JP2007200586A - X線検査装置用のx線発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】陰極12から熱電子を発生し印加電圧で加速して陽極14に衝突させX線を発生するX線管10と、印加電圧を一定周期の正弦波状に変動させて発生する変動電圧発生装置20とを備える。変動電圧発生装置20は、印加電圧の直流成分を発生させる直流高電圧回路22と、印加電圧の交流成分を発生させる交流高電圧回路24とを有する。直流高電圧回路22の−端子23aはX線管の陰極に接続され、直流高電圧回路の+端子23bは管電流検出抵抗22eを介して接地される。また、交流高電圧回路24は、1対の出力端子25a,25bを有し、その一方25aはX線管の陽極に接続され、他方25bは接地されている。
【選択図】図4
Description
また、近年、銃器等の金属類だけでなく、爆発物や毒物等の危険物も識別できるX線検査装置も知られている(例えば非特許文献1)。
しかし、この場合、2枚のX線画像の撮像は、時間と場所が異なるため、その位置を正確に一致させるのが困難である。また、この手段では、2組のX線発生装置とX線検出器を必要とするため、依然として高価となる。
この場合、2枚のX線画像の撮像は、時間と場所が同一であるため、その位置は一致している。しかし、この手段では、X線発生装置は1台ですむが、X線検出器は2台必要であり、さらに間にX線の特定の波長をカットするフィルタを必要とする問題点がある。
このX線発生装置は、X線管と変動電圧発生装置とを有し、変動電圧発生装置で最大出力と最小出力との間で出力が変動するX線を連続して発生し、被検査物を透過した高出力時のX線強度I1と低出力時のX線強度I2を検出するので、単一のX線発生装置と単一のX線検出器を用いて、高出力時のX線強度I1と低出力時のX線強度I2から被検査物の材質を識別することができる特徴がある。
しかし、このようなX線発生装置に用いる変動電圧発生装置、すなわちX線管への印加電圧を高速で変化させる変動電圧発生装置は、従来実現が困難であった。
特にインバータ回路に高圧整流回路を組合せたインバータ直流方式は、低リップルで安定性した高電圧が容易に得られるうえに、高電圧発生回路の小型化が容易なため、電力容量数kWまでのX線発生装置では最も一般的な高電圧発生手段であった。
また、X線管への印加電圧は、最大100kV以上に達するため、従来の電圧発生装置では、100kV以上の耐電圧を必要とする。そのため、各構成機器の製作が困難であり、コストが上昇するとともに、特に高い磁気結合が必要な高周波トランスでは応答性が高められない問題点があった。
また、本発明の別の目的は、各構成機器に必要な耐電圧を低減し、製作を容易化してコストを低減し、かつ高い磁気結合が必要な高周波トランスの応答性を高めることができるX線検査装置用のX線発生装置を提供することにある。
前記印加電圧を一定周期の正弦波状に変動させて発生する変動電圧発生装置とを備え、
該変動電圧発生装置は、前記印加電圧の直流成分を発生させる直流高電圧回路と、前記印加電圧の交流成分を発生させる交流高電圧回路とを有し、
前記直流高電圧回路の−端子はX線管の陰極に接続され、直流高電圧回路の+端子は管電流検出抵抗を介して接地され、
前記交流高電圧回路は、1対の出力端子を有し、その一方は前記X線管の陽極に接続され、他方は接地されている、ことを特徴とするX線発生装置が提供される。
その結果、接地点での電圧は0Vとなるので、直流高電圧回路の直流高電圧(例えば85kV)と交流高電圧回路の交流高電圧(例えば50kVp−p)とが接地点で加算され,X線管の陽極−陰極間に高い周波数(例えば400Hz)で,直流高電圧と交流高電圧が加算された電圧(例えば、+85kV+25kVと85kV−25kVのピーク電圧)をもつsin波状電圧を印加することができる。
図1は、X線管の模式図である。この図に示すように、真空中でフィラメント1を加熱して得られる熱電子2を高い電圧で加速して陽極3(target)に衝突させるとX線4が発生する。
X線管から発生するX線は、電子の制動放射による連続X線と、輝線スペクトルである特性X線とからなる。特性X線は、特定の波長のX線を必要とする用途に用いられる。
E=12.4/λ・・・(1)
従って、波長λ[Å]と光量子エネルギーE[keV]は1対1で対応している。また、この光量子エネルギーE[keV]は、X線管の印加電圧にほぼ比例する。
I=I0exp(−μx)・・・(2)
ここで、I0は物質に入射する前のX線強度、μは減弱係数(又は線吸収係数)である。
減弱係数は、一般的に物質と波長により異なることが知られている。例えば、同一の物質の場合、波長が長くなるほど減弱係数は増大するため透過しにくくなり、逆に波長が短くなるほど減弱係数は減少し透過しやすくなる。
I=I0exp(−μ/ρ)(ρx)・・・(3)
