JP2753566B2

JP2753566B2 - ベローズを使用した高強度ｘ線源

Info

Publication number: JP2753566B2
Application number: JP1041953A
Authority: JP
Inventors: ウエストン・エイ・アンダーソン
Original assignee: BARIAN ASOSHEITSU Inc
Current assignee: BARIAN ASOSHEITSU Inc
Priority date: 1988-02-25
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: IL89236A0; DE68914307D1; DE68914307T2; IL89236A; EP0330336A3; US4878235A; JPH0210637A; CA1311011C; EP0330336B1; EP0330336A2

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、流体冷却式回転陽極を使用する高強度Ｘ線
源に関し、さらに具体的にいえば陰極と陽極の相対運動
ができるようにベローズを組み込んだＸ線源に関する。

（従来技術）古典的なＸ線管は、一端に熱陰極を、他端に固定陽極
を持っている。陰極から放出された電子は高電圧で加速
されて陽極に衝突し、それによってＸ線を発生する。高
精細度の像を生じるために、電子線は焦点を小さく結ば
なければならず、そのために陽極ターゲットは極度に加
熱される。このＸ線管の出力能力は、陽極ターゲットの
伝導冷却によって制限される。

高強度Ｘ線源は、集積回路製造用のＸ線リトグラフ
ィ、Ｘ線画像化用のコンピュータ・トモグラフィ、およ
び物質分析のためのＸ線回折などの用途に、需要が高ま
っている。高強度Ｘ線源は、高強度電子線を陽極に衝突
させることによって構成することができるが、陽極の冷
却が大きな技術上の問題になっている。その後の進歩
で、真空エンベロープの外部に出ている固定子を持つ誘
導電動機の回転子によって駆動され、エンベロープ内部
の軸受け上で高速回転する金属円板の表面をターゲット
にした回転ターゲット管が作られた。回転陽極は熱をタ
ーゲットの環状領域全体に分散し、医療用Ｘ線写真撮影
に見られるように、短時間の操作でずっと高い出力が得
られる。陽極の最終冷却は大半が、高真空の放熱によっ
て行なわれるので、このような管は重作業には適さな
い。大きな陽極が、ゆっくりと冷却するのを持たなけれ
ばならないからである。

ケリーの米国特許第1,160,177号は、固定陽極に冷媒
を外部から適用するＸ線について開示している。電子線
からの熱の配分は、電子線を陽極の様々な部分に向ける
ことによって、ある程度改善することができる。ウォル
スウィアの米国特許第2,229,152号およびホランドの米
国特許第4,336,476号は、真空内に完全に密封され、真
空外部のコイルによる磁界に応答して回転する陽極を開
示している。陽極からの熱は、軸受けを通して伝導さ
れ、真空から外部キャップへ発散される。フリシコウス
キらの米国特許第4,128,781号は、陽極と相対的に回転
できる陰極を持つＸ線管を開示している。回転陰極から
の電子は、固定陽極リングへ入射する。陰極が回転する
ので、Ｘ線は空間的に様々な位置から放出される。ほと
んどの用途では、Ｘ線が空間的に固定された位置から出
ることが重要である。

本発明の発明者が1984年12月12日に出願した米国特許
出願第683,988号は、陰極を作動上空間的に固定させる
一方、陽極を回転させる方法を説明している。１つの方
法は、回転熱陰極に回転軸に沿って電子線を放出させ、
その電子線を定常磁界によって偏向させて回転陽極上の
定常スポットに向かわせるものである。別の変形方法で
は、軸受けに掛けて回転エンベロープから吊り下げ、磁
界または重力場により静止させることによって、陰極を
軸から外れた位置に静止させる。

本発明の発明者が1986年３月25日に出願した米国特許
第843,960号は、真空エンベロープ全体が陽極とともに
回転するＸ線管について述べている。陽極は真空エンベ
ロープの一部になっており、外部から液体または空気で
冷却することができる。陽極も回転する。これは、軸対
称帯の光電陰極面であり、真空エンベロープの一部にな
っている補助対称透明窓を通してエンベロープに入る光
の集束定常スポットによって放射される。陰極からの光
電子は、定常磁界による場合と同様に、小さい定常スポ
ットに焦点を結び、これによって陰極が回転する。

