JP2014191875A - 放射線発生装置及び放射線撮影システム - Google Patents
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Abstract
【課題】放射線発生装置において、放射線発生管自体の小型化のために電極構成は変えずに、陰極と陽極における電界の非対称性を調整して、陽極を起点とする放電を抑制する。
【解決手段】放射線発生管1の外側に絶縁性の外筒管7を配置し、該外筒管7を、誘電率の異なる外筒管7a、7bで構成し、さらに、外筒管7aの誘電率が外筒管7bの誘電率よりも大きくなるように調整する。
【選択図】図1
【解決手段】放射線発生管1の外側に絶縁性の外筒管7を配置し、該外筒管7を、誘電率の異なる外筒管7a、7bで構成し、さらに、外筒管7aの誘電率が外筒管7bの誘電率よりも大きくなるように調整する。
【選択図】図1
Description
本発明は、医療機器及び産業機器分野における非破壊X線撮影等に適用できる放射線発生装置及びそれを備えた放射線撮影システムに関する。
放射線撮影装置は近年、在宅医療・救急時の現場医療検査にも適用される場合があり、装置の搬送を容易にするため小型・軽量化が求められている。そして装置の小型・軽量化を実現するために放射線発生管と高電圧発生装置を1つの筐体内に搭載するモノタンクと呼ばれる放射線発生装置が提案されている。モノタンク型の放射線発生装置は筐体内に高電圧発生装置と放射線発生管とを設置し、余剰空間には絶縁性液体を充填する。また放射線発生管は絶縁性の管状部材の開口部に陽極と陰極とを接合し、該陰極には電子源が、陽極にはターゲットがそれぞれ備えられる。放射線発生装置の動作時は高電圧発生装置から放射線発生管へ高電圧が印加されるが、その際に放射線発生管と筐体との間で放電が発生してしまうことがあった。そのため、例えば特許文献1では放射線発生管と筐体との間に絶縁物を挿入することで短絡する経路を延ばし、放電を抑制している放射線発生装置が提案されている。
しかしながら、モノタンク型の放射線発生装置においてさらなる小型化を進めていくと、放射線発生管と筐体との間に絶縁物を挿入するだけでは放電してしまう場合があった。特に放電は陽極を起点に発生する。これは、陰極と陽極の形状差で陽極が陰極に比べて電界集中するためである。
本発明の課題は、放射線発生装置において、放射線発生管自体の小型化のために電極構成は変えずに、陰極と陽極における電界の非対称性を調整して、陽極を起点とする放電を抑制することにある。
上記課題に鑑み、本発明の第1は、電気的に絶縁性の管状部材と、前記管状部材の開口の一方に接合された陰極と他方に接合された陽極と、前記陰極の前記陽極に対向する側に接続された電子源と、前記陽極に接続されたターゲットとを有する放射線発生管と、前記管状部材を取り囲んで前記真空容器の外側に間隔をおいて配置された、電気的に絶縁性の外筒管と、前記放射線発生管及び前記外筒管とを収容し、前記放射線発生管から生じる放射線を取り出すための放出窓を有する収納容器とを備え、前記収納容器の内部の余剰空間が絶縁性液体で満たされた放射線発生装置において、
前記電子源を陰極に接続していない状態で、前記管状部材の長さ方向の中央部であって前記外筒管の外側に測定用電極を配置した場合に、前記測定用電極と前記陰極との間で測定される静電容量が、前記測定用電極と前記陽極との間で測定される静電容量よりも大きいことを特徴とする。
前記電子源を陰極に接続していない状態で、前記管状部材の長さ方向の中央部であって前記外筒管の外側に測定用電極を配置した場合に、前記測定用電極と前記陰極との間で測定される静電容量が、前記測定用電極と前記陽極との間で測定される静電容量よりも大きいことを特徴とする。
本発明の第2は、上記本発明の放射線発生装置と、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たことを特徴とする放射線撮影システムを提供するものである。
