JP5641916B2 - 放射線発生装置および放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、ターゲットに電子を照射することで放射線を発生させ、Ｘ線撮像等に適用できる放射線発生装置、および該放射線発生装置を用いた放射線撮像システムに関する。

放射線源として用いられる放射線発生装置では、電子放出源から電子を放出させ、タングステン等の原子番号が大きい材料で構成されるターゲットに電子を衝突させることにより放射線を発生させている。ターゲットで発生した放射線は全方向に発せられるため、遮蔽体を設けることにより撮像に必要となる放射線以外の不要な放射線を遮蔽する。しかし、放射線管の周囲を遮蔽体で覆うような構成の放射線発生装置では小型軽量化が困難となっていた。

放射線発生装置の小型軽量化を図るためには、透過型のターゲットを用いた放射線発生装置とすることで不要な放射線の遮蔽に用いられる鉛を減らし、小型軽量化を図る方法がある。この方法としては、第２の遮蔽体（後方遮蔽体）および第１の遮蔽体（前方遮蔽体）を透過型のターゲットの両側に配置した構造が提案されている（特許文献１参照）。この構造では、電子線が第２の遮蔽体の開口を通過してターゲットに衝突し、発生した放射線が全方向に発せられる。ターゲットから電子放出源側に放出される放射線は第２の遮蔽体で遮蔽される。ターゲットから電子放出源と反対側に放出される放射線のうち、必要な放射線は第１の遮蔽体の開口から取り出され、不要な放射線は第１の遮蔽体で遮蔽される。この２つの遮蔽体はターゲットで発生した熱を逃がす機能も有している。

また、放射線発生装置の小型軽量化を図るためには、放射線発生効率をアップさせることにより、より少ない電流で、目的とする放射線を得る方法がある。この方法としては、ターゲットに入射する電子の約半分は反射電子となり放射線の発生に寄与しないことが知られているため、この反射電子を有効に用いる提案がされている。一方、反射電子は焦点以外からの放射線の発生、放射線管構成部材の帯電等の問題が引き起こされることが知られている。このような問題の対策として、電子放出源から透過型のターゲットに向かって開口径を絞ったチャンネルを形成する電子反射部材により、反射電子をターゲットに導き、放射線発生効率を向上させる技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００７−２６５９８１号公報 特開平９−１７１７８８号公報

特許文献１に記載の技術では、第２の遮蔽体の開口の大きさと電子線の径の大きさが近いと、第２の遮蔽体に電子線が衝突し後方に放射線が発生してしまう可能性があった。このため、第２の遮蔽体の開口の大きさを、電子線の径の大きさに比べて余裕をもった大きさにしなければならなかった。その結果、ターゲットの電子線照射領域から第２の遮蔽体までの距離が長くなる。また、第１の遮蔽体の開口の大きさと第２の遮蔽体の開口の大きさを同じにしており、電子放出源側から見たときに、第１の遮蔽体の開口と第２の遮蔽体の開口が重なるように、第１の遮蔽体・第２の遮蔽体を配置している。このため、ターゲットの電子線照射領域から第１の遮蔽体までの距離も長くなる。よって、ターゲットの電子線照射領域からこの２つの遮蔽体への熱伝達が遅くなり、ターゲットで発生した熱を速やかに放熱できず、電子線の照射条件によってはターゲットが破損する可能性があった。

特許文献２に記載の技術では、ターゲットで反射した電子を再度、放射線の発生に利用することは考慮されておらず、エネルギー効率に問題があった。

そこで、本発明は、ターゲットが破損することがなく、かつ小型軽量化を可能とする放射線発生装置、およびそれを用いた放射線撮像システムを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、エネルギー効率の向上と放射線発生効率の向上を可能とし、かつ小型軽量化を可能とする放射線発生装置、およびそれを用いた放射線撮像システムを提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、所定の方向に配列された複数の電子放出源と、
それぞれが、前記複数の電子放出源に対応するように対向して配置された複数のターゲットと、
前記複数のターゲットのそれぞれに対応する開口を備え、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮る遮蔽体と、を備えた放射線発生装置であって、
前記複数のターゲットは、前記遮蔽体を介して互いに連結されていることにより、前記配列された方向に沿って配列されていることを特徴とする放射線発生装置を提供するものである。

第１の発明によれば、ターゲットに電子線が衝突することにより発生した熱をより速やかに、まずは第１の遮蔽体に逃がし、続いて第２の遮蔽体に逃がすことができるため、効果的に放熱を行うことができ、ターゲットの熱負荷を低減できる。これにより、ターゲットが破損することのない、耐熱性に優れた放射線発生装置を実現できる。また、透過型のターゲットを用いた放射線発生装置とすることにより、放射線発生装置の小型軽量化を実現できる。

第２の発明によれば、放射線が発生するターゲットにて発生する反射電子をターゲットに再入射させることができるため、放射線発生効率を向上させることができる。このため、同じ線量の放射線を得るための電流が少なくて済み、ターゲットの熱負荷を低減できる。これにより、エネルギー効率と放射線発生効率を向上させた放射線発生装置を実現できる。また、透過型のターゲットを用いた放射線発生装置とすることにより、放射線発生装置の小型軽量化を実現できる。

