JPH11111204A

JPH11111204A - 偏向磁場発生手段を有するｘ線管およびそのｘ線管を具備するｘ線装置

Info

Publication number: JPH11111204A
Application number: JP29055497A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tsuburaya; 喜明円谷; Keiji Koyanagi; 慶二小柳
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】フィラメントの長さ方向（焦点長さ方向）に
ついて電子ビームを偏向し陽極の熱膨張によるＸ線源の
移動を補償することができるＸ線管を提供する。【解決手段】図２はＸ線管の陰極要部の拡大図で、集
束体（９）は電磁石部（２２）とフィラメント支持部
（２３）とから成る。電磁石部（２２）は、集束体
（９）の外周部を構成し、集束溝部（２１）と共に磁路
を形成する。コイル巻部（２４）にはコイル（１０）が
巻かれ、Ｘ線管の外部に設けられた電磁石電源（２５）
より励磁電流が供給される。集束溝部（２１）には偏向
磁場が形成され、この偏向磁場強度に応じてフィラメン
ト（５）からの熱電子は焦点長さ方向に偏向される。こ
のとき、Ｘ線源の位置が熱電子の焦点長さ方向での偏向
距離に従って移動するので、コイル（１０）の励磁電流
を変えて、Ｘ線源の移動量を補償する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ線ＣＴ装置など
に使用されるＸ線管に係り、特にＸ線源（焦点）を形成
する電子ビームをＸ線管軸と直交する半径方向（焦点長
さ方向）に偏向して、Ｘ線源を移動することができるＸ
線管に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線管は、図７に示す如く、負電位を持
つ陰極１と、この陰極１に対向して配置された正電位を
持つ傘形のターゲット３と、このターゲット３に結合さ
れた筒状のロータ１２と、このロータ１２の内側に同軸
で配置された回転軸（図示せず）と、回転軸とロータ１
２の間に配設された筒状の固定部１３と、この固定部１
３と回転軸の間に配設され、回転軸を固定部１３に対し
て回転自在に支持する軸受（図示せず）とから成る陽極
２と、陰極１と陽極２とを真空気密に内部に封入する外
囲器４とで構成される。陰極１は、熱電子を放出するフ
ィラメント５と、この熱電子をターゲット３上に集束さ
せて所望のサイズのＸ線源（焦点）８を形成するための
集束溝を有する集束体６とから成る。集束体６とフィラ
メント５の一端は通常同電位に保持されている。

【０００３】Ｘ線管には、使用中陰極１と陽極２との間
に百数十ｋＶの高電圧が印加され、フィラメント５から
放出された熱電子がターゲット３のＸ線源８に衝突する
ことによりＸ線が発生すると共に、ターゲット３に熱が
発生する。この熱により、ターゲット３の全体は約１，
０００゜Ｃ程度に加熱され、同時に陽極２の各部も温度
上昇し、数１００゜Ｃに達する。この陽極２の温度上昇
により、陽極２の各部が熱膨張し、その結果ターゲット
３がＸ線管軸方向に沿って陰極側へ移動する。Ｘ線管の
負荷印加の前後において、その移動距離は、大きいもの
では５００μｍ以上にも達する。この陽極２の熱膨張に
起因するターゲット３の移動の結果、Ｘ線源８もＸ線管
軸方向に同量だけ変位することになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、Ｘ線管の
使用中にフィラメント５からの熱電子がターゲット３に
衝突することにより、衝突時に発生する熱エネルギーが
ターゲット３に蓄積され、陽極２が加熱され、陽極２全
体として陰極側に熱膨張し、その結果として、Ｘ線源８
の位置は陰極側に移動する。本来、Ｘ線源８はＸ線管の
Ｘ線放射中心にあるべきであるが、Ｘ線管の負荷印加中
にＸ線源８が陰極側に移動してしまうことにより、Ｘ線
管の放出するＸ線量分布が変動し、撮像するＸ線画像に
多大の悪影響を与える。この影響は、Ｘ線ＣＴ装置にお
いて顕著に現われ、特に小さなスライス幅で使用した場
合に画像の劣化が甚だしい。

