JP2013538421A - 高分解能ｘ線装置用の微小焦点ｘ線管 - Google Patents

Abstract

高分解能Ｘ線装置用の微小焦点Ｘ線管（１１）は、ハウジング（３４）、電子ビーム（２４）を生成するための電子ビーム源（１５）、およびターゲット（２３）上に電子ビーム（２４）を集束させるための集束レンズ（２２）を備える。Ｘ線管（１１）は、液体冷却媒体を循環させるために設置される、実質的に回転対称の環状の冷却チャンバ（３０）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジング、電子ビームを生成するための電子ビーム源、およびターゲット上に電子ビームを集束させるための集束レンズを備える高分解能Ｘ線装置用の微小焦点Ｘ線管に関する。

そうしたＸ線管は、例えば、高分解能コンピュータ断層撮影装置用に知られている。

検出器技術、計算能力および記憶容量における進歩、ならびに微小焦点Ｘ線管の分解能の向上により、微小ＣＴによって、サブミクロンの範囲までの非常に高い空間分解能（ボクセルサイズ）でボリューム再構成が可能である。

高分解能で再構成するために必要なすべてのＸ線投影の測定には、通常、数時間かかるため、サンプル投影の熱的に誘起される変位が検出器上で著しい問題を起こす。これらの変位は、ソフトウェアをベースとしたアルゴリズムを使用して補正されることが知られているが、こうして実現される分解能の改善には限度がある。

熱的に鈍感なマニピュレータ上の集束点に管を固定することはできないので、決定的に重要な構成部品は、Ｘ線管である。Ｘ線管は、マニピュレータ上の焦点と管のアタッチメントとの間の、管状のハウジング上の熱的に敏感な（通常、金属の）接続部にいつもあり、そのためさらなる手段がなければ、測定持続時間全体にわたってＸ線管の焦点位置が、かなり移動することになる。

測定持続時間全体にわたって、Ｘ線管の焦点位置をできる限り一定に維持するための通常の手段は、走査を開始する前に、管を動作温度にまで加熱し、熱平衡に達するまで待つことにある。しかし、Ｘ線管の質量が相当にあり、付随する熱容量が大きいため、熱平衡に達するまで、数時間かかる。さらに、熱平衡は、管の各パラメータの変化にともなって再び乱され、さらに著しい遅れを引き起こす。

米国特許第２６０８６６４号明細書

本発明の目的は、産業用途において、より短い時間でより高い分解能でデータを得ることを可能にする微小焦点Ｘ線管を提供することである。

本発明は、独立請求項１の特徴を用いてこの問題を解決する。冷却チャンバを通って流れる冷却媒体を用いてＸ線管を冷却することにより、熱的に誘起される焦点位置の変位が打ち消される。ここでの決定的な特徴は、本発明による冷却チャンバが本質的に回転対称であるということである。そのために、回転対称の熱入力により、具体的には、電子光学系におけるエネルギーの消費、および管状ハウジングの表面全体にわたる熱エネルギーの吸収により主に生成される、管における実質的に回転対称の温度分布が、管が熱平衡にない場合でも、きちんと得られる。管における回転対称の温度分布を維持することによって、焦点の横方向変位、すなわち焦点面に構成される、回転軸に垂直な方向の変位を、極めて効果的に抑えることができる。焦点面内でのこれらの変位は、検出器の空間分解能に大きな影響があるため、本発明によって、ボリューム再構成における空間分解能の著しい向上を実現できる。管の予備加熱および熱平衡を調節するために待機することが省略でき、これによって全体の測定持続時間が相当に低減される。

本発明による本質的に回転対称の冷却により、本質的に集束点の軸方向の熱変位のみが残る。これらは、検出器の空間分解能にあまり有害な影響を与えない。さらに、必要な場合は、冷却能力を向上することによって、すなわち適切に設計された冷却ポンプによって、焦点の軸方向の熱変位を、効果的に防ぐことができる。

本発明は、特に著しいずれが冷却の回転対称によって軸方向端部領域に生じる場所において、環状の冷却チャンバを通る、回転軸の周りに螺旋状に配置された特定の冷却配管によって有利に区別される。

