JPH0254847A - 負荷に自動的に適合する可変焦点を有するｘ線管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、Ｘ線管に関するものであり、さらに詳細には
、医学の分野において使用可能で負荷に自動的に適合す
る可変焦点を有するＸ線管に関する。このタイプのＸ線
管の主要な特徴は、温度と焦点の任意の点から発生する
Ｘ線の一様性に応じて変化する放射特性がドリフトに対
して抵抗力をもつことにある。本発明は、このタイプの
Ｘ線管を改良して、アノードが過度に加熱されることに
よってＸ線管が破壊されるのを防止することを目的とす
る。

従来の技術 一般に、Ｘ線は、真空容器内で電子を原子番号の大きな
材料で製造されたターゲットに衝突させることにより発
生させる。このターゲットに衝突させるのに必要な電子
は、一般に集束部材の中に正確に配置されたカソードの
タングステン製螺旋状フィラメントから熱電子効果によ
って放出される。集束部材は、収束機能とウェーネルト
機能を担う。ターゲットは、Ｘ線管のアノードで構成さ
れている。極めて標準的なこの構成では、電・子放射部
の位置での電子の初期速度はまちまちである。

従って、電子の軌跡はランダムな構造であり、集束部材
が軌跡を直す機能を担う。しかし、この集束部材は一般
には性能が十分ではない。従って、衝突させる電子がタ
ーゲットに衝撃を与えることはなく、電子の軌跡が非常
にもつれる。その結果、Ｘ線の熱焦点のエネルギ図が良
質な像を得ることとは両立しないようなものになる。

最近の発展によると、例えば１９８５年５月３１日に出
願されたヨーロッパ特許出願第８５１０６７５３．８号
に記載されているように、もはやフィラメントでは構成
されておらず、アノードと対向した電子放出用の平坦な
面を有するストリップの一部で構成されたカソードが使
用されている。平坦な電子放出部を利用することの利点
は、既にこの特許出願よりも前に指摘されている。利点
は、電荷がターゲットに向かう間を通じであるまとまり
を維持することにある。実際、実験によると、この場合
には静電電位の分布が電荷の収束にとってより好ましい
ものになることがわかった。このようにして得られるＸ
線の焦点は、エネルギ図がほぼ一様である。これは画像
を高品質にするのに好都合である。科学文献にはこの一
般的な原理に基づいた幾つかの実験が詳しく記述されて
おり、タングステン製でストリップの形状にされた放射
部がやはり使用されている。

しかし、このようなストリップには熱機械強度に関して
系統的な問題がある。そもそも、上記のヨーロッパ特許
出願に対応する発明はこのような問題を解決するために
なされた。特に、ストリップの圧延に細心の注意を払っ
ているにもかかわらず、ストリップの内部に様々な応力
が発生し、ストリップはＸ線管の内部で連続的に加熱と
冷却を受けて波を打つ。このため、平坦な放射部を使用
することの利点が失われる。

上記の欠点に加えて、平坦な放射部においてζまたはフ
ィラメント状放射部においてさえも焦点のエネルギ図の
形状がＸ線管の負荷で°制御できないように変化すると
いう問題がある。Ｘ線管の負荷はＸ線の放射量に対応す
る。この放射量は、カソード内の熱電子効果の大きさと
関係しており、熱電子効果は加熱されるカソードの温度
と結びついている。ところで、Ｘ線管の負荷を調整する
ためにＸ線装置にはますます多くの制御装置が取り付け
られるようになっている。検査される患者のＸ線吸収係
数を考慮して、この制御装置は、患者を通過するＸ線が
最小になるように動作する。もちろん、この制御装置は
カソードの加熱回路にも作用を及ぼす。アノードとカソ
ードの間の高電圧に対してこの制御を行うと使用するＸ
線の硬さが検査中に変化するため、この制御方法は放棄
されている。

Ｘ線管の負荷の変更が焦点のエネルギ分布に影響を及ぼ
さないということはない。実際、多数の効果が現れる。

特に、Ｘ線管の負荷が変化すると、アノードの幾つかの
位置でのエネルギ密度がこのアノードが耐えることので
きる熱密度を越える場合がある。この場合、アノードが
破壊される可能性がある。熱焦点の有効面が膨張と収縮
をする現象は、電荷がターゲットに衝突する前に運ぶこ
とになる空間電荷が存在していることに起因する。

この空間電荷の大きさをカソードから電子を引き出すの
に必要とされる高電圧と関係付けることも必要である。

空間電荷に応じて集束部材の機能を変化させ、例えば焦
点の熱密度が急激にあまりに大きくなって破壊効果が現
れるのを制限することが考えられる。現在の技術では実
現不可能なこのような制御システム、が複雑であること
は別にして、この制御システムによって焦点の熱密度が
熱ドリフトすることが可能なようにする必要があろう。

