JP2007184277A - 高輝度ｘ線ビームを備えるコンパクトな発生源 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリアノードＸ線発生器装置の全体サイズおよびコストを減少させること。
【解決手段】密封された周縁ケーシング１ｆが、電子の流束４を放出するカソード３を含む真空ポンプ１と、真空ポンプ１のシャフト１ｅの端部に装着されたロータリアノード２と、放出された電子ビーム６を収集するための収集装置５とを備える。Ｘ線源の全体サイズを低減させ、ロータリアノード２の高速の安定した回転で、高輝度の発生源が作成される。ロータリアノード２が、カソード３から来る入射電子ビーム４の衝突を通じて受ける摩耗を補償するために、アキシャル方向に移動される。
動作中ロータリアノードによって放出される放射熱エネルギーを吸収するために、ロータリアノードの主ラジアル面の１つの対向する真空ポンプステータにまたは密封された周縁ケーシングに固定された、冷却要素を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線のビームを発生させるためのロータリアノード装置に関する。

文献ＥＰ−０ １７０ ５５１に記載されているように、たとえば、ロータリアノード放射線チューブを備える放射線装置がすでに知られている。放射線チューブは、密閉された壁によって画定された、その中に電子の流束を発生させるように構成されたカソードが配置されている真空エンクロージャを備える。真空エンクロージャ内にも、磁気軸受を備えるロータによって回転軸の回りに回転駆動されるロータリアノードがある。ロータリアノードは、カソードから来る電子の流束をその周縁で受信し、それによって出口に向かって方向付けられたＸ線を放出する。磁気軸受は、出口でのＸ線のビームの位置を固定維持するために、出口でのＸ線のビームの位置のセンサに応答して、その回転軸に沿ってロータを移動させ、それによってロータリアノードを移動させるように制御される。このことは、装置のある要素の熱膨張または変形から特に生じることがあるロータリアノードの意図されない移動の有害な影響を除去する。

現在知られているロータリアノードＸ線放出器装置は、ロータリアノードおよび真空エンクロージャ内での回転を駆動するためのその装置に加えて、真空エンクロージャ内に真空を発生させそれを維持するための外部真空ポンプを必要とするため、比較的かさばる。

さらに、ロータリアノードを回転駆動するための知られている手段は、電子顕微鏡検査、ポリマーの結晶化の監視、半導体の製造での小構造または積層の測定など、ある用途での使用の可能性を制限する振動を、回転の際に発生させる。

さらに、現在使用されているロータリアノードＸ線発生器は、コストがかかり、大量のメンテナンスを必要とする。また、発生源の輝度は不十分であり、小さい試料上への放射の合焦を改善するために輝度を増加させることに利点がある。
欧州特許出願公開第０，１７０，５５１号明細書 英国特許出願公開第２、１３１、２２４号明細書 英国特許出願公開第２，０１８，５０３号明細書 米国特許第４，６８８，２３９号明細書 仏国特許出願公開第８７７，３６３号明細書 米国特許第４，４１７，３５５号明細書 米国特許第５，１０７，５２６号明細書

本発明は、まず第１に、ロータリアノードＸ線発生器装置の全体サイズおよびコストを減少させることを目的とする。

本発明の別の目的は、ロータリアノードの回転の結果として生じる振動を減少させることである。

本発明のさらなる目的は、強力な電子のビームを受けるロータリアノードの避けられない摩耗の結果を減少させると同時に、Ｘ線の発生源の輝度を増加させることである。

本発明のさらなる目的は、この種の高輝度Ｘ線源内のロータリアノードの耐用年数を増加させることである。

上記およびその他の目的を達成するために、本発明は、分子、ターボ分子およびハイブリッドタイプの真空ポンプが、顕著な振動なしで、４００００ｒｐｍを超え得る回転速度で、極めて高速で駆動される装置となっていることの事実を利用する。

したがって、本発明の概念は、Ｘ線発生器の真空エンクロージャ内で真空を発生させること、およびロータリアノードの回転を生成することの両方のために、真空ポンプ自体を使用することである。

したがって、本発明は、
密封された壁によって画定された真空エンクロージャと、
ステータ、ロータ、および極めて高速でのロータの安定した回転を可能にするロータのための制御手段を備える、その中で真空を発生させて維持するために真空エンクロージャと接続された真空ポンプであって、ステータ、ロータおよび制御手段が、真空エンクロージャの密封された壁の全部または一部をそれ自体構成している密封された周縁ケーシング内に含まれる、真空ポンプと、
電子の流束を発生させるように構成された真空エンクロージャ内のカソードと、
回転軸（Ｉ−Ｉ）の回りに回転駆動され、出口に向かってＸ線を放出するためにカソードから来る電子の流束をその周縁部で受ける真空エンクロージャ内のロータリアノードであって、アノードが、真空ポンプのロータに取り付けられ、ロータと同軸に配置されているロータリアノードとを備える、
Ｘ線の放出のための装置を提供する。

