JP2014107158A - 放射線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射線発生装置において、カットオフ電圧の異常に伴う、ターゲットの損傷を回避する。
【解決手段】 カソードから放出された電子を、グリッドを介してターゲットに照射することにより放射線を発生させる放射線管と、
外部からの放射線出力要求に応じて、前記グリッドに引出し電圧を印加するグリッド電圧発生部と、
外部からの放射線出力要求がないときに、前記カソードの電位に対して、前記グリッドの電位を低くするように、前記グリッドに印加されるカットオフ電圧を発生するカットオフ電圧発生部と、
前記カットオフ電圧の低下を検出したときに、前記ターゲットに前記電子が照射されないように動作する検出部とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、放射線の出力状態を制御した放射線発生装置に関する。

Ｘ線発生装置は、電子源から放出された電子がターゲットに照射されることによりＸ線を発生するＸ線管を有する。電子源は、電子を発生するカソードと、電子の量を調整するグリット電極とからなる。グリッドを通過した電子は、電子源とターゲットとの間に印加された加速電圧により加速され、ターゲットに照射される。

特許文献１では、グリッドに流れる電流を検知することにより、Ｘ線管の劣化を判定するＸ線発生装置が開示されている。

特開２００７−４２５１６号公報

Ｘ線管に代表される放射線管では、放射線の出力停止の際に、グリッドにカットオフ電圧が印加される。カットオフ電圧が所望通りに出力されなかった場合、放射線の出力停止が不十分になる。また、カットオフ電圧の出力が不十分であると、回路構成によっては、放射線出力時の引出し電圧が所定値より上昇する。その結果、電子源より放出される電子の量が増大することにより、ターゲットに損傷を与える場合がある。ターゲットの損傷は、放射線管の寿命を縮める原因となる。

上記課題を解決するため、本発明の放射線発生装置は、
カソードから放出された電子を、グリッドを介してターゲットに照射することにより放射線を発生させる放射線管と、
外部からの放射線出力要求に応じて、前記グリッドに引出し電圧を印加するグリッド電圧発生部と、
外部からの放射線出力要求がないときに、前記カソードの電位に対して、前記グリッドの電位を低くするように、前記グリッドに印加されるカットオフ電圧を発生するカットオフ電圧発生部と、
前記カットオフ電圧の低下を検出したときに、前記ターゲットに前記電子が照射されないように動作する検出部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、カットオフ電圧の出力異常に応じて、ターゲットへの電子照射を停止することができる。その結果、カットオフ電圧の出力不良によるターゲットの損傷を回避することができ、放射線管の寿命を縮めることも回避される。

本発明に係る放射線管の構成を示すブロック図。 本発明に係る放射線管に印加される制御信号を示す波形図。 本発明の実施形態に係る放射線発生装置の構成を示すブロック図。 本発明の他の実施形態に係る放射線発生装置の構成を示すブロック図。 本発明に係る放射線撮影システムの構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態で用いられる放射線管の構成を示すブロック図である。真空容器の内部に、電子源８、レンズ電極１４、透過型ターゲット（以下、ターゲット）１１が配置されている。電子源８は、加熱により熱電子を発生するフィラメント１２と、電子放出部の電位を規定するカソード１５、熱電子を引き出すためのグリッド１３からなる。グリッド１３を通過した電子は、レンズ電極１４によりフォーカスされ、加速電圧により加速されて、ターゲット１１に照射される。ターゲット１１は、電子の照射に応答して放射線を放出する。加速電圧（８０ｋＶ〜１２０ｋＶ）は、カソード１５の電位（カソード電位）に対してターゲット１１の電位が高くなるように、カソード１５とターゲット１１との間に印加される電圧である。電子源８は、カーボンナノチューブのような冷陰極であっても、タングステンフィラメントや含浸型カソードのような熱陰極でもあってよい。フィラメント１２とカソード１５とは電気的に絶縁されている。

グリッド１３には、カソード１５から電子を引き出さない電圧であるカットオフ電圧と、電子を引き出す電圧である引出し電圧とが、選択的に印加される。カットオフ電圧は、カソード電位を基準として、カソード電位よりグリッド１３の電位が低くなるようにグリッドに印加される電圧である。引出し電圧は、カソード電位を基準として、カソード電位よりグリッド１３の電位が高くなるようにグリッドに印加される電圧である。

また、レンズ電極１４には、レンズ作用を生じさせない電圧である非フォーカス電圧と、レンズ作用を生じさせる電圧であるフォーカス電圧とが選択的に印加される。非フォーカス電圧は、レンズ電極１４の電位がカソード電位よりも低くなる又は等しくなるようにレンズ電極１４に印加される電圧である。フォーカス電圧は、レンズ電極１４の電位がカソード電位よりも高くなるようにレンズ電極１４に印加される電圧である。

