JP2019008943A - 固定陽極型ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】製品寿命の長期化を図ることが可能な固定陽極型Ｘ線管を提供する。【解決手段】固定陽極型Ｘ線管は、ターゲット本体３１及びターゲット層３２を具備する陽極ターゲット３を備える。ターゲット本体３１は、底面３４ｂと内周面３４ｉとを含む溝３４を有する。ターゲット層３２は、ターゲット本体３１の熱膨張率と異なる熱膨張率を持ち、溝３４に設けられ、ターゲット本体３１に接合され、Ｘ線を放射する焦点が形成される表面３２ｆと、底面３４ｂに接合される裏面３２ｂと、内周面３４ｉに接合される側面３２ｓと、を有する。ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面は、曲面を持つ。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、固定陽極型Ｘ線管に関する。

Ｘ線管は、例えば、Ｘ線診断として医療または歯科用のＸ線管装置に利用されている。この種のＸ線管は、陰極と、陰極に対向した陽極ターゲットと、陰極及び陽極ターゲットを収容した真空外囲器と、を備えている。陽極ターゲットと陰極との間に印加されるＸ線管電圧により、陰極のフィラメントから放出される熱電子が陽極ターゲットへ加速され入射される。これにより、陽極ターゲットから制動輻射によるＸ線が放射される。

Ｘ線を放射するため、Ｘ線管電圧とＸ線管電流の積となる電力が陽極ターゲットに入力される。ところで、Ｘ線に変換されるのは消費電力の約１％以下であり、残りの９９％以上は熱エネルギに変換される。Ｘ線管の繰り返しの使用により、陽極ターゲットは加熱と冷却が繰り返される。なお、陽極ターゲットは、ターゲット本体と、上記ターゲット本体に接合されたターゲット層と、を有している。

すると、ターゲット本体の熱膨張率と、ターゲット層の熱膨張率との違いから、両者の接合面でひずみが生じる恐れがある。上記ひずみが大きくなると、ターゲット本体からターゲット層が剥離してしまう。ターゲット層がターゲット本体から剥離した個所では、ターゲット層からターゲット本体への熱伝達効率が悪化し、両者の温度差は更に大きくなってしまう。このままＸ線管を使用し続けると、ターゲット層において、焦点が形成される領域が溶融したり、亀裂が生じたりする。以上のことから、上記のＸ線管の製品寿命は、短くなる傾向にある。

実公昭４１−１７８５９号公報

本実施形態は、製品寿命の長期化を図ることが可能な固定陽極型Ｘ線管を提供する。

一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管は、
底面と内周面とを含む溝を有するターゲット本体と、
前記ターゲット本体の熱膨張率と異なる熱膨張率を持ち、前記溝に設けられ、前記ターゲット本体に接合され、Ｘ線を放射する焦点が形成される表面と、前記底面に接合される裏面と、前記内周面に接合される側面と、を有するターゲット層と、
を具備する陽極ターゲットを備え、
前記ターゲット本体と前記ターゲット層との接合面は、曲面を持つ。

また、一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管は、
底面と内周面とを含む溝を有するターゲット本体と、
前記ターゲット本体の熱膨張率と異なる熱膨張率を持ち、前記溝に設けられ、前記ターゲット本体に接合され、Ｘ線を放射する焦点が形成される表面と、前記底面に接合される裏面と、前記内周面に接合される側面と、を有するターゲット層と、
を具備する陽極ターゲットを備え、
前記底面と前記裏面との第１接合面と、前記内周面と前記側面との第２接合面との間の角度は、鈍角である。

図１は、一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管を示す概略構成図である。 図２は、上記実施形態の実施例１に係る陽極ターゲットを示す拡大断面図である。 図３は、上記実施例１の陽極ターゲットをターゲット層の上方からみた平面図である。 図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った陽極ターゲットを示す断面図である。 図５は、図４に示した陽極ターゲットの分解図である。 図６は、上記実施形態の実施例２に係る陽極ターゲットを示す拡大断面図である。 図７は、図６の陽極ターゲットを拡大して示す断面図である。 図８は、比較例の固定陽極型Ｘ線管の陽極ターゲットを示す拡大断面図である。 図９は、上記実施例１、実施例２、及び比較例のそれぞれの陽極ターゲットに作用する応力の比を棒グラフで示す図である。 図１０は、上記実施形態の実施例３に係る陽極ターゲットを拡大して示す断面図である。

