JP6611490B2 - Ｘ線発生装置及びこれを用いたｘ線撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、医療機器、非破壊検査装置等に適用可能なＸ線撮影システム、該システムに用いられるＸ線発生装置に関する。

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管電圧を印加することにより、電子源から放出された電子線をターゲットに衝突させてＸ線を発生させる。

特許文献１には、透過型ターゲットを備える透過型Ｘ線発生管と、Ｘ線発生管を収納する収納容器と、を有するＸ線発生装置が開示されている。特許文献１に記載のＸ線発生管は、陽極部材をネジ留めにて収納容器に固定することにより、収納容器を介して陽極接地されている。

特開２００４−２６５６０２号公報

特許文献１には、ターゲットを保持する陽極部材が収納容器に固定されているＸ線発生装置が開示されている。かかる形態では、Ｘ線発生装置の駆動履歴に伴い、Ｘ線束の品質が変動し、撮影画像の品質に影響を及ぼす場合があった。Ｘ線束の品質には、焦点形状の変形、焦点の大きさの変動が含まれており、Ｘ線発生装置の信頼性の観点から改善が望まれていた。

一方で、Ｘ線発生装置は、収納容器内部に、必ずしも電力効率が高くない、Ｘ線発生管、Ｘ線発生管に管電圧を印加する管電圧回路、電子銃を制御する駆動回路が収納されている。かかるＸ線発生管、管電圧回路、駆動回路等からの発熱により、収納容器が熱変形する場合があった。

従って、収納容器が熱変形しても、発生したＸ線束の品質が変動し難いＸ線発生装置が求められていた。

本発明の課題は、収納容器の熱変形による陽極部材の変形が抑制され、駆動に伴うＸ線品質の変化が抑制された信頼性の高いＸ線発生装置を提供することにある。また、係るＸ線発生装置を用いて、撮影画質の変動が抑制された、信頼性の高いＸ線撮影システムを提供することにある。

本発明の第一に係るＸ線発生装置は、Ｘ線発生管と、前記Ｘ線発生管を収納する収納容器と、前記収納容器に固定された保持部材と、を備え、
前記Ｘ線発生管は、電子の照射によりＸ線を発生する透過型ターゲットと、前記ターゲットを保持する陽極部材とを備える陽極を有し、
前記陽極部材は、前記収納容器、前記保持部材、前記陽極部材のいずれよりも小さいヤング率を有する変形部材と共に、前記保持部材と前記収納容器とに挟まれて保持されることにより、前記Ｘ線発生管が前記収納容器に接続されており、
前記収納容器は、前記保持部材、前記陽極部材のいずれよりも小さいヤング率を有することを特徴とする。

また、本発明のＸ線撮影システムは、Ｘ線発生装置と、
前記Ｘ線発生装置から放出され、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装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明においては、Ｘ線発生管の陽極部材を収納容器に取り付けてなるＸ線発生装置において、収納容器の変形が、陽極部材と共に収納容器と保持部材との間に挟持された変形部材によって吸収され、陽極部材の変形が抑制される。よって、本発明によれば、収納容器の変形に起因する陽極部材の変形による電子源からターゲットまでの距離の変動が抑制され、Ｘ線放出駆動が安定した信頼性の高いＸ線発生装置が得られる。また、本発明のＸ線発生装置から放出されたＸ線を検出するＸ線検出器において、Ｘ線焦点の位置ずれが抑制される。よって、本発明のＸ線発生装置を用いることで、画質の変動が抑制された信頼性の高い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の構成を模式的に示す図であり、Ｘ線発生管の絶縁管の管軸を含む断面図である。 図１のＸ線発生装置のＸ線発生管とその近傍の構成を模式的に示す図であり、（ａ）はＸ線発生管の陽極を装置の外側から見た平面図、（ｂ）はＸ線発生管の絶縁管の管軸を含む断面図である。 本発明のＸ線発生装置における収納容器の変形の陽極部材への影響を説明する図であり、（ａ）は本発明の構成を備えていない場合を、（ｂ）は本発明の場合を、それぞれ示す断面模式図である。 本発明のＸ線発生装置の他の実施形態における陽極部材と収納容器との接続部の断面図である。 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また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。

＜Ｘ線発生装置＞
図１は、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、Ｘ線発生管１の管軸を含む断面図である。

