JP6677420B2 - Ｘ線管装置 - Google Patents

Description

実施形態は、Ｘ線管装置に関する。

蛍光Ｘ線分析に使用されるＸ線管装置は、陰極と、陽極ターゲットと、冷却パイプと、導水パイプと、導水パイプ及び冷却パイプを接続するジョイント接続部（以下、ジョイントと称する）と、を含む。Ｘ線管装置は、冷却パイプ、導水パイプ、ジョイント、及びその他の構造体により構成された陽極ターゲットを冷却するための冷却材の流路を備えている。陽極ターゲットは、この流路を構成する構造体の外側の所定の位置に接合されている。導水パイプ及び冷却パイプは、それぞれ、ジョイントに接続されている。導水パイプは、例えば、内側に設けられた内側パイプと、外側に設けられた外側パイプとで構成されている。内側パイプの先端ノズル部は、陽極ターゲットが設置された方向に冷却材を放出するように設置されている。この場合、冷却パイプは、ジョイントを介して内側パイプに接続された第１冷却パイプと、ジョイントを介して外側パイプに接続された第２冷却パイプとで構成される。このＸ線管装置において、冷却材は、第１冷却パイプを通りジョイントを介して内側パイプに送られ、内側パイプ及び外側パイプの間の流路を通りジョイントを介して第２冷却パイプから排出される。

Ｘ線管装置では、陰極から放出された電子が陽極ターゲットに衝撃することで、陽極ターゲットや、その周辺部分が、高温となる。陽極ターゲットや、その周辺部分は、近傍に構成された流路を流れる冷却材により冷却される。冷却材が流れる流路内の陽極ターゲットが設置された部分の近傍の流路の壁面では、冷却材のサブクール沸騰や、冷却材の流れの中でキャビテ―ション等が発生し得る。これらサブクール沸騰やキャビテ―ション等により、陽極ターゲットが設置された部分の近傍の流路、すなわち、内側パイプの先端ノズル部の近傍で、気泡が発生する。内側パイプの先端ノズル部の周辺で、気泡が発生し、発生した気泡が消滅することで、内側パイプが振動し得る。内側パイプとジョイントとの嵌合隙間が大きい場合、内側パイプの振動が大きくなり、更に、騒音が大きくなる可能性もある。

特開平６−８４４９０号公報 特開２０１０−４４８９７号公報 特開２０１３−２５４６５２号公報

上記したように、サブクール沸騰やキャビテ―ション等により流路内に発生する気泡の消滅に伴う振動により、導水パイプが振動し、周辺部材と接触することで、騒音が、発生し得る。
本発明の実施形態は、このような点に鑑みなされたもので、騒音を低減するために導水パイプの振動を抑制する構造を備えるＸ線管装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るＸ線管装置は、電子を放出する陰極と、陰極から放出される電子が衝撃することでＸ線が発生する陽極ターゲットと、冷却材が流入する流入部を有する接続部と、一端部に接続部が接続され、他端部の外側の底部に陽極ターゲットが接合された有底の第１筒管と、第１筒管の内側に設置され、第１端部が流入部に嵌合され、第２端部が第１端部から流入した冷却材を陽極ターゲットが接合された底部に向かって放出するように配置された第２筒管と、第１端部と第１筒管との間に設けられた弾性部材と、を備える。

図１（ａ）は、実施形態に係るＸ線管装置の一例を示す全体断面図であり、図１（ｂ）は、実施形態のＸ線管装置の一部を拡大した部分断面図である。 図２Ａは、弾性部材の一例を示す上面図である。 図２Ｂ（ａ）は、図２ＡのＡ−Ａの断面が円形状の断面図であり、図２Ｂ（ｂ）は、図２ＡのＡ−Ａの断面が矩形状の断面図である。 図３は、本実施形態の支持部材の一部を拡大した部分断面図である。 図４は、実施形態に係るＸ線管装置の振動値と入力値との関係を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。
（実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態に係るＸ線管装置１の一例を示す全体断面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態のＸ線管装置１の一部を拡大した部分断面図である。図１（ａ）には、管軸ＴＡを中心に、Ｘ線管装置１の一部分の断面が示されている。以下で、管軸ＴＡに対して水平な方向を軸方向と称する。軸方向において、Ｘ線管２側を下方向（下側）と称し、下方向に対して反対方向を上方向（上側）と称する。また、管軸ＴＡに対して垂直な方向を径方向と称する。

