JP2011159623A - Ｘ線陰極及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線陰極システム及びＸ線陰極の製造方法を提供すること。
【解決手段】開示した実施形態はＸ線管陰極フィラメントシステムなどの実施形態を含む。本Ｘ線管陰極フィラメントシステムは、サブストレートと該サブストレート上に配置されたコーティング（７４）とを含む。本陰極フィラメントシステムでは、サブストレートからではなくコーティング（７４）から電子ビーム（１８、９０）が放出される。電子ビーム（１８、９０）は熱電子効果を使用することにより発生させている。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示する主題はＸ線管に関し、また具体的にはＸ線陰極システム及びＸ線陰極の製造方法に関する。

Ｘ線管は典型的には、電子を大きな加速度で放出する陰極などの電子発生源を含む。放出された電子のうちの一部はターゲット陽極に当たることがある。ターゲット陽極との電子の衝突によって、コンピュータ断層（ＣＴ）撮像システム、Ｘ線スキャナー、その他など多種多様な医用デバイスで使用し得るＸ線を発生させている。熱電子陰極システムでは、熱電子効果を介して（すなわち、加熱されることに応答して）電子を放出するように誘導を受け得るフィラメントが含まれる。しかし適正な電子衝撃を可能とさせるために、陰極と陽極の間の距離は短く保たなければならない。さらに、熱電子Ｘ線陰極は典型的には、フィラメントの表面の全体にわたって電子を放出させる。したがって、すべての電子を小さい焦点に集束させることは極めて困難である。

米国特許第７３５２８４０号

したがって、改善されたＸ線陰極システム及びＸ線陰極の製造方法が提供されることが望まれる。

一実施形態では、Ｘ線陰極管フィラメントはサブストレートと該サブストレート上に配置されたコーティングとを含む。電子ビームをサブストレートからではなくこのコーティングから放出させるために熱電子効果が利用される。

第２の実施形態では、第１の陰極フィラメントとターゲット陽極とを含むＸ線管システムを提供する。この第１の陰極フィラメントは、サブストレートと該サブストレート上に配置されたコーティングとを含む。このターゲット陽極は、第１の陰極フィラメントから陰極・ターゲット間距離だけ離間させると共に該第１の陰極フィラメントに対面するように位置決めされる。第１の陰極フィラメントのコーティングから熱電子効果によって第１の電子ストリームが放出され、これをターゲット陽極上の第１の焦点に至るように加速させてＸ線を発生させている。

第３の実施形態では、Ｘ線陰極システムを製造する方法を提供する。本製造方法は、フィラメントのサブストレート上にコーティングを配置させるステップと、該コーティングしたフィラメントを陰極アセンブリ内に設置するステップと、を含む。このコーティングはフィラメントのサブストレートと比べてより小さい仕事関数を有する。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本技法の一実施形態による例示的なＣＴ撮像システムの概要図である。 本技法の一実施形態による陽極及び陰極アセンブリを含むＸ線管アセンブリの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による部分コーティングの熱電子フィラメントを含む陰極アセンブリの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による矩形の形状に配置させたコーティングを有する熱電子フィラメントの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による格子パターンに配置させたコーティングを有する熱電子フィラメントの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による矩形の形状に配置させたコーティングを有するスロット付き熱電子フィラメントの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による部分コーティングのワインド式フィラメントの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による部分コーティングの直線状ワイヤフィラメントの一実施形態を表した図である。 本技法の一実施形態による間接的電子放出で使用し得る部分コーティングの湾曲フィラメントを表した図である。

ある種のＸ線陰極アセンブリでは、電極のストリームを放出するために１つまたは複数の熱電子フィラメントを利用することがある。熱電子フィラメントは、熱エネルギーを与えることによってフィラメントの表面から電子を放出させるように誘導を受けることがある。フィラメント材料が高温であるほど、放出され得る電子の数が多くなることは確かである。フィラメント材料は典型的には、熱電子効果によって電子を発生させるその能力に関して、かつ高い熱（幾つかのケースでは、概ね２５００℃以上に至る）に耐えるその能力に関して選択される。従来ではそのフィラメント材料は、タングステンやドープしたタングステン（すなわち、タングステンに不純物を添加したもの）などのタングステン誘導体とするように選択されてきた。タングステンは、高い融点と、比較的低い仕事関数（すなわち、電子を材料から出させるように誘導するのに要する最小エネルギーの一尺度）を有する。しかし従来のタングステンフィラメントは典型的には、本明細書で開示し検討したようなコーティング式フィラメントの実施形態と比べて同じ温度で放出する電子がより少ない。したがって、開示したコーティング式フィラメントの実施形態を利用するＸ線管は、従来の未コーティングのフィラメントを利用したＸ線管と比較した場合、同じ温度においてより大きなＸ線出力を発生させることが可能である。

