JP6537679B2 - 放射線管、放射線源及び放射線検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業機器分野における非破壊Ｘ線検査装置や、医療機器分野における診断応用等に適用できる放射線管及びそれを用いた放射線検査装置に関する。

放射線管は、陰極と陽極との間に高電圧を印加し、電子源から放出される電子をターゲットに照射することによりＸ線等の放射線を発生させる。放射線管は、例えばＸ線源として、物品の異物を検査する検査装置に適用される。

特許文献１には、物品にＸ線を照射するＸ線源と、Ｘ線の照射範囲を調整するスリット形成部材と、物品を搬送する搬送部とを有するＸ線検査装置が開示されている。

特開２０１３−８８１９９号公報

従来のＸ線検査装置３０１の構成を、図１０に示す。被検査物品３０７を搬送装置３０４により搬送させながら、Ｘ線管３０６から物品３０７にＸ線を照射し、物品３０７を透過したＸ線をＸ線ラインセンサ３０５により検出する。物品３０７の搬送方向に直交する方向に延びるスリットを有するスリット形成部材３０６により、Ｘ線管３０２から放射されるコーンビーム状のＸ線３０８の照射範囲を調整している。破線矢印はスリット形成部材３０６から散乱したＸ線を示す。これらの検査空間外へのＸ線を遮蔽するために、Ｘ線遮蔽壁３０９が設けられている。

しかし、Ｘ線焦点位置（ターゲット）とスリットの位置とが離れているため、ターゲットとスリット間でのＸ線の散乱が広範囲に発生する。そのため、Ｘ線遮蔽壁を設ける領域も広範囲にわたることにより、装置全体が大型化するという課題があった。

本発明の放射線管は、電子を放出する電子源を有する陰極と、電子の照射により放射線を発生するターゲット部と前記ターゲット部を保持する管状の前方遮蔽体とを有する陽極と、管軸方向の両端において前記陰極と前記陽極とに接続される絶縁管と、を有する放射線管であって、
前記ターゲット部は、ターゲット層と前記ターゲット層を支持する基材と、を有し、前記前方遮蔽体は、前記ターゲット部の前記電子源とは反対側の面から放出された放射線の一部を通過させ前記放射線をファンビームに成形するスリット状の開口が設けられ、前記前方遮蔽体の前記ターゲット部の側における短手方向の開口幅は前記ターゲット層の直径以下であり、前記前方遮蔽体の前記ターゲット部の側における長手方向の開口幅は前記ターゲット層の直径より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、スリット状の開口を有する前方遮蔽体が形成された放射線管を用いることにより、簡素化された構成で、検査装置への適用に適したファンビームとして、放射線が放出される。また、ターゲット部近傍での不要な放射線を効果的に遮蔽することができるので、ターゲット部とスリット部との間での放射線の散乱を抑制することができる。その結果、検査空間外への放射線の散乱も抑制され、安全で、小型化された放射線検査装置が提供される。

第１の実施形態に係る放射線源を示す模式図である。 第１の実施形態に係る前方遮蔽体及びターゲット部を示す模式図である。 第２の実施形態に係る前方遮蔽体を示す模式図である。 第１の実施形態に係る後方遮蔽体の開口を説明するための模式図である。 第３の実施形態に係る放射線源を示す模式図である。 第３の実施形態に係る後方遮蔽体を示す模式図である。 第４の実施形態に係る放射線検査装置のブロック図である。 実施例２に係る放射線検査装置を示す模式図である。 実施例３に係る放射線検査装置を示す模式図である。 従来の放射線検査装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。本発明において用いられる放射線としては、Ｘ線が好適であるが、中性子線や陽子線等の放射線の適用も可能である。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る放射線源の模式図である。放射線源８１は、収納容器内に配置された放射線管８８と高圧発生部８２とからなり、収納容器内の余空間は絶縁油８７で満たされている。放射線管８８は、円筒状の絶縁管８３の一方の端部と陰極８４が接合され、他方の端部と陽極８５が接合された外囲器を有する。高圧発生部８２は、陰極８４及び陽極８５に所望の電圧を印加する。陰極８４を構成する電子源８６から放出された電子は、加速電圧（陰極／陽極間電圧）により加速され、ターゲット部１２に衝突する。電子の衝突により発生した放射線のうち、ターゲット部１２の電子が衝突した面と対向する面側から放出された放射線が外囲器外部に放出される。即ち、本実施形態で用いられる放射線管８８は透過型である。

