JP5461400B2 - 回転陽極型の高出力ｘ線管構成に対する陽極ディスク構造のハイブリッド設計 - Google Patents

Description

本発明は、高出力Ｘ線源、特に、従来のＸ線源において使用する先行技術による従来の回転陽極より大幅に高い短時間ピーク出力を供給することができる回転陽極を備えたＸ線管構成に関する。ここで提案される設計原理は、これにより、陽極の極度に速い回転を可能にし、焦点軌道材料に隣接した領域において高い熱伝導率を持つ軽量材料を導入することによりピーク出力の熱的制限を克服することを目指す。このような高速回転陽極ディスクは、有利には、材料検査に対して又は医学的放射線撮影、例えば心臓ＣＴの範囲のようなリアルタイムで動いている対象の画像データを取得することを必要とされるＸ線撮像応用、又は高速画像データ取得を必要とする他のＸ線撮像応用に対してＸ線管に使用されることができる。本発明は、更に、セグメント化された陽極ディスクを持つ高速回転陽極設計に関する。

現在のＣＴシステムにおいて、ガントリに取り付けられたＸ線管は、Ｘ線のコーンビームを生成しながら検査されるべき患者の体の長手軸の周りを回転する。前記ガントリ上の前記Ｘ線管の反対に取り付けられた検出器システムは、前記患者の体を通過することにより減衰された検出されたＸ線を電気信号に変換しながら前記患者の長手軸の周りを同じ方向に回転する。ワークステーション上で実行される画像レンダリングシステムは、この場合、ボクセル化容量データセットから前記患者の内部の平面リフォーマット画像、表面陰影表示又は容量レンダリング画像を再構成する。

不幸なことに、Ｘ線管に印加される出力の約９９％以上が熱に変換される。効率的な放熱は、このように、現在の高出力Ｘ線管の開発において直面する最大の挑戦の１つを表す。Ｘ線管全体としての機能及び耐用年数に関する重要性をかんがみて、前記陽極は、通常は、Ｘ線管設計の最も重要な主題である。

静止陽極と比較して、回転陽極型のＸ線管は、焦点スポット上に付与される熱エネルギを焦点軌道のより大きな表面にわたり分配する利点を提供する。これは、短い動作時間に対する出力の増大を可能にする。しかしながら、前記陽極は、ここで真空中で回転しているので、管エンベロープの外への熱エネルギの伝達は、放射線に大きく依存し、これは、静止陽極において使用される液体冷却ほど効果的ではない。回転陽極は、このように、高い蓄熱容量に対して、及び陽極と管エンベロープとの間の良好な放射熱交換に対して設計される。回転陽極に関連した他の問題点は、真空下のベアリングシステムの動作及び前記陽極の高温の破壊力に対するこのシステムの保護である。

回転陽極Ｘ線管の初期には、前記陽極の限定された蓄熱容量が、高い管性能に対する主要な障害であった。これは、以下の新しい技術の導入で変化し、すなわち、前記陽極にろう付けされたグラファイトブロックが、蓄熱容量及び放熱を劇的に増大し、液体陽極ベアリングシステム（スライディングベアリング）が、周囲の冷却オイルに対する熱伝導性を提供し、回転エンベロープ管は、前記回転陽極の裏側に対する直接的な液体冷却を可能にする。

タングステンは、医学的応用に対して設計された複数のＸ線管陽極における標準的な標的材料として開発された。回転陽極管の陽極ディスクは、通常は、主に耐熱性金属、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる本体上に堆積された１ないし２ｍｍの薄層のタングステン−レニウム（Ｗ／Ｒｅ）合金を含む。レニウムは、タングステンの延性を増大し、熱機械応力を減少し、陽極表面のより遅い粗面化のおかげで陽極耐用年数を増大させる。理想的な商用及び技術的合金は、５ないし１０％のレニウム（Ｒｅ）及び９０ないし９５％のタングステン（Ｗ）からなると決定された。

上述のように、モリブデン本体の裏側にろう付けされたグラファイトブロックの導入は、回転陽極技術の進歩を表す。この設計におけるグラファイトブロックは、前記陽極の蓄熱容量を大幅に増大すると同時に全体的な陽極の重量のわずかな増加しか必要としない。更に、放熱は、前記より大きな陽極表面及びモリブデンと比較して高いグラファイトの放出係数により加速される。モリブデン及びグラファイトは、ジルコニウムと、又はより高い動作温度に対してチタン（Ｔｉ）若しくは他の特別に設計されたろう付け用合金と一緒にろう付けされることができる。

前記陽極の過熱を提供する衝突する電子による熱応力により引き起こされる損傷を防止し、材料の蒸発を防ぐために、陽極ベース、焦点軌道及び焦点スポットの温度に関する情報に対するアクセスを持つことは重要である。

