JP7196046B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線管に関する。

Ｘ線管は、Ｘ線画像診断用途や、非破壊検査用途などに利用されている。Ｘ線管としては、固定陽極型のＸ線管や、回転陽極型のＸ線管があり、用途に対応した方が用いられている。Ｘ線管は、陽極と、陰極と、真空外囲器とを備えている。陽極は、電子ビームが入射されることによりＸ線を放出する焦点面が形成される。陰極は、フィラメントと、フィラメントが収容された収束溝を有する電子収束カップとを備えている。フィラメントは、電子を放出することができる。陽極及び陰極間には、管電圧が印加される。このため、電子収束カップは、電子レンズの役割を果たすことができ、すなわち陽極に向かう電子ビームを収束させることができる。
近年、Ｘ線フラットパネルディテクタ等のＸ線ディテクタの性能が向上している。このため、同じ焦点サイズであるなら、より強度の高いＸ線を照射できるＸ線管の要求が高まっている。

特開昭５９－１６５３５３号公報 特開２００１－１３５２６５号公報

本実施形態の目的は、焦点面の長さ方向において焦点面の電子密度分布を疎密にすることにより、高強度のＸ線を照射することが可能なＸ線管を提供することにある。

本実施形態によれば、
電子ビームが入射されることによりＸ線を放出するターゲット層と、前記ターゲット層を囲む外周部と、を有する陽極と、電子を放出し第１方向に長軸を有するフィラメントと、前記フィラメントから放出された前記電子ビームを収束させる電子収束カップと、を有する陰極と、を備え、前記電子収束カップは、前記陽極側に位置する第１面と、前記第１面に開口し前記フィラメントを収容する電子収束溝と、を有し、前記第１面は、前記開口側に位置する第１縁部と、前記開口側に位置し前記第１方向において前記第１縁部に対向する第２縁部と、を有し、前記第１縁部は前記第２縁部よりも前記外周部に近接し、前記第１方向において前記第１縁部と前記フィラメントとの距離を第１距離とし、前記第１方向において前記第２縁部と前記フィラメントとの距離を第２距離とした場合、前記第１距離は前記第２距離より短いＸ線管が提供される。

図１は、一実施形態のＸ線管装置の断面図である。 図２は、図１に示した陰極及び陽極を示す断面図である。 図３は、上記実施形態に係る実施例の陰極を拡大して示す図であり、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図とで示す図である。 図４は、比較例の陰極を拡大して示す図であり、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図とで示す図である。 図５は、焦点面の長さ方向における焦点面の電子密度分布を説明するための図であり、（ａ）上記実施例のＸ線管装置の概略図及び焦点面の電子密度分布と、（ｂ）上記比較例のＸ線管装置の概略図及び焦点面の電子密度分布とで示すである。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、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、実際の態様に比べて、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一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、一実施形態のＸ線管装置の断面図である。
図１に示すように、Ｘ線管装置は、Ｘ線管１と、筐体２０と、絶縁油９と、を備えている。この実施の形態において、Ｘ線管１は回転陽極型Ｘ線管である。

Ｘ線管１は、陰極１０と、陽極１１と、回転体５と、固定体６と、真空外囲器１９と、ステム部２と、を備えている。
回転体５は、筒状に形成され、一端部が閉塞されている。回転体５は、この回転体の回転動作の中心軸となる回転軸Ｒに沿って延出している。回転体５は、回転軸Ｒを中心に回転可能である。回転体５は、Ｆｅ（鉄）やＭｏ（モリブデン）等の材料で形成されている。方向Ｚは回転軸Ｒに平行な方向であり、方向Ｘ、方向Ｙ及び方向Ｚは、互いに直交している。

固定体６は柱状に形成されている。固定体６の直径は回転体５の内径より小さい。固定体６は、回転体５と同軸的に設けられ、回転軸Ｒに沿って延出している。固定体６は、ＦｅやＭｏ等の材料で形成されている。固定体６は、回転体５に嵌合され、また、真空外囲器１９に固定されている。なお、図示しないが、回転体５及び固定体６間の隙間にガリウム・インジウム・錫合金（ＧａＩｎＳｎ）等の金属潤滑剤が充填されている。このため、Ｘ線管１はすべり軸受けを使っている。

