JP4573803B2

JP4573803B2 - 電磁波発生装置およびｘ線撮像システム

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Publication number: JP4573803B2
Application number: JP2006142737A
Authority: JP
Inventors: 博文田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007317383A

Description

この発明は、荷電粒子を高エネルギーに加速する加速器を用い、この加速した荷電粒子をターゲットに衝突させてＸ線等の電磁波を発生させる電磁波発生装置および電磁波発生装置を用いたＸ線撮像システムに関するものである。

円形加速器を利用した従来の電磁波発生装置には、電子蓄積リングを利用した装置等が知られている。電子蓄積リングを利用した電磁波発生装置は、入射器と電子蓄積リングから構成されており、所定のエネルギーにまで加速された電子ビームが入射器から電子蓄積リングに入射され、電子蓄積リング内の一定軌道上を周回する。周回軌道上にはターゲットが配置されており、周回する電子ビームとの衝突により、Ｘ線等の電磁波が発生するようになっている。（特許文献１参照）
特許第２７９６０７１号公報（特に段落番号００４８）

このような電子蓄積リングを利用した電磁波発生装置（特許文献１）では、電子ビームをターゲットに繰り返し衝突させる為に、Ｘ線ターゲットとしてタングステンワイヤーやカーボン薄膜を用いていた。しかも周回する電子ビームとの衝突により発生するＸ線の光源サイズを１０μｍ程度にするには、ワイヤー径は１０μｍ程度、薄膜の厚さは１０μｍ程度にする必要があった。その場合、ワイヤー径や薄膜厚が小さいと、熱伝導による除熱効果が小さく、例えばワイヤー支持部を冷却しても、冷却効果は殆どない。よって、ターゲット部に電子ビームが衝突した時の温度上昇が非常に大きく、ワイヤーや薄膜が溶けてしまうという課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて強度の強い電子ビームが衝突しても溶けることのないＸ線ターゲットを提供し、結果的に高強度のＸ線の発生が可能な電磁波発生装置、及び、前記電磁波発生装置を用いたＸ線撮像システムを実現することを目的とするものである。

この発明の電磁波発生装置は、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、この荷電粒子発生手段で発生した荷電粒子を加速する加速手段と、この加速手段で加速された荷電粒子を偏向させて周回軌道上を周回させる偏向磁界発生手段と、前記周回軌道上の安定周回領域に設置され、先端が針状に尖った金属棒で構成され、前記偏向磁界発生手段により周回している荷電粒子を前記金属棒の先端に徐々に近接させることで衝突させてＸ線を発生させるターゲットとを備え、前記ターゲットには前記荷電粒子を繰返し衝突させることで高輝度のＸ線を発生させるようにしたものである。

この発明のＸ線撮像システムは、荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、この荷電粒子発生手段で発生した荷電粒子を加速する加速手段と、この加速手段で加速された荷電粒子を偏向させて周回軌道上を周回させる偏向磁界発生手段と、前記周回軌道上の安定周回領域に設置され、先端が針状に尖った金属棒で構成され、前記偏向磁界発生手段により周回している荷電粒子を前記金属棒の先端に徐々に近接させることで衝突させてＸ線を発生させるターゲットとを有する電磁波発生装置、この電磁波発生装置で発生したＸ線を被照射体に照射してその撮影画像を検出する撮像検出器、およびこの撮像検出器で検出した画像を処理して前記被照射体の透視画像を得るデータ処理装置を備え、前記ターゲットには前記荷電粒子を繰返し衝突させることで高輝度のＸ線を発生させるようにしたものである。

この発明によれば、ターゲットが針状に尖った金属棒で構成されているため、電子ビームはターゲット先端の針状部に衝突してＸ線の光源サイズを小さく出来、一方電子ビームの衝突による温度上昇はターゲットの根元部の径の大きい箇所で除熱されるので、大強度の荷電粒子をＸ線ターゲットに衝突させることが可能となり、大強度の微小光源サイズのＸ線を発生させることができる電磁波発生装置が得られる。
またこの発明の電磁波発生装置をＸ線撮像システムに用いることにより、Ｘ線の屈折の差を用いた屈折コントラスト撮像が可能となり、コンパクトで低コストなＸ線撮像システムを実現でき、数ｍｍ程度の微小ながんを、低被曝線量で識別することができる。また、原子番号の近い２つの物質でも屈折効果の差は従来の吸収効果の差より数１００倍程度大きく、その透視識別が可能となる。

