JPWO2020178898A1

JPWO2020178898A1 - Ｘ線発生装置、並びに、その診断装置及び診断方法

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Publication number: JPWO2020178898A1
Application number: JP2021503253A
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Inventors: 剛志秋山; 恒久大橋; 健一郎中村; 佑多齋藤
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Filing date: 2019-03-01
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Abstract

Ｘ線管（１２０）は、真空外囲器（１２１）の内部に密閉された陰極（１４０）及び陽極（１５０）と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体（１３０）とを有する。第１の電流センサ（２１０）は、集イオン導体（１３０）と、真空外囲器（１２１）内の陽イオンを吸引する電位を供給するノード（Ｎｇ）との間に流れる第１の電流値（Ｉｉ）を測定する。第２の電流センサ（１８０）は、陽極（１５０）及び陰極（１４０）の間に流れる第２の電流値（Ｉｅ）を測定する。制御回路（１９０）は、第２の電流センサ（１８０）によって測定された第２の電流値（Ｉｅ）と、第１の電流センサ（２１０）によって測定された第１の電流値（Ｉｉ）との電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づいてＸ線管（１２０）の真空度に関する診断情報を生成する。

Description

本発明は、Ｘ線発生装置、並びに、その診断装置及び診断方法に関する。

Ｘ線発生装置は、分析装置や医療機器等に広く適用されている。一般的に、Ｘ線発生装置は、真空密閉構造のＸ線管内で、陰極から放出された電子を、陽極及び陰極間に印加された高電圧によって加速させて、陽極表面に形成されたターゲットに衝突させることで、Ｘ線を発生するように構成される。

経年劣化によって、Ｘ線管内の真空度が劣化、即ち、圧力が上昇すると、放電の発生によって交換が必要となる。従って、非破壊で真空度の劣化を検出して、寿命を予測するものとして、特開２００６−１００１７４号公報（特許文献１）及び特開２０１６−１４６２８８号公報（特許文献２）に記載の技術が提案されている。

特許文献１には、Ｘ線管の真空外囲器に電離真空計用のイオンゲージ球を内蔵した真空測定部を取り付けることによって、真空外囲器の内部の真空度を測定する構成が開示されている。

特許文献２には、陽極及び陰極間の電界をＸ線発生時とは反対方向として、Ｘ線管内のイオン化される気体分子を陽極に吸引したときに陽極及び陰極間に流れる測定電流に基づいて、当該測定電流と真空度との相関関係を利用して、Ｘ線管の真空度を測定する技術が開示されている。

特開２００６−１００１７４号公報特開２０１６−１４６２８８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、真空外囲器に真空測定部を取り付けることで、当該取り付け個所からの真空度の劣化、及び、新たな構造の追加によるコストアップが懸念される。一方で、特許文献２では、真空外囲器を含むＸ線管の構造を変更する必要は無いが、真空度測定時に、集束体及びフィラメント（電子源）の間に電圧を印加するため機構、並びに、陽極及び陰極間にＸ線発生時とは反対方向の電界を生じさせるため機構が新たに必要となる。

特許文献２は、電離真空計と同様の原理で、陰極から放出された電子が気体分子と衝突することで発生するイオン量に応じた電流を計測することで、気体分子を定量測定するものである。このため、測定電流は、Ｘ線管内に存在する気体分子量のみならず、放出電子量にも依存して変化する。一方で、特許文献２では、測定電流と真空度との予め求められた相関関係からＸ線管の寿命が予測されるので、装置の経年変化、電源電圧の変動、及び、Ｘ線管の個体差等によって、真空度測定の際に陰極から放出される電子量が、上記相関関係を求めた際の放出電子量と異なると、真空度の測定、即ち、Ｘ線管の寿命診断に誤差が生じることが懸念される。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、簡易な構成により高精度でＸ線管の劣化診断を実行することである。

本発明の第１の態様は、Ｘ線発生装置に関する。Ｘ線発生装置は、Ｘ線管と、第１及び第２の直流電源と、第１及び第２の電流センサと、制御回路とを備える。Ｘ線管は、真空外囲器の内部に密閉された陰極及び陽極と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有する。陰極は、電子を放出する電子源を有する。陽極は、陰極と対向して配置されて、電子源から放出された電子が入射することによってＸ線を放射するように構成される。第１の直流電源は、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧を印加する。第２の直流電源は、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧を印加する。第１の電流センサは、集イオン導体と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定する。第２の電流センサは、陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値を測定する。制御回路は、第１及び第２の直流電圧が印加された状態における、第２の電流センサによって測定された第２の電流値と、第１の電流センサによって測定された第１の電流値との電流比に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成する。

本発明の第２の態様は、真空外囲器の内部に密閉された、陽極及び電子源を有する陰極と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有するＸ線管を備えたＸ線発生装置の診断装置に関する。診断装置は、電流センサと、制御回路とを備える。電流センサは、集イオン導体と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定する。制御回路は、Ｘ線発生装置において、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧が印加されるとともに、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧が印加された状態下において、Ｘ線管の陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値の測定値をＸ線発生装置から取得するとともに、取得した当該第２の電流値と、電流センサによって測定された第１の電流値との電流比に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成する。

