WO2018078676A1 - Ｘ線発生装置及びｘ線撮影システム - Google Patents

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drive circuit
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安藤　洋一
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キヤノンアネルバ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an X-ray generator and an X-ray imaging system.
  • An X-ray imaging system is known as one of industrial nondestructive inspection devices.
  • an X-ray inspection apparatus equipped with a microfocus X-ray tube is used for inspection of electronic devices typified by a semiconductor integrated circuit substrate.
  • the X-ray tube emits X-rays from the target by applying a high voltage with a predetermined potential difference according to the X-ray energy between the anode and the cathode and irradiating the target with electrons accelerated by this high voltage.
  • X-ray source is known as one of industrial nondestructive inspection devices.
  • an X-ray inspection apparatus equipped with a microfocus X-ray tube is used for inspection of electronic devices typified by a semiconductor integrated circuit substrate.
  • the X-ray tube emits X-rays from the target by applying a high voltage with a predetermined potential difference according to the X-ray energy between the anode and the cathode and irradiating the target with electrons accelerated by this high voltage.
  • the microfocus X-ray tube is an X-ray tube having a plurality of grid electrodes on the cathode side, and has a function of converging an electron beam trajectory by controlling an electrostatic lens by a voltage applied to the grid electrodes. Yes.
  • the X-ray tube grounding method and the control signal supply method are devised because of the necessity of controlling the voltage applied to the grid electrode.
  • a negative high voltage is applied to the cathode of the X-ray tube by supplying a control signal of the grid voltage applied to the grid electrode via an optical fiber cable. Can be applied.
  • the voltage applied between the envelope and the anode by adopting a neutral point grounding method in which the envelope of the X-ray tube is set to the ground potential and a positive and negative high voltage is applied to the anode and the cathode. Is reduced to about half.
  • an X-ray tube a drive circuit that drives the X-ray tube, a voltage generation circuit that generates an electron acceleration voltage to be applied to the X-ray tube, and a control that communicates with the drive circuit
  • An X-ray generator wherein at least the X-ray tube, the drive circuit, and the voltage generation circuit are arranged in a storage container filled with insulating oil, wherein the drive At least a part of a path connecting the circuit and the control unit is configured by an optical fiber cable disposed in the storage container, and the optical fiber cable is provided between the drive circuit and the control unit.
  • an X-ray generator having an electric field relaxation means for suppressing an electric field generated by a potential difference from being locally concentrated along the length direction of the optical fiber cable.
  • the present invention local concentration of the electric field along the length direction of the optical fiber cable that propagates the control signal for controlling the X-ray tube can be suppressed, and malfunction of the control system can be reduced. This makes it possible to further reduce the size of the X-ray generator and increase the applied voltage. In addition, by using such an X-ray generator, a highly reliable X-ray imaging system capable of stably acquiring a captured image can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the X-ray generator according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure of a connection portion of an optical fiber cable that connects the control circuit and the electron gun drive circuit.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the influence of residual gas in the optical fiber cable.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the structure of the optical fiber cable of the X-ray generator according to the present embodiment.
  • the X-ray generator 100 includes an X-ray tube 20, a high voltage generation circuit 30, an electron gun drive circuit 40, and a control unit 50.
  • the X-ray tube 20, the high voltage generation circuit 30, and the electron gun drive circuit 40 are disposed in the storage container 10.
  • the storage container 10 is filled with an insulating oil 80 in order to ensure a withstand voltage between the parts disposed therein.
  • the insulating oil 80 is preferably an electric insulating oil such as mineral oil, silicone oil, or fluorine oil. Mineral oil that is easy to handle is preferably applied to the X-ray generator using the X-ray tube 20 having a rated tube voltage of about 100 kV.
  • the X-ray tube 20 includes an electron source 22, a grid electrode 26, and an anode 28.
  • the electron source 22 and the grid electrode 26 are connected to an electron gun drive circuit 40, and a desired control voltage is applied to each.
  • the anode 28 is connected to the storage container 10 held at the ground potential.
  • the anode 28 is provided with a target (not shown) that generates X-rays when irradiated with an electron beam. Although only one grid electrode 26 is shown in FIG. 1, a plurality of grid electrodes 26 are typically provided.
  • the electron source 22 is not particularly limited.
  • a hot cathode such as a tungsten filament or an impregnated cathode, or a cold cathode such as a carbon nanotube can be applied.
  • the material constituting the target is preferably a material having a high melting point and high X-ray generation efficiency.
  • tungsten, tantalum, molybdenum, and alloys thereof can be applied.
  • the electron source 22 and the grid electrode 26 may be collectively referred to as an “electron gun”.
  • X-rays are emitted from the target by accelerating the electrons emitted from the electron source 22 with a high voltage between the electron source 22 and colliding with the target provided on the anode 28.
  • the X-ray dose radiated from the target can be controlled by the electron dose applied to the target, that is, the current supplied in the case of the hot cathode type electron source 22.
  • the trajectory of the electron beam applied to the target can be controlled by the grid voltage applied to the grid electrode 26. In this sense, the electron source 22 and the grid electrode 26 are control mechanisms that control the electron beam emitted from the electron gun.
  • the high voltage generation circuit 30 includes a step-up transformer 32 and a step-up circuit 34.
  • the booster circuit 34 is, for example, a cockcroft circuit.
  • the high voltage generation circuit 30 generates a negative high voltage with respect to the storage container 10 held at the ground potential.
  • the high voltage generation circuit 30 is connected to the electron gun drive circuit 40.
  • the negative high voltage generated by the high voltage generation circuit 30 is applied to the electron gun drive circuit 40.
  • the electron gun drive circuit 40 includes a rectifier circuit 42, a logic circuit 44, an electron source drive circuit 46, and a grid voltage control circuit 48.
  • the rectifier circuit 42 is connected to the logic circuit 44, the electron source drive circuit 46, and the grid voltage control circuit 48.
