JP5405413B2 - X線管の液体冷却 - Google Patents
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Description
1つの例示的な実施形態は、X線管を含む。X線管は、真空容器と、真空容器内に配設された陽極とを含む。陽極は、電子放出体によって放出される電子を受取るように構成される。X線管は、また、真空容器のポート内に配設された真空容器窓を含む。真空容器窓は、第1の軸および第2の軸を含み、第1の軸は、第2の軸より短い。冷媒の流れを誘導する手段は、冷媒が、第1の軸に実質的に平行な方向に真空容器窓の外部表面にわたって流れるようにさせる。
を最適化することを含む。
本発明の一部の実施形態の種々の態様をさらに明確にするために、本発明のより特定の説明が、添付図面に示す本発明の特定の実施形態を参照して行われる。これらの図面は、本発明の典型的な実施形態だけを示し、したがって、その範囲の制限と考えられるべきでないことが理解される。本発明は、添付図面の使用によって、さらなる具体性および詳細を持って述べられ説明される。
少なくとも一部の例示的な実施形態では、X線管は、真空容器窓に衝当する後方散乱電子によって加熱されるX線管の真空容器窓にわたって冷媒の流れを誘導するプレナムまたは他の手段を含む。一部の例示的な実施形態は、真空容器と、真空容器内に配設され、かつ、電子放出体によって放出される電子を受取るように構成された陽極と、真空容器のポート内に配設された真空容器窓と、真空容器に取り付けられ、かつ、真空容器窓の短軸にわたって冷媒の流れを誘導するように構成されたプレナムとを有するX線管を含む。一部の実施形態では、真空容器窓の短軸にわたる冷媒の流れは、真空容器窓からの熱伝達率を増加させることができ、一部の他のX線管と比較して、信頼性および最大出力性能の増加をもたらす。
最初に、図1Aを参照する。図1Aは、全体が100で示される第1の回転陽極型X線管の略構造を示す。図1AのX線管100は、断面で示される。X線管100は、外側ハウジング102を含み、その内部に真空容器が配設される。また、冷媒105も外側ハウジング102内に配設され、真空容器104の周りを循環して、X線管の冷却を補助し、真空容器104と外側ハウジング102との間の電気絶縁を提供する。一部の実施形態では、冷媒105は、一部の用途について所望の熱特性および電気絶縁特性を示す、電気絶縁油などの冷却流体を含むが、これに代えて、または、これに加えて、電気絶縁油以外の冷却流体が、X線管100において実施されうる。一部の実施形態では、冷媒105は、以下でより詳細に説明されるように、真空容器104の周りで特定の高温領域に意図的に誘導される。
けて偏向される。これらの偏向した電子は、本明細書で「後方散乱電子(backscatter electrons)」と呼ばれ、図1Aにおいて110Bで示される。後方散乱電子110Bは、相当な量の運動エネルギーを有する。後方散乱電子110Bが真空容器窓118の内部表面に衝当すると、後方散乱電子110Bの相当な量の運動エネルギーが、熱エネルギーとして真空容器窓に伝達される。
る。冷媒105は、真空容器キャビティ140B、140Cを通ってF(図1C)まで流れ、次に、第2のホース144に入る。冷媒105は、第2のホース144を通ってG(図1A、1C)まで流れ、冷媒戻り部146を介してX線管100を出る。一部の実施例では、冷媒戻り部146を出る冷媒105は、ポンプによって外部熱交換器に循環されるか、または、冷媒供給部138を介してX線管100内に戻るように循環される前に、その他の方法で冷却される。
一部の実施形態によれば、プレナム136は、真空容器窓118の外部表面にわたる冷媒105の流れを最適化するように構成される。冷媒105の流れは、後方散乱電子110Bが真空容器窓118の内部表面に衝当するときの、後方散乱電子110Bの分布に基づいて最適化されうり、その分布は、真空容器窓118の内部表面から外部表面への熱エネルギー束および真空容器窓118の外部表面の熱エネルギー集中度に直接影響を及ぼす。したがって、冷媒105の流れがどのように最適化されるかを説明する前に、以下の段落では、後方散乱電子110Bが真空容器窓118に衝当するときの後方散乱電子110Bの考えられる1つの分布を述べる。
