JPS6010414B2 - 陽極タ−ゲツト接合法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は陽極ターゲットを黒鉛基体に接合して回転陽極
Ｘ線管用の円板構造物を製造する方法に関するものであ
る。

回転陽極Ｘ線管の寿命および効率は、蓄熱性および放熱
性の良い陽極円板の使用によって向上させることができ
る。

円板の基体を作製するために使用される他の材料として
のモリブデンおよびタングステンと比べた場合、黒鉛は
格段に大きい熱容量を有している。相対単位で表わした
場合、１０００００における黒鉛とモリブデンおよびタ
ングステンとの熱容量の比はそれぞれ４８：７．４およ
び４８：４．１である。また、１０００℃における熱放
射率の比はいずれの場合にも０．８５：０．１５である
。しかしながら、黒鉛を基体材料として使用する際の困
難は陽極ターゲットをいかにして黒鉛基体に接合するか
という点にある。黒鉛基体を実現した従来の陽極構造物
においては、陽極ターゲットを黒鉛基体に接合するのに
適した材料としてジルコニウムまたはハフニウムを使用
することが提唱されている。

しかるに、これらの材料はいずれも炭化物生成物質であ
るため、接合作業中および陽極構造物の所望の実用寿命
は（通例は最低１０００の司のＸ線照射）中に生成する
炭化物の量をいかにして抑制するかという問題が生じる
。実用期間中には陽極構造物の温度がかなり高いレベル
（１２００午０程度）にまで循環するから、炭化物の生
成が継続して起り得ることは明らかである。こうして生
成する炭化物層の機械的性質を考えると、振幅の大きい
温度循環を受ける回転陽極Ｘ線管においてかかる陽極構
造物を使用することが不可能な場合もある。陽極ターゲ
ットを黒鉛基体に接合するための材料としてはしニウム
も使用されてきた。レニウムは接合温度や陽極構造物の
動作温度において炭化物を生成しない。しかしながら、
レニウムの炭素溶解度は比較的大きいため、炭素がそれ
を通過して陽極ターゲットの材料中へ拡散することが起
り得る。その結果、炭化タングステンの生成によって陽
極ターゲットの材料が脆くなることがある。それ故、か
かる陽極構造物の実用寿命および効率は現在使用されて
いる全金属製陽極構造物の場合と同等またはそれ以下で
ある。さて本発明に従えば、タングステンまたはタング
ステン合金から成る陽極ターゲットを黒鉛基体に接合し
て回転陽極Ｘ線管の円板構造物を製造する方法が提供さ
れる。

その場合のろう材は白金、白金−クロム合金、パラジウ
ム、オスミウム、ロジウムまたはルテニウムであり得る
。かかるろう付け作業は水素ガスから成る制御雰囲気中
において行うことが好ましい。次に第１図を参照すれば
、回転陽極Ｘ線管において使用するのに適した陽極構造
物１０が示されている。

かかる陽極構造物１川ま、ろう付け、溶接などのごとき
適当な手段によって心棒１４に接合された円板１２を含
んでいる。また、円板１２は黒鉛基体１５を含んでいて
、後者は中央部１６およびそれと一体になった外周部１
８から構成されている。黒鉛基体１５は２つの相対する
主面２０および２２を有していて、それらがそれぞれ黒
鉛基体１５の内面および外面を成している。黒鉛基体１
５の外周部１８の外面２２の特定領域には陽極ターゲッ
ト２４が金属層２６によって固定されている。陽極ター
ゲット２４の材料はタングステンまたはタングステンと
しニワムとの合金である。

