JP4516565B2 - Ｘ線管陰極アセンブリ及び界面反応接合プロセス - Google Patents

Description

本発明は、金属部分をセラミック部分に接合する方法に関し、特に非接合面上への充填材料（filler material）のはみ出しを減少した前記部分を接合するハイブリッド方法に関する。本発明は、高電圧及び高温の下で動作されるＸ線管における接合された金属及びセラミック部分に関連して特定の応用例を見つけ、特にこれに関して記載される。

Ｘ線放射線の従来の診断用の使用は、患者の静止影画像（still shadow image）がＸ線フィルム上に生成されるＸ線撮影法、蛍光透視法、及び完全な患者画像が患者の体の周りで回転される高電力Ｘ線管により生成されるＸ線からデジタルで構成されるコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）の形式を含む。

典型的には、前記Ｘ線管は、Ｘ線管ハウジング内で支持される金属又はガラスからなる真空エンベロープ（evacuated envelope）を含む。前記Ｘ線管ハウジングは、Ｘ線を収容するために遮蔽を提供し、前記エンベロープに対して電気接続を提供する。前記ハウジングは、前記エンベロープ内に収容された構成要素の冷却を助けるために油のような液体で満たされる。前記エンベロープ及び前記Ｘ線管ハウジングそれぞれは、前記エンベロープ内で生成されたＸ線が患者又は検査中の対象に向けられることができるように互いに整列されたＸ線透過窓を有する。Ｘ線を生成するために、前記エンベロープは、陰極アセンブリ及び陽極アセンブリを収容する。

前記陰極アセンブリは陰極フィラメントを有し、加熱電流は前記陰極フィラメントを通過する。この電流は、電子の雲が放出されるように、即ち熱イオン放出が生じるように前記フィラメントを十分に加熱する。１００ないし２００ｋＶのオーダーの高電位が、前記陰極アセンブリと前記陽極アセンブリとの間に印加される。この電位は、前記放出された電子を前記陰極アセンブリから前記陽極アセンブリまで前記真空エンベロープの内部の真空領域を通って流させる。前記陰極フィラメントを収容する陰極集束カップ（focusing cup）は、前記電子を前記陽極アセンブリのターゲットの小領域又は焦点スポットに集束する。

陰極カップ構造によっては、陰極で生成され且つ陽極に向けられた電子のビームを屈折させる電気バイアス偏向素子を有する。Ｘ線撮影法におけるより短いＸ線照射時間に向かう傾向は、より大きな放射線強度、したがってより高い電子電流を持つことを強調する。加えて、電気バイアス電圧が、ある程度、焦点スポットのサイズ及び／又は形状を制御するために検出器素子に印加される。

前記陽極の電子の焦点スポットのサイズを制御する１つの方法は、米国特許出願公開公報４６８９８０９に示されている。陰極カップは、２つの部分、即ち偏向素子に分割され、前記フィラメントを収容する又は囲む。前記偏向素子は、前記フィラメントと等しく又は前記フィラメントに対して負の電圧でバイアス印加される。バイアス印加されたカップは、不所望な“ウィング（wings）”即ちＸ線焦点スポットの一部として表れる拡散領域を減少する。前記Ｘ線管の陽極の電子焦点スポットのサイズ及び形状を制御する他の陰極カップ及びフィラメント装置は、米国特許出願公開公報４６８５１１８、５２２４１４３及び５０６５４２０において論じられる。これらの構成は、ＣＴスキャナに対する陽極Ｘ線管を回転することに関連した特定の応用例を見つける。Ｘ線の強度を増大することは、前記Ｘ線管内の構成要素の動作温度を増大する可能性がある。

集束システムの所要電力を減少し、前記偏向器に対する前記フィラメントの正確な配置を維持するために、前記偏向器及び前記フィラメントの両方を同じ陰極サポートに取り付けることが望ましい。したがって陰極カップは、典型的にはベース又は前記フィラメント及び偏向器の対を支持するアーム部を有する。バイアス電圧を印加されている前記偏向器は、前記ベースに機械的に取り付けられるが、電気的には絶縁されている。これは、サンドイッチの形式で前記ベース及び前記偏向器の両方に鑞付けされた（brazed）セラミック絶縁体の使用により達成される。前記セラミック絶縁体は、中央のボアを有し、ボルトは、鑞付けの間に構成要素の配列を維持するように前記ボアを通って受けられる。ショートを避けるために、前記ボルトは、高電圧で動作する前記Ｘ線管における前記ベースから電気的に絶縁される。このような陰極カップ設計は、組み立てる（assemble）のが難しく、位置合わせが難しく、ショートしやすい。これは、前記偏向器又は前記ベースに対して前記セラミック絶縁体を鑞付けするのに使用される材料が、前記ボルトを受ける前記絶縁体のボアに流れ込むか、又は２つの接合された面の間の接合部の外に流れ込む場合、鑞付け材料が融解される場合に生じる可能性がある。加えて、鑞付け材料が接合面から非接合面に流れる領域でのショートにより生じるアーク放電は、結果として不正確な画像データセットを生じる可能性があり、場合によっては不所望な画像データを生じる。

