(57)【要約】【課題】電子ビームの陽極上のビーム形状を精度よく求め、不要なＸ線の放射を低減する。【解決手段】電子ビームを放出する陰極、および、電子ビームが衝突する陽極を備えたＸ線管と、電子ビームを構成する電子の軌道をシミュレーションすることにより、電子ビームの陽極への衝突時のビーム形状を求める演算部と、ビーム形状に応じてＸ線管の動作を制御する制御部とを有するＸ線装置が提供される。【選択図】  図１
2020155271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを放出する陰極、および、前記電子ビームが衝突する陽極を備えたＸ線管と、
前記電子ビームを構成する電子の軌道をシミュレーションすることにより、前記電子ビームの前記陽極への衝突時のビーム形状を求める演算部と、
前記陽極への衝突時のビーム形状に応じて前記Ｘ線管の動作を制御する制御部とを有することを特徴とするＸ線装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線装置であって、前記陰極は、電子を放出するフィラメントと、前記フィラメントと近接して配置され、前記フィラメントの周囲に電子に収束させる電界を形成する電極部材とを備え、
前記演算部は、前記フィラメントの長手方向についての温度分布を用いて、前記長手方向についての電子放出確率の分布を求め、前記電子放出確率の分布を用いて前記フィラメントに設定した部位ごとに放出される電子の数を定め、前記電子が前記陽極に衝突するまでの軌道のシミュレーションを行うことを特徴とするＸ線装置。
【請求項３】
請求項１に記載のＸ線装置であって、前記陰極は、電子を放出するフィラメントと、前記フィラメントと近接して配置され、前記フィラメントの周囲に電子を収束させる電界を形成する電極部材とを備え、
前記電極部材は、前記フィラメントの少なくとも一部が収容された凹部を有し、
前記演算部は、前記フィラメントの表面に接する空間に形成される電界の値が、所定のしきい値電界値以上であるフィラメントの部位から放出される電子の軌道をシミュレーションし、前記しきい値電界より小さいフィラメントの部位から放出される電子については軌道をシミュレーションする対象から除外することを特徴とするＸ線装置。
【請求項４】
請求項３に記載のＸ線装置であって、前記しきい値電界は、前記フィラメントから放出された電子を、前記陽極に到達できる速度まで加速できる電界であることを特徴とするＸ線装置。
【請求項５】
請求項３に記載のＸ線装置であって、前記しきい値電界は、前記凹部の開口に最も近い位置のフィラメント部位の表面に接する空間に形成される電界値であることを特徴とするＸ線装置。
【請求項６】
請求項３に記載のＸ線装置であって、前記しきい値電界は、１Ｖ／ｍであることを特徴とするＸ線装置。
【請求項７】
請求項３に記載のＸ線装置であって、前記しきい値電界は、前記凹部の開口の法線方向について求めた前記フィラメントの放出電子数の分布が極小値をとるフィラメント部位の表面に接する空間に形成される電界の値であることを特徴とするＸ線装置。
【請求項８】
請求項３に記載のＸ線装置であって、前記演算部は、前記軌道を計算する電子の数の合計が、前記Ｘ線管の管電流値に等しくなるように、前記フィラメント部位ごとに放出される電子の数を定める電子の分布を算出することを特徴とするＸ線装置。
【請求項９】
請求項１に記載のＸ線装置であって、前記演算部は、前記陽極に衝突した電子が前記陽極で跳ね返って進む軌道をさらにシミュレーションに算出することにより、前記Ｘ線管を構成する部品に到達する部位を求めることを特徴とするＸ線装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のＸ線装置であって、前記演算部は、前記陽極で跳ね返った電子が到達する部位が、前記電子の到達により加熱される温度をさらに算出し、
前記制御部は、前記温度を用いて前記Ｘ線管の動作を制御することを特徴とするＸ線装置。
【請求項１１】
請求項２に記載のＸ線装置であって、前記演算部は、リチャードソンダッシュマンの式を温度に応じた電子放出確率を表す式として用い、前記フィラメントの温度分布に応じた前記電子放出確率の分布を求めることを特徴とするＸ線装置。
【請求項１２】
請求項２に記載のＸ線装置であって、前記演算部は、６次以上の多項式であって偶関数により表された前記温度分布を用いることを特徴とするＸ線装置。
【請求項１３】
請求項２に記載のＸ線装置であって、前記フィラメントの長手方向についての温度分布の入力を受け付ける入力部をさらに有し、
前記演算部は、前記入力部が受け付けた前記温度分布を用いて前記電子の軌道シミュレーションを行うことを特徴とするＸ線装置。
【請求項１４】
Ｘ線管の陰極から放出される電子ビームの電子の軌道をシミュレーションすることにより、前記電子ビームが、前記Ｘ線管の陽極への衝突時のビーム形状を求める演算部と、
