JP2012099435A - 陽極接地型ｘ線管およびそれを用いたｘ線撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
陽極接地型Ｘ線管において、陰極を支持する絶縁体表面における帯電を抑制し、沿面放電の発生を防止し、Ｘ線管の信頼性を高める。
【解決手段】
陽極２０９が接地電位とされ、陰極２０３に負電圧が印加されて、前記陰極２０３より放出された電子が前記陽極２０９に当たることによりＸ線を発生する陽極接地型Ｘ線管において、陰極２０３を支持する絶縁体は、基材２０１に、体積抵抗率が１０^７〜１０^１４Ω・ｃｍであって、当該基材よりも体積抵抗率が小さいコーティング材３０１を被覆することにより、絶縁体の帯電を抑制し、絶縁信頼性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線管およびそれを用いたＸ線撮影装置に関し、特にＸ線ＣＴ撮影装置に好適な陽極接地型Ｘ線管に関する。

近年、Ｘ線ＣＴ装置用のＸ線管としては、大容量化してもＸ線を発生する陽極ターゲット部の冷却が簡単であることから、中性点接地型に代わって陽極接地型のＸ線管が用いられている。

近年のＸ線ＣＴ用Ｘ線管ではＸ線照射量を増やすため、Ｘ線管に供給する電力を増大させる必要があり、Ｘ線管の陰極の電圧が高くなっている。この場合の課題は、陰極を支持する絶縁体の絶縁信頼性である。電子ビームが陽極に衝突することにより、反射電子または２次電子が発生し、さらに、反射電子または２次電子の一部が絶縁体に衝突した際に２次電子を発生することにより、絶縁体が正に帯電する。絶縁体の正帯電は局所的に電界を増加することになるため、絶縁体表面で沿面放電が発生することがある。この沿面放電は一時的にフィラメントの印加電圧の不安定性をもたらす他、連続して放電が発生すると絶縁体を劣化させ、十分な絶縁性能を得られなくなる恐れがある。

特許文献１には、Ｘ線管のセラミック外囲器内表面の帯電を防止する方法として、真空容器をセラミックで構成し、その表面に釉薬等の低抵抗膜を設けたＸ線管が開示されている。

特開昭５８−４４６６２号公報

特許文献１記載のＸ線管は、セラミック外囲器内表面の帯電を防止するもので、陽極接地型Ｘ線管の陰極を支持する絶縁体の帯電を防止するものではない。特に特許文献１記載のＸ線管はその全長にほぼ等しいセラミック外囲器の長さの距離で絶縁が図られればよいため電界の変化率も小さく、陽極接地型Ｘ線管と比較すると使用される環境の厳しさが緩やかである。

これに対して、陽極接地型Ｘ線管は筺体から陽極までは同電位となるように構成されていて、筺体から陰極までの距離に存在する絶縁体を挟んで非常に大きな電位差が発生しているため、確実な絶縁を図り得る材料で構成する必要があった。しかし、絶縁性が高いと、反射電子が絶縁体の表面に留まり、絶縁体内での局所的な電位差を増大させ、ひいては、沿面放電を発生させてしまうと言う課題があった。

本発明は、陽極接地型Ｘ線管において、陰極を支持する絶縁体表面における帯電を抑制し、沿面放電の発生を防止し、Ｘ線管の信頼性を高めることを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するものであり、その手段を以下に記述する。
本発明の第一の手段は、陽極が接地電位とされ、陰極に負電圧が印加されて、前記陰極より放出された電子が前記陽極に当たることによりＸ線を発生する陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体は、基材に、当該基材よりも体積抵抗率が小さいコーティング材を被覆したことを特徴とする。
この手段では、基材よりも体積抵抗率が小さいコーティング材を用いることにより、反射電子または２次電子が衝突することによる帯電を伝導電子の移動により中和することができ、局所的な電界の増加を抑制できる。