Ｘ線管装置１は、Ｘ線管２と、このＸ線管２を含む管容器３とを備える。さらに、Ｘ線管装置１は、高電圧ケーブルを挿入接続するための高電圧リセプタクル４と、冷却パイプ５と、ジョイント接続部（以下、単に、ジョイントと称する）６と、導水パイプ７と、高電圧リセプタクル４及び導水パイプ７を電気的に接続する導体スプリング８と、高電圧リセプタクル４の外側に設けられる円筒形状の絶縁筒体９と、空盆１０と内部空間２２とを隔離するベローズ１１とを備える。

高電圧リセプタクル４は、高電圧ケーブルを接続するために、上端部が開口し、且つ有底の円筒形状に形成されている。高電圧リセプタクル４は、管軸ＴＡを中心軸として後述する管容器３の上側に液密に設けられている。高電圧リセプタクル４は、内側から外側の底部に貫通する接続端子１２を備えている。接続端子１２は、高電圧リセプタクル４に挿入される外部電路のブッシングと、端子とを含む。接続端子１２は、導体スプリング８を介してジョイント６に接続されている。
絶縁筒体９は、略円筒形状の絶縁体で形成されている。絶縁筒体９は、図示しないが絶縁油が流通可能な構造とされている。絶縁筒体９は、例えば、上端部を管容器３の内側に固定されている。

冷却パイプ５は、冷却材、例えば、純水を流すための導管である。冷却パイプ５は、高電圧リセプタクル４と絶縁筒体９との間に螺旋状に設けられている。冷却パイプ５は、冷却材が供給される給水口５ａを備える第１冷却パイプ５ｂと、冷却材が排出される排出口５ｄを備える第２冷却パイプ５ｃと、で構成されている。第１冷却パイプ５ｂは、給水口５ａが冷却材の供給源である循環冷却装置等（図示せず）に接続され、給水口５ａと反対側の端部がジョイント６に接続されている。一方、第２冷却パイプ５ｃは、排出口５ｄが循環冷却装置等（図示せず）に接続され、排出口５ｄと反対側の端部がジョイント６に接続されている。なお、冷却パイプ５は、螺旋状に設けられていなくともよい。

ジョイント６は、Ｘ線管装置１の中心部、例えば、管軸ＴＡ上に設けられ、冷却パイプ５と導水パイプ７とを接続する。ジョイント６は、第１通路６ｐ１と、第１通路６ｐ１に略平行に形成された第２通路６ｐ２と、第１通路６ｐ１及び第２通路６ｐ２に対して垂直に形成された第３通路６ｐ３との３つの孔が形成された本体部６ａを有する。

