JP2017123246A - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子トラップの圧力損失を低減し、且つ冷却性能を向上する、Ｘ線発生装置を提供することである。
【解決手段】本発明の実施形態に係るＸ線発生装置は、真空外囲器と、真空外囲器内に配置された陰極と、前記真空外囲器内で前記陰極に対向して配置された陽極ターゲットと、陰極と陽極ターゲットとの間に配置された電子トラップ構造体と、冷却液を循環させる冷却液循環部と、を備え、電子トラップ構造体は、電子ビームが通過するアパーチャ部を有し、且つ電子を捕獲するボディ部と、ボディ部内部の陽極ターゲット側に設けられ、冷却液が導入される導入口を有し、且つ、導入口の近傍に流路を閉塞する仕切り板を有する下段流路と、下段流路の陰極側に壁面を介して設けられ、下段流路を通過した冷却液が導入され、アパーチャ部を挟んで導入口と反対側に、冷却液が排出される排出口を有する上段流路と、を備える。
【選択図】図１

Description

実施形態は、Ｘ線発生装置に関する。

Ｘ線発生装置は、真空外囲器内で、陰極と陽極ターゲットとの間に印加された高電圧により、陰極から発生した電子を、陽極ターゲットに向かい加速し、陽極ターゲットに衝撃させることで、Ｘ線を発生させる。発生したＸ線は、Ｘ線放射窓を通ってＸ線発生装置の外部に放射される。放射されたＸ線は、例えば、医療用の撮影用途等に使用される。

ここで、陽極ターゲットに衝撃した電子は、陽極ターゲットに吸収されて熱エネルギを陽極ターゲットに与え、この電子の一部は、反跳電子となり、Ｘ線発生装置内に散逸する。陽極ターゲットが接地電位となる場合、陽極ターゲットに衝撃した電子の内、およそ３割以上の電子が、陽極ターゲットに捕獲されずに反跳電子となり、周囲に飛散することが知られている。これらの反跳電子の一部は、陽極ターゲットの焦点から離れた位置に再度衝撃し、その他の反跳電子の一部は、陽極ターゲット及び陰極を格納する外囲器の内壁に衝撃する。このような電子は、不要Ｘ線を発生させ、Ｘ線発生装置の性能を劣化させ得る。また、電子が外囲器を衝撃した場合、その電子が衝撃した外囲器の温度が、急激に上昇し、破損する可能性もある。

このため、電子を捕獲する電子トラップを設けることで、Ｘ線発生装置の性能の劣化を防止する方法が一般にＸ線発生装置に適用されている。このとき、電子トラップには、陽極ターゲットに衝撃する電子のエネルギの内、およそ３割以上の電子のエネルギが加えられることになる。ＣＴ（Computed Tomography）装置等では、この電子トラップに加えられるエネルギが、数十ｋＷ相当となり、電子トラップを適切に冷却する必要がある。

電子トラップを適切に冷却するために、内部に冷却液を流すための流路機構を備える電子トラップが、一般的にＸ線管装置に適用されている。このような流路機構を備える電子トラップとして、流速を上げて冷却効果を向上するために２段に分割された流路機構を備える電子トラップや、冷却促進体を流路内に備えた電子トラップが提案されている。

特開２００３−１４２０１６号公報 特表平１１−５１０９５５号公報 特開２００６−１００７９号公報 特開２００７−１４９４５２号公報

冷却液は、冷却液循環部から、電子トラップの流路機構に送られる。しかしながら、流路機構が、電子トラップの内側に形成された非常に狭い空間に設置されるため、冷却液を通過させるときに発生する圧力損失が高くなり、冷却液循環部のポンプへの負担が大きくなる可能性がある。したがって、冷却液循環部のポンプの性能によっては、必要な流量が確保されない可能性がある。また、必要な流量を確保するために、冷却液循環部を大型化した場合、装置の大きさや重量が増大し、例えば、ＣＴ装置への搭載が困難になる等の不具合も生ずる可能性がある。また、流路内に冷却促進体を設けた場合、冷却促進体により乱流が発生し、圧力損失が、高くなる可能性がある。

