(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング・ユニットと、前記ハウジング・ユニット内に配置されたＸ線発生デバイスとを備えるＸ線装置であって、
前記Ｘ線発生デバイスが、電子ストリームを発生させる陰極と、前記電子を受け取って、Ｘ線および残余エネルギを発生させる陽極であって、前記残余エネルギが前記陽極からの放射熱エネルギと前記陽極から後方散乱される前記電子の運動エネルギとを含んでいる、陽極と、
前記陰極と前記陽極との間に配置されて、前記残余エネルギを吸収するための熱蓄積アセンブリと、
前記熱蓄積アセンブリの一部、前記陽極及び前記陰極を収容し、且つ、前記ハウジング・ユニットに収容される真空容器と、
を備え、
前記熱蓄積アセンブリが、前記残余エネルギを前記真空容器の外へ伝達する第１の流体（１１０）が循環する熱交換チャンバ（１１２）と中実な本体部とから成り、
前記熱蓄積アセンブリの中実な本体部が占める体積が、前記熱蓄積アセンブリの体積の６０％を超え、
前記熱交換チャンバ（１１２）が占める体積が、前記熱蓄積アセンブリの体積の４０％未満であり、
前記本体部が前記真空容器内で発生した熱エネルギを前記真空容器の外へ伝達するヒートシンクの役割を果たすこと、を特徴とするＸ線装置。
【請求項２】
前記本体部がさらに前記真空容器内に配置された内面と、少なくともその一部が前記真空容器の外部に配置される外面とを備えており、前記陽極が前記電子を焦点において受けとり、前記焦点に対して前記本体部の前記内面の全体が実質的に露出している請求項１に記載のＸ線装置。
【請求項３】
前記ハウジング・ユニットが前記熱交換チャンバ（１１２）内で前記第１の流体（１１０）を循環させる、ポンプ（５４）を備えている請求項１又は２に記載のＸ線装置。
【請求項４】
さらに、前記Ｘ線発生デバイスから出る前記残余エネルギの一部を伝達するために前記真空容器の周りを循環する第２の流体を備え、かつ前記第１の流体及び前記第２の流体が同一の流体本体の一部をなす請求項３に記載のＸ線装置。
【請求項５】
前記流体本体が誘電オイルで構成されている請求項４に記載のＸ線装置。
【請求項６】
前記熱蓄積アセンブリが、前記Ｘ線に対し前記Ｘ線発生デバイスを出るための通路を提供するアパーチャであって、前記Ｘ線をコリメートするよう設計されたアパーチャを前記陽極の近傍にさらに備えている請求項１乃至５のいずれかに記載のＸ線装置。
【請求項７】
前記熱蓄積アセンブリが銅で構成されている請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線装置。
【請求項８】
前記Ｘ線装置が、コンピュータ断層撮影装置、放射線撮影装置、透視装置、血管撮影装置、乳房撮影装置、可搬型Ｘ線撮影装置、歯科用Ｘ線撮影装置、および工業用Ｘ線装置により構成されるグループの中から選択される請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線装置。
【請求項９】
さらに前記熱蓄積アセンブリの内面上に配置されたコーティング層をさらに備える請求項１に記載のＸ線装置。
【請求項１０】
前記コーティング層が、前記本体部の材料に比べてより小さい原子番号の材料で構成されている請求項９に記載のＸ線装置。
【請求項１１】
前記コーティング層が、ベリリウムおよび炭素からなるグループから選択される材料で構成されている請求項１０に記載のＸ線装置。
【請求項１２】
前記本体部に隣接して配置され、かつ前記本体部のＸ線減衰係数を超えるＸ線減衰係数を有するスリーブ部材をさらに備える請求項１乃至８のいずれかに記載のＸ線装置。
【請求項１３】
前記スリーブ部材が、７０を超える原子番号を有する材料を含んでいる請求項１２に記載のＸ線装置。
【請求項１４】
前記熱蓄積アセンブリの内面が、複数のスロットをさらに備えている請求項１に記載のＸ線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギ処理システム、より具体的には電子ビーム発生デバイス内などでの放射熱エネルギおよび電子の運動エネルギを収集するための熱エネルギ蓄積・伝達アセンブリに関する。
【０００２】
【発明の背景】
Ｘ線管や電子ビーム式溶接機などの電子ビーム発生デバイスは、高温の環境下で動作する。たとえばＸ線管では、陰極で発生した一次電子ビームは、陽極ターゲットに対し、ターゲットが動作時に赤熱するほどの極めて大きな熱負荷を与える。通常、Ｘ線に変換される一次電子ビームのエネルギは１％未満であって、残りは熱エネルギに変換される。熱せられたターゲットからのこの熱エネルギは、Ｘ線管の真空容器内の他のコンポーネントに放射されると共に、この真空容器の外面を覆って循環する冷却用流体によって真空容器から除去される。さらに、電子の中にはターゲットで後方散乱を起こし、真空容器内の他のコンポーネントに衝突するものもあり、このためＸ線管はさらに熱せられる。こうした熱エネルギによって生じた高温のため、Ｘ線管の各コンポーネントは、Ｘ線管の動作や信頼性にとって問題となるような大きな熱応力を受ける。
【０００３】
通常、Ｘ線ビーム発生デバイスは、Ｘ線管と呼ばれ、円筒状の真空容器内に封入された対向した電極を備える。この真空容器は通常、ガラス製であるか、あるいはステンレス鋼、銅、または銅合金などの金属製である。上記のように、この電極には、回転する円盤形をした陽極アセンブリのターゲット軌道からやや離れて位置した陰極アセンブリが含まれる。この代わりに、工業用途における場合などで、陽極が静止しているものもある。陽極のターゲット軌道、すなわち衝突域は、一般に大きな原子番号を有するタングステンやタングステン合金などの耐熱金属製である。さらに、電子を加速するため、この陰極アセンブリと陽極アセンブリの間は、通常６０ｋＶから１４０ｋＶの電位差に維持される。熱せられた陰極フィラメントから放出された熱電子が、この電位差によって加速されて、陽極のターゲット域に高速で衝突する。この電子の運動エネルギのごく一部が高エネルギ電磁放射線すなわちＸ線に変換される。残りのエネルギ部分は、後方散乱電子となるか、あるいは熱に変換される。Ｘ線は、焦点から出てあらゆる方向に放出される。Ｘ線には、真空容器から外へ導かれるものがある。たとえば金属製真空容器を有するＸ線管では、Ｘ線透過用窓が金属製真空容器内にられて、Ｘ線ビームを所望の位置に放出させることができる。真空容器から放出された後、Ｘ線は、医学的な検査・診断手順のため、被検体たとえば人体の解剖学的部位などを透過する方向に向けられる。被検体を透過したＸ線は、検出器によって捕獲されて、人体内部の解剖学的構造に基づいた画像を形成する。さらに、たとえば工業用Ｘ線管は、金属部品に対する亀裂の有無の検査や空港における荷物の中身の検査などに用いることができる。
【０００４】
上記のように、入射電子の多くはＸ線に変換されず、ターゲットから無作為な方向にそらされる。たとえば、入射した一次電子の最大５０パーセントはタングステン陽極ターゲットで後方散乱される。これら後方散乱電子は陰極と陽極との間の電界中を曲線状経路をなして移動し、他の構造物に衝突する。これらの電子は、電界や空間電荷と相互作用して、電子の初期軌道に複雑で予測できない変化が生じる。これらの電子はＸ線管内部のコンポーネントで後方散乱されたり、跳ね返されたりして、そのエネルギが尽きるまで運動エネルギを付与し続ける。Ｘ線管のコンポーネントに熱エネルギを及ぼすだけでなく、後方散乱電子の衝突によりさらに焦点外Ｘ線が発生する。この焦点外Ｘ線放射が発生することにより、この焦点外Ｘ線を真空容器のＸ線透過窓から放出されたままにすると画像品質が劣化することになる。
【０００５】
