JP5911283B2 - 放射線発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁性液体で満たされた外囲器内に放射線管が封入された放射線発生装置に関する。

放射線管は、陰極、陽極及び絶縁性の管状側壁からなる真空管であって、陰極の電子源から放出された電子を、陰極−陽極間に印加された高電圧で加速し、陽極に設けられた金属ターゲットに照射して放射線を発生させる。このような放射線管が、絶縁性液体で満たされた外囲器内に封入された放射線発生装置においては、電子の照射によってターゲットが発熱し、この熱が放射線管の周囲の絶縁性液体に伝わって絶縁性液体の温度を上昇させる。絶縁性液体は温度上昇により熱膨張するため、外囲器が破損するおそれがある。また、温度上昇によって絶縁性液体が劣化し、絶縁耐圧が低下するおそれがある。このため、絶縁性液体に伝わった熱を速やかに放熱し、絶縁性液体の温度上昇を抑制する必要がある。特許文献１及び２には、放射線発生装置の外囲器の外側に放熱フィン、外囲器の内側に吸熱フィンを設けて絶縁性液体を冷却する技術が開示されている。

特開２００２−１７５８９９号公報 特開２００４−０２２４５９号公報

特許文献１及び２に記載の技術では、放射線管の陰極から陽極にわたるほぼ全域に対向するように、外囲器の内側に吸熱フィンが存在する。通常、放射線発生装置の外囲器は、安全のため接地電位とするため、放射線管に印加される電位によっては、放射線管に対して吸熱フィンが相対的に低電位となる電界集中を起こしやすくなる。このような場合、絶縁耐圧を確保するためには、吸熱フィンがない場合に比べて相応の距離が必要となるため、小型化の障壁となっていた。

そこで、本発明は、外囲器内に絶縁性液体の冷却構造を備え、かつ絶縁耐圧を確保すると共に、装置の小型化も可能とする放射線発生装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電子放出部を有する電子銃構造体が接続された陰極と、前記電子放出部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が設けられた陽極との間に、誘電体からなる管状側壁が前記電子銃構造体を囲んで配置された放射線管が、絶縁性液体で満たされた外囲器内に封入された放射線発生装置であって、
前記外囲器の内面の少なくとも一部に、熱伝導性を有するフィンが前記放射線管の胴部側に突出して設けられ、
前記フィンと前記胴部との間の電位差が大きくなるにつれて、前記フィンと前記胴部との間の距離が大きくな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。

本発明によれば、熱伝導性を有するフィンが、絶縁性液体から吸熱し、その熱を外囲器に熱伝導することにより外囲器の外部に放熱するため、絶縁性液体を速やかに冷却することができる。また、フィンと放射線管の胴部との距離を小さくしても耐圧低下を抑制できるように、フィンを設けているため、絶縁耐圧を確保することができ、装置の小型化も実現できる。

（ａ）本発明の放射線発生装置の参考例を示す断面模式図、（ｂ）放射線発生装置のＡ−Ａ’に相当する断面模式図である。 本発明の放射線発生装置に用いる放射線管の一例を示す断面模式図である。 （ａ）実施例２の放射線発生装置の断面模式図、（ｂ）放射線発生装置のＡ−Ａ’に相当する断面模式図である。 実施例３の放射線発生装置の断面模式図である。 （ａ）実施例４の放射線発生装置の断面模式図、（ｂ）放射線発生装置のＡ−Ａ’に相当する断面模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の放射線発生装置の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、下記実施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、本発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

図１に従い本発明の放射線発生装置の構成を説明する。図１（ａ）は本発明の放射線発生装置の参考例を内部が分かるように切り欠いて示した断面模式図、図１（ｂ）は図１（ａ）の放射線発生装置のＡ−Ａ’に相当する断面模式図である。

放射線発生装置１は、放射線管２を外囲器３に絶縁性液体４と共に封入してなる。放射線管２には、反射型、透過型のいずれの放射線管も用いることができ、放射線管２の放射位置に対応して外囲器３に放射線透過窓（不図示）を設ければ良い。

以下、本発明の放射線発生装置に用いる透過型放射線管の構造を簡単に説明する。図２は透過型放射線管の一例を示す断面模式図である。

放射線管２は、陰極５と陽極６との間に、誘電体からなる管７（以下、「管状側壁７」という。）が配置されて封止された真空管である。陰極５には、電子放出部を有する電子銃構造体が接続されている。電子銃構造体は陰極５の電位を基準に電位規定され、放射線管２の内部に配置される。この電子銃構造体は主に電子源１１、グリッド電極１２、集束電極１３からなる。陽極６には、電子放出部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１４が設けられている。この陽極６には数十ｋＶ〜百ｋＶ程度の電圧が印加される。管状側壁７は、形状には制約は多くないが、小型化や作り易さを考慮すると円筒形が良い。但し、円筒形以外の形状、例えば角筒形等でも良い。図２では、管状側壁７を円筒形とし、陰極５及び陽極６を管状側壁７の開口に応じた形状、即ち円形としている。このような透過型放射線管では、電子源１１で発生し、グリッド電極１２により引き出された電子線が、集束電極１３により陽極６上のターゲット１４へと向けられ、陽極６に印加された電圧により加速され、ターゲット１４と衝突することにより放射線を発生する。放射線の少なくとも一部は、ターゲット１４を透過し、放射線管２の外部に取り出される。

