JP2009535788A - 非静止陽極を使用するｘ線結像の視野を改良するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

電子を放射するための陰極とダイナミック陽極とを含んでいるＸ線管を含んでいるＸ線結像システムを提供する。ダイナミック陽極は陰極から電子を受取り、非静止のＸ線ビームを発生する。ダイナミック陽極は非静止ビームを発生するために、Ｘ線ビームがオブジェクト上の第１の位置で誘導されている第１の位置と、Ｘ線ビームがオブジェクト上の第２の位置で誘導されている第２の位置との間で回転する。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線結像に関し、特に視野を改良するため非静止陽極を有するＸ線結像システムに関する。

エネルギ電子により衝突された回転陽極を含んでいる真空管は開発されてよく知られており、特に陽極が陰極からの電子により衝突される回転Ｘ線放射トラックを含んでいるＸ線管として広く使用されている。陽極は回転され、それによって任意の瞬間に陽極の小部分だけが電子により衝突される。したがってエネルギ電子は比較的広い表面積にわたって分散される。

しかしながら、従来は回転する陽極は単に陽極を非常に熱くさせないようにするために行われた。さらにＸ線管が長い時間期間オンに付勢される可能性のある通常のＸ線システムでは、陽極は熱を陽極から除く流動液体を使用して冷却されることもまた必要である。

とにかく典型的なＸ線システムの回転陽極は単に静止ビームを与え、即ちＸ線ビームは常にターゲット上の１つの特定位置を指向されている。Ｘ線管内で回転陽極を使用することは従来は低い電力要求を維持しながら視野の結像を拡張するために使用されてきた。

必要とされていることは同時に必要とする電力を少なくしながら、Ｘ線結像システムが拡張された結像視野を有することである。

発明の要約

低い電力要求を維持しながらＸ線結像システムの視野を増加するための改良されたシステムおよび関連される方法が提供される。非静止Ｘ線ビームを提供するダイナミック陽極を有するＸ線管の使用によってＸ線結像システムで視野を増加する発明の開示が与えられる。非静止Ｘ線ビームを提供する本発明のダイナミック陽極は（静止Ｘ線ビームを提供する陽極を使用したシステムと比較して）より均一で広い検査領域またはフィールドを可能にする。

１特徴では、Ｘ線結像システムが提供される。そのシステムは電子を放射するための陰極とダイナミック陽極とを含むＸ線管を含んでいる。ダイナミック陽極は陰極から電子を受取り、非静止のＸ線ビームを発生する。ダイナミック陽極は非静止ビームを発生するために、Ｘ線ビームがオブジェクト上に導かれる第１の位置と、Ｘ線ビームがオブジェクト上に導かれる第２の位置との間で回転する。

別の特徴では、結像のための方法が提供される。その方法は可動の陽極を有するＸ線管を設け、可動陽極がＸ線ビームをオブジェクト上に導く第１の位置と可動陽極がＸ線ビームをオブジェクト上に導く第２の位置との間で可動陽極を移動するステップを含んでいる。

電子の衝突とダイナミック陽極を使用する分散されたＸ線の発生は熱の発生が少なく、それにより典型的なＸ線結像システムよりも必要な冷却が少ない利点がある。少ない冷却と小さい冷却システムしか必要としないことによって、Ｘ線管の寸法は減少されることができ、より小さくポータブルなＸ線結像システムを可能にする。さらに、ダイナミック陽極は通常のＸ線結像システムの約１０分の１のワットで動作することができ、これもまたダイナミック陽極の寿命を改良する。

さらに、ダイナミック陽極の使用はＸ線管の寸法を減少でき、その結果、静止陽極を有する典型的なＸ線管と比較するとき、放出する放射が少なくＸ線ビームの損失が少ない環境に配慮した害の少ないＸ線管が得られる。小さいＸ線管の必要とする遮蔽は少なく、それによって結果的なＸ線結像システムはより軽量で、小さく、ポータブルにすることができる。オブジェクトを放射するために小さいＸ線管を使用することは放射の焦点を限定し、したがって画像の生成に使用されない熱およびＸ線の形態で失われる電力を少なくする。

