(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を透過する第一の窓を有する外囲器と、
前記外囲器の内部に収納され、前記第一の窓と対向する位置に、放射線を透過する第二の窓と、前記第二の窓に支持されたターゲット層と、を有する放射線管と、
前記放射線管とともに前記外囲器に収納されている絶縁性液体と、を備える放射線発生装置であって、
前記放射線管は、
前記第二の窓に連通する放射線通過孔を有し、前記第二の窓側から前記第一の窓側に突出した部分を有する放射線遮蔽部材と、
前記放射線遮蔽部材よりも熱伝導率が高く、前記突出した部分に接続されている筒状の熱伝導部材と、を備えており、
前記熱伝導部材は、前記第二の窓と接続されている内周面を有するとともに、前記絶縁性液体に接している部分を有することを特徴とする放射線発生装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材は、前記突出した部分の外周側に設けられていることを特徴とする請求
項１に記載の放射線発生装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材は、前記突出した部分の内周側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放射線発生装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材は、前記放射線遮蔽部材よりも密度が小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
【請求項５】
前記熱伝導部材は、前記放射線遮蔽部材よりも、径方向の厚さが大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
【請求項６】
前記放射線遮蔽部材と前記熱伝導部材とは、組成の相違する金属又は合金からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
【請求項７】
前記ターゲットの材料と前記放射線遮蔽部材の材料とがともにタングステンであり、前記熱伝導部材の材料が銅であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
【請求項８】
前記ターゲット層の厚みが１μｍ乃至２０μｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線発生装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１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器と、
前記放射線発生装置と前記放射線検出器とを連携制御する制御部とを備えることを特徴とする放射線撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療機器及び産業機器分野における非破壊Ｘ線撮影等に適用できる放射線発生装置及びそれを用いた放射線撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、放射線管は電子放出源から放出される電子を高電圧で加速し、ターゲットに照射してＸ線等の放射線を発生させる。このとき発生した放射線は全方位に向かって放射される。特許文献1には、必要以外のＸ線を遮蔽するため、ターゲットの電子入射側及びＸ線放出側にＸ線遮蔽部材を配置した透過型Ｘ線発生装置が開示されている。
【０００３】
放射線撮影に好適な放射線を発生させるためには、電子放出源とターゲットの間に高電圧を印加して高エネルギーの電子線をターゲットに照射する必要がある。しかし、一般に放射線の発生効率は極めて悪く、消費電力の９９％程度はターゲットにおいて熱となる。発生したこの熱によりターゲットは高温になるため、ターゲットの熱損傷を防ぐ手段が必要となる。特許文献２には、Ｘ線透過窓の周囲に冷却機構を設けることでターゲット部分の放熱効率を向上させるＸ線発生管が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６５９８１号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
医療分野における短時間パルス・大管電流での撮影や産業分野における電子線の焦点を絞った撮影においては、ターゲットの瞬間的な温度の上昇が発生する場合がある。このような場合には、従来の放射線遮蔽部材を介した放熱だけでは不十分となる。
【０００６】
放熱特性を高めるために放射線遮蔽部材を厚くすると、放射線遮蔽部材には一般的に重金属が用いられるため、放射線発生装置全体の重量増を招く。また、放射線遮蔽部材とは別に冷却機構を設けることは、放射線発生装置全体の小型化を困難にする。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な構造で不要な放射線の遮蔽とターゲットの冷却を可能とすると共に、軽量化を図った放射線発生装置及びそれを用いた放射線撮影装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、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、