外囲器３は、容器部８と蓋部９からなり、容器部８に放射線管２を固定し、蓋部９にて密閉してなる。外囲器３の材料としては鉄、ステンレス、鉛、真鍮、銅等の金属が使用可能である。外囲器３内への絶縁性液体４の注入は、外囲器３の一部に設けた注入口（不図示）から行うことができる。外囲器３の電位は接地電位に規定するのが良い。

絶縁性液体４は、電気絶縁性が高く、冷却能力の高いものが良い。また、熱による変質の少ないものが良い。例えば電気絶縁油、フッ素系の絶縁性液体等が使用可能である。

上述の放射線発生装置を動作させると、放射線管２（特に陽極６）が発熱し、その熱が絶縁性液体４の温度を上昇させる。また、主に陽極６から陽極電位よりも低電位な部位へ向かうような絶縁性液体４の対流が発生する。絶縁性液体４は温度上昇により熱膨張するため、外囲器３の破損（例えば、容器部８と蓋部９のシール部からの液漏れ）のおそれがある。また、温度上昇によって絶縁性液体４が劣化し、絶縁耐圧を低下させるおそれがある。このため、外囲器３の内面の少なくとも一部に、放射線管２の胴部側に突出した熱伝導性を有するフィン１０を設けている。フィン１０の電位は接地電位に規定するのが良い。フィン１０は絶縁性液体４から吸熱し、その熱を外囲器３に熱伝導することにより外囲器３の外部に放熱する。絶縁性液体４の対流を妨げず、かつ絶縁性液体４との接触面積を広く確保するために、フィン１０の形状は図１（ｂ）に示すようなスリット状が好ましい。図１では、外囲器３の蓋部９のみにフィン１０を設けているが、冷却能を上げるためにフィン１０を容器部８にも設けても良い。また、外囲器３の外部においては、冷却ファン等の冷却手段により、積極的に放熱することで絶縁性液体４の冷却効率を上げることが好ましい。

ところで、外囲器３の内面にフィン１０を設けると、放射線管２との電位差によって、場所によってはフィン１０と放射線管２の胴部との間の絶縁耐圧を低下させるおそれがある。絶縁耐圧の低下は外囲器３の大型化を招き、小型化の障壁となる。また、フィン１０の先端は平面に比べて電界集中しやすいため、フィン１０の電位＜放射線管２の電位の領域の方が、フィン１０の電位＞放射線管２の電位の領域よりも、フィン１０の先端から放射線管２側に電子が飛び出しやすく、飛び出した電子は加速される。このため、フィン１０の電位＜放射線管２の電位の領域では、フィン１０の先端から電子が飛び出して放射線管２に衝突することによる放電が発生しやすい。即ち、フィン１０の電位＜放射線管２の電位の領域では耐圧低下しやすい。例えば、厚みが１ｍｍ程度で先端断面が半円状のフィン１０を、５ｍｍ程度の間隔で配置する場合、平板に比べて２倍程度電界強度が強まる。よって、本発明では、外囲器３の内面からのフィン１０の突出量を、フィン１０に対向する放射線管２の胴部の電位に応じて不均一にすることで、外囲器３を大型化せずにすむ。具体的には、以下のようにフィン１０を設けるのが良い。

放射線管２の胴部におけるフィン１０の電位よりも高電位側に対向する領域を除いてフィン１０を設けると、フィン１０の電位＜放射線管２の電位の領域において電界集中個所をなくすことができるので小型化し易い。この場合更に、フィン１０と放射線管２の胴部との間の電位差が大きくなるにつれて、フィン１０と放射線管２の胴部との間の距離が大きくなるようにフィン１０を設けるのが良い。このようにすると、フィン１０の電位＞放射線管２の電位の領域においてフィン１０と放射線管２の胴部との間の電界強度が大きくならなくて良い。

