JP2002528878A - 可変結像スポットサイズを提供するx線管 - Google Patents

可変結像スポットサイズを提供するx線管

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JP2002528878A JP2000578836A JP2000578836A JP2002528878A JP 2002528878 A JP2002528878 A JP 2002528878A JP 2000578836 A JP2000578836 A JP 2000578836A JP 2000578836 A JP2000578836 A JP 2000578836A JP 2002528878 A JP2002528878 A JP 2002528878A
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トゥルー、リチャード・ブローネル
テイラー、ジェームス・チャールズ
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アレン、カーチス・ゲイリー
ベミス、トーマス・マイケル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変結像スポットサイズを提供するX線管 【解決手段】 可変スポットサイズX線管は、アノードに対する対称の管軸に沿って実質的に移動する電子ビームを提供する電子放出表面を有するカソードを備える。カソードから離間されたアノードは、ターゲットを含み、このターゲットの前面は、軸対称に関して斜角に配置される。アノードの電位は、カソードのそれに相対して一般的に正である。カソードは、電子が熱電子放出プロセスによって放出される温度まで加熱される。カソードからの電流は、カソードが温度制限領域内で動作される場合、カソード温度を変化させることによって制御され得る。入射電子ビームは、ターゲット表面(38)上にスポットを形成すると共に、このターゲット上への電子ビームの衝突に応答してX線が生成される。X線は、ターゲットスポットから外側に真空ウインドウ(42)を介して伝播してX線管の外側にビーム状のX線放射を形成する。開口グリッド(18)は、カソードとアノードとの間に配置され、電子ビームが通過可能な中心開口を有する。更に、開口グリッドは、正、負、又はカソードの電位に等しい可変電圧が印加される。制御グリッド上の電圧は、ターゲットに衝突する電子ビームの直径を制御するために使用される。特に、電子ビームの直径は、可変開口グリッド電圧に対応して変化し、かつ電子ビームの直径の選択的変化によって、X線結像スポットのサイズが対応して変化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の背景) 1.発明の分野 本発明は、X線管に関し、より詳細には、所与の範囲に亘って連続的に調節可
能な結像スポットサイズを生成する高パワーX線管に関する。
【0002】 2.関連技術の記述 従来技術において、X線源を使用して医療及び技術的診断用途のためにプレー
ナ画像を生成することは周知となっている。技術的診断結像の分野において、X
線は、中実の結像オブジェクトの内部構造を浸透する点において特に有効であり
、かつそれらを通過したX線によって形成される画像は、そのオブジェクトの内
部欠陥や構造的欠点を現す。このように、技術的診断X線結像は、製造中及び製
品の有効寿命に亘って製品の構造的態様を評価するための高品質制御検査ツール
を提供する。この形態の診断解析は、他のタイプの評価方法に比べて有利である
。理由は、この結像オブジェクトは、評価の処理において破壊される必要が無い
からである。このため、技術的診断結像は、非破壊検査として公知となっている
【0003】 一般に、技術的結像用途のためのX線管は、アノードに向けて加速される電子
ビームを放出するように励起されるカソードを有する電子ガンを備える。このア
ノードは、タングステンのような金属ターゲット表面で構成されることができ、
この表面からX線が加速された電子の衝突に起因して発生される。アノード表面
を電子ビームの軸に対してある角度で配置することによって、X線は、電子ビー
ムに対して略垂直な方向へ送信されることができる。次に、X線は、X線管内に
真空シールを提供するために使用されるベリリウムウインドウを通過できる。そ
の後、X線はX線管を略コーン状パスに沿って出る。このコーンの頂点が、結像
電子ビームによって形成されたターゲットのスポットと略一致する。
【0004】 X線管によって提供される倍率は、部分的にスポットサイズに依存し、これは
、時々結像スポットサイズと呼ばれる。一般に、より小さなスポットサイズによ
って、望ましい画像の鮮鋭度を維持しながら、より大きな倍率が可能となるが、
結像されたオブジェクトのより小さな部分をカバーする。これは、例えば、写真
フィルムや他のX線画像記録手段に位置に関して、X線源、即ち、X線結像スポ
ットにより近接して結像されたオブジェクトを配することによって達成される。
