JP5645449B2

JP5645449B2 - Ｘ線源及びｘ線撮影装置

Info

Publication number: JP5645449B2
Application number: JP2010093429A
Authority: JP
Inventors: 上田　和幸; 和幸上田; 辻井　修; 修辻井; 孝夫小倉; 野村　一郎; 一郎野村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: US20110255664A1; US8472586B2; JP2011222456A

Description

本発明は、透過型ターゲット電極を備えたＸ線源及びＸ線撮影装置に関する。

従来、Ｘ線発生装置の電子源には、熱電子源が用いられている。このようなＸ線発生装置では、高温度に加熱されたフィラメントから放出される熱電子の一部が、ウエネルト電極、引出し電極、加速電極、及びレンズ電極を通して、所定の形状の電子束に成形され、高エネルギに加速される。そして、タングステン等の金属から構成されたターゲット電極に電子束が照射され、Ｘ線が発生する。なお、熱電子源として、ブラウン管用の電子源でもある含浸型熱陰極電子放出素子等の小型のものもある。
但し、電子束が有するエネルギのうちＸ線に変換されるものは１％以下であり、残りのエネルギは熱となる。ターゲット電極の周囲は真空にされているため、熱の大部分は放射熱として放熱されるが、放熱が間に合わない場合、ターゲット電極の温度が上昇し、ターゲット電極が溶融することもあり得る。このため、従来のＸ線発生装置では、ターゲット電極に衝突する電子の単位面積当たりの量を低くして、ターゲット電極の単位面積当たりに与えられるエネルギが調整されている。電子の単位面積当たりの量を低くするには、電子の照射面積を大きくすることが有効である。
その一方で、ターゲット電極の電子が衝突する部分はＸ線発生部となる。Ｘ線発生部のサイズはＸ線検出器での分解能に影響を与えるため、Ｘ線発生部を必要以上に拡大することは好ましくない。
そこで、これらを両立させるために、電子照射方向に対して、ターゲット電極の表面を傾斜させる技術、及びターゲット電極の表面に微小な凹凸を設ける技術が提案されている。

米国特許第６９７５７０３号明細書特開２００５−１５８４７４号公報

しかしながら、上述のようなターゲット電極の表面を傾斜させる技術、及びターゲット電極の表面に微小な凹凸を設ける技術では、Ｘ線取り出し方向により焦点サイズが異なり、分解能が低下する虞がある。これは、電子ビームの照射領域の面積はＸ線取り出し方向により幾何学的に変化するためである。そして、分解能が低下する虞があるために、詳細な分解能が必要なＸ線撮影の際には、撮影者等がＸ線ターゲットの傾斜方向を確認し、焦点サイズの見かけ上小さくなる領域を考慮した配置にするように設定する必要がある。つまり、従来のＸ線発生装置を用いて詳細な分解能が必要なＸ線撮影を行うためには、煩雑な準備が必要とされる。

本発明は、照射方向による焦点サイズの変化を抑制することができるＸ線源及びＸ線撮影装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＸ線源は、電子線を放出する電子放出源と、前記電子線の照射によりＸ線を発生するＸ線発生層と、前記Ｘ線発生層を支持する透過基材とを備えた透過型ターゲットと、を有し、前記透過型ターゲットは、前記電子線の照射を受ける側の面において、前記電子線の入射方向に対して傾斜した傾斜面を備えた複数の凸部を備え、前記凸部は、複数の方向に配列されていることを特徴とする。

