WO2016017163A1 - X線管用回転陽極ターゲット、x線管、およびx線検査装置 - Google Patents

X線管用回転陽極ターゲット、x線管、およびx線検査装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a rotary anode target for an X-ray tube, an X-ray tube, and an X-ray inspection apparatus.
  • the X-ray tube is mounted on various X-ray inspection apparatuses such as a CT (Computed Tomography: CT) apparatus.
  • the X-ray tube includes a rotating anode target for an X-ray tube.
  • the rotary anode target for an X-ray tube includes a disk-shaped member provided with an X-ray radiation portion, and a rotating shaft integrated with the disk-shaped member.
  • the rotating anode target emits X-rays by irradiating the X-ray emitting part with an electron beam emitted from the cathode.
  • the temperature of the X-ray emission part rises. Under high temperature, the rotating anode target is easily thermally deformed.
  • Rotational structure of the rotary anode target for X-ray tube can be divided into two types of structures: a ball bearing structure using bearing balls and a hydrodynamic bearing structure.
  • the ball bearing structure is a structure in which the rotating shaft is rotated while being supported by bearing balls.
  • a hydrodynamic bearing structure includes a cylindrical rotating shaft, a fixed shaft provided in the cylinder and having a helical shape, and a liquid metal lubricant such as liquid metal filled in the cylinder. It is the structure which comprises.
  • the ball bearing structure is a structure provided with bearing balls, stable high-speed rotation can be obtained.
  • the rotating shaft is in contact with the bearing ball, there is a problem that the operation noise is noisy.
  • the dynamic pressure bearing structure is a structure including a slide bearing. Therefore, the operation sound and vibration are very small. In addition, since the wear is small, it has a long life. Since the hydrodynamic bearing structure uses a liquid metal lubricant such as liquid metal, the heat dissipation of the disk-shaped member including the X-ray radiation portion is excellent.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a rotary anode target for an X-ray tube that is less likely to be thermally deformed.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a rotating anode target and an X-ray tube suitable for an X-ray tube that is rotationally driven by a hydrodynamic bearing using a liquid metal.
  • the rotary anode target for an X-ray tube is bonded to a disk-shaped metal member having a first crystal structure including a plurality of first crystal particles, and the plurality of second crystal particles.
  • the first average aspect ratio of the first crystal grains located in the first region within 2 mm from the joint between the disk-shaped metal member and the cylindrical metal member is less than 2.
  • the second average aspect ratio of the second crystal grains located in the second region within 2 mm from the joint is 2 or more and 8 or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a rotary anode target for an X-ray tube.
  • a rotary anode target 1 for an X-ray tube shown in FIG. 1 includes a disk-shaped metal member 2, a cylindrical metal member 3, and an X-ray emission part 4.
  • the disk-shaped metal member 2 includes a hole for connecting to the cylindrical metal member 3.
  • the diameter of the disk-shaped metal member 2 is preferably, for example, 100 mm or more and 200 mm or less.
  • the thickness of the disk-shaped metal member is preferably 10 mm or more and 60 mm or less, for example.
  • the diameter of the hole connected to the cylindrical metal member 3 is preferably 30 mm or more and 70 mm or less, for example.
  • the disk-shaped metal member 2 preferably contains at least one metal of molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, and iron, or an alloy containing the above metal as a main component.
  • the heat resistance of the disk-shaped metal member 2 is high.
  • a metal such as molybdenum (melting point: 2620 ° C.), tungsten (melting point: 3400 ° C.), tantalum (melting point: 2990 ° C.), or niobium (melting point: 2470 ° C.) is preferable as the material for the disk-shaped metal member 2 because of its high melting point.
  • molybdenum or a molybdenum alloy is more preferable as a material for the disk-shaped metal member 2 because it is easy to process among refractory metals and is low in price.
  • an alloy containing at least one metal compound of metal oxide and metal carbide may be used for the disk-shaped metal member 2.
  • the disc-shaped metal member 2 contains 0.1 mass of at least one material of Ti (titanium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), or an oxide of rare earth elements and carbide. % To 5% by mass or less is preferable. Examples of rare earth elements include La (lanthanum) and Ce (cerium).
  • Metal oxides and metal carbides have effects such as improving the strength of refractory metals and suppressing gas generation at high temperatures. In addition, metal oxides and metal carbides also have an effect of suppressing grain growth of refractory metal crystal particles.
  • alloy tool steel is formed by adding molybdenum, tungsten, chromium, silicon, vanadium, nickel or the like to carbon tool steel.
  • an alloy tool steel for a mold for example, Steel Kogu Dice: SKD is preferably used.
  • the cylindrical metal member 3 is one of the members constituting the rotary anode target for an X-ray tube having a dynamic pressure bearing structure, and has a function as a rotation axis of the X-ray tube.
  • the cylindrical metal member 3 has a cylinder.
  • the cylindrical metal member 3 is joined to the disk-like metal member 2.
  • the side surface of the cylindrical metal member 3 is joined to the side surface of the hole of the disk-shaped metal member 2.
  • the state where the cylindrical metal member 3 is joined to the disk-like metal member 2 is also referred to as the state where the cylindrical metal member 3 is integrated with the disk-like metal member 2. That is, the rotary anode target 1 for an X-ray tube shown in FIG. 1 includes an integrated disk-shaped metal member 2 and a cylindrical metal member 3.
  • the diameter of the cylindrical metal member 3 is preferably 40 mm or more and 80 mm or less, for example.
  • the cylindrical metal member 3 preferably includes at least one metal of molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, and iron, or an alloy containing the metal as a main component.
  • the cylindrical metal member 3 may contain a metal oxide or a metal carbide. When iron is used, the cylindrical metal member 3 is preferably an alloy tool steel, and further, an alloy tool steel for a mold. The material of the cylindrical metal member 3 may be the same as that of the disk-shaped metal member 2. The material of the cylindrical metal member 3 may be a material different from that of the disk-shaped metal member 2.
  • the X-ray emission part 4 is provided on the disk-shaped metal member 2.
  • the X-ray radiation part 4 is provided on the upper surface of the disk-shaped metal member 2.
  • the X-ray emission part 4 is an area where X-rays are generated by an electron beam irradiated from the cathode.
  • the X-ray emission part 4 preferably includes, for example, a Re—W alloy.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing another example of a rotary anode target for an X-ray tube.
  • a rotary anode target 1 for an X-ray tube shown in FIG. 2 includes a disk-shaped metal member 2, a cylindrical metal member 3, an X-ray emission part 4, and a brazing material layer 5.
  • the cylindrical metal member 3 is joined to the disk-like metal member 2 via the brazing material layer 5.
  • the description of FIG. 1 can be used as appropriate for the description of the parts common to the rotary anode target 1 for the X-ray tube shown in FIG.
  • the brazing material layer 5 is provided between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3.
  • the melting point of the brazing material used for the brazing material layer 5 is preferably 1500 ° C. or higher.
  • the temperature of the rotary anode target for the X-ray tube rises to around 1000 ° C.
  • the melting point of the brazing material is less than 1500 ° C., the reliability of joining the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 tends to be lowered.
  • the brazing material having a melting point of 1500 ° C. or higher contains, for example, at least one element of Ti, Zr, Hf, Pt, Co, Cr, Ni, and V as a main component. More preferably, the brazing filler metal having a melting point of 1500 ° C. or higher contains, for example, at least one element of Ti, Zr, Hf, and Pt as a main component. More preferably, the brazing filler metal having a melting point of 1500 ° C. or higher contains at least one element of Ti and Zr as a main component.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of a rotary anode target for an X-ray tube.
  • a rotary anode target 1 for an X-ray tube shown in FIG. 3 includes a disk-shaped metal member 2, a cylindrical metal member 3, an X-ray radiating portion 4, a brazing material layer 5, and a graphite member 6.
  • the description of FIG. 1 can be used as appropriate for the description of the parts common to the rotary anode target 1 for the X-ray tube shown in FIG.
  • the graphite member 6 is joined to the disk-shaped metal member 2.
  • the graphite member 6 is joined to the lower surface of the disk-shaped metal member 2.
  • a metal oxide film may be provided on at least a part of the outer periphery of the disk-shaped metal member 2.
  • a metal oxide film may be provided in a region where the X-ray emitting portion 4 of the disk-shaped metal member 2 is not provided.
