JP2019012695A - Ｘ線ソース - Google Patents

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Abstract

【課題】高輝度Ｘ線発生用の小型ソースを提供する。【解決手段】より高い輝度は、Ｘ線８８８の直線累積を実現すべく、互いに位置合わせされた複数の領域の電子ビーム衝撃によって実現される。これは、高熱伝導率の基板１０００と密接に熱的接触をさせて製造された、Ｘ線発生材料の複数の微細構造７００を有するＸ線ターゲット１１００を用いることによって、実現される。これにより、熱がより効率的にＸ線発生材料から排除されることが可能になり、次により高い電子密度、及び／又は、より高いエネルギー電子１１１によるＸ線発生材料の衝撃が可能になるので、より大きなＸ線輝度をもたらす。複数の微細構造７００の配置は、軸上収束角の使用を可能にし、「角度０°」のＸ線放出としても知られているが、単一の発生源を有するように見えるべく位置合わせされた複数の微細構造７００からのＸ線８８８の累積を可能にする。【選択図】図７

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、米国仮特許出願第６１／８８０，１５１号（出願日：２０１３年９月１９日）、同第６１／８９４，０７３号（出願日：２０１３年１０月２２日）、同第６１／９３１，５１９号（出願日：２０１４年１月２４日）、同第６２／００８，８５６号（出願日：２０１４年６月６日）、及び同第１４／４９０，６７２号（出願日：２０１４年９月１９日）の優先権及び利益を主張し、これらすべては、これら全体を参照によって本明細書に組み込まれたものとする。本願は、米国特許出願第１４／４６５，８１６号（出願日：２０１４年８月２１日）にも関連しており、これは、これによりその全体を参照によって組み込まれたものとし、また付録Ａとして部分的に含まれる。
本明細書に開示された複数の実施形態は、Ｘ線の高輝度ソースに関する。そのような高輝度ソースは、製造検査、計測学、結晶学、構造／組成解析、及び医療用の画像処理／診断システムを含む、Ｘ線が使用される様々な用途に有用であり得る。
１８９５年のレントゲンによるＸ線の最初の発見［Ｗ．Ｃ．Ｒｏｎｔｇｅｎ著、『Ｅｉｎｅ Ｎｅｕｅ Ａｒｔ ｖｏｎ Ｓｔｒａｈｌｅｎ』（Ｗｉｉｒｚｂｕｒｇ Ｖｅｒｌａｇ、１８９５年）；『Ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｋｉｎｄ ｏｆ Ｒａｙｓ』、Ｎａｔｕｒｅ、５３巻、２７４−２７６ページ（１８９６年１月２３日）］は、レントゲンが真空管内でターゲットの電子衝撃を実験していた時に、偶然生まれた。これらの高エネルギーで短波長の光子は、現在では、医学的応用及び診断的評価、並びにセキュリティ検査、工業検査、品質管理、及び故障解析、さらに結晶学、トモグラフィ、Ｘ線蛍光分析、及び同様のものなど科学的応用に、日常的に使用されている。
実験用のＸ線ソースは、その後、クーリッジによって２０世紀初頭に改善され［例えば、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｄ． Ｃｏｏｌｉｄｇｅによる米国特許第１，２１１，０９２号（発行日：１９１７年１月２日）、同第１，９１７，０９９号（発行日：１９３３年７月４日）、及び同第１，９４６，３１２号（発行日：１９３４年２月６日）を参照］、その後、２０世紀後半に、シンクロトロンや自由電子レーザ（ＦＥＬ）を用いて非常に強いＸ線ビームを発生させるシステムが開発された。しかしながら、これらのシンクロトロンやＦＥＬのシステムは、物理的に非常に大型のシステムであり、これらの設置には、大きな建物や広い土地を必要とした。小型で実用的な実験室ベースのシステム及び器械では、大部分のＸ線ソースは、クーリッジ管の基本的機構を現在でも使用している。
最も単純なＸ線ソースである透過Ｘ線ソース０８の一例が図１に例示されている。ソースは、一般に密閉真空管０２又は常時排気することによって提供される真空環境（典型的には１０−６Ｔｏｒｒ、又はそれより高真空）を備え、管の外側にある高電圧源１０の負極及び正極から、真空管０２内部の様々な要素に通じる密封導線２１及び２２で製造されている。ソース０８は、典型的には、ハウジング０５内の真空管０２を固定する複数のマウント０３を備え、ハウジング０５は、Ｘ線がソース０８によって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。
真空管０２の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。ターゲット０１は、低電圧である反対側の高電圧導線２２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。放出された電子１１１はターゲット０１に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット０１と衝突する。固体ターゲット０１への電子１１１の衝突は、Ｘ線８８８の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線８８８の一部は、Ｘ線を通すよう設計されたウィンドウ０４を通って真空管０２から出て行く。図１に示された構成において、ターゲット０１はウィンドウ０４上に堆積されるか、又は直接取り付けられ、ウィンドウ０４は真空チャンバの壁の一部を形成する。他の従来技術による複数の実施形態において、ターゲットは、ウィンドウ０４自体の不可欠な部分として形成され得る。
一般的なＸ線ソース設計の別の実施例は、反射Ｘ線ソース８０であり、図２に例示されている。やはり、ソースは、一般に密閉真空管２０又は常時排気することによって維持される真空環境（典型的には１０−６Ｔｏｒｒ、又はそれより高真空）を備え、管の外側にある高電圧源１０の負極及び正極から、真空管２０内部の様々な要素に通じる密封導線２１及び２２で製造されている。ソース８０は、典型的には、ハウジング５０内の真空管２０を固定する複数のマウント３０を備え、ハウジング５０は、Ｘ線がソース８０によって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。
真空管２０の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。ターゲット基板１１０に支えられたターゲット１００は、低電圧である反対側の高電圧導線２２及びターゲット支持部３２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子１１１はターゲット１００に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット１００と衝突する。ターゲット１００への電子１１１の衝突は、Ｘ線の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線の一部は真空管２０から出て、Ｘ線に対して透過的であるウィンドウ４０を通過する。
反射Ｘ線ソースの別の従来技術による一実施形態において（図２には図示せず）、ターゲット１００及び基板１１０は、一体化され得るか、又は銅（Ｃｕ）など同じ材料の固体ブロックを構成し得る。図１及び図２にも示されないが、実際には一般に使用されるように、複数の電子レンズ（静電レンズ又は電磁レンズ）が設けられ、電子の経路を誘導し、また形作って、より集中した収束ビームをターゲットに形成し得る。同様に、複数の放出器を備える電子ソースが提供され、より大きな電子の分散ソースを提供し得る。
電子がターゲット１００と衝突するとき、電子は複数の態様で相互作用し得る。これらは図３に例示されている。電子ビーム１１１の中の電子は、ターゲット１００と、その表面１０２において衝突し、表面を通過する電子は、これらのエネルギーを、入射電子ビームのフットプリント（面積）に電子侵入深さを乗じることによって概して画定される相互作用体積２００内のターゲット１００に伝達する。非常に小さいサイズの入射電子ビーム（例えば、ビーム径が１００ｎｍ未満）では、相互作用体積２００は、典型的には３次元において「洋ナシ」の形又は「涙」の形であり、電子伝搬方向を中心に対称形を成す。より大きいビームでは、相互作用体積は、横方向のビーム強度プロファイルを用い、この「涙」形状のコンボリューションによって表される。
材料への電子の侵入深さを推定するのに一般に使用される方程式は、ポットの法則（Ｐｏｔｔ'ｓ Ｌａｗ）［Ｐ．Ｊ． Ｐｏｔｔｓ著、１９８７年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ刊、『Ａ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｒｏｃｋ Ａｎａｌｙｓｉｓ』、第１０章「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ」、３３６ページ］であり、それによると、ミクロン単位の侵入深さｘは、ｋｅＶ単位の電子エネルギーＥ０を３／２乗して、材料密度で割った値の１０％に関連付けられていることが述べられている。
ダイヤモンド基板など、より密度が低い材料に対して、侵入深さは、Ｘ線発生に使用される大部分の元素など、より高密度の材料に対するよりはるかに大きくなる。
生じ得る複数のエネルギー伝達機構が存在する。相互作用体積２００の全体にわたって、電子エネルギーは単に熱に変換され得る。吸収されたエネルギーの一部は、典型的には、表面近くに位置する領域２２１から検出される二次電子の発生を生じさせ得るが、その一方で、電子の中には後方散乱されるものもあり得て、これは、これらの高エネルギーに起因して、幾分大きい領域２３１から検出され得る。
表面近くの領域２２１及び２３１を含み、ターゲット１００の中へ約３倍深く延びている相互作用体積２００の全体にわたって、Ｘ線８８８は発生し、外側に向かってあらゆる方向に放出される。Ｘ線放出は、複雑なエネルギースペクトルを有し得る。電子は材料に侵入すると、減速してエネルギーを失う。従って、相互作用体積２００の異なる複数の部分で、異なる特性を有する複数のＸ線が生成される。１００ｋｅＶの電子がタングステンターゲットと衝突した際に放出される、典型的なＸ線放出スペクトルが図４に例示されている。
図４に示されるように、広範なスペクトルのＸ線放出３８８が、最初の軌道から進路を変えた電子から生じるが、それは、その電子が様々な核及び他の電子のどれだけ近くを通るかに依存する。方向の変化と関連付けられた電子エネルギーの減少及び運動量変化は、Ｘ線の放出を発生させる。広範囲の偏向及び減速が生じ得るので、ターゲット材料の原子との電子衝突の近似統計値に起因して、エネルギーの変化は連続的であり、従って、発生したＸ線のエネルギーも連続的である。より大量の放出はエネルギースペクトルの低エネルギー側で生じ、高エネルギー側で生じる放出は、はるかに少なく、元の電子エネルギー（この例では、１００ｋｅＶ）より大きいエネルギーのＸ線が存在しない絶対限界に達する。電子の減速の語源に起因して、この種類の連続Ｘ線放出３８８は、「制動（ｂｒａｋｉｎｇ）」に対するドイツ語の単語「ｂｒｅｍｓｅｎ」にならい、一般に制動放出（ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ）と呼ばれている。
これらの連続Ｘ線８８８は、図３に相互作用体積２００の最大の陰影部２８８として示される相互作用体積の全体にわたって発生する。より低いエネルギーにおいて、制動放出Ｘ線８８８は、典型的には等方的に、すなわち放出方向に関して強度変化がほとんどない状態で放出される［例えば、Ｄ．Ｇｏｎｚａｌｅｓ、Ｂ．Ｃａｖｎｅｓｓ、Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍ著『Ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｃｋ−ｔａｒｇｅｔ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｗｉｔｈ ｉｎｉｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｒｏｍ １０ ｔｏ ２０ ｋｅＶ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｏｎ Ａｇ』、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、８４巻、０５２７２６（２０１１年）を参照］。より高いエネルギー励起は、電子ビームに垂直、すなわちターゲット表面に対して９０度の入射ビームにとっては「０度」の放出を増加させ得る。［例えば、Ｊ．Ｇ．Ｃｈｅｒｖｅｎａｋ、Ａ．Ｌｉｕｚｚｉ著、『Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｈｉｃｋ−ｔａｒｇｅｔ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｓｐｅｃｔｒａ ｆｒｏｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ １０ ｔｏ ３０ ｋｅＶ』、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ、１２巻（１）、２６−３３ページ（１９７５年７月）を参照］。
図１及び図２に示されるように、Ｘ線ソース０８又は８０は、典型的にはウィンドウ０４又は４０を有する。このウィンドウ０４又は４０は、アルミニウムのシート又は層など、低エネルギーＸ線を減衰させるフィルタを付加的に有し、図４に示された変更エネルギースペクトル４８８を生成し得る。
電子エネルギーが、ターゲット内の元素の内殻（コアシェル）電子の結合エネルギーより大きいとき、殻から電子の放出（電離）が生じ、空孔を生成し得る。次に、あまり強くなく結合された外殻の電子は、内殻の空孔に自由に遷移することができ、空孔を充填する。充填電子がより低いエネルギー準位に移動するので、余分なエネルギーが、Ｘ線光子の形で放出される。この放出は、光子のエネルギーが光子を発生する化学元素の特性を示しているので、「特性」放出として知られている。
図４に示された例では、６９．５ｋｅＶの結合エネルギーを有する、タングステン原子のＫ殻電子を、１００ｋｅＶの電子が電離させ得る。１０．２ｋｅＶの結合エネルギーを有する、Ｌ殻の電子によって空孔が充填される場合、Ｘ線光子は、これら２つの準位の間のエネルギー差異に等しいエネルギー、つまりＫα１＝５９．３ｋｅＶを有する。同様に、Ｍ殻からＫ殻への遷移が、Ｋβ１＝６７．２ｋｅＶとして示されている。複数の分離が様々な準位で生じ、例えば、Ｋβ１、Ｋβ２、Ｋβ３など、エネルギーにわずかな変化を引き起こし得る。
これらの離散した輝線は、ターゲット材料の原子構造に依存するので、放出は概して「特性線」と呼ばれる。それは、「特性線」が特定の材料の特性を示すからである。図４に示されたＸ線放出スペクトルの例において、鋭い線９８８は、タングステンの「特性線」である。個々の特性線は非常に明るい可能性があり、単色ソースが所望される場合、適切なフィルタ又は結晶モノクロメータで単色化され得る。制動放射線に対する特性線の相対Ｘ線強度（フラックス）比は、元素及び入射電子エネルギーに依存し、実質的に変化し得る。概して、入射電子エネルギーが、内殻電子の電離エネルギーの３倍から５倍のときに、所与のターゲット材料に対する最大比が得られる。
図３に戻ると、これらの特性Ｘ線３８８は主に、相互作用体積２００の２番目に大きい陰影部２４８として示される電子侵入深さのほんの一部で発生する。相対深さは、典型的には深さが増加するとともに低下する電子１１１のエネルギーによって、ある程度影響を受ける。電子エネルギーがターゲット内の電子の結合エネルギーを超えない場合、特性Ｘ線は全く放出されない。特性線の最大放出は、放出される特性Ｘ線光子のエネルギーの３倍から５倍を有する電子との衝撃の際に生じ得る。これらの特性Ｘ線は、複数の電子殻の間の原子放出によって生じるので、放出は概して完全に等方性になる。この相互作用体積２００の実際の大きさは、電子のエネルギー及び入射角、表面トポグラフィ及び他の複数の特性（局所的な電荷密度を含む）、並びにターゲット材料の密度及び原子組成に応じて変化し得る。
用途によっては、広範なスペクトルを有するＸ線が適切であり得る。他の用途では、単色ソースが、要求される感度又は分解能のために所望され得るか、又は必要にさえなり得る。概して、ターゲット材料の組成は、特定の対象波長での強い特性線、又は所望の帯域幅にわたる制動放射線など、特定の用途に対して理想的な特性を有するＸ線スペクトルを提供すべく選択される。
ソースのＸ線放出特性の制御は、電子エネルギーの選択（典型的には、加速電圧を変化させることで変更される）、Ｘ線ターゲット材料の選択、及びターゲットからのＸ線収集の形状によって、制御され得る。
図３に例示されるように、Ｘ線は等方的に放出され得るが、図５Ａ〜図５Ｃに示されるように、ソースのウィンドウ４４０の方向に向かう、小立体角内のＸ線放出８８８だけが収集される。秒当たり、立体角（ｍｒａｄ２）当たり、Ｘ線ソースの面積（ｍｍ２）当たりのＸ線光子の数として定義される（測定法によっては、０．１％の帯域幅ウィンドウを定義に含める場合もある）Ｘ線輝度（場合により「明るさ（ｂｒｉｌｌｉａｎｃｅ）」と呼ばれることもある）は、ダウンストリームアプリケーション用の良好な信号対雑音比を得ることに関連しているので、ソースにとって重要なフィギュアオブメリットである。
輝度は、収集されるＸ線を最大化すべく、幾何学的因子を調節することによって増加し得る。図５Ａ〜図５Ｃに例示されるように、反射Ｘ線ソースのターゲット１００の表面は、（図２にも示されたように）概して角度θで取り付けられ、分散された電子ビーム１１１による衝撃を受ける。ウィンドウ４４０を通る放出は、３つのターゲット角度、θ＝６０°（図５Ａ）、θ＝４５°（図５Ｂ）、及びθ＝３０°（図５Ｃ）に対して、５つの等間隔で並んだ放出スポット４０８のセットで示されている。高角度θのソースでは、ウィンドウ４４０を中心とする立体角に対して、５つのスポットはより広がるので、輝度は減少する。一方、低角度θでは、５つのソーススポットはともに近づくように見え、従って同じ立体角内により多くのＸ線を放出するので、輝度の増加をもたらす。
原理上は、θ＝０°で取り付けられたソースは、すべてのソースに、放出されたＸ線を見掛け上では重ね合わさせ、累積させ得るので、可能な最大輝度を有すると考えられ得る。実際には、０°での放出は、従来のソース用の固体金属ターゲットの表面と平行に生じ、Ｘ線は、放出前にターゲット材料の長い距離に沿って伝搬しなければならないので、発生したＸ線の大部分は、ターゲット材料によって減衰され（再吸収され）、輝度を減少させる。 実際には、約６°から１５°（ソース構成、ターゲット材料、及び電子エネルギーに依存する）の取り出し角を有するソースが、実用的な最大輝度を提供することが多く、ソースの見掛けのサイズを凝縮させるとともに、ターゲット材料内の再吸収を減少させ、従って一般に商用Ｘ線ソースに使用されている。
有効ソース面積は、Ｘ線が使用のために収集される方向に沿って、すなわち、Ｘ線ビームの軸に沿って見た投影面積である。限られた電子侵入深さのため、電子侵入深さに匹敵するサイズか、又はそれより大きいサイズを有する入射電子ビームの有効ソース面積は、Ｘ線ビームの軸と、ターゲットの表面との間の角度（「取り出し角」と称される）に依存する。電子ビームサイズが電子侵入深さよりはるかに大きいとき、有効ソース面積は取り出し角の減少とともに減少する。この効果は、Ｘ線ソースの輝度を増加させるのに使用された。しかしながら、広く平坦なターゲットでは、この利点に限界がある。その理由は、Ｘ線が表面に伝搬するにつれて、ターゲット内部のＸ線発生ポイントからのＸ線の吸収が増加し、このＸ線の吸収は取り出し角がより小さくなるとともに増加するからである。典型的には、より低い角度による輝度向上と、再吸収による輝度の減少との間の妥協により、約６°の取り出し角に到達した。
制動放射線用のＸ線ソースの輝度を増大させる別の方法は、より大きい原子番号Zのターゲット材料を使用することである。その理由は、材料の原子番号がだんだん高くなると、それに対応して制動放射線用のＸ線発生の効率が高くなるからである。さらに、Ｘ線放出材料は、ソースにかかるより高い電子パワーがＸ線発生を増加させることを可能にすべく、高融点及び高熱伝導率など、理想的には良好な熱特性を有するべきである。これらの理由のため、ターゲットは、原子番号Ｚが７４のタングステンを用いて製造されることが多い。表１は、Ｘ線ターゲット、複数の更なる可能性のあるターゲット材料（対象となる特定の特性線に特に有用）、及びターゲット材料の基板として使用され得るいくつかの材料に一般に使用される複数の材料を記載している。融点及び熱／電気伝導率は、３００Ｋ（２７℃）近傍の値を示している。大部分の値は、ＣＲＣ刊『Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ』の第９０版［フロリダ州ボカラトン、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、２００９年］から引用されている。他の複数の値は、インターネット上に見られる様々なソースから引用されている。 例えば、サファイアなど、いくつかの材料では、液体窒素温度（７７Ｋ）以下の温度に冷却されると、１桁大きい熱伝導率が可能であり得ることに留意されたい［例えば、Ｅ．Ｒ．Ｄｏｂｒｏｖｉｎｓｋａｙａ他著、『Ｓａｐｐｈｉｒｅ：Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ』、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＋ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ，ＬＬＣ刊（２００９年）の２．１．５章「熱特性」を参照］。
Ｘ線ソースの輝度を増加させる他の複数の方法は、全体の電流を増加させる、又は、例えば複数の電子レンズを用いてより小さいスポットに電子ビームの焦点を合わせるか、どちらか一方によって電子流密度を増加させることであり、又は加速電圧を増加させることで電子エネルギーを増加させることである（これは、ターゲットに堆積される単位電子エネルギー当たりのＸ線発生を増加させ、特性線においてさらに多くの放出も引き起こし得る）。
しかしながら、これらの改善は全て、相互作用体積内で発生する熱量を増加させるという点で、限界がある。この問題は、真空中にターゲットを有することによって、そのため対流による表面の空気冷却が何も生じ得ないので、悪化する。過度の熱がターゲット内に発生した場合、ターゲット材料は相変化、さらに溶融や蒸発までも受け得る。電子ビームによってターゲットに堆積したエネルギーの大部分は熱になるので、熱の管理技術は、より優れたＸ線ソースを作るための重要なツールである。
この問題に対処すべく開発された従来技術による１つの技術は、図６Ａに例示された回転アノードシステムである。図６Ａには、典型的には３，３００ｒｐｍと１０，０００ｒｐｍとの間で回転する、ターゲットアノード５００を有する回転アノードＸ線ソース５８０の断面が示されている。ターゲットアノード５００は、シャフト５３０によってロータ５２０に接続され、ロータ５２０は、そのマウント５２２を通じて、導線２２及び高電圧源１０の正極に接続する導電性ベアリング５２４によって支持されている。すべて真空チャンバ２０内にある、ロータ５２０、シャフト５３０、及びアノード５００の回転は、典型的には、真空の外側に取り付けられた固定子巻線５２５によって誘導的に駆動される。
図６Ｂに、ターゲットアノード５００の表面が、より詳細に示されている。回転ターゲットアノード５００の縁部５１０は、斜めに面取りされていることがあり、電子ビーム５１１のソースは、ターゲットアノード５００の面取りされた縁部５１０に、電子ビームを方向付ける位置にあり、ターゲットスポット５０１からＸ線８８８を発生させる。ターゲットスポット５０１はＸ線を発生させるので、加熱するが、ターゲットアノード５００が回転するので、加熱スポットがターゲットスポット５０１から離れ、ここで電子ビーム５１１はターゲットアノード５００のより低温の部分を照射する。ホットスポット５０１を通過するときに再度加熱される前に、ホットスポットは冷却するための一回転分の時間を有する。ターゲットアノード５００を継続的に回転させることによって、Ｘ線は固定された単一スポットから発生するが、電子ビームによって照射されるターゲットの総面積は、実質的に電子ビームスポットより大きくなり、電子エネルギーの堆積を、より大きい面積（及び体積）にわたって効果的に広げている。
熱を緩和する別のアプローチは、ターゲットＸ線材料の薄い層を高熱伝導の基板上に堆積したターゲットを使用することである。１００ｋｅＶまでのエネルギーを有する電子では、相互作用体積が薄いので、ターゲット材料自体は、数ミクロンより厚い必要はなく、熱を迅速に逃がすダイヤモンド、サファイア、又はグラファイトなどの基板上に堆積され得る。しかしながら、表１に示されるように、ダイヤモンドは電気伝導率が非常に低いので、ダイヤモンド基板上に作られるどのようなアノードの設計も、アノードのターゲット材料と高電圧の正極との間に電気接続をいまだに設ける必要がある。［ダイヤモンドに取り付けたＸ線ソースのアノードは、例えば、Ｋ．Ｕｐａｄｈｙａ他による米国特許第４，９７２，４４９号、Ｂ．Ｓｐｉｔｓｙｎ他による米国特許第５，１４８，４６２号、及びＭ．Ｆｒｙｄａ他による米国特許第６，８５０，５９８号によって説明されている］。
基板は、例えば、水やエチレングリコールなどの液体、又は水素やヘリウムなどの気体といった、基板から熱を除去するクーラント用の複数の経路も有し得る（例えば、Ｐａｕｌ Ｅ．Ｌａｒｓｏｎによる米国特許第５，６０２，８９９号を参照）。水冷されたアノードは、回転アノードＸ線ソースを含む様々なＸ線ソースに用いられている。
次に基板は、熱伝導特性で選択された銅又は何か他の材料を有するヒートシンクに取り付けられ得る。ヒートシンクは、熱を排除すべく、クーラント用の複数の経路も有し得る（例えば、Ｅｄｗａｒｄ Ｊ．Ｍｏｒｔｏｎによる米国特許第８，０９４，７８４号を参照）。いくつかの場合において、ヒートシンクに取り付けられたＸ線ターゲットに更なる冷却を提供すべく、熱電冷却器又は極低温システムが用いられてきた。やはり、すべては、過剰加熱によるターゲット材料の溶融又は損傷を起こさず、高いＸ線輝度を実現することが目的である。
微小焦点ソース用の熱を緩和する別のアプローチは、液体金属の噴流によって作成されたターゲットを用いることである。電子は、液体ガリウム（原子番号３１）の導電性噴流に衝撃を与え、加熱されたガリウムは電子照射体積から噴流とともに流出するので、高電流密度が可能になる。［例えば、Ｍ．Ｏｔｅｎｄａｌ他著、『Ａ ９ ｋｅＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｉｍｐａｃｔ ｌｉｑｕｉｄ−ｇａｌｌｉｕｍ−ｊｅｔ ｘ−ｒａｙ ｓｏｕｒｃｅ』、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ、７９巻、０１６１０２、（２００８年）を参照］。
