JP7270817B2 - X線発生装置 - Google Patents
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Description
本発明の一側面は、X線発生装置に関する。
高出力のX線管を含むX線源(X線発生装置)においては、X線管の冷却と漏洩X線(意図しない出射経路からのX線)の遮蔽とを両立させる必要がある。このようなX線管の冷却又は漏洩X線の遮蔽を行うための構成としては、例えば特許文献1~3に記載された構成が知られている。特許文献1に記載されたX線発生装置では、X線管を収容した筐体の一側面に放熱用の通風路とX線遮蔽部材とが設けられている。特許文献2に記載されたX線源では、X線管収容部の側方に送風ファンユニットが設けられている。特許文献3に記載されたX線管装置では、X線管を収容したハウジングをX線遮蔽材からなるシェルが覆っており、当該シェル内に冷却媒体が流通させられる。
上記特許文献1に記載の構成では、X線管収容部(筐体)の一側面でしかX線管の冷却及び漏洩X線の遮蔽がされておらず、X線管収容部の冷却及び漏洩X線の遮蔽について不十分である可能性がある。上記特許文献2に記載の構成では、ハウジングを覆うシェルをX線遮蔽材によって形成している。すなわち、シェル自体にX線遮蔽機能を持たせている。このため、シェルとして機能するために必要な機械的強度を確保するために、シェルを構成する材料が、求められるX線遮蔽能を得るために必要な量よりも多く必要になる可能性があると共に、シェルが重量化してしまうという問題が生じ得る。また、上記特許文献3に記載の構成では、送風ファンユニットによってX線管収容部は冷却されるが、X線管収容部の周囲への漏洩X線を遮蔽するための構造が設けられていないため、X線管収容部の冷却及び漏洩X線の遮蔽について、さらなる向上の余地がある。
そこで、本発明の一側面は、X線管の冷却と漏洩X線の遮蔽とを効果的に両立させることができるX線発生装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るX線発生装置は、X線を発生させるX線管と、X線管の少なくとも一部を収容すると共に、絶縁性の液体が封入されたX線管収容部と、X線管の管軸方向から見て、X線管収容部を包囲する包囲部と、X線管収容部と包囲部との間に画成された包囲空間内に気体を流通させる気流発生部と、X線管収容部及び包囲部よりも高いX線遮蔽能を有する材料からなり、包囲部の内面又は外面に設けられたX線遮蔽部と、を備える。
一般にX線遮蔽材料として良好な性質を示す材料は熱伝導率が比較的低い場合が多い。このため、X線管収容部をX線遮蔽材料で形成した場合、X線管収容部の放熱性が悪くなり、X線管の冷却効率が低下するという問題がある。一方、包囲部をX線遮蔽材料で形成する場合、X線管収容部に対する外殻としての役割との両立が困難となる。特に、X線遮蔽能を有する材料のみによって自立可能な包囲部を形成しようとすると、包囲部の強度を確保するために、求められるX線遮蔽能を得るために必要な量よりも多くの材料が必要になる可能性があると共に、包囲部が重量化してしまうという問題がある。これに対し、本発明の一側面に係るX線発生装置によれば、X線管で発生した熱は、X線管収容部内に封入された絶縁性の液体によって吸熱されてX線管収容部へと伝わり、X線管収容部が、X線管収容部と包囲部との間に形成された包囲空間を流通する気体によって冷却されることで、X線管を効果的に冷却することができる。そして、X線遮蔽部が包囲部とは別部材として包囲部の内面又は外面に設けられていることにより、X線発生装置の周囲に漏洩するX線を適切に遮蔽することができる。以上により、上記X線発生装置によれば、X線管の冷却と漏洩X線の遮蔽とを効果的に両立させることができる。
X線管収容部は、包囲部及びX線遮蔽部よりも高い熱伝導率を有する金属材料からなっていてもよい。この構成によれば、X線管で発生した熱を効率的に放熱することができる。
X線遮蔽部は、包囲部の内面に設けられていてもよい。この構成によれば、X線遮蔽部を包囲部の外面に設ける場合と比較して、外部からの接触等によるX線遮蔽部の剥落を防止できる。
上記X線発生装置は、気流発生部が収容される収容空間を画成する収容部を更に備え、収容部は、上記管軸方向に交差する方向に延在する仕切り壁を有し、仕切り壁には、収容空間と包囲空間とを連通させる開口部が設けられていてもよい。この構成では、仕切り壁を挟んで包囲空間と上記管軸方向に対向する位置に収容空間が設けられている。そして、気流発生部は、X線管収容部と包囲部(X線遮蔽部)との間の包囲空間ではなく、包囲空間とは別室の収容空間内に配置される。これにより、漏洩X線が気流発生部に及ぼす悪影響(誤作動、劣化等)を抑制できる。
仕切り壁には、気流発生部に臨む位置において気体を収容空間から包囲空間に導入するための第1開口部と、包囲空間においてX線管収容部の周囲を流通した後の気体を包囲空間から収容空間に排出するための第2開口部と、が設けられており、収容部は、第2開口部に臨む位置に設けられ、気体を外部に排出するための排気部を有してもよい。この構成によれば、気流発生部により流通させられる気体を収容空間及び包囲空間に効率良く流通させることができる。また、X線管収容部の周囲を流通した気体をX線管が収容される包囲空間とは別室の収容空間から排出することにより、当該気体がX線の照射領域に排気されてしまうことを抑制し、当該気体の排気がX線照射に及ぼす影響を抑制できる。
X線管収容部と仕切り壁とは、熱的に接続されていてもよい。この構成によれば、X線管収容部の熱を仕切り壁に伝達させることができる。その結果、仕切り壁の表面や開口部を流通する気体を利用して、X線管収容部の熱を効率良く放熱できる。
上記X線発生装置は、収容空間に配置され、X線管に電力を供給する電源部を更に備えてもよい。この構成によれば、収容空間において気流発生部により流通させられる気体によって、電源部を冷却することも可能となる。
