JP5183115B2

JP5183115B2 - X-ray generator

Info

Publication number: JP5183115B2
Application number: JP2007189791A
Authority: JP
Inventors: 貴久永山; 信行頭本; 博文田中; 和之花川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP2009026653A

Description

本発明は、加速器内で円形の軌道を描きながら周回する電子により、Ｘ線を発生させるＸ線発生装置に関するものである。 The present invention relates to an X-ray generator that generates X-rays by electrons that circulate while drawing a circular orbit in an accelerator.

円形加速器を利用した従来のＸ線発生装置として、ベータトロン加速原理による加速装置（ベータトロン加速装置と略称する）を利用したものがある。例えば、非特許文献１に開示されている。ベータトロン加速装置を使用したＸ線発生装置を評価する重要な性能の一つに、発生できるＸ線強度があり、高いほど望ましい。ベータトロン加速装置の大きさを同じと仮定した場合に、Ｘ線強度を決定するパラメータとしては、電子銃からのビーム発生量、加速器へのビーム入射効率、加速器におけるビーム生存率、ターゲットに照射されＸ線を発生する電子ビームの割合であるビーム利用効率、発生したＸ線を外部に取り出して利用する割合であるＸ線取出効率がある。中でも電子銃からのビーム発生量と加速器へのビーム入射効率はその他の効率に係らずＸ線発生量のベースを決めるパラメータであり最も重要である。 As a conventional X-ray generator using a circular accelerator, there is an apparatus using an accelerator based on the principle of betatron acceleration (abbreviated as betatron accelerator). For example, it is disclosed in Non-Patent Document 1. One of the important performances for evaluating an X-ray generator using a betatron accelerator is the intensity of X-rays that can be generated. Assuming that the betatron accelerators are the same size, the parameters that determine the X-ray intensity include the amount of beam generated from the electron gun, the beam injection efficiency to the accelerator, the beam survival rate in the accelerator, and the target irradiation. There is a beam utilization efficiency that is a ratio of an electron beam that generates X-rays, and an X-ray extraction efficiency that is a ratio of taking out and using the generated X-rays. Among them, the beam generation amount from the electron gun and the beam incidence efficiency to the accelerator are the most important parameters that determine the base of the X-ray generation amount regardless of other efficiencies.

従来のベータトロン加速装置における電子銃は、非特許文献１にあるようにKerst型電子銃が用いられている。これは、高温加熱のためのフィラメントを兼ねたカソードと、カソードの直近に設置されたグリッド電極と、最外に設置されカソードからの電子ビームを加速するアノード電極から構成されている。 As the electron gun in the conventional betatron accelerator, a Kerst type electron gun is used as described in Non-Patent Document 1. This is composed of a cathode that also serves as a filament for high-temperature heating, a grid electrode that is installed in the immediate vicinity of the cathode, and an anode electrode that is installed on the outermost side and accelerates an electron beam from the cathode.

「実験物理学講座２８加速器」，初版３刷，共立出版株式会社，１９８８年９月１０日，ｐ．５４７−５６４“Experimental Physics Lecture 28 Accelerator”, first edition 3 prints, Kyoritsu Publishing Co., Ltd., September 10, 1988, p. 547-564 特開２００４−２９６３０２号公報JP 2004-296302 A

電子銃からのビーム発生量はカソード面積を同じとすれば、高温であるほど多くなる。これに対して、従来装置の電子銃では、Ｘ線強度を安定させるためにビーム電流を一定に保つ必要があり、グリッド電極によりビーム電流を制限する構成となっている。この構成では、取り出されるビーム電流値はグリッドを設けない場合に比べて少なくなる方向に制御されるので、二極管の場合に比較して電子銃からのビーム電流が小さくなるという問題がある。
また、その他の例として、特許文献１に示されるような電子銃も提案されているが、これも、上記文献と同様、ビーム電流安定化のためにグリッドを用いており、二極管の場合に比較して電子銃からのビーム電流が小さくなるという問題がある。 If the cathode area is the same, the amount of beam generated from the electron gun increases as the temperature increases. On the other hand, in the electron gun of the conventional apparatus, it is necessary to keep the beam current constant in order to stabilize the X-ray intensity, and the beam current is limited by the grid electrode. In this configuration, the beam current value to be taken out is controlled in a direction to be smaller than that in the case where no grid is provided, so that there is a problem that the beam current from the electron gun is smaller than in the case of the bipolar tube.
As another example, an electron gun as shown in Patent Document 1 has also been proposed, but this also uses a grid for beam current stabilization, as in the above-mentioned document, and is compared with the case of a bipolar tube. As a result, the beam current from the electron gun is reduced.

電子銃からのビームを加速器に入射させると、ビームは概ね円軌道で周回し加速されていくが、このとき周回ビームが電子銃を構成する構造体、特に、アノードに衝突してしまうことで入射損失となる。実際は、1周回後のビーム軌道が出来るだけ内側軌道をとりアノードに衝突しないよう磁場を制御しているが、電子銃構造においてもカソードとアノードの距離を出来るだけ接近させる設計にしなければならない。 When the beam from the electron gun is incident on the accelerator, the beam circulates in a generally circular orbit and is accelerated. At this time, the orbiting beam is incident on the structure constituting the electron gun, particularly the anode. Loss. In reality, the magnetic field is controlled so that the beam trajectory after one lap takes the inner trajectory as much as possible and does not collide with the anode.