また、フィン１０と放射線管２の胴部との間の電位差が大きくなるにつれて、フィン１０と放射線管２の胴部との間の距離が大きくなるようにフィン１０を設けると、フィン１０と放射線管２の胴部との間の電界強度が大きくならなくて良い。この場合更に、放射線管２の胴部の電位がフィン１０の電位よりも小さくなる側の方が、放射線管２の胴部の電位がフィン１０の電位よりも大きくなる側よりも、フィン１０と放射線管２の胴部との間の距離の変化が緩やかになるようにフィン１０を設けるのが良い。

放射線管２の胴部からフィン１０までの最短距離は、放射線管２から外囲器３までの最短距離以上になるようにするのが良い。このようにすると、放射線管２と外囲器３との間の電界強度が強まらなくて良い。

また、フィン１０と陽極６を同電位に設定すると、放射線管２の胴部の方がフィン１０よりも電位が低いため、フィン１０の配置に制約が少なくなり、発熱源である陽極６周辺のみにフィン１０を配置するだけでも良い。

外囲器３内の隅部等では絶縁性液体４が滞留する可能性があるため、陽極６周辺に、絶縁性液体４の流れをフィン１０の方へ向かわせる整流構造１６を設けても良い。

［参考実施例１］
本参考実施例の放射線発生装置は上記実施形態で例示した構成と同じ構成である（図１（ａ）（ｂ））。

放射線発生装置１は、外囲器内に放射線管２を入れ、絶縁性液体４を充填してなる。放射線管２は透過型放射線管であり、陰極５と陽極６とで管状側壁７を挟み込んで封止されている（図２）。陰極５には陰極電位を基準とした電子銃構造体（電子源１１、グリッド電極１２、集束電極１３）が接続され、陽極６にはターゲット１４が設けられている。陰極５及び陽極６にはコバール、管状側壁７にはアルミナを用い、ろう附けにより接合した。陰極５及び陽極６は円形、管状側壁７は円筒形とした。電子源１１には含浸カソードを用い、ターゲット１４はダイヤモンド基板上にタングステンを成膜したものを用いた。陽極６は正電位、陰極５は負電位に規定した。

外囲器３は真鍮製の直方体で、一面が蓋部９で、それ以外の容器部８とからなり、接地電位に規定した。容器部８と蓋部９の接合部にはシール用パッキン（不図示）を設け、ねじ留めにより密閉した。放射線管２は、管状側壁７と蓋部９とが平行になるように配置した。また、蓋部９の内面には、放射線管２の胴部におけるフィン１０の電位よりも高電位側に対向する領域を除いて、放射線管２の胴部側に突出したフィン１０を設けた。フィン１０の電位も接地電位である。フィン１０は真鍮製で、１ｍｍの厚みで先端は半径０．５ｍｍで面取りし、４ｍｍ間隔で１３枚配置した。放射線管２の胴部からフィン１０までの最短距離は、放射線管２から外囲器３までの最短距離以上になるようにし、放射線管２と外囲器３との間の電界強度が強まらないようにした。フィン１０の先端は電界強度が局所的に高くなっているが、フィン１０の電位がフィン１０に対向する放射線管２の電位よりも高いので放電が発生しにくい。

絶縁性液体４には高圧絶縁油Ａ（ＪＸ日鉱日石エネルギー製）を用い、外囲器３に設けた注入口（不図示）より充填した。

上述のようにフィン１０の先端では電界強度が強まる。本実施例ではフィン１０の先端で２倍程度電界強度が強まる。このため、仮に放射線管２の胴部に対向する全域にフィン１０を設け、絶縁耐圧も確保しようとすると、フィン１０と放射線管２の胴部との距離を、少なくとも放射線管２と外囲器３までの最短距離程度は広げる必要がある。一方、本実施例では、放射線管２の胴部におけるフィン１０の電位よりも高電位側に対向する領域を除いてフィン１０を設けるため、放射線管２の胴部に対向する全域にフィン１０を設ける場合に比べて、放射線管２と外囲器３までの最短距離分は小さくできる。よって、本実施例により装置の小型化を実現できる。

本参考実施例の放射線発生装置１を、陰極５を−５０ｋＶ、陽極６を５０ｋＶで駆動したところ、放電による障害なく放射線を発生させることができた。また、温度上昇によって油漏れ等の外囲器３の破損が生じることもなかった。更に、長時間駆動しても放電はせず、耐圧低下は認められなかった。

［実施例２］
本実施例の放射線発生装置は参考実施例１の構成と異なり、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、フィン１０は陰極５に近づくに従って、蓋部９からの突出量を減少させた。即ち、フィン１０と放射線管２の胴部との間の電位差が大きくなるにつれて、フィン１０と放射線管２の胴部との間の距離が大きくなるようにフィン１０を設けた。更に、外囲器３の蓋部９の対面に、放射線管２に対して、フィン１０と対称となるようなフィン１５を設けた。これらの異なる点を除いては参考実施例１と同じ構成である。