以下に、本発明の一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管を示す概略構成図である。

図１に示すように、固定陽極型のＸ線管１は、陰極２と、陽極ターゲット３と、真空外囲器４と、ピンアセンブリ１５などの複数のピンアセンブリと、を備えている。陰極２は、電子（熱電子）を放出するフィラメント（電子放出源）２ｆと、集束電極２ｅと、を有している。各々のピンアセンブリは、真空外囲器４に気密に取り付けられ、真空外囲器４の内側と外側の両方に位置している。例えば、ピンアセンブリ１５は、フィラメント２ｆに負の高電圧及びフィラメント電流を与えるために利用される。図示しないが、集束電極２ｅ用のピンアセンブリは、集束電極２ｅに負の高電圧を与えるために利用される。

陽極ターゲット３は、ターゲット本体３１と、ターゲット層３２と、陽極延出部３３と、を備えている。ターゲット本体３１は、フィラメント２ｆと対向する側に位置した平坦な前面３１ｆと、前面３１ｆに形成された溝３４と、を有している。ターゲット層３２は、溝３４に設けられ、ターゲット本体３１に接合されている。ターゲット層３２を形成する際は、従来から知られている各種の手法を利用して形成することができる。例えば、溶射により、ターゲット層３２を溝３４に直に形成することができる。別の例では、予め成型されたターゲット層３２を溝３４にロウ付けしてもよい。ターゲット層３２は、フィラメント２ｆから放出され集束電極２ｅによって集束された電子が衝撃することによりＸ線を放射する。言い換えると、ターゲット層３２には、電子が衝撃することによりＸ線を放射する焦点Ｆが形成される。

ターゲット層３２は、ターゲット本体３１の熱膨張率と異なる熱膨張率を持っている。ターゲット本体３１は、高熱伝導性金属として、銅（Ｃｕ）や、その合金などの金属で形成されている。ターゲット層３２は、ターゲット本体３１に利用する材料より融点の高い金属として、タングステン（Ｗ）や、その合金などの金属で形成されている。本実施形態において、ターゲット本体３１は銅で形成され、ターゲット層３２はタングステンで形成されている。

陽極延出部３３は、円柱状に形成され、ターゲット本体３１に物理的に接続され、ターゲット本体３１を固定している。陽極延出部３３は、真空外囲器４に気密に取り付けられ、真空外囲器４の内側と外側の両方に位置している。ターゲット層３２への電子の衝撃によりターゲット層３２に発生する熱は、ターゲット本体３１及び陽極延出部３３を介してＸ線管１の外側に放出される。

真空外囲器４は、陰極２、ターゲット本体３１、及びターゲット層３２などを収容している。真空外囲器４の内部空間は、減圧され、真空状態となっている。真空外囲器４の少なくとも一部は、ターゲット層３２から放射されるＸ線を透過する材料で形成されている。例えば、真空外囲器４は、硼珪素ガラスを利用して形成されＸ線透過性を有するガラス容器と、コバールを利用して形成された金属容器とを有している。

Ｘ線管１の外側の電源ユニットから出力される電圧及び電流は、単個のピンアセンブリ１５を含む２個のピンアセンブリに与えられ、ひいてはフィラメント２ｆに与えられる。これにより、フィラメント２ｆは電子を放出する。上記電源ユニットは陰極２及び陽極ターゲット３にも所定の電圧を与える。本実施形態において、陰極２には負の高電圧が印加され、陽極ターゲット３には正の高電圧が印加される。陽極ターゲット３及び陰極２間にＸ線管電圧が加えられるため、フィラメントから放出された電子は、加速され、電子ビームとしてターゲット層３２に入射される。すなわち、陰極２からターゲット層３２にＸ線管電流が流れる。陰極電位となる集束電極２ｅは、フィラメント２ｆから陽極ターゲット３に向かう電子ビーム（電子）を集束させることができる。

ターゲット層３２は電子ビームが入射されることによりＸ線を放射し、Ｘ線は真空外囲器４を透過しＸ線管１の外側に放出される。

次に、（１）実施例１に係る陽極ターゲット３、（２）実施例２に係る陽極ターゲット３、（３）比較例に係る陽極ターゲット３、（４）各種の陽極ターゲット３に作用する応力比、及び（５）実施例３に係る陽極ターゲット３について説明する。

