JP2009081108A

JP2009081108A - Ｘ線管

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Publication number: JP2009081108A
Application number: JP2007251040A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Takeuchi; 良三武内; Yutaka Morita; 森田　　裕; Toshiyuki Yokosuka; 俊之横須賀; Yoshitaka Seki; 善隆関; Yoshiaki Tsuburaya; 喜明円谷
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP4922884B2

Abstract

【課題】Ｘ線管の経時劣化を低減する。
【解決手段】陰極３と陽極４との間の中間の電圧に維持される中間電位電極５を備え、中間電位電極５と陰極３との間に陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とを対向させて挿入する。中間電位電極５は、陰極３を保持するステムガラス８の外周を囲む外囲器ガラス２の縁部に取り付けられ、陽極４に対して陰極３の裏面側に配設される。陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とは、陰極３と陽極４との間に印加される印加電圧を暗電流から絶縁破壊電流に至る閾値電流で除した値以上の抵抗値を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空内で電圧が印加され、対向する電極を備えるＸ線管に関する。

従来のＸ線管は、電界集中を緩和するように円筒状に丸めた金属板を直流の高電圧となる金属電極の周囲に設けたシールド電極を備えている。このシールド電極により、電極表面付近の電界分布が放電開始条件以下にされている。例えば、特許文献１には、湾曲したコロナシールドを陽極側に設けている。また、特許文献２には、陽極側の金属電極からガラスの筒が延長されており、陰極側から放出される電子が外容器のガラス面に付着して耐電圧性能が低下することを防止する技術が開示されている。
特表２００５−５１６３６７号公報特開昭５７−９０８５６号公報

Ｘ線管は、製作当初に十分な耐電圧性能を有していても、使用することによって徐々に直流の耐電圧性能が低下する経時劣化を伴うものである。すなわち、Ｘ線管は、陰極から陽極（ターゲット金属）に向かって放出される大量の電子以外に、他の金属部材（例えば、シールド電極）に衝突する電子群が陰極から発生することがある。この電子群が衝突したときの発生熱によって、金属部材を構成する固体金属材料の一部が溶融し、溶融した固体金属材料の一部が逆極性の電極に飛散する。そして、飛散した固体金属材料の一部が他の固体材料の表面に付着し、その固体材料の表面に微小な突起が形成され、この突起による電界集中によって、耐電圧性能が劣化する。これにより、Ｘ線管は、各部分が経時劣化し、寿命が短くなる。

そこで、本発明は、経時劣化を低減することができるＸ線管を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明のＸ線管は、真空内で電圧が印加され、対向する金属電極を備えるＸ線管であって、前記金属電極は、抵抗材料からなる抵抗体を有し、前記抵抗体は、対向するように配置されたことを特徴とする。また、前記金属電極は、一方が抵抗材料からなる抵抗体を有し、前記抵抗体は、他方の金属電極に対向してもよい。言い換えれば、前記金属電極は、抵抗材料からなる抵抗体を少なくとも何れか一方の金属電極に有し、前記抵抗体は、他方の金属電極に対向させたことを特徴とする。

Ｘ線管は、金属電極間に流れる放電電流が所定値以上になると絶縁破壊を生じる性質を備え、熱電子の衝突熱により対向する金属電極が溶融し、溶融した金属が管面に付着することによって経時劣化が生じる。
ここで、Ｘ線管は、抵抗体を金属電極に設けることにより、放電電流が制限され、絶縁破壊が生じにくくなる。このため、対向する金属電極の溶融が少なくなり、Ｘ線管の経時劣化が低減される。また、前記対向する金属電極は、陽極と陰極との間の中間電位に維持される中間電位電極と、これに対向する前記陰極とを備えている場合は、中間電位電極と陰極との間で対向しており、その間に抵抗体を設けることが好ましい。

