JP5436760B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

本発明は、電界放射型の陰極から電界放射により電子放出し、この放出電子を陽極に衝突させてＸ線を発生させるＸ線管にかかり、特には、管径が例えば数ｍｍ程度に超小型化が可能なＸ線管に関するものである。

Ｘ線は医療用、工業用、分析用、等数多くの分野で利用される（特許文献１，２等）。医療用では例えば放射線治療、血管内膜照射、診断用Ｘ線源等であり、工業用では非破壊検査、表面処理、物理学等である。

このようなＸ線は、電子が金属や蛍光物質等のＸ線ターゲット（陽極）に衝突することによって発生することは周知である（特許文献３）。

ところでフィラメント加熱で発生させた熱電子を陽極に衝突させてＸ線を発生させる熱陰極方式が提案されている（特許文献４）。

しかしながら、熱電子による場合、Ｘ線管を小型化が困難であることに加えて、熱電子をビーム化した場合、発熱の課題があるうえ、電子が広範囲に放出されて陽極に衝突するために、陽極から発生したＸ線束もその束径を小さくすることができない。

そのため、熱陰極方式のＸ線管の場合では、Ｘ線照射スポットを小さくしてＸ線照射対象に照射することができず、上記用途には不向きである。

また、電界放射型の冷陰極から電界放射により電子放出し、この放出電子を陽極に衝突させてＸ線を発生させるＸ線管がある。

この冷陰極方式のＸ線管の場合、発熱の課題はないが、従来の冷陰極方式のＸ線管の場合も、陰極から電子が広範囲に放出されて陽極に衝突するために、陽極から発生するＸ線束も広がり、Ｘ線照射スポットを小さくすることが困難である。

そのため従来の冷陰極方式のＸ線管の場合では、Ｘ線照射スポットをより小さく明瞭化してＸ線照射対象を照射できない。

特に、医療や分析のためのＸ線照射対象が小さい場合では、従来のＸ線管のごとく、Ｘ線照射スポットのスポット径が大きいうえにそのスポット内周から外周へかけてのＸ線密度が不均一であると、Ｘ線照射対象に対して明瞭なＸ線画像が得にくく、高精度な医療、分析等を実施できなくなる。

一方、Ｘ線束の束径を小さく絞り込み、Ｘ線照射スポットを小さくすることは可能であるものの、構造が複雑化、大型化することにより、小型ないし超小型のＸ線管には到底採用することができない。
特開平０８−１６７４９６ 特表２００４−５０５４２１ 特表２００２−５１７８８２ 特表２００６−５１４４２１

本発明では、Ｘ線照射対象等が小さくても、構造簡易にして、高精度、高密度でＸ線束を照射可能なＸ線管を提供するものである。

本発明によるＸ線管は、真空管内部に、先端側がＸ線照射方向線上に延びる錐形でかつその錐形頂部がＸ線照射方向線上前方向に向く陽極と、この陽極先端部の半径方向外側を該陽極先端部と同心で環状に囲み外周面がナノ炭素膜からなる電界放射型の環状陰極と、少なくとも環状陰極のＸ線照射方向両側に配置されて環状陰極が放出する電子を遮蔽する電子遮蔽部材と、を備えると共に、上記Ｘ線照射方向線上で陽極先端部前方の真空管管壁にＸ線透過可能な薄膜からなるＸ線導出窓を設けたことを特徴とするものである。

上記錐形には円錐形、角錐形、を含む。この場合、全周が錐形に限定されず、部分的に錐形でもよい。上記錐形斜面のプロフィールは先端に向けての縮径割合が一定である直線状に限定されず、先端に向けて縮径割合が連続的またはステップ的に変化する形状（放物線状等）であってもよいし、先端に向けて縮径する針形であっても、錐形状に含むことができる。

上記環状は完全に閉じた環状に限定されず、部分環状も含む。

上記錐形頂部は鋭利な頂部に限定されず、多少の丸み等を含むことができる。

上記において陽極の形状は先端部以外は直線軸状に限定されない。

上記においては、電子遮蔽部材は、環状陰極のＸ線照射方向両側で該Ｘ線照射方向周り環状に配置された一対の環状板部を備えた構成とすることが好ましい。両環状板部は互いに独立して配置することにより、電子遮蔽部材により環状陰極の放出電子の遮蔽を制御することができるようにしてもよい。

上記においては、陽極先端部の外周斜面のＸ線照射方向線に対する角度が、環状陰極からの電子ビームのビーム径よりも陽極先端部から発生したＸ線束の束径を小さくする角度に調整されて、Ｘ線照射対象へのＸ線照射スポットが制御された構成とすることが好ましい。