本発明の第二の手段は、第一の手段における陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の体積抵抗率が１０^７〜１０^１４Ω・ｃｍであることを特徴とする。
この手段では、抵抗の低いコーティング材を用いることにより、反射電子または２次電子が衝突することによる帯電を伝導電子の移動により中和することができ、局所的な電界の増加をより良好に抑制できる。

本発明の第三の手段は、第二の手段における陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の外部に同軸に接地電位の金属製の真空容器が配置されていることを特徴とする。
この手段では、金属製の真空容器を接地電位とすることにより、Ｘ線管の取り扱いを容易にすることができる。

本発明の第四の手段は、第三の手段における陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極と前記真空容器の間の総抵抗が１０^８Ω以上であることを特徴とする。
この手段では、陰極と真空容器の間の抵抗の値を適正にし、１００ｋＶ以上の電圧を印加した場合にコーティング材のジュール発熱を抑制することができる。

本発明の第五の手段は、第一の手段などにおける陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の厚みは０．１ｍｍ以下であること特徴とする。
この手段では、基材に対して薄くコーティングすることにより、絶縁体が加熱された場合において、熱膨張率の差による機械的劣化を抑制することができる。

本発明の第六の手段は、第一の手段などにおける陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の基材およびコーティング材がセラミックス製であることを特徴とする。
この手段では、絶縁体の基材およびコーティング材を耐熱温度が１５００℃程度であるセラミック製とすることにより、耐熱温度が１０００℃程度であるガラスもしくは釉薬と比較して、絶縁信頼性の高いＸ線管を実現できる。

本発明の第七の手段は、第六の手段における陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の基材がアルミナであり、前記コーティング材が、アルミナと、酸化チタン、酸化クロム、酸化鉄、酸化イットリウムの内の何れか一つを含むことを特徴とする。
この手段では、絶縁体の基材とコーディング材との材料を限定することにより、絶縁信頼性の高いＸ線管を実現できる。

本発明の第八の手段は、第一の手段などにおける陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の色が概黒色であることを特徴とする。
この手段では、コーティング材の色を黒色とすることにより、輻射率を増加させることができ、絶縁体が加熱された場合において、熱を真空容器に効率よく熱輻射することができる。

本発明の第九の手段は、上記何れかの陽極接地型Ｘ線管を搭載したＸ線撮影装置である。
この手段では、上記のような信頼性の高いＸ線撮影装置を実現できる。

本発明によれば、陽極接地型Ｘ線管において、陰極を支持する絶縁体表面の帯電を抑制し、沿面放電を防止でき、絶縁信頼性の高いＸ線管を実現できる。そして、これを搭載したＸ線装置の信頼性を向上することができる。

本発明の実施例の構造を示す図。 本発明が適用される典型的なＸ線ＣＴ装置の構成を示す図。 本発明が適用される陽極接地型Ｘ線管の全体構成を示す図。 絶縁体上の電界分布測定結果を示す図。 コーティング材の体積抵抗率とジュール発熱量の関係を示す図。

先ず、Ｘ線管を搭載するＸ線撮影装置の例として医療用Ｘ線ＣＴ装置の説明をする。
典型的なＸ線ＣＴ装置の構成図を図２に示す。商用電源１から電力の供給を受けた周波数変換器２は高周波交流を出力する。周波数変換器２が出力した高周波交流は電力伝達用ブラシ３に送られる。電力伝達用ブラシ３はスキャナ回転盤４に固定された電力伝達用スリップリング５と接触しており、スキャナ回転盤４が回転していても電気的に導通している。電力伝達用スリップリング５は高電圧発生装置６に接続されており、高電圧発生装置６にて高周波交流は高電圧直流に変換される。Ｘ線管７は高電圧直流の供給を受け、内部で電子ビームを発生し、電子ビームがターゲットに当たりＸ線ビーム８を発生する。Ｘ線ビーム８は寝台９に載った被検体１０を透過し、Ｘ線ビーム８の強度は検出器１１で電気信号に変換される。この電気信号はデータ収集システム１２でデジタル信号に変換され、データ伝達用スリップリング１３とデータ伝達用ブラシ１４を介して画像再構成装置１５に送られる。画像再構成装置１５は得られたＸ線強度のデータを基に画像を再構成して、被検体１０の断層像データを出力する。断層像データはコンピュータ１６に送られ、画像表示装置１７で断層像を表示し、断層像データを画像記録装置１８に記憶することができる。

