JP2016042425A - 放射線発生装置及びこれを用いた放射線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】余剰空間に絶縁性液体が充填された放射線発生装置において、絶縁性液体の体積膨張に対応するための体積調整容器の変形に伴う、膨張吸収容器内部の放電を抑制する放射線発生装置を提供する。【解決手段】放射線発生装置１の収納容器１０に設けた開口１２を介して外部の雰囲気と連通する内部空間１４を有する体積調整容器１３を導電性の材料で形成することにより、内部空間１４の電位勾配を軽減して、絶縁性液体１５の体積膨張に伴う内部空間１４の体積減少時の放電発生を防止する。【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装置とこれを用いた放射線撮影システムに関する。

放射線撮影システムは、放射線発生装置から被検体にＸ線等の放射線を照射し、透過した放射線を放射線検出装置にて検出する。ここで用いられる放射線発生装置は、内部に放射線発生管を備えており、該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。

放射線発生管は、陽極と陰極との間に３０ｋＶ乃至１５０ｋＶ程度の管電圧を印加して動作させる。また、電子の照射により放射線を発生させるターゲットの放射線発生効率は１％以下と低く、電子の運動エネルギーの大半は熱エネルギーに変換され、放射線発生管の温度上昇を招く。

放射線発生管は、操作者の保護、漏洩放射線の遮蔽の観点から金属製の収納容器に収納され、該収納容器の余剰空間には、放射線発生管と収納容器との間の放電を抑制し、さらに、放射線発生管を冷却するために、絶縁性液体が充填される。絶縁性液体は、収納容器の内面及び放射線発生管の外表面に接触するように、放射線発生管と共に収納容器に充填されて、対流により放射線発生管の高温部の熱を収納容器の外部へ伝熱する。そのため、放射線発生管の発熱に伴い、絶縁性液体の温度も上昇し、絶縁性液体の体積が膨張する。

絶縁性液体の体積膨張は、収納容器の内部圧力の上昇を招き、収納容器からの絶縁性液体の漏れや、収納容器の変形等の原因となる。そのため、放射線発生装置においては、収納容器内に、収納容器外の外気と連通し、絶縁性液体の膨張時に収縮する膨張吸収容器を設ける構造が知られている。特許文献１には、放射線発生装置の収納容器内に、収納容器の外側空間と連通したゴム製の膨張吸収容器を配置した構成が開示されている。特許文献１には、さらに、膨張吸収容器を高電圧印加部から絶縁距離を離して配置することが開示されている。

特開２００７−３２４０１３号公報

放射線発生装置は、放射線撮影システムに組み込むために、小型化や軽量化の制約を受ける場合があり、特許文献１のように膨張吸収容器を備えた放射線発生装置を小型化した場合には、膨張吸収容器が電位勾配のある場所に配置される場合がある。電位勾配のある場所に配置された膨張吸収容器は、絶縁性液体の膨張と共に変形し、膨張吸収容器内の雰囲気（一般的には空気）にかかる電圧が変動し、状況によっては膨張吸収容器内部で放電を発生することがある。そして、このような放電は放射線発生管を収納している収納容器の膨張破損の原因となる。

本発明の課題は、上記問題を解決し、膨張吸収容器の変形に伴う、膨張吸収容器内部の放電を抑制することにより、動作時の膨張破損と放電発生とを抑制し、小型化しても信頼性の高い放射線発生装置及びこれを用いた撮影システムを提供することにある。

本発明の第１は、陽極と陰極とを備え放射線を発生する放射線発生管と、前記放射線発生管を収納した導電性の収納容器と、前記収納容器の内部の余剰空間に充填された絶縁性液体と、前記収納容器に設けられた開口を介して内部空間が前記収納容器の外部雰囲気に連通され、前記絶縁性液体の膨張によって前記内部空間の体積が減少する体積調整容器と、を備えた放射線発生装置であって、
前記体積調整容器の内部空間の電位勾配が軽減される構成を備え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。

本発明においては、絶縁性液体の膨張に対応する体積調整容器の内部空間における放電が抑制されていることから、動作時の収納容器の膨張破損と放電発生とが抑制され、小型化しても信頼性の高い放射線発生装置が提供される。よって、係る放射線発生装置を用いて小型で信頼性の高い放射線撮影システムが提供される。

本発明の放射線発生装置の一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。 本発明の放射線撮影システムの一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

