JP2011086425A - Ｘ線発生装置及びそれを用いる複合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能であり、かつＸ線発生のオン・オフ制御が容易なＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】紫外線を受けて電子を放出する焦電体１０、この焦電体１０から放出された電子を受けてＸ線を放出する金属片２０、及び焦電体１０へ紫外線を供給するパルスレーザ発振機３、紫外線光用ファイバ５、を備えるＸ線発生装置１において、パルスレーザ発振機３からは例えば紫外線パルス光が焦電体１０へ照射され、そこに局所的な高エネルギー部分が形成される。
【選択図】図１

Description

この発明はＸ線発生装置に関する。更に詳しくは、この発明は改良された小型のＸ線発生装置に関する。

省スペース、省エネルギー、可搬性及びＸ線による被爆量を最小化すること等の要請からＸ線発生装置を小型化する開発が進められている。
例えば電界放射型カーボンナノチューブカソードを用いた小型Ｘ線管とこのＸ線管へ高電圧超短パルスを印可するための高周波同軸ケーブルを備えてなるＸ線発生装置が提案されている（特許文献１参照）。
また、焦電体から放出される電子を銅片へ照射し、銅片からＸ線を放出するタイプのＸ線発生装置も提案されている（非特許文献１）
本件発明に関連する技術として非特許文献２も参照されたい。

特許第３０９０９１０号公報

Published online 31 January 2005 in Wiley InterScience. DOI: 10.1002/xrs.800 焦電結晶とレーザ光を用いたＸ線源の開発、第４４回Ｘ線分析討論会、２００８年１０月１８日、Ｐ２１

上記のＸ線発生装置はいずれも小型の要請を達成するものであるが、本発明者らの検討によれば、下記の課題が存在する。
小型Ｘ線発生装置の一つの用途として、これを体内へ挿入してガン細胞へ直線Ｘ線を照射して行うガン治療がある。かかる見地から電界放射型カーボンナノチューブカソードを用いるタイプを検討すると、このタイプではカソードへ高電圧の印加が必要なので、たとえ絶縁性の同軸ケーブルを用いるとしても、治療現場での使用に抵抗感がある。
また、焦電体を用いるタイプではペルチェ素子の上に焦電体が載置され、このペルチェ素子で焦電体を加熱して当該焦電体から電子を放出させている。したがって、ペルチェ素子へ印加する電圧に高電圧を必要としない。しかしながら、昇温状態の焦電体からは電子の放出が継続するので、Ｘ線発生のオン・オフ制御が困難になる。電子非放出の状態まで焦電体全体を冷却するのに時間を要するからである。

この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、この発明の第１の局面は次のように構成される。即ち、
紫外線を受けて電子を放出する電子放出素子と、
該電子放出素子から放出された電子を受けてＸ線を放出する金属片と、
前記電子放出素子へ紫外線を供給する紫外線供給部と、を備えるＸ線発生装置であって、
前記紫外線供給部は前記電子放出素子に局所的な高エネルギー部分を形成する、ことを特徴とするＸ線発生装置。

このように構成された第１の局面のＸ線発生装置によれば、電子放出素子に形成される高エネルギー部分は局所的であり、この局所的な部分が活性化して電子線放出の原因となる。そして、局所的な高エネルギー部分は短時間でそのエネルギー状態を定常状態に戻すことができる。よって、Ｘ線発生のオン・オフ制御が容易となる。

電子放出素子として焦電特性を持つ物質、例えば焦電体が挙げられる。
焦電体は、異極像結晶とも呼ばれ、その温度を昇降させると、結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追随できなくなって、電気的な中和が破られ、もって表面から電荷（電子）が放出されるという特性を有している。代表的な異極像結晶体としては、ＬｉＮｂＯ_３単結晶があり、この結晶体内では正電荷（Ｌｉ^＋、Ｎｂ^５＋）の重心と負電荷（Ｏ^２−）の重心とが一致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているために、常時は電気的に中和されている。
焦電体としては上記ＬｉＮｂＯ_３の外、ＬｉＴａＯ_３等の一種を単独で又は複数種を併用して、用いることができる。

本発明者らはかかる焦電体につき検討を重ねたところ、電子放出素子としての焦電体へ紫外線を照射すると当該焦電体から電子線が放出されることを見出した。
本発明者らの検討によれば、焦電体に対して紫外線の侵入深さは数十ｎｍ程度であるので、紫外線により活性化されて高エネルギーを有する部分は焦電体表面の一部、即ち局所的な部分となる。
紫外線の波長は３００ｎｍ以下とすることが好ましい（第２の局面）。かかる短波長の紫外線はその殆どが焦電体に吸収されるので高いエネルギー変換効率を確保できるからである。更に好ましい紫外線の波長は２５０ｎｍ以下である。

