JP2009087633A - Ｘ線源およびｘ線源の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性能を保ったままＸ線源を小型化する。
【解決手段】Ｘ線源は、真空容器７に収められた、所定の電界の中に位置すると電子を放出するエミッタ４と、所定の電圧で加速された電子が衝突するとＸ線を放出するターゲット６と、前記真空容器内で電圧が印加されるたとえばエミッタ４とターゲット６を所定の距離を保つように支持する絶縁体１を有している。絶縁体１には、絶縁体１および真空容器７の表面に沿ってエミッタ４からターゲット６に向かう線を横切る溝１２を備えている。溝１２は、レーザ加工や、エッチングなどによって形成することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線源およびＸ線源の製造方法に関する。

一般にＸ線源は、高電圧で加速した電子をターゲット（陽極）に入射し制動Ｘ線を発生させるものである。このようなＸ線源として、ガラスまたはセラミックスを真空容器としたものが普及している。また、鉄鋼材のような高密度の対象の透過撮影を行うために３００ｋＶ以上の高電圧を印加するものや、Ｘ線ＣＴ用のＸ線源のように５００ｍＡを越える大電流を要求するものもある。さらに、μｍオーダの分解能の透過撮影を行うために微小焦点を持ったものなど、多岐にわたる用途に対応したタイプのものが利用されるようになっている。

電子を発生させるための電子エミッタとして、フィラメントの加熱によって生じる熱電子を利用する、いわゆる熱電子型エミッタ（電子放出源）に代わり、電界で電子を引き出す、いわゆる電界放出型エミッタが開発されている。この電界放出型エミッタを用いることによりＸ線源を非常に小型化することが可能であり、電子管製作技術の限界に近い直径１０ｍｍ以下のＸ線源も開発されている。このような超小型のＸ線源は適用の幅を広げ、体内へ挿入しての直接的な検査に用いたり、Ｘ線照射治療用途に適用できるものが提供できる（たとえば特許文献１参照）。
特開２０００−２０８２９４号公報

Ｘ線源を小型化する場合には、印加電圧に対する絶縁、特に、構成絶縁材の表面に関わる沿面絶縁距離を確保することが必要である。絶縁材に限らず固体内にはガス分子を含有しており、ベーキングによってガス分子を極力放出し、清浄に保たれた絶縁材を用いても、１ｍｍ沿面距離で絶縁できる限界電圧は約０．６ｋＶである。そのため、１２ｋＶの印加電圧を必要とするＸ線源では、少なくとも１０ｍｍ以上の沿面絶縁距離を確保する絶縁構造が必要となる。沿面絶縁距離を確保するための絶縁構造が、Ｘ線源の小型化を妨げる一因となっている。

そこで、本発明は、絶縁性能を保ったままＸ線源を小型化することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のＸ線源は、真空容器と、前記真空容器に収められ、所定の電界の中に位置すると電子を放出するエミッタと、前記真空容器に収められ、所定の電圧で加速された電子が衝突するとＸ線を放出するターゲットと、前記エミッタと前記ターゲットとが所定の距離を保つように支持する構造体の一部であって、その構造体の表面に沿って前記エミッタから前記ターゲットに向かう線を横切る溝を備えた絶縁体と、を有することを特徴とする。

また、本発明のＸ線源の製造方法は、容器を作成する工程と、所定の電界の中に位置すると電子を放出するエミッタを作成する工程と、所定の電圧で加速された電子が衝突するとＸ線を放出するターゲットを作成する工程と、前記エミッタおよび前記ターゲットを前記容器に収める工程と、絶縁物に溝を形成して絶縁体を作成する工程と、前記エミッタと前記ターゲットとが所定の距離を保つように支持する前記絶縁体を含む構造体の表面に沿って前記エミッタから前記ターゲットに向かう線を横切るように前記溝が位置するように、前記絶縁体を前記容器に取り付ける工程と、前記エミッタ、前記ターゲットおよび前記絶縁体が収められた前記容器の内部を真空にする工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、絶縁性能を保ったままＸ線源を小型化することができる。