本開示を詳細に検討する前に、上述の点を考慮に入れながら本明細書に記載したようなコーティング式フィラメントを組み込み得る撮像システムの実施形態を検討することは有益であろう。これを考慮に入れながらここで図面を見ると、図１は画像データを収集し処理するための撮像システム１０を表した図である。図示した実施形態ではシステム１０は、Ｘ線投影データを収集し、その投影データを断層画像になるように再構成し、かつ表示及び解析のためにこの画像データを処理するように設計されたコンピュータ断層（ＣＴ）システムである。撮像システム１０について医用撮像のコンテキストで検討することにするが、本明細書で検討している技法及び構成は、手荷物や包装物のスクリーニングあるいは工業分野における製造部品の非破壊評価など別の非侵襲的撮像のコンテキストにも適用可能である。図１に示した実施形態では、ＣＴ撮像システム１０はＸ線源１２を含む。本明細書で詳細に検討しているように、線源１２はＸ線管などの１つまたは複数の従来のＸ線源を含むことがある。例えば線源１２は、以下で図２を参照しながらより詳細に記載するような陰極アセンブリ１４及び陽極１６を備えたＸ線管を含むことがある。陰極アセンブリ１４は、電子ストリーム１８（すなわち、電子ビーム）を加速させることがあり、このうちの一部がターゲット陽極１６に当たることがある。陽極１６上に当たった電子ビーム１８はＸ線ビーム２０の放出を生じさせる。

線源１２はコリメータ２２の近傍に位置決めされることがある。コリメータ２２は、線源１２の各放出点ごとに鉛やタングステンのシャッタなどの１つまたは複数のコリメート機能領域からなることがある。コリメータ２２により典型的には、対象２４または物体をその内部に位置決めさせた領域内を通過する１つまたは複数のＸ線ビーム２０のサイズ及び形状が規定される。各Ｘ線ビーム２０は、検出器アレイの構成及び／または希望するデータ収集方法に応じて概して扇形状とすることも、円錐状とすることもできる。各Ｘ線ビーム２０の減衰部分２６は対象または物体を通過しており、これがその全体を参照番号２８で表した検出器アレイに当たる。

検出器２８は一般に、撮像システム１０の視野域内に設置された対象または物体の中またはその周りを通過した後のＸ線ビーム２０を検出する複数の検出器素子により形成されている。各検出器素子は、Ｘ線ビームが検出器２８に当たった後に検出器素子の位置に入射したＸ線ビームの強度を表す電気信号を発生させる。電気信号は、１つまたは複数のスキャンデータ組を生成するように収集され処理される。

検査及び／または較正のプロトコルを実行し収集データを処理するように撮像システム１０の動作をシステム制御器３０によって指令している。線源１２は典型的にはシステム制御器３０によって制御される。一般にシステム制御器３０は、そのＸ線検査シーケンス向けのパワー、焦点箇所、制御の信号その他を提供する。検出器２８はシステム制御器３０に結合されており、このシステム制御器３０によって検出器２８が発生させた信号の収集が指令される。システム制御器３０はさらに、ダイナミックレンジの初期調整、ディジタル画像データの交互配置その他など様々な信号処理及びろ過処理機能を実行することがある。本コンテキストではシステム制御器３０はさらに、信号処理回路及び付属のメモリ回路を含むことがある。より詳細には以下でさらに検討することにするが、この付属のメモリ回路は、システム制御器３０により実行されるプログラム、ルーチン及び／またはエンコード済みのアルゴリズム、構成パラメータ、画像データ、その他を保存することがある。一実施形態ではそのシステム制御器３０は、汎用または特殊用途のコンピュータシステムなどのプロセッサベースのシステムの全体または一部として実現されることがある。

図１に示した実施形態では、システム制御器３０は直線位置決めサブシステム３２及び回転サブシステム３４の動きをモータ制御器３６を介して制御することがある。撮像システム１０が線源１２及び／または検出器２８の回転を含むような一実施形態では、回転サブシステム３４は線源１２、コリメータ２２及び／または検出器２８を対象２４の周りに回転させることがある。回転サブシステム３４は静止した構成要素（固定子）と回転する構成要素（回転子）の両方を備えたガントリを含むことがあり得ることに留意すべきである。

直線位置決めサブシステム３２は、撮像する対象または物体をその上に位置決めさせるテーブルや支持体を直線的に変位させることがある。したがってこのテーブルまたは支持体が、ガントリ内部または撮像ボリューム（例えば、線源１２と検出器２８の間に位置するボリューム）内部を直線的に移動すると共に、対象または物体の特定のエリアからのデータ収集、またこれによりこの当該エリアに関連する画像の作成を可能にすることがある。さらに、直線位置決めサブシステム３２は、Ｘ線ビーム２０の形状及び／または方向を調整するようにコリメータ２２の１つまたは複数の構成要素を変位させることがある。さらに、その線源１２及び検出器２８がｚ軸（すなわち、患者テーブルまたは支持体の長さ方向及び／または撮像ボアの長手方向に一般に関連付けされる軸）に沿ってより広げたまたは十分な有効域を提供するように構成された実施形態、かつ／またはその対象または物体に対する直線運動を必要としないような実施形態では、直線位置決めサブシステム３２は存在しないことがある。

線源１２はシステム制御器３０の内部に配置させたＸ線制御器３８により制御し得ることは当業者であれば理解されよう。Ｘ線制御器３８は、線源１２に対してパワー及びタイミングの信号を提供するように構成されることがある。さらに幾つかの実施形態ではそのＸ線制御器３０は、システム１０内部の様々な箇所にあるＸ線管または放出体を互いに同期させてあるいは互いに対して独立に動作させ得るように線源１２を選択的に起動するように構成されることがある。

さらにシステム制御器３０はデータ収集システム（ＤＡＳ）４０を備えることがある。一実施形態ではその検出器２８は、システム制御器３０に対して、またさらに詳細にはデータ収集システム４０に対して結合させている。データ収集システム４０は、検出器２８の読み出し用電子回路によって収集したデータを受け取る。データ収集システム４０は典型的には、サンプリングしたアナログ信号を検出器２８から受け取り、そのデータをコンピュータ４２などのプロセッサベースのシステムによる後続の処理のためにディジタル信号に変換する。別法として別の実施形態ではその検出器２８は、サンプリングしたアナログ信号をデータ収集システム４０に送る前にディジタル信号に変換することがある。

