JP2008535183A - Ｘ線源のための磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【解決手段】
Ｘ線源（１０）は、電子ビームの合焦機構を提供するため磁気装置（２０）を備える。磁気装置は、可変合焦機構及び非合焦機構を提供することができる。磁気装置は、１つ以上の電磁石及び／又は永久磁石（２２）を備えることができる。真空管（１２）の両側に配置された、アノード（３０）及びカソード（４０）に電位差が印加される。カソードは、アノードとカソードとの間に形成された電場に応答してアノードに向って加速される電子を生成するためのカソード要素（４４）を備える。アノードは、電子の衝突に応答してＸ線を生成するためのターゲット材料（３８）を備える。
【選択図】 図１

Description

本出願は、２００５年３月３１日に出願された米国仮出願番号６０／６６７，２５０号の利益を請求する。該出願は、全ての目的のために参照により本願に組み込まれる。

本発明は、概して、合焦された電子ビームを備えるＸ線源に関する。より詳しくは、本発明は、小型で可搬式のＸ線管のアノードターゲットと電子ビームとのその交差部における電子ビーム断面を減少し、これによりそのＸ線放射領域のサイズを減少して、そのＸ線出力の局所的強度を増大させるための小型磁気電子レンズアッセンブリに関する。

Ｘ線管では、カソードから放射された電子は、２つの電極の間に維持されたバイアス電圧により生成された電場によりアノードに向って加速される。介在された空間は、ガスとの衝突を通した電子エネルギー損失及び散乱を回避するため並びに汚染ガスのイオン化とそれに引き続いて正イオンがカソードに向って加速されて電子線源に損傷を及ぼして管の寿命を制限することを防止するため、真空引きされていなければならない。特性Ｘ線及び制動放射のＸ線は、アノードターゲット材料と衝突した電子により発生される。あらゆる材料は、それ自身の特性Ｘ線放射に対して比較的透過性を有し、その結果、ターゲットが十分に薄い場合には、ターゲット材料を通過して、電子衝突箇所とは反対側のターゲット表面から出て行く強力なＸ線放射が存在し得る。この構成の装置は、トランスミッション形式又は「エンドウィンドウ」Ｘ線管と称される。これと比較すると、バルクアノード管又は「サイドウィンドウ」管は、真空空間内に厚い非透過性のターゲットを有し、そのＸ線放射は、あたかも電子入射表面から反射されたかのように、管から真空チャンバーの側部に配置されたＸ線透過窓を介して出て行く。各々の形式のアノードは、意図した用途に応じて、その利点及び欠点を有する。

典型的な高出力Ｘ線管は、幾分嵩張っており、壊れ易い。そのようなＸ線管は、装置の可搬性を制限する大型の高電圧出力電源により付勢されなければならない。一般に、標本が集められ、該標本を分析用の固定式Ｘ線管にまで持って行かなければならない。これは、多くのＸ線用途にとって不便である。サンプルを機器まで持ってくるというよりも機器をサンプルまで持って行くことが有利となる幾つかの「フィールドアプリケーション」には、土壌、水、金属、鉱石、鉱泉等の蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ）、並びに、Ｘ線回折及び材料厚測定法などが挙げられる。

ＸＲＦ等の低電力Ｘ線用途に対しては、装置の可搬性に関する一つの人気のあるアプローチは、Ｘ線源として、^１０９Ｃｄを使用することである。カドミウムのこの放射性同位元素は、核崩壊の結果としてＸ線を放射する。現在使用中の放射性カドミウムを組み込む多数の機器、並びに、同位体により放射されたエネルギーを用いたＸＲＦ分析を感度が高く信頼性のあるものにするため開発された方法が存在している。残念ながら、^１０９Ｃｄからの放射強度は、約１．２年の半減期で指数関数的に崩壊する。これは、同位体源の頻繁な再較正及び事実上の廃棄を必要としている。加えて、ＸＲＦにとって適切なアノードカドミウム源の放射能は、約１〜２キュリーであり、その結果、要求される量及び活動度レベルの同位体の輸送及び所有にはライセンスが必要となる。

小型で非同位体を用いるＸ線管が医療目的のために実証された。例えば、米国特許番号５，７２９，５８３号及び６，１３４，３００を参照せよ。しかし、参照された装置の形状は、小型で機動性のあるＸＲＦ分析にとって理想的ではない。これらの医療Ｘ線管は、放射線を少なくともπステラジアンの範囲に送り、検出器により容易にアクセスされるビーム又はスポットへと集中させるのではなく、治療理由のために比較的大きい標本領域を放射するように設計されている。かくして、医療Ｘ線管は、それらのＸ線出力の発散性の故に、ほとんどの原位置ＸＲＦ分析にとっては不適切である。別の種類の医療管は、Ｘ線が診断目的のために使用される組み合わせ装置であり、Ｘ線源が患者の身体内部に配置されるものである。放射されたＸ線は、組織を通って身体の外部にある膜に到達し、腫瘍又は解剖組織上の欠陥の位置を暴露する。例えば、米国特許番号５，０１０，５６２号及び５，１１７，８２９号を参照せよ。‘５６２号特許に関しては、フォイルが透過型アノードではないが、電子窓であることを記すことが重要である。‘８２９特許に関しては、興味深いノズルが示されているが、装置の残りの部分が大型で機動性を求めるフィールドワークでは不適切である。

