CN105261542B - 固定阳极型x射线管 - Google Patents

Abstract

一种固定阳极型X射线管，具有：阴极，该阴极具有放射电子束的电子放射源；阳极靶，该阳极靶与阴极相对设置，且因电子束射入而放射X射线；圆筒状的第一屏蔽构件，该第一屏蔽构件与阳极靶相同电位，且包围阳极靶；第二屏蔽构件，该第二屏蔽构件呈盖状地形成于第一屏蔽构件的与阴极相对的前端部，并具有开口部，该开口部是供从阴极向阳极靶放射出的上述电子束通过的通孔；以及真空管壳，该真空管壳将阴极、阳极靶、第一屏蔽构件及第二屏蔽构件以真空气密状态保持在内部。

Description

固定阳极型X射线管

技术领域

本实施方式涉及一种固定阳极型X射线管。

背景技术

固定阳极型X射线管具有：阴极(阴电极)，该阴极包括放射电子束的丝极；阳极(阳电极)，该阳极包括接受所放射出的电子而反射X射线的阳极靶；以及真空管壳，该真空管壳以真空气密的方式将阴极和阳极包括在其中。真空管壳由玻璃和/或陶瓷形成。从丝极放射出的电子束通过阴极的聚焦电极聚焦而射入靶中，并从阳极放射出X射线。射入电子的一部分因弹性散射而作为反冲电子朝阴极侧散射。另外，上述反冲电子的一部分与真空管壳碰撞。与真空管壳碰撞时的电子的能量通常为数十KeV。因而，一旦长时间连续使用，可能会在真空管壳上产生裂纹。

在日本公开实用新型公报(日本专利实开平3-110753号公报)中，为了防止真空管壳的裂纹，在阳极靶的周围设置阳极罩，以使反冲电子不会飞到真空管壳。但是，因阳极罩的形状及尺寸的不同，存在反冲电子从阳极罩飞出而与真空管壳碰撞的可能性。在产生裂纹的情况下，因从裂纹处产生的气体而存在X射线管的真空度变差、容易产生放电、玻璃片附着于阴极表面等、耐电压性降低的可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能在长时间连续使用时维持耐电压性的固定阳极型X射线管。

本实施方式的固定阳极型X射线管具有：阴极，该阴极具有放射电子束的电子放射源；阳极靶，该阳极靶与阴极相对设置，且因电子束射入而放射X射线；圆筒状的第一屏蔽构件，该第一屏蔽构件与阳极靶相同电位，且包围阳极靶；第二屏蔽构件，该第二屏蔽构件呈盖状地形成于第一屏蔽构件的与阴极相对的前端部，并具有开口部，该开口部是供从阴极向阳极靶放射出的上述电子束通过的通孔；以及真空管壳，该真空管壳将阴极、阳极靶、第一屏蔽构件及第二屏蔽构件以真空气密状态保持在内部。

附图说明

图1A是实施方式的X射线管的内部结构的示意图。

图1B是沿着图1A的A－A线的剖视图。

图2是实施方式的阳电极盖的放大图。

图3A是表示具有用于屏蔽反冲电子的最小突出长度的阳电极盖的图。

图3B是具有用于屏蔽反冲电子的最小突出长度的阳电极盖的原理的说明图。

图4A是表示变形例的X射线管的沿着A－A线的剖视图。

图4B是图4A所示的阳电极盖的截面的放大图。

图5是X射线管的沿着A－A线的剖视图。

图6是与变形例相关的X射线管的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图，对实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1A是实施方式的X射线管1的内部结构的示意图。图1B是沿着图1A的A－A线的剖视图。如图1A所示，X射线管1包括：阴极(阴电极)10，该阴极10放射电子束；阳极(阳电极)20，该阳极20与阴极10相对配置；以及筒状的真空管壳30，该真空管壳30密闭在真空气氛中。X射线管1是固定阳极型X射线管。X射线管1形成为以管轴TA为中心轴的大致圆柱形状。阴极10及阳极20收纳在密闭于真空气氛中的筒状的真空管壳30内。此外，外部电源、例如高电压插头(未图示)等与阴极10及阳极20连接，而在阴极10与阳极20之间施加高电压(管电压)。X射线管1也可以包括用于对在动作时处于高温的阳极20进行冷却的冷却机构。

