JP5519527B2 - 散乱電子コレクタ - Google Patents

Description

本発明は、概して、散乱電子コレクタに関する。特に、本発明は、Ｘ線を生成するＸ線管において使用される散乱電子コレクタに関する。

Ｘ線源に関するハイエンドＣＴ及びＣＶイメージングの将来の要求は、より高いパワー／管電流、アクティブなＦＳサイズ、比率及び位置制御の能力と組み合わされるより小さい焦点スポット（ＦＳ）、冷却のためのより短い時間、及びＣＴに関するより短いガントリ回転時間である。これに加えて、管設計は、ＣＶアプリケーションに関する簡単な取り扱い及びＣＴアプリケーションに関する実現可能なガントリセットアップを達成するために、長さ及び重さにおいて制限される。

より高いパワー及びより急速な冷却を達成する１つの重要な要素は、Ｘ線管内部の洗練された熱管理概念を使用することによって与えられる。バイポーラＸ線管において、ターゲットの熱負荷の約４０％は、ターゲットから後方散乱される電子によるものであり、後方散乱された電子は、ターゲットに向けて再び加速され、焦点スポットの外側で再びターゲットに当たる。それゆえ、これらの電子は、ターゲットの温度増加に寄与するとともに、焦点外放射線を生じさせる。

従って、現在開発されている新しいＸ線管生成の１つ重要な要素は、ターゲットの前に位置する散乱電子コレクタ（scattered electron collector、ＳＥＣ）である。このようなＸ線管は、電子を放出するソースと、回転軸を中心に回転可能であって、電子の入射の結果としてＸ線を生成する材料を備えるキャリアと、ソースとキャリアとの間に配置される熱吸収部材と、熱吸収部材と熱接続する冷却システムと、を有する。

ソース、キャリア及び熱吸収部材は、装置の真空空間に収容される。キャリアは、ディスク形状であり、ベアリングによって回転可能に軸支される。動作中、ソースによって生成された電子ビームは、熱吸収部材に設けられた中央キャビティを通過し、キャリアの外周近くの衝突位置においてキャリアのＸ線生成材料に当たる。その結果、Ｘ線が、前記衝突位置に生成され、生成されたＸ線は、真空空間を囲むハウジングに設けられるＸ線出口ウィンドウを通って出る。熱吸収部材は、キャリアと同じ電位を有し、ソースとキャリアとの間に配置されることにより、キャリアから後方散乱される電子を捕捉し、動作中に加熱される際にキャリアによって生成される放射熱を吸収し、その結果、熱吸収部材は、動作中加熱される。

熱吸収部材から熱を逃がすために、冷却システムが、前記熱吸収部材に取り付けられ、冷却システムは、冷却液体用のチャネルを有し、冷却システムは、熱吸収部材と直接的に熱接触する熱吸収部材の外周部分に設けられる。熱吸収部材は、例えばＭｏから作られ、相対的に大きい量及びボリュームを有し、それにより、熱吸収部材は、大きい熱吸収容量を有する。従って、装置が、相対的に高いエネルギーレベルのＸ線を生成するように一時的に動作している場合、熱吸収部材による相対的に大きいレートの熱吸収が、一時的に生じる。更に、熱吸収部材から冷却システムへの熱伝達のレートは、制限されており、熱吸収部材によって吸収された熱は、装置がＸ線を生成する時間及び後に装置が動作しない時間の間、冷却システムに徐々に伝えられる。熱吸収部材から冷却システムに熱が徐々に伝達する結果として、冷却システムにおける熱ピーク負荷が防止され、それにより、例えば冷却液体の沸騰又は冷却システムの薄壁構造の溶解のような冷却システムの問題が阻止される。

しかしながら、ターゲットの熱負荷は、この場合、管のＸ線出力に寄与する電子によってのみ決定される。後方散乱電子は、管の冷却システムに組み込まれるＳＥＣにおいて、それらのエネルギーを放出する。ＳＥＣの冷却壁は、より大きい半径の外側領域に位置する一方、熱は、より小さい半径の内側領域に生成される。従って、ＳＥＣの内側表面は、Ｘ線パルスの間、加熱し、膨張するが、外側部分は膨張しない。それゆえ、圧縮応力が、パルス中、閉じた内側表面により発生する。冷却中、内側表面は縮まり、応力は緩む。

