JP2012124098A - 放射線発生装置および放射線撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透過基板の温度上昇を抑制して放射線発生の長時間駆動を可能とし、信頼性の高い透過型放射線管および放射線撮影装置を提供する。
【解決手段】放射線発生装置は、冷却媒体が充填された収納容器１２内に透過型放射線管１１が収納され、透過型放射線管は、開口部１４ａを有する外囲器１４と、外囲器内に開口部１４ａに臨んで配設された電子放出源１５と、放射線を透過する透過基板１９と、透過基板１９の電子放出源側面に設置され、電子放出源１５から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲット１８と、ターゲットから放出された放射線を遮る遮蔽体２０と、を備え、遮蔽体は外囲器１４の外側に突設されると共に、外囲器１４の開口部１４ａに連通する通路２０ａを有し、通路２０ａに設けられる透過基板１９の少なくとも一部は、外囲器１４の外壁面よりも外側に突出して配設され、冷却媒体は遮蔽体２０の少なくとも一部に接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却媒体が充填された収納容器内に、電子放出源を用いた透過型放射線管を収納する放射線発生装置、および該放射線発生装置を備える放射線撮影装置に関する。

一般に、放射線管（放射線発生管）は電子放出源から放出される電子を高エネルギーに加速し、タングステン等の金属から構成されるターゲットに照射して、Ｘ線等の放射線を発生させている。このとき発生した放射線は全方位に向かって放出される。そこで、必要以外の放射線を遮蔽するために、放射線管を収納した容器、もしくは放射線管の周囲を鉛のような遮蔽体（放射線遮蔽部材）で覆い、不要な放射線を外部に漏洩しないようにしている。このため、このような放射線管および放射線管を収納した放射線発生装置においては、小型軽量化が困難となっていた。

この課題を解決する手段として、透過型放射線管において、ターゲットの放射線放出側および電子入射側にそれぞれ遮蔽体を配置することにより、簡易な構造で不要な放射線を遮蔽し、かつ装置の小型軽量化を実現する方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、一般に、このようなターゲット（陽極）固定型の透過型放射線管は、ターゲットの放熱性が比較的劣るため、高エネルギーの放射線を発生させることが困難であった。このターゲットの放熱に関し、特許文献１の透過型放射線管では、ターゲットと遮蔽体を接合した構造とすることにより、ターゲットで発生した熱が遮蔽体に伝わって放熱され、ターゲットの温度上昇が抑えられると記載されている。

特開２００７−２６５９８１号公報

しかしながら、特許文献１の透過型放射線管では、遮蔽体が真空容器内に配置されており、遮蔽体から真空容器外部への熱伝達領域が限られている。このため、ターゲットの放熱性が必ずしも十分ではなく、ターゲットの冷却能力と装置の小型軽量化の両立に課題があった。

そこで、本発明は、簡易な構造で不要な放射線の遮蔽とターゲットの冷却を可能とし、かつ小型軽量化を可能とする放射線発生装置、およびそれを備える放射線撮影装置を提供することを目的とする。

本発明の放射線発生装置は、冷却媒体が充填された収納容器の内部に、透過型放射線管が収納され、
前記透過型放射線管は、
開口部を有する外囲器と、
前記外囲器の内部に前記開口部に臨んで配設された電子放出源と、
放射線を透過する透過基板と、
前記透過基板の電子放出源側の面に設置され、前記電子放出源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲットと、
前記ターゲットから放出された放射線を遮る遮蔽体と、
を備え、
前記遮蔽体は前記外囲器の外側に突設されると共に、前記外囲器の開口部に連通する通路を有し、該通路に設けられる前記透過基板の少なくとも一部は、前記外囲器の外壁面よりも外側に突出して配設され、
前記冷却媒体は前記遮蔽体の少なくとも一部に接していることを特徴とする。

本発明によれば、冷却媒体に対する放熱面積が広く、かつ最も温度の高い部分を放熱面とする構造が可能となる。これにより、ターゲットの熱は透過基板及び遮蔽体を通じて冷却媒体へと伝達され、透過基板の温度上昇を抑制して放射線発生の長時間駆動を可能とし、信頼性の高い透過型放射線管を用いた放射線発生装置を実現することができるという優れた効果を発揮する。

第１の実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図、及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。 第２の実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図、及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。 第３の実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図、及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。 第４の実施形態の放射線撮影装置を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。なお、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。

＜第１の実施形態＞
まず図１を参照して、本発明に係る放射線発生装置の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。図１の断面模式図は、電子束の中心線（電子束中心線２２）方向をＺ軸方向とするＺ−Ｙ断面を表している。