阴极10具有作为放射电子束的电子放射源的丝极11以及用于将放射出的电子朝向阳极靶聚焦的聚焦电极12。以下，为了便于说明，有时也将电子束称为电子。阴极10形成为大致圆柱形状，阴极10设置成使管轴TA穿过阴极10的圆的中心。在阴极10上，与阳极20相对地施加负的管电压。

丝极11例如具有两个端子。通过供给电流而对丝极11进行加热，电子(热电子)从加热后的丝极11朝向后述的阳极靶20放射(热电子放射)。

聚焦电极12配置在电子所通过的轨迹的周围，以使从丝极11放射出的电子朝着阳极靶20聚焦。当将外部电源的端子、例如高电压插头等安装于X射线管1时，对丝极11及聚焦电极12施加高电压。因所施加的电压而产生的电流按上述方式供给到丝极11，并作为热电子放射出。接着，上述放射出的电子通过聚焦电极12以与后述的阳极靶21发生碰撞的方式被聚焦。例如，从阴极10放射出的电子朝向阳极靶21的表面的中心位置聚焦。

阳极20具有阳极靶21、阳极母材22、阳极(阳电极)罩(第一屏蔽构件)23。以下，将阳极罩23记载为阳电极罩23。阳极靶21与阴极10的丝极11相对配置。阳极靶21在后述的阳极母材22的靠阴极10的方向的前端部处埋入阳极母材22的表面的中心位置。阳极靶21例如由钼(Mo)或钨(W)形成。在阳极20上，与阴极10相对地施加正的管电压。因阳极靶21与阴极10之间的电位差，而使从阴极10放射的电子(射入电子)朝向阳极靶21加速，并通过聚焦电极12聚焦，而与阳极靶21发生碰撞。在加速并聚焦后的电子与阳极靶21发生碰撞后，通过制动放射，而从阳极靶20放射出X射线。以下，在阳极靶21中，有时将电子束发生碰撞的点记为焦点。

阳极母材22形成为以管轴TA为中心轴的大致圆柱形状。具体来说，阳极母材22的外周形成为圆形，阳极母材22的与阴极10相对的相对面倾斜地形成。阳极母材22使在阳极靶21处产生的热释放。阳极母材22由导热率高的铜等形成。例如，阳极母材由铜形成。

阳电极罩23具有阳极(阳电极)盖(第二屏蔽构件)23A和放射窗24。阳电极罩23由金属构件形成。阳电极罩23对在阳极靶22处散射(或反射)的反冲电子进行屏蔽。阳极罩23形成为以管轴TA为中心的大致圆筒状，以将阳极20包围。阳电极罩23与阳极母材22的外周部接合，并形成为从阳极母材22的前端部朝阴极10的方向突出规定的长度。在阳极20的与阴极10侧的前端面相反一侧的前端面上，接合有金属构件25。金属构件25由金属形成。金属构件25被阳极母材22和真空管壳30封闭。以下，将阳极盖23A记为阳电极盖23A。

阳电极盖23A呈盖状地形成于阳电极罩23的靠阴极10侧的前端部。如图1B所示，在从与管轴TA垂直的A－A截面观察时，阳电极盖23A例如形成为盘状。阳电极盖23A具有以管轴TA为中心轴的圆形的开口部。阳电极盖23A的开口部是供从阴极10放射出的电子通过的通孔。阳电极盖23A以在阳电极罩23的靠阴极10一侧的前端部处从阳电极罩23的外周朝向管轴TA垂直地突出的方式形成。在此，将阳电极盖23A的从阳电极罩23的外周朝向管轴TA突出的突出长度记为“阳电极盖23A的突出长度”。阳电极盖23A防止在阳极靶21处的反冲电子散射到后述的真空管壳30。阳电极盖23A的盘状的表面与阴极10相对地设置。阳电极盖23A形成为具有在阳极靶21处散射的反冲电子无法到达真空管壳30的突出长度。后面对阳电极盖23A的详细结构进行说明。

