JPH0614455B2 - 流体冷却式熱レセプタを有するｘ線管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ この発明は、コンピュータ支援断層撮影（ＣＡＴ）、血
管造影写真、Ｘ線映画撮影に用いる高出力Ｘ線管に関
し、特に、このようなＸ線管のターゲット構造体の冷却
に関する。

Ｘ線管は、ガラスまたは金属のエンベロープの中に陰極
電極と陽極電極を形成するターゲット構造とを真空に近
い状態で封入した構造を有する。陰極を加熱して電子を
生成し、電極に高電圧を印加してそれらの電子をターゲ
ット材料に向けてとばす。電子がターゲットにぶつかる
と、Ｘ線と熱が発生する。Ｘ線はエンベロープの窓を通
過してその有用な機能を果たし、一方熱はエンベロープ
の壁を通して放散する。

Ｘ線管の出力が大きくなると、熱を効率よく放散するの
に必要な手段が一層重要になる。ターゲットはタングス
テンのような、高温で作動可能な材料から作製し、その
装着構造は、代表的には、熱を周囲のエンベロープに放
射する高放射率材料で被覆する。金属エンベロープを用
いる特定の工業的用途では、エンベロープの内面も、タ
ーゲットから放射された熱を吸収する高放射率材料で被
覆する。放熱フィンまたは冷却液体を運ぶマニホルドを
エンベロープの外面に形成して熱を除去することができ
る。

このような放射および対流伝熱手段は、ターゲット構造
体を冷却するが、大出力のＸ線パルスが必要なとき、直
接電子ビームの通路にあるターゲット材料の温度を十分
に低く維持できない。米国特許第３８６９６３４号、同
第４１８７４４２号、同第４２７２６９６号、同第４３
９３５１１号および同第４５６９０７０号に記載されて
いるように、この問題の解決手段として、ディスク上に
ターゲットを形成し、このディスクを回転させ、電子が
衝突するターゲット材料の位置を連続的に変えてゆく方
法が知られている。たとえば、タングステン・ターゲッ
ト材料をディスクの周面にバンドまたは集束トラックと
して堆積して、ディスクを３０００〜１００００rpmの
速度で回転させる。このように回転することでターゲッ
ト材料の局部加熱を軽減できるが、このターゲット構造
はモータ駆動の高速回転ディスクを含むことになるの
で、ターゲット構造の冷却が複雑になる。その上、出力
レベルを増大できることから、生成する熱の量が著しく
増大する。

［発明の要旨］ この発明は、回転型のＸ線ターゲットの冷却に関し、特
に回転するターゲットからの熱の除去に関する。さらに
具体的には、この発明のＸ線管は、電子を放出する陰
極、および電子のターゲットとなりＸ線を生成する回転
陽極を収容したエンベロープを備える。第１の高放射率
表面が回転陽極に形成され、レセプタがエンベロープに
装着され、このレセプタは回転陽極の第１の高放射率表
面にごく近接して配向された第２の高放射率表面を有す
る。セレプタは冷却流体を受入れる流体マニホルドを含
み、冷却流体がレセプタを通って流れることにより、第
２の高放射率表面から伝達された熱を除去する。

この発明の主目的は、回転するＸ線ターゲットを冷却す
ることにある。ターゲットは回転陽極表面の小部分を形
成するだけである。陽極表面の残りの部分は第１の高放
射率表面で被覆したエネルギーの放射を増強する。この
ような表面から放射されるエネルギーの量は、回転陽極
にごく近接して位置する不動のレセプタに形成した第２
の高放射率表面を冷却することにより、さらに増加す
る。

この発明の別の目的は、Ｘ線管の出力を増加することに
ある。回転陽極から熱を除去する速度を増すことによ
り、Ｘ線および関連する熱の生成速度を増加することが
できる。回転陽極に環状フィンを形成して、その放熱表
面の面積を増加することにより、また不動のレセプタに
対応するフィンを形成して、陽極にごく近接して位置す
る高放射率冷却表面を増加することにより、出力を最大
にし得る。

この発明の他の目的は、信頼性が高く、製作が経済的な
Ｘ線管の回転陽極冷却装置を提供することにある。Ｘ線
ターゲットをディスク形の陽極の前面上に形成し、環状
フィンをその裏面上に、陽極を支持し回転するステムの
まわりに形成する。レセプタをステムのまわりに配置
し、そのフィンを前向きに延在させ、陽極のフィンと相
互に入り組む形にする。冷却流体を不動のレセプタ中に
ポンプ等により送給して熱を除去する。