この方法は不可能である。従って、現在の技術では、Ｘ
線管の負荷を調整すると自動的にＸ線の照射状態が変化
し、従って得られる画像の質が変化する。結局、空間電
荷とくＸ線管の負荷の）高電圧が合わさった効果が雑多
な性質をもつため、少なくとも幾つかの放射特性を負荷
に関係なく制御できるようなＸ線管を得ることはできな
い。

発明が解決しようとする課題 本発明は、上記の波打ちの問題を解決することができる
機械的な堅固さをもつ平坦な放射部を提供することによ
り上記の問題点を解決することを目的とする。

課題を解決するための手段 Ｘ線管の負荷によって焦点に沿って熱密度が変化する問
題、またはこの焦点の大きさが変化する問題に対する解
決法は、いわゆる階段状集束部材の中にカソード面を設
けることによりもたらされる。実際、この場合には、こ
の焦点の特性が自動的に調整されることがわかった。そ
こで、階段状集束部材の特殊な１つの幾何学的形状に対
して、焦点の熱密度を常に一定の１つの値にすることが
できる。この方法の利点は、アノードとカソードの間の
高電圧の広い範囲にこの方法を適用することができるた
めに同一のＸ線管を複数の用途に使用できる点である。

熱密度を制御でき、従って負荷によりサイズを変えるこ
とのできる焦点が得られるという利点があるために、ユ
ーザーは同一のＸ線管を用いてサイズの異なる多数の焦
点を利用することができる。

実際、小さな焦点を用いて実現されるネガは少ないＸ線
放射量で形成され、ユーザーがより大きな焦点を用いる
場合にはより大きなパワーが必要とされる。従って、本
発明は、調整して連続的にサイズを変えることが可能な
焦点をもち、熱流がターゲット上で一定となるＸ線管を
ユーザーに提供する。使用の際の制御は簡単に実行でき
る。

そこで、本発明によれば、カソードと、このカソードと
対向する位置にあってＸ線を放射するアノードとを備え
る熱流制限式Ｘ線管であって、上記カソードが平坦なカ
ソードであり、このカソードが階段状の集束装置の基台
に取り付けられていることを特徴とするＸ線管が提供さ
れる。

本発明は、以下の説明と添付の図面を参照することによ
りさらによく理解できよう。なお、図面は単に実施例を
示したものであって、本発明を限定することはない。

実施例 第１図には本発明のＸ線管の概略が図示されている。こ
のＸ線管は、真空容器（図示せず）内にアノード２と対
向する位置に配置されたカソード１を備えている。アノ
ードは、焦点４に電子線３を受け、Ｘ線５を特に取り出
し窓６の方向に放射する。取り出し窓はＸ線管のエンベ
ロープの一部を構成し２ている。本発明によれば、カソ
ードは、アノード２に対して平坦面７が対向していると
いろ特徴を有する。別の特徴は、この平坦面がいわゆる
階段状光学的集束装置８に挿入されていることにある。

この階段状光学的集束装置は、電子線３が収束されるよ
うに電場をアノードとカソードの間に分布させることを
目的とする。２種類の収束電子線を区別することができ
る。第１のタイプが第１図に示されており、電子の収束
点がアノード面の後ろ側に位置する。すなわちこの収束
点は仮想点である。この場合、電子線は直接電子線と呼
ばれる。交差電子線と呼ばれる第２のタイプでは、電子
の収束点はカソードの平坦面７とアノード２の間に位置
する。この収束点は実在の点である。

集束装置８は１段のものにすることも可能であるが、こ
こでは２段にすることが望ましいことがわかった。集束
装置８は柱体であり、第１図にはその断面が示されてい
る。集束装置８は、カソード１の両側に対称に配置され
た２つの段９．９′と１Ｏ１１０゛を備えている。各々
は上［１ｊ９１または１０１（９１゛、１０１’）と、
側面９２または１０２　（９２’、１０２’　）とを備
えている。好ましい実施例では、カソード１の平坦面７
はアノード２の面４から約７．５ｍｍ離れている。段９
．９゛の上面９１．９１゛は、ア、／−ドから約７ｍｍ
離れている。上面１０１．１０１°のほうは、アノード
２の面から約５ｍｍ離れている。カソード１の幅は、柱
体である集束装置８の断面で測定して２ｍｍである。集
束装置８の内側にあってこのカソードが配置されること
になる凹部１１の幅は２．２ｍｍである。側面９２と９
２″　を隔てる距離は４ｍｍであり、側面１０２と１０
２′を隔てる距離は５ｍｍである。