(実施例１)
まず、実施例１に係る陽極ターゲット３について説明する。図２は、本実施例１に係る陽極ターゲット３の一部を示す拡大断面図である。図３は、本実施例１の陽極ターゲット３をターゲット層３２の上方からみた平面図である。

図２及び図３に示すように、ターゲット本体３１に形成された溝３４は、底面３４ｂと、内周面３４ｉとを有している。実施例１において、底面３４ｂは、真円の形状を有し、前面３１ｆに平行な平面である。溝３４の開口３４ｏは、前面３１ｆと同一平面上に位置し、真円の形状を有している。開口３４ｏの内径は、底面３４ｂの直径より大きい。内周面３４ｉは、開口３４ｏから底面３４ｂに向かう全域にわたり、溝３４の深さ方向ｄに平行ではない。なお、深さ方向ｄは、前面３１ｆに垂直である。内周面３４ｉは、開口３４ｏから底面３４ｂに向かう全域のうち少なくとも一部の領域に曲面を持っている。

ターゲット層３２は、円盤の形状を有している。ターゲット層３２は、焦点Ｆが形成される表面３２ｆと、裏面３２ｂと、側面３２ｓと、を有している。裏面３２ｂは溝３４の底面３４ｂに接合され、側面３２ｓは溝３４の内周面３４ｉに接合されている。側面３２ｓは、表面３２ｆから裏面３２ｂに向かう全域にわたり、ターゲット層３２の厚み方向（深さ方向ｄ）に平行ではない。側面３２ｓは、表面３２ｆから裏面３２ｂに向かう全域のうち少なくとも一部の領域に曲面を持っている。

そして、ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面は、少なくとも一部に曲面を持っている。

図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った陽極ターゲット３を示す断面図である。なお、図４には、深さ方向ｄに溝３４及びターゲット層３２を通る断面を示している。

図４に示すように、内周面３４ｉは、少なくとも底面３４ｂ側に曲面形状を持つ第１面Ｓ３４ｉを有している。第１面Ｓ３４ｉは、内周面３４ｉの全周にわたって設けられ、底面３４ｂから連続的に延在している。本実施例１では、第１面Ｓ３４ｉ全体が開口３４ｏから底面３４ｂに向かって曲面形状を有しているため、内周面３４ｉ全体が第１面Ｓ３４ｉである。

側面３２ｓは、少なくとも一部に第２面Ｓ３２ｓを有している。第２面Ｓ３２ｓは、第１面Ｓ３４ｉと対向し、第１面Ｓ３４ｉに沿った曲面形状を持っている。第２面Ｓ３２ｓは、側面３２ｓの全周にわたって設けられ、裏面３２ｂから連続的に延在している。本実施例１では、第２面Ｓ３２ｓ全体が表面３２ｆから裏面３２ｂに向かって曲面形状を有しているため、側面３２ｓ全体が第２面Ｓ３２ｓである。

そして、第１面Ｓ３４ｉと第２面Ｓ３２ｓとの接合面は、曲面を持っている。

図５は、図４に示した陽極ターゲット３の分解図である。なお、図５においても、深さ方向ｄに溝３４及びターゲット層３２を通る断面を示している。

図５に示すように、溝３４の内周面３４ｉのうち、開口３４ｏ側の端Ｅ１と底面３４ｂ側の端Ｅ２とを結ぶ仮想の直線を第１直線Ｌ１とする。側面３２ｓのうち、表面３２ｆ側の端Ｅ３と裏面３２ｂ側の端Ｅ４とを結ぶ仮想の直線を第２直線Ｌ２とする。すると、第１面Ｓ３４ｉは、第１直線Ｌ１に対して溝の開口３４ｏの中央ＣＥの反対側に位置している。第２面Ｓ３２ｓは、第２直線Ｌ２に対して表面３２ｆの反対側に位置している。

