JP2007504636A - 複数位置から複数のｘ線ビームを生成するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

マルチビームＸ線生成装置は、陰極上に所定のパターンで配置され、固定され個々に制御可能な複数の電子放出ピクセルを有した、固定電界放出陰極と、前記ピクセルの前記所定パターンに対応する、所定パターンで配置された複数の焦点を備えた、前記陰極の反対側に位置する陽極と、前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備える。別の構成は、その少なくとも一部に電子放出物質が配置された平面状の表面を有した固定電界放出陰極と、前記陰極の平面状の表面に対して空間を隔てて平行に設けられ、サイズの異なる複数の開口部を有したゲート電極と、前記陰極と空間を隔てて反対側に位置し、前記電子放出物質に合わせて複数の焦点を有する陽極と、前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備え、前記ゲート電極は、少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、前記陰極から放出された電子の少なくとも１つのビームを送出するように前記開口部を操作できるように、動作可能であるＸ線生成装置として実現される。関連する方法も開示されている。

Description

本発明は複数位置からの複数のＸ線ビームを生成するための装置及び手法に関する。例えば、個々にアドレス可能な電子を放出する複数のピクセルを有する電界放出陰極を用いる方法及び装置に関する。ピクセルから放出される電子は陽極上のそれぞれ異なった焦点に向けられ、その結果、同じ装置の複数位置からの複数のＸ線ビームを生成することができる。

以下、様々な構成と手法を説明する。しかし、ここで説明することは先行技術の是認として解釈されるべきではない。それとは反対に、ここで説明することは適切な法の規定の下で先行技術と見なされないことを実証する権利を、適切に、出願人は明らかに有するのである。

従来のＸ線管は陰極（カソード）、陽極（アノード）、及び、真空ハウジングを備える。陰極は正の陽極へ向けて電子を送出する負の電極である。陽極と陰極との間に加えられた電界を介して、陽極は電子を引きつけ、加速させる。陽極は、一般的には、タングステン、モリブデン、パラジウム、銀、及び、銅等の金属でできている。電子がターゲットへ突進するとき、そのエネルギーのほとんどは熱エネルギーへ変換される。そのエネルギーの一部はターゲットから放出されるＸ線光子に変換され、Ｘ線ビームを形成する。陰極及び陽極は真空チェンバー（真空槽）内に密閉される。この真空チェンバーは、Ｂｅ（ベリリウム）等の原子番号の小さい元素から一般的に構成されるＸ線を透過するウィンドウを含む。

Ｘ線管は、工業上或いは医療上の、イメージングや治療の用途に広く用いられている。全てのＸ線のイメージングは、異なる物質（材料）は異なるＸ線の吸収係数を有するという事実に基づいている。従来のＸ線のイメージング手法は３次元物体の２次元射影を生成する。そのような処理においては、Ｘ線ビーム方向における分解能が失われてしまう。

「ＣＡＴ（Computerized Axial Tomography）スキャニング」としても知られているコンピュータ断層撮影（ＣＴ：computed tomography）のイメージングは、異なる物質によってＸ線の吸収が異なることに基づいているが、通常とは異なるイメージングを提供し、これは断層像として知られている。ＣＴイメージングシステムは物体の断層像や「スライス」を生成する。異なった視角から取得された、同一物体に係る一連の射影画像を集めることにより、その物体の内部構造を所定の解像度で示す３次元画像を再現することができる。今日では、ＣＴ技術は、医療診断テストや、半導体プリント基板（ＰＣＢｓ：printed circuit boards）の検査等の工業上の非破壊検査や、爆発物の検出や、空港のセキュリティスキャン等に広く用いられている。

半導体産業においては、プリント基板上の機構は小さくなりつつあり、また、多層構造の回路はさらに一般的なものになりつつある。このため、３次元検査を高速に実行可能な装置に対する要求が高まっている。しかし、今日の一般的な医療用ＣＴスキャナのほとんどは、患者の周囲を回転する１つのＸ線管を使用し、処理工程において、１つのスライス画像を再現するために何百もの射影画像を取得することが必要である。医療用ＣＴスキャナにおいて用いられるＸ線管は、１つの電子放出陰極と１つの焦点とを有する。工業上の検査、特にプリント基板（ＰＣＢ）検査においては、狭い視野角の範囲から少数の射影画像しか取得されない。このような特別の目的のために、陽極表面上の複数の焦点から複数のＸ線ビームを生成するためのいくつかの装置がこれまでに開発されている。その目的は、Ｘ線管を機械的に動かすことなく、異なった視角からの複数の射影画像を生成することである。そのような装置は全て、電子を生成する熱陰極に基づいている。同じ陰極から生成された電子は、Ｘ線管の内部に設けられた複雑な電磁装置により、陽極の異なった場所に導かれる。この種の装置は一般的に図１のように図解される。この装置１０００は、焦点の配置とステアリングコイル１００４、１００６を通過する電子ｅのビームを放出する熱陰極１００２を備え、これにより、Ｘ線１０１０を生成する複数のＸ線放出焦点を有する陽極表面１００８へビームｅを導く。

