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