JP2015090840A - 放射線発生装置及び放射線撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】放射線発生管に備えるターゲットの冷却能力を維持したまま放射線の取出し効率を上げることができる放射線発生装置を提供する。
【解決手段】放射線２を透過する第一の窓１１を有する外囲器１０と、外囲器１０内に収納され、第一の窓１１と対向する位置から放射線２を発生させるターゲット２６と、放射線２を透過しターゲット２６と接触する第二の窓２７と、を有する放射線管２０と、外囲器１０の内壁と放射線管２０との間の空間に充填される絶縁性液体４０と、を有する放射線発生装置において、第二の窓２７が、ターゲット２６と電気接続されており、絶縁性液体４０の一部が、第二の窓２７と接触しており、第一の窓１１と、第二の窓２７及びその周縁部と、の間に、絶縁性気体１３が充填されている容器１２が配置されることを特徴とする、放射線発生装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線発生装置及びこの放射線発生装置を備える放射線撮影装置に関する。

医療機器及び産業機器分野における非破壊Ｘ線撮影等に利用される放射線発生装置には、放射線管（放射線発生管）が備わっている。一般に、放射線管は、陽極（アノード）と陰極（カソード）との間に一定量の電圧を印加することでＸ線等の放射線を発生させている。具体的には、陰極に電圧を印加する際に、高エネルギー状態の電子が加速された状態で電子放出源から放出され、この電子をタングステン等の金属から構成されるターゲットに照射することにより、このターゲットからＸ線等の放射線が発生する。

ところで、高エネルギーの放射線を必要とする大型の放射線装置では、ターゲット（陽極）が回転する形式の放射線管が用いられているため、放射線管において要求される高い放熱性が実現されている。一方、ターゲット（陽極）を固定するタイプの放射線管は、小型にできる利点があるが放射線管自体の放熱性が比較的劣るため、高エネルギーの放射線を発生させることが困難であった。

この課題を解決する手段として、ターゲットで発生した熱をターゲットに接合した遮蔽体を介して冷却媒体に伝えることにより、簡易な構造でターゲットの冷却を実現する方法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１２−１２４０９９号公報

しかしながら、特許文献１の放射線発生装置では、冷却媒体として用いられる絶縁油等の媒体を放射線が通過する際にこの放射線が減衰される。そのため特許文献１の放射線発生装置では、ターゲットの冷却能力は高いものの放射線の取出し量が十分でないことがあった。即ち、従来においては、放射線発生管のターゲットの冷却能力と放射線取出し効率を両立させることが困難であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされるものであり、その目的は、放射線発生管に備えるターゲットの冷却能力を維持したまま放射線の取出し効率を上げることができる放射線発生装置を提供することにある。

本発明の放射線発生装置は、放射線を透過する第一の窓を有する外囲器と、
前記外囲器内に収納され、前記第一の窓と対向する位置から放射線を発生させるターゲットと、前記放射線を透過し前記ターゲットと接触する第二の窓と、を有する放射線管と、
前記外囲器の内壁と前記放射線管との間の空間に充填される絶縁性液体と、を有する放射線発生装置において、
前記第二の窓が、前記ターゲットと電気接続されており、
前記絶縁性液体の一部が、前記第一の窓と接触しており、
前記第一の窓と、前記第二の窓及びその周縁部と、の間に、絶縁性気体が充填されている容器が配置されることを特徴とする。

本発明の放射線発生装置は、放射線管が有する第二の窓（第二の放射線透過窓）の少なくとも一部が冷却媒体である絶縁性液体と接触している。また外囲器が有する第一の窓（第一の放射線透過窓）と第二の窓との間に絶縁性気体が充填された容器が設置されている。このため、放射線が通過する絶縁性液体からなる層の厚みを薄くすることができる。さらに、上記容器に充填されている絶縁性気体では放射線の減衰量がほとんどないため、結果として放射線の減衰量を抑えることができる。一方、ターゲットに接続されている第二の窓が絶縁性液体と接しているので、ターゲットの熱を効率よく外部に放熱することができる。