実施の形態１．
図１から図４を用いてこの発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１では荷電粒子として電子ビームを加速し、ターゲットに衝突させることでＸ線を発生させる電磁波発生装置に関し記述する。
図１はこの発明の実施の形態１による電磁波発生装置の断面図で、電子ビームが周回する電子ビーム軌道平面上で断面化したものである。図２は図１のII−II線における断面図で、この発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットの構成図である。図３はこの発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットに荷電粒子ビームが近づいていくことを示す説明図である。図４はこの発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットに荷電粒子ビームが近づいていく時の荷電粒子の垂直方向の振動の様子を示す説明図である。

図１において、荷電粒子発生手段１１は電子銃を有して荷電粒子（電子ビーム）を発生するものである。荷電粒子加速手段１２は磁界を発生して、それに基づく電界により電粒子発生手段１１で発生した荷電粒子（電子ビーム）を加速するものである。偏向磁界発生手段１３は荷電粒子加速手段１２で加速された荷電粒子を磁界により偏向させて、加速周回軌道１５上を周回させるもので、複数個（図示では４個）設けられている。Ｘ線ターゲット１４は図２で詳述するように、先端が針状に尖った金属棒で構成され、偏向磁界発生手段１３により周回している荷電粒子を前記金属棒の先端に衝突させてＸ線を発生させるものである。なおＸ線ターゲット１４は図示では１個であるが、荷電粒子の周回軌道上に複数個設けてもよい。真空ダクト１６は加速している荷電粒子を高真空に保持するもので、荷電粒子（電子ビーム）が周回するよう円環状に構成されている。

荷電粒子発生手段１１は荷電粒子の加速周回軌道１５の外側に設置され、荷電粒子は反時計方向に周回されるようになっている。またＸ線ターゲット１４は荷電粒子の周回軌道上の内側に配置され、ターゲットの針状先端部の方向を、荷電粒子が前記ターゲットの外側を周回している時には外側に向けて配置されている。また荷電粒子加速手段１２は装置の中央に配置されている。そして上記荷電粒子発生手段１１、荷電粒子加速手段１２、偏向磁界発生手段１３、Ｘ線ターゲット１４、真空ダクト１６で円形加速器が構成される。

上記構成において、荷電粒子発生手段１１で発生したパルス幅数μ秒の電子ビームは、偏向磁界発生手段１３で偏向を受けることにより真空ダクト１６内を周回しながら荷電粒子加速手段１２の磁界で誘起される電界により図の周方向に加速される。こうして電子ビームは、荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３との相互作用により荷電粒子の加速軌道１５上を周回する。
本装置内の電子ビームは偏向磁界発生手段１３の部分で略円弧軌道に沿って、偏向磁界発生手段１３がない部分は直線に近い軌道に沿って走行し、両軌道を合わせて周回軌道を構成する。偏向磁界発生手段１３の磁極端と電子ビームの進行方向のなす角度は９０度ではなく、電子ビームは磁極端を通る毎に漏洩磁場による収束を受けて所定のビームサイズで加速される。電子ビームは大気中では減衰してしまうので、高真空に保持された真空ダクト１６の内部を周回する。荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３は５０Ｈｚから数１０ｋＨｚ程度の交流磁場が電磁石電源（図示省略）によりかけられており、両者の磁場強度の関係を所定の値にすると電子ビームは大きく周回軌道を変えることなく、ある領域の中を安定に周回・加速させることが可能となる。

加速された電子ビームは荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３の磁場強度の関係を少し変えると内側に移動し、安定周回領域に設置されたターゲット１４に衝突してＸ線を発生する。発生するＸ線の光源サイズはターゲット１４のサイズとほぼ同じになるので、ターゲット１４のサイズが小さいと光源サイズを小さくすることができる。ターゲットサイズは数μｍ程度にすることが可能であり、光源サイズが数μｍ程度のＸ線源を実現することが可能である。周回している電子ビームのサイズは数ｍｍから数１００ｍｍであるので、１周回でターゲット１４に衝突する電子は少ない。しかし、ターゲット１４に衝突しなかった電子は、安定周回領域を周回しているのでそのまま装置中を周回し続ける。そしていつか必ずターゲット１４に衝突してＸ線を発生する。こうして発生したＸ線は図示していないＸ線取出しポートから取り出し、Ｘ線撮像システムなどの医療診断装置に利用する。

