JP4629552B2 - Ｘ線管用フィラメント及びｘ線管 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線管用フィラメントに関し，特に，コイル状のフィラメントの長手方向の温度分布を均一にするための工夫に特徴のあるフィラメントに関する。また，本発明は，そのようなフィラメントを備えるＸ線管に関する。

コイル状のＸ線管用フィラメントは，コイルの全長にわたって，温度分布をできるだけ均一にすることが望ましい。通常のＸ線管用フィラメントは，線径や巻きピッチが一様に作られているので，中央付近の温度が一番高くなり，両端付近の温度が低くなる。これに対して，フィラメントの温度分布を均一にすると，そのフィラメントから放出される電子ビームの強度分布が均一になり，その電子ビームがＸ線管のターゲット（対陰極）に照射されることで形成されるＸ線焦点の輝度分布も均一になる。また，コイルの温度分布が均一になると，温度分布が均一でないフィラメントと比較すると，コイルの線径の減少が一様になって，寿命が長くなる。さらには，コイルの温度分布が均一になると，温度分布が均一でないフィラメントと比較して，同じ管電流を得る場合でも，フィラメントの最高温度を下げることができて，やはり，フィラメントの寿命を長くできる。

本発明は，Ｘ線管用フィラメントのコイルの形状を長手方向に変化させることに関係しているが，これに最も関連が深い技術として，次の特許文献１が知られている。なお，実用新案の文献であっても，広義の特許文献と称することにする。
実開平６−９０４７号公報

この特許文献１は，Ｘ線管用フィラメントのコイルの巻きピッチについて，中央部を密に，両端を粗にすることで，コイルの中央付近の温度を高くして，電子密度分布をガウス分布にしている。したがって，温度分布を均一にするのではなく，むしろ，中央部の温度は，巻きピッチが均一な通常のコイルよりも高くなると考えられる。この特許文献１のコイルフィラメントは，例えば，中央部のピッチが８０巻き／インチであり，両端部が５０巻き／インチである。

一方，Ｘ線管以外の技術分野においては，コイル状のフィラメントの線径を長手方向に変化させることが知られており，例えば，次の特許文献２が存在する。
特公昭５８−２６１４４号公報

この特許文献２は，複写機用の定着装置用の管球に関するものであるが，そのコイル状のフィラメントの線径を長手方向に変化させることを開示している。すなわち，フィラメントの長手方向の端部の線径を中央部よりも細くすることで，端部の発熱量を増やして，端部の放射照度を中央部よりも増加させている。端部の線径を細くする方法としては電解研磨法を開示している。さらに，線径を連続的に変化させることにも言及しており，それを実現するために，電解研磨の研磨液の液面を上下させたり，フィラメントを上下させたりして，フィラメントの長手方向の位置によって電解研磨液に浸漬する時間を変えている。

上述の特許文献２の知識を考慮すれば，Ｘ線管用フィラメントにおいても，長手方向の端部の線径を細くして，その部分の発熱量を増加させ，これにより，長手方向の温度分布を均一にすることが考えられる。しかしながら，そのように線径を細くしても，Ｘ線管フィラメントに特有の問題が生じる。この点を以下に説明する。

特許文献２において，端部の線径を細くするためには電解研磨法を用いているが，その方法は次のようなものである。ガラス容器内に電解研磨液として水酸化ナトリウムの１０％水溶液を入れて，この中に電極としてタングステンの板体３を浸漬する。そして，このような電解研磨液の中に，フィラメントの端部だけを浸漬して，フィラメントと電極の間に電圧を印加して，端部を電解研磨する。この方法によれば，確かに，端部の線径は細くなる。しかしながら，線径が細くなることに伴って，端部におけるコイル外径も減少する。ゆえに，このようにして作られたフィラメントは，中央部のコイル外径よりも，端部のコイル外径の方が細くなる。

Ｘ線管用フィラメントにおいては，コイル状のフィラメントの外径を長手方向に変化させると，次のような問題が生じる。Ｘ線管のターゲットとフィラメントとの距離は，フィラメントからターゲットに向かう電子ビームの軌道や，ターゲット上のＸ線焦点の輝度などに影響を与える。フィラメントの長手方向に沿ってコイルの外径が変化すると，上述の距離が微妙に変化し，それが，Ｘ線焦点の輝度分布等に悪影響を与える。ゆえに，Ｘ線管用フィラメントにおいては，コイル外径は長手方向に一定であることが重要である。このような理由から，特許文献２のように端部の線径を細くして，長手方向の温度分布を均一にする，という対策は，普通に考えれば採用は難しい。