冷却チャンバの断面積は、長手方向断面において、冷却チャンバに接続される冷却管の断面積の少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１０倍の大きさであるのが好ましい。この特徴は、所与のサイズに対して冷却チャンバにおける冷却体積を最も大きくできるため、特に効率的な冷却に寄与する。同じ理由で、好ましくは、冷却チャンバの正味の内部寸法は、長手方向断面において、冷却チャンバの壁厚より大きく、その結果、利用可能空間と同程度の空間が冷媒体積として使用される。

冷却チャンバは、環状の円筒状に形成され、冷却チャンバの径方向の内部壁および径方向の外部壁が、円筒状に成形されるのが好ましい。この形態によって、所与のサイズで冷却できる体積が最も大きくできるため、特に効率的な冷却が可能となり、製造技術の点から見ても有利である。

冷却媒体用の入口および出口は、管の円周方向において相互にオフセットされて配置され、より好ましくは少なくとも９０°、さらにより好ましくは１８０°オフセットされて、すなわち、それぞれが、管軸に関して反対側に配置されるのが好ましい。この配置によって、冷却チャンバの体積全体を均一に流れることができる。

本発明は、添付図面参照して、有利な実施形態に基づいて以下に説明される。

微小コンピュータ断層撮影システムの概略図である。 微小コンピュータ断層撮影システムの概略図である。 長手方向軸に垂直なＸ線管の断面図である。 第２の実施形態におけるＸ線管の長手方向断面図である。 第３の実施形態におけるＸ線管の長手方向断面図である。 図３に対する代替の実施形態における長手方向軸に垂直なＸ線管の断面図である。

図１に示されるように、微小コンピュータ断層撮影装置は、サンプル１３の１組のＸ線投影を受け取るように構成されたＸ線システム１０を備える。この目的のために、Ｘ線システム１０は、微小焦点Ｘ線管１１、Ｘ線管１１の集束点すなわち焦点１６を基に放射されるＸ線放射１４、撮像Ｘ線検出器１２、および垂直軸の周りにサンプル１３を回転させるために好ましくは設置されるサンプル保持具２０を備える。Ｘ線検出器１２は、好ましくは表面検出器、具体的には平面パネル検出器であるが、線形検出器も可能である。サンプル１３の１組のＸ線投影は、それぞれ、例えば、定められた小さな角度ステップを受け取り、サンプル保持具２０を少しずつ回転させることによって各回転角度においてＸ線投影を記録する。Ｘ線システム１０は、垂直軸周りのサンプル保持具２０の回転に限定されない。別法として、例えば、Ｘ線管１１およびＸ線検出器１２は、静止したサンプル１３の周りを回転する。

Ｘ線投影は、Ｘ線検出器１２から読み込まれ、計算装置４１に伝達され、そこでサンプル１３の再構成された３次元のボリュームデータが、基本的に知られている再構成アルゴリズムによって、記録されたＸ線投影の組から計算され、例えば画面４２上に表示されうる。また、計算装置４１は、図１に示されるように、Ｘ線源１１、サンプル保持具２０、およびＸ線検出器１２を制御するために設置することができ、あるいは別個の制御装置を設けることができる。

微小焦点Ｘ線管１１は、カソードエレメント１５、ウェーネルト円筒２１、アノード１９、好ましくは電磁レンズとして設計された集束レンズ２２、および電子ビームターゲット２３を含む。さらに、さらなる電磁レンズ２５が、設けられてもよく、このレンズ２５は、電子ビーム２４の周りに、ほぼ平行に位置合わせされたコンデンサレンズとして、または中間画像を生成するために好ましくは設置されるが、コンデンサレンズ２５は、絶対に必要というわけではない。また、微小焦点Ｘ線管１１は、図示しないビーム位置調節用の偏向器を含むのが都合がよい。微小焦点Ｘ線管１１は、ターゲット２３上の最小の焦点すなわち集束点が、１０μｍ以下、好ましくは４μｍ以下、さらにより好ましくは２μｍ以下になるように構成される。

微小焦点Ｘ線管１１は、複数の区画から構成されうるハウジングをさらに備える。具体的には、カソードエレメント１５を収容し、アノード１９を形成するハウジング部３５を設けることができ、集束レンズ２２を囲むハウジング部３６を設けることができ、任意で、例えば、コンデンサレンズ２５を配置することが可能な、中間に配置される中央のハウジング部３７があってもよい。ハウジング部３６を囲むコイル３３には、断熱材、具体的には、熱平衡の設定を妨げる非金属の遮蔽物あるいは層がないのが有利である。