放射窗24是用于将从阳极靶21放射出的X射线从阳电极罩23向外部放射的开口部。在放射窗24上也可以嵌合有金属构件，以使反冲电子不会飞到真空管壳30。在放射窗24上例如嵌合有铍板。

真空管壳30形成为以管轴TA为中心轴的大致圆筒形状，在内部具有阴极10和阳极20。对阴极10及阳极20进行收纳的真空管壳30的内部被密闭成真空气密。即，真空管壳30是密闭的，其内部被维持真空状态。真空管壳30例如由玻璃和/或陶瓷形成。

(阳电极盖的结构)

接着，参照图2、图3A及图3B，对阳电极盖23A的结构进行说明。图2是本实施方式的阳电极盖23A的放大图。图3A是表示具有用于屏蔽反冲电子的最小突出长度的阳电极盖23A的图。图3B是具有用于屏蔽反冲电子的最小突出长度的阳电极盖23A的原理的说明图。

在图2中，符号D₁表示阳电极盖23A的开口部的宽度(宽)。符号D₂表示阳电极盖23A的外径。符号L₁表示从管轴TA与阳极靶21的表面的交点(电子束的焦点)到阳电极盖23A的靠阴极10一侧的前端面为止的距离。符号L₂表示阴极10的靠阳极20一侧的前端面与阳电极盖23A的靠阴极10一侧的表面之间的距离。在此，管轴TA与阳极靶21的表面的交点(电子束的焦点)与阳极靶21的表面的中心相同。此外，为了便于说明电子的轨道，将射入电子100和反冲电子101示意地示于图2。

如上所述，从阴极10的丝极11朝向阳极20放射的射入电子100通过聚焦电极12聚焦，并向阳极靶21射入。以下，作为一例，将射入电子100表示为沿着管轴TA直线行进而与阳极靶21发生碰撞的射入电子。

在图2中，符号Y₁表示阳电极盖23A的突出长度。在射入电子100与阳极靶21发生碰撞时，射入电子100的一部分能因弹性散射而全方位地发生散射。在阳极靶21处散射的反冲电子101的一部分经由阳电极盖23A的开口部而向阴极10的方向前进。由于在阴极10中产生负的电场，因此，反冲电子101通过阴极10的电场而减速。反冲电子101的一部分到达阴极10的表面，但推回的反冲电子101的一部分再次被向阳极20的方向吸引。再次被向阳极20的方向吸引的反冲电子101与阳电极盖23A的表面发生碰撞。与阳电极盖23A的表面发生碰撞后的电子朝向真空管壳30的概率相当低。即，利用阳电极盖23A来屏蔽朝向真空管壳30的电子。

以下，对阳电极盖23A的突出长度进行说明。

从阳电极盖23A的开口部飞出的反冲电子101以抛物线状的轨道而与阳电极盖23A的表面再次碰撞。在此，反冲电子101是在阳极母材22中散射，并经由阳电极盖23A的开口部的最外侧而朝向阴极10的电子。即，反冲电子101是在散射的电子中最朝向阳电极罩23的外侧的电子。以下，在没有特别说明的情况下，反冲电子101均表示散射的电子中最朝向阳电极罩23的外侧的电子。

如图3A所示，在阳电极盖23A的突出长度最小的情况下，反冲电子101与阳电极盖23A的表面的最外端发生碰撞。反冲电子101的轨道能以抛物线的顶点为基点近似左右对称。即，反冲电子101以相对于轨道的顶点使入射角和反射角相同的方式反射。因而，反冲电子101可看作是经由阳电极盖23A的最内端而与最外端发生碰撞的反冲电子。通过限定这样的轨道，可求出最小的阳电极盖23A的突出长度。

