JP2004335419A

JP2004335419A - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2004335419A
Application number: JP2003133549A
Authority: JP
Inventors: Eiji Tanabe; 英二田辺
Original assignee: AET JAPAN KK
Current assignee: AET JAPAN KK
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP3871654B2

Abstract

【課題】小形で放射角度の小さいＸ線発生装置および前記装置を用いたＸ線治療装置を提供する。
【解決手段】本発明によるＸ線発生装置は、真空容器１と前記容器に配置され高エネルギー電子線を発生する電子源２と、前記容器１に配置され前記電子源２からの電子線に衝突され、裏面にＸ線を発生するＸ線ターゲット３と、および多数の均一な孔をもち前記Ｘ線ターゲット３の背面に配置され、前記孔に入射したＸ線を全反射により他面に導くＸ線ガイド４を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療の診断、治療の分野等で利用できる小形で細いＸ線ビームを発生するＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸ線発生装置であるＸ線管は、電子源に真空放電を用いるガスＸ線管（冷陰極Ｘ線管）と熱電子Ｘ線管（クーリッジ管）のいずれかを用いている。
熱陰極から出た電子線はウェーネルト電極で集束されて、陽極面に焦点を結び、Ｘ線を発生させる。陽極物質は、連続Ｘ線の場合タングステン、特性Ｘ線の場合、特にＫα線を得たい場合、鉄、銅、モリブデン、銀が多く用いられる。制動放射で生ずるＸ線は、陰極物質に関係なく、連続スペクトルをもつ。制動放射とは、電子が物質中を通るときに、物質の原子核によりその進行方向を曲げられるために放射する（制動放射）Ｘ線であり連続Ｘ線の性質を示す。またこの連続Ｘ線の放射角度は、大きくなる。Ｘ線治療にはＸ線が細いほど照射領域に対して精度よく照射できるので、Ｘ線を適度にコリメータによって絞り込む必要がある。このためにＸ線がコリメータにより吸収されて形成される細いＸ線の出力は著しく低下させられる。しかも従来のＸ線発生装置は大きい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、極めて狭い角度のＸ線ビームを効率良く発生することができ、小形なＸ線発生装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、治療用のＸ線源または診断用のＸ線源と用途に応じて極めて狭い角度のＸ線ビームを効率良く発生することができ、小形なＸ線発生装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による請求項１のＸ線発生装置は、真空容器と、前記容器に配置され高速電子ビームを発生する電子源と、
前記容器に配置され前記電子源からの電子ビームに衝突され、裏面にＸ線を発生するＸ線ターゲットと、および
多数の均一な孔をもち前記Ｘ線ターゲットの背面に配置され、前記孔に入射したＸ線を全反射により他面に導くＸ線ガイドと、
から構成されている。
【０００５】
本発明による請求項２記載のＸ線発生装置は、請求項１記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ターゲットとＸ線ガイドとの組立と同様な組立を前記孔が対応するように２以上縦列に配置し構成されている。
本発明による請求項３記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、Ｘ線ガイドを通過したＸ線を透過し電子を吸収する吸収電極を設けられている。
本発明による請求項４記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、前記ターゲットの材料はＡｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｅ金属から選択された１または２以上の金属の組み合わせである。
【０００６】
本発明による請求項５記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの場合は、前記ターゲットの厚さは０．７〜１．４ｍｍ好ましくは略１．０ｍｍである。
