JP2016095916A - Ｘ線発生装置及びこれを用いたｘ線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】陽極部材が収納容器の一部を構成する透過型のＸ線発生装置において、ターゲットの放熱性を高める。【解決手段】ターゲット１８を保持する陽極部材１１を、ターゲット１８を保持し、収納容器１に接続された外側陽極部材１２と、絶縁管２０に接合され、外側陽極部材１２よりも電子放出部３２側に配置された内側陽極部材１３と、に分割し、内側陽極部材１３の外周面を外側陽極部材１２に接合材１４を介して接合し、電子放出部３２からの熱は主として内側陽極部材１３から絶縁管２０を介して、或いは直接、絶縁性液体３に放熱する。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば医療機器、非破壊検査装置等に適用可能なＸ線発生装置、及びこれを用いたＸ線撮影システムに関する。

一般に、Ｘ線発生装置は、Ｘ線源として、Ｘ線発生管を内蔵している。Ｘ線発生管は、絶縁管の開口の一方に陰極を、他方に陽極を取り付けた真空容器で構成され、陰極には電子放出源が接続され、陽極はターゲットを備えている。Ｘ線発生管は、陰極と陽極との間に高電圧を印加することにより、電子放出源から放出される電子線をターゲットに照射し、Ｘ線を発生させている。

特許文献１には前記Ｘ線発生装置の一例として、Ｘ線発生装置の収納容器である金属筐体の出力開口部と前記Ｘ線発生管の出力窓の中心位置を一致させながら、前記金属筐体に前記陽極を固定した構成が開示されている。特許文献１では、係る構成とすることで、出力窓から放射するＸ線を前記Ｘ線発生装置外へ照射する。また係る構成とすることで、Ｘ線発生管のターゲットから該ターゲットを保持している陽極部材、さらにはＸ線発生装置の金属筺体までは熱的、及び電気的に接続された状態となり、電子線の照射によって温度上昇したターゲットの放熱を図っている。

特開２００９−４３６５８号公報

特許文献１に開示された構成のＸ線発生装置では、Ｘ線を照射時、電子がターゲットに衝突することで発生するＸ線以外の電子エネルギーは熱に変換され、ターゲットから陽極部材を介して金属筺体へと放熱する構成となっている。一方で前記電子を放出する電子放出源の電子放出部も発熱し、その発熱量の一部は真空容器に対して陽極部材と対向位置にある陰極部材へも放熱されるが、その他の発熱量は電子放出部と近接している陽極部材へ放射され、陽極部材を介して金属筐体に放熱される。よって陽極部材から金属筐体へ放熱する熱伝導経路上には、ターゲットからの発熱量分と電子放出部での発熱量の一部が熱伝導することになり、ターゲットの放熱が十分にできなくなる恐れがあった。

ターゲットの放熱が十分に行えず、ターゲットが高温になった場合には、ターゲット層の剥離や溶解、蒸発、支持基板にクラックが発生するといったターゲットの損傷を招く恐れがあり、その結果、Ｘ線出力の変動や低下が生じる場合があった。

本発明の課題は、陽極部材が収納容器の一部を構成する透過型のＸ線発生装置において、ターゲットの放熱性を高め、Ｘ線出力の安定化を図ることにある。さらに、本発明は、係るＸ線発生装置を用いて、信頼性の高いＸ線撮影システムを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の第１は、電子の照射によりＸ線を発生する透過型のターゲット及び前記ターゲットを保持する陽極部材を有する陽極と、前記ターゲットに電子を照射する電子放出源及び前記電子放出源に接続される陰極部材を有する陰極と、管軸方向の一端を前記陽極部材に、他端を前記陰極部材に接合される絶縁管と、を備えたＸ線発生管、及び、前記陽極部材に接続され前記Ｘ線発生管を収納する導電性の収納容器、を備えたＸ線発生装置であって、
前記陽極部材は、前記ターゲットを保持し、前記収納容器に電気的に接続される外側陽極部材と、前記絶縁管の管軸方向において、前記外側陽極部材と前記電子放出源との間に位置し、前記絶縁管に接合される内側陽極部材と、を備え、
管径方向における前記絶縁管の外側において、前記内側陽極部材が前記外側陽極部材と伝熱的に接続されていることを特徴とする。

本発明の第２は、上記本発明の第１のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から発生し被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出器とを連携制御するシステム制御部とを有することを特徴とするＸ線撮影システムである。