特定の環境に効果的であるが、これらのソースには、まだ改善の余地がある。液体金属の噴流は、精巧な給排水システム及び消耗品を必要とし、用いられる材料（また、これにより原子番号の値及びその関連スペクトル）が制限され、より大きい出力に上げることが難しい。ダイヤモンド基板の上にコーティングされた一様な固体材料の薄膜ターゲットの場合では、回転アノード構成で用いられたとしても、膜への損傷が生じ得る前に許容され得る熱量にまだ限界がある。熱伝導は、膜の底面を通じて生じるだけである。横寸法においても、バルク材料に存在するのと同じ伝導の問題が存在する。
従って、高電子流密度の使用による高いＸ線輝度を実現するのに用いられ得るＸ線ソースのニーズが存在するが、それはまだ、実験室環境や机上環境に適応するに足るほど、又は携帯型装置に有用でさえあるほど小型である。そのような明るいソースは、画像処理並びに他の科学的用途及び診断用途のために、より良い信号対雑音比を提供するＸ線ベースのツールを可能にし得る。
本開示は、既存の商用Ｘ線技術に比べて桁違いの明るさにまで至る可能性を有する、新規のＸ線ソースを示す。より高い輝度は、電子ビーム衝撃からＸ線を発生させるのに用いられるＸ線ターゲット向けに、新規の構成を使用することで、ある程度実現される。Ｘ線ターゲットの構成は、熱がより効率的にＸ線発生材料から排除されるように、高熱伝導率の基板と密接に熱的接触をする（そこに埋め込まれる、又は埋設されるなど）ように製造された１又は複数の選択されたＸ線発生材料の複数の微細構造を有し得る。これにより今度は、高電子密度及び／又は高エネルギーの電子とＸ線発生材料の衝撃が可能となり、より大きいＸ線輝度をもたらす。
いくつかの実施形態の大きな利点は、複数の微細構造の配置が、軸上収束角の使用を可能とし、単一の発生源で発しているように見えるべく位置合わせされた複数の微細構造からのＸ線の累積を可能とし、また「角度０°」のＸ線放出の位置合わせに用いられ得ることである。複数の発生源からのＸ線の直線累積は、より大きいＸ線輝度をもたらす。
本発明のいくつかの実施形態は、１つの構造から放出されたＸ線を収集し、それを再度焦点に集めて第２の構造体からのＸ線に重ね合わせる複数のＸ線光学要素を付加的に備える。このＸ線のリレーによっても、より大きいＸ線輝度がもたらされ得る。
本発明のいくつかの実施形態は、アノード又は複数のアノードから熱を排除する付加的な冷却システムを備える。本発明のいくつかの実施形態は、更に熱を放散し累積Ｘ線輝度を増大させるべく、微細構造パターンのターゲットを有するアノード又は複数のアノードを回転させることをさらに含む。
標準的な従来技術の透過Ｘ線ソースの略断面図を示す。
標準的な従来技術の反射Ｘ線ソースの略断面図を示す。
従来技術のＸ線ソースの材料表面と電子の相互作用の断面図を示す。
タングステンターゲットの典型的な放出スペクトルを示す。
ターゲットを６０°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。
ターゲットを４５°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。
ターゲットを３０°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。
従来技術の回転アノードＸ線ソースの略断面図を示す。
図６Ａの回転アノードシステムのアノードの上面図を示す。
本発明によるＸ線システムの一実施形態の略断面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を大型基板上に有するターゲットの斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、収束電子ビームとともに使用するための、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を大型基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を切断基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を棚状の凹み部を持つ基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、ターゲット微細構造を大型基板上に有するターゲットに入射する電子の断面図を示す。
図１２のターゲットによって放出された一部のＸ線の断面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、凹み領域を持つ基板上に配置された単一の矩形微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、凹み領域を持つ基板上に一列に配置された複数の矩形微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。
図１６Ａのターゲットの上面図を示す。
図１６Ａ及び図１６Ｂのターゲットの側面／断面図を示す。
図１６のターゲットの断面図を示し、電子ビーム照射を受けた熱伝導基板への熱の伝達を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、市松模様構成の埋め込みターゲット微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。
図１８Ａのターゲットの上面図を示す。
図１８Ａ及び図１８Ｂのターゲットの側面／断面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、階段型基板上に配置された格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。
図１９Ａのターゲットの上面図を示す。
図１９Ａ及び図１９Ｂのターゲットの側面／断面図を示す。
電子衝撃を受けてＸ線を放出する図１９Ｃのターゲットの断面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体を示す。
１ｋｅＶから４００ｋｅＶにわたるエネルギーを有するＸ線に対する、複数の材料の１／ｅ減衰長を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、垂直入射電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、角度θで入射した電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、収束電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、複数の方向から角度θで入射する電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、様々な電子密度の電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、一様な電子ビームにさらされている直線配列のＸ線放出器を示す。
複数の電子放出器を有する、本発明によるＸ線システムの一実施形態の略断面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、異なる電子密度の電子ビームにさらされている多様なＸ線放出器の集合体を示す。
ある範囲のＸ線エネルギーにわたる、タングステンの減衰長及びＣＳＤＡ（電子の連続減速近似）の図を示す。
ある範囲のＸ線エネルギーにわたる、タングステンの、減衰長とＣＳＤＡの比の図を示す。
ある範囲のＸ線エネルギーにわたる、複数の材料の、減衰長とＣＳＤＡの比の図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、時分割された電子ビーム照射の中で時間ステップｔ＝０における、直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体を示す。
次の時間ステップｔ＝１における、図２８ＡのＸ線放出器の集合体を示す。
Ｘ線放出器の集合体を示す。ｔ＝０における図２８Ａ、次のステップｔ＝１における図２８Ｂ、及び次の時間ステップｔ＝２における図２８Ｃ。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体からのＸ線の軸外放出を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、広く離間した直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体からのＸ線の軸外放出を示す。
複数の電子放出器と冷却システムを備える、本発明によるＸ線システムの一実施形態の略断面図を示す。
図３０のＸ線システムのターゲットの断面を示す。
2つの面のターゲットを備える、本発明によるＸ線システムの一実施形態の略断面図を示す。
図３２のＸ線システムのターゲットの断面を示す。
回転アノードの両面（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｓｉｄｅｓ）に衝撃を与える複数の電子放出器を備える、本発明の一実施形態によるＸ線システムの略断面図を示す。
本発明によるシステムで使用する直線累積のために位置合わせされた、複数のターゲットの断面を示す。
本発明によるシステムに使用する直線累積のために位置合わせされた、Ｘ線発生材料の複数の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る分散電子ビームを用いて衝撃を受けられるＸ線コーティングを有するターゲットの側面図を示す。
図３７Ａのターゲット及び分散電子ビームの斜視図を示す。
図３７Ａのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、分散電子ビームを用いて衝撃を与えられている微細構造を有するターゲットの側面図を示す。
図３８Ａのターゲット及び分散電子ビームの斜視図を示す。
図３８Ａのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。
Ｘ線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、Ｘ線を収集して焦点を合わせるべく複数の反射レンズが用いられる。
様々な配置のＸ線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、Ｘ線を収集して焦点を合わせるべく複数の反射レンズが用いられる。 Ｘ線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、反対方向に伝搬するＸ線をモニタすべく、付加的なウィンドウ及び検出器が用いられる。
Ｘ線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、Ｘ線を収集して焦点を合わせるべく、複数のウォルタレンズが用いられる。
Ｘ線に用いられる複数のウォルタレンズの従来技術の実施形態を示す。
複数の円筒形の光学要素を有する複数のウォルタレンズの従来技術の実施形態を示す。
Ｘ線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、Ｘ線を収集して焦点を合わせるべく、複数のキャピラリレンズが用いられる。
１．本発明の基本的な実施形態
図７は、本発明による反射Ｘ線システム８０−Ａの一実施形態を示す。上述した従来技術の反射Ｘ線システム８０においても同様であるが、ソースは、一般に密閉真空チャンバ２０又は常時排気することによって維持される真空環境（典型的には１０−６Ｔｏｒｒ又はそれより高真空）を備え、管の外側にある高電圧源１０の負極及び正極から、真空チャンバ２０内部の様々な要素に通じる密封導線２１及び２２を有して製造されている。ソース８０−Ａは、典型的にはハウジング５０内に真空チャンバ２０を固定するマウント３０を備え、ハウジング５０は、Ｘ線がソース８０−Ａによって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。
前述のように、チャンバ２０の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。電子ビーム発生用の任意の数の従来技術の技法が、本明細書に開示された本発明の複数の実施形態に用いられ得る。電子ビーム発生に用いられる更なる公知技術は、熱電子放出のための加熱、ショットキー放出（加熱と電界放出との組み合わせ）、カーボンナノチューブなどのナノ構造を有する複数の放出器、複数の強誘電体材料を用いることを含む。［電子ビーム発生用の電子放出オプションに関する詳細は、Ｓｈｉｇｅｈｉｋｏ Ｙａｍａｍｏｔｏ著『Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ』（Ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第６９巻、１８１−２３２ページ（２００６年））、Ａｌｉｒｅｚａ Ｎｏｊｅｈ著『Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ： Ｆｒｏｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ ｔｏ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｏｐｈｏｎｏｎｉｃｓ』（ＩＳＲＮ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ、２０１４年版、論文番号８７９８２７、２３ページ（２０１４年））、及びＨ．Ｒｉｅｇｅ著『Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ − Ａ Ｒｅｖｉｅｗ』（ＣＥＲＮ Ｒｅｐｏｒｔ ＣＥＲＮ ＡＴ／９３−１８、スイス／ジュネーブ、１９９３年７月）を参照］。
前述のように、ターゲット基板１０００及びＸ線発生材料の領域７００を有するターゲット１１００は、低電圧である反対側の高電圧導線２２及びターゲット支持部３２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子１１１はターゲット１１００に向かって加速され、加速電圧の大きさで決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット１１００と衝突する。ターゲット１１００への電子１１１の衝突は、Ｘ線の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線の一部は真空管２０から出て、Ｘ線に対して透過的であるウィンドウ４０を通過する。
しかしながら、本発明のいくつかの実施形態において、導線２７を介してコントローラ１０−１によって制御され、放出器１１によって提供される電子線量及び電圧と調整される、静電レンズシステム、又は複数の電子レンズの他のシステムなどの電子制御機構７０も存在し得る。従って、電子ビーム１１１は、基板１０００と密接に熱的接触をするように製造された１又は複数の微細構造７００を有するターゲット１１００の上で、走査され、焦点が合わせられ、デフォーカスされ、又はそうでなければ方向付けられ得る。
図７に例示されたように、微細構造７００の配列は、電子ビーム又はビーム１１１による複数の微細構造７００の衝撃が、ターゲットの面法線に対して直交する方向に、その視野方向への強度が増す又は累積するような様式で、放出を生じさせるように配置され得る。その方向は、ウィンドウ４０を通ってシステムから出ていく指向性ビーム８８８を形成すべく、システムのスクリーン８４の開口部８４０によっても選択され得る。いくつかの実施形態において、開口部８４０は真空チャンバの外側に配置され得るか、又はより一般にはウィンドウ４０自体が開口部として働き得る。いくつかの実施形態において、開口部は真空チャンバ内部にあり得る。
本明細書に開示された本発明によるＸ線ソースで用いられるものなどのターゲットは、同時係属中の『Ｘ線発生用の構造ターゲット（ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ ＴＡＲＧＥＴＳ ＦＯＲ Ｘ−ＲＡＹ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ）』という名称の米国特許出願（米国特許出願第１４／４６５，８１６号、２０１４年８月２１日出願）に詳細に説明されており、その内容はこれによりその全体を参照によって組み込まれたものとし、付録Ａとして含まれる。上記参照された同時係属中の出願に開示された任意のターゲット設計及び構成は、本明細書で開示された任意のＸ線ソース又はすべてのＸ線ソースの構成要素として、使用を考慮され得る。
図８は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットを示す。本図において、基板１０００は、直（ｒｉｇｈｔ）四角柱の規則的配列構造で配置されたＸ線発生材料（典型的には、金属材料）を含む微細構造７００の配列を有する領域１００１を有する。真空において、電子１１１は上からターゲットに衝撃を与え、微細構造７００に熱及びＸ線を発生させる。基板１０００の材料は、Ｘ線発生微細構造の材料と比較して、電子に対して比較的低いエネルギー堆積速度を有するように（典型的には、基板用に低原子番号の材料を選択することによって）選択されるので、大量の熱及びＸ線を発生しない。基板１０００の材料は、典型的には１００Ｗ／（ｍ℃）より大きい高熱伝導率を有するようにも選択され得て、微細構造は典型的には基板内に埋め込まれている。すなわち、微細構造が四角柱として形成されている場合、微細構造７００に発生した熱が基板１０００へ効果的に放散されるように、６つ面のうち少なくとも５つの面が基板１０００と密接に熱的接触をしていることが好ましい。しかしながら、他の複数の実施形態において用いられたターゲットは、より少ない直接接触の表面を有し得る。概して、「埋め込み」という用語が本開示で用いられるとき、微細構造の表面積の少なくとも半分は、基板と密接に熱的接触をしている。
本発明によるターゲット１１００は、図１に例示された透過Ｘ線ソース０８用のターゲット０１、又は図２の反射Ｘ線ソース８０に例示されたターゲット１００の代わりとして取り付けられ得るか、又は図６Ａの回転アノードＸ線ソース５８０で用いられたターゲット５００としての使用に適応され得る。
「微細構造」という単語が本明細書で用いられるとき、Ｘ線発生材料を有する微細構造を特に表していることが、ここで留意されるべきである。Ｘ線微細構造を形成するのに用いられるキャビティなどの他の構造は、同じ規模の寸法を有するので、これも「微細構造」とみなされ得る。しかしながら、本明細書で用いられるように、「構造」、「キャビティ」、「穴」、「開口部」などの他の単語は、そのＸ線発生特性のために選択されない基板などの材料にこれらが形成されるとき、これらの構造に用いられ得る。「微細構造」という単語は、これらのＸ線発生特性のために選択された材料を有する構造のためのものである（ｒｅｓｅｒｖｅｄ）。
同様に、「微細構造」という単語が用いられるが、１ミクロンより小さい寸法、又はさらに小さくナノスケール寸法（すなわち、１０ｎｍより大きい）を有するＸ線発生構造も、本明細書で用いられるように「微細構造」という単語によって説明され得ることが、留意されるべきである。
図９は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットを示しており、ここで電子ビーム１１１−Ｆは、静電レンズによって方向付けられ、より集中した収束スポットを形成する。この状況では、ターゲット１１００−ＦはＸ線材料を含む微細構造７００−Ｆの配列を有する領域１００１−Ｆをまだ有しているが、この領域１００１−Ｆのサイズ及び寸法は、電子照射が生じる領域に合致し得る。これらのターゲットにおいて、ソース形状及びＸ線発生材料の「調整」は、設計によって、発生する熱量を微細構造領域１００１−Ｆにほとんど制限して、設計及び製造の複雑さも低減するように制御され得る。これは、微小スポットを形成すべく焦点が合わせられた電子ビームとともに用いられるとき、又はより複雑な電子照射パターンを形成するより複雑なシステムによって用いられるときに、特に有用であり得る。
図１０は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットを示しており、ここでターゲット１１００−Ｅは、電子１１１にさらされたときにＸ線を放出するＸ線材料を含む微細構造７００−Ｅの配列を有する領域１００１−Ｅをまだ有しているが、領域１００１−Ｅは基板１０００−Ｅの縁部と同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置される。この構成は、図８に示されたように、基板がＸ線を吸収する材料を有するために、０°に近い角度での放出が構成内で著しく減衰され得るターゲットで有用であり得る。
しかしながら、図１０のターゲットの欠点は、図８と比較すると、微細構造７００−Ｅの片側で基板のかなりの部分がなくなっていることである。従って、熱は微細構造から対称に取り除かれず、局所的な加熱が増加し、熱の流れを悪化させ得る。
この問題に対処すべく、本発明のいくつかの実施形態において用いられるようないくつかのターゲットは、図１１に示すような構成を用い得る。ここで、ターゲット１１００−Ｒは、棚状の凹み部１００２−Ｒを持つ基板１０００−Ｒを有する。これにより、微細構造７００−Ｒの配列を有する領域１００１−Ｒは、基板の凹んだ縁部１００３−Ｒと同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置され、０°又は０°に近い角度で、基板１０００−Ｒに再吸収されることなくＸ線を放出することが可能になるが、それでも電子１１１にさらされたときに発生する熱に対して、より対称的なヒートシンクを提供する。
図１２は電子ビーム１１１と、基板１０００及びＸ線材料の微細構造７００を有するターゲットとの間の関連する相互作用を示す。例示されたように、３つの電子経路だけが示されており、その電子の２つの代表が、示された２つの微細構造７００に衝撃を与え、１つが基板と相互作用している。
上記の数式１で論じられたように、侵入の深さはポットの法則によって推定され得る。 この式を用いて、表２は、いくつかの一般的なＸ線ターゲット材料に対する推定侵入深さの一部を示す。
図１２の例示では、６０ｋｅＶの電子が用いられ、基板１０００の材料としてダイヤモンド（原子番号６）が選択され、微細構造７００のＸ線発生材料として銅（原子番号２９）が選択された場合、図１２の左側にＲと印を付けた大きさが１０ミクロンの参考寸法に対応し、Ｘ線発生材料の深さＤは、銅に対する電子侵入深さの２／３（６６％）に設定されたとき、およそ３．５ミクロンになる。
Ｃｕの特性Ｘ線（Ｋ線）の大部分は、深さＤ以内で発生する。その深さ以下での電子の相互作用は、典型的にはほとんど特性Ｘ線（Ｋ線）を発生させないが、熱発生の一因となり、これにより、深さ方向に沿って緩やかな温度勾配をもたらす。従って、いくつかの実施形態において、材料中の電子の相互作用を制限し、局所的な温度勾配を最適化すべく、ターゲット中の微細構造の最大厚みを設定することが好ましい。本発明の１つの実施形態は、ターゲット中の微細構造化したＸ線発生材料の深さを、入射電子エネルギーにおける電子侵入深さの１／３と２／３との間に制限している。この場合、より低い質量密度の基板は、Ｘ線発生材料の直下の基板材料に、より低いエネルギー堆積速度をもたらし、これは次に、下の基板材料により低い温度をもたらす。これにより、Ｘ線発生材料と基板との間に、より大きい温度勾配がもたらされ、熱伝導を高める。温度勾配は、基板材料の高熱伝導率によって更に拡大される。
同様の理由で、電子侵入深さより浅くなるように深さＤを選択することも、制動放射線の効率的な発生に概して好ましい。というのは、その深さより下の電子はより低いエネルギー、従ってより低いＸ線発生効率を有するからである。
注記：Ｘ線発生材料の寸法の他の選択肢も用いられ得る。本発明のいくつかの実施形態において用いられるようなターゲットでは、Ｘ線材料の深さは、電子侵入深さの５０％になるように選択され得る。他の実施形態においては、Ｘ線材料の深さは、電子侵入深さの３３％になるように選択され得る。他の実施形態においては、微細構造の深さＤは、材料中の電子の「連続減速近似」（ＣＳＤＡ）範囲に関連して選択され得る。他の深さは、所望のＸ線スペクトル、及び選択されたＸ線材料の特性に応じて、特定され得る。
注記：本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような他のターゲットでは、Ｘ線発生材料の深さと横寸法（幅Ｗ及び長さＬなど）との間の特定の比も特定され得る。例えば、深さが特定の大きさＤになるように選択された場合、次に横寸法Ｗ及び／又はＬは、Ｄの５倍以下になるように選択され、５という最大比を与える。本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような他のターゲットでは、横寸法Ｗ及び／又はＬは、Ｄの２倍以下になるように選択され得る。深さＤ並びに横寸法Ｗ及びＬ（Ｘ線発生微細構造の幅及び長さ）は、電子伝搬の軸に対して画定され得るか、又はＸ線発生材料の表面の向きに対して画定され得ることも、留意されるべきである。垂直入射電子に対しては、これらは同じ寸法になる。斜めに入射する電子に対しては、適切な予測が必ず用いられるように、注意が払われなければならない。
図１３は、図１２に示された様々な領域からの相対的なＸ線発生を示す。Ｘ線８８８は、それが発生するＸ線発生材料中の領域２４８から放出された特性Ｘ線を有し、電子が基板と相互作用する領域１２８０及び１０８０は、基板元素の特性Ｘ線を発生させる（Ｘ線発生領域２４８中のＸ線発生材料の元素の特性Ｘ線ではない）。さらに、Ｘ線発生材料の領域２４８から放出された制動放射Ｘ線は、典型的には、電子が低原子番号の基板にしか遭遇しない領域１２８０及び１０８０において、それらの領域が放出する弱い連続Ｘ線１０８８及び１２２８よりはるかに強い。
図１３の例示は、右にだけ放出されるＸ線を示しているが、これは、このターゲットが図５Ａ〜図５Ｃで論じられた低角度高輝度構成に用いられるときに、右に配置されているウィンドウまたはコレクタを予想しているからであることが、留意されるべきである。Ｘ線は、実際には、これらの領域からすべての方向に典型的に放出される。