陽極ディスク温度は、電子により供給される出力Pと、放射線により放熱される出力P_Radと、熱伝導により放熱されるP_Condとの平衡から算出されることができる。

この式において、下付き文字iは、例えば金属ディスク、グラファイトリング及び他の材料のような複数の構成要素からなる陽極内の様々な材料を説明するのに使用され、Q_i(T)＝T・C_i(T)[J]は、温度T（ケルビン）の関数として個別の陽極構成要素iにより吸収される熱エネルギの量を示し、C_i(T)＝c_i(T)・m_i[J・K^-1]は、前記温度Tの関数として前記陽極構成要素iの熱容量を示し、c_i(T)[J・K^-1・g^-1]及びm_i[g]は、前記構成要素の比熱容量及び質量をそれぞれ示し、c_iは温度Tの関数である。ステファン・ボルツマンの法則により記述されるように、前記陽極ディスクは、熱放射により熱出力を大きく放散する。

ここで、T_Anode及びT_Envelopeは、前記陽極ディスク及び前記エンベロープの温度をそれぞれ示し、A_i(T)は、この陽極構成要素の表面積S_iにおける温度Tの関数としての陽極構成要素の陽極吸収係数であり、比例係数

は、ステファン・ボルツマン係数を示し、k≒1.38066・10^-23J・K^-1は、ボルツマン係数を示し、c≒2.99792458・10⁸m・s^-1は、真空中の光速であり、h≒6.6260693・10^-34Js≒4.13566743・10^-15eVsは、プランク定数である。

液体金属ベアリングを持つ陽極の場合、陽極熱の顕著な部分は、熱伝導により前記液体金属によっても放散される。これに関して、前記放散の効率が、前記Ｘ線管の熱伝導率κ[W・m^-2・K^-1]、ベアリング表面積S_B[m²]及び前記陽極ディスクの温度T_Anodeと冷却オイルの温度T_Oilとの間の温度差に依存する。

しかしながら、前記焦点スポットの温度は、前記陽極ディスクの温度より大幅に高い。標準的な焦点スポット寸法に対する０．０５より小さい短い負荷時間に対する温度上昇

は、

により近似されることができ、ここでP[W]はパワー入力を示し、A_F＝2δ・l[mm²]は、前記焦点スポットの面積を示し、Δt_Load[s]は負荷期間であり、λ[W・mm^-1・K^-1]は、熱伝導率を示し、c[J・K^-1・g^-1]は、比熱容量を示し、ρ[g・mm^-3]は、前記焦点軌道材料の質量密度であり、長い負荷時間に対する温度上昇

は、

により近似されることができ、ここでδ[mm]は、焦点スポット半値幅を示す。

静止陽極の場合、式(3a)の負荷期間Δt_Loadが、負荷が加えられる期間に対応するのに対し、間隔Δt_Load'による回転陽極の場合、前記焦点軌道上の点が前記陽極の１回転中に電子ビームにより衝突される時間期間を記述するために、この係数を置き換えることが必要である。

これにより、R[mm]は焦点軌道半径を示し、f[Hz]は陽極回転周波数である。式(3a)のΔt_Loadを式(4)からのΔt_Load'により置換することにより、

により近似されることができる、回転陽極の焦点スポットにおける温度上昇と、kが陽極の厚さ、熱放射及び半径方向の熱拡散からなる係数を示し、n＝Δt_Load・fが時間Δt_Load中の回転数を示す場合に、前記電子ビームにより加熱された多数の全ての表面要素により形成され、使用される標的上で高度に粗面化された円に見える前記標的上の焦点軌道の温度上昇

とを使用すると、合計焦点スポット温度上昇

を達成するのに必要な陽極出力は、上で与えられた式(5a)及び(5b)を組み合わせることにより、

として得られることができ、ここでl[mm]は焦点長を示す。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム等のようなＸ線撮像システムが、動いている対象を表現するのに使用される場合、動きアーチファクトの発生を防ぐように高速画像生成が典型的には必要とされる。一例は、人間の心臓のＣＴスキャン（心臓ＣＴ）である。この場合、100ms未満、すなわち心筋層が静止している心周期中の時間範囲内に高分解能及び高いカバレージで心筋層のフルＣＴスキャンを実行することが望ましい。高速画像生成は、それぞれのＸ線源の高いピーク出力を必要とする。医療又は産業Ｘ線撮像システムに対して使用される従来のＸ線源は、通常は、高真空管内の陰極により発せられる集束された電子ビームがおおよそ150keVまでの高い電圧により陽極上に加速されるＸ線管として実現される。前記陽極上の小さな焦点スポットにおいて、Ｘ線は、制動放射及び特性Ｘ線として生成される。電子ビーム出力からＸ線出力への変換効率は低く、最大で約１％ないし２％であるが、多くの場合には更に低い。結果として、高出力Ｘ線管の陽極は、特に焦点（約数平方ミリメートルの範囲の面積）内で、極度の熱負荷を持ち、これは、熱管理の特別な対策が取られない場合には前記管の破壊を生じる。Ｘ線陽極に対して一般に使用される熱管理技術は、
−非常に高い温度に耐えることができる材料を使用すること、
−熱を真空管の外に伝達するのは難しいので、大量の熱を蓄積することができる材料を使用すること、
−前記陽極の小さな角度を使用することにより光学的焦点を拡大することなしに熱的に効果的な焦点スポット面積を拡大すること、
−前記陽極を回転することにより熱的に効果的な焦点スポット領域を拡大すること、
を含む。

