(57)【要約】【課題】低エミッタンスの電子ビームを得ることができる電子銃を提供する。【解決手段】電子銃11は、カソード20、および電子銃本体22を備える。カソード20は、電子放出面28を有するカソードディスク24、カソードディスク24を支持するカソード支持筒26、および電子放出面28の中心軸28aに同軸となるようにカソード支持筒26に設けられたカソード取付部27を備える。電子銃本体22は、電子銃軸11aを中心として設けられているとともに電子放出面28の中心軸28aが電子銃軸11aに同軸となるようにカソード取付部27を嵌合するカソード嵌合部45を有する。【選択図】図１
2016131137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出面を有するカソード部、このカソード部を支持するカソード支持筒、および前記電子放出面の中心軸に同軸となるように前記カソード支持筒に設けられたカソード取付部を備えたカソードと、
電子銃軸を中心として設けられているとともに前記電子放出面の中心軸が前記電子銃軸に同軸となるように前記カソード取付部を嵌合するカソード嵌合部を有する電子銃本体と
を具備することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
グリッド面を有するグリッド部、および前記グリッド面の中心軸に同軸となるように前記グリッド面を支持するグリッド取付部を備えたグリッドを具備し、
前記電子銃本体は、前記電子銃軸を中心として設けられているとともに前記グリッド面の中心軸が前記電子銃軸に同軸となるように前記グリッド取付部を嵌合するグリッド嵌合部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の電子銃。
【請求項３】
前記電子銃本体は、前記電子銃軸を中心として設けられ、前記グリッド面の中心軸が線形加速器本体のウェネルト電極の中心軸に同軸となるように前記線形加速器本体に嵌合される電子銃取付部を有する
ことを特徴とする請求項２記載の電子銃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、線形加速器に用いられる電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーで大電流の電子ビームを発生する線形加速器の多くは、高周波加速を行うための空胴と電子銃を組み合わせて構成されている。数１０ＭｅＶ程度のエネルギーの電子ビームが得られる小型の線形加速器は、テーブルトップサイズの規模に収めることが可能となるため、放射線治療器で広く利用されており、また、ＧｅＶオーダまでのエネルギーの電子ビームが得られる大型の線形加速器は、放射光施設のシンクロトロン加速器の入射器として利用されている。
【０００３】
このようにサイズの差はあるが、線形加速器で共通して求められることは、低エミッタンス、すなわち拡がり（発散）の小さい良質の電子ビームを得ることであり、その良否は電子ビームを発生する元となる電子銃の特性、性能に大きく依存する。
【０００４】
一般的にある程度の大きな平均電流の電子ビームを発生するためには熱電子型の陰極（カソード）を用いた電子銃が用いられるが、さらに良質の電子ビームを得るためには電子放出能力だけでなく、陽極（アノード）電極を通って空胴へ入射する電子ビームの軌道のずれが小さいことが重要となる。それを達成するためには、カソード、アノード、そして空胴に至る電子ビームが通過する構成要素の幾何精度、すなわち真円、同軸、傾きなどが設計許容範囲に収められていることが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９７０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電子ビームの軌道にずれがある場合、所定の軌道を外れた電子ビームの成分は損失となり、線形加速器の構成要素が予想外に加熱して損傷に至ることがある。さらに、ＧｅＶオーダのエネルギーに加速した場合、γ（ガンマ）中性子の発生に伴って線形加速器の構成材料の放射化が問題となってくる。
【０００７】
しかも、空胴を通過してターゲットに入射する電子ビームのプロファイル（形状）が歪（いびつ）になり、それに伴ってターゲットから放射されるＸ線の空間強度分布も不均一なものとなる。放射線治療器用の線形加速器では、患部に照射するＸ線強度を正確に管理する必要があるため、不均一な空間分布のＸ線は適用条件を満たさない場合がある。
