KR20220137918A - 회전식 x선 양극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X선을 생성하기 위한 회전식 X선 양극(10, 10', 10'')으로서, 탄소계 재료로 이루어진 환형 본체(11, 11', 11''), 본체(11, 11', 11'')의 초점 트랙 측에 배치되는 환형 초점 트랙 커버링(12, 12', 12''), 및 본체에 대하여 반경방향으로 내측에 배치되는 금속 연결 구성요소(13, 13', 13'')을 포함한다. 연결 구성요소(13, 13', 13'')의 반경방향 외측 부분은 관형 금속 어댑터(14, 14', 14'')에 의해 형성된다. 어댑터(14, 14', 14'')의 반경방향 외측 표면은 본체(11, 11', 11'')의 반경방향 내측 표면의 적어도 일부에 적어도 부분적으로 대면하고 일체로 결합되며, 본체(11, 11', 11'')와 어댑터(14, 14', 14'') 사이의 일체로 결합된 영역은 본체(11, 11', 11'')의 반경방향 내측 표면의 적어도 75 면적 퍼센트에 걸쳐 연장된다.

Description

회전식 X선 양극

본 발명은 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 회전식 X선 양극(rotary x-ray anode)에 관한 것이다.

회전식 X-선 양극은 예를 들어 의료 진단의 이미징 프로세스 또는 연구 및 산업의 재료 검사에 사용되는 X-선 튜브에 사용된다. X선관이 작동하는 동안 음극에서 방출된 전자는 축을 중심으로 회전하는 회전식 X선 양극으로 가속되며, 양극 재료와 고에너지 전자의 상호 작용 결과로 X선이 생성된다. 전자빔 에너지의 대부분(약 99%)은 이 과정에서 열로 변환되고 소산되어야 한다. 회전식 X선 양극의 경우, 냉각은 일반적으로 회전식 X선 양극 표면의 열 복사에 의해 주로 달성된다.

공지된 회전식 X선 양극은 일반적으로 내고온성 재료(보통 몰리브덴 합금 또는 흑연과 몰리브덴 합금의 복합물(합성물))의 디스크형 또는 플레이트형 본체를 갖는 복합재 몸체로 구성되며, 그 일측에 X-선 발생 물질(일반적으로 텅스텐 또는 텅스텐 합금)의 환형 초점 트랙 코팅이 배열된다. 디스크형 또는 플레이트형 본체는 샤프트를 통해 로터에 연결되고 상기 로터에 의해 구동된다. 회전식 X선 양극의 작동 동안, 초점인 전자 충돌 지점의 초점 트랙 코팅은 극도로 높은 열 부하를 받는다. 회전식 X선 양극의 회전으로 인해 초점이 주기적으로 초점 트랙 코팅의 표면 위로 더 멀리 이동하기 때문에 그 동안 다시 냉각된 초점 트랙 코팅 재료에 전자가 지속적으로 충돌하고 열의 입력이 회전식 X선 양극에 빠르게 분포될 수 있다. 따라서 회전식 X선 양극은 고정 양극보다 상당히 더 높은 출력에서 작동될 수 있다.

본 발명은 질량이 작고 더 높은 회전 주파수에 적합한 회전식 X선 양극에 초점을 맞추고 있다. 많은 응용 분야에서 더 높은 복사 강도를 필요로 하며, 이것은 초점 영역에서 더 높은 출력 밀도와 더 높은 국부적 열 입력으로 이어진다. 이에 대응하기 위해 더 높은 초점 속도에 대한 관심이 있으며; 주어진 초점 트랙 직경에 대해 이것은 회전식 X선 양극의 회전 주파수 증가에 대응한다. 기존의 회전식 X선 양극 설계의 경우 가능한 최대 회전 주파수가 제한된다: 주기적인 열 유도 응력 외에도 회전식 X선 양극의 재료는 그에 작용하는 원심력을 가지며, 이것은, 디스크형 또는 플레이트형 회전식 X선 양극의 경우, 회전식 X선 양극의 내주 영역에서 가장 높은 주변 응력으로 이어진다. 이러한 열기계적 하중의 결과는 금속 또는 복합재 회전식 양극의 소성 변형이며, 특히 회전식 X선 양극의 외경 및 내경 영역에서 종종 크랙(균열) 형성과 관련이 있으며 회전식 X선 양극의 사용 수명을 제한한다. 기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극의 또 다른 단점은 베어링으로의 열 흐름을 제어하기 위해 고출력 적용을 위해 양극이 얇은 벽의 컵 모양 스템에 장착된다는 것이다. 이는 전체 높이를 높이고 기계적 강성을 감소시킨다. 결과적인 저주파 고유 주파수 스펙트럼은 현대의 고출력 회전식 X선 양극에 필요한 높은 회전 속도를 허용하지 않는다. 특히, 기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극은 상대적으로 질량이 커서 베어링에 부하가 걸리고 높은 회전 주파수에서 사용하는 데 방해가 된다. 추가적인 단점은 기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극의 경우 축열체 역할을 하는 부품이 낮은 질량 비율을 갖는다는 점이다.