熱管理の寄与に加えて、ＳＥＣは、それがＭｏ又はＷのような高い融点をもつ金属から作られる場合、本質的にＸ線シールドとしても機能することができる。

高いエネルギーパルスの間、圧縮応力は、プラスチック変形が生じる値まで増大しうる。この効果は、パルスの間、応力を緩和する。しかしながら、冷却する際、表面が縮み、これは、内側表面内に引張応力を引き起こす。これは、すぐにクラック形成を生じさせ、又はパルスの連続の後、疲労クラックを生じさせうる。気体噴出が生じることがあり、これは、高電圧の不安定性（アーク）及びガス電離をもたらすとともに、その後、エミッタ、すなわちターゲットへのイオン衝撃（エミッタ不良）をもたらすことがある。加えて、小さい粒子が分離され、電子ビームに入る際に同じ結果をもたらす。

本発明の目的は、ＳＥＣの加熱又は冷却中のその熱吸収部材内の圧縮応力又は膨張応力を低減した散乱電子コレクタ（ＳＥＣ）を提供することである。

この目的は、個々の独立請求項の主題によって解決される。他の例示の実施例は、個々の従属請求項に記述されている。

提案される本発明は、Ｘ線パルス中の圧縮応力を回避するためのＳＥＣの幾何学的な変更に関する。これは、圧縮応力を生成することなく、ＳＥＣ部分内にスロットを導入することによって実現され、それにより機械的な抑制のない内側表面膨張をもたらす。

本発明の一実施例により、前記ボリュームの切除が、半径方向の直線スロット（例えば８つのスロット）によって実現される。スロットの数は、深刻な負荷ケースに依存する。特別な場合、１つのスロットが十分である。このコンテントにおいて、半径とは、直線スロットの方向が、高エネルギー電子がターゲットに当たってＸ線を生成する焦点のスポットの方を向くことを意味する。

本発明の他の実施例により、スロットは、半径方向に対して傾けられ、すなわち、それらはもう中心をもたず／放射状ではない。このような構成の効果として、Ｘ線シールドは、スロットなしＳＥＣと比較してほぼ一定のままである。しかし、それは、アンダーカットされたコーナをする（コーナ角度は９０°より小さい）。主表面温度が、危険な値に近づかない限り、このジオメトリは、Ｘ線シールドを維持しながら、クラック形成を回避するために最善である。

本発明の更に別の実施例により、スロットは、カーブされる。特に、スロットは、内側の孔から半径方向に始まって、外側周縁部に向かう方向において、外周方向に曲げられる。これは、内側表面上の一様な温度を保証し、シールドの低減をもたらす。このようなジオメトリは、例えば、ワイヤＥＤＭ（Electric Discharge Machining）によって実現されることができる。

概して、本発明による散乱電子コレクタは、第１の端部、第２の端部、外側周縁部及び中央孔を有する熱吸収部材であって、中央孔が、第１の端部から第２の端部まで熱吸収部材を通って長手方向に形成されている、熱吸収部材と、外側周縁部及び内側周縁部を有する冷却素子と、を有し、熱吸収部材の外側周縁部は、冷却素子の内側周縁部と接触するように構成され、スロットが、中央孔から、熱吸収部材の外側周縁部に向かう方向に形成される。

スロットは、中央孔から、熱吸収部材の外側周縁部に向かって半径方向に形成されることができ、又は半径方向に対して傾けられることができ、又は半径方向から外周方向にカーブされることができる。

更に、複数のスロットが、熱吸収部材内に形成されることができ、複数のスロットは、熱吸収部材の周に沿って一様に分布されることができる。

特に、各スロットの端部に、スロットの厚さより大きい直径を有する穿孔が形成されることができ、穿孔の軸は、中央孔の軸に対して傾けられることができる。

更に、熱吸収部材の中央孔は、円筒形セクション及び円錐形セクションを有することができ、円筒形セクションの一端は、熱吸収部材の第１の端部に位置し、円筒形セクションの他端は、円錐形セクションの小さい直径を有する端部にマージし、円錐形セクションの大きい直径を有する端部は、熱吸収部材の第２の端部に位置する。

冷却素子は環状でありえ、その外側周縁部に複数の冷却リップを有することができる。

スロットは、熱吸収部材の全体の内側部分を切り取ることもできる。

本発明は、外側の表面が冷却される間に収集内側表面（円筒座標においてφ＝０°−３６０°）を有する電子コレクタが加熱される、任意の分野に適用可能である。加えて、本発明は、このコレクタがＸ線シールドとしても使用される場合に、適用可能である。特に本発明は、新しいＸ線管生成のＣＶ及びＣＴバージョンに適用可能である。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記述される実施例から明らかであり、それらを参照して説明される。

