WO2011052163A1

WO2011052163A1 - Ｘ線管

Info

Publication number: WO2011052163A1
Application number: PCT/JP2010/006235
Authority: WO
Inventors: 下野　隆
Original assignee: 東芝電子管デバイス株式会社; 株式会社東芝
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-05-05
Also published as: EP2495747B1; US20120207279A1; CN102598197B; EP2495747A1; JP2011096572A; JP5322888B2; CN102598197A; EP2495747A4; US8761345B2

Abstract

　本発明のＸ線管（１）は、陰極（１０）と、Ｘ線を放出する陽極ターゲット（２０）と、真空外囲器（３０）と冷却機構（６０）とを備え、前記陽極ターゲットで発生した熱を前記冷却機構で冷却すること、前記陰極で発生した熱をセラミック部材（３３）、第２金属部材（３２）、伝熱媒体（５０）、アダプタ（４０）、第１金属部材（３１）を介して前記冷却機構で冷却すること、を特徴とする。これにより、一つの冷却機構を用いて、陽極ターゲットと陰極とを同時に冷却することが可能になり、簡単な構造で外部に熱を放出できるＸ線管を提供することができるようになった。

Description

Ｘ線管

関連出願の引用

　本出願は、２００９年１０月３０日に出願した先行する日本国特許出願第２００９－２５０９０１号による優先権の利益に基礎をおき、かつ、その利益を求めており、その内容全体が引用によりここに包含される。

　本発明の実施例は、Ｘ線を発生するＸ線管に関する。

　一般に、Ｘ線管は、医療診断システムや工業診断システム等の人体や物品の内部を透視するシステムに用いられる。Ｘ線管は、陰極と、陽極ターゲットと、陰極および陽極ターゲットを収容した真空外囲器とを有する。陰極および陽極ターゲット間に高電圧を印加することにより、陰極側から放出された電子が陽極ターゲットに衝突し、陽極ターゲットからＸ線が放射する。

　陰極から放出された電子が陽極ターゲットに衝突すると、陽極ターゲットは加熱され高温になる。また陰極は熱電子を放出させるためにフィラメントが加熱されるので、陰極も高温になる。高電圧プラグが陰極に接続され陰極と陽極ターゲットとの間に高電圧が印加される場合、陰極の熱が高電圧プラグに伝わり、高電圧プラグの絶縁部分が変形し、絶縁破壊が生じる恐れがある。

　特許文献１は、Ｘ線管の真空ケーシングに設けられた高電圧接続部に被せ嵌めるために設けられている形式の高電圧コネクタを開示し、また高電圧コネクタが冷却剤のための冷却通路を有することを開示している。

　特許文献２は、高圧ケーブル端部および高電圧端子を収納し、内部に充填された絶縁封止部材により絶縁して保持するハウジングと、ハウジング内壁に固定され、高電圧端子に熱的に接触し絶縁封止部材より熱伝導率の大きい高熱伝導絶縁部材とを有した構成を開示し、また高熱伝導絶縁部材が、陽極から高電圧端子を経て伝達される熱をハウジングに放熱することを開示している。

　特許文献３は、外囲器から突出する支持体の他端側でかつ外囲器と給電部との間で、管容器に接続する接続部により、支持体を保持するとともに、絶縁材に蓄積された熱を絶縁材に接触する支持体を介して放熱することを開示し、また、支持体の熱を絶縁材や管容器に伝達して管容器から放熱しやすくでき、支持体の熱の放出特性が向上でき、給電部の温度を低減できることを開示している。

　特許文献４は、高電圧絶縁体がポッティング材で包囲され、ポッティング材の外面が冷却されるＸ線管を開示している。

日本特開平８－９６８８９号公報日本特開２００８－２９３８６８号公報日本特開２００７－４２４３４号公報日本特開２００１－５０４９８８号公報

図１は一実施例に係るＸ線管の構成を概略的に示す断面図であり、Ｘ線管に接続される高電圧プラグの断面を併せて示す。図２は図１に示したＸ線管の上面図である。図３は他の実施例に係るＸ線管の構成を概略的に示す断面図である。図４は更に他の実施例に係るＸ線管の図１に示したＡ領域の拡大断面図である。

詳細な説明

　実施例によれば、陰極と、陽極ターゲットと、陰極および陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、アダプタと、伝熱媒体と、冷却液が流れる冷却路を形成する冷却機構を備えるＸ線管が提供される。

