JP4978695B2 - X線管装置 - Google Patents

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Description

この発明は、X線管装置に係り、特に、陽極が外囲器と一体となって回転する方式のX線管等、電子ビームを四重極磁場レンズなどに代表される磁場発生器により集束、偏向させてターゲットに衝突させるX線管に関する。
従来のX線管装置としては、陽極が外囲器と一体となって回転し、X線管内の軸中心に設けられた陰極の電子源からの電子ビームを、X線管外に設けられた磁場発生器で集束、偏向させて、陽極のターゲットディスク上の所定位置に焦点を形成する外囲器回転型のX線管装置がある(例えば、特許文献1参照)。かかる外囲器回転型のX線管装置に設けられた磁場発生器はコイルとヨークとで構成され、電子ビームを集束させるための集束磁場を発生させるが、同時に、電子ビームを偏向させる偏向磁場を重畳して発生させることができる。そのような磁場発生器としては、例えば、四重極磁場レンズや八重極磁場レンズがある。したがって、電子ビームを集束、偏向させて、陽極のターゲットディスク上の所定位置に焦点を形成することができる。また、陽極が回転するので、集束、偏向した電子ビームの衝突がターゲットディスク上の同一位置に集中することがない。したがって、電子ビームの衝突で発生した熱がターゲットディスク上の同一位置に集中することなく、ターゲットディスクの溶融を防止することができる。また、電子ビームの衝突で発生した熱は外囲器と一体となったターゲットからX線管外へ熱伝導で放熱される。したがって、X線管の冷却効率が良く、冷却時間をとることなくX線の連続照射も可能となる。
米国特許第5,883,936号明細書
しかしながら、かかるX線管装置の場合には、電子ビームを偏向させてターゲット上の所定位置に焦点を形成するので、陽極に衝突するスポット径(焦点サイズ)、すなわちX線源径が小さくならないという問題点がある。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、X線源径を小さくするようなX線管装置を提供することを目的とする。
発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。
すなわち、磁場発生器に流す電流とコイルの巻数との積である起磁力、あるいは陰極や陽極などに印加する電圧などの電子ビーム制御条件を操作してもX線源径を小さくするには限界がある。そこで、電子ビーム制御条件を操作するという発想を変えて、X線管装置の構造そのものを変更することに着目してみた。例えば、磁場発生器は、電子ビームの軸に直交する平面に対して平行、すなわち電子ビームの軸に直交しているが、この磁場発生器を、電子ビームの軸に直交する平面に対して傾斜させてみた。図2(a)は、傾斜角とそれに対する焦点サイズの変化のグラフであり、図2(b)は、磁場発生器を傾斜させないときの焦点サイズのシミュレーション結果であり、図2(c)は、磁場発生器を傾斜させたときの焦点サイズのシミュレーション結果である。なお、焦点サイズは様々な条件の下で変化するので、図2の焦点サイズは参考のためのデータであることに留意されたい。
図2(b)からも明らかなように磁場発生器を傾斜させないときには、焦点サイズは横方向の長さLが0.59mmで縦方向の幅Lが0.71mmであった。それに対して、図2(c)からも明らかなように電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を25°で傾斜させたときには、焦点サイズは横方向の長さLが0.48mmで縦方向の幅Lが0.39mmであった。特に、磁場発生器を25°傾斜させたときの縦方向の幅Lは、磁場発生器を傾斜させないときよりも半分近くサイズを小さくすることができる。これは電子ビームの軸に直交する平面に対して傾斜させることで投影方向の幅、すなわち縦方向の幅Lが小さくなったと仮定することができる。実際に、図2(a)に示すように、傾斜角を変化させると、傾斜角が大きくなるのにしたがって(縦方向の幅Lにおける)焦点サイズが小さくなることが確認されている。このように図2の結果から、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を傾斜させて配設すれば、X線源径を小さくすることができるという知見を得た。
このような知見に基づくこの発明は、次のような構成をとる。
すなわち、この発明のX線管装置は、X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記電子ビームの軸に直交する平面に対して前記磁場発生器を傾斜させて配設することを特徴とするものである。
この発明のX線管装置によれば、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を傾斜させて配設することでX線源径を小さくすることができる。
