(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記張出部と前記軸受シリンダとの間、及び、前記張出部と前記回転体サポートリングとの間に形成された空間は、前記リザーバ空間と連通していることを特徴とする請求項2に記載の回転陽極型X線管。
管軸が水平の姿勢において、前記陽極ターゲットの回転が停止した静止状態で、前記液体金属の液面は、前記第2外周面よりも下方に位置し、且つ、前記第1内周面より上方に位置することを特徴とする請求項4に記載の回転陽極型X線管。
【背景技術】
【0002】
回転陽極型X線管は、高真空中の容器に電子を放出する陰極と、これに対向して回転する陽極ターゲットとを設け、陰極から放出された電子を陰極と陽極ターゲットとの間の電界で加速して回転している陽極ターゲットに照射し、制動輻射でX線を発生させるものである。
【0003】
陽極ターゲットは、電子衝撃加熱により、平均温度1000℃以上に達する場合がある。液体金属を潤滑材とした動圧式すべり軸受を用いた回転陽極型X線管においては、陽極ターゲットの熱は、陽極ターゲットが連結された回転体に伝わり、回転体と固定体との間の液体金属を介して固定体に伝わる。固定体に伝わった熱は、固定体の内部を循環する絶縁油などの冷却媒体へ伝わり、外部に持ち去られる。
【0004】
このような動圧式すべり軸受の液体金属は、その表面張力によって保持されている。しかしながら、予期せぬ問題により液体金属が押し出され、真空外囲器内の空間に飛散すると、X線管の耐電圧性能を低下させ、放電発生の原因となる。このため、液体金属が漏れ出す開口部分の外側に空洞を形成し、漏れ出した液体金属を捕獲する技術がある。一方で、軸受部への液体金属の供給不足により、動圧効果が十分に得られず、回転体と固定体とが部分的に接触する現象が生じるおそれがある。
【0005】
したがって、回転体から固定体に確実に熱を伝え且つ動圧効果を得るのに十分な量の液体金属を封入しても、液体金属を安定して閉じ込めながら軸受面に供給し、軸受外への液体金属の漏出を抑制することが要求される。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0012】
図1は、本実施形態における回転陽極型X線管1の主要部の構成例を概略的に示す図である。
【0013】
すなわち、回転陽極型X線管1は、真空外囲器2、陰極3、陽極ターゲット4、動圧式すべり軸受5などを備えて構成されている。
【0014】
真空外囲器2は、例えばガラスによって形成され、その内部の空間2Aは高真空に維持されている。また、真空外囲器2は、その一部に設けられたX線用出力窓2Wを有している。このような真空外囲器2の内部には、陰極3、陽極ターゲット4、動圧式すべり軸受5などが収容されている。
【0015】
陰極3は、電子を放出する電子源である。この陰極3は、回転陽極型X線管1の管軸(あるいは回転軸)Oから外れた位置に配置され、陽極ターゲット4と対向している。このような陰極3は、図示しない支持機構により真空外囲器2の内部で支持されている。なお、以下の説明において、管軸方向とは、管軸Oに平行な方向に相当する。
【0016】
陽極ターゲット4は、陰極3から放出された電子が入射してX線を放出するものである。この陽極ターゲット4は、例えば、モリブデン(Mo)などを主成分とする材料によって形成されている。また、この陽極ターゲット4は、概略円盤状に形成され、その一部が陰極3と対向している。このように円盤状に形成された陽極ターゲット4は、その中心で回転支持機構である動圧式すべり軸受5に連結されている。
【0017】
動圧式すべり軸受5は、回転体10と、固定体20と、これらの回転体10と固定体20との間に保持された液体金属30とによって構成されており、陽極ターゲット4を回転可能に支持している。
【0018】
回転体10は、例えば、モリブデンなどを主成分とする材料や、モリブデンと熱伝導率が近いコバール合金(鉄−ニッケル−コバルト合金)などを用いて形成されている。この回転体10は、管軸Oに沿って延びた円筒状に形成されている。この回転体10の構造については、後により詳細に説明するが、管軸Oに沿った一端側は塞がれており、また、管軸Oに沿った他端側は開放されている。陽極ターゲット4は、回転体10の一端側に連結されている。