본 발명의 목적은 회전식 X선 양극을 더욱 개발하여 가능한 한 작은 질량을 갖고 작동 중 베어링에 과부하가 걸리지 않고 높은 회전 주파수가 가능한 회전식 X선 양극을 제공하는 것이다. 회전식 X선 양극은 열기계적 하중(부하)을 견디는 능력이 추가로 향상되어야 한다. 특히, 전술한 바와 같이 디스크형 또는 플레이트형 몰리브덴계 회전식 X선 양극의 경우에 발생할 수 있는 소성 변형 및 크랙 형성이 현저히 감소된 정도로 발생되어야 한다.

상기 목적은 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 회전식 X선 양극에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선 사항은 종속항에 명시되어 있다.

본 발명은 탄소계 물질의 환형 본체를 갖는 X선 발생용 회전식 X선 양극을 제안한다. 축 방향(환형 본체의 축에 의해 정의되고 회전식 X선 양극의 회전 축과 일치함)과 관련하여, 환형 본체는 두 개의 대향 단부면들을 가지며, 환형 초점 트랙 코팅이 작동 중 전자빔과 마주하는 단부면(초점 트랙면)에 배치된다. 고에너지 전자는 회전식 X선 양극의 작동 중에 이 초점 트랙 코팅 상으로 가속되고 전자가 초점 트랙 코팅의 재료와 상호 작용하여 X선이 생성된다. 반경 방향(회전 축에서 바깥쪽으로 진행하며 축 방향에 직교하는 평면에 있음)과 관련하여, 환형 본체는 회전 축을 향하는 반경 방향 내부 표면(방사상 내측 표면)을 가지며, 상기 반경 방향 내부 표면 반대편에 반경 방향 외부 표면(방사상 외측 표면)을 갖는다. 환형 본체는 초점 트랙 코팅을 위한 기계적 지지 기능을 가지며 열 흡수 및 열 저장을 위해 중요하다.

회전식 X선 양극은 또한 환형 본체에 대해 내부에 방사상으로 배열되고 환형 본체를 구동 샤프트에 연결하는 역할을 하는 금속 연결 구성요소를 갖는다. 본 발명의 맥락에서, 구동 샤프트는 회전식 X선 양극의 일부로 간주되지 않는다.

본 발명에 따른 회전식 X선 양극은 금속 연결 구성요소의 반경방향 외부 부분이 관형 금속 어댑터에 의해 형성된다는 점에서 더 구별된다. 관형 어댑터는 하나 이상의 추가 부품(들)에 연결되어 금속 연결 구성요소를 형성하는 원래 별도의 구성요소로 제조될 수 있다. 관형 어댑터는 모놀리식으로 제조된 연결 구성요소의 일부 부분일 수도 있으며 - 이 경우 관형 어댑터는 별도로 제조된 구성요소가 아니다. 어댑터의 방사상 외부 표면(동시에 금속 연결 구성요소의 방사상 외부 표면에 대응함)은 환형 본체의 방사상 내부 표면의 적어도 한 부분에 적어도 부분적으로 광범위하게 물질적으로 접합된다. 이와 관련하여, 환형 본체와 금속 어댑터 사이의 물질적으로 결합된 연결 구역은 환형 본체의 반경방향 내부 표면을 따라 적어도 75, 특히 90, 특히 바람직하게는 95 면적 퍼센트로 연장된다. 다르게 표현하면, 환형 본체와 금속 연결 구성요소는 주로 반경 방향으로 서로 맞닿아 있다. 금속 연결 부품이 환형 본체의 단부면 너머로 돌출될 수도 있고 그 단부면을 따라 본체에 물질적으로 결합될 수 있지만, 본체와 연결 부품은 주로 반경 방향으로 서로 물질적으로 결합된다.

금속 연결 구성요소의 반경방향 내부 부분은 어댑터에 대해 반경방향 안쪽으로 돌출하는 금속 샤프트 연결 구성요소에 의해 형성된다. 그것은 관형 어댑터와 동일한 방식으로 별도의 구성 요소로 제조되어 관형 어댑터에 물질적으로 접합될 수 있거나 대안으로 일체형으로 제조된 연결 구성요소의 일부일 수 있다. 샤프트 연결 구성요소 및/또는 관형 어댑터는 바람직하게는 얇은 벽 구성을 갖는다.

탄소 기반 재료는 특히 흑연 또는 탄소 섬유 강화 탄소(탄소 섬유 탄소 복합재(carbon fiber carbon composite), CFC)를 의미하는 것으로 이해된다. 흑연은 밀도가 매우 낮고 비열이 높으며, 이것은 회전식 X선 양극이 작동 중에 많은 양의 열을 흡수하고 저장할 수 있기 위하여 중요하다. CFC 재료는 순수한 탄소 매트릭스에 매립된(내장된) 탄소 섬유로 구성된다. 이것은 재료에 높은 기계적 강도를 부여한다. 이러한 재료의 낮은 밀도는 회전식 X선 양극의 본체가 부피가 큰 구성을 갖는 것을 가능하게 하며, 그 결과 매우 큰 열용량을 가지면서 동시에 회전식 X선 양극의 질량이 비교적 낮게 유지될 수 있다.

