TWI490907B

TWI490907B - Ｘ射線管

Info

Publication number: TWI490907B
Application number: TW102135488A
Authority: TW
Inventors: 松本晃; 出口清之; 丸島吉久; 小暮雄一; 中村和仁; 岡田和幸; 藤田澄; 仲村龍彌
Original assignee: 雙葉電子工業股份有限公司; 濱松赫德尼古斯股份有限公司
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-07-01
Also published as: US20140093047A1; JP2014075188A; TW201415511A; KR20140043671A; JP5763032B2; US9263227B2; CN103715047A

Description

X射線管

本發明係關於一種在設為高真空狀態之密封件(package)的內部，從電子源釋放電子使之撞擊X射線靶(target)，再將從X射線靶釋放的X射線，從密封件的X射線穿透窗放射至外部的X射線管，尤有關於一種防止因為X射線靶所反射的電子在密封件散射所引起動作特性不安定化的X射線管。

在下述專利文獻1中，已揭示一種對空氣照射X射線，用以產生離子氣體(ion gas)的X射線產生裝置。使用在該X射線產生裝置的X射線管，係以圓柱狀密封件(真空管(bulb))做為本體，而在密封件內，從熱絲(filament)射出的電子係經由聚焦而被聚集，撞擊X射線靶而產生X射線，而該X射線係穿透輸出窗(X射線穿透窗)而射出至密封件的外部。

第4圖與上述專利文獻1的X射線管相同，係以玻璃製圓柱狀密封件100為本體之所謂圓型管形態之X射線管的剖面圖。該圓柱狀密封件100，位於其一端面的圓形開口係被由鈹(beryllium)所構成之膜的X射線穿透窗101所封閉，而內部則保持為高真空狀態。在密封件100的內部中，於X射線穿透窗101的內面設有X射線靶102。此外，在密封件100之另一端面之側，則設有屬於電子源的陰極103與控制電極104。再者，從陰極103射出的電子係在控制電極104被加速，並經聚集而撞擊X射線靶102，而得以將X射線從X射線穿透窗101放射至密封件100的外部。另外，在第4圖中，係以符號X示意性顯示從X射線穿透窗101放射至密封件100之外部的X射線，並且以符號P來顯示X射線穿透窗101中之X射線之放射的中心。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2005-116534號公報

然而，在第4圖所示之習知的X射線管中，來自陰極103的電子被縮小成射束(beam)狀，係以撞擊X射線靶102的位置為中心而使X射線擴展成放射狀之點狀的X射線照射(第4圖中以符號P所示的點即為中心)，而X射線則係從X射線穿透窗101射出後擴展成圓錐狀(在第4圖中以符號X顯示)，因此會有相對於照射對象物的大小，有效照射範圍(area)狹小的問題。因此，若要使用照射範圍狹小的圓型管X射線管使X射線照射至寬廣的範圍，就要使用多數個X射線管，並將其予以並排使用，故在設備成本或在維修方面有極大負擔。

此外，若要使X射線照射至寬廣範圍，雖亦可考慮遠離對象物來照射X射線，但若要照射所希望的X射線至照射對象物，就需加強X射線的照射強度。如此一來，甚至將X射線照射至不需要的部位，而產生X射線洩漏的問題。

因此，本案發明之發明人等，為了解決此種習知之圓型管形態之X射線的問題，乃發明了第5圖及第6圖所示之平型管形態的X射線管。該X射線管係以箱形密封件55做為本體，該箱形密封件55係由將1片玻璃製背面基板61與4片側面板62組裝成箱型而成的容器部51、及在該容器部51之開放側周緣部由X射線不穿透性之金屬所構成的基板53所構成。在成為該密封件55之X射線放射側的基板53中，係形成有細縫(slit)狀的開口部52(例如寬度2mm左右)，而在該開口部52，則自基板53的外側安裝有由鈦(titanium)箔所構成的X射線穿透窗54。

密封件55的內部係保持為高真空狀態。在密封件55內，係於顯現在基板53之開口部52的X射線穿透窗54中設有鎢(tungsten)等的X射線靶56。此外，在密封件55的內部，係於與X射線穿透窗54相反側之內面之背面基板61的內面設有背面電極57，而在該背面電極57下方則依序配設有熱絲狀的陰極58、從陰極58吸引電子的第1控制電極59、及將第1控制電極59所吸引之電子進行加速的第2控制電極60。

