JP2015135722A - 放射線発生管及びこれを用いた放射線発生装置、放射線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】異物による放電を低減した耐圧信頼性の高い放射線発生管を提供する。
【解決手段】放射線発生管１内に、開口５ａを有する導電性容器５を配置し、該導電性容器５内に誘電体７を配置することにより、開口５ａから導電性容器５内に入射した異物を該誘電体７によって捕獲する。
【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、放射線撮影システムに関する。

放射線発生管は電子放出源から放出される電子を、真空中において高電圧で加速し、タングステン等の金属で構成されるターゲットに照射してＸ線等の放射線を発生させて使用する。放射線発生管において印加される高電圧は、例えば１００ｋＶ程度を必要とする。このような高電圧によって高電界となっている真空空間に粒子状異物が存在すると、該異物に起因した放電（異物放電）が生じる場合がある。異物放電は、放射線発生管内において帯電した異物が陰極及び陽極のそれぞれにおいて電荷交換を生じ、高電界から力を受けて往復運動する中で陰極及び陽極との衝突時に確率的に放電を生じる現象である。

異物の由来の一つは放射線発生管の組立プロセス時に放射線発生管内に混入する異物である。この異物は、部材や組立冶具の洗浄や組立プロセス環境のクリーン化により発生を減らすことが可能である。また、異物の別の由来のものとしては、放射線発生管の駆動時に生じる放射線発生管内の部材からの脱離異物がある。これは、例えば放射線発生管の駆動時の電子線ビームが陽極に照射される際に発生する熱により放射線発生管の内部部材がダメージを受け脱離するものが挙げられるが、これは駆動の条件、構造設計の見直しにより発生を抑制することが可能である。以上の様に異物混入や発生に対して、抑制するための対策を講じられるが、一方ではプロセスの不安定性や駆動条件の変動によっては、不用意に異物が混入・発生することは否定できない。

特許文献１には、放射線発生管を構成する管状部材と陰極又は陽極との接合部を誘電体で覆うことにより、該接合部に発生する電界集中を生じにくくして、放電を抑制した構成が開示されている。

特開２０１３−１０１８７９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている構成は、放射線発生管内に混入・発生した異物そのものを排除する構成ではないため、依然、異物放電を生じる可能性を有している。

本発明の課題は、異物放電を低減した放射線発生管を提供することにあり、具体的には、放射線発生管内に混入・発生した異物を効率よく捕獲して、該異物による放電を低減することにある。また、本発明のさらなる課題は、係る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、管状の絶縁管の一端に陰極を、他端に陽極を備えた放射線発生管であって、
前記放射線発生管の内部に、前記放射線発生管の内部空間に露出する開口を少なくとも一つ有する導電性容器を備え、
前記導電性容器の内部に誘電体を備えたことを特徴とする。

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射線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流体で満たされている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、上記本発明の放射線発生装置と、
前記放射線発生管から放出され、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出器と
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。

本発明においては、放射線発生管内に混入・発生した帯電した異物を導電性容器に入射した際に誘電体によって捕獲することにより、該異物に起因する放電を減少させることができ、耐圧信頼性の高い放射線発生管を提供することができる。また、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実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の放射線発生管の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の放射線発生装置の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の放射線撮影システムの実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明に係る導電性容器と、誘電体を内部に備えていない導電性容器のそれぞれにおいて、開口率による捕獲率の違いを示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施態様を説明するが、本発明はこれらに限定されない。尚、以下の説明において特に図示又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技術を適用する。

図１（ａ）は、本発明の放射線発生管の一実施形態の構成を説明する図である。図中、１は放射線発生管、２は陽極、３は絶縁管、４は陰極、５は導電性容器、６は配線引き出し用絶縁部材、７は誘電体、８は電子銃、９はターゲットである。

本発明の放射線発生管１は、基本的に、管状の絶縁管３の一端に陽極２を、他端に陰極４を備えている。また、本例の電子銃８は、電子放出源１１を備え、該電子放出源１１には配線１６によって電圧が供給される。また、本例の電子銃８は電子放出源１１から放出される電子線１５を引き出すための引き出し電極１２と、電子線１５を集束させるレンズ電極１３を備えている。引き出し電極１２とレンズ電極１３はそれぞれ、配線１７，１８によって電位を制御される。配線１６，１７，１８は陰極４の厚さ方向に貫通して配置された絶縁部材６を貫通して放射線発生管１の外に引き出されている。

