JP2012256441A - Ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】電子通過孔１１１を介して電子線をターゲット１０８へと通過させるＸ線遮蔽部材１１０を有するＸ線管について、電子線照射による脱離現象によりターゲット１０８から電子通過孔１１１内に生じるガス分子に電子が衝突することで生じる陽イオンがカソード１０１へと加速されて衝突することによるカソード１０１の劣化を軽減し、長寿命なＸ線管を提供できるようにする。
【解決手段】電子通過孔１１１のカソード１０１側の開口部とは別に、電子通過孔１１１の内外を連通させる排気路１１２を設け、電子通過孔１１１内に生じたガス分子を電子通過孔１１１外へ拡散させやすくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療用や非破壊検査用のＸ線撮影装置にＸ線源として用いられているＸ線管に関し、特にターゲットに衝突してＸ線を発生させるための電子の供給源であるカソード（陰極）の保護に関する。

一般にＸ線管は、フィラメント等のカソードから放出された電子を、直接又は制御電極によってその軌道を制御した後、アノード（陽極）とカソード間に印加された正電圧によって加速し、アノードに設置されたターゲットに衝突させてＸ線を発生させている。発生させたＸ線はＸ線窓を通して被照射体に照射される。

上記の基本的な構成を有するＸ線管のターゲットのカソード側に、Ｘ線遮蔽部材（Ｘ線・反射電子遮蔽手段）を設置することで、不要なＸ線、反射電子を遮蔽することができ、しかも放熱特性を改善することもできることが知られている（特許文献１参照）。

一方、電子がターゲットを含むアノードに衝突することでアノードを加熱して残留ガスの分子を放出させ、これに電子が衝突することで、放出されたガス分子を陽イオン化させる。そして、この陽イオンが電子とは逆にカソードに向かって加速されてカソードをスパッタし、カソードを損傷させることが知られている（特許文献２参照）。

特開２００９−２０５９９２号公報 特表２００５−５２３５５８号公報

ところで、Ｘ線遮蔽部材としては、ターゲットのカソードとの対向面側の周囲を囲んで配置され、電子通過孔を介して電子線をターゲットへと通過させるものを用いることができる。このようなＸ線遮蔽部材を設けた場合、ターゲットから発生したガス分子は、Ｘ線遮蔽部材の電子通過孔内に滞留しやすい。電子通過孔内に滞留したガス分子は、電子通過孔を通過する電子によって陽イオン化され、カソードに向かって加速され、カソードに衝突する。このイオンの衝突によってカソードは損傷を受け、電子の放出効率が低下し、アノード電流が減少し、最終的にはＸ線の発生量が低下することになる。

本発明は、電子通過孔を介して電子線をターゲットへと通過させるＸ線遮蔽部材を有するＸ線管について、寿命を向上させることを目的とする。更に詳しくは、ターゲットから電子通過孔内に生じたガス分子に起因する陽イオンがカソードへと加速されて衝突することによるカソードの劣化を軽減し、長寿命なＸ線管を提供できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、電子を放出するカソードと、放出された電子を加速するアノードと、加速された電子が衝突することによってＸ線を発生させるターゲットと、該ターゲットの前記カソードとの対向面側の周囲を囲んで配置され、電子通過孔を介して前記電子線を前記ターゲットへと通過させるＸ線遮蔽部材とを備えたＸ線管において、
前記電子通過孔の前記カソード側の開口部とは別に、前記電子通過孔の内外を連通させる排気路を有することを特徴とするＸ線管を提供するものである。

本発明によれば、電子を通過させるための、電子通過孔のカソード側の開口部とは別に、電子通過孔内外を連通させる排気路を備えている。このため、電子の衝突によってターゲットから発生したガス分子を、排気路から電子通過孔外へと迅速に拡散排出することができる。そして、この結果、電子通過孔内を通過する電子と衝突して発生する陽イオン数を減らすことができ、陽イオンの衝突によるカソードの劣化が軽減されるので、アノード電流が長期に亘って安定化した長寿命なＸ線管を提供することができる。

本発明に係るＸ線管の第一の例を示す図で、（ａ）は全体の模式的断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＸ線遮蔽部材周りの模式的拡大断面図、（ｃ）はＸ線遮蔽部材の外観斜視図である。 本発明に係るＸ線管の第二の例を示すＸ線遮蔽部材周りの模式的拡大断面図である。 スピント型コールドカソードの模式的断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に参照する図面において同じ符号は同様の構成要素を示す。まず、図１に基づいて第一の例を説明する。

