JPH056750A - Ｘ線管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、耐久性に優れ、少焦点化を実現した
Ｘ線管を提供することを目的とする。 【構成】本発明によるＸ線管は、タングステン面２０か
らカーボン面２１に向かってタングステン粒子Ｔの含有
率の増加に伴ってカーボン粒子Ｃの含有率が減少するよ
うに組成率が傾斜的に変化した傾斜機能材料からなる陽
極１２と、前記陽極１２のタングステン面２０の一部に
向かって熱電子を放出する陰極１３とを具備することを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、診断用、治療用等に用
いられるＸ線の放射源であるＸ線管に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線は陰極より放出された熱電子を陽極
ターゲットに衝突させることにより得ている。Ｘ線管装
置は、Ｘ線管を絶縁油、Ｘ線管支持機構、ステータ等と
共にＸ線管容器に封入したものである。絶縁油はＸ線管
に印加される高電圧に対する絶縁の目的と、Ｘ線管で発
生する熱を自然対流によってＸ線管容器表面に伝達する
目的で用いられている。また、電気エネルギーに対する
Ｘ線エネルギーの変換効率は非常に低く、通常１％以下
であり、残りの９９％以上は熱に変換されてしまう。そ
のためＸ線管容器内は非常に高温になり、Ｘ線管容器外
部にファンを設けたり、Ｘ線管容器内の絶縁油を循環さ
せて別に設けた熱交換器で冷却したり等の強制冷却手段
が様々に考えられている。しかし、これらの強制冷却手
段を用いてもある程度のＸ線管容器内の高温は避けられ
ず、そのためターゲット材には高温に耐えられるように
融点の高い材料が用いられている。さらに、原子番号が
高いほどターゲット材には適していることから、タング
ステンをターゲット材に用いた電極を用いることが多
い。

【０００３】一般に、Ｘ線管において、銅、モリブデ
ン、タングステンのそれぞれの金属を高圧力のもとで層
状に圧着して成る陽極を用いている。また、陽極構造は
固定陽極形と回転陽極形とに分類されるが、現在、以下
の理由により回転陽極形が多く用いられている。回転陽
極形は、固定陽極形と比較すると、焦点を小さくするこ
とができる上、大負荷短時間撮影ができるので、画質的
に優れた鮮鋭度の高い画像が得られる。回転陽極形に用
いる陽極は耐熱性と軽量化を目指した、ターゲット材と
してのタングステンと導電体としてのカーボンとからな
る電極、いわゆるカーボン電極が適している。このカー
ボン電極はタングステンとカーボンとを合せ界面で拡散
溶接することにより得ている。

【０００４】しかし、タングステンとカーボンとの異種
材料を拡散溶接によって接合する方法は、それぞれの材
料の表面強度以上の加圧力によって強制的に接合する方
法であるため、数十気圧乃至は数百気圧という圧力を必
要とする。

【０００５】さらに、タングステンとカーボンとからな
る陽極の構造は、積層構造からなるクラッド材であり、
接合面を境界にして諸性質、例えば熱膨脹率、熱伝導
率、熱蓄積容量、Ｘ線透過率等がステップ的に変化す
る。これらの諸性質のステップ的な変化は、以下の問題
点を生じさせる。熱膨脹率が変化することにより、高温
下では接合面で剥離し易く、電極としての耐久性が減少
する。

【０００６】また熱膨脹率、熱伝導率、熱蓄積容量が変
化することにより、加熱時あるいは冷却時に接合面にお
いて局部的な熱の滞溜状態が発生し、電極の形状が変形
する。電極形状の変形は、ターゲット表面を歪ませ、且
つ回転モーメントの偏りによって回転軸を変化させる効
果いわゆるジャイロ効果が発生し陽極の回転ぶれを引き
起こす。これらターゲット表面の歪みと、陽極の回転ぶ
れとによってＸ線の放射分布を変化させ、Ｘ線の放射分
布が変化すると、Ｘ線の少焦点化が妨げられる。Ｘ線の
少焦点化の妨げは、回転陽極形と固定陽極形との比較で
も述べたように、画質的に優れた鮮鋭度の高い画像の獲
得を妨げる要因である。

