JP4954525B2 - X線管 - Google Patents

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Description

X線は物体に対して透過性の良い電磁波であり、物体の内部構造の非破壊・非接触観察に多用されている。X線管は、電子銃から出射された電子をターゲットに入射させてX線を発生するのが、通例である。X線管は、特許文献1に記載のように電子銃を収容する筒状部材が、ターゲットを収容する筒状部材に取り付けられている。電子銃から出射された電子は、ターゲットに入射し、ターゲットからX線が発生する。X線は、X線管のX線出射窓を透過し、外部の試料に照射される。試料を透過したX線は、各種X線画像撮像手段によって拡大透視画像として撮像される。
米国特許第5,077,771号明細書
ところで、撮像される拡大透視画像が不鮮明になる要因の一つとして、X線出射窓から見た場合におけるX線の発生領域の形状(以下、「X線の発生形状」という。)の楕円化が挙げられる。X線の発生形状は、ターゲットに電子が入射する際の電子ビームの断面形状(以下、「電子の入射形状」という。)に起因する。つまり、電子の入射形状が円形に近づくほど、X線の発生形状も円形に近づくことになる。そのため、特許文献1に記載のX線管では、ターゲットを含む陽極の先端にシールド(フード電極)を設け、当該フード電極に電子の入射形状を調整する働きを持たせ、X線の発生形状を可能な限り円形状にしようとされていた。
一方、撮像される拡大透視画像の拡大率をあげるためには、ターゲットへの電子入射位置(X線の焦点位置)からX線出射窓までの距離(Focus Object Distance、以下「FOD」という。)を短くする必要がある。しかしながら、陽極の先端にフード電極が設けられていると、FODが長くなる。このように、従来のX線管においては、フード電極をつけない場合には、拡大透視画像の鮮明度の問題が生じ、フード電極をつけた場合には、拡大透視画像の拡大率の問題が生じるといった問題があった。
本発明は、鮮明な拡大透視画像の撮像を可能にすると共に、拡大透視画像の拡大率を上げることができるX線管を提供することを目的とする。
本発明は、陽極収容部内に配置された陽極のターゲットに、電子銃から出射された電子を入射させてX線を発生させ、そのX線をX線出射窓から取り出すX線管において、陽極から絶縁された陽極収容部は、少なくとも真空外囲器の一部を構成し、陽極収容部には、ターゲットの電子入射面を挟むように、ターゲットが取り付けられた陽極から離間して対向すると共に電子入射面に直交する面に対して平行となる一対の導電性平面部が、陽極収容部の内壁面の一部として設けられていることを特徴とする。
このように、ターゲットの電子入射面を挟むように対向すると共にターゲットの電子入射面に直交する面に対して平行となる一対の導電性平面部を陽極収容部に設けると、ターゲットの電子入射面と電子銃との間に形成される電界の作用により、電子の入射形状を円形に近づけることが可能になり、その結果としてX線の発生形状を円形に近づけることが可能となる。よって、鮮明な拡大透視画像を得ることができる。さらに、一方、フード電極を用いる必要がないために、FODを短くすることができるので、拡大透視画像の拡大率を向上させることができる。
また、陽極収容部は、電子銃が取り付けられる筒状のヘッド部と、ヘッド部内に取り付けられ、内部にターゲットの電子入射面が配置される内筒管とを有し、一対の導電性平面部は、内筒管に設けられていると好適である。このようにすると、ヘッド部と別体の内筒管に導電性平面部が形成されているので、電子銃収容部が取り付けられるヘッド部に導電性平面部を直接形成する場合に比べて、導電性平面部の形成が容易になる。
また、陽極は、直状の本体部と、本体部の先端から本体部の軸線に沿って延在する突出部とを有し、突出部にターゲットの電子入射面が形成されていると好適である。このようにすると、陽極の突出部は直状の本体部の軸線に沿って延在し、その突出部にターゲットの電子入射面が形成されているため、突出部による電界的作用が加わり、さらに、電子の入射形状を円形に近づけることが可能になる。
また、電子銃に設けられた電子出射口は、円形に形成されていると好適である。このようにすると、電子の入射形状を円形に近づけることが一層容易になる。
本発明は、鮮明な拡大透視画像の撮像を可能にすると共に、拡大透視画像の拡大率を上げることができる。
以下、図面を参照して本発明に係るX線管の実施の形態について説明をする。
[第1実施形態]
