WO1994022161A1

WO1994022161A1 - X-ray image intensifier

Info

Publication number: WO1994022161A1
Application number: PCT/JP1994/000430
Authority: WO
Inventors: Shirofumi Yamagishi
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 1994-09-29
Also published as: CN1105803A; EP0644572A4; DE69418406D1; DE69418406T2; EP0644572B1; CN1059514C; EP0644572A1

Description

明細書発明の名称

X線ィメ一ジィンテンシファイア技術分野

本発明は、 X線イメージジインテンシファイアに関する。

背景技術

近年、 X線イメージジインテンシファイアは、 X線管電圧が 3 0 K V (管電流 1 m A ) 以下の低エネルギー X線や 3 0 V (管電流 1 m A ) 以上の高エネルギー X線によって得られる X線像を可視光像に変換して医療診断用や非破壊検査等に利用するものとして普及している。

このような従来の X線イメージジインテンシファイアは、図 1及び図 2に示すように、真空外囲器（以下、外囲器と記す） 1 1 内に、 X線源 A側から順に入力面 1 2、集束電極 1 3、陽極 1 4、出力面 1 5を配置した基本構成としている。外囲器 1 1 は、 X線が入射する金属製入力窓 1 1 a、集束電極を支持するガラス製胴部 1 1 b及び出力面 1 5を兼ねるかまたは出力面 1 5を支持する光学ガラス製出力部 1 1 c とから構成されている。

入力窓 1 1 aから所定間隔離れて配設された入力面 1 2は陰極として機能し、 X線源 A側に凸状をなすように曲面に成形された入力基板例えばアルミニウム金属基板 1 2 a と、この金属基板 1 2 a の凹面側に形成された、 X線を可視光に変換する蛍光体層 1 2 b と、この蛍光体層 1 2 b上に形成された透明導電膜 1 2 じと、この透明導電膜 1 2 c上に形成され、蛍光体層 1 2 bで発光した可視光を電子に変換する光電面 1

2 d とにより構成されている。ここで透明導電膜 1 2 c は通常、酸化インジウム、 I T 0 (酸化インジウムと酸化錫の化合物）等により構成され、蛍光体層 1 2を構成するアルカリハライド例えば沃化ナ卜リゥ厶付活の沃化セシゥムと、光電面 1 2 dを構成する材料との反応を阻止するためと、蛍光体層表面での連続導電性を得るために用いられる。

一方、この入力面 1 2に対向して出力面（二こでは出力蛍光体を支持する光学ガラス基板が外囲器の一部を兼ねる構造） 1 5が配設される側には、外囲器出力部 1 1 c側にて支持される陽極 1 4が配置され、この陽極 1 4 と陰極となる入力面 1 2との間には、例えば外囲器胴部 1 1 bの内壁に沿って第 1集束電極 1 3 aが配設され、この粲束電極 1 3 a と出力面 1 5 との間には筒状の第 2集束電極 1 3 bが配設されている。これら第 1及び第 2の集束電極 1 3 a ， 1 3 b とで静電電子レンズ系が構成されている。

以上のように構成される X線ィメ一ジジィンテンシフアイァでは、 X線源 Aから放射された X線 Bが被写体 Cを透過して入力窓 1 1 a に達し、この入力窓 1 1 a に投影された X線像は後述する人力面で電子像に変換される。この電子像は、陰極となる入力面 1 2 と陽極 1 4 との間に印加された例えば

3 0 K Vの管電圧から分圧印加された第 1桀束電極 1 3 a と第 2集束電極 1 3 b によって形成される静電子レンズ系で加速集束され、出力面 1 5で再び可視光に変換される。この場合、入力面 1 2での可視光強度に比し、例えば 1 ◦ 0 0倍以上に増強された可視像が得られるものである。

上述のような従来の X線ィメ一ジジィンテンシファイアの入力面は、図 2にその拡大図を示すように、外囲器の入力窓 1 1 a と入力面 1 2 とが所定間隔を隔てているため、 X線の散乱が増大し、コントラストの低下を来たすという問題がある。以下、入力面有効径が 4インチの X線イメージジインテンシファイアを例にし、この問題について図 3を参照して説明する。