  • the metal oxide film preferably contains, for example, an alloy of titanium oxide (TiO 2 ) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Familiarity with TiO 2 and Al 2 O 3 and at least one metal of molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and iron applied to the disk-shaped metal member 2 or an alloy containing the above metal as a main component is good. Thus, a film with high adhesion can be formed.
  • the thermal radiation of the rotary anode target 1 for X-ray tube can be promoted and the temperature can be lowered.
  • Examples of the method for forming the metal oxide film include film formation techniques such as spraying and sputtering, and application techniques such as paste application and baking.
  • the thickness of the metal oxide film is preferably 300 ⁇ m or less. When it exceeds 300 ⁇ m, not only the effect cannot be obtained but also the heat dissipation property may be lowered.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the rotary anode target 1 for an X-ray tube in a direction perpendicular to the length direction of the cylindrical metal member 3 including a joint portion between the disk-like metal member 2 and the cylindrical metal member 3.
  • the disk-shaped metal member 2 includes a first crystal structure having a plurality of first crystal particles.
  • the cylindrical metal member 3 includes a second crystal structure having a plurality of second crystal particles.
  • the average aspect ratio of the plurality of first crystal grains is less than 2, more preferably 1.6 or less.
  • the average aspect ratio of the plurality of second crystal grains is 2 or more, more preferably 2.5 or more.
  • the upper limit of the average aspect ratio is preferably 8 or less. When the average aspect ratio exceeds 8, the processing load increases. Further, there is a risk that processing strain remains in the cylindrical metal member.
  • the aspect ratio of the crystal particles can be obtained, for example, as follows.
  • a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope) shows a cross section of the rotating anode target 1 for the X-ray tube in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cylindrical metal member 3, including a joint between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3. : SEM)
  • the longest diameter is defined as the maximum diameter of each crystal grain in the enlarged photograph of the photographed cross section.
  • a particle diameter passing through the center of the major axis and perpendicular to the major axis direction is defined as the minor axis.
  • the ratio of the major axis to the minor axis corresponds to the aspect ratio of the crystal grains.
  • the above operation is performed on 100 first crystal grains in the first crystal structure of the disk-shaped metal member 2, and the average value of the obtained plurality of aspect ratios is defined as the first average aspect ratio.
  • the above operation is performed on each of the 100 second crystal grains in the second crystal structure of the cylindrical metal member 3, and the average value of the obtained plurality of aspect ratios is determined as the second average aspect ratio. It is defined as
  • the measurement target of the aspect ratio is the first crystal particles located in the first region within 2 mm from the joint between the disc-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 and the first crystal within 2 mm from the joint. It is the 2nd crystal grain located in 2 field. In the case of FIG. 4, crystal particles located in a region within 2 mm from the brazing filler metal layer 5 are also measured.
  • the crystal particles When the aspect ratio is less than 2, the crystal particles have a substantially spherical structure. In the spherical structure, the way heat is transmitted does not change depending on the direction. Therefore, by adjusting the average aspect ratio of the first crystal particles to less than 2, heat can be radiated over the entire surface of the disk-shaped metal member 2. For example, when the electron beam is applied to the X-ray emission unit 4, the temperature of the X-ray emission unit 4 is as high as about 2500 ° C. Therefore, heat can be radiated over the entire surface of the disk-shaped metal member 2 by using the disk-shaped metal member 2 having the first crystal structure including the first crystal grains having an average aspect ratio of less than 2.
  • the crystal grains When the aspect ratio is 2 or more, the crystal grains have a substantial columnar structure. In the columnar structure, heat is more easily transmitted in the major axis direction than in the minor axis direction of the crystal grains. Therefore, by adjusting the average aspect ratio of the second crystal particles to 2 or more and aligning the major axis direction of the second crystal particles substantially in the length direction of the cylindrical metal member 3, This heat can be easily released along the length direction of the cylindrical metal member 3. Therefore, the heat dissipation of the entire X-ray tube rotary anode target is improved, and thermal deformation due to thermal expansion can be reduced. For example, in the case of a rotating anode target for an X-ray tube having a dynamic pressure bearing structure, the inner surface of the cylindrical metal member 3 is in contact with the liquid metal lubricant, so that heat can be radiated efficiently.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the rotary anode target 1 for an X-ray tube in a direction perpendicular to the length direction of the cylindrical metal member 3 including a joint portion between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3.
  • a scanning electron microscope shows a cross section of the rotating anode target 1 for the X-ray tube in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cylindrical metal member 3, including a joint between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3.
  • a first straight line indicating the major axis (maximum diameter) of each second crystal particle shown in the enlarged photograph (SEM photograph) of the photographed cross section is drawn.
  • a second straight line indicating the length direction of the cylindrical metal member 3 is drawn (left side in FIG. 5).
  • the state where the major axis direction of the second crystal particles is substantially aligned with the length direction of the cylindrical metal member 3 is a state where ⁇ is ⁇ 25 degrees or more and +25 degrees or less.
  • the major axis direction of the second crystal grains having a number ratio of 80% or more and 100% or less per unit area of 1000 ⁇ m ⁇ 1000 ⁇ m and the length direction of the cylindrical metal member 3 Is preferably ⁇ 25 degrees or more and 25 degrees or less.
  • the average particle size of the first crystal particles is preferably 20 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the first crystal particles is more preferably 50 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the second crystal particles is preferably 20 ⁇ m or more and 800 ⁇ m or less. When the average particle size is less than 20 ⁇ m, the proportion of grain boundaries increases. When the grain boundary increases, heat is not easily transmitted and heat dissipation may be reduced. If the average particle size exceeds 800 ⁇ m, thermal deformation due to thermal expansion of the second crystal particles may increase.
  • the average particle size of the second crystal particles is more preferably 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the rotary anode target for an X-ray tube according to the embodiment is excellent in heat dissipation and heat resistance, and thus hardly undergoes thermal deformation. Therefore, the lifetime of the rotary anode target for the X-ray tube can be extended. Furthermore, the reliability of the X-ray tube and the X-ray inspection apparatus using the rotary anode target for the X-ray tube according to the embodiment is high.
  • the X-ray tube rotary anode target according to the embodiment includes a cylindrical metal member. Therefore, it is suitable for a dynamic pressure bearing structure.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a rotary anode target for an X-ray tube having a hydrodynamic bearing structure.
  • a rotary anode target 1 for an X-ray tube shown in FIG. 6 includes a disk-shaped metal member 2, a cylindrical metal member 3, a fixed shaft 7, and a liquid metal lubricant 8.
  • the description of FIG. 1 can be used as appropriate for the description of the parts common to the rotary anode target 1 for the X-ray tube shown in FIG.
  • the surface of the fixed shaft 7 and the inner surface of the cylindrical metal member 3 may have spiral grooves in the radial direction or the thrust direction.
  • the lower direction of the cylindrical metal member 3 in the drawing is sealed with a thrust ring (not shown).
  • a stator or the like for rotationally driving with a rotating magnetic field is provided.
  • the X-ray irradiation unit 4 may be combined with a cathode that irradiates an electron beam, a vacuum vessel that holds the X-ray tube rotating anode target 1 and the cathode, or the like.
  • the liquid metal lubricant 8 is supplied between the cylindrical metal member 3 and the fixed shaft 7.
  • the liquid metal lubricant 8 contains gallium, a gallium alloy, etc., for example.
  • the fixed shaft 7 since the fixed shaft 7 is not in direct contact with the inner surface of the cylindrical metal member 3, vibration is small and operation noise is small. Further, since there is no direct contact, there is almost no wear between the inner surface of the cylindrical metal member 3 and the fixed shaft 7. Therefore, the life as a bearing can be extended.
  • the heat dissipation of the X-ray tube rotary anode target according to the embodiment is high. Therefore, thermal deformation is unlikely to occur. Therefore, the fixed shaft 7 can be prevented from coming into direct contact with the inner surface of the cylindrical metal member 3 due to thermal deformation during continuous operation. For this reason, the X-ray tube and X-ray inspection apparatus which have the outstanding long-term reliability can be provided.
  • X-ray inspection apparatuses are used in various fields such as medical inspection apparatuses and industrial inspection apparatuses.
  • An example of the medical examination apparatus is a CT apparatus (computer tomography apparatus or the like).
  • the CT apparatus can irradiate a subject (patient) with X-rays and detect the transmitted X-rays with a detector equipped with a scintillator or the like to obtain an image.
  • a detector equipped with a scintillator or the like to obtain an image.