前方遮蔽体２１は、外囲器（陽極フランジの部分）の開口部に接続され、ターゲット部１２から放出された放射線の一部を遮蔽する。即ち、放射線管８８から発生した放射線は、ターゲット部１２に接続されたスリット状（矩形）の開口２５を有する前方遮蔽体２１により、照射領域が扇状に制限されたファンビームとして放出される。

絶縁管８３には、アルミナ等のセラミックス材料やガラス等の電気的に絶縁性の材料が用いられる。陰極８４及び、陽極８５のフランジ部は、モネル（米国登録商標：ＭＯＮＥＬ、Ｎｉ−Ｃｕ系合金）、インコネル（米国登録商標：ＩＮＣＯＮＥＬ、Ｎｉ基の超合金）、コバール（米国登録商標：ＫＯＶＡＲ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系の合金）等の低線膨張係数合金やステンレスなどの金属からなる。

電子源８６は、外囲器の内部に、陽極８５を構成するターゲット部１２に対向して配置されている。電子源８６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、又はカーボンナノチューブ等の冷陰極が含まれている。電子源８６には、ターゲット部１２の所望の位置、範囲に電子が到達するように制御するための引き出し電極やレンズ電極が配置されている。

図２（ａ）は、前方遮蔽体２１の模式図で、正面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。前方遮蔽体２１は、スリット状の開口（放射線通過孔）２５を有し、開口２５の長手幅（Ｌ１）と短手幅（Ｌ２）との比は、２：１から５０：１程度、より望ましくは４：１から２０：１程度である。

図２（ｂ）に示すターゲット部１２は、円板状の基材１８と、基材１８の電子源側（前方遮蔽体２１との接続面の反対側）の表面に円形状に形成されたターゲット膜１９とからなる。基材１８はターゲット膜１９を支持するとともに、外囲器内の真空を保持できる強度を有するものが好ましい。また、ターゲット膜１９で発生した放射線の吸収が少なく、且つターゲット膜１９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、炭化シリコン、窒化アルミニウム等を用いることができる。

ターゲット膜１９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膜１９を透過する際に生じる吸収を軽減するため、ターゲット膜１９の厚みは、１μｍから１００μｍ程度が好適である。同様に、基材１８の厚さは、５００μｍ〜５ｍｍが好適である。

前方遮蔽体２１は、放射線の遮蔽能力が高く、さらにはターゲット部１２で発生した熱を外部に放熱できるよう熱伝導率が高いものが好ましく、銅、鉄、ニッケル、タングステン、鉛等の金属や、それらを主成分とする合金、及びそれらの複合素材などからなる。また、前方遮蔽体２１の一部が、外囲器の外部に突出して配置されるので、ターゲット部１２で発生した熱は、前方遮蔽体２１を介して速やかに外部に放熱される。

図４（ａ）は、前方遮蔽体２１のスリット状の開口２５と、ターゲット膜１９に照射される電子ビームの径、即ち焦点２３との配置関係を表す模式図である。焦点径ｄ１、ターゲット膜１９の径Ｄ１、開口２５の短手幅Ｌ２は、ｄ１＜Ｌ２≦Ｄ１を満たす（短手幅は、焦点径より大きく、ターゲット膜の径以下である）。このような関係とすることにより、焦点２３でコーンビーム状に放射される放射線を、効果的にファンビーム状放射線に成形でき、かつ不要な方向への放射線を効率的に遮蔽できる。