前記Ｘ線管の動作中に、電子ビームは、Ｘ線が生成されるのに十分なエネルギで前記ターゲットに衝突する。前記生成されたＸ線の一部は、前記エンベロープ及び前記Ｘ線管ハウジングの前記Ｘ線透過窓を通って、前記Ｘ線管ハウジングに取り付けられたビーム制限装置、又はコリメータまで通過する。患者又は検査中の対象に向けられた前記Ｘ線ビームは、これにより画像が構成されることを可能にする。

ＣＴのような多くの高電力Ｘ線管の応用例において、Ｘ線の生成は、しばしば前記陽極アセンブリの一部を１２００℃ないし１８００℃の温度範囲に加熱させる。温度は、Ｘ線管によっては陽極の焦点スポットにおいて２５００℃に達する可能性がある。前記陽極の焦点トラックと同じ高温にはさらされないが、新しいシステムの高電力Ｘ線管によっては陰極アセンブリの一部は、８５０℃ないし９００℃に達する。これらの温度は、電子ビーム偏向器及び陰極サポートのセラミック構成要素と金属構成要素との間の鑞付けされた接合部に存在する可能性がある。既存のＸ線管におけるこれらの接合部に対する従来の鑞付け材料の１つは、Ｃｕｓｉｌ鑞付け材料（Ａｇ−Ｃｕ合金）である。Ｃｕｓｉｌの融点は７８０℃である。新しいシステムのより高電力なＸ線管は、前記陰極アセンブリの構成要素に対するより高い温度を結果として生じる。したがって、前記陰極アセンブリが９００℃の温度に達する可能性がある高電力Ｘ線管において、従来の鑞付け材料及び充填材料は適切ではない。

加えて、既存のシステムにおけるより低い陰極の温度に対してでさえ、従来の鑞付けはしばしば結果として非接合面への融解した鑞付け材料の漏れを生じる。こぼれた鑞付け材料が高電圧Ｘ線管における電気的漏れに対する経路を形成するので、これは結果として高電圧インテグリティの損失を生じる。

本発明は、上で参照された問題等を克服する、高電圧及び高温動作環境に対するセラミック面及び金属面を接合するハイブリッド方法を提供する。

本発明は、高温及び高電圧動作条件で使用する強い平行な接合された構成要素を提供する要求を満たす金属構成部及びセラミック構成部を接合するハイブリッド鑞付け及び拡散接合方法を対象とする。本発明の１つの態様による方法は、２つの接触した金属の拡散反応を促進するために接合された組み立て済み構成要素を加熱するステップを有し、合金組成内の領域又は層は、合金系の最小融解温度に対応するものを形成する。前記合金系の最小融解温度まで加熱すると、制限された量の液体合金が、最小融点に加熱する間にこの領域に形成する。前記制限された量の液体合金は、両方の金属をぬらす。この場合、定常状態の室温に冷却する間に追加の拡散が生じ、接合又は結合領域層を形成する。

Ｘ線管の陰極構成要素を接合する本発明の態様を採用する他の方法によると、前記方法は、第１金属を含む支持アームを形成するステップと、第１金属化面を有するセラミック絶縁体を形成するステップとを有する。前記支持アームと前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面との間に充填材料の第１部材を配置することにより前記支持アーム及びセラミック絶縁体を有するサンドイッチ構造が組み立てられる。前記充填材料の第１部材は少なくとも第２金属を含み、ここで前記第１金属及び前記第２金属を含む第１合金系は、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い合金最小点百分率組成に対する第１合金系最小融点を有する前記第１金属及び前記第２金属の合金最小点百分率組成を有する。前記方法は、前記第１金属と前記第２金属との間で拡散を生じる組み立てられたサンドイッチ構造を加熱するステップを有し、これにより接合領域中の前記第１合金系の前記第１金属及び前記第２金属の変化する百分率組成を形成する。前記接合領域は、前記第１金属及び前記第２金属の合金最小点百分率組成の少なくとも１つの拡散層を有する。前記組み立てられたサンドイッチ構造の加熱は、少なくとも前記第１合金系最小融点の接合温度まで続行する。前記温度は、少なくとも前記第１金属及び前記第２金属の合金最小点百分率組成を有する前記接合領域の所望の部分を融解するために所望の時間期間だけ前記接合温度に保持される。前記組み立てられたサンドイッチ構造は、第１合金系最小融点温度以下の定常状態温度に冷却することを可能にされる。

本発明の態様を採用する方法のより限定的な態様によると、前記充填材料の部材は、前記第１金属及び前記第２金属とは異なる第３金属を含み、前記第２金属は、前記第３金属の反対側にめっきされる。前記第２金属及び前記第３金属は、拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系は、前記第３金属の融点及び前記第２近郷の融点の両方より前記合金最小点百分率組成に対する第２合金系最小融点を有する前記第２金属及び前記第３金属の合金最小点百分率組成を有する。