反対に、より大きなスポットサイズによって結像されたオブジェクトのより大き
な部分を結像し得るが、一般に、それはより低い倍率レベルにおいてである。こ
の場合、より小さなスポットサイズとは反対に、電子ビーム衝突の領域は、ター
ゲット上でより大きく、従って、電圧が高くなれば、電流がより大きくなり、或
いはより大きな電圧と電流の電子ビームは、ターゲットヘの過剰な熱的ストレス
無しで利用され得る。従来のX線管は、一般的に単一のスポットサイズ或いはあ
る場合には二つの離散的スポットサイズに制限される。二つの異なるスポットサ
イズを提供するために、X線管は、異なる直径の電子ビームを提供するために交
互に励起される二つの離散的カソードフィラメントを有する。X線管の操作者は
、結像されるオブジェクトの望ましい倍率レベルとサイズによってカソードフィ
ラメントの一方を選択する。このようなシステムの欠点は、X線管のスポットサ
イズが特定の結像動作にとって最適にされることができないことである。
【0005】 従来のX線管では、有効スポットサイズを減少する他のアプローチは、ビーム
軸に対して90°で配向されるX線出力コーンを維持しながら、ビーム軸に対し
て45°よりも平らな角度でアノード表面を位置決めすることである。このアプ
ローチの利点は、平らなアノード角度は、アノード上のパワー密度を低下し、そ
れが過剰な場合は、タングステンターゲット材料の望ましくない溶融及び気化を
引き起こす。更に、平らなアノード角度を幾何学的に補償するために、電子ガン
は、X線スポットが円形断面を有するように楕円形の電子ビームを提供するよう
に構成される。この電子ガンの軸対称の欠落は、X線管の製造でのコストと複雑
さを増す。更に、電子ビームスポットは、めったに楕円形ではなく、かつ得られ
たX線結像スポットは、通常形状が歪んでおり、密度が不規則であり、更にX線
画像に品質低下を導く非円形である。
【0006】 このように、結像動作でより大きな柔軟性を可能とするために所与の範囲に亘
って連続的に調節可能であるスポットサイズを有するX線管を提供することが望
ましい。また、製造を容易にしかつX線スポットの対称性と密度を改良するため
に軸方向に対称的な幾何学形状で構成されたX線管を提供することが望ましい。
さらに望ましい利点は、スポットサイズとX線密度が、オブジェクトを再位置決
めすること無しに変えられることである。最後に、改良されたX線画像品質を得
るためにより均一密度円形X線結像スポットを有するX線管を提供することが望
ましい。
【0007】 (発明の概要) 本発明の教示によると、X線管が所与の範囲において連続的に調節可能なスポ
ットサイズを提供する。連続的に調節可能なスポットサイズは、操作者が、特定
の結像オブジェクトに結像するために最適のスポットサイズと密度を選択するこ
とを可能にする。さらに、そのX線管は軸方向に対称的な幾何的形状を有し、こ
れは単純な機械的製作を可能にし、そして改善された品質のX線像のための実質
的にさらに均質な密度の円形X線結像スポットをもたらす。
【0008】 さらに詳しく述べると、そのX線管は、電子放出表面を有するカソードを有し
、そのカソードは電子放出表面の対称軸に沿って動く電子ビームを提供する。ア
ノードはカソードから離間され、対称軸に関して157.5°の角度に配置され
たターゲット表面を有する。ターゲット表面はその上に電子ビームが衝突すると
それに応答してX線を提供する。X線は、そのX線ターゲット上のX線結像スポ
ットからX線管の外側に向けられる。カソードとアノードの間に開口グリッドが
設けられ、中心開口を通って電子ビームが通過するようになっている。その開口
グリッドはさらに、そのカソードに対して印加される可変電圧を有し、それは電
子ビームの直径を制御するために使われる。さらに詳しく述べると、電子ビーム
の直径は可変電圧に応じて変わり、そして電子ビームの直径の選択的変化によっ
て、X線結像スポットのサイズの対応する変化がもたらされる。
【0009】 本発明の一つの実施の形態では、そのX線管は、対称軸に対する電子ビームの
位置を変えるようにされており、それによって、ターゲット表面の上の電子ビー
ムの衝突点を変えるようになっている。少なくとも一つの磁極片がアノードの中
に対称軸に垂直の方向に配置されている。磁界が電子ビームを通るように、極片
に磁界が印加される。このようにして、ターゲット表面の上の離れたスポット上
に、電子ビームが衝突するようになっており、ターゲット表面の上の熱ストレス
の有害な効果を分散している。
【0010】 この好ましい実施の形態についての以下の詳細な説明を考慮すると、当業者は
、この可変スポットX線管のもっと完全な理解を得ることができ、また付加的な
本発明の利点と目的を実感するであろう。添付の図面を参照する。それについて
最初に簡単に説明する。
【0011】 (好ましい実施形態の詳細な説明) 本発明は、結像動作でより大きな柔軟性を可能とするために所与の範囲に亘っ
て連続的に調節可能であるスポットサイズを有するX線管の必要性を満足する。
以下の詳細な説明において、同様な構成要素の参照番号は、上記図面の一つ或い