例えば、図１（ｂ）に示すように、第１通路６ｐ１は、本体部６ａの上部で、管軸ＴＡに略垂直に、側面部（外周部）から第３通路６ｐ３まで連通して形成されている。同様に、第２通路６ｐ２は、本体部６ａの第１通路６ｐ１よりも下部で、管軸ＴＡに略垂直に、側面部から第３通路６ｐ３まで連通して形成されている。つまり、第１及び第２通路６ｐ１、６ｐ２は、それぞれ、本体部６ａの側面部で、管軸ＴＡに垂直な方向に開口している。また、第１通路６ｐ１には、第１冷却パイプ５ｂが液密に接続され、第２通路６ｐ２には、第２冷却パイプ５ｃが液密に接続されている。第３通路６ｐ３は、管軸ＴＡに沿って、本体部６ａの下端部から第１通路６ｐ１まで連通して形成され、第２通路６ｐ２に繋がる部分から第１通路６ｐ１に繋がる部分に亘って段差を有している。つまり、第３通路６ｐ３は、管軸ＴＡに沿って下部に向かって開口し、第２通路６ｐ２に繋がる部分の穴径よりも第１通路６ｐ１に繋がる部分の穴径の方が小さく形成されている。以下で、第３通路６ｐ３において、第１通路６ｐ１に繋がっている穴径が小さい部分を小径部と称し、第２通路６ｐ２に繋がっている穴径が大きい部分を大径部と称する。

導水パイプ７は、円筒形状に形成された外側パイプ（第１筒管）７ａと、外側パイプ７ａの内側に設けられた円筒形状の内側パイプ（第２筒管）７ｂとを含む。また、導水パイプ７は、内部に、弾性部材２３と、支持部材２５とを備える。導水パイプ（筒管）７は、軸方向、例えば、管軸ＴＡに沿って延長して設けられ、ジョイント６の下部に接続されている。

外側パイプ７ａは、ジョイント６の本体部６ａの下部と後述する陽極ブロック１４の上部とのそれぞれに液密に接合されている。外側パイプ７ａの内径は、第３通路６ｐ３の小径部と略同一の径で形成されている。

内側パイプ７ｂは、外側パイプ７ａの内径よりも小さい外径で形成されている。内側パイプ７ｂは、外側パイプ７ａの内側で、管軸ＴＡに沿って延長して設けられ、上端部が第３通路６ｐ３の小径部に嵌合され、中間部が支持部材２５に支持され、且つ下端部に先端ノズル部２４を備えている。内側パイプ７ｂは、外径が第１通路６ｐ１の穴径と略同一であり、第１通路６ｐ１との間に所定の公差の嵌合隙間を有している。

図２Ａは、弾性部材２３の一例を示す上面図であり、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａの断面の一例を示す断面図である。図２Ｂ（ａ）は、図２ＡのＡ−Ａの断面が円形状の断面図であり、図２Ｂ（ｂ）は、図２ＡのＡ−Ａの断面が矩形状の断面図である。

弾性部材２３の形状は、例えば、Ｏリング状、又はパイプ状に形成されている。弾性部材２３の断面形状は、図２Ｂ（ａ）に示すように円形状に形成されていてもよいし、図２Ｂ（ｂ）に示すように矩形状に形成されていてもよい。弾性部材２３は、樹脂性のゴム部材で形成されている。例えば、弾性部材２３は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン・プロピレンゴム、及びニトリルゴムの内の少なくとも１つで構成されていればよい。弾性部材２３は、図１（ｂ）に示すように、第３通路６ｐ３の段差部分で、内側パイプ７ｂの嵌合部近傍の外周部と第３通路６ｐ３の大径部との間に設けられている。弾性部材２３の厚さは、内側パイプ７ｂの外径と第３通路６ｐ３の大径部の径との間の幅と略同一、又はこの幅よりも大きい。また、弾性部材２３は、内側パイプ７ｂの嵌合部近傍において、内側パイプ７ｂと第３通路６ｐ３との間の少なくとも一部に設けられていればよい。

図３は、本実施形態の支持部材２５の一例を拡大した部分断面図である。
図３に示すように、支持部材２５は、幅狭部と幅狭部よりも幅が広い幅広部とを有する略円錐台形筒状に形成されている。支持部材２５は、外側パイプ７ａの内側で内側パイプ７ｂを支持する。支持部材２５は、幅広部が外側パイプ７ａの内周部に固定され、幅狭部の内側に内側パイプ７ｂが嵌合されている。支持部材２５は、幅狭部と幅広部との間の所定の位置で、冷却水を通すための孔Ｈ１が周方向に沿って１つ以上形成されている。