本発明によれば、装置は、動作中にロータリアノードによって放出される放射熱エネルギーを吸収するために、ロータリアノードの主ラジアル面の１つに対向する真空ポンプステータにまたは密封された周縁ケーシングに固定された、少なくとも１つの冷却要素をさらに備える。

少なくとも２つの冷却要素が好ましくは設けられ、ロータリアノードの主ラジアル面とそれぞれ対向して配置されている。

この組合せのおかげで、装置は、さらにずっとコンパクトになり、その全体サイズが最小化される。それと同時に、単一のロータリ装置が、真空を発生させて維持し、ロータリアノードを回転駆動することを一度に行うため、そのコストが低減される。真空ポンプの優れた安定性の品質および振動がないことの利益が得られる。それと同時に、真空ポンプの高い回転速度が、ロータリアノードの高い回転速度を与え、ロータリアノードが、より大きな電子ビームエネルギに耐えること、およびより高輝度のＸ線のビームを放出することを可能にする。

極めて高輝度のＸ線を放出するための装置を作成することによって、高エネルギーの電子ビームがロータリアノード上に投射される。しかし、このことは、ロータリアノードの急速な加熱を生じさせる。そのとき、ロータリアノードがそれ自体加熱されて劣化することを防止するために、真空ポンプをロータリアノードから熱的に絶縁することが有用である。ポンプの回転速度がある場合、回転部品と固定部品の間の接続部の密封の問題が明らかになるため、中空のシャフト内での水の循環による冷却方法を使用することは不可能である。したがって、Ｘ線のビームによってアノードに連絡される熱は、好ましくは放射のみによって排出されなければならない。極めて高い回転速度によって生じる応力と組み合わされて、それが作製されている材料（一般にアルミニウム合金）の劣化およびポンプの破壊を生じさせる、ロータの加熱を防止するために、極めて少量の熱をポンプのロータに伝達することが、等しく必要である。真空ポンプの望ましくない加熱を低減させること、およびロータリアノードの摩耗を低減させることによって、その動作中にロータリアノードから外部への熱の移動を促進する手段を提供することが必要である。

したがって、一方では、アノード上で最大に可能な熱放出領域を有し、これらの放出領域に面した領域を冷却し、かつ他方では、アノードによって放射される熱からポンプのロータを保護することが必要である。この問題点は、たとえば銅またはアルミニウムなどの良好な熱伝導性を有する材料で構成される、アノードに対向して配置された冷却要素の使用によって解決される。この要素は、要素内部の冷却流体の循環によって直接に、または冷却流体がその中を循環するチューブとの要素の接触によってのいずれかで冷却される。このチューブは、要素内に挿入されるか、その表面と接触するかのいずれかである。

さらに、高い温度および高い機械的応力を、ならびにＸ線の極めて強い流束をも一度に受ける材料の劣化を防止するために、ユーザおよびターボ分子ポンプのロータもまた、アノードから放出されるＸ線から保護することが、等しく必要である。そこで、好ましい解決法は、熱遮蔽機能およびＸ線遮蔽機能を同時に提供するように、アノードとポンプの間の冷却要素を調整することにある。同様に、アノードの両側に配置された冷却要素が、アノードによって放出されるＸ線の吸収に等しく貢献することができ、このため、エンクロージャの外部と向かい合う、Ｘ線に対する遮蔽を構成することができる。

要素は、有利には、放出されるＸ線の流束を吸収するために十分な厚さの銅またはステンレス鋼の本体を備える。この本体は、リング、ディスクまたは板の形態をとってもよく、したがってポンプがアノードのレベルでエンクロージャをポンピングすることを可能にするために、特にロータのレベルで、アノードとターボ分子ポンプの間の通路を提供する。この通路は、好ましくは、ディスクまたはリングの周縁に配置される。

タングステン目標に衝突する５０ｋｅＶのエネルギーを有する電子ビームの場合、目標から２５ｃｍの点で放出されるＸ線の量は、２．１×１０^１０μＳｖ／ｈのオーダーである。０．７μＳ／ｖｈ未満の放射保護のレベルに適合するために、３×１０^−１１の減衰のレベルが必要である。たとえば、Ｘ線が厚さ１６４ｍｍのアルミニウムを通過するとき、この減衰が得られる。冷却（良好な熱伝導性）と放射保護の機能を組み合わせるために、厚さ８から１３ｍｍの銅本体または厚さ１４から１９ｍｍのステンレス鋼本体が、有利には使用される。