上記X線発生装置は、収容空間に配置され、X線発生装置の動作を制御する制御回路を更に備え、制御回路は、電源部を挟んでX線管収容部に対向するように配置されていてもよい。この構成では、制御回路は、電源部を挟んでX線管収容部の反対側に配置される。このように制御回路をX線管から遠ざけて配置することにより、X線管からの漏洩X線又は熱が制御回路に及ぼす悪影響を抑制でき、X線発生装置の安定動作を図ることができる。
上記X線発生装置は、収容空間に配置され、X線発生装置の動作を制御する制御回路を更に備え、制御回路とX線管との間には、X線遮蔽材料からなるX線遮蔽部材が配置されていてもよい。この構成によれば、X線管から制御回路に向かう漏洩X線がX線遮蔽部材によって遮蔽されるため、当該漏洩X線が制御回路に及ぼす悪影響を抑制できる。
包囲部の内面は、上記管軸方向に沿って仕切り壁から遠ざかるにつれてX線管の管軸に近づくように傾斜する傾斜面を有してもよい。この構成によれば、仕切り壁の開口部から上記管軸方向に沿って包囲空間内に流入した気体を包囲部の傾斜面(包囲部の内面にX線遮蔽部が設けられている場合には傾斜面上に設けられたX線遮蔽部の内面)に沿わせて、スムーズに包囲空間の内方へと向かわせることができる。これにより、気体の流入速度の低下を抑制し、X線管収容部をより効果的に冷却することができる。
X線管収容部の外面は、包囲部の傾斜面に対向し、上記管軸方向に沿って仕切り壁から遠ざかるにつれてX線管の管軸に近づくように傾斜する傾斜面を有してもよい。X線管収容部に傾斜面が設けられていることにより、当該傾斜面が設けられていない場合と比較して、絶縁性の液体に対するX線管収容部の接触領域(すなわち、X線管収容部の内面と絶縁性の液体とが接触する部分)の面積が大きい。これにより、X線管収容部の熱の放熱効率を向上させることができる。さらに、包囲部の傾斜面に対向するようにX線管収容部に傾斜面を設けることにより、包囲部の内面の形状をX線管収容部の外面の形状に追従させることができる。これにより、包囲部の内面の形状をX線管収容部の外面の形状に追従させない場合と比較して、包囲空間内の気体の流通を円滑化することができる。その結果、X線管収容部の熱の放熱効率を効果的に向上させることができる。
本発明の一側面によれば、X線管の冷却と漏洩X線の遮蔽とを効果的に両立させることができるX線発生装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、「上」、「下」等の所定の方向を示す語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。
図1は、本発明の一実施形態に係るX線発生装置の外観を示す斜視図である。図2は、図1におけるII-II線に沿った断面図である。図1及び図2に示されるX線発生装置1は、例えば、被検体の内部構造を観察するX線非破壊検査に用いられる微小焦点X線源である。X線発生装置1は、筐体2を有する。筐体2の内部には、主に、X線を発生させるX線管3と、X線管3の一部を収容するX線管収容部4と、X線管3に電力を供給する電源部5とが収容されている。筐体2は、第1収容部21と、第2収容部22(包囲部)とを有する。
第1収容部21は、主に電源部5を収容する部分である。第1収容部21は、底壁部211と、上壁部212と、側壁部213とを有する。底壁部211及び上壁部212は、それぞれ略正方形状を有する。底壁部211の縁部と上壁部212の縁部とは、4つの側壁部213を介して連結されている。これにより、第1収容部21は、略直方体状に形成されている。なお、本実施形態では便宜的に、底壁部211と上壁部212とが互いに対向する方向をZ方向とし、底壁部211側を下方、上壁部212側を上方と定義する。また、Z方向に直交し、互いに対向する側壁部213同士が対向する方向をX方向及びY方向とする。
図3は、図2における下側から見た上壁部212の断面図である。図3に示されるように、Z方向から見た上壁部212の中央部には、円形の貫通孔である開口部212aが設けられている。また、上壁部212には、開口部212aを挟んでX方向に互いに対向する位置において、一対の開口部212b,212c(第1開口部,第2開口部)が設けられている。開口部212b,212cは、長手方向がY方向に沿い、角部が円弧状に面取りされた略長方形状を有する貫通孔である。
底壁部211と上壁部212との間には、底壁部211及び上壁部212のいずれからも離間した位置に中間壁部214が設けられている。このような中間壁部214によって、第1収容部21の内部には、上壁部212と側壁部213と中間壁部214とに囲まれた第1収容空間S1と、底壁部211と側壁部213と中間壁部214とに囲まれた第2収容空間S2とが画成されている。第1収容空間S1において、中間壁部214の上面214aには、電源部5が固定されている。第2収容空間S2において、中間壁部214の下面214bには、X線遮蔽材料からなる板状のX線遮蔽部材6を間に挟んだ状態で、制御回路基板7が取り付けられている。本実施形態では、X線遮蔽部材6が中間壁部214の下面214bに固定され、制御回路基板7がX線遮蔽部材6の下面に固定されている。X線遮蔽部材6の材料としては、例えば鉛や、樹脂基材にX線遮蔽能の高い材料(鉛、タングステン、硫酸バリウム、ビスマス等)を混合したもの等が挙げられる。本実施形態では、X線遮蔽部材6は鉛からなる板状の部材である。制御回路基板7上には、図示しない各種電子部品によってX線発生装置1の各部(例えば、電源部5、後述する送風ファン9、及び後述する電子銃11等)の動作を制御するための制御回路が構成されている。制御回路基板7とX線管3との間にX線遮蔽部材6が配置されていることにより、X線管3から制御回路に向かう漏洩X線がX線遮蔽部材6によって遮蔽される。これにより、当該漏洩X線が制御回路に及ぼす悪影響が抑制される。なお、X線遮蔽部材6は、電源部5と中間壁部214との間に設けられてもよい。このような構成によっても、X線管3から制御回路に向かう漏洩X線をX線遮蔽部材6によって遮蔽することができる。
