CN103715047A

CN103715047A - X射线管

Info

Publication number: CN103715047A
Application number: CN201310455915.7A
Authority: CN
Inventors: 松本晃; 出口清之; 丸岛吉久; 小暮雄一; 中村和仁; 冈田和幸; 藤田澄; 仲村龙弥
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Futaba Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Futaba Corp
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-04-09
Also published as: US20140093047A1; JP2014075188A; TW201415511A; KR20140043671A; JP5763032B2; TWI490907B; US9263227B2

Abstract

本发明涉及X射线管，公开一种在平型管形态的X射线管中用以防止X射线强度随时间经过而变动的X射线管。X射线管(1)是具备：具有窗部(3)的X射线不穿透性的基板(4)；用以封闭窗部的X射线穿透窗(8)；从基板的内面设于窗部的X射线靶(9)；安装于基板的内面的内部为高真空的容器部(5)；设于容器部内的阴极(11)；第1控制电极(12)；及第2控制电极(14)。在基板的内面是以包围窗部的方式设有屏蔽电极(20)。电子是撞击X射线靶而产生X射线。在屏蔽电极间的X射线靶所反射的电子是被屏蔽电极吸收，而不会在容器部的内面带电。阴极的电子射出不会受到反射电子的影响，靶电流的变动较小，可放射大致一定强度的X射线。

Description

X射线管

技术领域

本发明是涉及一种在设为高真空状态的密封件（package）的内部，从电子源释放电子使的撞击X射线靶（target），再将从X射线靶释放的X射线，从密封件的X射线穿透窗放射至外部的X射线管，尤其还涉及一种防止因为X射线靶所反射的电子在密封件散射所引起动作特性不安定化的X射线管。

背景技术

在下述专利文献1中，已揭示一种对空气照射X射线，用以产生离子气体（ion gas）的X射线产生装置。使用在该X射线产生装置的X射线管，是以圆柱状密封件（真空管（bulb））作为本体，而在密封件内，从热丝（filament）射出的电子是经由聚焦而被聚集，撞击X射线靶而产生X射线，而该X射线是穿透输出窗（X射线穿透窗）而射出至密封件的外部。

图4与所述专利文献1的X射线管相同，是以玻璃制圆柱状密封件100为本体的所谓圆型管形态的X射线管的剖面图。该圆柱状密封件100，位于其一端面的圆形开口是被由铍（beryllium）所构成的膜的X射线穿透窗101所封闭，而内部则保持为高真空状态。在密封件100的内部中，于X射线穿透窗101的内面设有X射线靶102。此外，在密封件100的另一端面的侧，则设有属于电子源的阴极103与控制电极104。而且，从阴极103射出的电子是在控制电极104被加速，并经聚集而撞击X射线靶102，而得以将X射线从X射线穿透窗101放射至密封件100的外部。另外，在图4中，是以符号X示意性显示从X射线穿透窗101放射至密封件100的外部的X射线，并且以符号P来显示X射线穿透窗101中的X射线的放射的中心。

[先前技术文献]

[专利文献]

专利文献1：日本特开2005-116534号公报

发明内容

[发明所欲解决的课题]

然而，在图4所示现有技术的X射线管中，来自阴极103的电子被缩小成射束（beam）状，是以撞击X射线靶102的位置为中心而使X射线扩展成辐射状的点状的X射线照射（图4中以符号P所示的点即为中心），而X射线则是从X射线穿透窗101射出后扩展成圆锥状（在图4中以符号X显示），因此会有相对于照射对象物的大小，有效照射范围（area）狭小的问题。因此，若要使用照射范围狭小的圆型管X射线管使X射线照射至宽广的范围，就要使用多个X射线管，并将其予以并排使用，故在设备成本或在维修方面有极大负担。

此外，若要使X射线照射至宽广范围，虽也可考虑远离对象物来照射X射线，但若要照射所希望的X射线至照射对象物，就需加强X射线的照射强度。如此一来，甚至将X射线照射至不需要的部位，而产生X射线泄漏的问题。

