JP2010182521A - 回転対陰極型のｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の接触型回転機構や非接触型回転機構を用いた回転対陰極よりも大きなエネルギーを対陰極上の焦点に供給することができ、回転対陰極の大型化を抑制することができる回転対陰極型のＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】回転対陰極と、該回転対陰極を回転させる回転軸機構を備え、該回転対陰極に陰極から射出させた電子を衝突させてＸ線を発生させる回転対陰極型のＸ線発生装置であって、
前記回転軸機構が、前記回転対陰極を自転させつつ公転させる回転軸機構によって構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転対陰極型のＸ線発生装置に関するものである。

従来のＸ線発生装置においては、例えば、通電によって熱電子を放出するフィラメント（陰極）と、空間的に対向して配置されたターゲット（対陰極）とを有している。
そして、陰極から射出された熱電子が加速電圧により高速で対陰極に衝突する際に、熱電子が保有するエネルギーの一部がＸ線に変化するように構成されている。
対陰極に衝突する熱電子がＸ線に変化する効率は非常に小さく、大部分のエネルギーは熱に変化し対陰極を発熱させる要因となる。
従って、対陰極を冷却する技術として、対陰極内部に液体金属や水などの冷却媒体を通すことや、対陰極を回転させることが知られている。

対陰極を冷却するために上記した対陰極を回転させる方法を用いた場合には、対陰極の回転軸を支持するための軸受構造が必要となる。
このような軸受構造として、特許文献１に開示されているような、ラジアルベアリングなどのメカニカル構造が広く利用されている。
なお、上記ラジアルベアリングのメカニカル構造以外にも、磁気浮上型や流体軸受型などの軸受構造もある。これらの軸受構造の共通点は対陰極を回転させる軸が１つのみで、対陰極を自転させるためだけの構造が採られていることである。

通常のフォーカスサイズ（例０．５ｍｍ〜２ｍｍ）に基づく回転対陰極型のＸ線発生装置は、医療機器や産業機器分野において必要とされる線量を概ね満たしている。
通常のフォーカスサイズを有する対陰極では、Ｘを発生させるためのエネルギーをライン状に対陰極に供給し、Ｘ線が発生する面積でＸ線の線量を稼いでいる。Ｘ線は対陰極内で全方位に発生するため、ライン状でＸ線が発生しても対陰極の表面から５〜７度程度の取り出し角度において正方形や真円のフォーカスを得ることが可能である。

一方で、近年、取得画像の分解能向上や幾何学的不鮮明（ボヤケ）の低減のために、フォーカスサイズを小さくする要求が高まっている。
この要求を満たすことが期待されているＸ線源が、一般的にマイクロフォーカスＸ線発生装置で、その焦点サイズは数１０μｍ以下である。
１０μｍ以下のマイクロフォーカスサイズに基づく一般的な反射型対陰極の焦点の形は、大きなエネルギーを供給するためにアスペクト比の高い長方形（例えば１０μｍ×１ｍｍ）や、楕円形等を使用することができない。
すなわち、焦点のアスペクト比を大きくすると対陰極に供給可能なエネルギーの絶対値は上昇するが、見かけ上の焦点サイズを小さくするために必要な対陰極の表面からの取り出し角度が１度以下になる。
そのため、対陰極内でのＸ線自己吸収量が多くなり、実際に出射するＸ線線量は大幅に減少するため、上記したようにアスペクト比の高い長方形や、楕円形等を使用することができないこととなる。
対陰極内でのＸ線自己吸収量を最小限にするため、Ｘ線の取り出し角度は対陰極の表面から４５度以上が望ましいため、実質的な焦点のアスペクト比は１〜１．５程度である。
しかしながら、焦点のアスペクト比が小さくなると、マイクロメートルオーダーの微小焦点領域にＸ線を発生させるためのエネルギーが集中するため、対陰極に過剰な負荷が掛かってしまう。