【０００５】このＸ線源８の移動の問題に対するＸ線管
での対応策としては、Ｘ線管の陰極構造を変更してＸ線
源の移動を補償する技術が提案されている。Ｘ線源を移
動する技術としては、陰極部分に偏向電界をかけて電子
ビームを偏向する技術や複数のフィラメントを使用して
電子ビームを移動させる技術などが開示されている。

【０００６】前者の例としては、ＵＳＰＮｏ．４，６
８９，８０９号に、集束体をフィラメントの長手方向を
中心線にして両側に２つの半片集束体に分割し、かつ両
者を絶縁して、いずれか一方の半片集束体にバイアス電
圧を印加して、フィラメントの長手方向と直角方向に偏
向電界を作ることにより、フィラメントから放出された
熱電子を半片集束体の一方側に偏向する技術が開示され
ている。また、ＵＳＰＮｏ．４，２２９，６５７号に
は、陰極と陽極の中間に電子ビームを偏向する偏向電極
を陰極とは独立して設けて、フィラメントからの熱電子
を偏向する技術が開示されている。

【０００７】後者の例としては、特開平８−２７３５６
７号公報に、集束体に複数個の集束溝を設け、これらの
集束溝にフィラメント長さ方向に予め決められた間隔で
フィラメント取付位置をずらして同じ長さのフィラメン
トを平行に取り付け、各フィラメントを管軸中心に近い
ものから順次点灯を切り替えて行くことにより、ターゲ
ット上に形成されるＸ線源の位置を管軸中心から外側に
向けて移動させる技術が開示されている。

【０００８】しかし、陰極部分に電界をかけて電子ビー
ムを偏向する技術については、フィラメントの長さ方向
と垂直な方向について電子ビームを偏向するものである
ので、管軸方向のＸ線源の移動には対応できない。ま
た、複数のフィラメントを使用して電子ビームを移動さ
せる技術については、複数のフィラメントを集束体に配
置するため集束体の構造が複雑になること、フィラメン
ト加熱のためのリード線が増加するため、リード線を導
入するのに、高電圧ケーブルの端子数を増加しなければ
ならないことなどの問題点がある。

【０００９】このため、本発明では、フィラメントの長
さ方向（焦点長さ方向）について電子ビームを偏向し陽
極の熱膨張によるＸ線源の移動を補償することができる
Ｘ線管を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のＸ線管は、熱電子を放出するフィラメント
と、該フィラメントから放出された熱電子を陽極のター
ゲット上に集束する集束体とを含む陰極と、該陰極に対
向して配置され、その対向面上に前記熱電子を受けてＸ
線を放射する焦点を形成するターゲットを含む陽極と、
陰極および陽極とを真空気密に封入する外囲器とを具備
するＸ線管において、前記集束体の一部に磁路を構成
し、前記集束体のフィラメントの周辺部に前記熱電子を
偏向する偏向磁場を形成する偏向磁場発生手段を具備
し、該偏向磁場発生手段により前記フィラメントから放
出された熱電子を前記焦点の長さ方向に偏向するもので
ある（請求項１）。

【００１１】この構成では、集束体に設けた偏向磁場発
生手段により、フィラメントの周辺部に偏向磁場を形成
し、フィラメントから放出された熱電子を焦点の長さ方
向に偏向することができるので、陽極の温度上昇により
Ｘ線源（焦点）の移動距離が大きくなるのに合わせて、
偏向磁場の磁束強度を上昇させることにより熱電子の偏
向距離を大きくして、Ｘ線源（焦点）の移動を補償する
ことができる。

【００１２】本発明のＸ線装置は、上記のＸ線管および
Ｘ線制御手段を含み、前記Ｘ線制御手段が前記Ｘ線管の
動作中の焦点位置のＸ線管軸方向の変位を検出する焦点
位置移動検出手段を具備し、該焦点位置移動検出手段か
らの焦点位置移動情報に基づき前記偏向磁場発生手段に
よって発生される偏向磁場の磁場強度を調整するもので
ある（請求項２）。