(実施例２)
次に、実施例２に係る陽極ターゲット３について説明する。図６は、本実施例２に係る陽極ターゲット３を示す拡大断面図である。

図６に示すように、実施例２では、溝３４及びターゲット層３２のそれぞれの形状に関して、上記実施例１と相違している。内周面３４ｉは、開口３４ｏから底面３４ｂに向かって曲面形状を有しておらず、上記第１直線Ｌ１に沿って直線状に延在している。側面３２ｓは、表面３２ｆから裏面３２ｂに向かって曲面形状を有しておらず、上記第２直線Ｌ２に沿って直線状に延在している。なお、言うまでもないが、内周面３４ｉ及び側面３２ｓは、それぞれ深さ方向ｄに平行ではない。

ここで、底面３４ｂと裏面３２ｂとの接合面を第１接合面Ｓ１とする。内周面３４ｉと側面３２ｓとの接合面を第２接合面Ｓ２とする。第１接合面Ｓ１と第２接合面Ｓ２との間の角度θは、鈍角である（９０°＜θ＜１８０°）。実施例２において、θ＝１４０°である。

図７は、図６の陽極ターゲット３を拡大して示す断面図である。

図７に示すように、実施例２において、溝３４及びターゲット層３２は、それぞれ真円錐台の形状を有している。溝３４の内径Ｄ１は、溝３４の開口３４ｏ側より底面３４ｂ側の方が小さい。言い換えると、開口３４ｏの面積より底面３４ｂの面積の方が小さい。ターゲット層３２の外径Ｄ２は、表面３２ｆ側より裏面３２ｂ側の方が小さい。言い換えると、表面３２ｆの面積より裏面３２ｂの面積の方が小さい。

なお、溝３４及びターゲット層３２の形状は、それぞれ真円錐台に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、溝３４及びターゲット層３２の形状は、楕円錐台などの他の円錐台であってもよく、また、四角錐台などの多角錐台であってもよい。

(比較例)
次に、比較例に係る陽極ターゲット３について説明する。図８は、比較例に係る陽極ターゲット３を示す拡大断面図である。

図８に示すように、比較例では、溝３４及びターゲット層３２のそれぞれの形状に関して、上記実施例１及び実施例２と相違している。溝３４及びターゲット層３２のそれぞれの形状は、円柱状である。内周面３４ｉ及び側面３２ｓは、それぞれ深さ方向ｄに平行に延在している。

(応力比)
次に、上記実施例１、実施例２、及び比較例のそれぞれの陽極ターゲット３に作用する応力（熱応力）の比について説明する。図９は、上記実施例１、実施例２、及び比較例のそれぞれの陽極ターゲット３に作用する応力の比を棒グラフで示す図である。

図９に示すように、グラフｇ１は、比較例の陽極ターゲット３において、底面３４ｂ及び裏面３２ｂの近傍における内周面３４ｉと側面３２ｓとの境界Ｂに作用する応力を表している。グラフｇ２は、実施例２の陽極ターゲット３において、上記境界Ｂに作用する応力を表している。グラフｇ３は、実施例１の陽極ターゲット３において、上記境界Ｂに作用する応力を表している。

それらのグラフｇ１，ｇ２，ｇ３を導出する際、各々のターゲット層３２に入力される熱量を同一とするなど、同一の条件の下でシミュレーションを行った。また、グラフｇ１，ｇ２，ｇ３の応力比は規格化されており、比較例の応力比を１としている。実施例２の応力比は実質０．７となり、実施例１の応力比は実質０．４となった。

図９から分かるように、溝３４及びターゲット層３２の形状をそれぞれ円錐台にすることにより、境界Ｂに加わる応力が、比較例の実質７０％に緩和される。また、ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面に曲面を持たせることにより、境界Ｂに加わる応力が、比較例の実質４０％に緩和される。

(実施例３)
次に、実施例３に係る陽極ターゲット３について説明する。図１０は、本実施例３に係る陽極ターゲット３を示す拡大断面図である。

図１０に示すように、溝３４及びターゲット層３２は、それぞれ円錐台の形状を有している。但し、実施例３では、溝３４の内径Ｄ１は、開口３４ｏ側より底面３４ｂ側の方が大きい。また、ターゲット層３２の外径Ｄ２は、表面３２ｆ側より裏面３２ｂ側の方が大きい。なお、実施例３のターゲット層３２は、例えば、溶射により、溝３４に直に形成され得る。