［第２の実施形態］
図３は、本実施形態の前方遮蔽体２１の模式図で、正面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。スリット状の開口２５は、長手幅がターゲット部側から外部側に向かって広くなるテーパーがつけられている。遮蔽する放射線量の多いターゲット部近傍での厚みを大きくすることで、不要な放射線の遮蔽に必要な前方遮蔽体２１の大きさを小さくすることが出来る。また、開口２５の長手方向においてターゲット部側が放射側より狭い構造であれば、テーパーは直線テーパーである必要はなく、あるいは階段状の構造等でもよい。ターゲット部側の端部の長手幅は、焦点径より大きく、後述する後方遮蔽体６４の開口径と同じであることが好ましく、さらに長手幅と短手幅とが等しい（Ｌ３＝Ｌ２）正方形となる。

図４（ｂ）は、前方遮蔽体２１の開口２５と、焦点２３との配置関係を表す模式図である。焦点径ｄ１、ターゲット膜１９の径Ｄ１、開口２５の短手幅Ｌ２は、ｄ１＜Ｌ２≦Ｄ１を満たす。このような関係とすることにより、焦点２３でコーンビーム状に放射される放射線を、さらに効果的にファンビーム状放射線に成形でき、かつ不要な方向への放射線を効果的に遮蔽できる。

［第３の実施形態］
図５は、本実施形態に係る放射線源の模式図である。後方遮蔽体６４が配置されていること以外の構成は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様である。

ターゲット部１２より陰極側に発生した放射線及び反射電子は、後方遮蔽体６４によって遮蔽される。後方遮蔽体６４は、前方遮蔽体２１と同じ材料のものが用いられる。また、前方遮蔽体２１と後方遮蔽体６４とは、内側に遮蔽効果の高い材料（例えば、タングステン）を配置し、外側に熱伝導率の高い材料（例えば、銅）を配置した２層構成でもよい。

図６は、後方遮蔽体６４の模式図で、正面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。図６（ａ）に示すように、後方遮蔽体６４は、円筒状の開口（電子通過孔）６６を有し、ターゲット部１２と接続される。ターゲット部１２は、後方遮蔽体６４の端部に形成された切欠きに収められて接合される。前方遮蔽体２１、ターゲット部１２、後方遮蔽体６４は、一体的に陽極フランジ部の開口部に接合される。

また、図６（ｂ）に示すように、開口６６にテーパーをつけてもよい。この構造により、不要な放射線量の多いターゲット部近傍で効率的に遮蔽を行い、かつ、後方遮蔽体の陰極側面に電子が衝突し不要な放射線が発生することを防止する。また、後方遮蔽体の開口６６のターゲット部側が陰極側より狭い構造であれば、テーパーは直線テーパーである必要はなく、あるいは階段状の構造等でもよい。

［第４の実施形態］
次に、図７を用いて、本実施形態の放射線検査装置について説明する。システム制御部５０２は、放射線管８８と放射線検出部５０１と搬送駆動部５０５とを連携制御する。放射線管８８としては、第１〜３の実施形態に記載されたものが用いられる。放射線管制御部５０４は、システム制御部５０２による制御の下に、放射線源８１に各種の制御信号を出力する。制御信号により、放射線管８８から放出される放射線の放出状態が制御される。搬送駆動部５０５は、放射線管８８と検出器５０７との間を横切って被検査物品５０９を通過させるように、物品配置部５０６を駆動する。放射線管８８から放出された放射線は、物品５０９を透過して検出器５０７で検出される。検出器５０７は、検出した放射線を電気信号に変換して信号処理回路５０８に出力する。信号処理回路５０８は、システム制御部５０２による制御の下に、電気信号に所定の信号処理を施し、処理された電気信号をシステム制御部５０２に出力する。システム制御部５０２は、処理された処理信号に基づいて画像信号を生成し、画像信号に基いて、表示部５０３に物品の内部の映像を表示させる。さらに、システム制御部５０２は、映像情報に基いて、物品の内部に含まれる異物の有無を判定する。判定結果は表示装置５０３で表示される。検査が終了した物品５０９は、搬送駆動装置５０５によって駆動される物品配置部５０６によって、判定結果に応じて異なる所定の場所に搬送される。物品５０９は、所定間隔で連続的に搬送され、物品５０９が放射線管８８の照射範囲に入るタイミングと照射範囲から出るタイミングに同期して、放射線管８８から放射線が照射される。

