JP2015023031A - 材料試験用のｘ線試験デバイスおよびｘ線ビームによって試験対象の高分解能投影を生成するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能Ｘ線拡大投影装置を実現するためのＸ線管の電子ビーム及び回転陽極制御技術を提供する。【解決手段】高度収束Ｘ線源１０は、回転可能に搭載された陽極プレート２２および回転を制御する陽極プレートドライブ２８を有する回転陽極組立体２０および、収束式電子ビーム４２を生成する電子銃４０および電子ビーム制御ユニット５０を備える。電子ビーム制御ユニット５０は、電子ビーム偏向ユニット５２および制御ユニット５４を備え、電子ビーム４２の陽極プレート２２上への入射点４４を制御し、試験対象１００用のブラケット１０２の位置は、回転陽極組立体２０に対して固定されるかまたは固定可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線を使用する材料試験の分野に関する。特に、本発明は、Ｘ線ビームによる試験対象の高分解能拡大投影の生成に関する。

Ｘ線ビームによる試験対象の高分解能拡大投影は、できる限り点状のＸ線源の前に試験対象を配設することによって生成することができる。Ｘ線源によって放出されるＸ線は、試験対象を透過し、そこで局所的な材料特性に応じて減衰する。試験対象を透過したＸ線を空間分解方式で検出する、たとえば２次元的に延在する、たとえば平面のＸ線検出器が、試験対象の背後に配設される。こうした検出器は、黒化によって入射Ｘ線に反応するＸ線フィルムでありうる。しかし、検出器は、入射Ｘ線が電気出力信号に変換される複数の放射感応性セル／ピクセルを備える最新の半導体検出器でもありうる。たとえば、ＣＭＯＳ技術を使用して構築されるＸ線センサであって、シンチレータ層に入射するＸ線が可視光に変換され、その可視光が、その後、ＣＭＯＳ技術光感応性セルのアレイによって収集され、電気信号に変換されるＸ線センサが、従来技術から知られている。さらに、ＣＣＤ技術を使用し、空間分解能を有し、２次元に延在するＸ線検出器が、従来技術から知られており、入射Ｘ線が、直接、すなわち可視光への変換なしで、電気信号に変換される。

好ましくは２次元分解能を有する検出器に入射するＸ線は、放射線が透過した試験対象の拡大シルエットを表し、達成可能な拡大は、一方で、Ｘ線源とワークピース間の距離、他方で、Ｘ線源と検出器間の距離によって決定される。使用されるＸ線検出器の分解能（たとえば、Ｘ線フィルムの粒状性またはデジタルＸ線検出器のピクセルのサイズによって決定される）以外に、Ｘ線源の大きさが、得られる分解能を実質的に決定する。実際には、点状Ｘ線源は存在せず、むしろ、Ｘ線ビームを生成するために従来技術で一般に使用されるＸ線管の焦点の大きさは有限である。焦点の大きさが小さければ小さいほど、試験対象によって生成される投影がより明確になり、投影がより明確になることに伴い分解能がより高くなる。

高分解能を得るために、加速電極の微細収束ビームが入射する固定陽極を用いて作動するＸ線管が最近開発された。原理上、この場合、ナノメートル範囲の焦点サイズが生成されうるため、理論的には、ナノメートル範囲の大きさを有するＸ線源が実現されうる。しかし、実際には、実用的な曝射時間で実施できるように、十分なＸ線強度を生成しなければならないという問題が生じる。これは、陽極上に高い電子流を必要とする。しかし、そのプロセスにおいて陽極に伝達されたエネルギーのうち約１％だけがＸ線に変換され、付与放射エネルギーの残りの９９％は、最終的に陽極を加熱させるだけである。高い電子流による電子ビームの非常に強い収束は、同時に、陽極の局所的過熱をもたらし、それが、陽極表面に損傷をもたらしうる。この事実の結果として、ただしターゲットの熱特性によって変わるが、固定陽極の場合、電子流を同時に維持しながら焦点径を任意に減少することができない。したがって通常は、１マイクロメートルおよびそれよりわずかに小さい焦点サイズが使用される。こうしたマイクロフォーカスＸ線管を使用して、試験対象の拡大映像を生成することができ、達成可能な拡大率は５００〜５０００の範囲である。同時に、試験対象の高コントラスト映像を生成するのに数秒の曝射時間で十分であるような強度が得られうる。この場合の制限因子は、もちろん、検査される試験対象の材料厚さである。

回転陽極を有するＸ線管がＸ線を生成するために使用される場合、電子ビームは、陽極表面上のトラック上を移動するため、陽極の局所的な熱応力が低減される。したがって、原則的には、同じ焦点サイズでも回転陽極を使用すれば、より高い電子ビーム電流密度、したがってより高いＸ線強度が得られる。しかし、回転陽極Ｘ線管は、回転陽極ならびにその搭載具の機械公差によって、焦点位置が空間内で変化するという避けられない問題を持っている。さらに、従来技術から知られているほとんどの回転陽極Ｘ線管は、焦点と試験対象間の距離を短く設定することができない。その理由は、ターゲットが、一般に、高電圧下にあり、したがって、出射窓からの絶縁間隔（ｓｐａｃｉｎｇ）が制限的であるからである。後者の特性により、達成可能な拡大率が、一般にマイクロフォーカスＸ線管を使用するときに比べて著しく小さくなり、さらに、前者の特性によって、検出器上で時間積分される投影の不鮮鋭度が高くなる。このため、回転陽極Ｘ管は、高拡大率材料試験の分野では、今日に至るまで一般に使用されていない。

