JP2009021032A

JP2009021032A - Ｘ線発生管

Info

Publication number: JP2009021032A
Application number: JP2007180877A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Inaba; 仁稲葉
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2009-01-29

Abstract

【課題】ターゲット周辺の保持構造体に対する漏洩電流を防止でき、コンパクト化と高出力が可能なＸ線管を提供する。
【解決手段】絶縁筐体１０の内部に冷陰極エミッタ２６とターゲット２５を対向配置させ、絶縁筐体１０の一部に、周囲を保持構造体１２に保持させたＸ線透過窓１１を設けたＸ線発生装置１であって、冷陰極エミッタ２５より発生されて、ターゲット２６に照射される電子を通すための開口部３６が形成された絶縁部材３５が、冷陰極エミッタ２５とターゲット２６の間に配置されている。ターゲット２６に照射される電子を絶縁部材３５に形成した開口部３６に通すことにより、冷陰極エミッタ２５からターゲット２６に照射される電子の範囲を規制し、ターゲット２６周辺の保持構造体１２に対する漏洩電流を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線発生管に関する。

加速電子を金属膜（ターゲット）に照射させることで、制動Ｘ線や特性Ｘ線の形態でＸ線を発生させるＸ線発生管が知られている。従来、この種のＸ線発生管として、ガラス製の絶縁筐体の内部に熱電子による電子線を放出するフィラメントとターゲットを対向配置させ、絶縁筐体の一部に、周囲を接続ジョイント等の保持構造体で保持させたＸ線透過窓を設けたＸ線発生管が知られている（例えば特許文献１）。

また、最近ではカーボンナノチューブなどのごとき冷陰極エミッタを用いたＸ線発生管も提案されている（例えば特許文献２）。このカーボンナノチューブは直径がナノメータ（１０のマイナス９乗メートル）オーダの円筒構造を持つ炭素材料である。カーボンナノチューブは、常温において電子放出が可能であるので、カーボンナノチューブをＸ線発生管の陰極として用いることができれば、加熱電源も不要となり、消費電力を少なくできる。

以上のようなＸ線発生管において、Ｘ線を外部に取り出すためのＸ線透過窓としては、Ｘ線透過能が極めて高いＢｅが使われる。Ｂｅは、例えば２０ｋＶ以下といった比較的低いエネルギーのＸ線を容易に透過できる。

一方、Ｘ線管を構成する絶縁筐体は高い絶縁性が必要であり、一般にはガラス筐体が用いられる。ところがＢｅとガラスとは接合技術がなく、絶縁筐体の一部にＸ線透過窓を設ける場合、絶縁筐体とＸ線透過窓の間に、両者の接合を可能にさせるための保持構造体（接続ジョイント等）を介在させている。この保持構造体の一部には、熱膨張特性がガラスに近い性質を有するとの理由からコバールが用いられている（例えば特許文献３）。
特開２００４−２３５１１３号公報特開２００１−２６６７８０号公報特開平１０−２２８８７５号公報

上述したように、Ｘ線発生管では、Ｘ線透過窓の周辺にコバールを介在させた保持構造体が必ず設けられている。この保持構造体は、ターゲットと共に接地されて同電位となるので、本来ターゲットへ照射されるべき有効な電子電流以外に、位置関係によってはターゲット周辺の保持構造体にも一部の電子が直接到達することとなる。このようにターゲット周辺の保持構造体に到達した電子は漏洩電流となり、Ｘ線発生効率の低下原因となる。特に、高出力、つまり高い電子密度で使用される場合は、中心部の有効な電子電流流路空間はより負電位に偏るため、保持構造体への漏洩電流の割合がますます増加する傾向にあり、効率は高出力化と共に低下する。

このような欠点の防止策としては、以下の２つが取られているのが現状である。
（１）冷陰極エミッタに対してターゲットのサイズをより大きくすることで、周辺の保持構造体までの距離をターゲットのサイズをより大きくし、保持構造体をターゲットに比べてより遠ざける。
（２）低い電子電流密度で使用することで、中心部の負電位側への空間電位の変化を抑制し、保持構造体への漏洩電流を抑制する。

しかし、前記（１）では、高価なＢｅで構成されるＸ線透過窓のサイズを大きくしなければならないので、Ｘ線管の価格が高くなり、かつＸ線管のコンパクト化が達成できない。また、前記（２）では、より高出力のＸ線管が作れない、という課題がある。