例えば、特許文献１には他の装置が開示されている。この装置は、案内が可能な電子ビームを生成するための陰極を有するＸ線源を備えている。制御装置は電子ビームをターゲット陽極上の所定位置に導く。ユーザは適切な所定位置を柔軟に選択することができる。検出器は、所定位置のそれぞれから検査対象を経由して伝達されたＸ線を受信し、所定位置のそれぞれに対応する画像を生成する。画像はデジタル化され、更に、関心のある領域の画像を生成するために結合されることもある。また、特許文献２、特許文献３に開示されているように、Ｘ線影グラフを固定ビデオスクリーン上で変換・視認される光学画像に変換する回転検出器と同期して、電子ビームは円形の走査パターンで管陽極上に偏向制御される。コンピュータシステムは、検査中の対象をサポートし、一連の関心領域を視野内に移動させる、自動位置決めシステムを制御する。高画質を保つため、コンピュータシステムは、電子ビーム偏向、光学システムの回転、システムの構造上の誤差の調整を更に制御する。そのような装置は一般的に図２のように図解される。例示的な装置２０００は電子ビームｅを生成する熱電子ビーム源２００２を備える。電子ビームｅは、管角度２００８上にビームを導く焦点コイル２００４、２００６の配置を通過し、Ｘ線パターン２０１０を生成する。

図３に模式的に示されているように、異なる角度から発せられるＸ線ビームを取得する第３の方法は、１つのＸ線ビーム管／源を機械的に回転させるものである。

上述した手法でも目的を達成することはできるが、これらの単一の電子ビームに基づくＸ線検査は、解像度の限界や、視角の限界、コスト、効率性に関して、いくつかの欠点を有している。これらの従来の装置及び手法は、Ｘ線を生成し、異なる角度から複数のプリント基板（ＰＣＢｓ）の画像を取得するために、単一の電子源に依存しているという共通の欠点に苦しんでいる。このため、本質的に、これらは低速で、検査対象の物体について異なった角度から複数の画像を同時に生成することができない。また、これらは全て、Ｘ線源又はＸ線検出器のいずれかを機械的に動かす必要があり、これによりＸ線の焦点サイズ及びイメージングの品質において不一致が生ずることになってしまう。さらに、これらのＸ線システムは全て、温度に敏感で、長いウォームアップ時間を要し、作動と停止（on/off）を簡単に切り替えることができない、熱電子エミッタに依存している。このため、これらは簡単にプログラムすることができず、大量のエネルギーとＸ線システムの寿命を浪費してしまう。

これまでに、電界放出型Ｘ線管の構想が研究されている。そのような装置においては、電界放出陰極が金属フィラメントと置き換えられる。電子の放出は、バイアス電圧がターゲットと陰極との間に適用される単純な２極管構成を介して実現することができる。放出のための閾値電界を電界が上回った場合に、電子が陰極から放出される。ゲート電極が陰極に非常に近接して設けられる、３極管構成を採用することもできる。そのような構成においては、ゲート電極と陰極との間にバイアス電界を適用するにより、電子が引きつけられる。そして、電界放出された電子は、ゲートと陽極との間の高電圧によって加速される。ここでは電子電流とエネルギーがそれぞれ独立に制御される。

近年発見されたカーボン・ナノチューブは大きな電界増大因子（β）を有するため、スピント型チップ（Spindt-type tips）等の従来のエミッタと比較して放出のための閾値が低い電界が必要である。カーボン・ナノチューブは高電流において安定している。これまでに、個別の単一壁カーボン・ナノチューブからの１μＡ以上の安定した放出電流が観察されており、また、そのような物質を含んでいる肉眼で見える（macroscopic）陰極からの１Ａ／ｃｍ²より大きい放出電流密度が報告されている。これらの特性は、電界放出Ｘ線装置のための電界エミッタとして、カーボン・ナノチューブを魅力的なものにしている。

図４とそれに挿入されたものは、カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ：carbon nanotube）陰極の、放出電流と電圧との典型的な関係を示している。図４は、１ｍＡ／ｃｍ²の電流密度に対して閾値電界が２Ｖ／μｍである、古典的なＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ特性を示している。１μＡ／ｃｍ²を超える放出電流密度が容易に達成されている。カーボン・ナノチューブから電界放出された電子は、非常に狭いエネルギーと空間分布を有する。エネルギーの広がりは約０．５ｅＶであり、電界に平行な方向に対する空間的広がりの角度は半角２〜５度である。冷陰極としてカーボン・ナノチューブを使用する潜在的可能性は、例えば、電界放出フラットパネル・ディスプレイ（ＦＥＤｓ：field emission flat panel display）や、発光素子、或いは、過電圧防止のための放電管等の装置において、これまでに実証されている。

特許文献４は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、カーボン・ナノチューブに基づく電子エミッタ構造を開示している。

特許文献５は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、高い放出電流密度を有するカーボン・ナノチューブの電界エミッタ構造を開示している。

特許文献６は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、少なくとも部分的にはナノ構造を含む（nanostructure-containing）物質により形成された陰極を組み込むＸ線生成装置を開示している。

特許文献７は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、固定され、個別に電気的にアドレス可能な複数の電界放出電子源を含む、Ｘ線を生成するための構造及び手法を開示している。

特許文献８は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、圧電的、熱的、或いは、光学的な手段によって、電子放出電流を独立の制御することを可能にするＸ線生成装置を開示している。

特許文献９は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、ナノ構造を含む物質を組み込んだ被覆電極の構成を開示している。

特許文献１０は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、少なくとも部分的にはナノ構造を含む物質に基づく電界放出陰極を組み込んだ電子機器を開示している。

特許文献１１は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、複数のアドレス可能な要素から形成された陰極を含むＸ線源を開示している。

特許文献１２は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、真空槽において陰極が処理された基板を備える、固体のＸ線源を有する造影システムを開示している。

