JP2015138593A - 放射線管及び放射線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射線管のターゲットと、放射線管の周囲に配置された冷却媒体とが接触することによる、ターゲット及び冷却媒体の損傷を防止する。【解決手段】 ターゲットを囲むように、前記開口部に配置され、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮蔽する遮蔽体を有する放射線管であって、前記遮蔽体は、前記ターゲットに連通する通路を有し、前記通路の端部は、蓋体により塞がれ、前記蓋体は、前記遮蔽体に圧接されて接合されていることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、医療機器分野や産業機器分野における、非破壊検査装置等に適用できる放射線管及びそれを備えた放射線発生装置に関する。

放射線管は、電子源から放出される電子を高電圧で加速してターゲットに照射することにより、放射線を発生させる。放射線の発生効率は極めて低く、投入電力の大部分はターゲットにおいて熱となる。この熱によりターゲットは高温になるため、ターゲットの熱損傷を防ぐ放熱構造が必要となる。

特許文献１では、ターゲット層を支持する透過基板に、放射線遮蔽体を接合した透過型放射線管が開示されている。遮蔽体の少なくとも一部が冷却媒体と接した構造をとることにより、ターゲットで発生した熱を遮蔽体に伝え、遮蔽体を介して冷却媒体に放熱することができる。

また、特許文献２には、ターゲット材が設置された構造物の凹部に、Ｘ線を透過する蓋を付け、凹部内を真空や不活性ガス等の非酸化雰囲気として、ターゲットの酸化を防止したターゲットアセンブリが開示されている。

特開２０１２−１２４０９９号公報 米国特許第７８３１０２１号明細書

遮蔽体の開口に蓋を接合する際に、接着剤を使用した場合は、接着剤が冷却媒体としての電気絶縁油に接触する。このとき、接着剤が絶縁油との化学反応により劣化することによって、蓋の気密性が低下する。そして、高温のターゲットと絶縁油とが接触することにより、絶縁油の劣化や変質が発生して絶縁耐圧が低下するとともに、ターゲットの酸化をもたらす。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、ターゲットに接合された遮蔽体に密閉された空間を設けた放射線管において、密閉空間の気密性低下に伴う絶縁油の劣化や変質、更にターゲットの酸化を防止することにある。

本発明の放射線管は、開口部を有する外囲器と、前記外囲器の内部に配置された電子源と、前記電子源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲットと、前記ターゲットを囲むように、前記開口部に配置され、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮蔽する遮蔽体とからなる放射線管であって、前記遮蔽体は、前記ターゲットに連通する通路を有し、前記通路の端部は、蓋体により塞がれ、前記蓋体は、前記遮蔽体に圧接されて接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷却媒体の劣化や変質を防止すると同時に、ターゲットの酸化も防止することができるため、長時間にわたり安定的に放射線出力が可能な放射線管を提供することができる。

本発明に係る放射線管の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に係るアノードの構成を模式的に示す模式図である。 本発明に係るアノードの他の構成を模式的に示す模式図である。 本発明に係る放射線発生装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に係る放射線撮影システムの構成を模式的に示すブロック図である。

本実施形態の放射線管の構成について説明する。本実施形態で用いる放射線は、Ｘ線であるが、中性子線や陽子線等の他の放射線にも適用可能である。

図１は、放射線管１の断面図、図２（ａ）は、アノード４の拡大断面図、図２（ｂ）は、アノード４を蓋体９側から見た平面図である。

放射線管１は、外囲器３の内部に電子源２を備え、外囲器３の開口部にアノード４を配設している。電子源２とアノード４とは対向配置され、両者間には、３０ｋＶ乃至１５０ｋＶの加速電圧が印加される。電子源２から放出された電子が、アノード４を構成する透過型ターゲット（以下、ターゲット）７に衝突することにより、対向面側から放射線を発生する。即ち、放射線管１は、透過型放射線管である。

電子源２としては、熱陰極型電子源、冷陰極型電子源が用いられる。電子源２は、外囲器３を貫通するように配置した端子６を介して、外部の駆動回路と電気的に接続され、電子放出量及び電子放出のオン・オフ状態が制御される。

