JP2007533093A - 液体金属アノードを有するｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、X線（18）発生用の装置であって、真空空間（2）に収容された、電子を放射する電子源（3）と、電子入射の結果、X線を放射する液体金属、および狭窄部（7）を通る前記液体金属の流れを生じさせるポンプ手段（11）を含む液体金属回路であって、前記狭窄部（7）では、前記電子源（3）によって放射された前記電子が、前記液体金属に照射されるところの液体金属回路と、前記狭窄部（7）と境界を接し、前記真空空間（2）から前記狭窄部（7）を分離する、電子およびX線に対して透明な放射線窓（12）と、を有する装置に関する。外部のまたは追加の部品もしくは電子機器を使用しないで、自己制御処理プロセスにより、狭窄部の断面積が、意図した所望の断面積と実質的に対応する、X線発生用の装置を提供するため、前記狭窄部（7）は、前記放射線窓（12）に対向する補償窓（13）と境界を接し、補償窓は、接続部（15）を介して、前記液体金属回路により提供される液体金属を収容する圧力チャンバ（14）から、狭窄部（7）を分離し、前記補償窓は、作動時に、狭窄部（7）内の圧力とは異なる圧力チャンバ（14）内の圧力によって生じる変形の結果として得られる輪郭（p’）を有し、該輪郭は、作動時に、狭窄部（7）内の液体金属の圧力によって生じる放射線窓（12）の変形の結果、放射線窓（12）が有する輪郭（p）に実質的に整合する。

Description

本発明は、X線発生用の装置であって、真空空間に収容された、電子を放射する電子源と、電子入射の結果、X線を放射する液体金属、および狭窄部を通る前記液体金属の流れを生じさせるポンプ手段を含む液体金属回路であって、前記狭窄部では、前記電子源によって放射された前記電子が、前記液体金属に照射されるところの液体金属回路と、前記狭窄部と境界を接し、前記真空空間から前記狭窄部を分離する、電子およびX線に対して透明な放射線窓と、を有するX線発生用の装置に関する。

前述の種類のX線発生装置は、国際公開第WO03／077277A1号に示されている。この装置では、狭窄部が、薄い放射線窓と、この放射線窓と対向する壁によって境界を区画されており、この放射線窓は、電子およびX線に対して透明な材料で構成され、狭窄部内の液体金属を真空空間から分離する。壁は、作動時に、狭窄部内の液体金属の圧力により生じる放射線窓の変形の結果として、放射線窓が有する輪郭に整合する輪郭を有する。従って、狭窄部は、所定の意図した断面積を有し、窓の変形位置において、流速の低下、およびこれに伴う圧力の異常な上昇が回避される。

また、国際公開第03／077277A1号には、放射線窓の変形を抑制する方法が示されており、この方法では、放射線窓が電子およびX線に対して十分な透過性を確保するため、放射線窓での液体金属の圧力を抑制することにより、あるいはより安定性のある波形形状の窓を提供することにより、放射線窓を比較的薄くしている。圧力を抑制する方法では、放射線窓と対向する狭窄部の壁に、固定されたまたは変形可能な輪郭を提供することが基本となっている。前記変形可能な輪郭は、少なくとも一つのアクチュエータによって、作動時に変化させることができる。
国際公開第03／077277号パンフレット

前記柔軟性のあるプロファイルを有する従来の装置の問題は、少なくとも一つの圧力センサと、センサの圧力の関数としてアクチュエータを制御する、制御部材とが必要となることである。

本発明の目的は、最初に示したようなX線発生装置であって、自己制御処理プロセスにより、狭窄部の断面積が、実質的に意図した所望の断面積に対応し、外部のまたは追加の部品もしくは電子機器を用いる必要のない、X線発生装置を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明では、X線発生用の装置は、前記狭窄部は、前記放射線窓に対向する補償窓と境界を接し、該補償窓は、接続部を介して、前記液体金属回路により提供される液体金属を収容する圧力チャンバから、前記狭窄部を分離し、前記補償窓は、作動時に、前記圧力チャンバ内の圧力によって生じる変形の結果として得られる輪郭を有し、該輪郭は、作動時に、前記狭窄部内の前記液体金属の圧力によって生じる前記放射線窓の変形の結果、前記放射線窓が有する輪郭に実質的に整合することを特徴とする。

本発明は、放射線窓の厚さは、電子およびX線に対して十分な透過性を確保する必要があること、また放射線窓の片側には、真空状態が存在することから、放射線窓の変形を回避することは難しく、放射線窓の反対側の狭窄部の境界が、調整された輪郭を有するようにするべきであるという洞察に基づくものである。本発明では、前記境界は、補償窓によって構成され、この補償窓は、作動時に、圧力チャンバ内の液体金属の圧力が、狭窄部での圧力と異なることにより生じる輪郭であって、放射線窓の輪郭に実質的に整合する輪郭を有するため、前記窓が変形を受けた状態、すなわち作動時の狭窄部の断面積を、窓が変形を受けていないと仮定したときに狭窄部が有する、意図した所望の断面積に実質的に対応させるための、外部のまたは追加の部品もしくは電子機器が不要となる。

