JP4505101B2 - Ｘ線発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線管のカソードの加熱量を制御することによりカソード・アノード間に流れる管電流をパルス的に制御するＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルスＸ線を発生させる方式は、カソードとアノードを有するＸ線管に印加する管電圧を、四極真空管（テトロード）などの高耐電圧スイッチングデバイスによってスイッチングする方式と、Ｘ線管にグリッドを追加して三極管構造とし、そのグリッドの電位をスイッチングする方式とがある。
【０００３】
後者の方式の場合のパルスＸ線発生を説明する。対向して配置されたアノードとカソードの間であり且つ、カソードの近傍にグリッドがある。カソードの電位を基準としてアノードに正の電位を与え、グリッドに負の電位を与える。カソードがヒータそのものである場合、またはカソードをヒータで傍熱する場合の何れかであっても、ヒータに電流を流すと、カソードから熱電子が放出される。この熱電子は、カソードとアノードの間の電界により加速されてアノードに衝突し、運動エネルギを失う。このとき消失した運動エネルギーの一部がＸ線エネルギーに変換され、熱電子がアノードに衝突した部分である焦点からＸ線が発生する。単位時間当たりにアノードへ到達する電子数、即ち管電流は、ヒータ電流とグリッド電圧及びアノード・カソード間の電位差である管電圧によって決定される。グリッド電圧、管電圧、ヒータ電流と管電流の関係は、いわゆる三極真空管と類似の特性を示す。その特性を図４に示す。ここに示す特性はグリッドを有する一般のＸ線管に共通する。管電圧とヒータ電流を一定として、グリッド電圧を０Ｖとすると、ある値の管電流が流れる。ここで、グリッド電圧をマイナスの電位として、その絶対値を大きくすると、グリッド電圧が０Ｖ付近で管電流が殆ど変化しない領域がある。これを飽和領域と呼ぶ。次第にグリッド電圧の絶対値を大きくすると、管電流は、ある値のグリッド電圧から減少し始め、ついには流れなくなる。この管電流が流れない領域をカットオフ領域と呼ぶ。また、ヒータ電流が大きいほど飽和領域で流れる管電流は大きい。さらに、ヒータ電流、グリッド電圧が一定でも管電圧が高いほど管電流は大きい傾向がある。グリッド電圧を飽和領域のある一定値ＥGsatとカットオフ領域のある一定値ＥGcoにスイッチングす ると、管電流を流す、流さない、を切り替えることができる。管電流が流れればＸ線を発生するので、このようにグリッド電圧をスイッチングすることによってＸ線の照射と非照射を切り替えることができ、つまり、パルスＸ線を発生することができる。
【０００４】
次に、前記の２つの方式に共通のパルスＸ線の管電流の制御について説明する。管電流は、測定管電流に追従して、ヒータ電流、即ちヒータの温度（カソードがヒータによって加熱される傍熱型Ｘ線管の場合はカソードの温度）を変更することによってフィードバック制御されるが、パルスＸ線の場合、この制御のみでは追従できない。即ち、ヒータ及びカソードの熱時定数は、数ｍｓ〜数十ｍｓであり、これは１ｍｓオーダのパルスＸ線を照射する用途では、立上がりが追いつかない。そこで、従来装置ではパルス発生前にヒータに予熱を与えておく方法をとって管電流の立上がりを改善している。この予熱量は、管電圧と管電流により最適値が異なるので、それぞれ別々に設定しなければならない。そのため、従来装置では、所望の管電圧と管電流の必要な組合わせ数に相当する可変抵抗器とその切換え回路よりなるヒータの予熱量設定回路を設けて、それぞれ予熱量を抵抗値として設定している。設定は、オシロスコープなどを接続し、フィードバック用の管電流を観測しながらパルス波形が最適な形状となるように可変抵抗器のつまみを回して行っている。これにより、実使用時には管電圧と管電流により自動的に対応した抵抗値に切換えられ、最適なパルス電流波形が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルスＸ線を発生するＸ線発生装置は、まず予熱量設定をするときオシロスコープなどの波形観測手段を接続する必要があるという問題がある。次に、波形を目視しながら調整するため、調整者の技能に依存し、バラツキも大きいという問題がある。また、管電圧と管電流の組合わせ数は、汎用のＸ線発生器では、数十〜数百にも達し、波形目視による調整では調整者の負担が大きく、誤設定も生じやすくなるという問題がある。また、その設定回路の大型化・高コスト化・故障率の増加などの問題もある。また従来のＸ線発生装置は、パルス管電流の実測管電流の表示がなく、信頼度に欠けるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的としては、予熱量設定時に操作者の波形観測が不要でバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を最短の立上がり時間で発生させることができ、あるいは、Ｘ線管自身の経時変化で生じる管電流の変動を自動補正することができ、また装置の健全性を確認することができるＸ線発生装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させ、前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を変化させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなる前記カソードの予熱量を記憶し、前記記憶したカソードの予熱量を次以降のパルス管電流における管電流値の制御に利用する制御手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用時において、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であってもオーバシュート等のない最