陽極１１は、回転軸Ｒに沿った方向に、固定体６の一端部に対向配置されている。陽極１１は、陽極の外面に位置したターゲット層１１ａと、ターゲット層１１ａを囲む外周部１１ｏを有している。陽極１１は、接続部材７を介して回転体５に固定されている。陽極１１は、重金属等の材料で形成され、例えばＭｏで形成されている。ターゲット層１１ａは、陽極１１に利用する材料より融点が高い金属で形成されている。例えばタングステン合金で形成されている。
陽極１１は、回転体５及び固定体６と同軸的に設けられている。陽極１１は、回転軸Ｒを中心に回転可能である。陽極１１は、陰極１０から放出される電子がターゲット層１１ａに衝突することによりＸ線を放出するものである。陽極１１は、回転体５及び固定体６などを介し、端子４と電気的に接続されている。

陰極１０は、フィラメント１７及び電子収束カップ１８を有している。陰極１０は、陽極１１のターゲット層１１ａに間隔を置いて対向配置されている。フィラメント１７はターゲット層１１ａに衝突する電子を放出するものである。電子収束カップ１８は、フィラメント１７から陽極１１に向かう電子の軌道を取り囲んで設けられ、収束電極として機能している。

真空外囲器１９は、陽極１１及び陰極１０を収容している。真空外囲器１９は、ガラス及びセラミックなどの絶縁材又は、絶縁材と金属などの導電部材との組合せで形成されている。真空外囲器１９は密閉され、内部は真空状態に維持されている。真空外囲器１９は、陰極１０と対向したターゲット層１１ａ付近にＸ線を透過させるＸ線透過窓１９ａを有している。ステム部２は、真空外囲器１９に連結し、複数のピン３が取り付けられている。

筐体２０は、Ｘ線管１を収容している。筐体２０は、陰極１０と対向したターゲット層１１ａ付近にＸ線を透過させるＸ線透過窓２０ａを有している。筐体２０の内部には、Ｘ線管１等が収容されている他、冷却液としての絶縁油９が充填されている。なお、図示しないが、筐体２０の内部には、回転体５を回転させるステータコイルも収容されている。

図２は、図１に示した陰極１０及び陽極１１を示す断面図である。
図２に示すように、陰極１０は、フィラメント１５、フィラメント１６及びフィラメント１７を有している。本実施形態においては、陰極１０は３つのフィラメントを有している。なお、陰極１０は、１つのフィラメントを有してもよいし、２つのフィラメントを有してもよい。

フィラメント１５乃至１７は、ターゲット層１１ａの回転方向に間隔をおいて位置している。ここでは、フィラメント１５乃至１７は、タングステンを主成分とする材料で形成されている。フィラメント１５乃至１７及び電子収束カップ１８は、それぞれ図１に示したピン３に接続されている。

電子収束カップ１８は、陽極１１側に位置する面２５ｆ，面２６ｆ，面２７ｆを有している。面２５ｆ乃至２７ｆは、それぞれ陽極１１に対向している。図示した例では、面２５ｆ、面２６ｆ及び２７ｆは連続していて、面２５ｆ及び面２７ｆは面２６ｆに対して斜めに傾いている。
電子収束カップ１８は、フィラメントが収められる１つ又は複数の電子収束溝を有している。この実施形態において、電子収束カップ１８は、フィラメント１５乃至１７が個別に収められる３つの電子収束溝（電子収束溝２５、電子収束溝２６及び電子収束溝２７）を有している。電子収束溝２５は面２５ｆに開口２５ｏを形成し、電子収束溝２６は面２６ｆに開口２６ｏを形成し、電子収束溝２７は面２７ｆに開口２７ｏを形成している。

フィラメント１５乃至１７及び電子収束カップ１８には、それぞれ相対的に負の電流が与えられる。陽極１１には、相対的に正の電圧が与えられる。陽極１１及び陰極１０間にＸ 線管電圧（以下、管電圧と称する）が印加されるため、フィラメント１５乃至１７から放出された電子は、加速され、電子ビームとしてターゲット層１１ａに入射される。一例として、管電圧は５０ｋｖ以上かつ１６０ｋｖ以下である。

フィラメント１５乃至１７から放出された電子は、それぞれ、電子収束溝２５乃至２７の開口２５ｏ乃至２７ｏ近傍の電界で収束され、ターゲット層１１ａ上に焦点面３０を形成している。焦点面３０は、ターゲット層１１ａの傾斜方向に長さ方向、陽極１１の回転方向に幅方向を有している。焦点面３０は、陽極１１の回転中心に近い端部３２と、陽極１１の回転中心から遠い端部３１と、を有している。

次に、本実施形態に係る実施例のＸ線管装置の構成と、比較例のＸ線管装置の構成について説明する。実施例及び比較例のＸ線管装置において、電子収束カップ１８以外は同様に形成されている。

