(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧放電により、対陰極物質を蒸発させて対陰極物質からなるプラズマを生成し、このプラズマに衝突して生ずる制動放射Ｘ線をプラズマ中の対陰極物質に吸収させて特性Ｘ線を発生させるプラズマＸ線発生装置に使用するプラズマＸ線管において、
棒状の対陰極と、棒状の対陰極の外径より大きな内径を有する環状陰極とを有し、
上記環状陰極が、外径、内径及び材料の異なる複数の環状陰極部材を、対陰極に面する側から対陰極に面しない側に向かって順次内径が大きくなるように互いに嵌合してなり、かつ該環状陰極部材の外径が対陰極に面する側から対陰極に面しない側に向かって連続的に大きくなる形状を有しており、
上記棒状の対陰極と上記環状陰極の軸を一致させて、かつ所定の距離離して配設し、上記環状陰極の開口部からＸ線を取り出すことを特徴とする、プラズマＸ線管。
【請求項２】
前記対陰極に面する環状陰極部材がカーボン・グラファイトからなり、該カーボン・グラファイトからなる環状陰極部材以外の環状陰極部材が金属からなることを特徴とする、請求項１に記載プラズマＸ線管。
【請求項３】
放電トリガー電極を、前記環状陰極の内壁に沿って、かつ、前記環状陰極の内部に配設することを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマＸ線管。
【請求項４】
放電トリガー電極を、前記対陰極に面する環状陰極部材の側壁を貫通して設けた細孔内に配設することを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマＸ線管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧放電で対陰極材料を蒸発させてできるプラズマからＸ線を発生させるプラズマＸ線発生装置のプラズマＸ線管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、物体の内部で高速に動く物体の観測にフラッシュＸ線写真撮影法が使用されている。例えば、心臓の動的機能は、Ｘ線造影剤を血液中に混入し、特定の瞬間における心臓の形態をＸ線写真撮影することによって診断することができる。このような用途のＸ線源には、高エネルギー、高強度の単色Ｘ線源が必要である。
このように、高強度の単色Ｘ線は、医療上の様々な応用分野で期待されているが、Ｘ線レーザーやシンクロトロン放射などの線源しかなく、手軽にどこでも使用できるＸ線源はない。
【０００３】
レーザーは誘導放出光による光の増幅を意味する。レーザーの原理によりＸ線を得るには、高エネルギーパルスレーザーの線状照射による方法が一般的であるが、フォトンエネルギーが１０ｋｅＶあるいはそれ以上のレーザーを出力することは原理的に難しい。
また、レーザーとは異なるが、高強度の単色Ｘ線はシンクロトロンによって得られている。しかし、フォトンエネルギーが１００ｋｅＶ程度の単色Ｘ線を得ることは難しく、また十分なマシンタイムを得ることはできない。このことからシンクロトロンは医学や工学分野における基礎研究においては大変有用な線源であるが、医療上の汎用線源として手軽に利用することは困難である。
【０００４】
このような状況において、本発明者らは既に、高エネルギー、高強度、かつ、単色のＸ線を容易に発生させることができるプラズマＸ線発生源によるＸ線発生方法を提案している（ＳＰＩＥ  Ｃｏｎｆ（４４ｔｈ）  ’９９．７．１９）。この方法は、高電圧放電などにより、対陰極（ターゲット）物質を蒸発させて対陰極物質からなるプラズマを生成し、このプラズマに衝突して生ずる制動放射Ｘ線をプラズマ中の対陰極物質に吸収させて特性Ｘ線を発生させるものである。
【０００５】