このμ/ρは、物質固有の値をもち、X線の波長が短いと小さく、X線の波長が長いと大きい値となるが、連続した変化ではなく途中で不連続な吸収端を一般に有する。
μ/ρ=k×λ3×Z3・・・(4)
ここでkは定数、Zは実効原子番号である。この式から一定の波長に対しては吸収端を無視すれば一般に重元素になるほど減弱係数は増加し、X線は通りにくくなることがわかる。
この場合、入射X線強度I10,I20が既知であれば、式(2)からμ1、μ2が決まり、上記(4)を満たす次式(4a)(4b)が得られる。
μ1/ρ=k×λ1 3×Z3・・・(4a)
μ2/ρ=k×λ2 3×Z3・・・(4b)
式(4a)(4b)における未知数は物質のρとZのみであり、この2式を解くことにより物質のρとZを求めることができる。
そして、この特性は元素毎に異なり、検出出力レベルに対応する厚みを求めると、同一の元素のときのみ、異なるエネルギーX線について同一の厚みが得られる。
従って、対象物を透過した検出出力レベル(Lh,Ll)に対応する厚みが等しくなる元素を求めることによって、対象物の元素を求めることができ、被測定物中に含まれる対象物の材質、すなわち実効原子番号を求めることができる。
直流高電圧回路22はX線管10の極間印加電圧Vvarの直流成分VDCを発生させる回路である。また、交流高電圧回路24は極間印加電圧Vvarの交流成分VACを発生させる回路である。さらに陰極電源回路26は、X線管10の陰極の陰極端子13a,13bに所定の交流電圧V0を印加して熱電子を発生させる回路である。
低電圧整流回路22aは、商用の交流電源11(例えばAC100V/50Hz)に接続され、交流電圧を直流電圧(例えばDC200V)に整流する。インバータ回路22bは、この直流電圧を高周波電圧に変換する。高圧トランス22cは、高周波電圧を所定の電圧(例えば約5.3kV)に昇圧する。高電圧整流回路22dは、昇圧された高周波電圧から印加電圧(極間印加電圧Vvar)の直流成分VDCを発生させる。
高電圧整流回路22dは、この例では、コック段数16段のコッククロフト回路であり、例えば約5.3kVの高周波電圧から85kVの直流電圧を発生させるようになっている。
高周波電圧発生回路24aは、商用の交流電源11(例えばAC100V/50Hz)に接続されこの交流電圧を高周波交流電圧(例えばAC100V/400Hz)に変換する。高周波高圧トランス24bは、この高周波交流電圧を印加電圧Vvarの交流成分VAC(例えばAC50kVpp/400Hz)に昇圧する。
上述した交流高電圧回路24により、接地点AとX線管10の陽極14との間に、接地点Aを0V、陽極14を+VAC(例えば50kVpp)とする安定した交流電圧(交流成分VAC)を発生させることができる。
管電流制御回路26aは、商用の交流電源11(例えばAC100V/50Hz)に接続され、この交流電圧を直流電圧(例えばDC24V)に整流する。フィラメントトランス26bは、この直流電圧からX線管10の陰極端子13a,13bに印加する交流電圧V0を発生させる。
管電流制御回路26aには、直流高電圧回路22の出力端子の+側(+端子23b)と接続された電流検出ライン27aが接続され、管電流検出抵抗22eを流れる電流を検出し、X線管10の陰極端子13a,13b間に流れる管電流Iを一定に保持するようになっている。
さらに、陰極電源回路26の出力端子の片側(端子28a)は陰極12の一端13aと直流高電圧回路22の−端子23aに接続され、陰極電源回路26の出力端子の他側(端子28b)は陰極12の他端13bに接続され、それ以外からは絶縁されている。
その結果、接地点Aでの電圧は0Vとなるので、直流高電圧回路22の直流高電圧VDC(例えば85kV)と交流高電圧回路24の交流高電圧VAC(例えば50kVp−p)とが接地点Aで加算され、X線管10の陽極14−陰極12の間に高い周波数(例えば400Hz)で、直流高電圧VDCと交流高電圧VACが加算された電圧(例えば、+85kV+25kVと85kV−25kVのピーク電圧)をもつ一定周期の正弦波電圧Vvarを印加することができる。
高電圧を構成するときにトランスの2次巻き線を多数巻けば、それだけ高い電圧が得られる。しかし、この場合トランス内部の耐電圧を確保するための構造が複雑になり、整流ダイオードの耐電圧も高いものが必要になる。
これに対し、コッククロフト回路(CW回路)では、トランスの端子電圧Vをn倍(2nは使用する整流ダイオードの数)に増幅することができるので、トランスの電圧を低くでき、かつ整流ダイオードの耐電圧を原理的にトランスの端子電圧Vの2倍に低減できる特徴がある。
片側接地回路の場合、高圧トランス22cの出力電圧はこの例で約5.3kVであり、コッククロフト回路22dの出力の一端23bが接地されているため、高圧トランス22cの2次コイルの巻始め位置の電位は接地電位(電圧0V)に固定され、コイル巻終り位置の電位は接地電位に対して約6kVとなる。従って高圧トランス22cの2次コイルの耐電圧は約6kVあればよいことになる。
