JP6961452B2

JP6961452B2 - 固定陽極型ｘ線管

Info

Publication number: JP6961452B2
Application number: JP2017199345A
Authority: JP
Inventors: 友伸齋藤
Original assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: US20190115183A1; CN109671605A; JP2019075228A; CN109671605B

Description

本発明の実施形態は、固定陽極型Ｘ線管に関する。

Ｘ線管は、例えば、Ｘ線診断用としては医療用または歯科用の画像診断装置に利用されており、産業用のＸ線ＣＴ装置やＸ線分析装置に利用されている。Ｘ線管は、真空気密雰囲気に保たれた真空外囲器内に電子を放出する陰極と放出された電子が衝突する陽極からなる。陽極と陰極の間に印加される管電圧により、陰極のフィラメントで発生した熱電子が陽極のターゲット面へ加速され入射することで、ターゲット面に形成された焦点からＸ線が放射される。

ターゲット面から放射されるＸ線強度は、管電圧の二乗、熱電子の電子流である管電流およびターゲット材質の原子番号に比例する。Ｘ線の発生については、管電圧と管電流の積となる電力が陽極に入力されるが、Ｘ線に変換されるのは消費電力の約１％以下であり、残りの９９％以上は熱エネルギに変換される。陽極に電子が衝突することでＸ線が放出される際にターゲット面から反跳電子が放出される。放出された反跳電子は再度陽極に衝突することで陽極を加熱させ、また真空外囲器へ衝突することでダメージを与えるなどの課題がある。これらの課題に対しては、反跳電子を遮蔽・捕捉するために陽極の周りに陽極フードを設置して対処する方法がある。陽極フードにはベリリウム等を材料とするＸ線透過窓が取り付けられている。

Ｘ線画像診断などに利用される場合には、より正確な診断を行うためにＸ線画像の画質（コントラスト）の向上が求められることから、Ｘ線管から照射されるＸ線量をより高めることが要求される。Ｘ線量を高めるにはＸ線管に印加する管電圧や管電流を大きくする必要がある。しかしながら、管電圧や管電流を大きくするほど、ターゲット面から放出される反跳電子のエネルギも大きくなり、反跳電子がＸ線透過窓に衝突することで材料の温度が上昇し、Ｘ線透過窓に溶解、損傷などが生じる問題がある。真空外囲器内でＸ線透過窓が溶解すると、ガス放出や真空外囲器への蒸着などの影響により耐電圧特性が低下して、Ｘ線管の故障の原因となるため、Ｘ線管への入力エネルギが制限されていた。

特開２００７−２８９５５０号公報特開平７−２１１２７４号公報

本実施形態は、入力の制限を緩和することが可能な固定陽極型Ｘ線管を提供する。

一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管は、
電子を放出する陰極と、
管軸に沿った方向において前記陰極に対向配置され、前記陰極から放出される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点が形成されるターゲット面を有する陽極と、
前記陽極に固定され、前記陰極側に延出し、前記ターゲット面を取囲み、前記陽極と同電位に設定され、前記陰極から前記ターゲット面に向かう電子を通す第１開口と、前記焦点から放出されるＸ線を通す第２開口と、を有する陽極フードと、
前記陽極フードの前記第２開口を閉塞し、Ｘ線を透過させるＸ線透過窓と、
前記陰極、前記陽極、前記陽極フード、及び前記Ｘ線透過窓を収容した電気絶縁性の真空外囲器と、を備え、
前記ターゲット面は、傾斜面であり、前記管軸に直交する第１方向に向かうほど前記陰極から遠ざかり、
前記管軸に沿って前記陰極側から前記陽極及び前記Ｘ線透過窓をみた場合に、前記焦点から前記Ｘ線透過窓の中央に向かう第２方向に対して、前記前記焦点から向かう前記第１方向が時計回り又は反時計回りに成す角度をθとすると、
角度θは０°以外である。