請求項1の「整合する」と言う表現は、「完全に一致する」または「一致する」ことに限定されるものではないことに留意する必要がある。すなわち、本発明は、液体金属の流れ方向から見たとき、狭窄部が、作動時に、一定の断面積を有するような実施例のみならず、狭窄部が、作動時に、流れ方向において、所定の意図した方法で変化する断面積を有するような実施例にも及ぶ。従って、通常の場合、「整合する」という表現は、放射線窓に対向する補償窓の輪郭が、以下のように、近似によって、あるいは対応するように定められることを意味することを意図する。すなわち、補償窓の輪郭は、前記窓が変形状態にあるとき、すなわち作動時の狭窄部の断面積が、窓が変形を受けていないと仮定したときに狭窄部が有する、意図した断面積と対応づける際の方法と、実質的に対応するように、さらには、これに従って、流れ方向から見たときの狭窄部の断面積が、変化するように、定められる。

本発明による装置の特定の実施例では、前記圧力チャンバが、狭窄部の前記液体金属回路の上流の高圧領域に接続されると言う特徴を有する。この実施例では、補償窓に負荷される圧力チャンバ内の圧力は、ポンプ手段によって提供される圧力には相関するが、粘性流損失によって生じる、狭窄部の下流の圧力損失には影響を受けない。狭窄部の圧力と圧力チャンバ内の圧力の差が、狭窄部の圧力よりも十分に大きい場合、補償窓の変形に対する狭窄部の圧力変化の影響は、事実上存在しない。

本発明による装置の好適実施例では、前記圧力チャンバは、実質的に補償窓の領域全体に及ぶ。この実施例では、放射線窓の領域が狭窄部での圧力に晒されるように、実質的に補償窓の領域全体が、圧力チャンバ内の圧力に晒される。

本発明による装置の好適実施例では、前記補償窓は、放射線窓と実質的に同じ寸法である。この実施例では、同程度の圧力が負荷された場合、それぞれの窓の変形は、同程度になる。

本発明による装置の別の実施例では、前記補償窓は、放射線窓と実質的に同じ材料で構成される。この実施例では、同等の圧力が負荷された場合、それぞれの窓の変形は、同等になる。窓は、タングステン、モリブデン、またはダイヤモンドで構成されることが好ましい。

本発明による装置のさらに別の実施例では、前記補償窓は、放射線窓よりも厚いという特徴がある。この実施例では、圧力チャンバ内の圧力は、狭窄部の圧力よりも高く、狭窄部の圧力と圧力チャンバ内の圧力の差異は、狭窄部の圧力よりも十分に大きいため、狭窄部の圧力変化が補償窓の変形に及ぼす影響は、事実上存在しない。

以下、図面を参照して、本発明によるX線発生装置の実施例をさらに詳しく説明する。

図1には、本発明によるX線発生装置の実施例の主な部品のみが概略的に示されている。装置は、真空空間2を覆うハウジング1を有し、この真空空間には、電子を放射する電子源3またはカソードが収容されている。また装置は、密閉チャンネルシステム4を有し、このシステムは、入口チャンネル5、収束部6、狭窄部7、発散部8、出口チャンネル9、熱交換機10、および油圧ポンプ11を有する。チャンネル4には、電子が入射されるとX線を放射する特性を有する液体金属が充填されており、これにより液体金属回路が形成されている。図の実施例では、液体金属は、Ga、InおよびSnの合金であるが、室温で液体であることが好ましい、Hgのような、他の種類の金属または金属合金を使用しても良い。

狭窄部7は、電子およびX線に対して透明な放射線窓12と、この放射線窓12と対向する補償窓13によって、境界を区画されている。図の実施例では、放射線窓12は、比較的薄い（5μm）ダイヤモンド板を有するが、電子およびX線に対して十分に透明な、例えばMoのような他の種類の材料を使用しても良い。放射線窓12は、狭窄部7を真空空間2から分離し、これにより、真空空間2が、液体金属の粒子によって汚染されることが回避される。補償窓13は、狭窄部7を圧力チャンバ14から分離しており、この圧力チャンバは、接続部15を介して、チャンネルシステム4により提供される液体金属を収容する。

装置の動作時には、液体金属は、油圧ポンプ11により、狭窄部7を通って流れる。図の実施例では、油圧ポンプ11は、従来タイプのものであるが、代わりに、例えば磁気式油圧ポンプのような、別の適当なポンプ手段を使用しても良い。狭窄部7は、比較的小さな断面積を有し、狭窄部7内の液体金属の流束は、比較的高速で、乱流となっている。電子源3は、電子ビーム16を発生し、この電子ビームは、放射線窓12を通って、狭窄部7内の照射位置17にある液体金属に照射される。液体金属への電子ビーム16の入射の結果、照射位置17にX線18が生じる。従って、狭窄部7内の液体金属は、X線発生装置のアノードを構成する。X線18は、放射線窓12を通り、ハウジング1内に設けられたX線出口窓19を通って放射される。

