JPH03187142A - Ｘ線管ターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明はＸ線管の陽極ターゲットに関するものであって
、更に詳しく言えば、Ｘ線管の回転陽極ターゲットとし
て役立つ複合構造物に関する。

Ｘ線管の性能に関する要求条件の強化に伴い、製造業者
達はＸ線管ターゲットの効率を高めかつくあるいは）そ
れの寿命を延ばすための方法を探し求めてきた。１つの
方法は、ターゲット本体として従来使用されてきた高融
点金属（たとえば、モリブデン）を黒鉛で置換するとい
うものであった。黒鉛は、蓄熱容量が顕著に大きくかつ
密度が小さいという利点を有している。蓄熱容量が大き
いことは高温下における長時間の動作を可能にし、また
密度が小さいことは軸受材料に加わる機械的応力を低下
させて一層大形のターゲットの使用を可能にする。

黒鉛製のターゲットが上記のごとき利点を有するとは言
え、常用されたきた高融点金属の代りにこの材料を選択
する場合には解決しなければならない幾つかの問題点が
存在する。第一に、Ｘ線管の回転軸に黒鉛製の物体を固
定することは金属円板を固定するよりも困難である。第
二に、黒鉛基体に焦点軌道を直接に取付けた場合、焦点
軌道から基体への伝熱速度は焦点軌道を金属基体に取付
けた場合よりも遅くなる。ある種の動作条件下では、こ
れは焦点軌道の過熱をもたらし、その結果としてターゲ
ットの損傷を引起こすことがある。

これらの常用材料（すなわち、高融点金属および黒鉛）
のそれぞれの利点を活用するための公知の方法は、両者
を併用していわゆる複合基体構造物を形成することであ
る。かかる構造物においては、通例、回転軸に固定され
た高融点金属円板の前面に環状の焦点軌道が取付けられ
ている。それの後面には、軸と同心関係にある黒鉛円板
が固定され、そして実質的に高融点金属円板に対する支
持体を戒している。このような組合せによれば、（ａ）
回転軸に対する金属円板の固定が容易になり、（ｂ）焦
点軌道から金属円板へ、そして更に黒鉛円板への満足す
べき熱流路が得られ、かつ（Ｃ）黒鉛円板の大きい蓄熱
容量および小さい密度を共に活用することができるので
ある。

複合ターゲット構造物においては、金属部分は一般にＴ
ＺＭとして知られるモリブデン合金から成るのが普通で
ある。このような用途のための好適な材料はＴＺＭであ
るが、ＴＺＭの代りにＭＴｉＯ３を使用することもでき
る。この合金は、モリブデンに加えて、約０．５％のチ
タン、０．０７％のジルコニウムおよび０．０１５％の
炭素を含有している。なお、純粋なモリブデンをはじめ
とするその他の金属を使用することもできる。

複合ターゲットを用いる場合、主な問題点の１つは黒鉛
部分を高融点金属部分に適正に固定するための方法であ
る。最高１１００ＯＯＲＰという回転速度を考慮すれば
高度の強度条件が要求されるのは勿論のこと、１２００
″Ｃ程度の比較的高い動作温度およびそれに伴う大きな
熱応力にも対処しなければならない。加えて、金属部分
から黒鉛部分への最大の伝熱速度が得られるように両者
を適切に接合しなければならない、たとえば、これら２
つの部分間に空隙が存在すると、両者間における伝熱特
性は不満足なものになることが判明している。

黒鉛部分を金属部分に接合するための常法は、介在金属
を用いて炉内ろう付けまたは誘導ろう付けを行うという
ものである。かかる目的のためには、優れた流動性およ
び湿潤性を有するジルコニウムを使用するのが通例であ
った。しかしながら、ジルコニウムの使用に付随する問
題点として、ジルコニウムと黒鉛との界面における炭化
物の生成が挙げられる。かかる炭化物は接合部を脆化す
る傾向があるため、接合部の強度は炭化物の生成量およ
び炭化物層の厚さに反比例する。炭化物の生成量はター
ゲットの製造および動作時におけるそれの熱履歴に依存
するが、望ましくない炭化物の生成を防止するように製
造条件および動作条件を十分に制御することは不可能で
ある。