図１３が、微細構造に沿った特性Ｘ線の直線累積を可能とし、従って比較的強い特性Ｘ線信号を発生し得る構成を示すように、複数の材料がこれら自体の特性Ｘ線に対して比較的透明であることも、留意されるべきである。しかしながら、多くのより低いエネルギーのＸ線は、Ｘ線フィルタとして効果的に働くターゲット材料によって減衰させられる。複数の材料及び幾何学的パラメータの他の複数の選択肢が、低エネルギーＸ線の帯域通過が所望される用途など（例えば、画像処理用又は低原子番号の材料の蛍光分析用）で、非特性の連続Ｘ線が所望される場合に、選択され得る（例えば、非線形方式）。
ここまでは、平面構造に配置されたターゲットが示された。これらは、概して実装するのがより容易である。なぜなら、堆積、エッチング、及び他のプレーナプロセスの複数の工程のための装置及びプロセスレシピは、プレーナダイヤモンドを用いた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用途のデバイスの処理、及び半導体産業用のシリコンウェーハの処理でよく知られているからである。
しかしながら、いくつかの実施形態において、３次元（３−Ｄ）で付加的な特性を有する表面を持つターゲットが所望され得る。前に論じられたように、電子ビームが電子侵入深さより大きいと、見掛けのＸ線ソースサイズ及び領域は、表面に対して平行に、すなわちゼロ度（０°）の取り出し角で見たときに最小になる（そして輝度は最大化される）。結果として、０°の取り出し角で見た時に、見掛け上の最大輝度のＸ線放出が生じる。Ｘ線発生材料内からの放出は、それが材料を通って０°で伝搬するにつれ累積する。
しかしながら、実質的に一様な材料の広いターゲットでは、Ｘ線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のＸ線の複数の発生源の間のＸ線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、０°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、０°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。Ｘ線ビームが強度において１／ｅまで減少する距離はＸ線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたＸ線が可能な限り更なる材料を通過しない、Ｘ線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットの例示が、図１４に示されている。図１４において、単一の微細構造２７００を有するＸ線発生領域は、棚状部２００２に接した基板の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、図１１に例示された状況に類似している。Ｘ線発生微細構造２７００は、Ｘ線発生材料から成る矩形バーの形状をしており、基板２０００に埋め込まれ、電子１１１で衝撃を与えられたときに、Ｘ線２８８８を放出する。
バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３の間になるように選択される。バーの厚みＤは、鉛直方向に所望のＸ線ソースサイズを得るようにも選択され得る。バーの幅Ｗは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択される。例示されたように、ＷはおよそＤの１．５倍であるが、所望のソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。
例示されたようにバーの長さＬは、およそＤの４倍であるが、いかなる大きさであってもよく、典型的には、選択されたＸ線発生材料のＸ線減衰長の１／４倍から３倍の間になるように決定され得る。例示されたように棚状部の縁部とＸ線発生材料の縁部との間の距離ｐはおよそＷに等しいが、基板材料のＸ線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部２００３と同一平面を成すところ（ｐ＝０）から最大１ｍｍまで、任意の値になるよう選択されてよい。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットの例示が、図１５に示されている。このターゲットでは、６つの微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６を有するＸ線発生領域が、棚状部２００２に接した基板の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、図１１及び図１４に例示された状況と類似している。Ｘ線発生微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６は、基板２０００に埋め込まれたＸ線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子１１１で衝撃を与えられたときにＸ線２８８８−Ｄを放出する。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなこのターゲットにおいて、Ｘ線発生材料の総体積は、前の図１４の例示におけるものと同じである。図１４に示された場合においても同様であるが、バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３の間になるように選択される。図１４に示された場合においても同様であるが、バーの幅Ｗは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにＷはおよそＤの１．５倍である。前に論じられたように、バーの幅Ｗは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。
しかしながら、図１４に例示されたような長さＬの単一のバー２７００は、６つのサブバー２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６に置き換えられており、それぞれの長さｌはＬ／６である。Ｘ線発生の体積（同じ電子密度で衝撃を与えられたとき）は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する５つの面を有し、Ｘ線発生サブバー２７０１−２７０６から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離ｄはおよそｌに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるＸ線量、及び、Ｘ線発生微細構造２７０１−２７０６の特定の材料と基板２０００との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。
同様に、棚状部の縁部とＸ線発生材料の縁部との間の距離ｐは、例示されたようにおよそＷに等しいが、基板材料のＸ線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部２００３と同一平面を成すところ（ｐ＝０）から最大１ｍｍまで、任意の値になるよう選択されてよい。
図１５などに示された構成では、複数のＸ線発生サブバーの全長は、一般にＸ線発生材料におけるＸ線の直線減衰長の約２倍になるが、その距離の半分から３倍を超えるところまで選択され得る。同様に、バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みＤは、該当方向に、ほぼ等しい所望のＸ線ソースサイズを得るためにも選択され得る。
示された複数のバーは、（示されたように）基板に埋め込まれ得るが、Ｘ線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。
図１６Ａ〜図１６Ｃは、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような、規則的配列構造に配置されたＸ線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造７００の配列を有するターゲットの領域１００１を示している。図１６Ａは、このターゲット用の１６個の微細構造７００の斜視図を示し、図１６Ｂは同じ領域の上面図を示し、図１６Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。（本開示の「側面／断面図」という用語に対して、意味する図は、物体の断面を作成し、次に横から断面の表面の方を見たような図である。この図は、断面部分の詳細、及び、基板自体が透明であると仮定した場合に（ダイヤモンドの場合には、概して可視光に当てはまる）、横から見られ得る材料のさらに内部の両方を示している）。
これらのターゲットにおいて、複数の微細構造は６つの面のうち５つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造７００の上面は基板の表面と同一平面を成すが、微細構造が凹所にある他のターゲットが製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他のターゲットが製造されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットは、基板の表面上に単に堆積された複数の直四角柱の微細構造を有し得る。この場合、角柱の底面だけが、基板と熱的接触をし得る。 図１６Ｃに示されたような側面／断面図で、深さＤ、並びに基板平面における横寸法Ｗ及びＬを有して基板に埋め込まれた複数の微細構造を有する構造の場合、埋め込み微細構造と堆積微細構造との、基板と接触する総表面積の比は次の式で表される。
Ｗ及びＬに対してＤの値が小さい場合、比は実質的に１になる。厚みが大きくなると比も大きくなり、等しい５つの面が熱的接触をする立方体（Ｄ＝Ｗ＝Ｌ）では、比は５である。質量密度及び熱伝導率に関して基板と類似の特性を有する材料のキャップ層が用いられる場合、比は６まで増加し得る。
熱伝導は図１７に代表的な矢印で例示されており、その中で、基板１０００に埋め込まれた複数の微細構造７００で発生した熱は、底面及び複数の側面を通って複数の微細構造７００から外へ伝えられる（図面の平面から外へ複数の側面を通って伝達する矢印は示されていない）。 面積Ａ、厚みｄの材料を通って伝達される単位時間当たりの伝導熱量（ΔＱ）は、次の式で与えられる。
ここでｋは熱伝導率（Ｗ／（ｍ℃））、ΔＴは厚みｄの全体にわたる温度の差異（℃）である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔＴの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
図１８Ａ〜図１８Ｃは、本発明の一実施形態による、Ｘ線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造７００及び７０１の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域１０１３を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。図１８Ａは２５個の埋め込み微細構造７００及び７０１の斜視図を示し、図１８Ｂは同じ領域の上面図を示し、図１８Ｃは点線で示された凹み領域を有する同じ領域の側面／断面図を示している。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットの例示が、図１９Ａ−図１９Ｃに示されており、厚みＤを有するＸ線発生材料を含む微細構造２７９０及び２７９１の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域２００１を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。
他の複数の実施形態で用いられるターゲットにおいても同様であるが、これらの微細構造２７９０及び２７９１は基板の表面に埋め込まれている。しかしながら、基板の表面は予め定められた非プレーナトポグラフィ、この特定の場合では、基板２０００の面法線に沿った複数の段を有している。例示されたように、それぞれの段の高さｈはほぼＤに等しいが、段の高さは複数の微細構造の厚みの１倍から３倍の間になるように選択され得る。すべての段の全高は、鉛直方向（厚み方向）に沿った所望のＸ線ソースサイズと等しいか、又はそれよりも小さくなるように選択され得る。
微細構造領域の全幅は、対応する方向に所望のＸ線ソースサイズと等しくなり得る。全体の外観はＸ線ソースの階段に似ている。図１９Ａは１８個の埋め込み微細構造２７９０及び２７９１の斜視図を示し、図１９Ｂは同じ領域の上面図を示し、図１９Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。基板がベリリウム、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素であるとき、電気伝導層が階段構造の上面にコーティングされ得る。
図２０は、電子１１１によって衝撃を与えられたときの、図１９Ｃの階段型ターゲットからのＸ線放出２８８８−Ｓを示している。他の複数の実施形態に用いられる複数のターゲットにおいても同様であるが、Ｘ線発生材料の複数の角柱は、電子が衝突したときに加熱される。Ｘ線発生材料の複数の角柱のそれぞれは、基板２０００と熱的接触をしている５つの面を有しているので、Ｘ線材料から出ていく熱の伝導は、Ｘ線材料が表面に堆積された構成よりもまだ大きい。しかしながら、１つの面に対しては、Ｘ線の放出は、他の隣接する複数の角柱による吸収によって減衰されず、隣接する基板材料によって無視できるほどしか減衰されない。
従って、それぞれの角柱からのＸ線の輝度は、特に市松模様に配置されたＸ線発生材料の複数の角柱７００及び７０１も示している図１８Ａ〜図１８ＣのターゲットからのＸ線放出と比較したときに増加する。図１８Ａ〜図１８Ｃの構成では、それぞれの角柱は基板に埋め込まれており、従って基板１０００と熱的接触をしている５つの表面を有しているが、０°での横への放出は隣接する列の複数の角柱及び基板材料の両方によって減衰させられる。
トポグラフィを伴ったターゲットを備えるそのような一実施形態は、まずトポグラフィを伴った基板を用意し、次に、前に説明したプレーナ基板用の製造プロセスに従って、Ｘ線材料の複数の角柱を埋め込むことによって製造され得る。代替的に、Ｘ線材料で充填される複数のキャビティを形成する最初の複数の工程は、初期の平坦基板に階段状のトポグラフィ構造を形成すべく向上させられ得る。どちらの場合においても、埋め込まれる角柱を特定の特徴のトポグラフィと重ね合わせることが所望される場合に、プレーナプロセスの当業者に知られているなどの、付加的な複数の位置合わせ工程が使用され得る。
複数の微細構造は、図１９Ａ〜図１９Ｃ及び図２０に例示されたように階段の縁部に対してある距離をおいて埋め込まれるか、又は（図１０に示されたように）縁部と同一平面を成すように埋め込まれ得る。どちらの構成が特定の用途に適切であるかという判断は、Ｘ線発生材料及び基板材料のまさにその特性に依存し得て、その結果、例えば、５つの表面か４つの表面かによる熱の伝達によって可能になる電子電流の増加で実現された付加的な輝度が、自由空間放出か基板材料の一部を通じた再吸収かによって実現された付加的な輝度と比較され得る。位置合わせ及び重ね合わせの工程、並びに複数の層に複数の角柱を作るのに必要になり得る複数のプロセス工程に関連した付加的なコストは、達成可能な輝度の増加と比較して考慮される必要があり得る。
上記の米国特許出願第１４／４６５，８１６号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、複数のＸ線発生材料を有する複数の微細構造、Ｘ線発生材料の合金を有する複数の微細構造、拡散防止層又は密着層を堆積した複数の微細構造、熱伝導性オーバーコート膜を有する複数の微細構造、熱伝導性かつ導電性のオーバーコート膜を有する複数の微細構造、基板内に埋設された複数の微細構造、及び同様のものである。
上記の米国特許出願第１４／４６５，８１６号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、ダイヤモンド又はサファイアなどの熱伝導性基板上にミクロン規模の寸法の形状としてパターニングされる（又はそこに埋め込まれる）任意の数の従来のＸ線ターゲット材料（銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）など）を有し得る複数の微細構造の配列である。いくつかの実施形態において、複数の微細構造は代替的に、これまで熱特性が劣ることに起因してその使用が限定されていた、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、チタン（Ｔｉ）、アンチモン（Ｓｂ）などの従来と異なったＸ線ターゲット材料を有し得る。
上記の米国特許出願第１４／４６５，８１６号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、立方体、矩形ブロック、正角柱、直四角柱、台形柱、球体、卵形、樽型物体、円柱、三角柱、ピラミッド型、四面体、又は、高輝度のＸ線を最も発生させ、熱も効率的に分散させるべく、表面積を増やす表面テクスチャ又は構造を有する形状を含む他の特別に設計された形状などの、任意の数の幾何学的形状を取る複数の微細構造の配列である。
上記の米国特許出願第１４／４６５，８１６号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金を含む、Ｘ線発生材料として様々な材料を有する複数の微細構造の配列である。
これまでに説明された複数の実施形態は、輝度を増加させたＸ線を発生させるＸ線ソースのターゲットとして用いられ得るＸ線材料を有する複数の微細構造を備えた様々なＸ線ターゲット構成を含んでいる。これらのターゲット構成は、電子で衝撃を与えられてＸ線を放出すると説明されてきたが、別の従来のソースにおいて固定Ｘ線ターゲットとして用いられて、図１の透過Ｘ線ソース０８のターゲット０１、又は図２の反射Ｘ線ソース８０のターゲット１００のいずれか一方を、本発明の複数の実施形態に従うＸ線ソースを形成する微細構造ターゲットと置き換え得る。
上述された複数のターゲットは可動Ｘ線ターゲットに埋め込まれて、例えば、図６Ａの回転アノードＸ線ソース８０のターゲット５００を、本発明の他の複数の実施形態に従う可動微細構造ターゲットでソースを形成すべく、上述されたような微細構造ターゲットと置き換え得ることも可能である。
２．直線累積Ｘ線ソースの一般的な考察
図２１は、直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体を示している。直線配列の長軸は図の左から右に延びており、短軸は図の平面に入る、及びそこから出るように延びている。１又は複数のＸ線発生材料を有する、複数のＸ線発生要素８０１、８０２、８０３、８０４、…などは、高電圧（１ｋｅＶから２５０ｋｅＶまでのどこでも）において、電子ビーム１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、…などによって衝撃を与えられ、Ｘ線８１８、８２８、８３８、８４８、…などを放出するサブソースを形成している。Ｘ線は等方的に放出される傾向があるが、ここでの解析は、サブソースの直線配列の中央を通る軸に沿った視点に対するものであり、そこに開口部８４０を有するスクリーン８４が配置されている。
図２１に描かれたように、開口部は累積された角度０°のＸ線がソースから出てくることを可能にするが、実際には、面法線に対して＋／−３°又は＋／−６°でも放出される複数の角度の放出Ｘ線を可能にする開口部は、いくつかの用途で用いるために設計され得ることが、留意されるべきである。ウィンドウは直線配列の長軸に対して垂直入射又は垂直入射近くであることが概して好ましいが、いくつかの実施形態においては、最大８５°の角度に傾いたウィンドウが有用であり得る。
ｉ番目の放出器８０ｉが、Ｘ線８ｉ８を軸に沿って図２１の右側へ放出すると仮定すると、例示されたように、一番右の放出器に関する放出は、単に自由空間を介して右へ伝搬する。しかしながら、他の複数の放出器からのＸ線は、複数の放出器の間にどんな材料があっても、そこを通過する間に発生する吸収、散乱、又は他の損失機構を介して減衰させられ、また伝搬軸からの発散や隣接する放出器を通過することで生じる損失によっても減衰させられる。
次のように定義した場合、Ｉｉ：ｉ番目の放出器８０ｉからのＸ線放出強度８ｉ８、Ｔ１，０：１番目の放出器８０１の右への伝搬に関するＸ線透過率、Ｔｉ，ｉ−１：ｉ番目の放出器８０ｉから（ｉ−１）番目の放出器８０（ｉ−１）への伝搬に関するＸ線透過率、Ｔｉ：ｉ番目の放出器８０ｉを通る伝搬に関するＸ線透過率（Ｔ０は１）、 Ｎ個の放出器の配列から右への軸上のＸ線の全強度は、次のように表される。
これは最終的に次式のようになる。
すべての放出器が、ほぼ同じ強度のＸ線を放出するソース設計では、
（これは、配列のＸ線放出要素が類似のサイズ及び形状であり、それらが類似のエネルギー及び密度を有する電子で衝撃を与えられる場合に実現し得る）。全放出強度は次式のようになる。
さらに、複数の放出器が、複数の要素の間の透過に対して実質的に同じ値を有する規則的配列構造で配置される場合は、次式のようになる。
そして、複数のＸ線放出要素のサイズ及び形状が、任意の所定の要素を通る伝搬も同じになるほど十分に類似している場合には、次式のようになる。
次に、全放出強度は次式のようになる。
Ｔｉ及びＴｉ，ｉ−１は、損失に起因した伝搬の減衰を表しており、従って常に０から１の間の値を持つことに留意されたい。 Ｎが大きい場合、右辺の合計は等比級数によって近似されることができ、次式で表される。
これにより、おおよその強度は次式のようになる。
この式は、透過率Ｔ１とＴ２，１との積を、可能な限り１に近づけることで、Ｉｔｏｔが増大することを示唆している。
これは、損失及び減衰によって別のＸ線放出要素の追加が無駄になる前に、いくつの放出要素が一列に配置され得るかを推定するのにも用いられ得ることに留意されたい。例えば、放出要素の幅がＸ線の減衰長の１／ｅである場合、要素の透過率は、Ｔ１＝１／ｅ＝０．３６７９となる。 要素間の透過率をＴｉ，ｉ−１＝Ｔ２，１＝０．９８と仮定すると、次式を導く。
この式は、１／ｅの長さと等しい幅を有する多数の要素は、１．５６４倍だけ強度を向上させ得るのみであることを示唆しており、要素の数を大きくしても２つの要素より軸上であまり生産的ではないことを示唆している。
例えば、Ｔ１＝０．８０のＸ線減衰を有する、より細い要素では、次式のようになる。
この式は、多数のＸ線発生要素を有するソースと同じくらいの明るさのソースを形成するには、これらの要素のうちほぼ５つまでが、一列に配置され得ることを示唆している。
Ｘ線減衰は、異なるエネルギーのＸ線では異なり、Ｔ１とＴ２，１との積は所定の材料に対して、ある範囲の波長にわたって著しく変化し得ることが留意されるべきである。
図２２は、３種類のＸ線発生材料、すなわちモリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）の１ｋｅＶから４００ｋｅＶにわたるエネルギーを有するＸ線に対する１／ｅ減衰長と、３種類の基板材料、すなわちグラファイト（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）、水（Ｈ２Ｏ）の１０ｋｅＶから４００ｋｅＶまでの範囲のエネルギーを有するＸ線に対する１／ｅ減衰長とを示している。［ここで示されたデータはもともと、Ｂ．Ｌ．Ｈｅｎｋｅ、Ｅ．Ｍ．Ｇｕｌｌｉｋｓｏｎ、Ｊ．Ｃ．Ｄａｖｉｓによって、『Ｘ−ｒａｙ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ： ｐｈｏｔｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ， ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ａｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｔ Ｅ＝５０−３００００ ｅＶ， Ｚ＝１−９２』、Ａｔｏｍｉｃ Ｄａｔａ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｄａｔａ Ｔａｂｌｅｓ、第５４巻（２）、１８１−３４２ページ（１９９３年７月）に公開されており、＜ｈｔｔｐ：／／ｈｅｎｋｅ．ｌｂｌ．ｇｏｖ／ｏｐｔｉｃａｌ＿ｃｏｎｓｔａｎｔｓ／ａｔｔｅｎ２．ｈｔｍｌ＞でアクセスされ得る。他のＸ線吸収の表は、＜ｈｔｔｐ：／／ｐｈｙｓｉｃｓ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ＰｈｙｓＲｅｆＤａｔａ／ＸｒａｙＭａｓｓＣｏｅｆ／ｃｈａｐ２．ｈｔｍｌ＞で利用可能である］。
材料の１／ｅ減衰長Ｌ１／ｅは、次式によって長さＬに対する上記透過率と関連している。
従って、Ｌ１／ｅを大きくすると、Ｔｉが大きくなることを意味している。
図２２の値を用いた一例として、タングステンの６０ｋｅＶのＸ線、およそ２００ミクロンのＬ１／ｅを用いると、２０ミクロン幅のＸ線発生要素の透過率は、次式で与えられる。
一方、およそ５０，０００ミクロンのＬ１／ｅのベリリウム基板では、ベリリウムに埋め込まれた１００ミクロン幅のタングステンＸ線発生要素の透過率は、次式のようになる。
従って、ベリリウム基板に埋め込まれ、１００ミクロン離れて離間した２０ミクロン幅のタングステン要素の周期的配列に対して、軸上強度の最良の推定値は次式のようになる。
これは、単一のタングステンＸ線放出要素と比較したとき、Ｘ線強度が１桁増大することを表している。
３．Ｘ線ソースの制御
複数の変動要素があり、それらによって、Ｘ線出力を向上させるべく、そのような一般的な直線累積ソースが「調整」又は調節され得る。本発明の複数の実施形態は、これらの変動要素の一部又はすべての制御及び調節を可能にし得るか、あるいは、これらの変動要素を何も制御せず、調節もしない。
３．１．電子ビームのバリエーション
まず、いくつかの実施形態において、Ｘ線発生要素８０１、８０２、８０３、…などに衝撃を与える電子１１１、又は１１１１、１１１２、１１１３などのビーム又は複数のビームは、複数の電子レンズ、静電レンズ、又は磁界収束要素などの１又は複数の電子制御機構７０を用いて形成され、かつ方向付けられ得る。典型的には、複数の静電レンズがＸ線ソースの真空環境内に配置され、複数の磁界収束要素が真空の外側に配置され得る。米国特許第６，８７０，１７２号『マスクを用いない反射電子ビーム投影リソグラフィ（Ｍａｓｋｌｅｓｓ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）』に説明されているような従来技術のＲＥＢＬ（反射電子ビームリソグラフィシステム）に開示された、反射電子ビーム制御システムなどの様々な他の電子画像処理技術も、電子照射の複雑なパターンを形成するのに用いられ得る。