환형(annular)은 본체의 반경 방향의 벽 두께가 축 방향의 범위(높이)보다 큰 본체의 중공 원통형 형상을 의미하는 것으로 이해된다. 관형(tubular)은 본체의 반경 방향의 벽 두께가 축 방향의 높이보다 작은 중공 원통형 형상을 의미하는 것으로 이해된다(다양한 벽 두께 또는 높이가 주어지면 각각 반경 방향 또는 축 방향으로 최대 범위로 참조된다).

환형 본체 또는 관형 어댑터의 기하학적 구조는 기하학적으로 정확한 중공-실린더 기하학적 구조를 갖는 형상으로 제한되지 않으며, 즉, 측면 표면들의 모선들이 반드시 직선일 필요는 없으며; 그것들은 특히 만곡될 수 있다. 그 형상은 또한 (연속) 회전 대칭(임의의 원하는 각도를 통한 회전에 대한 대칭)으로 제한되지 않지만, 예를 들어 자연수 n ≥ 2인 n-폴드 회전 대칭(n-fold rotational symmetry)만 나타낼 수도 있다 (360˚/n을 통한 회전에 대해 대칭). 이하의 본문에서 회전 대칭은 임의의 원하는 각도를 통한 회전에 대한 대칭을 나타낸다.

환형 본체는 예를 들어 초점 트랙 코팅이 배열되는 영역에서 초점 트랙 측에서 반경방향 외측으로 경사질 수 있다. 환형 또는 관형은 특히 반경 방향 단면의 형상(축 방향을 통한 평면), 예를 들어 링 벽 또는 튜브 벽 및/또는 외부 윤곽의 두께가 축 방향으로 변경될 때를 의미하는 것으로 이해되며, 예를 들어 원뿔형(원추형) 튜브의 경우이다. 관형은 특히 또한 벽에 냉각 핀이 통합된 관을 포함한다. 특히, 관형은 또한 예를 들어 단부면에서 환형 본체를 지지하고 단부면에 추가 연결 옵션을 생성하기 위해 플랜지 방식으로 돌출된 부분을 갖는 튜브를 의미하는 것으로 이해된다.

따라서, 본 발명에 따른 회전식 X선 양극은 처음에 언급된 디스크형 또는 플레이트형 회전식 X선 양극 및 예를 들어, 흑연의 환형 본체가 - 본 발명과 대조적으로 - 디스크형 금속 연결 부품에 축 방향으로 장착되는 US20100027754 (Siemens)의 회전식 양극과 같은 특허 문헌의 개념과 설계 측면에서 크게 다르다. 본 회전식 X선 양극은 또한 흑연 링이 단단한 내부 디스크 주위에 배열되고 관형 어댑터가 없는 EP0016485 (Philips)의 회전식 X선 양극과 크게 다르다.

본 발명에 따른 회전식 X선 양극은 다음과 같은 일련의 이점들을 갖는다:

기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극과 비교하여 현저히 작은 질량으로 구별된다. 본체에 탄소 기반 소재를 사용하고 금속 연결 부품의 슬림한 디자인을 통해 경량 구조가 달성된다.

또한, 축열체 역할을 하는 성분은 유리하게는 질량 비율이 높다. 탄소 기반 본체의 환형 구성은 열 저장 용량의 최적화된 이용을 가져오고 전자빔과 낮은 평균 사이클 온도 사이의 상대적으로 낮은 균등화 온도를 가능하게 한다. 기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극과 달리 초점 트랙 코팅과 연결 부품 사이에는 낮은 열 전달 저항을 특징으로 하는 금속 연결이 없다. 이것은 본체와 연결 구성요소 사이의 물질적으로 접합된 연결 영역을 따라 뚜렷한 온도 구배를 피하고, 따라서 이 연결 영역에 가능한 한 균일하게 열기계적 부하를 가한다. 컴팩트한 형상은 또한 가장 낮은 고유 주파수의 증가를 보장하며, 이는 작은 질량 외에도 높은 회전 속도에서 회전식 X선 양극을 사용할 수 있기 위한 두 번째 중요한 전제 조건을 충족한다. 탄소 기반 본체를 사용함에도 불구하고 높은 회전 속도에서도 외주에 작은 변위를 보장하고 그리고, 기존의 금속 또는 복합재 회전식 양극과 비교할 때, 초점 트랙 각도의 작은 변화만 보장하는 것이 가능하다.

금속 연결 부품의 추가 개발을 시작으로 회전식 X선 양극의 유리한 추가 개발이 아래에 제시된다. 제시된 많은 조치는 기계적 응력을 관리 가능한 상태로 유지하면서 회전식 양극의 질량을 작게 유지하는 데 기여한다.

