JPH10502769A - フレキシブルな支持構造体を有する高出力固定ｘ線ターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 段差形状の高Ｚボタン20を有するＸ線デバイスの固定ターゲットアノード10が与えられる。ボタン中央のＸ線生成部の直径を最小化し，そこから伸張し中央のほぼ２倍の直径を有する薄いリップを取り付けることにより，内部応力及びインターフェース応力が最小化される。ボタン／基板アセンブリを支持しかつ加熱中に基板が半径方向に膨張するに従い最小の抵抗を与えるべくフレキシブルな構造が与えられ，それによってターゲット上に導入された応力が最小化され支持ターゲットの疲労及び破損が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】 フレキシブルな支持構造体を有する高出力固定Ｘ線ターゲット 技術分野 本願は水冷アノードＸ線生成デバイスに関し，特にＸ線生成中につくられた高 温の結果高いＺのアノード材料内で生成された応力及びインターフェース応力を 削減するためのアノードターゲットプレート及び独自のデザインの支持構造体を 有する固定アノードＸ線デバイスに関する。 背景技術 与えられる電子のエネルギーでのＸ線生成に対し，高いＺのターゲット材料に 関して最適な厚さが存在することは良く知られている。典型的に，固定ターゲッ トにおいて，高Ｚボタンターゲットは，(1)典型的に銅またはその合金から成る 低Ｚの水冷基板に直接接着されるか，(2)該ボタンの周囲の支持体に接着される 。概して，特定の電子エネルギー用に選択されたボタンの厚さはＸ線生成電子を 完全に停止させるには不十分であり，ヒートシンクかまたはそうでない低Ｚの基 板がビームを停止させる第２の目的を担っておりそれによって汚染電子の通過を 防止している。物理的見地から，高Ｚボタン及び低Ｚ基板の適当 な組み合わせによって有用なＸ線を生成することができることがわかる。 しかし，Ｘ線の生成は，直接の副産物としてもたらされるおびただしい量の熱 が生じる固有の非能率的なプロセスである。上昇するターゲット動作温度はター ゲット構造の熱疲労を導く。この状態は，パワーレベル及びドーズ比が通常より 高いようなＸ線応用において悪化する。 長寿命固定ターゲットに対する従来技術は，水冷装置を改良することに重点が 置かれた。そのような装置の一例がIversenによる米国特許第4,455,504号に示さ れ，それには核沸騰及び泡除去を促進するべくアノードの熱交換面上に所定の変 化する形状の面を有する水冷固定ターゲットＸ線チュープが記載されている。他 の例としてDiemerらによる米国特許第3,914,633号があり，それには加熱部分の 厚さを最小化することにより及び冷却面の領域を増加させることにより熱移動を 改良するための手段が記載されている。周知の改良点とともにIversen及びDieme rらにより与えられる教示は，変形によるターゲット及び支持構造体の破損の問 題をアドレスするのではなく，ターゲットの冷却を改良することにより上昇した ターゲット温度を直すことに集中している。従来の設計はこの観点を無視してお り，設計の放 射線学的及び熱的観点に集中している。 発明の開示 本願発明は高Ｚボタン及び低Ｚ基板内の応力を最小化しながら冷却を強化する 独自のデザインの固定Ｘ線ターゲットを与える。それによってターゲットの動作 寿命が改良される。高Ｚアノードボタンは，支持基板とのインターフェースを形 成する薄いリップであって中央部分の約２倍の直径を有するところのリップと係 合し，直径の減少した中央Ｘ線生成部を有する。そのように形成されたターゲッ トは高Ｚボタン材料内部の応力と，Ｘ線生成中に発生する熱により生じたインタ ーフェース応力の両方を最小化する。