特開 2024-165012 Ｘ線管装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165012

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】Ｘ線管装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 35/12 20060101AFI20241121BHJP

【ＦＩ】

H01J35/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080813

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】503382542

【氏名又は名称】キヤノン電子管デバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 利巳

(57)【要約】

【課題】製品寿命の長期化を図ることのできるＸ線管装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線管装置１は、陰極１５と、陽極ターゲット１３と、陽極ブロック１４と、保護膜２５と、を備える。陰極１５は、電子を放出する。陽極ターゲット１３は、陰極１５から放出された電子が衝突することでＸ線を発生する。陽極ブロック１４は、外部に陽極ターゲット１３が接合され、内部に冷却液が流通する流路２３が形成される。保護膜２５は、金と、タングステンと、コバルトまたはニッケルとを含む金三元合金によって形成され、陽極ブロック１４の内面を被覆する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子を放出する陰極と、
前記陰極から放出された電子が衝突することでＸ線を発生する陽極ターゲットと、
外部に前記陽極ターゲットが接合され、内部に冷却液が流通する流路が形成された陽極ブロックと、
金と、タングステンと、コバルトまたはニッケルとを含む金三元合金によって形成され、前記陽極ブロックの内面を被覆する保護膜と、
を備えることを特徴とするＸ線管装置。

【請求項2】

前記保護膜は、コバルトまたはニッケルの含有量が３９～６０ｗｔ％である
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線管装置。

【請求項3】

前記保護膜は、コバルトまたはニッケルの含有量が４９～５０ｗｔ％である
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線管装置。

【請求項4】

前記保護膜は、タングステンの含有量が０．２～０．５ｗｔ％である
ことを特徴とする請求項３に記載のＸ線管装置。

【請求項5】

前記保護膜は、三元系のアモルファス構造を有している
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一に記載のＸ線管装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、Ｘ線管装置に関する。

【背景技術】

【0002】

蛍光Ｘ線分析などに使用されるＸ線管装置は、陰極から放出された電子を陽極ターゲットに衝突させることでＸ線を発生させている。電子の衝突によって熱が発生するため、陽極ターゲット、およびその陽極ターゲットを接合した陽極ブロックは、高温になる傾向がある。そのため、このようなＸ線管装置では、陽極ブロック内に形成された流路に冷却液を流通させることにより、陽極ターゲットおよび陽極ブロックを冷却する冷却機構を備えている。

【0003】

一方、陽極ブロック内の流路では、冷却液の沸騰、あるいは冷却液回路内の圧力差に起因して、冷却液中に気泡が発生する場合がある。このような気泡は、消滅の際に衝撃波を生じさせるため、冷却液の流路を構成する陽極ブロックの内面が浸食される原因となり得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第７１８７４０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、製品寿命の長期化を図ることのできるＸ線管装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態のＸ線管装置は、陰極と、陽極ターゲットと、陽極ブロックと、保護膜と、を備える。陰極は、電子を放出する。陽極ターゲットは、陰極から放出された電子が衝突することでＸ線を発生する。陽極ブロックは、外部に陽極ターゲットが接合され、内部に冷却液が流通する流路が形成される。保護膜は、金と、タングステンと、コバルトまたはニッケルとを含む金三元合金によって形成され、陽極ブロックの内面を被覆する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態を示すＸ線管装置の断面図である。

【図2】同上Ｘ線管装置のＸ線管の一部の拡大断面図である。

【図3】同上Ｘ線管装置の保護膜のコバルトまたはニッケルの含有量に対する硬度と熱伝導率の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

【0009】

図１は、本実施形態に係るＸ線管装置１の一例を示す断面図である。Ｘ線管装置１は、Ｘ線管２と、このＸ線管２を含む管容器３と、を備える。さらに、Ｘ線管装置１は、高電圧レセプタクル４、冷却パイプ５、ジョイント６、導水パイプ７、導体スプリング８、絶縁筒体９、ベローズ１１などを備えている。以下では、Ｘ線管装置１の管軸ＴＡに平行な方向を軸方向と称する。軸方向において、Ｘ線管２側である一端側を下方向（下側）と称し、下方向に対して反対方向の他端側を上方向（上側）と称する。また、管軸ＴＡに対して垂直な方向を径方向と称する。

