JP2008103326A

JP2008103326A - Ｘ線装置の電子ビームを集束し偏向するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2008103326A
Application number: JP2007265059A
Authority: JP
Inventors: Sergio Lemaitre; セルジオ・ルメットル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2008-05-01
Also published as: US20080095317A1

Abstract

【課題】Ｘ線装置の電子ビームを集束し偏向するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線装置（１０）の電子ビーム（２４）を集束し偏向するための装置は、真空外被（１８）、及び該真空外被（１８）内に配置された陰極組立体（１４）を含む。陰極組立体（１４）は、複数の電子（２６）より成る電子ビーム（２４）を送出するように構成されている。陰極組立体（１４）は一般に第１の電圧に維持される。装置はまた、真空外被（１８）内に配置された陽極（１２）を含む。陽極（１２）は一般に第２の電圧に維持される。装置はまた、真空外被（１８）内で陰極組立体（１４）と陽極（１２）との間に配置された部材（２０）を含む。部材（２０）は、電子ビーム（２４）が通り抜ける開口（２２）を規定する。部材（２０）は一般に第２の電圧に維持される。Ｘ線装置（１０）の電子ビーム（２４）を集束し偏向するための対応する方法も開示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に云えば、Ｘ線装置の電子ビームを集束し偏向するための方法及び装置に関するものである。

Ｘ線管は、一般的に、真空容器内に配置された陰極組立体及び陽極組立体を含む。陽極組立体は、一般的に、タングステン又はタングステン合金のような原子番号の高い耐火金属で作られているターゲット軌道又は衝突区域を持つ陽極を含む。陰極組立体は、電子ビームを形成して、高速度で陽極組立体のターゲット軌道に衝突する電子を放出する。ターゲット軌道に衝突するとき、電子の運動エネルギが高エネルギの電磁放射線すなわちＸ線に変換される。このＸ線は患者の身体のような対象物を透過して検出器によって受け取られ、検出器は対象物の内部の解剖学的構造の画像を形成する。

従来のＸ線装置では、陰極組立体と陽極組立体との間で電子を加速するために両者の間に電圧差が維持される。この電圧差は、陽極と陰極との間の電圧差を陽極と陰極との間の距離で割った値として定義される強度を持つ電界を生成する。用途によっては陽極と陰極との間の距離を増大させることが有益なことがあるが、そうすることによって電界強度が減少する虞があることを理解されたい。電界強度の減少は陰極組立体からの電子の放出を減少させる虞があり、これによりフィラメントの寿命が短くなることがある。電界強度の減少はまた、電子ビームの寸法についての空間電荷の影響（これは、「ブルーミング(blooming)」と呼ばれている）を大きくする虞があり、これによってＸ線画像品質を低下させる虞がある。

陰極組立体は一般的に電子ビームの両側に配置された一対の電極を含む。これらの電極の各々には、電子ビームを集束及び／又は偏向するためにバイアス電圧が独立に印加される。一般に、電極のバイアス電圧を最小にして電子ビームを集束し又は動かすように所望の指令を遂行することが好ましい。例えば、電極のバイアス電圧要件を最小にすることは、Ｘ線管における絶縁破壊の危険性を少なくして信頼性を改善し、また絶縁要件を低減してコストを低減させ、またバイアス電圧スイッチング部品における熱の発生を少なくして、信頼性を改善すると共に、他の場合に必要とされる冷却のためのコストを節約させる。
米国特許第５６８９５４２号

上述の欠点、不利益及び問題を本書において対処し、それは以下の説明を読んで理解することによって理解されよう。

一実施形態では、Ｘ線装置が、真空外被、及び該真空外被内に配置された陰極組立体を含む。陰極組立体は、複数の電子より成る電子ビームを送出するように構成される。陰極組立体は一般に第１の電圧に維持される。Ｘ線装置はまた、真空外被内に配置された陽極を含む。陽極は一般に第２の電圧に維持される。Ｘ線装置はまた、真空外被内で陰極組立体と陽極との間に配置された部材を含む。該部材は、電子ビームが通り抜ける開口を規定する。該部材は一般に前記第２の電圧に維持される。