依據該X射線管，從陰極58被第1控制電極59所吸引的電子係藉由第2控制電極60加速，且撞擊X射線靶56而產生X射線。再者，經由電子撞擊而從X射線靶56所產生的X射線，係穿透X射線穿透窗54而放射至密封件55的外部。

由於X射線係從被基板53之開口部52所限制的X射線穿透窗54放射，因此只要將開口部52之細長細縫形狀的尺寸設定為所希望的大小，就可使放射X射線的區域實質為線狀而以X射線穿透窗54的細縫寬度使X射線擴展。因此，可與對象物大小對應而易於以較高彈性來設定有效寬廣的照射範圍，而可獲得照射範圍狹小之圓型管之X射線管所未具的效果。再者，只要將開口部52的尺寸、形狀形成為所希望大小的矩形溝狀等，在X射線穿透窗54中接受X射線放射的區域，相較於圓形的X射線穿透窗，就較容易從外形判斷，因此也有較容易設定將X射線精密地引導至預定位置之路徑的優點。

本案發明人等在開發第5圖及第6圖所示之平型管形態之X射線的過程中，發現從X射線管放射之X射線之強度變動的現象。此係當驅動X射線管放射X射線時，所放射之X射線的強度雖會隨著使用時間的增加而減少，但當超過某個時間時又會再度變強的現象。本案發明人等經致力研究該現象之結果，關於該未知現象的詳細內容及原因等，終獲致以下的智識見解。

第7圖係本案發明人等所提出之平型管形態之X射線管的剖面圖。基本的構造與第5圖及第6圖所示之平型管形態的X射線相同，第7圖中係賦予與第5圖及第6圖相同的符號而其說明則予以省略。在此X射線管中，當從陰極58射出的電子撞擊X射線靶56時，X射線即從X射線靶56射出，而該X射線雖從X射線穿透窗54朝向外側放射，但依據本案發明人等的研究，得知此時會產生撞擊X射線靶56的電子反射而在密封件55內朝向第2控制電極60側反射的現象。在第7圖中，係顯示撞擊X射線靶56後反射，並到達密封件55之內面之電子的軌跡。此為經由本案發明之發明人等的研究所獲得的成果，其係使用有限要素法來解析在密封件55內的電場，藉此來模擬撞擊X射線靶 56而反射之電子的軌道者。

再者，本案發明人等經詳細調查與自X射線管放射之X射線之強度相對應之X射線靶電流相對值之時間性變動後發現，獲得第8圖所示的結果。依據此例，在以X射線管之最初的電流值為100%連續驅動情形下，驅動時間達100小時前，電流值持續減少(電流劣化)，而驅動時間在大約100小時時，電流值降低至最初的約60%。之後，電流值轉為增加，在約2000小時後，恢復至100%(電流上升)。從X射線管放射之X射線的強度，也與該X射線靶電流之時間性的變動對應而變動。

本案發明人等求出與X射線之強度對應之X射線靶電流相對值之時間性變動的原因在於第7圖所示之反射電子的動作特性上，再進一步致力研究之結果，終獲致以下的理解。

第9圖係為說明X射線管驅動時所產生之前述電流劣化之原因的圖。圖中，電子係以附帶圓形的e^- 來顯示，且以箭頭來顯示其移動。撞擊X射線靶56而反射的電子，係再度撞擊密封件55的內面並反射，藉此即在與具有X射線穿透窗54之基板53相反側的內面(具有背面電極57的背面基板61)帶電。在此，於第9圖中，為了與先前顯示背面基板61之帶電狀態之附帶圓形之e^- 有所區別加以顯示，乃以附帶圓形的-來顯示。此外，撞擊X射線靶56而反射的電子，係藉由撞擊密封件55的內面而從密封件55的玻璃板射出2次電子，而該2次電子即於背面基板61帶電。如此一來，於背面基板61帶電的反射電子及2次電子即持續增加，逐漸地電子難以從陰極58射出，結果可設想會產生X射線靶電流隨驅動時間之經過而減少的電流劣化。

