JP5194523B2

JP5194523B2 - Ｘ線発生装置

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Publication number: JP5194523B2
Application number: JP2007096375A
Authority: JP
Inventors: 信行頭本; 博文田中; 和之花川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-04-02
Also published as: JP2008257911A

Description

この発明は、加速器内で円形の軌道を描きながら周回する電子によりＸ線などの電磁波を発生させる、Ｘ線発生装置に関する。

円形加速装置を利用したＸ線発生装置として、円形磁気誘導加速器（ベータトロン）を利用したものがある。従来のベータトロンを利用したＸ線発生装置においては、電子を加速器内の真空チャンバに入射するとき、および加速した電子をターゲットに衝突するときに電子ビーム軌道の遷移をさせるためにスパイク電圧を利用する構成にしている。（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３３５０９９号公報（００２０段、００２１段、図４、図５）

ベータトロンを利用したＸ線発生装置では、電子を真空チャンバの外周部にある電子銃によって注入し、電子銃に当たらないようにするため内側に軌道を修正する。軌道修正には、コア磁石に巻着させたビーム制御コイルに負の電圧を印加する必要がある。

従来のＸ線発生装置では、ビーム制御コイルは、スイッチと抵抗、複数のコイルと複数のコンデンサからなるパルス形成用回路網（ＰＦＮ）と接続されている。このスイッチが閉状態のときに電子が注入され、スイッチの切断時にＰＦＮに設けられたコイルのインダクタンスにより負のスパイク電圧が発生する。これにより電子ビーム軌道を内側に遷移させる。電子ビーム軌道の遷移に、ビーム制御コイルに直列接続したインダクタンスを切断するときに発生するスパイク電圧を利用しているので、発生する電圧値が安定せず、電子ビーム軌道を精度良く遷移できないので、放射線強度コントロールが困難であるという問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、電子ビーム軌道の変更を正確に行えるようにして、Ｘ線強度を高精度化することができるＸ線発生装置を得るものである。

この発明にかかわるＸ線発生装置においては、真空チャンバと、該真空チャンバの内部に電子を注入する電子銃と、前記真空チャンバの外側に配置され、前記真空チャンバ内の電子ビーム軌道を前記電子銃が外側に配置されるような円形に保つための磁界を生じさせるとともに、電子ビーム軌道内の磁束密度を変化させて、電子の加速に利用される誘導電界を生じさせる主励磁コイルと、前記真空チャンバ内の円形の電子ビーム軌道の内側に配置され、電子の衝突によりＸ線を発生するターゲットと、電子ビーム軌道を遷移させる磁界を生じさせるビーム制御コイルと、該ビーム制御コイルに可変調整された直流電圧を与える制御コイル電源とを備えたものである。

この発明によれば、安定した電子ビーム軌道の変更を実現し、放射線強度を高精度化することが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるＸ線発生装置の鉛直断面図、図２はこの発明の実施の形態１におけるＸ線発生装置の水平断面図、図３はこの発明の実施の形態１における回路系統図、図４はこの発明の実施の形態１における電圧、電流、磁界の波形図である。

図１、図２において、内部を真空に保つ断面が矩形形状のドーナツ型であり内部に電子ビーム軌道１００を有する真空チャンバ１と、この真空チャンバ１内に電子を入射するように電子銃２が設けられ、前記真空チャンバ１の外側に主励磁コイル３が設置され主励磁電源４により励磁される。また、前記真空チャンバ１の内側にビーム制御コイル５が設置され、制御コイル電源６で励磁される。主励磁コイル３と真空チャンバ１とビーム制御コイル５を挟むように電磁石７を設け、この電磁石７は真空チャンバ１を挟む箇所では上下の間隔は比較的広く、真空チャンバ１の内側でビーム制御コイル５を含む部分では上下の間隔を狭くなるようにしてある。真空チャンバ１の内部で、電子ビーム軌道１００の内側には電子を衝突させ特性Ｘ線を発生させるターゲット８が置かれている。なお、電子ビーム入射時の電子ビーム軌道を１０１、ターゲットへの衝突時の電子ビーム軌道を１０２とする。