前記ターゲットの厚さが下限を越えると透過する電子の量が大きくなり、上限を越えるとＸ線の裏面への放出が減少する。
本発明による請求項６記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの場合は、Ｘ線ガイドのハネカム状のチャンネルの孔の内径ｄは０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ、Ｘ線ガイドの直径Ｄは２〜４ｍｍ、より好ましくは約２．８ｍｍ、Ｘ線ガイドの長さＬは７〜１４ｍｍ、より好ましくは約１０ｍｍである。
前記Ｘ線ガイドの長さ下限を越えると透過する電子の量が大きくなり、上限を越えるとＸ線に必要を越える全反射をさせることになる。
【０００７】
本発明による請求項７記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１０Ｋｅｖから１００Ｋｅｖの場合に、前記ターゲットの厚さは０．０７〜０．１４ｍｍ好ましくは略０．１ｍｍである。
前記ターゲットの厚さが下限を越えると透過する電子の量が大きくなり、上限を越えるとＸ線の裏面への放出が減少する。
本発明による請求項８記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１０Ｋｅｖから１００Ｋｅｖと低い場合に、
Ｘ線ガイドのハネカム状のチャンネルの孔の内径ｄは０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ、Ｘ線ガイドの直径Ｄは２〜４ｍｍ、より好ましくは約２．８ｍｍ、Ｘ線ガイドの長さＬは０．７〜１．４ｍｍ、より好ましくは約１ｍｍである。
前記Ｘ線ガイドの長さ下限を越えると透過する電子の量が大きくなり、上限を越えるとＸ線に必要を越える全反射をさせることになる。
【０００８】
本発明による請求項９記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ガイドの材料はＡｌであり多数の孔は機械加工により製造されたものである。
本発明による請求項１０記載のＸ線発生装置は、請求項１または２記載のＸ線発生装置において、Ｘ線ガイドは、多数の金属パイプを結束して形成したものである。
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１１記載Ｘ線発生装置は、
真空容器と、
前記容器に配置され高速電子ビームを発生する電子源と、
前記容器に配置され前記電子源からの電子ビームに衝突され、裏面にＸ線を発生するＸ線ターゲットと、および
複数の均一な孔をもち、複数の前記Ｘ線ターゲットの背面から放射されるＸ線を受ける入力開口が出力開口より大きい円錐状の孔をもち、前記孔は前記Ｘ線ターゲットの背面に配置され、前記孔に入射したＸ線を全反射により他面に導くＸ線ガイドと、から構成されている。
本発明による請求項１２記載Ｘ線発生装置は、
請求項１１記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ターゲットとＸ線ガイドとの組立と同様な組立を前記孔が対応するように２以上縦列に配置した構成となっている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
まず、電子ビームのエネルギーが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの高い場合について説明をする。図１は本発明によるＸ線発生装置の基本構成を示す略図である。
真空容器１内に高速電子ビームを発生する電子源２が設けられている。この電子源２は、本発明者が提案したカーボンナノチューブを用いた超小形冷陰極で構成されている。前記超小形冷陰極とターゲット３間にマイクロ波源７から高圧電圧のマイクロ波が加えられている。マイクロ波に励起された電子ビームは前記ターゲット３に高速で衝突する。この電子ビームの衝突により、ターゲット３の背面からＸ線が発生する。発生するＸ線は、Ｘ線ガイド４の内壁で全反射を繰り返して、電子捕捉電極５を透過して、外部に放出する。前記電子捕捉電極５は、ターゲット３に衝突した電子ビームの一部が前記ターゲット３を透過して、進行して、電子捕捉電極５に到達したときに、この電子を捕獲する。一方電子捕捉電極５は、前記のＸ線を透過する機能がある。その材質としてはベリリウム金属が適している。
【００１１】