  • not only two-dimensional images but also three-dimensional images can be obtained.
  • the temperature of the rotating anode target for the X-ray tube rises.
  • the rotating anode target for the X-ray tube exceeds a certain temperature, it is necessary to stop the measurement for a certain period of time and cool the rotating anode target for the X-ray tube.
  • the subject cannot be measured.
  • the heat dissipation and thermal deformation of the rotary anode target for an X-ray tube according to the embodiment are excellent. Therefore, it can respond to the continuous operation of the X-ray inspection apparatus. Therefore, since the continuous operation time can be extended, the measurement of the subject can be performed continuously for a long time.
  • the manufacturing method is not particularly limited as long as it has the above-described configuration, but there is the following method as an efficient method.
  • any one of a powder mold forming method, a hot press method, energized plasma sintering, and a thermal spraying method can be cited.
  • the raw material powder is filled into a mold and molded.
  • the obtained molded body is degreased if necessary and then sintered.
  • the hot press method raw material powder is filled in a mold and sintered by applying pressure and temperature.
  • the energization plasma sintering method the compact is energized and sintered.
  • the thermal spraying method raw material powder is sprayed and deposited.
  • the atmosphere of the sintering process is preferably a vacuum atmosphere (10 ⁇ 3 Pa or less) or an inert gas atmosphere.
  • the sintered body may be oxidized in an oxygen-containing atmosphere such as air.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the temperature is preferably 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and the pressure is preferably 100 MPa or more.
  • the raw material powder preferably contains one material selected from molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, iron or an alloy containing these as a main component.
  • the alloy as a main component is an alloy containing 50% by mass or more.
  • a metal oxide or metal carbide may be added to the alloy.
  • the average particle diameter of the raw material powder is preferably 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and more preferably 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the average particle diameter of the first crystal particles can be easily controlled to, for example, 20 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • a molded body may be formed before sintering.
  • the molding process may include mold molding, CIP (cold isostatic pressing), and the like.
  • the molding pressure is preferably 100 MPa or more and 300 MPa or less. You may provide the hole for joining the cylindrical metal member 3 in a molded object.
  • the sintering temperature is preferably 1800 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower. If the sintering temperature is less than 1800 ° C., the density of the sintered body tends to be low. If the sintering temperature exceeds 2500 ° C., there is a risk of excessive grain growth.
  • the sintering temperature is preferably 1000 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower.
  • the sintering atmosphere is preferably a vacuum atmosphere (10 ⁇ 3 Pa or less) or an inert gas atmosphere.
  • the sintered body may be subjected to forging or machining.
  • the sintered body By performing forging or machining, the sintered body can be processed into the desired shape of the rotary anode target for an X-ray tube. By performing the forging process, pores present in the sintered body can be crushed. As a result, a high-density disk-shaped metal member 2 having a porosity of 0% or more and 0.5% or less can be obtained.
  • the forging process preferably includes a hot forging process in which the temperature is 1400 ° C. or more and 1700 ° C. or less and the processing rate is 10% or more and 60% or less.
  • the temperature is lower than 1400 ° C., cracks are likely to occur in the sintered body.
  • temperature exceeds 1700 degreeC there exists a possibility of carrying out a heat deformation more than necessary.
  • the temperature for hot forging is more preferably 1500 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower.
  • the processing rate is less than 10%, since the processing amount is small, the pores may not be crushed.
  • the processing rate exceeds 60%, the average aspect ratio of the first crystal grains is less likely to be less than 2.
  • the processing rate is more preferably 20% or more and 50% or less. Examples of the machining include surface polishing. In the disk-shaped metal member 2, the surface joined to the cylindrical metal member 3 is preferably a flat surface by polishing or the like.
  • a method for forming the X-ray emitting portion 4 there is a method in which a Re—W alloy powder layer is provided at a predetermined position of the formed body of the disk-shaped metal member 2 and a sintering process is performed. After preparing a sintered body to be the disk-shaped metal member 2, a Re—W alloy powder layer may be formed and fired. As a method for forming the Re—W alloy layer, a thermal spraying method, a CVD method, or the like may be used.
  • a method for manufacturing the cylindrical metal member 3 will be described.
  • a sintered body ingot or a melted product ingot made of a material constituting the cylindrical metal member 3 is prepared. These ingots are processed into a plate-like member by rolling and forging. It is preferable to prepare a sintered body ingot at a sintering temperature of 1800 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower.
  • the atmosphere of the sintering process is a vacuum atmosphere (10 ⁇ 3 Pa or less) or an inert gas atmosphere.
  • the cylindrical metal member 3 is produced by processing the plate member into a tube shape.
  • the processing rate in the length direction of the cylindrical metal member 3 is preferably 10% or more and 90% or less. By setting the processing rate to 10% or more, it becomes easy to adjust the average aspect ratio of the second crystal grains of the cylindrical metal member 3 to 2 or more. By setting the processing rate in the length direction of the cylindrical metal member 3 to 10% or more, it is easy to align the major axis of the second crystal particles in the length direction of the cylindrical metal member 3. When the processing rate exceeds 90%, it is difficult to process the plate member to a uniform thickness.
  • the processing rate in the length direction of the cylindrical metal member 3 is preferably 15% or more and 70% or less. When the plate member is processed into a tube shape, it is preferable to determine the processing rate in consideration of the aspect ratio of the crystal grains of the plate member. You may attach a cover member to the front-end
  • the raw material powder of the cylindrical metal member 3 preferably contains at least one metal of molybdenum, tungsten, tantalum, niobium, and iron, or an alloy containing the above metal as a main component.
  • the average particle diameter of the raw material powder is preferably 0.5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and more preferably 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the second crystal particles can be easily controlled in the range of 20 ⁇ m or more and 800 ⁇ m or less. Further, a strain relief heat treatment may be performed.
  • the surface joined to the disk-shaped metal member 2 is preferably a flat surface by polishing or the like.
  • the integration process (joining process) of the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 will be described.
  • Examples of a method for joining the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 include a brazing material method, a shrink-fitting method, a cold-fitting method, a press-fitting method, and a welding method.
  • the joining method of the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 is more preferably a brazing material method.
  • the brazing material is applied to one or both of the joint surfaces of the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3. After applying the brazing material, the disc-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 are fitted together. Then, it heat-processes and integrates.
  • the brazing material layer 5 is formed so as to fill the gap between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 by melting the brazing material by heat treatment.
  • the brazing material enters the gap between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3.
  • the brazing material enters the gap, it is difficult for pores to be formed in the gap between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3. Therefore, the heat dissipation between the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 can be improved.
  • the shrink fitting method is a method of fitting the disc-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 while performing heat treatment.
  • a concave portion is formed on the first member
  • a convex portion is formed on the second member
  • the convex portion and the concave portion are fitted together.
  • the cold fitting method is a method of fitting the disc-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 without performing heat treatment.
  • the disk-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 may be fitted together while being cooled.
  • the press-fitting method is a method of fitting the disc-shaped metal member 2 and the cylindrical metal member 3 by applying pressure.
  • Molybdenum (Mo) powder having an average particle diameter of 5 ⁇ m was prepared as a raw material powder constituting the disk-shaped metal member.
  • a Mo-shaped powder was molded to prepare a disk-shaped molded body having holes for joining with a cylindrical metal member.
  • the sintering process was performed at 2000 ° C. in vacuum (10 ⁇ 3 Pa or less).
  • the obtained Mo sintered body was forged at a processing rate shown in Table 1.
  • the said processing rate is a processing rate of the thickness direction of a disk shaped metal member.
  • the obtained Mo forged body was subjected to surface polishing.
  • An X-ray radiation portion made of a Re—W alloy layer was provided on the upper surface of the disk-shaped metal member.
  • a TiO 2 —Al 2 O 3 film (film thickness: 40 ⁇ m) was provided on the upper surface of the disk-shaped metal member not provided with the X-ray emission part.
  • a disc-shaped metal member having a diameter of 140 mm, a thickness of 50 mm, and a hole for joining the cylindrical metal member having a diameter of 50 mm was produced.
  • a molybdenum (Mo) powder having an average particle size of 5 ⁇ m was prepared as a raw material powder constituting the cylindrical metal member.
  • the sintering process was performed at 2000 ° C. in vacuum (10 ⁇ 3 Pa or less).
  • the obtained Mo sintered body was rolled and forged at the processing rates shown in Table 1 to prepare plate members.
