JP2012094531A - Ｘ線源 - Google Patents

Abstract

【課題】回転陽極に関連する長い使用寿命及び耐久性という長所と、高度のＸ線使用に要する高輝度とを有する単一スポットの微小集束Ｘ線源Ｘ線を提供する。
【解決手段】発出された電子は、電子発生チャンバ１２／ターゲットチャンバ１４間に延在する縦軸線と平行にターゲット３０に向って移動し、ターゲットに照射を与えてＸ線を発生させる。ターゲットは、電子の照射付与の間に、縦軸線と直角の少なくとも１方向に支持構造物に対して変位可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、広くはＸ線発生分野に関わり、より具体的には、シールされたＸ線管の分野に関するものである。

従来のＸ線源、例えば実験室で使用される類のＸ線源の場合、Ｘ線は、陰極からの電子を加速してターゲットへ衝突させることで得られる。電子とターゲットとの相互作用の結果として、Ｘ線が放射される。ターゲットの材料が異なれば、異なるスペクトルのＸ線が得られる。

複数の寸法のＸ線源を得るために、しばしば行われるのは、電子ビームをターゲット近く又はターゲット上に集束させることである。残念ながら、加速された電子がターゲットに絶え間なしに衝撃付与することにより、ターゲットは損傷し、特に、ターゲット材料は溶解し、蒸発する。この劣化によって、Ｘ線源の性能及び使用寿命が制限される。

ターゲットの劣化に対処するために、幾つかのシステムでは、回転陽極源が採用され、該陽極源が高速でターゲットを回転させることで、衝撃を受ける区画が、より広い区画にわたるように拡張される。しかし、回転陽極源は、設計が複雑で、保守費用が高額である。加えて、回転陽極源の輝度は、単一スポットの微小集束（ｍｉｃｒｏ‐ｆｏｃｕｓｉｎｇ）源の輝度ほど高くはない。

他のＸ線源の場合、磁場を用いて電子ビームに異なるターゲット区画を指向させる試みがなされている。この手法には、しかし、幾つかの欠点がある。例えば、ターゲット中心に対し電子ビーム位置を変更すると、Ｘ線源の位置をも変更せねばならないため、光学素子の再配置が必要になる。また、これらのシステムは、磁場を制御する役割を有する電子素子に著しく依存するため、Ｘ線源の回路及び保守が不必要に複雑になる。加えて、回路の安定性が、Ｘ線源位置の安定性に直接に影響を与える。

実験室での或る複数用途では、Ｘ線源から発生するＸ線が、Ｘ線源の外部に配置された光学素子に対して同じ位置から放射されることが絶対に必要である。Ｘ線源の位置が絶えず変化するような場合には、実験システムの光学素子の構成配置も、Ｘ線源の位置変更を補償するために絶えず変更せねばならないが、これは、極めて非効率的である。

以上のような事情であるとすれば、必要とされるのは、明らかに、回転陽極に関連する長い使用寿命及び耐久性という長所と、高度のＸ線使用に要する高輝度とを有する単一スポットの微小集束Ｘ線源である。

既述の欠点及び他の欠点を克服するために、本発明により提供されるＸ線源は、電子を放出する電子ビーム源を備えた電子発生チャンバと、支持構造物及び支持構造物内に配置されたターゲットを有するターゲットチャンバとを含んでいる。ターゲットは、Ｘ線を放射中も、電子発生チャンバとターゲットチャンバ間に延在する縦軸線と直角の少なくとも１方向に支持構造物に対し可動である。放出された電子は、縦軸線と事実上平行方向にターゲットに向って移動し、ターゲットに衝激を与えてＸ線を発生させる。電子発生チャンバは、可とう性シール部材によってターゲットチャンバに連結されている。２つのチャンバは、通常、真空シールされている。

Ｘ線源は少なくとも１ターゲット区画設定器を含み、該区画設定器が、ターゲットに接続され、かつ縦軸線と事実上直角の少なくとも１つの第１方向にターゲットを移動させるようになっている。幾つかの実施例では、Ｘ線源は第２ターゲット区画設定器を含み、該区画設定器が、ターゲットに接続され、かつ縦軸線と事実上直角の第２方向にターゲットを移動させる。ターゲットは、縦軸線と非直角の角度に傾斜する事実上平らな面を形成することができる。第２ターゲット区画設定器は、この平らな面と事実上平行な第２方向にターゲットを移動させる。