上記のように構成された上記実施形態に係るＸ線管１によれば、Ｘ線管１は、ターゲット本体３１とターゲット層３２とを具備する陽極ターゲット３を備えている。実施例１では、ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面は、曲面を持っている。実施例２では、ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面において、角度θは鈍角である。境界Ｂに加わる応力を緩和することができるため、ターゲット層３２に熱入力があっても、ターゲット層３２の変形を抑制することができる。また、ターゲット本体３１とターゲット層３２との接合面でのひずみの発生を抑制することができるため、ターゲット本体３１からターゲット層３２を剥離し難くすることができる。

実施例３では、ターゲット本体３１の内周面３４ｉは、ターゲット層３２の側面３２ｓを押さえ付けている。上記のことから、実施例３のターゲット層３２に熱入力があっても、ターゲット層３２の変形を抑制することができ、ターゲット本体３１からターゲット層３２を剥離し難くすることができる。

実施例１乃至３のターゲット層３２の何れにおいても、ターゲット層３２からターゲット本体３１への熱伝達パスの低下を抑制することができるため、ターゲット層３２に発生する熱をターゲット本体３１へ良好に伝達することができる。そして、Ｘ線管１は、ターゲット層３２を押さえ付ける陽極フードなどの第３の部材を利用すること無しに、ターゲット層３２の変形などを抑制することができる。

以上のことから、製品寿命の長期化を図ることが可能な固定陽極型のＸ線管１を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、上記の実施形態は、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。上記新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、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…Ｘ線管、２…陰極、３…陽極ターゲット、４…真空外囲器、
３１…ターゲット本体、３４…溝、３４ｂ…底面、３４ｉ…内周面、３４ｏ…開口、
Ｓ３４ｉ…第１面、３２…ターゲット層、３２ｆ…表面、３２ｂ…裏面、
３２ｓ…側面、Ｓ３２ｓ…第２面、Ｆ…焦点、Ｓ１…第１接合面、Ｓ２…第２接合面、
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４…端、Ｌ１…第１直線、Ｌ２…第２直線、θ…角度、ｄ…方向。

Claims (6)

1. 底面と内周面とを含む溝を有するターゲット本体と、
   前記ターゲット本体の熱膨張率と異なる熱膨張率を持ち、前記溝に設けられ、前記ターゲット本体に接合され、Ｘ線を放射する焦点が形成される表面と、前記底面に接合される裏面と、前記内周面に接合される側面と、を有するターゲット層と、
   を具備する陽極ターゲットを備え、
   前記ターゲット本体と前記ターゲット層との接合面は、曲面を持つ、
   固定陽極型Ｘ線管。
2. 前記内周面は、少なくとも前記底面側に曲面形状を持つ第１面を有し、
   前記側面は、前記第１面と対向し前記第１面に沿った曲面形状を持つ第２面を有し、
   前記第１面と前記第２面との接合面は、曲面を持つ、
   請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
3. 前記第１面は、前記内周面の全周にわたって設けられ、
   前記第２面は、前記側面の全周にわたって設けられている、
   請求項２に記載の固定陽極型Ｘ線管。
4. 前記溝の深さ方向に前記溝及び前記ターゲット層を通る断面において、前記第１面は第１直線に対して前記溝の開口の反対側に位置し、前記第２面は第２直線に対して前記表面の反対側に位置し、
   前記第１直線は、前記内周面のうち前記開口側の端と前記底面側の端とを結ぶ直線であり、
   前記第２直線は、前記側面のうち前記表面側の端と前記裏面側の端とを結ぶ直線である、
   請求項２に記載の固定陽極型Ｘ線管。
5. 底面と内周面とを含む溝を有するターゲット本体と、
   前記ターゲット本体の熱膨張率と異なる熱膨張率を持ち、前記溝に設けられ、前記ターゲット本体に接合され、Ｘ線を放射する焦点が形成される表面と、前記底面に接合される裏面と、前記内周面に接合される側面と、を有するターゲット層と、
   を具備する陽極ターゲットを備え、
   前記底面と前記裏面との第１接合面と、前記内周面と前記側面との第２接合面との間の角度は、鈍角である、
   固定陽極型Ｘ線管。
6. 前記溝及び前記ターゲット層は、それぞれ円錐台の形状を有し、
   前記溝の内径は、前記溝の開口側より前記底面側の方が小さく、
   前記ターゲット層の外径は、前記表面側より前記裏面側の方が小さい、
   請求項５に記載の固定陽極型Ｘ線管。

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