既述のように紫外線を受けて高エネルギー化される集電体の部分が局所的であるため、紫外線をパルス状にして、特にパルスのオフ時間を制御して焦電体へ印加することにより、焦電体において高エネルギー部分が拡散することを常時防止できる。換言すれば、焦電体において高エネルギー化された部分の局所化を維持できる（第３の局面）。よって、当該部分を簡単に、かつ短時間で非高エネルギー化、即ち定常エネルギー状態に戻すことが可能となる。これにより、電子放出のオン・オフ制御、ひいてはＸ線放出のオン・オフ制御が容易になる。
パルスの周期はμｓｅｃ、又はｎｓｅｃ単位とすることができる。

紫外線は、焦電体において金属片と対向する面と反対側の面へ照射することが好ましい。
これにより、金属片、焦電体及び紫外線供給部（紫外線発生部）を直列に配置可能となり、装置の組みつけが容易になる。
棒状の焦電体を電子放出素子として用いるとき、棒状体の一端を金属片へ対向させ、その他端へ紫外線を照射する。

焦電体において金属片と対向する面（電子放出面）に微細加工を施してその表面に突起を形成し、電子放出の促進を図ることができる。
焦電体とカーボンナノチューブとを組み合わせることで電子放出の促進を図ることができる。

金属片には銅若しくは銅合金の薄板を採用することができる。勿論、照射された電子に対応してＸ線を放出できれば銅以外の金属、例えばアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いることができる。

焦電体へ紫外線を照射するには、例えばＹＡＧレーザ発振機を紫外線発生部として、この紫外線発生部で発生された紫外線を紫外線用の光ファイバの一端へ導入し、光ファイバの他端を焦電体へ対向する。III族窒化物系化合物半導体からなる紫外線発生レーザダイオード若しくは発光ダイオードを用いることもできる。より高出力が必要な場合はエキシマレーザ発振機を用いることが好ましい。

この発明のＸ線発生装置の構造を示す概念図である。 X線発生装置の変形態様を示す。 X線発生装置の変形態様を示す。 Ｘ線発生装置の変形態様を示す。 Ｘ線発生装置とセンサとを組み合わせてなる複合装置を示す。

以下、この発明の実施の形態について説明する。
実施の形態のＸ線発生装置１はパルスレーザ発振機３、紫外線用ファイバ５、焦電体１０及び金属片２０を備えてなる。
紫外線発生部としてｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ発振機３を採用する。このパルスレーザ発振機３の定格は波長：約２５０nm、パルス幅：１００μｍ、最大出力：約３５０ｍｊである。
紫外線用ファイバ５にはフレキシブルな石英ファイバを用いることができる。
焦電体１０にはＬｉＮｂＯ_３の棒状体（直径：１０ｍｍ、長さ：４０ｍｍ、両端は平坦面）を用いる。なお、焦電体１０において金属片２０に対向する面（電子放出面１３）にはエッチングにより微細加工を施して、好ましくは表面に針状の突起を形成する。

紫外線用ファイバ５の一端はパルスレーザ発振機３に対向し、他端は焦電体１０の自由端面１１に対向している。これにより、パルスレーザ発振機３から出力された紫外線レーザ光がファイバ５の一端へ導入され、その他端から放出されて焦電体１０へ照射される。焦電体１０において金属片２０と対向する電子放出面１３と反対側の自由端面１１へ紫外線レーザ光を照射することが好ましい。各要素の配置が直線的となり、組み付けが容易になるからである。
紫外線レーザ光は焦電体１０の自由端面１１へ垂直に照射することが好ましい。反射を抑制して、紫外線レーザ光のエネルギーを最も効率よく焦電体１０へ供給できるからである。

紫外線レーザ光は焦電体１０の自由端面１１の一部へ照射されればよい。勿論自由端面１１の全面へ紫外線レーザ光を照射することを妨げるものではない。
図２に示すとおり、光ファイバ５と焦電体１０との間に集光器（フレネルレンズ）１５を介在し、光ファイバ５から放出された紫外線レーザを集光することができる。
焦電体１０の自由端面１１において紫外線レーザ光が照射された部分のみが活性化されて、当該部分に対向する電子放出面の部分から電子が放出される。
電子放出面１３から放出される単位面積当たりの電子の量（電流密度）は自由端面１１へ入力される紫外線レーザ光の強さに対応するので、図２のように紫外線レーザ光を集光することにより、金属片２０へ集中して電子が照射され、もって強いＸ線の放出が可能となる。
この例では、紫外線レーザ光がパルス状に照射されるので、焦電体１０において高エネルギー化される部分が焦電体１０の半径方向へ拡散しない。換言すれば高エネルギー部分が拡散しないように、パルス幅を調整する。

金属片２０には銅片を用いた。この銅片２０は真空室２１に配置されており、真空室２１は真空引きされている。真空度は目的とする出力に応じて任意に設定される。真空室２１には光入射窓（石英窓）があけられ、その窓に焦電体１０の電子線放出面１３が対向する。真空室２１において光入射窓が開けられた反対側の壁にＸ線放出窓４０が設けられている。このＸ線放出窓は例えばＢｅで形成される。