第2収容部22は、第1収容部21の上部に接続され、X線管3及びX線管収容部4を収容する部分である。第2収容部22は、略均一な厚さの板状金属部材からなる壁部で構成されている。第2収容部22の内面の形状は、第2収容部22の外面の形状にほぼ対応している。当該板状金属部材の材料としては、例えばアルミニウム、鉄、及びその合金等が挙げられる。本実施形態では、第2収容部22を構成する板状金属部材の材料は鉄である。第2収容部22は、X線管3の管軸AXに沿った方向(管軸方向、X線出射方向、Z方向)から見て、X線管3及びX線管収容部4を包囲している。第2収容部22は、その上端側から順に、蓋部221と、円筒部222と、テーパ部223と、フランジ部224とを有する。円筒部222は、Z方向に沿って延びる壁面を備えた円筒状に形成された部分である。テーパ部223は、上壁部212側の円筒部222の端部に接続され、当該端部からZ方向に沿って円筒部222から遠ざかるにつれて連続してなだらかに拡径する壁面を備えた部分である。円筒部222及びテーパ部223は、Z方向から見て、X線管3及びX線管収容部4から離間して、X線管3及びX線管収容部4を包囲している。また、円筒部222及びテーパ部223は、ZX平面及びZY平面での断面において、互いに平面状である円筒部222及びテーパ部223の壁面同士のなす角度が鈍角となるように、接続されている。フランジ部224は、円筒部222とは反対側のテーパ部223の端部に接続され、Z方向から見て外側に延びる壁面を備えた部分である。フランジ部224は、上壁部212の上面212eに対してネジ留め等で固定されている。Z方向から見て、フランジ部224の外縁は、上述した上壁部212の開口部212a,212b,212cよりも外側に位置している。蓋部221は、円筒部222の上部開口を塞ぐように、円筒部222の上端部に接続されている。蓋部221の上部には、少なくともX線管3のX線出射窓33a(図1及び図4参照)を外部に露出させるための開口部221aが設けられている。また、蓋部221は、X線管3の電子銃11及び電子銃11と接続される図示しない配線等を収容可能なように形成された電子銃部収容部221bを有する。
第2収容部22の内部空間を構成する内面の全面(すなわち、蓋部221の内面221c、円筒部222の内面222a、及びテーパ部223の内面223a)には、X線遮蔽部8が設けられている。X線遮蔽部8は、X線管収容部4及び第2収容部22のいずれよりも高いX線遮蔽能を有するX線遮蔽材料からなる。X線遮蔽部8は、第2収容部22の内面を覆う層状に設けられている。X線遮蔽部8は、例えば、X線遮蔽材料からなる所定の厚さの板状の部材が、接着剤、両面テープ等によって第2収容部22の内面形状に合わせて密着するように接着されている。X線遮蔽部8の材料としては、上述したX線遮蔽部材6と同様の材料を用いることができる。X線遮蔽部8は、開口部221a以外の部位において、第2収容部22を透過して外部に向かおうとする漏洩X線を遮蔽する役割を果たす。漏洩X線とは、X線管3のターゲットT(図4参照)を基点に放射状に発生したX線のうち、意図された(正規の)出射経路とは異なる意図しない出射経路によってX線発生装置1の外部に取り出されてしまうX線である。ここで、意図された出射経路とは、X線出射窓33a及び開口部221aを介する経路である。例えば、X線管3のターゲットTを基点に放射状に発生したX線のうち、第2収容部22の壁面(つまり開口部221a以外)と交わる方向に出射されたX線が、漏洩X線となり得る。具体的には、このようなX線のうち、X線の進行方向に存在するX線管3の真空筐体10やX線管収容部4、第2収容部22の壁面等に吸収されることなく透過してX線発生装置1の外部に取り出されてしまうX線が、漏洩X線となる。なお、X線遮蔽部8は、悪影響を及ぼし得るような漏洩X線が発生する場合において、その出射経路上に配置されるように設けられていればよく、必ずしも第2収容部22の内面の全面に設けられていなくてもよい。
X線管収容部4は、第2収容部22及びX線遮蔽部8よりも高い熱伝導率を有する(放熱性が高い)金属により形成されている。X線管収容部4の材料としては、例えばアルミニウム、鉄、銅、及びそれらを含む合金等が挙げられる。本実施形態では、X線管収容部4の材料はアルミニウム(又はその合金)である。X線管収容部4は、X線管3の管軸方向(Z方向)における両端に開口を有する筒状をなしている。X線管収容部4の管軸は、X線管3の管軸AXと一致している。X線管収容部4は、保持部41と、円筒部42と、テーパ部43と、フランジ部44とを有する。保持部41は、図示しない固定部材を用いて、X線管3をフランジ部311において保持する部分であり、X線管3と共にX線管収容部4の上部開口を気密に封止している。円筒部42は、保持部41の下端に接続され、Z方向に沿って延びる壁面を備えた円筒状に形成された部分である。テーパ部43は、円筒部42の端部に接続され、当該端部からZ方向に沿って円筒部42から遠ざかるにつれて連続してなだらかに拡径する壁面を備えた部分である。円筒部42及びテーパ部43は、ZX平面及びZY平面での断面において、互いに平面状である円筒部42及びテーパ部43の壁面同士のなす角度が鈍角となるように、接続されている。フランジ部44は、テーパ部43の端部に接続され、Z方向から見て外側に延びる部分である。フランジ部44は、円筒部42及びテーパ部43よりも肉厚なリング状部材となるように構成されている。これにより、熱容量が大きくされており、放熱性が向上されている。フランジ部44は、Z方向から見て、上壁部212の開口部212aを包囲すると共に開口部212b,212cよりも内側の位置において、上壁部212の上面212eに対して気密に固定されている。本実施形態では、フランジ部44は、上壁部212の上面212eに熱的に接続(熱伝導可能に接触)している。X線管収容部4の内部には、電気絶縁性の液体である絶縁オイル45が気密に封入(充填)されている。
