JP2009158138A - Ｘ線管及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線の照射位置を精度よく制御することができるＸ線管及びＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線管１において、通電によって電子を放出するコイルフィラメント１５と、電子が入射することによりＸ線を出射するアノードとを設け、コイルフィラメント１５からアノードに向かう経路Ｌに沿って、経路Ｌを挟んでＸ方向に配列された一対のＸエレクトロード１６ａ及び１６ｂと、経路Ｌを挟んでＹ方向に配列された一対のＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂとをこの順に設ける。そして、各Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ、各Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位は、相互に独立して制御可能とする。また、Ｘエレクトロード１６における経路Ｌに面した端面Ｔｘは、アノード側が広がるように、Ｚ方向に対して傾斜させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線管及びＸ線ＣＴ装置に関し、特に、Ｘ線の光路を変更可能なＸ線管及びこのＸ線管を搭載したＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography：コンピュータ断層撮影）装置は、最先端の医療用機器として急速に普及し、医療現場ではなくてはならない診断装置として活躍している。また、Ｘ線ＣＴ装置は、工業用の検査装置としても製品化されている。Ｘ線ＣＴ装置の原理は、Ｘ線が被写体を透過する性質を利用し、被写体に対して多方面からＸ線を照射して、被写体の反対側に配置した検出器で被写体を透過したＸ線を検出し、この検出結果に基づいて断面画像を再構成するというものである。

医療用のＸ線ＣＴ装置は、患者をスライド移動させながら、相互に対向させたＸ線発生部及び検出器を患者の周囲で高速で回転させてスライス投影し、Ｘ線投影データを取得して断面像を合成する。一方、工業用のＸ線ＣＴ装置においては、一般に、Ｘ線発生部及び検出器を、被写体を挟む位置に固定し、被写体を回転させながら投影データを取得し、断面像を合成する。

Ｘ線ＣＴ装置のＸ線発生部には、Ｘ線管が設けられている。Ｘ線管においては、通電により熱電子を放出するコイル状のフィラメントと、このフィラメントから放出された電子が照射されることによりＸ線を出射するアノードとが設けられている。フィラメント及びアノードは真空容器内に密閉されており、通常、Ｘ線の光路は固定されている。

一方、Ｘ線ＣＴ装置においては、Ｘ線の照射位置を微小移動させながら投影データを取得することにより、より空間分解能が高い高解像度の画像を再構成できることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。Ｘ線の照射位置を微小移動させる方法としては、電子ビームがアノードに照射される位置を移動させる方法がある。特許文献１においては、Ｘ線管に偏向コイルを設けることにより、アノードにおける電子ビームの照射位置を周期的に変化させ、Ｘ線の照射位置を周期的に変化させる技術が開示されている。

しかしながら、電子源としてコイル状のフィラメントを用いると、大きな電子ビームが得られる反面、形状がコイル状であるために、電子ビームの軌道を制御することが困難である。このため、Ｘ線管においては、電子銃の構成及びＸ線の光学系の構成をいかに最適化するかが、重要な課題となる。

上述の特許文献１に開示されている偏向コイルを使用する方法においては、偏向コイルを真空容器内に設置する方法と、真空容器外に設置する方法とが考えられる。偏向コイルを真空容器内に設置する方法では、偏向コイルを露出させることはできないため、真空容器内に偏向コイルを収納する収納容器を設ける必要がある。この場合、収納容器の存在により、電子光学系の電界が乱されると、電子ビームが正常な軌道に乗らなくなるため、収納容器の電位を電界ポテンシャルの電位に合わせる必要がある。

しかしながら、収納容器も一定の大きさを持つため、収納容器の電位を電界ポテンシャル電位と一致させるためには、収納容器の電位を傾斜させる必要がある。例えば、１５０ｋＶの電圧で電子を加速する電子光学系の中央付近に収納容器を設置する場合、収納容器の電位は５０〜１００ｋＶ程度の範囲で傾斜した電位とする必要がある。しかし、これは現実的には極めて困難である。一方、偏向コイルを真空容器外に設置する場合には、収納容器に電位を印加する必要はないものの、偏向コイルの内径が大きくなり、必要な出力を確保できなくなる。このため、真空容器における偏向コイルを取り付ける部分を、ボトルネックのように細く絞ることが必要となり、構造が複雑になってしまう。

また、Ｘ線管に２本のフィラメントを設けることにより、Ｘ線の光路を２つ形成する技術も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この技術においては、電子ビームの軌道の制御が極めて困難であると共に、Ｘ線ＣＴ装置の空間分解能を向上させる目的のためには、光路間の距離が大きくなりすぎてしまうという問題がある。

更に、電子ビームの経路を囲むように４つの電極を設け、各電極の電位を制御することにより、電子ビームの軌道を２方向に変位させる技術も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、この技術においても、電極とフィラメントとの間で放電が発生しないようにするためには、電極に印加できる電位範囲に限界があるため、電子ビームの軌道を効果的に制御することができない。

