JP5322888B2

JP5322888B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP5322888B2
Application number: JP2009250901A
Authority: JP
Inventors: 隆下野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: EP2495747B1; US8761345B2; US20120207279A1; CN102598197B; CN102598197A; WO2011052163A1; EP2495747A4; JP2011096572A; EP2495747A1

Description

この発明は、Ｘ線を発生するＸ線管に関する。

一般に、Ｘ線管を備えたＸ線管装置は、医療診断システムや工業診断システム等に用いられている。Ｘ線管は、陰極と、陽極ターゲットと、陰極および陽極ターゲットを収容した真空外囲器と、を有している。陰極および陽極ターゲット間に高電圧を印加することにより、陰極側から放出された電子が陽極ターゲットに衝突し、陽極ターゲットからＸ線が放射される。

陰極から放出された電子が陽極ターゲットに衝突すると、陽極ターゲットは高温になる。高電圧プラグを陰極に接続し陰極と陽極ターゲットとの間に高電圧を印加する場合において、陰極の熱が高電圧プラグに伝わり、高電圧プラグの絶縁部分が変形し、絶縁破壊が生じる恐れがある。

高電圧コネクタの冷却を目的として、例えば、特許文献１によれば、高電圧コネクタがＸ線管の真空ケーシングに設けられた高電圧接続部に被せ嵌めるために設けられている形式のものにおいて冷却剤のための冷却通路が設けられている構成が開示されている。

また、例えば、特許文献２によれば、高圧ケーブル端部および高電圧端子を収納し、内部に充填された絶縁封止部材により絶縁して保持するハウジングと、ハウジング内壁に固定され、高電圧端子に熱的に接触し絶縁封止部材より熱伝導率の大きい高熱伝導絶縁部材と、を有した構成が開示され、高熱伝導絶縁部材が陽極から高電圧端子を経て伝達される熱をハウジングに放熱する技術が開示されている。

また、例えば、特許文献３によれば、外囲器から突出する支持体の他端側でかつ外囲器と給電部との間を管容器に接続する接続部により、支持体を保持するとともに絶縁材に蓄積された熱をこれに接触する支持体を介して放熱し、支持体の熱を絶縁材や管容器に伝達して管容器から放熱しやすくし、支持体の熱の放出特性を向上させ、給電部の温度を低減させる技術が開示されている。

さらに、例えば、特許文献４によれば、Ｘ線管の高電圧絶縁体を包囲するポッティング材料を熱伝導性の高い材料で形成し、ポッティング材料の外面を冷却させ、Ｘ線管を低温で作動させる技術が開示されている。

特開平８−９６８８９号公報特開２００８−２９３８６８号公報特開２００７−４２４３４号公報特開２００１−５０４９８８号公報

上記のように、陽極ターゲットは高温になるため、陽極ターゲットを直接または間接的に冷却する必要がある。また、陰極に高電圧を印加する場合、陰極は高温になるため、陽極ターゲットと同様に、陰極を直接または間接的に冷却する必要がある。

しかしながら、この場合、陽極ターゲットと、陰極とをそれぞれ独立して冷却する必要があり、冷却に複雑な機構が必要であるという問題がある。このため、簡単な構造で陽極ターゲットと、陰極とに生じる熱を効率よく外部に放出することのできる技術が求められている。

この発明の目的は、陰極および陽極ターゲットに生じる熱を効率よく外部に放出させることが可能な信頼性の高いＸ線管を提供することにある。

この発明の一態様によれば、電子を放出する陰極と、前記陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲットと、前記陽極ターゲットと接続され管軸に沿った方向に延出し、Ｘ線放射窓を有する第１金属部材と、前記第１金属部材に接続され管軸に沿った方向に延出し、前記管軸に垂直な方向に前記陰極を囲み前記第１金属部材の熱膨張率より低い熱膨張率を有する第２金属部材と、前記第２金属部材および前記陰極と接続され、前記陰極から前記管軸に垂直な方向に突出するように環状に形成され電気絶縁性を示すセラミック部材と、を有し、前記陰極および前記陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、前記第１金属部材と接するように配置され、前記管軸に垂直な方向に前記第２金属部材を囲み前記第２金属部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有するアダプタと、前記セラミック部材と前記アダプタとの間に配置された伝熱媒体と、前記第１金属部材と接続され、前記陽極ターゲットから放出される熱が直接または第１金属部材を介して間接的に伝導され、前記陰極から放出される熱が前記セラミック、前記伝熱媒体、前記アダプタおよび前記第１金属部材を介して間接的に伝導される冷却液が流れる冷却路を形成する冷却機構と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、陰極および陽極ターゲットに生じる熱を効率よく外部に放出させることが可能な信頼性の高いＸ線管を提供することができる。

