JP2015533015A - Ｘ線放射を発生させる陽極を備えた装置 - Google Patents

Abstract

Ｘ線放射を発生させる陽極は、ホルダと、該ホルダによって保持されたターゲット層とを有している。この場合、ターゲット層は、中央部分と縁部分とを有している。陽極は、ターゲット層の中央部分に向けられた電子ビームにさらされるように設けられている。この場合、縁部分は、電子ビームの方向に関して、中央部分の側方に配置されている。さらに縁部分は、電子ビームの方向で中央部分よりも大きな厚さを有している。

Description

本発明は、請求項１に記載のＸ線放射を発生させる陽極と、請求項９に記載のＸ線放射を発生させる装置とに関する。

Ｘ線放射を発生させるＸ線管が先行技術により公知である。Ｘ線管は電子を放出する陰極を有している。放出された電子は高電圧により陽極に向かって加速される。陽極では電子はブレーキをかけられ、この際に、制動Ｘ線放射と特性Ｘ線放射を発生させる。制動Ｘ線放射は広いスペクトル分布を有しているが、特性Ｘ線放射は離散した線スペクトルを有している。Ｘ線管から放射されたＸ線放射内には両種の放射が重畳している。

所定の使用目的のためには、離散エネルギを有した特性Ｘ線放射の方が、制動Ｘ線放射よりも適している。制動Ｘ線放射を減じるために、金属フィルタによってＸ線放射をフィルタリングすることが公知である。しかしながらこのようなフィルタは、特性Ｘ線の部分も減衰させる。

本発明の課題は、Ｘ線放射を発生させる改善された陽極を提供することである。この課題は請求項１に記載の特徴を備えた陽極により解決される。本発明のさらなる課題は、Ｘ線放射を発生させる改善された装置を提供することである。この課題は請求項９に記載の特徴を備えた装置により解決される。好適な別の構成は従属請求項に記載されている。

本発明による、Ｘ線放射を発生させる陽極は、ホルダと、該ホルダによって保持されたターゲット層とを有している。この場合、ターゲット層は、中央部分と縁部分とを有している。陽極は、ターゲット層の中央部分に向けられた電子ビームにさらされるように設けられている。この場合、縁部分は、電子ビームの方向に関して、中央部分の側方に配置されている。さらに縁部分は、電子ビームの方向で中央部分よりも大きな厚さを有している。有利には、この陽極のターゲット層の縁部分は、陽極のターゲット層の中央部分で発生したＸ線放射をフィルタリングするために機能する。これにより有利には、陽極によって発生させられたＸ線放射の単色性が改善される。

陽極の好適な実施態様では、縁部分は、電子ビームの方向とは逆方向に向かって、中央部分を越えて突出している。これにより有利には、ターゲット層の中央部分で発生したＸ線放射を、電子ビームのビーム方向とは逆方向に放射させることができ、この場合、このＸ線放射は、陽極のターゲット層の縁部分の一部を貫通し、これによりＸ線放射の連続的な波長の部分が減衰させられる。

陽極の一実施態様では、縁部分は、中央部分の周りにリング状に配置されている。これにより有利には、縁部分は、様々な空間方向に放出されたＸ線放射をフィルタリングすることができる。

陽極の好適な実施態様では、ターゲット層は単一の材料から形成されている。これにより有利には、ターゲット層の、及び陽極全体の特に単純な構造が得られる。

陽極の好適な実施態様では、ターゲット層は、原子番号４２〜７４を有する１つの材料を有している。有利には、このような材料が、Ｘ線放射を発生させるために特に適している。

陽極の特に好適な実施態様では、ターゲット層はタングステンを有している。好適には、タングステンは、Ｘ線放射を発生させるために、かつフィルタリングするために適している。

陽極の一実施態様では、中央部分が、５０ｎｍ〜１０μｍの厚さを有している。好適にはこのような厚さ範囲が特に適していることが立証されている。

陽極の同様に好適な実施態様では、中央部分が、電子ビームの方向に対して垂直方向で１ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有している。好適にはこの値が特に適したものであることが立証されている。