本願発明はまたターゲットアノード及び基 板を収容するフレキシブルな支持構造体を与え，それによってターゲットアノー ドは加熱されるに従い最小限に半径方向に膨張でき，それによって，壁の水対真 空または空気対真空の保全性を弱める支持構造体の内壁内の疲労クラックの発生 を防止できる。 したがって，本願発明の目的は，現在使用されている固定直径のデザインから 離れ，破損モード及びメカニズムの解析に基づいた新規なターゲットアノードの デザインを与えることである。 本願の他の目的は，最小の剛性及び硬さを有し加熱の際に半径方向へ膨張する に従いターゲット内に付加的応力を導入するのを防止する改良された支持構造体 を製造することである。 本願発明の特徴は，現在使用されている少なくとも２倍のターゲットパワーレ ベル及びドーズ比で長時間信頼してＸ線を生成するための独自のターゲット構造 及び支持構造体にある。 図面の簡単な説明 図.１aは，本願発明に従うターゲットアノードボタンの側面図である。 図.１bは，図１aに描かれたターゲットアノードボタンの斜視図である。 図.２は，化学気相蒸着処理により製造された本願発明に従うターゲットアノ ードボタンの他の実施例である。 図.３は，本願発明に従うターゲットアノードボタンの他の実施例である。 図.４は，本願発明に従う支持構造体及びターゲットアノードボタンの有限要 素分析のメッシュ表現である。 図.５aは，本願に従うフレキシブル支持構造体の斜視図である。 図.５bは，本願発明に従うフレキシブル支持構造体の底面図 である。 図.５c及び５dは，本願発明に従うフレキシブル支持構造体の断面図である。 図.５eは，本願発明に従うフレキシブル支持構造体の底面図である。 図.５fは，本願発明に従うフレキシブル支持構造体の底面図である。 図.６aは，本願発明に従うフレキシブル支持構造体の他の実施例である。 図.６bは，図６aに示された他の実施例のフレキシブルマニホールド形状の拡 大図である。 図.６cは，図６aに示された実施例の他のマニホールド形状である。 発明を実施するための最良の形態 従来のデザインの高Ｚボタンを直接低Ｚの水冷基板へ接着することの主な欠点 のひとつは，高Ｚボタンと低Ｚ基板間の熱膨張率及び硬度の不一致である。この 不一致の結果として，高Ｚボタンと低Ｚ基板の両方の熱疲労がすぐに問題となる 。この形状のターゲットは一定時間は継続するが，ボタン，基板及び支持体内に 導入された応力の好ましくない分散の結果いずれ破損 する。現在使用されるような液体冷却が本願で使用されるパワーレベルでターゲ ットを十分に冷却することができないという点で，従来の支持体は同様に不利で ある。さらに，支持構造体の硬さによって，より高レベルの応力が導入される。 広範囲の有限要素分析を利用しかつ従来のターゲットの破損モードを研究する べく試験することによって，熱的及び構造的分析の両方と測定及び観測されたタ ーゲット性能との間の相関関係が得られた。結果として，高Ｚボタンの直径を増 加することによりインターフェース応力は削減されるが，高Ｚボタン内の応力を 結果的に上昇させ該ボタンの破損が速まることが示された。逆に，高Ｚボタンの 直径の減少は応力の減少をもたらすが，基板インターフェースの応力が増加し， その結果インターフェースでの破損が主な破損メカニズムとなる。本願のひとつ の態様により，これら２つの際だった領域内の応力を減少させるべく破損モード 及びメカニズムの分析に応じて，高Ｚボタンの形状が選択される。 図１a及び１bには，段差形状を有するターゲットボタン10が示されている。Ｘ 線生成部20内の応力は，Ｘ線生成に必要なところまでボタン全体の厚さ25を最小 化し，かつ階段インターフェース30を付設することでボタンのＸ線生成領域の直 径27を 削減することによって削減される。厚さ25は応用に依存したものであり，主にビ ームの入射電子エネルギーに基づいている。直径が段差30を越えて少しだけ拡張 しその結果ボタンの全直径23がＸ線生成部の直径27のほぼ２倍となるところのリ ップ部40を通じてより大きい領域にわたってインターフェースを広げることによ って，応力が高Ｚボタンと低Ｚ基板（図示せず）との間のインターフェース35に おいて同様に削減される。