JP6081589B2 - Ｘ線発生器用冷却構成 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線又はＥビーム発生器の冷却に関する。具体的には、それに限定されないが、本発明は、流体冷媒回路によって冷却されるセラミック又は他の高電圧電気絶縁体を有する真空管型装置に関する。

真空Ｘ線又はＥビーム発生器は、動作中に大量の熱を発生させる構成要素を備え、装置が機能し続けるためにはこの熱を除去しなければならない。しかし、そのような装置はまた、効率的に機能するために高真空も必要とし、真空の内側で動作している構成要素（例えばＸ線管の陰極アセンブリ）を冷却するために真空チャンバ自体の中に冷却回路を導入するのは望ましくない。

国際出願ＷＯ２００９／０８３５３４において、陰極アセンブリが取り付けられたセラミック絶縁体を冷却することによってＸ線管の陰極から熱を放散させることが提案されている。オメガ形状の銅製ヨークが絶縁体の外側表面の周りに配置され、締め付けが行われる。ヨークは絶縁体の外側表面を冷却するためのヒート・シンクとして働く。陽極冷媒管は、管を通過する陽極冷媒によって銅製ヨークからの熱が運び去さられるように、銅を垂直に通過する。

上記の先行技術の冷却構成では、ヨークの銅と絶縁体の外側表面との間の良好な熱的接触を確実にするため、ヨークは絶縁体の周りに緊密に固着されなければならない。しかし、動作中に絶縁体の温度が上がり膨張するにつれ、この緊密さにより有害である可能性のある機械的応力が生じ得る。膨張及び収縮のための一定の余裕を残しつつ、熱伝導率を高めるため、ヨークと絶縁体との間に銅製メッシュ又はフェルトを設置することができる。先行技術の構成はまた、オメガ形状のヨークが絶縁体の端部でかなりの容積を占めるという欠点による困難も有する。ヨークは真空チャンバの外側に装着しなければならないので、ヨークの冷却効果が熱源（陰極）から空間的に離れるということにもなる。

ＷＯ２００９／０８３５３４

本発明の目的は、先行技術の装置及び方法に伴う上記の及び他の問題のいくつかに対処することである。したがって、本発明は、添付の請求項１から１４までに記載の装置、及び請求項１５から１９までに記載の方法を想定する。

本発明の装置及び方法の利点の中には、とりわけ、冷却効率が大きく向上すること、冷却要素が占める空間がより少ないこと、冷却要素が放散される熱源のより近くに配設されること、絶縁体要素上への応力の低減、及び／又は冷却要素が既存の真空ハウジングの構造に組み込み可能であること、のうちの１つ又は複数がある。

方法は、例えば、熱的に有効であり、且つ占める空間が真空エンクロージャのシールに必要とされる空間よりも大きくなることがほとんどない、冷却管路を作成する方法を提供する。本発明及びその利点は、添付の図面において与えられた例示の実施例及び実装例の説明と併せて、以下の説明において明らかになるであろう。図面は、単に本発明の例示として意図されており、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

本発明の実施例によるＸ線発生器装置の実例の長手方向断面図である。 図１に描かれたＸ線発生器装置の横断方向断面図である。 図１及び図２に描かれたＸ線発生器装置の第２の長手方向断面図である。 図１から図３に描かれた装置のための第１の冷却管路構成の拡大図である。 図１から図３に描かれた装置のための第２の冷却管路構成の拡大図である。 図５に描かれた装置の適応例を示す図である。

異なる図面に同じ参照符号が使用されている場合、これらは同じ又は対応する特徴部を指すことを意図している。

図１、図２、及び図３は、本発明の原理を説明するための実例として使用されることになる同じ例示のＸ線管の断面を概略的に表す図である。図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った平面断面図を表し、図３は、図２の切断線Ｂ−Ｂを通って取られた不連続な断面を表す。図４、図５、及び図６は、図３でＩＩＩと表示された領域の拡大図であり、本発明の冷却構成の３つの変形例を示す。