焦点外放射線と後方散乱電子の経路は、Ｘ線管の電位構成に影響されることがある。バイポーラ構成では、陰極はアースに対して負電位に維持され、また陽極はアースに対して正電位に維持される。これによって、陰極・陽極間の間隙に全体の電圧降下が生じる。この構成では、陽極を出た当初の後方散乱電子のうちの多くの部分が静電ポテンシャルによって陽極に引き戻される。これに対して、ユニポーラ構成では、陽極および真空容器は接地され、陰極は高い負電位に維持される。ユニポーラ構成では、後方散乱電子が陽極に引き戻されたり、フレームに引き寄せられたりすることはない。したがって、ユニポーラ構成では、都合のよいことに、後方散乱電子のうちの比較的に多くの部分が収集されて、陽極に戻されない。こうして陽極の熱性能が非常に向上し、透過窓から放出される焦点外放射線の量は減少する。
【０００６】
医療診断用Ｘ線管で発生させるＸ線は、本来極めて効率の悪いプロセスにより発生しているため、Ｘ線発生デバイス内のコンポーネントは高温で動作することになる。たとえば、陽極焦点の温度は約２７００°Ｃといった高温に達し、また陽極のその他の部分では温度が最高約１８００°Ｃになることがある。さらに、Ｘ線管の各コンポーネントは、かなりの長い持続時間にわたって約４５０°Ｃ近くまでの温度で、Ｘ線管の高温排出処理に耐えることができねばならない。
【０００７】
Ｘ線管を冷却するため、Ｘ線管の動作中に発生した熱エネルギを、陽極から真空容器を通して伝達させて、冷却用流体によって除去しなければならない。真空容器は通常、たとえば誘電性オイルなどの循環冷却用流体を満たしたケーシング内に封入されている。このケーシングはＸ線管を支持し且つ保護しており、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置のガントリなどの構造体に取り付けることができる。また、このケーシングは鉛で内張りされており、散乱放射線を遮蔽することができる。冷却用流体は、多くの場合２つの役割を果たす。すなわち、真空容器を冷却することと、バイポーラ構成の場合に陰極・陽極間の接続部の高電圧絶縁を実現することの２つである。しかし、温度が極端に高いと、流体と真空容器の間、流体と透過窓の間、あるいは流体と真空容器および透過窓間の界面で沸騰を起こし、冷却用流体の働きが損なわれることがある。沸騰している流体は、流体を通して高電圧アークを起こさせるおそれのある気泡を流体内に発生させ、これにより流体の絶縁能力が下がることになる。さらにこの気泡は、画像アーチファクトにもつながり、この結果画像の品質が低下する。このように冷却用流体によってＸ線管から熱を排出させるという現在の方法は、十分でない場合がある。
【０００８】
同様に、過大な温度ではＸ線管の構造物だけでなく透過窓の寿命も短くなるおそれがある。Ｘ線透過窓は、その位置が焦点に極めて近いため、熱放射や後方散乱電子により非常に大きな熱負荷を受けやすい。透過窓にこのように大きな熱負荷がかかるため、入念に設計をし、Ｘ線管の耐用期間の全体にわたって透過窓が確実に正常な機能（とくに真空の維持に関して）を保つようにする必要がある。透過窓は、Ｘ線管にとって重要なハーメチック・シールの１つである。大きな熱負荷により極めて大きな周期的応力が透過窓に生じ、透過窓やそのハーメチック・シールの損傷を早めることにつながりかねない。さらに、上記のように、冷却用流体に直接接触しているため、流体が透過窓上を流れる際に沸騰を起こすおそれがある。また、直接接触している透過窓の温度が高すぎるため、流体の炭化水素が劣化して、透過窓の表面上に堆積し、画像品質を低下させるおそれがある。このように、透過窓を冷却するためのこの解決法も、十分でないことがある。
【０００９】
後方散乱電子は熱に関する影響の他に、診断に寄与しない焦点外放射線を発生させて画像品質を低下させるという影響を与えるおそれがある。また後方散乱電子が発生させるＸ線は、診断上有用でなく、患者の放射線被曝量を増大させるだけの、極めて低いエネルギ・スペクトル成分を含む。このように、焦点外Ｘ線による無用な被曝線量が患者に到達することを防ぐことが望ましい。
【００１０】
従来の技術では主に、真空容器に封入された構造物内に循環する冷却用流体を用いることによって、熱エネルギを急速に放散させることによってきた。真空容器内で用いられる冷却用流体は、真空容器の外面の周りを循環する冷却用流体と異なり、多くの場合特殊な流体である。他には、電磁気的に後方散乱電子をそらしＸ線窓上にあたらないようにする方法が提案されている。しかし、この方式ではエネルギの蓄積・放散のレベルが十分ではない。
【００１１】
さらに、これらの方式は、たとえば高速ヘリカル・スキャンなどの、従来の方式と比べ膨大なＸ線束を必要とするようなＸ線式コンピュータ断層撮影法における新しい技法と組み合わせようとする際に、さらに難しい問題が生じる。Ｘ線発生の効率が本来的に低いため、Ｘ線束を増加させるためには、放散しなければならない熱負荷が大幅に増加するという犠牲が伴う。Ｘ線管の出力は増大し続けるにしたがい、冷却剤への熱伝達率が冷却剤の熱束吸収能力超えるおそれがある。
【００１２】
またさらに、これらの方法では焦点外放射線や、陽極上の後方散乱電子による熱負荷が十分には減少されない。従来のデバイスの中には、焦点外放射線をコリメートするために陽極用フード構造を利用するものがある。このデバイスは、放射冷却に依存しているという重大な欠点を有しており、吸収した後方散乱電子のエネルギを伝達するために通常極めて高温での動作を余儀なくされる。他の方法では、冷却用流体を真空容器内の遮蔽体を通過させて循環させるための対流装置を利用するものがある。この方法ではさらに、回転する陽極を覆う流体冷却式の囲い板を設けて、これにより熱を吸収する。こうした方式では、熱エネルギを吸収して、このエネルギを循環する流体を通して系の外へ迅速に伝達するのに、金属の薄壁構造物に依存している。しかしこれらの方法では、冷却剤が大きな熱束を受けることや、沸騰につながりかねないので不利である。沸騰による熱伝達は極めて複雑であり、かつ大幅な流体圧の低下を招くおそれもある。さらに、従来技術による代表的なデバイスでは、入射する熱束が多く、このため薄壁構造物の溶融やＸ線管の不良につながるような極端な熱の偏りが生ずることがある。このため上記の問題を克服するような熱エネルギ伝達アセンブリを提供することが望ましい。
【００１３】
【本発明の概要】
本発明は熱蓄積アセンブリを有し、このアセンブリは、Ｘ線発生デバイスの真空容器内で生じる残余エネルギを実質的にすべて吸収して蓄積するのに十分な熱容量をもつ本体部を有する。この残余エネルギは、Ｘ線発生デバイスの高温の陽極からの放射熱エネルギおよびこの陽極からそれた後方散乱電子の運動エネルギを含む。また、熱蓄積アセンブリは、Ｘ線発生デバイスから放出される焦点外放射線の量を減少させる。さらに、熱蓄積アセンブリは、後方散乱電子の大部分が陽極に戻るのを防ぎ、これによって放射線撮影検査中に必然的に生じる冷却待ちにおいて、次の冷却待ちまでのより長い時間、Ｘ線発生デバイスを動作させることができる。熱蓄積アセンブリは、好ましくは銅あるいは銅合金で構成された、ヒートシンクの役割を果たす実質的に中実な本体部を有する。さらに、熱蓄積アセンブリの熱容量によって、熱蓄積アセンブリへの熱伝達率が、放射線撮影検査中に真空容器および熱蓄積アセンブリからの熱伝達率を大幅に超えることが可能となる。
【００１４】
動作時には、熱蓄積アセンブリは、この熱蓄積アセンブリ内の熱交換チャンバ（室）を通り循環する誘電オイルなどの冷却用流体を介して冷却される。熱交換チャンバ内のこの冷却用流体は、真空容器の周りを循環しＸ線発生デバイスを冷却するための冷却用流体の本体の一部であることが好ましい。この熱交換チャンバは、熱蓄積アセンブリの周囲に、後方散乱電子および放射熱エネルギを吸収する熱蓄積アセンブリの内面から離して形成されることが好ましい。この配置をとることにより、吸収した熱エネルギが本体部の大きな質量の全体にわたって拡散することができ、このため冷却用流体界面での熱束および表面温度を低下させることができる。熱交換チャンバ内の冷却用流体への熱伝達率、すなわち冷却率は、熱蓄積アセンブリによる熱の吸収率を大幅に下回る。吸収した過剰のエネルギは、検査が終了するまで熱蓄積アセンブリの本体部内に安全に蓄積される。Ｘ線照射中に即時に熱エネルギのすべてを除去する必要がある従来技術によるデバイスと対照的に、本デバイスは熱的に「厚み」があり、Ｘ線照射中に後方散乱されたり放射されたエネルギを蓄積する。これにより、本来的に危険な沸騰による熱伝達が避けられる。このように、本発明は、所定の熱束に対する冷却剤界面での熱応力を、薄壁構造物による場合と比較して大幅に減少させる。