冷却要素または複数の冷却要素は、有利には、熱を外部へ排出する熱交換流体がその中で移動する内部冷却回路を有することができる。

冷却要素または複数の冷却要素およびロータリアノードの対向する表面が、ブラックニッケルまたはブラッククロム、またはセラミックなどの高い放射性の材料の層で覆われることを提供することによって、ロータリアノードからの熱の抽出がさらに促進される。

ロータリアノードからの熱の抽出を促進するための追加の方法は、その材料および構造が、真空ポンプからの熱的絶縁の極めて効果的な手段を伴う、高い温度に耐えるように構成されたアノードを提供することである。この結果、ロータリアノードは、放射およびしたがって、冷却要素または複数の冷却要素への熱の移動を促進する、より高い表面温度を有する。

また、冷却能力を改善するために、冷却要素または複数の冷却要素およびロータリアノードの対向する表面が、同心状に陥凹されて、放射領域を増加させてもよい。

熱絶縁手段が、ロータのシャフトと、シャフトによって担持されたロータリアノード自体との間に追加で設けられてもよい。このような熱絶縁手段は、たとえば、シャフトの対応する表面上に作成されたセラミックの層を備えてもよい。セラミックは、シャフトおよびロータリアノードを構成している金属よりも低い熱伝導性を有し、それによって、真空ポンプへ向かう熱の伝播を遅延させる遮蔽を作成する。この絶縁手段は簡単で効果的であり、セラミックの硬度のおかげで、ロータリアノードの安定性を劣化させない。

別法として、熱絶縁手段は、熱的に絶縁可能な、または低い熱伝導性を有するリング、たとえば好ましくはステンレス鋼リングを備えてもよい。ステンレス鋼は、セラミックのように良好な熱絶縁体ではないが、その一方で、良好な機械的特性を有する。別の解決法は、アノードとロータの間に、アノードの周囲に密接に嵌合しそれを保持する２つのセラミックリングに付随された、最高の機械的応力を取得するステンレス鋼リングを設けることであろう。

冷却要素とロータリアノードの対向する表面の間の真空ポンプの内部雰囲気内での適切なガスの存在は、対流によるアノードからの熱の抽出をさらに促進することができる。カソードとロータリアノードの間の電子の流束によって交差される領域へ向かうガスの伝播を制限するための手段が設けられることになる。

真空ポンプは、好ましくは、高い回転速度が得られ、確かな真空が生成されることを可能にする、分子、ターボ分子またはハイブリッドポンプタイプとなる。Ｘ線の発生源の輝度が、このようにして増加されてもよい。

ロータリアノードは、好ましくは、ロータと同軸のシャフトの端部に取り付けられた構成要素であってよい。ロータリアノードは、このようにして、摩耗された時に容易に交換される交換可能な部品であることができる。

実際は、ロータリアノードは、ディスクの一般的な形状を有してもよく、その周縁表面はカソードから来る電子の流束を受ける少なくとも１つの目標を構成する。このような構造は、簡単かつコンパクトである。

動作中のロータリアノードの周縁表面上への電子ビームの衝突は、その摩耗の進行を生じさせる。このことは、ロータリアノードの寸法の変動、したがって、装置からの出口でのＸ線のビームの偏向および／または欠陥のある合焦の結果となり得る。この現象を減少させるために、本発明によれば、ロータをその回転軸に沿って移動させ、それによって、ロータリアノードの周縁上への電子ビームの衝突領域を調整するための手段が提供され得る。

実際には、ロータが、電子軸受制御ユニットによって制御された磁気軸受によって支承されてもよく、この組合せは、ステータ内でのロータのアキシャル位置およびラジアル位置を決定する。電子軸受制御ユニットは、ロータのその回転軸に沿った少なくともアキシャル位置を意図的に調整するように構成されてもよい。

特に、電子軸受制御ユニットは、ロータリアノードの摩耗領域を電子ビームの衝突領域から遠ざかるように移動させるために、ロータリアノードの摩耗に応じて、ロータのアキシャル位置を調整するように構成されてもよい。

別の代替となるまたは追加の可能性は、電子制御ユニットが、ロータを動作中その軸に沿って前後に移動させ、それによって電子ビームの衝突領域を、ロータリアノードのより大きな周縁領域の上に移動させ、それによって摩耗をより大きな領域へ分散させることができることである。

