JP2014197534A - Ｘ線発生管、該ｘ線発生管を備えたｘ線発生装置及びｘ線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの熱損傷を低減した高出力のＸ線発生管を提供する【解決手段】ターゲット１０５と電子源１０１とを備え、ターゲット１０５と電子源１０１との間に複数の電子通過口１１０を有したグリッド電極１１１と備え、グリッド電極１１１よりも電子源１０１側に位置する電子源側電子線束１３０は電流密度分布を有し、グリッド電極１１１は、電子源側電子線束１３０の電流密度が最大の領域と開口率分布の最小な領域とが重なるように開口率分布を有する【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線発生管、Ｘ線発生装置及びＸ線撮影システムのＸ線の高出力化に関する。

Ｘ線発生管は、医療用診断、異物検査等の非破壊検査の用途に用いられるＸ線発生装置に適用されるＸ線源である。Ｘ線発生管は、電子線束を放出する電子銃と、電子を加速する陽極と、電子の衝突によりＸ線を発生するターゲットとを備えている。かかるターゲットは陽極に電気的に接続されている。

Ｘ線発生装置は、所定の分析分解能を得るために、電子線束がターゲット上に形成する焦点径を小さくする目的で、静電レンズ作用を有するグリッド電極を備えることが知られている。特許文献１には、電子放出部とターゲットとの間に、電子線束を収束するためのレンズ電極を設けたＸ線発生装置が記載されている。

一方、Ｘ線発生管でＸ線を出力させる際、ターゲットに照射された電子線束に含まれる電子の運動エネルギーのうち、Ｘ線として利用されるのは１％程度であり、投入されたエネルギーの殆どは熱エネルギーに変換され、ターゲットの温度上昇に至る。また、Ｘ線発生管のターゲットは、集束された電子線束の照射を受けるため、電子線束の電流密度分布が最大の領域が熱的な損傷を受けやすい。特許文献２には、カソードの構造を工夫することで、ターゲットの焦点の中心部の熱的な損傷を低減する方法が開示されている。特許文献２では、陰極フィラメントを渦巻状に形成し、渦巻状のフィラメントの中心部にフィラメントの一端を配置することで、電子線束の中心部を低温化し、熱電子放出される電子線束の電流密度を小さくする方法が開示されている。

特開２０１１−８１９３０号公報 実公平４−３３８４号公報

本発明は、ターゲットの熱的損傷が低減され、高い出力強度でＸ線を放出することが可能なＸ線発生管を提供することを目的とする。さらには、本発明は、ターゲットが高い寿命特性を有し高出力なＸ線発生装置、及び、Ｘ線撮影システムを提供することを目的とする。

本発明のＸ線発生管は、電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、前記ターゲットに対向する電子源と、複数の電子通過口を有するグリッド電極と、を備えたＸ線発生管であって、
前記グリッド電極は、前記電子源から放出された電子源側電子線束の一部が、前記電子通過口を通過して、前記ターゲットに照射されるように、前記ターゲットと前記電子源との間に位置し、
前記電子源側電子線束は電流密度分布を有し、
前記グリッド電極は開口率の分布を有し、
前記電流密度が最大の領域は、前記開口率分布が最小である領域に重なっていることを特徴とする。

また、本発明のＸ線発生装置は、本発明のＸ線発生管と、前記ターゲットと前記電子源とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子源との間に印加される管電圧を出力する管電圧回路と、前記グリッド電極と前記ターゲットとの間の電圧を規定するグリッド電位回路とを備えていることを特徴とする。

さらに、本発明のＸ線撮影システムは、本発明のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、焦点径を大きくすることなく、最大電子電流密度を抑制することが可能となるため、ターゲットの熱的負荷が小さくなり、高出力のＸ線発生管、Ｘ線発生装置及びＸ線撮影システムを得ることができる。