【0010】

高電圧レセプタクル４は、高電圧ケーブルを接続するために、上端部が開口し、かつ下端部が閉塞した、有底の円筒形状に形成されている。高電圧レセプタクル４は、管軸ＴＡを中心軸として、管容器３内の上側に液密に設けられている。高電圧レセプタクル４は、底部を貫通する接続端子１２を備えている。接続端子１２は、高電圧レセプタクル４に挿入される外部電路のブッシングと、端子とを含む。接続端子１２の下端は、導体スプリング８を介してジョイント６に接続されている。

【0011】

導体スプリング８は、高電圧レセプタクル４と導水パイプ７とを電気的に接続している。これにより、導水パイプ７を介して、後述する陽極ターゲット１３に高電圧が供給される。

【0012】

絶縁筒体９は、略円筒形状の絶縁体で形成され、高電圧レセプタクル４の外側に設けられている。図示しないが、絶縁筒体９は、絶縁油が流通可能な構造とされている。絶縁筒体９は、例えば上端部が管容器３の内側に固定されている。

【0013】

冷却パイプ５は、冷却液、例えば、水系冷却液としての純水を流すための導管である。冷却パイプ５は、高電圧レセプタクル４と絶縁筒体９との間に螺旋状に設けられている。冷却パイプ５は、冷却液が供給される給水口５ａを備える第１冷却パイプ５ｂと、冷却液が排出される排出口５ｃを備える第２冷却パイプ５ｄと、で構成されている。

【0014】

第１冷却パイプ５ｂは、給水口５ａが冷却液の供給源である循環冷却装置など（図示せず）に接続され、給水口５ａと反対側の端部がジョイント６に接続されている。一方、第２冷却パイプ５ｄは、排出口５ｃが循環冷却装置など（図示せず）に接続され、排出口５ｃと反対側の端部がジョイント６に接続されている。なお、冷却パイプ５は、高電圧レセプタクル４の外周壁に接触しないように保持された構造であればよく、螺旋状に設けられていなくともよい。

【0015】

ジョイント６は、Ｘ線管装置１の中心部、例えば管軸ＴＡ上に設けられ、導水パイプ７と冷却パイプ５とを接続している。なお、詳細は省略するが、ジョイント６には、管軸ＴＡと垂直な方向に開口し、第１冷却パイプ５ｂが液密に接続された第１通路と、管軸ＴＡと垂直な方向に開口し、第２冷却パイプ５ｄが液密に接続された第２通路と、管軸ＴＡに沿って延伸し、第１通路および第２通路の双方と繋がる第３通路と、が形成されている。

【0016】

導水パイプ７は、ジョイント６の下部に接続され、管軸ＴＡに沿って延伸している。導水パイプ７は、管軸ＴＡを中心とした２重の円筒形状に形成されている。すなわち、導水パイプ７は、円筒形状に形成された外側パイプ７ａと、外側パイプ７ａの内側に設けられた円筒形状の内側パイプ７ｂとを含む。

【0017】

外側パイプ７ａは、ジョイント６の下部と、後述する陽極ブロック１４の上部とのそれぞれに液密に接合されている。外側パイプ７ａは、ジョイント６を介して排水口５ｃに連通する第２冷却パイプ５ｄに接続されている。

【0018】

内側パイプ７ｂは、上端部がジョイント６（より具体的には、上述の第３通路）に嵌合され、下端部に先端ノズル部２４を備えている。内側パイプ７ｂは、ジョイント６を介して給水口５ａに連通する第１冷却パイプ５ｂに接続されている。

【0019】

また、Ｘ線管２は、管容器３内部の下側に設けられている。Ｘ線管２は、陽極ターゲット（陽極）１３と、陽極ブロック１４と、陰極１５と、ウェネルト電極１６と、第１真空外囲器１７と、第２真空外囲器１８と、Ｘ線放射窓（窓部）１９と、を備えている。高電圧レセプタクル４に高電圧ケーブルが接続された場合、陽極ターゲット１３と陰極１５との間に、高電圧（管電圧）が印加される。

