JP2008034137A - Ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の均一なＸ線を放出できるＸ線管を提供する。
【解決手段】Ｘ線管は、電子を放出する陰極と、陰極に管軸ａ１に沿った方向に対向配置され、管軸に直交した境界線Ｂを境に管軸に直交した方向に分割された第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２を有し、第１ターゲット面上の第１焦点及び第２ターゲット面上の第２焦点を含む焦点に電子が収束され衝突されることによりＸ線を放出する陽極ターゲット６０と、陰極及び陽極ターゲットを収容した真空外囲器と、を備えている。第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２は、境界線Ｂを頂点に、管軸ａ１に直交して第１焦点の中心を通る基準軸より、陰極と対向した方向に傾斜している。
【選択図】 図５

Description

この発明は、Ｘ線を発生させるＸ線管に関する。

一般に、Ｘ線管装置として、回転陽極型Ｘ線管装置等が使用されている（例えば、特許文献１参照）。回転陽極型Ｘ線管装置は、Ｘ線を放出する回転陽極型Ｘ線管と、ステータコイルと、これら回転陽極型Ｘ線管装置およびステータコイルを収容した筐体と、を備えている。

回転陽極型Ｘ線管は、すべり軸受ユニットと、陽極ターゲットと、陰極と、真空外囲器と、を備えている。すべり軸受ユニットは、回転軸を中心に回転可能な筒状の回転体と、この回転体に嵌合され、回転体を回転可能に指示する固定シャフトと、回転体及び固定シャフトの隙間に充填された金属潤滑材と、を有している。陽極ターゲットは、回転体に固定されている。陰極は、陽極ターゲットに対向配置されている。真空外囲器は、すべり軸受ユニット、陽極ターゲット及び陰極を収容している。

上記回転陽極型Ｘ線管装置の動作状態において、ステータコイルは回転体に与える磁界を発生するため、回転体及び陽極ターゲットは回転する。また、陰極は熱電子を放出し、放出された熱電子は陽極ターゲットに衝突する。これにより、陽極ターゲットは、電子と衝突するときにＸ線を放出する。

熱電子が収束され陽極ターゲットに形成される焦点寸法及び陰極と対向した陽極ターゲットの傾斜面の角度は、撮影対象の部位に適した値に設定されている。一般的に、上記値は、撮影対象の部位の撮影に必要なＸ線管装置の入力及び撮影対象の部位の範囲から設定される。

また、上記値を設定する場合、焦点寸法を可能な限り小さくし、陽極ターゲットの傾斜面の角度を小さくし、撮影部位から見た実効焦点寸法をできるだけ小さくしても良い。これにより、強度の均一なＸ線の放出が可能となり、より良いＸ線撮影画像を得ることができる。
特開平９−６３５２３号公報

しかしながら、陽極ターゲットの傾斜面の角度を過度に小さくした場合、一度にＸ線照射可能な範囲が減少するため、一度に撮影可能な範囲も減少してしまう。これにより、撮影回数は増大することになり、被写体へのＸ線被曝量も増大することになる。

また、陽極ターゲットの傾斜面の角度は機械加工で精度良く実現可能であるが、電圧熱電子を放出するフィラメントや放出された熱電子を収束する収束電極の形状などにより、焦点寸法に一様な特性を持たせることは困難である。この場合、強度の均一なＸ線の放出はできず、より良いＸ線撮影画像を得ることはできない。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、強度の均一なＸ線を放出できるＸ線管を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係るＸ線管は、
電子を放出する陰極と、
前記陰極に管軸に沿った方向に対向配置され、前記管軸に直交した境界線を境に前記管軸に直交した方向に分割された第１ターゲット面及び第２ターゲット面を有し、前記第１ターゲット面上の第１焦点及び前記第２ターゲット面上の第２焦点を含む焦点に前記電子が収束され衝突されることによりＸ線を放出する陽極ターゲットと、
前記陰極及び陽極ターゲットを収容した真空外囲器と、を備え、
前記第１ターゲット面及び第２ターゲット面は、前記境界線を頂点に、前記管軸に直交して前記第１焦点の中心を通る基準軸より、前記陰極と対向した方向に傾斜している。