ＳＥＣの一般的な素子の等角断面図。 本発明の第１の実施例によるＳＥＣの等角断面図。 図２のＳＥＣの下面図。 図２のＳＥＣの等角図。 本発明の第２の実施例によるＳＥＣの半分の等角図。 第２の実施例による例示のスロットの向きを示す図。 本発明の第３の実施例によるＳＥＣの半分の等角図。 第３の実施例による例示のスロットのコースを示す図。

以下において、本発明は、添付の図面に関する例示の実施例によって記述される。

概して、散乱電子コレクタ（ＳＥＣ）は、図１に見られるように、熱吸収部材１０及び冷却素子５０を有する。熱吸収部材１０は、本質的に円筒形であり、中央孔を有する。熱吸収部材１０の中央孔は、円筒形のセクション１４及び円錐形のセクション１６を有する。円筒形セクション１４は、熱吸収部材１０の第１の端部１１から、熱吸収部材のほぼ中央１５まで長手方向に延在する。中央孔の円錐形セクション１６は、熱吸収部材１０の前記中央１５から、熱吸収部材１０の第２の端部１３まで延在する。

代替として、中央孔は、その長手方向に沿って、ワイングラスの形状に変化する断面を伴って形成されてもよい。更に、円錐形セクションの代わりに、ドームのように形成されるセクションがあってもよい。いずれのケースにおいても、熱吸収部材の第２の端部において、より大きくオープンな端部が形成される。

中央孔の円錐形セクション１６によって形成される漏斗部は、散乱電子を放出するポイント（焦点スポット）の上方に配置される。このように、電子は、フードのようにして集められる。電子又は光子は、ＳＥＣの熱吸収部材１０に当たり、それによって吸収される。

熱吸収部材から熱をより良好に引き出すために、冷却素子５０が、その外側のサイズに予定される。冷却素子５０は、本質的にリング状であり、熱吸収部材１０の外側周縁部１２と合う内側直径５２を有し、それにより、冷却素子５０が、熱吸収部材１０に載せられ、熱吸収部材１０と接触することができる。冷却素子５０は、熱吸収部材１０と接触するので、それは、熱吸収部材から熱を引き出すことができる。冷却素子５０は、その外側周縁部上に複数の冷却フィン５４を有する。これらの冷却フィン５４は、冷却素子５０から流体まで熱を引き出すことができる。流体は、例えば、空気又は更に液体でありえる。流体が液体である場合、この液体が、その沸騰温度より低い状態のままであることが重要である。冷却素子５０は、その沸騰温度以下に冷却流体を維持しながら、可能な限り多くのエネルギーを引き出すことができるだけである。それに応じて、熱吸収部材１０と冷却素子５０との間の接触表面が、同様に計算されるべきであり、それにより、液体によって更に冷却素子から離れるほうに伝えられることができるエネルギー／熱の量だけが、冷却素子に伝達される。

上述したように、熱吸収部材の内側壁が非常に強く加熱され、ゆえに張力が材料に形成されることが、ＳＥＣの熱吸収部材１０に発生しうる。本発明の第１の実施例により、熱吸収部材は、その内壁の内部に少なくとも１つのスロットを備える。通常、熱吸収部材は、複数のスロットを備える。好適な実施例によれば、熱吸収部材は、８つのスロットを備える。スロットは、それぞれ、中央孔から熱吸収部材の外側周縁部の方向に形成される。

図２乃至図４に示されるように、第１の実施例により、あらゆるスロット２０は、中央孔から、熱吸収部材１０の外側に向かう方向に放射状に（半径方向に）形成される。スロット２０は、概して、壁を完全には通り抜けないように形成される。すなわち、各スロット２０は、中央孔に対してオープンな端部と、熱吸収部材の内部の端部と、を有する。各スロットは、材料の強い加熱による材料内の張力が低減される効果を有する。

熱吸収部材内に位置するあらゆるスロット２０の端部が、小さい穿孔２２になっている場合、熱吸収部材の材料内の張力の低減が達成されることができる。この穿孔２２は、個々のスロット２０の幅より大きい直径を有する。このようにして、材料内のスロットによるカービング（切り開き）の効果が、阻止される。各々の小さい穿孔２２の軸は、中央孔の軸と平行に配置されることができる。穿孔の軸は、好適には、中央孔の軸に対して或る角度をなして配置される。熱の可能な限り一様な分布及びゆえに熱吸収部材の材料内の張力の可能な限り一様な分布を達成するために、小さい穿孔２２が、中央孔の円錐形セクション１６の傾斜と平行に配置されるべきである。あらゆるスロットは、中央孔と小さい穿孔との間に形成される。

