JP2007503703A - 蛍光ｘ線源 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子の放射に対する電子源、及び電子の発生に応答してＸ線を放射するターゲットを有する蛍光Ｘ線の生成に対するＸ線源に係る。前述のターゲットは、電子の発生に応答する第１のＸ線の放射に対する輪状の第１のターゲット、及び、第１のＸ線の発生の応答する蛍光Ｘ線の放射に対する第２のターゲットを有する。強化された放射輝度を得るよう、第１のターゲットは、中心軸に相対する放射状方向に配置された液体金属流路を有すること、及び、液体金属は、Ｘ線源の動作中に輪状の第１のターゲットの内側から外側へ放射方向に循環することが提案される。

Description

本発明は、電子の放射に対する電子源、及び電子の発生に応答してＸ線を放射するターゲットを有する蛍光Ｘ線の生成に対するＸ線源に係る。前述のターゲットは、電子の発生に応答する第１のＸ線の放射に対する輪状の第１のターゲット、及び、第１のＸ線の発生の応答する蛍光Ｘ線の放射に対する第２のターゲットを有する。

本発明は更に、電子の発生に応答する蛍光Ｘ線の放射に対するＸ線アノードに係る。前述のアノードは、電子の発生に応答する第１のＸ線の放射に対する輪状の第１のターゲット、及び、第１のＸ線の発生に応答する蛍光Ｘ線の放射に対する第２のターゲットを有する。

単色Ｘ線源は、従来のＸ線技術の性能を強化し、革新的なものにすることが可能である。かかる単色Ｘ線源は、例えば、米国特許第４，９０３，２８７号明細書（特許文献１）及び米国特許第５，１５７，７０４号明細書（特許文献２）に記載される。第１のターゲットとも称されるアノードは、第２のターゲットとも称される一部分を有し、該部分に面する側を電子によって衝突され、アノードにおいて生成された第１のＸ線照射が該部分において蛍光放射線を生成する。該部分は、望ましくは、拡散された電子を該部分から離しておく囲いシールド（ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ）内に配置される。この原理は、しばしばフルオレックス原理（Ｆｌｕｏｒｅｘ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）と称される。

コンプトン散乱、光電吸収、及びコヒーレントＸ線散乱等の基本的なＸ線の相互断面は、すべてエネルギ依存である。従来通りでは診断放射線医学において、多色放射源（電子衝撃）によって放射された連続スペクトルは、「平均的」エネルギーの単色線によって近似され得る、と想定されている。コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）のビーム硬化アーチファクトは、減衰係数に対する正確な結果が所望される際にこの近似が放棄されなければならないことを示す。

「平均的エネルギ」の近似は、コヒーレント散乱ＣＴ又はＴＥＡＭＦＩ等の理想的には単色光を要求する新しいＸ線技術において、更に深刻に失敗する。かかる放射源は、弱い（放射線核種等）であるか、不利（シンクロトロン等）であるかのいずれかである。

単色Ｘ線源の他の種類は、所謂ＬＩＭＡＸ原理に基づくものであって、米国特許第６，１８５，２７７号明細書（特許文献３）に記載される。このＸ線源において、液体金属ターゲットが与えられる。電子源によって放射された電子は、薄い窓を介して液体金属に入り、そこでＸ線を作る。液体金属は高原子番号を有し、ポンプの影響を受けて循環し、電子との相互作用によってウィンドウに作られた熱及び液体金属は散逸され得るようにされる。この区域に生成された熱は、乱流によって散逸され、故に効率的な冷却が保証される。
米国特許第４，９０３，２８７号明細書 米国特許第５，１５７，７０４号明細書 米国特許第６，１８５，２７７号明細書

本発明は、冒頭で言及された種類の蛍光Ｘ線の生成に対して準単色Ｘ線源を与えることを目的とする。該Ｘ線源によって、（毎ステラジアン毎秒毎ユニット源区域の光子として定義付けられとしてて光子定義付けられた）強化された放射輝度が、既知の準単色Ｘ線源と比較して得られ得る。更に、かかるＸ線源における衣装に対するアノードが、与えられるべきである。

この目的を達成するよう、本発明に従った蛍光Ｘ線の生成に対するＸ線源、及び、本発明に従った蛍光Ｘ線の放射に対するＸ線アノードのいずれもが、前述の第１のターゲットは中心軸に相対して放射線状方向に配置された液体金属流路を有し、液体金属はＸ線源の動作中に前述の輪状の第１のターゲットの内側から外側へ放射方向に循環する、ことを特徴とする。

本発明は、フルオレックス原理の液体金属アノードＸ線技術との組合せに基づき、源の放射輝度において多大な上昇をもたらす。上昇された放射輝度を得るよう、放射線状の形状が、液体金属流路に使用される。第１及び第２のターゲットの環状且つ対称な形状は、第２のターゲットの特定のサイズ（即ち焦点寸法）に対し、平均立体角、Ω_ｍｅａｎを最大化し、第２のターゲットは第１のターゲットに内在する。放射状流の配置は、これに応じて、出力を最大化し、それによって輪状の環状且つ対称の第１のターゲットが装備され得る。本発明によれば、従来の放射線技術の性能が強化され得、新しい放射線技術が実際に実現され得る。

