JPWO2020261339A1 - Ｘ線発生管、ｘ線発生装置およびｘ線撮像装置 - Google Patents

Abstract

Ｘ線発生装置は、電子銃と、前記電子銃からの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲットを有するアノードとを備える。前記電子銃は、電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を集束させる集束電極とを含む。前記集束電極は、管形状を有する第１部分と、前記第１部分の内側に配置された第２部分とを含む。前記第１部分は、前記アノードに対面する先端部を有し、前記第２部分は、前記アノードに対向する対向面を有し、前記対向面は、前記電子放出部からの電子を通過させる電子通過孔を有する。前記先端部と前記アノードとの距離は、前記対向面と前記アノードとの距離より小さい。前記先端部の熱伝導率は、前記第２部分の熱伝導率より小さい。

Description

本発明は、Ｘ線発生管、Ｘ線発生装置およびＸ線撮像装置に関するものである。

Ｘ線発生装置は、例えば、Ｘ線によって被検物を撮像するＸ線撮像装置において利用されている。特許文献１には、Ｘ線を発生するＸ線発生管が記載されている。特許文献１に記載されたＸ線発生管は、カソードと、ターゲットと、カソードとターゲットとの間に配置された第１制御グリッドと、第１制御グリッドとターゲットとの間に配置された第２制御グリッドとを含む。第２制御グリッドは、電子線の拡がりを抑制する開口制限素子を有する。開口制限素子を設けることによって電子線寸法を縮小させることができる。

特開２００７−２６５９１７号公報

しかしながら、Ｘ線発生管に上記のような開口制限素子を設けてＸ線焦点寸法を微小化させたところ、Ｘ線焦点寸法が安定しないという新たな問題が生じた。

本発明の第１側面は、電子銃と、前記電子銃からの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲットを有するアノードとを備えるＸ線発生管に係り、前記電子銃は、電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を集束させる集束電極とを含み、前記集束電極は、管形状を有する第１部分と、前記第１部分の内側に配置された第２部分とを含み、前記第１部分は、前記アノードに対面する先端部を有し、前記第２部分は、前記アノードに対向する対向面を有し、前記対向面は、前記電子放出部からの電子を通過させる電子通過孔を有し、前記先端部と前記アノードとの距離は、前記対向面と前記アノードとの距離より小さく、前記先端部の熱伝導率は、前記第２部分の熱伝導率より小さい。

本発明の第２側面は、Ｘ線発生装置に係り、前記Ｘ線発生装置は、前記第１側面のＸ線発生管と、前記Ｘ線発生管を駆動する駆動回路と、を含む。

本発明の第３側面は、前記第２側面のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放射され物体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、を備える。

本発明の一実施形態のＸ線発生装置の構成を模式的に示す図。 本発明の第１実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第２実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 図３におけるＢ−Ｂ’断面を例示する図。 図３におけるＡ−Ａ’断面を例示する図。 本発明の一実施形態のＸ線発生装置の構成を模式的に示す断面図。 本発明の一実施形態のＸ線撮像装置の構成を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１には、本発明の一実施形態のＸ線発生管１の構成が模式的に示されている。Ｘ線発生管１は、電子銃ＥＧと、電子銃ＥＧからの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲット９３３を有するアノード９３と、絶縁管９２とを備えうる。Ｘ線発生管１は、絶縁管９２の２つの開口端の一方を閉塞するようにアノード９３が配置され、絶縁管９２の２つの開口端の他方を閉塞するように、電子銃ＥＧを含む閉塞部材９１が配置されうる。

アノード９３は、ターゲット９３３と、ターゲット９３３を保持するターゲット保持板９３２と、ターゲット保持板９３２を保持する電極９３１とを含みうる。電極９３１は、ターゲット９３３に電気的に接続されていて、ターゲット９３３に電位を与える。ターゲット９３３は、電子銃ＥＧからの電子がターゲット９３３に衝突することによってＸ線を発生する。発生したＸ線は、ターゲット保持板９３２を透過してＸ線発生管１の外部に放射される。アノード９３は、例えば、接地電位に維持されうるが、他の電位に維持されてもよい。ターゲット９３３は、融点が高く、Ｘ線の発生効率が高い材料、例えば、タングステン、タンタルまたはモリブデン等で構成されうる。ターゲット保持板９３２は、例えば、Ｘ線を透過し易い材料、例えば、ベリリウム、ダイヤモンド等で構成されうる。