別の実施形態では、Ｘ線装置が、真空外被、及び該真空外被内に配置された陰極組立体を含む。陰極組立体は、複数の電子より成る電子ビームを送出するように構成される。陰極組立体は、電子ビームを選択的に集束し偏向するように構成されている第１及び第２の電極を含む。陰極組立体は一般に第１の電圧に維持される。Ｘ線装置はまた、真空外被内に配置された陽極を含む。陽極は一般に第２の電圧に維持される。Ｘ線装置はまた、真空外被内で陰極組立体と陽極との間に配置された部材を含む。該部材は、電子ビームが通り抜ける開口を規定する。該部材は一般に前記第２の電圧に維持される。電子を加速するのに適した電界が、実質的に陰極組立体と前記部材との間に生成され、また、その中を電子が漂流(drift) する無電界領域が、実質的に前記部材と陽極との間に規定される。

更に別の実施形態では、Ｘ線装置の電子ビームを集束し偏向するための方法が、真空外被を用意する段階、及び該真空外被内に配置された陰極組立体に第１の電位を印加する段階を含む。陰極組立体は、複数の電子より成る電子ビームを送出するように構成される。本方法はまた、真空外被内に配置された陽極に第２の電位を印加する段階を含む。陽極は、より効率よく電子ビームを集束し偏向することのできる距離だけ陰極組立体から離隔される。本方法はまた、真空外被内で陰極組立体と陽極との間に配置された部材に第２の電位を印加する段階を含む。該部材は、電子ビームが通り抜ける開口を規定する。本方法はまた、電子ビームを選択的に集束及び／又は偏向するために第１の電極及び第２の電極にバイアス電圧を印加する段階も含む。

本発明の様々な他の特徴、目的及び利点は添付の図面及びそれらについての詳しい説明から当業者には明らかになろう。

以下の詳しい説明では、実施することのできる特定の実施形態を例として示した図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が該実施形態を実施することができる程度に詳しく説明しており、従って、他の実施形態を利用することができること、また実施形態の範囲から逸脱することなく論理的、機械的、電気的及びその他の変更を行うことができることを理解されたい。従って、以下の詳しい説明は、本発明の範囲を制限するものとして取るべきではない。

図１について説明すると、一実施形態によるＸ線管１０の断面斜視図を示している。Ｘ線管１０は陽極１２及び陰極組立体１４を含み、これらは少なくとも一部分が真空外被又は容器１８内の真空１６中に配置されている。開口２２を規定する部材２０が陽極１２と陰極組立体１４との間に配置されている。ここで、Ｘ線管１０は模範的な例として示しており、部材２０を他のＸ線管構成に取り入れることができることを理解されたい。

陰極組立体１４は、陽極１２へ向けて加速される電子２６の流れを有する電子ビーム２４を生成して放出する。電子２６は部材２０の開口２２を通り抜けて、陽極１２上の焦点２８に衝突して、高周波電磁波すなわちＸ線３０を発生させる。放出されたＸ線３０の一部は、患者の身体のような対象物（図示せず）に侵入するために窓３２から外へ差し向けられる。窓３２は、真空１６を維持するために容器１８に気密封止される。窓３２はＸ線３０に対して透過性であり、好ましくは、有用な診断用のエネルギ量を持つＸ線のみを透過させる。

陽極１２は概して円板形であって、一般的にタングステン又はタングステン合金のような原子番号の高い耐火金属で作られているターゲット軌道又は衝突区域３４を含む。陰極組立体１４からの電子２６がターゲット軌道３４に衝突するとき陽極１２に熱が生成される。例えば、焦点２８における陽極の温度は約２７００°Ｃまで高くなることがある。陽極１２は、陰極組立体１４からの電子ビーム２４がターゲット軌道３４の同じ部分に集束して熱が局部領域に蓄積することがないように、回転させることが好ましい。

従来のＸ線管では、陰極と陽極との間に或る電圧差が維持される。典型的な従来の単極Ｘ線管設計では、陰極が例えば−２００キロボルト（ｋＶ）に維持されて、陽極は接地される。典型的な従来の双極Ｘ線管設計では、陰極が例えば−１００ｋＶに保持され、且つ陽極が例えば＋１００ｋＶに保持される。陰極と陽極との間の電圧差は、ΔＶ_ｃａ／Ｌ_ｃａとして定義される電界強度を持つ電界を生成する。ここで、ΔＶ_ｃａは陰極と陽極との間の電圧差であり、Ｌ_ｃａは陰極と陽極との間の距離である。従来のＸ線管における電界は、陰極から陽極へ向かって、電界強度に比例する割合で電子を加速する。後で詳しく説明するように、陰極と陽極との間の距離（Ｌ_ｃａ）を増大するのが有益なことがあるが、しかしながら、この距離の増大はまた電界強度を弱める虞があることを理解されたい。

