JP2016033862A - 固定陽極型ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの拡大及び製造コストの高騰を抑制することができ、長期にわたって安定動作する固定陽極型Ｘ線管を提供する。
【解決手段】固定陽極型Ｘ線管は、陰極１０と、陽極２０と、陰極フード３０と、電気絶縁性の真空外囲器５０と、を備える。陰極１０は電子放出源を有する。陽極２０は、Ｘ線を放出する焦点が形成される陽極ターゲット２１を有する。陰極フード３０は、陽極ターゲット２１を取り囲み、Ｘ線を通す開口部３０ｏが形成され、陰極１０と同電位に設定される。真空外囲器５０は、陰極１０、陽極ターゲット２１及び陰極フード３０を収容する。ｈ／ｒ≦０．８２である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固定陽極型Ｘ線管に関する。

非破壊検査装置などに搭載されて長時間連続的にＸ線を発生させるＸ線発生源として、以下のような固定陽極型Ｘ線管が知られている。この固定陽極型Ｘ線管は、電子の衝突によりＸ線を発生する陽極ターゲットと、陽極ターゲットに向けて電子を放出する電子放出源を有する陰極と、少なくとも陽極ターゲット及び電子放出源の周囲を所定の真空度に維持する真空外囲器とを備えている。

真空外囲器は、Ｘ線管の高電圧絶縁を保つためにガラス容器を備えている。ガラス容器には開口が形成され、上記開口はＸ線透過アセンブリにより気密に閉塞されている。Ｘ線透過アセンブリは、上記開口に対向し真空外囲器に気密に取り付けられた窓枠と、上記窓枠に収められベリリウム等のＸ線透過性金属で形成されＸ線を透過させるＸ線透過窓と、を有している。Ｘ線透過窓（Ｘ線透過アセンブリ）は接地されている。

電子放出源から放出された電子は、陽極ターゲットと陰極との間に印加された電圧（管電圧）によって加速され、陽極ターゲットのターゲット面の焦点に衝突する。陽極ターゲットに衝突した電子は、陽極ターゲット上で熱とＸ線に変換され、発生したＸ線の一部がＸ線透過窓を透過して出力される。

陽極ターゲットに衝突した電子の中には、熱やＸ線に変換されずに反跳電子となって散乱するものがある。反跳電子の方向やエネルギ強度は、管電圧や焦点近傍の電界によって変化するが、通常、入射電子の約４０％以上があらゆる方向に反跳することになる。反跳電子の一部はＸ線透過窓に突入するが、Ｘ線透過窓は金属製であり、かつ接地されているためＸ線管の耐電圧性能を低下させるような問題は発生しない。

なお、Ｘ線透過アセンブリ無しにＸ線管が形成されている場合、発生したＸ線の一部はガラス容器を透過して出力される。この場合、ガラス容器の内面に反跳電子が長時間突入するため、上記内面に微細なクラックが生じ、Ｘ線管の耐電圧性能が著しく低下する問題がある。

特開２００２−３６７５５０号公報 特開２００５−２２８６９６号公報

ところで、上記Ｘ線透過アセンブリは真空外囲器の外面に突出しているため、Ｘ線管装置をコンパクトに設計する上での障害となる。また、Ｘ線透過アセンブリは、高価なベリリウムの使用や、部品のろう付けや溶接工程が必要なため、Ｘ線管を安価に製造することが困難である。
本発明の実施形態の目的は、サイズの拡大及び製造コストの高騰を抑制することができ、長期にわたって安定動作する固定陽極型Ｘ線管を提供することにある。

一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管は、
電子を放出する電子放出源を有する陰極と、
前記電子放出源および前記陰極に対して管軸に沿った方向において対向配置され、前記電子放出源から放出される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点が形成される陽極ターゲットを有する陽極と、
前記陽極ターゲットを取り囲み、Ｘ線を通す開口部が形成され、前記陰極と同電位に設定される陰極フードと、
前記陰極、陽極ターゲット及び陰極フードを収容した電気絶縁性の真空外囲器と、を備え、
管軸に沿った第１方向の前記開口部の長さをｈ、前記第１方向に垂直な第２方向の前記焦点から前記開口部までの距離をｒ、とすると、
ｈ／ｒ≦０．８２である。