ダイナミック陽極の使用の別の利点は、Ｘ線の光子密度の損失と幾何学的不鮮明度の増加がなく、より大きく平行なＸ線ファンビームを可能にすることである。幾何学的不鮮明度は陽極から放出するＸ線ファンが非常に広いときに生じる。これはまたファンのエッジにおけるコントラストの減少も生じる。本発明は小さい焦点サイズの使用を可能にし、これはより鮮明な画像と高い解像度に匹敵する。

ある実施形態では、システムはコンパクトで軽量であり、したがって航空機内またはその底部のような重量が重要である限定された空間または環境内で容易に輸送及び使用されることができる。航空機環境中のシステム及び構造はアクセスするための種々の配向及び限定を有するので、システムはポータブルであり適合可能である。

発明の特徴が迅速に理解されることができるように、ここで簡単な要約を行った。添付図面を参照にした実施形態の以下の詳細な説明を参照して、本発明をさらに完全に理解することができる。

本発明の前述の特徴とその他の特徴をこの開示の種々のオブジェクトの図面を参照して説明する。示されている実施形態は発明を限定するためではなく単に例示することを目的とする。
本発明を２つの例示的な実施形態を参照してここで説明する。しかしながら当業者はこれらの実施形態が単なる例示であることを認識するであろう。添付されている図面に示されている構造からの別の構造も前述した有効な特徴を実施することができる。これらの別の構造は本発明のシステムの技術的範囲内に含まれる。

図１はＸ線管102と、静止Ｘ線ビームだけを提供する（以下「静止陽極104」と呼ぶ）陽極104を含んでいる典型的なＸ線結像システム100の簡単化された概略平面図である。通常、Ｘ線管102は真空管であり、電子を真空へ放射する陰極302（図示せず）を含んでいる。静止陽極104は電子を集め、Ｘ線管102を通して電流を設定する。Ｘ線ビームを発生するために、電子は熱イオン放射により陰極から発生し、高エネルギの電界下で陽極と衝突される。陽極と衝突して突然電子が減速されるときＸ線が発生される。衝突する電子が十分なエネルギを有するならば、これらはターゲットの金属原子の内殻から電子を打ち出すことができる。その後、高いエネルギ状態からの電子は隙間を埋めるために落下し、電子エネルギレベルにより決定された正確なエネルギでＸ線光子を発生し、コーンの中心で最大のビーム束を有するＸ線ファンを発生する。ビームはＸ線の円形ファンまたはコーン内で半径方向で対称である。

静止陽極104はＸ線ビーム106を発生し、これはウィンドウ108を通してＸ線管102から放出される。この例では、Ｘ線ビーム106は瞬間的なカバー範囲「Ｌ」をコーン角度θの範囲で提供する。オブジェクト110の十分なカバー範囲Ｌを提供するのに必要とされる電子の衝突とＸ線発生の量は多量の電力を必要とし、多量の熱を発生し、それにより大きい冷却システムを必要とする。多量の電力と大きい冷却システムを必要とすることによって、Ｘ線管102の寸法も大きくなければならない。

図１を再度参照すると、オブジェクト110の上部Ｘ_１及び下部Ｘ_２はコーン角度θ外に位置し、それ故Ｘ線ビーム106による検査を受けない。結果として、検出器（図示せず）は部分Ｘ_１と下部Ｘ_２に関するデータを受信せず、これらの部分はそれ故オブジェクト110の発生された任意のＸ線画像に含まれない。

図２の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施形態によるＸ線結像システム200の簡単化された概略平面図であり、図３は簡単化された側面図である。Ｘ線結像システム200はダイナミック陽極204、陰極302、連続的なウィンドウ206を有するＸ線管202を含んでおり、これはより広い結像領域のために３６０゜までのＸ線ビームの放射を可能にする。

