JP6366983B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

実施形態は、冷却機構を有するＸ線管に関する。

Ｘ線管は、Ｘ線を利用する種々のＸ線装置、例えば、Ｘ線回折装置等に組み込まれている。このＸ線管は、一般に、陰極、陽極及びこれら陰極及び陽極を収納するセラミック外囲器及び金属外囲器から構成される真空外囲器を具備している。陰極を包囲するようにセラミック外囲器が設置されている。セラミック外囲器には、陰極が接続固定されている。また、陽極を包囲するように金属外囲器が設置されている。金属外囲器には、陽極が接続固定されている。

Ｘ線管では、陰極に取り付けられたフィラメントが概ね２０００℃以上に加熱されてフィラメントから電子が発生される。陰極および陽極の間には、数１０ｋＶの電圧が印加されている。陰極および陽極の間において、フィラメントから発生された電子が加速される。加速された電子は、陽極ターゲットに衝突する。その結果、陽極ターゲットからＸ線が放射される。

よく知られるように、Ｘ線の発生に際しては、多くの熱が発生され、陽極ターゲットおよびその周辺の温度が上昇される。通常、連続的に多くのＸ線を発生させるためには、高温となった陽極ターゲットを水冷などで冷却することが必要とされる。

また、加熱されるフィラメントにより陰極もまた高温になるため、陰極も冷却することが必要とされる。しかし、Ｘ線管は、陰極に高電圧が印加されるため、冷却機構を取り付けることが困難とされている。陰極を冷却することができない結果、陰極に生じる熱は、セラミック外囲器に伝達され、セラミック外囲器の表面は、概ね１００℃近くまで上昇される。

Ｘ線管への電力供給が停止された後に、陽極が接続固定されている金属外囲器は、陽極ターゲットの冷却機構により速やかに冷却することができる。しかし、陰極が接続固定されるセラミック外囲器は、短期間に冷却することができず、その冷却には、例えば、概ね１時間以上を要している。

冷却機構を有するＸ線管に関しては、例えば、特許文献１に、伝熱媒体を介してセラミック外囲器の一端を金属外囲器に接続し、セラミック外囲器に蓄積する熱を金属外囲器に伝達することによってセラミック外囲器を冷却する構成が開示されている。

特開２０１１−９６５７２号公報

Ｘ線回折装置における測定では、Ｘ線管は、被測定資料に応じて、適切な陽極ターゲットが定まり、適切な陽極ターゲットを備えるＸ線管に交換されて測定が実施される。従来のＸ線管では、動作中にセラミック外囲器の温度が高温になり、Ｘ線管への電力供給を停止した後にあっても十分に冷却されるまでに長時間を要し、Ｘ線管の交換を短時間に行なえず、次の測定までに時間を要している。

本発明が解決しようとする課題は、セラミック外囲器に蓄積する熱を効率的に放出することが可能なＸ線管を提供することである。

本実施形態に係るＸ線管は、負の高電圧が印加されて電子を放出する陰極と、前記陰極に対向し、陰極からの電子が射突されてＸ線を放出する陽極ターゲットと、底部及び筒部を有する有底筒状に形成されている金属外囲器であって、底部には、前記底部を貫通する貫通孔が形成されて底部の内面に開口部が設けられ、前記開口部が陽極ターゲットで塞がれている金属外囲器と、貫通孔内に冷却液を供給して陽極ターゲットを直接冷却する流入冷却路及び貫通孔内からの冷却液を排出する排出冷却路を備える冷却機構と、陰極を保持する、開口部を備える筒状のセラミック外囲器と、を備える。さらに、Ｘ線管は、金属外囲器の筒部をセラミック外囲器の開口部に連結する、導熱性を有する充填部材と、充填部材の内周面に沿って形成され、陰極と陽極とを真空気密に封着する封着金属部と、セラミック外囲器に装着され、金属外囲器が微少な隙間を空けて挿通され、充填部材でセラミック外囲器及び金属外囲器に固定され、冷却機構に熱的に連結されている金属筒であって、セラミック外囲器に伝達された熱を冷却機構に伝達するための金属筒と、を備える。