【００１３】この構成では、Ｘ線装置に本発明のＸ線管
と焦点位置検出手段が適用されているので、Ｘ線管の焦
点の移動量が焦点移動量検出手段により検出されて、そ
の情報により、Ｘ線管の偏向磁場発生手段のコイルの励
磁電流を自動的に調整することができるので、Ｘ線受光
系より見た焦点の移動はなくなり、Ｘ線画像上の問題は
解決される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。図１に本発明のＸ線管の第１の実
施例の基本構成の概略図を、図２に陰極要部の拡大図
を、図３にＸ線源の移動量補償の説明図を示す。

【００１５】図１において、本実施例のＸ線管は、熱電
子を放出する陰極１と、この陰極１に対向して配置され
た陽極２と、陰極１と陽極２を真空気密に封入する外囲
器４とから構成される。陰極１は、熱電子を放出するフ
ィラメント５と、このフィラメント５からの熱電子を集
束する集束溝部２１を有する集束体９とを備え、フィラ
メント５は集束溝部２１内に取り付けられている。集束
体９は、電磁石としての構造を有し、フィラメント５の
周辺に磁場を形成し、この磁場によりフィラメント５か
らの熱電子を偏向する。集束体９の周辺の構造の詳細お
よびフィラメント５からの熱電子の偏向については後に
述べる。

【００１６】陽極２は、陰極１のフィラメント５からの
熱電子が衝突してＸ線を発生する傘形のターゲット３
と、ターゲット３を支持するロータ１２と、ロータ１２
を軸受を介して回転自在に支持する固定部１３とを具備
する。陽極２には、Ｘ線管への負荷印加中に熱が蓄積さ
れ、ターゲット３が温度上昇し、約１，０００°Ｃまで
加熱される。この熱の一部は、熱伝導によりロータ１２
や固定部１３などの陽極部材を約１００〜８００゜Ｃに
温度上昇させる。この結果、陽極部材全体として管軸方
向に熱膨張し、ターゲット３上のＸ線源（焦点）８が移
動する。このＸ線源８の移動量は大きいものでは約５０
０μｍ以上になる。

【００１７】図２は、本発明のＸ線管の陰極要部の拡大
図である。図２において、集束体９の一部が電磁石を構
成している。集束体９は集束溝部２１を有し、電磁石部
２２とフィラメント支持部２３とから構成される。電磁
石部２２は、集束体９の外周部を構成し、集束溝部２１
と共に磁路を形成する。電磁石部２２のコイル巻部２４
にはコイル１０が巻かれている。このコイル１０にはＸ
線管の外部に設けられた電磁石電源２５より励磁電流が
供給される。このコイル１０に励磁電流を供給すること
により、集束溝部２１に矢印の方向（ｘ軸方向）の偏向
磁場Ｂが形成される。この偏向磁場Ｂの磁束密度は電磁
石電源２５に含まれる電流調整器２６にて励磁電流を変
化させることにより調整される。

【００１８】フィラメント支持部２３はフィラメント５
を支持する部分であり、ステンレス鋼などの非磁性体か
ら成り、電磁石部２２の内側に嵌め込まれて固定されて
いる。フィラメント支持部２３には、フィラメント取付
穴が設けられ、セラミックスなどの耐熱性絶縁物を介し
て、ねじ止めまたはろう付けによりフィラメント５が取
り付けられている。

【００１９】電磁石部２２は純鉄などの強磁性体から成
り、コイル巻部２４はコイル１０の巻き易い形状に加工
されている。図示のものでは、板状に加工されている。
フィラメント支持部２３のコイル巻部２４に対向する部
分には凹み部２７が設けられている。コイル１０として
は、銅線などの導電性の良い金属線が用いられる。銅線
の絶縁にはセラミックスなどの耐熱性絶縁物が用いら
れ、銅線の表面にかぶせるとか、コイル巻部２４にコイ
ル１０を巻くための溝を設け、その溝に絶縁物を配設す
るとかの方法がとられる。

