JP7305666B2 - TARGET FOR ROTATING ANODE X-RAY TUBE, X-RAY TUBE, AND X-RAY INSPECTION DEVICE - Google Patents
TARGET FOR ROTATING ANODE X-RAY TUBE, X-RAY TUBE, AND X-RAY INSPECTION DEVICE Download PDFInfo
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Description
実施形態は、概ね、回転陽極Ｘ線管用ターゲット、Ｘ線管、およびＸ線検査装置に関する。 Embodiments relate generally to rotating anode x-ray tube targets, x-ray tubes, and x-ray inspection apparatus.
Ｘ線を使ったＸ線検査装置は、医療用Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置、検査用Ｘ線ＣＴ装置、Ｘ線回折（ＸＲＤ）装置などがある。Ｘ線検査装置は、Ｘ線管から発生したＸ線を使って測定する。Ｘ線管は、回転陽極Ｘ線管用ターゲットを備える。以後、回転陽極Ｘ線管用ターゲットを単に「Ｘ線管用ターゲット」または「ターゲット」と記載する。 X-ray inspection apparatuses using X-rays include medical X-ray computed tomography (CT) apparatuses, inspection X-ray CT apparatuses, X-ray diffraction (XRD) apparatuses, and the like. An X-ray inspection device uses X-rays generated from an X-ray tube to make measurements. The X-ray tube comprises a rotating anode X-ray tube target. Hereinafter, the rotating anode X-ray tube target will be simply referred to as "X-ray tube target" or "target".
Ｘ線管用ターゲットは、真空管の中に配置され、電子銃から出た電子線を受けてＸ線を発生させる。Ｘ線を発生させる際に、Ｘ線管用ターゲットは１０００～２０００℃程度の高温になる。そこで、耐熱性を向上させるために、ターゲット本体をモリブデン合金で構成する例が知られている。 The X-ray tube target is placed in the vacuum tube and receives electron beams emitted from the electron gun to generate X-rays. When generating X-rays, the temperature of the X-ray tube target reaches a high temperature of about 1000 to 2000.degree. Therefore, in order to improve heat resistance, an example is known in which the target body is made of a molybdenum alloy.
Ｘ線検査装置は、測定時はＸ線管用ターゲットに電子線を照射し、非測定時は電子線の照射を停止する。例えば、医療用Ｘ線ＣＴ装置の場合、診察時は電子銃がオン、診察が終わると電子銃がオフとなる。次の診察のためには、Ｘ線管用ターゲットを一定温度まで冷却する必要がある。Ｘ線管用ターゲットは真空管の中に配置されているため、輻射熱で冷却される。モリブデン合金で構成されるターゲット本体を備えるＸ線管用ターゲットは耐熱性が向上するが、放熱性という観点では不十分な場合がある。また、Ｘ線管用ターゲットの他の例として、Ｘ線管用ターゲットの裏面に金属酸化物膜を設ける例が知られている。 An X-ray inspection apparatus irradiates an X-ray tube target with an electron beam during measurement, and stops the electron beam irradiation during non-measurement. For example, in the case of a medical X-ray CT apparatus, the electron gun is turned on during examination, and turned off after examination. The X-ray tube target must be cooled to a certain temperature for the next examination. Since the X-ray tube target is placed inside the vacuum tube, it is cooled by radiant heat. An X-ray tube target having a target body made of a molybdenum alloy has improved heat resistance, but may be insufficient in terms of heat dissipation. As another example of the X-ray tube target, an example in which a metal oxide film is provided on the rear surface of the X-ray tube target is known.
金属酸化物膜により、一定の冷却効果を得ることができる。また、グラファイト基材を用いることによりＸ線管用ターゲットを軽量化できるが、それ以上の冷却効果は得られない。Ｘ線管用ターゲットのＸ線変換効率は１％前後といわれている。つまり、９９％は熱に変換される。Ｘ線管用ターゲットが一定温度まで下がらないと、高温になりすぎてＸ線管用ターゲットが溶融する可能性がある。また、Ｘ線検査装置では、次の測定のためにＸ線管用ターゲットの温度を一定の温度まで下げる必要がある。Ｘ線管用ターゲットの冷却を速くすることにより、次の測定を早く行うことができる。このため、Ｘ線管用ターゲットの放熱性を改善する必要がある。 A certain cooling effect can be obtained by the metal oxide film. Further, although the weight of the X-ray tube target can be reduced by using a graphite base material, no further cooling effect can be obtained. The X-ray conversion efficiency of targets for X-ray tubes is said to be around 1%. 99% is converted to heat. If the X-ray tube target does not cool down to a certain temperature, the temperature may become too high and the X-ray tube target may melt. Also, in the X-ray inspection apparatus, it is necessary to lower the temperature of the X-ray tube target to a certain temperature for the next measurement. By speeding up the cooling of the X-ray tube target, the next measurement can be performed quickly. For this reason, it is necessary to improve the heat dissipation properties of targets for X-ray tubes.