図１に示すように、本実施形態の放射線発生装置１は透過型放射線管１１を備えており、この透過型放射線管１１は収納容器１２の内部に収納されている。この収納容器１２の内部に透過型放射線管１１を収納した余空間には、冷却媒体が充填されている。

収納容器１２は、金属板で箱体状に区画形成された金属容器である。収納容器１２を構成する金属は導電性を有し、例えば鉄、ステンレス、鉛、真鍮、銅などを使用することができ、容器重量を保持しうる構造を有している。収納容器１２の一部には、収納容器１２の内部へ冷却媒体を注入する不図示の注入口が設けられている。透過型放射線管１１の駆動時には冷却媒体の温度が上昇するので、冷却媒体が膨張した際の収納容器１２の内圧上昇を避けるため、必要に応じて、収納容器１２の一部に弾性部材を用いた不図示の圧力調整口を開設してもよい。

冷却媒体は、電気絶縁性を有する液体ならばよく、熱による変質が少なく、冷却能力が高く、かつ低粘度のものが望ましく、例えば電気絶縁油、フッ素系不活性液体等が用いられる。

透過型放射線管１１は、円形の開口部１４ａを有する円柱状の外囲器１４、電子放出源１５、制御電極１６、透過基板１９、ターゲット１８、および遮蔽体２０を備えている。

外囲器１４は高電気絶縁性の材料で、高真空維持可能な耐熱性の高い材料で構成されている。ここでは高電気絶縁性の材料として、例えばアルミナや耐熱ガラス等を用いることができる。外囲器１４の内部は、後述するように、所定の真空度に保持されている。

外囲器１４の内部には、外囲器１４の開口部１４ａに臨んで電子放出源１５が配設されている。本実施形態の電子放出源１５は、例えばフィラメントを用いているが、他に含浸型カソードや電界放出型素子などの電子放出源を用いてもよい。外囲器１４内には、一般的に電子放出源１５を駆動できる１×１０^-4Ｐａ以下の真空度を保つため、透過型放射線管１１を駆動した際に放出されるガスを吸収する不図示のゲッタ、ＮＥＧ、小型イオンポンプ等が搭載されている。

電子放出源１５の周囲には、制御電極１６が配置されている。この制御電極１６の電位により、電子放出源１５から放出された熱電子は、ターゲット１８に向けて加速された電子である電子束１７となる。電子束１７のオン，オフ制御は、制御電極１６の電圧制御により行なう。制御電極１６は、例えばステンレスや、モリブデン、鉄などの材料から形成されている。ターゲット１８の電位は、電子放出源１５に対して正電位となっているため、電子束１７はターゲット１８に引き寄せられて衝突し、放射線を発生する。本実施形態の放射線発生装置１は、ターゲット１８に電子束１７を照射して、放射線としてＸ線を発生させるＸ線発生装置として構成されている。

尚、制御電極１６の電子照射方向前方にレンズ電極を設けると、電子束の径をより収束させることができ好ましい。

外囲器１４の開口部１４ａには、外囲器１４の外側へと遮蔽体２０が突設されており、外囲器１４と遮蔽体２０との接合部が密閉構造となっている。遮蔽体２０は円筒体状を呈しており、外囲器１４の開口部１４ａに連通する通路２０ａを有している。この遮蔽体２０は、例えばタングステンや、モリブデン、無酸素銅、鉛などのＸ線吸収能力の高い金属で構成されている。

遮蔽体２０の通路２０ａの途中には、放射線を透過する透過基板１９が設けられている。ターゲット１８は、透過基板１９の電子放出源側の面に設置されている。透過基板１９は、ターゲット１８から発生する不要方向Ｘ線を吸収する機能と、ターゲット１８の熱拡散板としての機能をもつ。透過基板１９は、熱伝導率が高く、Ｘ線減衰量の低い材料で板状に形成され、例えばＳｉＣ、ダイヤモンド、薄膜無酸素銅等が適している。透過基板１９は遮蔽体２０の通路２０ａに銀ろう付け等で接合されている。なお、遮蔽体２０の通路２０ａにおける透過基板１９の配置については、後述する。

Ｘ線を発生させる場合、ターゲット１８としては、例えばタングステン、モリブデン、銅、金等が用いられる。ターゲット１８は金属薄膜で形成され、透過基板１９の電子放出源側の面に形成されている。人体のＸ線撮影を行う場合、ターゲット１８は、電子放出源１５の電位に対して、電位が＋３０ＫＶ〜１５０ＫＶ程度高くなっている。この電位差は、ターゲット１８から発生するＸ線が人体を透過し、有効に撮影に寄与するために必要な加速電位差である。