別の種類のＸ線管は、パイプ内に挿入するため使用されるロッドアノードと、Ｘ線検査のためのボイラーとを備えている。真空引きアノードは、電子ビームが反対側端部でターゲット表面に入る位置から中空となっている。ロッドの側部にある窓は、Ｘ線が装置内部から放射されることを可能にしている。カソードから最も離れたロッドの端部でターゲット上で電子ビームを合焦させるため、外部磁気コイルは、その全長に沿ってロッドと同軸に配置されている。電磁石は、重く、それが機動性があるべき場合には、大型バッテリからのかなりの電力を要求する。更には、この構成の長いアノードは、典型的な分析用途にとって利点を提供しない。

Ｘ線管のアノードとしてＸ線の集中源を得るため、レンズ及びアパーチャを備える光学系が通常用いられる。これらの光学素子は、電子ビームを、ターゲット上の小さな直径へと合焦させるように設計され、Ｘ線源の外見サイズを減少させる。そのような光学素子の一例が電子顕微鏡のカソード近傍でしばしば使用されている、ウェーネルトアパーチャである。ウェーネルトアパーチャの欠点は、それがカソードから出る電子フラックスを有意に制限するということである。ＸＲＦにとって、アノードが検体の（好ましくは）小さい部分に差し向けられたＸ線の発生のための箇所である故に、それがカソードというよりもアノードを打つところの電子ビームの直径を制限することがより重要となる。アノードにおける小ビーム断面の要求は、典型的には、他の電極がビーム合焦素子として機能することを求めている。そのような素子の一例は、カソードからアノードへの距離のおおよそ半分を占める中空の円柱合焦電極である。この種の構成は、電子レンズとみなすことができる。しかし、場形成電極は、実際に、アノードとカソードとの間の距離を減少させ、Ｘ線管の内部における絶縁破壊のリスクを増大させかねなない。

素子分析のためにＸ線蛍光物質を励起させるため使用される任意装置の重要な特徴は、Ｘ線が発生される位置が照射されるサンプルに可能な限り近いところにあるべきであるということである。これは、Ｘ線の強度がターゲットからの距離の自乗の逆数に比例して減少するが故に必要となる。空間分解能の理由のため、Ｘ線フラックスがサンプル上の小さいスポットに合焦される場合にはＸＲＦ分析にとって更に有利となる。小さいＸ線源は、複雑なサンプルの個別の小部分の分析を可能にする。

ＸＲＦでは、Ｘ線ビームは、サンプル内の元素を励起させるために使用される。当該元素は、ランバートン空間分布において特性放射を蛍光し、その結果、機器の形状が検体を照明するビームと検出器内へと至る蛍光Ｘ線との間で約４５°の角度を可能にする場合に、ＸＲＦ感度が最大となる。一般的なＸ線管に関しては、Ｘ線源の大きな外観サイズは、入射放射に対して所望の４５°の代わりに９０°以上となる角度で、検出器が一方の側部に配置されなければならないことを要求する。

トレセーダ特許（米国特許番号６，０７５，８３９号）の目的は、ターゲットをサンプルにアクセス可能とすることであるが、本発明の出口窓端部は、必然的に幅広くなっている（２０ｍｍより大きい）。更には、アノードは窓から非常に凹んでいる。管の電子銃がアノードの背後の代わりにアノードの側部に配置されているからである。その上、この外形上の欠点を救済するためトレセーダの設計を修正することは不可能である。当該ターゲットは、電子ビームの曲率のための余地を作るためＸ線窓から十分に分離されていなければならないからである。その結果が、当該特許の図３に示されているように、ターゲットとサンプルとの間の大きな距離である。

高感度ＸＲＦのための別の要求事項は、当該サンプルが、検査下にある材料の正確な１つ以上の波長のＸ線で放射されるべきであるということである。より高いバイアス電圧は、Ｘ線フラックスを増大させるだけではなく、出力のエネルギー分布即ちスペクトルを変化させる。好ましくは、アノードからカソードへのバイアス電圧はオペレータにより選択可能とするべきであり、アノードからカソードへの電流設定から独立に制御されるべきである。一般に、Ｘ線フラックス（及びこれに対応してビーム電流）が高くなればなるほど、ＸＲＦ、材料厚さ測定、Ｘ線回折のいずれの方法が用いられたとしても、当該装置を用いて測定がより高精度に正確になされる。一旦、検出器が飽和するようになった場合にのみ、追加のＸ線は、何らの利点をもたらさない。従って、電子ビームの電流は、適切であるが過度ではないＸ線強度を提供するため、加速電圧から独立に調整されるべきである。

