JP2006510192A - 単色ｘ線生成用ｘ線源 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子（Ｅ）を放出する電子源（１）、電子（Ｅ）の入射に応答して実質的に単色のＸ線である特性Ｘ線（Ｃ）を放射する対陰極（４）及びＸ線をアウトカップリングするアウトカップリング手段（１１）を有するＸ線源に関する。高いパワーローダビリティを伴う実質的に単色のＸ線である特性Ｘ線を実現するために、厚さ１０μｍ未満の金属箔（５）に電子が入射する。基材（７、１２）は、当該金属箔（５）の金属がＸ線（Ｃ）を生成できる大きい原子番号を有し、実質的に基材（７、１２）に含まれる物質がＸ線（Ｃ）を生成させない小さい原子番号を持つよう用意される。アウトカップリング手段は、電子（Ｅ）が入射する側で、基材（７、１２）とは反対側の金属箔（５）側でのＸ線（Ｃ）だけをアウトカップリングするよう構成される。当該側では、ほとんど制動放射線が生成されないからである。

Description

本発明は電子を放出する電子源、電子入射に応えてＸ線を放射する対陰極及びＸ線をアウトカップリングするアウトカップリング手段を有するＸ線源に関する。さらに、本発明はそのようなＸ線源で使用される対陰極に関する。

液体金属の乱流中で制動放射線を生成するこの種のＸ線源はＬＩＭＡＸ（液体金属陽極Ｘ線源）とも呼ばれ、米国特許第６１８５２７７号明細書で説明されている。電子は、例えばモリブデン若しくはタングステンから成る金属箔又はダイヤモンド膜の電子ウィンドウを通して、流れる液体に入射する。電子ウィンドウは有意に薄く、特に数μｍであり、そのため電子ビームのウィンドウでの損失は、初期エネルギーのほんの一部分だけである。
米国特許第６１８５２７７号明細書

本発明の目的は、実質的に単色のＸ線の生成を可能とするＸ線源及びそのようなＸ線源を使用するための対陰極を提供することであり、これにより有意な線量低減を実現し、既知のＸ線源に比べより高いパワーローダビリティを可能にする。

当該目的は本発明に従った請求項１に記載のＸ線源により実現される。請求項１に記載のＸ線源は以下の要素から構成される。
●電子を放出する電子源。
●電子の入射に応答して実質的に単色のＸ線である特性Ｘ線を放射する対陰極であって、当該対陰極は１０μｍ未満の厚みを持つ金属箔及び当該金属箔を支える基材を持ち、当該金属箔の金属はＸ線生成可能な大きい原子番号の金属であり、実質的に基材に含まれる物質はＸ線を生成させない小さい原子番号の物質である対陰極。
●電子が入射する側であり基材の反対側である金属箔側でＸ線をアウトカップリングするアウトカップリング手段。

かかるＸ線源の使用に対応する対陰極は請求項１４に規定される。

本発明は、基材に支えられた薄い金属箔での電子衝突に基づき、離散的線スペクトルを発生させるＸ線源を提供する考えに基づいている。基本的な考えは、電子が入射した側の対陰極側で放射される放射線すなわち、初期電子ビーム方向とは原則的に反対方向に放射される放射線を観察することで、その放射線を制動放射線から区別することである。電子ウィンドウを構成する金属箔は、金属箔に入射する電子ビームの角度視準をある程度まで保つため有意に薄く生成される。金属箔の厚さは電子拡散深度より薄く、従って、電子ビームのかなりの部分は直接基材に向かう。特定の状況でこれが有効な条件であるか否かは、電子−光子移送のシミュレーション例えばモンテカルロシミュレーションによってのみ確かめられる。提供されるＸ線源のパワーローダビリティはこのように、既知の固定陽極Ｘ線源のパワーローダビリティより大幅に大きいものである。

本発明の好適な実施例が従属項に規定される。本発明は一般的に厚さ１０μｍ未満の金属箔を用いることでもたらされるが、最適な結果は、厚さ５μｍ未満、好適には厚さ１乃至３μｍの金属箔で得られる。