第１の発明の第１の実施形態の放射線発生装置の断面構成図である。 第１の発明の第１の実施形態のアノードの断面構成図である。 第１の発明の放射線の焦点と第１の遮蔽体の位置関係を示す図である。 第１の発明のターゲットにおける放射線の強度分布の一例を示す図である。 第１の発明の第２の実施形態の放射線発生装置の断面構成図である。 第１の発明の第３の実施形態のアノードの断面構成図である。 第１の発明の第４の実施形態のアノードの断面構成図である。 第１の発明の第５の実施形態の放射線発生装置の断面構成図である。 第１の発明の放射線発生装置を用いた放射線撮像システムの構成図である。 第２の発明の放射線発生装置の断面構成図である。 第２の発明の実施例１および実施例２のアノードの断面構成図である。 第２の発明の実施例３のアノードの断面構成図である。

＜第１の発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、第１の発明の放射線発生装置について好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、相対配置等は、特に記載がない限り、この発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

〔第１の実施形態〕
第１の発明の第１の実施形態について、放射線発生装置の構成を説明する。図１は本実施形態の放射線発生装置の構成例を示す断面図である。

本実施形態の放射線発生装置は、電子放出源１と、電子放出源１に対向して配置され、電子放出源１から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲット１６と、ターゲット１６から放出された放射線を遮る遮蔽体と、を備えている。ターゲット１６と遮蔽体（第１の遮蔽体２０・第２の遮蔽体２１）でアノード７を構成している。本実施形態は、電子放出源１、ターゲット１６および遮蔽体が外囲器８内（真空中）に設けられている例である。電子放出源１から電子を放出させターゲット１６に電子を照射させるために、図１のように、ヒーター３、グリッド電極４、グリッド電極支持部材５および集束電極６を設けても良い。

電子放出源１は電子を放出する。電子放出源１にはカソードとして冷陰極、熱陰極のいずれも用いることができるが、放射線発生装置に適用する電子放出源としては、真空度が比較的高くても大電流を安定に取り出せる含浸型カソード（熱陰極）を好適に使用することができる。また電子放出源１は絶縁部材２と一体となっている。

ヒーター３はカソード近傍に配置されており、通電することによりカソードの温度を上昇させ、電子を放出させる。

グリッド電極４は電子放出源１であるカソードで発生した電子を真空中に引き出すために所定の電圧が印加される電極である。グリッド電極４は、電子放出源１と所定の距離を持って配置されるが、この配置は電子放出源１と一体構造化された絶縁部材２をグリッド電極支持部材５に突き当てて配置することにより規定される。グリッド電極支持部材５によりカソードから数百ミクロン程度離して配置されたグリッド電極４は、ターゲットに効率よく電流を到達させるため、またカソード近傍の排気コンダクタンスを考慮して、形状、孔径、開口率等が決定される。通常は線径５０ミクロン程度のタングステンメッシュを好適に使用することができる。

集束電極６は、グリッド電極４によってカソードから引き出された電子のターゲット面における焦点径を制御するために配置される電極である。この焦点径によりターゲット面における円状の焦点領域が決まる。通常、集束電極６には数百〜数ｋＶ程度の電圧が印加されて焦点径の調節を行うが、この集束電極６を省略して、グリッド電極支持部材５に所定の電圧を印加することによりそのレンズ効果のみによって電子線を集束することも可能である。

アノード７は、上述のようにターゲット１６と遮蔽体で構成されており、さらにこの遮蔽体は開口を有する、第１の遮蔽体２０と第２の遮蔽体２１からなる。この２つの遮蔽体とターゲット１６は電子放出源側から第２の遮蔽体２１、ターゲット１６、第１の遮蔽体２０の順で配置され、この２つの遮蔽体の開口は電子放出源１に対向している。ターゲット１６には３０ｋＶ〜１５０ｋＶの電圧が印加される。電子放出源１により発生しグリッド電極４により引き出された電子線２２は、集束電極６によりターゲット１６の電子線照射領域へと向けられ、ターゲット１６に印加された電圧により加速されて、ターゲット１６との衝突により放射線２５を発生することとなる。この電子線照射領域（焦点領域）がターゲット１６の中央部になるように、電子放出源等の位置、駆動条件を制御し、焦点をターゲット１６の中央部に形成する。ターゲット１６で発生した放射線は放射線透過窓９を通して外囲器８の外部に取り出し、撮像用に用いられる。

図２に従い、アノード７を構成するターゲット１６、第１の遮蔽体２０・第２の遮蔽体２１の詳細を説明する。図２は本実施形態のアノード７の構成例を示す断面図である。

ターゲット１６はターゲット膜１７のみで構成される。ターゲット１６の材料は、通常、原子番号２６以上の金属材料を用いることができる。より好適には、熱伝導率が大きく、比熱が大きいものほど良い。例えば、タングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム等の金属材料、またはこれらの合金材料を用いた薄膜を好適に用いることができる。これは、ターゲット１６の電子線照射領域で発生した熱をより速やかに第１の遮蔽体２０全体に伝えることができるからである。ターゲット膜１７の膜厚は、発生した放射線が透過する厚さでなければならず、加速電圧によって電子線浸入深さすなわち放射線の発生領域が異なるため最適な値は異なるが、１μｍ〜１５μｍである。