この方法によれば、冷陰極から放出される電子がプラズマに衝突することによって生じる制動放射Ｘ線を特性Ｘ線の生成に使用するので、高電圧放電の放電電圧を高くすることによって、制動放射Ｘ線を特性Ｘ線の生成に必要なエネルギーに高めることができる。従って、容易に準単色Ｘ線である特性Ｘ線を生成することができる。また、高密度電流による高磁場によってプラズマ密度が高いので、高効率で特性Ｘ線を発生できる。また、プラズマの長軸方向に取り出すＸ線は、プラズマ中の伝搬距離が長いことから誘導放出効果が大きくなり特性Ｘ線の強度が高まると共に、吸収効果が大きくなり制動放射Ｘ線が減少し、従って、単色フィルター無しに高強度の特性Ｘ線を取り出すことができる。
このような構成のプラズマＸ線発生装置は、装置の構成が簡単であり、手軽に使用できる、高エネルギー、高強度の準単色Ｘ線源として、実用化が期待されている。
【０００６】
以下に、図５を用いて上記構成のプラズマＸ線発生装置を説明する。
図５はプラズマＸ線発生装置の原理を示す図である。
このＸ線発生装置５０は、高圧電源５１と、約２００ｎＦの容量の高圧コンデンサ５２と、真空ポンプ５３と、放電を開始させるトリガーパルス電源５４と、プラズマＸ線管５５とから構成される。
このＸ線発生装置５０の電流路は、電流密度を大きくするために、低インピーダンスの同軸伝送路に設計されている。高圧コンデンサ５２は約１００ｋＶまで充電が可能である。高圧コンデンサ５２に蓄積された電荷は陰極で放電を惹起すると、プラズマＸ線管５５に放電され、プラズマＸ線管５５でＸ線６２が発生する。
プラズマＸ線管５５は、トリガー電極を備えた棒状の陰極５６と、棒状または板状の特定の物質からなる対陰極（ターゲット）５７とを有し、対陰極５７は絶縁部材５８を介してステンレス製の真空容器５９に固定されている。真空容器５９は、ポリエチレン・テレフタレートからなるＸ線窓６０と、側壁に真空引き用の配管６１を備え、動作時には真空ポンプと接続して約１ｍＰａの真空度に保たれる。
【０００７】
このＸ線発生装置５０を動作させるには、高圧電源５１により高圧コンデンサ５２を所定の高圧Ｖに充電し、トリガーパルス電源５４によりトリガー電極にトリガーパルスを印加して放電を惹起する。放電が開始すると、陰極５６から電子が引き出されて加速され、ｅＶの運動エネルギーで対陰極５７に衝突する。この際、電子の電流密度及びエネルギーが極めて高いので、対陰極物質が瞬時に蒸発し、また高磁場が電流を取り巻いて発生するので、対陰極物質のイオンと電子からなる極めて高密度のプラズマ６２が形成される。引き続き到達する電子は高密度プラズマ６２に衝突し、制動Ｘ線を放射する。高圧Ｖを十分高くして電子に十分なエネルギーを与え、対陰極物質のＫ吸収端以上のエネルギーを有する制動Ｘ線を発生させる。制動Ｘ線は対陰極物質のＫ殻電子を励起して吸収される。Ｋ殻に生じた空席に他の殻から電子が遷移してＫα、Ｋβ等の特性Ｘ線を発生する。
【０００８】
プラズマ６２中を伝搬する特性Ｘ線は、誘導放出によってしだいにその強度を強める。また、プラズマ６２中を伝搬するＫ吸収端以下のエネルギーを有する制動Ｘ線は、プラズマ中のイオン化したターゲット物質の電子準位間遷移によって吸収されるので、しだいにその強度を弱める。
【０００９】
図６は、このプラズマＸ線発生装置において板状の対陰極を用いた場合に生成するプラズマの形状の軸方向（長手方向）と、横断方向（短手方向）のそれぞれのＸ線スペクトルの実測値を模式的に示したものである。
図６において、（ａ）は軸方向に、（ｂ）は横断方向に取り出したＸ線スペクトルである。（ａ）及び（ｂ）の横軸は、Ｘ線光子のエネルギーを示し、縦軸はＸ線強度を示し、２本の線スペクトルは、特性Ｘ線Ｋα、Ｋβである。
図６に示すように、軸方向７１のＸ線スペクトルは、横断方向７２に較べ、特性Ｘ線の強度が大きく、また、連続的なスペクトル分布を有する制動Ｘ線成分が少ない。このことから、軸方向７１に出射するＸ線を利用すれば、単色フィルターを使用しなくとも単色Ｘ線源として使用できることがわかる。