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値（振幅値）に制御されたパルス管電流を、最短の立上がり時間で発生させることが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなるように前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を自動調整する制御手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用に先立つ操作者による予熱量設定を要することなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であってもオーバシュート等のない最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を発生させることが可能となる。また、Ｘ線管自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させる場合に、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値を表示する表示手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用時に、サンプリングされた管電流値が表示手段に表示される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態の回路構成を示すブロック図である。この図は、Ｘ線発生装置の構成のうち、本発明の実施の形態として説明を要しない部分を省略してある。
【００１２】
まず、Ｘ線発生装置の構成を、各系統の回路ごとに説明する。
【００１３】
Ｘ線管１に印加する管電圧を生成、制御する管電圧生成・制御系の回路が、商用電源２からの交流電圧を整流・平滑する整流・平滑回路３、複数のトランジスタ等で構成され直流・交流変換を行うスイッチング回路４、例えば、高圧トランスとコッククロフト・ウォルトン（以下、Ｃ／Ｗと言う）回路で構成された昇圧回路５、Ｘ線管１のアノードＡ・カソード（ヒータ）Ｋ間に直列接続された抵抗器群から構成される管電圧分圧回路６、制御手段としてのＭＰＵ（マイクロプロセッサ）７、第１のＤ／Ａコンバータ８及び管電圧制御回路９で構成されている。
【００１４】
Ｘ線管１のアノードＡ・カソードＫ間に流れる管電流を制御する管電流制御系の回路が、第２のＤ／Ａコンバータ１０、第３のＤ／Ａコンバータ１１、管電流制御回路１２、スイッチング回路１３、ヒータトランス１４、このヒータトランス１４の二次側に接続された管電流検出抵抗器１５、サンプルホールド回路１６及びＡ／Ｄコンバータ１７で構成されている。
【００１５】
記憶手段としてはＲＯＭ１８及びＲＡＭ１９が備えられ、パルス生成系の回路としてはパルス生成回路２０及びグリッド電源回路２１が備えられている。グリッド電源回路２１の出力端子はＸ線管１のグリッドＧに接続されている。
【００１６】
また、管電圧、管電流の設定、調整及び表示等を行う回路として、管電圧設定回路２２、管電圧設定値表示回路２３、管電圧実測値表示回路２４、管電流設定回路２５、管電流設定値表示回路２６、管電流実測値表示回路（表示手段）２７及びパルス管電流調整モード回路２８が備えられている。これらの設定、調整、表示等の各回路は操作・表示インタフェース回路２９を介してＭＰＵ７に接続されている。
【００１７】
次に、上述のように構成されたＸ線発生装置の各作用を説明する。
【００１８】
まず、管電圧の生成・制御作用から説明する。商用電源２からの交流電圧を整流・平滑回路３で整流・平滑後、スイッチング回路４でスイッチングして直流・交流変換し、その交流出力を昇圧回路５に給電する。昇圧回路５では、高圧トランスで昇圧し、Ｃ／Ｗ回路によって昇圧・整流・平滑し直流高電圧とする。この直流高電圧を管電圧としてＸ線管１のアノードＡ・カソードＫ間に印加する。アノードＡ・カソードＫ間には、管電圧分圧回路６が接続されており、この管電圧分圧回路６から管電圧フィードバック値が管電圧制御回路９に送られる。管電圧制御回路９は、第１のＤ／Ａコンバータ８から送られる管電圧設定値と等しくなるようにスイッチング回路４を制御する。管電圧設定回路２２を手動操作することによって設定された所望の管電圧が、操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ取り込まれ、ＭＰＵ７はその設定された管電圧に相当する管電圧設定値が第１のＤ／Ａコンバータ８の出力に現れるように第１のＤ／Ａコンバータ８へ値を設定する。管電圧の設定値は、ＭＰＵ７から操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電圧設定値表示回路２３に表示される。また、管電圧フィードバック値は、図示しないＡ／Ｄコンバータにも送られ、そのＡ／Ｄ変換値はＭＰＵ７に取り込まれて管電圧実測値表示回路２４が必要とする値に変換され操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電圧実測値表示回路２４に表示される。管電圧は、正確には管電流検出抵抗器１５を経由してアノードＡ・カソードＫ間に印加されるが、この管電流検出抵抗器１５における電圧降下は数Ｖ程度であり、１０ｋＶ程度以上である管電圧に対して０．１％以下なので、この管電流検出抵抗器１５における電圧降下は無視することができる。
【００１９】