図 3のデータを得るために用いた X線管の管電圧は 5 0 K V、管電流は 1 m Aであり、縦軸に X線ィメージジインテンシファイアのコントラスト（％) 及びコントラスト比、横幸由に鉛円板の直径 ( ram) を示す。なお、ここでコントラスト ( % ) とは、 X線イメージジインテンシファイアの入力有効視野の輝度に対し、入力有効視野の中心部に所定 ί圣の鉛を配置したときの入力有効視野の輝度を百分率で表示した値である。また、コントラスト比はコントラスト（％) から定量的に算定され.る比率である。

図 3の曲線 c は、図 2に示す従来構造の X線ィメ一ジジィンテンシファイアの特性を示すが、これによれば、コントラスト測定時の鉛円板の直径（mm)が 4 0 mmを境に小径になる程コントラストは著しく低下する。このことは、小さい寸法の被写体のコントラストが、大きい寸法の被写体のコントラストに比し、著しく劣ることを意味し、工業用では細かい部位での欠陥の判定がし難いという欠点がある。

また、図 4は、同じ X線イメージジインテンシファイアを用い、 X線管の管電圧のみを 3 ◦ K Vに変更した場合のコントラストの実験データを示す。図 4の直線 e によれば、図 3 の直線 c と同様に、コントラスト測定時の鉛円板の直径（mm) が 4 ◦ mmを境に小径になる程コントラストは著しく低下するが、その低下の程度は図 3の場合より急俊である。

—方、実公昭 3 4 - 2 0 8 3 2号公報ほかには、アルミ二ゥム製入力窓の内面に直接入力面を形成する X線ィメ一ジジインテンシファイアが開示されている。し力、し、このような入力窓内面に入力面を直接形成する構造のものでアルミニゥムを入力窓とするものは、未だ実用化に至っていない。このような薄い材料からなる入力窓を有する X線ィメ一ジジィンテンシファイアを組立てて真空排気すると、管内外の圧力差により入力窓が変形し、当然のことながら入力面も変形し、所望の光電面が得られず、よって、出力画像も歪んでしまう力、りである。発明の開示

本発明の目的は、上述の欠点を除去し、高輝度を維持し、かつ、高コントラス卜が得られる X線ィメ一ジジィンテンシファイアを提供することにある。

本発明によると、金厲製 X線入力窓を有する真空外囲器と . 前記 X線入力窓内面に形成された入力面と、前記真空外囲器内に前記入力面から発する電子の進行 ^向に沿って順に配置された集束電極、陽極及び出力面とを具備し、前記 X線入力窓は、入力面が形成された側の面に凹凸表面硬化層を有し、前記入力面は、前記凹凸表面硬化層上に形成された蛍光体層と、この蛍光体層上に形成された光電面とを具備する X線ィメ一ジジィンテンシファイアが提供される。

本発明の X線ィメ — ジジィンテンシファイアにおいて、金厲製 X線入力窓の材質としては、アルミニウム又はアルミ二ゥム合金等の、 X線透過率が高く、加工がしゃすく、かつ表面硬化処理により表面硬化されることによって X線ィメージジインテンシファイアの内外の圧力差に耐え得る強度を有するに至る材質を使用し得る。

金属製 X線入力窓の凹凸表面硬化層は、金属製 X線入力窓を構成する金属板に、例えば凹凸表面硬化処理を施すことにより、形成し得る。この凹凸表面硬化層形成のための方法は例えば次のようにして行なうことが出来る。

すなわち、金属板に、粒径 5 0〜 2 0 0 mの硬球、例えばガラスビ―ズを用いて、 1〜 4 k gノ c m ² の圧力で、加ェ時間 1 ~ 5分で、射突させることにより、表面硬化処理を行う。その結果、金属板の表面は、凹凸面となるとともに、凹凸表面硬化層が形成される。

本発明の X線ィメ一ジジィンテンシファイアは、 X線管電圧が 3 0 K V (管電流 1 m A ) 以下の低エネルギー X線を使用する時に、特に効果的である。図面の簡単な説明