図１に本発明の放射線発生装置の一実施形態の構成を模式的に示す。本発明の放射線発生装置１は、放射線発生管２と、該放射線発生管２を収納した収納容器１０とを有し、収納容器１０内の余剰空間には絶縁性液体１５が充填されている。そして、本発明においては、収納容器１０内に、絶縁性液体１５の膨張によって内部空間の体積が減少する体積調整容器１３を備えている。以下に、各部材について説明する。

本発明に係る放射線発生管２においては、陰極３には電子放出源９が接続され、陽極４は電子放出源９から放出された電子線６の照射によって放射線を放出するターゲット５を、電子放出源９に対向する位置に備えている。本実施形態においては、ターゲット５は電子線６が照射された反対側からＸ線が放出される透過型であり、放射線発生管２の放射線放出口を兼ねている。電子線６に含まれる電子は、陰極３と陽極４に挟まれた放射線発生管２の内部空間に形成された加速電界により、ターゲット５で放射線を発生させるために必要な入射エネルギーとなるまで加速される。

放射線発生管２の内部空間は、電子線６の平均自由行程を確保することを目的として、真空となっている。放射線発生管２の内部の真空度は、１×１０^-8Ｐａ以上１×１０^-4Ｐａ以下であることが好ましく、電子放出源９の寿命の観点からは、１×１０^-8Ｐａ以上１×１０^-6Ｐａ以下であることがより一層好ましい。

放射線発生管２の内部空間は、不図示の排気管及び真空ポンプを用いて真空排気した後、係る排気管を封止することにより真空とすることが可能である。また、放射線発生管２の内部空間には、真空度の維持を目的として、不図示のゲッターを配置しても良い。

放射線発生管２は、陰極３の電位に規定される電子放出源９と、陽極４の電位に規定されるターゲット５との間の電気的絶縁を図る目的において、胴部に絶縁管７を備えている。絶縁管７は、ガラス材料やセラミックス材料等の絶縁性材料で構成される。本例では、陰極３と陽極４と絶縁管７とで外囲器８が構成されており、該外囲器８は、真空度を維持するための気密性と耐大気圧性を有する堅牢性とを備える部材から構成されることが好ましい。

陰極３に接続された電子放出源９は、例えばタングステンフィラメント、含浸型カソードのような熱陰極や、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。電子放出源９は、電子線６のビーム径及び電子電流密度、オン・オフタイミング等の制御を目的として、不図示のグリッド電極、静電レンズ電極を備えた形態とすることできる。

図１に示す放射線発生装置１において、放射線発生管２は、絶縁性液体１５の流動を妨げないように配置された不図示の支持体を用いて収納容器１０の内部に固定されている。また、放射線発生装置１の収納容器１０は、放射線発生管２に電気的に接続され、陰極３と陽極４との間に管電圧を印加するための駆動回路１６を内部に収納する形態とすることも可能である。駆動回路１６は、収納容器１０の内部に配置される必要はなく、収納容器１０の外部に配置されても良い。

収納容器１０の内部に駆動回路１６を収納することにより、絶縁性液体１５の対流による冷却作用によって管電圧出力を安定化することができる。また、高電圧の給電線の取り回しを短距離とすることにより放電耐圧を増大することが可能となり、放射線発生装置１の信頼性が向上する。収納容器１０は、接地電位に電位規定すると、放射線発生装置１の取扱いが安全となって好ましい。

絶縁性液体１５は、放射線発生管２の外面と収納容器１０の内面とに接触し、放射線発生管２の高温部から収納容器１０の低温部の間の温度差を小さくするように、収納容器１０の内部において対流する。絶縁性液体１５は、放射線発生管２の冷却及び、電気絶縁を行うため、冷却能力が高く、電気絶縁性の高いものが良い。また、ターゲット５が発熱により高温になり、その熱が絶縁性液体１５に伝わるため、熱による変質の少ないものが好ましい。よって絶縁性液体１５としては、電気絶縁油、フッ素系の絶縁油等が使用可能である。

本発明に用いられる収納容器１０は導電性であり、鉄、ステンレス、鉛、真鍮、銅等の金属から構成され、通常は接地電位に規定されている。収納容器１０のターゲット５に対向した位置には、放射線放出窓１１が配置されている。放射線放出窓１１の材料としてはベリリウム、アルミニウム等の放射線減衰量の少ない材料が適用される。