（ａ）は本発明のＸ線発生管の第１の実施形態を示す模式図、（ｂ）は（ａ）に示されるグリッド電極の正面図である。 （ａ）は参考例のＸ線発生管におけるターゲット側の電子線束の電流密度分布を示す特性図、（ｂ）は本発明の実施形態のＸ線発生管における同様の特性図である。 （ａ）乃至（ｄ）はそれぞれ本発明のグリッド電極の他の形態例を示す正面図である。 本発明のＸ線発生管の実施形態の電子光学系を示す概念図である。 （ａ）は従来例を説明するためのＸ線発生管の模式図、（ｂ）は（ａ）に示されるグリッド電極の正面図である。 本発明のＸ線発生装置の実施形態を説明する図である。 本発明のＸ線撮影システムの実施形態を説明する図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図５（ａ）は、従来のＸ線発生管の構成を参考例として例示するものである。本参考例に記載のＸ線発生管２００は、平面状の電子放出部を有する電子源２０１を備えている。本発明の実施形態との比較において必要となる部材の配置のみを模式的に示したものである。なお、図５（ａ）において、本参考例のＸ線発生管の胴部を構成する絶縁管は省略されている。

電子源２０１は、引き出し電極２０２と、引き出し電極２０２に電気的に接続されたグリッド電極２１０に印加されたグリッド電位に基づいて、電子源側電子線束２３０を発生する。発生した電子源側電子線束２３０に含まれる電子は、陽極２０４と電子源２０１との間に印加された管電圧に形成される加速電界により加速されターゲット２０４に照射される。電子源側電子線束２３０の一部は、グリッド電極２１０に照射されるが、グリッド電極２１０の複数の電子通過口２１１を通過した電子線束は、集束電極２０３により集束され、ターゲット２０５にターゲット側電子線束２３１として照射される。この結果、ターゲット上には、ターゲット側電子線束２３１が照射された範囲に焦点が形成され、焦点からＸ線を放出する。

本参考例のグリッド電極２１０は、図５（ｂ）のように、複数の電子通過口２１１が均一に配列パターンで配置されている。なお、本願明細書において電子通過口の配列において記載する「均一な配列」とは、電子通過口の開口率分布が均一であることを意味する。開口率の分布は、電子通過口の開口面積及び電子通過口の配列密度の少なくともいずれかで規定される。

Ｘ線発生管２００を構成する各電極の中心部は、図５（ａ）のように、電子線束の中心軸２０６と重なるように配置されている。

本参考例のＸ線発生管２００は、前記のように、均一な開口率を有する複数の電子通過口を有するグリッド電極２１０を備えている。グリッド電極２１０を備えた本参考例のＸ線発生管２００において、グリッド電位回路によりグリッド電極２１０に所定のグリッド電位が規定されると、図２（ａ）に示すようなガウス分布状の電流密度分布に対応した焦点がターゲット２０５上に形成される。図２（ａ）に示すターゲット２０５上の電流密度分布は、電子線束のビーム中心を通る中心軸２０６において最大となる。このとき、ターゲット２０５と中心軸２０６との交点である電子線束中心部（以下、焦点中心と称す）が、ターゲット２０５上において最も高温となる。なお、電子源側電子線束２３０が電流密度分布を有することは、電子源側電子線束の２３０ビーム径方向において、ターゲット２０５への電子線が照射密度分布を有していることを意味する。このため、従来のＸ線発生管２００では、焦点中心が耐熱限界に至らない範囲で、ターゲット２０５へ照射される電子線の電流上限を設定する必要がある。ターゲット２０５に照射される電子線の電流上限を高める方法としては、陽極２０４や、ターゲット２０５の耐熱性、放熱性を向上させること、ターゲット２０５上の焦点中心の電流密度を小さくすること等が挙げられる。

焦点中心の電流密度を小さくする方法では、焦点中心における熱的な負荷が軽減されるため、従来よりも投入エネルギーの上限を高めることが可能となる。その手段の一つとして、焦点径を大きくする手段があるが、焦点径を大きくすると、撮像時の分解能が低下する。従って、焦点径を大きくすることなく、ターゲット２０５上の焦点中心の電流密度を小さくし、ターゲット２０５への投入エネルギーの上限を高めることが、Ｘ線を高出力化するための重要なポイントである。例えば、実公平４−３３８４号公報に記載の方法は、電子放出部の形状の制限、電子線束のビーム内に電流密度分布が発生する等の制限が生じる。このため、フィラメント形態をとらない冷陰極、含浸型の熱陰極等についても、ターゲットの熱的損傷を低減し高出力化する方法が望まれていた。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のＸ線発生管１００の第１の実施形態について説明する図であり、本発明の説明に必要となる各部品の配置を模式図として示したものである。なお、図１（ａ）において、本参考例のＸ線発生管の胴部を構成する絶縁管は省略されている。Ｘ線発生管１００を構成する電子源１０１及び陽極１０４は、不図示の絶縁管に固定される。また、本実施形態のＸ線発生管は、ターゲット１０５の電子入射面の対向面からＸ線を取り出す透過型の構成を示しているが、本発明は、反射型のＸ線発生管にも適用可能である。

