JP2015060731A - 放射線発生管及びこれを用いた放射線発生装置、放射線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットと冷却媒体との接触によるターゲット及び冷却媒体の損傷を防止するために、ターゲットの放射線放出側に密閉空間を設けた放射線発生管において、該密閉空間を設けるために遮蔽体に蓋体を接合するために用いた接合材による放射線の線量低下及び線質汚染を防止し、長時間使用可能な高信頼性の放射線発生装置を提供する。
【解決手段】遮蔽体８の開口端において、遮蔽体８と蓋体９の少なくとも一方に突出部を設け、該突出部において他方と当接させ、該突出部の外周において、遮蔽体８と蓋体９とに挟まれた収納部に接合剤１０を配設して、遮蔽体８と蓋体９とを接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば医療機器、非破壊検査装置等に適用できる放射線発生管及びそれを備えた放射線発生装置と放射線撮影システムに関する。

放射線発生管は、電子放出源から放出される電子を高エネルギーに加速してターゲットに照射することにより、ターゲットより放射線を発生させる装置である。この時、ターゲットは高温になるため、ターゲットで発生した熱を逃がすための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、ターゲットからの放射線を外部に放出するための開口部を持った放射線遮蔽体を接合した透過型放射線発生管が開示されている。係る放射線発生管では、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で、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伝えることで速やかに放熱する構造となっている。さらに、透過基板からの冷却媒体への熱伝導による冷却媒体の劣化を抑制するために、円筒形の遮蔽体の開口部の先端に蓋基板を接合し、遮蔽体とターゲットと蓋基板とで形成される空間を真空とする、もしくは気体を充填して断熱構造とする技術が開示されている。

また、特許文献２には、Ｘ線装置において、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、該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技術が開示されている。

特開２０１２−１２４０９９号公報 米国特許第７８３１０２１号明細書

特許文献１，２に開示されたように、高温になるターゲットの放射線放出側に密閉された空間を設けることで、ターゲットによる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。しかしながら、特許文献１，２の如く、遮蔽体や凹部の開口に蓋を接合すると、接合に用いた接合材が蓋の放射線透過領域に付着する場合がある。通常、接合材としては粘度が負の温度依存性を有する材料を用いており、融点以上の高温状態になる接合時や放射線発生管の動作時の発熱により融点近くまで高温になった時に、接合箇所から流れ出してしまうからである。このように、蓋の放射線透過領域に接合材が付着すると、該接合材による放射線の吸収や接合材由来の放射線の放出により線量の低下や線質汚染を起こす恐れがあった。

本発明の課題は、上記問題に鑑み、ターゲットの放射線放出側に遮蔽体を用いて密閉された空間を設けた放射線発生管において、該空間を形成するために遮蔽体に蓋を接合するための接合材による線量低下や線質汚染を防止することにある。また、本発明は、係る課題を解決した放射線発生管を用いて、線量低下や線質汚染の防止された放射線発生装置及び放射線撮影システムを提供することを課題とする。

本発明の第１は、放射線透過性の支持基板とターゲット層とを有する透過型ターゲットと、
前記支持基板の外周を取り囲み、放射線放出側に突出する遮蔽体と、
前記遮蔽体の開口端を塞ぐ蓋体とを備え、
前記遮蔽体と蓋体とが、粘度が負の温度依存性を有する接合材により接合されている放射線発生管において、
前記遮蔽体と前記蓋体とが当接する当接部を有し、
前記当接部の外周であって、前記遮蔽体と蓋体とに挟まれた収納部に前記接合材が配設されていることを特徴とする。

本発明の第２は、上記本発明の第１の放射線発生管と、前記放射線発生管を収容し、前記放射線発生管から生じる放射線を取り出すための放出窓を有する収納容器と、を備え、前記収納容器の内部の余剰空間が絶縁性流体で満たされていることを特徴とする放射線発生装置である。

本発明の第３は、上記本発明の第２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である。

本発明によれば、高温になるターゲットの放射線放出側に密閉された空間を設けることで、ターゲットによる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。また、上記空間を密閉するための蓋体と遮蔽体との接合部位を、蓋体と遮蔽体との当接部の外周に設けたことにより、接合材による蓋体の汚染が防止され、接合材に起因する線量低下や線質汚染が防止される。よって、本発明によれば、長時間使用が可能な高い信頼性を備えた放射線発生管を提供することができ、さらに、係る放射線発生管を用いて、信頼性の高い放射線発生装置及び放射線撮影システムが提供される。