바람직한 변형예에서, 금속 어댑터의 외주는 축방향, 특히 초점 트랙 측(쪽) 방향으로 감소하고, 환형 본체의 형상은 그에 따라 조정된다. 회전식 X선 양극의 작동 동안 초점 트랙 측 방향으로의 이러한 감소는 특히 금속 어댑터와 본체 사이의 연결 영역을 따라 온도 분포가 더 균일하고 최적의 경우 거의 등온인 효과가 있다. 어댑터의 외주가 초점 트랙 측 방향으로 감소하면 축 방향으로 공간적으로 초점 트랙 코팅에 더 가까운 어댑터와 본체 사이의 연결 구역의 영역들이 반경 방향으로 초점 트랙 코팅에서 더 멀어진다. 이러한 방식으로 초점 트랙 코팅과 어댑터/본체 연결 영역의 개별 영역 사이의 다른 거리는 더 균형을 이루며, 이것은 연결 구역을 따라 온도 분포 및 관련 열 유도 응력에 긍정적인 영향을 미친다.

유리한 실시예에서, 금속 연결 구성요소는 회전 대칭이고, 특히 환형 어댑터는 회전 대칭이다.

유리하게는, 어댑터는 155° 내지 205°, 특히 155° 내지 180°, 특히 바람직하게는 160° 내지 175°범위의 원추각(원뿔 각도)을 갖는 절두원추형 기본 형상을 갖는다. 각도에 대한 범위 사양에는 각각의 한계값이 포함된다. 원뿔 각도는 축 방향에 대한 어댑터 측면의 접선 방향 평면의 방향을 나타내며; 원뿔 각도는 초점 트랙 측에서 측정된다: 원뿔 각도가 180°인 원뿔대는 중공 실린더에 해당하며, 각도가 > 90° 및 < 180°인 원뿔대는 초점 트랙 측 방향으로 테이퍼지며. 각도가 > 180° 및 < 270°인 원뿔대는 반대 방향으로 테이퍼지며, 따라서 이 경우 금속 어댑터의 외주는 초점 트랙 측 방향으로 증가한다. 절두원추형 어댑터의 장점은 특히 160°와 175°사이의 각도 범위의 원뿔 각도에 대해 위에서 더 자세히 설명된 바와 같이 유리한 거의 등온인 온도 프로파일이 어댑터/본체 연결 구역을 따라 설정될 수 있으며 어댑터는 여전히 비교적 쉽고 비용 효율적으로 제조할 수 있다는 점이다.

어댑터에 대한 또 다른 유리한 실시예는 축 방향에 수직인 평면(회전 평면)에 대해서도 대칭을 갖는 회전 대칭 형상이다. 베어링에 가해지는 하중도 최소화된다. 이러한 형상의 예로는 토로이달(원환체 형태) 기본 형상을 갖는 어댑터이다. 방사형 단면에서 어댑터와 본체의 접촉면은 바깥쪽으로 만곡된 열린 쉘 형상을 갖는다.

연결 영역에서 환형 본체와 어댑터의 높이가 서로 일치하는 경우, 즉 연결 영역에서 축 방향의 어댑터의 높이가 축 방향의 환형 본체의 높이에 해당하는 경우 유리한 것으로 입증되었다.

금속 샤프트 연결 구성요소는 금속 연결 구성요소의 반경방향 내부 부분이며, 이미 위에서 설명한 바와 같이 별도의 구성요소로 제조될 수 있으며, 그런 다음 이것은 내부에서 반경방향으로 어댑터에 야금학적으로 접합된다. 그러나 이것은 모놀리식(일체식)으로 제조된 연결 구성요소(부품)의 일부일 수도 있다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 다음 고려 사항에는 두 가지 변형예가 모두 포함되어야 한다.

금속 샤프트 연결 구성요소는 방사상 외주에서 관형 어댑터의 방사상 내부 표면에 연결된다. 샤프트 연결 구성요소의 반경방향 내부 부분은 구동 샤프트에 대한 직접 또는 간접적 연결을 위해 제공되며, 예를 들어 나사 연결을 위한 개구부를 가질 수 있으며, 이를 통해 회전식 X선 양극이 구동 샤프트에 고정된다.

샤프트 연결 구성요소의 바람직한 실시예는 원형 디스크 형상의 기본 형상을 갖는다. 샤프트 연결 구성요소는 바람직하게는 정확한 원형 디스크의 형상을 갖는다. 디스크는 유리하게는 회전 평면에 배열된다. 디스크는 평평할 필요가 없으며; 오히려 그라데이션을 가질 수도 있다(이 경우 반경방향 단면에서 형상은 직선이 아니라 하나 이상의 단차를 가질 수 있음).