本発明の第３の態様は、真空外囲器の内部に密閉された、陽極及び電子源を有する陰極と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有するＸ線管を備えたＸ線発生装置の診断方法であって、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧を印加するとともに、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧を印加するステップと、第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、集イオン導体と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定するステップと、第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、Ｘ線管の陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値を測定するステップと、測定された第２の電流値と、測定された第１の電流値との電流比に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成するステップとを備える。

本発明によれば、簡易な構成により高精度でＸ線管の劣化診断を実行することができる。

比較例として示される一般的なＸ線発生装置の構成を説明するブロック図である。本実施の形態に係るＸ線発生装置の構成を説明するブロック図である。パッシェン曲線の一例を示す対数グラフである。本実施の形態に係るＸ線発生装置１００による真空度診断によるＸ線管の実測データを示す散布図である。図４のグラフの一部領域の拡大図である。本実施の形態に係るＸ線発生装置の診断モードにおける制御処理を説明するフローチャートである。本実施の形態に係るＸ線発生装置の直流電源の制御処理を説明するフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、比較例として示される一般的なＸ線発生装置の構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、比較例のＸ線発生装置１００♯は、筐体１１０と、Ｘ線管１２０と、直流電源１６０及び１７０とを備える。Ｘ線管１２０は、真空外囲器１２１によって密閉されることで、内部が真空に保持される。

Ｘ線管１２０は、真空外囲器１２１の内部に密閉された、陰極１４０及び陽極１５０を有する。陰極１４０の表面には、フィラメント１４５が取り付けられる。陽極１５０の表面には、フィラメント１４５と対向する位置に、ターゲット１５５が形成される。

フィラメント１４５には、直流電源１６０が接続される。直流電源１６０の出力電圧Ｖｆは、一般的には、１０（Ｖ）程度である。直流電源１６０によってフィラメント１４５に通電することにより、フィラメント１４５から、熱励起された電子５が放出される。即ち、直流電源１６０の出力電圧Ｖｆによって、電子５の放出エネルギがフィラメント１４５へ供給される。

直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃは、一般的には、数十（ｋＶ）〜数百（ｋＶ）である。直流電源１７０によって、陰極１４０及び陽極１５０の間に高電圧が印加される。これにより、陰極１４０及び陽極１５０の間には、陽極１５０側が高電位となる電界が形成される。陽極１５０は、フィラメント１４５から放出された電子５が、当該電界によって加速されてターゲット１５５に衝突することで、Ｘ線を発生する。

Ｘ線は、真空外囲器１２１の開口部１２３に配置されたＸ線照射窓１３５を介して、Ｘ線管１２０の外部へ出力される。Ｘ線照射窓１３５は、気密性を有し、かつ、Ｘ線透過力が高い部材（例えば、フィルム状のベリリウム）を用いて形成される。Ｘ線照射窓１３５は、フランジ形状の固定部材１３０を介してＸ線管１２０（真空外囲器１２１）に固定される。固定部材１３０は、真空外囲器１２１の内部空間との接触領域を有し、かつ、真空外囲器１２１による密封性を維持して、Ｘ線照射窓１３５を真空外囲器１２１に固定保持するように構成される。さらに、固定部材１３０及び筐体１１０は、電気的に接続されている。

固定部材１３０には、Ｘ線の供給対象となる外部機器５００が、ネジ止め等によって取り付けられる。外部機器５００は、代表的には、分析機器又は医療機器である。通常、固定部材１３０に外部機器５００が取付け固定されることにより、筐体１１０及び固定部材１３０は、外部機器５００と共通のアースによって接地される。

Ｘ線管１２０は、絶縁油１１５が充填された筐体１１０の内部に格納される。絶縁油１１５は、高電圧が印加されるＸ線管１２０を筐体１１０から電気的に絶縁するとともに、Ｘ線管１２０の冷却機能も有している。

直流電源１６０及び１７０の出力電圧Ｖｆ，ＶｄｃがＸ線管１２０に印加されることで、Ｘ線管１２０のＸ線照射窓１３５からＸ線が出力される。Ｘ線の照射量は、直流電源１６０及び１７０の出力電圧によって変化する。具体的には、直流電源１６０の出力電圧Ｖｆによって、フィラメント１４５から放出される電子量が変化することで、Ｘ線照射量が変化する。陰極１４０又は陽極１５０と直流電源１７０との間に電流センサ１８０を配置することによって、当該電子量に依存する電流値Ｉｅ（以下、「エミッタ電流Ｉｅ」とも称する）を検出することができる。又、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃを変化させて、電子５を加速する電界の強度を変化させることによっても、Ｘ線照射量を変化させることが可能である。

本実施の形態では、図１に示された比較例のＸ線発生装置１００♯に対して、Ｘ線管１２０内部の真空度を非破壊で診断する機能を具備した構成を説明する。

図２は、本実施の形態に係るＸ線発生装置の構成を説明するブロック図である。
図２を参照して、本実施の形態に係るＸ線発生装置１００は、図１に示した比較例のＸ線発生装置１００♯と比較して、制御回路１９０と、電流センサ２１０とをさらに備える点で異なる。