独国特許公開第１９８３２９７２号から、回転陽極を有するＸ線管を備えるＸ線エミッタが知られている。電子銃によって生成される収束式電子ビームが、回転陽極の回転表面に入射するため、Ｘ線が、回転陽極上の焦点から放出する。Ｘ線エミッタは、ここで、回転陽極上の焦点位置を高速で変化可能なように構成される。このために、Ｘ線エミッタは、回転陽極上の焦点の実際の位置を検出する検出器手段を備え、実際の位置は、必要とされる所定の位置と比較される。適した偏向手段を使用して、電子ビームは、焦点位置が必要とされる所定の位置に一致するように追跡される。先に述べた文書において引用されている米国特許第４，４５８，１８０号から、回転陽極上の焦点位置を変化できることは、特にＸ線によるコンピュータ断層撮影法の分野で使用されうる連続Ｘ線源を提供するのに有利でありうることが知られている。

独国特許公開第４１２９２９４号では、同様な構造の回転陽極を有するＸ線管の電子ビームが、回転陽極上の両端の位置間で左右に周期的に変動して、回転陽極の熱過負荷を防止することが開示されているが、同様な技術的問題に対処する。このＸ線源もまた、医療分野のＸ線コンピュータ断層撮影法の分野で使用することを意図される。回転陽極上の焦点位置の周期的変化の周波数を回転陽極の回転周波数に結合することが提案されている。

回転陽極を有するＸ線管はまた、独国特許公開第１９６３９９２０号から知られており、ビーム断面の変形を発生させることなく、回転陽極上の焦点位置を変化させることができるように、電子光学系内の特別な４重極組立体が使用される。

同様な提案は、国際公開第２００７／１３５６１４号から当業者に明らかであり、国際公開第２００７／１３５６１４号は、回転陽極を有するＸ線管において、回転陽極の回転角度に応じて回転陽極上の焦点位置を周期的に変化させることを提案する。これは、生成されるＸ線ビームの強度を非常に高速に変化させることができるよう作動することになっており、それが、次に、たとえば医療Ｘ線コンピュータ断層撮影法で使用されることになっている。

したがって、Ｘ線ビームによって試験対象の高分解能幾何学的投影を生成するのに適する、材料試験用のＸ線試験デバイスを明示することが本発明の目的である。この場合、このＸ線試験デバイスは、類似の拡大条件で生成されるＸ線の分解能を非常に改善することおよび／または強度をより高くすることを実現可能にするはずである。さらに、Ｘ線ビームによって試験対象の高分解能幾何学的投影を生成するための方法ならびに本発明によるＸ線試験デバイスをセットアップするための有利な方法を明示することが本発明の目的である。

この目的は、特許請求項１の特徴を有するＸ線試験デバイスによって、請求項１８記載の試験対象の高分解能投影を生成するための方法によって、ならびに、請求項１９記載のＸ線試験デバイスをセットアップするための方法よって達成される。

本発明によるＸ線試験デバイスは、材料試験のために意図され、Ｘ線ビームによって試験対象の高分解能幾何学的投影を生成するために役立つ。Ｘ線試験デバイスは、回転陽極組立体を備える高度収束式Ｘ線源を備える。この回転陽極組立体は、回転可能に搭載された陽極プレートおよび陽極プレートを回転運動するよう設定するように構成される陽極プレートドライブを備える。さらに、Ｘ線源は、好ましくは収束した電子ビームを生成するように構成される電子ビーム発生器を備える。通常、マイクロフォーカスＸ線管用の電子ビーム発生器は、たとえば熱陰極からなる電子銃および加速電界を生成するための電極ならびに生成される電子ビームを収束させるための電子光学系を備える。

さらに、本発明によるＸ線試験デバイスのＸ線源は、電子ビーム制御ユニットを備える。電子ビーム制御ユニットは、電子ビーム偏向ユニットおよび制御ユニットを備える。電子ビーム偏向ユニットは、電子銃によって生成される電子ビームを制御する、すなわち適切に変更させるのに適した手段を有する。これは、たとえば、磁界か、電界か、またはその組合せを生成させるためのコイルまたは電極でありうる。電子ビーム偏向ユニットは、陽極プレート上への、電子ビーム発生器によって生成される電子ビームの入射点を制御するために設けられる。プロセスにおいて、電子ビーム偏向ユニットは制御ユニットによって制御される。

さらに、Ｘ線試験デバイスは、試験対象用のブラケットを備え、回転陽極組立体に対するブラケットの位置は、固定または可変であるが、固定されることが可能である。試験対象の例として、実装された、任意選択で多層回路基板を挙げることができる。非常に高いＸ線強度がＸ線試験デバイスによって達成可能であるため、本発明によるＸ線試験デバイスはまた、非破壊方式で、より大きな材料厚を有する試験対象またはＸ線試験デバイスを通って移動される試験対象を試験するのに適する。

本発明は、ここで、Ｘ線試験デバイスの回転陽極組立体が、陽極プレートの回転運動中に現在の回転角度を検出するように構成される回転角度エンコーダを備えることを実現する。この場合、原理として、本発明の文脈内で使用されうる種々の回転角度エンコーダが従来技術から知られている。光学インクリメンタルカウンタ、または同様に、たとえば陽極プレートシャフトの磁化の変化に応答する磁界センサを、例として述べることができる。さらに、回転陽極の３６０°１回転の終了だけを登録する回転角度エンコーダを使用することができ、それぞれの現在の回転角度は、陽極回転速度を知ることで高い精度で計算されうる。