上述した発明のX線管装置は、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を、集束、偏向した電子ビームよりも陰極側までの範囲で傾斜させて配設するのが好ましい。陰極側とは逆側(すなわち陽極側)まで傾斜させると、小さくなったX線源径が大きくなる恐れがあるので、陰極側までの範囲で傾斜させるのが好ましい。磁場発生器を傾斜させる角度は、必要なX線源径(焦点サイズ)に応じて設定する。すなわち、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を所望のX線源径が得られるまで傾斜させて配設する。例えば、0.4mmのX線源径(焦点サイズ)が必要であれば0.4mmのX線源径(焦点サイズ)になるように磁場発生器の角度を設定する。特に、磁場発生器を傾斜させないときと比べて、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器をX線源径が50%小さくなるまで傾斜させて配設するのがより好ましい。
また、上述した発明とは別の発明のX線管装置は、X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記磁場発生器の各磁極がなす角度である磁極の分配角度のうち、前記電子ビームの偏向方向を含む2つの分配角度を互いに異ならせることにより当該2つの分配角度を、前記電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることを特徴とするものである。
この発明のX線管装置によれば、磁場発生器の各磁極がなす角度である磁極の分配角度のうち、電子ビームの偏向方向を含む2つの分配角度を互いに異ならせることにより当該2つの分配角度を、電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることでX線源径を小さくすることができる。
また、上述したこれらの発明とは別の発明のX線管装置は、X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記磁場発生器の各磁極の長さを、前記電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることを特徴とするものである。
この発明のX線管装置によれば、磁場発生器の各磁極の長さを、電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることでX線源径を小さくすることができる。
この発明に係るX線管装置によれば、電子ビームの軸に直交する平面に対して磁場発生器を傾斜させて配設する、磁場発生器の各磁極がなす角度である磁極の分配角度のうち、電子ビームの偏向方向を含む2つの分配角度を互いに異ならせることにより当該2つの分配角度を、電子ビームの偏向方向に関して非対称にする、あるいは磁場発生器の各磁極の長さを、電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることでX線源径を小さくすることができる。
(a)は、実施例1に係るX線管装置の概略側面図であり、(b)は、実施例1に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。 (a)は、傾斜角とそれに対する焦点サイズの変化のグラフであり、(b)は、磁場発生器を傾斜させないときの焦点サイズのシミュレーション結果であり、(c)は、磁場発生器を傾斜させたときの焦点サイズのシミュレーション結果である。 実施例2に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。 変形例に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。 変形例に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。 変形例に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。 変形例に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。
符号の説明
2 … 陰極
4 … 磁場発生器
5 … 陽極
6 … 外囲器
B … 電子ビーム
O … 電子ビームの軸
V … 電子ビームの軸に直交する平面
以下、図面を参照してこの発明の実施例1を説明する。図1(a)は、実施例1に係るX線管装置の概略側面図であり、図1(b)は、実施例1に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。
図1(a)に示すように、本実施例1に係る外囲器回転型のX線管装置1は、電子ビームBを発生させる陰極2と、その陰極2を溝の中に取り付けた円筒電極3と、陰極2からの電子ビームBを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器4と、その磁場発生器4によって集束、偏向した電子ビームBの衝突によりX線を発生させる陽極5と、陰極2,円筒電極3および陽極5を内部に収容し、陽極5と一体となって回転する外囲器6とを備えている。陰極2は、この発明における陰極に相当し、磁場発生器4は、この発明における磁場発生器に相当し、陽極5は、この発明における陽極に相当し、外囲器6は、この発明における外囲器に相当する。