図１は、実施の形態に係るＸ線管を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示すＸ線管の一部を拡大してＸ線管の構造を説明的に示す拡大図である。 図３は、実施形態に係るＸ線管のセラミック外囲器の表面温度と冷却時間との関係を示すグラフである。

以下図面を参照して実施の形態の説明をする。

図１は、実施の形態に係るＸ線管の内部構造を概略的に示している。この図１に示すように、Ｘ線管１は、電子を放出する陰極（陰極構体）１０及びこの陰極１０に対向され、放出された電子が射突（衝突）してＸ線を放射するディスク状の陽極ターゲット２０を具備し、この陰極１０および陽極ターゲット２０が筒状の真空外囲器３０内に収納され、この外囲器３０内の真空の空間に陰極１０および陽極ターゲット２０が配置される。真空外囲器３０には、陽極ターゲット２０を冷却するために冷却機構４０が設けられている。また、外部電源、例えば高電圧プラグ等が陰極１０に接続された場合、陰極１０および陽極ターゲット２０の間には高電圧（管電圧）が印加される。

陰極１０は、電子を放出する電子放出源としてのフィラメント１１と、放出された電子を陽極ターゲットに向けて収束する為の集束電極１２と、第１の高電圧端子１３と、第２の高電圧端子１４と、絶縁部材１５とを有している。陰極１０には、後述する陽極２０に対して相対的に負の管電圧が印加されている。

フィラメント１１は、例えば、２つの端子を有している。フィラメント１１の端子は、一方の端子が導線を介して第１の高電圧端子１３に電気的に接続され、もう一方の端子が導線を介して集束電極１２に電気的に接続されている。さらにフィラメント１１は、集束電極１２を介して第２の高電圧端子１４に電気的に接続されている。したがって、第１の高電圧１３および第２の高電圧端子１４に高電圧が印加された場合、これらの高電圧端子１３、１４の間の電位差によってフィラメント１１に電流（フィラメント電流）が負荷され、電流が負荷されることでフィラメント１１が加熱される。加熱されたフィラメント１１から電子（熱電子）が陽極ターゲット２０に向けて放出される（熱電子放出）。

集束電極１２は、フィラメント１１から発散されて放出される電子を集束するために、電子が通る軌跡を包囲するように配置されている。また、集束電極１２は、第２の高電圧端子１４に接続されている。外部電源、例えば高電圧プラグ等が陰極１０に接続された場合、高電圧プラグから印加される電圧は集束電極１２を介して第１の高電圧端子１３及び第２の高電圧端子１４に印加される。第１の高電圧端子１３及び第２の高電圧端子１４に印加される電圧による電流の一部が前述のようにフィラメント１１から電子として放出され、集束電極１２は陽極ターゲット２０に衝突するように放出される電子を集束させる。

第１の高電圧端子１３は、陰極１０においてフィラメント１１の反対側の端部（上端部）に設けられている。第１の高電圧端子１３は、Ｘ線管１の中心軸である管軸ＴＡを中心軸とする略円柱型で形成される。第１の高電圧端子１３は、中心軸に従って延長する導線を保持している。第２の高電圧端子１３から延長する導線は屈曲して、前述のようにフィラメント１１の一方の端子に接続されている。

第２の高電圧端子１４は、管軸ＴＡと同軸の略円筒形状であり、陰極１０において上端部が管軸ＴＡの方向に突出している。第２の高電圧端子１４は、上端部で後述する絶縁部材１５を介して第１の高電圧端子１３を保持する。

絶縁部材１５は、第２の高電圧端子１４の上端部に接続されている。また、絶縁部材１５は、第１の高電圧端子１３と第２の高電圧端子１４とを絶縁するようにこれら高電圧端子１３、１４の間に設置されている。