実施形態の回転陽極Ｘ線管用ターゲットは、第１の材料からなり、電子を受けてＸ線を発する第１の表面を有する第１の部分と、第１の材料と異なる第２の材料からなり、第１の表面と異なる第２の表面を有する第２の部分と、第２の表面に接合して設けられ、金属材料を含むフィンと、を具備する。第２の表面と前記フィンとの接合界面は、凹凸形状を有する。 A rotating anode X-ray tube target of an embodiment is made of a first material, and is made of a first portion having a first surface that receives electrons and emits X-rays, and a second material that is different from the first material. , a second portion having a second surface different from the first surface; and a fin provided in contact with the second surface and comprising a metallic material . A bonding interface between the second surface and the fin has an uneven shape.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. It should be noted that the drawings are schematic and, for example, the relationship between thickness and planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like may differ from the actual ones. Also, in the embodiments, substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図１は、Ｘ線管用ターゲットの一例を示す図である。図１は、Ｘ線管用ターゲット１と、第１の部分２と、第２の部分３と、フィン４と、シャフト５と、を示す。
FIG. 1 is a diagram showing an example of an X-ray tube target. FIG. 1 shows an
第１の部分２は、照射される電子を受けてＸ線を発する表面２ａを有する。第１の部分は、第１の材料からなる。第１の材料は例えばタングステン（Ｗ）を含むタングステン系材料を有する。タングステン系材料は、例えばレニウム（Ｒｅ）を含有するタングステン合金であることが好ましい。電子照射面（表面２ａ）を有する第１の部分２が受ける電子衝撃は非常に高エネルギーである。このため、高温強度が高いＲｅ－Ｗ合金を第１の部分２に用いることが好ましい。Ｒｅ－Ｗ合金は、例えばレニウムの含有量が１質量％以上３０質量％以下であって残部がタングステンからなることが好ましい。レニウムの含有量が１質量％未満ではレニウム添加の効果が小さい。３０質量％を超えると、それ以上の効果が得られず、タングステンの含有量が相対的に減るためＸ線の発生量が低下する可能性がある。
The
第２の部分３は、円盤形状を有する。円盤形状の第２の部分３は、上面（表面）である表面３ａと、下面（裏面）である表面３ｂと、傾斜側面である表面３ｃと、を有する。表面３ｃに沿って第１の部分２が設けられる。円盤形状の第２の部分３の直径は５０ｍｍ以上が好ましい。第２の部分３の直径とは、表面３ｂの最大径である。第２の部分３の直径が５０ｍｍ未満の場合、フィン４を設ける効果が小さい。このため、第２の部分３の直径は５０ｍｍ以上、さらには７０ｍｍ以上であることが好ましい。なお、第２の部分３の直径の上限は特に限定されないが、３００ｍｍ以下が好ましい。直径が３００ｍｍを超えると、フィン４を対称に配置することが困難となる可能性がある。
The
第２の部分３は、第１の材料と異なる第２の材料からなる。第１の材料と異なる材料とは、第１の材料と組成が異なる材料を示す。第２の材料は例えばモリブデンを含むモリブデン系材料を有する。モリブデン系材料は、例えばモリブデンまたはモリブデン合金であることが好ましい。モリブデンは、比重１０．２２ｇ／ｃｍ３、融点２６２０℃である。これに対し、タングステンは、比重１９．３ｇ／ｃｍ３、融点３４００℃である。モリブデンとタングステンは、高融点であることから、高温強度が高い。一方、モリブデンはタングステンよりも比重が小さい。Ｘ線管用ターゲット１は、高速回転しながら使用される。よって、Ｘ線管用ターゲット１の本体部分である第２の部分３をモリブデン系材料で構成することにより、軽量化を図ることができる。これにより、高速回転させるための回転駆動の負荷を減らすことができる。The
フィン４は、第２の部分３の裏面（表面３ｂ）側に設けることが好ましい。これにより冷却効率を向上させることができる。表面３ｃは表面２ａに電子が照射されることにより発熱する。発生した熱は第２の部分３を通って、フィン４に伝わっていく。よって、表面３ｂにフィン４を設けることにより、熱が伝わる方向を制御することができる。これに限定されず、フィン４は、第１の部分２が設けられていない場所に設けられていればよい。
The
Ｘ線管用ターゲット１はシャフト５と接合される。シャフト５は、第２の部分３に接合される。また、シャフト５は予め第２の部分３と一体的に形成されてもよい。シャフト５はＸ線管用ターゲット１を回転駆動させるために使われる。このため、フィン４とは区別される。
The
本実施形態のＸ線管用ターゲット１では、フィン４を設けることにより、冷却効率を向上させることができる。Ｘ線管用ターゲット１は真空管の中に配置される。このため、輻射熱で冷却される。輻射熱とは、固体表面から電磁波の形で伝わる熱である。輻射熱は、周囲の気体（空気など）の影響に関係なく伝わる熱である。輻射熱による冷却効率を向上させるためには、固体の表面積を向上させることが有効である。フィン４を設けることにより、表面積を大きくすることができる。
In the
フィン４の形状としては、突起状、帯状など様々な形状が適用できる。図２ないし図８は、フィン４の形状の例を示す。図２ないし図５、および図８はフィン４を側面から見た模式図である。図６および図７はフィンを上（第２の部分３の表面３ｂ側）から見た模式図である。図２ないし図８に示すフィン４の形状は、一例であり、フィン４の形状や個数は図２ないし図８に限定されない。
As for the shape of the
図２は三角形状の断面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。三角形状の断面形状は、例えば円錐状、多角錐状の断面形状を含む。円錐は真円であってもよし、楕円であってもよい。輪郭がゆがんだ円形であってもよい。フィン４の先端は鋭角であってもよし、丸まっていてもよい。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the
フィン４の直径ｄは、第２の部分３に接する部分の最大径である。フィン４の高さｔは、フィン４の根元（第２の部分３との接触部）からの最大高さである。隣り合うフィン４の頂点間隔ｐは、最も近いフィン４の頂点同士の間隔（ピッチ）である。フィン４の直径ｄは１ｍｍ以上が好ましい。フィン４の高さｔは１０μｍ以上が好ましい。隣り合うフィン４の頂点間隔ｐは１ｍｍ以上であることが好ましい。複数のフィン４を設ける場合、直径ｄ、高さｔ、間隔ｐは全て同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。上記好ましい範囲を満たしていれば冷却効率を向上させることができる。隣り合うフィン４同士は隙間があってもよいし、連続した形状であってもよい。