前記ビーム形状に応じて前記Ｘ線管の動作を制御する制御部とを有し、
前記演算部は、前記陰極のフィラメントの長手方向についての温度分布を用いて、前記長手方向についての電子放出確率分布を求め、前記電子放出確率分布を用いて前記フィラメントに設定した部位ごとに放出される電子の数を定め、前記電子が前記陽極に衝突するまでの軌道のシミュレーションを行うことを特徴とするＸ線制御装置。
【請求項１５】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のＸ線装置と、
被検体を搭載するテーブルと、
前記Ｘ線装置の前記Ｘ線管から放射されたＸ線であって、前記被検体を透過したＸ線を検出する検出部とを有することを特徴とするＸ線撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不要な放射線の発生が少ないＸ線の発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線撮影装置等のＸ線源として用いられるＸ線管は、陰極から放出された電子ビームが、陽極に衝突する際にＸ線を発生する構造である。
【０００３】
特許文献１、２および３には、陰極を構成するフィラメントに近接配置される電子収束カップ等と呼ばれる電極部材の形状や印加電圧を工夫し、電子ビームの焦点サイズを調節する技術が開示されている。焦点サイズを調節することにより、電子ビームの電流密度を調整することができるため、焦点サイズが小さい場合には、撮像される画像の解像度が高く、焦点サイズが大きい場合には、大電流が入力可能になるため、コントラストを大きくできると特許文献１，３には記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−０６０６２１号公報
【特許文献２】特開２００４−０６３４７１号公報
【特許文献３】国際公開第２０１４／００７１６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｘ線撮影装置やＸ線を用いた計測システムでは、撮影や計測に不要な放射線をできるだけ減らし、撮影対象や測定対象者の被ばく量を低減することが求められている。Ｘ線は、電子ビームが陽極に衝突することにより発生し、陽極とＸ線管のＸ線取り出し窓との位置関係は決まっているため、陽極に衝突する電子ビームの位置や範囲を制御することにより、不要なＸ線を低減できると考えられる。しかしながら、フィラメントから電子が放出され、陰極と陽極間の電界によって加速されて電子ビームとなって陽極に衝突する電子ビームの位置や範囲は、Ｘ線管の管電流や管電圧等の運転条件によって変化する。また、電子ビームを構成する個々の電子の軌道は一様ではなく、陽極に衝突する電子の位置を３次元空間で正確に求めるのは難しい。
【０００６】
また、陽極に衝突した電子ビームのエネルギーの多くは、Ｘ線の発生には使われず、熱発生により消費される。例えば、電子ビームは、陽極に衝突する際に熱を放出する。また、陽極で跳ね返った電子ビームは、Ｘ線管内の部位へ到達し、到達した部位で熱を発生する。これらの熱は、Ｘ線管を加熱し、Ｘ線管の寿命を短くする一因になる。そのため、電子ビームの陽極到達時の位置や範囲に加えて、跳ね返った電子ビームの到達範囲を精度よく求めることも望まれる。
【０００７】
特許文献１ないし３に記載の技術は、電極の形状や印加電圧を工夫することにより、電子ビームの焦点サイズを変化させているが、陽極に衝突する電子位置を精度よく求めることはできない。
【０００８】
本発明の目的は、電子ビームの陽極上のビーム形状を精度よく求め、不要なＸ線の放射を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明によれば、電子ビームを放出する陰極、および、電子ビームが衝突する陽極を備えたＸ線管と、電子ビームを構成する電子の軌道をシミュレーションすることにより、電子ビームの陽極への衝突時のビーム形状を求める演算部と、ビーム形状に応じてＸ線管の動作を制御する制御部とを有するＸ線装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子の軌道をシミュレーションすることにより、電子ビームの陽極への衝突時のビーム形状を求めることができるため、求めたビーム形状に応じてＸ線管の動作を制御することができる。よって、陽極上で所望のビーム形状になるように電子ビームを制御でき、不要なＸ線の放射を抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のＸ線装置１の全体構成を示すブロック図
【図２】実施形態のＸ線管２０の構成を示す説明図
【図３】実施形態のＸ線管２０内の電子ビームを示す説明図
【図４】Ｘ線管のフィラメントの形状例を示す説明図
【図５】実施形態の演算部３０の構成を示す機能ブロック図