はそれより多く図面において図示された同様な構成要素を記述するために使用さ
れる。
【0012】 始めに、図1を参照して、X線管で使用される電子ガンの第1の実施形態が示
される。この電子ガンは、電子エミッタ12を有するカソードアセンブリを含む
。エミッタ12は、トリウムタングステン又は他の同様な電子放出材料から形成
された螺旋状にコイルされたフィラメントワイヤで構成されることが可能であり
、またそれが略円形或いは対称的空間を占めるように配置される。フィラメント
ワイヤは、共通に「パンケーキ」と呼ばれるタイプの略平らな断面を備えてもよ
い。環状形状のエッジ電極16は、エミッタ12の周りでありかつそれから離間
して同心的に配置され、かつ環状フォーカス電極22は、エッジ電極の周りでか
つそれから離間して同心的に配置される。
【0013】 開口グリッド18は、エッジ電極16とフォーカス電極22との間に同心的に
配置される。まは、開口グリッド18は、環状の形状であり、かつエミッタ12
が露出される中央開口を有する。図1に示されるように、開口グリッド18は、
エミッタ12に平行な面にある平らな表面を有する。エミッタ12、エッジ電極
16及びフォーカス電極22は、共に同じ負電位に連結され、そして開口グリッ
ド18は、これらのカソード要素に関して可変正又は負電圧源に連結される。更
に、エミッタ12、エッジ電極16、開口グリッド18及びフォーカス電極22
は、それらの各々が共通軸15の回りに対称的に配置される。
【0014】 アノードアセンブリは、カソードアセンブリから離間される。アノードアセン
ブリは、環状部分32とターゲット部分36とを含む。環状部分32は、軸15
に沿って延出する開口34を含む。ターゲット部分36は、軸15に対して鈍角
に配置されると共に軸に対して対称的ではないターゲット表面38を備える。タ
ーゲット表面38は、タングステンのようなX線放出物質よりなる。コーン形状
の開口は、環状部分32とターゲット部分36との間に設けられ、以下でより詳
細に記述されるように、装置内で発生されたX線のための出力通路を提供する。
ウインドウ42は、装置内に真空シールを維持するためにコーン形状の開口を横
切る。ウインドウ42は、ベリリウムやX線の通過を可能とするように選択され
た同様の材料より構成され得る。
【0015】 動作上、電流は、電子の熱電子放出が発生するのに十分なレベルまで温度を上
昇するエミッタ12に印加される。−160キロボルトのような、高い負の電圧
がアノードアセンブリに関してカソードアセンブリに印加され、それによって電
子ビームがエミッタ12からアノードアセンブリヘ引っ張られる。逆に、カソー
ドアセンブリは、接地されてもよく、かつ高い正の電圧、例えば、+160キロ
ボルトがアノードアセンブリに印加されることができる。従来技術で公知である
ように、電子ビームの電流は、エミッタ12が限られた温度領域で動作する場合
、エミッタ12の温度に依存する。エッジ電極16とフォーカス電極22の形状
は、カソードアセンブリとアノードアセンブリとの間の電極間空間内に等電位ラ
インを画定して、電子ビームが一般的にターゲット表面38にフォーカスされる
と共に向けられる。
【0016】 電子ビームの外側エンベロープ17が図1に示される。電子ビームは、アノー
ド32の環状部分の開口34を通過し、X線33を生成するためにターゲット表
面38に衝突する。X線33は、環状部分32とアノードアセンブリのターゲッ
ト部分36との間に設けられた開口を介して略コーン状パスに伝送される。X線
33は、ウインドウ42を通過して装置を越えた所定の距離に結像スポットを形
成する。開口グリッド18に提供される電圧は、電子ビームがエミッタ12を離
れるに従って、電子ビームを発散或いは収縮させる。開口グリッド18を通過し
た後、電子ビームは略発散するパスへ拡散し、そして開口グリッド18とアノー
ドアセンブリとの間の静電界の形状によってコーンに実質的にフォーカスされる
【0017】 特定の例として、図2は、X線管可変結像制御のコンピュータシミュレーショ
ン近似から導出されるチャートを示す。このチャートは、ミリメートル(y軸)
対開口グリッド電圧(x軸)におけるビーム半径のプロットを示し、ここでビー
ム半径は、電子ビームの63.2パーセントを囲む半径として定義される。+1
60キロボルトがアノードアセンブルへ印加されたと仮定して、グラフは、開口
グリッド電圧が0ボルトのカソードアセンブリに関して約+990に設定される
と、ターゲット上のスポットサイズの最小化が起こることを示す。従って、ター
ゲット表面38上に衝突する点での電子ビームの直径は、開口グリッド18に印
加される電圧を変化することによって変更され得る。例えば、ビームのサイズは
、+910ボルトの電圧を開口グリッドに、或いは+1045ボルトを印加する
ことによって効果的に2倍にされることができる。
【0018】 更に、カソードアセンブリに関して略負電圧の開口グリッド18ヘの印加によ
って全てのビーム電流をオフにスイッチすることができる。電子ビームのフォー
カシングを変更することによって、発生されたX線のスポットサイズもまた変化
