Ｘ線照射装置および高周波電力生成ユニット
【課題】製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することが可能なＸ線照射装置および高周波電力生成ユニットの提供。
【解決手段】Ｘ線照射装置１００は、高周波電力を生成する高周波電力生成ユニット１１２と、電子線を放出する電子銃１１０と、高周波電力生成ユニット１１２による高周波電力の供給を受けて、電子銃１１０から放出された電子線を加速する加速器１１８と、加速器１１８で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部１２０と、を備え、高周波電力生成ユニット１１２は、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源１１２ａと、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器１１２ｃと、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器１１２ｂと、を備える。
【解決手段】Ｘ線照射装置１００は、高周波電力を生成する高周波電力生成ユニット１１２と、電子線を放出する電子銃１１０と、高周波電力生成ユニット１１２による高周波電力の供給を受けて、電子銃１１０から放出された電子線を加速する加速器１１８と、加速器１１８で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部１２０と、を備え、高周波電力生成ユニット１１２は、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源１１２ａと、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器１１２ｃと、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器１１２ｂと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置、および、それを構成する高周波電力生成ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｘ線照射装置は、医療分野において体内の様子を把握したり、空港における手荷物や貨物車の貨物内容等を検出したり、様々な分野で利用されている。このようなＸ線照射装置では、Ｘ線を被照射物に照射し、被照射物を透過したＸ線の線量によって被照射物の内部の様子を検出することができる。
【０００３】
Ｘ線照射装置では、電子エネルギーを変化させることで異種エネルギーのＸ線を発生させることができ、かかる異種エネルギーによって被照射物の詳細な材料識別が可能となる。しかし、材料識別を行うためには、短時間かつほぼ同時に異種エネルギーのＸ線を被照射物に照射しなければならない。そこで、加速器に２つのマイクロ波源を接続し、その２つのマイクロ波源を交互に発振させることで２種の電子エネルギーを連続的に生成する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１８０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、複数の異種エネルギーのＸ線が必要な場合、異種エネルギーに相当する複数のマイクロ波源やクライストロン等の高周波電力生成ユニットを準備しなくてはならず、製造および維持コストの増大や占有体積の増大といった問題が生じていた。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、高周波電力生成ユニットを簡易かつ安価に構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することが可能なＸ線照射装置および高周波電力生成ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のＸ線照射装置は、高周波電力を生成する高周波電力生成ユニットと、電子線を放出する電子銃と、高周波電力生成ユニットによる高周波電力の供給を受けて、電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、加速器で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部と、を備えるＸ線照射装置であって、高周波電力生成ユニットは、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
信号発生器は、電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、パルス信号に従って、複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部と、を備えてもよい。
【０００９】
上記課題を解決するために、被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置に高周波電力を供給する、本発明の高周波電力生成ユニットは、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、パルス信号に従って、複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部とを有し、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高周波電力生成ユニットを簡易かつ安価に構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】Ｘ線照射システムの構成を説明するための概略的なブロック図である。
【図２】加速器の動作原理を説明するための説明図である。
【図３】高周波電力生成ユニットの構成を説明するための説明図である。
【図４】信号発生器の構成を説明するための説明図である。
【図５】信号発生器における各ノードの電力を示した説明図である。