れる。図示するように、焦点トラック112は、任意に規定されるx−y平面に対して傾斜を付けられる。一部の実施形態では、とりわけ、焦点トラック112の角度のために、後方散乱電子110Bは、一般に、真空容器窓118の内部表面118Cに衝当する可能性があり、z方向不均一分布は、陽極側118Bよりも陰極側118Aの近くに集中する。
図3Aおよび3Bをさらに参照すると、例示的なプレナム136の斜視図および平面図が開示される。図3Aに示すように、複数の構造302が使用されて、プレナム136を
形成するように、2つ以上の別個の部品が共に固定される。たとえば、第1のセットの構造302は、プレナム136の第1の部分上に形成され、第2のセットの構造302は、プレナム136の第2の部分上に形成され、プレナム136の第1の部分および第2の部分はそれぞれ、別個の部品である。プレナム136の第1の部分上の構造は、一般に、プレナム136の第2の部分上の構造と整列され得、それによって、ネジ、ボルト、接着剤、または他の固定手段を使用して、構造302を介して、プレナム136の2つの部分を共に固定することができる。他の実施形態では、プレナム136は、一体成型コンポーネントである。
す。
を、真空容器窓118の外部表面118Dにわたって陽極側118Bから陰極側118Aへ、次に、開口310を介して第2の端部308内に誘導することになる。
図1A〜2Cおよび5を組合せて参照して、X線管を冷却する方法500の一実施形態が開示される。方法500は、たとえば、図1A〜1CのX線管100を含む、種々のデバイスおよび作動環境で使用されうる。方法500は、X線管100の冷却システム内で冷媒の流れを生成すること(502)によって開始する。たとえば、冷媒の流れは、冷却システムに接続されるポンプによって生成され(502)、そのポンプは、X線管100の一部として含まれてもよく、または、X線管100と分離してもよい。
図6Aおよび6Bを最初に参照して、例示的なX線管700を収容する例示的なハウジング600が開示される。図6Aに開示するように、例示的なハウジング600の内部表面は、冷媒リザーバを画定する。さらに、リザーバ窓602がハウジング600内に搭載される。リザーバ窓602は、ベリリウムまたは他の適した材料(複数可)などのX線透過性材料からなる。
線管窓706およびリザーバ窓602を通過して、意図されるターゲット(図示せず)に衝当し、それにより、X線画像(図示せず)が生成される。したがって、窓706は、X線管700がその中に少なくとも部分的に浸漬される液体冷媒620からの圧力から、X線管700の真空容器を真空に封止し、その上、回転陽極710によって発生するX線712aが、X線管700を出て、冷媒620を通過し、ハウジング600内に搭載される対応する窓602を通ってハウジング600を出ることを可能にする。
継続して図6Aを参照すると、また、図7Aおよび7Bも参照して、例示的なX線管液体冷媒循環システムの態様が開示される。例示的なX線管液体冷媒循環システムは、一般に、液体冷媒620を循環させることによって、アパーチャ本体800およびX線管窓706内の熱を含む、X線管700内の熱を消散させるように機能する。1つの例示的な実施形態では、液体冷媒620は、電気絶縁性液体冷媒であってよい。電気絶縁性液体の例は、フルオロカーボンまたはシリコンベースオイル、SYLTHERM、または脱イオン水を含むが、それに限定されない。例示的なX線管液体冷媒循環システムは、熱交換器、または、熱交換器と例示的なハウジング600とX線管700との間で冷媒620を循環するように機能する冷媒620(図示せず)を冷却する他の手段を含む。
)に循環されるか、または、ハウジング600内に戻るように循環される前に、その他の方法で冷却される。
継続して図7Aおよび7Bを参照すると、フィンセット900の態様が開示される。図7Bに開示するように、各フィンセット900は、接続表面902および複数のフィン904を含む。各フィンセット900は、アパーチャ本体800の外部表面802および804または外部表面804および806に取り付けられるように構成される。少なくとも一部の例示的な実施形態では、フィンセット900は、缶704が形成される材料の熱伝導率より大きい熱伝導率を有する材料から形成され得る。たとえば、フィンセット900は、アパーチャ本体800が形成されるのと同じ材料から形成されてもよい。さらにフィンセット900は、たとえば、銅またはアルミニウムから押出し加工されてもよい。図7Aおよび7Bに開示するように、各フィンセット900は、締結具906を使用してアパーチャ本体800に取り付けられてもよい。あるいは、各フィンセット900は、代わりに、たとえば、アパーチャ本体800に、機械的に取り付けられる、接着剤で取り付けられる、ろう接される、またはその他の方法で取り付けられてもよい。