種々の実施例の場合、ターゲットは、縦軸線と直角の平らな面を形成している。別の実施例では、この平らな面は、縦軸線と非直角の角度で傾斜している。ターゲットは、弾性部材により支持構造物に固定され、縦軸線と直角の少なくとも１方向に支持構造物に対して可動である。或る実施例では、ターゲットからのＸ線は１つ以上の出口開口を通過できる。
ここに説明されているように、本発明は、先行Ｘ線源設計に比較して多くの長所を有している。特に、本発明は、衝突するＸ線ビームに対しターゲットを移動させるようにした機械式又は電気機械式の少なくとも１ターゲット区画設定器を含んでいる。ターゲットの移動が簡単かつ安定的であることにより、ターゲットの使用寿命が延び、したがってＸ線管の有効寿命も延びることになる。加えて、外部光学素子に対して固定的な位置にＸ線源を維持することにより、本発明は、実験室設備内での反復的かつ効率的な使用に容易に適合できる。
第一観点として、Ｘ線源において、該Ｘ線源に、電子ビーム源を含む電子発生チャンバと、支持構造物を含むターゲットチャンバ及び支持構造物内に配置されたターゲットとが含まれ、発生した電子が、電子発生チャンバとターゲットチャンバとの間に延在する縦軸線と事実上平行方向にターゲットへ向って移動し、ターゲットに照射を与えてＸ線を発生させ、該ターゲットが、電子による照射付与の間に、支持構造物に対して縦軸線と事実上直角の少なくとも１方向に変位可能であり、該Ｘ線源には、更に、電子発生チャンバとターゲットチャンバとを連結する可とう性のシール部材が含まれ、電子発生チャンバとターゲットチャンバとの内部が周囲の汚染からシールされている。第二観点として、第一観点において、更に、ターゲット区画設定器が含まれており、該ターゲット区画設定器が、ターゲットに接続され、かつ縦軸線と直角の少なくとも１方向にターゲットを変位させるようにされている。第三観点として、第二観点において、更に、第２ターゲット区画設定器が含まれ、該第２ターゲット区画設定器が、ターゲットに接続され、縦軸線と事実上直角かつ第１方向と直角の少なくとも１つの第２方向に変位させるようにされている。第四観点として、第一観点において、更に、プレートとプレートに結合された弾性部材とが含まれ、該弾性部材とプレートとが、ターゲットと支持構造物との間に配置されている。第五観点として、第一観点において、更に、少なくとも１つの出口開口が含まれ、ターゲットから発せられるＸ線の一部が該出口開口を通過する。第六観点として、第一観点において、前記ターゲットが、縦軸線に対し事実上直角の平らな面を形成している。第七観点として、第一観点において、前記ターゲットが事実上平らな面を形成し、該平らな面が縦軸線に対し非直角の角度で傾斜している。第八観点として、第七観点において、更に、ターゲット区画設定器が含まれ、該ターゲット区画設定器が、ターゲットに接続され、かつ縦軸線に対して直角の少なくとも第１方向にターゲットを変位させるようにされている。第九観点として、第八観点において、更に、ターゲットに接続された第２ターゲット区画設定器が含まれ、該第２ターゲット区画設定器によって、ターゲットが、前記平らな面と事実上平行の少なくとも１つの第２方向に変位される。第十観点として、第一観点において、更に、電子ビームを集束させる集束光学素子が含まれ、該集束光学素子が、磁気集束光学素子、静電式集束光学素子、これら双方の組み合わせのいずれかから成る群から選択される。第十一観点として、Ｘ線源において、該Ｘ線源に、電子を発出する電子ビーム源を含む電子発生チャンバと、ターゲット及び支持構造物を含むターゲットチャンバとが含まれ、該支持構造物が下面と上面とを画成しており、前記ターゲットが、電子発生チャンバとターゲットチャンバとの間に延在する縦軸線と事実上直角の１方向に支持構造物内部を変位可能であり、発出された電子が、縦軸線と事実上平行方向にターゲットへ向って移動し、ターゲットに照射付与してＸ線を発生させ、前記Ｘ線源には、更に、前記下面に取り付けられ、電子発生チャンバとターゲットチャンバとを連結する可とう性のシール部材と、前記ターゲットに結合され、かつ電子がターゲットに照射を与えている間に、縦軸線と直角の少なくとも１方向にターゲットを変位させるようにされた少なくとも１ターゲット区画設定器とが含まれている。第十二観点として、第十一観点において、更に、プレートとプレートに結合された弾性部材が含まれ、該弾性部材及びプレートがターゲットと支持構造物との間に配置されている。第十三観点として、第十一観点において、更に、出口開口が含まれ、ターゲットから放出されるＸ線の一部が該出口開口を通過する。第十四観点として、第十一観点において、前記ターゲットが事実上平らな面を形成しており、該平らな面が、縦軸線と非直角の角度で傾斜している。第十五観点として、第十四観点において、更に、第２ターゲット区画設定器が含まれ、該第２ターゲット区画設定器が、ターゲットに接続され、かつ前記平らな面と事実上平行にターゲットを変位させるようにされている。第十六観点として、第十一観点において、更に、集束光学素子が含まれ、該光学素子が、磁気集束光学素子、静電集束光学素子、これら双方の光学素子の組み合わせのいずれかから成る群から選択される。