因此，本案发明的发明人等，为了解决此种现有技术的圆型管形态的X射线的问题，发明了图5及图6所示的平型管形态的X射线管。该X射线管是以箱形密封件55作为本体，该箱形密封件55是由将1片玻璃制背面基板61与4片侧面板62组装成箱型而成的容器部51、及在该容器部51的开放侧周缘部由X射线不穿透性的金属所构成的基板53所构成。在成为该密封件55的X射线放射侧的基板53中，是形成有细缝（slit）状的开口部52（例如宽度2mm左右），而在该开口部52，则自基板53的外侧安装有由钛（titanium）箔所构成的X射线穿透窗54。

密封件55的内部是保持为高真空状态。在密封件55内，是于显现在基板53的开口部52的X射线穿透窗54中设有钨（tungsten）等的X射线靶56。此外，在密封件55的内部，是于与X射线穿透窗54相反侧的内面的背面基板61的内面设有背面电极57，而在该背面电极57下方则依序配设有热丝状的阴极58、从阴极58吸引电子的第1控制电极59、及将第1控制电极59所吸引的电子进行加速的第2控制电极60。

依据该X射线管，从阴极58被第1控制电极59所吸引的电子是通过第2控制电极60加速，且撞击X射线靶56而产生X射线。而且，经由电子撞击而从X射线靶56所产生的X射线，是穿透X射线穿透窗54而放射至密封件55的外部。

由于X射线是从被基板53的开口部52所限制的X射线穿透窗54放射，因此只要将开口部52的细长细缝形状的尺寸设定为所希望的大小，就可使放射X射线的区域实质为线状而以X射线穿透窗54的细缝宽度使X射线扩展。因此，可与对象物大小对应而易于以较高弹性来设定有效宽广的照射范围，而可获得照射范围狭小的圆型管的X射线管所未具的效果。而且，只要将开口部52的尺寸、形状形成为所希望大小的矩形沟状等，在X射线穿透窗54中接受X射线放射的区域，相较于圆形的X射线穿透窗，就较容易从外形判断，因此也有较容易设定将X射线精密地引导至既定位置的路径的优点。

本案发明人等在开发图5及图6所示的平型管形态的X射线的过程中，发现从X射线管放射的X射线的强度变动的现象。此是当驱动X射线管放射X射线时，所放射的X射线的强度虽会随着使用时间的增加而减少，但当超过某个时间时又会再度变强的现象。本案发明人等经致力研究该现象的结果，关于该未知现象的详细内容及原因等，终获致以下的智识见解。

图7是本案发明人等所提出的平型管形态的X射线管的剖面图。基本的构造与图5及图6所示的平型管形态的X射线相同，图7中是赋予与图5及图6相同的符号而其说明则予以省略。在此X射线管中，当从阴极58射出的电子撞击X射线靶56时，X射线即从X射线靶56射出，而该X射线虽从X射线穿透窗54朝向外侧放射，但依据本案发明人等的研究，得知此时会产生撞击X射线靶56的电子反射而在密封件55内朝向第2控制电极60侧反射的现象。在图7中，是显示撞击X射线靶56后反射，并到达密封件55的内面的电子的轨迹。此为经由本案发明的发明人等的研究所获得的成果，其是使用有限要素法来解析在密封件55内的电场，借此来仿真撞击X射线靶56而反射的电子的轨道。

而且，本案发明人等经详细调查与自X射线管放射的X射线的强度相对应的X射线靶电流相对值的时间性变动后发现，获得图8所示的结果。依据此例，在以X射线管的最初的电流值为100%连续驱动情形下，驱动时间达100小时前，电流值持续减少（电流劣化），而驱动时间在大约100小时时，电流值降低至最初的约60%。之后，电流值转为增加，在约2000小时后，恢复至100%（电流上升）。从X射线管放射的X射线的强度，也与该X射线靶电流的时间性的变动对应而变动。