本発明に係るＸ線源の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［実施形態１］
図１は、本発明に係る実施形態１のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態のＸ線源は、真空容器７の内部にウェネルト３、エミッタ４およびターゲット（陽極）６が収められた構造をしている。真空容器７は細長い円筒状であって、その底面部分に絶縁体１が取り付けられており、絶縁体１の頂部にウェネルト３が固定されている。

絶縁体１は円柱状で、その軸は真空容器７の軸と同じ位置にある。絶縁体１の側面には円柱軸を中心とした円周方向に複数の溝１２が形成されている。絶縁体１の底部は真空容器７の貫通部２０を貫通している。貫通部２０では、真空容器７内の真空が損なわれないように、絶縁体１と真空容器７は密着している。絶縁体１の軸を通る導入線２によって、真空容器７の外部に位置する高圧電源１５とウェネルト３が接続されている。

ウェネルト３も円柱状であって、その軸は真空容器７および絶縁体１と同じ位置にある。ウェネルト３の頂部には、円形の窪みがあり、その窪みにエミッタ４が取り付けられている。エミッタ４は円錐形である。

真空容器７の頂部には、ウェネルト３およびエミッタ４に対向するように平板状のターゲット６が取り付けられている。真空容器７のターゲット６が取り付けられた位置にはＸ線透過窓５が形成されている。真空容器７がＸ線を透過する材料でできている場合には、特別にＸ線透過窓５を形成しておかなくてもよい。

ターゲット６は、たとえば接地されていて、高圧電源１５が負の高電圧を発生することにより、ターゲット６とウェネルト３の間には高電圧が印加され、この高電圧によって生じる電界によって、エミッタ４から電子が引き出される。引き出された電子は電子ビーム１１を形成してターゲット６に衝突し、Ｘ線１３が発生する。Ｘ線１３は、Ｘ線透過窓５を通って、電子ビーム１１がターゲット６に衝突した面の反対側の真空容器７の外部に取り出される。

このようなＸ線源では、高電圧が印加されるウェネルト３とターゲット６の間隔を保持するための構造体である真空容器７および絶縁体１に沿った、ウェネルト３からターゲット６に向かう曲線の長さが、絶縁体１の表面に溝を設けない場合に比べて長くなる。つまり、沿面絶縁距離を長くすることができる。したがって、必要な沿面絶縁距離を確保しつつ、Ｘ線源全体を小型化することができる。

真空容器７の形状は上述の通り細長い円柱状、たとえばカプセル薬のような形状のものであり、その直径が５ｍｍ以下のものにも適用できる。

なお、本実施形態では、ウェネルト３とエミッタ４を接触させ、両者を等電位としているが、両者の間に電圧を印加するようにしてもよい。この場合には、ウェネルト３とエミッタ４の間に絶縁物（図示せず）を挟んで両者を固定し、エミッタ４に導入線２と電気的に独立した導電体（図示せず）を接続する。この導電体を介してエミッタ４とウェネルト３に電圧を印加することによって、エミッタ４からの電子の放出量を制御することもできる。このような制御に必要な電圧は、ウェネルト３とターゲット６の間の電圧に比べて小さいため、ウェネルト３とエミッタ４の間の絶縁は、絶縁体１に比べて小さく単純な構造のものでもよい。

このようなＸ線源は、たとえば次のように製造することができる。まず、溝１２を形成した絶縁体１を作成し、その絶縁体１を通る導電性の導入線２を挿入する。次に、エミッタ４を備えたウェネルト３を、導入線２に接続するように絶縁体１に取り付ける。また、Ｘ線透過窓５が形成された真空容器７を作成し、Ｘ線透過窓５の真空容器７の内側にターゲット６を取り付ける。その後、真空容器７の内部を真空に保ったまま、ウェネルト３などが取り付けられた絶縁体１を真空容器７に収める。このＸ線源を使用する際に、ターゲット６を接地し、導入線２を高圧電源１５に接続する。

溝１２の幅は、レーザ微細加工技術を利用すれば１０μｍ程度のものが可能であり、さらに光エッチング、リソグラフィ技術を利用すれば１μｍ以下とすることも可能である。また、溝１２はリング状でなく、らせん状であってもよい。