디스크 대신 샤프트 연결 구성요소는 절두 원추형 기본 모양을 가질 수도 있으며; 이 경우, 원추각은 바람직하게는 90°와 100°사이의 범위(축 방향에서 측정됨) 또는 260°와 270°사이의 범위이다. 이 경우 샤프트 연결 구성 요소는 반경 방향 단면의 회전 평면에 대해 약간 기울어진다. 90° 또는 270°의 원뿔대는 회전 평면에 놓이는 디스크에 해당한다. > 90° 및 < 180°범위의 각도를 가진 원뿔대는 초점 트랙 측 방향으로 테이퍼지며, > 180° 및 < 270°범위의 각도를 갖는 원뿔대는 초점 트랙 측 방향으로 열린다.

샤프트 연결 구성요소 및/또는 어댑터는 바람직하게는 회전 대칭을 방해하는 하중 완화 슬롯 또는 보강재와 같은 구조를 가질 수 있다. 샤프트 연결 구성요소의 하중 경감 슬롯은 한편으로는 질량을 줄이는 데 도움이 되고 다른 한편으로는 작동 중에 발생하는 열기계적 응력을 관리하기 쉽게 만드는 데 유용할 수 있다.

샤프트 연결 구성요소의 무게 중심, 특히 바람직하게는 또한 구동 샤프트가 고정되는 샤프트 연결 구성요소의 반경방향 내부 부분은 바람직하게는 축 방향에서 어댑터의 범위 내에서 축 방향으로 위치된다. 환언하면, 샤프트 연결 구성요소의 표면 중심 또는 반경 방향 내부 부분은 축 방향에서 어댑터의 범위 외부에 있지 않다. 이러한 컴팩트한 디자인은 베어링에 가해지는 하중을 감소시키고 가장 낮은 고유 진동수를 증가시킨다.

샤프트 연결 구성요소는 바람직하게는 어댑터의 반경방향 내부 표면에 실질적으로 중앙에 연결되고, 특히 샤프트 연결 구성요소는 축 방향으로 어댑터 높이의 40% 내지 60% 범위에서 어댑터의 반경방향 내부 표면에 연결된다. 유리하게는, 샤프트 연결 구성요소와 어댑터가 서로 접하는 전이 영역은 둥글고 날카로운 모서리를 갖는 전이부 없다.

샤프트 연결 구성요소와 어댑터가 별도로 제조되는 경우, 두 구성요소 사이의 야금학적 접합은 바람직하게는 납땜 연결을 통해 수행된다. 특히 지르코늄은 땜납으로 고려된다.

본 회전식 X선 양극은 금속 연결 구성요소의 슬림한 디자인으로 전반적으로 구별되며, 이는 얇은 벽을 갖는 구성요소(부품)임에도 불구하고 충분한 기계적 안정성을 갖는다. 어댑터는 바람직하게는 반경 방향으로 5 mm 미만, 그러나 적어도 1.5 mm 초과의 두께를 갖는다. 축 방향으로 샤프트 연결 구성요소의 두께는 바람직하게는 10 mm 미만, 특히 5 mm 미만, 그러나 적어도 1.5 mm 초과이다. 축 방향으로 샤프트 연결 구성요소의 최대 두께는 바람직하게는 축 방향으로 어댑터 높이의 20% 미만, 특히 15% 미만이다.

열팽창 측면에서 금속 연결 구성요소에 적합한 재료는 특히 몰리브덴 및 몰리브덴 기반 합금(예를 들면, TZM, MHC), 텅스텐 또는 텅스텐 기반 합금 및 또한 구리 기반 합금이다. 몰리브덴 기반, 텅스텐 기반 또는 구리 기반 합금은 각각 적어도 50 중량%의 몰리브덴, 텅스텐 또는 구리를 포함하는 합금을 의미한다. TZM은 0.5 중량% 티타늄 함량, 0.08 중량% 지르코늄 함량, 0.01 중량% 내지 0.04 중량% 탄소 함량을 가지며 그 외에는 몰리브덴으로 이루어진(불순물 제외) 몰리브덴 합금을 말한다. 이와 관련하여 MHC는 1.0 중량% 내지 1.3 중량%의 하프늄 함량, 0.05 중량% 내지 0.12 중량%의 탄소 함량, 0.06 중량% 미만의 산소 함량을 가지며 그 외에는 몰리브덴으로 이루어진(불순물 제외) 몰리브덴 합금을 의미하는 것으로 이해된다. 금속 연결 구성요소는 또한 텅스텐-구리 복합 재료, 몰리브덴-구리 복합 재료, 구리 복합 재료, 또는 분산 강화된 구리 합금과 같은 분산 강화된 합금을 포함할 수 있다. 이 모든 재료의 공통점은 내고온성을 가지며 비교적 낮은 열팽창 계수를 갖는다는 점이다. 금속 연결 구성요소는 특히 또한 상이한 재료에 기초할 수 있으며, 즉 샤프트 연결 구성요소 및 어댑터는 상이한 재료로 구성될 수 있다.