図 1 は、従来の X線イメージジインテンシファイアと X線撮影方法を説明するための概略図。

図 2は、図 1 の従来の X線ィメ — ジジィンテンシファイアの一部を取り出して示す断面図。

図 3は、本発明に係る X線ィメ一ジジィンテンシファイアの 1実施例と従来の X線ィメ — ジジィンテンシファイアのコントラスト特性を高エネルギー X線を用いて得たデータを示すグラフ図。

図 4 は、本発明に係る X線ィメ一ジジィンテンシファイアの 1実施例と従来の X線ィメ — ジジィンテンシファイアのコントラスト特性を低エネルギー X線を用いて得たデータを示すグラフ図。

図 5は、本発明に係る X線ィメ — ジジィンテンシファイアの 1実施例の要部を拡大して示す断面図。

図 6は、図 5の一部を拡大して示す断面図。

図 7 は、表面硬化処理された A 1 板の表面の粗さと、表面硬化層の硬度と-の関係を示すグラフ図。発明を実施するための最良の形態本発明の X線ィメ一ジジィンテンシファイアは、入力窓の内面に直接入力面が形成されていること、及び入力窓の内面に凹凸硬化処理が施されていることを除いて、図 1 に示す従来の X線ィメ一ジジィンテンシファイアと同様の構成を有す γ

すなわち、図 1 に示すように、真空外囲器 1 1 内に、 X線源 Α側から順に入力面 1 2、集束電極 1 3、陽極〗 4、出力面 1 5を配置した基本構成とし、外囲器 1 1 は、 X線が入射する金属製入力窓 1 1 a、集束電極を支持するガラス製胴部 1 1 b及び出力面 1 5を兼ねるかまたは出力面 1 5を支持するガラス製出力部 1 1 c とから構成されている。

図 5に示すように、入力窓 1 1 a の内面は、凹凸表面硬化処理により凹凸面を有する凹凸表面硬化層 1 1 dが形成されている。ここで用いている入力窓 1 1 aの材質は、アルミ二ゥム合金であり、特に A S T M 5 0 0 0番系の A 1 — M g合金を用いた。入力窓 1 1 aは、このようなアルミニウム合金板をプレスにて皿状に成形加工し、上述の凹凸表面硬化処理を行うことにより得た。

この凹凸表面硬化層 1 1 dの凹凸面には、入力面 1 2が直接形成されている。入力面 1 2は、凹凸表面硬化層 1 1 d の凹凸面に形成された光反射性物質層 1 2 a と、この上に形成された X線を可視光に変換する蛍光体層 1 2 b と、この蛍光 '体層 1 2 b上に形成された透明導電膜 1 2 c と、この透明導電膜 1 2 c上に形成され、蛍光体層 1 2 bで発光した可視光を電子に変換する光電面 1 2 d とにより構成されている。ここで透明導電膜 1 2 c は通常、酸化インジウム、 I T O (酸化インジウムと酸化錫の化合物）等により構成され、蛍光体層 1 2 bを構成するアルカリハライド例えば沃化ナトリウム付活の沃化セシウムと、光電面 1 2 dを構成する材料との反応を阻止するためと、蛍光体層表面部での連続導電性を得るために用いられる。

一方、この入力面 1 2に対向して出力面（ここでは出力 ¾ 光体を支持する光学ガラス基板が外囲器の一部を兼ねる構造） 1 5が配設される側には、外囲器出力部 1 1 c側にて支持される陽極 1 4が配置され、この陽極 1 4 と陰極となる入力面 1 2との間には、例えば外囲器胴部 1 1 bの内壁に沿って第 1集束電極 1 3 aが配設され、この集束電極 1 3 a と出力面 1 5 との間には筒状の第 2集束電極 1 3 bが配設されている。これら第 1及び第 2の集束電極 1 3 a， 1 3 b とで静電電子レンズ系が構成されていることは、図 1 に示す従来の X線ィメ一ジジィンテンシファイアの構造と同様である。