図8Aおよび8Bを参照して、アパーチャ本体800のさらなる態様が開示される。図8Aに開示するように、アパーチャ本体800は、複数の外部表面を画定し、複数の外部表面は、それぞれ、X線管700が少なくとも部分的に浸漬される(図6Aを参照されたい)循環性冷媒620にさらされるように構成される。たとえば、アパーチャ本体800は、それぞれが、循環性冷媒620に直接的にさらされるように構成される、外部前部表
面802、外部側部表面804および806、ならびに外部上部表面808を画定する。表面802〜808の表面積を合計すると、アパーチャ本体800の外部表面の面積の少なくとも50%が、X線管700が少なくとも部分的に浸漬される循環性冷媒620に直接的にさらされるように構成されることになる。本明細書で使用される、句「アパーチャ本体800の外部表面(the exterior surfaces of the aperture body 800)」は、アパーチャ本体800によって完全に囲まれていないアパーチャ本体800の表面を指す。たとえば、「アパーチャ本体800の外部表面」は、以下で説明するように、アパーチャ801の内部表面も、内部冷媒通路824および826の内部表面も含まない。
に、アパーチャ本体800の第1および/または第2の内部冷媒通路内に挿入されてもよいことが理解される。第1のフィン828および第2のフィン830は第1および第2の内部冷媒通路824および826の内部表面の表面積を効果的に拡大し、したがって、これらの表面の熱伝達率を増加させる。
媒通路824および826を通って流れ、第1および第2のフィン828および830を通過するため、循環性冷媒620は、後方散乱電子708a(図6Bを参照されたい)の衝突によって生じるアパーチャ本体800内の熱を、循環性冷媒620に伝達するように機能する。さらに、少なくとも一部の例示的な実施形態では、冷媒620が、第1および第2の内部冷媒通路824および826を通って循環するとき、循環性冷媒620に対する、後方散乱電子708a(図6Bを参照されたい)の衝突によって生じるアパーチャ本体800内の熱の伝達率を高めるために、冷媒620の沸騰が誘発されてもよい。
図9を参照して、アパーチャ本体800および缶704のさらなる態様が開示される。図9に開示するように、アパーチャ本体800は、缶704によってそれぞれ画定される2つの対応する直交ろう接表面704aおよび704bにろう接されるように構成される2つの直交ろう接表面800aおよび800bを画定する。1つの例示的な実施形態では、このろう接は、直交ろう接表面800aおよび800bならびに704aおよび704bに対応する形状を有するろう接ワッシャ1000を使用することによって達成され、これは、アパーチャ本体800を缶704にろう接するプロセスを簡単にし得る。アパーチャ本体800および缶704の直交ろう接表面上でのろう接は、X線管700で実施される、逆L形状アパーチャ本体800の複雑な幾何形状などの複雑な形状を可能にする。
Claims (40)
- X線管であって、
真空容器と、
前記真空容器内に配設され、かつ、電子放出体によって放出される電子を受取るように構成された陽極と、
前記真空容器のポート内に配設された真空容器窓であって、第1の軸および第2の軸を含み、前記第1の軸は、前記第2の軸より短い、真空容器窓と、
前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記第1の軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって流れるように冷媒を誘導する冷媒誘導手段とを備え、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成され、前記冷媒誘導手段は、前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって冷媒の流れを誘導するように前記真空容器窓に対して配設されるX線管。 - 前記冷媒誘導手段は、プレナムである請求項1に記載のX線管。
- 前記冷媒誘導手段は、前記外部表面にわたって冷媒の流れを変動させる手段をさらに備える請求項1に記載のX線管。