図３は、上記実施形態に係る実施例の陰極１０を拡大して示す図であり、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図とで示す図である。
図３に示すように、フィラメント１５乃至１７は、それぞれ方向ｄ１に長軸を有しているフィラメントコイルである。方向ｄ１は図１に示した方向Ｙと交差する方向であるが、方向ｄ１は方向Ｙと平行であってもよい。フィラメント１６は、フィラメント１５及び１７のそれぞれより方向ｄ１において大きい。

開口２６ｏは、面２６ｆに矩形状に形成され、方向ｄ１に長さ方向を有している。面２６ｆは、開口２６ｏ側に位置する縁部Ｅ１及び縁部Ｅ２を有している。縁部Ｅ１と縁部Ｅ２とは、方向ｄ１において対向している。

フィラメント１６と開口２６ｏとの位置関係に注目する。方向ｄ１においてフィラメント１６と縁部Ｅ１との距離を距離Ｄ１とし、方向ｄ１においてフィラメント１６と縁部Ｅ２との距離を距離Ｄ２とする。距離Ｄ１は距離Ｄ２より短い。距離Ｄ２は距離Ｄ１の１．２５倍以上であることが望ましい。より好ましくは、距離Ｄ２は、１．３ｍｍ以上が望ましい。図３（ａ）で示すように、フィラメント１６は縁部Ｅ２より縁部Ｅ１に近接している。また、フィラメント１６は、方向ｄ１において、開口２６ｏの中心からずれて配置されていると言える。

本実施形態のＸ線管は、例えば、Ｘ線量を調整する場合、大きさが異なる焦点をターゲット層上に形成する構造になっている。
本実施例において、方向ｄ１は第１方向に相当し、縁部Ｅ１は第１縁部に相当し、縁部Ｅ２は第２縁部に相当し、距離Ｄ１は第１距離に相当し、距離Ｄ２は第２距離に相当する。

図４は、比較例の陰極１０を拡大して示す図であり、（ａ）正面図と、（ｂ）断面図とで示す図である。
図４に示した比較例は、図３に示した実施例と比較して、電子収束カップ１８が電子収束溝２６の代わりに電子収束溝３６を有している点で相違している。

電子収束溝３６は、面２６ｆに開口３６ｏを形成している。開口３６ｏは、面２６ｆに矩形状に形成され、方向ｄ１に長さ方向を有している。面２６ｆは、開口３６ｏに位置する縁部Ｅ３及び縁部Ｅ４を有している。縁部Ｅ３と縁部Ｅ４とは、方向ｄ１において対向している。

フィラメント１６と開口３６ｏとの位置関係に注目する。方向ｄ１においてフィラメント１６と縁部Ｅ３との距離を距離Ｄ３とし、方向ｄ１においてフィラメント１６と縁部Ｅ４との距離を距離Ｄ４とする。距離Ｄ３と距離Ｄ４とは同等である。図４（ａ）で示すように、フィラメント１６は開口３６ｏの中心に配置されている。

図５は、焦点面の長さ方向（ターゲット層１１ａの傾斜方向）における焦点面の電子密度分布を説明するための図であり、（ａ）上記実施例のＸ線管装置の概略図及び電子密度分布と、（ｂ）比較例のＸ線管装置の概略図及び電子密度分布とで示す図である。
図５（ａ）に示すように、フィラメント１６から放出された電子ビームが開口２６ｏの前面に形成された電界（図示せず）により収束されることにより、焦点面３０の長さ方向（端部３１から端部３２に向かう方向）における電子密度分布は電子密度分布５０になる。電子密度分布５０は、ピークが一つの三角形状である。図示した例では、縁部Ｅ１は、縁部Ｅ２より方向Ｙにおいて陽極１１の外周部１１ｏに近接している。なお、縁部Ｅ１は、縁部Ｅ２より陽極１１の径方向において外周部１１ｏに近接していてもよい。

図５（ｂ）に示すように、フィラメント１６から放出された電子ビームが開口３６ｏの前面に形成された電界（図示せず）により収束されることにより、焦点面４０の長さ方向（端部４１から端部４２に向かう方向）における電子密度分布は電子密度分布６０になる。焦点面４０と焦点面３０とは同じサイズである。電子密度分布６０は、ピークが二つである台形状である。一般的に、電子密度分布のピークが二つに分離した分布になると、Ｘ線画像の解像度は低くなってしまう。これは、二か所から物体に光を照射すると、物体の影がぼやけてしまうことと類似している。

