JP6123063B2 - X線照射装置 - Google Patents
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Description
X線発生装置は、電子源から放出された電子線を、高電位発生源によって生成した高電界により高エネルギーに加速し、その電子線を金属片へ照射させ、この金属片からX線を放出させる構造が一般的である。
例えば特許文献1に記載のX線発生装置では、電子源として、電界放射型カーボンナノチューブカソードを用いた小型X線管及びこのX線管へ高電圧超短パルスを印可するための高電位発生源および高周波同軸ケーブルが利用されている。
また、ペルチェ素子により焦電体を加熱して焦電体から放出される電子を銅片へ照射し、銅片からX線を放出するタイプのX線発生装置も提案されている(非特許文献1)
本件発明に関連する技術として非特許文献2〜4も参照されたい。
小型X線発生装置の一つの用途として、これを体内へ挿入してガン細胞へ直接X線を照射して行うガン治療がある。かかる見地から電界放射型カーボンナノチューブカソードを用いるタイプを検討すると、このタイプではカソードへ高電圧の印加が必要なので、たとえ絶縁性の同軸ケーブルを用いるとしても、治療現場での使用に抵抗感がある。
また、焦電体を用いるタイプではペルチェ素子の上に焦電体が載置され、このペルチェ素子で焦電体を加熱して当該焦電体から電子を放出させている。したがって、ペルチェ素子へ印加する電圧に高電圧を必要としない。しかしながら、昇温状態の焦電体からは冷却時にも電子の放出が継続するので、X線発生のオン・オフ制御が困難になる。電子非放出の状態まで焦電体全体を完全に冷却するのには時間を要するからである。
非特許文献3及び非特許文献4に開示の方法においても安定して、例えばガン治療用として充分な強度のX線を放出させることは困難であった。
そこで、本発明者は当該X線発生装置につき更に検討を重ね、医療用X線照射装置としての応用について検討を行うとともに、X線の発生の安定化を図った。
この発明の別の目的は、紫外線レーザを用いるタイプのX線照射装置において、X線の発生の安定化を図ることにある。
内部に管路を有する可撓管と、該管路内に挿入され、紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバとを有する可撓管部と、
前記紫外線ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、該金属片から放出されるX線を透過させるX線透過窓とを有するヘッド部と、
を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管部の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記ヘッド部が前記可撓管部の他端側に配設され、
前記ヘッド部の内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされることを特徴とするX線照射装置。
紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバと、
前記紫外線ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、
該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、
該金属片から放出されるX線を透過させる透過窓と、
内部に管路を有する可撓管であって、該管路内に前記光ファイバが挿入されるとともに、前記電子線放出素子、前記金属片、および前記透過窓が配設される可撓管と、を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記電子線放出素子が前記可撓管の他端側近傍の管路内部に配設され、
前記可撓管の管路内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされることを特徴とするX線照射装置。
このような構成によっても、上記第1の局面と同様の効果が得られる。
本局面は、可撓管としてマルチルーメンチューブを利用することを想定している。このことにより、真空領域を真空引きするための通路を簡便に構築することができる。
即ち、本発明の第5の局面によれば、上記第1乃至第4の一つの局面によるX線照射装置において、前記可撓管の一端側に配設され、還元ガスを供給する還元ガス供給装置と、前記可撓管の管路内部に配設され、前記還元ガスを前記還元ガス供給装置から前記真空領域まで供給する還元ガス供給通路と、を更に備えることを特徴とする。