A diameter d of the
三角形状の断面形状は、第２の部分３側の角度θが４５度以上８５度以下の範囲内であることが好ましい。第２の部分３側の角度とは、フィン４の根元の角度であり、例えば表面３ｂとフィン４の断面形状とがなす角度である。所定の角度を設けることにより、フィン４の表面積を大きくすることができる。三角形状の断面形状の先端が鋭角であるほど表面積を大きくすることができる。このため、第２の部分３側の角度θは４５度以上８５度以下、さらには６０度以上８５度以下の範囲内が好ましい。この範囲であると一つのフィン４からの輻射熱を隣の他の一つのフィン４に伝達し難くなる。
The triangular cross-sectional shape preferably has an angle θ of 45 degrees or more and 85 degrees or less on the side of the
図３は砲弾状の断面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。砲弾状の断面形状とは、フィン４の先端が三角形状でない形状である。砲弾状の断面形状は、例えば台形状を含む四角形状の断面形状、楕円の半円状を含む半円状の断面形状も含む。フィン４の直径ｄ、高さｔ、間隔ｐの好ましい範囲は三角形状の断面形状の場合と同じである。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the
図４は波状の断面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。波状の断面形状とは、例えば連続的な凹凸部を有する形状である。凹凸部の凸部または凹部の形状は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。図４に示す波状の断面形状の場合、間隔ｐが同じ範囲であることが好ましい。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a
図５は階段状の断面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。階段状の断面形状とは、断面に設けられた凸部が段差を有する構造である。図５は階段状の段差を示すが、これに限定されず、傾斜した段差であってもよい。段差の形状はフィン４毎に同じであってもよいし、異なっていてもよい。段差を設けることにより、一つのフィン４の表面積を大きくすることができる。フィン４の直径ｄ、高さｔ、間隔ｐの好ましい範囲は三角形状の断面形状の場合と同じである。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a
図６はリング状の平面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。フィン４の最小幅ｄはフィン４の外径から内径を引いた値となる。図６は円形リング状の平面形状を示すが、扇形状の平面形状を有するフィン４を複数並べてリング状の平面形状を形成してもよい。扇形状のフィン４を並べる場合、隙間を空けて並べてもよい。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the
図７は放射状に並べられた複数のフィン４の例を示す模式図である。放射状とは、細長いフィン４を複数並べた形状である。細長いフィン４とは、多角形状の断面形状、半円状の断面形状など様々な断面形状を有するフィンが挙げられる。フィン４は、例えば表面３ｂの内側から外側に向けて長手方向が向いていることが好ましい。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a plurality of
図８は、溝を含む断面形状を有するフィン４の例を示す模式図である。図８に示す溝は、Ｖ字溝を含む断面形状を有するフィン４であり、三角形状の凹部である。溝は、Ｖ字溝に限らず、例えばＵ字溝、四角形溝も含む。溝を有する断面形状は、例えば第２の部分３の裏面（表面３ｂ）を切削加工して形成されることが好ましい。表面３ｂに複数の溝を設ける場合、複数の溝は表面３ｂの一端から他端まで連続していてもよく、また部分的に設けられてもよい。溝からなるフィン４の場合、フィン４の高さは凹部の深さになる。フィン４の最小幅は凹部の最大幅である。例えば、表面３ｂにＶ字溝を形成すると、Ｖ字溝の入口が凹部の最大幅となる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a
フィン４の高さは１０μｍ以上であることが好ましい。フィン４の高さが１０μｍ未満であると、冷却効果が不足する可能性がある。フィン４の高さの上限は特に限定されないが、２０ｍｍ以下が好ましい。表面積を大きくするためには、フィン４は高い方がよい。その一方で、フィン４が大きくなりすぎるとＸ線管用ターゲット１が重くなり回転時の負荷が大きくなってしまう。Ｘ線管用ターゲット１のサイズが大きくなると真空管の中に入らなくなる可能性がある。このため、フィン４の高さは１０μｍ以上２０ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。
The height of the
フィン４の直径または最小幅は１ｍｍ以上であることが好ましい。フィン４の直径とは、例えば突起状のフィン４を上（例えば表面３ｂ側）から見たときの最大幅である。円錐状の断面形状を有するフィン４の直径は、フィン４の根元の直径である。フィン４の最小幅とは、例えば帯状のフィン４を上（例えば表面３ｂ側）から見たときの最小幅である。例えば、リング状のフィン４の最小幅はフィン４の外径と内径の差である。フィン４の直径または最小幅を１ｍｍ以上にすることにより、フィン４の表面積を大きくできる。１ｍｍ未満であると、表面積が小さくなる可能性がある。フィン４の直径または最小幅は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。１０ｍｍを超えると、複数のフィン４を設けるスペースを確保することが困難となる可能性がある。Ｘ線管用ターゲット１は、複数のフィン４を具備することが好ましい。複数のフィン４を設ける場合、隣り合うフィン４の頂点間隔（ピッチ）が１ｍｍ以上であることが好ましい。ピッチが狭すぎると、フィン４からの輻射熱が隣のフィン４に伝達してしまい冷却効果が低下する可能性がある。
The diameter or minimum width of the
フィン４を表面３ｂに設ける場合、三角形状の断面形状を有するフィン４が最も放熱効果が高い。三角形状の断面形状は、表面積を大きくできるため、輻射熱による冷却効果が向上する。また、断面形状の表面３ｂ側の角度を調整することにより、一つのフィン４の輻射熱が隣の他の一つのフィン４に伝わることを防ぐことができる。
When the
強度の観点からすると、複数のフィン４を放射状に設けることが好ましい。Ｘ線管用ターゲット１は高速に回転する。放射状に設けられる細長いフィン４は、接合面積を増やすことができるため、遠心力によるフィン４の剥離を抑制できる。細長いフィン４の最小幅（長さ）は、１５ｍｍ以下が好ましい。これにより、複数のフィン４を均一に配置しやすく、高速回転時の遠心力を一定に保ちやすい。
From the viewpoint of strength, it is preferable to provide a plurality of