さらに、電子ビーム偏向ユニットの制御ユニットは、固定位置に配置される試験対象用のブラケット上の基準点Ｐに対する、回転する陽極プレートによって引起されるＸ線焦点の空間内の位置の変化が最小になるように、陽極プレートの検出された回転角度に応じて電子ビーム偏向ユニットを制御するために構成される。

導入部で既に説明したように、Ｘ線焦点、すなわち、陽極プレート上への電子ビームの入射点と、Ｘ線貫入される試験対象との間の距離の変化は、固定検出器上への試験対象の投影を経時的に変化させる。使用される検出器の時間分解能が有限であるため、これは、記録される投影の不鮮鋭度をもたらす。他方、Ｘ線焦点と試験対象との間の距離が一定に維持される場合で、かつ、Ｘ線焦点と、たとえば試験対象のブラケット上かまたは試験対象自体上に存在することができる基準点Ｐとを結ぶ接続線の角度位置だけが変化する場合、これは、結果得られる投影の拡大の変化をもたらさないが、実際には、たとえば２次元的に延在する検出器上に投影の横変位を引起す。したがって、この作用は、投影の達成可能な分解能に関して同様に不利である。

したがって、独立デバイス請求項の意味における陽極プレート上での入射点の位置変化の最小化は、検出器によって記録される幾何学的投影のできる限り低い鮮鋭度が検出器の通常の曝射時間にわたって得られるように、入射点の位置が電子ビーム制御ユニットによって設定されるという意味で理解される。検出器の通常の曝射時間は、たとえば、Ｘ線フィルムの必要とされる曝射時間またはデジタルＸ線センサの個々のピクセルの積分時間でありうる。画像処理分野では、複数の個々の画像にわたって平均化が実施される場合、物体の静止画像の品質が改善されうることが同様に知られている。好ましい開発では、したがって、安定化が、好ましくは、複数の個々の静止映像を含む時間間隔にわたって起こり、その時間間隔にわたって、平均化が、統計的画像評価の文脈内で実施される。入射点の位置変化が陽極プレートの１回転にわたって最小化される場合、これは、好ましい特別な場合になる。

電子ビーム制御ユニット用に適した制御アルゴリズムは、特に、入射点と基準点Ｐとの間の距離の変動が最小にされるように入射点の位置変化を最小にすることからなる。既に述べたように、基準点は、この場合、試験対象用のブラケット上に存在しうる。特に、基準点は、ブラケット内に配置される試験対象の縁部上にまたはブラケット内に配置される試験対象の幾何学的中心に配設されうる。原理上、当業者の専門知識の枠組み内で、当業者にとって所与の試験作業に特に適しているように見える基準点Ｐを選択することは、当業者の自由裁量に任される。

別の有利なアルゴリズムは、空間内での入射点と上述した基準点Ｐとを結ぶ接続線の角度位置の変動が最小化されるように、電子ビーム制御ユニットによる入射点の位置変化の最小化を提供する。

特に好ましい開発では、制御アルゴリズムは、入射点が直線に沿って移動するように制御ユニットを制御することを実現する。これは、空間内での入射点と基準点との間を結ぶ接続線の角度位置の変動を最小にすることを実現するときに特に有利である。

通常、上述した制御アルゴリズムは、特別な材料試験作業を実施するために当業者にとって利用可能であり、ある場合には、上述した制御アルゴリズムのいくつかの組合せが、検出器上での試験対象の幾何学的投影の最小化された不鮮鋭度という意味において最適な結果を同様にもたらしうる。

別の好ましい開発では、電子ビーム偏向ユニットの制御ユニットは記憶ユニットを備える。陽極プレートの回転角度に応じて電子ビーム偏向ユニットを制御するための情報は、この記憶ユニットに記憶される。したがって、たとえば、複数の個々の回転角度について、制御ユニットの本発明による制御のためのパラメータの回転角度固有のセットを記憶ユニットに記憶することが可能である。制御ユニットの最適化された制御についてのパラメータのセットの回転角度に依存する変化を閉関数で述べることが可能である場合、その閉関数もまた、記憶ユニットに記憶されうる。

従来技術から知られている回転陽極を有するＸ線管と対照的に、本発明によるＸ線検査デバイスにおいて、回転軸Ｄが、陽極プレートに入射する電子ビームの移動方向に関して傾斜角度θを含み、傾斜角度θは、４０°以下、好ましくは３５°以下、また特に３０°以下である。電子銃および電子ビーム偏向ユニットの設計に応じて、より小さな傾斜角度θが同様に有利でありうる。従来技術から知られている回転陽極Ｘ線管では、傾斜角度θは、しばしば、０°である。すなわち、陽極プレートに入射するＸ線ビームは、陽極プレートの回転軸に平行に配向する、または、傾斜角度θは、数°、一般に、１０°未満である。本発明による上述したＸ線源の幾何形状は、陽極プレートと試験対象との間の最小距離を非常に小さく維持することを可能にし、幾何学的投影の達成可能な拡大率に関して利点をもたらす。

これは、従来技術では通例であるように、電子ビームが、略円盤状の陽極プレートの被覆表面の１つには入射せず、円盤状または円錐台状陽極プレートのジャケット表面に電子ビームが入射する場合に、同様に当てはまる。ここで、光学分野における斜入射を暗示する入射電子ビームおよび放出Ｘ線の誘導が実現される。