一般的なＸ線管に対しては、実質的な冷却が要求される。電子衝突によるＸ線の発生は、非常にエネルギーが非効率なプロセスであるからである。電子ビームの運動エネルギーの１％未満は、実際には、Ｘ線に変換される。エネルギーの残りの部分は、ターゲット内で熱に変換される。熱は、もし存在するならば熱イオン源（即ち、フィラメント）によっても発生される。Ｘ線管内で発生した熱は、しかし、装置の温度を実質的に上昇させることを可能にするべきではない。幾つかの管の構成部品の寿命が温度の上昇と共に減少してしまうからである。温度の急激な変化に伴う熱的衝撃も、特別の懸念事項である。熱を考慮すると、ほとんどのＸ線管は、作動中に、流れる液体又は強制流れ空気で冷却される必要がある。冷却の効率は、主要には、管のバルク（例えば、特にアノード）の熱伝導度により制限される。小型化は、この問題をある程度まで緩和させるが、米国特許番号６，０７５，８３９号（オイル、ＳＦ６又は強制流れ空気により冷却）の発明と、強制流れ空気により冷却を援助するための外側突起部を有する米国特許番号６，０４４，１３０号の発明にとっては、冷却がなおも必要とされる。十分なＸ線フラックスを達成するため、従来のＸ線管は、非常に大きくなければならず、これによって能動的な冷却を要求する。周囲の空気だけとの熱交換により冷却される十分に強力な管は、あらゆる用途にとって共通ではない。

更には、多数のＸ線管のＸ線出力は、一般に、アノードターゲットで、電子ビーム断面、即ち「スポット」のサイズ、形状及び位置において、ばらつきを被るおそれがある。電子ビームは、焦点が合わず、形状が歪み、正確に位置決めされていない（即ち、軸外し）か、又は、ターゲットに対して運動し、その結果、集中していない、低いレベルの、又は、不安定な出力をもたらし得る。これは、Ｘ線放射の安定した適切なレベルを必要とする例えばＸＲＦ等の分析的応用に関する明らかな欠点となる。

Ｘ線源又は可搬式の小型Ｘ線源内部の電子ビームの合焦及び安定性を改善するように装置を開発することが有利となることが認識された。また、Ｘ線装置の幾つかの物理的態様を実質的に変更すること無く、固定焦点、可変焦点又は非焦点の構成で利用することができるＸ線源を開発することも有利となることが認識された。

本発明は、電子ビームの合焦機構を備えたＸ線源装置を提供する。Ｘ線源は、アノード、カソード及び絶縁装置を有して真空領域を覆う真空管を備える。アノードアッセンブリは、電子の衝突に応答してＸ線を生成するための材料を備える。カソードアッセンブリは、アノードと反対側に管内に配置される。電子差を、アノードとカソードとの間に印加することができる。印加された電子差の結果は、所望の運動エネルギーまで電子を加速するのに十分となる管の真空領域内に形成された電場である。カソードアッセンブリは、印加された電場に応答してアノードに向かって加速される電子を生成するための、電子エミッター、即ちカソード要素を備える。環状磁気装置が、電子ビームを合焦させるためアノードを取り囲んでいてもよい。

本発明のより詳細な態様によれば、Ｘ線源装置を、小型及び可搬式の両方の性質を具備するように構成することができる。カソードアッセンブリは、約１ワット以下の電力消費量の低電力消費カソード要素を備えることができる。アノード、カソード及び電子エミッターに電源を電気的に接続することができる。

本発明のより詳細な別の態様によれば、Ｘ線透過窓を、装置のアノード端部で真空管内に配置することができる。当該窓は、実質的に長さ方向軸に沿ってＸ線を透過させるように、真空管の長さ方向軸と同軸とすることができる。

本発明のより詳細な別の態様によれば、Ｘ線源装置は、１つ以上の永久磁石、又は、１つ以上の電磁石、又は、１つ以上の永久磁石と１つ以上の電磁石との組み合わせを有する磁気合焦アッセンブリを備えることができる。更には、磁気合焦アッセンブリは、小型の可搬式Ｘ線源内の空間の幾つかの領域で磁場を形成し、強化させるための要素から構成することができる。

本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の特徴を例を挙げて示している添付図面を参照して次の詳細な説明から明らかとなる。

以下、図面に示された一例としての実施例を参照する。当該実施例を説明するため特定の言語が使用される。しかし、本発明の範囲を当該実施例に限定するものではないことが理解されよう。本開示内容に触れた当業者によって想到される、本明細書で示された本発明の特徴の変更及び更なる変形並びに本発明の原理の追加の応用は、本発明の範囲内にあるとみなされるべきである。

図１には、１０で示された本発明に係る可搬式小型Ｘ線源又は管が示されている。様々な態様の可搬式小型Ｘ線源は、米国特許番号６，６６１，８７６号に開示されており、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。Ｘ線源１０は、電子ビーム合焦を提供するためＸ線源１０に連結された、全体として２０で示された磁気装置を有利に備えている。磁気装置２０又はその一部分は、可変の電子ビーム合焦機構を提供するため移動可能であってもよい。更には、合焦機構及び非合焦機構の両方を提供するため、磁気装置２０をＸ線源１０に移動可能に連結することができる。材料の詳細及び寸法を始めとする、磁気装置２０の構成は、特定の用途にとって適切であるとみなされるように、電子ビームの合焦度合いの変化を提供するように様々に変えることができる。土壌、水、金属、鉱石、鉱泉等の蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ）、並びに、回折及びメッキ厚さ測定法等の「フィールドアプリケーション」は、Ｘ線源１０等からの利益を享受することができる用途である。

Ｘ線源１０は、真空管１２を備える。Ｘ線源１０は、透過型Ｘ線源であってもよく、当該管は、図示のように、透過型Ｘ線管であってもよい。当該管１２は、細長い誘電シリンダーを備えることができ、一態様では、例えば酸化アルミニウム等のセラミック材料から形成される。セラミックは、その寸法的な安定性及びより高い電圧に耐えるその能力の故に、従来から使用されているガラスよりも優れていると考えられている。ベリリア、石英、又は、マコール（Ｒ）等の他の誘電材料も使用することができる。アノード及びカソードの一部分を形成する延長部を、誘電管の両端部に直接的且つ永久的に取り付けることができる。当該延長部は、金属材料から形成され、セラミックにブレーズ溶接することができる。