特開平５−２６９１２２号公報 特表２００４−５２８６８２号公報（図２） 特開２００５−５６８４３号公報（図５）

本発明の目的は、Ｘ線の照射位置を精度よく制御することができるＸ線管及びＸ線ＣＴ装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、通電によって電子を放出するフィラメントと、前記電子が入射することによりＸ線を出射するアノードと、前記フィラメントから前記アノードに向かう経路を挟んで相互に対向した一対の第１電極部材と、前記第１電極部材と前記アノードとの間に設けられ、前記第１電極部材が配列された方向及び前記経路が延びる方向の双方に対して交差した方向に配列され、前記経路を挟んで相互に対向した一対の第２電極部材と、を備え、各前記第１電極部材及び各前記第２電極部材の電位は、相互に独立して制御可能であることを特徴とするＸ線管が提供される。

本発明の他の一態様によれば、前記Ｘ線管と、検査対象物を挟んで前記Ｘ線管に対向する位置に配置されたＸ線検出手段と、前記Ｘ線管及び前記Ｘ線検出手段に前記検査対象物の周囲を回転させる駆動手段と、前記Ｘ線管の各前記第１電極部材及び各前記第２電極部材の電位を制御する制御手段と、前記Ｘ線検出手段の検出結果に基づいて画像を構成する画像構成手段と、を備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置が提供される。

本発明によれば、Ｘ線の照射位置を精度よく制御することができるＸ線管及びＸ線ＣＴ装置を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線管の電子銃を模式的に例示する斜視断面図であり、
図２乃至図４は、本実施形態に係るＸ線管を例示する断面図であり、図２は図１に示すＡ−Ａ’線による断面図であり、図３はＢ−Ｂ’線による断面図であり、図４はＣ−Ｃ’線による断面図である。
なお、図１においては、本実施形態の特徴を強調して示すために、各部の寸法比を、図２〜図４に示すものとは異ならせている。また、後述する絶縁ブロック１３ａ、１３ｂ、１３ｃを破線で示している。

先ず、本実施形態に係るＸ線管１（図２参照）の電子銃１１の構成について説明する。
図１に示すように、電子銃１１においては、一方の端部が開口された円筒状のシールド１２が設けられている。シールド１２内には、底面側から開口部側に向かって、絶縁ブロック１３ａ、ウエネルト１４、コイルフィラメント１５、絶縁ブロック１３ｂ、一対のＸエレクトロード（第１電極部材）１６ａ及び１６ｂ（以下、総称して「Ｘエレクトロード１６」ともいう）、絶縁ブロック１３ｃ、一対のＹエレクトロード（第２電極部材）１７ａ及び１７ｂ（以下、総称して「Ｙエレクトロード１７」ともいう）が、この順に配列されて収納されている。

シールド１２は、金属又は合金等の導電性材料により形成されている。絶縁ブロック１３ａは、絶縁材料からなる円板状の部材であり、その中心軸はシールド１２の中心軸と一致している。絶縁ブロック１３ａは、ウエネルト１４を保持すると共に、ウエネルト１４をシールド１２から絶縁している。

ウエネルト１４は、ステンレス等の非磁性金属からなる円板状の部材であり、ウエネルト１４におけるシールド１２の開口部側の面には、シールド１２の軸方向に対して直交する方向に延びる溝１４ａが形成されている。ウエネルト１４の中心軸は、シールド１２の中心軸と一致している。

コイルフィラメント１５は、螺旋状に巻回しつつ溝１４ａと同じ方向に延びるフィラメントである。コイルフィラメント１５は、例えばタングステンによって形成されており、通電されることによって熱電子を放出する。コイルフィラメント１５は、溝１４ａ内に半ば収納されているが、ウエネルト１４に接触はしていない。

以下、本明細書においては、説明の便宜上、コイルフィラメント１５及び溝１４ａが延びる方向をＸ方向とし、シールド１２の軸方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向の双方に対して直交する方向をＹ方向とする。また、Ｘ方向のうち、Ｘエレクトロード１６ａが配置されている側を＋Ｘ方向とし、Ｘエレクトロード１６ｂが配置されている側を−Ｘ方向とし、Ｙ方向のうち、Ｙエレクトロード１７ａが配置されている側を＋Ｙ方向とし、Ｙエレクトロード１７ｂが配置されている側を−Ｙ方向とし、Ｚ方向のうち、ウエネルト１４からコイルフィラメント１５に向かう方向を＋Ｚ方向とし、その反対方向を−Ｚ方向とする。

絶縁ブロック１３ｂ及び１３ｃは、絶縁材料からなる円環状の部材であり、その中心軸はシールド１２の中心軸と一致している。絶縁ブロック１３ｂ及び１３ｃの厚さは、例えばそれぞれ１ミリメートル以下である。なお、図１においては、図示の便宜上、絶縁ブロック１３ｂ及び１３ｃは実際よりも厚く描かれている。絶縁ブロック１３ｂは、Ｘエレクトロード１６を保持すると共に、Ｘエレクトロード１６をウエネルト１４から絶縁する。絶縁ブロック１３ｃは、Ｙエレクトロード１７を保持すると共に、Ｙエレクトロード１７をＸエレクトロード１６から絶縁する。