さらに液体金属への電子ビーム16の入射によって、照射位置17には、多量の熱が発生する。この熱は、狭窄部7内の液体金属の流束によって、効果的な方法で、照射部17から発散され、加熱された液体金属は、その後、熱交換機10内で再度冷却される。この方法では、照射位置17での液体金属の過剰な加熱、および狭窄部7の周囲の加熱が回避される。熱は、狭窄部7内の液体金属の流束によって、照射位置17から比較的高速で発散されるため、比較的高エネルギーレベルの電子ビーム16、さらには比較的高エネルギーレベルのX線18が許容される。

図2には、図1に示す装置の部分拡大図を示す。ポンプ手段（図2には示されていない）によって提供される圧力により、液体金属は、入口チャンネル5、収束部6、狭窄部7、発散部8および出口チャンネル9を通って流れる。収束部6では、流速が増大するため、液体金属の静水圧は、ベルヌイ効果によって減少する。狭窄部7内の圧力によって、放射線窓12は、変形を受け、放射線窓の輪郭は、pとなる。狭窄部7内の圧力と圧力チャンバ14内の圧力の間の圧力差によって、補償窓13も変形を受け、輪郭は、p’となるが、この輪郭は、実質的に輪郭pに整合する。図2には、接続部15を介して収束部6に接続された、圧力チャンバ14が示されている。別の実施例では、圧力チャンバ14は、入口チャンネル5に接続されても良い。

作動時の狭窄部7内の液体金属を十分に高速にするため、ポンプ11は、比較的高い液体金属圧力を発生する。図1に示す実施例では、入口チャンネル5において、50乃至60barのオーダーの圧力が生じ、狭窄部7において、50m／sの流速が得られる。図の実施例では、狭窄部7は、高さ、すなわち、放射線窓12と補償窓13の間の距離が約400μmであり、流束方向の長さは、約1.5mmであり、流束方向に垂直な幅は、約10mmである。収束部6でのベルヌイ効果の結果により、狭窄部7での圧力は、1barのオーダーとなる。発散部8でのベルヌイ効果の結果、出口チャンネル9での圧力は、40乃至50barのオーダーとなるが、この値は、粘性流損失のため、入口チャンネル5での圧力よりも小さくなる。

狭窄部7内の液体金属の圧力の影響により、放射線窓12は、変形を受ける。放射線窓12の変形は、回避することはできない。放射線窓12は、電子およびX線に対する十分な透過性を得るため、十分に薄くする必要があり、また放射線窓12の液体金属から遠い側には、真空圧力が存在するからである。図1の実施例では、放射線窓12の中央部での最大の変形量は、30μmのオーダーである。狭窄部7での圧力と圧力チャンバ14内での圧力の間の差異のため、補償窓13もまた、変形を受ける。図の実施例では、補償窓は、30μmの厚さを有し、タングステンで構成される。狭窄部7内の圧力と圧力チャンバ14内の圧力の間の圧力差は、50乃至60arのオーダーであり、補償窓13の最大変形は、実質的に放射線窓12の変形と整合する。

他のパラメータの中で、狭窄部7の液体金属の上流側の圧力が、狭窄部7内の液体金属の圧力および速度、ならびに圧力チャンバ14内の液体金属の圧力を支配している。この関係を用いることにより、自己制御処理プロセスが提供され、狭窄部7が意図した所望の断面積を有するようにするために、外部のまたは追加の部品もしくは電子機器を用いる必要がなくなり、これにより、前記放射線窓12に影響を及ぼす過剰な圧力または圧力変化が抑制され、あるいは回避される。

本発明によるX線発生装置の実施例の概略図である。 図1の装置の狭窄部を詳細に示す図である。

Claims (6)

1. X線発生用の装置であって、
   真空空間に収容された、電子を放射する電子源と、
   電子入射の結果、X線を放射する液体金属、および狭窄部を通る前記液体金属の流れを生じさせるポンプ手段を含む液体金属回路であって、前記狭窄部では、前記電子源によって放射された前記電子が、前記液体金属に照射されるところの液体金属回路と、
   前記狭窄部と境界を接し、前記真空空間から前記狭窄部を分離する、電子およびX線に対して透明な放射線窓と、
   を有し、
   前記狭窄部は、前記放射線窓に対向する補償窓と境界を接し、該補償窓は、接続部を介して、前記液体金属回路により提供される液体金属を収容する圧力チャンバから、前記狭窄部を分離し、前記補償窓は、作動時に、前記狭窄部内の圧力とは異なる前記圧力チャンバ内の圧力によって生じる変形の結果として得られる輪郭を有し、該輪郭は、作動時に、前記狭窄部内の前記液体金属の圧力によって生じる前記放射線窓の変形の結果、前記放射線窓が有する輪郭に実質的に整合することを特徴とする装置。
2. 前記圧力チャンバは、前記狭窄部の前記液体金属回路の上流の高圧領域に接続されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
3. 前記圧力チャンバは、実質的に前記補償窓の全領域に広がっていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
4. 前記補償窓は、実質的に前記放射線窓と等しい寸法であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
5. 前記補償窓は、実質的に前記放射線窓と等しい材料で構成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
6. 前記補償窓は、前記放射線窓よりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の装置。

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