タングステンを使用する場合は、例えば３μｍから１５μｍ程度の膜厚で形成される。膜厚３μｍの場合は、ターゲット１８の電子が電子放出源１５の電位に対して＋３０ＫＶの電圧を印加することにより、所望のＸ線発生量を得ることができる。また膜厚１５μｍの場合は、ターゲット１８の電位が電子放出源１５の電位に対して＋１５０ＫＶ程度の電圧を印加することにより、所望のＸ線発生量を得ることができる。

遮蔽体２０の通路２０ａにおいて、透過基板１９は、外囲器１４の外壁面よりも外側に突出して配設されている。遮蔽体２０の通路２０ａは、透過基板１９の配設されている部位までは円柱状の孔であるが、透過基板１９の電子放出源と反対側において順次内径が拡径するように形成されている。本実施形態では、遮蔽体２０の通路２０ａに設けられた透過基板１９およびターゲット１８の全体が、外囲器１４の外壁面よりも外側に突出して配設されている。

遮蔽体２０の通路２０ａの途中に透過基板１９が接合されているので、透過基板１９よりも外囲器１４側の真空は保持されている。また収納容器１２の内部へ充填された冷却媒体は、透過基板よりも外側の遮蔽体２０の通路２０ａへ浸入し、透過基板１９に接触している。

すなわち本実施形態では、冷却媒体が透過基板１９、遮蔽体２０の外面の大部分および透過基板よりも外側の通路２０ａ内面に接している。透過基板１９は遮蔽体２０の通路２０ａに接合されているので、ターゲット１８に電子束１７が衝突してＸ線を発生した際、ターゲット１８の発熱は透過基板１９および遮蔽体２０を通じて冷却媒体に熱伝達される。

このように熱伝達されるためには、透過基板１９の少なくとも一部が、外囲器１４の外壁面よりも外側に突出して配設されていればよい。また、透過基板１９のターゲット設置面はターゲット１８に接して高温となるので、このターゲット設置面が外囲器１４の外壁面よりも外側に突出していることがより好ましい。さらに冷却媒体は、遮蔽体２０の少なくとも一部に接していればよい。

次に、図１上部の温度分布図を参照して、本実施形態の放射線発生装置１を駆動させた場合の作用について説明する。本実施形態の放射線発生装置１の透過型放射線管１１を駆動すると、遮蔽体２０の外表面には温度分布が生じる。図１中の温度分布図に示すように、Ｚ軸方向において、透過基板１９の位置を中心とし、ほぼ対称である凸状（山状）の温度分布が生じる。一例として、透過型放射線管１１を１５０Ｗ程度の出力で駆動した場合、遮蔽体２０の外表面の最高温度は２００℃以上になると推定される。

本実施形態のように、透過基板１９が外囲器１４の外壁面よりも外側へ突出して配置されている場合と、透過基板１９が外囲器１４の外壁面の内側に配置されている場合とを比較してみる。透過基板１９の電子放出源側の面にターゲット１８が設置されているので、透過基板１９よりも電子放出源側が高温となる。したがって、本実施形態によれば、透過基板１９よりも電子放出源側の高温部位が遮蔽体２０を介して冷却媒体に接するので、透過基板１９が外囲器１４の内側に配置されている場合に比して、冷却媒体に放熱する面積が広くなる。

具体的には、図１の遮蔽体２０において、透過基板１９の外面から遮蔽体２０先端までの長さをａ（ｍｍ）とし、透過基板１９の外面から外囲器１４の外壁までの長さをｂ（ｍｍ）とする。透過基板１９が外囲器１４の外壁面の内側に配置されている場合に比較して、遮蔽体２０の冷却媒体に接触する面積の増加量に相当する遮蔽体２０の冷却媒体への放熱量の増加が得られる。したがって、遮蔽体２０の冷却能力は（ａ＋ｂ）／ａ倍程度増加し、ターゲット１８および透過基板１９の温度上昇を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の放射線発生装置１によれば、冷却媒体に対する放熱面積が広く、かつ最も温度の高い部分を放熱面とする構造が可能となり、放熱能力の高い構造が実現できる。

よって、透過型放射線管１１の駆動時におけるターゲット１８および透過基板１９の単位時間当たりの温度上昇が小さくなくなるので、駆動時にターゲット１８および透過基板１９が耐熱温度に到達するまでの時間が長くなる。これにより、Ｘ線発生を長時間駆動することが可能で、信頼性の高い透過型放射線管１１を用いた放射線発生装置１を実現することができる。