  • the processing rate is a processing rate in the length direction of the cylindrical metal member 3.
  • a cylindrical metal member having a diameter (outer diameter) of 50 mm, an inner diameter of 30 mm (plate thickness of 5 mm), and a length of 100 mm was produced.
  • a joining process of the disk-shaped metal member and the cylindrical metal member was performed.
  • surface polishing with a surface roughness Ra of 3 ⁇ m or less was performed on the surface of the disc-shaped metal member joined to the cylindrical metal member and the surface of the cylindrical metal member joined to the disc-like metal member.
  • a Ti brazing material (melting point 1600 ° C.) was prepared and applied to the joining surface of the disk-shaped metal member and the joining surface of the cylindrical metal member. After the disk-shaped metal member and the cylindrical metal member were fitted together, they were heated to 1700 ° C. and joined.
  • the rotating anode target for X-ray tubes according to Example 1A to Example 6A and Comparative Example 1A was produced by the above process.
  • the average aspect ratios of the disk-shaped metal members according to Examples 1A to 6A were all less than 2. This is because the processing rate is adjusted to a predetermined range. On the other hand, the average aspect ratio of the disk-shaped metal member according to Comparative Example 1 was 2 or more.
  • the cylindrical metal member having a high processing rate as in Example 1A to Example 6A had an average aspect ratio of 2 or more. As the processing rate increased, the ratio of the second crystal particles having the major axis aligned in the length direction increased.
  • Example 1B to 6B, Comparative Example 1B X-ray tubes according to Examples 1B to 6B and Comparative Example 1B were produced using the rotary anode target for X-ray tubes according to Examples 1A to 6A and Comparative Example 1A.
  • the rotating mechanism has a dynamic pressure bearing structure. Further, a liquid metal lubricant was filled between the inner surface of the cylindrical metal member and the fixed shaft.
  • the X-ray tube according to Example 1B to Example 6B and Comparative Example 1B was subjected to an exposure test in which an electron beam collided with the X-ray emission part. After performing an exposure test of 10,000 cycles, the inner diameter of the cylindrical metal member was measured, and the deformation ( ⁇ m) before and after the test was measured. The results are shown in Table 4.
  • Example 7A to 10A As raw material powder constituting the disk-shaped metal member, molybdenum (Mo) powder having an average particle diameter of 3 ⁇ m and TiC powder having an average particle diameter of 1 ⁇ m were prepared. A mixed raw material powder containing 0.8% by weight of TiC powder and the remaining Mo powder was prepared.
  • Mo molybdenum
  • the mixed raw material powder was molded by a mold to prepare a disk-shaped molded body having holes for joining to the cylindrical metal member.
  • the sintering process was performed in a vacuum (10 ⁇ 3 Pa or less) at 2000 ° C. or more and 2200 ° C. or less.
  • the obtained Mo alloy sintered body was forged at the processing rates shown in Table 5.
  • the said processing rate is a processing rate of the thickness direction of a disk shaped metal member.
  • the obtained Mo alloy forged body was subjected to surface polishing.
  • An X-ray emitting portion made of a Re—W alloy layer was provided on the surface of the disk-shaped metal member.
  • a TiO 2 —Al 2 O 3 film (film thickness: 40 ⁇ m) was provided on the surface of the disk-shaped metal member not provided with the X-ray emission part.
  • a molybdenum (Mo) powder having an average particle size of 5 ⁇ m was prepared as a raw material powder constituting the cylindrical metal member.
  • the sintering process was performed in a vacuum (10 ⁇ 3 Pa or less) at 2000 ° C. or more and 2200 ° C. or less.
  • the obtained Mo sintered body was rolled and forged at the processing rates shown in Table 5 to prepare plate members.
  • the processing rate is a processing rate in the length direction of the cylindrical metal member.
  • Tables 5 and 6 show the sizes of the obtained disk-shaped metal member and cylindrical metal member. Further, surface polishing with a surface roughness Ra of 3 ⁇ m or less was performed on the surface of the disk-shaped metal member bonded to the cylindrical metal member and the surface of the cylindrical metal member bonded to the disk-shaped metal member.
  • the disk-shaped metal member and the cylindrical metal member were joined using a Ti brazing material (melting point 1600 ° C.) or a Zr brazing material (melting point 1550 ° C.).
  • a Ti brazing material melting point 1600 ° C.
  • a Zr brazing material melting point 1550 ° C.
  • the average aspect ratios of the disk-shaped metal members according to Examples 7A to 10A were all less than 2. This is because the processing rate is adjusted to a predetermined range.
