JP5278895B2 - 陽極接地型ｘ線管装置 - Google Patents

Description

本発明は、陽極を接地する陽極接地型X線管装置に係り、特にX線管を真空気密に封入する外囲器の内面と真空と絶縁体との出合う三重点の位置(以下、トリプルジャンクションと記す)の電界を緩和する技術に関する。

近年、X線CT装置においては、"短時間で広い範囲のスキャンが可能"、"体軸方向に連続したデータが得られ、これによって三次元画像の生成が可能"、さらに、"X線検出器を多列化して一度に多くの断層画像の撮像が可能"等の特徴を有するマルチスライス撮影機能を備えた螺旋CTが主流である。

この螺旋CTは、スキャナ回転部に搭載したX線管から連続して長時間X線を曝射しなければならないこと及びさらなるスキャンの高速化のために大容量のX線管装置が必要となる。このように、大容量化してもX線を発生する陽極ターゲット部の冷却が簡単であることから、中点接地型に代わって陽極接地型のX線管装置が用いられている。

しかし、陽極を接地すると、陰極と接地間には、例えば140kVの高電圧が印加されることになり、X線管の外囲器を接地する中性点接地型陰極と接地間の電圧は、2倍となる。その結果、局所電圧も大きくなり、特に前記トリプルジャンクションで電界が最も大きく、フラッシュオーバーが生じやすくなる。そこで、フラッシュオーバーによる絶縁体の劣化を防止する工夫が必要となる。

前記絶縁体の劣化防止策として、例えば、X線管を収納する金属製の外囲器と前記陰極を絶縁するための絶縁物のガラスとの溶着部の先端に丸みをつけることや金属製のシールド部品で前記溶着部を覆うことにより、前記トリプルジャンクションの遮蔽、或いは電界の緩和を図ることが知られている。

また、前記絶縁物がセラミックスであって、前記金属との接合表面にメタライズを施した場合は、その端部がトリプルジャンクションとなり、電界集中して電界放出が起こる場合があるので、この場合についてもシールド部品を配置することで電界を緩和する技術が特許文献1に開示されている。
また、絶縁距離を可能な限り広げることで電界緩和を図っている場合もある。

特開2006-173122号公報

中性点接地型のX線管装置は、前記外囲器を接地し(中性点接地)、陽極と接地間にプラス電圧を、陰極と接地間にマイナス電圧を印加するので、前記陽極と接地間および陰極と接地間の電圧は陽極と陰極間の電圧(以下、管電圧と記す)の1/2で良い。

これに対して、陽極接地型X線管装置は、陽極と金属外囲器の電位は同電位の接地電位となるために、陰極と接地間の電圧は前記中性点接地型X線管装置の2倍となるので、これに対応して陰極と金属外囲器間の絶縁強度を高くしなければならない。

このように、陽極接地X線管装置において、金属外囲器と陰極とを絶縁する絶縁物がセラミックスの場合は、前記金属外囲器とセラミックスの接合部ではメタライズを施すため、この端部がトリプルジャンクションとなって電界が集中し、電界放出することが懸念される。

このため、前記特許文献1のように、金属製のシールド部品を配置したり、絶縁距離を十分に取ったりすることが必要となるが、前記のように、X線CT装置のスキャナ回転板に搭載するために、X線管装置を所定の大きさに抑えようとすると、部品形状や絶縁距離が制限されてしまい、電界を緩和することが困難になる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、必要な絶縁耐電圧を確保しつつ小型、軽量化を図ることが可能な陽極接地型X線管装置を提供することを目的とする。

上記目的は、以下の手段によって達成される。すなわち、熱電子を放出する陰極と、該陰極に対向して配置され、その対向面上に前記熱電子を受けてX線を放射する焦点を形成するターゲット部を含む陽極と、前記陰極および陽極とを真空気密に封入する外囲器とを具備するX線管と、このX線管を絶縁油とともにX線管容器に収納して前記外囲器と陽極とを接地し、前記陰極にマイナスの高電圧を印加してX線を発生する陽極接地型X線管装置であって、
前記陰極を前記外囲器から絶縁する絶縁体と前記外囲器の内面をほぼ平行に対向させ、真空と外囲器の内面と前記絶縁体とが接合されるトリプルジャンクション近傍の対向間隔を他の部分よりも狭くする。
前記絶縁体に階段状の段差を設けて前記トリプルジャンクション近傍の前記対向間隔を他の部分よりも狭くする。