本発明の態様による装置によると、Ｘ線管陰極アセンブリは、第１金属を含む支持アームを有する。セラミック絶縁体は第１金属化面を有し、前記金属化面は所望量の前記第１金属を含む。充填材料の第１部材は、前記支持アーム及び前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面と接触しており、前記充填材料の第１部材は少なくとも第２金属を含み、前記第１金属及び前記第２金属を含む第１合金系は、前記第１金属及び前記第２金属の両方の融点より低い合金最小点百分率組成に対する第１合金系最小融点を有する前記第１金属及び前記第２金属の合金最小点百分率組成を有する。拡散接合を進行させる前記陰極アセンブリの加熱の結果として生じる接合領域は、前記最小点百分率組成を有する合金の層を有し、前記陰極アセンブリの加熱は、少なくとも前記第１合金系最小融点の接合温度まで続行され、所望の時間期間だけ前記温度に保持する。

本発明の原理を利用する装置の他の態様によると、前記充填材料の部材は、前記第１金属及び前記第２金属とは異なる第３金属を含み、前記第２金属は前記第３金属の反対側にめっきされる。前記第２金属及び前記第３金属は、拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系は、前記第３金属及び前記第２金属の両方の融点より低い合金最小点百分率組成に対する第２合金系最小融点を有する前記第２金属及び前記第３金属の合金最小点百分率組成を含む。

本発明の少なくとも１つの実施例の１つの利点は、非接合面に対する接合材料の漏れが少ない陰極アームに対するセラミック絶縁体の接合であり、これにより前記アセンブリの電気抵抗を向上することである。

本発明の少なくとも１つの実施例の他の利点は、これが前記非接合面に対する接合材料の漏れを減少することによりＸ線管におけるアーク放電を減少し、これによりＸ線画像を向上することである。

本発明の更に他の利点は、前記陰極構成要素間の接合が、構成要素を接合する従来の鑞付けのみの方法を使用するものより高い動作温度で動作することができることである。

本発明の更に他の利点は、本発明の実施例の以下の記載を読んで理解すると当業者に明らかになる。以下の記載及び添付図面は、特に請求項で指摘され、以下に記載される上記の及び他のフィーチャを提供する本発明の原理を利用する特定の実施例を記載する。本発明の原理を利用する異なる実施例は、様々な構成要素及び構成要素の配置で形成されることができると理解されるべきである。これらの記載される実施例は、本発明の原理が採用されることができる様々な方法のいくつかを示す。前記図面は、本発明の原理を利用する装置の好適な実施例を説明する目的のみであり、本発明を制限するように解釈されるべきではない。

本発明の上記の及び他のフィーチャ及び利点は、添付図面を参照して本発明の好適な実施例の以下の詳細な記載を考慮すると本発明が関係する当業者に対して明らかになる。

図１を参照すると、Ｘ線放射線のビームを提供する医療診断システムで使用されるタイプの回転陽極Ｘ線管２０が図示される。前記Ｘ線管は、エンベロープ２６により定められる真空チャンバ２４に回転可能に取り付けられた陽極２２を有する。加熱された素子陰極アセンブリ２８は、電子ビームＡを供給し、集束する。前記陰極は、陽極２２に対して高い電圧でバイアスされ、これにより前記電子ビームは、前記陽極に流れ、前記陽極の環状ターゲット領域３０の焦点スポット２９に衝突する。前記ターゲット領域に衝突する前記ビームの一部は、Ｘ線Ｂに変換され、Ｘ線Ｂは前記エンベロープ内の窓３２を通って前記Ｘ線管から放出される。陰極アセンブリ２８は、陰極支持アセンブリ２８のアーム３６により前記エンベロープ内で支持される陰極カップ又はヘッド３４を有する。

前記陽極のターゲット２０はシャフト４０に接続され、シャフト４０は、真空エンベロープ２６のネック部４４内のベアリング４２により支持され、誘導モータ４６により駆動される。前記誘導モータは、前記エンベロープの外に固定子（stator）４８を有し、固定子４８は、前記シャフトに接続された回転子（rotor）５０を静止ベアリングハウジング５２に対して回転する。前記陽極は、前記Ｘ線管の動作中に高速度で回転される。本発明は、静止陽極Ｘ線管、回転陰極管、及び他の電極真空管並びに同様な条件下で動作する他の装置にも適用可能であると理解されるべきである。

ここで図２及び図３を参照すると、本発明による前記方法により作成された陰極アセンブリ２８が更に記載される。アーム３６は、前記カップ又はヘッド３４及び典型的にはタングステンからなる陰極フィラメント６０を支持するように延在する。前記フィラメントのそれぞれの端部６４及び６４’を支持するフィラメントサポート６２及び６２’は、前記ベースを通って軸方向に延在する対応するボアを通って受けられ、この結果として前記フィラメントの電子放出部が前記ベースから分離される。２つ以上のフィラメントが、必要に応じて図示された単一のフィラメントの代わりに使用されることができると理解される。フィラメントサポート６２及び６２’は、セラミック又は他の適切な電気的絶縁材料から形成されることができる。

