JP2014241188A - 放射線発生管及びそれを用いた放射線発生装置と放射線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】強電界となる内部で発生する異物による放電を効果的に抑制した放射線発生管を提供する。
【解決手段】絶縁管５の一方の開口に陰極３を、他方の開口に陽極４を接合してなる放射線発生管１において、陰極３，陽極４，絶縁管５のいずれかに異物を捕集する凹部６を設け、該凹部６においては、開口部に底部よりも幅が狭い部位を設けることにより、一旦捕集した異物が凹部６より出にくい形状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば医療機器、非破壊検査装置等に適用できる放射線発生管及びそれを備えた放射線発生装置と放射線撮影システムに関する。

一般に、放射線発生装置は放射線発生管内に設置された陰極と陽極との間に高電圧を印加することにより、陰極に接続された電子放出源から放出される電子を陽極に接続されたターゲットに照射し、Ｘ線等の放射線を発生させている。放射線撮影は、陰極と陽極の間に４０ｋＶ乃至１５０ｋＶという高電圧を数ミリ秒乃至数秒印加して行われる。その時に放射線発生管内部で放電することがあり、この放電により陽極電位の変動をもたらし、更には、放射線出力が変動してしまうことが有った。例えば特許文献１には、放射線発生管を構成する絶縁管と陰極の接続箇所の電界集中を抑制する陰極構造が開示されている。これにより放射線発生管の耐電圧性能を向上させることと、電界集中点からの不要な電界放出電子を抑制することが記載されている。

米国特許出願公開第２００７／００７６８４９号明細書

しかしながら特許文献１に記載の静電場を緩和する手法では、更なる高出力化、硬Ｘ線適用に対し、必ずしも耐電圧性能が十分でない場合があり、発明者らが放電の原因を鋭意調査したところ、異物の存在であることが確認された。即ち、電界中に存在した異物が、陰極と陽極との間を往復運動するうち、強電界中で最終的に放電に生じたものと考えられる。異物は大気中の浮遊粒子や、放射線発生管組み立て工程での摺動部から発生するものなど外部から混入するものの他、放射線発生管動作中に内部の構成部材から脱落することも考えられるが、このような異物の存在を完全に無くすことは困難である。

本発明の課題は、強電界となる放射線発生管の内部で発生する異物による放電を効果的に抑制することにある。さらに、本発明の課題は、異物による放電を抑制した放射線発生管を用いて、信頼性の高い放射線発生装置及び放射線撮影システムを提供することにある。

本発明の第１は、絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口に接合された陰極と、前記絶縁管の他方の開口に接合された陽極と、前記陰極に接続された電子放出源と、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において、
前記陰極と前記陽極と前記絶縁管の少なくともいずれかが、前記放射線発生管の内部に連通する凹部を有し、
前記凹部は、開口部と、前記開口部を介して前記内部と離間して位置する底部とを有し、
前記開口部は、前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする。

本発明の第２は、上記本発明の第１の放射線発生管と、前記放射線発生管の駆動を制御する駆動回路とを備えたことを特徴とする放射線発生装置である。

本発明の第３は、上記本発明の第２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である。

本発明の放射線発生管において、内部に設けられた凹部に一度捕集された異物は重力・振動・電界などで動いても、凹部外に出てくる確率は低い。さらに該凹部を陰極付近の電界が弱い箇所に形成することで、異物にかかるクーロン力が低減されて動きにくくなり、より脱出確率が小さくなる。よって、本発明の放射線発生管の内部では、高電界中であっても異物による放電が効果的に抑制され、該放射線発生管を用いて、信頼性の高い放射線発生装置及び放射線撮影システムを提供することができる。

本発明の放射線発生管の一実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は絶縁管の軸方向に平行な断面模式図、（ｂ）は（ａ）の凹部の拡大図である。 本発明の放射線発生管に形成される凹部の他の形状例を示す断面模式図である。 本発明の放射線発生管において、絶縁管の内周に沿って不連続に凹部を形成した構成を示す断面模式図である。 本発明の放射線発生管において、陽極に凹部を設けた実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は陽極の直径方向の断面模式図であり、（ｂ）及び（ｃ）は陽極を内側から見た平面模式図である。 本発明の放射線発生管において、陽極に凹部を設けた他の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は陽極を内側から見た平面模式図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’を展開した断面模式図である。 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。 本発明の放射線撮影システムの一実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、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又は公知の技術を適用する。尚、以下に参照する図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