【図６】実施形態の入力部１０がディスプレイ５０に表示させるシミュレーション条件の入力画面例を示す説明図
【図７】実施形態の演算部３０の動作を示すフローチャート
【図８】実施形態で入力されたフィラメントの温度分布の例を示すグラフ
【図９】実施形態で演算部３０がフィラメントの温度分布から求めた電子の放出確率の分布の例を示すグラフ
【図１０】実施形態の演算部３０がディスプレイ５０に表示させるシミュレーション結果の表示画面例を示す説明図
【図１１】実施形態のＸ線管の電極部材３０５の凹部の位置とフィラメントの位置との関係を示す説明図と、フィラメントの位置とフィラメントの電界と放出電子数との関係を示すグラフ
【図１２】実施形態のＸ線管の電極部材３０５の凹部の位置とフィラメントと等電位面とを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について説明する。
実施形態のＸ線装置１を図１から図３を使って説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態のＸ線装置１の全体構成を示す図である。図２は、Ｘ線管の構造を示す図であり、図３は、Ｘ線管内の電子ビームを模式的に示す図である。図１のように、本実施形態のＸ線装置１は、Ｘ線管２０と、演算部３０と、制御部４０と、入力部１０と、演算部４０と、ディスプレイ５０と、記憶部６０とを備えて構成される。
【００１４】
Ｘ線管２０は、図２に示すように、電子ビーム３０２を放出する陰極２０１と、電子ビーム３０２が衝突する陽極２０２と、ロータ２０３と、ステータ２０４と、これらを収容する容器２０５と、筐体２０６と、ブッシング（電気端子が挿入された碍管）２０７、２０８とを備えて構成される。筐体２０６には、Ｘ線を放出する窓２０９が備えられている。
【００１５】
陰極２０１は、熱電子を放出するフィラメント３０１と、フィラメント３０１が放出した電子に電界を印加する電極部材３０５とを含む。電極部材３０５には、カップ状の凹部が形成され、フィラメント３０１は、その凹部内に少なくとも一部が収容されるように、例えば図４のように配置されている。
【００１６】
陰極２０１の電極部材３０５には、ブッシング２０７から、入力された管電圧（一例として−１４０ｋＶ程度）が印加されている。また、陽極２０２は、ここでは一例としては接地されて０Ｖが印加されている。フィラメント３０１には、ブッシング２０７から熱電子放出のために電流が供給される。
【００１７】
これにより、フィラメント３０１から放出された電子は、陰極２０１の電極部材３０５と陽極２０２との電位差によって加速され、また、収束され、電子ビーム３０２となって陽極２０２に衝突する。
【００１８】
電子ビーム３０２が陽極２０２に衝突する際にＸ線が発生し、窓２０９からＸ線管の外部に放射される。
【００１９】
なお、陰極２０１の電極部材３０５と陽極２０２に印加される電圧は、管電圧であり、制御部４０により制御される。ここでは、陽極を０Ｖに設定する例を説明しているが、これに限られず所望の管電圧が実現できればよく、所望の電位に設定することができる。例えば、陽極と陰極の中点が０Ｖになるように設定してもよい。
【００２０】
ステータ２０４は、容器２０５の外から磁界を印加することにより、ステータ２０４を回転させる。これにより、ステータ２０４は、陽極２０２の回転軸に接続されており、ステータ２０４の回転に伴って陽極２０２が回転する。陽極２０２の回転によって、電子ビーム３０２の衝突個所がずれ、陽極２０２の加熱を抑制することができる。
【００２１】
演算部３０は、電子ビーム３０２を構成する各電子の軌道をシミュレーションすることにより、電子ビーム３０２が陽極２０２へ衝突する時のビーム形状（以下、スポット形状３０４または焦点像と呼ぶ）を求める。このため、演算部３０は、図５に示すように、解析条件読込部３１と、電子放出解析部３２と、電子軌道解析部３３と、電子衝突解析部３４とを備えている。
【００２２】
また、演算部３０は、反射電子の軌道や、管内温度を算出することもできる。演算部３０の演算結果は、ディスプレイ５０に表示され、記憶部６０に格納される。
【００２３】
本実施形態では、演算部３０のシミュレーションに、フィラメント３０１の温度分布、陰極２０１と陽極２０２間に印加する電圧（管電圧）、陰極２０１と陽極２０２間に電子ビーム３０２を介して流れる電流（管電流）、Ｘ線管２０の体系データ（形状の三次元データ）を用いる。入力部１０は、例えば図６のようなシミュレーション条件入力受付画面をディスプレイ５０に表示し、ユーザから、これらの条件の入力を受け付ける。
【００２４】