図示した実施形態では、システム制御器３０に対してコンピュータ４２を結合させている。データ収集システム４０が収集したデータは、後続の処理のためにコンピュータ４２に送られることがある。例えば検出器２８から収集したデータは、撮像を受ける対象または物体の減衰係数の線積分の描出を生成するために、データ収集システム４０及び／またはコンピュータ４２において前処理及び較正を受けることがある。一実施形態ではそのコンピュータ４２は、検出器２８から収集したデータに対するろ過及び処理のためにデータ処理回路４４を包含する。

コンピュータ４２は、コンピュータ４２が処理したデータ、コンピュータ４２により処理しようとするデータ、またはコンピュータ４２により実行させようとするルーチン及び／またはアルゴリズムの保存が可能なメモリ４６を含むあるいはこれと連絡することがある。撮像システム１０によって、所望の量またはタイプのデータ及び／またはコードの保存が可能なコンピュータアクセス可能な任意のタイプのメモリデバイスが利用され得ることを理解すべきである。さらにメモリ４６は、システム１０に対してローカル及び／またはリモートとし得る同じタイプまたは異なるタイプとした磁気式、半導体式または光学式のデバイスなどの１つまたは複数のメモリデバイスを含むことがある。

コンピュータ４２はさらに、システム制御器３０により有効とさせた機能（すなわち、スキャン動作及びデータ収集）を制御するように適応させることがある。さらにコンピュータ４２は、キーボード及び／またはその他の入力デバイスを装備し得るオペレータワークステーション４８を介してオペレータからコマンド及びスキャンパラメータを受け取るように構成されることがある。これによりオペレータは、オペレータワークステーション４８を介してシステム１０を制御することができる。したがってオペレータは、再構成画像及び／またはシステム１０に関連するその他のデータをコンピュータ４２から観察することができる。同様にオペレータは、撮像または較正ルーチンの開始、画像フィルタの選択及び適用、その他をオペレータワークステーション４８を介して行うことができる。

図示したようにシステム１０はさらに、オペレータワークステーション４８に結合させたディスプレイ５０を含むことがある。さらにシステム１０は、オペレータワークステーション４８に結合させると共にその電圧計測結果を印字するように構成されたプリンタ５２を含むことがある。ディスプレイ５０及びプリンタ５２はさらに、コンピュータ４２に対して直接的に結合させることや、オペレータワークステーション４８を介して結合させることがある。さらにオペレータワークステーション４８は、画像蓄積伝送システム（ＰＡＣＳ）５４を含む、あるいはこれに結合されることがある。ＰＡＣＳ５４は、リモートシステム５６、放射線科情報システム（ＲＩＳ）、病院情報システム（ＨＩＳ）あるいは内部または外部のネットワークに結合させ、異なる箇所にいる他の者がその画像データにアクセスできるようにすることもあり得ることに留意すべきである。

上に示した一般的なシステム記述を考慮に入れながらここで図２を見ると、本図は図１に示した陰極アセンブリ１４及び陽極１６を含む実施形態を含むＸ線管アセンブリ５８の一実施形態を表している。図示した実施形態では、陰極アセンブリ１４及びターゲット陽極１６を互いから陰極・ターゲット間距離ｄだけ離して設置すると共に、互いの方向に向くようにしている。陰極アセンブリ１４は、１組のバイアス電極（すなわち、偏向電極）６０、６２、６４、６６と、フィラメント６８と、引出電極６９と、遮蔽７０と、を含むことがある（これについては、以下で図３を参照しながらより詳細に記載することにする）。陽極１６は、タングステン、モリブデンまたは銅を含む適当な任意の金属または複合材から製造されることがある。陽極の表面材料は典型的には、陽極１６に当たる電子によって発生する熱に耐えるように比較的高い耐熱値を有するように選択される。ある種の実施形態ではその陽極１６は、図示したように回転式円盤とすることがある。したがって陽極１６は、入射する熱エネルギーを分散しより高い温度許容度を実現するために高速（例えば、毎分１，０００〜１０，０００回転）で回転させることがある。陽極１６を回転させる結果として、焦点７２（すなわち、陽極上の電子が入射する箇所）の温度が陽極１６を回転させないときと比べてより低い値に保たれ、これにより高フラックスＸ線の実施形態での使用が可能となる。

陰極アセンブリ１４（すなわち、電子発生源）は、陰極アセンブリ１４が発生させた電子ビーム１８が陽極１６の上にある焦点７２上に集束するようして、陽極１６から陰極・ターゲット間距離ｄだけ離して位置決めされる。陰極アセンブリ１４と陽極１６の間の空間は典型的には、他の原子との電子衝突を最小限にしかつ電位を最大限にするために排気されている。典型的には、陰極１４と陽極１６の間に強力な電位（幾つかのケースでは、２０ｋＶを超える電位）を生成し、これにより陰極１４が放出した電子を熱電子効果を介して陽極１６に強力に引きつけるようにしている。得られた電子ビーム１８は陽極１６に方向付けされる。焦点７２において得られた電子衝撃は、制動放射効果（Ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を通じてＸ線ビーム２０（すなわち、制動放射線）を発生させることになる。