次に、管電流の制御作用を説明する。管電流はＸ線管１のアノードＡからカソードＫへ流れる電流である。この管電流が管電流検出抵抗器１５によって電圧値に変換され、管電流フィードバック値ＴＣＦＢとなる。ＴＣＦＢは、管電流制御回路１２にフィードバックされる。管電流制御回路１２は、ＴＣＦＢが第２のＤ／Ａコンバータ１０から設定される管電流設定値に対応する値となるようにヒータトランス１４の一次側にあるスイッチング回路１３を制御する。Ｘ線を連続的に照射する場合には、グリッド電圧をＥGsatに相当する一定値として、このフィードバック制御ループによって管電流は制御される。ここで、グリッド電圧をＥGcoにすると、管電流を遮断することができる。このようにして管電流を遮断し た状態で、グリッド電圧をＥGcoからＥGsatに切り替えると、管電流は流れ始め 、その立上がり特性は、管電流遮断中のヒータの加熱量、即ち、ヒータの予熱量によって決まる。管電流の立上がり特性を図２に示す。ヒータの予熱量が大き過ぎる場合、管電流の立上がり特性は図２ｃに示すように、管電流設定値よりも大きな値にまでオーバシュートしＸ線管１の損傷を招くおそれがある。一方、ヒータの予熱量が小さ過ぎる場合、管電流の立上がり特性は図２ｂに示すように、管電流設定値までの立上がり所要時間が長過ぎて、管電流が設定値に到達する前にＸ線照射パルスが消失するなどの問題がある。そのため、管電流の立上がり特性が図２ａに示すように、オーバシュートなしで最短の立上がり時間となるように、ヒータの予熱量を設定することが必要である。
【００２０】
ヒータの予熱量を最適値に調整するための方法を説明する。パルス管電流調整モード回路２８を手動によって、「パルス管電流調整モード」とする。その情報は操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７に伝送され、パルス管電流調整モードで必要とされる所定の周期とパルス幅を生成するように、ＭＰＵ７からパルス生成回路２０に指令される。グリッド電源回路２１は、この所定の周期とパルス幅でＥGcoとＥGsatとにスイッチングされ、パルス管電流が流れる 。その管電流フィードバック値は、グリッド電圧をＥGcoからＥGsatに切り替え られたｔsamp時間後にサンプルホールド回路１６によってサンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータ１７によってＡ／Ｄ変換される。その変換値は、操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電流実測値表示回路２７に表示される。その表示値が、管電流設定値表示回路２６に表示された管電流設定値と等しくなるようにパルス管電流調整モード回路２８の予熱量加減スイッチによって手動で調整する。予熱量加減スイッチが操作されると、その情報は操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ伝送され、ＭＰＵ７は、そのスイッチ操作に相当する予熱量設定値を第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力する。こうして予熱量が変化すると、パルス管電流の立上がり特性が変化し、前記のように、サンプルホールドされ管電流実測値表示回路２７に表示される管電流も変化する。調整が完了したら、パルス管電流調整モード回路２８の予熱量記憶スイッチを操作する。すると、ＭＰＵ７はそのとき第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力していた値を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶する。管電圧及び管電流の各設定値を変化させるたびに、この予熱量を同様に調整する。ＭＰＵ７はそのときどきに第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力していた値を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶する。
【００２１】
以上のようにして、パルス管電流調整モードでの調整を完了したら、パルス管電流調整モード回路２８のスイッチ操作によってパルス管電流調整モードを終了し、通常使用モードにする。このとき、その操作情報は、操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ伝送され、ＭＰＵ７はパルス生成回路２０に対して、通常使用モードで使用するパルスの周期と幅を生成するよう指令を発生する。また、ＭＰＵ７は管電圧と管電流の各設定回路２２，２５によって設定された管電圧と管電流の各値に対応する予熱量のデータをＲＡＭ１９から読み出し、第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する。パルス管電流のフィードバック値は、管電流実測値表示回路２７に表示されるので、管電流設定値表示回路２６に表示される値と目視で比較することができる。Ｘ線管１は、管電圧と予熱量が一定でもそれ自身の経時変化によって管電流が変化する。管電流実測値表示回路２７に表示される値と管電流設定値表示回路２６に表示される値との偏差が増大した場合には、パルス管電流調整モードによって再調整する。
【００２２】
なお、管電流制御回路１２は、パルス幅内ではヒータの予熱量とは無関係にパルス管電流のフィードバック値が管電流設定値と等しくなるようにヒータの加熱量を制御する。これにより、パルスＸ線のパルス幅がヒータの熱時定数程度以上に長い場合にも制御が良好となる。
【００２３】
また、通常使用モードにおいて、パルス管電流調整モードでヒータの予熱量を調整していない管電圧と管電流の組合わせが、管電圧と管電流の各設定回路２２，２５に設定された場合には、パルス管電流調整モードによってヒータの予熱量を手動調整する。
【００２４】
また、以上で用いたサンプリングのタイミングｔsampは、ヒータを含む管電流制御回路１２の時定数の２０〜２００％程度がよいが、最適値はＸ線管種に依存するので一度、パルス電流波形を見て決めるのがよい。
【００２５】
以上に述べた本実施の形態において、管電流を流すときには、図１に図示しないＸ線オン／オフ制御回路によって管電圧及び管電流の印加を許可する条件が生成されるが、これは公知の技術であるため記述しない。
【００２６】
