WO2015186409A1

WO2015186409A1 - 回転陽極型ｘ線管

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Publication number: WO2015186409A1
Application number: PCT/JP2015/058336
Authority: WO
Inventors: 春信福島; 哲也米澤; 仁志服部
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝電子管デバイス株式会社
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-12-10
Also published as: KR101891020B1; KR20170009980A; JP2015230844A; CN106663580B; CN106663580A; US20170084420A1

Abstract

本発明の回転陽極型Ｘ線管の回転陽極（５）は、第１の面に形成された陽極ターゲット（５０）と、回転中心軸（１１）の周りに切り込まれた複数のスリット（８）と、前記第１の面の前記陽極ターゲットの内周に設けられたリング状の溝（５２）と、前記第１の面から前記回転陽極の第２の面に向けて延出する複数の開口穴（７）とを備える。前記複数の開口穴の各開口穴は、前記複数のスリットの各スリットと連通し、かつ前記リング状の溝に接続している。これにより、大出力のＸ線を発生すると同時に、熱応力が低減されかつ安定的に回転できる回転陽極型Ｘ線管が実現される。

Description

回転陽極型Ｘ線管

　実施の形態は、回転陽極型Ｘ線管に関する。

　回転陽極型Ｘ線管は、Ｘ線撮影を診断に利用する多くの医療用画像診断装置に組み込まれている。回転陽極型Ｘ線管では、高真空に維持されたハウジング内において、陽極が高速回転され、この回転されている陽極のターゲットに電子ビームが衝突されて陽極ターゲットからＸ線が放出される。陽極が高速回転されることによって電子ビームの衝突で生じた熱が陽極ターゲットの一点に集中されず、陽極ターゲット表面の全周に分散させて陽極ターゲット表面の過熱による損傷を防いでいる。電子ビームの衝突で生じた熱は、熱伝導作用によって陽極ターゲットの表面から陽極全体に分散され、最終的にＸ線管外に運ばれて大気に放出される。熱伝導の過程において、陽極の各部には、大きな温度差が生じ、大きい熱応力が発生され、場合によっては、熱応力による損傷が生じる虞がある。

　近年、医療用Ｘ線ＣＴ装置では、断層撮影の高速化が要請され、その要請に従って開発される回転陽極型Ｘ線管は、より大出力のＸ線を発生する性能が要求されている。従って、開発された回転陽極型Ｘ線管は、陽極に照射される電子ビームの入力が増大される傾向にある。その結果、電子ビームの照射で生じる熱と共に陽極の熱応力が増大し、陽極の寿命短縮が懸念されている。このような背景から、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、熱応力が低減され、所定の寿命を確保できるＸ線管の開発が要望されている。

　特許文献１には、陽極ターゲットの熱応力を低減する構造を備えた回転陽極型Ｘ線管が開示されている。この特許文献１に開示された回転陽極型Ｘ線管では、ターゲットの外周からターゲットの中心部に向かってターゲットの半径方向に沿って複数のスリットが延伸され、ターゲットの中心部側には、スリットの端部に連通された複数の端部穴が円周に沿って配置されている。このようにスリット及び端部穴が設けられた構造によってターゲットで生ずる熱応力を低減することができるとしている。

米国特許第８１２６１１６号明細書

　特許文献１は、スリットが連通されている端部穴が設けられているのみでは、この端部穴に周方向の大きな応力が発生する問題点がある旨を記述している。そして、特許文献１は、ターゲットの外周から中心部に向かってスリットが延伸され、中心部側のスリットの端部に端部穴が設けられた陽極構造において、ターゲット材料と一体化された応力低減材料を端部穴内に配置することによって、ターゲットの応力低減と同時に端部穴の応力を低減することができるとしている。しかし、特許文献１にも説明されるように、ターゲット材料と一体化した異種材料である応力低減材料を配置することは、製造工程の増加及びコストの増加を招いている。また、両材料の界面においては、寸法公差、製造工程のばらつきによってクラックが発生して剥離などの種々の問題が発生する虞がある。