電子ビーム50の結果としてターゲットボタンの中央部 が加熱されたとき，そのような形状のターゲットボタンは熱によりもたらされた 高Ｚボタン応力と基板インターフェース応力の両方を削減する。 図２に示されるような他の実施例において，ここに述べられるようなディメン ジョンの領域230を作成するべく当業者に周知の化学気相蒸着(CVD)を使用して， 基板220上にマスキングエレメント200を与えることにより，同様な形状が得られ る。図３に示されるように，ボタンの直径23が膨張ギャップの直径27のほぼ２倍 になるよう膨張ギャップ300が高Ｚボタン310内に作成される。膨張ギャップ300 を利用することにより，インターフェース領域320が増加するにしたがい高Ｚボ タン内の応力が低く維持される。 有限要素コンピュータ分析において，ひとつの固体連続体は小さいサブ領域ま たはエレメントに分割され，それらはノードと呼ばれる点でそれらの境界及び角 に沿って結合される。固体材料の性質及び特定のタイプの分析に対する支配関係 がコードによって考慮され，ノードにおける未知数によって表される。負荷及び 境界条件を考慮したアセンプリ処理は一組の連立方程式を生成し，それが解けれ ば構造体の性質の概略が与えられる。分析には購買可能なコードが使用される。 該コードは計算結果と観測Ｘ線ターゲット特性の相関関係を試験することによっ てチェックされる（有限要素分析法については，Cook,Robert D.によるConcepts and Applications of Finite Element Analysis,John Wiley & Sons,2nd ed.19 81参照）。 円形の対称性により，ターゲットは２次元の軸対称部としてモデル化できる。 材料の性質，ビーム衝撃による熱負荷及び対流冷却がモデルを完成させるのに付 加される。典型的なFEメッシュが図４に示される。ビーム衝撃50の位置，水冷15 及び回転軸16も示されている。 以下の条件を認識しかつ満足することによって段差ボタン形状に達した。1） 減少したボタン直径はボタン内の応力の大きさを削減する。2）増加したボタン 直径はボタン縁での基板内 の応力の大きさを削減する。さらに，ボタンの完全な厚みはビーム衝撃の領域内 でのみ要求される。 上記２つの条件は，必要な厚さの中央Ｘ線生成領域及び基板内の応力を削減す るべくそこから伸張した薄いリップを有する段差ボタンを与えることにより満足 される。このデザインに関し，ボタン内の最大応力はいまや許容範囲で低くなり ，ボタン縁での基板内の破損も同様に除去される。 ターゲット内の応力の削減を最適化するために，本願発明の他の態様は図５a 〜fに示されるようなフレキシブルな支持構造体400である。従来技術のデザイン は支持体の放射線学的かつ熱的見地に重点が置かれ，支持構造体の柔軟性は無視 されてきた。Ｘ線生成の間，熱で導入された応力はボタン内または基板内のビー ム衝撃付近に制限されることはない。上昇温度により生じる変形はターゲット構 造全体に発生する。したがって，もし構造体が全体的に押さえつけられていると ，高い応力及び熱疲労が生じる。支持構造体及び基板内の破損クラックは真空壁 を通じて潜在的に広がり真空漏れを引き起こす。さらに，高／低Ｚインターフェ ースの熱疲労は熱接触の損失及び最終的な破損を生じさせる。支持構造体400は 動作中に基板の自由な膨張を許容する。上記例は，分析の一部として，基板及び 高Ｚボタ ンを支持するためにここに説明されるような構造を含み，それによって本願発明 の態様の独自の特徴を明示する。図５aを参照して，本願発明のターゲットボタ ンに対しアパーチャ410が与えられる。図５a，bの線A-A及びB-Bに沿った断面で あって本願発明の支持構造体を表す図５c及び図５dにおいて，本願発明の高Ｚボ タンが銅などから成る低Ｚ基板430に接着されて示されている。