即ち、本発明によれば、放射線発生管に備えるターゲットの冷却能力を維持したまま放射線の取出し効率を上げることができる放射線発生装置を提供することができる。

本発明の放射線発生装置における第一の実施形態を示す断面模式図である。 図１の放射線発生装置を構成する第一の窓及び第二の窓、並びにこれら部材の周辺部を拡大して表した模式図である。 本発明の放射線発生装置における第二の実施形態を示す断面模式図である。 本発明の放射線撮影システムにおける実施形態の例を示す構成図である。

本発明は、外囲器と、放射線管と、前記外囲器の内壁と前記放射線管との間の空間に充填される絶縁性液体と、を有する放射線発生装置に関する。

本発明において、外囲器は、放射線を透過する第一の窓を有している。本発明において、放射線管は、外囲器内に収納され、第一の窓と対向する位置から放射線を発生させるターゲットと、放射線を透過しターゲットと接触する第二の窓と、を有している。本発明において、放射線管を構成する第二の窓は、ターゲットと電気接続されている。本発明において、絶縁性液体の一部は、第二の窓と接触している。本発明において、第一の窓と、前記第二の窓及びその周縁部と、の間には、絶縁性気体が充填されている容器が配置されている。

［放射線発生装置］
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面において特に図示されていなかったり、以下の説明において記載がされなかったりする部分に関しては、当該技術分野の周知技術又は公知技術を適用することができる。

〔第一の実施形態〕
図１は、本発明の放射線発生装置における第一の実施形態を示す断面模式図である。図１の放射線発生装置１は、外囲器１０と、この外囲器１０に内包される放射線管２０及び高圧回路３０と、外囲器１０内に充填されている絶縁性液体４０と、を有している。即ち、図１の放射線発生装置１において、放射線管２０及び高圧回路３０は、絶縁性液体４０に浸されている状態にある。

図１の放射線発生装置１において、放射線管２０は、筐体となる真空容器２１と、この真空容器２１に内包されているカソード２２及びアノード２５と、を有する。

放射線管２０を構成するカソード２２として、例えば、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や、冷陰極が用いられる。

図１の放射線発生装置１を構成する放射線管２０に、カソード２２とターゲット２６との間に所定の電圧を印加することにより、カソード２２から電子が放出される。このとき、真空容器２１に内包されるグリッド電極２３にて形成される電界によって、電子は、カソード２２からアノード２５方向に向けて放出される。またこの電子は、真空容器２１に内包されるレンズ電極２４によって収束された後、ターゲット支持基板２７ａに固定されているターゲット２６に衝突する。この衝突の際に、ターゲット２６からは放射線２が放射される。

ターゲット２６としては、タングステン、タンタル、モリブデン等の金属材料が用いられる。

ターゲット２６から放射された放射線２は、ターゲット支持機材２７ａと放射線遮蔽部材２７ｂとからなる第二の窓（第二の放射線透過窓）２７及び外囲器１０に取り付けられた第一の窓（第一の放射線透過窓）１１を通過してから外部に放出される。尚、本実施形態において、第二の窓２７は、ターゲット２６と電気接続されている。

図１の放射線発生装置１において、第二の窓２７と第一の窓１１との間であって放射線２が通過し得る空間には、絶縁性気体１３が充填された容器１２が設けられている。この容器１２の役割については、後述する。

図１の放射線発生装置１において、高圧回路３０は、放射線管２０に含まれる電極へ印加する電圧が生成される。高圧回路３０から生成した電圧は、放射線管２０に含まれる電極であるカソード２２、グリッド電極２３、レンズ電極２４及びターゲット２６に印加される。

