JP5737527B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線を生成するためのＸ線管に関し、詳細には比較的高強度のＸ線を発生させることが可能なＸ線管に関する。本発明は、特に植物において使用するためのＸ線管を製造することを目的としており、Ｘ線は木材を検査するために使用される。以下、それらの分野を全般的に参照する。しかしながら、本発明はあらゆる他の分野において、かつあらゆる他の目的のために、区別されることなく出願可能であることを理解されたい。

一世紀以上前にＸ線管が発明されて以来、Ｘ線管は一般的に真空容器（通常はガラス球）から構成され、それはカソード（陰極）およびアノード（陽極）を収納し、その間で実施の際に比較的高い直流電圧（数ｋＶであっても）が印加される。

アノードはカソードから所定の距離に位置し、（タングステン、モリブデン、またはロジウムなどの）金属製の重厚なディスクから構成されており、下記により詳細に説明されるように所定の運動エネルギーによって移動する電子が衝突するとＸ線を放出可能である。カソードの方を向いているその主要面が、カソードとアノードを結ぶ方向に直角な面に対して角ある度をなしているという意味で、ディスクは斜めに配置されている。

一方で、カソードは通常、熱電子効果によって電子を放出する加熱らせんから成る。一旦放出されると、電子はアノードとカソードとの間に存在する電位差によって加速し、その後、金属ディスクに衝突する。衝撃の瞬間、電子の運動エネルギーのごく一部が周知の過程によってＸ線に変換する。

このようにして発生したＸ線は、それら自身によって全方向に伝播し得る。

しかしながら、アノードの形状（平らなディスク）は、そこに存在する大部分のＸ線がディスクの２つの面にほぼ直角な方向に伝播することを意味している。特に、大部分の光線は、カソードに面するディスク面の反対側の面から出ていき（順方向光線）、一方で、非常にごく一部の光線はカソードに面するディスク面から出ていく（逆方向光線）ことで伝播する。

さらに、操作の間、アノードはかなりの高温にさらされるため、産業的な応用においては冷却しなければならない。現在のところ、それは通常カソードに面するアノードの面の反対側の面に冷却手段を適用することで行われている。冷却手段はアノードと熱的に接触する箱型の金属要素（通常は鋼鉄製）を含み、その中で水などの冷却液が流れている。しかしながら、的確な熱放散を保障するために、冷却手段の寸法および構造は、実質的に全ての順方向光線が箱型要素または冷却水によって吸収されるようになっている。

それ故、先行技術における産業用のＸ線管では、使用可能な唯一の光線は逆方向光線である。そのためアノードは斜めに配置されている。実際に、この方法によってのみＸ線を冷却手段中に放散することなく、かつカソードに衝突させることなく、Ｘ線をＸ線管の外に向けることが可能である。

一方で、電子がアノードに衝突すると広範囲の様々な波長にわたる光線が発生する（実際の範囲はアノードを作成するために使用される金属の種類および作動電圧、つまり衝撃の瞬間の電子の速度によって決まる。）

しかしながら、産業レベルにおいては一部の波長のみが実際に有用である。例えば、木材を検査するために、低い周波数のいかなる光線も木材を通過できないために利益がないだけではなく、木材の存在なくして検出センサーを飽和し得るために回避しなけなければならない。

そのために、現在販売されているＸ線管には、逆方向光線が出て行く前に逆光線を遮断するフィルターが取り付けられている。フィルターは、金属板（例えばベリリウムまたは銅製）から成り、それはわずか数ミリメートルの厚さで、関連する応用に対して有用ではないＸ線管から放出されるＸ線の波長を吸収することが可能である。

上記に記載されているものは、すべての先行技術の解決法によって共有される態様を表している。しかしながら、現在市場に出ているＸ線管は、電子流閉じ込めおよび集中手段、ならびにＸ線閉じ込め手段の両方も有し得ることを考慮することが重要である。また、回転アノードを有する先行技術のＸ線管もあり、これはアノードへの電子の衝撃位置を連続して変化させるように設計されている。どのような場合においても、この発明はあらゆるＸ線管に対して適切に調整することで適用可能である。