Ｘ線管１１は、環状の冷却チャンバ３０を備え、このチャンバ３０は、図示しない冷媒ポンプと共に、冷媒配管３８を介して冷却回路に接続される入口３１および出口３２を有する。このようにして、液体冷媒、具体的には水または油が、冷却チャンバ３０を通って流れ、その結果、様々な内部および外部の熱源からの熱エネルギーの入力ならびに関連する集束点１６の管取り付け台３９に対する変位が、打ち消される。言及した熱源は、例えば、ターゲット２３への電子ビーム２４の衝突、電子光学部品２２におけるエネルギー散逸、および管ハウジング３４の表面全体にわたる熱エネルギーの吸収により発生する。

冷却チャンバ３０は、図３および６において最もよくわかるように、リング状に閉じている。図３の実施形態において、冷却チャンバ３０の内部を流れる液体は、円周状にくまなく行きわたる。本実施形態においては、入口３１および出口３２は、図３に示されるように、好ましくは互いに１８０°オフセットされ、すなわち、反対側に配置され、その結果、冷却チャンバ３０をできるだけ均一に通過することになり、冷却媒体に対する流れに優先的な方向が全く形成されない。

しかし、図６の実施形態においては、径方向の仕切り４８が、冷却チャンバ３０内に設けられており、この仕切り４８が、円周上のある点で冷却チャンバ３０の内部を流れる流体を遮断する。この場合、入口３１および出口３２は、冷却チャンバ３０を通る完全な流れが実現されるように、仕切り４８の両側の仕切り４８の領域に適切に配置される。また、本実施形態において、入口と出口は、本質的に円周方向にオフセットすることはできず、代りに、軸方向にオフセットして配置することができる。

図６による実施形態は、本発明の特徴である「実質的に回転対称の」とは、冷媒用の入口３１および出口３２、冷却チャンバ内の任意の仕切壁４８を除いて回転対称であることを意味しており、任意でさらに、回転対称が機能要素を実質的に妨げないことを示している。軸方向、径方向、および回転対称という用語は、本願では管１１の長手方向軸を参照しており、この軸は、カソード１５とターゲット２３との間の電子ビーム２４の中心軸によって定義される。

図２の実施形態において、冷却チャンバ３０は、管状のハウジング３４に対して配置され、具体的には、集束レンズ２２が、取り囲むハウジング区画３６の周りに配置される。本実施形態において、冷却チャンバ３０は、主として軸方向に延在し、すなわち、その軸方向の伸長部が、好ましくは、その径方向の伸長部の少なくとも２倍の大きさである。例えば、集束レンズ２２のコイル３３の軸方向の長さに合わせて冷却チャンバ３０の軸方向の長さを調節することができる。

図４および５の実施形態において、冷却チャンバ３０は、管状のハウジング３４内に配置されている。図４に示される変形形態においては、冷却チャンバ３０は、ハウジング部３６を囲む集束レンズ２２の外側に、ここでは中央のハウジング部３７に配置されている。図５に示される変形形態においては、冷却チャンバ３０は、コイル３３に隣接するハウジング部３６を囲む集束レンズ２２内に直接配置されている。両方の実施形態において、冷却チャンバ３０は、主に径方向に延在し、すなわち、その径方向の伸長部が、好ましくは軸方向の長さよりも少なくとも５０％大きい。例えば、集束レンズ２２のコイル３３の径方向の長さに合わせて冷却チャンバ３０の径方向の長さを調節することができる。

図２、４および５による実施形態において、集束レンズ２２のコイル３３が管１１における主な熱源であるため、冷却チャンバ３０は、集束レンズ２２のコイル３３に隣接して配置されている。しかし、本発明は、冷却チャンバ３０が集束レンズ２５に隣接する配置には限定されない。

図２〜６による実施形態において、冷却チャンバは、環状円筒の好ましい形態を有する。冷却チャンバ３０の径方向の外部壁４５および径方向の内部壁４６は、したがって円筒状に成形されている。閉じた冷却チャンバ３０の形成に必要な側壁４７は、好ましくは円板状である。

冷却チャンバ形成壁４５、４６、４７は、好ましくは、少なくとも５０Ｗ／ｍＫの良好な熱伝導度を有する材料から成り、具体的には、アルミニウム、銅、および／または真鍮をベースとする材料から作られる。