【０００７】さらに、Ｘ線はタングステンの表面だけで
発生するのではなくタングステンの裏面すなわちカーボ
ンとの接合面でもＸ線は発生し、そのＸ線はカーボン層
内で散乱し、いわゆる二次放射が発生する。タングステ
ン表面からのＸ線放射と二次放射とにより、Ｘ線の放射
分布が散乱線の混在する多重分布となり、電極形状の変
形と同様にＸ線の少焦点化を妨げる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的は
耐久性に優れ、少焦点化を実現したＸ線管を提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるＸ線管装置
は、タングステンとカーボンとを含む傾斜機能材料から
なる陽極と、前記陽極に向かって熱電子を放出する陰極
とを備えたＸ線管を具備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明によれば、諸性質、例えば熱膨脹率、熱
伝導率、熱蓄積容量、Ｘ線透過率等が連続的に変化する
陽極を用いることによって、Ｘ線放射時における高温下
でも変形、はがれ、熱歪が陽極に生じない。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１２】図１は本発明に係るＸ線管を備えたＸ線管
装置の構造を示す断面図であり、図２は図１に示したＸ
線管の構造を示す断面図であり、図３は図２に示した回
転陽極の断面図であり、図４は図２に示した回転陽極を
組成するタングステンとカーボンとの混合率を示すグラ
フである。

【００１３】図１に示すように、Ｘ線管装置は、通常、
横長円筒体であり、Ｘ線管１をステータ３等と共にＸ線
管容器７に封入したものである。Ｘ線管容器７の内面に
は一部を除いて、不必要なＸ線が洩れるのを防ぐ目的
で、防護鉛６が内装されている。Ｘ線管容器７の中程の
一側であって、防護鉛６を内装していない前記一部には
Ｘ線を透過させるＸ線放射窓２が設けられていて、Ｘ線
管１で発生したＸ線はＸ線放射窓２を介してＸ線管装置
の外部に放射される。Ｘ線管１は、中程が両端よりやや
膨んだ横長円筒体のガラスバルブ１１であり、その内部
には図２に示しているように、回転陽極１２等を収容し
ている。ガラスバルブ１１の中程の一部はＸ線放射窓２
と当接していて、ガラスバルブ１１のＸ線放射窓２との
当接部分の他の部分はＸ線管容器７の内壁と離間して設
けられている。陰極保持具５は、ガラスバルブ１１の陰
極側の表面とＸ線管容器７の内壁とを架橋し、ガラスバ
ルブ１１をＸ線管容器７に対し保持する。陽極保持器４
は、ガラスバルブ１１の陽極側の端部に設けられ、回転
陽極１２を回転軸Ｐで軸支する。ステータ３は、ガラス
バルブ１１の陽極側の側面部に対抗してＸ線管容器７の
内壁に設けられ、図２に示した回転陽極１２を保持する
ロータ１４の回転を駆動する。

【００１４】図２は図１で示したＸ線管１の内部構成を
示している。Ｘ線管１は内部が真空状態に保たれている
ガラスバルブ１１の内部に回転陽極１２、陰極１３、ロ
ータ１４等が封入されている。回転陽極１２は所定の肉
厚を有し、且つ先端部が先鋭でなく平面である円錐形状
である。回転陽極１２の材質の詳細については後述す
る。回転陽極１２は、その後方部がロータ１４の一端に
接続されていて、ロータ１４の回転と供に回転軸Ｐの回
りを回転する。ロータ１４は、ガラスバルブ１１の後方
部に回転自在に配置され、ガラスバルブ１１の外部で、
且つロータ１４の周辺に設けられている図１に示されて
いるステータ３に駆動され、回転軸Ｐの回りを回転す
る。