図３において、電磁石７を鉄心とするコイルは主励磁コイル３とビーム制御コイル５からなり、主励磁コイル３は交流電源である主励磁電源４に接続され、ビーム制御コイル５は複数の直流電源からなる制御コイル電源６に接続されている。この制御コイル電源６は、並列に接続された電圧Ｖ１の第１の直流電源１１、電圧Ｖ２の第２の直流電源１２、電圧Ｖ３の第３の直流電源１３、電圧Ｖ４の第４の直流電源１４から電力が供給される。第１の直流電源１１は、第１のスイッチ１５により電源供給の制御が行われ、この第１のスイッチ１５を保護するため、第１のスイッチと並列に第１の還流ダイオード１９、第１のスイッチと直列に第１の逆流防止ダイオード２３を設けている。第２の直流電源１２、第３の直流電源１３、第４の直流電源１４も同様に、それぞれ、第２のスイッチ１６と第２の還流ダイオード２０と第２の逆流防止ダイオード２４、第３のスイッチ１７と第３の還流ダイオード２１と第３の逆流防止ダイオード２５、第４のスイッチ１８と第４の還流ダイオード２２と第４の逆流防止ダイオード２６を設けている。また、第１ないし第４の電源のスイッチ接続されていない端は接地２７に接続され、ビーム制御コイル５の制御コイル電源６に接続されていない端は接地２８に接続されている。

図４において、図４（ａ）は主励磁電源４から出力される電圧の波形、図４（ｂ）は主励磁コイル３に流れる電流の波形、図４（ｃ）は制御コイル電源６から出力される電圧の波形、図４（ｄ）はビーム制御コイル５に流れる電流の波形、図４（ｅ）は主励磁コイル３とビーム制御コイル５により生成される加速電圧の波形、図４（ｆ）は電子ビーム軌道上に発生する磁界の波形を示す。

次に動作について、電子の加速から説明する。本発明のＸ線発生装置に用いるベータトロンでは、電子は電磁石７が電子ビーム軌道１００の円内に与える磁束密度の変化による誘導電界を利用して加速する。また、電子ビーム軌道を円形に保つためにこの電磁石７が電子ビーム軌道１００に与える磁界によるローレンツ力と電子の運動による遠心力とが平衡になるようにしてあり、次回の増加に従って電子が加速される。電子の遠心力とこの電磁石７による磁束密度および磁界の変化は主励磁電源４により励磁される主励磁コイル３の励磁電流が与える。

電子の加速には電子ビーム軌道１００内の磁界の増大が必要であり、電子ビーム軌道１００を円形に保つためには電子ビーム軌道１００上の磁界による電子への力を円の中心方向へむける必要があるため、交流である主励磁電源４の１／４周期を利用する。すなわち、図４（ｂ）に示す主励磁電流波形の時刻ｔ２から時刻ｔ５の間で電子を加速させる。

また、通常のサイン波形の加速電圧に対し大きい電圧を印加すると、電子ビームの速度が通常に比して上がることとなり、電子ビーム軌道は円形から外側に拡大する方向に向き、逆に通常のサイン波形の加速電圧に対し小さい電圧を印加すると、電子ビームの速度が通常に比して下がることとなり、電子ビーム軌道は円形から内側に縮小する方向に向く。

次に、電子の入射について説明する。加速電圧の正弦波が最大となっているタイミングで電子銃９から電子を入射する。このとき、１周した電子ビームが電子銃に衝突して損失とならないようにするため、軌道半径を縮小させる電子ビーム軌道１０１を描かせるように、入射タイミングに合わせて制御コイル電源６を駆動させてビーム制御コイル５にパルス電圧を印加して加速電圧を低下させる。入射が終わるタイミングでパルス電圧印加は終了し、その後は主励磁コイルによる正弦波状加速電圧の最大のタイミングからビーム加速が開始される。