電子ビームが、円盤状陽極プレートのジャケット表面に浅い角度で入射するこの構成では、本発明による回転陽極組立体は、固定陽極、特に薄い固定陽極に代わることができ、Ｘ線貫入幾何形状で使用される。特に、より高い放射強度を実現するために、先に述べた発明による回転陽極組立体によって、固定陽極を有する既存のＸ線試験デバイスを改造することが可能である。

本発明によるＸ線試験デバイスの別の有利な実施形態では、回転陽極組立体の少なくとも陽極プレートが、生成されたＸ線用の出射窓を備える取外し可能な真空気密陽極プレートハウジング内に配設される。この場合、出射（ｅｘｉｔ）窓は、有利には、たとえば、少なくとも１０°、好ましくは少なくとも３０°、特に好ましくは４０°以上の開口角度αを有する、丸い断面を有する発散Ｘ線ビームの出射を可能にする。

好ましくは、本発明によるＸ線試験デバイスは、少なくとも電子銃、マイクロフォーカスＸ線管の場合、収束ユニットであるが、好ましくは同様に電子ビーム偏向ユニットが配設される電子ビーム発生器ハウジングを備える。この電子ビーム発生器ハウジングは、真空気密性があり、たとえば電子ビーム発生器ハウジングに接続される真空ユニット、たとえば真空ポンプによって真空引きが可能である。

陽極プレートハウジングは、機械式インタフェースを備え、陽極プレートハウジングが、電子ビーム発生器ハウジングに真空気密方式で交換可能なように接続されうるという効果がある。このために、電子ビーム発生器ハウジングは、有利には、陽極プレートハウジングに接続するための機械式インタフェースを備えるが、しかし、少なくとも、陽極プレートハウジングの機械式インタフェースを電子ビーム発生器ハウジングに接続するための適したシール表面を同様に備える。

有利な開発では、陽極プレートハウジングおよび電子ビーム発生器ハウジングは、互いに流体接続されるため、相互接続されたハウジングは、たとえば電子ビーム発生器ハウジングに接続される排気ユニットによって連携して排気されうる。

他の利点は、少なくとも陽極プレートが、冷却デバイスに接続される取外し可能な真空気密陽極プレートハウジング内に配設される場合の結果である。この冷却デバイスは、陽極プレートハウジングの壁からの熱放散のために設計される。冷却デバイスは、たとえば陽極プレートハウジングの外側面上に形成される冷却フィン形態の受動冷却デバイスでありうる。冷却デバイスはまた、たとえばヒートパイプ形態の熱放散用デバイスでありうる。さらに、冷却デバイスはまた、たとえば、冷却剤回路内で伝導され、熱交換器を通して冷却される、オイルまたは水などの冷却流体が陽極プレートハウジングの外側壁の周りに流れる能動冷却デバイスでありうる。

運転時、１，２００℃を超える温度まで加熱する陽極プレートと環境との間の熱交換は、陽極プレートの表面と陽極プレートハウジングの内側壁の間の放射熱交換によって最もしばしば行われる。放射熱交換による陽極プレートから陽極プレートハウジングへの熱伝達効率は、この場合、陽極プレートの表面か、陽極プレートハウジングの内側壁か、または両方のコンポーネントが、熱交換を改善するコーティングを全体的にまたは部分的に備える場合に増加されうる。必要とされる耐熱性を同様に有する対応するコーティングは、従来技術から当業者に知られている。この場合、陽極プレートの表面が、こうしたコーティングを部分的に備えるだけであるため、電子ビームが陽極プレートに入射する領域は未コーティングのままであることが特に実現されうる。

陽極プレートからの熱放散のさらなる改善は、陽極プレートが、流体軸受であって、その外側表面がたとえば周囲の空気または冷却流体によって環境と流体熱交換状態にある本体と熱伝導接触状態にある、流体軸受によって支持される場合に達成される。この本体は、特に、陽極プレートハウジング自体でありうる。こうした軸受はまた、流体力学的軸受と呼ばれ、たとえばオイルまたは同様に水が、２つの軸受表面の間に潤滑剤として配設され、２つの軸受表面は、したがって、互いに接触しない。

本発明によるＸ線試験デバイスの回転陽極組立体の特にコンパクトな構造は、陽極プレートドライブが、陽極プレートの回転軸Ｄと同一線上に配設される出力シャフトを備える場合に得られる。出力シャフトの回転軸が陽極プレートの回転軸Ｄに一致する場合が特に有利である。

陽極プレートハウジングが本発明によるＸ線試験デバイスの運転のために排気されなければならないため、陽極プレートドライブが陽極プレートハウジングの外側に配設される場合が一般に有利である。この構成では、陽極プレートドライブの出力シャフトが真空気密回転継手によって陽極プレートに回転不能に接続される場合が有利である。真空気密回転継手が陽極プレート用の回転搭載具（ｒｏｔａｒｙ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）として同時に機能する場合に、特定の利点が達成される。挿入された陽極プレートシャフトによって、陽極プレートと、機械的に、したがって熱的に直接接触状態にある回転継手が、流体軸受であって、流体軸受による陽極プレートから陽極プレートハウジングまでの熱伝達が熱伝導によって可能である、流体軸受として構成される場合が特に有利である。Ｘ線ビームによって試験対象の高分解能Ｘ線貫入型幾何学的投影を生成するための有利な方法は、
ａ．請求項１記載のＸ線試験デバイスを設けるステップと、
ｂ．ブラケット内に試験対象を配設するステップと、
ｃ．回転する陽極プレートから放出するＸ線を試験対象に透過させるステップと、
ｄ．陽極プレートの回転角度を検出し、固定位置に配置されたブラケット上の基準点Ｐに対する陽極プレート上の入射点の位置変化が最小になるように、検出された回転角度に応じて電子ビーム偏向ユニットを制御するステップとを含む。