前記タングステンフィラメントの端部６４及び６４’は、サポート６２及び６２’におけるそれぞれのボアを通って受けられる。前記フィラメントは、導体により前記エンベロープの外側の適切な電力源に接続される。ワイヤフィラメントが図示されているが、薄膜フィラメント等を含む他の電子源も考えられると理解されるべきである。

偏向器６６及び６８は、前記偏向器をアーム３６から電気的に絶縁するような様式でアーム３６により運ばれる。絶縁体７０及び７０’は、更に下に記載される本発明の方法を使用して前記アームと前記偏向器との間に接合される。図３を参照すると、絶縁体７０は、第１絶縁面７２においてアーム３６に接合され、第２絶縁面７４において偏向器６６に接合される。絶縁体７０’（図２に透視的に示される）は、偏向器６８を同様にアーム３６に接合する。２つの偏向器及び２つの絶縁体が図２に示されるが、単一の偏向器／絶縁体、又は２より多い偏向器／絶縁体が、多数の適切な構成において代替的に使用されることができる。前記偏向器は、既知の様式で適切な偏向器バイアス電圧源に電気的に接続され（接続部及び電圧源は図示されない）、前記フィラメントにより放出される電子のビームを偏向、成形及び／又は集束するためにフィラメント６０に近接して配置される。これは、前記ターゲット（図１）上の焦点スポット２９のサイズ、形状及び位置が制御及び調整されることを可能にする。前記偏向器バイアス電圧源は、コンピュータ制御されて幅の自動制御及び前記焦点スポットの複数の位置への配置を可能にすることができる。

図２に示されるように、本例の実施例における偏向器６６及び６８は、一般に互いの鏡像であり、フィラメント６０の反対側に位置する。偏向器６６及び６８は、モリブデン又は他の適切な温度耐性のある電気的に導通な材料から形成されることができる。アーム３６は前記偏向器のように高温に耐える必要はないので、アーム３６もモリブデンから形成されてもよく、又はニッケルのようなより安価でより容易に機械加工することができる材料から形成されることができる。選択された偏向器材料は、高い融点及び高温で低い蒸気圧を有する。前記偏向器は、セラミック絶縁体ブロック上に堅く正確に取り付けられる。前記セラミック絶縁体は、上述のように前記焦点スポット及び前記電子ビームの形状及び位置を制御する偏向器電位からフィラメント電位（前記陰極から前記陽極に電子の流れを生じる陰極電位）を絶縁するために使用される。これらのセラミック絶縁層は、陰極アーム又はベースに取り付けられる。接合部における温度は、８５０℃ないし９００℃の高さであることができる。したがって、安定した焦点スポットを得るために、これらの接合部は、以下の基準をみたすべきである。９００℃までの高温においてでさえもこれらの接合部は堅く可塑性があるべきであり、電気漏れ無しで高電圧の応用例に対して適切であるべきであり、前記アームに対する前記陰極カップの前記２つの偏向器の平行度が約０.００２５”内であることが望ましい。本発明の態様により使用される鑞付け及び拡散接合のハイブリッド方法は、これらの基準を満たす陰極構造を提供する。

図２及び図３を続けて参照すると、偏向器６６及び６８は、絶縁体７０により前記ベースから離され、絶縁される。図２に示されるように、各偏向器は関連した絶縁体を有する。２つ（又はそれ以上）の絶縁体が、各偏向器に対して使用されることができ、互いから長手方向に離されると理解される。参照を簡単にするため、前記陰極は、それぞれ１つの対応する絶縁体を有する２つの偏向器を参照して記載される。

ここで図４を参照すると、図４は、陰極アセンブリにおいて見つけられるものを表す材料、及び本発明の原理を使用する方法により作成される金属−セラミック−金属構造を結合するための適切な接合材料を有する適切なサンドイッチ構造の例を示す。本発明の原理を利用する方法により使用するのに適した構造の１つの実施例において、サンドイッチ構造７８は、前記サンドイッチ構造の一端において第１金属構成要素８０を含み、セラミック構成要素８２の後に第２金属構成要素８４が続く。本例において、第１金属構成要素８０及び第２金属構成要素８４は、ニッケル又はニッケル合金からなり、前記セラミックは金属化され、ニッケルめっき層８６及び８８でニッケルめっきされる。Ｘ線管陰極アセンブリにおいて、金属構成要素８０は、アーム３６に対応することができ、セラミック８２は絶縁体７０及び７０’に対応し、金属構成要素８４は偏向器６６及び６８に対応する。

前記セラミックのピースの接合面は、Ｍｏ−Ｍｎ又はＷ−Ｍｎで金属化され、後にＮｉめっき８６及び８８が続く。金属化層の適切な厚さは、約０.０００４”ないし０.００１２”であり、前記Ｎｉめっき層に対しては約０.０００１”ないし０.０００３”である。前記金属層に挟まれたセラミックは、金属部とセラミック部との間の接合充填材料として機能する金めっき銅シート９０及び９２により分離される。各シート９０及び９２は、銅のコア９４ａ及び９４ｂ並びに２つの金めっき層を有する。銅シート９４ａは、金層９６ａ及び９６ｂを有し、銅シート９４ｂは金層９６ｃ及び９６ｄを有する。銅シートの厚さは、応用例に依存して０.００２”から０.０１０”まで、又は更に厚く変化することができる。金めっき層の厚さは、０.０００２”から０.００１”まで変化することができる。金めっきの適切な厚さは０.０００５”である。