この発明のさらに別の目的は、陽極ディスクの設計と製
作に複雑で不確かな変更をもちこむことなく、回転陽極
をさらに効果的に冷却することにある。回転陽極の製作
は、陽極の回転速度が速く、作動温度が高いので、きわ
めて複雑かつ困難である。この発明は、この製作技術に
なんら変更を要しない。

この発明の上述の目的および他の目的ならびに利点は以
下の説明から明らかになるであろう。以下の説明は、添
付の図面を参照しながら進める。図面は、この発明の好
適な実施例を例示するためのものである。このような実
施例は、必ずしもこの発明の全ての範囲を表わすもので
はなく、発明の範囲については特許請求の範囲の記載か
ら解釈すべきである。

［発明の詳しい説明］ 第１図は、この発明を適用したＸ線管を一部切除して示
す側面図である。まず、第１図の回転陽極型Ｘ線管の従
来通りの構成について説明する。このＸ線管は、ホウケ
イ酸ガラス製のエンベロープ１０を含む。陰極構造体１
１が管の右端に封止され、この陰極構造体１１につなが
る電気導線（図示せず）がガラスエンベロープ１０を貫
通して高電圧源および陰極加熱電流源に接続される。陰
極構造体１１は、集束カップ１２を有し、集束カップ１
２内にはＸ線ターゲット１３に誘引される電子ビームを
生成する作用をなす電子放出フィラメント１４が設けら
れている。Ｘ線ターゲット１３は、ディスク形陽極１５
の前面のトラックに、タングステンまたはモリブデンの
ような原子番号の多い物質の層として形成されている。
陰極１５のデイスクは耐火材料、たとえばタングステ
ン、モリブデンまたはグラファイトから形成できるが、
モリブデンはグラファイトより熱伝導が良好であり、タ
ングステンより軽量であるので、モリブデンが好適であ
る。陽極１５は高電圧源（図示せず）に接続され、フィ
ラメント１４が発する電子は陽極１５に誘引され、ここ
で電子がＸ線ターゲット１３に衝突する。その結果、Ｘ
線が下方にガラスエンベロープ１０を通りすぎる（矢印
１６で示される）ビームとして発生する。

Ｘ線を発生する際、この衝突電子は多量の熱を発生す
る。そのため、陽極１５は、誘導モータ１９により中心
軸（回転軸）１８のまわりを回転するステム１７に装着
されている。ターゲット１３は米国特許第４５７３１８
５号に記載されているように、陽極１５の周面にトラッ
クとして形成されている。陽極１５を１００００rpmの
ような高速で回転させることにより、ターゲット１３を
連続的に回転させて電子ビームの衝突する位置を変え、
これにより１回転を終えてビーム位置に再び戻る前にタ
ーゲット材料が冷却するようにする。その結果、ターゲ
ット１３の各セグメントの温度は、電子ビームが当って
いるときの２０００℃〜３０００℃の高温と、陽極１５
の内部（バルク）温度である１２００℃〜１４００℃の
低温との間で変動する。

回転陽極について種々の構成が提案されている。米国特
許第４０５２６４０号、同第４１０９０５８号、同第４
１１９８７９号、同第４１３２９１６号、同第４１９５
２４７号、同第４２９８８１６号、同第ＲＥ３１５６０
号、同第４５７４３８８号、同第４５９７０９５号、同
第４６４１３３４号、同第４６４５１２１号、同第４６
８９８１０号および同第４７１５０５５号に開示されて
いるようなこれらの技術の多くは、ターゲット材料が高
回転速度、高温およびそれに伴なう応力に耐えるよう
に、ターゲット材料を陽極基板に取付けることに関する
ものである。米国特許第４２７６４９３号および同第４
４８１６５５号に開示されているような他の作製技術
は、陽極１５からステム１７を通って誘導モータの軸受
に伝導される熱を最小限に抑えるように陽極１５をステ
ム１７に取付けることに関するものである。どのような
技術を採用するにしろ、陽極１５すなわちディスクは代
表的には直径３〜５インチ、重量２〜５ポンドであり、
その全表面がエネルギー放射体となる。周知の完全に確
立された技術を用いて陽極１５を作製できることは、こ
の発明の重要な利点である。