本発明によれば、透過ターゲット電極の放熱を高効率で行いながら、照射方向によるＸ線の焦点サイズの変化を抑制することができる。

第１の実施形態に係るＸ線源の内部の構成を示す図である。第１の実施形態に係るＸ線源の外観を示す図である。Ｘ線源の各部の電圧を示す図である。第１の実施形態における透過型ターゲット電極の構造を示す図である。ターゲット電極と焦点サイズとの関係を示す図である。第２の実施形態における透過型ターゲット電極の構造を示す図である。第３の実施形態に係るＸ線撮影装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線源の内部の構成を示す図であり、図２は、第１の実施形態に係るＸ線源の外観を示す図である。
第１の実施形態に係るＸ線源１０では、筐体３０の内部が真空室１１となっており、真空室１１に電子線発生部１２及び透過型ターゲット電極１３が配置されている。電子線発生部１２には、素子基板１４及び素子アレイ１６が設けられている。素子アレイ１６はモリブデン等の高融点金属材料からなり、例えば、その直径は５ｍｍである。素子アレイ１６の頭頂部に電子放出素子１５が搭載されている。また、電子放出素子１５としては、例えば含浸型熱陰極電子放出素子が用いられる。電子放出素子１５として、数１０ｎｍの微細な構造体からなるカーボンナノチューブを用いた冷陰極電子放出素子が用いられてもよい。素子アレイ１６の底部は素子基板１４の駆動配線に接続されている。素子基板１４の駆動配線は駆動信号端子１７に接続されている。駆動信号端子１７は筐体３０を貫通しており、駆動信号端子１７には、電子放出素子１５からの電子の放出量を制御する信号が入力される。従って、駆動信号端子１７への入力信号により、Ｘ線のオン／オフが制御される。図３に示すように、駆動信号端子１７から、例えば−０．０１ｋＶ〜−０．２ｋＶ程度の電圧Ｖｃが素子アレイ１６に供給される。
なお、真空室１１の真空度は電子放出のため、例えば１０^-4Ｐａ〜１０^-8Ｐａ以下とされる。真空度が高いほど電子放出素子１５の寿命が長くなり、放電減少等の問題が発生しにくくなる。

素子基板１４上には、素子アレイ１６及び電子放出素子１５の総厚よりも厚いスペーサ（間隔規定部材）１８が配置されている。スペーサ１８には、素子アレイ１６及び電子放出素子１５と整合する開口部が形成されている。そして、スペーサ１８上に引出し電極１９が配置されている。引出し電極１９の電子放出素子１５側の面と電子放出素子１５の引出し電極１９側の面とは、数百μｍ程度、互いから離間している。従って、引出し電極１９と電子放出素子１５及び素子アレイ１６とは互いから電気的に絶縁されている。また、引出し電極１９の電子放出素子１５と対向する部分には、複数の貫通孔が格子状に形成されている。例えば、貫通孔の平面形状は一辺の長さが約０．４０ｍｍの正方形であり、貫通孔同士の間隔は約０．１ｍｍである。引出し電極１９は、例えば厚さが約０．２ｍｍのタングステンシートに貫通孔を形成したものである。引出し電極１９は引出し電極端子２０に接続されている。引出し電極端子２０は筐体３０を貫通しており、引出し電極端子２０には、電子放出素子１５に加わる電界を制御する電圧が供給される。図３に示すように、引出し電極端子２０から、例えば０ｋＶの電圧Ｖｇが引出し電極１９に供給される。引出し電極１９と素子アレイ１６との間に電位差が生じると、電子放出素子１５が電子を放出し、引出し電極１９を電子ビームが通過する。
なお、引出し電極１９の貫通孔の形状、大きさ及び配置等は、電子放出素子１５に均一な電界を印加することができれば特に限定されない。また、引出し電極１９の面上に、ゲッタ２６用に絶縁層又は配線等が設けられていてもよい。

引出し電極１９と透過型ターゲット電極１３との間に、レンズ電極（中間電極）２１が配置されている。レンズ電極２１は、例えば厚さが２ｍｍのステンレス板である。レンズ電極２１の材料として、他の導電性の金属を用いてもよく、モリブデン、タングステン、及びタンタル等の原子番号の高い金属であることが望ましい。レンズ電極２１はレンズ電極端子２２に接続されている。レンズ電極端子２２は筐体３０を貫通しており、レンズ電極端子２２には、引出し電極１９を通過した電子線４２を収束させ、電子ビーム束４３を成形する電圧が供給される。図３に示すように、レンズ電極端子２２から、例えば０ｋＶ〜１０ｋＶ程度の電圧Ｖｍがレンズ電極２１に供給される。この結果、直径が０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度に収束した電子ビーム束４３が得られる。