本発明の態様を利用する１つの実施例によってサンドイッチ構造を作成する方法は、適切に構成され、配置されたニッケル金属構成要素８０と、金属充填金めっき銅シート９０及び９２と、適切に作成されたセラミックピース８２と、第２ニッケル金属構成要素とを加熱炉の空気に依存してステンレス又はグラファイトのフィクスチャ（図示されない）と一緒にクランプするステップを有し、これらの部分が前記フィクスチャにくっつくことを防ぐ。前記部分は当技術分野において既知の様式でクランプされる。

前記サンドイッチ構造及び接合材料のクランプされたアセンブリは、水素又は真空加熱炉において短い時間期間、典型的には１０秒ないし１分だけ９６０℃ないし９７０℃まで加熱される。次に、前記加熱炉は３０℃まで冷却される。前記アセンブリは前記加熱炉から移動され、前記クランプ用フィクスチャが取り外される。

本発明の態様による前記方法の加熱及び冷却の部分の間に、Ａｕ及びＮｉの隣接した層は、互いの中により速い速度で相互に拡散する。したがって、Ａｕ−Ｎｉ界面のそれぞれにおいて、Ｎｉ−Ａｕ合金の拡散層が発達する。このＡｕ−Ｎｉ合金拡散層において、Ａｕ及びＮｉの割合は、Ｎｉ−Ａｕ合金の片側の純粋なニッケルから反対側の純粋なＡｕに徐々に変化する。したがって、図５を参照すると、成分の拡散した割合の変化する連続体の中に、点“Ｐ”に示される８２％のＡｕ及び１８％のＮｉを含む領域又は層が存在する。この特定の割合の組成の層は、Ａｕ−Ｎｉ状態図に示される最小融点“Ｍ”の合金組成である。この８２％Ａｕ−１８％Ｎｉ合金層の融点は、約９５５℃である。

続けて図５を参照すると、Ａｕの融点は約１０６４℃と示され、ニッケルの融点は約１４５５℃である。Ａｕ及びＮｉの隣接した層が拡散すると、拡散された合金の異なる割合の組み合わせの融点は異なる。更に具体的には、合金が拡散により形成すると、融点は、Ａｕの融点から最小点Ｍ（８２％Ａｕ−１８％Ｎｉ）における約９５５℃に減少し、次いでＮｉの融点まで増加し始める。合金成分の異なる割合の組み合わせは異なる融点を持つ。状態図において最小点及び同様な変化を持つ異なる成分の他の合金は、Ｘ線管に見られる動作条件及び材料に適している限り本発明の原理により使用されることができる。例えば、図７は、約８０％Ａｕ−２０％Ｃｕの合金組み合わせに対して最小点Ｍ’及び約９１１℃の融点を持つ金−銅状態図において他の同様な適切な合金を示す。

一緒にクランプされた前記陰極アセンブリ及びＡｕ−Ｃｕシートが１０秒ないし１分だけ９６０℃ないし９７０℃に加熱されると、最小点Ｐの組成層又は領域におけるＡｕ−Ｎｉ合金が初めに融解し、続いてより多くのＡｕ及びＮｉ原子が液体合金に溶け込む。最小温度Ｍにおける処理を適切に制御して（例えば温度及び時間）、所望の制限された量の液体合金が、前記Ａｕ−Ｎｉ拡散層に存在する。前記液体合金は、前記拡散層における周りのＡｕ−Ｎｉ合金をぬらす。

前記サンドイッチ構造が冷却されると、前記液体合金は凝固する。この間に、ＮｉとＡｕとの間の及びＡｕとＣｕとの間の相互拡散は、温度が著しい拡散を起こさないように十分に低くなるまで続く。同じ反応が、全ての金／ニッケル及び金／銅接触面で生じる。試験では、金属−セラミック界面間の０.０２０”の厚さの接合層が、本発明の先行する処理実施態様により得られた。

上述の処理の間に、前記陰極アセンブリの金属構成要素の面と、前記金めっき銅シート又は充填材料の部材と、前記セラミック絶縁体の金属化面とを含む複数の接合領域が形成される。異なる金属の界面において、前記接合領域は、拡散により形成する隣接した金属の特定の合金系に対する状態図及び前記処理の制限の対象となる。それぞれの合金及びそれぞれの合金最小点百分率組成（Ｐ，Ｐ’）の拡散層の変化する百分率組成は、時間及び温度に対する拡散処理の結果である。