なおCW回路22dの出力電圧は−85kVとなるが,CW回路22dはこれを構成するダイオードとコンデンサーで分圧される(図5参照)ため、またCW回路22dの構成部品はその原理から2×6kV(=12kV)の耐電圧で足りることとなる。
この図において、本発明と相違し高周波高圧トランス24bの片側(図4のB点)を接地した場合(陽極接地)には、この図の()内の数値で示すとおり高圧トランス22cの2次コイルの対接地電位は、それぞれ−25kV、−31kVとなる。従って高圧トランス22cの2次コイルの耐電圧として約31kVが必要となる。
これに対して接地点をCW回路22dと高圧トランス22cの2次コイルとの接続点Aとした場合(加算点接地)、すなわち図4に示した本発明の回路では,各部の対接地電位は()なしで示す数値となり、高圧トランス22cの2次コイルの耐電圧は約6kVで足り、高周波高圧トランス24bの耐電圧も約25kVで足りる。すなわち、高圧各部の対接地耐力の低減が図られる。
なお一般的なトランスの耐電圧は1.5kV程度(JIS)である。
この場合には,DC高圧トランス(高圧トランス22c)の耐電圧は6kVでよいが,高周波高圧トランス24bの耐電圧は−85〜−110kV必要になり、400Hz以上で約100kVの耐電圧を有する高周波高圧トランス24bの製作が困難となる。
3 陽極(target)、4 X線、
10 X線管、11 交流電源、
12 陰極、12a フィラメント、
13a,13b 陰極端子、
14 陽極、14a ターゲット、
15 接地極(アース)、
20 変動電圧発生装置、22 直流高電圧回路、
22a 低電圧整流回路、22b インバータ回路、
22c 高圧トランス、22d 高電圧整流回路(コッククロフト回路)、
22e 管電流検出抵抗、22f DC管電圧監視回路、
24 交流高電圧回路、24a 高周波電圧発生回路、
24b 高周波高圧トランス、26 陰極電源回路、
26a 管電流制御回路、26b フィラメントトランス、
28a, 28b 出力端子
Claims (7)
- 陰極から熱電子を発生し該熱電子を印加電圧で加速して陽極に衝突させX線を発生するX線管と、
前記印加電圧を一定周期の正弦波状に変動させて発生する変動電圧発生装置とを備え、
該変動電圧発生装置は、前記印加電圧の直流成分を発生させる直流高電圧回路と、前記印加電圧の交流成分を発生させる交流高電圧回路とを有し、
前記直流高電圧回路の−端子はX線管の陰極に接続され、直流高電圧回路の+端子は管電流検出抵抗を介して接地され、
前記交流高電圧回路は、1対の出力端子を有し、その一方は前記X線管の陽極に接続され、他方は接地されている、ことを特徴とするX線発生装置。 - 前記直流高電圧回路は、商用の交流電圧を直流電圧に整流する低電圧整流回路と、前記直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波電圧を昇圧する高圧トランスと、昇圧された高周波電圧から前記印加電圧の直流成分を発生させる高電圧整流回路とを有し、
該高電圧整流回路は、コッククロフト回路である、ことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。 - 前記直流高電圧回路は、X線管の陰極と接地点間の直流電圧を検出するDC管電圧監視回路を有し、該直流電圧は、前記直流成分の安定化のため前記インバータ回路にフィードバックされる、ことを特徴とする請求項2に記載のX線発生装置。
- 前記交流高電圧回路は、商用の交流電圧を高周波交流電圧に変換する高周波電圧発生回路と、前記高周波交流電圧を前記印加電圧の交流成分に昇圧する高周波高圧トランスとを有する、ことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
- 前記交流高電圧回路は、X線管の陽極と接地点間の交流電圧を検出するAC管電圧監視回路を有し、該交流電圧は、前記交流成分の安定化のため前記高周波電圧発生回路にフィードバックされる、ことを特徴とする請求項4に記載のX線発生装置。
- 前記変動電圧発生装置は、更に、X線管の陰極に所定の交流電圧を印加して熱電子を発生させる陰極電源回路を備え、該陰極電源回路の+端子は前記直流高電圧回路の−端子に接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
- 前記陰極電源回路は、前記管電流検出抵抗を流れる電流を検出し、X線管の陰極に流れる管電流を一定に保持する管電流制御回路を有する、ことを特徴とする請求項6に記載のX線発生装置。
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