JPH0574392A - 回転陽極x線管 - Google Patents

回転陽極x線管

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JPH0574392A
JPH0574392A JP23671791A JP23671791A JPH0574392A JP H0574392 A JPH0574392 A JP H0574392A JP 23671791 A JP23671791 A JP 23671791A JP 23671791 A JP23671791 A JP 23671791A JP H0574392 A JPH0574392 A JP H0574392A
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JP
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film
anode
base
needle
heat
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JP23671791A
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English (en)
Inventor
Shinichi Kuroda
晋一 黒田
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Shimadzu Corp
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Shimadzu Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた熱放射特性をもち且つ高温での熱衝撃
や機械的強度に強いハイパワーな回転陽極X線管を提供
する。 【構成】 陽極基体の表面の全部または一部に、高融点
金属の針状ないし柱状多結晶組織をもつ熱放射膜を形成
させた回転陽極X線管。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、主として医療用X線
装置例えばX線CT装置などに用いる回転陽極X線管に
関する。
【0002】
【従来の技術】X線診断法、例えばデイジタル化X線写
真法またはX線コンピュータ断層撮影法(X線CT法)
では、長時間に亘って強力なX線曝射を必要とするの
で、X線管陽極の熱負荷が極めて大きくなる。
【0003】従ってX線管の容量を大きくしX線放射効
率を高めるためには、陽極の熱放射効率を高めることが
重要となる。
【0004】一般に、X線CTによる断層撮影期間中に
おけるX線管陽極での熱エネルギの吸収は約2メガジュ
ールにもなる。定常運転時にはこの熱量を熱放射によっ
て15分位で放散しなければならない。
【0005】周知のように、真空中における物体からの
熱放射はシュテファンーボルツマンの法則に則り、絶対
温度の4乗と表面積と熱放射率に比例する。
【0006】従ってX線管では陽極の運転温度が高いほ
ど熱放射は大きいわけであるが、陽極材料その他の制約
により現在すでに限界温度に達しており運転温度を今以
上に上げることはむつかしい。
【0007】そこで従来から熱放射効率を高めるための
処置として、表面積を大きくすること、即ち陽極の直
径、厚さを大きくしたり、陽極の表面仕上げを粗くする
などが提案されているが、前者の方法は重量増加や機械
的強度の関係で限界があり、後者についてはこれを効率
的に実用化する手段がみつかっていない。
【0008】また熱放射率を良くする手段としては、陽
極表面を黒い被膜で覆うなどの手段が提案されている。
通常の回転陽極基体であるモリブデン、タングステンの
熱放射率は、表面の粗さに応じて0.35ないし0.5
(1000℃において)であるが、この表面を例えば、
TiO2 ・Al2 3 の二元系金属酸化物あるいはTi
2 ・Al2 3 ・ZrO3 の三元系金属酸化物(いづ
れもセラミックス)を混合した黒色被膜、遷移金属の炭
化物と窒化物、ホウ素と酸化物、グラファイトなどで被
覆することにより、その熱放射率は0.6ないし0.8
位まで向上させることが知られている。