なお、周回する電子ビームは、ターゲット１４に衝突しない領域で所定のエネルギーまで加速された後、ターゲット１４に衝突する領域に達し、Ｘ線を発生する。よって、加速中の電子ビームは、ターゲット１４に衝突しない領域を周回するので、電子ビームは、加速途中にターゲット１４に衝突することにより無駄に失われることはない。また、ターゲット１４は、発生したＸ線がターゲット１４内で自己吸収されることにより減少することのないよう、電子ビーム周回方向、即ちＸ線発生方向に対して薄いものとなっている。さらに、ターゲット１４に衝突した電子ビームが薄いターゲットで失うエネルギーは非常に小さく、例えば１ＭｅＶの電子ビームが７μｍ厚のタングステンターゲットに衝突した時、１．６％程度のエネルギーしか失われない。エネルギーが２０％から４０％程度異なる電子ビームを安定に周回させる様に偏向磁界発生手段１３を設計することが可能であり、一度ターゲット１４に衝突した電子ビームも安定に周回を続けることができる。一度ターゲットに衝突した電子が次にターゲットに衝突するまでには数万周程度周回を続けるので、１周で数ｅＶのエネルギー増加があるとすると、次に衝突するまでに数１０ｋｅＶから数１００ｋｅＶのエネルギー増加がある。よって、何度もターゲット１４に電子ビームを衝突させることが可能となり、大強度のＸ線を発生させることができる。

ところで、上記の様に大電流の荷電粒子をＸ線ターゲット１４に衝突させるには衝突により発生する熱の除去が大きな技術課題である。微小な点光源Ｘ線とする為には、微小なＸ線ターゲットとし、そのターゲットを細いワイヤー等で支える必要があるが、細いワイヤーでは熱伝導が小さく温度上昇により微小ターゲットや細いワイヤーが溶解してしまうからである。そこでこの発明では図２に示すように、ターゲット１４を先端が針状に尖った金属棒とした。即ち、Ｘ線ターゲット１４は、径の太い（直径０．５ｍｍ程度）根元部１４ａとテーパ形状の針状突起部１４ｂと金属棒支持構造体１４ｃとで構成した。針状突起部１４ｂの先端の直径Φは２０μｍ〜５μｍ程度で、好ましくは５μｍ程度であるが、図中では視覚上太く記載している。また針状突起部１４ｂの長さｓは数１００μｍから数ｍｍである。なおこのＸ線ターゲット１４の材料としては、目的に応じて様々の材質のものを使うことができるが、融点が高く、膨張率が低く、熱伝導率の大きな材質、例えばタングステン、タンタル、モリブデン、カーボンなどの金属が使用される。なお図２において、加速器中を周回する荷電粒子である電子ビーム断面２１を模式的に表している。

荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３の磁場強度の関係を所定の値にすると荷電粒子である電子ビーム断面２１は除々にターゲット１４の針状突起部１４ｂに接近する。その接近する様子を図３に示す。図３は、ある時間の電子ビーム断面２１ａが、時間Δｔ経過した後の電子ビーム断面２１ｂを示す。時間Δｔで電子ビーム断面はΔＤだけ針状突起部１４ｂへ接近する様に、荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３の磁場強度の関係を制御する。この時、荷電粒子が針状突起部１４ｂの先端の直径分Φだけ近づく時間を、荷電粒子（電子ビーム）が円形加速器中を周回する時間（周回時間）の１０倍以上に設定する。

図４は荷電粒子である電子ビーム断面２１の中の１つの荷電粒子を模式的に表した。荷電粒子は加速器中を１つの軌道で周回しているのではなく、１つの軌道の近傍を振動（ベータトロン振動）しながら周回している。即ち、電子ビーム断面２１中に荷電粒子の周回毎の断面をプロットすると荷電粒子４１の様になる。即ち、荷電粒子４１は図示矢印のように垂直方向に振動し、電子ビーム断面２１をほぼ覆い尽くす様にして周回させることができる。よって、図３の様に荷電粒子を除々に針状突起部１４ｂへ接近させていけば、垂直方向の全ての電子ビームは針状突起部１４ｂに衝突させることが可能となり、直径７μｍ程度の点光源のＸ線を発生させることが可能となる。針状突起部１４ｂへ衝突した荷電粒子は若干エネルギーを失うがその後も周回を続ける。