ターゲットの黒鉛部分を金属部分に接合する際に有用な
他種の材料も知られている。上記のごとき固定目的のた
めに特に適したかかる材料の実例は、本発明の場合と同
じ譲受人に譲渡された１９７９年３月２０日付けの米国
特許第４１４５６３２号明細書中に記載されたものであ
る。それらの材料（とりわけ白金）は、黒鉛／白金界面
に炭化物を生成する傾向が比較的小さいため、ジルコニ
ウム材料よりも顕著に有利であることが判明している。

米国特許第４１４５６３２号明細書中に開示された方法
および材料は複合Ｘ線管ターゲットの製造技術における
実質的な改良をもたらすものであったが、これらの方法
および材料によって得られる製品の中には、低率ながら
も不合格品の存在することが判明した。これらの不合格
品の一部は、ろう材と黒鉛との界面における接合不良に
原因するものであると考えられる・、たとえば、かかる
領域内には時折空隙が見出されるのである。

本発明の場合と同じ譲受人に譲渡された１９８９年１月
３１日付けの米国特許第４８０２１９６号明細書中には
、改良されたＸ線管ターゲットが開示されている。米国
特許第４８０２１９６号明細書中に開示されたＸ線管タ
ーゲットは米国特許第４１４５６３２号における接合不
良の問題を解決するものであるが、Ｘ線管ターゲットの
高融点金属部分と黒鉛部分との間における結合強さを改
善することは今なお要求されている。

そこで本発明の目的の１つは、改善された結合強さおよ
び伝熱特性を示するう付は接合部を有する改良された複
合Ｘ線管ターゲットを提供することにある。

また、黒鉛との界面においてろう材としての白金の合金
化をもたらし、それによって複合Ｘ線管ターゲットの結
合強さおよび伝熱特性を最大限にまで高めるような複合
Ｘ線管ターゲットのろう付は方法を提供することも本発
明の目的の１つである。

これらの目的並びにその他の特徴や利点は、添付の図面
を参照しながら以下の説明を読むことによって一層容易
に理解されよう。

発明の要約 本発明の実施の一態様に従って簡単に述べれば、成形済
みの黒鉛部分に合金元素（好ましくはタングステン〉の
比較的薄い層が付着させられる６次いで、タングステン
層上に白金円板が配置され、そしてその上に高融点金属
部分が配置される。その後、かかる集合体を加熱するこ
とによって全体がろう付けされる。このような方法にお
いては、白金が主たるろう材として働く一方、薄いタン
グステン層は合金元素として役立つことになる。

−股肉に述べれば、上記のごとき合金元素の機能は白金
の結合強さを改善すると共に、黒鉛上における液状白金
に対して湿潤剤として作用することにある。上記のごと
き目的のためにはまた、タングステン以外にニッケルも
使用し得ることが判明した。

本発明の様々な実施の態様の従えば、タングステンまた
はニッケルを黒鉛部分に付着させるためには、物理蒸着
法、化学蒸着法、プラズマ溶射法、水素化タングステン
または水素化ニッケルを用いた吹付塗布法、あるいはタ
ングステン、ニッケル、白金／タングステンまたは白金
／ニッケルスラリーを用いたスクリーン印刷法を使用す
ることができる。あるいは、タングステンまたはニッケ
ルを白金／タングステン合金または白金／ニッケル合金
の箔として設置することもできる。一般に、タングステ
ンは６０００〜２００００オングストロームの範囲内の
厚さを有する層として設置すればよく、またニッケルは
４００００〜７００００オングストロームの範囲内の厚
さを有する層として設置すればよい。なお、かかる層は
ろう付けに際してタングステンまたはニッケルが白金中
におけるそれの溶解限度に達しないよう十分に薄くする
ことが必要であるが、上記の厚さ範囲はこのような要求
条件を満足するものである。

下記の説明中において参照される図面中には、好適な実
施の態様が示されている。しがしながら、本発明の精神
および範囲がら逸脱することなしにその他の様々な変更
態様が可能であることは言うまでもない。

好適な実施の態様の説明 先ず第１図を見ると、本発明に基づく回転陽極Ｘ線管用
の陽極ターゲット構造物１ｏが示されている。かかるタ
ーゲット構造物１ｏは、常法に従って陰極からの電子で
衝撃された場合にＸ線を発生するための焦点軌道１２を
前面に付着させた金属円板部分１１を含んでいる。金属
円板部分１１はモリブデンまたはモリブデン合金（たと
えば、ＴＺＭもしくはＭＴｉＯ３）のこ′とき適当な高
融点金属から戒っている。その上に配置された焦点軌道
１２は、従来通り、タングステンまたはタングステン／
レニウム合金がち成っている。金属円板部分１１は、ろ
う付け、拡散結合または機械的固定のごとき通常の方法
によって回転軸１３に固定されている。

