JP2012256559A - 放射線透過型ターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】帯電防止が図られ、安定動作できる放射線管を提供する。
【解決手段】基板１３上にターゲット金属１２を有する放射線透過型ターゲット１１であって、基板１３のターゲット金属１２を有する面とは反対側の面に帯電防止部１４を有する放射線透過型ターゲット。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線透過型ターゲット、該ターゲットを用いた透過型放射線管、及び該放射線管を用いた放射線撮影装置に関する。

透過型Ｘ線管は、陽極、陰極および絶縁管からなる真空管であって、陰極の電子放出源から放出される電子を、陽極−陰極間に加えられた高電圧で加速し、陽極に設けられた金属ターゲットに照射して、Ｘ線を発生させるものである。そして、透過型Ｘ線管は、医療用や工業用のＸ線発生装置に採用されている。

このような一般的な透過型Ｘ線管では、陰極のフィラメントから放出された電子線を加速収束させて陽極側のＸ線透過窓基板上に設けられたターゲット金属に衝突させて透過方向にＸ線を発生させる。このＸ線を発生させる透過型Ｘ線ターゲット構造は、Ｘ線透過窓基板に高耐熱性のセラミックまたはガラスの絶縁体を用いて、その内面にターゲット金属を蒸着したものを用いている。またターゲット金属材料としては、高融点金属且つ重元素金属が選択される。また、このようなＸ線管では、高電圧で加速された電子線がターゲットに衝突して電子や反射電子が絶縁部周辺に帯電し、やがては放電し、ターゲット構造を破壊したり、耐電圧が低下したりと安定動作が損なわれていた。

これら帯電の影響による様々な問題を解決するための帯電防止に関して、特許文献１には帯電防止膜を付与するターゲット構造が示されている。即ち、透過型のＸ線ターゲットにおいて、Ｘ線透過窓基板にセラミックまたはガラス等の絶縁体を用い、その内面にターゲット金属以外の金属からなる帯電防止膜を形成し、その上にターゲット金属を蒸着することが開示されている。そして、特許文献１には、ターゲットに衝突した電子を周辺に帯電させないように帯電防止膜が設けられているので、安定して動作することができる、と記載されている。

特開２００２−３５２７５４号公報

しかしながら、特許文献１は、帯電防止に関して、以下のような課題があった。すなわち、Ｘ線透過窓の基板の内面にターゲット金属以外の金属からなる帯電防止膜を形成し、その帯電防止膜上にターゲット金属を蒸着したものであるから、Ｘ線透過窓の基板の内面は帯電防止膜による帯電を防ぐことができる。しかし、外面つまりＸ線透過窓のターゲット材料形成面と反対側の面はＸ線透過窓の基板であるセラミックまたはガラスの絶縁表面が露出している。そのため、ターゲット基板に衝突した電子、或いは放出電子によりイオン化した正イオンがターゲット基板に付着することにより帯電を引き起こす。その結果、帯電による電位上昇によって放電を引き起こしたり、ターゲット基板の帯電により安定動作が妨げられたりと課題となっていた。

本発明は、上記課題を解決し、帯電防止が図られ、安定動作できる放射線管を提供することを目的とする。

本発明の放射線透過型ターゲットは、基板上にターゲット金属を有する放射線透過型ターゲットであって、前記基板の前記ターゲット金属を有する面とは反対側の面に帯電防止部を有することを特徴とする。

本発明によれば、基板のターゲット金属形成面と反対側の面の帯電を有効に防止でき、放射線管の安定した動作を確保することができる。

本発明のＸ線管の構成図である。 本発明の他のＸ線管におけるターゲット部の拡大図である。 本発明のＸ線管を用いたＸ線撮影装置の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の放射線透過型ターゲット及びこれを用いた透過型放射線管の好適な実施形態をＸ線管を例にとり説明する。但し、以下の実施形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、相対配置等は、特に記載がない限り本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は本実施形態のＸ線管の構成図であり、図１（ａ）は本実施形態のＸ線管を陰極、陽極、絶縁管、電子源及びターゲットを含む平面で切断したときの断面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるターゲット周辺部の拡大図である。

Ｘ線管１は、筒形の絶縁管４の一端に陰極２、他端に陽極３を備えて内部が密閉された外囲器と、外囲器内に配置された電子源５と、陽極３に配置されたターゲット１１とからなる真空管である。