前記外囲器の内部に収納され、前記第一の窓と対向する位置に、放射線を透過する第二の窓と、前記第二の窓に支持されたターゲット層と、を有する放射線管と、
前記放射線管とともに前記外囲器に収納されている絶縁性液体と、を備える放射線発生装置であって、
前記放射線管は、
前記第二の窓に連通する放射線通過孔を有し、前記第二の窓側から前記第一の窓側に突出した部分を有する放射線遮蔽部材と、
前記放射線遮蔽部材よりも熱伝導率が高く、前記突出した部分に接続されている管状の熱伝導部材と、を備えており、
前記熱伝導部材は、前記第二の窓と接続されている内周面を有するとともに、前記絶縁性液体に接している部分を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、不要な放射線の遮蔽性能を確保するとともに、ターゲットの熱を効果的に放熱することが可能となる。さらに、放射線遮蔽部材に比べて密度の小さい熱伝導部材を用いることにより、放射線発生装置全体として軽量化できる。これにより、大管電流・小焦点での放射線撮影が可能となり、高解像度の撮影画像を得ることができる。また、小型軽量化により、在宅医療検査・救急時の現場医療検査への適用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の放射線発生装置の一実施形態を示す断面模式図である。
【図２】図１における窓部材の周辺部を拡大した断面模式図で、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ熱伝導部材の配置例を示す図で、（ａ）は参考例である。
【図３】フィン構造をなす熱伝導部材とした場合の窓部材の周辺部を拡大した断面模式図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ熱伝導部材の配置例を示す図で、（ａ）は参考例である。
【図４】本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影装置の一実施形態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、以下に参照する図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。
【００１２】
図１は本発明の放射線発生装置の一実施形態を示す断面模式図である。外囲器１の内部には、透過型の放射線管１０、電圧制御部３（電圧制御手段）が収納されている。外囲器１内の余空間（外囲器１の内壁と放射線管１０との間）には、絶縁性流体８が満たされている。
【００１３】
電圧制御部３は、回路基板及び絶縁トランス等から構成され、端子４を介して、放射線管１０の電子放出源５に放射線の発生を制御する信号を出力する。また、端子７を介してアノード部１２の電位を規定する。
【００１４】
外囲器１は、容器としての十分な強度を有していれば良く、金属やプラスチックス材料が用いられる。
【００１５】
絶縁性流体８は、冷却媒体として配置された、電気絶縁性の液体又は気体である。液体では、電気絶縁油を用いるのが好ましい。電気絶縁油としては、鉱油、シリコーン油等が好適に用いられる。その他に使用可能な絶縁性流体８としては、フッ素系電気絶縁性液体が挙げられる。気体としては、大気を用いることができ、絶縁性液体よりも装置を軽くすることができる。
【００１６】
外囲器１には、放射線を透過し外囲器外部に放射線を取り出すための第一の窓２が設けられている。放射線管１０から放出された放射線はこの第一の窓２を通して外部に放出される。第一の窓２には、ガラス、アルミニウム、ベリリウム等が用いられる。
【００１７】
放射線管１０は、その外枠である筒状の真空容器９と、その内部に配置された電子放出源５、ターゲット部６、窓部材１３とを備えている。
【００１８】
真空容器９は、放射線管１０の内部を真空に保つためのもので、その筒状の胴部は、ガラスやセラミクスの絶縁性材料が用いられる。また、筒状の胴部の両端にそれぞれ設けられたカソード部１１及びアノード部１２は、導電性の合金（例えばコバール）からなる。真空容器９内の真空度は１０-4〜１０-8Ｐａ程度であれば良い。真空容器９の内部には真空度を保つために、不図示のゲッターを配置しても良い。また、真空容器９は、アノード部１２に円筒形の開口部を有しており、その開口部には、円筒形の窓部材１３が接合されている。窓部材１３には、ターゲット部６で発生した放射線（本実施形態では、Ｘ線）の一部を通過させる円筒形の放射線通過孔（以下、単に通過孔）２１が形成されている。通過孔２１の内壁に円筒形のターゲット部６が接合されることにより真空容器９が密閉されている。
【００１９】
