JP2015191698A

JP2015191698A - Ｘ線管装置およびｃｔ装置

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Publication number: JP2015191698A
Application number: JP2014065888A
Authority: JP
Inventors: 宮下　隆志; Takashi Miyashita; 隆志宮下; 慶二小▲柳▼; Keiji Koyanagi
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: JP6268021B2

Abstract

【課題】小さなフィラメント電流で効率よく電子を引き出すことができる寿命の長いＸ線管を提供する。【解決手段】陰極１と、陽極２と、陰極１と陽極２の間に配置された電極３とを有するＸ線管装置である。陰極１から電極３までの距離は、電極３から陽極２までの距離よりも短く設定され、陰極１と電極３との間の電位勾配が、電極３と陽極２との間の電位勾配よりも大きい。よって、大きな電位勾配で、陰極１のフィラメントの熱電子を効率よく引き出すことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線管装置に関するもので、特に、Ｘ線の出射方向を偏向可能なＸ線管装置に関する。

Ｘ線管装置は、真空外囲器内に陽極と陰極を配置したＸ線管を備えている。Ｘ線管の陰極には、熱電子発生源であるフィラメントが設けられている。フィラメントから放出された熱電子は、陰極と陽極との電位差により引き出され、電子ビームとなって陽極のターゲットに衝突する。電子ビームのエネルギーの約１％が、Ｘ線となってＸ線管から出射される。

特許文献１に示すように、ＣＴ（Computer tomography)装置用のＸ線管には、陰極近傍に偏向コイルを設けたものがある。偏向コイルは、磁界を電子ビームに印加して、電子ビームの軌道を偏向させる。これにより、Ｘ線の出射方向を偏向し、Ｘ線焦点位置がＣＴ装置の検出器のスライス方向に移動させ、複数スライス撮像を行うことができる。また、電子ビームの陽極上の焦点位置も移動するので、陽極の電子ビーム許容負荷が高まるという効果も得られる。

特開平５−２１７５３４号公報

Ｘ線の出射方向を所望量偏向させるためには、Ｘ線の偏向量に対応する偏向量で電子ビームを偏向させる必要がある。これを偏向コイルが発生する磁界で実現するには、電子ビームの進行方向について、磁場を印加する範囲を長く確保する必要がある。そのため、従来の偏向コイルを備えるＸ線管は、偏向コイルを備えないＸ線管と比較し、陰極と陽極との間の距離が数倍必要である。

しかしながら、陰極と陽極間の距離が長くなると、電子ビームの電流値（管電流値）が小さくなってしまうという問題がある。このため、偏向コイルを備えないＸ線管と同じ管電流を得るため、フィラメント電流を大きく設定する必要があり、フィラメントの温度が高温になる。そのため、フィラメントの消耗が早まり短寿命になるという問題が生じる。また、フィラメントに大電流を供給するために、トランスの容量を大きくする必要があり、電源も大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、小さなフィラメント電流で効率よく熱電子を引き出すことができる寿命の長いＸ線管を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に配置された電極と、陰極、陽極および電極を収容する気密容器とを有するＸ線管装置であって、陰極から電極までの距離は、電極から陽極までの距離よりも短く設定され、陰極と電極との間の電位勾配が、電極と陽極の間の電位勾配よりも大きい。

本発明によれば、陰極近傍の電位勾配が大きいため、小さいフィラメント電流で電子を効率よく引き出すことができ、所望の管電流を得ることができる。これによりフィラメントの寿命が長くなる。

実施形態のＸ線管装置の断面図。 (ａ)実施形態のＸ線管装置の陰極１と陽極２と電極３の等価回路、（ｂ）陰極１と陽極２と電極３の間の電位勾配を示すグラフ。図１のＸ線管装置の拡大図。実施形態の電極３の斜視図。

本発明のＸ線管装置は、図１に断面図を示すように、陰極１と、陽極２と、電極３と気密容器４とを備えている。電極３は、陰極１と陽極２の間に配置されている。気密容器４は、陰極１、陽極２および電極３を収容する。このとき、電極３は、図２（ａ）の等価回路図で示すように、陰極１から電極３までの距離ｄは、電極３から陽極２までの距離ｄ’よりも短く設定されている。これにより、図２（ｂ）に示すように、陰極と電極との間の電位勾配が、電極と陽極の間の電位勾配よりも大きい。