【００１５】
さらに、本発明は、Ｘ線透過窓が受ける熱エネルギを減少させるためのＸ線透過性のフィルタを含む。この透過窓は通常、ハーメチック・シールを形成し、熱蓄積アセンブリ内あるいは真空容器内に配置される。このフィルタは、陽極と透過窓の間に配置され、陽極から放出される残余エネルギから透過窓を遮蔽する。透過窓と対照的に、このフィルタの接合部はハーメチック・シールとする必要はない。このフィルタは、このように透過窓が熱負荷や熱応力にさらされる量を減少させ、熱蓄積アセンブリの本体部あるいは真空容器への透過窓の真空封止接合部の信頼性を向上させるので有利である。
【００１６】
また、本発明は、このフィルタの少なくとも１つの面に施されるＸ線透過性のコーティング層を備える。このコーティング層は、反射性能が高く、入射する残余エネルギを反射できる高原子番号の材料を含む。この高原子番号のコーティング層により、透過窓が吸収する熱エネルギが減少し、このため熱応力が低下する。このように、コーティング層により、フィルタの遮蔽効果がさらに高まり、透過窓の対熱保護が向上する。
【００１７】
さらに、本発明は、上記の発明を取り込んだ、Ｘ線管などのＸ線発生デバイスを含む。同様に、本発明は、上記の発明を含むＸ線発生デバイスを有するコンピュータ断層撮影装置などのＸ線装置を含む。
【００１８】
【発明の詳しい説明】
本発明は、電子ビームを発生させるデバイスで利用できる熱エネルギ処理システムを含む。本発明は、コンピュータ断層撮影装置のＸ線管のようなＸ線発生デバイスに関して記述する。本発明を利用するＸ線発生デバイスは、放射線撮影装置、透視装置、血管造影撮影装置、乳房撮影装置、可搬型Ｘ線装置など他の応用分野でも利用が可能であると共に、歯科用撮影装置や工業用撮影装置にも利用が可能である。さらに本発明は、当業者であれば理解されるように、電子ビーム溶接機など他の電子ビーム発生デバイスにおいても利用可能である。
【００１９】
図１を参照すると、「第３世代」のＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むコンピュータ断層撮影（ＣＴ）イメージング装置を示してある。ガントリ１２は、ハウジング・ユニット１４を備え、これにより、たとえばガントリ１２の対向面上に位置する検出器アレイ２０に向けてＸ線ビーム１８を照射するＸ線発生デバイス１６を保持する。検出器アレイ２０は検出器素子２２により形成されるチャネルに分割されている。この検出器素子２２は一体となって患者２４などの撮影対象を透過後の入射Ｘ線を検出する。検出器素子２２は各々、入射したＸ線の強度を表す電気信号、つまり患者２４透過によるＸ線ビームの減衰を表す電気信号を発生する。スキャンによりＸ線投影データを収集する間に、ガントリ１２およびガントリ上に装着された構成部品は回転軸２６の周りを回転する。
【００２０】
ガントリ１２の回転およびＸ線発生デバイス１６の動作は、ＣＴ装置１０の制御機構２８により制御されている。制御機構２８は、Ｘ線発生デバイス１６に電力およびタイミング信号を供給するＸ線制御装置３０と、ガントリ１２の回転速度および位置を制御するガントリ・モータ制御装置３２を含む。制御機構２８内にはデータ収集システム（ＤＡＳ）３４があり、これによって検出器素子２２からのアナログ投影データをサンプリングして、このアナログ・データを後続の処理のためにディジタル投影データに変換する。画像再構成装置３６は、ＤＡＳ３４からサンプリングされディジタル化されたＸ線投影データをそのメモリ３８内で受け取ると共に、このメモリ内に格納されたプログラム信号の定義内容に従って高速の画像再構成アルゴリズムを実行するプロセッサ４０を含む。再構成された画像はコンピュータ４２に入力として渡され、このコンピュータにより再構成画像が大容量記憶装置４４内に格納される。
【００２１】
コンピュータ４２はまた、キーボードを有するコンソール４６を介して、オペレータからのコマンドおよびスキャン・パラメータを受け取る。付属の陰極線管表示装置４８により、オペレータはコンピュータ４２からの再構成画像その他のデータを観察することができる。コンピュータ４２は、オペレータの発したコマンドおよびパラメータに基づき、ＤＡＳ３４と、Ｘ線制御装置３０と、ガントリ・モータ制御装置３２とに対して制御信号や制御情報を提供する。さらにコンピュータ４２は、モータ式テーブル５２を制御してガントリ１２内での患者２４の位置決めするためのテーブル・モータ制御装置５０を操作する。停止／照射スキャンとも呼ばれるアキシャル・スキャンでは、テーブル５２により患者２４は位置に対応されており、ガントリ１２がこの位置で患者の周りを回転する。ヘリカル・スキャンでは、これと対照的に、テーブル５２は、Ｘ線発生デバイス１６がガントリ１２の周りを１回転する間のＺ軸に沿った変位に等しい、一定のテーブル速度（ｓ）で患者に対して移動する。
【００２２】
図２を参照すると、典型的なハウジング・ユニット１４は、オイル・ポンプ５４と、陽極側エンド５６と、陰極側エンド５８と、陽極側エンドと陰極側エンドとの間に位置していてＸ線発生デバイスすなわちＸ線管１６を収容する中央セクション６０とを備える。Ｘ線発生デバイス１６は、鉛を内張りしたケーシング６４内の流体チャンバ６２に封入されている。このチャンバ６２は一般に、誘電オイルなどの流体６６で満たされているが、空気など他の流体を利用することもできる。流体６６はハウジング１４を循環し、Ｘ線発生デバイス１６を冷却すると共に、ケーシング６４をＸ線発生デバイスによる高電圧電位から絶縁する役割を果たす。流体６６を冷却するためのラジエータ６８が中央セクションの片側に配置され、またこのラジエータは、これに接続されていて、高温のオイルがラジエータを循環する際に、このラジエータへ冷却用空気の流れを生じさせるファン７０およびファン７２を備えていてよい。Ｘ線発生デバイス１６と連絡するための電気的接続は、陽極側レセプタクル７４および陰極側レセプタクル７６を介して実現される。窓７８によってケーシング６４からＸ線を放出できる。
【００２３】
図３と図４を参照すると、典型的なＸ線発生デバイス１６は、容器８４の真空内に配置された回転ターゲット陽極アセンブリ８０及び陰極アセンブリ８２を備える。固定子８６が、回転ターゲット陽極８０の近傍で、真空容器８４を覆うように配置される。熱蓄積アセンブリ８８がターゲット陽極８０と陰極８２との間に配置される。陰極アセンブリ８２および陽極アセンブリ８０と接続された電気回路が通電されると、電子ストリーム９０が中央空洞９２内を通り、加速されて陽極アセンブリ８０に導かれる。この電子ストリーム９０は陽極アセンブリ８０上の焦点９４に衝突して、高周波電磁波９６すなわちＸ線と、残余エネルギを発生させる。この残余エネルギは、Ｘ線発生デバイス１６内のコンポーネントによって、熱として吸収される。Ｘ線９６は、真空中を熱蓄積アセンブリ８８内のアパーチャ１００の方向に導かれる。アパーチャ１００は、Ｘ線９６をコリメートし、これにより患者２４（図１参照）が受ける放射線被曝線量を低減できる。
【００２４】
アパーチャ１００内にはＸ線透過窓１０２が配置され、Ｘ線９６を効率よく通過させる材料で構成されている。透過窓１０２は、有用で診断に必要なエネルギ量だけのＸ線９６を透過することが好ましい。たとえば、コンピュータ断層撮影用に応用する場合、この有用で診断に必要なＸ線９６のエネルギ範囲は、概ね６０ｋｅＶから１４０ｋｅＶである。しかしながら、当業者であれば理解されるように、この有用で診断に必要なエネルギ範囲は、応用する対象によって異なる。透過窓１０２は、ジョイント部１０４において熱蓄積アセンブリ８８に、真空ろう付けや溶接などの方法によりハーメチック・シールされている。シール部１０４は、真空容器８４内を真空に保つ作用をする。また、フィルタ１０６を陽極アセンブリ８０と透過窓１０２との間に配置し、アパーチャ１００内に取り付けられている。透過窓１０２と同様に、フィルタ１０６は、診断に寄与するＸ線９６を通過させることができる。このように、Ｘ線発生デバイス１６は、残余エネルギおよびこのＸ線発生デバイスから出てフィルタ１０６と窓１０２を通るように導かれるＸ線９６を発生させる。
