JP2012234810A - Ｘ線管およびｘ線管の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転管球型Ｘ線放射器の特にビーム品質を改善する。
【解決手段】回転可能な真空容器（２）を備え、この容器（２）の内部に、電子ビームを放出する陰極（５）とこの陰極と協働する陽極（４）とが配置され、さらに、その容器（２）の外側に配置され電子ビームに影響を及ぼすために設けられた第１の４極子磁石系（８）を備えているＸ線管において、このＸ線管が、第１の４極子磁石系（８）から電子ビームのビーム方向に隔てられた第２の４極子磁石系（９）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転可能な真空容器を備え、この容器の内部に、電子ビームを放出するように構成された陰極とその陰極と協働する陽極とが配置され、その容器の外側に、電子ビームに影響を及ぼすために４極子磁石系が配置されているＸ線管に関する。更に本発明は、このようなＸ線管の動作方法に関する。

このような回転管球型Ｘ線管は、例えば特許文献１から公知である。この場合には４極子磁石系の個々のコイル要素が１つの共通な支持体上に配置されている。

４極子磁石系を有する他のＸ線管が特許文献２から公知である。この場合には４極子磁石系に加えて、これに空間的に後置接続されたコイルが設けられており、このコイルによりＸ線管の陽極上の集束点に影響を及ぼすことができる。

一般に電子源では、特にＸ線管における電子源では、電子の相互干渉が発生し、これは特に放出電子流が大きい場合に電子ビームの質を、場合によってはそれにより発生させられるＸ線の質も、著しく低下させる。

放出された電子間の反発によるＸ線管内での電子ビームの集束の重大な障害は、例えば４００ｍＡを上回る大きな管電流で、特に同時に８０ｋＶを下回る比較的低い管電圧において観察される。

独国特許出願公開第１９６３１８９９号明細書 独国特許第１９８１０３４６号明細書

本発明の課題は、回転管球型Ｘ線放射器を、上記従来技術に比べて、特にビーム品質に関して更に発展させることにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有するＸ線管によって解決される。回転管球型Ｘ線放射器として構成されたＸ線管は回転可能な真空容器を有し、その容器の内部に、電子ビームを放出するように構成された陰極とこの陰極と協働する陽極とが配置されている。容器の回転軸線がビーム方向に一致し、この方向に電子が陰極から放出される。電子ビームに影響を及ぼすために、陰極と陽極との間に好ましくは容器の外側に、２つの４極子磁石系が回転軸線を基準として軸線方向に前後して配置されている。

二重の４極子装置によって、例えば７０ｋＶの低い管電圧で同時に５５０ｍＡを上回る大きな管電流の場合でさえも、電子ビームの良好な集束を達成することができる。特に医療技術用のＸ線装置の場合には電子ビームの質が画質に決定的な影響を及ぼす。

二重４極子装置、即ち互いに隔てられた２つの同軸の４極子磁石系からなる装置による電子ビームの集束に基づいて、電子源のグリッド電圧は省略可能であり、又は精密最適化のためだけに使用される。グリッド電圧を全くなくすか又はほぼなくすことによって、従来のＸ線管に比べて幅広の電子ビームが生じ、このことが電子の相互干渉を比較的少なくする。従って、大きな電子流、即ち大きな管電流の場合でさえ僅かな空間電荷しか生じない。電子は、幅広のビームにて、容器の回転軸線に対して平行に、従って４極子磁石系の磁石軸線に対して平行に飛行し、これは４極子磁石系による効果的な集束のための最適条件である。従って、最終的に電子は陽極上の明確に規定された集束点に当たり、これによりそこで発生されるＸ線の高い幾何学的品質が生じる。

２つの４極子磁石系は容器の回転軸線に関して互いにねじられて（回転移動した位置に）配置されているとよい。即ち２つの４極子磁石系のコイルが互いにねじられて配置されているか、もしくは２つの４極子磁石系の同じ回転角のもとに配置されたコイルの極性が逆にされているとよい。それにより２つの４極子磁石系によって異なる方向に電子ビームを制御することが的確に可能になる。