特に、最後の点は最も効果的である。前記電子ビームに対する焦点軌道の速度が速いほど、前記電子ビームが材料の同じ小体積に出力を与える時間を短くし、したがって、結果として生じるピーク温度が低くなる。高い焦点軌道速度は、前記陽極を大きな半径（例えば10cm）を持つ回転ディスクとして設計し、このディスクを高周波数（例えば150Hz以上）で回転することにより達成される。明らかに、前記陽極の半径及び回転速度は、遠心力により制限される。上述のように回転するディスク内の機械的応力は、おおよそρ・r²・ω²に比例し、ここでρ[g・cm^-3]は、使用される陽極ディスク材料の密度を示し、r[cm]は、半径であり、ω[rad・s^-1]は、前記陽極ディスクの回転周波数である。焦点軌道速度v_FT[cm・s^-1]は、r・ωに比例する。したがって、焦点軌道速度v_FTの増加は、前記陽極ディスク内の機械応力の増加を生じ、これは、前記陽極ディスクを最終的に割る。現在の高出力Ｘ線管は、ほとんど耐熱金属からなる。一方で、例えばタングステン（Ｗ）又はモリブデン（Ｍｏ）のような耐熱金属は、高い原子番号を持ち、より高いＸ線収率を提供する。したがって、これらは、前記焦点軌道において必要とされる。他方で、これらの金属は、高い機械的強度及び高い熱安定性を特徴とする。同時に、大きな陽極は、蓄熱に対して大きな熱的"質量"を提供する。熱設計は、蓄熱と熱分配との間の妥協である。しかしながら、これらの陽極が可能な最高の回転速度で動作されるとしても、最大ピーク出力は、例えば人間の心筋層のような動いている対象を動きアーチファクト無しで撮像する必要条件を満たすのに十分ではない。

ＦＲ２４９６９８１Ａは、衝突する電子に対する衝突表面が、回転軸においてグラファイト体上に固定された金属環であるＸ線管の回転陽極に関する。ここに開示される発明の一実施例によると、接続素子として機能する金属ハブが、前記グラファイト体と前記回転軸との間に取り付けられる。この参考文献に記載される発明の他の実施例によると、前記グラファイト体は、１０ないし１２の異なる陽極セクタに分割される。

ＵＳ２００７／００７１１７４Ａ１において、Ｘ線標的頂点に動作可能に結合された複合グラファイト材料を有するＸ線標的が記載されている。前述の複合グラファイト材料は、熱性質及び一部の実施例においては強度性質が空間的に変化する。一部の実施例において、この空間的変化は、連続的であり、他の実施例においては、前記空間的変化は、複数の異なる部分である。

ＪＰ０８２５００５３Ａは、高い比強度及び高い熱伝導率を同時に得ることができるＸ線管回転陽極（回転標的）を記載している。これは、1.0mm以下の厚さ、ファイバ軸方向における500Mpa以上の伸長強度及び200W・m^-1・K^-1以上の熱伝導率を持つ一方向炭素−炭素繊維化合物を重ねて作るベース材料を備え、更に、疑似等方性を持つように回転軸方向において３以上の層を備える。タングステン又はタングステン合金からなるＸ線生成層は、前記ベース材料の１つの表面上に設けられる。このベース材料は、これにより、表面方向において200W・m^-1・K^-1の熱伝導率を特徴とする。

ＪＰ２００２／３２９４７０Ａ１は、失敗の変形又は破損等が容易に起こることができず、したがって長い耐用年数を生じる熱放射性質、熱衝動耐性及び大きな機械的強度において優れているＸ線管の回転陽極を対象にする。更に、ここに記載される発明は、このような回転陽極を製造する製造方法に言及する。前記回転陽極の製造方法において、表面処理及び表面加工は、タングステン又はレニウム合金からなる前記陽極の全ての結合された表面の表面の粗さR_maxが、約３μｍ以下であり、平面度が約６０μｍ以下であり、モリブデン又はモリブデン合金からなる前記陽極の全ての結合された表面の粗さR_maxが約３μｍ以下であり、平面度が約２０μｍ以下であるように与えられる。更に、グラファイト又は炭素繊維複合材料、ジルコニウムワックス材料、モリブデン又はモリブデン合金（ＴＺＭ、Ｍｏ−ＴｉＣ）のディスク及びタングステン又はレニウム−タングステン合金のディスクは、この順序で重ねられ、１６００ないし１８００℃、１５ないし３５ＭＰａ及びホットプレスマシン又は熱等方性プレスマシンにより生成された不活性ガス環境又は真空における１ないし３時間の保持時間の状況で一体に結合される。

ＵＳ３７５１７０２Ａは、シャフト上に弾性的に取り付けられたディスクを含み、その上に電子衝突部分をも含む回転陽極型のＸ線管に言及している。前記ディスクは、回転軸における同心円状に位置し、前記陽極ディスクの上面及び下面の両方から延在し、少なくとも前記陽極ディスクの厚さを部分的に貫通する凹所を備える。このように、前記陽極ディスクの軸と前記電子衝突部分との間の熱接続は、幾分か細長い。変形応力は、前記陽極ディスクがここで幾分か弾性的であるという事実により和らげられる。更に、より大きな温度勾配が、前記陽極ディスクの破砕なしで耐えられることができる。