既に述べたように、本発明の X線ィメ一ジジィンテンシフアイァでは、入力窓 1 1 aの内面に凹凸表面硬化層 1 1 dカ《形成され、その上に直接入力面 1 2が形成されている。この凹凸表面硬化層 1 1 dのビッカーズ硬度は、上述のように、 1 2 0〜 2 5 0であるのが好ましい。ビッカーズ硬度が 1 2 0未満では、 X線ィメ一ジジィンテンシファイアの内外の圧力差に耐え得るには不十分であり、 X線入力窓 1 1 aが変形する恐れがある。一方、ビッカ—ズ硬度が 2 5 0を越えると、成形加工性が低くなり、好ましくない。

凹凸表面硬化層 1 1 dの表面の粗さは、 2〜 1 ◦ mであるのが好ましい。粗さが 2 / m未満では、凹凸表面硬化層 1 1 d の硬度が低く、 X線ィメ — ジジィンテンシファイアの内外の圧力差に耐え得るには不十分であり、 X線入力窓 1 1 a が変形する恐れがある。一方、 1 0 πιを越えると、その上 ^

に形成される蛍光体の付着性が弱く、かつ蛍光体の膜質に難点がある。

本発明者らは、表面硬化処理による A 1 の表面の粗さと、処理面の硬度、処理面上への蛍光体の付着力、及び蛍光体の膜質との関係を求める実験を次のように行なった。

すなわち、厚さ ◦ . 5 m mの上述の A 1 — M g合金板を入力窓の形状に成形加工した後に、粒径 1 0 ◦ ; mのガラスビ -ズを用いて凹凸表面硬化処理を行い、圧力及び加工時間を種々変化させて、種々の粗さの処理面を有する A 1 合金入力窓試料を得た。

これら A 1 入力窓試料の処理面のビッカ—ス硬度を測定したところ、図 7に示す結果を得た。図 7のグラフから、 X線ィメ一ジジィンテンシファイアの内外の圧力差に耐え得るビッカ—ズ硬度 1 2 0以上を得るには、 2 m以上の粗さが必要であることがわかる。

次に、 A 1 合金入力窓試料の処理面上に蛍光体層を蒸着により形成して、その付着力及び蛍光体層の膜質を調べた。その結果を下記表.1 に示す。

表 1

処理面の粗さ 2<x<5 x = 5 5<x<10 10< x

( m )

硬度 X 〇

X △ ◎ ◎ く

蛍光体 2

付着力〇〇 ◎ 〇 △ 蛍光体

◎ ◎ ◎ Δ χ

◎ 取良

〇良好

Δ やや良好

X 不良

上記表 1から、 A 1 合金入力窓板の充分な硬度を得るためには、表面粗さは 5以上が好ましいこと、充分な蛍光体の付着力を得るためには表面粗さは 1 0 m以下が好ましいこと充分な蛍光体の膜質を得るためには表面粗さは 1 0 m以下が好ましいことがわかる。これらを総合的に勘案すると、表面粗さは、 2〜 1 0 mが好ましいことがわかる。

なお、上述のように、蛍光体の付着力及び膜質のみに着目すると、表面粗さが 5 mのときが最も良好である力 <、硬度については最良ではない。しかし、表面粗さが 5 ii mであつても、凹凸表面硬化処理の仕方によっては、最良の硬度を得ることが可能である。

すなわち、まず、最良の硬度を得るために、 A 1 — M g合金板（A S T M 5 0 0 0番系）を入力窓の形状に成形後、高い圧力で凹凸表面処理し、凹凸表面硬化処理し、 1 0 111又はそれ以上の表面粗さを得る。次に、 A 1 板を低い圧力で凹凸表面硬化処理し、先に形成された凹凸をつぶし、表面粗さを 5 m程度とすればよい。その結果、表面粗さが 5 mであっても、 2 5 0程度のピツカ—ス硬度の表面を得ることが可能である。

以上説明したように、本発明の X線イメージジインテンシファイアによれば、 X線入力窓内面に凹凸表面硬化層が形成されているので、真空排気により生ずる X線ィメ一ジジィンテンシファイアの内外の圧力差による X線入力窓の変形が少なく、また、凹凸表面硬化層上に形成された光反射性物質層の存在により、入力面で発光した光が光電面方向に向かい、高コントラス卜の出力画像をもたらす。