本発明による、Ｘ線放射を発生させる装置は、電子ビームを放射する陰極と、上述した形式の陽極とを有している。この場合、陽極は、陰極から放射された電子ビームが、ターゲット層の中央部分に衝突するように配置されている。有利には、このような装置では、陽極のターゲット層の中央部分で発生したＸ線放射は、陽極のターゲット層の縁部分によってフィルタリングすることができ、これにより、発生したＸ線放射の単色性が改善される。

装置の好適な実施態様では、陽極は、陰極から放射された電子ビームが、ターゲット層の中央部分に垂直に衝突するように配置されている。好適にはこれにより、装置の対称的かつコンパクトな構成が得られる。

装置の好適な実施態様では、この装置は、ターゲット層で発生したＸ線放射を出射させる窓を有している。この場合、この窓は、ターゲット層の中央部分で発生し、窓を通って出射するＸ線放射が出射前に、ターゲット層の縁部分を貫通するように配置されている。これにより有利には、ターゲット層の中央部分で発生したＸ線放射は、ターゲット層の縁部分を貫通する際にフィルタリングされ、これにより、このＸ線放射の単色性が高められる。

装置の好適な実施態様では、窓は、出射するＸ線放射が、ターゲット層の縁部分を平均して１０μｍ〜１００μｍの長さで貫通するように配置されている。このような貫通長さにより、Ｘ線放射の強度を全体として過剰に弱めることなく、Ｘ線放射の単色性が好適には高められることが立証されている。

装置の好適な実施態様では、窓は、電子ビームの方向に関して逆方向に向けられたＸ線放射が窓を通って出射できるように配置されている。有利には、後方に向けられたＸ線放射は、前方に向けられたＸ線放射よりも高い割合で特性Ｘ線を有しているので、陽極のターゲット層の縁部分によるフィルタリング後に装置から出射されたＸ線放射は特に高い単色性を有している。

装置の好適な実施態様では、この装置は、陽極を貫通した電子ビームの電子を捕集するために設けられたコレクタを有している。有利にはコレクタによって、装置の陰極とコレクタとの間の回路を閉じることができ、これにより装置のエネルギ効率は改善される。

上述した本発明の特性、特徴、利点並びにこれらが得られる形式については、図面につき詳しく説明した実施形態の以下の説明によりより明瞭かつ詳しく理解可能である。

タングステンターゲット層を備えた陽極を有するＸ線管から放射されたＸ線スペクトルを示した図である。 タングステンの線吸収係数を示した図である。 Ｘ線放射を発生させる装置を概略的に示した図である。 第１の実施態様による陽極のターゲット層を概略的に示した斜視図である。 第２の実施態様による陽極のターゲット層を概略的に示した斜視図である。

図１には、Ｘ線スペクトル１００がグラフで示されている。横軸にはエネルギ１０１がｋｅＶの単位で記載されている。縦軸には光子束１０２が１／（ｋｅＶ×ｍＡ×ｍｍ^２×ｓ）の単位で記載されている。

第１のスペクトル１１０は、Ｘ線管の陽極のタングステンターゲット層によって放射され、厚さ２ｍｍのアルミニウム製のフィルタによってフィルタリングされたＸ線放射のスペクトル分布を示している。第１のスペクトル１１０は、制動放射１１１の連続的な部分を有している。さらに、第１のスペクトル１１０は、離散エネルギ値で最大値を有しており、この最大値は、特性Ｘ線放射１１２により形成される。

図２では、グラフ２００により、タングステン製のフィルタによるＸ線放射の減衰が示されている。横軸には同様に、エネルギ１０１がｋｅＶの単位で記載されている。縦軸には吸収係数２０２がｃｍ^−１の単位で記載されている。

図２には、タングステンの線吸収係数の経過２１０が示されている。エネルギが増大するにつれ、タングステンの線吸収係数が減少することが判る。しかしながら吸収係数経過２１０はＫ端２１３（Ｋ−ｅｄｇｅ）を有しており、降下している吸収係数経過２１０がこのＫ端２１３で急激に上昇する。Ｋ端２１３は、タングステン原子のＫ殻内に配置された電子の結合エネルギに相当するエネルギ１０１のところで生じる。

