JP6552289B2

JP6552289B2 - Ｘ線発生管、ｘ線発生装置、ｘ線撮影システム

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Application number: JP2015119318A
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Inventors: 大橋　康雄; 康雄大橋; 上田　和幸; 和幸上田
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Description

本発明は、電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、ターゲットにより閉塞された開孔を有する管状の陽極部材とを備えた陽極を用いた透過型のＸ線発生管、Ｘ線発生装置、Ｘ線撮影システム及びこれらに用いられる陽極に関する。

透過型ターゲットを備えた透過型Ｘ線発生管が公知である。透過型ターゲットは、電子線がターゲットに入射される側とは反対側から放出されるＸ線を利用するものである。透過型Ｘ線発生管は、ダイヤモンドを材料とするターゲットをＸ線発生管の端窓として備える形態とすることが可能であり、広い放射角、高い放熱性、Ｘ線発生装置の小型化において有利な特徴を備えている。このような透過型Ｘ線発生管におけるターゲットは、周縁に配置された銀ろう、Ａｇ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材等の接合材を介して陽極部材に気密接合されている。ろう材は、２００℃〜陽極部材の動作時の温度以上の融点を有するものが採用される。Ａｇ−Ｓｎ系であれば、組成比の制御又は３元系以上とすることにより、広い融点の材料設計が可能である（１００℃〜９００℃）。

特許文献１には、開孔径に分布を有す管状の陽極部材と、該陽極部材に保持された透過型ターゲットを備えた透過型Ｘ線発生管が開示されている。また、特許文献２は、Ｘ線の遮蔽性が高い部材と熱伝導部材とで構成した管状の陽極部材と、該陽極部材に保持された透過型ターゲットを備えたＸ線発生管が開示されている。このような、透過型のターゲットを端窓として備えたＸ線発生管において、Ｘ線発生動作を繰り返すことにより、所望の管電流が得られず、必要なＸ線出力を確保することが困難になる場合があった。安定したＸ線出力が得られる透過型Ｘ線発生管が求められていた。

特開２０１３−５１１５３号公報特開２０１３−５５０４１号公報

しかしながら、特許文献１及び２のいずれに開示されている構成においても、次のような問題があった。すなわち、Ｘ線の発生動作と停止動作との繰り返しに伴い真空リークが生じる場合があった。真空リークが生じると、Ｘ線発生管内の雰囲気における電子の平均自由行程が低下し、管電流が低減しＸ線出力が低下し改善が求められている問題であった。

本願の発明者等の検討により、前述のＸ線出力の低下の原因は、Ｘ線発生管の繰り返し動作に伴う、陽極の応力振幅であることが判った。すなわち、Ｘ線出力の低下の原因は、透過型ターゲットと陽極部材との接合に係る接合材に、周方向の引っ張り応力が発生している事が原因であることを同定するに至った。

本発明は、ターゲットを周囲の部材に気密接合する接合材について、ターゲットと接合材との間の線膨張係数の差によって生じるクラックの発生による真空リークを抑制できるようにし、Ｘ線発生管、ひいてはＸ線発生装置及びＸ線撮影システム、並びにこれらに用いられる陽極の耐久性を高めることを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の第一の態様は、電子放出部からの電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、管状の陽極部材と、前記ターゲットの外周と前記陽極部材の内周の間に環状に配置された接合材と、を備える陽極を有するＸ線発生管であって、
前記陽極部材は、第一の金属管と、前記第一の金属管に固定され前記第一の金属管より線膨張係数が高い第二の金属管と、を有し、
前記接合材は、前記第一の金属管と前記第二の金属管とのそれぞれに接するように延在し、
前記ターゲットは、前記接合材が前記第一の金属管と接している部分に対向する部分、および、前記接合材が前記第二の金属管と接している部分に対向する部分、のそれぞれにおいて前記接合材を介して、前記陽極部材に接合されていることを特徴とするＸ線発生管を提供するものである。

本発明の第二の態様は、上記本発明の第一の態様に係るＸ線発生管と、
前記ターゲットと前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子放出部との間に管電圧を印加する管電圧回路と、
を備えていることを特徴とするＸ線発生装置を提供するものである。

本発明の第三の態様は、上記本発明の第二の態様に係るＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出器とを統合して制御するシステム制御装置と、を備えていることを特徴とするＸ線撮影システムを提供するものである。