＜第２の実施形態＞
次に図２を参照して、本発明に係る放射線発生装置の第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。なお、第１の実施形態の放射線発生装置１と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。

図２に示すように、本実施形態の放射線発生装置２では、遮蔽体２０の通路２０ａに対して、透過基板１９が垂直ではなく傾斜して配設されている点が第１の実施形態と異なる。具体的には、電子束１７の中心線である電子束中心線２２と、透過基板１９のターゲット設置面（透過基板１９の内面の延長線である基板面方向２３）との角度である基板面傾き角２４は、９０度未満、好ましくは９０度未満８度以上の範囲である。傾斜角度が８度未満になると透過基板１９の長さが長くなるため、透過型放射線管２１としては実用的でない。ターゲット基板１９が傾斜して接合されている場合、接合面が楕円リング状となり接合面積が増加するため、ターゲット基板１９から遮蔽板２０への伝熱量が増加する。

次に、図２上部の温度分布図を参照して、本実施形態の放射線発生装置２を駆動させた場合の作用について説明する。本実施形態の放射線発生装置２の透過型放射線管２１を駆動すると、遮蔽体２０の外表面には、Ｚ軸方向において、透過基板１９の位置を中心とした凸状（山状）の温度分布が生じる。遮蔽体２０の通路２０ａに透過基板１９が傾斜して接合されているので、透過基板１９の位置を中心とした、凸状の温度分布の頂点部が遮蔽体２０の円周方向で楕円状に分布している。

図２を例にすると、遮蔽体２０の外表面の温度分布は上の面と下の面では最高温度部がＺ軸方向で位置が異なっている。電子束中心線２２と透過基板１９のターゲット設置面の交点から遮蔽体先端までの距離をＣ（ｍｍ）、電子束中心線２２と透過基板１９のターゲット設置面の交点から外囲器１４の外壁までの距離をＤ（ｍｍ）とする。遮蔽体２０の全周での温度分布を考慮すると、透過基板１９が外囲器１４の内側に配置されている場合に比較して、遮蔽体２０の冷却媒体に接触する面積の増加量にほぼ相当する冷却媒体への放熱量の増加の効果がある。したがって、遮蔽体２０の冷却能力がおよそ（Ｃ＋Ｄ）／Ｃ程度増加し、これよりＸ線発生時のターゲット１８および透過基板１９の温度上昇をより抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の放射線発生装置２によれば、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に本実施形態の放射線発生装置２によれば、透過基板１９が傾斜しているので冷却媒体に接する面積も増加し、透過基板１９が冷却媒体に放熱する熱量がより増える。よって、ターゲット１８および透過基板１９の温度上昇をより一層抑制することが可能となる。

＜第３の実施形態＞
次に図３を参照して、本発明に係る放射線発生装置の第３の実施形態について説明する。図３は、本実施形態の透過型放射線管を用いた放射線発生装置の断面模式図及び遮蔽体の外表面の温度分布図である。なお、第１の実施形態の放射線発生装置１と同一の構成要素については同一の符号を付して説明する。

図３に示すように、本実施形態の放射線発生装置３では、遮蔽体２０の内部に冷却媒体を導く冷却媒体導入部３２が形成されている点が第１の実施形態と異なる。この冷却媒体導入部３２は、遮蔽体２０の温度が高い部位に冷却媒体を接触させるために、透過基板１９よりも電子放出源側に配置されていることが好ましい。具体的には、遮蔽体２０の外周面における外表面温度が最も高くなる部位であって、透過基板１９と同一平面上付近に、溝状の冷却媒体導入部３２を全周に亘って形成する。冷却媒体導入部３２の底部と透過基板１９との間隔は、２ｍｍ以上の厚さに設定することが好ましい。これはターゲット１８で発生し、全方向に放射されるＸ線を、遮蔽体２０で遮蔽し、放射線発生装置３の操作員を被爆させないために適当な下限厚さである。この間隔が２ｍｍ未満である場合は、収納容器１２の外部にＸ線遮蔽機能をもつ構造が必要になる場合がある。