このように、陰極の大面積全体に熱を消散させるよう
に高出力Ｘ線管を設計する方法はいろいろある。しかし
そのほとんど全部が、すべりＯリング・シールまたはフ
ェロフルイド・タイプのシールの形を取った回転シール
を使用している。このようなシールは、回転速度を制限
したり、シールの破損のために管の寿命を限定するなど
の問題を生じる。本発明の目的は、回転シールを使用し
ない高強度Ｘ線源を提供することである。

（発明の要約）本発明のこのような目的、および明細書の中で明らか
にしていくその他の目的、特徴、および利点は、簡単に
いえば、ベローズ形の配列を採用することにより、完全
な真空密閉容器を提供しながら、管の内部構造と機械的
に結合することができるようにした本発明によって達成
される。真空引きのときシステム全体を高温でガス抜き
することができるように、接合部は全部、硬質はんだ付
けまたはろう付けで継ぎ合わせることができる。フェロ
フルイド・タイプの回転継手やＯリング・ガスケット・
タイプのシールを使用する必要がないので、管を密閉す
ることができ、管の内部はその後真空引きを行わないで
も高真空に維持される。管は、液体または流体冷却式回
転陽極を使用する。

本発明のこうした特性、およびその他の構成上および
作動上の特性は、非限定的な例として取り上げる１つの
好適実施例および変形例を図示する添付図面の図を参照
しながら述べる以下の詳細な説明から、一層明らかにな
るであろう。

（実施例）ここで、部品を参照番号で指定した様々な図を含む図
面を参照しながら説明すると、第１図には、陽極サポー
ト12、窓14、絶縁円筒16、陰極サポート17、ベローズ1
8、および陰極揺れ止め20を含む真空密閉シェル10が示
されている。封入された体積の真空引きを行い、高真空
状態で維持することができるように、これらの部品は全
て、硬質はんだ付けまたはろう付けにより継ぎ合わせる
ことができる。電動機22は、このシェル全体10を数千RP
Mの高角速度で回転させる。図で分かるように、電動機2
2はこの構造体の一端を絶縁軸継手を介して支持してお
り、他端は電動機と共通の回転軸線A₂を持つシェル軸受
け26によって支持される。また内部軸受け28は同一軸上
に整列させて、シェルが回転するときに内部陰極を固定
位置に維持できるようにする。陰極は、電動機の軸線A₂
から外れた軸線A₁上の陰極揺れ止め20によって、回転が
抑制される。この略図では、２つの軸線A₁とA₂が互いに
平行しているように見えるが、陰極揺れ止めの軸受け32
と33が適切に支持され、互いに共通の軸線を維持する限
り、陰極揺れ止めの軸は電動機の軸線に対して傾斜して
もよい。ヒータ電源を陰極34に接続するために、１次側
36を回転シェルの外側に出した変圧器を、絶縁円筒を介
して、回転シェル10内部の静止陰極39に取り付けた変圧
器の２次側38に磁気的に結合する。これにより、電源は
外部から内部の陰極構造体に接続される。正の高電圧
が、駆動軸上のスリップ・リング40によって陽極サポー
トへ印加される。この電圧は、機械的絶縁軸継手24によ
って、電動機から隔離される。負の電源は、別のスリッ
プ・リングを介して、または軸受け26と28または軸受け
32と33を介して、陰極に接続することができる。陰極揺
れ止め20は、構造体の他の部分と共に回転するが、その
軸は台に対して固定されており、しかも電動機の軸とは
一致しない。内部陰極サポート42は、陰極揺れ止め20と
の接触によって、回転を抑制される。この構成では、陰
極34は電動機22に対して静止しているので、提供する電
子線のパターンを長方形にしたければ、そうすることが
でき、陽極44上の衝撃パターンも、半径方向を長軸とす
る長方形にすることができる。このようなパターンを窓
を通して斜めから見ると、細長いパターンを短縮して見
ることができ、これによって小さいＸ線源のスポット・
サイズを効果的に得ることができる。この技法は、熱を
陽極44の半径方向に沿って分散させるために使用され、
そうすることによって陽極に対する瞬間的熱負荷が軽減
され、しかも小さいＸ線スポット・サイズを得ることが
できる。電動機22、揺れ止め軸受け32、および変圧器の
一次側32は全て、台46に取り付ける。