  • the voltage supplied to the rectifier circuit 42 via the high-insulation transformer 36 can be rectified and supplied to the logic circuit 44, the electron source drive circuit 46, and the grid voltage control circuit 48.
  • One input terminal of the rectifier circuit 42 is connected to the output terminal of the high voltage generation circuit 30. That is, in each circuit of the electron gun drive circuit 40, the negative potential supplied from the high voltage generation circuit 30 becomes the reference potential of the electron gun drive circuit 40.
  • the electron source drive circuit 46 controls the voltage or current supplied to the electron source 22 in accordance with a control signal supplied from the control circuit 52 via the logic circuit 44.
  • the grid voltage control circuit 48 controls the grid voltage applied to the grid electrode 26 in accordance with a control signal supplied from the control circuit 52 via the logic circuit 44.
  • the control unit 50 includes a control circuit 52 and an inverter circuit 54.
  • the control circuit 52 is connected to the electron gun drive circuit 40 and the inverter circuit 54.
  • the inverter circuit 54 includes an inverter 56 connected to the step-up transformer 32 disposed in the storage container 10 and an inverter 58 connected to the high-insulation transformer 36 disposed in the storage container 10.
  • the control circuit 52 supplies a predetermined control signal to the electron gun drive circuit 40 and the inverter circuit 54.
  • the inverter circuit 54 controls the inverters 56 and 58 according to the control signal supplied from the control circuit 52, and supplies a predetermined drive voltage to the step-up transformer 32 and the high-insulation transformer 36.
  • the control circuit 52 monitors the output voltage of the high voltage generation circuit 30, and controls the drive voltage of the step-up transformer 32 by a control signal supplied to the inverter circuit 54 so that the output voltage of the high voltage generation circuit 30 becomes a predetermined voltage. adjust.
  • control unit 50 and the high voltage generation circuit 30 are connected via a step-up transformer 32, that is, insulated.
  • the control unit 50 and the electron gun drive circuit 40 are connected, that is, insulated, via a high-insulation transformer 36.
  • the control unit 50 is connected to the ground potential.
  • the electron gun drive circuit 40 is connected to the high voltage generation circuit 30. Therefore, a potential difference corresponding to the negative high voltage generated by the high voltage generation circuit 30 is generated between the control unit 50 and the electron gun drive circuit 40 via the step-up transformer 32. That is, an electric field is generated between the control unit 50 and the electron gun drive circuit 40.
  • the optical fiber cable 60 is configured by the optical fiber cable 60 in order to maintain electrical insulation.
  • the electron source drive circuit 46 in the electron gun drive circuit 40 that operates using the negative potential supplied from the high voltage generation circuit 30 as the reference potential by the control signal from the control circuit 52 that operates using the ground potential as the reference potential.
  • the grid voltage control circuit 48 can be controlled.
  • the optical fiber cable 60 is connected to the control circuit 52 and the logic circuit 44 via the photoelectric conversion element 74.
  • the reference potential is a potential treated as a reference in each circuit.
  • the optical fiber cable 60 has electric field relaxation means for suppressing local concentration of the electric field along the length direction thereof.
  • electric field relaxation said here means relaxation of electric field strength.
  • the optical fiber cable 60 includes an optical connector 62 at an end thereof, and is optically connected to an optical connector 72 provided on the circuit board 70.
  • the optical connector 72 provided on the circuit board 70 includes a photoelectric conversion element 74, which converts an electrical signal into an optical signal and outputs the optical signal to the optical fiber cable 60, or an optical signal from the optical fiber cable 60. Convert to electrical signal.
  • the sealing structure 76 is provided so as to seal a connection portion between the optical connector 62 provided on the optical fiber cable 60 and the optical connector 72 provided on the circuit board 70.
  • the sealing structure 76 is for preventing the insulating oil from penetrating into the optical connection portion between the optical fiber cable 60 and the photoelectric conversion element 74 and the inside of the coating of the optical fiber cable 60.
  • the sealing structure 76 provided in this way corresponds to the electric field relaxation means in the optical fiber cable 60 of the present embodiment.
  • the sealing structure 76 can be formed by applying and curing a resin material such as an epoxy resin.
  • a typical optical fiber cable has a structure in which a coating is provided on the outer periphery of an optical fiber composed only of a core and a clad.
  • a gas may exist between the optical fiber and the coating.
  • gas is present in the primary coating.
  • the insulating oil 80 permeates into the inside of the coating of the optical fiber cable 60, and the inside of the optical fiber cable 60. In some cases, gas remains locally.
  • the electric field concentrates on the portion and a partial discharge is generated, and a high-frequency current following a sudden change in capacity is controlled through the circuit board 70 on the ground potential side. It flows to the circuit 52 and causes a malfunction of the control system.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an electric field distribution along the length direction of the optical fiber cable 60 when a residual gas is locally present in the optical fiber cable 60.
  • FIG. 3A shows a state in which the insulating oil 80 is infiltrated between the optical fiber 64 and the coating 66 of the optical fiber cable 60 and the gas 82 remains in part.
  • FIG. 3B shows an equivalent circuit at this time.
  • the X-ray generator seals the connection portion between the optical connector 62 provided on the optical fiber cable 60 and the optical connector 72 provided on the circuit board 70 so as to be sealed.
  • a stop structure 76 is provided.
  • the material constituting the coating (outer skin) of the optical fiber cable 60 and the sealing structure 76 has a high voltage in the insulating oil 80. It is desirable that the material does not change even when added.
  • the material that does not change even when a high voltage is applied in the insulating oil 80 include a resin material that does not contain a plasticizer, such as a fluororesin such as an epoxy resin or polytetrafluoroethylene.
  • the sealing structure 76 is provided at the connection portion between the optical connector 62 and the optical connector 72, local concentration of the electric field along the length direction of the optical fiber cable 60 is reduced. It is possible to suppress the malfunction of the control system. As a result, the X-ray generator can be further downsized and the applied voltage can be increased.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the structure of the optical fiber cable of the X-ray generator according to the present embodiment.
