冷却水ｏｕｔ１６から排出される。この間、傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間１５ｂでは、傘形フランジ６の裏面に設けられた回転羽根６ａによるかき出し作用をうけ、また、円形のアース板３６とセパレータ９で作られる空間３７ａでは、セパレータ９の裏面に設けられた固定羽根９ａのかき込み作用をそれぞれ受ける。この時、上記円形のアース板３６とセパレータ９と固定羽根９ａで形成される空間に冷却水が流れ、ターゲットの底面５ｂと円形のアース板３６でつくられる空間３７ｂには冷却水がほとんど流れない。
冷却水通路を外側から内側へと形成することにより、中空の回転軸７が常に供給水の温度に保たれ、寸法精度を維持することは、勿論のこと、回転により発熱する真空シール１４の磁性流体を冷却することができる。流路を逆に形成すると、ターゲット５に流入する熱量に比例して回転軸の温度が上昇する。
【００４３】
上記接触端子部３０の変形例を更に説明する。図１の接触端子部３０では、中空のケース部３０ｂに自在接触端子３０ｄが設けられ、この自在接触端子３０ｄと蓋部３０ａとで構成される空間にはバネ材３０ｈが設けられ、自在接触端子３０ｄが電流還流軸３１の先端を当接するようになっていたが、バネ材３０ｈと、自在接触端子３０ｄの代わりにミニチュアベアリングを用いても差し支えない。
【００４４】
このようにして、帯電現象によりターゲットや水路の材料が水との接触面で電気分解により水中に溶けだしたり、ベアリングが電食を起こすなどの不具合を解消できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の構成によれば、電流還流機構の接触子構造部をケーシングの外側に単独のケースとして取り付けることにより取外しメンテナンスを容易にし、且つ確実に電流を還流させることによりべアリングの電食による破損、冷却水中の金属イオンの減少を計り、焦点形状を安定させることができるのでマイクロフォーカスＸ線源にも利用可能な開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極における電流環流機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る開放型Ｘ線発生装置の説明図である。
【図２】本発明に係る回転対陰極における電流還流機構の一実施形態の説明図である。
【図３】本発明に係る回転対陰極における電流環流機構の他の一実施形態の説明図である。
【図４】従来における回転対陰極における電流環流機構の説明図である。
【符号の説明】
１…回転対陰極
２…ケーシング
３…ベアリング
３’…ベアリング
Ｌ−Ｌ’…回転の中心軸線
５…ターゲット
５ａ…ターゲットの側面
５ｂ…タ−ゲットの底面
６…傘形フランジ
６ａ…回転羽根
７…中空の回転軸
８…中空の固定軸
９…セパレータ
９ａ…固定羽根
１１…固定金具
１２…冷却水穴
１３…水シール
１４…真空シール
１５…冷却水ｉｎ
１５ａ…中空の回転軸７と中空の固定軸８で作られる空間
１５ｂ…傘形フランジ６とセパレータ９で作られる空間
１５ｃ…ターゲットの側面５ａの裏面とセパレータ９で作られる空間
１６…冷却水ｏｕｔ
１６ａ…ターゲットの底面５ｂとセパレータ９で作られる空間
１６ｂ…中空の固定軸８の内部空間
１７…モータ
１８…ステータ
１９…ロータ
２０…接触子
２１…バネ材
２２…外筒
３０…接触端子部
３０ａ…蓋部
３０ｂ…ケース部
３０ｃ…固定部である拡大部
３０ｄ…自在接触端子
３０ｅ…シール兼用軸受（Ｏリング）
３０ｆ…水シール（Ｏリング）
３０ｇ…蓋部シール（Ｏリング）
３０ｈ…バネ材
３１…電流環流軸
３２…端子支持部
３３…固定金具
３５…ピボット
３６…円形アース板
３６ａ…弾性部材
３７ａ…円形アース板３６とセパレータ９で作られる空間
３７ｂ…ターゲットの底面５ｂと円形アース板３６で作られる空間
３８…真空シール（Ｏリング）
４１…管電圧発生回路
４２…バイアス電圧発生回路
４３…管電圧検出回路
４４…管電圧制御回路
５０…管電流制御回路
５１…高電圧導入部
５２…電子銃
５３…フィラメント
５４…ウェネルト
５５…対陰極
５６…排気装置
６０…真空容器
７０…Ｘ線管球部
Claims (3)
- Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に、上記中空の回転軸の内部に挿入された中空な固定軸とを有し、上記中空の回転軸の上記回転の中心軸に同軸的、且つ上記回転軸と一体的な電流還流軸を配設し、上記回転対陰極のケーシングの外部に接触端子部とを設け、上記同軸的、且つ一体的な電流還流軸を上記中空な固定軸を貫通させると共に、上記回転軸と一体的な電流還流軸の一端部は、上記接触端子部で回転自在に支持され、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記電流還流軸を介して、上記ターゲット、上記電流還流軸、上記ケーシングの外部に設けられた上記接触端子部という経路により還流させることを特徴とする回転対陰極。
- 請求項１記載の回転対陰極において、
上記接触端子部は、着脱自在であり、該接触端子部を、中空の固定ケースと、該中空の固定ケース内に組み込まれた弾性部材と、該弾性部材の先端に設けた自在接触端子と、上記電流還流軸の支持部材と、蓋部とから構成し、上記自在接触端子が上記電流還流軸に当接するようにしたことを特徴とする回転対陰極。 - Ｘ線管球の内部を排気しながらＸ線を発生させる開放型Ｘ線発生装置の回転対陰極において、上記回転対陰極が、ターゲットと、該ターゲットと一体的で回転の中心軸を持つ中空の回転軸と、該中空の回転軸と同軸的に挿入され、且上記ターゲットの内部冷却液を流入側と流出側に仕切る固定隔壁を持つ中空な固定軸とを有し、上記固定隔壁には、上記回転対陰極の回転数と上記冷却液量から定めた固定羽根と、該固定羽根と一体的に中心部が弾性部材で構成された円板とを設け、上記ターゲットには該ターゲットの底面の裏面に固定した金具を設け、該固定した金具を上記円板の中心部の弾性部材に当接させ、上記ターゲットに電子ビームが照射されることにより発生した電荷を上記固定した金具を介して、上記ターゲット、上記固定した金具、上記円板、上記固定軸、上記回転対陰極のケーシングという経路により還流させることを特徴とする回転対陰極。
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