電子銃８から放出された電子線１５は、不図示の高圧電源より陰極４及び陽極２との間に印加された電圧によって加速され、陽極２に取り付けられたターゲット９に衝突する。ターゲット９は放射線透過材料からなる支持基板９ａの内側に電子線の照射によって放射線を放出する材料からなるターゲット層９ｂを備えており、電子線１５は該ターゲット層９ｂに入射して放射線が放出される。本例では、ターゲット９は遮蔽部材１０に取り付けられている。

本発明に用いられる陽極２、陰極４の材料としては、コバール、鉄鋼、合金鋼、ＳＵＳ材、又はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ等の金属、それらの合金等が挙げられる。絶縁管３の材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＺｒＯ₃等の所謂セラミック材料が挙げられるが、絶縁性を有する材料であれば適用される。

ターゲット９の支持基板９ａは、放射線の透過性が高く、熱伝導が良く、真空封止に耐える必要がある。例えば、ダイヤモンド、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミ、グラファイト、ベリリウム等を用いることができる。より好ましくは、放射線の透過率がアルミニウムよりも小さく熱伝導率がタングステンよりも大きい、ダイヤモンド、窒化アルミ、窒化ケイ素が望ましい。支持基板９ａ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、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。特に、ダイヤモンドは、他の材料に比べて熱伝導性が極めて大きく、放射線の透過性も高く、真空を保持しやすいためより優れている。

ターゲット層９ｂには、通常、原子番号２６以上の金属材料を用いることができる。より好適には、熱伝導率が大きく融点が高いものほど良い。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、レニウム等の金属材料、又はこれらの合金材料を好適に用いることができる。ターゲット層９ｂの厚さは、加速電圧によってターゲット層９ｂへの電子線１５の浸入深さ、即ち放射線の発生領域が異なるため、最適な値は異なるが、１μｍ乃至１５μｍである。支持基板９ａへのターゲット層９ｂの一体化は、スパッタ、蒸着、スクリーン印刷、ジェットプリンティング等の手段により行なうことができる。また、別の方法としては、別途、圧延や研磨により所定の厚さのターゲット層９ｂを作製し、支持基板９ａに高温高圧下で拡散接合することも可能である。

遮蔽部材１０は、ターゲット９の支持基板９ａの外周を取り囲み、放射線放出側（放射線発生管１の外側）に突出する部材である。即ち、遮蔽部材９は両端が開口した通路を有しており、該通路の電子銃８側の端部もしくは途中にターゲット９を設置する。遮蔽部材１０の通路は、ターゲット９よりも電子銃８側においては、電子線１５をターゲット層９ｂの電子線照射領域に導くための通路となり、反対側は放射線を放射線発生管１の外部に導くための通路となる。

遮蔽部材１０は、放射線を遮蔽する部材であり、ターゲット層９ｂから放出される放射線のうち不要な放射線は遮蔽部材１０により遮蔽され、必要な放射線のみが先述した通路を通って、放射線発生管１の外部に放出されることになる。遮蔽部材１０は、また、放熱体としての機能を有する。電子線１５がターゲット９に照射されることで発生した熱は遮蔽部材１０を通じて外部へ放熱される。遮蔽部材１０を構成する材料は、放射線の遮蔽部材としての観点からは放射線の吸収率が高いものが好ましく、放熱体としての観点からは熱伝導率の高いものが好ましい。例えば、タンタル、モリブデン等の金属材料を用いることができる。また、これらの放射線吸収率の高い材料と更に熱伝導率の高い材料（例えば銅やアルミ）との組み合わせで構成することも可能である。

本発明の特徴は、放射線発生管１の内部に、該放射線発生管１の内部空間に露出する開口５ａを少なくとも一つ有する導電性容器５を備え、該導電性容器内に誘電体７を備えていることにある。