本発明によれば、Ｘ線管の経時劣化を低減することができる。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態であるＸ線管の構成図である。
Ｘ線管１は、ガラス製の外囲器ガラス２と、外囲器ガラス２の内部に格納された電子線源である陰極３と、その電子線が照射されるとＸ線を発生する円盤状の陽極４とを真空容器内に備え、金属電極である陰極３と金属電極である陽極４との間に直流高電圧が印加されるようになっている。陰極３には、円環状のフィラメント３ａが内蔵され、フィラメント３ａから放出された熱電子が直流高電圧により加速されて、陽極４の表面に埋め込まれているターゲットに衝突し、Ｘ線が発生するようになっている。なお、通常、陽極４は、熱伝導率が大きい銅が用いられ、これに埋め込まれるターゲットには、仕事関数が大きく、高融点のタングステンやタングステンとモリブデンの張り合わせが使用される。また、フィラメント３ａもタングステンが使用されるが、熱電子を放出しやすいように、例えば、酸化金属やトリウムの単原子層が表面に形成されている。

また、Ｘ線管１は、陰極３と陽極４との間の中間の電位に維持されたＬ字状の中間電位電極５が備えられ、金属電極である中間電位電極５が陰極３の裏面側（外囲器ガラス２とセンタバルブとの境界部）に配設され、陰極近傍の電界分布を緩和している。すなわち、陰極３は、陽極４と中間電位電極５との間に配設されている。外囲器ガラス２は、底面を有した円筒状のものであり、縁部に中間電位電極５を設けている。また、ステムガラス８は、外囲器ガラス２と一体形成された回転体であり、外囲器ガラス２の内面と共に陰極３と中間電位電極５との間の沿面放電を回避するために設けられている。なお、外囲器ガラス２とセンタバルブとは、中間電位電極５を介して連結されている。

また、Ｘ線管１は、本実施形態の特徴構成である陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とを同心状に対向させている。陰極用抵抗体６は陰極３に電気的に接続されており、中間電位電極用抵抗体７は中間電位電極５に電気的に接続されている。陰極３と中間電位電極５とは真空によって直接的に絶縁され、また、陰極３と中間電位電極５とはステムガラス８の沿面及び外囲器ガラス２の内面を介して絶縁されている。すなわち、陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とは、真空中を対向しており、矢印Ａのように対向方向に電位分布が形成され、また矢印Ｂのように、ステムガラス８の沿面に沿って電位分布が形成されている。

図２は、金属電極を対向させて電圧をかける比較例の対向電極の概念図である。図２では、円環状の中間電位電極１０の先端に円環状の中間電位金属製シールド１１を配置し、円環状の陰極側金属電極１２の先端に円環状の陰極側金属製シールド１３を配置している。この中間電位金属製シールド１１及び陰極側金属製シールド１３は、陰極側金属電極１２と中間電位電極１０との近傍の電界を緩和し、それぞれの電界分布を放電開始条件以下に制限している。なお、図２は概念図であり、中間電位金属製シールド１１と陰極側金属製シールド１３とは軸方向に対向しているように記載されているが、実際には同心円状に径方向に対向している。

図３は、図２の比較例の構成で電圧を印加した場合の電界強度―放電電流特性である。図３において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）であり、縦軸は放電電流（Ａ）である。Ｘ線管１は、電界強度の増加と共に放電電流も増加し、その途中経過及び絶縁破壊電圧が若干のバラツキを有していても、電流値が２μＡの一定値（放電開始電流、放電開始条件）を超えると放電電流は急増する。なお、電界強度１５ｋＶ／ｍｍのとき、電極間距離５ｍｍとすると、絶縁破壊電圧は、約７５ｋＶである。

すなわち、低電界では、電界放出により陰極３から放出された電子が電極間の電界強度に比例した速度で中間電位電極１０まで移動する。そして、陰極３から放出された電子が中間電位電極１０に到達すると、中間電位電極１０からガスが発生し、衝突熱により金属が溶融する。ガスがイオン化したガスイオン、あるいは溶融した金属イオンが電界強度に比例した速度で陰極３まで移動する。これらにより、低電界では、電子及びイオンの移動による、極めて微弱な暗電流が流れる。一方、放電電流が一定値（放電開始条件）を超える高電界では、イオンが陰極３で衝突して、二次電子が放出され、電流が増倍する全路フラッシュオーバとなり、絶縁破壊に至る。