上述したように、本実施の形態によれば、ヒータの熱時定数より短いパルス幅のＸ線をオーバシュートなく、最短の立上がり時間で発生することができる。また長いパルス幅のＸ線も良好に発生することができる。多くの管電圧及び管電流の組合わせに相当する数の予熱量の調整値をコンパクトに再現性よく保持することができる。従来のようにオシロスコープなどのパルス管電流のフィードバック波形観測手段を用いることなく、容易に個人差やバラツキなく、パルス管電流のフィードバック波形を最適化することができる。また、通常使用モードにおいてもパルス管電流実測値を表示することができ、装置の健全性確認が可能である。
【００２７】
次に、上記実施の形態に対する各変形例を説明する。
【００２８】
第１の変形例を説明する。上記実施の形態では、パルス管電流調整モードによって予熱量を予め手動で調整し、この調整した予熱量を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶させるようにしている。第１の変形例では、サンプルホールド回路１６によってサンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータ１７によってＡ／Ｄ変換された管電流フィードバック値と、管電流設定値とをＭＰＵ７内で比較演算し、ＭＰＵ７は、管電流フィードバック値が管電流設定値と等しくなるように第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する予熱量に相当する値を自動的に調整する。この制御は通常のＰＩＤ制御を行うが管電圧、管電流の１つの組合わせに対し、最初に求めた最適予熱量を記憶して、以後は制御せずにこの記憶値を用いるようにしてもよい。
【００２９】
第１の変形例によれば、予熱量を自動調整することによって、予熱量の設定が不要となり、またＸ線管１自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することができる。
【００３０】
第２の変形例を図３を用いて説明する。この変形例は前記実施の形態の管電流制御回路を変更したものであり、管電流制御回路３２には、管電流設定値と管電流フィードバック値及びサンプルホールド回路１６によってサンプリングされた管電流フィードバック値であるサンプルホールド値とが入力される。管電流制御回路３２はパルス幅内では管電流フィードバック値が管電流設定値と等しくなるよう、また、パルス幅外（予熱）ではサンプルホールド値が管電流設定値と等しくなるようスイッチング回路１３を制御する。この制御は通常のＰＩＤ制御を行うが予熱制御はＸ線オン直後のみ行って以後は固定してもよい。
【００３１】
第２の変形例によれば、上記第１の変形例と略同様の効果が得られる。
【００３２】
第３の変形例を説明する。通常使用モードにおいて、パルス管電流調整モードで予熱量を調整していない管電圧と管電流の組合わせが、管電圧と管電流の各設定回路２２，２５に設定された場合には、ＭＰＵ７は既にＲＡＭ１９に記憶された組合わせでの予熱量を用いて、予熱量を二次元的に補間計算して第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する。
【００３３】
第３の変形例によれば、ヒータの予熱量を調整する管電圧と管電流の組合わせ数を減らすことができる。通常使用モードにおいて、ヒータの予熱量を未調整の管電圧と管電流の組合わせが設定された場合に、パルス管電流調整モードを実行せずに使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値が所定値となるカソードの予熱量を記憶し、この記憶した予熱量を次以降のパルス管電流における管電流値の制御に利用する制御手段を具備させたので、予熱量設定時に操作者の波形観測が不要となり、したがって個人差やバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値（振幅値）に制御されたパルス管電流を、最短の立上がり時間で発生させることができる。
【００３５】
請求項２記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値が所定値となるようにカソードの予熱量を自動調整する制御手段を具備させたので、予熱量設定を必要とせず、したがって個人差やバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を発生させることができる。また、Ｘ線管自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することができる。
【００３６】
請求項３記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値を表示する表示手段を具備させたので、実使用時に、サンプリングされた管電流値が表示されて、装置の健全性を確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるＸ線発生装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施の形態における管電流応答特性及びサンプリング点を示す図である。
【図３】上記実施の形態の第２の変形例における管電流制御部を示すブロック図である。
【図４】グリッドを持つＸ線管の管電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１ Ｘ線管
７ ＭＰＵ（制御手段）
９ 管電圧制御回路
１２ 管電流制御回路
１６ サンプルホールド回路
２７ 管電流実測値表示回路（表示手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線管のカソードの加熱量を制御することによりカソード・アノード間に流れる管電流をパルス的に制御するＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルスＸ線を発生させる方式は、カソードとアノードを有するＸ線管に印加する管電圧を、四極真空管（テトロード）などの高耐電圧スイッチングデバイスによってスイッチングする方式と、Ｘ線管にグリッドを追加して三極管構造とし、そのグリッドの電位をスイッチングする方式とがある。