【００２０】図２の如く構成された陰極を有するＸ線管
において、陰極・陽極間に高電圧を印加し、コイル１０
に電磁石電源２５から励磁電流を流すと、フィラメント
５から放出された熱電子は、集束溝部２１に形成された
偏向磁場Ｂにより、フィラメント５の長さ方向（焦点長
さ方向）に偏向される。熱電子の偏向距離は偏向磁場の
磁束密度によって変化するので、電磁石電源２５からの
励磁電流の調整により熱電子の偏向距離を調整すること
ができる。

【００２１】図３は、本発明でのＸ線源の移動量補償の
原理を説明するための図である。図３においては、図２
の場合と同様、管軸方向をｚ軸、フィラメント長さ方向
をｙ軸、フィラメント長さ方向に直交する方向をｘ軸と
する。図３には、簡単のため、陰極１としてはフィラメ
ント５を、陽極２としてはターゲット３の輪郭のみを示
した。また、フィラメント５からの熱電子の偏向がフィ
ラメント５の長さ方向（ｙ軸方向）のみであるので、図
３ではＸ線管のフィラメント５の長さ方向の断面（ｙ−
ｚ平面）を示している。図３において、フィラメント５
の周辺の偏向磁場Ｂは紙面に垂直な方向（ｘ軸方向）を
向いている。

【００２２】偏向磁場が印加されていない状態で、陽極
２が冷状態のときには、ターゲット３は３ａの位置にあ
る。この状態で、Ｘ線管に負荷を印加すると、フィラメ
ント５からの熱電子は、電子軌道７ａを描いて、ターゲ
ット３ａ上に衝突し、Ｘ線源（焦点）８ａ（中心位置１
１ａ）を形成する。この時に、Ｘ線源の中心位置１１ａ
を管軸（ｚ軸）方向に投影すると、投影位置は１４ａと
なる。次に、Ｘ線管に継続して負荷印加すると、陽極２
は加熱状態となり、陽極２全体が熱膨張するため、ター
ゲット３は３ｂの位置に移動する。その結果、Ｘ線源８
ａの位置も、ターゲット３と共に移動し、Ｘ線源の中心
位置１１ａ’のｚ軸への投影位置は１４ｂに移動する。
Ｘ線源８の移動量は、上記の投影位置１４ａと１４ｂと
の間の距離で表わされ、この距離は上述の如く大きいも
のでは約５００μｍにも達する。

【００２３】本発明では、このＸ線源８の移動量を補償
するために、フィラメント５の周辺に偏向磁場Ｂを印加
している。偏向磁場Ｂをｘ軸方向に印加すると、フィラ
メント５から放出された熱電子に対し、ｙ軸方向のロー
レンツ力が働き、電子軌道は７ｂの如くｙ軸方向に曲げ
られる。従って、ターゲット３が加熱された状態で、偏
向磁場Ｂを印加すると、フィラメント５からの熱電子の
電子軌道７ｂはｙ軸方向に偏向されて加熱状態のターゲ
ット３ｂに衝突し、Ｘ線源８ｂを形成する。Ｘ線源８ｂ
の中心位置は１１ｂとなる。従って、この中心位置１１
ｂのｚ軸への投影位置１４ｂ’を投影位置１４ａに一致
するように偏向磁場Ｂの磁場強度を調整すれば、陽極の
熱膨張によるＸ線源８の移動量を補償することができ
る。

【００２４】図３において、フィラメント５から放出さ
れた熱電子１５（電荷−ｅ）がｚ軸方向に速度ｖで運動
しているときに、磁束密度Ｂの偏向磁場がｘ軸方向に印
加されると、熱電子１５は磁束密度Ｂの方向および熱電
子の運動方向に垂直なｙ軸方向にローレンツ力Ｆを受け
る。このローレンツ力Ｆは磁束密度Ｂおよび熱電子の速
度ｖに比例し、このローレンツ力Ｆにより、熱電子１５
の軌道は、７ｂの如く変化する。偏向磁場Ｂの存在領域
は集束体９の集束溝部２１の周辺のみであるので、この
領域で偏向磁場Ｂによって偏向された熱電子１５は、そ
の後、陰極−陽極間の電圧によって加速されて、ターゲ
ット３に向けてほぼ直進する。