電子ビームBの軸O中心に陰極2とともに円筒電極3を配設している。陰極2は、例えばタングステンで形成されたフィラメントで構成されている。フィラメントを高温に加熱することで熱電子を放出して電子ビームBを発生させる。陰極2は、フィラメントなどに代表される熱電子放出型の他に、電界によるトンネル効果によって電子ビームを放出させる電界放出型に例示されるように陰極2の種類については特に限定されない。
磁場発生器4は、図1(b)に示すように、多角形(図1(b)では八角形)のヨークと中心に向かって延在された複数の鉄心に巻回されたコイルで構成される。ヨークは例えば鉄などの磁性体で形成されている。
従来であれば、磁場発生器4を、図1(a)中の二点鎖線に示すように、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して平行、すなわち電子ビームBの軸Oに直交して配設していたが、本実施例1では、図1(a)に示すように、磁場発生器4を、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜角θで傾斜させて配設する。傾斜された磁場発生器4の中心軸に符号Iを付する。
電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4を、集束、偏向した電子ビームBよりも陰極2側までの範囲で傾斜させて配設するのが好ましい。陰極2側とは逆側(すなわち陽極5側)まで傾斜させると、小さくなったX線源径が大きくなる恐れがあるので、陰極2側までの範囲で傾斜させるのが好ましい。電子ビームBの軸Oと集束、偏向した電子ビームBとのなす角度を傾斜角θとすると、本実施例1では、電子ビームBは傾斜角θが約40°程度にまで集束、偏向するので、最大で傾斜角θはθ=90°−θを満たすと、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4を最大で傾斜角50°(=90°−40°)で傾斜させることができる。したがって、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4を0°から50°までの範囲で傾斜させて配設することで、磁場発生器4を陰極2側とは逆側まで傾斜させずに陰極2側までの範囲で傾斜させることができる。
このような磁場発生器4を傾斜させる角度θは必要なX線源径(焦点サイズ)に応じて設定すればよい。すなわち、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4を所望のX線源径が得られるまで傾斜させて配設する。例えば、0.4mmのX線源径(焦点サイズ)が必要であれば0.4mmのX線源径(焦点サイズ)になるように磁場発生器4の角度θを設定する。特に、磁場発生器4を傾斜させないときと比べて、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4をX線源径が50%小さくなるまで傾斜させて配設するのがより好ましい。上述した図2(b)および図2(c)を例に採ると、図2(c)に示す磁場発生器4を25°傾斜させたときの縦方向の幅Lは、図2(b)に示す磁場発生器4を傾斜させないときよりも半分近くサイズを小さくすることができる。
陽極5は外囲器6内部に、外囲器6と一体となって配設されている。陽極5にはターゲット傾斜部5aを設けており、集束、偏向した電子ビームBが、高電圧が作る電界により陽極5に向けて加速し、ターゲット傾斜部5aに衝突することでX線を発生させる。外囲器6は真空排気されている。外囲器6の陰極2側には陰極側回転軸7を配設しており、外囲器6の陽極5側には陽極側回転軸8を配設している。両回転軸7,8を回転させることで、陽極5と一体となって外囲器6が回転する。
本実施例1に係るX線管装置1によれば、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して磁場発生器4を(本実施例1では0°から50°までの範囲で)傾斜させて配設することで、図2(a)や図2(c)に示すようにX線源径(焦点サイズ)を小さくすることができる。
なお、本実施例1では、図1(b)に示すように、磁場発生器4の各磁極がなす角度である磁極の分配角度を、電子ビームBの偏向方向(電子ビームBの軸に直交する平面Vに一致)に関して対称にし、かつ磁場発生器4の各磁極の長さを、電子ビームBの偏向方向に関して対称にしている。後述する実施例2のように磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4、後述する変形例(2)のように各磁極の長さを電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4、あるいは実施例2のように磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にして、かつ変形例(2)のように各磁極の長さを電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4を替わりに用いて、その磁場発生器4を電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して傾斜させて配設してもよい。すなわち、本実施例1と実施例2あるいは変形例(2)を組み合わせてもよい。その他に、後述する変形例(3)のように磁場発生器4の磁極を励磁させる起磁力を、電子ビームBの偏向方向に関して非対称に設定して、その設定された磁場発生器4を用いて、その磁場発生器4を電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して傾斜させて配設してもよい。