本発明のＸ線発生装置２０は、開口部１１ａを有する収納容器１１内に、Ｘ線発生管１を内蔵し、余空間には絶縁性流体１７が充填されている。本例では、収納容器１１内に駆動回路１６も内蔵され、不図示の部材によって収納容器１１に固定されている。駆動回路１６は、Ｘ線発生管１と不図示の配線で接続されている。尚、駆動回路１６は収納容器１１の外部に配置してもよい。収納容器１１としては、金属が好ましく用いられ、アルミニウムや真鍮、ＳＵＳ３０４が好ましく用いられる。絶縁性流体１７としては例えば鉱油、シリコーン油などの絶縁性液体や、ＳＦ₆などの絶縁性ガスなどが用いられる。本装置においては、収納容器１１の開口部１１ａにＸ線発生管１を外側から差し込み、収納容器１１に接続して、収納容器１１内を密閉している。

図２は、図１のＸ線発生管１とその近傍の拡大図であり、（ａ）はＸ線発生管１の陽極４を外側から見た平面図であり、（ｂ）は絶縁管３の管軸を含む断面図であって（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。

本実施形態に係るＸ線発生管１は、絶縁管３と、絶縁管３の一方の開口に接合された陰極２と、絶縁管３の他方の開口に接合された陽極４とを有している。陽極４は、ターゲット８と、ターゲット８を保持する陽極部材９とからなり、陰極２は、陰極部材７と電子源としての電子銃５を備えている。

絶縁管３は、セラミックなどの絶縁体で構成され、両端をそれぞれ陽極部材９と陰極部材７で気密接合されている。陽極部材９と陰極部材７は、絶縁管３と接合されるため、線膨脹係数が近い金属部材が好ましく、コバールやタングステンが用いられる。

電子銃５は例えば含浸型、フィラメント型、ショットキー型、フィールドエミッション型、等の電子銃であり、陰極部材７と接続され、陰極部材７とともに陰極２を構成している。電子銃５の先端部には、電界によって加速された電子線１０を収束するための電子レンズ６が設けられており、電子線１０はターゲット８上で所望の電子ビームサイズに収束される。

ターゲット８は、Ｘ線を透過する支持基板（不図示）上にターゲット層（不図示）を保持した透過型ターゲットであり、ターゲット層を電子銃５側に向けて配置され、支持基板の外周を陽極部材９に接合して保持される。ターゲット８の支持基板としては、ダイヤモンド、ベリリウムなどが好ましい。また、ターゲット層は、電子線の照射によりＸ線を発生する部材であり、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、支持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、ターゲット層は、上記ターゲット金属の単一組成又は合金組成の純金属として形成されていてもよいし、当該金属の炭化物、窒化物、酸窒化物等の金属化合物で形成されていてもよい。

上記構成の如くＸ線発生管１は、絶縁管３と陽極部材９、陰極部材７、ターゲット８をそれぞれ気密接合した構成により、Ｘ線発生管１内部の真空気密が維持された構成である。上記Ｘ線発生管１の陰極部材７と陽極部材９との間に適切な電圧を印加し、電子銃５及び電子レンズ６に所望の電圧を印加すると、電子銃５から電子線１０が放出される。電子線１０はターゲット８のターゲット層に衝突することでＸ線１５が発生し、Ｘ線１５はターゲット８の支持基板を透過して外部に放出される。

本発明においては、陽極部材９が、変形部材１４と共に、保持部材１２と収納容器１１との間に挟まれて保持されることにより、収納容器１１の開口部１１ａにおいて、Ｘ線発生管１が収納容器１１に接続されている。変形部材１４は、陽極部材９に接していることが好ましい。また、陽極部材９と変形部材１４と保持部材１２と収納容器１１とは、絶縁管３の管軸方向において互いに重なる位置にあることが望ましい。

本実施形態では、変形部材１４は連続な環状であり、絶縁管３の周方向において、連続的に全周にわたって配置されている。斯かる形態は、収納容器１１内の気密性を維持する上で好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、収納容器１１の内部と外部とを連通させた空冷式のＸ線発生装置等、収納容器１１内の気密性を維持する必要が無い場合には、変形部材１４は周方向に離散的に配置されていてもよい。