図１に示した前記Ｘ線ガイド４は、図２に示す通り、金属の部材にハネカム状の多数の孔を形成する。これは放電加工により行われる。なお針状の金属を押し込むことによっても、表面が平滑な孔を形成することができる。このように金属バルクを機械加工する以外に金属管を結束して形成することも可能である。
前記Ｘ線ガイド４は、前記Ｘ線ターゲット３の背面に配置され、前記のＸ線ガイド４の内部の任意の孔４ｉに入射したＸ線をこの孔４ｉの内壁で全反射する。図４は、この反射状態を一つ任意の孔４ｉについて拡大して示してある。Ｘ線は、入射角が大きいとき、つまり金属表面とのＸ線の角度が小さいときには全反射をする。
【００１２】
次に図３に示す薄い金属膜のターゲットに高速電子ビーム３１が衝突した場合のＸ線３３の発生状態を説明する。電子源から供給される高速電子ビーム３１がターゲット３２に衝突するとターゲット３２の裏面にＸ線を発生する。
厚さ０．１ｍｍ程度の薄い金属膜のターゲット３２に約１０ＭｅＶの高速電子ビームが衝突すると、前記金属膜のターゲットの裏面にＸ線３３が発生する。
金属膜のターゲット３２の厚さが薄くなれば、裏面方向に強くＸ線が放射され、その放射角度は小さくなる。一方、一部の高速電子ビームは、前記薄い金属膜のターゲット３２を通過してしまう。
【００１３】
ターゲット３３の材料は原子量が大きく、さらに高融点、化学的に安定性、または熱放射性に優れた金属であるＡｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｅから選ばれる。
同様にハネカム状のＸ線ガイドの材料もＡｌ、Ａｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｅから選ばれる。なお、特にハネカム状のＸ線ガイドの孔が数百ミクロン以下になるので、放電加工で加工しやすいＡｌなども利用できる。この際、Ａｌの金属の放熱特性を上げた構造にするために、ハネカム状のＸ線ガイドに密着した放熱機構を使用する。図４に示す電子捕捉電極５は極めて薄い金属板で、Ｘ線を透過し、電子を補足する機能をもち、ベリリウムなどの金属を用いる。
【００１４】
前述したＸ線発生装置において、前記Ｘ線ターゲットとＸ線ガイドとの組立と同様な組立を前記孔が対応するように２以上縦列に配置して多数段のＸ線発生装置を構成することができる。ターゲットとＸ線ガイドを３段組にして構成するＸ線発生装置の実施例を図５を参照して説明する。真空容器の内部には、前記容器に配置され高エネルギー電子ビーム５１を発生する電子源が設けられていることは前述の実施例と異ならない。前記容器に配置され前記電子源（図示を省略）からの高速電子ビーム５１は第１ターゲット板５２に衝突する。
Ｘ線を発生する第１ターゲット板５２の裏面に多数の均一な孔をもつハネカム状の第１Ｘ線ガイド板５３が配置されている。
さらに前記ハネカム状の第１Ｘ線ガイド板５３の裏面にＸ線を発生する第２ターゲット板５４が配置されている。前記第２ターゲット板５４の裏面に多数の均一な孔をもつハネカム状の第２Ｘ線ガイド板５５が配置されている。
続いて前記ハネカム状の第２Ｘ線ガイド板５５の裏面に第３ターゲット板５６が配置されている。前記第３ターゲット板５６の裏面に多数の均一な孔をもつハネカム状の第３Ｘ線ガイド板５７が配置されている。このようにターゲットとＸ線ガイドが３段に組立てられている。最後にＸ線を透過するが、電子線を収集する電極５８が配置された構造になっている。
【００１５】
真空容器の内部には、前記容器に配置され高エネルギー電子線を発生する電子源があり、前記容器に配置され前記電子源からの高速電子ビーム５１が第１ターゲット５２に衝突する。前記薄い金属膜の第１ターゲット板５２の裏面にＸ線が発生する。この発生したＸ線１１は、第１ターゲット板５２の裏面に多数の均一な孔をもつハネカム状の第１Ｘ線ガイド板５３の壁面で全反射され、図において下方に進行する。そしてＸ線１１は第２ターゲット板５４を透過する。この透過したＸ線１２はハネカム状の第２Ｘ線ガイド板５５の壁面を全反射する。Ｘ線１２は第３ターゲット板５６を透過する。透過したＸ線１３は第３Ｘ線ガイド板５７の壁面を全反射して、最後に電極を通過し、外部に取り出される。
【００１６】
図３で説明したように、高エネルギーの電子ビームの一部は、前記第１ターゲット板５２をそのまま通過する。この通過電子９は、次の第２ターゲット板５４に衝突する。この衝突により、Ｘ線が発生する。このＸ線は、ハネカム状の第２Ｘ線ガイド板５５の壁面で全反射し、第３ターゲット板５６を透過したのち、外部に放射される。しかし、第２ターゲット板５４に衝突した高速電子線の一部が、第２ターゲット板５４を通過し（電子ビーム１０）、第３ターゲット板５６に衝突して、Ｘ線を発生する。