図1〜図4に示すように、X線管1Aは、密封型のX線管である。X線管1Aは、陽極収容部としての管状の真空外囲器本体3を有し、真空外囲器本体3内には後述するターゲット5dを有する陽極5が収容されている。真空外囲器本体3は、陽極5を支持する略円筒状のバルブ7と、X線出射窓10を有する略円筒状のヘッド部9と、バルブ7とヘッド部9とを連結するリング部材7bとからなり、真空外囲器本体3に電子銃収容部11が溶接されて真空外囲器2となる。また、バルブ7とヘッド部9とは共通の管軸線C1となるようにリング部材7bに固定されている。ヘッド部9には、管軸線C1方向における一端にX線出射窓10が設けられている。一方、ガラス(絶縁体)からなるバルブ7の管軸線C1方向における他端は、開口を閉じるように縮径していき、陽極5の基端部5aの一部を外部に露出させた状態で、陽極5を真空外囲器本体3内の所望の位置に保持する。つまり、真空外囲器本体3は、その一端にX線出射窓10を有するとともに、他端で陽極5を保持している。なお、以下の説明における上下は、真空外囲器本体3の管軸線C1方向における一端側(X線出射窓10側)を「上」、真空外囲器本体3の管軸線C1方向における他端側(陽極5の保持側)を「下」とする。
バルブ7の上端部には、リング部材7bが融着されている。リング部材7bは、金属製の円筒部材であり、上端に環状のフランジが形成されている。リング部材7bの上端は、ヘッド部9の下端部に当接して溶接される。
ヘッド部9は、略円筒形状である金属製の部材であり、その外周に環状のフランジ部9aが形成されている。ヘッド部9は、フランジ部9aを挟んで下部9bと上部9cに分かれ、バルブ7との間で管軸線C1が共通するように下部9bの下端部にリング部材7bが溶接されている。ヘッド部9の上部9cには、その端部の開放を閉塞するようにBe材からなるX線出射窓10が設けられている。さらに、上部9cには、真空外囲器2内を真空にするための排気孔9eが形成され、排気孔9eが形成されたヘッド部9の内壁には図示しない排気管が固定されている。
ヘッド部9内には、略円筒形状である内筒管13が取り付けられている。内筒管13の管軸線方向における下端部13aは、バルブ7内の空間に入り込んでおり、その外周側には、ヘッド部9の下端に当接する当接部13bが設けられている。
ヘッド部9の上部9cには、その外周に平面部9dが形成され(図1参照)、その平面部9dには、電子銃収容部11を装着するためのヘッド部側貫通孔9fが形成されている。これに対し、ヘッド部9内に設けられた内筒管13には、電子銃収容部11を装着するために、ヘッド部側貫通孔9fよりも小径となる内筒管側貫通孔13fが形成されている。そして、大径のヘッド部側貫通孔9f側から見て、小径の内筒管側貫通孔13fは、大径のヘッド部側貫通孔9f内に位置すると共に、X線出射窓10側に偏心して配置されている(図4参照)。
電子銃収容部11は略円筒形状であり、その一端部には、縮径して突き出た円筒状の首部11aが設けられ、その首部11aから円筒部11bが突き出している。首部11aはヘッド部9のヘッド部側貫通孔9fに嵌め込まれ、円筒部11bは内筒管13の内筒管側貫通孔13fに嵌め込まれ、これによって、電子銃収容部11の管軸線C3が真空外囲器本体3の管軸線C1と略直交するように、電子銃収容部11と内筒管13は、ヘッド部9に位置決めされる。電子銃収容部11はヘッド部9に接合される。電子銃収容部11内には、電子銃15が収容されており、電子銃収容部11を介して電子銃15がヘッド部9に取り付けられている。
図3に示すように、電子銃15は電子発生部23と集束電極25とを有しており、集束電極25は円筒状であり、集束電極25の先端は、電子銃収容部11の円筒部11bの内周面に嵌め込まれ、それによって、集束電極25は電子銃収容部11に位置決めされている。集束電極25の先端の開口と円筒部11bの開口は円形に形成されており、集束電極25の先端の開口は、電子出射口15aとなっている。
電子発生部23から電子が放出されると、その電子は集束電極25によって集束作用を受け、電子出射口15aから出射されて、後述するターゲット5dに入射する。
バルブ7とヘッド部9と内筒管13とは同心的に配置され、共通の管軸線C1を有している。陽極5は、管軸線C1上で直上に延在し、管軸線C1と共通する軸線C2を有する円柱状の本体部5fを有する。本体部5fは銅からなり、本体部5fの基端はバルブ7の他端7aに接合されている。陽極5の先端部5bには、傾斜面5cが形成されている。傾斜面5cは、X線が管軸線C1上に位置するX線出射窓10から取り出せるように、電子銃15に対面する向きで、本体部5fの軸線C2に対して所定の角度を有している。傾斜面5cには、円板状のターゲット5dが、その電子入射面5eが傾斜面5cと平行になるように埋設されている(図7参照)。ターゲット5dはタングステンからなり、一方、陽極5は、ターゲット5d以外銅からなる。電子銃15の電子出射口15aから出射された電子は、電子入射面5eに入射し、X線を発生させる。