【0019】
固定体20は、上記構成の回転体10に嵌合され、回転体10を回転可能に支持している。この固定体20は、管軸Oに沿って伸びた円柱状に形成されている。固定体20の側面には、図示しないヘリングボーンパターンが刻まれている。このような固定体20の内部には、例えば、絶縁油などの冷却媒体を循環させるための流路20Aが形成されている。
【0020】
図示した例では、流路20Aは、固定体20の略中央を管軸Oに沿って伸び、先端部で折り返す循環路となっている。冷却媒体は、図中の矢印で示したように、流路20Aにおいて固定体20の中央から陽極ターゲット4に向かって流れ、その先端部で折り返して大気圧側の管外に向かって流れる。
【0021】
液体金属30は、真空中での蒸気圧が比較的低い液体金属、例えばインジウム(In)−ガリウム(Ga)合金からなる。この液体金属30は、回転体10と固定体20との間の空間SPに充填され、その表面張力によって保持されている。なお、液体金属30の材料については、上記の例に限らない。
【0022】
上記構成の動圧式すべり軸受5において、回転体10は、液体金属30が保持された空間SPと連通し且つ液体金属30をシールするシール面SSよりも外周側に形成されたリザーバ空間RSを備えている。
【0023】
より具体的に説明すると、固定体20は、第1固定部201と、第2固定部202と、張出部203と、を備えている。
【0024】
第1固定部201は、第1外径OD1の第1外周面OS1を有している。この第1固定部201は、管軸Oに沿って延びた円柱状に形成され、陽極ターゲット4の側に位置している。第1外周面OS1は、管軸Oを中心軸とする概略円筒面であるが、その一部には上記のヘリングボーンパターンが形成されている。
【0025】
第2固定部202は、第1外径OD1より小さい第2外径OD2の第2外周面OS2を有している。この第2固定部202は、管軸Oに沿って延びた円柱状に形成され、第1固定部201よりも陽極ターゲット4から遠ざかる側に位置している。第2外周面OS2は、管軸Oを中心軸とする概略円筒面である。
【0026】
張出部203は、第1外径OD1及び第2外径OD2よりも大きな第3外径OD3の第3外周面OS3を有している。この張出部203は、管軸Oを中心とした円盤状もしくは環状に形成されている。このような張出部203は、第1固定部201と第2固定部202との間に位置している。
【0027】
このような固定体20の内部には、上記の流路20Aに加えて、空間SPに連通したガス抜き穴(あるいは、液体金属30の循環経路)20Cが形成されている。このガス抜き穴20Cは、第1固定部201、第2固定部202、および、張出部203にわたって形成されている。
【0028】
回転体10は、第1円筒部101と、第2円筒部102と、を備えている。
【0029】
第1円筒部101は、張出部203よりも陽極ターゲット4の側に位置し、第1固定部201の第1外周面OS1に対して回転可能に設けられている。この第1円筒部101は、第1外周面OS1との間に空間SPを形成する第1内径ID1の第1内周面IS1を有している。この第1内周面IS1は、管軸Oを中心軸とする概略円筒面である。つまり、第1内径ID1が第1外径OD1よりも大きく設定されおり、第1外周面OS1と第1内周面IS1との間には、液体金属30の供給が可能な空間SPが形成されている。
【0030】
第2円筒部102は、張出部203よりも陽極ターゲット4から遠ざかる側に位置し、第2固定部202の第2外周面OS2に対して回転可能に設けられている。この第2円筒部102は、第1内径ID1より小さい第2内径ID2の第2内周面IS2を有している。この第2内周面IS2は、管軸Oを中心軸とする概略円筒面である。固定体20に対して回転体10の回転を許容するために、第2内径ID2は第2外径OD2よりもわずかに大きく設定されている。
【0031】