距離ｄは、長さや幅などの焦点７２の特性の決定に関する、またしたがって発生させたＸ線ビーム２０の撮像性能に関する１つの要因である。距離ｄが大きすぎると、十分な数の電子が陽極１６に当たらない、かつ／または適正なサイズのＸ線ビーム２０を発生させるには電子ビーム１８の広がりが大きすぎることにもなり得る。得られたＸ線画像は、ボケその他の撮像アーチファクトを含むことがある。従来方法では、適当なＸ線ビーム２０を発生させる能力をもつような小さい（例えば、０．２５ｍｍ^２未満より概して小さい）焦点を画定させるように距離ｄは概ね５０ｍｍ未満に設定されていた。本明細書に開示すると共に添付の図面を参照しながら以下でより詳細に検討している実施形態によれば、その距離ｄを概ね５０ｍｍ以上の距離ｄに設定することが可能である。開示した実施形態によれば実際に、大きな陰極・ターゲット間距離において極めて小さい焦点サイズが可能であり、これにより電子回収体やビーム制御用マグネットなどの別のデバイスをＸ線管アセンブリ５８の内部に収容することが可能となる。

ある種の実施形態では、その陰極アセンブリ１４と陽極１６の間に引出電極６９が含まれかつ配置されている。別の実施形態では引出電極６９を含めていない。含める場合にその引出電極は、陽極１６の電位（幾つかのケースでは、２０ｋＶを超える）に保持させることがある。引出電極６９は開口部７１を含む。開口部７１によって引出電極６９を介した電子の通過が可能となる。図示した実施形態では、陰極アセンブリ１４から陰極・電極間距離ｅの位置に引出電極が位置決めされる。陰極・電極間距離ｅもまた、長さや幅などの焦点７２の特性の決定に関する、またしたがって発生させたＸ線ビーム２０の撮像性能に関する１つの要因である。電子は距離ｅの間で加速を受けると共に、距離ｄ−ｅの間では加速を受けずにドリフトする。距離ｅが大きすぎると、十分な数の電子が陽極１６に当たらない、かつ／または適正なサイズのＸ線ビーム２０を発生させるには電子ビーム１８の広がりが大きすぎることにもなり得る。得られたＸ線画像は、ボケやその他の撮像アーチファクトを含むことがある。従来方法では、適当なＸ線ビーム２０を発生させる能力をもつような小さい（例えば、０．２５ｍｍ^２未満より概して小さい）焦点を画定させるように距離ｅは概ね５０ｍｍ未満に設定されていた。本明細書に開示すると共に添付の図面を参照しながら以下でより詳細に検討している実施形態によれば、その距離ｅを概ね１５ｍｍから５０ｍｍを超えるまでの距離ｅに設定することが可能である。

図３を見ると本図は、そのフィラメント６８がコーティング式の平坦熱電子フィラメントであるようなＸ線陰極アセンブリ１４の一実施形態を表している。図示した実施形態では、フィラメント６８はサブストレート７６上に配置されたコーティング７４を含む。ある種の実施形態ではそのコーティング７４は、炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、二ホウ化タングステン及びこれらの誘導体などの材料から製造されること、並びに図４〜６を参照しながら以下でより詳細に記載するようなサブストレート７６上に被着させることがある。サブストレート７６は、タングステンやタンタルなどの材料からなるスラブ（ｓｌａｂ）または矩形の形態とするように製造されることがある。サブストレート７６は、ワイヤ、ワインド式ワイヤ、湾曲した円盤、平坦な円盤、その他などの別の形状を有することがあることを理解すべきである。

コーティング７４は、サブストレート７６の仕事関数と比べてより低い仕事関数を有するように選択されることがある。すなわちコーティング７４は、電子の放出に要する熱エネルギーをサブストレート７６に要求される熱エネルギーと比べてより小さくし得る。実際にコーティングが概ね３．５電子ボルト（ｅＶ）の仕事関数を有するようなフィラメント実施形態では、放出される電子電流密度（すなわち、フィラメントの単位表面積あたり放出される電子の数及び密度に関連する一尺度）は、従来の未コーティングのタングステンフィラメントと比較した場合に同じ温度で概ね１００倍改善することができる。したがってコーティング式フィラメント６８は、従来のフィラメントが発生させる電子ビームと比較すると同じ温度においてかなり多くの電子並びにより強力な電子ビーム１８を発生させることができる。実際に、概ね４．５ｅＶ未満の仕事関数を有するコーティングによって、従来のフィラメントが発生させる電子ビームと比較して同じ温度においてより強力な電子ビーム１８を発生させるフィラメント６８を得ることができる。さらにコーティング７４は、Ｘ線管アセンブリ５８内に存在することがあるある種の気体、並びにイオンの後方衝撃（例えば、反跳電子）に耐えるように選択されることがあり、これにより動作寿命の長いコーティング７４が得られる。