三次元画像の生成が可能となる、らせん軌道スキャン（ヘリカルスキャン、スパイラルスキャン、ボリュームスキャンとも呼ばれる）が可能なＸ線ＣＴ装置（らせんＣＴ）では、スキャナ回転盤４が連続回転を行うと同時に、寝台９を体軸方向に一定速度で移動させることにより、Ｘ線管７は被検体１０に対し相対的にらせん運動をする。このらせんＣＴは、撮影中にスキャナの回転と並行して撮影位置も変えているため、全体の撮影時間が短縮できる。また、撮影中に体軸方向にも連続走査しているため、三次元データを収集できる。

Ｘ線ＣＴ装置用のＸ線管としては、従来、絶縁の容易さから中性点接地型が主流であったが、大出力化に伴う陽極冷却の効率向上のため陽極接地型Ｘ線管が用いられている。

図３に陽極接地型Ｘ線管の全体構成を示す。陰極１０１に負電圧が印加され、陽極１０２は接地電位であり、両者の間に電圧が発生することにより電子ビームが発生し、電子ビームが陽極１０２に衝突する際にＸ線が発生する。陽極１０２は過熱を防止するためロータ１０３とステータ１０４からなるモータにより回転する。陰極１０１と陽極１０２の間には１００ｋＶを超える電位差があるため、セラミックス等で構成される絶縁体１０５で絶縁されている。この陽極接地型Ｘ線管は、陽極１０２が接地電位であるため、筐体１０６を接地電位とし、陰極１０１と筐体１０６の間を絶縁体１０５で絶縁すればよい。したがって、筐体１０６を強度に優れた金属で構成することにより、スキャナの高速回転による遠心力に対して強度を有する構造とすることができる。

図１に、陽極接地型Ｘ線管の陰極付近の構造図を示す。陰極は熱電子を放出するフィラメント２０３と電子ビームの軌道を収束させる収束体２０４等から構成されており、これらは概ね円すい台形状の絶縁体２０１の一端に接続されている。絶縁体２０１の内部はコネクタ２０２が挿入される構造であり、コネクタ２０２が挿入されると高電圧導線２０５Ａ、２０５Ｂはフィラメント２０３に接続され、フィラメントに外部の高電圧電源から供給される高電圧が印加される。コネクタ２０２には接地電位である外部導体２０６に高電圧導線２０５Ａ、２０５Ｂを内包した高電圧ケーブル２０７の一端が接続されており、高電圧ケーブル２０７の他端は図示していないが、高電圧導線２０５Ａ、２０５Ｂの他端側は図示しない高電圧発生装置に接続されている。高電圧導線２０５Ａと２０５Ｂの間に高電圧発生装置により電位差を与えることにより、フィラメント２０３はジュール発熱により加熱される。絶縁体２０１の他端は絶縁体２０１とほぼ同軸状の円筒形の真空容器２０８に接続され、真空容器２０８は高電圧ケーブル２０７の外部導体２０６に接続されており、真空容器２０８の電位は接地電位になっている。このような機構によりフィラメント２０３は熱電子の電子ビームを射出し、射出された電子ビームは陽極２０９に衝突することによりＸ線が発生する。