本発明の実施形態は、このような点に鑑みなされたもので、電子トラップの圧力損失を低減し、且つ冷却性能を向上する、Ｘ線発生装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るＸ線発生装置は、真空外囲器と、前記真空外囲器内に配置され、電子ビームを放射する陰極と、前記真空外囲器内で前記陰極に対向して配置され、前記電子ビームが衝撃してＸ線を発生する陽極ターゲットと、前記陰極と前記陽極ターゲットとの間に配置された電子トラップ構造体と、前記電子トラップ構造体内部に冷却液を循環させる冷却液循環部と、を備え、前記電子トラップ構造体は、前記電子ビームが通過するアパーチャ部を有し、且つ前記陽極ターゲットで発生した電子を捕獲するボディ部と、前記ボディ部内部の前記陽極ターゲット側に設けられ、前記冷却液循環部から冷却液が導入される導入口を有し、且つ、前記導入口の近傍に流路を閉塞する仕切り板を有する下段流路と、前記下段流路の前記陰極側に壁面を介して設けられ、前記下段流路を通過した前記冷却液が導入され、前記アパーチャ部を挟んで前記導入口と反対側に、前記冷却液が前記冷却液循環部へ排出される排出口を有する上段流路と、を備える

図１は、実施形態に係るＸ線発生装置の一例を示す概要図である。 図２は、実施形態に係るＸ線管の一例を示す断面図である。 図３は、実施形態の電子トラップの流路機構の一例の模式図である。 図４Ａは、図２のＡ−Ａ線に従う電子トラップの断面図である。 図４Ｂは、図２のＢ−Ｂ線に従う電子トラップの断面図である。 図５は、比較例の電子トラップの流路機構の一例の模式図である。

以下、図面を参照しながら実施形態に係るＸ線管について詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係るＸ線発生装置１００の一例を示す概要図である。
Ｘ線発生装置１００は、冷却液循環部３０と、Ｘ線管装置９０と、高電圧電源４００と、を備えている。

Ｘ線管装置９０は、例えば、回転陽極型のＸ線管である。Ｘ線管装置９０は、ハウジング５０と、ステータコイル７０と、Ｘ線管８０と、を備えている。
ハウジング５０は、Ｘ線を透過し外部に放射するＸ線窓５０Ｗと、外部から冷却液（冷却溶媒）を導入するための導入口５１と、内部から冷却液を排出するための排出口５２と、を備えている。ハウジング５０は、内部が液密に密閉され、Ｘ線管８０との間の空間６０に、冷却液循環部３０により循環する冷却液が充填されている。

冷却液循環部３０は、循環ポンプ３１と、熱交換器（ラジエータ）３２とを備えている。冷却液循環部３０は、ハウジング５０の外部に設けられ、ホース等の導管で導入口５１と排出口５２とに連結されている。冷却液循環部３０内において、循環ポンプ３１は、排出口５２と熱交換器３２と導管で連結され、熱交換器３２は、導入口５１と導管で連結されている。冷却液循環部３０は、ハウジング５０内の冷却液を循環させる。循環ポンプ３１は、ハウジング５０から排出口５２を介して排出された冷却液に圧力を印加して循環させる。熱交換器３２は、冷却液の熱を外部に放出する。熱交換器３２で放熱された冷却液は、導入口５１を介してハウジング５０に導入される。

Ｘ線管８０は、真空外囲器１と、陰極（電子発生源）２と、陽極ターゲット３と、回転機構４と、電子トラップ５とを備えている。真空外囲器１は、例えば、ガラスや、銅、ステンレス、アルミニウム等の非磁性の金属で形成されている。なお、真空外囲器１は、磁性体の金属を含んでいてもよい。真空外囲器１は、Ｘ線放射窓１Ｗを備えている。Ｘ線放射窓１Ｗは、真空外囲器１のＸ線放射窓５０Ｗに対向する位置に気密に設けられている。Ｘ線放射窓１Ｗは、例えば、ベリリウムで形成されている。真空外囲器１は、高真空に排気された内部に、陰極２と、陽極ターゲット３と、回転機構４とを内包する。真空外囲器１内で、陰極２と、陽極ターゲット（ターゲットディスク）３とは、互いに対向配設されている。真空外囲器１は、Ｘ線管８０内を真空気密に保ち、その内部で電子を気体粒子と衝撃させずに進行させ、且つ電子加速電圧を高電圧に保つ役割を有する。