図２について説明すると、陰極組立体１４から陽極１２への電子２６の送出を例示する概略断面図を示している。陰極組立体１４からの電子ビーム２４は部材２０の開口２２を通り抜けて、陽極１２上の焦点２８に衝突する。有利なことに、部材２０は電界強度を計算するための「偽の陽極」として作用することができる。部材２０を陰極組立体１４と陽極１２との間に挿入配置することによって、且つ陰極組立体１４、陽極１２及び部材２０をそれぞれの所定の電位に維持することによって、陰極組立体１４と部材２０との間に電界３６が生成され、また部材２０と陽極１２との間に無電界領域３８が生成される。より正確に述べると、電界３６及び無電界領域３８を生成するために、陰極組立体１４が第１の電位Ｖ_１に保持されると共に、部材２０が第２の電位Ｖ_２に保持され、第２の電位Ｖ_２は単極管ではゼロにするか又は接地することができ、また陽極１２も第２の電位Ｖ_２に保持される。電子２６が陰極組立体１４から部材２０へ電界３６によって加速され、その後電子２６は部材２０から陽極１２へ無電界領域３８の中を漂流する。

電界３６の強度は陰極組立体１４と部材２０との間の距離の関数であって、陽極１２の位置に無関係である。この距離は、図２に、陰極組立体１４と偽の陽極すなわち部材２０との間の距離を表すＬ_ｃｆａとして示されている。従って、偽の陽極として構成された部材２０を組み込むことによって、陽極１２は、電界強度を減少させることなく陰極組立体１４からより遠く離れるように移動させることができることを理解されたい。

陰極組立体１４は、一対の電極４２及び４４の間に配置されたエミッタ４０を含むことが好ましい。エミッタ４０は、電子ビーム２４を形成する電子２６を放出する陰極組立体１４内の部分である。電子ビーム２４を集束し偏向するために電極４２及び４４には独立にバイアス電圧が印加される。両方の電極４２及び４４に印加される共通のバイアス電圧の大きさを増大することによって、電子ビーム２４はより急速に収斂又は発散させることができる。より正確に説明すると、各々の電極４２，４４に等しく印加される負のバイアス電圧の大きさを増大することによって、電子ビーム２４は増大した収斂角αで収斂し、また各々の電極４２，４４に印加される正のバイアス電圧の大きさを増大することによって、電子ビーム２４は増大した発散角（図示せず）で発散する。２つの電極４２及び４４に非対称なバイアス電圧を印加することにより電子ビーム２４が偏向され、その偏向角θ（図３に示す）の大きさは２つの電極４２及び４４の間の電圧差の大きさに正比例する。一般に、電極４２及び４４における最小のバイアス電圧で電子ビーム２４を集束し又は動かすように所望の指令を遂行することが好ましい。単一の軸に沿って電子ビーム２４を集束及び／又は偏向するように構成された一対の電極４２及び４４を含むものとして本発明を記載しているが、別の実施形態では、他の軸方向に電子ビームを集束及び／又は偏向するために追加の電極対（図示せず）を設けることができることを理解されたい。

前に述べたように、陽極１２を陰極組立体１４からより遠く離すように移すことが有利なことがある。このような一つの利点は、電子ビーム２４を集束及び／又は偏向するために必要とされる電極４２及び４４のバイアス電圧を低下させることに関する。図２を参照すると分かるように、陰極組立体１４と陽極１２との間の距離（Ｌ_ｃａ）を増大することによって、所与の寸法Ｌ_ｆｓの焦点を生じさせるのに必要な収斂角αが減少する。収斂角αの減少は、電極４２及び４４の必要なバイアス電圧を対応的に低減させる。同様に、図３を参照すると分かるように、陰極組立体１４と陽極１２との間の距離（Ｌ_ｃａ）を増大することによって、所与の量ΔＸ_ｆｓの焦点の動きを生じさせるのに必要な偏向角θが減少する。偏向角θの減少は、電極４２及び４４の間の必要なバイアス電圧差を対応的に減少させる。

