JP5449118B2 - 透過型放射線管、放射線発生装置および放射線撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療機器および産業機器分野における非破壊Ｘ線撮影等に適用できる透過型放射線管、それを用いた放射線発生装置および該放射線発生装置を備える放射線撮影装置に関する。

一般に、放射線管（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、タングステン等の金属から構成されるターゲットに照射して、Ｘ線等の放射線を発生させている。このとき発生した放射線は全方位に向かって放出される。そこで、必要以外の放射線を遮蔽するために、放射線管を収納した容器、もしくは放射線管の周囲を鉛のような遮蔽体（放射線遮蔽部材）で覆い、不要な放射線を外部に漏洩しないようにしている。このため、このような放射線管および放射線管を収納した放射線発生装置においては、小型軽量化が困難となっていた。

この課題を解決する手段として、透過型放射線管において、ターゲットの放射線放出側および電子入射側にそれぞれ遮蔽体を配置することにより、簡易な構造で不要な放射線を遮蔽し、かつ装置の小型軽量化を実現する方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、一般に、このようなターゲット（陽極）固定型の透過型放射線管は、ターゲットの放熱性が比較的劣るため、高エネルギーの放射線を発生させることが困難であった。このターゲットの放熱に関し、特許文献１の透過型放射線管では、ターゲットと遮蔽体を接合した構造とすることにより、ターゲットで発生した熱が遮蔽体に伝わって放熱され、ターゲットの温度上昇が抑えられると記載されている。

特開２００７−２６５９８１号公報

しかしながら、特許文献１の透過型放射線管では、遮蔽体が真空容器内に配置されており、遮蔽体から真空容器外部への熱伝達領域が限られている。このため、ターゲットの放熱性が必ずしも十分ではなく、ターゲットの冷却能力と装置の小型軽量化の両立に課題があった。

そこで、本発明は、簡易な構造で不要な放射線の遮蔽とターゲットの冷却を可能とし、かつ小型軽量化を可能とする透過型放射線管、それを用いた放射線発生装置およびそれを備える放射線撮影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、開口部を有する外囲器と、
前記外囲器の内部に配置された電子放出源と、
前記電子放出源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲット部とからなる透過型放射線管であって、
前記ターゲット部は、ダイヤモンドの透過基板と、前記透過基板の表面に配置されたターゲットとからなり、
さらに、前記ターゲットを囲み、前記開口部内に配置されているとともに、一部が前記外囲器の外部に突出した遮蔽体を有し、
前記遮蔽体は、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮ることを特徴とする透過型放射線管を提供するものである。
また、本発明は、上記本発明の透過型放射線管を内部に収納した収納容器と、前記収納容器と前記透過型放射線管との間に満たされた冷却媒体とを有し、前記遮蔽体の前記外囲器の外部に突出している部分が、前記冷却媒体に接していることを特徴とする放射線発生装置、及び、上記本発明の放射線発生装置と、該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器と、前記放射線発生装置と前記放射線検出器とを制御する制御部とを備えることを特徴とする放射線撮影装置を提供するものでもある。

本発明によれば、ターゲットを支持する透過基板に遮蔽体を接合し、遮蔽体の少なくとも一部が冷却媒体と接する構造をとる。したがって、ターゲットで発生した熱が遮蔽体に伝わり、遮蔽体を介して冷却媒体に伝わって速やかに放熱される。これにより、簡易な構造で不要な放射線の遮蔽とターゲットの冷却を可能とする放射線発生装置を実現できる。また、不要な放射線を遮蔽する部材を低減できるため、放射線発生装置の小型軽量化を実現できる。

第１の実施形態の放射線発生装置とターゲット周辺部の模式図である。 本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影装置の構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。なお、本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。

〔第１の実施形態〕
まず、図１を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。図１（ａ）は本実施形態の放射線発生装置の模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるターゲット周辺部を拡大して表した模式図である。本実施形態の放射線発生装置は、透過型放射線管１０を備えており、この透過型放射線管１０は収納容器１の内部に収納されている。この収納容器１の内部に透過型放射線管１０を収納した余空間には冷却媒体８が充填されている。収納容器１の内部には、本実施形態のように不図示の回路基板および絶縁トランス等から構成される電圧制御部３（電圧制御手段）を設けても良い。電圧制御部３を設けた場合、例えば透過型放射線管１０に端子４、５、６、７を介して電圧制御部３から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１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１には、本実施形態のようにガラス、アルミニウム、ベリリウム等からなる放射線透過窓２を設けても良い。放射線透過窓２を設けた場合、透過型放射線管１０から放出された放射線はこの放射線透過窓２を通して外部に放出される。