（実施例１）
図４、図５、図６を用いて本発明の放射線管の一実施例について説明する。放射線管８８はアルミナの絶縁管８３の一方の端部に陰極８４が、他方の端部に陽極８５が接合され、外囲器が構成されている。陰極、及び陽極のフランジ部の材料はコバールである。陽極８５は、ターゲット部１２、前方遮蔽体２１、後方遮蔽体６４を備えている。ターゲット部１２はφ５ｍｍ×ｔ２ｍｍのダイヤモンド基板の陰極側にタングステンがφ３ｍｍ×ｔ５μｍで成膜されている。前方遮蔽体２１は銅であり、φ２０ｍｍ×ｔ１０ｍｍの略円筒状である。スリット状の開口２５は、放射側長手幅Ｌ１は１０ｍｍ、ターゲット部側長手幅Ｌ３は２．５ｍｍ、短手幅Ｌ２は２．５ｍｍのテーパー状になっている。また、ターゲット径Ｄ１は３ｍｍ、焦点径ｄ１は２ｍｍで、ｄ１＜Ｌ２≦Ｄ１を満たす関係となっている。後方遮蔽体６４は銅であり、φ２０ｍｍ×ｔ１０ｍｍの略円筒状に、φ２ｍｍの円筒状の開口６６を備える。後方遮蔽体６４にターゲット部１２とほぼ同じ大きさの掘り込みを作成し、そこにターゲット部１２をはめ込み、銀ロウによりロウ付けする。さらに、後方遮蔽体６４の接続面に、前方遮蔽体２１の開口２５が小さい側を銀ロウによりロウ付けする。

高圧発生部８２はコッククロフト回路を備え、放射線の使用用途に応じて概ね４０ｋＶ〜１２０ｋＶ程度の電圧を印加する。電子源８６は含浸型カソードである。発生した放射線は、前方遮蔽体２１によって、適正な形状のファンビームに変換されて、外部に放出された。また、陰極側に発生した放射線は、後方遮蔽体６４により、効果的に遮蔽された。

（実施例２）
本発明の放射線検査装置の一実施例について説明する。図８は、本実施例の放射線検査装置の構成を示す断面模式図の正面図と側面図である。放射線検査装置１０１は、搬送部１０４で物品１０７を搬送させながら放射線管８８より照射される放射線を用いて異物検査を行う。搬送部１０４は、ベルトコンベアで、両端の駆動モータにより物品１０７を左右方向に搬送する。前方遮蔽体２１の開口２５は、長手方向が搬送装置１０４の搬送方向と交差する方向、好ましくは直交する方向に形成されている。その結果、放射線管８８より放射される放射線は、搬送方向と直交する方向には、物品１０７の大きさより大きい照射範囲となるファン角と、搬送方向には、物品の大きさより十分小さな照射範囲となる放射角とを有するファンビームとなる。物品１０７を透過した放射線は、検出器であるラインセンサ１０５により検出される。

本実施例の放射線検査装置１０１は、前方遮蔽体２１で不要な放射線を遮蔽するため、図１０の従来例に示したようなスリット形成部材３０６からの散乱放射線がない。そのため、放射線遮蔽壁１０９を簡素化しても、散乱放射線を十分遮蔽できた。

（実施例３）
本発明の放射線検査装置の他の実施例について説明する。図９は、本実施例の放射線検査装置の構成を示す断面模式図の正面図と側面図である。前方遮蔽体２１と物品１０７との間にスリット部２０６を配置した以外は、実施例２と同様である。スリット部２０６は、タングステンからなり、搬送部１０４の搬送方向と直交する方向にスリット状の開口（スリット）が形成されている。スリットの長手方向は、前方遮蔽体２１の開口２５の長手方向と一致している。