さらに本発明の第四の態様は、電子放出部からの電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、管状の陽極部材と、前記ターゲットの外周と前記陽極部材の内周の間に環状に配置された接合材と、を備える陽極を有するＸ線発生管であって、
前記陽極部材は、第一の金属管と、前記第一の金属管に固定され前記第一の金属管より線膨張係数が高い第二の金属管と、を有し、
前記接合材は、前記第一の金属管と前記第二の金属管とのそれぞれに接するように延在し、
前記ターゲットは、前記接合材が前記第一の金属管と接している部分に対向する部分、および、前記接合材が前記第二の金属管と接している部分に対向する部分、のそれぞれにおいて前記接合材を介して、前記陽極部材に接合され、
前記第一の金属管及び前記第二の金属管は、前記陽極部材の管軸に沿った方向の少なくとも一方の端部側において前記接合材に圧縮応力成分を発生させ、前記接合材の当該陽極部材の周方向における引張応力が緩和されるように設けられていることを特徴とするものである。

さらに本発明の第五の態様は、本発明の第四の態様に係るＸ線発生管と、前記ターゲットと前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子放出部との間に管電圧を印加する管電圧回路と、を備えていることを特徴とするＸ線発生装置である。

さらに本発明の第六の態様は、本発明の第五の態様に係るＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出器とを統合して制御するシステム制御装置と、を備えていることを特徴とするＸ線撮影システムである。

本発明におけるターゲットの周縁部は、陽極部材の開孔を塞いで陽極部材に接合されている。また、陽極部材は、第一の金属管と、第一の金属管より線膨張係数が大きな第二の金属管と、を有し、ターゲットは、この両者を跨いで配置された接合材を介して陽極部材に接合されている。接合材が冷却されて収縮するのに従い、ターゲットの周方向に沿って、かかる接合材に引張応力が作用する。これと同時に、第一の金属管と第二の金属管との線膨張係数の違いにより、例えば管軸方向に働く圧縮応力を接合材に作用させることができる。かかる接合材への圧縮応力が作用し、接合材のポアソン比に応じた圧縮応力がターゲットの周方向に作用して、上記引張応力が緩和され、接合材にクラックが生じにくくなり、真空リークの発生が抑制されたＸ線発生管を提供することが可能となる。

（ａ）は本発明に係るＸ線発生管の一実施形態を示す図、（ｂ）はそれに用いた第１の実施形態に係る陽極の基本形を示す拡大断面図である。（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ第１の実施形態に係る陽極の変形例を示す図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ第１の実施形態に係る陽極の変形例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る陽極の一例を示す断面図である。本発明のＸ線発生管を備えたＸ線発生装置の概略構成図である。本発明のＸ線発生装置を備えたＸ線撮影システムである。

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又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。

＜陽極及びＸ線発生管＞
図１（ａ）には、電子放出源１５と、電子放出源１５に対向するターゲット９とを備えた透過型のＸ線発生管１０２の実施形態が示されている。また、図１（ｂ）には、このＸ線発生管１０２に用いた、第一の実施形態に係る陽極２が拡大して示されている。

本実施形態のＸ線発生管１０２は、陰極４と、陰極４に接続された電子放出部５と、陽極２と、陽極２と陰極４との間に狭持された絶縁管３とを有する。陽極２は、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット９と、ターゲット９で閉塞された開孔１８を有する管状の陽極部材６と、陽極板１９とを備えている。本実施形態におけるＸ線発生管１０２は、電子放出源１５が備える電子放出部５から放出された電子線１７をターゲット９に照射して衝突させることによりＸ線束１４を発生させるものとなっている。

ターゲット９は、図１（ｂ）に示されるように、電子線１７の照射によりＸ線を発生させるターゲット層２１と、このターゲット層２１を支持するターゲット基材２２とから構成されている。ターゲット９のターゲット層２１が設けられている側の面が電子線を照射される側の面である電子照射面９０である。ターゲット９のターゲット層２１が設けられている側の反対側の面がＸ線を放出するＸ線放出面９００である。

ターゲット層２１は、含有するターゲット層材料とその層厚とを、管電圧Ｖａと共に適宜選択することにより、必要な線種を放出するＸ線発生源となる。ターゲット層材料としては、例えば、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）等の原子番号４０以上の高い原子番号の金属材料を含有することが可能である。ターゲット層２１は、ターゲット基材２２上に、蒸着法、スパッタ法等の任意の成膜方法により形成することが可能である。

ターゲット基材２２は、ベリリウム、天然ダイヤモンド、人工ダイヤモンド等のＸ線透過性が高く、耐熱性の高い材料で構成される。このうち、放熱性、再現性、均質性、コスト等の観点から、高温高圧合成法、化学的気相成長法で形成された人工ダイヤモンドのダイヤモンド基板が好ましい。ターゲット基材２２の外形は、直方体形状又はディスク状とすることが好ましい。ディスク状のターゲット基材２２の直径は、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが可能である。また、ターゲット基材２２の厚さの下限と上限は、強度、ターゲット層２１と平行な方向の熱伝導性、と、放射線透過性とで決定され、０．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされる。直方体形状のターゲット基材２２とする場合は、前述の直径の範囲を、直方体が有する面の短辺と長辺のそれぞれの長さに置き換えればよい。ターゲット基材２２は、ターゲット層２１で発生したＸ線をＸ線発生管１０２の外に取り出すための透過窓の役割を担うとともに、他の部材と共に真空容器を構成する部材としての役割も有している。