【００２５】
通常は、Ｘ線発生デバイス１６の全パワーの１％未満がＸ線９６に変換される。残余エネルギはパワーの残りの部分で構成され、実際上は熱に変換されて、Ｘ線発生デバイス１６内の各コンポーネントによって吸収される。この残余エネルギには、陽極アセンブリ８０からの放射熱エネルギと、この陽極アセンブリからそれた後方散乱電子の運動エネルギとが含まれる。通常は、Ｘ線発生デバイスの全パワーの約７０％が放射熱エネルギに変換されて、陽極アセンブリ８０で熱として吸収される。これ以外の全パワーの約３０％は後方散乱電子９８の運動エネルギである。この運動エネルギは、真空容器８４内のコンポーネントに衝突し、最終的には熱エネルギに変換される。このように、Ｘ線発生デバイス１６の全パワーのほとんどが、最終的にはこのデバイス内で熱エネルギになる。
【００２６】
熱蓄積アセンブリ８８は、吸収された後方散乱電子９８によって生ずる残余エネルギ（すなわち熱エネルギ）と、陽極８０から放出される放射熱エネルギとを実質的にすべて吸収し蓄積するだけの熱容量を有する本体部１０８を備える。熱蓄積アセンブリによって蓄積された残余エネルギ量は、Ｘ線発生デバイス１６の全パワーの概ね１０％から４０％を占めることが好ましい。熱蓄積アセンブリ８８は、後方散乱電子９８の運動エネルギの実質的にすべてを吸収し蓄積する。このように、熱蓄積アセンブリ８８は、この運動エネルギの最大で約９５％を蓄積する。すなわちＸ線発生デバイス１６の全パワーの概ね２８．５％から３８％が蓄積される。吸収されない５％の運動エネルギは、放射されるか、再度後方散乱されて陽極アセンブリ８０あるいは真空容器８４に戻る。同様に、熱蓄積アセンブリは陽極アセンブリ８０によって熱として吸収された放射熱エネルギの一部を吸収し蓄積する。このようにして、熱蓄積アセンブリ８８は、放射熱エネルギの最大で約１０％を蓄積、すなわち全パワーの最大で約７％を蓄積する。放射熱エネルギの残りの９０％は、真空容器８４に放射されるか、あるいは伝導で逃がされる。このように、熱蓄積アセンブリはＸ線発生デバイス１６の全パワーの最大で約４５％を吸収し蓄積するだけの十分な熱容量を有している。
【００２７】
吸収し蓄積された熱エネルギは、実際には熱交換チャンバ１１２内を循環する冷却用流体１１０に伝達される。冷却用流体１１０は、吸収し蓄積した熱エネルギを最終的には系の外に伝達する。しかし、この本体部１０８の熱容量のために、循環する流体１１０への熱エネルギ伝達率が、熱エネルギ蓄積デバイス８８への熱エネルギ伝達率を有意に下回ることが可能であるので有利である。この熱容量により熱蓄積デバイス８８は、冷却剤界面１１２ａでの流出熱伝達率を大きく超える流入熱伝達率を、内面において有することが可能となる。従来技術による典型的な薄壁デバイスでは、流出熱伝達率によって流入熱伝達率が制限されるため、これを実現することができない。このように、熱蓄積アセンブリ８８は、残余エネルギの多くの部分を直ちに吸収し蓄積し、陽極アセンブリ８０の冷却を助ける。これは、吸収されたエネルギを引き続いてＸ線発生デバイス１６から外へ伝達させるのに有利である。
【００２８】
熱蓄積アセンブリ８８は、大きな熱拡散率と熱蓄積容量を有する材料、たとえば銅やＧｌｉｄＣｏｐ（登録商標）合金など銅合金で製造された構造物で構成すること好ましい。熱蓄積アセンブリの本体部に用いられる材料は、真空中で大きな熱束に耐える得るものでなければならない。熱蓄積アセンブリ８８の材料組成に関する最も重要な制約条件は、熱束を受ける内面が溶融しないということである。過渡的加熱に関する性能指数を用いて、異なる材料間の比較をすることができる。融点Ｔmをもつ材料でＸ線パルス照射前の表面温度がＴ0のとき、限界熱束量ｑ''は次の比例式で表される。
【００２９】
ｑ''  ∝  （ρＣpｋ／ｔ）1/2（Ｔm−Ｔ0）                （式１）
ここで、ρは材料の密度、Ｃp は比熱、ｋは熱伝導率、ｔは当該部分が熱束にさらされる時間である。過渡的加熱に関し最大の性能指数を有する材料は、モリブデンやタングステンなどの耐熱金属である。ある熱束の下での銅の表面溶融耐力はモリブデンの耐力の約７５％であり、真空容器８４の代表的な材料の１つであるステンレス鋼に比べ３倍優れている。
【００３０】
材料選択にあたり重要な別の性能指数は、材料の気化に関するものである。気化した中性原子は、高電圧用絶縁物の表面に付着した場合に、絶縁破壊を引き起こすおそれがある。また、気化した中性原子は、透過窓１０２上に付着した場合、Ｘ線に無用な減衰を生じさせるおそれがある。一般に、厚さｄのプレートが、熱束ｑ''を片面に受け、反対面で対流式冷却を受けている場合、このプレートの両側の温度差は次の関係式で決定される。
【００３１】
ｑ''  ∝（Ｔ0−Ｔf）／［（１／ｈ）＋（ｄ／ｋ）］        （式２）
ここで、ｈは伝熱係数、ｋは熱伝導率、Ｔf は冷却用流体の初期温度である。もしＴ0 が最大許容表面温度であれば、限界熱束量は伝熱係数の関数として算定できる。極めて大きな伝熱係数に関しては、銅が最高ランクの材料として挙げられる。単一相対流の場合に典型的な伝熱係数に関しては、耐熱金属が薄い構造物に対して最良であり、厚い構造物（＞１ｃｍ）に対しては銅が好ましい。
【００３２】
大きな熱束を受ける構造物は、結果として生じる熱応力にも耐えうるものでなければならない。弾性限界に達するまでの範囲での最大熱束量を示す、過渡的加熱に対する熱応力の性能指数は、次式で得られる。
【００３３】
ｑ''  ∝  ［（１−ν）σy （ρＣpｋ）1/2］／（Ｅα）      （式３）
ここで、νはポアソン分布の定数、σy は材料の降伏強さ、ρは密度、Ｃp は比熱、ｋは熱伝導率、Ｅは弾性係数、αは熱膨張係数である。過渡的加熱に関しては、グラファイトおよびＴＺＭなどのモリブデン合金が性能として最良であり、ベリリウム、タングステンおよび銅は、性能面ではかなり劣る。
【００３４】
定常加熱に対しては、熱応力の性能指数は次式で定義できる。
【００３５】
ｑ''  ∝  ［２（１−ν）ｋσy］／（Ｅα）            （式４）
ここでもまた、グラファイトおよびＴＺＭが最良の材料であり、銅、アルミニウムおよびベリリウムは中程度である。ステンレス鋼は、定常加熱に関しても過渡的加熱に関しても、材料として極めて劣る。このように、銅および銅合金は上記の性能指数のすべてに対して比較的に高得点であり、また真空で利用するのに極めて都合がよい材料でもある。
【００３６】
内面８８ａでの熱発生率が冷却用流体１１０への熱伝達率を超えることを許容できるという利点が得られるほどの大きな熱容量を実現するためには、本体部１０８が十分な質量すなわち体積を有することが有利である。十分な熱蓄積容量を得るためには、本体部１０８が、熱蓄積アセンブリ８８の全体積のかなりの部分を占めることが有利である。実質的に中空であり、迅速に熱伝達する能力を必要とする従来技術によるデバイスと比較すると、熱蓄積アセンブリ８８は、実質的に中実と言える。本体部１０８は、熱蓄積アセンブリ８８の体積の約６０％を占めることが好ましく、より好ましくは約７０％以上、さらに最も好ましくは約８０％以上を占めるのがよい。この結果、熱蓄積アセンブリ８８が、後方散乱電子９８および陽極アセンブリ８０からの放射熱エネルギによりＸ線発生デバイス１６内で発生した熱エネルギのヒートシンクの役割を果たす一方、熱エネルギを冷却用流体１１０に直ちに伝達する必要がないだけの熱蓄積容量を提供できるので有益である。このように、本体部１０８の体積が大きいので、本体部１０８から流体１１０への熱エネルギ伝達率が、後方散乱電子９８および陽極８０の放射熱エネルギから本体部１０８への熱エネルギ伝達率よりも実質的に小さい場合でも許容できるほど十分に大きな熱容量を提供できるので有益である。