図２１に例示されたように、また図２３Ａにも例示されたように、電子は垂直入射で複数の要素に衝撃を与え得て、図２３Ｂに例示されたように電子ビーム１１２１、１１２２、１１２３などは角度θで、図２３Ｃに例示されたように（収束電子ビームなどの）電子ビーム１１３１、１１３２、１１３３などは複数の角度で、図２３Ｄに例示されたように両面から複数の微細構造７００に衝撃を与える電子ビーム１１４１、１１４２、１１４３などは角度θで、図２３Ｅに例示されたように電子ビーム１１５１、１１５２、１１５３などは様々な強度または電子密度で、図２３Ｆに例示されたように一様な大面積の電子ビーム１１１で、又は当業者によって考案され得る多くの電子ビーム構成の任意の組み合わせで、複数の要素に衝撃を与え得る。
電子照射用のパターンの実際の設計は、Ｘ線発生材料、及び／又は複数のＸ線発生要素の間の領域を充填する材料の材料特性に一部依存し得る。図２３Ｅに例示されたように、Ｘ線発生材料の吸収性がきわめて高い場合には、Ｘ線を放出し、さらに他の複数のＸ線発生要素を通って最も長い距離を進まなければならない領域に衝撃を与えるのに、より大きい電子密度が用いられ得る。 同様に、図２３Ｂに例示されたように、電子侵入深さが深い場合には、Ｘ線発生材料は、斜めにした電子で衝撃を与えられ得る。電子侵入深さが所望されたより深い場合、Ｘ線発生材料のより薄い領域が用いられ、鉛直方向の大きさがより小さいソースを形成し得る。
多くの実施形態において、電子照射の領域は、電子ビーム又は複数の電子ビームが、主にＸ線発生要素１００１、１００２、１００３などに衝撃を与え、これらの要素の間の領域には衝撃を与えないように調節され得る。多くの実施形態において、複数のＸ線発生要素の間の間隔は、真空ではなく、複数のＸ線発生要素からの熱の放散を容易にする固体材料で充填され得る。ダイヤモンドなどの熱伝導基板に埋め込まれた、又は埋設された複数のＸ線発生要素の配列を有するそのようなソースターゲットは、上述されたように同時係属中の米国特許出願第１４／４６５，８１６号に開示されており、これはその全体を参照によって組み込まれたものとする。
複数のＸ線発生要素の間の領域が固体材料を有し、また電子で衝撃を与えられる場合、その領域は電子照射の下で加熱される傾向があり、それによって複数のＸ線発生要素との温度勾配が低減し、従ってＸ線発生要素からの熱の流れが低減する。電子エネルギー及び密度の量に対する制限が、溶融などの熱損傷が生じる前にＸ線発生材料によって吸収され得るエネルギー量で一部決定されることが多いということで、複数のＸ線発生要素からの熱の放散を増加させることが概して好ましく、それは、非Ｘ線発生領域の電子照射を減少させることによって、一部実現され得る。電子照射で発生した熱は、原子番号Ｚが増加するとともに増加する傾向があるので、ベリリウム（原子番号４）又はダイヤモンド（原子番号６）などの低原子番号の材料を有する基板を選択することが好ましい場合があることが、留意されるべきである。
別個の複数のＸ線発生要素に独立して衝撃を与えるのに用いられる複数の電子ビームを有するソースは、異なる加速電圧が異なる電子ビームソースで用いられることを可能にするようにも構成され得る。そのようなソース８０−Ｂが図２４に例示されている。この例示においてもやはり、前の高電圧源１０が導線２１−Ａを介して、電子１１１−Ａをターゲット１１００−Ｂに向かって放出する電子放出器１１−Ａに接続されている。しかしながら、電圧１０−Ｂ及び１０−Ｃ用の２つの付加的な「ブースタ」も設けられ、これらの高電位が導線２１−Ｂ及び２１−Ｃを介して、異なるエネルギーの電子１１１−Ｂ及び１１１−Ｃを放出する付加的な電子放出器１１−Ｂ及び１１−Ｃに接続されている。Ｘ線発生要素８０１、８０２、８０３、…などを有するターゲット１１００−Ｂは、通常は一様に接地電位に設定されているが、異なるＸ線発生要素を目標とするのに用いられる個々の電子ビームソースは異なる電位に設定され得て、従って、様々なエネルギーの電子が異なるＸ線発生要素８０１、８０２、８０３、…に衝撃を与えるのに用いられ得る。
これにより、個々のＸ線発生要素に用いられる材料に応じて、異なるエネルギーの電子が異なるＸ線放出スペクトルを発生し得るという点において、Ｘ線放出の管理に複数の利点が提供され得る。発生する熱負荷も、異なる電子エネルギーの使用を通じて管理され得る。そのような複数のビーム構成にとって、様々な複数のビームが互いに干渉しないようにし、また誤ったエネルギーの電子を誤ったターゲット要素に与えないようにするための複数の電子レンズの設計は、複雑になり得る。
３．２．材料のバリエーション
複数のＸ線発生要素を同一の構成単位として扱い、間にある複数の領域も同一とみなすことはより簡単であるが、いくつかの実施形態においては、これらのパラメータにバリエーションを有することに対して複数の利点があり得る。
いくつかの実施形態において、異なる複数の材料からの様々なスペクトルの特性Ｘ線を軸上ビューが示すように、異なる複数のＸ線発生要素は異なる複数のＸ線放出材料を有し得る。Ｘ線に対して比較的透明である材料は、出力ウィンドウ８４０に最も近い位置（例えば、図２１において最右端の要素）に用いられ得るが、より強く吸収する材料は、他の複数のソースをあまり減衰させないように配列の反対側の要素に用いられ得る。
いくつかの実施形態において、複数のＸ線発生要素の間の距離は、複数の異なる材料の予想される熱負荷に応じて、変更され得る。例えば、複数の要素の間のより広い間隔は、電子衝撃の下でより多くの熱の発生が予想される要素に用いられ得て、より少ない熱が予想される場合には、より狭い間隔が用いられ得る。
３．３．サイズと形状のバリエーション
図２５に例示されたように、いくつかの実施形態において、Ｘ線発生要素１８０１、１８０２、１８０３、…などは様々なサイズ及び幾何学的形状を有し得る。これは、複数の異なる材料が用いられ、複数の異なる材料によって電子の減速プロセス及びＸ線吸収が異なるという状況に特に有用であり得る。
直線累積Ｘ線ソースのための複数のＸ線発生要素の設計において考慮され得る有用なフィギュアオブメリットは、材料内のＸ線の１／ｅ減衰長と、電子の「連続減速近似」（ＣＳＤＡ）飛程の半分との比である。電子は減速するにつれて、複数の衝突によってエネルギーを失い得るので、電子のＣＳＤＡ飛程は、典型的には侵入深さより大きい。図２６Ａは、タングステンに対するこれら２つの関数の図を示しており、図２６Ｂはその比の図を示している。Ｘ線データは、前に引用したヘンケ他によるソースからのものであり、ＣＳＤＡ飛程データは、ＮＩＳＴの「物理学的測定実験室（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）」＜ｈｔｔｐ：／／ｐｈｙｓｉｃｓ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ＰｈｙｓＲｅｆＤａｔａ／Ｓｔａｒ／Ｔｅｘｔ／ＥＳＴＡＲ．ｈｔｍｌ＞からのものである。比は、Ｘ線の直線累積に用いられるとき、材料のＸ線発生に対するフィギュアオブメリットとみなされ得る。それは、材料のＸ線透過率が大きい（その微細構造に対するＴｉが増加する）ときにその値は大きくなるが、ＣＤＳＡ飛程が小さいときにも大きくなるからである（これは、電子が迅速に吸収され、Ｘ線がより浅い深さのスポットから放出されるように見えることを意味している）。
図２７は、この比を３種類の材料（Ｃｕ、Ｍｏ、及びＷ）の広範なＸ線エネルギーに対して示している。いったんＸ線材料が所望の特性線に対して選択されると、この比は特定のエネルギー範囲（タングステンでは約５５ｋｅＶなど）を示唆するのに用いられ得て、それにより、このフィギュアオブメリットが比較的大きくなるような状態でシステムが動作するように構成され得る。
経験則として、微細構造の厚みは、電子ビーム伝搬の方向で測定されるようなＣＳＤＡの１／２又はそれより小さく設定され得る。ターゲット材料のいくつかの選択では、薄箔コーティングの材料が必要なＸ線放出を提供するのに十分であり得て、より複雑な埋め込み又は埋設微細構造は必要とされない場合もある。
３．４．時分割放出
他の複数の実施形態において、Ｘ線発生要素８０１、８０２、８０３、８０４、…などは、電子による継続的な衝撃を受ける必要はないが、電子ビーム１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、…などは、熱負荷を分散すべく時間とともにオンとオフとに切り替えられ得る。これは軸上で見たときに特に効果的であり得る。それは、すべてのＸ線が同じ発生源から発しているように見えるからである。
時分割した一実施形態は、図２８Ａ〜図２８Ｃに例示されている。図２８Ａでは、最初の時間ステップｔ＝０において、要素８０１及び８０４に対する電子ビーム１２１１及び１２１４がそれぞれオンになっており、他はすべてオフである。図２８Ｂでは、時間ステップｔ＝１において、要素８０２及び８０５に対する電子ビーム１２１２及び１２１５がオンであり、他はすべてオフである。図２８Ｃでは、次の時間ステップｔ＝２において、要素８０３及び８０６に対する電子ビーム１２１３及び１２１６がオンであり、他はすべてオフである。システムは、これらの構成の間を、単に様々な電子ビームを見えないようにするか、または機械的なシャッタでこれらのビームを遮断するか、あるいはこれらの電子ビームの位置を変えるかすることによって、切り替えられ得る。
さらに、いくつかの実施形態において、電子ビームは、Ｘ線発生材料を有するターゲット全面にわたって単に走査し得る。いくつかの実施形態において、この走査は規則的なラスタースキャンであってよく、他の複数の実施形態においては、走査を「一時休止（ｄｗｅｌｌｉｎｇ）」したり、Ｘ線発生領域をより低速で走査する一方で、１つのＸ線発生領域から次のＸ線発生領域へは急速に移動したりといった、不均一な走査であってもよい。他の実施形態において、電子ビームは、すべてのＸ線発生領域に同時に衝撃を与えるように設計され得るか、又は複数の電子ビームは複数のＸ線発生領域とほぼ同時に衝突するが、電子ビームを急速にオンオフさせて、「パルス状」のＸ線ソースを形成し得る。これは、いくつかの特定の用途に対していくつかの利点を有し得る。
電子照射のタイミングを変更可能なソースは、上述されたように、様々なスペクトルのＸ線エネルギー放出すべく、複数の異なる電位の電子で衝撃を与えられる複数の異なる種類の埋め込み微細構造を使用する複数の実施形態にも特に有用であり得る。
３．５．軸外構成
他の複数の実施形態において、僅かに軸外の構成が好ましい場合がある。そのような構成の複数の実施例が、図２９Ａ〜図２９Ｂに例示されている。
図２９Ａでは、軸外ウィンドウ８４１、又は、スクリーン８４又は壁にある開口部を通るＸ線放出が例示されている。Ｘ線放出は概して等方性であるので、電子で衝撃を受けたすべての微細構造からの放出は、この方向にも放出される。しかしながら、開口部８４１を通過するこの放出８７８の様々な光線は、同じ方向に伝搬せずに分散し、拡張したソースの様相を呈する。しかしながら、拡張したソースの様相が所望される場合、そのような軸外を用いた、Ｘ線用の小角度の集合体構成が適当であり得る。
図２９Ｂは、複数の微細構造から、今回は入射電子ビーム１１１１、１１１２、１１１３などから離れた方向への放出を示している。この実施例では、微細構造８０１、８０２、８０３、…の間隔は、これらのサイズに対してはるかに大きいので、隣接する複数のＸ線放出要素による減衰もなくＸ線が検出器によって検出され得る軸外角度は、図２９Ａに例示された状況おける軸外角度よりもはるかに小さい。
３．６．複数の独立した電子ビーム
図３０及び図３１（ターゲットをさらに詳細に示している）に例示されているのは、上述された複数の要素の一部を組み込んだ、より一般的なＸ線システム８０−Ｃである。本システムは、複数の導線２１−Ａ、２１−Ｂ、及び２１−Ｃを介して、電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、１１１−Ｃなどを発生させる複数の電子放出器１１−Ａ、１１−Ｂ、及び１１−Ｃに様々な電圧を送る電子システムコントローラ１０−Ｖを備えている。これらの電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、１１１−Ｃのそれぞれは、導線２７−Ａ、２７−Ｂ、及び２７−Ｃを介して、複数の電子レンズ７０−Ａ、７０−Ｂ、及び７０−Ｃを制御するシステムコントローラ１０−Ｖからの信号によって制御され得る。
例示されたように、本システムは冷却システムをさらに備えている。冷却システムは、典型的には水である冷却流体９３を充填した容器９０を有し、冷却流体９３はポンプなどの機構１２０９によって、ターゲット１１００−Ｃの基板１０００を通過する冷却経路を含む複数の冷却経路１２００を通って動かされる。
これらの例示は、本発明の理解を助ける目的で示されており、様々な要素（微細構造、表面層、冷却経路など）は縮尺通りに描かれていないことが、留意されるべきである。
図３１は、電子による衝撃下にあるターゲット１１００−Ｃを本システムの拡大図で示しており、その中に２つの付加的な電子ビーム１１１−Ｄ及び１１１−Ｅが加えられている。例示されたように、ビーム１１１−Ｄ及び１１１−Ｅの両方は、右側の３つの電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、及び１１１−Ｃより高電流を有し、一番左の電子ビーム１１１−Ｅは、すべてのビームの中で最も高い電流密度を有しており、複数のビームは等しい密度である必要はないことを示している。より高い電流を受ける一番左のＸ線発生要素８０４及び８０５は、これらとこれらに隣接する微細構造との間に、より低い電子電流を受ける一番右の要素８０１、８０２、及び８０３の間に設けられている間隔より大きい間隔を有するようにも例示されている。いくつかの実施形態において、８０４及び８０５は、８０１、８０２、及び８０３よりも原子番号が高い材料で構成され得る。
図３１には、熱伝導性（熱を除去するため）と導電性の両方を兼ねる導電性オーバーコート膜７７０も示されており、接地７２２への電子の戻り経路が設けられている。軸上にあるＸ線がターゲットから放射されることを可能にするための開口部８４０を有する、スクリーン８４も設けられている。
３．７．基板用の材料選択
上記のように、Ｘ線発生材料の複数の微細構造を有するターゲットの基板では、基板に対するＸ線の透過率Ｔがほぼ１であることが好ましい。 長さＬ及び線吸収係数αｓの基板材料では、次式のようになる。
ここでＬ１／ｅは、Ｘ線強度が１／ｅ倍まで減少する長さである。
概して、次式の関係で表される。
ここで、ＸはＸ線エネルギー（ｋｅＶ）であり、Ｚは原子番号である。従って、Ｌ１／ｅ大きくするには（すなわち、材料をより透過させるには）、より高いＸ線エネルギーが求められ、より低い原子番号が非常に好ましい。このため、様々な形態（例えば、ダイヤモンド、グラファイトなど）のベリリウム（原子番号４）及び炭素（原子番号６）の両方が、基板として望ましい場合がある。と言うのは、これらがＸ線に対して非常に透過的であり、また高熱伝導率を有する（表１を参照）ためでもあるという両方の理由による。
４．本発明の複数の実施形態の他の実施例
４．１．２つの面のターゲット
直線累積用に配置された複数のＸ線発生要素を有するターゲットを用いたソース８０−Ｄの１つの実施形態が、図３２に例示されており、ターゲット２２００が図３３でより詳細に示されている。
図３２に示された実施形態では、コントローラ１０−２が、電子ビーム１２２１及び１２２２をターゲット２２００の両面に向かって放出する２つの放出器１１−Ｄ及び１１−Ｅに高電圧を供給している。位置、方向、焦点合わせなど、電子ビーム１２２１及び１２２２の特性は、それぞれ導線２７−Ｄ及び２７−Ｅを介して、ビームの特性をビーム電流設定及び高電圧設定で調整する複数の電子レンズ７０−Ｄ及び７０−Ｅによって制御され、すべてはコントローラ１０−２によって制御されている。ターゲット２２００は基板２２００と、基板２２００の各面に１つずつある、２つのＸ線発生材料の薄いコーティング２２２１及び２２２２とを有している。
電子ビーム１２２１及び１２２２は、複数の電子レンズ７０−Ｄ及び７０−Ｅによって方向付けられ、それぞれの位置から発生したＸ線８２１及び８２２が、Ｘ線２８８８のビームがソース８０−Ｄから放出されることを可能にするスクリーン８４の開口部８４０と位置合わせされるような位置で、ターゲット２２００の両面の薄いコーティング２２２１及び２２２２に衝撃を与える。
電子による大面積の衝撃はより大きな重なり合いを実現するが、電子密度がより高い場合に、より高いＸ線放出が生じるので、複数の電子レンズ７０−Ｄ及び７０−Ｅが、電子ビーム１２２１及び１２２２を２５ミクロンの小さいスポットに、又はさらに小さいスポットに焦点合わせするのに用いられ得る。示されたような構成におけるそのような小さいスポットに対して、重畳されたＸ線放出パターンを生成するための（従って、２つのスポットの直線累積を実現するための）２つの電子衝撃スポットの位置合わせが、開口部８４０の向こうにＸ線検出器を配置して、Ｘ線ビーム２８８８の強度を測定することによって実行され、電子ビーム１２２１及び１２２２の位置及び焦点は、複数の電子レンズ７０−Ｄ及び７０−Ｅを用いて変更される。２つのスポットは、両方のスポットからの同時強度が検出器で最大になるときに、位置合わせされているとみなされ得る。
ターゲット２２００は、真空チャンバ内の構造体にしっかりと取り付けられ得るか、又はその位置が変えられるように取り付けられ得る。いくつかの実施形態において、ターゲットは更に加熱を放散すべく、回転アノードとして取り付けられ得る。
上述したように、コーティング２２２１及び２２２２の厚みは、予想電子エネルギー及び侵入深さ又は材料のＣＳＤＡ推定値に基づいて選択され得る。例示されたように、面法線に対して斜めに衝撃が生じる場合、入射角はコーティング厚の選択にも影響を与え得る。電子ビーム１２２１及び１２２２に対するターゲット２２００の傾きは約４５°に示されているが、Ｘ線が放出されることを可能にする０°から９０°までの任意の角度が用いられ得る。
上述された2つの面のターゲットは、アノードが回転して熱を分散させる回転アノードを備える一実施形態にも用いられ得ることにも留意されたい。これらの特徴を有するシステム５８０−Ｒが、図３４に例示されている。この実施形態では、多くの要素が、図６Ａに例示されたような従来の回転アノードシステムにおけるものと同じであるが、例示されたようなこの実施形態では、コントローラ１０−３が、導線２１−Ｇ及び２１−Ｆを介して、電子ビーム２５１１−Ｆ及び２５１１−Ｇをそれぞれ放出する２つの放出器１１−Ｆ及び１１−Ｇに高電圧を供給する。これらの電子ビームは、Ｘ線２５８８を生成するＸ線発生材料を有するコーティング２５２１及び２５２２で両面をコーティングされた、ターゲット５００−Ｒの面取りされた部分の両面に衝撃を与える。ビームをステアリングする複数の電子レンズ又はＸ線ビーム出力を画定するための開口部など、付加的な制御を伴う複数の実施形態も設計され得ることも明らかであるべきである。
４．２．複数の2つの面のターゲット
上述されたようなソース８０−Ｄは、2つの面を有する単一ターゲットに限定されない。図３５に示されているのは、一対のターゲット２２０３、２２０４であり、それぞれは２つのコーティング２２３１及び２２３２、並びに２２４１及び２２４２をそれぞれ有しており、これらはそれぞれ基板２２３０及び２２４０上にあるＸ線発生材料である。この実施形態において、今回は２つのターゲット２２０３、２２０４上のそれぞれの複数のコーティングに衝撃を与え、Ｘ線８３１及び８３２、並びに８４１及び８４２をそれぞれ発生させるように制御される４つの電子ビーム１２３１、１２３２、１２４１、１２４２があることを除いて、ソースは、図３２に例示されたものと類似の構成を有する。
この実施形態では、単一の発生源から発しているように見えるべく、４つのＸ線発生スポットがスクリーン８４の開口部８４０と位置合わせされている。開口部８４０の向こうに配置された検出器で総Ｘ線強度を最大化すべく、今回は４つの電子ビーム１２３１、１２３２、１２４１、及び１２４２が調節されることを除いて、位置合わせの手順は2つの面のターゲットの場合に対して上述された通りである。
上述されたように、ターゲット２２０３及び２２０４は、真空チャンバ内の構造体にしっかりと取り付けられ得るか、又はこれらの位置が変えられるように取り付けられ得る。いくつかの実施形態において、ターゲット２２０３及び２２０４は更に加熱を放散すべく、回転アノードとして取り付けられ得る。ターゲット２２０３及び２２０４の回転は、同期してもよく、独立して制御されてもよい。
上述されたように、コーティング２２３１、２２３２、及び、２２４１、２２４２の厚みは、予想電子エネルギー及び侵入深さ又は材料のＣＳＤＡ推定値に基づいて選択され得る。例示されたように、面法線に対して斜めに衝撃が生じる場合、入射角はコーティング厚の選択にも影響を与え得る。電子ビーム１２３１、１２３２、及び、１２４１、１２４２に対するターゲット２２０３及び２２０４の傾きは約４５°に示されているが、Ｘ線が放出されることを可能にする０°から９０°までの任意の角度が用いられ得る。
４つのＸ線発生表面を有する２つのターゲットのみが図３５に例示されているが、Ｘ線発生材料でコーティングされた複数の表面を有する任意の数のターゲットを伴った複数の実施形態が、同じ様式で用いられ、それぞれのターゲットは、独立して制御された電子ビームで片面又は両面に衝撃を与えられ得る。さらに、様々なターゲット用のコーティングは、異なるＸ線材料になるように選択され得る。例えば、上流側のコーティング２２４１及び２２４２は、銀（Ａｇ）又はパラジウム（ＰＤ）などの材料になるように選択され得て、下流側のコーティング２２３１及び２２３２は、上流側のターゲットから発生した特性Ｘ線に対してより高い透過率を有するロジウム（Ｒｈ）になるように選択され得る。これにより、複数の要素からの複数の特性線を有する、混合Ｘ線スペクトルが提供され得る。さらに、様々な電子ビーム電流及び密度を調節することによって、調整可能なＸ線の混合が実現され得る。
同様に、コーティング自体は一様な材料である必要はないが、複数の特性Ｘ線の混合を生成するように設計された、様々なＸ線発生物質の合金であってもよい。
４．３．埋め込構造を有する2つの面のターゲット
図３６は別の実施形態を示しており、ここでターゲットは、薄いコーティングの代わりに、基板に埋め込まれたＸ線発生材料の複数の微細構造を有している。
２つのターゲット２３０１及び２３０２が示され（図３２及び図３３に例示されるなどの単一ターゲットもこの様式で構成され得るが）、それぞれは４つの微細構造であるＸ線発生材料２３１１、２３１２、２３１３、２３１４、及び、２３２１、２３２２、２３２３、２３２４をそれぞれ有し、基板２３１０、２３２０のそれぞれの面にそれぞれ埋め込まれている。電子ビーム１２８１、１２８２、１２８３及び１２８４は、ターゲット２３０１、２３０２の上に方向付けられ、スクリーン８４−Ｂの開口部８４０−Ｂと位置合わせされたときに、同じソースから生じたように見えるビーム８８２を形成するＸ線を生成する。
上述されたように、この実施形態用の複数の埋め込み微細構造は、所望のスペクトル出力を実現すべく、異なる複数のＸ線発生材料を有し得るか、又は、複数のＸ線発生材料の合金又は混合物を有し得る。
４．４．傾斜表面上の複数の位置
ターゲット２４００が分散電子ビーム２４１１と位置合わせされている、別の実施形態が図３７Ａ〜図３７Ｃに例示されている。この実施形態では、電子ビーム２４１１は、基板２４１０上に形成されたＸ線発生材料のコーティング２４０８の上の複数のスポットに焦点が合わされている。電子ビーム２４１１は、複数のスポットが位置合わせされた列に形成され、列に沿った（角度０°での）これらのＸ線放出２４８８が、単一の発生源から生じているように見えるように、調節され得る。
この実施形態の変形例が図３８Ａ〜図３８Ｃに例示されている。この実施形態のターゲット２４０１では、コーティングの代わりに、Ｘ線発生材料の微細構造２４８１、２４８２、２４８３が基板２４１０に埋め込まれている。分散電子ビーム２４１１は、これらの微細構造に衝撃を与え、やはり単一の発生源から生じているように見えるＸ線２４８８を発生させる。
５．付加的なＸ線レンズを用いたＸ線集中
ここまでに説明された複数の実施形態では、複数の発生源からの複数のＸ線放出が、それらを特定の角度から見たときに、それらが重なり合っているように見えるように、従って単に単一のより明るいＸ線ソースであるように見えるように、単に位置合わせされている。
しかしながら、Ｘ線放出は概して等方性であり、従って、小さい視野角しか持たない開口部が用いられる場合、大部分のＸ線エネルギーは失われる。
これは、他の角度で複数の発生源から放出されるその他のＸ線を、複数のＸ線光学要素を用いて収集することによって対処され得る。グレージング角ミラー、多層コーティングを有するミラー、又はより複雑なウォルタレンズやキャピラリレンズなど、従来のＸ線用の複数の光学要素が用いられ得る。
概して、ターゲットとレンズとの間の関係は、製造時に確立されている。レンズは、光学製造の当業者によく知られているなどの位置合わせの手順を用いて、真空中で使用するために設計された特定のマウント又はエポキシのどちらか一方で、所定の位置に固定され得る。前に説明されたように、最終的な位置合わせは、Ｘ線検出器を出力開口部に配置して、最大Ｘ線強度を実現すべく、様々な電子ビームの焦点及び位置を調節することによって実現され得る。最終的な調節は、Ｘ線を用いる複数の光学要素の位置合わせに対しても成され得る。検出器は、電子ビームコントローラにフィードバックを提供するのにも用いられ得ることが、留意されるべきである。例えば、検出器はスペクトル出力の測定値を提供し、それは次に特定の特性線を発生させる電子ビームにその出力を増加させるか又は減少させるように指示するのに用いられ得る。
すべてのターゲットが、同じ入射角の電子で照射される必要があるとは限らないことも、留意されるべきである。複数のＸ線放出材料を有する構成では、材料によっては異なる侵入深さを有し得る。従って、異なる入射角の電子で衝撃を与えることは、その特定のターゲットのＸ線発生に、より効率的であり得る。また、以前の複数の実施形態で説明されたように、異なる電子密度、エネルギー、角度、焦点調節の状態などが、異なるターゲットに用いられ得る。
放出はすべてのターゲットから等方的に生じ、収集及び焦点に集める複数のＸ線レンズは、両方向に伝搬するＸ線に作用することが、留意されるべきである。従って、複数のターゲットのつながりの反対端に配置された検出器は、較正及びＸ線システムの全体の出力のモニタとして働き得る。
５．１．一般的な反射レンズ