特許文献１３は、ここでは全体として参照により組み込まれているが、冷電界放出陰極を含むＸ線生成装置を開示している。陰極の放出電流は様々手段により制御することが可能である。
米国特許第５５９４７７０号公報 米国特許第４９２６４５２号公報 米国特許第４８０９３０８号公報 米国特許（出願番号０９／２９６，５７２、「カーボン・ナノチューブ電界エミッタ構造を備える装置及び装置を形成する処理」） 米国特許（出願番号０９／３５１，５３７、「薄膜カーボン・ナノチューブ電界エミッタ構造」） 米国特許６５５３０９６号公報、「電界放出陰極を用いたＸ線生成手法」 米国特許出願公開番号ＵＳ−２００２／００９４０６４、「広域で個別にアドレス可能なマルチビームＸ線システムと、同じものを形成する方法」 米国特許（出願番号１０／３５８，１６０、「電子ビーム電流を制御する方法及び装置」） 米国特許出願公開番号ＵＳ−２００２／０１４０３３６、「改善された電子放出及び燃焼の特性を有する被覆電極」 米国特許（代理人明細書番号０３３６２７−００３、「真空及び気体の電子機器のためのナノ物質に基づく電界放出陰極」） 米国特許６３８５２９２号公報、「固体ＣＴシステム及び方法」 米国特許出願公開番号ＵＳ−２００２／００８５６７４、「フラットパネルＸ線源を用いた造影装置」 米国特許６４５６６９１号公報、「Ｘ線生成装置」

従って、異なった位置や放出角度から複数のＸ線ビームを同時に生成することができるＸ線イメージングシステムが強く求められる。ナノ構造を含む電界放出陰極を用いることにより、本発明は、そのようなマルチビームＸ線イメージングシステムを実現するための手法及び装置と、その使用のための手法を提供する。

本発明によれば、より効率的にマルチビームＸ線を生成し、より柔軟な操作性を備え、多数の機能を高度に統合して構成された装置及び手法が提供される。本発明によれば、異なった角度からスキャン対象の物体へ進んでいくＸ線ビームを提供可能なＸ線源が提供される。

非破壊Ｘ線測定を行う装置も提供される。この装置は１又は複数の電界放出冷陰極を備える。ナノ構造を含む冷陰極から生成された電子は、ターゲット陽極におけるある所望の位置へ加速され、その結果、スキャン対象の物体への異なった角度からのＸ線ビームが生成される。スキャン対象の物体を経由して伝送されたＸ線を集めるために検出器が用いられ、これにより異なった角度からの画像が形成される。画像は、物体の内部構造を示す２次元又は３次元のイメージを再構成するために用いることができる。

本発明においては、ナノ構造物質を有する冷電界放出陰極が、この発明においてＸ線を生成するための電子源として、Ｘ線管の中で用いられる。この新しいＸ線生成手法は、加熱素子が不要であり、室温で動作し、高い反復率でＸ線放射パルスを生成し、マルチビームＸ線源と携帯用のＸ線装置を可能にするという意味で、従来の熱電子に基づくＸ線源と比較して多くの利点を有している。

本発明の第１の側面によれば、陰極上に所定のパターンで配置され、固定され個々に制御可能な複数の電子放出ピクセルを備えた、固定電界放出陰極と、前記ピクセルの前記所定パターンに対応する、所定パターンで配置された複数の焦点を備えた、前記陰極の反対側に位置する陽極と、前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備えることを特徴とするマルチビームＸ線生成装置が提供される。

また、本発明の他の側面によれば、その少なくとも一部に電子放出物質が配置された平面状の表面を備えた固定電界放出陰極と、前記陰極の平面状の表面に対して空間を隔てて平行に設けられ、サイズの異なる複数の開口部を備えたゲート電極と、前記陰極と空間を隔てて反対側に位置し、前記電子放出物質に合わせて複数の焦点を備える陽極と、前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備え、前記ゲート電極は、少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、前記陰極から放出された電子の少なくとも１つのビームを送出するように前記開口部を操作できるように、動作可能であることを特徴とするＸ線生成装置が提供される。

また、本発明の他の側面によれば、物体へ異なる位置からＸ線を照射することにより該物体をスキャンする方法であって、固定され個々に制御可能な複数の電子放出ピクセルを備えた固定電界放出陰極を提供する第１工程であって、該ピクセルは該陰極上に所定のパターンで配置される、第１工程と、前記陰極の反対側に陽極を設け、前記ピクセルの前記所定パターンに対応する所定のパターンで、該陽極に複数の焦点を設ける第２工程と、前記陽極及び陰極を真空槽で覆う第３工程と、１以上のピクセルを活性化させ、前記陽極の対応する焦点へ入射する放出電子のビームを生成し、それによりＸ線を生成し、該Ｘ線をスキャン対象の前記物体へ導く第４工程と、を備えることを特徴とする方法が提供される。

また、本発明の他の側面によれば、物体へ異なる位置からＸ線を照射することにより該物体をスキャンする方法であって、平面の表面を備えた固定電界放出陰極を提供し、該平面の表面の少なくとも一部に電子放出物質を提供する第１工程と、前記陰極の前記平面の表面と空間を隔てて平行にゲート電極を設け、異なる大きさの複数の開口部を該ゲート電極に設ける第２工程と、前記陰極の反対側に陽極を設け、前記電子放出物質に合わせて該陽極に複数の焦点を設ける第３工程と、前記陽極及び陰極を真空槽で覆う第４工程と、少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、前記陰極から放出された電子の少なくとも１つのビームを送出するように、前記ゲート電極を操作する第５工程と、を備える方法が提供される。