図１（ａ）に示すように、本発明の放射線発生管１は、筒状の絶縁管５と、該絶縁管５の一方の開口に接合された陰極３と、前記絶縁管５の他方の開口に接合された陽極４とを備えている。そして、陰極３には電子放出源２が接続され、陽極４には電子線の電子放出源２から放出された電子線の照射によって放射線を放出するターゲット７が接続されている。

絶縁管５と陰極３及び陽極４の固定方法は、ろう付け、溶接、接着剤等が用いられる。絶縁管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は絶縁管５との接着が容易な金属が用いられる。例えば銅やアルミニウムなどが選択される。または、製造工程中の熱ひずみによる変形を軽減するために絶縁管５と線膨張係数差の小さい合金を用いてもよい。例えば、鉄ニッケルコバルト系合金（ＦｅＮｉＣＯ合金）、ニッケル銅鉄マンガン系合金（ＮｉＣｕＦｅＭｎ合金）などが選択される。

電子放出源２には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、又はカーボンナノチューブ等の冷陰極を用いることができる。

ターゲット７はそれ自身が電子の照射で放射線を放出する材料で構成しても、放射線を透過する基材にターゲット金属を成膜した構成であってもよい。放射線を透過する基材としては、ターゲット金属を支持できる強度を有し、ターゲット金属で発生した放射線の吸収が少なく、且つターゲット金属で発生した熱をすばやく放熱できるよう熱伝導率の高いものが好ましい。例えばダイヤモンド、炭化シリコン、窒化アルミニウム等を用いることができる。

ターゲット金属を構成する材料は、融点が高く、放射線発生効率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル、モリブデン等を用いることができる。発生した放射線がターゲット金属を透過する際に生じる吸収を軽減するため、ターゲット金属の厚みは数μｍ乃至十数μｍ程度が適当である。

本例の放射線発生管１は、ターゲット７が透過型であり、絶縁管５を介して陰極３と陽極４とが対向して配置した透過型であるが、本発明はこれに限定されず、反射型の放射線発生管１にも適用される。

本発明の放射線発生管１の特徴は、陰極３、陽極４、絶縁管５の少なくともいずれかが、放射線発生管１の内部に連通した凹部６を有していることにある。さらに、該凹部６の開口部が、該開口部を介して前記放射線発生管の内部と離間して位置する底部よりも幅が狭い部位を有していることにある。

本発明においては、放射線発生管１の内部に凹部６を設けることによって、係る凹部６によって放射線発生管１内に浮遊する異物を捕集し、該異物に起因する放電を抑制する。本発明に係る凹部６は、開口部が底部よりも幅が狭い部位を有していることにより、一旦捕集した異物が再び凹部６から放射線発生管１内に出にくい構造となっている。

図１の例においては、係る凹部６は絶縁管５の内周に沿って形成されており、図１（ｂ）に示すように、絶縁管５の中心軸を含む断面において、凹部６の開口部の幅が底部よりも狭い台形状を呈している。即ち、絶縁管５の軸方向に対向する凹部６の内壁同士の距離が、凹部６の開口部において底部よりも短くなっている。

本発明において、幅が底部よりも開口部が狭い部位を有する凹部６の断面形状は図１（ａ）の台形状に限定されず、図２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、幅が底部よりも狭い部位が開口部の側のいずれかに存在すればよい。

また、絶縁管５に図１（ｂ）や図２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、絶縁管５の軸方向において開口部に底部よりも幅が狭い部位を有する凹部６を設ける場合には、絶縁管５の内周に沿って連続する溝状に凹部６を設けることができる。また、図３に示すように、凹部６を絶縁管５の内周に沿って不連続に複数設けても良い。さらに、図３に示すように不連続に形成する場合、絶縁管５の中心軸に直交する断面において、凹部６の形状を底部の幅よりも開口部の幅が狭い形状とすることもできる。これらのような凹部６の製造方法としては例えば機械加工や成形加工などが用いられる。