電子ビーム２４を偏向するために必要とされる電極４２及び４４のバイアス電圧の減少は、「二重サンプリング」を使用する用途にとって特に有利である。「二重サンプリング」は、エリアシングの影響を防止して、それによって画像品質を改善するために、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムで使用されている手法である。二重サンプリングは、２つの別々の画像を数値で評価することによって達成することができる。２つの画像は一般に、陽極１２のターゲット軌道３４上の２つの異なる位置の間で焦点２８を動かすことによって得られる。２つの画像を得るために焦点２８を急速に往復動させるプロセスは、「揺動(wobbling)」と呼ぶことができる。揺動は、前に述べたのと同様な態様で電子ビーム２４を所定の量だけ偏向させるために電極４２及び４４の各々に印加されるバイアス電圧を急速に変化させることによって生じる。バイアス電圧を急速に変化させるプロセスは、電子的バイアス電圧スイッチング部品中に、バイアス電圧の変化の大きさに比例する量だけ熱を生成させる。従って、所与の量の電子ビームの偏向のために必要なバイアス電圧差を最小にすることによって、揺動中に生成される熱を少なくし、これによりバイアス電圧電源装置の耐久力改善し且つ電源装置の冷却に関連した費用を最小にする。

有利なことは、部材２０を取り入れたことにより、焦点２８を電界３６内の位置から無電界領域３８内の位置へ移し替える効果が得られることである。当業者に理解されるように、高電圧不安定性はしばしば焦点２８の加熱に起因した陽極１２の局在化したガス放出によって引き起こされる。焦点２８を無電界領域３８の中へ移すことによって、高電圧破壊事象はもはや焦点２８で発生することはあり得ず、従って、一層安定なＸ線管の動作が可能になる。この高電圧安定性の改善により、より一層良好な画像品質を得ることができる。

再び図１を参照して説明すると、好ましい実施形態による部材２０は、矩形の開口２２を持つほぼ円板の形状として示されている。開口２２は、電子ビーム２４の寸法及び形状に順応することを意味する順応性であることが好ましく、電子ビームも矩形であることが好ましい。本発明の一実施形態によれば、開口２２の寸法は、ビーム２４の寸法が最大であって最も大きく偏向されたときの電子ビーム２４を丁度収容する大きさである。上述した態様で開口２２の寸法を最小にすることによって、部材２０は、電界３６（図２に示す）と無電界領域３８（図２に示す）との間の分離を維持するのにより良く適応する。好ましい実施形態による部材２０及び開口２２を図示し説明したが、代替の部材及び／又は開口の形状構成も考えられ得ることを理解されたい。

図４について説明すると、一実施形態による部材５０を例示する概略断面図である。図２の構成部品と同様な構成部品を記述するために同じ参照符号を使用する。陰極組立体１４からの電子ビーム２４は部材５０の開口５２を通り抜けて、陽極１２上の焦点２８に衝突する。有利なことに、部材５０は電界強度を計算するための「偽の陽極」として作用することができる。部材５０を陰極組立体１４と陽極１２との間に挿入配置することによって、且つ陰極組立体１４、陽極１２及び部材５０をそれぞれの所定の電位に維持することによって、陰極組立体１４と部材５０との間に電界５６が生成され、また部材５０と陽極１２との間に無電界領域３８が生成される。より正確に述べると、電界５６及び無電界領域３８を生成するために、陰極組立体１４が第１の電位Ｖ_１に保持されると共に、部材５０が第２の電位Ｖ_２に保持され、第２の電位Ｖ_２は単極管ではゼロにするか又は接地することができ、また陽極１２も第２の電位Ｖ_２に保持される。電子２６が陰極組立体１４から部材５０へ電界５６によって加速され、その後、電子２６は部材５０から陽極１２へ無電界領域３８の中を漂流する。