以下、本発明に係る典型的な構成及び手法について、図面を参照して説明する。

本発明に係る一実施形態においては、図５に示すように、Ｘ線源は、個別にアドレス可能な複数の電子放出要素、或いは、「ピクセル」１１を有する電界放出陰極１２を備える。図６に示すように、陰極１２は平面形状を有する。陽極１３は、真空槽１４内で陰極１２と有限の距離を隔てて、陰極１２の反対側に位置する。陰極上のピクセル１１からの電子の放出は、ゲート電極によって制御することができる。本実施形態及びその他において利用可能なゲート電極の可能な構成及び配置の詳細については後述する。Ｘ線源は、一つのゲート電極、又は、より好ましくは個々にアドレス可能な複数のユニットを有するゲート電極を備えてもよい。ただし、各ユニットは陰極１２上の対応するピクセル１１をそれぞれ制御する。前記ピクセル１１と、それに対応するゲート電極上の制御ユニットとの間に適用される電界が閾値を超えたときに、放出ピクセル１１から電子が放出される。陰極１２と陽極１３との間には高電圧が適用される。個々のピクセル１１が起動されると、放出電子ビームは高圧の電界により加速され、十分な運動エネルギーを取得し、陽極１３上の対応する位置に照射される。陽極１３は、銅、タングステン、モリブデン、或いは、異なる金属の合金等の、あらゆる適切な金属により構成することができる。Ｘ線は、陽極の、電子が衝突する位置、いわゆる「焦点（focal spot）」において生成される。

陽極１３は複数の分離した焦点１０を備え、各焦点は、異なった原子番号の金属、或いは、異なった合金を有する。放出電子が照射されると、焦点１０はそれぞれ異なったエネルギー分布を有するＸ線を生成する。

本実施形態においては、陽極１３上のＸ線焦点１０は、陰極１２上の電子放出ピクセル１１と１対１の関係を有する。このため、あるピクセル１１が起動されると、陽極１３上の対応する焦点からＸ線ビームが生成される。従って、異なった位置のピクセル１１を起動することにより、陽極１３上の異なった焦点１０からＸ線ビームが生成されることになる。この結果、イメージングの用途において、Ｘ線生成装置の物理的な移動を伴わずに、異なった視角からのＸ線ビームを実現することができる。異なる位置のピクセルは、コンピュータによりプログラム制御することが可能であり、順番に、或いは、周波数、デューティサイクル（duty cycle）、ドウェル時間（dwell time、滞留時間）を所定の値に設定して動作させることが可能である。

陰極１２は、所定のパターンで配置された複数の放出ピクセル１１を備えることができる。図６のように、ある特定の実施形態においては、放出ピクセル１１は、有限の直径を有する円周に沿って配置される。各ピクセル１１から放出された電子は、陽極１３上の対応する焦点１０に向かって進むことが可能である。ただし、陽極１３上の焦点１０は円周に沿って配置され、また、各焦点１０は陰極上の電界放出ピクセル１１と対応する。

本発明の手法により構成された陰極は、好適には電界放出物質を組み込んでいる。より好適には、本発明の手法により形成された陰極は、ナノ構造を含む物質を組み込んでいる。「ナノ構造」物質という用語は、Ｃ₆₀フラーレン等のナノ粒子、フラーレン型同心黒鉛粒子（fullerene-type concentric graphitic particles）、金属、ＣｄＳｅ，ＩｎＰ等の化合物半導体、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＯ_x，Ｇｅ，Ｏ_x等のナノワイヤ／ナノロッド（nanowires/nanorods）、或いは、炭素，Ｂ_xＮ_y，Ｃ_x，Ｂ_y，Ｎ_z，ＭｏＳ₂，ＷＳ₂等の単一又は複数の元素から成るナノチューブを含む、指定された物質の分野の当業者に用いられている。ナノ構造物質に共通する特徴の一つは、その基本的な要素（building blocks）である。１つのナノ粒子或いはカーボン・ナノチューブは、少なくとも１つの方向において５００ｎｍ未満の大きさを有する。「ナノ構造を含む」という用語は、完全に、或いは、ほとんど完全にナノ構造物質からなる物質や、ナノ構造と他の種類の物質の両方からなり複合構造（composite construction）を形成している物質を包含する。本発明の手法により形成された陰極は、完全に上記のナノ構造を含む物質から形成することができる。或いは、陰極が基板や基材を有し、それに上述のナノ構造を含む物質を含む１以上の被覆層を設けるようにすることもできる。ナノ構造を含む物質の被覆は、陰極基板物質の表面に直接適用することができる。或いは、接着を促進する中間層を設けるようにしてもよい。例示的な実施形態においては、本発明の手法により形成された陰極は、単一壁カーボン・ナノチューブ、二重壁カーボン・ナノチューブ、多重壁カーボン・ナノチューブ又はそれらの混合を備えた高純度の物質から、少なくとも部分的に形成される。

あるアプリケーションにおいて、例えば、より高い電流を生成することが可能で、より広い放出領域を有するピクセルが求められるような場合等においては、高いＸ線束が必要であり、焦点のサイズは重要ではない。図７に示すように、異なるサイズの放出領域１１０，１１１を有するピクセルを構成することができる。各電界放出ピクセル１１０，１１１の放出領域は所定のパターンに基づいて変化し、同じ電界が適用された状況においては、各ピクセルからの放出電流の合計はピクセルの放出領域に応じることになる。また、各ピクセルに同じ大きさ（amplitude）の電界を適用することにより、プログラム制御可能な強度を有する走査Ｘ線ビームを各焦点から放出することができる。図７に示すように、電界放出ピクセル集合１１１と電界放出ピクセル集合１１０とでは、放出領域が異なっている。適用される電界を不変に保ったまま、高いＸ線強度が求められるイベントにおいて、電界放出ピクセル集合１１０が使用される。