別のＸ線管の構成を、第２図に示す。この構成は、陰
極134が陰極サポート部材136に直接取り付けられている
以外は、第１図の構成によく似ている。ヒータ用の電源
リードは、真空部分の外部領域および、標準真空フィー
ドスルー140を介して電源138に接続され、さらに１対の
スリップ・リング142を介して外部ヒータの電流源に接
続される。この構成では、陰極134自体が陽極に相対的
に回転するので、Ｘ線のパターンが陰極134または陽極1
44の角度位置から独立するように、円形パターンの電子
線を放出する形状の陰極を使用しなければならない。適
切な電子光学により、陽極面に対する垂直線からかなり
の角度で、電子を陽極144に衝突させることによって、
瞬間的陽極出力密度の低下も達成することができる。Ｘ
線を同一角度ではあるが垂直線の反対側に出すことによ
って、望ましい短縮形のＸ線のスポット・サイズを得る
ことができる。

第３図は第３の構成を示す。ここでは、管の陰極側で
はなく、陽極側にベロースを使用する。これによって、
小さい円形のＸ線窓214を使用することができるように
なる。この構成では、陰極はＸ線窓214の周囲を取り巻
く円形の形状になっている。電子は円錐形に収束し、陽
極244に入射する。陽極の瞬間熱負荷を軽減するため
に、Ｖ溝陽極の構成を使用することができる。Ｖ溝陽極
は、より大きい陽極表面面積に瞬間電子熱を分散するこ
とができる。Ｘ線はＸ線窓214から取り出すので、電子
が陽極に到達した角度とほぼ同一角度で陽極244の表面
から出ていき、適切な短縮形のＸ線のスポット・サイズ
を得ることができる。Ｖ溝の形状はまた、Ｘ線の強度お
よびエネルギの分布の対称性を一層高めることができる
ので、この構成はＸ線リトグラフィ用のＸ線源の候補と
して適している。第２図の実施例と同様に、ヒータ電流
を外部に接続するためにフィードスルーを使用し、また
電流をフィラメント電流源に接続するためにスリップ・
リングを使用する。Ｘ線陽極244は、ほぼ完全に真空密
閉容器210内に入っている。駆動軸内の流路から液体冷
却剤を流入出させることによって、陽極構造体に冷却剤
を循環させ、容易に冷却することができる。冷却剤パッ
キン押え246により、流体冷却剤は外部熱交換器を通し
て循環することができる。全ての構成で、第１図と同じ
様に、絶縁軸継手を使用することによって、電動機をＸ
線陽極から電気的に分離することができる。陽極をアー
スしない場合は必ず、電気絶縁冷却剤を使用すべきであ
る。第２図および第３図の実施例には、内部軸受けは含
まれていないので、先行技術の回転陽極Ｘ線管に見られ
るような真空軸受けの問題は、回避される。

どの図にもかなり大きく曲がったベローズが示されて
いるが、構造の長さを延長することによって、曲げの角
度は容易に小さくすることができる。ベローズの寿命
は、曲げの角度、その長さ、および大きさによって異な
る。第１図および第２図に示す円筒状の窓は、真空円筒
容器の円周全体を一周している。実際には、アルミナの
ような材料は、Ｘ線の損失が少なく、また絶縁性能も優
れているので、この窓は、絶縁円筒の一部分だけにする
ことができる。もう一つの問題は、冷却剤および的確な
冷却構造の選択である。現世代の医療用の回転陽極Ｘ線
管は、陽極を大地に対して正とし、陰極を大地に対して
負とする平衡電源を持つ。管全体を油に浸漬する場合、
油の抗力を考慮しなければならない。油を陽極領域の後
部（これは３つの構成全部で互換可能である）に制限す
ることにより、油による抗力はほとんど無くなると考え
られ、油が回転軸近くまで出たり入ったりする場合に
は、特にそうである。管のその他の部分は、空気または
他のガスで簡単に冷却することができる。