금속 연결 구성요소는 바람직하게는 중간 구성요소 또는 낮은 열전도율을 갖는 재료, 특히 예를 들어 ZrO₂와 같은 세라믹 재료의 중간 층을 포함한다. 이 중간 구성요소 또는 중간 층은 열 제한기 역할을 하며 회전식 양극 베어링 방향으로 열의 흐름을 가능한 최대한 억제하기 위한 것이다. 열 제한기 또는 중간 층으로 작용하는 중간 구성요소는 바람직하게는 샤프트 연결 구성요소의 반경방향 내부 영역에 배열된다. 열 제한기는 예를 들어 샤프트 연결 구성요소의 내부에 방사상으로 도포된 코팅에 의해 또는 샤프트 연결 구성요소의 내부에 방사상으로 배열된 환형 디스크에 의해 실현될 수 있다. 회전식 양극 베어링의 향상된 단열성으로 인해 공지된 고성능 회전식 X선 양극의 경우에서 요구되는 바와 같은, 그것을 스템에 장착하는 것이 더 이상 필요하지 않다. 따라서 낮은 전체 높이를 갖는 컴팩트한(소형의) 회전식 X선 양극이 달성된다.

금속 연결 구성요소는 관형 어댑터를 통해 환형 본체에 반경방향 외부 표면에서 물질적으로 결합된다. 관형 어댑터와 환형 본체 사이의 재료(물질) 결합은 바람직하게는 납땜 연결에 의해 수행된다. 바람직하게는 지르코늄이 땜납으로서 사용된다. 관형 어댑터는 환형 본체에 직접 납땜되는 것이 유리하다. 재료 결합은 선택적으로 텅 및 그루브 연결과 같은 형태 맞춤 요소에 의해 강화될 수 있다.

이미 위에서 설명한 바와 같이, 환형 본체는 초점 트랙 코팅을 위한 기계적 지지 기능을 가지며 열 기능(열 흡수 및 저장)을 수행한다. 그것은 특히 흑연과 같은 탄소 기반 재료로 구성된다. 초점 트랙 코팅은 바람직하게는 다음 재료 중 하나 이상으로 형성된다:

i. 텅스텐,

ii. 텅스텐 기반 합금 및/또는

iii. 전이 금속 하프늄, 탄탈륨 또는 텅스텐 중 적어도 하나의 탄화물, 질화물, 탄질화물.

특히, 초점 트랙 코팅은 26 중량% 이하의 레늄 비율을 갖는 텅스텐-레늄 합금으로 형성되며, 레늄 비율은 바람직하게는 5 중량% 내지 15 중량% 범위에 있다. 또한, 초점 트랙 코팅의 재료는 하프늄, 탄탈륨 또는 텅스텐과 같은 전이 금속 중 2가지 이상의 혼합 탄화물일 수도 있고, 이러한 전이 금속 중 2가지 이상의 혼합 탄질화물일 수도 있다. 초점 트랙 코팅의 두께는 일반적으로 0.05 내지 2 mm 범위이다. 초점 트랙 코팅은 본체에 초점 트랙 코팅을 납땜하는 것과 같은 공지된 기술을 사용하거나 열 용사, 플라즈마 용사, 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)과 같은 공지된 코팅 방법을 사용하여 본체에 적용(도포)될 수 있다. 금속 또는 세라믹일 수 있는 적어도 하나의 중간 층이 바람직하게는 초점 트랙 코팅과 본체 사이에 배열된다. 이러한 중간 층은 본체에 대한 초점 트랙 코팅의 부착 및 접착을 지원하고 또한 예를 들어 초점 트랙 코팅으로의 탄소의 원하지 않는 확산을 억제하기 위한 장벽 층의 형태일 수 있다. 유리하게는, 적어도 하나의 중간 층은 또한 고에너지 전자와의 상호작용으로 인해 회전식 X-선 양극의 작동 동안 초점 트랙 코팅에서 발생하는 크랙이 본체 방향으로 전파되는 것을 억제하는 데 도움이 된다. 금속성 중간 층의 경우, 이러한 층은 바람직하게는 레늄, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀, 지르코늄, 티타늄 또는 이들 금속의 화합물 또는 합금 또는 이들 금속의 조합으로 형성되며; 세라믹 중간 층은 바람직하게는 탄화규소와 같은 탄화물, 또는 질화붕소 또는 질화티타늄과 같은 질화물로 형성된다. 하나의 중간 층 대신에, 다수의 중간 층이 서로 위에 배열되고(적층되고) 중간층 스택을 형성하는 것도 가능하다. 특히, 금속 및 세라믹 중간 층이 중간 층 스택에서 교대로 있을 수 있다.