【００１５】回転陽極１２の回転面に対向して陰極１３
が配置されている。回転陽極１２と陰極１３との間に所
定の電圧が印加されると、陰極１３から回転陽極１２に
向かって熱電子が放出され、回転陽極１２の熱電子衝突
領域、すなわち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、所定の方向、すなわち図２
の下方に向けて放射される。

【００１６】次に回転陽極１２の材質について図３、及
び図４を用いて詳細に説明する。図３は、回転陽極１２
の断面図であり、図４は回転陽極１２のタングステン面
からカーボン面にかけてのタングステンとカーボンの各
含有率の変化を示したグラフである。

【００１７】回転陽極１２はタングステン面２０からカ
ーボン面２１にかけて所定の厚み、すなわち陽極厚Ａの
厚みを有している。タングステン面２０は陰極１３と対
向するよう設けられていて、タングステン面２０の一部
では陰極１３から放出された熱電子を受け、Ｘ線を放射
する。またカーボン面２１の中心部はロータ１４の一端
部と接続されている。図４に示したように、回転陽極１
２のタングステン面２０はタングステン粒子Ｔ含有率が
１００％であり、カーボン面２１はカーボン粒子Ｃ含有
率が１００％である。またタングステン面２０からカー
ボン面２１にかけての各粒子Ｔ、Ｃの含有率は図４に示
したように互いに反比例、すなわちタングステン粒子Ｔ
の含有率の増加に伴ってカーボン粒子Ｃの含有率が減少
する。ただしタングステン粒子Ｔとカーボン粒子Ｃとの
組成率変化は、図４で示したように直線的な変化に限定
されず、少なくとも傾斜的であれば曲線的な変化であっ
てもよい。このような複数の材料の組成率が傾斜的に変
化する複合材、いわゆる傾斜機能材料の作製には、現在
様々な作製法、例えば粒子配列法、物理蒸着法（ＰＶ
Ｄ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ＰＶＤとＣＶＤとを組み
合わせた方法、プラズマ容射法、自己発熱反応法等が用
いられている。本実施例に係るタングステン粒子とカー
ボン粒子とからなる傾斜機能材料の作製は例えば以下の
作製法を用いる。

【００１８】真空状態を保持した円柱状の容器内に、タ
ングステン粉末とカーボン粉末とをそれぞれタングステ
ンノズル、カーボンノズルから噴出する。ただしタング
ステンノズル、カーボンノズルは回転スプリンクラー方
式を採用しており、噴出後のタングステン粉末とカーボ
ン粉末と均一に拡散することができる。またこれらタン
グステンノズル、カーボンノズルはその噴出量を自在に
調整でき、すなわちタングステン粉末とカーボン粉末と
の混合比を自在に変化させることができる。すなわち該
容器の下方への沈下、堆積の際、タングステンノズル、
カーボンノズルからの各噴出量をそれぞれ時間経過と共
に変化させることで、該容器底面から上方に向かってタ
ングステン粉末とカーボン粉末の混合比が傾斜的に連続
的に変化した混合体を得ることができる。

【００１９】ここでタングステン粉末とカーボン粉末の
各比重は異なっているが、該容器内は真空状態が保持さ
れているために、タングステン粉末とカーボン粉末の各
沈下速度は空気による浮力の影響を受けることなく同一
である。その結果、タングステン粉末とカーボン粉末の
堆積状態における混合比の調整は、沈下速度を考慮する
必要はなくタングステンノズル、カーボンノズルからの
各噴出量を調整することで容易に調整することができる
ことになる。また、沈下速度を前述したように重力の影
響に任せるのではなく、例えば遠心力の影響により該容
器の下方に沈下、堆積させることにより、沈下速度を調
整してもよい。

【００２０】各ノズルから所望の噴出量で噴出されたタ
ングステン粉末とカーボン粉末は、重力の影響を受けて
該容器の下方に向かって少しずつ沈下し、円柱状の容器
の底面に堆積し、該容器の形状に応じた円柱状の混合体
として得られる。