　このような背景から、実施の形態は、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、熱応力が低減され、所定の寿命を確保できる回転陽極型Ｘ線管を提供することにある。

　実施の形態によれば、
　電子ビームを照射する電子銃と、
　回転中心軸を有し、前記電子銃に対向する第１の面及びこの第１の面に関して前記電子銃とは反対側に位置する第２の面を有し、前記電子ビームの照射でＸ線を発生する陽極ターゲットが円周に沿って第１の面に形成されている回転陽極であって、
　リング状の溝が前記回転中心軸の周りであって、前記回転中心軸に関して回転対称に形成され、前記陽極ターゲットの内周側の前記第１の面に設けられ、
　複数のスリットが前記回転中心軸の周りに配置されるように前記第１の面から前記第２の面に達するように切り込まれ、前記リング状の溝内にまで延出され、
　開口穴が夫々前記複数のスリットに連通され、前記リング状の溝内に開口するように配置され、前記リング状の溝内から前記第２の面に達するように延出されている
　回転陽極と、
　前記回転陽極が回転可能に装着される支持部と、
　前記回転陽極を前記支持部に回転可能に軸支する軸受と、
　を備える回転陽極型Ｘ線管が提供される。

図１は、実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管を備えるＸ線管装置を概略的に示す断面図である。図１において電子銃側を正面として、実施の形態１に係るＸ線管の陽極構造を概略的に示す正面図である。図２に示されるＡ－Ａ線に沿った陽極の一部断面を概略的に示す断面図である。電子ビームの照射で、図２に示される陽極に設けられた端部穴及びスリットに生ずる熱変形及び端部穴における熱応力低減の仕組みを概念的に説明するための陽極の一部分を概略的に示す部分断面図である。比較例に係る陽極において、陽極に設けられた端部穴及びスリットに生ずる熱変形及び端部穴における熱応力低減の仕組みを概念的に説明するための陽極の一部分を概略的に示す部分断面図である。図４及び図５に示された陽極に設けられたスリットの側面に加わる熱変形の様子を等高線で示している部分断面図であって、円環状溝が設けられることによる端部穴の開口側における熱変形を低減することができる仕組みを説明する為の部分断面図。図１において電子銃側を正面として、実施の形態２に係るＸ線管の陽極構造を概略的に示す正面図である。図１において電子銃側を正面として、実施の形態３に係るＸ線管の陽極構造を概略的に示す正面図である。

　以下、図面を参照して実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管について詳細に説明する。

　図１は、この実施の形態に係る回転陽極型Ｘ線管が組み込まれたＸ線管装置を示している。

　このＸ線管装置は、回転陽極型Ｘ線管１及び磁界を発生させるコイルとしてのステータコイル２等を備えている。回転陽極型Ｘ線管１は、陽極ターゲット５０を備えた回転陽極５、フィラメント６１を備えた陰極６０及びこの回転陽極５の陽極ターゲット５０に陰極６０が対向されるように配置され、その内が真空に維持されているハウジング（真空外囲器）７０を備えている。フィラメント６１には、フィラメント電流が供給されている。従って、陽極ターゲット５０及び陰極６０間には、高電圧が印加され、陰極６０のフィラメント６１からは、電子が放出される。放出された電子は、電子ビームとしてフォーカス電極(図示せず）によって陽極ターゲット５０に向けて集束され、陽極ターゲット５０に射突される。電子ビームの陽極ターゲット５０への射突によって陽極ターゲット５０からは、Ｘ線が発生され、Ｘ線窓（図示せず）を介して外部にＸ線が向けられる。

　ここで、この陰極６０、フィラメント６１及びフォーカス電極は、陰極構体としての電子ビームを射出する電子銃６を構成している。回転陽極５は、円盤形状を有し、重金属等の材料、例えば、モリブデン合金で形成される。また、陽極ターゲット５０は、回転陽極５の表面に円環状に、回転陽極５の材料より融点の高い重金属、例えば、タングステン合金の層（Ｘ線放射層）として形成されている。