電源部5は、X線管3に数kV~数百kV程度の電力を供給する部分である。電源部5は、固体のエポキシ樹脂からなる電気絶縁性の絶縁ブロック51と、絶縁ブロック51内にモールドされた高電圧発生回路を含む内部基板52とを有する。絶縁ブロック51は、略直方体状をなしている。絶縁ブロック51の上面中央部は、上壁部212の開口部212aを貫通し、突出している。一方、絶縁ブロック51の上面縁部51aは、上壁部212の下面212fに対して気密に固定されている。絶縁ブロック51の上面中央部には、内部基板52に電気的に接続された円筒状のソケットを含む高圧給電部54が配置されている。電源部5は、高圧給電部54を介してX線管3に電気的に接続されている。
開口部212aに挿通された絶縁ブロック51の部分(すなわち、上面中央部)の外径は、開口部212aの内径と同じか僅かに小さくされている。
本実施形態では、X方向に互いに対向する側壁部213A,213Bの各々に、通風孔部Aが設けられている。通風孔部Aには、第1収容空間S1と外部とを連通させる複数の通風孔213aが設けられている。一方の側壁部213Aの内側には、送風ファン9(気流発生部)が設けられている。送風ファン9は、筐体2内に形成された空間構成を利用することにより、X線管収容部4、電源部5及び制御回路基板7等の各部を効率的に冷却する。
具体的には、送風ファン9は、側壁部213Aに設けられた通風孔部Aから外気を取り込むことにより冷却気体を発生させ、当該冷却気体を第1収容空間S1のうち側壁部213Aと電源部5との間の空間S11に送風する。空間S11内に送風された冷却気体により、電源部5が冷却される。
空間S11内を流通する冷却気体の一部は、上壁部212の開口部212bを介して、X線管収容部4の外面(円筒部42の外面及びテーパ部43の外面43a)と第2収容部22の内面(X線遮蔽部8が設けられている部分についてはX線遮蔽部8の内面8a)との間に画成された包囲空間S3に流入する。また、包囲空間S3は、X線管3と第2収容部22の内面(X線遮蔽部8が設けられている部分についてはX線遮蔽部8の内面8a)との間にも画成されている。包囲空間S3は、Z方向から見てX線管3及びX線管収容部4を取り囲むように形成されている。包囲空間S3に流入した冷却気体は、X線管3及びX線管収容部4の周囲を通過することによりX線管3及びX線管収容部4の外面を冷却する。そして、当該冷却気体は、上壁部212の開口部212cを介して、再度第1収容空間S1(第1収容空間S1のうち側壁部213Bと電源部5との間の空間S12)に流入し、側壁部213Bに形成された通風孔部A(排気部)から外部に排出される。
中間壁部214には、空間S11と第2収容空間S2とを連通させる開口部214cと、空間S12と第2収容空間S2とを連通させる開口部214dとが形成されている。これにより、空間S11内を流通する冷却気体の一部は、中間壁部214の開口部214cを介して第2収容空間S2に流入する。第2収容空間S2に流入した冷却気体により、制御回路基板7が冷却される。そして、当該冷却気体は、中間壁部214の開口部214dを介して、再度第1収容空間S1(空間S12)に流入し、側壁部213Bに形成された通風孔部Aから外部に排出される。
次に、X線管3の構成について説明する。図4に示されるように、X線管3は、いわゆる反射型X線管と呼ばれるものである。X線管3は、内部を真空に保持する真空外囲器としての真空筐体10と、電子発生ユニットとしての電子銃11と、ターゲットTとを備えている。電子銃11は、例えば、高融点金属材料等からなる基体に易電子放射物質を含浸させたカソードCを有する。また、ターゲットTは、例えば、タングステン等の高融点金属材料からなる板状部材である。ターゲットTの中心は、X線管3の管軸AX上に位置している。電子銃11及びターゲットTは、真空筐体10の内部に収容されており、電子銃11から出射された電子がターゲットTに入射するとX線が発生する。X線はターゲットTを基点に放射状に発生する。X線出射窓33a側に向かうX線の成分のうち、X線出射窓33aを介して外部に取り出されたX線が、求められるX線として利用される。
真空筐体10は、主として、絶縁性材料(例えばガラス)により形成された絶縁バルブ12と、X線出射窓33aを有する金属部13とから構成されている。金属部13は、陽極となるターゲットTが収容される本体部31と、陰極となる電子銃11が収容される電子銃収容部32とを有する。
本体部31は、筒状に形成されており、内部空間Sを有している。本体部31の一端部(外側端部)には、X線出射窓33aを有する蓋板33が固定されている。X線出射窓33aの材料は、X線透過材料であって、例えばベリリウムやアルミニウム等である。蓋板33によって、内部空間Sの一端側が閉鎖されている。本体部31は、フランジ部311と、円筒部312とを有する。フランジ部311は、本体部31の外周に設けられており、上述したX線管収容部4の保持部41に固定される部分である。円筒部312は、本体部31の一端部側において円筒状に形成された部分である。
電子銃収容部32は、円筒状に形成されており、本体部31の一端部側の側部に固定されている。本体部31の中心軸線(すなわち、X線管3の管軸AX)と電子銃収容部32の中心軸線とは、略直交している。電子銃収容部32の内部は、電子銃収容部32の本体部31側の端部に設けられた開口32aを介して、本体部31の内部空間Sと連通している。
電子銃11は、カソードCと、ヒータ111と、第1グリッド電極112と、第2グリッド電極113とを備えており、各構成の協働によって発生する電子ビームの径を小さくすること(微小焦点化)ができる。カソードC、ヒータ111、第1グリッド電極112及び第2グリッド電極113は、それぞれ平行に延びる複数の給電ピン114を介して、ステム基板115に取り付けられている。カソードC、ヒータ111、第1グリッド電極112及び第2グリッド電極113は、それぞれに対応する給電ピン114を介して外部から給電される。