上記したように、Ｘ線源１０は、小型で可搬性を有し、フィールドアプリケーションに適している。Ｘ線管１２は、可搬性及びフィールドアプリケーションでの使用方法を促進するため、約７．６インチ（約３インチ）より小さい長さと、約２．５ｃｍ（約１インチ）より小さい幅と、を有することができる。

概して３０で指し示されたアノードと、概して４０で指し示されたカソードとは、真空管１２の一部に配置され、その一部を形成する。アノード３０及びカソード４０は、真空管１２の両端部に配置されている。電位差は、アノード３０とカソード４０との間に印加される。後述されるように、アノード３０を電気的に接地し、カソード４０を印加された電圧を有するようにすることができる。カソード４０を、接地されたアノード３０に対して負の高電圧で保持することができる。一態様では、アノード３０を正の高電圧で保持し、カソード４０が接地されてもよい。別の態様では、いずれの電極も接地されず、カソード４０がより負に偏倚された要素となり、カソード３０がより正に偏倚された要素となる。

カソード４０は、低電力消費カソードであってもよく、低質量で低電力消費カソード要素４４、即ちフィラメントを備えることができる。カソード要素４４は、例えば小型でコイル巻きされたタングステンフィラメント等の熱イオンエミッターであってもよい。カソード要素４４は、電子を生成する。放出された電子は、アノード３０とカソード４０との間の電場に応答してアノード３０に向って加速される。カソード要素４４は、本明細書では約１ワットより小さい電力消費量を意味することが意図された低電力消費量を持ち得る。カソード要素４４のより低い電力消費量は、Ｘ線源１０をバッテリで電力供給することを可能にし、かくして、可搬性を有するものにする。更には、カソード要素４４は、約１００マイクログラムより小さい質量を持つことができる。

カソード要素４４を支持するため、ヘッダー即ちエンドキャップ５０を延長部に取り付けてカソードアッセンブリ内に設けることができる。ピン又はポート４６が、ヘッダー即ちエンドキャップを通って延在することができ、それらの間でカソード要素を支持することができる。高電圧ワイヤ４８を、ピン４６に、かくしてカソード要素４４に電気的に接続することができる。

カソード要素４４が熱イオン型エミッターであるとき、フィラメントに亘る約１ボルトの電位は、フィラメントを通って約２００ｍＡの電流を流し、フィラメント温度を約２３００℃に上昇させる。この温度は、ほとんどの熱イオン源と比較して低温であるが、Ｘ線管の意図された用途のために十分な電子放出を提供する。例えば、半導体検出器を飽和させるため合金から十分な蛍光を発生させるため僅か２０μＡのみしか要求されない。タングステンカソードがアルカリ土類金属（例えば、Ｃｓ、Ｃａ又はＢａ）の混合された酸化物で被覆され、１０００Ｋ程度の温度での作動を可能とするならば、より高い放射効率さえも得られる。そのような被覆されたカソードは、上述されたように、低い質量及び電力消費量を持つことができる。

従来の高温ヘアピン型式と比較して比較的低温のコイル巻きされたタングステンエミッターには多数の利点が存在している。より低温のワイヤは、全体としてＸ線装置にあまり熱を追加せず、これにより冷却機構を設けるという不便な要求が無くて済むことになる。より低い温度は、タングステンの蒸発を減少させ、その結果、タングステンはアノード上に堆積せず、ワイヤは、腐食に起因して急激に薄くなり破壊されるようになることはなくなる。しかし、低温タングステンコイルは、ラングミュア限界以下に低下することはなく、その結果、該コイルと、ウェーネルト光学系即ち後述されるカソード光学系との間で、空間電荷が蓄積し得る。

代替例として、Ｘ線源１０は、電圧を約８０ｋＶまで、放出電流を約０．２ｍＡまで加速上昇させ、（後述されるように）ビームスポットサイズをアノードターゲットにおいて約５０から１００ミクロンまで増大させる。

アノード３０は、真空管１２にブレーズ溶接された延長部３２を備えることができる。延長部３２は、真空管１２のセラミック材料にＣＴＥ合致されたコバール等の強磁性材料を用いることができる。端部部品即ち窓取り付け部３４は、延長部３２に配置することができる。窓取り付け部３４は、窓支持構造を形成し得る。窓取り付け部３４は、モネルメタル（Ｒ）から形成することができる。ボア３６を、管の延長部３２及び電子が通過し電子ドリフト経路即ち「ドリフト管」を形成するところの窓取り付け部３４を貫通して形成することができる。