なお、エミッタ４などをベーキング処理して、その内部のガスを排出してから、真空容器７に収めるようにしてもよい。

［実施形態２］
図２は、本発明に係る実施形態２のＸ線源に用いる絶縁体の一部の平面図である。

本実施形態は、実施形態１のＸ線源に用いる絶縁体１に形成された円周方向の溝１２の代わりに、絶縁体１にジグザグの溝１２を形成したものである。このような溝１２であっても、沿面絶縁距離を長くすることができる。なお、絶縁体１の表面に溝１２を彫る代わりに、突起物を表面に取り付けて溝１２を形成するようにしてもよい。

［実施形態３］
図３は、本発明に係る実施形態３のＸ線源に用いる絶縁体の一部の平面図である。

本実施形態は、実施形態１のＸ線源に用いる絶縁体１に形成された円周方向の溝の代わりに、絶縁体１に細かな細長い窪みを複数形成し、溝１２としたものである。溝１２は一定の間隔をおいて配列しており、隣り合う列における溝１２の切れ目は重ならないように配置している。このような溝１２であっても、沿面絶縁距離を長くすることができる。

［実施形態４］
図４は、本発明に係る実施形態４のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態のＸ線源は、反射型のターゲット６を用いたものである。実施形態１のＸ線源とターゲット６の形状およびＸ線透過窓５の位置が異なる。

ターゲット６は、真空容器７と軸を同じくする円柱状のものであって、エミッタ４に対向して真空容器７の頂部に取り付けられている。ターゲット６の電子ビーム１１が衝突する面は、電子ビーム１１の進行方向に対して垂直ではなく、傾きを有している。Ｘ線透過窓５は、軸方向の位置がほぼ電子ビーム１１がターゲット６に衝突する位置であって、電子ビーム１１がターゲット６に衝突する面が見える位置に、真空容器７の側面に形成されている。

本実施形態では、反射型のターゲット６を用いることにより、ターゲット６を大きくすることができるため、ターゲットの熱負荷を低減することができる。

［実施形態５］
図５は、本発明に係る実施形態５のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態は、実施形態２のＸ線源と絶縁体１を取り付けている位置が異なる。本実施形態では、真空容器７の頂部に絶縁体１を取り付けて、そこにターゲット６を取り付けている。ターゲット６は、導入線２を介して高圧電源１５に接続されている。

ウェネルト３を接地し、高圧電源７で正の高電圧を発生させることにより、エミッタ４から電子が発生し、電子ビーム１１がターゲット６に衝突することによりＸ線１３が発生する。

このように、ターゲット６を反射型とすれば、ターゲット６側に絶縁体１を取り付けることが可能である。

［実施形態６］
図６は、本発明に係る実施形態６のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態のＸ線源は、円板状の絶縁体１を用いている。円板状の絶縁体１の中心にウェネルト３が取り付けられている。絶縁体１のウェネルト３が取り付けられている面上には、ウェネルト３を中心とした同心円に沿って、複数のリング状の溝１２が形成されている。

このような絶縁体１を収納するため、真空容器７は軸方向に短く、たとえばボタン電池のような円筒状をしている。真空容器７の軸方向の厚さとして、たとえば５ｍｍ以下のものにも適用することができる。なお、Ｘ線の発生点とＸ線の照射対象を近接させるという観点からは、反射型ではなく透過型のターゲットを用いることが有効である。

［実施形態７］
図７は、本発明に係る実施形態７のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態のＸ線源は、実施形態６のＸ線源に用いている絶縁体１に、溝１２を追加したものである。本実施形態の絶縁体１は、ウェネルト３が取り付けられている面と反対面上にも、ウェネルト３を中心とした同心円に沿って、複数のリング状の溝１２が形成されている。

このように、絶縁体１に溝１２を追加することによって、沿面絶縁距離をより長くすることができ、Ｘ線源の小型化に寄与する。

［実施形態８］
図８は、本発明に係る実施形態８のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態のＸ線源は、高電圧発生器２８を真空容器７と一体としたものである。外部に絶縁処理を施された高電圧発生器２８は、絶縁体１に密着するように取り付けられている。導入線２は、外部に露出することなく、高電圧発生器２８からウェネルト３に接続されている。高電圧発生器２８は、低圧入力ケーブル２１で低圧電源２６に接続されている。