図１は、一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管を示す概略断面図である。 図２は、図１に示した固定陽極型Ｘ線管の一部を拡大して示す概略断面図である。 図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った上記実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管を示す断面図であり、真空外囲器、陰極フード及び陽極ターゲットを取り出して示す図である。 図４は、陰極フードの開口部の長さｈと焦点から上記開口部までの距離ｒとの比に対する、上記開口部を通過した反跳電子の量の変化を折れ線グラフで示す図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

以下、図面を参照しながら一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管について詳細に説明する。
図１に示すように、固定陽極型のＸ線管１は、陰極１０と、陽極２０と、陰極フード３０と、陰極構体４０と、真空外囲器５０と、ラジエータ７０と、を備えている。

陰極１０は、電子を放出する電子放出源としてのフィラメント１１と、集束電極１２と、を有している。本実施形態において、フィラメント１１には、負の高電圧及びフィラメント電流が与えられる。集束電極１２には、負の高電圧が与えられる。陰極１０は、陰極構体４０に固定されている。

陽極２０は、陽極ターゲット２１及び陽極ターゲット２１に接続された陽極延出部２２を備えている。
陽極ターゲット２１は、管軸に沿った第１方向ｄ１において、フィラメント１１（陰極１０）に距離を置いて対向配置されている。本実施形態において、陽極２０は接地されている。陽極ターゲット２１は、ターゲット本体２１ａと、ターゲット層２１ｂと、を有している。ターゲット本体２１ａは、円柱状に形成されている。ターゲット本体２１ａのうち陰極１０と対向した側の端面は、第１方向ｄ１に垂直な仮想平面から傾斜している。ターゲット本体２１ａは、銅、銅合金等の高熱伝導性の金属で形成されている。ターゲット層２１ｂは、ターゲット本体２１ａの端面の一部に設けられている。ターゲット層２１ｂは、タングステン（Ｗ）、タングステン合金等の高融点金属等で形成されている。ターゲット層２１ｂには、フィラメント１１から放出され集束電極１２によって集束される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点（後述する、焦点Ｆ）が形成される。

陽極延出部２２は、ターゲット本体２１ａと同様に、銅、銅合金等の高熱伝導性の金属で円柱状に形成されている。陽極延出部２２は、陽極ターゲット２１を固定し、陽極ターゲット２１で発生した熱を周囲へ伝達する。本実施形態において、陽極延出部２２にラジエータ７０が接続されている。ラジエータ７０は、電気絶縁性の材料又は導電性の材料で形成されている。例えば、ラジエータは、熱伝導特性及び耐電圧特性に優れたセラミックスを利用して形成することができる。ラジエータ７０を利用することにより、Ｘ線管１からＸ線管１の外部への熱の移動を促進することができる。なお、ラジエータ７０は必要に応じてＸ線管１に設けられていればよい。

陰極フード３０は、円筒状に形成されている。陰極フード３０は、陽極ターゲット２１を取り囲んでいる。陰極フード３０は、ターゲット本体２１ａの外周面との間に、全周に亘って隙間を置いている。陰極フード３０は、金属等の導電材料で形成されている。陰極フード３０は、陰極１０と同電位に設定される。この実施形態において、陰極フード３０の一端部は集束電極１２に固定され、陰極フード３０は集束電極１２と同電位に設定される。陰極フード３０には、Ｘ線を通す開口部３０ｏが形成されている。

本実施形態では、開口部３０ｏは、第１方向ｄ１に垂直な第２方向ｄ２にてターゲット層２１ｂと対向している。開口部３０ｏを設けることにより、陰極フード３０による利用Ｘ線の吸収率を０％にすることができる。

真空外囲器５０は、陰極１０、陽極ターゲット２１及び陰極フード３０を収容している。真空外囲器５０は、陽極延出部２２が露出するように形成されている。真空外囲器５０は、筒状に形成され、陰極構体４０により気密に閉塞された一端部及び陽極２０により気密に閉塞された他端部を有している。真空外囲器５０の内部は所定の真空度に維持されている。なお、真空外囲器５０の内部は、排気口６０を利用して真空引きされる。排気口６０は気密に封止されている。