ターゲット窓３８は、電子の衝突に応答してＸ線を生成するため、アノード３０又は窓取り付け部３４に配置されている。ターゲット窓３８は、要求されたエネルギーのＸ線を発生させるため例えば銀等の適切な材料を含んでいてもよい。窓即ちターゲット窓３８は、アノード３０の端部に配置されたシート又は材料層であってもよい。例えば、ターゲット窓３８は、２５０μｍ厚のベリリウムディスク上に配置された２μｍ厚の銀層とすることができる。カソード４０からの電子が銀のターゲットに衝突したとき、特性Ｘ線放出は、人気のある^１０９Ｃｄ放射性Ｘ線源とほとんど同じ波長となる。ターゲット窓３８を、窓取り付け部３４にブレーズ溶接することができる。ターゲット材料はターゲット窓３８の真空側にスパッタリングで蒸着することができる。ターゲット窓３８は、ベリリウム又は他の十分にＸ線が透過可能な材料から作ることもできる。

低エネルギー制動放射を除去するためフィルターを使用することができる。当該フィルターは、ターゲット窓３８上でアノード３０に配置することができる。当該フィルターは、ベリリウム等のフィルター材料を含むことができる。当該フィルターは、ベリリウムの薄い層又はシートであってもよい。当該フィルター又はその材料が、ターゲット窓３８を被覆してもよい。そのような構成では、例えば銀のＬライン等の一定エネルギーのＸ線が放射され得るが、当該Ｘ線は空気中の非常に短い距離を移動した後に吸収され得る。追加のフィルター処理が本明細書で更に後述されるように、ベリリウムの後段又はベリリウムの代わりに追加されてもよいことが理解されよう。例えば、当業者は、１９６６年、ニューヨーク、ケンブリッジ大学発行のＵ．Ｗ．アルンヅ及びＢ．Ｔ．Ｍ．ウィリスによる「単一結晶回折学」の３０１頁で説明された種類のバランスフィルターを使用することができる。

真空管１２、管延長部３２及び４２、カソードアッセンブリ４０、窓取り付け部３４、並びに、ターゲット窓３８を始めとする上述された様々な構成要素は、真空Ｘ線源１０を形成する。電気的遮蔽及び軸外しＸ線からの遮蔽を提供するためＸ線源装置１０の周りに、シールド６０が配置されていてもよい。シールド６０は、アノード３０のための電気的バイアス経路を提供するためアノード３０に電気的に接続することができる。加えて、シールド６０は、電気的伝導度及びＸ線不透明度のため選択された材料を含むことができる。シールド６０は、アノード３０と接触しながらＸ線源装置１０とシールド６０との間の絶縁を可能にするため、中空の管状又は円錐シェルであってもよい。シールドは、Ｘ線源装置１０からのＸ線の透過のため、開口部即ち出口アパーチャを備えることができる。

シールド６０は、出口アパーチャ６２のところで追加のＸ線フィルター又は窓を取り付けるための特徴を備えていてもよい。フィルター又はターゲット窓３８は、環境堆積物がＸ線装置１０に到達することを防止するため物理的バリアを提供することもできる。シールド６０は、外部ハードウェアへのその取り付けのため、例えばピン、穴、ねじ切り突起部又はねじ穴等の特徴を備えることができる。更には、シールド６０は、高温環境又は高いデューティサイクル用途においてＸ線源１０の冷却を容易にするため、例えば内部チャンネル、又は、外側突起部即ち「フィン」等の特徴を備えることができる。シールド６０と管１２との間の領域６４は、例えばシリコンゴム等の誘電注入組成物で充填されていてもよい。一態様では、注入材料は、高い熱伝導度を持っていてもよく、熱分散及び冷却を援助するため高い熱伝導度の材料、例えば窒化ボロンを含むことができる。注入材料は、例えばビスマス、鉛、アルミニウム、又は、それらの酸化物等のＸ線に不透明な材料を含むことができる。

Ｘ線源装置１０は、アノード３０、カソード４０及びカソード要素４４に電気的に接続されたバッテリ駆動の高電圧電源７０を備え、該電源により作動することができる。バッテリ電源７０は、カソード要素４４のための電力と、アノード３０及びカソード４０の間の電場とを提供することができる。バッテリ電源７０と低電力消費カソード要素４４とは、Ｘ線源１０を、フィールドアプリケーションのために可搬式にすることを可能にすることができる。

分析的な用途のためには、一定レベルのＸ線放出を維持することが重要となる。従って、電源７０の特徴は、放出電流に比例するフィードバックを使用して出力の安定性が維持されるということである。管の抵抗におけるあらゆるドリフトは、この手段によって、迅速に補償され、これにより管電流が一定に維持される。電源７０は、米国特許番号５，４００，３８５号で説明された電源と類似しているが、本発明では、電源は小型でバッテリ駆動式である。

上述されたように、カソード要素４４は、熱イオンエミッターとすることができる。他の種類のエミッターも使用することができる。例えば、フィールドエミッターを使用することができる。電子エミッターの別の例として、電子を放出するため強誘電体を提供することができる。再び、電源のカソード部分を適合させることができる。この場合には、電源７０は、強誘電性カソードに適切な電圧のパルスを提供することができる。

金属チップアレイ、アレイ若しくは電界放出表面のいずれかの態様のゲート調整エミッター、調整ゲート付き又は調整ゲート無しのカーボンナノチューブ、加熱された六硼化ランタン（ＬａＢ６）等を始めとする、他の電子エミッターを使用することができる。

上述されたように、Ｘ線源装置１０は、１６で破線により示された、その長さ方向軸に沿ってＸ線を放出するように構成されている。カソード要素４４及びターゲット窓３８は、Ｘ線管の長さ方向軸と同軸に整列することができる。

