JP4269074B2

JP4269074B2 - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP4269074B2
Application number: JP2005173605A
Authority: JP
Inventors: 英二田辺
Original assignee: 株式会社エーイーティー
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP2006351272A

Description

本発明は、高エネルギーのＸ線を発生させることができるＸ線発生装置に関する。

回転陽極Ｘ線発生装置の提案は、特許文献１，２のように多数ある。
特許文献１（特開昭６１−１８３８６１号公報）は、Ｘ線管装置の冷却技術に関するもので、陽極から発生する熱が、輻射熱として伝達されてターゲット対抗部で吸収され外部に放出される。陽極から発生する熱が陽極に直接接する熱伝導率のよい金属を伝達して放出する方法に比べて、伝達効率が悪いので、大出力のＸ線発生装置に限界がある。
特許文献２（特開昭６１−１９８５９９号公報）は、Ｘ線管装置の冷却技術に関し、図６（特許文献２の図１）に示すターゲット（陽極）１から発生する熱が、モータロータ４、軸受け支持部材７、真空容器８などに伝達して、さらに冷却用絶縁油１３で外部に放出する構造である。やはり、ターゲット１から熱を熱伝導率のよい金属に直接伝達する方法に比べて、伝達効率が悪いので、大出力のＸ線発生装置に制限がある。
また、特許文献３，４のように回転陽極Ｘ線発生装置のターゲット内に冷却媒体を送り込む提案もあるが、機構が複雑となる。
特許文献３（特開昭６１−２５９４４６号公報）では、回転陽極板に冷却用流体を流す流体通路を設けて、冷却効率の改善をしているが、冷却通路の配置による回転軸に対する動的バランスの乱れにより、高速回転に制限を受けるので、冷却用流体の比重と冷却通路の部材の比重を等しく選定する方法を取っているが、冷却用流体に対して制約がある。また、高速時の回転ムラを避けるためには、機械加工性の精度が要求される。
特許文献４（特開昭６２−６６５４５号公報）は、冷却路を有する回転陽極に電子ビームを照射してＸ線を発生する装置において加圧ガスを利用したダブルシールのガスが冷却水に進入しないようにダブルシールと冷却水の排出と流入口を配設した構造になるが、構造が複雑になる。
特開昭６１−１８３８６１号公報特開昭６１−１９８５９９号公報特開昭６１−２５９４４６号公報特開昭６２−６６５４５号公報

前述のように、回転陽極形のＸ線発生装置は、冷却媒体の導入について種々の制限がある。陽極に冷却媒体を導入して冷却効率を高める提案もなされているが、冷却媒体の導入が容易でなく、装置が大形になったり取り扱いが容易でないなどの問題がある。
本発明の目的は、ターゲットを冷媒の通路に極めて近接させて設けることにより、電子ビームによる発生熱を効率よく冷却して電子ビームのエネルギーを上げて大出力のＸ線発生装置を提供することある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載のＸ線発生装置は、
真空容器と、
軸管と前記軸管の一部もしくは前記軸管と一体に設けられたターゲットを含む回転軸ターゲット組立と、
前記真空容器内に前記回転軸ターゲット組立を気密に回転可能に支持する軸受けと、
前記回転軸ターゲット組立を回転駆動する回転駆動手段と、
前記軸管のターゲットに対応する全内壁面に接して流れる冷却媒体を供給する冷却手段と、
回転移動可能に設けられたタ−ゲットから制動Ｘ線を含む高エネルギーＸ線を発生させるために高エネルギー電子ビームを発生する電子源とを含み、
前記電子ビームを前記軸管に直角方向から前記ターゲットに入射させ、入射側と反対側に高エネルギーＸ線を発生させることを特徴とするものである。
本発明による請求項２記載のＸ線発生装置は、請求項１記載のＸ線発生装置において、
前記軸管と一体に設けられたターゲットは、前記軸管の表面にその軸方向に平行で一体に設けられたリブ状のターゲットであり、
前記電子源は回転中の前記ターゲットに電子ビームを入射させるように同期して電子ビームを発生することを特徴とするものである。
本発明による請求項３記載のＸ線発生装置は、請求項１記載のＸ線発生装置において、
前記回転軸ターゲット組立は、接触回転させられるターゲットを有する一対の回転軸ターゲット組立であり、
前記電子ビームは、前記各ターゲットの表面の接触回転位置につながる両方の斜面に入射させられることを特徴とするものである。
本発明による請求項４記載のＸ線発生装置は、請求項１〜３記載のＸ線発生装置において、
前記電子源は、平均電力を下げても高エネルギーＸ線を発生させるためパルス列状の電子ビームを発生するように構成されている。
本発明による請求項５記載のＸ線発生装置は、請求項１〜４記載のＸ線発生装置において、
前記高エネルギーＸ線は１ＭｅＶ以上であることを特徴とするものである。