この発明によれば、強度の均一なＸ線を放出できるＸ線管を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係るＸ線管について説明する。この実施の形態において、Ｘ線管を備えたＸ線管装置について詳細に説明する。
図１に示すように、回転陽極型のＸ線管装置は、回転陽極型のＸ線管１と、磁界を発生させるコイルとしてのステータコイル２と、Ｘ線管及びステータコイルを収容した筐体３と、筐体内に充填された冷却液としての絶縁油４と、を備えている。

Ｘ線管１は、陰極（陰極電子銃）１０と、すべり軸受ユニット２０と、陽極ターゲット６０と、真空外囲器７０と、を備えている。
図１及び図２に示すように、陰極１０は、フィラメント１１を有している。フィラメント１１には、端子８１、８２、８３より相対的に負の電圧と電流が与えられる。これにより、フィラメント１１は電子（熱電子）を放出する。陰極１０は、図示しない収束電極も有している。収束電極は、フィラメント１１から放出された電子を収束する。このため、陰極１０は、電子を収束して放出することができる。

図１に示すように、すべり軸受ユニット２０は、回転体３０と、固定体としての固定シャフト４０と、潤滑材としての図示しない金属潤滑材と、を備え、すべり軸受を使っている。

回転体３０は、円筒状に形成され、一端部が閉塞されている。回転体３０は、この回転体の回転動作の中心軸となる回転軸に沿って延出している。この実施の形態において、上記回転軸は、Ｘ線管１の管軸ａ１と同一であり、以下管軸ａ１として説明する。回転体３０は、管軸ａ１を中心に回転可能である。回転体３０は、この一端部に位置した継手部３１を有している。回転体３０は、Ｆｅ（鉄）やＭｏ（モリブデン）等の材料で形成されている。

固定シャフト４０は、回転体３０よりサイズの小さい円筒状に形成されている。固定シャフト４０は、回転体３０と同軸的に設けられ、管軸ａ１に沿って延出している。固定シャフト４０は、回転体３０の内部に嵌合されている。固定シャフト４０は、ＦｅやＭｏ等の材料で形成されている。固定シャフト４０の一端部は、回転体３０の外部に露出されている。固定シャフト４０は、回転体３０を回転可能に支持している。

金属潤滑材は、回転体３０及び固定シャフト４０間の間隙に充填されている。
図１、図２及び図３に示すように、陽極ターゲット６０は、管軸ａ１に沿った方向に、固定シャフト４０の他端部に対向配置されている。陽極ターゲット６０は、陽極６１と、この陽極の外面の一部設けられたターゲット層６２と、を有している。

陽極６１は、継手部３１を介して回転体３０に固定されている。陽極６１は、形状が円盤状であり、Ｍｏ等の材料で形成されている。陽極６１は、管軸ａ１を中心に回転可能である。ターゲット層６２は、管軸ａ１に沿った方向に陰極１０に間隔を置いて対向配置されたターゲット面Ｓを有している。
陽極ターゲット６０には、固定シャフト４０及び回転体３０を介し、端子９１、９２、９３より相対的に正の電圧が与えられる。

図１に示すように、真空外囲器７０は、円筒状に形成されている。真空外囲器７０は、ガラス及びセラミックなどの絶縁材や金属などの組合せで形成されている。真空外囲器７０において、陽極ターゲット６０と対向した個所の径は、回転体３０と対向した個所の径より大きい。真空外囲器７０は、開口部７１を有している。真空外囲器７０の密閉状態を維持するよう、開口部７１は、固定シャフト４０の一端部に密着している。真空外囲器７０は、固定シャフト４０を固定している。真空外囲器７０は、この内壁に陰極１０を取付けている。真空外囲器７０は、密閉され、陰極１０、すべり軸受ユニット２０及び陽極ターゲット６０等を収容している。真空外囲器７０の内部は真空状態に維持されている。

ステータコイル２は、回転体３０の側面に対向して真空外囲器７０の外側を囲むように設けられている。ステータコイル２の形状は環状である。
筐体３は、陰極１０と対向したターゲット層６２付近にＸ線を透過させるＸ線透過窓３ａを有している。ここで、Ｘ線透過窓３ａは、この中央部を後述する基準軸ａ２が通るよう位置している。筐体３の内部には、Ｘ線管１及びステータコイル２が収容されている他、絶縁油４が充填されている。