これに対して従来装置の電子銃では、アノードとカソードの間にグリッドがあり、グリッドの電位はアノードとカソード間電位差に比較すると、カソード電位に近い値に設定される。従って、グリッドとアノードの間が高電位差となるため、グリッドとアノード間の距離を十分にとる必要がある。これに、グリッドとカソード間の距離が加算されるので、二極管の場合に比較して、カソードとアノード間が広くなって入射ビームがアノードで損失となる割合が多くなる結果、入射効率が低くなるという問題がある。このように、従来のＸ線発生装置では、電子銃のビーム性能を最大限利用することができなかったので、発生できるＸ線量が少ないという問題があった。 On the other hand, in the conventional electron gun, there is a grid between the anode and the cathode, and the potential of the grid is set to a value close to the cathode potential as compared with the potential difference between the anode and the cathode. Therefore, since a high potential difference is generated between the grid and the anode, it is necessary to provide a sufficient distance between the grid and the anode. Since the distance between the grid and the cathode is added to this, the incidence efficiency becomes lower as a result of the larger ratio between the cathode and the anode and the loss of the incident beam at the anode than in the case of the bipolar tube. There is a problem. Thus, in the conventional X-ray generator, since the beam performance of the electron gun could not be utilized to the maximum, there was a problem that the generated X-ray dose was small.

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、Ｘ線強度安定性において、高強度のＸ線を発生するＸ線発生装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain an X-ray generator that generates high-intensity X-rays in X-ray intensity stability.

本発明に係わるＸ線発生装置は、電子ビームを発生させる電子銃及び電子銃電源と、電子ビームの周回軌道を真空に保持する真空チャンバーと、励磁コイルにより電子ビームに作用する磁場を発生させる電磁石と、前記励磁コイルを駆動する電磁石電源と、電子ビームの周回軌道上に設置され衝突してくる電子ビームとの相互作用によりＸ線を発生するターゲットとを備えるＸ線発生装置において、前記電子銃及び前記電子銃電源は、電子を放出するカソードと、前記カソードに対して高電位で電子を加速するアノードと、前記アノードに電圧を印加する電源と、前記カソードから熱電子を放出させるカソード加熱手段とを含む二極管であり、前記電子銃から出射される電子ビーム電流又は、電子ビームにより発生したＸ線の強度を測定し測定値を得るモニターと、前記モニターで測定した測定値に基づいて前記電子銃電源を制御するコントローラとを備え、前記コントローラにより、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御して、Ｘ線強度を一定にするようにしたものである。 An X-ray generator according to the present invention includes an electron gun and an electron gun power source for generating an electron beam, a vacuum chamber for holding a circular orbit of the electron beam in a vacuum, and an electromagnet for generating a magnetic field acting on the electron beam by an exciting coil. An X-ray generator comprising: an electromagnet power source that drives the exciting coil; and a target that generates an X-ray by interaction with an electron beam that is installed on a circular orbit of the electron beam and collides with the electron gun. And the electron gun power source includes: a cathode that emits electrons; an anode that accelerates electrons at a high potential with respect to the cathode; a power source that applies a voltage to the anode; and a cathode heating unit that emits thermal electrons from the cathode. The electron beam current emitted from the electron gun or the intensity of X-rays generated by the electron beam is measured and measured. A monitor for obtaining a value, and a controller for controlling the electron gun power source based on the measurement value measured by the monitor, and controlling the average current per unit time of the generated electron beam by the controller, The strength is made constant.

また、本発明に係わるＸ線発生装置は、電子ビームを発生させる電子銃及び電子銃電源と、電子ビームの周回軌道を真空に保持する真空チャンバーと、励磁コイルにより電子ビームに作用する磁場を発生させる電磁石と、前記励磁コイルを駆動する電磁石電源と、
電子ビームの周回軌道上に設置され衝突してくる電子ビームとの相互作用によりＸ線を発生するターゲットとを備えるＸ線発生装置において、前記電子銃及び前記電子銃電源は、電子を放出するカソードと、前記カソードに対して高電位で電子を加速するアノードと、前記アノードに電圧を印加する電源と、前記カソードから熱電子を放出させるカソード加熱手段とを含む二極管であり、前記電子銃から出射される電子ビームにより発生したＸ線の単位時間当たりの平均強度を測定し測定値を得るモニターと、前記モニターで測定した測定値に基づいてＸ線発生時間を制御して所定のＸ線強度を得るようにしたものである。 Further, the X-ray generator according to the present invention generates an electron gun and an electron gun power source for generating an electron beam, a vacuum chamber for holding a circular orbit of the electron beam in a vacuum, and a magnetic field acting on the electron beam by an exciting coil. An electromagnet to be driven, an electromagnet power source for driving the exciting coil,
An X-ray generator comprising: a target installed on a circular orbit of an electron beam and generating an X-ray by interaction with the colliding electron beam, wherein the electron gun and the electron gun power source are cathodes that emit electrons And an anode for accelerating electrons at a high potential with respect to the cathode, a power source for applying a voltage to the anode, and cathode heating means for emitting thermoelectrons from the cathode, and emitting from the electron gun. A monitor that measures the average intensity per unit time of X-rays generated by the electron beam to be measured and obtains a measurement value, and controls the X-ray generation time based on the measurement value measured by the monitor to obtain a predetermined X-ray intensity It ’s what you get.

本発明のＸ線発生装置によれば、電子銃として、カソードとアノードを有し、カソードから放出される電流をコントロールするグリッド電極を含んでいない二極管を使用して、電子ビーム電流の増大と電子ビーム入射効率の増大を実現するとともに、二極管の欠点である電子ビーム電流値の不安定に対しては、電子ビーム電流又は、電子ビームにより発生したＸ線の強度を測定し測定値を得るモニターを設け、この測定値が一定になるように、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御して、Ｘ線強度を安定化させて、高強度のＸ線を発生するＸ線発生装置を得ることができる。 According to the X-ray generator of the present invention, an electron gun having a cathode and an anode and using a bipolar tube that does not include a grid electrode for controlling the current emitted from the cathode is used. In addition to realizing an increase in beam incidence efficiency, a monitor that measures the electron beam current or the intensity of X-rays generated by the electron beam and obtains a measurement value against the instability of the electron beam current value, which is a drawback of the diode. provided, so that the measured value is constant, by controlling the average current per unit of generated electron beam time, the X-ray intensity is stabilized, the X-ray generator for generating X-rays of high intensity Can be obtained .