したがって、Ｘ線管１は、放電電流の増加を防ぐことができれば、絶縁破壊に至る電界強度を上げることができる。また、Ｘ線管１は、溶融した陽極金属が電界によって飛散することによっても、放電電流が増加するので、陽極側材料の融点を高くすることによっても絶縁破壊に至る電界強度を上げることができる。

図４は、本実施形態のＸ線管１の電極構成の概念図である。陰極３の先端に円環状の陰極用抵抗体６が設けられ、円環状の中間電位電極５の先端に円環状の中間電位電極用抵抗体７が設けられ、陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とは互いに対向している。また、中間電位側リード線１６が中間電位電極５と中間電位電極用抵抗体７とを接続し、陰極側リード線１７が陰極３と陰極用抵抗体６とを接続している。すなわち、図４は、図２の金属シールド（中間電位金属製シールド１１，陰極側金属製シールド１３）に代えて抵抗体（陰極用抵抗体６，中間電位電極用抵抗体７）を配置したものである。

図５は、図１のＸ線管１の対向電極とこの印加電源との等価回路である。陰極３と陽極４との間には、（Ｅ１＋Ｅ２）の直流高電圧が印加されており、中間電位電極５と陰極３との間には、電圧Ｅ１が印加されている。また、Ｘ線管１は、陰極用抵抗体６と中間電位電極用抵抗体７とが中間電位電極５と陰極３との間に対向するように設けられ、中間電位電極５と陰極３とには電圧Ｅ１が印加されている。なお、中間電位電極５は接地されている。

金属電極（中間電位電極５，陰極３）の先端では抵抗体（陰極用抵抗体６，中間電位電極用抵抗体７）が対向している。この状態で電圧Ｅ１を上げていっても、抵抗体中の電子は金属の表面準位（０．５〜２．０ｅＶ）よりも高い表面準位（５〜１０ｅＶ）が必要であるので、表面電界が相当に上昇しないと電子放出しない。また、陰極用抵抗体６から電子が放出されるようになっても、中間電位電極用抵抗体７は、セラミックを用いることにより、融点を金属に比して高くすることができるので、溶融に至るまでさらに余裕がある。

すなわち、陰極用抵抗体６は電子放出が始まる表面電界が金属に比して高く、また、中間電位電極用抵抗体７は電子の衝突により温度が上がっても、融点が高いので溶融物が飛散し難い。これらの作用によって、この構成の電極構成は絶縁破壊に至る表面電界が高いので、図２の比較例に比べて絶縁破壊を起こすことが少なくなる。

本実施形態の中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６は、図４に示すように中間電位電極５あるいは陰極３よりも幅（軸方向長さ）が広く、中間電位電極５及び陰極３の表面が直接対向しないようにしている。言い換えれば、中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６は、中間電位電極５あるいは陰極３よりも面積が大きく、全面が抵抗体で形成されている。このため、中間電位電極５と外囲器ガラス２との境界、あるいは陰極３とステムガラス８との境界から発生する放電が回避される。中間電位電極５及び陰極３は、それぞれの中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６と中間電位側リード線１６及び陰極側リード線１７を用いて電気的に接続される。

また、図６は、図４の中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６を、円環状の中間電位電極５及び陰極３を覆うように断面を円弧状（半円状）に形成し、外周面を互いに対向するように配置したものである。図において、中間電位電極用抵抗体７ａ及び陰極用抵抗体６ａは、中間電位電極５及び陰極３と中間電位側リード線１６や陰極側リード線１７のように各々電気的に接続されている。この電気的な接続は、電極と抵抗体（絶縁物）とをねじ留めする方法、電極と抵抗体とをリード線で繋ぐ方法、接着剤で接着した後に導電塗料で電気的に接続する方法など種々な方法が可能である。