このように電極３を陰極１寄りに配置することにより、陰極１と陽極２の中点に電極３を配置した比較例よりも、陰極１と電極３との間の空間に大きな勾配の電位勾配を生じさせることができる。よって、陰極１のフィラメント１１で生じた熱電子を効率よく引き出すことができるため、陰極１と陽極２の中点に電極３を配置した場合よりも、大きな電流値（管電流値）の電子ビーム８を陰極１から陽極２に照射することができる（図２参照）。電子ビーム８が照射された陽極２からは、Ｘ線が出射される。Ｘ線は、気密容器４の窓１０を透過して放出される。

気密容器４内の空間は、所定の圧力の真空である。気密容器４の外側には、図１および図３のように磁界発生部(磁石）５を配置することができる。磁界発生部５は、所定の範囲６に磁界７を印加する。磁界７の方向は、電子ビーム８の進行方向に対して垂直である。磁界発生部５の磁界７によって、所定の範囲６を通過する電子ビーム８を、磁界７の印加方向および電子ビーム８の照射方向に対して垂直な方向９に偏向させることができる。磁界７の強度を変動させることにより、陽極２上で電子ビーム８が照射される位置を所定の範囲で変位させることができる。これにより、陽極２から放射されるＸ線の方向を所定の範囲で変位させることができる。

磁界発生部５が磁界７を印加する範囲６は、電子ビーム８の十分な変位を得るために長いことが望ましい。このため、陰極１と陽極２との距離は、磁界発生部５を配置しない場合よりも長くなるが、本発明では陰極１に近い位置に電極３を配置しているため、陰極１と陽極２との電位勾配を、電極３を中点に配置した場合よりも大きくすることができる。よって、磁界発生部５を配置した場合であっても、陰極１のフィラメント１１に供給する電流を大幅に大きくすることなく、電子ビーム８を効率よく引き出すことができる。

磁界７が印加される範囲６には、電極３が配置されている領域が少なくとも一部含まれる。このため、電極３は、透磁率が高い金属で構成することが望ましい。具体的には、真空の透磁率に近い透磁率の非磁性金属で構成することが望ましい。例えば、銅やオーステナイト系ステンレスで電極３を構成する。

気密容器（真空外囲器）４は、陰極１と陽極２との間の所定の位置１２から陽極２側の領域１３が電気伝導体で構成され、所定位置１２よりも陰極１寄りの領域１４が電気絶縁体で構成されている。気密容器４は、図４のように所定の位置１２から陽極２側の領域１３全体が電気伝導体で構成されている場合には、領域１３の面積が大きくなり、輻射熱で陽極２から伝導した熱を効率よく放熱することができる。

また、気密容器４の電気絶縁体で形成された領域１４は、磁界発生部５の磁界を効率よく透過する材料で構成されていることが望ましい。例えば、ガラスや、アルミナ等のセラミックで構成することができる。

電極３は、開口３ａを有する。電極３は、気密容器４内の所定の位置１２よりも陰極１寄りに位置し、気密容器４の電気伝導体の領域１２と電気的に接続されている。電極３の開口３ａは、陰極１のフィラメント１１に対向して配置されている。フィラメント１１から引き出された電子ビーム８は、開口３ａを通過して陽極２に照射される。

具体的な電極３の形状としては、例えば図４に示すように、開口３ａを備えた環状部材３１と、筒状部材３２とを含む形状とする。筒状部材３２は、軸方向が、陰極１と陽極２とを結ぶ軸方向に一致して配置される。環状部材３１は、筒状部材３２の陰極１側の端部に接続されている。筒状部材３２の陽極２側の端部には、鍔３３が設けられている。鍔３３は、気密容器４の所定の位置１２において電気伝導体の領域１３に接続されている。これにより、電極３の電位は、気密容器４の電気伝導体の領域１３の電位と等電位に保たれる。例えば、気密容器４の領域１３を接地し、接地電位にすることにより、電極３を接地電位にすることができる。

