JP7370882B2 - Ｘ線管装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線管装置に関する。

蛍光Ｘ線分析等に使用されるＸ線管装置は、陰極から放出された電子を陽極ターゲットに衝突させることでＸ線を発生させている。電子の衝突によって熱が発生するため、陽極ターゲット、及びその周辺部は、高温になる傾向がある。したがって、このようなＸ線管装置は、陽極ターゲット及びその周辺部を冷却するための冷却機構を備えている場合が多い。例えば、陽極ターゲットは、その近傍に構成された流路を流れる冷却液によって冷却される。

一方、冷却液の沸騰、あるいは冷却液回路内の圧力差に起因して、冷却液中に気泡が発生する場合がある。このような気泡は、消滅の際に衝撃波を生じさせるため、冷却液の流路を構成する部材の内面が腐食及び浸食される原因となり得る。

特開平６－１６２９７４号公報

本実施形態は、製品寿命の長期化を図ることのできるＸ線管装置を提供する。

一実施形態に係るＸ線管装置は、電子を放出する陰極と、陰極から放出された電子が衝突することでＸ線を発生する陽極ターゲットと、陽極ブロックと、導水パイプと、保護膜と、を備えている。陽極ブロックは、管部と、管部の一端側を閉塞し陽極ターゲットが接合された底部と、を有する。導水パイプは、管部の内側に位置し、底部に向けて冷却液と吐出する吐出口を有し、陽極ブロックとの間に冷却液の流路を形成する。保護膜は、底部の内面を被覆し、ニッケルを含む硬質金によって形成されている。

図１は、本実施形態に係るＸ線管装置の一例を示す断面図である。 図２は、本実施形態のＸ線管の一部を拡大して示す断面図である。 図３は、金におけるニッケルの含有量に対する、耐食抵抗の変化及び熱伝導率の変化の一例を示す図である。 図４は、本実施形態の保護膜と比較例の保護膜の冷却液に曝した時間に対する厚みの変化の一例を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、本実施形態に係るＸ線管装置１の一例を示す断面図である。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、高電圧レセプタクル４、冷却パイプ５、ジョイント接続部（以下では、単に、ジョイントと称する）６、導水パイプ７、導体スプリング８、絶縁筒体９、ベローズ１１などを備えている。以下では、管軸ＴＡに平行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。

高電圧レセプタクル４は、高電圧ケーブルを接続するために、上端部が開口し、且つ下端部が閉塞した、有底の円筒形状に形成されている。高電圧レセプタクル４は、管軸ＴＡを中心軸として、後述する管容器３内の上側に液密に設けられている。高電圧レセプタクル４は、底部を貫通する接続端子１２を備えている。接続端子１２は、高電圧レセプタクル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の下端は、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。

導体スプリング８は、高電圧レセプタクル４と導水パイプ７とを電気的に接続している。これにより、導水パイプ７を介して、後述する陽極ターゲット１３に高電圧が供給される。

絶縁筒体９は、略円筒形状の絶縁体で形成され、高電圧レセプタクル４の外側に設けられている。図示しないが、絶縁筒体９は、絶縁油が流通可能な構造とされている。絶縁筒体９は、例えば上端部が管容器３の内側に固定されている。

冷却パイプ５は、冷却液、例えば、水系冷却液としての純水を流すための導管である。冷却パイプ５は、高電圧レセプタクル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、冷却液が供給される給水口５ａを備える第１冷却パイプ５ｂと、冷却液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が冷却液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、高電圧レセプタクル４の外周壁に接触しないように保持された構造であればよく、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、導水パイプ７と冷却パイプ５とを接続している。なお、詳細は省略するが、ジョイント６には、管軸ＴＡと垂直な方向に開口し、第１冷却パイプ５ｂが液密に接続された第１通路と、管軸ＴＡと垂直な方向に開口し、第２冷却パイプ５ｃが液密に接続された第２通路と、管軸ＴＡに沿って延伸し、第１通路及び第２通路の双方と繋がる第３通路と、が形成されている。

導水パイプ７は、ジョイント６の下部に接続され、管軸ＴＡに沿って延伸している。導水パイプ７は、管軸ＴＡを中心とした２重の円筒形状に形成されている。すなわち、導水パイプ７は、円筒形状に形成された外側パイプ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。

外側パイプ７ａは、ジョイント６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は、ジョイント６を介して排水口５ｄに連通する第２冷却パイプ５ｃに接続されている。

内側パイプ７ｂは、上端部がジョイント６（より具体的には、上述の第３通路）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、ジョイント６を介して給水口５ａに連通する第１冷却パイプ５ｂに接続されている。

弾性部材２３は、嵌合部近傍において、内側パイプ７ｂの外周部とジョイント６との間に設けられている。弾性部材２３は、樹脂性のゴム部材で形成されている。弾性部材２３の形状は、例えば、Ｏリング状、又はパイプ状である。弾性部材２３の断面形状は、円形状であってもよいし、四角形状であってもよい。