陰極２は、陽極ターゲット３に対向するように設置されている。陰極２は、陽極ターゲット３に向かって電子ビームを照射する。陰極２は、高電圧電源４００にケーブル等で接続され、高電圧電源４００から電力を供給される。陰極２には、相対的に負の電圧が印加される。
陽極ターゲット３は、傘状に略円板形状に形成されている。陽極ターゲット３は、傘状部の表面に、陰極２から放射された電子ビームが衝撃することで、Ｘ線を放射する。陽極ターゲット３は、回転機構４によって支持され、且つ回転機構４に従って回転可能に設置されている。陽極ターゲット３は、例えば、タングステン合金で形成され、Ｘ線を放射するターゲット層と、ターゲット層を支持するモリブデン合金（ＴＺＭ）で形成されているターゲット基体とから構成されている。陽極ターゲット３は、例えば、接地電位である。

回転機構４は、固定体４１と、玉軸受４２、４３と、回転円筒４４とを備える。回転機構４は、ステータコイル７０に電源（図示せず）から電流を供給されることで発生する磁場により駆動する。固定体４１は、円柱状に形成され、真空外囲器１に固定されている。固定体４１は、外周部に玉軸受４２、４３が回転円筒４４を支持して設けられている。玉軸受４２、４３は、固定体４１と回転円筒４４との間に回転可能に設けられている。回転円筒４４は、円筒状に形成され、外側の底面に陽極ターゲット３が固定されている。回転円筒４４は、陽極ターゲット３と同軸的に、且つ回転可能に設けられている。

なお、回転機構４は、前述の構造は一例であり、他の構造でもよい。例えば、回転機構４は、陽極ターゲット３と同軸に設けられたすべり軸受を備えている構造でもよい。また、回転機構４は、内部に冷却液を供給できる構造でもよい。例えば、回転機構４は、陽極ターゲット３に同心円上に設けられた回転軸を備え、この回転軸の内部に冷却液を流すことができる構造でもよい。

電子トラップ５は、陰極２と陽極ターゲット３との間で、陰極２から放射される電子ビームを取り囲むように真空外囲器１の内部に設けられている。電子トラップ５は、リング状（ドーナツ状）に形成されている。電子トラップ５は、陰極２側よりも陽極ターゲット３側の内径が狭くなるように構成されている。電子トラップ５は、電子ビームが通過するアパーチャ部５ａを有し、且つ電子を捕獲するボディ部５ｂで構成されている。アパーチャ部５ａは、テーパを有するように構成されている。アパーチャ部５ａは、陽極ターゲット３側が小端部Ｐ１、且つ陰極２側が大端部Ｐ２のテーパで構成されている。

電子トラップ５は、陽極ターゲット３で発生する反跳電子を捕獲するために高温になり得る。電子トラップ５は、急激な温度上昇を防止するために、冷却液循環部３０から冷却液が導入口６０１を介して内部に導入される。

ここで、陰極２から放射されて陽極ターゲット３に衝撃した電子の一部は、反跳電子となって電子トラップ５側に反跳する。電子トラップ５は、これらの電子を捕獲する。このとき、電子トラップ５のアパーチャ部５ａにおいて、小端部Ｐ１の方が大端部Ｐ２よりも吸収する電子が大きくなる。つまり、電子トラップ５は、アパーチャ部５ａにおいて、大端部Ｐ２よりも小端部Ｐ１方が電子トラップ５の発熱量が高くなり得る。したがって、この電子トラップ５の発熱量の勾配に応じて、アパーチャ部５ａの小端部Ｐ１を十分に冷却する必要がある。