　この回転陽極型Ｘ線管１では、回転陽極５が回転体２０に固定され、固定軸１０に回転可能に装着されている。この固定軸１０の両端は、ハウジング７０に気密に結合されて固定されている。回転体２０には、ステータコイル２に同軸的に配置されたモータロータ４が固定され、ステータコイル２からモータロータ４に与えられる磁界にモータロータ４が反撥してモータロータ４が回転される。図１に示される回転陽極型Ｘ線管１は、固定軸１０が両側で固定されている両持ち構造であるが、この実施の形態では、両持ち構造に限らず、固定軸１０の一端のみが固定支持されている片持ち構造であっても良い。

　回転体２０と固定軸１０とは、対向面で対向され、その間には、微小ギャップ（隙間）が設けられている。回転体２０及び固定軸１０の対向面の少なくとも一方には、微小パターン、例えば、ヘリングボーンパターンが形成されている。そして、微小間隙及び微小パターンには、潤滑剤としての液体金属ＬＭが充填されてラジアル方向（即ち、半径方向）を軸支するすべり軸受（ラジアル軸受け）が構成されている。回転体２０の回転時には、微小パターンの作用によって回転体２０及び固定軸１０との間の液体金属ＬＭの動圧が高まり、回転体２０は、固定軸１０上に、このラジアル軸受けで軸支されて回転される。液体金属ＬＭは、ＧａＩｎ（ガリウム・インジウム）合金又はＧａＩｎＳｎ（ガリウム・インジウム・錫）合金等の材料を利用することができる。

　また、固定軸１０には、固定軸１０に比べて径が大きなディスク状径大部１２が設けられ、回転体２０にもこのディスク状径大部１２を収容する環状拡張部２２が設けられている。そして、ディスク状径大部１２と環状拡張部２２とは、対向面で対向され、その間には、微小ギャップ（隙間）が設けられている。ディスク状径大部１２及び環状拡張部２２の対向面の少なくとも一方には微小パターンが、例えば、ヘリングボーンパターンが形成され、微小間隙及び微小パターンには、液体金属ＬＭが充填されてスラスト方向、即ち、軸方向を軸支するすべり軸受（スラスト軸受け）が構成されている。回転体２０の回転時には、微小パターンの作用によってディスク状径大部１２及び環状拡張部２２の対向面の間の液体金属ＬＭの動圧が高まり、回転体２０は、固定軸１０のディスク状径大部１２にスラスト方向(すなわち軸方向）においても支持されて回転される。

　回転体２０と固定軸１０との間の液体金属ＬＭは、回転体２０の両端と固定軸１０との間に設けたシール部(図示せず）でシールされる。シール部は、液体金属ＬＭの漏洩を抑制できるように構成され、例えば、ラビリンスシールリング（labyrinth seal ring）として機能するように構成され、回転体２０の回転を維持する。また、液体金属ＬＭが循環並びに補充可能に回転体２０及び固定軸１０の少なくとも一方内を循環されている。従って、回転体２０は、液体金属ＬＭの作用によって固定軸１０の周りを安定して回転される。

　この回転陽極型Ｘ線管１では、上述したように、電子銃６から回転されている陽極ターゲット５０に向って電子ビームが照射され、電子ビームの照射面でＸ線が発生される。電子ビームのエネルギーの内、Ｘ線の発生に利用されるエネルギーは数パーセントであり、９０パーセント以上のエネルギーは、熱に変換される。従って、陽極ターゲット５０は、この熱負荷で高温に上昇される。従って、回転陽極５には、下記に述べるように、その内部に熱応力が発生される。

　図２は、第１の実施の形態に係るＸ線管の回転陽極５を電子銃側から見た正面概略図（電子銃側を正面として）を示している。また、図３は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った回転陽極５の一部分の断面を示している。