Ｘ線管２は、管容器３内部の下側に設けられている。Ｘ線管２は、陽極ターゲット（陽極）１３と、陽極ブロック１４と、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、Ｘ線放射窓（窓部）１９と、を備えている。高電圧レセプタクル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の底部（又は、陽極ターゲット１３の設置方向）に向かって、冷却液が吐出される。

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、冷却液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、冷却液を流す流路を構成すれば、全て一体に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。冷却液が、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、冷却パイプ５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線を放射する。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内部の流路を流れる冷却液によって冷却される。相対的に、陽極ターゲット１３には正の電圧が印加され、陰極１５には負の電圧が印加される。例えば、陰極１５は、電気的に接地されている。

陰極１５は、リング状のフィラメントで形成され、電子を放出する。陰極１５は、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配置されている。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、円筒形状に形成され、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から射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、後述する管容器３ともに電気的に接地される。

Ｘ線放射窓１９は、薄板状であり、第２真空外囲器１８の底部の中心付近を貫通する開口部に真空気密に接合されている。Ｘ線透過窓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の外部へ放出する。Ｘ線透過窓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及び高電圧レセプタクル４の外側、且つ空盆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。なお、ベローズ１１は、伸縮自在な伸縮部材であり、例えばゴムベローズ（ゴム膜）である。

本実施形態では、Ｘ線管装置１において、冷却液は、給水口５ａから第１冷却パイプ５ｂに取入れられ、ジョイント６を介して内側パイプ７ｂに流入する。内側パイプ７ｂに流入した冷却液は、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４から吐出され、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る。その後、ジョイント６を介して第２冷却パイプ５ｃに流入し、排出口から取り出される。

図２は、本実施形態のＸ線管２の一部を拡大して示す断面図である。図２は、陽極ターゲット１３の近傍を示している。

陽極ブロック１４は、円筒形状の管部１４ａと、管部１４ａの一端側（すなわち陽極ターゲット１３側）を閉塞する底部１４ｂと、を有している。陽極ブロック１４は、例えば熱伝導率の高い銅によって形成されている。陽極ターゲット１３は、底部１４ｂの外面に接合されている。

内側パイプ７ｂは、例えばステンレスによって形成され、管部１４ａの内側に位置している。換言すると、内側パイプ７ｂの外面ＳＯ７ｂは、管部１４ａの内周面Ｓ１４ａ、及び底部１４ｂの内面Ｓ１４ｂと面している。内側パイプ７ｂは、その内面ＳＩ７ｂによって冷却液の流路ＦＰ１を構成するとともに、底部１４ｂに向けて冷却液を吐出する吐出口ＯＬを有している。さらに、内側パイプ７ｂは、その外面ＳＯ７ｂによって、陽極ブロック１４とともに冷却液の流路ＦＰ２を形成している。すなわち、流路ＦＰ２は、外面ＳＯ７ｂと内周面Ｓ１４ａとの間、及び、外面ＳＯ７ｂと内面Ｓ１４ｂとの間の領域に相当する。図中の矢印は、流路ＦＰ１及びＦＰ２を流れる冷却水の流れの一例を示している。

本実施形態において、陽極ブロック１４の内面は、保護膜ＰＲによって被覆されている。より具体的には、保護膜ＰＲは、底部１４ｂの内面Ｓ１４ｂと、管部１４ａの内周面Ｓ１４ａとを連続的に被覆している。図示した例では、保護膜ＰＲは、内面Ｓ１４ｂ及び内周面Ｓ１４ａの全体に亘って設けられているが、保護膜ＰＲは、少なくとも内面Ｓ１４ｂ全体と、内周面Ｓ１４ａのうち底部１４ｂと管部１４ａとの境界近傍の領域を被覆していればよい。例えば、図において破線で示すように、保護膜ＰＲは、軸方向において、内面Ｓ１４ｂと吐出口ＯＬとの間の領域に設けられてもよい。

内面Ｓ１４ｂを被覆する保護膜ＰＲの第１厚さＴ１は、内周面Ｓ１４ａを被覆する保護膜ＰＲの第２厚さＴ２よりも大きい。なお、第２厚さＴ２は、０である場合も含む。

冷却液内には、冷却液の沸騰や、冷却液回路内での冷却液の圧力差により、気泡が発生する場合がある。この気泡が消滅する際、衝撃波を生じさせる。陽極ブロックの内面を被覆する保護膜が軟質金で形成されている場合、気泡が消滅する際の衝撃波を繰り返し受けることにより、保護膜に腐食が発生しやすい。場合によっては、陽極ブロック１４や陽極ターゲット１３まで浸食が進むおそれがある。したがって、本実施形態では、保護膜ＰＲは、ニッケル（Ｎｉ）を含む硬質金によって形成されている。このような保護膜ＰＲは、一例では、めっき法によって形成される。