- 冷媒の流れを変動させる前記手段は、前記冷媒誘導手段内に形成された複数の開口を備え、前記複数の開口は寸法が不均一である請求項3に記載のX線管。
- 冷媒の流れを変動させる前記手段は、前記冷媒誘導手段内に形成されたテーパ付き開口を備え、前記テーパ付き開口は、中央部および2つの側部を有し、前記テーパ付き開口の前記中央部は、前記テーパ付き開口の前記側部より幅が広い請求項3に記載のX線管。
- 前記冷媒を循環させるように構成された冷却システムをさらに備え、前記冷却システムは、前記真空容器内に形成された1つまたは複数のキャビティと、冷媒供給部と、冷媒戻り部と、1つまたは複数のホースとを含む請求項1に記載のX線管。
- X線管を冷却する方法であって、
真空容器窓を備えるX線管内で冷媒の流れを生成することであって、前記真空容器窓は、第1の軸および第2の軸を含み、前記第1の軸は前記第2の軸より短い、生成すること、
前記第1の軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって冷媒を誘導すること、および、
前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記外部表面にわたって冷媒の流れを最適化することを含み、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成されており、前記冷媒の流れは前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって誘導される、方法。 - 前記不均一分布に従って冷媒の流れを最適化することは、前記外部表面にわたって前記冷媒の流れを変動させることを含む請求項7に記載の方法。
- 前記外部表面にわたって前記冷媒の流れを変動させることは、前記外部表面の第2エリアよりも前記外部表面の第1エリアにわたって高体積の冷媒を誘導することを含む請求項8に記載の方法。
- 前記外部表面にわたって前記冷媒の流れを変動させることは、前記外部表面の第1エリアにわたって流れる前記冷媒の第1の部分が、前記外部表面の第2エリアにわたって流れる前記冷媒の第2の部分より大きな速度で流れるように誘導することを含む請求項8に記載の方法。
- 前記不均一分布に従って冷媒の流れを最適化することは、前記外部表面の第2エリアにわたって前記冷媒を誘導する前に、前記外部表面の第1エリアにわたって最初に前記冷媒を誘導することを含み、前記第1エリアは、前記第2エリアに比べて高集中度の熱エネルギーを有する請求項7に記載の方法。
- X線管であって、
外側ハウジングと、
前記外側ハウジング内に配設された真空容器であって、短軸を有する真空容器窓を含む、真空容器と、
前記真空容器内に配設され、かつ、電子を放出するように構成された電子放出体と、
前記電子放出体によって放出される電子を受取るように前記真空容器内に配設され、かつ、前記短軸に実質的に平行な回転軸を規定する陽極と、
プレナムとを備え、前記プレナムは、前記外側ハウジング内に配設され、かつ、前記プレナム内に形成された少なくとも1つの開口を有する端部を有し、前記プレナムは、前記端部が前記短軸に対し実質的に垂直であるように配列されており、前記プレナムは、前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記短軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって流れるように冷媒を誘導するよう構成されており、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成されており、前記プレナムは、前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって冷媒の流れを誘導するように前記真空容器窓に対して配設されているX線管。 - 前記プレナムは、前記少なくとも1つの開口から出て前記真空容器窓の外部表面にわたって冷媒を誘導するように構成された放出プレナムを備える請求項12に記載のX線管。
- 前記少なくとも1つの開口を有する前記端部は、前記外側ハウジング内において前記第
2の側よりも前記第1の側の近くに配設される請求項13に記載のX線管。 - 前記プレナムは、前記真空容器窓の外部表面にわたって前記少なくとも1つの開口内に冷媒を誘導するように構成された取込みプレナムを備える請求項12に記載のX線管。