  • the average aspect ratio of the cylindrical metal member having a high processing rate as in Example 7A to Example 10A was 2 or more.
  • the processing rate was adjusted to a predetermined range, the ratio of the second crystal particles having the major axis aligned in the length direction increased.
  • Example 7B to 10B An X-ray tube was manufactured using the rotating anode target for an X-ray tube according to Example 7A to Example 10A.
  • the rotating mechanism has a dynamic pressure bearing structure.
  • a liquid metal lubricant was filled between the inner surface of the cylindrical metal member and the fixed shaft.
  • the X-ray tube according to Example 7B to Example 10B was subjected to an exposure test in which an electron beam collided with the X-ray emission part. After performing an exposure test of 10,000 cycles, the inner diameter of the cylindrical metal member was measured, and the deformation ( ⁇ m) before and after the test was measured. The results are shown in Table 9.

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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Abstract

本発明のX線管用回転陽極ターゲット(1)は、第1の結晶組織を備える円盤状金属部材(2)と、前記円盤状金属部材に接合され、第2の結晶組織を備える円筒状金属部材(3)と、を備え、前記円盤状金属部材と前記円筒状金属部材との接合部から2mm以内の第1の領域に位置する第1の結晶粒子の第1の平均アスペクト比は2未満であり、接合部から2mm以内の第2の領域に位置する第2の結晶粒子の第2の平均アスペクト比は2以上8以下であることを特徴とする。これにより、放熱性が高く、熱変形が生じにくいX線管ターゲットを提供することができる。

Description

X線管用回転陽極ターゲット、X線管、およびX線検査装置
 本発明は、X線管用回転陽極ターゲット、X線管、およびX線検査装置に関する。
 X線管は、CT(Computed Tomography:CT)装置など様々なX線検査装置に搭載されている。X線管は、X線管用回転陽極ターゲットを具備する。X線管用回転陽極ターゲットは、X線放射部を備える円盤状部材と、円盤状部材と一体化された回転軸と、を具備する。回転陽極ターゲットは、陰極から放出される電子ビームがX線放射部に照射されることによりX線を放射する。X線放射を繰り返すとX線放射部の温度が上昇する。高温下では、回転陽極ターゲットが熱変形しやすくなる。
 X線管用回転陽極ターゲットの回転構造は、ベアリングボールを使った玉軸受構造と動圧軸受構造との2種類の構造に分けられる。玉軸受構造は、回転軸をベアリングボールで支持しながら回転させる構造である。動圧軸受構造は、円筒形状を有する回転軸の円筒と、円筒内に設けられ、らせん形状などを有する固定軸と、円筒内に充填された液体金属等の液体金属潤滑剤とを備えるすべり軸受を具備する構造である。
 玉軸受構造は、ベアリングボールを備える構造であるため、安定な高速回転を得ることができる。しかしながら、回転軸がベアリングボールと接触するため、動作音がうるさいといった問題があった。
 動圧軸受構造は、すべり軸受を備える構造である。よって、動作音や振動は非常に小さい。また、磨耗も小さいため長寿命である。動圧軸受構造は、液体金属などの液体金属潤滑剤を使用していることからX線放射部を備える円盤状部材の放熱性に優れている。
特開2003-068239号公報 特開2010-212088号公報
 本発明が解決しようとする課題は、熱変形が生じにくいX線管用回転陽極ターゲットを提供することである。本発明が解決しようとする課題は、液体金属を用いた動圧軸受で回転駆動させるX線管に適した回転陽極ターゲットおよびX線管を提供することである。
 実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットは、複数の第1の結晶粒子を含む第1の結晶組織を備える円盤状金属部材と、円盤状金属部材に接合され、複数の第2の結晶粒子を含む第2の結晶組織を備える円筒状金属部材と、円盤状金属部材の表面に設けられたX線放射部と、を具備する。円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合部から2mm以内の第1の領域に位置する第1の結晶粒子の第1の平均アスペクト比は2未満である。接合部から2mm以内の第2の領域に位置する第2の結晶粒子の第2の平均アスペクト比は2以上8以下である。
X線管用回転陽極ターゲットの一例を示す断面模式図である。 X線管用回転陽極ターゲットの他の一例を示す断面模式図である。 X線管用回転陽極ターゲットの他の一例を示す断面模式図である。 円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合部を含むX線管用回転陽極ターゲットの断面の一例を示す断面模式図である。 円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合部を含むX線管用回転陽極ターゲットの断面の一例を示す断面模式図である。 動圧軸受構造のX線管用回転陽極ターゲットの一例を示す断面模式図である。
 図1は、X線管用回転陽極ターゲットの一例を示す断面図である。図1に示すX線管用回転陽極ターゲット1は、円盤状金属部材2と、円筒状金属部材3と、X線放射部4と、を具備する。
 円盤状金属部材2は、円筒状金属部材3と接続するための穴を備える。円盤状金属部材2の直径は、例えば100mm以上200mm以下であることが好ましい。円盤状金属部材の厚さは、例えば10mm以上60mm以下であることが好ましい。円筒状金属部材3と接続する穴の直径は、例えば30mm以上70mm以下であることが好ましい。
 円盤状金属部材2は、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、および鉄の少なくとも一つの金属、または上記金属を主成分とする合金を含むことが好ましい。X線管用回転陽極ターゲットからX線を放射しているとき、X線管用回転陽極ターゲットは高温になる。よって、円盤状金属部材2の耐熱性は高いことが好ましい。例えば、モリブデン(融点2620℃)、タングステン(融点3400℃)、タンタル(融点2990℃)、またはニオブ(融点2470℃)等の金属は、融点が高いため円盤状金属部材2の材料として好ましい。さらに、モリブデンまたはモリブデン合金は、高融点金属の中で加工しやすく、価格が低いため、円盤状金属部材2の材料としてより好ましい。
 合金の場合、金属酸化物および金属炭化物の少なくとも一つの金属化合物を含有する合金が円盤状金属部材2に用いられてもよい。酸化物や炭化物を含有させる場合、円盤状金属部材2は、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、もしくは希土類元素の酸化物、および炭化物の少なくとも一つの材料を0.1質量%以上5質量%以下含有することが好ましい。希土類元素としては、例えばLa(ランタン)、Ce(セリウム)が挙げられる。金属酸化物や金属炭化物は、高融点金属の強度向上、高温下でのガス発生の抑制といった効果を有する。また、金属酸化物や金属炭化物は、高融点金属の結晶粒子の粒成長を抑制する効果も有する。
 鉄を使用する場合、合金工具鋼を用いることが好ましい。合金工具鋼は、炭素工具鋼にモリブデン、タングステン、クロム、珪素、バナジウム、ニッケルなどを添加することにより形成される。合金工具鋼として、例えば金型用合金工具鋼(例えばSteel Kogu Dice:SKD)を用いることが好ましい。
 円筒状金属部材3は、動圧軸受構造を有するX線管用回転陽極ターゲットを構成する部材の一つであり、X線管の回転軸としての機能を有する。円筒状金属部材3は、円筒を有する。円筒状金属部材3は、円盤状金属部材2に接合されている。図1において、円筒状金属部材3の側面は、円盤状金属部材2の穴の側面に接合されている。円筒状金属部材3が円盤状金属部材2と接合されている状態を円筒状金属部材3が円盤状金属部材2と一体化されている状態ともいう。すなわち、図1に示すX線管用回転陽極ターゲット1は、一体化された円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とを具備する。
 円筒状金属部材3の直径は、例えば40mm以上80mm以下であることが好ましい。円筒状金属部材3は、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、および鉄の少なくとも一つの金属、または当該金属を主成分とする合金を含むことが好ましい。
 円筒状金属部材3は、金属酸化物や金属炭化物を含有してもよい。鉄を使う場合、円筒状金属部材3は、合金工具鋼、さらには金型用合金工具鋼であることが好ましい。円筒状金属部材3の材料は円盤状金属部材2と同じでもよい。円筒状金属部材3の材料は円盤状金属部材2と異なる材料でもよい。
 X線放射部4は、円盤状金属部材2に設けられている。X線放射部4は、円盤状金属部材2の上面に設けられている。X線放射部4は、陰極から照射される電子ビームによりX線を発生する領域である。X線放射部4は、例えばRe-W合金を含むことが好ましい。
 図2はX線管用回転陽極ターゲットの他の一例を示す断面図である。図2に示すX線管用回転陽極ターゲット1は、円盤状金属部材2と、円筒状金属部材3と、X線放射部4と、ろう材層5と、を具備する。円筒状金属部材3は、ろう材層5を介して円盤状金属部材2に接合されている。図1に示すX線管用回転陽極ターゲット1と共通する部分の説明として、図1の説明を適宜援用することができる。