本発明において、絶縁管５に凹部６を設ける場合には、電子放出源２の電子放出部２ａよりも陰極３側に設けることが好ましい。ここで、図１（ａ）に示すように、電子放出部２ａから陽極４までの距離をＬ１、電子放出部２ａから陰極３までの距離をＬ２とする。図１（ａ）において、電子放出源２がなかった場合、陰極３と陽極４との間に電圧を印加すると、陰極３と陽極４との電位差を陰極３と陽極４との距離Ｌ１＋Ｌ２で除した値の電界が絶縁管５にかかる。しかしながら、図１（ａ）の如く電子放出源２が陰極３に接続された構成では、陰極電位に近い電位の電子放出部２ａが陰極３よりも陽極４側に位置するため、電子放出部２ａよりも陰極３側においては、電子放出源２がない構成に比べて電位差が小さくなる。一方、電子放出部２ａよりも陽極４側においては、電子放出源２がない構成に比べて電位差が大きくなる。電界が小さくなる陰極３側に凹部６を設けた場合、凹部６に捕集された異物は自身に働くクーロン力が小さくなり、異物が移動するのを抑制する効果が得られる。即ち、一旦凹部６に捕集された異物が凹部６からより出にくくなる。

本発明の放射線発生管１は、絶縁管５に陰極３，陽極４を接合して組み立てた後、内部を１×１０^-8Ｐａ乃至１×１０^-4Ｐａ程度に減圧し、封止する。その後、放射線発生管１に振動を与える工程を実施し、放射線発生管１内部の異物を凹部６に誘導する。ここで、異物を凹部６に効率的に誘導するために、凹部６の一部を電極で構成することにより、陰極３又は陽極４と凹部６に形成した電極間に電位差を与え振動に加えてクーロン力で異物を凹部６へ誘導できるという効果が得られる。

放射線発生管１は、不図示の排気管を通じて管内を真空に排気した後、該排気管を封止することで、内部を真空にすることができる。このように作製した放射線発生管１の内部には、さらに真空度を高めるために、不図示のゲッターを配置しても良い。

放射線は陰極３と陽極４の間に４０ｋＶ乃至１５０ｋＶの電位差を与え、陰極３に接続された電子放出源２から放出された電子線を陽極４に接続されたターゲット７に照射することで発生させる。電子線照射時のターゲット７は、高出力化に伴い局所的には１０００℃以上になる場合があり、熱応力による経時劣化で剥がれが発生する場合がある。剥がれたターゲット部材は絶縁管５内へ脱落し異物となる。そこで、凹部６を陽極４に形成することで、ターゲット７の脱落物を絶縁管５内へ侵入する前に効果的に捕集し、陽極４で周囲を囲まれることにより低電界となっている凸部６内にかかる脱落物を留めることができるという効果が得られる。

図４に陽極４に凹部６を設けた形態を示す。図４（ａ）は陽極４の厚さ方向の断面図であり、ターゲット７を取り囲むように凹部６を形成している。図４（ｂ）、（ｃ）は係る陽極４を放射線発生管１の内部から見た平面図であり、Ａ−Ａ’断面が図４（ａ）に相当する。図４（ｂ）は凹部６をターゲット７を取り囲んで連続する溝状に形成した例であり、図４（ｃ）は凹部６をターゲット７を取り囲んで不連続に複数形成した例である。いずれも、直径方向断面において、凹部６が底部側よりも開口側で狭くなる部位を有する形状である。

陰極３に凹部６を設ける場合には、図４に示した陽極４に凹部６を設ける場合と同様の構成をとることができる。陰極３に凹部６を設けた場合には、陽極４に凹部６を設けた場合と同様に、陰極３と絶縁管５との間に生ずる熱応力に起因して発生する異物を捕集し、陰極３で周囲を囲まれることにより低電界となっている凹部６に該異物を留めることができる効果が得られる。