次に、ターゲット層６２について詳細に説明する。
図１、図２、図３、図４及び図５に示すように、ターゲット面Ｓは、管軸ａ１に直交した境界線Ｂを境に管軸ａ１に直交した方向分割された第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２を有している。第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２は、それぞれ管軸ａ１を中心軸とした輪形である。そして、収束された電子は、第１ターゲット面Ｓ１上の第１焦点Ｆ１及び第２ターゲット面Ｓ２上の第２焦点Ｆ２を有する焦点Ｆに衝突される。言うまでもないが、第１焦点Ｆ１は、第２焦点Ｆ２より管軸ａ１から基準軸ａ２の延出した方向に位置している。

第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２は、境界線Ｂを頂点に、管軸ａ１に直交して境界線Ｂを通る直交軸ａ３より、陰極１０と対向した方向に傾斜している。このため、第１ターゲット面Ｓ１及び第２ターゲット面Ｓ２は、境界線Ｂを頂点に、管軸ａ１に直交して第１焦点Ｆ１の中心点Ｐを通る基準軸ａ２より、陰極１０と対向した方向に傾斜している。

第１ターゲット面Ｓ１は、基準軸ａ２（直交軸ａ３）より角度θ１だけ傾斜している。第２ターゲット面Ｓ２は、基準軸ａ２（直交軸ａ３）より角度θ２だけ傾斜している。すなわち、θ１＞０°及びθ２＞０°を満たしている。角度θ１は、必要とされるＸ線照射野が得られる角度に設定されている。

管軸ａ１に直交した方向において、第１焦点Ｆ１の長さをＬ１、第２焦点Ｆ２の長さをＬ２、焦点Ｆの長さをＬ１＋Ｌ２とする。第２焦点Ｆ２の長さＬ２は、焦点Ｆの長さＬ１＋Ｌ２の３％以上である。

上記Ｘ線管装置の動作状態において、フィラメント１１に相対的に負の電圧及び電流が与えられ、陽極ターゲット６０に相対的に正の電圧が与えられる。陰極１０及び陽極ターゲット６０間にＸ線管電圧が加えられるため、陰極１０は、収束された電子を放出すると、この電子は加速され、ターゲット層６２の焦点Ｆに衝突される。すなわち、陰極１０からターゲット層６２の焦点ＦにＸ線管電流が流れる。

これにより、ターゲット層６２は電子と衝突するときにＸ線を放出し、第１焦点Ｆ１から放出されたＸ線は、Ｘ線透過窓３ａを介して筐体３の外部に放出される。この際、θ２＞０°を満たしていることから、第２焦点Ｆ２からＸ線の筐体３外部への放出は抑制される。

ここで、本願発明者は、上記Ｘ線管装置を用い、管軸ａ１に沿った長さ方向の焦点電子分布を測定した。この際、図６に示すように、焦点電子分布は測定面１１０で測定し、陽極ターゲット６０及び測定面１１０間にスリット１００を設けた。スリット１００及び測定面１１０は、基準軸ａ２上に位置している。また、測定面１１０の基準軸ａ２に沿った方向をｙ軸とした。

管軸ａ１に沿った方向において、スリット１００の幅Ｗは１０μｍである。陽極ターゲット６０の第１焦点Ｆ１及びスリット１００間の長さ（間隔）Ｌ３は１５０ｍｍであり、スリット１００及び測定面１１０間の長さ（間隔）Ｌ４は３００ｍｍである。

焦点電子分布を測定し、正規化したところ、図７に示すようなグラフを得ることができた。
グラフから分かるように、θ２＞０°を満たしているため、電子の濃度が徐々に薄くなる裾野の発生を、基準軸ａ２より陰極１０側で防止することができる。言い換えると、焦点Ｆ（第２焦点Ｆ２）の管軸ａ１側の端に位置し、電子の濃度が徐々に薄くなる領域Ｒｂ（図示しない）からのＸ線は測定面１１０に照射されなくなる。なお、焦点Ｆ（第２焦点Ｆ２）の領域Ｒｂが、第２ターゲット面Ｓ２上に位置していることは言うまでもない。

裾野としては、基準軸ａ２より陰極１０と対向した側でのみの発生となる。言い換えると、焦点Ｆ（第１焦点Ｆ１）の管軸ａ１と反対側の端に位置し、電子の濃度が徐々に薄くなる領域ＲａからのＸ線は測定面１１０に照射される。