ところで、一般に、放射線発生装置における電圧制御手段としては、陽極接地方式と中点接地方式とがある。ここで陽極接地方式とは、ターゲット２６とカソード２２との間に印加する電圧をＶ_a［Ｖ］としたときに、陽極側のターゲット２６の電位を０［Ｖ］（グランド）に、カソード２２の電位を−Ｖ_a［Ｖ］に、それぞれ設定する方式である。一方、中点接地方式とは、ターゲット２６の電位を＋（Ｖ_a−α）［Ｖ］（ただし、Ｖ_a＞α＞０）に、カソード２２の電位を−α［Ｖ］に、それぞれ設定する方式である。本実施形態では中点接地方式を採用しているが、本発明においてはこれに限定されるものではない。尚、中点設置方式を採用する際に用いられるα値は、Ｖ_a＞α＞０の範囲内の任意の値であるが、一般的にはＶ_a／２に近い値である。このように、中点接地方式を採用すると、グランドに対する電圧の絶対値を小さくすることができ、沿面距離を短くすることができる。ここで沿面距離は、本実施形態では、高圧回路３０と外囲器１０との距離、及び放射線管２０と外囲器１０との距離で表すことができる。ところで、沿面距離を短くすると、外囲器１０のサイズを小さくすることができるため、外囲器１０内に充填する絶縁性液体４０の重量も小さくすることができる。従って、放射線発生装置１をより小型軽量化することが可能となる。

図１の放射線発生装置１において、絶縁性液体４０は、絶縁性の媒体であると共に、放射線管２０の冷却媒体である。また、絶縁性液体４０は、少なくとも第二の窓２７に接触しているため、ターゲット２６から発生した熱は、絶縁性液体４０によって効率的に放射線管２０の外部へ放熱することができる。絶縁性液体４０としては、電気絶縁油を用いるのが好ましく、具体的には、鉱油、シリコーン油等が好適に用いられる。尚、絶縁性液体４０として用いられる液体としては、電気絶縁油に限定されるものではなく、例えば、フッ素系電気絶縁液体も用いることができる。

次に、図１の放射線発生装置１を構成する、絶縁性気体１３が充填された容器１２の役割について詳細に説明する。

図２は、図１の放射線発生装置１を構成する第一の窓１１及び第二の窓２７、並びにこれら部材の周辺部（図１中のα部分）を拡大して表した模式図である。

図２に示されるように、第二の窓２７と第一の窓１１との間には、絶縁性気体１３が充填された容器１２が配置されている。容器１２の構成材料としては、誘電体からなり放射線吸収率が小さい材料が適している、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等の合成樹脂を用いることができる。また容器１２の形状としては、角柱（直方体状、立方体を含む。）、円柱状等が挙げられるが、本発明においてはこれらに限定されるものではない。また本発明においては、少なくとも容器１２が有する面のうち、第一の窓１１と対向する側の面及び第二の窓２７と対向する側の面以外の面が、誘電体で構成されているのが好ましい。

絶縁性気体１３としては、ＳＦ₆等のフッ素系の絶縁性気体を用いるのが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｎ₂、Ｈ₂等の不活性ガスも適宜用いられる。ここで容器１２内に充填されている絶縁性気体１３では放射線２はほとんど減衰されないので、絶縁性気体１３が充填された容器１２を設けることで放射線２の減衰を抑制することができる。

図２に示されるように、容器１２を形成する一つの面は第一の窓１１と接しており、また容器１２の一部は外囲器１０に固定されている。尚、容器１２を設ける位置としては、図２に示される態様に限定されるものではなく、第一の窓１１と第二の窓２７との間の空間に設けてもよい。ただし絶縁性液体４０を第二の窓２７に接触させる必要があるため、容器１２は、第二の窓２７とは一定の間隔を開ける必要がある。いずれにしろ、放射線２を減衰させない媒体を有する容器を導入することにより、第二の窓２７と第一の窓１１との間の空間を充填する絶縁性液体４０からなる層の厚さを薄くすることができる。

また本発明において、容器は、少なくとも放射線が通過する方向において容量分割されているのが好ましい。ここで容量分割とは、異なる誘電率を有する材料からなる層が積層されていることを意味し、積層全体にかかる電圧は、材料の誘電率に応じて、各層ごとに分割される。

以上より本実施形態の放射線発生装置は、ターゲット２６で発生する熱を効率的に外部に放熱させることができる。さらに、ターゲット２６から放射された放射線２が通過する絶縁性液体４０からなる層の厚さを薄くすることができるので、放射線２の減衰量を抑制することができるようになる。