本発明の望ましい実施例は、従属請求項に記載される。例えば、第２のターゲットが、輪状の第１のターゲットの中心軸上に配置されること、及び、前述の中心軸に対して略平行である方向に蛍光Ｘ線を放出するよう適合されることが有利である。この配置は、第１のＸ線の使用の効率性に対してより効果的である。蛍光Ｘ線は、故に、輪状の第１のターゲットの中心の穴を介して放射される。

本発明の他の実施例によれば、液体金属流路は、電子が第１のターゲットに衝突する電子衝突域に狭窄を有する。これは、電子が発生する電子窓では窓への圧力が最小化されること、即ち、電子窓にわたる粘性の圧力低下が、ベルヌーイ圧力（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）における上昇によって平衡化されることが保証される。

他の面によれば、電子源に面する第１のターゲットの面は、フォイル等の金属膜によって被覆される。かかる膜は、Ｘ線源の真空領域を膜の後ろの液体金属流路から分離するよう役割をなす。

液体金属流路を循環する液体金属は、望ましくは、高原子番号を有する材料を有し、Ｘ線が電子の発生時に生成されるよう保証するようにする。望ましくは、液体金属は、４０番より大きく８０番より小さい原子番号を有する。例えば、液体金属は、Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ又はＳｎの合金を有し得る。

液体金属流路における液体金属の厳密な放射状流を保証するよう、液体金属流路を放射状のフィンが、多数の放射状の副流路へ分けるよう更に与えられる。故に、液体金属は、循環方向ではなく放射状方向、即ち中心軸の周囲の方向にのみ流れ得る。

本発明の実施例は、図面を参照してより詳細に説明される。

図１は、Ｐｈｉｌｉｐｓ社によって市販されているＴａのターゲットを有する既知のフルオレックス装置（Ｆｌｕｏｒｅｘ ｄｅｖｉｃｅ）の発光スペクトルを図示する。蛍光放射線は、（この装置におけるＴａでできた）第２のターゲットにおいて、光電効果を介して起こる。第２のターゲットは、最大光子エネルギが第２のターゲットのＫ吸収限界より非常に高い（３という因数）である連続Ｘ線スペクトルによって照射される。この装置の光子出力は、第２のターゲット上に当たる第１のＸ線ビームの出力に比例する。従って、より高い放射輝度は、第１の出力が上昇される際に実現可能である。フルオレックス配置において、第１のビームは、電子ビームの印加電圧力を約１０ｋＷに制限する水冷式の固定アノードによって放射される。本発明の目的は、電子ビームが乱流する液体金属と相互作用するよう配置することによって、許容出力を大きく上昇させるようにすることである。

本発明に従ったＸ線源の配置を介する中心断面は、図２中に図示される。配置は、原則的に、陰極１と、第１のターゲット（エンドキャップとも称される）２及び第２のターゲット３とを有するターゲット（アノード）とを有する。配置は、中心（回転）軸４の周囲で環状且つ対称であり、筐体５の内部に位置付けられる。輪状陰極１から放射される電子ビーム６は、第１のターゲット２の膜（フォイル）７上に衝突する。フォイル７は、電子がそこでは本来のエネルギのうち極少量を損失するよう、十分に薄い材料（Ｗ等）でできている。第１のターゲット２は、液体金属流路８を更に有する。該流路は、流体金属が、中心軸４に相対する放射状方向で、輪状の第１のターゲット２の内側１３から外側１４へと循環するようにさせる。図３は、図２中に図示された第１のターゲット２の半分の拡大図である。

フォイル７は、Ｘ線管の真空領域をフォイル７の背後部の液体金属から離すことを目的とする。液体金属は、例えばＢｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｓｎ等の合金であり得るが、望ましくは４０番乃至８０番である高原子番号を有するべきである。電子６は、液体金属へと拡散し、従って、熱へと転換されるエネルギを損失する。液体金属は毎秒何メートルもの速度を有して動いているため、液体金属に散逸され得る全出力は、固定のアノードＸ線管の全出力より大きい。

液体金属の動きの方向は、図３中の流れの方向を示す矢印から計られる。矢印は、比較的小さい半径で第１のターゲット２に入り、比較的大きな半径で再度出る。熱交換器、液体金属ポンプ等の更なる構成要素が図２中の配置に加えられ得、液体金属流路８に対して閉回路をもたらし、その周囲で液体金属は反復的に循環される。

第１のＸ線９は、比較的高いＺを有することを前提にして、電子膜７及び液体金属８で生成される。図２中に図示される通り、かかるＸ線９は、Ｘ線窓１１（Ｂｅ等）を介して第２のターゲット３に衝突し、蛍光放射１０を励起する。第２のターゲット３は、中心軸４の方向で陰極２からみて外方を向いて先端を有する円形の断面の円錐の形状を図示する。更に、第１のビーム・ストップ１２は、Ｘ線９が陰極１に衝突することを防ぐよう、陰極１に面する側上に与えられる。蛍光放射１０は、第１のターゲット２及び筐体５における出口窓１６を介して中心軸４の方向に沿ってＸ線管を出る。中心軸４の方向で見た際の第１のターゲット２が、図４中図示される。