絶縁バルブ12は、略筒状に形成されている。絶縁バルブ12の一端側は、本体部31に接続されている。絶縁バルブ12は、その他端側において、ターゲットTが先端に固定されたターゲット支持部60を保持している。ターゲット支持部60は、例えば銅材等により円柱状に形成されており、Z方向に延在している。ターゲット支持部60の先端側には、絶縁バルブ12側から本体部31側に向かうにつれて電子銃11から遠ざかるように傾斜する傾斜面60aが形成されている。ターゲットTは、傾斜面60aと面一になるように、ターゲット支持部60の端部に埋設されている。
ターゲット支持部60の基端部60bは、絶縁バルブ12の下端部よりも外側に突出しており、電源部5の高圧給電部54(図2参照)に接続されている。本実施形態では、真空筐体10(金属部13)が接地電位とされており、高圧給電部54においてターゲット支持部60にプラスの高電圧が供給される。ただし、電圧印加形態は、上記例に限られない。
[作用効果]
次に、本実施形態の一側面に係る作用効果について説明する。上述したように、X線発生装置1は、X線を発生させるX線管3と、X線管3の少なくとも一部(本実施形態では、フランジ部311よりも下方に位置する部分であり、少なくとも絶縁バルブ12を含む部分)を収容すると共に、絶縁オイル45が封入されたX線管収容部4と、X線管3の管軸方向(管軸AXに沿った方向であり、本実施形態のZ方向に一致する方向)から見て、X線管収容部4を包囲する第2収容部22と、X線管収容部4と第2収容部22との間に画成された包囲空間S3内に冷却気体を流通させる送風ファン9と、X線管収容部4及び第2収容部22よりも高いX線遮蔽能を有する材料からなり、第2収容部22の内面に設けられたX線遮蔽部8と、を備える。
次に、本実施形態の一側面に係る作用効果について説明する。上述したように、X線発生装置1は、X線を発生させるX線管3と、X線管3の少なくとも一部(本実施形態では、フランジ部311よりも下方に位置する部分であり、少なくとも絶縁バルブ12を含む部分)を収容すると共に、絶縁オイル45が封入されたX線管収容部4と、X線管3の管軸方向(管軸AXに沿った方向であり、本実施形態のZ方向に一致する方向)から見て、X線管収容部4を包囲する第2収容部22と、X線管収容部4と第2収容部22との間に画成された包囲空間S3内に冷却気体を流通させる送風ファン9と、X線管収容部4及び第2収容部22よりも高いX線遮蔽能を有する材料からなり、第2収容部22の内面に設けられたX線遮蔽部8と、を備える。
ここで、一般にX線遮蔽材料として良好な性質を示す材料は熱伝導率が比較的低い場合が多い。具体的には、本実施形態において例示したX線遮蔽材料としての鉛は、X線管収容部4を形成する金属材料として例示したアルミニウムよりも熱伝導率が低い。このため、仮にX線管収容部4をX線遮蔽材料で形成した場合、X線管収容部4の放熱性が悪くなり、包囲空間S3内を流通する冷却気体によるX線管収容部4の冷却効率、つまりX線管3の冷却効率が低下するという問題がある。一方、第2収容部22をX線遮蔽材料で形成する場合、X線管収容部4に対する外殻としての役割との両立が困難となる。特に、X線遮蔽能を有する材料(例えば鉛等)のみによって自立可能な第2収容部22を形成しようとすると、第2収容部22の強度を確保するために、求められるX線遮蔽能を得るために必要な量よりも多くの材料が必要になる可能性があると共に、第2収容部22が重量化してしまうという問題がある。また、上述したようなX線遮蔽能及び自立性、並びに加工性及び製造コスト等の様々な要件を満たすために、第2収容部22の材料の選択肢が限定されてしまうという問題もある。
これに対し、X線発生装置1によれば、X線管3で発生した熱は、X線管収容部4内に封入された絶縁オイル45によって吸熱される。具体的には、電子銃11から出射された電子がターゲットTに衝突した際にターゲットTにおいて発生した熱は、ターゲット支持部60の先端側から基端部60b側へと伝達される。続いて、ターゲット支持部60のうち真空筐体10の外部に露出した部分(絶縁オイル45に浸漬された部分)から絶縁オイル45へと放熱される。そして、絶縁オイル45によって吸熱された熱が、X線管収容部4へと伝わり、X線管収容部4が、X線管収容部4と第2収容部22との間に形成された包囲空間S3を流通する冷却気体によって冷却されることで、X線管3を効果的に冷却することができる。また、X線管収容部4から突出しているX線管3の一部も包囲空間S3に収容されているため、X線管3自身を冷却気体によって冷却することもできる。
そして、X線遮蔽部8が第2収容部22とは別部材として第2収容部22の内面に設けられていることにより、X線発生装置1の周囲に漏洩するX線(主に、ターゲットTを基点として放射状に発生するX線のうち、X線出射窓33a方向に向かう成分以外のX線に起因する漏洩X線)を適切に遮蔽することができる。以上により、X線発生装置1によれば、X線管3の冷却と漏洩X線の遮蔽とを効果的に両立させることができる。X線管3の冷却と漏洩X線の遮蔽とを両立させることは、X線を微小焦点化又は高出力化する必要がある場合において、特に重要となり、上述した効果が顕著となる。
また、X線管収容部4は、第2収容部22及びX線遮蔽部8よりも高い熱伝導率を有する金属材料(本実施形態では、アルミニウム)からなっている。これにより、包囲空間S3を流通する冷却気体を利用して、X線管3で発生した熱を効率的に放熱することができる。