電子のターゲット８への衝突時について説明する。ターゲット８は真空チャンバ１の内周に設置しているので、これに電子ビームを衝突させるためには再びビームを減速し軌道を縮小させる必要がある。このため、前記のビーム入射時と同様に、電子が所定のエネルギーまで達したとき、すなわち正弦波形の加速電圧が負になる直前に、制御コイル電源６を駆動させてビーム制御コイル５に負のパルス電圧を印加して加速電圧を低下させる。ターゲットへの衝突が終わるタイミングでパルス電圧印加は終了させる。

電子の入射、加速、ターゲットへの衝突における、制御コイル電源６の動作を詳細に説明する。制御コイル電源６を駆動させていないときは、図４（ｅ）の加速電圧は図４（ａ）の主励磁コイル３への印加電圧と同じであり、図４（ｆ）の磁界は図４（ｂ）の主励磁電源４の電流に比例する。加速電圧が最大に近づいた時刻ｔ１に、制御コイル電源６の第１のスイッチ１５を入にする。制御電圧は図４（ｃ）に示す第１の直流電源１１の電圧Ｖ１となる。加速電圧は電子ビーム軌道１００内への磁界の変化に影響するため、真空チャンバ１の内側にあるビーム制御コイル５が励磁されているときはビーム制御コイル５の影響が大きくなる。すなわち、制御電圧がＶ１になると加速電圧も図４（ｅ）に示すＶ１となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより変化するが、ビーム制御コイル５が主励磁コイル３に影響される磁界内にあるため図４（ａ）からの相対電圧によるインダクタンスで電流が変化し、図４（ｄ）に示すように時刻ｔ１とｔ２の間で増加する。

続いて、図４（ａ）の主励磁電圧が最大に達した時刻ｔ２に、制御コイル電源６の第１のスイッチ１５を切に、第２のスイッチ１６を入にする。時刻ｔ２とｔ３の間に、電子銃２より電子ビームを入射し、制御電圧は図４（ｃ）に示す第２の直流電源１２の電圧Ｖ２となり、加速電圧も図４（ｅ）に示すＶ２となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより図４（ｄ）に示すように減少する。加速電圧が主励磁電圧より低いため電子ビーム軌道１０１のように縮小し、電子ビーム軌道１００になる時刻ｔ３に、制御コイル電源６の第２のスイッチ１６を切にする。すなわち、時刻ｔ２とｔ３の時間および電圧Ｖ２は、電子ビームを所定の電子ビーム軌道１００にするために必要な値に設定され、時刻ｔ１とｔ２の間の時間および電圧Ｖ１は図４（ｄ）に示す制御電流の時刻ｔ２とｔ３の間での減少分を打ち消すために必要な値に設定される。

時刻ｔ３とｔ４の間は、制御コイル電源６を駆動させないで、主励磁コイル３により電子を加速する。加速電圧が０に近づいた時刻ｔ４に、制御コイル電源６の第３のスイッチ１７を入にする。制御電圧は図４（ｃ）に示す負電圧である第３の直流電源１３の電圧Ｖ３となり、Ｖ３が直流の一定電圧であるため加速電圧も図４（ｅ）に示すＶ３となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより図４（ｄ）に示すように時刻ｔ４とｔ５の間で減少する。加速電圧が主励磁電圧より低い値であるため、電子ビーム軌道は１０２のように縮小し電子をターゲット８に衝突させる。続いて、電子のターゲット８への衝突が終了し図４（ａ）の主励磁電圧が０となる時刻ｔ５に、制御コイル電源６の第３のスイッチ１７を切に、第４のスイッチ１８を入にする。時刻ｔ５とｔ６の間は、制御電圧は図４（ｃ）に示す第４の直流電源１４の電圧Ｖ４となり、加速電圧も図４（ｅ）に示すＶ４となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより図４（ｄ）に示すように増加する。加速電圧が０となる時刻ｔ６に制御コイル電源６の第４のスイッチ１８を切にする。すなわち、時刻ｔ４とｔ５の時間および電圧Ｖ３は、電子ビームの軌道を縮小しターゲットに衝突させるために必要な値に設定され、時刻ｔ５とｔ６の間の時間および電圧Ｖ４は図４（ｆ）に示す制御電流の時刻ｔ４とｔ５の間での減少分を打ち消すために必要な値に設定される。