さらに、フィラメント６８の熱電子温度（すなわち、電子放出が発生する温度）は、サブストレート７６ではなくコーティング７４が電子ビーム１８の主要な放出層の役割をし得るように調節されることがある。仕事関数がより低いコーティング７４は、仕事関数がより高いサブストレートと比べてより低い温度で電子を放出することになる。したがって、フィラメント６８の温度を従来のフィラメントの場合の設定値と比べてより低い値（例えば、概ね４００℃の温度値）に設定することができる。コーティング７４は、コーティングの仕事関数がより低いためにより低い温度値で電子を放出することになる。より低い動作温度を用いることはさらに、コーティング式フィラメント６８の長寿命化において有利となり得る。フィラメント６８の障害は従来では熱電子動作の間にフィラメント６８の材料が気化することによって生じていた。Ｘ線管アセンブリ５８の内部で見られるような高真空条件では、材料損失は気化する材料の蒸気圧に比例する可能性がある。炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウム及び二ホウ化タングステンを含むコーティング７４などのコーティング７４の実施形態の蒸気圧は、幾つかのケースでは従来のタングステンフィラメントと比べて同じ熱電子放出密度において６分の１の低さとなることがある。したがって、コーティング式フィラメント６８の寿命は、フィラメント６８がより低い材料気化を示し得るためかなり延長されることがある。

炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、二ホウ化タングステン及びこれらの誘導体などの化学物質を用いる別の利点は、サブストレート７６上に配置したときに得られるコーティング７４を極めて安定とし得ることにある。すなわちフィラメント６８は高温（例えば、概ね２５００℃を超える温度）に曝されることがあるが、コーティング７４が融解したり、下にあるサブストレート７６とで合金や溶液を形成することない。実際にコーティング７４は、概ね３４００℃を超える融点を含め、サブストレート７６と比べてより高い融点を有することがある。さらにコーティング７４の実施形態は合同性の（ｃｏｎｇｒｕｅｎｔ）気化を示すこと、すなわちハフニウム対炭素の比などコーティング内のある種の化学物質の比率を気化の間で一定に保つことができる。したがって化学的組成の変化によって熱電子電子放出に生じ得る変動がほとんどまたは全くない。

図３はさらに、電子集束レンズとして使用し得る４つのバイアス電極（すなわち、長手内部（Ｌ−ｉｂ）バイアス電極６０、幅左側（Ｗ−ｌ）バイアス電極６２、長手外部（Ｌ−ｏｂ）バイアス電極６４及び幅右側（Ｗ−ｒ）バイアス電極６６）によって取り囲まれたコーティング式フィラメント６８を表している。バイアス電極６０、６２、６４、６６を取り囲むように遮蔽７０を位置決めし、これを陰極電位に接続させることがある。遮蔽７０は例えば、電極幾何形状の先鋭な特徴に由来するピーク電界を緩和し、これにより高電圧安定度を向上させるのに役立て得る。図示した実施形態では、遮蔽７０はさらにコーティング７４も取り囲んでいる。上で言及したように平坦なフィラメント６８の温度は、電子の大部分がフィラメント６８のサブストレートからではなくコーティング７４から放出されるように調節することができる。したがって、電子の大部分はコーティング７４により画定されるプラナー区域と垂直な方向に出ることができる。したがって得られた電子ビーム１８はバイアス電極６０、６２、６４及び６６によって取り囲まれている。バイアス電極６０、６２、６４及び６６は、能動的なビーム操縦を用いて陽極１６上の極めて小さい焦点７２内に電子ビーム１８を集束させるのに役立て得る。すなわちバイアス電極６０、６２、６４及び６６はそれぞれ、電子ビーム１８を電気的に偏向させるための双極子場を生成することがある。電子ビーム１８の偏向は次いで、電子ビーム１８の焦点ターゲット調整の支援のために用いることがある。幅バイアス電極６２、６６は得られる焦点７２の幅の規定に役立てるために使用することができ、一方長手バイアス電極６０、６４は得られる焦点７２の長さの規定に役立てるために使用することができる。図４に示したものなどの成形した放出性コーティングをバイアス電極６０、６２、６４及び６６の使用と組み合わせることによって、従来のＸ線フィラメント実施形態と比較してかなり改善した焦点性能を実現することが可能である。実際にコーティング７４の単独での使用あるいはコーティング７４のバイアス電極６０、６２、６４及び６６と組み合わせた使用によって、４０ｍｍを超えかつ２００ｍｍ未満の陰極・ターゲット間距離範囲にわたって適正な焦点７２を実現することが可能となる。

図４を見ると本図は、部分コーティングされたフィラメント６８の一実施形態を表している。図示した実施形態ではコーティング７４は、矩形パターンで被着されさもなければ形成されると共に、サブストレート７６の中心に位置決めされている。別の実施形態ではそのコーティング７４はサブストレート７６を完全に覆うことがあり、あるいは別の形状を含み得ることを理解すべきである。実際に、任意の数のコーティング形状またはパターンをサブストレート７６上に配置させることがある。ある種の実施形態ではそのコーティング７４は、化学蒸着法（ＣＶＤ）による、スパッタリングによる、または別の層形成技法によって製造されることがある。さらにコーティング式フィラメント６８を製造するために、粉体加圧成形（ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）、高エネルギーボールミル加工、及び／または焼結などの別の技法が用いられることもある。追加的な製造技法の１つは高温浸炭の使用を含むことがある。高温浸炭では、例えばハフニウムなどのコーティング用化学物質を、ある種の形状またはパターンでフィラメント６８の上に被着させることがある。一実施形態ではそのフィラメント６８は次いで、炉などの外部ソースによって加熱を受けることがある。別の実施形態ではそのフィラメント６８は次いで、高温での動作によってそれ自身で熱を発生させることがある。この２つのいずれの実施形態においても、フィラメントの加熱が炭化ハフニウムとなるようなハフニウムの浸炭を生じさせ、これにより炭化ハフニウムコーティング７４が生成されることになる。タンタルやジルコニウムなどの別の化学物質を高温浸炭技法と連携して使用し得ることを理解すべきである。コーティング７４の形状やパターンを規定するために使用し得る別の製造技法は、フォトリソグラフィ、フォトマスキング、マイクロリソグラフィ、その他などのマイクロチップ製作技法を含む。