したがって本発明の目的は、ターゲット周辺の保持構造体に対する漏洩電流を防止でき、コンパクト化と高出力が可能なＸ線管を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明によれば、絶縁筐体の内部に冷陰極エミッタとターゲットを対向配置させ、前記絶縁筐体の一部に、周囲を保持構造体に保持させたＸ線透過窓を設けたＸ線発生装置であって、前記冷陰極エミッタより発生されて、前記ターゲットに照射される電子を通すための開口部が形成された絶縁部材が、前記冷陰極エミッタと前記ターゲットの間に配置されていることを特徴とする、Ｘ線発生管が提供される。前記冷陰極エミッタからは、前記開口部を通じて前記ターゲットのみが見え、前記保持構造体が見えない位置関係になっていることが望ましい。あるいは、前記冷陰極エミッタのいずれの位置においても、前記保持構造体までの最短距離Ｄ_１が、前記ターゲットまでの最短距離Ｄの１．１倍以上であることが望ましい。

本発明にあっては、冷陰極エミッタとターゲットの間に絶縁部材を配置し、ターゲットに照射される電子を絶縁部材に形成した開口部に通すことにより、冷陰極エミッタからターゲットに照射される電子の範囲を規制し、ターゲット周辺の保持構造体に対する漏洩電流を防止する。

本発明において、前記絶縁部材は、例えば、高さ（Ｈ）３ｍｍ〜１０ｍｍの筒形状である。この場合、筒形状は円筒形状、多角筒形状のいずれでも良い。また、前記絶縁部材は、例えば、冷陰極エミッタから前記ターゲットの間に渡って設けられている。また、前記絶縁部材は、例えば、中央に開口部が形成された板形状である。

本発明によれば、冷陰極エミッタからターゲットに照射される電子の範囲を規制して、ターゲット周辺の保持構造体に対する漏洩電流を防止することができる。ターゲットのサイズを大きくすることなく、保持構造体に対する漏洩電流を防止できるので、コンパクトなＸ線発生管を提供できる。また、高出力が可能なＸ線管も提供できるようになる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるＸ線発生管１の縦断面図（図２におけるＢ−Ｂ’線断面図）である。図２は、本発明の実施の形態にかかるＸ線発生管１の横断面図（図１におけるＡ−Ａ’線断面図）である。図３は、保持構造体１２の部分拡大図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１、２に示すように、Ｘ線発生管１は、底面が塞がれた円筒形状の絶縁筐体１０の上面を、円盤形状のＸ線透過窓１１で塞いだ密閉構造である。絶縁筐体１０は、例えば硬質ガラスなどの絶縁物からなる。Ｘ線透過窓１１は、Ｘ線透過能が極めて高いＢｅからなる。Ｘ線透過窓１１の周囲は、保持構造体１２を介して、絶縁筐体１０の上面に保持されている。

図３に示すように、保持構造体１２は、ガラス部１５、金属部１６、窓保持部１７を下から順に重ねた構成である。これらガラス部１５、金属部１６、窓保持部１７は、いずれもリング形状を有している。ガラス部１５は、コバールガラスからなる。金属部１６はコバールからなる。窓保持部１７は、例えばステンレスなどからなり、窓保持部１７の内周側には、Ｘ線透過窓１１の周囲下面を保持するための段部１７’が形成されている。段部１７’とＸ線透過窓１１の周囲下面との間は、ロウ付け溶接１８されている。絶縁筐体１０とガラス部１５の間、ガラス部１５と金属部１６の間、金属部１６と窓保持部１７の間は、例えば溶接によって接合されている。このような保持構造体１２を介して、絶縁筐体１０の上面にＸ線透過窓１１を取付けることにより、絶縁筐体１０の内部は、密閉された状態となっている。

図１、２に示すように、窓保持部１７には、接地電極２０が接続されている。これにより、窓保持部１７およびＸ線透過窓１１が接地電位に維持されている。

絶縁筐体１０の内部には、ターゲット２５と冷陰極エミッタ２６が上下に対向して平行に配置させられている。ターゲット２５には、例えばＷ、Ｃｕ、Ｍｏ等の、電子の照射によってＸ線を発生させる材料が用いられる。ターゲット２５は、Ｘ線透過窓１１の下面に支持されており、これにより、ターゲット２５は、Ｘ線透過窓１１と同じ接地電位に維持されている。