- 前記少なくとも1つの開口を有する前記端部は、前記外側ハウジング内において前記第1の側よりも前記第2の側の近くに配設される請求項15に記載のX線管。
- 前記少なくとも1つの開口は、寸法が不均一な複数の開口を含む請求項12に記載のX線管。
- 前記複数の開口は、少なくとも、中央開口および2つの端部開口を含み、前記中央開口の寸法は、前記2つの端部開口のいずれの寸法よりも大きい請求項17に記載のX線管。
- 前記少なくとも1つの開口は、中央部および2つの側部を有するテーパ付き開口を含み、前記テーパ付き開口の前記中央部は、前記テーパ付き開口の前記側部より幅が広い請求項12に記載のX線管。
- 液体冷媒内に少なくとも部分的に浸漬されるように構成されたX線管であって、
陰極ハウジング内に少なくとも部分的に配置された陰極と、
第1の材料から形成される缶内に少なくとも部分的に配置された陽極と、
第2の材料から形成されたアパーチャ本体とを備え、前記アパーチャ本体は、前記陰極ハウジングを前記缶に結合し、前記アパーチャ本体は、前記陰極と前記陽極との間に電子が通過し得るアパーチャを画定し、前記アパーチャ本体は、少なくとも2つの外部表面を画定し、前記少なくとも2つの外部表面は、それぞれ、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒にさらされるように構成されており、
前記X線管は、
前記X線管の真空容器のポート内に配設された真空容器窓であって、第1の軸および第2の軸を含み、前記第1の軸は、前記第2の軸より短い、真空容器窓と、
前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記第1の軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって流れるように冷媒を誘導する冷媒誘導手段と、をさらに備え、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成されており、前記冷媒誘導手段は、前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって冷媒の流れを誘導するように前記真空容器窓に対して配設されている、X線管。 - 前記アパーチャ本体は、少なくとも4つの外部表面を画定し、前記少なくとも4つの外部表面は、それぞれ、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒にさらされるように構成される請求項20に記載のX線管。
- 前記アパーチャ本体は、前記真空容器窓が取り付けられる窓枠であって、前記陽極で生成されたX線が通って前記アパーチャ本体を出ることができる窓枠をさらに画定する請求項20に記載のX線管。
- 前記陰極ハウジング、前記アパーチャ本体、前記真空容器窓、および前記缶は、少なくとも部分的に前記真空容器を画定する請求項22に記載のX線管。
- 前記アパーチャ本体は、前記窓枠を囲む第1の内部冷媒通路をさらに画定する請求項23に記載のX線管。
- 液体冷媒内に少なくとも部分的に浸漬されるように構成されたX線管であって、
陰極ハウジング内に少なくとも部分的に配置された陰極と、
第1の材料から形成される缶内に少なくとも部分的に配置された陽極と、
第2の材料から形成されたアパーチャ本体とを備え、前記アパーチャ本体は、前記陰極ハウジングを前記缶に結合し、前記アパーチャ本体は、前記陰極と前記陽極との間に電子が通過し得るアパーチャを画定し、前記アパーチャ本体は、1つまたは複数の外部表面をさらに画定し、前記アパーチャ本体の前記外部表面の面積の少なくとも50%は、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒にさらされるように構成されており、
前記X線管は、
前記X線管の真空容器のポート内に配設された真空容器窓であって、第1の軸および第2の軸を含み、前記第1の軸は、前記第2の軸より短い、真空容器窓と、