如图3B所示，反冲后的反冲电子101到达阳电极盖23A的最外周的轨道能通过几何学推导出。只要能推导出到达最外周的电子的轨道，就能求出屏蔽反冲电子101所需要的最小的阳电极盖23A的突出长度X₁。在此，若如上所述将阳电极盖23A的突出长度设为Y₁，则阳电极盖23A的突出长度Y₁可由下式表示。

式1

如图3B所示，根据式1和几何学上的相似关系，可求出下式。

式2

根据式1和式2，最小的阳电极盖23A的突出长度X1可由下式表示。

式3

因而，为了使阳电极盖23A屏蔽反冲电子101，阳电极盖23A的开口部形成为具有下式4的范围的长度。

式4

此外，阳电极盖23A形成为具有下式5的范围的突出长度Y₁，以屏蔽反冲电子101。

式5

通过满足式4或式5，来形成屏蔽反冲电子101的阳电极盖23A。

根据本实施方式，在阳电极罩23上形成有阳电极盖23A。阳电极盖23A形成为对从开口部飞出而朝向真空管壳30的反冲电子101进行屏蔽。此外，阳电极盖23A形成为经由开口部飞出的反冲电子101与阳电极盖23A的表面再次碰撞。在与阳电极盖23A的表面发生碰撞后的反冲电子再次弹性散射的情况下，也会多次反复地出现再次与阳电极盖23A的表面发生碰撞这样的现象。其结果是，反冲电子101到达真空管壳30的概率变得非常低。此外，通过反复散射，反冲电子的能量会衰减到给真空管壳30带来损伤的能量以下。因而，能防止由反冲电子引起的真空管壳30的损伤。由于能防止由反冲电子引起的真空管壳30的损伤，因此，可提供能在使用时维持耐电压性的X射线管。Y₁越大，如上所述的作用及效果越好，但Y₁的值需要设定为比电子束刚好能通过开口部的上限值小的值，而使电子束不会与阳电极盖23A的表面发生碰撞。能通过电子轨道模拟或试运转实验来确认上述上限值。

以下，参照附图，对本实施方式的若干变形例进行说明。由于变形例的X射线管1是与第一实施方式的X射线管1大致相同的结构，因此，对于与第一实施方式的X射线管1相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略其详细说明。

(第一变形例)

对第一变形例进行说明。第一变形例的X射线管1与第一实施方式的X射线管1在阳电极盖23A的开口部的形状上有所不同。

以下，参照图4A及图4B，对阳电极盖23A的开口部的形状进行说明。

图4A是表示变形例的阳电极盖23A的开口部的、沿A－A线的剖视图。图4B是将图4A的一部分放大后的图。如图4A及图4B所示，变形例的阳电极盖23A的开口部形成为四边形。在第一变形例中，如图4B所示，开口部是由正方形形成的。

接着，参照图4B，对阳电极盖23A的大小进行说明。

在图4B中，符号D₃表示开口部的横轴的长度，D₄表示纵轴的长度。在此，对角线的开口部的宽度、即在阳电极盖23A的开口部处的最大宽度设为D₁。符号D₁与第一实施方式相同，可由式2及式4表示。由于阳电极盖23A的开口部是正方形的，因此，D₃与D₄相等。

若像上述式2这样将D₁设为用于屏蔽反冲电子101的最大值，则可求出为了屏蔽反冲电子101而所能形成的最大的开口部的长度(D₃及D₄的最大值)。即，可求出向最外侧飞出的反冲电子101落到阳电极盖23A的最外端时的阳电极盖23A的开口部的各部分的大小。