　陰極は、熱電子を放出する。陽極ターゲットは、陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する。

　真空外囲器は、第１金属部材と、第２金属部材と、電気絶縁性のセラミック部材を有する。第１金属部材は、陽極ターゲットと接続されＸ線管の管軸に沿った方向に延出し、Ｘ線放射窓を有する。第２金属部材は、第１金属部材に接続され管軸に沿った方向に延出し、第１金属部材の熱膨張率より低い熱膨張率を有する。セラミック部材は第２金属部材および陰極に接続される。セラミック部材は、陰極から管軸に垂直な方向に突出する環状に形成され、電気絶縁性を示す。

　アダプタは、第１金属部材と接するように配置され、第２金属部材を囲み、第２金属部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する。伝熱媒体は、セラミック部材とアダプタとの間に配置される。冷却機構は、第１金属部材と接続され、陽極ターゲットから放出される熱が直接または第１金属部材を介して間接的に伝導され、また陰極から放出される熱がセラミック、伝熱媒体、アダプタおよび第１金属部材を介して間接的に伝導される。

　陽極ターゲットと陰極とを冷却する場合、従来は、陽極ターゲットと陰極とを独立して冷却する必要があり、冷却に複雑な機構が必要であった。このため、陽極ターゲットに生じる熱と陰極に生じる熱を、簡単な構造で効率よく外部に放出できる技術が求められていた。

　実施例のＸ線管は、陰極に生じる熱および陽極ターゲットに生じる熱を簡単な構造で効率よく外部に放出できる。

　以下、一実施例のＸ線管を、図面を参照して詳細に説明する。

　図１に示すように、Ｘ線管１は、陰極１０、陽極ターゲット２０、陰極１０および陽極ターゲット２０を収納した真空外囲器３０を有している。図中、ＴＡはＸ線管の管軸を示す。

　陰極１０は、電子放出源としてのフィラメント１１と、集束電極１２とを有している。フィラメント１１は、陽極ターゲット２０に衝突する熱電子を放出する。集束電極１２は、フィラメント１１から放出される電子の軌道を取り囲むように配置され、フィラメント１１から放出される電子を集束する。陰極１０には、陽極ターゲット２０に対して負の高電圧、及びフィラメント１１を加熱するフィラメント電流が、図示しない外部電源から供給される。

　陽極ターゲット２０は、陰極１０と対向するように配置されている。陽極ターゲット２０は、モリブデン（Ｍｏ）や、タングステン（Ｗ）などの高融点金属によって形成されている。陽極ターゲット２０は、陰極１０と対向する側にターゲット層２０Ｌを有している。ターゲット層２０Ｌには、電子が衝突する。陽極ターゲット２０には、陰極１０に対して正の電圧が印加される。陽極ターゲット２０と陰極１０との間に電位差が生じると、陰極１０から放出された電子は加速され集束され陽極ターゲット２０に衝突し、陽極ターゲット２０はＸ線を放出する。

　真空外囲器３０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を収容している。真空外囲器３０は、気密に密閉されている。真空外囲器３０の内部は、真空状態に維持されている。つまり、真空外囲器３０は、陰極１０および陽極ターゲット２０を真空中に保持している。真空外囲器３０は、第１金属部材３１と、第２金属部材３２と、セラミック部材３３とを有している。

　第１金属部材３１は、管軸ＴＡを中心軸とする筒状で、管軸ＴＡに沿った方向に延出し、陰極１０および陽極ターゲット２０を囲むように配置されている。詳しくは、第１金属部材３１は、円筒部３１ａと、円筒部３１ａの一端に接続され、開口を有した板部３１ｂと、円筒部３１ａの他端に接続され環部３１ｃとを有し、これらは一体に形成されている。真空側において、板部３１ｂの開口を塞ぐように陽極ターゲット２０が板部３１ｂに接続されている。第１金属部材は、Ｘ線放射窓３１Ｗを有している。円筒部３１ａは開口を有し、Ｘ線放射窓３１Ｗが開口を塞ぐように設けられている。陽極ターゲット２０から放出されたＸ線はＸ線放射窓３１Ｗを透過する。

　第２金属部材３２は、管軸ＴＡを中心軸とする円筒状に形成され、管軸ＴＡに沿った方向に延出している。第２金属部材３２は、第１金属部材３1に同軸的に配置され第１金属部材３１の環部３１ｃに接続されている。第２金属部材３２が第１金属部材３１に接続される箇所は環部３１ｃの外側面、内側面または円筒部３１ａの内面でないことはいうまでもない。第２金属部材３２は、環部３１ｃの主表面に接続されている。第２金属部材３２は、管軸ＴＡに沿って陰極１０を部分的に囲んでいる。第２金属部材３２の厚みは小さい。第２金属部材３２の厚みは、第２金属部材３２の管軸ＴＡに沿った方向の長さより小さい。第２金属部材３２と、後述する低熱膨張率を有するセラミック部材３３と接合するため、第２金属部材３２は第１金属部材３１の熱膨張率より低い熱膨張率を有する金属、例えばコバールによって形成されている。