電子放出源５は、真空容器９の内部に、ターゲット部６に対向して配置されている。電子放出源５には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、又は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５には、引出し電極が配置され、引出し電極によって形成される電界によって放出された電子は、レンズ電極で収束され、ターゲット６に入射し放射線が発生する。このとき、電子放出源５と電気的に接続されたカソード部１１と、ターゲット１４と電気的に接続されたアノード部１２との間には、放射線の使用用途によって異なるものの、概ね４０ｋＶ〜１２０ｋＶ程度の加速電圧が印加される。
【００２０】
図２は、図１における窓部材１３の周辺部を拡大した断面模式図である。
【００２１】
ターゲット部６は、ターゲット１４と基板である第二の窓１５とからなる。ターゲット１４は、第二の窓１５の電子放出源側の面に配置されている。ターゲット１４を構成する材料は、融点が高く、放射線発生効率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル、モリブデン等を用いることができる。発生した放射線がターゲット１４を透過する際に生じる吸収を軽減するため、ターゲット１４の厚みは１μｍ〜２０μｍ程度が適当である。
【００２２】
第二の窓１５は、ターゲット１４を支持し、ターゲット１４で発生する放射線の少なくとも一部を透過するものであり、窓部材１３(図１参照)の放射線通過孔２１内の第一の窓２と対向する位置に配置されている。第二の窓１５を構成する材料は、ターゲット１４を支持できる強度を有し、ターゲット１４で発生した放射線の吸収が少なく、かつターゲット１４で発生した熱をすばやく放熱できるよう熱伝導率の高いものが好ましい。例えばダイヤモンド、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いることができる。第二の窓１５についての上記要求事項を満たすため、第二の窓１５の厚みは０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度が適当である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、窓部材１３は、放射線遮蔽部材（以下、単に遮蔽部材）１６と熱伝導部材１７とからなる。遮蔽部材１６は、第二の窓１５に連通する通過孔２１を有し、ターゲット１４から放出された放射線のうち、不要な放射線を遮る。遮蔽部材１６は、２つの遮蔽部材（第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０）からなる。第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０とは、同一の材料を用い、一体的に形成されて配置されていてもよいし、分離して配置されていてもよい。また、それぞれ異なる材料を用いて、接合により一体的に配置されて形成されてもよいし、分離して配置されていてもよい。遮蔽部材１６に対して、第二の窓１５が固定されて真空容器９の真空気密が維持されるが、係る固定手段としては銀ろう付け等が適用される。
【００２４】
第二の遮蔽部材２０は、第二の窓１５から電子放出源５側に突出して配置され、第二の窓１５に連通する電子線通過孔２２を形成する。電子放出源５から放出された電子は、電子線通過孔２２を通過してターゲット１４に衝突する。ターゲット１４で発生した放射線のうち、ターゲット１４の電子放出源側に散乱した放射線は第二の放射線遮蔽部材２０で遮蔽される。
【００２５】
第一の遮蔽部材１９は、第二の窓１５から第一の窓２側に突出して配置され、第二の窓１５に連通する通過孔２１を有する。第二の窓１５を透過した放射線は通過孔２１を通過し、不要な放射線は第一の遮蔽部材１９で遮蔽される。
【００２６】
外囲器１の外部に放射線をより多く取り出す観点からすると、通過孔２１の開口面積が、第二の窓１５から第一の窓２側に向かって徐々に大きくなっているのが好ましい。これは、第二の窓１５を透過した放射線が放射状の広がりを持っているからである。
【００２７】
また、第二の遮蔽部材２０の電子線通過孔２２の中心と、第一の遮蔽部材１９の通過孔２１の中心及びターゲット１４の中心が同一直線上にあるのが好ましい。これは、このように配置することにより、透過型のターゲット１４に電子が照射されることによって発生した放射線を、より確実により多く取り出せるからである。
【００２８】
遮蔽部材１６を構成する材料は、放射線の吸収率が高く、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、又はこれらの合金等を用いることができる。不要放射線を十分に遮蔽するため、第一の遮蔽部材２０と第二の遮蔽部材１９の厚みは、設定する電子の加速電圧に依存するものの、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度が適当である。
【００２９】
熱伝導部材１７は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、第一の遮蔽部材１９の外周側に、第一の遮蔽部材１９を囲むように配置することができる。熱伝導部材１７は、ろう付け、鋳こみ、ハンダ付け、溶接、レーザー溶接、ネジこみ、焼きバメ、テーパーはめ込み、接着剤、機械的なネジ止めにより、第一の遮蔽部材１９に接合される。熱伝導部材１７と第一の遮蔽部材１９とは、それぞれの中心軸が等しい円筒形を有し、熱伝導部材１７は、第一の遮蔽部材１９よりも、径方向の厚さが大きい。