図３は、ニッケルの含有量に対する、金の耐食抵抗及び熱伝導率の一例を示す図である。図３に示すように、金におけるニッケルの含有量が増加すると、金の硬度が高まり、耐食抵抗（耐腐食性）が向上する。図３に示す例では、ニッケルの含有量が１ｗｔ％以上では、ニッケルの含有量が０ｗｔ％の場合と比較して、耐食抵抗がおおよそ２倍以上となっている。したがって、保護膜ＰＲにおけるニッケルの含有量は、１ｗｔ％以上であることが望ましく、１ｗｔ％より大きいことがより望ましい。

一方、金におけるニッケルの含有量が増加すると、金の熱伝導率が低下する。保護膜ＰＲの熱伝導率が低下すると、冷却液による陽極ブロック１４及び陽極ターゲット１３の冷却効率が低下し、陽極ターゲット１３の表面（ターゲット面）が劣化しやすくなる。この結果、Ｘ線管装置１の製品寿命が短くなったり、信頼性の低下を招いたりするおそれがある。図３に示す例では、金におけるニッケルの含有量が３ｗｔ％以下では、ニッケルの含有量が０ｗｔ％の場合と比較して、熱伝導率の低下がおおよそ３％以内となっている。したがって、保護膜ＰＲにおけるニッケルの含有量は、３ｗｔ％以下であることが望ましい。

以上より、保護膜ＰＲにおけるニッケルの含有量は、１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であることが望ましく、１ｗｔ％より大きく３％以下であることがより望ましい。

次に、硬質金で形成された保護膜ＰＲ（本実施形態の保護膜ＰＲ）と、軟質金で形成された保護膜（比較例の保護膜）の対腐食（対キャビテーション）について、同一の評価条件の下で比較する。

図４は、保護膜を冷却液に曝した時間に対する保護膜の厚みの変化を示す図である。図４に示す結果は、同一条件の下、本実施形態の保護膜ＰＲと比較例の保護膜とに冷却液を吹き付けながら冷却液に浸漬する実験で得られた経時変化の一例である。

図４に示すように、軟質金で形成された比較例の保護膜の厚さは、時間の経過とともに減少する。例えば、時間が３０分経過した場合、比較例の保護膜の厚さは、実験開始時の厚さの４５％まで減少している。一方、硬質金で形成された本実施形態の保護膜ＰＲは、時間の経過に対してほとんど変化していない。例えば、時間が３０分経過した際の厚さは、実験開始時とほとんど変わらず、時間が５０分経過した場合であっても、実験開始時の厚さの９５％以上を維持している。

したがって、保護膜ＰＲを軟質金ではなく硬質金で形成することは、陽極ブロック１４を保護する観点で、大幅な改善効果が得られるものである。また、保護膜ＰＲにおけるニッケルの含有量を、１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下にすることにより、陽極ブロック１４及び陽極ターゲット１３の冷却効率の低減を抑制しつつ、保護膜ＰＲの腐食及び浸食に対する耐久性を向上することができる。

以上のように、本実施形態によれば、製品寿命の長期化を図ることのできるＸ線管装置１を得ることができる。

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、７…導水パイプ、７ａ…外側パイプ（導水パイプ）、７ｂ…内側パイプ（導水パイプ）、１３…陽極ターゲット、１４…陽極ブロック、１４ａ…管部、１４ｂ…底部、Ｓ１４ａ…管部の内周面、Ｓ１４ｂ…底部の内面、１５…陰極、ＰＲ…保護膜、ＯＬ…吐出口、ＦＰ１，ＦＰ２…流路。

Claims (3)

1. 電子を放出する陰極と、
   前記陰極から放出された電子が衝突することでＸ線を発生する陽極ターゲットと、
   管部と、前記管部の一端側を閉塞し前記陽極ターゲットが接合された底部と、を有する陽極ブロックと、
   前記管部の内側に位置し、前記底部に向けて冷却液を吐出する吐出口を有し、前記陽極ブロックとの間に前記冷却液の流路を形成する導水パイプと、
   前記底部の内面を被覆し、ニッケルを含む硬質金によって形成された保護膜と、
   を備え、
   前記硬質金は、１ｗｔ％よりも多いニッケルを含み、
   前記硬質金は、３ｗｔ％以下のニッケルを含む、
   Ｘ線管装置。
2. 前記保護膜は、前記底部の前記内面、及び前記管部の内周面を連続的に被覆している、
   請求項１に記載のＸ線管装置。
3. 前記内面を被覆する前記保護膜の第１厚さは、前記内周面を被覆する前記保護膜の第２
   厚さより大きい、請求項２に記載のＸ線管装置。

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