  • the optical fiber cable 60 is configured to prevent infiltration of the insulating oil 80 into the optical fiber cable 60.
  • the configuration is such that the gas in the optical fiber cable 60 is positively replaced with the insulating oil 80. By doing so, local concentration of the electric field can be suppressed.
  • the coating 66 is provided with an opening 68 that plays a role of exhausting gas and infiltrating the insulating oil 80. Yes.
  • the opening 68 provided in this way corresponds to the electric field relaxation means in the optical fiber cable 60 of the present embodiment.
  • the opening 68 in the coating 66 of the optical fiber cable 60 By providing the opening 68 in the coating 66 of the optical fiber cable 60, the exhaust of the gas in the optical fiber cable 60 and the penetration of the insulating oil 80 into the optical fiber cable 60 are promoted. It is possible to suppress the gas from remaining. Since the electric field concentration in the optical fiber cable 60 is caused by the residual gas locally, the residual gas in the optical fiber cable 60 is reduced, thereby suppressing the electric field concentration in the optical fiber cable 60 and thus controlling. System malfunction can be prevented.
  • the location of the opening 68 is not particularly limited as long as the gas can be discharged from the optical fiber cable 60 and the insulating oil 80 can penetrate into the optical fiber cable 60.
  • position in the middle of the optical fiber cable 60 may arrange
  • the number and size of the openings 68 are within a range that does not impair the strength required for the optical fiber cable 60 so that the gas in the optical fiber cable 60 is quickly discharged and the insulating oil 80 can be easily infiltrated. It can be selected appropriately.
  • the opening 68 is not necessarily provided in a part of the optical fiber cable 60 and may be provided so as to expose the entire optical fiber 64. That is, the coating 66 of the optical fiber cable 60 may be omitted.
  • the insulating oil 80 is filled into the storage container 10 after the inside of the storage container 10 is evacuated. It is preferable to apply a vacuum impregnation method. By using the vacuum impregnation method, the gas in the optical fiber cable 60 can be easily and reliably replaced with the insulating oil 80.
  • the formation method of the opening 68 is not particularly limited, and for example, it can be performed by a general method such as cutting the cover 66 with a cutter.
  • the opening 66 that plays a role of gas discharge and infiltration of the insulating oil 80 is provided in the coating 66 of the optical fiber cable 60, and therefore, along the length direction of the optical fiber cable 60. Therefore, local concentration of the electric field can be suppressed, and malfunction of the control system can be reduced. As a result, the X-ray generator can be further downsized and the applied voltage can be increased.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the structure of the optical fiber cable of the X-ray generator according to the present embodiment.
  • the coating (coating 66a) of the optical fiber cable 60 is made of a high resistance material.
  • the electric field in the length direction of the optical fiber cable 60 can be made uniform by the electric field formed by the current flowing through the coating.
  • the coating 66a made of a high resistance material corresponds to the electric field relaxation means in the optical fiber cable 60 of the present embodiment.
  • the coating 66a is made of a high resistance material, a current corresponding to a value obtained by dividing the acceleration voltage of the electron beam by the resistance value of the coating 66a can flow through the coating 66a. It is possible to make the electric field uniform.
  • the resistance value of the material constituting the coating 66a is set within a desirable range from the potential regulation and the power consumption.
  • the sheet resistance of the coating 66a is preferably 10 14 ⁇ / ⁇ or less, more preferably 10 12 ⁇ / ⁇ or less, and most preferably 10 11 ⁇ / ⁇ or less from the viewpoint of potential regulation.
  • the lower limit of the sheet resistance of the coating 66a because it depends on the length of the accelerating voltage and the optical fiber cable 60, to suppress the power consumption, preferably at 10 5 ⁇ / ⁇ or more, 10 7 ⁇ / ⁇ More preferably.
  • the sheet resistance of the coating 66a can be set to about 5 ⁇ 10 10 ⁇ / ⁇ .
  • the current that flows when the acceleration voltage is 100 kV is about 1 ⁇ A, which is also appropriate from the viewpoint of potential regulation and power consumption.
  • the coating 66a made of a high resistance material is not particularly limited, and examples thereof include a resin material in which a carbon-based material such as carbon black is kneaded.
  • the resistance value can be adjusted by adding the carbon-based material.
  • the coating 66a of the optical fiber cable 60 is made of a high resistance material, local concentration of the electric field along the length direction of the optical fiber cable 60 is suppressed, and the control system Malfunction can be reduced. As a result, the X-ray generator can be further downsized and the applied voltage can be increased.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the X-ray imaging system according to the present embodiment.
  • an X-ray imaging system using the X-ray generator according to the first to third embodiments is shown.
  • the X-ray imaging system 200 includes an X-ray generation device 100, an X-ray detection device 110, a system control device 120, and a display device 130, as shown in FIG.
  • the X-ray generator 100 is an X-ray generator according to any one of the first to third embodiments, and includes an X-ray tube 20 and an X-ray tube drive circuit 102.
  • the X-ray tube drive circuit 102 includes a high voltage generation circuit 30, an electron gun drive circuit 40, a control unit 50, and the like in the X-ray generators of the first to third embodiments.
  • the X-ray detection apparatus 110 includes an X-ray detector 112 and a signal processing unit 114.
  • the system control device 120 controls the entire system including the X-ray generation device 100 and the X-ray detection device 110.
  • the display device 130 displays the image signal processed by the system control device 120 on the screen.
  • the X-ray tube drive circuit 102 of the X-ray generator 100 outputs various control signals to the X-ray tube 20 under the control of the system controller 120.
  • the emission state of the X-rays emitted from the X-ray generator 100 is controlled by the control signal output from the system controller 120.
  • the X-ray 104 emitted from the X-ray generator 100 passes through the subject 106 and is detected by the X-ray detector 112.