【００３０】
また、熱伝導部材１７は、図２（ｃ）に示すように、第一の遮蔽部材１９の内周側に、第一の遮蔽部材１９が熱伝導部材１７を囲むように配置することもできる。この場合も、遮蔽部材１６は、２つの遮蔽部材（第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０）からなる。第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０とは、同一の材料を用い、一体的に形成されていてもよいし、それぞれ異なる材料を用いて、接合により形成されてもよい。遮蔽部材１６は熱伝導部材１７の外周に接触している。
【００３１】
熱伝導部材１７を構成する材料は、遮蔽部材１６よりも熱伝導率が高い材料であって、耐熱性が高いものが好ましく、金属材料、カーボン系材料、セラミック等から適用が可能である。金属材料としては、銀、銅、アルミニウム、コバルト、ニッケル、鉄等、又はこれらの合金・酸化物であっても良い。カーボン系材料としては、ダイヤモンド、グラファイト等が挙げられる。セラミックであれば、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ケイ素等が挙げられる。さらに、熱伝導部材１７を構成する材料は、放射線遮蔽部材１６に対して密度が小さい材料を用いることが望ましい。
【００３２】
熱伝導部材１７として遮蔽部材１６よりも密度が小さい材料を用いることにより、窓部材１３が遮蔽部材１６だけから構成されている場合に比べて軽量化できる。
【００３３】
ターゲット１４で発生した熱は、直接又は第二の窓１５を介して、直接熱伝導部材１７に伝わるか、又は遮蔽部材１６を介して熱伝導部材１７に伝わる。さらに熱伝導部材１７に接触する絶縁性流体に伝わって速やかに放熱されることで、ターゲット１４の温度上昇が抑制される。熱伝導部材１７の熱伝導率は、遮蔽部材１６の熱伝導率よりも大きいため、窓部材１３が遮蔽部材１６だけから構成されている場合に比べて、放熱の速さが増す。
【００３４】
さらに、図３（ａ），（ｂ）に示すように、熱伝導部材１７をフィン構造とすることもできる。熱伝導部材１７がフィン構造を有していると、熱伝導部材１７の絶縁性流体に接触する面積が大きくなるため、より効果的に放熱できる。この場合でも、遮蔽部材１６の突出部分の外周側又は内周側に、遮蔽部材１６を囲むように配置することができる。
【００３５】
熱伝導部材１７は、第一の遮蔽部材１９の外周又は内周全体を囲むのではなく、外周又は内周に部分的に配置されていてもよい。
【００３６】
また、放熱性をより高めるため、遮蔽部材１６と熱伝導部材１７とは、ターゲット部材６が、真空容器９の端面の位置よりも、第一の窓２側に突出するように配置されることが好ましい。
【００３７】
加速電圧の印加方式としては、陽極接地方式と中点接地方式のいずれの方式も採用することができる。陽極接地方式とは、ターゲット１４と電子放出源５との間に印加する電圧をＶａ［Ｖ］としたとき、陽極であるターゲット１４の電位をグランド（０［Ｖ］）に設定し、電子放出源５のグランドに対するに対する電位を−Ｖａ［Ｖ］に設定する方式である。一方、中点接地方式とは、ターゲット１４のグランドに対する電位を＋（Ｖａ−α）［Ｖ］、電子放出源５のグランドに対する電位を−α［Ｖ］、（但し、Ｖａ＞α＞０）に、それぞれ設定する方式である。αの値はＶａ＞α＞０の範囲内の任意の値であるが、一般的にはＶａ／２に近い値である。中点接地方式を採用することで、グランドに対する電位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。沿面距離とは、ここでは電圧制御部３と外囲器１との距離、及び放射線管１０と外囲器１との距離である。沿面距離を短くすることができると、外囲器１のサイズを小さくすることができ、その分絶縁性流体８の重量も小さくすることができるため、放射線発生装置をより小型軽量化することが可能となる。
【実施例】
【００３８】
［実施例１（参考例）］
図２（ａ）に示すように、第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０とが一体的に形成された遮蔽部材１６としてタングステンを、熱伝導部材１７として銅をそれぞれ選択した。遮蔽部材１６の第二の窓１５から第一の窓２側に突出した部分の外周側に熱伝導部材１７をろう付けにて固定した。絶縁性流体８としては、鉱油からなる絶縁油を使用した。また、電圧制御手段は中点接地方式を採用した。電子放出源５はタングステンフィラメントを用い、不図示の加熱手段によって加熱し、電子を放出させた。係る放出された電子を引出し電極・レンズ電極に印加した電圧によって生じる電位分布による電子線軌道制御と、電子放出源５とターゲット１４間に印加される電圧Ｖａによって高エネルギーに加速することでターゲットに衝突させ、放射線を発生させた。ターゲット１４は薄膜状のタングステンを使用した。引出し電極に５０［Ｖ］、レンズ電極に１０００［Ｖ］、中点接地方式においてＶａを１００［ｋＶ］とするためにターゲット１４の電圧を＋５０［ｋＶ］、電子放出源５の電圧を−５０［ｋＶ］に設定した。