前述の参考例のＸ線発生管２００のグリッド電極２１０は、図５（ｂ）に示すように、電子通過口２１１が均一に配列されている。このため、グリッド電極２１０と、電子線束のビーム中心を通る中心軸１０６とが交差する箇所を含む中心部と、その周辺部とでは開口率に差が無い。

これに対し、本実施形態のグリッド電極１１０は、グリッド電極１１０と電子源側電子線束１３０の中心軸１０６とが交差する箇所を含む中心部には電子通過口１１１を備えていない。すなわち、グリッド電極１１０は、グリッド電極１１０と電子源側電子線束１３０の中心軸１０６とが交差する箇所を含む中心部の開口率が、その周辺部より小さい開口率分布を有した構造となっている。

グリッド電極１１０は、開口率分布により外側領域外周１１６と内側領域外周１１７とで囲まれた外側領域１１４と、内側領域外周１１７で囲まれた内側領域１１５とに分けられる。グリッド電極１１０と電子源側電子線束１３０の中心軸１０６とが交差する箇所を含む中心部は、グリッド電極１１０の内側領域外周１１７で囲まれた内側領域１１５に相当する領域である。

電子源１０１から放出された電子源側電子線束１３０は、電子線束のビーム径方向において電流密度の分布を有している。なお、本願明細書において、電子源側電子線束１３０が電流密度分布を有することは、電子源側電子線束の１３０ビーム径方向において、ターゲット１０５への電子線の照射密度の分布を有していることを意味する。本実施形態のＸ線発生管１００において、電子源側電子線束１３０の電流密度が最大の領域は、電子線束の中心軸１０６に一致している。

グリッド電極１１０は、電子源１０１と対向する面において、図１（ｂ）に示すように開口率の分布を有して複数の電子通過口を備えている。なお、本願明細書において、グリッド電極１１０が開口率の分布を有していることは、電子源側電子線束１３０のビーム径方向において開口率の分布を有していることを意味する。電子源側電子線束１３０の電流密度が最大となる中心軸１０６は、グリッド電極１１０の開口率が最小である領域１１５に重なるように位置されている。

本実施形態のＸ線発生管１００を構成する各電極に対して適切な電位が規定されると、ターゲット１０５上には、図２（ｂ）の破線で示すような電子の照射密度に対応した電流密度の分布が形成される。図２（ｂ）に図示されたトップハット型の分布は、ターゲット１０５に照射されるターゲット側電子線束１３１の電流密度分布に対応する。

本願明細書において、焦点は、ターゲット側電子線束１３１の電流密度分布の極大値の１５％以上の電流密度を呈する領域として定義している。焦点径φ_bは、ターゲット側電子線束１３１の電流密度分布の極大値の１５％以上の電流密度を呈する領域に対応するビーム径方向の幅である。ターゲット側電子線束１３１のビームの焦点の形状が、中心軸１０６を中心とする円である場合は、焦点径φ_bはかかる円の直径に一致する。なお、図２（ａ）、（ｂ）に示されたグラフは、ターゲット側電子線束１３１の電流密度を縦軸に、ターゲット１０５の電子入射面側における焦点中心からの位置を横軸に、示している。

ターゲット１０５における照射電流―Ｘ線強度の変換効率は、ターゲット１０５上の位置に依存せずに、ほぼ一定である。従って、Ｘ線発生管２００及びＸ線発生管１００から放出されるＸ線のターゲット１０５上の位置に対する強度分布は、図２（ａ）、（ｂ）に示された電流密度分布に倣った分布を呈するものとなる。

Ｘ線強度分布は、以下のようにして計測することが可能となる。Ｘ線放出窓から１０ｃｍ前方に所定の開口を備えた不図示のピンホールマスクを配置し、ピンホールマスクからさらに４０ｃｍ前方に二次元アレイ状にＸ線検出素子を備えた不図示のＸ線検出器を配置する。ここで、Ｘ線放出窓の法線を基準として、ピンホールマスクの位置を変更する毎にＸ線検出器の検出強度を記録することにより、Ｘ線強度分布を取得することが可能となる。