後者の場合、レニウム含量は約２５（重量）％までであ
り得るが、適例は３〜１０（重量）％である。金属層２
６の材料は炭化物生成物質でないようなものである。更
にまた、約１０００〜約１３００午０程度にもなる動作
温度の範囲内において金属層２６の材料が炭素溶解性を
有していてはならない。なお、それより遥かに高い温度
において金属層２６の材料が多少の炭素溶解性を有する
ことは許容される。すなわち、陽極ターゲット２４を黒
鉛基体１５に接合する際の温度下では、金属層２６の材
料が１〜４（原子）％の炭素溶解度を有することは差支
えない。かかる材料はまた、陽極ターゲット２４を成す
タングステンおよびタングステン合金中にある程度溶解
し得るものとする。金属層２６を形成するのに適した材
料としては、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム
およびルテニウムが挙げられる。これらの材料はいずれ
も非炭化物生成物質である。その上、これらの材料の各
々は陽極ターゲット２４を成すタングステンおよびタン
グステン合金中に可溶であり、しかも炭素に対する溶解
度が小さい。特に、炭素溶解度は陽極構造物１０を使用
した回転陽極Ｘ線管の最高内部動作温度（約１３００ｑ
ｏ）においてほとんどゼロである。白金、パラジウム、
ロジウム、オスミウムおよびルテニウムはいずれも炭素
と共に単準な共融系を作る。とは言え、商業的用途の場
合、金属層２６を形成するため実際に使用できる材料は
白金およびパラジウムのみである。ロジウム、オスミウ
ムおよびルテニウムは、その各々が白金およびパラジウ
ムよりも高いろう付け温度を有するとは言え、金属層２
６の主要材料として使用するには現在のところ高価過ぎ
る。最低温度すなわち炭素ーパラジゥム共融温度が１５
０４℃でありかつ１３００ｏｏ未満の温度における炭素
溶解度がほとんどゼロである点から見れば、パラジウム
は金属層２６の材料として適している。

それによれば、陽極ターゲット２４と黒鉛基体１５との
間に優れた結合が達成される。しかしながら、陽極構造
物１０の最高内部動作温度は約１３００℃であるから、
僅か２００ｑｏの安全限界が存在するに過ぎない。それ
故、かかる陽極構造物の信頼性は金属層２６の材料が白
金である場合よりも低い。金属層２６の材料として現在
のところ好適な物質は白金である。

陽極ターゲット２４を黒鉛基体１５に接合する際の温度
は約１８００ｑｏとなる。最低接合温度すなわち炭素−
白金共融温度は１７０耳０である。この場合には、Ｘ線
管の動作に際して４００００という大きな安全限界が得
られることになる。約１５０び○以下においては、白金
から成る金属層２６の炭素溶解度はゼロである。従って
白金から成る金属層２６は、約１０００〜約１３００ｑ
ｏの動作温度範囲内においても、陽極ターゲット２４中
への炭素拡散に対する優れた障壁を成すのである。白金
の合金もまた使用できる。

とは言え、接合温度における炭化物の生成またはＸ線管
の動作温度範囲内における過度の炭素拡散を引起し得る
ような元素をかかる合金中に高濃度で使用してはならな
い。クロムは炭化物生成物質であるけれども、１（重量
）％までのクロムを混入した白金一クロム合金は金属層
２６として使用することができる。白金または白金合金
から成る金属層２６を形成するためには幾つかの方法が
ある。

たとえば、黒鉛上にめつきを行えばよい。その場合には
亀気めつき法の使用が好ましい。１／４〜約１ミルの厚
さが好適である。

あるいはまた、スパッタ法によって白金を黒鉛に付着さ
せてもよい。白金の付着後、めつき済みの黒鉛を真空中
において約１２００±２０℃で約３時間にわたり熱処理
することによってガス抜きが行われる。更にまた、箔状
の白金または白金ークロム合金の使用によって金属層２
６を形成することもできる。

その場合、箔の厚さはもっぱら良好な結合を確保する必
要性にのみ依存する。かかる箔は少なくとも１／２ミル
の厚さを有するものとする。箔の厚さが１／２ミル未満
であると、接合すべき表面の凹凸のために陽極ターゲッ
ト２４と黒鉛基体１５とが密着せず、従って両者間に不
完全な結合しか得られないことがある。なお、金属層２
６によって形成された信頼できる接合部を確保するため
には、箔の厚さが１ミルであることが好ましい。陽極構
造物１０を製造するためには幾つかの方法がある。

一例を挙げれば、陽極ターゲット２４をめつき済みの黒
鉛基体１５上に配置し、それから約１８００ｑｏの高温
下で互いに接合すればよい。別の例によれば、黒鉛基体
、白金または白金−クロム合金の箔、および陽極ターゲ
ット２４をサンドイッチ状に組立て、それから約１８０
０ｏｏで互いに接合してもよい。タングステンまたはタ
ングステンーレニウム合金から成る陽極ターゲット２４
を黒鉛基体１５に接合するための好適な方法は、第１の
金属層として白金をめつきされた黒鉛基体１５、第２の
金属層としての箔部材、および陽極ターゲット２４をサ
ンドイッチ状に縦立てるというものである。

