JP5945337B2

JP5945337B2 - Ｘ線管および磁性電子ビーム操縦性を有するｘ線管陰極

Info

Publication number: JP5945337B2
Application number: JP2014553385A
Authority: JP
Inventors: ラッセルボーイ、ジェームズ; クラークトレセダー、ロバート
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: US9524845B2; JP2015507835A; WO2013109649A1; US20130182825A1

Description

本発明は、Ｘ線管および磁性電子ビーム操縦性を有するＸ線管陰極に関する。

Ｘ線管は、工業および医療の両方の分野で、幅広い種類の適用において使用される極めて価値のあるツールである。Ｘ線管は、一般的に、有用な部分がＸ線管のウィンドウを通って最終的にＸ線管を出る、全方向性様式でＸ線を生成し、Ｘ線画像を生成するために、材料試料または患者等の対象と相互作用する。

いくつかのＸ線管の動作中、Ｘ線管は、様々な角度で対象のＸ線画像を生成するために対象を中心として平行移動されまたは回転される。しかしながら、残念なことに、Ｘ線管の動作は、焦点サイズの実効増加をもたらし得る。この焦点サイズにおける実効増加は、焦点の動作のぶれとしても知られる、対象の画像化の低減された解像度をもたらし得る。

本明細書に特許請求される対象事項は、いかなる不利益をも解決するまたは上に説明されたそれら等の環境においてのみ動作する、実施形態に限定されない。むしろ、この背景技術は、本明細書に説明されるいくつかの実施形態が実践され得る１つの例示的な技術分野を例解するためだけに提供される。
一実施形態において、Ｘ線管陰極は、コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成され、前記コイルおよび前記基部が、真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記真空の筐体内に位置付けられる、磁性ヨークと、磁性材料と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、磁性材料の２つの部分の間に位置付けられる導電性で非磁性材料の一部分において放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が電子ビームを放出するように構成され、前記電子ビームが、前記導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に前記磁性材料によって操縦されることとの両方がなされるように構成される、電子放出体と、を備える。
さらなる実施形態において、Ｘ線管陰極は、コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記コイルが、前記コアの前記基部の周りに巻かれ、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成され、前記コイルおよび前記基部が、真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記真空の筐体内に位置付けられる、磁性ヨークと、前記２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、前記２つの端部の間に位置付けられる放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が、電子ビームを放出するように構成され、前記電子ビームが、前記導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に前記磁極によって操縦されることとの両方がなされるように構成される、電子放出体と、を備える。
さらなる実施形態において、Ｘ線管は、真空の筐体と、前記真空の筐体内に位置付けられる陽極と、陰極とを備える。陰極は、コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記コイルが、前記コアの前記基部の周りに巻かれ、前記コイルおよび前記基部が、前記真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成される、磁性ヨークと、前記２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、前記２つの端部の間に位置付けられる前記導電性で非磁性材料において放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が、電子ビームを放出するように構成され、前記電子放出体が、ビーム形成中に前記電子ビームを操縦するように構成される前記磁性ヨークによって作り出される均一磁場に浸漬される、電子放出体と、を備える。

概して、例示的な実施形態は、磁性電子ビーム操縦性を有するＸ線管陰極に関する。本明細書に開示される例示的な陰極は、ビーム形成中に電子ビームを作り出し、操縦するように構成される。この操縦は、少なくともいくつかの例示的な実施形態において、電子ビームの焦点の中間位置がＸ線管の動作にかかわらず対象の基準枠において静止した状態であるように電子ビームが操縦される間に、Ｘ線管が対象を中心としてガントリ上で平行移動するまたは回転することを可能にし得、一貫した対象の画像化をもたらし得る。

１つの例示的な実施形態においては、Ｘ線管陰極は、陰極ヘッドおよび電子放出体を含む。陰極ヘッドは、磁性材料と一体となった導電性で非磁性材料を含む。陰極ヘッドは、磁性材料の２つの部分の間に位置付けられる導電性で非磁性材料の一部分において放出体スロットを画定する。電子放出体は、放出体スロット内に位置付けられる。電子放出体は、電子ビームを放出するように構成される。電子ビームは、導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に磁性材料によって操縦されることとの両方がなされるように構成される。

