JP2006086001A

JP2006086001A - Ｘ線管装置

Info

Publication number: JP2006086001A
Application number: JP2004269003A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Yoshizawa; 辰也吉澤; Hiroo Yagi; 寛朗八木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】集束電極サイズを大型化せずに済みかつどの焦点サイズでも焦点形状が変わらないようにして焦点サイズを可変する。
【解決手段】絶縁ブロック１１の溝１２の底面に絶縁固定された３つの電極１３〜１５は相似的な外形となっており、同心状に配置されており、その表面にはカーボンナノチューブ群が形成されていて、これらの前面にはゲート１６が配置される。絶縁ブロック１１の上には、その溝１２に対応した溝（空洞部）を有する集束電極１７が取り付けられる。電極１３〜１５には切換器２１〜２３により負電位が選択的に与えられ、電極からゲート１６に対して負となった電極より電子が放出され、ゲート１６を通過し、集束電極１７により集束されてアノードへと向かう。電極１３〜１５の外形は相似的なものとなっているので、電子放出面は大きさのみが変わり、相似的な形状を維持し、Ｘ線焦点も同様に相似的な形状を維持しながら大きさのみが変わる。
【選択図】図１

Description

この発明は、医療診断、工業検査等に使用されるＸ線管装置に関し、とくにＸ線焦点サイズを切り換えることができる可変焦点型のＸ線管装置に関する。

可変焦点型Ｘ線管装置として、従来、フィラメントとは絶縁された集束電極に印加する負のバイアス電圧を変化させることにより、フィラメントから発生させられる熱電子の集束効果を変え、これによって熱電子がアノードのターゲット面へ衝突する面積（焦点面積）の大きさを変えるようにしたものが一般に知られている。ところが、このタイプのＸ線管装置では焦点サイズの変化度合いは小さく、焦点サイズを大きく変化させることができない。

そこで、たとえば下記特許文献１に示されたような、大きさの違う複数のフィラメントを切り換え使用することにより焦点サイズを切り換えるようにしたＸ線管装置が出現している。このＸ線管装置では、集束電極に複数の溝を設けてその各々に大きさの違う複数のフィラメントをそれぞれ配置してカソードを構成し、これら複数のフィラメントをスイッチ等で切り換えるとともに集束電極に加えるバイアス電圧を変化させて、複数サイズの焦点を選択している。しかし、このタイプのＸ線管装置にあっても、複数のフィラメントと集束溝とを一つの集束電極に設けるため、集束電極自体が大きくなったり、焦点形状が歪んだものとなるという問題がある。
特開平６−２５１７３３号公報

一方、たとえば下記の非特許文献１に示すようにカーボンナノチューブを電子源としたＸ線管の実現に向けた研究がなされている。このＸ線管は、従来のフィラメントからの熱電子放出の代わりに、カーボンナノチューブ先端からの電界電子放出を利用して電子源を形成し、この電子源からの電子線をターゲットに照射してＸ線を取り出そうというものである。
奥山文雄「カーボンナノチューブを電子源とするＸ線管」日本放射線技術学会雑誌58巻3号309頁（2002年3月）。

この発明の課題は、カーボンナノチューブを電子源としたＸ線管についての研究をさらに発展させ、カーボンナノチューブ電子源の特質に着目して、集束電極サイズを大型化せずに済みかつどの焦点サイズでも焦点形状が変わらず焦点形状の歪が発生しないようにできる、可変焦点型のＸ線管装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、この発明によるＸ線管装置においては、１つの溝を有する集束電極と、該集束電極の溝内に同心状に配置された、導電性金属基板上に形成されたカーボンナノチューブ群よりなる複数電極と、該複数電極の前面に配置される電子引き出し用ゲートとを含むカソードを有し、上記の複数電極をアノードのターゲット面に対向させるとともに、上記の複数電極に対し選択的に、上記のゲートよりも負の電圧を加える切換器を有することが特徴となっている。