前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記第1の軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって流れるように冷媒を誘導する冷媒誘導手段と、をさらに備え、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成されており、前記冷媒誘導手段は、前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって冷媒の流れを誘導するように前記真空容器窓に対して配設されているX線管。 - 前記アパーチャ本体は、前記アパーチャを囲む第1の内部冷媒通路をさらに画定する請求項25に記載のX線管。
- 前記第1の内部冷媒通路内に配置されたフィンをさらに備える請求項26に記載のX線管。
- 前記フィンは、前記アパーチャ本体の窪んだ領域によって、前記第1の内部冷媒通路内の所定場所に固定される請求項27に記載のX線管。
- 前記第1の内部冷媒通路は、前記アパーチャ本体に取り付けられた1つまたは複数の板によって、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒から、少なくとも部分的に封止される請求項26に記載のX線管。
- 前記アパーチャ本体は、前記真空容器窓が取り付けられる窓枠であって、前記陽極で生成されたX線が通って前記アパーチャ本体を出ることができる窓枠をさらに画定し、
前記アパーチャ本体は、前記窓枠を囲む第2の内部冷媒通路をさらに画定する請求項26に記載のX線管。 - 前記真空容器窓の両側で前記アパーチャ本体上に配置された流れガイドをさらに備え、前記流れガイドは、前記真空容器窓にわたって流れるように前記冷媒を誘導するように構成される請求項30に記載のX線管。
- 前記真空容器窓が取り付けられる前記窓枠の部分は、前記アパーチャ本体の上部表面の上に延在する請求項30に記載のX線管。
- 前記第2の内部冷媒通路は、前記第1の内部冷媒通路と重なっている請求項30に記載のX線管。
- 前記第1および第2の内部冷媒通路の重なっている部分は、前記窓枠に近接するトレンチを画定する請求項33に記載のX線管。
- 前記第1の材料は、ステンレス鋼を含み、かつ、第1の熱伝導率を有し、
前記第2の材料は、前記第1の熱伝導率より大きい第2の熱伝導率を有する請求項25に記載のX線管。 - 前記アパーチャ本体の1つまたは複数の外部表面に取り付けられた複数のフィンをさらに備え、前記フィンは、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒にさらされるように構成される請求項25に記載のX線管。
- 液体冷媒内に少なくとも部分的に浸漬されるように構成されたX線管であって、
陰極ハウジング内に少なくとも部分的に配置された陰極と、
ステンレス鋼を含む材料から形成される缶内に少なくとも部分的に配置された陽極と、
銅を含む材料から形成されたアパーチャ本体とを備え、前記アパーチャ本体は、前記陰極ハウジングを前記缶に結合し、前記アパーチャ本体は、前記陰極と前記陽極との間に電子が通過し得るアパーチャを画定し、前記アパーチャ本体は、前記缶によって画定される2つの対応する直交するろう接表面にろう接される、2つの直交するろう接表面をさらに画定しており、
前記X線管は、
前記X線管の真空容器のポート内に配設された真空容器窓であって、第1の軸および第2の軸を含み、前記第1の軸は、前記第2の軸より短い、真空容器窓と、
前記真空容器窓の内部表面に衝当する後方散乱電子の不均一分布に従って前記第1の軸に実質的に平行な方向に前記真空容器窓の外部表面にわたって流れるように冷媒を誘導する冷媒誘導手段と、をさらに備え、
前記真空容器窓は、第2の側に比べて第1の側で高濃度の後方散乱電子を受取るように構成されており、前記冷媒誘導手段は、前記第1の側から前記第2の側へ前記外部表面にわたって冷媒の流れを誘導するように前記真空容器窓に対して配設されているX線管。 - 前記アパーチャ本体の前記2つの直交するろう接表面は、前記直交するろう接表面に相当する形状を有するろう接ワッシャを使用することによって、前記缶の2つの対応する直交するろう接表面にろう接される請求項37に記載のX線管。
- 前記アパーチャ本体の1つまたは複数の外部表面に取り付けられた複数のフィンをさらに備え、前記フィンは、X線管が少なくとも部分的に浸漬される前記液体冷媒にさらされるように構成される請求項37に記載のX線管。
- 前記フィンは、前記缶が形成される材料の熱伝導率より大きい熱伝導率を有する材料から形成される請求項39に記載のX線管。
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