  • the X-ray detector 112 includes a plurality of detection elements (not shown) and acquires a transmitted X-ray image.
  • the X-ray detector 112 converts the acquired transmitted X-ray image into an image signal and outputs the image signal to the signal processing unit 114.
  • a slit, a collimator, or the like may be arranged.
  • the signal processing unit 114 performs predetermined signal processing on the image signal under the control of the system control device 120, and outputs the processed image signal to the system control device 120. Based on the processed image signal, the system control device 120 outputs a display signal to the display device 130 in order to display an image on the display device 130.
  • the display device 130 displays a captured image of the subject 106 based on the display signal on the screen.
  • the present embodiment it is possible to stably acquire a captured image by using the X-ray generator 100 according to the first to third embodiments that is small and has excellent discharge withstand voltage characteristics.
  • a highly reliable X-ray imaging system 200 can be realized.
  • the coating 66 of the optical fiber cable 60 of the X-ray generator according to the first or second embodiment may be configured by the coating 66a of the third embodiment.
  • the grounding method of the X-ray tube 20 is the anode grounding method, but the grounding method of the X-ray tube 20 is not limited to the anode grounding method.
  • a neutral point grounding system in which positive and negative high voltages are respectively applied to the anode and cathode of the X-ray tube may be employed.
  • the present invention can be widely applied to an X-ray generator having a configuration in which an optical fiber cable is included in a part of a propagation path of a control signal and a potential difference between both ends of the optical fiber cable is large.

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Abstract

Ｘ線管と、Ｘ線を駆動する駆動回路と、Ｘ線管に印加する電子加速電圧を生成する電圧発生回路と、駆動回路と通信する制御部と、を有し、少なくとも、Ｘ線管と、駆動回路と、電圧発生回路とが、絶縁油が充填された収納容器内に配されたＸ線発生装置であって、駆動回路と制御部とを接続する経路の少なくとも一部が、収納容器内に配された光ファイバケーブルにより構成されており、光ファイバケーブルは、駆動回路と制御部との間の電位差によって発生する電界が、光ファイバケーブルの長さ方向に沿って局所的に集中することを抑制するための電界緩和手段を有する。

Description

Ｘ線発生装置及びＸ線撮影システム
　本発明は、Ｘ線発生装置及びＸ線撮影システムに関する。
　工業用の非破壊検査装置の一つとして、Ｘ線撮影システムが知られている。例えば、半導体集積回路基板に代表される電子デバイスの検査には、マイクロフォーカスＸ線管を備えたＸ線検査装置が用いられている。Ｘ線管は、陽極と陰極との間にＸ線エネルギーに応じた所定の電位差の高電圧を印加し、この高電圧で加速した電子をターゲットに照射することによって、ターゲットからＸ線を放出するＸ線源である。マイクロフォーカスＸ線管は、陰極側に複数のグリッド電極を備えたＸ線管であり、これらグリッド電極に印加する電圧により静電レンズを制御することによって電子線の軌道を収束する機能を備えている。
　マイクロフォーカスＸ線管を用いたＸ線発生装置では、グリッド電極に印加する電圧を制御する必要性から、Ｘ線管の接地方式や制御信号の供給方法等に工夫が施されている。例えば、特許文献１に記載のＸ線発生装置では、グリッド電極に印加するグリッド電圧の制御信号を、光ファイバケーブルを介して供給する構成とすることで、Ｘ線管の陰極に負の高電圧を印加できるようにしている。そして、Ｘ線管の外囲器をグラウンド電位とし、陽極と陰極とに正、負の高電圧を印加する中性点接地方式を採用することで、外囲器と陽極との間にかかる電圧を約半分に低減している。
特開２００３－３１７９９６号公報
　Ｘ線発生装置をＸ線撮影システムに搭載する際の取り扱いの容易さ等の観点から、Ｘ線発生装置の小型化が求められている。また、更なる高透過力化の観点から、Ｘ線管への印加電圧の高電圧化が求められている。しかしながら、Ｘ線発生装置の小型化や印加電圧の高電圧化の進展とともに制御系の誤動作が多くなることが、本願発明者等の検討により初めて明らかとなった。