金属円板部分１１の後面には黒鉛円板部分１４が接合さ
れているが、ががる接合は後述のごとくに白金ろう材を
用いて達成される。黒鉛円板部分１４の主たる使用目的
は、ターゲット構造物の質量を大幅に増加させることな
く、焦点軌道１２がら金属円板部分１１を通して伝達さ
れる熱のための放熱手段を提供することにある。

ろう材について説明すれば、第１図中に示されるごとく
、それは白金とタングステンとがら成る単一の層１６を
戒している。実際には、後述のごとき厚さを有する場合
、ろう材層１６はほぼ−様な組成を有するのであって、
タングステンをほぼ均一に溶解した白金がら成る単一の
層を威すことになる。

実験の結果によれば、黒鉛に対して薄層状に付着させた
場合、（タングステンおよびニッケルを含む〉特定の物
質は白金に対する結合剤として働き、従って金属円板部
分１１および黒鉛円板部分１４に対する白金の結合強さ
を改善することが判明した。追加の利点は、タングステ
ンおよびニッケルが黒鉛上における白金に対して湿潤剤
として作用することである。なお、ニオブ、鉄、クロム
、コバルト、モリブデン、バナジウムおよびチタンも同
様に作用するものと考えられる。

上記のごとき結合剤を黒鉛円板部分に付着させる際には
、ろう付けに際して該結合剤が白金中におけるそれの溶
解限度に達することがなく、従って実質的な量の金属間
化合物相が生成されないようにするために十分なだけの
薄い層を威していることが好ましい。とは言え、ががる
層は黒鉛表面の凹凸を完全に覆い隠すのに十分なだけの
厚さを有していれば最良である。

試験の結果によれば、ろう付けに先立って生成された炭
化物はろう付けに際して白金中に溶解するのが通例であ
り、従って問題にはならないことが判明した。

一般に、結合剤がタングステンである場合、それは６０
００〜２００００オングストロームの範囲内の厚さを有
する層として設置すればよい、また、結合剤がニッケル
である場合、それは４００００〜７００００オングスト
ロームの範囲内の厚さを有する層として設置すればよい
。

かかる陽極ターゲット構造物を製造するための方法が第
２図に示されている。説明の都合上、金属円板部分１１
および黒鉛円板部分１４は常法により形成されたもので
あって、それらの各々はＸ線管の回転軸１３を締り嵌め
の状態で受入れるための中心開口１８を有しているもの
と仮定しよう。

黒鉛円板部分１４には、先ず最初に清浄処理が施される
が、金属円板部分１１の平坦面２１を接合すべき平坦面
１９については特に入念に行う必要がある。黒鉛円板部
分１４の表面は、Ｘ線管の動作時における黒鉛粒子の飛
散（ダスチング）を防止するため、超音波洗浄またはそ
の他適宜の表面処理方法によって処理することが好まし
い。

機械加工によって黒鉛円板部分１４が成形された後、そ
れに熱衝撃処理が施される。かかる熱衝撃処理は、黒鉛
円板部分を空気中において約２５０〜３００℃の温度に
加熱し、次いで加熱された黒鉛円板部分を室温の脱イオ
ン水中に浸して急冷することによって行われる。熱衝撃
処理の後、真空中において黒鉛円板部分を１９００’Ｃ
の高温下で約１時間にわたり加熱することによってガス
抜きが行われる。かかる処理の結果、黒鉛円板部分は結
合剤の付着および金属円板部分へのろう付けの準備が整
ったことになる。

陽極ターゲット構造物の金属円板部分は、ＴＺＭまたは
ＭＴｉＯ３から成ることが好ましい、黒鉛円板部分に対
して適用された工程の一部は、ＴＺＭまたはＭＴｉＯ３
製の金属円板部分にも適用される。詳しく述べれば、真
空中において金属円板部分を１７００℃で約１時間にわ
たり加熱することによってガス抜きが行われる。ガス抜
きの後、黒鉛表面に接合されるべき金属円板部分の表面
に仕上加工を施すことによって該表面の平坦性が調整さ
れる。その理由は、高温下におけるガス抜きのために金
属円板部分がゆがみを生じ易いからである。仕上加工の
後、通例は超音波メタノール浴の使用によって金属円板
部分に清浄処理が施される。必要ならば、接合面にはシ
ョットピーニングも施される。超音波洗浄に続いて乾燥
させれば、ＴＺＭまたはＭＴｉＯ３製の金属円板部分は
黒鉛円板部分に接合する準備が整ったことになる。