陽極5の先端部5bは内筒管13に収容されている。内筒管13は、導電性の金属からなる。図1、図4、図5及び図6に示すように、内筒管13は、ヘッド部9内にバルブ7、ヘッド部9と同心的に配置され、共通の管軸線C1を有するように設けられている。内筒管13の管軸線C1方向における下端側は、陽極5の基端部5a側に配置され、バルブ7内の空間に入り込んでいる。また、内筒管13の内壁面には、内方に向けて盛り上がった同一形状の一対の導電性平面部13d,13dが形成され、一対の導電性平面部13d,13dは管軸線C1及び電子銃収容部11の管軸線C3に関して対称をなす。一対の導電性平面部13d,13dは、内筒管13の内部に配置されたターゲット5dの電子入射面5eを挟むように対向し、ターゲット5dの電子入射面5eに直交する面に対して平行となっている。また、導電性平面部13d,13dの長さは、少なくとも傾斜面5cに対応する領域を覆うだけの長さが必要である。
電子銃15から出射された電子は、ヘッド部9内の各電極に印加された電圧によって、ヘッド部9内の空間に形成された電界によって形成された等電位面の法線方向に力を受けながら進行し、最終的にターゲット5dの電子入射面5eに入射してX線を発生させる。電子入射面5eに電子が入射する位置はX線の焦点位置となり、X線の焦点位置からX線出射窓10までの距離がFODであり、FODが短いほど拡大透視画像の拡大率が向上する。
次に、X線管1Aにおける電子の焦点の大小、焦点形状及びFODについて、従来のX線管(米国特許第5,077,771号)からフード電極を取り除いたものと比較して説明する。
図16〜図19は、従来のX線管からフード電極を除去したX線管(以下、「従来のX線管」という。)100を示す。この従来のX線管100は、円筒ケース104の管軸線C10上に円柱状の陽極101を配置し、陽極101の先端を斜めに切り欠いた形状の傾斜面102をターゲットとして、電子を入射させてX線を発生させる。
ここで、電子の入射形状G2は、一般的にその形状が円形に近くなるほど、結果としてのX線の発生形状H2は円形に近くなる傾向がある。なお、「電子の入射形状」とは、ターゲットに電子が入射する前の電子ビームの断面形状をいい、「X線の発生形状」とは、X線出射窓から見た場合におけるX線の断面形状をいう。つまり、図16に示した断面図における、電子銃105から出射された電子の進行経路の延長線上にある電子ビームの焦点位置P3と、図17に示した断面図における、電子銃105から出射された電子の進行経路の延長線上にある電子ビームの焦点位置P4とが略一致するように近づくほど(特に微小焦点化を求める場合にはターゲット上で略一致するように近づくほど)、電子の入射形状G2は、その形状が円形に近づき、X線の発生形状H2は円形に近くなる。
従来のX線管100においては、図16及び図17において、電子ビームの焦点位置P3,P4が異なるために、図19に示すように、電子の入射形状G2は楕円になり、その結果、X線の発生形状H2も楕円化し易くなる。
これに対し、図5及び図6に示すように、本実施の形態に係るX線管1Aでは、ターゲット5dの電子入射面5eを挟むように対向すると共に電子入射面5eと直交する面に対して平行となる一対の導電性平面部13d,13dを内筒管13に設けている。そのため、従来のX線管100に比べて、図5及び図6におけるそれぞれの電子ビームの焦点位置P1,P2をほぼ等しくできるために、図8に示すように、電子の入射形状G1は円形に近づき、その結果、X線の発生形状H1も円形状となり易い。
従来のX線管100では、電子の入射形状G2が楕円となる結果、図18(B)の一点鎖線で示すように、ターゲット上における電子の入射領域の形状F2は、X線出射窓103(図16参照)からみて楕円に近い形状になる。その結果、X線の発生形状H2も楕円形となり、拡大透視画像が不鮮明になる。なお、図18は、従来のX線管100の陽極101の先端を拡大して示し、(A)図は斜視図であり、(B)図は、(A)図の(b)矢視図である。
これに対し、X線管1Aでは、電子の入射形状G1が円形に近づく結果、図7(C)に示すように、ターゲット上における電子の入射領域の形状F1をX線出射窓10(図5参照)から見て円形にし易く、X線の発生形状H1が円形となることで、鮮明な拡大透視画像を得ることができる。なお、図7は陽極5の先端部を拡大して示し、(A)図は先端部の斜視図、(B)図は、(A)図における(b)矢視図、(C)図は、(A)図における(c)矢視図である。