本願明細書においては、ターゲット側電子線束１３１の最大強度値の１５％以上の強度を示す範囲を電子線束の焦点として定義する。図２（ａ）中のφ_a、（ｂ）中のφ_bがそれぞれ、Ｘ線発生管２００、Ｘ線発生管１００の焦点径に対応している。

本発明によれば、グリッド電極１１０が開口率分布を有して電子通過口１１を備えることにより、ターゲット側電流密度分布を正規分布型プロファイルから所謂トップハット型プロファイルにする。この結果、本発明のＸ線発生管は、ターゲット１０５の焦点中心領域の耐熱性を確保し、ターゲット１０５の出力強度を増大するものである。

より具体的には、本発明のＸ線発生管１００は、電子源側電子線束１３０の電流密度が最大の領域が、グリッド電極１１０の開口率が最小である領域に重なるように、グリッド電極１１０は複数の電子通過口１１１を有していることを特徴とするものである。

なお、グリッド電極１１０は、グリッド電極１１０と電子源側電子線束１３０の中心軸１０６とが交差する箇所を含む中心部の開口率が、周囲に比べて小さいため、ターゲット１０５への投入エネルギーも小さくなる。

グリッド電極１１０の電子通過口１１１については、グリッド電極１１０と電子源側電子線束１３０の中心軸１０６とが交差する中心部の開口率が、その周辺部よりも小さくなるように設置されていればよい。グリッド電極１１０の開口率の分布は、電子通過口１１１の面密度分布、電子通過口１１１の開口面積分布、の少なくともいずれかにより形成することが可能である。

図１に記載のグリッド電極１１０の変形例である実施形態を、図３（ａ）乃至（ｄ）に示す。

図３（ａ）に示す実施形態は、外側領域１１４が正六角形の外側領域外周１１６により規定されている点が、図１（ｂ）に図示された実施形態と相違する。本実施形態のグリッド電極１１０は、図１（ｂ）に図示された実施形態と同様にして、電子通過口１１１の面密度分布により規定された開口率分布を有し、外側領域１１４よりも低開口率の内側領域１１５を有している。

図３（ｂ）に示す実施形態は、内側領域１１５が外側領域の電子通過口１１２より開口面積が小さい電子通過口１１３を有している点において、図１（ｂ）に図示された実施形態と相違する。本実施形態のグリッド電極１１０は、電子通過口１１１の開口面積分布により規定された開口率分布を有し、外側領域１１４よりも低開口率の内側領域１１５を有している。なお、本実施形態のグリッド１１０は、外側領域１１４が略正方形の外側領域外周１１６と内側領域外周１１７に挟まれている点においても、図１（ｂ）に図示された実施形態と相違する。

図３（ｃ）、（ｄ）に示す実施形態は、グリッド電極１１０の円周方向と半径方向において、内側領域１１５が外側領域に対して、電子通過口１１１の面密度と開口面積分布とにより規定された開口率分布を有している。この点が、図１（ｂ）に図示された実施形態と相違する。図３（ｃ）、（ｄ）に図示されたグリッド電極１１０のように、電子通過口１１１の面密度と開口面積分布とにより開口率分布を形成する形態は、連続的な開口率分布を形成することが可能となる点において、ビーム成形の制御性の観点から好ましい。

電子源１０１は、放射線発生管１００の外部から放出電子量を制御可能な電子源が適用される。電子源１０１に適用可能な電子源は、金属フィラメント型、酸化物フィラメント型、含浸型等の熱陰極、または、カーボンナノチューブ、ｓｐｉｎｄｔ型、ＭＩＭ型等の冷陰極の群から選択される。電子源１０１を含侵型の熱陰極とする形態は、所定の面積を有する電子放出面の面内の対称性または均一性の観点から好ましい。

引き出し電極１０２は、電子源１０１の電子放出量を制御する電場を電子放出源の前方に形成するために設けられる中間電極である。本実施形態の引き出し電極１０２は、グリッド電極１１０と電気的に接続されている。グリッド電極１１０は、電子源１０１から放出された電子源側電子線束のビームプロファイルを成形するために、電子放出源１０１の前方に設けられた中間電極である。グリッド電極１１０と引き出し電極１０２は、必ずしも同電位である必要はなく、それぞれ、異なる電圧源に接続されていてもよい。

グリッド電極１１０は、電子源１０１とターゲット１０５の間のどこにあってもよいが、照射される電子による発熱を考慮すると、引き出し電極１０２の近傍に配置するのが好ましい。本発明において、開口率分布を有して複数の電子通過口を備えるグリッド電極は、集束レンズ電極として配置されていても良い。