動作において、陰極302は電子をＸ線管202の真空中へ放射する。ダイナミック陽極204はＸ線管202を通して電流を設定するために電子を集める。ダイナミック陽極204は検査されるオブジェクト10の画像を生成するためにＸ線管202のウィンドウ206を通して放射されるＸ線ビーム208を発生する。

この実施形態では、ダイナミック陽極204はＸ線管202内で動かされる陽極であり、それによってＸ線ビーム208はオブジェクト110を横切る走査をさせられる。

例えば図２の（Ａ）を参照すると、動作においてダイナミック陽極204は上部Ｘ_１のような第１の方向を指向されることができる。位置Ｘ_１を指向しながら、ビーム208はオブジェクト110の部分ｄＹ_１をカバーし、これはビーム208の幅に比例する。

図２の（Ｂ）に示されているように、ダイナミック陽極204は矢印210で示されているように回転されることができ、ビーム208をオブジェクト110全体の長さを横切るインクリメント部ｄＹを横切って連続的に動作させる。

図２の（Ｃ）に示されているように、ダイナミック陽極204はビーム208がオブジェクト110の下部Ｘ_２方向のような第２の方向を指向され、インクリメント部ｄＹをカバーするまで回転を継続することができる。このようにしてビーム208はインクリメントｄＹで長さ全体（Ｘ_１＋Ｘ_２＋Ｌ）を結像させられる。ダイナミック陽極204の回転速度は意図される目的に対して適切な結像を行う任意の所望の速度に設定されることができる。１実施形態では、ダイナミック陽極204の回転速度は約５回転／秒乃至約２５回転／秒の範囲であることができる。ダイナミック陽極204は回転されるか、その他の方法でＸ線管の内部のモータおよびギア装置等のような任意の通常の手段を使用して非静止ビームを与えるように動かされることができる。

別の実施形態では、光子を発生するＸ線管（真空管）と少なくとも１つのシリコンベースの検出器または光電子増倍管を含んでいるＸ線後方散乱システムが提供される。通常、光子は垂直に走査するコリメートされた「フライングスポット」ビームでソースまたは陽極から発生する。後方散乱された光子は検出器で集められ、オブジェクトの２次元または３次元画像を生成するために使用される。スポットが移動する角度は陽極を出るＸ線のファン角度により限定される。

Ｘ線後方散乱非視線リバースエンジニアリングアプリケーションは2006年２月10日出願の米国特許出願第11/352,118号明細書（発明の名称“Non-Line Of Sight Reverse Engineering For Modifications Of Structures And Systems”）の主題であり、この開示は本出願の出願人に譲渡されており、その全体がここで参考文献として含まれている。

図４は、静止Ｘ線ビームだけを提供する陽極「静止陽極404」を含んでいる典型的なＸ線後方散乱システム400の簡単化された平面図である。静止陽極404はウィンドウ408を通ってＸ線管402から放出されるＸ線ビーム406を発生する。

１実施形態では、開口412を有する回転コリメータ410はＸ線管402を囲み、静止陽極404の周囲を回転し、それによって開口412は細長いウィンドウ408を横切って回転する。Ｘ線ビーム406の一部は開口412がウィンドウ408を横切って回転するとき開口412を通過する。

この例では、静止陽極404のＸ線はビーム406をコリメータ410の内側へ誘導する。ビーム406はコーン角度θの範囲でコリメータ410に衝突する。コリメータ410の開口412がビーム406を通過させるとき、ビーム406の小部分416はオブジェクト414でカバー範囲を与えるために通過する。大部分のビーム406はオブジェクト414に衝突するために使用されないので、ビーム406の発生に使用される電力は浪費される。