図４に示した実施形態では、幅ｗを有するサブストレートのエッジの一部が未コーティングのまま残されるようにサブストレート７６上に矩形のコーティング７４を配置させている。上で言及したようにフィラメント６８の熱電子温度は、コーティング７４を主要放出表面として使用することによって電子ビーム１８が生成されるように調整されることがある。したがって、サブストレート７６の未コーティングのエッジの幅ｗの値を、Ｘ線管の電子ビーム集束機能を最適化するように選択することができる。電子ビームの集束機能は、放出された電子の大部分が所望の焦点７２位置で陽極１６に当たるように幅ｗの値を選択することによって最適化することができる。さらに、サブストレート７６のエッジが未コーティングのまま残されているため、極めてわずかな数の電子（あったとしても）しかサブストレート７６の側面から放出されないことがある。したがって電子はターゲット陽極１６から離れるように導かれることなくその多くの部分がターゲット陽極１６に直に導かれるため、無駄になる電子の量が最小化される。

図５を見ると本図は、サブストレート７６上の格子パターンとしてコーティング７４が配置されたフィラメント６８の一実施形態を表している。実際に、図示した格子パターンなどの任意の数のパターンが使用されることがある。例えば、焦点７２の複数の様式を可能にするようなパターンが選択されることがある。あるモダリティでは、電子の大部分がコーティング７４によってのみ放出されるようにその熱電子温度が調整されることがある。別のモダリティでは、コーティング７４とサブストレート７６の両方によって電子が放出されるようにその熱電子温度が調整されることがある。したがって、単一のコーティング式フィラメント６８を用いることによって２つの焦点を生成させることがある。第１の焦点はコーティング７４からの放出によって生成されることがあり、一方第２の焦点はコーティング７４からの放出とサブストレート７６からの放出の合成によって生成されることがある。したがって、任意のタイプのパターンでコーティングする能力は、例えば単一のフィラメント６８による２つの焦点７２の生成によって焦点７２の柔軟性を可能にしている。

複数の焦点７２の生成に有用なある種の実施形態では、単一のフィラメント６８がバイアス電極６０、６２、６４、６６のうちの１つまたは幾つかと組み合わせて使用される。これらの実施形態では、バイアス電極６０、６２、６４、６６のうちの１つまたは幾つかによって電子ビームを１つまたは複数の焦点７２に能動的に偏向させることがある。例えば、バイアス電極６０、６２、６４、６６のうちの１つまたは幾つかは双極子場を最小化することによって第１の幅広の焦点７２を画定することがある。双極子場を強めることによって、より幅狭の第２の焦点７２が画定されることがある。実際に、双極子場に対する能動的操作によって任意の数及びタイプの焦点を画定することができる。

さらに別の実施形態では、複数の焦点７２を画定するために複数のフィラメント６８を使用することがある。サイズ、形状、コーティングパターン、熱電子温度、その他を含むフィラメントの特性に基づいて、複数のフィラメント６８の各々が１つの焦点７２を画定することがある。したがって、様々なタイプの焦点７２（例えば、異なる表面積を有する焦点７２）を画定するために幾つかのフィラメント６８が使用されることがある。さらに複数のフィラメント６８を利用する実施形態では、上述のような複数の焦点７２の画定及び生成を支援するためにバイアス電極６０、６２、６４、６６のうちの１つまたは幾つかの利用が組み合わされることがある。

図６は、そのフィラメント６８がスロット付きの平坦なフィラメント６８であるようなフィラメント６８の一実施形態を表している。複数のスロット７７がフィラメント６８のサブストレート７６上に配置され、これにより概ねジグザグの形状を有するフィラメント６８が得られる。このスロット７７によってフィラメント６８の断面積が低減される。したがって、加熱電流が低減させた断面を通過して流れるため、フィラメント６８を加熱させ得る加熱電流を大幅に（例えば、概ね２０Ａ未満の値まで）低減することができる。加熱電流のこの低減によって、フィラメント６８の効率及び寿命の上昇を得ることができる。陰極アセンブリ１４に対するサブストレート７６の固定を支援するために、サブストレート７６内に２つの開口部７９を含めている。

図６に示した実施形態では、サブストレート７６上に複数の矩形の形状をしたコーティング７４を配置させている。上で言及したように、電子の大部分がコーティング７４によってのみ放出されるようにフィラメント６８の熱電子温度を調整することによって、コーティング７４を電子の放出に使用することがある。上で記載したコーティング７４及びそのコーティングパターンは、以下で図７を参照しながらより詳細に記載するワインド式フィラメントの実施形態などの別のフィラメント実施形態上に配置されることがあることを理解すべきである。

図７は、ワイヤサブストレート８０のターゲットに対面する表面上に設置させたコーティング７４を含むワインド式フィラメント７８の一実施形態を表している。従来のワインド式フィラメントは典型的には、ワインド式フィラメントの表面全体にわたって電子を放出する。したがって、従来のフィラメントのワイヤのうち陽極１６の方向を向いていない部分からの電子放出のためにかなりの量のエネルギーが使用されてしまう。実際に、ワインド式フィラメント７８の下側の巻き線の上側表面などの従来のワインド式フィラメントの表面の大部分は通常、ターゲット陽極１６から外れた方向を向いている。これに対して開示した実施形態によれば、コーティング７４が常に陽極１６と対面するようにワイヤサブストレート８０上にコーティング７４を設置させることが可能である。