陽極ターゲット２０は、陰極１０のフィラメント１１と対向して配置されている。陽極ターゲット２０は、例えばモリブデン（Ｍｏ）または、タングステン（Ｗ）でディスク状に形成されている。陽極ターゲット２０は、フィラメント１１から放出される電子が衝突するように配置されている。陽極ターゲット２０には、陰極１０に対して相対的に正の管電圧が印加されている。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、陽極ターゲット２０に向けて加速され、集束電極１２によって集束され陽極ターゲット２０に射突される。加速集束された電子が陽極ターゲット２０に衝突することによって、制動放射線により陽極ターゲット２０からＸ線が放射される。

陰極１０および陽極ターゲット２０を収納する真空外囲器３０は、密閉され、内部が真空状態に維持されている。すなわち、真空外囲器３０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を真空状態で保持している。真空外囲器３０は、金属外囲器３１と、円筒状のセラミック外囲器３２と、リング状の封着金属部３３と、金属外囲器３１にＸ線を透過可能なＸ線照射窓３４とを有している。金属外囲器３１は、金属部材で形成され、セラミック外囲器３２は、電気的絶縁性を示すセラミックで形成される。金属外囲器３１の開口側端面と円筒状のセラミック外囲器３２の一方の開口端面とは、互いに対向され、その間に充填部材６０が充填され、充填部材６０の内面には、リング状の封着金属部３３が設けられている。

より詳細には、金属外囲器３１は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状に形成されている。また、金属外囲器３１は、筒上部が管軸ＴＡに沿った方向に延出された有底筒状に形成され、陰極１０および陽極ターゲット２０を包囲するように配置されている。金属外囲器３１は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状部を有し、また、底部には、底部を貫通する開口部が形成されている。筒状部の開口端面には、上述したように充填部材６０及びリング状の封着金属部３３が設けられている。また、底部開口部は、有底部内面に固定された陽極ターゲット２０によって塞がれて真空気密状態に維持されている。陽極ターゲット２０及び底部開口部は、金属外囲器３１の中心軸と同軸に配置されている。金属外囲器３１には、Ｘ線を外部に放射するためのＸ線窓３４が設けられている。

セラミック外囲器３２は、金属外囲器３１と同様に、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状に形成されている。金属外囲器３１に連結されるセラミック外囲器３２は、金属外囲器３１と同軸に設けられている。また、セラミック外囲器３２の外径は、金属外囲器３１の外径よりも僅かに大きく形成され、後に述べるように金属筒５０の内径に略一致し、金属外囲器３１及び金属筒５０の両者が密着されて金属筒５０がセラミック外囲器３２に装着されている。セラミック外囲器３２は、管軸ＴＡに沿った方向に延出し、陰極１０を包囲するように配置されている。セラミック外囲器３２は、内部に開口が形成されている支持部を有し、それぞれの両端開口部で開口し、支持部で区画されている第１及び第２の筒状部で構成されている。また、セラミック外囲器３２の支持部は、陰極１０の端部が支持部開口に装着され、陰極１０を支持している。より詳細には、図１に示すように、セラミック外囲器３２は、リング状支持部を有している。リング状支持部は、セラミック外囲器３２の内周縁側に位置し、管軸ＴＡに垂直な方向に突出している。陰極１０が金属外囲器３１に向けて第２の筒状部内を延出され、第２の筒状部内を真空気密となるように陰極１０（第２の高電圧端子１４）がリング状支持部に気密に装着されている。また、第１の筒状部には、開口端側から、陰極１０に高電圧を供給する高電圧プラグが装着される。

封着金属部３３は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状に形成されている。封着金属部３３は、金属外囲器３１およびセラミック外囲器３２の間で、陰極１０を包囲するように配置される。封着金属部３３は、金属外囲器３１の開口端およびセラミック外囲器３２の開口端に接合され、金属外囲器３１及びセラミック外囲器３２で規定された内部空間を真空気密に保持している。封着金属部３３は、筒状の肉厚が薄く、熱伝導率が低い材料で形成される。例えば、封着金属部３３は、例えば、熱伝導率が２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下の材料で形成される。