図１は、本発明の実施例を示しており、本実施例では、絶縁体２０１の表面にコーティング材３０１を被覆している。絶縁体２０１は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の十分な体積抵抗率を持つセラミックによって構成されていることが望ましい。絶縁体２０１の表面は、抵抗率を下げるための体積抵抗率が１０⁷〜１０^１４Ω・ｃｍの、絶縁体２０１よりも体積抵抗率が小さいコーティング材３０１によって被覆されている。コーティング材３０１は、収束体２０４と真空容器２０８の間を電気的に接続し、外部からは絶縁体の基材が見えないよう、絶縁体２０１全体を被覆している。コーティング材としてはアルミナに酸化チタン、酸化クロム、酸化鉄、酸化イットリウム等を含んだものが望ましく、例えばＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２（３％）が好ましい。体積抵抗率の低い材料としてガラスや釉薬等を用いた場合、これらは耐熱温度が１０００℃程度である。しかし、エネルギーの大きな反射電子が当たることを考えると、耐熱温度が１５００℃程度を期待できるアルミナＡｌ_２Ｏ_３をベースにしたセラミック材料のほうが望ましい。

また、本実施例では絶縁体２０１の外表面にコーティング材３０１を被覆する構成であるため、従来技術で説明した、円筒内表面に釉薬等で低抵抗膜を設ける構成と比較して、膜厚調整が容易であり、より安定した品質の低抵抗膜を設けることができる。

なお、絶縁体２０１の他端側が接続されている真空容器２０８は金属製であり、高電圧ケーブル２０７の外部導体２０６に接続されて接地電位になっており、ひいては陽極を接地電位に良好に保持している。しかし真空容器２０８と陰極とは、絶縁体２０１及びコーティング材３０１により絶縁が保持されている。

図４に、１０^１５Ω・ｃｍの体積抵抗率を有する基材に対して、コーティングなしの場合と、基材よりも体積抵抗率が小さいコーティング材を被覆した場合において、陰極に負の高電圧を印加した際の絶縁体上の電界分布の実測結果を示す。この結果によると、コーティングなしの場合では局所的に電界が負に増大しているのに対して、体積抵抗率１０^１２Ω・ｃｍのコーティング材で被覆した場合は電界がほぼ一様であった。また、体積抵抗率１０^１４Ω・ｃｍのコーティング材で被覆した場合は前記両者の中間の特性であった。コーティングなしの場合の最大電界と、体積抵抗率１０^１２Ω・ｃｍのコーティング材で被覆した場合の最大電界を比較すると、前者は後者の約２倍の電界が観測された。これらより、１０^１４Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を有するコーティング材であれば、局所的な電界を抑制できることが分かった。これらのメカニズムとしては、陰極から発生した電子ビームが陽極に衝突することにより、反射電子または２次電子が発生し、さらに、反射電子または２次電子の一部は絶縁体に衝突した際に２次電子を発生するため、絶縁体の体積抵抗率が十分高い場合には絶縁体が正に帯電するのに対して、１０^１４Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を有するコーティング材が被覆してあれば、この帯電を伝導電子の移動により中和することができ、局所的な電界の増加を抑制できると考えられる。さらに、別途実施した実験によると、コーティング材の体積抵抗率を１０^１２〜１０^１４Ω・ｃｍとした場合、コーティング無しの場合と比較すると沿面放電の発生数を１／２〜１／１０に抑制できることを確認している。

コーティングの厚みについては、厚みを０．１ｍｍ以上にするとコーティングがはがれてしまう現象が発生したため、コーティングの厚みは０．１ｍｍ以下が望ましい。

１０^１２Ω・ｃｍより体積抵抗率の低い場合でも１０^１２Ω・ｃｍと同等の特性が得られるが、全体の抵抗が小さくなり、Ｘ線ＣＴ用のＸ線管としては、全体の抵抗が１０^７Ω以下であると、陰極に−１００ｋＶ以上を印加した場合に発熱量が課題となるため、過熱が問題となる。

ここで電圧印加時に陰極から真空容器に流れる電流によるジュール発熱に関して、陰極の典型的な形状として、絶縁体直径５０ｍｍ、絶縁体長さ２００ｍｍの円柱形状と仮定し、陰極電圧１００ｋＶ、コーティング厚み０．１ｍｍの場合について、コーティングの体積抵抗率をパラメータとした場合のコーティングのジュール発熱量の特性を図５に示す。