　セラミック部材３３は、第２金属部材３２の一端を塞ぐように配置され、第２金属部材３２および陰極１０に気密に接続されている。セラミック部材３３は、電気絶縁性を示し、また低熱膨張率を有する。セラミック部材３３の熱膨張率は、第１の金属部材３１の熱膨張率及び第２の金属部材３２の熱膨張率よりも小さい。セラミック部材３３は、陰極１０の外面から管軸ＴＡに垂直な方向に突出する環状に形成されている。セラミック部材３３の真空側の面と反対側の面は、平坦である。

　陰極１０は、さらに第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂを有している。第１陰極導入端子１３Ａは円筒状であり、第２陰極導入端子１３Ｂは棒状である。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂのそれぞれの一端は、フィラメント１１に接続され、また第１陰極導入端子１３Ａは集束電極１２にも接続されている。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂの他端は陰極セラミック部材１３Ｃに固定されている。第１陰極導入端子１３Ａの外面がセラミック部材３３に接続され、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂの他端は、真空外囲器３０の外側まで延出している。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂと、第２金属部材３２とは、セラミック部材３３によって電気的に絶縁されている。つまり、セラミック部材３３は、陰極１０と、第２金属部材３２に接続された陽極ターゲット２０とを電気的に絶縁する高電圧絶縁部材である。

　Ｘ線管１は、さらに、アダプタ４０、伝熱媒体５０を備えている。

　アダプタ４０は、第１金属部材３１の環部３１ｃ上に配置されている。アダプタ４０は、管軸ＴＡに沿って第２金属部材３２を囲んでいる。アダプタ４０は、円筒状で、管軸ＴＡに沿った方向に延出している。アダプタ４０の一端は、第１金属部材３１の環部３１ｃと接する。アダプタ４０を第１金属部材３１に固定するため、アダプタ４０は、例えば環部３１ｃにろう付あるいはねじ止めされている。また図２示すように、アダプタ４０の他端は外形が略正方形になるようにつばを有する。陰極１０と陽極ターゲット２０間に高電圧を印加するための高電圧プラグ７０を固定するためのネジ穴４０Ａがつばに設けられている。アダプタ４０は、第２金属部材３２の熱伝導率より高い熱伝導率を有する。アダプタ４０は、銅（Ｃｕ）、真鍮、アルミニウム（Ａｌ）等の高熱伝導率の金属によって形成されている。

　伝熱媒体５０は、セラミック部材３３とアダプタ４０との間に配置され、第２金属部材３２およびアダプタ４０と接している。即ち、セラミック部材３３および伝熱媒体５０は、第２金属部材３２の厚さ方向に、第２金属部材３３を挟んで対向している。伝熱媒体５０は、高い熱伝導率を有する材料、例えば銅（Ｃｕ）によって形成されている。なお、伝熱媒体５０は、アダプタ４０および第２金属部材３２との接触を確実にするため、メッシュ状に形成された金属またはバネ性を有する形状に形成された金属であることが望ましい。

　Ｘ線管１は、さらに陽極ターゲット２０を冷却する冷却機構６０を備えている。冷却機構６０の一部は、真空外囲器３０の第１金属部材３１と接続されている。冷却機構６０は、冷却液が流れる冷却路６０Ｐを形成している。冷却液は第1金属部材３１及び陽極ターゲット２０に直接接する。陽極ターゲット２０が発生する熱が冷却液に直接的に伝達される。また、陰極が発生する熱がセラミック部材３３、第２金属部材５２、伝熱媒体５０、アダプタ４０および第１金属部材３１を介して冷却液に間接的に伝達される。冷却液は、例えば、純水、水溶液、絶縁油である。純水および水溶液は、絶縁油と比較して、熱伝導率が高いため、冷却水として純水および水溶液を用いると、陽極ターゲット２０をより冷却できる。なお、水溶液は主要な成分が水である。

　高電圧プラグ７０は、図示しない外部電源から陰極１０に、高電圧及びフィラメント１１を加熱するフィラメント電流を供給する。高電圧プラグ７０は、蓋部７１と、蓋部７１に充填されたエポキシ樹脂７２と、エポキシ樹脂７２とセラミック部材３３との間に位置した電気絶縁材としてのシリコーンプレート７３と、高電圧ケーブル７４を有している。シリコーンプレート７３は、開口部７３ａを有している。