図２には、本発明の第１実施形態のＸ線発生管１の構成が模式的に示されている。図２では、電子銃ＥＧとアノード９３とが近接して示されているが、電子銃ＥＧとアノード９３とは、より離隔して配置されうる。電子銃ＥＧは、電子を放出する電子放出部を有するカソード１０と、該電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極３０と、引出電極３０によって引き出された電子を集束させる集束電極４０とを備えうる。カソード１０は、電子放出部として、例えば、酸化物カソード、含浸型カソード、又は、熱フィラメント等を有しうる。カソード１０を加熱することによって電子が放出されうる。引出電極３０は、電子を通過させる通過孔３２を有する。電子銃ＥＧは、カソード１０と引出電極３０との間にゲート電極２０を備えてもよい。ゲート電極２０は、電子を通過させる通過孔２２を有する。

集束電極４０は、管形状を有する第１部分４１と、第１部分４１から管径方向内側に延在していて、電子線の中心付近の電子を選択的に通過させる電子通過孔４２２を有する第２部分４２とを含みうる。第１部分４１および第２部分４２は、互いに電気的に接続され、同一電位が与えられうる。あるいは、第１部分４１および第２部分４２は、互いに絶縁され、異なる電位が与えられてもよい。第２部分４２は、カソード１０の側に位置する内側面（ＬＷ１）と、該内側面と反対側の面であってアノード９３に対向する対向面ＵＰ１とを有しうる。第１部分４１は、アノード９３に対面する先端部Ｅ２を有しうる。第２部分４２は、板部４２１を含み、対向面ＵＰ１は、板部４２１に設けられうる。板部４２１あるいは対向面ＵＰ１は、カソード１０の電子放出部からの電子線の拡がりを抑制する電子通過孔４２２を有しうる。第１部分４１の先端部Ｅ２とアノード９３との距離は、第２部分４２の対向面ＵＰ１とアノード９３との距離より小さい。先端部Ｅ２の熱伝導率は、第２部分４２（板部４２１）の熱伝導率より小さい。

先端部Ｅ２の熱伝導率が第２部分４２（板部４２１）の熱伝導率より小さい構成とすることによって、Ｘ線発生管１の製造時あるいは初期調整時において、第１部分４１とアノード９３との間に、Ｘ線発生管１の駆動時に印加するＸ線発生用電子加速電圧よりも高い電圧を印加することによって、先端部Ｅ２の表面に存在し得る微小な凸部を容易に熱によって破壊することができる。その結果、Ｘ線発生管１の使用時（Ｘ線の発生時）に先端部Ｅ２から電子が放出されることを抑制することができる。これにより、先端部Ｅ２から放出された電子が電極９３１のような部材、即ちターゲット９３３ではない箇所に衝突することによって当該箇所からＸ線が放射されることを抑制することができる。また、先端部Ｅ２の熱伝導率が第２部分４２（板部４２１）の熱伝導率より小さい構成（即ち、第２部分４２の熱伝導率が先端部Ｅ２の熱伝導率より大きい構成）とすることによって、Ｘ線発生管１の使用時（Ｘ線の発生時）において、第２部分４２への電子の衝突により第２部分４２で発生する熱を速やかに拡散させることができる。これにより、第２部分４２が熱によって変形することによる電子通過孔４２２の形状の変化を低減させることができ、微小化させたＸ線焦点寸法を安定化させることも可能となる。

一例において、第１部分４１は、ステンレス鋼で構成され、第２部分４２は、モリブデンまたはモリブデン合金で構成される。第１部分４１を構成するステンレス鋼は、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等でありうる。これらのステンレス鋼の熱伝導率は、１００℃において１３．８〜２７．２（Ｗ／（ｍ・℃））でありうる。モリブデンの熱伝導率は、３００Ｋにおいて１２８（Ｗ／（ｍ・℃））である。

他の例において、第１部分４１は、ステンレス鋼で構成され、第２部分４２は、タングステン、タングステン合金、銅、銅合金、タンタル、タンタル合金、ニオブ、または、ニオブ合金等で構成されうる。更に他の例において、第１部分４１は、ステンレス鋼で構成され、第２部分４２は、炭化ケイ素で構成されうる。