第１のターゲット２は、複数の目的をはたす。第１に、第１のターゲット２は、電子ビーム、Ｘ線散乱事象等によってＸ線管で生成されたすべての他の放射を吸収する。これを達成するよう、エンドキャップは、数ｍｍの同等な厚さのＰｂを有する。第２に第１のターゲット２は、比較的小さい半径で環状流路（注入口）１３と、同様の流路（排出口）１４とを有し、流路１３を介して液体金属がアノードに与えられ、流路１４を介して液体金属がポンプ等に移動される。第３に、第１のターゲット２は、液体金属８に適合する形状（即ち、コンフューザ、狭窄、及びディフューザ）を有し、電子窓７を支持する。

最後に、図４から明らかである通り、図３中の液体金属流路８の左手側の第１のターゲット２の部分は、フィン１７を備えられ、該フィンが、液体金属を、内側（供給）半径から外側（排出）半径への厳密に放射状に動かすよう方向付けるようにされる。

本発明によれば、液体金属流路８は、断面積（流路高さ×円周）を図示する。液体の流れは、該断面積にわたって一定に保持される。半径が広がる（注入口１３から排出口１４まで）につれ、流路の高さは低減される。液体金属の放射状流は、フィン１７によって保証される。更には、電子窓７への圧力は、窓７にわたる粘性圧力低下がベルヌーリ圧力における上昇によって平衡を保たれることを保証することによって、最小化され得る。液体流路８の放射状構造において、窓にわたる圧力低下は、半径に対して直線状ではない。電子窓７での最小の圧力を達成するよう、液体流路は、ほとんど又はすべての電子６が発生する電子衝撃域で狭窄を有する。

本発明は、蛍光Ｘ線の生成に対して、高い明度の準単色Ｘ線源を与える。環状且つ対称なフロー形状において液体金属ターゲットを用い、高い密度の第１のビームをもたらすようにされる（既知のフルオレックス設計上ではＸ因子（ｆａｃｔｏｒ ｔｅｎ）の向上）。かかるビームが交換可能な第２のターゲットを照射する際、蛍光光子の高密度ビームが生じる。かかる配置の強化された放射輝度は、分子像、コヒーレントＸ線散乱を有する組織特性、及び荷物検査等の非現実的な放射線技術の実践的実現を可能にする。

Ｔａのターゲットを有する既知のフルオレックス装置の発光スペクトルを図示する。 本発明に従ったＸ線源を介する中心断面である。 図１中に図示されたＸ線源の第１ターゲットの拡大部分を図示する。 Ｘ線源の中心軸の方向に沿ってみられた図３中に図示された第１のターゲットの端部面を図示する。

Claims (7)

1. 蛍光Ｘ線の生成用のＸ線源であって、
   電子放出用の電子源と、前記電子の発生に応答してＸ線を放射するターゲットと、を有し、
   前記ターゲットは、前記電子の発生に応答する第１のＸ線の放射に対する輪状の第１のターゲットと、前記第１のＸ線の発生に応答する蛍光Ｘ線の放射に対する第２のターゲットとを有し、
   前記第１のターゲットは、中心軸に相対する放射状方向に配置された液体金属流路と、前記Ｘ線源の動作中に前記輪状の第１のターゲットの内側から外側へ放射方向に循環する液体金属とを有する、
   ことを特徴とするＸ線源。
2. 前記第２のターゲットは、前記輪状の第１のターゲットの前記中心軸上に配置され、前記中心軸に対して略平行な方向に前記蛍光Ｘ線を放射するよう適合される、
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
3. 前記液体金属流路は、前記電子が前記第１のターゲットに衝突する電子衝撃域で狭窄を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
4. 前記電子源に面する前記第１のターゲットの表面は、金属膜によって被覆される、
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
5. 前記液体金属は、４０番より大きい、特には４０番乃至８０番の原子番号を有する材料を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
6. 前記液体金属流路は、放射状に整列されたフィンによって多数の放射状の副流路へと分けられる、
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
7. 蛍光Ｘ線の生成用のＸ線アノードであって、
   電子放出用の電子源と、前記電子の発生に応答するＸ線を放射するターゲットと、を有し、
   前記アノードは、前記電子の発生に応答する第１のＸ線の放射に対する輪状の第１のターゲットと、前記第１のＸ線の発生に応答する蛍光Ｘ線の放射に対する第２のターゲットとを有し、
   前記第１のターゲットは、中心軸に相対する放射状方向に配置された液体金属流路と、前記Ｘ線源の動作中に前記輪状の第１のターゲットの内側から外側へ放射方向に循環する液体金属とを有する、
   ことを特徴とするＸ線アノード。

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