【０００３】
後者の方式の場合のパルスＸ線発生を説明する。対向して配置されたアノードとカソードの間であり且つ、カソードの近傍にグリッドがある。カソードの電位を基準としてアノードに正の電位を与え、グリッドに負の電位を与える。カソードがヒータそのものである場合、またはカソードをヒータで傍熱する場合の何れかであっても、ヒータに電流を流すと、カソードから熱電子が放出される。この熱電子は、カソードとアノードの間の電界により加速されてアノードに衝突し、運動エネルギを失う。このとき消失した運動エネルギーの一部がＸ線エネルギーに変換され、熱電子がアノードに衝突した部分である焦点からＸ線が発生する。単位時間当たりにアノードへ到達する電子数、即ち管電流は、ヒータ電流とグリッド電圧及びアノード・カソード間の電位差である管電圧によって決定される。グリッド電圧、管電圧、ヒータ電流と管電流の関係は、いわゆる三極真空管と類似の特性を示す。その特性を図４に示す。ここに示す特性はグリッドを有する一般のＸ線管に共通する。管電圧とヒータ電流を一定として、グリッド電圧を０Ｖとすると、ある値の管電流が流れる。ここで、グリッド電圧をマイナスの電位として、その絶対値を大きくすると、グリッド電圧が０Ｖ付近で管電流が殆ど変化しない領域がある。これを飽和領域と呼ぶ。次第にグリッド電圧の絶対値を大きくすると、管電流は、ある値のグリッド電圧から減少し始め、ついには流れなくなる。この管電流が流れない領域をカットオフ領域と呼ぶ。また、ヒータ電流が大きいほど飽和領域で流れる管電流は大きい。さらに、ヒータ電流、グリッド電圧が一定でも管電圧が高いほど管電流は大きい傾向がある。グリッド電圧を飽和領域のある一定値ＥGsatとカットオフ領域のある一定値ＥGcoにスイッチングす ると、管電流を流す、流さない、を切り替えることができる。管電流が流れればＸ線を発生するので、このようにグリッド電圧をスイッチングすることによってＸ線の照射と非照射を切り替えることができ、つまり、パルスＸ線を発生することができる。
【０００４】
次に、前記の２つの方式に共通のパルスＸ線の管電流の制御について説明する。管電流は、測定管電流に追従して、ヒータ電流、即ちヒータの温度（カソードがヒータによって加熱される傍熱型Ｘ線管の場合はカソードの温度）を変更することによってフィードバック制御されるが、パルスＸ線の場合、この制御のみでは追従できない。即ち、ヒータ及びカソードの熱時定数は、数ｍｓ〜数十ｍｓであり、これは１ｍｓオーダのパルスＸ線を照射する用途では、立上がりが追いつかない。そこで、従来装置ではパルス発生前にヒータに予熱を与えておく方法をとって管電流の立上がりを改善している。この予熱量は、管電圧と管電流により最適値が異なるので、それぞれ別々に設定しなければならない。そのため、従来装置では、所望の管電圧と管電流の必要な組合わせ数に相当する可変抵抗器とその切換え回路よりなるヒータの予熱量設定回路を設けて、それぞれ予熱量を抵抗値として設定している。設定は、オシロスコープなどを接続し、フィードバック用の管電流を観測しながらパルス波形が最適な形状となるように可変抵抗器のつまみを回して行っている。これにより、実使用時には管電圧と管電流により自動的に対応した抵抗値に切換えられ、最適なパルス電流波形が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルスＸ線を発生するＸ線発生装置は、まず予熱量設定をするときオシロスコープなどの波形観測手段を接続する必要があるという問題がある。次に、波形を目視しながら調整するため、調整者の技能に依存し、バラツキも大きいという問題がある。また、管電圧と管電流の組合わせ数は、汎用のＸ線発生器では、数十〜数百にも達し、波形目視による調整では調整者の負担が大きく、誤設定も生じやすくなるという問題がある。また、その設定回路の大型化・高コスト化・故障率の増加などの問題もある。また従来のＸ線発生装置は、パルス管電流の実測管電流の表示がなく、信頼度に欠けるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的としては、予熱量設定時に操作者の波形観測が不要でバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を最短の立上がり時間で発生させることができ、あるいは、Ｘ線管自身の経時変化で生じる管電流の変動を自動補正することができ、また装置の健全性を確認することができるＸ線発生装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させ、前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を変化させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなる前記カソードの予熱量を記憶し、前記記憶したカソードの予熱量を次以降のパルス管電流における管電流値の制御に利用する制御手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用時において、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であってもオーバシュート等のない最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値（振幅値）に制御されたパルス管電流を、最短の立上がり時間で発生させることが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなるように前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を自動調整する制御手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用に先立つ操作者による予熱量設定を要することなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であってもオーバシュート等のない最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を発生させることが可能となる。