本発明は、先行技術から既知である従来の高出力Ｘ線管の上述のピーク出力制限を回転陽極ディスクの新しい設計原理により克服し、これにより新しい材料組成及びハイブリッド設計を伴う。本発明によって構築されたＸ線陽極は、同等又は更に大きな半径を持ちながら現在の陽極より大幅に高い周波数（例えば約300Hzの回転周波数）で回転する。したがって、これは、焦点軌道の大幅に高い相対速度を生成する。これまで述べられていない従来の高出力Ｘ線陽極の第２の不利点は、陽極材料として使用される耐熱金属が、高い熱伝導率を提供しないという事実にある。本発明により提案される陽極設計は、より速い回転を可能にするのみならず、前記焦点軌道の近くでより高い熱伝導率をも提供する。したがって、本発明は、動きアーチファクト無しで動いている対象の高速撮像を可能にするためにＸ線管のピーク出力性能におけるブレイクスルーを可能にする。

この問題を解決するために、本発明は、先行技術から既知である従来の回転Ｘ線陽極より大幅に高い短時間ピーク出力を供給することができる回転Ｘ線陽極に対する新しい設計原理を提案する。ここで提案される設計原理は、これにより、前記陽極の極度に速い回転を可能にし、焦点軌道材料に隣接した領域において高い熱伝導率を持つ軽量材料を導入することによりピーク出力の熱的制限を克服することを目指す。極度に速い回転は、前記陽極が動作される場合に増加する高い応力に特に適応した異方性高比強度材料、例えば繊維強化セラミック材料からなる前記回転陽極ディスクのセクションを設けることにより可能にされる。本発明による高ピーク出力陽極を備えたＸ線システムは、例えば動いている対象のコンピュータ断層撮影、例えば心臓ＣＴに対して必要とされる、高分解能及び高カバレージで高速画像取得することができる。

既に上で述べたように、本発明により提案される高出力Ｘ線陽極に対する新しい設計原理は、動いている対象の高速撮像に適したＸ線管に対する主な要件が、平均出力ではなく、（短時間）ピーク出力性能であるという発明者の理解を反映している。例えば、心筋層のフルＣＴスキャンが、100ms以下で達成されることができる場合、所要のピーク出力は、極度に高いが、前記陽極に蓄積された合計熱負荷は、従来の心臓ＣＴスキャンと同じか又は少ない。実際に、１心周期内の心筋層の静止相中の関連する画像のみが取られる必要があるのに対し、心臓の従来のＣＴ撮像が、少なくとも１つであるが、ほとんどの場合に複数の心周期スキャンすることを必要とするので、より少ないことが可能である。

したがって、熱設計は、もはや大きな熱的"質量"を必要としないが、迅速な熱分配に十分に集中しなければならない。更に、主な必要性−高い熱伝導率及び極度に速い回転に対する高い機械的強度−は、もはや同じ材料内で組み合わされる必要がない。前記陽極は、前記焦点軌道の近くで高い熱伝導率及び速い回転を維持する非常に強力なフレームを必要とする。したがって、本発明は、前記回転陽極の適合したハイブリッド設計を提案する。提案された陽極の主なフィーチャは、以下のように要約されることができる。第一に、（密度に比例する）遠心力を低下するように軽量材料のみが使用されることが述べられるべきである。更に、10cm以上の大きな半径を持つ陽極ディスクが使用される。前記陽極ディスクは、これにより、高い熱伝導率を持つ少なくとも１つのセクション並びに強いフレームを提供する高い機械的強度及び安定性の少なくとも１つのセクションを有することができる。前記陽極ディスクを製造するために、複数の材料が使用されることができるが、少なくとも前記焦点軌道の近くに来るものは、高温に耐えることができるように高い熱安定性を持たなければならない。本発明の模範的な実施例により提案されるハイブリッド陽極ディスク設計によると、この高い機械的強度は、例えば、極度に速い回転及び熱膨張による前記回転陽極内の応力負荷の分配によって特に設計される異方性材料性質を持つ高い比強度材料（すなわち、密度に対する構造的強度の比が高い材料）により提供されることができる。高い熱安定性及び設計可能な異方性材料性質をも提供する高比強度材料は、例えば、炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）又は他の強化セラミック材料のような、繊維強化セラミックであることができる。これにより、繊維方向は、極度の応力負荷に耐えるように特に設計されることができる。高い熱伝導率及び同時に高い熱安定性及び低い密度を持つ材料は、例えば、高い熱伝導率に対して設計された特別なグラファイト材料であることができる。

本発明の他の実施例によると、前記回転陽極ディスクは、前記回転陽極ディスクの回転面に対して対称な設計を持つことができる。これは、回転下の前記陽極ディスクの折り曲げが避けられるという利点を持つ。他の利点は、この陽極が、２つの異なる焦点軌道で動作されることができ、したがって、焦点位置を切り替えることができ、これは、一部の撮像応用に対して有益であることができる。

本発明の他の実施例によると、前記回転陽極ディスクは、半径方向において一定でない減少する断面厚さにより特徴付けられることができる。これは、より良好な応力分布の利点を持ち、最大応力を減少する。

