JP4400781B2 - 単極ｃｔ管用の高電圧システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的にイメージングシステムに関し、より具体的には、高電圧（ＨＶ）電気ケーブルをＸ線管に接続するための改良された装置に関する。

典型的な回転アノードＸ線管は、非常に高い電圧（およそ１００ｋＶ程度の）で真空を通ってカソードからアノード上の焦点位置に方向付けされた電子ビームを含む。典型的には高速度で回転するタングステンのターゲットトラックを含むアノードに電子が衝突する時、Ｘ線が発生する。

Ｘ線管の変換効率は、比較的低く、典型的には全入力電力の１％より小さい。残りの電力は、熱エネルギーつまり熱に変換される。従って、熱を除去すること又は熱を管理するためのその他の有効な方法が、Ｘ線管設計における主要な関心事項である。

上に述べたＸ線を発生させるために、典型的にはＨＶ電力ケーブルを使用して、必須の１００ｋＶを超える電位差をカソードとアノードとの間に形成する。ケーブルの一端部は電源に接続され、他端部はカソードに接続するためのＨＶコネクタアセンブリによりＸ線管に接続される。一般にコネクタアセンブリは、Ｘ線管に対してケーブル端部を保持するための保持構造体を含み、ケーブル導電体の端部をＸ線管に結合できるようにする。ケーブル導電体は、典型的には単一の導電体又は複数の導電体のいずれかを含む。

コネクタアセンブリはさらに、Ｘ線管の外部に位置するケーブル導電体の全ての露出部分を囲む多量のＨＶ絶縁材を含む。ＨＶ絶縁材は、Ｘ線管に結合され、ケーブル導電体の高電圧との関係で比較的厚くされている。

一般に、エポキシのような高電圧絶縁材料はまた、熱伝導性が非常に悪いという傾向がある。熱伝導性が悪いことによって、ＨＶコネクタアセンブリが例えばＸ線管の端部間などにおいて該Ｘ線管に直接取り付けられた場合、望ましくない結果が生じる。

上に述べたように、Ｘ線の発生に伴う望ましくない副産物として、大量の熱がＸ線管内で発生する。この熱の一部分は、Ｘ線管に接触する比較的大きな面積を有するコネクタ絶縁材へ向けられる。その低い熱伝導特性の故に、この絶縁材は熱障壁として働き、非常に大量の熱がコネクタ近傍に蓄積する傾向になる。その結果、コネクタ絶縁材の温度限界を容易に超え、Ｘ線管の定常状態性能が制限されることになる。

臨床処理能力を改善するために、より大きな電力に対する要求が益々強くＸ線管設計者に課せられている。Ｘ線ビームを発生させるために、ＣＴ管は、伝統的に双極ＨＶシステムを含んでおり、この双極ＨＶシステムにおいては、カソードとアノードとが異なる極性の下において７０ｋＶで作動する。双極ＨＶシステムは、管ケーシング内にＨＶを引き込むために、典型的にはオイル内でＨＶフィードスルー（プリント配線板）を介して管挿入体へのＨＶ接続が行われる米国連邦規格のレセプタクル／プラグを使用する。

双極ＨＶシステム内のＨＶ構成部品の定格は、およそ７０ｋＶ程度である。管のピーク電力をより増大させるために、単極ＨＶシステムを備えた構成が作られた。単極管は、負極性の１４０ｋＶで作動し、接地されたアノード電極を含む。

単極システムは、ＨＶクリアランス、非常に高い作動電圧による放電活動、及び寸法上の制約といった解決すべき多数の問題点を有する。そのような構成のために、円錐形の絶縁材／プラグが作り出された。しかしながら、これらの円錐形装置の熱応力と材料劣化とによる信頼性と性能とに関わる幾つかの問題点が確認された。従って円錐形ＨＶ絶縁は、一般に高電力管については実現性のある方法ではない。

ＨＶコネクタが直面する主な問題点の１つは、高電力条件下におけるＨＶ完全性である。連続的な高電力供給のために、コネクタの温度はその材料の限界温度を超えることがある。その結果、過度な温度に関係した関連する材料の劣化が原因の熱暴走又は長時間放電に起因した電気的ブレイクダウンにより、破局的故障が起こる可能性がある。