上記したことから、撮影部位（被写体）を撮影した撮影画像の鮮鋭度は改善される。上記領域ＲｂからのＸ線は撮影部位（被写体）に投射されなくなるため、撮影時のＸ線量は若干減少するが、領域（裾野を生じさせる領域）Ｒａ、Ｒｂ以外からのＸ線量に比べると無視できるレベルのＸ線量であり、実用時における問題は発生しない。
このため、この実施の形態において、強度の均一なＸ線を放出することができ、より良いＸ線撮影画像の取得に寄与することができる。

（比較例）
次に、比較例として、上記陽極ターゲット６０の形状を異ならせた場合のＸ線管装置について説明する。
図８に示すように、ターゲット層６２のターゲット面Ｓは、第１ターゲット面Ｓ１を有し、上記第２ターゲット面Ｓ２を有していない。なお、この比較例において、他の構成は上述した実施の形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

ここで、本願発明者は、上述した実施の形態と同様、上記Ｘ線管装置を用い、管軸ａ１に沿った長さ方向の焦点電子分布を測定した。
焦点電子分布を測定し、正規化したところ、図９に示すようなグラフを得ることができた。

グラフから分かるように、基準軸ａ２より陰極１０側で、電子の濃度が徐々に薄くなる裾野が発生したのに加え、基準軸ａ２より陰極１０と対向した側に於いても電子の濃度が徐々に薄くなる裾野が発生した。

言い換えると、焦点の管軸ａ１側に位置し電子の濃度が徐々に薄くなる領域Ｒｂ及び焦点の管軸ａ１と対向した側に位置し電子の濃度が徐々に薄くなる領域ＲａからのＸ線は測定面１１０に照射されてしまう。

上記したことから、領域Ｒａ、Ｒｂから放出されるＸ線は撮影部位（被写体）へ投射されるため、領域（裾野を生じさせる領域）Ｒａ、Ｒｂが、撮影画像の鮮鋭度を劣化させる要因となってしまう。
このため、比較例において、強度の均一なＸ線の放出はできず、より良いＸ線撮影画像の取得に寄与することはできない。

以上のように構成されたＸ線管１を備えたＸ線管装置によれば、第２ターゲット面Ｓ２は、境界線Ｂを頂点に、管軸ａ１に直交して第１焦点Ｆ１の中心点Ｐを通る基準軸ａ２より、陰極１０と対向した方向に傾斜している。第２ターゲット面Ｓ２は、第２焦点Ｆ２からＸ線の筐体３外部への放出を抑制できる。より詳しくは、第２焦点Ｆ２から基準軸ａ２に沿った方向（ｙ＝０）乃至基準軸ａ２から陰極１０側にθ２だけ傾斜した方向の範囲への放出は抑制される。

第１焦点Ｆ１及び第２焦点Ｆ２に電子を衝突させることにより、基準軸ａ２に沿った方向を含み、強度の均一なＸ線を放出することができ、より良いＸ線撮影画像の取得に寄与することができる。第２焦点Ｆ２にのみ電子を衝突させた場合に比べ、一層強度の均一なＸ線を放出することができる。

図６に示すように、実用上のＸ線の放射角度をθ３（角度θ３＝角度θ４×２）とすると、θ２＞θ４を満たすよう、第２ターゲット面Ｓ２が傾斜しているとより好ましい。このため、第２ターゲット面Ｓ２は、基準軸ａ２より、管軸ａ１に沿った方向のＸ線の放射角度θ３の半分の角度θ４を超えて傾斜している。

第２ターゲット面Ｓ２は、第２焦点Ｆ２からＸ線の筐体３外部への放出を防止できる。これにより、撮影部位（被写体）全域に亘って、より強度の均一なＸ線を放出することができ、より良いＸ線撮影画像の取得に寄与することができる。

実用上の最大のＸ線の放射角度θ３は略３２°である。このため、θ２＞１６°を満たしていれば良く、言い換えれば、第２ターゲット面Ｓ２は、基準軸ａ２より１６°を超えて傾斜していれば良い。

第２焦点Ｆ２の長さＬ２は、焦点Ｆの長さＬ１＋Ｌ２の３％以上占めていれば良い。これにより、電子の濃度が徐々に薄くなる裾野を生じさせる領域Ｒｂから撮影部位（被写体）へのＸ線の発生を防止することができる。