本局面は、可撓管としてマルチルーメンチューブを利用することを想定している。このことにより、還元ガス供給通路を簡便に構築することができる。
紫外線レーザはパルス光であっても、連続光であってもかまわず、十分な光量があれば、紫外線ランプも可能である。
紫外線が照射される面は焦電体の負極面とする。
電子線放出素子としての焦電体において金属片と対向する面(電子線放出面)に微細加工を施してその表面に突起を形成し、電子線放出の促進を図ることができる。
金属片には銅若しくは銅合金の薄板を採用することができる。勿論、照射された電子に対応してX線を放出できれば銅以外の金属、例えばアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いることができる。
図1は本発明の第1の実施形態のX線照射装置1の構成を示す模式図である。このX線照射装置1は生体の内腔、血管等の器官の内部、あるいは、生体に穿孔した穴等へ挿入することに好適なカテーテルとして構成される。
このX線照射装置1はヘッド部10、可撓管部40及び制御部50を備えてなる。
ヘッド部10は、雄螺子部13を一端側近傍の外周部分に有する円筒形の筐体11を備える。筐体11において雄螺子部13と反対側の先端面の中心位置にはX線透過窓12が備えられ、X線透過窓12と反対側の端部(つまり雄螺子部13側端部)の内周側には電子線放出素子としての円柱状の焦電体(LiNbO3単結晶)20(断面の直径:5mm)がはめ込まれている。筐体11内部の焦電体20とX線透過窓12との間には銅片25が配置されている。筐体11は、その内部が10−3〜10−4Torr程度の真空状態となるよう密閉構造とされている。ただし、筐体11内部は、少なくとも焦電体20と銅片25との間が真空状態となっていれば良い。
焦電体20において、銅片25に対向する電子放出面23にはエッチングにより微細加工を施して、好ましくは表面に針状の突起を形成する。
焦電体の全周面が筺体等の他の要素と接触していると、それらの界面においては空間(真空状態の場合も含む)に比べて電気的なパスが形成されやすい。
本発明者の検討によれば、焦電体の全周面を他の要素に接触させても、焦電体のレーザ受光面と電子線放出面との間に十分な電位差を得ることができた。
焦電体の周面に接触させる要素の形成材料として樹脂等の絶縁性物質はもとより、導電性金属(鋼材)を接触させたときにも、焦電体の両面間に電位差を得ることができた。なお、焦電体の周面に導電性金属を接触させた場合は、樹脂を接触させた場合に比べて、焦電体の両面間に得られる電位差は小さくなった。
これにより、焦電体を筺体へ組み付けるに際し、焦電体を筺体へ無理嵌めしたり、焦電体の周面と筺体の内周面と接着材で固定したりと、簡易な方策の採用が可能となる。もちろん、焦電体の周面の一部のみが筺体と接続するようにすれば、焦電体のレーザ受光面と電子線放出面との間により大きな電位差を確保できる。
筺体の内周面及び又は焦電体の周面へ、周方向若しくは軸方向に連続するリブ若しくは溝を設けるか、又は凹凸を設けることとで、焦電体の周面と筺体との接続を部分的とすることができる。
焦電体の周面へ接続する要素を熱伝導性の高い材料で形成すれば、焦電体が昇温することを未然に防止できる。例えば、焦電体に接する部分を樹脂等の絶縁性材料で形成し、焦電体の両面(紫外線レーザ照射面と電子線放射面)間が導通することを防止しつつ、その外側に金属材料を存在させることにより、焦電体の両面に高い電位差を確保しつつ、焦電体の熱を効率よく外部へ逃がせられる。かかる構造は、焦電体の周面と金属管の内周面との間に絶縁性の接着材層と存在させることにより得られ、極めて工作が容易となることがわかる。
紫外線レーザ発生装置51の光放出部は可撓管部40の基端の光ファイバ43の一端に対向し、この光ファイバ43の一端へ紫外線レーザを入射する。
紫外線レーザ発生装置51としてはYAGパルスレーザ発振機を用いることができ、ドライバ52によりその出力が制限されている。紫外線レーザの波長は焦電体20の活性化(即ち、当該焦電体20から電子線を放出させること)が可能であれば特に制限されるものではないが、焦電体20の透過波長より短いことが好ましい。紫外線レーザの波長は300nm以下とすることが好ましい。かかる短波長の紫外線はその殆どが焦電体最表面に吸収されるので高いエネルギー変換効率を確保できるからである。本実施形態のYAGパルスレーザ発振機の定格は波長:約250nm、パルス幅:100μm、最大出力:約350mJである。
図2の例では、ヘッド部10と可撓管部40の接続を、筐体11の内周面に設けた雌螺子部14と、可撓管41の外周面に設けた雄螺子部46を螺合することにより行う。ただし、ヘッド部11と可撓管部41の結合方法は螺合に限定されず、嵌合でもよく、接着剤による接着でも良く、これらの方法を適宜組合しても良い。