【００１７】
このＸ線はハネカム状の第３Ｘ線ガイド板５７の壁面を全反射し、外部に放射する。高速電子ビームは、第１ターゲット板５２、第２ターゲット板５４、第３ターゲット板５６と順次に衝突すれば、ほとんどＸ線に変換される。ここでターゲットの膜の厚さを適切に選択することにより、Ｘ線の発生効率の向上とＸ線の放射角度の狭いＸ線の改善が得られる。
【００１８】
以下図６を参照して、本発明の第３の実施例を説明する。この実施例でハネカムを構成する孔は円錐面を持つものである。
真空容器の内部には、前記容器に配置され高エネルギー電子線を発生する電子源があり、中空のドーナツ状の高速電子ビーム（６１は中心軸を示す）がターゲット６２に衝突する。前記薄い金属膜のターゲット６２の裏面にＸ線が発生する。Ｘ線ガイドの孔は、Ｘ線を受け入れる入力側開口部とＸ線を放出する出力開口部とで構成されている。Ｘ線ガイドの中心部は銅などで構成する金属部６４にタングステンをコーティングしたＸ線ガイド壁６３の構造になっている。特にこのＸ線ガイドの構造は、入力開口が出力開口より大きいテーパーの付いた管を形成する。この発生したＸ線６５は、ターゲット６２の裏面にＸ線ガイド壁面で全反射される。そして反射したＸ線６６は再びＸ線ガイド壁面で全反射する。この全反射したＸ線６７はＸ線ガイドの外に取り出される。
【００１９】
Ｘ線を受け入れる入力側開口の内径は０．２から０．４ｍｍ程度で、代表値として０．２ｍｍを選択する。またＸ線を放出す出力側開口の内径０．０５ｍｍ程度を選択する。電子ビームのエネルギーレベルが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの場合は、Ｘ線ガイドの長さを略１０ｍｍにしてある。
【００２０】
高速電子ビームの一部は、ターゲット６２を通過し、突き進む場合もある。この場合、Ｘ線ガイドの出力開口部の背面に第２のターゲットを設けて、Ｘ線ガイドを多段に構成することもできる。ここでターゲットの膜の厚さを前述した寸法に選択することにより、Ｘ線の発生効率を向上させ、Ｘ線の放射角度の狭いＸ線を得ることができる。孔の形状が異なる他は前述の第２の実施例と同様であるから、説明を省略する。
【００２１】
以上、電子ビームのエネルギーが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの高い場合で放射線治療に用いるものであるが、電子ビームのエネルギーレベルが１０Ｋｅｖから１００Ｋｅｖと低くして、測定用に用いることができる。
Ｘ線ガイドのハネカム状のチャンネルの孔の内径ｄは０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ、Ｘ線ガイドの直径Ｄは２〜４ｍｍ、より好ましくは約２．８ｍｍ、Ｘ線ガイドの長さＬは０．７〜１．４ｍｍ、より好ましくは約１ｍｍとする。
ターゲットの厚さは０．０１ｍｍ以下、そして電子ビ−ムの加速は高圧パルスまたはマイクロ波電界で実施し、電子源はフィールドエミッタなどを用いて実行できる。用途して診断や検査などに利用される。
【００２２】
此れに対して電子ビームのエネルギーが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの高い場合では、ターゲットの厚さは０．１ｍｍ以下、そして電子ビ−ムの加速はマイクロ波電界で実施し、電子源は熱電子銃またはカーボンナノチューブを用いて実行できる。用途としてＸ線治療に利用される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によるＸ線発生装置は超小形で平行度の高い小径のＸ線ビームを発生することができる。
本発明によるＸ線発生装置は３次元的に作り出す照射方法である強度変調放射線治療ＩＭＲＴ（ＩｎｔｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＲａｄｉａｔｉｏｎＴｈｅｒａｐｙ）のＸ線源、やＣＴのＸ線源に利用できる。
【００２４】
以上、詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。高エネルギー電子源２の発生する電子の密度分布を変えることにより、得られるＸ線の分布を変えることができる。また多数の貫通孔を選択的に利用するような電子ビームを発生することもできる。多数の貫通孔を意図的に傾斜させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＸ線発生装置の第１の実施例の構成を示す略図である。