また、Ｘ線管自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させる場合に、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値を表示する表示手段を有することを要旨とする。この構成により、実使用時に、サンプリングされた管電流値が表示手段に表示される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態の回路構成を示すブロック図である。この図は、Ｘ線発生装置の構成のうち、本発明の実施の形態として説明を要しない部分を省略してある。
【００１２】
まず、Ｘ線発生装置の構成を、各系統の回路ごとに説明する。
【００１３】
Ｘ線管１に印加する管電圧を生成、制御する管電圧生成・制御系の回路が、商用電源２からの交流電圧を整流・平滑する整流・平滑回路３、複数のトランジスタ等で構成され直流・交流変換を行うスイッチング回路４、例えば、高圧トランスとコッククロフト・ウォルトン（以下、Ｃ／Ｗと言う）回路で構成された昇圧回路５、Ｘ線管１のアノードＡ・カソード（ヒータ）Ｋ間に直列接続された抵抗器群から構成される管電圧分圧回路６、制御手段としてのＭＰＵ（マイクロプロセッサ）７、第１のＤ／Ａコンバータ８及び管電圧制御回路９で構成されている。
【００１４】
Ｘ線管１のアノードＡ・カソードＫ間に流れる管電流を制御する管電流制御系の回路が、第２のＤ／Ａコンバータ１０、第３のＤ／Ａコンバータ１１、管電流制御回路１２、スイッチング回路１３、ヒータトランス１４、このヒータトランス１４の二次側に接続された管電流検出抵抗器１５、サンプルホールド回路１６及びＡ／Ｄコンバータ１７で構成されている。
【００１５】
記憶手段としてはＲＯＭ１８及びＲＡＭ１９が備えられ、パルス生成系の回路としてはパルス生成回路２０及びグリッド電源回路２１が備えられている。グリッド電源回路２１の出力端子はＸ線管１のグリッドＧに接続されている。
【００１６】
また、管電圧、管電流の設定、調整及び表示等を行う回路として、管電圧設定回路２２、管電圧設定値表示回路２３、管電圧実測値表示回路２４、管電流設定回路２５、管電流設定値表示回路２６、管電流実測値表示回路（表示手段）２７及びパルス管電流調整モード回路２８が備えられている。これらの設定、調整、表示等の各回路は操作・表示インタフェース回路２９を介してＭＰＵ７に接続されている。
【００１７】
次に、上述のように構成されたＸ線発生装置の各作用を説明する。
【００１８】
まず、管電圧の生成・制御作用から説明する。商用電源２からの交流電圧を整流・平滑回路３で整流・平滑後、スイッチング回路４でスイッチングして直流・交流変換し、その交流出力を昇圧回路５に給電する。昇圧回路５では、高圧トランスで昇圧し、Ｃ／Ｗ回路によって昇圧・整流・平滑し直流高電圧とする。この直流高電圧を管電圧としてＸ線管１のアノードＡ・カソードＫ間に印加する。アノードＡ・カソードＫ間には、管電圧分圧回路６が接続されており、この管電圧分圧回路６から管電圧フィードバック値が管電圧制御回路９に送られる。管電圧制御回路９は、第１のＤ／Ａコンバータ８から送られる管電圧設定値と等しくなるようにスイッチング回路４を制御する。管電圧設定回路２２を手動操作することによって設定された所望の管電圧が、操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ取り込まれ、ＭＰＵ７はその設定された管電圧に相当する管電圧設定値が第１のＤ／Ａコンバータ８の出力に現れるように第１のＤ／Ａコンバータ８へ値を設定する。管電圧の設定値は、ＭＰＵ７から操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電圧設定値表示回路２３に表示される。また、管電圧フィードバック値は、図示しないＡ／Ｄコンバータにも送られ、そのＡ／Ｄ変換値はＭＰＵ７に取り込まれて管電圧実測値表示回路２４が必要とする値に変換され操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電圧実測値表示回路２４に表示される。管電圧は、正確には管電流検出抵抗器１５を経由してアノードＡ・カソードＫ間に印加されるが、この管電流検出抵抗器１５における電圧降下は数Ｖ程度であり、１０ｋＶ程度以上である管電圧に対して０．１％以下なので、この管電流検出抵抗器１５における電圧降下は無視することができる。
【００１９】
次に、管電流の制御作用を説明する。管電流はＸ線管１のアノードＡからカソードＫへ流れる電流である。この管電流が管電流検出抵抗器１５によって電圧値に変換され、管電流フィードバック値ＴＣＦＢとなる。ＴＣＦＢは、管電流制御回路１２にフィードバックされる。管電流制御回路１２は、ＴＣＦＢが第２のＤ／Ａコンバータ１０から設定される管電流設定値に対応する値となるようにヒータトランス１４の一次側にあるスイッチング回路１３を制御する。Ｘ線を連続的に照射する場合には、グリッド電圧をＥGsatに相当する一定値として、このフィードバック制御ループによって管電流は制御される。ここで、グリッド電圧をＥGcoにすると、管電流を遮断することができる。このようにして管電流を遮断し た状態で、グリッド電圧をＥGcoからＥGsatに切り替えると、管電流は流れ始め 、その立上がり特性は、管電流遮断中のヒータの加熱量、即ち、ヒータの予熱量によって決まる。管電流の立上がり特性を図２に示す。ヒータの予熱量が大き過ぎる場合、管電流の立上がり特性は図２ｃに示すように、管電流設定値よりも大きな値にまでオーバシュートしＸ線管１の損傷を招くおそれがある。一方、ヒータの予熱量が小さ過ぎる場合、管電流の立上がり特性は図２ｂに示すように、管電流設定値までの立上がり所要時間が長過ぎて、管電流が設定値に到達する前にＸ線照射パルスが消失するなどの問題がある。そのため、管電流の立上がり特性が図２ａに示すように、オーバシュートなしで最短の立上がり時間となるように、ヒータの予熱量を設定することが必要である。