【００３７】
上記のように、残余エネルギは、熱せられた陽極アセンブリ８０からの放射熱エネルギと後方散乱電子９８の運動エネルギよりなる。後方散乱電子９８はその後、Ｘ線発生デバイス１６内のさまざまなコンポーネントに衝突する。その際に、陽極８０に再度衝突して焦点外Ｘ線を発生させ、また熱エネルギを伝達することなどが起こる。このように、後方散乱電子９８による熱エネルギおよび陽極の放射エネルギによる熱エネルギは、Ｘ線発生デバイスの各コンポーネントを高温にし、また熱応力を与える。
【００３８】
特に透過窓１０２は、焦点９４のごく近傍に位置するため、残余エネルギからのこの熱の影響を受けやすい。透過窓１０２は、ベリリウム、アルミニウム、ガラス、あるいはチタンなどのかなり低原子番号の材料の薄いプレートで形成されるのがふつうである。透過窓１０２は、通常真空容器８４の外面の一部を形成するため、ジョイント部１０４はＸ線発生デバイス１６の耐用期間の全体を通じて真空気密を保つ必要がある。後方散乱電子９８および高温の陽極による熱放射に起因する大きな熱負荷によって、透過窓１０２は極めて大きな熱応力を受け、ひいては故障を早めることにつながる。さらに、真空容器８４および透過窓１０２は、トランスオイルや誘電オイルなどの流体６６によって冷却されるのがふつうである。透過窓１０２上が高温になると、流体６６が透過窓の表面で沸騰を起こすおそれがあり、この場合結果として画像アーチファクトや流体の劣化を起こすことがある。
【００３９】
熱蓄積アセンブリ８８は、後方散乱電子９８および陽極８０の放射熱エネルギを捕獲すると共に、これを吸収し蓄積することによって、これらの熱応力を減少させる。熱蓄積アセンブリ８８は、Ｘ線照射の時間内に吸収した残余エネルギの実質的にすべてに相当する熱エネルギ量を蓄積できることが好ましい。熱蓄積アセンブリ８８により吸収されたエネルギの関係式は次のように定義される。アセンブリ８８によって吸収されたＸ線発生デバイスのパワーの総和は残余エネルギに起因し、これをＱと表す。本発明では、熱蓄積アセンブリ８８を出る熱率伝達容量(heat rate transfer capacity) ｑt を実質的に超える値をもつ熱率蓄積容量(heat rate storage capacity)ｑs を実現できると有利である。本発明のエネルギ伝達計算式は次式で定義される。
【００４０】
Ｑ＝ｑs＋ｑt                                （式５）
ここで、
ｑs＝ｍＣp（ｄＴ／ｄｔ）                    （式６）
また、
ｑt＝ｈＡsΔＴ                               (式７)
であり、またｍは熱蓄積アセンブリ８８の本体部の質量（単位：キログラム（ｋｇ））、Ｃp は材料の比熱（単位：Ｊ／Ｋｇ／°Ｃ）、ｄＴ／ｄｔは本体部の温度の時間変化率、ｈは熱交換チャンバ１１２の伝熱係数（単位：Ｗ／ｍ2 ／°Ｃ）（この値はチャンバの寸法および使用する冷却用流体１１０の種類により異なる）、Ａs は冷却剤界面１１２ａの面積（単位：ｍ2 ）、そしてΔＴは冷却剤界面と流体との間の温度差（単位：°Ｃ）である。上記の計算式を動作状況に当てはめるには、変数ｍ、ｈおよびＡs の値をさまざまに変えることにより課題の解を得る。熱蓄積アセンブリ８８は中実な構造であるためヒートシンクの役割を果たし、Ｘ線発生デバイス１６を大出力で一過性に動作させる間の熱エネルギを蓄積しておくことができるので有益である。また、蓄積されたエネルギは、放射線撮影検査と次の撮影検査との間に、循環させた冷却用流体１１０によって熱蓄積アセンブリ８８の本体部１０８から除去することができ有益である。
【００４１】
理想的には、熱蓄積アセンブリ８８は、通常のスキャン手順中に内面８８ａ上に入射し吸収された残余エネルギに起因するパワーＱの実質的にすべてを蓄積できる熱率蓄積容量ｑs を有する。換言すれば、熱蓄積アセンブリ８８は電子ビーム９０からパワーのうち、Ｘ線９６に変換されず、かつ放射されるか後方散乱されて内面８８ａに到達したパワー量を吸収する。パワー量すなわち熱蓄積アセンブリにより吸収された残余エネルギ量Ｑは、Ｘ線発生デバイス１６の全パワーに対して、約１０％から４０％の範囲であることが好ましく、１５％から４０％の範囲であることがより好ましく、また２５％から４０％の範囲であることが最も好ましい。これにより、同等なパワー値をもつＸ線発生デバイス１６でデューティ・サイクルが向上するので有利である。
【００４２】
このデューティ・サイクルの向上により、Ｘ線発生デバイスをより長い時間稼働状態とすることができ、これにより患者スループットおよび検査効率が高められる。たとえば、本発明により、Ｘ線発生デバイス１６は次の全パワーレベルおよび照射時間で稼働できる。すなわち、連続稼働では約０から１２ｋＷ、最大約５分間の照射では約３０ｋＷ、最大約３０秒間の照射では約６５ｋＷ、最大約１０秒間の照射では約７８ｋＷの稼働が可能である。このように本発明では、Ｘ線発生デバイス１６の効率が向上するので有利である。
【００４３】
ワット単位（Ｗ）で計ったＸ線発生デバイス１６の全パワーは、加速用ポテンシャル（ｋＶ）と陰極アセンブリ８２からの一次電子ビーム電流（ｍＡ）との積に等しい。通常は、稼働時の全パワーは約１０ｋＷから７８ｋＷの範囲である。この全パワーは、６０ｋＶから１４０ｋＶの範囲の加速用ポテンシャルすなわち電位差および、約１００ｍＡから６００ｍＡの範囲の電流に基づく。このように、熱蓄積アセンブリ８８により吸収されるパワー量Ｑは、上記の比率に基づき、約１ｋＷから３１ｋＷの範囲であり、より好ましくは１．５ｋＷから３１ｋＷの範囲であり、最も好ましくは２．５ｋＷから３１ｋＷの範囲である。
【００４４】
式６のｑs ＝ｍＣp （ｄＴ／ｄｔ）を用いて、所定のパワー吸収値Ｑを処理することが可能であるような熱蓄積アセンブリの特性を決定できる。当業者であれば理解するであろうように、式６の各変数はそれぞれに数値範囲をもっており、このため課題に対し所望の解が得られるように、どの変数も値を置換することができる。たとえば、これに限定するという意味ではなく、好ましい動作状況では、質量ｍは約４ｋｇから７ｋｇの範囲であり、Ｃp は約３８５から４５０Ｊ／Ｋｇ／°Ｃの範囲であり、ｄＴは約０°Ｃから７５０°Ｃの範囲であり、またｄｔは約０秒から６００秒（ｓｅｃ）の範囲である。温度によって異なる変数Ｃp は、熱蓄積アセンブリ８８の材料によって決まる。同様に変数ｄＴは材料の温度上昇限界により決まる。また変数ｄｔはＸ線照射時間によって決まる。一般に、質量ｍをさまざまな値とし、ｄＴ／ｄｔの比が過大とならないようにする。このように、当業者には明白であるように、式６のパラメータは動作条件に適合するように変更できる。
【００４５】
以下に示すのは式６を利用した具体例であり、これにより課題に対する可能な解決法の１つが示される。これは例であって、限定をしようという意図はない。６５０００ワットの全パワーを有するあるＸ線発生デバイスで、その熱蓄積アセンブリが３０％収集率を有するとした場合、この熱蓄積アセンブリは、６５０００×（０．３）＝１９５００（Ｗ）を処理しなければならない。照射時間が３０秒間継続する場合、熱蓄積アセンブリの平均温度が３００°Ｃだけ増加する。すなわち、Ｑ＝１９５００Ｗ、ｄＴ＝３００°Ｃおよびｄｔ＝３０ｓｅｃ、また銅の場合Ｃp ＝３８５Ｊ／Ｋｇ／°Ｃである。したがって、必要となる熱蓄積アセンブリの本体部の質量ｍは、この具体例では約５ｋｇである。
【００４６】