本発明の他の実施例によると、前記回転陽極ディスクは、前記焦点軌道に隣接したセクションにおいて "フレーム材料"タイプの材料からなる追加の領域を有することができる。これは、結果として、全体的な陽極設計の追加の安定性を生じる。

本発明の他の実施例によると、前記回転陽極ディスクの内側フレームセクションは、スポークホイールとして設計される。これは、全体的な重さ減少、したがって遠心力の減少の利点を意味する。更に、前記スポークの準一次元構造は、半径方向に向けられた繊維を用いる強化に特に適している。

本発明の他の実施例によると、前記回転陽極ディスクは、例えば、前記陽極ディスクの外端から内側陽極バルクに及ぶスリットにより特徴付けられることができ、これは、発生する接線応力を減少するのを助ける。更に、スリット持つ設計変形に対して、"フレーム材料"を持つ追加の領域が、セグメント構造を強化するために結果として生じるセグメントの境界において導入されることができる。

本発明の他の模範的な実施例は、前記内側陽極セクションを囲む重要な支持構造として機能する外側フレームセクションを特徴とするＸ線管の高速回転陽極に関する。例えば炭素繊維、炭素繊維強化材料又は他の繊維強化高比強度及び高熱安定な材料からなることができるこの外側フレームセクションは、これにより、前記内側陽極部分に対する主な機械的支持部として機能する。

この模範的な実施例の第１の改良によると、セグメント化された陽極ディスク構造が提案され、ここで（前記焦点軌道を含む）前記内側陽極セクションは、例えば、一定の幅のＳ字形スリットによりセグメント化されることができ、前記スリットは、前記内側陽極バルクから前記回転陽極ディスクの外側フレームセクションの内半径端まで及ぶ。この接続において、特定の陽極セグメントが、前記外側フレームセクションと少なくとも部分的に接続され、半径方向の熱膨張が前記セグメントの許容可能なねじれに対する変換により吸収されるように設計されることが提案される。

この模範的な実施例の他の改良は、前記陽極が、前記陽極ディスクと前記陽極軸との間の液体金属接続を提供する液体金属熱導体を追加的に有する、上述の外側フレームセクションを特徴とする高速回転陽極ディスクを目指す。これは、結果として前記陽極ディスクの半径方向の熱伝導及び力の無い膨張を生じる。

この模範的な実施例の他の改良は、前記陽極が、前記陽極ディスクと前記陽極の回転シャフトとの間のスライドする半径方向接続と、前記陽極ディスク又は前記回転シャフトにそれぞれ取り付けられる固定の接合部を介して前記陽極の回転シャフトと前記陽極ディスクを接続する可とう性熱導体とを追加的に有する、上述の外側フレームセクションを特徴とする高速回転陽極ディスクを目指す。これは、結果として、前記陽極ディスクと前記回転シャフトとの間の良好な熱伝導を提供しながら半径方向の熱による力を避ける利益を生じる。前記可とう性熱導体が、例えば、単一の銅線として又は異なる銅線のバンドルとして実現されることができると更に提案される。

他の実施例によると、本発明は、上述のハイブリッド回転陽極ディスクを有する回転陽極型のＸ線管に関する。

最後に、本発明は、このようなＸ線管を有するコンピュータ断層撮影装置に関する。

本発明の有利なフィーチャ、態様及び利点は、以下の記載、添付の請求項及び添付の図面から明らかになる。

本発明の模範的な実施例による新規の回転陽極ディスクの設計断面（側面）を示し、前記陽極ディスクが、高い熱安定性を持つ少なくとも１つの異方性高比強度材料（"フレーム材料"）からなる外側フレームセクション及び内側フレームセクション、並びに前記陽極の焦点軌道に隣接した領域を有し、前記領域が、高い熱伝導率を持つ軽量（強化されていない）材料（"熱的材料"）からなる。 前記回転陽極ディスクの回転面に関して対称的な設計を持つ図１に描かれた回転陽極ディスク断面の設計変形を示す。 半径方向において一定ではない減少する断面厚さにより特徴付けられる図１に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。 前記焦点軌道に隣接したセクションにおいて前記"フレーム材料"からなる追加の領域により特徴付けられる図１に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。 内側フレームセクションがスポークホイールとして設計されることにより特徴付けられる図１に描かれた回転陽極ディスク断面の設計変形を示す。 前記陽極ディスクの外端から内側陽極バルクまで及ぶスリットにより特徴付けられる図５に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。 前記焦点軌道に隣接した領域において前記"フレーム材料"からなる追加の領域により特徴付けられる図６に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。 前記陽極ディスクの特定のセグメント化のＳ字形スリットにより特徴付けられる本発明の他の模範的な実施例によるセグメント化された回転陽極ディスク断面を示す。 液体金属熱導体により特徴付けられる本発明の他の模範的な実施例による回転陽極ディスク断面の半径方向の断面図を示す。 前記陽極ディスクと前記陽極の回転シャフトとの間のスライドする半径方向接続及び可とう性熱導体により特徴付けられる本発明の他の模範的な実施例による回転陽極ディスク断面の半径方向断面図を示す。