　本発明の目的は、小型化や印加電圧の高電圧化の進展に伴う制御系の誤動作を抑制しうるＸ線発生装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、このようなＸ線発生装置を用いることにより、安定して撮影画像を取得することが可能な信頼性の高いＸ線撮影システムを提供することにある。
　本発明の一観点によれば、Ｘ線管と、前記Ｘ線管を駆動する駆動回路と、前記Ｘ線管に印加する電子加速電圧を生成する電圧発生回路と、前記駆動回路と通信する制御部と、を有し、少なくとも、前記Ｘ線管と、前記駆動回路と、前記電圧発生回路とが、絶縁油が充填された収納容器内に配されたＸ線発生装置であって、前記駆動回路と前記制御部とを接続する経路の少なくとも一部が、前記収納容器内に配された光ファイバケーブルにより構成されており、前記光ファイバケーブルは、前記駆動回路と前記制御部との間の電位差によって発生する電界が、前記光ファイバケーブルの長さ方向に沿って局所的に集中することを抑制するための電界緩和手段を有するＸ線発生装置が提供される。
　本発明によれば、Ｘ線管を制御するための制御信号を伝搬する光ファイバケーブルの長さ方向に沿った電界の局所的な集中を抑制し、制御系の誤動作を低減することができる。これにより、Ｘ線発生装置の更なる小型化及び印加電圧の高電圧化を図ることが可能となる。また、このようなＸ線発生装置を用いることにより、安定して撮影画像を取得することが可能な信頼性の高いＸ線撮影システムを実現することができる。
本発明の第１実施形態によるＸ線発生装置の概略構成を示すブロック図である。 制御回路と電子銃駆動回路とを接続する光ファイバケーブルの接続部分の構造を示す図である。 光ファイバケーブル内の残留気体の影響を説明する図である。 本発明の第１実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。 本発明の第２実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。 本発明の第３実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。 本発明の第４実施形態によるＸ線撮影システムの概略構成を示すブロック図である。
　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態によるＸ線発生装置について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態によるＸ線発生装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、制御回路と電子銃駆動回路とを接続する光ファイバケーブルの接続部分の構造を示す図である。図３は、光ファイバケーブル内の残留気体の影響を説明する図である。図４は、本実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。
　はじめに、本実施形態によるＸ線発生装置の構造について、図１及び図２を用いて説明する。
　本実施形態によるＸ線発生装置１００は、図１に示すように、Ｘ線管２０と、高電圧発生回路３０と、電子銃駆動回路４０と、制御部５０とを有している。これらのうち、少なくともＸ線管２０、高電圧発生回路３０及び電子銃駆動回路４０は、収納容器１０内に配置されている。収納容器１０には、その中に配された各部間の絶縁耐圧を確保するために、絶縁油８０が充填されている。絶縁油８０としては、鉱油、シリコーン油、フッ素系油などの電気絶縁油が好ましい。定格の管電圧が１００ｋＶ程度のＸ線管２０を用いたＸ線発生装置には、取扱いが易しい鉱油が好ましく適用される。
　Ｘ線管２０は、電子源２２と、グリッド電極２６と、陽極２８とを含む。電子源２２及びグリッド電極２６は、電子銃駆動回路４０に接続され、それぞれ所望の制御電圧が印加される。陽極２８は、グラウンド電位に保持された収納容器１０に接続されている。陽極２８には、電子線の照射によりＸ線を発生するターゲット（図示せず）が設けられている。なお、図１にはグリッド電極２６を１つだけ示しているが、典型的には複数のグリッド電極２６が設けられる。
　電子源２２は、特に限定されるものではないが、例えば、タングステンフィラメントや含浸型カソードのような熱陰極、カーボンナノチューブ等の冷陰極を適用することができる。ターゲットを構成する材料は、融点が高くＸ線発生効率の高い材料が好ましく、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン及びそれらの合金等を適用することができる。なお、本明細書では、電子源２２とグリッド電極２６とを一括して「電子銃」と表記することがある。
　電子源２２から放出された電子を陽極２８との間の高電圧で加速して陽極２８に設けられたターゲットに衝突させることにより、ターゲットからＸ線が放射される。ターゲットから放射されるＸ線量は、ターゲットに照射する電子線量、つまり熱陰極型の電子源２２の場合にあっては供給する電流によって、制御することができる。ターゲットに照射する電子線の軌道は、グリッド電極２６に印加するグリッド電圧によって制御することができる。この意味で、電子源２２及びグリッド電極２６は、電子銃から放出される電子線を制御する制御機構である。
　高電圧発生回路３０は、昇圧トランス３２と、昇圧回路３４とを含む。昇圧回路３４は、例えば、コッククロフト回路である。高電圧発生回路３０は、グラウンド電位に保持されている収納容器１０に対して負の高電圧を生成する。高電圧発生回路３０は、電子銃駆動回路４０に接続されている。高電圧発生回路３０により生成された負の高電圧は、電子銃駆動回路４０に印加される。
　電子銃駆動回路４０は、整流回路４２と、ロジック回路４４と、電子源駆動回路４６と、グリッド電圧制御回路４８とを含む。整流回路４２は、ロジック回路４４、電子源駆動回路４６及びグリッド電圧制御回路４８に接続されている。これにより、高絶縁トランス３６を介して整流回路４２に供給される電圧を整流し、ロジック回路４４、電子源駆動回路４６及びグリッド電圧制御回路４８へと供給できるようになっている。整流回路４２の入力端子の一方は、高電圧発生回路３０の出力端子に接続されている。すなわち、電子銃駆動回路４０の各回路においては、高電圧発生回路３０から供給される負電位が、電子銃駆動回路４０の基準電位となる。
　電子源駆動回路４６は、制御回路５２からロジック回路４４を介して供給される制御信号に応じて、電子源２２に供給する電圧或いは電流を制御する。グリッド電圧制御回路４８は、制御回路５２からロジック回路４４を介して供給される制御信号に応じて、グリッド電極２６へ印加するグリッド電圧を制御する。
　制御部５０は、制御回路５２と、インバータ回路５４とを含む。制御回路５２は、電子銃駆動回路４０及びインバータ回路５４に接続されている。インバータ回路５４は、収納容器１０内に配された昇圧トランス３２に接続されたインバータ５６と、収納容器１０内に配された高絶縁トランス３６に接続されたインバータ５８とを含む。制御回路５２は、電子銃駆動回路４０及びインバータ回路５４に、所定の制御信号を供給する。インバータ回路５４は、制御回路５２から供給される制御信号に応じてインバータ５６，５８を制御し、昇圧トランス３２及び高絶縁トランス３６に、所定の駆動電圧を供給する。制御回路５２は、高電圧発生回路３０の出力電圧をモニタし、高電圧発生回路３０の出力電圧が所定の電圧となるように、インバータ回路５４に供給する制御信号によって昇圧トランス３２の駆動電圧を調整する。