この高電圧発生器２８は、たとえば高電圧発生回路（図示せず）および高電圧発生回路を取り囲む絶縁物を型枠に入れて成型することにより作成することができる。

電子を加速する最終電圧まで昇圧してからＸ線源に電力を供給する場合には、太い高圧ケーブルを用いる必要がある。一方、本実施形態のように、低電圧でＸ線源に電力を供給する場合には、細く、柔軟な低圧入力ケーブル２１を用いることができるため、Ｘ線源の位置制御が容易であり、Ｘ線源の位置の自由度が向上する。

［実施形態９］
図９は、本発明に係る実施形態９のＸ線源の縦断面図である。

本実施形態は、実施形態７のＸ線源に電界レンズを導入したものである。

電子ビーム１１の行路に開口が貫通した円板状の２枚の電子レンズ用電極８が絶縁体１に取り付けられている。絶縁体１は、電子ビーム１１の行路方向のエミッタ４とターゲット６の適切な位置に電子レンズ用電極８を配置できるように、実施形態７の絶縁体１に比べて、半径方向に大きくなっており、また、外側部分は真空容器７の軸方向に延びている。

電子レンズ用電極８は、電子レンズ用導入線導入部１４を通る電子レンズ用導入線１６を介してレンズ用電源１７にそれぞれ接続されている。電子レンズ用導入線導入部１４は、真空容器７を貫通するように取り付けられていて、真空容器７内の真空を損なわないように真空容器７と密着している。レンズ用電源１７は電子レンズ制御器１８に接続されていて、電子レンズ制御器１８によって制御された電圧が、レンズ用電源１７から電子レンズ用電極８に印加される。

絶縁体１の、ウェネルト３が取り付けられている位置と電子レンズ用電極８が取り付けられている位置の間、および、２枚の電子レンズ電極８が取り付けられている位置の間には、沿面絶縁距離が長くなるように溝１２が形成されている。

電界レンズがなくても、エミッタ４から放出される電子は、ウェネルト３による集束作用をうけるため、電子ビーム１１はある程度集束してターゲット６に衝突する。本実施形態は、電子レンズ用電極８によって形成される電界が電界レンズとなるため、より小さな領域に電子ビーム１１を集束させてターゲット６に衝突させることができる。電子ビーム１１がターゲット６に衝突する領域が小さくなるため、Ｘ線焦点が小さなＸ線１３を得ることができる。

なお、電子レンズ用電極８は、２枚に限定されるものではない。

［実施形態１０］
図１０は、本発明に係る実施形態１０のＸ線源の、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はマルチエミッタ近傍の上面図である。

本実施形態のＸ線源は、実施形態９のＸ線源のエミッタ４をマルチエミッタ９に取り替えたものである。マルチエミッタ９とは、エミッタ４の集合体である。ウェネルト３上に、複数のエミッタ４が正方格子状に全体としてはほぼ円形状に配列されて、マルチエミッタ９を形成している。マルチエミッタ９に含まれるエミッタ４は、それぞれ独立して制御信号ケーブル１０によってマルチエミッタ制御器１９に接続している。なお、制御信号ケーブル１０は、複数のエミッタ４に独立して接続するため、電気的に独立した複数の導線の束からなっている。

マルチエミッタ制御器１９によってエミッタ４とウェネルト３の間には電圧が印加でき、この電圧によってエミッタ４からの電子の放出を制御することができる。なお、ウェネルト３とターゲット６の間に印加する電圧に比べて小さい電圧を、エミッタ４とウェネルト３の間に印加することにより電子の放出を制御することができる。また、それぞれのエミッタ４は独立して制御することができるため、エミッタ４の１つずつから順次電子を放出させたり、複数のエミッタ４から同時に電子を放出させるようにすることもできる。このように、Ｘ線焦点の形状および大きさを変化させることができる。

なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されず、図の上下左右の方向に限定されるものでもなく、様々な形態で実施することができる。

本発明に係る実施形態１のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態２のＸ線源に用いる絶縁体の一部の平面図である。 本発明に係る実施形態３のＸ線源に用いる絶縁体の一部の平面図である。 本発明に係る実施形態４のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態５のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態６のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態７のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態８のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態９のＸ線源の縦断面図である。 本発明に係る実施形態１０のＸ線源の、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はマルチエミッタ近傍の上面図である。