本案发明人等求出与X射线的强度对应的X射线靶电流相对值的时间性变动的原因在于图7所示的反射电子的动作特性上，再进一步致力研究的结果，终获致以下的理解。

图9是说明X射线管驱动时所产生的所述电流劣化的原因的图。图中，电子是以附带圆形的e^-来显示，且以箭头来显示其移动。撞击X射线靶56而反射的电子，是再度撞击密封件55的内面并反射，借此即在与具有X射线穿透窗54的基板53相反侧的内面（具有背面电极57的背面基板61）带电。在此，于图9中，为了与先前显示背面基板61的带电状态的附带圆形的e^-有所区别加以显示，以附带圆形的－来显示。此外，撞击X射线靶56而反射的电子，是通过撞击密封件55的内面而从密封件55的玻璃板射出2次电子，而该2次电子即于背面基板61带电。如此一来，于背面基板61带电的反射电子及2次电子即持续增加，逐渐地电子难以从阴极58射出，结果可设想会产生X射线靶电流随驱动时间的经过而减少的电流劣化。

图10是说明X射线管驱动时所产生的所述电流上升的原因的图。图中，电子是以附带圆形的e^-来显示，而钠离子是以附带圆形的Na⁺来显示，且以箭头来显示这些的移动。如前所述在背面基板带电的反射电子及2次电子虽会逐渐增加，但不久即饱和。之后，反射电子撞击密封件55的内面而产生2次电子时所产生的Na⁺（钠离子）的影响会逐渐显现。即，当该Na⁺附着于第2控制电极60或第1控制电极59、甚至背面电极57时，这些电极的实质上的电位即上升，而从阴极58吸引电子的力即逐渐增强，结果可设想会产生X射线靶电流随驱动时间的经过而上升的电流上升。

本发明是有鉴于经将本案发明人等所发现的现象分析的结果所获得的新颖的课题而研发，其目的在公开一种在设为高真空状态的密封件的内部具有电子源或控制电极或X射线靶等的平型管形态的X射线管中，尤其不会随着时间的经过而产生X射线的强度变动的现象。

[解决课题的手段]

本发明提供一种X射线管是具备：形成有细缝状窗部的X射线不穿透性基板；设置成从所述基板的外面侧封闭所述窗部的X射线穿透窗；从所述基板的内面侧设置于所述窗部的X射线靶；安装于所述基板的内面侧且内部设为高真空状态的容器部；设于所述容器部的内部而用以将电子供给至所述X射线靶的电子源；在所述容器部的内部且配置于所述电子源与所述X射线靶之间而用以从所述电子源吸引电子的第1控制电极；及在所述容器部的内部且配置于所述第1电子电极与所述X射线靶之间而用以限制电子射线的照射范围的第2控制电极；在所述基板的内面，沿着所述窗部的长度方向设有屏蔽电极。

优选地，为使撞击所述X射线靶而反射的电子不到达所述容器部的内面而且不在所述屏蔽电极与所述第2控制电极之间产生放电，所述屏蔽电极是夹着所述窗部而设置一对，所述各屏蔽电极与所述第2控制电极的距离，是设定为相对于驱动电压不超过10kV/mm的临界放电电场的距离的尺寸。

[发明的功效]

依据本发明一方面的X射线，通过第1控制电极的作用而从电子源吸引的电子，是撞击被第2控制电极所限制的照射范围的X射线靶。借此即从X射线靶产生X射线，而该X射线即从X射线穿透窗射出至外部。另一方面，在撞击X射线靶的电子中也有会反射，而其中也会看到不作任何处置时到达容器部的内面等的轨迹。然而，在该X射线管的基板的内面，由于沿着设有电子撞击的X射线靶的细缝状窗部而设有屏蔽电极，因此在屏蔽电极之间从X射线靶反射的电子，被屏蔽电极吸收而成为靶电流的一部分，不会到达容器部的内面等。因此，即使连续驱动该X射线管，来自电子源的电子射出也不会随着时间的经过而不安定化，而不会产生所述的电流劣化或电流上升。即，不管时间经过如何，靶电流均安定地恒常固定，而可放射均匀强度的X射线。