また、第２焦点Ｆ２の長さＬ２は、焦点Ｆの長さＬ１＋Ｌ２の３乃至１０％占めていれば良い。これにより、第１焦点Ｆ１の寸法を小さくすることなく、領域Ｒｂから撮影部位（被写体）へのＸ線の発生を防止することができる。

また、角度θ１及び角度θ２は、比較的近いため、電子衝突時に発生する熱エネルギの局部的な集中を回避することができ、陽極ターゲット材質劣化に伴うＸ線管装置の故障レベルを従来の製品と同等に維持することができる。
上述したことから、Ｘ線焦点の寸法を小さくすることなく、強度の均一なＸ線を照射できるＸ線管及びこのＸ線管を備えたＸ線管装置を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Ｘ線の放射角度θ３及びＸ線管電流等を、任意の値に設定できることは言うまでもない。
この発明は、回転陽極型のＸ線管及び回転陽極型のＸ線管装置に限定されることなく、固定陽極型のＸ線管及び固定陽極型のＸ線管装置等、他のＸ線管及びＸ線管装置にも適用することができる。

この発明の実施の形態に係るＸ線管を備えたＸ線管装置を示す断面図。 図１に示した陰極及び陽極ターゲットの一部を示す拡大断面図。 図１及び図２に示した陽極ターゲットの平面図。 図３に示した陽極ターゲットの一部を示す拡大平面図。 上記陽極ターゲットの一部を示す拡大断面図。 上記Ｘ線管装置の焦点電子分布の測定例を説明する概略図。 この発明の実施の形態に係る管軸に沿ったＸ線放射方向に対する焦点電子分布の変化をグラフで示す図。 上記陽極ターゲットの変形例および陰極を示す拡大断面図。 この発明の比較例に係る管軸に沿ったＸ線放射方向に対する焦点電子分布の変化をグラフで示す図。

符号の説明

１…Ｘ線管、２…ステータコイル、３…筐体、１０…陰極、１１…フィラメント、２０…軸受ユニット、６０…陽極ターゲット、６１…陽極、６２…ターゲット層、７０…真空外囲器、ａ１…管軸、ａ２…基準軸、Ｂ…境界線、Ｆ…焦点、Ｆ１…第１焦点、Ｆ２…第２焦点、Ｐ…中心点、Ｓ…ターゲット面、Ｓ１…第１ターゲット面、Ｓ２…第２ターゲット面、θ１，θ２，θ３，θ４…角度。

Claims (6)

1. 電子を放出する陰極と、
   前記陰極に管軸に沿った方向に対向配置され、前記管軸に直交した境界線を境に前記管軸に直交した方向に分割された第１ターゲット面及び第２ターゲット面を有し、前記第１ターゲット面上の第１焦点及び前記第２ターゲット面上の第２焦点を含む焦点に前記電子が収束され衝突されることによりＸ線を放出する陽極ターゲットと、
   前記陰極及び陽極ターゲットを収容した真空外囲器と、を備え、
   前記第１ターゲット面及び第２ターゲット面は、前記境界線を頂点に、前記管軸に直交して前記第１焦点の中心を通る基準軸より、前記陰極と対向した方向に傾斜しているＸ線管。
2. 前記第１焦点は、前記第２焦点より前記管軸から前記基準軸の延出した方向に位置し、
   前記第２ターゲット面は、前記基準軸より、前記管軸に沿った方向の前記Ｘ線の放射角度の半分の角度を超えて傾斜している請求項１に記載のＸ線管。
3. 前記第１焦点は、前記第２焦点より前記管軸から前記基準軸の延出した方向に位置し、
   前記第２ターゲット面は、前記基準軸より１６°を超えて傾斜している請求項１に記載のＸ線管。
4. 前記第１焦点は、前記第２焦点より前記管軸から前記基準軸の延出した方向に位置し、
   前記管軸に直交した方向の前記第２焦点の長さは、前記管軸に直交した方向の前記焦点の長さの３％以上占めている請求項１に記載のＸ線管。
5. 前記第１焦点は、前記第２焦点より前記管軸から前記基準軸の延出した方向に位置し、
   前記管軸に直交した方向の前記第２焦点の長さは、前記管軸に直交した方向の前記焦点の長さの３乃至１０％占めている請求項１に記載のＸ線管。
6. 前記第１ターゲット面及び第２ターゲット面は、それぞれ前記管軸を中心軸とした輪形である請求項１に記載のＸ線管。

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