【０００８】
以上のような不具合な事象は、空胴のアライメントがずれでいる場合に発生することもありうるが、それは空胴部品を接合する工程の中の不具合によるもので、きわめて偶発的なものである。多くの場合、電子銃内でグリッドに対するカソードの位置ずれが大きいことで生じやすくなっている。
【０００９】
一般的な電子銃の構造を考慮すると、カソードが電子銃の主軸に対して良好な同軸度、真直度を維持しにくいものとなっているため、この部分が上記の不具合を引き起こす最も大きな要因となるものと考えられる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる電子銃を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本実施形態の電子銃は、カソード、および電子銃本体を備える。カソードは、電子放出面を有するカソード部、カソード部を支持するカソード支持筒、および電子放出面の中心軸に同軸となるようにカソード支持筒に設けられたカソード取付部を備える。電子銃本体は、電子銃軸を中心として設けられているとともに電子放出面の中心軸が電子銃軸に同軸となるようにカソード取付部を嵌合するカソード嵌合部を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態を示す電子銃の断面図である。
【図２】同上電子銃の分解状態の断面図である。
【図３】同上電子銃を電子銃本体に装着した断面図である。
【図４】同上電子銃および電子銃本体の分解状態の断面図である。
【図５】同上電子銃を用いた線形加速器の断面図である。
【図６】同上電子銃を線形加速器本体から外した線形加速器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、一実施形態を、図１ないし図６を参照して説明する。
【００１４】
図５に線形加速器10を示す。図５に示す線形加速器10は、一般的な治療用小型線形加速器である。線形加速器10は、電子銃（線形加速器用電子銃）11、線形加速器本体12、および集束コイル13等を備えている。
【００１５】
そして、図１および図２に示すように、電子銃11は、カソード20、グリッド21、および電子銃本体22を備えている。これらカソード20、グリッド21、および電子銃本体22は、電子銃11の中心軸である電子銃軸（主軸）11aを中心として組み上げられている。
【００１６】
カソード20は、熱カソードであり、電子放出源（エミッッタ）を含浸させたカソード部としてのカソードディスク24、カソードディスク24を加熱するためのヒータ25、一端にカソードディスク24を支持するカソード支持筒26、およびカソード支持筒26の他端に設けられたカソード取付部27を有している。
【００１７】
カソードディスク24は、円板状で、線形加速器本体12に対向する面に平面状の電子放出面28が形成されている。電子放出面28の中心をその電子放出面28に対して垂直に通る仮想線を電子放出面28の中心軸28aとする。
【００１８】
カソード支持筒26は、カソード支持筒26の中心軸が電子放出面28の中心軸28aに同軸となるようにカソードディスク24に取り付けられている。カソード支持筒26は、カソードディスク24からの熱伝導損失を抑えるため、Ｔａ等の材質の薄板によって筒状に形成されている。
【００１９】
カソード取付部27は、リング状に形成されており、カソード取付部27の中心軸が電子放出面28の中心軸28aに同軸となるようにカソード支持筒26に取り付けられている。カソード取付部27は、電子放出面28に対して反対側で電子放出面28に平行となる端面27a、および電子放出面28の中心軸28aに同軸かつ平行な外周面27bを有している。
【００２０】
また、グリッド21は、グリッド面30を有するグリッド部31、およびグリッド部31を支持する剛性の高いグリッドキャップ32を備えている。
【００２１】
グリッド部31のグリッド面30は、カソード20の電子放出面28から電子を引き出すための電界を形成する薄いメッシュ状に形成されている。グリッド面30の中心をそのグリッド面30に対して垂直に通る仮想線をグリッド面30の中心軸30aとする。
【００２２】