Ｘ線照射窓３４は、上述したように、金属外囲器３１の開口を塞ぐように設置されている。Ｘ線照射窓３４は、陽極ターゲット２０から放射されるＸ線を透過して外部へ放出させる。

冷却機構４０は、冷却液が流れる冷却路４０Ｐを備え、金属外囲器３１に取り付けられている。冷却機構４０においては、冷却路４０Ｐが金属外囲器３１の側部に流入路（流入冷却路）を備え、この流入路が管軸ＴＡ方向に沿って折り曲げられて金属外囲器３１の底部開口部内を通り、陽極ターゲット２０の底面に直接に冷却水を吹き当てるように、陽極ターゲット２０の底面で開口されている。陽極ターゲット２０は、衝突噴流冷却を用いて冷却される。陽極ターゲット２０の底面（背面）に吹き当てられて底部開口部に流出した冷却水を導くために底部開口部には、冷却路４０Ｐの流出路（排出冷却路）が連結され、この流出路が金属外囲器３１外に延出されている。この冷却機構４０は、冷却液によって陽極ターゲット２０が底面側から冷却され、また、金属外囲器３１は、その内部から冷却される。ここで、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、また、冷却液には、後述するように陰極１０から放出される熱が間接的に伝達される。冷却液は、例えば、純水、水溶液、絶縁油等である。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、陽極ターゲットをより冷却することができる。

図２は、金属外囲器３１及びセラミック外囲器３２、その間に充填される充填部材６０、これらを囲む金属筒５０並びに充填部材６０内面に設けられた筒状封着金属部３３から成る連結構造を拡大して概略的に示す断面図である。

金属筒５０は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状に形成され、この金属筒５０には、微少間隙を空けるように金属外囲器３１が挿通され、セラミック外囲器３２の一部が装着されて金属筒５０に固定され、金属筒５０は、封着金属部３３を囲むように配置されている。この連結構造においては、金属筒５０と金属外囲器３１との間には、僅かに隙間が形成されているが、充填部材６０によって金属筒５０、金属外囲器３１及びセラミック外囲器３２が一体的に連結されている。より詳細には、図２に示すように、金属筒５０と金属外囲器３１との間に隙間が形成され、金属筒５０及びセラミック外囲器３２の間は、殆ど密着され、或いは、ごく僅かな隙間形成されているに過ぎない。また、金属筒５０の一方の開口端は、セラミック外囲器３２に装着され、熱的に両者が連結され、また、金属筒５０の他方の開口端は、冷却機構４０に接触されている。

充填部材６０は、金属外囲器３１、セラミック外囲器３２、封着金属部３３、及び金属筒５０で包囲された空間に充填され、金属外囲器３１、セラミック外囲器３２、封着金属部３３、及び金属筒５０の各々に密着されている。また、充填部材６０は、セラミック外囲器３２及び金属筒５０の間に微少な隙間が生じている場合には、この微少な隙間にも充填されることが好ましい。充填部材６０は、例えば、シリコーンゴム、窒化アルミ、銅線製鋼、及び金属メッシュなどがあり、この充填部材６０は、シリコーンゴムを接着剤として銅線製鋼または金属メッシュを接着した部材であってもよい。充填部材６０は、銅線製鋼または金属メッシュを含んでいることから、銅線製鋼または金属メッシュを含まない場合と比較して熱伝導率が高く、良好にセラミック外囲器３２からの熱を金属筒５０に伝達することができる。

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、この陽極ターゲット２０が冷却機構４０に金属外囲器３１を介して熱的に連結されていることから、陽極ターゲット２０で発生した熱は、金属外囲器３１及び冷却路４０Ｐを流れる冷却液を介して、Ｘ線管１の外部へ放出させることができる。