本発明は，上述の問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，フィラメントの線径を変化させてもコイルの外径を変化させないようにして，フィラメントの長手方向の温度分布の均一性を良好にできるＸ線管用フィラメントを提供することにある。また，本発明の別の目的は，そのようなＸ線管用フィラメントを備えるＸ線管を提供することにある。

本発明のＸ線管用フィラメントは，コイル状のフィラメントであり，長手方向の中央部から端部に向かってコイルの線径が順に細くなっている。そして，長手方向に沿ってコイルの外径が一定であることを特徴としている。そのためには，線径を細くする手法として，線材のコイル内面側だけを削ればよい。そして，長手方向の中央部から端部に向かって，その削り量を増やしていけばよい。その結果，コイルの外径は一定で，コイルの内径だけが長手方向の中央部から端部に向かって増加することになる。

フィラメントの長手方向の中央部は，１ターンであることもあるし，複数ターンであってもよい。後者の場合，中央の複数ターンにおいては線径が互いに同一であり，そこから端部に向かって線径が順に細くなっていく。

フィラメントの長手方向の温度分布をできるだけ均一にするには，長手方向の中央部における線径ｄ_maxと長手方向の端部における線径ｄ_minとの差Δｄは，次の数式を満足するのが好ましい。Δｄ／ｄ_max＝０．０４１〜０．１４５。

また，本発明のＸ線管は，上述のような特徴を有するＸ線管用フィラメントを備えるものである。

本発明によれば，上述のように線径の変化を工夫したことにより，コイル状のフィラメントの長手方向の温度分布が均一になる。例えば，フィラメントを２５００℃程度の温度に加熱した場合に，フィラメントの長手方向の中央部の温度と，一番外側から２番目のターンでの温度との差が５０℃以内になる。また，長手方向に沿ってコイルの外径は変化しないので，Ｘ線焦点への悪影響はない。

以下，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の一実施例のフィラメントの正面図である。このフィラメント１０は線径ｄの線材１２を，外径Ｄになるように，巻数ｎ（すなわち，ｎターン）でコイル状に巻いたものである。両端にはリード線１４が一体につながっている。この例は，巻数ｎが２０である。図において，一番左側のターンを第１ターンと呼び，以下，第２ターン，第３ターンとなり，一番右側のターンが第２０ターンである。

図２は，図１のフィラメントの左半分の拡大断面図である。このフィラメントの線径ｄはフィラメントの長手方向に沿って連続的に変化している。第１ターンの中央における線径はｄ₁であり，第２ターンの中央における線径はｄ₂であり，以下，同様に，各ターンの中央における線径はｄ₃〜ｄ₁₀である。

図３は，図２のフィラメントの左端の近傍をさらに拡大した断面図である。このフィラメントを作るときの元の線材の線径ｄは０．３ｍｍであるが，第１ターンの中央における線径ｄ₁は０．２６ｍｍになっている。すなわち，線材１２のコイル内面側だけが電解研磨によって所定量だけ研磨されている。元の線材の外面１６と比較して，内面側の減少量Δｄは０．０４ｍｍである。第２ターンの中央における線径ｄ₂は，ｄ₁よりわずかに大きくなっている。同様にして，中央に向かうに従って線径は増加していく。コイルの外径Ｄはフィラメントの長手方向にわたって一定であるが，コイルの内径Ｄ_inは，線径の長手方向の変化に応じて，フィラメントの長手方向に沿って変化することになる。長手方向の中央部から端部に向かって，コイルの内径Ｄ_inは増加していく。

図４は線径の変化を示すグラフである。横軸はコイル状のフィラメントのターン番号であり，縦軸は各ターンの中央における線径ｄ_i（ｉ＝１〜２０）である。フィラメントの長手方向の中央部は第１０ターンと第１１ターンであり，その線径はｄ₁₁とｄ₁₂である。そして，この線径は，線材の元の線径と同じである。この中央部分の線径（すなわち，最大の線径）をｄ_maxと称する。フィラメントの端部は第１ターンと第２０ターンであり，その線径はｄ₁とｄ₂₀である。この部分の線径は最小の線径であり，これをｄ_minと称する。ｄ_maxとｄ_minの差が線径差Δｄである。この実施例では，ｄ_max＝０．３０ｍｍ，ｄ_min＝０．２６ｍｍ，線径差Δｄ＝０．０４ｍｍである。線径ｄ₁₀から線径ｄ₁に向かって，各ターンの線径は直線的に減少していく。線径ｄ₁₁から線径ｄ₂₀に向かっても，同様に線径が減少していく。