複数電極にはゲートに対して負の電圧が選択的に加えられ、その負となった電極のカーボンナノチューブ群より電界電子放出（ field emission: FE ）が起こり、その放出された電子がゲートを通過し、集束電極の１つの溝内からアノードのターゲット面へと向かう。このアノードへ向かう電子流の断面形状は電極形状および集束電極の溝形状に対応したものとなるが、複数の電極はすべてたとえば相似的な矩形状となっていて同心状に配置されておりかつ同じ溝から放出されるので、内側の電極のみ負とした場合と、内側と外側の電極を同時に負とした場合とで、相似的な矩形の形状で大きさのみが違う断面形状の電子流が形成される。そのため、負の電圧を加える電極を切り換えることにより、相似的な形状で大きさのみが異なるＸ線焦点を選択できる。選択したＸ線焦点により焦点形状が歪むということもない。

つぎに、この発明を実施したＸ線管装置について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施例にかかるＸ線管装置のカソード部分のみを模式的に示す断面図である。各部の位置関係を明示するための図２の分解斜視図をも参照しながら説明すると、セラミック等からなる絶縁ブロック１１に設けられた細長い矩形状（長方形）の溝１２の底面には３つの電極、第１電極１３、第２電極１４および第３電極１５が配置されている。これらの電極１３〜１５の外形は矩形（ここでは長方形）となっており、間隙を空けて同心状に配置されている。電極１３〜１５は、導電性金属基板と、その表面に形成されたカーボンナノチューブ群とからなり、それらの外形サイズは、たとえば１×８、２×１１、３×１５（単位はｍｍ）となっている。

電極１３〜１５の前面にはメッシュ状の導電性金属よりなるゲート１６が配置される。そして絶縁ブロック１１の溝１２に対応した溝（空洞部）を有する集束電極１７が、この絶縁ブロック１１上に取り付けられる。

こうして形成されたカソード１０は、Ｘ線管のガラスチューブ等の外囲器に収納され、アノードのターゲット面に対向させられる。なおアノードやガラスチューブ等の外囲器については通常のものでよく、本発明によって新たな工夫が加えられるというものではないので、図示せずかつこれ以上の説明は省略する（必要ならば上記特許文献１を参照）。

そして、電極１３〜１５、ゲート１６および集束電極１７は、互いに絶縁された状態で絶縁ブロック１１に固定され、それぞれにはリード線が接続されている。これらのリード線はガラスチューブ等の外囲器の外部に引き出され、バイアス電圧が加えられるようになっている。第１、第２、第３の電極１３〜１５には切換器（スイッチ）２１、２２、２３を介して選択的にバイアス電圧が加えられる。これら電極１３〜１５の各々に加えるバイアス電圧は、切換器２１〜２３によってゲート１６の電位に対して同電位か負電位かに切り換えることができる。負電位となった電極のカーボンナノチューブ群から電子が引き出されるので、第１電極１３のみ負電位とすればこの電極１３からのみ電子が放出され、第１電極１３と第２電極１４だけを負電位とすれば電極１３と電極１４とから電子が放出され、第１〜第３電極１３〜１５のすべてを負電位とすれば、これら電極１３〜１５の全体から電子が放出される。

電極１３〜１５から放出された電子はメッシュ状のゲート１６を通過し、集束電極１７の溝（空洞部）を通って、正の高電位とされたアノードへと向かう。集束電極１７にはゲート１６の電位に対して負の電位とされており、さらにその負電位は可変できるようになっている。このように負電位にバイアスされた集束電極１７の溝（空洞部）を通って電子が流れるため、電子流は集束され、その断面が小さなものとなる。負のバイアス電位を可変としたことにより、その集束度が調整でき、電子流断面の大きさを制御できる。なお、電極１３〜１５に加える負のバイアス電圧も可変としているが、これは電子流密度を調整するためである。

