(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
(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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
(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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
(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。
【0037】
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。
【0038】
(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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
(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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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
。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[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、
[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、
[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、
[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、
[5]に記載の固定陽極型X線管。
【符号の説明】
【0049】
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。