D₃＝D₄ 式6

从图4B中，根据几何学上的关系，D₁可由下式表示。

式7

若将式2应用到式7，则D₃可由下式表示。

式8

根据以上的式6、式7及式8，可求出为了屏蔽反冲电子101而能形成的最大的开口部的长度。即，可分别求出D₃及D₄的最大值。

接着，求出用于屏蔽反冲电子101的各方向上的最小的阳电极盖23A的突出长度。

将横轴方向的阳电极盖23A的突出长度设为Y₃，将Y₃的最小值设为X₃。同样地，将纵轴方向的阳电极盖23A的突出长度设为Y₄，将Y₄的最小值设为X₄。在变形例中，若开口部的对角线上的阳电极盖23A的突出长度与式3的X₁相同，则能屏蔽从开口部的各部分飞出的反冲电子101。即，飞出的反冲电子101落到阳电极盖23A的表面上。因而，Y₃及Y₄分别可由下式表示。

Y₃由下式表示。

式9

Y₄由下式表示。

式10

若将式8应用到式9，则X₃可由下式表示。

式11

在变形例中，由于阳电极盖23A的开口部由正方形形成，因此，X₄与X₃相同。

因而，为了屏蔽反冲电子101，阳电极盖23A的开口部的各部分的宽度D₃及D₄分别形成在下式12及式13的范围内。

D₃形成为满足：

式12，

D₄形成为满足：

式13。

此外，为了屏蔽反冲电子101，阳电极盖23A的各部分的突出长度Y₃及Y₄分别形成在下式14、15的范围内。

Y₃形成为满足：

式14，

Y₄形成为满足：

式15。

根据式12至式15，可形成用于屏蔽反冲电子101的阳电极盖23A。

根据本实施方式，阳电极盖23A的开口部的面积比屏蔽朝向真空管壳30的反冲电子101的第一实施方式的阳极开口部23A的面积小。可抑制反冲电子101通过开口部。即，变形例的阳电极盖23A比第一实施方式的阳电极盖23A更能屏蔽电子。

另外，在变形例中，阳电极盖23A的开口部形成为正方形，但也可以是长方形。

例如，D₄形成为比D₃小。因而，形成为满足下式。

0＜D₄＜D₃ 式16

此时，阳电极盖23A的突出长度Y₃、Y₄形成为满足下式。

式17

通过如上所述将开口部形成为长方形，从而与第一变形例的阳电极盖23A相比，更能屏蔽通过开口部的反冲电子101。

另外，如图5所示，阳电极盖23A的开口部也可以是椭圆形的。

此时，例如，将开口部的长轴的宽度设为D₁，将短轴的宽度设为D₅。在图5中，将短轴方向的阳电极盖23A的突出长度设为Y₅。在此，符号D₁与第一实施方式相同。阳电极盖23A的开口部形成为使长轴与短轴的关系满足下式。

0＜D₅＜D₁ 式18

此外，为了屏蔽反冲电子101，阳电极盖23A的突出长度Y₅形成在下式19的范围内。在此，突出长度Y₅的最小值X₅与第一实施方式的X₁相同。另外，Y₁形成在第一实施方式的式5的范围内。

式19

通过如上所述将开口部形成为椭圆形，从而与第一实施方式的阳电极盖23A相比，更能屏蔽从开口部飞出的反冲电子101。

另外，在上述实施方式中，阳电极盖23A表示为阳电极罩23的一部分，但阳电极盖也可以作为另一构件而与阳电极罩23的靠阴极10一侧的前端面接合。如图6所示，作为另一构件形成的阳电极盖26(第二屏蔽构件)与阳电极罩23接合。这样，由于阳电极盖26与阳电极罩23分体形成，因此，与一体的情况相比，阳电极罩23及阳电极盖26的加工更为容易。此外，由于阳电极盖26与阳电极罩23分体形成，因此，能使阳电极盖26的设置的自由度提高。