電子源５は、電子を放出する電極である。電子源５には電子放出素子として冷陰極、熱陰極のいずれも用いることができるが、本実施形態のＸ線管１に適用する電子源５としては、大電流を安定して取り出せる含浸型カソード（熱陰極）を好適に用いることができる。含浸型カソードは、電子放出部（エミッタ）近傍のヒーターに通電することによりカソードの温度を上昇させて電子を放出する。

グリッド電極６は、電子源５から放出された電子を真空中に引き出すために所定の電圧が印加される電極であり、電子源５から所定の距離だけ離して配置されている。グリッド電極６の形状、孔径、開口率等は、電子線の引き出し効率やカソード近傍の排気コンダクタンスを考慮して決定される。通常、線径５０μｍ程度のタングステンメッシュを好適に用いることができる。

集束電極７は、グリッド電極６によって引き出された電子線の広がり（ビーム径）を制御するための電極である。通常、集束電極７には数百Ｖ〜数ｋＶ程度の電圧が印加されてビーム径の調節を行う。電子源５近傍の構造や印加電圧によっては集束電極７を省略し、電界によるレンズ効果のみによって電子線を集束することも可能である。

陰極２は絶縁部材８を有する。絶縁部材８には電子源駆動用端子９とグリッド電極用端子１０が、陰極２とは電気的に絶縁されるように固定されている。電子源駆動用端子９、グリッド電極用端子１０はＸ線管１内の電子源５、グリッド電極６からＸ線管１の外部へと引き出されている。集束電極７は陰極２に固定され、陰極２と同電位に規定されている。但し、集束電極７も陰極２と絶縁して別の電位を与えられるようにしても良い。

陽極３は、ターゲット１１に電気的に接続されている。陽極３とターゲット１１の接合は、熱的接合の他、真空の保持を考慮してろう附けや溶接が好適である。通常、陽極３には数十ｋＶ〜百ｋＶ程度の電圧が印加される。電子源５により発生しグリッド電極６により引き出された所定のエネルギーを有する電子線は、集束電極７により陽極３上のターゲット１１へと向けられ、陽極３に印加された電圧により加速されてターゲット１１に衝突する。電子線の衝突によりターゲット１１からＸ線が発生し全方向に放射される。全方向に放射されたＸ線のうちターゲット１１を透過したＸ線がＸ線管１の外部に取り出される。

ターゲット１１は、図１（ｂ）に示した様にＸ線を透過する基板１３の電子線照射面（電子源と対向する面）に、電子線の衝突によってＸ線を発生するターゲット金属１２を有るす。また、ターゲット１１は、基板１３の電子照射面とは反対側の面に、電位規定構造を有する帯電防止部１４を有する。

ターゲット金属１２は、通常、原子番号２６以上の金属からなる薄膜を用いることができる。具体的にはタングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム、タンタル、白金等、又はこれらの合金材料からなる薄膜を好適に用いることができる。これらのうちでも、タングステン、タンタル、白金またはこれらとレニウムを含む合金からなる薄膜をより好適に用いることができる。ターゲット金属１２は、高温での化学反応による熱ＣＶＤ法により、緻密で高純度の組成膜を強い密着力で得ることが出来る。またスパッタリング等の物理成膜によっても、スパッタリングの条件を選択することにより緻密な膜構造を取るように形成することができる。ターゲット金属１２の厚さは、加速電圧によって電子線浸入深さ即ちＸ線発生領域が異なるため最適な値が異なるが、百ｋＶ程度の加速電圧を印加する場合には通常、数μｍ〜十μｍ程度の厚さである。

基板１３は、Ｘ線の透過率が高く、熱伝導率が高く、真空封止に耐える必要があり、ダイヤモンド、炭化ケイ素、炭化アルミ、グラファイト等の炭素もしくは炭素の化合物、窒化ケイ素、窒化アルミ、ベリリウム等を好適に用いることができる。Ｘ線の透過率がアルミニウムよりも低く熱伝導率がタングステンよりも高い、ダイヤモンド、窒化アルミ、窒化ケイ素を用いるのがより好ましい。特にダイヤモンドは、他の材料に比べて熱伝導率が極めて高く、Ｘ線の透過率も高く、真空を保持しやすいため、より優れている。基板１３の厚さは、上記の機能を満足すれば良く、材料によって異なるが、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。