본 발명은 회전식 X선 양극을 더욱 개발하여 가능한 한 작은 질량을 갖고 작동 중 베어링에 과부하가 걸리지 않고 높은 회전 주파수가 가능한 회전식 X선 양극을 제공한다. 회전식 X선 양극은 열기계적 하중을 견디는 능력이 추가로 향상된다. 특히, 전술한 바와 같이 디스크형 또는 플레이트형 몰리브덴계 회전식 X선 양극의 경우에 발생할 수 있는 소성 변형 및 크랙 형성이 현저히 감소된 정도로 발생된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 3개의 예시적인 실시예의 다음 설명에 기초하여 더 상세히 설명된다. 도면은 비축척 도시로 나타내며:
도 1a는 회전식 X선 양극의 제1 실시예 변형의 사시 단면도를 도시하며;
도 1b는 도 1a의 회전식 X선 양극의 평면도를 도시하며;
도 1c는 단면 평면 A-A를 통한 도 1a의 회전식 X선 양극의 반경방향 단면도를 도시하며;
도 1d는 도 1a의 회전식 X선 양극의 온도 프로파일을 사시 단면도로 도시하며;
도 2a는 회전식 X선 양극의 제2 실시예 변형의 사시 단면도를 도시하며;
도 2b는 도 2a의 회전식 X선 양극의 평면도를 도시하며;
도 2c는 단면 평면 A-A를 통한 도 2a의 회전식 X선 양극의 반경방향 단면도를 도시하며;
도 3a는 회전식 X선 양극의 제3 실시예 변형의 사시 단면도를 도시하며;
도 3b는 도 3a의 회전식 X선 양극의 평면도를 도시하며;
도 3c는 단면 평면 A-A를 통한 도 3a의 회전식 X선 양극의 반경방향 단면도를 도시한다.

도 1a는 회전식 X선 양극의 제1 실시예 변형의 개략적인 사시 단면도를 도시한다. 회전식 X선 양극(10)은 회전축(R)에 대해 회전 대칭이고, 흑연으로 이루어진 환형 본체(11)로 구성되며, 그 경사진 단부면에는 환형 초점 트랙 코팅(12)이 배열되어 있다. 흑연은 비교적 낮은 밀도를 가지며 비교적 높은 비열 용량을 특징으로 한다. 작동 동안, X선 방사를 생성하기 위해 고에너지 전자가 초점 트랙 코팅(12) 상으로 가속된다. 초점 트랙 코팅(12)은 레늄 비율이 약 10 중량%인 텅스텐-레늄 합금으로 구성되며, 분무층 형태로 환형 본체(11)에 도포된다. 선택적으로, 더 나은 접착을 위해 그리고 탄소 확산에 대한 확산 장벽으로서, 본체(11)와 초점 트랙 코팅(12) 사이에 특히 레늄으로 이루어진 하나 이상의 중간 층(들)(도 1a에 도시되지 않음)을 배열하는 것이 가능하다. 환형 본체(11)는 반경방향 내부 금속 연결 구성요소(13)를 통해 구동 샤프트(미도시)에 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 개구(16)는 구동 샤프트에 고정하기 위한 나사 연결을 수용하는 역할을 한다. 금속 연결 구성요소(13)는 관형 어댑터(14) 및 원형 디스크형 샤프트 연결 구성요소(15)로 구성되고 반경 방향 및 축 방향 모두에서 본체(11)에 걸쳐있는(본체(11)에 걸쳐 연장되는) 윤곽(컨투어) 내에 완전히 위치된다. 관형 어댑터(14)는 대략 160°의 원추각(원뿔 각도)(17)를 갖는 절두원추형 기본 형상을 가지며 그 외경이 초점 트랙 쪽 방향으로 감소한다. 관형 어댑터(14)는 그 반경방향 외부 표면에서 납땜 연결에 의해 환형 본체(11)의 반경방향 내부 표면에 물질적으로 접합된다. 여기서, 환형 본체(11)와 관형 어댑터(14) 사이의 물질적으로 접합된 연결 구역은 환형 본체(11)의 전체 반경방향 내부 표면에 걸쳐 연장된다. 초점 트랙 측 방향으로 관형 어댑터의 테이퍼링은 보다 균일한, 관형 어댑터(14)와 본체(11) 사이의 연결 구역을 따른 대략 등온 온도 분포를 얻는다. 온도 프로파일은 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 결정된 온도 프로파일을 예시하는 도 1d에서 볼 수 있다. 밝은 영역은 더 높은 온도에 해당하고 회색 음영이 어두워지면 온도가 낮아진다. 관형 어댑터(14)와 본체(11) 사이의 연결 구역을 따른 온도 프로파일은 전형적인 작동 파라미터에 대해 대략 등온이다. 샤프트 연결 구성요소(15)는 약간 둥근 전이 영역에서 중앙에서 관형 어댑터(14)의 반경방향 내부 표면과 만난다. 금속 연결 구성요소(13)(관형 어댑터(14) 및 원형 디스크형 샤프트 연결 구성요소(15) 모두)는 얇은 벽 구성을 가지며 가능한 가장 낮은 열 팽창 측면에서 몰리브덴 또는 텅스텐과 같은 내화 금속 또는 이들 금속들을 기반으로 하는 합금(예를 들면, TZM, MHC)으로 제조된다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 회전식 X선 양극(10')은 다소 더 넓은 초점 트랙 코팅(12')을 가지며 환형 본체(11')의 형상에 있어서 도 1a 내지 도 1c의 실시예와 상이하다(모서리가 더 둥글게 처리됨). 제1 실시예와 비교하여, 환형 어댑터(14')는 약간 더 큰 원추각(17')(약 170°)을 가지며 샤프트 연결 구성요소(15')는 어댑터(14')와 중앙에서 맞물리지 않고, 초점 트랙 측 방향으로 오프셋된다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 회전식 X선 양극(10'')은 본체(11'')와의 접촉면이 외부로 오목하게 개방된 토로이달(환상체) 기본 형상을 갖는 어댑터(14'')를 갖는다. 전반적으로, 어댑터(14'')는 2개의 이전 실시예와 유사하게 초점 트랙 측 방향으로 테이퍼진다.