第10圖係說明X射線管驅動時所產生之前述電流上升之原因的圖。圖中，電子係以附帶圓形的e^- 來顯示，而鈉離子係以附帶圓形的Na⁺ 來顯示，且以箭頭來顯示該等的移動。如前所述在背面基板帶電的反射電子及2次電子雖會逐漸增加，但不久即飽和。之後，反射電子撞擊密封件55之內面而產生2次電子時所產生之Na⁺ (鈉離子)的影響會逐漸顯現。亦即，當該Na⁺ 附著於第2控制電極60或第1控制電極59、甚至背面電極57時，該等電極之實質上的電位即上升，而從陰極58吸引電子的力即逐漸增強，結果可設想會產生X射線靶電流隨驅動時間的經過而上升的電流上升。

本發明係有鑑於經將本案發明人等所發現之現象分析之結果所獲得之新穎的課題而研創者，其目的在提供一種在設為高真空狀態之密封件的內部具有電子源或控制電極或X射線靶等之平型管形態的X射線管中，尤其不會隨著時間的經過而產生X射線之強度變動之現象者。

申請專利範圍第1項所述之X射線管係具備：形成有細縫狀窗部的X射線不穿透性基板；設置成從前述基板之外面側封閉前述窗部的X射線穿透窗；從前述基板之內面側設置於前述窗部的X射線靶；安裝於前述基板之內面側且內部設為高真空狀態的容器部；設於前述容器部之內部而用以將電子供給至前述X射線靶的電子源；在前述容器部之內部且配置於前述電子源與前述X射線靶之間而用以從前述電子源吸引電子的第1控制電極；及在前述容器部之內部且配置於前述第1電子電極與前述X 射線靶之間而用以限制電子射線之照射範圍的第2控制電極；在前述基板之內面，沿著前述窗部之長度方向設有遮蔽電極。

申請專利範圍第2項所述之X射線管，係如申請專利範圍第1項所述之X射線管，其中，為使撞擊前述X射線靶而反射的電子不到達前述容器部的內面而且不在前述遮蔽電極與前述第2控制電極之間產生放電，前述遮蔽電極係夾著前述窗部而設置一對，前述各遮蔽電極與前述第2控制電極的距離，係設定為相對於驅動電壓不超過10kV/mm之臨界放電電場之距離的尺寸。

依據申請專利範圍第1項所述之X射線，藉由第1控制電極之作用而從電子源吸引的電子，係撞擊被第2控制電極所限制之照射範圍的X射線靶。藉此即從X射線靶產生X射線，而該X射線即從X射線穿透窗射出至外部。另一方面，在撞擊X射線靶之電子中也有會反射者，而其中也會看到不作任何處置時到達容器部之內面等的軌跡。然而，在該X射線管之基板的內面，由於沿著設有電子撞擊之X射線靶之細縫狀窗部而設有遮蔽電極，因此在遮蔽電極之間從X射線靶反射的電子，被遮蔽電極吸收而成為靶電流的一部份，不會到達容器部的內面等。因此，即使連續驅動該X射線管，來自電子源的電子射出也不會隨著時間的經過而不安定化，而不會產生前述之電流劣化或電流上升。亦即，不管時間經過如何，靶電流均安定地恆常固定，而可放射均勻強度的X射線。

依據申請專利範圍第2項所述之X射線管，由於遮蔽電極係夾著細縫狀窗部而設有一對，而一對遮蔽電極的間隔、各遮蔽電極的高度，以及遮蔽電極與第2控制電極的距離係規定在經由實驗所規定之適當值的範圍內，因此在遮蔽電極與第2控制電極之間不會產生放電，而且撞擊被遮蔽電極所夾著的X射線靶而反射的電子不會到達容器部的內面，而會到達遮蔽電極而被吸收。