図２は、実施形態に係るＸ線管８０の一例を示す断面図であり、図３は、本実施形態の電子トラップ５の流路機構６の一例の模式図である。図２において、Ｘ線管８０の中心軸を管軸ＴＡと称する。図３では、説明の便宜上、真空外囲器１を省略している。また、図２及び図３において、管軸ＴＡに水平な軸をＺ軸と称し、Ｚ軸に垂直に直交する軸をＸ軸と称し、Ｚ軸及びＸ軸に直交する軸をＹ軸と称する。

電子トラップ５は、冷却液を流すための流路機構６を備えている。図３に示すように、流路機構６は、上下仕切り板８で、下段流路６ａと、上段流路６ｂとに仕切られている。下段流路６ａは、陽極ターゲット３（又は、小端部Ｐ１）側に冷却液を流す流路であり、上段流路６ｂは、陰極２（又は、大端部Ｐ２）側に冷却液を流す流路である。

電子トラップ５は、下段流路６ａに冷却液を導入する導入口６０１が接続されている。また、電子トラップ５は、下段流路６ａの導入口６０１が接続された位置の近傍に、流路を閉塞する仕切り板９が設置されている。例えば、図３に示すように、電子トラップ５は、導入口６０１が接続された位置よりもＹ方向に移動した位置に仕切り板９が下段流路６ａの底面から上下仕切り板８までＺ軸に略平行に設けられている。また、電子トラップ５は、導入口６０１の接続された下段流路６ａの部分と仕切り板９を挟んで反対側の上下仕切り板８に、上段流路６ｂに繋がる連通部１２が形成されている。電子トラップ５は、上段流路６ｂには、アパーチャ部５ａを挟んで導入口６０１と反対側に、排出口６０２が接続されている。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して、電子トラップ５内での冷却液の流れについて説明する。
図４Ａは、図２のＡ−Ａ線に従う電子トラップ５の断面図であり、図４Ｂは、図２のＢ−Ｂ線に従う電子トラップ５の断面図である。

図４Ａは、電子トラップ５の下段流路６ａを示す。冷却液循環部３０から送り出された冷却液は、導入口６０１を介して下段流路６ａに供給される。冷却液は、導入口６０１が接続された位置から仕切り板９を挟んで反対側まで下段流路６ａに沿って一方向に一周して流れる。冷却液は、下段流路を一周して仕切り板９の設置位置に戻り、仕切り板９に衝突する。冷却液は、連通部１２を介して下段流路６ａから上段流路６ｂへ流れる。

図４Ｂは、電子トラップ５の上段流路６ｂを示す。下段流路６ａから流れてきた冷却液は、仕切りの設けられていない上段流路６ｂ内を２分岐して流れる。２分岐して上段流路６ｂに沿って流された冷却液は、排出口６０２が接続された位置で合流する。排出口６０２が接続された位置で合流した冷却液は、排出口６０２を介して、空間６０に排出される。空間６０に排出された冷却液は、排出口５２を介して冷却液循環部３０に排出される。なお、内部に冷却液を流す冷却構造を備える回転機構４を有するＸ線管である場合、排出口６０２は、回転機構４の冷却構造に冷却液を導入する導管に接続されていてもよい。

図５は、比較例の電子トラップ２０５の流路機構６の一例の模式図である。比較例の電子トラップ５は、電子トラップ５とほぼ同等に構成されているが、流路機構６の構成が異なる。図５に示す流路機構６は、２つ以上の流路に分割されていない、一方向に流れる流路である。比較例の流路機構６は導入口６０１と、排出口６０２とが、略水平に設けられ、導入口６０１と、排出口６０２との間に仕切り板２０９が設けられている。比較例の流路機構６において、流路を閉塞する仕切り板２０９は、Ｚ軸に略平行に流路機構６の底面から上面まで設置されている。