また本実施形態においては、下記一般式（１）が満たされるのが好ましい。
Ｖ_a≧Ｖ₁＞Ｖ₂≧Ｖ_ref （１）

式（１）において、Ｖ_refは、第一の窓に印加する電位を表す。

式（１）において、Ｖ_aは、第二の窓に印加する電位を表す。

式（１）において、Ｖ₁は、容器の第二の窓に対向する側の面に印加する電位を表す。

式（１）において、Ｖ₂は、容器の第一の窓に対向する側の面に印加する電位を表す。

式（１）が満たされる場合、容器１２には、放射線２の通過方向に電位差が生じる。よって絶縁性液体４０にかかる最大電圧を小さくすることができる。即ち、放射線２が通過する経路にある絶縁性液体４０からなる層の厚さがより薄くなるように容器１２の設計が可能となる。

例えば、Ｖ_t−Ｖ_ref＝１１５ｋＶと設定し、絶縁性液体４０として一般的な電気絶縁油を使用する。さらに本実施形態の構成を用いて、第一の窓１１と第二の窓２７との間隔（絶縁性液体４０からなる層の厚さ）を２０ｍｍから１０ｍｍにした場合、およそ２０％の放射線量の向上が可能となる。

〔第二の実施形態〕
図３は、本発明の放射線発生装置における第二の実施形態を示す断面模式図である。また図３は、図２と同様に、放射線発生装置１を構成する第一の窓１１及び第二の窓２７、並びにこれら部材の周辺部を拡大して表した模式図である。以下、図３を適宜参照しながら、本発明の第二の実施形態を、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態（第二の実施形態）では、第一の窓２７が、放射線遮蔽部材２７ｂと蓋基板２７ｃとからなることを除いては、基本的に第一の実施形態と同様である。

本実施形態において、蓋基板２７ｃは、放射線遮蔽部材２７ｂと接合されており、かつターゲット２６及びターゲット支持基材２７ａと電気的に接続されている。蓋基板２７ｃは、ダイヤモンド、ガラス、ベリリウム、アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等の放射線吸収率の低い材料が好ましい。また蓋基板２７ｃは、基板としての強度を有し、かつ放射線の吸収が少なくなるように、蓋基板２７ｃの厚みは、数十μｍ乃至数ｍｍ程度が適当である。ところで、ターゲット支持基板２７ａと蓋基板２７ｃとの間は何も充填されていない空間になっており、放射線２がこの空間を通過しても放射線２自体の減衰はほとんど生じない。

本実施形態では、放射線遮蔽部材２７ｂの一部は、ターゲット２６よりも放射線２の進行方向へ突出しており、ターゲット２６から放出された放射線２の内、不要な放射線（例えば、第一の窓１１へ進行しない放射線）を遮蔽する機能を備えている。本実施形態において、放射線遮蔽部材２７ｂは、放射線２の吸収率が高く、かつ熱伝導率の高いものが好ましい。例えば、タングステン、タンタル等の金属材料を用いることができる。また本実施形態において、放射線遮蔽材の厚みは、不要な放射線を遮蔽する理由から、３ｍｍ以上が適当である。本実施形態では、第一の実施形態と比較して放射線遮蔽部材２７ｂが第一の窓１１の方向へ突出しているので、絶縁性液体４０との接触する面積をより大きくすることができる。これにより効率的にターゲット２６で発生する熱を放射線管２０の外部へ逃がすことができる。

以上より、本実施形態の放射線発生装置は、第一の実施形態と同様に、ターゲットで発生する熱を効率的に外部へ放熱させることができる。さらに、放射線２が通過する絶縁性液体４０からなる層の厚さを薄くすることができるので、放射線２の減衰量を抑制することができるようになる。

［放射線撮影システム］
次に、本発明に係る放射線撮影システムの実施形態を説明する。図４は、本発明の放射線撮影システムにおける実施形態の例を示す構成図である。図４の放射線発生装置３は、放射線発生装置１と、放射線検出装置５１と、システム制御装置５４と、表示装置６３と、から構成される。

図４の放射線撮影システム３において、放射線発生装置１には、放射線放出窓（不図示）の周辺に可動絞りユニット１４が設けられている。この可動絞りユニット１４は、放射線発生装置１から照射される放射線２の照射野の広さを調整する機能を有する。また可動絞りユニット１４には、放射線２の照射野を可視光により模擬表示できる機能を付加させてもよい。