第１の遮蔽体２０は、前方（ターゲット１６から電子放出源と反対側）へ向かって放出された放射線のうち、必要とされる放射線を開口から取り出し、不要な放射線を遮蔽する機能を有する。第１の遮蔽体２０に用いることができる材質は、３０ｋＶ〜１５０ｋＶで発生する放射線を遮蔽できるものであれば良く、放射線の吸収率が高く、かつ熱伝導率の高いものが好ましい。より好適には、ターゲット１６にタングステンを用いた場合、第１の遮蔽体２０にはタングステン、タンタル等、またはこれらの合金材料を用いることができる。ターゲット１６にモリブデンを用いた場合、第１の遮蔽体２０にはタングステン、タンタルの他、モリブデン、ジルコニウム、ニオブ等を用いることができる。

第１の遮蔽体２０の開口の形状は、円形であっても角形であっても良い。第１の遮蔽体２０の開口の大きさは、少なくとも必要な放射線が取り出せる大きさが必要である。開口の形状が円形の場合には直径０．１ｍｍ〜３ｍｍが好ましく、開口の形状が角形の場合には１辺が０．１ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。これは、０．１ｍｍ以下では実質的に撮像時の放射線量が少なくなり使用しにくく、３ｍｍ以上では実質的に第１の遮蔽体２０への放熱効果が得られにくいからである。

また、第１の遮蔽体２０の開口は、電子放出源と反対側に向かって徐々に広がっていることが望ましい。すなわち、ターゲット側開口端２０ａから、ターゲットと反対側の開口端２０ｂに向かって徐々に広がっていることが望ましい。これは、ターゲット側開口端２０ａが狭いと後述のようにターゲット１６で発生した熱がより速やかに第１の遮蔽体２０に伝わって放熱でき、かつターゲットと反対側の開口端２０ｂが広いと撮像時の放射線の照射領域を広くすることができるからである。

第１の遮蔽体の厚さ２０ｃは、発生した放射線を実質的に問題ない範囲まで減少させる遮蔽効果を有する厚さであれば良い。この厚さは、発生する放射線のエネルギーによって異なる。例えば、放射線のエネルギーが３０ｋｅＶ〜１５０ｋｅＶの場合、遮蔽効果の大きいタングステンでも、少なくとも１ｍｍ〜３ｍｍは必要である。放射線を遮蔽する観点からはこれ以上の厚さであれば問題ないが、熱容量、コスト、重量の観点からは３ｍｍ〜１０ｍｍがより好ましい。

第２の遮蔽体２１は、後方（ターゲット１６から電子放出源側）へ向かって放出される放射線を遮蔽する機能と、電子線２２を、開口を通過させてターゲット１６に入射させる機能を有する。ただし、第２の遮蔽体の開口２１ａを通過して電子放出源側に放出される放射線は遮蔽できないため、別途遮蔽手段を設けた方が好ましい。第２の遮蔽体２１に用いることができる材質は、第１の遮蔽体２０と同様である。第１の遮蔽体２０の材質と第２の遮蔽体２１の材質は同じであっても良いし、異なっていても良い。

第２の遮蔽体の開口２１ａの大きさは、少なくとも電子線２２がこの開口の中に入る大きさが必要である。第２の遮蔽体の開口２１ａの大きさと比べて電子線２２の直径が大きい、またはかなり近い場合、第２の遮蔽体の電子放出源側２１ｂに電子線２２の一部が当たり、その照射領域から放射線が放出され、第２の遮蔽体２１の遮蔽体としての機能が極めて小さくなる。このため、第２の遮蔽体の開口２１ａの大きさは、少なくとも電子線２２がこの開口の中に入る大きさであって、かつ第２の遮蔽体の電子放出源側２１ｂに電子線２２の一部が当たらない程度の大きさでなければならない。その大きさは、電子放出源の種類や集束電極の種類により電子線２２の集束状態が異なるため一意的には決まらないが、ターゲット１６の電子線照射領域から第２の遮蔽体２１までの距離は、概ね１ｍｍ以上であることが好ましい。

第２の遮蔽体の開口２１ａの形状は、円形または正多角形が望ましい。これは、電子線２２の断面の形状が、円形または四角形であることが多く、ターゲット１６の電子線照射領域から第２の遮蔽体２１までの距離をできるだけ等しくするためである。

第２の遮蔽体２１の厚さは、第１の遮蔽体の厚さ２０ｃと同様に求めることができるが、必ずしも第１の遮蔽体の厚さ２０ｃと同一でなくても良い。放射線を遮蔽するため、第１の遮蔽体の厚さ２０ｃと同様に、好ましくは３ｍｍ〜１０ｍｍの厚さが必要である。

本実施形態では、上述した、ターゲット１６、第１の遮蔽体２０・第２の遮蔽体２１、からなるアノード７を、以下の２つの構成のいずれかとすることにより第１の発明の効果を奏する。

１つ目の構成は、ターゲット１６の放射線強度最大の箇所から第１の遮蔽体２０までの最短距離が、ターゲット１６の放射線強度最大の箇所から第２の遮蔽体２１までの最短距離よりも短い構成である。アノード７をこの構成とする理由を以下に説明する。

電子線２２がターゲット１６に衝突すると、ターゲット１６の電子線照射領域から放射線２５が発生する。この電子線照射領域では熱が発生して温度が上昇し、発生する放射線強度が大きい（放射線量が多い）箇所ほど温度が高くなる。すなわち、放射線強度最大となる箇所が、温度が最も高くなる。このことから、上記構成の場合、第１の遮蔽体２０の方が放射線強度最大の箇所に近いため、ターゲット１６の最も温度が高い箇所の熱が、より速やかに、まず第１の遮蔽体２０に伝わって放熱され、続いて第２の遮蔽体２１に伝わって放熱される。よって、ターゲット１６が破損することなく、効果的に放熱できるため、アノード７を上記構成とする。放射線強度は公知の技術で測定することができる。