　図１に示すように、制御部５０と高電圧発生回路３０とは、昇圧トランス３２を介して接続、すなわち絶縁されている。同様に、制御部５０と電子銃駆動回路４０とは、高絶縁トランス３６を介して接続、すなわち絶縁されている。一例では、制御部５０は、グラウンド電位に接続されている。また、電子銃駆動回路４０は、高電圧発生回路３０に接続されている。よって、制御部５０と電子銃駆動回路４０との間には、昇圧トランス３２を介して高電圧発生回路３０で生成した負の高電圧分の電位差が発生する。すなわち、制御部５０と電子銃駆動回路４０との間には、電界が発生する。
　制御回路５２と電子銃駆動回路４０との間の相互の通信を司る経路のうち、少なくとも収納容器１０内の一部の経路は、電気的絶縁を保つために、光ファイバケーブル６０により構成されている。これにより、グラウンド電位を基準電位として動作する制御回路５２からの制御信号によって、高電圧発生回路３０から供給される負の電位を基準電位として動作する電子銃駆動回路４０内の電子源駆動回路４６及びグリッド電圧制御回路４８を制御できるようになっている。光ファイバケーブル６０は、光電変換素子７４を介して、制御回路５２及びロジック回路４４に接続されている。なお、基準電位とは、各回路において基準として扱われる電位である。
　ここで、本実施形態によるＸ線発生装置１００は、光ファイバケーブル６０が、その長さ方向に沿った電界の局所的な集中を抑制するための電界緩和手段を有している。なお、ここで言う電界緩和とは、電界強度の緩和を意味する。
　光ファイバケーブル６０は、例えば図２（ａ）に示すように、端部に光コネクタ６２を備えており、回路基板７０上に設けられた光コネクタ７２に光学的に接続される。回路基板７０上に設けられた光コネクタ７２は、光電変換素子７４を備えており、電気信号を光信号に変換して光ファイバケーブル６０に出力し、或いは、光ファイバケーブル６０からの光信号を電気信号に変換する。
　本実施形態では、光ファイバケーブル６０に設けられた光コネクタ６２と回路基板７０上に設けられた光コネクタ７２との接続部分を密閉するように、封止構造体７６を設けている。封止構造体７６は、光ファイバケーブル６０と光電変換素子７４との間の光学的接続部分や、光ファイバケーブル６０の被覆の内側に絶縁油が滲入するのを防止するためのものである。このように設けられた封止構造体７６が、本実施形態の光ファイバケーブル６０における電界緩和手段に相当する。封止構造体７６は、例えば、光コネクタ６２と光コネクタ７２とを接続した後、エポキシ樹脂等の樹脂材料を塗布し硬化させることにより、形成することができる。
　本実施形態の光ファイバケーブル６０において電界緩和手段としての封止構造体７６を設けている理由について、以下に説明する。
　前述のように、Ｘ線発生装置の小型化や印加電圧の高電圧化の進展とともに、制御回路５２により電子源駆動回路４６やグリッド電圧制御回路４８を制御する制御系の誤動作が顕在化してきた。本発明者等の検討により、この誤動作の原因は、光ファイバケーブル６０の内部において、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿って電界の急激な変化が生じるためであることが判明した。
　典型的な光ファイバケーブルは、コア及びクラッドのみからなる光ファイバの外周に被覆が設けられた構造を有している。このような構造の光ファイバケーブルにおいて、光ファイバと被覆との間に気体が存在していることがある。例えば、ガラス繊維からなる一次被覆と樹脂系材料からなる二次被覆（外皮）との二層構造の被覆を有する光ファイバケーブルでは、一次被覆中に気体が存在している。このような構造の光ファイバケーブル６０では、光コネクタ６２と光コネクタ７２との接続部分が密閉されていないと、光ファイバケーブル６０の被覆の内側に絶縁油８０が滲入し、光ファイバケーブル６０内に局所的に気体が残留することがある。光ファイバケーブル６０内にこのような残留気体が存在すると、その部分に電界が集中して部分放電が発生し、急激な容量変化に追従する高周波の電流が、接地電位側の回路基板７０を通じて制御回路５２に流れ、制御系の誤動作を引き起こす。
　図３は、光ファイバケーブル６０内に局所的に残留気体が存在しているときの、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った電界分布を模式的に示した図である。図３（ａ）は、光ファイバケーブル６０の光ファイバ６４と被覆６６との間に絶縁油８０が滲入しており、一部に気体８２が残留している状態を示している。図３（ｂ）は、このときの等価回路を示している。
　絶縁油８０の比誘電率（εｒ２＝２～３程度）は、気体８２の比誘電率（εｒ１＝１）の２倍～３倍程度である。そのため、光ファイバケーブル６０の両端に電位差（図では１００ｋＶを想定）が存在したときの光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った等電位面（図中、点線で示す）の間隔は、絶縁油８０の部分よりも気体８２の部分において狭くなる。すなわち、気体８２の部分に電界が集中する。その結果、気体８２の部分において局所的に放電が発生し、放電電流Ｉｃに伴う制御系の高周波電流が誤動作の原因となる。気体８２の部分における放電は、光ファイバケーブル６０が短くなるほど、また、電位差が大きくなるほど、起こりやすくなる。つまり、取り扱いの容易さや高透過力のためにＸ線発生装置の小型化や高電圧化を図ることで顕在化する。
　このような観点から、本実施形態によるＸ線発生装置では、光ファイバケーブル６０に設けられた光コネクタ６２と回路基板７０上に設けられた光コネクタ７２との接続部分を密閉するように、封止構造体７６を設けている。このように構成することで、例えば図４に示すように、光ファイバケーブル６０内に絶縁油８０が滲入することがなくなり、光ファイバケーブル６０内に絶縁油８０を介して局所的に気体８２が残留するのを防止することができる。これにより、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った電界の急激な変化を抑制し、制御系の誤動作を防止することができる。
　なお、光コネクタ６２と光コネクタ７２との接続部分に封止構造体７６を設けることには、光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入防止に加え、光ファイバと光電変換素子との間の光学的な結合部への絶縁油８０の影響を抑制する効果もある。