陽極部材６は、ターゲット層２１の陽極電位を規定する機能を有するとともに、ターゲット９を保持する機能を備える。陽極部材６とターゲット９とは、接合材８を介して接合されている。また、陽極部材６は、不図示の電極により、ターゲット層２１に電気的に接続されている。

陽極部材６は、高比重の材料から構成することによりＸ線遮蔽機能を持たせることが可能である。陽極部材６を構成する材料としては、質量減弱係数μ／ρ［ｍ²／ｋｇ］と密度ρ［ｋｇ／ｍ³］との積が大であることが、陽極部材６の小型化の点で好ましい。さらに、陽極部材６を構成する材料としては、ターゲット層２１から発生するＸ線の線質に基づいて、固有の吸収端エネルギーを有する金属元素を適宜選択することが、より一層の小型化の点で好ましい。陽極部材６は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等を含有することが可能であり、ターゲット層２１が含有するターゲット金属と同じ金属元素を含有することも可能である。質量減弱係数は、電圧によって変わるが、例えば１００ｋＶでは、Ｗ：０．４４３８、Ｔａ：０．４３０２、Ｍｏ：０．１０９６、Ａｇ：０．１４７０、Ｃｕ：０．０４５８４［ｍ²／ｋｇ］であり、質量減弱係数と密度の積である線減弱係数μは、Ｗ：８５６５．３、Ｔａ：７１６２．８、Ｍｏ：１１２０．１、Ａｕ：１５４３．５、Ｃｕ：４１０．７［ｍ^-1］である。陽極部材６は、ターゲット９を囲むような管状の形状とすることにより、ターゲット層２１から放出されたＸ線の放出角の範囲を規定してＸ線束１４とする前方遮蔽体としての機能を備える。さらに、陽極部材６は、ターゲット層２１から電子放出源１５の方向に向けて、後方散乱した不図示の反射電子又は不図示の後方散乱Ｘ線の到達する範囲を制限する後方遮蔽体としての機能を有する。

接合材８は、例えば銀ろう、金ろう、銅ろうをはじめとする各種ろう材や、半田等で、接合対象部材間に加熱軟化した状態で挟み込ませた後に冷却することにより、接合対象部材を接合することが可能である。接合材８としては取り扱い性や接合力の点からろう材が好ましい。ろう材の中でも銀ろうは、ろう付け後の製造工程において、真空容器を高温で焼成しても再溶融することがない程度にろう付け温度が高く、かつ、その中でも比較的低温でのろう付けが可能であるため好ましい。

電子線１７に含まれる電子は、電子放出源１５とターゲット９との間の電界により、Ｘ線を発生させるのに必要な入射エネルギーに加速される。この加速電界は、図５のＸ線発生装置１０１とした場合に組み込まれ、ターゲット９と電子放出部５との間に印加される管電圧Ｖａを出力する管電圧回路１０３によってＸ線発生管１０２の密閉空間１６に形成される。

Ｘ線発生管１０２は、陰極電位に規定される電子放出源１５と、陽極電位に規定されるターゲット層２１との間の電気的な絶縁を図る目的で設けられる絶縁管３によって胴部が構成されている。絶縁管３は、ガラス材料やセラミクス材料等の絶縁性材料で構成される。絶縁管３は、電子放出源１５とターゲット層２１との間隔を規定する機能を持たせることも可能である。

Ｘ線発生管１０２の密閉空間１６は、電子放出源１５を機能させるために減圧されている。Ｘ線発生管１０２の内部の真空度は、１０^-8Ｐａ以上１０^-4Ｐａ以下であることが好ましく、電子放出源１５の寿命の観点からは、１０^-8Ｐａ以上１０^-6Ｐａ以下であることがより一層好ましい。Ｘ線発生管１０２は、真空容器として、かかる真空度を維持するための気密性と耐大気圧強度とを備えることが好ましい。Ｘ線発生管１０２内部の減圧は、不図示の排気管を介して不図示の真空ポンプで真空排気した後、かかる排気管を封止する方法をとることが可能である。また、Ｘ線発生管１０２の内部には、真空度の維持を目的として、不図示のゲッターを配置しても良い。

電子放出源１５は、ターゲット９が備えるターゲット層２１に対向して設けられている。電子放出源１５としては、例えばタングステンフィラメント、含浸型カソードのような熱陰極や、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１５は、電子線１７のビーム径及び電子電流密度、オンオフ制御を目的として、不図示のグリッド電極、静電レンズ電極を備えることが可能である。