本実施形態では、収納容器１１と保持部材１２とは互いに強固に固定され、陽極部材９は隣接する部材（図１，図２においては保持部材１２及び変形部材１４）とは互いに接触しているだけである。また、変形部材１４も隣接する部材、図１，図２においては収納容器１１とは互いに接触するだけである。本実施形態では、陽極部材９は、ターゲット８を保持する開口の周りに環状に延在するフランジ部（鍔部）を有する。また、保持部材１２は連続な環状であり、収納容器１１の開口部１１ａの周方向において、連続的に全周にわたって配置されている。更に、前述の通り、変形部材１４は、絶縁管３の周方向において、連続的に全周にわたって配置されている。その結果、保持部材１２と陽極部材９の接触部、陽極部材９と変形部材１４の接触部、変形部材１４と収納容器１１の接触部の何れもが環状を呈し、収納容器１１内の気密性が担保されている。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、収納容器１１内の気密性担保の観点からは、保持部材１２と陽極部材９の接触部、陽極部材９と変形部材１４の接触部、変形部材１４と収納容器１１の接触部のうち少なくとも一つが環状を呈していればよい。

本発明に用いられる保持部材１２としては、収納容器１１と同様に金属が好ましく用いられ、具体的には、ＳＵＳ３０４や銅とタングステンとの合金などが好ましく用いられる。

本発明のＸ線発生装置２０においては、変形部材１４を用いることで、収納容器１１の変形による陽極部材９の変形が抑制される。その作用について図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、本発明の特徴を備えていない構成、即ち、陽極部材９を直接ネジ１３によって収納容器１１に固定した構成において、収納容器１１が変形した状態を示す断面図である。図３（ｂ）は、本発明において、収納容器１１が変形した状態を示す断面図である。

Ｘ線発生装置２０を駆動すると、駆動回路１６やＸ線発生管１、ターゲット８で発熱が生じ、絶縁性流体１７などを介して、Ｘ線発生装置２０の温度が上昇し、収納容器１１が変形する。ここで、図３（ａ）に示すように、陽極部材９を収納容器１１に直接固定した場合、収納容器１１の変形は陽極部材９の変形を誘発し、電子レンズ６とターゲット８との距離ｄがｄ’に変化する。その結果、電子線１０が形成するＸ線１５の焦点の形状が変化し、画質が変動する。

本発明においては、図３（ｂ）に示すように、収納容器１１が変形した場合であっても、陽極部材９と収納容器１１との間に介在する変形部材１４が変形することで、収納容器１１の変形が吸収される。また、収納容器１１の変形は収納容器１１に固定された保持部材１２には伝わるが、保持部材１２と陽極部材９とは互いに接触しているだけであるため、収納容器１１の変形は保持部材１２を介しても陽極部材９には伝わりにくい。よって、収納容器１１の変形による陽極部材９の変形が抑制され、電子レンズ６とターゲット８との距離ｄの変動が最小限に抑えられる。陽極部材９に及ぼす収納容器１１の変形の影響は、収納容器１１の、陽極部材９が取り付けられた側の壁部の変形が最も大きいが、本発明においては、係る変形を変形部材１４で吸収して、陽極部材９への影響を抑制することができる。

よって、本発明においては、陽極部材９は、厚く形成する必要が無く、電子ビームの設計上、好ましくは２ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚さで形成される。

本発明において、陽極部材９と共に収納容器１１と保持部材１２との間に配置される変形部材１４は、自身が変形することで収納容器１１或いは保持部材１２からの応力を吸収する部材である。係る変形は塑性変形、弾性変形のいずれでもよいが、収納容器１１内の気密性を維持する上では弾性変形が望ましい。即ち、収納容器１１が変形した後に再び元の形状に復元する場合には、変形部材１４も収納容器１１の変形に伴って変形した後に、元の形状に戻る復元力を有することが望ましい。

変形部材１４は、収納容器１１の変形を吸収して陽極部材９の変形を防止する上で、収納容器１１、陽極部材９、保持部材１２よりもヤング率が小さい材料で形成することが望ましい。また、変形部材１４のヤング率を、収納容器１１、保持部材１２、陽極部材９のいずれよりも小さくすることにより、変形部材１４を陽極部材９及び保持部材１２，収納容器１１に密着性よく当接することができる。その結果、高い気密性を保持し、絶縁性流体１７の圧力が高くても、漏出することなく形態を維持することができる。