図３９は、位置合わせされた３つのターゲット２８０１、２８０２、２８０３を用いた一実施形態を示しており、それぞれは基板２８１１、２８１２、２８１３に埋め込まれたＸ線発生材料の微細構造２８８１、２８８２、２８８３を有している。複数のターゲットのそれぞれは、電子ビーム１１８１、１１８２、１１８３によってそれぞれ衝撃を与えられ、Ｘ線２８１８、２８２８、２８３８をそれぞれ発生させる。
複数のＸ線放出ターゲットのそれぞれの間に、Ｘ線イメージングミラーレンズ２８２１、２８２２、２８３１、２８３２が配置され、より広い複数の角度に放出されたＸ線を収集して、それを別のＸ線ターゲットのＸ線発生スポットに対応する位置の焦点に再方向付けする。例示されたように、焦点は、隣接ターゲットのＸ線発生スポットになるように設定されているが、いくつかの実施形態において、すべてのＸ線ミラーは、Ｘ線を同じポイントに、例えば、最後の（一番右の）Ｘ線ターゲットの最後のＸ線発生スポットに焦点を合わせるように設計され得る。
これらのイメージングミラーレンズ２８２１、２８２２、２８３１、２８３２は、典型的にガラスで作られた反射面を有する楕円面ミラー、又は高質量密度材料でコーティングされた表面、又は多層コーティングされたＸ線リフレクタ（典型的にモリブデン（Ｍｏ）及びケイ素（Ｓｉ）の層を用いて作られる）、又はクリスタルレンズ、又はこれらの組み合わせなど、任意の従来のＸ線イメージング光学要素であってよい。Ｘ線レンズ及びそのコーティング用の材料及び構造の選択は、収集され再度焦点に集められるＸ線のスペクトルに応じて異なり得る。断面として例示されているが、Ｘ線レンズ全体又はその一部は、円筒対称性を有し得る。
この実施形態の変形例が、図４０に例示されている。この実施形態において、第１の（上流側の）Ｘ線ターゲット２８３０は、他の箇所で説明されたように、Ｘ線発生材料の複数の微細構造２８８３が埋め込まれた基板２８３３をここでは備えている。このターゲット２８３０から放出されたＸ線２８３８−Ａの強度は、これらの複数の微細構造２８８３から放出されたＸ線の直線累積に起因して増加し、前に説明された複数の実施形態においてと同様に、この実施形態においても、より明るい全体のＸ線ソースに寄与し得る。しかしながら、この実施形態では、電子ビーム１１８３−Ａは、複数の微細構造２８８３により効果的に衝撃を与えるべく、（例示されたように）図３９の実施形態とは異なる入射角、サイズ、形状、及び焦点を有するように調節され得る。
この実施形態の別の変形例が、図４１に例示されている。この例示では、左に伝搬する第２のＸ線ビーム２９８８−Ｌも例示されている。この第２のＸ線ビームは、プレート８４−Ｌの第２の開口部８４０−Ｌを通って伝搬し、第２のＸ線照射ソースとして用いられ得るか、又は検出器４４４４と共に用いられて、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及び、発散又は収束など、Ｘ線ビーム特性のモニタとして働き得る。
５．２．ウォルタレンズ
本発明の別の実施形態が、図４２に例示されている。この実施形態において、１つのターゲットから放出されたＸ線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素２９２１及び２９３１は、現在ではウォルタレンズとして知られる光学要素である。ウォルタレンズは、Ｘ線を収集し焦点に集める、入れ子構造のミラーのよく知られたシステムであり、典型的に放物線状及び／又は双曲線状の反射面を、典型的にグレージング角で用いられるそれぞれの要素とともに有している。典型的には、反射面はガラスである。ガラス表面は、高質量密度材料又はＸ線多層（典型的に、モリブデン（Ｍｏ）及びケイ素（Ｓｉ）の層を用いて作られる）でコーティングされ得る。
図４３Ａ及び図４３Ｂは、水平及び鉛直の両方向に向けて配置された様々な円筒形のレンズを有する、Ｘ線用に用いられるウォルタレンズの従来技術の実施形態を示している。上述されたように、これらの光学要素に用いられる材料及びコーティングは、様々なＸ線発生源から放出されることが予想されるＸ線のスペクトルに適合するように選択され得る。
５．３．キャピラリレンズ
本発明の別の実施形態が、図４４に例示されている。この実施形態において、１つのターゲットから放出されたＸ線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素２９４１及び２９５１は、現在ではポリキャピラリレンズとして知られる光学要素である。ポリキャピラリレンズは、Ｘ線が細いファイバを通って誘導され、所望位置の別の端に現れるという点において、光ファイバと類似している。しかしながら、全内部反射を用いて反射させる固体のガラス繊維を有する光ファイバと異なり、ポリキャピラリレンズは複数の中空チューブを有し、Ｘ線はグレージング角において材料からの外部反射によってチューブへと誘導される。
ポリキャピラリレンズは、Ｘ線を収集して再方向付けするのによく知られた手段であり、任意の数の従来のポリキャピラリー光学要素が、本明細書で開示された本発明の複数の実施形態において用いられ得る。しかしながら、複数のキャピラリーファイバを有するポリキャピラリレンズは、多くの角度で放出されたＸ線を収集して、所望される焦点部分に方向付けられ得るように用いられると、概して考えられている。
５．４．バリエーション
特定のオプションが、反射レンズ、ウォルタレンズ、又はキャピラリレンズを示す複数の例示に示されたが、これらは決して限定することを意味するものではない。図３９から図４２、及び図４４に例示された光学構成は、例えば、図４１のミラー２８２１、２８２２を置き換えるウォルタレンズ２９３１と入れ換え可能であり得る。複数の微細構造を有する複数のターゲットがこれらの例示で用いられているが、図３３及び図３５で例示されたなどの複数の薄膜を有する複数のターゲットが、焦点に集めるこれらのＸ線レンズと共に用いられ得ることも、留意されるべきである。
６．限定及び拡張
本願をもって、発明者らによって意図される最良の形態を含む、本発明の複数の実施形態が開示されている。特定の複数の実施形態が示され得るが、いくつかの実施形態のためにのみ詳細に論じられた複数の要素は、他の複数の実施形態にも適用され得ることが認識されるであろう。
特定の複数の材料、複数の設計、複数の構成、及び複数の製造工程が、本発明及び好ましい複数の実施形態を説明すべく示されたが、そのような説明は限定することを意図するものではない。複数の変形例及び複数の変更例は、当業者には明らかであり得て、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載された範囲によってのみ限定されことが意図されている。
本明細書で説明されたすべての要素、部材、及び工程が含まれていることが好ましい。当業者には明らかであるように、これらの要素、部材、工程のいずれも、他の複数の要素、複数の部材、複数の工程によって置き換えられ得るか、又は完全に削除され得ることが理解されるべきである。
概して、本文書は少なくとも以下のことを開示している。高輝度Ｘ線発生用の小型ソース。より高い輝度は、Ｘ線の直線累積を実現すべく、互いに位置合わせされた複数の領域の電子ビーム衝撃によって実現される。これは、離散した複数のＸ線放出器を位置合わせすることによって、又は高熱伝導率の基板と密接に熱的接触をして作られた、Ｘ線発生材料の複数の微細構造を有する新規のＸ線ターゲットの使用によって実現される。これにより、熱がより効率的にＸ線発生材料から排除されることが可能となり、またこの材料がより高い電子密度及び／又はより高いエネルギーの電子で衝撃を与えられることが可能となるので、より大きいＸ線輝度がもたらされる。複数の微細構造の配置は、軸上収束角の使用を可能とし、位置合わせされた複数の微細構造からのＸ線の累積を可能にするので、単一の発生源を有しているように見え、これは「角度０°」のＸ線放出としても知られている。
本文書は、少なくとも以下の概念も示している。
（概念１）
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的なウィンドウと、
上記真空チャンバ内の少なくとも１つの電子ビーム放出器と、
少なくとも１つのターゲットであって、
第１の選択材料を有する基板と、
そのＸ線発生特性のために選択された第２の材料を有する複数の離散構造とを、
有する上記少なくとも１つのターゲットとを、
備え、
上記複数の離散構造のそれぞれは、上記基板と熱的接触をしており、
上記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、１０ミクロンより薄い厚みを有し、上記複数の離散構造のうち上記少なくとも１つのそれぞれの横寸法は、５０ミクロンより小さい、
Ｘ線ソース。
（概念２）
上記複数の離散構造は、上記基板の表面に埋め込まれている、
概念１に記載のＸ線ソース。
（概念３）
上記複数の離散構造は、上記基板の表面の深さ１００ミクロン未満内に埋設されている、
概念１又は２に記載のＸ線ソース。
（概念４）
上記放出器から上記ターゲット上に放出される電子ビームを方向付ける手段をさらに有する、
概念１から３の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念５）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の電子レンズを有する、
概念４に記載のＸ線ソース。
（概念６）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の静電レンズを有する、
概念４又は５に記載のＸ線ソース。
（概念７）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の磁気レンズを有する、
概念４から６の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念８）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、焦点を合わせる、発散させる、焦点をぼかす、走査する、ラスタースキャンをする、一時休止する、見えないようにする、スイープする、ビーム方向を変更する、ビーム強度プロファイルを変更する、複数の電子ビームを形成する、ビーム電流密度を変更する、電子ビーム中の電子の加速を変更するから成る群から選択された操作によって、上記電子ビームの制御を可能とする、
概念４から７の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念９）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、少なくとも１つの大きさにおいて３０ミクロンより小さいスポットサイズに上記電子ビームの焦点を合わせることを可能にする、
概念４から８の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１０）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、上記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、上記電子ビームを方向付けることを可能にする、
概念１から９の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１１）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、上記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、上記電子ビームを方向付けることを可能にし、
上記パターンは、放出された上記Ｘ線の予め定められた複数の特性をモニタする検出器からの信号に応答して、時間内に適応される、
概念１０に記載のＸ線ソース。
（概念１２）
放出された上記Ｘ線の予め定められた上記複数の特性は、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及びビーム広がりから成る群から選択される、
概念１１に記載のＸ線ソース。
（概念１３）
上記複数の離散構造は、直線配列に配置される、
概念１から１２の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１４）
上記複数の離散構造は、類似形状を有するように製造される、
概念１から１３の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１５）
上記類似形状は、正角柱、直四角柱、立方体、三角柱、台形柱、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、たる形から成る群から選択される、
概念１４に記載のＸ線ソース。
（概念１６）
上記第１の選択材料は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される、
概念１から１５の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１７）
上記第２の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念１から１６の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１８）
上記複数の離散構造のサブセットは、そのＸ線発生特性のために選択された第３の材料を有する、
概念１から１７の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念１９）
上記第３の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念１８に記載のＸ線ソース。
（概念２０）
上記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、上記基板の縁部から５００ミクロン以内に配置される、
概念１から１９の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２１）
上記直線配列は、長軸及び短軸を有するように画定され、上記直線配列の上記長軸は、上記ウィンドウと位置合わせされ、上記長軸と上記ウィンドウの面法線との間の角度は、上記長軸と上記ウィンドウとが交差する部分において、８５°よりも小さい、
概念１３から２０の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２２）
上記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、上記ウィンドウに最も近い上記基板の縁部から５００ミクロン以内に配置される、
概念２１に記載のＸ線ソース。
（概念２３）
上記ターゲットの上記複数の微細構造は、方向付けられた上記電子ビームにさらされたときに、上記複数の離散構造のうち予め定められた１つによって放出されたＸ線が、上記複数の離散構造の別のものを透過するように位置合わせされている、
概念４から２２の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２４）
上記ターゲットは、方向付けられた上記電子ビームにさらされたときに、上記複数の離散構造のうち予め定められた数の離散構造によって放出されたＸ線が、上記複数の離散構造から選択された１つの予め定められた離散構造を透過するように、位置合わせされている、
概念２１から２３の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２５）
冷却システムであって、
冷却流体を保存するための容器と、
上記冷却流体を運ぶための上記基板内の経路と、
上記容器から上記基板内の上記経路に上記流体を運ぶための付加的な経路と、
上記基板内の上記経路から上記容器に上記流体を運ぶための付加的な経路と、
上記システムを通って上記流体をポンプで送り込むポンピング機構とを、
含む上記冷却システムをさらに備える、
概念１から２４の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２６）
上記ターゲットを回転させる機構をさらに備える、
概念１から２５の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念２７）
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第１のウィンドウと、
上記真空チャンバ内の１又は複数の電子放出器と、
複数のＸ線ターゲットとを、
備え、
それぞれのターゲットは、そのＸ線発生特性のために選択された材料を有し、
上記材料の少なくとも１つの大きさは２０ミクロンより小さく、
上記１又は複数の電子放出器及び上記複数のＸ線ターゲットは、上記複数のターゲット上の電子の衝撃が複数のＸ線サブソースを生成するように位置合わせされ、それにより上記複数のサブソースは上記第１のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされている、
Ｘ線ソース。
（概念２８）
そのＸ線発生特性のために選択された上記材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念２７に記載のＸ線ソース。
（概念２９）
予め定められたＸ線エネルギースペクトルに対して、上記複数のＸ線ターゲットのうち少なくとも１つのＸ線の透過率は、５０％より大きい、
概念２７又は２８に記載のＸ線ソース。
（概念３０）
予め定められた上記Ｘ線エネルギースペクトルは、少なくとも１つのＸ線サブソースの発光スペクトルに対応する、
概念２７から２９の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３１）
上記複数のターゲットのうち少なくとも１つは、基板をさらに有する、
概念２７から３０の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３２）
上記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
概念２７から３１の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３３）
上記Ｘ線発生材料は、薄膜の形で上記基板上にある、
概念３１又は３２に記載のＸ線ソース。
（概念３４）
上記ターゲットは、０．１Ｗｍ−１℃−１より大きい熱伝導率の材料を有する基板に埋め込まれた複数の離散構造を有し、
上記複数の離散構造は、そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する、
概念２７から３０の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３５）
複数のＸ線サブソースを形成すべく、上記ターゲット上の１又は複数の位置に、上記複数の電子放出器のうち少なくとも１つからの電子ビームを方向付けるための手段をさらに備える、
概念３４に記載のＸ線ソース。
（概念３６）
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の電子レンズを備える、
概念３５に記載のＸ線ソース。
（概念３７）
複数の上記ターゲットへの上記複数の電子ビームの上記衝撃によって生成された複数のＸ線サブソースすべての中央部が、上記第１のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされるように、上記複数の電子ビームのそれぞれを位置合わせする手段をさらに備える、
概念３４から３６の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３８）
少なくとも２つの隣接するＸ線サブソースが、共通の基板を共有する、
概念２７から３７の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念３９）
Ｘ線光学要素をさらに備え、
上記光学要素は、サブソースによって放出されたＸ線が、上記光学要素によって、隣接するＸ線サブソースの上に方向付けられるように配置される、
概念２７から３８の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念４０）
上記Ｘ線光学要素は、斜入射Ｘ線リフレクタを有する、
概念３９に記載のＸ線ソース。
（概念４１）
上記Ｘ線光学要素は、多層コーティングを有するＸ線リフレクタを有する、
概念４０に記載のＸ線ソース。
（概念４２）
上記Ｘ線光学要素は、２０ナノメートルを超える厚みがあり、かつ高質量密度の材料を含むコーティングがされたＸ線リフレクタを有する、
概念４０に記載のＸ線ソース。
（概念４３）
上記Ｘ線光学要素はウォルタレンズを有する、
概念３９に記載のＸ線ソース。
（概念４４）
上記Ｘ線光学要素はポリキャピラリレンズを有する、
概念３９に記載のＸ線ソース。
（概念４５）
上記Ｘ線光学要素は、複数の焦点が２つの隣接するサブソースの中央に対応するように配置された、楕円体のキャピラリレンズを有する、
概念３９に記載のＸ線ソース。
（概念４６）
Ｘ線光学要素をさらに備え、
上記光学要素は、サブソースによって放出されたＸ線が上記光学要素に入り、上記真空チャンバ内の予め定められた位置の上に方向付けられるように配置される、
概念３９に記載のＸ線ソース。
（概念４７）
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第２のウィンドウをさらに備え、
上記複数のサブソースは、上記第１のウィンドウ及び上記第２のウィンドウの両方を通過する線に沿って、位置合わせされている、
概念２７から４６の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念４８）
Ｘ線検出器をさらに備え、
上記検出器は、上記複数のサブソースのうち少なくとも１つによって放出された上記Ｘ線が上記検出器に当たるように、位置合わせされている、
概念４７に記載のＸ線ソース。
（概念４９）
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第１のウィンドウと、
上記真空チャンバ内の第１の電子ビーム放出器と、
第２の電子ビーム放出器と、
ターゲットであって、
基板と、
そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第１の構造と、
そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第２の構造とを、
有するターゲットとを、
備える、
Ｘ線ソース。
（概念５０）
複数の対の電子ビーム放出器と、
複数のターゲットであって、
基板と、
そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第１の構造と、
そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第２の構造とを、
有する複数のターゲットとを、
さらに備える、
概念４９に記載のＸ線ソース。
（概念５１）
上記第１の構造の上記材料と、上記第２の構造の上記材料とは、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念４９又は５０に記載のＸ線ソース。
（概念５２）
上記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
概念４９から５１の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念５３）
上記複数の構造のうち少なくとも１つは、上記基板の表面上の薄膜コーティングである、
概念４９から５２の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念５４）
上記第１の構造及び上記第２の構造は、両方とも上記基板の両面（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ）上の薄膜コーティングである、
概念４９から５３の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念５５）
上記複数の構造のうち少なくとも１つは、１又は複数の微細構造を有する、
概念４９から５４の何れか１つに記載のＸ線ソース。
（概念５６）
上記１又は複数の微細構造は上記基板に埋め込まれている、
概念５５に記載のＸ線ソース。
（概念５７）
１又は複数の微細構造は、他の複数の微細構造のうち少なくとも１つに対し、上記基板の反対側の面に埋め込まれている、
概念５６に記載のＸ線ソース。
（概念５８）
上記第１の電子放出器及び上記第２の電子放出器は、上記ターゲットの両面に複数の電子ビームで衝撃を与えるべく位置合わせされている、
概念４９に記載のＸ線ソース。
（概念５９）
Ｘ線を発生させる方法であって、
少なくとも１つのターゲットを、複数の離散構造に当たるよう形成された電子ビームにさらす段階を備え、
上記少なくとも１つのターゲットは、
第１の選択材料を有する基板と、
そのＸ線発生特性のために選択された第２の材料を有する上記複数の離散構造とを、
有し、
上記複数の離散構造のそれぞれは、上記基板と熱的接触をしており、
上記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、１０ミクロンより薄い厚みを有し、
上記複数の離散構造のうち上記少なくとも１つのそれぞれの横寸法は、５０ミクロンより小さい、
方法。
（概念６０）
Ｘ線を発生させる方法であって、
単一の真空チャンバ内に含まれたＸ線発生材料を有する複数のターゲットを、複数の電子ビームを用いてさらす段階を備え、
上記複数の電子ビームの位置は、上記複数のターゲットから放出され、また予め定められた開口部も通過する上記Ｘ線の強度を増加させるように調節されている、
方法。
［付録Ａ］
Ｘ線発生のための構造化ターゲット
付録図の１３は、規則的配列構造に配置されたＸ線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造７００の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１００１を示している。付録図の１３Ａは、この実施形態の１６個の微細構造７００の斜視図を示し、付録図の１３Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の１３Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。（本開示の「側面／断面図」という用語に対して、意味する図は、物体の断面を作成し、次に横から断面の表面を見たような図である。この図は、断面部分の詳細、及び、基板自体が透明であると仮定した場合に（ダイヤモンドの場合には、概して可視光に当てはまる）、横から見られ得る材料のさらに内部の両方を示している）。