特に９０°ねじられた配置が用いられる。直列接続して互いに離間した２つの４極子磁石系を容器の回転軸線に関して互いに９０°相対的にねじって（回転移動した位置に）配置することによって、的確に電子ビームの幅および高さに影響を及ぼすことができる。電子ビームの用語「幅」および「高さ」は、Ｘ線管の空間的配置に関係せず、容器の回転軸線に対して直角でありかつ互いに直角である２つの幾何学的な軸線に関係する。

好ましい実施形態によれば、両４極子磁石系が同一寸法を有する。しかし、両４極子磁石系が異なる寸法を有する実施形態も、例えば陽極の近くに配置された４極子磁石系が陰極の近くに配置された４極子磁石系よりも大きい実施形態も実現可能である。

有利な発展形態によれば、少なくとも一方の４極子磁石系が４つの４極子コイルに加えて２つの双極子コイルを有する。従って、付加的な双極子コイルを有する磁石系は、陽極の近くに配置される４極子磁石系であっても、陰極の近くに配置される４極子磁石系であってもよい。同様に両磁石系が、常に存在する４極子コイルに加えてそれぞれ２つの双極子コイルを有するのもよい。

４極子コイルは好ましくは正方形の継鉄の各角（コーナ）に配置されていると有利である。場合によっては、付加的な双極子コイルが、それぞれ２つの４極子コイル間において、継鉄の対向位置する側面（側部）に配置されている。

陰極の電子放出源として熱電子エミッタが設けられていると有利である。従って、電子は加熱電圧による陰極の加熱によって放出される。この場合に放出された電子流は加熱電圧にもエミッタ面積にも関係する。集束特性を有する両４極子磁石系の配置によって、従来装置に比べてエミッタを大きく、即ちエミッタ面積を大きく選ぶことができるという利点が得られる。エミッタの円形表面の半径が４ｍｍ以上であるとよい。通常の半径は３ｍｍであり、円形エミッタの場合にこれはほぼ２倍のエミッタ面積拡張をもたらす。それによって動作中に、同じ大きさの放出電子流の場合には加熱電力を減らすことができ、それによってエミッタの寿命を明白に延ばすことができる。逆に、同時に同等の又は通常よりも低い加熱温度で高い放出電子流を達成することもできる。

二重４極子装置による集束の更に別の格別な利点は、電子ビームの集束を専らこの二重４極子装置を介して行なうことができ、好ましくはこの二重４極子装置を介しても行なうことができることにある。従って、陰極には、いわゆるグリッド電圧又はゲート電圧を印加しなければならない付加的な集束電極が設けられていない。今日使用されているＸ線管の場合、このグリッド電圧は動作状態に応じて（陰極電位を基準として）１０００Ｖまでの範囲にある。これは、相応に費用をかけて構成した電子制御装置を設けなければならないことを意味する。しかし、この比較的高いグリッド電圧の場合にはいつもアーチファクト又はフラッシュオーバが発生し、これは発生されるＸ線の質およびそれにともなう医用画像作成の質に不利な影響を及ぼす。従って、この種の集束電極が省略されると有利である。それによって更に、二重４極子装置へ入る電子ビームをできるだけ平行にすることができるという利点が得られる。高い平行性によって、４極子系により非常に効果的な集束および偏向が保証されている。

エミッタの縁領域から、平行なビーム方向から強くはずれた電子が出射する。従って、精密最適化の意図で、有利な構成にて精密集束だけが行われる。このために、エミッタに直接に付設されたいわゆる焦点ヘッドに、陰極電位を基準としてとりわけ５０Ｖだけの僅かの電圧が印加される。この電圧は比較的簡単な手段にて発生可能であるので、全体として制御電子装置が簡単に構成されている。