帯電防止部１４は、Ｘ線の透過率が高い導電性の金属からなれば良く、耐熱性に優れた高融点金属が好ましい。具体的には、タングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム、ハフニウム、タンタル、オスミウム、イリジウム、白金、金、チタン、鉛、ビスマス等、又はこれらの合金材料を用いることができる。好ましくは、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、チタン、鉛、ビスマスまたはこれらの合金を用いることができる。また、ターゲット金属１２と同一金属を用いることが好ましい。帯電防止部１４は、図１（ａ）に示す様に、例えば熱ＣＶＤ法やスパッタリング等の物理成膜等によって形成した帯電防止膜であってもよいし、図２に示す様に、例えば金属板を張り付ける等により形成した帯電防止層であってもよい。帯電防止部の厚みは、特に限定されないが、０．０５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。

絶縁管４は、ガラスやセラミック等の絶縁部材で形成された絶縁性を有する管であり、筒形の形状を有する。形状に制約は多くないが、小型化や作り易さの観点からすると円筒形が好ましい。角筒形としても良い。絶縁管４の両端はそれぞれ陰極２、陽極３とろう附けや溶接によって接合される。Ｘ線管１内の真空度を良くするために加熱排気を行う場合には、陰極２、陽極３、絶縁管４及び絶縁部材８は熱膨張率が近い材料を用いるのが良い。例えば陰極２及び陽極３にはコバールやタングステン、絶縁管４及び絶縁部材８にはホウケイ酸ガラスやアルミナを用いると良い。

次に、本発明の放射線撮影装置について説明する。本発明の放射線撮影装置は、透過型放射線管を備えた放射線発生装置と、放射線発生装置から放出され被検体を透過した放射線を検出する放射線検出器とを備える。図１のＸ線管を用いたＸ線撮影装置の例を図３を用いて説明する。本実施形態のＸ線撮影装置は、Ｘ線発生装置３０、Ｘ線検出器３１、信号処理部３２、装置制御部３３、および表示部３４を備えており、Ｘ線発生装置３０は、Ｘ線管２８と電圧制御部２９を備えている。

Ｘ線発生装置３０から放射されたＸ線は、被検体３５を介してＸ線検出器３１に検出され、被検体３５のＸ線透過画像が得られる。Ｘ線検出器３１は、信号処理部３２を介して装置制御部３３に接続されている。また、装置制御部３３には、表示部３４および電圧制御部２９が接続されている。装置制御部３３は、Ｘ線撮影装置における処理を統括制御する。例えば、Ｘ線発生装置３０とＸ線検出器３１とによるＸ線撮影を制御する。また例えば、Ｘ線発生装置３０の駆動を制御し、電圧制御部２９を介してＸ線管２８に印加される電圧信号を制御する。撮影されたＸ線透過画像は表示部３４に表示される。

以上説明の様に、本実施形態のＸ線管によれば、電子源５より発生した電子ビームはターゲット金属１２、基板１３および帯電防止部１４を通過して帯電することなく安定して動作する事ができる。更にターゲット金属１２で発生したＸ線は基板１３、帯電防止部１４を透過し外部に放射され、被検体３５を介してＸ線検出器３１に検出される。得られた画像はコントラストのある鮮明なＸ線画像を得る事が出来る。

＜実施例１＞
本実施例のＸ線管の構成図を図１に示す。図１のＸ線管の構成の説明は上述のとおりであるため省略する。

陰極２及び陽極３にはコバール、絶縁管４及び絶縁部材８にはアルミナを用い、これらを溶接によって接合した。絶縁管４は円筒形とした。電子源５には東京カソード研究所社製含浸型カソードを用いた。このカソードは電子放出部（エミッタ）が含浸された円柱形状をしており、筒形のスリーブ上端に固定されている。スリーブ内にはヒーターが取り付けられており、このヒーターに電子源駆動用端子９より通電することによってカソードが加熱されて電子が放出される。電子源駆動用端子９は絶縁部材８にろう附けした。

ターゲット１１は、板厚０．５ｍｍのシリコンカーバイド製の基板１３の上に、ターゲット金属１２として膜厚５μｍのタングステン膜が形成されてなる。また、ターゲット金属１２を有する面とは反対側の面には帯電防止部１４として膜厚０．１μｍのタングステン膜が形成されてなる。ターゲット１１は陽極３にろう附けした。