　光ファイバケーブル６０の被覆（外皮）及び封止構造体７６を構成する材料は、光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入を継続的に防止する観点から、絶縁油８０内で高電圧が加わっても変質しない材料であることが望ましい。絶縁油８０内で高電圧が加わっても変質しない材料としては、例えば、可塑剤を含まない樹脂材料、例えばエポキシ樹脂やポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が挙げられる。
　このように、本実施形態によれば、光コネクタ６２と光コネクタ７２との接続部分に封止構造体７６を設けるので、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った電界の局所的な集中を抑制し、制御系の誤動作を低減することができる。これにより、Ｘ線発生装置の更なる小型化及び印加電圧の高電圧化が可能となる。
　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態によるＸ線発生装置について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。
　第１実施形態では光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入を防止するように光ファイバケーブル６０を構成したが、光ファイバケーブル６０内の気体を積極的に絶縁油８０に置き換えるように構成することによっても、局所的な電界の集中を抑制することができる。
　すなわち、本実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブル６０は、例えば図５に示すように、被覆６６に、気体の排出と絶縁油８０の滲入との役割を担う開口部６８が設けられている。このように設けられた開口部６８が、本実施形態の光ファイバケーブル６０における電界緩和手段に相当する。
　光ファイバケーブル６０の被覆６６に開口部６８を設けることにより、光ファイバケーブル６０内の気体の排出と、光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入とを促進し、光ファイバケーブル６０内に気体が残留するのを抑制することができる。光ファイバケーブル６０内における電界集中は局所的に気体が残留することに起因するため、光ファイバケーブル６０内の残留気体を低減することにより、光ファイバケーブル６０内における電界集中を抑制し、ひいては制御系の誤動作を防止することができる。
　開口部６８の配置場所は、光ファイバケーブル６０内の気体の排出と、光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入とが可能な場所であれば、特に限定されるものではない。例えば、光ファイバケーブル６０の途中に配置してもよいし、光ファイバケーブル６０と光コネクタ６２との接続部の近傍に配置してもよい。また、開口部６８の数や大きさは、光ファイバケーブル６０に必要な強度を損なわない範囲で、光ファイバケーブル６０内の気体が速やかに排出され、絶縁油８０が容易に滲入できるように、適宜選択することができる。また、開口部６８は、必ずしも光ファイバケーブル６０の一部分に設けられている必要はなく、光ファイバ６４の全体を露出するように設けられていてもよい。すなわち、光ファイバケーブル６０の被覆６６は、なくてもよい。
　光ファイバケーブル６０内への絶縁油８０の滲入を効果的に実現するため、収納容器１０内への絶縁油８０の充填には、収納容器１０内を真空に引いた後に絶縁油８０を注入する真空含浸法を適用することが好ましい。真空含浸法を用いることにより、光ファイバケーブル６０内の気体を容易且つ確実に絶縁油８０へと置換することができる。
　開口部６８の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、カッターにより被覆６６に切れ込みを入れる等の一般的な方法により実施することができる。
　このように、本実施形態によれば、光ファイバケーブル６０の被覆６６に気体の排出と絶縁油８０の滲入との役割を担う開口部６８を設けるので、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った電界の局所的な集中を抑制し、制御系の誤動作を低減することができる。これにより、Ｘ線発生装置の更なる小型化及び印加電圧の高電圧化が可能となる。
　［第３実施形態］
　本発明の第３実施形態によるＸ線発生装置について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブルの構造を示す概略図である。
　本実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブル６０は、図６に示すように、光ファイバケーブル６０の被覆（被覆６６ａ）が、高抵抗材料により構成されている。光ファイバケーブル６０の被覆６６ａを高抵抗材料により形成することにより、その被覆を流れる電流によって形成される電界によって光ファイバケーブル６０の長さ方向の電界の均一化を図ることが可能となる。高抵抗材料からなる被覆６６ａが、本実施形態の光ファイバケーブル６０における電界緩和手段に相当する。
　被覆６６ａを高抵抗材料により構成することで、被覆６６ａに電子線の加速電圧を被覆６６ａの抵抗値で除した値に相当する電流を流すことができ、これによって光ファイバケーブル６０の長さ方向の電界の均一化を図ることが可能となる。この目的のもと、被覆６６ａを構成する材料の抵抗値は、電位規定及び消費電力からその望ましい範囲に設定される。被覆６６ａのシート抵抗は、電位規定の観点からすると、１０14Ω／□以下が好ましく、１０12Ω／□以下であることがより好ましく、１０11Ω／□以下であることが最も好ましい。被覆６６ａのシート抵抗の下限は、加速電圧及び光ファイバケーブル６０の長さにより左右されるが、消費電力を抑制するために、１０5Ω／□以上であることが好ましく、１０7Ω／□以上であることがより好ましい。
　例えば、直径２ｍｍ、長さ３００ｍｍの光ファイバケーブル６０を用いた場合には、被覆６６ａのシート抵抗を５×１０10Ω／□程度に設定することができる。この場合、加速電圧が１００ｋＶのときに流れる電流が１μＡ程度となり、電位規定、消費電力の点からも適当である。
　高抵抗材料からなる被覆６６ａは、特に限定されるものではないが、例えば、カーボンブラック等のカーボン系材料を練り込んだ樹脂材料が挙げられる。この例では、カーボン系材料の添加量により、抵抗値の調整が可能である。
　このように、本実施形態によれば、光ファイバケーブル６０の被覆６６ａを高抵抗材料により構成するので、光ファイバケーブル６０の長さ方向に沿った電界の局所的な集中を抑制し、制御系の誤動作を低減することができる。これにより、Ｘ線発生装置の更なる小型化及び印加電圧の高電圧化が可能となる。
　［第４実施形態］
　本発明の第４実施形態によるＸ線撮影システムについて、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態によるＸ線撮影システムの概略構成を示すブロック図である。