さらに金属箔は一般的に、電子の入射に応答したＸ線生成を可能とする金属で生成される。金属箔用物質の選択は、放射されるＸ線で要求される光子エネルギーにより決定付けられる。原子番号Ｚが２０以上９０以下のすべての金属が有力候補となるが、高い機械的強度、高い融点及び基材への接合の容易さを有する金属が好適となる。好適な物質は原子番号が４０と８０との間の物質である。好適な候補物質は例えばタングステン、モリブデン又は金である。

好適な実施例に従った基材は、当該金属箔の電子の入射する側の反対側に沿ってクーラントが流れるよう準備される冷却回路を有し、すなわち、金属箔は流水ビームダンプにより冷却される。既知のＬＩＭＡＸ装置の設計パラメータ最適化支援のため、電子飛程、その拡散率、流速及び乱流度合いのような液体金属パラメータに基づいた最大焦点温度の決定に単純アプローチが採用された。拡散モデルは有限要素プログラムによるモデルと比較的一致するという結果を得ている。

上記拡散モデルの入力パラメータを変更する過程で、水冷装置での熱移動が、最適液体金属候補に関する一定焦点温度で、パワーローダビリティの１０倍増加に繋がるという予期しない結果が得られた。数量的にいうと、焦点面積１ｍｍｘ１０ｍｍでは数１０ｋＷの電圧を、水の沸点温度を越えることなく電子ビームに掛けることができるということである。ここに提案されるＸ線源の実施例では、クーラント自身でのＸ線発生を避けるため小さい原子番号を持つクーラントを利用して金属箔対陰極での高いパワーローダビリティを得るために、この性質が生かされている。

一般的にクーラントは電子の入射に応答するＸ線生成を避けるため小さい原子番号を持つこととなるが、原子番号は好適には１０未満である。そのような液体には炭化水素化合物に基づくオイルばかりでなく水も含まれる。Ｘ線源の高いパワーローダビリティは、水をクーラントとして利用することで得られることになった。

金属箔領域でのクーラントの大きい速度を達成するために、クーラントが内部を流れる冷却回路はこの領域に狭窄を有する。従って、金属箔の有効な冷却が得られ、クーラントの沸騰が回避される。

別の好適な実施例に従って、対陰極はクーラントに面する側に金属箔を支えるキャリアを有する。金属箔の厚みが非常に薄いため、金属箔の物質によっては機械的安定性を向上させ、かつ、金属箔を支持するためのキャリアが必要となる。このような場合、適切なキャリアである例えば薄いダイヤモンド層が提供され得る。

診断放射線医学分野の単色Ｘ線を用いるいくつかの医療応用例では、高い放射輝度のＸ線源が必要であり、従って高パルス電源で、短時間照射（１秒以下）のものが必要となる。本発明の好適な実施例では、回転陽極管形状が使用され、そこでの基材は原子番号１０未満、特に４乃至６の物質からなる回転基準板を有する。基準板は薄い金属箔を支持する機能を提供し、それが高速で回転する場合には、基材に直接向かう電子エネルギーを対流により取り除く機能を提供する。この回転陽極管装置の短期間のパワーローダビリティは冷却回路を有する実施例のパワーローダビリティの少なくとも１０倍であり、金属箔と基準板との結合が、冷却回路を有する実施例よりもかなり高いトラックスピードで、かなり高い温度で操作できるようになる。従って、この実施例は診断放射線医療における現実の単色Ｘ線源に向けた重要なステップとなる。

制動放射線がＸ線ビームに含まれるのを回避するため、Ｘ線透過性のＸ線ウィンドウのようなアウトカップリング手段が提供される。アウトカップリング手段は一般的に金属箔の反射方向に伝播するＸ線のみを伝える。すなわち放射方向のＸ線はアウトカップリングされない。好適な実施例ではアウトカップリング手段は、請求項１０で規定されるように反射方向から所定の角度範囲に伝播するＸ線のみを伝える。これは、制動放射線がほとんど完全に放射方向に伝播し、反射方向及び当該所定の角度範囲には伝播しないため、ほとんど特性単色Ｘ線のみしかアウトカップリングされないことを確保する。