以上が陽極２及びＸ線発生管１０２の基本的構造である。本発明では、接合時の加熱された状態から冷えて収縮するに伴って接合材８に加わるターゲット９の周方向の引張応力によるクラックの発生を防止するため、陽極２を以下に説明するような構造としているものである。本発明では、陽極部材６は管状で、第一の金属管１０と第二の金属管１１とを有している。本発明において、第一の金属管１０及び第二の金属管１１は、管状の陽極部材６の管軸に沿った方向の少なくとも一方の端部側において接合材８に圧縮応力成分を発生させ、接合材８の陽極部材６の周方向における引張応力が緩和されるように設けられている。

〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態に係るＸ線発生管用の陽極の基本形について、一部図１（ａ）も参照しつつ図１（ｂ）で説明する。

第一の実施形態に係る陽極２は、陽極部材６が、第一の金属管１０と第二の金属管１１と、を有し、ターゲット９の周縁部が、第一の金属管１０と第二の金属管１１とを跨いで配置された接合材８を介して、陽極部材６に接合された形態となっている。第二の金属管１１は、第一の金属管１０より線膨張係数が大きなものとなっている。また、ターゲット９は陽極部材６の開孔１８の内側に接合されている。

また、第一の金属管１０は、第二の金属管１１の内側に位置し、第二の金属管１１の管軸方向の一部において、第二の金属管１１の管内面と、第一の金属管１０の管外面とが、接合材８の融点において、第一の金属管１０と第二の金属管１１とが互いに移動しないように固定されている。第一の金属管１０と第二の金属管１１との接続は、線膨張係数の差を利用した嵌め合い、熱融着、接合材８よりも高融点の接合材を介した接合、鋳込み等により接続される。第一の金属管１０及び第二の金属管１１は、陽極板１９の外面側に、陽極板１９に設けられた貫通孔２０を囲んで設けられている。第一の金属管１０は第二の金属管１１よりも、第二の金属管１１の管軸方向において短く、第一の金属管１０の前（Ｘ線放出側）端が第二の金属管１１の前端よりも内側に引っ込んでいる。このため、第二の金属管１１は、前端側の内面が第一の金属管１０に覆われていない領域を有している。第一の金属管１０及び第二の金属管１１の後（電子線の入射側であり、Ｘ線放出側とは反対側）端は、いずれか、もしくは両方が陽極板１９の外面に接している。陽極部材６は、前端側が第二の金属管１１のみで構成されており、その他の部分が第一の金属管１０と第二の金属管１１で二重に構成されていて、両者の間に第一の金属管１０の前端側端面により段差が形成されている。

ターゲット９は、ターゲット層２１をＸ線発生管１０２の密閉空間１６側に向け、第二の金属管１１の内側に設けられている。ターゲット９は、ターゲット基材２２の周側面と第二の金属管１１の内側の第一の金属管１０に覆われていない領域と、ターゲット９の電子線照射側の面の外周縁部と、第一の金属管１０の前端側端面との間に亘る領域に介在された接合材８によって陽極部材６に接合されている。つまり、ターゲット９は、第一の金属管１０と第二の金属管１１とを跨いで配置された接合材８によって陽極部材６に接合されている。

ターゲット９の電子照射面９０は、図１（ａ）に示すように、ターゲット基材２２の周側面と環状に接し互いに対向する２面のうち、電子線が照射される部分を有する面である。また、ターゲット９の電子照射面９０は、図１（ａ）に示すように、ターゲット基材２２の周側面と環状に接し互いに対向する２面のうちの、真空に減圧された密閉空間１６に接する側の面である。

本例における第一の金属管１０の前端側の端面は、管軸方向においてターゲット９に対向し、かつ、管半径方向においてターゲット９と重なる座面１００を有している。また、第二の金属管１１の管内面はターゲット９の周側面と対向する対向部１１１を有している。本例における接合材８は、第二の金属管１１の前記対向部１１１と第一の金属管１０の前記座面１００とを跨いで接している。上記座面１００は、ターゲット９の電子が照射される側の面である電子照射面９０と対向する面となっている。

第二の金属管１１より線膨張係数が小さい第一の金属管１０は、接合後の放熱に伴う収縮量が小さい。そのため、本例の位置に配置された接合材８には、収縮量の大きな第二の金属管１１の収縮により、第一の金属管１０の前端側端面に押されることで、ターゲット９の中心軸方向の圧縮応力が作用する。この圧縮応力は、ポアソン比に応じてターゲット９の周方向に作用し、接合材８に対してターゲット９の周方向に作用している引張応力を部分的に緩和する。したがって、引張応力の小さい領域が部分的に生じ、クラックの発生による真空リークの確率を低減できる。第二の金属管１１は、第一の金属管１０よりヤング率が小さいことが好ましい。第二の金属管１１のヤング率が第一の金属管１０のヤング率よりも小さいと、ターゲット９に作用する圧縮応力が第一の金属管１０の変形で吸収されることなく接合材８に作用しやすい。