本発明の放射線発生装置によれば、放射線発生管の外側に配置した外筒管の静電容量を調整することによって、陽極側の電界集中を低減し、陽極と収納容器との間で発生していた放電を抑制して、信頼性の高い放射線発生装置を提供することができる。また、該放射線発生装置を用いることで、信頼性の高い放射線撮影システムが提供される。
図1を用いて、本発明の放射線発生装置の構成について説明する。図1は本発明の放射線発生装置の一実施形態の構成を示す断面模式図である。
本発明の放射線発生装置は、収納容器9の内部に放射線発生管1と高電圧発生装置8が収容され、余剰空間には絶縁性液体6が充填され、放射線発生管1の外側には間隔をおいて絶縁性の外筒管7が配置されている。尚、本発明において放射線発生管1は透過型ターゲットを用いた透過型放射線発生管である。
収納容器9の材料としては、放射線遮蔽性、強度、表面電位規定性能の観点から、鉄、ステンレス、鉛、真鍮、銅等の金属が使用可能である。
ここで余剰空間に充填されるのは絶縁性液体に限らず、絶縁性を有する樹脂や絶縁性の気体でもよい。絶縁性液体6は、電気絶縁性が高く、冷却能力が高く、さらに熱による変質の少ないものが好ましい。具体的には、例えば、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイル等の電気絶縁油、ハイドロフルオロエーテル等のフッ素系の絶縁性液体等が使用可能であり、好ましくは、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイルである。
また図1では外筒管7は円筒形で放射線発生管1の側面を覆っているが、放射線発生管1の全面を覆うような形状でもよい。そして外筒管7には強度と絶縁性を有する樹脂やガラス、セラミックなどが用いられるが、耐油性の樹脂が好ましく、ポリエーテルイミド樹脂やアクリル樹脂が好適である。
陽極4には、中央にターゲット(不図示)が取り付けられ、電子源2から放出された電子線の照射によって放射線が放出される。ターゲットから放出された放射線は、収納容器9の陽極4に対向する位置に設けられた放出窓(不図示)から放射線発生装置の外に放出される。
高電圧発生装置8は中点接地型の電源装置を用い、放射線発生管1は高電圧発生装置8から高電圧が印加されることで放射線を発生する。中点接地型の電源装置とは、正負両極の電圧を発生し正電位を陽極へ、負電位を陰極へ供給するための装置である。
次に放射線発生管1の構成について説明する。放射線発生管1は電気的に絶縁性の管状部材5と前記管状部材5の開口の一方に接合された陰極3と他方に接合された陽極4とを備えた真空容器からなる。そして、陰極3の陽極4側には電子源2が接続されている。
管状部材5と陰極3及び陽極4の固定は、ろう付け、溶接、接着剤等が用いられる。管状部材5は強度と絶縁性を有するガラス、セラミックスなどが用いられる。陰極3及び陽極4には管状部材5との接着が容易な金属が用いられ、例えば銅やアルミニウムなどが選択されるが、製造工程中の熱ひずみによる変形を軽減するために管状部材5と線膨張係数差の小さい合金を用いてもよく、例えばコバールなどが選択される。
本発明においては、放射線発生管1の外側に間隔をおいて絶縁性の外筒管7が配置される。本実施形態においては、外筒管7は均一な厚さの円筒形のものが用いられており、長さ方向の中央部から陰極3側の外筒管7aと陽極4側の外筒管7bとが誘電率の異なる材料で構成されている。以下、係る構成による作用について図3を用いて説明する。
図3(a)において、放射線発生管1を取り囲む絶縁性液体6の誘電率をεaとし、陽極4側の外筒管7aと陰極3側の外筒管7bの誘電率をそれぞれε1とε2とする。また、図3(a)中、D1は陽極4と外筒管7bの間の絶縁性液体6中の電束密度を、D2は陽極4近傍の外筒管7b中の電束密度を示している。そしてD3は陰極3と外筒管7aとの間の絶縁性液体6中の電束密度を、D4は陰極3近傍の外筒管7b中の電束密度を示している。
先ず陽極端及び陰極端の電界強度について説明する。電束密度D1とD4で示した陽極端と陰極端付近の電界強度をE1とE4とすると、電束密度の定義より電界強度は下記式(1)で表すことができる。
式(1)
E1=D1/εa
E4=D4/εa
式(1)
E1=D1/εa
E4=D4/εa
