JP2005203354A - 陰極と電磁シールド間の導電的近接を有するｘ線管システム及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｘ線管の三重点領域内における静電界線の湾曲の最小化。
【解決手段】 イメージング管（５２、５２'）は、真空容器（９６）及び大気側給電線組立体（１０４、１０４'）を含む。真空容器（９６）は内部真空部（９８）を有する。給電線組立体（１０４、１０４’）は電磁シールド（９４、９４'）を有する。絶縁体（１０６、１０６’）は、内部真空部（９８）を外部大気（１２６）から分離する。陰極ポスト（９２、９２’）は、真空容器（９６）内に存在する。陰極ポスト（９２、９２’）は、電磁シールド（９４、９４’）に導電的に近接しており、イメージング管（５２、５２’）内の静電界線（１３２）の湾曲を防ぐ。
【選択図】 図５

Description

本発明は、一般に、コンピュータ断層撮影Ｘ線源の高電圧安定性に関する。より具体的には、本発明は、Ｘ線管の三重点領域内における静電界線の湾曲の最小化に関する。

Ｘ線管などの高出力高電圧コンピュータ断層撮影（ＣＴ）Ｘ線源の高電圧安定性は、使用中のＸ線源の構成、シーズニング、検査、及び配置に不可欠である。Ｘ線管の製造において、Ｘ線管は組み立てられて検査される。Ｘ線管の製造に続いて、該Ｘ線管はシステム組み立て中に更に検査されて較正される。検査プロトコル及び較正手順の多くは、実際の最終的な顧客用途における標準的又は予想されるプロトコル及び手順よりも厳しい。厳格なプロトコル及び手順の迅速且つ効率的な実行の要求に加え、これに耐えることに対する要求は、結果として、厳密な高電圧Ｘ線管設計要件を満たす高度にロバストなＸ線源が必要となる。

シングルエンド又は単極高電圧Ｘ線管において、Ｘ線は、陰極及び回転陽極間の真空ギャップを横断する電子ビームを加速することにより発生される。陰極及び陽極は、挿入部又はフレームと呼ばれる場合もある真空容器内に設けられる。単一の高電圧絶縁体を貫通する高電圧ケーブルを介して、高電圧が陰極に供給される。陽極接地のＸ線管の場合、高電圧絶縁体は、接地基準の電位に対して負の電位とすることができる。

高電圧絶縁体は、ほぼ接地電位である場合が多い挿入部の壁から陰極を絶縁及び分離する。その際、絶縁体は陰極と壁との間に真空シールを形成する。高電圧ケーブルは、導電ピンを介して挿入部又は真空容器を貫通し、高電圧を陰極に供給する。高電圧ケーブルは、ファラデー箱を有するコネクタによって挿入部に結合される。ファラデー箱は通常、高電圧ケーブルと陰極との間の導通を形成する導電ピンを囲み、該ピンにかかる高電圧応力及びその絶縁破壊を防ぐような円柱形状である。

挿入部の高電圧安定性に役立つ主な設計上の特徴は、一般に２つある。２つの主な特徴は、高電圧絶縁体の真空側及び大気側の設計である。真空密閉法が絶縁体の真空側に用いられ、大気ガスのＸ線管への漏洩を防ぐ。大気側はファラデー箱を有するコネクタの使用を含む。コネクタは通常接地電位であるので、ファラデー箱は、導電ピンとコネクタとを絶縁し分離するために用いられる。

絶縁体の設計は実際に混成型である。絶縁体は、空気ギャップ及び絶縁材料を用いて高電圧電位絶縁及び分離を形成する。絶縁体はまた、広範な温度にわたってミリメートルより小さい許容誤差の特定の物理的間隔を維持する機械強度をもたらす。絶縁体は静電電位を確立するための中実の表面を備え、これを横切ってアーク放電が発生することができる。アーク経路は、例えば、陰極と挿入部の壁との間などの１対の高電圧端子間に存在する。

真空容器内で該真空容器に沿って導電体と絶縁体とが互いに隣接し、又は互いに接触する領域を総称して「三重点領域」という。三重点領域の陰極及び導電体近傍の絶縁体の外側及び内側に、高電界応力が生じる。