このように、実施の形態１では、電子ビームの軌道の遷移時に、ビーム制御コイルに直流電圧を印加することで、安定した電子ビーム軌道の変更を実現し、放射線強度を高精度化することができる。

実施の形態２．
なお、実施の形態１では、制御コイル電源６を４個の直流電源で構成したが、図５に示すように第３の直流電源１３にスイッチのブリッジ回路３０を接続することにより、３個の直流電源で構成してもよい。図５において、第３の直流電源１３と接続するブリッジ回路３０には、ブリッジ回路内の第１のスイッチ３２、ブリッジ回路内の第２のスイッチ３３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ３４、ブリッジ回路内の第４のスイッチ３５と、これらスイッチに並列に接続するブリッジ回路内の第１の還流ダイオード３６、ブリッジ回路内の第２の還流ダイオード３７、ブリッジ回路内の第３の還流ダイオード３８、ブリッジ回路内の第４の還流ダイオード３９で構成される。ブリッジ回路の片端は接地２７と接続し、他端は双方向スイッチ３１を介してビーム制御コイル５に接続する。

次に動作について、実施の形態１と異なる部分について記載する。電子ビームの加速が終了する直前の、加速電圧が０に近づいた時刻ｔ４に、制御コイル電源６の双方向スイッチ３１、ブリッジ回路内の第１のスイッチ３２、ブリッジ回路内の第４のスイッチ３５を同時に入にする。制御電圧は負電圧である第３の直流電源１３の電圧Ｖ３となり、Ｖ３が直流の一定電圧であるため加速電圧もＶ３となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより時刻ｔ４とｔ５の間で減少する。加速電圧が主励磁電圧より低い値であるため、電子ビーム軌道は１０２のように縮小し電子をターゲット８に衝突させる。

続いて、主励磁電圧が０となる時刻ｔ５に、制御コイル電源６のブリッジ回路内の第１のスイッチ３２、ブリッジ回路内の第４のスイッチ３５を切に、ブリッジ回路内の第２のスイッチ３３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ３４を入にする。時刻ｔ５とｔ６の間は、第３の直流電源１３が時刻ｔ４とｔ５の間と逆方向で接続され正電圧である電圧−Ｖ３となり、加速電圧も−Ｖ３となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより増加する。加速電圧が０となる時刻ｔ６に制御コイル電源６の双方向スイッチ３１、ブリッジ回路内の第２のスイッチ３３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ３４を同時に切にする。すなわち、時刻ｔ４とｔ５の時間および電圧Ｖ３は、電子ビームの軌道を縮小しターゲットに衝突させるために必要な値に設定され、時刻ｔ５とｔ６の時間は制御電流の時刻ｔ４とｔ５の間での減少分を打ち消すために必要な値に設定される。

このように、実施の形態２では、直流電源を１台減らし、３台の構成にしても、電子ビームをターゲットに正確に衝突させることができ、放射線強度を高精度化できると同時に、コストダウンを図ることができる。

実施の形態３．
なお、実施の形態２では、電子ビームのターゲットへの衝突時に使用する直流電源を１個の直流電源で構成したが、同様に電子ビーム入射時に使用する直流電源を１個の直流電源で構成してもよい。図６において、第１の直流電源１１と接続するブリッジ回路４０には、ブリッジ回路内の第１のスイッチ４２、ブリッジ回路内の第２のスイッチ４３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ４４、ブリッジ回路内の第４のスイッチ４５と、これらスイッチに並列に接続するブリッジ回路内の第１の還流ダイオード４６、ブリッジ回路内の第２の還流ダイオード４７、ブリッジ回路内の第３の還流ダイオード４８、ブリッジ回路内の第４の還流ダイオード４９で構成される。ブリッジ回路の片端は接地２７と接続し、他端は双方向スイッチ４１を介してビーム制御コイル５に接続する。