冷却媒体８は、電気絶縁性を有していれば良く、例えば絶縁媒体および透過型放射線管１０の冷却媒体としての役割を有する電気絶縁油を用いるのが好ましい。電気絶縁油としては、鉱油、シリコーン油等が好適に用いられる。その他に使用可能な冷却媒体８としては、フッ素系電気絶縁液体が挙げられる。

透過型放射線管１０は、外囲器１９、電子放出源１１、ターゲット１４、透過基板１５および遮蔽体１６を備えている。透過型放射線管１０には、本実施形態のように引出し電極１２とレンズ電極１３を設けても良い。これらを設けた場合、引出し電極１２によって形成される電界によって電子放出源１１から電子が放出され、放出された電子はレンズ電極１３で収束され、ターゲット１４に入射し放射線が発生する。また、本実施形態のように排気管２０を設けても良い。排気管２０を設けた場合、例えば排気管２０を通じて外囲器１９内を真空に排気した後、排気管２０の一部を封止することで外囲器１９の内部を真空にすることができる。

外囲器１９は、透過型放射線管１０の内部を真空に保つためのもので、ガラスやセラミクス材料等が用いられる。外囲器１９内の真空度は１０^-4〜１０^-8Ｐａ程度であれば良い。外囲器１９の内部には真空度を保つために、不図示のゲッターを配置しても良い。また、外囲器１９は、開口部を有しており、その開口部には遮蔽体１６が接合されている。この遮蔽体１６は外囲器１９の開口部に連通する通路を有しており、その通路に透過基板１５が接合されることにより外囲器１９が密閉される。

電子放出源１１は、外囲器１９の内部に、外囲器１９の開口部に臨んで配設されている。電子放出源１１にはタングステンフィラメントや、含浸型カソードのような熱陰極、またはカーボンナノチューブ等の冷陰極を用いることができる。電子放出源１１の近傍には引出し電極１２が配置され、引出し電極１２によって形成される電界によって放出された電子は、レンズ電極１３で収束され、ターゲット１４に入射し放射線が発生する。このとき、電子放出源１１とターゲット１４間に印加される電圧Ｖａは、放射線の使用用途によって異なるものの、概ね４０〜１２０ｋＶ程度である。

透過基板１５は、ターゲット１４を支持し、ターゲット１４で発生する放射線の少なくとも一部を透過するものであり、外囲器１９の開口部に連通する遮蔽体１６の通路に設けられている。透過基板１５を構成する材料は、ターゲット１４を支持できる強度を有し、ターゲット１４で発生した放射線の吸収が少なく、かつターゲット１４で発生した熱をすばやく放熱できるよう熱伝導率の高いものが好ましい。例えばダイヤモンド、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いることができる。透過基板１５についての上記要求事項を満たすため、透過基板１５の厚みは０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度が適当である。

ターゲット１４は、透過基板１５の電子放出源側の面に設置されている。ターゲット１４を構成する材料は、融点が高く、放射線発生効率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル、モリブデン等を用いることができる。発生した放射線がターゲット１４を透過する際に生じる吸収を軽減するため、ターゲット１４の厚みは数μｍ〜十数μｍ程度が適当である。

遮蔽体１６は、ターゲット１４から放出された放射線を遮るものであり、外囲器１９の開口部に接合され、その開口部に連通する通路を有しており、その通路に透過基板１５が接合されている。ターゲット１４はその通路に接合されていなくても良い。また、遮蔽体１６は、本実施形態のように円筒等の筒型形状からなる２つの遮蔽体（第１の遮蔽体１７と第２の遮蔽体１８）で構成しても良い（図１（ｂ））。

第１の遮蔽体１７は、ターゲット１４に電子が入射し放射線が発生した際に、ターゲット１４の電子放出源側に散乱した放射線を遮蔽する機能を備えており、外囲器１９の開口部に連通する通路を有する。電子放出源１１から放出された電子は外囲器１９の開口部に連通する第１の遮蔽体１７の通路を通過し、ターゲット１４の電子放出源側に散乱した放射線は第１の遮蔽体１７で遮蔽される。