第４図に示す実施例は、第１図の場合と似ているが、
ベローズが間がる。この利点は、任意のオフセットに対
し、ベローズにかかる応力が小さく、その結果ベローズ
の寿命が、ベローズの各点がベローズの湾曲した中心線
に垂直な面内を回転するので、長くなるということであ
る。こちらの場合、軸308は陰極を支持する軸受け310と
314を貫通して伸び、ベローズの輪郭に従って曲がる。
端部は、ばね止め式ボール・コンタクトになっており、
陰極が回転しないようにロックすると共に、陽極から陰
極への電流のためのdc経路を提供している。この前の実
施例の場合と同様に、ヒータ電流は、回転セラミック円
筒の外部領域から内部コイルに、さらに内部コイルから
陰極ヒータにac電源を磁気により接続する壁貫通設置さ
れた変圧器によって提供される。実験を行った結果、1
3.56MHzで作動するこのような変圧器システムは、ヒー
タに適切な電力を提供できることが実証された。

第４図はまた、これまでの実施例では明示されなかっ
た陽極の後部の冷却方法も示す。米国特許出願番号第06
/683,982号として現在出願中の先行開示に、幾つかの冷
却配列を示した。

第４図の管は、ガラスまたはセラミックの回転絶縁体
300、固定陰極302、および回転陽極304を持つ。陰極302
は、固定軸308に設置された陰極サポート306に取り付け
られている。第１組の２個の軸受け310により、軸受け
サポート312が軸の回りを回転するとき、軸308を固定し
たままにしておくことができる。第２組の軸受け314
は、回転軸受けサポート312をサポート・フレームから
分離する。ガラス管エンベロープ300では、両端のシー
リング・リング318によりガラス−金属間シールが行わ
れる。軸受けサポート312もベローズ310にシールされ
る。ベローズの反対側の端部は、エンド・キャップ322
にシールされる。エンド・キャップ322内では、内部軸
受け324が固定軸308の運動を抑制し、それによってエン
ド・キャップ322とベローズ320は軸308の回りを回転す
ることができる。エンド・キャップ322は、軸受け対326
によってサポート・フレームに取り付けられている。負
の高電圧は、スリップ・リング328を介して陰極に送ら
れる。エンド・キャップ322と軸308の間の電気接点は、
ばね止め式ボール330によって維持される。第５図は、
第４図の管の陽極端部をさらに詳細に示す。

回転ガラス絶縁体は、第２シーリング・リング318に
より陽極に取り付けられている。陽極304は、適切なプ
ラスチックかセラミックの絶縁体で形成された絶縁リン
グ334に取り付けられている。陽極304内部では、軸338
に支持された固定子336を使用して、陽極の内部全体に
冷却剤を還流し、最大冷却効率を達成する。軸338は、
サポート・フレームに冷却剤マニホルド370の端部を取
り付けることによって、回転を抑制される。軸338の内
部には、陽極304に対する冷却剤の流入路340と流出路34
2がある。軸338の中心の下部にあるロッド344は、ばね
止め式ボール346を介して陽極304の正の電位を維持す
る。Ｏリング347は、絶縁リング334と陽極304と背後と
の間の冷却剤シールである。絶縁リング334の外側端部
に取り付けられた金属リング348は、表面が黒鉛面350に
なっている。金属リング348と黒鉛面350は、回転アセン
ブリの一部である。定置重ね（stationary lapped）炭
化ケイ素リング352は、黒鉛面350とスライド・コンタク
トになっており、回転水密シールを形成する。リング35
2と軸328の間のシールは、継輪356によって圧縮される
Ｏリング354により提供される。円筒状軸受けサポート
・リング358は、リング348および絶縁リング334の両方
に機械的に取り付けられる。Ｏリング359は、金属リン
グ348と絶縁リング334の間の冷却剤シールになる。円筒
状軸受けサポート・リング358は、一対の軸受け360によ
りフレーム316から隔離されている。