特開昭５３−０８９３８８号公報

以上のように、焦点のアスペクト比を小さくしようとすると、対陰極に過剰な負荷が掛かってしまうこととなる。
このようなことから、微小焦点領域の過剰な負荷を軽減するために、対陰極を高速で回転させることも考えられる。
しかしながら、一般的な回転機構においてベアリングを用いた接触型回転機構では１０，０００ｒｐｍ程度が限界であるとされている。
また、磁気軸受を用いた非接触型回転機構でも、５０，０００ｒｐｍ程度が限界であるとされている。
一方、対陰極を大型化することでも負荷を軽減することが可能であるが、対陰極の大型化はＸ線発生装置自体の大型化に直結するため、取扱・持ち運び・回転軸への負荷などにおいて、不利な要素となる。

本発明は、上記課題に鑑み、従来の接触型回転機構や非接触型回転機構を用いた回転対陰極よりも大きなエネルギーを対陰極上の焦点に供給することができ、回転対陰極の大型化を抑制することができる回転対陰極型のＸ線発生装置の提供を目的とする。

本発明は、次のように構成した回転対陰極型のＸ線発生装置を提供するものである。
本発明の回転対陰極型のＸ線発生装置は、回転対陰極と、該回転対陰極を回転させる回転軸機構を備え、該回転対陰極に陰極から射出させた電子を衝突させてＸ線を発生させる回転対陰極型のＸ線発生装置であって、
前記回転軸機構が、前記回転対陰極を自転させつつ公転させる回転軸機構によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、従来の接触型回転機構や非接触型回転機構を用いた回転対陰極よりも大きなエネルギーを対陰極上の焦点に供給することができ、回転対陰極の大型化を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態を説明するための概略の構造図で、Ｘ線発生装置に組み立てられた状態を示している。 従来例における対陰極を回転させる軸を１つだけ備え、対陰極を自転のみさせる構造による回転対陰極上の焦点の軌跡を示す図。 本発明の実施形態における自転機構と公転機構を有する回転対陰極型のＸ線発生装置による回転対陰極上の焦点の軌跡の一例を示す図。 本発明の実施形態における回転対陰極を自転・公転するための機構の一例である歯車を複数組み合わせた遊星歯車機構を示す図。

つぎに、本発明の実施形態について説明する。
（回転対陰極型のＸ線発生装置）
図１に、本実施形態における回転対陰極型のＸ線発生装置の構成を説明する図を示す。
この回転対陰極型のＸ線発生装置は、ケーシング１に固定された高電圧導入部分２を備え
る。
さらに、この高電圧導入部分２の内部に設けられ熱電子３を放出するフィラメントである陰極４と、この陰極４に対して空間的に向かい合う側に設置されＸ線５を射出するターゲットである対陰極６を備える。
陰極４は、例えばタングステン、六硼化ランタンなどの高融点かつ低い仕事関数を有する物質で形成される。
一方、対陰極６は、例えばモリブデン、タングステン、銅などのＸ線を発生させる物質によって形成される。
回転体７は、対陰極６を支持するために用いられるものである。回転体７を対陰極６よりも熱伝導率の高い物質によって形成すれば、対陰極６内で発生した熱を効率良く冷却することが可能になる。回転体７は必ずしも設ける必要はなく対陰極６のみを回転させてもよい。すなわち、回転対陰極は、対陰極６のみにより構成される場合や、対陰極６と回転体７により構成される場合がある。
さらに、対陰極６と回転体７との間に、熱膨張係数差を抑制するための緩衝層や、合金化を防ぐための保護層を導入することもできる。緩衝層、保護層、対陰極６の材料は熱膨張係数が近い材料を選択することが好ましい。
また、緩衝層、保護層、対陰極６の界面に共晶が形成される場合には共晶点が高くなるような材料を用いることが好ましい。
さらに、緩衝層や保護層は熱電子の供給によりＸ線を発生させないような材料を用いることが好ましい。すなわち、緩衝層や保護層に用いる材料は、軽元素あるいは特性Ｘ線のエネルギーが熱電子の加速エネルギーよりも大きな重元素から選択される。