多くの場合、典型的なＨＶ解決策では、１５０℃を超える温度を含む高温度状態を取り扱うことが困難である。連続１０５℃に定格されているに過ぎないエチレンプロピレン（ＥＰＲ）ゴムを含む構成部品は、そのような用途のためには極めて問題である。

現在のＸ線システムに関係した欠点は、Ｘ線システムへのＨＶ接続のための新たな技術が必要とされていることを明らかにしている。この新たな技術は、強靭な耐熱応力性をもつべきであり、かつ材料劣化を防止すべきである。本発明はこれらの目的に向けられている。

本発明の１つの態様によると、単極Ｘ線装置用のＨＶ絶縁材システムは、ほぼ円錐形状の中央部分を備える、絶縁材の第１の側面を含む。絶縁材の第２の側面は、ＨＶ導電体を受けるようになった、円錐形状の中央部分と同軸の開口を形成する。第１及び第２の側面のフランジ付き外縁部は、ＨＶコネクタに連結するようになっている。第１の側面は、ＨＶ導電体を受けるようになった、円錐形状の中央部分と同軸の逆円錐形中央チャネルを形成する。ほぼ円錐形状の中央部分は更に、逆円錐形中央チャネルの基部が該ほぼ円錐形状の中央部分の傾斜頂部に形成されるように、該逆円錐形中央チャネルを形成する。

本発明の別の態様によると、単極Ｘ線装置用のＨＶシステムを組み立てる方法は、逆円錐形中央チャネルが形成された第１の側面を含むセラミック絶縁材を、Ｘ線装置に連結する段階を含む。第１の側面は、ほぼ円錐形状の中央部分を含む。ほぼ円錐形状の中央部分は更に、逆円錐形中央チャネルの基部が該ほぼ円錐形状の中央部分の傾斜頂部に形成されるように、該逆円錐形中央チャネルを形成する。第２の側面は、開口と、第１及び第２の側面のフランジ付き外縁部とを含む。ガスケットが、セラミック絶縁材とＨＶコネクタとの間で圧縮される。鉛を裏張りしたＨＶコネクタが、スプリング付勢ボルトによりセラミック絶縁材に連結される。

本発明の１つの利点は、絶縁材設計は、該絶縁材がセラミックの表面フラッシュオーバ及びバルクブレイクダウンを防止することに関して最適なＨＶ性能を有するようになることである。

本発明の付加的な利点及び特徴は、添付図面に関連してなされた、以下の説明から明らかになるであろうし、また特許請求の範囲において具体的に指摘した手段及びその組合せにより実現することができる。

次に、本発明のより完全な理解のために、添付図面を参照しながら、実施例として示す本発明の幾つかの実施形態について説明する。

本発明は、特に医学分野に適したＨＶ絶縁材システムに関係して説明されるが当業者には分かるように、本発明は、ＨＶ絶縁材システムを必要とする他の様々な用途にも応用可能である。

図１を参照すると、金属ハウジング１２に連結されたＨＶシステム１１を含むＸ線管システム１０（Ｘ線装置）が示されており、この金属ハウジング１２は、本発明の好ましい実施形態によるその他のＸ線管構成部品を支持している。

セラミック絶縁材１３とガスケット１５とＨＶコネクタ１７とを含むＨＶシステム１１については、図２Ａ、図３Ａ、及び図３Ｂに関して詳述にする。

金属ハウジング１２は、カソード１４を含み、また該カソード１４のための保護用真空エンクロージャを含む。カソード１４は、高エネルギー電子ビーム１６をアノード２０のターゲットトラック１８上に方向付けており、該ターゲットトラック１８は、耐火性の金属ディスクを含み、従来型の支持及び駆動機構２２により連続的に回転される。ターゲットトラック１８は、環状又はリング状の形状を有し、典型的にはアノードディスク２０に一体的に結合されたタングステン基合金を含む。アノード２０が回転すると、カソード１４からの電子ビームがターゲットトラック１８の連続的に変化する部分に衝突して、焦点位置２４においてＸ線を発生する。このようにして発生されたＸ線ビーム２６は、アノード焦点からハウジング１２の側面に設けられたＸ線透過窓２７を通って発射される。