第2外周面OS2と第2内周面IS2との間では、液体金属30の表面張力により液体金属30がシールされている。ここでは、詳細に図示しないが、円筒状の第2外周面OS2に対して向かい合う第2内周面IS2には、複数段に亘るラビリンスシール捕獲空間が設けられている。このため、液体金属30の濡れにより、数段分でシールが破られたとしても後段で液体金属30をシールすることが可能となる。
【0032】
このような本実施形態においては、第2外周面OS2が実質的にシール面SSに相当する。
【0033】
なお、万が一、不測の事態によりラビリンスシール捕獲空間の全段でシールが破られたとしても、さらに後段(陽極ターゲット4から遠ざかる側)に設けられたトラップ空間により、漏れ出した液体金属30が捕獲されるため、管内に液体金属30が飛散することが防止され、耐電圧性能の低下を防止している。
【0034】
第2円筒部102には、シール面SS(つまり、第2外周面OS2)よりも外周側、つまり、管軸Oから遠ざかる側にリザーバ空間RSが形成されている。このリザーバ空間RSは、固定体20の内部に形成されたガス抜き穴20Cを介して空間SPと連通している。また、後述するが、リザーバ空間RSは、第2円筒部102を構成する部材間(具体的には、軸受シリンダと回転体サポートリングとの間)の隙間を介して張出部203の周囲に形成された空間SPと連通している。このようなリザーバ空間RSは、管軸Oを中心として環状に形成されている。
【0035】
なお、本実施形態において、「外径」及び「内径」とは、管軸Oに垂直な断面の円の直径に相当する。
【0036】
図2は、
図1に示した回転陽極型X線管1におけるリザーバ空間RS及びその近傍の構造例を示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを概略的に図示している。
【0037】
回転体10は、軸受シリンダ11と、回転体サポートリング12と、を備えて構成されている。張出部203は、これらの軸受シリンダ11及び回転体サポートリング12によって保持されている。なお、張出部203と、回転体10を構成する軸受シリンダ11及び回転体サポートリング12との間には、液体金属30が供給可能な空間SPが形成されている。つまり、回転体10と固定体20との間に形成された空間SPは、張出部203の周囲にも延在している。
【0038】
軸受シリンダ11は、管軸Oに沿って延びた円筒状に形成されている。また、この軸受シリンダ11は、張出部203より陽極ターゲット(図示しない)側に位置する第1シリンダ11Aと、この第1シリンダ11Aよりも陽極ターゲットから遠ざかる側に位置する第2シリンダ11Bと、を有している。
【0039】
第1シリンダ11Aは、第1内周面IS1を有する第1円筒部101を構成する。第2シリンダ11Bは、張出部203の外方を管軸Oに沿って延出し、第2円筒部102の一部を構成している。この第2シリンダ11Bは、張出部203の第3外径OD3よりもわずかに大きい第3内径ID3の第3内周面IS3を有している。この第3内径ID3は、第1内径ID1よりも大きい。
【0040】
回転体サポートリング12は、シール面SS、つまり、固定体20の第2外周面OS2に対して回転可能に設けられている。この回転体サポートリング12は、軸受シリンダ11と接合され、第2円筒部102の一部を構成している。これらの軸受シリンダ11と回転体サポートリング12との接合は、例えば、溶接、ロウ付け、ねじ止めなどの手法によってなされる。
【0041】
リザーバ空間RSは、回転体10の第2円筒部102に形成されており、張出部203よりも陽極ターゲットから遠ざかる側に形成されている。より具体的には、リザーバ空間RSは、回転体サポートリング12の外周に形成された切欠12Cと、この切欠を覆う軸受シリンダ11(第2シリンダ11B)の第3内周面IS3との間に形成されている。切欠12Cは、管軸Oを中心として環状に形成されている。
【0042】
張出部203と軸受シリンダ11との間、及び、張出部203と回転体サポートリング12との間に形成された空間SPは、リザーバ空間RSと連通している。具体的には、第2シリンダ11Bの第3内周面IS3と回転体サポートリング12との間には、液体金属30の染み出しが可能な隙間が形成されている。このため、図中の矢印Aで示したような各種経路に沿って、空間SPとリザーバ空間RSとの間で液体金属30の行き来が可能である。