別の実施例に従って、アウトカップリング手段は当該電子入射方向の実質的に反対方向にあるＸ線をアウトカップリングするよう適用され、特に当該電子入射方向に対し１５０°乃至２１０°の角度範囲の方向に適用される。

もうひとつ別の好適な実施例に従って電子は金属箔の表面に実質的に９０°の角度、すなわち表面に垂直になるよう方向付けられる。この方向は最も高いＸ線生成効率を確保する。しかし、アウトカップリングされたＸ線ビームを電子源が遮断することを回避するため、電子源は好適には当該X線ビームの外、すなわち金属箔表面に９０°の方向からは異なる角度に配置される。電子が実質的に９０°の角度で確実に金属表面に入射するよう、電子ビームを方向付ける適切な手段、例えば適切な偏光コイルが提供される。

本発明は図を参照して、より詳細をこれから説明する。

図１は、２ｍｍアルミニウムフィルター及び１０°の陽極角を使用する１５０ｋｅＶの電子ビームに応答する重厚なタングステン陽極の対陰極を有する既知のＸ線管の光子スペクトルを示す。ほぼ離散的なＫ線の光子のスペクトルにある光子の合計に対する比率は、Ｘ線源の単色光性Ｍの指標となる。本発明のＸ線源との比較のため、図１に示すスペクトルのＭ値は約１０％である。電子拡散はＸ線管陽極での熱移送に無視できない寄与を与えることがよく知られている。この寄与は、固体の、例えば回転陽極Ｘ線管で、熱パルスが対陰極の媒質を介して拡散するのに必要な時間が短くなるほど大きくなる。電子拡散要素は、陽極が比較的低い伝導性を有する場合、熱移送を支配できる。これは、陽極が大きい原子番号を持つ液体金属よりむしろ小さい原子番号を持つクーラントを有する液体陽極管の場合である。非常に高いローダビリティ、すなわち陽極の単位温度上昇を導く単位焦点面積あたりのパワーローダビリティ（ローダビリティはＷｍｍ^−２Ｋ^−１の単位を持つ。）が、これにより達成される。液体の陽極水のローダビリティ５０Ｗｍｍ^−２Ｋ^−１が実現可能であり、既知の液体金属の陽極で得られる最大ローダビリティよりも有意に高いものである。

また、制動放射線の角分布が、前方方向へのＸ線放射に特に好適な、相対論的電子ビームのための高い異方性を有するものであることを立証する。この状況は、タングステン自由原子の１２８ｋｅＶの電子の制動放射強度Ｂの極座標を示す図２に図示される。原子はプロットの中心にあるものとされ、電子ビームは矢印Ｅで示すように垂直上方に伝播する。強度は中心から曲線にかけてのベクトル長さに比例する。特性Ｘ線Ｃの角分布もまた示されている。角分布が等方的として見られるように、特性Ｘ線の強度はすなわち、電子ビームＥ方向の逆方向を含み、実質的にすべての方向で等しいものである。光子生成の輪切り表示は光子エネルギー及び放射角で違いがあることを示す。

これら考慮は共に、クーラントが特に水である、流れるクーラントビームダンプで冷された薄い金属箔上の電子衝突に基づく離散的線スペクトルを示すＸ線源のアイデアに通ずる。本発明に従ったＸ線源の第１実施例を図３に示す。例えば光電陰極である電子源１が、コイル２で生成される外部磁場の影響下にある電子ビームＥを放出する。コイル２は電子ビームが対陰極４の電子ウィンドウ３に垂直に入射するよう回転する。電子ウィンドウ３は、必要に応じ薄い例えばダイヤモンドのキャリア６で支持される、Ｋ線が励起される物質から成る薄い金属箔５を有する。

対陰極４はさらに、中空チューブでクーラント８がその中を矢印９の方向に流れる冷却回路７を有する。クーラント８の流速を電子ウィンドウ３領域の特に金属箔５の下で増大させるために、冷却回路７は狭窄１０をその領域に有する。すなわち、冷却回路７の断面が、他の領域の断面に比べて小さくなっている。