ここで図１を参照すると、Ｘ線管１は、真空エンクロージャ１０を備え、真空エンクロージャ１０は、本質的に円筒形壁部１０として形成され、で陽極アセンブリ１２、１３、１４によって一方の端部をキャップされており、カラー７によってもう一方の端部をキャップされており、カラー７は、円筒形壁部１０の端部のシールする役割と、陰極アセンブリ４、５が取り付けられる絶縁体３を支持する役割との両方を果たす。Ｘ線管の内側の真空空間は、参照符号２で示される。陰極アセンブリ４、５は、詳細には示さないが、コイル要素４のシンボル、及び陰極支持部５で簡単に表す。陽極アセンブリ１１、１２、１３は、冷媒チャネル１４によって提供される冷媒回路によって冷却され、冷媒チャネル１４は、外部流体冷媒コネクタ１６と陽極アセンブリ１１、１２、１３との間で冷媒を運ぶ。陽極アセンブリ１１、１２、１３は、陽極ブロック冷却回路チャネル（図示せず）を備える陽極ブロック１３を含んでもよく、陽極ブロック冷却回路チャネルは、例えばブロック１３の材料内に組み込まれる。参照符号１１は、陽極ターゲットが取り付けられ得る陽極領域を示す。参照符号１２は、Ｘ線窓を示し、Ｘ線窓において、ターゲット（図示せず）に衝突する電子によって発生するＸ線が、真空管１から出ることができる。

示された実例では、絶縁体要素３は、セラミック材料で作られた厚い壁部を有する中空の錐体として形成される。錐体の内側の内側空間は、陰極から陽極に向かって放出される電子を加速するために必要とされる高圧を供給するために接続され得る高圧コネクタの形状に対応するように設計される。そのようなコネクタは一般に、コネクタの本体を通した放電の可能性を依然として低減しながら、コネクタと絶縁体との間の密接な機械的装着を確実にするために、高分子材料などの弾性絶縁材料で覆われる。

陰極において発生した熱は、絶縁体要素３の本体を通して伝導によって運び去られ、この熱がコネクタのカバーの機械的特性及び絶縁特性に悪影響を与えないことを確実にすることが重要である。コネクタは、例えば厚い高分子絶縁体を用いて絶縁することができるが、高分子絶縁体は、高温で損傷するか又はその絶縁特性が悪影響を受ける場合がある。この理由から、冷却は、絶縁体３の外側表面上又はその近傍において提供され、コネクタに対向する内側表面（例えば、高分子／セラミックの境界部分）から熱を引き去り、Ｘ線管の動作中のコネクタ絶縁体の温度を低減させる。

冷却は、この実例では、カラー要素７と絶縁体要素３との間に形成される冷媒管路８によって達成される。この簡単な実例では、冷媒管路８は、カラー要素７の内側表面におけるチャネルとして形成される。言い換えれば、冷媒管路の壁部は、カラー要素７と一体である。したがって、カラー要素は、エンクロージャ壁部１０と絶縁体３との間の真空シールだけでなく、冷媒管路８のいくつかの（この場合３つの）壁部を提供する役割も果たす。カラー要素７は、絶縁体要素３に緊密にシールされ、また、真空壁部に緊密にシールされており、管の内側の高真空２を保護するようになっており、また、冷媒管路８の中の冷媒を保持するようになっている。

冷媒管路は、代替として、先行技術文献ＷＯ２００９／０８３５３４に記載のものと類似の態様で、ヨークとして構築してもよく、この場合、ヨークが中空であり且つ冷媒がヨーク内部の中空空間を通って絶縁体の外側（外側表面）の周りを周方向に流れるという点が異なる。冷媒管路はまた、例えば絶縁体の外周表面の近傍の領域において、絶縁体の電子エミッタから離れた領域（第２の領域と呼ぶ）で、絶縁体材料自体を通る通路又はトンネルとして構築されてもよい。この変形例では、冷媒は、通路を通過し、絶縁体材料との接触から直接熱を奪うことができる。

本明細書においては、冷媒は絶縁体と又は絶縁体の材料と接触した状態で流れるものとして説明する。この説明は、実際には冷媒流体と絶縁体材料自体との間に存在する場合がある任意の中間層又は被覆の可能性を含むものと理解されるべきである。

同様に、リング形状要素及びリング・フランジ要素に言及するが、そのような要素は円形の横断面を有する要素に限定されるものではないということが理解されるべきである。そのような用語は、（例えば）絶縁体がどのような横断面形状であろうとも、絶縁体の外側形状に従って絶縁体の周りに延在するフランジという、より広い意味において理解されるべきである。