アノードは、ターゲット１１と、ターゲット１１を挟み込むように前後に配置される前方遮蔽体９及び後方遮蔽体１０とにより構成される。後方遮蔽部材１０は、電子源８から放出された電子が通過する開口を有し、ターゲット１１より全方向に放射された放射線のうち、後方（電子源８側）へ向かって発生する放射線を遮蔽する。前方遮蔽部材９は、放射線が通過する開口を有し、ターゲット１１より全方向に発生した放射線のうち、前方（電子源８と逆側）へ放出される放射線の一部を遮蔽する。

ターゲット１１には、高融点で放射線発生効率の良い重金属、例えば、タングステン、タンタルが用いられる。放射線管７の内部を、１０^−５パスカル程度の真空に保つ役割を果たす真空容器には、ガラス、金属、セラミックスが用いられる。また、放射線管７には、被写体に向けて外部に放射線を放出するための窓である放射線透過窓１６が設けられている。

次に、図２を用いて、放射線管７に印加される制御信号について説明する。本実施形態に係る放射線発生装置は、上述した放射線管７と制御部６とからなる。制御部６は、電源回路２２や制御回路２３を含んでいる。図２において、横軸は時間を、縦軸は電圧を示す。図２（ａ）は、加速電圧（カソード１５に対するターゲット１１の電位）の印加タイミングを示し、図２（ｂ）は、レンズ電極１４に印加されるレンズ電極電圧の印加タイミングを示し、図２（ｃ）は、グリッド１３に印加されるグリッド電圧の印加タイミングを示す。制御部６は、加速電圧、レンズ電極電圧、グリッド電圧それぞれの印加タイミングを制御する。

初期状態（装置のオンが指示され、電源回路２２がオンされた状態）では、加速電圧はゼロ、グリッド電圧はカットオフ電圧、レンズ電極電圧は非フォーカス電圧に設定されている。フィラメント１２への通電は、熱電子を安定して放出するために、加速電圧の印加開始前に開始され、また、加速電圧の印加停止後に停止される。

電源回路２２のオンから所定期間経過した後にスタンバイ状態に移行するタイミングであるタイミングＰ１において、加速電圧の印加が開始される。加速電圧の立上り・立下りには、所定の遅延時間を伴う。スタンバイ状態において、外部からの放射線出力要求を受信したタイミングであるタイミングＰ２で、レンズ電極電圧が、非フォーカス電圧からフォーカス電圧へと切替えられる（レンズ電極電圧の印加開始とする）。レンズ電極電圧の印加開始後、すみやかに、タイミングＰ３で、グリッド電圧がカットオフ電圧から引出し電圧に切替えられ、放射線が放出される。

放射線が放出されている期間Ｔ２は、予め設定されている期間であり、例えば、１０ｍｓｅｃ〜４ｓｅｃである。期間Ｔ２が終了するタイミングＰ４で、グリッド電圧が引出し電圧からカットオフ電圧に切替えられ、その後、タイミングＰ５で、レンズ電極電圧が、フォーカス電圧から非フォーカス電圧へと切替えられる。装置のオフが指示されたタイミングＰ６で、加速電圧の出力が停止する。

次に、図３を用いて、本実施形態に係る放射線発生装置２について説明する。制御部６は、電源回路２２、制御回路２３、各制御ブロック（高電圧発生部２４、レンズ電極駆動部２５、グリッド駆動部２６、フィラメント駆動部２７）で構成される。

電源回路２２は、外部ＤＣ電源又は外部ＡＣ電源から電力を受給し、制御回路２３及び各制御ブロックに所望のＤＣ電力を供給する。

制御回路２３は、外部からの放射線出力要求に応じて、各制御ブロックへ制御信号を出力する。また、制御回路２３には、帰還信号として、以下の検出信号が入力される。高電圧発生部２４から出力される管電圧検出信号、レンズ電極駆動部２５から出力されるレンズ電極電圧検出信号、グリッド駆動部２６から出力されるカットオフ電圧検出信号及び引出し電圧検出信号、フィラメント駆動部２７から出力されるフィラメント電圧検出信号である。