【図６】ドライブ電力と出力電力との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
（Ｘ線照射システム１）
図１は、Ｘ線照射システム１の構成を説明するための概略的なブロック図である。本実施形態におけるＸ線照射システム１は、Ｘ線を照射するＸ線照射装置１００と、当該Ｘ線照射装置１００から照射され、さらに被照射物Ｗを透過したＸ線を受けるＸ線カメラユニット２００とを含んで構成される。
【００１４】
Ｘ線照射システム１は、医療分野のみならず、空港における手荷物や貨物車の貨物内容の検出といった、様々な分野で利用されるようになってきた。特に貨物車の貨物内容の検出では、貨物車の進行方向に水平面上で垂直な方向および鉛直方向の２方向にＸ線照射システム１を設け、２面から、その内容物を検出するといった具合に、詳細な検査が為されている。本実施形態におけるＸ線照射システム１では、高周波電力生成ユニットの構成を工夫することで、Ｘ線照射システム１全体の製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することを目的としている。ここでは、まず、前提となるＸ線照射システム１のＸ線照射装置１００およびＸ線カメラユニット２００の具体的な構成を簡単に述べ、その後、上記高周波電力生成ユニットについて詳細に説明する。
【００１５】
（Ｘ線照射装置１００）
図１に示すように、Ｘ線照射装置１００は、電子銃１１０と、高周波電力生成ユニット１１２と、導波管１１４と、プリバンチャ１１６と、加速器１１８と、Ｘ線変換部１２０とを備えて構成されている。なお、電子銃１１０、プリバンチャ１１６、加速器１１８は、内部空間（真空室）が連続しており、この内部空間は、イオンポンプ等の真空ポンプで高真空状態から超高真空状態（例えば、１０Ｅ−５Ｐａ以下）に維持される。Ｘ線照射装置１００において、電子銃１１０から放出された熱電子は、プリバンチャ１１６、加速器１１８で加速され、Ｘ線変換部１２０を通過し、Ｘ線として被照射物Ｗに向かって図１中Ｘ軸方向に照射される。以下、Ｘ線照射装置１００の各機能部について詳述する。
【００１６】
（電子銃１１０）
電子銃１１０は、例えば、三極管電子銃で構成され、交流電源１０４から供給された電力により、カソード電極を加熱して熱電子を生成し、グリッドパルス電圧によって間欠的に電子を引き出すと共に、カソード電極とアノード電極との間に高電圧のパルス電圧を印加して、引き出した電子をプリバンチャ１１６方向に加速する。
【００１７】
（高周波電力生成ユニット１１２）
高周波電力生成ユニット１１２は、例えばＳバンドに相当する３ＧＨｚのパルス状の高周波電力（電磁波）を生成し、導波管１１４を通じてプリバンチャ１１６および加速器１１８に供給する。かかる高周波電力生成ユニット１１２の構成およびその機能については、後ほど詳述する。
【００１８】
（導波管１１４）
導波管１１４は、高周波電力生成ユニット１１２から供給される高周波電力（電磁波）をプリバンチャ１１６や加速器１１８に供給する。導波管１１４には、六フッ化硫黄（ＳＦ６）等の絶縁ガスが充填されており、高周波電力生成ユニット１１２からの出力電圧によって導波管１１４が放電してしまう事態を回避する。なお、導波管１１４の端部には、ＳＦ６と真空とを隔て、ＳＦ６を密閉するためのＲＦ窓１１４ａ、１１４ｂが設けられている。
【００１９】
（プリバンチャ１１６）
プリバンチャ１１６は、電子銃１１０と加速器１１８の間に設けられ、導波管１１４を通じて高周波電力生成ユニット１１２に接続されている。プリバンチャ１１６は、電子銃１１０から入射された電子線をバンチング（密度圧縮（速度変調））して、加速器１１８に送出する。具体的に説明すると、プリバンチャ１１６内は、高周波電力生成ユニット１１２から供給された高周波電力によって高周波電界が形成されており、プリバンチャ１１６を通過した電子線は、その高周波電界にバンチングされる。プリバンチャ１１６で電子線をバンチングすることにより、加速器１１８で加速された電子線のエネルギーの分散を小さくすることができ、電子線のエネルギーの均一性を向上させることが可能となる。
【００２０】
ここで、プリバンチャ１１６によって圧縮された電子線の加速器１１８への入射タイミングと、加速器１１８における高周波の正位相とが同期すると、電子線は加速器１１８で効率よく加速される。したがって、プリバンチャ１１６から加速器１１８への電子線の入射タイミングを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の位相調整手段が設けられている。なお、電子線の圧縮率（バンチングされた電子線の長さ／バンチング前の電子線の長さ）も加速器１１８による加速効率に影響し、電子線の長さが短い程、加速効率が向上する。したがって、供給する高周波の強度を調整して電子線の長さを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の減衰（アッテネータ）手段が設けられている。
【００２１】
（加速器１１８）
加速器１１８は、高周波電力生成ユニット１１２による高周波電力の供給を受けて、電子銃１１０から放出された電子線を加速する。図２は、加速器１１８の動作原理を説明するための説明図である。本実施形態では、加速器１１８として、定在波型の線形（リニアック）加速器を採用しているが、電子を加速できればよく、進行波型の線形加速器や、シンクロトロン、サイクロトロン等の円形加速器を採用することもできる。
【００２２】
図２に示すように、電子銃１１０は、図２中、黒い塗りつぶしで示すように、電子線をＸ軸方向に伸長した状態でプリバンチャ１１６の内部空間に放出する。そして、プリバンチャ１１６によるバンチング機能により、電子線は、Ｘ軸方向に圧縮されて加速器１１８に入射される。
【００２３】