本発明の特定のフィーチャは、説明された前記実施例の１つのみに対して上に記載されているかもしれないが、このようなフィーチャは、如何なる特定の応用例に対して望ましく有利であり得るように、他の実施例の１つ又は複数の他のフィーチャと組み合わされることができる。本発明の上の記載から、当業者は、改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術分野の技術内のこのような改良、変更及び修正は、添付の請求項によりカバーされると意図される。

例えば、前記サンドイッチ構造及び接合充填材料の接合層における代替的な材料組み合わせは、本発明の原理を利用して以下の組み合わせ及び他の組み合わせを含むことができる。

本発明の原理を用いる応用例に対して適切な様々な金属を含む構造、接合充填材料合金及び作成されたセラミック構造のより具体的な例の追加実施例は、モリブデンＭｏ−セラミック又はタングステンＷ−セラミックを含み、Ｍｏ又はＷ−セラミックサンドイッチシステムを接合する。モリブデン又はタングステン部分が初めにニッケルシートに鑞付けされることを除いて上述のものと同様な処理が使用される。図６を参照すると、モリブデン部分１００は銅の鑞付けシム１０４で接合されたニッケルシート１０２を有する。前記Ｍｏ部分に付着された前記ニッケルシートを用いて、セラミックに対するＭｏの接合は、上述のセラミックに対してＮｉを接合する処理になる。図６の残りの要素番号は、図４に対して記載された要素番号に対応する。金属−セラミック−金属サンドイッチを完成する追加の金属部分（図４の８０に対応する）は示されていない。前記ニッケルシートの厚さは、０.００４”ないし０.０１０”であることができ、ニッケルをＭｏに付着する鑞付け合金は、薄い銅シートである。

本発明の態様により適用可能である他の材料の組み合わせは、（ｉ）コバール（Kovar）−セラミック又は（ｉｉ）Ｆｅ／Ｎｉ合金−セラミックを含む。コバール及びＦｅ／Ｎｉ合金は適切な量のＮｉを含み、したがって、これらの金属に前記セラミックを接合するハイブリッド界面反応処理は、本発明の態様によるＡｕめっき銅シートを用いるセラミックに対するＮｉの接合の処理と同様である。しかしながら、本実施例において、９６０℃ないし９７０℃の保持時間が増加される。

本発明の態様により使用されることができる材料の更に他の例において、Ｆｅ−セラミック構成要素が接合される。ＡｕめっきＣｕ鑞付け合金を用いてセラミックシステムにＦｅを接合するために、鉄部分がＮｉめっきされる。一度ニッケル面が接合面に存在すると、セラミックに対するＦｅの接合は、上述のセラミックにＮｉを接合する処理になる。

本発明の原理により使用される材料の他の例において、Ｃｕ−セラミック部分が接合される。セラミックシステムにＣｕを接合するために、前記鑞付け合金も、Ａｕめっき銅充填材料である。図７のＡｕ−Ｃｕ２元状態図は、以下の態様において図５のＡｕ−Ｎｉ状態図と同様である。前記状態図において温度最小点Ｍ’が存在し、ここで特定の合金組成の結果として前記界面反応接合処理に対して存在する少量の液体合金を生じる。この最小点における合金の制限された融解及び前記充填材料が冷却しつづける間の続けられる拡散接合は、上述の処理と同様である。しかしながら、本例において加熱温度は約９２０℃ないし９３０℃に制御される。

Ａｕ−Ｎｉに対する上述の例において、最小点Ｍが約９５５℃であり、前記金めっき銅シート充填材料が約９１１℃の最小点Ｍ’を有すると理解されるべきである。上述のサンドイッチシステムを図４に関して９５５℃に加熱すると、図７に示されるＡｕ−Ｃｕ金属合金系の最小点Ｍ’も超えられる。９５５℃の図５の最小点Ｍに対するこの加熱は、加熱中に制限された量の液体を有する界面反応接合システムにより複数の層を作成する。ある液体層はＡｕ−Ｎｉ界面により、ある層は前記充填材料のＡｕ−Ｃｕ界面による。上述のように、このように液体の量を制限することは、非接合面に対する液体の漏れを減少する。

全体的に鑞付けする従来の処理と比較して、本発明のハイブリッド界面反応接合処理の利点は、前記接合において少量の液体を形成し、これにより接合面から非接合面へのはみ出しを減少することを含む。全体的に拡散接合する処理と比較すると、Ｘ線アセンブリである、このハイブリッド方法の態様により作成された接合のインテグリティは、規則的な拡散接合より厚い接合（０.０２０”）のために、より良い。加えて、拡散接合と関連した従来の増加された圧力は、金属部分及びセラミック部分を一緒に接合するのに必要とされない。

本発明の態様を利用する方法で製造された組み合わされた金属−セラミック陰極構造において、前記接合面と構成要素部分との間の平行度は０.００２５”より小さい。上述の合金組み合わせの１つを使用する例において、接合部は、高いＸ線管陰極アーム動作温度（例えば９００℃）で使用されることができる。加熱処理の間に２つのクランプされた接触した金属の反応は、拡散から最小点（Ｍ，Ｍ’）融解温度に対応する組成を持つ領域又は層を結果として生じる。クランプされたアセンブリ及び接合充填材料を最小点温度（Ｍ，Ｍ’）に加熱すると、液体合金がこの領域に形成される。この液体は、前記接合部の鑞付け部分に対して両方の金属をぬらす。この場合、冷却中に拡散が生じ、したがって前記サンドイッチ構造の金属−セラミック構成要素間に厚い接合層を形成する。