真空外囲器５０は、電気絶縁材で形成された電気絶縁性の容器と、金属で形成された金属容器５２と、を有している。上記電気絶縁材としては、硼珪素ガラスのようなガラス、アルミナのようなセラミクス等を挙げることができる。この実施形態において、上記電気絶縁材はガラスであり、電気絶縁性の容器はガラス容器５１である。

ガラス容器５１は、筒状に形成されている。ガラス容器５１は、陰極フード３０との間に隙間を形成している。ガラス容器５１は、例えば複数のガラス部材を融着により気密に接合し形成することができる。ガラス容器５１はＸ線透過性を有しているため、陽極ターゲット２１から放出されたＸ線はガラス容器５１を透過して真空外囲器５０の外側に放出される。

金属容器５２は、ガラス容器５１及び陽極２０に気密に接続されている。金属容器５２は、ターゲット本体２１ａ及び陽極延出部２２の少なくとも一方に気密に固定されている。ここでは、金属容器５２は、陽極延出部２２にろう付けにより気密に接続されている。また、金属容器５２とガラス容器５１は融着により気密に接続されている。本実施形態において、金属容器５２は環状に形成されている。また、金属容器５２は、例えばコバールを利用して形成されている。金属容器５２の熱膨張率は、ガラス容器５１の熱膨張率とほぼ等しい。

図２及び図３に示すように、第１方向ｄ１の開口部３０ｏの長さをｈ、とする。第２方向ｄ２の焦点Ｆから開口部３０ｏまでの距離をｒ、とする。ここでは、距離ｒは、第２方向ｄ２における焦点Ｆの中心から開口部３０ｏのＸ線の入口の中心までの距離である。また、第１方向ｄ１及び第２方向ｄ２に垂直な第３方向ｄ３の開口部３０ｏの長さをｗ、とする。例えば、ｈ／ｒ＝０．５であり、ｈ＝ｗである。この場合、第１方向ｄ１及び第３方向ｄ３に平行な仮想平面に垂直投影された開口部３０ｏは真円である。
上記のように、Ｘ線管１は形成されている。

図１乃至図３に示すように、上記Ｘ線管１の動作では、陰極１０と陽極２０との間に電圧（管電圧）が印加され、陰極１０と陽極２０との間に強い電界が発生する。フィラメント１１から放出された電子（ｅ）は、管電圧によって加速され、電子ビームを形成する。この際、電子ビームは集束電極１２によって集束される。電子ビームは、ターゲット層２１ｂに衝突し、焦点Ｆを形成し、熱エネルギとＸ線に変換される。焦点Ｆから発生したＸ線のうちの利用Ｘ線（ｘ）は、陰極フード３０に設けられた開口部３０ｏを通り、ガラス容器５１を透過し、Ｘ線管１の外部に放射される。

ここで、本願発明者等は、開口部３０ｏの長さｈと焦点Ｆから開口部３０ｏまでの距離ｒとの比（ｈ／ｒ）を変化させ、開口部３０ｏを通過した反跳電子（ｅｒ）の量を調査した。調査結果を図４に示す。
図４に示すように、ここでは、第１乃至第８の実施例のＸ線管１のサンプルと、比較例のＸ線管のサンプルとを用意して調査を行った。各サンプルの上記比（ｈ／ｒ）は次に示す通りである。

（実施例１） ｈ／ｒ＝０．２７
（実施例２） ｈ／ｒ＝０．３７
（実施例３） ｈ／ｒ＝０．４６
（実施例４） ｈ／ｒ＝０．５０
（実施例５） ｈ／ｒ＝０．５４
（実施例６） ｈ／ｒ＝０．６４
（実施例７） ｈ／ｒ＝０．７３
（実施例８） ｈ／ｒ＝０．８２
（比較例） ｈ／ｒ＝０．９１
実施例１乃至実施例３のＸ線管１において、開口部３０ｏを通過した反跳電子の量は最小であった。なお、図４では、開口部３０ｏを通過した反跳電子の量は規格化され相対値で示されている。ここでは、開口部３０ｏを通過した反跳電子の量の最小値は相対値１である。
すなわち、ｈ／ｒ＝０．２７，ｈ／ｒ＝０．３７，ｈ／ｒ＝０．４６の条件では、上記相対値は１であった。