基板430はインテ グラル冷却チャネル440を有する周知の従来デザインであって，チャネルの内壁 温度が冷媒の沸点を超えないよう加熱されたターゲットにできるだけ接近して水 または他の冷媒を流すべく，上記FE技術を利用して，該チャネルの配置が最適化 される。この基板ボタンアセンブリは本願発明のフレキシブル支持構造体400内 に組み込まれる。 図５fは支持構造体400から基板ボタンアセンブリを除いたもので，本願発明の 独自の態様をより詳細に表したものである。構造体400は好適にはステンレスス チールの単体から成り，インテグラル冷媒供給チャネル450及びもどりチャネル4 55を内設し，それらは一対の供給及びもどりプリナムチャンバへ流通可能に接続 されたエレメント460及び465としてそれぞれ示されている。ステンレススチール は，他の溶接部材を必要とせずに単純に溶接可能な点及び真空保全性を犠牲にす ることなく構造的 柔軟性のために壁厚を最小化できる点から好適である。供給プレナムチャンバ46 0は，フレキシブルなバッフル470を配置することでもどりプレナム465から分離 される。図５eに示された水平スロット480は，基板冷媒チャネル440を通じて低 Ｚ基板へ冷媒を供給するべくプレナムチャンバの内壁に機械的に形成される。支 持構造体のすべての壁厚は最大の柔軟性を維持するよう最小化される。当業者は 壁のディメンジョンが材料，プロセス及び応用に依存することを認識するであろ う。 プレナム供給チャンバ460をもどりチャンバ465から分離するＳ字形のバッフル エレメント470が，Ｘ線生成の間の熱によるターゲットの半径方向の膨張の間に 最大の柔軟性及び最小の抑圧をもたらす。チャネル450により供給された冷媒は ，スロット480へ流れそこで基板430に出くわし，基板冷媒チャネル440に入るに 従って縦割りされる。冷媒は基板の加熱部の両側周辺を同様に流れ，最後にチャ ネル455を通って戻るためにスロット480からもどりプレナムチャンバ465内に流 れ込んで再合流する。 図６aに示されるような他の実施例において，プレナムチャンバが冷却チャネ ルを内設する円筒支持体710によって置き換えられている。支持体710はマニホー ルド720を通じて基板へ直 接冷媒を供給しながら，高Ｚボタン／基板の組み合わせを支持する。図６bには ，支持体710に接続されかつそれと流体連通する供給アームとして作用するひと つのマニホールドアームと，同様に支持体710に接続され冷媒を流すためのもど りアームとして作用する他のマニホールドアームを有するマニホールド720が単 独で描かれている。上記実施例で説明されたように，冷媒はマニホールド720の 供給アームから入って，支持体に入ると同時に縦割りされ，円筒構造体の両側を 流れてマニホールド720のもどりアーム内で再合流する。支持体／マニホールド の組み合わせの対称形状により，供給アームマニホールドともどりアームマニホ ールドが交換可能となることは明らかである。図６cに示されるような単一アー ムマニホールド730は供給及びもどりアームの両方の作用をすることは当業者に 明白である。図６cに示されるように，冷媒はマニホールド730の供給側から入っ て，支持体710の円周に沿って流れ，マニホールド730のもどり側を通じて出てい く。他の２つのマニホールドの実施例の他に支持体／マニホールド組み合わせの この実施例は，ターゲットアノード基板へ冷媒を直接供給しながら最大の構造的 コンプライアンスを達成するべく設計されている。 これまで説明されてきた本願発明のさまざまな実施例は示さ れた特定の形状に限定されるものではない。