線径がｄ_maxとなるターン数は，最小の場合，１ターン（巻数ｎが奇数）または２ターン（巻数ｎが偶数）であるが，これを３ターン以上にしてもよい。

図４に示すように線径が端部に向かって減少していくことにより，フィラメントの長手方向の温度分布が均一になる。線径が一定で，巻きピッチも一定であると仮定すると，フィラメントの長手方向の温度分布は中央部が高くなる山形となる。これに対して，端部に向かって線径を減少させると，線径が細い部分では電気抵抗が増加して発熱量が増加するので，端部に向かっての温度低下を防ぐことができる。

図５の一覧表の上段の「測定値」と記載してある部分は，４種類の線径差Δｄを設けた４種類のフィラメントについて，長手方向の中央部と端部の温度差を実測したときの温度差測定値である。使用したコイルの仕様は，いずれも，元の線径ｄ（すなわち，ｄｍａｘ）が０．３０ｍｍ，コイル外径Ｄが３．０ｍｍ，巻数ｎが２０，巻きピッチが０．６５ｍｍである。このフィラメントに電流を流して，フィラメントの長手方向の中央部が約２５００℃になるように加熱した。そして，フィラメントの長手方向の中央部の温度を基準にしたときの，第２ターンの頂点１８（図１を参照）での温度差ΔＴを測定した。温度測定には光学式のパイロメータを用いた。なお，温度分布を考える上での端部の温度は，第２ターンの頂点での温度を用いた。一番外側の第１ターンの温度は，かなり低下するので，温度分布の均一性の評価としては，第１ターンの温度は用いない方がよい。

線径差Δｄ＝０ｍｍのとき（すなわち，線径を変化させないとき）は，温度差ΔＴはマイナス１０９℃であった。このときは，当然ながら，中央部よりも端部の温度が，このように低下する。Δｄ＝０．０４ｍｍのときは，温度差がプラス４２℃であった。このときは，線径が細くなることにより，端部に行くに従って発熱量が増加するので，中央部よりも端部の方が温度が若干高くなった。Δｄ＝０．０８５ｍｍのときは，温度差がプラス１１５℃と拡大し，さらに，Δｄ＝０．１２３ｍｍのときは，温度差がプラス１６０℃とより拡大した。

図６は図４の一覧表の上段に示した測定結果をプロットしたグラフである。横軸は線径差Δｄであり，縦軸は温度差ΔＴである。４個の測定結果を白丸で示している。また，それらを滑らかな曲線２０で結んでいる。曲線２０が温度差ΔＴ＝０℃を横切るときの線径差Δｄを求めると，それは，０．０２５０ｍｍである。したがって，線径差Δｄを０．０２５０ｍｍに設定すると，中央部と端部の温度差がほぼゼロになることが予測できる。さらに，曲線２０がマイナス５０℃を横切るときの線径差Δｄは０．０１２２ｍｍであり，プラス５０℃を横切るときの線径差Δｄは０．０４３６ｍｍである。フィラメントの長手方向の温度分布を均一にする観点において，温度差を５０℃程度まで許容できると考えると，線径差Δｄを０．０１２２〜０．０４３６ｍｍの範囲内に設定すれば，長手方向の温度分布がほぼ一様なフィラメントが得られることになる。

図５の一覧表において，推奨値と記載してある下段の部分は，上述の０℃，マイナス５０℃，プラス５０℃のときの線径差Δｄを表示している。図４の一覧表の右端の列は，線径差Δｄを中央部分の線径ｄ_maxで除して，規格化したものである。この規格化した線径差でみると，温度差がマイナス５０℃からプラス５０℃になるような線径差Δｄ／ｄ_maxは，０．０４１〜０．１４５となる。すなわち，中央部の線径に対して，端部の線径を，４．１〜１４．５％だけ細くすればよい。中央部の線径が本実施例とは異なるフィラメントに対しては，この規格化した線径差に基づいて，最適な線径差を設定すればよい。

図９は，図５の一覧表に示したのとは別のフィラメントについての温度分布のグラフである。フィラメントに電流を流して２５００℃付近まで加熱したときの，フィラメントの長手方向の温度分布を実測したものである。横軸はターン番号，縦軸は温度である。各ターンでの温度は，各ターンの頂点（例えば，図１の頂点１８を参照）のところで，光学式パイロメータで測定した。このフィラメントは，そのコイル仕様が，線径ｄ＝０．４ｍｍ，線径差Δｄ＝０．０４ｍｍ，外径Ｄ＝３ｍｍ，巻数ｎ＝２０，巻きピッチｐ＝０．６５ｍｍである。したがって，Δｄ／ｄ_max＝０．１であり，上述のΔｄ／ｄ_max＝０．０４１〜０．１４５，という推奨条件を満足するものである。この温度分布を見ると，長手方向の中央部での温度が高くならずに，均一な温度分布となっている。