依据本发明另一方面的X射线管，由于屏蔽电极是夹着细缝状窗部而设有一对，而一对屏蔽电极的间隔、各屏蔽电极的高度，以及屏蔽电极与第2控制电极的距离是规定在经由实验所规定的适当值的范围内，因此在屏蔽电极与第2控制电极之间不会产生放电，而且撞击被屏蔽电极所夹着的X射线靶而反射的电子不会到达容器部的内面，而会到达屏蔽电极而被吸收。

附图说明

图1是显示第1实施例的X射线管中的反射电子的轨迹的剖面图。

图2是显示第1实施例的变形的X射线管中的反射电子的轨迹的剖面图。

图3是显示第1实施例的两种X射线管、与本发明的发明人等所发明现有技术的X射线管中的驱动时间及X射线靶电流的关系的曲线图。

图4是示意性显示现有技术的圆管型X射线管的剖面图、及其X射线照射区域的图。

图5是本发明的发明人等所发明的旧型X射线管的剖面图。

图6是本发明的发明人等所发明的旧型X射线管的正面图。

图7是显示本发明的发明人等所发明的旧型X射线管中的反射电子的轨迹的剖面图。

图8是显示本发明的发明人等所发明的旧型X射线管中的驱动时间与X射线靶电流的关系的曲线图。

图9是用以说明本发明的发明人等所发明的旧型X射线管中的电流劣化的原因的剖面图。

图10是用以说明本发明的发明人等所发明的旧型X射线管中的电流上升的原因的剖面图。

符号说明

1 X射线管

2、55、100 密封件

3 窗部

4、53 基板

5、51 容器部

6 背面板

7、62 侧面板

8、54、101 X射线穿透窗

9、56、102 X射线靶

10、57 背面电极

11 作为电子源的阴极

12、59 第1控制电极

13、17、52 开口部

14、60 第2控制电极

15 中央板部

16 板体

20 屏蔽电极

58、103 阴极

61 背面基板

104 控制电极

D 间隔

H 高度。

具体实施方式

[发明的实施形态]

兹参照图1至图3说明本发明的第1实施例。图1所示的X射线管与图2所示的X射线管虽为相同构造，但如后所述是作为屏蔽电极的尺寸不同的变化例予以显示。在图1及图2中，是显示有通过使用有限要素法的电场解析进行仿真所获得的反射电子的轨道。此外，图3是就实施例中的2例的X射线、本发明的发明人等所发明的旧型X射线管，显示驱动时间与X射线靶电流相对值的关系的曲线图。

图1及图2所示的实施例的X射线管1是平型管形态，且以箱型密封件2作为本体。该密封件2是通过形成有窗部3的X射线不穿透性的基板4、及安装在成为基板4的内面的侧的面的箱型容器部5所构成，而该密封件2的内部是排气为高真空状态。基板4是由X射线不穿透性的426合金所构成的矩形板，此外容器部5是将由钠钙玻璃（soda lime glass）所构成的背面板6与侧面板7加以组装而成。所谓426合金是42%为Ni、6%为Cr、剩余为Fe等的合金，其热膨胀系数与钠钙玻璃大致相等。

如图1及图2所示，在基板4的中央，为了将X射线照射至外部，是形成有属于细缝状开口的窗部3。在此，所谓细缝状是指具有长度方向与短边方向的2方向的形状整体，具体而言是显示矩形或长圆形状等的细长形状。另外，在本实施例中是细长的矩形。而且，在基板4的外面侧，是以封闭窗部3的方式黏贴有由较窗部3大的钛箔所构成的X射线穿透窗8。此外，在密封件2的内部，于基板4的窗部3的周围的内面、与从窗部3观看的钛箔的X射线穿透窗8的内面，通过蒸镀钨的膜而形成有X射线靶9。X射线靶9是接受电子的撞击而射出X射线的金属，也可使用钼（molybdenum）等的钨以外的金属。