更に、前記課題は請求項９記載のＸ線管の動作方法によって解決される。この方法の好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。全体として、従来技術に比べて拡張された熱電子エミッタと共にここに記載されている構成、特に両４極子磁石系の組合せによって、例えば約７０ｋＶという比較的僅かな管電圧でしかも同時に例えば１５００ｍＡという大きな管電流においてＸ線管の動作が達成される。この方法を実施すべく全体として制御装置が適切に構成されている。

以下において本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。

図１は回転管球型Ｘ線放射器の概略側面図を示す。 図２は図１によるＸ線放射器の１つの４極子磁石系の第１の実施例の断面図を示す。 図３は図１によるＸ線放射器の１つの４極子磁石系の第２の実施例の断面図を示す。

全体として参照符号１にて示す回転管球型Ｘ線放射器（略してＸ線管とも称する）は、回転管球とも称する真空容器２を有する。このＸ線管１の原理動作については冒頭に引用した従来技術（特許文献１および特許文献２）に示されている。

容器２内には一方側に電子源３が、他方側に円盤状の陽極４が配置されている。電子源３はエミッタとしての陰極５と、焦点ヘッド６とを有する。陰極５から出発する電子ビームの方向は、最初は容器２の回転軸線の位置と一致している。容器２を回転させる駆動装置は図１に示されていない。

容器２の回転軸線を基準として電子源３に比べて著しく大きい半径方向の広がりを持つ陽極４に向かって、容器２は漏斗状の拡張部７を有する。電子源３と拡張部７との間の領域において、容器２は第１の４極子磁石系８と第２の４極子磁石系９とによって取り囲まれている。各４極子磁石系８，９の対称軸線は容器２の回転軸線と一致している。容器２と違って４極子磁石系８，９は回転しない。

第１の４極子磁石系８は電子ビームに対して例えば主として水平方向に影響を及ぼすのに対して、第２の４極子磁石系９はこの例によれば電子ビームに対して主として垂直方向に影響を及ぼすために使用されている。エミッタ５から出発して陽極４に当たる電子ビームが図１に矢印で示されている。

両４極子磁石系８，９は同一に構成されかつ設計されており、また同軸であるが互いに９０°ねじられて配置されている。両４極子磁石系８，９間の間隔は、各両４極子磁石系８，９の軸線方向に、即ち容器２の回転軸線の方向に測った厚さに少なくとも相当する。４極子磁石系８，９からなる装置の全長、即ち軸線方向に測った広がりは、４極子磁石系８，９の半径方向の最大の広がりよりも少ない。

４極子磁石系８，９の可能な実施形態を図２および図３に示す。各実施形態は、陰極５に近い側に配置された第１の磁石系８としても、陽極４に近い側に配置された第２の磁石系としても使用することができる。

図２において、この実施例では各角にそれぞれ対角線方向に内側に向けられた継鉄突出部１１を有する正方形の枠体状の継鉄１０が認識できる。これらの継鉄突出部１１のそれぞれの上には４極子コイル１２、１３があり、図示の極性は模範例とみなすべきである。例えば第１の４極子磁石系８が図２による極性を有するのに対して、第２の４極子磁石系９ではその極性が逆にされていて、これは上述の両４極子磁石系８，９の互いの９０°のねじりと同じことを意味する。

図３による配置では、４極子コイル１２，１３に加えて、２つの双極子コイル１４，１５が継鉄１０上に、即ち枠体状継鉄１０の４つの側面部１６のうちの１つにそれぞれ配置されている。図示の実施例の代わりに側面部１６が湾曲状に構成されていてもよい。側面部１６によって形成された枠体の内部に４極子コイル１２，１３を配置し、この枠体の上に双極子コイル１４，１５を配置することによって、容器２の回転軸線からの隔たりに関して、４極子コイル１２，１３の方が双極子コイル１４，１５の方よりも少ない。