グリッドキャップ32は、グリッド支持筒33およびグリッド取付部34を有している。グリッド支持筒33は円筒状に形成され、グリッド支持筒33の一端にグリッド部31を支持し、グリッド取付部34はグリッド支持筒33の他端周面から外径方向に突設されている。グリッド取付部34は、グリッド面30の中心軸30aに同軸となるようにグリッド支持筒33を介してグリッド部31に取り付けられている。グリッド取付部34は、グリッド面30に対して反対側でグリッド面30に平行となる端面34a、およびグリッド面30の中心軸30aに同軸かつ平行な外周面34bを有している。
【００２３】
また、電子銃本体22は、カソード20を支持するカソード支持体36、ヒータ25に電気的に接続されるヒータ接続部37、および線形加速器本体12に取り付けるための電子銃フランジ38を有している。
【００２４】
線形加速器本体12に対向する電子銃フランジ38の一端面に対して反対側の他端面に取付部材39、絶縁筒40およびグリッド端子41が順に取り付けられ、グリッド端子41によってカソード支持体36が支持されている。さらに、カソード支持体36に取付部材42、絶縁筒43およびヒータ端子44が順に取り付けられ、ヒータ端子44によってヒータ接続部37が支持されている。したがって、電子銃フランジ38に対してカソード支持体36およびヒータ接続部37が一体的に固定され、カソード支持体36、ヒータ接続部37および電子銃フランジ38が電子銃軸11aを中心として同軸に配置されている。
【００２５】
カソード支持体36は、円筒状に形成され、線形加速器本体12に対向する側にカソード20のカソード取付部27を嵌合するカソード嵌合部45が形成されている。カソード嵌合部45は、凹状に形成されており、その内側端面にカソード取付部27の端面27aが接合する端面45aを有するとともに、その内側周面にカソード取付部27の外周面27bが嵌合する内周面45bを有している。端面45aは電子銃軸11aに直交する平面に設けられている。内周面45bは電子銃軸11aに同軸でかつ平行な曲面に設けられている。そして、カソード支持体36のカソード嵌合部45にカソード20のカソード取付部27を嵌合することにより、電子銃軸11aに電子放出面28の中心軸28aが同軸かつ平行に配置され、この状態でカソード支持体36にカソード20が固定されている。
【００２６】
ヒータ接続部37は、カソード支持体36の内側に挿通されている。
【００２７】
電子銃フランジ38は、例えばＩＣＦフランジであり、中央に開口部46を有する円板状に形成されている。電子銃フランジ38の開口部46に、カソード支持体36、ヒータ接続部37およびカソード20が挿通されている。
【００２８】
線形加速器本体12に対向する電子銃フランジ38の一端面でかつ開口部46の周辺部に、グリッド21のグリッド取付部34を嵌合するグリッド嵌合部47が形成されている。グリッド嵌合部47は、凹状に形成されており、その内側端面にグリッド取付部34の端面34aが接合する端面47aを有するとともに、その内側周面にグリッド取付部34の外周面34bが嵌合する内周面47bを有している。端面47aは電子銃軸11aに直交する平面に設けられている。内周面47bは電子銃軸11aに同軸でかつ平行な曲面に設けられている。そして、電子銃フランジ38（電子銃本体22）のグリッド嵌合部47にグリッド21のグリッド取付部34を嵌合することにより、電子銃軸11aにグリッド面30の中心軸30aが同軸かつ平行に配置され、この状態で電子銃フランジ38（電子銃本体22）にグリッド21が固定されている。
【００２９】
線形加速器本体12に対向する電子銃フランジ38の一端面に、線形加速器本体12に嵌合される電子銃取付部48が形成されている。電子銃取付部48は、線形加速器本体12の一端面でグリッド嵌合部47の周辺部から円筒状に突設されている。電子銃取付部48の外周面48bは、電子銃軸11aを中心として同軸に設けられている。
【００３０】
電子銃フランジ38の周辺部には、ボルトを挿通して線形加速器本体12に固定するための複数の取付孔が形成されている。
【００３１】
電子銃フランジ38は、電子銃軸11aが線形加速器本体12の中心軸12aと同軸となるように線形加速器本体12に複数のボルトによって固定される。電子銃フランジ38の周辺部には、ボルトが挿通される複数の挿通孔38aが形成されている。
【００３２】
次に、図５に示すように、線形加速器本体12は、空胴50を有し、電子銃11に対向する空胴50の一端にアノード51、絶縁筒52およびウェネルト53が順に配設され、空胴50の他端にターゲット54が配設されている。これら空胴50、アノード51、絶縁筒52、ウェネルト53およびターゲット54は、線形加速器本体12（線形加速器10）の中心軸12aを中心として組み上げられている。