フィラメント３０１の温度分布とは、フィラメント３０１の長手方向の温度分布であり、Ｘ線管２０に備えられた温度検出器（不図示）によって実測した値を、温度検出器が入力部１０に入力する構成であってもよいし、ユーザが別途測定または演算等により求めたフィラメントの温度分布を入力部１０に入力してもよい。温度分布は、フィラメント３０１の長手方向の各部位の温度値の集合であってもよいし、各部位の温度を任意の関数でフィッティングしたものであってもよい。また、フィラメント３０１の長手方向の各部位の温度データの集合として受け付けた場合には、演算部３０が関数にフィッティングする処理を行い、この関数を用いて電子の放出解析処理を行ってもよい。
【００２５】
管電圧および管電流は、ユーザが所望する管電圧値および管電流値を入力インタフェースを介して入力部１０に入力した値を用いる。
【００２６】
なお、フィラメント３０１の長手方向の温度分布を、管電流値および管電圧値を種々に変えながら予め実験により求めて、記憶部６０に格納しておき、ユーザから入力を受け付けた管電流値および管電圧値に対応するフィラメントの温度分布を演算部３０が記憶部６０から読み込んで用いてもよい。
【００２７】
また、管電流および管電圧についても、撮像条件（撮像部位、撮像方法、優先するのが解像度かコントラストか等）と管電圧および管電流値との関係を予め定めて記憶部６０に格納しておき、ユーザが入力した撮像条件に対応する管電流および管電圧を演算部３０が記憶部６０から読み込んでもよい。
【００２８】
Ｘ線管２０の体系データは、ユーザが入力部に入力した値を用いる。または、Ｘ線管２０の型式ごとに予め体系データを記憶部６０に予め格納しておき、ユーザが取り付けられているＸ線管２０の型式を入力部１０に入力し、演算部３０がそれに対応するＸ線管２０の体系データを読み込んでもよい。
【００２９】
入力部１０が受け付けた条件は、演算部３０を通してディスプレイ５０に表示してもよいし、記憶部６０に格納してもよい。
【００３０】
制御部４０は、演算部３０が算出したスポット形状に応じて、Ｘ線管２０の動作を制御する。例えば、制御部４０は、管電圧の値や、管電流の値や、陽極２０２の回転速度を制御することにより、電子ビーム３０２のスポット形状を予め定めた形状に近づけるように制御する。
【００３１】
Ｘ線装置１には、ネットワーク８０と接続するための通信部７０を備えてもよい。これにより、ネットワーク８０を介して演算結果を外部に出力することも可能である。また、ネットワーク８０を介して、入力部１０が入力データを受け付けることも可能である。
【００３２】
演算部３０の解析条件読込部３１は、入力部１０に入力されたデータを読み込む。
【００３３】
電子放出解析部３２は、解析条件読込部３１が読み込んだデータをもとにフィラメント３０１から放出される電子の数を、フィラメント３０１に設定した微小部位ごとに求める。
【００３４】
電子軌道解析部３３は、フィラメント３０１から放出された電子が、陰極２０１と陽極２０２間の電界によって加速され、陽極に到達する軌跡を、演算により算出する。これにより、電子ビーム３０２を構成する電子ごとの軌跡が算出され、陽極２０２に衝突する際の位置を求めることができるため、電子ビーム３０２のスポット形状が求められる。
【００３５】
電子ビーム３０２が陽極２０２に衝突した場合、電子のエネルギーに対応した数の電子が陽極２０２で反射され（跳ね返され）、Ｘ線管２０内に散乱する。電子の反射率は、既存文献などから明らかとなっており、電子のエネルギーが１００ｋｅＶ程度の場合には約５０％の電子が陽極２０２の外側に散乱する。
【００３６】
電子衝突解析部３４は、陽極２０２により反射された後の電子の軌道を算出することにより、反射電子がＸ線管２０のどこに衝突するかを求める。さらに、電子衝突解析部３４は、反射電子の衝突により上昇するＸ線管２０内各部の温度を計算する。Ｘ線管２０の各部の温度は、反射電子の衝突により与えられるエネルギーを算出することによって求められる。一般に、エネルギーは、ニュートンの運動方程式によれば電子質量をｍ、速度をｖとして（１／２）ｍｖ２で与えられる。Ｘ線管２０内の電子は、光速に近いほど加速されているため、電子衝突解析部３４は、相対論による補正を電子質量ｍに対して施した後、反射された電子のエネルギーを演算により求める。
【００３７】
これらシミュレーションにより、演算部３０は、陽極衝突時の電子ビームのサイズ（スポットサイズ）、スポット形状、Ｘ線管の各部位における温度を算出する。
【００３８】
制御部４０は、演算部３０により算出されたデータを用いて、Ｘ線管２０の管電圧、管電流、陽極回転速度などを制御する。これにより、制御部４０は、スポットサイズ、スポット形状、各部位の温度が所望の範囲内に入るように制御し、不要なＸ線の発生を抑制するとともに、Ｘ線管の過熱を防止する。
【００３９】
また、演算部３０は、入力が想定される条件ごとに事前にシミュレーションを実施して、スポットサイズ、スポット形状、Ｘ線管の各部位における温度を算出し、算出結果を記憶部６０に格納しておく構成としてもよい。この場合、演算部３０は、入力部１０に入力された条件に対応する算出結果を記憶部６０から読み出して、制御部４０に受け渡すだけでよく、演算と制御に要する時間を短縮することができる。