図１に示すように、第一の例に係るＸ線管は、カソード１０１から放出させた電子を制御電極１０２によって制御し、所望の軌道やサイズを持つ電子線を生成する電子銃１００を備えている。カソード１０１としては、Ｗ、Ｒｅ等の高融点金属、又はそれらの表面にイットリア等を塗布したフィラメント型カソード、熱電界放出型カソード、多孔質タングステンにＢａを主成分として含浸させた含浸型カソードが適応可能である。更にスピント型、カーボンナノチューブ、表面伝導型で代表されるコールドカソード等の適応も可能である。電子銃１００は、電流／電圧導入導体１０４を通してカソード１０１を加熱する電流や制御信号が導入されるもので、気密封止されたセラミックス等の絶縁部材を介して電子銃フランジ１０３に機械的に固定されている。電子銃フランジ１０３には、製造時にＸ線管内の大気を排気するための排気管１０５と、内部を真空排気するゲッター１０５が設置さている。ゲッター１０５としては、Ｂａ等の蒸着型ゲッター又はＺｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｆｅ、Ａｌ等の金属で構成される合金からなる非蒸着型ゲッターが使用できる。なお、図において、電子銃１００から後述するターゲット１０８に向かう実線の矢印は電子線を示し、後述するＸ線窓１０９から外部に向かう破線の矢印はＸ線を示す。

電子銃１００のカソード１０１に対向してアノード１０７が配置されている。アノード１０７は金属で構成されている。アノード１０７の構成材料としては、隣接する部材との真空封止の観点からコバールが好適である。アノード１０７には、電子を加速するため、カソード１０１対して３０ｋＶ〜１５０ｋＶのプラスの電圧を外部より印加する。アノード１０７と電子銃フランジ１０３は、円筒状の絶縁体１１３で隔てられ、電気的な絶縁が保たれている。アノード１０７及び電子銃フランジ１０３と、絶縁体１１３との各境界面は真空気密接合され、アノード１０７、電子銃フランジ１０３及び絶縁体１１３の三者は真空気密が保たれた真空外囲器を形成している。絶縁体１１３の材質としては、アルミナ等のセラミックス又はガラスが好適である。尚、真空気密接合としては、絶縁体１１３にメタライズ処理を行った後の銀ロー付けが適応可能であるが、アノード１０７及び電子銃フランジ１０３を分割し、分割した其々と絶縁体１１３と銀ロー付け後、分割部で真空気密溶接を行っても良い。

アノード１０７の一部には、アノードに形成された窓穴を塞ぐように、Ｘ線を透過するＸ線窓１０９が真空気密接合されている。また、Ｘ線窓１０９のカソード１０１との対向面側にターゲット１０８が設置されている。電子銃１００を出た電子ビームは、Ｘ線窓１０９上に設置されたターゲット１０８に衝突し、エネルギーの一部をＸ線として輻射する。発生したＸ線は、Ｘ線窓１０９から外部に放射され、撮影等に用いられる。Ｘ線窓１０９の構成材料としては、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ａｌ、Ｂｅ等が使われる。ターゲット１０８は、電気的にはアノード１０７と導通しており、その材質としては、Ｗ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｅ及びそれらの合金等が好適である。本発明は、Ｘ線が、ターゲット１０８の電子の衝突面とは反対側の面から外に向かって放出される透過型のＸ線装置に対して有効である。

ターゲット１０８のカソード１０１との対向側の周囲を囲んで、Ｗ、Ｃｕ、Ｔａ等の金属で構成され、ターゲット１０８から電子と反対方向に輻射される不要Ｘ線を吸収するＸ線遮蔽部材１１０が設置されている。Ｘ線遮蔽部材１１０は、電子線をターゲット１０８へと通過させる電子通過孔１１１を備えた筒状をなしている。また、Ｘ線遮蔽部材１１０の周壁を貫通する貫通孔として、排気路１１２が形成されている。排気路１１２は、電子通過孔１１１のカソード１０１側の開口部とは別に、電子通過孔１１１の内外を連通させている。排気路１１２として形成された貫通孔は、ターゲット１０８への電子の衝突位置からこの貫通孔を通る総ての直線が当該貫通孔の内壁面と交差するように形成されていることが好ましい。このような貫通孔として排気路１１２を形成することで、不要なＸ線や反射電子が排気路１１２を介してＸ線遮蔽部材１１０の外へ漏洩することを防止することができる。