加速器１１８は、内部に複数の加速空間１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ（以下、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを纏めて１３０で示す場合もある。）を有している。図２では理解を容易にするために、加速空間１３０として３つしか挙げていないが、本実施形態の加速器１１８は３０程度の加速空間１３０を有する。なお、電子銃１１０から所定数の加速空間１３０の距離Ｌ（加速空間１３０における電子線の進行方向（図２中Ｘ軸方向）の距離）は、電子銃１１０から遠ざかるに従って徐々に長くなるように構成され、所定の加速空間１３０以降の加速空間１３０の距離Ｌは、所定の長さに維持されるように構成される。
【００２４】
高周波電力生成ユニット１１２から加速器１１８に高周波電力（例えば、３ＧＨｚ）が供給されると、図２（ａ）に示すように、複数の加速空間１３０が空間共振器として機能し、空間共振器内に時間に伴って変化する電界が生じる。そして、このような時間に伴って変化する電界を通じて時限的に電子線を加速する。
【００２５】
具体的に説明すると、加速器１１８の加速空間１３０は、高周波電力生成ユニット１１２から導入される高周波電力によって、例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に隣接する加速空間１３０に交互に正位相（進行方向に正（＋）の空間電荷）と負位相（進行方向に負（−）の空間電荷）とが生じる。プリバンチャ１１６から放出された負の電荷を帯びている電子線は、図２（ａ）に示すように、時刻ｔ０に加速空間１３０ａに位置し、正（＋）の空間電荷によってＸ軸方向に加速される。そして、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において、隣接する加速空間１３０ｂに位置し、同様に正（＋）の空間電荷によってＸ軸方向に加速される。このように電子線の移動タイミングに、正（＋）の空間電荷と負（−）の空間電荷との切換タイミングを同期させることで、電子線は加速器１１８内で徐々に加速され、最終的には、例えば１０ＭｅＶ程度まで加速されて、Ｘ線変換部１２０に入射される。
【００２６】
（Ｘ線変換部１２０）
Ｘ線変換部１２０は、当該Ｘ線照射装置１００のターゲットに相当し、数ｍｍ程度の厚みの重金属箔、例えば、タングステンまたは銅の積層構造で構成され、内部空間と大気とを隔てつつ、加速された電子線をＸ線に変換して大気中に通過させる。ただし、Ｘ線は電子線に対して１〜１０％程度しか変換されず、残りは熱エネルギーとして回収される。また、Ｘ線変換部１２０（ターゲット）は、水冷機能を有することもある。
【００２７】
こうして、電子銃１１０で放出された電子線は、加速器１１８で加速されて、Ｘ線として被照射物Ｗに照射される。
【００２８】
（Ｘ線カメラユニット２００）
図１に戻って説明すると、Ｘ線カメラユニット２００は、Ｘ線イメージインテンシファイア２１０と、カメラ２１２とを含んで構成される。
【００２９】
（Ｘ線イメージインテンシファイア２１０）
Ｘ線イメージインテンシファイア２１０は、入力蛍光面（受信面）に受けたＸ線を可視光像に変換し出力する。かかるＸ線イメージインテンシファイア２１０によって蛍光板に比べＸ線被曝線量を低減することができる。
【００３０】
（カメラ２１２）
カメラ２１２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）の撮像素子で構成され、Ｘ線イメージインテンシファイア２１０によって可視化された可視光像を取得する。こうして、被照射物ＷのＸ線透過画像をリアルタイムに視認することが可能となる。
【００３１】
（Ｘ線照射装置１００の利用例）
当該Ｘ線照射システム１においては、被照射物Ｗに、短時間かつほぼ同時に異種エネルギー（例えば、９ＭｅＶおよび５ＭｅＶ：３８０ｐｐｓ）のＸ線を照射すれば、被照射物Ｗの詳細な材料識別が可能となる。このような異種エネルギーのＸ線を照射するためには、加速器１１８の前段、即ち、高周波電力生成ユニット１１２で生成される高周波電力自体を加工する必要がある。
【００３２】
例えば、高周波電力生成ユニット１１２は、複数の電子エネルギーを有するパルス波を順次、時分割（２つなら交互）に繰り返し放射し、異種エネルギーの連続照射を実現する。しかし、このようなパルス波は繰り返し周期が短いので、高周波電力増幅器にパルス電圧を供給する高周波電源の電圧変更では間に合わない。そこで、クライストロン等の高周波電力増幅器を複数準備したり、高周波電源を複数準備する必要が生じる。この場合、製造コストや維持コストおよび占有体積が増大するといった結果を招いてしまう。ここで、高周波電力生成ユニット１１２の電力を変えることなく、電子銃１１０からのビーム電流量のみを変えることも考えられるが、カソード電極の表面温度の応答速度が限られるため、パルス波の繰り返し周期で変化させるのは不可能であり、また、Ｘ線の発生量も安定しないので、カメラ２１２で取得される可視光像のコントラストが悪くなるという欠点もある。本実施形態では、高周波電力生成ユニット１１２を以下のように構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制する。
【００３３】
（高周波電力生成ユニット１１２の詳細な構成）
図３は、高周波電力生成ユニット１１２の構成を説明するための説明図である。高周波電力生成ユニット１１２は、高周波電源１１２ａと、高周波電力増幅器１１２ｂと、信号発生器１１２ｃとを含んで構成される。
【００３４】
高周波電源１１２ａは、高周波電力増幅器１１２ｂのカソード電極１４０を加熱し熱電子を生成させると共に、カソード電極１４０とアノード電極１４２との間に例えば−１３５ｋＶといった高電圧のパルス電圧を印加して電子線を引き出す。かかるパルス電圧は、５ｋＶ程度の電圧をパルストランスで昇圧（２７倍）することで生成される。
【００３５】
高周波電力増幅器１１２ｂとしては、クライストロンが用いられ、高周波電源１１２ａからのパルス電圧および信号発生器１１２ｃのドライブ信号を受けて、パルス状の高周波電力（電磁波）を生成する。具体的に、高周波電源１１２ａに接続されたカソード電極１４０とアノード電極１４２が、電子銃として機能し、高周波電源１１２ａの電力供給に応じて電子線が引き出される。ここで電子線は、信号発生器１１２ｃから加速空間１４４に導入されたマイクロ波により正位相で加速され、負位相で減速する。そして、図２を用いて説明した加速器１１８と同様に、空間共振部１４６の加速空間１４８を通じて電子線がさらに加速され、最後にコレクタ１５０で集群および冷却される。かかるコレクタ１５０に集群される前に、加速空間１５２を通過すると、電子線は大きな交流電界を誘起し、大電力のマイクロ波出力が取り出され、高周波電力として導波管１１４に出力される。