電流センサ２１０は、固定部材１３０と、接地ノードＮｇとの間に電気的に接続される。尚、固定部材１３０及び筐体１１０が電気的に接続されているので、電流センサ２１０を筐体１１０と接続しても、電流センサ２１０を固定部材１３０及び接地ノードＮｇの間に電気的に接続することができる。以下に説明するように、電流センサ２１０は、診断モードにおいて、電流値Ｉｉを検出する。

制御回路１９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１９１と、メモリ１９２と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路１９３と、電子回路１９４とを含む。ＣＰＵ１９１、メモリ１９２及びＩ／Ｏ回路１９３は、バス１９５を経由して、相互に信号の授受が可能である。電子回路１９４は、所定の演算処理を専用のハードウェアによって実行するように構成される。電子回路１９４は、ＣＰＵ１９１及びＩ／Ｏ回路１９３との間で信号の授受が可能である。

制御回路１９０は、モード入力、及び、電流センサ１８０，２１０による電流Ｉｅ，Ｉｉの検出値を受けるとともに、診断モードでの真空度の診断結果を示す診断情報を出力する。制御回路１９０は、代表的には、マイクロコンピュータによって構成することができる。尚、以下では、制御回路１９０による診断モードでの処理について主に説明するが、図２に示された構成例は、診断モード専用のマイクロコンピュータの配置が必須であることを意味するものではない。例えば、比較例のＸ線発生装置１００♯において、Ｘ線発生の制御のために配置されたマイクロコンピュータ（図示せず）に、ソフトウェアの追加等によって後述する診断モード機能を追加することで、制御回路１９０を構成することも可能である。従って、本実施の形態に係るＸ線発生装置１００は、比較例のＸ線発生装置１００♯に対して、ハードウェア上は、電流センサ２１０を追加配置するのみで実現可能である。

Ｘ線発生装置１００は、Ｘ線を照射するためのＸ線発生モードと、診断モードとを有する。Ｘ線発生モード及び診断モードは、ユーザによるボタン操作等に応答した、制御回路１９０へのモード入力によって選択することができる。

Ｘ線発生モードにおけるＸ線発生装置１００の動作は、図１のＸ線発生装置１００♯と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。更に、Ｘ線発生装置１００では、診断モードにおいても、陰極１４０に対する直流電源１６０の接続関係は、Ｘ線発生モードと同じである。同様に、陰極１４０及び陽極１５０の間にも、Ｘ線発生モードと同じ極性で、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃが印加される。即ち、直流電源１６０は「第１の直流電源」の一実施例に対応し、出力電圧Ｖｆは「第１の直流電圧」の一実施例に対応する。同様に、直流電源１７０は「第２の直流電源」の一実施例に対応し、出力電圧Ｖｄｃは「第２の直流電圧」の一実施例に対応する。

Ｘ線管１２０の部品から出る吸蔵ガスや電子衝突による熱によって発生するガス等によって、Ｘ線管１２０の内部空間に存在する気体分子７が増加することによって、Ｘ線管１２０の真空度が劣化する。気体分子７は、電子５が衝突することによってイオン化されると、陽イオン９に変化する。

固定部材１３０は、電流センサ２１０を含む経路２００によって、接地電位ＧＮＤを供給する接地ノードＮｇと電気的に接続されるので、Ｘ線管１２０の内部空間に発生した陽イオン９は、固定部材１３０に吸引される。これにより、経路２００には、真空外囲器１２１の内部に発生した陽イオン量に依存した電流値Ｉｉ（以下、「イオン電流Ｉｉ」とも称する）が生じる。電流センサ２１０によって、当該イオン電流Ｉｉを測定することができる。同時に、電流センサ１８０では、Ｘ線発生時と同様に、フィラメント１４５からの電子放出量に依存するエミッタ電流Ｉｅを測定することができる。エミッタ電流Ｉｅの値は「第２の電流値」に対応し、電流センサ１８０は「第２の電流センサ」の一実施例に対応する。又、イオン電流Ｉｉの値は「第１の電流値」に対応し、電流センサ２１０は「第１の電流センサ」又は「電流センサ」の一実施例に対応する。

又、図２の構成では、図１のように、固定部材１３０又は筐体１１０が、外部機器５００等によって、電流センサ２１０を含まない経路によって接地されると、電流センサ２１０の両端が同電位となるため、電流センサ２１０によってイオン電流Ｉｉを測定することができなくなる。従って、外部機器５００を固定部材１３０から取り外して、固定部材１３０及び筐体１１０が、電流センサ２１０を含む経路２００によって接地されるようにすることで、電流センサ２１０によってイオン電流Ｉｉを検出することが可能となる。更に、外部機器５００の取り外し後には、Ｘ線照射窓１３５に対してＸ線を遮蔽するための部材が装着される。

即ち、図２では、固定部材１３０が「集イオン導体」の一実施例に対応し、接地ノードＮｇは「陽イオンを吸引する電位を供給するノード」の一実施例に対応する。これにより、比較例のＸ線発生装置１００♯に対して、新たな部材（ハードウェア）を追加することなく、真空度診断用の「集イオン導体」構成することが可能である。尚、陽イオン９を吸引可能な電位であれば、接地電位ＧＮＤ以外の当該電位を供給するノードと、固定部材１３０との間に、電流センサ２１０を電気的に接続することも可能である。

