JPS6139352A - Ｘ線管回転陽極とその製法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、高融点の金属及び／又はその合金から成る
特別の焦点軌道コーティング有り又は無しの基体と、こ
の基体の少なくとも部分領域上に設けられて焦点軌道を
包み込む高融点の化合物から成る被膜とから構成される
リング形の焦点軌道付きＸ線管回転陽極に関する。

［従来の技術］ Ｘ線診断法、例えばデジタル化Ｘ線写真法及びＸ線コン
ピュータ断層撮影法（ＣＴ）の進歩により、Ｘ線管回転
陽極の熱負荷の増大が問題になっている。一連の“ＣＴ
−スキャン″の期間中のエネルギー吸収は例えば約２メ
ガジユールに成る。定常運転時にはこの熱量は１５分の
周期の間に熱放射により放散されなければならず、これ
は約２ｋＷの平均放射仕事率に相当する。

物体からの熱放射は周知のようにシュテファンーポルッ
マンの放射法則により行われ、絶対温度の４乗と表面積
と半球の放射率εとに比例する。

従ってＸ線管回転陽極の放射仕事率は原理的に運転温度
が高いほど増大できる。しかしながら従来技術により作
られたＸ線管回転陽極は既に材料に基づく限界温度に到
達している。放射仕事率を増加するための処置としての
放射面の拡大は、一方では陽極表面を粗くすることによ
りまた他方では陽極の直径と厚さを増加することにより
行うことができる。しかしながら後者は陽極の回転トル
クと重量との増加のために成る限界内だけで可能である
。

Ｘ線管回転陽極の放射率の向上による放射仕事率の増大
もまた、既に多数の刊行物の中で、一般に陽極表面の完
全な又は部分的な被膜の形で提案されている。

“黒い″被膜の効率の評価は大容量Ｘ線管における通常
の運転条件を出発点としなければならない。ＣＴ−運転
においては例えば陽極は、典型的な３分間の長さの一連
の撮影の間、陽極の形状に応じて多かれ少なかれ熱平衡
から遠く離れた状態にある。あらゆる場合において撮影
の間の・焦点軌道温度は陽極の内部又は背面の温度より
数百度も高い。

Ｔｌ１−依存性のために焦点軌道領域は回転陽極での面
積配分（典型的には全面積の５０％ないし３０％）に比
べて過剰に放射冷却に貢献する。焦点軌道領域の放射率
εを例えばＷ／Ｒｅ−焦点軌道コーティングに対する０
、２５から０．８に高めることは、同一の限界温度の際
に得られる被膜付き陽極の放射冷却をＣＴ−条件下で理
論的に４０％以内で増大する。換言すれば同一の負□荷
条件において、陽極の動作温度は焦点軌道を包み込む被
膜により明らかに下げることができる。

通常回転陽極の基体及び焦点軌道コーティングのために
用いられる金属であるモリブデンとタングステンは、表
面の性質（研磨またはサンドブラスト）に応じて０．２
５ないし０．３５（１０００°Ｃにおいて）の全半球放
射係数を有するけれども、一連の高硬質材料特に遷移金
属の炭化物と窒化物更にホウ化物と酸化物並びにレニウ
ムとグラファイトは著しく高い放射率（ｔｏｏｏｏＣに
おいて０．５ないし０．８５）を示す。

１９５７年のフランス共和国特許第１１４８７０８号明
細書により、陽極の熱放射能力を高めるために、例えば
ＣＶＤ−法により少なくとも１０ｇｍの膜厚のレニウム
層によりタングステン回転陽極を被覆すること、並びに
同時にそのように寸法を決められた膜厚において焦点軌
道領域のレニウムをもっばらＸ線の発生のために利用す
ることが既に提案された。かかる回転陽極に起こり得る
故障の原因従って欠点は、高い熱交番応力における不十
分な被膜付着力（付着しないこと）と被膜の疲労（東集
しないこと）である。最後に例えば上記の炭化物に比べ
て低い値の放射係数もまた欠点である。