また本発明においては、収納容器１１が変形した場合でも、陽極部材９及び陽極部材９を含むＸ線発生管１にその影響が及ばないため、収納容器１１内に収納されたＸ線発生管１以外の内部部品とＸ線発生管１との距離も維持される。よって、内部部品とＸ線発生管１との距離の変動による内部部品やＸ線発生管１の絶縁破壊の問題が発生しにくくなる。

上記ヤング率の関係を満たす範囲において、変形部材１４としては、ヤング率が０．００１ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．００１ＧＰａ以上０．１ＧＰａ以下である。ヤング率が０．００１ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下の材料としては、銅やアルミニウム等の金属、ゴム弾性を有するエラストマーが含まれる。特に、ヤング率が０．１ＧＰａ以下の材料としては、例えば、ニトリルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムが挙げられる。本発明では特に、耐油性に優れたニトリルゴムが好ましく用いられる。

また、上記ヤング率の関係を満たす範囲において、収納容器１１は、保持部材１２及び陽極部材９よりもヤング率が小さいことが望ましい。係るヤング率の関係を満たす材料の組み合わせとしては、例えば下記表１の組合せ１乃至４が挙げられる。尚、表１中の各材料名の下の数値はヤング率である。

図３（ｂ）に示すように、収納容器１１の変形によって陽極部材９に対する保持部材１２の相対位置がずれる。しかしながら、変形部材１４が弾性を有する部材の場合には変形部材１４の復元力によって、陽極部材９は保持部材１２に押圧されるため、収納容器１１内の気密性は保持される。

本発明において、変形部材１４が配置される収納容器１１と陽極部材９との間或いは陽極部材９と保持部材１２との間の距離は、好ましくは１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。変形部材１４は、係る距離の範囲内で収納容器１１の内部の気密性を維持しうるような厚さで用いられる。

ここで、本発明において「保持部材１２と収納容器１１の固定」とは、図１乃至図３に示すように、ネジ１３等を用いて保持部材１２と収納容器１１とが互いに接続されることを指す。尚、ネジ１３を用いる以外にも、接合や溶接、接着剤などによって接続されてもよい。また、図４（ｅ）に示すように、収納容器１１及び保持部材１２にネジ山を切り、ネジ締めによって接続されてもよい。

一方、陽極部材９は隣接する部材と互いに接触するのみで、上記した収納容器１１と保持部材１２とのように固定されていない。本発明では、陽極部材９は保持部材１２と収納容器１１との間に変形部材１４と共に配置されることによって、保持部材１２と収納容器１１との間に挟まれた状態で、保持部材１２及び収納容器１１と一体化される。

図４（ａ）乃至（ｅ）は本発明の他の実施形態における陽極部材９と収納容器１１との接続形態を示す図である。先の実施形態においては、陽極部材９は保持部材１２に接し、陽極部材９と収納容器１１との間に変形部材１４が配置されていたが、図４（ａ）においては、陽極部材９は収納容器１１に接し、変形部材１４は陽極部材９と保持部材１２との間に配置されている。本例において、変形部材１４を熱伝導率の悪いゴムで構成すると、ターゲット８の発熱が陽極部材９を介して変形部材１４よりも放熱性の良い絶縁性流体１７や収納容器１１に伝わりやすくなり、放熱性の点から好ましい。

また、図４（ｂ）では、保持部材１２の外周側において、保持部材１２と収納容器１１との間に間隙が設けられ、係る間隙にも変形部材１４が配置され、収納容器１１が変形した際の気密性の低下が抑制されている。

また、図４（ｃ）は陽極部材９と保持部材１２、及び、陽極部材９と収納容器１１のそれぞれの間に変形部材１４を配置した例である。

図４（ｄ）は保持部材１２を収納容器１１の内部側に配置した例である。図４（ｄ）では、収納容器１１に、開口部１１ａとは別にＸ線発生管１を収納するための開口部を設けておき、該開口部からＸ線発生管１を収納した後、該開口部を利用して、保持部材１２の収納容器１１への固定を行う。係る構成では、ネジ１３が外部に露出せず、見た目が向上すると同時に、不用意にネジ１３を外してしまうおそれがなくなる。

また、図４（ｅ）のように、保持部材１２と収納容器１１の双方が噛み合うネジ山を備える形態とした場合には、周方向に一様に圧力をかけることができ、気密性を高めて絶縁性流体１７の流出の危険性を小さくでき、好ましい。