 ろう材層5は、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との間に設けられる。ろう材層5に用いられるろう材の融点は、1500℃以上であることが好ましい。X線検査装置を連続稼働しているとき、X線管用回転陽極ターゲットの温度が1000℃付近まで上昇する。ろう材の融点が1500℃未満であると円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合の信頼性が低下しやすくなる。
 融点1500℃以上のろう材は、例えばTi、Zr、Hf、Pt、Co、Cr、Ni、およびVの少なくとも1つの元素を主成分として含む。融点1500℃以上のろう材は、例えばTi、Zr、Hf、およびPtの少なくとも1つの元素を主成分として含むことがより好ましい。融点1500℃以上のろう材は、TiおよびZrの少なくとも1つの元素を主成分として含むことがより好ましい。TiおよびZrの少なくとも1つの元素を主成分とするろう材を用いることにより、ろう材層5とモリブデン(モリブデン合金)との接合強度を高くすることができる。
 図3はX線管用回転陽極ターゲットの他の一例を示す断面図である。図3に示すX線管用回転陽極ターゲット1は、円盤状金属部材2と、円筒状金属部材3と、X線放射部4と、ろう材層5と、グラファイト部材6と、を具備する。図1に示すX線管用回転陽極ターゲット1と共通する部分の説明として、図1の説明を適宜援用することができる。
 グラファイト部材6は、円盤状金属部材2に接合されている。図3において、グラファイト部材6は、円盤状金属部材2の下面に接合されている。グラファイト部材6を設けることにより、円盤状金属部材2の熱を逃がしやすくすることができる。また、円盤状金属部材2の厚みを減らすことができ、X線管用回転陽極ターゲット1を軽量化することができる。
 図1ないし図3に示す構造に限定されず、例えば円盤状金属部材2の外周の少なくとも一部に金属酸化物被膜が設けられてもよい。例えば、円盤状金属部材2のX線放射部4が設けられていない領域に金属酸化物被膜が設けられてもよい。金属酸化物被膜は、例えば酸化チタン(TiO)と酸化アルミニウム(Al)との合金を含むことが好ましい。TiOおよびAlと円盤状金属部材2に適用されるモリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、および鉄の少なくとも一つの金属、または上記金属を主成分とする合金とのなじみは良い。よって、密着性が高い膜を形成することができる。金属酸化物被膜を設けることにより、X線管用回転陽極ターゲット1の熱放射を促進させ、温度を下げることができる。
 金属酸化物被膜の形成法としては、例えば溶射法やスパッタ法などの成膜技術や、ペーストの塗布、焼成といった塗布技術が挙げられる。金属酸化物被膜の膜厚は300μm以下であることが好ましい。300μmを超えると、それ以上の効果が得られないだけでなく放熱性が低下するおそれがある。
 図4は、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合部を含む、円筒状金属部材3の長さ方向に垂直な方向のX線管用回転陽極ターゲット1の断面模式図である。円盤状金属部材2は、複数の第1の結晶粒子を有する第1の結晶組織を備える。円筒状金属部材3は、複数の第2の結晶粒子を有する第2の結晶組織を備える。
 複数の第1の結晶粒子の平均アスペクト比は、2未満、より好ましくは1.6以下である。複数の第2の結晶粒子の平均アスペクト比は、2以上、より好ましくは2.5以上である。平均アスペクト比の上限は8以下であることが好ましい。平均アスペクト比が8を超える場合、加工の負荷が大きくなる。また、円筒状金属部材に加工歪が残るおそれがある。
 結晶粒子のアスペクト比は、例えば以下のように求められる。円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合部を含み、円筒状金属部材3の長さ方向に垂直な方向のX線管用回転陽極ターゲット1の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で撮影する。撮影した断面の拡大写真に写る個々の結晶粒子の最大径を長径と定義する。拡大写真上において長径の中心を通り、かつ長径方向に垂直な方向の粒径を短径と定義する。短径に対する長径の比が結晶粒子のアスペクト比に相当する。上記作業を円盤状金属部材2の第1の結晶組織内の100粒の第1の結晶粒子に対して行い、得られた複数のアスペクト比の平均値を第1の平均アスペクト比と定義する。また、上記作業を円筒状金属部材3の第2の結晶組織内の100粒の第2の結晶粒子のそれぞれに対して行い、得られた複数のアスペクト比の平均値を第2の平均アスペクト比と定義する。このとき、アスペクト比の測定対象は、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合部から2mm以内の第1の領域に位置する第1の結晶粒子および当該接合部から2mm以内の第2の領域に位置する第2の結晶粒子である。図4の場合、ろう材層5から2mm以内の領域に位置する結晶粒子も測定対象とする。
 アスペクト比が2未満の場合、結晶粒子は実質的な球状組織を備える。球状組織は、熱の伝わり方が方向によって変化しない。よって、第1の結晶粒子の平均アスペクト比を2未満に調整することにより、円盤状金属部材2の表面全体で放熱することができる。例えば、電子ビームがX線放射部4に照射されたとき、X線放射部4の温度は約2500℃と非常に高い。よって、平均アスペクト比が2未満である第1の結晶粒子を含む第1の結晶組織を備える円盤状金属部材2を用いることにより、円盤状金属部材2の表面全体で放熱することができる。
 アスペクト比が2以上の場合、結晶粒子が実質的な柱状組織を備える。柱状組織は、結晶粒子の短径方向よりも長径方向に熱が伝わりやすい。よって、第2の結晶粒子の平均アスペクト比を2以上に調整し、第2の結晶粒子の長径方向を実質的に円筒状金属部材3の長さ方向に揃えることにより、円盤状金属部材2での熱を円筒状金属部材3の長さ方向に沿って逃がしやすくすることができる。よって、X線管用回転陽極ターゲット全体の放熱性が向上し、熱膨張による熱変形を小さくすることができる。例えば、動圧軸受構造を備えるX線管用回転陽極ターゲットの場合、円筒状金属部材3の内面が液体金属潤滑剤と接するため、効率的に放熱させることができる。
 第2の結晶粒子の長径方向が実質的に円筒状金属部材3の長さ方向に揃っている状態は、以下のように定義される。図5は、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合部を含む、円筒状金属部材3の長さ方向に垂直な方向のX線管用回転陽極ターゲット1の断面模式図である。円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合部を含み、円筒状金属部材3の長さ方向に垂直な方向のX線管用回転陽極ターゲット1の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で撮影する。撮影した断面の拡大写真(SEM写真)に写る個々の第2の結晶粒子の長径(最大径)を示す第1の直線を引く。円筒状金属部材3の長さ方向を示す第2の直線を引く(図5左側)。第1の直線と第2の直線とのずれをθとする。第2の結晶粒子の長径方向が実質的に円筒状金属部材3の長さ方向に揃っている状態とは、θが-25度以上+25度以下である状態である。
 平均アスペクト比が2以上である第2の結晶粒子のうち、単位面積1000μm×1000μmあたり個数割合で80%以上100%以下の第2の結晶粒子の長径方向と円筒状金属部材3の長さ方向とのずれは、-25度以上25度以下であることが好ましい。
 第1の結晶粒子の平均粒径は、20μm以上500μm以下であることが好ましい。平均粒径が20μm未満の場合、粒界の割合が多い。粒界が多くなると熱が伝わり難くなり放熱性が低下するおそれがある。平均粒径が500μmを超える場合、第1の結晶粒子の熱膨張による熱変形が大きくなるおそれがある。第1の結晶粒子の平均粒径は、50μm以上200μm以下であることがより好ましい。
 第2の結晶粒子の平均粒径は、20μm以上800μm以下であることが好ましい。平均粒径が20μm未満であると、粒界の割合が多くなる。粒界が多くなると熱が伝わりにくくなり放熱性が低下するおそれがある。平均粒径が800μmを超えると第2の結晶粒子の熱膨張による熱変形が大きくなるおそれがある。第2の結晶粒子の平均粒径は、50μm以上500μm以下であることがより好ましい。
 平均粒径は以下のように求められる。アスペクト比の測定で使用する結晶粒子の長径と短径の情報を利用し、(長径+短径)÷2=結晶粒径とする。100粒の第1の結晶粒子に対して上記作業を行い、平均値を第1の結晶粒子の平均粒径とする。また、100粒の第2の結晶粒子に対して上記作業を行い、平均値を第2の結晶粒子の平均粒径とする。
 実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットは、放熱性に優れ、耐熱性に優れるため熱変形が生じにくい。よって、X線管用回転陽極ターゲットの寿命を長くすることができる。さらに、実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットを用いたX線管並びにX線検査装置の信頼性は高い。
 X線管用回転陽極ターゲットの回転駆動構造としては、動圧軸受構造または玉軸受構造を適用することができる。実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットは、円筒状金属部材を備える。よって、動圧軸受構造に適している。
 図6は、動圧軸受構造のX線管用回転陽極ターゲットの一例を示す断面模式図である。図6に示すX線管用回転陽極ターゲット1は、円盤状金属部材2と、円筒状金属部材3と、固定軸7と、液体金属潤滑剤8と、を具備する。図1に示すX線管用回転陽極ターゲット1と共通する部分の説明として、図1の説明を適宜援用することができる。
 固定軸7の表面および円筒状金属部材3の内面は、ラジアル方向やスラスト方向のらせん溝を有していてもよい。円筒状金属部材3の図面下部方向は、図示しないスラストリングなどで封止されている。回転磁界によって回転駆動させるためのステータなどが設けられている。X線管の場合は、X線照射部4に電子ビームを照射する陰極やX線管用回転陽極ターゲット1と陰極とを保持する真空容器などと組み合せてもよい。
 液体金属潤滑剤8は、円筒状金属部材3と固定軸7との間に供給されている。液体金属潤滑剤8は、例えばガリウム、ガリウム合金などを含む。動圧軸受構造は、固定軸7が円筒状金属部材3の内面と直接接触していないため振動が小さく、動作音が小さい。また、直接接触していないため、円筒状金属部材3の内面と固定軸7との磨耗がほとんどない。そのため、軸受としての寿命を長くすることができる。
 実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットの放熱性は高い。よって、熱変形が生じにくい。従って、連続稼働時の熱変形により固定軸7が円筒状金属部材3の内面と直接接触することを防ぐことができる。このため、優れた長期信頼性を有するX線管並びにX線検査装置を提供することができる。