【0009】しかしながら、これらの被膜は普通、ろう
付け・燒結・溶射などの方法で基体に付着されるが、基
体材料と被膜物質間の熱膨脹係数の整合が十分でないた
め温度変化によって剥離が生じたり、被膜内部の温度勾
配のために被膜に亀裂が生ずるなど機械的強度において
問題があった。
【0010】また基体と被膜との密着が十分でないと
(熱膨脹係数の不整合などに起因して)その間の熱伝導
率が悪くなりそのために熱放散が阻害される原因にもな
る。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上に鑑み、
X線管陽極基体に被覆する熱放射被膜の材料およびその
結晶組織について深く追求し、基体との密着性がよく且
つ機械的強度が高くしかも優れた熱放射特性をもつ被膜
組成を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の回転陽極X線管
では、上記課題を解決すべくモリブデン合金、タングス
テン合金などの高融点金属、または窒化アルミニュー
ム、窒化硅素などのセラミックスから成る陽極基体上
に、この基体材料と熱膨脹係数が略等しい高融点金属か
らなる針状または柱状多結晶組織の熱放射膜を数μmか
ら数十μmの厚さに形成させることによって、放熱特性
の優れた回転陽極X線管を提供したものである。
【0013】
【実施例】
(実施例1)図1は本発明1実施例の回転陽極X線管の
陽極部分の断面を示したもので、1は陽極回転軸、2は
陽極基体で本実施例ではモリブデン合金で構成される。
3はこの基体の電子衝撃部分に形成されたX線放射部で
タングステン合金で構成される。以上の構成は従来のX
線管ターゲットと特に変りはない。
【0014】4は本発明によって形成された熱放射膜
で、陽極基体2の電子衝撃部3を除いた全面に形成され
ている。この熱放射膜4は図2に示すようなタングステ
ンの針状多結晶膜で、これはモリブデン基体上にCVD
(Chemical Vaper Deposition)法によって生成される。
【0015】この膜4の生成方法およびその装置を図3
によって説明すると、5はCVD反応管で、この内部に
陽極基体2をターゲット挿入棒6を介して載置する。7
は反応管加熱コイルでこれによって反応管内温度を40
0℃〜800℃に加熱する。8はWF6 ボンベ、8′は
ReF6 ボンベ、9はその加熱ヒータ、10はH2 ボン
ベ、11はArボンベで、各ボンベはバルブVおよびマ
スフローメータ12またはフローメータ13を介して反
応管5に接続される。14は排気ガス流路で、一方は液
体窒素15で冷却されたN2 トラップ16を介して油回
転真空ポンプ17へ、他方は弗素系オイル18などを満
したガストラップ19を介して吸収塔20へ接続され
る。
【0016】以上の装置において反応管5内のターゲッ
ト棒6上に陽極基体2を図のごとくセットし、その電子
衝撃面を適当な物質でマスクしたのち、管内を0.5〜
760Torr程度に減圧し、H2 ボンベ10のバルブを開
いてH2 ガスを流しながら、加熱コイル7に通電して管
内を700℃程度に設定する。この状態でWF6 ボンベ
8のバルブを開いてWF6 ガスを管内に充満させる。こ
の時の反応ガスの流量はWF6 ガス10cc/min に対し
てH2 ガスを10.000cc/min 即ちWF6 対H2
比は1対1000に設定する。これにより管内では次式
(1) に示す水素還元反応が起り、陽極基体2の表面にタ
ングステンの結晶膜が生成する。
【0017】 WF6 +3H2 →W+6HF …………… (1) 生成したHFガスはトラップ19を通して吸収塔20で
吸着除去される。この場合反応条件を前記の温度および
ガス濃度に調整すると生成するタングステン膜の組織は
図2に示したような針状多結晶組織となる。
【0018】約1分間この反応を継続させ、膜厚が50
μmに達した時点で、加熱を停止し、WF6 ガス、H2
ガスボンベのバルブを閉じ、Arガスボンベ11のバル
ブを開いて反応管内をArガスで置換し、管内を大気圧
に戻して冷却する。その後反応管内から陽極基体を取り
出す。得られた熱放射膜の組織を図2に示す。
【0019】図2は上記膜の断面を示したもので、タン
グステンの結晶がモリブデン基体の表面の結晶粒を核と