前述したように、Ｘ線管は左端で細くなり、誘導モータ
１９のロータを収容するネック部２０を有する。このモ
ータ１９の固定子巻線２１はネック部２０のまわりに巻
かれ、ロータ２２はネック部２０内に収容されている。
米国特許第４１４７４４２号に記載されているように、
ステム１７はロータ２２の右端に固着され、一方ロータ
は左端から延在する不動のシャフト２３によりネック部
２０内に支持されている。シャフト２３はネック部２０
の端部に装着され、ロータ２２内に延在し、２組の玉軸
受（図示せず）によりロータに回転自在に支持されてい
る。ステム１７およびロータ２２の部品に使用する材料
は、良好な導電性を維持しながら、熱が陽極１５からロ
ータ軸受に流れるのを阻止するように選択する。陽極１
５への電力供給リードはネック部２０の左端から延在す
る端子２４に接続され、シャフト２３、ロータ２２およ
びステム１７を通して導電性であることが必要である。

陰極１１および陽極１５を収容する主空所を画成するエ
ンベロープ１０はガラス製である。同様に、エンベロー
プ１０のネック部２０は電気絶縁性ガラスで形成する。
これらの２つのガラス部分１０および２０は、回転陽極
１５のすぐ後にかつネック部２０の前端のまわりに配置
されたレセプタ５０により接合されている。レセプタ５
０は銅製であって、ガラスのエンベロープ１０に、適当
な封止金属を介して、レセプタの円形外面にろう付けさ
れたステンレス鋼の環状外側リング５１により取付けら
れている。同様に、ステンレス鋼の環状内側リング５２
がレセプタ５０の円形内面にろう付けされ、適当な封止
金属によりガラスのネック部２０に取付けられている。
レセプタ５０、ガラスのネック部２０およびガラスのエ
ンベロープ部分１０が完全なエンベロープを形成し、Ｘ
線管内をほぼ真空に維持することが可能になる。これか
ら詳述するように、レセプタ５０は、Ｘ線管の使用中に
陽極で発生する熱の大部分を除去する作用もなす。

特に第１〜３図を参照して説明すると、銅のレセプタ５
０は、その前面の輪郭が１組の同心のフィン５３を構成
するように成形され、これらの同心のフィン５３は陽極
１５の裏面に形成された対応する１組の同心のフィン５
４と相互に入り組む形になっている。その結果、陽極１
５の裏面に大きな表面積が得られ、この表面積がレセプ
タ５０の広い前面にごく近接して配置される。陽極のフ
ィン５４とレセプタのフィン５３との間の隙間は、両者
間に接触が起こらず、熱膨張および妥当な製造公差を許
容するのに十分なものとする。しかし、この隙間を最小
に抑えて、高熱の回転陽極１５から低温の不動のレセプ
タ５０への放射による熱伝達を最大にする。

陽極１５とレセプタ５０との間の放射エネルギーの伝達
をさらに増加するために、相互に入り組む形のフィン５
３および５４の表面に熱放射率の高い材料を被覆する。
この層を第２図に５６で示す。レセプタのフィン５３上
の高放射率層５６は二酸化チタン（T_iO₂）からなり、陽
極のフィン５４上の被膜は公知の好適な組成および製造
方法、例えば米国特許第４１３２９１６号および同第４
６００６５９号に記載されているものを用いる。これら
の米国特許に記載の被膜は、陽極１５に発生する高温に
耐え、しかも０．８０〜０．９４の範囲の高い熱放射率
（エミッタンス）を有する。

回転陽極１５からレセプタ５０への熱の伝達をさらに増
加するために、レセプタ５０を冷却液体で比較的低温ま
で冷却する。このため、入口マニホルド５７が環状内側
リング５２に形成され、出口マニホルド５８が環状外側
リング５１に形成されている。マニホルド５７および５
８は、レセプタ５０の内周および外周全体に延在する流
体用空所であり、多数の半径方向のチャンネル５９と連
通している。入口マニホルド５７は、２〜４個の等間隔
に配置された入口ポート６０およびここに連結された管
６１を介して冷却流体供給源に連結されている。同様
に、出口マニホルド５８には２〜４個の等間隔に配置さ
れた出口ポート６２が設けられ、ここを通して冷却流体
が管６３を介して冷却流体供給源に戻る。冷却流体は入
口マニホルド５７に約８０psiの圧力で入り、そこから
多数のチャンネル５９を通って半径方向外向きに出口マ
ニホルド５８へ流れる。チャンネル５９を流れる際に、
冷却流体が強制対流によりレセプタ５０から熱を吸収す
るにつれ、その温度が上昇する。図示の好適な実施例で
は、陽極１５の内部温度は１２００℃〜１４００℃に上
昇するが、レセプタの温度は３００℃以下に維持され
る。