真空管１２は、装置１０を操作し位置決めすることを可能にするため、並びに、当該装置を、長く狭い空間へと適合させることを可能にするため、可撓性電気ケーブル７２により電源７０に接続することができる。電気ケーブル７２は、誘電領域６４の内部のカソードヘッダー５０上のピン４８及びアノード３０又はシールドエンクロージャ６０に接続することができる。代替手段は、Ｘ線源を電源と一体の部品として構築することであり、該一体部品は露出ケーブル無しの単一ユニットを形成する。Ｘ線源と電源との組み合わせは、適切なサイズの空間のために十分に小さくすることができる。

更には、Ｘ線源装置１０は、ターゲットとの衝突箇所で電子ビームを合焦させるため、全体として２０で指し示された磁気装置を有利に備えている。磁気装置２０は、Ｘ線源のアノード３０を取り囲む環状磁石２２を備えている。環状磁石２２は、アノード３０又は窓取り付け部３４を受け入れるようにサイズが定められた中央アパーチャを有することができる。代替例として、アルミニウム等、約１の比透磁率を有する材料でできた環状スペーサ２４を、磁石２２とアノード３０との間に配置することができる。

一態様では、磁石２２は、１つ以上の永久磁石から構成することができる。有利なことに、永久磁石は、電力を消費せず、電気的接続も電源も必要としない。別の態様では、磁石２２は、１つ以上の電磁石、又は、１つ以上の永久磁石と１つ以上の電磁石との組み合わせから構成することができる。有利なことに、電磁石、又は、永久磁石及び電磁石の組み合わせは、装置又はその構成の物理的変更無しに、電子ビーム合焦度合いの調整が可能となるということである。例えば、電磁石内のコイル電流を変化させることによって可変焦点を達成することができる。

当該磁石は、様々なサイズ、形状及び強度を持ち得る。例えば、磁石は、約１０から５０メガガウスエルステッド（ＭＧＯｅ）の最大エネルギー積を備える永久磁石とすることができる。別の態様では、当該磁石は、約３０から４０メガガウスエルステッド（ＭＧＯｅ）の最大エネルギー積を備える永久磁石とすることができる。環状磁石２３は、後述されるように、アノードの周りに取り外し可能に配置することができる。

磁気装置２０は、（カソードから離れて）環状磁石２２の直前に配置された環状出口極部品２６を更に備えることができる。環状出口極部品２６は、例えば鋼鉄又はニッケル等の強磁性材料から形成することができる。環状出口極部品２６は、ターゲット窓３８で生成されたＸ線の装置１０外部への軸方向透過を可能にするためアパーチャ２８を備えることができる。アパーチャ２８は、円錐状に形成されてもよく、ターゲット窓３８の近傍のより小さい後方開口部から、アノードターゲット窓３８から離れるにつれてより大きくなる前方開口部に向って延在する。更には、極部品２６は、後方で窓取り付け部３４又はアノード３０へと延在する環状中央突起部２９を備えることができる。極部品２６は、アノード３０、ターゲット窓３８又は窓取り付け部３４と接触することができる。

環状出口極部品２６は、強磁性材料でできた２つ以上の別個の同心部品から形成することもできる。これらの同心部品は、機械的手段により磁気レンズの合焦作用において変化を達成するため、互いに対して移動させることができる。同心部品の組み合わせは、単一の調整可能な複合極部品を形成することができる。これらの部品は、中央極部品の外側径方向表面及び外側部品の内側径方向表面上の螺旋ねじにより、固定され、互いに対して位置決めすることができる。アパーチャ２８及び中央突起部２９を備える中央部品は、外側部品及びＸ線装置１０の残りの部分に対して、長さ方向軸１６の回りを回転することができ、装置１０の長さ方向軸１６に沿って極部品の中央部の並進をもたらす。複合極部品の中央部の並進は、アノードターゲット窓３８の近傍の磁場強度における変化、並びに、それに引き続く、Ｘ線管１２の内部で電子ビームの断面がターゲット窓３８で減少する度合いの変化をもたらす。この調整の効果は、Ｘ線放射又は装置により生成されたＸ線の「スポット」のサイズ、形状及び位置における変化とすることができる。

環状出口極部品２６又はその中央部品は、Ｘ線源１０の一体部分ではない、Ｘ線窓又はフィルターを収容するための特徴を備えることもできる。Ｘ線フィルターは、当該装置からの全体としてのＸ線放射のスペクトルの内容又はエネルギー分布を選択的に変更するため選定された材料から作ることができる。フィルター又は窓は、環境上の堆積物がターゲット窓に到達することを防止するため物理的バリアを提供することもできる。特に、磁気装置２９の近傍における磁場に引き付けられ得る、金属堆積物が、装置１０のターゲット窓に到達することを防止することができる。これらの金属堆積物は、アノードターゲット窓３８で発生したＸ線放射をぼやけさせるか、さもなくば該Ｘ線放射を変化させてしまうものである。加えて、環状出口極部品２６、又は、その中央部は、Ｘ線毛細管光学系又は他のハードウェアに当該装置を物理的に連結することが必要となる特徴を備えることもできる。

環状出口極部品２６又はその中央部は、そのＸ線蛍光特性のために選定された材料の層で被覆することもできる。当該コーティングは、アノードターゲット窓３８のスペクトル特性、又は、当該装置からの全体としてのＸ線放射のスペクトルの内容又はエネルギー分布を選択的に変更するため選定された材料のスペクトル特性と合致するように選定された材料から作ることができる。