このように、凹部６を設ける部材としては、放射線発生管１の容器内部に露出している面を有する部材であれば、陰極３、陽極４、絶縁管５のいずれでも良いし、複数の部材のそれぞれに設けても良い。

図５は、凹部６をターゲット７を取り囲んで不連続に複数形成すると同時に、ターゲット７の外周に平行な方向の断面において、開口部が底部よりも幅が狭い部位を有している。即ち、図５（ａ）に示すように、ターゲット７の外周に平行なＡ−Ａ’断面において、図５（ｂ）に示すように、凹部６の開口部は底部よりも幅が狭い部位を有している。

以上のような形態により放射線発生管１内に浮遊する異物による放電は抑制され、信頼性が高い放射線発生管１が提供される。

尚、上記の説明においては、絶縁管５として円筒形の構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、角筒形のものも本発明に適用することができ、この場合には、陰極３や陽極４も多角形のものが用いられる。

次に、本発明の放射線発生装置について説明する。図６は図１の放射線発生管１を備える放射線発生装置の構成の一例を示す断面模式図である。本発明の放射線発生装置は、図６に示すように、本発明の放射線発生管１と、これを収容する収納容器２１とを備え、収納容器２１の余剰空間には絶縁性液体２３が満たされている。また、収納容器２１には、放射線発生管１から生じる放射線を取り出すための放射線放出窓２２を備えている。

収納容器２１の内部には、不図示の回路基板及び絶縁トランス等から構成される駆動回路１６を設けても良い。駆動回路１６を設けた場合、例えば放射線発生管１に不図示の配線を介して駆動回路１６から所定の電圧信号が印加され、放射線の発生を制御することができる。

収納容器２１は、容器としての十分な強度を有していれば良く、金属やプラスチックス材料等から構成される。収納容器２１には、放射線を透過し収納容器２１の外部に放射線を取り出すための放出窓２２が設けられている。放射線発生管１から放出された放射線はこの放出窓２２を通して外部に放出される。放出窓２２には、ガラス、アルミニウム、ベリリウム等が用いられる。

絶縁性液体２３は、電気絶縁性が高く、冷却能力が高く、熱による変質の少ない物が好ましく、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る。

次に、図７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７に示すように、本発明の放射線発生装置１００は、必要に応じて、その放射線放出窓２２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１００から照射される放射線１０１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。

システム制御装置２０２は、放射線発生装置１００と放射線検出装置２０１とを連携制御する。駆動回路１６は、システム制御装置２０２による制御の下に、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１００から放出される放射線１０１の放出状態が制御される。放射線発生装置１００から放出された放射線１０１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の撮影画像としてスクリーンに表示する。

放射線の代表例はＸ線であり、本発明の放射線発生装置と放射線撮影システムは、Ｘ線発生装置と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に例示した放射線発生管１を作製した。絶縁管５の寸法は、高さ１００［ｍｍ］、内径５０［ｍｍ］、外径６０［ｍｍ］とした。また材質は純度９９．５％のアルミナを選択した。陰極３及び陽極４は円板状で厚さ１０［ｍｍ］、直径６０［ｍｍ］とした。また材質は鉄ニッケルコバルト合金（ＦｅＮｉＣｏ合金）を選択した。電子放出源２はタングステンフィラメントを電子放出部２ａとして備える熱電子銃を使用した。電子放出部２ａの陰極３からの距離Ｌ２は、４０［ｍｍ］とした。ターゲット７は厚み１０［μｍ］のタングステン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合した。凹部６は絶縁管５の内壁に陰極３から凹部６の開口部の中心までの高さＨ＝２［ｍｍ］、深さＤ＝２［ｍｍ］とした。さらに台形状の溝となるように開口部の幅Ｗ１＝１［ｍｍ］、底部の幅Ｗ２＝２［ｍｍ］となるように切削加工で形成した。そして電子放出源２を固定した陰極３と陽極４は絶縁管５を介して対向させそれぞれを銀ろう付けにより接合した。次に陰極３に備わる排気管（不図示）により絶縁管５内が１×１０^-6Ｐａ程度になるように排気した後、排気管を封止した。最後に放射線発生管１を絶縁管５の中心軸方向に重力がかかるよう配置し、該中心軸方向に変位１０［ｍｍ］、最大加速度１［Ｇ］の振動を１分間与えた。