通常、密閉空間の真空度は、当該空間の内部圧力によって定量的に評価される。特に、Ｘ線発生装置では、Ｘ線管１２０の内部の真空度の劣化による放電の発生が劣化診断のポイントとなり、このようなレベルまでの真空度が劣化（圧力が上昇）する前に、真空度の劣化を非破壊で診断することが重要である。

図３には、放電特性を示すパッシェン曲線の一例が示される。図３の横軸には、圧力（Ｐａ）が示され、縦軸には放電電圧（Ｖ）が示される。尚、図３は、縦軸及び横軸の両方が対数目盛であり、図中の格子１つ毎に圧力及び放電電圧は１０倍になる。

公知のように、パッシェン曲線は、放電電圧と、真空度、電極間距離、及び、気体の種類毎の定数との関係を示すパッションの法則から求められる。後述するように、発明者らは、本実施の形態に係る真空度診断の検証のために、放電が実際に発生した劣化品を含めて、実際にＸ線管を対象とする測定実験を行った。図３には、測定実験の対象となったＸ線管の実際の内部ガスを分析することで得られた４種類の気体（ヘリウム、窒素、水蒸気、及び、大気）についてのパッシェン曲線３０１〜３０４が示される。

図３を参照して、パッシェン曲線３０１〜３０４から、気体の種類に依存して異なる電圧で放電が発生することが理解される。パッシェン曲線３０１〜３０３からは、圧力がＰｘ（以下、「放電圧力Ｐｘ」とも称する）以上の領域で放電が発生し、パッシェン曲線３０４からは、圧力がＰｙ以上の領域で放電が発生することが理解される。従って、これらのＸ線管を対象とする真空度の診断では、放電圧力Ｐｘよりも低圧側の範囲で、放電圧力Ｐｘに対する余裕度を定量的に評価する情報が必要とされる。

図４には、本実施の形態に係るＸ線発生装置１００による真空度診断によるＸ線管の実測データが示される。図４では、ガス分析のための開口した測定対象のＸ線管を真空チャンバー内に設置した状態として、真空チャンバー内の圧力を変化させて、上述のイオン電流Ｉｉ及びエミッタ電流Ｉｅを測定した実験結果が示される。

図４の横軸には、測定されたエミッタ電流Ｉｅ及びイオン電流Ｉｉの電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）が対数軸で示される。一方で、縦軸には、真空チャンバー内の圧力Ｐ（Ｐａ）の測定値が対数軸で示される。実験は、同一機種の複数のＸ線管を測定対象として実行され、図４中には、Ｘ線管ごとに、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）及び圧力Ｐの実測値の組み合わせが、異なる記号でプロットされる。

図４から、（Ｉｉ／Ｉｅ）が小さい領域では、同一圧力値に対する（Ｉｉ／Ｉｅ）の値が、Ｘ線管の個体毎にばらつくことが理解される。一方で、（Ｉｉ／Ｉｅ）が上昇していくと、個体差が解消されて、同一圧力値に対する（Ｉｉ／Ｉｅ）がほぼ同等となる領域３００が存在することが理解される。当該領域３００では、対数グラフ上での（Ｉｉ／Ｉｅ）の変化に対する、圧力Ｐの変化の傾きが略一定となっている。

以下では、Ｘ線管の個体差に依らず、（Ｉｉ／Ｉｅ）に対するＰの特性が、対数グラフ上で略同一の直線上にプロットされる当該領域３００を「診断領域３００」とも称する。診断領域３００では、Ｘ線管の個体差に依らず、（Ｉｉ／Ｉｅ）を用いて、Ｘ線管１２０の内部圧力を定量的に推定可能であることが理解される。又、当該診断領域３００によってカバーされる圧力範囲の下限値Ｐｍｉｎは、図３に示した、放電圧力Ｐｘの１／１０⁴倍のオーダである。

従って、本実施の形態によれば、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づいて、Ｐｘ・（１／１０⁴）以上の圧力範囲において、放電圧力Ｐｘに向けた圧力の上昇、即ち、真空度の劣化を非破壊で診断できることが理解される。

図５には、図４の散布図のうちの診断領域３００の拡大図が示される。図５では、図４に示された、複数のＸ線管での測定データを同一記号でプロットされ、かつ、統計処理による回帰直線として得られた特性線３１０が併せて表記されている。即ち、診断領域３００では、特性線３１０を示す下記の式（１）によって、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）のｋ乗に比例する圧力Ｐ（Ｐａ）を推定することができる。

Ｐ＝Ｃ・（Ｉｉ／Ｉｅ）^ｋ …（１）
尚、式（１）中の定数Ｃ及びｋは、Ｘ線管１２０の機種毎の固定値であり、同一機種のＸ線管では同一値として扱うことができる。従って、Ｘ線発生装置１００に組み込まれる機種のＸ線管１２０について事前に測定実験を行うことで、定数Ｃ及びｋは予め定めることが可能である。即ち、特性線３１０又は式（１）は、「予め定められた、電流比と真空外囲器１２１の内部の圧力との対応関係」の一実施例に相当する。特性線３１０又は式（１）を示す情報は、メモリ１９２に予め記憶される。