 X線検査装置は、医療用検査装置や工業用検査装置など様々な分野に用いられている。医療用検査装置としては、CT装置(コンピュータ断層撮影装置等)が挙げられる。CT装置は、被検者(患者)にX線を照射し、透過したX線を、シンチレータなどを備えた検出器で検出して画像を得ることができる。近年では、2次元画像だけでなく、3次元画像を得ることもできる。
 CT装置を使用しているとX線管用回転陽極ターゲットの温度が上昇する。X線管用回転陽極ターゲットが一定の温度を超えると一定時間測定を止めて、X線管用回転陽極ターゲットを冷却する必要がある。X線管用回転陽極ターゲットを冷却する際、被検者の測定を行うことができない。実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットの放熱性および熱変形は優れている。よって、X線検査装置の連続稼働に対応することができる。従って連続稼働時間を長くすることができるため、被検者の測定を長時間連続して行うことができる。
 次に、実施形態に係るX線管用回転陽極ターゲットの製造方法例について説明する。前述の構成を具備していれば製造方法は特に限定されないが、効率的に得るための方法として次の方法がある。
 円盤状金属部材2の形成法としては、例えば粉末金型成形法、ホットプレス法、通電プラズマ焼結、溶射法のいずれか1つが挙げられる。
 粉末金型成形法では、原料粉末を金型に充填し、成形する。得られた成形体を必要に応じ脱脂した後、焼結する。ホットプレス法では、原料粉末を金型に充填し、圧力と温度を付加して焼結する。通電プラズマ焼結法では、成形体を通電焼結する。溶射法では、原料粉末を溶射して堆積させる。
 焼結工程の雰囲気は、真空雰囲気(10-3Pa以下)や不活性ガス雰囲気であることが好ましい。大気などの酸素含有雰囲気中では焼結体が酸化してしまうおそれがある。焼結または溶射を行った後、HIP(熱間静水圧プレス)を行ってもよい。HIPでは、温度が1600℃以上2000℃以下であり、圧力が100MPa以上であることが好ましい。
 原料粉末は、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、鉄またはこれらを主成分とする合金から選ばれる1つ材料を含むことが好ましい。主成分とする合金は、50質量%以上含有されている合金である。合金に金属酸化物または金属炭化物を添加してもよい。
 原料粉末の平均粒径は例えば0.5μm以上20μm以下、さらには1μm以上10μm以下であることが好ましい。上記範囲の原料粉末を用いることにより、第1の結晶粒子の平均粒径を例えば20μm以上500μm以下に制御しやすい。
 焼結前に成形体を形成してもよい。成形工程は、金型成形、CIP(冷間静水圧プレス)などを含んでいてもよい。成形圧力は100MPa以上300MPa以下であることが好ましい。円筒状金属部材3を接合するための穴を成形体に設けてもよい。
 原料粉末として、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、またはこれらの合金を用いる場合、焼結温度は1800℃以上2500℃以下であることが好ましい。焼結温度が1800℃未満では焼結体の密度が低くなりやすい。焼結温度が2500℃を超えると粒成長し過ぎるおそれがある。原料粉末として鉄または鉄合金を用いる場合、焼結温度が1000℃以上1600℃以下であることが好ましい。焼結雰囲気は、真空雰囲気(10-3Pa以下)や不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
 焼結体に鍛造加工または機械加工を行ってもよい。鍛造加工または機械加工を行うことにより、焼結体を所望のX線管用回転陽極ターゲットの形状に加工することができる。鍛造工程を行うことにより、焼結体中に存在するポアをつぶすことができる。その結果、気孔率が0%以上0.5%以下である高密度の円盤状金属部材2を得ることができる。
 鍛造加工は、温度が1400℃以上1700℃以下であり、加工率が10%以上60%以下である熱間鍛造加工を含むことが好ましい。温度が1400℃未満である場合、焼結体に割れが発生しやすい。温度が1700℃を超える場合、必要以上に熱変形するおそれがある。熱間鍛造加工の温度は、1500℃以上1600℃以下であることがより好ましい。加工率が10%未満である場合、加工量が小さいため、ポアが潰れないおそれがある。加工率が60%を超える場合、第1の結晶粒子の平均アスペクト比が2未満になりにくい。加工率は20%以上50%以下であることがより好ましい。機械加工としては、例えば表面研磨加工などが挙げられる。円盤状金属部材2において、円筒状金属部材3に接合される面は、研磨加工等により平坦面であることが好ましい。
 X線放射部4の形成方法としては、円盤状金属部材2の成形体の所定の位置にRe-W合金粉末層を設けて、焼結工程を行う方法が挙げられる。円盤状金属部材2となる焼結体を調製した後、Re-W合金粉末層を形成して焼成してもよい。Re-W合金層の形成法として、溶射法、CVD法等を用いてもよい。
 円筒状金属部材3の製造方法について説明する。円筒状金属部材3を構成する材料からなる焼結体インゴットまたは溶解品インゴットを用意する。これらインゴットに圧延加工、鍛造加工を施して板状部材に加工する。1800℃以上2500℃以下の焼結温度で焼結体インゴットを調製することが好ましい。焼結工程の雰囲気は、真空雰囲気(10-3Pa以下)や不活性ガス雰囲気である。
 板状部材を管形状に加工することにより円筒状金属部材3を作製する。このとき、円筒状金属部材3の長さ方向の加工率は10%以上90%以下であることが好ましい。加工率を10%以上にすることにより、円筒状金属部材3の第2の結晶粒子の平均アスペクト比を2以上に調整しやすくなる。円筒状金属部材3の長さ方向の加工率を10%以上とすることにより、第2の結晶粒子の長径を円筒状金属部材3の長さ方向に揃えやすい。加工率が90%を超える場合、板状部材を均一な厚さに加工することが困難である。円筒状金属部材3の長さ方向の加工率は15%以上70%以下であることが好ましい。板状部材を管形状に加工する場合、板状部材の結晶粒子のアスペクト比を考慮して加工率を決定することが好ましい。円筒状金属部材3の先端部と底辺部に蓋部材を取り付けてもよい。
 円筒状金属部材3の原料粉末は、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、および鉄の少なくとも一つの金属、または上記金属を主成分とする合金を含むことが好ましい。原料粉末の平均粒径は、例えば0.5μm以上20μm以下、さらには1μm以上10μm以下であることが好ましい。この範囲の原料粉末を用いることにより、第2の結晶粒子の平均粒径を20μm以上800μm以下の範囲に制御しやすくなる。また、歪取り熱処理を施してもよい。円筒状金属部材3において、円盤状金属部材2に接合する面は研磨加工等により平坦面であることが好ましい。
 円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との一体化工程(接合工程)について説明する。円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合方法としては、例えばろう材法、焼きばめ法、冷やしばめ法、圧入法、溶接法などが挙げられる。円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合方法は、ろう材法であることがより好ましい。
 ろう材法では、円盤状金属部材2および円筒状金属部材3の一方または両方の接合面にろう材を塗布する。ろう材を塗布した後、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とをはめ合わせる。その後、熱処理して一体化する。
 ろう材法では、熱処理によりろう材を溶かして円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との隙間を埋めるようにろう材層5を形成する。例えばペーストを用いることにより、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との隙間にろう材が入り込んでいく。このため、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とを強固に接合することができる。また、ろう材が隙間に入り込んでいくために、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との隙間にポアが形成されにくい。よって、円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との間の放熱性を向上させることができる。
 焼きばめ法は、熱処理を行いながら円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とをはめ合わせる方法である。焼きばめ法では、例えば第1の部材に凹部を形成し、第2の部材に凸部を形成し、凸部と凹部とをはめ合わせる。焼きばめ法を用いることにより、ろう材を使用する必要がなくなるため、工程を簡素化できる。
 冷やしばめ法は、熱処理を行わずに円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とをはめ合わせる方法である。円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とを冷やしながらはめ合わせてもよい。室温中または冷やしながら円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とをはめ合わせることにより、熱膨張による円盤状金属部材2と円筒状金属部材3との接合不良を抑制することができる。圧入法は、圧力をかけて円盤状金属部材2と円筒状金属部材3とをはめ合わせる方法である。
(実施例1A~6A、比較例1A)
 円盤状金属部材を構成する原料粉末として、平均粒径5μmのモリブデン(Mo)粉末を用意した。Mo粉末を金型成形して、円筒状金属部材と接合するための穴を備える円盤状の成形体を調製した。次に、2000℃、真空中(10-3Pa以下)で焼結工程を行った。得られたMo焼結体に表1に示す加工率で鍛造加工を行った。上記加工率は、円盤状金属部材の厚み方向の加工率である。得られたMo鍛造体に表面研磨加工を施した。円盤状金属部材の上面にRe-W合金層からなるX線放射部を設けた。X線放射部を設けていない円盤状金属部材の上面にTiO-Al膜(膜厚40μm)を設けた。以上により、直径が140mmであり、厚さが50mmであり、円筒状金属部材を接合するための穴が直径50mmである円盤状金属部材を作製した。