２つ目の構成は、第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状の重心から第１の遮蔽体２０までの最短距離が、第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状の重心から第２の遮蔽体２１までの最短距離よりも短い構成である。アノード７をこの構成とする理由を以下に説明する。

図２はこの構成をとるアノード７の断面図である。Ａ１−Ａ２はターゲット１６の電子線照射領域の断面であり、その中心がＡである。２２ａは電子線２２の中心であり、Ａに衝突する。電子放出源側から見たときに、ターゲット１６の電子線照射領域の中心Ａと、第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状の重心が一致する構成としている。これは、より確実に、電子線２２をターゲットに入射させ必要な放射線２５を取り出すためであり、通常、このように設計する。Ｂは第２の遮蔽体２１の、Ａからの距離が最短となる箇所、Ｃは第１の遮蔽体２０の、Ａからの距離が最短となる箇所であり、距離Ａ−Ｃは距離Ａ−Ｂよりも短い。また、通常、ターゲット１６の電子線照射領域の中心Ａは放射線強度最大となり、温度が最も高くなる。このことから、上記構成の場合、第１の遮蔽体２０の方が、第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状の重心、すなわちターゲット１６の電子線照射領域の中心Ａに近い。このため、ターゲット１６の温度が最も高い箇所の熱が、より速やかに、まず第１の遮蔽体２０に伝わって放熱され、続いて第２の遮蔽体２１に伝わって放熱される。よって、ターゲット１６が破損することなく、効果的に放熱できるため、アノード７を上記構成とする。

また、上記２つ目の構成では、電子放出源側から見たときに、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの形状が第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状に含まれる構成としても良い。この場合、ターゲット１６の温度が最も高い箇所の熱が、より速やかに第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの全周に伝わるため、より効果的に放熱できる点でより好ましい。

さらに、上記２つ目の構成では、電子放出源側から見たときに、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの形状の重心と、第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状の重心が一致する構成としても良い。この場合、より確実に必要な放射線を取り出せる点でより好ましい。この構成は、上述した、電子放出源側から見たときに、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの形状が第２の遮蔽体２１のターゲット側開口端の形状に含まれる構成にも適用できる。

ターゲット１６の電子線照射領域と第１の遮蔽体２０の位置関係は、ピンホールを用いて放射線センサーにより測定することができる。図３は放射線センサーで測定した、放射線の焦点と第１の遮蔽体２０の位置関係を示す図である。中央の円２４はターゲット１６から発せられた放射線の焦点である。外側の円２３は第１の遮蔽体２０の開口の位置を示しているが、実際には、そこから放射線は発生しないので映らない。電子放出源１および集束電極６の条件を変え、電子線２２の径を大きくしていくと、中央の円２４が大きくなり、外側の円２３と同じ大きさになる。この方法で、ターゲット１６の電子線照射領域と第１の遮蔽体２０の位置関係を決めることができる。ターゲット１６の電子線照射領域と第１の遮蔽体２０の位置関係は、第１の遮蔽体２０と第２の遮蔽体２１の位置関係が明確であるため求めることができる。

放射線の焦点は、ターゲット１６における放射線の強度分布を測定することにより定義できる。公知の技術で測定した、ターゲット１６における放射線の強度分布の一例を図４に示す。図４（ａ）は放射線強度最大の箇所が２か所ある場合の例であり、図４（ｂ）は放射線強度最大の箇所が１か所の場合の例である。焦点は、いずれの場合も、最大強度を１００％とした場合、放射線強度が５％以上の領域とする。図４（ａ）のように強度１００％の位置が２か所ある場合、その間にある最小値を焦点の中心とし、図４（ｂ）のように強度１００％の位置が１か所の場合、その位置を焦点の中心とする。

第１の遮蔽体２０とターゲット１６と第２の遮蔽体２１の接合は、ろう附けや、機械的な加圧、ねじ締め等により行うことができる。

〔第２の実施形態〕
第１の発明の第２の実施形態について、放射線発生装置の構成を説明する。図５は本実施形態の放射線発生装置の構成例を示す断面図である。

本実施形態の放射線発生装置は、図５のように、ターゲット１６が真空封止と放射線の取り出し窓口を兼ね、第１の遮蔽体２０の少なくとも一部が不図示の冷却媒体に接していることを除いては、第１の発明の第１の実施形態と同じ構成である。図５にはヒーター３、グリッド電極４、グリッド電極支持部材５および集束電極６が不図示であるが、図１のように、ヒーター３、グリッド電極４、グリッド電極支持部材５および集束電極６を設けても良い。各部材についての説明は、第１の発明の第１の実施形態と同様であるため省略する。