上で言及したように、ワインド式フィラメント７８の温度は、コーティング７４が主要放出層の役割をするように調整することができる。したがって、陽極１６と対面するようにコーティング７４を設置することによって、放出された電子１８の多くの部分を陽極１６上の極めて小さい焦点に当てることができる。したがって、コーティングしたワインド式フィラメント７８は従来のワインド式フィラメントと比較したときに焦点性能の向上及び陰極・ターゲット間距離の増大を提供することが可能である。さらにコーティングワインド式フィラメント７８によれば、従来のワイヤワインド式フィラメントと比較してより長い寿命を実現し得る。コーティング７４の気化特性によって材料気化の削減が可能になり、これによりフィラメント７８の動作寿命が増大する。実際にワインド式フィラメント７８を含め本明細書に開示したすべてのフィラメント実施形態によってより長い寿命を実現し得る。

図８を見ると本図は、反射体カップ８４内に位置決めされている直線状ワイヤフィラメント８２の一実施形態を表している。図示した実施形態では、ワイヤサブストレート８０はワインド状態ではなく直線状のワイヤである。コーティング７４はワイヤサブストレート８０のうち陽極と対面する表面上に設置されることがあり、次いでワイヤサブストレート８０が反射体カップ８４の内部に設置されることがある。反射体カップ８４は、電子ビーム１８に対する受動的な整形によって電子ビーム１８の集束を支援する。電子ビーム１８に対する受動的整形は、カップ８４の幾何学形状、カップ内におけるワイヤフィラメント８２の配置、及び／またはワイヤサブストレート８０上でのコーティング７４の設置を介して実現し得る。例えばカップ８４の湾曲部分８５は、より幅広のビーム１８を画定するために外向きに湾曲させることや、より幅狭のビーム１８を画定するために内向きに湾曲させることがある。ワイヤフィラメント８２はより幅広のビーム１８を画定するためにカップ８４内のより高い高さ位置に設置されることや、より幅狭のビーム１８を画定するためにカップ８４内のより低い高さ位置に設置されることがある。コーティング７４は、より幅広のビーム１８を画定するためにワイヤフィラメント８２の表面のより大きな部分上に設置させることや、より幅狭のビームを画定するためにワイヤフィラメント８２の表面のより小さい部分上に設置させることがあ。実際に、受動的な電子ビーム１８の整形の使用を介して多種多様な焦点７２に至れるように、任意の数のカップ８４形状、ワイヤフィラメント８２箇所、及び／またはコーティング設置を使用することがあり得る。図２、３、４、５及び６に記載した平坦なフィラメント６８などの任意の数のコーティング式フィラメントの実施形態をカップ８４などの反射体カップと一緒に使用できることを理解すべきである。実際に、開示したコーティング式フィラメントの実施形態は、反射体カップ８４と一緒に、かつ／または図２及び３に示したバイアス電極６０、６２、６４及び６６と一緒に使用し得る。

図９を見ると本図は、間接加熱放出で使用し得るコーティング７４を有する湾曲した円盤フィラメント放出体８６の一実施形態を表している。電子は、材料の加熱のされ方の如何によらず材料から放出され得る。この材料は、直接加熱されることや、例えば材料自体が電子によって叩かれることによって間接的に加熱されることがある。すなわち、加熱を生じさせるために電子放出それ自体を使用し、これにより熱電子効果及び追加的な電子放出を生じさせることがある。図示したように、直接型加熱のタングステンワイヤなどの電子発生源８８は、電子ビーム９０を放出し、この電子ビーム９０を湾曲した円盤フィラメント８６の後ろ側上に集束するように導くことがある。電子ビーム９０は湾曲した円盤フィラメント８６上に当たり、この湾曲円盤フィラメント８６の温度を上昇させることがある。湾曲円盤フィラメント８６の熱は次いで、例えば熱伝導を介してコーティング７４に移されることがある。したがってコーティング７４は、熱電子効果によってコーティング７４が電子を放出する点まで加熱されることがある。実際に電子発生源８８の役割をワイヤがしているようなある種の実施形態では、当該ワイヤが発生させる電子数と比べてコーティング７４によってより多くの電子を発生させることができる。

湾曲した円盤放出体８６の湾曲したサブストレート８７は、極めて小さい焦点７２になるように電子ビーム１８を最適に発生させるような形状とさせることがある。したがって、所望のサイズ及び焦点７２からの距離に基づいて、湾曲したサブストレート８７の曲率（すなわち、勾配）が算出されることがある。湾曲したサブストレート８７の勾配を大きくすると電子ビーム１８が小さくより近い焦点７２に集束することになる。湾曲したサブストレート８７の勾配を小さくすると、電子ビーム１８がより大きくより遠い焦点７２に集束することになる。同様に、コーティング７４は電子ビーム１８の集束も支援し得る。例えば、サブストレート８７のより大きな区域をコーティングするとより強力な電子ビーム１８が生じることになり、若干大きくなった焦点７２上に当たることがある。焦点性能を向上させるためにさらに、湾曲した放出体８６を反射体カップ８４内に設置すること、かつ／または図２及び３に示したようなバイアス電極６０、６２、６４及び６６と一緒に使用することがある。