＜Ｘ線撮影システム＞
本発明のＸ線撮影システムについて、一実施形態の構成を模式的に示す図５を用いて説明する。

本発明のＸ線撮影システム５０は、本発明のＸ線発生装置２０と、Ｘ線検出装置５３と、システム制御装置５１とを備える。システム制御装置５１は、Ｘ線発生管１と駆動回路１６とを有するＸ線発生装置２０と、Ｘ線検出装置５３とを連携制御する。駆動回路１６は、システム制御装置５１による制御の下に、Ｘ線発生管１に各種の制御信号を出力する。制御信号により、Ｘ線発生装置２０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２０から放出されたＸ線は、被検体５６を透過してＸ線検出装置５３の検出器５４で検出される。Ｘ線検出装置５３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、システム制御装置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装置５１に出力する。システム制御装置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表示装置５２に出力する。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。

本発明においては、Ｘ線発生装置２０の収納容器１１が変形しても、陽極部材９には影響が及ばない。よって、Ｘ線発生装置２０の駆動によって収納容器１１が変形しても、Ｘ線検出器５４で検出されるＸ線の焦点の位置ずれを起こすおそれがなくなる。よって、本発明のＸ線撮影システム５０においては、撮影中にＸ線の焦点の位置ずれがなく、精度の高い撮影を行うことができる。

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：Ｘ線発生管、２：陰極、３：絶縁管、４：陽極、５：電子銃、８：ターゲット、９：陽極部材、１１：収納容器、１１ａ：開口部、１２：保持部材、１４：変形部材、１７：絶縁性流体、２０：Ｘ線発生装置、５０：Ｘ線撮影システム、５１：システム制御装置、５３：Ｘ線検出装置、５６：被検体

Claims (14)

1. Ｘ線発生管と、前記Ｘ線発生管を収納する収納容器と、前記収納容器に固定された保持部材と、を備え、
   前記Ｘ線発生管は、電子の照射によりＸ線を発生する透過型ターゲットと、前記ターゲットを保持する陽極部材とを備える陽極を有し、
   前記陽極部材は、前記収納容器、前記保持部材、前記陽極部材のいずれよりも小さいヤング率を有する変形部材と共に、前記保持部材と前記収納容器とに挟まれて保持されることにより、前記Ｘ線発生管が前記収納容器に接続されており、
   前記収納容器は、前記保持部材、前記陽極部材のいずれよりも小さいヤング率を有することを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記Ｘ線発生管の管軸方向において、前記陽極部材と前記変形部材と前記保持部材と前記収納容器とが互いに重なって位置していることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記変形部材は、前記陽極部材に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線発生装置。
4. 前記変形部材は、前記Ｘ線発生管の周方向において、連続的に全周にわたって配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線発生装置。
5. 前記変形部材は、弾性変形或いは塑性変形することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線発生装置。
6. 前記変形部材のヤング率は、０．００１ＧＰａ以上１３０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生装置。
7. 前記変形部材のヤング率は、０．００１ＧＰａ以上０．１ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線発生装置。
8. 前記変形部材はニトリルゴムであることを特徴とする請求項７に記載のＸ線発生装置。
9. 前記収納容器の内部の余空間に絶縁性液体が充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＸ線発生装置。
10. 前記収納容器に生じる変形が伝わって前記陽極部材に生じる変形が低減されるように、前記Ｘ線発生管が前記変形部材を介して前記収納容器に支持されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＸ線発生装置。
11. 前記Ｘ線発生管は、電子源と前記電子源と接続されるとともに絶縁管を介して前記陽極部材に接続される陰極部材とを含む陰極を有し、
    前記収納容器に変形が生じた場合に、前記ターゲットと前記電子源との距離の変動が低減されるように、前記Ｘ線発生管が前記変形部材を介して前記収納容器に支持されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＸ線発生装置。
12. 前記ターゲットは、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット層と、前記ターゲット層を支持するとともに前記ターゲット層で発生したＸ線を透過する支持基板と、を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
13. 前記支持基板は、外周において、前記陽極部材に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のＸ線発生装置。
    発生装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線発生装置と、
    前記Ｘ線発生装置から放出され、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装置と、を備えたことを特徴とするＸ線撮影システム。

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