ハイブリッド界面反応接合の本発明の原理により製造された構造は、金属−セラミック−金属構造における前記セラミックの高い電気抵抗を持つ。少量の鑞付け材料のみがこの処理で融解する。前記接合の残りは、拡散接合による。したがって、鑞付け及び拡散接合のこのハイブリッド組み合わせを用いて、鑞付け液体の量は、最小点を持つ合金組み合わせを選択し、前記処理の時間及び温度を制御して前記処理の間に形成する液体の量を制御することにより所望量に保たれる。少量の液体のみが短時間（例えば数秒）だけ存在するので、セラミックの側壁に対する液体の流れは減少され、これは非接合面の電気的漏れを防ぐことができる。

本発明の原理により作成された陰極アセンブリを有する回転する陽極Ｘ線管の概略的な断面図である。 図１のＸ線管の陰極アセンブリの上面図である。 図２の陰極アセンブリの側面図である。 本発明の方法の態様で使用される材料の層を示す分解斜視図である。 本発明の原理による応用に適している合金の例に対する状態図である。 本発明の方法の態様を説明する他の実施例で使用される材料の層の他の組み合わせの分解斜視図である。 本発明の原理による応用に適している他の合金の例の状態図である。

Claims (34)

1. Ｘ線管の陰極構成要素を接合する方法において、
   第１金属を含む支持アームを形成するステップと、
   第１金属化面を有するセラミック絶縁体を形成するステップと、
   前記支持アームと前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面との間に充填材料の第１部材を配置することにより前記支持アーム及び前記セラミック絶縁体を含むサンドイッチ構造を組み立てるステップであって、前記充填材料の第１部材が少なくとも第２金属を含み、前記第１金属及び前記第２金属を含む第１合金系が、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第１合金系最小融点を有する、前記第１金属及び前記第２金属の合金最小融点百分率組成を含む、当該組み立てるステップと、
   前記第１金属と前記第２金属との間に拡散を生じさせ、それにより接合領域にわたり前記第１合金系における前記第１金属及び前記第２金属の変化する百分率組成を形成すべく、前記組み立てられたサンドイッチ構造を加熱するステップであって、前記接合領域が、前記合金最小融点百分率組成を有する少なくとも１つの拡散層を有し、少なくとも前記合金最小融点百分率組成を有する前記接合領域の所望の部分を融解するために、前記組み立てられたサンドイッチ構造の加熱が、少なくとも前記第１合金系最小融点の接合温度まで続き、且つ、前記サンドイッチ構造を所望の時間だけ前記接合温度に保持する、当該加熱するステップと、
   前記組み立てられたサンドイッチ構造が前記第１合金系最小融点より低い定常状態温度まで冷却することを可能にするステップと、
   を有する方法。
2. 前記接合温度が、前記第１合金系最小融点より上であり、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い、請求項１に記載の方法。
3. 前記充填材料の第１部材が、前記第１金属及び前記第２金属とは異なる第３金属を含み、前記第２金属が、前記第３金属の両側にめっきされる、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２金属及び前記第３金属が拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系が、前記第３金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第２合金系最小融点を有する、前記第２金属及び前記第３金属の合金最小融点百分率組成を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記接合温度が、前記第１合金系最小融点及び前記第２合金系最小融点の少なくとも一方以上である、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１金属がニッケルである、請求項３に記載の方法。
7. 前記第２金属が金であり、前記第３金属が銅である、請求項６に記載の方法。
8. 前記セラミック絶縁体の金属化層がニッケルを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記セラミック絶縁体が、前記第１金属化面の反対側に第２金属化面を有し、前記第１金属化面及び前記第２金属化面が、所望量の前記第１金属を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記セラミック絶縁体の前記第２金属化面と、前記第１金属を含む少なくとも１つの陰極カップ構成要素との間に少なくとも前記第２金属を含む充填材料の第２部材を配置するステップを有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記接合温度が、およそ前記第１合金系の最小融点である、請求項２に記載の方法。
12. Ｘ線管陰極アセンブリであり、
    第１金属を含む支持アームと、
    所望量の前記第１金属を含む第１金属化面を有するセラミック絶縁体と、
    前記支持アーム及び前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面と接触する充填材料の第１部材であって、前記充填材料の第１部材が少なくとも第２金属を含み、前記第１金属及び前記第２金属を含む第１合金系が、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第１合金系最小融点を有する、前記第１金属及び前記第２金属の合金最小融点百分率組成を含む、当該充填材料の第１部材と、
    拡散接合を進行させる当該Ｘ線管陰極アセンブリの加熱から生じる接合領域であって、前記接合領域が前記合金最小融点百分率組成を有する合金の層を有し、当該Ｘ線管陰極アセンブリの加熱が、少なくとも前記第１合金系最小融点の接合温度まで続き、所望の時間だけこの温度を保持する、当該接合領域と、
    を有するＸ線管陰極アセンブリ。
13. 前記接合温度が、前記第１合金系最小融点より上であり、且つ前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より下である、請求項１２に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
14. 前記充填材料の第１部材が、前記第１金属及び前記第２金属とは異なる第３金属を含み、前記第２金属が、前記第３金属の両側にめっきされる、請求項１２に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