本発明においては、図２，図４に示すように、放射線発生管２の陽極４を収納容器１０と接続することにより、ターゲット５は放射線放出窓１１を兼ねることができ、少なくとも２つの効果が期待できる。１つは、陽極４を収納容器１０と接続しない場合の、放射線放出窓１１やターゲット５と放射線放出窓１１との間に介在する絶縁性液体１５等による放射線減衰が抑制される。もう１つは、ターゲット５を被検体に近づけることができ、拡大率が増大する。

本発明において、放射線発生装置１は、収納容器１０に設けられた開口１２を介して収納容器１０の外部雰囲気に連通する体積調整容器１３を有している。体積調整容器１３の内部空間１４は、ターゲット５の熱を吸収することによって温度上昇した絶縁性液体１５の膨張に伴い減少する。即ち、絶縁性液体１５が膨張した体積とほぼ等価の体積の雰囲気を収納容器１０の外へ逃がすことにより、体積調整容器１３の内部空間１４を減少せしめ、収納容器１０の内部圧力の上昇を抑え、収納容器１０の変形を抑える。

図１、図３は、体積調整容器１３を伸縮性のある材料や柔軟性のある材料で構成した例であり、図２、図４は、体積調整容器１３に蛇腹構造を持たせた構成である。体積調整容器１３を伸縮性のある材料で形成した場合、内部空間１４の体積変動に応じて体積調整容器１３自体が伸縮して対応する。また、体積調整容器１３を柔軟性のある材料で形成した場合には、内部空間１４の体積変動に応じて体積調整容器１３の壁面が変形して対応する。図２の場合には、内部空間１４の体積変動に応じて蛇腹構造が伸縮して対応する。

ここで、体積調整容器１３の内部空間１４が減少する時に、該内部空間１４にかかる電圧が変動し、場合によっては内部空間１４において放電する可能性がある。よって、本発明においては、体積調整容器１３の内部空間１４の電位勾配が軽減される構成を備えている。具体的には、体積調整容器１３の内部空間１４が導電性部材で取り囲まれた領域に位置することにより、陽極４や陰極３などの電位を有する部材に対して、静電場においてシールドされた状態となり、内部空間１４における電位勾配が軽減される。その結果、内部空間１４の体積が減少する際の該内部空間１４にかかる電圧の変動が抑制され、内部空間１４における放電の発生が抑制される。

体積調整容器１３の内部空間１４が導電性部材で取り囲まれた領域に位置する構成としては、体積調整容器１３を導電性とする第１の方法と、体積調整容器１３を導電性部材で取り囲む第２の方法とが挙げられる。

上記第１の方法としては、体積調整容器１３の内面及び外面の少なくとも一方が導電性の材料により構成されていればよく、どちらか一方であれば外面であり、好ましくは体積調整容器１３全体を導電性の材料で構成する。そして、体積調整容器１３の内部空間１４が収納容器１０との間で電位差を生じないように、体積調整容器１３と収納容器１０とを電気的に接続する。係る構成により、内部空間１４は定電位面で囲まれ、電位勾配がなくなる。

体積調整容器１３は、樹脂材料または金属材料から構成することができる。樹脂材料を用いた場合には、樹脂材料に金属微粒子等を混ぜることにより導電性をもたせることができる。樹脂材料としては、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の非導電性ゴム材にカーボンや金属微粒子を混ぜた導電性ゴム材を用いることができる。耐油性の観点からは、ニトリルゴムやフッ素ゴムが好ましく用いられる。また、金属材料としては、ステンレス、チタン、ニッケル及びニッケル超合金等が好ましく用いられる。

体積調整容器１３を導電性部材で取り囲む第２の方法としては、図３、図４に示すように、収納容器１０に電気的に接続された導電性隔壁１６と、収納容器１０とで体積調整容器１３を取り囲む方法が挙げられる。尚、導電性隔壁１６は絶縁性液体１５の流路となる開口を有している必要がある。導電性隔壁１６の材料としては、収納容器１０と同じ材料が好ましく用いられ、絶縁性液体１５の流れを妨げないメッシュ状部材や多孔板が好ましく用いられる。

このように、導電性隔壁１６を配置することで、体積調整容器１３とその周囲の部材との間に定電位面が形成され、体積調整容器１３の内部空間１４には電位勾配がなくなる。

尚、絶縁性液体１５の膨張による体積調整容器１３の内部空間１４の体積減少を妨げないように、体積調整容器１３は収納容器１０や導電性隔壁１６との間に所定の距離をおいて配置する。

