放射線治療 1-2 電子銃はどうやって電子を送り出すの？

電子は、どこからやって来るの？

『第1章』では、リニアックの仕事を「電子を加速し、治療用のビームを届けること」と整理しました。

では、その電子は最初から加速管の中にあるのでしょうか？　実は、電子を加速管へ送り込む入口があります。そこにあるのが電子銃（Electron Gun）です！なんかカッコいい名前ですよね…

電子銃の仕組みは、「どこから電子を取り出す？」「どうやって前へ進める？」「送り出すタイミングはどう決める？」という３つの疑問に分けると、順番に理解できると思います！

電子銃の仕事を、まず図で見てみよう

電子銃は、電子を供給するための装置です。
代表的な方式では、加熱した陰極から電子を取り出し、電界で陽極側へ加速し、細いビーム状にして加速管へ送り込みます。

図の左から右へ見てみましょう。陰極で電子を取り出す → 電界で前へ進める → 加速管へ送り込む。この３つが、電子銃の基本的な仕事です。

① 電子はどこから出てくる？――熱電子放出

最初に登場するのは、陰極（Cathode）です。

物質を加熱すると、その中の一部の電子は、表面の外へ出るのに必要なエネルギーを得ます。加熱によって電子が表面から放出される現象を熱電子放出（Thermionic Emission）といいます。

つまり、電子銃は電子を新しくつくる装置ではありません。もともと陰極の材料中にある電子を、加熱によって取り出しています。

代表的な医療用リニアックの電子銃では、加熱されたフィラメント陰極を用います。装置によって細かな陰極の構造は異なるため、ここでは「陰極を加熱して電子を放出させる」という原理を押さえましょう。

ただし、加熱して電子が出てきただけでは、加速管へ狙いどおりに送り込めません。次に必要なのが、電子を前へ進める仕組みです。

② 電子はなぜ前へ進む？～陰極と陽極～

電子銃には、陰極のほかに陽極（Anode）があります。陰極と陽極の間に電位差を設けると電界が生じ、負の電荷を持つ電子は、電位の高い陽極側へ加速されます。

ここで、２つの仕事を分けてみてください。加熱は電子を「取り出す」ため、電界は電子を「加速する」ためです。同じ電子銃の中で起こりますが、役割は別なんですね。

「でも、陽極へ進んだ電子は、陽極にぶつかって止まらないの？」と思ったかもしれません。代表的な電子銃では、陽極に穴が開いています。陰極から出た電子は、集束電極（Focusing Electrode）によって細いビーム状に整えられ、その穴を通って加速管へ進みます。

図１に戻ると、陰極、集束電極、穴の開いた陽極が、それぞれ別の仕事をしていることが見えてきます。

③ 電子を送り出すタイミングは、どう決める？

ここまでで、電子を取り出して前に進める仕組みがわかりました。では、電子はいつでも同じように送り出されるのでしょうか？

電子銃には、代表的な構造として２極管型（Diode）と３極管型（Triode）があります。どちらも陰極と陽極を持ち、３極管型には電子の流れを制御するグリッド（Grid）が加わります。

図２は、代表的な２極管型と３極管型の構成を比較しています。電極配置や電圧波形は機種ごとに異なります。

２極管型：陰極に加える電圧パルスを利用する

２極管型では、パルス変調器から陰極へ負の電圧パルスを加え、陰極と陽極の間に電子を加速する電界をつくります。こうして、電子を加速管へ供給します。

３極管型：グリッドで電子の流れを制御する

３極管型では、陰極と陽極の間の電子の流れを、グリッドに加える電圧によって制御します。

通常はグリッドを陰極より十分に低い電位に保って電子の流れを抑え、グリッドへ電圧パルスを加えることで電子を送り出します。そのパルスは、高周波発生装置のパルスと同期させます。

「電子を出すかどうかを切り替える役割が、グリッドにある」と考えると、２極管型との違いがつかみやすくなります。なお、グリッドは主に電子の流れの制御、集束電極は電子ビームの広がりを整えることに関わるので、混同しないようにしましょう。