後述するように、コイルフィラメント１５から見て＋Ｚ方向にあたる位置には、アノード２２（図２参照）が設けられている。このため、コイルフィラメント１５からアノードに向かう経路Ｌは、＋Ｚ方向に延び、シールド１２の中心軸と一致している。そして、一対のＸエレクトロード１６ａ及び１６ｂは、経路Ｌを挟んで相互に対向するように設けられており、Ｘ方向に配列されている。Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ間の距離は、コイルフィラメント１５の長手方向の長さよりも長い。

Ｘエレクトロード１６は、ステンレス等の非磁性金属により形成されている。また、一対のＸエレクトロード１６の形状は相互に同一である。各Ｘエレクトロード１６の形状は、経路Ｌ上の１点を中心とする円板の一部であり、その弦はＹ方向に延びている。また、Ｘエレクトロード１６における経路Ｌに面した端面Ｔｘは、＋Ｚ方向側が開くように、Ｚ方向に対して傾斜している。すなわち、一対のＸエレクトロード１６におけるアノード２２側の部分間の距離が、コイルフィラメント１５側の部分間の距離よりも大きくなるように、経路Ｌが延びる方向に対して傾斜している。端面ＴｘのＸ方向に対する傾斜角θ（図２参照）は、例えば５０〜８０度であり、例えば７０度である。

一対のＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂも、経路Ｌを挟んで相互に対向するように設けられており、Ｙ方向に配列されている。Ｙエレクトロード１７は、ステンレス等の非磁性金属により形成されている。一対のＹエレクトロード１７の形状は相互に同一であり、経路Ｌ上の１点を中心とする円板の一部であり、その弦はＸ方向に延びている。Ｙエレクトロード１７の厚さは、Ｘエレクトロード１６の厚さよりも薄く、Ｙエレクトロード１７における経路Ｌに面した端面Ｔｙは、Ｚ方向に対して平行である。また、一対のＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂ間の距離は、例えば、コイルフィラメント１５の直径の１０倍程度である。

このように、電子銃１１の構成は、概ね、経路Ｌに対して回転対称である。そして、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ並びにＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂは相互に絶縁されており、これらの電位は相互に独立して制御可能である。ウエネルト１４、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂには、Ｘ線管１の外部から電位が印加される。また、コイルフィラメント１５には、Ｘ線管１の外部から電力が供給される。

次に、図２〜図４を参照して、Ｘ線管１における電子銃１１以外の部分について説明する。図２〜図４においては、図を簡略化するために、シールド１２、絶縁ブロック１３ａ〜１３ｃは、図示が省略されている。

図２〜図４に示すように、Ｘ線管１においては、真空シールドチャンバ２１が設けられており、上述の電子銃１１もこのチャンバ２１内に収納されている。また、真空シールドチャンバ２１内におけるコイルフィラメント１５から見て＋Ｚ方向にあたる位置には、アノード２２が設けられている。アノード２２の形状は、その頂面が−Ｚ方向に向いた円錐台形状であり、アノード２２の側面２２ａの法線は、Ｚ方向に対して例えば６〜８度程度傾斜している。アノード２２は、側面２２ａにコイルフィラメント１５から放出された電子が入射することにより、＋Ｘ方向にＸ線を出射するものである。このため、アノード２２における少なくとも電子が照射される部分は、例えばタングステンにより形成されている。

アノード２２は、回転軸２３と一体化されており、回転軸２３によって回転可能とされている。回転軸２３はＺ方向に延び、その中心軸は経路Ｌから見て−Ｘ方向にシフトしている。回転軸２３は、真空シールドチャンバ２１の外部に引き出されており、外部駆動機構（図示せず）によって回転する。真空シールドチャンバ２１における回転軸２３が挿通している部分には、円環状のシーリングユニット２４が設けられており、真空シールドチャンバ２１の外部から内部に回転軸２３を介して回転運動を導入しつつ、チャンバ２１内の気密を担保する。

また、真空シールドチャンバ２１におけるアノード２２から出射したＸ線が到達する位置には、ベリリウム膜からなる窓２５が設けられている。窓２５を介して、Ｘ線はＸ線管１の外部に取り出される。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係るＸ線管１の動作について説明する。
図５は、本実施形態に係るＸ線管の動作を例示する図である。
以下、図１〜図５を参照して説明する。
先ず、真空シールドチャンバ２１内を真空とする。次に、アノード２２とウエネルト１４との間に、ウエネルト１４を負極としアノード２２を正極とする電圧を印加する。例えば、アノード２２に接地電位を印加し、ウエネルト１４に−１５０ｋＶの電位を印加する。また、シールド１２に接地電位を印加する。これにより、真空シールドチャンバ２１内に、ウエネルト１４からアノード２２に向かう電界が形成される。また、コイルフィラメント１５の電位は、ウエネルト１４の電位よりもやや正極側の電位、例えば、−１４０ｋＶとする。一方、Ｘ線管１の外部から回転軸２３を回転させ、アノード２２を回転させる。