金属箔５の厚みは電子拡散深度より薄いか等しいものである。電子拡散深度とは、電子ビームＥの入射方向に伝えられる単位長さ当たりのエネルギー損失がその最大値を持つ深度である。それは実験式から予測され、または、電子伝達のモンテカルロプログラムから導き出される。１５０ｋｅＶの電子のタングステン箔への入射では、その値はほぼ４μｍである。金属箔の厚さを電子拡散深度より薄いか等しくなるよう選択することは、電子速度ベクトルが等方的に分配される機会を確実に無くするようにする。実際、金属箔の当該薄さは、電子エネルギーの２０％未満が金属箔５に、またこれに対して電子エネルギーの８０％以上がクーラント８に向かうことを意味する。

このエネルギーの電子飛程は、タングステンで約２０μｍであり、全電子エネルギーのかなりの割合のエネルギーが直接クーラントに向かうことが明白である。第１の概算において、電子が入射した単位秒当たりのクーラント量はＶＲＬであり、Ｖは狭窄１０でのクーラント８の流速を表し、Ｌは図３に示す平面に垂直な電子焦点距離を表し、また、Ｒは好適にクーラントとして選択された水における電子飛程を表す。従って、この水量が温度上昇ΔＴとして単位秒当たりに受けるエネルギー量はＶＲＬΔＴＣ_ｐであり、最後の係数Ｃ_ｐは水の熱容量（４．２ＭＪｍ^−３Ｋ^−１）である。電子ビームＥの入射方向に伝えられる単位長さ当たりのエネルギー損失は電子飛程にわたって一定であるものと仮定し、Ｖ＝５０ｍｓ^−１、Ｒ＝２５０μｍ、Ｌ＝１０^−２ｍ、ΔＴ＝２５°の値を当てはめると、約１０ｋＷの電力が導き出される。

上述の条件に基づき、５μｍ未満の金属箔厚、好適には１乃至３μｍの金属箔厚、例えば２μｍを想定する。全電力の約５％（約１ｋＷ）は金属箔５に向かう。ΔＴ＝５０°の温度上昇であるこの熱負荷は上記所与の水流速で十分取り除かれることができる。

想定されるクーラントは小さい平均原子数Ｚを持ち、制動放射線生成の輪切り表示は原子番号Ｚに比例するので、クーラントにおけるＸ線生成はほとんどない。

金属箔５に浸透する電子は、衝突励起により金属箔物質をイオン化するよう反応し、あるいは時折制動放射線の生成を介して反応する。前者は入射電子が十分なエネルギーを有する場合にはＫ殻電子を含む。励起された原子は特定Ｘ線を放出しその基底状態に戻る。特定Ｘ線は例えば、５７ｋｅＶのエネルギー（Ｋ_α１線）である。特定Ｘ線は等方的に放射される。後者の効果は制動放射であり、ほぼ完全に伝播方向すなわち図３でいう下方に向かい放射される一方、反射方向すなわち図３でいう上方、特に金属箔５の平面に垂直な方向への制動放射線の強度は非常に弱いものである。

従って、金属箔からの放射が反射方向、特に電子ビームと逆方向で角度範囲α、好適には±２０°に、適切なアウトカップリング手段１１、例えばＸ線透過のウィンドウを利用して観察されると、その放射は、クーラント８からの低い制動放射強度のノイズ上に金属箔５の金属の特性線が重ねられて構成される。これは高発光の準単色光スペクトルＣをもたらす。単色光は数多くの医療及び科学の放射線学領域で有用であり、患者への線量を低減させた検査、検知器の較正及び新しい診断様式を含むが、これらに限定されるものではない。

金属箔における電子ビームＥの平均エネルギー損失は、Ｂｅｔｈｅ−Ｂｌｏｃｈのエネルギー損失の関係から導き出されるＴｈｏｍｓｏｎ−Ｗｈｉｄｄｉｎｇｔｏｎ法により近似的に得られる。Ｔｈｏｍｓｏｎ−Ｗｈｉｄｄｉｎｇｔｏｎ法はＥ^２＝Ｅ_０ ^２−ｘｂρで表される。Ｅ_０は初期電子エネルギー、ｘは平均電子エネルギーをＥまで低下させるのに必要な電子ビームの初期方向における金属箔厚である。他の符号はそれらの相手に対し意味を持つ。