Ｘ線管２は、陽極ターゲット（陽極）１３と、陽極ブロック１４と、電子を放出する陰極１５と、ウェネルト電極１６と、第１真空外囲器１７と、第２真空外囲器１８と、を備える。高電圧リセプタクル４に高電圧ケーブルが接続された場合、陽極ターゲット１３と後述する陰極１５との間に、高電圧（管電圧）が印加される。

陽極ブロック１４は、管軸ＴＡを中心軸とした有底の円筒形状に形成されている。陽極ブロック１４の開口部側には、外側パイプ７ａの下端部が固定されている。陽極ブロック１４の内側には、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４が、配置されている。この先端ノズル部２４から陽極ブロック１４の内側の底部（又は、陽極ターゲット１３の設置方向）に向かって、冷却水が放出される。

Ｘ線管装置１において、前述したジョイント６、導水パイプ７、及び陽極ブロック１４は、組み立てられることで、冷却材を流すための流路を構成する。なお、ジョイント６、導水パイプ７、及び陽極ブロック１４は、夫々、別体として記載したが、冷却材を流す流路を構成すれば、全て一体で形成されていてもよいし、部分的に一体に形成されていてもよい。冷却材が、冷却パイプ５と、ジョイント６、導水パイプ７、及び陽極ブロック１４で構成された流路とを循環することで、後述する内部空間２２に充填された絶縁油や陽極ターゲット１３等が冷却される。

陽極ターゲット１３は、陽極ブロック１４の外側の底部に接合されている。陽極ターゲット１３は、電子が衝撃することによってＸ線が発生する。このとき、陽極ターゲット１３は、電子が衝撃することで温度が上昇するが、陽極ブロック１４の内側の流路を流れる冷却材によって冷却される。陽極ターゲット１３は、相対的に正の管電圧が印加される。

陰極１５は、リング状のフィラメントで形成され、陽極ターゲット１３（または、陽極ブロック１４）から径方向の外側に所定の間隔を空けて設けられている。陰極１５は、電気的に接地される、陰極１５から放出される電子は、後述するウェネルト電極１６の下端部を越えて陽極ターゲット１３上に衝突する。

ウェネルト電極１６は、円形状に形成され、陽極ターゲット１３と陰極１５との間に設けられている。ウェネルト電極１６は、陰極１５から放出された電子を陽極ターゲット１３上に集束させる。
第１真空外囲器１７は、内側円筒と、外側円筒とで構成されている。第１真空外囲器１７は、内側円筒と外側円筒との上端部が互いに接合されている。内側円筒及び外側円筒は、それぞれ、略円筒形状で、例えば、ガラス材、又はセラミックス材で形成されている。第１真空外囲器１７は、内側円筒の下端部が陽極ブロック１４に真空気密に接続され、外側円筒の下端部がＸ線管２の壁面の一部としてＸ線管２の壁部に真空気密に接続されている。

第２真空外囲器１８は、有底の略円筒形状で形成されている。第２真空外囲器１８は、上端部がＸ線管２の壁面の一部としてＸ線管の壁部に真空気密に接続されている。第２真空外囲器１８は、後述する管容器３ともに電気的に接地される。第２真空外囲器１８は、底部の中心付近を貫通する開口部に、Ｘ線放射窓（窓部）１９が真空気密に接合されている。Ｘ線放射窓１９は、電子が衝突した際に陽極ターゲット１３から発生するＸ線を透過し、Ｘ線をＸ線管装置１に外部へ放出する。Ｘ線放射窓１９は、Ｘ線を透過する部材、例えば、ベリリウム薄板で形成されている。また、Ｘ線管２は、外壁の一部に径方向の外側に突出する第１の凸部２０ａと、第２の凸部２０ｂとを備えている。