【００１０】
図７は、棒状の対陰極の材料にニッケルを用いたプラズマＸ線発生装置のＸ線を使用したレントゲン写真の例である。
棒状の対陰極材料にニッケルを用い、５０ｋＶの電圧で高圧コンデンサ５２を充電し、プラズマＸ線管５５から１．２ｍの距離で、ポリメチル・メタクリレートからなる被写体を撮影した。ポリメチル・メタクリレートからなる被写体は、直径が一定長さずつ大きくなる同一の厚み（５ｍｍ）の複数の円盤５枚を同心円状に積み重ねたものである。ポリメチル・メタクリレートは、ニッケルのＫα、Ｋβ特性Ｘ線を吸収し、他の波長のＸ線は透過する。
図７（ａ）は単色フィルターを使用しないで撮影した写真であり、図７（ｂ）はニッケル単色フィルターを通して撮影したレントゲン写真である。
図７（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ポリメチル・メタクリレートの厚みに依存したコントラスト像が得られており、単色フィルターを使用しなくとも単色Ｘ線によるレントゲン写真が得られることがわかる。
すなわち、このプラズマＸ線発生装置が発生するＸ線は、十分単色であることがわかる。
【００１１】
図８は、板状の対陰極材料にニッケルを用い、図７と同様の被写体を撮影したレントゲン写真である。
図８（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、板状の対陰極を用いた場合にも、このプラズマＸ線発生装置が発生するＸ線は、十分単色であることがわかる。
【００１２】
図９は、従来の固体ターゲットＸ線管によるレントゲン写真の例である。
従来の固体ターゲットＸ線管とは、陰極にフィラメントを有し、フィラメントを加熱して熱電子を放出し、熱電子を冷却された固体ターゲットに衝突させてＸ線を発生させるものである。ニッケルターゲットに連続して５０ｋＶの電圧を印加し、長時間照射して撮影した。
図９（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、単色フィルター無しでは、ポリメチル・メタクリレートの厚みに依存したコントラスト像が得られず、従来の固体ターゲットＸ線管によるＸ線は、特性Ｘ線以外に、連続的なスペクトル分布を有する制動Ｘ線を大量に放射することがわかる。
このように、プラズマＸ線発生装置は、極めて高強度の準特性Ｘ線を容易に発生することができるから、高強度の準特性Ｘ線の汎用Ｘ線源として期待されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、医療分野の汎用線源として使用するためには、改善すべき課題がある。
第１には、図７及び図８のレントゲン写真上の位置によって濃淡が異なる。すなわち、このプラズマＸ線発生装置の発生するＸ線は空間的に線量むらがある。医療に応用するためには線量むらをなくすことが必要がある。
第２には、応用分野をさらに広げるために、さらに高強度のプラズマＸ線発生装置が望ましい。
第３には、放電を惹起し易くし、装置の安全性及びコストを下げることが望ましい。
第４には、金属等からなる陰極では、繰り返し使用すると変形が起こり、寿命が短い。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑み、プラズマＸ線発生装置に使用する、線量むらのない、高強度の、放電が惹起しやすく、かつ、繰り返し使用できるプラズマＸ線管を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のプラズマＸ線管は、高電圧放電により、対陰極物質を蒸発させて対陰極物質からなるプラズマを生成し、このプラズマに衝突して生ずる制動放射Ｘ線をプラズマ中の対陰極物質に吸収させて特性Ｘ線を発生させるプラズマＸ線発生装置に使用するプラズマＸ線管において、