第２の遮蔽体１８は、透過基板１５を透過し放出された放射線の中で、不要な放射線を遮蔽する機能を備えており、外囲器１９の開口部に連通する通路を有する。透過基板１５を透過した放射線は外囲器１９の開口部に連通する第２の遮蔽体１８の通路を通過し、不要な放射線は第２の遮蔽体１８で遮蔽される。

本実施形態では、図１（ｂ）のように透過基板１５よりも電子放出源と反対側において、第２の遮蔽体１８の通路の開口面積が徐々に大きくなっている（透過基板１５から離れるほど大きくなっている）のが好ましい。これは、透過基板１５を透過した放射線が放射状の広がりをもっているからである。

また、本実施形態では、透過基板１５よりも電子放出源側と、透過基板１５よりも電子放出源と反対側とで、各々の側における通路の開口の重心（第１の遮蔽体１７の通路の開口の重心と第２の遮蔽体１８の通路の開口の重心）が一致しているのが好ましい。即ち、図１（ｂ）のように第１遮蔽体１７の通路の開口と第２の遮蔽体１８の通路の開口が、透過基板１５を挟んで透過基板１５のターゲット設置面に垂直な同一直線上に配置されているのが好ましい。これは、本実施形態では、ターゲット１４に電子を照射して放射線を発生させ、透過基板１５を透過した放射線を放出するからである。

遮蔽体１６（第１の遮蔽体１７および第２の遮蔽体１８）を構成する材料は、放射線の吸収率が高く、かつ熱伝導率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル等の金属材料を用いることができる。不要な放射線を遮蔽するため、第１の遮蔽体１７と第２の遮蔽体１８の厚みは３ｍｍ以上が適当である。

本実施形態の放射線発生装置では、ターゲット１４と第１の遮蔽体１７および第２の遮蔽体１８とは、直接または透過基板１５を介して、機械的かつ熱的に接触している。また、透過基板１５の電子放出源と反対側の面と第２の遮蔽体１８は、外囲器１９の外壁の一部を構成しており、収納容器１の中で冷却媒体８に接触している。このため、ターゲット１４に電子が入射した際に発生する熱は、透過基板１５の電子放出源と反対側の面から冷却媒体８に放熱されるとともに、第２の遮蔽体１８を介しても冷却媒体８に速やかに放熱される。よって、ターゲット１４の温度上昇が抑制される。

このように、本実施形態の放射線発生装置によれば、簡易な構造で不要な放射線の遮蔽とターゲットの冷却が可能となるとともに、放射線発生装置の小型軽量化を実現できる。

また、本実施形態の放射線発生装置では、遮蔽体１６を第２の遮蔽体１８のみで構成しても良い。この場合も、ターゲット１４に電子が入射した際に発生する熱は、透過基板１５の電子放出源と反対側の面から冷却媒体８に放熱されるとともに、第２の遮蔽体１８を介しても冷却媒体８に速やかに放熱される。よって、ターゲット１４の温度上昇が抑制される。なお、ターゲット１４の電子放出源側に散乱した放射線を遮蔽するために、別の遮蔽部材（例えば外囲器１９の外壁の一部を覆う、鉛板からなる遮蔽部材等）が必要となるが、放射線管の全面を覆う必要はないため、放射線発生装置の小型軽量化を実現できる。

また、本実施形態の放射線発生装置における電圧制御手段としては、陽極接地方式と中点接地方式のいずれの方式も採用することができるが、中点接地方式を採用するのが好ましい。陽極接地方式とは、ターゲット１４と電子放出源１１との間に印加する電圧をＶａ［Ｖ］としたとき、陽極であるターゲット１４の電圧をグランド（０［Ｖ］）に設定し、電子放出源１１の電圧を−Ｖａ［Ｖ］に設定する方式である。一方、中点接地方式とは、ターゲット１４の電圧を＋（Ｖａ−α）［Ｖ］、電子放出源１１の電圧を−α［Ｖ］、（ただし、Ｖａ＞α＞０）に、それぞれ設定する方式である。αの値はＶａ＞α＞０の範囲内の任意の値であるが、一般的にはＶａ／２に近い値である。中点接地方式を採用することで、グランドに対する電圧の絶対値を小さくすることができ、沿面距離を短くすることができる。沿面距離とは、ここでは電圧制御部３と収納容器１との距離、および透過型放射線管１０と収納容器１との距離である。沿面距離を短くすることができると、収納容器１のサイズを小さくすることができ、その分冷却媒体８の重量も小さくすることができるため、放射線発生装置をより小型軽量化することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、図２を用いて本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影装置について説明する。図２は本実施形態の放射線撮影装置の構成図である。本実施形態の放射線撮影装置は、放射線発生装置３０、放射線検出器３１、信号処理部３２、装置制御部３３および表示部３４を備えている。放射線発生装置３０としては、例えば第１の実施形態の放射線発生装置が好適に用いられる。放射線検出器３１は信号処理部３２を介して装置制御部３３に接続され、装置制御部３３は表示部３４および電圧制御部３に接続されている。