図１０は，従来のフィラメントの温度分布のグラフである。このフィラメントは線径が一定であり，そのコイル仕様は，線径ｄ＝０．４ｍｍ，外径Ｄ＝３ｍｍ，巻数ｎ＝１９，巻きピッチｐ＝０．６５ｍｍである。線径差Δｄはゼロなので，Δｄ／ｄ_max＝０である。この温度分布を見ると，当然ながら，長手方向の中央部の温度が高くなり，端部に向かって温度が徐々に低くなっている。この従来のフィラメントの温度分布と比較すると，図９に示すフィラメントは，温度分布の均一性が良好になっている。

図７は，コイルの内面側だけを研磨して線径を細くするための電解研磨方法を示す説明図である。ガラス容器２２には電解研磨液２４を入れてある。この電解研磨液２４は水酸化ナトリウム溶液であり，水５００ｍｇに対して水酸化ナトリウムを５ｍｇの割合で添加したものである。電極棒２６は，直径が０．５ｍｍのステンレス鋼製の細い棒である。この電極棒２６はリード線２８を介して電源３０の負極端子３２に接続されている。タングステン製のコイル状のフィラメント１０は，その中心に電極棒２６が位置するように，直立状態で電解液２６に浸漬される。フィラメント１０はリード線３４を介して電源３０の正極端子３６に接続される。そして，フィラメント１０と電極棒２６の間に電圧を印加して，所定の時間だけ，電解研磨を実行する。

電解研磨の実行中，フィラメント１０は上下に往復運動をさせる。一方，電極棒２６は静止している。フィラメント１０が一番下に下がったときに，ちょうど，フィラメントの長手方向の中央部が電解研磨液の液面の高さになるようにする。フィラメントが一番上に上がったときに，ちょうど，フィラメントの長手方向の端部が電解研磨液の液面の高さになるようにする。このような上下運動をさせることにより，長手方向の位置に応じて電解研磨液に浸漬されている時間が連続的に変化し，端部に近いほど長い時間，中央部に近いほど短い時間だけ，電解研磨が実行される。したがって，中央部から端部に向かって，線径がほぼ直線的に減少していく。片側の半分の電解研磨が完了したら，反対側も同様に電解研磨を実行する。これにより，長手方向の両側で線径が細くなる。

フィラメント１０の中心に電極棒２６が存在するので，フィラメント１０の線材は，コイルの内面側だけが実質的に研磨されることになる。線材のコイル外径は，フィラメントの長手方向にわたってほぼ一定のままである。

図８は，上述のような工夫を施したフィラメントを備えたＸ線管の要部の斜視図である。フィラメント１０に電流を流し，フィラメント１０と回転対陰極３８の間に高電圧を印加すると，フィラメント１０から電子ビーム４０が発生する。この電子ビーム４０が回転対陰極３８の外周面に照射されて，そこからＸ線ビームが発生する。そして，例えば，ポイントフォーカスのＸ線ビーム４２や，ラインフォーカスのＸ線ビーム４４を取り出すことができる。

本発明のフィラメントは，上述の回転対陰極のＸ線管に限らずに，固定ターゲット（静止するターゲット）のＸ線管にも適用できる。

本発明の一実施例のフィラメントの正面図である。 図１のフィラメントの左半分の拡大断面図である。 図２のフィラメントの左端の近傍をさらに拡大した断面図である。 線径の変化を示すグラフである。 測定値と推奨値の一覧表である。 測定結果のグラフである。 電解研磨法の説明図である。 本発明のフィラメントを備えたＸ線管の要部の斜視図である。 線径差をもたせたフィラメントの温度分布のグラフである。 従来のフィラメントの温度分布のグラフである。

符号の説明

１０ フィラメント
１２ 線材
１４ リード線
２２ ガラス容器
２４ 電解研磨液
２６ 電極棒
３０ 電源
３８ 回転対陰極
４０ 電子ビーム
４２，４４ Ｘ線ビーム

Claims (3)

1. コイル状のＸ線管用フィラメントにおいて，
   長手方向の中央部から端部に向かってコイルの線径が順に細くなっていて，
   長手方向の中央部から端部に向かってコイルの内径が増加していき，
   長手方向に沿ってコイルの外径が一定であることを特徴とするＸ線管用フィラメント。
2. 請求項１に記載のＸ線管用フィラメントにおいて，長手方向の中央部における線径ｄmaxと長手方向の端部における線径ｄminとの差Δｄが，次の数式を満足することを特徴とするＸ線管用フィラメント。
   Δｄ／ｄmax＝０．０４１〜０．１４５
3. 請求項１または２に記載のＸ線管用フィラメントを備えるＸ線管。

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