別の例示的な実施形態においては、Ｘ線管陰極は、磁性ヨーク、陰極ヘッド、および電子放出体を含む。磁性ヨークは、コアおよびコイルを含む。コアは、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有する。コイルは、コアの基部の周りに巻かれる。２つの端部は、コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成される。陰極ヘッドは、２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む。陰極ヘッドは、２つの端部の間に位置付けられる放出体スロットを画定する。電子放出体は、放出体スロット内に位置付けられる。電子放出体は、電子ビームを放出するように構成される。電子ビームは、導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に磁極によって操縦されることとの両方がなされるように構成される。

さらに別の例示的な実施形態においては、Ｘ線管は、真空の筐体、真空の筐体内に位置付けられる陽極、および陰極を含む。陰極は、磁性ヨーク、陰極ヘッド、および電子放出体を含む。磁性ヨークは、コアおよびコイルを含む。コアは、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有する。コイルは、コアの基部の周りに巻かれる。コイルおよび基部は、真空の筐体の外側に位置付けられる。２つの端部は、真空の筐体の内側に位置付けられる。２つの端部は、コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成される。陰極ヘッドは、２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む。陰極ヘッドは、２つの端部の間に位置付けられる導電性で非磁性材料において放出体スロットを画定する。電子放出体は、放出体スロット内に位置付けられ、電子ビームを放出するように構成される。電子放出体は、ビーム形成中に電子ビームを操縦するように構成される磁性ヨークによって作り出される均一磁場に浸漬される。

例示的なＸ線管の斜視図である。図１Ａの例示的なＸ線管の垂直断面図である。図１Ａおよび１Ｂの例示的なＸ線管の陰極ヘッドの斜視図である。図１Ａ、１Ｂ、および２の例示的なＸ線管の一部分の部分切り取り図である。図２の陰極ヘッドの一部分の別の斜視図である。

本発明の例示的な実施形態のこれらのおよび他の態様は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになる。
本発明のある態様をさらに明白にするために、本発明のより具体的な説明が、添付の図面において開示されるそれらの例示的な実施形態を参照することにより、与えられる。これらの図面は、本発明の例示的な実施形態のみを描写し、よって、その範囲を限定すると解釈されないことが理解される。本発明の例示的な実施形態の態様は、添付の図面の使用を通じてさらに具体的かつ詳細に記述および説明される。

本発明の例示的な実施形態は、Ｘ線管および磁性電子ビーム操縦性を有するＸ線管陰極に関する。本発明の例示的な実施形態の種々の態様を記述するために図面への参照がこれからなされる。図面は、かかる例示的な実施形態の図表および概略図の表現であり、本発明を限定しているわけではなく、必ずしも正確な縮尺率で描かれるわけではない。
（１．例示的なＸ線管）
図１Ａおよび１Ｂを最初に参照すると、第１の例示的な二重エネルギーＸ線管１００が開示される。図１Ａで開示されるように、例示的なＸ線管１００は、概して、缶１０２および缶１０２に取り付けられるＸ線管ウィンドウ１０４を含む。Ｘ線管ウィンドウ１０４は、ベリリウムまたは他の好適な材料（複数可）等のＸ線透過性材料からなる。缶１０２は、３０４のステンレス鋼等のステンレス鋼から形成され得る。

図１Ｂに開示されるように、Ｘ線管ウィンドウ１０４および缶１０２は、陽極１０８および陰極２００が位置付けられるその内部に真空の筐体１０６を少なくとも部分的に画定する。より具体的には、陰極２００は、缶１０２中に延在し、陽極１０８はまた、缶１０２内に位置付けられる。陽極１０８は、陰極２００から間隔をおいて、かつ陰極２００に対向するように配置される。陽極１０８および陰極２００は、陽極１０８と陰極２００との間の高電位差の適用を可能にする電気回路に接続される。