上記実施の形態では、銅片２０のみが真空室２１に配置されている構成を示した。しかし、X線発生装置を体内に挿入する場合、焦電体１０が体内組織に接触しない方が好ましい。そこで、焦電体１０及び金属片２０を真空室２１に配置しなければならない。

図３は焦電体及び金属片を真空室に配置したＸ線装置の構成を示している。同図において、X線発生装置１ａは、電子放出素子である焦電体１０と金属片である銅片２０とを収納し、銅片２０から放出されたＸ線を透過するＸ線放出窓４０を有する真空室２１ａが更に備えられ、紫外線用ファイバ５の光放出端面が真空室２１ａの壁を貫通して真空室内で焦電体１０に対向するように構成されている。
ここで、X線放出窓４０を備える真空室２１ａに直接、紫外線光用ファイバ５を挿入する場合、ファイバ５が真空室２１ａに挿入されるインターフェースを空密構造にする必要がある。最も簡単な方法はファイバ５の外被と真空室２１ａとを接着する方法がある。

また、図４は焦電体及び金属片を真空室に配置したＸ線装置の他の構成を示している。同図において、焦電体１０と金属片２０とを収納し、紫外線を透過させる紫外線導入窓５０と金属片２０から放出されたＸ線を透過するＸ線放出窓４０とを有する真空室２１ｂが更に備えられる。
ここで、金属片には銅片を用いた。この銅片は真空室２１ｂに配置されており、銅片のＸ線放出面がＸ線放出窓４０に対向する。真空室２１ｂにおいてＸ線放出窓４０が開けられた反対側の壁に紫外線導入窓５０が設けられており、その紫外線導入窓５０を介して紫外線用ファイバ５の光放出端面と焦電体１０とが対向するように構成されている。

上述のように構成されるＸ線発生装置１、１ａ、１ｂにおいて直接的なＸ線源となるのは金属片２０であるので、Ｘ線源の微小化が可能となる。また、金属片２０、焦電体１０、ファイバ５が直列的に配置されるので、Ｘ線源１、１ａ、１ｂを平面的に配列可能である。したがって、図５に示すとおり、Ｘ線源１、１ａ、１ｂを平面的に配列するとともにＸ線源１、１ａ、１ｂの間にセンサ３０を配置することが可能となる。このセンサ３０として光センサやｐＨセンサを採用できる。
図５に示した複合装置を体腔内へ挿入することにより、Ｘ線を患部へ照射しつつ、患部の特性をセンサ３０で観察可能となる。例えば、ガン細胞をＸ線蛍光物質でマーキングしておくことにより、Ｘ線を照射しつつガン細胞の存在を光センサ３０で確認可能となる。

このＸ線発生装置１、１ａ、１ｂの光源を可視光線若しくは赤外線に交換すると、図５においてＸ線源を一般的な光源として使用することが可能となる。この場合、光源の光が焦電体１０及び真空室２１を通過できるように、焦電体１０の長さや金属片２０の厚さを調整する。
紫外線を受けて電子を放出可能な強誘電体を電子放出素子として用いることもできる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１、１ａ、１ｂ Ｘ線発生装置
３ パルスレーザ発振機
５ 紫外線光用ファイバ
１０ 焦電体
２０ 金属片
２１、２１ａ、２１ｂ 真空室
４０ Ｘ線放出窓
５０ 紫外線導入窓

Claims (8)

1. 紫外線を受けて電子を放出する電子放出素子と、
   該電子放出素子から放出された電子を受けてＸ線を放出する金属片と、
   前記電子放出素子へ紫外線を供給する紫外線供給部と、を備えるＸ線発生装置であって、
   前記紫外線供給部は前記電子放出素子に局所的な高エネルギー部分を形成する、ことを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記紫外線は３００ｎｍ以下の波長を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記紫外線をパルス状にして前記電子放出素子へ照射する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線発生装置。
4. 前記電子放出素子において前記金属片と対向する面と反対側の面へ前記紫外線を照射する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線発生装置。
5. 前記紫外線供給部は、
   前記紫外線を発生する紫外線発生部と、紫外線用ファイバとを備え、
   該紫外線発生部で発生された前記紫外線を前記紫外線ファイバを介して前記電子放出素子へ照射する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＸ線発生装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のＸ線発生装置と物理量又は化学量を測定可能なセンサとが同一面上に配列される、ことを特徴とする複合装置。
7. 前記電子放出素子と前記金属片とを収納し、前記金属片から放出されたＸ線を透過するＸ線放出窓を有する真空室が更に備えられ、前記紫外線用ファイバの光放出端面が前記真空室の壁を貫通して真空室内で前記電子線放出素子に対向する、ことを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生装置。
8. 前記電子放出素子と前記金属片とを収納し、紫外線を透過させる紫外線導入窓と前記金属片から放出されたＸ線を透過するＸ線放出窓とを有する真空室が更に備えられ、前記紫外線透過窓を介して前記紫外線用ファイバの光放出端面と前記電子放出素子とが対向する、ことを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生装置。

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