図3(b)は陰極3と陽極4との間に電位差を与えた場合の両電極端周辺の等電位線を点線で示している。電位分布は電子源2を有する陰極3側と陽極4側では異なり、電極端での電位勾配は陽極4側より陰極3側で緩くなる。従って、陽極側電界E1は陰極側電界E4より弱くなる。
次に外筒管7を設けた場合の電界強度については、図3(a)に示したように、D2とD3で示した箇所の電界強度をE2とE3とすると下記式(2)の関係で表すことができる。
式(2)
D2=ε1・E2
D3=ε2・E3
式(2)
D2=ε1・E2
D3=ε2・E3
外筒管7と絶縁性液体6との界面において電束が連続であることから、D1=D2、D3=D4となる。ここで式(2)を式(1)へ代入すると、陽極側電界E1と陰極側電界E4は下記式(3)で示される。
式(3)
E1=ε1・E2/εa
E4=ε2・E3/εa
式(3)
E1=ε1・E2/εa
E4=ε2・E3/εa
式(3)中のE2とE3は、放射線発生管1の駆動時に印加する管電圧で決まる量であり、小さくすると出力線量も下がるため望ましくない。またεaは絶縁性液体6の誘電率であり、放射線発生の際に発熱する放射線発生管1を冷却するために放射線発生管1の周囲には流動性がある材質が配置する必要がある。従ってεaに分布をつけることは難しい。そこで陽極4側の外筒管7bと陰極3側の外筒管7aの誘電率ε1とε2を調整することで電界E1とE4を制御することが望ましい。具体的には、陽極4側の外筒管7bの誘電率ε1を陰極3側の外筒管7aの誘電率ε2より小さくすることで、陰極3付近の電界強度と陽極4付近の電界強度の差を低減する、望ましくは等しくすることができる。その結果、陽極4への電界集中に起因する陽極4と収納容器9との間で発生する放電を抑制することができる。
係る外筒管7による陽極側電界E1と陰極側電界E4の差の低減効果は、図1に示したように、陰極側と陽極側とで誘電率の異なる外筒管7a、7bを組み合わせた構成以外にも、外筒管7の形状を工夫することによっても得ることができる。具体的には、図3(a)に示すように、陰極3側の外筒管7aを陽極4側の外筒管7bよりも厚さを厚くすることができる。この場合、同じ誘電率の材料で外筒管7a、7bを構成することができる。また、図3(b)に示すように、外筒管7を、厚さが一定で管状部材5との距離が陰極3側から陽極4側に向かって広がるような形状とすることができる。尚、誘電率の異なる外筒管7a、7bを用いる場合には、図1の如く一体としても良いが、図4(c)の如く互いに分離して配置してもよい。
外筒管7は、陰極3と陽極4との平行平板間にはなく、不平等な電界下に挿入された状態にあるため、陰極3,陽極4に近いほど、誘電体としての機能が強くなる。即ち、より距離が短い陰極3側において、実効的な静電容量が大きくなり、陽極側電界E1と陰極側電界E4との差を低減する効果が得られる。
静電容量Cは、誘電体の誘電率εに比例するため、図1の構成においても、外筒管7aと7bとの静電容量を調整することによって、陽極側電界E1と陰極側電界E4の差を低減することができる、と言うことができる。
具体的には、図2に示したように、電子源2を陰極3に接続せず、管状部材5の長さ方向の中央部であって外筒管7の外側に測定用電極10を配置した静電容量測定用の装置を別途作製する。そして、測定用電極10と陰極3との間で測定される静電容量が、測定用電極10と陽極4との間で測定される静電容量よりも大きくなるように、外筒管7の誘電率、或いは形状を設定し、実際の装置に適用する。即ち、図1、図4(c)に示したように、同じ形状で陰極3側の外筒管7aの誘電率を陽極4側の外筒管7bの誘電率よりも大きくしたり、図4(a)や(b)に示したように、陰極3側で陽極4側よりも外筒管7が近くに位置するように形状を非対称にする。尚、図4(c)のように、外筒管7a、7bが分離している場合、静電容量の測定時には、管状部材5の長さ方向の中央部であって外筒管7の外周の延長上に測定用電極10を配置すればよい。
次に、図5に基づいて、本発明に係る放射線撮影システムの一実施形態を説明する。