さらに、前記絶縁体と平行に対向する部分の前記外囲器の内径を前記外囲器の他の部分よりも小さくしてシールドし、このシールド部分と前記絶縁体との隙間を前記絶縁体の沿面絶縁が保たれるところまで狭くする。

本発明によれば、電界放出は防止されて絶縁耐電圧を確保しつつ小型のX線管装置を提供することができる。

以下、添付図面に従って本発明の陽極接地型X線管装置の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図1および図2は、本発明に係る陽極接地型X線管装置の構造図を示したものである。図1はX線管装置全体の構造図、図2は本発明の要部である陰極部の構造図である。

図1において、本発明のX線管装置は、X線出力窓19が設けられたX線管容器1内に、真空気密の金属製の外囲器3に封入されたX線発生源となる回転陽極X線管(以下、X線管と記す)2と、このX線管2の陽極ターゲット14を回転駆動するための回転磁界を発生するステータ17と、X線管2などを絶縁し、冷却する絶縁油18などを内包する。

前記外囲器3は、その一部にX線出力窓4が設けられており、前記X線管2は、前記陽極ターゲット14と、この陽極ターゲット14に熱電子を衝突させてX線を発生させるための前記熱電子を発生する陰極8とを備えている。

前記外囲器3は、前記管容器1の中央部に配置された最も径が大きいセンターバルブ5と、このセンターバルブ5の両端に該センターバルブ5よりも径が小さい陰極バルブ6及び陽極バルブ7などから構成される。

前記センターバルブ5と陽極バルブ7は管軸20を中心にして配置され、前記陰極バルブ6は管軸20からずらして配置される。

前記センターバルブ5に陽極ターゲット14が配置され、前記陰極バルブ6には陰極8が配置される。

前記陰極8は、図示省略のフィラメントで発生した熱電子を集束するX線発生時の熱電子放出源である集束部9と、この集束部9と前記外囲器3とを絶縁するためのセラミックス製のセラミックステム10(絶縁体)と、このセラミックステム10を前記陰極バルブ6に取り付けるためのコバール製のリング12とを備え、前記セラミックステム10とリング12はろう付けで接合され、前記リング12と陰極バルブ6は真空気密を保持して溶接にて接合されている。

なお、前記セラミックステム10とリング12をろう付けするために、前記セラミックステム10にはメタライズ11が施されている。

また、前記セラミックステム10には、高電圧導入用のブッシング13が内挿されている。
前記陽極ターゲット14は、この陽極ターゲット14を回転させる回転子であるロータ15と締結されて回転体を構成し、この回転体は回転支持機構16と締結されて回転可能に支持され、該回転支持機構16の端部が陽極バルブ7に固定されている。そして、前記陽極バルブ7を囲む位置に、前記回転体を回転させるための回転磁界を発生するステータ17が配置されている。

前記ステータ17は、回転磁界を発生させるためのコイルを備え、このコイルには、回転磁界発生時に約500Vの電圧が印加されるために絶縁が必要となる。
そのため、管容器1内には、絶縁性の冷媒、例えば絶縁油18を充填する。
さらに、絶縁性の冷媒を冷却するために外部冷却器(図示せず)を配置する。
上記構成の陽極接地型X線管装置において、予め前記集束部9の中に配置されているフィラメント(図示せず)を所定温度に加熱しておき、前記コイルに約500Vの交流電圧を印加してロータ15を回転させて陽極ターゲット14を回転させる。そして、この状態で陽極ターゲット14及び真空外囲器3を接地電位とし、ブッシング13を介して陰極8に-140kV程度のマイナスの高電圧を印加すると、集束部9にマイナスの高電圧が印加されて前記集束部9のフィラメントから熱電子が放出し、この熱電子が陽極ターゲット14に衝突してX線を発生する。

前記陽極接地型X線管装置は、真空外囲器3および陽極ターゲット14が接地電位であるために、マイナスの高電圧が印加されるのは、集束部9とブッシング13となる。したがって、高電圧絶縁の施行が必要な部分は、陰極8と接地間のみとなるが、中性点接地型のX線管装置と比較して2倍の絶縁強度が必要となり、真空と絶縁物であるセラミックステム10と金属であるメタライズ11の端部との接合点であるトリプルジャンクション11aに最も電界が集中する。