陰極４と対陰極６にはそれぞれ電圧・電流供給装置１０が接続される。電圧・電流供給装置１０から陰極４へは熱電子３を発生させるための電流を供給し、陰極４と対陰極６の間には陰極４から発生した熱電子３を加速させるための電圧を印加する。
陰極４から射出された熱電子３が高電圧で加速され対陰極６に衝突・散乱し、その衝突・散乱領域からＸ線５が発生する。
Ｘ線の発生原理から、対陰極６に供給したエネルギーの９９％程度が熱に変化するため、発生した熱で対陰極６が破損することを防ぐために対陰極６を冷却することが必要となる。
一般的には、対陰極６の内部に、水・液体金属・冷却ガスなどの冷却媒体１１を流すことで発生した熱を取り除く冷却機構１２が必要となる。
一方、対陰極６を冷却しない場合は、対陰極６とＸ線発生層を支持する回転体７の比熱容量の合計分までしかエネルギーを供給することができない。

発生するＸ線５の焦点サイズは、熱電子３が対陰極６に衝突する面積と、熱電子３が対陰極内部６に進入する際に散乱で広がる領域の合成で決まる。
以下において、熱電子が対陰極に衝突する領域を焦点、実際にＸ線が発生する領域を実焦点、発生したＸ線を取り出し方向から見た領域を実効焦点、と記す。
焦点サイズは、陰極４から射出した熱電子３が対陰極６に到達するまでの間に、ウェネルト１３や静電レンズ１４で任意の形や大きさに調整することが可能である。
図１では、陰極４から射出した熱電子３が対陰極６に対して４５度で入射しているが、熱電子３が対陰極６に衝突する際に必要な角度は、対陰極６の面から５度以上９０度以下である。
熱電子３を５度以下で衝突させると、対陰極６の表面で熱電子３が反射する割合が増加するためＸ線５の発生量が大幅に減少する。
また、熱電子３の射出量が一定の条件下において、熱電子３の衝突角度が対陰極６に対して垂直（９０度）に近づくほど反射電子が減少するためＸ線５の発生量が増加する。

焦点サイズを微小化する過程で、対陰極６からのＸ線取り出し角度は対陰極６面に対し
て鋭角から鈍角に変化させる必要がある。
図１では、Ｘ線の取り出し角度を４５度に設定しているため、実効焦点のアスペクト比１を得るために、焦点のアスペクト比は１．４となる。
１０μｍ以下の微小実効焦点サイズを維持しつつ対陰極内部でのＸ線の自己吸収量を軽減するためには、対陰極６に対して垂直な方向からＸ線を取り出すことが重要となる。

ケーシング１の材質は、真空を維持するための強度や対陰極６で発生した輻射熱による発熱に耐えるために、ステンレス鋼やタングステンなどの金属が用いられる。対陰極６の焦点近傍には、Ｘ線５をＸ線発生装置の外部に取り出すためのＸ線透過窓１７が設けられている。Ｘ線透過窓１７は、Ｘ線減衰率が小さく、真空状態を維持することが可能な強度を有するベリリウムやアルミニウム等の物質によって形成される。
対陰極６から発生したＸ線５は、Ｘ線透過窓１７を通して外部へ取り出される。ケーシング１は、予めターボ分子ポンプなどの真空排気装置で密封することで、検出・撮影・診断装置に取り付ける際の取り回しやメンテナンスに優れたＸ線発生装置の提供が可能である。
しかしながら、陰極４から多量の熱電子（大電流）３を得る場合は、ケーシング１の１つの側面等から、排気手段としてターボ分子ポンプなどの排気装置１８を取り付け、必要に応じて高真空を維持する機能が必要となる。

ケーシング１の排気装置１８で用いるターボ分子ポンプの回転軸と対陰極６を回転させる駆動軸１９を一体化させることで、Ｘ線発生装置内で高回転する軸を減らすことが可能になり、複数の異なる周波数による共振が引き起こす問題などが発生しなくなる。
また、この構成においては、排気装置１８を回転部分に設けるため、対陰極６の駆動軸１９とケーシング１との間のシールが必要なくなる。
なお、ケーシング内部１を真空に維持するシール手段として磁気シール装置が広く使われている。すなわち、駆動軸１９とそれを包囲するベアリングのポールピース２０との間に磁性流体を充填することで、駆動軸１９とポールピース２０との間に磁性流体の膜が形成される。これにより、駆動軸１９の回転を許容しながら駆動軸１９の軸方向に真空漏れが生じることが防止される。