放射線発生装置３０における処理は装置制御部３３によって統括制御する。例えば、装置制御部３３は放射線発生装置３０と放射線検出器３１による放射線撮影を制御する。放射線発生装置３０から放出された放射線は、被検体３５を介して放射線検出器３１で検出され、被検体３５の放射線透過画像が撮影される。撮影された放射線透過画像は表示部３４に表示される。また例えば、装置制御部３３は放射線発生装置３０の駆動を制御し、電圧制御部３を介して透過型放射線管１０に印加される電圧信号を制御する。

１：収納容器、８：冷却媒体、１０：透過型放射線管、１１：電子放出源、１４：ターゲット、１５：透過基板、１６：遮蔽体、１９：外囲器

Claims (10)

1. 開口部を有する外囲器と、
   前記外囲器の内部に配置された電子放出源と、
   前記電子放出源から放出された電子の照射により放射線を発生するターゲット部とからなる透過型放射線管であって、
   前記ターゲット部は、ダイヤモンドの透過基板と、前記透過基板の表面に配置されたターゲットとからなり、
   さらに、前記ターゲットを囲み、前記開口部内に配置されているとともに、一部が前記外囲器の外部に突出した遮蔽体を有し、
   前記遮蔽体は、前記ターゲットから放出された放射線の一部を遮ることを特徴とする透過型放射線管。
2. 前記遮蔽体は、前記ターゲットから前記電子放出源側に散乱した放射線を遮蔽することを特徴とする請求項１記載の透過型放射線管。
3. 前記遮蔽体は、前記ターゲット部に対して前記電子放出源側に配置された第１の遮蔽体と、前記ターゲット部に対して第１の遮蔽体と対向する側に配置された第２の遮蔽体とからなり、
   前記第１の遮蔽体は、前記外囲器の内部において前記第１の遮蔽体により形成された第１の通路を有し、
   前記第２の遮蔽体は、前記外囲器の外部において前記第２の遮蔽体により形成された第２の通路を有し、
   前記電子放出源から放出された電子は、前記第１の通路を通って前記ターゲット部に照射され、
   前記ターゲット部から放出された放射線は、前記第２の通路を通って前記外囲器の外部に放射されることを特徴とする請求項１に記載の透過型放射線管。
4. 前記第２の通路の開口径が、外側に向かって、徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項３に記載の透過型放射線管。
5. 前記第１の通路の開口の中心と前記第２の通路の開口の中心とが同一直線上に配置されるように、前記第１の遮蔽体と前記第２の遮蔽体とが配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の透過型放射線管。
6. 前記ターゲットは、タングステンからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の透過型放射線管。
7. 請求項１に記載の透過型放射線管を内部に収納した収納容器と、
   前記収納容器と前記透過型放射線管との間に満たされた冷却媒体とを有し、
   前記遮蔽体の前記外囲器の外部に突出している部分が、前記冷却媒体に接していることを特徴とする放射線発生装置。
8. 前記冷却媒体は電気絶縁油であることを特徴とする請求項７に記載の放射線発生装置。
9. 前記ターゲット部の電圧を＋（Ｖａ−α）［Ｖ］、前記電子放出源の電圧を−α［Ｖ］、（ただし、Ｖａ＞α＞０）に、それぞれ設定する電圧制御手段を更に有することを特徴とする請求項７に記載の放射線発生装置。
10. 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の放射線発生装置と、該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器と、前記放射線発生装置と前記放射線検出器とを制御する制御部とを備えることを特徴とする放射線撮影装置。

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