黒鉛円板部分１４の好適な処理方法に従えば、物理蒸着
法（ＰＶＤ法）によって表面１９上にタングステンまた
はニッケルが付着させられる。タングステンまたはニッ
ケルで被覆しない表面部分には、常法に従ってマスキン
グを施せばよい、ＰＶＤ法に関する様々なパラメータは
次の通りである。（１）イオン電流密度は１〜４ワツト
／Ｃ論２の範囲内にあればよいが、３〜４ワット／ｃｍ
”の範囲内にあることが好ましい、（２）タングステン
またはニッケルの純度は少なくとも９９．９５％である
ことが好ましい、（３）ＰＶＤ容器内のアルゴン圧は１
７２〜２０ミクロンの範囲内にあればよいが、３〜１０
ミクロンの範囲内にあることが好ましい。（４）ターゲ
ット電圧は１〜３ｋＶの範囲内にあればよいが、２〜２
−１／２ｋＶの範囲内にあることが好ましい。

ＰＶＤ法が好適であるとは言え、スクリーン印刷法、プ
ラズマ溶射法、化学蒸着法、または水素化タングステン
もしくはニッケルの吹付塗布法を用いて結合剤を付着さ
せることもできる。スクリーン印刷法を使用する場合に
は、９０重量％の白金粉末と１０重量％のタングステン
粉末とを混合して使用することが好ましい。かかる粉末
混合物を適当なスクリーン印刷用ビヒクルと混合するこ
とによってスラリーが調製される。あるいはまた、上記
のごとき量の白金およびタングステンから成る合金箔を
使用することもできる。

結合剤を付着させた後、露出した結合剤層と金属円板部
分との間に白金層（たとえば、白金ワッシャまたは白金
箔）を配置することによって集合体が形成される。好適
な白金層は２５００００〜７５００００オングストロー
ムの厚さを有するものであって、これは白金／炭素系の
共融温度よりも７５℃だけ高い最低温度においてろう付
けされる。なお、数個（通例３または４個）の集合体を
互いに積重ねた状態で同時に形成することが好ましい。

このようにして集合体を積重ねた後、かかる堆積物の上
に好ましくは約１６ボンドの重りが載せられ、そして全
体が真空炉内に挿入される。かかる炉は通例的１０　’
Ｔｏｒｒの真空度に排気される。

最初の段階において、炉はろう付は前の浸透温度にまで
加熱され、次いで約１８４０’Ｃのろう付は温度にまで
昇温され、そして約５分間にわたりその温度を保持する
ことによって白金が融解される。

次に、炉の温度が真空中において約４５０℃にまで低下
させられる。４５０℃において、窒素ガスを満たすこと
によって炉は約１００’Ｃにまで急冷される。この時点
において炉が開放され、そして接合された陽極ターゲッ
ト構造物が取出される。

白金と共にタングステンまたはニッケルを用いてろう付
けされた複合ターゲット構造物について引張接着試験が
実施された。室温下で実施されたこれらの試験によれば
、厚さ０．６ミクロンのタングステンを用いて形成され
た接着層については２６００　ｐｓｉの接着強さが得ら
れ、また厚さ４ミクロンのニッケルを用いて形成された
接着層については２０００１）Ｓｉの接着強さが得られ
た。この場合、タングステンの量は白金を基準として０
゜８重量％であり、またニッケルの量は２．５重量％て
′あった。とりわけ、タングステンは白金のクリープ強
さを増大させるが、このことはＴＺＭ製の金属円板部分
１１が黒鉛円板部分１４の縁端部分にかぶさる側方フラ
ンジ部分２５を有する場合に特に重要である。この場合
には、ろう材は２６として示された区域内に流入するこ
とになる。