この実施形態において、複数の微細構造は６つの面のうち５つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造７００の上面は基板の表面と同一平面を成すが、微細構造が凹所にある他の複数の実施形態が製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他の複数の実施形態が製造されてもよい。
別の実施形態は、基板の表面上に単に堆積された複数の直四角柱の微細構造を有し得る。この場合、角柱の底面だけが、基板と熱的接触をし得る。 付録図の１３Ｃに示されたような側面／断面図で、深さＤ、並びに基板平面における横寸法Ｗ及びＬを有して基板に埋め込まれた複数の微細構造を有する構造の場合、埋め込み微細構造と堆積微細構造との、基板と接触する総表面積の比は次の式で表される。
Ｗ及びＬに対してＤの値が小さい場合、比は実質的に１になる。厚みが大きくなると比も大きくなり、等しい５つの面が熱的接触をする立方体（Ｄ＝Ｗ＝Ｌ）では、比は５である。質量密度及び熱伝導率に関して基板と類似の特性を有する材料のキャップ層が用いられる場合、比は６まで増加し得る。
熱伝導は付録図の１４Ａに代表的な矢印で例示されており、その中で、基板１０００に埋め込まれた複数の微細構造７００で発生した熱は、底面及び複数の側面を通って複数の微細構造７００から外へ伝えられる（図面の面外方向へ複数の側面を通って伝達する矢印は示されていない）。 面積Ａ、厚みｄの材料を通って伝達される単位時間当たりの伝導熱量（ΔＱ）は、次の式で与えられる。
ここでｋは熱伝導率（Ｗ／（ｍ℃））、ΔＴは厚みｄの全体にわたる温度の差異（℃）である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔＴの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
別の実施形態が付録図の１４Ｂに例示されており、ここで基板は冷却経路１２００を付加的有し得る。そのような冷却経路は、上述されたように、基板から熱を奪うための水又は別の冷却流体を用いた従来技術の冷却経路であってよく、又は埋め込み微細構造７００の近くの領域から熱を最もよく除去するように適応された設計に従って製造されてもよい。
別の複数の実施形態は当業者によって理解され得るか、又は考案され得て、そこで、例えば基板は熱の伝達を向上させるために銅ブロックなどのヒートシンクに結合され得る。次に銅ブロックもその中に、ブロックから熱を奪うのに役立つ複数の冷却経路を有し得る。代替的に、基板は熱電冷却器に取り付けられ得て、電圧がその中の特別に作成された半導体デバイスに印可される。これらのデバイスにおいて、電流の流れは、一方に冷却、他方に加熱を生じさせる。ペルチェ冷却器などの市販のデバイスは、デバイス全体にわたって最大７０℃の温度差を発生させることが可能であるが、熱源から大量の熱を除去する全体の能力には限界があり得る。
代替的に、基板は、液体窒素が流れる経路を有するブロックなどの極低温冷却器に取り付けられるか、又は、液体窒素の容器又は別の極低温基板と熱的接触をして、より強い冷却を供給され得る。基板が、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素などの材料を有するとき、熱伝導率は概して、室温から温度が減少するとともに増大する。そのような場合において、これらのより低い温度の冷却に耐え得るように、ターゲットを設計することが好ましいことがある。
付録図の１５は別の実施形態を示しており、複数の微細構造７００を形成するＸ線発生材料を埋め込む前に、基板１０００に形成された複数のキャビティが、（好ましくは最小の厚みの）密着層７１５で最初にコーティングされている。そのような密着層は、Ｘ線材料と基板材料との間の結合が弱いような場合に適切であり得る。密着層は、２つの材料の熱膨張係数の差異が大きいときに、バッファ層としても働き得る。いくつかの材料の選択では、材料が複数の微細構造から基板材料へ（又はその逆に）拡散するのを防止すべく、密着層が拡散バリア層に置き換えられ得るか、又は（別の層を加えることによって）拡大され得る。密着層及び／又は拡散バリア層が用いられる複数の実施形態では、複数の微細構造７００から基板１０００への熱の流れが密着層７１５の存在によって著しく妨げられたり絶縁されたりしないように、材料及び厚みの選択は層の熱特性も考慮すべきである。
付録図の１６は、導電層７２５がターゲットの表面に付加された別の実施形態を示している。電子による衝撃が与えられると、余分な電荷は、アノードとして効果的に機能するターゲットの接地に戻るための経路を必要とする。付録図の１３に例示されたようなターゲットが、離散した接続されていない複数の微細構造７００を、電気的に絶縁された基板材料（ドープされていないダイヤモンドなど）内に有し、継続した電子衝撃下にあった場合、大きな電荷が表面に蓄積され得る。さらにカソードからの電子は、同じエネルギーを持つターゲットと衝突しないか、又は反発すらして、Ｘ線の発生を減少させ得る。
これは、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、又はチタン（Ｔｉ）などの比較的低い原子番号であることが好ましい導電性材料の薄い層を堆積させることによって対処され、これにより、離散した複数の微細構造７００から、高電圧源に対して正極に接続されている電気経路７２２への電気伝導が可能となり得る。実際には、この端子は典型的にシステムの電気接地であり、カソードの電子ソースには負の高電圧が供給されている。
付録図の１７は、本発明の別の実施形態を示しており、複数の微細構造７０２が基板１０００により深く埋め込まれているか、又は埋設されている。そのような埋め込み微細構造は、例えばダイヤモンドであってもよい付加的な層１０１０の堆積によって更に覆われ得て、基板と同じ熱伝導特性を提供し得る。これにより、埋設微細構造７０２のすべての面から、熱が放散されることが可能となる。しかしながら、そのような状況では、本構造上に入射する電子のために接地への経路７２２を提供することが望ましく、それは付加的な層１０１０を堆積させる前に設けられた埋め込み導電層７２６の形であってよい。 いくつかの実施形態において、この導電層７２６は、埋め込み導電層７２６を、ターゲット表面上の付加的な導電層７２８に連結するための導電性構造を提供する「ビア」７２７、又は鉛直方向の接続を、多くの場合、ピラー又は円柱の形で有し、次に付加的な導電層７２８は、接地への経路７２２に接続される。
付録図の１８は、本発明の別の実施形態を示しており、複数の微細構造はその中に更なる複数の構造を順に有している。均一な微細構造の代わりに、最下層７３１、中間層７３２、及び最上層７３３を有する微細構造が示されている。これらの層は、全体が複数の特性線を放出するように、異なる複数のＸ線発生材料を有するよう選択され得る。代替的に、別個の複数の層を有する代わりに、所望のＸ線発光スペクトルを実現すべく、隣り合って配置された複数の材料を有する微細構造が用いられてもよい。代替的に、別個の複数の層を有する代わりに、所望のＸ線発光スペクトルを実現すべく、２又はそれより多い材料から成る一様又は多様な混合物、又は合金を有する微細構造が用いられてもよい。別の実施形態は、基板の材料と同じ材料を有する中間層７３２を有し、最上層７３３及び最下層のための高い熱放散を提供する。さらに、付録図の１６及び付録図の１７に示されたように、電気経路を導電性経路に提供すべく、側壁（図示せず）に沿って導電層が付加され得る。
付録図の１９は、本発明の別の実施形態を示しており、やはり複数の微細構造７０２が基板内に埋設されている。しかしながら、この実施形態では、最初に導電層を設け、その後に付加的なキャップ層を堆積させる代わりに、電気特性と熱伝導特性との組み合わせのために選択された単一の層７７０のみが、この実施形態において堆積させられる。これは、複数の埋設微細構造７０２から熱及び電子の両方を運ぶように、例えば、表面に対して鉛直に配置されたカーボンナノチューブ（原子番号６）の堆積であってもよい。次に、この単一の層７７０は接地への経路７２２に接続されて、ターゲットがＸ線発生システムのアノードとして働くことを可能にし得る。代替的に、層７７０の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、又は銅（Ｃｕ）を有するように選択され得る。
複数の実施形態が付録図の１３〜付録図の１９に別個に示され、これらを製造する様々なプロセスが後に示されるが、これらの実施形態の複数の要素は、互いに組み合わされ得るか、又は当該分野で知られている他の一般に知られている複数のターゲット製造方法と組み合され得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、付録図の１９の複数の埋設微細構造７０２は、付録図の１８に例示されたような複数の材料も有し得る。同様に、付録図の１５に例示されたような密着層７１５は、付録図の１６に示されたような複数の埋め込み微細構造７００の製造に適用されてもよい。これらの代替例の分離は例示のみを目的としており、任意の特定のプロセスを限定するものではない。
付録図の１３〜付録図の１９に例示された複数の微細構造は、一様なサイズ及び形状を有する規則的間隔のパターンとして示されたが、一様な微細構造の不規則パターン又はランダムパターン、あるいは多様なサイズ及び形状を有する微細構造の規則的なパターン、あるいは多様なサイズおよび形状を有する微細構造の不規則パターンも、本発明の複数の実施形態において用いられ得る。
同様に、いくつかの実施形態は、例えば、直四角柱の形状の微細構造で説明されたが、複数の製造プロセスは、用いられる特定のプロセスの製品に応じて、９０°以外の角度で壁を有する、又は正確に直角のコーナーを有するのではなく、丸められ、面取りされ、又はアンダーカットされ得る複数の構造を形成し得る。複数の微細構造が本明細書で説明された形状と実質的に類似する複数の実施形態は、複数のプロセス製品が、例示された、又は説明されたような形状からある程度の逸脱をもたらすとしても、開示されているものとして当業者によって理解されるであろう。
同様に、本明細書で開示された様々な実施例は、複数の微細構造の規則正しい周期配列で例示され得るが、離散微細構造の相対的な位置、サイズ、及び形状は、規則的、周期的、又は一様である必要はない。様々なサイズを有し、複数の微細構造の間に様々な距離を有し得る間隔を持った複数の微細構造の構成も、機能し得る。
３．様々な微細構造の形状
本発明の特定の複数の実施形態が、前の章で説明された。しかしながら、複数の層及び構造における複数の変形例の他に、複数の実施形態は、様々なサイズ及び形状の複数の微細構造も有する。
付録図の２０は、本発明の一実施形態による、典型的には金属のＸ線発生材料を含む直四角柱の形の微細構造７００及び７０２から成る２つ規則的配列を有するターゲットの領域１０１１を示している。配列は、電子照射の下にあるとき、それぞれの微細構造が「より低温」の基板材料で囲まれるように、横方向に異なる深さで互い違いに配置されている。複数の微細構造の物理的な分離は、より低温の広い材料に複数の小さいホットスポットを提供し、これにより、複数の微細構造から熱を急速に放散させる多くの局所温度勾配を発生させる。付録図の２０Ａは、この実施形態における１６個の埋め込み微細構造７００と９個の埋設微細構造７０２の斜視図を示し、付録図の２０Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２０Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。
付録図の２１Ａに例示されたように、埋設微細構造７０２−Ａは、異なる複数の層の複数の構造の間に電気接触が確立されるように、埋め込み微細構造７００より僅かに大きく製造され得る。埋設微細構造７０２−Ａが十分な電気伝導率を有する場合、これにより、接地への経路７２２を提供する単一の電気導電層７２５は、両方の層の帯電を防止するのに十分であり得る。
その一方で、付録図の２１Ａに例示された構成は、電子エネルギー及び材料組成の設定によっては、効果的な熱伝導及び電気伝導を提供するには小さ過ぎる領域しか提供できない場合がある。
これに対処すべく、付録図の２１Ｂに例示されたように、複数の埋設微細構造７０２−Ｂは基板１０００により深く埋設され、複数の埋設微細構造７０２−Ｂ用に、接地への経路７２２に更なる電気接続を提供するビア７２７によって接続された独自の導電層７２６を有するように製造され得る。この構成は、熱及びＸ線の複数のソースの間に長い距離を設けられるので、いくつかの用途では好ましい場合がある。
いくつかの製造プロセスでは、アンダーカットを提供すべく、エッチングプロセスが調整され得る。［例えば、ダイヤモンドの等方性エッチング及び異方性エッチングの両方に関しては、例えば、Ｄ．Ｓ．Ｈｗａｎｇ、Ｔ．Ｓａｉｔｏ、Ｎ．Ｆｕｊｉｍｏｒｉ著『Ｎｅｗ ｅｔｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉａｍｏｎｄ』、Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１３巻、２２０７−２２１０ページ（２００４年）を参照］。複数の微細構造を形成するのに用いられる複数のキャビティを基板にエッチングすべく、アンダーカットのプロセスが選択され、キャビティのすべての部分を充填し得る電気めっきなどの等方性プロセスを用いて複数の微細構造が形成される場合、所定の位置に「固定」された複数の微細構造が、付録図の２２に例示されるように形成され得る。
付録図の２２は、基板１０００の中にアンダーカットを有する複数のキャビティを充填することによって形成された複数の微細構造７０４の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１２を示している。そのように形成された複数の微細構造７０４は、Ｘ線発生材料を有する台形柱の形をしている。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置され、表面周りの「へり（ｌｉｐ）」又は残りの基板材料は、複数の微細構造７０４を所定の位置にさらによく保持して、応力又は熱的な過負荷がかかった際の剥離を防止するように働く。付録図の２２Ａは、この実施形態における、１６個の台形状の埋め込み微細構造７０４の斜視図を示し、付録図の２２Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２２Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。
付録図の２３は、本発明の一実施形態による、Ｘ線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造７００及び７０１の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域１０１３を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の２３Ａは、この実施形態における、２５個の埋め込み微細構造７００及び７０１の斜視図を示し、付録図の２３Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２３Ｃは、点線で示された複数の凹み領域を有する同じ領域の側面／断面図を示している。
付録図の２４は、Ｘ線発生材料を含む直円柱の形で複数の微細構造７０６の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１４を示している。示されたような配列は、基板に埋め込まれた配列として配置されている。付録図の２４Ａは、この実施形態における、１６個の埋め込み微細構造７０６の斜視図を示し、付録図の２４Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２４Ｃは、微細構造７０６の列の中央全体にわたる同じ領域の側面／断面図を示している。
付録図の２５は、Ｘ線発生材料を含む直円柱の形で、微細構造７０８及び７０９の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１５も示している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列としても配置されている。しかしながら、この実施形態では、横から又は端から見たときに、Ｘ線のソースに付録図の２４の構成では存在する「間隙」が全くないように見えるような構成である。付録図の２５Ａは、この実施形態における、１８個の埋め込み微細構造７０８及び７０９の斜視図を示し、付録図の２５Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２５Ｃは同じ領域の奥行き感のある側面／断面図を示している。
付録図の２６は、Ｘ線発生材料を含む正三角柱の形で、微細構造７１１及び７１２の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１６を示している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の２６Ａは、この実施例における、１８個の埋め込み微細構造７１１及び７１２の斜視図を示し、付録図の２６Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２６Ｃは同じ領域の奥行き感のある側面／断面図を示している。
付録図の２７は、Ｘ線発生材料を含む四面体の形で、微細構造７１３及び７１４の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１７を示しており、１つの面が基板１０００の表面とほぼ同一平面を成している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の２７Ａは、この実施形態における、１８個の埋め込み微細構造７１３及び７１４の斜視図を示し、付録図の２７Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２７Ｃは同じ領域の奥行き感のある側面／断面図を示している。
付録図の２８は、Ｘ線発生材料を含む直四角柱の形で、前に説明された微細構造７００、７０１及び７０２の組み合わせを有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１８を示している。この実施形態において、表面近くに埋め込まれた微細構造７００及び７０１の層は、付録図の２３に例示されたような市松模様を形成する一方で、この構造は、上部の市松模様の「間隙」より下に配置されている複数の微細構造７０２の埋設層も有している。前に説明された場合においても同様であるが、埋設層の複数の微細構造は、上部埋め込み層の微細構造７００及び７０１と電気接触をするのに十分な大きさであり得るが、他の複数の実施形態においては、埋設微細構造７０２から電荷を逃がす別個の導電層が、接地への経路を提供すべく製造され得る。付録図の２８Ａは、この実施形態における、４８個の埋め込み微細構造７００、７０１及び７０２の斜視図を示し、付録図の２８Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２８Ｃは、同じ領域の奥行き感のある側面／断面図を示している。
付録図の２９は、Ｘ線発生材料を含む長い直四角柱の形で、埋め込み微細構造７１６及び埋設微細構造７１７の両方を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０１９を示している。示されたような実施形態において、交互の層では、長い角柱が、多くの場合、「丸太組み（ｓｔａｃｋ−ｏｆ−ｌｏｇｓ）」構成と呼ばれる構成で、互いに直交した方向に延伸するように配置されている。前に説明された場合においても同様であるが、埋設層の複数の微細構造７１７は、上部埋め込み層の微細構造７１６と電気接触をし得るが、他の複数の実施形態においては、埋設微細構造７１７から電荷を逃がす別個の導電層が、接地への経路を提供すべく製造され得る。付録図の２９Ａは、この実施形態における、微細構造７１６及び７１７の斜視図を示し、付録図の２９Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の２９Ｃは同じ領域の奥行き感のある側面／断面図を示している。
付録図の３０はＸ線発生材料を含む球体の形で、複数の微細構造７１８の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域１０２０を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の３０Ａは、この実施形態における、１６個の埋め込み微細構造７０４の斜視図を示し、付録図の３０Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の３０Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。
付録図の３０に例示されたような埋め込み球体の領域の製造は、いくつかの実施形態において、良好な機械的剛性又はより低い製造コストを有し得るが、材料が堆積され得る球状のキャビティを基板に形成することは、複数のプロセス課題を与え得る。従って、いくつかの実施形態において、半球状のキャビティが基板に形成され得て、次にそれがＸ線発生材料で充填されるか、又は予め製造された球体が表面に堆積されて、堆積オーバーコート膜材料で覆われ得る。
前に論じられたように、本明細書で開示された様々な実施例は、複数の微細構造の規則正しい周期的又は規則的配列で例示され得るが、離散微細構造の相対的な位置、サイズ、及び形状は、規則的、周期的、又は一様である必要はない。様々なサイズを有し、複数の微細構造の間に様々な距離を有し得る間隔を持った複数の微細構造の構成も、機能し得る。
いくつかの実施形態では、Ｘ線発生材料を有する複数の微細構造のサイズ及び分布を決定する様々な測定基準が用いられ得る。複数の微細構造は、ターゲット内に予め定められた厚みＤになるように指定され、前に論じられたように、Ｄは、所与のＸ線発生材料において所与のエネルギーの電子の電子侵入深さの特定の割合（例えば、３０％または５０％など）になるように選択され得るか、又はある範囲の許容された深さであり得る。複数の微細構造は、これらの横寸法Ｌ及びＷが、特定の係数以上で乗じたＤ（例えば、２倍又は３倍）を超えないように、また個々の微細構造はどれも、隣接する微細構造に予め定められた距離ｄより近づくことがないように特定され得る。代替的に、複数の微細構造はこれらの横寸法Ｌ及びＷが、用途によって異なるＸ線減衰長（特定のエネルギーのＸ線ビームの強度が１／ｅ倍まで低下する長さ）を超えないように特定され得る。
最も一般的な場合では、複数の微細構造を有する領域は、Ｘ線発生材料を有する厚みＤまで電子にさらされる全体領域の体積分率を画定することによって特定され得る。例えば、タングステン（Ｗ）の複数の微細構造が６０ｋｅＶの電子とともに用いられる場合、表２による侵入深さは２．４１ミクロンとなり、Ｄ＝１ミクロンという値は、侵入深さの４１％に当たる厚みを表すことになる。基板材料に対するＸ線発生材料の体積分率が、複数の微細構造を含むが周囲のターゲット基板を含まないターゲットの領域内でほぼ５０％である限り、最初の層の厚みＤ＝１ミクロンに対して５０％の体積分率を画定することは、例えば、付録図の２３の市松模様配列を用いることによって、又は様々なサイズ及び形状のよりランダムな分布の微細構造によってのどちらか一方で実現され得る。そのような複数の構成は、例えば、熱伝導のための付加的な表面積に関して利点を提供し得る。
また、Ｘ線発生領域の体積分率は、電子エネルギー、Ｘ線発生材料特性、及び基板の再吸収特性に応じて、様々な値に設定され得る。特定の複数の特性線を必要とするいくつかの用途では、より低い体積分率を有する構成が好ましい場合がある。様々な波長を有するものなど、発光スペクトルに関する別の複数の変形例では、制動放出を増大させる、より高い体積分率が好ましい場合がある。概して、厚みＤの第１の層における体積分率は、様々な用途で１５％から８５％の間になるように設定され得る。
代替的に、いくつかの実施形態において、Ｘ線発生材料の球状の複数の微細構造が事前に準備され、次に基板の表面の上に分散させられ得る。特に、複数の微細構造が（付録図の３０に例示されたような）規則的配列構造に配置されることが所望される場合に、複数の微細構造を所定の位置に固定するプロセスが用いられ得る。この後に、これらの球状の複数の微細構造を熱伝導材料で覆う堆積プロセスが続く。いくつかの実施形態において、これは、その熱伝導特性のためのみに選択された材料であり得るが、別の複数の場合においては、堆積材料は、熱伝導率及び電気伝導率の両方が有益であるように選択された複数の材料の混合物として選択され得て、また覆う材料は接地への経路を提供する導電層としても働く。
別の実施形態において、Ｘ線発生材料を有する複数の微細構造の分散は、一様な球体に限定される必要はなく、様々なサイズ及び形状の複数の粒子であってよい。これは付録図の３１に例示されており、本発明によるターゲットの領域１０２１は、多様な複数の微細構造を有している。同様に、類似の実施形態において、付録図の３２に例示されたように、本発明によるターゲットの領域１０２２は、様々なサイズ及び形状の微細構造だけでなく、異なる材料組成の微細構造も有し得る。
ここまで、平面構造に配置されている複数の実施形態が示された。これらは、概して実装するのがより容易である。なぜなら、堆積、エッチング、及び他のプレーナプロセスの複数の工程のための装置及びプロセスレシピは、プレーナダイヤモンドを用いた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用途のデバイスの処理、及び半導体産業用のシリコンウェーハの処理でよく知られているからである。
しかしながら、いくつかの実施形態において、３次元（３−Ｄ）で付加的な特性を有する表面が所望され得る。前に論じられたように、電子ビームが電子侵入深さより大きいと、見掛けのＸ線ソースサイズ及び領域は、表面に対して平行に、すなわちゼロ度（０°）の取り出し角で見たときに最小になる（そして輝度は最大化される）。結果として、０°の取り出し角で見た時に、見掛けの最大輝度のＸ線放出が生じる。Ｘ線発生材料内からの放出は、それが材料を通って０°で伝搬するにつれ累積する。