本発明によれば、陽極部材を外側陽極部材と内側陽極部材とに分けたことにより、ターゲットから外側陽極部材への放熱が効率よく行われ、ターゲットの放熱性が高まる。よって、信頼性の高いＸ線発生装置及びＸ線撮影システムが提供される。

本発明のＸ線発生装置の一実施形態を陽極の外側から見た平面模式図である。 本発明のＸ線発生装置の一実施形態の構成を模式的に示す図であり、図１のＡ−Ａ’断面模式図である。 図２の陽極付近の拡大断面図であり、（ａ）は各部材の説明図、（ｂ）は熱伝導経路を示す図である。 本発明のＸ線発生装置の他の実施形態の陽極付近の構成を模式的に示す図であり、図１のＡ−Ａ’断面に相当する拡大断面模式図であって、（ａ）は各部材の説明図、（ｂ）は熱伝導経路を示す図である。 本発明のＸ線撮影システムの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。尚、本明細書で特に図示又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。尚、本発明において「管軸方向」及び「管径方向」とは、後述する絶縁管の管軸方向及び管径方向である。

図１は本発明のＸ線発生装置の一実施形態を、陽極の外側から見た図であり、図２は図１中のＡ−Ａ’断面模式図である。また、図３（ａ）に図２の陽極近傍の拡大断面図を示す。本発明のＸ線発生装置９は、開口部１ａを有する導電性の収納容器１と、Ｘ線発生管２と、Ｘ線発生管２をパルス駆動するための制御部６を有し、Ｘ線発生管２と制御部６を除く収納容器１内の余空間には絶縁性液体３が充填されている。収納容器１は例えば金属筐体であり、開口部１ａの周辺においてネジ４を用いてＸ線発生管２が取り付けられている。また、開口部１ａにおいて、収納容器１の外側端部は切り欠かれて凹んでおり、Ｘ線発生管２を取り付けた際にシール材５を挟み込む空間が形成されている。収納容器１に設けられた開口部１ａの開口径は、Ｘ線発生管２の絶縁管２０の外径よりも大きく、収納容器１内に制御部６を収納し、絶縁性液体３を充填した状態で、外側からＸ線発生管２を開口部１ａから差し込むことで、収納容器１内を密閉している。

本発明のＸ線発生装置９に用いられるＸ線発生管２は、透過型のターゲット１８を用いた透過型Ｘ線発生管であり、絶縁管２０と、絶縁管２０の管軸方向の一端に配置された陽極１０と、他端に配置された陰極３０とから構成される。絶縁管２０は、ガラス材料やセラミック等の絶縁体で構成される。

陽極１０は、ターゲット１８と、ターゲット１８を保持する陽極部材１１とを備えており、本発明では陽極部材１１が内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とを有している。内側陽極部材１３は接合材２１を介して絶縁管２０の管軸方向の一端に気密接合され、外側陽極部材１２はターゲット１８を保持し、収納容器１に電気的に接続される。本例においては、上記したように、外側陽極部材１２の外径が収納容器１の開口部１ａの開口径よりも大きく、外側陽極部材１２は、周縁部で収納容器１の開口部１ａの近傍にネジ４で気密に取り付けられる。

本発明において、内側陽極部材１３は、外側陽極部材１２と電子放出源３１との間に配置される。また、管径方向における絶縁管２０の外側において、内側陽極部材１３は外側陽極部材１２と互いに伝熱的に接続されている。本発明において、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２との伝熱的な接続としては、接合材を介した接合と熱融着領域を介した接合とが挙げられる。接合材としては、内側陽極部材１３及び外側陽極部材１２のいずれよりも熱伝導性が高い接合材を用いる。熱融着領域は後述する溶接によって形成することができる。図２，図３は接合材１４を介した接合形態である。係る伝熱的な接続部は、管軸方向を囲んで環状に延在していることにより、気密接合とすることができるが、本発明においては、係る接続部を周方向に不連続に設けても良い。このように接続部を不連続に設ける場合には、別途、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とを無機接着剤やセメント、ガラスフリットなどの接合材を用いて環状に気密接合しておけばよい。