【００３６】
信号発生器１１２ｃは、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成し、高周波電力増幅器１１２ｂに供給する。本実施形態では、かかる信号発生器１１２ｃによるドライブ信号を工夫して、相異なる複数の電力値を有するパルス波によって異種エネルギーを形成するためのドライブ信号を生成する。
【００３７】
図４は、信号発生器１１２ｃの構成を説明するための説明図であり、図５は、信号発生器１１２ｃにおける各ノードの電力推移を示した説明図である。信号発生器１１２ｃは、電源１６０と、増幅器１６２ａ、１６２ｂと、パルス発生器１６４と、パルス切換部１６６とを含んで構成される。電源１６０は、０．１Ｗ（５ｄＢｍ）の定電力を出力し（図５中（ａ））、１００Ｗの能力を有する増幅器１６２ａおよび５０Ｗの能力を有する増幅器１６２ｂは、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器１６４に応じてそれぞれ電力値が相異なる複数の電力（ここでは６０Ｗと１２Ｗ）のパルス電力を生成する（図５中（ｂ）、（ｃ））。そして、スイッチング素子で構成されるパルス切換部１６６は、パルス発生器１６４に従って、入力を増幅器１６２ａと増幅器１６２ｂとで交互に切り換え、図５（ｄ）のような、２種類の電力（６０Ｗと１２Ｗ）が交互に配されたドライブ信号を形成する。かかるドライブ信号に応じて、Ｘ線照射装置１００は、図５（ｅ）の如く、６０Ｗのパルスに対応して９ＭｅＶのＸ線が、１２Ｗのパルスに対応して５ＭｅＶのＸ線が出力される。ただし、ここで示したパルスは、例えば３８０ｐｐｓの周波数のパルスをいうが、詳細には、さらに周波数の高い、例えば３ＧＨｚといったパルスの集合で表される。
【００３８】
図６は、ドライブ電力と出力電力との関係を示した説明図である。ここでは、横軸に信号発生器１１２ｃのドライブ電力が、縦軸に高周波電力生成ユニット１１２の出力電力が示され、高周波電源１１２ａからの入力電圧（図６中右側にｋＶとＡとで示す。）毎に、ドライブ電力対出力電力の軌跡が表されている。
【００３９】
例えば、９ＭｅＶと５ＭｅＶとの２つの異種エネルギーを有するＸ線をＸ線照射装置１００から出力する場合、高周波電力生成ユニット１１２の出力電力として５．２ＭＷと２．７ＭＷとが必要であったとする。例えば、高周波電源１１２ａを２つ準備し、その切り換えによって、上記の出力電力を実現しようとすると、ドライブ電圧を６０Ｗに固定した状態で、２つの高周波電源１１２ａを１３５ｋＶ（図６（ｅ））と１１０ｋＶ（図６（ｆ））とに設定し、それを切り換えればよいことが把握できる。しかし、上述したように、高周波電源１１２ａを増やすと、製造コストや維持コストの増大および占有体積の増大といった問題がある。本実施形態では、図５に示すように、高周波電源１１２ａからの入力電源を１３５ｋＶに固定した状態で、ドライブ電力を６０Ｗ（図６（ｅ））と１２Ｗ（図６（ｇ））とで切り換えることで、５．２ＭＷと２．７ＭＷとの出力電力の切り換えを実現する。
【００４０】
したがって、高周波電源１１２ａや高周波電力増幅器１１２ｂによる製造コストや維持コストの増大を伴うことなく、信号発生器１１２ｃの構成を変更するだけで、Ｘ線照射装置１００から異種エネルギーを照射することが可能となる。また、信号発生器１１２ｃでは、パルス切換部１６６によって、パルス出力が瞬時に切り換わるため、３８０ｐｐｓ以上のパルス周波数によるエネルギー波形を形成することが可能となる。
【００４１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、被照射物に電子線を照射するＸ線照射装置および高周波電力生成ユニットに利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ …Ｘ線照射システム
１００ …Ｘ線照射装置
１１０ …電子銃
１１２ …高周波電力生成ユニット
１１２ａ …高周波電源
１１２ｂ …高周波電力増幅器
１１２ｃ …信号発生器
１１４ …導波管
１１６ …プリバンチャ
１１８ …加速器
１２０ …Ｘ線変換部
１６０ …電源
１６２ …増幅器
１６４ …パルス発生器
１６６ …パルス切換部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置、および、それを構成する高周波電力生成ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｘ線照射装置は、医療分野において体内の様子を把握したり、空港における手荷物や貨物車の貨物内容等を検出したり、様々な分野で利用されている。このようなＸ線照射装置では、Ｘ線を被照射物に照射し、被照射物を透過したＸ線の線量によって被照射物の内部の様子を検出することができる。
【０００３】
Ｘ線照射装置では、電子エネルギーを変化させることで異種エネルギーのＸ線を発生させることができ、かかる異種エネルギーによって被照射物の詳細な材料識別が可能となる。しかし、材料識別を行うためには、短時間かつほぼ同時に異種エネルギーのＸ線を被照射物に照射しなければならない。そこで、加速器に２つのマイクロ波源を接続し、その２つのマイクロ波源を交互に発振させることで２種の電子エネルギーを連続的に生成する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１８０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、複数の異種エネルギーのＸ線が必要な場合、異種エネルギーに相当する複数のマイクロ波源やクライストロン等の高周波電力生成ユニットを準備しなくてはならず、製造および維持コストの増大や占有体積の増大といった問題が生じていた。