冷陰極エミッタ２６は、絶縁筐体１０の底面中央に配置されている。冷陰極エミッタ２６は、ニッケル板などで構成される電極ベースの表面にカーボンナノチューブやカーボンナノダイヤモンドなどのエミッタを固定した構成である。冷陰極エミッタ２６には、絶縁筐体１０の外部に配置された陰極電源２７から印電圧が印加される。

絶縁筐体１０の底面には、排気ポート３０が設けられている。この排気ポート３０を通じて、絶縁筐体１０の内部が減圧される。

ターゲット２５と冷陰極エミッタ２６の間には絶縁部材３５が配置されている。図１、２に示すＸ線発生管１では、絶縁部材３５は、中央に開口部３６が形成された円筒形状である。絶縁部材３５は、絶縁筐体１０の底面から上方に突出するように設けられており、開口部３６の最下部に、冷陰極エミッタ２６が収納されている。これにより、冷陰極エミッタ２６より発生されて、ターゲット２５に照射される電子が、絶縁部材３５に形成された開口部３６を通るようになっている。

また、図１に示した実施の形態では、絶縁部材３５ｎｏ高さ（Ｈ）が十分に大きく設定されており、絶縁部材３５の開口部３６の最下部（内部底部）に冷陰極エミッタ２６が収納されたことにより、冷陰極エミッタ２６からは、開口部３６を通じてターゲット２５のみが見え、保持構造体１２は直接見えない位置関係になっている。即ち、図１に示した実施の形態では、絶縁部材３５が十分な高さを有しているため、冷陰極エミッタ２６のいずれのいずれの位置においても、ターゲット２５のみが見え、絶縁部材３５が邪魔となって、冷陰極エミッタ２６からは保持構造体１２を直接見ることができない。

以上のように構成されたＸ線発生管１において、陰極電源２７から冷陰極エミッタ２６に印電圧が印加されることにより、冷陰極エミッタ２６から飛び出た電子がターゲット２１に照射される。これにより、ターゲット２５からＸ線が発生し、こうして発生させたＸ線を、Ｘ線透過窓１１を通して外部に透過させることができる。

このＸ線発生管１によれば、冷陰極エミッタ２６とターゲット２５の間に絶縁部材３５が配置されており、ターゲット２５には、絶縁部材３５の開口部３６を通った電子が照射される。このため、開口部３６によって、冷陰極エミッタ２６からターゲット２５に照射される電子の範囲が規制される。この場合、冷陰極エミッタ２６からは、開口部３６を通じてターゲット２５のみが見え、保持構造体１２は直接見えない位置関係になっている。その結果、ターゲット２５周辺の保持構造体１２に照射される電子が著しく減少し、保持構造体１２に対する漏洩電流が抑制される。Ｘ線透過窓１１のサイズを大きくすることなく漏洩電流の抑制ができるため、Ｘ線発生管１の価格高騰を回避でき、かつコンパクトなＸ線発生管１を提供できる。また、より高出力のＸ線発生管１を製造できるようになる。

また、Ｘ線透過窓１１の周囲を保持する保持構造体１２の一部に、熱膨張係数が絶縁筐体１０（ガラス）とほぼ等しいコバールからなる金属部１６を用いているので、Ｘ線発生中にＸ線発生管１が高温になっても、Ｘ線透過窓１１と絶縁筐体１０との間の大きな熱応力が発生せず、絶縁筐体１０の破損を防止できる。更に、冷陰極エミッタ２６にカーボンナノチューブを使用することにより、常温において電界放出が可能となり、加熱電源も不要となり、消費電力を少なくできる。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

図１に示した実施の形態では、絶縁部材３５が十分な高さを有しているため、冷陰極エミッタ２６からは、開口部３６を通じてターゲット２５のみが見え、保持構造体１２は直接見えないように構成された例を説明したが、図４に示したように、冷陰極エミッタ２６のいずれの位置においても、保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１が、ターゲット２５までの最短距離Ｄの１．１倍以上となっていれば、冷陰極エミッタ２６から保持構造体１２を直接見ることができても構わない。即ち、後に実施例で説明するように、冷陰極エミッタ２６のいずれの位置においても、保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１が、ターゲット２５までの最短距離Ｄの１．１倍以上となるように設定されていれば、保持構造体１２に対する漏洩電流が有効に抑制される。