図５及び図６に示されるように、本発明の第２の実施例により、スロット３０の各々は、半径方向に対してある角度をなして形成されることができる。従って、スロット３０は、熱吸収部材の中央孔から始まり、熱吸収部材の外側周縁部の方向に、半径方向に対してある角度をなして進む。これは、中央孔でスロットの入口に直面する電子が信頼性をもって吸収されることができるという利点を有する。各スロットの傾けられたコースは、電子が、電子及びＸ線を十分に吸収するのに十分に厚い壁に当たることを確実にする。

図７及び図８に示されるように、本発明の第３の実施例により、スロット４０の各々は、熱吸収部材１０内に曲がったコースをなして形成される。前記実施例により、スロット４０は、図８に例示的に示されるように、まず中央孔から始まって半径方向に形成され、それから、熱吸収部材の材料内の曲がったコースをたどる。あらゆるスロット４０は、半径方向と、熱吸収部材のほぼ円周方向との間の曲がりを表わす。従って、一方では、材料内で熱放散の一様でない分布をもたらしうる鋭い角度が、中央孔とスロットとの間に生じることが防止される。他方では、散乱されたすべての電子及びＸ線を信頼性をもって収集する十分な材料の厚さが、提供される。すべての実施例と同様に、冷却素子は、より短い時間で熱吸収部材を冷却するために、熱吸収部材の外側に設けられる。

本発明は、図面及び前述の記述に詳しく図示され記述されているが、このような図面及び記述は、説明的又は例示的なものとして考えられるべきであり、制限的でない。本発明は、開示された実施例に制限されない。

開示された実施例の他の変更は、図面、開示及び添付の請求項の検討に基づいて、本発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されることができる。請求項において、「含む、有する」なる語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞は、複数性を除外しない。単一の構成要素は、請求項に列挙されるいくつかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項の任意の参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (10)

1. Ｘ線源において使用される散乱電子コレクタであって、
   第１の端部、第２の端部、外側周縁部及び中央孔を有する熱吸収部材であって、前記中央孔が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記熱吸収部材を通って長手方向に形成されている、熱吸収部材と、
   外側周縁部及び内側周縁部を有する冷却素子と、
   を有し、
   前記熱吸収部材の前記外側周縁部は、前記冷却素子の前記内側周縁部と接触するように構成され、
   前記熱吸収部材は、その内側壁の内部に、該内部に生じうる圧縮応力及び膨張応力を低減するように前記中央孔から十分な深さを伴って設けられる、前記第１の端部から前記第２の端部まで延在する少なくとも１つのスロットを備え、前記スロットは、前記中央孔にオープンな端部と、前記熱吸収部材の内部の端部とを有し、前記スロットが、前記熱吸収部材の前記中央孔から、前記外側周縁部に向かう方向に形成され、前記スロットの前記方向は、前記中央孔から前記熱吸収部材の外周に向かう半径方向に対し傾けられて延び、又は前記中央孔から始まって前記半径方向に延びて前記熱吸収部材の外周に沿った方向へとカーブされる、散乱電子コレクタ。
2. 複数のスロットが形成される、請求項１に記載の散乱電子コレクタ。
3. ８つのスロットが形成される、請求項２に記載の散乱電子コレクタ。
4. 前記スロットは、前記熱吸収部材の周に一様に分布される、請求項２又は３に記載の散乱電子コレクタ。
5. 各スロットの端部に、前記スロットの幅より大きい直径を有する穿孔が形成されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の散乱電子コレクタ。
6. 前記穿孔の軸は、前記中央孔の軸に対して、前記中央孔から外側に向かう方向に傾けられている、請求項５に記載の散乱電子コレクタ。
7. 前記熱吸収部材の前記中央孔は、円筒形のセクション及び円錐形のセクションを有し、前記円筒形のセクションの一端は、前記熱吸収部材の前記第１の端部に位置し、前記円筒形のセクションの他端は、前記円錐形のセクションの小さい直径を有する端部にマージし、前記円錐形のセクションの大きい直径を有する端部は、前記熱吸収部材の前記第２の端部に位置する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の散乱電子コレクタ。
8. 前記冷却素子は環状である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の散乱電子コレクタ。
9. 前記冷却素子は、その外側周縁部に複数の冷却リップを有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の散乱電子コレクタ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の散乱電子コレクタを有するＸ線源。

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