一方、Ｘ線管１の動作時において、陰極１０は、負の高電圧を印加されることによって熱を発生する。この陰極１０において、例えば、フィラメント１１は、２０００℃以上の状態になり得る。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、熱放射によって集束電極１２に伝達され、第１の高電圧端子１３及び第２の高電圧端子１４に接続されたセラミック外囲器３２へ伝達される。セラミック外囲器３２へ伝達された熱の一部は、一部はセラミック外囲器３２を介して外部へ放出される。また、その他の熱以外の熱の一部は、充填部材６０を介して金属筒５０へ伝達される。金属筒５０へ伝達した熱の一部は、金属筒５０の表面から外部へ放出される。金属筒５０へ伝達した熱の一部は、冷却機構４０に伝達され、冷却機構４０を流れる冷却液によって冷却される。金属筒５０は、金属外囲器３１との間に微少な隙間が設けられていることから、陽極ターゲット２０で発生された熱が金属外囲器３１を介して金属筒５０に伝達して金属筒５０が高温となり、セラミック外囲部３２へ伝達された熱の伝達を阻害することを防止することができる。

また、その他のセラミック外囲部３２へ伝達された熱の一部は、充填部材６０および封着金属部３３に伝達され、この充填部材６０および封着金属部３３を介して金属外囲器３１へ伝達される。ここで、封着金属部３３は、前述のように薄い形状に形成され、熱伝導率が低いために多量の熱を伝達できないが、充填部材６０が比較的良好な導熱性を有していることから、充填部材６０を介して十分な熱が金属外囲器３１へ伝達される。金属外囲器３１は前述のように冷却機構４０に連結されていることから、金属外囲器３１へ伝達された熱の一部は、前述のように冷却路４０Ｐを流れる冷却液を介して、Ｘ線管１の外部へ放出される。

尚、上述した構造を備えたＸ線管においては、Ｘ線管１の動作が停止した後も、動作時と同様に熱が伝達される。

図３は、本実施形態に係るＸ線管１のセラミック外囲器３２の表面の温度と冷却時間の関係の一例を示している。図３において、横軸Ｘには時間［分］が示され、縦軸Ｙには温度［℃］が示されている。横軸Ｘと縦軸Ｙとは垂直に交わる。この交点は、縦軸Ｙでは温度が０［℃］であることが示し、横軸Ｘでは時間が−（マイナス）６０［分］であることが示す。横軸Ｘでは、動作停止時が０［分］で示されるため、マイナス（−）の時間は、Ｘ線管１が動作中である時間を示す。縦軸Ｙでは、交点からＹ軸に従って温度［℃］が上昇する。横軸Ｘでは、交点からＸ軸に従って時間［分］が経過する。図３において、前述のように縦軸Ｙに平行な線ＳはＸ線管１の動作が停止した時間を示す。同様に縦軸Ｙに平行な線Ｅは、Ｘ線管１の動作が停止してから６０分後を示す。

図３には、熱伝導率が異なる３つの充填部材６０を充填した場合のセラミック外囲器３２の表面の温度の時間変化が各々の曲線で示されている。図３において、充填部材６０は、例えば、熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］及び１．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。また、比較例として、充填部材６０が充填されない場合も示す。図３において、曲線３０１は、充填部６０の熱伝導率が０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］の場合を示している。また、曲線３０２は、充填部材６０の熱伝導率が１．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］の場合を示している。曲線３０３は、充填部材６０がない場合を示している。図３において、横軸Ｘに平行な線Ｙ１は、Ｘ線管１の動作が停止してから６０分後の充填部材６０がない場合の温度を示す。例えば、線Ｙ１が示す温度は、約５５℃（度）である。また、Ｘ１、Ｘ２、及びＸ３は、夫々、曲線３０１、曲線３０２、及び曲線３０３が線Ｙ１で示される温度に達する時間を示す。

図３に示すように、充填部材６０がない場合と比べて充填部材６０がある場合の
方がセラミック外囲器３２の表面での冷却の速度、すなわち、冷却の効果が高い（Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３）。また、充填剤がある場合でも熱伝導率が高い方がセラミック外囲器３２の表面の冷却効果が高い（Ｘ１＜Ｘ２）。