制御回路１９０は、メモリ１９２に予め記憶された、特性線３１０又は式（１）を示す情報と、電流センサ１８０，２１０による測定値から算出された電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）とを用いて、Ｘ線管１２０（真空外囲器１２１）の内部の圧力推定値を算出することができる。

例えば、このように算出される圧力推定値Ｐに対して、放電圧力Ｐｘよりも低い閾値Ｐｔｈを予め定めることで、Ｐ＞Ｐｘであるか否かを示す真空度の診断情報を示すことができる。尚、閾値Ｐｔｈを複数段階に設定して、真空度の劣化度（圧力の上昇度）を複数レベルで示すように、真空度の診断情報を生成することも可能である。又は、定量的な真空度の診断情報として、圧力推定値Ｐと、閾値Ｐｔｈ又は放電圧力Ｐｘとの圧力差を算出することも可能である。Ｘ線管１２０内での放電発生に直接関連する物理量である圧力に換算して、真空度劣化のイメージが容易な診断情報を提供することで、ユーザ利便性の向上を図ることができる。

又、特性線３１０に従って、上述した圧力の閾値Ｐｔｈに対応させて、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）の閾値Ｊｔｈを予め定めることができる。これにより、単一または複数段階の閾値Ｊｔｈと、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）の測定値との比較に基づく、真空度の診断情報を生成することができる。或いは、定量的な真空度の診断情報として、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）の測定値と、閾値Ｊｔｈとの差を算出することも可能である。

図６は、本実施の形態に係るＸ線発生装置の診断モードにおける制御処理を説明するフローチャートである。図６に係る制御処理は、例えば、制御回路１９０によって実行することができる。

図６を参照して、制御回路１９０は、ステップ５１０により、制御回路１９０へのモード入力により、診断モードがオンされているか否かを判定する。診断モードがオンされていると（ステップ５１０のＹＥＳ判定時）、ステップ５２０以降の診断モードの処理が開始される。一方で、診断モードのオフ時、即ち、Ｘ線発生モードでは（ステップ５１０のＮＯ判定時）、ステップ５２０以降の処理は起動されない。

制御回路１９０は、ステップ５２０では、固定部材１３０を「集イオン導体」として、直流電源１６０及び１７０を作動させる。これにより、図２で説明したように、直流電源１６０によるフィラメント１４５の通電によって放出された電子５が、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃによる電界によって加速される。そして、電子５が気体分子７に衝突することによって発生した陽イオン９が、上記集イオン導体に吸引されることによって、イオン電流Ｉｉが発生する。

制御回路１９０は、ステップ５２０の状態下で、ステップ５３０により電流センサ１８０の検出値からエミッタ電流Ｉｅを測定し、ステップ５４０により、電流センサ２１０の検出値からイオン電流Ｉｉを測定する。尚、ステップ５３０及びステップ５４０は、逆の順序で実行されてもよく、同時に実行されてもよい。

上述のように、集イオン導体となる固定部材１３０、又は、固定部材１３０と電気的に接続される筐体１１０が、電流センサ２１０を含まない経路によって接地されると、ステップ５４０において、イオン電流Ｉｉの測定値が０となる。従って、ステップ５４０とともに、ステップ５４０でのイオン電流Ｉｉの測定値を判定値εと比較するステップ５４１が更に実行される。

Ｉｉ＜ε、すなわち、Ｉｉ＝０と判定される場合には（ステップ５４１のＹＥＳ判定時）、ステップ５４２により、筐体１１０及び固定部材１３０の状態の確認を促すメッセージ、具体的には、筐体１１０又は固定部材１３０（集イオン導体）が、電流センサ２１０以外の部材と電気的に接続されていないことの確認を促すメッセージを出力して、診断モードの処理を一旦終了することが好ましい。

一方で、制御回路１９０は、ステップ５４０によりイオン電流Ｉｉが測定できた場合には（ステップ５４１のＹＥＳ判定時）、ステップ５５０により、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づく診断情報を生成する。診断情報は、上述のように、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）からの圧力推定値と閾値Ｐｔｈ（図５）との関係に基づく情報，又は、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）と閾値Ｊｔｈ（図５）との関係に基づく情報を用いることができる。

制御回路１９０は、ステップ５６０により、ステップ５５０で生成された診断情報を出力するとともに、ステップ５７０により、診断モードを正常終了する。ステップ５６０における出力態様は特に限定されない。例えば、診断情報は、特定の表示画面（図示せず）に視認可能な文字、数字、イラスト等を用いた態様で出力されてもよいし、発光ダイオード（ＬＥＤ）等のランプの点灯及び非点灯によって出力されてもよい。或いは、診断情報は、インターネット等を経由して、サービスセンタのサーバへ送信される態様で出力されてもよい。