Ｔｈｏｍｓｏｎ−Ｗｈｉｄｄｉｎｇｔｏｎ定数ｂはタングステンの値として１５０ｋｅｖで８・１０^４ｋｅＶ^２ｍ^２ｋｇ^−１の値を持つ。これは電子飛程に比べ薄い厚さで、金属箔厚の１μｍ当たりのエネルギー損失５ｋｅＶをもたらす。電子飛程はＥをゼロまで低下させるのに必要な金属箔厚ｘの値であり、この方程式から約２０μｍとなる。

２μｍ厚のタングステン箔を有し、１５０ｋｅＶの電子で照射する図３のＸ線源の実施例で、後方に向かうＸ線のシミュレーション結果が図４に表される。スペクトルは、初期電子ビームの逆方向に１５°の半角を開くコーン形状方向に放射される放射線を示す。上述の単色光性パラメータＭはこの装置の値として０．４５を有し、幾何学的な最適化、高電圧化及びフィルター手段により、さらに改善され得る。

図５は、陽極４（すなわち対陰極）が回転する回転陽極管形状を有する本発明の別の実施例を示す。この実施例の設計は二極管すなわち、チューブハウジング１３が陰極及び陽極の両ＨＴからインシュレータ１４を介して断絶された二極管形状を採用し、この設計は短パルス照射の医療Ｘ線管で最も普及している。設計は、チューブハウジング及び陽極の相対的なバイアスと無関係であり、また一方、単極Ｘ線管でも容易に実現できる。

図５を参照すると、高電圧電極は光電陰極１に必要な負バイアス及び電流を電子放出器（例えば熱電子放出）のために供給する。静電気又は電磁気によるビーム偏光器（図示せず）の動きを介し、電子ビームＥは従来の方法で、正バイアスされた陽極４に垂直上方に向け入射する。陽極４の形状及び他のＸ線管設計の詳細（インシュレータ、光電陰極、ベアリング等）は電子衝撃Ｘ線管技術に通じている者にはよく知られており、従ってここではより詳細には触れないこととする。

陽極４での電子ビームＥの衝突領域は、より詳細が図５の拡大差込み図に示される。Ｋ特性Ｘ線が励起される薄い金属箔５の物質（例えばタングステン、モリブデン等）は陽極基材１２上に蒸着される。金属箔５は厚みＴを有し、電子拡散深度Ｄとの関係で、ＴはＤ以下である。

チューブハウジング１３で陽極４に相対するのは、Ｘ線管の出口ウィンドウ１１である。出口ウィンドウ１１は、電子ビームの入射方向の反対方向（１６０°≦θ≦１８０°）に陽極４から放射される放射線だけを選択するよう配置される。第１実施例で説明したように、この選択は金属箔厚Ｔの条件と共になされ、金属箔５の準単色Ｋ特性線が支配的にＸ線ビームを構成することを確実にする。

陽極基準板１２の物質は小さい原子番号Ｚを有する必要がある。制動放射Ｘ線生成なしに電子エネルギーを吸収するためである。高い融点、高い熱伝導率及び高い熱容量を持つ物質が有利である。陽極基準板１２のための２つの明確な候補はベリリウム（Ｂｅ）及びグラファイト（Ｃ）である。後者は高い蓄熱容量を有するＸ線管のどのような事例にも広く使用されている。熱伝導率が良く（１５０Ｗｍ^−１Ｋ^−１）、高い比熱（７００Ｊｋｇ^−１Ｋ^−１）を持つためである。

グラファイト上のタングステン箔の組み合わせは詳細に調べられ、１０００℃より高い温度でも安定することが明らかになっている。金属箔はまた、ベリリウム上に蒸着（例えば電気メッキ）されてもよいが、高温になるとベリリウム内に拡散する問題があるようである。金属箔５と陽極基準板１２との間にある厚さ０．１μｍの白金（Ｐｔ）緩衝層が必要な場合もある。