また、本発明のＸ線発生装置によれば、電子銃として、カソードとアノードを有し、カソードから放出される電流をコントロールするグリッド電極を含んでいない二極管を使用して、電子ビーム電流の増大と電子ビーム入射効率の増大を実現するとともに、二極管の欠点である電子ビーム電流値の不安定に対しては、前記電子銃から出射される電子ビームにより発生したＸ線の単位時間当たりの平均強度を測定し測定値を得、測定した測定値に基づいてＸ線発生時間を制御して所定のＸ線強度を得ることができ、Ｘ線強度を安定化させて、高強度のＸ線を発生するＸ線発生装置を得ることができる。 In addition, according to the X-ray generator of the present invention, an electron beam current can be increased by using, as an electron gun, a bipolar tube that has a cathode and an anode and does not include a grid electrode that controls the current emitted from the cathode. The average intensity per unit time of X-rays generated by the electron beam emitted from the electron gun is reduced against the instability of the electron beam current value, which is a drawback of the bipolar tube. Can be measured to obtain a measured value, and based on the measured value, the X-ray generation time can be controlled to obtain a predetermined X-ray intensity, and the X-ray intensity can be stabilized to generate high-intensity X-rays. An X-ray generator can be obtained .

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における電子線誘導加速器を使用したＸ線発生装置を示す構成図である。図２は実施の形態１におけるＸ線発生装置の電磁石部の構成を示す図である。Ｘ線発生装置は、図１及び図２に示すように、電子ビーム１を発生させる電子銃２及び電子銃電源３（パルス電源、ヒータ電源）と、電子ビーム１の周回軌道を真空に保つ真空チャンバー４、電子ビーム１に作用する磁場を発生させる電磁石５、電磁石５を励磁する主励磁コイル６、電磁石５を励磁して電子ビーム１の軌道を制御する制御コイル７、電磁石５のヨーク１３、主励磁コイル６及ぶ制御コイル７を駆動する電磁石電源８、電子ビーム１の周回軌道上に設置され衝突してくる電子ビーム１との相互作用によりＸ線１２を発生するターゲット９、発生したＸ線１２の強度を測定するＸ線モニター１０、測定したＸ線強度に基づいて電子銃電源３を制御するコントローラ１１により構成されている。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an X-ray generator using an electron beam induction accelerator according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an electromagnet portion of the X-ray generator in the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the X-ray generator includes an electron gun 2 and an electron gun power source 3 (pulse power source, heater power source) that generate the electron beam 1, and a vacuum that keeps the orbit of the electron beam 1 in a vacuum. A chamber 4, an electromagnet 5 for generating a magnetic field acting on the electron beam 1, a main excitation coil 6 for exciting the electromagnet 5, a control coil 7 for exciting the electromagnet 5 to control the trajectory of the electron beam 1, a yoke 13 for the electromagnet 5, An electromagnet power source 8 for driving the main excitation coil 6 and the control coil 7, a target 9 that generates X-rays 12 by interaction with the colliding electron beam 1 installed on the orbit of the electron beam 1, and generated X-rays An X-ray monitor 10 that measures the intensity of 12 and a controller 11 that controls the electron gun power source 3 based on the measured X-ray intensity.

図３は実施の形態１における電子銃部の構成を示す図である。図４は実施の形態１における電子銃電源３の構成を示す図である。電子銃２及び電子銃電源３は、電子を放出する箇所に酸化物２３を塗布したカソード２１と、電子を加速するときはカソード２１に対して高電位になるアノード２２、そのアノード２２に高電圧を印加する高圧電源２５を有しパルス電圧を印加するパルス電源３１、カソード２１から熱電子放出させるためにこれを加熱するヒータ２４、安定化回路１４を有するヒータ電源３２を含み、電子銃２はカソード２１から放出される電流をコントロールする、いわゆるグリッド電極は含んでいない二極管電子銃である。 FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the electron gun unit in the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the electron gun power source 3 in the first embodiment. The electron gun 2 and the electron gun power source 3 are composed of a cathode 21 coated with an oxide 23 at a position where electrons are emitted, an anode 22 having a high potential with respect to the cathode 21 when accelerating electrons, and a high voltage across the anode 22. The electron gun 2 includes a pulse power supply 31 for applying a pulse voltage, a heater 24 for heating the cathode 21 to emit thermoelectrons from the cathode 21, and a heater power supply 32 having a stabilization circuit 14. It is a bipolar tube electron gun that does not include a so-called grid electrode that controls the current emitted from the cathode 21.

カソード２１はタングステンもしくはモリブデン等の高融点金属で本体を作成し、その一部に塗布された酸化物は電子放出に適した低仕事関数の材料を使用していおり、例えば、ＢａＯ，ＳｒＯである。コントローラ（制御器）１１はＸ線モニタ１０で検出されるＸ線強度の入力に反比例的に変化するアナログ電圧信号もしくはデジタル信号を発生させる電子回路からなり、この信号は電子銃電源３におけるパルス電源３１に入力されている。 The cathode 21 is made of a high melting point metal such as tungsten or molybdenum, and the oxide applied on a part of the cathode 21 uses a low work function material suitable for electron emission, such as BaO or SrO. . The controller (controller) 11 includes an electronic circuit that generates an analog voltage signal or a digital signal that varies inversely with the input of the X-ray intensity detected by the X-ray monitor 10, and this signal is a pulse power source for the electron gun power source 3. 31 is input.