三重点領域内の高電界応力は、絶縁体を貫通し、電界放出効果及び他の混成型ミクロ機構を通じて電子照射を生成することができる。電子照射からの電荷が、陰極などの中実の表面から分離され、真空又は絶縁体内に存在すると、電荷は電界の影響下で加速され、カスケードされてアークを生成することができる。アークは上述の経路に沿って発生することができる。アーク放電は絶縁体を損傷させ、絶縁破壊し、亀裂を生じさせる可能性がある。絶縁体の絶縁破壊は最終的には空気漏洩をもたらし、Ｘ線管を動作不能にする恐れがある。アーク放電はまた、大気側のフラッシュオーバーを生じ、これが他のＸ線システムの構成要素に損傷を与える可能性がある。

従って、三重点領域内で受ける高電界応力を最小化すると共に、Ｘ線管の現在の電位差及び電界性能基準並びに許容誤差を維持して満足する改良されたＸ線管設計に対する必要性がある。

本発明は、真空容器及び大気側給電線組立体を含むイメージング管を提供する。真空容器は、内部真空部を有する。給電線組立体は、電磁シールドを有する。絶縁体が内部真空を外部大気から分離する。陰極ポストは真空容器内に存在する。陰極ポストは、電磁シールドに導電的に近接しており、イメージング管内で静電界線の湾曲を防ぐ。

本発明の実施形態は、幾つかの利点を提供する。本発明の複数の実施形態によって与えられるこうした利点の１つは、陰極ポストが高電圧給電線組立体の電磁シールドに導電的に近接しているようなＸ線管の構成を提供することである。その際、上記の実施形態は、Ｘ線管内で静電界線の湾曲を防ぐ。静電界線の湾曲を防ぐことにより、高電圧Ｘ線管絶縁体のアーク放電及び絶縁破壊を防ぎ、従ってＸ線管の寿命が延びる。

更に、本発明はＸ線管の高電圧安定性を高め、これはＸ線管の製造時間を最短化する。製造時間の短縮は、Ｘ線管のコスト及びサイクル時間の低減をもたらす。本発明により、汚染され、排気又はシーズニングが不十分で、異物に対して解放された状態のＸ線管、又は表面に汚染膜のあるＸ線管などといった、Ｘ線管の高電圧安定性又は性能を損なう可能性がある全ての不安定なＸ線管と、高電圧安定のＸ線管とが更に容易に差別化される。

更に、本発明は、電磁シールドに導電的に近接する陰極ポストの構成において、多数の用途に適用することができる多くの技法を提供する。

付随する利点と共に本発明自体は、添付図と併せて以下の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。

次に、本発明をより完全に理解するために、より詳細に添付図に示され、且つ本発明の実施例を用いて以下に説明された実施形態を参照されたい。

図１を参照すると、従来のＸ線管１２の高電圧絶縁体部分１０の拡大断面図が示されている。Ｘ線管１２は、内部真空部１６を備えた真空容器１４を有する。陰極ポスト１８が真空１６内に設けられ、高電圧コネクタ組立体２２を介して高電圧ケーブル２０から電力を受け取る。コネクタ組立体２２は、真空容器１４に結合される主コネクタ２４とファラデー箱２６とを含む。ファラデー箱２６は、周囲に電磁シールドを形成し且つコネクタ接続部３０の絶縁破壊を防ぐ。

高電圧絶縁体３２は、陰極ポスト１８と真空容器１４の壁３４との間で、コネクタ組立体２２の側面に沿って結合される。陰極ポスト１８とファラデー箱２６は、絶縁体３２とコネクタ２４とによって隔てられていることに留意されたい。陰極ポスト１８と真空部１６付近の絶縁体３２との間の接続部４４には、三重点領域が存在する。ファラデー箱２６と絶縁体３２との間の領域には、高電界応力領域が存在する。三重点領域は破線円３８で示され、高電界応力領域は、破線円４０で示され、且つ高電界が不均一な範囲である。領域３８及び４０は、図２に示される三重点領域３８と高電界領域４０である。

次に、図２を参照すると、絶縁体部分１０の静電界線を表す４分の１拡大断面図が示されている。静電界線４２は、陰極ポスト１８とファラデー箱２６に沿って絶縁体３２を通ってほぼ延びる等電位線として示される。電界線４２は、絶縁体３２内の陰極ポスト１８の端部４４及びファラデー箱２６の端部４６の近傍で曲っていることに留意されたい。この電界線４２の湾曲が、三重点領域３８及び高電界応力領域４０内の高電界応力の原因となる。電界線４２の曲率が急であるほど、電界応力は強くなる。一般的に、電界線の急な湾曲は、金属形状の鋭い角及び不連続部に存在する。電子は、矢印４８で示されるように、端部４４から絶縁体３２の表面をわたり固体から真空中へ放出される。これは電界効果放出と呼ばれる。時間の経過と共に、絶縁体３２をわたる電界効果照射により、絶縁体３２に亀裂が生じ、最終的にはＸ線管１２が動作不能となる。本発明の多くの実施形態は、陰極ポスト及びファラデー箱の近傍などでＸ線管内の静電界線の湾曲を防止する。上記の実施形態を以下に詳細に説明する。