アノード４は、ターゲット７と遮蔽体８と蓋体９と押え板１０から構成されている。ターゲット７は、放射線透過性の支持基板（以下、基板）７ａとターゲット層７ｂとから構成され、電子線５がターゲット層７ｂに照射されることで放射線が発生する。基板７ａは、放射線の透過性が高く、熱伝導が良く、真空封止に耐える強度を有する。基板７ａとしては、放射線の透過率がアルミニウムよりも小さく、熱伝導率がタングステンよりも大きい、ダイヤモンド、窒化アルミ、窒化ケイ素が用いられる。ダイヤモンドは、他の材料に比べて熱伝導性が極めて大きく、放射線の透過性も高く、強度も優れているので、より好ましい。基板７ａの厚さは、上記の機能を満足するように、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。

ターゲット層７ｂには、通常、原子番号２６以上の金属材料を用いることができる。より好適には、熱伝導率が大きく融点が高いものほど良い。具体的には、タングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム等の金属材料、又はこれらの合金材料を好適に用いることができる。ターゲット層７ｂの厚さは、ターゲット層７ｂへの電子の浸入長との関係から、１μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。基板７ａへのターゲット層７ｂの形成は、スパッタ、蒸着、スクリーン印刷等により行なわれる。また、別の方法としては、圧延や研磨により所定の厚さのターゲット層７ｂを別途作製し、基板７ａに高温高圧下で拡散接合することによりターゲットとすることも可能である。

遮蔽体８は、基板７ａの外周を取り囲み、放射線放出側（放射線放出管１の外側）に突出して配置される。遮蔽体８は、ターゲット７に連通する通路を有しており、通路の電子源２側の端部又は端部から所定位置にターゲット７が接合されている。また、通路の電子源２側と対向する側の端部は、蓋体９により塞がれている。ターゲット７よりも電子源２側の通路は、電子線５をターゲット層７ｂに導くための電子通過路となり、対向側は、放射線を放射線管１の外部に導くための放射線通過路となる。ターゲット層７ｂから全方位に放出される放射線のうち不要な（一部の）放射線は遮蔽体８により遮蔽される。即ち、照射領域が制限された放射線が、放射線通過路を通って、蓋体９を透過し、外部に放出される。

遮蔽体８は、また、放熱体としての機能を有する。電子線５がターゲット７に照射されることで発生した熱は、遮蔽体８を通じて外部へ放熱される。遮蔽体８を構成する材料は、放射線の遮蔽部材としての観点からは放射線の吸収率が高いものが好ましく、放熱体としての観点からは熱伝導率の高いものが好ましい。例えば、タンタル、モリブデン等の金属材料を用いることができる。また、これらの放射線吸収率の高い材料を内側に用い、熱伝導率の高い材料（例えば銅やアルミ）を外側に用いて、２層構成として通路を形成することも可能である。

遮蔽体８と基板７ａとの接合は、ろう付け等により行なわれる。接合に当たっては、外囲器３の内部を真空状態に維持できるような接合状態とすることが重要である。ターゲット７と遮蔽体と８は、基板７ａの側面部又は周縁部の少なくとも何れかで、全周にわたって気密性を保った状態で接合されている。

蓋体９は、遮蔽体８と押え板１０との間に配置され、当接部１１において、遮蔽体８と当接している。押え板１０は、蓋体９を遮蔽体８へ押し付け、当接部１１において蓋体９を圧接しており、圧接により蓋体９と遮蔽体８間の気密性が保たれる。蓋体９と遮蔽体８と基板７ａとで密閉空間を形成している。密閉空間の雰囲気は、必要に応じて、大気雰囲気、真空雰囲気、ＡｒやＮ２等の非酸化雰囲気等より適宜選択させる。蓋体９を設けることで、高温となるターゲット７を放射線管１の外部環境と分離することができる。そのため、ターゲット７へのパーティクルの付着による汚染を防ぐことができる。また、ターゲット７と冷却媒体が直接接触しないため、冷却媒体及びターゲット７の双方のダメージを防ぐことができる。蓋体９の材料としては、ダイヤモンド、ガラス、ベリリウム、アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の放射線吸収率の低い材料が好ましい。また、基板としての強度を有し、且つ放射線の吸収を少なくするため、蓋体９の厚みは、５０μｍ以上５ｍｍ以下が適当である。又、押え板１０を構成する材料は、放射線を遮蔽する材料である、タンタル、タングステン、鉛、モリブデン等の金属材料を用いることができる。