して垂直方向に生成した、針状多結晶組織を呈してい
る。即ちモリブデンの表面結晶粒を核として生成してい
るので基体との密着性が良く且つ多数の細長い針状にな
っているので放熱面積も大きく優れた熱放射特性をもつ
ものである。
【0020】図4.aはこの針状多結晶膜の反射特性を
示すもので、縦軸に分光反射率、横軸に波長をとって実
測したもの、bはCVD法により別の条件で生成したタ
ングステンの微粒状多結晶膜の分光反射特性を示す。図
でも判るように針状多結晶膜aのものは600〜100
0nmの可視光域で分光反射率0.15以下(平均幅射
率0.85以上)、1000〜1200nmの赤外領域
で0.2以下(平均幅射率0.8以上)という黒体に近
い反射率をもつのに対し、同じタングステンの微粒状多
結晶膜bでは全体に分光反射率0.3以上(平均幅射率
0.7以下)であった。
【0021】CVD法による成膜過程において、本発明
者の実験によれば膜成長時の結晶組織は、成膜温度とフ
ッ化ウランガス濃度の二つのパラメータによって種々の
組織に制御できることが判っている。
【0022】即ち反応温度が低いと膜組織は、非晶質ま
たは極微細結晶となり、温度が上昇するに従って粒状多
結晶→柱状多結晶→針状多結晶→粗大結晶層→高温状態
では塊状単結晶または粉末状と変化する。一方原料ガス
濃度についても低い方(H2 比0.01%)から非晶質
または極微細結晶→粒状多結晶→柱状多結晶→針状多結
晶→粗大結晶層→塊状単結晶または粉末状と変化し高濃
度域では完全に粉末状組織になってしまう。このように
膜の結晶組織は、前記二つのパラメータを調整すること
によって微妙に変化させ得るので、反応温度および原料
ガス濃度を適当に設定することにより本実施例のような
針状多結晶膜や第2の実施例に示すような柱状多結晶膜
を得ることができる。
【0023】尚これらの結晶組織の状態変化は、原料ガ
スや基体の材質が変った場合は、その条件が変動するこ
とは当然である。
【0024】(実施例2)この実施例は、窒化アルミニ
ュームを主体とするセラミック製のX線管陽極基体の表
面に、その電子衝撃部分にはタングステンとレニウムの
合金の柱状多結晶膜を被覆してX線放射膜を作り、他の
面にはタングステンの針状多結晶膜を生成して熱放射膜
を形成した例である。
【0025】これらの膜の生成にはCVD法を用い、そ
の装置としては図3の装置を使用する。
【0026】先ず反応管5内に電子衝撃部分以外の表面
部分をマスクしたセラミック製陽極基体2をセットし、
管内にH2 ガスを流しながら、これを450℃に加熱
し、次いでWF6 ボンベ8、ReF6 ボンベ8′のバル
ブを開いて、両ガスを同時に反応管内へ流入する。この
時の反応ガスの流量、反応圧力は次のようにする。
【0027】WF6 の流量……180cc/min ReF6 の流量……20cc/min (WF6 +ReF6
2 =1:3) H2 の流量 ……600cc/min 反応圧力 ……0.5〜760Torr これにより反応管内では次式(2)(3)に示す水素還元反応
が起りセラミック基体2の電子衝撃部上にタングステン
とレニウムの合金の柱状多結晶膜が生成する。
【0028】 WF6 +3H2 →W+6HF …………… (2) ReF6 +3H2 →Re+6HF ……… (3) 適当な膜厚(1mm.約4時間)になった時点で、反応ガ
スを止め管内のガスをArで追い出した後、陽極基体を
取り出して今までのマスクを外し、今度は電子衝撃部分
のみをマスクして再び反応管内にセットする。
【0029】次いで反応管内温度を700℃に設定し、
管内へH2 ガスとともにWF6 ガスのみを流入する。こ
のときの流量、圧力は次のようにする。
【0030】WF6 の流量……10cc/min H2 の流量 ……10000cc/min (WF6 :H2
1:1000) 反応圧力 ……0.5〜760Torr これにより前記式(2) に示す水素還元反応が起り、電子
衝撃面を除く基体の全表面にタングステンの針状多結晶
膜が生成する。所望の厚さ(約50μm)が得られた
後、WF6 ガス、H2 ガスの導入を止め、管内をArガ
スで置換し室温まで冷却する。
【0031】このようにして得られた陽極基体は、その
電子衝撃面に柱状多結晶組織をもつタングステン.レニ