また、 X線入力窓の材質として A 1 又は A 1 合金を用いた場合には、 X線入力窓の成形性が良くかつ、価格面でも有利な X線ィメ一ジジィンテンシファイアが得られる。

更に、本発明の X線ィメ一ジジィンテンシファイアの使用に際し、 X線源として低エネルギー X線を採用した場合には小さい寸法の被写体において、より高コントラス卜の出力画像を得ることが可能である。

以下、本発明の実施例について説明す。

(実施例 1 )

本実施例の X線ィメージィンテンシファイア —は、特定構造の入力面を形成したことを特徴とするものである。即ち、 X線入力窓 1 1 aの材質として厚さ ◦ . 5 ミリのアルミニゥム合金（又はアルミニウム）を用い、この X線入力窓 1 1 a の凹面に、例えば凹凸表面硬化処理が施されている。この凹凸表面硬化処理により、凹凸面の高さが数ミクロン程度の粗さの粗面が形成されるとともに、表面は硬化している。すなわち、このように処理された X線入力窓 1 1 aの凹面は、凹凸表面硬化層 1 1 dが形成されている。

この凹凸表面硬化層 1 1 dの凹凸面上には、光反射性物質層である 20 00 A程度のアルミニウム薄膜 1 2 aが形成されている。このアルミニゥ厶薄膜は、約 2 x l O—⁵P aの減圧下で真空蒸着されている。また、この光反射性物質層 1 2 a上には厚さ約 4 0 0 mの蛍光体層 1 2 bが蒸着により形成されている。この蛍光体層 1 2 bは、基板温度約 1 80° Cでまず第 1層の C s I ZN a蛍光体が 4. 5 x 1 0 ^_1 P a の圧力下で約 380 mの厚さに形成され、次いで第 2層の C s I ZN a蛍光体が 1 0つ P a以下の圧力下で約 2 0 〇ミクロンの厚さに蒸着により形成されている。

尚、この蛍光体層 1 2 bを含む X線入力窓 1 1 aは、外囲器胴部 1 1 c とは、金属製例えば鋼製リング 1 1 eを介して溶接される。このように X線入力窓 1 1 a と接合された外囲器胴部 1 1 は、次いで外囲器出力部 1 1 c とも接合される ₍ その後、蛍光体層 1 2 b上に、透明導電膜 1 2 cを介するか又は直接.に、光電面 1 2 dが形成されることとなる。

以上のように構成される X線イメージインテンシファイア一では、 X線源 Aからの X線 Bが被写体 Cを透過し、入力窓 1 1 a に入射すると、図 6に示すように、蛍光体層 1 2 b内例えば a点で発光が生じ、この光は出力面方向に向かう光 b と、入力窓 1 1 a側に向かう光 c とに分かれる。このうち入力窓側に向かう光 c は、入力窓 1 1 aの表面である表面硬化凹凸面 1 2 f に達するとそこで乱反射し、この乱反射光 dは通常、輝度の低下要因となる。しかし、凹凸表面硬化層 1 1 d上には光反射性物質層としてのアルミ二ゥム薄膜 1 2 aが形成されており、そのため光 c は凹凸表面硬化層 1 1 dに到達することなくアルミニゥム薄膜 1 2 a により反射され、反射光 dは出力面 1 5側に向かうこととなり、輝度の低下は防止される。

以下、入力面有効径が 4 インチの場合を例にとり、本実施例の X線ィメージィンテンシファイア一と、従来構造の X線イメージインテンシファイア一を用い、コントラスト特性の比較データについて図 3を参照して説明する。