この状態で、コイルフィラメント１５に、Ｘ線管１の外部から電力を供給して通電させる。これにより、コイルフィラメント１５が加熱され、熱電子を放出する。放出された電子は、ウエネルト１４によるレンズ効果によって収縮し、経路Ｌに沿って電子ビームＥＢを形成し、アノード２２の側面２２ａに対して照射される。側面２２ａにおける電子ビームＥＢが照射される領域を実焦点Ｆ_ＥＢとする。実焦点Ｆ_ＥＢの形状は、コイルフィラメント１５の形状が縮小された形状である。なお、このとき、アノード２２を回転させることにより、アノード２２の焦点焼けを防止している。

これにより、アノード２２の実焦点Ｆ_ＥＢに相当する部分がＸ線を出射する。このＸ線の強度分布は、側面２２ａに対して６〜８度傾斜した方向にピークを持つため、Ｘ方向に向かう成分が最も強くなる。以下、Ｘ方向に向かうＸ線の成分をＸ線ビームＸＢという。Ｘ線ビームＸＢは窓２５に到達し、窓２５を透過してＸ線管１の外部に出射する。このようにして、Ｘ線管１はＸ線源として機能する。例えば、後述の第３の実施形態において説明するように、Ｘ線管１は、Ｘ線ＣＴ装置のＸ線源として使用することができる。以下、Ｘ線管１の外部においてＸ線ビームＸＢが照射される領域を、実効焦点Ｆ_ＸＢという。実効焦点Ｆ_ＸＢの形状は、例えば、一辺の長さが１ミリメートルの正方形である。

そして、このとき、本実施形態においては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂにそれぞれ電位を印加することにより、静電場を形成し、電子ビームＥＢの軌道を制御することができる。これにより、実焦点Ｆ_ＥＢの位置及び大きさを制御することができる。この結果、Ｘ線ビームＸＢの軌道を制御し、実効焦点Ｆ_ＸＢの位置及び大きさを制御することができる。

具体的には、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの基準電位をウエネルト１４の電位とした上で、これに数ｋＶ程度以内の電位を重畳する。例えば、上述の如く、アノード２２に接地電位を印加し、ウエネルト１４に−１５０ｋＶの電位を印加した場合において、＋Ｘ方向側に配置されたＸエレクトロード１６ａに、ウエネルト１４に対して＋２ｋＶ、すなわち、−１４８ｋＶの電位を印加し、−Ｘ方向側に配置されたＸエレクトロード１６ｂに、ウエネルト１４に対して−２ｋＶ、すなわち、−１５２ｋＶの電位を印加する。これにより、電子ビームＥＢが＋Ｘ方向に偏向し、実焦点Ｆ_ＥＢの位置が相対的に＋Ｘ方向側の位置となる。

一方、＋Ｘ方向側に配置されたＸエレクトロード１６ａに、ウエネルト１４に対して−２ｋＶの電位を印加し、−Ｘ方向側に配置されたＸエレクトロード１６ｂに、ウエネルト１４に対して＋２ｋＶの電位を印加すれば、電子ビームＥＢが−Ｘ方向に偏向し、実焦点Ｆ_ＥＢの位置が相対的に−Ｘ方向側の位置となる。このように、Ｘエレクトロード１６の電位を制御することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向の位置を制御することができる。これにより、実効焦点Ｆ_ＸＢのＺ方向における位置を制御することができる。

同様に、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位をそれぞれ制御することにより、電子ビームＥＢをＹ方向に偏向させ、実焦点Ｆ_ＥＢのＹ方向の位置を制御することができる。これにより、実効焦点Ｆ_ＸＢのＹ方向における位置を制御することができる。

また、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの双方に対して、同じ正の電位を重畳することにより、電子ビームＥＢのビーム径をＸ方向において拡大することができ、実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向における大きさを大きくすることができる。逆に、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの双方に対して、同じ負の電位を重畳することにより、電子ビームＥＢのビーム径をＸ方向に縮小することができ、実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向における大きさを小さくすることができる。同様に、Ｙ方向についても、Ｙエレクトロード１７の電位を制御することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＹ方向における大きさを制御することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、電子銃１１が可変焦点フィラメント式電子銃となっており、電子ビームの実焦点Ｆ_ＥＢの位置及び大きさを変化させることができる。このとき、各Ｘエレクトロード１６の電位及び各Ｙエレクトロード１７の電位を、相互に独立して制御できるため、実焦点Ｆ_ＥＢの位置及び大きさを、Ｘ方向及びＹ方向で相互に独立して制御することができる。これにより、実効焦点Ｆ_ＸＢの位置及び大きさを、相互に独立して制御することができる。

また、本実施形態においては、Ｙエレクトロード１７はＸエレクトロード１６とアノード２２との間に設けられており、Ｘエレクトロード１６とはＺ方向において離隔している。これにより、Ｘ方向の電界とＹ方向の電界を相互に独立して制御しやすくなり、実焦点Ｆ_ＥＢの位置及び大きさの制御性が向上する。この結果、実効焦点Ｆ_ＸＢの位置及び大きさの制御性が向上する。