接着说明密封件2的内部的电极构成。

如图1及图2所示，在密封件2的内部，是于与X射线穿透窗8相反侧的容器部5的内面（即与基板4平行的背面板6的内面）设有背面电极10。在背面电极10的正上方，张设有属于电子源的线状阴极11。阴极11是对于由钨等所构成的金属线（wire）上的芯线的表面施以碳酸盐，可通过将芯线通电加热而射出热电子。

在阴极11的上方是设有用以从阴极11吸引电子的第1控制电极12。在第1控制电极12中，是形成有细缝状的开口部13，而在该开口部13内是设有网孔（mesh）。

在第1控制电极12的上方是设有限制电子射线照射范围的第2控制电极14。第2控制电极14是矩形的中央板部15的四方被板体16所包围的箱型电极构件，且包围背面电极10与阴极11与第1控制电极12而配置于背面板6的内面上。在第2控制电极14的中央板部15，是于与线状阴极11对应的位置，形成有细缝状的开口部17。该开口部17是宽度较第1控制电极12的开口部13小，且与第1控制电极12的开口部13同样地形成有网孔。

在所述基板4的内面，是沿着基板4的细缝状窗部3的长度方向而平行地立设有屏蔽电极20。该屏蔽电极20是一对板状电极构件，且以电性方式与X射线靶9导通。该一对屏蔽电极20、20是沿着第1控制电极12的开口部13的长度方向或第2控制电极14的中央板部15的长度方向的矩形状，且从被覆有X射线靶9的基板4的内面侧，以沿着细缝状窗部3的长度方向的缘部彼此平行的方式通过熔接而固定于基板4侧。

与基板4垂直的这些一对屏蔽电极20、20的高度方向的尺寸（高度）h，为了在与第2控制电极14之间不产生放电，而且在与一对屏蔽电极20、20之间屏蔽撞击X射线靶9而反射的电子的轨道，而不使电子到达容器部5的侧面板7，根据本案发明人的智识见解、使用有限要素法的电场解析所进行的电子轨道的仿真及实验结果，依以下说明的方式设定。

图1是屏蔽电极20的高度h为2.5mm的例，此时，屏蔽电极20与第2控制电极14的间隔D是3mm。此外，图2是屏蔽电极20的高度h为4.0mm的例，此时，屏蔽电极20与第2控制电极14的间隔D是1.5mm。即，基板与第2控制电极的距离是设定为5.5mm。至少如图1的例所示，在h=2.5mm以上，开始出现到达容器部5的侧面板7的电子减少而X射线靶电流的变动减少的效果。虽未图标，但在h=3.5mm中到达容器部5的侧面板7的电子会更加减少，如图2的例子所示，当超过h=4.0mm时，几乎不会再到达反射电子的侧面板7，而不会再见到所述的电流劣化及电流上升。

此外，依据本案发明人的智识见解，为了不使屏蔽电极20与第2控制电极14之间产生放电，该X射线管1中的X射线靶9与第2控制电极14的电位差为数kV左右情形下，屏蔽电极20与第2控制电极14的实际的间隔是如图1及图2的例所示，以至少为1mm以上为佳。在一般的真空管中，电极间的放电的临界电场为10kV/mm，因此在本实施例中为期安全，屏蔽电极20与第2控制电极14的间隔是设定为1mm以上，以作为即使是本实施例中的驱动电压5kV倍数的电压也不会产生放电的条件。

图3是显示图1所示的实施例的X射线管（h=2.5mm）、与图2所示的实施例的X射线管（h=4.0mm）、与本案发明人所发明的旧型X射线管（h=0mm，即无屏蔽电极20）中的驱动时间及X射线靶电流相对值的关系的曲线图。如该曲线图所示，依据本案发明人所发明的旧型X射线管（h=0mm），如先前参照图8所说明，X射线靶电流会随着时间经过而大幅变动，最大见到60%的电流劣化，之后则见到恢复100%的电流上升。然而，依据图1所示的实施例的X射线管（h=2.5mm），相较于旧型X射线管，电流劣化的进行缓和，电流上升加快。即，在旧型X射线管的X射线靶电流值达到最低的约60%的经过60小时后仍维持在80%，且显示最低之后的电流上升也较旧型的X射线管还快。而且，依据图2所示的实施例的X射线管（h=4.0mm），在旧型X射线管的X射线靶电流值达到最低的约60%的经过约60小时为止均未见电流劣化，之后虽有若干劣化，但该电流劣化最大也只有90%左右。会产生该程度的电流劣化虽在经过100小时之后，但之后电流劣化的状态不会持续下去，而会立刻恢复到原先的电流值。