する。このように、ターゲット表面38を打つ電子ビームの直径が増加すると、
X線装置によって提供される結像スポットサイズが増加し、かつ電子ビームの直
径が減少すると、それは減少する。電子ビームの形状とX線スポットサイズとの
間の関係は、更に以下の本発明装置と従来技術の装置との幾何学形状の議論にお
いて記述される。
【0019】 次に、図3と4を参照して、X線管の電子ガンの他の実施形態が示される。こ
れらの実施形態は、アノードのターゲット表面に過度のストレスを付与すること
の問題を解決することに向けられる。上述のように、従来のX線管の欠点は、ア
ノードを打つ電子ビームのパワー密度は、タングステン材料の望ましくない溶融
や気化を引き起こす。ターゲット表面の過度のストレスを避ける方法は、電子ビ
ームの衝突点を異なる位置に移動することである。これは、X線結像スポットの
パワー密度が低下されないように、電子ビームの形状を歪ませることなく達成さ
れることが必要である。
【0020】 より詳細には、図3は、アノードアセンブリの環状部分32を横断面で示す。
第1と第2のセクション51と52を有する極片は、アノードアセンブリの環状
部分32内に半径方向に延出する。極片セクション51と52は、全体としては
開口34へは延出しないが、X線管の真空エンベロープが極片セクションの導入
によって影響されないことを確保するために開口に達する前に終端する。更に、
極片セクション51と52は、誘導コイル50が接続された磁気リターンストラ
ップ56へ連結される。電流の誘導コイル50への印加によって開口34を二分
しかつ電子ガンの中心軸15に垂直に延出する磁界Bを生成する。誘導コイル5
0へ印加される電流のレベルを変化させることによって磁界Bの大きさが変化さ
れ得る。磁界Bは、それが開口34を通過するように突出されると電子ビームを
偏向して、電子ビームをターゲット表面38の他の位置に衝突させる。このよう
に、電子ビームは、あらゆる点への熱ストレスを減少するためにターゲット表面
38のより大きな領域を横切るように電子ビームのエネルギーを拡散するために
定期的に再位置決めが行なわれ得る。電子ビームの偏向は、X線管の操作者によ
って手動的に制御されてもよいし、或いは、ターゲット表面38の過加熱を検出
して自動的に制御されてもよい。
【0021】 同様に、図4は、他の実施形態を示し、ここではセクション51、52と53
、54を有する一対の交差する極片が利用される。極片セクションは、互いに垂
直に配置されると共に、各々は、中心軸15を貫通するように二つの軸に延出す
る磁界BとBを提供するように各誘導コイル(図示せず)を有する。このよ
うに、交差する磁界BとBは、この二つの軸方向への電子ビームの偏向への
より大きな範囲の制御を可能とすることに留意すべきである。
【0022】 図5では、カソードアセンブリの他の実施形態が図示されている。この他の実
施形態では、カソードアセンブリは、支持スリーブ29と熱的にシールされたエ
ンドキャップ24によって画定されるオーブン領域内に配置される螺旋状に巻か
れたフィラメントワイヤ26を備える。このエンドキャップ29の中心部は、ト
リウムタングステン又は他の同様な電子放出材料で作られた放出表面14を提供
する。この放出表面14は、開口グリッド18内に同心的にかつそれから離間し
て配置された円形形状を有する。また、熱シールド28は、オーブン領域内に熱
を含みかつオーブン領域の外側ヘの熱伝達を防止するようにカソードアセンブリ
内に設けられることができる。
【0023】 カソードアセンブリを動作するために、電圧電位Vがフィラメントワイヤ2
6に印加される。前述の実施形態の場合と同様に、フィラメントワイヤ26を流
れる電流は、このワイヤの温度を上昇させる。フィラメントによって発生される
熱は、オーブン領域内(例えば、図5の破線で図示されたパターン内)で外側に
向かってエンドキャップ24へ、かつ特に放出表面14へ放射される。放出表面
14上への熱放射は、そこからの電子の熱電子放出を生じさせ、電子のビームは
、カソードアセンブリとアノードアセンブリとの間に高い負の電圧電位を印加す
ることによって放出表面14から引出される。更に、電位差がフィラメントワイ
ヤ26と放射表面14との間に印加されてもよい。この場合、フィラメントワイ
ヤ26からの電子は、エンドキャップ24の後部に衝突してそれを熱電子放出が
生じるのに十分な温度まで加熱する。この汎用の実施形態は、放出表面14がフ
ィラメントワイヤからの直接放出によって生成されるビームよりも不変的で均一
な電流密度を有する電子ビームを提供できるので、有利である。
【0024】 本発明の他の態様では、ターゲット角度が軸対称幾何学形状を有する連続可変
スポットサイズを一層可能とするように選択される。図6は、X線出力コーンの
中心軸35’とターゲット表面36’(ターゲット表面36’は、X線管の中心
軸15’に関して112.5°に配置される)との間に従来の22.5°ターゲ
ット角度を使用する従来技術のX線管を概略的に示す。従来技術のX線管は、タ