本発明の放射線発生管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 図１のアノードの拡大図及び平面模式図である。 本発明の放射線発生管における遮蔽体と蓋体との接合形態の他の例を模式的に示す模式図である。 本発明の放射線発生装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の放射線撮影装置の構成を模式的に示すブロック図である。

図１、図２を用いて本発明の放射線発生管の構成について説明する。図１は本発明の放射線発生管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。また、図２（ａ）は図１のアノード４の拡大図であり、図２（ｂ）はアノード４の蓋体９を外した状態で開口側から見た平面図である。

本発明の放射線発生管１は、開口部を備えた外囲器３の内部に電子放出源２を備え、外囲器３の開口部にアノード４を配設してなる。電子放出源２から放出された電子は、電子放出源２に対向して配置されたアノード４に印加される３０ｋＶ乃至１５０ｋＶの電圧により加速され、電子線５として、アノード４に設置されている透過型ターゲット７に衝突することで放射線を発生する。即ち、本発明の放射線発生管１は透過型放射線発生管である。

電子放出源２の電子放出機構としては、真空容器の外部から電子放出量を制御可能な電子放出源であれば良く、熱陰極型電子放出源、冷陰極型電子放出源等を適宜適用することが可能である。電子放出源２は、外囲器３を貫通するように配置した電流導入端子６を有していて、電子放出量及び電子放出のオン・オフ状態を制御するための外部の駆動回路と電気的に接続することができるようになっている。

以下、図１，図２を用いて、アノード４の構成を詳細に説明する。アノード４は、透過型ターゲット７と遮蔽体８と蓋体９と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７ａとターゲット層７ｂとから構成され、電子放出源２から射出された電子線５がターゲット７に照射されることで放射線が発生する。

支持基板７ａは、放射線の透過性が高く、熱伝導が良く、真空封止に耐える必要がある。例えば、ダイヤモンド、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミ、グラファイト、ベリリウム等を用いることができる。より好ましくは、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、窒化ケイ素が望ましい。支持基板７ａの厚さは、上記の機能を満足すれば良く、材料によって異なるが、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。特に、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、真空を保持しやすいためより優れている。

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、加速電圧によってターゲット層７ｂへの電子線５の浸入深さ、即ち放射線の発生領域が異なるため、最適な値は異なるが、１μｍ乃至１５μｍである。支持基板７ａへのターゲット層７ｂの一体化は、スパッタ、蒸着、スクリーン印刷、ジェットプリンティング等の手段により行なうことができ、ターゲットとすることができる。また、別の方法としては、別途、圧延や研磨により所定の厚さのターゲット層７ｂを作製し、支持基板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、ターゲット７の支持基板７ａの外周を取り囲み、放射線放出側（放射線発生管１の外側）に突出する部材である。即ち、遮蔽体８は両端が開口した通路を有しており、該通路の電子放出源２側の端部もしくは途中にターゲット７を設置する。遮蔽体８の通路は、ターゲット７よりも電子放出源２側においては、電子線５をターゲット層７ｂの電子線照射領域に導くための通路となり、反対側は放射線を放射線発生管１の外部に導くための通路となる。

遮蔽体８は、放射線を遮蔽する部材であり、ターゲット層７ｂから放出される放射線のうち不要な放射線は遮蔽体８により遮蔽され、必要な放射線のみが先述した通路を通って、蓋体９を透過し、放射線発生管１の外部に放出されることになる。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と更に熱伝導率の高い材料（例えば銅やアルミ）との組み合わせで構成することも可能である。

遮蔽体８へのターゲット７の設置は、ろう付け等により接合することで行なわれる。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及び遮蔽体８は、ターゲット７の支持基板７ａの側面部又は周縁部の一方もしくは両方で、全周にわたって気密性を保った状態で接合されている。

本発明においては、蓋体９を遮蔽体８の開口端に接合することにより、放射線発生管１外の原因によるターゲット７の損傷を抑制すると同時に、放射線発生管１外に充填された冷却媒体の、高温になったターゲット７による劣化や変質を防止することができる。

蓋体９は遮蔽体８の開口端に接合され、遮蔽体８とターゲット７の支持基板７ａとで密閉空間を形成している。係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することができる。蓋体９を設けることで、放射線を発生し高温となるターゲット７を放射線発生管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、また、高温になるターゲット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、蓋体の厚みは数十μｍ乃至数ｍｍ程度が適当である。