本実施形態では、第１の発明の第１の実施形態と同様に、ターゲット１６の電子線照射領域で発生した熱はより速やかに第１の遮蔽体２０に伝わる。そして、第１の遮蔽体２０の少なくとも一部が冷却媒体と接していることから、第１の遮蔽体２０に伝わった熱は、その後、第１の遮蔽体２０から冷却媒体に伝わるため放熱効果が高まる。また、ターゲット１６も冷却媒体と接していることから、ターゲット１６の電子線照射領域で発生した熱はターゲット１６の電子線が照射される面と反対側（冷却媒体に接している面）からも冷却媒体に伝わるため放熱効果がさらに高まる。冷却媒体としては、大気や電気絶縁油が好適に用いられる。大気や電気絶縁油の熱伝導は、第１の遮蔽体２０・第２の遮蔽体２１と比べると小さいが、第１の発明の第１の実施形態のようにターゲット１６と第１の遮蔽体２０が真空中にある場合と比べて対流が起こる。このため、第１の発明の第１の実施形態よりもさらに効率的にターゲット１６を冷却することができる。

ターゲット１６と第１の遮蔽体２０の接合は、熱的接合の他、真空を維持しなければならず、ろう附けやレーザー溶接が好適である。

〔第３の実施形態〕
第１の発明の第３の実施形態について、アノード７の詳細を説明する。図６は本実施形態のアノード７の構成例を示す断面図である。

本実施形態の放射線発生装置は、図６のように、ターゲット１６が、放射線を透過する透過基板１８と、透過基板１８の電子放出源側の面に設置されたターゲット膜１７からなることが特徴である。ターゲット１６は少なくとも、放射線を透過する透過基板１８と、透過基板１８の電子放出源側の面に設置されたターゲット膜１７を有していれば良い。他の部材についての説明は、第１の発明の第１の実施形態と同様であるため省略する。

ターゲット膜１７は、放射線を透過させるため、その厚さは上述のように厚くても１５μｍ以下である。しかし、第１の発明の第１の実施形態・第２の実施形態のような透過基板１８がない場合、この厚さでは熱容量が少ないため、ターゲット膜１７が高温になり溶融しやすい。よって、大きなエネルギーを投入することが難しい。特に、ターゲット膜１７のみで真空封止をするような場合には、真空が破れる可能性も出てくる。このため、透過基板１８を設けると、より大きなエネルギーを投入できるようになる。

透過基板１８は、放射線の透過性が高く、熱伝導が良く、真空封止に耐える必要があり、ダイヤモンド、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化アルミ、窒化アルミ、グラファイト、ベリリウム等を用いることができる。より好ましくは、放射線の透過率がアルミニウムよりも小さく熱伝導率がタングステンよりも大きい、ダイヤモンド、窒化アルミ、窒化ケイ素等が望ましい。透過基板１８の厚さは、上記の機能を満足すれば良く、材料によって異なるが、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。特に、ダイヤモンドは他の材料と比べて熱伝導が極めて良く、放射線の透過性も高く、真空を保持しやすいため、より優れている。

本実施形態のターゲット１６は、透過基板１８へのターゲット材のスパッタ、蒸着によってターゲット膜１７を得る、または別途、圧延や研磨により所定の厚さのターゲット膜１７を作製し、透過基板１８に高温高圧下で拡散接合することにより得ることができる。

また、本実施形態のターゲット１６は、第１の発明の第１の実施形態・第２の実施形態に適用できる。特に、第１の発明の第２の実施形態に適用した場合、真空維持に有効である。

〔第４の実施形態〕
第１の発明の第４の実施形態について、アノード７の詳細を説明する。図７は本実施形態のアノード７の構成例を示す断面図である。

本実施形態の放射線発生装置は、図７のように、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの大きさがターゲット１６の電子線照射領域Ａ１−Ａ２よりも小さいことが特徴である。他の部材についての説明は、第１の発明の第１の実施形態と同様であるため省略する。

本実施形態のアノード７は、第１の発明の第１の実施形態・第２の実施形態に適用でき、上記構成をとることにより、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの全周が、ターゲット１６の温度が最も高い箇所により近くなる。よって、ターゲット１６の温度が最も高い箇所の熱が、第１の発明の第１の実施形態・第２の実施形態よりもさらに速やかに第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａの全周に伝わるため放熱効果がさらに高まる。また、第１の遮蔽体のターゲット側開口端２０ａがコリメータとして機能するため、焦点径を小さくする場合にはより好適である。本実施形態のターゲット１６として第１の発明の第３の実施形態のターゲット１６を用いても良い。

〔第５の実施形態〕
第１の発明の第５の実施形態について、放射線発生装置の構成を説明する。図８は本実施形態の放射線発生装置の構成例を示す断面図である。

本実施形態の放射線発生装置は、一つの電子放出源と一つのアノード７を一対とする、放射線発生部を有する放射線発生装置を複数組み合わせたマルチ放射線発生装置２６である。この放射線発生部を有する放射線発生装置としては、第１の発明の第１の実施形態〜第４の実施形態の放射線発生装置が好適に用いられる。マルチ放射線発生装置２６は、図８のように、１つの外囲器と複数の放射線発生部で真空封止する構成とすることができる。また、放射線発生部は、線状に配列しても良いし、平面状に配列しても良い。

〔第６の実施形態〕
第１の発明の第６の実施形態は、第１の発明の放射線発生装置を用いた放射線撮像システムである。図９は本実施形態の放射線撮像システムの構成図である。

本実施形態の放射線撮像システム２７は、放射線発生装置２９と、放射線発生装置を駆動する制御電源３０と、放射線センサー３２と、撮像データ表示および画像解析用のコンピュータ３１と、を組み合わせている。放射線発生装置２９としては、第１の発明の第１の実施形態〜第５の実施形態の放射線発生装置が好適に用いられる。