別の可能性によれば、ロータリアノードの周縁表面が、異なる特定のエネルギーを有するＸ線を生成するようにそれぞれ構成された、異なる材料で構成された複数の隣接する環状バンドから成ってよい。このとき、電子軸受制御ユニットが、意図された用途に対応する選択された環状バンドを入射電子ビーム下に配置するために、ロータをアキシャル方向に移動させることができる。

別の可能性によれば、電子軸受制御ユニットが、ロータリアノードの摩耗を補い、かつそれによって、出口の正確な収束領域上へのＸ線ビームの合焦を収集装置を用いて維持するために、ロータのラジアル位置を意図的に調整するようにさらに構成されてもよい。

ロータのラジアル位置の調整によって実施され得る別の機能は、収集装置上のＸ線の衝突領域を一度に調整するために焦点を移動させ、それによって収集装置の耐用年数を増加させることである。

このような装置の特性の改良のおかげで、本発明は、結晶化監視システムとして、またはウォータウィンドウＸ線顕微鏡のＸ線の発生源として、または半導体の製造で小構造また積層を測定するためのＸ線の発生源としてのその使用を提供する。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照にして与えられる特定の実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

図１に示した装置は、分子、ターボ分子またはハイブリッドタイプの真空ポンプ１と、ロータリアノード２と、電子のビーム４を発生するカソード３と、装置によって生成されるＸ線のビーム６を収集し、調整する収集装置５とを備える。

真空ポンプ１は、ステータ１ｂ内で軸Ｉ−Ｉの回りに回転運動可能であり、モータ１ｃによって回転駆動され、概略的に示されている軸受１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄおよび１０ｅによって定位置に保持されているロータ１ａを、当技術分野で知られている方式で備える。

軸受１０ａ〜１０ｅは、たとえば、ボールまたはニードルローラ軸受、平滑軸受、ガス軸受または磁気軸受などの、真空ポンプ内で通常使用される構造であってよい。軸受は、振動なしで、かつ１ミクロンのオーダーの制御された安定性で、４００００ｒｐｍ超での高速回転を可能にする。

ロータ１ａは、モータシャフト１ｄによってモータ１ｃと接続されている。

ロータリアノード２は、ポンプ１のロータ１ａに取り付けられ、ロータ１ａと同軸に配置されている。実際には、ロータリアノード２は、ロータ１ａと同軸であるシャフト１ｅの端部に取り付けられた構成要素である。

ロータ１ａ、ステータ１ｂおよびシャフト１ｄなどの真空ポンプ１の吸引要素は、一部ステータ１ｂから成り、それを通ってポンピングされたガスが排出される排気出口１ｇを備える、密封された周縁ケーシング１ｆ内に入れられている。

ポンプの密封された周縁ケーシング１ｆもまた、ロータリアノード２を包囲し、電子ビーム４およびＸ線ビーム６がその中を伝播する真空エンクロージャ７の密封された壁の少なくとも一部をそれ自体構成している。この目的のための真空エンクロージャ７は、カソード３および収集装置５と同様にロータリアノード２を含む。カソード３によって生成された電子ビーム４が、カソード３から真空内を伝播し、ロータリアノード２の周縁表面２ａ上に衝突し、収集装置５に向かって伝播するＸ線ビーム６を生成する。

収集装置５は、一体型真空エンクロージャ７に含まれてもよい。別法として、収集装置５は、真空エンクロージャ７に取り付けられた部品に含まれてもよい。

図１に示す実施形態では、ロータリアノード２の周縁表面２ａは、円筒形であり、軸Ｉ−Ｉと同軸である。カソード３は、入射電子ビーム４が、軸Ｉ−Ｉに対して傾斜され、このことが、やはり傾斜された放出Ｘ線ビーム６を生成するように方向付けられている。

別法として、電子ビーム４を受けるロータリアノードの周縁表面２ａは、ロータリアノード２のラジアル面２ｂまたは２ｃの周縁部分であってよい。

ロータリアノード２を担持しているシャフト１ｅの端部部分は、ロータリアノード２が熱絶縁を提供する層１ｈと接触することの結果、熱的に絶縁可能な層１ｈで覆われる。この層１ｈは特に、ステンレス鋼リングを備える。

ロータリアノード２のいずれの軸側にも、第１の冷却要素８および第２の冷却要素９が、本発明に従って配置され、両者は、ステータ１ｂまたはポンプ本体に、またはポンプの密封された周縁ケーシング１ｆに固定され、ディスクの形態であるロータリアノード２の主ラジアル面２ｂまたは２ｃの一方に対向する。冷却要素８および９は、ロータリアノード２の主ラジアル面２ｂまたは２ｃの近傍にあり、動作中ロータリアノード２によって放射される熱を受ける。