更にまた、白金／タングステンろう付は継手を有するＸ
線管を１２５０〜１２６０℃の温度下で試験したところ
、継手の剥離を生じることなしに１０００００回の走査
が可能であった。それに対し、白金／タンタルろう付は
継手を有するＸ線管を同じ条件下で試験した場合には、
約３００００回の走査後から継手の剥離が徐々に進行す
ることが認められた９かかる継手の剥離はそれの外周部
から開始し、そして内方に進行した。かかるろう材の降
伏は、タングステン／レニウム焦点軌道とＴＺＭ基体と
の間における熱膨張の差がもたらすそり応力に原因する
ものである。

更にまた、白金／タングステンろう付は継手を有するＸ
線管を用いて４００００回の走査を行った後、３回の１
３５０℃／８時間熱サイクルおよび１回の１４００℃／
８時間熱サイクルに暴露したところ、継手の劣化が開始
したことが超音波検査によって検出された。なお、白金
／タンタルろう付は継手を有するＸ線管の場合には、試
験前に走査を行わなくても、３回の１３５０℃／８時間
熱サイクルに暴露しただけで継手の顕著な剥離が生じる
のが通例である。

本発明の接着層を有するＸ線管について、−層高い温度
下における試験が実施された。すなわち、連続して２回
の走査を追加することにより、現行の試験手順よりも最
大５０℃だけ高い温度にまで継手が加熱された。５００
００回の走査後に試験が中止され、そしてＸ線管が検査
された。かかる動作に中に高圧過負荷は認められなかっ
た。

以上、特定の実施の態様に関連して本発明を説明したが
、上記の説明に基づけばその他の変更態様も可能である
ことは当業者にとって自明であろう。それ故、前記特許
請求の範囲によって規定される本発明の範囲内において
は、上記に記載されたものとは異なるやり方でも本発明
を実施し得ることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って製造されたＸ線管ターゲットの
断面図、そして第２図は本発明の好適な実施の態様に基
づくＸ線管ターゲットの製造方法を示す流れ図である。 図中、１０は陽極ターゲット構造物、１１は金属円板部
分、１２は焦点軌道、１３は回転軸、１４は黒鉛円板部
分、そして１６はろう材層を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接着層によって接合された高融点金属部分と黒鉛部
   分とから成る複合構造物において、前記接着層が（ａ）
   白金と（ｂ）タングステン、ニッケル、鉄、クロム、コ
   バルト、モリブデン、バナジウム、ニオブおよびチタン
   から成る群より選ばれた結合剤とから成ることを特徴と
   する複合構造物。 ２、表面上に焦点軌道を有する高融点金属部分、黒鉛基
   体部分、および前記高融点金属部分と前記黒鉛基体部分
   とを接合する接着層から成る複合Ｘ線管ターゲットにお
   いて、前記接着層が（ａ）白金と（ｂ）タングステン、
   ニッケル、鉄、クロム、コバルト、モリブデン、バナジ
   ウム、ニオブおよびチタンから成る群より選ばれた合金
   元素から成ることを特徴とする複合Ｘ線管ターゲット。 ３、前記合金元素がタングステンであり、かつ前記白金
   を基準として少なくとも０．８重量％の量で存在してい
   る請求項２記載の複合Ｘ線管ターゲット。 ４、前記接着層が少なくとも２６００ｐｓｉの室温引張
   接着強さを有する請求項３記載の複合Ｘ線管ターゲット
   。 ５、前記合金元素がニッケルであり、かつ前記白金を基
   準として少なくとも２．５重量％の量で存在している請
   求項２記載の複合Ｘ線管ターゲット。 ６、前記接着層が少なくとも２０００ｐｓｉの室温引張
   接着強さを有する請求項５記載の複合Ｘ線管ターゲット
   。 ７、表面上に焦点軌道を有する高融点金属部分と黒鉛基
   体部分とから成るＸ線管ターゲットの製造方法において
   、（ａ）白金と合金元素とから成る接着層を前記高融点
   金属部分および前記黒鉛基体部分に接触させ、次いで（
   ｂ）前記接着層を前記高融点金属部分および前記黒鉛基
   体部分にろう付けする両工程から成ることを特徴とする
   方法。 ８、前記合金元素がタングステン、ニッケル、鉄、クロ
   ム、コバルト、モリブデン、バナジウム、ニオブおよび
   チタンから成る群より選ばれる請求項７記載の方法。 ９、前記合金元素がタングステンであり、かつ前記ろう
   付けが約１８４０℃の温度下で実施される請求項７記載
   の方法。