【００３９】
本実施例では、放射線発生装置の取り扱いを良好に行うことができた。また、上記条件で放射線の放射を行い、発生した放射線の線量を測定したところ、安定した放射線量が得られることを確認した。その際、不要な放射線漏洩も無く、ターゲットの損傷も生じなかった。
【００４０】
［実施例２］
図２（ｂ）に示すように、本実施例においては、第一の遮蔽部材１９と第二の遮蔽部材２０とが分離して配置され、熱伝導部材１７は、その一部が第二の窓１５に直接接触するように、第一の遮蔽部材１９の外周側に配置されている。この点以外は、実施例１と同様の構成である。本実施例においては、第二の窓１５で発生した熱の一部が、第一の遮蔽部材１９を介さずに直接熱伝導部材１７に伝導されるので、放熱速度をより高めることができた。また、本実施例においても、実施例1と同様の結果が得られた。
【００４１】
［実施例３（参考例）］
本実施例においては、遮蔽部材１６としてモリブデンを、熱伝導部材１７としてアルミニウムをそれぞれ選択し、ターゲット１４として薄膜状のモリブデンを使用した点以外は、実施例１と同様である。但し、電圧制御手段は陽極接地方式を採用した点が実施例１と異なる。引き出し電極に５０［Ｖ］、レンズ電極に３０００［Ｖ］、陽極接地方式においてＶａを５０［ｋＶ］とするためにターゲット１４の電圧を＋５０［ｋＶ］、電子放出源５の電圧を０［ｋＶ］に設定した。本実施例においても、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４２】
［実施例４（参考例）］
本実施例においては、遮蔽部材１６としてタングステンを選択し、熱伝導部材１７としてＳｉＣ又はグラファイトシートを選択した点以外は、実施例１と同様である。本実施例においても、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４３】
［実施例５（参考例）］
本実施例においては、遮蔽部材１６としてタングステンとモリブデンの合金（成分比：タングステン９０％、モリブデン１０％）を選択し、熱伝導部材１７として銅とアルミニウムの合金（成分比：銅９０％、アルミニウム１０％）を選択した点以外は、実施例１と同様である。本実施例においても、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４４】
［実施例６（参考例）］
本実施例においては、遮蔽部材１６としてタングステンを選択し、熱伝導部材１７として図３（ａ）に示すフィン形状の銅を選択した点以外は、実施例１と同様である。本実施例においても、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４５】
［実施例７］
本実施例においては、図２（ｃ）に示すように、熱伝導部材１７を、遮蔽部材１６の第二の窓１５から第一の窓２側に突出した部分の内周側に配置した。熱伝導部材１７で形成された通過孔２１の内壁に第二の窓１５をロウ付けにより接続した。遮蔽部材１６としてタングステンを選択し、熱伝導部材１７として銅を選択した。本実施例においても、実施例1と同様の結果が得られた。
【００４６】
［実施例８］
本実施例では、熱伝導部材１７として図３（ｂ）のフィン構造を有する銅を選択した点以外は、実施例７と同様である。本実施例においても、実施例1と同様の結果が得られた。
【００４７】
［実施例９］
次に、図４を用いて本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影装置について説明する。本実施例の放射線撮影装置は、放射線発生装置３０、放射線検出器３１、信号処理部３２、装置制御部３３及び表示部３４を備えている。放射線発生装置３０としては、例えば実施例１〜９の放射線発生装置が好適に用いられる。放射線検出器３１は信号処理部３２を介して装置制御部３３に接続され、装置制御部３３は表示部３４及び電圧制御部３に接続されている。放射線発生装置３０における処理は装置制御部３３によって統括制御される。装置制御部３３は、放射線発生装置３０と放射線検出器３１とを連携制御する。放射線発生装置３０から放出された放射線は、被検体３５を介して放射線検出器３１で検出され、被検体３５の放射線透過画像が撮影される。撮影された放射線透過画像は表示部３４に表示される。装置制御部３３は、放射線発生装置３０の駆動を制御し、電圧制御部３を介して放射線管１０に印加される電圧信号を制御する。本実施例の放射線撮影装置は、軽量で取扱い性能に優れ、良好な撮影を行うことができた。
【符号の説明】
【００４８】
１：外囲器、２：第一の窓、１０：放射線管、２１：放射線通過孔、１５：第二の窓、１６：放射線遮蔽部材、１７：熱伝導部材
【図１】
0006039282.tif 000002
【図２】
0006039282.tif 000003
【図３】
0006039282.tif 000004
【図４】
0006039282.tif 000005