上記を踏まえると、先行技術のＸ線管の主な問題は、それらが低い出力を有することであることが明らかであろう。生成されるＸ線のごく一部のみが関連する使用において利用可能である。

したがって、高い出力が要求される分野（丸太のＸ線検査など）では、通常の商業用Ｘ線管は適さず、特別に極めて高出力で同様に高コストのＸ線管を使用しなければならない。

本状況において、本発明の基礎を形成する技術的目的は、上述の欠点を克服するＸ線管を提供することである。

特に、本発明の技術的目的は、操作用パラメータが同等であり、従来のＸ線管よりもかなり高強度のＸ線を供給可能であるＸ線管を提供することである。

また、本発明の技術的目的は、従来のＸ線管よりも安価で同等の出力のＸ線管を提供することである。

特定の技術的目的および示される目標は、添付の特許請求の範囲において記載されるように作成されるＸ線管によって実質的に達成される。

本発明のさらなる特徴および利点は、Ｘ線管のいくつかの好ましい非限定的な実施形態を例示している添付の図面を参照して、詳細な説明においてより明らかとなる。

図１は、本発明によって作成されたＸ線管の概略図である。 図２は、図１のＸ線管の拡大詳細図である。 図３は、図１のＸ線管の構成部分の一部である板の上面図である。 図４は他の板の上面図である。 図５は図３および図４の板が互いに結合した板の上面図である。 図６は図５の板の正面図である。

添付の図面に関して、数字の１は本発明によって作成されるＸ線管全体を示している。

先行技術のＸ線管と同様に、本発明によるＸ線管は、有利にはガラス球などの格納要素２をまず含む。また、格納要素２は放出部３を含み、Ｘ線管１で生成されたＸ線は該放出部３からＸ線が使用される領域に向けて送られる（例えば、木材片のＸ線検査のため）。図１に示すように、空間によって隔てられたカソード４およびアノード５は格納要素２の内部に取り付けられている。

カソード４は先行技術のカソードと同様の方法で作成可能である。図１では、カソード４は具体的には熱電子効果によって電子Ｅを放出可能な加熱コイルである。

それとは対照的に、本発明におけるアノード５は、先行技術のアノードのように、所定の運動エネルギーを有する電子Ｅが衝突するとＸ線を放出可能な材料から作成されている。アノード５は実質的にカソード４の方を向く第１主要面６、および第１主要面６とは反対方向を向く第２主要面７を含む。

本発明によれば、アノード５の第１主要面６は、カソード４からアノード５に向けて伸びる方向に直角な面に対して角度をなす必要はない。下記により詳細に説明するように、本発明によれば、Ｘ線管１より使用されるＸ線は先行技術のＸ線管の場合のような逆方向光線ではなく、順方向光線、つまり、実施の際にアノード５の第２主要面７から出る光線である。

有利には、冷却手段８はアノード５の第２主要面７に適用されることで、Ｘ線の生成中に発生した熱を放散することが可能である。冷却手段８は好ましくは熱導体要素９を含み、該熱導体要素９はアノード５の第２主要面７と熱的に結合し、その内部で水などの冷却流体が流れる。

本発明の主な態様は、冷却手段８が二重機能を実行するという事実にある。冷却手段８はアノード５によって放出されるＸ線の各波長に基づいてフィルター可能なフィルター手段１０でもある（図１では、Ｘ線は波線矢印によって表されている。）

本発明によるその革新的な実施形態のおかげで、Ｘ線のための放出部３（光線は該放出部３を通過して格納要素２を出る）は、実施の際にアノード５の第２主要面７から放出されるＸ線、つまり順方向光線をフィルター手段１０を通過した後に受け取るように配置される。

好ましい実施形態では、これは熱導体要素９が複数のマイクロチャネル１１を収納するように熱導体要素９を作成することで達成される。実施の際に、複数のマイクロチャネル１１内で加圧された冷却液は乱流運動によって流れる。本発明の範囲内において、用語マイクロチャネル１１は、少なくとも１つの寸法が数百マイクロメートル以下であるチャネルを指す。