遮蔽体８と蓋体９とは、当接部１１において互いに当接しており、遮蔽体８と蓋体９とを接合する接合材１０は、該当接部１１の外周であって、遮蔽体８と蓋体９とに挟まれた収納部に配設されている。本発明においては、接合材１０を当接部１１の外周に配設したことにより、接合時や動作時に接合材１０が軟化した場合でも、ターゲット７と遮蔽体８と蓋体９とで形成される空間内に接合材１０が入り込むことを防止することができる。

本発明において、当接部１１の形態としては、遮蔽体８と蓋体９の少なくとも一方が他方に向けて突出する突出部を有し、該突出部において遮蔽体８と蓋体９とが当接する形態が挙げられる。例えば、図２（ａ）や図３（ａ）に示す形態は、遮蔽体８に蓋体９に向かって突出する突出部１２が設けられ、該突出部１２の先端が蓋体９に当接している。また、図３（ｄ）は蓋体９に遮蔽体８に向かって突出する突出部１３を設けた形態であり、該突出部１３の先端が遮蔽体８に当接している。これらの形態においては、突出部１３の側面に接して、遮蔽体８と蓋体９とに挟まれた接合材１０の収納部が形成される。

また、図３（ｂ）は遮蔽体８の開口端が、平坦な当接部１１の外周から外側に向かって、当接部１１から後退する傾斜面を形成している。従って、接合材１０の収納部は、該傾斜面によって、当接部１１の外周から外側に向かって蓋体９との間に蓋体９との距離が漸増するテーパー状を有している。図３（ｃ）は図３（ｂ）とは逆に、蓋体９が平坦な当接部１１の外周から外側に向かって当接部１１から後退する傾斜面を形成している。従って、接合材１０の収納部は、該傾斜面によって、当接部１１の外周から外側に向かって蓋体９との間に蓋体９との距離が漸増するテーパー状を有している。いずれの場合も、接合材１０は係るテーパー状の収納部において蓋体９と遮蔽体８とに挟まれており、これらを良好に接合する。尚、本発明において、蓋体９と遮蔽体８とに挟まれている収納部とは、遮蔽体８の長尺方向において、遮蔽体８と蓋体９のそれぞれの壁面が平行或いは傾斜して対向する領域を言う。

また、図２（ａ）、図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）は、いずれも遮蔽体８がターゲット７の支持基板７ａより放射線放出側にのみ突出している、即ちターゲット７が遮蔽体８の通路の電子放出源２側の開口端を塞ぐ形態である。これに対し、図３（ｂ）は遮蔽体８が電子放出源２側にも突出しており、電子放出源２から放出された電子線５をターゲット層７ｂに導く通路を有する形態である。

本発明においては、遮蔽体８の開口端において、開口部に近い側に当接部１１を有し、該当接部１１よりも外側に接合材１０が配設されている。即ち、接合材１０が軟化して流動したとしても、接合材１０は当接部１１に妨げられて遮蔽体８の開口部内に侵入することができない。よって、接合材１０の塗布時や動作時において、軟化した接合材１０が蓋体９の放射線透過領域に付着して線量低下や線質汚染を引き起こすことが防止される。

本発明に用いられる接合材１０としては、ハンダや銀ロウ等の粘度が負の温度依存性を有する材料を、加熱により溶融して用いる。具体的な手法を選択する際には、蓋体９や遮蔽体８の材料などの耐熱性や放射線発生管１の使用環境等から耐熱性、接着力、気密性等を考慮して選択すればよい。

本発明において、外囲器３はガラスやセラミックス等で構成することができ、放射線発生管１の内部は真空排気（減圧）された空間となっている。放射線発生管１の内部は、平均自由行程として、電子放出源２と放射線を放出するターゲット層７ｂとの間の距離を、少なくとも電子が飛翔可能なだけの真空度であれば良く、１×１０^-4Ｐａ以下の真空度が適用可能である。使用する電子放出源や、動作する温度等を考慮して適宜選択することが可能であり、冷陰極型電子放出源等の場合は、１×１０^-6Ｐａ以下の真空度とするのがより好ましい。放射線発生管１内の真空度の維持の為に、ゲッタ（不図示）を外囲器３内部に配置するか、もしくは内部空間に連通している補助スペース（不図示）に設置することも可能である。

次に、本発明の放射線発生装置について説明する。図４は図１の放射線発生管１を備える放射線発生装置２０の構成の一例を示す断面模式図である。本発明の放射線発生装置は、図４に示すように、本発明の放射線発生管１と、これを収容する収納容器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、放射線発生管１から生じる放射線を取り出すための放射線放出窓２１を備えている。