図 3は、既に述べたとおり、縦軸にコントラスト（％) 及びコントラスト比、横軸に鉛円板の直径を示す。図中、有効入力径が 4 ィンチの X線ィメ — ジィンテンシファイア -を用い、その管電圧を 5 0 K V、管電流を 1 mAとして実験した。図 3の直線 a , bはいずれも本実施例構造の入力窓を用いた例を示し、そのうち直線 a はアルミニウムからなる入力窓を用いた場合、直線 bはアルミニウムと同寸法のベリリウムからなる入力窓を用いた場合をそれぞれ示す。曲線 c は前述のとおり、図 1 に示す従来構造の X線イメージジインテンシフアイァの例をそれぞれ示す。図 3に示す結果によれば、従来構造の X線ィメージジインテンシファイアのコントラストは鈴円板の直径 (mm)力く 4 〇 mm を境に小径になる程コントラストが著しく低下するのに対し , 本実施例の X線ィメージィンテンシファイアのコントラストは、直線 a， bに示すように、円板の直径（m m)に比例して向上し、鉛円板の直径に直線的に比例し、鉛円板の直径に依存していることが分かる。このことは、被写体がより細かい物の場合の判定において、色付けによりその濃淡の差をつけようとする場合に判定がし易いことを意味する。

このように、本実施例の X線ィメ一ジジィンテンシフアイァは従来、困難とされた入力窓兼入力面構造の X線イメージジインテンシファイアの実用化を可能にしたものである。

実施例 2

本実施例は、実施例 1 と同じ X線イメージジインテンシフアイァ（入力窓の材質は A 1 - M g合金）を用い、低ェネルギー X線を使用した場合のコントラスト特性を測定した例を示すものである。図 4は、上述のとおり、縦軸にコントラスト（％) 及びコ.ントラスト比、横軸に鉛円板の直径を示すグラフである。 X線管電圧は 3 0 K V、管電流は l tnAで実験した。

図 4の直線 dは本実施例構造の入力窓を用いた例、曲線 e は、図 1 に示す従来構造の X線ィメ一ジジィンテンシフアイァを用いた場合のコン卜ラス卜の変化を示す。

図 4によれば、従来構造の X線ィメ —ジジィンテンシファィァのコントラストは、高エネルギー X線を使 fflした場合 P P

1 5

(X線管電圧 50 K V、管電流 1 m A ) に比し、鉛円板の直径（_mm)が 4 0 mmを境に小 ί圣になる程より著しく低下するのに対し、本実施例の X線ィメ — ジジィンテンシファイアのコントラストは、直線 dに示すように、鉛円板の直径に直線的に比例し、鉛円板の直径に依存し、上記と同様に被写体がより細かい物の判定においてさらに、高精度の判定ができること力、ねカヽる

以上説明したように、本発明によると、従来困難とされた入力窓内面に直接入力面を形成した構造の X線イメージジィンテンシファイアの実用化と、よりコントラストの向上した X線ィメ一ジジィンテンシファイアの実現を可能にしたもの

" *める ₀

なお、入力窓材は、上記実施例で用いた A 1 一 M g合金以外に、 1 ー 8 - 5 1 系合金（A S T M 6 0 0 0番系）を用いても、同様の効果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . 金属製 X線入力窓を有する真空外囲器と、前記 X線入力窓内面に形成された入力面と、前記真空外囲器内に前記入力面から発する電子の進行方向に沿って順に配置された桀束電極、陽極及び出力面とを具備し、前記 X線入力窓は、入力面が形成された側の面に凹凸表面硬化層を有し、前記入力面は、前記凹凸表面硬化層上に形成された蛍光体層と、この蛍光体層上に形成された光電面とを具備する X線ィメージィンテンシファイア。

2 . 前記金属製 X線入力窓の材質がアルミニウム又はアルミニゥム合金であることを特徴とする請求項 1 に記載の X線ィメージィンテンシファイア。

3 . 前記凹凸表面硬化層の表面の粗さは、 2 〜 1 0 mである請求項 1 に記載の X線ィメージインテンシファイア。

4 . 前記凹凸表面硬化層のビッカーズ硬度は、 1 2 0 〜 2 5 0である請求項 1 に記載の X線ィメ —ジィンテンシフアイァ。

5 . 前記凹凸表面硬化層は、入力窓材を入力窓の形状に成形後、硬球を入力窓材表面に射突させることにより得られる請求項 1 に記載の X線ィメージインテンシファイア。

6 . 前記入力面は、前記凹凸表面硬化層上に形成された光反射性物質層を更に具備する請求項 1 に記載の X線イメージィンテンシファイア。

7 . 前記光反射性物質層は、金属薄膜である請求項 6に記載の X線ィメージィンテンシファイア。