冷却要素８および９は、ロータリアノード２から受けた外部の熱を排出する熱交換流体がそれを通って移動する、それぞれの内部冷却回路８ａおよび９ａを備える。

冷却要素８は、たとえば、ブラックニッケルまたはブラッククロム、またはあるセラミックなどの高放射率の材料の層８ｂで覆われている。同様に、冷却要素９もこのような層９ｂで覆われている。

同様に、ロータリアノード２の主ラジアル面２ｂおよび２ｃも、高放射率の材料の層でそれぞれ覆われてもよい。このことは、ロータリアノード２から冷却要素８および９への放射による熱の移動を増加させ、ロータリアノード２の冷却を促進する。

冷却要素８は、Ｘ線に対する遮蔽として働き、Ｘ線がエンクロージャの外部に到達することを防止する厚さ１０．５ｍｍの環状の銅製の本体を備える。銅リングは、厚さ１６．５ｍｍのステンレス鋼リングによって代替されることができる。

同様に、冷却要素９は、Ｘ線に対する遮蔽として働き、Ｘ線がエンクロージャの外部に到達することを防止する厚さ１０．５ｍｍの板またはディスクの形態の銅製の本体を備える。銅製のディスクは、厚さ１６．５ｍｍのステンレス鋼ディスクによって等しく代替されることができる。しかし、真空エンクロージャの壁は、ポンプの故障の際に外部環境を保護するために、通常ステンレス鋼から作製される。冷却要素９がこの壁に固定されている状況では、壁自体が、Ｘ線遮蔽機能に寄与する。このとき、Ｘ線からの外部の全体的な保護を提供する材料の厚さは、必要なレベルの減衰が達成されることを可能にするために、冷却要素９と壁の組合せを考慮に入れて計算される。

好ましくは、ロータ１ａをその回転軸Ｉ−Ｉに沿って移動させるための手段が、さらに設けられている。明らかに、ロータ１ａのこのようなアキシャル運動は、ロータリアノード２の同じアキシャル運動をもたらし、ロータリアノード２の周縁表面２ａ上への電子ビーム４の衝突領域４ａを調整する。

たとえば、ロータ１ａは、電子軸受制御ユニット１０ｆによって制御された、概略で示されている磁気軸受１０ａ〜１０ｅによって支承されてもよい。この組合せは、ステータ１ｂ内のロータ１ａのアキシャル位置およびラジアル位置を決定する。

真空ポンプ内で通常使用される磁気軸受は、枠の上および真空ポンプのシャフトの上に分散された複数の独立した磁極を備え、その磁場は、枠と真空ポンプのシャフトの間にやはり分散された位置センサから来る信号に応じて、電子軸受制御ユニットによって活性化されたコイルによって発生される。

ロータの位置は、長手方向軸および２つの異なる断面平面内に含まれる４つのラジアル軸を含む、５つの軸に沿って制御されることができる。しかし、「アクティブな」アキシャルまたはラジアル軸のみに沿って、電子制御ユニットに付随する電磁石を用いてロータを制御することも可能であり、一方、他の「パッシブ」な軸は、永久磁石によって制御され、このような制御ユニットを必要としない。

標準的な真空ポンプでは、電子軸受制御ユニットが、できる限り一定に、ステータ１ｂ内でのロータ１ａのアキシャルおよびラジアル位置を維持するようにプログラミングされる。

本発明によれば、第１の実施形態では、通常ロータ１ａを法線方向に位置付ける磁気軸受のラジアル要素１０ａから１０ｄは、そのラジアル位置をラジアル方向に一定に維持する。それと同時に、ロータをアキシャル方向に位置付ける磁気軸受のアキシャル要素１０ｅは、電子軸受制御ユニット１０ｆが、ロータ１ａのアキシャル位置をその回転軸Ｉ−Ｉに沿って意図的に調整することができるように構成されている。明らかに、このことは、電子軸受制御ユニット１０ｆによってアキシャル位置設定点を調整することを伴い、前記設定点は、制御回路１０ｇによって生成される。

代替となるまたは追加の第２の実施形態では、電子軸受制御ユニット１０ｆもまた、ステータ１ｂ内でのロータ１ａのラジアル位置を意図的に調整するために、磁気軸受のラジアル要素１０ａから１０ｄを制御してもよい。このために、制御回路１０ｇによって生成されたラジアル位置設定点が調整される。