フィン４は、金属材料およびセラミックス材料からなる群より選ばれる少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。フィン４は、例えば金属材料からなることが好ましい。金属材料は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分として含むことが好ましい。主成分とは構成元素のうち最も多く含む元素であり、主成分の元素は、例えば全体の５０原子％以上含まれる。タングステンの融点は３４００℃であり、モリブデンの融点は２６２０℃であり、レニウムの融点は３１８０℃であり、ニオブの融点は２４７０℃であり、タンタルの融点は２９９０℃であり、クロムの融点は１８６０℃であり、バナジウムの融点は１８９０℃である。これらの金属は高融点材料であることから、Ｘ線管用ターゲットの使用温度に耐えることができる。セラミックス材料は、例えば酸化物、窒化物、酸窒化物を含む。
The
第２の部分３とフィン４は主成分が同じ材料であることが好ましい。例えば、第２の部分３がモリブデン合金である場合、フィン４はモリブデンを主成分とすることが好ましい。同じ材料であると、表面３ｂを加工してフィン４を設けることも可能である。予め形成したフィン４を接合するときに、同じ材料であると接合しやすくなる。第２の部分３とフィン４の主成分を同じ材料にすることにより、熱膨張率の差を抑制できるため、接合部分の耐久性が向上する。
The
Ｘ線管用ターゲットの例として、円盤（第２の部分３）にグラファイト基材を接合したＸ線管用ターゲットが知られている。グラファイト基材はもろい材料である。そのため、表面がこすれると粉が発生しやすい材料である。Ｘ線管を構成する真空管の中で、粉が発生するとＸ線管の故障の原因となる。また、グラファイト基材は金属と比べて蓄熱効果は高い。このため、グラファイト基材を接合したＸ線管用ターゲットは、軽量化はできるが、必ずしも放熱性が良いものではない。また、前述のように取扱性は難しい。 As an example of an X-ray tube target, an X-ray tube target in which a disk (second portion 3) is joined to a graphite base material is known. Graphite substrates are brittle materials. Therefore, it is a material that easily generates powder when the surface is rubbed. If powder is generated in the vacuum tube that constitutes the X-ray tube, it will cause failure of the X-ray tube. In addition, the graphite base material has a higher heat storage effect than metal. Therefore, an X-ray tube target to which a graphite base material is bonded can be made lighter, but does not necessarily have good heat dissipation. In addition, as mentioned above, handling is difficult.
フィン４は多孔質体であってもよい。多孔質体にすることにより、フィン４の表面積を大きくすることができる。多孔質体である場合、空隙率は５体積％以上５０体積％以下の範囲内であることが好ましい。空隙率が５体積％未満であると、空隙を設ける効果が小さい。空隙率が５０体積％を超えるとフィン４自体の耐久性が低下する可能性がある。このため、多孔質体を用いる場合、空隙率は５体積％以上５０体積％以下、さらには１０体積％以上３０体積％以下が好ましい。空隙率は、アルキメデス法で測定することができる。
The
フィン４の占有面積は、表面３ｂの３０％以上、さらには３０％以上９０％以下が好ましい。フィン４は前述のとおり表面３ｂに設けることが好ましい。表面３ｂの面積を１００％としたとき、フィン４の領域が占める面積の比率をフィン４の占有面積とする。複数のフィン４を設けた場合は、その合計の面積とする。フィン４の占有面積が３０％未満であると冷却効果が小さくなる可能性がある。フィン４の占有面積が９０％を超えると、シャフト５を取り付ける際にぶつかって破損する可能性がある。このため、フィン４の占有面積は表面３ｂの３０％以上９０％以下、さらには４０％以上７０％以下が好ましい。フィン４の占有面積１００％のときは表面３ｂ全体が凹凸形状を有する。
The area occupied by the
表面３ｂに複数のフィン４を設ける場合、フィン４は対称に配置されることが好ましい。対称に配置とは、表面３ｂを４等分したとき、向かい合う領域に存在するフィン４の形状および占有面積のずれが±２０％の範囲内である配置状態を示す。占有面積のずれは±１０％以内であることがより好ましい。Ｘ線管用ターゲット１は高速回転する部材である。対称配置により、高速回転時にＸ線管用ターゲット１がずれて動くことを抑制できる。
When providing a plurality of
第２の部分３とフィン４の接合界面は、少なくとも一部に凹凸形状を有することが好ましい。接合界面に凹凸形状を形成することにより、第２の部分３とフィン４とのアンカー効果が生じるため接合強度を向上できる。凹凸形状の深さは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。凹凸形状の深さは、凸部の上端と凹部の下端との間隔である。０．１ｍｍ以上の深さを有する凹凸形状を形成することにより接合強度を２００ＭＰａ以上にすることができる。接合強度が向上すると、Ｘ線管用ターゲット１が高速回転したとしても、フィン４が外れるといった不具合を抑制することができる。
At least a part of the joint interface between the
凹凸形状の深さの上限は特に限定されないが、１ｍｍ以下が好ましい。１ｍｍを超えると、深さが大きすぎて接合界面に隙間が生じる可能性がある。このため、凹凸形状の深さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、さらには０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好ましい。この範囲であれば、接合強度を２００ＭＰａ以上、さらには４００ＭＰａ以上にすることができる。 Although the upper limit of the depth of the uneven shape is not particularly limited, it is preferably 1 mm or less. If it exceeds 1 mm, the depth is too large and a gap may occur at the bonding interface. Therefore, the depth of the uneven shape is preferably 0.1 mm or more and 1 mm or less, more preferably 0.2 mm or more and 0.5 mm or less. Within this range, the bonding strength can be 200 MPa or more, further 400 MPa or more.