導電性容器５はその内部を電界フリーとするため、導電性を有する金属や金属酸化物が好適に採用され、好ましくは導電率が１×１０^-3［Ｓ／ｍ］乃至１×１０⁸［Ｓ／ｍ］の金属及び金属酸化物が用いられる。具体的には、コバール、鉄鋼、合金鋼、ＳＵＳ材、又はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ等の金属、それらの合金等、及び上記導電率を有する金属酸化物である。

導電性容器５内に配置される誘電体７としては、好ましくは比誘電率が８乃至１０の材料が用いられる。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＺｒＯ₃等の所謂セラミック材料が挙げられる。

更に本発明における導電性容器５における開口５ａは、金属等の材料に対して機械加工やエッチングによるウエット加工によって形成することができる。また導電性容器５は金属線材を織り込んだメッシュ状のもので形成することも可能で、その場合は係るメッシュの開口が導電性容器５の開口５ａとして作用する。

本発明に係る導電性容器５に異物が入射した場合、導電性容器５の内部が電界フリーであることから、該異物が加速を受けることがない。更に、導電性容器５内に配置された誘電体７に帯電した異物が近づいた際に、誘電体７の表面に異物の帯電電荷とは逆極性の電荷が誘起され、異物と誘電体７との間に引力が生じ、異物が導電性容器５内に捕獲される。よって、放射線発生管１内に混入・発生した異物による放電が低減されることになる。

図５（ａ）は、本発明の放射線発生管１における異物の捕獲効果を導電性容器５の開口５ａの開口率を変えた場合について示すグラフである。比較例として、図５（ｂ）に、誘電体７を配置しない以外は図１（ａ）の放射線発生管１と同じ構成の放射線発生管における異物の捕獲効果のグラフを示す。図５（ａ）、図５（ｂ）において、横軸は導電性容器５の開口５ａの開口率を示している。また、縦軸は放射線発生管１内の異物が導電性容器５内に入射する入射率と、導電性容器５内に入射した異物が再び放射線発生管１内に戻ることなく導電性容器５内に留まる非出射率と、係る入射率と非出射率との積で定義される異物の捕獲率を示している。

尚、本発明において、導電性容器５の開口５ａの開口率とは、導電性容器５が開口５ａを持たない形態を仮定し、該形態において放射線放出管１の内部空間に露出した導電性容器５の外側表面積を１００％とする。そして、該外側表面積に占める開口５ａの面積の割合を開口率とする。従って、図１（ａ）の実施形態においては、導電性容器５の、絶縁管２に接する領域は導電性容器５の外表面積には加えない。

図５（ｂ）に示すように、誘電体７を配置しない場合には、開口５ａを通して導電性容器５内に異物が入射する入射率は、開口率に対して単調に増加し、非射出率は逆に単調に減少する。よって、捕獲率は、開口率５０％にピークを持つ関数形となる。これに対して、図５（ａ）に示すように、本発明においては、異物の入射率は比較例と同様に開口率に対して単調に増加するものの、非出射率は誘電体７と帯電した異物間に働く引力の効果によりより開口率が大きい側が非出射率も大きくなるグラフ形状となる。このため捕獲率も比較例と比べて開口率の全体に渡って高く、且つグラフのピークも開口率の大きい側に片寄ったグラフ形状となる。本発明において好ましい開口率は、捕獲率のピークを中心に、４０％乃至８５％である。

本発明は、上記したように、放射線発生管内に導電性容器５によって電界フリーとなる領域を形成し、この領域に入射した異物を誘電体７によって効率よく捕獲して、放射線発生管１内における異物による放電を低減することができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の実施形態と同様に、導電性容器５を絶縁管３の内側面に取り付けた形態であるが、図１（ｂ）の実施形態においては、導電性容器５の、絶縁管３の内側面の側に開口を設けている。これにより、導電性容器５内に絶縁管３の内側面が露出し、該内側面を異物を捕獲するための誘電体７として作用させることができ、図１（ａ）よりも構成を簡略化することができる。

さらに、別の実施形態を図２に示す。図２（ａ）は、電子放出源１１に電圧を供給する配線１６を放射線発生管１の外に引き出すために陰極４を貫通して配置させた配線用絶縁部材６を、異物を捕獲するための誘電体として用いた例である。係る実施形態においては、導電性容器５が電子銃８を囲んで構成されている。また、電子銃８の構成部材であるレンズ電極１３が導電性容器５の一部を兼ねている。