以上のように、セラミック外囲器３２に蓄積する熱を効率よく放出させることが可能であるＸ線管１を得ることができる。

本実施形態によれば、導熱性を有する充填部材６０を少なくともセラミック外囲器３２及び金属筒５０の各々に密着するように充填することによって、金属筒５０へ陰極１０の熱を良好に伝達することができる。この結果、セラミック外囲器３２に蓄積する熱を効率よく金属筒５０へ伝達することができ、ひいては、冷却路４０Ｐを流れる冷却液へ伝達することができる。

また、この実施の形態によれば、充填部材６０がシリコーンゴムで接着された銅線製鋼または金属メッシュである場合には、充填部材６０がシリコーンゴムだけである場合と比較して、熱伝導率が高くなる。この結果、セラミック外囲器３２に蓄積している熱がさらに効率よく金属筒５０へ伝達される。

実施の形態によれば、封着金属部３３によって金属外囲器３１及びセラミック外囲器３２の内側の空間が真空気密状態に維持される。また、封着金属部３３も熱を伝達できるために、セラミック外囲器３２に蓄積している熱が効率よく金属筒５０及び金属外囲器３１へ伝達される。

また、実施の形態によれば、金属筒５０の開口の一端部が冷却機構４０に密着し、金属筒５０は、金属外囲器３１とは直接接直せず、すなわち、金属外囲器３１との間に間隙を有する。したがって、セラミック外囲器３２に蓄積している熱が金属筒５０へ効率的に伝達される。金属筒５０へ伝達された熱は冷却路４０Ｐを流れる冷却液を介して外部へ放出される。したがって、セラミック外囲器３２に蓄積している熱が効率よく外部へ放出される。

なお、本実施形態において、金属筒５０とセラミック外囲器３２との間に隙間が形成されていたが、金属筒５０とセラミック外囲器３２とは密着して設置されていてもよい。このとき、セラミック外囲器３２に蓄積している熱は、金属筒５０に直接的に伝達され、または充填部材６０を介して金属筒５０に間接的に伝達される。

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現化できる。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。

１…Ｘ線管、１０…陰極、１１…フィラメント、１２…集束電極、１３…第１の高電圧端子、１４…第２の高電圧端子、２０…陽極ターゲット、３０…真空外囲器、３１…金属外囲器、３２…セラミック外囲器、３３…封着金属部、３４…Ｘ線窓、４０…冷却機構４０Ｐ…冷却路、５０…金属筒、６０…充填部材、ＴＡ…管軸

Claims (4)

1. 負の高電圧が印加されて電子を放出する陰極と、
   前記陰極に対向し、前記陰極からの電子が射突されてＸ線を放出する陽極ターゲットと、
   底部及び筒部を有する有底筒状に形成されている金属外囲器であって、前記底部には、前記底部を貫通する貫通孔が形成されて前記底部の内面に開口部が設けられ、前記開口部が前記陽極ターゲットで塞がれている金属外囲器と、
   前記貫通孔内に冷却液を供給して前記陽極ターゲットを直接冷却する流入冷却路及び前記貫通孔内からの前記冷却液を排出する排出冷却路を備える冷却機構と、
   前記陰極を保持する、開口部を備える筒状のセラミック外囲器と、
   前記金属外囲器の筒部を前記セラミック外囲器の前記開口部に連結する、導熱性を有する充填部材と、
   前記充填部材の内周面に沿って形成され、前記金属外囲器と前記セラミック外囲器とを真空気密に封着する封着金属部と、
   前記セラミック外囲器に装着され、前記金属外囲器が微少な隙間を空けて挿通され、前記充填部材で前記セラミック外囲器及び前記金属外囲器に固定され、前記冷却機構に熱的に連結されている金属筒であって、前記セラミック外囲器に伝達された熱を前記冷却機構に伝達するための金属筒と、を備えるＸ線管。
2. 前記充填部材は、シリコーンゴムで形成される請求項１のＸ線管。
3. 前記充填部材は、シリコーンゴムで接着された金属メッシュで形成される請求項１のＸ
   線管。
4. 前記充填部材は、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の部材で形成される請求項１のＸ線管。

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