本発明では、陽極先端部が錐形であること、この陽極先端部周囲に環状陰極を配置したこと、この環状陰極から放出する電子を部分的に遮蔽する電子遮蔽部材を配置したこと、に加えて、陽極先端部前方にＸ線導出窓を配置し、Ｘ線を実質的には略直進可能な構成としたことから、陽極先端部と環状陰極との間に高電界を印加し、環状陰極から発生した電子を電子遮蔽部材で電子遮蔽することにより、陽極先端部斜面に向けて所定ビーム径の電子ビームに集束させ、上記陽極先端部斜面に電子ビームを衝突させて上記陽極先端部斜面からＸ線束を発生させ、そのＸ線束をＸ線照射方向線上前方のＸ線導出窓に向けて直進させて窓外のＸ線照射対象にスポット状に照射することができる。

以上により、本発明では、スポット内周から外周へのＸ線密度が一様でスポット径が小さく制御されたＸ線照射スポットをＸ線照射対象に照射することが可能であり、医療用、工業用等において超小型のＸ線管としての用途に適したものとなる。

本発明は、上記陽極が、上記先端部に連成され該先端部より熱容量が大きくかつ先端部の発生熱の導熱に用いる導熱部を有する構成とすることが好ましい。この態様では、先端部が電子ビーム衝突で発熱しても、その発熱は導熱部に導熱されるので、当該先端部は冷却されて、Ｘ線束の発生効率を向上させることができるようになる。

本発明は、上記陽極の導熱部後端部が真空管外に導出されると共に真空管の真空封止部分とする構成とすることが好ましい。この態様では、導熱部が真空管外に導出されているので、上記導熱した熱が真空管外に放熱され、より先端部の放熱効果が向上し、結果、よりＸ線束の発生効率を向上させることができるようになる。

本発明は、上記陽極先端部斜面の角度を陽極先端部先端ほど連続指数関数的にまたはステップ的に小さくする構成とすることができる。この構成では、環状陰極と陽極先端部斜面との対向位置を軸方向にずらせることにより、Ｘ線束の束径をより小さく集束させたり、その逆に束径を広がらせたりすることができる。

なお、陽極先端部と環状陰極との間に電子加速手段を配置してもよい。環状陰極は中実でも中空でもよい。陽極は中実でも中空でもよい。電子遮蔽部材は、環状陰極からの遠近移動および／または内径拡縮調整可能としてもよい。

また、本発明は、陽極先端部と環状陰極とをＸ線照射方向に相対移動可能となすことにより、Ｘ線束の束径を任意に制御することができるようにしてもよい。

本発明によれば、医療用、工業用、分析用等における新規な構造のＸ線管を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＸ線管を説明する。図１は、同Ｘ線管の外観斜視図、図２は同Ｘ線管の断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面構成を示す図、図４は図２で示すＸ線管の要部（軸状陽極、環状陰極、電子遮蔽部材、Ｘ線導出窓）断面を拡大して示す図、図５は同要部の外観を拡大して示す図である。図６はＸ線管全体の動作状態を説明するための図、図７は図６の全体動作において環状陰極から放出された電子が遮蔽部材により遮蔽される関係を説明するための図、図８は図６の全体動作において陽極先端部の円錐斜面の角度による電子ビーム径とＸ線束径との関係を説明するための図、である。

まず図１を参照して、実施の形態のＸ線管１０は、端部にＸ線を透過できる膜厚数μｍ程度の薄膜例えばベリリウム膜からなるＸ線導出窓１１ａを備える。Ｘ線管１０は後部にフレキシブルな同軸ケーブル１１ｂが接続され、この同軸ケーブル１１ｂに図示略の駆動電源内蔵コントロール装置が接続され、このコントロール装置の制御により駆動電源から例えばパルス状電圧が印加され、Ｘ線導出窓１１ａからＸ線照射対象１１ｃにＸ線をＸ線照射スポット１１ｄとして照射することができるようになっている。

図２ないし図５を参照して真空管１１は、Ｘ線照射方向線Ｌ１方向に長手の円筒直管からなり内部が真空とされており、当該内部に軸状陽極１２、環状陰極１４、電子遮蔽部材１６を備える。

軸状陽極１２はＸ線照射方向線Ｌ１方向に直線的に延びるように配置されている。軸状陽極１２の先端部１２ａのＸ線照射方向線Ｌ１と同軸前方にＸ線導出窓１１ａが位置している。

軸状陽極１２の先端部１２ａは円錐斜面１２ａ２形状をなし電子ビーム衝突によりＸ線が発生するターゲットとなる。ターゲット材料は特に限定しない。軸状陽極１２の陽極先端部１２ａの後部側は熱容量が大きくかつ先端部１２ａでの発生熱を導熱する導熱部１２ｂとなり、また導熱部１２ｂの後部側は真空管１０後部外に導出され真空管１１を真空封止する部分１２ｃとなると共に同軸ケーブル１１ｂに接続され高電圧が印加可能となっている。