棒状の対陰極と、棒状の対陰極の外径より大きな内径を有する環状陰極とを有し、
上記環状陰極が、外径、内径及び材料の異なる複数の環状陰極部材を、対陰極に面する側から対陰極に面しない側に向かって順次内径が大きくなるように互いに嵌合してなり、かつ該環状陰極部材の外径が対陰極に面する側から対陰極に面しない側に向かって連続的に大きくなる形状を有しており、
上記棒状の対陰極と上記環状陰極の軸を一致させて、かつ所定の距離離して配設し、上記環状陰極の開口部からＸ線を取り出すことを特徴とする。
この構成によれば、Ｘ線取り出し方向にプラズマを消滅させる陰極が無いから、棒状の陰極を使用して放電した場合に比し、プラズマの陰極方向の長さがより長くなる。従って、取り出すＸ線のプラズマ中の伝搬距離が長くなり、誘導放出効果が大きくなるから準単色Ｘ線の強度が増加し、かつ、制動放射Ｘ線の吸収効果が大きくなるから取り出すＸ線の単色性が増加する。
さらにまた、対陰極の外径より大きな内径を有するから、プラズマの安定性が増大し、取り出すＸ線の空間的線量のばらつきが少なくなる。また、プラズマＸ線管のコストを下げることができる。
【００１６】
また、前記対陰極に面する環状陰極部材がカーボン・グラファイトからなり、該カーボン・グラファイトからなる環状陰極部材以外の環状陰極部材が金属からなることを特徴とする。この構成によれば、プラズマＸ線管のコストを下げることができる。
【００１７】
また、放電トリガー電極を、前記環状陰極の内壁に沿って、かつ、前記環状陰極の内部に配設することを特徴とする。
また、放電トリガー電極を、前記対陰極に面する環状陰極部材の側壁を貫通して設けた細孔内に配設することを特徴とする。
この構成によれば、放電トリガー電極が、取り出すＸ線を遮ることがなく、Ｘ線の空間的線量のばらつきが生じなく、高強度の特性Ｘ線が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマＸ線管の構成を模式的に示す図である。
図において、プラズマＸ線管１は、棒状の対陰極２と、棒状の対陰極２の外径より大きな内径を有する環状陰極３とを有しており、棒状の対陰極２と環状陰極３は、棒状の対陰極２と環状陰極３の軸４，４’を一致させて、かつ所定の距離ｄだけ離して配設されており、Ｘ線５は環状陰極３の開口部６から、軸４方向に取り出されるようになっている。
環状陰極３は、内径ａ及び外径ｂが対陰極２に面する側から対陰極２に面しない側に向かって連続的に大きくなる形状を有している。
放電トリガー電極７は、環状陰極３の内壁８に近接して、かつ内壁８に沿って、環状陰極３の内部に配設されており、もう一方の放電トリガー電極９は環状陰極３の一端に接続されている。
また、環状陰極３の材料は、カーボン・グラファイトである。環状陰極３の材料にカーボン・グラファイトを使用すれば、カーボン・グラファイトが高融点、高導電性結晶であるから、放電時の高密度の電流によっても環状陰極３が変形することが無く、繰り返し使用することができる。
なお、真空容器、Ｘ線窓、真空引き配管、等のプラズマＸ線管を構成する他の部材は、図５と同様であるので図示を省略する。
【００１９】
上記構成のプラズマＸ線管は、以下のように動作する。
トリガー電極７，９間にトリガー電圧を印加すると、放電トリガー電極７と環状陰極３の内壁８の間に高電界が発生し、内壁８近傍の気体が電離する。この電離がきっかけとなってプラズマＸ線管内の気体全部が電離し、環状陰極３から電子が、高電圧コンデンサに印加された電圧Ｖで加速され、対陰極２に衝突する。電子のエネルギー及び電流密度が十分高いので、対陰極２を構成する原子を瞬時に蒸発させ、対陰極２を構成する原子のイオンと電離された電子とからなるプラズマ１０を形成する。