図5に示すように、本発明の放射線発生装置200は、その放射線放出窓18部分に設けられた可動絞りユニット31を備えている。可動絞りユニット31は、放射線発生装置200から照射される放射線の照射野の広さを調整する機能を有する。また、可動絞りユニット31として、放射線の照射野を可視光により模擬表示できる機能が付加されたものを用いることもできる。
本発明においては、放射線発生管1の外側に外筒管7が配置されるため、外筒管7を放射線発生管1に絶縁性のネジ等により止め付けて一体化し、該外筒管7を収納容器9に不図示の絶縁性の支持部材で固定することで所定位置に配置することができる。
システム制御装置202は、放射線発生装置200と放射線検出装置201とを連携制御する。高電圧発生装置8は、システム制御装置202の制御の下に、放射線発生管1に各種の制御信号を出力する。この制御信号により、放射線発生装置200から放出された放射線は、被検体204を透過して検出器206で検出される。検出器206は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部205に出力する。信号処理部205は、システム制御装置202による制御の下に、画像信号に所定の信号処理を施し、処理された画像信号をシステム制御装置202に出力する。システム制御装置202は、処理された画像信号に基づいて、表示装置203に画像を表示させるための表示信号を表示装置203に出力する。表示装置203は、表示信号に基づく画像を、被検体204の撮影画像としてディスプレイに表示する。放射線の代表例はX線であり、本発明の放射線発生ユニット1と放射線撮影システムは、X線発生ユニットとX線撮影システムとして利用することができる。X線撮影システムは、工業製品の非破壊検査や人体や動物の病理診断に用いることができる。
(実施例1)
図1の構成の放射線発生装置を作製した。管状部材5は、長さ100mm、内径50mm、外径60mmで、純度99.5%アルミナで形成した。陰極3及び陽極4は厚さ10mm、直径60mmの円盤状で、材質はコバールを選択した。電子源2はタングステンフィラメントの熱電子源を使用した。ターゲット(不図示)は厚み10μmのタングステン膜をダイヤモンド基板上に成膜し、陽極4へ銀ろう付けにより接着した。電子源2を固定した陰極3と陽極4は管状部材5を介して対向させ、それぞれを銀ろう付けにより接着した。次に陰極3に備わる排気管(不図示)により管状部材5内が1×10-6Paになるまで排気した後、封止した。
図1の構成の放射線発生装置を作製した。管状部材5は、長さ100mm、内径50mm、外径60mmで、純度99.5%アルミナで形成した。陰極3及び陽極4は厚さ10mm、直径60mmの円盤状で、材質はコバールを選択した。電子源2はタングステンフィラメントの熱電子源を使用した。ターゲット(不図示)は厚み10μmのタングステン膜をダイヤモンド基板上に成膜し、陽極4へ銀ろう付けにより接着した。電子源2を固定した陰極3と陽極4は管状部材5を介して対向させ、それぞれを銀ろう付けにより接着した。次に陰極3に備わる排気管(不図示)により管状部材5内が1×10-6Paになるまで排気した後、封止した。
次に、長さ50mm、内径65mm、外径70mmの外筒管7a、7bを作製した。陰極3側の外筒管7aは比誘電率が3.5のエポキシ樹脂で、陽極4側の外筒管7bは比誘電率が2.9のアクリル樹脂により作製した。収納容器9は180mm×200mm×80mmで容量が2.8リットルの真鍮製とし、放射線発生管1を外筒管7a、7bで覆って設置した。さらに収納容器9には中点接地型の高電圧発生装置8を設置し、放射線発生管1と電気的に接続した。そして余剰空間には脱気した鉱油を充填し、封止して放射線発生装置とした。
外筒管7a、7bの静電容量を測定するため、上記電子源2を用いない以外は同じ構成の放射線発生管1及び外筒管7a,7bを用意し、測定用電極10を取り付けた。測定用電極10は内径70mm、外径70.5mm、長さ1mmのリング状で、アルミニウムで形成し、それを外筒管7aと7bとの接合部の外側に設置した。この状態で鉱油中に浸漬し、陽極4に+1V、陰極3に−1V、測定用電極10に接地電位を与え、外筒管7aと7bの静電容量をそれぞれ測定したところ、外筒管7aは4.6nF、外筒管7bは4.2nFであった。そして図3(b)で示したような電極端での電界E1とE4を本実施例の構成で解析により求めたところE1、E4共に0.24V/mmになっていた。