本発明において、伝熱的に接続された接続部以外では、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とは表面同士が互いに接触するだけで、接合材や溶融領域などを介して接合されていない。図３（ａ）において、１５が内側陽極部材１３の表面と外側陽極部材１２の表面とが互いに接触する接触領域である。係る接触領域１５において、内側陽極部材１３の表面と外側陽極部材１２の表面との間には、微細な隙間が点在し、係る隙間に起因して、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２との間で、それぞれの部材内よりも熱抵抗が高くなっている。つまり、一方から他方に熱が伝わりにくい状態となっている。

本発明において、ターゲット１８の発熱はターゲット１８が接続された外側陽極部材１２に伝達され、電子放出部３２の発熱は、外側陽極部材１２よりも電子放出部３２側に配置された内側陽極部材１３に放射される。よって、外側陽極部材１２には電子放出部３２の発熱は伝わらない。

さらに、本例では、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とを接合する接合材１４を内側陽極部材１３の外周に配置することで、内側陽極部材１３から外側陽極部材１２へ絶縁管２０の管軸方向に熱が伝わるのが抑制される。一方、接合材１４を介して接合した内側陽極部材１３と外側陽極部材１２との間での熱抵抗は、表面同士が接触している接触領域１５よりも低いが、接続断面積が小さいため、一方から他方に熱が伝わりにくい。よって、電子放出部３２から内側陽極部材１３に放射された熱は一部が接合材１４を介して外側陽極部材１２に伝わるものの、主として絶縁管２０や絶縁性液体３に放熱される。

図３（ｂ）に、図３（ａ）の構成における熱伝導経路を示す。図中、４１は、ターゲット１８から外側陽極部材１２を介して収納容器１へ至る熱伝導経路であり、４２は内側陽極部材１３からの熱伝導経路である。内側陽極部材１３は、外側陽極部材１２よりも電子放出源３１側に配置されており、電子放出部３２で発生した熱を受けて温度が上昇するが、係る温度上昇は接触領域１５から外側断熱部材１２には伝わりにくい。よって、一部は接合材１４を介して外側陽極部材１２に伝わり、その他は絶縁管２０を介して、或いは直接、絶縁性液体３に放熱される。よって、外側陽極部材１２のターゲット１８近傍には内側陽極部材１３からの熱が伝わらず、ターゲット１８で発生した熱は外側陽極部材１２を介して速やかに収納容器１に放熱される。

本発明においては、上記した熱伝導経路４２を形成する上で、接合材１４の位置は、図３（ａ）に示したように、内側陽極部材１３の外周面が好ましい。よって、係る位置に接合材１４を配置するべく、図３（ａ）に示すように、外側陽極部材１２の管径方向の外周縁に絶縁管２０側に突出する管状外周部１２ａを設け、内側陽極部材１３の外周面と管状外周部１２ａの内周面とを接合することが好ましい。接合材１４としては銀ろう等のろう材が好ましく用いられる。

また、管径方向における接合材１４の長さＬ１を接触領域１５の長さＬ２よりも短くすることで、ターゲット１８の温度上昇による外側陽極部材１２の管径方向の伸びによって生じる接合材１４に加わる応力集中を緩和することができる。これは、外側陽極部材１２が管軸方向に撓み易い構成のためである。

本発明において、外側陽極部材１２は、ターゲット１８で発生する熱を収納容器１へ放熱しやすい部材が好ましい。よって熱伝導率の高い材質が好ましく、例えば銅、タングステン、銅タングステンなどがよい。また、内側陽極部材１３は、絶縁管２０に接合されるため、絶縁管２０と線膨張係数が近い素材が好ましく、絶縁管２０がセラミックで構成された場合には、コバールが好ましく用いられる。

図４（ａ）は、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とを溶接で接合した例であり、図中の４５が熱融着領域である。溶接で接合する場合には、図３（ａ）と同様に、外側陽極部材１２の管径方向の外周縁に絶縁管側に突出する管状外周部１２ａを設け、内側陽極部材１３の外周面と管状外周部１２ａの内周面とを接触させて、接触面において溶接により接合する。溶接方法としてはスポット溶接が好ましく用いられる。溶接によって内側陽極部材１３と外側陽極部材１２とが熱融着領域４５を介して接合された場合、金属部材間の拡散範囲において伝熱的にも連続であり、内側陽極部材１３と外側陽極部材１２との間の熱抵抗が軽減されるため、好ましい形態である。