【００４０】
＜演算部３０の演算処理＞
演算部３０の演算処理の内容を図７のフローチャートを用いて説明する。演算部３０は、ＣＰＵとメモリによって構成され、予めメモリ内に格納されているプログラムを読み込んで実行することにより、解析条件読込部３１、電子放出解析部３２、電子軌道解析部３３および電子衝突解析部３４の機能をソフトウエアにより実現する例について説明する。ただし、演算部３０の機能の一部または全部をハードウエアにより実現することも可能である。その場合、演算部３０の一部または全部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のようなカスタムＩＣや、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のようなプログラマブルＩＣにより構成し、解析条件読込部３１、電子放出解析部３２、電子軌道解析部３３および電子衝突解析部３４の機能の一部または全部を実現するように回路設計を行えばよい。
【００４１】
（ステップ６０１）
解析条件読込部３１は、入力部１０が受け付けたフィラメント３０１の長手方向の温度分布、管電圧、管電流、Ｘ線管２０の体系（形状の三次元データ）を読み込む。
【００４２】
（ステップ６０２）
電子放出解析部３２は、解析条件読込部３１が読み込んだフィラメント３０１の温度分布から、フィラメント３０１を分割した微小部位から放出される電子の個数（電子の分布）を算出する。
【００４３】
電子放出解析部３２が、フィラメント３０１の長手方向への温度分布から、フィラメントの電子放出個数の分布を求める手順について以下詳しく説明する。
【００４４】
図８は、入力部１０に入力され、解析条件読込部３１が読み込んだフィラメント３０１における長手（Ｌ）方向への距離と、フィラメント温度との関係（温度分布）を示したグラフである。フィラメント３０１は、中心部において温度が高く、端部で温度が低い。
【００４５】
理論的には、フィラメント３０１の熱電子放出量はリチャードソンダッシュマンの式（式（１））で理論的に定義されることが知られている。
ｉｍａｘ＝Ａ（１−ｒ）Ｔ２・ｅｘｐ（（−Φ）／（ｋＴ））    ・・・（１）
Ａ＝４πｍｋ２ｑ／ｈ３
ここで、ｉｍａｘは、フィラメントから放出される電流（電子）の飽和値、ｒは、フィラメントの表面の反射率、Ｔは、フィラメントの温度、ｑは、電子の電荷、Φは、フィラメントを構成する材料の仕事関数、ｍは、電子の質量、ｋは、ボルツマン定数、ｈは、プランク定数である。
【００４６】
しかしながら、リチャードソンダッシュマンの式で求められる放出電子の数（電流飽和値ｉｍａｘ）は、定量的には実測値の放出電子の数との一致性が低いことが実験によりわかっている。その理由としては、式（１）のパラメータである仕事関数Φが、指数関数ｅｘｐの内部に含まれるため、放出される電子の数ｉｍａｘに大きく影響するにも関わらず、仕事関数Φとして一般的に知られている値が、バルク金属について算出されているため、実際のフィラメント３０１の仕事関数の値とは一致しないためである。また、温度Ｔについても、指数関数ｅｘｐの内部にあるため、放出される電子の数ｉｍａｘに大きく影響し、さらに、指数関数の外においても二乗（Ｔ２）の項となって含まれるため、温度Ｔのわずかな誤差によって、放出される電子の数ｉｍａｘの誤差が大きくなるためである。
【００４７】
そこで、本実施形態では、電子放出解析部３２は、フィラメント３０１の全体から放出される電子の数（密度）を、管電流値から求めることとする。そして、電子放出解析部３２は、リチャードソンダッシュマンの式を、温度Ｔをパラメータとして、電子が発生する確率密度を示す関数として用い、フィラメント３０１を長手方向（Ｌ）について微小部位ごとに区分けし、微小部位ごとに発生する電子の数を、各部位の温度Ｔをパラメータとする確率密度関数（リチャードソンダッシュマンの式から求めた関数）により求める。これにより、電子放出解析部３２は、フィラメントの各部位から発生する電子の密度を精度よく求める。
【００４８】
具体的には、電子放出解析部３２は、式（１）の温度Ｔ以外のパラメータを定数として扱い、温度Ｔとして、ステップ６０１で読み込んだフィラメントの温度分布の温度（図８参照）Ｔの値を用いることにより、フィラメントの微小部位ごとの電子放出量を式（１）のリチャードソンダッシュマンの式のｉｍａｘにより求める。つぎに、電子放出解析部３２は、求めた電子放出量の最大値を１とするように正規化する。
【００４９】
これにより、電子放出解析部３２は、フィラメント３０１の長手方向についての電子放出確率を図９のように求める。フィラメント３０１は、長手方向中央部において温度が高く、端部で温度が低いという温度分布（図８）を有するため、電子放出解析部３２が求めた電子放出確率（図９）も長手方向中央部において最大値をとり、端部で低くなっている。
【００５０】