収納容器２２の内部には、不図示の回路基板及び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を設けた場合、例えば放射線発生管１に駆動回路２４から所定の電圧信号が印加され、放射線の発生を制御することができる。

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。収納容器２２には、放射線を透過し収納容器２２の外部に放射線を取り出すための放出窓２１が設けられている。放射線発生管１から放出された放射線はこの放出窓２１を通して外部に放出される。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等が使用可能である。

次に、図５に基づいて、本発明に係る放射線撮影システムの一実施形態を説明する。

図５に示すように、本発明の放射線発生装置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、放射線発生管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、本発明の放射線発生装置と放射線撮影システムは、Ｘ線発生装置とＸ線撮影システムとして利用することができる。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）
本実施例では、図１、図２に示す構成の放射線発生管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）の高圧合成ダイヤモンド基板を支持基板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、本実施例ではタングステン膜のパターン形成をメタルマスクを使用して行なったが、フォトリソグラフィを使用してもよいし、印刷法等を使用することも可能である。

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１（ｂ）、（ｃ）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、図１（ａ）に示すように、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放出源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、接合材１０としてＳｎを主成分とするハンダを使用して遮蔽体８の放射線放出側の開口端に蓋体９を接合した。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。蓋体９と遮蔽体８との接合は、遮蔽体８の開口端に設けられている環状の突出部１２を蓋体９に突き当てた状態で、ハンダ付けによって行った。遮蔽体８に設けた突出部１２は外径が１４ｍｍ、内径が１２ｍｍ、高さが２ｍｍとした。遮蔽体８の蓋体９側の内径も１２ｍｍである。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。また、ターゲット７と蓋体９との距離も、蓋体９の位置が突出部１２の位置で決まるため、精度よく決めることができた。

このようにして作製した放射線発生管１の放射線のスペクトルを測定した所、接合材１０のハンダに含まれるＳｎ等のスペクトルは観察されない所望のものだった。また、長時間連続使用した場合でも、安定して放射線を発生させることができる良好な性能のものであった。

（実施例２）
本実施例の放射線発生管は、アノード部が図３（ｃ）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。蓋体９は、遮蔽体８側において、直径が１４ｍｍの位置から外側に向かって厚みが漸減し、厚さ方向の断面が図３（ｃ）に示すように台形となる形状とした。遮蔽体８は、突出部１２を設けずに開口端を平坦な形状とした。本例においても、実施例１と同様に、ハンダに含まれるＳｎ等のスペクトルは観察されない所望のものだった。また、長時間連続使用した場合でも、安定して放射線を発生させることができる良好な性能のものであった。

１：放射線発生管、７：ターゲット、７ａ：支持基板、７ｂ：ターゲット層、８：遮蔽体、９：蓋体、１０：接合材、１１：当接部、１２，１３：突出部、２０：放射線発生装置、２１：放出窓、２２：収納容器、２３：絶縁性流体、２４：駆動回路、３１：放射線検出装置、３２：制御装置、３４：被検体、

Claims (6)

1. 放射線透過性の支持基板とターゲット層とを有する透過型ターゲットと、
   前記支持基板の外周を取り囲み、放射線放出側に突出する遮蔽体と、
   前記遮蔽体の開口端を塞ぐ蓋体とを備え、
   前記遮蔽体と蓋体とが、粘度が負の温度依存性を有する接合材により接合されている放射線発生管において、
   前記遮蔽体と前記蓋体とが当接する当接部を有し、
   前記当接部の外周であって、前記遮蔽体と蓋体とに挟まれた収納部に前記接合材が配設されていることを特徴とする放射線発生管。
2. 前記遮蔽体及び前記蓋体の少なくとも一方が他方に向けて突出する突出部を有し、前記突出部において、前記遮蔽体と前記蓋体とが当接していることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生管。
3. 前記収納部が、前記当接部の外周から外側に向かって前記遮蔽体と前記蓋体との距離が漸増するテーパー状を有していることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生管。
4. 前記接合材は、ハンダ又は銀ろうである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線発生管。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線発生管と、前記放射線発生管を収容し、前記放射線発生管から生じる放射線を取り出すための放出窓を有する収納容器と、を備え、前記収納容器の内部の余剰空間が絶縁性流体で満たされていることを特徴とする放射線発生装置。
6. 請求項５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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