ウム合金膜(X線放射膜)が形成され、他の表面部分に
は針状多結晶組織をもつタングステン熱放射膜が形成さ
れる。
【0032】この熱放射膜の分光反射特性は図4.aに
示したと同じように優れた分光反射特性および輻射率を
示し、黒体に近い良好な熱放射率をもっている。即ち大
部分の波長域で反射率0.2以下(輻射率0.8以上)
で通常の微粒状結晶の膜に較べ約20%優れた反射率を
示した。
【0033】尚柱状多結晶X線放射膜の分光反射特性は
図示しなかったが、図4.aとbとの中間ないしaに近
い特性を示し、またX線放射率も通常のバルク状タング
ステンのX線放射面と何ら変りがないことを確認した。
即ち柱状多結晶組織では膜の表面までタングステンが柱
状に密集して成長しているので、針状の組織に較べ膜表
面のタングステン結晶密度が高く、従ってX線変換効率
は低下しない。
【0034】このようにして製造された、X線管は基体
がセラミックスであるので全般的に高い熱放射率をもつ
のに加え、さらにその表面が基体と略同じ熱膨脹係数を
もつタングステンの針状ないし柱状結晶膜で被覆されて
いるので、より優れた熱放射特性を備えており、パワー
の高いX線管が得られる。
【0035】(変形実施例)以上の実施例では熱放射膜
材料としてタングステンを使用した例について説明した
がモリブデンやタンタル.レニウムまたはその合金の針
状ないし柱状多結晶膜であってもよく、これらの材料は
基体材料である高融点金属またはセラミックスと温度膨
脹係数が略等しいので基体との密着性もよく機械的強度
においても優れた熱放射膜が得られる。
【0036】また実施例2では、CVD成膜を行なう場
合マスキング手法によって電子衝撃部分にW.Re合金
の柱状多結晶膜を作り、他の部分にWの針状多結晶膜を
生成させたが、マスキングを用いずに各物質の気相成長
を適当に制御して同様の目的を達成してもよい。
【0037】尚熱放射特性は針状多結晶膜が最も優れて
いるが、柱状多結晶または針状と柱状が混在した組織で
あっても、従来の燒結膜や微粒多結晶膜よりはるかに優
れた熱放射特性が得られる。
【0038】
【発明の効果】本発明の回転陽極管は優れた熱放射特性
をもちしかも高温における熱衝撃や高速回転時における
機械的強度も強く、膜の剥離や亀裂の恐れが全くないの
で、強力なX線負荷即ちハイパワーで長時間の連続運転
にも耐えるなど医療用.産業用として極めて有用なX線
管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づくX線管回転陽極の1実施例の
断面図。
【図2】本発明熱放射膜の断面の1例(針状多結晶膜)
を示す図。
【図3】本発明X線管陽極を製造するためのCVD装置
の動作説明図。
【図4】本発明の針状多結晶膜の分光反射率特性を示す
カーブで、従来の微粒状多結晶膜の特性を比較のために
併せて表示した。
【符号の説明】
2…陽極基体 3…X線放射部 4…熱放射膜(針状多結晶膜) 5…CVD反応管 7…加熱コイル 8…WF6 ボンベ
10…H2 ボンベ 11…Arボンベ 16…N2 トラッ
プ 17…油回転真空ポンプ 19…トラップ
20…吸収塔

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 陽極基体の表面全体またはその一部分
    に、この基体材料と熱膨脹係数が略等しい高融点金属か
    らなる針状ないし柱状多結晶組織の熱放射膜を形成させ
    たことを特徴とする回転陽極X線管。
  2. 【請求項2】 高熱伝導率を有するセラミックスを主体
    とする陽極基体の電子衝撃部分に、この基体材料と熱膨
    脹係数が略等しい高融点X線放射金属の柱状多結晶組織
    をもつX線放射膜を形成し、この部分を除く陽極基体表
    面の全部または一部にこの基体材料と熱膨脹係数が略等
    しい高融点金属からなる針状多結晶組織の熱放射膜を形
    成させたことを特徴とする回転陽極X線管。
JP23671791A 1991-09-18 1991-09-18 回転陽極x線管 Pending JPH0574392A (ja)

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