続いて図１Ｂを参照すると、例示的なＸ線管１００の動作の前に、真空の筐体１０６が、真空空間を作り出すように真空化される。次いで、例示的なＸ線管１００の動作中に、熱電子放出によって陰極２００から電子ビームを放出させるように陰極２００の電子放出体２０２に電流を通過させる。例として、陰極は、例えば約３１ｋＶ等の約２５ｋＶ〜約５０ｋＶの間で動作するように構成され得る。陽極１０８と陰極２００との間の高電圧差動の適用は、次いで、陰極２００から回転する陽極１０８上に位置付けられる回転する焦点軌道１１０に向かって電子ビームを促進させる。焦点軌道１１０は、例えばタングステンまたは高原子（「高Ｚ」）番号を有する他の材料（複数可）等で構成され得る。電子が促進されるにつれて、電子は運動エネルギーの実質的な量を得、回転する焦点軌道１１０上のターゲット材料を打つと、この運動エネルギーのいくらかが、Ｘ線に変換される。

焦点軌道１１０は、放出されたＸ線の多くがＸ線管ウィンドウ１０４によって平行にされるように配向される。Ｘ線管ウィンドウ１０４がＸ線透過性材料からなるため、焦点軌道１１０から放出されるＸ線は、材料試料または患者（示されず）等の対象において減弱させるために、Ｘ線管ウィンドウ１０４を通過し、次いで、Ｘ線画像（示されず）を生成するために画像検出器（示されず）上に画像化した。ウィンドウ１０４は、よって、Ｘ線管１００の外側の大気空気圧からＸ線管１００の真空の筐体１０６の真空空間を密閉して封止するが、なおも、回転する陽極１０８によって発生させられるＸ線がＸ線管１００を出られるようにする。

例示的なＸ線管１００が、回転可能な陽極Ｘ線管として描写されるが、本明細書に開示される例示的な実施形態は、他の型のＸ線管において用いられてもよい。したがって、本明細書に開示される例示的な電子放出体は、例えば、静止した状態である陽極Ｘ線管において代替的に用いられてもよい。さらに、電子放出体２０２は、螺旋状フィラメントとして開示されるが、電子放出体２０２が、平らなフィラメントでもよいことが理解される。
（２．例示的な陰極）
続いて図１Ａおよび図１Ｂを参照し、図２〜４もまた参照すると、例示的な陰極２００のさらなる態様が開示される。図２に開示されるように、例示的な陰極２００は、磁性材料２０８と２１０の第１および第２の部分によって囲まれる導電性で非磁性材料２０６の一部分を含む陰極ヘッド２０４を含む。本明細書に開示される磁性材料は、例えば、鉄、ニッケル‐コバルト合金鉄、ニッケル、もしくはフェライト、またはこれらの何らかの組み合わせであってもよい。陰極ヘッド２０４は、磁性材料の２つの部分２０８と２１０の間に位置付けられる導電性で非磁性材料２０６の一部分において放出体スロット２１２を画定する。前に言及された電子放出体２０２は、放出体スロット２１２内に位置付けられる。

図３に開示されるように、例示的な陰極２００はまた、コアおよびコイル２１６を含む磁性ヨークを含む。コアは、基部２１４および磁性材料の２つの部分２０８と２１０を含む。基部２１４は、磁性材料の２つの部分２０８と２１０に連結される磁性材料から形成される。コイル２１６は、コアの基部２１４の周りに巻かれる。基部２１４およびコイル２１６は、真空の筐体２０６の外側に位置付けられるが、陰極ヘッド２０４および磁性材料の２つの部分２０８と２１０は、真空の筐体２０６の内側に位置付けられる（図１Ｂを参照）。いくつかの例示的な実施形態においては、基部２１４およびコイル２１６の真空の筐体２０６の外側への設置は、真空の筐体２０６内の空間が限られているにもかかわらず磁性ヨークの組み込みを可能にする。

