JPS6131589B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＸ線陽極およびその製造方法に係り、
とくに鋳込み銅材の結晶構造改良により高負荷Ｘ
線管の高品質、長寿命に寄与する陽極及びその製
造方法を提供することを目的とする。

一般に例えば固定陽極Ｘ線管は第１図に示すよ
うに構成され、ガラスからなる外囲器１内の一方
に陽極基体２が金属からなる封止リング３により
支持されて配設されている。また外囲器１内の他
方には陽極２に対向して陰極フイラメント５がカ
ツプ６を貫通したフイラメント端子７に接続され
ている。そしてカツプ６は外囲器１に取付けられ
た支持リング８により支持されている。

このようなＸ線管において、動作時に陰極フイ
ラメント５はフイラメント端子７から加えられた
電流によつて加熱されて電子を放射する。この電
子はカツプ６により集束されながら陽極基体２に
印加される高電圧によつて加速され目的の分布と
エネルギーをもつてターゲツト４に衝突し、ター
ゲツト４からＸ線を発生する。

通常、ターゲツトは、陰極フイラメント５から
電子衝撃を受けて高温に熱せられるのでタングス
テンのような難溶金属を用い、陽極基体２はター
ゲツト４の熱を逃がすため熱伝導の良い銅を使用
している。また熱をターゲツト４から陽極基体２
に効果的に逃がすにはターゲツト４と陽極基体２
との間の密着を強力にすることが必要である。

従来、このような条件を満たすため、陽極基体
２にターゲツト４を取付ける方法として真空鋳込
み法がもつとも多く行なわれている。即ち被加熱
円筒体（図示せず）の中にターゲツト４を固定
し、その中に入れた銅材を高真空下又は低圧還元
雰囲気下で、かつ高温下で溶融しターゲツト４と
基体とを溶融固着する。このようにしてできた陽
極の銅結晶粒は真空下で徐令されるので概して粗
大となりやすい。

最近のＸ線管は大負荷が要望されそれにともな
つて電力負荷は一層増大傾向にある。このような
Ｘ線管はターゲツトの温度上昇が非常に激しいこ
とが予想され、そのため例えば第２図に示すよう
に陽極９のターゲツト１０の近傍まで銅部材１１
に複数個の切削穴１２を設け、Ｘ線管動作時にそ
の切削穴１２に嵌合ノズル（図示せず）を用いて
冷却油を吹きつけるようにしている。油は熱交換
器を経て循環させ強制冷却することによつて冷却
効果をあげている。にもかかわらずこのような高
負荷Ｘ線管は、初期使用段階における真空気密の
破壊による短寿命傾向を伴つている。このような
状況下に鑑がみ、発明者の究明の結果、これは陽
極基体の結晶粒界のクラツクによる真空気密の破
壊であることが判明した。前述した如くターゲツ
トの付着強度及び熱伝導良好な高品質陽極の真空
鋳込み法による製造方法は、真空下で徐冷される
ので粗大結晶傾向にある。第２図に示すように樹
枝状の結晶粒界１３を形成しており、この結晶粒
界１３は大気側の切削穴１２から真空側であるタ
ーゲツト１０側へ貫通して形成成されてしまう。
高負荷Ｘ線管に於て、例えば50mm²程度の焦点面積
に4KW程度の高負荷が断続的にかかるとき、タ
ーゲツト１０の表面は瞬間的に1000℃前後、ター
ゲツト１０からの銅部材１１は700℃前後まで温
度上昇する。従つて高負荷Ｘ線管の使用状態にお
けるターゲツト１０うら近辺の銅部材１１は、
700℃前後の断続熱サイクルを受けることにな
り、この付近に大きな熱応力がかかる。この熱応
力は100〜200時間の使用熱サイクルでターゲツト
裏部分にあるいは粒界１３に沿つて再結晶化が顕
著に進行することが観察されるほど強裂なもので
あり、このため機械的にも弱い樹枝状の粒界１３
は、使用初期段階でクラツクへと進行し、陽極９
は真空破壊に至る。更に冷却効果をあげるため銅
部材１１に切削穴１２が設けられている場合には
この粒界１３の長さはより短かくて真空破壊を助
長することになる。このように高負荷Ｘ線管は、
陽極に断続的な熱応力が加わることにより粒界ク
ラツクを起こし、初期使用段階でリーク不良の短
寿命となる。なお、前述したような陽極の製造方
法による銅部材の結晶粒界部の溶融ガス不純物量
（酸素，窒素その他）は数PPM以下であることが
発明者によつて分析確認されており、不純物介在
による粒界クラツクを誘発しているものではない
ことがわかつた。