さらに図２のグラフ２００には、タングステンの特性Ｘ線放射による２つの重要な線のエネルギ値が記載されている。それらはＫα１線２１１と、Ｋα２線２１２である。

図１に示した第１のＸ線スペクトル１１０を有するＸ線放射を、タングステン製の付加的なフィルタによってフィルタリングすると、このＸ線放射の付加的な減衰が生じる。この場合、タングステンの吸収係数経過２１０におけるＫ端２１３により、第１のスペクトル１１０の比較的エネルギが高い部分は、第１のスペクトル１１０の特性Ｘ線放射１１２のＫα１線及びＫα２線の領域よりも著しく減衰される。これにより、フィルタリングされたＸ線放射のスペクトルにおいて上記線の相対的な強度が高められる。

図１には、第２のスペクトル１２０によって、厚さ５０μｍのタングステンフィルタによる付加的なフィルタリング後の第１のスペクトル１１０のＸ線放射のスペクトル分布が示されている。第２のスペクトル１２０の制動放射１２１の部分は、第１のスペクトル１１０の制動放射１１１の部分よりも著しく減じられていることが判る。第２のスペクトル１２０の特性Ｘ線放射１２２の部分は、第１のスペクトル１１０の特性Ｘ線放射１１２の部分と比較して、減衰が著しくない。これにより第２のスペクトル１２０は、第１のスペクトル１１０よりも高い単色性を有している。

図３には、Ｘ線放射を発生させる装置３００の一部が極めて概略的に示されている。Ｘ線放射を発生させる装置３００の図３に示した構成部分は、例えば真空管内に配置することができる。この場合、Ｘ線放射を発生させる装置３００はＸ線管とも呼ぶことができる。

Ｘ線放射を発生させる装置３００は陰極３１０を有している。陰極３１０は、電子ビーム３２０を発生させるために電子を放射するように設けられている。陰極３１０は、例えば熱放射により、又は電界放射により電子を放射することができる。陰極３１０から放射された電子により形成された電子ビーム３２０は高電圧（図示せず）によってビーム方向３２５で加速される。

Ｘ線放射を発生させる装置３００はさらに陽極４００を有している。陽極４００はホルダ４１０と、ホルダ４１０によって保持されたターゲット層４２０とを有している。ターゲット層４２０はさらに、中央部分４３０と縁部分４４０とを有している。縁部分４４０はビーム方向３２５に関して、中央部分４３０に対して側方にずらされて配置されている。

中央部分４３０と縁部分４４０とは好適には単一の材料から形成されている。この場合、ターゲット層４２０の中央部分４３０と縁部分４４０とは好適には原子番号４２〜７４を有した１つの材料から成っている。特に好適には、ターゲット層４２０の中央部分４３０と縁部分４４０とはタングステンから成っている。ホルダ４１０は例えばダイアモンドから形成することができる。

陽極４００は、前面４２１と背面４２２とを有している。陽極４００の前面４２１は陰極３１０に面している。陽極４００は、陰極３１０から出た電子ビーム３２０が、ターゲット層４２０の中央部分４３０の中央領域にほぼ垂直に衝突するように配置されている。

陽極４００のターゲット層４２０の中央部分４３０に衝突した電子ビーム３２０は、ターゲット層４２０の中央部分４３０でブレーキをかけられ、この際にＸ線放射３３０が発生する。このＸ線放射３３０は、複数の又は全ての空間方向に放射され、とりわけ１つの放射方向３３５で放射される。この放射方向３３５は好適には、電子ビーム３２０のビーム方向３２５に対して後方に向けられている。これは、陽極４００のターゲット層４２０の中央部分４３０からの放射方向３３５は、陰極３１０が配置されている半空間へと向けられていることを意味している。

Ｘ線放射を発生させる装置３００は、放射方向３３５で放射されたＸ線放射３３０を装置３００から出射させるために機能する窓３５０を有している。窓３５０は例えばアルミニウム又はベリリウムから形成することができる。