第１部分４１と第２部分４２とは、電気的に接続されうる。第１部分４１と引出電極３０とは、電気的に接続されうる。カソード１０と引出電極３０との間には、電子を通過させる通過孔２２を有するゲート電極２０が配置されうる。ゲート電極２０には、カソード１０に与えられる電位よりも低い電位が与えられうる。

第２部分４２は、柱状の第１空間ＳＰ１の少なくとも一部を規定しうる。図２に示された例では、第２部分４２によって柱状の第１空間ＳＰ１の一部が規定され、第１部分４１の内側面ＩＳ１によって柱状の第１空間ＳＰ１の他の一部が規定され、引出電極３０によって柱状の第１空間ＳＰ１の更に他の一部が形成される。第１空間ＳＰ１は、例えば、円柱形状を有しうる。第２部分４２の対向面ＵＰ１と第１部分４１の内側面ＩＳ１とは、第２空間ＳＰ２の少なくとも一部を規定しうる。

図３には、本発明の第２実施形態のＸ線発生管１の構成が模式的に示されている。図４には、図３におけるＢ−Ｂ’断面が例示されている。図５には、図３におけるＡ−Ａ’断面の第１の例が例示されている。図３では、電子銃ＥＧとアノード９３とが近接して示されているが、電子銃ＥＧとアノード９３とは、より離隔して配置されうる。第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。

電子銃ＥＧは、電子を放出する電子放出部を有するカソード１０と、該電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極３０と、引出電極３０によって引き出された電子を集束させる集束電極４０とを備えうる。カソード１０は、電子放出部として、例えば、近傍に配置されたヒーターで加熱されることによって電子が放出されうる。引出電極３０は、電子を通過させる通過孔３２を有する。電子銃ＥＧは、カソード１０と引出電極３０との間にゲート電極２０を備えてもよい。ゲート電極２０は、電子を通過させる通過孔２２を有する。

集束電極４０は、管形状を有する第１部分４１と、第１部分４１の内側に配置された第２部分４２とを含みうる。第２部分４２は、カソード１０の側に位置するカソード側面（カソード側の面）と、該カソード側面と反対側のアノード側面（アノード側の面）とを有しうる。第２部分４２の該カソード側面は、第１面ＬＷ１と、第１面ＬＷ１と角度を有する第２面ＬＷ２とを有しうる。第２部分４２の該アノード側面は、第１面ＬＷ１の反対側の第３面ＵＰ１（対向面）と、第２面ＬＷ２の反対側であって第３面（対向面）ＵＰ１と角度を有する第４面ＵＰ２（外側面）とを有しうる。

第２部分４２の第１面ＬＷ１および第２面ＬＷ２によって第１空間ＳＰ１の少なくとも一部が規定されうる。他の観点において、第２部分４２（の第１面ＬＷ１および第２面ＬＷ２）は、第２部分４２の内側に、柱状（例えば、円柱状）の第１空間ＳＰ１の少なくとも一部を規定しうる。

また、第２部分４２の第３面（対向面）ＵＰ１と第１部分４１の内側面ＩＳ１とによって、第２空間ＳＰ２が規定されうる。また、第２部分４２の第４面ＵＰ２（外側面）と第１部分４１の内側面ＩＳ１とによって、第３空間ＳＰ３の一部が規定されうる。第２部分４２は、電子を通過させる電子通過孔４２２と、第１空間ＳＰ１と第３空間ＳＰ３とを連通させる連通部４３１とを有しうる。他の観点において、連通部４３１は、第２部分４２の内側空間（第１空間ＳＰ１）と、第２部分４２の外側面ＵＰ１、ＵＰ２と第１部分４１の内側面ＩＳ１とによって形成される外側空間（第２空間ＳＰ２および第３空間ＳＰ３）とを連通させる。

第２部分４２は、電子通過孔４２２を有する板部４２１と、管形状を有する管形状部４３とを有しうる。他の観点において、管形状部４３の一端は、板部４２１に接続されうる。集束電極４０は、管形状部４３の他端と第１部分４１とを接続する接続部４４を更に含みうる。接続部４４は、導電部材で構成されてもよいし、絶縁体で構成されてもよい。第２部分４２の連通部４３１は、第３空間ＳＰ３を介して第１空間ＳＰ１と第２空間ＳＰ２とを連通させうる。連通部４３１は、管形状部４３に設けられうる。