符号の説明

１…絶縁体、２…導入線、３…ウェネルト、４…エミッタ、５…Ｘ線透過窓、６…ターゲット、７…真空容器、８…電子レンズ用電極、９…マルチエミッタ、１０…制御信号ケーブル、１１，１１ａ，１１ｂ…電子ビーム、１２…溝、１３，１３ａ，１３ｂ…Ｘ線、１４…電子レンズ用導入線導入部、１５…高圧電源、１６…電子レンズ用導入線、１７…レンズ用電源、１８…電子レンズ制御器、１９…マルチエミッタ制御器、２０…貫通部、２１…低圧入力ケーブル、２６…低圧電源、２８…高電圧発生器

Claims (13)

1. 真空容器と、
   前記真空容器に収められ、所定の電界の中に位置すると電子を放出するエミッタと、
   前記真空容器に収められ、所定の電圧で加速された電子が衝突するとＸ線を放出するターゲットと、
   前記エミッタと前記ターゲットとが所定の距離を保つように支持する構造体の一部であって、その構造体の表面に沿って前記エミッタから前記ターゲットに向かう線を横切る溝を備えた絶縁体と、
   を有することを特徴とするＸ線源。
2. 前記絶縁体は、前記真空容器に取り付けられたものであって、前記エミッタおよび前記ターゲットの一方を支持するものであることを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
3. 前記絶縁体の内部を通り、前記エミッタおよび前記ターゲットの一方に接続された導電体を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のＸ線源。
4. 前記絶縁体は、円筒の側面に溝が形成されたものであって、その円筒の１つの底面は前記真空容器の外部に位置し、もう1つの底面に前記エミッタおよび前記ターゲットの一方が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載のＸ線源。
5. 前記絶縁体は、平板の少なくとも一方の面に溝が形成されたものであって、その平板の１つの面は前記真空容器に固定され、もう１つの面に前記エミッタおよび前記ターゲットの一方が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載のＸ線源。
6. 前記絶縁体によって支持され、前記エミッタから前記ターゲットに向かう電子の行路の周りを囲むように配設された電界レンズ用電極を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載のＸ線源。
7. 前記絶縁体には、前記電界レンズと前記エミッタとが所定の距離を保つように支持する構造体の表面に沿って前記電界レンズから前記エミッタに向かう線を横切る溝、および、前記電界レンズと前記ターゲットとが所定の距離を保つように支持する構造体の表面に沿って前記電界レンズから前記ターゲットに向かう線を横切る溝、をさらに備えていることを特徴とする請求項６記載のＸ線源。
8. 前記エミッタを保持するウェネルトを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか記載のＸ線源。
9. 前記エミッタは複数であって、それぞれの前記エミッタおよび前記ウェネルトは電気的に独立であって、それぞれの前記エミッタに独立して前記ウェネルトに対する電圧を印加する手段をさらに有することを特徴とする請求項８記載のＸ線源。
10. 容器を作成する工程と、
    所定の電界の中に位置すると電子を放出するエミッタを作成する工程と、
    所定の電圧で加速された電子が衝突するとＸ線を放出するターゲットを作成する工程と、
    前記エミッタおよび前記ターゲットを前記容器に収める工程と、
    絶縁物に溝を形成して絶縁体を作成する工程と、
    前記エミッタと前記ターゲットとが所定の距離を保つように支持する前記絶縁体を含む構造体の表面に沿って前記エミッタから前記ターゲットに向かう線を横切るように前記溝が位置するように、前記絶縁体を前記容器に取り付ける工程と、
    前記エミッタ、前記ターゲットおよび前記絶縁体が収められた前記容器の内部を真空にする工程と、
    を有することを特徴とするＸ線源の製造方法。
11. 前記溝はレーザを照射することによって形成されるものであることを特徴とする請求項１０記載のＸ線源の製造方法。
12. 前記溝はエッチングによって形成されるものであることを特徴とする請求項１０記載のＸ線源の製造方法。
13. 前記溝はリソグラフィによって形成されるものであることを特徴とする請求項１０記載のＸ線源の製造方法。

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