電極３は、図３のように、磁界発生部５が磁界７を印加する範囲６内に位置するため、電極３の表面には渦電流が生じ、発熱する場合がある。そこで、渦電流が生じるのを防ぐために、図４のように電極３には複数の穴３４を設けることが望ましい。穴３４の形状は、スリット状であってもよい。穴３４は、磁界７に対して表面が直交するために渦電流を生じやすい筒状部材３２の少なくとも一部に設ける。

なお、上記構成の他に、Ｘ線管装置は、陽極２に接続されたローター（回転子）２１と、ローター２１を回転させる磁界を発生する回転磁界発生部（固定子）２２とを備える。これにより、陽極２を回転させることができる。また、気密容器（真空外囲器）４は、陰極１、陽極２および気密容器４の電気伝導体領域１３にそれぞれ陰極電位、陽極電位、所定電位（中性点電位、例えば接地電位）を供給するための端子１ａ，２ａ，１３ａが配置されている。さらに、気密容器４には、陰極１のフィラメント１１にフィラメント電流を供給するための端子対１ｂも備えられている。気密容器４および回転磁界発生部２２等は、筐体２３内に配置されている。

Ｘ線発生装置でＸ線を発生する場合には、端子１ａ，２ａ，１３ａから陰極１、陽極２および気密容器４の電気伝導体領域１３に、それぞれ陰極電位、陽極電位、所定電位を印加する。また、フィラメント電流を端子対１ｂから供給する。これにより、陰極１のフィラメント１１から電子ビームを引き出し、陽極２に照射することができる。このとき、気密容器４の電気伝導体の領域１３と等電位の電極３が、陰極１の近傍に対向配置されているため、陰極１の近傍空間に大きな勾配の電位差を生じさせることができる。よって、フィラメント１１の熱電子を効率よく引き出し、電流値（管電流）の大きな電子ビーム８を形成することができる。

また、磁界発生部５から強度が変動する磁界７を印加することにより、電子ビーム８を所定の幅で偏向させることができる。よって、陽極２上の電子ビーム８の照射位置が変動し、発生するＸ線の出射方向を偏向させることができる。

本発明のＸ線管装置の作用についてさらに具体的に説明する。例えば、陽極２に電圧＋７５ｋＶ、陰極１に電圧−７５ｋＶを印加する場合、陰極１と陽極２との距離として設定可能な最小距離は、絶縁距離である１５ｍｍである。しかし、磁界発生部５により電子ビーム８を偏向する場合、電子ビーム８の進行方向について磁場を印加する範囲６として４０〜６０ｍｍが必要である。一方、磁界発生部５としてコイルを用いる場合、陽極２と磁界発生部５との距離は、絶縁距離（２０ｍｍ以上）が必要であるため、この範囲は磁界を印加することができない。また、磁界発生部５を配置している領域は、渦電流が発生して発熱するのを防ぐため、気密容器４の電気伝導体で構成することができない。すなわち、電気伝導体領域１３の端部の位置１２を、磁界発生部５の内側に配置することはできない。

このため、陰極１と中性点（電気伝導体領域１３の端部の位置１２）との距離は、少なくとも磁界を印加する範囲６の長さである４０ｍｍ以上になる。つまり、磁界発生部５が設けられていないＸ線管の陰極と中性点との距離（ここでは１５ｍｍ）と比べると、陰極１と中性点との距離は、４０ｍｍ÷１５ｍｍ＝２．７倍以上長くなる。この時、管電流は、下記式（１）で表される。
Ｉ_ｐ＝２．３３４×１０^−６×Ｖ_ｐ ^３／２／ｄ^２・・・（１）
Ｉ_ｐ：管電流、Ｖ_ｐ：陰極−中性点の電位差、ｄ：陰極−中性点間距離
式（１）より、陰極１と中性点の電位差Ｖ_ｐが一定の場合、管電流Ｉ_ｐは、陰極１と中性点間の距離ｄの二乗の逆数に比例する。そのため、磁界発生部５を備え、電極３が配置されていないＸ線管装置の管電流Ｉ_ｐは、磁界発生部５を備えないＸ線管装置の管電流の１５％まで低下する。