Ｘ線管の動作は、図１に概略的に示された制御装置１８により制御される。４極子磁石系８，９により動作するＸ線管１は、例えば７０ｋＶの低い管電圧、即ち陰極５と陽極４との間の電圧で、例えば１５００ｍＡの非常に大きな管電流用に設計されている。従って、このＸ線管１は患者に対して低い線量負担を有する医療技術用途に用いられる。同時に、二重にされた４極子磁石系８，９により陽極４上の集束点の鮮明さによって非常に高い画質を達成することができる。電子源３の耐久性にとって格別に有利な点は、Ｘ線管１を動作させるのに、電子源３におけるいわゆるグリッド電圧が集束目的のために必要とされず、用いられてもいないことにある。特に陰極の電子放出面が比較的大きく設計されている。従って、従来のＸ線管に比べて比較的大きな横断面積を有する電子ビームが放出される一方で、電子が焦点ヘッド６から出射した後にはじめて、直列接続されて互いに調整された４極子磁石系８，９により、格別に精密な電子集束が行なわれ、しかも４極子磁石系８，９は、単純な４極系を有する従来のＸ線管に比べて、付加的な占有スペースを必要とすることなく、容器２の円筒状部分１７を取り囲んでいる。

１ Ｘ線管（回転管球型放射器）
２ 容器
３ 電子源
４ 陽極
５ 陰極
６ 焦点ヘッド
７ 拡張部
８ 第１の４極子磁石系
９ 第１の４極子磁石系
１０ 継鉄
１１ 継鉄突出部
１２ ４極子コイル
１３ ４極子コイル
１４ 双極子コイル
１５ 双極子コイル
１６ 側面部
１７ 円筒状部分
１８ 制御装置

Claims (11)

1. 回転可能な真空容器（２）を備え、この容器（２）の内部に、電子ビームを放出する陰極（５）とこの陰極と協働する陽極（４）とが配置され、さらに、その容器（２）の外側に配置され電子ビームに影響を及ぼすために設けられた第１の４極子磁石系（８）を備えているＸ線管において、第１の４極子磁石系（８）から電子ビームのビーム方向に隔てられた第２の４極子磁石系（９）を有することを特徴とするＸ線管。
2. 第１の４極子磁石系（８）に対して第２の４極子磁石系（９）がねじられていることを特徴とする請求項１記載のＸ線管。
3. 第１の４極子磁石系（８）に対して第２の４極子磁石系（９）が９０°ねじられていることを特徴とする請求項２記載のＸ線管。
4. 両４極子磁石系（８，９）が同一の寸法を有することを特徴とする請求項３記載のＸ線管。
5. 少なくとも１つの４極子磁石系（８，９）が、４つの４極子コイル（１２，１３）に加えて２つの双極子コイル（１４，１５）を有することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のＸ線管。
6. ４極子コイル（１２，１３）が継鉄（１０）の各角にそれぞれ配置され、双極子コイル（１４，１５）がその継鉄（１０）の対向位置する側部に配置されていることを特徴とする請求項５記載のＸ線管。
7. 陰極（５）が電子放出源として熱電子エミッタを有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のＸ線管。
8. 陰極（５）における集束電極が省略されていること、および／または陰極（５）には、最大１００Ｖ、特に最大５０Ｖの微調整電位が印加可能である焦点ヘッド（６）が付設されていることを特徴とする請求項７記載のＸ線管。
9. 発生された電子ビームが両４極子磁石系（８）により集束させられることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のＸ線管の動作方法。
10. 陰極（５）における電子ビームを集束電極により予集束することが省略されていることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 陰極（５）として好ましくは８ｍｍ以上の直径を有する熱電子エミッタにより電子が放出され、陰極（５）と陽極（４）との間の約７０ｋＶの管電圧で１５００ｍＡ範囲の管電流が発生されることを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。

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