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、高周波電力生成ユニットを簡易かつ安価に構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することが可能なＸ線照射装置および高周波電力生成ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のＸ線照射装置は、高周波電力を生成する高周波電力生成ユニットと、電子線を放出する電子銃と、高周波電力生成ユニットによる高周波電力の供給を受けて、電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、加速器で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部と、を備えるＸ線照射装置であって、高周波電力生成ユニットは、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
信号発生器は、電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、パルス信号に従って、複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部と、を備えてもよい。
【０００９】
上記課題を解決するために、被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置に高周波電力を供給する、本発明の高周波電力生成ユニットは、高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、パルス信号に従って、複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部とを有し、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、パルス電圧の供給を受け、ドライブ信号に応じて高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高周波電力生成ユニットを簡易かつ安価に構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】Ｘ線照射システムの構成を説明するための概略的なブロック図である。
【図２】加速器の動作原理を説明するための説明図である。
【図３】高周波電力生成ユニットの構成を説明するための説明図である。
【図４】信号発生器の構成を説明するための説明図である。
【図５】信号発生器における各ノードの電力を示した説明図である。
【図６】ドライブ電力と出力電力との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
（Ｘ線照射システム１）
図１は、Ｘ線照射システム１の構成を説明するための概略的なブロック図である。本実施形態におけるＸ線照射システム１は、Ｘ線を照射するＸ線照射装置１００と、当該Ｘ線照射装置１００から照射され、さらに被照射物Ｗを透過したＸ線を受けるＸ線カメラユニット２００とを含んで構成される。
【００１４】
Ｘ線照射システム１は、医療分野のみならず、空港における手荷物や貨物車の貨物内容の検出といった、様々な分野で利用されるようになってきた。特に貨物車の貨物内容の検出では、貨物車の進行方向に水平面上で垂直な方向および鉛直方向の２方向にＸ線照射システム１を設け、２面から、その内容物を検出するといった具合に、詳細な検査が為されている。本実施形態におけるＸ線照射システム１では、高周波電力生成ユニットの構成を工夫することで、Ｘ線照射システム１全体の製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制することを目的としている。ここでは、まず、前提となるＸ線照射システム１のＸ線照射装置１００およびＸ線カメラユニット２００の具体的な構成を簡単に述べ、その後、上記高周波電力生成ユニットについて詳細に説明する。
【００１５】
（Ｘ線照射装置１００）
図１に示すように、Ｘ線照射装置１００は、電子銃１１０と、高周波電力生成ユニット１１２と、導波管１１４と、プリバンチャ１１６と、加速器１１８と、Ｘ線変換部１２０とを備えて構成されている。なお、電子銃１１０、プリバンチャ１１６、加速器１１８は、内部空間（真空室）が連続しており、この内部空間は、イオンポンプ等の真空ポンプで高真空状態から超高真空状態（例えば、１０Ｅ−５Ｐａ以下）に維持される。Ｘ線照射装置１００において、電子銃１１０から放出された熱電子は、プリバンチャ１１６、加速器１１８で加速され、Ｘ線変換部１２０を通過し、Ｘ線として被照射物Ｗに向かって図１中Ｘ軸方向に照射される。以下、Ｘ線照射装置１００の各機能部について詳述する。
【００１６】
（電子銃１１０）
電子銃１１０は、例えば、三極管電子銃で構成され、交流電源１０４から供給された電力により、カソード電極を加熱して熱電子を生成し、グリッドパルス電圧によって間欠的に電子を引き出すと共に、カソード電極とアノード電極との間に高電圧のパルス電圧を印加して、引き出した電子をプリバンチャ１１６方向に加速する。
【００１７】
（高周波電力生成ユニット１１２）
高周波電力生成ユニット１１２は、例えばＳバンドに相当する３ＧＨｚのパルス状の高周波電力（電磁波）を生成し、導波管１１４を通じてプリバンチャ１１６および加速器１１８に供給する。かかる高周波電力生成ユニット１１２の構成およびその機能については、後ほど詳述する。
【００１８】
（導波管１１４）
導波管１１４は、高周波電力生成ユニット１１２から供給される高周波電力（電磁波）をプリバンチャ１１６や加速器１１８に供給する。導波管１１４には、六フッ化硫黄（ＳＦ６）等の絶縁ガスが充填されており、高周波電力生成ユニット１１２からの出力電圧によって導波管１１４が放電してしまう事態を回避する。なお、導波管１１４の端部には、ＳＦ６と真空とを隔て、ＳＦ６を密閉するためのＲＦ窓１１４ａ、１１４ｂが設けられている。
【００１９】
（プリバンチャ１１６）