1‧‧‧X射線管

2、55、100‧‧‧密封件

3‧‧‧窗部

4、53‧‧‧基板

5、51‧‧‧容器部

6‧‧‧背面板

7、62‧‧‧側面板

8、54、101‧‧‧X射線穿透窗

9、56、102‧‧‧X射線靶

10、57‧‧‧背面電極

11‧‧‧做為電子源的陰極

12、59‧‧‧第1控制電極

13、17、52‧‧‧開口部

14、60‧‧‧第2控制電極

15‧‧‧中央板部

16‧‧‧板體

20‧‧‧遮蔽電極

58、103‧‧‧陰極

61‧‧‧背面基板

104‧‧‧控制電極

D‧‧‧間隔

H‧‧‧高度

第1圖係為顯示第1實施形態之X射線管中之反射電子之軌跡的剖面圖。

第2圖係為顯示第1實施形態之變形之X射線管中之反射電子之軌跡的剖面圖。

第3圖係為顯示第1實施形態之兩種X射線管、與本發明之發明人等所發明之習知之X射線管中之驅動時間及X射線靶電流之關係的曲線圖。

第4圖係示意性顯示習知之圓管型X射線管的剖面圖、及其X射線照射區域的圖。

第5圖係為本發明之發明人等所發明之舊型X射線管的剖面圖。

第6圖係為本發明之發明人等所發明之舊型X射線管的正面圖。

第7圖係為顯示本發明之發明人等所發明之舊型X射線管中之反射電子之軌跡的剖面圖。

第8圖係為顯示本發明之發明人等所發明之舊型X射線管中之驅動時間與X射線靶電流之關係的曲線圖。

第9圖係為用以說明本發明之發明人等所發明之舊型X射線管中之電流劣化之原因的剖面圖。

第10圖係用以說明本發明之發明人等所發明之舊型X射線管中之電流上升之原因的剖面圖。

[發明之實施形態]

茲參照第1圖至第3圖說明本發明之第1實施形態。第1圖所示之X射線管與第2圖所示之X射線管雖為相同構造，但如後所述係做為遮蔽電極之尺寸不同之變形例予以顯示者。在第1圖及第2圖中，係顯示有藉由使用有限要素法的電場解析進行模擬所獲得之反射電子的軌道。此外，第3圖係就實施形態中之2例的X射線、本發明之發明人等所發明之舊型X射線管，顯示驅動時間與X射線靶電流相對值之關係的曲線圖。

第1圖及第2圖所示之實施形態的X射線管1係平型管形態，且以箱型密封件2做為本體。該密封件2係藉由形成有窗部3的X射線不穿透性的基板4、及安裝在成為基板4之內面之側之面的箱型容器部5所構成，而該密封件2的內部係排氣為高真空狀態。基板4係為由X射線不穿透性的426合金所構成的矩形板，此外容器部5係將由鈉鈣玻璃(soda lime glass)所構成的背面板6與側面板7加以組裝而成者。所謂426合金係42%為Ni、6%為Cr、剩餘為Fe等的合金，其熱膨脹係數與鈉鈣玻璃大致相等。

如第1圖及第2圖所示，在基板4的中央，為了將 X射線照射至外部，係形成有屬於細縫狀開口的窗部3。在此，所謂細縫狀係指具有長度方向與短邊方向之2方向的形狀整體，具體而言係顯示矩形或長圓形狀等的細長形狀。另外，在本實施形態中係為細長的矩形。再者，在基板4的外面側，係以封閉窗部3之方式黏貼有由較窗部3大的鈦箔所構成的X射線穿透窗8。此外，在密封件2的內部，於基板4之窗部3之周圍的內面、與從窗部3觀看之鈦箔之X射線穿透窗8的內面，藉由蒸鍍鎢的膜而形成有X射線靶9。X射線靶9係接受電子的撞擊而射出X射線的金屬，也可使用鉬(molybdenum)等之鎢以外的金屬。

接著說明密封件2之內部的電極構成。

如第1圖及第2圖所示，在密封件2的內部，係於與X射線穿透窗8相反側之容器部5的內面(亦即與基板4平行之背面板6的內面)設有背面電極10。在背面電極10的正上方，張設有屬於電子源的線狀陰極11。陰極11係對於由鎢等所構成之金屬線(wire)上之芯線的表面施以碳酸鹽者，可藉由將芯線通電加熱而射出熱電子。