【００２５】熱電子１５のターゲット３ｂ上での偏向距
離をｙ、偏向磁場の平均磁束密度をＢm、偏向磁場の存
在領域の長さ（ｚ軸方向）をｌ、Ｘ線管電圧をＶ₀、陰
極−陽極間の距離をＬ、電子の電荷をｅ、電子の質量を
ｍとすると、偏向距離ｙは大略式（１）にて表わすこと
ができる。

【数１】ここで、偏向磁場の存在領域の長さｌは、集束体９の集
束溝の深さｄと同等になるので、この集束溝の深さｄで
代用することも可能である。

【００２６】一例として、Ｘ線管電圧Ｖ₀を１２０ｋ
Ｖ，陰極−陽極間の距離Ｌを１６ｍｍ，集束溝の深さｄ
を４ｍｍとした場合、熱電子１５の偏向距離ｙと偏向磁
場の平均磁束密度Ｂmとの関係は式（１）より図４に示
す如くなる。すなわち、両者の関係は、直線で表わされ
る。ここで、Ｘ線管のターゲット角度を７°，ターゲッ
ト３の移動量を５００μｍとすると、このＸ線源８の移
動量を補償するために必要な熱電子１５の偏向距離ｙは
約４ｍｍとなる。この結果、偏向磁場の平均磁束密度Ｂ
mを７．３×１０‐²Ｔ（テスラ）とすれば、この時のＸ
線源８の移動を補償することができる。

【００２７】次に、Ｘ線源の移動量を検出する手段につ
いて説明する。ここでは、一例として、Ｘ線管の陽極の
熱蓄積状態と関連付けてＸ線源の移動量を把握する方法
を説明する。図５は、Ｘ線管に負荷を印加したときの経
過時間と陽極蓄積熱量およびＸ線源の移動量との関係を
示したものである。横軸は負荷印加または陽極冷却の経
過時間を、縦軸Ａは陽極蓄積熱量を、縦軸ＢはＸ線源の
移動量を示す。Ｘ線管の負荷は、グラフＡに示す如く、
陽極蓄積熱量が、最大陽極熱容量のほぼ１００％値に達
するまで印加され、その後陽極は冷却される。また、Ｘ
線管の負荷が印加されると、陽極が温度上昇し、熱膨張
するので、Ｘ線源もグラフＢに示す如く移動を開始し、
Ｘ線管の負荷が最大陽極蓄積熱量に達し、平衡状態にな
ると、Ｘ線源の移動量も平衡状態になる。冷却時には、
高温になった陽極は熱輻射により急激に温度が低下する
ため、陽極の熱膨張量が小さくなり、Ｘ線源の移動量も
小さくなる。陽極の温度が低くなると、冷却は熱伝導に
よるものが支配的になり、冷却速度が遅くなり、陽極蓄
積熱量も、Ｘ線源の移動量も徐々に小さくなる。このよ
うなＸ線管の負荷入力と陽極蓄積熱量およびＸ線源の移
動量との関係を把握しておくことにより、陽極蓄積熱量
とＸ線源の移動量との関係を、計算またはグラフなどで
求めることが可能となる。

【００２８】更に、Ｘ線源の移動量を検出する手段とし
ては、Ｘ線検出器を用いて直接測定する方法もある。こ
の方法では、Ｘ線が放射される方向の、Ｘ線源と対向す
る位置にＸ線検出器を配置し、Ｘ線源の移動によるＸ線
量分布の変化を利用して、Ｘ線量の変化を検出してＸ線
源の移動量を把握するものである。