次に、図３上部の温度分布図を参照して、本実施形態の放射線発生装置３を駆動させた場合の作用について説明する。本実施形態の放射線発生装置３の透過型放射線管３１を駆動すると、遮蔽体２０の外表面には、Ｚ軸方向において、透過基板１９の位置を中心とし、ほぼ左右対称である凸状（山状）の温度分布が生じる。一例として透過型放射線管３１を１５０Ｗ程度の出力で駆動した場合、遮蔽体２０の外表面の最高温度は２００℃以上になると推定される。上述した様に、透過基板１９が外囲器１４の外壁よりも外側へ突出して配設されている場合は、透過基板１９が外囲器１４の内側に配設されている場合に比較して、透過基板１９よりも電子放出源側の高温部位が冷却媒体に接し、放熱する面積を広くすることができる。これよりＸ線発生時のターゲット１８および透過基板１９の温度上昇をより抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の放射線発生装置３によれば、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。特に本実施形態の放射線発生装置３によれば、遮蔽体２０の外面に溝状の冷却媒体導入部３２を形成することにより、冷却媒体が冷却媒体導入部３２へ浸入し、冷却媒体と遮蔽体２０との接触面積が増加する。これよりターゲット１８および透過基板１９の温度上昇をより抑制することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
次に図４を参照して、上記放射線発生装置を用いた第４の実施形態の放射線撮影装置について説明する。図４は、本実施形態の放射線撮影装置を示す模式図である。ここでは図１の放射線発生装置１を用いているが、図２および図３の放射線発生装置２、３を用いても同様のＸ線撮影装置が得られる。したがって図４においては、第１の実施形態の放射線発生装置１の符号のみを付している。

図４に示すように、本実施形態の放射線撮影装置４は、透過型放射線管１１のＸ線放射方向に、不図示の被検体を介して放射線検出手段（Ｘ線検出器）４１が配置された構成となっている。

Ｘ線検出器４１は、信号処理手段（Ｘ線検出信号処理部）４２を介してＸ線撮影装置制御部４３に接続されている。Ｘ線撮影装置制御部４３の出力信号は、電子放出源駆動部４４、電子放出源ヒーター制御部４５、および制御電極電圧制御部４６を介して、それぞれ透過型放射線管１１の電子放出源側の各端子に接続されている。さらにＸ線撮影装置制御部４３の出力信号は、ターゲット電圧制御部４７を介して、透過型放射線管１１のターゲット１８の端子に接続されている。

放射線発生装置１の透過型放射線管１１でＸ線を発生すると、大気中に放射されたＸ線は、被検体を透過した放射線が放射線検出手段４１に検出され、放射線検出手段４１による検出結果から信号処理手段４２が放射線透過画像（Ｘ線透過画像）を作成する。

本実施形態の放射線撮影装置４によれば、Ｘ線発生の長時間駆動が可能であり、信頼性の高い透過型放射線管１１を備えた放射線発生装置１を用いているので、Ｘ線発生の長時間駆動が可能で、信頼性の高いＸ線撮影装置を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１ 放射線発生装置、１１ 透過型放射線管、１２ 収納容器、１４ 外囲器、１５ 電子放出源、１８ ターゲット、１９ 透過基板、２０ 遮蔽体

Claims (8)

1. 冷却媒体が充填された収納容器の内部に、透過型放射線管が収納され、
   前記透過型放射線管は、
   開口部を有する外囲器と、
   前記外囲器の内部に前記開口部に臨んで配設された電子放出源と、
   放射線を透過する透過基板と、
   前記透過基板の電子放出源側の面に設置され、前記電子放出源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲットと、
   前記ターゲットから放出された放射線を遮る遮蔽体と、
   を備え、
   前記遮蔽体は前記外囲器の外側に突設されると共に、前記外囲器の開口部に連通する通路を有し、該通路に設けられる前記透過基板の少なくとも一部は、前記外囲器の外壁面よりも外側に突出して配設され、
   前記冷却媒体は前記遮蔽体の少なくとも一部に接していることを特徴とする放射線発生装置。
2. 前記透過基板のターゲット設置面が、前記外囲器の外壁面よりも外側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生装置。
3. 前記透過基板は、前記通路に対して傾斜して設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放射線発生装置
4. 前記遮蔽体は、内部に前記冷却媒体を導く冷却媒体導入部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
5. 前記冷却媒体導入部を、前記透過基板よりも電子放出源側に有することを特徴とする請求項４に記載の放射線発生装置。
6. 前記冷却媒体は、電気絶縁性を有する液体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
7. 前記電気絶縁性を有する液体は、電気絶縁油またはフッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項６に記載の放射線発生装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線発生装置と、
   前記透過型放射線管から発生し、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出手段と、
   前記放射線検出手段による検出結果から放射線透過画像を作成する信号処理手段と、
   を少なくとも有することを特徴とする放射線撮影装置。

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