15. 前記第２金属及び前記第３金属が拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系が、前記第３金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第２合金系最小融点を有する、前記第２金属及び前記第３金属の合金最小融点百分率組成を含む、請求項１４に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
16. 前記接合温度が、前記第１合金系最小融点及び前記第２合金系最小融点の少なくとも一方以上である、請求項１５に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
17. 前記第１金属がニッケルである、請求項１４に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
18. 前記第２金属が金であり、前記第３金属が銅である、請求項１７に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
19. 前記セラミック絶縁体の金属化層がニッケルを含む、請求項１２に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
20. 前記セラミック絶縁体が、前記第１金属化面の反対側に第２金属化面を有し、前記第１金属化面及び前記第２金属化面が所望量の前記第１金属を含む、請求項１２に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
21. 前記セラミック絶縁体の前記第２金属化面と、前記第１金属を含む少なくとも１つの陰極カップ構成要素との間に少なくとも前記第２金属を含む充填材料の第２部材を配置する手段を有する、請求項２０に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
22. 前記接合温度が、およそ前記第１合金系の最小融点である、請求項１３に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
23. 第１金属を含む支持アームであり、第１合金系を形成するために前記第１金属とは異なる第２金属を用いる拡散接合に対して十分な量の第１金属を含む支持アームと、
    第１金属化面を有するセラミック絶縁体と、
    前記支持アームを前記セラミック絶縁体に固定する手段であって、前記固定する手段が、第３金属を含む金属シートを有し、前記金属シートが前記第２金属を用いて両側にめっきされ、前記第３金属が前記第１金属及び前記第２金属のいずれとも異なる金属であり、前記固定する手段が、前記支持アームの第１面と前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面との間の界面に配置され、前記第１合金系の一部が、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第１合金系最小融点を有する、前記第１金属及び前記第２金属の合金最小融点百分率組成を含む、当該固定する手段と、
    を有するＸ線管陰極アセンブリ。
24. 前記第２金属及び前記第３金属が拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系が、前記第３金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第２合金系最小融点を有する、前記第２金属及び前記第３金属の合金最小融点百分率組成を含む、請求項２３に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
25. 前記第１金属がニッケルである、請求項２３に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
26. 前記第２金属が金であり、前記第３金属が銅である、請求項２３に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
27. 前記セラミック絶縁体の金属化層がニッケルを含む、請求項２３に記載のＸ線管陰極アセンブリ。
28. 真空エンベロープと、
    前記真空エンベロープ内に配置された陽極アセンブリと、
    前記陽極アセンブリと動作的に関連した前記エンベロープ内に配置された陰極アセンブリであって、
    第１金属を含む支持アームであり、前記第１金属とは異なる第２金属を用いる拡散接合に対して十分な量の第１金属を含む支持アームと、
    第１金属化面と第１金属化面の反対側にある第２金属化面とを有するセラミック絶縁体と、
    前記支持アームを前記セラミック絶縁体に固定する手段であって、前記固定する手段が、第３金属を含む金属シートを有し、前記金属シートが前記第２金属を用いて両側にめっきされ、前記第３金属が前記第１金属及び前記第２金属のいずれとも異なる金属であり、前記固定する手段が、前記支持アームの第１面と前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面との間の界面に配置され、前記第１金属及び前記第２金属を含む第１合金系の一部が、前記第１金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第１合金系最小融点を有する、前記第１金属及び前記第２金属の合金最小融点百分率組成を有する、当該固定する手段と、
    を有する当該陰極アセンブリと、
    を有するＸ線管。
29. 前記第２金属及び前記第３金属が拡散可能であり、前記第１合金系とは異なる第２合金系を形成し、前記第２合金系が、前記第３金属の融点及び前記第２金属の融点の両方より低い第２合金系最小融点を有する、前記第２金属及び前記第３金属の合金最小融点百分率組成を含む、請求項２８に記載のＸ線管。
30. 前記第１金属がニッケルである、請求項２８に記載のＸ線管。
31. 前記第２金属が金であり、前記第３金属が銅である、請求項２８に記載のＸ線管。
32. 前記セラミック絶縁体の金属化層がニッケルを含む、請求項２８に記載のＸ線管。
33. 前記セラミック絶縁体の前記第１金属化面及び前記第２金属化面が所望量の前記第１金属を含む、請求項２８に記載のＸ線管。
34. 前記セラミック絶縁体の前記第２金属化面と少なくとも１つの陰極カップとの間に第２の固定する手段を有する、請求項２８に記載のＸ線管。

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