しかしながら、実質的に一様な材料の広いターゲットでは、Ｘ線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のＸ線の複数の発生源の間のＸ線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、０°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、０°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。Ｘ線ビームが強度において１／ｅまで減少する距離はＸ線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたＸ線が可能な限り更なる材料を通過しない、Ｘ線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。
ターゲットの１つの実施形態の例示が、付録図の３３に示されている。付録図の３３において、単一の微細構造２７００を有するＸ線発生領域は、棚状部２００２に接した基板の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、付録図の１０に例示された状況に類似している。Ｘ線発生微細構造２７００は、Ｘ線発生材料から成る矩形バーの形状をしており、基板２０００に埋め込まれ、電子１１１で衝撃を与えられたときに、Ｘ線２８８８を放出する。
バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３の間になるように選択される。バーの厚みＤは、鉛直方向に所望のＸ線ソースサイズを得るようにも選択され得る。バーの幅Ｗは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択される。例示されたように、ＷはおよそＤの１．５倍であるが、所望のソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。
例示されたようにバーの長さＬは、およそＤの４倍であるが、いかなる大きさであってもよく、典型的には、選択されたＸ線発生材料のＸ線減衰長の１／４倍から３倍の間になるように決定され得る。例示されたように棚状部の縁部とＸ線発生材料の縁部との間の距離ｐはおよそＷに等しいが、基板材料のＸ線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部２００３と同一平面を成すところ（ｐ＝０）から最大１ｍｍまで、任意の値になるよう選択されてよい。
別の本発明の実施形態の例示が、付録図の３４に示されている。例示されたようなこの実施形態では、６つの微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６を持つＸ線発生領域を有する本発明によるターゲットが、棚状部２００２に接した基板の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、付録図の１０及び付録図の３３に例示された状況と類似している。Ｘ線発生微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６は、基板２０００に埋め込まれたＸ線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子１１１で衝撃を与えられたときにＸ線２８８８−Ｄを放出する。
この実施形態において、Ｘ線発生材料の総体積は、前の付録図の３３の例示におけるものと同じである。付録図の３３に示された場合においても同様であるが、バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３の間になるように選択される。付録図の３３に示された場合においても同様であるが、バーの幅Ｗは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにＷはおよそＤの１．５倍である。前に論じられたように、バーの幅Ｗは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。
しかしながら、付録図の３３に例示されたような長さＬの単一のバー２７００は、６つのサブバー２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６に置き換えられており、それぞれの長さｌはＬ／６である。Ｘ線発生の体積（同じ電子密度で衝撃を与えられたとき）は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する５つの面を有し、Ｘ線発生サブバー２７０１−２７０６から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離ｄはおよそｌに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるＸ線量、及び、Ｘ線発生微細構造２７０１−２７０６の特定の材料と基板２０００との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。
同様に、棚状部の縁部とＸ線発生材料の縁部との間の距離ｐは、例示されたようにおよそＷに等しいが、基板材料のＸ線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部２００３と同一平面を成すところ（ｐ＝０）から最大１ｍｍまで、任意の値になるよう選択されてよい。
付録図の３４などに示された構成では、複数のＸ線発生サブバーの全長は、一般にＸ線発生材料におけるＸ線の直線減衰長の約２倍になるが、その距離の半分から３倍を超えるところまで選択され得る。同様に、バーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みＤは、該当方向に、ほぼ等しい所望のＸ線ソースサイズを得るためにも選択され得る。
示された複数のバーは、（示されたように）基板に埋め込まれ得るが、Ｘ線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。
本発明の別の実施形態の例示が付録図の３５に示されており、厚みＤを有するＸ線発生材料を含む微細構造２７９０及び２７９１の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域２００１を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。
他の複数の実施形態においても同様であるが、これらの微細構造２７９０及び２７９１は基板の表面に埋め込まれている。しかしながら、基板の表面は予め定められた非プレーナトポグラフィ、この特定の場合では、基板２０００の面法線に沿った複数の段を有している。例示されたように、それぞれの段の高さｈはほぼＤに等しいが、段の高さは複数の微細構造の厚みの１倍から３倍の間になるように選択され得る。すべての段の全高は、鉛直方向（厚み方向）に沿った所望のＸ線ソースサイズと等しいか、又はそれよりも小さくなるように選択され得る。
微細構造領域の全幅は、対応する方向に所望のＸ線ソースサイズと等しくなり得る。全体の外観はＸ線ソースの階段に似ている。付録図の３５Ａは、この実施形態において、１８個の埋め込み微細構造２７９０及び２７９１の斜視図を示し、付録図の３５Ｂは同じ領域の上面図を示し、付録図の３５Ｃは同じ領域の側面／断面図を示している。基板がベリリウム、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素であるとき、電気伝導層が階段構造の上面にコーティングされ得る。
付録図の３６は、電子１１１によって衝撃を与えられたときの、付録図の３５Ｃの階段型実施形態からのＸ線放出２８８８−Ｓを示している。他の複数の実施形態においても同様であるが、Ｘ線発生材料の複数の角柱は、電子が衝突したときに加熱される。Ｘ線発生材料の複数の角柱のそれぞれは、基板２０００と熱的接触をしている５つの面を有しているので、Ｘ線材料から出ていく熱の伝導は、Ｘ線材料が表面に堆積された構成よりもまだ大きい。しかしながら、１つの面に対しては、Ｘ線の放出は、他の隣接する複数の角柱による吸収によって減衰されず、隣接する基板材料によって無視できるほどしか減衰されない。
従って、それぞれの角柱からのＸ線の輝度は、特に市松模様に配置されたＸ線発生材料の複数の角柱７００及び７０１も示している、例えば付録図の２３の実施形態からのＸ線放出と比較したときに増加する。付録図の２３の構成では、それぞれの角柱は基板に埋め込まれており、従って基板１０００と熱的接触をしている５つの表面を有しているが、０°での横への放出は隣接する列の複数の角柱及び基板材料の両方によって減衰させられる。
トポグラフィを伴ったターゲットを備えるそのような一実施形態は、まずトポグラフィを伴った基板を用意し、次に、前に説明したプレーナ基板用の製造プロセスに従って、Ｘ線材料の複数の角柱を埋め込むことによって製造され得る。代替的に、Ｘ線材料で充填される複数のキャビティを形成する最初の複数の工程は、初期の平坦基板に階段状のトポグラフィ構造を形成すべく向上させられ得る。どちらの場合においても、埋め込まれる角柱を特定の特徴のトポグラフィと重ね合わせることが所望される場合に、プレーナプロセスの当業者に知られているなどの、付加的な複数の位置合わせ工程が使用され得る。
複数の微細構造は、付録図の３５及び付録図の３６に例示されたように階段の縁部に対してある距離をおいて埋め込まれるか、又は（付録図の９に示されたように）縁部と同一平面を成すように埋め込まれ得る。どちらの構成が特定の用途に適切であるかという判断は、Ｘ線発生材料及び基板材料のまさにその特性に依存し得えて、その結果、例えば、５つの表面か４つの表面かによる熱の伝達によって可能になる電子電流の増加で実現された付加的な輝度が、自由空間放出か基板材料の一部を通じた再吸収かによって実現された付加的な輝度と比較され得る。位置合わせ及び重ね合わせの工程、並びに複数の層に複数の角柱をパターニングするのに必要になり得る複数のプロセス工程に関連した付加的なコストは、達成可能な輝度の増加と比較して考慮される必要があり得る。
これまでに説明された複数の実施形態は、輝度を増加させたＸ線を発生させるべく、Ｘ線ソースのターゲットとして用いられ得るＸ線材料を有する、複数の微細構造を備える様々なＸ線ターゲット構成を説明している。これらのターゲット構成は、電子で衝撃を与えられてＸ線を放出すると説明されてきたが、別の従来のソースにおいて固定Ｘ線ターゲットとして用いられて、付録図の１の透過Ｘ線ソース０８のターゲット０１、又は付録図の２の反射Ｘ線ソース８０のターゲット１００のいずれか一方を、本発明によるターゲットと置き換え得る。
説明されたような複数の実施形態は、可動Ｘ線ターゲットにも同様にうまく適用され得て、例えば、付録図の６の回転アノードＸ線ソース８０のターゲット５００を、本発明によるターゲットと置き換え得ることも可能である。
付録図の３７は、回転アノード２５００として構成された、本発明の一実施形態を示している。回転アノード２５００の外側の環状部には、複数のＸ線発生材料が形成されており、前に説明されたプロセスのどれによっても形成され得る。付録図の３７に例示されたような実施形態では、２つの別個の材料が例示され、それぞれは、環状リング２５０８及び２５０９、又は、正方形構造２５１８及び２５１９の、どちらか一方の形をした様々な微細構造を有している。
従来の回転アノードにおいても同様であるが、電子は、従来の回転アノードが面取りされているのとちょうど同様に面取りされ得る縁部のターゲットアノード２５００に衝撃を与え、電子ビームのソースは、ターゲットアノード２５００の面取りされた縁部２５１０上に電子ビームを方向付けて、ターゲットスポット２５０１からＸ線を発生させる。ターゲットスポット２５０１はＸ線を発生させるので、加熱するが、ターゲットアノード２５００が回転するので、加熱スポットがターゲットスポット２５０１から離れ、電子ビームはターゲットアノード２５００のより低温の部分をここで照射する。ホットスポット２５０１を通過するときに再度加熱される前に、ホットスポットは冷却するための一回転分の時間を有する。ターゲットアノード２５００を継続的に回転させることによって、単一のスポットが熱くなり過ぎることはないが、それでもＸ線の連続的なソースが提供され得る。
前に説明された回転アノードシステムにおいても同様であるが、アノードを更に冷却させるべく、回転アノードに更なる複数の冷却経路が提供され、より高い電圧又はより高い電流密度を有する電子との衝撃を可能にして、より明るいＸ線ソースを形成し得る。しかしながら、回転アノードのターゲット材料が、本明細書で開示された本発明による複数の微細構造を用いる場合、向上した熱特性によって、より高い電子の電力負荷が可能になり得る。これによって、いったん更なる熱負荷に適応することが可能になると、電子エネルギーおよび電流が増加され得るので、より高輝度のＸ線ソースが可能となる。代替的に、同じ輝度だが、より低い電圧、より低い電流、又はより低速のアノード回転速度など、設計するのがより容易な複数の構成要素を有する回転アノードソースを可能にすべく、熱に関する利点が用いられ得る。
４．製造プロセス
本発明によるターゲットを製造するための複数の方法は、付録図の３８のフローチャート、及び付録図の３９〜付録図の４０の断面図に概略が述べられている複数の工程を含んでいる。
４．１．基板の選択
最初の工程において、適当な材料の基板３０００が選択される。付録図の３９Ａでは、「１）」と指定された工程によって、これが示されている。上述されたように、これは典型的に、様々な物理特性及び熱特性、特に低質量密度、低原子番号、及び高熱伝導率のために選択された材料である。基板材料用の複数の候補が、表１に記載されており、いくつかは高熱伝導率（すなわち、１００Ｗ／（ｍ℃）より大きい熱伝導率の材料）を有している。これらの材料の中で、ダイヤモンドは、可能性のある基板として際立っている。室温において、熱伝導率はおよそ２２００Ｗ／（ｍ℃）であり、任意の材料に対してすでに知られている最も高い値の１つである。より低い温度、およそ−１２０℃において、この値は、ほぼ３倍高い値に増加し得る。
直径１２０ｍｍまでＣＶＤ成長したダイヤモンドに２ｍｍ厚までダイヤモンドコーティングしたウェーハが、ドイツのフライブルクにあるＤｉａｍｏｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＧｍｂＨから購入され得る。ダイヤモンドでコーティングされたケイ素基板、又はダイヤモンド・オン・インシュレータ（ＤＯＩ）基板も、例えば、イリノイ州ロムオービルのＡｄｖａｎｃｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．、又はカルフォルニア州サンタクララのｓｐ３ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入され得る。ペンシルベニア州イースト・ピーターズバーグのＲｉｃｈｔｅｒ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，Ｉｎｃ．によって製造されるなどのダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）の膜も、基板材料として有用であり得る。
ベリリウムも、基板材料の候補になり得る。低原子番号（原子番号４）なので、ベリリウムは非常に軽く、また特にＸ線に対して透過性があり、従って、基板内に埋め込まれた複数の微細構造からのＸ線放出を妨げ得る連続Ｘ線のソースにはなりにくい。ベリリウムのウェーハは、例えば、カルフォルニア州ロサンゼルスのＡｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．、及びニューヨーク州ファーミングデールのＡｔｏｍｅｒｇｉｃ Ｃｈｅｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業ベースで購入され得る。
基板として適当であり得る他の複数の材料は、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びサファイアである。他の適当な複数の材料も、当業者に知られ得る。
４．２．基板のパターニング
いったん基板が選択されると、付録図の３８に示されたように、次の工程３１００は、付録図の３９Ａに示されたように基板３００１をパターニングすることである。ＭＥＭＳ用途、ナノインプリント・リソグラフィ、及び他の複数のプロセス用にダイヤモンドをパターニングする、複数の知られたアプローチが存在する。［例えば、Ｈ．Ｍａｓｕｄａ他著『Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｈｏｌｅ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｂｙ Ｐｌａｓｍａ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ａｎｏｄｉｃ Ｐｏｒｏｕｓ Ａｌｕｍｉｎａ Ｍａｓｋ』、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ第４巻（１１）、Ｇ１０１−Ｇ１０３ページ（２００１年）、Ｙ．Ａｎｄｏ他著『Ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ』、Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ第１１巻（２００２）、８２４−８２７ページ（２００２年）、Ｘ．Ｄ．Ｗａｎｇ他著『Ｐｒｅｃｉｓｅ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ ＭＥＭＳ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ』、Ｊ． Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第１２７巻、２３０−２３３ページ（２００２年）、Ｊ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ他著『Ｄｉａｍｏｎｄ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ』、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第１３巻、５９２−５９６ページ（２００２年）、及び、Ｄ．Ｓ．Ｈｗａｎｇ／Ｔ．Ｓａｉｔｏ／Ｎ．Ｆｕｊｉｍｏｒｉ著『Ｎｅｗ ｅｔｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉａｍｏｎｄ』、Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ第１３巻、２２０７−２２１０ページ（２００４年）を参照］。
Ｍａｓｕｄａ他による上に引用されたプロセスにおいて、およそ３ｍｍの厚さの研磨された多結晶ダイヤモンド膜が、多孔質アルミナマスクを用いて、パターニングされている。マスクは、アルミニウム表面にパターンを形成する炭化ケイ素モールドを用いて事前に準備されており、これは続いて陽極酸化プロセスによって酸化される。そのように形成されたアルミナ膜は、ＳｉＣモールド上のパターンによって位置が決定された、複数のポア（ｐｏｒｅ）を有している。次に膜は、そのアルミニウム基板から除去され、ダイヤモンド表面に転写される。次にダイヤモンドは、酸素による反応性イオンエッチングプロセスにさらされ、ここで多孔質アルミナ膜はマスクとして働く。
このプロセス工程３１００のための代表的な複数の工程が、「ａ）」、「ｂ）」、「２）」、「３）」、及び「４）」で示された付録図の３９Ａの対応する工程によって例示されている。
付録図の３９Ａの工程「ａ）」において、マスク３０６０は、基板３０５０上に形成され、パターニングされている。マスクは、例えば、アルミニウム基板上にパターニングされたアルミナであり得る。工程「ｂ）」において、マスクは除去される。工程「２）」において、マスク３０６０は、基板３０００に取り付けられる。工程「３）」において、マスク及び基板は、酸素による反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのパターン転写工程を受けて、最初の基板３０００からパターニングされた基板３００１を形成する。工程「４）」において、マスク３０６０は除去されて、パターニングされた基板３００１が残る。
代替的に、基板は、従来の複数のリソグラフィプロセスを用いてパターニングされ得る。これらは、ＨＳＱなどのフォトレジストで基板をコーティングすること、及び、電子ビーム又は紫外線光子を用いて、ウェーハ上に形成される所望の構造を表しているパターンにレジストを露光することを含み得る。次にレジストは現像されて、露光された領域を除去し、基板を露出させる。次に基板とパターニングされたレジストとの組み合わせは、レジストパターンを基板に転写する適当なエッチングプロセス（酸素ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）など）で処理される。いったんこれが完了すると、余分なレジストは除去されて、付録図の３９Ａ及び付録図の３９Ｂの工程「４）」に示されたパターニングされた基板３００１と実質的に同じである、パターニングされた基板が残る。
上述されたリソグラフィによるパターニングプロセスに関する変形例において、基板をパターニングするためのハードマスクとして働く特別に選択された材料で、基板がコーティングされ得る。この場合における複数の工程は、基板上へのハードマスクのコーティング、ハードマスク上へのレジストのコーティング、電子線露光又は光露光のいずれか一方によるレジストのパターニング、レジストの現像、レジストからハードマスクへのパターンの転写、ハードマスクから基板へのパターンの転写、付録図の３９Ａ及び付録図の３９Ｂの工程「４）」に示されたパターニングされた基板３００１と実質的に同じである、パターニングされた基板を残すことである。そのような複数のリソグラフィプロセス及びこれら変形例は、当業者にはよく知られている場合がある。
上述された複数のリソグラフィによるパターニングプロセスの他の複数の代替例において、基板は、収束イオンビームなどの機械を用いて、直接イオンミリングもされ得る。レーザエッチングなどの他の複数の技術も、基板をパターニングするのに用いられ得る。
４．３．Ｘ線材料の埋め込み
いったん基板がパターニングされると、次の工程は、所望特性のＸ線を発生させ得る材料をパターニングされた複数のキャビティに堆積させる工程３３００である。これは、材料に応じて、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む任意の数のよく知られた堆積技術を受け得る。アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びにこれらの組み合わせ及び合金を含む様々な材料が、Ｘ線発生材料として用いるために選択され得る。
このプロセス工程３３００のための代表的な複数の工程が、「５）」で示された付録図の３９Ｂの対応する工程によって例示されている。
いったんＸ線材料が堆積されると、典型的に余分な材料が基板上に存在する。機械砥粒研磨プロセス又は化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスのどちらかを用いた次の研磨工程３５００は、余分な材料を除去して、「６）」で示された付録図の３９Ｂの対応する工程によって例示されたように、Ｘ線材料の離散微細構造３４０１で今は充填されている、パターニングされた基板３００１の複数のキャビティを残す。
４．４．別の密着材料
いくつかの材料は、特定の基板と組み合わせて用いられるとき、両者の間に良好な結合を提供する界面層を形成し得る。例えば、タングステンなどの選択されたＸ線材料では、パターニングされたダイヤモンド基板３００１上へのタングステン材料のＣＶＤ堆積３４００が、ダイヤモンドの複数のキャビティを、タングステンと炭素との間の境界に強固な炭化結合を形成するタングステンで充填するのに適切であり得る。しかしながら、銅などの他の複数の材料では、銅とダイヤモンド基板との間に、１０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）の層を堆積させるなどの密着層の使用は、２つの材料の間の密着性を向上させることによって、そしてまたいくつかの場合においては、一方の領域から他方の領域へ材料が拡散するのを防止することによっての両方により、アノードの機械的完全性を向上させるのに好ましい場合がある。
このプロセス工程のための代表的な複数の工程が、"「５）」、「５ａ）」、「６ａ）」、及び「７ａ）」で示された付録図の４０の対応する工程によって例示されている。
パターニングされた基板３００１から始まる付録図の４０において、工程「５ａ）」は、パターニングされた基板３００１上への適当な密着層３３５０の堆積を示している。典型的な密着層３３５０は、例えば、Ｘ線材料として銅（Ｃｕ）とともに用いられたとき、クロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）の層であり得る。他の複数の材料は、銅に対して炭化銅（ＣｕＣ）、又はアルミニウムに対して炭化アルミニウム（ＡｌＣ）など、ターゲット材料の炭化物合金を含み得る。さらに、両方の材料に良好な密着性を有する、当業者に知られた他の複数の材料が用いられ得る。一例として、多くの場合、モリブデンが銅に対するバリア層として用いられている。さらに、炭化チタン（ＴｉＣ）バイレイヤ、又は炭化クロム（ＣｒＣ）バイレイヤなどの複数の材料層が、密着層として用いられ得る。密着層の厚みは、Ｘ線材料及び基板材料の選択によって変わり得るが、典型的には、１０ｎｍ厚のオーダになる。いったん堆積されると、堆積工程の後に炭化工程が続き得て、基板との炭化化合物を形成する。他の複数の実施形態において、炭化材料が直接堆積されて、密着層を提供し得る。
４．５．オーバーコート膜
いったん基板がパターニングされ、Ｘ線材料の複数の微細構造を形成すべく複数のキャビティが充填されると、次の工程は、Ｘ線材料に衝突する電子が接地への経路を有するようにする導電層の堆積である。
このプロセス工程３７００のための代表的な例示が、「７）」で示された付録図の３９Ｂの対応する結果によって示されている。
堆積された材料３７５０は、ベリリウム（Ｂｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの複数の導電性材料、又は、グラファイト又はカーボンナノチューブなどの炭素材料のうち、いずれか１つであり得る。材料は、最小５ｎｍ、又は最大１００ｎｍであり得るが、充填された複数のキャビティを有する基板に、より大きなトポグラフィの変動が存在する場合など、いくつかの状況においては、材料は最大５００ｎｍになり得る。
複数の堆積技術は、限定されないが、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む、任意の数の様々な堆積技術であり得る。
いったん導電層が堆積されると、最終的な保護オーバーコート膜又はキャップ層も堆積され得る。