透過型ターゲット電極１３の周囲には、透過型ターゲット電極１３と機械的かつ熱的に接触する真空内Ｘ線遮蔽板２４が設けられている。真空内Ｘ線遮蔽板２４には、電子ビーム束４３が通過する開口部、及び透過型ターゲット電極１３から発せられたＸ線が通過する開口部が形成されている。透過型ターゲット電極１３に発生した熱は、真空内Ｘ線遮蔽板２４を介して放出される。透過型ターゲット電極１３はターゲット電極端子２３に接続されている。ターゲット電極端子２３は筐体３０を貫通しており、ターゲット電極端子２３には、電子ビーム束４３を加速させる電圧が供給される。図３に示すように、ターゲット電極端子２３から、例えば約４０ｋＶ〜１２０ｋＶ程度の高電圧Ｖａがターゲット電極１３に供給される。この結果、電子ビーム束４３が高速で透過型ターゲット電極１３に衝突し、Ｘ線４１が発生する。Ｘ線４１は透過型ターゲット電極１３を透過するが、Ｘ線４１の一部は真空内Ｘ線遮蔽板２４により遮蔽され、所定のＸ線放射角で放出される。
筐体３０のＸ線４１が照射する位置にはＸ線透過窓２５が設けられており、Ｘ線４１はＸ線透過窓２５を透過してＸ線源１０の外部へと放射される。Ｘ線透過窓２５の材料は、例えば、アルミニウム、ベリリウム銅合金、又はガラス等である。

ここで、透過型ターゲット電極１３について詳細に説明する。図４は、第１の実施形態における透過型ターゲット電極１３の構造を示す図である。図４（ａ）は断面図であり、図４（ｂ）は斜視図である。
図４に示すように、透過型ターゲット電極１３では、Ｘ線発生支持層１３ａ上にＸ線発生層１３ｂが形成されている。Ｘ線発生支持層１３ａとしては、例えば軽元素からなる基板（基体）が用いられる。また、Ｘ線発生支持層１３ａの材料としては、ダイヤモンド、カーボン、ベリリウム、Ａｌ、ＡｌＮ、及びＳｉＣ等のＸ線吸収能が低いものが挙げられる。これらの材料の２種類以上が組み合わされていてもよい。Ｘ線発生支持層１３ａの厚さは、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度である。また、Ｘ線発生層１３ｂの材料としては、タングステン、モリブデン等の重金属が挙げられる。Ｘ線発生層１３ｂの厚さは、例えば数１０ｎｍ〜数μｍ程度である。透過型ターゲット電極１３の厚さｔは、例えば０．５ｍｍ程度である。
更に、本実施形態では、Ｘ線発生支持層１３ａの表面に凹凸部３８が形成され、この凹凸部３８に倣うようにＸ線発生層１３ｂが形成されている。このため、透過型ターゲット電極１３の表面に凹凸部３８が存在する。凹凸部３８の凸部の形状は、例えば四角錐であり、その高さｄは約０．０５ｍｍである。そして、凹凸部３８の凸部の傾斜面とＸ線４１の入射方向とがなす角度θは例えば４５度に設定されている。

このように構成された透過型ターゲット電極１３では、Ｘ線発生層１３ｂの材料及び厚さが適切であるため、Ｘ線４１が透過型ターゲット電極１３に吸収されにくく、強度が減衰しにくい。また、Ｘ線発生支持層１３ａの材料及び厚さが適切であるため、電子ビーム束４３の照射により昇温したＸ線発生層１３ｂを高効率で冷却することが可能であり、また、Ｘ線４１が透過型ターゲット電極１３に吸収されにくく、強度が減衰しにくい。つまり、Ｘ線発生支持層１３ａの熱伝導性が高く、また、Ｘ線発生支持層１３ａにおけるＸ線４１の透過性が優れている。更に、Ｘ線発生支持層１３ａは、Ｘ線４１の低エネルギ領域でＸ線透過像の像質への寄与が少ないエネルギの低いＸ線４１を有効に吸収し、Ｘ線の線質を変えるフィルタとしても機能する。従って、透過型ターゲット電極１３でのＸ線４１の発生効率が高く、機能性に優れている。
また、透過型ターゲット電極１３の表面に、適切な形状及び大きさの凹凸部３８が形成されているため、透過型ターゲット電極１３の表面積が、平面となっている場合と比較して約２倍程度になっている。このため、透過型ターゲット電極１３の受ける単位表面積当たりの電子エネルギは約１／２となる。よって、透過型ターゲット電極１３の表面温度の上昇を抑制することができる。
更に、凹凸部３８の凸部の傾斜面のＸ線４１の入射方向に対する角度θが４５度なので、ある斜面からの熱放射が、これに隣接する斜面に照射されることがなく、効率よく熱放射が行われる。また、上述のように、真空内Ｘ線遮蔽板２４（放熱部材）を介した放熱も行われる。従って、本実施形態によれば、被検体の透過に十分な量のＸ線が放射される程度の電力投入が可能である。