以下の図では、同じ参照符号は同じ構成要素を表すように用いられる。本発明は、Ｘ線管の三重点領域内の静電界線の湾曲を最小化する装置に関して説明しているが、以下の、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、放射線治療システム、Ｘ線イメージング・システム、及び当該技術分野で公知の他の用途の装置は、種々の目的に適合させることが可能であり、これらの用途に限定されるものではない。本発明は、Ｘ線管、ＣＴ管、及び当該技術分野で公知の他のイメージング管に適用することができる。本発明は、単極及び双極イメージング管に適用することができる。

以下の説明において、種々の動作パラメータ及び構成要素が、１つの構成された実施形態において説明される。これらの特定のパラメータ及び構成要素は、例証として含まれるものであり、限定を意図するものではない。

また、用語「三重点領域」は、イメージング管の真空容器内の領域を意味し、これに沿って高電圧接続部と高電圧絶縁体とが互いに隣接し、近接し、又は接触する。三重点領域は、絶縁体の外部又は内部の領域を含むことができる。例示的な三重点領域は図１、２、５及び６に示される。

次に、図３及び図４を参照すると、本発明の実施形態によるイメージング管５２を使用したマルチスライスＣＴイメージング・システム５０の斜視図及び概略ブロック図が示される。イメージング・システム５０は、Ｘ線管組立体５６と検出器アレイ５８とを有するガントリ５４を含む。組立体５６は、イメージング管５２などのＸ線発生装置を有する。イメージング管５２は、Ｘ線ビーム６０を検出器アレイ５８に向けて投射する。イメージング管５２及び検出器アレイ５８は、並進移動可能テーブル６２の周りを回転する。テーブル６２は、組立体５６と検出器アレイ５８との間でｚ軸に沿って並進し、ヘリカル・スキャンを実行する。患者ボア６６内で患者６４を透過した後のビーム６０は、検出器アレイ５８で検出される。ビーム６０を受信すると検出器アレイ５８は、ＣＴ画像の生成に用いられる投影データを発生する。

イメージング管５２及び検出器アレイ５８は、中心軸６８の周りを回転する。ビーム６０は多数の検出器素子７０によって受信される。各検出器素子７０は、入射Ｘ線ビーム６０の強度に応じた電気信号を発生する。ビーム６０が患者６４を透過すると、該ビーム６０は減弱される。ガントリ５４の回転及び管５２の動作は、制御機構７１によって制御される。制御機構７１は、管５２に電力とタイミング信号とを供給するＸ線制御装置７２と、ガントリ５４の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御装置７４とを含む。データ収集システム（ＤＡＳ）７６は、検出器素子７０から発生されるアナログ・データをサンプリングし、後続の処理のために該アナログ・データをデジタル信号に変換する。画像再構成装置７８は、サンプリングされてデジタル化された、ＤＡＳ７６からのＸ線データを受け取り、高速画像再構成を実行してＣＴ画像を生成する。主制御装置、すなわちコンピュータ８０が、ＣＴ画像を大容量記憶装置８２内に格納する。

コンピュータ８０はまた、オペレータ・コンソール８４を介してオペレータから命令及びスキャン・パラメータを受け取る。表示装置８６によって、オペレータはコンピュータからの再構成画像及び他のデータを観察することができる。オペレータが供給した命令及びパラメータは、制御機構７１の動作においてコンピュータ８０によって用いられる。更にコンピュータ８０は、テーブル・モータ制御装置８８を作動させ、該制御装置がテーブル６２を並進させて患者６４をガントリ５４内で位置決めする。