【0020】

陽極ブロック１４は、管軸ＴＡを中心軸とした有底の円筒形状に形成されている。陽極ブロック１４の開口部側には、外側パイプ７ａの下端部が固定されている。陽極ブロック１４の内側には、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４が配置されている。この先端ノズル部２４から陽極ブロック１４の底部（または、陽極ターゲット１３の設置方向）に向かって、冷却液が吐出される。

【0021】

Ｘ線管装置１において、ジョイント６、導水パイプ７、および陽極ブロック１４は、組み立てられることで、冷却液を流すための流路２３を構成する。なお、ジョイント６、導水パイプ７、および陽極ブロック１４は、夫々、別体として記載したが、冷却液を流す流路を構成すれば、全て一体に形成されていてもよいし、部分的に一体に形成されていてもよい。冷却液が、ジョイント６、導水パイプ７、および陽極ブロック１４で構成された流路２３と、冷却パイプ５と、を循環することで、後述する内部空間２２に充填された絶縁油や陽極ターゲット１３などが冷却される。

【0022】

陽極ターゲット１３は、陽極ブロック１４の外部である底部に接合されている。陽極ターゲット１３は、電子が衝撃することによってＸ線を放射する。このとき、陽極ターゲット１３は、電子が衝撃することで温度が上昇するが、陽極ブロック１４の内部の流路２３を流れる冷却液によって冷却される。相対的に、陽極ターゲット１３には正の電圧が印加され、陰極１５には負の電圧が印加される。例えば、陰極１５は、電気的に接地されている。

【0023】

陰極１５は、リング状のフィラメントで形成され、電子を放出する。陰極１５は、陽極ターゲット１３（または、陽極ブロック１４）から径方向の外側に所定の間隔を空けて配置されている。陰極１５から放出される電子は、ウェネルト電極１６の下端部を越えて陽極ターゲット１３上に衝突する。

【0024】

ウェネルト電極１６は、円筒形状に形成され、陽極ターゲット１３と陰極１５との間に設けられている。ウェネルト電極１６は、陰極１５から射出された電子を陽極ターゲット１３上に集束させる。

【0025】

第１真空外囲器１７は、内側円筒と、外側円筒とで構成されている。第１真空外囲器１７は、内側円筒と外側円筒との上端部が互いに接合されている。内側円筒および外側円筒は、それぞれ、略円筒形状で、例えば、ガラス材、またはセラミックス材で形成されている。第１真空外囲器１７は、内側円筒の下端部が陽極ブロック１４に真空気密に接続され、外側円筒の下端部がＸ線管２の壁面の一部としてＸ線管２の壁部に真空気密に接続されている。

【0026】

第２真空外囲器１８は、有底の略円筒形状で形成されている。第２真空外囲器１８は、上端部がＸ線管２の壁面の一部としてＸ線管２の壁部に真空気密に接続されている。第２真空外囲器１８は、後述する管容器３ともに電気的に接地される。

【0027】

Ｘ線放射窓１９は、薄板状であり、第２真空外囲器１８の底部の中心付近を貫通する開口部に真空気密に接合されている。Ｘ線透過窓１９は、電子が衝突した際に陽極ターゲット１３から発生するＸ線を透過し、Ｘ線をＸ線管装置１の外部へ放出する。Ｘ線透過窓１９は、Ｘ線を透過する部材、例えば、ベリリウム薄板で形成されている。また、Ｘ線管２は、外壁の一部に径方向の外側に突出する第１の凸部２０ａと、第２の凸部２０ｂとを備えている。

【0028】

また、管容器３は、Ｘ線管装置１の各部を内部に収容する密閉された容器である。管容器３は、管軸ＴＡを中心軸とする略円筒形状に形成されている。管容器３は、例えば、金属部材で形成されている。また、管容器３は、内壁に鉛板２１が内貼りされている。管容器３（鉛板２１）の内側の内部空間２２には、絶縁油が充填されている。ここで、内部空間２２は、例えば、管容器３の内側、Ｘ線管２および高電圧レセプタクル４の外側、かつ空盆１０以外の空間である。