請求の範囲に記載された発明の思想 から離れることなく，エレメントのデザイン及び配置の点でさまざまな修正が可 能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高エネルギー電子ビームの運動エネルギーをＸ線に変換するためのＸ線生成 デバイスの固定ターゲットであって， 高Ｚの材料から成り電子ビームが方向づけられるアノードボタンであって，Ｘ 線生成部及びリップ部を有し，該リップ部が該Ｘ線生成部よりも横方向に伸張し かつ該Ｘ線生成部と段差形状を形成するところのアノードボタン， から成る固定ターゲット。 ２．請求項１に記載の固定ターゲットであって，前記リップ部の直径が前記Ｘ線 生成部の直径より２倍長い， ところの固定ターゲット。 ３．請求項２に記載の固定ターゲットであって，さらに，低Ｚ材料から形成され た基板から成り，該基板が前記リップ部に取り付けられている， ところの固定ターゲット ４．請求項３に記載の固定ターゲットであって，前記基板がさらにインテグラル 冷却チャネルから成る， ところの固定ターゲット。 ５．請求項４に記載の固定ターゲットであって，さらに，Ｘ線 生成の間に前記アノードボタンが膨張する際，前記アノードボタンに最小の抵抗 を与えるよう前記基板を収容するための支持構造体から成る， ところの固定ターゲット。 ６．高エネルギー電子ビームの運動エネルギーをＸ線に変換するためのＸ線生成 デバイスの固定ターゲットであって， 高Ｚ材料から成るアノードボタンであって，当該アノードボタン内の膨張ギャ ップにより包囲されたＸ線生成部を有するアノードボタンと， 前記アノードボタンに隣接する基板であって，低Ｚ材料から成る基板と， から成る固定ターゲット。 ７．請求項６に記載の固定ターゲットであって，前記アノードボタンの直径が前 記Ｘ線生成部の直径のほぼ２倍長い， ところの固定ターゲット。 ８．請求項７に記載の固定ターゲットであって，前記基板はさらにインテグラル 冷却チャネルから成る， ところの固定ターゲット。 ９．請求項８に記載の固定ターゲットであって，さらに前記基板を収容するため の支持構造体から成り，当該支持構造体は前 記アノードボタン及び基板を冷却するための冷媒供給システムを有する， ところの固定ターゲット。 １０．請求項９に記載の固定ターゲットであって，前記支持構造体の前記冷媒供 給システムはインテグラル冷媒供給及びもどりチャネル並びにフレキシブルなバ ッフルを間に有するそれぞれ一対の供給及びもどりプレナムチャンバを有し，当 該供給及びもどりチャネルは冷媒を前記基板の前記インテグラルチャネルに与え るべくプレナムチャンバへ流通可能に接続されている， ところの固定ターゲット。 １１．請求項１０に記載の固定ターゲットであって，前記バッフルは前記アノー ドボタンの半径方向膨張の間に前記支持構造体に対し柔軟性を与えるためのＳ字 形状を有する， ところの固定ターゲット。 １２．請求項１１に記載の固定ターゲットであって，前記支持構造体はステンレ ススチールから成る， ところの固定ターゲット。 １３．請求項８に記載の固定ターゲットであって，さらに前記基板を収容するた めの支持構造体及び該支持構造体に接続され たマニホールドから成る， ところの固定ターゲット。 １４．請求項１３に記載の固定ターゲットであって，前記支持構造体はさらに円 筒支持体から成り，前記マニホールドは当該マニホールドを通じて前記基板の前 記インテグラルチャネルへ冷媒を供給するための冷却チャネルから成る， ところの固定ターゲット。 １５．Ｘ線デバイスのアノードアセンブリをフレキシブルに支持するための支持 構造体であって， 前記アノードアセンブリを楽にするためのフレキシブルな壁及びアパーチャを 有するボディと， 前記ボディ内に内設されたインテグラル冷媒供給及びもどりチャネルと， 前記アノードアセンブリに冷媒を与えるための前記インテグラル冷媒供給及び もどりチャネルにそれぞれ接続された供給及びもどりプレナムチャンバと， 前記プレナム供給及びもどりチャンバの間に配置されたフレキシブルバッフル と， から成る支持構造体。 １６．請求項１５に記載の支持構造体であって，前記フレキシ ブルバッフルがＳ字形状を有する， ところの支持構造体。