3개의 회전식 X선 양극들(10, 10', 10'')은 모두 질량이 작은 컴팩트한 형상을 가지며 우수한 열기계적 특성으로 구별된다. 그것들은 유리하게는 열 저장소로 작용하는 본체의 질량 비율이 높다. 또한 초점 트랙 코팅과 회전식 X선 양극의 방사상 내부 영역 사이에는 금속 연결이 없다.

Claims (15)

1. X선 방사를 생성하기 위한 회전식 X선 양극(10, 10', 10'')으로서,
   회전식 X선 양극(10, 10', 10'')의 회전축(R)과 관련하여 반경방향 내측 표면을 갖는 반경방향 내측 개구부를 갖는 탄소계 재료의 환형 본체(11, 11', 11''),
   본체(11, 11', 11'')의 초점 트랙 측에 배치되는 환형 초점 트랙 코팅(12, 12', 12''), 및
   본체에 대하여 반경방향으로 내측에 배치되며, 본체(11, 11', 11'')를 구동축에 연결하는 역할을 하는 금속성 연결 구성요소(13, 13', 13'')를 포함하며,
   여기서 연결 구성요소(13, 13', 13'')의 반경방향 외측 부분은 관형 금속성 어댑터(14, 14', 14'')에 의해 형성되며, 어댑터(14, 14', 14'')의 반경방향 외측 표면은 본체(11, 11', 11'')의 반경방향 내측 표면의 적어도 일부에 적어도 부분적으로 광범위하게 물질적으로 결합되며, 본체(11, 11', 11'')와 어댑터(14, 14', 14'') 사이의 물질적으로 결합된 연결 영역은 본체(11, 11', 11'')의 반경방향 내측 표면을 따라 적어도 75 면적 퍼센트 연장되는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
2. 제1항에 있어서,
   어댑터(14, 14', 14'')의 외주는 축 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   어댑터(14, 14', 14'')는 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   어댑터(14, 14', 14'')는 절두원추형 기본 형상을 가지며, 원추각은 155°내지 205°인 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   금속 연결 구성요소(13, 13', 13'')의 반경방향 내측 부분은 샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')에 의해 형성되며, 여기서 샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')는 반경방향 외주에서 관형 어댑터(14, 14', 14''))의 반경방향 내측 표면에 연결되며, 샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')의 반경방향 내측 부분은 구동 샤프트에 연결하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
6. 제5항에 있어서,
   샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')는 원형 디스크 형태의 기본 형상을 가지며, 축 방향에 수직인 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
7. 제5항에 있어서,
   샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')는 절두원추형 기본 형상을 가지며, 원추각은 90°내지 100°또는 260°내지 270°인 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')는 축 방향에서 어댑터 높이의 40% 내지 60% 범위에서 어댑터(14, 14', 14'')의 반경방향 내측 표면에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')는 축 방향으로 10 mm 미만의 두께를 갖는 얇은 벽 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    축 방향으로 샤프트 연결 구성요소(15, 15', 15'')의 최대 두께가 축 방향으로 어댑터 높이의 20% 미만인 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    어댑터(14, 14', 14'')는 반경 방향으로 5 mm 미만의 두께를 갖는 얇은 벽 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    어댑터(14, 14', 14'') 및 환형 본체(11, 11', 11'')는 서로 납땜되는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속성 연결 구성요소(13, 13', 13'')는 열 제한기로서 중간 구성요소 또는 열전도율이 낮은 재료로 이루어진 중간층을 갖는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속성 연결 구성요소(13, 13', 13'')는 텅스텐, 몰리브덴 또는 구리, 텅스텐, 몰리브덴 또는 구리를 기반으로 하는 합금, 텅스텐-구리, 몰리브덴-구리 또는 구리 복합 재료의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    환형 본체(11, 11', 11'')는 초점 트랙 코팅(12, 12', 12'')이 위치하는 반경방향 외측 영역의 초점 트랙 측에서 경사져 있는 것을 특징으로 하는 회전식 X선 양극(10, 10', 10'').

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