この時、内側陽極部材１３と溶接によって接合される、管状外周部１２ａの内周側の領域１２ｂを、内側陽極部材１３と同じ素材とすることで、溶接がより容易になる。この場合、接合される領域１２ｂは、ろう材等の接合材１２ｃによって、隣接する領域と接合しておけばよい。

図４（ａ）の構成において、図４（ｂ）に示すよう熱伝導経路４１，４２が形成され、ターゲット１８で発生した熱は、電子放出部３２からの放熱の影響を受けずに、外側陽極部材１２を介して収納容器１に速やかに放熱される。

尚、絶縁管２０と接合される内側陽極部材１３は、絶縁管２０との接合領域が広くなるように、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、絶縁管２０の外周面を囲んで陰極３０側に突出する管状外周部１３ａを形成しても良い。

本発明に係る陰極３０は、電子放出源３１と、電子放出源３１に接続された陰極部材３４とを備え、絶縁管２０の他端に接合材２２を介して気密接合される。接合材２１，２２としては、銀ろう等のろう材が好ましく用いられる。陰極部材３４は内側陽極部材１３と同様に、絶縁管２０と一体化されるため、絶縁管２０がセラミックで構成される場合には、線膨張係数がセラミックに近い金属部材であるコバールが好ましく用いられる。

ターゲット１８は透過型であり、Ｘ線を透過する透過基板と、該透過基板の内側（陰極３０側）の片面に電子線の照射によりＸ線を放出するターゲット金属を含有するターゲット層を備えている。ターゲット１８は、ターゲット層において電子照射を受け、ターゲット層が形成された透過基板の片面とは反対側の面からＸ線が放出される。ターゲット層は、高い原子番号、高融点、高比重の金属元素を、ターゲット金属として含有する。ターゲット金属は、原子番号４２以上の金属元素から選択されるが、透過基板との親和性の観点からは、炭化物の標準生成自由エネルギーが負を呈するタンタル、モリブデン、タングステンの群から選択することがより好ましい。また、ターゲット金属は、ターゲット層に、単一組成又は合金組成の純金属として含有されていても良いし、当該金属の炭化物、窒化物、酸窒化物等の金属化合物として含有されていても良い。透過基板としては、例えばダイヤモンド、ベリリウムなどが好ましく用いられる。ターゲット１８は、銀ろう等の不図示の接合材を介して外側陽極部材１２に環状に気密接合されている。

電子放出源３１は、電子放出部３２がターゲット１８に対向するように設けられている。電子放出源３１としては、例えばタングステンフィラメント、含浸型カソードのような熱陰極や、カーボンナノチューブ等の冷陰極を用いることができる。電子放出源３１は、電子線７のビーム径及び電子電流密度、オン・オフタイミング等の制御を目的として、不図示のグリッド電極、静電レンズ電極を備えることが可能である。本発明においては、特に、熱陰極を用いた場合に好適である。熱陰極を電子放出源３１として用いた場合、電子線７の放出の有無にかかわらず、常に電子放出部３２が発熱しており、従来のＸ線発生装置において、ターゲット１８の放熱性に対する影響が大きいためである。尚、図２中の３３は接続端子である。

上記構成の如く、絶縁管２０と陽極部材１１、絶縁管２０と陰極部材３４などをそれぞれ気密接合した構成により、Ｘ線発生管２内部の真空気密が維持された構成である。このような構成のＸ線発生管２の陰極３０に適切な電圧設定を印加すると、電子放出部３２から電子線７が放出される。電子線７はターゲット１８に衝突し、Ｘ線８が放出され、収納容器１外へ放出される。

＜Ｘ線撮影システム＞
次に、図５を用いて、本発明のＸ線発生装置９を備えるＸ線撮影システムの構成例について説明する。本発明のＸ線撮影システムは、図２に示したＸ線発生装置９と、前記Ｘ線発生装置９から発生し、被検体５６を透過したＸ線８を検出するＸ線検出装置５３とシステム制御部５１とを有する。システム制御部５１は、Ｘ線発生装置９とＸ線検出装置５３とを連携制御する。駆動回路６は、システム制御部５１による制御の下に、Ｘ線発生管２に各種の制御信号を出力する。駆動回路６が出力する制御信号により、Ｘ線発生装置９から放出されるＸ線８の放出状態が制御される。Ｘ線発生装置９から放出されたＸ線８は、可動絞りを備えた不図示のコリメータユニットによりその照射範囲を調整されて、Ｘ線発生装置９の外部に放出され、被検体５６を透過してＸ線検出器５４で検出される。Ｘ線検出器５４は、検出したＸ線を画像信号に変換して信号処理部５５に出力する。信号処理部５５は、システム制御部５１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部５１に出力する。システム制御部５１は、処理された画像信号に基づいて、表示装置５２に画像を表示させるための表示信号を出力する。表示装置５２は、表示信号に基づく画像を、被検体５６の撮影画像としてスクリーンに表示する。