陽極先端部１２ａは、頂部１２ａ１がＸ線照射方向線Ｌ１上に位置し円錐中心線がＸ線照射方向線Ｌ１に一致する円錐形状をなし、その円錐斜面１２ａ２は、Ｘ線照射方向線Ｌ１に対して所定角度の斜面である。

環状陰極１４は、陽極先端部１２ａのＸ線照射方向線周りを環状に囲み環状導線１４ａの外周面にナノ炭素膜１４ｂが形成されている。

ナノ炭素膜１４ｂはカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバー、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスダイヤモンド、結晶性ダイヤモンド、グラファィト、フラーレン、針状炭素膜等、微細なｎｍオーダーの突起を有するものである。

針状炭素膜に関して本出願人はいくつか出願している。例えば、針状炭素膜には、特願２００５−２３２０１７（特開２００７−０４８６０３：平成１９年２月２２日公開）の明細書の図８ないし図１２のＳＥＭ写真で開示している炭素膜を用いることができる。

環状陰極１４は、軸状陽極１２との間の電界印加により電界放射して半径方向内側の軸状陽極１２に向けて電子を放出する。上記電界印加は、軸状陽極１２に例えば駆動電源１８から高電位を印加することにより行われる。電位の印加形態は各種あり、本実施の形態は特に限定されない。

例えば駆動電源１８をマイクロコンピュータ２０で制御されるパルス電源で構成し、このマイクロコンピュータ２０の制御でパルス電源から軸状陽極１２に極短パルスを印加してもよい。例えば軸状陽極１２に正パルス状電圧＋Ｖ、環状陰極１４に正パルス状電圧＋Ｖと同期してこの正パルス状電圧＋Ｖと絶対値が同じ大きさの負パルス状電圧−Ｖを印加するようにしてパルス電源の電圧の大きさを半分に制御可能としてもよい。このパルス状電圧の波形は矩形状波でもよいし、鋸歯状波でもよいし、その他の波形形状でもよい。

電子遮蔽部材１６は、環状陰極１４のＸ線照射方向両側に配置されて環状陰極１４が放出する電子のうち軸方向両側方向への電子を遮蔽する電子遮蔽部材であり、Ｘ線照射方向両側一対の環状板部１６ａ，１６ｂと両環状板部１６ａ，１６ｂを連設する円筒部１６ｃとを備える。電子遮蔽部材１６は環状陰極１４と同電位または略同電位が印加される。

図６を参照して軸状陽極１２に高パルス状電圧が印加されると、陽極先端部１２ａと環状陰極１４との間に高電界が印加される。これによって環状陰極１４から陽極先端部１２ａに向けて電子が電界放射により放出され、この放出した電子が陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２に衝突する。

円錐斜面１２ａ２に電子が衝突すると、該円錐斜面１２ａからＸ線が発生する。このＸ線はＸ線照射方向線Ｌ１方向に直進し、Ｘ線導出窓１１ａから窓外のＸ線照射対象１１ｃをスポット状に照射する。

この場合、環状陰極１４から放出した電子を電子遮蔽部材１６で遮蔽することにより電子を陽極先端部１２ａに衝突させるが、このとき環状板部１６ａ，１６ｂの対向距離や内径を調整することにより電子を破線で示す軌道の電子を遮蔽し実線で示す軌道の電子のみを陽極先端部１２ａに広がりが狭い電子ビームとして衝突させる。

これにより陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２から発生するＸ線束の束径を小さく絞り込み可能とし、Ｘ線照射対象１１ｃに対してＸ線照射スポット１１ｄの形態でＸ線を照射することができる。

また、陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２の角度を調整することにより、陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２に衝突する電子ビームのビーム径が同じでも、陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２から発生するＸ線束の束径をより小さく絞り込み可能としている。

次に図７を参照して環状陰極１４から放出された電子が電子遮蔽部材１６により遮蔽される関係を説明する。

図７（ａ１）は電子遮蔽部材１６の両環状板部１６ａ，１６ｂの対向距離がＤ１のときであり、このときの環状陰極１４から放出される電子の広がり角度はθ１である。

図７（ａ２）は電子遮蔽部材１６の両環状板部１６ａ，１６ｂの対向距離がＤ２（＜Ｄ１）のときであり、このときの環状陰極１４から放出される電子の広がり角度はθ２（＜θ１）である。すなわち両環状板部１６ａ，１６ｂの対向距離を小さくすると、環状陰極１４から放出される電子を陽極先端部１２ａに効果的に集束させることができる。