本発明によるＸ線試験デバイスおよび本発明による方法は、少なくともＸ線用のマイクロフォーカス式高強度線源の実現を可能にし、そのマイクロフォーカス式高強度線源では、Ｘ線源の位置ならびに放射方向が、回転陽極Ｘ線管によって得られる結果に比べてかなり高い安定性を有し、また、マイクロフォーカス式高強度線源は、放射安定性に関して、従来技術から知られている固定陽極を有するマイクロフォーカスＸ線管に近似する。同時に、同じ分解能の場合、マイクロフォーカス式高強度線源は、かなり高いＸ線強度を可能にするため、よい大きな材料厚を有するまたはより短い曝射時間の使用による試験対象の検査が可能になる。そのため、Ｘ線ビームによる高分解能材料試験において、全く新しい応用分野が開かれる。

請求項８記載のＸ線試験デバイスをセットアップするための特に有利な方法は、
ａ．請求項１記載のＸ線試験デバイスを設けるステップと、
ｂ．ブラケット内に試験対象を配設するステップと、
ｃ．回転する陽極プレートから放出するＸ線を試験対象に透過させるステップと、
ｄ．陽極プレートの回転角度を検出し、固定位置に配置されたブラケット上の基準点Ｐに対する陽極プレート上の入射点の位置変化が最小になるように、検出された回転角度に応じて電子ビーム偏向ユニットを制御するステップとを含む。

入射点の回転角度依存性位置変化は、たとえば、基準点Ｐからの入射点の距離の変化または空間内での入射点と基準点とを結ぶ接続線の位置変化のいずれかを実験的に検出すること、またはその両方を検出することによって実験的に検出されうる。これは、たとえば基準構造の画像形成によって行われることができ、２次元的に延在する検出器上の画像全体の拡大率の変化および変位が陽極プレートの回転角度の関数として検出される。先に述べた量はその関数から決定されうる。基本的な仮定、たとえば陽極プレートが円柱形状であり、陽極プレートの回転軸が対称軸に対してわずかにオフセットしているという仮定が与えられると、電子ビーム偏向ユニットを制御するためのパラメータのセットが計算によって決定されうる。このパラメータのセットを適用することによって、すなわち、そのセットによって決定される「補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）」を適用することによって、電子ビーム偏向ユニットによって、陽極プレート上への入射点の位置変化が最小化される。

ここで、本発明の文脈において「入射点の位置変化を最小化すること（ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）」は、特に、陽極プレートの回転運動によって引起される、２次元的に延在する検出器上で生成される試験対象の投影の不鮮鋭度の作用が、入射点の回転角度依存性制御によって最小化されることを意味すると理解されることがやはり留意される。既に述べたように、生成されるＸ線の方向の変化の影響および入射点と試験対象との間の距離の変化によって引起される投影の拡大率の変化が共に、この場合、考慮されなければならない。

先に述べた方法の特に好ましい実施形態では、電子ビーム偏向ユニットを制御するためのパラメータは、補償の適用、すなわち、選択された／記憶されたパラメータのセットに応じた電子ビーム偏向ユニットによる能動ビーム制御に続いて、陽極プレート上で電子銃によって生成される電子ビームの入射点が直線に沿って移動するように選択される。この直線が入射点と基準点とを結ぶ接続線に実質的に一致する場合、特定の利点が生じる。

本発明の他の利点および特徴は、例示的な実施形態を参照してより詳細に以下で説明される。例示的な実施形態は、添付図面を参照してより詳細に説明されることになる。

本発明による電子ビーム制御なしで運転される、本発明によるＸ線試験デバイスの略図である。 本発明による電子ビーム制御によって運転される、図１からの本発明によるＸ線試験デバイスの略図である。 本発明によるＸ線試験デバイスの例示的な実施形態のＸ線源の斜視図である。 図３からのＸ線源の部分断面図である。

図１は、本発明によるＸ線試験デバイス１の略図を示す。Ｘ線試験デバイス１は、Ｘ線源１０を備え、Ｘ線源１０によって、ブラケット１０２内に保持される試験対象１００の拡大幾何学的投影が、２次元的に延在する検出器６０上に生成される。Ｘ線源１０は、シャフト２４上に回転可能に搭載される陽極プレート２２を備える回転陽極組立体２０を備える。その出力シャフトが陽極プレートの回転軸Ｄまたは陽極プレートに接続されるシャフト２４と同一線上で接続される陽極プレートドライブ２８は、シャフト２４に回転不能に接続される。陽極プレート２２は、円盤状方式で構成され、また、たとえばタングステンで構成され、陽極プレート２２に適した材料の選択は、当業者の専門家知識に基づいて当業者によく知られている。

電子ビーム４２は、電子銃４０によって生成され、電子銃４０は、電子ビーム４２を形成するために下流の電子光学系４３によって加速され集中される自由電子を生成するための熱陰極４１を備える。

電子ビーム４２、たとえば、電界または磁界の伝搬に作用する全ての影響がシールドオフされる場合、電子ビーム４２は、直線を伝搬し、入射点４４、４４’で、陽極プレート２２のジャケット表面に当たる。Ｘ線試験デバイス１の運転中、陽極プレート２２は、陽極プレートドライブ２８によって回転運動するように設定され、５０〜４０００回転／分の通常回転速度が実現される。