プリバンチャ１１６は、電子銃１１０と加速器１１８の間に設けられ、導波管１１４を通じて高周波電力生成ユニット１１２に接続されている。プリバンチャ１１６は、電子銃１１０から入射された電子線をバンチング（密度圧縮（速度変調））して、加速器１１８に送出する。具体的に説明すると、プリバンチャ１１６内は、高周波電力生成ユニット１１２から供給された高周波電力によって高周波電界が形成されており、プリバンチャ１１６を通過した電子線は、その高周波電界にバンチングされる。プリバンチャ１１６で電子線をバンチングすることにより、加速器１１８で加速された電子線のエネルギーの分散を小さくすることができ、電子線のエネルギーの均一性を向上させることが可能となる。
【００２０】
ここで、プリバンチャ１１６によって圧縮された電子線の加速器１１８への入射タイミングと、加速器１１８における高周波の正位相とが同期すると、電子線は加速器１１８で効率よく加速される。したがって、プリバンチャ１１６から加速器１１８への電子線の入射タイミングを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の位相調整手段が設けられている。なお、電子線の圧縮率（バンチングされた電子線の長さ／バンチング前の電子線の長さ）も加速器１１８による加速効率に影響し、電子線の長さが短い程、加速効率が向上する。したがって、供給する高周波の強度を調整して電子線の長さを調整するために、プリバンチャ１１６の高周波導入部１１６ａには、不図示の減衰（アッテネータ）手段が設けられている。
【００２１】
（加速器１１８）
加速器１１８は、高周波電力生成ユニット１１２による高周波電力の供給を受けて、電子銃１１０から放出された電子線を加速する。図２は、加速器１１８の動作原理を説明するための説明図である。本実施形態では、加速器１１８として、定在波型の線形（リニアック）加速器を採用しているが、電子を加速できればよく、進行波型の線形加速器や、シンクロトロン、サイクロトロン等の円形加速器を採用することもできる。
【００２２】
図２に示すように、電子銃１１０は、図２中、黒い塗りつぶしで示すように、電子線をＸ軸方向に伸長した状態でプリバンチャ１１６の内部空間に放出する。そして、プリバンチャ１１６によるバンチング機能により、電子線は、Ｘ軸方向に圧縮されて加速器１１８に入射される。
【００２３】
加速器１１８は、内部に複数の加速空間１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ（以下、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを纏めて１３０で示す場合もある。）を有している。図２では理解を容易にするために、加速空間１３０として３つしか挙げていないが、本実施形態の加速器１１８は３０程度の加速空間１３０を有する。なお、電子銃１１０から所定数の加速空間１３０の距離Ｌ（加速空間１３０における電子線の進行方向（図２中Ｘ軸方向）の距離）は、電子銃１１０から遠ざかるに従って徐々に長くなるように構成され、所定の加速空間１３０以降の加速空間１３０の距離Ｌは、所定の長さに維持されるように構成される。
【００２４】
高周波電力生成ユニット１１２から加速器１１８に高周波電力（例えば、３ＧＨｚ）が供給されると、図２（ａ）に示すように、複数の加速空間１３０が空間共振器として機能し、空間共振器内に時間に伴って変化する電界が生じる。そして、このような時間に伴って変化する電界を通じて時限的に電子線を加速する。
【００２５】
具体的に説明すると、加速器１１８の加速空間１３０は、高周波電力生成ユニット１１２から導入される高周波電力によって、例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に隣接する加速空間１３０に交互に正位相（進行方向に正（＋）の空間電荷）と負位相（進行方向に負（−）の空間電荷）とが生じる。プリバンチャ１１６から放出された負の電荷を帯びている電子線は、図２（ａ）に示すように、時刻ｔ０に加速空間１３０ａに位置し、正（＋）の空間電荷によってＸ軸方向に加速される。そして、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において、隣接する加速空間１３０ｂに位置し、同様に正（＋）の空間電荷によってＸ軸方向に加速される。このように電子線の移動タイミングに、正（＋）の空間電荷と負（−）の空間電荷との切換タイミングを同期させることで、電子線は加速器１１８内で徐々に加速され、最終的には、例えば１０ＭｅＶ程度まで加速されて、Ｘ線変換部１２０に入射される。
【００２６】
（Ｘ線変換部１２０）
Ｘ線変換部１２０は、当該Ｘ線照射装置１００のターゲットに相当し、数ｍｍ程度の厚みの重金属箔、例えば、タングステンまたは銅の積層構造で構成され、内部空間と大気とを隔てつつ、加速された電子線をＸ線に変換して大気中に通過させる。ただし、Ｘ線は電子線に対して１〜１０％程度しか変換されず、残りは熱エネルギーとして回収される。また、Ｘ線変換部１２０（ターゲット）は、水冷機能を有することもある。
【００２７】
こうして、電子銃１１０で放出された電子線は、加速器１１８で加速されて、Ｘ線として被照射物Ｗに照射される。
【００２８】
（Ｘ線カメラユニット２００）
図１に戻って説明すると、Ｘ線カメラユニット２００は、Ｘ線イメージインテンシファイア２１０と、カメラ２１２とを含んで構成される。
【００２９】
（Ｘ線イメージインテンシファイア２１０）
Ｘ線イメージインテンシファイア２１０は、入力蛍光面（受信面）に受けたＸ線を可視光像に変換し出力する。かかるＸ線イメージインテンシファイア２１０によって蛍光板に比べＸ線被曝線量を低減することができる。
【００３０】
（カメラ２１２）
カメラ２１２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）の撮像素子で構成され、Ｘ線イメージインテンシファイア２１０によって可視化された可視光像を取得する。こうして、被照射物ＷのＸ線透過画像をリアルタイムに視認することが可能となる。
【００３１】
（Ｘ線照射装置１００の利用例）