また、図1に示すように、X線管1Aでは、ヘッド部9内に内筒管13を取り付けることで、ヘッド部9と内筒管13とを一体に形成する場合に比べて、導電性平面部13dを容易に形成することができる。
また、X線管1Aの電子銃15に設けられた電子出射口15a(図4参照)は、円形に形成されている。そのため、電子の入射形状を一層円形にし易くすることができる。
[第2実施形態]
図9〜図13を参照し、第2実施形態であるX線管1Bについて説明する。なお、第2実施形態に係るX線管1Bにおいて、X線管1Aと同一又は同等の構造については、同一符号を付して説明を省略する。
図9〜図11に示すように、X線管1Bの陽極40は、円柱状であって直状に延在し、真空外囲器本体3の管軸線C1と共通の軸線C4となる本体部41を有し、本体部41の先端には、軸線C4に沿って延在する突出部47が形成されている。突出部47は、ヘッド部9内に配置された断面略長方形状をなし、突出部47の先端には、傾斜面47aが形成されている。傾斜面47aは、X線がX線出射窓10から取り出せるように、電子銃15に対面する向きで、本体部41の軸線C4に対して所定の角度を有している。傾斜面47aには、円板状のターゲット47bが埋設されており、ターゲット47bの電子入射面47dが傾斜面47aと平行になっている。ターゲット47bはタングステンからなり、一方、陽極5は、ターゲット47b以外銅からなる。
陽極40の突出部47には、本体部41の軸線C4と同一の方向に延在すると共に、電子入射面47dを挟むように平行に配置された一対の側面47c,47cが形成されている。さらに、一対の側面47c,47c間の幅は、この幅と同一の方向における本体部41の幅(直径)よりも小さい。そのため、図12及び図13におけるそれぞれの電子ビームの焦点位置をほぼ等しくできるために、X線の発生形状H1は円形状となり易い。また、図10及び図11に示すように、X線管1Bでは、陽極40の本体部41を直状にし、突出部47を本体部41の先端から本体部41の軸線C4に沿って延在させることで、陽極が折れ曲がっているような形状に比べて放電が起こり難く、高い動作安定性を得ることができる。
[第3実施形態]
図14及び図15を参照し、第3実施形態であるX線管1Cについて説明する。図14は、陽極50の突出部を拡大して示す斜視図である。また、図15は、突出部の周囲に形成された等電位面を示す図であり、図15の(A)図は、突出部を中心に拡大して示す断面図であり、(B)図は、(A)図のB−B線に沿う断面図である。なお、第3実施形態に係るX線管1Cにおいて、X線管1Aと同一又は同等の構造については、同一符号を付してその説明を省略する。
X線管1Cの陽極50は、円柱状であって直状に延在し、真空外囲器本体3の管軸線C1と共通の軸線C5となる本体部51を有し、陽極50には、本体部51の先端から本体部51の軸線C5方向に延在する突出部52が設けられている。突出部52は、本体部51の表面と面一に形成されて軸線C5に沿って直状に延在する曲面52aを有する。また、突出部52において、本体部51の軸線C5を挟むように曲面52aの反対側には、本体部51の表面と連続する傾斜面52bが形成されている。傾斜面52bは、本体部51の軸線C5上に位置するX線出射窓10からX線が取り出されるように軸線C5に対して所定の角度を有している(図15(A)参照)。また、傾斜面52bには、タングステンからなるターゲット52c(図14参照)が設けられている。陽極50の突出部52は内筒管13に収容され、内筒管13には、ターゲット52cの電子入射面52dを挟むように対向すると共に電子入射面52dに直交する面に対して平行となる一対の導電性平面部13d,13dが形成されている。X線管1Cは、陽極50を除いてX線管1Aと同等の構造からなる。
X線管1Cも、X線管1A、X線管1Bと同様に、従来のX線管100(図16〜図18参照)に比べ、X線の発生形状H1は円形となり易い。
また、図14に示すように、陽極50の突出部52は、本体部51の表面と面一になる曲面52aを有することで、面一となる表面が全くない場合に比べて放電が起こり難く、高い動作安定性を得ることができる。