第２の方法では、体積調整容器１３は導電性である必要がなく、前記第１の方法で挙げた材料以外の非導電性材料を用いることができ、材料選択性が増す。例えば、先に挙げた非導電性ゴム材を用いることができる。

本発明においては、体積調整容器１３自体の伸縮を抑え、素材のシール性の寿命低下を抑制することが好ましい。具体的には、体積調整容器１３の内部空間１４の体積の減少率が１を超えず、且つ、内部空間１４の体積の減少率を、体積調整容器１３の表面積の減少率の３／２乗よりも小さくなるように設定する。即ち、内部空間１４の体積がＶからＶ'に減少し、体積調整容器１３の表面積がＳからＳ'に減少した場合、（Ｖ’／Ｖ）＜（Ｓ’／Ｓ）^3/2となるような素材、形状の体積調整容器１３が好ましい。即ち、図２，図４のように体積調整容器１３が蛇腹構造を有する場合や、体積調整容器１３が柔軟性のある材料で構成されている場合である。蛇腹構造を有する体積調整容器１３を柔軟性のある材料で構成していればさらに好ましい。このような構成では、第１の方法において、体積調整容器１３が導電性の場合に、内部空間１４の体積が減少した際の変形によって、体積調整容器１３とは異なる電位の部材に近づいて絶縁性液体１５が放電する可能性が低い。また、第２の方法においては、内部空間１４の体積が減少した際の変形によって、体積調整容器１３が収納容器１０や導電性隔壁１６と接触して体積調整容器１３が摩耗する可能性が低い。

次に、本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影システムについて説明する。図５は本発明の放射線撮影システムの一実施形態の構成を示す概略図であり、図１に示した放射線発生装置１を用いた例である。図５には、被検体２３に対して所定の曝射角度で撮影された放射線透過像を取得する放射線撮影システムの基本的な構成例が示されている。

図５のシステムにおいて、制御装置１８は、放射線発生装置１と放射線検出器２２とを連携制御する。駆動回路１６は、制御装置１８による制御の下に、放射線発生管２に各種の制御信号を出力する。駆動回路１６は、少なくとも、管電圧回路を備え、必要に応じて、電子放出源９に接続され管電流を制御する管電流回路を備える。図示される駆動回路１６は、放射線発生管２と共に収納容器１０の内部に設けられているが、収納容器１０の外部に設けられていても良い。駆動回路１９が出力する制御信号により、放射線発生装置１から放出される放射線２４の放出状態が制御される。

放射線発生装置１から放出された放射線２４は、不図示のコリメータにより照射範囲が調整されて放射線発生装置１の外部に放出され、被検体２３を透過して放射線検出器２２で検出される。放射線検出器２２は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部２０に出力する。信号処理部２０は、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制御装置１８に出力する。制御装置１８は、処理された画像信号に基づいて、表示装置２１に画像を表示させるための表示信号を表示装置２１に出力する。表示装置２１は、表示信号に基づく画像を、被検体２３の撮影画像としてスクリーンに表示する。

本発明の放射線撮影システムは、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２の構成の放射線発生装置を構成した。放射線としてはＸ線を用いた。

放射線発生管２は、アルミナからなる絶縁管２の両端が陽極４及び陰極３でそれぞれ塞がれた、内部が密閉された容器である。放射線発生管２の内部には、陰極３には電子放出源９として含浸カソードを配置して接続し、電子放出源９に対向する筒の一端には、ターゲット５を備える陽極４を配置した。ターゲット５はダイヤモンド基板上にタングステンを成膜したものを用いた。また放射線発生管２の内部には不図示のＮＥＧ（非蒸発型ゲッター）を配置し、真空度を１×１０^-4Ｐａ以下に保った。

収納容器１０は真鍮製の直方体で、該収納容器１０を接地することにより、収納容器１０と電気的にも接続された陽極４も接地された。

体積調整容器１３は、耐油性の高いニトリルゴムを主体とした導電性ニトリルゴム製の略直方体とした。また、内部空間１４の体積が減少した際の形状がある程度制限できるように、収納容器１０の開口１２と連通させる面と、それに対向する面を除く４面を蛇腹状にした。内部空間１４は開口１２を通じて外気と連通しており、大気圧である。