　この回転陽極５は、回転中心軸１１に対して直交する仮想の基準直交面(図示せず）に対してその正面の外表面が傾斜して形成されている。ここで、陽極ターゲット５０に集束照射される電子ビームは、回転陽極５の半径方向に沿って微小幅を有する帯状に投影され、回転陽極５が回転されるために、図２に斜線で示す陽極ターゲット５０の領域より幅の小さい円環状の領域に照射される。従って、陽極ターゲット５０は、この円環状の照射領域よりも大きな幅を有し、かつこの照射領域を含むように円環(下記に述べるスリット８の領域を除いた部分円環）状の層として、回転中心軸１１に対して回転対称となるように回転陽極５の正面の外表面上に形成されている。

　この回転陽極５には、図２に示されるように、回転中心軸１１に対して回転対称に配置されている４つのスリット８が形成されている。各スリット８は、回転陽極５の正面から背面に達するような切り込みとして形成されている。また、各スリット８は、回転陽極５の外周から内周（図示の固定軸１０側）に向かって延伸され、陽極ターゲット５０を横切るように形成されている。回転陽極５の正面の外表面には、陽極ターゲット５０によって取り囲まれるように、円環状溝（リング状溝）５２が形成されている。即ち、円環状溝５２は、円環状の陽極ターゲット５０の内周側に、陽極ターゲット５０に対して同心円状に配置されている。円環状溝５２は、回転中心軸１１に対して回転対称となるように形成されている。各スリット８は、この円環状溝５２内にまで延出され、この延出されたスリット８の端部には、回転陽極５の正面から背面に達する端部穴７が形成されている。端部穴７は、円環状溝５２内に開口している。端部穴７は、回転中心軸１１に対して回転対称となるように形成されている。各スリット８は、回転中心軸１１を含み、各スリット８が占める回転中心軸１１回りの円周角範囲の中央を通るスリット基準面 (図示せず）に対して斜めに形成されている。ここで、スリット基準面は、基準直交面に対して直交している。また、各スリット８に加えて端部穴７は、端部穴７の中心軸が上記スリット基準面に対して斜めになるように形成されてもよい。各スリット８及びこのスリット８に連通する端部穴７は、直線的に延出されず、弧を成すように延出されてもよい。従って、回転陽極５の正面側から電子ビームがスリット８に進入しても、スリット８を通過して回転陽極５の背面側から回転陽極５外に飛び出すことなく、スリット８の壁面に射突される。従って、陽極ターゲット以外の場所でのＸ線と熱の発生が防止される。更に、上述したように、回転中心軸１１に対して、陽極ターゲット５０に加え、円環状溝５２内にまで延出されるスリット８と、円環状溝５２と、円環状溝５２内に開口する端部穴７が回転対称となるように形成されていることで、回転陽極５の回転バランスが向上される。その結果、上記のスリット８と円環状溝５２と端部穴７が設けられても、回転陽極５は安定的に回転できる。

　図２に示される回転陽極５は、図４に示すように、その陽極ターゲット５０に電子ビームが射突されると、電子ビームの熱で膨張されてスリット８が矢印Ｄ１で示すように変形される。より詳細には、回転陽極５の正面上に開口しているスリット８の開口は、熱膨張によって矢印Ｄ１で示すように狭まり、スリット８自体も全体に狭小化される。矢印Ｄ１で示されるスリット８の開口の変形は、開口側変形と称する。スリット８に連通する端部穴７も陽極ターゲット５０の膨張で収縮されるが、スリット８が狭小化されるに伴い矢印Ｄ２に示される連通される端部穴７の開口側７３も狭小化される。矢印Ｄ２に示される端部穴７の開口側７３の変形は、連通側変形と称する。この端部穴７の連通側変形に伴う応力は、開口側７３とは反対側の端部穴７の基部７５に特に集中される。