押さえ板１０を加圧することにより、蓋体９は遮蔽体８に圧接される。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、押え板１０をボルト３０にて遮蔽体８に固定し、ボルトによる加圧で蓋体９を変形させ圧接している。又、図３（ａ）に示すように、遮蔽体８に、めねじが形成され、押え板１０がおねじとして作用し、ねじ込みよる加圧で蓋体９を変形させ圧接することもできる。又、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、遮蔽体８に押え板１０をかしめて蓋体９を圧接することもできる。さらに、当接部１１に対応する遮蔽体８及び押え板１０の少なくともいずれかに、先の尖ったエッジ部が形成されていても良い。このエッジ部が蓋体９にくいこみ気密性を向上させる。

外囲器３は、ガラスやセラミックス等で構成され、放射線管１の内部は真空排気（減圧）されて、１×１０−４Ｐａ以下の真空度の空間となっている。冷陰極型電子源等の場合は、１×１０−６Ｐａ以下の真空度とするのがより好ましい。放射線管１内の真空度の維持の為に、ゲッタ（不図示）を外囲器３内部に配置してもよい。

次に、図４を用いて、本実施形態の放射線発生装置２０について説明する。放射線発生装置２０は、放射線管１と、これを内部に収容する収納容器２２とを備え、収納容器２２の余剰空間には冷却媒体として絶縁性流体２３が満たされている。また、収納容器２２には、放射線管１から放射される放射線を、外部に取り出すための放射線放出窓（以下、放出窓）２１を備えている。収納容器２２の内部には、回路基板や絶縁トランス等から構成される駆動回路２４を設けても良い。駆動回路２４から、放射線管１に放射線の発生を制御する所定の電圧信号が印加される。収納容器２２は、容器としての十分な強度を有していれば良く、金属やプラスチックス材料等から構成される。放出窓２１には、ガラス、アルミニウム、ベリリウム等が用いられる。絶縁性流体２３は、電気絶縁性が高く、冷却能力が高く、熱による変質の少ない絶縁性液体が好ましく、例えば、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイル等の電気絶縁油、ハイドロフルオロエーテル等のフッ素系の絶縁性液体が用いられる。

従来の蓋体９を接着剤にて遮蔽体８に接着する方法では、接着部に接する絶縁性流体２３として使用される電気絶縁油のケミカルアタック及びターゲットより発生する熱により接着剤劣化が進行する。結果、蓋体９と遮蔽体８間の気密性が低下してターゲット７へのパーティクル付着による汚染が生じる。また、高温となるターゲット７と電気絶縁油が直接接触し、電気絶縁油の分解が発生し、耐圧低下へと到る。本発明のように、蓋体９を当接部１１に圧接させる形態であれば、蓋の気密性も悪化しない為、電気絶縁油の劣化や変質、更にターゲットの酸化を防止することができる。

次に、図５を用いて、本実施形態に係る放射線撮影システムの構成を説明する。放射線発生装置２０は、必要に応じて、その放射線放出窓２１部分に設けられた可動絞りユニット２５を備えている。可動絞りユニット２５は、放射線発生装置２０から照射される放射線２６の照射野の広さを調整する機能を有する。また、可動絞りユニット２５として、放射線の照射野を可視光により模擬表示できる機能が付加されたものを用いることもできる。

システム制御装置３２は、放射線発生装置２０と放射線検出装置３１とを連携制御する。駆動回路２４は、システム制御装置３２による制御の下に、放射線管１に各種の制御信号を出力する。この制御信号により、放射線発生装置２０から放出される放射線２６の放出状態が制御される。放射線発生装置２０から放出された放射線２６は、被検体３４を透過して検出器３６で検出される。検出器３６は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部３５に出力する。信号処理部３５は、システム制御装置３２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３２に出力する。システム制御装置３２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置３３に画像を表示させるための表示信号を表示装置３３に出力する。表示装置３３は、表示信号に基づく画像を、被検体３４の撮影画像としてスクリーンに表示する。