本発明のＸ線発生装置は、効果的な冷却が可能であり、多量の電子ビームをターゲット（陽極）に衝突させることができるから、大量のＸ線を効果的に発生させることができる。また、多種類の陽極の材料を準備して利用することにより、異なる波長のＸ線を簡単に発生させることができる。

以下、まず本発明による装置により発生させられるＸ線について簡単に説明する。
一般にターゲット物質中に高速で入射した電子は、物質を構成する原子と相互作用する。この電子の相互作用に２通りある。
入射電子が原子からクーロン力により電子の運動が曲げられるときに、エネルギーが電磁波の形で放出される。これが制動Ｘ線と呼ばれ、連続的な波長を有する連続Ｘ線になる。また、入射電子が内殻の軌道電子と相互作用してこの内殻電子をたたき出すと、その空位となったところに、外側のさらに高いエネルギー準位の軌道電子が落ち込んで入る。このときエネルギー準位の差に相当する電磁波が放出される。この電磁波が特性Ｘ線である。このＸ線は、電子軌道殻のエネルギー準位に対応しているので原子特有の波長を有する。電子ビームのエネルギーレベルが１ＭｅＶから１０ＭｅＶと高エネルギーの場合には、発生するＸ線は、制動Ｘ線の成分が多くなる。また、電子ビームのエネルギーレベルが１０ＫｅＶから１００ＫｅＶの場合に発生するＸ線は特性Ｘ線が多い。

以下、図面等を参照して本発明によるＸ線発生装置の実施例を詳しく説明する。

図１は前述した電子ビームのエネルギーレベルが１ＭｅＶから１０ＭｅＶと高エネルギーである場合に適した実施例を示す断面図である。この実施例は、１本の回転軸ターゲットの中に冷却水を導入し、ターゲットや冷却水を貫通したＸ線を利用するＸ線発生装置である。
チャンバ１０１は、無酸素銅の素材で作成され、そのチャンバの内壁部１０２を貫通して回転させられる無酸素銅管が回転軸ターゲット１０３を支持する。このチャンバ内壁部１０２の内径は約１０ｍｍ程度と小形である。回転軸ターゲット１０３の外径は３ｍｍ程度であり、その内径は２ｍｍ程度である。回転軸ターゲット１０３の内部には冷却用の水が流れ、発生する熱を外部に排出する。回転軸ターゲット１０３の両端に冷却用管１０４，１０４が一体に設けられている。真空容器内で使用される冷却用管（軸管）は、無酸素銅が用いられる。この外側に磁性シールユニット１０８が配置され、磁性シャフト１０７が密着嵌入させられている。回転軸ターゲット１０３の回転を機械的に安定に駆動するために、ベアリング１０６が取り付けられている。チャンバ内壁部１０２の空間を適度の高真空度に保持するために磁性流体シール１０５を用いる。

磁性流体シール１０５は、酸化鉄を主成分とした粉末をオイルの中に懸濁させた磁性流体を気密シール材として使用した回転軸シールである。内部の強力な磁界により、磁性流体が軸管に吸引され、軸管の回転運動に対してすべり、なおかつ磁性流体は内部の真空部と外気との気密性を維持する。図示しない回転ポンプとイオンポンプにより、真空維持のための排気方向１１０に向かって強力に排気するので、チャンバ内部は、１０^-8Torr程度の高真空度を保持する。
また磁性シャフト１０７と冷却用管１０４はロー付けで完全密閉して、外部からの外気を遮断して高真空度を維持する。
回転軸ターゲット１０３の構造の質量分布は軸管に対して軸対称であるので、高速回転しても軸のブレを抑えることができる。この回転軸ターゲットの回転数は６００ＲＰＭ程度である。
電子ビームは図１の紙面の上部から紙面に向かって垂直に回転軸ターゲット１０３に入射する。電子ビームは回転軸ターゲット１０３をたたくので、Ｘ線が紙面の下方方向に向かって発生する。このＸ線は、電子ビームのエネルギーレベルが１ＭｅＶから１０ＭｅＶと高エネルギーであるので、連続Ｘ線になる。当然Ｘ線が冷却水を透過するがその減衰量は微弱である。本発明のＸ線発生装置はこのように１軸中心透過形の構造であり、シンプルでかつ小形である。
特に回転軸ターゲット１０３において多量の熱が発生するので、回転軸ターゲット１０３を冷却することが重要になる。本発明の１軸中心透過形の構造は、回転軸ターゲット１０３の表面の直下に冷却水を流す構造であるので、冷却効果が高い。よって、高い電子ビームのエネルギーを印加して、強力なＸ線が得られる。