フランス共和国特許第１３７１８８０号明細書には、熱
放射の改善のために種々の基板材料の回転陽極上に使用
可能な被膜材料として、遷移金属の炭化物、窒化物及び
ホウ化物が記述されている。有利な被膜材料は、高い放
射率としかも高い融点と高温における小さい材料蒸発率
との故に、炭化タンタルである。最小の膜厚として２５
ｇｍの値が記載されている。基板材料と炭化物との間の
反応を防ぐために、レニウムから成る中間層が推薦され
ている。この特許明細書はその特許請求の範囲の文面に
基づけば、確かに焦点軌道を含む全回転陽極表面の被膜
を含んでいる。しかし“ながら個々の実施例では、焦点
軌道を被膜から除外することがはっきりと推奨されてい
る。上記の種類の完全に被覆された回転陽極は、例えば
この特許に基づきプラズマ溶射によりかぶせられたＴａ
Ｃの小さい熱伝導率（タングステンの約２０分の１）の
ために、上記の膜厚において被膜の断面にわたり非常に
高い温度勾配が発生するという欠点を有する。

この温度勾配は被膜の中と被膜一基板の接合領域の中と
に高い機械的応力を生じ、炭化物の著しいもろさのため
に被膜の中にき裂又ははがれが生じる。それによって起
こる焦点軌道領域の表面の荒れはＸ線放射を著しく損な
うので、特別の欠点と考えられる。

ごく最近まで出願された多数の特許明細書中には、熱放
射を改善しようとする表面被膜付き回転陽極とその製法
とが常に繰り返し記述されている。しかしながら被膜の
対象としては、学説によれば抑制できない上記欠点のた
めに焦点軌道が明らかに除外されており、実地における
製造技術上の理由から大抵の場合、このことは焦点軌道
を被覆しないばかりでなく焦点軌道を含むＸ線管回転陽
極の上面を全く被覆しないことを意味する（例えばドイ
ツ連邦共和国特許第２９４８３８８号明細書、欧州特許
第００１８８８５号明細書）。

［発明が解決しようとする問題点コ この発明は、焦点軌道領域を包み込み且つその際従来の
構造の欠点特に耐熱衝撃性の不足と不十分な被膜付着性
とを回避するため被膜をかぶせることにより、ｘｍ管回
転陽極の熱放射を向上することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、熱放射に役立つ被膜が０
．ＬＢｍないし２７Ｌｍの厚さを有し、Ｘ線放射源が被
膜の下にある焦点軌道材料の中に一部分又は大部分残っ
ていることにより達成される。

［発明の効果］ この発明に基づくＸ線管回転陽極の構成により、熱放射
機能とＸ線発生機能との所望の分離が達成される。従来
技術では焦点軌道領域を包み込む熱放射層が明らかに、
又は上記の膜厚に基づく推測によりＸ線をもっばら発生
する箇所であったのに対し、この発明においては、熱放
射被膜の放射性と熱機械的長期間安定性と冶金学的長期
間安定性との必要条件だけに基づいて、要求される膜厚
範囲内で膜厚が決定される。上記によりＸ線の発生は実
情に応じて実際上全く、又は成る部分までしか被膜によ
り影響されない。この発明に基づく被膜材料に対する膜
厚は、焦点軌道を包み込む既知の膜厚よりはるかに少な
く、０　、１１Ｌｍないし２ルｍである。

過去の多数の提案によってもＸ線管回転陽極の熱放射は
ｉれぞれ僅かしか改善できなかったが、この発明に基づ
く処置を用いればＸ線管回転陽極の構造と運転方法に応
じて熱放射の２０％ないし４０％の向上が達成できる。

要求された膜厚範囲内の焦点軌道上の被膜がかかる良好
な熱機械的安定性を示すことは、平゛均的な専門家には
予見不能であった。被膜そのものは既に２０年以上前か
ら提案されていたにもかかわらず、この発明に基づくよ
うな被膜はこれまで発表されておらず、また実際に実現
されてもいなかったことは明白である。

この発明に基づく有利な実施態様によれば、被膜は遷移
金属Ｈｆ、Ｔ’ａ又はＷの炭化物、窒化物又は炭窒化物
、もしくはこれら金属の炭化混合物、特に成分子ａＣ×
　（ｏ　、８≦ｘ≦１．０）の炭化タンタル被膜、又は
成分子　ａＣｙ　Ｎｚ（０，８≦ｙ＋ｚ≦１）の炭窒化
タンタル層から成る。