（回転対陰極における回転軸）
従来の回転対陰極の回転軸は、対陰極６を自転のみさせるように回転可能に構成されている。そのため、図２に示すように、対陰極６の中央に設けられた自転軸２２（第１の回転軸）を中心として、熱電子３が衝突する焦点２３の軌跡２４は真円を描く。
このため、回転対陰極の回転軸が１つであり、自転用のみとされている場合には、対陰極面内の特定部分（破線部分）のみに熱電子による負荷が掛かることとなる。
一方、本発明にかかる実施形態では、図３に示すように、従来の回転対陰極面の中央付近に設けられた自転軸２２（第１の回転軸）以外に、回転対陰極の公転軸２５（第２の回転軸）が設けられる。
このように、回転対陰極６に公転機構を設けることで、熱電子３が衝突する焦点２３の軌跡２４は図３に代表されるような幾何学的曲線を描く。この結果、熱電子３による負荷を対陰極６の面内に分散することが可能になる。
したがって、自転機構および公転機構を有する回転対陰極は、自転機構のみを有する回転対陰極よりも、冷却効率を向上させることができる。
なお、上記で説明した図３の自転軸２２は、図１の第１の回転軸１００に相当し、図３の公転軸２５（第２の回転軸）は、図１の第２の回転軸２００に相当する。図１における第１の回転軸１００と第２の回転軸２００は説明のために便宜的に記載したものであり、実際には後述するように、遊星歯車機構等により回転軸が構成される。

本実施形態では、上記した回転対陰極を回転させる回転軸機構が、前記回転対陰極を自
転させつつ公転させる回転軸機構によって構成されている。
回転対陰極の半径が同じ場合、図２の従来例による自転機構のみを有する焦点２３の軌跡２４と、図３の本実施形態による自転機構と公転機構を同時に有する焦点２３の軌跡２４の長さを比較すると、図３における軌跡の方が長いことが分かる。
自転速度（自転周期）・公転速度（公転周期）・回転対陰極半径２６・公転半径２７・焦点２３などのパラメータを適宜設定することにより、自転機構と公転機構を同時に有する回転対陰極２１の焦点２３の軌跡２４は、様々に変化する。
しかし、この軌跡は特殊な条件下以外において、自転機構のみ有する回転対陰極２１の焦点２３の軌跡２４より長くなる。
特殊な条件下とは、回転対陰極２１の自転周期と公転周期の比が整数の場合などである。特殊な条件以外では、自転機構と公転機構を同時に有する回転対陰極２１は自転機構のみを有する回転対陰極２１より長い軌跡２４を得ることが可能である。

焦点２３の軌跡２４が長くなることは、ある特定の位置を通過した焦点２３が再度同じ位置に戻るまでの時間が長くなることを意味し、冷却時間が長くなることと同意義である。
このようなことから、熱電子３で発熱した対陰極６をより長い時間を掛けて冷却が可能となり、一度に供給が可能な熱電子３の数を増加することができるため、対陰極６で発生するＸ線量５の絶対量が増加する。

（自転機構および公転機構）
上記のような、自転機構および公転機構は、例えば図１に示した遊星歯車機構３００を用いることにより実現することができる。
図４に、遊星歯車機構３００の上面図を示す。遊星歯車機構３００は、サンギア（太陽歯車）２８を中心とした、複数のプラネタリギア（遊星歯車）２９が自転しつつ公転する構造を持った増速・減速機構である。
遊星歯車機構の特徴は、少ない段数で大きな減速比が得られること、大きなトルクが伝達できること、入力軸と出力軸を同軸上に配置できることである。
例えば、遊星歯車機構３００は、サンギア２８、プラネタリギア２９、プラネタリギア２９の公転運動を担うプラネタリキャリア３０、リングギア３１の４点から構成される。
サンギア２８の自転、プラネタリギア２９の公転（プラネタリキャリア３０の自転）、リングギア３１の自転の３要素の内、１つを固定、１つを入力、１つを出力に接続する。
サンギア２８、プラネタリギア２９、リングギア３１をそれぞれ固定・入力・出力の何れに割り当てるかによって、減速比や回転方向が決定することが可能となる。
例えば、プラネタリギア２９を回転対陰極２１の自転および公転（出力）に利用し、サンギア２８を駆動ギア（入力）、リングギア３１を固定ギアとして利用することができる。