その場合には、箔部材が黒鉛基体１５のめつき表面上に
配置され、次いで陽極ターゲット２４が箔部村上に配置
される。かかる「サンドイッチ」の構成部品は、互いに
接合すべき表面同志が密着するように適当な方法で保持
される。組立済みの構成部品は制御雰囲気炉内に装入さ
れる。

好適な雰囲気は水素である。水素は接合すべき表面を白
金が桶らすことを促進する。その上、水素は接合すべき
構成部品の表面上に存在する酸化物に対して還元剤とし
ても役立つ。最初、組立済みの構成部品は水素管状炉の
最低温区域に装入され、それから最高約３０分までの時
間にわたり約６０〜約４００ｑｏの範囲内の第１の高温
下に予熱することによって構成部品の馴化が行われる。

なお、最低ゆ分の予熱時間が所望される。子熱完了後、
組立済みの構成部品は約１８００±３ぴ０の範囲内の第
２の高温下にある炉内区域へ移動される。この炉内区域
における滞留時間は、金属層２６の形成に基づくろう付
けによって構成部品同志を互いに接合するのに十分なも
のとする。最高１０分までの滞留時間が十分であると判
明しているが、好適な時間は約３分である。ろう付け工
程の完了後、得られた円板１２は管状炉の「冷却区域」
へ移動される。この区域における滞留時間は、円板１２
を冷却しかつ溶融物を凝固させて金属層２６を形成する
のに十分なものとする。「冷却区域」の温度である約１
０００ｑ○から炉外取出し可能となるまで円板１２を冷
却するのに十分な時間は約１時間であることが判明して
いる。実例を述べれば、亀着法によって厚さ１インチの
黒鉛基体の一方の表面上に厚さ少なくとも０．５ミル好
ましくは１ミルの第１金属層として金属を付着させた。

１２００土２０ｏｏで３時間にわたりめつき済み黒鉛基
体のガス抜きを行った。

他方、タングステンから成る陽極ターゲットを作製した
後、その一方の表面を６０抗蚤の紙やすりで金属組織学
的に研磨した。更にまた、白金箔または白金−クロム合
金箔から成る厚さ少なくとも０．５ミル好ましくは１ミ
ルの第２の金属層としての白金又は白金合金の予備成形
物をも作製した。次に、かかる構成部品をサンドイッチ
状に組立てた。

その際には、黒鉛基体の白金めつき表面上に白金または
白金合金の予備成形物を配置し、次いで研磨表面が予備
成形物に接触するようにして予備成形物上に陽極ターゲ
ットを配置した。組立済みの構成部品をしっかりと結束
し、モリブデン製のボート内に配置し、それから水素管
状炉の６００〜９００ｑｏの第１の高温下にある最低温
区域内に装入した。１０分間にわたる馴化の後、組立済
みの構成部品を管状炉の第２の高温下にある最高縞区域
へ移動した。

光高温計によって測定したところ、温度は１８００士３
０午０であることが判明した。３分間にわたる最高温区
域内の滞留により、構成部品同志は互いにろう付けされ
た。

次いで、組立済みの構成部品を１０００±２０ｑｏの冷
却区域へ移動した後、その温度から４５分間にわたって
炉内冷却し、それから炉外へ取出した。炉外へ取出した
後、ろう付けされた構成部品の目視検査を行った。

ろう付け接合部は完全であるように思われた。次にろう
付けされた構成部品の薄片を作製し、そしてタングステ
ン−白金−炭素の境界部を検査した。ろう付け接合部は
全域にわたって完全であった。更にまた、各種の薄片に
対し破断が起るまで曲げ荷重を加えた。その結果、いず
れの場合にも陽極ターゲットまたは黒鉛基体において破
断が起ったのであって、白金−タングステンまたは白金
−黒鉛境界部に破断が起った例は見られなかった。本発
明の新規な円板構造物によれば、従来の円板構造物によ
って可能であったレベルを越えるような出力を短時間ま
たは長時間にわたって要求するＸ線撮影技術が採用でき
るようになり、しかも使用中に早期破壊が起る恐れはな
い。