ｈ／ｒ＝０．５０の条件では、上記相対値は２であった。
ｈ／ｒ＝０．５４の条件では、上記相対値は３であった。
ｈ／ｒ＝０．６４の条件では、上記相対値は４であった。
ｈ／ｒ＝０．７３，ｈ／ｒ＝０．８２の条件では、上記相対値は５であった。
ｈ／ｒ＝０．９１の条件では、上記相対値は６であった。

上記のことから、比（ｈ／ｒ）を小さくした方が、開口部３０ｏを通過する反跳電子の量を抑制することができるため望ましい。ｈ／ｒ＝０．９１である場合と比べて、ｈ／ｒ≦０．８２である方が望ましい。ｈ／ｒ≦０．８２の範囲内では、ｈ／ｒ≦０．６４である方が望ましい。ｈ／ｒ≦０．６４の範囲内では、ｈ／ｒ≦０．５４である方が望ましい。ｈ／ｒ≦０．５４の範囲内では、ｈ／ｒ≦０．５０である方が望ましい。ｈ／ｒ≦０．５０の範囲内では、ｈ／ｒ≦０．４６である方が望ましい。

上記のように構成された一実施形態に係る固定陽極型のＸ線管１によれば、Ｘ線管１は、陰極１０と、陽極２０と、陰極フード３０と真空外囲器５０と、を備えている。陰極１０は、電子を放出するフィラメント１１を有している。陽極２０は、フィラメント１１から放出される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点Ｆが形成される陽極ターゲット２１を有している。陰極フード３０は、陽極ターゲット２１を取り囲み、Ｘ線を通す開口部３０ｏが形成され、陰極１０と同電位に設定される。真空外囲器５０は、陰極１０、陽極ターゲット２１及び陰極フード３０を収容し、電気絶縁性を有している。

Ｘ線管１は陰極フード３０を備えている。このため、陰極フード３０が形成する電界の作用により、陽極ターゲット２１から飛び出した反跳電子（ｅｒ）は陽極ターゲット２１側に押し戻され、陽極ターゲット２１に衝撃する。このため、ガラス容器５１に突入する反跳電子の量を低減させることができる。

Ｘ線管１は、ｈ／ｒ≦０．８２の条件を満たしている。このため、ｈ／ｒ＝０．９１である比較例のＸ線管と比べて、開口部３０ｏを通ってガラス容器５１に突入する反跳電子（ｅｒ）の数を抑制することができる。耐電圧性能の劣化を抑制することができるため、長期にわたって安定動作するＸ線管１を得ることができる。

なお、ｈ／ｒ＝０．９１である場合、Ｘ線管１の耐電圧性能の著しい劣化が生じてしまい、長期にわたって安定動作するＸ線管を得ることができなかった。陰極フード３０の開口部３０ｏのすぐ近くにガラス容器５１が位置し、多くの反跳電子（ｅｒ）が開口部３０ｏを通ってガラス容器５１に突入するためである。

Ｘ線管１は、ｈ／ｒ≦０．５０の条件を満たしているとより望ましい。これにより、ガラス容器５１に突入する反跳電子（ｅｒ）の数を十分に抑制することができ、Ｘ線管１をより長期にわたって安定動作させることができる。

Ｘ線管１は、Ｘ線透過アセンブリ無しに形成されている。このため、Ｘ線管１のサイズの拡大及び製造コストの高騰を抑制することができる。
なお、Ｘ線管１がＸ線透過アセンブリを使用する場合、ガラス容器５１には開口が形成され、上記開口はＸ線透過アセンブリにより気密に閉塞される。Ｘ線透過アセンブリは、上記開口に対向し真空外囲器５０に気密に取り付けられた窓枠と、上記窓枠に収められベリリウム等のＸ線透過性金属で形成されＸ線を透過させるＸ線透過窓と、を有する。Ｘ線透過窓（Ｘ線透過アセンブリ）は接地される。
この場合、反跳電子はそのままＸ線透過窓（ベリリウム窓）に突入するが、Ｘ線透過窓は接地されているためＸ線管の耐電圧性能が低下するような問題は発生しなかった。このため、本実施形態の基本構想は、Ｘ線透過アセンブリを使用する従来のＸ線管から見出されるものではない。