【００２０】
ヒータの予熱量を最適値に調整するための方法を説明する。パルス管電流調整モード回路２８を手動によって、「パルス管電流調整モード」とする。その情報は操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７に伝送され、パルス管電流調整モードで必要とされる所定の周期とパルス幅を生成するように、ＭＰＵ７からパルス生成回路２０に指令される。グリッド電源回路２１は、この所定の周期とパルス幅でＥGcoとＥGsatとにスイッチングされ、パルス管電流が流れる 。その管電流フィードバック値は、グリッド電圧をＥGcoからＥGsatに切り替え られたｔsamp時間後にサンプルホールド回路１６によってサンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータ１７によってＡ／Ｄ変換される。その変換値は、操作・表示インタフェース回路２９を経由して管電流実測値表示回路２７に表示される。その表示値が、管電流設定値表示回路２６に表示された管電流設定値と等しくなるようにパルス管電流調整モード回路２８の予熱量加減スイッチによって手動で調整する。予熱量加減スイッチが操作されると、その情報は操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ伝送され、ＭＰＵ７は、そのスイッチ操作に相当する予熱量設定値を第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力する。こうして予熱量が変化すると、パルス管電流の立上がり特性が変化し、前記のように、サンプルホールドされ管電流実測値表示回路２７に表示される管電流も変化する。調整が完了したら、パルス管電流調整モード回路２８の予熱量記憶スイッチを操作する。すると、ＭＰＵ７はそのとき第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力していた値を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶する。管電圧及び管電流の各設定値を変化させるたびに、この予熱量を同様に調整する。ＭＰＵ７はそのときどきに第３のＤ／Ａコンバータ１１に出力していた値を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶する。
【００２１】
以上のようにして、パルス管電流調整モードでの調整を完了したら、パルス管電流調整モード回路２８のスイッチ操作によってパルス管電流調整モードを終了し、通常使用モードにする。このとき、その操作情報は、操作・表示インタフェース回路２９を経由してＭＰＵ７へ伝送され、ＭＰＵ７はパルス生成回路２０に対して、通常使用モードで使用するパルスの周期と幅を生成するよう指令を発生する。また、ＭＰＵ７は管電圧と管電流の各設定回路２２，２５によって設定された管電圧と管電流の各値に対応する予熱量のデータをＲＡＭ１９から読み出し、第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する。パルス管電流のフィードバック値は、管電流実測値表示回路２７に表示されるので、管電流設定値表示回路２６に表示される値と目視で比較することができる。Ｘ線管１は、管電圧と予熱量が一定でもそれ自身の経時変化によって管電流が変化する。管電流実測値表示回路２７に表示される値と管電流設定値表示回路２６に表示される値との偏差が増大した場合には、パルス管電流調整モードによって再調整する。
【００２２】
なお、管電流制御回路１２は、パルス幅内ではヒータの予熱量とは無関係にパルス管電流のフィードバック値が管電流設定値と等しくなるようにヒータの加熱量を制御する。これにより、パルスＸ線のパルス幅がヒータの熱時定数程度以上に長い場合にも制御が良好となる。
【００２３】
また、通常使用モードにおいて、パルス管電流調整モードでヒータの予熱量を調整していない管電圧と管電流の組合わせが、管電圧と管電流の各設定回路２２，２５に設定された場合には、パルス管電流調整モードによってヒータの予熱量を手動調整する。
【００２４】
また、以上で用いたサンプリングのタイミングｔsampは、ヒータを含む管電流制御回路１２の時定数の２０〜２００％程度がよいが、最適値はＸ線管種に依存するので一度、パルス電流波形を見て決めるのがよい。
【００２５】
以上に述べた本実施の形態において、管電流を流すときには、図１に図示しないＸ線オン／オフ制御回路によって管電圧及び管電流の印加を許可する条件が生成されるが、これは公知の技術であるため記述しない。
【００２６】
上述したように、本実施の形態によれば、ヒータの熱時定数より短いパルス幅のＸ線をオーバシュートなく、最短の立上がり時間で発生することができる。また長いパルス幅のＸ線も良好に発生することができる。多くの管電圧及び管電流の組合わせに相当する数の予熱量の調整値をコンパクトに再現性よく保持することができる。従来のようにオシロスコープなどのパルス管電流のフィードバック波形観測手段を用いることなく、容易に個人差やバラツキなく、パルス管電流のフィードバック波形を最適化することができる。また、通常使用モードにおいてもパルス管電流実測値を表示することができ、装置の健全性確認が可能である。
【００２７】
次に、上記実施の形態に対する各変形例を説明する。
【００２８】