本実施形態の流路機構６は、上下仕切り板８で下段流路６ａと上段流路６ｂとに仕切られているため、比較例の流路機構６よりも流路断面積が小さい。そのため、本実施形態の下段流路６ａは、比較例の流路機構６よりも流速が早くなるために、冷却能力が向上する。一方、本実施形態の上段流路６ｂは、２分岐となるため、冷却能力は、向上しないが、比較例の流路機構６よりも圧力損失の増加を抑制することができる。

本実施形態によれば、Ｘ線発生装置１００は、冷却液循環部３０と、Ｘ線管８０とを備えている。Ｘ線管８０は、冷却液循環部３０から冷却液を電子トラップ５に供給される。Ｘ線管８０は、陰極２と陽極ターゲット３との間に、電子トラップ５を備えている。電子トラップ５は、流速が速くなるように形成された下段流路６ａと、圧力損失を低減するように形成された上段流路６ｂとを備えている。電子トラップ５は、最も高温となり得る小端部Ｐ１の内側に下段流路６ａが設けられている。また、電子トラップ５は、小端部Ｐ１よりも温度が低くなり得る大端部Ｐ２の内側に上段流路６ｂが設けられている。その結果、Ｘ線発生装置１００は、電子トラップ５内の流路機構６内部に冷却液を流したときに発生する圧力損失を低減し、且つ適切な部分に対する冷却能力を向上させることができる。

なお、本実施形態の電子トラップ５の構造を使用した場合、導入口６０１と排出口６０２は、アパーチャ部５ａを挟んで反対側の位置に設けられている。したがって、冷却液の配管を広い空間内に配置することが容易になるため、Ｘ線発生装置１００は、冷却液の配管を簡易化することもできる。

なお、前述の実施形態では、電子トラップ５は、上段流路５ａと、下段流路５ｂとの２つの流路のみを示したが、小端部Ｐ１の近傍に設けられた流路で流速が速く、他の流路で圧力損失を低減できる構造であれば、２つよりも多くの流路を備えていてもよい。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものでなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具現化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…真空外囲器、２…陰極（電子発生源）、３…陽極ターゲット、４…回転機構、５…電子トラップ、５ａ…アパーチャ部、５ｂ…ボディ部、６…流路機構、６ａ…下段流路、６ｂ…上段流路、８…上下仕切り板、９…仕切り板、３０…冷却液循環部、５０…ハウジング、７０…ステータコイル、８０…Ｘ線管、９０…Ｘ線管装置、１００…Ｘ線発生装置、４００…高電圧電源、６０１…導入口、６０２…排出口。

Claims (3)

1. 真空外囲器と、
   前記真空外囲器内に配置され、電子ビームを放射する陰極と、
   前記真空外囲器内で前記陰極に対向して配置され、前記電子ビームが衝撃してＸ線を発生する陽極ターゲットと、
   前記陰極と前記陽極ターゲットとの間に配置された電子トラップ構造体と、
   前記電子トラップ構造体の内部に冷却液を循環させる冷却液循環部と、を備え、
   前記電子トラップ構造体は、前記電子ビームが通過するアパーチャ部を有し、且つ前記陽極ターゲットで発生した電子を捕獲するボディ部と、
   前記ボディ部の内部の前記陽極ターゲット側に設けられ、前記冷却液循環部から冷却液が導入される導入口を有し、且つ、前記導入口の近傍に流路を閉塞する仕切り板を有する下段流路と、
   前記下段流路の前記陰極側に壁面を介して設けられ、前記下段流路を通過した前記冷却液が導入され、前記アパーチャ部を挟んで前記導入口と反対側に、前記冷却液が前記冷却液循環部へ排出される排出口を有する上段流路と、を備えるＸ線発生装置。
2. 前記上段流路は、前記導入口が接続された前記下段流路の部分と前記仕切り板を挟んで反対側の前記壁面に設けられた連通部を介して前記冷却液が導入される、請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記アパーチャ部は、前記陽極ターゲット側の内径が前記陰極側の内径よりも狭く構成された、請求項１又は２に記載のＸ線発生装置。

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