本発明のＸ線発生管１において、絶縁部材３５の高さ（Ｈ）が３ｍｍ〜１０ｍｍであれば、冷陰極エミッタ２６からは、開口部３６を通じてターゲット２５のみが見え、保持構造体１２は直接見えないように構成されるか、もしくは、冷陰極エミッタ２６のいずれの位置においても、保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１が、ターゲット２５までの最短距離Ｄの１．１倍以上となるように設定することができる。即ち、本発明のＸ線発生管１において、冷陰極エミッタ２６からターゲット２５までの距離（最短距離Ｄ）は８〜１０ｍｍであるので、絶縁部材３５の高さ（Ｈ）は必然的に１０ｍｍ以下である。また、絶縁部材３５の高さ（Ｈ）が３ｍｍ以上であれば、冷陰極エミッタ２６のいずれの位置においても、冷陰極エミッタ２６から保持構造体１２が直接見えなくなるか、もしくは、保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１が、ターゲット２５までの最短距離Ｄの１．１倍以上となるように設定することができる。

また、例えば図５に示すように、絶縁部材３５が、冷陰極エミッタ２６からターゲット２５の間のほぼ全体に渡って設けられていても良い。即ち、図５に示す絶縁部材３５は傾斜して起立し、冷陰極エミッタ２６をすり鉢状に覆っている。換言すれば、冷陰極エミッタ２６の外周縁と窓保持部１７の内周縁間に僅かな隙間を持って絶縁部材３５が立設されている。なお、絶縁部材３５と窓保持部１７の間は接していても良いが、製作時に絶縁筐体１０内の真空引きを容易にさせるために、適当な隙間があっても良い。この図５に示すＸ線発生管１によれば、保持構造体１２に照射される電子が更に減少し、保持構造体１２に対する漏洩電流がより確実に抑制される。

また、図６、７に示すように、絶縁部材３５が、中央に開口部３６が形成された板形状であっても良い。図６、７に示すＸ線発生管１では、ターゲット２５と冷陰極エミッタ２６の間に、ターゲット２５と冷陰極エミッタ２６に対して平行に板形状の絶縁部材３５が配置させられている。絶縁部材３５の中央には開口部３６が形成されており、冷陰極エミッタ２６より発生されて、ターゲット２５に照射される電子が、絶縁部材３５に形成された開口部３６を通るようになっている。より具体的には、絶縁部材３５は冷陰極エミッタ２６と平面上で重なることなく、その外周方向を覆っている。

但し、図６に示すＸ線発生管１では、保持構造体１２の内周面に絶縁部材３５が取付けられており、窓保持部１７のすぐ下方において、窓保持部１７下面全体を覆い隠すように、絶縁部材３５が配置されている。図７に示すＸ線発生管１では、図５に示すＸ線発生管１よりも絶縁部材３５が下方に配置されており、絶縁部材３５は、絶縁筐体１０の内周面に取付けられている。なお、図７に示すＸ線発生管１では、図６に示すＸ線発生管１に比べて、絶縁部材３５に形成された開口部３６のサイズを小さくする必要がある。この場合、開口部３６のサイズは、冷陰極エミッタ２６のいずれのいずれの位置においても、ターゲット２５のみが見えるようにするか、あるいは、冷陰極エミッタ２６のいずれの位置においても、保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１が、ターゲット２５までの最短距離Ｄの１．１倍以上となる関係を満足させれば良い。

また、Ｘ線発生管１の形状は、円筒形状に限らず、立方体形状、直方体形状、その他の多角形状でも良い。図８は、直方体形状に構成した絶縁筐体１０の内部に角筒状の絶縁部材３５を配置したＸ線発生管１の横断面図である。この図８に示すＸ線発生管１の場合、絶縁部材３５から絶縁筐体１０の内壁までの距離Ｙは、冷陰極エミッタ２６の短辺幅Ｘ（＜８ｍｍ）の半分よりも大きい（Ｙ＞Ｘ／２）ことが望ましい。