上記Ｘ線管において、電子銃１００よって生成した電子線を、アノード１０７に印加した電圧によって加速し、ターゲット１０８に衝突させ、所望のＸ線を放射させる。それと同時に、電子照射による脱離現象によって、ターゲット１０８から電子通過孔１１１の空間にガスが放出される。このガスは、排気路１１２を通して電子通過孔１１１の空間から外部へ拡散排気されるため、排気路１１２がない時に比べて電子通過孔１１１内の圧力が低下する。排気路１１２の孔径は、小さくともそれ相応の電子通過孔１１１の空間圧力を低減効果はある。しかし、排気路１１２の孔径は、電子通過孔１１１のコンダクタンス（ガスの流れやすさを示す係数）に比べ、排気路１１２のコンダクタンスが概ね半分以上となる径であることが好ましい。排気路１１２を設けておくことにより、電子通過孔１１１内の圧力が低下し、電子通過孔１１１内を走行する電子と衝突して発生する正イオンも減少する。正イオンは、アノード１０７に印加された正電圧によって電子と逆方向にカソード１０１に向かって加速され、最終的にカソード１０１に衝突するが、カソード１０１に衝突する正イオンも当然減少する。その結果、正イオンの衝突によるカソード１０１の損傷が軽減されて、電子の放出効率の低下を抑制することができ、電子ビームを構成する電子即ちアノード電流も減少せず、最終的に放射するＸ線量は長時間に亘って減少せずに維持される。尚、発生したガスは最終的にはゲッター１０５に吸着されて除去される。

Ｘ線遮蔽部材１１０は、少なくとも電子通過孔１１１の内壁面が導電性材料で構成されており、該内壁面をアノード１０７と同電位に制御可能となっていることが好ましい。本例のＸ線遮蔽部材１１０は、金属から成る導電性部材で構成され、アノード１０７と接続された状態で取り付けられているので、全体がアノード１０７と同電位になっている。電子通過孔１１１の内壁面アノード１０７と同電位になっていると、電子通過孔１１１内の電界をゼロにすることができる。このため、前述のようにして電子通過孔１１１内で発生した正イオンはどの方向にも加速されることがなくなる。電子通過孔１１１内で発生した正イオンがカソード１０１に衝突する場合でも、拡散によってのみ電子線通過孔１１１を出て衝突するだけであるので、より大きなカソード１０１の損傷低減効果を得ることができる。また、Ｘ線遮蔽部材１１０の少なくとも内壁面と、アノード１０７を接地しておくと、上記利益を容易に得られるので好ましい。

次に、第二の例について図２を参照して説明する。図２において、Ｘ線遮蔽部材２０１は、前記第一の例におけるＸ線遮蔽部材１１０と同様に、電子線をターゲット１０８へと通過させる電子通過孔１１１を備え、前記第一の例におけるＸ線遮蔽部材１１０と同様の材料で形成されている。本第二の例におけるＸ線遮蔽部材２０１の排気路２０２は、第一の例におけるＸ線遮蔽部材１１０の周壁を貫通する貫通孔ではなく、Ｘ線遮蔽部材２０１のアノード１０７との対向側の端部周囲の隙間として形成されている。具体的には、アノード１０７に、Ｘ線遮蔽部材２０１の径より大きな窓穴を形成し、Ｘ線遮蔽部材２０１のアノード１０７との対向側の端部と、アノード１０７及びターゲット１０８との間に隙間を形成してある。そして、この隙間が電子通過孔１１１のアノード１０７側の開口部を電子通過孔１１１の外部と連通させる排気路２０２となっている。

本例においても、電子銃１００（図１参照）で発生させた電子線をアノード１０７に電圧を印加して加速し、ターゲット１０８に衝突させてＸ線を発生させると、電子照射脱離現象によりターゲット１０８から電子通過孔１１１の空間にガスが放出される。本例におけるこのガスは、ターゲット１０８及びアノード１０７と、Ｘ線遮蔽部材２０１の端部との間の隙間である排気路２０２を通して、電子通過孔１１１の内部空間から外部へ排気される。そして、第一の例での説明と同様にして、カソード１０１から放出される電子の減少を抑制でき、最終的に放射するＸ線量を長時間に亘って良好な状態に維持することが可能となる。