更に、本実施形態においては、Ｘエレクトロード１６の端面ＴｘがＺ方向に対して傾斜しているため、電子ビームＥＢをＸ方向に偏向させたときに、電子ビームＥＢとＸエレクトロード１６との間の距離を確保できる。これにより、電子ビームＥＢの形状に電場ポテンシャルが影響することを避けることができ、電子ビームＥＢが変形することを防止できる。

更にまた、本実施形態においては、電子銃１１の構成がほぼ経路Ｌを中心とした回転対称となっているため、電子光学系の電界ポテンシャル分布もほぼ経路Ｌを中心とした回転対称となり、電子ビームＥＢの軌道が安定する。また、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの大きさを制御する際には、一対のＸエレクトロード１６にウエネルト１４の電位から見て同極性の電位を印加し、一対のＹエレクトロード１７にもウエネルト１４の電位から見て同極性の電位を印加するため、実焦点Ｆ_ＥＢは常に経路Ｌ上に形成され、焦点位置にオフセットが発生しない。

更にまた、本実施形態においては、絶縁ブロック１３ａ、１３ｂ、１３ｃの厚さを例えば１ミリメートル以下と薄くしているため、コイルフィラメント１５とアノード２２との間の距離を短くすることができ、電界を強くすることができる。これにより、Ｘ線管の効率を高めることができる。また、絶縁ブロックを薄くした分だけ、Ｘエレクトロード及びＹエレクトロードを厚くすることができ、印加電圧を増加させることができる。これにより、電子ビームの制御性を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、Ｙエレクトロード１７の端面ＴｙはＺ方向に対して平行である例を示したが、端面Ｔｙは、Ｘエレクトロード１６の端面Ｔｘと同様に、＋Ｚ方向側が開くようにＺ方向に対して傾斜していてもよい。これにより、電子ビームＥＢをＹ方向に偏向させたときに、Ｙエレクトロード１７からの距離を確保できるため、電場ポテンシャルの影響を避けられ、電子ビームが変形する問題が発生しない。

以下、本実施形態の効果を、シミュレーションによって検証する。
図６（ａ）〜（ｃ）、図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）、図９（ａ）〜（ｃ）、図１０（ａ）及び（ｂ）、図１１（ａ）及び（ｂ）は、電子ビームの軌道のシミュレーション結果を例示する図である。
図６〜図９における左側の図は、Ｙ方向又はＸ方向から電子ビームを見た図であり、右側の図は、−Ｚ方向から実焦点を見た図である。また、図１０及び図１１においては、電子ビームの他に、電界ポテンシャルの等電位面も示している。

先ず、各シミュレーションに共通する条件について説明する。図６〜図１１に示すように、本シミュレーションにおいては、電子光学系としてウエネルト１４、コイルフィラメント１５、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ又はＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂ、並びにアノード２２のみを考慮した。各部材の相対的なサイズ、形状、位置関係は、図６〜図１１に示すとおりとした。そして、電子の加速電圧、すなわち、ウエネルト１４とアノード２２との間の電圧を１５０ｋＶとした。また、＋Ｘ方向側のＸエレクトロード１６ａ、−Ｘ方向側のＸエレクトロード１６ｂ、＋Ｙ方向側のＹエレクトロード１７ａ及び−Ｙ方向側のＹエレクトロード１７ｂの各電位を、相互に独立して制御し、これらの電位を、ウエネルト１４の電位に対して、＋２ｋＶ、同電位又は−２ｋＶとした。このような条件下において、電子光学系内の各位置の電界ポテンシャルを計算し、電子ビームの軌道をシミュレートした。

第１のシミュレーション結果について説明する。
本シミュレーションは、電子ビームの実焦点の位置をＸ方向において変化させたものである。
本シミュレーションの結果を図６（ａ）〜（ｃ）に示す。

図６（ａ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａの電位をウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとし、Ｘエレクトロード１６ｂの電位をウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの位置は、経路Ｌから＋Ｘ方向に変位した。この変位量は、例えば２ミリメートルであった。

図６（ｂ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの電位を、ウエネルト１４の電位と等しくした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢは、経路Ｌ上に位置した。

図６（ｃ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａの電位をウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとし、Ｘエレクトロード１６ｂの電位をウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの位置は、経路Ｌから−Ｘ方向に変位した。この変位量は、例えば２ミリメートルであった。

このように、本シミュレーションによれば、Ｘエレクトロードの電位を±２ｋＶの範囲で調節することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向の位置を±２ミリメートルの範囲で変位させることができた。

次に、第２のシミュレーション結果について説明する。
本シミュレーションは、電子ビームの実焦点の位置をＹ方向において変化させたものである。
本シミュレーションの結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。

図７（ａ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａの電位をウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとし、Ｙエレクトロード１７ｂの電位をウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの位置は、経路Ｌから＋Ｙ方向に変位した。この変位量は、例えば１ミリメートルであった。