抵抗体（陰極用抵抗体６，中間電位電極用抵抗体７）は、放電電流を制限することを目的としており、抵抗値が１ＭΩ台では放電電流低減効果が低い。図７は、電極と抵抗体とを対向させた図５の抵抗体間を５ｍｍとした場合の抵抗体の電気抵抗値と絶縁破壊電圧との関係の実測例である。ここで、抵抗体の電気抵抗値は、抵抗体の電極との接続位置と抵抗体間が対向する先端とで測定した抵抗値である。電気抵抗値が１０ＭΩを境とし、絶縁破壊電圧が１．３倍以上の７０ｋVから９０ｋVまで変化し、絶縁破壊電圧増大効果が認められる。

また、抵抗体で電力が消費されるので、絶縁破壊に至る放電開始電流値（例えば、２μＡ）における金属導体間電圧（すなわち、絶縁破壊電圧）が高くなり、絶縁破壊が生じにくくなる。

一方、抵抗体は、十分な耐熱性を有することが必要であり、具体的には、ガラス、セラミックスなどが使用される。一般のガラス材料は、抵抗値が１０^１２から１０^１４Ωまでであり、金属、金属塩などを混合することで１０^７Ω程度の抵抗値を得ることができる。また、セラミックスは、アルミナの抵抗値が１０^１４Ω程度であるが、金属、金属酸化物を混合して焼成することにより、１０^７Ω程度まで抵抗値を下げることができる。

図６に示す抵抗体をＸ線管に適用した例を図８に示す。陰極３の先端に陰極用抵抗体６ａが配置され、中間電位電極５の先端に中間電位電極用抵抗体７ａが配置してある。このように、Ｘ線管は、陰極用抵抗体６ａと、中間電位電極用抵抗体７ａとが対向するようにすることで、絶縁破壊電圧が比較的低い陰極３と中間電位電極５との間の絶縁破壊が発生することなく、長期間の安定寿命が得られる。

以上説明したように本実施形態によれば、Ｘ線管１は、陰極３のフィラメント３ａから熱電子が放出され、この熱電子が陽極４の表面に埋め込まれているターゲットに照射され、Ｘ線が放射される。また、Ｘ線管１は、陰極３と陽極４との間の中間の電位に維持されている中間電位電極５が陰極３の裏面側に設けられており、陰極３の近傍の電界分布を緩和して、絶縁破壊電圧を向上させている。これにより、中間電位電極５への熱電子の衝突による金属電極の溶融を回避し、管内への金属の付着を回避している。

さらに、Ｘ線管１は、陰極３と中間電位電極５との間に、本実施形態の特徴構成である陰極用抵抗体６及び中間電位電極用抵抗体７を対向するように配設することによって、絶縁破壊電圧をさらに向上させている。直流で負極性の高電圧となる陰極３では、陰極用抵抗体６を配設することによって、放電電流を制限し、陰極側からの電子放出が起こる閾値電圧を高くすることができ、これによって耐電圧性能が向上している。また、中間電位電極５側の中間電位電極用抵抗体７は、セラミックを用いることにより、熱電子が衝突しても容易に溶融しないので、やはり耐電圧性能を向上することができる。これらによって、金属が管内に付着しないので、Ｘ線管の経時劣化を防止し、何時までも優れた直流の耐電圧性能を有するＸ線管を提供することができる。Ｘ線管１の長期絶縁安定寿命を達成することができる。

言い換えれば、特許文献２に記載の技術は、金属電極が対向している側に筒状のシールド電極を挿入して、対向面の電界を緩和していたが、本実施形態は、この金属製のシールドを抵抗体に変更し、抵抗体を対向させることで、電子群の放出を防止し、電極の金属が溶融しないようにした。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が可能である。
（１）前記実施形態は、中間電位電極５と陰極３との間に対向させた抵抗体を設けたが、陰極３と陽極４との間に抵抗体を設けることもできる。この場合は、放電電流が低下することにより絶縁破壊電圧が高くなる一方、陰極３が放射し陽極４に到達する電子の運動エネルギが低下することになる。また、抵抗体により、絶縁破壊電流が制限される。

（２）前記実施形態では、中間電位電極５と中間電位電極用抵抗体７との間を中間電位側リード線１６で接続し、陰極３と陰極用抵抗体６との間を陰極側リード線１７で接続したが、放電電流を抵抗体で制限すればよいので、中間電位側リード線１６及び陰極側リード線１７は必ずしも必要ではない。