磁気装置２０は、（カソードにより近い側に）環状磁石２２の直後に配置されたシャントと、管延長部３２とから構成された、第２の複合環状極部品８０を備えることもできる。シャント８０は、アノード３０又は管延長部３２を取り囲むことができる。シャント８０は、真空管１２の直径よりも小さい直径を有するアパーチャ８２を持つことができる。シャント８０は、管１２又は延長部３２の周りで該シャントを組み立てることができるように、２つの部品へと分割することができる。シャント８０は延長部３２と接触することができる。シャント８０は、確実な物理的配置及び良好な磁気結合のため、環状溝等の、延長部上の特徴と嵌合することができる。シャント８０は、鋼鉄又はニッケル等の強磁性材料から形成することができる。

アノード構成部品、延長部３２及び窓取り付け部３４、環状磁石２２、シャント８０、並びに、極部品２６は、磁気レンズを形成することができる。延長部３２は、コバール等の強磁性材料から形成することができ、窓取り付け部３４は、例えばモネル（Ｒ）等、約１の比透磁率を有する材料から形成することができる。レンズ構成部品同士の幾何学的関係並びに材料組成は、アノードターゲット窓３８の近傍のＸ線装置１０内部で電子ビームを合焦させる結合効果を有する。磁気レンズは、磁気装置２０が無い場合に生成される合焦していない電子ビームと比べて、当該ビームの断面直径を、少なくとも１／２から１／５０のサイズにまで減少させて当該ビームを合焦させる。例えば、合焦したビームスポットサイズは、幾つかの実施例では、約５０〜１００μｍで測定された。

アノード３０と、環状磁石２２と、シャント８０と、極部品２６とは、アノード電位へと電気的にバイアスすることができる。

更には、真空管１２、誘電領域６４を占める誘電体、及び、磁気装置２０を、シールドエンクロージャ６０内に取り外し可能に配置することができる。例えば、セットねじ８６は、当該アッセンブリをシールドエンクロージャ６０内に保持することができる。Ｘ線源装置１０及び磁気装置２０を、シールドエンクロージャ６０の内部から取り外すことができるように、セットねじ８６を取り外すことができる。

合焦していない電子ビームを可能にするため、磁石２２をレンズアッセンブリから取り外すことができる。代替例として、磁石２２が電磁石である場合、電磁石は、ゼロ電流で作動することができ、又は、合焦していない電子ビームを可能にするため電磁石を一緒に物理的に除去することができる。磁気装置２０の有無に関わらず、管１２を、異なるシールドエンクロージャ６０又は同じシールドエンクロージャ６０内に配置することができる。かくして、装置１０は、環状磁石２２がアノード３０の周りに配置される合焦構成と、環状磁石２２がアノード３０から取り外されている非合焦構成と、を有することができる。

磁気装置２０が、ビームのスポットサイズを減少し、ビームスポットの位置安定性を改善し、電子ビームの後方散乱及びその結果を減少させることが実験的に発見されている。

２００５年３月３１日に出願された米国仮出願６０／６６７，２５０号は、参照によりその全体的な内容が本願に組み込まれる。

上述した構成は、本発明の原理を説明するための用途を示していることが理解されるべきである。本発明は、本発明の例としての実施例に関して図面に示され、上述されたが、多数の変更及び代替構成を、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く工夫することができる。多数の変更を、請求の範囲に記載された本発明の原理及びコンセプトから逸脱すること無く、なし得ることは当業者には明らかである。

図１は、本発明の実施例に係る磁気合焦要素を備えた、可搬式小型Ｘ線管の側断面図である。

Claims (21)