図２（ａ）〜図２（ｄ）及び図３（ａ）〜図３（ｃ）はそれぞれ第一の実施形態に係る陽極の変形例を示す。前記基本形との違いは、以下の通りである。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示される変形例１と変形例２においては、第一の金属管１０と第二の金属管１１の組み合わせ構造が第一の実施形態とは相違している。つまり、第二の金属管１１の内面に、内部を大内径部６Ａと小内径部６Ｂとに分ける段差が形成されており、大内径部６Ａに第一の金属管１０が接続されている。上記段差は第一の金属管１０の管半径方向における厚さに対応して形成されており、これにより、第一の金属管１０の内面と、第二の金属管１１の小内径部６Ｂの内面とは共通の内径を有して連なっている。また、ターゲット９は、ターゲット基材２２の周側面を上記段差に向き合わせて、陽極部材６の開孔１８内に設けられている。接合材８は、上記段差を境にし、第一の金属管１０の内面及び第二の金属管１１の内面の両者に跨る領域に配置されている。ターゲット基材２２は、接合材８を介して、第一の金属管１０の内面及び第二の金属管１１の内面と接合されている。図２（ａ），（ｂ）のような構造とした場合、第一の金属管１０と第二の金属管１１の線膨張係数の違いにより、第一の金属管１０と第二の金属管１１の境界に対応する位置の接合材８に対し、ターゲット９の中心軸方向に沿って圧縮応力を作用させることができる。この圧縮応力は、接合材８のポアソン比に応じてターゲット９の周方向に作用し、ターゲット９の周方向に沿って接合材８に作用している引張応力を部分的に緩和することができる。接合材８によるターゲット９の陽極部材６への接合部を境に、Ｘ線束１４（図１参照）の放出側が陽極部材６の大気側、密閉空間１６（図１参照）との連通側が陽極部材６の真空側である。図２（ａ）の変形例１と、図２（ｂ）の変形例２の相違点は、第一の金属管１０を陽極部材６の真空側に配置するか、大気側に配置するかの点において、相違する。

図２（ａ）では、前記第二の金属管１１は、陽極部材６の大気側から真空側にかけて、ターゲット９と接続されている接続部を跨いで延在している。大内径部６Ａは陽極部材６の真空側に存在し、第一の金属管１０は接続部よりも陽極部材６の真空側に位置している。このため、図２（ａ）の第一の金属管１０を図２（ｂ）の第一の金属管１０より長く形成しても、前方のＸ線照射領域を阻害しない。従って、図２（ａ）の変形例１は、図２（ｂ）の変形例２と同等のＸ線照射領域を維持したまま、図２（ｂ）の変形例２より長い第一の金属管１０を設けることで、第一の金属管１０の熱変形量が増し、接合材８の引張応力をより緩和することができる。その結果、接合材８及びターゲット基材２２のクラックをさらに発生しにくくできる。

図２（ｃ）に示される変形例３においては、第一の金属管１０と第二の金属管１１との組み合わせ構造は基本形と同様であるが、ターゲット９の位置と、接合材８の介在領域が基本形とは相違している。すなわち、第二の金属管１１の前端側の内面が第一の金属管１０に覆われていない領域を有しており、ターゲット基材２２の周側面と第二の金属管１１の第一の金属管１０に覆われていない領域の内面との間に接合材８が介在されているのは基本形と同様である。一方、前記ターゲット９と第一の金属管１０の前端側端面（座面１００）との間に隙間が形成されている点が相違している。また、ターゲット基材２２と第一の金属管１０の前端側端面との間に接合材８が介在していない点も前記基本形とは相違している。図２（ｃ）のような構造とした場合、接合材８はターゲット９の側面より外側に配置されているので、接合材８全体に圧縮応力を作用させやすく、接合材８及びターゲット基材２２のクラックをさらに発生しにくくできる。図２（ｃ）の変形例３においても、第一の金属管１０は接続部よりも陽極部材６の真空側に位置している。