高電圧発生部２４は、±５０ｋＶの高電圧を生成して、カソード１５に−５０ｋＶ、ターゲット１１に＋５０ｋＶをそれぞれ印加する。即ち、カソード１５とターゲット１１の中点が接地された中点接地型の形態で加速電圧が生成される。制御回路２３からの制御信号に応答して、高電圧用インバータ回路２８は、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで、２０Ｖ〜１ｋＶのＡＣ電力信号ａを発生させる。ＡＣ電力信号ａは、高電圧用絶縁トランス（トランス回路）２９と高電圧用昇圧回路３０とにより、ＤＣ±５０ｋＶの加速電圧に変換される。加速電圧に基いて、管電圧検出回路３１によって管電圧検出信号が生成される。

レンズ電極駆動部２５は、レンズ電極電圧を生成する。制御回路２３からの制御信号に応答して、レンズ電極用インバータ回路３２は、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで、１０Ｖ〜１００ＶのＡＣ電力信号ｂを発生させる。ＡＣ電力信号ｂは、レンズ電極用絶縁トランス３３とレンズ電極用昇圧回路３４とにより、ＤＣ１ｋＶ〜１０ｋＶのレンズ電極電圧に変換される。また、レンズ電極用絶縁トランス３３の１次側に２次側出力のミラーとなる１次巻線を設け、その１次ミラー巻線の出力からレンズ電極電圧検出用整流回路３５を介してレンズ電極電圧検出信号が生成される。

グリッド駆動部２６は、グリッド電圧発生部３６、カットオフ電圧発生部３７、カットオフ電圧検出部３８から構成される。カットオフ電圧発生部３７からの出力にグリッド電圧発生部３６からの出力を重畳させて、グリッド電圧を生成する。カットオフ電圧発生部３７では、制御回路２３からの制御信号に応答して、カットオフ電圧用インバータ回路３９が、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで、１０Ｖ〜１００ＶのＡＣ電力信号ｃを発生させる。ＡＣ電力信号ｃは、カットオフ電圧用絶縁トランス４０とカットオフ電圧用昇圧回路４１とにより、ＤＣ−５Ｖ〜−１００Ｖのカットオフ電圧に変換される。また、カットオフ電圧用絶縁トランス４０の１次側に２次側出力のミラーとなる１次巻線を設け、その１次ミラー巻線の出力からカットオフ電圧検出用整流回路４２を介してカットオフ電圧検出信号が生成される。

同様に、グリッド電圧発生部３６では、制御回路２３からの制御信号に応答して、引出し電圧用インバータ回路４３が、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで、１０Ｖ〜１００ＶのＡＣ電力信号ｄを発生させる。ＡＣ電力信号ｄは、引出し電圧用絶縁トランス４４と引出し電圧用昇圧回路４５とにより、ＤＣ１Ｖ〜２００Ｖの電圧に変換され、カットオフ電圧に重畳して引出し電圧が生成される。即ち、引出し電圧を発生させない場合は、グリッド電圧は、カットオフ電圧となり、引出し電圧を発生させた場合は、グリッド電圧は、カットオフ電圧に引出し電圧が重畳された電圧となる。また、引出し電圧用絶縁トランス４４の１次側に２次側出力のミラーとなる１次巻線を設け、その１次ミラー巻線の出力から引出し電圧検出用整流回路４６を介して引出し電圧検出信号が生成される。

カットオフ電圧検出部３８は、カットオフ電圧が設定通り発生しているか否かを検出し、カットオフ電圧が低下している場合は、放射線の発生を停止する処理を行う。

フィラメント駆動部２７では、制御回路２３からの制御信号に応答して、フィラメント用インバータ回路４７は、１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで、１０Ｖ〜１００ＶのＡＣ電力信号ｅを発生させる。ＡＣ電力信号ｅは、フィラメント用絶縁トランス４８と全波整流回路４９とにより、ＤＣ５Ｖ〜１０Ｖのフィラメント電圧に変換され、フィラメント１２に印加される。また、フィラメント用絶縁トランス４８の１次側に２次側出力のミラーとなる１次巻線を設け、その１次ミラー巻線の出力からフィラメント電圧検出用整流回路５０を介してフィラメント電圧検出信号が生成される。

ここで、カットオフ電圧検出部３８での検出方法と、異常時の処理方法について述べる。カットオフ電圧が低下すると、グリッド電圧は正常時に比べて大きくなってしまい、放射線の発生時に設定以上の電子放出を発生させるので、ターゲット１１へダメージを与える。