第１の変形例を説明する。上記実施の形態では、パルス管電流調整モードによって予熱量を予め手動で調整し、この調整した予熱量を管電圧及び管電流の各設定値とともにＲＡＭ１９に記憶させるようにしている。第１の変形例では、サンプルホールド回路１６によってサンプリングされ、Ａ／Ｄコンバータ１７によってＡ／Ｄ変換された管電流フィードバック値と、管電流設定値とをＭＰＵ７内で比較演算し、ＭＰＵ７は、管電流フィードバック値が管電流設定値と等しくなるように第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する予熱量に相当する値を自動的に調整する。この制御は通常のＰＩＤ制御を行うが管電圧、管電流の１つの組合わせに対し、最初に求めた最適予熱量を記憶して、以後は制御せずにこの記憶値を用いるようにしてもよい。
【００２９】
第１の変形例によれば、予熱量を自動調整することによって、予熱量の設定が不要となり、またＸ線管１自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することができる。
【００３０】
第２の変形例を図３を用いて説明する。この変形例は前記実施の形態の管電流制御回路を変更したものであり、管電流制御回路３２には、管電流設定値と管電流フィードバック値及びサンプルホールド回路１６によってサンプリングされた管電流フィードバック値であるサンプルホールド値とが入力される。管電流制御回路３２はパルス幅内では管電流フィードバック値が管電流設定値と等しくなるよう、また、パルス幅外（予熱）ではサンプルホールド値が管電流設定値と等しくなるようスイッチング回路１３を制御する。この制御は通常のＰＩＤ制御を行うが予熱制御はＸ線オン直後のみ行って以後は固定してもよい。
【００３１】
第２の変形例によれば、上記第１の変形例と略同様の効果が得られる。
【００３２】
第３の変形例を説明する。通常使用モードにおいて、パルス管電流調整モードで予熱量を調整していない管電圧と管電流の組合わせが、管電圧と管電流の各設定回路２２，２５に設定された場合には、ＭＰＵ７は既にＲＡＭ１９に記憶された組合わせでの予熱量を用いて、予熱量を二次元的に補間計算して第３のＤ／Ａコンバータ１１へ出力する。
【００３３】
第３の変形例によれば、ヒータの予熱量を調整する管電圧と管電流の組合わせ数を減らすことができる。通常使用モードにおいて、ヒータの予熱量を未調整の管電圧と管電流の組合わせが設定された場合に、パルス管電流調整モードを実行せずに使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値が所定値となるカソードの予熱量を記憶し、この記憶した予熱量を次以降のパルス管電流における管電流値の制御に利用する制御手段を具備させたので、予熱量設定時に操作者の波形観測が不要となり、したがって個人差やバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値（振幅値）に制御されたパルス管電流を、最短の立上がり時間で発生させることができる。
【００３５】
請求項２記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値が所定値となるようにカソードの予熱量を自動調整する制御手段を具備させたので、予熱量設定を必要とせず、したがって個人差やバラツキがなく、パルス幅がカソードの熱時定数より短い場合であっても最適化された波形を持ち、且つ所定の管電流値に制御されたパルス管電流を発生させることができる。また、Ｘ線管自身の経時変化によって生じる管電流の変動を自動補正することができる。
【００３６】
請求項３記載の本発明によれば、パルス管電流を発生させる場合に、そのパルス管電流の周期に同期して管電流値をサンプリングし、そのサンプリング値を表示する表示手段を具備させたので、実使用時に、サンプリングされた管電流値が表示されて、装置の健全性を確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるＸ線発生装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施の形態における管電流応答特性及びサンプリング点を示す図である。
【図３】上記実施の形態の第２の変形例における管電流制御部を示すブロック図である。
【図４】グリッドを持つＸ線管の管電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１ Ｘ線管
７ ＭＰＵ（制御手段）
９ 管電圧制御回路
１２ 管電流制御回路
１６ サンプルホールド回路
２７ 管電流実測値表示回路（表示手段）
Claims (3)
- Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させ、前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を変化させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなる前記カソードの予熱量を記憶し、前記記憶したカソードの予熱量を次以降のパルス管電流における管電流値の制御に利用する制御手段を有することを特徴とするＸ線発生装置。
- Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させつつ、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値が所定の管電流設定値と等しくなるように前記所定周期のパルス管電流の遮断区間中の前記加熱量であるカソードの予熱量を自動調整する制御手段を有することを特徴とするＸ線発生装置。
- Ｘ線管のカソードの加熱量を可変することによりカソード・アノード間に流れる管電流を制御するとともにパルス管電流を発生する機能を持つＸ線発生装置において、所定周期のパルス管電流を発生させる場合に、前記所定周期のパルス管電流の発生に同期してパルス幅の先頭から所定時間後に管電流値をサンプリングし、前記サンプリングした管電流値を表示する表示手段を有することを特徴とするＸ線発生装置。
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