図２は、カラー要素７、冷媒管路８、及び絶縁体要素３を通る、図１の平面Ａ−Ａに沿った断面を示す。図２は、カラー要素７、冷媒管路８、及び絶縁体要素３の同心状の構成を示す。図２はまた、陽極冷却回路を提供する冷媒チャネル１４及び１５（送り及び戻り）が、カラー要素７を通過するようにどのように構成され得るかということ、並びに、冷媒管路８を冷媒チャネル１４及び１５に接続するために、接続チャネル１７がカラー要素７の内部でどのように形成され得るかということも示す。このようにして、絶縁体要素３と陽極アセンブリ１１、１２、１３（図２には図示せず）との両方を、同じ冷媒コネクタ１６によってＸ線管に接続された同じ冷媒供給を用いて冷却することができる。

また図２には、流れ制限／調節要素２２も示されており、流れ制限／調節要素２２は、接続チャネル１７同士の間の短い方の流路における流量の、接続チャネル１７同士の間の長い方の流路における流量に対する釣り合いをとるために管路内に配置され得る。流れ制限／調節要素２２は、例えば、タップ、弁、又は簡単な流れを制限する形状のものであってよく、また大きさ若しくは形状が固定であっても又は可変であってもよい。流れ制限／調節要素２２は、絶縁体錐体３の周囲の周りで冷却速度が可能な限り一定となるように設定され得る。

図２はまた、不連続な切断線Ｂ−Ｂも示し、図３はこれに基づく。図３は、冷媒管路８が、接続チャネル１７によって冷媒チャネル１４にどのように接続され得るかということ、並びに、冷媒供給接続部１６が、管路１４を介して陽極冷却回路（図示せず）と、また、絶縁体冷却管路８との両方にどのように供給を行うことができるかということを、断面図で示す。冷媒チャネル接続部の詳細は、図４に示されており、図４は、図３のＩＩＩの領域の拡大図を表す。

図４は、冷媒管路８を示し、冷媒管路８は、チャネル１７を介して冷媒供給チャネル１４に接続され、したがって、外部冷媒供給接続部１６に接続される。冷媒管路８は、カラー要素７と絶縁体要素３との間の境界部分に形成される。冷媒管路８は、カラー要素７の材料内に形成された矩形の横断面の凹状のチャネルとして示されており、矩形の横断面の凹状のチャネルは、絶縁要素３の表面によって閉じられており、冷媒が絶縁体要素３の外側表面１９と直接接触したまま管路を通って流れることができるようになっている。

管路８は、矩形の横断面及び平行な側壁部１８を有するように示されているが、他の形状を有するように形成することも可能である。カラー７及び絶縁体３の熱膨張特性が良好に整合している特定の場合には、カラー７の加熱及び冷却に伴ってカラー７と絶縁体３との間で大きな動きがあることは考えられないので、この種の接合で十分である可能性がある。

しかし、カラー７及び絶縁体３は、異なる熱機械的挙動を示す材料で作られる場合があり、この場合にはカラー７と絶縁体３との間で半径方向の相対的な動きがあることが考えられる場合がある。この場合、カラー７と絶縁体３との間の応力の蓄積を回避するため、これらの一方又は両方を、半径方向の相対的な動きを許容するために必要とされる膨張及び収縮のための十分な弾性を有する材料で作ることが可能である。

代替として、そのような半径方向の相対的な動きは、絶縁体３とカラー７との間に延在する別々の壁部を有する冷却管路８を実装することによって対処することが可能であり、この壁部は、半径方向の相対的な動きを吸収するように（絶縁体の中央長手方向軸線に対して）半径方向に伸張又は収縮するための十分な弾性を有する。そのような実装例の実例は図５に示される。ばね性を有する金属板から作られた２つのリング・フランジは、例えば、それぞれが第１の縁部で絶縁体３の外側表面２０にシールされ、第２の縁部でカラー要素７の内側表面にシールされる。各フランジ９の第１及び第２の縁部は、絶縁体３の表面２０にシールされた２つの第１の縁部がカラー７にシールされた２つの第２の縁部よりも大きく離間するように、傾斜部分によって接続されてよい。このようにして、冷媒と絶縁体３の表面２０との間の接触面積を大きくすることができ、それによってその冷却効率を高めることができる。ろう付け又ははんだ付け処理を用いて、図５に参照符号２１で示すろう付け又ははんだ付け接合部を作り出すことによって、フランジ・リング要素９の一方又は両方を絶縁体３の表面２０にシールしてもよい。絶縁体３がセラミック材料から成る場合、セラミック材料の表面２０は、このはんだ付け作業を容易にするため金属化することができる。絶縁体３の表面２０のそのような金属化処理はまた、絶縁体３と冷媒管路８内の冷媒との間の熱伝達を促進することができる。