図１は、一実施形態に係る固定陽極型Ｘ線管を示す断面図である。図２は、図１に示した固定陽極型Ｘ線管の一部を拡大して示す断面図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って示す陽極フード及びＸ線透過窓を示す断面図であり、平面視における陽極を併せて示す図である。図４は、図１及び図２に示したターゲット層を示す断面図であり、ターゲット層に入射する入射電子と、ターゲット層にて反跳する反跳電子との関係を説明するための図。図５は、図４に示した角度に対する反跳電子エネルギの変化をグラフで示す図である。図６は、図４に示した角度に対するＸ線強度の変化をグラフで示す図である。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１に示すように、固定陽極型のＸ線管１は、陰極１０と、陽極２０と、陽極フード３０と、陰極構体４０と、真空外囲器５０と、ラジエータ７０と、を備えている。

陰極１０は、電子を放出する電子放出源としてのフィラメント１１と、集束電極１２と、を有している。本実施形態において、フィラメント１１には、負の高電圧及びフィラメント電流が与えられる。集束電極１２には、負の高電圧が与えられる。陰極１０は、陰極構体４０に固定されている。

陽極２０は、陽極ターゲット２１及び陽極ターゲット２１に接続された陽極延出部２２を備えている。

陽極ターゲット２１は、管軸Ａに沿った方向において、フィラメント１１（陰極１０）に距離を置いて対向配置されている。本実施形態において、陽極２０は接地されている。陽極ターゲット２１は、ターゲット本体２１ａと、ターゲット層２１ｂと、を有している。ターゲット本体２１ａは、円柱状に形成されている。ターゲット本体２１ａは、銅、銅合金等の高熱伝導性の金属で形成されている。

ターゲット層２１ｂは、ターゲット本体２１ａの端面の一部に設けられている。ターゲット層２１ｂは、タングステン（Ｗ）、タングステン合金等の高融点金属等で形成されている。ターゲット層２１ｂのうち陰極１０と対向した側のターゲット面２１ｃは、管軸Ａに垂直な仮想平面から傾斜している。ターゲット面２１ｃは、傾斜面であり、管軸Ａに直交する第１方向ｄ１に向かうほど陰極１０から遠ざかっている。ターゲット面２１ｃには、フィラメント１１から放出され集束電極１２によって集束される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点（後述する、焦点Ｆ）が形成される。

陽極延出部２２は、ターゲット本体２１ａと同様に、銅、銅合金等の高熱伝導性の金属で円柱状に形成されている。陽極延出部２２は、陽極ターゲット２１を固定し、陽極ターゲット２１で発生した熱を周囲へ伝達する。本実施形態において、陽極延出部２２にラジエータ７０が接続されている。ラジエータ７０は、電気絶縁性の材料又は導電性の材料で形成されている。例えば、ラジエータは、熱伝導特性及び耐電圧特性に優れたセラミックスを利用して形成することができる。ラジエータ７０を利用することにより、Ｘ線管１からＸ線管１の外部への熱の移動を促進することができる。なお、ラジエータ７０は必要に応じてＸ線管１に設けられていればよい。

陽極フード３０は、陽極２０に固定されている。本実施形態において、陽極フード３０は、ろう付けによりターゲット本体２１ａに固定されている。陽極フード３０は、陰極１０側に延出し、ターゲット面２１ｃを取囲んでいる。本実施形態において、陽極フード３０は、管軸Ａに沿って延出した筒部３１と、陰極１０と陽極２０との間に位置し筒部３１の一端を閉塞した蓋部３２と、を有している。

陽極フード３０は、金属等の導電材料で形成されている。陽極フード３０は、陽極２０と同電位に設定される。蓋部３２（陽極フード３０）は、陰極１０からターゲット面２１ｃに向かう電子を通す第１開口ＯＰ１を有している。

真空外囲器５０は、陰極１０、陽極ターゲット２１、陽極フード３０などを収容している。真空外囲器５０は、陽極延出部２２が露出するように形成されている。真空外囲器５０は、筒状に形成され、陰極構体４０により気密に閉塞された一端部及び陽極２０により気密に閉塞された他端部を有している。真空外囲器５０の内部は所定の真空度に維持されている。なお、真空外囲器５０の内部は、排気口５３を利用して真空引きされる。排気口５３は気密に封止されている。

真空外囲器５０は、電気絶縁材で形成された電気絶縁性の容器と、金属で形成された金属容器５２と、を有している。上記電気絶縁材としては、硼珪素ガラスのようなガラス、アルミナのようなセラミクス等を挙げることができる。この実施形態において、上記電気絶縁材はガラスであり、電気絶縁性の容器はガラス容器５１である。