ーゲット上に二つの非類似サイズスポットを提供する。これを達成するために、
管は、FとFとして示される、二つのカソードフィラメントを含み、それら
は、中心軸15’に関して電子エミッタの分離した非対称領域を占める。これら
のフィラメントは、一般的にヘリカル形状に巻かれたワイヤであり、Fは、一
般に、Fよりも長い長さと大きなヘリカルピッチを有する。フィラメントF とFとの間の一般的な非類似性及びそれらの非対称配置に鑑み、夫々の電子ビ
ームは、ターゲット表面36’上の異なる位置に衝突し得るし、一般的には衝突
する。上述のように、二つのフィラメントFとFは、フィラメントFで生
成されるビームがフィラメントFで生成されるビームよりも大きいように、異
なる直径のビームを生成するのに適している。
【0025】 ターゲット表面36’に衝突すると、衝突するビームは、X線出力コーンを生
成し、このコーンは、ウインドウ42’を通過してターゲット表面からの焦点距
離f’に配置された対象となるオブジェクト60を照射する。何れのビームでも
、ターゲットでの略円形断面領域X線スポットは、照射されたオブジェクトから
見て、X線管に対する結像スポットサイズを構成する。一般的に、より大きなフ
ィラメントFからのビームは、ターゲット上により高い電流のより大きなスポ
ットサイズを生成するが、より短いフィラメントFは、ターゲット上により低
い電流のより小さなスポットサイズを生成する。フィルム或いはX線画像記録手
段37’を画像スポットから距離g’に配置することによって、拡大されたX線
画像を得る。従来技術のX線管では、焦点距離f’は、十分な強度を可能とする
ように6インチ或いはその前後である。X線出力コーンの中心軸35’は、X線
管の中心軸15’に対して90°の角度を形成する。このように、X線管は、X
線管の軸から略垂直な方向へ結像スポットを放出する。このタイプの管の一般的
コーン角度は、図6に示されるように、一般的に40°である。
【0026】 図7は、本発明の一つの実施の形態に係るターゲット角度を図示する。従来技
術のX線管と違って、ターゲット表面36は、X線管の中心軸15に関して15
7.5°に配置されている。より大きいターゲット角度によって、X線出力コー
ンの中心軸35はX線管の中心軸15に対して135°の角度を形成する。電子
ビームが中心軸15の周りで軸対称であるので、X線出力コーンは対称的な密度
を有し、ターゲット表面から焦点距離fだけ離れた結像オブジェクト60を照射
する。本発明のX線管においては、従来技術に比べてより高い倍率を得ることが
できる。その理由は、例えば、1.2インチに近さで、オブジェクトを結像焦点
スポットの近くに置くことができるからである。(電子ビームが衝突する)本発
明の拡大されたターゲット領域は、ターゲット表面36の単位面積当たりの加熱
を少なくさせることを評価しなければならない。さらに、オブジェクトを結像ス
ポットに近づけることによって、所定の倍率および画像の明るさのために必要と
される密度が少なくなる。
【0027】 図8は、従来技術のX線管のターゲットの上への入射電子ビームと見かけのX
線画像スポットの間の幾何的関係を図示する。フィラメントカソードd’の方
向に長さを有する電子ビームeが、出射するX線ビームの軸に関して角度aa’
で配置されているターゲット表面36’の上に投射される。そのX線ビームは見
かけのスポット長d’を持ち、それはd’tan aa’に等価であり、ま
たターゲット表面36の衝突領域d’の幅はd’/sin aa’に等価で
ある。従って、X線ビームの見かけのスポットサイズは、アノードターゲット角
度が45°以下ならば、入射電子ビームより小さい。従来技術において使用され
るaa=22.5°のターゲット角度の場合、反射ビームは、入射ビームの長さ
より41%小さいであろう。ヘリカルフィラメントワイヤF1とF2に平行な方
向では、ターゲット表面の上の電子ビーム衝突のサイズ以上に、X線ビームスポ
ットサイズの見かけのサイズが減少することはない。その理由は、ターゲット表
面はこの方向では傾いていないからである。見かけのX線ビームサイズd’の
所与のスポット長さのために、ある角度だけターゲットを傾斜することは、所与
のX線ビームスポットサイズのためにターゲット表面への電子ビームのパワー密
度を減少させる手段であることが理解できる。aa’=22.5°の場合、ビー
ムが打つターゲット表面の長さは、見かけのX線スポットサイズの長さの2.6
倍長い。
【0028】 反対に、図9は本発明のX線管のアノードターゲット角度とX線出力コーンの
幾何学的関係を示す。上に述べたように、本発明のX線管はX線コーン軸に対し
て22.5°のアノードターゲット角度と、入射電子ビームの軸の角度に対して
135°のX線ビーム角度を有する。従って、電子ビームがその上に衝突するタ
ーゲット表面の広がりdはd/sin aaである。電子ビーム入射の角度
は出射するX線ビームの角度と等しいので、dはdに等しいことになる。こ
のようにして、本発明のX線管において、aa=22.5°の場合には、ビーム
が打つターゲットの長さは、従来技術のX線管におけるのと同様に、見かけのX