参考実施例１では陰極５に近づくに従ってフィン１０と放射線管２の胴部との電位差が大きくなるため、陰極５付近でフィン１０と放射線管２の胴部とを必要な距離離さなければならない。一方、陰極５と陽極６の中間点付近ではフィン１０と放射線管２の胴部との電位差はほとんど生じていないため、中間点付近でフィン１０と放射線管２の胴部の距離を縮めることができる。よって、フィン１０を本実施例のような形状にすることで、放射線管２と外囲器３との距離を最小限に抑えることができ、参考実施例１よりも更に装置を小型化することが可能である。

また、フィン１０の面積が減ることにより吸熱効果が薄れるので、本実施例では蓋部９の対面にフィン１５を設けて吸熱面積を補っている。もちろん、フィン１５によって放射線管２と外囲器３との距離を広げる必要はない。

本実施例の放射線発生装置１を、陰極５を−５０ｋＶ、陽極６を５０ｋＶで駆動したところ、放電による障害なく放射線を発生させることができた。また、温度上昇によって油漏れ等の外囲器３の破損が生じることもなかった。更に、長時間駆動しても放電はせず、耐圧低下は認められなかった。

［実施例３］
本実施例の放射線発生装置は実施例２の構成と異なり、図４に示すように、陽極６を接地電位に規定し、フィン１０、１５を陽極６周辺のみに配置した。この異なる点を除いては実施例２と同じ構成である。本実施例のような電位規定を一般的に陽極接地と呼ぶ。陽極接地の場合、陰極５と外囲器３との電位差は２倍となり、放射線管２と外囲器３との距離も２倍必要となる。よって、フィン１０、１５を設けると一層大きな外囲器３が必要となる。しかし、本実施例のように陽極周辺のみ（好ましくは陽極６と外囲器３の間）にフィン１０、１５を配置すると、フィン１０、１５による外囲器３の大型化は軽微で済む。更に、発熱部であるターゲット１４の近くに配置できるので吸熱効果が高い。

本実施例の放射線発生装置１を、陰極５を−１００ｋＶで駆動したところ、放電による障害なく放射線を発生させることができ、温度上昇も実施例２に比べて抑制できた。

［実施例４］
本実施例の放射線発生装置は実施例２に加え、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、陽極６と外囲器との間に、絶縁性液体４をフィン１０に向かうように整流させる整流構造１６を設けた。絶縁性液体４は乱流気味に流れるため、必ずしもフィン１０の方向へ流れるわけではない。よって、本実施例では、絶縁性液体４の流れをフィン１０、１５に効率良く向かわせる整流構造１６を設けている。整流構造１６は真鍮によりフード状に形成した。また、整流構造１６は、蓋部９の内面、外囲器３の蓋部９に対向する面、及び外囲器３の陽極６に対向する面に接触するように配置し、整流構造１６からも外囲器３に熱伝導するようにした。

本実施例の放射線発生装置１を、陰極５を−５０ｋＶ、陽極６を５０ｋＶで駆動したところ、放電による障害なく放射線を発生させることができ、温度上昇も実施例２に比べて抑制できた。

１：放射線発生装置、２：放射線管、３：外囲器、４：絶縁性液体、５：陰極、６：陽極、７：管状側壁、８：（外囲器の）容器部、９：（外囲器の）蓋部、１０：フィン、１１：電子源、１２：グリッド電極、１３：集束電極、１４：ターゲット、１５：フィン

Claims (6)

1. 電子放出部を有する電子銃構造体が接続された陰極と、前記電子放出部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が設けられた陽極との間に、誘電体からなる管状側壁が前記電子銃構造体を囲んで配置された放射線管が、絶縁性液体で満たされた外囲器内に封入された放射線発生装置であって、
   前記外囲器の内面の少なくとも一部に、熱伝導性を有するフィンが前記放射線管の胴部側に突出して設けられ、
   前記フィンと前記胴部との間の電位差が大きくなるにつれて、前記フィンと前記胴部との間の距離が大きくなることを特徴とする放射線発生装置。
2. 前記フィンは、前記胴部の電位が、前記フィンの電位よりも高電位となる前記胴部の位置に対向する領域を除いて設けられ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. 前記胴部の電位が前記フィンの電位よりも小さくなる側の方が、前記胴部の電位が前記フィンの電位よりも大きくなる側よりも、前記フィンと前記胴部との間の距離の変化が緩やかであることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生装置。
4. 前記フィンと前記陽極が同電位に設定され、前記陽極周辺に前記フィンが設けられ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。
5. 前記陽極と前記外囲器との間に、前記絶縁性液体を前記フィンに向かうように整流させる整流構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
6. 前記フィンの電位が接地電位であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生装置。

Images