1. 電子ビームを合焦させるためアノードに連結された磁気装置を備えるＸ線源装置であって、
   （ａ） 真空管と、
   （ｂ） 前記真空管に連結されたアノードであって、電子の衝突に応答してＸ線を生成するように構成された材料を含む、前記アノードと、
   （ｃ） 前記アノードと反対側に前記真空管に連結されたカソードであって、前記アノードと前記カソードとの間の電場に応答して前記アノードに向かって加速される電子を生成するように構成されたカソード要素を備える、前記カソードと、
   （ｄ） 電子ビームを合焦させるため前記アノードを取り囲む、環状磁気装置と、
   を備える、Ｘ線源装置。
2. 前記真空管は、約７．６ｃｍ（約３インチ）より小さい長さと、約２．５ｃｍ（約１インチ）よりも小さい直径若しくは幅とを有し、
   前記カソードは、約１ワットよりも低い電力消費量を有する低電力消費カソード要素を備え、
   前記Ｘ線源装置は、前記カソード要素のための電力を提供して前記アノード及び前記カソードの間で電場を提供するため、前記アノード、前記カソード及び前記カソード要素に電気的に接続された、バッテリ電源を更に備える、請求項１に記載のＸ線源装置。
3. 前記バッテリ電源は、バッテリ作動式の高電圧電源を備え、前記アノードと前記カソードとの間で約４乃至８０キロボルトの電場を提供する、請求項２に記載のＸ線源装置。
4. 前記環状磁気装置は、前記Ｘ線源装置内で電子ビームを合焦させ、その結果生成された合焦電子ビームは、前記環状磁気装置無しに生成された合焦していない電子ビームと比べて、約１／２から約１／５０のサイズにまで減少した断面直径を有する、請求項１に記載のＸ線源装置。
5. 前記環状磁気装置は、
   前記アノードを取り囲み、且つ、前記環状磁石及び前記真空管の長さ方向軸と平行に向き付けられた磁石極を有する、環状磁石と、
   前記環状磁石の軸方向直前に配置され、且つ、前記真空管の長さ方向軸と同軸の長さ方向軸を有する環状極部品と、
   前記環状磁石の軸方向直後に配置され、且つ、前記真空管の長さ方向軸と同軸の長さ方向軸を有する環状シャントと、
   を更に備える、請求項１に記載のＸ線源装置。
6. 前記アノードは、
   強磁性材料から形成され、前記真空管に取り付けられた管延長部と、
   前記管延長部に取り付けられ、ターゲットを有する窓取り付け部と、
   前記管延長部及び前記窓取り付け部を通って延在し、前記管延長部及び前記窓取り付け部により画定されて前記ターゲットのところで終わっている、ドリフト管と、
   を更に備える、請求項５に記載のＸ線源装置。
7. 前記窓取り付け部は、約１の比透磁率を有し、前記環状磁石は、約１０から５０メガガウスエルステッドの磁気エネルギー積（最大エネルギー積）を有する、請求項６に記載のＸ線源装置。
8. 前記シャント及び前記極部品は、約１０の比透磁率を有する、請求項６に記載のＸ線源装置。
9. 前記シャント及び前記極部品は、１より大きい比透磁率を有する、請求項６に記載のＸ線源装置。
10. 前記極部品は、Ｘ線を透過させるための出口アパーチャを備える、請求項６に記載のＸ線源装置。
11. 前記極部品のアパーチャは、前記アノードにおけるＸ線生成箇所に最も近いところに位置する最小の後方開口部と、前記Ｘ線生成箇所から最も遠いところに位置する最大の前方開口部とを有するように、円錐状に形成される、請求項１０に記載のＸ線源装置。
12. 前記極部品は、前記窓取り付け部又はアノードのところへと後方に延在する中央突起部を備える、請求項６に記載のＸ線源装置。
13. 前記シャントは、２つの部品へと分割され、前記真空管の直径より小さい直径を備える中央アパーチャを有する、請求項６に記載のＸ線源装置。
14. 前記真空管、前記アノード、前記環状磁石、前記シャント、及び、前記極部品は、シールドエンクロージャ内に配置可能である、請求項６に記載のＸ線源装置。
15. 少なくとも前記環状磁石は、前記アノードに取り外し可能に配置される、請求項６に記載のＸ線源装置。
16. 前記環状磁気装置の少なくとも一部分は、移動可能である、請求項１に記載のＸ線源装置。
17. 前記磁気装置は、電磁石を備える、請求項１に記載のＸ線源装置。
18. 前記真空管の端部に配置され、且つ、Ｘ線を解放するように構成された窓を更に備え、該窓は、実質的に前記長さ方向軸に沿ってＸ線を解放するように構成された前記真空管の長さ方向軸と整列している、請求項１に記載のＸ線源装置。
19. 電子ビーム合焦のための磁気ヘッドを備えるＸ線源装置であって、
    （ａ） セラミック材料から形成された真空管と、
    （ｂ） 前記真空管の一端部に配置されたアノードであって、
    (i) 強磁性材料から形成され、前記真空管にブレーズ溶接された管延長部と、
    (ii) 前記管延長部に取り付けられ、且つ、電子の衝突に応答してＸ線を生成するように構成された材料を有するターゲットを備える、窓取り付け部と、
    (iii) 前記管延長部及び前記窓取り付け部を通って延在し、前記管延長部及び前記窓取り付け部により画定された、ドリフト管と、
    を備える、前記アノードと、
    （ｃ） 前記アノードと反対側に前記真空管の別の端部に配置されたカソードであって、前記アノードと前記カソードとの間の電場に応答して前記アノードに向かって加速される電子を生成するように構成されたカソード要素を備える、前記カソードと、
    （ｄ） 前記アノードを取り囲む、環状磁石と、
    （ｅ） 前記環状磁石の直前に配置され、且つ、前記窓取り付け部へと延在する環状出口極部品と、
    （ｆ） 前記環状磁石の直後に配置され、且つ、前記管延長部へと延在する環状シャントと、
    を備える、Ｘ線源装置。
20. 前記真空管は、約７．６ｃｍ（約３インチ）より小さい長さと、約２．５ｃｍ（約１インチ）よりも小さい直径若しくは幅とを有し、
    前記カソードは、約１ワットよりも低い電力消費量を有する低電力消費カソード要素を備え、
    前記Ｘ線源装置は、前記カソード要素のための電力を提供して前記アノード及び前記カソードの間で電場を提供するため、前記アノード、前記カソード及び前記カソード要素に電気的に接続された、バッテリ電源を更に備える、請求項１９に記載のＸ線源装置。
21. Ｘ線の電子ビームを合焦させるための磁気ヘッド装置であって、
    アノードを取り囲むように構成された環状磁石と、
    前記環状磁石の直前に配置された環状極部品と、
    前記環状磁石の軸方向直後に配置されて第２の極部品を画定する環状シャントと、
    を備える、磁気ヘッド装置。

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