従って、側面は、幅がそれぞれ４ｍｍと５ｍｍのく用語
の理論的な意味で）平行六面体状の円筒に押し付けられ
ると考えることができる。集束装置８は、形状が、図面
の平面に垂直で電子線の軸線１２を通過する平面に対し
て対称であることが好ましい。

しかし、別の例では、全体を柱体にするよりは円形にす
るとともに、軸線１２をカソードおよび集束装置の回転
軸線にすることができる。アノード２は回転アノードに
することが可能であり、アノード面が軸線１２に対して
傾斜しているようにすることさえできる。この場合、上
記の距離は、カソードの平坦面７と軸線１２がアノード
２上で交わる点との間でこの軸線１２に沿って測定され
た距離である。

上記の数値にすると、所定の使用高電圧において熱流Ｆ
ＴがＸ線管の負荷りの関数としてほぼ一定になるという
利点がある。実際、第２図のグラフには、高電圧２０ｋ
　Ｖ、　４０ｋ　Ｖ、　５０ｋ　Ｖをそれぞれパラメー
タにした３本の曲線１３〜１５が描かれている。使用負
荷の範囲が１５０ｍＡ〜５００ｍＡでは曲線がほぼ平坦
になっている。熱流の単位はｋＷ／ｍｍ”である。本実
施例では、熱流は常に５ＱｋＷ／ｍｍ２よりも少なく、
最大の使用高電圧でもそのことに変わりはない。熱流が
負荷の関数として平坦になるということは、単に、熱焦
点のサイズ１６が負荷とともに直線的に変化しているこ
とを意味する。実際、負荷が大きくなって例えば２倍に
なると、サイズ１６が大きくなり、放射されるＸ線のパ
ワーも大きくなってやはり２倍になる。この場合にも熱
流は一定に保たれるため、アノード上で熱応力が局所的
に異常になることがない。負荷の増加によって電子線３
が横に矢印１７．１８の方向に離れる。電子線はますま
す直接的になる。

この方法の利点は、負荷が変化したときに焦点のサイズ
が変化するにもかかわらず、焦点のサイズを簡単に選択
できることである。実際、曲線１３〜１５は規則的であ
り、波状にはなっていない。従って、特に、計測におい
てＸ線の線量の問題が重要である場合や、医学において
照射限界を越えていない場合に、生成させる画像の鮮明
度に応じて焦点のサイズを望みの値に選択する。以上、
焦点のサイズを簡単に適切な値に調整する方法を説明し
た。

好ましい実施例では、カソード１が、第３図の斜視図に
示されＣいろよさにビーム材の形状となっｒい る。このビームｔオは中空の柱で、乞り、はぼ家の形状
をしてい６．１この家は、ここでは、一方の壁を下にし て横たわっている。家の土台はカソードの放射面７を構
成する。家の壁、例えば壁２３には窓、例えば窓２４が
設けられている。中空のビーム材を製造することの利点
は、加熱する金属の量を減らすことにある。さらに、ビ
・−ム材の構造にすることによりこのカソードが機械的
に堅固になりカソードが波打つ現象が回避される。加熱
する金属の量が少なくなっているため、カソードの熱慣
性が小さくなり、Ｘ線管の始動が早くなる。さらに、カ
ソードを加熱するのに消費する電力を減らすことができ
る。これは、カソードの加熱回路において必ず直面する
断熱の問題があるだけに利点となる。

電流をカソードに直接流すことによりこのカソードを加
熱することができるとはいえ、例えば従来から放射部で
使用されている加熱用フィラメントと同じタイプの加熱
用フィラメント２５を使用するほうが好ま１２いっこの
フィン２ノント２５は１、カソード１に対して負にバイ
アスされろ（数１０００ボルト）。好ましい実施例では
、ビーム材の形状のカソードをタングステンで製造する
。カソードを加熱するために供給する熱エネルギの量も
制限するために、天井２６とカソードの壁の内側に断熱
性ファイバ東２７を取り付ける。このためへ、カソード
の放射部が集中的に加熱される。−例を挙げると、ファ
イバは、家の内側側壁の断熱性を優れたものにすること
のできるセラミックファイバである。

加熱用フィラメントから放出される電子は、電気力線２
８で示されているようにカソード７の後部にしか衝突し
ない。この衝突は、前方の壁に限定される。

さらに、この前方の壁は凹形状である。好まし２い実施
例では、この凹形状は、カソード７の側部２９と３０の
内面３１と３２がこのカソードの中央位置３３における
よりも７１イラメント２５に近くなるような凹形、状に
することさえ可能である。このようにしで、より厚いと
同時により加熱しにくいと思われる側部を余計に加熱し
て、ビーム材の前面があらゆる点でほぼ一定の温、りと
なるようにすることができる。このようにして、必要な
ｉ子線をほぼ一定の割合で放出させる。