図７（ｂ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位を、ウエネルト１４の電位と等しくした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢは、経路Ｌ上に位置した。

図７（ｃ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａの電位をウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとし、Ｙエレクトロード１７ｂの電位をウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの位置は、経路Ｌから−Ｙ方向に変位した。この変位量は、例えば１ミリメートルであった。

このように、本シミュレーションによれば、Ｙエレクトロードの電位を±２ｋＶの範囲で調節することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＹ方向の位置を±１ミリメートルの範囲で変位させることができた。

次に、第３のシミュレーション結果について説明する。
本シミュレーションは、電子ビームの実焦点の大きさをＸ方向において変化させたものである。
本シミュレーションの結果を図８（ａ）〜（ｃ）に示す。

図８（ａ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの大きさは、Ｘ方向において大きくなった。

図８（ｂ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位と等しくした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向の大きさは、図８（ａ）に示す場合よりも小さくなった。

図８（ｃ）に示すシミュレーションにおいては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの大きさは、Ｘ方向においてさらに縮小し、図８（ｂ）に示す場合よりも小さくなった。

このように、本シミュレーションによれば、Ｘエレクトロードの電位を調節することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＸ方向の大きさを変化させることができた。図８（ａ）及び（ｃ）に示す場合は、図８（ｂ）に示す場合を基準として、例えば、±３０％の範囲で実焦点の大きさを変化させることができた。

次に、第４のシミュレーション結果について説明する。
本シミュレーションは、電子ビームの実焦点の大きさをＹ方向において変化させたものである。
本シミュレーションの結果を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。

図９（ａ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位に対して＋２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの大きさは、Ｙ方向において大きくなった。

図９（ｂ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位と等しくした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢのＹ方向の大きさは、図９（ａ）に示す場合よりも小さくなった。

図９（ｃ）に示すシミュレーションにおいては、Ｙエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位を、いずれもウエネルト１４の電位に対して−２ｋＶとした。この結果、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの大きさは、Ｙ方向においてさらに縮小し、図９（ｂ）に示す場合よりも小さくなった。

このように、本シミュレーションによれば、Ｙエレクトロードの電位を±２ｋＶの範囲で調節することにより、実焦点Ｆ_ＥＢのＹ方向の大きさを制御することができた。

次に、第５のシミュレーション結果について説明する。
本シミュレーションは、電子光学系の電界分布を変化させたものである。
本シミュレーションの結果を、図１０（ａ）及び（ｂ）並びに図１１（ａ）及び（ｂ）に示す。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態においては、少なくともＸエレクトロード１６の端面Ｔｘがテーパ状となっているＸ方向において、等電位面Ｐが端面Ｔｘに沿ってなだらかに形成された。

これに対して、Ｘエレクトロード１６の端面をテーパ状としない場合は、図１１（ａ）に示すように、加速電圧が低い場合は問題がないが、図１１（ｂ）に示すように、加速電圧を高くすると、等電位面Ｐの形状が複雑に変化し、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの制御がやや困難になった。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係るＸ線管を例示する断面図であり、
図１３は、本実施形態における電磁偏向器を例示する正面図である。
図１２に示すように、本実施形態に係るＸ線管２においては、前述の第１の実施形態に係るＸ線管１の構成に加えて、真空シールドチャンバ２１の外部に電磁偏向器３０が設けられている。電磁偏向器３０の形状は経路Ｌを囲むような円環状であり、そのＺ方向における位置はＹエレクトロード１７とアノード２２との間である。

図１３に示すように、例えば、電磁偏向器３０には、経路Ｌを囲むように設けられたトロイダルコイル３１と、トロイダルコイル３１を収納する収納容器（図示せず）とが設けられている。トロイダルコイル３１の中心軸は、経路Ｌと一致している。これにより、大きな電磁場を発生させることができる。電磁偏向器３０は、Ｘエレクトロード１６及びＹエレクトロード１７とは独立して制御することができる。

本実施形態においては、電磁偏向器３０が電磁場を形成することにより、電子ビームＥＢの軌道を制御することができる。これにより、電子ビームに対して、Ｘエレクトロード１６及びＹエレクトロード１７による静電場を介した制御に、電磁偏向器３０による電磁場を介した制御を重畳させることができる。この結果、実焦点Ｆ_ＥＢの位置をより大きく偏向させることができると共に、実焦点Ｆ_ＥＢの変形を防止することができる。

なお、電磁偏向器３０を設ける場合には、トロイダルコイル３１を収納する収納容器（図示せず）の電位を考慮する必要がある。経路Ｌに沿った電子ビームは、最適化した電場の中で形成されているため、収納容器の電位がこの電場に影響を与えないように制御する必要がある。本実施形態においては、電磁偏向器３０は真空シールドチャンバ２１の外部に配置されているため、真空シールドチャンバ２１と同電位のものとして扱うことができ、電磁偏向器３０の存在が経路Ｌの近傍の電界に影響を与えることがない。