（ここまでの比較はすべてのメーカーや機種が同じ電圧や構造を使うという意味ではありません。）

電子銃で加速するなら、加速管は何をするの？

電子銃でも電子を加速すると聞くと、「加速管とは何が違うの？」という疑問が出てきます。

電子銃は、静電界を利用して電子を取り出し、加速管へ入れる役割を持ちます。一方、加速管では高周波の電磁界を利用して、電子を治療用ビームの形成に必要な高いエネルギーまで加速します。

電子銃から出た時点で、治療用のＸ線が完成するわけではありません。Ｘ線治療では、加速管で高いエネルギーになった電子をターゲットに当ててＸ線を発生させます。電子線治療では、加速した電子そのものを利用します。

ここまでつなげると、第１章で見た「電子銃 → 加速管 → 治療用ビーム」という流れに、少しずつ中身が見えてきますね。

発展編｜Ｃアーム型リニアックの電子銃は、機種でどう違う？

ここまでは、電子銃の共通する原理を見てきました。では、実際に使われているＣアーム型リニアックではどうでしょうか？　今回は、バリアンのTrueBeamとエレクタのVersa HDの２機種を例に、電子を送り出す方法の違いを見ていきます。

ここで紹介するのは、２機種の代表的な構成例です。メーカーの全機種や、改訂後のすべての仕様に当てはめるものではありません。

バリアン TrueBeam：グリッドを備えた３極管型

TrueBeamの代表的な構成では、グリッドを備えた３極管型電子銃を用います。６台の測定例では、６Ｘ・１０Ｘ・１５Ｘの各Ｘ線モードで、電子銃の高電圧、グリッド電圧、放出電流が測定されています。

３極管型は陰極と陽極の間にグリッドを設け、電子の流れを制御します。電圧を加える場所が１つ増えることで、陰極と陽極の間の加速電圧とは別に、電子の供給を調整できるのが基本的な考え方です。

同じTrueBeamでも、Ｘ線モードによって電子銃の高電圧やグリッド電圧、放出電流の測定値は異なります。電子銃は「電子を出すだけの部品」ではなく、必要なビーム条件に応じて動作条件が設定される装置です。ただし、ここで扱う構成例だけで、TrueBeamのあらゆる線量率制御や治療モードの仕組みを説明できるわけではありません。

エレクタ Versa HD：陰極と陽極からなる２極管型

一方、Versa HDの代表的な構成では、２極管型の電子銃を用います。２極管型では、３極管型のような制御グリッドを使わず、陰極と陽極の間に加える電圧によって電子を送り出します。

電子銃と、加速管へ高周波電力を供給するマグネトロンには、同時に電圧パルスを与えます。つまり、電子を送り出すタイミングと、高周波を供給するタイミングを合わせているわけです。

さらに、線量率の調整にはパルス繰り返し周波数を用います。これは、１秒間に何回パルスを繰り返すかを表す量です。基本的には、繰り返す回数を変えることで、単位時間当たりの照射量を調整する仕組みとして理解できます。ただし、実際の線量率は電子銃だけで決まるものではなく、照射系全体の制御が関わります。

２機種を並べると、何が見えてくる？

図２に戻ると、グリッドのある３極管型と、陰極・陽極を基本とする２極管型の違いが、実際の機種と結び付いてきますね。ただし、電子銃の極数だけで、装置全体の精度や性能の優劣は判断できません。 ここでは、同じ「電子を加速管へ送り込む」という役割にも、異なる制御方法があることを押さえておきましょう。

３つの疑問に戻って、振り返ろう

• 電子はどこから出てくる？　加熱した陰極から、熱電子放出によって取り出します。

• 電子はなぜ前へ進む？　陰極と陽極の間の電界で加速し、細いビーム状に整えて加速管へ送り込みます。

• 送り出すタイミングはどう決める？　代表的な２極管型では陰極への電圧パルスを、３極管型ではグリッドへの電圧パルスを利用します。

電子銃の役割を一文にまとめるなら、「陰極から電子を取り出し、電界で加速して、加速管へ送り込む装置」です。

次は、加速管の中を見ていこう

電子銃は電子を送り出しました。では、その電子は加速管の中でどうやって高いエネルギーになるのでしょうか？

次は、高周波の電磁界を利用した電子の加速を、一緒にたどっていきます！('ω')ｂ

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