図５は、例えば矢印512の方向でＸ線管内で回転させることができるダイナミック陽極502を含んでいるＸ線システム500の動作の実施形態の簡単化された図である。Ｘ線システム500は連続的なウィンドウ506と、開口510を有しダイナミック陽極502を包囲する回転コリメータ508も含んでいる。通常、ビーム504は回転コリメータ508が陽極502を中心に回転するときオブジェクト414に衝突するように開口510を通って誘導される。オブジェクトから後方散乱されるＸ線は画像の生成に使用されることのできる電気信号を発生する光電子増倍管または固体検出器（図示せず）により捕捉される。

１つの動作実施形態では、ダイナミック陽極502と回転コリメータ508の相対的な回転はリンクされる。したがってこの実施形態では、開口510はダイナミック陽極502と一定で整列されて回転されることができる。陽極502とコリメータ508の相対的な回転をリンクすることによって、Ｘ線ビーム504は全結像動作期間中、特に開口510で誘導されることができる。ビーム504は全結像動作期間中に開口510の付近に直接集中されるので、実際に開口510を通るビーム504の集中512は実際のビーム504の大きな割合を表す。

したがって、コリメータ508と陽極502が回転するときに開口510で連続して誘導されるさらに集中されたビーム504の使用に関連される効率はより少ない強度のビームにより小さい陽極の使用を可能にする。さらに、小さい寸法及び電力しか必要とされないために、より小さい陽極を使用してＸ線管の寸法を減少させることも可能にする。

結像動作期間中にビーム504を連続して開口510で誘導することによって、より大きな視野によりさらに大きな検査領域をカバーするための完全な周囲ビームカバー範囲も可能にする。その代わりに、Ｘ線ビーム504は特定の位置でより集中されたＸ線を得るようにされることもできる。

本発明のシステム及び方法をフライングスポットＸ線システム（後方散乱及び透過）を参照して説明するが、当業者はここで説明されている原理及び教示が通常の透過Ｘ線システムとＸ線断層撮影システムにも応用されることができることを認識するであろう。

図６は本発明の開示の１実施形態による振動陽極を有するＸ線管を含んでいるＸ線システムの内部構造の簡単な概略図である。この実施形態では、陽極602は例えば回転とは反対に振動されることができる。振動陽極602はＸ線管の中心軸606を中心に前後に振動しながら矢印604により表される電子を集収する。

この実施形態では、振動陽極602は平方センチメートル当りの総光子数を減少せずにＸ線光子ローブ角度を増加する。Ｘ線ビーム608は振動陽極602から放射され、Ｘ線ファン領域610を発生し、それによってＸ線ビーム608はオブジェクトを横切って連続的に振動の終点へ掃引させられる。

１２０゜程度であってもよい振動角度αに基づいて（Ｘ線ファン領域610により表されるように）視界の瞬間的増加または減少を可能にする。振動陽極602はＸ線管内に設けられている光学ジンバルまたは検流器のような任意の通常の振動手段を使用して振動される。

図７は本発明の開示の１実施形態による回転する多角形の陽極を有するＸ線管の内部構造の簡単化された概略図である。回転する多角形の陽極702はＸ線ビームの入射角度および対応するＸ線ビームローブ704を変化するためのファセット面と、結果として生じる湾曲された走査範囲706とを含んでいる。多角形の陽極702を回転することにより、電子の衝突およびＸ線発生の位置は分散され、結果として生じるＸ線ビームの入射角度および対応するＸ線ビームローブ704と湾曲された走査範囲706は変化される。

当業者はここで説明された原理及び教示が航空機、宇宙船、地上および海洋ビークルのような種々の構造および／またはシステムと、商用および政府応用のための発電等の複合施設と、発電所、処理工場、精製所、軍事応用と、自動車、船、ヘリコプター、列車を含むがそれらに限定されない輸送システムに適用されることができる。さらに、本発明は衣類または荷物の下に隠された武器を見つけるための人員検査システム（入口）のような国土防衛、検査される領域が他の手段によりアクセス可能ではない場合と医療分野または３６０゜の視界が必要とされる場合の検査作業のようなボアスコープ応用に使用されることができる。Ｘ線管は通常のＸ線結像システムがその大きさのためにアクセスすることができないエンジン室または燃料タンク内に入ることによりビークルのような非常に大きいオブジェクトに侵入することができる。