図１に記載のＸ線発生管１００が備えるターゲット１０５は、透過型ターゲットを示している。透過型ターゲットは、金箔等の自立薄膜形態、または、ターゲット側電子放射線束１３１が照射される面側にターゲット層を備えターゲット層を透過材料からなる透過基板で支持する積層形態が採用される。積層形態の透過型ターゲットは、透過基板のグリッド電極に対向する側にターゲット層が設けられる。

積層形態をとる透過型ターゲットの透過基板は、少なくともターゲット層に含有されるターゲット金属に対して原子番号が小さい軽元素から構成される。透過基板としては、ベリリウム、シリコンカーバイド、ダイアモンド等が適用される。

ダイアモンドの透過基板（以下、ダイアモンド基板と称す）は、高いＸ線透過性（原子番号６、低比重）、高い熱伝導性［１６００Ｗ／（ｍＫ）］、高い耐熱性（分解温度１２００℃以上）等の物性を有する。これらの物性において、透過型ターゲットの透過基板として特に好ましい。ダイアモンド基板は、高温高圧合成法等により得られる単結晶ダイアモンド、または、微結晶ダイアモンドを原料とする焼結法または化学的気相堆積法等により得られる多結晶ダイアモンドが適用される。

透過基板の外形は、一方の面とそれに対向する他方の面とを有した平板形態とし、例えば、直方体状、ディスク状が採用される。ディスク状の透過基板としては、直径２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることにより、必要な焦点径を形成可能なターゲット層２１設けることが可能となる。

ダイアモンド基板は、基板厚を５００μｍ以上２ｍｍ以下とすることにより、放射線の透過性を確保することが可能となる。直方体状のダイアモンド基板とする場合は、前述の直径の範囲を、直方体が有する面の短辺と長辺のそれぞれの長さに置き換えれば良い。

ターゲット層は、高い原子番号、高融点、高比重の金属元素を含有し、例えば、タンタル、タングステン、モリブデン、銀、金、レニウムの群から選択された金属を少なくとも含有される。ターゲット層は、透過基板との親和性の観点からは、炭化物の標準生成自由エネルギーが負を呈するタンタル、モリブデン、タングステンの群から少なくとも１種選択された金属を含有することがより好ましい。また、ターゲット層は、単一組成または合金組成の純金属として構成されていても良いし、当該金属の炭化物、窒化物、酸窒化物等の金属化合物から構成されていても良い。なお、ターゲット層の層厚は、１μｍ以上１２μｍ以下の範囲から選択される。ターゲット層の層厚の下限と上限は、それぞれ、Ｘ線出力強度の確保、界面応力の低減の観点から定められ、３μｍ以上９μｍ以下の範囲とすることが、より好ましい。

ターゲット１０５は、Ｘ線発生管１００の陽極１０４の部分を構成するために、不図示の陽極部材、ろう材、導通電極により電気的な接合がなされる。導通電極は、陽極部材との電気的な接続を確立するために必要に応じて設けられる導電性部材である。導通電極としては、錫、銀、銅等の金属または金属酸化物等が適用される。ろう材は、陽極部材にターゲット１０５を保持する機能とともに、ターゲット層と陽極部材との電気的接続の機能を有している。ろう材は、金、銀、銅、錫等を含有する合金であって、被接合部材に応じて合金組成を適宜選択することにより、透過基板、導通電極、陽極部材等の異種材料間の接着性を担保することができる。

次に、ターゲット１０５の焦点中心における熱損傷を抑制する観点において、グリッド電極１１０のより好ましい配置形態について、図４を用いて説明する。図４は、電子源１０１からターゲット１０５に至る経路における、電子線束が集束される態様を、模式的に示したものである。

Ｘ線発生管１００は、電子源１０１から照射された電子線束を、グリッド電極１１０とターゲット１０５との間に配置された集束レンズ１２０によって、焦点径を調整することが可能である。図４における、集束レンズ１２０は、１つの集束レンズ電極から構成されていてもよいし、複数の電極により構成されていてもよい。

図４には、ターゲット側電子線束１３１のビーム径が最小となるクロスオーバー１２４を有した電子光学系を形成するＸ線発生管１００の要部が示されている。図４には、集束レンズ１２０とその静電パラメータとによって一意に決定される、電子光学的な仮想点が複数示されている。本実施形態は、図１に示す実施形態と、クロスオーバー１２４を有する点において少なくとも相違する。