上記の電極１３〜１５への選択的バイアス電圧印加と集束電極１７による集束制御とにより、第１電極１３からのみ電子を放出させたとき、たとえば0.1〜0.4ｍｍの範囲で調整可能な小さなＸ線焦点を得ることができ、第１電極１３と第２電極１４から電子を放出させたとき、たとえば0.5〜1.0ｍｍの範囲で可変できるＸ線焦点を得ることができ、また第１〜第３電極１３〜１５のすべてより電子を放出させて、たとえば1.1〜1.5ｍｍの範囲で調整できる大きなＸ線焦点を得ることができる。

この場合、第１〜第３電極１３〜１５は、すべて相似的な外形となっており、しかも同じ集束電極１７の溝（空洞部）を通って絞られるので、どのような断面サイズの電子流でも、その電子流断面形状は相似的なものとなる。したがって、この電子流がアノードのターゲットに衝突して作るＸ線焦点（衝突領域）の形状も、大きさのみが異なるだけで、同じものとなり、Ｘ線焦点形状に歪みが生じることもない。

さらに、同じ集束電極１７の溝から電子を放出するので、集束電極に複数の溝を設ける必要がなくなり、集束電極１７を小さくできるとともに、カソード１０の全体のサイズも小さくできる。カソード１０を小さくできることは耐圧上有利であることを意味している。電子は電極１３〜１５の平坦な表面に形成されたカーボンナノチューブ群から生じるので、電子流密度は均一であり、Ｘ線焦点における強度分布も一様なものとなる。また、フィラメントを用いていないことから、フィラメント加熱回路は不要となり、制御機構を簡単なものとすることができる。

なお、本発明はこの実施例に限定されることなく、具体的な構造などは種々に構成できることはもちろんである。たとえば絶縁ブロック１１上に電極１３〜１５、ゲート１６および集束電極１７を取り付けるようにしているが、これらの電極は相互に絶縁された状態で固定されればよいので、導電性金属ブロックに溝を設けて、その溝内に電極１３〜１５、ゲート１６を絶縁固定し、この金属ブロックの全体を集束電極とする（つまり絶縁ブロック１１の部分をも金属で形成し集束電極１７と一体とする）こともできる。また上記では３つの電極１３〜１５を設けているが、３つに限らず、２つまたは４つ以上とすることも可能である。また電極１３〜１５の外形は矩形としたが、矩形である必要はなく、外形は、所望の焦点形状に合致したものとするこができ、複数の電極の外形が相似的な形状となっていて同心状に配置されるものであればよい。

この発明の可変焦点型のＸ線管装置によれば、カーボンナノチューブでの電界電子放出の性質に着目することにより、カーボンナノチューブへのバイアス電圧制御で一つの集束溝からアノードのターゲット面へ向かう電子流断面形状を調整することができるため、集束電極サイズを大型化せずに済みカソード全体の大きさを小さくでき、耐圧上有利に構成可能であるとともに、どの焦点サイズでも焦点形状が変わらず焦点形状の歪が発生しないようにできる。

この発明の一実施例にかかる可変焦点型Ｘ線管装置のカソード部分を示す模式的な断面図。同実施例にかかるカソード部分の分解斜視図。

符号の説明

１０…………………………カソード
１１…………………………絶縁ブロック
１２…………………………溝
１３…………………………第１電極
１４…………………………第２電極
１５…………………………第３電極
１６…………………………ゲート
１７…………………………集束電極
２１、２２、２３…………切換器

Claims

１つの溝を有する集束電極と、該集束電極の溝内に同心状に配置された、導電性金属基板上に形成されたカーボンナノチューブ群よりなる複数電極と、該複数電極の前面に配置される電子引き出し用ゲートとを含むカソードを有し、上記の複数電極をアノードのターゲット面に対向させるとともに、上記の複数電極に対し選択的に、上記のゲートよりも負の電圧を加える切換器を有することを特徴とするＸ線管装置。