更にまた、上述のように、凹凸部３８に電子線４２の電子ビーム束４３が衝突すると、凹凸部３８の表面からＸ線４１が発生するが、Ｘ線４１の放射方向は、微小な凹凸部３８の各部から発生したＸ線の照射方向の集合となる。従って、Ｘ線４１のどのような照射方向においても、Ｘ線４１が発生している部分はほとんど同一である。そして、Ｘ線４１が複数の凹凸部３８の斜面から照射されたものであるため、その焦点サイズがほぼ一定となる。このため、Ｘ線４１の照射方向による分解能の変化を抑制することができる。
例えば、図５（ａ）に示すように、透過型ターゲット電極１３の表面から電子ビーム束４３の入射方向に放射されたＸ線４１ａの焦点サイズ５３と、電子ビーム束４３の入射方向から傾斜した方向に放射されたＸ線４１ｂの焦点サイズ５４とが互いに同等となる。このようにして、分解能の変化を抑制することができる。

このような第１の実施形態によれば、十分なエネルギでＸ線４１を発生させることができ、また、照射方向に拘わらず、Ｘ線４１の焦点サイズ、つまり電子照射面積を安定させることができる。このため、このようなＸ線源１０を用いれば、Ｘ線センサの全面でほぼ同一の分解能でのＸ線撮影が可能になる。

なお、図５（ｂ）に示すような斜面を備えた透過型ターゲット電極１０２を用いた場合には、透過型ターゲット電極１０２の表面から電子ビーム束１０１の入射方向に放射されたＸ線の焦点サイズ１０３が、電子ビーム束１０１の入射方向から傾斜した方向に放射されたＸ線の焦点サイズ１０４よりも著しく小さくなり得る。この場合、Ｘ線の照射方向により分解能が著しく相違してしまう。このような問題点は、特許文献１に記載の技術に生じる。
また、図５（ｃ）に示すようなターゲット電極１１２に電子ビーム束１１１を照射した場合には、ターゲット電極１１２の表面から浅い角度で放射されたＸ線の焦点サイズ１１３が、ターゲット電極１１２の表面から大きな角度で放射された焦点サイズ１１４よりも著しく小さくなり得る。この場合、Ｘ線の照射方向により分解能が著しく相違してしまう。このような問題点は、特許文献２に記載の技術に生じる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態における透過型ターゲット電極１３の構造を示す図である。
第１の実施形態では、凹凸部３８の凸部同士が四角錘の底辺を介して繋がっているのに対し、第２の実施形態では、凸部同士が凹球面８２を介して繋がった凹凸部８１が透過型ターゲット電極１３の表面に形成されている。凹球面８２の曲率半径は半径約０．０１ｍｍである。

このような第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電子ビーム束４３の照射に伴って透過型ターゲット電極１３の温度が上昇し、熱応力が発生しても、凹球面８２があるため、応力集中が緩和される。このため、第１のじっ形態よりも亀裂等が生じにくく、駆動時の信頼性が向上する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、第１又は第２の実施形態に係るＸ線源１０を備えたＸ線撮影装置である。図７は、本発明の第３の実施形態に係るＸ線撮影装置の構成を示す図である。
第３の実施形態に係るＸ線撮影装置には、Ｘ線源１０からのＸ線の放射方向に、Ｘ線検出器３１が配置されている。撮影時には、Ｘ線検出器３１のＸ線源１０側に被検体が位置する。
Ｘ線検出器３１は、信号処理部３２を介して中央制御部３３に接続されている。また、中央制御部３３には、高電圧制御部３４、電圧制御部３５、電圧制御部３６、及び電子放出素子駆動回路３７が接続されている。高電圧制御部３４にターゲット電極端子２３が接続され、電圧制御部３５にレンズ電極端子２２が接続され、電圧制御部３６に引出し電極端子２０が接続され、電子放出素子駆動回路３７に駆動信号端子１７が接続される。