【００２９】以上述べた如く、Ｘ線源の移動量を検出す
る手段はいくつかあるが、本発明ではこれらのうちの１
手段をＸ線管の外に設けておき、このＸ線源移動量検出
手段を使用することにより、Ｘ線管使用中のＸ線源の移
動量を求め、これをＸ線源の位置情報としてＸ線装置の
Ｘ線制御部に供給し、Ｘ線制御部に含まれる電磁石電源
２５の電流調整器２６によりＸ線管の電磁石部２２のコ
イル１０に流す励磁電流を適正値に調整する。その結
果、電磁石部２２によって形成される集束溝部２１の偏
向磁場Ｂが変化し、フィラメント５から放出される熱電
子１５の偏向距離ｙが適正値に調整され、Ｘ線源の移動
量が補償される。

【００３０】次に、集束体９の集束溝部２１の周辺に作
る偏向磁場の平均磁束密度Ｂmの制御について述べる。
集束体９のコイル巻部２２に巻かれたコイル１０に流す
電流Ｉと偏向磁場の平均磁束密度Ｂmとの間には式
（２）の関係がある。

【数２】すなわち、比例関係がある。比例定数αは集束体９の電
磁石部２２の材質，形状，コイル１０の巻数で決まる定
数である。上記の集束体９の例では、α＝２．０４×１
０‐²（Ｔ／Ａ）となる。このときの偏向磁場の平均磁
束密度Ｂmとコイルに流す電流Ｉとの関係は、図６に示
す如くなっている。

【００３１】さらに、式（２）の関係を式（１）に代入
すると、コイルに流す電流Ｉと熱電子の偏向距離ｙとの
関係は、式（３）で表わすことができる。

【数３】この式を用いることにより、偏向距離ｙに対するコイル
電流Ｉの設定が可能となり、コイル電流Ｉにより偏向距
離ｙを制御することが可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、陰
極の集束体の集束溝部にフィラメントの長さ方向（焦点
長さ方向）と直交する偏向磁場が形成され、この偏向磁
場により熱電子の軌道を焦点長さ方向に偏向でき、さら
にこの偏向磁場の磁束密度をコイル電流を調整すること
により容易に制御することができるので、Ｘ線源の移動
量を容易に補償することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＸ線管の第１の実施例の基本構成の概
略図。

【図２】陰極要部の拡大図。

【図３】Ｘ線源の移動量補償の説明図。

【図４】電子ビームの偏向量と磁束密度の関係を示す
図。

【図５】Ｘ線源移動量と陽極蓄積熱量との関係を示す
図。

【図６】電磁石コイルの電流と磁束密度の関係を示す
図。

【図７】従来のＸ線管の一例の基本構成を示す概略図。

【符号の説明】

１陰極２陽極３，３ａ，３ｂターゲット４外囲器５フィラメント６，１９集束体７，７ａ，７ｂ電子軌道８，８ａ，８ｂＸ線源（焦点）１０コイル１１ａ，１１ａ’，１１ｂＸ線源の中心位置１２ロータ１３固定部１４ａ，１４ｂ，１４ｂ’ 投影位置１５熱電子２１集束溝部２２電磁石部２３フィラメント支持部２４コイル巻部２５電磁石電源２６電流調整器２７凹み部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電子を放出するフィラメントと、該フ
ィラメントから放出された熱電子を陽極のターゲット上
に集束する集束体とを含む陰極と、該陰極に対向して配
置され、その対向面上に前記熱電子を受けてＸ線を放射
するＸ線源（以下、焦点という）を形成するターゲット
を含む陽極と、陰極および陽極とを真空気密に封入する
外囲器とを具備するＸ線管において、前記集束体の一部
に磁路を構成し、前記集束体のフィラメントの周辺部に
前記熱電子を偏向する偏向磁場を形成する偏向磁場発生
手段を具備し、該偏向磁場発生手段により前記フィラメ
ントから放出された熱電子を前記焦点の長さ方向に偏向
することを特徴とするＸ線管。
【請求項２】請求項１記載のＸ線管およびＸ線制御手
段を含むＸ線装置において、前記Ｘ線制御手段が前記Ｘ
線管の焦点位置のＸ線管軸方向の変位を検出する焦点位
置移動検出手段を具備し、該焦点位置移動検出手段から
の焦点位置移動情報に基づき前記偏向磁場発生手段によ
って発生される偏向磁場の磁場強度を調整することを特
徴とするＸ線装置。