図７（ｂ１）は電子遮蔽部材１６の両環状板部１６ａ，１６ｂの内径がＲ１のときであり、このときの環状陰極１４から放出される電子の広がり角度はθ１である。

図７（ｂ２）は電子遮蔽部材１６の両環状板部１６ａ，１６ｂの内径がＲ２（＜Ｒ１）のときであり、このときの環状陰極１４から放出される電子の広がり角度はθ２（＜θ１）である。すなわち両環状板部１６ａ，１６ｂの内径を小さくすると、環状陰極１４から放出される電子を陽極先端部１２ａに効果的に集束させることができる。

次に図８を参照して陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２の角度による電子ビーム径とＸ線束径との関係を説明する。

図８（ａ）は円錐斜面１２ａ２の角度がθ１であり、円錐斜面１２ａ２に衝突した電子ビームＢ１のビーム径ｒ１に対して円錐斜面１２ａ２から発生したＸ線束Ｂ２の束径ｒ２は大きく、Ｘ線照射方向線Ｌ１前方のＸ線照射対象に照射するＸ線照射スポットのスポット径ｒ３は大きい。

図８（ｂ）は円錐斜面の角度がθ２（＜θ１）であり、円錐斜面１２ａ２に衝突した電子ビームＢ１のビーム径ｒ１に対して円錐斜面１２ａ２から発生したＸ線束Ｂ２の束径ｒ２は小さく、Ｘ線照射方向線Ｌ１前方のＸ線照射対象に照射するＸ線照射スポットのスポット径ｒ３は小さい。すなわち円錐斜面１２ａ２の角度を小さくすることにより、電子ビームＢ１のビーム径は同じでもＸ線束の束径を小さくしてＸ線照射スポットを小さくすることができる。

以上から実施の形態では、陽極先端部１２ａと環状陰極１４との間での電界印加で環状陰極１４から発生した電子が電子遮蔽部材１６で遮蔽されてその半径方向内側の陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２に向けて所定の電子ビームに集束される。

これによって、陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２に電子ビームが衝突して上記円錐斜面１２ａ２から発生するＸ線束はＸ線照射方向線Ｌ１上前方のＸ線導出窓１１ａに向けて直進し窓１１ａ外のＸ線照射対象にスポット状に照射することができる。

その結果、Ｘ線照射対象に対するＸ線照射スポットはスポット内周から外周へのＸ線密度が一様であり、かつ、陽極先端部１２ａの円錐斜面１２ａ２の斜面角度を小さくしてスポット径も小さくすることができ、医療用、工業用等において超小型のＸ線管としての用途に適したものとなる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

図１は本発明の実施の形態に係るＸ線管の外観を示す斜視図である。 図２は図１のＸ線管の断面図である。 図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図４は図２で示すＸ線管の要部を拡大して示す断面図である。 図５は同要部を拡大して示す斜視図である。 図６は全体の動作状態を説明するための図である。 図７は図６の全体動作において環状陰極から放出された電子が遮蔽部材により遮蔽される関係を説明するための図である。 図８は図６の全体動作において陽極先端部の円錐斜面の角度による電子ビーム径とＸ線束径との関係を説明するための図である。

符号の説明

１ Ｘ線管
１１ 真空管
１１ａ Ｘ線導出窓
１２ 軸状陽極
１２ａ 陽極先端部
１４ 環状陰極
１６ 電子遮蔽部材

Claims (3)

1. 真空管内部に、先端側がＸ線照射方向線上に延びる錐形でかつその錐形頂部がＸ線照射方向線上前方向に向く陽極と、この陽極先端部の半径方向外側を該陽極先端部と同心で環状に囲み外周面がナノ炭素膜からなる電界放射型の断面円形の環状陰極と、この環状陰極と同電位または略同電位が印加されるとともに少なくとも環状陰極のＸ線照射方向両側に配置されて環状陰極が放出する電子を遮蔽する電子遮蔽部材と、上記Ｘ線照射方向線上で陽極先端部前方の真空管管壁にＸ線透過可能な薄膜からなるＸ線導出窓とを備え、前記電子遮蔽部材は、環状陰極のＸ線照射方向両側の該Ｘ線照射方向周り環状に配置された一対の環状板部とこれら一対の環状板部を連設するとともに前記環状陰極の径方向外側に配置される円筒部からなることを特徴とするＸ線管。
2. 前記一対の環状板部の内径は前記環状陰極の内径よりも小径であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
3. 上記陽極先端部の外周斜面のＸ線照射方向線に対する角度が、環状陰極からの電子ビームのビーム径よりも陽極先端部から発生したＸ線束の束径を小さくする角度に調整されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線管。

Images