管容器３は、Ｘ線管装置１の各部を内部に収容する密閉された容器である。管容器３は、管軸ＴＡを中心軸とする略円筒形状に形成されている。管容器３は、例えば、金属部材で形成されている。また、管容器３は、内壁に鉛板２１が内貼りされている。管容器３（鉛板２１）の内側の内部空間２２には、絶縁油が、充填されている。ここで、内部空間２２は、例えば、管容器３の内側、Ｘ線管２及び高電圧リセプタクル４の外側、且つ後述する空盆１０以外の空間である。

ベローズ１１は、管容器３の下側の所定の部分に、内部空間２２と空盆１０とを隔離するように備えられている。ベローズ１１は、第１の凸部２０ａに一端部が固定され、他端部が第２の凸部２０ｂに固定されている。ベローズ１１は、樹脂性の弾性部材で形成されており、絶縁油の膨張及び収縮等を空盆１０で伸縮することによって吸収する。ベローズ１１は、例えば、ゴム部材である。

本実施形態では、Ｘ線管装置１において、冷却材は、第１冷却パイプ５ｂから送られ、第１通路６ｐ１を介して上端部から内側パイプ７ｂに流入する。内側パイプ７ｂに流入した冷却材は、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４から陽極ターゲット１３が設置された方向の陽極ブロック１４の内側の底部に向かって放出される。先端ノズル部２４から放出された冷却材は、陽極ブロック１４の内側表面、又は外側パイプ７ａの内側表面と、内側パイプ７ｂの外周部とで構成された流路を通って、ジョイント６の第３通路６ｐ３に流れる。第３通路６ｐ３に流れた冷却材は、第２通路６ｐ２を介して第２冷却パイプ５ｃから排出される。

また、Ｘ線管装置１は、高電圧リセプタクル４に高電圧ケーブルが接続された場合、陽極ターゲット１３に管電圧が印加される。そして、陰極１５から放出された電子が陽極ターゲット１３に衝撃し、Ｘ線が発生する。このとき、陽極ブロック１４の内側に構成された流路を流れる冷却材によって、陽極ターゲット１３が冷却される。陽極ブロック１４の内側の流路を流れる冷却材では、サブクール沸騰やキャビテ―ションにより、気泡が発生する。気泡が発生及び消滅することで、内側パイプ７ｂが振動をする。さらに、内側パイプ７ｂの上端部では、内側パイプ７ｂ及び第１通路６ｐ１の間には嵌合隙間があるために、内側パイプ７ｂが、振動し、第１通路６ｐ１の壁面に接触し得る。そのため、内側パイプ７ｂで騒音が生じ得る。本実施形態では、内側パイプ７ｂの上端部には、弾性部材２３が設置されているため、内側パイプ７ｂの端部と第１通路６ｐ１との嵌合隙間がばらついたとしても、内側パイプ７ｂの振動が抑制される。

図４は、本実施形態に係るＸ線管装置１の振動値と入力値との関係を示す図である。図４は、入力値に対する振動値の測定実験により得られたデータを簡易的に示している。
図４において、縦軸は、振動値を示し、横軸は、入力値を示す。ここで、入力値は、管電圧と管電流を掛けた値（ｋＷ）である。縦軸において、矢印の方向に沿って、振動値が大きくなることを示す。また、横軸において、矢印の方向に沿って、入力値が大きくなることを示す。

図４において、Ｘ線管装置１に入力する入力値が大きくなると、陽極ブロック１４の内側の底部近傍の流路で、気泡の量が増加し、導水パイプ７、例えば、内側パイプ７ｂの振動値が大きくなる。図４において、Ｌ１は、弾性部材２３を設置していない場合の入力値と振動値との関係（第１の振動値の推移）を示し、Ｌ２は、弾性部材２３を設置した場合の入力値と振動値との関係（第２の振動値の推移）を示している。Ｐ１は、Ｌ１上の所定の点を示し、Ｐ２は、Ｌ２上の所定の点を示す。Ｐ１は、入力値Ｉ１に対して振動値Ｖ１であり、Ｐ２は、入力値Ｉ２に対して振動値Ｖ１である。図４に示すように、入力値Ｉ２は、入力値Ｉ１よりも大きい。例えば、入力値Ｉ２は、入力値Ｉ１の２倍の値である。ここで、振動値Ｖ１は、例えば、騒音が発生し始める振動値である。