また、X線遮蔽部8は、第2収容部22の内面(本実施形態では、蓋部221の内面221cの一部、円筒部222の内面222a、及びテーパ部223の内面223a)に設けられている。これにより、X線遮蔽部8を第2収容部22の外面に設ける場合と比較して、外部からの接触等によるX線遮蔽部8の剥落を防止できると共に、X線遮蔽部8を形成するために必要な材料の量を低減できる。なお、X線遮蔽能自体には差はないので、X線遮蔽部8を、第2収容部22の外面に設けてもよい。
また、X線発生装置1は、送風ファン9が収容される収容空間(第1収容空間S1及び第2収容空間S2を合わせた空間)を画成する第1収容部21を備えている。第1収容部21は、X線管3の管軸方向(Z方向)に交差する方向に延在する仕切り壁としての上壁部212を有する。上壁部212には、第1収容空間S1と包囲空間S3とを連通させる開口部212b,212cが設けられている。この構成では、上壁部212を挟んで包囲空間S3と上記管軸方向に対向する位置に第1収容空間S1が設けられている。そして、送風ファン9は、X線管収容部4と第2収容部22(X線遮蔽部8)との間の包囲空間S3ではなく、包囲空間S3とは別室の第1収容空間S1内に配置される。これにより、漏洩X線が送風ファン9に及ぼす悪影響(誤作動、劣化等)を抑制できる。
また、上壁部212には、送風ファン9に臨む位置において冷却気体を空間S11から包囲空間S3に導入するための開口部212bと、包囲空間S3においてX線管収容部4の周囲を流通した後の冷却気体を包囲空間S3から空間S12に排出するための開口部212cと、が設けられている。第1収容部21は、開口部212cに臨む位置に設けられ、冷却気体を外部に排出するための排気部(側壁部213Bの通風孔部A)を有する。この構成によれば、送風ファン9により流通させられる冷却気体を第1収容空間S1及び包囲空間S3に効率良く流通させることができる。また、X線管収容部4の周囲を流通した冷却気体をX線管3が収容される包囲空間S3とは別室の第1収容空間S1から排出することにより、当該冷却気体がX線の照射領域に排気されてしまうことを抑制できる。その結果、当該冷却気体の排気がX線管3のX線出射窓33aからのX線照射や、X線照射対象の撮像等に及ぼす影響を抑制できる。
また、X線管収容部4と上壁部212とは、熱的に接続されている。上述したように、本実施形態では、X線管収容部4のフランジ部44と上壁部212の上面212eとは、熱伝導可能に接触している。これにより、X線管収容部4の熱を上壁部212に伝達させることができる。その結果、上壁部212の表面や開口部212b,212cを流通する冷却気体を利用して、X線管収容部4の熱を効率良く放熱できる。
また、X線発生装置1は、第1収容空間S1(収容空間)に配置され、X線管3に電力を供給する電源部5を備えている。この構成によれば、第1収容空間S1において送風ファン9により送風される冷却気体によって、電源部5を冷却することも可能となる。なお、Y方向に対向する電源部5の側面と第1収容部21の側壁部213との間には、隙間が設けられていてもよいし、隙間が設けられていなくてもよい。隙間が設けられている場合には、当該隙間を通過する冷却気体(すなわち、空間S11から当該隙間を介して空間S12へと流通する冷却気体)により、電源部5をより効果的に冷却することができる。
また、X線発生装置1は、第2収容空間S2(収容空間)に配置され、X線発生装置1の動作を制御する制御回路基板7を備えている。制御回路基板7は、電源部5を挟んでX線管収容部4に対向するように配置されている。この構成では、制御回路基板7は、電源部5を挟んでX線管収容部4の反対側に配置される。具体的には、本実施形態では、筐体2の内部は、包囲空間S3、第1収容空間S1及び第2収容空間S2が順に形成された三段構造を有している。そして、制御回路基板7は、電源部5が配置された第1収容空間S1を挟んで包囲空間S3に対向する位置にある第2収容空間S2に配置されている。このように制御回路基板7をX線管3から遠ざけて配置することにより、X線管3からの漏洩X線又は熱が制御回路基板7上に実装された制御回路に及ぼす悪影響を抑制でき、X線発生装置1の安定動作を図ることができる。
また、制御回路基板7とX線管3との間には、X線遮蔽材料からなるX線遮蔽部材6が配置されている。これにより、X線管3から制御回路基板7に向かう漏洩X線がX線遮蔽部材6によって遮蔽されるため、当該漏洩X線が制御回路に及ぼす悪影響を抑制できる。
また、第2収容部22の内面は、管軸方向(Z方向)に沿って上壁部212から遠ざかるにつれてX線管3の管軸AXに近づくように傾斜する傾斜面を有している。本実施形態では、テーパ部223の内面223aが、当該傾斜面に相当する。この構成によれば、上壁部212の開口部212bから管軸方向に沿って包囲空間S3内に流入した冷却気体を上記傾斜面上に設けられたX線遮蔽部8の内面8aに沿わせて、スムーズに包囲空間S3の内方(X線管3の管軸AXに向かう方向であり、X線管収容部4の円筒部42及びテーパ部43に向かう方向)へと向かわせることができる。これにより、冷却気体の流入速度の低下を抑制し、X線管収容部4をより効果的に冷却することができる。なお、X線遮蔽部8を第2収容部22の外面に設けた場合には、上壁部212の開口部212bから管軸方向に沿って包囲空間S3内に流入した冷却気体をテーパ部223の内面223aに沿わせることにより、上述した効果と同様の効果が得られる。