図４で、１５はコンデンサ、１６は高電圧ＦＥＴスイッチでダイオード１８を有している。１７は抵抗である。カソード２１のヒータ２４はヒータ電源３２で加熱されており、カソード２１から電子ビームを放出できる状態にしてある。コンデンサ１５は高圧電源２５で充電されており、コントローラ１１の制御信号により、高電圧ＦＥＴスイッチ１６がＴＴＬ制御されてＯＮされると、マイナスの高電圧がカソード２１側に印加される。つまり、カソード２１に対してアノード２２が高電圧になり、電子ビームがアノード２２側に加速されて電子ビールが出射される。コントローラ１１の制御信号により、高電圧ＦＥＴスイッチ１６がＴＴＬ制御されてＯＦＦされると、カソード２１側の電荷は抵抗１７を通って流れ、カソード２１側のマイナスの高電圧は解消する。なお、カソード側２１に流れる電流は、ヒータ電源３２による定電流と、高圧電源２５の印加時（ＯＮ時）の電流と、高圧電源２５のＯＦＦ時の電流（ＯＮ時電流の逆向きの電流）であり、これらより電子ビーム電流を測定することができる。 In FIG. 4, 15 is a capacitor, 16 is a high voltage FET switch, and has a diode 18. Reference numeral 17 denotes a resistor. The heater 24 of the cathode 21 is heated by a heater power source 32 so that an electron beam can be emitted from the cathode 21. The capacitor 15 is charged by the high voltage power supply 25, and when the high voltage FET switch 16 is turned on by TTL control by the control signal of the controller 11, a negative high voltage is applied to the cathode 21 side. That is, the anode 22 has a higher voltage than the cathode 21, and the electron beam is accelerated toward the anode 22 to emit electronic beer. When the high voltage FET switch 16 is turned off under TTL control by the control signal of the controller 11, the charge on the cathode 21 side flows through the resistor 17, and the negative high voltage on the cathode 21 side is eliminated. The current flowing through the cathode side 21 includes a constant current from the heater power supply 32, a current when the high-voltage power supply 25 is applied (ON time), and a current when the high-voltage power supply 25 is OFF (current opposite to the ON current). From these, the electron beam current can be measured.

次に動作について説明する。図５は実施の形態１における電子の軌道を説明する模式図である。Ｘ線１２は、電子銃カソード２１からの電子ビーム１が真空チャンバー４内を周回後、ターゲット９に衝突して発生する。電子銃２のカソード２１がヒータ電源３２により昇温され、熱電子のエネルギーが材料の仕事関数を越え始めると、熱電子放出が始まるが、カソード２１に本体材質より低仕事関数の酸化物２３を塗布しているので、酸化物２３の部分からだけ熱電子が放出される。放出された熱電子は、アノードに印加されたパルス電圧により加速され、アノード２２に設けた空隙を通過して電子銃２から出射され電子ビーム１となる。 Next, the operation will be described. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining an electron trajectory in the first embodiment. X-rays 12 are generated when the electron beam 1 from the electron gun cathode 21 circulates in the vacuum chamber 4 and then collides with the target 9. When the temperature of the cathode 21 of the electron gun 2 is raised by the heater power source 32 and the energy of the thermoelectron begins to exceed the work function of the material, thermionic emission starts. Since it is applied, thermal electrons are emitted only from the oxide 23 portion. The emitted thermoelectrons are accelerated by a pulse voltage applied to the anode, pass through a gap provided in the anode 22, and are emitted from the electron gun 2 to become an electron beam 1.

次に電子ビーム１は電磁石５により発生する磁場の作用により加速されると共に真空チャンバー４内を周回するが、出射直後のタイミングでは電磁石電源８により周回軌道径が小さくなるように制御して電子ビーム１がアノード２２に衝突する損失を抑えるように制御する。その後、ビーム加速を継続し、所定のビームエネルギーまで加速した後、ターゲット９に衝突するタイミングで再び周回軌道径を小さくするように制御して、軌道の内側部分に設けられたターゲット９に衝突させる。この結果、ビームエネルギー及びターゲット９に衝突する電子ビーム電流量に応じた電磁波であるＸ線１２が発生する。 Next, the electron beam 1 is accelerated by the action of the magnetic field generated by the electromagnet 5 and circulates in the vacuum chamber 4. At the timing immediately after extraction, the electromagnet power source 8 is controlled so that the diameter of the orbit is reduced. 1 is controlled so as to suppress a loss of collision with the anode 22. After that, the beam acceleration is continued, and after accelerating to a predetermined beam energy, the orbital diameter is controlled to be reduced again at the timing when it collides with the target 9, and collides with the target 9 provided in the inner part of the orbit. . As a result, X-rays 12 that are electromagnetic waves corresponding to the beam energy and the amount of electron beam current that collides with the target 9 are generated.

これを、真空チャンバー４に設けたＸ線取り出し窓から取り出して、Ｘ線撮像等に使用する。取り出されたＸ線の一部をＸ線モニター１０に取り込み、Ｘ線強度の変化を測定する。この測定結果はコントローラ１１に入力され、Ｘ線強度が所定の値より増大している場合には、反比例的に変化するアナログ電圧信号を発生させ、電子銃電源３のパルス電源３１に対して高電圧ＦＥＴスイッチ１６をＯＮ・ＯＦＦし、電子ビームパルス発生周期を長くし、逆の場合は短くするフィードバック制御を行う。これにより、１回数秒のＸ線照射におけるＸ線照射量が一定に保たれ安定化される。 This is taken out from an X-ray extraction window provided in the vacuum chamber 4 and used for X-ray imaging or the like. A part of the extracted X-ray is taken into the X-ray monitor 10 and a change in X-ray intensity is measured. This measurement result is input to the controller 11, and when the X-ray intensity is increased from a predetermined value, an analog voltage signal that varies inversely is generated, and the high voltage is supplied to the pulse power supply 31 of the electron gun power supply 3. Feedback control is performed to turn on / off the voltage FET switch 16 to lengthen the electron beam pulse generation period, and to shorten it in the opposite case. Thereby, the X-ray irradiation amount in the X-ray irradiation for one time is kept constant and stabilized.