上述したようにＸ線を発生させるためには、カソード１４とアノード２０との間におよそ１００ｋＶ程度の電位差がなくてはならない。単極管構成においては、これはアノードを接地し（図示せず）、また必要とされる１００ｋＶ程度の電力を電気ケーブル２８を介してカソード１４に印加することにより達成される。ケーブル２８により伝送される高電圧の故に、該ケーブルをカソード１４に連結するためのＨＶコネクタを使用することが必要になる。

ＨＶシステム１１は、ガスケット１５に連結されたセラミック絶縁材１３を含み、該ガスケット１５は、ＨＶコネクタ１７に連結される。本発明の実施形態によるＨＶシステムは、軸線８７と同軸の上記の構成部品を含むが、該ＨＶシステムには、当業者には分かるように、その他数多くの構成も含まれる。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図３Ａ、及び図３Ｂを参照すると、単極Ｘ線装置用のＨＶセラミック絶縁材１３は、第１の側面５０（図２Ａでは上面）を含み、この第１の側面（５０）には、ＨＶ導電体５４を受けるための逆円錐形中央チャネル５２が軸線８７に沿って形成される。第１の側面５０は、これもまた軸線８７に沿ったほぼ円錐形状の中央部分５６を含む。更に、ほぼ円錐形状の中央部分５６は、逆円錐形中央チャネル５２の基部５８がほぼ円錐形状の中央部分５６の傾斜頂部６０に形成されるように、該逆円錐形中央チャネルを形成している。上に述べた絶縁材の形状輪郭の別の実施形態は更に、図２Ｃに示すような複数の円周方向溝５７又は図２Ｄ示すような円錐表面上の複数のブースタ覆い５９を含むことができる。

ＨＶセラミック絶縁材１３はまた、第２の側面６２（図２Ａでは下面）を含み、この第２の側面６２は、ＨＶコネクタ１７からのスプリング付勢ピン７６を受けて、フィードスルー６４を介してＨＶ連結部材３８に接続する、ＨＶ接点を含む平坦面である。ＨＶ導電体５４は、接点の１つに接続される。ＨＶ絶縁材１３にはまた、第１の側面５０及び第２の側面６２のフランジ付き外縁部６６が設けられる。

１つの実施形態においては、第１の側面５０又は第２の側面６２のいずれかには更に、逆円錐形中央チャネル５２の傾斜頂部６９において、該逆円錐形中央チャネル５２と同軸的にドーナツ形区域６７が形成される。このドーナツ形区域６７は、金属被覆法（つまり、金属被覆層）により理想的には均一に被覆される。この金属被覆層は、ＨＶ構造体５４に直近の区域から始まり傾斜頂部６９において終わる。

真空内における全体的なＨＶ安定性を改善するために、絶縁材の輪郭は、電気アークのクリーページを回避するように最適化される。三重点における電気的応力は、上記の金属被覆法により最小化され（つまり、三重点がシフトされ）、それによって放電活動を緩和させる。絶縁材の形状は、絶縁材１３がセラミックの表面フラッシュオーバ及びバルクブレイクダウンの防止に関して最適なＨＶ性能を有するように設計される。

図示するように、絶縁材は、コネクタ１７と同軸に金属フレーム７１内に置かれ、該コネクタ１７に連結される。しかしながら、当業者には分かるように、その他数多くのコネクタ及びセラミック／金属フレームも本発明に含まれることを理解されたい。

再び図１、図３Ａ、及び図３Ｂを参照すると、電気的、熱的、及び機械的な理由で、僅かにテーパを付したガスケット１５が使用される。図示したガスケット１５は、薄い縁部とこれよりも僅かに厚い中央部とを有するように形成されているが、一様な厚みを有するガスケットであってもよい。ガスケット１５は、理想的にはシリコンゴム物質（又はこれに匹敵する別の物質）で作られ、スプリング付勢コネクタ１７がセラミック絶縁材１３の平坦面に押し付けられた時、１５乃至３０ｐｓｉの荷重で圧縮される。閉じた接点は、接合面全体に沿ってＨＶ完全性を保証し、従ってＨＶ性能を保証する。