別の有利な実施態様によれば、被膜の金属成分の原子番
号と焦点軌道コーティングの主成分の原子番号との差が
３以下にされる。この処置により、Ｘ線放射の大部分が
その発生源を焦点軌道コーティングの上にかぶせられた
被膜の中に有するときにさえも、Ｘ線スペクトルの著し
い変化が生じ得ないということが保証される。

この発明の更に別の有利な実施態様によれば、被膜は０
　、５　ｐｍより小□さい厚さを有する。かかる小さい
膜厚は、Ｘ線放射が被膜により著しく影響されるという
事態を起こさない。しかしながらかかる小さい膜厚は、
与えられた被膜材料と使用条件に基づいて、陽極の熱放
射率が少なくとも主として被膜により決定され基板材料
によっては決定されないことが保証される場合にのみ、
意味がある。

この発明の基づくＸ線管回転陽極の有利な製法は、被覆
がＰＶＤ法（物理蒸着法）、特に反応性のイオンめっき
法により行われることである。

この発明に基づくＸ線管回転陽極の別の有利な製法は、
焦点軌道コーティングと放射性被膜とが焦点軌道材料と
熱放射する被膜とを順次析出することにより、単一の被
覆工程で高耐熱性の基体上にかぶせられるようにするこ
とである。

共通の被覆工程においてまず１０ｐｍないし２０ｇｍの
厚さのレニウム層を焦点軌道コーティングとしてかぶせ
、続いて０．５１ＬｍないしＩｇｍの厚さの炭化タンタ
ル層を熱放射する被膜として全陽極表面上にかぶせるこ
とが、好適であると実証された。

［実施例〕 この発明に基づくＸ線管回転陽極の１実施例を示す図面
により、この発明の詳細な説明する。

第１図は典型的な構造のＸ線管回転陽極の断面を示す。

この回転陽極は高融点の金属及び／又はその合金から成
る基体ｌから構成される。陽極はその上面に特別な焦点
軌道コーティング３と、陽極全表面上にこの発明に基づ
く膜厚の被膜２とを有する。

第１図に示す回転陽極は反応性イオンめっき法によりＴ
ａＣから成る０、５＃Ｌｍの厚さの被膜で全面を覆われ
た。研磨された陽極表面を異常なグロー放電の中で強く
スパッタリングすることにより、被膜付着と高められた
放射とのために都合の良い表面位相が前もって作り出さ
れた。この被膜はＮａＣ１構造の淡黄金色の化学量論的
なＴａＣであった。引っかき試験で確かめられた付着強
度は２００　ｋｐ／ｍｍ２であった。被覆プロセスによ
り被膜の中に生じた内因性の応力は１２００°Ｃないし
１６００°Ｃでの陽極の真空焼鈍により除去された。

この発明に基づき製作された陽極については、例えば高
電圧不安定性によるＸ線管故障頻度の増大を記録しなか
ったので、コーティングの微小片のはがれは考慮しなく
てよい。

このように製作された回転陽極は、実際に発生する情況
をシミュレートしたＸ線管試験台の中で第１図における
構造に対応して調査され、そこに記載の比較陽極と対比
された。

第２図は、典型的なＸ線管回転陽極の負荷サイクル（８
１ｋＶ、２５０ｍＡ、放射時間６．４秒）に対するグラ
フの中で、焦点軌道の領域における陽極の温度酔過を時
間の関数として示す。

特にコンピュータ断層撮影法用のＸ線管回転陽極は今日
では通常、短時間の電子照射により約１８００°Ｃへの
焦点の加熱が行われ、それに続いて新たに電子照射によ
り加熱するために、陽極は再び約６００’Ｃないし８０
０°Ｃに冷却されるまで休止される。グラフは三つの曲
線を含む。

これら曲線は同じ構造のしかしながら異なる表面特性の
回転陽極に対して得られた。曲線１はこの発明に基づく
Ｘ線管回転陽極、すなわち略号ＴＺＭにより知られたモ
リブデン合金から成る基体から構成される陽極の焦点軌
道の温度経過を示す（焦点への再入射前は９０°Ｃ）。