在陰極11的上方係設有用以從陰極11吸引電子的第1控制電極12。在第1控制電極12中，係形成有細縫狀的開口部13，而在該開口部13內係設有網孔(mesh)。

在第1控制電極12的上方係設有限制電子射線照射範圍的第2控制電極14。第2控制電極14係為矩形之中央板部15之四方被板體16所包圍之箱型電極構件，且包圍背面電極10與陰極11與第1控制電極12而配置於背面板6的內面上。在第2控制電極14的中央板部15，係於與線狀陰極11對應的位置，形成有細縫狀的開口部17。該開口部17係寬度較第1控制電極12的開口部13小，且與第1控制電極12之開口部13同樣地形成有網孔。

在前述基板4的內面，係沿著基板4之細縫狀窗部3的長度方向而平行地立設有遮蔽電極20。該遮蔽電極20係為一對板狀電極構件，且以電性方式與X射線靶9導通。該一對遮蔽電極20、20係為沿著第1控制電極12之開口部13之長度方向或第2控制電極14之中央板部15之長度方向的矩形狀，且從被覆有X射線靶9之基板4的內面側，以沿著細縫狀窗部3之長度方向的緣部彼此平行之方式藉由熔接而固定於基板4側。

與基板4垂直之該等一對遮蔽電極20、20之高度方向的尺寸(高度)h，為了在與第2控制電極14之間不產生放電，而且在與一對遮蔽電極20、20之間遮蔽撞擊X射線靶9而反射之電子的軌道，而不使電子到達容器部5的側面板7，乃根據本案發明人的智識見解、使用有限要素法之電場解析所進行之電子軌道的模擬及實驗結果，依以下說明之方式設定。

第1圖係遮蔽電極20之高度h為2.5mm的例，此時，遮蔽電極20與第2控制電極14的間隔D係為3mm。此外，第2圖係為遮蔽電極20之高度h為4.0mm的例，此時，遮蔽電極20與第2控制電極14的間隔D係為1.5mm。亦即，基板與第2控制電極的距離係設定為5.5mm。至少如第1圖之例所示，在h=2.5mm以上，開始出現到達容器部5之側面板7之電子減少而X射線靶電流之變動減少的效果。雖未圖示，但在h-3.5mm中到達容器部5之側面板7的電子會更加減少，如第2圖之例所示，當超過h=4.0mm時，幾乎不會再到達反射電子的側面板7，而不會再見到前述之電流劣化及電流上升。

此外，依據本案發明人的智識見解，為了不使遮蔽電極20與第2控制電極14之間產生放電，該X射線管1中之X射線靶9與第2控制電極14之電位差為數kV左右情形下，遮蔽電極20與第2控制電極14之實際的間隔係如第1圖及第2圖之例所示，以至少為1mm以上為佳。在一般的真空管中，電極間之放電的臨界電場為10kV/mm，因此在本實施形態中為期安全，遮蔽電極20與第2控制電極14的間隔係設定為1mm以上，以做為即使是本實施形態中之驅動電壓5kV倍數的電壓也不會產生放電的條件。

第3圖係為顯示第1圖所示之實施形態之X射線管(h=2.5mm)、與第2圖所示之實施形態之X射線管(h=4.0mm)、與本案發明人所發明之舊型X射線管(h=0mm，亦即無遮蔽電極20者)中之驅動時間及X射線靶電流相對值之關係的曲線圖。如該曲線圖所示，依據本案發明人所發明的舊型X射線管(h=0mm)，如先前參照第8圖所說明，X射線靶電流會隨著時間經過而大幅變動，最大見到60%的電流劣化，之後則見到恢復100%的電流上升。然而，依據第1圖所示之實施形態的X射線管(h=2.5mm)，相較於舊型X射線管，電流劣化的進行緩和，電流上升加快。亦即，在舊型X射線管之X射線靶電流值達到最低之約60%之經過60小時後仍維持在80%，且顯示最低之後的電流上升也較舊型的X射線管還快。再者，依據第2圖所示之實施形態的X射線管(h=4.0mm)，在舊型X射線管之X射線靶電流值達到最低之約60% 之經過約60小時為止均未見電流劣化，之後雖有若干劣化，但該電流劣化最大也只有90%左右。會產生該程度的電流劣化雖在經過100小時之後，但之後電流劣化的狀態不會持續下去，而會立刻恢復到原先的電流值。