このように大きい出力に耐え得る結果として、Ｘ線撮影
操作の際に患者を短時間だけ照射すれば済むことにもな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って製造された円板構造物の立断面
図、そして第２図は陽極ターゲットを黒鉛基体に接合す
る幾つかの方法を示す工程系統図である。 図中、１０は陽極構造物、１２は円板、１４は心棒、１
５は黒鉛基体、１６は中央部、１８は外周部、２０およ
び２２は黒鉛基体の主面、２４は陽極ターゲット、そし
て２６は金属層を表わす。 ‘ソ○ ／‘／Ｇ ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転陽極Ｘ線管において使用すべき円板の黒鉛基体
   に陽極ターゲツトを接合する方法において、所定の厚さ
   を有する金属層を前記黒鉛基体の特定表面領域上に配置
   し、タングステンまたは約２５（重量）％までのレニウ
   ムを含むタングステン−レニウム合金から成る陽極ター
   ゲツトを前記金属層上に配置する工程を含み、前記金属
   層がロジウム、オスミウム、ルテニウム、白金、パラジ
   ウムまたは約１（重量）％までのクロムを含んだ白金−
   クロム合金から成り、（ａ）前記黒鉛基体、前記金属層
   および前記陽極ターゲツトを制御雰囲気中において約６
   ００〜約９００℃の範囲内の第１の高温下で所定時間だ
   け予熱し、（ｂ）前記黒鉛基体、前記金属層および前記
   陽極ターゲツトを制御雰囲気中において約１７７０〜約
   １８３０℃の範囲内の第２の高温下で最高１０分までの
   所定時間にわたり加熱して前記陽極ターゲツトを前記黒
   鉛基体の前記特定表面領域にろう付けし、次いで（ｃ）
   前記黒鉛基体、前記金属層および前記陽極ターゲツトを
   制御雰囲気中において十分な低温にまで冷却してから大
   気に暴露することを特徴とする上記接合方法。 ２ 前記金属層の厚さが少なくとも０．５ミリである、
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記金属層の厚さが約１ミル以下である、特許請求
   の範囲第２項記載の方法。 ４ 前記金属層の金属が白金である、特許請求の範囲第
   ３項記載の方法。 ５ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範囲
   第４項記載の方法。 ６ 前記金属層の金属が白金−クロム合金である、特許
   請求の範囲第３項記載の方法。 ７ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範囲
   第６項記載の方法。 ８ 前記金属層が電着法によって前記黒鉛基体の前記特
   定表面領域上にめつきされる場合において、その上に前
   記陽極ターゲツトを配置するのに先立ち、所定の高温下
   で所定時間にわたりめつき済みの前記黒鉛基体のガス抜
   きを行う工程が追加包含される、特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ９ 前記めつきされた層が少なくとも０．５ミルの厚さ
   である、特許請求の範囲第８項記載の方法。 １０ 前記めつきされた層の金属が白金である、特許請
   求の範囲第９項記載の方法。 １１ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範
   囲第１０項記載の方法。 １２ 前記金属層が二層よりなり、第１の金属層が電着
   法によって前記黒鉛基体の前記特定表面領域上にめつき
   され、第２の金属層が前記めつき層の上に配置され、次
   いで前記陽極ターゲツトが前記第２の金属層の上に配置
   される、特許請求の範囲第１項記載の方法。 １３ 前記めつきされた金属層および前記第２の金属層
   の厚さがそれぞれ少なくとも０．５ミルである、特許請
   求の範囲第１２項記載の方法。 １４ 前記めつきされた層の金属が白金で、前記第２の
   層の金属が白金である、特許請求の範囲第１３項記載の
   方法。 １５ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範
   囲第１４項記載の方法。 １６ 前記第２の金属層の厚さが約１ミルである、特許
   請求の範囲第１４項記載の方法。 １７ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範
   囲第１６項記載の方法。 １８ 前記めつきされた層の金属が白金で、前記第２の
   層の金層が約１（重量）％までのクロムを含んだ白金−
   クロム合金である、特許請求の範囲第１３項記載の方法
   。 １９ 前記制御雰囲気が水素ガスである、特許請求の範
   囲第１８項記載の方法。 ２０ 前記第２の金属層の厚さが約１ミルである、特許
   請求の範囲第１８項記載の方法。 ２１ 前記制御雰囲気で水素ガスである、特許請求の範
   囲第２０項記載の方法。