制御回路１０ｇは、本発明による装置の他の部材上に配置されたセンサから受信された情報に応じて、アキシャルおよび／またはラジアル位置設定点を生成することができる。

たとえば、摩耗センサ１０ｈが、ロータリアノード２の周縁表面２ａの摩耗を検知するために設けられてもよく、この摩耗センサ１０ｈから受信された信号が、ロータリアノード２のアキシャル運動を用いて、ロータリアノードの摩耗した領域を電子ビーム４の衝突領域４ａから遠ざかるように移動させるために、制御回路１０ｇによって使用される。

別の可能性は、制御回路１０ｇおよび電子軸受制御ユニット１０ｆが、動作中ロータ１ａをその回転軸Ｉ−Ｉに沿って前後に移動させることである。この結果は、ロータリアノード２の周縁表面上の電子ビーム４の衝突領域４ａが移動され、それによって摩耗をより大きな表面上に分散させ、それと同時に、ロータリアノード２の周縁表面２ａの各部分の局所的な摩耗を減少させることである。

別法として、または追加として、カソード３の位置および／または方向を調整し、それによって、ロータリアノード２の周縁領域２ａ上の電子ビーム４の衝突領域４ａを調整するための手段が設けられてもよい。

ロータリアノード２は、同一の材料で全体的に構成されてもよい。別法として、ロータリアノード２は、その周縁表面２ａ上でのＸ線の形成のために必要な材料で局所的に覆われた基本材料で構成されてもよい。基本材料は、たとえば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタニウムまたは炭化シリコンなどの、アノードの動作制約に適合した機械的および熱的特性を有さなければならないが、この列挙は本発明上で限定するものではない。ロータリアノード２の周縁表面２ａは好ましくは、銅、モリブデン、タングステン、酸化ベリリウム、陽極酸化アルミニウム、酸化セラミックまたは他のいずれかの酸化物などの材料であってよいが、この列挙は本発明上で限定するものではない。Ｘ線源が意図される用途のために必要なエネルギーに応じて、材料が選択される。銅は、８ｋｅＶでのＸ線を生成する。モリブデンは、１７ｋｅＶでのＸ線を生成する。

ロータリアノード２を金属から作製することが有用であることが判明し得る。金属は、高温では悪い熱伝導体である酸化物と比較して、電子ビーム４の衝突によって生成される熱の改善された分散および排出に貢献することができる。言い換えれば、金属は、ロータリアノード２全体にわたって熱を排出することに貢献し、熱が、電子ビーム４の衝突領域４ａ内に局在化されて残存することを防止する。

冷却要素８および９は、有利には、熱の良導体である金属、たとえば銅から作製され得る。

ある特定の実施形態では、ロータリアノード２の周縁表面２ａが、異なる特定のエネルギーでのＸ線を生成するようにそれぞれ構成された、異なる材料の複数の隣接する環状バンドから成ってもよい。たとえば、銅の第１の環状バンドおよびモリブデンの第２の環状バンドが提供されてもよい。このとき、電子軸受制御ユニット１０ｆは、ロータが、選択された環状バンドを入射電子ビーム４の下に配置するようにアキシャル方向に移動されることができるようにする。銅の環状バンドを電子ビーム４の下に配置することは、８ｋｅＶでのＸ線を生成し、一方、モリブデンの環状バンドを電子ビーム４下に配置することは、１７ｋｅＶでのＸ線を生成する。たとえばステンレス鋼、インコネルなどの他の材料のバンドで、他の特性のＸ線が得られ得る。

ロータリアノード２は、摩耗されるとその全体の向きを変えられることができるように、対称的に機械加工されてもよい。

図２に示した実施形態では、本発明の装置の主な構成要素、すなわち、シャフト１ｅの端部に装着されたロータリアノード２、第１の冷却要素８、第２の冷却要素９、およびロータリアノード２の周縁表面２ａが再び見られる。

この実施形態では、冷却要素８および９の対向する表面８ｂおよび９ｂ、ならびにロータリアノード２の主ラジアル表面２ｂおよび２ｃは、同軸状に陥凹されており、放射による冷却のための熱交換領域を増加させるために、一連の同心状の三角形形状の環状リブを形成する。

図１を再び考慮すると、ロータリアノード２の周縁表面２ａの摩耗が、電子ビーム４の衝突領域４ａをロータ１ａのほうへ移動させる傾向があり、このことが同時に、放出されるＸ線ビーム６の収束領域１１を同じ方向に移動させる傾向があることが明らかである。したがって、図１に示すように配置された摩耗センサ１０ｈが、収束領域１１の移動を検知する。この摩耗を補うために、電子軸受制御ユニット１０ｆが、ロータリアノード２の摩耗を補い、そのようにして出口での正確な収束領域１１上に合焦されたＸ線のビームを維持するために、図１の右に向かって、ロータ１ａのラジアル位置を意図的に調整するように構成されてもよい。この目的のために、出口での収束領域１１の任意の運動が摩耗センサ１０ｈによって検知され、このようにして生成された信号が、収束領域１１のこの運動を減少させる方向へロータ１ａおよびロータリアノード２をラジアル方向に移動させるために、電子軸受制御ユニット１０ｆを駆動する制御回路１０ｇへ送信されてもよい。