なお、集束レンズ１２０の静電パラメータは、集束レンズ１２０を構成する電極の位置、形状及び電位が含まれる。集束レンズ１２０の電極の形状には、電子通過口の形状及び電極厚が含まれる。

集束レンズ１２０は、仮想的に無限遠に配置した像の結像点に対応するレンズ焦点を前方と後方に１つずつ備える。本願明細書においては、電子源１０１の側に位置するレンズ焦点を後方レンズ焦点１２３ａ、ターゲット１０５の側に位置するレンズ焦点を前方レンズ焦点１２３ｂと、それぞれ称する。

集束レンズ１２０に対してクロスオーバー１２４と共役な点が電子源１０１の側に一意に規定される。かかるクロスオーバー１２４と共役な点をクロスオーバー共役点１２２と称する。同様にして、集束レンズ１２０に対してターゲット１０５上の焦点中心と共役な点が電子源１０１の側に一意に規定される。かかる焦点中心と共役な点を焦点中心共役点１２１と称する。クロスオーバー共役点１２２は、仮想的に示された陰極の位置に対応し、一般に仮想陰極と呼ばれる。

集束レンズ１２０の静電パラメータを適宜設定することにより、ターゲット側電子線束１３１のビーム径が最小となるクロスオーバー１２４を、図４のように、前方レンズ焦点１２３ｂとターゲット１０５との間に形成することが可能となる。

本実施形態においては、集束レンズ１２０との距離において、クロスオーバー共役点１２２が焦点中心共役点１２１よりも遠方に位置している。また、グリッド電極１１０は、クロスオーバー共役点１２２から焦点中心共役点１２１までの区間に配置されている。

開口率分布を有するグリッド電極１１０を、焦点中心共役点１２１の位置に近接した配置とすることが好ましい。なぜならば、このように配置とすることで、ターゲット１０５上に投影されるグリッド電極１１０の開口形状の再現性が高いものとなり、ターゲット１０５上の焦点中心の電流密度が低減されたものとなるためである。従って、開口率分布を有するグリッド電極１１０を、焦点中心共役点１２１の位置に重なるように配置することが、ターゲット１０５上の焦点中心の電流密度を低減する点において、より一層好ましい形態となる。

なお、図４に示されるクロスオーバー１２４、クロスオーバー共役点１２２、焦点中心共役点１２１等の仮想点は、Ｘ線発生管１００を構成する部材の誘電率、電極電位、寸法、配置関係をモデル化した静電場計算によって同定することが可能である。

＜第２の実施形態＞
図６は、Ｘ線束をＸ線透過窓１３の前方に向けて取り出すＸ線発生装置１０の実施形態が示されている。本実施形態のＸ線発生装置１０は、Ｘ線透過窓１３を有する収納容器１１内部に、Ｘ線源であるＸ線発生管１００及びＸ線発生管１００を駆動するための駆動回路５を有している。

駆動回路５により、Ｘ線発生管１００の電子源と陽極との間に管電圧が印加され、ターゲット１０５と電子放出部との間に加速電界が形成される。ターゲット層の層厚とターゲット金属の元素種とに対応して、管電圧を適宜設定することにより、撮影に必要な線種を選択することができる。

Ｘ線発生管１００及び駆動回路５を収納する収納容器１１は、容器としての十分な強度を有し、かつ放熱性に優れたものが望ましく、その構成材料として、例えば真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料が用いられる。

本実施形態においては、収納容器１１内の内部のＸ線発生管１００と駆動回路５以外の余空間には、絶縁性液体が充填されている。絶縁性液体は、電気絶縁性を有する液体で、収納容器１１の内部の電気的絶縁性を維持する役割と、Ｘ線発生管１００の冷却媒体としての役割とを担う。絶縁性液体としては、鉱油、シリコーン油、パーフロオロ系オイル等の電気絶縁油を用いるのが好ましい。

＜第３の実施形態＞
次に、図７を用いて、本発明のＸ線発生管１００を備えるＸ線撮影システム１の構成例について説明する。

システム制御装置２は、Ｘ線発生装置１０とＸ線を検出する放射線検出装置６とを統合制御する。駆動回路５は、システム制御装置２による制御の下に、Ｘ線発生管１００に各種の制御信号を出力する。駆動回路５は、本実施形態においては、Ｘ線発生装置１０を収納する収納容器の内部にＸ線発生管１０２とともに収納されているが、収納容器の外部に配置しても良い。駆動回路５が出力する制御信号により、Ｘ線発生装置１０から放出されるＸ線束の放出状態が制御される。