部材５０は、概して陰極１４に面している第１の表面５８、及び概して陽極１２に面している第２の表面６０を含む。第１の表面５８は半径方向内側端部６２及び半径方向外側端部６４を含む。陰極１４に対する第１の表面５８の相対的な配向を変更することにより電子ビーム２４をより急速に収斂又は発散させることできることが観察された。より正確に述べると、部材５０を図４に示されているように構成して、第１の表面５８の半径方向内側端部６２が第１の表面５８の半径方向外側端部６４よりも陰極１４に近づくようにすることによって、電界５６は電子ビーム２４をより急速に収斂させるような態様で変形される。同様に、図には示されていないけれども、第１の表面５８の半径方向外側端部６４が第１の表面５８の半径方向内側端部６２よりも陰極１４に近づくようにすることによって、電子ビーム２４をより急速に発散させることができる。従って、部材５０の第１の表面５８は、電子ビーム２４の焦点を制御するために所定の態様で成形又は配向することができる。

本発明を好ましい実施形態に関して説明したが、当業者には、本発明の精神から逸脱することなくそれらの実施形態に対して種々の特定の置換、変更および省略を行うことができることが理解されよう。従って、上述の詳しい説明は典型的なものに過ぎないこと意味していて、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するものではない。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

一実施形態によるＸ線管の断面斜視図である。陰極組立体から陽極への電子ビームの送出を例示する概略断面図である。図２の電子ビームの偏向を例示する概略断面図である。一実施形態によるＸ線管を示す概略断面図である。

符号の説明

１０Ｘ線管
１２陽極
１４陰極組立体
１６真空
１８真空外被
２０部材
２２開口
２４電子ビーム
２６電子
２８焦点
３０Ｘ線
３２窓
３４ターゲット軌道
３６電界
３８無電界領域
５０部材
５２開口
５６電界
５８第１の表面
６０第２の表面
６２（第１の表面の）半径方向内側端部
６４（第１の表面の）半径方向外側端部

Claims

真空外被（１８）と、
前記真空外被（１８）内に配置された陰極組立体（１４）であって、複数の電子（２６）より成る電子ビーム（２４）を送出するように構成されていて、一般に第１の電圧に維持される陰極組立体（１４）と、
前記真空外被（１８）内に配置されていて、一般に第２の電圧に維持される陽極（１２）と、
前記真空外被（１８）内で前記陰極組立体（１４）と前記陽極（１２）との間に配置された部材（２０）であって、電子ビーム（２４）が通り抜ける開口（２２）を規定し、且つ一般に前記第２の電圧に維持される部材（２０）と、
を有しているＸ線装置（１０）。
更に、前記複数の電子（２６）を加速するのに適した電界（３６）が、実質的に前記陰極組立体（１４）と前記部材（２０）との間に生成され、また、その中を前記複数の電子（２６）が漂流する無電界領域（３８）が、実質的に前記部材（２０）と前記陽極（１２）との間に規定される請求項１記載のＸ線装置。
前記開口（２２）は、前記電界（３６）と前記無電界領域（３８）との間の分離を良好に保つために電子ビーム（２４）の大きさ及び形状に大体順応している、請求項２記載のＸ線装置。
前記陰極組立体（１４）は、第１の電極（４２）と第２の電極（４４）との間に配置されたエミッタ（４０）を含んでいる、請求項３記載のＸ線装置。
前記第１の電極（４２）及び第２の電極（４４）は、これらの第１の電極（４２）及び第２の電極（４４）の各々に独立にバイアス電圧を印加することによって電子ビーム（２４）を選択的に集束及び／又は偏向するように構成されている、請求項４記載のＸ線装置。
前記部材（２０）は、電子ビーム（２４）集束し偏向するためのバイアス電圧要件を低減するために前記電界（３６）の強度を損なうことなく前記陰極組立体（１４）及び前記陽極（１２）を分離することができるように構成されている、請求項５記載のＸ線装置。
前記Ｘ線装置（１０）は単極Ｘ線管であり、また前記第２の電圧はゼロである、請求項６記載のＸ線装置。
前記Ｘ線装置（１０）は双極Ｘ線管である、請求項６記載のＸ線装置。
前記部材（２０）は概して前記陰極組立体（１４）に面している表面（５８）を含み、前記表面（５８）は前記電子ビーム（２４）を集束するのに適した態様で配向されている、請求項１記載のＸ線装置。