図１は、この発明の一実施の形態に係るＸ線管の構成を概略的に示す断面図であり、Ｘ線管に接続される高電圧プラグを併せて示す分解断面図である。図２は、図１に示したＸ線管の上面図である。図３は、この発明の一実施の形態に係るＸ線管の他の構成を概略的に示す断面図である。図４は、図１に示したＡ領域の拡大断面図である。

以下、この発明の一実施の形態に係るＸ線管について図面を参照して説明する。

図１に示すように、Ｘ線管１は、陰極１０、陽極ターゲット２０、陰極１０および陽極ターゲット２０を収納した真空外囲器３０を有している。

陰極１０は、電子放出源としてのフィラメント１１と、集束電極１２と、を有している。フィラメント１１は、陽極ターゲット２０に衝突される電子（熱電子）を放出する。集束電極１２は、フィラメント１１から放出される電子の軌道を取り囲むように配置され、フィラメント１１から放出される電子を集束する。陰極１０に、相対的に負の高電圧が印加されている。フィラメント１１には、フィラメント電流が与えられている。

陽極ターゲット２０は、陰極１０と対向するように配置されている。陽極ターゲット２０は、例えばモリブデン（Ｍｏ）や、タングステン（Ｗ）によって形成されている。陽極ターゲット２０は、陰極１０と対向する側に位置したターゲット層２０Ｌを有している。ターゲット層２０Ｌには、電子が衝突される。陽極ターゲット２０に、相対的に正の電圧が印加される。陽極ターゲット２０と陰極１０との間に電位差が生じると、陰極１０から放出された電子は加速集束され陽極ターゲット２０に衝突するため、陽極ターゲット２０はＸ線を放出する。

真空外囲器３０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を収容している。真空外囲器３０は、密閉されている。真空外囲器３０の内部は、真空状態に維持されている。つまり、真空外囲器３０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を真空状態に保持している。真空外囲器３０は、第１金属部材３１と、第２金属部材３２と、セラミック部材３３と、を有している。

第１金属部材３１は、管軸ＴＡを中心軸とする筒状に形成されており、管軸ＴＡに沿った方向に延出し、陰極１０および陽極ターゲット２０を囲むように配置されている。詳しくは、第１金属部材３１は、筒部３１ａと、筒部３１ａの一端に接続され、開口を有した板部３１ｂ、筒部３１ａの他端に接続され環部３１ｃと、を有し、これらが一体となって形成されている。真空側において、板部３１ｂには、開口を塞ぐように陽極ターゲット２０が接続されている。第１金属部材は、Ｘ線放射窓３１Ｗを有している。Ｘ線放射窓３１Ｗは、筒部３１ａの開口を塞ぐように設けられている。Ｘ線放射窓３１Ｗは、陽極ターゲット２０から放出されるＸ線を透過して外部に放出させる。

第２金属部材３２は、管軸ＴＡを中心とする筒状に形成され、管軸ＴＡに沿った方向に延出している。第２金属部材は、第１金属部材と同軸的に設けられている。第２金属部材３２は、第１金属部材３１の環部３１ｃに接続されている。第２金属部材３２において、環部３１ｃに接続される箇所が第２金属部材３２の側面または内面でないことはいうまでもない。第２金属部材３２は、管軸ＴＡに垂直な方向に陰極１０を囲んでいる。第２金属部材３２の厚みは小さい。第２金属部材３２の厚みは、第２金属部材３２の管軸ＴＡに沿った方向の長さより短い。第２金属部材３２は、後述する低熱膨張率を有するセラミック部材３３と接合するため、第１金属部材３１の熱膨張率より低い熱膨張率を有する材料、例えばコバールなど金属によって形成されている。

セラミック部材３３は、第２金属部材３２の一端を塞ぐように配置され、第２金属部材３２および陰極１０と気密に接続されている。セラミック部材３３は、電気絶縁性を示すものである。セラミック部材３３は、陰極１０の外面から管軸ＴＡに垂直な方向に突出するように形成されている。セラミック部材の真空側の面と反対側の面は、平坦である。

陰極１０は、さらに第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂを有している。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂは、それぞれフィラメント１１および集束電極１２に接続されている。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂは、外面がセラミック部材３３に接続され、真空外囲器３０の外側まで延出している。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂと、第２金属部材３２とは、セラミック部材３３によって電気的に絶縁されている。つまり、セラミック部材３３は、陰極１０と、第２金属部材３２に接続された陽極ターゲット２０とを電気的に絶縁する高電圧絶縁部材である。