【００３３】
空胴50には、電子銃11からターゲット54へ向けて進行する電子ビームＥの進行方向に沿って複数の空胴部55が形成されている。空胴部55には、高周波を入力する入力部56が設けられている。
【００３４】
アノード51の中心には電子ビームＥが通過する開口が形成されている。
【００３５】
図３および図４に示すように、ウェネルト53は、ウェネルト電極57、およびウェネルト電極57を支持して絶縁筒52に取り付けられるウェネルトフランジ58を有している。
【００３６】
ウェネルト電極57は、中心に開口部59を有する円板状に形成されている。ウェネルト電極57の開口部59の内径はグリッド21のグリッド支持筒33の外径よりも大きく、ウェネルト電極57の開口部59にグリッド21が挿通配置されている。ウェネルト電極57の開口部59の中心をその開口部59に対して垂直に通る仮想線を中心軸57aとする。ウェネルト電極57の中心軸57aは線形加速器本体12の中心線12aと同軸になるように設けられている。
【００３７】
ウェネルトフランジ58は、例えばＩＣＦフランジであり、中心に開口部60を有する円板状に形成されている。電子銃11とは反対側となるウェネルトフランジ58の一端面には、開口部60よりも内径側に突出するようにウェネルト電極57が取り付けられている。電子銃11に対向するウェネルトフランジ58の他端面には、電子銃11の電子銃取付部48が嵌合される電子銃嵌合部61が形成されている。電子銃嵌合部61は、凹状に形成されており、その内側周面に電子錠取付部48の外周面48bが嵌合する内周面61bを有している。内周面61bはウェネルト電極57の中心軸57aに同軸かつ平行に設けられている。
【００３８】
ウェネルトフランジ58には、電子銃11の電子銃フランジ38が複数のボルトによって締め付け固定される。ウェネルトフランジ58には、ボルトが螺合する複数の取付孔58aが形成されている。ウェネルトフランジ58と電子銃フランジ38との間にはリング状の金属パッキン62が介在されている。
【００３９】
そして、線形加速器10は、電子銃11が備えるカソード20をヒータ25により加熱し、カソード20とグリッド21との間に引出し電圧を印加することにより、カソード20から電子が引き出され、さらに、引き出された電子がアノード51に向かって加速され、電子ビームＥが形成される。このとき、グリッド21およびウェネルト53は、同電位であり、アノード51に対して負の高電圧が印加される。
【００４０】
グリッド21を通過する電子ビームＥは、アノード51および空胴50を通過するときに集束コイル13で形成される磁場によって集束作用を受けながら加速され、所定のエネルギーの電子ビームＥとなってターゲット54に入射する。電子ビームＥがターゲット54に入射することにより、ターゲット54からＸ線が放射される。
【００４１】
一般的な電子銃11の構造では、カソード取付部27を用いず、カソード支持体36にカソード支持筒26を直接接続するものがほとんどであるが、カソード支持筒26は構造上変形しやすく、接続の際に位置ずれ等が生じやすいため、電子銃11の電子銃軸11aに対してカソード20の良好な同軸度、真直度を維持しにくいものとなっていた。例えば、実際の既製品の電子銃を観察すると、カソードがグリッドに対して１〜２ｍｍの中心軸のずれているものもある。
【００４２】
それに対して、本実施形態では、カソード20のカソードディスク24、ヒータ25、カソード支持筒26およびカソード取付部27を一体化したものとし、電子放出面28の中心軸28aを中心としてカソードディスク24からカソード取付部27までが良好な同軸度と平行度を有するように組み上げられている。
【００４３】
さらに、電子銃本体22（カソード支持体36）に、カソード20のカソード取付部27を嵌合するカソード嵌合部45を形成している。このカソード嵌合部45は、電子銃軸11aを中心として良好な同軸度と平行度を有している。
【００４４】
そのため、図２中に示す嵌合面Ａで、カソード20のカソード取付部27をカソード嵌合部45に合わせて嵌合して接続することにより、カソード20を電子銃11の電子銃軸11aに対して良好な同軸度と真直度を維持して装着、組み立てができる。
【００４５】
また、グリッド21も、上述したカソード20と同様に、グリッドカップについては、メッシュ電極面と対向する下面を同軸度と平行度を維持するように製作されている。
【００４６】