図１に示したように、本発明の陰極は環状陰極３であるので、Ｘ線取り出し方向４にプラズマ１０を消滅させる低温熱源が無いから、棒状の陰極を使用した従来のプラズマに比し、プラズマ１０は軸４方向により長くなる。さらに、環状陰極３の内径ａは棒状の対陰極２の外径より大きいから、環状陰極３の近傍の電流成分には軸４に垂直な成分も存在し、この電流成分による磁場によって、軸４方向のローレンツ力が発生し、プラズマ１０は軸４方向により長くなる。
【００２０】
このようにしてプラズマ１０は軸４方向に伸びるので、取り出すＸ線５のプラズマ１０中の伝搬距離が長くなり、誘導放出効果が大きくなるから準単色Ｘ線の強度が増加し、かつ、制動放射Ｘ線の吸収効果が大きくなるから取り出すＸ線の単色性が増加する。
さらにまた、環状陰極３の内径ａは棒状の対陰極２の外径より大きいから、そして、環状陰極３の外径ｂが対陰極２に面する側から対陰極２に面しない側に向かって連続的に大きくなる形状を有しているから、プラズマ１０の安定性が増大し、取り出すＸ線の空間的線量ばらつきが少なくなる。
また、放電トリガー電極７は、環状陰極３の内壁８に近接して、かつ内壁８に沿って環状陰極３の内部に配設されているから、電界強度がより増大し、より低い印加電圧で放電を惹起できる。また放電トリガー電極７が、取り出すＸ線５を遮ることが無いので空間的線量ばらつきが少なくなる。
【００２１】
次に、第１の実施例を説明する。
図２は、本発明のプラズマＸ線管のＸ線強度、線量むら、トリガー容易性を従来のプラズマＸ線管と比較した図である。
図２において、（ａ）は板状対陰極及び棒状金属陰極からなる従来例のプラズマＸ線管であり、（ｂ）は棒状対陰極及び棒状金属陰極からなる従来例のプラズマＸ線管であり、（ｃ）は本発明のプラズマＸ線管である。
測定は、同一のプラズマＸ線装置を用い、同一の充電電圧５０ｋＶで行った。対陰極材料は全てニッケルを使用した。
なお、従来例のプラズマＸ線管のトリガー電極は、導体を絶縁管に挿通し、絶縁管を棒状陰極の中心に穿った細孔に挿通して構成されており、放電を惹起する導体露出部は、棒状陰極の対陰極に面する面内に配設されている。
図に示すように、本発明のプラズマＸ線管（ｃ）のＸ線強度は、板状対陰極及び棒状陰極からなる従来例のプラズマＸ線管（ａ）に較べて６倍、棒状対陰極及び棒状陰極からなる従来例のプラズマＸ線管（ｂ）に較べて２倍のＸ線強度を有する。
また、放電を惹起するトリガー電圧は、（ａ）及び（ｂ）の金属陰極を用いた従来例に較べ、半分以下に低下している。
【００２２】
図３は、本発明のプラズマＸ線管の空間的線量の均一性を示すレントゲン写真である。
レントゲン写真撮影は、図７における説明と同様に、本発明のプラズマＸ線管の棒状の対陰極２の材料にニッケルを用い、５０ｋＶの電圧で高圧コンデンサを充電し、プラズマＸ線管から１．２ｍの距離で、ポリメチル・メタクリレートからなる被写体を撮影した。ポリメチル・メタクリレートからなる被写体は、直径が一定長さずつ大きくなる同一の厚み（５ｍｍ）の複数の円盤５枚を同心円状に積み重ねたものである。ポリメチル・メタクリレートは、ニッケルのＫα、Ｋβ特性Ｘ線を吸収し、他の波長のＸ線は透過する。
図３から明らかなように、本発明のプラズマＸ線管の線量ばらつきはほとんど認められず、図７及び図８に示した従来例に較べ、著しく線量の空間的均一性が高いことがわかる。
【００２３】
次に、第２の実施例を説明する。
図４は第２の実施例の構成を示す断面図である。
図４において、環状陰極３は、カーボン・グラファイトからなる第１の環状陰極部材１１を、黄銅からなる第２の環状陰極部材１２に嵌合し、嵌合した第１，第２の環状陰極部材をステンレスからなる第３の環状陰極部材１３に嵌合して形成されている。
また、第１の環状陰極部材１１と黄銅からなる第２の環状陰極部材１２の外径は、対陰極２に面する側から対陰極に面しない側に向かって順次径が大きくなるように形成されている。