以上の構成にすることで、電子ビームはターゲット先端の針状突起部１４ｂに衝突してＸ線の光源サイズを小さく出来、一方電子ビームの衝突による温度上昇はターゲットの根元部１４ａの径の大きい箇所で除熱されるので、大強度の荷電粒子をＸ線ターゲットに衝突させることが可能となる。こうして大強度の微小光源サイズのＸ線を発生させることができる。

実施の形態２
図５はこの発明の実施の形態２による電磁波発生装置の断面図で、電子ビームが周回する電子ビーム軌道平面上で断面化したものである。図６は図５に示すＸ線ターゲット付近の拡大図である。
図５において、図１と同じ符号は図１の構成と同じにつき、説明を省略する。遮蔽体５１はターゲット１４に不要な荷電粒子が衝突することを防ぐためのもので、金属の板で構成され、ターゲット１４の材料と同じ、タングステンやタンタルで構成されている。

周回を続ける荷電粒子の内、ある電子ビームは何周回かの後にターゲット１４の太い直径の根元部１４ａに衝突してしまい、Ｘ線の点光源に対しノイズとなってしまう。そこで、図６に示す様に、円形加速器中の前記Ｘ線ターゲット１４と異なる周回軌道上の上流側に、電子ビームをダンプする、即ち電子ビームがターゲットの根元部１４ａに衝突することを防ぐ遮蔽体５１を配置した。そうすることで、遮蔽体５１がなければ太い直径の根元部１４ａに衝突する荷電粒子ビームを予め除去することが可能となり、ＳＮ比の良いＸ線点光源が実現できる。なお図５では、遮蔽体５１はＸ線ターゲット１４の上流側に設けたが、下流側に設けても同様な効果が得られる。しかし遮蔽体５１は円形加速器の任意の位置におけば良いのではなく、周回する電子ビームの水平方向の振動により荷電粒子が内側にくる位置に配置する必要がある。

実施の形態３
図７はこの発明の実施の形態３による電磁波発生装置の断面図で、電子ビームが周回する電子ビーム軌道平面上で断面化したものである。図７において、図１と同じ符号は図１の構成と同じにつき、説明を省略する。
実施の形態１ではターゲット１４が荷電粒子の加速周回軌道１５上の内側に配置されていたが、実施の形態３はターゲット１４を荷電粒子の加速周回軌道１５上の外側に配置したものである。なお、ターゲット１４を荷電粒子の加速周回軌道１５上の外側に配置した場合、荷電粒子発生手段１１は荷電粒子の加速周回軌道１５の内側に設置するのが良い。この実施の形態３でも実施の形態１と同様の効果を奏する。

荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３は５０Ｈｚから数１０ｋＨｚ程度の交流磁場が電磁石電源によりかけられており、両者の磁場強度の関係を所定の値にすると電子ビームは大きく軌道を変化しないである領域の中を安定に加速する。加速された電子ビームは荷電粒子加速手段１２と偏向磁界発生手段１３の磁場強度の関係を少し変えると外側に移動し、安定周回領域に設置されたターゲット１４に衝突してＸ線を発生する。またＸ線ターゲット１４はターゲットの針状先端部の方向を、荷電粒子が前記ターゲット１４の内側を周回している時には内側に向け、荷電粒子の周回軌道上に配置されている。

またこの実施の形態３においても、実施の形態２と同様にターゲット１４に不要な荷電粒子が衝突することを防ぐための遮蔽体５１を設けることにより、Ｘ線の点光源に対するノイズを少なくすることが出来る。この場合、遮蔽体５１は円形加速器の任意の位置におけば良いのではなく、周回する電子ビームの水平方向の振動により荷電粒子が外側にくる位置に配置する必要がある。

実施の形態４
図８はこの発明の実施の形態１乃至３に示す電磁波発生装置を利用したこの発明の実施の形態４を示すＸ線撮像システムの概略構成図で、電磁波発生装置７１と撮像検出器７３とデータ処理装置７４で構成されている。電磁波発生装置７１は実施の形態１乃至３で説明した電磁波発生装置のいずれかが使用される。
電磁波発生装置７１で発生した高輝度Ｘ線７５は、被照射体である人体７２に照射され、撮像検出器７３で検出される。撮像検出器７３で検出した画像はデータ処理装置７４で処理され、透視画像となる。