本例においては、Ｘ線遮蔽部材２０１の周囲（窓穴周囲）のアノード１０７上に、環状の補助Ｘ線遮蔽部材２０３を設けておくことが好ましい。補助Ｘ線遮蔽部材２０３は、Ｘ線遮蔽部材２０１と同様に、Ｗ、Ｃｕ、Ｔａ等の不要電子やＸ線を吸収できる材料で構成されている。この補助線遮蔽部材２０３を設けることにより、上記排気路２０２として設ける隙間を広げた場合にも不要なＸ線や反射電子の漏洩を防止することが可能となる。

尚、Ｘ線遮蔽部材２０１の支持は、例えばアノード１０７上に立てた支柱に保持させること等で行うことができる。また、この支柱を介してアノード１０７とＸ線遮蔽部材２０１を電気的に接続することで、電子通過孔１１１の内壁面とアノード１０７とを同電位とすることもできる。

また、図１の第一の例における排気路１１２と、図２の第二の例における排気路２０２の両者を備えたＸ線管とすることで、電子通過孔１１１内のガス分子を更に電子通過孔１１１外へ放出させやすくすることもできる。

（実施例１）
図１に示した構成のＸ線管を以下のようにして作製した。

カソード１０１としては、多孔質タングステンにＢａ化合物を含浸させた含浸型を用い、φ２ｍｍの開口を持つ制御電極１０２と共に電子銃１００を形成した。電流／電圧導入導体１０４及び、電子銃フランジ１０３はコバール製である。ゲッター１０５は、サエス・ゲッターズ・エス・ピー・エー製の「ＳＴ１７２」を使った。アノード１０７はコバール製で、Ｘ線窓１０９は厚さ１ｍｍのダイヤモンドで、ターゲット１０８はスパッタ法で成膜した厚さ１０μｍのタングステンである。

Ｘ線遮蔽部材１１０は、タングステン製の１０ｍｍφ×１５ｍｍの円筒形で、その円筒軸の中心に２ｍｍφの電子通過孔１１１をあけ、円柱軸と直角方向に４ｍｍφの貫通孔を排気路１１２として８ヶ所形成した。排気路１１２としての貫通孔は、いずれも外側の開口部が、電子線の衝突位置であるターゲット１０８の中心位置から直視できない位置と角度で形成した。本実施例における外部空間とのコンダクタンスは、排気路１１２がない場合に比べて２桁以上大きくなった。

アノード１０７と絶縁体１０３は銀ロー付けと溶接を行い、最終的に電子銃フランジ１０３、絶縁体１１３と共に真空気密な外囲器を形成した。上述したＸ線管の銅製の排気管１０６を真空排気系（不図示）に接続後真空排気しながら全体を４００℃にベーキングした後、ゲッター１０５を通電活性化し、その後カソード１０１を活性化した。最終的に排気管１０６を圧着封止し、動作可能なＸ線管を作製した。その後本Ｘ線管の電子銃１００及びアノード１０７と、外部の駆動電源（不図示）との電気的な接続を行った。絶縁油による放電耐圧向上と冷却を行い、アノード電圧として８０ｋＶを印加し、制御電極１０２にパルス幅５ｍｓ、繰り返し周波数１０Ｈｚのパルスを印加し、アノード１０７に１０ｍＡの電流を流し、Ｘ線量の経時変化を測定した。その結果、１０００時間後Ｘ線量は初期に比べに比１０％減少し、その減少率は仕様値以下であった。

（比較例１１）
比較例１として、実施例１と同じＸ線遮蔽部材１１０であるが、排気孔１１２を開けず、それ以外は実施例１と全く同様に作製し、同一の測定条件で発生させたＸ線量の経時変化を測定した。その結果、１０００時間後のＸ線量は初期に比べに比４５％減少し、実施例１に比べて減少率が大きくなった。これにより本発明の効果が確認された。