ＨＶコネクタ１７は、エポキシ７０と、ケーブル端子７２と、遮蔽装置７４と、スプリング付勢接点７６と、鉛を裏張りしたアルミニウムハウジング７８とを含む。図示したＨＶコネクタ１７は、円筒状に作られているが、当業者には分かるように、その他数多くの形状が本発明に含まれる。

導電体８２の露出された端部、つまり管１０の内部で絶縁材８０の端部とセラミック絶縁材１３との間で延びる部分を絶縁するために、ＨＶコネクタハウジング７８は、エポキシ７０のような電気絶縁物質で満たされる。エポキシ７０は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、又はＢＮ粉末のような充填材を含むことができる。熱伝導性を更に増大させるためには、それに代えてエポキシ７０には同様の物質の礫体が充填される。また、熱伝導通路及びＨＶ絶縁の部分として、エポキシ内でＡｌ₂Ｏ₃のブロックを使用することができる。

中央区域（軸線８７と同軸の）内の遮蔽装置７４は、ＨＶ導電体及びそれらの結合部の周りでの大きな電界除去をもたらして、望ましくない部分放電を減少させる。遮蔽装置は、例えばファラデーカップとして構成される。

スプリング付勢ポゴピンのようなスプリング付勢接点７６は、ピンの位置合わせを単純化しかつ取扱いに対する堅牢さがある。

ＨＶコネクタ１７（鉛を裏張りしたＨＶコネクタ）は、エポキシ７０を密閉し、かつ管ケーシングに結合され、また該ＨＶコネクタ１７は更に、ＨＶケーブル端子７２を含む。

ＨＶコネクタ１７はまた、鉛を裏張りしたハウジング７８を含み、該ハウジング７８は、図示したようにその一端部において管ハウジング１２に結合される。アルミニウムのような別の材料を含むものとして、鉛を裏張りしたアルミニウムハウジング７８が構成されてもよい。

ＨＶケーブル２８は、該ケーブル２８の中央部に沿って配置された１つ又はそれ以上の導電体８２と、該導電体８２を囲むＨＶ絶縁層８０とを含む。上に述べたように、単一の中実の導電体８２を使用してもよいし、複数の導電体を使用してもよい。ＨＶケーブル２８は、該ＨＶケーブルが遮蔽装置７４又は当業者には分かるような別の導電手段に接触するように、ＨＶケーブル端子に連結される。

ＨＶケーブル２８は、コネクタハウジング７８の開口を通してＨＶコネクタ１７内に挿入される。開口７２は、典型的には軸線８７に対して軸直角な方向に配置される。導電体８２は、絶縁層８０の端部を超えて延び、管ハウジング１２を貫通して向けられ、カソード１４に結合された電気連結部材３８に接続される。連結部材３８とカソード１４とは、セラミック物質又はこれに類した物質で形成されて管１０の端部内に挿入されている絶縁材１３により、所定の位置に支持される。

導電体８２は典型的には銅を含み、絶縁材８０はＥＰゴムのような材料を含む。そのような材料は、ＨＶケーブル２８に可撓性を与えると同時に、このケーブル内を流れる高電圧電力のための十分な絶縁性をもたらす。

作動時には、Ｘ線源が作動され、高電圧電荷がＨＶ導電体を通って遮蔽装置内へ流れる。それと同時に、セラミック絶縁材が、上述した独特な設計により、電界とアーク発生の可能性とを最少化する。

以上の説明から、新規なＨＶシステムが当技術分野にもたらされたことが、分かるであろう。好ましい実施形態に関する上記の説明は、本発明原理の応用を示す多くの特定実施形態の幾つかを単に例示したものであることを理解されたい。当業者には、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲から逸脱することなく多くの他の構成が明らかであろう。

本発明の１つの実施形態によるＸ線管システムを一部破断して示した斜視図。 図１による絶縁材の斜視図。 図２Ａの線Ｂ−Ｂの方向に見た絶縁材の実施形態の断面図。 図２Ｂとは別の実施形態の図。 図２Ｂとは別の実施形態の図。 本発明の別の実施形態による、図１及び図２Ａの絶縁材を含むＨＶコネクタの斜視図。 図３Ａの線Ａ−Ａの方向に見た断面図。