次に、図５を参照すると、大気側電磁シールド９４に導電的に近接し、且つ本発明の実施形態による陰極ポスト９２を有するＸ線管５２の高電圧絶縁体部分９０の拡大断面図が示される。Ｘ線管５２は、内部真空部９８を備えた真空容器９６及び中心軸１００を有する。陰極組立体１０２は、真空部９８内に設けられ、高電圧大気側給電線組立体１０４から電力を受け取る。高電圧絶縁体１０６は、陰極組立体１０４、真空容器９６の壁１０８、及び給電線組立体１０４の間に結合される。陰極ポスト９２は、給電線組立体１０４と接触するように絶縁体１０６を貫通して延びる。陰極ポスト９２が延びることにより、陰極ポスト９２とシールド９４との間の分離距離が最小になる。陰極ポスト９２とシールド９４との間の分離距離が最小になることで、これらの間に電気的な伝導が可能となる。

陰極組立体１０２は、アウターハウジング１１０を有する陰極ポスト９２を含む。複数の陰極接続部１１２がアウターハウジング１１０内に設けられ、給電線組立体１０４に結合される。

給電線組立体１０４は、真空容器９６に結合される主コネクタ１１４を含む。主コネクタ１１４は、ファラデー箱の形態とすることができるシールド９４を含む。シールド９４は、コネクタ１１４内で、且つ接続点での絶縁体１０６とコネクタ１１４との間の境界面でコネクタ接続部１１６を取り囲み、その絶縁破壊を防止する。コネクタ接続部１１６は、高電圧ケーブル１１８から電力を受け取り、陰極接続部１１２へ電力を供給する。主コネクタ１１４及びシールド９４は、種々の形態、形状、及び寸法とすることができる。

絶縁体１０６は、陰極ポスト内部部分１２０、陰極ポストチャンネル１２２、及び外部部分１２４を有する。内部部分１２０は、完全に陰極ポスト９２内部に設けることができる。陰極ポスト９２は、チャンネル１２２内部に設けられる。絶縁体１０６は、真空容器９６の外部にある大気１２６から真空部９８を絶縁して分離する。絶縁体１０６はまた、陰極ポスト９２、給電線組立体１０４、及び壁１０８の間の電位を絶縁し分離する。絶縁体１０６は、高絶縁耐力を有する厚いセラミック絶縁体などの誘電性絶縁体の形態とすることができ、又は当該技術分野で公知の他の形式とすることができる。絶縁体１０６はまた、種々の形態、形状、寸法とすることができる。

Ｘ線管５２内の三重点領域及び高電界応力領域は、それぞれ破線円１３０及び１３１で示される。三重点領域１３０内及び高電界応力領域１３１内の静電界の湾曲は、シールド９４に対する陰極ポスト９２の導電的近接によって最小化される。これは図６で更に詳細に分かる。

図６を参照すると、本発明の実施形態による図５の絶縁部分９０の静電界線を表す４分の１拡大断面図を示す。絶縁体１０６内で陰極ポスト９２に沿った静電界線１３２の湾曲が最小であることに留意されたい。陰極ポストの端部１３４及びシールド９４の端部１３６の間及びその近傍で最小量の湾曲が存在する。Ｘ線管５２内の電磁界応力は、三重点領域１３０及び高電界応力領域１３１において、図１に示されるような従来技術のＸ線管内の電磁界応力よりも実質的に小さい。電界線１３２が本来の同軸配列により近接して従う結果、電界線１３２は中心軸１００に対してほぼ平行であり、陰極ポスト９２及びシールド９４などの真空容器９６内に含まれる任意の中実の金属面に対して直角に終端するようになる。最小量の湾曲の残部は、図７の実施形態によって更に解消される。

次に図７を参照すると、本発明の実施形態による、Ｘ線管５２'の高電圧絶縁体部分９０’の拡大断面図が、陰極ポスト９２'が大気側電磁シールド９４'と導電接触した状態で示されている。図７は本発明の別の実施形態を示す。Ｘ線管５２'は、陰極組立体１０２’、絶縁体１０６'、及び給電線組立体１０４'を含む。絶縁体１０６’は、絶縁体１０６'の中心部分１４２に設けられる導電素子１４０を有する。導電素子１４０は、陰極ポスト９２'及び給電線組立体１０４’に導電接触する。また、シールド９４'は、中心軸１００に沿ってシールド９４よりも更に延長され、導電素子１４０に接触するようにする。

導電素子１４０は、陰極ポスト９２’とシールド９４'との間に設けられ、電流を伝える。導電素子１４０は導電リングの形態で示されるが、種々の形態、形状、及び寸法であってもよい。導電素子１４０は、金属材料又は当該技術分野で公知の他の導電性材料で形成することができる。