実際には、熱蓄積アセンブリ８８は熱率伝達容量ｑt をもつために、５ｋｇ未満の値を使用することができる。冷却用流体１１０は、この３０秒の照射の間に、この１９５００Ｗの何分の１かを除去しているので、熱蓄積アセンブリ８８は吸収したパワーＱのすべてを蓄積する必要はない。しかし、本発明では熱率蓄積容量ｑs を利用して、吸収したパワーＱのかなりの量を蓄積する、これによりｑs はｑt よりも有意に大きな値にできる。たとえば、これに限定するという意味ではなく、ｑt に対するｑs の比は、概ね１：１から５：１以上の範囲であり、この違いはそのアセンブリの動作条件および設計に基づく。これによって、吸収したパワーのすべてを即時に除去することが必要であるようなデバイスに関連した問題、たとえば流体の沸騰や起こりうる薄壁構造物の溶融などの問題を回避することができる。このように、本発明は熱エネルギの伝達先として次の２つを備える。すなわち、熱蓄積アセンブリの質量内に一時的に蓄積するものと、即時に対流によって冷却用流体に伝達するものである。
【００４７】
本発明では、Ｘ線発生デバイス１６がより長い継続時間動作できるので有益である。また、Ｘ線ビームの発生間隔に伴う通常の休止期間を利用して、過剰の熱エネルギを伝達できるので有利である。このように、熱蓄積アセンブリ８８は、冷却用流体１１０への熱エネルギの伝達率を上回って熱エネルギを蓄積できるので有利である。
【００４８】
熱蓄積アセンブリ８８の外面８８ｂの一部は、真空容器８４の外面の一部を形成することがある。また別法として、当業者であれば理解するであろうように、熱蓄積アセンブリ８８は真空容器８４内に完全に封入されることがある。熱蓄積アセンブリ８８は、真空容器８４とジョイント部１１４で結合され、気密の真空シールを提供することが好ましい。ジョイント部１１４は、ステンレス鋼などの真空容器材料を銅や銅合金などの熱蓄積アセンブリの材料にハーメチックに結合させるための、ろう付け、溶接、その他同様で周知の方法によって形成されることがある。熱蓄積アセンブリ８８に、真空容器８４の外面の一部を形成させることは、多くの面で有利である。たとえば、本実施例では、熱蓄積アセンブリ８８の一部は流体６６に直接接触しており、このため、熱蓄積アセンブリの表面の流体と接触する面積を増加させることができる。この結果、熱蓄積アセンブリ８８の熱伝達能力が高まる。
【００４９】
さらに、熱蓄積アセンブリ８８の本実施例では、たとえば、ろう付け、溶接その他の従来の方法によって、透過窓１０２を熱蓄積アセンブリに直接取り付けることができるので有益である。透過窓１０２を熱蓄積アセンブリ８８に取り付けていることにより、真空ジョイントを形成するための優良な界面を提供できるので有利である。たとえば、代表的な銅製の熱蓄積アセンブリ８８が、代表的なベリリウム製の透過窓と、信頼性の高いろう付け真空ジョイントを形成できる。一方、ベリリウム製の透過窓をステンレス鋼製の真空容器と結合させると、ベリリウムとステンレス鋼との熱特性の不整合による問題が起こるおそれがある。この場合には、熱応力のためにジョイント部の不具合につながる。このように、真空容器８４の外面の一部を形成させた熱蓄積アセンブリ８８を提供しているため、本発明では熱伝達および信頼性が向上する。
【００５０】
さらに、熱蓄積アセンブリ８８は広い面積にわたって熱エネルギを吸収させるように形成されると有益である。これによって内面８８ａの面積全体にわたって平均熱束数を少なくできる。この点では、中央空洞９２により内面８８ａの表面積が大きくなり、焦点９４に対し直接露出する、したがって後方散乱電子９８および陽極の放射熱エネルギに対しても露出した状態となる。さらに、従来の技術に比べ、熱蓄積アセンブリ８８の内面８８ａと焦点９４との間隔が比較的広いため、後方散乱電子９８は捕獲されるまでにより大きな拡散を起こすことができ、内面８８ａ上の局所的な熱束の大きさを大幅に減少させることができる。本発明では、内面８８ａの位置で算定される熱束は、Ｘ線発生デバイス１６の電流１００ｍＡあたり概ね０．７Ｗ／ｍｍ2 である。たとえば、５７０ｍＡの電流を有するＸ線発生デバイスでは、熱蓄積アセンブリ８８の内面８８ａに対する熱束は、概ね４Ｗ／ｍｍ2 である。同様に１００ｍＡと３００ｍＡでは、熱蓄積アセンブリ８８の内面８８ａに対する熱束は、概ねそれぞれ０．７Ｗ／ｍｍ2 および２．１Ｗ／ｍｍ2 である。この値は、従来技術による代表的な設計値よりはるかに小さい。本発明であっても、収集する熱エネルギは、従来技術とほとんど同じ量であるが、熱の収集方法および収集箇所に関して創意工夫をし、設計の複雑性を大幅に減免している。このように、内面８８ａの表面積が大きいため、即時に熱伝達をしなければならない従来技術のデバイスに比べ、内面８８ａでの平均熱束量をかなり低減できる。
【００５１】
また、熱蓄積アセンブリ８８は陽極アセンブリ８０と同じ電気的ポテンシャルとし、後方散乱電子９８が熱蓄積アセンブリから反跳せず、これにより熱蓄積アセンブリで収集される後方散乱電子の量が最大にできることが好ましい。さらに、熱蓄積アセンブリ８８は導電率が高いため、電荷は急速にアースに排出され、このためＸ線発生デバイス１６に蓄積される電荷は軽減される。
【００５２】
熱蓄積アセンブリ８８の内面８８ａは、円筒形で平滑であることが好ましく、これによりすぐれた高電圧安定性が得られる。内面８８ａが平滑であるため、陰極アセンブリ８２から本体部１０８への無用な放電の原因となりかねない細かな欠陥すなわち凹凸を避けることができる。さらに、内面８８ａと高電位である陰極アセンブリ８２との間隔が十分に取られているため、熱蓄積アセンブリ８８への高電圧の絶縁破壊を防ぐことができる。
【００５３】
さらに、熱蓄積アセンブリ８８は、実質的にＸ線を透過させない材料を含むことと、アパーチャ１００を設けることにより、透過窓１０２を透過するＸ線９６をコリメートする役割を果たす。通常は、焦点９４で発生したＸ線９６だけがＸ線発生デバイス１６から出てくることが望ましい。陽極アセンブリ８０の焦点９４の部分以外の領域など、デバイス１６内のコンポーネントに後方散乱電子９８が衝突することにより、焦点外Ｘ線が発生することがある。この焦点外Ｘ線には、透過窓１０２の方向に向かうものがある。また、この散乱する焦点外Ｘ線は、画像品質を劣化させ、また無用な熱負荷を陽極８０および透過窓１０２に与えることになる。熱蓄積アセンブリ８８は、Ｘ線をコリメートする役割を果たすアパーチャ１００を設けることにより、この焦点外Ｘ線がデバイス１６から出てくるのを防いでいる。放射線を制限する、すなわちコリメートするのに適し、Ｘ線ビーム９６を実質的に焦点９４を起点とさせるものであれば、アパーチャ１００はいかなる形状および寸法でもよい。さらにアパーチャ１００は、陽極８０から透過窓１０２へのＸ線９６の経路に沿って本体部１０８に配置された狭い経路を設けることにより、透過窓１０２を熱から遮蔽している。このように、アパーチャ１００により、透過窓１０２および真空容器８４の透過窓に連なる部分が、有害な後方散乱電子９８や陽極８０からの放射熱エネルギにさらされるのを劇的に制限している。
【００５４】
上記のように、本体部１０８は、熱交換チャンバ１１２を通って循環する冷却用流体１１０に熱エネルギを伝達する。熱交換チャンバ１１２は、熱蓄積アセンブリ８８の周辺で、後方散乱電子９８や陽極アセンブリ８０からの放射熱エネルギを吸収している熱蓄積アセンブリの内面８８ａから離れた位置に形成されることが好ましい。熱交換チャンバ１１２は、熱蓄積アセンブリ８８の体積に対して約４０％未満であることが好ましく、３０％未満であることがより好ましく、２０％未満であることが最も好ましい。こうした配置により、吸収した熱エネルギが本体部１０８の大きな質量の全体に拡散し、これにより熱交換チャンバ１１２の表面で冷却用流体１１０と本体部１０８がつくる界面１１２ａにおける熱束および表面温度が低下する。たとえば、あらかじめ内面８８ａに４／ｍｍ2 の熱束が与えられていると、これに対応する冷却剤界面１１２ａでの熱束は、概ね１．２Ｗ／ｍｍ2 となる。換言すると、熱蓄積デバイス８８の熱容量を活用するこの例では、冷却剤界面１１２ａでの熱束は、内面８８ａでの熱束の約３０％に過ぎない。したがって、本発明により、内面８８ａでの熱束は冷却剤界面１１２ａでの熱束を大幅に超えることができる。たとえば、流入する熱束が、流出する熱束の１００％から３３３％の範囲とすることができる。一方、従来技術による代表的なデバイスでは、流入熱束と流出熱束の間の関係が概ね１００％未満の最高値を提供するに過ぎない。これは、従来技術による代表的なデバイスは、熱蓄積容量が極めて不十分なためである。熱蓄積アセンブリ８８の熱蓄積容量によって、冷却剤界面１１２ａでの熱束を低く抑えることができるので有利である。冷却剤界面１１２ａでの熱束が低いほど、冷却用流体が沸騰することがないので有利である。流体１１０が沸騰すると、さまざまな悪影響を及ぼすおそれがある。たとえば、好ましくない流体圧の大幅な低下、冷却剤の劣化のおそれ、溶融による熱蓄積アセンブリ８８の突発的障害などである。さらに本発明では、内面８８ａにおいて熱エネルギのより多くの部分を吸収できるため、流体１１０の熱伝達容量のために熱伝達アセンブリ８８が吸収できる残余エネルギの量が制限されることが避けられる。このように、本発明では、内面８８ａに所定の熱束が与えられたときの冷却剤界面１１２ａでの熱応力を、薄壁構造物の場合に比べ大幅に減少させている。