第１〜３図に示すこの発明の好適な実施例から多数の変
更が可能である。そのような変更例の１つとして、レセ
プタ５０に形成する流体チャンネルを変更した例を第４
図および第５図に示す。具体的には、多数の別々の半径
方向に向けたチャンネル５９の代りに、変更したレセプ
タ５０では、１つの室６５が２つのマニホルド５７およ
び５８をレセプタ５０の全周にわたって連結する。多数
の銅製ピン６６が室６５を横切って延在し、半径方向に
流れる冷却流体をさえぎり、レセプタ５０から熱を効率
よく運ぶ。ピンの数と位置は冷却を均一かつ効率的にす
るように調節することができる。

そのほか、この発明の要旨を逸脱せぬ範囲内で多くの変
更が可能である。たとえば、フィン５３および５４にテ
ーパを付けてその作製が容易になるようにしているが、
他の形状に形成することもできる。考慮すべき重要な点
は、フィンによって、熱を陽極１５からレセプタ５０へ
放射できる表面積を大きくし、またフィンの表面同士を
ごく近接して配置することによって、陽極のフィン５４
の高熱表面が確実にレセプタのフィン５３の低温表面に
対してのみ放射するようにすることである。また、好適
実施例では冷却流体がレセプタ５０を通過する間は液体
のままであるようにするが、流体がレセプタ５０を通過
する間に核沸騰を生じるようにすることも可能である。

好適な実施例では、レセプタ５０を陽極１５の高電圧で
動作させて、レセプタ５０を周囲から電気絶縁する。こ
のため、電気絶縁の目的で、絶縁耐力の高い冷却流体を
用いる必要がある。冷却流体は、また冷却効率をよくす
るために良好な対流熱伝達特性をも有していなければな
らない。３Ｍ社（Minnesota Mining and Manufacturin
g,Inc.）から商標名「フロリナート」 (Flourinert)に
て販売されている液体のような電子用冷却材は、これら
の特性をもち、比較的不活性であるので、これを本発明
の目的に用いることができる。

別の実施例では、陽極１５およびレセプタ５０をアース
電位で動作させることも可能である。このような場合、
電気絶縁は不要であり、冷却材としては水が好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を適用したＸ線管を一部切除して示す
側面図、第２図は第１図のＸ線管の一部を構成するレセ
プタ部分の断面図、第３図は第２図のレセプタの一部を
示す正面図、第４図はレセプタの別の例を示す第２図と
同様の断面図、そして第５図は第４図のレセプタの一部
を５−５線方向に見た断面図である。 ［主な符号の説明］ １０：エンベロープ、１１：陰極構造体、 １３：Ｘ線ターゲット、１４：フィラメント、 １５：陽極（ディスク）、１７：ステム、 １９：誘導モータ、２０：ネック部、 ２２：ロータ、５０：レセプタ、 ５１：環状内側リング、５２：環状外側リング、 ５３，５４：フィン、５６：高放射率層、 ５７：入口マニホルド、５８：出口マニボド、 ５９：チャンネル、６０，６２：ポート、 ６５：室、６６：ピン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子を放出する陰極、および電子が衝突し
   てＸ線を生成するターゲット表面を有する回転陽極を収
   容したエンベロープを備えるＸ線管において、 前記回転陽極の外面上に形成され、該陽極からのエネル
   ギーの放射を増強する高放射率陽極表面と、 前記エンベロープに装着され、前記回転陽極の外面上の
   前記高放射率陽極表面に対向してそれにごく近接して配
   置された放射受け面を有する不動のレセプタと、 前記レセプタ内に形成され、前記レセプタから熱を除去
   する冷却流体が通る流体室とを備え、 前記レセプタが、冷却流体の流路内に前記流体室を横切
   って延在している複数個の熱伝導材料製のピンを含むこ
   とを特徴とするＸ線管。