このように構成されたＸ線撮影装置では、中央制御部３３の制御により高電圧制御部３４、電圧制御部３５、電圧制御部３６、及び電子放出素子駆動回路３７が動作して、Ｘ線４１が発生する。即ち、Ｘ線源１０の電子線発生部１２により発せられた電子の電子線４２が収束して電子ビーム束４３が得られ、電子ビーム束４３が透過型ターゲット電極１３に照射されてＸ線４１が発生する。Ｘ線４１はＸ線透過窓２５を通して大気中に放射され、被検体を介してＸ線検出器３１に検出される。そして、中央制御部３３の制御により信号処理部３２が動作して、Ｘ線検出器３１の検出結果から被検体のＸ線透過画像を作成する。
そして、第３の実施形態では、第１又は第２の実施形態に係るＸ線源１０が用いられているため、十分なエネルギでＸ線４１を発生させることができ、また、照射方向に拘わらず、Ｘ線４１の焦点サイズ、つまり電子照射面積を安定させることができる。

なお、凹凸部の凸部の形状は特に限定されないが、四角錐、三角錐、円錐等の錐型であることが好ましい。また、凸部の傾斜面の電子ビーム束の入射方向に対する角度が一定であることが好ましい。また、この角度は４５度以上であることが好ましい。４５度未満であると、放熱しにくくなることがあるからである。また、凸部の高さが透過型ターゲット電極の厚さの１０％以下であることが好ましい。凸部の高さが透過型ターゲット電極の厚さの１０％を超えると、凸部が大きくなり、焦点サイズのばらつきが生じることあるからである。
更に、第２の実施形態においては、凸部の高さが１０μｍ以上であり、かつ凹球面の曲率半径が２μｍ以上であることが好ましい。曲率半径が２μｍ未満であると、応力緩和の効果が小さくなり、曲率半径が２μｍ以上の場合に凸部の高さが１０μｍ未満であると、透過型ターゲット電極の表面積が十分に大きなものとならないことがあるからである。なお、凹球面は真球面の一部分である必要はなく、凹状の曲面となっていればよい。

１０：Ｘ線源１２：電子線発生部１３：透過型ターゲット電極１３ａ：Ｘ線発生支持層１３ｂ：Ｘ線発生層１３ｂ１５：電子放出素子１６：素子アレイ１９：引出し電極２１：レンズ電極４１：Ｘ線

Claims

電子線を放出する電子放出源と、
前記電子線の照射によりＸ線を発生するＸ線発生層と、前記Ｘ線発生層を支持する透過基材とを備えた透過型ターゲットと、
を有し、
前記透過型ターゲットは、前記電子線の照射を受ける側の面において、前記電子線の入射方向に対して傾斜した傾斜面を備えた複数の凸部を備え、前記凸部は、複数の方向に配列されていることを特徴とするＸ線源。
前記透過基材は、前記Ｘ線発生層を支持する側において複数の傾斜部によって構成される凹凸面を有し、前記複数の凸部のそれぞれは、前記凹凸面が有する凸領域と、前記凸領域に倣って支持される前記Ｘ線発生層とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
前記凸部の形状は、錐であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線源。
前記傾斜面の前記入射方向に対する角度は、一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線源。
前記凸部の高さは、透過型ターゲットの厚さの１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線源。
前記傾斜面の前記入射方向に対する角度は、４５度以上であ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Ｘ線源。
前記凸部の高さは、１０μｍ以上であり、
前記複数の凸部同士が、曲率半径が２μｍ以上の凹状の曲面を介して繋がっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線源。
前記透過型ターゲットに生じた熱を放出する放熱部材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Ｘ線源。
電子線を放出する電子放出源と、
前記電子線の照射によりＸ線を発生するターゲット層と、前記ターゲット層を支持する透過基材とを備えた透過型ターゲットと、
を有し、
前記透過型ターゲットは、前記電子線の照射を受ける側の面において、前記電子線の入射方向に対して傾斜した傾斜面を備えた複数の凸部を備え、前記凸部は、複数の方向に配列されていることを特徴とするＸ線源。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＸ線源と、
前記Ｘ線源が発生し、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出手段と、
前記Ｘ線検出手段による検出結果からＸ線透過画像を作成する信号処理手段と、
を有することを特徴とするＸ線撮影装置。