第４図に示すように、プーリ362も、一対の軸受け360
の間で円筒状軸受けサポート・リング358に取り付けら
れている。ドライブ・プーリ366および電動機368により
駆動されるベルト364は、プーリ362および陽極アセンブ
リを駆動するために使用される。軸338の外側端部で
は、冷却剤を分散するため、および軸338を支持するた
めに、冷却剤マニホルド370が使用される。また、シー
リング・リング318とフレーム316の一部との間で放電が
起きないようにするために、絶縁板372を絶縁リング334
に取り付ける。陰極サポート306に取り付けられた１回
巻の２次コイル374は、陰極用のヒータに電源を与える
ために使用される。管の外部に配置された１次側376
は、２次側と同軸であり、13.56MHzで作動する。

第６図に示す変形例では、陰極アセンブリ400が軸402
と一対の軸受け404を介して、内部サポート406に取り付
けられている。軸402の反対側の端部では、陰極位置決
め装置408が、ばね止め式軸受け412を持つ軸410によっ
て、空間的に固定されている。軸410は、この前の実施
例の場合と同様に、回転絶縁体418および陽極に取り付
けられたベローズ414と共に回転する。陰極416は空間的
に固定され、軸受け412によって軸410との運動から切り
離されている。

第７図に示す別の変形例では、軸410が軸420に置き換
えられ、また陰極位置決め装置408が陰極位置決め装置4
24に置き換えられている。軸および陰極位置決め装置の
機能は変わらないが、陰極位置決め装置424に嵌め込ま
れたリング軸受け422により、ロッド420の相対的回転が
可能になる。

こうした管に使用されるベローズは、高真空環境での
高温真空引きおよび回転中の連続曲げができなければな
らない。このようなベローズは一般に、曲げ部に溶接継
手を持つステンレス鋼かインコネル（inconel）のベロ
ーズである。（供給源：マサチューセッツ州02067、シ
ャロン、プロビデンス・ハイウェイ1075、メタル・ベロ
ーズ社；イリノイ州60053、モートン・グローブ、ウェ
スト・オークトン・ストリート6400、ジョン・クレーン
・ヒューデイル社）本発明は、以上に説明した好適な実施例および変形例
だけ限定されず、本発明の保護範囲および本発明の真の
思想から逸脱することなく、構成部品に対する機械的お
よび電気的に同等の変更をはじめとする、変化や改善を
これらの実施例に加えることができ、その特徴を上記の
特許請求の範囲にまとめる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の概略断面図である。第２図は、本発明の第２実施例の概略断面図である。第３図は、本発明の第３実施例の概略断面図である。第４図は、本発明の第４実施例の概略断面図である。第５図は、第４図の線５−５で囲まれた部分の拡大図で
ある。第６図は、第４図の管の変形実施例の概略断面図であ
る。第７図は、第６図の管の変形実施例の概略断面図であ
る。［主要符号の説明］ 10……真空密閉シェル,12……陽極サポート,14……窓,1
6……絶縁円筒,17……陰極サポート,18……ベローズ,20
……陰極揺れ止め,22……電動機,24……絶縁軸継手,26
……シェル軸受け,28……内部軸受け,32……外部陰極揺
れ止め軸受け,33……内部陰極揺れ止め軸受け,34……陰
極,36……変圧器の１次側,38……変圧器の２次側,39…
…静止陰極部材,40……スリップ・リング、42……内部
陰極サポート,44……陽極,46……台,48……ヒータ電源,
110……真空密閉シェル,112……陽極サポート,114……
窓,116……絶縁円筒,118……ベローズ,122……電動機,1
26……シェル軸受け,134……陰極,136……陰極サポー
ト,138……ヒータ電源,140……真空フィードスルー,142
……スリップ・リング（対）,144……陽極,146……台,2
10……真空密閉シェル,214……窓,216……絶縁円筒,218
……ベローズ,222……電動機,234……陰極,242……集束
電極,244……陽極,246……冷却剤パッキン押え,248……
軸受け,300……回転セラミックまたはガラス絶縁体,302
……固定陰極,304……回転陽極,306……陰極サポート,3
08……固定軸,310……第１組の２個の軸受け,312……軸
受けサポート,314……第２組の２個の軸受け,316……サ
ポート・フレーム,318……ガラス−金属間またはセラミ
ック−金属間シーリング・リング,320……ベローズ,322
……エンド・キャップ,324……軸受け,326……外部軸受
け（対）,328……スリップ・リング,330……ばね止め式
軸受け,334……絶縁リング,336……陽極固定子,338……
軸,340……冷却剤流入路,342……冷却剤流出路,344……
ロッド,346……ばね止め式軸受け,347……Ｏリング,348
……金属リング,350……黒鉛面,352……炭化ケイ素リン
グ,354……Ｏリング、356……継輪,358……サポート・
リング,359……Ｏリング,360……軸受け（対）,362……
プーリ,364……ベルト,366……ドライブ・プーリ,368…
…電動機,370……冷却剤マニホルド,372……絶縁板,374
……ヒータ変圧器の２次側,376……ヒータ変圧器の１次
側,400……陰極アセンブリ,402……軸,404……軸受け
（対）,406……内部サポート,408……陰極位置決め装
置,410……軸,412……ばね止め式軸受け,414……ベロー
ズ,416……陰極,418……絶縁体,420……軸,422……リン
グ軸受け,424……陰極位置決め装置，