凹凸形状は、後述するような３Ｄプリンタを用いた成形技術（３Ｄプリンティング）を用いて形成することが好適である。３Ｄプリンティングは、レーザまたは電子ビームを照射しながら金属粉末を堆積していく方法である。第２の部分３にレーザまたは電子ビームを照射すると、凹部が形成される。この凹部を利用することで接合界面に凹凸形状を形成することができる。
The uneven shape is preferably formed using a molding technique (3D printing) using a 3D printer as described later. 3D printing is a method of depositing metal powder while irradiating a laser or electron beam. A recess is formed by irradiating the
レーザまたは電子ビームのスポット径とフィン４の直径または最小幅を調整することにより、接合界面に凹凸形状を形成することができる。具体的には、フィン４の直径または最小幅よりも、レーザまたは電子ビームのスポット径を小さくすればよい。
By adjusting the spot diameter of the laser beam or the electron beam and the diameter or minimum width of the
凹凸形状は、断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）またはレーザ顕微鏡で観察できる。第２の部分３とフィン４が異なる材料である場合は、材料の分布状態で接合界面の凹凸を測定してもよい。
The uneven shape can be observed with a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) or a laser microscope. If the
第２の部分３は圧延や鍛造を用いて製造される。このため、第２の部分３は平均粒径が大きい結晶組織となる。３Ｄプリンティングは、レーザまたは電子ビームを照射しながら金属粉末を堆積していく方法であるため、平均粒径の小さな結晶構造となる。第２の部分３の結晶の平均粒径は１００μｍ以上４００μｍ以下が好ましい。３Ｄプリンティングにより造形されたフィン４の結晶の平均粒径は１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
The
第２の部分３の結晶の平均アスペクト比は１．５以下が好ましい。フィン４の結晶の平均アスペクト比は３．０以上であることが好ましい。前述のように、第２の部分３は圧延や鍛造を用いて製造される。この工程中に熱処理が施され、再結晶が起きる。再結晶すると結晶は粒成長して大きくなる。
The average aspect ratio of the crystals of the
３Ｄプリンティングはレーザまたは電子ビームを金属粉末に照射しながら堆積するため、大きな粒成長は起こらない。レーザ照射方向に沿って粒成長するため、平均アスペクト比が大きくなる。 Since 3D printing deposits metal powder while irradiating it with a laser or electron beam, large grain growth does not occur. Since the grains grow along the laser irradiation direction, the average aspect ratio increases.
接合界面は、断面のＳＥＭ観察またはレーザ顕微鏡にて測定可能である。第２の部分３とフィン４の接合界面を含む断面のＳＥＭ写真を撮影する。ＳＥＭ写真の倍率は５００倍以上１５００倍以下の範囲内とする。
The bonding interface can be measured by SEM observation of a cross section or by a laser microscope. An SEM photograph of a cross section including the bonding interface between the
第２の部分３は、接合界面を含む視野１０００μｍ×１０００μｍのＳＥＭ写真を用いて観察される。ＳＥＭ写真に写る結晶の最も長い対角線を長径とする。長径の中心から垂直に伸ばした長さを短径とする。（長径＋短径）／２＝粒径とする。この作業を１０粒以上行い、その平均値を平均粒径とする。長径／短径＝アスペクト比とする。同様に１０粒以上の平均値を平均アスペクト比とする。なお、長径および短径は輪郭が全て写っている結晶を使って測定する。
The
フィン４は、接合界面を含む視野２００μｍ×２００μｍのＳＥＭ写真を用いる。ＳＥＭ写真に写る結晶の最も長い対角線を長径とする。長径の中心から垂直に伸ばした長さを短径とする。（長径＋短径）／２＝粒径とする。この作業を１０粒以上行い、その平均値を平均粒径とする。長径／短径＝アスペクト比とする。同様に１０粒以上の平均値を平均アスペクト比とする。なお、長径および短径は輪郭が全て写っている結晶を使って測定される。
For the
凹凸形状の深さよりも、フィン４を構成する材料の平均粒径が小さい方が好ましい。フィン４を構成する材料の平均粒径を小さくすることにより、凹凸形状との密着性が高くなる。これにより、接合強度を４５０ＭＰａ以上とすることができる。フィン４を構成する材料の平均粒径は、凹凸形状の深さの１／２以下が好ましい。
It is preferable that the average grain size of the material forming the
以上のようなＸ線管用ターゲット１は、フィン４を設けているため、輻射効率を向上できる。このため、冷却速度（冷却効率）を向上させることができる。冷却効率をさらに向上させるために、第２の部分３の内部に空洞部を設けることも有効である。空洞部に冷却液や冷却ガスを通すことにより冷却効率をさらに高めることができる。
Since the
Ｘ線管用ターゲット１は、Ｘ線管およびＸ線検査装置に用いることが好ましい。図９はＸ線管の例を示す模式図である。図９は、Ｘ線管用ターゲット１と、シャフト５と、Ｘ線管１０と、回転駆動部１１と、電子銃１２と、真空管１３と、筐体１４と、を示す。
The
Ｘ線管用ターゲット１はシャフト５を介して回転駆動部１１に接続されている。Ｘ線管用ターゲット１とシャフト５は接合されている。回転駆動部１１により、Ｘ線管用ターゲット１は高速回転される。Ｘ線管用ターゲット１と対向するように電子銃１２が配置されている。Ｘ線管用ターゲット１と電子銃１２は真空管１３の中に配置されている。真空管１３は筐体１４の中に配置されている。