図２、４および５からわかるように、長手方向断面における冷却チャンバ３０の断面積は、接続部３１および３２を介して冷却チャンバ３０と接続される冷却配管３８の断面積の１０倍を超える大きさである。したがって、冷却チャンバ３０内の冷却媒体の流速は、好ましくは、接続部３１および３２を介して冷却チャンバ３０に接続される冷却配管３８内の１０分の１未満である。長手方向断面における冷却チャンバ３０の正味の内部寸法は、壁４５〜４７の壁厚より実質的に大きく、その結果、利用可能空間と同程度の空間が冷媒流として使用される。前述の特徴は、所与のサイズで冷却チャンバ３０における冷却体積が最大となるため効率的な冷却に寄与する。

本発明は、冷媒入口３１、冷媒出口３２、および任意選択の、仕切り４８に限定されない。複数の冷媒入口３１、複数の冷媒出口３２、および／または複数の仕切壁４８を有する他の実施形態が考えられる。

管１１は、例えば、互いに軸方向にオフセットされうる複数の冷却チャンバ３０を有することができる。

冷却チャンバ３０は、透過形ターゲットを備えた管１１に関して上で説明された。冷却チャンバ３０は、直接ビーム幾何形状、すなわち反射形ターゲットを備えた管１１に、さらなる代替物なしに有利に容易に使用されうる。

管１１は、ＣＴ装置における好ましい用途について上で説明された。しかし、部品の産業用Ｘ線検査またはＸ線測定用の他の用途が考えられる。一般に、Ｘ線管１１は、撮像検出器を有する高分解能Ｘ線装置において有利に使用されうる。

１０ Ｘ線システム
１１ Ｘ線管
１２ Ｘ線検出器
１３ サンプル
１４ Ｘ線放射
１５ カソードエレメント、電子ビーム源
１６ 集束点
１９ アノード
２０ サンプル保持具
２１ ウェーネルト円筒
２２ 集束レンズ
２３ ターゲット
２４ 電子ビーム
２５ 電磁レンズ
３０ 冷却チャンバ
３１ 入口
３２ 出口
３３ コイル
３４ ハウジング
３５ ハウジング
３６ ハウジング
３７ ハウジング
３８ 冷媒配管、冷却配管、冷却ダクト
３９ 管取り付け台
４１ 計算装置
４２ 画面
４５ 外部壁
４６ 内部壁
４７ 側壁
４８ 仕切り

Claims (9)

1. ハウジング（３４）、電子ビーム（２４）を生成するための電子ビーム源（１５）、およびターゲット（２３）上に電子ビーム（２４）を集束させるための集束レンズ（２２）を備える高分解能Ｘ線装置用の微小焦点Ｘ線管（１１）であって、液体冷却媒体を循環させるために設置された実質的に回転対称のリング状の冷却チャンバ（３０）を有することを特徴とする、Ｘ線管（１１）。
2. 長手方向断面における前記冷却チャンバ（３０）の断面積が、前記冷却チャンバ（３０）に接続されるべき冷却ダクト（３８）の断面積よりも少なくとも５倍大きいことを特徴とする、請求項１記載のＸ線管。
3. 長手方向断面における前記冷却チャンバ（３０）の正味の内部寸法が、冷却チャンバ壁（４５〜４７）の壁厚より大きいことを特徴とする、請求項１乃至２のいずれか１項記載のＸ線管。
4. 前記冷却チャンバ（３０）が、環状円筒の形状を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載のＸ線管。
5. 前記管の円周方向における前記冷却媒体用の入口（３１）および出口（３２）が、互いにオフセットされて配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載のＸ線管。
6. 前記冷却媒体用の入口（３１）および出口（３２）が、管軸に関して反対側に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載のＸ線管。
7. 前記冷却チャンバ（３０）が、前記集束レンズ（２２）のコイル（３３）に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項記載のＸ線管。
8. 前記冷却チャンバ（３０）を形成する前記壁（４５〜４７）が、少なくとも５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する材料から成ることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項記載のＸ線管。
9. 前記冷却チャンバ（３０）を形成する前記壁（４５〜４７）が、アルミニウム、銅、および／または真鍮をベースとする材料から成ることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項記載のＸ線管。