【００２１】このようにして得られた混合体を、熱間静
水圧プレス法（ＨotＩsostic Ｐress）を用いてその円
柱状の形状を回転陽極特有のすり鉢状に改めてから焼結
することによって、タングステン粒子とカーボン粒子と
からなる傾斜機能材料の回転陽極を得ることができる。
もちろんタングステン粒子とカーボン粒子とからなる傾
斜機能材料の作製法は他の作製法を用いて得てもよい。

【００２２】以上のように構成されたＸ線管装置のＸ線
放射動作は、従来のＸ線管装置のＸ線放射動作とほぼ同
一であるので、簡易に述べる。回転陽極１２は、ステー
タ３の磁力により駆動され回転軸Ｐの回りを回転するロ
ータ１４と共に回転する。回転陽極１２が所望の回転速
度に達し、Ｘ線放射準備状態になると、Ｘ線管に管電圧
が印加される。そのとき、陰極１３から熱電子が放出さ
れ、その熱電子は回転陽極１２の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線が発生し、Ｘ
線放射窓２を透過してＸ線管装置の外部の所定の方向に
向けてＸ線が放射される。

【００２３】Ｘ線放射時には、回転陽極１２は非常な高
温下にさらされる。しかし、本実施例によるＸ線管装置
によれば、タングステン粒子とカーボン粒子とからなる
傾斜機能材料をその陽極に採用しているので、陽極の諸
性質、例えば熱膨脹率、熱伝導率、熱蓄積容量、Ｘ線透
過率等が連続的に変化するために、陽極はＸ線放射時の
高温下においても変形、はがれ、熱歪が生じることはな
い。

【００２４】また、従来のタングステン層とカーボン層
とからなる陽極を用いた場合にはＸ線はタングステンの
表面だけで発生するのではなくタングステンの裏面すな
わちカーボンとの接合面でもＸ線は発生し、そのＸ線は
カーボン層内で散乱し、いわゆる二次放射が発生する
が、本発明による陽極にはタングステンの裏面自体存在
しないので二次放射が発生することはない。

【００２５】さらに、従来の陽極のタングステン層はそ
の加工工程上の理由から一定以上の厚みを必要としてい
たために陽極自体の重くならざるをえずその結果ジャイ
ロ効果による振動が強く発生することがあったが、本発
明による陽極はその含有するタングステンの量を必要最
小限に制限することができ、陽極の軽量化を達成でき、
その結果、回転陽極の慣性モーメントを減少し得、ジャ
イロ効果による振動を減少させることができる。

【００２６】本発明は、上述した実施例に限定されず、
種々変形可能である。例えば本実施例では、タングステ
ン粒子とカーボン粒子との２種の粒子の組成率を変化さ
せて陽極を得ているが、モリブデン粒子等の他の粒子を
加え３種あるいは３種以上の粒子の組成率を変化させて
陽極を得てもよいし、チタン粒子等の焼結助材を用いて
焼結を助成してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、諸
性質、例えば熱膨脹率、熱伝導率、熱蓄積容量、Ｘ線透
過率等が連続的に変化する陽極を用いることによって、
Ｘ線放射時における高温下でも変形、はがれ、熱歪が生
じない結果、耐久性に優れ、少焦点化を実現したＸ線管
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例に係るＸ線管を備えたＸ線管装
置の構造を示す概略図。

【図２】本発明一実施例に係るＸ線管の構造を示す概略
図。

【図３】図２に示した回転陽極の断面図。

【図４】図２に示した回転陽極を組成するタングステン
とカーボンとの混合率を示すグラフ。

【符号の説明】

１…ガラスバルブ、２…回転陽極、３…陰極、４…ロー
タ、Ｐ…回転軸、Ｗ…実効焦点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 タングステンとカーボンとを含む傾斜機
   能材料からなる陽極と、前記陽極に向かって熱電子を放
   出する陰極とを具備することを特徴とするＸ線管。