図２（ｄ）に示される変形例４においては、第二の金属管１１の内面に、内部を大内径部６Ａと小内径部６Ｂとに分ける段差が形成されており、小内径部６Ｂに第一の金属管１０が接続されている。第一の金属管１０の前端側端面と上記段差とは平坦にそろえられている。これらと共に、ターゲット基材２２の周側面と第二の金属管１１の大内径部６Ａの内面との間から、ターゲット９の電子線照射側の面の外周縁部と第一の金属管１０の前端側端面との間に亘る領域に接合材８が介在されている。本変形例４における第一の金属管１０の前端側の端面は、管軸方向においてターゲット９に対向し、かつ、管半径方向においてターゲット９と重なる座面１００を有している。また、第二の金属管１１の管内面はターゲット９の周側面と間隔を空けて対向する対向部１１１を有している。本変形例４における接合材８は、第二の金属管１１の前記対向部１１１と第一の金属管１０の前記座面１００とを跨いで接している。この構造とした場合、ターゲット基材２２の周側面と第二の金属管１１の大内径部６Ａの内面に挟まれた接合材８に作用する圧縮応力に加え、第二の金属管１１と第一の金属管１０との境界の接合材８に作用する圧縮応力によっても引張応力の緩和がなされる。このため、接合材８及びターゲット基材２２のクラックをさらに発生しにくくできる。図２（ｄ）の変形例４においても、第一の金属管１０は接続部よりも陽極部材６の真空側に位置している。

図３（ａ）に示される変形例５においては、第二の金属管１１の内面に、内部を大内径部６Ａと中内径部６Ｃと小内径部６Ｂとに分ける２段の段差が形成されており、中内径部６Ｃに第一の金属管１０が接続されている。第一の金属管１０の前端側端面と、大内径部６Ａと中内径部６Ｃとの間の段差と、は平坦にそろえられており、中内径部６Ｃと小内径部６Ｂ間の段差は第一の金属管１０の厚さに対応している。これらと共に、ターゲット基材２２の周側面と第二の金属管１１の大内径部６Ａの内面との間から、ターゲット基材２２の電子線照射側の面の外周縁部と第一の金属管１０の前端側端面との間に亘る領域に接合材８が介在されている。本変形例５において接合材８が接している第二の金属管１１と第一の金属管１０の領域は、図２（ｄ）の変形例４とほぼ同様である。このような構造とした場合、第二の金属管１１の収縮に伴って第一の金属管１０の前端側端面を接合材８に押し付けることができ、より引張応力を緩和することができ、接合材８及びターゲット基材２２のクラックをさらに発生しにくくできる。

図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示される変形例６及び７は、ターゲット９の接合領域の開孔１８の中心軸７が、その他の領域の開孔１８の中心軸に対して傾いた例である。いずれにおいても、ターゲット９は、その中心軸を開孔１８における傾いた中心軸７に合わせて傾いた状態で接合されている。ここでターゲット９の接合領域の開孔１８の中心軸７について説明する。図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるように、ターゲット基材２２のターゲット層２１側の面（電子線照射側の面）の延長面と、陽極部材６との交線のうち、最も内側のものを閉曲線Ｃとする。ターゲット基材２２のＸ線放出側の面の延長面と、陽極部材６との交線のうち、最も内側のものを閉曲線Ｄとする。閉曲線Ｃの中心と閉曲線Ｄの中心とを通る直線を中心軸７とする。図３（ｂ）に示す変形例６は、第二の金属管１１の前端側を傾斜させることで中心軸７を傾斜させた例である。図３（ｃ）に示す変形例７は、第二の金属管１１の中間部の肉厚を変化させることで中心軸７を傾斜させた例である。図３（ｂ），（ｃ）のような中心軸７を傾斜させた構成としても、図２（ａ）〜図２（ｄ）あるいは図３（ａ）の構成を満たせば、接合材８の引張応力を緩和できる部位を形成することができ、接合材８及びターゲット基材２２のクラックを発生しにくくできる。

以上説明した例において、図２（ａ）の例と図２（ｂ）の例とでは、第一の金属管１０の位置が逆になっており、ターゲット９の向きを逆にした例ともいえる。これと同様に、図１（ａ）及び図１（ｂ）で説明した第一の実施形態、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）で説明した第一〜第４の変形例、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）で説明した第５〜７の変形例においてもターゲット９の向きを逆にすることが可能である。図示されるターゲット９は、図面上、いずれもターゲット層２１を下側に向けているが、これを上向きにした状態の構成とすることもできる。

〔第二の実施形態に係る陽極〕
図４に示されるように、本発明の第二の実施形態に係る陽極においては、第一の金属管１０及び第二の金属管１１の他に、第二の金属管１１よりも線膨張係数が小さい第三の金属管１２が用いられている。また、ターゲット９の周縁部が、第一の金属管１０、第二の金属管１１及び第三の金属管１２の三者を跨いで配置された接合材８を介して陽極部材６に接合されている。具体的には、第二の金属管１１の内側に、第二の金属管１１の内面の一部を第一の金属管１０に覆われていない領域を有した状態で、第一の金属管１０と、第三の金属管１２とが、第三の金属管１２を第二の金属管１１の前端側にして直列に嵌め込まれている。第一の金属管１０と第三の金属管１２との間には間隔が開けられており、この間隔が設けられた領域において第二の金属管１１の中間部の内面に第一の金属管１０に覆われていない領域を有している。また、上記間隔内に挿入されたターゲット９の周縁部が、第一の金属管１０の端面、第二の金属管１１の内面及び第三の金属管１２の端面との間に亘る領域に介在された接合材８を介して陽極部材６に接合されている。この構造とした場合、第一の金属管１０と第三の金属管１２との間に接合材８を挟みつけるようにして圧縮力を作用させることができるので、引張応力の小さい領域がさらに増え、クラックによる真空リークの確率をより低減できる。また、第三の金属管１２は、第一の金属管１０よりターゲット層２１から離れて配置されている。そのため、Ｘ線を発生させる際、電子線１７の照射領域の発熱による温度上昇が相対的に少なく、接合材８に発生する応力振幅が小さく、金属疲労が発生しにくい。