The
電子銃１２は、電子を照射する。電子はＸ線管用ターゲット１の第１の部分２に照射される。第１の部分２からＸ線が発生する。電子照射により、第１の部分２は１０００℃以上２０００℃以下程度の高温になる。次の測定に入るには一旦、Ｘ線管用ターゲット１を冷却しなくてはならない。
The
Ｘ線管用ターゲット１は冷却効率を向上させて冷却速度を速めることができる。これにより、例えばＸ線検査装置の測定までの待ち時間を短くすることができる。例えば、医療用ＣＴ装置では、測定間の待ち時間を短くすることができる。これにより、検査できる患者数を増やすことができる。従って、Ｘ線管用ターゲット１の冷却効率を向上させることは、Ｘ線検査装置の性能向上に大きく寄与する。
The
次に、実施形態に係るＸ線管用ターゲットの製造方法について説明する。実施形態に係るＸ線管用ターゲットは上記構成を有していればその製造方法については特に限定されないが、歩留り良く得るための製造方法は以下のとおりである。 Next, a method for manufacturing an X-ray tube target according to the embodiment will be described. Although the method for manufacturing the X-ray tube target according to the embodiment is not particularly limited as long as it has the above structure, the manufacturing method for obtaining a high yield is as follows.
まず、第１の部分２と第２の部分３を形成する。以下、第１の部分２をＲｅ－Ｗ合金、第２の部分３をＭｏ合金からなる構成を用いて説明する。円盤状の第２の部分３上に、Ｘ線発生源となる第１の部分２を設けた構造である。第１の部分２と第２の部分３の製造方法については公知の製造方法を適用することができる。
First, the
次に、フィン４を設ける工程を行う。フィン４は第２の部分３の第１の部分２以外の領域に設けることができる。フィン４を設ける第１の方法としては、第２の部分３を直接加工する方法が挙げられる。つまり、表面３ｂにフィン４を設ける場合は、表面３ｂを加工する。加工方法としては切削加工などが挙げられる。第２の方法として、予め形成したフィン４を接合する方法も挙げられる。第３の方法として、３Ｄプリンティングを用いてフィン４を形成する方法が挙げられる。
Next, the step of providing the
第１の方法により、フィン４との接合工程を不要とする。一方、第２の部分３を構成するモリブデン合金が難加工材であるため加工コストは増加する可能性がある。複雑な形状を構成するのは困難である。
The first method eliminates the step of joining the
第２の方法により、複雑な形状のフィン４を形成することができる。フィン４と表面３ｂを接合することにより、フィン４を所望の場所に形成できる。接合工程にろう付けを用いる。ろう付け工程中のフィン４の位置ずれを抑制することが必要である。このため、複数の小さなフィン４を形成する工程には不向きである。
A
第３の方法により、複雑な形状のフィン４を形成することができる。特に、多孔質のフィン４を形成することに好適である。また、突起状のフィン４が段差を有する形状や微細な凹凸形状を有するフィン４を形成することにも好適である。３Ｄプリンティングはコンピュータ制御により、フィン４を所望の場所に形成することができる。このため、複数の小さなフィン４を形成する工程に適している。
A
レーザを使った３Ｄプリンティングは、選択的レーザ焼結法（ＳＬＳ）と呼ばれている。レ－ザ焼結法の一種に、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）がある。ＳＬＳは造形ステージ上に粉末材料を敷き詰めて、レーザビームを照射する方法である。レーザビームの照射により粉末材料が溶融し、その後冷却されることにより造形されていく。造形後に、新たに粉末材料を供給し、レーザ照射を繰り返す方法である。 3D printing with a laser is called selective laser sintering (SLS). One type of laser sintering method is direct metal laser sintering (DMLS). SLS is a method of spreading a powder material on a modeling stage and irradiating it with a laser beam. The powder material is melted by irradiation with a laser beam, and then cooled to form a shape. In this method, after molding, a new powder material is supplied and laser irradiation is repeated.
ＤＭＬＳは、高いレーザ出力を用いたレーザ焼結法である。ＤＭＬＳはイッテルビウムレーザを使用する。ＳＬＳは炭酸ガスレーザを使用する。 DMLS is a laser sintering method using high laser power. DMLS uses a Ytterbium laser. SLS uses a carbon dioxide laser.
ＳＬＳとＤＭＬＳはレーザにより粉末材料を焼結する方法である。レーザを使う方法として、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）もある。ＳＬＭはレーザ照射により粉末材料を溶融して造形していく方式である。 SLS and DMLS are methods of sintering powder materials with a laser. Another method using a laser is selective laser melting (SLM). SLM is a method in which a powder material is melted by laser irradiation and shaped.