 円筒状金属部材を構成する原料粉末として、平均粒径5μmのモリブデン(Mo)粉末を用意した。次に、2000℃、真空中(10-3Pa以下)で焼結工程を行った。得られたMo焼結体に表1に示す加工率で圧延加工、鍛造加工を行い板状部材を調製した。上記加工率は、円筒状金属部材3の長さ方向の加工率である。以上のように、直径(外径)が50mmであり、内径が30mm(板厚5mm)であり、長さが100mmである円筒状金属部材を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 次に、円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合工程を行った。接合工程では、円盤状金属部材における円筒状金属部材に接合される面および円筒状金属部材における円盤状金属部材に接合される面に対して表面粗さRa3μm以下の表面研磨加工を施した。次に、Tiろう材(融点1600℃)を用意し、円盤状金属部材の接合面および円筒状金属部材の接合面にそれぞれ塗布した。円盤状金属部材と円筒状金属部材とをはめ合わせた後、1700℃に加熱して接合した。上記工程により実施例1Aないし実施例6Aおよび比較例1Aに係るX線管用回転陽極ターゲットを作製した。
 実施例1Aないし6Aおよび比較例1Aに係るX線管用回転陽極ターゲットの円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合部から2mm以内の領域を含むX線管用回転陽極ターゲットの断面組織をSEMを用いて観察して2000倍の拡大写真を得た。拡大写真を用いて第1の結晶粒子および第2の結晶粒子において、平均粒径、平均アスペクト比を求めた。また、円筒状金属部材において、長径が長さ方向に揃っている第2の結晶粒子の割合を求めた。その結果を表2および表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表2から分かる通り、実施例1Aないし実施例6Aに係る円盤状金属部材の平均アスペクト比は、いずれも2未満であった。これは加工率を所定の範囲に調整しているためである。これに対し、比較例1に係る円盤状金属部材の平均アスペクト比は2以上であった。
 表3から分かる通り、実施例1Aないし実施例6Aのように加工率が高い円筒状金属部材では、平均アスペクト比が2以上であった。加工率が高くなるに従い長径が長さ方向に揃っている第2の結晶粒子の割合が高くなった。
(実施例1B~6B、比較例1B)
 実施例1Aないし実施例6Aおよび比較例1Aに係るX線管用回転陽極ターゲットを用いて実施例1Bないし実施例6Bおよび比較例1Bに係るX線管を作製した。X線管を作製するにあたり、回転機構を動圧軸受構造とした。また、円筒状金属部材の内面と固定軸の間に液体金属潤滑剤を充填した。
 実施例1Bないし実施例6Bおよび比較例1Bに係るX線管に対し、X線放射部に電子ビームを衝突させる曝射試験を行った。10000サイクルの曝射試験を行った後、円筒状金属部材の内径寸法を測定し、試験前と試験後の変形量(μm)を測定した。その結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表4から分かる通り、実施例1Bないし実施例6Bに係るX線管において、円筒状金属部材の変化量は小さかった。このことから、実施例1Bないし実施例6Bに係るX線管の長期信頼性が優れていることが分かる。これは放熱性がよく、熱変形が生じにくい構造となっているためである。この結果、実施形態に係るX線管を用いたX線検査装置は連続稼働が可能となる。
(実施例7A~10A)
 円盤状金属部材を構成する原料粉末として、平均粒径3μmのモリブデン(Mo)粉末、平均粒径1μmのTiC粉末を用意した。0.8重量%のTiC粉末と残部のMo粉末とを含む混合原料粉末を調製した。
 混合原料粉末の金型成形を行い、円筒状金属部材と接合するための穴を備える円盤状の成形体を調製した。次に、2000℃以上2200℃以下、真空中(10-3Pa以下)で焼結工程を行った。得られたMo合金焼結体に表5に示す加工率で鍛造加工を行った。上記加工率は、円盤状金属部材の厚み方向の加工率である。
 得られたMo合金鍛造体に表面研磨加工を施した。円盤状金属部材の表面にRe-W合金層からなるX線放射部を設けた。X線放射部を設けていない円盤状金属部材の表面にTiO-Al膜(膜厚40μm)を設けた。
 円筒状金属部材を構成する原料粉末として、平均粒径5μmのモリブデン(Mo)粉末を用意した。次に、2000℃以上2200℃以下、真空中(10-3Pa以下)で焼結工程を行った。得られたMo焼結体に表5に示す加工率で圧延加工、鍛造加工を行い板状部材を調製した。上記加工率は、円筒状金属部材の長さ方向の加工率である。
 得られた円盤状金属部材および円筒状金属部材のサイズを表5および表6に示す。また、円盤状金属部材における円筒状金属部材に接合される面および円筒状金属部材における円盤状金属部材に接合される面に対して表面粗さRa3μm以下の表面研磨加工を施した。
 次に、表6に示すように、Tiろう材(融点1600℃)またはZrろう材(融点1550℃)を用いて円盤状金属部材と円筒状金属部材を接合した。以上の工程により実施例7Aないし実施例10Aに係るX線管用回転陽極ターゲットを製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 実施例7Aないし実施例10Aに係るX線管用陽極ターゲットの円盤状金属部材と円筒状金属部材との接合部から2mm以内の領域を含むX線管用回転陽極ターゲットの断面組織をSEMを用いて観察して2000倍の拡大写真を得た。拡大写真を用いて第1の結晶粒子および第2の結晶粒子において、平均粒径、平均アスペクト比を求めた。また、円筒状金属部材において、長径が長さ方向に揃っている第2の結晶粒子の割合を求めた。その結果を表7および表8に示す。
 表7から分かる通り、実施例7Aないし実施例10Aに係る円盤状金属部材の平均アスペクト比は、いずれも2未満であった。これは加工率を所定の範囲に調整しているためである。
 表6、表8から分かる通り、実施例7Aないし実施例10Aのように加工率が高い円筒状金属部材では、平均アスペクト比が2以上であった。加工率を所定の範囲に調整することにより長径が長さ方向に揃っている第2の結晶粒子の割合が高くなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
(実施例7B~10B)
 実施例7Aないし実施例10Aに係るX線管用回転陽極ターゲットを用いてX線管を作製した。X線管を作製するにあたり、回転機構を動圧軸受構造とした。円筒状金属部材の内面と固定軸の間に液体金属潤滑剤を充填した。実施例7Bないし実施例10Bに係るX線管に対し、X線放射部に電子ビームを衝突させる曝射試験を行った。10000サイクルの曝射試験を行った後、円筒状金属部材の内径寸法を測定し、試験前と試験後の変形量(μm)を測定した。その結果を表9に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 表9からMo合金を用い、円盤状金属部材および円筒状金属部材のサイズを変更しても変化量が小さいことが分かる。このことからX線管用回転陽極ターゲットの放熱性が高く、X線管用回転陽極ターゲットは、熱変形が生じにくい構造を備えることが分かる。
 以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (15)

  1.  複数の第1の結晶粒子を含む第1の結晶組織を備える円盤状金属部材と、
     前記円盤状金属部材に接合され、複数の第2の結晶粒子を含む第2の結晶組織を備える円筒状金属部材と、
     前記円盤状金属部材の表面に設けられたX線放射部と、を具備し、
     前記円盤状金属部材と前記円筒状金属部材との接合部から2mm以内の第1の領域に位置する前記第1の結晶粒子の第1の平均アスペクト比が2未満であり、
     前記接合部から2mm以内の第2の領域に位置する前記第2の結晶粒子の第2の平均アスペクト比が2以上8以下である、X線管用回転陽極ターゲット。
  2.  前記第2の平均アスペクト比が2以上8以下である前記第2の結晶粒子のうち、1000μm×1000μmの単位面積あたり個数割合で80%以上100%以下の前記第2の結晶粒子の長径方向と前記円筒状金属部材の長さ方向とのずれが-25度以上+25度以下である、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  3.  前記円盤状金属部材および前記円筒状金属部材は、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、および鉄から選ばれた少なくとも一つの金属または前記金属を主成分とする合金を含む、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  4.  前記第1の平均アスペクト比が2未満である前記第1の結晶粒子の平均粒径が20μm以上500μm以下である、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  5.  前記第2の平均アスペクト比が2以上8以下である前記第2の結晶粒子の平均粒径が20μm以上800μm以下である、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  6.  前記円筒状金属部材がろう材層を介して前記円盤状金属部材に接合されている、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  7.  前記ろう材層が例えばTi、Zr、Hf、Pt、Co、Cr、Ni、およびVの少なくとも1つの元素を含む、請求項6に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  8.  前記円盤状金属部材の表面に設けられた金属酸化物被膜をさらに具備する、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  9.  前記金属酸化物被膜が酸化チタンと酸化アルミニウムとの混合物を含む、請求項8に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  10.  前記円盤状金属部材に接合されたグラファイト部材をさらに具備する、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  11.  前記円盤状金属部材の厚さが10mm以上60mm以下である、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  12.  前記X線放射部がReとWとの合金を含む、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  13.  前記円筒状金属部材の円筒内に設けられた固定軸と、
     前記円筒状金属部材と前記固定軸との間に供給された液体金属潤滑剤と、をさらに具備する、請求項1に記載のX線管用回転陽極ターゲット。
  14.  請求項13に記載のX線管用回転陽極ターゲットと、
     前記X線放射部に電子ビームを照射する陰極と、を具備する、X線管。
  15.  請求項14に記載のX線管を具備する、X線検査装置。
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