本発明のＸ線撮影システムは、工業製品の非破壊検査や、人体や動物の病理診断に用いることができる。

１：収納容器、２：Ｘ線発生管、１８：ターゲット、７：電子線、８：Ｘ線、９：Ｘ線発生装置、１０：陽極、１１：陽極部材、１２：外側陽極部材、１２ａ：管状外周部、１３：内側陽極部材、１４，２１，２２：接合材、１８：ターゲット、２０：絶縁管、３０：陰極、３１：電子放出源、４５：熱融着領域、５１：システム制御部、５３：Ｘ線検出装置、５６：被検体

Claims (13)

1. 電子の照射によりＸ線を発生する透過型のターゲット及び前記ターゲットを保持する陽極部材を有する陽極と、前記ターゲットに電子を照射する電子放出源及び前記電子放出源に接続される陰極部材を有する陰極と、管軸方向の一端を前記陽極部材に、他端を前記陰極部材に接合される絶縁管と、を備えたＸ線発生管、及び、前記陽極部材に接続され前記Ｘ線発生管を収納する導電性の収納容器、を備えたＸ線発生装置であって、
   前記陽極部材は、前記ターゲットを保持し、前記収納容器に電気的に接続される外側陽極部材と、前記絶縁管の管軸方向において、前記外側陽極部材と前記電子放出源との間に位置し、前記絶縁管に接合される内側陽極部材と、を備え、
   管径方向における前記絶縁管の外側において、前記内側陽極部材が前記外側陽極部材と伝熱的に接続されていることを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記内側陽極部材と前記外側陽極部材との伝熱的な接続部は、管軸方向を囲んで環状に延在していることを特徴としている請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記内側陽極部材と前記外側陽極部材とは、前記内側陽極部材と前記外側陽極部材のいずれよりも熱伝導性が高い接合材を介して接合されていることにより、伝熱的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線発生装置。
4. 前記外側陽極部材が、前記管径方向の外周縁より前記絶縁管側に突出する管状外周部を有し、前記管状外周部の内周面と前記内側陽極部材の外周面とが接合材を介して互いに接合されており、
   前記管軸方向において、前記内側陽極部材の表面と前記外側陽極部材の表面とが互いに接触していることを特徴とする請求項３に記載のＸ線発生装置。
5. 前記管径方向において、前記接合材の長さは、前記内側陽極部材と前記外側陽極部材とが互いに接触している領域の長さよりも短いことを特徴とする請求項３又は４に記載のＸ線発生装置。
6. 前記内側陽極部材と前記外側陽極部材とは、熱融着領域を介して接合されていることにより、伝熱的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線発生装置。
7. 前記外側陽極部材が、前記管径方向の外周縁より前記絶縁管側に突出する管状外周部を有し、
   前記管状外周部の内周面と前記内側陽極部材の外周面、及び前記管軸方向における前記内側陽極部材の表面と前記外側陽極部材の表面とがそれぞれ互いに接触する接触面を有しており、
   前記管状外周部の内周面と前記内側陽極部材の外周面とが、前記接触面において、前記熱融着領域を介して接合されていることを特徴とする請求項６に記載のＸ線発生装置。
8. 前記管状外周部の、前記熱融着領域を介して前記内側陽極部材に接合されている領域が、前記内側陽極部材と同じ素材で形成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のＸ線発生装置。
9. 前記外側陽極部材は、前記管軸方向において、前記収納容器より外側に位置することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
10. 前記ターゲットから前記外側陽極部材を介して前記収納容器に至る熱伝導経路の、前記ターゲットよりも前記収納容器に近い側において、前記内側陽極部材と前記外側陽極部材とが伝熱的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
11. 前記外側陽極部材と前記ターゲットとは環状に気密接合されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
12. 前記電子放出源が、熱陰極である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から発生し被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出装置とを連携制御するシステム制御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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