次に放電試験を行うため、本実施例の放射線発生装置において、高電圧発生装置8によって高電圧を放射線発生管1に給電し放射線を発生させた。試験条件は管電圧を100kVとし、陽極4に+50kV、陰極3に−50kVの電位を与えた。さらに管電流を10mA、パルス幅を10msecとして曝射を2分おきに3万回行った。結果は、試験期間中に放電は観測されず安定した放射線量が得られた。
(比較例1)
外筒管7a,7bをいずれも比誘電率3.5のアクリル樹脂で構成した以外は実施例1と同様にして、外筒管7a、7bのそれぞれの静電容量の測定を行ったところ、陰極3側の外筒管7aは4.6nF、陽極4側の外筒管7bは4.6nFであった。さらに、電子源2を有する放射線発生装置の構成で電界解析より陽極側電界E1と陰極側電界E4を求めたところ、E4=0.24V/mmに対してE1=0.26V/mmであった。
外筒管7a,7bをいずれも比誘電率3.5のアクリル樹脂で構成した以外は実施例1と同様にして、外筒管7a、7bのそれぞれの静電容量の測定を行ったところ、陰極3側の外筒管7aは4.6nF、陽極4側の外筒管7bは4.6nFであった。さらに、電子源2を有する放射線発生装置の構成で電界解析より陽極側電界E1と陰極側電界E4を求めたところ、E4=0.24V/mmに対してE1=0.26V/mmであった。
本比較例の放射線発生装置で実施例1と同条件で放電試験したところ、試験期間中に3回の放電が観測された。
1:放射線発生管、2:電子源、3:陰極、4:陽極、5:管状部材、6:絶縁性液体、7,7a,7b:外筒管、8:高電圧発生装置、9:収納容器、10:測定用電極、200:放射線発生装置、201:放射線検出装置、202:システム制御装置、204:被検体
Claims (7)
- 電気的に絶縁性の管状部材と、前記管状部材の開口の一方に接合された陰極と他方に接合された陽極と、前記陰極の前記陽極に対向する側に接続された電子源と、前記陽極に接続されたターゲットとを有する放射線発生管と、前記管状部材を取り囲んで前記真空容器の外側に間隔をおいて配置された、電気的に絶縁性の外筒管と、前記放射線発生管及び前記外筒管とを収容し、前記放射線発生管から生じる放射線を取り出すための放出窓を有する収納容器とを備え、前記収納容器の内部の余剰空間が絶縁性液体で満たされた放射線発生装置において、
前記電子源を陰極に接続していない状態で、前記管状部材の長さ方向の中央部であって前記外筒管の外側に測定用電極を配置した場合に、前記測定用電極と前記陰極との間で測定される静電容量が、前記測定用電極と前記陽極との間で測定される静電容量よりも大きいことを特徴とする放射線発生装置。 - 前記外筒管の、長さ方向の中央部から陰極側の誘電率が、陽極側の誘電率よりも大きい請求項1に記載の放射線発生装置。
- 前記外筒管が、陰極側と陽極側とに分かれており、陰極側の外筒管の誘電率が陽極側の外筒管の誘電率よりも大きい請求項3に記載の放射線発生装置。
- 前記外筒管の、長さ方向の中央部から陰極側の厚さが、陽極側の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の放射線発生装置。
- 前記外筒管が、陰極側から陽極側に向かって、厚さが一定で且つ管状部材との距離が広がることを特徴とする請求項1に記載の放射線発生装置。
- 前記放射線発生管が透過型放射線発生管である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の放射線発生装置。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の放射線発生装置と、
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たことを特徴とする放射線撮影システム。
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