カットオフ電圧検出部３８の動作電源としては、カットオフ電圧発生部３７の出力であるカットオフ電圧が用いられる。カットオフ電圧によって、リレー回路（以下、単にリレー）５１のコイルを励磁動作させる（コイル動作電圧は、カットオフ電圧に適合している）。カットオフ電圧は、カソード電位を基準として、負のＤＣ電圧であるから、カットオフ電圧発生部３７の出力をリレー５１のコイルの負極に入力し、カソード電位をリレー５１のコイルの正極に入力する。リレー５１の出力接点回路は、ノーマリオープン回路（リレーコイルに適合電圧が印加されると出力接点回路をＯＮ（導通）にする）を用いる。出力接点回路（スイッチング回路）を、フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力の片側のラインの間に介在させる。カットオフ電圧発生部３７の出力が正常であれば、リレー５１のコイルは正常に動作し、リレー５１の出力接点回路はＯＮになり、フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力は、後段の全波整流回路４９へ伝達される。このとき、フィラメント駆動部２７は正常な状態で動作することとなる。逆にカットオフ電圧発生部３７の出力の絶対値が低下していると、リレー５１のコイルは励磁動作ができなくなり、リレー５１の出力接点回路はＯＦＦ（非導通）となる。フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力は、後段の全波整流回路４９へ伝達されなくなり、フィラメント１２に印加される電圧は遮断される。その結果、カソードからの電子放出は行われないので、ターゲット１１には電子が照射されない。

尚、カットオフ電圧用昇圧回路４１内で故障が発生し出力が低下した場合、カットオフ電圧検出用整流回路４２では、カットオフ電圧の異常を検出できない。しかしながら、リレー５１の出力接点回路がＯＦＦになると、フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力が開回路となる。このとき、フィラメント用絶縁トランス４８を介して検出されたフィラメント電圧検出信号が異常信号となって制御回路２３へ入力される。制御回路２３は、フィラメント電圧の異常を判定し、後述する放射線撮影システムの制御装置４へ異常情報を送信する。制御装置４は、異常情報に基いて、エラー表示を表示装置５で行うことや、放射線の発生操作を禁じさせる処理や管電圧の印加停止を実行することもできる。以上のように、二重の保護システムにより、ターゲット１１は保護される。

リレー５１は、電磁リレーであるが、フォトモスリレーや水銀リレーでもよい。また、リレーに代えて、オペアンプやトランジスタなどを組み合わせたスイッチング回路でもよい。

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態に係る放射線発生装置２の構成を示すブロック図である。カットオフ電圧検出部５３以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

カットオフ電圧に適合したコイル動作電圧の、リレー５１のコイルとリレー５４のコイルとを並列接続する。リレー５１のコイル及びリレー５４のコイルの負極に、カットオフ電圧が入力され、その正極にカソード電位が入力される。リレー５１及びリレー５４の出力接点回路は、両者ともノーマリオープン回路を用いる。リレー５１の出力接点回路は、フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力の片側のラインの間に介在させる。カットオフ電圧が正常であれば、リレー５１のコイルは正常に動作し、リレー５１の出力接点回路はＯＮになる。このとき、フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力は、全波整流回路４９へ伝達される。即ち、フィラメント駆動部２７は正常な状態で動作することとなる。また、リレー５４の出力接点回路はレンズ電極用絶縁トランス３３の２次側出力の片側のラインの間に介在させる。カットオフ電圧が正常であれば、リレー５４のコイルは正常に動作し、リレー５４の出力接点回路はＯＮになる。このとき、レンズ電極用絶縁トランス３３の２次側出力は、レンズ電極用昇圧回路３４へ伝達される。即ち、レンズ電極駆動部２５は正常な状態で動作することとなる。

カットオフ電圧が低下していると、リレー５１のコイルは励磁動作ができなくなり、リレー５１の出力接点回路はＯＦＦとなる。フィラメント用絶縁トランス４８の２次側出力は、全波整流回路４９へ伝達されなくなり、フィラメント１２に所望の電圧を印加されない。

同様に、リレー５４のコイルもカットオフ電圧が低下していると励磁動作ができなくなり、リレー５４の出力接点回路はＯＦＦとなる。レンズ電極用絶縁トランス３３の２次側出力が開回路となることで、レンズ電極電圧の印加開始直後に、レンズ電極用絶縁トランス３３を介して検出したレンズ電極電圧検出信号が異常信号となって、制御回路２３へ入力される。その他の動作は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、フィラメント電圧検出信号の異常とレンズ電極電圧検出信号の異常とを組合せて、カットオフ電圧の異常を判定することができる。仮に、カットオフ電圧の低下に対して、何れか一方のリレーが動作しなかった場合でも、カットオフ電圧の異常を相補的に検知することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明に係る放射線撮影システムの構成図である。