図４に示されるように、放射線検出装置５１は、少なくとも信号処理部５２と検出器５３とを備えている。

システム制御装置５４は、放射線発生装置１と放射線検出装置５１とを連携制御するために設けられている。放射線発生装置１を構成する駆動回路３０は、システム制御装置５４による制御の下に、放射線管２０に各種の制御信号を出力する。即ち、システム制御装置５４は、放射線管２０の駆動制御を行う制御部としての役割を果たす。またシステム制御装置５４から出力される制御信号により、放射線発生装置１から放出される放射線２の放出態様が制御される。また放射線発生装置１から放出された放射線２は、被検体５６を透過して放射線検出装置５１が備える検出器５３で検出される。検出器５３は、検出した放射線２を画像信号に変換して信号処理部５２に出力する。信号処理部５２は、システム制御装置５４による制御の下に、検出器５３から出力された画像信号に所定の信号処理を施す。そしてこの信号処理が施された画像信号をシステム制御装置５４に出力する。システム制御装置５４は、処理された画像信号に基づいて、表示装置５５に画像を表示させるための表示信号を表示装置５５に出力する。

表示装置５５は、表示信号に基づく画像を、被検体５６の撮影画像としてスクリーンに表示する。

本発明において、放射線管２０が出力する放射線としては、例えば、Ｘ線が挙げられる。放射線管２０からＸ線を出力させる場合、図４の放射線撮影システム３は、Ｘ線撮影システムとして利用することができる。Ｘ線撮影システムは、工業製品の非破壊検査や人体や動物の病理診断に用いることができる。

１：放射線発生ユニット、２：放射線、３：放射線撮影システム、１０：外囲器、１１：第一の窓（第一の放射線透過窓）、１２：容器、１３：絶縁性気体、１４：可動絞りユニット、２０：放射線管、２１：真空容器、２２：カソード、２３：グリッド電極、２４：レンズ電極、２５：アノード、２６：ターゲット、２７：第二の窓（第二の放射線透過窓）、２７ａ：ターゲット支持基板、２７ｂ：放射線遮蔽部材、２７ｃ：蓋基板、３０：高圧回路基板、４０：絶縁性液体、５１：放射線検出装置、５２：システム制御装置、５３：検出器、５４：信号処理部、５５：表示装置、５６：被検体

Claims (6)

1. 放射線を透過する第一の窓を有する外囲器と、
   前記外囲器内に収納され、前記第一の窓と対向する位置から放射線を発生させるターゲットと、前記放射線を透過し前記ターゲットと接触する第二の窓と、を有する放射線管と、
   前記外囲器の内壁と前記放射線管との間の空間に充填される絶縁性液体と、を有する放射線発生装置において、
   前記第二の窓が、前記ターゲットと電気接続されており、
   前記絶縁性液体の一部が、前記第二の窓と接触しており、
   前記第一の窓と、前記第二の窓及びその周縁部と、の間に、絶縁性気体が充填されている容器が配置されることを特徴とする、放射線発生装置。
2. 前記第一の窓に印加する電位をＶ_refとし、
   前記第二の窓に印加する電位をＶ_aとし、
   前記容器の前記第二の窓に対向する側の面に印加する電位をＶ₁とし、
   前記容器の前記第一の窓に対向する側の面に印加する電位をＶ₂としたときに、
   下記一般式（１）が満たされることを特徴とする、請求項１に記載の放射線発生装置。
   Ｖ_a≧Ｖ₁＞Ｖ₂≧Ｖ_ref （１）
3. 少なくとも前記容器の前記第一の窓と対向する側の面及び前記第二の窓と対向する側の面以外の面が、誘電体で構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の放射線発生装置。
4. 前記容器が、少なくとも放射線が通過する方向において容量分割されていることを特徴とする、請求項３に記載の放射線発生装置。
5. 前記容器の少なくとも一部が、前記外囲器と固定されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放射線発生装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の放射線発生装置と、
   前記放射線発生装置から放出され、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出装置と、
   前記放射線発生装置と前記放射線検出装置とを連携制御する制御装置と、を備えることを特徴とする、放射線撮影システム。

Images