【００５５】
本発明では、熱交換チャンバ１１２内の冷却用流体１１０を、ポンプ５４（図２参照）によって真空容器フレームの周りを循環する、たとえば誘電オイルなどの冷却用流体６６の本体の一部とすることがある。流体１１２および流体６６として同一の流体を利用することによって、別の冷却系統や特別な流体を備える必要がない。これらを必要とする点で従来技術は不利である。循環流体６６はラジエータ６８（図２参照）を出ると、２つの流体循環系統に分かれる。第１の系統により、真空容器８４とケーシング６４（図２参照）の間に流体６６を循環させる。一方、第２の系統により、熱蓄積アセンブリ８８の熱交換チャンバ１１２を通り、流体１１０を循環させる。好ましい実施態様では、流体６６の本体の一部が、流入口チューブ１１６を通って熱蓄積アセンブリ８８の熱交換チャンバ１１２に導かれる流体１１０を形成する。熱交換チャンバ１１２を通って循環した後、流体１１０は流体出口１１８で熱蓄積アセンブリ８８から出て、再循環するために流体６６と混合される。流入口チューブ１１６はラジエータ６８から熱蓄積アセンブリ８８まで通っており冷却用流体１１０の流れの信頼性が保証されることが好ましい。他の接続に関しては当業者であれば明白であろう。このように、本発明は、同じ流体を利用するという利点をもつ循環冷却系で、別々に２系統を備えるという点で有利である。
【００５６】
さらに、フィルタ１０６は、後方散乱電子９８を吸収し、かつ高温の陽極８０から吸収した熱エネルギを熱蓄積アセンブリ８８に伝達することによって、診断に有用なＸ線９６を透過させながら、熱の影響を受けやすい透過窓１０２を保護する。フィルタ１０６は、その表面に衝突する後方散乱電子９８のほとんどを捕獲する、熱伝導性のよい材料でできた薄いプレートを含み、これにより後方散乱電子が陽極８０に戻ったり、あるいは透過窓１０２に衝突するのを防ぐ。さらにフィルタ１０６の材料は導電性のものであるため、フィルタに電荷が蓄積することがない。また、フィルタ１０６は、真空容器の高温環境内でも物理的および化学的に安定な材料からなる。したがって、フィルタ１０６は、たとえば原子番号が概ね２２以下である材料などの低原子番号の材料からなるのが好ましい。こうすると診断に有用なＸ線の透過が可能である。たとえば、フィルタ１０６としてはベリリウム、一般グラファイト、パイロリティック・グラファイト、チタン、炭素、アルミニウムなどがある。一般グラファイトは、比較的高温特性に優れているため有利である。同様にパイロリティック・グラファイトは熱伝導率が高いので有利である。このように、フィルタ１０６は、透過窓１０２が残余エネルギにさらされる量を低下させ、これにより透過窓内の熱応力が減少するので有利である。
【００５７】
フィルタ１０６を取り付けるための方法は、フィルタ本体からの熱伝達の抵抗が低くなるように選択すべきである。しかしフィルタ１０６は、構造上は真空容器８４の一部分ではないため、フィルタから熱エネルギを効率よく逃がすのに適当な方法で真空容器に取り付ける。たとえば、フィルタ１０６は片側だけで固定的に取り付けることがあり、あるいは動きばめを用いて取り付けられることがある。フィルタ１０６は、熱蓄積アセンブリ８８のアパーチャ１００内に取り付けられることが好ましいが、多くの周知の方法のいずれかにより真空容器８４内に独立に取り付けることもできることは当業者であれば理解するであろう。取り付け方法としては、溶接など他の同様な方法を利用することも可能であるが、フィルタ１０６を熱蓄積アセンブリ８８に真空ろう付けする方法を含むことが好ましい。またフィルタ１０６が一般グラファイトまたはパイロリティック・グラファイトを含む場合には、ろう付けを容易にするため、ベリリウム製キャリアの内部に封入することがある。たとえば、ベリリウム製プレートをフライス加工し、グラファイトを挿入し、次に別のベリリウム製プレートをこのグラファイトにかぶせてろう付けし封入する。最後に、透過窓１０２の場合と異なり、フィルタ１０６は熱蓄積アセンブリ８８とハーメチック・シールを形成する必要はない、しかし本体部１０８に接触するように取り付け、フィルタが捕獲した熱エネルギを伝達させるための熱伝導経路を設けておくことだけは必要である。このように、フィルタ１０６は、透過窓１０２およびジョイント部１０４内の熱応力を減少させるのに役立つ。
【００５８】
透過窓１０２を熱応力からさらに保護するために、反射性が高く、高原子番号を有する薄層を備えるコーティング層１１９を、フィルタ１０６の陽極側表面にもたせることがある。コーティング層１１９に適する材料としては、たとえば金、白金、タンタルなど７０を超える原子番号を有する材料がある。コーティング層１１９の材料が高原子番号の特性をもつため、陽極アセンブリ８０から放出されコーティング層に衝突した後方散乱電子９８の多くの部分を、再度散乱させるのに役立つ。表面で後方散乱を受ける電子の割合は、材料の原子番号の増加に伴って増大し、７０を超える原子番号に対しては概ね５０％に達する。たとえば、フィルタ１０６がむき出しのベリリウムあるいは炭素であった場合、フィルタが吸収する入射電子のエネルギすなわちパワーは９０％を超える。これに対し、フィルタ１０６が、たとえば金（原子番号＝７９）などのコーティング層１１９を陽極側表面に備える場合には、入射パワーの概ね５０％を吸収するに過ぎず、残りは再度散乱させてしまう。白金やタンタルでも同様の結果が得られる。コーティング層１１９は、フィルタ１０６上に入射する後方散乱電子９８を再度散乱させるだけの厚さを有する一方、診断上有用なＸ線９６を過度に減衰させることなく透過させるだけの十分な薄さとすることが好ましい。たとえば、高原子番号のコーティング層１１９の厚さは、ほんの数マイクロメートルであり、６マイクロメートル未満であることがほとんどである。高原子番号のコーティングの別な利点として、（被曝の原因となる）低エネルギのＸ線を減衰させるということがある。低エネルギＸ線が含むＸ線のエネルギは、診断に寄与せず、また有用でない。上記のように、通常のコンピュータ断層撮影法に応用する場合、診断上有用なＸ線のエネルギ・レベルは、約６０ｋｅＶから１４０ｋｅＶの範囲である。このように、コーティング層１１９により、透過窓１０２が陽極アセンブリ８０で発生した残余エネルギにさらされる量が低下すると共に、真空容器８４およびＸ線発生デバイス１６を出る不要Ｘ線量が低減されるので有利である。
【００５９】
さらに、コーティング層１１９は高温の陽極アセンブリ８０によって放出され入射する熱放射のほとんどすべてを反射する役割を果たす。たとえば、金を含むコーティング層１１９を有するフィルタ１０６は入射してくる熱放射の９９％を超える部分を反射する。こうして結果として、陽極側の高原子番号のコーティング層１１９により、フィルタ１０６による透過窓１０２に対する後方散乱電子９８および高温の陽極アセンブリ８０による熱エネルギからの遮蔽が向上するので有益である。
【００６０】