本発明の例示的な実施形態を単なる例示として前述したが、当業者により特許請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲を逸脱せずに開示されている実施形態に対して変更を行うことができることが理解されよう。

静止Ｘ線ビームを放出する陽極を有する典型的なＸ線管の簡単化された概略平面図。 本発明の１実施形態による非静止Ｘ線ビームを放出する陽極を有するＸ線管の簡単化された概略平面図。 図２の（Ａ）のＸ線管の簡単化された概略側面図。 静止Ｘ線ビームを放出する陽極を有する典型的なＸ線後方散乱システムの簡単化された概略平面図。 本発明の１実施形態による非静止Ｘ線ビームを放出する陽極を有するＸ線後方散乱システムの簡単化された概略平面図。 本発明の１実施形態による振動陽極を有するＸ線管の内部構造の簡単化された概略図。 本発明の１実施形態による回転陽極を有するＸ線管の内部構造の簡単化された概略図。

Claims (16)

1. Ｘ線管を具備し、前記Ｘ線管は、
   電子を放射する陰極と、
   陰極から電子を受取り、非静止のＸ線ビームを発生するダイナミック陽極とを具備しているＸ線結像システム。
2. ダイナミック陽極は非静止ビームを発生するために、Ｘ線ビームが導かれるオブジェクト上の第１の位置と、Ｘ線ビームが導かれるオブジェクト上の第２の位置との間で回転する請求項１記載のシステム。
3. ダイナミック陽極は約５乃至２５回転／秒の範囲で回転する請求項２記載のシステム。
4. ダイナミック陽極は非静止ビームを発生するための振動陽極を具備している請求項１記載のシステム。
5. ダイナミック陽極は非静止ビームを発生するための回転多面体陽極を具備している請求項１記載のシステム。
6. 回転多面体陽極はＸ線ビームおよび対応するコーンビームの入射角度を変化させる請求項５記載のシステム。
7. さらに、回転コリメータを具備し、その回転コリメータとダイナミック陽極の相対運動がリンクされている請求項１記載のシステム。
8. 前記ダイナミック陽極により発生されたＸ線ビームは、回転コリメータが第１の位置から第２の位置へ動くとき回転コリメータ上に規定されている開口の方向に連続して導かれる請求項７記載のシステム。
9. Ｘ線管は非静止Ｘ線ビームが実質的に３６０゜に到達するスワスを発生することを可能にする連続的な周囲ウィンドウを具備している請求項１記載のシステム。
10. 可動陽極を有するＸ線管を設け、
    可動陽極がオブジェクト上でＸ線ビームを導く第１の位置と、オブジェクト上でＸ線ビームを導く第２の位置との間で可動陽極を回転するステップを含んでいる結像方法。
11. さらに、Ｘ線管周囲でコリメータを回転するステップを含んでおり、前記コリメータは可動Ｘ線ビームの一部が放射されることを可能にするための開口を有している請求項１０記載の方法。
12. さらに、Ｘ線管周囲でコリメータを動かすステップを含んでおり、コリメータと可動陽極の相対動作がリンクされている請求項１０記載の方法。
13. Ｘ線管は可動陽極が３６０゜回転されることができる連続的な周囲ウィンドウを具備している請求項１０記載の方法。
14. 可動陽極は振動陽極を具備している請求項１０記載の方法。
15. 可動陽極は多面体陽極を具備している請求項１０記載の方法。
16. 可動陽極は回転多面体陽極を具備している請求項１０記載の方法。

Images