（実施例２）
実施例２として、カソード１０１として、図３に示したスピント型のコールドカソードを用い、また図２に示したＸ線発生部の構造を採用し、それら以外は実施例１と同一の部材を使ってＸ線管を作製した。図３において、３０１は不純物をドープし導電性を持たせた単結晶Ｓｉからなる基板、その上にスパッタ成膜法とリソグラフィ法によって電子を放出するコーン状のＭｏ製のエミッター３０２と、ＳｉＯ₂の絶縁層３０３とを形成した。更に絶縁層３０３の上にはエミッター３０２との間に電子の電界放出及び制御に必要な電界を発生するためのＭｏ製のゲート３０４を形成した。エミッター３０２は２ｍｍφの範囲内に１０μｍ間隔で格子状に作製し、基板３０１から切り出して電子銃１００のカソード１０１（図１参照）とした。

図２おいてＸ線遮蔽部材２０１は、１０ｍｍφ×１５ｍｍの円筒形で、その円筒軸の中心に２ｍｍφの電子通過孔１１１をあけ、ターゲット１０８から３ｍｍ離し、アノード１０７には、Ｘ線遮蔽体２０１と同軸で、２０ｍｍφ、深さ７ｍｍのザグリを入れた。このザグリにより、Ｘ線遮蔽部材２０１のアノード１０７との対向側の端部の周囲に、排気路２０２として隙間を形成した。本実施例における外部空間とのコンダクタンスは、排気路２０２がない場合に比べ２桁以上大きくなった。Ｘ線遮蔽部材２０１としてタングステンを使用した。それら以外は第１の実施例と同様に作製し、真空排気等を行い動作可能なＸ線管をとした。ゲート電極３０４にパルス幅５ｍｓ、繰り返し周波数１０Ｈｚのパルスを印加し、制御電極１０２にアノード電流として電流値１０ｍＡとなる電圧を加え、それ以外は第１の実施例と同一の測定条件でＸ線を発生させ、Ｘ線量の経時変化を測定した。その結果、１０００時間後Ｘ線量は初期に比べ１０％減少し、仕様値以下であった。

（比較例２）
比較例２として、実施例２と同じＸ線遮蔽部材１１０であるが、一方をターゲット１０８に接触させて隙間をなくし、それ以外は実施例２と全く同様に作製し、同一の測定条件で発生させたＸ線量の経時変化を測定した。その結果、１０００時間後Ｘ線量は、初期に比べて５５％減少し、実施例２に比べて減少率が大きくなった。これにより本発明の効果が確認された。

１００：電子銃、１０１：カソード、１０２：制御電極、１０３：電子銃フランジ、１０４：電流／電圧導入導体、１０５：ゲッター、１０６：排気管、１０７：アノード、１０８：ターゲット、１０９：Ｘ線窓、１１０，２０１：Ｘ線遮蔽部材、１１１：電子通過孔、１１２，２０２：排気路、２０３：補助Ｘ線遮蔽部材、１１３：絶縁体、３０１：基板、３０２：エミッター、３０３：絶縁層、３０４：ゲート

Claims (9)

1. 電子を放出するカソードと、放出された電子を加速するアノードと、加速された電子が衝突することによってＸ線を発生させるターゲットと、該ターゲットの前記カソードとの対向面側の周囲を囲んで配置され、電子通過孔を介して前記電子線を前記ターゲットへと通過させるＸ線遮蔽部材とを備えたＸ線管において、
   前記電子通過孔の前記カソードとの対向側の開口部とは別に、前記電子通過孔の内外を連通させる排気路を有することを特徴とするＸ線管。
2. 前記排気路として、前記Ｘ線遮蔽部材に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
3. 前記貫通孔が、前記ターゲットへの電子の衝突位置から前記貫通孔を通る総ての直線が前記貫通孔の内壁面と交差するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＸ線管。
4. 前記排気路として、前記Ｘ線遮蔽部材の前記アノードとの対向側の端部の周囲に隙間が形成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線管。
5. 前記Ｘ線遮蔽部材の周囲のアノードの上に補助Ｘ線遮蔽部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のＸ線管。
6. 少なくとも前記電子通過孔の内壁面が導電性材料で構成されており、該内壁面を前記アノードと同電位に制御可能となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線管。
7. 前記Ｘ線遮蔽部材の内壁面及びアノードが接地されていることを特徴とする請求項６に記載のＸ線管。
8. 前記Ｘ線が、前記ターゲットの電子の衝突面とは反対側の面から外に向かって放出される透過型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＸ線管。
9. 前記カソードがコールドカソードであ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線管。

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