本発明に関する様々な実施の形態について以下に述べる。各図の全体を通じて、同じ要素には同じ参照番号を付与してあることに留意されたい。
【００６１】
図５を参照すると、本発明の実施の別の一形態では、熱蓄積アセンブリ１２０は、内面１２２ａ上に配置された、所望の放射率を得るためのコーティング層１２４を有する本体部１２２を備える。コーティング層１２４は、本体部の材料よりも原子番号が小さく、また高温性能に優れ、電子の後方散乱が少ない材料を含む。この種のコーティング層１２４に適する材料として、ベリリウムや炭素含有材料などがある。コーティング層１２４の原子番号が小さいほど、このコーティング層によって、本体部１２２の内面１２０ａがむき出しの場合よりも入射する後方散乱電子のエネルギのうちのより多くの割合を吸収することができる。一方、コーティング層１２４は、本体部１２２の材料と比べ、より原子番号が大きい材料を含むことがある。コーティング層１２４は金やタングステンなど概ね７０を超える原子番号をもつ材料であることが好ましい。コーティング層１２４の原子番号が大きいほど、２次的後方散乱が多くなり、結果として本体部１２２内の熱束の吸収が少なくなる。同様に、内面のコーティング層１２４はまた、本体部１２２の材料と比べ、より高い放射率を有すると有益である。コーティング層１２４の放射率が高いほど、高温の陽極８０などからの放射熱エネルギをそれだけ多く吸収することができる。放射率が高いコーティング層１２４を得るために適した材料としては、炭素、酸化鉄、Ｒｅｎｅ８０、その他多数の例があることは、当業者であれば明白であろう。コーティング層１２４は、溶射法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタリング法などの周知の処理法を用いて、内面１２２ａに塗布できる。このように、コーティング層１２４を利用することによって、内面上に収集される熱束の大きさを設計に反映させることが可能となる。
【００６２】
図６を参照すると、本発明に関する実施の別の一形態によれば、熱蓄積アセンブリ１３０は、さらにスリーブ部材１３２を含み、Ｘ線をさらに減衰させている。スリーブ部材１３２は、真空ろう付け法や焼ばめ法によって本体部１３４の内面１３４ａに取り付けられる。スリーブ部材１３２は、原子番号が７０を超える材料（好ましくはタングステン）で製造し、大きなＸ線の減衰を得ることが好ましい。スリーブ部材１３２は、Ｘ線９６の発生起点の近くに位置しており、局所的にＸ線放射を遮蔽する。スリーブ部材１３２を含め、熱蓄積アセンブリ１３０の位置決めは、Ｘ線９６および陽極８０からさまざまな方向に放出される後方散乱電子９８の有意な部分を捕獲できるようにすると有益である。これによって、真空容器８４（図示せず）内の散乱放射が減少する。この結果、通常ケーシング６４（図１参照）の内面に施す厚い鉛コーティングを薄くすることができるか、あるいはコーティングが不要になる。鉛コーティングを薄くできるか、あるいは不要とすることができると、結果的として重量を飛躍的に軽くできる。当業者であれば理解するであろうように、スリーブ部材１３２は、本体部１３４の内面１３４ａあるいは外面１３４ｂに隣接して配置される。しかし、スリーブ部材１３２を内面１３４ａに隣接して配置する利点の１つは、この配置によってスリーブ１３２の内側が、後方散乱電子９８からの入射電子エネルギおよび高温の陽極８０からの放射熱エネルギを直接吸収し、この熱エネルギを本体部１３４に伝達し、冷却用流体１１０（図示せず）を介して系外に排出できることである。
【００６３】
図７を参照すると、本発明に関する実施の別の一形態によれば、熱蓄積アセンブリ１４０は、本体部１４４の内面１４４ａ上に形成された、アスペクト比が大きな複数のスロット１４２を備える。アスペクト比が大きなスロット１４２は、任意の角度とすることができるが、陰極アセンブリ８２から陽極アセンブリ８０へ向かって中央空洞９２に進入する電子ストリーム９０の経路と平行とするか（図示せず）、あるいは垂直とすることが好ましい。アスペクト比が大きなスロット１４２は、機械加工、鋳造その他の周知の製造方法によって形成することができる。
【００６４】
図８を参照すると、アスペクト比が大きなスロット１４２は、内面１４４ａの表面積を増加させている。この増加に応じて、後方散乱電子９８および陽極８０からの放射熱エネルギの吸収も増加する一方、内面全体を横切る平均熱束数は減少する。図８では、後方散乱電子９８は、スロット１４２に接近し、表面１４２ａに衝突し、ここで吸収されるか、熱に変換されるか、または後方散乱される。後方散乱された場合、散乱電子は表面１４２ｂに衝突し、またここで吸収されるか、あるいは後方散乱される。ここで再び、後方散乱された場合、表面１４２ｃに衝突する。電子９８は散乱されるにつれて、そのエネルギの一部を後方散乱面に与える熱として失う。スロット１４２があるため、起こりうる後方散乱事象の回数が平滑面の場合より増加し、これにより表面への熱の付与量が増加する。さらに、起こりうる後方散乱事象の全体の回数は、スロットの横の長さＬ２に対するスロットの縦の長さＬ１の比を大きくすることによって増加させることができる。このアスペクト比が大きなスロット１４２は、入射電子のエネルギを捕捉すると共に、表面積を増加させることにより、平滑な面の場合と比較して、熱エネルギ伝達に関する実効熱放射率を高めることができる。また別に、内面１４４ａの熱放射率を高めるためのより安価な方法として、表面をサンド・ブラスト処理あるいはグリット・ブラスト処理し、表面に凸凹を付けるものがある。以上の説明は電子に関するものであるが、類似の過程が、スロット１４２に接近する放射熱エネルギ（光子）についても起こることは、当業者であれば理解するであろう。
【００６５】
要約すると、本発明の態様の１つは、後方散乱電子と放射熱エネルギを選択的に吸収し蓄積することにより、熱性能およびデューティ・サイクルを改善させたＸ線発生デバイスである。本発明の別の態様は、焦点外放射線をコリメートし減少させることによる、焦点外放射線および診断に寄与しない患者への被曝線量の大幅な減少である。本発明のまた別の態様は、後方散乱電子および放射熱エネルギからの熱束を減少させ、Ｘ線透過窓の無用な加熱を減少させたことである。本発明のさらに別の態様は、熱の蓄積・除去能力が高いことにより、放射線撮影検査中の冷却待ちを不要としたことである。
【００６６】
これらの好ましい実施の形態を参照しながら本発明を説明してきたが、別の実施の形態によっても同様な結果を得ることが可能である。本発明に関する様々な変更や修正については当業者には明らかであり、本発明の請求項はこれらの修正その他のすべてを包含するよう意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱蓄積アセンブリを有するＸ線発生デバイスを備えるコンピュータ断層撮影装置を表す概略図である。
【図２】Ｘ線発生デバイス（すなわち、Ｘ線管）を内部に位置させるためのハウジングを表す斜視図である。
【図３】本発明による熱蓄積アセンブリを取り付けたＸ線発生デバイスの陽極アセンブリの一部を表すように固定子を破断して描いた部分断面斜視図である。
【図４】熱蓄積アセンブリを取り付けたＸ線発生デバイスの一実施態様の部分断面斜視図である。
【図５】内面上にコーティング層を有する本発明による熱蓄積アセンブリを取り付けたＸ線発生デバイスの別の実施態様の部分断面斜視図である。
【図６】内面上にスリーブを有する本発明による熱蓄積アセンブリを取り付けたＸ線発生デバイスのさらに別の実施態様の部分断面斜視図である。
【図７】内面上にアスペクト比の大きなスロットを含む熱蓄積アセンブリを有するＸ線発生デバイスのさらに別の実施態様の部分断面斜視図である。
【図８】熱蓄積アセンブリ内にあって、後方散乱電子を受け取るためのアスペクト比の大きなスロットの詳細図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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