（実施例１）
図１、２に示したＸ線発生管１を用い、絶縁部材３５を有していない従来のＸ線発生管との発生Ｘ線強度を比較した。冷陰極エミッタ２６として５ｍｍφのナノダイヤモンドエミッタを使用し、ターゲット２５として１００μｍ厚さのＭｏを用いた。ターゲット２５周辺の保持構造体１２への放電（＝電子電流）を防止する絶縁部材３５の高さ（Ｈ）＝５ｍｍ、冷陰極エミッタ２６とターゲット２５間の距離Ｄ＝８ｍｍ、Ｘ線透過窓１１（Ｂｅ窓）の有効サイズ（Ｗ）＝１０ｍｍφとした。

本実施例にかかるＸ線発生管１のＸ線強度を、放電防止用の絶縁部材がない従来のＸ線発生管との比較で評価した。結果を表１に示す。Ｘ線強度は、半導体Ｘ線センサの出力（電圧値）で評価している。

エミッタ電圧を大きくするに従いエミッタ電流、Ｘ線強度とも増加している。しかし、本実施例にかかるＸ線発生管１ではエミッタ電流に比例してＸ線強度が増加しているのに対して、従来型ではＸ線強度の増加が緩やかであることが分かる。エミッタ電圧が弱いときは差が小さいが、エミッタ電圧が強くなるにつれてその差は大きくなっており、−１０ｋＶでは１．７倍もの差になっている。つまり、同じ消費電力でこれだけの差、つまりＸ線発生効率が１．７倍にもなっていることになる。この差が、エミッタ電流がターゲット周辺の保持構造体に漏洩した分であることは明らかである。このように、絶縁部材の有効性が実証された。

（実施例２）
次に、冷陰極エミッタ２６からターゲット２５までの最短距離Ｄと、冷陰極エミッタ２６から保持構造体１２までの最短距離Ｄ_１について検討した。表２に検討結果を示す。エミッタ電圧が-9kVまでは、距離比（Ｄ_１／Ｄ）が1.09倍以上で保持構造体１２への漏洩電流が防止でき、-10kVでは1.1倍以上で防止できた。通常のＸ線発生管１の使用範囲であれば、距離比（Ｄ_１／Ｄ）が１．１倍であれば、通常の電子電流（最大でも数ｍＡ）の範囲では、漏洩電流が有効に防止される。

本発明の実施の形態にかかるＸ線発生管の縦断面図（図２におけるＢ−Ｂ’線断面図）である。本発明の実施の形態にかかるＸ線発生管の横断面図（図１におけるＡ−Ａ’線断面図）である。保持構造体の部分拡大図である。冷陰極エミッタから保持構造体までの最短距離を、冷陰極エミッタからターゲットまでの最短距離の１．１倍以上とした実施の形態にかかるＸ線発生管の縦断面図である。冷陰極エミッタからターゲットの間のほぼ全体に渡って絶縁部材が設けられているＸ線発生管の縦断面図である。絶縁部材が中央に開口部が形成された板形状であるＸ線発生管の縦断面図である。絶縁部材が中央に開口部が形成された板形状であるＸ線発生管の縦断面図であり、図６に示すＸ線発生管よりも絶縁部材が下方に配置されている。直方体形状に構成したＸ線発生管の横断面図である。

符号の説明

１Ｘ線発生管
１０絶縁筐体
１１Ｘ線透過窓
１２保持構造体
１５ガラス部
１６金属部
１７窓保持部
２０接地電極
２５ターゲット
２６冷陰極エミッタ
２７陰極電源
３０排気ポート
３５絶縁部材
３６開口部

Claims

絶縁筐体の内部に冷陰極エミッタとターゲットを対向配置させ、前記絶縁筐体の一部に、周囲を保持構造体に保持させたＸ線透過窓を設けたＸ線発生装置であって、
前記冷陰極エミッタより発生されて、前記ターゲットに照射される電子を通すための開口部が形成された絶縁部材が、前記冷陰極エミッタと前記ターゲットの間に配置されていることを特徴とする、Ｘ線発生管。
前記冷陰極エミッタからは、前記開口部を通じて前記ターゲットのみが見え、前記保持構造体が見えない位置関係になっていることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生管。
前記冷陰極エミッタのいずれの位置においても、前記保持構造体までの最短距離Ｄ_１が、前記ターゲットまでの最短距離Ｄの１．１倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生管。
前記絶縁部材が、高さ（Ｈ）３ｍｍ〜１０ｍｍの筒形状であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線発生管。
前記絶縁部材が、冷陰極エミッタから前記ターゲットの間に渡って設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線発生管。
前記絶縁部材が、中央に開口部が形成された板形状であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線発生管。