第１部分４１および第２部分４２は、軸ＡＸに関して同軸構造を有するように構成されうる。第１部分４１は、軸ＡＸを中心軸とする円筒部を含みうる。第２部分４２は、軸ＡＸを中心軸とする円筒部を含みうる。第１部分４１は、第２部分４２の側方を全周にわたって取り囲むように配置されうる。あるいは、第１部分４１は、第２部分４２を切断するように軸ＡＸに直交する断面のいずれにおいても、第２部分４２を全周にわたって取り囲むように配置されうる。他の観点において、第１部分４１は、第２部分４２の連通部４３１を取り囲むように配置されうる。あるいは、第１部分４１は、第２部分４２の連通部４３１を切断するように軸ＡＸに直交する断面のいずれにおいても、第２部分４２の連通部４３１を取り囲むように配置されうる。以上のような構成は、集束電極４０の第２部分４２と、集束電極４０の外側に配置されうる不図示の部材との間における放電を抑制するために効果的である。これは、第２部分４２が、放電を誘発しうるような曲率半径が小さい部分（曲率が大きい部分）を有する場合に特に有利に作用する。

一例において、第１空間ＳＰ１は、第２部分４２の他、引出電極３０によって規定されうる。第１空間ＳＰ１は、密閉空間ではなく、電子通過孔４２２および連通部４３１を介して第２空間ＳＰ２に連通する。また、第１空間ＳＰ１は、通過孔３２を介して、カソード１０の側の空間と連通する。

第１部分４１および第２部分４２は、互いに電気的に接続され、同一電位が与えられうる。あるいは、第１部分４１、第２部分４２および接続部４４は、互いに電気的に接続され、同一電位が与えられうる。引出電極３０は、第２部分４２に電気的に接続されてもよいし、第２部分４２に対して電気的に絶縁され、第２部分４２に与えられる電位とは異なる電位が与えられてもよい。一例において、引出電極３０は、集束電極４０に固定されている。

集束電極４０の第２部分４２に設けられた板部４２１は、第２空間ＳＰ２に至る電子線の径を制限する。板部４２１に設けられた電子通過孔４２２を通過した電子のみが第２空間ＳＰ２に至る電子線を構成する。他の電子は、板部４２１に衝突し、板部４２１によって吸収される。電子通過孔４２２を有する板部４２１を第２部分４２に設けることによって、電子銃ＥＧから放射される電子線をより小さい領域に集束させることができる。

カソード１０からの電子が板部４２１の第１面ＬＷ１に衝突することによって第１面ＬＷ１からガスが放出され、ガスが第１空間ＳＰ１に長時間にわたって滞留すると、カソード１０からの電子がガスと衝突する確率が高まる。電子とガスとの衝突によってガスがイオン化されうる。このようにして発生するイオンは、カソード１０に向かって加速され、カソード１０に衝突しうる。これによってカソード１０が劣化しうる。

そこで、第２実施形態の電子銃ＥＧでは、第１空間ＳＰ１と第２空間ＳＰ２とを連通させる連通部４３１が第２部分４２に設けられている。連通部４３１は、それに対して電子が入射しない位置、あるいは、それに対して電子が入射する可能性が低い位置に配置されうる。他の観点において、連通部４３１は、電子を通過させない位置に配置されうる。連通部４３１は、第１空間ＳＰ１において発生しうるガスが速やかに第１空間ＳＰ１から第２空間ＳＰ２に排出されることを可能にし、これは、カソード１０の劣化を抑制するように機能する。

集束電極４０は、板部４２１のうち電子が衝突しうる領域と第１部分４１の内側面ＩＳ１との間に連通部４３１を介した直線経路が存在するように構成されてもよい。あるいは、集束電極４０は、板部４２１に設けられた電子通過孔４２２と第１部分４１の内側面ＩＳ１との間に連通部４３１を介した直線経路が存在するように構成されてもよい。このような構成は、板部４２１に対する電子の衝突によって発生しうるがガスが速やかに第２空間ＳＰ２（あるいは第３空間ＳＰ３）に排出されることを可能にする。