ガラス容器５１は、筒状に形成されている。ガラス容器５１は、陽極フード３０との間に隙間を形成している。ガラス容器５１は、例えば複数のガラス部材を融着により気密に接合し形成することができる。ガラス容器５１はＸ線透過性を有しているため、陽極ターゲット２１から放出されたＸ線はガラス容器５１を透過して真空外囲器５０の外側に放出される。

金属容器５２は、ガラス容器５１及び陽極２０に気密に接続されている。金属容器５２は、ターゲット本体２１ａ及び陽極延出部２２の少なくとも一方に気密に固定されている。ここでは、金属容器５２は、陽極延出部２２にろう付けにより気密に接続されている。また、金属容器５２とガラス容器５１は融着により気密に接続されている。本実施形態において、金属容器５２は環状に形成されている。また、金属容器５２は、例えばコバールを利用して形成されている。金属容器５２の熱膨張率は、ガラス容器５１の熱膨張率とほぼ等しい。

図２に示すように、筒部３１（陽極フード３０）は、ターゲット面２１ｃに形成される焦点Ｆから放出されるＸ線を通す第２開口ＯＰ２を有している。本実施形態では、第２開口ＯＰ２は、管軸Ａに垂直な方向にてターゲット面２１ｃと対向している。第２開口ＯＰ２を設けることにより、陽極フード３０による利用Ｘ線の吸収率を０％にすることができる。

Ｘ線透過窓６０は、陽極フード３０の第２開口ＯＰ２を閉塞し、Ｘ線を透過させる。Ｘ線透過窓６０も、真空外囲器５０に収容されている。Ｘ線透過窓６０は、ベリリウム、グラファイト、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ベリリア、ホウ素（Ｂ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、及びボロンカーバイト（Ｂ４Ｃ；炭化ホウ素）の少なくとも１つを含む材料で形成されている。

本実施形態において、Ｘ線透過窓６０は、ベリリウム、グラファイト、ＣＦＣ、ベリリア、Ｂ、ＢＮ、及び炭化ホウ素の中の１つを主とする材料で形成されている。

図３に示すように、焦点Ｆは、長軸を有している。管軸Ａに沿って陰極１０側から陽極２０をみた場合に、焦点Ｆの長軸は、上述した第１方向ｄ１に延出している。そして、管軸Ａに沿って陰極１０側から陽極２０及びＸ線透過窓６０をみた場合に、焦点ＦからＸ線透過窓６０の中央に向かう方向を第２方向ｄ２とする。第２方向ｄ２に対して、第１方向ｄ１が時計回り又は反時計回りに成す角度をθとする。本実施形態において、角度θは、第２方向ｄ２に対して、第１方向ｄ１が時計回りに成す角度である。角度θは、０°以外である。

より好ましくは、０°＜θ≦９０°である。例えば、１°≦θ≦９０°である。これにより、陽極２０自体がＸ線を遮蔽する事態を回避することができる。

ここで、本願発明者は、反跳電子の角度分布（エネルギ分布）について調査した。図５は、図４に示した角度θ_１に対する反跳電子エネルギの変化をグラフで示す図である。

図４及び図５に示すように、ターゲット面２１ｃは、の垂線に対して角度θ_０で入射した電子ビームの反跳電子は、角度θ_０の成分Ａ１のエネルギが最も大きく、角度θ_１の変化に応じてエネルギは小さくなる。

また、本願発明者は、Ｘ線強度の角度分布について調査した。

図６に示すように、図３に示した角度θを１５°に設定すれば、第２方向ｄ２にて、８５％程度のＸ線強度を得ることができる。なお、第１方向ｄ１におけるＸ線強度を１００％としている。また、図５を参照すると、θ＝１５°とすることにより、５０％以上の反跳電子エネルギを陽極フード３０で吸収させることができる。

上記のように構成された一実施形態に係る固定陽極型のＸ線管１によれば、Ｘ線管１は、陰極１０と、陽極２０と、陽極フード３０と、Ｘ線透過窓６０と、真空外囲器５０と、を備えている。陽極フード３０は、陽極ターゲット２１から飛び出した反跳電子を捕捉することができる。このため、ターゲット面２１ｃに戻る反跳電子の量、及びガラス容器５１に突入する反跳電子の量を低減させることができる。