符号の説明

１０ Ｘ線管システム
１１ ＨＶシステム
１２ 金属ハウジング
１３ ＨＶセラミック絶縁材
１４ カソード
１５ ガスケット
１６ 電子ビーム
１７ ＨＶコネクタ
２０ アノード
２６ Ｘ線ビーム
２７ Ｘ線透過窓
２８ 電気ケーブル
３８ ＨＶ連結部材
５４ ＨＶ導電体
６４ フィードスルー
７０ エポキシ
７２ ケーブル端子
７４ 遮蔽装置
８２ 導電体

Claims (10)

1. 単極Ｘ線装置（１０）用の高電圧（ＨＶ）絶縁システム（１１）であって、
   ほぼ円錐形状の中央部分（５６）を含む、絶縁材（１３）の第１の側面（５０）と、
   ＨＶコネクタ（１７）に連結するようになった平坦面を形成する、前記絶縁材（１３）の第２の側面（６２）と、
   前記ＨＶコネクタ（１７）に連結するようになった、前記第１の側面（５０）及び前記第２の側面（６２）のフランジ付き外縁部（６６）と、
   を含み、
   前記第１の側面（５０）は、ＨＶ導電体（５４）を受けるようになった、前記ほぼ円錐形状の中央部分（５６）と同軸の逆円錐形中央チャネル（５２）を形成しており、
   前記ほぼ円錐形状の中央部分（５６）は更に、前記逆円錐形中央チャネル（５２）の基部（５８）が該ほぼ円錐形状の中央部分（５６）の傾斜頂部（６０）に形成されるように、該逆円錐形中央チャネル（５２）を形成している、
   ことを特徴とするシステム（１１）。
2. エポキシ（７０）を密閉し、前記フランジ付き外縁部（６６）に連結されたＨＶコネクタ（１７）を更に含み、前記ＨＶコネクタ（１７）が、ＨＶケーブル端子（７２）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
3. 前記ＨＶケーブル端子（７２）に連結されたＨＶケーブル（２８）を更に含み、前記ＨＶケーブル（２８）が前記導電体（５４）に接触するようになっていることを特徴とする、請求項２に記載のシステム（１１）。
4. 前記エポキシ（７０）が、前記導電体（５４）を囲むことを特徴とする、請求項２に記載のシステム（１１）。
5. 前記エポキシ（７０）が、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＡｌＮ粉末、ＢＮ粉末、又は同様な材料の礫体の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項４に記載のシステム（１１）。
6. スプリング付勢装置（７６）からの圧縮力により前記第２の側面（６２）と前記エポキシ（７０）との間で圧縮されているガスケット（１５）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のシステム（１１）。
7. 前記ガスケット（１５）が、シリコンゴム又は該シリコンゴムと同様な電気化学的特性を有する物質を含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム（１１）。
8. 前記ガスケット（１５）は、テーパが付けられていることを特徴とする、請求項６に記載のシステム（１１）。
9. 前記第１の側面（５０）及び前記第２の側面（６２）の両方が、セラミック又は該セラミックと同様な特性を有する物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１１）。
10. 単極Ｘ線装置（１０）用のＨＶシステム（１１）を組み立てる方法であって、
    ほぼ円錐形状の中央部分（５６）を含む第１の側面（５０）と、ＨＶコネクタ（１７）からのスプリング付勢ピン（７６）を受けるための少なくとも１つのＨＶ接点を含む平坦面を形成する第２の側面（６２）と、前記ＨＶコネクタ（１７）に連結するようになった、前記第１の側面（５０）及び前記第２の側面（６２）のフランジ付き外縁部（６６）とを含み、前記第１の側面（５０）は、逆円錐形中央チャネル（５２）を形成し、前記ほぼ円錐形状の中央部分（５６）は更に、前記逆円錐形中央チャネル（５２）の基部（５８）が該ほぼ円錐形状の中央部分（５６）の傾斜頂部（６０）に形成されるように、該逆円錐形中央チャネル（５２）を形成しているセラミック絶縁材（１３）を、Ｘ線装置（１０）に連結する段階と、
    ガスケット（１５）を前記セラミック絶縁材（１３）とエポキシ（７０）との間で圧縮する段階と、
    鉛を裏張りした前記ＨＶコネクタ（１７）を前記セラミック絶縁材（１３）に連結する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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