図８、９に示すように、他の構成においては、陰極１２上の複数の電界放出ピクセル１１が所定のパターンに配置され、放出ユニットのグループにプログラム制御される。各放出ユニットは、図８のように、異なった直径ｂ，ｃ，ｄを有する放出ピクセルの小集合を備えるか、或いは、図９のように、クラスタ４１，４２を形成する。各放出ユニットから放出された電子は陽極上の対応する焦点へ導かれる。陽極上の焦点は、陰極上の放出ユニットと同じパターンに基づいて位置を決めることができる。

図１０に示すように、各ピクセル１１から放出された電子ビームを集中させるために、絶縁体層１１ｓから隔てられた多層電子ゲート又はコイル１１ｇを、電子ビーム"ｅ"の経路となる各ピクセル１１の上面に設けることができる。これらのゲートに適切な電圧が適用され、或いは、電流がコイルを通過した場合、電子ビームが集中され、所定の角度で導かれる。

本発明の手法により形成された、他の技術及び構成が図１１に示されている。

この実施形態においては、陰極５５は、平面形状を有し、平面の表面全体又はその一部に配置された電子放出物質を備えている。ゲート電極５２は、陰極５５と有限の距離を隔てて、陰極５５と平行に設けられている。陽極５３は、陰極５５と有限の距離を隔てて、陰極５５の反対側に存在し、陽極５３も陰極５５も真空槽５４に覆われている。ゲート電極５２は、その中にメッシュグリッド５１を配置することが可能な１以上の開口部を備える。また、陰極上の１以上の特定領域が、陽極５３上の１以上の特定位置に向かって導かれる電界放出電子を生成する１以上の放出ピクセルとして選択可能なように、陰極５５に対するメッシュグリッド５１の位置を配置することができる。ピクセルと、対応するゲート電極５２上の制御ユニットとの間に適用されている電界が所定値を超えた場合、放出ピクセルから電子が放出される。陰極と陽極の間に高電圧が適用される。個々のピクセルが起動されると、電子ビームは、高電圧により加速され、十分な運動エネルギーを取得して、陽極５３上の対応する位置へ照射される。陽極５３は、銅、タングステン、モリブデン、或いは異なる金属の合金等の、あらゆる適切な金属により構成することができる。
Ｘ線は、陽極の電子が衝突する位置（以下、「焦点」と呼ぶ）から生成される。

メッシュグリッド５１は、融解温度が高い、例えば、タングステン、モリブデン、或いは、ニッケル等の物質を用いて構成することができる。メッシュにおける開口部の大きさは、それを通過する放出電子電流の量に影響する。このため、メッシュ開口部のサイズがより大きくなれば、それを通過して陽極に衝突する放出電子がより多くなり、その逆も同様である。好適には、複数のメッシュグリッド５１が利用される。グリッドのそれぞれは、同じ大きさのメッシュ開口部を有するようにすることができる。或いは、メッシュグリッドは異なった大きさの開口部を有するようにすることができる。

メッシュグリッド５１は、個々にアドレス可能なユニットの形で構成することができる。例えば、各グリッドは、他のグリッドとは独立に、開口、或いは、閉鎖を行うことができる。

ゲート電極５２は、モータユニットの制御されて軸５６に沿って様々な速度で回転することができる。前記放出領域とそれに対応するゲート電極５２上の制御ユニットとの間に適用される電界が閾値を超えると、放出領域から電子が放出される。ある速度でゲート５２が回転する間に、陰極の放出環のあらゆる箇所から放出電流を生成することができる。連続的な、或いは、パルス状の電位が、選択されたメッシュグリッド５１と陰極５５との間に適用されているか否かに基づいて、走査Ｘ線ビームが陽極５３上の対応する箇所５０から、連続的に、或いは、パルス状に生成される。結果として、イメージングの目的において、異なった視角からのＸ線ビームが実現される。回転スピードと電極に適用される電圧パルスは、コンピュータによりプログラム制御することが可能であり、順番に、或いは、周波数、デューティサイクル、及び、ドウェル時間の少なくともいずれかを所定の値に設定して動作させることができる。

装置の放出電子電流は、異なるサイズのメッシュ開口部を有するメッシュグリッドや、ゲート電極の回転速度、及び、メッシュグリッドに適用されるパルスの周波数やドウェル時間の少なくともいずれかを選択することにより制御することができる。

各ピクセルから放出される電子ビームを制御するために、例えば、図１２に示すように、ゲートの構造を使用することができる。少なくとも一つの絶縁スペーサ５５ｓによって隔てられた１以上のゲート５５ｇを適用してもよい。グリッド５１は、それを通過する放出電子の流れを選択的に調整するために、ゲート５５ｇの中に組み込んでもよい。

図１３に、Ｘ線検査の構成又はシステムの例示的な実施形態を示す。その構成は、上述の実施形態のいずれかに基づいて構成されたＸ線源１５１を備えている。Ｘ線源１５１により生成されたＸ線は、検査対象の物体１５２へ導かれる。検査対象の物体１５２は可動ステージ１５３に載置することができる。利用する場合、ステージ１５３は、好ましくは、ｘ，ｙ及びｚ方向に移動可能である。

異なった位置における個別の検出器７３１，７３２の配置を含む、Ｘ線検出器が設けられている。物体１５２を通過するＸ線は検出器７４に受信される。好適には、可動ステージ１５３を制御し、それにより物体１５２の位置や、検出器７４、７３１、７３２の制御処理、及び、位置の少なくともいずれかを制御するために利用可能な制御装置が提供される。検出器７４からのデータにつき、少なくとも受信、走査、及び、出力のいずれかを行う画像分析装置も組み込むことができる。