本発明のビー・ム材は放射面７がもはや加熱の効果によ
って変形しないという利点を有するが、膨張はするので
、それを打ち消すことなくガイドすることが好ましい。

この目的で、カソードは、いわば家の煙突を構成する単
一の突起部３４によって固定されている。固定は、この
突起部３４を２本のボルト３５と３６の間で締めつける
方法によることが好ましい。１点での固定を行うこの方
法には、カソードに望みのあらゆる自由度が残されると
いう利点がある。特に、２点固定方式ではこれら２点の
間の反作用が必然的に放射面７の平坦度に反映するとい
う欠点があるため、１点での固定方式のほうが好ましい
。温度変化によ、ってカソードが変位するのをガイドす
るため、このカソードの壁は、このカソードを両側から
押さえるセラＳ−／り製の止め具３７と３８によって収
束装置８内に保持される。

このようにすると、悪影響のある屈曲現象や振動現象を
完全に回避して放射部を集束装置内で正確に位置決めす
ることができる。止め具があるために、放射部は最も長
い方向に熱膨張することができる一方、横方向が基準位
置に維持される。実際には、カソードへの電力の供給は
ボルト３５または３６に高電圧を印加することにより実
現される。場合によっては集束装置をカソードとは電気
的に絶縁することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＸ線管の断面の概略図である。 第２図は、第１図のＸ線管のエネルギ図である。 第３図は、本発明の平坦なカソードの実施例の斜視図で
ある。 第４図は、第３図のカソードの断面図である。 （主な参照番号） １・　・カソード、　　　　２・　・アメード、３・・
電子線、　　　　４・・焦点、 ５・・Ｘ線、　　　　　６・・取り出し窓、７・・平坦
面（放射面）、 ８・・集束装置、　　　９．９’、１０．１０′・・段
、１１・・凹部、　　　　　１２・・軸線、２３・・壁
、　　　　　　２４・・窓、２５・・加熱用フィラメン
ト、 ２６・・天井、　　　　　２７・・ファイバ東、２８・
・電気力線、　　　２９．３０・・側部、３１．３２・
・内面、　　　３３・・中央位置、３４・・突起部、 ３７．３８・・止め具、 ９１．９１′、１０１．１０１′・・上面、９２．９２
°、１０２．１０２゛・・側面３５．３６・

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）カソードと、このカソードと対向する位置にあっ
   てＸ線を放射するアノードとを備える熱流制限式Ｘ線管
   であって、 −上記カソードが平坦なカソードであり、 −このカソードが階段状の集束装置の基台に取り付けら
   れていることを特徴とするＸ線管。
2. （２）上記集束装置が、電子線の照射が直接的であるよ
   うな形状に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. （３）上記集束装置が２つの段を有することを特徴とす
   る請求項１に記載のＸ線管。
4. （４）−上記カソードの面が上記アノードから約７．５
   ｍｍ離れており、 −上記集束装置が、上記カソードの面と共通で幅が約４
   ｍｍの円筒によって限定された深い面と、 −上記アノードから約７ｍｍ離れて位置し、かつ幅が約
   ５ｍｍの円筒によって限定されている中間平面と、 −上記アノードから約６ｍｍ離れて位置する上面とを備
   えることを特徴とする請求項３に記載のＸ線管。
5. （５）上記カソードがビーム材で構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。
6. （６）上記ビーム材が中空の構造であることを特徴とす
   る請求項５に記載のＸ線管。
7. （７）上記カソードが間接加熱装置によって加熱される
   ことを特徴とする請求項６に記載のＸ線管。
8. （８）上記加熱装置が、上記カソードの放射部分を集中
   的に加熱するためのファイバ束を備えることを特徴とす
   る請求項７に記載のＸ線管。
9. （９）上記カソードの平坦面の裏側である内面が凹形状
   であり、このカソードの側部がこの凹形状の内側中央部
   よりも上記加熱装置に近いことを特徴とする請求項７に
   記載のＸ線管。
10. （１０）上記ビーム材の少なくとも１つの壁面にくり抜
    きを有することを特徴とする請求項６に記載のＸ線管。
11. （１１）上記ビーム材が、唯一の固定点を通じて上記Ｘ
    線管に固定されていることを特徴とする請求項５に記載
    のＸ線管。
12. （１２）上記ビーム材が、該ビーム材のそれぞれの側で
    上記集束装置に固定されたセラミック製止め具によって
    ガイドされていることを特徴とする請求項５に記載のＸ
    線管。