当該Ｘ線照射システム１においては、被照射物Ｗに、短時間かつほぼ同時に異種エネルギー（例えば、９ＭｅＶおよび５ＭｅＶ：３８０ｐｐｓ）のＸ線を照射すれば、被照射物Ｗの詳細な材料識別が可能となる。このような異種エネルギーのＸ線を照射するためには、加速器１１８の前段、即ち、高周波電力生成ユニット１１２で生成される高周波電力自体を加工する必要がある。
【００３２】
例えば、高周波電力生成ユニット１１２は、複数の電子エネルギーを有するパルス波を順次、時分割（２つなら交互）に繰り返し放射し、異種エネルギーの連続照射を実現する。しかし、このようなパルス波は繰り返し周期が短いので、高周波電力増幅器にパルス電圧を供給する高周波電源の電圧変更では間に合わない。そこで、クライストロン等の高周波電力増幅器を複数準備したり、高周波電源を複数準備する必要が生じる。この場合、製造コストや維持コストおよび占有体積が増大するといった結果を招いてしまう。ここで、高周波電力生成ユニット１１２の電力を変えることなく、電子銃１１０からのビーム電流量のみを変えることも考えられるが、カソード電極の表面温度の応答速度が限られるため、パルス波の繰り返し周期で変化させるのは不可能であり、また、Ｘ線の発生量も安定しないので、カメラ２１２で取得される可視光像のコントラストが悪くなるという欠点もある。本実施形態では、高周波電力生成ユニット１１２を以下のように構成することで、製造コストや維持コストおよび占有体積を抑制する。
【００３３】
（高周波電力生成ユニット１１２の詳細な構成）
図３は、高周波電力生成ユニット１１２の構成を説明するための説明図である。高周波電力生成ユニット１１２は、高周波電源１１２ａと、高周波電力増幅器１１２ｂと、信号発生器１１２ｃとを含んで構成される。
【００３４】
高周波電源１１２ａは、高周波電力増幅器１１２ｂのカソード電極１４０を加熱し熱電子を生成させると共に、カソード電極１４０とアノード電極１４２との間に例えば−１３５ｋＶといった高電圧のパルス電圧を印加して電子線を引き出す。かかるパルス電圧は、５ｋＶ程度の電圧をパルストランスで昇圧（２７倍）することで生成される。
【００３５】
高周波電力増幅器１１２ｂとしては、クライストロンが用いられ、高周波電源１１２ａからのパルス電圧および信号発生器１１２ｃのドライブ信号を受けて、パルス状の高周波電力（電磁波）を生成する。具体的に、高周波電源１１２ａに接続されたカソード電極１４０とアノード電極１４２が、電子銃として機能し、高周波電源１１２ａの電力供給に応じて電子線が引き出される。ここで電子線は、信号発生器１１２ｃから加速空間１４４に導入されたマイクロ波により正位相で加速され、負位相で減速する。そして、図２を用いて説明した加速器１１８と同様に、空間共振部１４６の加速空間１４８を通じて電子線がさらに加速され、最後にコレクタ１５０で集群および冷却される。かかるコレクタ１５０に集群される前に、加速空間１５２を通過すると、電子線は大きな交流電界を誘起し、大電力のマイクロ波出力が取り出され、高周波電力として導波管１１４に出力される。
【００３６】
信号発生器１１２ｃは、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成し、高周波電力増幅器１１２ｂに供給する。本実施形態では、かかる信号発生器１１２ｃによるドライブ信号を工夫して、相異なる複数の電力値を有するパルス波によって異種エネルギーを形成するためのドライブ信号を生成する。
【００３７】
図４は、信号発生器１１２ｃの構成を説明するための説明図であり、図５は、信号発生器１１２ｃにおける各ノードの電力推移を示した説明図である。信号発生器１１２ｃは、電源１６０と、増幅器１６２ａ、１６２ｂと、パルス発生器１６４と、パルス切換部１６６とを含んで構成される。電源１６０は、０．１Ｗ（５ｄＢｍ）の定電力を出力し（図５中（ａ））、１００Ｗの能力を有する増幅器１６２ａおよび５０Ｗの能力を有する増幅器１６２ｂは、パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器１６４に応じてそれぞれ電力値が相異なる複数の電力（ここでは６０Ｗと１２Ｗ）のパルス電力を生成する（図５中（ｂ）、（ｃ））。そして、スイッチング素子で構成されるパルス切換部１６６は、パルス発生器１６４に従って、入力を増幅器１６２ａと増幅器１６２ｂとで交互に切り換え、図５（ｄ）のような、２種類の電力（６０Ｗと１２Ｗ）が交互に配されたドライブ信号を形成する。かかるドライブ信号に応じて、Ｘ線照射装置１００は、図５（ｅ）の如く、６０Ｗのパルスに対応して９ＭｅＶのＸ線が、１２Ｗのパルスに対応して５ＭｅＶのＸ線が出力される。ただし、ここで示したパルスは、例えば３８０ｐｐｓの周波数のパルスをいうが、詳細には、さらに周波数の高い、例えば３ＧＨｚといったパルスの集合で表される。
【００３８】
図６は、ドライブ電力と出力電力との関係を示した説明図である。ここでは、横軸に信号発生器１１２ｃのドライブ電力が、縦軸に高周波電力生成ユニット１１２の出力電力が示され、高周波電源１１２ａからの入力電圧（図６中右側にｋＶとＡとで示す。）毎に、ドライブ電力対出力電力の軌跡が表されている。
【００３９】
例えば、９ＭｅＶと５ＭｅＶとの２つの異種エネルギーを有するＸ線をＸ線照射装置１００から出力する場合、高周波電力生成ユニット１１２の出力電力として５．２ＭＷと２．７ＭＷとが必要であったとする。例えば、高周波電源１１２ａを２つ準備し、その切り換えによって、上記の出力電力を実現しようとすると、ドライブ電圧を６０Ｗに固定した状態で、２つの高周波電源１１２ａを１３５ｋＶ（図６（ｅ））と１１０ｋＶ（図６（ｆ））とに設定し、それを切り換えればよいことが把握できる。しかし、上述したように、高周波電源１１２ａを増やすと、製造コストや維持コストの増大および占有体積の増大といった問題がある。本実施形態では、図５に示すように、高周波電源１１２ａからの入力電源を１３５ｋＶに固定した状態で、ドライブ電力を６０Ｗ（図６（ｅ））と１２Ｗ（図６（ｇ））とで切り換えることで、５．２ＭＷと２．７ＭＷとの出力電力の切り換えを実現する。
【００４０】