図５の装置のパワーローダビリティは、クーラントの熱物理パラメータが陽極基準板のものに置き換えられると、図３記載の上記実施例に類似する。Ｖ＝５０ｍｓ^−１、Ｒ＝１００μｍ、Ｌ＝１０^−２ｍ、ΔＴ＝１０００℃の値を、Ｃｐ＝７００Ｊｋｇ^−１Ｋ^−１及びρ＝２５００ｋｇｍ^−３で使用すると、１ｍｍ^２焦点当たり１００ｋＷになるまでの低温陽極上の瞬間電力を導き出す。グラファイト基材が温まるにつれて、ローダビリティは明瞭に減少する。この関係が現れる範囲は、グラファイト基材の詳細設計例えば、（陽極の回転軸に平行な）厚み及び陽極の直径によって決定される。

既知のＸ線管の厚い対陰極の光子スペクトルを示す図である。 薄いタングステン対陰極からのＸ線放射の極座標を示す図である。 本発明に従った冷却回路を有するＸ線源の第１実施例を示す図である。 本発明に従った薄い対陰極の光子スペクトルを示す図である。 本発明に従った回転陽極管形状を有するＸ線源の第２実施例を示す図である。

Claims (14)

1. 電子を発する電子源；
   前記電子の入射に応答して実質的に単色の特性Ｘ線を発する対陰極であり、
   厚さ１０μｍ未満の金属箔及び当該金属箔を支持する基材を有し、前記金属箔の金属はＸ線を生成できる大きい原子番号を有し、前記基材に実質的に含まれる物質はＸ線を実質的に生成しない小さい原子番号を有する、ところの対陰極；及び、
   前記電子が入射する側であり、前記基材側の反対である前記金属箔側にＸ線をアウトカップリングするアウトカップリング手段；
   を有することを特徴とするＸ線源。
2. 前記基材が、１０未満、特に４乃至６の原子番号を有する物質の回転可能な基準板を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
3. 前記基材は冷却回路を有し、
   当該冷却回路は、前記電子の入射する側の反対である前記金属箔側に沿ってクーラントが流れるよう配置されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
4. 前記クーラントが１０未満の平均原子番号を有することを特徴とする請求項３に記載のＸ線源。
5. 前記クーラントが水であることを特徴とする請求項３に記載のＸ線源。
6. 前記冷却回路が前記金属箔の領域に狭窄を有することを特徴とする請求項３に記載のＸ線源。
7. 前記対陰極がさらにキャリアを有し、
   当該キャリアは平均原子番号が小さい、特に１０未満の小さい原子番号の物質で、前記クーラントに面する側で前記金属箔を支持することを特徴とする請求項３に記載のＸ線源。
8. 前記金属箔が厚さ５μｍ未満、好適には１μｍ乃至３μｍであることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
9. 前記金属箔の金属が４０乃至８０の原子番号を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
10. 前記アウトカップリング手段が、前記金属箔の表面に対し、実質的に４５°乃至１３５°の角度範囲の角度で、特に７０°乃至１１０°でＸ線をアウトカップリングするよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
11. 前記アウトカップリング手段が、前記電子の入射方向に実質的に反対である方向で、特に前記電子の入射方向に対して１５０°乃至２１０°の角度範囲の方向でＸ線をアウトカップリングするよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
12. 前記電子が実質的に９０°の角度で前記金属箔の表面に方向付けられることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
13. 前記電子源が、アウトカップリングされるＸ線ビームの外に位置され、
    前記Ｘ線源が、さらに前記電子ビームを前記金属箔に向けて方向付ける手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
14. 特性Ｘ線、実質的には電子の入射に応答して単色Ｘ線を生成するＸ線源に使用される対陰極であって、
    当該対陰極は、厚さ１０μｍ未満の金属箔と当該金属箔を支持する基材とを有し、
    前記金属箔の金属は、Ｘ線を生成できる大きい原子番号を有するものであり、
    実質的に前記基材に含まれる物質は、Ｘ線を生成させない小さい原子番号を有するものである、
    ことを特徴とするＸ線源に使用される対陰極。

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