線ビームスポットサイズの2.6倍に長くなる。
【0029】 図10と図11を参照すると、本発明の教示によって構成されたX線管の実施
形態が図示されている。図10は、X線管のカソードアセンブリの拡大図である
。図5の実施例と同じように、カソードアセンブリは、支持リング113の両側
で結合されたシェル半体108、104によって画定されたオーブン領域の中に
配置された螺旋状にコイルされたフィラメントワイヤ112を備えている。前面
に面している一方のシェル半体114は円形の放射表面を備え、その放射表面は
トリウム処理されたタングステンあるいは他の電子放出性材料の組からなる。そ
の放射表面の周りに同心的にそしてそれから離間されて、環状形状を有するエッ
ジ電極116が配置されており、環状焦点電極142がエッジ電極の周りに同心
的にそしてそれから離間されて配置されている。その焦点電極142は、凸形の
ドーム形状の外側表面144と、放射表面の中心軸に対して同心的に延在してい
る一定直径の穴146を有する。ハウジング122がカソードアセンブリの外側
部分をほぼ取り囲んでいる。
【0030】 開口グリッド118が、エッジ電極116と焦点電極142の間に同心的に配
置されている。その開口グリッド118もまた環状形状を有し、そして中心開口
を有し、その中心開口を通って放射表面114が露出している。その放射表面1
14と、エッジ電極116と、焦点電極142は共通に、同じ負の電位に結合さ
れている。そしてその開口グリッド118は、正、負、またはこれらの他のカソ
ード要素と同じ電圧に結合されている。図1の実施形態と同様に、開口グリッド
118の電圧は、放射表面114の上に作られる電子ビームの直径を変えるよう
に、カソードアセンブリのフォーカシング特性を変える。電気リード132がフ
ィラメントワイヤ112の一つの端子に結合されており、フィラメントワイヤの
他の端子はカソードアセンブリの導電性支持板124に結合されている。円筒形
絶縁体136が残りのカソードアセンブリを、電気リード132がフィラメント
ワイヤ112と結合している所から電気的に分離している。フィラメントワイヤ
112に印加された電圧電位Vにより放射表面114が加熱され、これにより
、その放射表面114から電子の熱イオン放射が可能となる。カソードアセンブ
リとアノードアセンブリの間に大きな負電圧を印加すると、ターゲット板におい
て略円形の電子ビームが作られる。別の電気リード134が開口グリッド118
に電圧を印加する。別の円筒形絶縁体138が、開口グリッド118につながっ
ている電気リード134を、残りのカソードアセンブリから電気的に分離してい
る。絶縁リング140が、さらに、開口グリッド118と残りのカソードアセン
ブリの間を電気的に分離している。円筒形の絶縁体136、138と絶縁リング
140は、例えばアルミナセラミックのように熱的には導体であり、電気的には
絶縁体である材料である。
【0031】 図11は、X線管全体の側面断面図である。(図10と関連して説明された)
カソードアセンブリは、X線管の中に軸方向に配置された絶縁体ポスト152か
ら延びている。外部ハウジング154がカソードアセンブリから半径方向外側に
設けられており、X線管の遠位端と結合している。そしてそのX線管はX線管の
近位端にアノードアセンブリを収容しており、X線管は(図示しない)他の構造
部分に装置を取り付けることができる。アノードアセンブリはカソードアセンブ
リから離間されており、環状部分154とターゲット部分156を含んでいる。
環状部分152は、カソードアセンブリの中心軸に沿って延びている開口154
を含んでいる。ターゲット部分156は、中心軸に対して157.5°の角度で
配置され、中心軸に対して対称的ではないターゲット表面158を備えている。
ターゲット表面158はタングステンなどのX線放射材料から成る、コーン形状
の開口164が前記環状部分152と、装置の中で発生されたX線の出口通路を
提供するターゲット部分156の間に提供される。装置の中の真空シールを維持
するために、前記コーン形状開口165にウィンドウ162が架設されている。
そのウィンドウ162はベリリウムあるいはX線を透過させることができるもの
から選択された同様な材料からなる。
【0032】 以上に述べたように、放射表面114から電子ビームをアノードアセンブリに
引き出すように、カソードアセンブリにアノードアセンブリに関して高い負の電
圧が印加される。電子ビームはアノード152の環状部分の開口154を通って
通過し、そしてターゲット表面158に衝突してX線を発生する。そのX線はウ
ィンドウ162を通って略コーン状パスで伝播し、ターゲット上に結像スポット
を形成する。開口グリッド118に与えられた電圧は、電子ビームが放射表面1
14を出る時、電子ビームが僅かに発散したり収束したりすることをもたらす。
従って、開口グリッドの電圧を変えることによって、ターゲット表面158にお
ける衝突点でのビームの直径を変えるように、電子ビームの直径を制御できる。
電子ビームのフォーカシングを変えることにより、X線装置によって提供される