さらに、電子銃本体22（電子銃フランジ38）に、グリッド21のグリッド取付部34を嵌合するグリッド嵌合部47を形成している。このグリッド嵌合部47は、電子銃軸11aを中心として良好な同軸度と平行度を有している。
【００４７】
そのため、図２中に示す接合面Ｂで、グリッド21のグリッド取付部34をグリッド嵌合部47に合わせて嵌合して接続することにより、グリッド21を電子銃11の電子銃軸11aに対して良好な同軸度と真直度を維持して装着、組み立てができる。
【００４８】
したがって、カソード20、グリッド21および電子銃本体22が電子銃軸11aに対して良好な同軸度と真直度を維持した電子銃11を提供することができる。
【００４９】
また、図３ないし図５に示すように、線形加速器本体12が備えるウェネルト53のウェネルトフランジ58に電子銃11を装着する。
【００５０】
一般的な電子銃11の構造では、ウェネルト電極57の開口部59に電子銃11のグリッド21を差し込みながら装着する構成となっており、ウェネルト電極57とグリッド21の同軸度は両者の隙間に依存したものとなっている。そのため、十分な同軸度を得ようとすると、この隙間を小さくする必要があり、それによって電子銃11の装着時にグリッド21をウェネルト電極57にぶつけて傷付けることがあり、場合によってはグリッド21やウェネルト電極57を変形させてしまうことが懸念されていた。
【００５１】
本実施形態では、図４中に示す嵌合面Ｃで、電子銃フランジ38の電子銃取付部48をウェネルト53の電子銃嵌合部61に合わせて嵌合することにより、電子銃11を線形加速器本体12に対して良好な同軸度と真直度を維持して装着、組み立てができる。
【００５２】
このとき、電子銃フランジ38の電子銃取付部48は、グリッド21の先端がウェネルト電極57の開口部59に入る前にウェネルト53の電子銃嵌合部61に嵌合するような長さに設定しておくことにより、電子銃取付部48と電子銃嵌合部61との嵌合部分がガイドとなってグリッド21をウェネルト電極57にぶつけることなく装着することが可能となる。
【００５３】
以上のように、電子銃11のカソード20とグリッド21のアライメントを正確なものとし、加えて、電子銃11を線形加速器本体12に装着するときにも確実に同軸度を保障しながら装着できる電子銃11を提供することが可能となる。
【００５４】
そのため、低エミッタンスの電子ビームＥを得ることができる電子銃11および線形加速器10を提供できる。
【００５５】
なお、電子銃11内でカソード20とグリッド21に調整機構を付加することで同様の機能を得ることも可能であるが、構造が複雑になり、部品点数も増加するので、かなり高価なものとなると予想されるが、本実施形態の電子銃11は部品点数の増加も最小限で、組み立ての煩雑さも増加することはない。
【００５６】
また、線形加速器10の電子銃11は、有寿命品であるため、一定時間の運転がなされた後、新品のものと交換することが必要となってくる。電子銃11を交換する場合は、まず、図６に示すように、集束コイル13を線形加速器本体12から取り外した体系とし、その後、電子銃11をウェネルト53から取り外す。また、新しい電子銃11の電子銃フランジ38を金属パッキン62を介してウェネルト53に取り付け、その後、集束コイル13を線形加速器本体12に装着する。そして、新しい電子銃11を線形加速器本体12に対して良好な同軸度と真直度を維持して装着、組み立てができる。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
11    電子銃
11a   電子銃軸
12    線形加速器本体
20    カソード
21    グリッド
22    電子銃本体
24    カソード部としてのカソードディスク
26    カソード支持筒
27    カソード取付部
28    電子放出面
28a   中心軸
30    グリッド面
30a   中心軸
31    グリッド部
34    グリッド取付部
45    カソード嵌合部
47    グリッド嵌合部
48    電子銃取付部
57    ウェネルト電極
57a   中心軸
【図１】
2016131137.tif 000003
【図２】
2016131137.tif 000004
【図３】
2016131137.tif 000005
【図４】
2016131137.tif 000006
【図５】
2016131137.tif 000007
【図６】
2016131137.tif 000008