例示的なＸ線管１００の動作中、電流を、コイル２１６（線またはタップに巻きつけられた）に断続的に通過させ得る。コイル２１６に電流を通過させるとき、磁性材料の２つの部分２０８と２１０は、コアの端部および磁極として機能する。例えば、コイル２０２は、約２００アンペア回数の起磁力を有するように構成され得る。図４に開示されるように、磁極として機能するとき、磁性材料の２つの部分２０８と２１０は、互いに対して、および電子放出体２０２によって画定される長手方向の軸２０２ａに対して、磁性材料の２つの部分２０８と２１０の特定の配設の結果として、放出体スロット２１２において磁束密度「Ｂ」の均一磁場を作り出すように構成される。磁場は、Ｘ線管１００内に完全に含まれ得る。磁場はまた、磁極間に完全に被圧され得る。均一磁場は、例えば、約２４０ガウス〜約４５０ガウス（約２４ミリテスラ〜約４５ミリテスラ）の間の束密度を有し得る。

電子放出体２０２によって放出される電子ビーム「ｅ」の移動の方向との接続において考えられる、磁束密度「Ｂ」の均一磁場の設定は、均一磁場の制御を通じて、破線矢印によって示されるように、電子ビーム「ｅ」を側方に偏向する能力をもたらす。さらに、コイル２１６に通過させる電流を変形することは、電子ビーム「ｅ」が側方に偏向されるその範囲を超えて信頼できる制御を可能にする。

磁性材料の２つの部分２０８と２１０の位置付けは、均一磁場が、電子放出体２０２を浸漬し、ビーム形成中に、電子放出体２０２によって生成された電子ビーム「ｅ」の軌道を操縦するように構成されるためである。したがって、電子ビーム「ｅ」は、形成後に操縦されるのではなく、形成と操縦が同時にされる。例えば、例示的な陰極２００は、電子ビーム「ｅ」の軌道が、最大約５ｍｍのビーム操縦を達成するように、磁極によって作り出される均一磁場によって形成中に偏向されるように構成され得る。同時に、導電性で非磁性材料２０６は、電子ビーム「ｅ」に焦点を合わせるように構成される。

電子ビーム「ｅ」の軌道の偏向は、コイル２１６に電流を通過させることによって達され得るが、磁性材料の２つの部分２０８と２１０は、コイル２１６に電流を通過させることなく、電子放出体２０２へのそれらの近接性によって平易に電子ビーム「ｅ」の軌道を偏向するように構成され得る。

例示的な陰極２００による電子ビーム「ｅ」の断続的な操縦性は、対象の基準枠において静止した状態である焦点の中間位置を維持するのに役立ち得る。この操縦性は、例示的なＸ線管１００が、例えば図４で破線矢印の方向にあるように、ガントリを使用して、回転中動作の方向で、様々な角度で対象のＸ線画像を生成するために対象を中心として回転されるという適用で特に有用であり得る。図４に開示されるように、動作の方向は、磁場「Ｂ」および電子ビーム「ｅ」の両方へ垂直である。例示的なＸ線管１００の回転中に焦点の中間位置が別様に変わる傾向でありつつも、例示的な陰極１００の断続的なビーム操縦の性能は、静止した状態であるように焦点の中間位置を別様に変えることを可能にする。静止した状態である焦点の中間位置は、対象のより一貫した画像化をもたらし得る。

本明細書に開示される例示的な実施形態は、別の具体的な形態において具現化され得る。本明細書に開示される例示的な実施形態は、よって、全ての点において実例的なものとしてのみ見なされ、限定的ではない。