本発明の他の実施形態においては、電界放出マルチビームＸ線源を利用する、超高速の、全て固定されたＸ線イメージング及び検査の手法及びシステムが構成される。このシステムの一例を図１４に示す。回路基板７０等の検査対象の物体７２は、Ｘ線源１４とＸ線検出器７４との間に載置される。Ｘ線源１４は、好適には、ここに開示された電界放出マルチビームＸ線源である。Ｘ線検出器７４は、同一面の異なった位置に載置された検出器７３１，７３２のアレイや、ピクセルのマトリックスを有する領域検出器とすることができる。データを収集するために、Ｘ線源は起動される。陰極上の全ての電子放出ピクセルは同時に起動される。各ピクセルは、Ｘ線源の陽極１３上の、対応する焦点１０１，１０２へ照射される電子ビームを生成する。陽極１３上の焦点のそれぞれから生成されたＸ線は、異なる角度から、対応する検出器により記録される、物体の１つの画像を生成する。例えば、焦点１０１から生成されたＸ線ビームは、検出器７３２により記録される物体の１つの画像を生成する。焦点１０２から生成されたＸ線ビームは、検出器７３２により記録される物体の一つの画像を生成する。広領域の検出器が用いられる場合においては、７３１及び７３２は領域検出器の特定領域となる。

陽極の異なった位置に異なった焦点が設けられるため、異なる焦点から放出されたＸ線ビームにより生成された物体の画像は、画像が生成される物体に対して異なった射影角度を有する。ある射影角度からははっきりとしない構造も、異なった焦点、つまり、異なった視角から放出されたＸ線ビームにより明らかにすることができる。陰極上の全ての電子放出ピクセルを起動することにより、全ての異なった焦点からＸ線ビームが同時に生成され、これにより同一物体の異なった射影画像を同時に収集することができる。状況に応じて、全ての射影画像がモニタ上に表示される。更に、イメージングと検査のシステムは、収集された異なった射影画像を用いて、検査対象の物体の内部構造を示す画像を再構成する、コンピュータ及びソフトウエアを備えるようにしてもよい。全ての射影画像は同時に収集されるため、システムは、物体の内部構造を示す画像を瞬時に再構成して表示することができる。これは、異なる射影画像を同時に収集しなければならない他の検査システムと比較して、有利な点である。本発明の能力は、物体を画像化することのできる割合を極めて増大させる。

他の実施形態においては、各ピクセル１０１，１０２からのＸ線ビームは、対応するＸ線検出器上に、物体７２中の平面７０のＸ線画像を生成する。画像平面７０は、Ｘ線源１４の各ピクセル１０１，１０２からのＸ線ビームが交差する領域である。動作において、各ピクセル１０１，１０２は起動され、スキャン対象の物体へそれぞれ異なった方向からＸ線ビームを提供する。このため、物体の、異なった角度からのＸ線画像は、対応するＸ線検出器によって記録される。この情報はさらに２次元又は３次元画像を再構成するために用いられる。収集された画像データの再構成を行っている間、スキャンされた平面７０上の構造は鮮明な画像を形成するのに対し、スキャンされた平面７０の外部における物体７２の構造は、検出器７３１，７３２において不鮮明な画像を生成する。物体７２の内部でＸ線ビームが交差する位置を変化させることによって、異なった平面を検査のために選択することができる。これは、例えば、Ｘ線源１４に対して物体７２を移動させたり、或いは、ピクセル１０１，１０２を移動することによって物体７２へ入射するＸ線の角度を変化させることで、実現することができる。

このシステムのある特定の動作モードにおいては、全てのピクセルを同時に起動することができる。検出器アレイ７３１，７３２の異なった領域は、Ｘ線源１４のある対応するピクセル１０１、１０２からのＸ線信号のみを収集するように、検出器アレイは配置及びプログラムされる。例えば、検出器アレイの領域７３２は、特定のピクセル１０１からのＸ線のみを収集し、領域７３１はピクセル１０２からのＸ線のみを収集する。全てのピクセルが同時に起動するようにプログラムした場合、検出器はスキャン平面の全てのＸ線画像を同時に収集する。これによりＸ線画像を瞬時に取得することができる。このイメージングの構成が図１４に示されている。

この発明の他の実施形態においては、データを収集するためにＸ線源１４が起動される。陰極上の全ての電子放出ピクセルはプログラムされた順序で起動されるため、全てのピクセルではないが１以上のピクセルは同時に起動される。各ピクセルは、Ｘ線源１４である陽極１３上の対応する焦点１０１、１０２へ突進する電子ビームを生成する。陽極上の各焦点から生成されるＸ線は、対応する検出器に記録される、異なった角度から物体の１つの画像を生成する。Ｘ線検出器７４は上述のように構成、及び、動作することができる。例えば、焦点１０１からＸ線ビームが生成された場合、物体の画像が検出器７３２に記録され、焦点１０２からＸ線ビームが生成された場合、物体の画像が検出器７３１に記録される。検出器７３１と検出器７３２は、異なった検出器とすることもできるし、１つの検出器アレイの異なった領域とすることもできるし、或いは、異なる場所に設置された同じ検出器とすることもできる。異なった焦点は陽極１３の異なった位置に設けられるため、異なった焦点から放出されたＸ線ビームにより生成された物体の画像は異なった射影角度を有する。ある射影角度からははっきりとしない構造も、異なった焦点、つまり、異なった視角から放出されたＸ線ビームにより明らかにすることができる。陰極上の異なった電子放出ピクセルを起動することにより、全ての異なった焦点からＸ線ビームが生成され、これにより同一物体の異なった射影画像を収集することができる。