真空側フランジ・リング（図５のフランジ・リング９の左手のもの）は、高真空の仕様に従って固着しシールしなければならない。一方で、大気側フランジ・リングは、冷媒が実質的に大気圧であれば、それほど厳重なシーリングは必要とされない。この理由から、大気側フランジ・リングの絶縁体へのはんだ付け又はろう付けを行わずに済ませること、及びばねの力を使用してフランジ・リングと絶縁体表面との間のシールにおいて圧縮を維持することが可能である。

フランジ・リング要素９は、少なくとも部分的にばね材料から形成することができ、カラー要素７と絶縁体要素３との間で圧縮状態に保持される。この構成は、より信頼性が高く、より長持ちするシールを与え、且つカラー要素と絶縁体要素との間の機械的支持を提供する、という利点を有する。

図６は、僅かに異なる構成を示し、フランジ・リング要素９が、例えばばね鋼の単一片として構築される。この場合、フランジ片９には穴が設けられ、この穴は、フランジ片９と絶縁体３との間に形成された内部空間に冷媒が出入りできるように、チャネル１７の開口部と一致する。

Claims (18)

1. Ｘ線又は電子ビームを発生させるための装置（１）であって、前記装置（１）は、
   真空（２）内に１つ又は複数の電子エミッタ構成要素（４）を封入するための真空エンクロージャ（１０）と、
   絶縁要素（３）の第１の領域（５）で前記真空エンクロージャ（１０）内の前記電子エミッタ構成要素（４）のうちの１つ又は複数と熱的接触状態にある前記絶縁要素（３）と、
   前記絶縁要素（３）を冷却するための冷却手段と、を備える装置（１）において、
   前記冷却手段が、冷媒流体が前記絶縁要素（３）の第２の領域と接触した状態で流れるように前記冷媒流体を運ぶための冷媒管路（８）を備え、前記冷媒管路（８）が、１つ又は複数の管路壁部（１８）を備え、
   前記装置（１）が、前記絶縁要素（３）を前記絶縁要素（３）の前記第２の領域で支持するためのカラー要素（７）を備え、前記冷媒管路（８）が、前記カラー要素（７）と前記絶縁要素（３）との間の境界部分に形成されるようになっており、
   前記冷媒管路（８）の前記管路壁部のうちの少なくとも１つが、前記絶縁要素（３）の前記第２の領域の外側表面（１９、２０）によって形成されること
   を特徴とする、装置（１）。
2. 前記冷媒管路（８）が、前記絶縁要素の内部に形成された通路を備える、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記管路壁部（９、１８）のうちの少なくとも１つが前記絶縁要素（３）の前記外側表面（１９、２０）から前記カラー要素（７）まで延在する、請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 前記管路壁部（９、１８）のうちの少なくとも１つが、前記カラー要素（７）の表面によって形成される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記管路壁部（９、１８）のうちの少なくとも１つが、前記絶縁要素（３）の前記外側表面（２０）と前記カラー要素（７）との間に延在するフランジ・リング要素（９）として形成される、請求項３又は４に記載の装置（１）。
6. 前記絶縁要素（３）が、その第２の領域で実質的に円形の横断面を有し、また前記フランジ・リング要素（９）又はそれぞれのフランジ・リング要素（９）が、前記絶縁要素（３）の前記横断面の少なくとも半径方向に変形可能である、請求項５に記載の装置（１）。
7. 前記管路壁部（９、１８）のうちの少なくとも１つが、前記真空エンクロージャ（１０）の真空壁部を形成する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置（１）。
8. 前記カラー要素（７）が、前記冷媒管路（８）の中に／の中から冷媒を運ぶための１つ又は複数の第１の冷媒チャネル（１７）を備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置（１）。
9. 前記カラー要素（７）が、１つ又は複数の第２の冷媒チャネル（１４）を備え、前記第２の冷媒チャネル（１４）又はそれぞれの第２の冷媒チャネル（１４）が、外部冷媒接続部（１６）から前記装置の陽極冷却流体回路に冷媒を運ぶためのものであり、また前記第１の冷媒チャネル（１７）又はそれぞれの第１の冷媒チャネル（１７）が、前記１つ又は複数の第２の冷媒チャネル（１４）のうちの１つと連通し、前記外部冷媒接続部（１６）からの冷媒が、前記冷媒管路（８）を通って、且つ前記陽極冷却流体回路を通って、の両方で流れることができるようになっている、請求項８に記載の装置（１）。