　高電圧ケーブル７４は、エポキシ樹脂７２で覆われ、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３と対向している。第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂは、シリコーンプレート７３の開口部７３Ａを介して高電圧ケーブル７４の第１導体７４Ａ、第２導体７４Ｂに接続される。シリコーンプレート７３は、セラミック部材３３に密着している。

　Ｘ線管１の動作時には、陰極１０に高電圧プラグ７０が接続される。即ち、高電圧プラグ７０が真空外囲器３０に延出する第１陰極導入端子と第２陰極導入端子に接続される。高電圧プラグ７０は、アダプタ４０に設けられたネジ穴４０Ａおよび図示しないネジを用いることによって、アダプタ４０に固定される。陽極ターゲット２０には、陰極１０に対して正の電圧が印加される。ここでは、陽極ターゲット２０は接地されている。また、高電圧プラグ７０の第１導体７４Ａ、第２導体７４Ｂは、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂに接続される。第１導体７４Ａ、第２導体７４Ｂは、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂを介して、フィラメント１１にフィラメント電流を供給し、またフィラメント１１および集束電極１２に陽極ターゲット２０に対して負の高電圧を印加する。これにより、陰極１０と陽極ターゲット２０との間に高電圧が印加され、フィラメント１１から放出された電子が陽極ターゲット２０に衝突し、Ｘ線が発生する。発生したＸ線は、Ｘ線放射窓３１Ｗから外部へ放出される。

　陽極ターゲット２０が冷却液と接しているため、電子が陽極ターゲット２０に衝突することによって生じる熱は、冷却液を介して、Ｘ線管１の外部へ放出される。

　一方、陰極１０に発生する熱は、第１陰極導入端子１３Ａおよび第２陰極導入端子１３Ｂを介してセラミック部材３３に伝達される。第２金属部材３２がコバールなどの低い熱伝導率の金属によって形成されているため、セラミック部材３３に伝達された熱は、第２金属部材３２を介して第１金属部材３１に十分に伝達できない。しかし、伝熱媒体５０は高い熱伝導率を有するため、陰極１０からセラミック部材３３に伝達された熱は、第２金属部材３２、伝熱媒体５０およびアダプタ４０を介して、第１金属部材３１に伝達される。第１金属部材３１に伝達された熱は、冷却液を介して、Ｘ線管１の外部へ放出される。つまり、陰極１０で発生した熱は、セラミック部材３３、第２金属部材３２、伝熱媒体５０、アダプタ４０、第１金属部材３１を介して、冷却機構６０の冷却液を介して、Ｘ線管１の外部へ放出される。

　以上説明したように、本実施例のＸ線管は、陰極に生じる熱および陽極ターゲットに生じる熱を、簡単な構造により効率よく外部に放出できる。またこれにより、Ｘ線管１と高電圧プラグ７０との接続部を冷却でき、高電圧プラグ７０の絶縁部分の変形を防止できる。したがって本実施例によれば、Ｘ線管１と高電圧プラグ７０との高電圧接続の安定化を確保でき、信頼性の高いＸ線管が得られる。

　また、上記実施例によるＸ線管は、陽極ターゲット２０を冷却する冷却機構６０の冷却路６０Ｐを陰極１０まで引き伸ばすことなく、陰極１０で発生した熱を放熱することができる。つまり、陰極１０に生じた熱および陽極ターゲット２０に生じた熱は、Ｘ線管１の大きさを変えることなく、１つの冷却機構６０により外部に効率よく放出される。

　上記実施例では、伝熱媒体５０が第２金属部材３２と接するように配置されている。しかし、図４に示すように、伝熱媒体５０はセラミック部材３３に接するように配置されてもよい。この場合も、第２金属部材３２はセラミック部材３３に気密に接続している。セラミック部材３３と伝熱媒体５０との間に第２金属部材３２が介在していないため、陰極１０で発生した熱が効率良く第１金属部材３１へ伝達され、冷却機構６０により放熱される。

　上記実施例では、真空外囲器３０の第１金属部材３１が略円筒状に形成され、陽極ターゲット２０と接続されている。しかし、第１金属部材３１は、円筒状に形成されていなくてもよく、種々変形可能である。また板部３１ｂに形成された開口は閉塞されていてもよい。この場合、陽極ターゲット２０は真空側の第１金属部材３１の板部３１ｂ上に配置される。陽極ターゲット２０に生じる熱は、第１金属部材３１の板部３１ｂを介して冷却液に伝導されるため、上記実施例と同様の効果が得られる。