このように本実施の形態に係るＸ線発生装置によれば、イオン電流Ｉｉ及びエミッタ電流Ｉｅの電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づいて、真空度の劣化を診断することができる。ここで、Ｘ線管１２０の真空度は、Ｘ線管１２０の内部空間に存在する気体分子７の数に依存する。イオン電流Ｉｉによって、特許文献２の測定電流と同様に、陽イオン９は、気体分子７が電子５と衝突することによって発生する陽イオン量を定量的に検出できるが、陽イオン量は、Ｘ線管１２０の内部空間に存在する気体分子７の数のみではなく、フィラメント１４５からの電子放出量にも左右される。

従って、フィラメント１４５からの電子放出量に依存するエミッタ電流Ｉｅと、イオン電流Ｉｉとの電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）を用いることにより、Ｘ線管１２０の内部空間に存在する気体分子７の数、即ち、真空度を、イオン電流Ｉｉ単体による診断よりも高精度に診断することができる。

又、Ｘ線発生装置１００では、直流電源１６０及び１７０と、陰極１４０及び陽極１５０との間の接続関係を、Ｘ線発生モードから変化させることなく、筐体１１０及び固定部材１３０を「集イオン導体」として作用させることができる。即ち、陰極１４０及び陽極１５０への印加電圧をＸ線発生モード及び診断モードの間で切り替える機構の配置が不要であるので、特許文献２よりも簡易な構成で真空度の診断を行うことができる。

更に、本実施の形態１に係るＸ線発生装置１００では、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃについては、Ｘ線発生モード及び診断モードの間に切り替えることが好ましい。

図７は、本実施の形態に係るＸ線発生装置１００での直流電源１７０の制御処理を説明するフローチャートである。図７に示す制御処理は、制御回路１９０によって実行することができる。

図７を参照して、制御回路１９０は、ステップ６１０により、診断モードであるか否かを判断する。診断モードでない場合、即ち、Ｘ線発生モードである場合（ステップ６１０のＮＯ判定時）には、ステップ６３０により、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃ＝Ｖｈに設定される。Ｖｈは、比較例に係るＸ線発生装置１００♯での出力電圧Ｖｄｃと同等であり、数十（ｋＶ）〜数百（ｋＶ）程度である。

一方で、制御回路１９０は、診断モードの場合（ステップ６１０のＹＥＳ判定時）には、ステップ６２０により、直流電源１７０の出力電圧Ｖｄｃ＝Ｖｍに設定する。Ｖｍは、Ｘ線発生モードでのＶｈよりも低電圧であり、例えば、１００（Ｖ）程度とすることができる。Ｘ線管１２０の内部での放電は、高電圧印加により発生し易くなるので、出力電圧Ｖｄｃを低下することにより、診断時の放電の発生を防止して、安定的に診断モードを実行することが可能となる。又、不要なＸ線の発生も抑制することができる。

図７に示した出力電圧Ｖｄｃの制御は、直流電源１７０を出力電圧の変更機能を有する電力変換器で構成することにより、制御回路１９０から直流電源１７０に対して、出力電圧Ｖｄｃの指令値を切り替える信号、又は、出力電圧Ｖｄｃの指令値を与えることで実現することが可能である。

尚、本実施の形態において、Ｘ線管１２０の内部構造は一例であり、電子を放出するフィラメントを有する陰極、及び、電子の照射によってＸ線を発生する陽極を有するものであれば、任意の構造のＸ線管に対して、エミッタ電流Ｉｅ及びイオン電流Ｉｉの電流比の測定値に基づく本実施の形態による真空度の診断を適用することが可能である。

又、本実施の形態では、真空度の診断機能を内蔵したＸ線発生装置１００の構成を説明したが、電流センサ２１０及び制御回路１９０を１ユニット化した「診断装置」を構成することも可能である。例えば、電流センサ２１０及び制御回路１９０を筐体内に一体的に格納した診断装置を、外部機器５００が取り外された固定部材１３０、又は、固定部材と電気的に接続された筐体１１０に取り付けることによって、図２に示された経路２００が固定部材１３０に対して形成されるように構成することが可能である。この際には、制御回路１９０は、診断モードにおいて、Ｘ線発生装置１００の電流センサ１８０によるエミッタ電流Ｉｅの測定値を取得して、診断装置側の電流センサ２１０によるイオン電流Ｉｉの測定値との電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）を算出して診断情報を生成することができる。

最後に、本実施の形態で開示したＸ線発生装置、並びに、その診断装置及び診断方法について総括する。

本開示の第１の態様は、Ｘ線発生装置（１００）に関する。Ｘ線発生装置は、Ｘ線管（１２０）と、第１の直流電源（１６０）及び第２の直流電源（１７０）と、第１の電流センサ（２１０）及び第２の電流センサ（１８０）と、制御回路（１９０）とを備える。Ｘ線管は、真空外囲器（１２１）の内部に密閉された陰極（１４０）及び陽極（１５０）と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体（１３０）とを有する。陰極は、電子を放出する電子源（１４５）を有する。陽極は、陰極と対向して配置されて、電子源から放出された電子が入射することによってＸ線を放射するように構成される。第１の直流電源は、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧（Ｖｆ）を印加する。第２の直流電源は、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧（Ｖｄｃ）を印加する。第１の電流センサは、集イオン導体（１３０）と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノード（Ｎｇ）との間に流れる第１の電流値（Ｉｉ）を測定する。第２の電流センサは、陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値（Ｉｅ）を測定する。制御回路は、第１及び第２の直流電圧が印加された状態における、第２の電流センサによって測定された第２の電流値と、第１の電流センサによって測定された第１の電流値との電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成する。