図７は、この発明の実施の形態３における電圧、電流、磁界の波形図であり、図７（ａ）は主励磁電源４から出力される電圧の波形、図７（ｂ）は主励磁コイル３に流れる電流の波形、図７（ｃ）は制御コイル電源６から出力される電圧の波形、図７（ｄ）はビーム制御コイル５に流れる電流の波形、図７（ｅ）は主励磁コイル３とビーム制御コイル５により生成される加速電圧の波形、図７（ｆ）は電子ビーム軌道上に発生する磁界の波形を示す。

次に動作について、実施の形態２と異なる部分について記載する。加速電圧が最大に近づいた時刻ｔ１に、制御コイル電源６の双方向スイッチ４１、ブリッジ回路内の第１のスイッチ４２、ブリッジ回路内の第４のスイッチ４５を同時に入にする。制御電圧は図７（ｃ）に示す第１の直流電源１１の電圧Ｖ１となり、加速電圧も図７（ｅ）に示すＶ１となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより図７（ｄ）に示すように時刻ｔ１とｔ２の間で増加する。

続いて、主励磁電圧が最大に達した時刻ｔ２に、制御コイル電源６のブリッジ回路内の第１のスイッチ４２、ブリッジ回路内の第４のスイッチ４５を切に、ブリッジ回路内の第２のスイッチ４３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ４４を入にする。同時に電子銃２より電子ビームを入射する。時刻ｔ２とｔ３の間は、制御電圧は図７（ｃ）に示すように第１の直流電源１１の負方向の電圧−Ｖ１となり、加速電圧も図７（ｅ）に示す−Ｖ１となる。制御電流はビーム制御コイル５のインダクタンスにより図７（ｄ）に示すように時刻ｔ２とｔ３の間で減少する。加速電圧が負電圧であるため、電子ビームは起動を内側へ縮小させながら軌道１００と逆回りに進む。電子ビームが軌道１００上に到達する時刻ｔ３に、制御コイル電源６の双方向スイッチ４１、ブリッジ回路内の第２のスイッチ４３、ブリッジ回路内の第３のスイッチ４４を同時に切にする。加速電圧が主励磁電圧と同じになるため、電子ビームは方向を変更し電子ビーム軌道１００上を回るようになる。すなわち、時刻ｔ２とｔ３の時間および負の電圧−Ｖ１は、電子ビームを所定の電子ビーム軌道１００上に到達させるために必要な値に設定され、時刻ｔ１とｔ２の間の時間は制御電流の時刻ｔ２とｔ３の間での減少分を打ち消すために必要な値に設定される。

このように、実施の形態３では、実施の形態２よりさらに直流電源を１台減らし、２台の構成にしても、電子ビームをターゲットに正確に衝突させることができ、放射線強度を高精度化できると同時に、コストダウンを図ることができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４を示すものである。図８において、加速された電子がターゲット８に衝突して発生するＸ線３１を検出するＸ線検出器３２と、このＸ線検出器３２の出力を制御コイル電源６へ入力するための帰還回路３３を設けている。

電子ビーム入射の動作は、電子ビーム入射時のｔ２とｔ３の間の入射時加速電圧を低下させることでビーム軌道を縮小するようにしている。また、ターゲットへの衝突の動作は、電子ビーム衝突時のｔ４とｔ５の間の加速電圧を低下させることでビーム軌道を縮小し、ターゲットに照射されるようにしている。このような電子ビームの制御において、電磁石の磁気特性が電磁石温度変動に起因して変動することによる電子ビーム軌道変化や、ターゲットの位置変化などの原因でＸ線量が変動することがある。

この場合、電子ビーム入射時あるいはターゲットへの衝突時の電子ビーム軌道の調整により、Ｘ線量の変動を抑えることができる。すなわち、制御コイル電源内の各電源電圧をＸ線量検出値に応じて制御することでＸ線量の変動を抑制することができる。