次に、図面を参照してこの発明の実施例2を説明する。図3は、実施例2に係るX線管装置の磁場発生器の概略正面図である。
本実施例2では、磁場発生器4の各磁極がなす角度である磁極の分配角度を電子ビームB(すなわち電子ビームBの軸に直交する平面V)の偏向方向に非対称にしている(図3中の「○」および「||」を参照)。なお、本実施例2のX線管装置1(図1(a)を参照)では、上述した実施例1のように磁場発生器4を、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜角θで傾斜させて配設してもよいし、図1(a)中の二点鎖線に示すように、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して平行、すなわち電子ビームBの軸Oに直交して配設してもよい。
つまり、本実施例2では、磁場発生器4の磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向(電子ビームBの軸に直交する平面V)に非対称にしていれば、磁場発生器4の配設については、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して傾斜させてもよいし、傾斜させずに平行にしてもよい。なお、上述した実施例1のように、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して磁場発生器4を傾斜角θで傾斜させて配設する場合には、言い換えれば、本実施例2のように磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4を実施例1の磁場発生器4の替わりに用いていることになり、実施例1と実施例2とを組み合わせた構造となる。
本実施例2に係るX線管装置1によれば、磁場発生器4の磁極の分配角度を、電子ビームBの偏向方向に関して非対称にすることでX線源径(焦点サイズ)を小さくすることができる。
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
(1)非破壊検査機器などの工業用装置やX線診断装置などの医用装置にも適用することができる。
(2)上述した実施例1では、磁場発生器4を電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜させて配設し、上述した実施例2では、磁場発生器4の磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にしたが、図4に示すように、磁場発生器4の各磁極の長さを、電子ビームBの偏向方向(すなわち電子ビームBの軸に直交する平面V)に関して非対称にしてもよい(図4中の「○」および「||」を参照)。
実施例2でも述べたように、上述した実施例1のように磁場発生器4を、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜角θで傾斜させて配設してもよいし、図1(a)中の二点鎖線に示すように、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して平行、すなわち電子ビームBの軸Oに直交して配設してもよい。上述した実施例1のように、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して磁場発生器4を傾斜角θで傾斜させて配設する場合には、言い換えれば、この変形例(2)のように各磁極の長さを電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4を実施例1の磁場発生器4の替わりに用いていることになり、実施例1と変形例(2)とを組み合わせた構造となる。この変形例(2)に係るX線管装置1によれば、磁場発生器4の各磁極の長さを、電子ビームBの偏向方向に関して非対称にすることでX線源径(焦点サイズ)を小さくすることができる。
(3)上述した実施例1では、磁場発生器4を電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜させて配設し、上述した実施例2では、磁場発生器4の磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にしたが、磁場発生器4の磁極を励磁させる起磁力を、電子ビームBの偏向方向(すなわち電子ビームBの軸に直交する平面V)に関して非対称に設定してもよい。上述したように、起磁力とは、磁場発生器4に流す電流と磁場発生器4の磁極のコイルの巻数との積である。