図７の実施形態は、陰極ポスト９２'とシールド９４'との間に連続した導電接続部を形成する。連続した導電接続部は、絶縁体１０６'の内外の陰極ポスト９２'及びシールド９４'に沿った静電界線の湾曲を除去する。連続した導電接続部は、更に、図６に示される陰極ポスト９２とシールド９４との間のギャップ１５２の排除によりこれらの間の少量の湾曲部１５０を最小限にする。

本発明は、陰極ポストと高電圧給電線組立体の電磁シールドとの間の最小限のギャップを具備するＸ線管を提供する。陰極ポストとシールドとの間のギャップを縮小すると、Ｘ線管の三重点領域及び高電界応力領域の電界応力が低下する。電界応力の低下は、スピット活動を最小にし、Ｘ線管の高電圧安定性を向上させる。本発明は、絶縁体表面に沿った電界加速及びカスケード増強放電開始に起因する電荷移動度を最小限に抑える。本発明はまた、Ｘ線管の高電圧絶縁体の絶縁耐力も向上させる。

上述の装置及び方法は、当業者であれば当該技術分野で公知の種々の用途及びシステムに適用することができる。上述の発明はまた、本発明の真の範囲から逸脱することなく変更することができる。

従来のＸ線管の高電圧絶縁体部分の拡大断面図。 図１の高電圧絶縁体部分の静電界線を表す４分の１拡大断面図。 本発明の実施形態によるイメージング管を使用するマルチスライスＣＴイメージング・システムの概略図。 本発明の実施形態による図１のマルチスライスＣＴイメージング・システムの概略ブロック図。 大気側電磁シールドに導電的に近接し且つ本発明の実施形態による陰極管を有するＸ線管の高電圧絶縁体部分の拡大断面図。 本発明の実施形態による図５の高電圧絶縁体部分の静電界線を表す４分の１拡大断面図。 大気側電磁シールドに導電接触し且つ本発明の実施形態による陰極カップを具備するＸ線管の高電圧絶縁体部分の拡大断面図。

符号の説明

９２ 陰極ポスト
９４ 電磁シールド
９６ 真空容器
９８ 内部真空部
１０４ 大気側給電線組立体
１０６ 絶縁体

Claims (10)

1. イメージング管（５２、５２’）において、
   内部真空部（９８）を有する真空容器（９６）と、
   電磁シールド（９４、９４’）を有する大気側給電線組立体（１０４、１０４’）と、
   外部大気（１２６）から前記内部真空部（９８）を分離する絶縁体（１０６、１０６’）と、
   前記電磁シールド（９４、９４’）に導電的に近接し且つイメージング管（５２、５２'）内の静電界線（１３２）の湾曲を防ぐ、前記真空容器（９６）内に少なくとも部分的に存在する陰極ポスト（９２、９２’）と、
   を備えるイメージング管（５２、５２’）。
2. 前記陰極ポスト（９２、９２’）が、
   アウターハウジング（１１０）と、
   前記アウターハウジング（１１０）内に存在する複数の陰極接続部と、
   を含む請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
3. 前記絶縁体（１０６、１０６’）が陰極ポストチャンネル（１２２）を含み、前記陰極ポスト（９２、９２’）が前記陰極ポストチャンネル（１２２）内に結合される請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
4. 前記絶縁体（１０６、１０６’）が、
   陰極ポスト内部部分（１２０）と、
   陰極ポスト外部部分（１２４）と、
   を含む請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
5. 前記陰極ポスト内部部分（１２０）が、完全に前記陰極ポスト（９２、９２'）内に存在する請求項４に記載のイメージング管（５２、５２’）。
6. 前記陰極ポスト（９２、９２'）が、前記大気側給電線組立体（１０４、１０４'）と接触している請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
7. 前記陰極ポスト（９２、９２’）が、前記Ｘ線管の少なくとも１つの三重点領域内で前記静電界線（１３２）の湾曲を防ぐように、前記電磁シールド（９４、９４’）に導電的に近接している請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
8. 前記陰極ポスト（９２、９２’）が、前記Ｘ線管の少なくとも１つの高電界応力領域内で前記静電界線（１３２）の湾曲を防ぐように、前記電磁シールド（９４、９４’）に導電的に近接している請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
9. 前記電磁シールド（９４、９４’）が、前記絶縁体（１０６、１０６’）に対して内側及び外側にある前記静電界線（１３２）の湾曲を防ぐ請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。
10. 前記大気側給電線組立体（１０４、１０４’）が、前記陰極ポスト（９２、９２’）に近接するファラデー箱（２６）を含む請求項１に記載のイメージング管（５２、５２’）。

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