ターゲット層４２０の中央部分４３０は、ビーム方向３２５に対して垂直方向で直径４３２を有している。この直径４３２は例えば１ｍｍ〜２０ｍｍの間にあって良い。ビーム方向３２５では、ターゲット層４２０の中央部分４３０は厚さ４３１を有している。この厚さ４３１は例えば５０ｎｍ〜１０μｍの間にあって良い。図示した例では中央部分４３０の外周に配置されたターゲット層４２０の縁部分４４０は、中央部分４３０の直径４３２よりも大きい直径４４２を有している。さらに、ターゲット層４２０の縁部分４４０はビーム方向３２５で厚さ４４１を有しており、この厚さ４４１は中央部分４３０の厚さ４３１よりも大きい。この場合、縁部分４４０は前面４２１側で（即ち、ビーム方向３２５とは逆方向に）ターゲット層４２０の中央部分４３０を越えて突出している。

ターゲット層４２０の縁部分４４０の厚さ４４１と直径４４２、ターゲット層４２０の中央部分４３０の直径４３２、及び窓３５０の位置は、放射方向３３５で、陽極４００のターゲット層４２０の中央部分４３０から放射されるＸ線放射３３０が、窓３５０へと向かう経路において、フィルタ領域４５０として働くターゲット層４２０の縁部分４４０の一部を貫通するように、互いに適合されている。Ｘ線放射３３０は縁部分４４０のフィルタ領域４５０を貫通し、この場合、貫通長さ４５５は平均して例えば１０μｍ〜１００μｍであって良い。フィルタ領域４５０の貫通中、Ｘ線放射３３０はフィルタリングされるので、図１及び図２につき説明したようにその単色性が高められる。

Ｘ線放射を発生させる装置３００はさらに、ビーム方向３２５で見て陽極４００の後方に配置されたコレクタ３４０を有している。このコレクタ３４０は、陽極４００を貫通した電子ビーム３２０の電子を捕集するために用いられる。コレクタ３４０によって捕集された電子は回路内で戻されて、これによりＸ線放射を発生させる装置３００のエネルギ効率は改善される。

図４には、図３のＸ線放射を発生させる装置３００の陽極４００のターゲット層４２０が概略的な斜視図で示されている。ターゲット層４２０の縁部分４４０が中央部分４３０の周りにリング状に配置されていることが判る。ターゲット層４２０のこのような構成は、Ｘ線放射を発生させる装置３００において陽極４００が、電子ビーム３２０に対して平行な回転軸線を中心として回転することができるという利点を有している。これにより、Ｘ線放射を発生させる装置３００の作動中、陽極４００のターゲット層４２０が均一に加熱され、均一に摩耗することになる。しかしながら陽極４００の回転は省くこともできる。

図５には、第２の実施態様によるターゲット層１４２０の概略的な斜視図が示されている。図５のターゲット層１４２０は、図３のＸ線放射を発生させる装置３００の陽極４００のターゲット層４２０に置き換えることができる。ターゲット層１４２０も中央部分１４３０と縁部分１４４０とを有している。ターゲット層１４２０は、前面１４２１と背面１４２２とを有している。ターゲット層１４２０は、陰極３１０によって発生させられた電子ビーム３２０が中央部分１４３０の前面１４２１に衝突するように、陽極４００のホルダ４１０によって保持されるように設けられている。

ターゲット層４２０の縁部分４４０とは異なり、図５のターゲット層１４２０の縁部分１４４０は、ターゲット層１４２０の中央部分１４３０全体の周りにリング状には配置されていない。むしろ、縁部分１４４０は、限定された角度範囲内でのみ、ターゲット層１４２０の中央部分１４３０の側方に配置されている部分円環の形を有している。この場合、縁部分１４４０は、ターゲット層１４２０の中央部分１４３０で生じたＸ線放射３３０がターゲット層１４２０の縁部分１４４０を放射方向３３５で貫通するように配置されている。Ｘ線放射を発生させる装置３００の陽極４００でターゲット層１４２０を使用する場合、陽極４００は回転されない。