また、電子銃から出射される電子ビームにより発生したＸ線の単位時間当たりの平均強度をＸ線モニター１０で測定し測定値を得、この測定値に基づいてコントローラ１１でＸ線発生時間を制御して所定のＸ線強度を得るようにしてもよい。Ｘ線発生時間は、高電圧ＦＥＴスイッチ１６の所定ＯＮ・ＯＦＦ制御の継続時間で制御する。 Further, the average intensity per unit time of X-rays generated by the electron beam emitted from the electron gun is measured by the X-ray monitor 10 to obtain a measurement value, and the controller 11 controls the X-ray generation time based on this measurement value. Thus, a predetermined X-ray intensity may be obtained. The X-ray generation time is controlled by the duration of predetermined ON / OFF control of the high voltage FET switch 16.

図６は実施の形態１における繰返し周波数ｆが１５００Ｈｚと１０００Ｈｚの場合のパルス列の比較を示す図である。ｔは時間を示す。１５００Ｈｚのほうが、単位時間当たりのパルス数が多くなり、従って、発生X線量が多くなる。これにより、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御してＸ線強度を一定にする。 FIG. 6 is a diagram showing a comparison of pulse trains when the repetition frequency f in the first embodiment is 1500 Hz and 1000 Hz. t indicates time. At 1500 Hz, the number of pulses per unit time increases, and therefore the generated X-ray dose increases. Thereby, the average current per unit time of the generated electron beam is controlled to make the X-ray intensity constant.

次にビーム電流を多く取れる理由を説明する。実施の形態１では以上のような構成と動作により、電子銃２の性能を最大限に利用することができる。電子銃カソード２１から放出される電子の電流値は一般に次の式で与えられる。
Ｊ = ＡＴ^２ exp(−φ／（ｋＴ）)
ここで、Ｊは電流密度、Tは絶対温度、ｋはボルツマンの定数、φは仕事関数である。いま、仮にカソード材料から決まる最高温度Ｔ＝１２７３Ｋ、
酸化物陰極の仕事関数φ＝１．６[ｅＶ]、係数Ａ＝１５[Ａ／（ｃｍ^２Ｋ^２）]とすると、
Ｊ＝１１．３[Ａ／ｃｍ^２]＝０．１１３[Ａ／ｍｍ^２]
と計算される。 Next, the reason why a large beam current can be obtained will be described. In the first embodiment, the performance and performance of the electron gun 2 can be maximized by the configuration and operation as described above. The current value of electrons emitted from the electron gun cathode 21 is generally given by the following equation.
J = A T ² exp (−φ / (kT))
Here, J is the current density, T is the absolute temperature, k is the Boltzmann constant, and φ is the work function. Now, the maximum temperature T = 1273K determined by the cathode material,
When the work function of the oxide cathode is φ = 1.6 [eV] and the coefficient A = 15 [A / (cm ² K ² )],
^{J = 11.3 [A / cm 2} ] = 0.113 [A / mm 2]
Is calculated.

この温度で、この材料で得られる電流密度はこの値が上限となり、飽和電流密度と呼ばれる。これに対して、従来例にあるようなグリッドを使用して空間電荷制限領域で使用する電子銃では、電界の値によって電流量を制御するために、図１１に示す領域Ｉ以上の空間電荷制限領域ＩＩのグリッド電圧[Ｖ]を印加して使用しているので、飽和電流密度（カソード温度Ｔ１，Ｔ２の飽和電流密度、即ち陽極電流[Ａ]）より低い電流密度しか得られないが、この実施の形態の電子銃では、グリッドがなく、飽和電流密度一杯まで電流を利用でき、従来より大きい電流密度が得られる。別の観点からは、従来と同じ電流密度設定ならば、より電子銃を小型化することができる。なお、図１１は従来のＸ線発生装置の電子銃のグリッドの動作を示す説明図である。 This value is the upper limit of the current density obtained with this material at this temperature and is called the saturation current density. On the other hand, in the electron gun used in the space charge limiting region using the grid as in the conventional example, the space charge limitation over the region I shown in FIG. 11 is controlled in order to control the amount of current by the value of the electric field. Since the grid voltage [V] of region II is applied and used, only a current density lower than the saturation current density (saturation current density of cathode temperatures T1 and T2, that is, anode current [A]) can be obtained. In the electron gun of the embodiment, there is no grid, the current can be used up to the saturation current density, and a higher current density can be obtained. From another point of view, if the current density setting is the same as the conventional one, the electron gun can be further downsized. In addition, FIG. 11 is explanatory drawing which shows operation | movement of the grid of the electron gun of the conventional X-ray generator.

電子銃２からの電子ビーム１を加速器に入射後、その一部がアノード２２に衝突して入射損失となるが、これはカソード２１とアノード２２の間隔を最接近させた設計にすることにより、最小限に抑えることができる。この実施の形態では、従来装置における三極管にあるグリッド電極がないので、カソード・アノード間隔はカソード・アノード間電圧に対する放電耐電圧ぎりぎりまで接近させることができるので、従来より入射損失を低減することができ、入射効率を高めることができる。 After the electron beam 1 from the electron gun 2 is incident on the accelerator, a part of it collides with the anode 22 and becomes an incident loss. This is achieved by designing the distance between the cathode 21 and the anode 22 to be closest. Can be minimized. In this embodiment, since there is no grid electrode in the triode in the conventional apparatus, the distance between the cathode and the anode can be made close to the discharge withstand voltage with respect to the voltage between the cathode and the anode. The incident efficiency can be increased.

この実施の形態の二極管構造電子銃では、上記のような効果が得られるが、一方で、微妙な温度変化等の影響によりビーム電流値が変動するという問題がある。これに対して、Ｘ線発生装置の場合、最終的に必要なのは１回数秒程度の照射の間のＸ線照射強度の積分値、すなわちＸ線照射量を一定に制御すれば良いことに着目し、実施の形態１では、ビーム電流制御よりも簡便な手段として、電子ビームパルスの発生周期を制御してＸ線照射量を一定に制御するようにしている。 The bipolar tube structure electron gun of this embodiment can achieve the above-described effects, but has a problem that the beam current value fluctuates due to a subtle temperature change or the like. On the other hand, in the case of an X-ray generator, it is necessary to finally control the integral value of the X-ray irradiation intensity during the irradiation of about one second, that is, the X-ray irradiation amount to be controlled to be constant. In the first embodiment, as a simpler means than the beam current control, the generation period of the electron beam pulse is controlled to control the X-ray irradiation amount constant.