如此，依據本實施形態的X射線管1，藉由第1控制電極12的作用而從陰極11吸引的電子，係被第2控制電極14限制在預定的照射範圍，且撞擊位於一對遮蔽電極20、20之間的X射線靶9。藉此即從X射線靶9產生X射線，而該X射線即從X射線穿透窗8射出至外部。另一方面，在撞擊X射線靶9之電子中也有會反射者，而其中也會看到不作任何處置時到達容器部5之側面板7等的軌跡。然而，在該X射線管1之基板4的內面，由於包圍設有電子撞擊之X射線靶9之窗部3而設有遮蔽電極20，因此在遮蔽電極20、20之間從X射線靶9反射的電子，被遮蔽電極20吸收而成為靶電流的一部份，不會到達容器部5的內面等。因此，即使連續驅動該X射線管1，如前所述來自陰極11的電子射出也不會隨著時間的經過而不安定化，而不會產生前述之電流劣化或電流上升，靶電流即安定化而可恆常地放射均勻的X射線。

此外，依據本實施形態的X射線管1，由於藉由鎢等之原子序較大之元素的蒸鍍膜來構成X射線靶9，因此撞擊該X射線靶9之電子的多數即成為反射電子。然而，由於夾著X射線靶9所設之遮蔽電極20、20，係以與基板4相同材質的金屬而與基板4一體構成，因此可在與基板4及X射線靶9電性一體的遮蔽電極20捕捉反射電子。

此外，一般而言在X射線管中，由於設在基板窗部的X射線穿透窗細由強度較弱的金屬箔所構成，因此有可能因為金屬箔的破壞而產生密封件2之氣密狀態受損的事故。然而，依據本實施形態的X射線管1，由於由與基板4相同之金屬所構成的遮蔽電極20，係在設於細縫狀窗部3之X射線穿透窗8的兩側沿著長度方向而平行地熔接固定於基板4，因此X射線穿透窗8的強度獲得提升，而減少基板的扭曲或變形，不易產生因為金屬箔的破壞所導致的洩漏事故。

另外，第1控制電極12、第2控制電極14及遮蔽電極20，為了使熱膨脹係數與鈉鈣玻璃製的容器部5大致相等，與基板4同樣以使用426合金為理想。另外，容器部5之材質為鈉鈣玻璃以外之玻璃板的情形下，基板4、第1控制電極12、第2控制電極14及遮蔽電極20，為使與容器部5的熱膨脹係數大致相等，也可使用其他材質的金屬板。

1‧‧‧X射線管

2‧‧‧密封件

3‧‧‧窗部

4‧‧‧基板

5‧‧‧容器部

6‧‧‧背面板

7‧‧‧側面板

8‧‧‧X射線穿透窗

9‧‧‧X射線靶

10‧‧‧背面電極

11‧‧‧做為電子源的陰極

12‧‧‧第1控制電極

13、17‧‧‧開口部

14‧‧‧第2控制電極

15‧‧‧中央板部

16‧‧‧板體

20‧‧‧遮蔽電極

D‧‧‧間隔

H‧‧‧高度

Claims

一種X射線管，係具備：形成有細縫狀窗部的X射線不穿透性基板；設置成從前述基板之外面側封閉前述窗部的X射線穿透窗；從前述基板之內面側設置於前述窗部的X射線靶；安裝於前述基板之內面側且內部設為高真空狀態的容器部；設於前述容器部之內部而用以將電子供給至前述X射線靶的電子源；在前述容器部之內部且配置於前述電子源與前述X射線靶之間而用以從前述電子源吸引電子的第1控制電極；及在前述容器部之內部且配置於前述第1電子電極與前述X射線靶之間而用以限制電子射線之照射範圍的第2控制電極；在前述基板之內面，沿著前述窗部之長度方向設有遮蔽電極。
如申請專利範圍第1項所述之X射線管，其中，為使撞擊前述X射線靶而反射的電子不到達前述容器部的內面而且不在前述遮蔽電極與前述第2控制電極之間產生放電，前述遮蔽電極係夾著前述窗部而設置一對，前述各遮蔽電極與前述第2控制電極的距離，係設定為相對於驅動電壓不超過10kV/mm之臨界放電電場之距離的尺寸。