根据上述实施方式，由于设置有阳电极盖23A、26，因此，能对朝向真空管壳的反冲电子进行屏蔽。阳电极盖23A、26形成为使通过开口部的反冲电子与阳电极盖23A、26的表面再次发生碰撞。在与阳电极盖23A、26的表面发生碰撞后的反冲电子再次弹性散射的情况下，也会多次反复地出现再次与阳电极盖23A、26的表面发生碰撞这样的现象，其结果是，反冲电子101基本不会到达真空管壳30。此外，通过反复散射，反冲电子的能量会衰减到给真空管壳带来损伤的能量以下。因而，能防止由反冲电子引起的真空管壳的损伤。其结果是，可提供能维持耐电压性的X射线管。阳电极盖23A、26的开口部的尺寸越小，如上所述的作用及效果越好，但开口部的尺寸需要设置成比电子束刚好能通过开口部的下限值更大的尺寸，而使电子束不会与阳电极盖23A的表面发生碰撞。能通过电子轨道模拟或试运转实验来确认上述下限值。

另外，本发明不局限于上述实施方式本身，在其实施的阶段能在不脱离其宗旨的范围内对构成要素进行变形而加以实现。此外，能通过上述实施方式所公开的多个构成要素的适当组合来形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。另外，也可以使不同实施方式中的构成要素适当组合。

Claims (6)

1.一种固定阳极型X射线管，具有：

阴极，该阴极具有放射电子束的电子放射源；

阳极靶，该阳极靶与所述阴极相对设置，且因所述电子束射入而放射X射线；

圆筒状的第一屏蔽构件，该第一屏蔽构件与所述阳极靶相同电位，且包围所述阳极靶；

第二屏蔽构件，该第二屏蔽构件呈盖状地形成于所述第一屏蔽构件的与所述阴极相对的前端部，并具有开口部，该开口部是供从所述阴极向所述阳极靶放射出的所述电子束通过的通孔；以及

真空管壳，该真空管壳将所述阴极、所述阳极靶、所述第一屏蔽构件及所述第二屏蔽构件以真空气密状态保持在内部，

所述第二屏蔽构件形成为圆盘状，

所述第二屏蔽构件的内半径与外半径的差、即突出长度形成为规定尺寸，以防止在所述阳极靶处散射的反冲电子直接射入所述真空管壳，

所述第二屏蔽构件的突出长度的最小值为下式：

$X_1=\frac{L_2{D}_2}{L_1+2L_2},$

其中，在上式中，符号X₁表示所述第二屏蔽构件的突出长度的最小值，符号D₂表示所述第二屏蔽构件的外径，符号L₁表示所述阴极的靠所述阳极靶一侧的表面与所述第二屏蔽构件的靠所述阴极一侧的表面间的距离，符号L₂表示在所述阳极靶中与所述电子束发生碰撞的点与所述第二屏蔽构件的靠所述阴极一侧的表面间的距离。

2.如权利要求1所述的固定阳极型X射线管，其特征在于，

所述第二屏蔽构件的突出长度形成在下式的范围内：

$\frac{L_2{D}_2}{L_1+2L_2}<Y_1<\frac{D_2}{2},$

其中，在上式中，符号Y₁表示所述第二屏蔽构件的突出长度。

3.如权利要求2所述的固定阳极型X射线管，其特征在于，

所述第二屏蔽构件的开口部形成为圆形。

4.如权利要求2所述的固定阳极型X射线管，其特征在于，

所述第二屏蔽构件的开口部形成为椭圆形。

5.如权利要求2所述的固定阳极型X射线管，其特征在于，

所述第二屏蔽构件的开口部形成为四边形。

6.如权利要求5所述的固定阳极型X射线管，其特征在于，

开口部的对角线上的所述第二屏蔽构件的突出长度形成在下式的范围内：

$\frac{L_2{D}_2}{L_1+2L_2}<Y_1<\frac{D_2}{2},$

其中，在上式中，符号Y₁表示所述第二屏蔽构件的突出长度。