放射線発生装置２９は、制御電源３０により駆動され、放射線２５を発生する。制御電源３０は、カソード−アノード間に高圧を印加する回路、電子放出源、グリッド電極、集束電極等に電圧の印加等を行う。放射線センサー３２は、放射線センサー用電源３３により制御され、放射線センサー３２と放射線発生装置２９の間の被検体２８の撮像情報を取り込む。取り込まれた撮像情報は、放射線発生装置用の制御電源、放射線センサー用の制御電源、撮像データ表示および画像解析用の表示部を有するコンピュータ３１に表示される。放射線発生装置２９と放射線センサー３２は、目的とする撮像画像、例えば静止画、動画、撮像部位の違い等によって、連動して制御される。コンピュータ３１は、画像解析や過去のデータとの照合も行うことができる。

＜第２の発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、第２の発明の放射線発生装置について好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、相対配置等は、特に記載がない限り、この発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

図１０に従い第２の発明にかかる放射線発生装置の構成の形態を説明する。図１０には放射線発生装置の断面構成を示した。

電子放出源１は電子を放出する。電子放出源１にはカソードとして冷陰極、熱陰極のいずれも用いることができるが、放射線発生装置に適用する電子放出源としては、真空度が比較的高くても大電流を安定に取り出せる含浸型カソード（熱陰極）を好適に使用することができる。また電子放出源１は絶縁部材２と一体となっている。

ヒーター３はカソード近傍に配置されており、通電することによりカソードの温度を上昇させ、電子を放出させる。

グリッド電極４は電子放出源１であるカソードで発生した電子を真空中に引き出すために所定の電圧が印加される電極である。グリッド電極４は、電子放出源１と所定の距離を持って配置されるが、この配置は電子放出源１と一体構造化された絶縁部材２をグリッド電極支持部材５に突き当てて配置することにより規定される。グリッド電極支持部材５によりカソードから数百ミクロン程度離して配置されたグリッド電極４は、ターゲットに効率よく電流を到達させるため、またカソード近傍の排気コンダクタンスを考慮して、形状、孔径、開口率等が決定される。通常は線径５０ミクロン程度のタングステンメッシュを好適に使用することができる。

集束電極６は、グリッド電極４によってカソードから引き出された電子のターゲット面における焦点径を制御するために配置される電極である。この焦点径によりターゲット面における円状の焦点領域が決まる。通常、集束電極６には数百〜数ｋＶ程度の電圧が印加されて焦点径の調節を行うが、この集束電極６を省略して、グリッド電極支持部材５に所定の電圧を印加することによりそのレンズ効果のみによって電子線を集束することも可能である。

アノード７は、所定のエネルギーを有する電子線が衝突することにより、放射線を発生させるターゲット１６（透過型のターゲット）を有する。このアノード７には数十ｋ〜百ｋＶ程度の電圧が印加され、電子放出源１のカソード（陰極）に対するアノード（陽極）として機能する。電子放出源１により発生しグリッド電極４により引き出された電子線は、集束電極６によりアノード７上の焦点領域へと向けられ、アノード７に印加された電圧により加速されて、ターゲット１６との衝突により放射線を発生することとなる。この放射線は放射線透過窓９を通して外囲器８（真空容器）外部に取り出される。

図１１に従い、アノード７の構成を詳細に説明する。図１１には、アノード７の断面構成の例を示した。

電子放出源１から放出され、アノード７が形成する電界によって加速された電子はターゲット１６に所定の入射角をもって衝突し、一部は電子の入射面と対向する面からの放射線の放出に利用され、別の一部は電子の入射面へと反射された反射電子となる。ターゲット１６は電子が衝突することにより放射線を発生するターゲット膜１７と、放射線を透過する透過基板１８とからなる。ターゲット膜１７はタングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム等の金属材料、あるいはこれらの合金材料を用いた薄膜を好適に用いることができ、スパッタリング等の物理成膜によって緻密な膜構造をとるように形成される。ターゲット膜１７の膜厚は、加速電圧によって電子線浸入深さすなわちＸ線発生領域が異なるため、最適な値が異なるが、百ｋＶ程度の加速電圧を用いる場合は通常、数μｍ〜十μｍ程度の厚さで透過基板１８上に形成される。

透過基板１８は熱伝導性が良好で、且つ放射線を遮蔽しにくい炭化ケイ素等の材料を好ましく用いることができる。ターゲット１６は電子線の入射方向に対して傾斜させて配置されており、これは反射電子を効率よく利用して放射線発生効率を高めるためになされたものであり、通常傾斜角θの好適な範囲は２０°から４０°の範囲である。

ターゲット１６には、電子放出源１からターゲット１６に向かって閉じた形状を有する放射線の焦点を規定する焦点規定部材１０が接続される。焦点規定部材１０は、ターゲット上に接着して形成され、かつターゲット１６上に上面を有する円錐台形状の開口を有している。この開口を通って電子がターゲット１６に衝突し、放射線を発生させることができる。この焦点規定部材１０の機能は、放射線取り出し面側から見た開口径によって放射線の焦点を規定すること、焦点外からの放射線を遮蔽すること（放射線遮蔽体としての機能）、にある。つまり、開口の円錐台の上面に該当するターゲット１６上の領域が焦点領域となり、焦点領域外のターゲット１６上には電子は衝突しない。更に言えば、円錐台形状の開口を有することにより、ターゲット膜１７における反射電子を効率よく電子反射部材１１に向かうようにして、反射電子線を遮蔽しないという機能を有している。