避けられない機械公差によって、たとえば、回転陽極組立体２０の搭載具またはシャフト２４上への陽極プレート２２の偏心搭載具において、回転軸Ｄに対する入射点４４、４４’の半径位置ならびに回転軸Ｄの縦方向への横位置が共に変化する。これは、回転する陽極プレート２２の一番端の２つの位置について図１において破線で例示的な方式で示される。入射点４４は、最大半径距離を有する、陽極プレート２２のジャケット表面上での入射位置を示す。対照的に、４４’は、最小の半径位置が起こる入射点を示す。入射点４４、４４’の半径距離の変動以外に、回転軸Ｄの方向に沿う、すなわち横方向の入射点４４、４４’の変位が同様に存在することも図１からすぐに明らかである。

例として、電子ビーム４２が、点４４で陽極プレート２２のジャケット表面に入射すると、画像形成が、ここで観察される。入射点４４は、Ｘ線用の大体点状の線源を構成し、その線源から、開口角度α（図１に示さず）を有するビーム束が、陽極プレートハウジング３２（図示せず）内に設けられた出射窓３４（図示せず）を通して陽極プレートハウジング３２から出射し、ブラケット１０２内に配置された試験対象１００に当たる。試験対象１００を通過するとき、Ｘ線の材料固有の局所的に変動する減衰が起こり、その減衰が、次に、試験対象１００からある距離を隔てて配設されたＸ線検出器６０によって、空間分解方式で検出される。図示する例示的な実施形態では、Ｘ線検出器６０は、ＣＭＯＳ設計で２次元的に分解するデジタルＸ線検出器として構成され、その検出器は、たとえば、２０〜４０ｃｍの正方形検出器表面の通常の縁部長に関して１０２４×１０２４ピクセルの分解能を有する。もちろん、他の検出器構成、特に、球セグメントの表面としてのアクティブな検出器表面の設計も考えられる。

入射点４４から図１において出る、連続ラインで描かれる辺縁ラインは、検出器６０上で生成される、検出器６０のアクティブな表面上の試験対象１００の拡大画像の大きさを概略的に示す。

ここで、回転軸Ｄから最小半径距離を有する入射点４４’が観察され、またやはり、入射点４４’から始めて、検出器６０上に生成される試験対象１００の幾何学的投影が観察される場合、生成される幾何学的投影は、２つの破線によって境界指定される。明らかに、陽極プレート２２の１回転で見られるように、試験対象１００の幾何学的投影のかなりの変位が検出器６０のアクティブな表面上で起こる。この変位は、最終的に、検出器６０によって検出される試験対象１００の幾何学的投影の不鮮鋭度をもたらす。一方、この変位は、試験対象１００からの入射点４４の距離の変化によって引起され、幾何学的投影の拡大率の変化を伴う。他方、回転軸Ｄ上の入射点４４の横位置の変化が、検出器６０上の投影の幾何学的位置の変位を伴うことが図１から明らかになる。検出器６０の時間分解能力が有限であるため、両方の作用は、検出器６０によって記録されたＸ線画像の不鮮鋭度を引起し、その不鮮鋭度は、試験対象１００の記録されたＸ線画像が陽極プレート２２の１回転以上にわたって積分されるときに特に明瞭になる。これは、一方で、Ｘ線検出器６０の相応して長い曝射時間によって、他方で、検出器６０によって記録された、高い時間分解を有する複数の連続する個々の画像の重ね合せによっても実現されうる。

図２によるＸ線試験デバイス１の運転モードにおいて、依然として設けられる電子ビーム制御ユニット５０が起動され、本発明による方法が実施されることを可能にする。電子ビーム制御ユニット５０は、たとえば磁界を発生する２つのコイルを備える電子ビーム偏向ユニット５２を備える。電子ビーム４２は、陽極プレート２２に行く途中で磁界を通過する。さらに、電子ビーム制御ユニット５０は、回転角度エンコーダ３０に接続された制御ユニット５４を備え、回転角度エンコーダ３０は、適した方式で、回転軸Ｄの周りのシャフト２４の現在の回転角度γを検出し、それを制御ユニット５４に送信する。

さらに、記憶ユニット５６が制御ユニット５４内に設けられ、記憶ユニット５６内に、電子ビーム偏向ユニット５２を制御するための、図示する例示的な実施形態では、磁界を発生する、電子ビーム偏向ユニット５２が含むコイルのパラメータのセットが記憶される。このパラメータのセットは、たとえば、請求項８記載の先の較正プロセスにおいて決定されうる。

この例示的な実施形態では、記憶ユニット５６に記憶されるパラメータのセットは、ここで、電子ビーム４２が積極的に制御されるよう、この場合特に、陽極プレート２２のジャケット表面上のその入射点４４、４４’が積極的に制御されるよう、電子ビーム偏向ユニットのコイルを電子ビーム制御ユニット５０が制御するように決定された。ここで示す本発明による方法の特に好ましい実施形態では、パラメータのセットは、陽極プレート２２の回転軸Ｄの周りの陽極プレート２２の１回転にわたって、入射点４４、４４’が直線Ｇに沿って移動するように決定された。この場合、直線Ｇは、入射点４４と、ブラケット１０２内の試験対象１００の周辺外囲器上に配設される基準点Ｐとを結ぶ接続線によって与えられる。この場合、Ｘ線検出器６０上で形成する試験対象１００の幾何学的投影の上側縁部が、入射点４４の先に述べた制御中にその位置を変化させないことが図２からすぐ明らかになる。入射点４４’から出る破線は、入射点４４’から始めて生じる投影を示し、次に、このプロセスで生じるＸ線検出器６０上の試験対象１００の投影の２番目に端の位置をマーキングする。