【0043】
次に、本実施形態におけるリザーバ空間RSの機能について説明する。
【0044】
すなわち、本実施形態の回転陽極型X線管1は、その管軸Oが略水平となる横姿勢や、陽極ターゲット4が重力方向を向く縦姿勢(管軸Oは鉛直線方向と略平行)など各種姿勢で使用される。動圧式すべり軸受5においては、陽極ターゲット4の熱を回転体10から固定体20に確実に伝え且つ動圧効果を得るのに十分な量の液体金属30が封入されており、この液体金属30は、重力方向に向かって流れ、集まる。
【0045】
本実施形態においては、動圧式すべり軸受5を構成する回転体10において、液体金属30をシールするシール面SSすなわち固定体20の第2外周面OS2に対して、管軸Oよりも外周側に壁面を隔てたリザーバ空間RSが設けられている。このため、管軸Oが水平となるなどの姿勢のときに、液体金属30がシール面SSよりも下方に位置するリザーバ空間RSに流れ込むことにより、液体金属30の液面がシール面SSより下方に下がる構造としている。
【0046】
図3は、
図1に示した回転陽極型X線管1が陽極ターゲット4を重力方向に向けた縦姿勢の場合を概略的に示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを概略的に図示している。
【0047】
すなわち、陽極ターゲット4の側が下を向いた姿勢では、陽極ターゲット4の回転が停止した静止状態において、液体金属30は、軸受シリンダ11の陽極ターゲット4の側の底に重力で集まる。このとき、空間SPに封入されている液体金属30は、その液面30Sがターゲット側ラジアル軸受面13より上方であって、反ターゲット側ラジアル軸受面14の中間位置付近(あるいは、張出部203付近)であることが望ましい。なお、これらのターゲット側ラジアル軸受面13及び反ターゲット側ラジアル軸受面14とは、軸受シリンダ11の第1内周面IS1の一部である。
【0048】
これにより、固定体20の第1固定部201と軸受シリンダ11との間に液体金属30が十分に供給され、起動時の不具合や反ターゲット側ラジアル軸受面14の熱伝達異常の発生を抑制することができる。また、起動後の回転体10の回転に伴い、液体金属30が反重力方向(つまり、陽極ターゲット4から遠ざかる側)に掻き上げられ、固定体20の張出部203と軸受シリンダ11及び回転体サポートリング12との間にも液体金属30が十分に供給される。
【0049】
また、このような縦姿勢では、陽極ターゲット4が回転体10とともに回転する回転状態において、遠心力により軸受内の液体金属30が反重力方向に這い上がる。そして、液体金属30が張出部203よりもさらに上方に押し出されたとしても、押し出された液体金属30は、リザーバ空間RSにおいて一時的にリザーブされる。そして、張出部203と回転体10との間の液体金属30が不足してきた場合には、リザーバ空間RSの液体金属30が重力で下方に流れ落ち、張出部203の周囲の空間SPに供給されるため、液体金属30の枯渇に起因した不具合の発生を抑制することが可能となる。
【0050】
図4は、
図1に示した回転陽極型X線管1の管軸Oが水平方向を向いた横姿勢の場合を概略的に示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを概略的に図示している。
【0051】
上記の通り、十分な量の液体金属30が封入された場合、横姿勢(水平姿勢)のときに液体金属30の喫水面が上昇し、液体金属30の液面30Sがシール面SSを超えてしまうおそれがある。液体金属30の液面30Sがシール面SSを超えた場合には、静止状態において、液体金属30による水頭圧がシール面SSに掛かるため、シール面SSの濡れが序々に進行し表面張力が低下して液体金属30が漏出するおそれがある。
【0052】