放射線の代表例はＸ線であり、本発明に係る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。

（実施例１）
図１、図２に示す構成の放射線管１を作製した。作製方法を以下に示す。

ターゲット７を作製するために、直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍのディスク状（円柱状）の合成ダイヤモンド基板を基板７ａとして用意し、予め、ＵＶ−オゾンアッシャにより、表面の有機物を除去した。このダイヤモンド基板の一方の面上に、スパッタ法によりターゲット層７ｂとして直径３ｍｍ、厚さ６μｍのタングステン膜を、メタルマスクを使用して形成した。尚、タングステン膜のパターン形成は、フォトリソグラフィを使用してもよいし、印刷法等を使用してもよい。

続いて、遮蔽体８とターゲット７をろう付けにより一体化した。遮蔽体８は、材料としてタングステンを使用し、機械加工で図２（ａ）に示すような形状に加工した。また、ターゲット７には、ろう付けのために側面周囲にチタンを活性金属成分としたメタライズ層を形成した。遮蔽体８の保持部９にターゲット７と銀、銅、チタンからなるろう材をセットして、８５０℃で焼成することで一体化した。

次に、ターゲット７と一体になった遮蔽体８を、含浸型の熱陰極を有する電子源２と対向させて、電子線５がターゲット７に照射できるように位置決めし、真空封止した。この際、外囲器３内にはゲッタ（不図示）も配置した。

最後に、図２（ｂ）に示すように押え板１０を使用して遮蔽体８の放射線放出側の開口端に蓋体９を圧接した。蓋体９としては、厚さ１ｍｍで径が１６ｍｍのアルミニウム製のものを使用した。押え板１０をボルト３０にて遮蔽体８へ締込み、蓋体９を遮蔽体８との当接部１１にて圧接した。遮蔽体８の開口の内径が１２ｍｍであり、当接部１１は２ｍｍ幅で圧接した。これにより、接合材１０が蓋体９と遮蔽体８とターゲット７とにより囲まれる密閉空間に入りこむことなく蓋体９と遮蔽体８とを接合することができた。

このようにして作製した放射線管１を、図３に示す放射線発生装置２０内に電気絶縁油を封入して、長時間連続使用した場合、蓋の気密性も悪化しなかった。よって、電気絶縁油の分解が抑制され耐圧低下も発生せず安定して放射線を発生させることができた。

（実施例２）
本実施例の放射線管は、アノード部が図３（ａ）、（ｂ）に示した形状とした以外は実施例１と同様にして作製した。遮蔽体８の開口内側の径が１６ｍｍであり、開口内側にピッチ２ｍｍで、めねじを形成した。外径１６ｍｍの押え板１０側の外周部にピッチ２ｍｍで、おねじを形成した。めねじとおねじとが合わされることにより、厚さ１ｍｍで径が１６ｍｍのアルミニウム製蓋体９を厚さを０．８ｍｍまで潰して圧接した。さらに、この蓋体９と遮蔽体８の、当接部１１に対応する部分に先の尖ったエッジを形成した。本例においても、実施例１と同様に、安定して放射線を発生させることができた。

１ 放射線管
２ 電子源
３ 外囲器
７ ターゲット
８ 遮蔽体
９ 蓋体
１０ 押え板

Claims (7)

1. 開口部を有する外囲器と、
   前記外囲器の内部に配置された電子源と、
   前記電子源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲットと、
   前記ターゲットを囲むように、前記開口部に配置され、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮蔽する遮蔽体とからなる放射線管であって、
   前記遮蔽体は、前記ターゲットに連通する通路を有し、
   前記通路の端部は、蓋体により塞がれ、
   前記蓋体は、前記遮蔽体に圧接されて接合されていることを特徴とする放射線管。
2. 前記蓋体の外周部に配置された押え板を有し、
   前記蓋体は、前記押え板と前記遮蔽体との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の放射線管。
3. 前記押え板と前記遮蔽体とは、ねじ留めされていることを特徴とする請求項２記載の放射線管。
4. 前記押え板は、放射線を遮蔽する材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載の放射線管。
5. 前記遮蔽体及び前記押え板の少なくともいずれかは、前記蓋体と当接する部分に、エッジ部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の放射線管。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線管と、
   前記放射線管を内部に収容する収納容器とを備え、
   前記収納容器の内部の余剰空間が冷却媒体で満たされていることを特徴とする放射線発生装置。
7. 請求項６に記載の放射線発生装置と、
   前記放射線発生装置から放出され、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出装置と、
   前記放射線発生装置と前記放射線検出装置とを連携制御する制御装置とを備えたことを特徴とする放射線撮影システム。

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