上記図1、2の例では、ヘッド部と可撓管部とが別体として構成されていたが、図3の例ではこれらが一体の可撓管部71として構成されている。即ち、図3に示すように、可撓管部71を構成する可撓管41の先端部付近の管路内部に、焦電体20、銅片25およびX線照射窓12が挿入されている。更に焦電体20の紫外線受光面21に端部が対向するように光ファイバ43が可撓管41の管路内部に挿入されている。本実施形態では、X線照射窓12および焦電体20を可撓管41の管路内周面に対して各々取り付けるためのスペーサ15、16が用いられる。
図4に示す本発明の第4の実施形態のX線照射装置80は、焦電体20と銅片25の間の空間へ、イソプロピルアルコールを導入する構成を有する例である。即ち、図4のX線照射装置80は、図3の装置70の構成に加えて還元ガス供給装置54を備えており、当該還元ガス供給装置54は、制御装置55の制御に基づき、還元ガス供給管56を通じて、還元ガスとしてのイソプロピルアルコールを、焦電体20と銅片25の間の空間に対して供給する。還元ガス供給管56は、可撓管41の管路内においてスペーサ16、44にそれぞれ設けられた開口18、49に挿通され、焦電体20と銅片25の間の空間近傍に開口端部を有する。焦電体20と銅片25の間の空間内圧力は常に2〜3×10−2torrとなるように、真空ポンプ53による真空引きが継続される。容器に対する還元性ガスの供給部位は特に限定されるものではないが、電子線放出面へ当該ガスが効率的に供給されるようにすることが好ましい。本実施形態においては、還元ガス供給管56の開口端部は、焦電体20を挟んで、スペーサ16の開口17と反対側に設置されている。
焦電体20の電子放出面23に水素結合を持たせる必要上、還元性ガスの供給時にはレーザを停止して、当該電子放出面23を非活性化する。
即ち、焦電体等の電子線放出素子を再生するには、少なくともその電子放出面へ還元性ガスを供給するとともに、レーザをオフとして、電子線放出面を非活性状態としておく。
以上はX線の放出現象に基づきその再生を示しているが、かかる現象は、電子線放出素子の電子線放出機能の再生も示唆している。
例えば、上記各実施形態においては、X線の照射方向を装置軸方向と同一としたがこれに限らない。X線照射窓12を筐体11の径方向外側に設け、軸方向に対する銅片25の設置方向を適宜調整したり銅片25の形状を変更したりすることで、X線の照射方向を径方向等、軸方向以外の方向に設定してもよい。
この発明のX線発生装置により発生されたX線は、人体の治療に利用することができる。例えば、食道がん、胃がん、大腸がん、肝臓がん、胆嚢がん、膵臓がん、乳がん、喉頭がん、頭頸部がん、卵巣がん、子宮頸がん、子宮内膜がん、腎細胞がん、膀胱がん、前立腺がん、精巣腫瘍、肺がん、縦隔腫瘍、骨・柔部腫瘍、皮膚がん、悪性黒色腫、脳腫瘍、白血病、悪性リンパ腫等に対する放射線治療として利用できる。
また、この発明のX線発生装置及び電子線発生装置は細型化できるので、カテーテルや内視鏡に組み込むことができる。
この発明のX線発生装置はX線の波長がそろっており、また放射角も小さいので、微細材料の表面処理に好適に利用できる。この発明の電子線発生装置も材料の表面処理に適用可能である。
この発明のX線発生装置を非破壊検査装置若しくは医療用観察装置のX線原として利用できる。
また、このX線発生装置は、遺伝子に変化を与える装置として用いることもできる。筺体に十分なシール性を与えておけば、水中若しくは土中の生物(動物、植物)へ、当該生物をそのままの状態で、直接X線を照射可能となる。
10 ヘッド部
12 X線透過窓
20 焦電体(電子線放出素子)
25 銅片(金属片)
40、71,81 可撓管部
41、91、101 可撓管
43 光ファイバ(紫外線用ファイバ)
51 紫外線レーザ発振機
53 吸気ポンプ
54 還元ガス供給装置
Claims (6)
- 内部に管路を有する可撓管と、該管路内に挿入され、紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバとを有する可撓管部と、
前記紫外線用ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、該金属片から放出されるX線を透過させるX線透過窓とを有するヘッド部と、
を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管部の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記ヘッド部が前記可撓管部の他端側に配設され、
前記ヘッド部の内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされるX線照射装置において、