本発明は、前述した実施形態に限定されない。例えば、ターゲット5d,47d,52dの材質は、タングステンに限定されず、その他のX線発生用材料であってもよい。また、ターゲット5d,47d,52dを陽極5,40,50の一部に設ける場合に限定されず、陽極5,40,50の全体を所望のX線発生用材料で一体に形成し、陽極5,40,50自体がターゲットとなるようにしてもよい。さらに、真空外囲器本体(陽極収容部)3に陽極5,40,50が収容される場合の「収容」とは、ターゲット5d,47d,52dの全体を収容している場合に限定されず、例えば、陽極5,40,50自体がターゲットになる場合には、ターゲットの一部が真空外囲器本体(陽極収容部)3から露出している状態も含まれる。この場合、陽極5,40,50の傾斜面5c,47a,52bがターゲットの電子入射面となる。また、陽極5,40,50は、途中で折れ曲がっていてもよい。また、管状の真空外囲器本体(陽極収容部)3とは、円形の管状に限定されず、矩形、その他の形状であってもよく、また、ストレートに伸びる管状に限定されず、カーブまたは屈曲した管状であってもよい。また、内筒管13を設けない場合には、内筒管13に設けた導電性平面部13d,13dと同一の構造となる導電性平面部を、ヘッド部9の内壁面に直接設けるようにしてもよい。
本発明に係るX線管の第1実施形態を示す分解斜視図である。 第1実施形態に係るX線管の斜視図である。 第1実施形態に係るX線管の断面図である。 図3のIV−IV線に沿う断面図である。 第1実施形態に適用する陽極の突出部の周囲に形成された等電位面を示すための拡大断面図である。 図5のVI−VI線に沿う断面図である。 陽極の先端部を拡大して示し、(A)図は先端部の斜視図、(B)図は、(A)図における(b)矢視図、(C)図は、(A)図における(c)矢視図である。 陽極の先端部を拡大して示すと共に、電子の入射形状及びX線の発生形状を示す図である。 本発明に係るX線管の第2実施形態を示し、陽極の突出部を拡大して示す斜視図である。 第2実施形態に係るX線管の断面図である。 図10のXI−XI線に沿った断面図である。 第2実施形態に適用するターゲットの突出部の周囲に形成された等電位面を示すために、突出部近傍を拡大して示す断面図である。 図12のXIII−XIIIに沿った断面図である。 本発明に係るX線管の第3実施形態を示し、陽極の突出部を拡大して示す斜視図である。 第4実施形態に適用するターゲットの突出部の周囲に形成された等電位面を示す図であり、(A)図は、突出部近傍を拡大して示す断面図であり、(B)図は、(A)図のB−B線に沿う断面図である。 従来のX線管のターゲット近傍を拡大して示す断面図である。 図16のXVII−XVII線に沿う断面図である。 従来のX線管のターゲットの先端を拡大して示し、(A)図は斜視図であり、(B)図は、(A)図の(b)矢視図である。 従来のX線管における陽極の先端を拡大して示すと共に、電子の入射形状及びX線の発生形状を示す図である。
符号の説明
1A,1B,1C…X線管、3…真空外囲器(陽極収容部)、5,40,50…陽極、5d,47b,52c…ターゲット、5f,41,51…本体部、9…ヘッド部、13…内筒管、13d…導電性平面部、47,52…突出部、5e,47d,52d…電子入射面、15…電子銃、15a…電子出射口、10…X線出射窓、C1…管軸線、C2,C4,C5…本体部の軸線。

Claims (4)

  1. 陽極収容部内に配置された陽極のターゲットに、電子銃から出射された電子を入射させてX線を発生させ、そのX線をX線出射窓から取り出すX線管において、
    前記陽極から絶縁された前記陽極収容部は、少なくとも真空外囲器の一部を構成し、
    前記陽極収容部内には、前記ターゲットの電子入射面を挟むように、前記ターゲットが取り付けられた前記陽極から離間して対向すると共に前記電子入射面に直交する面に対して平行となる一対の導電性平面部が、前記陽極収容部の内壁面の一部として設けられていることを特徴とするX線管。
  2. 前記陽極収容部は、前記電子銃が取り付けられる筒状のヘッド部と、前記ヘッド部内に取り付けられ、内部に前記ターゲットの前記電子入射面が配置される内筒管とを有し、一対の前記導電性平面部は、前記内筒管に設けられていることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  3. 前記陽極は、直状の本体部と、前記本体部の先端から前記本体部の軸線に沿って延在する突出部とを有し、前記突出部に前記ターゲットの前記電子入射面が形成されていることを特徴とする請求項1または2記載のX線管。
  4. 前記電子銃に設けられた電子出射口は、円形に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のX線管。
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