上記第１の態様によれば、Ｘ線管（真空外囲器）の内部で気体分子が電子と衝突することによって生じる陽イオン量に依存する第１の電流値と、電子源からの放出電子量に依存する第２の電流値との電流比を用いることにより、Ｘ線管の内部空間に存在する気体分子の数、即ち、真空度を、第１の電流値単体による診断よりも高精度に診断する機能を、Ｘ線発生装置に具備することができる。

本開示の第１の態様に係る実施形態では、制御回路（１９０）は、記憶部（１９２）を有する。記憶部には、予め定められた、Ｘ線管（１２０）における、電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）と真空外囲器の内部の圧力との対応関係（３１０）を示す情報が格納される。診断情報は、第１及び第２の電流センサ（１８０，２１０）の測定値による電流比と対応関係とを用いて算出された圧力推定値を用いて生成される。

このような構成とすることにより、Ｘ線管内での放電発生に直接関連する物理量である圧力に換算して、真空度劣化のイメージが容易な診断情報を提供することで、ユーザ利便性の向上を図ることができる。

或いは、本開示の第１の態様に係る実施形態では、Ｘ線管（１２０）は、Ｘ線照射窓（１３５）と、固定部材（１３０）とをさらに有する。Ｘ線照射窓は、真空外囲器（１２１）の開口部に配置されて、気密性を有するとともにＸ線を透過する材料によって形成される。固定部材は、真空外囲器による密封性を維持して、Ｘ線照射窓を真空外囲器に固定保持する。集イオン導体は、固定部材によって構成される。

このような構成とすることにより、新たな部材（ハードウェア）を追加することなく、真空度診断用の「集イオン導体」構成することができる。

又、本開示の第１の態様に係る実施形態では、Ｘ線発生装置（１００）の動作モードは、Ｘ線を出力する第１のモードと、診断情報の生成によって真空度に関する診断を行う第２のモードとを有する。第２のモードにおける第２の直流電圧（Ｖｄｃ）は、第１のモードでの第２の直流電圧よりも低い電圧に制御される。

このような構成とすることにより、放電の発生を防止して、安定的に真空度の診断を実行することが可能となるとともに、不要なＸ線の発生を抑制することができる。

本発明の第２の態様は、Ｘ線管（１２０）を備えたＸ線発生装置（１００）の診断装置に関する。Ｘ線管（１２０）は、真空外囲器（１２１）の内部に密閉された、陽極（１５０）及び電子源（１４５）を有する陰極（１４０）と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体（１３０）とを有する。診断装置は、電流センサ（２１０）と、制御回路（１９０）とを備える。電流センサは、集イオン導体（１３０）と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノード（Ｎｇ）との間に流れる第１の電流値（Ｉｉ）を測定する。制御回路（１９０）は、Ｘ線発生装置（１００）において、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧（Ｖｆ）が印加されるとともに、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧（Ｖｄｃ）が印加された状態下において、Ｘ線管の陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値（Ｉｅ）の測定値をＸ線発生装置から取得するとともに、取得した当該第２の電流値と、電流センサによって測定された第１の電流値との電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成する。

上記第２の態様によれば、Ｘ線発生装置に取り付けられる診断装置によって、Ｘ線管（真空外囲器）の内部で気体分子が電子と衝突することによって生じる陽イオン量に依存する第１の電流値と、電子源からの放出電子量に依存する第２の電流値との電流比を用いることにより、Ｘ線管の内部空間に存在する気体分子の数、即ち、真空度を、第１の電流値単体による診断よりも高精度に診断することができる。

本発明の第３の態様は、Ｘ線管（１２０）を備えたＸ線発生装置（１００）の診断方法に関する。Ｘ線管（１２０）は、真空外囲器（１２１）の内部に密閉された、陽極（１５０）及び電子源（１４５）を有する陰極（１４０）と、真空外囲器の内部空間と接触するように真空外囲器に取り付けられた集イオン導体（１３０）とを有する。診断方法は、電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧（Ｖｆ）を印加するとともに、陰極及び陽極の間に陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧（Ｖｄｃ）を印加するステップ（５２０）と、第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、集イオン導体（１３０）と、真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノード（Ｎｇ）との間に流れる第１の電流値（Ｉｉ）を測定するステップ（５４０）と、第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、Ｘ線管の陽極及び陰極の間に流れる第２の電流値（Ｉｅ）を測定するステップ（５３０）と、測定された第２の電流値と、測定された第１の電流値との電流比に基づいてＸ線管の真空度に関する診断情報を生成するステップ（５５０）とを備える。