例えば、図5、図6に示すように、磁場発生器4の磁極を、電子ビームBの偏向方向に対して磁極4A,4Bと区別して、磁極4Aに流す電流をIとするとともに、磁極4Bに流す電流をIとし、図5、図6に示すように、磁極4Aのコイルの鉄心に導線が巻き回される巻数をnとするとともに、磁極4Bのコイルの鉄心に導線が巻き回される巻数をnとしたときに、I≠Iとする。また、上述した実施例2と組み合わせて、図5に示すように、磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4を用いて、I≠Iを満たせばよいし、上述した変形例(2)と組み合わせて、図6に示すように、上述した変形例(2)と組み合わせて、図6に示すように、各磁極の長さを電子ビームBの偏向方向に非対称にした磁場発生器4を用いて、I≠Iを満たせばよい。
また、実施例2や変形例(2)でも述べたように、上述した実施例1のように磁場発生器4を、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して傾斜角θで傾斜させて配設してもよいし、図1(a)中の二点鎖線に示すように、電子ビームBの軸Oに直交する平面Vに対して平行、すなわち電子ビームBの軸Oに直交して配設してもよい。上述した実施例1のように、電子ビームBの軸に直交する平面Vに対して磁場発生器4を傾斜角θで傾斜させて配設する場合には、言い換えれば、この変形例(3)のように磁極を励磁させる起磁力を、電子ビームBの偏向方向に関して非対称に設定して、その設定された磁場発生器4を実施例1の磁場発生器4の替わりに用いていることになり、実施例1と変形例(3)とを組み合わせた構造となる。この変形例(3)に係るX線管装置1によれば、磁場発生器4の磁極を励磁させる起磁力を、電子ビームBの偏向方向に関して非対称に設定することでX線源径(焦点サイズ)を小さくすることができる。
(4)上述した各実施例や変形例(2)、(3)では、実施例1と実施例2との組み合わせ、実施例1と変形例(2)、(3)との組み合わせ、実施例2と変形例(3)との組み合わせ、変形例(2)と変形例(3)との組み合わせについてそれぞれ述べたが、図7に示すように、実施例2と変形例(2)とを組み合わせてもよい。すなわち、磁場発生器4について、磁極の分配角度を電子ビームBの偏向方向に非対称にするとともに、各磁極の長さを電子ビームBの偏向方向に非対称にしてもよい。
(5)上述した各実施例や変形例(2)、(3)では、各実施例や変形例(2)、(3)から2つの例をそれぞれ組み合わせた場合を例に採って説明したが、3つ以上の例、例えば、実施例1と実施例2と変形例(2)との組み合わせ、実施例1と実施例2と変形例(3)との組み合わせ、実施例1と変形例(2)と変形例(3)との組み合わせ、実施例2と変形例(2)と変形例(3)との組み合わせ、あるいは全ての実施例1と実施例2と変形例(2)と変形例(3)との組み合わせであってもよい。
(6)上述した各実施例では、八角形に代表される多角形の鉄心からなる磁場発生器(磁場発生器4)で説明したが、形状については特に限定されず、例えば、円状であってもよい。また、磁場発生器は、四重極磁場レンズや八重極磁場レンズなどに例示されるように、特に限定されない。

Claims (6)

  1. X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記電子ビームの軸に直交する平面に対して前記磁場発生器を傾斜させて配設することを特徴とするX線管装置。
  2. 請求項1に記載のX線管装置において、前記電子ビームの軸に前記直交する平面に対して前記磁場発生器を、集束、偏向した前記電子ビームよりも前記陰極側までの範囲で傾斜させて配設することを特徴とするX線管装置。
  3. 請求項2に記載のX線管装置において、前記電子ビームの軸に前記直交する平面に対して前記磁場発生器を所望のX線源径が得られるまで傾斜させて配設することを特徴とするX線管装置。
  4. 請求項3に記載のX線管装置において、前記電子ビームの軸に前記直交する平面に対して前記磁場発生器をX線源径が50%小さくなるまで傾斜させて配設することを特徴とするX線管装置。
  5. X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記磁場発生器の各磁極がなす角度である磁極の分配角度のうち、前記電子ビームの偏向方向を含む2つの分配角度を互いに異ならせることにより当該2つの分配角度を、前記電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることを特徴とするX線管装置。
  6. X線を発生させるX線管装置であって、電子ビームを発生させる陰極と、その陰極からの電子ビームを集束、偏向させるために磁場を発生させる磁場発生器と、その磁場発生器によって集束、偏向した電子ビームの衝突によりX線を発生させる陽極と、前記陰極および前記陽極を内部に収容し、前記陽極と一体となって回転する外囲器とを備え、前記磁場発生器の各磁極の長さを、前記電子ビームの偏向方向に関して非対称にすることを特徴とするX線管装置。
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