絶縁性液体１５として高圧絶縁油Ａ（ＪＸ日鉱日石エネルギー製）を用い、収納容器１０に設けた注入口（不図示）より充填し、収納容器１０を封止した。

上記放射線発生装置１において、温度をモニターしながら駆動耐久試験を行い、放電の有無を確認した。温度が飽和するまで試験を続けたが、体積調整容器１３の内部空間１４において放電することは無かった。また、絶縁性液体１５の漏れや、収納容器１０の破損等も生じなかった。

以上より、本実施形態によれば、動作時の収納容器の膨張破損と放電とを抑制し、小型化しても信頼性の高いＸ線発生装置及びＸ線撮影システムを提供することが可能となる。

（実施例２）
図３に示すように収納容器１０と同じ材料で形成されたメッシュ状の導電性隔壁１５を配置し、体積調整容器１３を非導電性のニトリルゴム製の略直方体とし、蛇腹を形成しなかった以外は実施例１と同様にしてＸ線発生装置を構成した。

上記Ｘ線発生装置において、温度をモニターしながら駆動耐久試験を行い、放電の有無を確認した。温度が飽和するまで試験を続けたが、体積調整容器内部空間１４において放電することは無かった。また、絶縁性液体１５の漏れや、収納容器１０の破損等も生じなかった。

以上より、本実施形態によれば、動作時の収納容器の膨張破損と放電とを抑制し、小型化しても信頼性の高いＸ線発生装置及びＸ線撮影システムを提供することが可能となる。

（実施例３）
図４に示すように、体積調整容器１３を一端が閉じた筒状の導電性隔壁１６で覆い、体積調整容器１３は非導電性のニトリルゴム製の略円柱とし、蛇腹は形成しなかった以外は実施例１と同様にしてＸ線発生装置を構成した。導電性隔壁１６は収納容器１０と同じ素材でメッシュ状である。

上記Ｘ線発生装置において、温度をモニターしながら駆動耐久試験を行い、放電の有無を確認した。温度が飽和するまで試験を続けたが、体積調整容器１３の内部空間１４において放電することは無かった。また、絶縁性液体１５の漏れや、収納容器１０の破損等も生じなかった。

以上より、本実施形態によれば、動作時の収納容器の膨張破損と放電とを抑制し、小型化しても信頼性の高いＸ線発生装置及びＸ線撮影システムを提供することが可能となる。

１：放射線発生装置、２：放射線発生管、３：陰極、４：陽極、１０：収納容器、１１：１２：開口、１３：体積調整容器、１４：内部空間、１５：絶縁性液体、１６：駆動回路、１８：制御装置、２２：放射線検出装置、２３：被検体、２４：放射線

Claims (12)

1. 陽極と陰極とを備え放射線を発生する放射線発生管と、前記放射線発生管を収納した導電性の収納容器と、前記収納容器の内部の余剰空間に充填された絶縁性液体と、前記収納容器に設けられた開口を介して内部空間が前記収納容器の外部雰囲気に連通され、前記絶縁性液体の膨張によって前記内部空間の体積が減少する体積調整容器と、を備えた放射線発生装置であって、
   前記体積調整容器の内部空間の電位勾配が軽減される構成を備えていることを特徴とする放射線発生装置。
2. 前記体積調整容器の内部空間が導電性部材によって囲まれた領域に位置していることを特徴とする放射線発生装置。
3. 前記体積調整容器は、内面及び外面の少なくとも一方が導電性の材料により構成され、前記収納容器に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生装置。
4. 前記体積調整容器が、前記絶縁性液体の流路となる開口を有し且つ前記収納容器に電気的に接続された導電性隔壁と前記収納容器とに囲まれていることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生装置。
5. 前記導電性隔壁が、メッシュ状部材又は多孔板であることを特徴とする請求項４に記載の放射線発生装置。
6. 前記体積調整容器の内部空間が、前記絶縁性液体の膨張に伴って減少した際の、前記体積調整容器の表面積の減少率が１を超えず、且つ、内部空間の体積の減少率が、表面積の減少率の３／２乗よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
7. 前記体積調整容器が蛇腹構造を有していることを特徴とする請求項６に記載の放射線発生装置。
8. 前記体積調整容器が柔軟性を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の放射線発生装置。
9. 前記収納容器が接地電位に規定されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
10. 前記体積調整容器が、樹脂材料又は金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
11. 前記収納容器の内部に前記放射線発生管に管電圧を印加する駆動回路を備え、前記駆動回路が前記絶縁性液体に接していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
12. 請求項１乃至１１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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