以上のように、この実施の形態によれば、Ｘ線照射量の安定性を維持しながら、電子銃からの電子ビーム電流を増大させ、加速器に対する電子ビーム入射効率も向上させ、発生Ｘ線量を増大させることができたので、これを医療検診や非破壊検査等に使用すれば、撮像時間を短縮することができ、患者に対する負担の軽減や、製品検査のスループットを向上できるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, while maintaining the stability of the X-ray irradiation amount, the electron beam current from the electron gun is increased, the electron beam incident efficiency to the accelerator is improved, and the generated X-ray dose is reduced. Since it can be increased, if it is used for medical examinations, non-destructive examinations, etc., the imaging time can be shortened, and the burden on the patient can be reduced and the throughput of the product examination can be improved.

なお、実施の形態１では、カソード過熱のためにヒータ及びヒータ電源を使用しているが、カソードそのものに通電し過熱してもよい。また、カソードに対して電子衝撃を与えるなど、他の加熱手段を使用しても同様の効果が得られる。
さらに、実施の形態１では、電子ビームにより発生したＸ線の強度を測定し測定値を得ているが、前記電子銃から出射される電子ビーム電流を測定し測定値を得て、その測定値に基づいて電子銃電源を制御するコントローラとを備え、前記コントローラにより、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御して、Ｘ線強度を一定にするようにしてもよい。 In the first embodiment, the heater and the heater power source are used for cathode overheating. However, the cathode itself may be energized to be overheated. The same effect can be obtained even if other heating means such as electron impact is applied to the cathode.
Further, in the first embodiment, the measurement value is obtained by measuring the intensity of the X-rays generated by the electron beam, but the measurement value is obtained by measuring the electron beam current emitted from the electron gun. And a controller for controlling the electron gun power source based on the above, and the controller may control the average current per unit time of the generated electron beam so as to make the X-ray intensity constant.

実施の形態２．
実施の形態２のＸ線発生装置は、概ね実施の形態１の構成と同様であるが、コントローラ１１からの信号が入力される電子銃電源３は制御用の入力信号に基づいて、発生する電子ビームパルスの周期を変化させるのではなく、パルス周期は一定で、パルス列を発生させる時間幅を変化させるものである。パルス幅は通常数マイクロ秒程度で、これを１回の照射時間が数ｍｓ〜数秒の間に、数ｋＨｚから数十ｋＨｚのパルス列として発生させている。従って、この１回の照射時間を制御することで、Ｘ線照射量を所定の値に制御することができる。図７は実施の形態２におけるパルスの繰返し周波数を１０００Ｈｚに一定とした場合に、照射時間幅ｗを８ｍｓと４ｍｓにしたときのパルス波形を示す図である。照射時間幅に比例して単位時間あたりのパルス数が増加し、従って、X線発生量が多くなる。 Embodiment 2. FIG.
The X-ray generator of the second embodiment is substantially the same as the configuration of the first embodiment, but the electron gun power source 3 to which a signal from the controller 11 is input is generated based on the control input signal. Rather than changing the period of the beam pulse, the pulse period is constant and the time width for generating the pulse train is changed. The pulse width is usually about several microseconds, and this is generated as a pulse train of several kHz to several tens kHz during one irradiation time of several ms to several seconds. Therefore, the X-ray irradiation dose can be controlled to a predetermined value by controlling this one irradiation time. FIG. 7 is a diagram showing a pulse waveform when the irradiation time width w is 8 ms and 4 ms when the pulse repetition frequency in the second embodiment is constant at 1000 Hz. The number of pulses per unit time increases in proportion to the irradiation time width, and therefore the amount of X-ray generation increases.

実施の形態２では、パルス列発生時間幅ｗでＸ線強度の安定化を図っており、つまり電子ビーム発生パルスの単位時間あたりの平均電流を制御しているので、実施の形態１のパルス周期制御に比べて回路構成が単純化し、低コスト化できるという効果がある。 In the second embodiment, the X-ray intensity is stabilized by the pulse train generation time width w, that is, the average current per unit time of the electron beam generation pulse is controlled, so that the pulse cycle control of the first embodiment is performed. Compared to the above, the circuit configuration is simplified and the cost can be reduced.

実施の形態３．
実施の形態３のＸ線発生装置は、概ね実施の形態２の構成と同様であるが、電子銃電源の動作が、発生する電子ビームパルスのパルス時間幅を制御している点が異なっている。Ｘ線照射量の制御は、１回の照射時間幅を制御して行う点も実施の形態２と同様である。図８は実施の形態３における照射時間幅に対応して、電子銃電圧を変化させた波形を示す図である。照射時間幅を変化させると、単位時間当たりのX線量を変化させることが出来、制御することができる。 Embodiment 3 FIG.
The X-ray generator of the third embodiment is generally the same as the configuration of the second embodiment, except that the operation of the electron gun power supply controls the pulse time width of the generated electron beam pulse. . The control of the X-ray irradiation dose is the same as that of the second embodiment in that it is performed by controlling the irradiation time width of one time. FIG. 8 is a diagram showing a waveform in which the electron gun voltage is changed in accordance with the irradiation time width in the third embodiment. When the irradiation time width is changed, the X-ray dose per unit time can be changed and controlled.