電子放出解析部３２は、求めた電子放出確率に応じて、フィラメント３０１の全体から放出される電子の数（管電流に対応する値）を、フィラメント３０１の微小部位ごとに割り当てることにより、フィラメント３０１から放出される電子の分布を算出する。
【００５１】
（ステップ６０３）
つぎに、電子軌道解析部３３は、フィラメント３０１の微小部位からそれぞれ放出される電子の軌道を算出する。
【００５２】
まず、電子軌道解析部３３は、Ｘ線管内を微小な空間に分割し、各微小空間の電界Ｅを算出する。電界Ｅは、放出された電子が形成する電界と、電極部材３０５および陽極２０２からの距離に応じた電界Ｅとを重畳したものである。
このとき、放出された電子が形成する電界Ｅの傾斜∇Ｅは、式（２）により算出できる。
∇Ｅ＝ρ／ε０      ・・・（２）
ここで、ρは、電子の密度であり、ε０は、真空の誘電率である。
【００５３】
また、陰極２０１の電極部材３０５と陽極２０２からの距離に応じた電界Ｅは、公知の式により算出できる。
【００５４】
（ステップ６０４）
電子軌道解析部３３は、式（２）でも求めた∇Ｅを積分して求めた電界Ｅと、電極部材３０５および陽極２０２からの距離に応じた電界Ｅとを重畳した電界Ｅと、式（３）により、電子の運動量Ｐの微分値dP/dtを求める。
dP/dt＝Ｅ・ｑｅ                            ・・・（３）
ただし、Ｅは、式（２）および公知の式により求めた電界、ｑｅは、電子の電荷である。
【００５５】
電子軌道解析部３３は、dP/dtを時間積分することにより、運動量Ｐを求める。式（４）のように、運動量Ｐは、電子の質量ｍと速度の積ｖの大きさを持つベクトルであるから、電子軌道解析部３３は、運動量Ｐから単位時間後の電子の移動先の位置を求めることができる。
P＝ｍ・ｖ      ・・・（４）
【００５６】
（ステップ６０５、６１０）
電子軌道解析部３３は、算出した単位時間後の電子の移動位置を記憶部６０に格納する（ステップ６１０）。陽極２０２に電子が到達し、単位時間に陽極に到達する電子の数が、ステップ６０１で受け付けた管電流値に対応する電子数に達するまで、ステップ６０２〜６０４、６１０を繰り返す（ステップ６０５）。これにより、順次電子の移動先の位置が記憶部６０に格納されるため、電子の軌道が算出される。
【００５７】
（ステップ６０６）
電子衝突解析部３４は、単位時間に陽極上に到達した電子の位置を記憶部６０から読み出してディスプレイ５０に表示する。これにより、電子衝突解析部３４は、電子ビームの陽極衝突時のスポット形状（ビーム形状）を表示することができる。例えば、図１０のようなシミュレーション結果表示画面をディスプレイ５０に表示し、陽極衝突時の電子を位置を表示することによりスポット形状を表示することができる。また、電子衝突解析部３４は、図１０のように、電子の到達領域の外形を線で囲う等して、スポット形状として表示してもよい。
【００５８】
（ステップ６０７）
電子衝突解析部３４は、陽極に到達した電子ごとにそのエネルギーに応じた反射確率を予め求めておいた数式から算出する。反射方向は、乱数で発生させてもよいし、例えば余弦関数等の予め定めておいた関数から求めてもよい。
【００５９】
（ステップ６０８）
電子衝突解析部３４は、反射した電子の軌跡をステップ６０３，６０４と同様の演算により算出する。反射した電子が、容器２０５等のＸ線管の構造物に到達したならば、その時の電子の速度ｖ、電子質量ｍから、構造物に電子が与えるエネルギーＱを式（５）により求める。ただし、相対論による補正を電子質量ｍに対して施す。
Ｑ＝（１／２）ｍｖ２      ・・・（５）
【００６０】
（ステップ６０９）
電子衝突解析部３４は、求めたエネルギーと構造物の比熱および熱引き特性を加味して、反射した電子が到達したＸ線管の構造物の部位の上昇後の温度を算出する。例えば、上昇後の温度の算出は、予め実験を行う等により経験的に求めた数式を用いる。
【００６１】
電子衝突解析部３４は、算出した構造物の温度は、例えば図１０のように、ディスプレイ５０に表示した画面に表示する。
【００６２】
（シミュレーション対象とする電子数の低減）
上述のステップ６０４において、フィラメント３０１の部位のうち、表面電界Efが低い部位は、電界によって生じる電子の運動量Ｐが小さい。すなわち、電子の加速が小さいため、放出された電子が陽極２０２に向かって移動することができない。本実施形態では、これに着目し、電子軌道解析部３３が軌道を計算する対象とする電子の数を低減し、演算速度を向上させる。
【００６３】
フィラメント３０１の表面電界Efについて説明する。ステップ６０３において、式（２）、（３）により算出される電界Ｅのうち、フィラメント３０１の表面に接している微小空間の電界Ｅ（表面電界Ef）は、図１１に示したように、陰極２０１の電極部材３０５の凹部の底面に最も近いフィラメント３０１の表面において最も小さく、凹部から突出して陽極２０２に最も近い部位で最も大きくなる。