このため、本実施形態においては、横姿勢において、シール面SSより下方になる位置(管軸Oの外周側の位置)にリザーバ空間RSが設けられている。これにより、横姿勢の際に、シール面SSを超える分の余剰な液体金属30は、リザーバ空間RSに流れ込み、このリザーバ空間RSにおいて一時的にリザーブされる。このため、液体金属30の液面30Sは、シール面SSよりも下方に下がる。つまり、喫水面が必要最小限の高さに下がることで、前述の液体金属30の水頭圧がシール面SSに掛かることを防止することが可能となる。
【0053】
液体金属30の封入量及び液体金属30が保持される空間SPの容積は、横姿勢において、静止状態で、液体金属30の液面30Sがシール面SSよりも下方に位置するように調整される。このとき、シール面SS(あるいは、第2外周面OS2)、液体金属30の液面30S、及び、第1内周面IS1の位置関係について言えば、液体金属30の封入量及び液体金属30が保持される空間SPの容積は、液面30Sが第2外周面OS2よりも下方に位置し且つ第1内周面IS1より上方に位置するように調整されることがより望ましい。なお、リザーバ空間RSは、その上端面RSTが第1内周面IS1よりも下方に位置するように形成されている。
【0054】
また、このような横姿勢では、陽極ターゲット4が回転体10とともに回転する回転状態において、リザーバ空間RSにリザーブされた液体金属30に遠心力が作用する。リザーバ空間RSの下端面RSBは、軸受シリンダ11の第3内周面IS3の一部である。このため、リザーバ空間RSの内部の液体金属30は、遠心力によって下端面RSBに張り付き、第3内周面IS3を伝わりながら軸受シリンダ11と回転体サポートリング12との間の隙間を通り、張出部203の周囲の空間に供給可能となる。つまり、張出部203の周囲の液体金属30が不足すると、リザーバ空間RSにリザーブされていた液体金属30が引き込まれ、液体金属30の枯渇を抑制することが可能となる。
【0055】
本実施形態においては、リザーバ空間RSは、さらに、製造段階での排気プロセスにおいて、ガスとともに噴出した液体金属30を受け止め、液体金属30とガスとを分離する空間としても機能する。
【0056】
すなわち、固定体20は、動圧式すべり軸受5の内部よりガスを抜く過程に対応するため、軸受内のガスを排気し、軸受内の圧力を一定にするため、軸受内の全ての隙間や空間と連通するガス抜き穴20Cを備えている。リザーバ空間RSは、ガス抜き穴20Cのシール面側出口と連通している。
【0057】
このため、排気プロセスにおいて、ガス抜き穴20Cから液体金属30が内部のガスに押されて吹き上がってきた場合、リザーバ空間RSは、ガスと混ざった液体金属30とを受け止める。時間の経過とともに、液体金属30は、重力によって沈み、ガスはシール面SSを伝わって選択的に軸受外に放出される。これにより、液体金属30が管内の空間に漏れ出すことを防止することが可能となる。
【0058】
なお、本実施形態においては、リザーバ空間RSにリザーブされた液体金属30が回転状態において第3内周面IS3を伝わって張出部203の周囲に供給可能であることを説明したが、リザーバ空間RSの端部にネジポンプを設け、リザーブされた液体金属を張出部203の周囲に供給してもよい。
【0059】
このようなネジポンプは、例えば、固定体20の回転体サポートリング12と対向する面(シール面の一部)、及び、回転体サポートリング12の固定体20と対向する面の少なくとも一方にネジ型の回転子を形成することによって構成されている。このようなネジポンプにおいては、リザーバ空間RSの液体金属30は、回転子の相対的な回転に伴って固定体20と回転体サポートリング12との間の隙間を通り管軸Oの方向に沿って張出部203の周囲に向けて供給される。これにより、張出部203の周囲に潤沢な液体金属を供給することが可能となる。
【0060】
以上説明したように、本実施形態によれば、液体金属の漏出を抑制することが可能な回転陽極型X線管を提供することができる。
【0061】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。これらの新規な実施形態は、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。これらの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。