尚、図２（ａ）において、電子銃８を構成する電子放出源１１、引き出し電極１２、レンズ電極１３はそれぞれ不図示の絶縁性支持部材により導電性容器５或いは配線用絶縁部材６等に固定されている。よって、係る絶縁性支持部材を異物を捕獲するための誘電体として用いることも可能である。

また、図２（ｂ）は、電子放出源１１と引き出し電極１２とが絶縁性の電子放出源支持部材２２で互いに接合され、引き出し電極１２とレンズ電極１３とが電極間支持部材２１で互いに接合されている形態である。係る形態においては、電子銃８を囲んで導電性容器５を構成し、レンズ電極１３が導電性容器５の一部を兼ねており、電子放出源支持部材２２及び電極間支持部材２１の少なくとも一方を異物を捕獲するための誘電体として用いることができる。また、図２（ｂ）の構成では、導電性容器５を貫通して配線用絶縁部材２３を配置し、該配線用絶縁部材２３を貫通して配線１６，１７，１８を導電性容器５外へ引き出しており、係る配線用絶縁部材２３を異物を捕獲するための誘電体として用いることもできる。尚、係る構成の場合、開口率を計算するための導電性容器５の外表面積には、係る絶縁部材２３の表面も含まれるものとする。

図１、図２に示した本発明の放射線発生管１は、ターゲット９の支持基板９ａが放射線を透過する透過型ターゲットを用いた透過型放射線発生管であるが、本発明は、支持基板９ａが反射型である反射型放射線発生管にも適用することができる。

次に、本発明の放射線発生装置について説明する。図３は本発明の放射線発生管１を備える放射線発生装置３０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３０は、図３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３２とを備え、収納容器３２の余剰空間には冷却媒体として絶縁性流体３３が満たされている。

収納容器３２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３１を設けても良い。駆動回路３１を設けた場合、例えば放射線発生管１に駆動回路３１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３２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３２には、放射線を透過し収納容器３２の外部に放射線を取り出すための放射線放出窓３３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射線放出窓３３を通して外部に放出される。放射線放出窓３３には、ガラス、アルミニウム、ベリリウム等が用いられる。

絶縁性流体３４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絶縁性液体が好ましく、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４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４に示すように、本発明の放射線発生装置３０は、その放射線放出窓３３部分に設けられた可動絞りユニット３５を有している。可動絞りユニット３５は、放射線発生管１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３５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４２は、放射線発生装置３０と放射線検出装置４１とを連携制御する。駆動回路３１は、システム制御装置４２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３０から放出された放射線３６は、被検体４４を透過して検出器４６で検出される。検出器４６は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部４５に出力する。信号処理部４５は、システム制御装置４２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４２に出力する。システム制御装置４２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置４３に画像を表示させるための表示信号を表示装置４３に出力する。表示装置４３は、表示信号に基づく画像を、被検体４４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管１、放射線発生装置３０及び放射線撮影システムは、Ｘ線発生管、Ｘ線発生装置及び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（ａ）に示した放射線発生管１を作製し、陽極２と陰極４の間に不図示の高圧電源により１００ｋＶの電圧を印加し、電子電流１０ｍＡでターゲット９に電子線を衝突させ放射線発生実験を行った。導電性容器としてはＳＵＳ材を、誘電体７としてはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）を用いた。また、電子放出源１１としては熱カソードを用い、導電性容器５の開口率は６５％とした。その結果、放射線発生管１内で放電が発生せず、安定した放射線照射が可能であった。

比較例として、誘電体７を備えない以外は同じ構成の放射線発生管１を作製し、放射線発生実験を行ったところ、実施例１と同一の印加電圧、同一の電子電流で放電が生じる場合があった。