また、放電トリガー電極７は、対陰極に面する環状陰極部材１１の側壁を貫通して設けた細孔にセラミック管１４を介して配設されている。
カーボングラファイトは、切削加工により加工は容易であるが、他の物質との融着ができない。このため、カーボングラファイトからなる環状電極単体では、ステンレスからなる真空容器に固定することが難しく、コストが高くなる。
この構成によれば、カーボングラファイトからなる環状陰極部材１１を黄銅からなる第２の環状陰極部材１２に嵌合して固定することができ、第２の環状陰極部材１２をステンレスからなる第３の環状陰極部材１３に嵌合して固定することができ、ステンレスからなる第３の環状陰極部材１３はステンレスからなる真空容器に容易に融着して固定できる。従って、コストを低くできる。
【００２４】
なお、上記説明では、ニッケルからなる対陰極を例にとって説明したが、他の物質を対陰極材料とすることはもちろん可能であり、特に、原子番号の大きな材料を対陰極材料とし、適宜の高圧で放電すれば、より高エネルギーの特性Ｘ線源となることは明らかである。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、線量むらのない、高強度の、放電が惹起しやすい、かつ、繰り返し使用できるプラズマＸ線管を提供することができる。
従って、手軽に使用できる、高エネルギー、高強度の準単色Ｘ線を発生するプラズマＸ線発生装置のプラズマＸ線管として使用することができる。かくして、本発明によれば高強度の単色Ｘ線を必要とする医療分野で使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマＸ線管の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明のプラズマＸ線管のＸ線強度、線量むら、トリガー容易性を従来のプラズマＸ線管と比較した図である。
【図３】本発明のプラズマＸ線管の空間的線量均一性を示すレントゲン写真である。
【図４】第２の実施例の構成を示す断面図である。
【図５】プラズマＸ線発生装置の原理を示す図である。
【図６】プラズマＸ線発生装置において、板状の対陰極を用いた場合に生成するプラズマの形状の軸方向（長手方向）と、横断方向（短手方向）のそれぞれのＸ線スペクトルの実測値を模式的に示したものである。
【図７】棒状の対陰極の材料にニッケルを用いたプラズマＸ線発生装置のＸ線を使用したレントゲン写真の例である。
【図８】板状の対陰極材料にニッケルを用いたプラズマＸ線発生装置のＸ線を使用したレントゲン写真の例である。
【図９】従来の固体ターゲットＸ線管によるレントゲン写真の例である。
【符号の説明】
１      プラズマＸ線管
２      棒状対陰極
３      環状陰極
４      棒状対陰極の軸
４’    環状陰極の軸
５      取り出しＸ線
６      環状陰極の開口部
７      トリガー電極
８      環状陰極の内壁
９      トリガー電極
１０    プラズマ
１１    第１の環状陰極部材
１２    第２の環状陰極部材
１３    第３の環状陰極部材
１４    セラミック管
５０    プラズマＸ線発生装置
５１    高圧電源
５２    高圧コンデンサ
５３    真空ポンプ
５４    トリガーパルス電源
５５    プラズマＸ線管
５６    棒状陰極
５７    棒状対陰極
５８    絶縁部材
５９    真空容器
６０    Ｘ線窓
６１    真空引き配管
６２    プラズマ
６３    取り出しＸ線
７１    軸方向取り出しＸ線
７２    横断方向取り出しＸ線
７３    板状対陰極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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