したがって、高周波電源１１２ａや高周波電力増幅器１１２ｂによる製造コストや維持コストの増大を伴うことなく、信号発生器１１２ｃの構成を変更するだけで、Ｘ線照射装置１００から異種エネルギーを照射することが可能となる。また、信号発生器１１２ｃでは、パルス切換部１６６によって、パルス出力が瞬時に切り換わるため、３８０ｐｐｓ以上のパルス周波数によるエネルギー波形を形成することが可能となる。
【００４１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、被照射物に電子線を照射するＸ線照射装置および高周波電力生成ユニットに利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ …Ｘ線照射システム
１００ …Ｘ線照射装置
１１０ …電子銃
１１２ …高周波電力生成ユニット
１１２ａ …高周波電源
１１２ｂ …高周波電力増幅器
１１２ｃ …信号発生器
１１４ …導波管
１１６ …プリバンチャ
１１８ …加速器
１２０ …Ｘ線変換部
１６０ …電源
１６２ …増幅器
１６４ …パルス発生器
１６６ …パルス切換部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を生成する高周波電力生成ユニットと、
電子線を放出する電子銃と、
前記高周波電力生成ユニットによる高周波電力の供給を受けて、前記電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、
前記加速器で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部と、
を備えるＸ線照射装置であって、
前記高周波電力生成ユニットは、
高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、
振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、
前記パルス電圧の供給を受け、前記ドライブ信号に応じて前記高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、
を備えることを特徴とするＸ線照射装置。
【請求項２】
前記信号発生器は、
電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、
前記パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、
前記パルス信号に従って、前記複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線照射装置。
【請求項３】
被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置に高周波電力を供給する高周波電力生成ユニットであって、
高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、
電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、前記パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、該パルス信号に従って、該複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部とを有し、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、
前記パルス電圧の供給を受け、前記ドライブ信号に応じて前記高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、
を備えることを特徴とする高周波電力生成ユニット。
【請求項１】
高周波電力を生成する高周波電力生成ユニットと、
電子線を放出する電子銃と、
前記高周波電力生成ユニットによる高周波電力の供給を受けて、前記電子銃から放出された電子線を加速する加速器と、
前記加速器で加速された電子線をＸ線に変換するＸ線変換部と、
を備えるＸ線照射装置であって、
前記高周波電力生成ユニットは、
高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、
振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、
前記パルス電圧の供給を受け、前記ドライブ信号に応じて前記高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、
を備えることを特徴とするＸ線照射装置。
【請求項２】
前記信号発生器は、
電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、
前記パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、
前記パルス信号に従って、前記複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線照射装置。
【請求項３】
被照射物にＸ線を照射するＸ線照射装置に高周波電力を供給する高周波電力生成ユニットであって、
高電圧のパルス電圧を生成する高周波電源と、
電力値が相異なる複数の電力を生成する複数の増幅器と、前記パルス電圧に同期したパルス信号を発生するパルス発生器と、該パルス信号に従って、該複数の増幅器の出力を切り換えるパルス切換部とを有し、振幅が相異なる複数のパルスを規則的に配したドライブ信号を生成する信号発生器と、
前記パルス電圧の供給を受け、前記ドライブ信号に応じて前記高周波電力を生成する高周波電力増幅器と、
を備えることを特徴とする高周波電力生成ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４８０２８（Ｐ２０１３−４８０２８Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８５５０８（Ｐ２０１１−１８５５０８）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]