以下、本発明のハイブリッド陽極が、添付の図面を参照して及び特別な改良に対してより詳細に説明される。

本発明の基本的な模範的実施例は、図１に描かれる回転陽極ディスクの設計断面により示されることができる。提案された陽極ディスクは、前記陽極ディスクが極度に高い回転速度及び極度に高い短時間ピーク出力で動作される場合に増加する高い応力に適した高い機械的強度及び安定性を持つ異方性高比強度材料（例えば繊維強化セラミック材料のような"フレーム材料"）からなる２つのフレームセクション１及び３を有する。セクション４は、例えば"軌道材料"として高い割合のタングステン（Ｗ）を含む高いＸ線収率を持つ材料からなる焦点軌道に対する被覆層である。セクション２は、焦点軌道材料４に隣接した領域における高い熱伝導率を持つ軽量（強化されていない）材料（"熱的材料"）からなる。例えば、これは、高い熱伝導率に対して特別に設計されたグラファイト材料であることができる。前記"熱的材料"の他の特徴は、熱膨張係数が、全ての方向に対する前記"軌道材料"の熱膨張係数に良好に適合されることである。これは、例えば、"熱的材料"としてグラファイト及び"軌道材料"としてタングステン（Ｗ）又はタングステン−レニウム合金（Ｗ／Ｒｅ）を用いて実現されることができる。前記焦点軌道層は、非常に薄いことが可能である（おおよそ１０μｍのオーダで、電子の侵入度に適している）。これは、熱生成の領域と高い熱伝導率を持つセクション２の内在する材料との間の直接的な接触を可能にし、これにより効果的な熱伝達及び前記焦点スポットの冷却を促進する。これにより、前記"軌道材料"は、例えば、ＣＶＤ（化学蒸着）又はＰＶＤ（物理的気相成長法）のような薄膜被覆技術により前記陽極に付着されることができる。代替例として、前記軌道層は、例えば１００μｍないし１ｍｍのオーダで厚いことが可能である。これは、前記軌道層のより高い機械的強度をもたらし、前記軌道層は、例えばプラズマ溶射のようなより厚い被覆層を生成する技術により前記陽極に付着されることができる。

図１において、以下、"陽極角度"とも称されるセクション２の半径方向の下降角度は、αにより示される。参照番号５は、回転軸を表し、参照番号７は、前記陽極ディスクの焦点軌道に衝突する電子ビームを表し、参照番号８は、前記Ｘ線管のＸ線窓に向かうＸ線放射を示す。

前記"フレーム材料"は、高速回転及び熱的負荷の下で前記回転陽極内の異方性不均一応力分布によって特定的に設計されることができる。この目的に対し、図１のフレームセクション１及び３は、１つのセクション内で異なる材料を結合するために更に分割されることもできる。例えば、選択された"フレーム材料"がＣＦＣ材料である場合、繊維内容物、繊維方向及び繊維レイアップは、前記陽極の全体的な負荷サイクルにわたる最大の安定性が与えられるように設計される。前記繊維方向、又はより一般的には前記フレーム材料の最適化の設計に対する一例として、中心ボアを持つ回転ディスクが、内半径において高い接線応力を増加する傾向にあることが述べられるべきである。したがって、これは、この領域において、例えば強力な接線方向繊維により、接線方向の機械的強度を増大する材料最適化の一部であることができる。

以下のセクションにおいて、図１に描かれた基本的設計の他の変形例が記載される。これらの設計変形が、本発明による特定の陽極設計に対して組み合わせられることもできることに注意すべきである。以下の図において、参照番号１ないし５は、これにより、図１と同じ意味を持つ。

図２において、前記回転陽極の回転面に対して対称な設計を持つ図１に描かれた回転陽極ディスク断面の設計変形が示される。これは、回転下の前記陽極ディスクの折り曲げが避けられるという利点を持つ。他の利点は、この陽極が２つの異なる焦点軌道で動作されることができ、したがって焦点位置を切り替えることができ、これは、一部の撮像応用に対して有益であることができる。しかしながら、前記陽極の回転面に対して対称な設計を得るために２つの焦点軌道を設ける必要はない。回転面に対して前記陽極をバランスする他の手段が、回転下の前記陽極ディスクの折り曲げを避けるのに使用されることができる。

半径方向における一定ではない減少する断面厚さにより特徴付けられる図１に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形が、図３に示される。利点は、最大応力を減少する、より良好な応力分布である。これは、図３に描かれるように円錐断面又は所定の材料組み合わせに対して最大応力を減少する他の断面形状であることができる。

図４は、焦点軌道に隣接したセクションにおいて "フレーム材料"タイプの材料からなる追加の領域により特徴付けられる図１に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。これは、結果として全体的な陽極設計の追加の安定性をもたらす。

図５における設計変形は、スポークホイールとして設計された内側フレームセクションを特徴とする。これは、全体的な重量減少、したがって遠心力の減少の利点を意味する。更に、前記スポークの準一次元構造は、半径方向に向けられた繊維を用いる強化に特に適している。

図６は、前記陽極ディスクの外端から内側陽極バルクまで及ぶスリットにより特徴付けられる図５に描かれた回転陽極ディスク断面の他の設計変形を示す。これは、発生する接線方向応力を減少するのに役立つ。

スリットを持つ設計変形に対して、"フレーム材料"を持つ追加の領域は、セグメント構造を強化するために結果として生じるセグメントの境界においてセクション２に導入されることができる。図７において、前記陽極ディスクにおけるこれらの追加領域９を受け入れる一例が示される。