以下、本実施形態の効果を、シミュレーションによって検証する。
図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）は、電子ビームの軌道のシミュレーション結果を例示する図であり、図１４（ａ）及び（ｂ）は、電子ビームをＸ方向に偏向させた結果を示し、図１５（ａ）及び（ｂ）は、電子ビームをＹ方向に偏向させた結果を示す。
本シミュレーションの方法は、前述の第１の実施形態における図６及び図７に示すシミュレーションの方法と同様である。
図１４及び図１５に示すように、本実施形態においても、電子ビームＥＢの実焦点Ｆ_ＥＢの位置を、効果的に制御することができた。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
本実施形態に係るＸ線管おいては、前述の第１又は第２の実施形態に係るＸ線管の構成に加えて、ウエネルト１４の電位を制御することができる。これにより、ウエネルト１４に更に負の電位を重畳する。この結果、Ｙ方向における実焦点Ｆ_ＥＢの大きさをより小さくすることができる。ウエネルト１４に重畳的に印加する電位は、例えば、０〜−５００Ｖ、例えば、−３００Ｖとする。すなわち、ウエネルト１４の電位を、−１５０．０ｋＶ〜−１５０．５ｋＶ程度の範囲で制御し、例えば、−１５０．３ｋＶとする。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態は、前述の第１の実施形態に係るＸ線管を搭載したＸ線ＣＴ装置の実施形態である。
図１６は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置を例示する図である。

図１６に示すように、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置６１においては、検査対象物Ｔを保持する保持手段６２が設けられている。Ｘ線ＣＴ装置６１が例えば医療用の装置である場合には、検査対象物Ｔは患者であり、保持手段６２は患者を寝かせた状態で身長方向に平行移動させるベッド状の搬送装置である。

また、Ｘ線ＣＴ装置６１には、前述の第１の実施形態に係るＸ線管１と、Ｘ線検出手段６３とが設けられている。Ｘ線管１とＸ線検出手段６３とは検査対象物Ｔを挟み、相互に対向する位置に配置されている。

更に、Ｘ線ＣＴ装置６１には、Ｘ線管１及びＸ線検出手段６３に検査対象物Ｔの周囲を回転させる駆動手段６４が設けられている。駆動手段６４には、例えば、保持手段６２を囲む円環状のリング部材と、このリング部材を自転させるモーターが設けられている。これにより、Ｘ線管１及びＸ線検出手段６３は、検査対象物Ｔを囲む円軌道を描いて公転する。

更にまた、Ｘ線ＣＴ装置６１には、Ｘ線管１のＸエレクトロード１６及びＹエレクトロード１７の電位を制御すると共に、ウエネルト１４及びアノード２２の電位を制御する制御手段６５が設けられている。更にまた、Ｘ線ＣＴ装置６１には、Ｘ線検出手段６３の検出結果に基づいて画像を構成する画像構成手段６６が設けられている。更にまた、Ｘ線ＣＴ装置６１には、制御手段６５及び画像構成手段６６に対する命令が入力されると共に、画像構成手段６６が構成した画像を出力する入出力手段６７が設けられている。入出力手段６７には、例えば、キーボード及びディスプレイが設けられている。

次に、上述の如く構成されたＸ線ＣＴ装置６１の動作について説明する。
図１７（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の動作を例示する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）はＸ線管の円軌道の半径方向から見た図であり、（ｃ）は、この円軌道の中心軸方向から見た図である。

図１６及び図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、先ず、保持手段６２が検査対象物Ｔを保持する。次に、駆動手段６４がＸ線管１及びＸ線検出手段６３を、検査対象物Ｔを囲む円軌道に沿って公転させ、Ｘ線管１がＸ線ビームＸＢを出射する。この状態で、保持手段６２が検査対象物Ｔを円軌道の軸方向に沿って移動させ、検査対象物Ｔに円軌道の内部を通過させる。これにより、Ｘ線管１から出射したＸ線が、検査対象物Ｔの種々の部分を種々の方向から透過し、Ｘ線検出手段６３に到達して検出される。Ｘ線検出手段６３はこの検出結果を画像構成手段６６に対して出力し、画像構成手段６６はこの検出結果に基づいて画像を構成する。そして、入出力手段６７がこの画像を出力する。

このとき、制御手段６５がＸ線管１のＸエレクトロード及びＹエレクトロードの電位を制御することにより、前述の第１の実施形態において説明したように、Ｘ線管１から出射されるＸ線ビームＸＢの軌道が、それぞれＺ方向及びＹ方向に変位する。これにより、Ｘ線の焦点位置を微小移動させながら検出することができ、空間分解能が高い高解像度の画像を構成することができる。