或いは、図１５のように、扇状に広がるＸ線のビーム８１の拡散角度を、各焦点８０からの所定の拡散角度に設定するために、システムは、更に、１つのコリメータ８２又は一群のコリメータを備えるようにしてもよい。陽極上の各焦点からのＸ線ビームが画像形成される領域のみを照射し、焦点から放出されたＸ線光子は対応する検出器のみに到達するように、コリメータ８２は設計される。

上述の実施形態を参照して本発明を説明したが、所定の修正や改変は、この技術分野における通常の能力を有する者にとって明らかである。つまり、本発明は、添付された特許請求の範囲の範囲及び精神によってのみ限定される。

複数のＸ線を形成するために電子ビームを操作する、従来の構成及び手法を示す模式図である。 複数のＸ線を生成するために電子ビームを操作する、他の従来の手法及び構成を示す模式図である。 物体をそれに対して複数の角度からＸ線でスキャンする、従来の構成及び手法を示す模式図である。 カーボン・ナノチューブに基づく陰極の、電圧に対する電流の特性に係るグラフである。 本発明の手法により形成された、複数の固定電子源を有するＸ線源を示す模式図である。 図５に示された構成の底面図である。 本発明の他の側面により形成された、複数の電子源を有するＸ線を生成する他の実施形態に係る底面図である。 本発明の更に他の側面による、複数の電子放出源に係る他の構成を示す模式図である。 本発明の手法により形成された、更に他の実施形態に係る底面又は平面を示す図である。 本発明の手法により形成された、多層ゲート構造を有する電子放出源またはピクセルを示す模式図である。 本発明の手法により形成された、回転するゲート構造を含む他の構成及び手法を示す模式図である。 本発明により形成されたゲート電極の構造を示す模式図である。 本発明によるＸ線源を組み込んだ検査の構成又はシステムを示す模式図である。 本発明の手法により形成された、断層撮影法（laminography）に基づいてマルチビームＸ線を提供する他の構成を示す模式図である。 本発明の手法により実行される多様な構成や手法と共に利用してもよい、Ｘ線コリメータ（collimator）装置を示す模式図である。

Claims (65)