（実施例２）
図２（ｂ）に示した放射線発生管１を作製し、陽極２と陰極４の間に不図示の高圧電源により１００ｋＶの電圧を印加し、電子電流１０ｍＡでターゲット９に電子線を衝突させ放射線発生実験を行った。導電性容器としてはＳＵＳ材を、誘電体７としてはＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）を用いた。また、電子放出源１１としては熱カソードを用い、導電性容器５の開口率は６５％とした。その結果、放射線発生管１内で放電が発生せず、安定した放射線照射が可能であった。

また、係る放射線発生管１を用いて図３の放射線発生装置３０、さらにはこれを用いて図４の放射線撮影システムを構成し、電子加速電圧１００ｋＶの設定で放射線撮影を行ったところ、放電の発生も無く良好な撮影画像を得ることができた。

１：放射線発生管、２：陽極、３：絶縁管、４：陰極、５：導電性容器、５ａ：開口、６：配線用絶縁部材、７：誘電体、８：電子銃、１１：電子放出源、１２：引き出し電極、１３：レンズ電極、１６，１７，１８：配線、２１：電子放出源支持部材、２２：電極間支持部材、２３：配線用絶縁部材、３０：放射線発生装置、３２：収納容器、３３：放射線放出窓、３４：絶縁性流体、３６：放射線、４１：放射線検出装置、４２：制御装置、４４：被検体

Claims (12)

1. 管状の絶縁管の一端に陰極を、他端に陽極を備えた放射線発生管であって、
   前記放射線発生管の内部に、前記放射線発生管の内部空間に露出する開口を少なくとも一つ有する導電性容器を備え、
   前記導電性容器の内部に誘電体を備えたことを特徴とする放射線発生管。
2. 導電性容器が開口を持たない場合の、前記放射線発生管の内部空間に露出した前記導電性容器の外側表面積を１００％として、前記外側表面積に占める前記開口の面積の割合で示される開口率が４０％乃至８５％である請求項１に記載の放射線発生管。
3. 前記絶縁管の内側面に前記導電性容器が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線発生管。
4. 前記導電性容器が前記絶縁管の内側面の側に開口を有し、前記導電性容器内に露出した前記絶縁管の内側面が前記導電性容器の内部に配置された誘電体として作用することを特徴とする請求項３に記載の放射線発生管。
5. 放射線発生管内に、電子放出源を有する電子銃を備え、前記電子放出源に電圧を供給する配線が、前記陰極の厚さ方向に貫通して配置された絶縁部材を貫通して放射線発生管の外に引き出されており、
   前記電子銃及び前記配線を囲んで前記導電性容器が配置され、前記絶縁部材が前記導電性容器の内部に配置された誘電体として作用することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線発生管。
6. 前記電子銃が電子放出源と引き出し電極とレンズ電極とを有し、前記レンズ電極が前記導電性容器の一部であることを特徴とする請求項５に記載の放射線発生管。
7. 放射線発生管内に、電子放出源を有する電子銃を備え、
   前記電子銃を囲んで前記導電性容器が配置され、前記電子放出源に電圧を供給する配線が前記導電性容器に貫通して配置された絶縁部材を貫通して前記導電性容器の外部に引き出されており、前記絶縁部材が前記導電性容器の内部に配置された誘電体として作用することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線発生管。
8. 放射線発生管内に、電子放出源と引き出し電極とレンズ電極とを有する電子銃を備え、前記電子放出源と引き出し電極とレンズ電極のそれぞれに電圧を供給する配線が、前記陰極を貫通して配置された絶縁部材を貫通して放射線発生管の外に引き出されており、前記電子放出源と引き出し電極とが絶縁性の電子放出源支持部材を介して接合されており、前記引き出し電極とレンズ電極とが絶縁性の電極間支持部材を介して接合されており、
   前記電子銃を囲んで前記導電性容器が配置され、前記電子放出源支持部材及び電極間支持部材の少なくとも一方が、前記導電性容器内の誘電体として作用することを特徴とする請求項１，２，７のいずれか１項に記載の放射線発生管。
9. 前記レンズ電極が前記導電性容器の一部であることを特徴とする請求項８に記載の放射線発生管。
10. 前記電子放出源が熱カソードであることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項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射線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流体で満たされていることを特徴とする放射線発生装置。
12. 請求項１１に記載の放射線発生装置と、
    前記放射線発生管から放出され、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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