なお、図１１においては、電子線の入射面側に配置した焦点規定部材１０に接続して配置されているが、焦点規定部材１０を放射線取り出し面側に配置した場合にはターゲット１６に直接接続して配置される。この場合、焦点規定部材１０はターゲット１６の放射線取り出し面側の面上に上面を有する円錐台形状の開口を有している。このようにしても、焦点外の放射線を防止し、焦点領域にて発生した放射線のみを取り出すことができる。その上、円錐台の傾斜角度または中心角度に応じて放射線の照射角を規定することができる。

電子反射部材１１は基材１４と、基材１４の表面に形成された電子を反射する電子反射膜１５からなる。基材１４は熱伝導性を考慮して銅で構成され、電子反射膜１５は原子番号が大きいタンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金等の金属材料、あるいはこれらの合金材料を用いた薄膜で構成される。

電子反射部材１１は電子がターゲットへと入射するための開口である電子入射孔１２と、電子反射膜１５からなる電子反射面１３を有している。電子反射面１３はターゲット１６の焦点領域にて発生した反射電子を再び焦点領域に導くように形成される。一般にターゲット面で発生する反射電子線は入射角と反射角が等しくなる方向で強度が最大となるので、電子反射膜１５は少なくともこの方向に対して垂直に設けられることが好ましい。

これにより電子放出源１にて放出された電子線は電子入射孔１２を通ってターゲット１６に入射し、発生した反射電子は電子反射面１３にて反射されターゲットに再入射させることができる。また、ターゲット膜１７での反射によるエネルギー損失が少なく、比較的高い運動エネルギーを維持している反射電子により電子反射面１３で放射線を発生させ、この放射線を焦点領域へと入射させることによる放射線発生効率の向上も挙げることができる。

電子反射部材１１はターゲット１６からの反射電子を衝突させて反射することにより、電子反射部材１１に入射した反射電子の一部は電子反射部材１１の電子反射面１３にて反射電子となり、ターゲット１６の焦点領域に入射する。

これにより、反射電子を有効に利用して実効的なＸ線発生効率を向上できるので、カソードの熱負荷を大幅に低減することが可能で、これにより長期間にわたって均一で安定な特性を有する放射線発生装置を実現できる。さらに、焦点規定部材１０によって焦点外放射線の発生を抑えられるので、放射線画像のコントラスト低下や、画像生成に寄与しない不必要な被曝を回避でき、高性能で低侵襲な放射線発生装置を実現できる。また、ターゲットの焦点領域外へと向かう電子線は焦点規定部材１０にて吸収または反射され、ターゲットからの反射電子は電子反射部材１１によって反射または吸収されることとなるため、ターゲットの熱による影響をこれらの部材によって抑えることができる。

電子反射部材１１の代わりに、ターゲット１６で反射された電子を電界によって再入射させることも可能である。しかし、アノードとカソードの間で加速された電子を再びカソードであるターゲット１６に入射させるためには、このアノードとカソード間で電子に与えられたエネルギーと同等のエネルギーを与えるだけの電位差が必要である。非常に大きな電圧が必要になる上、ターゲット１６に正確に入射させる制御は困難である。本実施形態にかかる放射線発生装置は反射電子が物理的に衝突して反射されるため、電界による制御をせずとも反射電子をターゲットに再入射させることができる。

［実施例１］
本実施例は上記第２の発明の実施形態で例示された構成の例であり、以下、図１０および図１１を用いて説明する。電子放出源１として、東京カソード研究所社製含浸型カソードアッシーを使用する。含浸型カソードは加熱が必要であるが、比較的高い真空度においても安定して大電流をとることができ、放射線管用電子放出源として好適に使用することができる。

カソードはエミッタ（電子放出部）が含浸された円柱形状をしており、筒状のスリーブ上端に固定されたキャップにろう材によって固定されている。スリーブ内にはヒーター３が取り付けられており、このヒーター３に通電することによってカソードが加熱されて熱電子が放出される。

カソードの加熱は、カソード近傍に設置したヒーター３に１Ｗ程度の通電を行うことでカソード温度を９００〜１０００℃程度まで容易に上げることが可能である。例えば、カソード温度を９００℃程度に保持した場合、カソード−グリッド電極間に２０Ｖ／μｍ程度の電界を印加することで、カソードから１ｍＡ程度の電流を取り出すことが可能となる。

ターゲット１６はシリコンカーバイド基板（０．５ｍｍｔ）で構成された透過基板１８上にタングステン膜（５μｍｔ）で構成されたターゲット膜１７が形成される。タンタルからなる遮蔽体１９と、焦点規定部材１０とで挟持され、ターゲット１６の法線と入射電子線軸とが２０°の角度を持つように配置される。

焦点規定部材１０はタンタルからなり、板厚１．５ｍｍで、円錐台形状の開口を有している。開口はターゲット膜１７に接着する側の直径、すなわち実効的な放射線の焦点は１ｍｍで形成され、電子反射部材１１に接続する側の直径は５ｍｍで形成され、ターゲット膜１７側の開口中心が入射電子線軸上にあるように配置される。