また、X線管収容部4の外面は、第2収容部22の傾斜面(テーパ部223の内面223a)に対向し、管軸方向(Z方向)に沿って上壁部212から遠ざかるにつれてX線管3の管軸AXに近づくように傾斜する傾斜面を有している。本実施形態では、テーパ部43の外面43aが、X線管収容部4の外面に設けられた傾斜面に相当する。X線管収容部4に上記傾斜面(外面43a)が設けられていることにより、当該傾斜面が設けられていない場合と比較して、絶縁オイル45に対するX線管収容部4の接触領域(すなわち、X線管収容部4の内面と絶縁オイル45とが接触する部分)の面積が大きい。つまり、X線管収容部4において、絶縁オイル45から直接吸熱を行い、包囲空間S3に放熱する領域の面積が大きくなる。これにより、X線管収容部4の熱の放熱効率を向上させることができる。特に、X線管3からの熱は、ターゲット支持部60のうち真空筐体10の外部に露出した部分(絶縁オイル45に浸漬された部分)から絶縁オイル45へと放熱されるため、当該部分に対向する領域に当該傾斜面を設けることで、さらにX線管3からの放熱効率を向上させることができる。さらに、第2収容部22の傾斜面(内面223a)に対向するようにX線管収容部4に傾斜面(外面43a)を設けることにより、図2に示されるように、第2収容部22の内面の形状をX線管収容部4の外面の形状に追従させることができる。これにより、第2収容部22の内面の形状をX線管収容部4の外面の形状に追従させない場合と比較して、包囲空間S3内の冷却気体の流通を円滑化することができる。また、第2収容部22とX線管収容部4との間に形成される包囲空間S3の流路幅を小さくできるため、冷却気体の流速を高めることもできる。その結果、X線管収容部4の熱の放熱効率を効果的に向上させることができる。
[第1変形例]
図5を参照して、第1変形例に係るX線発生装置1Aについて説明する。X線発生装置1Aは、X線遮蔽部材6及び制御回路基板7が第1収容空間S1(図5の例では、空間S11における送風ファン9に臨む位置)に設けられている点で、X線発生装置1と主に相違する。図5の例では、X線遮蔽部材6は、空間S11に臨む絶縁ブロック51の側面に固定されている。また、制御回路基板7は、X線遮蔽部材6を挟んで絶縁ブロック51とは反対側の位置において、X線遮蔽部材6に固定されている。このような構成であっても、X線管3から制御回路に向かう漏洩X線がX線遮蔽部材6によって遮蔽されるため、当該漏洩X線が制御回路に及ぼす悪影響が抑制される。また、制御回路基板7が送風ファン9に臨む位置に配置されることにより、制御回路基板7の冷却効率を高めることもできる。
図5を参照して、第1変形例に係るX線発生装置1Aについて説明する。X線発生装置1Aは、X線遮蔽部材6及び制御回路基板7が第1収容空間S1(図5の例では、空間S11における送風ファン9に臨む位置)に設けられている点で、X線発生装置1と主に相違する。図5の例では、X線遮蔽部材6は、空間S11に臨む絶縁ブロック51の側面に固定されている。また、制御回路基板7は、X線遮蔽部材6を挟んで絶縁ブロック51とは反対側の位置において、X線遮蔽部材6に固定されている。このような構成であっても、X線管3から制御回路に向かう漏洩X線がX線遮蔽部材6によって遮蔽されるため、当該漏洩X線が制御回路に及ぼす悪影響が抑制される。また、制御回路基板7が送風ファン9に臨む位置に配置されることにより、制御回路基板7の冷却効率を高めることもできる。
また、X線発生装置1Aは、中間壁部214が省略され、第2収容空間S2が設けられていない点でも、X線発生装置1と相違する。図5の例では、中間壁部214が省略されたことにより、電源部5は、底壁部211上に直接配置されている。制御回路基板7及び図示しない配線等を第1収容空間S1に収めることにより、このように中間壁部214及び第2収容空間S2を省略して筐体2の内部空間を二段構造にすることができ、X線発生装置1Aのコンパクト化を図ることができる。
[第2変形例]
図6を参照して、第2変形例に係るX線発生装置1Bについて説明する。X線発生装置1Bは、側壁部213Aにおいて通風孔部Aが第2収容空間S2に臨む位置に設けられており、送風ファン9が当該通風孔部Aに臨むように第2収容空間S2に設けられている点で、X線発生装置1と主に相違する。X線発生装置1Bでは、空間S11に臨む側壁部213Aの部分には、通風孔部Aは設けられていない。この場合、送風ファン9から第2収容空間S2に送風された冷却気体の一部は、中間壁部214の開口部214cを介して空間S11に流入し、更に上壁部212の開口部212bを介して包囲空間S3に流入する。また、送風ファン9から送風された冷却気体の一部は、第2収容空間S2を通過し、中間壁部214の開口部214dを介して空間S12に流入する。このように、送風ファン9を第2収容空間S2に配置した場合にも、冷却気体を筐体2内の空間全体(第1収容空間S1、第2収容空間S2及び包囲空間S3)に行き渡らせることができるため、X線管収容部4、電源部5及び制御回路基板7を適切に冷却することができる。また、送風ファン9をより一層X線管3から遠ざけることができるため、X線管3からの漏洩X線が送風ファン9に及ぼす悪影響をより一層抑制できる。
図6を参照して、第2変形例に係るX線発生装置1Bについて説明する。X線発生装置1Bは、側壁部213Aにおいて通風孔部Aが第2収容空間S2に臨む位置に設けられており、送風ファン9が当該通風孔部Aに臨むように第2収容空間S2に設けられている点で、X線発生装置1と主に相違する。X線発生装置1Bでは、空間S11に臨む側壁部213Aの部分には、通風孔部Aは設けられていない。この場合、送風ファン9から第2収容空間S2に送風された冷却気体の一部は、中間壁部214の開口部214cを介して空間S11に流入し、更に上壁部212の開口部212bを介して包囲空間S3に流入する。また、送風ファン9から送風された冷却気体の一部は、第2収容空間S2を通過し、中間壁部214の開口部214dを介して空間S12に流入する。このように、送風ファン9を第2収容空間S2に配置した場合にも、冷却気体を筐体2内の空間全体(第1収容空間S1、第2収容空間S2及び包囲空間S3)に行き渡らせることができるため、X線管収容部4、電源部5及び制御回路基板7を適切に冷却することができる。また、送風ファン9をより一層X線管3から遠ざけることができるため、X線管3からの漏洩X線が送風ファン9に及ぼす悪影響をより一層抑制できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。すなわち、X線発生装置の各部の形状及び材料等は、上記実施形態で示した具体的な形状及び材料等に限定されない。