ここで、図３で説明した回転対陰極上の焦点２３をサンギア２８の中心位置とし、焦点２３を固定とし、エネルギーを常時供給するようにした場合、以下のように構成することができる。
すなわち、上記回転対陰極の自転の中心から該回転対陰極の末端までの距離である回転対陰極の半径２６が、公転半径２７（サンギア２８とプラネタリギア２９の中心間距離）よりも長くすることにより、Ｘ線５を連続的に発生させることができる。
また、回転対陰極の半径２６が公転半径２７よりも短い場合は、Ｘ線５をパルス状に発生させることができる。
Ｘ線５が連続的に発生するか、パルス状に発生するかは形成する焦点２３の位置と、回転対陰極の半径２６と公転半径２７に影響を受ける。
回転対陰極の面内を有効に活用する１つの方法として、焦点２３をプラネタリギア２９の中心軌道上に形成して、回転対陰極の半径２６はプラネタリギア２９の公転半径の２倍にすることで、Ｘ線５が発生する面の全面に熱電子３を供給することが可能になる。
自転機構と公転機構を有する回転対陰極は、Ｘ線５が発生する面の全面に効率良く熱電子３を供給することが可能になるため、従来と同じ大きさの回転対陰極を用いてもより大きなＸ線が得られることや、長時間の使用が可能になる。
また、従来の回転対陰極２１より小型の回転対陰極２１を用いても従来と同じＸ線強度を得ることが可能になる。

発生するＸ線５の実効焦点サイズ・輝度を一定にするには、自転機構と公転機構を有する回転対陰極２１の対陰極６と熱電子３の入射角度１５を一定に維持することが好ましい。特に、Ｘ線発生装置から射出後のＸ線光路を常に一定に保つためには、発生するＸ線の実効焦点が空間的に固定されている必要性がある。
実効焦点を空間的に固定するためには、対陰極６に対する熱電子３の入射角度だけでなく、入射方向も重要となるため、陰極４を対陰極６と連動させて動かすことは装置の大型化に繋がるため困難である。
そのため、本実施形態においては、熱電子３を射出する陰極４は固定し、図１の示すように、回転軸機構による前記回転対陰極の自転軸（第１の回転軸１００）の向きと、公転軸（第２の回転軸２００）の向きを揃え、同一方向となるように構成される。例えば、第１の回転軸１００と第２の回転軸２００を回転対陰極に対して垂直方向に設けることができる。
これにより、前記入射角度と入射方向を一定に維持することが可能となる。
また、上記対陰極に発生させたＸ線の取り出し角度が、前記回転軸機構による前記回転対陰極の自転と公転中において、所定の角度を保つことが可能となる。
従来の対陰極６は特定部分のみに熱電子３を当てるため、対陰極６の一部のみ平坦であればよい。しかし、本実施形態の対陰極６は、回転軸機構によって自転と公転が可能に構成されているため、対陰極６の上面の広い範囲に熱電子３が衝突する。そのため、本実施形態の回転対陰極は、平板状の構成としている。この結果、自転機構と公転機構の回転軸が振れることがあっても、対陰極６が平面であることから、熱電子３の入射角度は変わらないという利点も有する。

以上、好ましい実施形態を上げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、対陰極の回転動力としてダイレクトモーター３２を設けたが、回転軸用モーターを対陰極の回転軸とは別の所に設けて適宜の動力伝達手段、例えばベルトとプーリとを有する機構によって動力を伝える構成でも良い。
自転・公転用の歯車遊星機構において、本実施形態では駆動ギア：サンギア２８、固定ギア：リングギア３１としているが、駆動ギアがリングギア３１で固定ギアをサンギア２８とすることも可能である。
また、固定ギアを設定せずに、サンギア２８とリングギア３１を共に駆動ギアとして利用することで、回転対陰極（プラネタリギア２９）の自転・公転速度やそれぞれの回転方向が駆動ギア１つの場合よりも細かに設定することが可能になる。
回転対陰極２１を載せるプラレタリギア２９の数は最低でも一つは必要であるが、遊星歯車機構の回転バランスを取るためにプラネタリギア２９を複数設けることが可能である。