本発明は上述のような状況に鑑がみなされたも
ので、Ｘ線管陽極の鋳込み銅材の結晶構造の改良
を行なわんとするものである。

即ち断続熱サイクルの強力な熱応力によつて陽
極クラツクを起こし、真空気密破壊をもたらす結
晶粒界が生成されない陽極、更に具体的には、少
なくともターゲツト部材を包囲する部分が実質的
に単結晶の銅材で構成された特に高負荷用に適す
るＸ線管の高品質、長寿命が望める陽極及びその
製造方法を提供するものである。

以下、本発明に係るＸ線管陽極およびその製造
方法について説明する。第３図は、本目的に使用
する装置を示し、第４図は真空容器１４部の横断
面図、第５図は真空容器１４部の縦断面の部分図
を示す。本装置は、石英ベルジヤーの加熱用真空
容器１４がその開口端部をパツキング１５を介し
てフランジ１６上に載置されている。またフラン
ジ１６は排気導管１７とバルブ１８とを介して油
回転ポンプ１９に接続されている。真空容器１４
内にはフランジ１６に載置された中空円筒の素焼
台２０を介して、グラフアイトなど難溶性金属か
らなる複数個の鋳込み容器すなわち被加熱円筒体
２１がサークル状に設置される。なお符号２１ａ
は円筒体２１の底部で、同じグラフアイトで一体
に固着されている。前記素焼台２０の上面にはガ
ス導入孔２２があけてあり、又側面には数個の排
気孔（図示せず）が開けてある。又排気導管１７
の底部を貫通し、排気導管１７内を通つて一端を
中空素焼台２０内に突出開口した水素導入ノズル
２３を備え、他端を微少リークバルブ２４を介し
て高純度水素ガス供給源２５に接続した小導管２
６が設けてある。鋳込み溶融は例えば高周波誘導
加熱コイル２７によつて行なわれる。

第５図に示す如く前記被加熱円筒体２１内に
は、タングステンのような所定材料のターゲツト
部材２８及び銅部材２９が設置される。又この被
加熱円筒体２１を真空容器１４内に第４図の如く
サークル状に設置する。この被加熱円筒体２１す
なわち鋳込容器は、その内部空間の一部に凹みを
有するもので、この実施例では底部をテーパー状
に形成してそのテーパエツジ部３０をもつて凹み
にしている。このテーパはＸ線管陽極ターゲツト
面のテーパ角度にほゞ対応して形成している。そ
して、この凹みを真空容器１４および素焼台２０
の中心に対して放射方向すなわち外側にすべて向
けて設置する。つまり、仕上り鋳込み陽極のテー
パエツジ部（第２図の１１ａ）に相当するテーパ
エツジ部分３０を、円筒の外向き方向にそろえ
る。

以上の装置を用いてＸ線管陽極基体の単結晶を
得る。その要点は次の通りである。第１に高純度
水素ガスによる鋳込み部材の還元純化である。

第２は、過冷却をなくし、核発生をおさえて結
晶成長を促進するように溶融銅材の固化晶出温度
（1083℃）の前後を非常に低速度で徐冷する。更
に第３は、Ｘ線管陽極固有の形状を利用し、仕上
り鋳込み陽極のテーパエツジ部をつくる部分に相
当する鋳込み容器の内部空間テーパエツジ部３０
を真空容器の円筒の外向き方向にそろえることに
よつて固化晶出にあたつて、このテーパエツジ部
３０から、核発生、結晶成長するようにし、あた
かもこの部分に種結晶を入れて核としその上に銅
液体を凝固させる如き条件をつくり出すことであ
る。