角度θは０°以外である。θ＝０°である場合と比較して、Ｘ線の主放射方向でもある第２方向ｄ２に放出される反跳電子の量を抑えることができ、Ｘ線透過窓６０に衝突する反跳電子の量を少なくすることができるため、Ｘ線透過窓６０の温度の上昇を抑えることができる。主に診断用のＸ線管で通常使用する１２５ｋＶの以下の管電圧であれば、０°＜θ≦９０°に設定しても、所望のＸ線放出方向へのＸ線量の低下は小さい。このときの実効焦点サイズは角度θによって変わるため、所望の焦点Ｆのサイズが得られるよう角度θを設定すればよい。

まとめると、上述した実施形態によれば、Ｘ線管１によるＸ線の主放射方向に放出される反跳電子の量を抑制し、Ｘ線透過窓６０のダメージを抑えることで、θ＝０°である場合よりもＸ線入力条件を高めることができる。そのため、θ＝０°である場合よりもコントラストのＳ／Ｎ比の良いＸ線画像および画像情報を提供することが可能となる。また、Ｘ線透過窓６０からのガス放出や真空外囲器５０への蒸着を抑制できるため、長期間安定してＸ線出力が可能なＸ線管を提供することが可能となる。

上記のことから、入力の制限を緩和することが可能な固定陽極型のＸ線管１を得ることができる。

本発明の一実施形態を説明したが、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記の新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態は、各種の固定陽極型Ｘ線管に適用することができる。例えば、上述した実施形態は、陽極接地型のＸ線管だけでなく、陰極接地型のＸ線管や中性点接地型のＸ線管にも適用することができる。なお、陰極接地型のＸ線管の場合、陰極１０が接地され、陽極ターゲット２１（陽極２０）及び陽極フード３０に正の高電圧が印加される。中性点接地型のＸ線管の場合、陰極１０に負の高電圧が印加され、陽極ターゲット２１（陽極２０）及び陽極フード３０に正の高電圧が印加される。

１…Ｘ線管、１０…陰極、１１…フィラメント、２０…陽極、２１…陽極ターゲット、
２１ａ…ターゲット本体、２１ｂ…ターゲット層、２１ｃ…ターゲット面、
３０…陽極フード、５０…真空外囲器、６０…Ｘ線透過窓、ＯＰ１，ＯＰ２…開口、
Ａ…管軸、ｄ１，ｄ２…方向、Ｆ…焦点、θ…角度。

Claims

電子を放出する陰極と、
管軸に沿った方向において前記陰極に対向配置され、前記陰極から放出される電子が照射されることによりＸ線を放出する焦点が形成されるターゲット面を有する陽極と、
前記陽極に固定され、前記陰極側に延出し、前記ターゲット面を取囲み、前記陽極と同電位に設定され、前記陰極から前記ターゲット面に向かう電子を通す第１開口と、前記焦点から放出されるＸ線を通す第２開口と、を有する陽極フードと、
前記陽極フードの前記第２開口を閉塞し、Ｘ線を透過させるＸ線透過窓と、
前記陰極、前記陽極、前記陽極フード、及び前記Ｘ線透過窓を収容した電気絶縁性の真空外囲器と、を備え、
前記ターゲット面は、傾斜面であり、前記管軸に直交する第１方向に向かうほど前記陰極から遠ざかり、
前記管軸に沿って前記陰極側から前記陽極及び前記Ｘ線透過窓をみた場合に、前記焦点から前記Ｘ線透過窓の中央に向かう第２方向に対して、前記前記焦点から向かう前記第１方向が時計回り又は反時計回りに成す角度をθとすると、
角度θは０°以外である、
固定陽極型Ｘ線管。
０°＜θ≦９０°である、
請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
前記Ｘ線透過窓は、ベリリウム、グラファイト、クロロフルオロカーボン、ベリリア、ホウ素、窒化ホウ素、及び炭化ホウ素の少なくとも１つを含む材料で形成されている、
請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。
前記焦点は、長軸を有し、
前記管軸に沿って前記陰極側から前記陽極をみた場合に、前記焦点の長軸は、前記第１方向に延出している、
請求項１に記載の固定陽極型Ｘ線管。