本実施形態では回転対陰極２１の自転機構と公転機構に歯車同士が物理的に接触する遊星歯車機構を提案しているが、遊星歯車機構を応用した磁気式遊星歯車機構を用いた自転・公転機構を用いても良い。
また、本実施形態では対陰極の自転・公転のために遊星歯車機構を設けたが、自転・公転を行なう適宜の動力手段、例えばクランク等を有する機構によって自転・公転する構成でも良い。

回転対陰極型のＸ線発生装置として図１に示す構造のものを用いる場合、従来と同じ直
径の回転対陰極２１よりもＸ線の強度を５倍強くするためには以下のように構成すればよい。
回転対陰極２１の自転周期が公転周期の１６倍（サンギア２８のギア数がプラネタリギア２９のギア数の１６倍）とする。
図１に示す構造において、回転対陰極２１の公転周期と自転周期の比は遊星歯車機構のサンギア２８とプラネタリギア２９のギア比で決まる。そのため、上記したギア数のもとでは、熱電子３が対陰極６に形成する焦点２３の位置が回転対陰極２１の自転軸周期上の場合は、図２に示す従来の自転軸のみを有する回転対陰極２１の軌跡２４よりも５倍程度長くなる。
その際、図３に示すように、回転対陰極２１の中心部分まで熱電子３を照射しＸ線５を発生させることが可能になるため、従来と同じ直径の回転対陰極２１よりもＸ線の強度を５倍強くすることが可能になる。

１：ケーシング
２：高電圧導入部分
３：熱電子
４：陰極
５：Ｘ線
６：対陰極
７：回転体
１０：電圧・電流導入装置
１１：冷却媒体
１２：冷却機構
１３：ウェネルト
１４：静電レンズ
１７：Ｘ線透過窓
１８：排気装置
１９：駆動軸
２０：ポールピース
２２：回転対陰極の自転軸
２３：焦点
２４：焦点の軌跡
２５：回転対陰極の公転軸
２６：回転対陰極の半径
２７：回転対陰極の公転半径
２８：サンギア
２９：プラネタリギア
３０：プラネタリキャリア
３１：リングギア
３２：ダイレクトモーター
３４：歯車
１００：第１の回転軸
２００：第２の回転軸
３００：遊星歯車機構

Claims (6)

1. 回転対陰極と、該回転対陰極を回転させる回転軸機構を備え、該回転対陰極に陰極から射出させた電子を衝突させてＸ線を発生させる回転対陰極型のＸ線発生装置であって、
   前記回転軸機構が、前記回転対陰極を自転させつつ公転させる回転軸機構によって構成されていることを特徴とする回転対陰極型のＸ線発生装置。
2. 前記回転軸機構による前記回転対陰極の自転軸の向きと、公転軸の向きが同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の回転対陰極型のＸ線発生装置。
3. 前記回転軸機構による前記回転対陰極の自転の中心から該回転対陰極の末端までの距離が、前記回転軸機構による前記回転対陰極の公転半径より長いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転対陰極型のＸ線発生装置。
4. 前記回転対陰極に発生させたＸ線の取り出し角度が、前記回転軸機構による前記回転対陰極の自転と公転中において、所定の角度を保つことが可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転対陰極型のＸ線発生装置。
5. 前記回転対陰極は、平板状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転対陰極型のＸ線発生装置。
6. 回転対陰極型のＸ線発生装置であって、
   熱電子を放出する陰極と、
   前記熱電子が照射されることによりＸ線を発生させ、第１の回転軸と第２の回転軸により回転可能に構成されている平板状の回転対陰極と、を有し、
   前記第１の回転軸は、前記回転対陰極に対して垂直方向であって、該回転対陰極面の中央に設けられ、かつ、
   前記第２の回転軸は、前記第１の回転軸と同一方向の軸であって、前記回転対陰極の面内において該第１の回転軸とは異なる位置に設けられており、
   前記第１の回転軸による前記回転対陰極の回転により前記熱電子が該回転対陰極に照射される軌跡よりも、該第１の回転軸および前記第２の回転軸による該回転対陰極の回転により該熱電子が該回転対陰極に照射される軌跡の方が長いことを特徴とする回転対陰極型のＸ線発生装置。

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