　比較例として図５に示す回転陽極５では、円環状溝５２が設けられず、端部穴７が円環状溝５２内に開口せず、陽極ターゲット５０の面に連続する回転陽極５の正面上に直接に開口されている。スリット８が狭小化されるに伴い生ずる矢印Ｄ１で示される開口側変形による応力が端部穴７の基部７５に集中される。この基部７５に集中される応力は、スリット８が狭小化されるに伴い矢印Ｄ１で示される開口側変形の変形量に相関し、基部７５には、比較的大きな応力ＳＤ１が加えられる。回転陽極５は、Ｘ線管の駆動に伴い、加熱冷却が繰り返され、膨張収縮が繰り返されることから、基部７５には、繰り返し開口側変形に伴う比較的大きな応力ＳＤ１が加えられ、時間の経過とともに端部穴７の基部７５が破損に至る。しかし、図４に示されるように、円環状溝５２が設けられ、端部穴７が円環状溝５２内に開口する回転陽極５では、回転陽極５の正面に開口するスリット８の開口の矢印Ｄ１に示される開口側変形に比べて、矢印Ｄ２で示される円環状溝５２内に開口する端部穴７の連通側変形がより小さく留められる。結果として、端部穴７の基部７５には、応力ＳＤ２が繰り返し加えられるが、この応力は比較例に係る応力ＳＤ１よりも小さいことから、時間の経過とともに端部穴７の基部７５が破損に至るような事態を防止することができる。

　図６は、回転陽極５のスリット８の側面に生ずるスリット８が狭小化される方向の熱変形を等高線で示している。図６に示すように、陽極ターゲット５０に電子ビームが照射されると、回転陽極５が加熱される。陽極ターゲット５０が発熱源であることから、この陽極ターゲット５０の周囲の回転陽極５の領域において、熱変形が最も大きく、矢印Ｋで示すように、陽極ターゲット５０から離れるに従って変形等高線で示される熱変形が次第に小さくなる。円環状溝５２が設けられず、端部穴７が円環状溝５２内に開口していない比較例の構造では、端部穴７が陽極ターゲット５０に比較的近接されていることから、記号Ｄ１で示される場所の前記開口側変形が比較的に大きいことが判る。そのため、基部７５には比較的に大きな応力が与えられる。この比較例に対して図２及び図３に示される円環状溝５２が設けられ、端部穴７が円環状溝５２内に開口している回転陽極５では、端部穴７が陽極ターゲット５０に比較的離れていることから、記号Ｄ２で示される場所の前記連通側変形が比較的小さいことが判る。そのため、基部７５の応力も比較的小さい。従って、端部穴７には、比較例に比べてより小さな応力が加わり、端部穴７の基部７５が破損に至るような事態を防止することができる。上述の実施の形態によれば、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、回転陽極５の熱応力が低減され、所定の寿命を確保でき、かつ安定的に回転できる回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

　図７は、図２に示される陽極構造の変形例に相当する第２の実施の形態に係る陽極を示している。図２に示される回転陽極５には、偶数個のスリット８、即ち、４つのスリット８が回転中心軸１１に対して回転対称に設けられているが、図７に示されるように、奇数個のスリット８、即ち、５つのスリット８が回転対称に設けられても良い。図７に示されるように、スリット８の数は、１以上であれば、偶数個或いは奇数個であっても良く、円環状溝５２内に開口する端部穴７にスリット８が連通されていれば、端部穴７に加わる応力を小さくすることができ、端部穴７の基部７５が破損に至るような事態を防止することができる。従って、第１の実施の形態と同様、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、回転陽極５の熱応力が低減され、所定の寿命を確保でき、かつ安定的に回転できる回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

　図８は、図２に示される陽極構造の変形例に相当する第３の実施の形態に係る陽極を示している。図２に示される回転陽極５では、円環状溝５２が回転中心軸１１の周りに連続して形成されているが、図８に示される第３の実施の形態に係る回転陽極５には、連続する円環状溝５２が形成されず、円環状溝５２は、回転中心軸１１に対して回転対称に配置され、４つのスリット８に夫々対応する４つの円弧状溝セグメント５４に分離されている。この円弧状溝セグメント５４内には、夫々のスリット８に連通する端部穴７が開口されている。第３の実施の形態に係る陽極のように、夫々が各スリット８に対応する複数の円弧状溝セグメント５４に分離されても、円弧状溝セグメント５４内に開口する端部穴７にスリット８が連通されていれば、端部穴７に加わる応力を小さくすることができ、端部穴７の基部７５が破損に至るような事態を防止することができる。従って、第１の実施の形態と同様、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、回転陽極５の熱応力が低減され、所定の寿命を確保でき、かつ安定的に回転できる回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