実施の形態３では、モニターで測定した測定値により、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御して、つまり、発生する電子ビームパルスのパルス時間幅を制御してＸ線強度を一定にするようにしたので、より大電流の電子ビームが得られ、大強度のＸ線発生装置が得られるという効果がある。 In the third embodiment, the average current per unit time of the generated electron beam is controlled by the measurement value measured by the monitor, that is, the pulse time width of the generated electron beam pulse is controlled to keep the X-ray intensity constant. Therefore, there is an effect that an electron beam with a larger current can be obtained and a high-intensity X-ray generator can be obtained.

実施の形態４．
実施の形態４のＸ線発生装置は、概ね、実施の形態１の構成と同様であるが、カソード２１本体に酸化物を塗布するのではなく、他の低仕事関数の材料２３を組み込む構成としている。図９は実施の形態４における他の低仕事関数の材料を組み込んだ場合の構造の一例を示す図で、（ａ）はカソード２１の側面図、（ｂ）はカソード２１の正面図ある。組み込む材料は、ＬａＢ_６等の電子ビーム加工機等に使用されるものを使用する。動作も実施の形態１と同様であるが、実施の形態４の効果は、酸化物塗布の場合は、電子銃を一度真空中にいれてエージング等の処理を行った後は、大気中に戻しての修理、再生が出来なかったが、実の形態４では、大気中に戻して修理、再利用することが出来るので、装置のランニングコスト低減の効果がある。 Embodiment 4 FIG.
The X-ray generator of the fourth embodiment is generally the same as the configuration of the first embodiment, except that an oxide is not applied to the cathode 21 body, but another low work function material 23 is incorporated. Yes. 9A and 9B are diagrams showing an example of a structure in which another low work function material according to Embodiment 4 is incorporated. FIG. 9A is a side view of the cathode 21 and FIG. 9B is a front view of the cathode 21. As the material to be incorporated, those used for an electron beam processing machine such as LaB ₆ are used. Although the operation is the same as in the first embodiment, the effect of the fourth embodiment is that, in the case of oxide coating, after the processing such as aging is performed by placing the electron gun in a vacuum once, it is returned to the atmosphere. However, in the actual embodiment 4, since it can be returned to the atmosphere and repaired and reused, there is an effect of reducing the running cost of the apparatus.

実施の形態５．
実施の形態５のＸ線発生装置は、概ね、実施の形態１の構成と同様であるが、カソード２１本体の、酸化物２３塗布部もしくは低仕事関数材料２３組み込み部表面の、電子ビーム取り出し位置の構造を、凹面形状としたことが特徴である。図１０は実施の形態５におけるカソード構造を示す断面図である。動作もほぼ実施の形態１と同様であるが、凹面構造としたことにより、出射直後の電子ビームの軌道を収束する働きがあるので、図１０に示すようにビームの発散をおさえ、真空チャンバー等に衝突する損失を低減することができる。この結果、高Ｘ線強度のＸ線発生装置が得られるという効果がある。 Embodiment 5 FIG.
The X-ray generation apparatus of the fifth embodiment is generally the same as the configuration of the first embodiment, but the electron beam extraction position on the surface of the cathode 21 main body where the oxide 23 is applied or the low work function material 23 is embedded. This structure is characterized by a concave shape. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the cathode structure in the fifth embodiment. Although the operation is almost the same as that of the first embodiment, the concave surface structure serves to converge the trajectory of the electron beam immediately after emission, so that the beam divergence is suppressed as shown in FIG. It is possible to reduce the loss of collision. As a result, an X-ray generator with high X-ray intensity can be obtained.

本発明の実施の形態１における電子線誘導加速器を使用したＸ線発生装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the X-ray generator which uses the electron beam induction accelerator in Embodiment 1 of this invention. 実施の形態１におけるＸ線発生装置の電磁石部の構成を示す図である。3 is a diagram showing a configuration of an electromagnet part of the X-ray generator in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１における電子銃部の構成を示す図である。3 is a diagram showing a configuration of an electron gun unit in the first embodiment. FIG. 実施の形態１における電子銃電源の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an electron gun power supply in the first embodiment. 実施の形態１における電子の軌道を説明する模式図である。4 is a schematic diagram illustrating an electron trajectory in the first embodiment. FIG. 実施の形態１における繰返し周波数ｆが１５００Ｈｚと１０００Ｈｚの場合のパルス列の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the pulse train in case repetition frequency f in Embodiment 1 is 1500 Hz and 1000 Hz. 実施の形態２におけるパルスの繰返し周波数を１０００Ｈｚに一定とした場合に、照射時間幅ｗを８ｍｓと４ｍｓにしたときのパルス波形を示す図である。It is a figure which shows a pulse waveform when irradiation time width w is 8 ms and 4 ms when the repetition frequency of the pulse in Embodiment 2 is made constant at 1000 Hz. 実施の形態３における照射時間幅に対応して、電子銃電圧を変化させた波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform which changed the electron gun voltage corresponding to the irradiation time width in Embodiment 3. 実施の形態４における他の低仕事関数の材料を組み込んだ場合の構造を示す図で、（ａ）はカソードの側面図、（ｂ）はカソードの正面図ある。It is a figure which shows the structure at the time of incorporating the other low work function material in Embodiment 4, (a) is a side view of a cathode, (b) is a front view of a cathode. 実施の形態５におけるカソード構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cathode structure in a fifth embodiment. 従来のＸ線発生装置の電子銃のグリッドの動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the grid of the electron gun of the conventional X-ray generator.