本発明を、好適な実施態様により詳しく図示し、説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。別の変化実施例も、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく当業者により推考することができる。

Claims (14)

1. ホルダ（４１０）と、該ホルダ（４１０）によって保持されたターゲット層（４２０，１４２０）とを備えた、Ｘ線放射（３３０）を発生させる陽極（４００）であって、
   前記ターゲット層（４２０，１４２０）は中央部分（４３０，１４３０）と縁部分（４４０，１４４０）とを有しており、
   前記陽極（４００）は、前記ターゲット層（４２０，１４２０）の前記中央部分（４３０，１４３０）に向けられた電子ビーム（３２０）にさらされるように設けられていて、
   前記縁部分（４４０，１４４０）は、前記電子ビーム（３２０）の方向（３２５）に関して、前記中央部分（４３０，１４３０）の側方に配置されており、
   前記縁部分（４４０，１４４０）は、前記電子ビーム（３２０）の方向（３２５）で、前記中央部分（４３０，１４３０）よりも大きな厚さを有していることを特徴とする、Ｘ線放射を発生させる陽極。
2. 前記縁部分（４４０，１４４０）は、前記電子ビーム（３２０）の方向（３２５）とは逆方向に向かって、前記中央部分（４３０，１４３０）を越えて突出している、請求項１記載の陽極。
3. 前記縁部分（４４０）は、前記中央部分（４３０）の周りにリング状に配置されている、請求項１又は２記載の陽極。
4. 前記ターゲット層（４２０，１４２０）は、単一の材料から形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の陽極。
5. 前記ターゲット層（４２０，１４２０）は、原子番号４２〜７４を有する１つの材料を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の陽極。
6. 前記ターゲット層（４２０，１４２０）はタングステンを有している、請求項５記載の陽極。
7. 前記中央部分（４３０，１４３０）は、５０ｎｍ〜１０μｍの厚さ（４３１）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の陽極。
8. 前記中央部分（４３０，１４３０）は、前記電子ビーム（３２０）の方向（３２５）に対して垂直方向で、１ｍｍ〜２０ｍｍの直径（４３２）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の陽極。
9. 電子ビーム（３２０）を放射する陰極（３１０）と、請求項１から８までのいずれか１項記載の陽極（４００）とを有した、Ｘ線放射（３３０）を発生させる装置（３００）であって、
   前記陽極（４００）は、前記陰極（３１０）から放射された電子ビーム（３２０）が、ターゲット層（４２０，１４２０）の中央部分（４３０，１４３０）に衝突するように配置されていることを特徴とする、Ｘ線放射を発生させる装置（３００）。
10. 前記陽極（４００）は、前記陰極（３１０）から放射された電子ビーム（３２０）が、ターゲット層（４２０，１４２０）の中央部分（４３０，１４３０）に垂直に衝突するように配置されている、請求項９記載の装置（３００）。
11. 前記装置（３００）は、前記ターゲット層（４２０，１４２０）で発生させられたＸ線放射（３３０）を出射させる窓（３５０）を有しており、該窓（３５０）は、前記ターゲット層（４２０，１４２０）の前記中央部分（４３０，１４３０）で発生し、前記窓（３５０）から出射するＸ線放射（３３０）が出射前に前記ターゲット層（４２０，１４２０）の縁部分（４４０，１４４０）を貫通するように配置されている、請求項９又は１０記載の装置（３００）。
12. 前記窓（３５０）は、出射するＸ線放射（３３０）が、ターゲット層（４２０，１４２０）の縁部分（４４０，１４４０）を平均して１０μｍ〜１００μｍの長さ（４４５）で貫通するように配置されている、請求項１１記載の装置（３００）。
13. 前記窓（３５０）は、電子ビーム（３２０）の方向（３２５）に関して逆方向に向けられたＸ線放射（３３０）が前記窓（３５０）を通って出射できるように配置されている、請求項１１又は１２記載の装置（３００）。
14. 前記陽極（４００）を貫通した電子ビーム（３２０）の電子を捕集するように設けられたコレクタ（３４０）を有している、請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置（３００）。

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