本実施形態の実施例によれば、フィラメント１６が電子収束溝２６の開口２６ｏの中心からずれて配置されている。開口２６ｏとフィラメント１６との距離が近い方（縁部Ｅ１側）では、電子に働く電界強度が強く収束作用が強い。開口２６ｏとフィラメント１６との距離が遠い方（縁部Ｅ２側）では、電子に働く電界強度が弱く収束作用が弱い。このため、陽極１１の中心から外周部１１ｏに向かうにしたがって開口２６ｏ前面の電界強度が高くなっており、端部３２から端部３１に向かう方向に電子密度が高まり、ピークが一つの三角形状である電子密度分布５０を得ることができる。
実施例のＸ線管１は、比較例のＸ線管と比較して、同一の焦点面のサイズであればより強度の高いＸ線を発生することができ、解像度の高いＸ線画像を得ることができる。

また、電子密度分布５０がピークは一つである三角形状をしているため、焦点面３０の見かけ上のサイズ（実効的なサイズ）は焦点面３０より小さくなるので、Ｘ線の照射される方向が限定され、より解像度の高いＸ線画像を得ることができる。

焦点面３０の実効的なサイズが小さくなるほど、焦点面３０の表面温度の上昇が高くなりターゲット層１１ａが融ける可能性がある。本実施形態によれば、縁部Ｅ１は、縁部Ｅ２より陽極１１の外周部１１ｏに近接している。
軌道半径が大きく回転速度が速い陽極１１の外周側では、軌道半径が小さく回転速度が遅い陽極１１の内周側よりも、電子ビームの衝突による焦点面３０の表面温度の上昇を抑えることができる。これにより、電子ビームの強度が高い方（縁部Ｅ１側）を、陽極１１に対して、陽極１１の外周部１１ｏ側に配置することで、焦点面３０の表面温度の上昇を抑制することができ、Ｘ線管の信頼性の低下を抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、焦点面の長さ方向において焦点面の電子密度分布を疎密にすることにより、高強度のＸ線を照射することが可能なＸ線管を提供することができる。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。こ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。こ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。

電子放出源としてのフィラメントは、フィラメントコイルに限定されるものではなく、各種のフィラメントを利用することが可能である。例えば、陰極１０は、フィラメントコイルの替わりに平板フィラメントを有していてもよい。この場合も、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。平板フィラメントは、平面として平坦なフィラメント上面（電子放出面）及び裏面を有する平板状のフィラメントである。

例えば、本発明の実施形態は、上述した回転陽極型のＸ線管１に限定されるものではなく、各種の回転陽極型のＸ線管や各種の固定陽極型Ｘ線管及びその他のＸ線管に適用可能である。

１…Ｘ線管 １０…陰極 １１…陽極 １１ａ…ターゲット層 １１ｏ…外周部
１５、１６、１７…フィラメント １８…電子収束カップ
２５ｆ、２６ｆ、２７ｆ…面 ２５、２６、２７、３６…電子収束溝
２５ｏ、２６ｏ、２７ｏ、３６ｏ…開口 Ｅ１～Ｅ４…縁部
５０、６０…電子密度分布

Claims (4)

1. 電子ビームが入射されることによりＸ線を放出するターゲット層と、前記ターゲット層を囲む外周部と、を有する陽極と、
   電子を放出し第１方向に長軸を有するフィラメントと、前記フィラメントから放出された前記電子ビームを収束させる電子収束カップと、を有する陰極と、を備え、
   前記電子収束カップは、前記陽極側に位置する第１面と、前記第１面に開口し前記フィラメントを収容する電子収束溝と、を有し、
   前記第１面は、前記開口側に位置する第１縁部と、前記開口側に位置し前記第１方向において前記第１縁部に対向する第２縁部と、を有し、
   前記第１縁部は前記第２縁部よりも前記外周部に近接し、
   前記第１方向において前記第１縁部と前記フィラメントとの距離を第１距離とし、前記第１方向において前記第２縁部と前記フィラメントとの距離を第２距離とした場合、前記第１距離は前記第２距離より短いＸ線管。
2. 前記第２距離は前記第１距離の１．２５倍以上である請求項１に記載のＸ線管。
3. 前記第２距離は１．３ｍｍ以上である請求項１又は２に記載のＸ線管。
4. 前記ターゲット層と前記陰極との間には、５０ｋｖ以上かつ１６０ｋｖ以下の電圧が印加される請求項１に記載のＸ線管。

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