　また、上記実施例は、真空外囲器３０の第１金属部材３１が１つのＸ線放射窓３１Ｗを有しているＸ線管を説明した。しかし、Ｘ線管は複数のＸ線放射窓３１Ｗを有していてもよい。Ｘ線管が複数のＸ線放射窓３１Ｗを有することにより、Ｘ線管はＸ線を複数方向に放射できる。

　第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に熱膨張係数に大きな差がある。第１金属部材３１と第２金属部材３２とが接続されにくい場合、第２金属部材３２の厚み（内径と外径との差）を小さくすることで、第１金属部材３１と第２金属部材３２の気密性を維持することができる。また効率的に熱を伝導させるためにはアダプタ４０の円筒状部の厚みが大きいことが好ましい。したがって、アダプタ４０の厚みは第２金属部材３２の厚みよりも大きい。

　上記実施例では、セラミック部材３３は、管軸ＴＡに垂直な一平面上に広がるように環状に形成されている。このため、セラミック部材が平坦でないＸ線管に比べ、Ｘ線管１の全長を短くすることができ、Ｘ線管１の小型化が可能になる。また、陰極１０からアダプタ４０への熱の伝導パスを短くできるため、Ｘ線管は陰極１０で発生した熱を効率良く放出することができる。さらに、上記実施例によれば、セラミック部材３３の真空側の面と反対側の面が平坦に形成されているため、Ｘ線管１の小型化が可能になる。

　以上説明したように、本発明は、陰極に生じる熱および陽極ターゲットに生じる熱を、簡単な構造によって、効率よく外部に放出できるＸ線管を提供できる。

　本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　１０…陰極
　２０…陽極ターゲット
　ＴＡ…管軸
　３０…真空外囲器
　３１…第１金属部材
　３１Ｗ…Ｘ線放射窓
　３２…第２金属部材
　３３…セラミック部材
　４０…アダプタ
　５０…伝熱媒体
　６０…冷却機構

Claims

　電子を放出する陰極と、
　前記陰極から放出される電子が入射されることによりＸ線を放出する陽極ターゲットと、
　前記陽極ターゲットと接続されＸ線管の管軸に沿った方向に延出し、Ｘ線放射窓を有する第１金属部材と、前記第１金属部材に接続され前記管軸に沿った方向に延出し、前記第１金属部材の熱膨張率より低い熱膨張率を有する第２金属部材と、前記第２金属部材および前記陰極と接続され、前記陰極から前記管軸に垂直な方向に突出する環状の電気絶縁性のセラミック部材とを有し、前記陰極および前記陽極ターゲットを収容する真空外囲器と、
　前記第１金属部材に接するように配置され、前記第２金属部材を囲み前記第２金属部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有するアダプタと、
　前記セラミック部材と前記アダプタとの間に配置された伝熱媒体と、そして
　前記第１金属部材と接続された、冷却液が流れる冷却路を形成する冷却機構であって、前記陽極ターゲットから放出される熱が直接または第１金属部材を介して間接的に伝導され、また前記陰極から放出される熱が前記セラミック、前記伝熱媒体、前記アダプタおよび前記第１金属部材を介して間接的に伝導される冷却機構と、
　を備えたＸ線管。
　前記冷却液は純水である請求項１に記載のＸ線管。
　前記冷却液は主要な成分が水である水溶液である請求項１に記載のＸ線管。
　前記陽極ターゲットが前記冷却液と接する請求項１に記載のＸ線管。
　前記第1金属部材が前記冷却液と接する請求項１に記載のＸ線管。
　前記セラミック部材および前記伝熱媒体は、前記第２金属部材の厚さ方向に、前記第２金属部材を挟んで対向している請求項１のＸ線管。
　前記伝熱媒体は、前記セラミック部材に接している請求項１のＸ線管。
　前記アダプタの厚さは、前記第２金属部材の厚さより大きい請求項１のＸ線管。
　前記伝熱媒体は、メッシュ状に形成された金属である請求項１のＸ線管。
　前記伝熱媒体は、バネ性を有する形状に形成された金属である請求項１のＸ線管。
　前記セラミック部材の真空側の面と反対側の面は、平坦である請求項１に記載のＸ線管。
　前記陽極は接地されている請求項１に記載のＸ線管。
　前記陰極はフィラメント、前記フィラメントに接続された第１陰極導入端子と第２陰極導入端子を有し、前記第１陰極導入端子と前記第２陰極導入端子は前記真空外囲器の外側まで延出し、前記陰極に高電圧を供給する高電圧プラグが前記真空外囲器の外側まで延出した前記第１陰極導入端子と前記第２陰極導入端子に接続される請求項１２に記載のＸ線管。