1. 陰極上に所定のパターンで配置され、固定され個々に制御可能な複数の電子放出ピクセルを備えた、固定電界放出陰極と、
   前記ピクセルの前記所定パターンに対応する、所定パターンで配置された複数の焦点を備えた、前記陰極の反対側に位置する陽極と、
   前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備えることを特徴とするマルチビームＸ線生成装置。
2. 前記陰極はナノ構造を含む物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ナノ構造を含む物質は、単一壁カーボン・ナノチューブを備えることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記陰極は平面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記陽極は平面形状を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記電界放出陰極を制御するために配置された、少なくとも１つのゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つのゲート電極は個々にアドレス可能な複数のゲート電極制御ユニットを備え、各ユニットは対応する電子放出ピクセルを制御するように配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記焦点は、前記ピクセルから放出される電子が照射された場合、異なったエネルギー分布を有するＸ線を生成する物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 全てのピクセルに対して１つの焦点を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のピクセルを制御するようにプログラムされたコンピュータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記コンピュータは、
    前記ピクセルを、順番に、所定の周波数、所定のデューティサイクル、及び、所定のドウェル時間の少なくともいずれかにおいて、起動するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記ピクセルと対応する焦点は、円周に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記複数のピクセルは、第１の放出領域を有する少なくとも１つのピクセルと、第２の放出領域を有する少なくとも１つのピクセルと、を備え、
    前記第１の放出領域は前記第２の放出領域よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記ピクセルと対応する焦点は、複数の同心円の円周に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記ピクセルは少なくとも１つのクラスタ状に配置され、
    前記少なくとも１つのクラスタは直接隣接した複数のピクセルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 各ピクセルは、各ピクセルから放出された電子のビームを集中させるために構成された、多層電子ゲート又はコイルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記焦点により生成された前記Ｘ線ビームを集中させるために構成されたコリメータを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
18. Ｘ線検出器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
19. 前記検出器は複数の分離した検出要素を備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記検出器は、検出ピクセルのマトリクスを備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
21. 前記検出器からの入力を収集し、前記入力から画像を構成する、コンピュータハードウェア及びソフトウェアを更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
22. 前記画像を表示するモニタを更に備えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. その少なくとも一部に電子放出物質が配置された平面状の表面を備えた固定電界放出陰極と、
    前記陰極の平面状の表面に対して空間を隔てて平行に設けられ、サイズの異なる複数の開口部を備えたゲート電極と、
    前記陰極と空間を隔てて反対側に位置し、前記電子放出物質に合わせて複数の焦点を備える陽極と、
    前記陽極及び陰極を覆う真空槽と、を備え、
    前記ゲート電極は、
    少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、前記陰極から放出された電子の少なくとも１つのビームを送出するように前記開口部を操作できるように、動作可能であることを特徴とするＸ線生成装置。
24. 前記開口部は複数のメッシュグリッドを備えることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記ゲート電極は回転可能であることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
26. 前記メッシュグリッドは、タングステン、モリブデン、ニッケル、又は、それらの合金により形成されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
27. 前記メッシュグリッドのそれぞれは、電気的に独立に制御可能であることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
28. 前記ゲート電極の動作を制御するための制御ユニットを更に備えることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
29. 前記ゲート電極が回転するスピード、前記ゲート電極に適用される電圧、前記陰極から放出される電子の登録位置へ移動される焦点の順序、及び、登録された特定の焦点に放出電子が保たれることが許される時間の少なくともいずれかを制御するためにプログラムされたコンピュータを更に備えることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
30. 前記陰極はナノ構造を含む物質を備えることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
31. 前記ナノ構造を含む物質は単一壁カーボン・ナノチューブを備えることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
32. 物体へ異なる位置からＸ線を照射することにより該物体をスキャンする方法であって、
    固定され個々に制御可能な複数の電子放出ピクセルを備えた固定電界放出陰極を提供する第１工程であって、該ピクセルは該陰極上に所定のパターンで配置される、第１工程と、
    前記陰極の反対側に陽極を設け、前記ピクセルの前記所定パターンに対応する所定のパターンで、該陽極に複数の焦点を設ける第２工程と、
    前記陽極及び陰極を真空槽で覆う第３工程と、
    １以上のピクセルを活性化させ、前記陽極の対応する焦点へ入射する放出電子のビームを生成し、それによりＸ線を生成し、該Ｘ線をスキャン対象の前記物体へ導く第４工程と、を備えることを特徴とする方法。
33. 前記第４工程では、
    第１のピクセルが活性化され、それにより前記スキャン対象の物体へ第１の位置から入射する第１のＸ線が生成され、続けて、少なくとも第２のピクセルが活性化され、それにより前記スキャン対象の物体へ第２の位置から入射する第２のＸ線が生成されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 前記第４工程では、
    複数のピクセルが同時に活性化され、それにより前記スキャン対象の物体へ複数の位置から入射する複数のＸ線が生成されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
35. Ｘ線検出器を設定し、前記スキャン対象の物体を通過するＸ線が該検出器へ入射するようにする第５工程を更に備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
36. 前記検出器は複数の分離された検出器を備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
37. 前記検出器は検出ピクセルのアレイを備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
38. 前記検出器からの入力を収集し、該入力から画像を構成する第６工程を更に備えることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
39. 前記構成された画像を表示する第７工程を更に備えることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記陰極はナノ構造を含む物質を備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
41. 前記ナノ構造を含む物質は単一壁カーボン・ナノチューブを備えることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
42. 前記第１及び第２工程では、円周に沿って前記ピクセル及び対応する焦点が配置されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
43. 前記第１工程では、第１の放出領域を有する少なくとも１つのピクセルが提供され、第２の放出領域を有する少なくとも１つのピクセルが提供され、
    前記第１の放出領域は前記第２の放出領域よりも広いことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
44. 前記第１及び第２工程では、複数の同心円の円周に沿って前記ピクセルが配置されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
45. 前記第１工程では、前記ピクセルが少なくとも１つのクラスタ状に配置され、
    前記少なくとも１つのクラスタは直接隣接した複数のピクセルを備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
46. 物体へ異なる位置からＸ線を照射することにより該物体をスキャンする方法であって、
    平面の表面を備えた固定電界放出陰極を提供し、該平面の表面の少なくとも一部に電子放出物質を提供する第１工程と、
    前記陰極の前記平面の表面と空間を隔てて平行にゲート電極を設け、異なる大きさの複数の開口部を該ゲート電極に設ける第２工程と、
    前記陰極の反対側に陽極を設け、前記電子放出物質に合わせて該陽極に複数の焦点を設ける第３工程と、
    前記陽極及び陰極を真空槽で覆う第４工程と、
    少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、前記陰極から放出された電子の少なくとも１つのビームを送出するように、前記ゲート電極を操作する第５工程と、を備える方法。
47. 前記ゲート電極の前記開口部は複数のメッシュグリッドを備えることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
48. 前記第５工程では、
    少なくとも１つの焦点及びその登録位置から外れた位置へ、放出された電子の前記少なくとも１つのビームを送出するように、前記ゲート電極が回転されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
49. 前記メッシュグリッドは、タングステン、モリブデン、ニッケル、又は、それらの合金により形成されることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
50. 前記第２工程では、更に、前記ゲート電極の前記開口部が個別に開口又は閉鎖されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
51. 前記ゲート電極の動作をコンピュータで制御する第６工程を更に備えることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
52. 前記第５工程では、前記ゲート電極が回転され、
    前記第６工程では、前記ゲート電極が回転するスピードの制御、前記ゲート電極に適用される電圧の制御、前記陰極から放出される電子の登録位置へ移動される焦点の順序の制御、及び、登録された特定の焦点に放出電子が保たれることが許される時間の制御の少なくともいずれかが行われることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
53. 前記陰極はナノ構造を含む物質を備えることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
54. 前記ナノ構造を含む物質は、単一壁カーボン・ナノチューブを備えることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
55. 検査対象の物体をスキャンするためのＸ線生成装置であって、
    基板と、カーボン・ナノチューブを備えるナノ構造を含む物質の被覆層とを備えた、少なくとも１つのアドレス可能な陰極と、
    少なくとも一つの陽極ターゲットと、を備えるＸ線生成装置。
56. 前記ナノ構造を含む物質は、単一壁カーボン・ナノチューブ、多重壁ナノチューブ、又はそれらの混合を含むことを特徴とする請求項５５に記載の装置。
57. 前記陰極は、前記ナノ構造を含む物質の被覆層に少なくとも部分的に覆われた、基板物質を備えることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
58. 前記基板と前記ナノ構造を含む物質の被覆層との間に接着を促進する中間層を更に備えることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
59. ゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
60. 複数の陽極ターゲットを備えることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
61. 前記装置は携帯可能であることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
62. 前記陰極はナノ構造を含む物質の要素のアレイを備え、前記ナノ構造を含む要素のそれぞれは個別にアドレス可能であることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
63. 前記少なくとも１つの陰極と、前記少なくとも１つの陽極ターゲットは、真空槽に収容されていることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
64. 可動ステージを更に備えることを特徴とする請求項５５に記載の装置。
65. 前記陰極は加熱器の支援により電子を放出することを特徴とする請求項５５に記載の装置。

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