如此，依据本实施例的X射线管1，通过第1控制电极12的作用而从阴极11吸引的电子，是被第2控制电极14限制在既定的照射范围，且撞击位于一对屏蔽电极20、20之间的X射线靶9。借此即从X射线靶9产生X射线，而该X射线即从X射线穿透窗8射出至外部。另一方面，在撞击X射线靶9的电子中也有会反射，而其中也会看到不作任何处置时到达容器部5的侧面板7等的轨迹。然而，在该X射线管1的基板4的内面，由于包围设有电子撞击的X射线靶9的窗部3而设有屏蔽电极20，因此在屏蔽电极20、20之间从X射线靶9反射的电子，被屏蔽电极20吸收而成为靶电流的一部分，不会到达容器部5的内面等。因此，即使连续驱动该X射线管1，如前所述来自阴极11的电子射出也不会随着时间的经过而不安定化，而不会产生所述的电流劣化或电流上升，靶电流即安定化而可恒常地放射均匀的X射线。

此外，依据本实施例的X射线管1，由于通过钨等的原子序较大的元素的蒸镀膜来构成X射线靶9，因此撞击该X射线靶9的电子的多数即成为反射电子。然而，由于夹着X射线靶9所设的屏蔽电极20、20，是以与基板4相同材质的金属而与基板4一体构成，因此可在与基板4及X射线靶9电性一体的屏蔽电极20捕捉反射电子。

此外，一般而言在X射线管中，由于设在基板窗部的X射线穿透窗细由强度较弱的金属箔所构成，因此有可能因为金属箔的破坏而产生密封件2的气密状态受损的事故。然而，依据本实施例的X射线管1，由于由与基板4相同的金属所构成的屏蔽电极20，是在设于细缝状窗部3的X射线穿透窗8的两侧沿着长度方向而平行地熔接固定于基板4，因此X射线穿透窗8的强度获得提升，而减少基板的扭曲或变形，不易产生因为金属箔的破坏所导致的泄漏事故。

另外，第1控制电极12、第2控制电极14及屏蔽电极20，为了使热膨胀系数与钠钙玻璃制的容器部5大致相等，与基板4同样以使用426合金为理想。另外，容器部5的材质为钠钙玻璃以外的玻璃板的情形下，基板4、第1控制电极12、第2控制电极14及屏蔽电极20，为使与容器部5的热膨胀系数大致相等，也可使用其它材质的金属板。

Claims

1.一种X射线管，是具备：形成有细缝状窗部的X射线不穿透性基板；设置成从所述基板的外面侧封闭所述窗部的X射线穿透窗；从所述基板的内面侧设置于所述窗部的X射线靶；安装于所述基板的内面侧且内部设为高真空状态的容器部；设于所述容器部的内部而用以将电子供给至所述X射线靶的电子源；在所述容器部的内部且配置于所述电子源与所述X射线靶之间而用以从所述电子源吸引电子的第1控制电极；及在所述容器部的内部且配置于所述第1电子电极与所述X射线靶之间而用以限制电子射线的照射范围的第2控制电极；

在所述基板的内面，沿着所述窗部的长度方向设有屏蔽电极。

2.根据权利要求1项所述的X射线管，其特征在于，为使撞击所述X射线靶而反射的电子不到达所述容器部的内面而且不在所述屏蔽电极与所述第2控制电极之间产生放电，所述屏蔽电极是夹着所述窗部而设置一对，所述各屏蔽电极与所述第2控制电极的距离，是设定为相对于驱动电压不超过10kV/mm的临界放电电场的距离的尺寸。