図２は本発明の２軸タイプ回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の回転軸ターゲット断面図である。
電子ビーム２０１は２つの回転軸ターゲット２０２Ａと２０２Ｂとの接触部に入射する。電子ビーム２０１の半値幅は、１ｍｍφ程度である。
電子ビームが２つの回転軸ターゲットの接触部をたたくので、Ｘ線２０５が下方方向に向かって発生する。２つの回転軸ターゲット２０２Ａと２０２Ｂの内部に冷却管２０３Ａと２０３Ｂがあり、冷却水２０４Ａ，２０４Ｂがそれぞれ２０３Ａと２０３Ｂを流れ、発生する熱を放出する。本発明のＸ線発生装置はこのように２本の回転軸ターゲット形の構造であり、シンプルでかつ小形である。

図３は本発明の２軸タイプ回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の構造図である。
チャンバ３０１の内部には高真空度に保った空間があり、その中心部に２軸タイプの回転軸ターゲット３０２Ａと３０２Ｂが配置されている。各回転軸ターゲット３０２Ａと３０２Ｂは中央部で接している。その接触部の奥（すなわち図３の紙面の奥）に電子ビーム発生源３１１が配置されている。よって電子ビームは紙面の奥から紙面の表に向かって放射される。前記電子ビームはこの回転軸ターゲット３０２Ａと３０２Ｂの接合部に照射されて、発生したＸ線が紙面の表方向に出力される。回転軸ターゲット３０２Ａの内部には冷却用管３０７Ａ（軸管）があり、その冷却管の内部に水が流れる構造になっている。同様に回転軸ターゲット３０２Ｂの内部には冷却用管３０７Ｂあり、その冷却管の内部に水が流れる構造になっている。冷却用管３０７Ａはベアリング３０４Ａを介してチャンバ３０１に取り付けられている。チャンバ３０１の内部を高真空に維持するために、Ｏリング３０３Ａにより気密性を保つ。
同様に冷却用管３０７Ｂもベアリング３０４Ｂを介してチャンバ３０１に取り付けられている。チャンバ３０１の内部を高真空に維持するために、Ｏリング３０３Ｂにより気密性を保つ。
駆動モータに連結している駆動軸３１０が回転すると、歯車３０９が回転する。そして冷却用管３０７Ａに取り付けた歯車３０８Ａが回転し、同時に回転軸ターゲット３０２Ａが回転する。
同様に、冷却用管３０７Ｂに取り付けた歯車３０８Ｂが回転し、同時に回転軸ターゲット３０２Ｂが回転する。
冷却用管３０７Ａの回転を冷却用管３０６Ａに取り付けたベアリング３０５Ａで受けている。同時にこのベアリング３０５Ａは水の漏れを防止している。

図４は前述した電子ビームのエネルギーレベルが１ＭｅＶから１０ＭｅＶの場合に適した本発明の１軸タイプ回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の基本構造図である。
この１例では、電子ビーム発生源４０１から放射した電子ビーム４０２は冷却管上に取り付けた６個のリブ状の回転軸ターゲット（４０３Ａ，４０３Ｂ，４０３Ｃ，４０３Ｄ，４０３Ｅ，４０３Ｆ）に順番にあたる。各回転軸ターゲットからＸ線が放出される。図４に、前記リブ状の回転軸ターゲット４０３Ａを切断し、拡大して示してある。銅（Ｃｕ）製のリブにターゲット材料であるタングステン（Ｗ）が埋め込まれている。
ここで電子ビーム発生源４０１の印加電圧はパルス的に加わる。すなわち、たとえば回転軸ターゲットの軸が３０回／秒で回転するときに、印加電圧のパルス周期は
1sec/30rotation/6piece=2.7m sec になる。印加電圧の時間を 3μsec として回転軸ターゲットに同期して間歇的に印加する方式をとる。電子ビーム発生装置において電圧が１０ＭＶで、電流が１ｍＡとすれば、連続印加の場合１０ＫＷの電力になる。一方パルス印加の場合、平均電力は10KW×(3μsec/2.7m sec)=11W になる。このように強力なＸ線をパルス的に発生させる方法で、平均電力は下げて装置の電源の小形化をはかることができる。
回転軸ターゲットで発生する熱は冷却管に流れる水により外部に排出する。