ロータリアノード２を分極し、電子ビーム４の衝突の結果生じる電流を排出するための電気接続装置が、シャフト１ｅの端部に設けられている。この装置は、導電性の滑動接点構造であってもよい。別法として、ロータリアノード２の少なくとも一部分と導電性の固定された部分の間に、導電性ガス内の放電領域を設けることによって、電気伝導が提供されてもよい。

図２では、ロータリアノード２は、その縁部が、Ｘ線のビームを収集装置５のほうへ方向付けるようにわずかに傾斜しているディスクの形態である。

ターボ分子ポンプの動作は、分子の熱速度と同じオーダー、すなわち、数百メートル毎秒の羽根の周縁速度に依存する。したがって、ロータリアノード２を回転させるために真空ポンプの技術を使用することは、極めて正確な制御を有しかつ振動のほとんどない、ロータリアノード２の周縁表面２ａでの極めて高速での回転を可能にする。ロータリアノード２の極めて高速の回転は、入射電子ビーム４の出力が増加され、したがって、極めて高い輝度のＸ線源を作成することができることを意味する。

カソード３は、好ましくは、ロータリアノード２の周縁表面２ａと可能な限り近接しており、収集装置５もまた、好ましくは、ロータリアノード２の周縁表面２ａと可能な限り近接している。このことは、Ｘ線源のコンパクト性をさらに強化し、放出されるＸ線ビームの収束の能力を強化し、それによって収束ゾーン１１内に配置された試料に衝突する流束を増加させ、かつ損失を減少させる。

このことは、極めて小さい収束領域１１上に合焦された輝度の高い単色ビームを供給するコンパクトで振動のないＸ線源を作成する。

このようなＸ線源の品質のおかげで、今まで利用されていない分野でのその用途が認識される。

第１の分野では、装置が、結晶化監視システム内のＸ線の発生源として使用されてもよい。この点で、本発明による小さいサイズのＸ線源は、蛋白質の結晶化を体系的に監視するための手段としてのその使用が認識されることを意味する。このような制御は、現在極めてコストの高いかさばるロータリアノード源を使用しているが、本発明によるＸ線源でより容易に得られることができる。これは、良く定義された特性（スペクトル純度、ダイバージェンスおよび安定性）を有する高い強度のビームを作成する。したがって、Ｘ線による検知は、結晶化がより正確にかつ自動的に監視されることができることを意味する。

第２の用途では、本発明による装置が、ウォータウィンドウＸ線顕微鏡内のＸ線源として使用されてもよい。この点で、ウォータウィンドウ顕微鏡検査は、極めて有望な技術であるが、十分な出力および単色性のＸ線を放出するために、極めてコストの高いシンクロトロン放射源を必要とするため、現在制限されている。これらの放射線の発生源のコストは、その使用の拡張を妨げている。本発明によるＸ線源によって、ウォータウィンドウ顕微鏡検査の用途のために十分なＸ線出力が、達成されることができる。

本発明は、ここで説明されてきた実施形態に限定されず、当業者に明らかであろうその変形形態および一般化を含む。

本発明の一実施形態によるＸ線発生装置の長手方向断面での概略側面図である。 本発明の第２の実施形態によるＸ線発生装置の長手方向断面での部分側面図である。

符号の説明

１ 真空ボンプ
１ａ ロータ
１ｂ ステータ
１ｃ モータ
１ｄ ステータ
１ｅ シャフト
１ｆ 周縁ケーシング
１ｇ 排気出口
１ｈ 層
Ｉ−Ｉ 軸
２ ロータリアノード
２ａ 周縁表面
２ｂ、ｃ ラジアル面
３ カソード
４ 電子ビーム
４ａ 衝突領域
５ 収集装置
６ Ｘ線ビーム
７ 真空エンクロージャ
８、９ 冷却要素
８ａ、９ａ 内部冷却回路
８ｂ、９ｂ 高放射率の材料の層
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 軸受
１０ｆ 電子軸受制御ユニット
１０ｇ 制御回路
１０ｈ 摩耗センサ
１１ 収束領域

Claims (13)