符号の説明Explanation of symbols

１電子ビーム２電子銃
３電子銃電源４真空チャンバー
５電磁石６主励磁コイル
７制御コイル８電磁石電源
９ターゲット１０Ｘ線モニター
１１コントローラ１２Ｘ線
１３ヨーク１４安定化回路
１５コンデンサ１６高電圧ＦＥＴスイッチ
１７抵抗１８ダイオード
２１カソード２２アノード
２３酸化物２４ヒータ
２５高圧電源３１パルス電源
３２ヒータ電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron beam 2 Electron gun 3 Electron gun power supply 4 Vacuum chamber 5 Electromagnet 6 Main excitation coil 7 Control coil 8 Electromagnet power supply 9 Target 10 X-ray monitor 11 Controller 12 X-ray 13 Yoke 14 Stabilization circuit 15 Capacitor 16 High voltage FET switch 17 Resistor 18 Diode 21 Cathode 22 Anode 23 Oxide 24 Heater 25 High-voltage power supply 31 Pulse power supply 32 Heater power supply

Claims

電子ビームを発生させる電子銃及び電子銃電源と、
電子ビームの周回軌道を真空に保持する真空チャンバーと、
励磁コイルにより電子ビームに作用する磁場を発生させる電磁石と、
前記励磁コイルを駆動する電磁石電源と、
電子ビームの周回軌道上に設置され衝突してくる電子ビームとの相互作用によりＸ線を発生するターゲットとを備えるＸ線発生装置において、
前記電子銃及び前記電子銃電源は、電子を放出するカソードと、前記カソードに対して高電位で電子を加速するアノードと、前記アノードに電圧を印加する電源と、前記カソードから熱電子を放出させるカソード加熱手段とを含む二極管であり、
前記電子銃から出射される電子ビーム電流又は、電子ビームにより発生したＸ線の強度を測定し測定値を得るモニターと、前記モニターで測定した測定値に基づいて前記電子銃電源を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラにより、発生する電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御して、Ｘ線強度を一定にするようにしたＸ線発生装置。 An electron gun for generating an electron beam and an electron gun power source;
A vacuum chamber for holding the orbit of the electron beam in a vacuum; and
An electromagnet that generates a magnetic field acting on the electron beam by means of an exciting coil;
An electromagnet power source for driving the exciting coil;
In an X-ray generator comprising: a target installed on an orbit of an electron beam and a target that generates X-rays by interaction with the colliding electron beam
The electron gun and the electron gun power source are a cathode that emits electrons, an anode that accelerates electrons at a high potential with respect to the cathode, a power source that applies a voltage to the anode, and a thermal electron that is emitted from the cathode. A cathode tube including a cathode heating means,
A monitor that measures the electron beam current emitted from the electron gun or the intensity of X-rays generated by the electron beam to obtain a measurement value; and a controller that controls the electron gun power source based on the measurement value measured by the monitor; With
An X-ray generator that controls the average current per unit time of the generated electron beam by the controller so that the X-ray intensity is constant.

発生する電子ビームは電子ビームパルスであり、発生する電子ビームパルスの周期を制御して電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御し、Ｘ線強度を一定にするようにした請求項１記載のＸ線発生装置。 The generated electron beam is an electron beam pulse, and the period of the generated electron beam pulse is controlled to control the average current per unit time of the electron beam so that the X-ray intensity is constant. X-ray generator.

発生する電子ビームは電子ビームパルスであり、発生する電子ビームパルスのパルス列の発生時間幅を制御して電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御し、Ｘ線強度を一定にするようにした請求項１記載のＸ線発生装置。 The generated electron beam is an electron beam pulse, and the generation time width of the pulse train of the generated electron beam pulse is controlled to control the average current per unit time of the electron beam so that the X-ray intensity is constant. Item 2. The X-ray generator according to Item 1.

発生する電子ビームは電子ビームパルスであり、発生する電子ビームパルスのパルス時間幅を制御して電子ビームの単位時間あたりの平均電流を制御し、Ｘ線強度を一定にするようにした請求項１記載のＸ線発生装置。 The generated electron beam is an electron beam pulse, and the pulse current width of the generated electron beam pulse is controlled to control the average current per unit time of the electron beam so that the X-ray intensity is constant. The X-ray generator described.

電子ビームを発生させる電子銃及び電子銃電源と、
電子ビームの周回軌道を真空に保持する真空チャンバーと、
励磁コイルにより電子ビームに作用する磁場を発生させる電磁石と、
前記励磁コイルを駆動する電磁石電源と、
電子ビームの周回軌道上に設置され衝突してくる電子ビームとの相互作用によりＸ線を発生するターゲットとを備えるＸ線発生装置において、
前記電子銃及び前記電子銃電源は、電子を放出するカソードと、前記カソードに対して高電位で電子を加速するアノードと、前記アノードに電圧を印加する電源と、前記カソードから熱電子を放出させるカソード加熱手段とを含む二極管であり、
前記電子銃から出射される電子ビームにより発生したＸ線の単位時間当たりの平均強度を測定し測定値を得るモニターと、前記モニターで測定した測定値に基づいてＸ線発生時間を制御して所定のＸ線強度を得るようにしたＸ線発生装置。 An electron gun for generating an electron beam and an electron gun power source;
A vacuum chamber for holding the orbit of the electron beam in a vacuum; and
An electromagnet that generates a magnetic field acting on the electron beam by means of an exciting coil;
An electromagnet power source for driving the exciting coil;
In an X-ray generator comprising: a target installed on an orbit of an electron beam and a target that generates X-rays by interaction with the colliding electron beam
The electron gun and the electron gun power source are a cathode that emits electrons, an anode that accelerates electrons at a high potential with respect to the cathode, a power source that applies a voltage to the anode, and a thermal electron that is emitted from the cathode. A cathode tube including a cathode heating means,
A monitor that measures the average intensity per unit time of X-rays generated by the electron beam emitted from the electron gun and obtains a measurement value, and controls the X-ray generation time based on the measurement value measured by the monitor to determine a predetermined value. X-ray generator which can obtain the X-ray intensity.

前記電子銃のカソードは、電子ビーム発生部分にＬａＢ_６を付着させたことを特徴とするもの請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。 The X-ray generator according to any one of claims 1 to 5, wherein LaB ₆ is attached to an electron beam generating portion of the cathode of the electron gun.

前記電子銃のカソードは、電子ビーム発生部分の形状が凹面形状であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。 The X-ray generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the cathode of the electron gun has a concave shape in an electron beam generating portion.