電子反射部材１１は、焦点規定部材１０のターゲット膜１７側の開口中心すなわち焦点領域に中心を持ち、ターゲット１６の焦点領域を覆う半球面状の電子反射面１３（直径６．７ｍｍ）を持ち、電子入射孔１２以外の領域からの電子の流出を防いでいる。また入射電子線と軸を一にする円筒状の電子入射孔１２（直径２ｍｍ）を有している。更に、電子反射面１３には厚さ５μｍのタングステンで構成される電子反射膜１５が形成される。これらもグリッド電極４と同様に、水素アニールや真空溶解等の脱ガス処理がなされたものを好適に用いることができる。以上の放射線管構成部材を放射線透過窓９が形成された外囲器８（真空容器）内に設置して、放射線発生装置が形成される。この放射線発生装置には、放射線管の外部から駆動制御ができるように、それぞれ端子を持っており、各端子は制御電源に接続される。かかる制御電源からの入力に応じて、放射線管が制御され、放射線を発生するＸ線発生装置として機能する。この際、制御電源と、制御電源入力のパターンを決めるＣＰＵ等は放射線管の制御部を構成する。

比較例として電子反射部材を配置しない放射線管を用意し、同じ管電流で放射線強度の比較を行ったところ、本実施例の放射線管は比較例に対して放射線強度が増加し、Ｘ線発生効率が向上する。

［実施例２］
図１１に従い、第２の発明の実施例２にかかる放射線発生装置を説明する。なお、第２の発明の実施例１と同様の部分については説明を省略する。本実施例では、電子反射部材１１の電子反射面１３は反射電子線の強度が最も大きくなる方向に対して垂直な面を有している。すなわち、電子線のターゲット１６への入射角と反射角が等しくなる方向に対して垂直な面を有する。これにより、少なくとも入射角と反射角が等しい方向に反射された電子を再びターゲット１６に再入射させ易くなるため、放射線発生効率を向上させることができる。また、反射電子線の強度が最も大きくなる方向に対して垂直な面のみを調整すればよいため、部品を製造するコスト上のメリットがある。

［実施例３］
図１２に従い、第２の発明の実施例３にかかる放射線管を説明する。なお、第２の発明の実施例１と同様の部分については説明を省略する。本実施例は焦点規定部材１０をターゲット１６の取り出し面側に配置し、これに放射線遮蔽体としての機能も担わせた例である。

図１２に示した通り、焦点規定部材１０は、その開口中心を通る法線が入射電子線軸とターゲット膜１７で交差するように、ターゲット１６の放射線取り出し面側に配置される。ターゲット１６の焦点近傍において片面側しか金属部材を配置していないので、第２の発明の実施例１よりターゲットの熱負荷が大きくなるが、本構成のＸ線管についても電子反射部材を形成しない放射線発生装置と比較して放射線強度が増加する。

第２の発明のその他の実施例として、外囲器８（真空容器）内には複数の電子放出源が配置されていてもよい。その場合には、広い領域に均一なＸ線を照射するＸ線源とすることができる。更にその場合、各電子放出源は独立に駆動制御を行うように構成してもよい。その場合には、所望の範囲に放射線を照射することができる。

１：電子放出源、６：集束電極、７：アノード、９：放射線透過窓、１０：焦点規定部材、１１：電子反射部材、１２：電子入射孔、１３：電子反射面、１４：基材、１５：電子線反射膜、１６：ターゲット、１７：ターゲット膜、１８：透過基板、２０：第１の遮蔽体、２０ａ：第１の遮蔽体のターゲット側開口端、２０ｂ：第１の遮蔽体のターゲットと反対側の開口端、２０ｃ：第１の遮蔽体の厚さ、２１：第２の遮蔽体、２１ａ：第２の遮蔽体の開口、２１ｂ：第２の遮蔽体の電子放出源側、２２：電子線、２２ａ：電子線の中心、２５：放射線

Claims (10)

1. 所定の方向に配列された複数の電子放出源と、
   それぞれが、前記複数の電子放出源に対応するように対向して配置された複数のターゲットと、
   前記複数のターゲットのそれぞれに対応する開口を備え、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮る遮蔽体と、を備えた放射線発生装置であって、
   前記複数のターゲットは、前記遮蔽体を介して互いに連結されていることにより、前記配列された方向に沿って配列されていることを特徴とする放射線発生装置。
2. 前記遮蔽体は、第１の遮蔽体と第２の遮蔽体とを備え、
   前記第１の遮蔽体は、前記ターゲットよりも前記電子放出源の反対側に位置しており、
   前記第２の遮蔽体は、前記ターゲットよりも前記電子放出源の側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生装置。
3. 前記第１の遮蔽体の少なくとも一部は冷却媒体に接していることを特徴とする請求項２に記載の放射線発生装置。
4. 前記冷却媒体は大気又は電気絶縁油であることを特徴とする請求項３に記載の放射線発生装置。
5. 前記第１の遮蔽体は、前記遮蔽体が有する開口の一部を構成する開口部を有し、
   前記開口部は、前記電子放出源と反対側に向かって徐々に広がっていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
6. 前記ターゲットは、少なくとも、放射線を透過する透過基板と、該透過基板の電子放出源側の面に設置されたターゲット膜からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
7. 前記透過基板はダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の放射線発生装置。
8. 前記ターゲットは、少なくとも原子番号２６以上の金属を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
9. 前記複数のターゲットは、線状に配列されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線発生装置と、前記放射線発生装置を駆動する制御電源と、放射線センサーと、撮像データ表示および画像解析用のコンピュータと、を組み合わせたことを特徴とする放射線撮像システム。

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