Ｘ線発生装置１０から放出されたＸ線束は、可動絞りを備えた不図示のコリメータユニットによりその照射範囲を調整されてＸ線発生装置１０の外部に放出され、被検体４を透過して放射線検出装置６で検出される。放射線検出装置６は、検出したＸ線を画像信号に変換して信号処理部７に出力する。信号処理部７は、システム制御装置２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２に出力する。システム制御装置２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置３に画像を表示させるための表示信号を表示装置３に出力する。表示装置３は、表示信号に基づく画像を、被検体４の撮影画像としてスクリーンに表示する。Ｘ線撮影システム１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。

以下、実施例により本発明の構成と作用効果を、より具体的に示す。

＜実施例１＞
本実施例のＸ線発生管１００について図１（ａ）を用いて説明する。なお、各部品はグリッド電極１１０の電子通過口１１１を除き、中心軸１０６に対して軸対称となる形状を有している。カソード１０１には直径２ｍｍの一般的に利用される平面型の含浸型陰極を使用し、そこから０．８ｍｍ離間した位置に、図１（ｂ）のような７５μｍの厚さを有するグリッド電極１１０を配置した。

グリッド電極１１０の電子通過口１１１は、直径３００μｍ、ピッチ３５０μｍで正方配置されているが、中心軸１０６上に位置する中心部については開口部を有していない。

引き出し電極１０２は、グリッド電極１１０の電子源１０１と対向する側の面の裏面側に配置され、グリッド電極１１０に電気的に接続した。引き出し電極は、Ｘ線の中心軸１０６の方向において、厚さ３ｍｍ、直径５ｍｍの開口を有している。グリッド電極１１０と引き出し電極１０２は耐熱性を考慮しモリブデンを用いた。

集束電極１０３は、引き出し電極１０２から４ｍｍ離間した位置に配置し、厚さ５ｍｍ、直径１０ｍｍの開口を有している。材料にはステンレスを用いた。

陽極１０４は、集束電極１０３から４０ｍｍ離間した位置に配置した。また、高エネルギーが流入するため、中心軸１０６上には放熱性とＸ線透過性を考慮してダイアモンドを配置し、その周囲には銅を用いた。さらに、ダイアモンド上に、５μｍ厚のタングステンからなるターゲット１０５を成膜した。これにより、ターゲット１０５で発生したＸ線を、その直下にあるダイアモンドを通じて外部に取り出すことが可能な透過型ターゲットを構成することができる。

このように構成されたＸ線発生管１００において、電子源１０１に０Ｖ、引き出し電極１０２、グリッド電極１１０に２００Ｖ、集束電極１０３に２０００Ｖ、陽極１０４、ターゲット１０５に７５ｋＶの電圧を印加した。その結果、ターゲット側電流密度分布のプロファイルとして図２（ｂ）のような中心部がやや凹んだ焦点となり、焦点中心の電流密度を抑制できていることを確認した。そこで、引き出し電極の電圧を増加させて、ターゲット１０５の熱的な限界まで電流を増加したところ、最大で１．７ｋＷのエネルギー投入が可能となった。

＜比較例＞
比較例として、直径３００μｍ、ピッチ３５０μｍで、均一に正方配置された電子通過口２１１を有するグリッド電極２１０を有したＸ線発生管２００を作成した。比較例のＸ線発生管２００は、図２（ａ）のようなガウス分布状のＸ線強度を呈した。本比較例のＸ線発生管２００のターゲット２０５へのエネルギー投入量の最大値は１．５ｋＷであった。この結果、実施例１のＸ線発生管１００は、比較例のＸ線発生管２００に比べて約１３％のＸ線の高出力化が可能となった。

＜実施例２＞
グリッド電極１１０として、図３（ａ）のように電子通過口１１１をハニカム状に配列させたこと以外は実施例１と同様のグリッド電極を用意し、さらに実施例１と同様にＸ線発生管を作製しテストを行った。その結果、本実施例においても、図２（ｂ）のようなＸ線強度分布を示し、最大で１．７ｋＷのエネルギー投入が可能であった。