電子源５とターゲット１２の間には電子源５に近い順にグリッド電極６と集束電極７を配置した。グリッド電極６はグリッド電極用端子１０から通電され、電子源５から電子を効率良く引き出す。グリッド電極用端子１０は電子源駆動用端子９と同様に絶縁部材８にろう附けした。集束電極７は陰極２に溶接し、陰極２と同電位に規定した。集束電極７はグリッド電極６によって引き出された電子線のビーム径を絞り、電子線を効率良くターゲット１２に照射する。

陰極２、陽極３、および絶縁管４の外径はΦ５６ｍｍ、集束電極７の外形はほぼ円柱でΦ２５ｍｍであり、それぞれの中心を合わせている。絶縁管４の長さは７０ｍｍであり、集束電極７は陰極２よりも４０ｍｍ突き出ているため、集束電極７の端部の絶縁管４への投影位置とは、絶縁管４の内壁に沿って、陰極２から４０ｍｍの位置である。絶縁管４は陰極２から２０ｍｍのところまで壁厚が１０ｍｍ、それ以外は壁厚５ｍｍである。

上記のように構成されたＸ線管１は、最後に、加熱しながら、陰極２に溶接された不図示の排気管から排気し、封止される。

比較例として、帯電防止部１４を有さないターゲット１１を用いた以外は本実施例と同様にしてＸ線管を作製した。

上記２つのＸ線管からＸ線を発生させた。比較例のＸ線管は絶縁表面が露出しているのでターゲット１１に衝突した電子或いは放出電子によりイオン化した正イオンがターゲット１１に付着することにより帯電を引き起こした。その結果、帯電による電位上昇によって放電したり、ターゲット１１の帯電により安定動作ができなかった。一方、本実施例のＸ線管は、帯電防止部１４の効果で帯電防止が図られ、安定動作をすることができた。

＜実施例２＞
図２に示す様に、ターゲット１１の電位規定部１４を、膜厚２０μｍのタングステン材料を張り付けて形成した以外は実施例１と同様にしてＸ線管を作製した。

本実施例のＸ線管１からＸ線を発生させたところ実施例１と同様に帯電防止部１４の効果で帯電防止が図られ、安定動作をすることができた。よって、本実施例のＸ線管１は放電させることなく安定動作を実現した。

＜実施例３＞
実施例１，２のＸ線管を搭載したＸ線発生装置を用いた、図３に示すＸ線撮影装置により撮影をしたところ、得られた画像はターゲットの帯電による画像の乱れや不安定動作を解消し、鮮明なＸ線画像を得る事ができた。

１：Ｘ線管、２：陰極、３：陽極、４：絶縁管、５：電子源、６：グリッド電極、７：集束電極、８：絶縁部材、９：電子源駆動用端子、１０：グリッド電極用端子、１１：ターゲット、１２：ターゲット金属、１３：基板、１４：帯電防止部

Claims (6)

1. 基板上にターゲット金属を有する放射線透過型ターゲットであって、前記基板の前記ターゲット金属を有する面とは反対側の面に帯電防止部を有することを特徴とする放射線透過型ターゲット。
2. 前記基板は炭素もしくは炭素の化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の放射線透過型ターゲット。
3. 前記ターゲット金属はタングステン、タンタル、白金またはこれらとレニウムを含む合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線透過型ターゲット。
4. 前記帯電防止部はハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、チタン、鉛、ビスマスまたはこれらの合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放射線透過型ターゲット。
5. 絶縁管の一端に陰極、他端に陽極を備えて内部が密閉された外囲器と、
   前記外囲器内に配置された電子源と、
   前記陽極に電気的に接続され、前記電子源から放出された電子の照射により放射線を発生させるターゲット金属を有するターゲットと、を有する透過型放射線管であって、
   前記ターゲットが、ターゲット金属が電子源と対向するように配置された、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放射線透過型ターゲットであることを特徴とする透過型放射線管。
6. 請求項５に記載の透過型放射線管を備えた放射線発生装置と、前記放射線発生装置から放出され被検体を透過した放射線を検出する放射線検出器と、を備えたことを特徴とする放射線撮影装置。

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