次に、前記放射線発生管１を用いて図５に示す放射線発生装置を構成した。放射線発生管１は真鍮製の収納容器２１内に配置し、収納容器２１の余剰空間に絶縁性液体２３として絶縁油を充填した。放射線放出窓２２の付近に放射線検出器（不図示）を設置し、駆動回路１６によって高電圧を放射線発生管１に与え放射線を発生させた。試験した条件は管電圧１００［ｋＶ］、管電流１０［ｍＡ］、パルス幅１０［ｍｓｅｃ］、ｄｕｔｙ比１／１０である。上記条件で１０ｍｉｎの連続運転と停止５ｍｉｎの試験間隔で累積運転時間が１０時間になるまで試験したところ、放電は観測されず安定した放射線量が得られた。試験後に放射線発生管１を収納容器２１より取り出し分解したところ、絶縁管５に設けた凹部６内に１００μｍ乃至５００μｍの粒子が観測された。

（比較例１）
絶縁管５に凹部６を形成しない以外は実施例１と同様の構成の放射線発生管を製作し、実施例１と同条件で駆動したところ、５時間後に放電が観測され線量に影響が出た。

１：放射線発生管、２：電子放出源、２ａ：電子放出部、３：カソード、４：アノード、５：絶縁管、６：凹部、７：ターゲット、１６：駆動回路、２１：収納容器、２２：放射線放出窓、２３：絶縁性液体、３１：可動絞りユニット、１００：放射線発生装置、１０１：放射線、２０１：放射線検出装置、２０２：システム制御装置、２０４：被検体

Claims (14)

1. 絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口に接合された陰極と、前記絶縁管の他方の開口に接合された陽極と、前記陰極に接続された電子放出源と、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において、
   前記陰極と前記陽極と前記絶縁管の少なくともいずれかが、前記放射線発生管の内部に連通する凹部を有し、
   前記凹部は、開口部と、前記開口部を介して前記内部と離間して位置する底部とを有し、
   前記開口部は、前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする放射線発生管。
2. 前記凹部が前記絶縁管に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生管。
3. 前記凹部が、前記絶縁管の内周に沿って連続して形成されており、前記絶縁管の軸方向及び厚さ方向に平行な断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生管。
4. 前記凹部が、前記絶縁管の内周に沿って不連続に形成されており、前記絶縁管の軸方向及び厚さ方向に平行な断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生管。
5. 前記凹部が、前記絶縁管の内周に沿って不連続に形成されており、前記絶縁管の軸方向に直交する断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生管。
6. 前記凹部が、前記絶縁管の軸方向において、前記電子放出源の電子放出部よりも前記陰極に近い側に形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生管。
7. 前記凹部が、陽極に形成されており、前記陽極の厚さ方向に平行ないずれかの断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射線発生管。
8. 前記凹部が、ターゲットを取り囲んで連続して形成されており、前記絶縁管の軸方向及び厚さ方向に平行な断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項７に記載の放射線発生管。
9. 前記凹部が、ターゲットを取り囲んで不連続に形成されており、前記絶縁管の軸方向及び厚さ方向に平行な断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有している請ことを特徴とする請求項７に記載の放射線発生管。
10. 前記凹部が、ターゲットを取り囲んで不連続に形成されており、前記ターゲットの外周に平行な断面において、前記開口部が前記底部よりも幅が狭い部位を有していることを特徴とする請求項７に記載の放射線発生管。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放射線発生管と、前記放射線発生管の駆動を制御する駆動回路とを備えたことを特徴とする放射線発生装置。
12. 前記放射線発生管と前記駆動回路とを収容した収納容器とを備え、前記収納容器は、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し、前記放射線発生管を収容した内部の余剰空間には絶縁性液体が満たされていることを特徴とする請求項１１に記載の放射線発生装置。
13. 前記絶縁性液体は、シリコーン油、トランス油及びフッ素系オイルのいずれかであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の放射線発生装置。
14. 請求項１１乃至１３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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