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フレームと、該フレームに回転可能に取り付けられた真空室であっ
て、該真空室の第１の部分が前記フレームに関して固定
された第１の軸線を中心に回転するように前記フレーム
に取り付けられ、前記真空室に回転を伝え、前記真空室
の第２の部分が一点で前記第１の軸線で交差する第２の
軸線を中心に回転するように前記フレームに取り付けら
れる、ところの真空室と、前記真空室を形成するように前記第１の部分を前記第２
の部分に接続し、湾曲した中心線を有するベローズと、前記真空室の前記第１の部分に取り付けられ、且つ前記
真空室に相対的に固定された陽極と、前記ベローズ内に伸長する伸長部分を有し、かつ中心線
を有する、陰極をサポートする剛性部材であって、前記
伸長部分の第１の部分の中心線が前記第１の軸線と一致
せず、前記伸長部分の第２の部分の中心線が前記第２の
軸線と一致する、ところの剛性部材と、前記伸長部分の前記第１の部分のまわりに位置し、前記
第１の軸線と同中心となる第１の軸受け手段と、前記伸長部分の前記第２の部分のまわりに位置し、前記
第２の軸線と同中心となる第２の軸受け手段と、前記真空室内で、前記陽極の向かい側にある前記剛性部
材に取り付けられた陰極と、前記陰極を加熱する手段と、から成り、前記第１の軸受け手段および前記第２の軸受
け手段が、前記フレームに関して固定した位置に前記剛
性部材を拘束したまま、前記真空室が回転することがで
きるようにする、ところのＸ線管。
【請求項２】請求項１に記載のＸ線管であって、前記陰極を加熱する前記手段が変圧器から成り、該変圧
器の一次側が前記真空室の外部に配置され、前記変圧器
の二次側が前記陰極サポート手段に取り付けられる、こ
とを特徴とするＸ線管。
【請求項３】請求項１に記載のＸ線管であって、前記ベローズの前記湾曲した中心線が前記伸長部分の第
３の部分の中央線と一致し、前記第３の部分が前記伸長
部分の前記第１の部分と前記伸長部分の前記第２の部分
との間にある、ことを特徴とするＸ線管。
【請求項４】請求項１に記載のＸ線管であって、さら
に、前記陽極に冷却剤を伝搬するための、前記第１の軸線と
共軸で、前記フレームに固定される中空軸を含む、こと
を特徴とするＸ線管。
【請求項５】請求項４に記載のＸ線管であって、さら
に、前記軸に取り付けられたステータを含み、該ステータが冷却剤を伝搬するための通路を形成するた
めに、前記陽極内の凹所に位置する、ことを特徴とする
Ｘ線管。
【請求項６】請求項１に記載のＸ線管であって、前記真空室の前記第２の部分が前記陰極に電位をかける
ために、前記伸長部分の前記第２の部分の一端に接触す
るためのバネ止め式ボールに対して圧力をかける部材か
ら成る、ことを特徴とするＸ線管。