制御装置４は、放射線発生装置２と放射線検出装置３とを連携制御する。放射線発生装置２は、第１の実施形態又は第２の実施形態に記載されたものを用いる。制御部６は、制御装置４による制御の下に、放射線管７に各種の制御信号を出力する。制御信号により、放射線発生装置２から放出される放射線の放出状態が制御される。放射線発生装置２から放出された放射線は、被検体（不図示）を透過して放射線検出装置３で検出される。放射線検出装置３は、検出した放射線を画像信号に変換して制御装置４に出力する。制御装置４は、画像信号に基いて、表示装置５に画像を表示させるための表示信号を、表示装置５に出力する。表示装置５は、表示信号に基く画像を、被検体の撮影画像としてスクリーンに表示する。

以上の実施形態では、透過型放射線発生装置について説明したが、本発明は、反射型放射線発生装置にも適用可能である。

２ 放射線発生装置
６ 制御部
７ 放射線管
８ 電子源
１１ ターゲット
１２ フィラメント
１３ グリッド
１４ レンズ電極
１５ カソード
３６ グリッド電圧発生部
３７ カットオフ電圧発生部
３８ カットオフ電圧検出部

Claims (10)

1. カソードから放出された電子を、グリッドを介してターゲットに照射することにより放射線を発生させる放射線管と、
   外部からの放射線出力要求に応じて、前記グリッドに引出し電圧を印加するグリッド電圧発生部と、
   外部からの放射線出力要求がないときに、前記カソードの電位に対して、前記グリッドの電位を低くするように、前記グリッドに印加されるカットオフ電圧を発生するカットオフ電圧発生部と、
   前記カットオフ電圧の低下を検出したときに、前記ターゲットに前記電子が照射されないように動作する検出部とを有することを特徴とする放射線発生装置。
2. 前記電子は、フィラメントが加熱されることにより発生し、
   前記検出部は、前記フィラメントに印加されるフィラメント電圧を遮断するスイッチング回路を含むことを特徴とする請求項１記載の放射線発生装置。
3. 前記グリッドと前記ターゲットとの間にレンズ電極を有し、
   前記検出部は、前記レンズ電極に印加されるレンズ電極電圧を遮断するスイッチング回路を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の放射線発生装置。
4. 前記フィラメント電圧を生成するフィラメント駆動部と、
   前記グリッド電圧発生部、前記カットオフ電圧発生部、前記フィラメント駆動部をそれぞれ制御する制御回路を有し、
   前記フィラメント駆動部は、前記フィラメント電圧に基いて、フィラメント電圧検出信号を生成し、
   前記フィラメント電圧検出信号は、前記制御回路に入力されることを特徴とする請求項２又は３記載の放射線発生装置。
5. 前記制御回路は、前記フィラメント電圧検出信号の異常を検知したとき、異常情報を外部に送信することを特徴とする請求項４記載の放射線発生装置。
6. 前記検出部は、リレー回路からなることを特徴とする請求項１乃至５記載の放射線発生装置。
7. 電源回路のオンに応答して、前記カソードと前記ターゲットとの間に印加される加速電圧の印加が開始され、
   前記加速電圧の印加開始後、前記外部からの放射線出力要求に応じて、前記レンズ電極電圧の印加が開始され、
   前記レンズ電極電圧の印加開始後に、前記引出し電圧の印加が開始されることを特徴とする請求項３乃至６記載の放射線発生装置。
8. 前記加速電圧を生成する高電圧発生部、前記レンズ電極電圧を生成するレンズ電極駆動部、前記グリッド電圧発生部、前記カットオフ電圧発生部は、それぞれ、前記電源回路の出力からＡＣ電力信号を発生するインバータ回路と、前記ＡＣ電力信号を所定の電圧のＤＣ電圧に変換するトランス回路及び昇圧回路とからなることを特徴とする請求項７記載の放射線発生装置。
9. カソードから放出された電子を、グリッドを介してターゲットに照射することにより放射線を発生させる放射線管と、
   外部からの放射線出力要求に応じて、前記グリッドに引出し電圧を印加するグリッド電圧発生部と、
   外部からの放射線出力要求がないときに、前記カソードの電位に対して、前記グリッドの電位を低くするように、前記グリッドに印加されるカットオフ電圧を発生するカットオフ電圧発生部と、
   前記カットオフ電圧の低下を検出したときに、前記ターゲットに前記電子が照射されないように動作する検出部とを有する放射線発生装置と、
   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装置と、
   前記放射線発生装置と前記放射線検出装置とを連携制御する制御装置とを備えることを特徴とする放射線撮影システム。
10. 前記放射線発生装置は、前記カットオフ電圧の低下を検出したときに、異常情報を前記制御装置に送信し、
    前記制御装置は、前記放射線発生装置から受信した異常情報に基いて、表示装置にエラー表示させることを特徴とする請求項９記載の放射線撮影システム。

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