開示したＸ線管陰極並びに得られるＸ線管アセンブリは、既存の撮像システムに後付けできることを理解すべきである。すなわち、開示した陰極実施形態を包含したＸ線管により従来のＸ線管を置き換えることができる。Ｘ線管の置き換え以外は、後付けした撮像システムについて他の修正は全く不要である。例えばより低い動作温度などその他の最適化を希望するような後付けでは、後付けした撮像システムの駆動が修正されることがある。

本発明の技術的効果には、陰極・ターゲット間距離を増大させる機能、焦点サイズを小さくする能力、従来のエネルギーレベルを用いたＸ線放射の発生の大幅な増大、並びにフィラメントの持続時間の増大が含まれる。陰極・ターゲット間距離を増大させると、Ｘ線管アセンブリの内部に電子回収体やビーム操縦用マグネットなどの別のデバイスの設置が可能になる。開示した実施形態によれば、電子ビームの品質及びパワーを大幅に向上させるような追加的な集束システム、様式及び技法が可能となる。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１０ 撮像システム
１２ Ｘ線源
１４ 陰極アセンブリ
１６ 陽極
１８ 電子ビーム
２０ Ｘ線ビーム
２２ コリメータ
２４ 対象
２６ 減衰部分
２８ 検出器
３０ システム制御器
３２ 直線位置決めサブシステム
３４ 回転サブシステム
３６ モータ制御器
３８ Ｘ線制御器
４０ データ収集システム
４２ コンピュータ
４４ データ処理回路
４６ メモリ
４８ オペレータワークステーション
５０ ディスプレイ
５２ プリンタ
５４ 画像蓄積伝送システム（ＰＡＣＳ）
５６ リモートシステム
５８ Ｘ線管アセンブリ
６０ バイアス電極
６２ バイアス電極
６４ バイアス電極
６６ バイアス電極
６８ フィラメント
６９ 引出電極
７０ 遮蔽
７１ 開口部
７２ 焦点
７４ コーティング
７６ サブストレート
７７ スロット
７８ フィラメント
７９ 開口部
８０ サブストレート
８２ フィラメント
８４ 反射体カップ
８５ 湾曲部分
８６ 湾曲した円盤フィラメント
８７ 湾曲したサブストレート
８８ 電子発生源
９０ 電子ビーム

Claims (15)

1. サブストレートと、
   前記サブストレート上に配置されたコーティング（７４）と、を備えたＸ線管陰極アセンブリシステムであって、
   熱電子効果を介して前記サブストレートからではなく前記コーティング（７４）から電子ビーム（１８、９０）が放出されている、Ｘ線管陰極アセンブリシステム。
2. 前記コーティング（７４）は、炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、二ホウ化タングステンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記サブストレートは、タングステン、タンタル、ドープしたタングステン、ドープしたタンタルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記サブストレートは、平坦なサブストレート（７６）、ワインド式サブストレート（８０）、湾曲したサブストレート（８７）、スロット付き（７７）サブストレートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記コーティング（７４）は前記サブストレートを部分的に覆っている、請求項１に記載のシステム。
6. 前記コーティング（７４）は概ね４．５電子ボルト（ｅＶ）未満の仕事関数を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記コーティング（７４）は概ね３４００℃を超える融点を備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記熱電子効果は、直接加熱、間接加熱、あるいはこれらの組み合わせを介して実現される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記コーティング（７４）は、化学蒸着法、スパッタリング、粉体加圧成形、高エネルギーボールミル加工、焼結、高温浸炭、あるいはこれらの組み合わせの利用によって前記サブストレート上に配置される、請求項１に記載のシステム。
10. サブストレート上に配置されたコーティング（７４）を備えた第１の陰極フィラメントと、
    前記第１の陰極フィラメントから陰極・ターゲット間距離だけ離しかつこれと対面して位置決めされたターゲット陽極（１６）であって、熱電子効果を介して前記サブストレートからではなく該第１の陰極フィラメントのコーティング（７４）から第１の電子ストリーム（１８、９０）が放出されると共に、これがＸ線（２０）を発生させるために該ターゲット陽極（１６）上の第１の焦点（７２）まで加速されているターゲット陽極（１６）と、
    を備えるＸ線管システム。
11. 前記コーティング（７４）は、炭化ハフニウム、炭化タンタル、二ホウ化ハフニウム、炭化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、二ホウ化タングステンのうちの少なくとも１つを含み、かつ前記サブストレートはタングステン、タンタル、ドープしたタングステン、ドープしたタンタルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記陰極・ターゲット間距離は概ね４０ｍｍを超える距離を備える、請求項１０に記載のシステム。
13. 少なくとも１つのバイアス電極（６０、６２、６４、６６）、反射体カップ（８４）、またはこれらの組み合わせを備えており、該バイアス電極（６０、６２、６４、６６）は前記第１の電子ストリーム（１８、９０）を能動的に偏向させており、かつ該反射体カップ（８４）は該第１の電子ストリーム（１８、９０）を受動的に整形している、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記第１の陰極フィラメントから陰極・電極間距離だけ離して位置決めされた引出電極（６９）を備えており、該引出電極（６９）は前記第１の電子ストリーム（１８、９０）をターゲット陽極（１６）上の第１の焦点（７２）まで加速させる支援をする、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記陰極・電極間距離は概ね１５ｍｍを超える距離を備える、請求項１４に記載のシステム。