図１および図２の比較は、本発明によるプロセスによって引起されるＸ線検出器６０上での試験対象１００の投影の結果得られるかなり減少した変位／変化をすぐに明らかにする。

本発明によるＸ線試験デバイス１の例示的な実施形態のＸ線源１０の斜視図を示す図３から、電子ビーム発生器ハウジング４６および電子ビーム発生器ハウジング４６に接続される陽極プレートハウジング３２が明らかである。さらに、陽極プレートハウジング３２の外側に配設される陽極プレートドライブ２８のハウジングが見られ、同様に、陽極プレートハウジング内に配設される冷却剤チャンバ３８を通して冷却剤を流すのに役立つ陽極プレートハウジング３２の能動冷却デバイス３６の接続が見られうる。

この冷却剤チャンバ３８は、図４による断面図から明らかになり、図４は、陽極プレート２２、シャフト２４、および陽極プレートドライブ２８からなる回転陽極組立体２０をさらに示す。この場合、陽極プレートドライブ２８は、陽極プレートハウジング３２の外側に配設され、陽極プレートドライブ２８の出力シャフトは、真空気密回転継手２６によってシャフト２４に回転不能に接続される。

陽極プレートハウジング３２はまた、真空気密性があるように構成され、電子ビーム発生器ハウジング４６に流体接続され、電子ビーム発生器ハウジング４６はまた、陽極プレートハウジング３２が、電子ビーム発生器ハウジング４６に接続される排気ユニット４８（図示せず）、たとえば真空ポンプによって同様に排気されるように真空気密性があるように構成される。

さらに、陽極プレートハウジング３２は、発生したＸ線について低い吸収係数だけを有する材料からなる出射窓３４を備える。通常、１０°〜５０°、好ましくは約４０°の開口角度αを有するＸ線束が出射窓３４から出射する。

１ Ｘ線試験デバイス
１０ Ｘ線源
２０ 回転陽極組立体
２２ 陽極プレート
２４ シャフト
２６ 回転継手
２８ 陽極プレートドライブ
３０ 回転角度エンコーダ
３２ 陽極プレートハウジング
３４ 出射窓
３６ 冷却デバイス
３８ 冷却剤チャンバ
４０ 電子銃
４１ 熱陰極
４２ 電子ビーム
４３ 電子光学系
４４ 入射点
４６ 電子ビーム発生器ハウジング
４８ 排気ユニット
５０ 電子ビーム制御ユニット
５２ 電子ビーム偏向ユニット
５４ 制御ユニット
５６ 記憶ユニット
６０ Ｘ線検出器
１００ 試験対象
１０２ ブラケット
Ｄ 陽極プレートの回転軸
Ｐ 基準点
α 出射するＸ線束の開口角度
γ 陽極プレートの回転角度
θ 回転軸Ｄと入射点における電子ビームの方向との間の傾斜角度

Claims (20)