X線管3は、ターゲットに対する電子入射方向と異なる方向からX線を取り出す反射型X線管であるが、ターゲットに対する電子入射方向に沿ってX線を取り出す(ターゲットで発生したX線がターゲット自体を透過してX線出射窓から取り出される)透過型X線管でもよい。また、上記実施形態では、送風ファン9を気流発生部として用いる構成を例示したが、気流発生部は、送風ファン9のように外部からの気体を内部(筐体2内)に送風するものに限られない。例えば、送風ファン9の代わりに、内部の気体を外部へ吸い出すことで気体を流通させる吸引ファンが、気流発生部として用いられてもよい。また、送風ファン9(流通部)は、冷風(冷却気体)だけでなく温風を流通させる機能を有していてもよい。例えば、送風ファン9は、冷風を送風するモードと温風を送風するモードとを切替可能に構成されていてもよい。X線発生装置1を起動した後、X線管3の動作を安定化させるために、X線管収容部4内の温度(すなわち、絶縁オイル45の温度)を一定の温度まで上昇させたい場合があり得る。このような場合に、温風を送風するように送風ファン9を切り替えることにより、包囲空間S3内に温風を流通させ、X線管収容部4内の温度を効率良く上昇させることができる。その結果、X線発生装置1を起動してからX線管3の動作を安定化させるまでの時間を短縮できる。
X線管収容部4の外面(上記実施形態では、円筒部42の外面及びテーパ部43の外面43a)は、凹凸状に形成された部分を有していてもよい。或いは、X線管収容部4の外面には、円周方向に凸状に延びる一以上の冷却フィンが設けられてもよい。以上の構成によれば、包囲空間S3に対するX線管収容部4の表面積を増やして放熱効率を向上させることができる。
上記実施形態では、X線管収容部4にテーパ部43を設けたが、テーパ部43を設けることは必須ではない。例えば、X線管収容部4の側面形状は、テーパ部43が設けられない円筒状であってもよい。同様に、第2収容部22にテーパ部223を設けることは必須ではない。例えば、第2収容部22の側面形状は、テーパ部223が設けられない円筒状であってもよい。また、この場合、第2収容部22の側面に、上述した第2収容部22の傾斜面の代わりとなる整風板が設けられてもよい。整風板は、例えば、Z方向から見てX線遮蔽部8の内面8aに沿って円環状に立設され、上壁部212から管軸方向に沿って遠ざかるにつれてX線管3の管軸AXに近づくように傾斜する傾斜面を有する部材である。
上記実施形態では、X線遮蔽部8は、第2収容部22の内面に接着剤、両面テープ等によって接着されているが、X線遮蔽部8を第2収容部22に固定する方法は、これに限定されない。X線遮蔽部8は、ネジ留め或いは金具等によって第2収容部22の内面(又は外面)に固定されてもよい。なお、金具によって固定する場合には、当該金具が上述した整風板として機能してもよい。すなわち、X線遮蔽部8を第2収容部22に固定するための金具が、整風板としての機能を兼ね備えてもよい。
上壁部212に設けられる通風用の開口部212b,212cの個数、形状及び大きさは特に限定されない。同様に、中間壁部214に設けられる通風用の開口部214c,214dの個数、形状及び大きさも特に限定されない。
1,1A,1B…X線発生装置、3…X線管、4…X線管収容部、5…電源部、6…X線遮蔽部材、7…制御回路基板、8…X線遮蔽部、9…送風ファン(気流発生部)、21…第1収容部(収容部)、22…第2収容部(包囲部)、45…絶縁オイル(絶縁性の液体)、212…上壁部(仕切り壁)、212b…開口部(第1開口部)、212c…開口部(第2開口部)、AX…管軸、S1…第1収容空間、S2…第2収容空間、S3…包囲空間。
Claims (7)
- X線を発生させるX線管と、
前記X線管に電力を供給する電源部と、
前記X線管の少なくとも一部を収容すると共に、絶縁性の液体が封入されたX線管収容部と、
前記X線管の管軸方向から見て、前記X線管収容部を包囲する包囲部と、
前記X線管収容部と前記包囲部との間に画成された包囲空間内に気体を流通させる気流発生部と、
前記X線管収容部及び前記包囲部よりも高いX線遮蔽能を有する材料からなり、前記包囲部の内面又は外面に設けられたX線遮蔽部と、
前記気流発生部が収容される収容空間を画成する収容部と、
を備え、
前記収容部は、前記収容空間と前記包囲空間とを連通させる開口部が設けられた仕切り壁を有する、
X線発生装置。 - 前記仕切り壁の前記開口部は、前記気流発生部に臨む位置に設けられている、
請求項1に記載のX線発生装置。 - 前記収容空間に配置され、前記X線発生装置の動作を制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路は、前記気流発生部に臨む位置に設けられている、
請求項1又は2に記載のX線発生装置。 - 前記気流発生部と前記X線管との間には、X線遮蔽材料からなるX線遮蔽部材が配置されている、
請求項1~3のいずれか一項に記載のX線発生装置。 - 前記収容空間に配置され、前記X線発生装置の動作を制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路と前記X線管との間には、X線遮蔽材料からなるX線遮蔽部材が配置されている、
請求項1~4のいずれか一項に記載のX線発生装置。 - 前記仕切り壁は、前記気流発生部により発生させられた冷却気体が前記電源部、前記X線管収容部の順に供給されるような流路を形成する、
請求項1~5のいずれか一項に記載のX線発生装置。 - 前記収容空間に配置され、前記X線発生装置の動作を制御する制御回路を更に備え、
前記制御回路は、前記電源部を挟んで前記X線管と対向する位置に配置されている、
請求項1~6のいずれか一項に記載のX線発生装置。
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