第１部分４１は、カソード１０の電子放出部の側の先端部（第１端部）Ｅ２と、先端部Ｅ２の反対側の後端部（第２端部）Ｅ１とを有し、後端部Ｅ１は、角部を有しないように構成されうる。このような構成は、第１部分４１とその外側に配置されうる部材との間における放電を抑制するために効果的である。

図６には、本発明の一実施形態のＸ線発生装置１００の構成が示されている。Ｘ線発生装置１００は、上記のＸ線発生管１と、Ｘ線発生管１を駆動する駆動回路３とを備えうる。Ｘ線発生装置１００は、駆動回路３に昇圧された電圧を供給する昇圧回路２を更に備えうる。Ｘ線発生装置１００は、Ｘ線発生管１、駆動回路３および昇圧回路２を収納する収納容器４を更に備えうる。収納容器４の中には、絶縁油が充填されうる。

図７には、本発明の一実施形態のＸ線撮像装置２００の構成が示されている。Ｘ線撮像装置２００は、Ｘ線発生装置１００と、Ｘ線発生装置１００から放射され物体１０６を透過したＸ線１０４を検出するＸ線検出装置１１０を備えうる。Ｘ線撮像装置２００は、制御装置１２０および表示装置１３０を更に備えてもよい。Ｘ線検出装置１１０は、Ｘ線検出器１１２と、信号処理部１１４とを含みうる。制御装置１２０は、Ｘ線発生装置１００およびＸ線検出装置１１０を制御しうる。Ｘ線検出器１１２は、Ｘ線発生装置１００から放射され物体１０６を透過したＸ線１０４を検出あるいは撮像する。信号処理部１１４は、Ｘ線検出器１１２から出力される信号を処理して、処理された信号を制御装置１２０に供給しうる。制御装置１２０は、信号処理部１１４から供給される信号に基づいて、表示装置１３０に画像を表示させる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

Claims (13)

1. 電子銃と、前記電子銃からの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲットを有するアノードとを備えるＸ線発生管置であって、
   前記電子銃は、電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を集束させる集束電極とを含み、
   前記集束電極は、管形状を有する第１部分と、前記第１部分の内側に配置された第２部分とを含み、前記第１部分は、前記アノードに対面する先端部を有し、前記第２部分は、前記アノードに対向する対向面を有し、前記対向面は、前記電子放出部からの電子を通過させる電子通過孔を有し、
   前記先端部と前記アノードとの距離は、前記対向面と前記アノードとの距離より小さく、
   前記先端部の熱伝導率は、前記第２部分の熱伝導率より小さい、
   ことを特徴とするＸ線発生管。
2. 前記第１部分は、前記先端部を含む円筒形状部を含み、前記第２部分は、前記電子通過孔を有する円盤形状部を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生管。
3. 前記第１部分と前記第２部分とは、電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線発生管。
4. 前記第１部分と前記引出電極とは、電気的に接続されている、
   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Ｘ線発生管。
5. 前記カソードと前記引出電極との間に配置されたゲート電極を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
6. 前記ゲート電極には、前記カソードに与えられる電位よりも低い電位が与えられる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生管。
7. 前記第１部分は、ステンレス鋼で構成され、前記第２部分は、モリブデンで構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
8. 前記第２部分は、柱状の第１空間の少なくとも一部を規定し、前記第１部分の内側面および前記第２部分の前記対向面は、第２空間の少なくとも一部を規定し、
   前記第２部分は、前記第１空間と前記第２空間とを連通させる連通部とを有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
9. 前記第１部分は、前記連通部を取り囲んでいる、
   ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線発生管。
10. 前記第２部分は、前記電子通過孔を有する板部と、管形状を有する管形状部とを有し、前記管形状部の一端が前記板部に接続され、
    前記連通部は、前記管形状部に設けられている
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のＸ線発生管。
11. 前記管形状部の外側面と前記第１部分の前記内側面との間に第３空間が規定され、前記第２部分の前記連通部は、前記第３空間を介して前記第１空間と前記第２空間とを連通させる、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のＸ線発生管。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線発生管と、
    前記Ｘ線発生管を駆動する駆動回路と、
    を含むことを特徴とするＸ線発生装置。
13. 請求項１２に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放射され物体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。

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