これに対して、冷却性については、絶縁体の典型的な形状として、絶縁体直径５０ｍｍ、絶縁体厚み５ｍｍ、絶縁体長さ２００ｍｍの円筒形状で、熱伝導率をアルミナセラミックである３０Ｗ／ｍ・Ｋとし、一端を１５０℃、他端を３０℃とした場合、この絶縁体に流れる熱流量は約１３Ｗである。この値も図５に示す。

これによると、コーティングの体積抵抗率が小さすぎる場合、コーティングのジュール発熱量が、熱流量を上回り、冷却できない領域があることがわかる。図５によると、体積抵抗率が１０^７Ω・ｃｍ以下であった場合に、冷却ができない。したがって、冷却性を考慮すると、コーティングの体積抵抗率は１０^７Ω・ｃｍ以上である必要がある。一方で、帯電特性を考慮すると、図４に示した電位分布測定結果より、体積抵抗率は１０^１４Ω・ｃｍ以下が望ましい。したがって、コーティング材の体積抵抗率の範囲は１０^７〜１０^１４Ω・ｃｍが望ましい。

なお、コーティングの体積抵抗率が１０^７Ω・ｃｍである場合の総抵抗は１０^８Ωである。したがって、陰極と真空容器の間の総抵抗は１０^８Ω以上であることが望ましい。

さらに、絶縁体２０１から対面する真空容器２０８への熱輻射を促進するため、コーティング材３０１は概ね黒色とすることが望ましい。

上記のようなＸ線管を搭載すればＸ線ＣＴ装置、Ｘ線撮影装置等は信頼性を高めることができる。そのような装置構成図を図２に示す。

１…商用電源、２…周波数変換器、３…電力伝達用ブラシ、４…スキャナ回転盤、５…電力伝達用スリップリング、６…高電圧発生装置、７…Ｘ線管、８…Ｘ線ビーム、９…寝台、１０…被検体、１１…検出器、１２…データ収集システム、１３…データ伝達用スリップリング、１４…データ伝達用ブラシ、１５…画像再構成装置、１６…コンピュータ、１７…画像表示装置、１８…画像記録装置、
１０１…陰極、１０２…陽極、１０３…ロータ、１０４…ステータ、１０５…絶縁体、１０６…筐体、
２０１…絶縁体、２０２…プラグ、２０３…フィラメント、２０４…収束体、２０５Ａ，２０５Ｂ…高電圧導線、２０６…外部導体、２０７…高電圧ケーブル、２０８…真空容器、２０９…陽極、３０１…コーティング材。

Claims (9)

1. 陽極が接地電位とされ、陰極に負電圧が印加されて、前記陰極より放出された電子が前記陽極に当たることによりＸ線を発生する陽極接地型Ｘ線管であって、
   前記陰極を支持する絶縁体は、基材に、当該基材よりも体積抵抗率が小さいコーティング材を被覆したことを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
2. 請求項１に記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の体積抵抗率が１０^７〜１０^１４Ω・ｃｍであることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
3. 請求項１または請求項２に記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の外部に同軸に接地電位の金属製の真空容器が配置されていることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
4. 請求項３に記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極と前記真空容器の間の総抵抗が１０^８Ω以上であることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
5. 請求項１乃至４の何れか一つに記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の厚みは０．１ｍｍ以下であることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
6. 請求項１乃至５の何れか一つに記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の基材および前記コーティングがセラミックス製であることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
7. 請求項６記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記陰極を支持する絶縁体の基材がアルミナであり、前記コーティング材が、アルミナと、酸化チタン、酸化クロム、酸化鉄、酸化イットリウムの内の何れか一つを含むことを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
8. 請求項１乃至７の何れか一つに記載の陽極接地型Ｘ線管であって、前記コーティング材の色が概ね黒色であることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管。
9. 請求項１乃至８の何れか一つに記載の陽極接地型Ｘ線管を搭載したＸ線撮影装置。

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