放射線管８８より放射されるファンビームの放射線は、スリット部２０６を通過することにより、搬送方向と直交する方向には、照射範囲が維持され、搬送方向には、照射範囲をさらに小さくしたファンビームとなる。

本実施例によれば、搬送方向の分解能が高まるので、より高精度の検査が可能となる。また、従来の放射線検査装置に比べて、スリット部２０６で散乱される放射線は微量となるので、放射線遮蔽壁１０９が簡素化され、装置全体が小型化された。

８６ 電子源
１２ ターゲット部
２１ 前方遮蔽体
２５ スリット状の開口
１８ 基材
１９ ターゲット膜
２３ 焦点

Claims (13)

1. 電子を放出する電子源を有する陰極と、電子の照射により放射線を発生するターゲット部と前記ターゲット部を保持する管状の前方遮蔽体とを有する陽極と、管軸方向の両端において前記陰極と前記陽極とに接続される絶縁管と、を有する放射線管であって、
   前記ターゲット部は、ターゲット層と前記ターゲット層を支持する基材と、を有し、前記前方遮蔽体は、前記ターゲット部の前記電子源とは反対側の面から放出された放射線の一部を通過させ前記放射線をファンビームに成形するスリット状の開口が設けられ、前記前方遮蔽体の前記ターゲット部の側における短手方向の開口幅は前記ターゲット層の直径以下であり、前記前方遮蔽体の前記ターゲット部の側における長手方向の開口幅は前記ターゲット層の直径より大きいことを特徴とする放射線管。
2. 前記ターゲット部の側における前記短手方向の開口幅は、前記電子源からの電子線の照射により前記ターゲット層に形成される焦点の径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の放射線管。
3. 前記ターゲット部の側における前記長手方向の開口幅は、前記電子源からの電子線の照射により前記ターゲット層に形成される焦点の径より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の放射線管。
4. 前記開口は、前記ファンビームのファン角を規定する前記長手方向の開口幅と、前記長手方向の開口幅より小さい幅であって前記ファンビームの放射角を規定する前記短手方向の開口幅と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線管。
5. 前記陽極は、前記絶縁管に接続されるとともに、前記前方遮蔽体が接続されるフランジ状の陽極部材を有し、前記前方遮蔽体の少なくとも一部が、前記陽極部材より外側に向いて突出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線管。
6. 前記前方遮蔽体の前記ターゲット部と反対側における前記短手方向の開口幅は、前記前方遮蔽体の前記ターゲット部の側における前記短手方向の開口幅と等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線管。
7. 前記ターゲット部に対して前記前方遮蔽体と反対側に配置された後方遮蔽体をさらに有し、
   前記後方遮蔽体は、前記電子源から放出された電子が通過する電子通過孔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線管。
8. 前記開口は、２以上５０以下のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線管。
9. 前記開口は、４以上２０以下のアスペクト比を有することを特徴とする請求項８に記載の放射線管。
10. 絶縁油と、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線管と、
    前記陰極と前記陽極との間に加速電圧を印加する加速電圧回路と、を備え、
    前記加速電圧は、４０ｋＶ以上１２０ｋＶ以下であることを特徴とする放射線源。
11. 前記放射線管を収納し、開口部が設けられた収納容器を有し、
    前記前方遮蔽体は、前記開口部より前記収納容器の外部に突出していることを特徴とする請求項１０に記載の放射線源。
12. 請求項１０または１１に記載の放射線源と、
    前記開口の長手方向と交差する方向に物品を搬送する搬送部と
    前記放射線管から放射され、前記物品を透過した放射線を検出する検出部と、
    を備えることを特徴とする放射線検査装置。
13. 前記前方遮蔽体と前記物品との間に配置されたスリット部をさらに有し、
    前記スリット部に形成されたスリットの長手方向は、前記開口の長手方向と一致していることを特徴とする請求項１２に記載の放射線検査装置。

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