【0029】

ベローズ１１は、管容器３の下側の所定の部分に、内部空間２２と空盆１０とを隔離するように備えられている。ベローズ１１は、第１の凸部２０ａに一端部が固定され、他端部が第２の凸部２０ｂに固定されている。ベローズ１１は、樹脂性の弾性部材で形成されており、絶縁油の膨張および収縮などを空盆１０で伸縮することによって吸収する。なお、ベローズ１１は、伸縮自在な伸縮部材であり、例えばゴムベローズ（ゴム膜）である。

【0030】

そして、本実施形態では、Ｘ線管装置１において、冷却液は、給水口５ａから第１冷却パイプ５ｂに取り入れられ、ジョイント６を介して内側パイプ７ｂに流入する。内側パイプ７ｂに流入した冷却液は、内側パイプ７ｂの先端ノズル部２４から吐出され、陽極ブロック１４の内側表面および外側パイプ７ａの内側表面と、内側パイプ７ｂの外周部との間に流れ、その後、ジョイント６を介して第２冷却パイプ５ｄに流入し、排出口５ｃから取り出される。したがって、冷却液は、陽極ブロック１４の内部に形成された流路２３を流通し、陽極ターゲット１３および陽極ブロック１４を冷却する。

【0031】

次に、図２はＸ線管２の拡大断面図である。陽極ブロック１４は、円筒形状の管部１４ａと、管部１４ａの一端側（すなわち陽極ターゲット１３側）を閉塞する端部である底部１４ｂと、を有している。陽極ブロック１４は、例えば熱伝導率の高い銅によって形成されている。陽極ターゲット１３は、底部１４ｂの外面に接合されている。

【0032】

導水パイプ７の内側パイプ７ｂは、例えばステンレスによって形成され、陽極ブロック１４の管部１４ａの内側および外側パイプ７ａの内側に位置している。内側パイプ７ｂの外面は、陽極ブロック１４の管部１４ａの内周面および底部１４ｂの内面と面している。内側パイプ７ｂは、その内面によって冷却液の第１流路２３ａを形成しているとともに、その外面によって陽極ブロック１４との間に冷却液の第２流路２３ｂを形成している。内側パイプ７ｂの端部には、底部１４ｂに向けて冷却液を吐出する吐出口２３ｃが形成されている。図２中の矢印は、流路２３を流れる冷却液の流れを示している。

【0033】

陽極ブロック１４の内面は、保護膜２５によって被覆されている。保護膜２５は、底部１４ｂの内面と、管部１４ａの内周面とに亘って連続的に被覆している。図２の例では、保護膜２５は、底部１４ｂの内面および管部１４ａの内周面の全体に亘って設けられているが、少なくとも底部１４ｂの内面全体、および管部１４ａの内周面のうち底部１４ｂと管部１４ａとの境界近傍の領域を被覆していればよい。なお、底部１４ｂの内面に形成される保護膜２５の厚さが、管部１４ａの内周面に形成される保護膜２５の厚さよりも大きいことが好ましい。

【0034】

陽極ブロック１４の内部の流路２３を流通する冷却液内には、冷却液の沸騰や、冷却液回路内での冷却液の圧力差により、気泡が発生する場合がある。この気泡が消滅する際、衝撃波を生じさせる。陽極ブロック１４の内面を被覆する保護膜２５が軟質金で形成されている場合、保護膜２５に対して衝突する気泡が消滅する際の衝撃波を繰り返し受けることにより、保護膜２５が腐食し、浸食が発生しやすい。場合によっては、陽極ブロック１４や陽極ターゲット１３まで浸食が進むおそれがある。