電磁波発生装置７１では光源サイズ数μｍから数１０μｍ程度の高輝度のＸ線を発生させることができるので、Ｘ線の微小な屈折を利用した撮像方法である屈折コントラスト撮像が可能となる。従来はＳｐｒｉｎｇ８等の直径が数１００ｍ程度の放射光装置でしか実現できなかったので医学利用が進まなかったが、この発明では、従来のＸ線管球と同じ程度か、よりコンパクトな電磁波発生装置７１を用いて屈折コントラスト撮像が実現できるので、医学利用が大きく促進されると考えられる。屈折コントラスト撮像法を用いると密度の異なる微小物質の境界を強調した撮像が可能となり、しかも拡大画像をとることができるので、数ｍｍ程度の微小ながんを識別することができる。しかも、屈折コントラストによる撮像画像では従来の吸収コントラスト撮像画像の１０倍以上の高コントラストが実現できるので、従来の撮像方法と比較して１／１０程度の低被曝線量で撮像が実現できる。

この発明の実施の形態１による電磁波発生装置の断面図である。この発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットの構成図である。この発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットに荷電粒子ビームが近づいていくことを示す説明図である。この発明の実施の形態１によるＸ線ターゲットに荷電粒子ビームが近づいていく時の荷電粒子の垂直方向の振動の様子を示す説明図である。この発明の実施の形態２による電磁波発生装置の断面図である。この発明の実施の形態２によるＸ線ターゲット付近の拡大図である。この発明の実施の形態３による電磁波発生装置の断面図である。この発明の実施の形態４によるＸ線撮像システムの概略構成図である。

符号の説明

１１：荷電粒子発生手段、１２：荷電粒子加速手段、
１３：偏向磁界発生手段、１４、ターゲット、
１４ａ：金属棒、１４ｂ：針状突起部、１４ｃ：金属棒支持構造体、
１５：荷電粒子の加速周回軌道、１６：真空ダクト、
２１：荷電粒子ビームの断面図、４１：荷電粒子、
５１：遮蔽体、７１：電磁波発生装置、
７２：被照射体、７３：撮像検出器、
７４：データ処理装置、７５：Ｘ線

Claims

荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、この荷電粒子発生手段で発生した荷電粒子を加速する加速手段と、この加速手段で加速された荷電粒子を偏向させて周回軌道上を周回させる偏向磁界発生手段と、前記周回軌道上の安定周回領域に設置され、先端が針状に尖った金属棒で構成され、前記偏向磁界発生手段により周回している荷電粒子を前記金属棒の先端に徐々に近接させることで衝突させてＸ線を発生させるターゲットとを備え、前記ターゲットには前記荷電粒子を繰返し衝突させることで高輝度のＸ線を発生させるようにした電磁波発生装置。
ターゲットの針状先端部の方向を、荷電粒子が前記ターゲットの外側を周回している時には外側に、荷電粒子が前記ターゲットの内側を周回している時には内側に向け、荷電粒子の周回軌道上に配置することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
ターゲットの針状先端部の直径は２０μｍ〜５μｍとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波発生装置。
ターゲットの針状先端部以外に荷電粒子が衝突するのを避けるため、荷電粒子を遮蔽する遮蔽体を荷電粒子の周回軌道上の内側または外側に配置したことを特徴とする請求項２に記載の電磁波発生装置。
荷電粒子を発生させる荷電粒子発生手段と、この荷電粒子発生手段で発生した荷電粒子を加速する加速手段と、この加速手段で加速された荷電粒子を偏向させて周回軌道上を周回させる偏向磁界発生手段と、前記周回軌道上の安定周回領域に設置され、先端が針状に尖った金属棒で構成され、前記偏向磁界発生手段により周回している荷電粒子を前記金属棒の先端に徐々に近接させることで衝突させてＸ線を発生させるターゲットとを有する電磁波発生装置、この電磁波発生装置で発生したＸ線を被照射体に照射してその撮影画像を検出する撮像検出器、およびこの撮像検出器で検出した画像を処理して前記被照射体の透視画像を得るデータ処理装置を備え、前記ターゲットには前記荷電粒子を繰返し衝突させることで高輝度のＸ線を発生させるようにしたＸ線撮像システム。