Ｘ線管は、さらに、アダプタ４０、伝熱媒体５０を備えている。

アダプタ４０は、第１金属部材３１の環部３１ｃ上に配置されている。アダプタ４０は、管軸ＴＡに垂直な方向に、第２金属部材３２を囲んでいる。ここでは、アダプタ４０は、枠状に形成され、管軸ＴＡに沿った方向に延出している。アダプタ４０の一端は、第１金属部材３１の環部３１ｃと接する。アダプタ４０を固定するため、アダプタ４０は、例えば環部３１ｃにろう付あるいはねじ止めされている。図２示すように、アダプタ４０の他端には、陰極１０と陽極ターゲット２０に高電圧を印加する高電圧プラグを固定する固定用ネジ穴４０Ａが設けられている。アダプタ４０は、第２金属部材３２の熱伝導率より高い熱伝導率を有する。アダプタ４０は、例えば銅（Ａｕ）、真鍮、アルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。

伝熱媒体５０は、セラミック部材３３とアダプタ４０との間に配置され、第２金属部材３２およびアダプタ４０と接している。伝熱媒体５０は、高熱伝導率を有する例えば銅（Ａｕ）によって形成されている。なお、伝熱媒体５０は、アダプタ４０および第２金属部材３２との接触を確実にするため、金属でメッシュ状またはバネ性を有する形状に形成されることが望ましい。

Ｘ線管１は、さらに陽極ターゲット２０を冷却する冷却機構６０を備えている。冷却機構６０は、一部が真空外囲器３０の第１金属部材３１と接続されている。冷却機構６０は、冷却液が流れる冷却路６０Ｐを形成している。ここでは、冷却液には、陽極ターゲット２０から放出される熱が直接的に伝達される。また、冷却液には、陰極から放出される熱がセラミック部材３３、第２金属部材５２、伝熱媒体５０、アダプタ４０および第１金属部材３１を介して間接的に伝達される。冷却液は、例えば、純水、水溶液、絶縁油である。純水および水溶液は、絶縁油と比較して、熱伝導率が高いため、冷却水として純水および水溶液を用いると、陽極ターゲット２０をより冷却することができる。

高電圧プラグ７０は、陰極１０に高電圧を与えるためのものである。高電圧プラグ７０は、蓋部７１と、蓋部７１に充填されたエポキシ樹脂７２と、エポキシ樹脂７２とセラミック部材３３との間に位置した電気絶縁材としてのシリコーンプレート７３と、高電圧ケーブル７４を有している。シリコーンプレート７３は、開口部を有している。

高電圧ケーブル７４は、エポキシ樹脂７２で覆われ、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３とＢ対向している。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂは、シリコーンプレート７３の開口部を介して高電圧ケーブル７４に接続されている。シリコーンプレート７３は、セラミック部材３３に密着されている。

Ｘ線管１の動作時には、Ｘ線管１に高電圧プラグが接続される。高電圧プラグ７０は、アダプタ４０に設けられた固定用ネジ穴４０Ａおよび図示しないネジを用いることによって固定される。陽極ターゲット２０には、相対的に正の電圧が印加される。ここでは、陽極ターゲット２０は、接地されている。また、高電圧プラグ７０は、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂに接続され、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂを介して、フィラメント１１および集束電極１２に相対的に負の高電圧が印加される。これにより、陰極１０と陽極ターゲット２０との間に高電圧が印加され、フィラメント１１から放出された電子が陽極ターゲット２０に衝突し、Ｘ線が発生し、Ｘ線放射窓３１ＷからＸ線が放出される。

Ｘ線管１の動作時において、電子が陽極ターゲット２０に衝突することによって生じる熱は、陽極ターゲット２０が冷却液と接しているため、冷却液を媒介として、Ｘ線管１の外部へ放出される。

一方、陰極１０に負の高電圧を印加されることによって発生する熱は、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂと接続されたセラミック部材３３に伝達される。セラミック部材３３に伝達された熱は、第２金属部材３２がコバールなどの金属によって形成されているため、第２金属部材３２を介して第１金属部材３１に十分に伝達できない。しかし、伝熱媒体５０は、高い熱伝導率を有するため、陰極１０からセラミック部材３３に伝達された熱は、第２金属部材３２、伝熱媒体５０およびアダプタ４０を介して、第１金属部材３１に伝達される。第１金属部材３１に伝達された熱は、冷却液を媒介として、Ｘ線管１の外部へ放出される。つまり、陰極１０で発生した熱は、セラミック部材３３、第２金属部材３２、伝熱媒体５０、アダプタ４０、第１金属部材３１を介して、冷却機構６０の冷却液を媒介として、Ｘ線管１の外部へ放出される。

これにより、Ｘ線管１と高電圧プラグとの接続部を冷却することが可能となり、Ｘ線管１と高電圧プラグとの高電圧接続の安定化を確保することができる。以上説明したように、本実施形態において、信頼性の高いＸ線管１を得ることができる。