【００６４】
陰極２０１と陽極２０２との距離にもよるが、Ｘ線ＣＴ装置やＸ線撮影装置等のＸ線撮像装置に用いられる一般的なＸ線管の場合、フィラメント３０１から放出された電子に印加される電界が１Ｖ／ｍより小さい場合、陰極２０１のフィラメント３０１から陽極２０２まで到達できるだけの速度にまで加速されないことが計算によりわかっている。したがって、フィラメントの表面に接する微小空間における電界（表面電界Ef）が１Ｖ／ｍより小さい部位では、その部位から放出された電子を計算対象からはずしても、電子ビーム３０２のスポット形状の算出結果に影響を与えないことになる。
【００６５】
この１Ｖ／ｍの電界は、図１１に示したように、電極部材３０５の凹部の開口の縁に最も近いフィラメント３０１の表面電界Efにほぼ一致する。また、図１２に示したように、凹部の中央部では、１Ｖ／ｍの表面電界の位置は、凹部の開口よりも若干内側になることが計算によりわかっている。
【００６６】
一方、フィラメント表面電界Efと、その部位のフィラメントが放出する電子の数をグラフ化すると図１１のようになる。図１１は、フィラメントから放出される電子総数を２０００個としている。図１１のように、フィラメントの表面上の電界Efが１Ｖ／ｍを超える部位から放出される電子の数はわずか１００個程度にとどまり、ほとんどの電子は、フィラメントの表面上の電界Efが１Ｖ／ｍより小さい部位から放出されていることがわかる。
【００６７】
上述のように、フィラメントの表面上の電界Efが１Ｖ／ｍ以下の部位から放出された電子は、陽極２０２まで到達できないため、軌道計算の対象から外しても電子ビーム３０２のスポット形状の算出結果に影響を与えない。よって、電子軌道解析部３３は、図１１のグラフの場合は、放出された２０００個のうち１００個のみについて軌道を計算すればよいのであるから、すべての電子を計算した場合に比べ計算速度は最大で２０倍以上に向上させることができる。
【００６８】
なお、上述の一般的なＸ線管以外に様々な種類のＸ線管のフィラメント３０１についてシミュレーションを行った結果、いずれについても、１Ｖ／ｍより小さい加速電界を受けていない電子を計算対象から除外することにより、１０倍〜１００倍の計算効率を達成できることがあきらかになった。したがって、演算部３０の電子軌道解析部３３がＸ線管２０内を微小な空間に分割し、各微小空間の電界Ｅを計算した段階で、計算する電子数を絞り込むことができるため、演算効率が向上し、シミュレーション速度を高速化できる。
【００６９】
なお、放出される電子を計算対象から除外するフィラメント３０１の表面電界のしきい値は、１Ｖ／ｍに限られるものではなく、Ｘ線管の構造等を考慮して任意の値に設定することが可能である。設定するしきい値を、入力部１０がユーザから受け付ける構成にすることもできる。
【００７０】
以上のように本実施形態によれば、フィラメントの表面電界が設定したしきい値より小さい部位から放出される電子を軌道計算の対象から除外することにより、電子ビーム３０２のスポット形状の演算結果に影響を与えることなく、演算効率を大幅に向上することが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態のＸ線装置では、ステップ６０８，６０９において、Ｘ線管の温度が算出されて表示されるため、容器２０５のどの部位が過熱状態にあるか、どの部品が過熱状態にあるかをユーザは把握することができる。
【００７２】
また、制御部４０が温度を把握して運転条件を変更することができるため、Ｘ線管の過熱を防止でき、Ｘ線管の冷却時間を短縮して、連続撮像が可能になる。また、Ｘ線管の劣化を防止できる。
【００７３】
また、本実施形態の演算部３０のシミュレーション結果を用いて、Ｘ線管の設計を行うことにより、より精緻な焦点像の電子ビームを照射可能なＸ線管を設計できる。
【００７４】
以上のような構成によるＸ線装置は、Ｘ線管の制御や製造、過熱防止、精緻な焦点像形成に効果を発揮する。
【００７５】
（具体的な動作例）
ここで、演算部３０のステップ６０２〜６０４の具体的な動作例の一例について説明する。演算部３０の電子放出解析部３２は、内部で乱数を発生させ、発生した乱数をフィラメント長手方向の距離Ｌとする。つぎに、電子放出解析部３２は、求めておいた図９のフラフを参照し、乱数で発生した距離Ｌにおける電子放出確率を求める。そして、電子放出解析部３２は、さらに０から１までの乱数を発生させ、その乱数が、図９のグラフから求めた電子放出確率の値以下である場合には、その位置で電子が発生したとする。
【００７６】
つぎに、演算部３０は、その長手方向の距離Ｌのフィラメント３０１の、フィラメントの短手方向の位置Ｍを、ステップ６０１で読み込んだＸ線管の体系データのフィラメントの形状に基づいて算出する。すなわち、フィラメント３０１は、１本の線をらせん状等に巻き回したものであるため、図１１のように長手方向の距離Ｌごとに、短手方向の位置Ｍが異なっているので、その位置Ｍを求める。