理想的な実施形態では、熱導体要素９はそれ故「多孔質」構造を有しており、そこでは互いに全てが流体連結した一式の数々の孔がマイクロチャネル１１一式を形成している。このようにして、一方では非常に大きな熱交換面領域が得られ、その一方で、マイクロチャネル１１中で冷却流体の乱流運動が発生する。これらの要因の両方が冷却流体による熱除去を最大限にすることに役立っている。

さらに、流体の循環を可能とするために、熱導体要素９は冷却流体のための少なくとも１つの入口部１２および少なくとも１つの出口部１３を含み、それらはマイクロチャネル１１と流体連結する（図示の実施例において、入口部１２および出口部１３は２つの管継手である）。それ故本発明のより完全な実施形態では、Ｘ線管１は加圧された冷却流体を冷却手段８に供給する手段も備えている（図示されていないポンプ、および適したパイプ１４など）。

好ましい実施形態では、熱導体要素９は、有利には主として平らに伸びる層状束１７を形成する密に重なった複数の平板１５、１６を含む。さらに、層状束１７は板と主として平行に伸びることが好ましい（図２）。

層状束１７では、（冷却流体のための入口部１２および出口部１３を接続するための孔を除いて）実質的に孔を有さない２つの端板１５（端板１５には入口部１２および出口部１３が接続されている）、および複数の内板１６を確認することが可能である。

図３および４に示されるように、層状束１７の各内板１６は該内板１６の表面上に分布する複数の貫通孔１８を含む。そのために有利には各内板１６は規則的なメッシュを有する格子形状を有する。図示される実施形態では、各孔１８は六角形のメッシュによって形成される三小葉の形状を有しており、六角形の交互の頂点には３つの円形領域１９を有する。

マイクロチャネル１１を形成するためには、一旦束が作成されると各板の孔１８は直に隣接する板の孔１８と部分的にのみ整列する。特に、メッシュの形状およびサイズが全ての板において同じである場合、層状束１７における各板のメッシュは該各板と向かい合う板のメッシュに対してずらされる。

さらに、有利には、層状束１７の各内板１６におけるそれぞれの孔１８は、直接内板１６に面する各内板１６の少なくとも２つの異なる孔１８と部分的に向かい合う。それ故、それらを互いに流体連結させることが可能である。

その状況は、重なって連結する図３および図４の板を示す図５および６に図式的に示されている。単に図の理解をより容易とするために、図５において、図３の板を上に配置して完全に黒色とし、その一方で図４の板は下に位置する。さらに、図５において、破線で描かれた矢印は冷却流体の可能な通路を示している（矢印が黒色の板のストレッチを通過するとき、それは流体が下の板の孔１８に流れ込むことを意味している。）

さらに、好ましい実施形態では、層状束１７は（図３および４の板のように）２種類の内板１６のみを交互にすることで得られる。有利には、図示される実施例において、全ての板は同じ形状を有する。図４の板は図３の板を裏返せば正に同じ板である。また、板１６は一つの板のメッシュの円形部１９が隣接するメッシュの円形部と正確に重なるように形成されている。

さらに、Ｘ線に対する的確なフィルター効果を得るために、熱導体要素９は有利には、銅、またはベリリウム、または他の金属などのこれらの性質で知られている材料から作成される。有利には、好ましい実施形態において層状束１７の厚さは１ｃｍ未満であり、一方で、各板１５、１６の厚さは数百マイクロメートルまたはさらに薄い。

既に示されているように、上述した本発明の実施形態は、可能である最も容易な実施形態の１つである。しかしながら、適切な調整によって、本発明は有利には、電子流およびＸ線を中央に揃えて焦点を合わせる手段を備えた実施形態、または回転アノードを用いた実施形態（この場合、明らかに入口部１２および出口部１３の適した実施形態が必要であろう。）などのより複雑な実施形態にも適用可能である。

本発明によるＸ線管１の操作は、Ｘ線の発生に関しては実質的に従来の管と同じである。カソード４は電子Ｅを放出し、電子Ｅはカソード４とアノード５との間に印加される電位差ΔＶによって加速し、所定の速度に到達することで所定の運動エネルギーを獲得する。そして電子Ｅがアノード５に衝突した瞬間にそのごく一部はＸ線に変換する。