図８ないし１０において、本発明の３つの模範的な実施例が示され、その結果、熱機械的"呼吸"に対する可とう性が、Ｓ字形スリット構造（第１の実施例）、液体金属熱導体（第２の実施例）及び可とう性熱導体（第３の実施例）により提供される。

本発明のこれら３つの模範的な実施例の第１の実施例は、特定の陽極セグメントの間のＳ字形スリットにより規定される複数のセグメントを持つセグメント化された高速陽極を提案する。この実施例によると、前記陽極セグメントは、前記外側フレームセクションと部分的にのみ接続される。セグメントと外側フレームセクションとの間の局部的な接合部は、前記セグメントが、前記外側フレームセクションにおいて追加の熱機械方位角力を引き起こすことなしに方位角方向に膨張することを可能にするのに使用される。これは、結果として、半径方向熱膨張のねじれへの変換を生じる。Ｓ字形スリットの＋φ方向における方位角方向の最も外側の点から−φ方向における同じスリットの方位角方向の最も外側の点まで及ぶ方位角Ｓ字形角度φ₁は、これにより、半径方向力が最小化されることを保証するように、＋φ方向において陽極セグメントを限定する第１のスリットの半径方向の最も外側の点と−φ方向において対応する陽極セグメントを限定する他の隣接したスリットの半径方向の最も外側の点との間の方位角として規定されるスリット間隔角度φ₀より大きくなるように選択される。差分角度Δφ＝φ₁−φ₀は、前記内側陽極バルクの内半径r₀と前記外側フレームセクションに隣接した前述のスリット陽極セグメントの外半径r₂と間の位置からの熱伝導が最大化され、前記セグメント（より正確には、強化された折り曲げの点）の歪が最小化されるように与えられる大きさである。前記スリットの数Nは、したがって、N＝360°／φ₀により与えられる。

図９に描かれる前記３つの模範的実施例の第２の実施例は、前記陽極と前記陽極軸との間の液体金属接続を提供する液体金属熱導体を持つ高速回転陽極ディスクを対象とする。これは、結果として前記陽極ディスクの半径方向の熱伝導及び力の無い膨張を生じる。

図１０に描かれる本発明のこれら３つの模範的実施例の第３の実施例は、前記陽極ディスクと前記陽極の回転シャフトとの間のスライドする半径方向接続を持つ高速回転陽極ディスクを対象とし、前記接続は、例えば銅線により与えられることができる可とう性熱導体の形式で実現される。これは、結果として、半径方向の熱による力を避ける利点をもたらす。

本発明は、Ｘ線撮像の分野、特に、例えばＸ線に基づく材料検査の分野又は医療撮像の分野、例えば心臓ＣＴ若しくはリアルタイムで動いている対象の画像データを取得するのに使用される他のＸ線撮像応用のような高いピーク出力を用いる画像の非常に速い取得が要求される場合に使用されることができる。

本発明は、図面及び先行する説明において詳細に図示及び記載されているが、このような図及び記載は、例証的又は模範的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、これは、本発明が開示された実施例に限定されないことを意味する。開示された実施例に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求される発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。請求項において、単語"有する"は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"１つの"（"a"又は"an"）は、複数を除外しない。請求項内の参照符号は、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。

１：高い熱安定性を持つ少なくとも１つの異方性高比強度材料（"フレーム材料"）からなる回転陽極の内側フレームセクション（内側陽極バルクとも称される）
２：高い熱伝導率及び高い熱安定性を持つ軽量（強化されていない）材料（"熱的材料"）からなる焦点軌道に隣接した回転陽極の領域
２ａ：陽極ディスク表面上の焦点スポット（図８においてスリットと同時に示される）
３：セクション１に対して使用される材料とは異なりうる高い熱安定性を持つ少なくとも１つの異方性高比強度材料（"フレーム材料"）からなる回転陽極の外側フレームセクション
４：（例えば"軌道材料"として高い割合のタングステンを含む）高いＸ線収率を持つ材料からなる焦点軌道に対する被覆層
５：回転陽極ディスクの回転軸
６： "フレーム材料"タイプの少なくとも１つの材料からなる回転陽極ディスクの追加領域
７：陽極の焦点軌道に衝突する電子ビーム
８：Ｘ線管のＸ線窓に向かうＸ線放出
９：結果として生じるセグメントの境界における領域２に導入され、セグメント構造を強化するのに使用される"フレーム材料"タイプの少なくとも１つの材料からなる追加の領域
１０ａ：Ｓ字形スリットにより限定される陽極セグメント
１０ｂ：直線半径方向スリットにより限定される陽極セグメント
１１：領域３に対するＳ字形セグメント１０ａの局部的な接合部
１２：ヒートシンクとして機能する陽極の回転シャフト
１３：強化された折り曲げの点
１４ａ：２つの陽極セグメント１０ａ間のＳ字形スリット（ギャップ）
１４ｂ：２つの陽極セグメント１０ｂ間の直線半径方向スリット（ギャップ）
１４ｃ：回転陽極ディスクの外端から内側陽極バルク１まで及ぶスリット
１５：例えば非濡れ表面により与えられる、液体金属シール
１６ａ：陽極が回転している状態で示される、液体金属導体
１６ｂ：回転陽極が静止している状態で示される液体金属リザーバ
１７：回転シャフト１２のフランジのような突出部と回転陽極の内側フレームセクション１との間に取り付けられたスライドする素子
１８：回転シャフト１２及び内側フレームセクション１の外表面に取り付けられた接合部１９を介して回転陽極の内側フレームセクション１と回転陽極の回転シャフト１２と接続する可とう性熱導体（例えば少なくとも１つの銅線からなる）
１９：回転陽極の内側フレームセクション１と可とう性熱導体１８との間の接合部
α：領域２の半径方向の下降角度
φ：回転陽極の回転角度
φ₀：＋φ方向において陽極セグメントを限定する第１のスリットの半径方向の最も外側の点と−φ方向において対応する陽極セグメントを限定する他の隣接したスリットの半径方向の最も外側の点との間の方位角として規定されるセグメント化された陽極ディスクの方位角スリット間隔
φ₁：Ｓ字形スリットの＋φ方向における方位角方向の最も外側の点から−φ方向における同じスリットの方位角方向の最も外側の点まで及ぶ単一のＳ字型スリットの方位角方向の被覆角度
Δφ：φ₁及びφ₀の差分角度
r₀：回転シャフト１２の外半径及び同時に回転陽極の内側フレームセクション１の内半径
r₁：内側フレームセクション１の外半径かつ同時に回転陽極の領域２の内半径
r₂：領域２の外半径かつ同時に回転陽極の外側フレームセクション３の内半径
r₃：回転陽極の外側フレームセクション３の外半径