＜実施例３＞
グリッド電極１１０として、図５（ｂ）と同一の位置に電子通過口１１１を有するが、中心部付近の開口部の直径が異なる図５（ｂ）のようなグリッド電極１１０を作製した。本グリッド電極１１０は、中心部の開口部、及び、それに上下左右方向に隣接する４つの開口部の直径が１００μｍ、中心部の開口部に対し、斜め方向に隣接する４つの開口部の直径が２００μｍの開口部を有する以外は図３（ａ）と同等である。本グリッド電極１１０を用意し、実施例１と同様にＸ線発生管を作製しテストを行った。その結果、本実施例においても、最大で１．７ｋＷのエネルギー投入が可能であった。

１００：Ｘ線発生管、１０５：ターゲット、１０１：電子源、１１０：電子通過口、１１１：グリッド電極、１３１：ターゲット側電子線束、２３０：電子源側電子線束

Claims (19)

1. 電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、前記ターゲットに対向する電子源と、複数の電子通過口を有するグリッド電極と、を備えたＸ線発生管であって、
   前記グリッド電極は、前記電子源から放出された電子源側電子線束の一部が、前記電子通過口を通過して、前記ターゲットに照射されるように、前記ターゲットと前記電子源との間に位置し、
   前記電子源側電子線束は電流密度分布を有し、
   前記グリッド電極は開口率の分布を有し、
   前記電流密度が最大の領域は、前記開口率分布が最小である領域に重なっていることを特徴とするＸ線発生管。
2. 前記電子源側電子線束が有する前記電流密度分布は、前記電子源側電子線束のビーム径方向における電子線の照射密度分布であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生管。
3. 前記グリッド電極は、前記ビーム径方向において開口率の分布を有することを特徴とする請求項２に記載のＸ線発生管。
4. 前記グリッド電極は、前記電子源側電子線束の一部を前記電子通過口を通過させることにより、前記グリッド電極よりも前記ターゲット側において、ターゲット側電子線束を形成し、
   前記ターゲット側電子線束のビーム中心の電流密度は、前記電子源側電子線束のビーム中心の電流密度より低い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Ｘ線発生管。
5. 前記開口率分布は、前記電子通過口の面密度分布、前記電子通過口の開口面積分布の少なくともいずれかを有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
6. 前記開口率分布は、前記電子通過口の面密度分布と前記電子通過口の開口面積分布とにより形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生管。
7. 前記Ｘ線発生管は、前記電子源の引き出し電極をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
8. 前記Ｘ線発生管は、前記電子源側電子線束を集束する集束レンズ電極をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
9. 前記集束レンズ電極は、前記集束レンズ電極と前記ターゲットとの間に、前記ターゲット側電子線束のビーム径が最小となる仮想点であるクロスオーバーを有し、
   前記集束レンズ電極は、さらに、前記クロスオーバーと共役な位置にクロスオーバー共役点を有し、
   前記集束レンズ電極は、さらに、前記電子源の側において、前記ターゲット上の焦点中心と共役な位置に焦点中心共役点を有し、
   前記グリッド電極は、前記クロスオーバー共役点から前記焦点中心共役点までの区間に位置していることを特徴とする請求項８に記載のＸ線発生管。
10. 前記グリッド電極は、前記焦点中心共役点に重なるように位置していることを特徴とする請求項９に記載のＸ線発生管。
11. 前記電子源は、含侵型の熱陰極であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
12. 前記ターゲットは、前記グリッド電極に対向する側に設けられたターゲット層と、前記ターゲット層を支持する透過基板からなる透過型ターゲットであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
13. 前記透過基板は、ダイアモンド基板であることを特徴とする請求項１２に記載のＸ線発生管。
14. 前記ダイアモンド基板は、５００μｍから２ｍｍの基板厚を有していることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線発生管。
15. 前記ダイアモンド基板は、多結晶ダイアモンド、または、単結晶ダイアモンドであることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線発生管。
16. 前記ターゲット層は、タンタル、タングステン、モリブデン、銀、金、レニウムの群から選択された金属を少なくとも含有することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
17. 前記ターゲット層の層厚は、１μｍ以上１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のＸ線発生管と、
    前記ターゲットと前記電子源とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子源との間に印加される管電圧を出力する駆動回路と、
    前記グリッド電極と前記ターゲットとの間の電圧を規定するグリッド電位回路と
    を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
19. 請求項１８に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器とを備えていることを特徴とするＸ線撮影システム。

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