電子ビームを使った３Ｄプリンティングは、電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）という。電子ビームは、真空中でフィラメントを加熱して放出された電子を照射するビームのことである。電子ビームは、レーザビームに比べて高出力かつ高速であることが特徴である。ＥＢＭは、粉末材料を溶融して造形する技術である。ＥＢＭには、金属ワイヤを用いて造形する方法もある。前述の高融点金属を３Ｄプリンティングで造形する場合は、ＳＬＭまたはＥＢＭが好ましい。ＳＬＭまたはＥＢＭは、金属粒子を溶融させる方式である。溶融させる場合、高密度の造形物を得やすくなる。 3D printing using an electron beam is called electron beam melting (EBM). An electron beam is a beam that emits electrons by heating a filament in a vacuum. Electron beams are characterized by higher output and higher speed than laser beams. EBM is a technology that melts and shapes powder materials. There is also a method of modeling using metal wires in EBM. SLM or EBM are preferred when 3D printing the aforementioned refractory metals. SLM or EBM is a method of melting metal particles. When melted, it becomes easier to obtain a high-density model.
ＤＭＬＳおよびＳＬＳはレーザ出力１００Ｗ以上であることが好ましい。ＳＬＭはレーザ出力１００Ｗ以上であることが好ましい。ＥＢＭは、電子ビームの出力が２０００Ｗ以上であることが好ましい。 DMLS and SLS preferably have a laser output of 100 W or more. The SLM preferably has a laser power of 100 W or more. The EBM preferably has an electron beam output of 2000 W or more.
ＳＬＳ、ＳＬＭまたはＥＢＭは造形速度が１００ｍｍ／ｓ以上であることが好ましい。造形速度はレーザまたは電子ビームを走査する速度である。造形速度が１００ｍｍ／ｓ未満であると、造形速度が遅く量産性が低下する。造形速度の上限は特に限定されないが５０００ｍｍ／ｓ以下が好ましい。高融点金属の場合、５０００ｍｍ／ｓより速いと焼結状態または溶融状態にばらつきが生じ、密度が必要以上に低下する可能性がある。密度が低下すると胴体部の強度が低下する。 SLS, SLM or EBM preferably has a modeling speed of 100 mm/s or more. The build speed is the speed at which the laser or electron beam is scanned. If the shaping speed is less than 100 mm/s, the shaping speed is slow and the mass productivity decreases. Although the upper limit of the modeling speed is not particularly limited, it is preferably 5000 mm/s or less. In the case of refractory metals, if the speed is faster than 5000 mm/s, the sintered state or molten state may vary, and the density may decrease more than necessary. As the density decreases, the strength of the body decreases.
レーザまたは電子ビームの出力制御と造形速度の制御を行うことにより、接合界面に凹凸形状を形成することが可能となる。第２の部分３を基準に見ると、レーザが当たった場所は凹部になる。前述の出力および造形速度の範囲内とすることにより、凹凸形状の深さを０．１ｍｍ以上にすることができる。レーザまたは電子ビームの照射径を制御することにより、凹凸形状の幅や間隔を制御することができる。
By controlling the output of the laser or electron beam and controlling the molding speed, it is possible to form an uneven shape on the bonding interface. Looking at the
以上の工程によりＸ線管用ターゲット１を製造することができる。シャフト５を接合してＸ線管に配置する工程を行う。シャフト５は第２の部分３と一体的に設けられてもよい。なお、シャフト５が一体型のＸ線管用ターゲット１を製造する場合、シャフト５の作製工程は３Ｄプリンティングを用いることも有効である。３Ｄプリンティングを使うことにより、接合工程が不要となる。
The
（実施例１～８、比較例１～２）
第１の部分２および第２の部分３を形成した。第２の部分３として、モリブデン合金からなる円盤を用意した。円盤は直径１４０ｍｍ、厚さ５０ｍｍである。第１の部分２としてレニウムを含有するタングステン合金（Ｒｅ－Ｗ合金）を第２の部分３の表面３ｃ側に設けた。シャフトの取付穴の直径は５ｍｍである。(Examples 1-8, Comparative Examples 1-2)
A
次に、第２の部分３の表面３ｂにフィン４を設けた。フィン４の形状は表１に示すとおりである。実施例１、実施例２、および実施例６は、モリブデン粉末を用いて３Ｄプリンティングにより三角形状の断面形状を有する三角錐状のフィン４を形成した。実施例３は、モリブデン粉末を用いて３Ｄプリンティングにより階段状の断面形状を有する三角錐状のフィン４を形成した。実施例４は切削加工により、Ｖ字溝を含む断面形状を有するフィン４を形成した。実施例５は予め形成されたリング状の平面形状を有するフィン４を表面３ｂに接合した。実施例５のリング状の平面形状を有するフィン４は外径１００ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍである。実施例５のフィンの最小幅は９０ｍｍである。実施例７は３Ｄプリンティングにより放射状に複数のフィン４を形成した。実施例７のフィン４は、三角形状の断面形状を有し、長さが５ｍｍである。実施例８は、タングステン粉末を用いて３Ｄプリンティングにより三角形状の断面形状を有する三角錐状のフィン４を形成した。フィン４はいずれも対称に配置した。
Next,
比較例１として表面３ｂに酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）－酸化チタン（ＴｉＯ２）溶射膜を設けたＸ線管用ターゲットを作製した。膜厚３μｍの溶射膜を表面３ｂ全面に成膜した。溶射膜は凹凸がない実質的に平坦な面を有する。As a comparative example 1, an X-ray tube target having an aluminum oxide (Al 2 O 3 )-titanium oxide (TiO 2 ) sprayed film on the
表２は、３Ｄプリンティングにより形成されたフィン４の各条件を示す。３Ｄプリンティングは、ＳＬＳ法にて、レーザ出力１００Ｗ以上、造形速度１００ｍｍ／ｓ以上５０００ｍｍ／ｓ以下の範囲内で行った。３Ｄプリンティング時の金属粉末の平均粒径（μｍ）は、モリブデン粉末の平均粒径である。接合界面の凹凸形状は、フィン４を含む任意の断面をＳＥＭ観察により確認した。
Table 2 shows each condition of the