（３）前記実施形態は、中間電位電極５と陰極３との間に中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６を対向するように設けたが、中間電位電極用抵抗体７及び陰極用抵抗体６の何れか一方の抵抗体を設けてもよい。図９は、中間電位電極用抵抗体７のみ設けたＸ線管の断面図であり、図１０は、陰極用抵抗体６のみ設けたＸ線管の断面図である。
抵抗体を片側の金属電極に設置した場合にも１．２倍に近い絶縁破壊電圧を得ることができる。これも、本実施形態の陰極電極側の特徴である電子を放出し難いことと、中間電位電極用抵抗体７が溶融し難いこととによって生じる。したがって、中間電位電極５の側に抵抗体を設置しても陰極３の側に抵抗体を設置しても、本発明の目的を達成することができる。

（４）前記実施形態では、中間電位電極５は、陽極４に対して陰極３の裏面側に配設したが、陽極側に中間電位電極を円環状に設けることもできる。
（５）前記実施形態の説明では、所定値以上の放電電流（例えば、２μＡ以上）が流れると絶縁破壊するので、所定値（例えば、１０ＭΩ）より大きな抵抗値の抵抗体を電極間に挿入して、絶縁破壊を回避したが、この所定値よりも小さな抵抗値の抵抗体を用いることができる。この場合には、放電電流が十分に制限されないので、絶縁破壊することがあるが、絶縁破壊電流を制限することができる。

本発明の実施形態であるＸ線管の断面図である。比較例のＸ線管の対向電極の概念図である。比較例のＸ線管の対向電極を用いて計測した電界強度と放電電流との関係を示す特性図である。本実施形態のＸ線管の対向電極の概念図である。本実施形態のＸ線管の対向電極の等価回路図である。変形例のＸ線管の対向電極の概念図である。本実施形態のＸ線管の抵抗体の電気抵抗値と絶縁破壊電圧との関係を示す特性図である。変形例のＸ線管の断面図である。中間電位電極用抵抗体のみ設けたＸ線管の断面図である。陰極用抵抗体のみ設けたＸ線管の断面図である。

符号の説明

１Ｘ線管
２外囲器ガラス
３陰極（金属電極）
３ａフィラメント
４陽極（金属電極）
５中間電位電極（金属電極）
６，６ａ陰極用抵抗体
７，７ａ中間電位電極用抵抗体
８ステムガラス
１０中間電位電極
１１中間電位金属製シールド
１２陰極側金属電極
１３陰極側金属製シールド
１６中間電位側リード線
１７陰極側リード線

Claims

真空内で電圧が印加され、対向する金属電極を備えるＸ線管であって、
前記金属電極は、抵抗材料からなる抵抗体を有し、
前記抵抗体は、対向するように配置されたことを特徴とするＸ線管。
真空内で電圧が印加され、対向する金属電極を備えるＸ線管であって、
前記金属電極は、一方が抵抗材料からなる抵抗体を有し、
前記抵抗体は、他方の金属電極の全面に対向していることを特徴とするＸ線管。
前記対向する金属電極は、陽極と陰極との間の中間電位に維持される中間電位電極と、これに対向する前記陰極とにより構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。
前記中間電位電極は、前記陽極に対して前記陰極の裏面側に配設されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線管。
前記中間電位電極は、前記陰極を保持するステムガラスの外周を囲む外囲器ガラスの縁部に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のＸ線管。
前記抵抗体は、前記印加される印加電圧を暗電流から絶縁破壊電流に至る放電開始電流で除した値以上の抵抗値を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。
前記放電開始電流が２μＡであるとき、前記抵抗値は、１０^７Ω以上であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線管。
前記抵抗体は、断面が円弧状の円環形状をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。
前記抵抗体は、金属、金属酸化物あるいは金属塩が混入されたガラス、又はセラミックであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。
前記抵抗体は、前記金属電極よりも広く、全面が抵抗体で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。