Claims

Ｘ線管陰極であって、
コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成され、前記コイルおよび前記基部が、真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記真空の筐体内に位置付けられる、磁性ヨークと、
磁性材料と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、磁性材料の２つの部分の間に位置付けられる導電性で非磁性材料の一部分において放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、
前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が電子ビームを放出するように構成され、前記電子ビームが、前記導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に前記磁性材料によって操縦されることとの両方がなされるように構成される、電子放出体と、を備える、Ｘ線管陰極。
前記陰極が、約２５ｋＶ〜約５０ｋＶの間で動作するように構成される、請求項１に記載のＸ線管陰極。
前記陰極が、約３１ｋＶで動作するように構成される、請求項２に記載のＸ線管陰極。
前記陰極が、前記電子ビームの軌道が最大約５ｍｍのビーム操縦を達成するように、前記磁性材料によって偏向され得るように構成される、請求項１に記載のＸ線管陰極。
前記磁性材料が、鉄、ニッケル‐コバルト合金鉄、ニッケル、もしくはフェライト、またはこれらの何らかの組み合わせを含む、請求項１に記載のＸ線管陰極。
前記磁性材料が、約２４０ガウス〜約４５０ガウス（約２４ミリテスラ〜約４５ミリテスラ）の間の束密度で前記放出体スロットにおいて均一磁場を作り出すように構成される、請求項１に記載のＸ線管陰極。
Ｘ線管陰極であって、
コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記コイルが、前記コアの前記基部の周りに巻かれ、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成され、前記コイルおよび前記基部が、真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記真空の筐体内に位置付けられる、磁性ヨークと、
前記２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、前記２つの端部の間に位置付けられる放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、
前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が、電子ビームを放出するように構成され、前記電子ビームが、前記導電性で非磁性材料によって焦点を合わせられることと、ビーム形成中に前記磁極によって操縦されることとの両方がなされるように構成される、電子放出体と、を備える、Ｘ線管陰極。
前記陰極が、約２５ｋＶ〜約５０ｋＶの間で動作するように構成される、請求項７に記載のＸ線管陰極。
前記陰極が、前記電子ビームの軌道が最大約５ｍｍのビーム操縦を達成するように、前記磁極によって偏向され得るように構成される、請求項７に記載のＸ線管陰極。
前記磁性材料が、鉄、ニッケル‐コバルト合金鉄、ニッケル、もしくはフェライト、またはこれらの何らかの組み合わせを含む、請求項７に記載のＸ線管陰極。
前記磁極が、約２４０ガウス〜約４５０ガウス（約２４ミリテスラ〜約４５ミリテスラ）の間の束密度で前記放出体スロットにおいて均一磁場を作り出すように構成される、請求項７に記載のＸ線管陰極。
Ｘ線管であって、
真空の筐体と、
前記真空の筐体内に位置付けられる陽極と、
陰極であって、
コアおよびコイルを含む磁性ヨークであって、前記コアが、磁性材料から形成される基部および２つの端部を有し、前記コイルが、前記コアの前記基部の周りに巻かれ、前記コイルおよび前記基部が、前記真空の筐体の外側に位置付けられ、前記２つの端部が、前記コイルに電流を通過させるとき、磁極として機能するように構成される、磁性ヨークと、
前記２つの端部と一体となった導電性で非磁性材料を含む陰極ヘッドであって、前記陰極ヘッドが、前記２つの端部の間に位置付けられる前記導電性で非磁性材料において放出体スロットを画定する、陰極ヘッドと、
前記放出体スロット内に位置付けられる電子放出体であって、前記電子放出体が、電子ビームを放出するように構成され、前記電子放出体が、ビーム形成中に前記電子ビームを操縦するように構成される前記磁性ヨークによって作り出される均一磁場に浸漬される、電子放出体と、を備える、陰極と、
を備える、Ｘ線管。
前記陰極が、約３１ｋＶで動作するように構成される、請求項１２に記載のＸ線管。
前記陰極が、前記電子ビームの軌道が最大約５ｍｍのビーム操縦を達成するように、前記磁極によって偏向され得るように構成される、請求項１２に記載のＸ線管。
前記磁性材料が、鉄、ニッケル‐コバルト合金鉄、ニッケル、もしくはフェライト、またはこれらの何らかの組み合わせを含む、請求項１２に記載のＸ線管。
前記磁性材料が、約２４０ガウス〜約４５０ガウス（約２４ミリテスラ〜約４５ミリテスラ）の間の束密度で前記放出体スロットにおいて均一磁場を作り出すように構成される、請求項１２に記載のＸ線管。
前記Ｘ線管が、前記電子ビームの焦点の中間位置が前記Ｘ線管の動作にかかわらず対象の基準枠において静止した状態であるように、前記電子ビームが前記均一磁場によって操縦される間に、対象を中心としてガントリ上で回転するように構成される、請求項１２に記載のＸ線管。
前記コイルが、約２００アンペア回数の起磁力を有するように構成される、請求項１２に記載のＸ線管。
前記放出体が、螺旋状フィラメントである、請求項１２に記載のＸ線管。
前記磁場が、前記Ｘ線管内に含まれる、請求項１２に記載のＸ線管。