図５は本発明の２軸タイプ回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の基本構造図である。
この例では、チャンバ５１１の内部に設置された電子ビーム発生源５１０から放射した電子ビーム５１２は、冷却用管５０８Ａ，５０８Ｂ（軸管）上に取り付けた６組の回転軸ターゲット（５０１Ａと５０１Ｂ，５０２Ａと５０２Ｂ，５０３Ａと５０３Ｂ，５０４Ａと５０４Ｂ，５０５Ａと５０５Ｂ，５０６Ａと５０６Ｂ）に順番にあたる。そして各回転軸ターゲットからＸ線が放出される。
回転軸ターゲットの内部にある冷却水５０７Ａや５０７Ｂは、発生する熱を外部に排出する。

本発明によるＸ線発生装置は、高いエネルギーのＸ線や種々の波長のＸ線を発生することができるので、材料の分析やＸ線診断装置やＸ線治療装置の製造または利用の産業分野に広く利用することができる。

本発明の１本の回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の実施例を切断して示した図である。本発明の２本の回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置の実施例の回転軸ターゲット部分を切断して示した図である。本発明の前記実施例装置を切断して示した図である。本発明のリブを持つ回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置を切断して示した図である。本発明の多種の回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置を切断して示した図である。従来の回転軸ターゲット形Ｘ線発生装置を示す断面図である。

符号の説明

１０１無酸素銅のチャンバ
１０２チャンバ内壁部
１０３回転軸ターゲット
１０４冷却用管（軸管）
１０５磁性流体シール
１０６ベアリング
１０７磁性シャフト
１０８磁性シールユニット
１０９接合部
１１０真空度維持のための排気方向
２０１電子ビーム
２０２Ａ２０２Ｂ回転軸ターゲット
２０３Ａ２０３Ｂ冷却用管（軸管）
２０４Ａ２０４Ｂ冷却水
２０５Ｘ線
３０１チャンバ
３０２Ａ，３０２Ｂ回転軸ターゲット
３０３Ａ，３０３ＢＯリング
３０４Ａ，３０４Ｂベアリング
３０５Ａ，３０５Ｂベアリング
３０６Ａ，３０６Ｂ冷却用管
３０７Ａ，３０７Ｂ冷却用管（軸管）
３０８Ａ，３０８Ｂターゲット回転用歯車
３０９駆動歯車
３１０駆動軸
３１１電子ビーム発生源
４０１電子ビーム発生源
４０２電子ビーム
４０３Ａ，４０３Ｂ，４０３Ｃ，４０３Ｄ，４０３Ｅ，４０３Ｆ回転軸ターゲット
４０４冷却用管（軸管）
４０５Ｘ線
５０１Ａ，５０１Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０２Ａ，５０２Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０３Ａ，５０３Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０４Ａ，５０４Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０５Ａ，５０５Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０６Ａ，５０６Ｂ同種金属の回転軸ターゲット
５０７Ａ，５０７Ｂ冷却水
５０８Ａ，５０８Ｂ冷却用管（軸管）
５１０電子ビーム発生源
５１１チャンバ
５１２電子ビーム

Claims

真空容器と、
軸管と前記軸管の一部もしくは前記軸管と一体に設けられたターゲットを含む回転軸ターゲット組立と、
前記真空容器内に前記回転軸ターゲット組立を気密に回転可能に支持する軸受けと、
前記回転軸ターゲット組立を回転駆動する回転駆動手段と、
前記軸管のターゲットに対応する全内壁面に接して流れる冷却媒体を供給する冷却手段と、
回転移動可能に設けられたタ−ゲットから制動Ｘ線を含む高エネルギーＸ線を発生させるために高エネルギー電子ビームを発生する電子源とを含み、
前記電子ビームを前記軸管に直角方向から前記ターゲットに入射させ、入射側と反対側に高エネルギーＸ線を発生させることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１記載のＸ線発生装置において、
前記軸管と一体に設けられたターゲットは、前記軸管の表面にその軸方向に平行で一体に設けられたリブ状のターゲットであり、
前記電子源は回転中の前記ターゲットに電子ビームを入射させるように同期して電子ビームを発生することを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１記載のＸ線発生装置において、
前記回転軸ターゲット組立は、接触回転させられるターゲットを有する一対の回転軸ターゲット組立であり、
前記電子ビームは、前記各ターゲットの表面の接触回転位置につながる両方の斜面に入射させられることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１〜３記載のＸ線発生装置において、
前記電子源は、平均電力を下げても高エネルギーＸ線を発生させるためパルス列状の電子ビームを発生するように構成されているＸ線発生装置。
請求項１〜４記載のＸ線発生装置において、
前記高エネルギーＸ線は１ＭｅＶ以上であることを特徴とするＸ線発生装置。