発生した順方向光線は熱導体要素９を通過し、該熱導体要素９は不要な波長を除去する一方で有用な波長は妨げられずに放出部３に到達可能である。同時に、冷却流体はマイクロチャネル１１において圧力下で循環し、熱導体要素９と熱的に結合したアノード５の適した冷却を保障し得る。本発明によって重要な利点がもたらされる。

本発明のおかげで、吸収力が等しく、Ｘ線に関して利用可能な著しく高い出力を保障するＸ線管、つまり、かなり効率的なＸ線管を提供することが可能となった。

あるいは、本発明は利用可能な出力が等しく、従来のＸ線管よりもずっと安価なＸ線管の製造を可能とする。

最後に、本発明は製造が比較的容易であり、本発明の実施にかかる費用もそんなに高額ではないことに注目されたい。

上述した本発明は、本発明の概念の範囲から逸脱することなくいくつかの方法に変更および適応可能である。

さらに、本発明のあらゆる細部はその他の技術的に同等な要素と置き換え可能であり、かつ使用される材料および様々な構成要素の形状および寸法は必要に応じて変更可能である。

Claims (7)

1. Ｘ線放出部（３）を含む格納要素（２）、
   前記格納要素（２）に取り付けられたカソード（４）、
   前記格納要素（２）に取り付けられたアノード（５）、ここで該アノード（５）は前記カソード（４）から離れており、所定の運動エネルギーを有する電子（Ｅ）が衝突するとＸ線を放出可能な材料から作成されており、また前記アノード（５）は実質的に前記カソード（４）の方を向く第１主要面（６）および前記第１主要面（６）とは反対方向を向く第２主要面（７）を含み、
   前記アノード（５）の前記第２主要面（７）に適用される冷却手段（８）、および
   前記アノード（５）から放出されるＸ線をそれぞれの波長に基づいてフィルターするためのフィルター手段（１０）、を含むＸ線管であって、
   前記フィルター手段（１０）は前記冷却手段（８）から成ることを特徴とし、また、前記Ｘ線放出部（３）は、実施の際に、前記アノード（５）の前記第２主要面（７）から放出されたＸ線を前記フィルター手段（１０）を通過した後に受け取るように配置され、前記冷却手段（８）および前記フィルター手段（１０）は熱導体要素（９）から成り、該熱導体要素（９）は前記アノード（５）の前記第２主要面（７）と熱的に結合し、かつ複数のマイクロチャネル（１１）を備えており、実施の際に、該複数のマイクロチャネル（１１）内で加圧された冷却流体は乱流運動によって流れ、前記熱導体要素（９）は主として平らに伸びる層状束（１７）を形成する密に重なった複数の平板を含み、前記層状束（１７）の各内板（１６）は該内板（１６）の表面にわたって分布する複数の貫通孔（１８）を含み、各板の前記孔（１８）は直に隣接する板の孔（１８）と部分的にのみ整列し、個々の板の一式の孔（１８）は前記複数のマイクロチャネル（１１）を形成することを特徴とするＸ線管。
2. 請求項１に記載のＸ線管であって、前記層状束（１７）の各内板（１６）における各孔（１８）は、直接前記内板（１６）に面する各内板（１６）の少なくとも２つの異なる孔（１８）と部分的に向かい合うことを特徴とするＸ線管。
3. 請求項１または２に記載のＸ線管であって、前記層状束（１７）の前記内板（１６）は規則的なメッシュを有する格子形状を有し、前記各板のメッシュは該各板と向かい合う板のメッシュに対してずらされていることを特徴とするＸ線管。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のＸ線管であって、前記層状束（１７）の厚さは１ｃｍ未満であり、前記各板の厚さは約数百マイクロメートルであることを特徴とするＸ線管。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のＸ線管であって、前記熱導体要素（９）は金属で作成されていることを特徴とするＸ線管。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のＸ線管であって、前記熱導体要素（９）は、冷却流体のための少なくとも１つの入口部（１２）および少なくとも１つの出口部（１３）も含み、前記入口部（１２）及び前記出口部（１３）は前記マイクロチャネル（１１）と連通することを特徴とするＸ線管。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のＸ線管であって、該Ｘ線管は加圧された冷却流体を前記冷却手段（８）に供給する手段も含むことを特徴とするＸ線管。

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