図４から、第１の振動値の推移Ｌ１よりも、第２の振動値の推移Ｌ２の方が、騒音となる振動値Ｖ１の基点となる入力値が大きい。すなわち、本実施形態のＸ線管装置１のように、弾性部材２３を設置した方が、弾性部材２３を設置しない場合よりも振動値が抑制できる。その結果、騒音の発生が、抑制される。また、オクターブバンド分析結果からも、特に２ｋＨｚ以上の高周波成分の音圧レベルの低減が確認された。

本実施形態によれば、Ｘ線管装置１は、ジョイント６の第１通路６ｐ１に接続された内側パイプ７ｂの端部に、振動を吸収するために弾性部材２３が取り付けられている。このため、Ｘ線管装置１は、内側パイプ７ｂの端部と第１通路６ｐ１との嵌合隙間がばらついても、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４の近傍で発生する気泡の消滅に伴う内側パイプ７ｂの振動が抑制される。その結果、Ｘ線管装置１は、騒音の発生を低減することが出来る。

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線管装置、２…Ｘ線管、３…管容器、４…高電圧リセプタクル、５…冷却パイプ、６…ジョイント接続部、７…導水パイプ、７ａ…外側パイプ、７ｂ…内側パイプ、８…導体スプリング、９…絶縁筒体、１１…ベローズ、１２…接続端子、１３…陽極ターゲット、１４…陽極ブロック、１５…陰極、１６…ウェネルト電極、１７…第１真空外囲器、１８…第２真空外囲器、２１…鉛板、２３…弾性部材、２４…先端ノズル部、２５…支持部材。

Claims (7)

1. 電子を放出する陰極と、
   前記陰極から放出される電子が衝撃することでＸ線が発生する陽極ターゲットと、冷却材が流入する流入部と、前記流入部に接続する第１内径の第１孔を有する第１通路部と、前記第１孔に連通する前記第１内径よりも大きい第２内径の第２孔を有する第２通路部と、前記第２孔に接続し、前記冷却材を流出する流出部とを有する接続部と、
   前記第２内径と同等の第３内径を有し、一端部に前記接続部が接続され、他端部の外側の底部に前記陽極ターゲットが接合された有底の第１筒管と、
   当該第１筒管及び前記接続部の内側に設置され、第１端部が前記第１通路部に嵌合され、第２端部が当該第１端部から流入した前記冷却材を前記陽極ターゲットが接合された前記底部に向かって放出するように配置された第２筒管と、
   前記第２通路部と前記第２筒管との間に設けられた弾性部材と、を備える、Ｘ線管装置。
2. 前記接続部は、前記第１通路部及び前記第２通路部の接続部分に位置する段差部を有し、
   前記弾性部材は、前記段差部に設けられている、請求項１に記載のＸ線管装置。
3. 前記弾性部材は、前記第２通路部及び前記第２筒管に接している、請求項２に記載のＸ線管装置。
4. 前記弾性部材は、樹脂性のゴム部材である、請求項１乃至３のいずれか１に記載のＸ線管装置。
5. 前記弾性部材は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン・プロピレンゴム、及びニトリルゴムの少なくとも１つで構成されている、請求項４に記載のＸ線管装置。
6. 前記弾性部材は、Ｏリング状、又はパイプ状に形成された、請求項１乃至５のいずれか１に記載のＸ線管装置。
7. 前記弾性部材は、断面が円形、又は矩形状に形成された、請求項１乃至６のいずれか１に記載のＸ線管装置。

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