1. 密封された壁（１ｆ）によって画定された真空エンクロージャ（７）と、
   密封された周縁ケーシング（１ｆ）内に、ステータ（１ｂ）、ロータ（１ａ）、および極めて高速でのロータの安定した回転を可能にするロータ（１ａ）のための制御手段（１０ａ〜１０ｅ）を備える、その中で真空を発生させて維持するために真空エンクロージャ（７）と接続された真空ポンプ（１）と、
   電子の流束（４）を発生させるように構成された真空エンクロージャ（７）内のカソード（３）と、
   回転軸（Ｉ−Ｉ）の回りに回転駆動され、出口（１１）に向かってＸ線（６）を放出するためにカソード（３）から来る電子の流束（４）をその周縁部（２ａ）で受ける真空エンクロージャ（７）内のロータリアノード（２）とを備え、
   ロータリアノード（２）が、真空ポンプ（１）のロータ（１ａ）に取り付けられて、ロータ（１ａ）と同軸に配置され、
   真空ポンプ（１）の密封された周縁ケーシング（１ｆ）自体が、真空エンクロージャ（７）の密封された壁の全部または一部を構成している
   Ｘ線の放出のための装置であって、
   動作中にロータリアノード（２）によって放出される放射熱エネルギーを吸収するために、ロータリアノード（２）の主ラジアル面（２ｂ、２ｃ）の１つに対向する真空ポンプステータ（１ｂ）にまたは密封された周縁ケーシング（１ｆ）に固定された、少なくとも１つの冷却要素（８、９）をさらに備えることを特徴とする、装置。
2. 少なくとも２つの冷却要素（８、９）が設けられ、ロータリアノード（２）の主ラジアル面（２ｂ、２ｃ）とそれぞれ対向して配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 冷却要素（８、９）が、Ｘ線の流束を吸収するために十分な厚さの銅またはステンレス鋼の本体を備える、請求項１および２のいずれかに記載の装置。
4. 冷却要素または複数の冷却要素（８、９）が、熱を外部へ排出する熱交換流体がその中で移動する内部冷却回路（８ａ、９ａ）を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 冷却要素または複数の冷却要素（８、９）の、およびロータリアノード（２）の対向する表面（８ｂ、９ｂ、２ｂ、２ｃ）が、高い放射性の材料の層で覆われている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
6. 冷却要素または複数の冷却要素（８、９）のおよびロータリアノード（２）の対向する表面（８ｂ、９ｂ、２ｂ、２ｃ）が、同心状に陥凹されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. シャフト（１ｅ）とロータリアノード（２）の間に配置されたステンレス鋼リングを備える熱絶縁手段（１ｈ）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. ロータ（１ａ）をその回転軸（Ｉ−Ｉ）に沿って移動させ、それによってロータリアノード（２）の周縁（２ａ）上の電子ビーム（４）の衝突領域（４ａ）を調整するための手段（１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ）をさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. ロータ（１ａ）が、ステータ（１ｂ）内でのそのアキシャル位置およびそのラジアル位置を決定する電子軸受制御ユニット（１０ｆ）によって制御される磁気軸受（１０ａ〜ｅ）によって支承され、電子軸受制御ユニット（１０ｆ）が、その回転軸（Ｉ−Ｉ）に沿ってロータ（１ａ）の少なくともアキシャル位置を意図的に調整するように構成されている、請求項８に記載の装置。
10. 電子制御ユニット（１０ｆ）が、ロータリアノード（２）の摩耗領域を電子ビーム（４）の衝突領域（４ａ）から遠ざかるように移動させるために、ロータリアノード（２）の摩耗に応じて、ロータ（１ａ）のアキシャル位置を調整する、請求項９に記載の装置。
11. 電子制御ユニット（１０ｆ）が、ロータ（１ａ）を動作中その回転軸（Ｉ−Ｉ）に沿って前後に移動させ、それによってロータリアノード（２）の周縁表面上の電子ビーム（４）の衝突領域（４ａ）を移動させる、請求項９および１０のいずれかに記載の装置。
12. ロータリアノード（２）の周縁表面（２ａ）が、異なる特定のエネルギーを有するＸ線を生成するようにそれぞれ構成された異なる材料の複数の隣接する環状バンドから成り、電子軸受制御ユニット（１０ｆ）が、選択された環状バンドを入射電子ビーム（４）下に配置するためのロータ（１ａ）のアキシャル移動を可能にする、請求項９に記載の装置。
13. 電子軸受制御ユニット（１０ｆ）が、ロータリアノード（２）の摩耗を補い、それによって、出口の正確な収束ゾーン（１１）上に合焦されたＸ線ビーム（６）を維持するために、ロータ（１ａ）のラジアル位置を意図的に調整するようにさらに構成されている、請求項９から１２のいずれか一項に記載の装置。

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