本発明によるＸ線源の従断面図。 Ｘ線源の一部を除去して示す部分斜視図。 縦軸線方向で見た、Ｘ線源の一部の横断面図。 ターゲットの可動性を示すためにＸ線源の一部を略示した図。 目標角度に傾斜させたターゲットを示す図。 ターゲット上方に配置された開口を有するターゲットを示す図。

本発明のこのほかの特徴及び長所は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲の記載から明らかになろう。
本明細書に含まれ、かつその一部をなす添付図面は、説明と共に本発明の幾つかの態様を示し、本発明の原理を説明するのに役立つものである。図示の構成部材は、必ずしも縮尺で描かれてはおらず、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。加えて、図には、全図面を通じて同じ部材には同じ符号が付されている。
本発明にしたがって、電子発生チャンバ１２と、ターゲットチャンバ１４と、可動ターゲット３０とを含むＸ線源１０を添付図面につき説明する。添付図面の幾つかでは、デカルト座標が説明目的のために用いられるが、その場合には、ｚ軸が、例えば電子発生チャンバ１２とターゲットチャンバ１４間に延在する縦軸線と事実上平行に整合されている。

特に図１に示されているように、電子発生チャンバ１２とターゲットチャンバ１４とは、可とう性のシール部材１６によって結合されている。電子発生チャンバ１２は、金属製外殻１８とガラス又はセラミック等の絶縁材２０とにより画成され、空気、塵埃、その他Ｘ線源１０の動作にとって有害な汚染物質の侵入を防止するように、該外殻と絶縁材とは真空シール可能である。電子は、電子発生チャンバ１２内で電子ビーム源２２又は陰極によって発生させられる。電子は、陽極２４の開口に入る前に、縦軸線に沿って加速される。電子ビームの集束は、磁気又は静電気により、又は双方を組み合わせて実現することができる。例えば、磁石２６により可変磁場を作り出すことで、電子ビームをターゲット面４１に、又はターゲット面近くに集束させる。

ターゲットチャンバ１４は、概して、支持構造物３６が周囲に配置されたシュート２８を含んでいる。シュート２８には、Ｘ線の通過可能な出口開口３４が画成されている。出口開口３４は、シュート２８に形成された窓でよい。支持構造物３６の内部は、部分的に上面３５と下面３７とによって仕切られ、更に、出口開口３４を覆い隠していない点が特徴である。上面３５は、シュート２８を受容する開口３３を含み、したがって、電子ビーム源２２が発生させる電子を下面３７へ向けて通過させることができる。
ターゲット面４１を有するターゲット３０は、支持構造物３６内に配置されている。弾性部材３８が下面３７と結合されていることにより、ターゲット３０が上面３５と同一平面内に維持されるように、ターゲット３０に対し十分な圧力が加えられる。一好適実施例では、前記弾性部材３８は、必要な力を及ぼすのに十分な圧縮力を有する１個のばねである。別の実施例では、該弾性部材３８を、より一様な区画にわたって必要な圧力が加わるように１組のばねにしてもよい。