結像スポットサイズは、ターゲット表面158を打つ電子ビームの直径が増加す
ると増加し、電子ビームの直径が減少すると減少する。
【0033】 このように、可変結像スポットサイズを有するX線管の好ましい実施形態を説
明してきたので、当業者にとってはこのシステム内での幾つかの利点は明らかで
あろう。本発明の精神および技術的範囲の範囲において、本発明の種々の変更、
適切化、および別の実施形態をすることができることを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明のX線管用の電子ガンの側面断面図である。
【図2】 図2は、開口グリッド電圧の関数としてのビーム半径に対するX線管可変結像
スポットサイズ性能のコンピュータシミュレーション近似グラフである。
【図3】 図3は、電子ビーム位置を変更するために、単一軸磁極片を有する電子ガンの
アノードの実施形態の端面図である。
【図4】 図4は、電子ビーム位置を変更するために、2軸磁極片を有する電子ガンのア
ノードの実施形態の端面図である。
【図5】 図5は、電子ガンのカソードアセンブリの他の実施形態の側面断面図である。
【図6】 図6は、従来技術の二重フィラメントカソードによって提供されるX線出力コ
ーンの概略図である。
【図7】 図7は、本発明の可変スポットカソードによって提供されるX線出力コーンの
概略図である。
【図8】 図8は、従来技術のX線管に対するX線出力コーンとアノードターゲット角度
との幾何学的関係を示す。
【図9】 図9は、本発明のX線出力コーンとアノードターゲット角度との幾何学的関係
を示す。
【図10】 図10は、本発明の電子ガンの実施形態の側面断面図である。
【図11】 図11は、本発明のX線管の実施形態の側面断面図である。
【符号の説明】
12 電子エミッタ 15 共通軸 16 エッジ電極 17 外側エンベロープ 18 開口グリッド 22 環状フォーカス電極 32 環状部分 33 X線 34 開口 36 ターゲット部分 38 ターゲット表面 42 ウィンドウ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テイラー、ジェームス・チャールズ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94065 レッドウッド・シティ、ブレイク ウォーター・ドライブ 529 (72)発明者 フェラーリ、クリストファー・ポール アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94070 サン・カルロス、ボックス 825、 ローレル・ストリート 751 (72)発明者 アレン、カーチス・ゲイリー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 94541 ヘイワード、ミニー・ストリート 2117 (72)発明者 ベミス、トーマス・マイケル アメリカ合衆国、ペンシルバニア州 17754 モンツァーズビル、ハンプトン・ ウェイ 9 【要約の続き】 ドの電位に等しい可変電圧が印加される。制御グリッド 上の電圧は、ターゲットに衝突する電子ビームの直径を 制御するために使用される。特に、電子ビームの直径 は、可変開口グリッド電圧に対応して変化し、かつ電子 ビームの直径の選択的変化によって、X線結像スポット のサイズが対応して変化する。

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子ビームを提供する電子放射表面を有し、その電子ビーム
    が前記放射表面の対称軸にほぼ沿って伝播するカソードと; 前記カソードから離間され、前記対称軸に対して斜角で配置されたターゲット
    表面を有し、その上に前記電子ビームが衝突するとそれに応答して前記ターゲッ
    ト表面がX線を提供し、前記X線は前記X線管の外側に向けられてX線結像スポ
    ットを提供するアノードと; 前記カソードと前記アノードの間に配置された少なくとも一つの開口グリッド
    であって、前記開口グリッドはその中を前記電子ビームが通ることができる中心
    開口を有し、前記開口グリッドはさらに前記カソードに対する可変電圧を有し、
    前記電子ビームの直径は前記可変電圧に応答して変わる開口グリッドとを備え; それによって前記電子ビームの直径の選択的変化が前記X線結像スポットサイ
    ズの対応する変化を引き起こすことを特徴とするX線管。
  2. 【請求項2】 X線管の真空シールを与え、前記X線がほぼ通過できる、X
    線透明ウィンドウをさらに備えることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  3. 【請求項3】 前記斜角が衝突電子ビームの対称軸に対して約157.5°
    であることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  4. 【請求項4】 前記ターゲット表面がタングステン材料からなることを特徴