【００７７】
演算部３０の電子軌道解析部３３は、短軸方向の位置Ｍのフィラメントの表面電界Efを、式（２）、（３）から求める。求めた表面電界Efが、しきい値１Ｖ／ｍを下回っている場合には、発生させた電子を軌道計算の対象としない。
【００７８】
求めた表面電界Efが、しきい値１Ｖ／ｍ以上である場合には、発生させた電子を式（４）により、移動先の位置を算出し、軌道計算する。
【００７９】
そして、電子軌道計算部３３は、陽極２０２に電子が到達し、単位時間（計算における時間ステップに相当する）に陽極に到達する電子の数が、ステップ６０１で受け付けた管電流値に対応する電子数に達するまで、上述の乱数の発生を繰り返す。なお、単位時間内（計算における時間ステップに相当する）でのフィラメント３０１の全体の放出電子数が、管電流に対応する電子数と一致するまで上記乱数の発生を繰り返す構成としてもよい。
【００８０】
以上により、本実施形態のＸ線装置では、フィラメント３０１から放出される電子の数と軌跡を精度よくシミュレーションすることができる。
【００８１】
なお、上述してきたＸ線装置では、フィラメント３０１の電子放出解析入力部１０にフィラメント３０１の長手方向の温度分布を関数で入力することが可能であるが、入力部１０に入力された温度データの集合を演算部３０が関数にフィッティングしてもよい。
【００８２】
演算部３０がフィッティングを行う場合、フィラメント温度の分布を表現する関数として多項式関数を用いることが簡便で望ましい。特に、六次以上の多項式関数を用いた場合、誤差を１％未満に抑えることができ望ましい。
【００８３】
演算部３０が、多項式関数に温度データをフィッティングする場合、記憶部６０にフィッティングごとの多項式を格納し、シミュレーションに用いる。また、演算部３０は、ディスプレイ５０に、フィッティング後の多項式の係数および多項式を表示することが望ましい。
【００８４】
通常のフィラメントを用いる場合、多項式関数は、奇数次項の係数をゼロとすることが望ましい。その理由は、通常のフィラメントは二つの電極を持っており、両者をそれぞれ電源につなぐことにより発熱するため、フィラメント長手方向中央部が最も温度が高くなり、長手方向の温度分布を表す関数形としては偶関数となる。そのため、多項式の奇数次項の係数をゼロとして、実際の温度分布を関数にフィッティングした方が収束性が高くなり、素早く正確なフィッティングが可能となる。
【００８５】
なお、演算部３０がフィッティングする関数は、多項式以外の関数を用いることももちろん可能である。
【００８６】
なお、上述の実施形態では、電子放出解析部３２は、フィラメント３０１の全体から放出される電子の数（密度）を、管電流値から求める構成である。このとき、管電流値として、陽極を流れる電流値を実測した値を用いてもよい。この場合、陽極に流れる電流を実測する計測部をＸ線管に配置し、計測部が入力部１０に入力する構成とする。また、陽極に流れる電流値は、ディスプレイ５０にも表示することが望ましい。
【００８７】
上述してきたように、本実施形態のＸ線装置は、電子ビームの軌跡をシミュレーションにより求めることができるため、陽極到達時のスポット形状が所望の形状になるように制御可能であり、不要放射線の発生量が少なく、かつ、良質な測定結果が得られ、耐劣化特性に優れている。
【００８８】
本実施形態のＸ線装置と、被検体を搭載するテーブルと、Ｘ線装置のＸ線管から放射されたＸ線であって被検体を透過したＸ線を検出する検出部とを備えることにより、例えば、医療用Ｘ線ＣＴ等のＸ線撮像装置を構成することができる。
【符号の説明】
【００８９】
２０：Ｘ線管
３０：演算部
３１：解析条件読込部
３２：電子放出解析部
３３：電子軌道解析部
３４：電子衝突解析部
４０：制御部
７０：通信部
２０１：陰極
２０２：陽極
２０３：ロータ
２０４：ステータ
２０５：ガラス容器
２０６：筐体
２０７：ブッシング
２０８：ブッシング
３０１：フィラメント
３０２：電子ビーム
３０３：反射電子
３０４：陽極衝突時のビーム形状（スポット形状、焦点像）
【図１】
2020155271.tif 000003
【図２】
2020155271.tif 000004
【図３】
2020155271.tif 000005
【図４】
2020155271.tif 000006
【図５】
2020155271.tif 000007
【図６】
2020155271.tif 000008
【図７】
2020155271.tif 000009
【図８】
2020155271.tif 000010
【図９】
2020155271.tif 000011
【図１０】
2020155271.tif 000012
【図１１】
2020155271.tif 000013
【図１２】
2020155271.tif 000014