Ｘ線の放射特性は、ターゲット面４１の材料によって決定される。ターゲット３０は、通常、銅製だが、これは銅が優れた熱伝導体だからである。ターゲット面４１は、ターゲット本体と同じ材料製でよいが、異なる材料製でもよい。
弾性部材３８が加える圧力をターゲットに分配するため、弾性部材３８とターゲット３０との間にプレート４０を間挿してもよい。別の実施例では、プレート４０は１組の弾性部材３８に結合しても良い。該弾性部材３８は、既述のばね等の１組のばね等でよい。

ターゲット３０は、更に少なくとも１ターゲット区画設定器３２に接続されている。ターゲット区画設定器３２の操作により、ターゲットがＸ線で衝撃付与されている間に、ターゲット３０を縦軸線と直角方向に目標距離だけ移動させることができる。一好適実施例では、ターゲット区画設定器３２は、支持構造物３２に取り付けられ、機械式手段を用いてターゲット３０を移動させる。ターゲット区画設定器３２は、支持構造物３６の外部から接近可能であり、制御ユニット、例えばパーソナルコンピュータからの信号に応じて動作する電気機械式装置でよい。例えば、ターゲット区画設定器は、サーボモータ又は他の何らかの適当な種類の電気機械式モータでよい。冷却機構３９は、電子の衝撃によって生じるターゲット３０の熱を除去するために、支持構造物３６の内部に導入できる。

図２は、ターゲットチャンバ１４の一部を除去して示した図で、特に、シュート２８と支持構造物３６との連結部が詳細に示されている。特に注目すべき点は、既述のように、Ｘ線が出口開口３４を通過できるように、支持構造物３６が付形されている点である。
図３は、縦軸線方向で見たターゲットチャンバ１４の断面図である。図示のように、ターゲット区画設定器３２は、第２ターゲット区画設定器３３に対し直角の位置で支持構造物３６の周囲に配置されている。ターゲット区画設定器３２は、ｘ軸に沿ってターゲット３０を移動させ、ターゲット区画設定器３３はｙ軸に沿ってターゲット３０を移動させるようにされている。したがって、ターゲット区画設定器３２，３３の操作により、ｘ‐ｙ平面内でターゲット３０の移動が調整される。ｘ‐ｙ平面内でのターゲット３０の移動により、電子の照射付与区画が最大化される。図１‐図３に示した実施例では、上面３５は、ターゲット区画設定器３２，３３を使用してターゲット３０を移動させる間、Ｘ線源の位置が変化しないように、通常、ターゲット面４１と平行になっている。

再び図１を参照して言えば、Ｘ線源１０が作動すると、電子ビーム源２２は電子を発し、該電子が陽極２４の開口に入る前に加速される。開口に入った後、電子は、ターゲット電子との相互作用前には、著しくは加速せずに移動する。ターゲット３０のところで電子が突然に減速する結果、Ｘ線はあらゆる方向に分散し、出口開口３４を通過するＸ線部分は、とりわけＸ線回折に使用できる。
ターゲット３０への反復的な照射付与により、ターゲット温度が上昇し、ターゲット材料が劣化する結果、Ｘ線源１０の効率が低下する。最終的には、ターゲット３０、又はＸ線源１０全体を交換せねばならなくなる。ターゲット３０の寿命を延ばすために、本発明のターゲットは、電子の入射方向に対し直角の平面内を可動であり、電子照射が付与されるターゲット３０の区画を変えることができ、それによって、ターゲットに対する電子の照射付与面積を拡大することができる。

図４は、縦軸線方向で見たターゲット３０の略示図である。既に示したように、電子照射が付与されるターゲット３０の区画はシュート２８によって取り囲まれ、放射されるＸ線の１部は出口開口３４を通過できる。選択されたターゲット区画４２には、何らかの特定の時間に電子により衝撃付与される。操作員は、ターゲット区画設定器３２を起動して、ｘ軸に沿ってターゲット３０を変位させることで、区画４４に照射付与することができる。同じようにして、操作員は、ターゲット区画設定器３３を起動して、ターゲット３０をｙ軸に沿って変位させ、区画４６に照射付与できる。ターゲット区画設定器３２，３３は順次に又は同時に操作できる。