次に本発明に係るＸ線管固定陽極の製造方法の
一実施例を説明する。

(イ) 第３図〜第５図に示す如く、ターゲツト部材
と銅部材とを内部に収容した被加熱円筒体２１
を設置した状態に於て、油回転ポンプ１９を作
動させてバルブ１８を開き真空容器１４内を
10^-1〜10^-2トール（Torr）に排気する。

(ロ) 次に油回転ポンプ１９を作動のまゝ、微少リ
ークバルブ２４を開き、水素を導入し真空容器
１４内を８〜10Torrに調整する。かくして水
素ガスは真空容器１４内の不純ガスを置換洗浄
し、油回転ポンプ１９によつて排出されるよう
な循環経路がつくられる。

(ハ) 次に第６図に示す温度上昇ステツプに従つて
真空容器１４の外部に設置した高周波誘導加熱
コイル２７によつて被加熱円筒体２１を加熱す
る。

第６図に示す溶融、徐冷工程は、図中に示す
ように大別して３つの領域に区分できる。

領域Ａは、予備脱ガス工程であり、800〜900
℃に保持し、被加熱円筒体２１及びその他部材
を還元清浄化をはかる。特にタングステンター
ゲツト部材及び銅部材の表面の不純物を除去で
きるように充分時間をとる必要がある。これに
よつて領域Ｃでの固化晶出時の核の形成速度を
助長しやすい不純物の種発生を抑制することが
できる。

領域Ｂでは、部材その他が清浄になつたとこ
ろで加熱温度を1200〜1300℃の銅溶融鋳込み温
度に温度上昇させる。この工程では陽極材料か
ら、激しくガス放出が起こるが、５〜10分水素
ガス導入を保持し、溶融した銅中の酸素を溶解
した水素ガスによつて積極的に水として除去で
きる。この後水素導入を止めると、陽極材料に
溶解していた水素は速やかに排出される。水素
を排出した状態は約10^-2Torr以下の真空圧に
する。

次に領域Ｃは、単結晶化にあつてもつとも重
要な工程である。即ち銅の固化晶出温度（1083
℃）前後の温度領域を５℃／分以下の下降温度
速度で徐冷する。この工程ではとくに過冷却を
なくし、核発生速度をほゞ零とし、結晶成長を
促進させる。徐冷速度は高周波出力を徐々に下
げることによつて実現出来る。

さて、Ｘ線管陽極固有の形状を利用した仕上
り鋳込み陽極のテーパエツヂ部に相当する部分
３０を円周の外向き方向にそろえることによつ
てこの徐冷工程において円筒状真空容器および
誘導加熱により温度を下げるので中央部にくら
べて周辺の方がわずかではあるが早く温度降下
し、しかもテーパエツヂ部が熱容量としても他
の部分より小さいため最も早く温度降下しここ
に核の発生場所を限定することができる。この
ため固化晶出がこの部分からはじまり、ターゲ
ツト部材のまわりに及び、さらに陽極全体に進
行して単結晶構造が確実に得られる。本発明者
は、陽極基体の直径が38mm、長さ100mm、タン
グステンターゲツト部材の直径が25mm、その厚
さが２mm、テーパ角度（中心軸に対する角度）
が約70℃の陽極体を、単結晶で成形することに
成功した。テーパ角度は約80℃以下であれば、
充分再現性よく得ることができた。

(ニ) 固化晶出後は、約900℃以下の領域Ｄで窒素
ガスによる急冷をおこなう。これによつて工程
の短縮もはかることができ、冷却後、真空容器
１４から取出し、被加熱円筒体２１から鋳込み
陽極を抜きとり所望の陽極形状に仕上加工す
る。

上述の水素導入圧力は陽極材料への酸化性ガス
のとび込み防止及び還元雰囲気の作成のためには
少なく数Torrは必要である。又油回転ポンプの
安全動作、水素の消費量及び溶融している銅材へ
の不純ガスによる巣の発生防止等を考慮すれば、
上限水素圧力は、数10Torrにとどめるのが好ま
しい。