10. 前記冷媒管路（８）が、１つ又は複数の流れ調節又は流れ制限手段（２２）を備える、請求項１から９までのいずれか一項に記載の装置（１）。
11. 前記管路壁部（９、１８）のうちの少なくとも１つが、はんだ付け又はろう付け接合部（２１）によって前記絶縁要素（３）にシールされる、請求項３から１０までのいずれか一項に記載の装置（１）。
12. 前記の又はそれぞれのフランジ・リング要素（９）が、少なくとも部分的にばね材料から形成される、請求項５から１１までのいずれか一項に記載の装置（１）。
13. 前記の又はそれぞれのフランジ・リング要素（９）が、前記絶縁要素（３）に押し付けられ圧縮状態に保持される、請求項１２に記載の装置（１）。
14. Ｘ線又は電子ビームを発生させるための装置（１）を製造する方法であって、前記装置（１）が、実質的に長手方向に延びる絶縁要素（３）と、真空（２）内に電子エミッタ・アセンブリ（４）を封入するための真空エンクロージャ（１０）と、前記絶縁要素（３）を冷却するための冷却手段とを備え、
    前記冷却手段が、冷媒流体を運ぶための冷媒管路（８）を備え、前記冷媒管路（８）が、１つ又は複数の管路壁部（１８）を備え、
    前記電子エミッタ・アセンブリ（４）が、前記真空エンクロージャ（１０）の内側における前記絶縁要素（３）の第１の領域で取り付けられ、前記冷媒流体が前記絶縁要素（３）の第２の領域と接触した状態で流れ、
    前記方法が、管路形成ステップを含み、前記管路形成ステップにおいて、カラー要素（７）が、前記絶縁要素（３）の前記第２の領域の外側表面（１９、２０）を支持し、前記冷媒管路（８）が、前記カラー要素（７）と前記絶縁要素（３）との間の境界部分に形成されるようになっており、
    前記冷媒管路（８）内を流れる冷媒流体が、前記絶縁要素（３）の第２の領域の前記外側表面（１９、２０）と接触した状態で流れることができるようになっている、方法。
15. 前記管路形成ステップが、
    第１のフランジ・リング要素（９）が、前記絶縁要素（３）の前記第２の領域において、前記絶縁要素（３）の長手方向軸線に沿った第１の所定位置で、前記絶縁要素（３）の前記外側表面（１９、２０）の周りに装着される、装着ステップと、
    前記第１のフランジ・リング要素（９）が、前記第１の所定位置で、前記絶縁要素（３）の前記外側表面にシールされる、固定ステップと、を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記装着ステップが、第２のフランジ・リング要素（１８、９）を、前記絶縁要素（３）の前記長手方向軸線に沿った第２の所定位置で、前記絶縁要素（３）の前記外側表面（１９、２０）の周りに装着することを含み、前記第１及び第２の所定位置は、フランジ分離距離によって分離されており、
    前記固定ステップが、前記第２のフランジ・リング要素（１８、９）を、前記第２の所定位置で、前記絶縁要素（３）の前記外側表面にシールすることを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記方法が、カラー装着ステップを含み、前記カラー装着ステップにおいて、カラー要素（７）が、前記第１のフランジ・リング要素（９）、又は前記第１及び第２のフランジ・リング要素（９）の上に装着され、前記絶縁要素（３）の前記第２の領域で前記絶縁要素（３）の前記外側表面（１９、２０）の周りを通る実質的に閉じた流体管路（８）を形成するようになっており、前記管路（８）の壁部が、前記絶縁要素（３）の前記外側表面（１９、２０）、並びに、
    前記第１のフランジ・リング要素（９）、又は
    前記第１のフランジ・リング要素（９）及び前記カラー要素の内側表面、又は
    前記第１及び第２のフランジ・リング要素（９）、又は
    前記第１及び第２のフランジ・リング要素（９）並びに前記カラー要素（７）の前記内側表面
    によって形成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記絶縁要素（３）が、セラミック材料を備え、
    前記方法が、表面準備ステップを含み、前記表面準備ステップにおいて、前記セラミック材料の前記外側表面（１９、２０）が、前記第１の所定位置で且つ／又は前記第２の所定位置で金属化され、
    前記固定ステップが、前記第１のフランジ・リング要素（９）及び／又は前記第２のフランジ・リング要素（９）を前記金属化されたセラミック材料にはんだ付け又はろう付けすることを含む、
    請求項１６又は１７に記載の方法。

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