このように、本実施形態によれば、Ｘ線源として前述の第１の実施形態に係るＸ線管を使用することにより、空間分解能が高いＸ線ＣＴ装置を実現することができる。また、擬似欠陥を低減することができる。この結果、検査対象物Ｔの検査精度が向上する。例えば、Ｘ線ＣＴ装置６１が医療用の装置である場合には、患者に対する診断機能が向上する。また、検査を高速化することができ、検査時間の短縮及び患者のＸ線被爆量の低減を図ることができる。なお、Ｘ線源として、前述の第２又は第３の実施形態に係るＸ線管を使用してもよい。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。また、装置の駆動条件も前述の例には限定されない。例えば、前述の第１乃至第３の実施形態においては、ウエネルト１４及びコイルフィラメント１５をマイナス電位とし、アノード２２を接地電位とする例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ウエネルト１４及びコイルフィラメント１５を接地電位とし、アノードをプラス電位としても、同様な効果を得ることができる。また、前述の各実施形態においては、Ｘエレクトロード１６ａ及び１６ｂ、並びにＹエレクトロード１７ａ及び１７ｂの電位制御範囲を±２ｋＶとする例を示したが、本発明はこれに限定されず、これらのエレクトロードの寸法、形状等の機械的構成の選択によっては、これらのエレクトロードの電位を、例えば、０ｋＶから＋４ｋＶ、又は、−４ｋＶから０ｋＶのように、０ｋＶからシフトした範囲で制御しても、同様な効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るＸ線管の電子銃を模式的に例示する斜視断面図である。 第１の実施形態に係るＸ線管を例示するＡ−Ａ’線による断面図である。 第１の実施形態に係るＸ線管を例示するＢ−Ｂ’線による断面図である。 第１の実施形態に係るＸ線管を例示するＣ−Ｃ’線による断面図である。 第１の実施形態に係るＸ線管の動作を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、電子ビームの軌道に関する第１のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、電子ビームの軌道に関する第２のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、電子ビームの軌道に関する第３のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、電子ビームの軌道に関する第４のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、電子ビームの軌道に関する第５のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、電子ビームの軌道に関する第５のシミュレーション結果を例示する図である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線管を例示する断面図である。 第２の実施形態における電磁偏向器を例示する正面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、電子ビームをＸ方向に偏向させたシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、電子ビームをＹ方向に偏向させたシミュレーション結果を例示する図である。 本発明の第４の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の動作を例示する図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）はＸ線管の円軌道の半径方向から見た図であり、（ｃ）は、この円軌道の中心軸方向から見た図である。

符号の説明

１、２ Ｘ線管、１１ 電子銃、１２ シールド、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 絶縁ブロック、１４ ウエネルト、１４ａ 溝、１５ コイルフィラメント、１６ａ、１６ｂ Ｘエレクトロード、１７ａ、１７ｂ Ｙエレクトロード、２１ 真空シールドチャンバ、２２ アノード、２２ａ 側面、２３ 回転軸、２４ シーリングユニット、２５ 窓、３０ 電磁偏向器、３１ トロイダルコイル、６１ Ｘ線ＣＴ装置、６２ 保持手段、６３ Ｘ線検出手段、６４ 駆動手段、６５ 制御手段、６６ 画像構成手段、６７ 入出力手段、ＥＢ 電子ビーム、Ｆ_ＥＢ 実焦点、Ｆ_ＸＢ 実効焦点、Ｌ 経路、Ｔ 検査対象物、Ｔｘ、Ｔｙ 端面、ＸＢ Ｘ線ビーム、θ 傾斜角

Claims (7)

1. 通電によって電子を放出するフィラメントと、
   前記電子が入射することによりＸ線を出射するアノードと、
   前記フィラメントから前記アノードに向かう経路を挟んで相互に対向した一対の第１電極部材と、
   前記第１電極部材と前記アノードとの間に設けられ、前記第１電極部材が配列された方向及び前記経路が延びる方向の双方に対して交差した方向に配列され、前記経路を挟んで相互に対向した一対の第２電極部材と、
   を備え、
   各前記第１電極部材及び各前記第２電極部材の電位は、相互に独立して制御可能であることを特徴とするＸ線管。
2. 前記第１電極部材における前記経路に面した端面は、一対の前記第１電極部材における前記アノード側の部分間の距離が前記フィラメント側の部分間の距離よりも大きくなるように、前記経路が延びる方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載のＸ線管。
3. 前記一対の第１電極部材は、前記フィラメントが延びる方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線管。
4. 前記一対の第２電極部材における前記経路に面した端面は、一対の前記第２電極部材における前記アノード側の部分間の距離が前記フィラメント側の部分間の距離よりも大きくなるように、前記経路が延びる方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のＸ線管。
5. 前記第２電極部材と前記アノードとの間に設けられた電磁偏向器をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のＸ線管。
6. 前記フィラメントから見て前記アノードの反対側に設けられ、前記アノードの電位よりも負の電位が印加されるウエネルトをさらに備え、
   前記ウエネルトの電位は制御可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のＸ線管。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のＸ線管と、
   検査対象物を挟んで前記Ｘ線管に対向する位置に配置されたＸ線検出手段と、
   前記Ｘ線管及び前記Ｘ線検出手段に前記検査対象物の周囲を回転させる駆動手段と、
   前記Ｘ線管の各前記第１電極部材及び各前記第２電極部材の電位を制御する制御手段と、
   前記Ｘ線検出手段の検出結果に基づいて画像を構成する画像構成手段と、
   を備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。

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