前記可撓管の一端側に配設され、還元ガスを供給する還元ガス供給装置と、
前記可撓管内部に配設され、前記還元ガスを前記還元ガス供給装置から前記真空領域まで供給する還元ガス供給通路と、を更に備えることを特徴とするX線照射装置。 - 内部に管路を有する可撓管と、該管路内に挿入され、紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバとを有する可撓管部と、
前記紫外線用ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、該金属片から放出されるX線を透過させるX線透過窓とを有するヘッド部と、
を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管部の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記ヘッド部が前記可撓管部の他端側に配設され、
前記ヘッド部の内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされるX線照射装置において、
前記可撓管の一端側に配設され、還元ガスを供給する還元ガス供給装置を更に備え、
前記可撓管は前記管路とは別の管路を更に有し、
前記別の管路は、前記還元ガスを前記還元ガス供給装置から前記真空領域まで供給するための還元ガス供給通路として機能することを特徴とするX線照射装置。 - 紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバと、
前記紫外線用ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、
該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、
該金属片から放出されるX線を透過させる透過窓と、
内部に管路を有する可撓管であって、該管路内に前記光ファイバが挿入されるとともに、前記電子線放出素子、前記金属片、および前記透過窓が配設される可撓管と、を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記電子線放出素子が前記可撓管の他端側近傍の管路内部に配設され、
前記可撓管の管路内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされるX線照射装置において、
前記可撓管の一端側に配設され、還元ガスを供給する還元ガス供給装置と、
前記可撓管内部に配設され、前記還元ガスを前記還元ガス供給装置から前記真空領域まで供給する還元ガス供給通路と、を更に備えることを特徴とするX線照射装置。 - 紫外線レーザを伝搬する紫外線用ファイバと、
前記紫外線用ファイバからから放出される紫外線レーザを受光して電子線を放出する電子線放出素子と、
該電子線放出素子から放出される電子線を受けてX線を放出する金属片と、
該金属片から放出されるX線を透過させる透過窓と、
内部に管路を有する可撓管であって、該管路内に前記光ファイバが挿入されるとともに、前記電子線放出素子、前記金属片、および前記透過窓が配設される可撓管と、を備えるX線照射装置であって、
前記可撓管の一端側から紫外線レーザが前記紫外線用ファイバの一端に対して照射されると該紫外線用ファイバ内を伝搬した紫外線レーザが該紫外線用ファイバの他端から前記電子線放出素子に対して照射されるように、前記電子線放出素子が前記可撓管の他端側近傍の管路内部に配設され、
前記可撓管の管路内部において、少なくとも前記電子線放出素子と前記金属片との間の空間が真空領域とされるX線照射装置において、
前記可撓管の一端側に配設され、還元ガスを供給する還元ガス供給装置を更に備え、
前記可撓管は前記管路とは別の管路を更に有し、
前記別の管路は、前記還元ガスを前記還元ガス供給装置から前記真空領域まで供給するための還元ガス供給通路として機能することを特徴とするX線照射装置。 - 前記可撓管の一端側に配設され、前記可撓管の管路内部を真空引きする真空ポンプを更に備え、
前記真空領域と前記可撓管の管路とが連通していることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のX線照射装置。 - 前記可撓管の一端側に配設された真空ポンプを更に備え、
前記可撓管は前記管路とは別の管路を更に有し、
前記真空ポンプは前記別の管路内部を真空引きするように構成され、
前記真空領域と前記別の管路とが連通していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のX線照射装置。
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