    とする請求項1記載のX線管。
  5. 【請求項5】 さらに前記電子ビームを対称軸に対して変位させるために前
    記電子ビームの位置を変える手段を備え、これにより、前記ターゲット表面の上
    の前記電子ビームの衝突点を変えることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  6. 【請求項6】 前記変更手段が、さらに前記対称軸に対して垂直な方向に配
    置された少なくとも一つの磁極片と、前記少なくとも一つの磁極片に磁界を印加
    する手段を備え、これにより、前記磁界が前記電子ビームを通ることを特徴とす
    る請求項5記載のX線管。
  7. 【請求項7】 前記変更手段が前記アノードの中に配置されていることを特
    徴とする請求項5記載のX線管。
  8. 【請求項8】 前記少なくとも一つの磁極片が一対の交差した極片からなり
    、前記一対の交差した極片が前記アノードに配置されていることを特徴とする請
    求項6記載のX線管。
  9. 【請求項9】 前記電子放射表面がフィラメントワイヤからなり、前記フィ
    ラメントワイヤが前記カソードの中でほぼ対称的な空間を占めるように配置され
    ていることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  10. 【請求項10】 前記フィラメントワイヤから熱イオン放射が起こるように
    、前記フィラメントワイヤに印加される電圧電位を備えることを特徴とする請求
    項9記載のX線管。
  11. 【請求項11】 前記カソードが、前記電子放射表面の後ろのオーブン領域
    の中に配置されたフィラメントワイヤヒータをさらに備え、前記フィラメントワ
    イヤヒータは前記電子放射表面からの熱イオン放射を引き起こすために使われる
    ことを特徴とする請求項1記載のX線管。
  12. 【請求項12】 前記フィラメントワイヤヒータが熱を放射するように、前
    記フィラメントワイヤヒータに印加された電圧電位をさらに備えることを特徴と
    する請求項11記載のX線管。
  13. 【請求項13】 前記フィラメントワイヤヒータと前記電子放射表面の間に
    印加される電圧電位をさらに備え、それにより、前記フィラメントワイヤヒータ
    が前記電子放射表面に電子を注入し、前記電子放射表面からの熱イオン放射を引
    き起こすことを特徴とする請求項11記載のX線管。
  14. 【請求項14】 前記電子放射表面から熱イオン放射を引き起こすように、
    前記電子放射表面を励起する手段をさらに備えることを特徴とする請求項1記載
    のX線管。
  15. 【請求項15】 前記カソードがさらに内部エネルギー源を有する閉じたオ
    ーブンと、前記内部エネルギー源からのエネルギーを受け取るのに適した放射表
    面を備えることを特徴とする請求項1記載のX線管。
  16. 【請求項16】 前記放射表面がカップ形状であることを特徴とする請求項
    15記載のX線管。
  17. 【請求項17】 前記カソードが温度制限動作をするようにされていること
    を特徴とする請求項1記載のX線管。
  18. 【請求項18】 電子放射表面を有し、前記電子放射表面から熱イオン放射
    を引き起こしそれにより電子ビームを提供するように、前記電子放射表面を励起
    する手段に結合されているカソードと; 前記カソードから離間され、前記電子ビームに対して斜角で配置されたターゲ
    ット表面を有し、前記ターゲット表面はその上に前記電子ビームの衝突に応答し
    てX線を作り、前記X線は前記X線管の外側に向けられそしてX線結像スポット
    を提供する、アノードと; 前記電子ビームの直径を変えることにより前記X線管のスポットサイズとX線
    強度を調節する手段であって、前記カソードと前記アノードの間に配置されてい
    る調節手段とを備えることを特徴とするX線管。
  19. 【請求項19】 X線管の真空シールを提供し、前記X線がほぼ通過できる
    、X線透明ウィンドウをさらに備えることを特徴とする請求項18記載のX線管
  20. 【請求項20】 前記斜角が衝突電子ビームの対称軸に対して約157.5
    °の角度を備えることを特徴とする請求項18記載のX線管。
  21. 【請求項21】 前記ターゲット表面がタングステン材料からなることを特
    徴とする請求項18記載のX線管。
  22. 【請求項22】 さらに前記電子ビームを対称軸に対して変位させるために
    前記電子ビームの位置を変える手段を備え、これにより、前記ターゲット表面の
    上の前記電子ビームの衝突点を変えることを特徴とする請求項18記載のX線管
  23. 【請求項23】 前記カソードが温度制限動作を提供するのに適しているこ
    とを特徴とする請求項18記載のX線管。
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