このように、実施の形態４では、発生するＸ線を検出するＸ線検出器と、その出力を制御コイル電源へ入力するための帰還回路を設けることにより、放射線強度を高精度化することが可能となる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５を示すものである。図９において、主励磁コイル３とコンデンサ５３を並列に主励磁電源４に接続している。主励磁コイル３とコンデンサ５３は共振するようにしている。すなわち、主励磁電源４の周波数をｆ、主励磁コイル３のインダクタンスをＬ、コンデンサ５３の容量をＣとすると、Ｃが以下の式で与えられる値になるようにコンデンサ５３を選定する。

Ｃ＝１／（４π²ｆ²Ｌ）

以上の構成で、主励磁電源４に周波数ｆの交流電圧Ｖ０を発生させると、主励磁電源４から供給される負荷電流と、コンデンサ５３と主励磁コイル３の間を往還する共振電流が発生する。共振電流の値Ｉωは以下の式で与えられる。

Ｉω＝｛２πｆＣ−１／（２πｆＬ）｝・Ｖ０

例えば、ｆ＝１０００Ｈｚ、Ｃ＝１００μＦ、Ｌ＝１ｍＨ、Ｖ０＝２００Ｖの場合、Ｉω＝１００Ａとなり、励磁電流として１００Ａの正弦波電流を流すことができる。このとき、負荷電流の値Ｉｒは、コンデンサ５３や主励磁コイル３が理想的で損失がなければ、Ｉｒ＝０となるが、実際は共振回路における損失を補填する必要があり、通常は共振電流の１／１０以下程度が流れる。

このように、実施の形態５では、主励磁コイルと並列に接続し共振するコンデンサを導入することにより励磁電流を発生させるため、主励磁電源の負荷電流を励磁電流より小さくでき、主励磁電源を小型化することができる。

なお、実施の形態５を示す図９において、制御コイル電源は実施の形態１と同様の構成としているが、実施の形態２或いは３と同様の構成にすることも可能である。

この発明の実施の形態１を示すＸ線発生装置の鉛直断面図である。この発明の実施の形態１を示すＸ線発生装置の水平断面図である。この発明の実施の形態１を示す回路系統図である。この発明の実施の形態１を示す電圧、電流、磁界の波形図である。この発明の実施の形態２を示す回路系統図である。この発明の実施の形態３を示す回路系統図である。この発明の実施の形態１を示す電圧、電流、磁界の波形図である。この発明の実施の形態４を示すＸ線発生装置のブロック図である。この発明の実施の形態５を示す回路系統図である。

符号の説明

１真空チャンバ
２電子銃
３主励磁コイル
５ビーム制御コイル
６制御コイル電源
８ターゲット
５３コンデンサ
１００電子ビーム軌道

Claims

真空チャンバと、
該真空チャンバの内部に電子を注入する電子銃と、
前記真空チャンバの外側に配置され、前記真空チャンバ内の電子ビーム軌道を前記電子銃が外側に配置されるような円形に保つための磁界を生じさせるとともに、電子ビーム軌道内の磁束密度を変化させて、電子の加速に利用される誘導電界を生じさせる主励磁コイルと、
前記真空チャンバ内の円形の電子ビーム軌道の内側に配置され、電子の衝突によりＸ線を発生するターゲットと、
電子ビーム軌道を遷移させる磁界を生じさせるビーム制御コイルと、
該ビーム制御コイルに可変調整された直流電圧を与える制御コイル電源と
を備えたＸ線発生装置。
制御コイル電源は、異なる電圧の複数の直流電源と、これらの直流電源をビーム制御コイルに接続するスイッチとを有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
スイッチは、直流電源に対しブリッジ状に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のＸ線発生装置。
発生するＸ線を測定するＸ線検出器と、該Ｘ線検出器の出力に応じて直流電源の電圧を調整する回路とを設けたことを特徴とする請求項２または３に記載のＸ線発生装置。
主励磁コイルと並列に、前記主励磁コイルと共振するコンデンサを設けたことを特徴と
する請求項１ないし４のいずれかに記載のＸ線発生装置。