1. Ｘ線ビームによって試験対象（１００）の高分解能幾何学的投影を生成するための材料試験用のＸ線試験デバイス（１）であって、
   ａ．高度収束式Ｘ線源（１０）であって、以下の特徴、すなわち、
   ｉ．回転可能に搭載された陽極プレート（２２）および前記陽極プレート（２２）を回転運動するよう設定するように構成される陽極プレートドライブ（２８）を有する回転陽極組立体（２０）、
   ｉｉ．収束式電子ビーム（４２）を生成するように構成される電子銃（４０）、および、
   ｉｉｉ．電子ビーム制御ユニット（５０）であって、電子ビーム偏向ユニット（５２）および制御ユニット（５４）を備え、前記電子銃（４０）によって生成される前記電子ビーム（４２）の、前記陽極プレート（２２）上への入射点（４４）を制御するように構成される、電子ビーム制御ユニット（５０）
   を含む、高度収束式Ｘ線源（１０）と、
   ｂ．試験対象（１００）用のブラケット（１０２）であって、前記回転陽極組立体（２０）に対するブラケット（１０２）の位置は、固定されるかまた固定可能である、ブラケット（１０２）とを備えるＸ線試験デバイス（１）であって、
   ｃ．前記回転陽極組立体（２０）は、前記陽極プレート（２２）の回転角度γを検出するように構成される回転角度エンコーダ（３０）をさらに備え、
   ｄ．前記制御ユニット（５４）は、固定位置に配置された前記ブラケット（１０２）上の基準点Ｐに対する前記陽極プレート（２２）上の入射点（４４）の位置変化が最小になるように、前記陽極プレート（２２）の前記検出された回転角度γに応じて前記電子ビーム偏向ユニット（５２）を制御するために構成されることを特徴とするＸ線試験デバイス（１）。
2. ａ．前記Ｘ線源（１０）によって放出されるＸ線を、前記ブラケット（１０２）内に配置された試験対象（１００）を透過後に記録するよう構成されそれにより、前記試験対象（１００）の幾何学的投影を可視化する、Ｘ線検出器（６０）をさらに備え、
   ｂ．前記制御ユニット（５４）は、前記Ｘ線検出器（６０）上への前記試験対象（１００）の前記幾何学的投影の拡大および／または位置のできる限り小さい変化が、前記Ｘ線検出器（６０）の通常の曝射時間にわたって生じるように、前記入射点（４４）の位置変化を最小にするように構成されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
3. 前記制御ユニット（５４）は、前記入射点（４４）と前記基準点Ｐとの間の距離の変動を最小にすることによって、前記入射点（４４）の位置変化を最小にするよう構成されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
4. 前記制御ユニット（５４）は、空間内での前記入射点（４４）と前記基準点Ｐとを結ぶ接続線の角度位置の変動を最小にすることによって、前記入射点（４４）の位置変化を最小にするよう構成されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
5. 前記制御ユニット（５４）は、前記入射点（４４）を直線に沿って移動させることによって、前記入射点（４４）の位置変化を最小にするよう構成されることを特徴とする請求項１または４記載のＸ線試験デバイス（１）。
6. 前記基準点Ｐは、前記ブラケット（１０２）内に配置された試験対象（１００）の縁部上に配置されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
7. 前記基準点Ｐは、前記ブラケット（１０２）内に配置された試験対象（１００）の縁部の幾何学的中心に配置されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
8. 前記制御ユニット（５４）は、記憶ユニット（５６）を備え、前記記憶ユニット（５６）に、前記陽極プレート（２２）の回転角度γに応じて前記電子ビーム偏向ユニット（５２）を制御するための情報が記憶されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
9. 傾斜角度θであって、前記陽極プレート（２２）の回転軸Ｄが、前記陽極プレート（２２）に入射する前記電子ビーム（４２）の方向を含む、傾斜角度θは、４０°以下、好ましくは３５°以下、特に３０°以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
10. 少なくとも前記陽極プレート（２２）は、取外し可能な真空気密陽極プレートハウジング（３２）内に配設され、前記陽極プレートハウジング（３２）は、生成されたＸ放射用の出射窓（３４）を有し、前記出射窓（３４）は、少なくとも１０°、好ましくは少なくとも３０°、特に好ましくは４０°以上の開口角度αを有する発散Ｘ線ビームの出射を可能にすることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
11. 少なくとも前記陽極プレート（２２）は、前記陽極プレートハウジング（３２）の壁からの熱放散のために設計される冷却デバイス（３６）に接続された取外し可能な真空気密陽極プレートハウジング（３２）内に配設されることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
12. 前記陽極プレート（２２）および／または前記陽極プレートハウジング（３２）の内壁は、コーティングを有し、前記コーティングは、前記陽極プレート（２２）と前記陽極プレートハウジング（３２）の内壁との間の、放射線交換による熱交換が、未コーティングの前記陽極プレート（２２）または前陽極プレートハウジング（３２）と比較して増加することを可能にすることを特徴とする請求項１１記載のＸ線試験デバイス（１）。
13. 少なくとも前記陽極プレート（２２）は、取外し可能な真空気密陽極プレートハウジング（３２）内に配設され、前記陽極プレートハウジング（３２）は、少なくとも前記電子銃（４０）、好ましくは同様に前記電子ビーム偏向ユニット（５２）が配設される電子ビーム発生器ハウジング（４６）に対する交換可能な真空気密接続部の機械式インタフェースを備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
14. 前記陽極プレートハウジング（２２）は、前記電子ビーム発生器ハウジング（４６）を真空引きする真空ユニットによって真空引きされるように、前記電子ビーム発生器ハウジング（４６）に接続されうることを特徴とする請求項１３記載のＸ線試験デバイス（１）。
15. 前記陽極プレートドライブ（２８）は、前記陽極プレート（２２）の回転軸Ｄと同一線上に配設される出力シャフトを備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）。
16. 前記出力シャフトの回転軸は、前記陽極プレート（２２）の回転軸Ｄに一致することを特徴とする請求項１５記載のＸ線試験デバイス（１）。
17. 前記陽極プレートドライブ（２８）は、前記陽極プレートハウジング（３２）の外側に配設され、前記出力シャフトは、真空気密回転継手（２６）によって前記陽極プレート（２２）に回転不能に接続されることを特徴とする請求項１６記載のＸ線試験デバイス（１）
18. Ｘ線ビームによって試験対象（１００）の高分解能幾何学的投影を生成するための方法であって、
    ａ．請求項１記載のＸ線試験デバイス（１）を設けるステップと、
    ｂ．ブラケット（１０２）内に前記試験対象（１００）を配設するステップと、
    ｃ．前記回転する陽極プレート（２２）から放出するＸ線を前記試験対象（１００）に透過させるステップと、
    ｄ．前記陽極プレート（２２）の回転角度γを検出し、固定位置に配置された前記ブラケット（１０２）上の基準点Ｐに対する前記陽極プレート（２２）上の入射点（４４）の位置変化が最小になるように、前記検出された回転角度γに応じて前記電子ビーム偏向ユニット（５２）を制御するステップとを含む方法。
19. 請求項８記載のＸ線試験デバイス（１）をセットアップするための方法であって、
    ａ．固定位置に配置された前記ブラケット（１０２）上の基準点Ｐに対する前記陽極プレート（２２）上の入射点（４４）の回転角度依存性位置変化を検出するステップと、
    ｂ．前記陽極プレート（２２）の回転中の前記入射点（４４）の前記検出された位置変化が最小になるように前記電子ビーム偏向ユニット（５２）を制御するのに適するパラメータを決定するステップと、
    ｃ．前記制御ユニット（５４）による呼出しのために前記パラメータを前記記憶ユニット（５６）に記憶するステップとを含む方法。
20. 前記位置変化の最小化のために、前記電子ビーム偏向ユニット（５２）についてのパラメータは、前記陽極プレート（２２）上への前記電子ビーム（４２）の入射点（４４）が前記選択されたパラメータによって決定された補償の適用後に直線に沿って移動するように選択されることを特徴とする請求項１９記載の方法。