【0035】

本実施形態では、保護膜２５の耐浸食性能を向上させるために、保護膜２５の硬度をより向上させている。保護膜２５は、金（Ａｕ）と、タングステン（Ｗ）と、コバルト（Ｃｏ）またはニッケル（Ｎｉ）とを含む硬質金である金三元合金によって形成されている。この保護膜２５は、一例では、めっき法によって形成される。金三元合金によって形成される保護膜２５は、結晶構造を持たない三元系のアモルファス（非晶質）構造を有している。

【0036】

図３は、保護膜２５のコバルトまたはニッケルの含有量に対する硬度と熱伝導率の関係を示すグラフであって、金－タングステン中のコバルトまたはニッケルの含有量に対する保護膜２５の硬度および熱伝導率を実験により求めた結果を示す。グラフでは、複数のプロットに示すように含有量を変えて硬度および熱伝導率を求め、硬度および熱伝導率の回帰直線を引いている。保護膜２５におけるタングステンの含有量は、重量比で０．２～０．５ｗｔ％である。

【0037】

一般的に金属の硬度に関しては、次のＨａｌｌ－Ｐｅｔｃｈの式が知られている。

【0038】

Ｈ＝Ｈ_０＋ｋｄ^－１／２
（Ｈ：硬度、d：結晶粒の直径、Ｈ_０，k：定数）
金中に添加剤としてタングステンとコバルトまたはニッケルを入れた金三元合金とすることで、例えばめっき法で形成する際に、結晶の成長が妨げられて粒径が微細化し、三元系のアモルファス構造となるため、硬度が高まる。

【0039】

そして、図３に示すように、保護膜２５におけるコバルトまたはニッケルの含有量が増加すると、硬度が高まり、耐食抵抗（耐腐食性）が向上する。

【0040】

一方、保護膜２５におけるコバルトまたはニッケルの含有量が増加すると、保護膜２５の熱伝導率が低下する。保護膜２５の熱伝導率が低下すると、冷却液による陽極ブロック１４および陽極ターゲット１３の冷却効率が低下し、陽極ターゲット１３の表面（ターゲット面）が劣化しやすくなる。この結果、Ｘ線管装置１の製品寿命が短くなったり、信頼性の低下を招いたりするおそれがある。

【0041】

このことから、保護膜２５に対するコバルトまたはニッケルの含有量は、重量比で４９～５０ｗｔ％の範囲が、保護膜２５の硬度と熱伝導率とのバランスが最も好ましい。この範囲では、コバルトまたはニッケルの含有量が０ｗｔ％の場合と比較して、十分な熱伝導率が確保されたうえで、硬度が３倍以上となる。そのため、耐食抵抗が３倍以上となり、保護膜２５に対して衝突する気泡が消滅する際の衝撃波を繰り返し受けても、保護膜２５の浸食を低減できる。

【0042】

このように、保護膜２５におけるコバルトまたはニッケルの含有量は、４９～５０ｗｔ％の範囲が好ましい。さらに、４９～５０ｗｔ％の範囲の±１０％の３９～６０ｗｔ％の範囲でも、保護膜２５の硬度と熱伝導率とのバランスが確保されるため、好ましい範囲である。

【0043】

以上のように、本実施形態によれば、陽極ブロック１４の内面を被覆する保護膜２５が、金と、タングステンと、コバルトまたはニッケルとを含む硬質金である金三元合金によって形成されるため、保護膜２５の硬度を高め、耐浸食性能を向上させることができ、製品寿命の長期化を図ることができる。

【0044】

この金三元合金によって形成される保護膜２５は、結晶構造を持たない三元系のアモルファス（非晶質）構造を有するものであって、保護膜２５の硬度を高め、耐浸食性能を向上させることができる。

【0045】

保護膜２５におけるコバルトまたはニッケルの含有量は、３９～６０ｗｔ％の範囲、より好ましくは４９～５０ｗｔ％の範囲であるため、保護膜２５の硬度と熱伝導率とのバランスを最適化できる。

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

１ Ｘ線管装置
１３ 陽極ターゲット
１４ 陽極ブロック
１５ 陰極
２３ 流路
２５ 保護膜

【図1】

【図2】

【図3】