【図２】本発明によるＸ線発生装置で使用するＸ線ガイドの斜視図である。
【図３】薄い膜厚のターゲットに高速電子ビームが衝突したときのＸ線発生状態を示す略図である。
【図４】Ｘ線ガイドの一部を拡大して示した断面図である。
【図５】本発明によるＸ線発生装置の第２の実施例の構成を示す略図である。
【図６】本発明によるＸ線発生装置の第３の実施例の構成を示す略図である。
【符号の説明】
１真空容器
２高エネルギー電子源
３ターゲット
４Ｘ線ガイド
５電子捕捉電極
７マイクロ波源
９，１０高速電子ビーム
１１，１２，１３，１４Ｘ線
５１高速電子ビーム
５２第１ターゲット板
５３第１Ｘ線ガイド板
５４第２ターゲット板
５５第２Ｘ線ガイド板
５６第３ターゲット板
５７第３Ｘ線ガイド板
５８電極
６１ターゲット
６２高速電子ビーム
６３タングステンのＸ線ガイド壁
６４銅で形成するＸ線ガイドの中心部
６５６６６７６８６９Ｘ線
７０ターゲットを透過した高速電子ビーム

Claims

真空容器と、
前記容器に配置され高速電子ビームを発生する電子源と、
前記容器に配置され前記電子源からの電子ビームに衝突され、裏面にＸ線を発生するＸ線ターゲットと、および
多数の均一な孔をもち前記Ｘ線ターゲットの背面に配置され、前記孔に入射したＸ線を全反射により他面に導くＸ線ガイドと、
から構成したＸ線発生装置。
請求項１記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ターゲットとＸ線ガイドとの組立と同様な組立を前記孔が対応するように２以上縦列に配置して構成したＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、Ｘ線ガイドを通過したＸ線を透過し電子を吸収する吸収電極を設けたＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、ターゲットの材料はＡｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｒｅ金属から選択された１または２以上の金属の組み合わせであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの場合は、前記ターゲットの厚さは０．７〜１．４ｍｍ好ましくは略１．０ｍｍであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１Ｍｅｖから１０Ｍｅｖの場合は、Ｘ線ガイドのハネカム状のチャンネルの孔の内径ｄは０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ、Ｘ線ガイドの直径Ｄは２〜４ｍｍ、より好ましくは約２．８ｍｍ、Ｘ線ガイドの長さＬは７〜１４ｍｍ、より好ましくは約１０ｍｍであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１０Ｋｅｖから１００Ｋｅｖの場合に、前記ターゲットの厚さは０．０７〜０．１４ｍｍ好ましくは略０．１ｍｍであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、電子ビームのエネルギーレベルが１０Ｋｅｖから１００Ｋｅｖと低い場合に、
Ｘ線ガイドのハネカム状のチャンネルの孔の内径ｄは０．１〜０．４ｍｍ、より好ましくは約０．２ｍｍ、Ｘ線ガイドの直径Ｄは２〜４ｍｍ、より好ましくは約２．８ｍｍ、Ｘ線ガイドの長さＬは０．７〜１．４ｍｍ、より好ましくは約１ｍｍであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ガイドの材料はＡｌであり多数の孔は機械加工により製造されたものであるＸ線発生装置。
請求項１または２記載のＸ線発生装置において、Ｘ線ガイドは、多数の金属パイプを結束して形成したものであるＸ線発生装置。
真空容器と、
前記容器に配置され高速電子ビームを発生する電子源と、
前記容器に配置され前記電子源からの電子ビームに衝突され、裏面にＸ線を発生するＸ線ターゲットと、および
複数の均一な孔をもち、複数の前記Ｘ線ターゲットの背面から放射されるＸ線を受ける入力開口が出力開口より大きい円錐状の孔をもち、前記孔は前記Ｘ線ターゲットの背面に配置され、前記孔に入射したＸ線を全反射により他面に導くＸ線ガイドと、
から構成したＸ線発生装置。
請求項１１記載のＸ線発生装置において、前記Ｘ線ターゲットとＸ線ガイドとの組立と同様な組立を前記孔が対応するように２以上縦列に配置して構成したＸ線発生装置。