陽極は焦点軌道の領域にタングステン／レニウム合金か
ら成る焦点軌道コーティングを有し、且つ全表面上に約
０　、５　ｇｍの厚さの炭化タンタル層をかぶせられて
いる。これに対して曲線２は、陽極の陰極に向かう側（
焦点軌道コーティングを有する側）が被膜を施されてい
ない同様な陽極の温度経過を示す。最後に曲線３は炭化
タンタル被膜が全く集い同様な構造の陽極の温度経過を
示す。

完全に被覆されたＸ線管回転陽極゛は被覆されていない
陽極に対し、最高焦点軌道温度を同じ値に保つとき、３
００秒から１３０秒へと半減以下の冷却時間を示し、従
って実際上は２倍以上の撮影サイクルを示す。部分的に
被覆された陽極に対してはサイクル数の比は依然として
約１．５対ｌである。

上記の条件に基づく１１０時間のＸ線管試験の後の焦点
軌道領域における被膜のＸ線回折解析は化学量論的なＴ
ａＣであることを明らかにした。

その下にあるＷ／Ｒｅコーティングとの合金形成は観察
されなかった。基体への被膜付着は相変らず良好であっ
た。

この実施例により、この発明に基づく被膜の熱機械的安
定性と冶金学的安定性ばかりでなく、それにより意図し
た放射の増大が明確に証明できた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に基づくＸ線管回転陽極の１実施例の
断面図、第２図は３種類の回転陽極の実際に近い加熱冷
却サイクルにおける陽極表面温度経過をグラフで示した
図である。 ｌ・・・基体、　２・・・被膜、　３・・・焦点軌道コ
ーティング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高融点の金属及び／又はその合金から成る特別の焦
   点軌道コーティング有り又は無しの基体と、この基体の
   少なくとも部分領域上に設けられて焦点軌道を包み込む
   高融点の化合物から成る被膜とから構成されるリング形
   の焦点軌道付きＸ線管回転陽極において、熱放射に役立
   つ被膜が０．１μｍないし２μｍの厚さを有し、Ｘ線放
   射源が被膜の下にある焦点軌道材料の中に一部分又は大
   部分残っていることを特徴とするＸ線管回転陽極。 ２）被膜の金属成分の原子番号と焦点軌道コーティング
   の主成分の原子番号との差が３以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の回転陽極。 ３）被膜が遷移金属Ｈｆ、Ｔａ又はＷの炭化物、窒化物
   又は炭窒化物、もしくはこれら金属の炭化混合物から成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の回転陽極。 ４）被膜がＴａＣ＿ｘ（０．８≦ｘ≦１．０）又はＴａ
   Ｃ＿ｙＮ＿ｚ（０．８≦ｙ＋ｚ≦１）から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   １項に記載の回転陽極。 ５）被膜が０．５μｍより小さい厚さを有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   １項に記載の回転陽極。 ６）焦点軌道コーティングが１０μｍないし２０μｍの
   厚さのレニウム層であり、熱を放射する被膜が０．５μ
   ｍないし１．０μｍの厚さのＴａＣ層であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１
   項に記載の回転陽極。 ７）被膜形成がＰＶＤ法（物理蒸着法）、特に反応性イ
   オンめっき法により行われることを特徴とする高融点の
   金属及び／又はその合金から成る特別の焦点軌道コーテ
   ィング有り又は無しの基体と、この基体の少なくとも部
   分領域上に設けられて焦点軌道を包み込む高融点の化合
   物から成る被膜とから構成され、熱放射に役立つ被膜が
   ０．１μｍないし２μｍの厚さを有し、Ｘ線放射源が被
   膜の下にある焦点軌道材料の中に一部分又は大部分残っ
   ているリング形の焦点軌道付きＸ線管回転陽極の製造方
   法。 ８）焦点軌道コーティングと放射性被膜とが、焦点軌道
   材料と熱放射する被膜とを順次析出することにより、単
   一の被覆工程で高耐熱性の基体上にかぶせられることを
   特徴とする特許請求の範囲第７項記載の方法。