　本実施形態では、第１乃至第３実施形態によるＸ線発生装置を用いたＸ線撮影システムを示す。
　本実施形態によるＸ線撮影システム２００は、図７に示すように、Ｘ線発生装置１００と、Ｘ線検出装置１１０と、システム制御装置１２０と、表示装置１３０とを含む。
　Ｘ線発生装置１００は、第１乃至第３実施形態のいずれかのＸ線発生装置であり、Ｘ線管２０と、Ｘ線管駆動回路１０２とを含む。Ｘ線管駆動回路１０２は、第１乃至第３実施形態のＸ線発生装置における高電圧発生回路３０、電子銃駆動回路４０、制御部５０等を含む。Ｘ線検出装置１１０は、Ｘ線検出器１１２と、信号処理部１１４を含む。システム制御装置１２０は、Ｘ線発生装置１００及びＸ線検出装置１１０を含むシステム全体の制御を司る。表示装置１３０は、システム制御装置１２０で処理された画像信号をスクリーンに表示する。
　Ｘ線発生装置１００のＸ線管駆動回路１０２は、システム制御装置１２０による制御の下に、Ｘ線管２０に各種の制御信号を出力する。システム制御装置１２０から出力された制御信号により、Ｘ線発生装置１００から放出されるＸ線の放出状態が制御される。
　Ｘ線発生装置１００から放出されたＸ線１０４は、被検体１０６を透過してＸ線検出器１１２で検出される。Ｘ線検出器１１２は、不図示の検出素子を複数備えており、透過Ｘ線像を取得する。Ｘ線検出器１１２は、取得した透過Ｘ線像を画像信号に変換して信号処理部１１４に出力する。Ｘ線管２０と被検体１０６との間には、不要なＸ線の照射を抑制するために、不図示のスリット、コリメータ等を配置してもよい。
　信号処理部１１４は、システム制御装置１２０による制御の下に、画像信号に所定の信号処理を施し、処理された画像信号をシステム制御装置１２０に出力する。システム制御装置１２０は、処理された画像信号に基づいて、表示装置１３０に画像を表示させるために表示信号を表示装置１３０に出力する。表示装置１３０は、表示信号に基づく被検体１０６の撮影画像をスクリーンに表示する。
　このように、本実施形態によれば、小型でかつ放電耐圧特性に優れた第１乃至第３実施形態によるＸ線発生装置１００を用いることにより、安定して撮影画像を取得することが可能な、信頼性の高いＸ線撮影システム２００を実現することができる。
　［変形実施形態］
　本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
　例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。例えば、第１又は第２実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブル６０の被覆６６を、第３実施形態の被覆６６ａにより構成するようにしてもよい。また、第３実施形態によるＸ線発生装置の光ファイバケーブル６０の被覆６６ａに、第２実施形態の開口部６８を設けるようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、Ｘ線管２０の接地方式を陽極接地方式としたが、Ｘ線管２０の接地方式は陽極接地方式に限定されるものではない。例えば、Ｘ線管の陽極と陰極とにそれぞれ正、負の高電圧を印加する中性点接地方式としてもよい。本発明は、制御信号の伝搬経路の一部に光ファイバケーブルを含み、この光ファイバケーブルの両端部の電位差が大きい構成のＸ線発生装置に広く適用可能である。
　なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１０…収納容器
２０…Ｘ線管
２２…電子源
２６…グリッド電極
２８…陽極
３０…高電圧発生回路
４０…電子銃駆動回路
５０…制御部
５２…制御回路
６０…光ファイバケーブル
６２，７２…光コネクタ
６４…光ファイバ
６６，６６ａ…被覆
６８…開口部
７４…光電変換素子
７６…封止構造体
８０…絶縁油
８２…気体
 

 

Claims (8)

  1. 　Ｘ線管と、前記Ｘ線管を駆動する駆動回路と、前記Ｘ線管に印加する電子加速電圧を生成する電圧発生回路と、前記駆動回路と通信する制御部と、を有し、少なくとも、前記Ｘ線管と、前記駆動回路と、前記電圧発生回路とが、絶縁油が充填された収納容器内に配されたＸ線発生装置であって、
    　前記駆動回路と前記制御部とを接続する経路の少なくとも一部が、前記収納容器内に配された光ファイバケーブルにより構成されており、
    　前記光ファイバケーブルは、前記駆動回路と前記制御部との間の電位差によって発生する電界が、前記光ファイバケーブルの長さ方向に沿って局所的に集中することを抑制するための電界緩和手段を有する
    　ことを特徴とするＸ線発生装置。
  2. 　前記光ファイバケーブルは、光ファイバと、前記光ファイバを覆う被覆とを有し、
    　前記電界緩和手段は、前記被覆に設けられた開口部を有する
    　ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
  3. 　前記開口部は、前記光ファイバケーブル内の気体の排出と、前記光ファイバケーブル内への前記絶縁油の滲入とを促進するように構成されており、前記光ファイバケーブル内の気体が前記絶縁油に置換されている
    　ことを特徴とする請求項２記載のＸ線発生装置。
  4. 　前記経路は、前記光ファイバケーブルに光学的に接続された光電変換素子を有し、
    　前記電界緩和手段は、前記光ファイバケーブルと前記光電変換素子との接続部を密閉する封止構造体を有する
    　ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
  5. 　前記光ファイバケーブルは、光ファイバと、前記光ファイバを覆う被覆とを有し、
    　前記封止構造体は、前記光ファイバケーブル内に前記絶縁油が滲入するのを防止する
    　ことを特徴とする請求項４記載のＸ線発生装置。
  6. 　前記光ファイバケーブルは、光ファイバと、前記光ファイバを覆う高抵抗材料からなる被覆とを有し、
    　前記電界緩和手段は、前記被覆である
    　ことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
  7. 　前記被覆の抵抗値は、前記長さ方向に沿って前記被覆を流れる電流によって前記光ファイバケーブル内の電界の局所的な集中を緩和するように設定されている
    　ことを特徴とする請求項６記載のＸ線発生装置。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＸ線発生装置と、
    　前記Ｘ線発生装置から放出されて被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、
    　前記Ｘ線検出装置により検出された前記被検体の透過Ｘ線像を画像信号に変換する信号処理部と
    　を有することを特徴とするＸ線撮影システム。

     
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