これに対し、本発明では、電極３を図１、図３のように備え、電極３が位置１２と等電位であるため、電極３が中性点となる。このため、陰極１と中性点との距離ｄを、磁界発生部５を備えないＸ線管装置と同じ距離１５ｍｍにすることができる。これにより、磁界発生部５により、Ｘ線の出射方向を偏向可能なＸ線管装置でありながら、フィラメント１１に供給する電流を増加させることなく、磁界発生部５を備えないＸ線管装置と同等の管電流を得ることができる。

よって、磁界発生部５を備え、電極３を備えないＸ線管装置と比較して、フィラメント電流を小さく設定することができ、フィラメントの寿命を長寿命化することができる。また、フィラメントに電流を供給するトランスの容量を大きくする必要がなく、小型の電源を用いることができる。また、電子ビームの陽極上の焦点位置も移動するので、陽極の電子ビーム許容負荷が高まるという効果も得られる。

本発明のＸ線管装置は、Ｘ線検出器とともに回転部に搭載され、被検体の周りを回転する構成にすることにより、ＣＴ装置を構成することができる。Ｘ線検出器は、回転方向のみならず、スライス方向（被検体の軸方向）にも複数のシンチレータが配列された構造のものを用いることができる。Ｘ線管装置は、出射するＸ線が磁界発生部５の磁界により変位する方向が、スライス方向と一致するように配置する。これにより、磁界発生部５の磁界を変動させることにより、Ｘ線検出器上でスライス方向にＸ線を走査することができ、Ｘ線検出器とＸ線管装置を被検体の体軸方向に移動させることなく複数スライスの撮像を行うことができる。

１…陰極、２…陽極、３…電極、４…気密容器（真空外囲器）５…磁界発生部、６…磁界を印加する範囲、７…磁界、８…電子ビーム、９…電子ビームの偏向する方向、１３…気密容器の電気伝導体の領域、１４…気密容器の電気絶縁体の領域、２１…ローター（回転子）、２２…回転磁界発生部（固定子）、２３…筐体、３１…環状部材、３２…筒状部材、３３…鍔

Claims

陰極と、陽極と、前記陰極と陽極の間に配置された電極と、前記陰極、陽極および電極を収容する気密容器とを有し、
前記陰極から前記電極までの距離は、前記電極から前記陽極までの距離よりも短く、前記陰極と前記電極との間の電位勾配が前記電極と前記陽極との間の電位勾配よりも大きいことを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、前記気密容器の外側には、磁界発生部が配置され、前記磁界発生部は、前記電極が配置されている領域を含む所定の範囲に、磁界を印加することを特徴とするＸ線管装置。
陰極と、陽極と、前記陰極および陽極を収容する気密容器とを有し、
前記気密容器は、前記陰極と前記陽極との間の所定の位置から前記陽極側の領域が電気伝導体で構成され、前記所定位置よりも前記陰極寄りの領域が電気絶縁体で構成され、
前記気密容器内の前記所定の位置よりも前記陰極寄りの位置には、開口を備えた電極が配置され、前記電極は、前記気密容器の前記電気伝導体の領域と電気的に接続されていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項３に記載のＸ線管装置であって、前記陰極は、フィラメントを含み、前記電極の前記開口は、前記陰極の前記フィラメントに対向して配置されていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１または３に記載のＸ線管装置であって、前記電極は、前記開口を備えた環状部材と、筒状部材とを含み、
前記筒状部材は、軸方向が前記陰極と陽極とを結ぶ軸方向に一致して配置され、前記環状部材は、前記筒状部材の前記陰極側の端部に接続され、前記筒状部材の前記陽極側の端部は、前記所定の位置で前記電気伝導体の領域に接続されていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項５に記載のＸ線管装置であって、前記気密容器の前記電気絶縁体の領域の外側には、磁界発生部が配置されていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項６に記載のＸ線管装置であって、前記電極の前記筒状部材には、複数の穴があけられていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項３に記載のＸ線管装置であって、前記電極の電位は、前記陰極よりも高く、前記陽極よりも低いことを特徴とするＸ線管装置。
請求項１または３に記載のＸ線管装置であって、前記電極は、接地電位であることを特徴とするＸ線管装置。
請求項３に記載のＸ線管装置であって、前記気密容器は、前記所定の位置から前記陽極側の全体が電気伝導体で構成されていることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のＸ線管装置を備えたＣＴ装置。