Claims (15)

1. 回転陽極型の高出力Ｘ線管構成に対するハイブリッド回転陽極ディスクにおいて、前記回転陽極ディスクが、
   密度に対する構造的強度の比が高く、したがって高い比機械的耐性を持つ材料を意味する高比強度材料（"フレーム材料"）からなる少なくとも１つの支持構造であって、前記材料が、高い熱安定性及び設計可能な異方性材料性質を提供し、前記陽極ディスクが回転軸の周りで回転されながら熱的負荷の下で高い回転周波数で動作される場合に増加する高い応力に適している、当該少なくとも１つの支持構造と、
   前記回転陽極の表面上の焦点軌道に対する被覆層材料に隣接した領域における高い熱伝導率及び同時に高い熱安定性を持つ軽量材料（"熱的材料"）からなる少なくとも１つのセクションと、
   を有し、
   前記少なくとも１つの指示構造が、内側陽極バルク及び外側フレームセクションを有し、前記外側フレームが、前記内側陽極バルクを完全に囲み、
   前記回転陽極ディスクが、別個の陽極セグメントに分割され、隣接する陽極セグメントが、前記内側陽極バルクから前記回転陽極ディスクの外側フレームセクションの内半径端まで及ぶ直線半径方向スリット又はＳ字型スリットにより互いに限定される、
   ハイブリッド回転陽極ディスク。
2. 前記"フレーム材料"が、例えば炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）又は他の強化セラミック材料のような繊維強化セラミックである、
   請求項１に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
3. 前記"熱的材料"が、高い熱伝導率に対して設計された特別なグラファイト材料により与えられる、
   請求項１又は２に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
4. 前記回転陽極ディスクが、前記回転陽極ディスクの回転面に対して対称な設計を持つことができる、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
5. 前記回転陽極ディスクが、半径方向において一定ではない減少する断面厚さにより特徴付けられることができる、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
6. 前記回転陽極ディスクが、前記焦点軌道に隣接した前記セクションにおいて"フレーム材料"タイプの材料からなる追加の領域を有することができる、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
7. 前記回転陽極ディスクが、前記回転陽極ディスクの外端から内側陽極バルクまで及ぶスリットにより特徴付けられる、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
8. 前記外側フレームセクションが、炭素繊維、炭素繊維強化材料又は他の繊維強化高比強度及び高熱安定材料からなり、前記内側陽極バルクに対する主要な機械的支持部として機能する、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
9. 前記陽極セグメントが、前記外側フレームセクションに少なくとも部分的に接続される、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
10. 前記回転陽極と回転シャフトとの間の液体金属接続を提供する前記内側陽極バルクと前記回転陽極ディスクの回転軸との間に液体金属導体を有する、
    請求項１ないし６又は８のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
11. 前記内側陽極バルクと前記回転陽極ディスクの回転シャフトとの間にスライドする半径方向接続素子を有する、
    請求項１ないし６又は８のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
12. 前記回転シャフト及び前記内側陽極バルクの外表面に取り付けられた接合部を介して前記回転陽極を回転軸の周りで回転するのに必要とされる前記回転シャフトと前記内側陽極バルクを接続する可とう性熱導体を有する、
    請求項１１に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
13. 前記可とう性熱導体が、単一の銅線として又は異なる銅線のバンドルとして実現される、
    請求項１２に記載のハイブリッド回転陽極ディスク。
14. 請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のハイブリッド回転陽極ディスクを有する回転陽極型のＸ線管。
15. 請求項１４に記載のＸ線管を有するコンピュータ断層撮影装置。

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