上記第３の態様によれば、Ｘ線発生装置において、Ｘ線管（真空外囲器）の内部で気体分子が電子と衝突することによって生じる陽イオン量に依存する第１の電流値と、電子源からの放出電子量に依存する第２の電流値との電流比を用いることにより、Ｘ線管の内部空間に存在する気体分子の数、即ち、真空度を、第１の電流値単体による診断よりも高精度に診断することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５電子、７気体分子、９陽イオン、１００，１００♯ Ｘ線発生装置、１１０筐体、１１５絶縁油、１２０Ｘ線管、１２１真空外囲器、１２３開口部、１３０固定部材、１３５Ｘ線照射窓、１４０陰極、１４５フィラメント、１５０陽極、１５５ターゲット、１６０，１７０直流電源、１８０電流センサ（エミッタ電流）、１９０制御回路、１９１ＣＰＵ、１９２メモリ、１９３Ｉ／Ｏ回路、１９４電子回路、１９５バス、２００経路、２１０電流センサ（イオン電流）、３００診断領域、３０１〜３０４パッシェン曲線、３１０特性線（電流比−圧力）、５００外部機器、Ｉｅエミッタ電流、Ｉｉイオン電流、Ｊｔｈ，Ｐｔｈ閾値、Ｎｇ接地ノード、Ｐ圧力、Ｐｘ放電圧力、Ｖｄｃ，Ｖｆ出力電圧（直流電源）。

Claims

Ｘ線発生装置であって、
真空外囲器の内部に密閉された陰極及び陽極と、前記真空外囲器の内部空間と接触するように前記真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有するＸ線管を備え、
前記陰極は、電子を放出する電子源を有し、
前記陽極は、前記陰極と対向して配置されて、前記電子源から放出された電子が入射することによってＸ線を放射するように構成され、
前記Ｘ線発生装置は、
前記電子源に前記電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧を印加する第１の直流電源と、
前記陰極及び前記陽極の間に前記陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧を印加する第２の直流電源と、
前記集イオン導体と、前記真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定する第１の電流センサと、
前記陽極及び前記陰極の間に流れる第２の電流値を測定する第２の電流センサと、
前記第１及び第２の直流電圧が印加された状態における、前記第２の電流センサによって測定された前記第２の電流値と、前記第１の電流センサによって測定された前記第１の電流値との電流比に基づいて前記Ｘ線管の真空度に関する診断情報を生成する制御回路とを備える、Ｘ線発生装置。
前記制御回路は、
予め定められた、前記Ｘ線管における、前記電流比と前記真空外囲器の内部の圧力との対応関係を示す情報を格納する記憶部を有し、
前記診断情報は、前記第１及び第２の電流センサの測定値による前記電流比と前記対応関係とを用いて算出された圧力推定値を用いて生成される、請求項１記載のＸ線発生装置。
前記Ｘ線管は、
前記真空外囲器の開口部に配置された、気密性を有するとともに前記Ｘ線を透過する材料によって形成されるＸ線照射窓と、
前記真空外囲器による密封性を維持して、前記Ｘ線照射窓を前記真空外囲器に固定保持する固定部材とをさらに有し、
前記集イオン導体は、前記固定部材によって構成される、請求項１記載のＸ線発生装置。
前記Ｘ線発生装置の動作モードは、前記Ｘ線を出力する第１のモードと、前記診断情報の生成によって前記真空度に関する診断を行う第２のモードとを有し、
前記第２のモードにおける前記第２の直流電圧は、前記第１のモードでの前記第２の直流電圧よりも低い電圧に制御される、請求項１記載のＸ線発生装置。
真空外囲器の内部に密閉された、陽極及び電子源を有する陰極と、前記真空外囲器の内部空間と接触するように前記真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有するＸ線管を備えたＸ線発生装置の診断装置であって、
前記診断装置は、
前記集イオン導体と、前記真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定する電流センサと、
前記Ｘ線発生装置において、前記電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧が印加されるとともに、前記陰極及び前記陽極の間に前記陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧が印加された状態下において、前記Ｘ線管の前記陽極及び前記陰極の間に流れる第２の電流値の測定値を前記Ｘ線発生装置から取得するとともに、取得した当該第２の電流値と、前記電流センサによって測定された前記第１の電流値との電流比に基づいて前記Ｘ線管の真空度に関する診断情報を生成する制御回路とを備える、診断装置。
真空外囲器の内部に密閉された、陽極及び電子源を有する陰極と、前記真空外囲器の内部空間と接触するように前記真空外囲器に取り付けられた集イオン導体とを有するＸ線管を備えたＸ線発生装置の診断方法であって、
前記電子源に電子の放出エネルギとなる第１の直流電圧を印加するとともに、前記陰極及び前記陽極の間に前記陽極を高電位側とする電界を発生させるための第２の直流電圧を印加するステップと、
前記第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、前記集イオン導体と、前記真空外囲器内の陽イオンを吸引する電位を供給するノードとの間に流れる第１の電流値を測定するステップと、
前記第１及び第２の直流電圧が印加された状態下での、前記Ｘ線管の前記陽極及び前記陰極の間に流れる第２の電流値を測定するステップと、
測定された前記第２の電流値と、測定された前記第１の電流値との電流比に基づいて前記Ｘ線管の真空度に関する診断情報を生成するステップとを備える、診断方法。