なお、第三の金属管１２は、第一の金属管１０と同様に、第二の金属管１１よりもヤング率が大きいことが好ましい。第三の金属管１２を、第二の金属管１１よりもヤング率が大きい構成とすると、第二の金属管１１のヤング率が第一の金属管１０、第三の金属管１２よりも小さくなり、接合材８に発生作用する圧縮応力は第一の金属管１０、第三の金属管１２の変形で吸収されることなく効率的に接合材８に作用する。例えば、第二の金属管１１を銅、第一の金属管１０と第三の金属管１２をタングステンとする事により、線膨張係数の差異と、ヤング率の差異とを両方利用する事が可能となる。

なお、図１（ｂ）に記載の破線は、管状の陽極部材６の内径中心を通る中心線であり、管状の陽極部材６の管軸に平行な管軸方向を示している。

以上説明した第一の実施形態及び第二の実施形態の陽極において、接合材８に圧縮力を作用させやすくする上で、第三の金属管１２は、接合材８よりも線膨張係数が小さいことが好ましい。また、第一の金属管１０は、接合材８よりも線膨張係数が小さいことが好ましい。さらに、第二の金属管１１は、接合材８よりも線膨張係数が小さいことが好ましい。

＜Ｘ線発生装置＞
図５には、Ｘ線束１４をＸ線透過窓１２１から放出するＸ線発生装置１０１の実施形態が示されている。本実施形態のＸ線発生装置１０１は、Ｘ線透過窓１２１を有する収納容器１２０の内側に、Ｘ線源であるＸ線発生管１０２及びこのＸ線発生管１０２を駆動するための管電圧回路１０３を有している。

Ｘ線発生管１０２及び管電圧回路１０３を内蔵する収納容器１２０は、容器としての十分な強度を有し、かつ放熱性に優れたものが望ましく、その構成材料としは、例えば真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料が好適に用いられる。

本実施形態においては、Ｘ線発生管１０２と管電圧回路１０３との設置スペース以外の収納容器１２０内の余空間は、絶縁性液体１０９で満たされている。絶縁性液体１０９は、電気絶縁性を有する液体で、収納容器１２０の内部の電気的絶縁性を維持する役割と、Ｘ線発生管１０２の冷却媒体としての役割とを有する。絶縁性液体１０９としては、鉱油、シリコーン油、パーフルオロ系オイル等の電気絶縁油を用いることが好ましい。

＜Ｘ線撮影システム＞
図６は、本発明のＸ線撮影システムの構成図である。

システム制御装置２０２は、Ｘ線発生装置１０１とＸ線検出器２０６とを統合して制御するもので、Ｘ線発生装置１０１と関連するその他の装置を連携制御する。システム制御装置２０２は、管電圧回路１０３を介してＸ線発生管１０２に接続され、Ｘ線発生装置１０１のＸ線発生動作を制御する。Ｘ線発生装置１０１から放出されたＸ線束１４は、被検体２０４を透過してＸ線検出器２０６で検出される。Ｘ線検出器２０６は、検出したＸ線束１４を画像信号に変換して信号処理部２０５に出力する。信号処理部２０５は、システム制御装置２０２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２０２に出力する。システム制御装置２０２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置２０３に画像を表示させるために表示信号を表示装置２０３に出力する。表示装置２０３は、表示信号に基づく画像を、被検体２０４の撮影画像をスクリーンに表示する。

２：陽極、３：絶縁管、４：陰極、５：電子放出部、６：陽極部材、７：中心軸、８：接合材、９：ターゲット、１０：第一の金属管、１１：第二の金属管、１２：第三の金属管、１４：Ｘ線束、１５：電子放出源、１６：密閉空間、１７：電子線、１８：開孔、１９：陽極板、２０：貫通孔、２１：ターゲット層、２２：ターゲット基材、９０：電子照射面、１００：座面、１１１：対向部、９００：Ｘ線放出面