第２の部分３の結晶およびフィン４の結晶の平均粒径および平均アスペクト比を測定した。測定は、第２の部分３およびフィン４の接合界面の断面ＳＥＭ写真（５００倍）を用いた。第２の部分３は、接合界面を含む視野１０００μｍ×１０００μｍに写るモリブデン結晶の領域である。フィン４は、接合界面を含む視野２００μｍ×２００μｍに写るモリブデンまたはタングステンの結晶の領域である。それぞれ、前述の方法により１０粒の粒径およびアスペクト比の平均値から平均粒径および平均アスペクト比を求めた。その結果を表３に示す。
The average grain size and average aspect ratio of the crystals of the
次に、実施例および比較例に係るＸ線管用ターゲットについて冷却効率を評価した。まず、Ｘ線管用ターゲットを備えるＸ線管を作製した。一定時間、電子照射を行いＸ線管用ターゲットが常温まで下がる時間を測定した。比較例１の冷却時間を１００％としたときの比率で求めた。冷却効率の数値が小さいほど冷却時間が速いことを示す。また、比較例２としてグラファイト基材を接合したＸ線管用ターゲットを備えたＸ線管を作製し、同様に冷却効率を評価した。 Next, the cooling efficiency was evaluated for the X-ray tube targets according to Examples and Comparative Examples. First, an X-ray tube having an X-ray tube target was produced. Electron irradiation was performed for a certain period of time, and the time required for the X-ray tube target to cool down to room temperature was measured. It was calculated as a ratio when the cooling time in Comparative Example 1 was taken as 100%. A smaller cooling efficiency value indicates a faster cooling time. Further, as Comparative Example 2, an X-ray tube having an X-ray tube target to which a graphite base material was bonded was produced, and the cooling efficiency was similarly evaluated.
フィン４の接合強度を測定した。接合強度の測定は、同様の接合界面を有する試料を作製し、ＪＩＳ－Ｒ－１６０１に準じて行った。ＪＩＳ－Ｒ－１６０１はセラミックス材料に関するＪＩＳ規格であるが、実施例に係る材料高い強度を有するため、このＪＩＳ規格を適用した。また、実施例および比較例に係るＸ線管用ターゲットの耐久性を調べた。耐久性試験では、Ｘ線管用ターゲットを７０００ｒｐｍで１０分間高速回転させ、フィン４の破損の有無を調べた。その結果を表４に示す。
The joint strength of the
表４からわかるとおり、実施例に係るＸ線管用ターゲットは冷却効率が向上した。また、実施例２または実施例３のように小さな突起状のフィン４を複数設けることにより冷却効率はより向上した。また、接合界面の凹凸形状と３Ｄプリンティングに使う金属粉末の平均粒径を調整することにより接合強度が向上した。これにより、Ｘ線管用ターゲットが高速回転してもフィン４が破損する等の不具合を抑制できることがわかる。比較例２のようにグラファイト基材を設けることにより冷却効率が低下した。これはグラファイトが金属よりも蓄熱効果が高いためである。このため、金属材料を用いてフィン４を形成することが好ましいことがわかる。
As can be seen from Table 4, the cooling efficiency of the X-ray tube target according to the example was improved. Further, by providing a plurality of small projecting
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。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。 Although some embodiments of the present invention have been illustrated above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof. Each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
Claims (17)
前記第１の材料と異なる第２の材料からなり、前記第１の表面と異なる第２の表面を有する第２の部分と、
前記第２の表面に接合して設けられ、金属材料を含むフィンと、
を具備し、
前記第２の表面と前記フィンとの接合界面は、凹凸形状を有する、
回転陽極Ｘ線管用ターゲット。 a first portion made of a first material and having a first surface that receives electrons and emits X-rays;
a second portion made of a second material different from the first material and having a second surface different from the first surface;
a fin bonded to the second surface and comprising a metallic material ;
and
A bonding interface between the second surface and the fin has an uneven shape,
Target for rotating anode X-ray tube.
前記第２の部分の直径は、５０ｍｍ以上である、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のターゲット。 The second portion has a disk shape,
9. The target of any one of claims 1-8 , wherein the second portion has a diameter of 50 mm or more.
前記第２の材料は、モリブデンを含む、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のターゲット。 the first material comprises tungsten;
10. The target of any one of claims 1-9 , wherein the second material comprises molybdenum.
前記結晶の平均粒径は、１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のターゲット。14. The target according to any one of claims 1 to 13, wherein the crystal has an average grain size of 10 µm or more and 50 µm or less.
前記結晶のアスペクト比は、３．０以上である、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のターゲット。14. The target according to any one of claims 1 to 13, wherein said crystal has an aspect ratio of 3.0 or more.
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