　上述した種々の実施の形態によれば、大出力のＸ線を発生する性能と同時に、熱応力が低減され、所定の寿命を確保でき、かつ安定的に回転できる回転陽極型Ｘ線管を提供することができる。

　本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態やその変形は、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。

　１…回転陽極型Ｘ線管、２…ステータコイル、４…モータロータ、５…回転陽極、６…電子銃、７…端部穴、８…スリット、１０…固定軸、１１…回転中心軸、１２…ディスク状径大部、２０…回転体、２２…環状拡張部、５０…陽極ターゲット、５２…円環状溝、５４…円弧状溝セグメント、６０…陰極、６１…フィラメント、７０…ハウジング、７３…開口側、７５…基部、ＬＭ…液体金属

Claims

　　電子ビームを照射する電子銃と、
　回転中心軸を有し、前記電子銃に対向する第１の面及びこの第１の面に関して前記電子銃とは反対側に位置する第２の面を有し、前記電子ビームの照射でＸ線を発生する陽極ターゲットが円周に沿って第１の面に形成されている回転陽極であって、
　リング状の溝が前記回転中心軸の周りであって、前記回転中心軸に関して回転対称に形成され、前記陽極ターゲットの内周側の前記第１の面に設けられ、
　複数のスリットが前記回転中心軸の周りに配置されるように前記第１の面から前記第２の面に達するように切り込まれ、前記リング状の溝内にまで延出され、
　開口穴が夫々前記複数のスリットに連通され、前記リング状の溝内に開口するように配置され、前記リング状の溝内から前記第２の面に達するように延出されている回転陽極と、
　前記回転陽極が回転可能に装着される支持部と、
　前記回転陽極を前記支持部に回転可能に軸支する軸受と、
　を備える回転陽極型Ｘ線管。
　　電子ビームを照射する電子銃と、
　回転中心軸を有し、前記電子銃に対向する第１の面及びこの第１の面に関して前記電子銃とは反対側に位置する第２の面を有し、前記電子ビームの照射でＸ線を発生する陽極ターゲットが円周に沿って第１の面に形成されている回転陽極であって、
　複数の円弧状の溝が前記回転中心軸の周りの円周上であって、前記陽極ターゲットの内周側の前記第１の面の領域に設けられ、
　複数のスリットが前記回転中心軸に関して回転対称に配置されるように前記第１の面から前記第２の面に達するように切り込まれ、夫々前記複数の円弧状の溝に対応して前記円弧状の溝内にまで延出され、
　開口穴が夫々前記複数のスリットに連通され、前記円弧状の溝内に夫々開口するように配置され、前記円弧状の溝内から前記第２の面に達するように延出されている回転陽極と、
　前記回転陽極が回転可能に装着される支持部と、
　前記回転陽極を前記支持部に回転可能に軸支する軸受と、
　を備える回転陽極型Ｘ線管。
　　前記スリットは、前記回転中心軸を含み、前記スリットが占める前記回転中心軸回りの円周角範囲の中央を通るスリット基準面に対して斜めに形成されている請求項１又は請求項２に記載の回転陽極型Ｘ線管。
　　前記複数のスリットが前記回転中心軸に関して回転対称に配置される請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管。
　　前記複数の円弧状の溝が前記回転中心軸に関して回転対称に配置される請求項２に記載の回転陽極型Ｘ線管。
　　前記開口穴が前記回転中心軸に関して回転対称に配置される請求項１又は請求項２に記載の回転陽極型Ｘ線管。
　　前記スリットは、前記回転中心軸を含み、前記スリットが占める前記回転中心軸回りの円周角範囲の中央を通るスリット基準面に対して斜めに形成されている請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の回転陽極型Ｘ線管。