ターゲット３０は、Ｘ線による照射付与中に変位させることができる。もちろん、Ｘ線源は、選択した区画をＸ線で照射付与した後、スイッチを切り、次いでターゲットを変位させた後に、再度、スイッチを入れて、新たな区画をＸ線に曝露することもできる。一好適実施例では、微小集束管の場合、区画４２，４４，４６の各々は約０．０５mm^２を超えない。したがって、ターゲット３０は約１mm^２の範囲にわたって可動であり、その場合、Ｘ線源１０は、ターゲットがｘ−ｙ平面内で不動のままである従来に設計に比して、実質的に使用寿命が延長される。

図５に見られるように、ターゲット３０は、単独の開口３４の場合、例えば約８°の角度θだけ傾斜させることができる。この構成では、ターゲット３０は、両矢印５０の方向に前進後退できるが、同じように、両矢印５０の図平面に対し直角方向にも移動できる。別の構成では、図６に見られるように、１つ以上の開口３４がターゲット３０の上方に設けられ、これにより、各開口３４を通る照準線lとターゲット３０の上面とは、図５に示した角度θとは異なる或る角度δを形成する。４つ以上の開口３４が設けられる構成の場合もある。どの多開口構成の場合でも、１つの開口を通過する照準線は、隣接開口を通る照準線と通常は直角方向である。

既述のように、本発明のＸ線源は、ターゲットを移動させる効果的な微小集束能力を備えていることにより、ターゲットを変位させて、電子により照射付与される有効ターゲット区画を増すことができ、したがってＸ線源の耐久性を増すことができる。特に、ターゲットは、好ましくは平面的に構成され、入射電子ビーム方向と直角の２方向に独立的に移動可能である。
以上、本発明を一好適実施例につき説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の枠を逸脱することなしに前記好適実施例に対して種々の変更及び調節を加えることが可能である。

１０ Ｘ線源
１２ 電子発生チャンバ
１４ ターゲットチャンバ
１６ シール部材
１８ 金属製外殻
２０ 絶縁材
２２ 電子ビーム源
２４ 陽極
２６ 磁石
２８ シュート
３０ ターゲット
３２ ターゲット区画設定器
３３ 開口
３４ 出口開口
３５ 支持構造物上面
３６ 支持構造物
３７ 支持構造物下面
３８ 弾性部材
４０ プレート
４１ ターゲット面
４２ 選択した区画
４４ 次の選択区画
４６ 更に次の選択区画
５０ 両矢印

Claims (1)

1. Ｘ線源において、該Ｘ線源に、
   電子を発出する電子ビーム源（２２）を含む電子発生チャンバ（１２）と、
   ターゲット（３０）及び支持構造物（３６）を含むターゲットチャンバ（１４）とが含まれ、前記ターゲット（３０）が平らな面（４１）を有し、前記支持構造物（３６）が下面（３７）と上面（３５）とを有する内部区域を有し、前記ターゲット（３０）が、その平らな面と事実上平行の少なくとも１方向に支持構造物の内部区域を並進運動可能であり、前記発出された電子が、電子発生チャンバ（１２）からターゲットチャンバ（１４）へ延在する縦軸線と事実上平行にターゲット（３０）へ向って移動し、ターゲット（３０）に照射付与することでＸ線を発生させ、前記Ｘ線源には更に、
   電子発生チャンバ（１２）とターゲットチャンバ（１４）とを連結する可とう性シール部材（１６）と、
   前記ターゲット（３０）に接続され、ターゲット（３０）に電子が照射付与する間に、ターゲット（３０）の平らな面と事実上平行の少なくとも１方向に沿ってターゲット（３０）を変位させるようにされた第１ターゲット区画設定器（３２）と、
   前記ターゲットに接続され、前記縦軸線と事実上直角であり且つ前記１方向とは異なる少なくとも１つの第２方向に沿ってターゲットを変位させるようにされている第２ターゲット区画設定器（３３）とが含まれている、Ｘ線源。

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