また、本実施形態において、陽極ターゲット２０を冷却する冷却機構６０の冷却路６０Ｐを陰極１０まで引き伸ばすことなく、陰極１０で発生した熱を放熱することができる。つまり、Ｘ線管１の大きさを変えることなく、１つの冷却機構６０により、陰極１０および陽極ターゲット２０に生じる熱を外部に効率よく放出することができる。

ここでは、伝熱媒体５０が第２金属部材３２と接するように配置されている例について説明したが、この例に限らず、図４に示すように、伝熱媒体５０は、セラミック部材３３に接するように配置されていてもよい。このとき、第２金属部材３２は、セラミック部材３３と密接されているが、セラミック部材３３と伝熱媒体５０との間に介在していないため、陰極１０で発生した熱を効率良く放熱することができる。

ここでは、真空外囲器３０の第１金属部材３１が略筒状に形成され、陽極ターゲット２０と接続されているが、第１金属部材は、筒状に形成されていなくてもよく、種々変形可能である。板部３１ｂに形成された開口は閉塞されていてもよい。このとき、真空側の第１金属部材３１の板部３１ｂ上に陽極ターゲット２０を配置すればよい。これにより、陽極ターゲット２０に生じる熱は、第１金属部材３１（板部３１ｂ）を介して冷却液に伝導されるため、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、ここでは、真空外囲器３０の第１金属部材３１が１つのＸ線放射窓３１Ｗを有している例について説明したが、この例に限らず、複数のＸ線放射窓３１Ｗを有していてもよい。複数のＸ線放射窓３１Ｗを有することにより、Ｘ線を複数方向に放射することができる。

なお、第２金属部材３２の厚み（内径と外径との差）は小さく、アダプタ４０の厚みより小さい。このため、第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に熱膨張係数に大きな差があり、第１金属部材３１と第２金属部材３２とが接続されにくい場合においても、第１金属部材３１と第２金属部材３２の気密性を維持することができる。

なお、本実施の形態において、セラミック部材３３が管軸ＴＡに垂直な一平面上に広がるように環状に形成されているため、Ｘ線管１の全長を短くすることができ、Ｘ線管１の小型化が可能になる。また、陰極１０からアダプタ４０への熱の伝導パスを短くできるため、陰極１０で発生した熱を効率良く放出することができる。さらに、本実施の形態において、セラミック部材３３の真空側の面と反対側の面が平坦に形成されているため、Ｘ線管１の小型化が可能になる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０…陰極２０…陽極ターゲットＴＡ…管軸３０…真空外囲器３１…第１金属部材３１Ｗ…Ｘ線放射窓３２…第２金属部材３３…セラミック部材４０…アダプタ５０…伝熱媒体６０…冷却機構

Claims

電子を放出する陰極と、
前記陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲットと、
前記陽極ターゲットと接続され管軸に沿った方向に延出し、Ｘ線放射窓を有する第１金属部材と、前記第１金属部材に接続され管軸に沿った方向に延出し、前記管軸に垂直な方向に前記陰極を囲み前記第１金属部材の熱膨張率より低い熱膨張率を有する第２金属部材と、前記第２金属部材および前記陰極と接続され、前記陰極から前記管軸に垂直な方向に突出するように環状に形成され電気絶縁性を示すセラミック部材と、を有し、前記陰極および前記陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、
前記第１金属部材と接するように配置され、前記管軸に垂直な方向に前記第２金属部材を囲み前記第２金属部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有するアダプタと、
前記セラミック部材と前記アダプタとの間に配置された伝熱媒体と、
前記第１金属部材と接続され、前記陽極ターゲットから放出される熱が直接または第１金属部材を介して間接的に伝導され、前記陰極から放出される熱が前記セラミック、前記伝熱媒体、前記アダプタおよび前記第１金属部材を介して間接的に伝導される冷却液が流れる冷却路を形成する冷却機構と、
を備えたＸ線管。
前記冷却液は、純水である請求項１に記載のＸ線管。
前記冷却液は、主要な成分が水である水溶液であり、
前記陽極は、接地されている請求項１に記載のＸ線管。
前記第２金属部材は、筒状に形成され、
前記セラミック部材および前記伝熱媒体は、前記第２金属部材の厚さ方向に、前記第２金属部材を挟んで対向している請求項１のＸ線管。
前記伝熱媒体は、前記セラミック部材に接している請求項１のＸ線管。
前記第２金属部材は、筒状に形成され、
前記アダプタは、枠状に形成され、
前記第２金属部材の厚さは、前記アダプタの厚さより小さい請求項１のＸ線管。
前記伝熱媒体は、金属でメッシュ状またはバネ性を有する形状に形成されている請求項１のＸ線管。
前記セラミック部材の真空側の面と反対側の面は、平坦である請求項１に記載のＸ線管。