上記のことから、サイズの拡大及び製造コストの高騰を抑制することができ、長期にわたって安定動作する固定陽極型のＸ線管１を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態では、ｈ＝ｗであるが、この場合、第１方向ｄ１及び第３方向ｄ３に平行な仮想平面に垂直投影された開口部３０ｏは正方形等、他の形状であってもよい。

また、上述した実施形態では、ｈ＝ｗであるが、これに限定されるものではなく、種々変形可能であり、ｈ≦ｗであってもよい。開口部３０ｏを通ってガラス容器５１に突入する反跳電子（ｅｒ）の数を抑制するための要件であるが、上記比（ｈ／ｒ）は関係するが、長さｈと長さｗとの比は関係しないためである。ｈ＜ｗである場合、第１方向ｄ１及び第３方向ｄ３に平行な仮想平面に垂直投影された開口部３０ｏは、長方形（矩形状）、角丸長方形及びその他の形状である。ここで言う角丸長方形は、長さが等しい２つの平行線と、半径の等しい２つの半円形と、を有している。ｈ＜ｗとすることにより、管軸に垂直となる方向への利用Ｘ線の照射範囲をより広くすることができる。
なお、サイズの拡大及び製造コストの高騰を抑制することができ、長期にわたって安定動作する固定陽極型のＸ線管１を得るため、ｗ＜ｈであってもよい。但し、利用Ｘ線の照射範囲が狭くなる点では望ましくない。

本発明の実施形態は、各種の固定陽極型Ｘ線管に適用することができる。例えば、本発明の実施形態は、陽極接地型のＸ線管だけでなく、陰極接地型のＸ線管や中性点接地型のＸ線管にも適用することができる。なお、陰極接地型のＸ線管の場合、陰極１０及び陰極フード３０が接地され、陽極ターゲット２１（陽極２０）に正の高電圧が印加される。中性点接地型のＸ線管の場合、陰極１０及び陰極フード３０に負の高電圧が印加され、陽極ターゲット２１（陽極２０）に正の高電圧が印加される。

１…Ｘ線管、１０…陰極、１１…フィラメント、２０…陽極、２１…陽極ターゲット、３０…陰極フード、３０ｏ…開口部、５０…真空外囲器、ｈ…長さ、ｒ…距離、Ｆ…焦点、ｄ１…第１方向、ｄ２…第２方向、ｄ３…第３方向

Claims (5)

1. 電子を放出する電子放出源を有する陰極と、
   前記電子放出源および前記陰極に対して管軸に沿った方向において対向配置され、前記電子放出源から放出される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点が形成される陽極ターゲットを有する陽極と、
   前記陽極ターゲットを取り囲み、Ｘ線を通す開口部が形成され、前記陰極と同電位に設定される陰極フードと、
   前記陰極、陽極ターゲット及び陰極フードを収容した電気絶縁性の真空外囲器と、を備え、
   管軸に沿った第１方向の前記開口部の長さをｈ、前記第１方向に垂直な第２方向の前記焦点から前記開口部までの距離をｒ、とすると、
   ｈ／ｒ≦０．８２である固定陽極型Ｘ線管。
2. ｈ／ｒ≦０．５である請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
3. 前記距離ｒは、前記第２方向の前記焦点の中心から前記開口部の前記Ｘ線の入口の中心までの距離であり、
   前記第１方向及び第２方向に垂直な第３方向の前記開口部の長さをｗ、とすると、
   ｈ≦ｗである請求項１又は２に記載の固定陽極型Ｘ線管。
4. ｈ＝ｗであり、
   前記第１方向及び第３方向に平行な仮想平面に垂直投影された前記開口部は真円又は正方形である請求項３に記載の固定陽極型Ｘ線管。
5. ｈ＜ｗであり、
   前記第１方向及び第３方向に平行な仮想平面に垂直投影された前記開口部は長方形又は角丸長方形である請求項３に記載の固定陽極型Ｘ線管。

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