そこで、本発明においては、前記トリプルジャンクション11aの電界を緩和するために、トリプルジャンクション11ａの近傍では、前記セラミックステム10と陰極バルブ6をほぼ平行に対向させ、かつ対向するセラミックステム10と陰極バルブ6は、前記平行間の間隔が狭い隙間を有する形状とする。

さらに、前記トリプルジャンクション11ａから離れた箇所では、前記セラミックステム10と陰極バルブ6との対向距離が前記トリプルジャンクション11ａ近傍よりも大きくなるようにセラミックステム10に段差10bを設け、さらに陰極バルブ6とセラミックステム10bとの対向部にはシールド6aを付加することで、電位の入り込みを抑制する。

図3は、セラミックステム10と陰極バルブ6をほぼ平行に対向させただけのトリプルジャンクション11ａの近傍における電界解析による等電位分布を示す図、図4は、本発明によるトリプルジャンクション11ａの近傍における電界解析による等電位分布を示す図である。

これらの図3と図4を比較すると、図3に示すように、セラミックステム10と陰極バルブ6をほぼ平行に対向させただけは、トリプルジャンクション11a近傍の等電位線が密になり、電界が25kV/mmと集中する。

これに対して、本発明のように、セラミックステム10と陰極バルブ6をほぼ平行に対向させ、かつシールド6aとセラミックステム10bとの隙間をセラミックステム10bの沿面絶縁が保たれるところまで狭くすることにより、電位の入り込みが抑制されて等電位線が疎となる。

さらに、前記セラミックステム10aにより、トリプルジャンクション11a近傍の等電位線が疎になった結果、電界強度は12.5kV/mmと図3の1/2に半減させる。

図5は、本発明におけるシールド6aの高さを変化させた場合、すなわちセラミックステム10bとシールド6a間の隙間を変化させた場合のトリプルジャンクション11aの電界解析結果である。

シールド6aを高く、すなわち前記隙間を小さくすることで電位が誘電率の高いセラミックス(絶縁体)に分担されるので、トリプルジャンクション11aの電界を緩和させることが可能となる。この電界緩和の効果は、前記図3よりも図4の等電位線の本数が少ないことから分る。

本発明による陽極接地型X線管装置の全体構造図。 本発明の要部である陰極部の構造図。 セラミックステムと陰極バルブを平行に対向させただけのトリプルジャンクション近傍の電界解析による等電位分布を示す図。 本発明によるトリプルジャンクション近傍の電界解析による等電位分布を示す図。 セラミックステムとシールド間の隙間を変化させた場合におけるトリプルジャンクションの電界強度を示す図。

符号の説明

1 管容器、2 X線管、3 真空外囲器、4 X線出力窓、5 センターバルブ、6 陰極バルブ、7 陽極バルブ、8 陰極、9 集束部、10、10a、10b セラミックステム、11 メタライズ、11a トリプルジャンクション、12 リング、13 ブッシング、14 陽極ターゲット、15 ロータ、16 ロータ回転支持機構、17 ステータ、18 絶縁油、19 X線出力窓、20 管軸

Claims (3)

1. 熱電子を放出する陰極と、該陰極に対向して配置され、その対向面上に前記熱電子を受けてＸ線を放射する焦点を形成するターゲット部を含む陽極と、前記陰極および陽極とを真空気密に封入する外囲器とを具備するＸ線管と、このＸ線管を絶縁油とともにＸ線管容器に収納して前記外囲器と陽極とを接地し、前記陰極にマイナスの高電圧を印加してＸ線を発生する陽極接地型Ｘ線管装置であって、
   前記陰極を前記外囲器から絶縁する絶縁体と前記外囲器の内面を、真空と外囲器の内面と前記絶縁体とが接合されるトリプルジャンクション近傍では、ほぼ平行に対向させ、前記ほぼ平行に対向させられた範囲のうち前記トリプルジャンクションにより近い範囲では対向間隔を他の部分よりも狭くすることを特徴とする陽極接地型Ｘ線管装置。
2. 前記トリプルジャンクションにより近い範囲の前記対向間隔を他の部分よりも狭くする手段は、前記絶縁体に設けた階段状の段差による手段であることを特徴とする請求項１に記載の陽極接地型Ｘ線管装置。
3. さらに、前記絶縁体とほぼ平行に対向する部分の前記外囲器の内径を前記外囲器の他の部分よりも小さくしてシールドし、このシールド部分と前記絶縁体との隙間を前記絶縁体の沿面絶縁が保たれるところまで狭くすることを特徴とする請求項２に記載の陽極接地型Ｘ線管装置。

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