Claims

電子放出部からの電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、管状の陽極部材と、前記ターゲットの外周と前記陽極部材の内周の間に環状に配置された接合材と、を備える陽極を有するＸ線発生管であって、
前記陽極部材は、第一の金属管と、前記第一の金属管に固定され前記第一の金属管より線膨張係数が高い第二の金属管と、を有し、
前記接合材は、前記第一の金属管と前記第二の金属管とのそれぞれに接するように延在し、
前記ターゲットは、前記接合材が前記第一の金属管と接している部分に対向する部分、および、前記接合材が前記第二の金属管と接している部分に対向する部分、のそれぞれにおいて前記接合材を介して、前記陽極部材に接合されていることを特徴とするＸ線発生管。
前記第二の金属管の管内面と、前記第一の金属管の管外面とが、前記接合材の融点において前記第一の金属管と前記第二の金属管とが互いに移動しないように固定されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生管。
管軸方向において、前記第一の金属管の長さは、前記第二の金属管の長さより短いことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線発生管。
前記第一の金属管は、管軸方向において前記ターゲットに対向し、かつ、管半径方向において前記ターゲットと重なる座面を有し、
前記第二の金属管の管内面は、前記ターゲットの周側面と間隔を空けて対向する対向部を有し、
前記接合材は、前記対向部と前記座面とに接してい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Ｘ線発生管。
前記ターゲットは、電子が照射される部分を有し前記周側面と環状に接する電子照射面を有し、前記座面は、前記電子照射面と対向することを特徴とする請求項４に記載のＸ線発生管。
前記接合材は、前記第一の金属管の管内面と前記第二の金属管の管内面とのそれぞれに接合されてい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Ｘ線発生管。
前記第二の金属管は、大気側から真空側にかけて延在しており、前記第一の金属管は、真空側に位置してい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Ｘ線発生管。
前記第二の金属管よりも線膨張係数が低い第三の金属管をさらに有し、
前記第二の金属管の管軸方向に沿って、前記第三の金属管、前記ターゲット、及び前記第一の金属管がこの順に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５，７のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
前記第三の金属管は、前記接合材よりも線膨張係数が低いことを特徴とする請求項８に記載のＸ線発生管。
前記第一の金属管は、前記接合材よりも線膨張係数が低いことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
前記第二の金属管は、前記接合材よりも線膨張係数が低いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
前記接合材はろう材であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
前記ターゲットは、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット層と、前記ターゲット層を支持するターゲット基材とを備え、前記ターゲット基材は、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
前記ターゲット基材はダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項１３に記載のＸ線発生管。
前記第二の金属管は、前記第一の金属管よりヤング率が低いことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のＸ線発生管と、
前記ターゲットと前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子放出部との間に管電圧を印加する管電圧回路と、
を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１６に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出器とを統合して制御するシステム制御装置と、を備えていることを特徴とするＸ線撮影システム。
電子放出部からの電子線の照射によりＸ線を発生するターゲットと、管状の陽極部材と、前記ターゲットの外周と前記陽極部材の内周の間に環状に配置された接合材と、を備える陽極を有するＸ線発生管であって、
前記陽極部材は、第一の金属管と、前記第一の金属管に固定され前記第一の金属管より線膨張係数が高い第二の金属管と、を有し、
前記接合材は、前記第一の金属管と前記第二の金属管とのそれぞれに接するように延在し、
前記ターゲットは、前記接合材が前記第一の金属管と接している部分に対向する部分、および、前記接合材が前記第二の金属管と接している部分に対向する部分、のそれぞれにおいて前記接合材を介して、前記陽極部材に接合され、
前記第一の金属管及び前記第二の金属管は、前記陽極部材の管軸に沿った方向の少なくとも一方の端部側において前記接合材に圧縮応力成分を発生させ、前記接合材の当該陽極部材の周方向における引張応力が緩和されるように設けられていることを特徴とするＸ線発生管。
前記第二の金属管の管軸方向の一部において、前記第二の金属管の管内面と、前記第一の金属管の管外面とが、前記接合材の融点では前記第一の金属管と前記第二の金属管とが互いに移動しないように固定されていることを特徴とする請求項１８に記載のＸ線発生管。
前記ターゲットは、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット層と、前記ターゲット層を支持するターゲット基材とを備え、前記ターゲット基材は、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過することを特徴とする請求項１８又は１９に記載のＸ線発生管。
前記ターゲット基材はダイヤモンドを含むことを特徴とする請求項２０に記載のＸ線発生管。
前記第二の金属管は、前記第一の金属管よりヤング率が低いことを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載のＸ線発生管。
請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載のＸ線発生管と、
前記ターゲットと前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子放出部との間に管電圧を印加する管電圧回路と、
を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項２３に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放出され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出器とを統合して制御するシステム制御装置と、を備えていることを特徴とするＸ線撮影システム。