又上述の徐冷速度は、ゆるやかであるほど良好
であるが、工業的見地すなわち大量生産の見地か
らは５℃／分以下が単結晶化の上限である。

第７図乃至第９図に示す実施例は、銅素材を収
容するための鋳込容器２１として、内側底部の隅
に１つの穴状の凹み３０を形成したものを用いる
場合である。すなわちこの容器２１は平坦な底に
凹み３０を形成しこの凹み３０を加熱真空容器１
４内に装着したときすべて外方向に向けて配置す
る。これを用いた場合も前述の実施例のテーパエ
ツジ部に本実施例の凹みが対応し、溶融銅材は容
器の凹み部分から晶出しはじめ全体に進行しはじ
め全体に進行して単結晶が得られる。

このように容器の内部空間の底部の一部にテー
パエツヂ部あるいは第７図乃至第９図のような穴
状の凹みを形成したものを用い、しかもこれを加
熱真空容器の外側すなわち温度降下の際に最も温
度分布の低くなるところに向けて位置させ、徐冷
することにより、再現性よく銅の単結晶体を得る
ことができる。なお本発明はターゲツト部材のま
わりすなわち陽極基体のターゲツト面の近傍を実
質的に単結晶構造とすればよく。陽極体の全体が
単結晶でなければならないというものではない。

このようにして出来た銅の単結晶のＸ線管固定
陽極は、化学エツヂング，Ｘ線回折，ラウエ写真
像のいずれにおいても単結晶構造を立証出来た。

銅の単結晶による陽極基体は、面心立方格子構
造あり、３方軸に対して対称であるので、熱伝
導，熱膨張係数に於て異方性はなく、Ｘ線管陽極
としては、多結晶体よりもすぐれた熱伝導特性を
もち、かつ、従来おきていたＸ線管陽極の熱応力
による結晶粒界クラツクを完全に解決することが
でき、またターゲツト部材との密着性も実用上充
分で、高品質，長寿命の高負荷Ｘ線管用陽極を再
現性よく実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ線管を示す概略図、第２図は従来の
陽極の部分断面図、第３図は本発明に使用する装
置、第４図は真空容器部の横断面図、第５図は真
空容器部の縦断面の部分図、第６図は本発明の工
程の温度上昇・下降ステツプを示す工程図、第７
図は他の実施例を示す要部縦断面図、第８図は第
７図の８―８における横断面図、第９図は第２図
に対応する概略断面図である。 ２……陽極、４……ターゲツト、１４……加熱
真空容器、２１……被加熱円筒体（鋳込み容
器）、２３……水素導入ノズル、２８……ターゲ
ツト部材、２９……銅部材、１１ａ……基体のテ
ーパエツヂ部、３０……鋳込み容器内の凹部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ターゲツト部材を銅からなる陽極基体に鋳込
   んだＸ線管陽極において、上記ターゲツト部材を
   包囲する陽極基体部分が実質的に単結晶構造の銅
   材で構成されてなることを特徴とするＸ線管陽
   極。 ２ ターゲツト部材を銅からなる陽極基体に鋳込
   むＸ線管陽極の製造方法において、減圧還元ガス
   雰囲気のもとで銅材を加熱溶融する工程と、その
   後に溶融銅材を固化晶出する温度領域で５℃／分
   以下の下降温度速度で徐冷する工程とをもつこと
   を特徴とするＸ線管陽極の製造方法。 ３ 銅材を収容する鋳込み容器として、内部空間
   の一部に凹みを有する容器を用いる特許請求の範
   囲第２項記載の製造方法。 ４ 凹みは容器の底部をテーパ状に成形したテー
   パエツジからなる特許請求の範囲第３項記載の製
   造方法。 ５ 内部空間の一部に凹みを有する鋳込容器を、
   複数個真空加熱容器内にサークル状に配置し、こ
   の各鋳込容器内にターゲツト部材および銅材を収
   容させ、各鋳込容器はそれぞれの凹みを加熱容器
   の外側方向に向けて配置して鋳込むことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の製造方法。