このプロセス工程３９００のための代表的な例示が、「８）」で示された付録図の３９Ｂの対応する結果によって示されている。
堆積材料３９５０は、複数の材料のうちいずれか１つであり得るが、典型的には、ダイヤモンド（Ｃ）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、又はベリリウム（Ｂｅ）など、基板に用いられた同じ材料、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びパラジウム（ＰＤ）などの別の複数の材料になるように選択され得る。材料は、最小１００ｎｍ、又は最大５０ミクロンであり得る。
複数の堆積技術は、限定されないが、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む、任意の数の様々な堆積技術であり得る。
下の層に対して良好な密着性を有すべく、キャップ層の堆積は、ダイヤモンド成長のシード層を形成する炭化チタン（ＴｉＣ）などの密着層の堆積後に行われ得る。このシード層を提供する堆積は非常に薄く、おそらく１ｎｍから５ｎｍの間になり得る。
４．６．プロセスの組み合わせ
いったんこれらの工程が完了すると、付録図の３９Ｂに「８）」で示された最終的な目的物は、Ｘ線ソースのターゲットとして用いるのに適当なＸ線発生材料の複数の微細構造を有する基板を備える。
特定の複数のプロセス工程が特定の順序で説明されたが、同様の結果を実現すべく、特定の複数の工程は異なる順序で、又は互いに組み合わされて実行され得ることは、理解されるべきである。
例えば、導電層の堆積はキャップ層の堆積前に行われると説明されたが、付録図の１９に例示されたものなど、これらを組み合わせた層が機能を果たす（すなわち、導電性キャップ層）。同様に、複数のプロセス工程の一部が繰り返されて、付録図の１８に例示されたような複数の層のターゲット材料を堆積し得る。
さらに、付録図の２１に例示されたような複数の層の微細構造は、この章で説明されたように、複数のプロセス工程（又はその一部）を繰り返すことによって形成され得る。
［付録図 １３Ａ］
［付録図 １３Ｂ］
［付録図 １３Ｃ］
［付録図 １４Ａ］
［付録図 １４Ｂ］
［付録図 １５］
［付録図 １６］
［付録図 １７］
［付録図 １８］
［付録図 １９］
［付録図 ２０Ａ］
［付録図 ２０Ｂ］
［付録図 ２０Ｃ］
［付録図 ２１Ａ］
［付録図 ２１Ｂ］
［付録図 ２２Ａ］
［付録図 ２２Ｂ］
［付録図 ２２Ｃ］
［付録図 ２３Ａ］
［付録図 ２３Ｂ］
［付録図 ２３Ｃ］
［付録図 ２４Ａ］
［付録図 ２４Ｂ］
［付録図 ２４Ｃ］
［付録図 ２５Ａ］
［付録図 ２５Ｂ］
［付録図 ２５Ｃ］
［付録図 ２６Ａ］
［付録図 ２６Ｂ］
［付録図 ２６Ｃ］
［付録図 ２７Ａ］
［付録図 ２７Ｂ］
［付録図 ２７Ｃ］
［付録図 ２８Ａ］
［付録図 ２８Ｂ］
［付録図 ２８Ｃ］
［付録図 ２９Ａ］
［付録図 ２９Ｂ］
［付録図 ２９Ｃ］
［付録図 ３０Ａ］
［付録図 ３０Ｂ］
［付録図 ３０Ｃ］
［付録図 ３１］
［付録図 ３２］
［付録図 ３３］
［付録図 ３４］
［付録図 ３５Ａ］
［付録図 ３５Ｂ］
［付録図 ３５Ｃ］
［付録図 ３６］
［付録図 ３７］
［付録図 ３８］
［付録図 ３９Ａ］
［付録図 ３９Ｂ］
［付録図 ４０］
１８９６年のレントゲンによるＸ線の最初の発見［Ｗ．Ｃ．Ｒｏｎｔｇｅｎ著、『Ｅｉｎｅ Ｎｅｕｅ Ａｒｔ ｖｏｎ Ｓｔｒａｈｌｅｎ』（Ｗｉｉｒｚｂｕｒｇ Ｖｅｒｌａｇ、１８９５年）；『Ｏｎ ａ Ｎｅｗ Ｋｉｎｄ ｏｆ Ｒａｙｓ』、Ｎａｔｕｒｅ、５３巻、２７４−２７６ページ（１８９６年１月２３日）］は、レントゲンが真空管内でターゲットの電子衝撃を実験していた時に、偶然生まれた。これらの高エネルギーで短波長の光子は、現在では、医学的応用及び診断的評価、並びにセキュリティ検査、工業検査、品質管理、及び故障解析、さらに結晶学、トモグラフィ、Ｘ線蛍光分析、及び同様のものなど科学的応用に、日常的に使用されている。
真空管０２の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。ターゲット０１は、反対側の高電圧導線２２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。放出された電子１１１はターゲット０１に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット０１と衝突する。固体ターゲット０１への電子１１１の衝突は、Ｘ線８８８の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線８８８の一部は、Ｘ線を通すよう設計されたウィンドウ０４を通って真空管０２から出て行く。図１に示された構成において、ターゲット０１はウィンドウ０４上に堆積されるか、又は直接取り付けられ、ウィンドウ０４は真空チャンバの壁の一部を形成する。他の従来技術による複数の実施形態において、ターゲットは、ウィンドウ０４自体の不可欠な部分として形成され得る。
真空管２０の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。ターゲット基板１１０に支えられたターゲット１００は、反対側の高電圧導線２２及びターゲット支持部３２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子１１１はターゲット１００に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット１００と衝突する。ターゲット１００への電子１１１の衝突は、Ｘ線の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線の一部は真空管２０から出て、Ｘ線に対して透過的であるウィンドウ４０を通過する。
図３に戻ると、これらの特性Ｘ線３８８は主に、相互作用体積２００の２番目に大きい陰影部２４８として示される電子侵入深さのほんの一部で発生する。相対深さは、典型的には深さが増加するとともに低下する電子１１１のエネルギーによって、ある程度影響を受ける。電子エネルギーがターゲット内の電子の結合エネルギーを超えない場合、特性Ｘ線は全く放出されない。特性線の最大放出は、放出される特性Ｘ線光子のエネルギーの３倍から５倍を有する電子との衝撃の際に生じ得る。これらの特性Ｘ線は、複数の電子殻の間の原子遷移によって生じるので、放出は概して完全に等方性になる。この相互作用体積２００の実際の大きさは、電子のエネルギー及び入射角、表面トポグラフィ及び他の複数の特性（局所的な電荷密度を含む）、並びにターゲット材料の密度及び原子組成に応じて変化し得る。
制動放射線用のＸ線ソースの輝度を増大させる別の方法は、より大きい原子番号Zのターゲット材料を使用することである。その理由は、材料の原子番号がだんだん高くなると、それに対応して制動放射線用のＸ線発生の効率が高くなるからである。さらに、Ｘ線放出材料は、ソースにかかるより高い電子パワーがＸ線発生を増加させることを可能にすべく、高融点及び高熱伝導率など、理想的には良好な熱特性を有するべきである。これらの理由のため、ターゲットは、原子番号Ｚが７４のタングステンを用いて製造されることが多い。表１は、Ｘ線ターゲット、複数の更なる可能性のあるターゲット材料（対象となる特定の特性線に特に有用）、及びターゲット材料の基板として使用され得るいくつかの材料に一般に使用される複数の材料を記載している。融点及び熱／電気伝導率は、３００Ｋ（２７℃）近傍の値を示している。大部分の値は、ＣＲＣ刊『Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ』の第９０版［フロリダ州ボカラトン、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、２００９年］から取られている。他の複数の値は、インターネット上に見られる様々なソースから引用されている。 例えば、サファイアなど、いくつかの材料では、液体窒素温度（７７Ｋ）以下の温度に冷却されると、１桁大きい熱伝導率が可能であり得ることに留意されたい［例えば、Ｅ．Ｒ．Ｄｏｂｒｏｖｉｎｓｋａｙａ他著、『Ｓａｐｐｈｉｒｅ：Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ』、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＋ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍｅｄｉａ，ＬＬＣ刊（２００９年）の２．１．５章「熱特性」を参照］。
特定の環境に効果的であるが、まだ改善の余地がある。液体金属の噴流は、精巧な給排水システム及び消耗品を必要とし、用いられる材料（また、これにより原子番号の値及びその関連スペクトル）が制限され、より大きい出力に上げることが難しい。ダイヤモンド基板の上にコーティングされた一様な固体材料の薄膜ターゲットの場合では、回転アノード構成で用いられたとしても、膜への損傷が生じ得る前に許容され得る熱量にまだ限界がある。熱伝導は、膜の底面を通じて生じるだけである。横寸法においても、バルク材料に存在するのと同じ伝導の問題が存在する。
タングステンターゲットの典型的なＸ線放射スペクトルを示す。
ターゲットを６０°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのＸ線放射を示す。
ターゲットを４５°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのＸ線放射を示す。
ターゲットを３０°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのＸ線放射を示す。
電子衝撃を受けてＸ線を放出する図１９Ｃのターゲットの側面／断面図を示す。
次の時間ステップｔ＝２における図２８Ａ及び図２８ＢのＸ線放出器の集合体を示す。
図３７Ａ及び図３７Ｂのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。
図３８Ａ及び図３８Ｂのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。
２つの円筒形の光学要素を有する複数のＸ線レンズの従来技術の実施形態を示す。
複数の円筒形の光学要素を有する複数のＸ線レンズの従来技術の実施形態を示す。
前述のように、チャンバ２０の内部では、導線２１を通じて高電圧源１０の負極に接続された放出器１１がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子１１１のビームを発生させる。電子ビーム発生用の任意の数の従来技術の技法が、本明細書に開示された本発明の複数の実施形態に用いられ得る。電子ビーム発生に用いられる更なる公知技術は、熱電子放出のための加熱、ショットキー放出（加熱と電界放出との組み合わせ）、カーボンナノチューブなどのナノ構造を有する複数の放出器、複数の強誘電体材料を用いることを含む。［電子ビーム発生用の電子放出オプションに関する詳細は、Ｓｈｉｇｅｈｉｋｏ Ｙａｍａｍｏｔｏ著『Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ』（Ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｎ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第６９巻、１８１−２３２ページ（２００６年））、Ａｌｉｒｅｚａ Ｎｏｊｅｈ著『Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ： Ｆｒｏｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ ｔｏ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｏｐｈｏｎｏｎｉｃｓ』（ＩＳＲＮ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ、２０１４年版、論文番号８７９８２７、２３ページ（２０１４年））、及びＨ．Ｒｉｅｇｅ著『Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ − Ａ Ｒｅｖｉｅｗ』（ＣＥＲＮ Ｒｅｐｏｒｔ ＣＥＲＮ ＡＴ／９３−１８、スイス／ジュネーブ、１９９３年７月）を参照］。
前述のように、ターゲット基板１０００及びＸ線発生材料の領域７００を有するターゲット１１００は、反対側の高電圧導線２２及びターゲット支持部３２に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子１１１はターゲット１１００に向かって加速され、加速電圧の大きさで決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット１１００と衝突する。ターゲット１１００への電子１１１の衝突は、Ｘ線の放出を含む複数の効果を引き起こす。Ｘ線の一部は真空管２０から出て、Ｘ線に対して透過的であるウィンドウ４０を通過する。
しかしながら、本発明のいくつかの実施形態において、導線２７を介してコントローラ１０−１によって制御され、放出器１１によって提供される電子線量及び電圧と調整される、静電レンズシステム、又は複数の電子レンズの他のシステムなどの電子ビーム制御機構７０も存在し得る。従って、電子ビーム１１１は、基板１０００と密接に熱的接触をするように製造された１又は複数の微細構造７００を有するターゲット１１００の上で、走査され、焦点が合わせられ、デフォーカスされ、又はそうでなければ方向付けられ得る。
図７に例示されたように、微細構造７００の配列は、電子ビーム又はビーム１１１による複数の微細構造７００の衝撃が、ターゲットの面法線に対して直交する方向に、その視野方向への強度が増す又は累積するような様式で、放出を生じさせるように配置され得る。その方向は、ウィンドウ４０を通ってシステムから出ていく指向性ビーム８８８を形成すべく、システムのスクリーン８４の開口部８４０によっても選択され得る。いくつかの実施形態において、開口部８４０は真空チャンバの外側に配置され得るか、又はより一般にはウィンドウ４０自体が開口部８４０として働き得る。いくつかの実施形態において、開口部は真空チャンバ内部にあり得る。
図８は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲット１１００を示す。本図において、基板１０００は、直（ｒｉｇｈｔ）四角柱の規則的配列構造で配置されたＸ線発生材料（典型的には、金属材料）を含む微細構造７００の配列を有する領域１００１を有する。真空において、電子１１１は上からターゲットに衝撃を与え、微細構造７００に熱及びＸ線を発生させる。基板１０００の材料は、Ｘ線発生微細構造の材料と比較して、電子に対して比較的低いエネルギー堆積速度を有するように（典型的には、基板用に低原子番号の材料を選択することによって）選択されるので、大量の熱及びＸ線を発生しない。基板１０００の材料は、典型的には１００Ｗ／（ｍ℃）より大きい高熱伝導率を有するようにも選択され得て、微細構造は典型的には基板内に埋め込まれている。すなわち、微細構造が四角柱として形成されている場合、微細構造７００に発生した熱が基板１０００へ効果的に放散されるように、６つ面のうち少なくとも５つの面が基板１０００と密接に熱的接触をしていることが好ましい。しかしながら、他の複数の実施形態において用いられたターゲットは、より少ない直接接触の表面を有し得る。概して、「埋め込み」という用語が本開示で用いられるとき、微細構造の表面積の少なくとも半分は、基板と密接に熱的接触をしている。
図９は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲット１１００−Ｆを示しており、ここで電子ビーム１１１−Ｆは、静電レンズによって方向付けられ、より集中した収束スポットを形成する。この状況では、ターゲット１１００−ＦはＸ線材料を含む微細構造７００−Ｆの配列を有する領域１００１−Ｆをまだ有しているが、この領域１００１−Ｆのサイズ及び寸法は、電子照射が生じる領域に合致し得る。これらのターゲットにおいて、ソース形状及びＸ線発生材料の「調整」は、設計によって、発生する熱量を微細構造領域１００１−Ｆにほとんど制限して、設計及び製造の複雑さも低減するように制御され得る。これは、微小スポットを形成すべく焦点が合わせられた電子ビームとともに用いられるとき、又はより複雑な電子照射パターンを形成するより複雑なシステムによって用いられるときに、特に有用であり得る。
図１０は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲット１１００−Ｅを示しており、ここでターゲット１１００−Ｅは、電子１１１にさらされたときにＸ線を放出するＸ線材料を含む微細構造７００−Ｅの配列を有する領域１００１−Ｅをまだ有しているが、領域１００１−Ｅは基板１０００−Ｅの縁部と同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置される。この構成は、基板がＸ線を吸収する材料を有するために、図８に示されたような構成において、０°に近い角度での放出が著しく減衰され得るターゲットで有用であり得る。
図１２は電子ビーム１１１と、基板１０００及びＸ線材料の微細構造７００を有するターゲットとの間の関連する相互作用を示す。例示されたように、３つの電子経路だけが示されており、２つの代表電子が、示された２つの微細構造７００に衝撃を与え、１つの代表電子が基板と相互作用している。
図１３は、図１２に示された様々な領域からの相対的なＸ線発生を示す。Ｘ線８８８は、それが発生するＸ線発生材料の複数の微細構造７００中の領域２４８から放出された特性Ｘ線を有し、電子が基板と相互作用する領域１２８０及び１０８０は、基板元素の特性Ｘ線を発生させる（複数の微細構造７００のＸ線発生領域２４８の元素の特性Ｘ線ではない）。さらに、Ｘ線発生材料の複数の微細構造７００の領域２４８から放出された制動放射Ｘ線は、典型的には、電子が低原子番号の基板にしか遭遇しない領域１２８０及び１０８０において、それらの領域が放出する弱い連続Ｘ線１０８８及び１２２８よりはるかに強い。
実質的に一様な材料の広いターゲットでは、Ｘ線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のＸ線の複数の発生源の間のＸ線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、０°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、０°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。Ｘ線ビームが強度において１／ｅまで減少する距離はＸ線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたＸ線が可能な限り更なる材料を通過しない、Ｘ線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットの一部の例示が、図１４に示されている。図１４において、単一の微細構造２７００を有するＸ線発生領域は、棚状部２００２に接した基板の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、図１１に例示された状況に類似している。Ｘ線発生微細構造２７００は、基板２０００に埋め込まれている幅Ｗ、長さＬ、及び深さ又は厚みＤの矩形バーの形状をしており、電子１１１で衝撃を与えられたときに、Ｘ線２８８８を放出する。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットの一部の例示が、図１５に示されている。このターゲットでは、６つの微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６を有するＸ線発生領域が、棚状部２００２に接したターゲット基板２０００の凹んだ縁部２００３に、又はその近くに構成され、図１１及び図１４に例示された状況と類似している。示されるように、Ｘ線発生微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６は、基板２０００に埋め込まれたＸ線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子１１１で衝撃を与えられたときにＸ線２８８８−Ｄを放出する。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなこのターゲットにおいて、Ｘ線発生材料の総体積は、前の図１４の例示におけるものと同じである。図１４に示された場合においても同様であるが、微細構造２７０１−２７０６の厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３の間になるように選択される。図１４に示された場合においても同様であるが、微細構造２７０１−２７０６の幅Ｗは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにＷはおよそＤの１．５倍である。前に論じられたように、バーの幅Ｗは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。
しかしながら、示されるように、図１４に例示されたような長さＬの単一のバー２７００は、６つのサブバーの形で微細構造２７０１、２７０２、２７０３、２７０４、２７０５、２７０６に置き換えられており、それぞれの長さｌはＬ／６である。Ｘ線発生の体積（同じ電子密度で衝撃を与えられたとき）は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する５つの面を有し、Ｘ線発生サブバー２７０１−２７０６から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離ｄはおよそｌに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるＸ線量、及び、Ｘ線発生微細構造２７０１−２７０６の特定の材料と基板２０００との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。
図１５などに示された構成では、複数のＸ線発生サブバーの全長は、一般にＸ線発生材料におけるＸ線の直線減衰長の約２倍になるが、その距離の半分から３倍を超えるところまで選択され得る。同様に、複数のサブバーの厚みＤ（ターゲットの面法線に沿った厚み）は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるＸ線発生材料の電子侵入深さの１／３から２／３に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みＤは、該当方向に、ほぼ等しい所望のＸ線ソースサイズを得るためにも選択され得る。
複数のバーは、（示されたように）基板に埋め込まれ得るが、Ｘ線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。
図１６Ａ〜図１６Ｃのターゲットにおいて、複数の微細構造は６つの面のうち５つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造７００の上面は基板の表面と同一平面を成すが、複数の微細構造が凹所にある他のターゲットが製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他のターゲットが製造されてもよい。
ここでｋは熱伝導率（Ｗ／（ｍ℃））、ΔＴは厚みｄの全体にわたる温度の差異（℃）である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔＴの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
図１８Ａ〜図１８Ｃは、本発明の一実施形態による、Ｘ線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造７００及び７０１の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域１０１３を示している。示されたような配列は、基板１０００の表面に埋め込み配列として配置されている。図１８Ａは２５個の埋め込み微細構造７００及び７０１の斜視図を示し、図１８Ｂは同じ領域の上面図を示し、図１８Ｃは点線で示された凹み領域を有する同じ領域の側面／断面図を示している。
本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットの領域２００１の例示が、図１９Ａ−図１９Ｃに示されており、厚みＤを有するＸ線発生材料を含む微細構造２７９０及び２７９１の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域２００１を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。
２．直線累積Ｘ線ソースの一般的な考察
図２１は、直線配列で配置されたＸ線放出器の集合体を示している。直線配列の長軸は図の左から右に延びており、短軸は図の平面に入る、及びそこから出るように延びている。１又は複数のＸ線発生材料を有する、複数のＸ線発生要素８０１、８０２、８０３、８０４、…などは、高電圧（１ｋｅＶから２５０ｋｅＶまでのどこでも）において、電子１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、…などのビームによって衝撃を与えられ、Ｘ線８１８、８２８、８３８、８４８、…などを放出するサブソースを形成している。Ｘ線は等方的に放出される傾向があるが、この解析は、サブソースの直線配列の中央を通る軸に沿った視点に対するものであり、そこに開口部８４０を有するスクリーン８４が配置されている。
すべての放出器が、ほぼ同じ強度のＸ線を放出するソース設計では、
（これは、配列のＸ線放出要素が類似のサイズ及び形状であり、それらが類似のエネルギー及び密度を有する電子で衝撃を与えられる場合に実現し得る）。全放出強度は次式のようになる。
図２２は、３種類のＸ線発生材料、すなわちモリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）の１ｋｅＶから１０００ｋｅＶにわたるエネルギーを有するＸ線に対する１／ｅ減衰長と、３種類の基板材料、すなわちグラファイト（Ｃ）、ベリリウム（Ｂｅ）、水（Ｈ２Ｏ）の１０ｋｅＶから４００ｋｅＶまでの範囲のエネルギーを有するＸ線に対する１／ｅ減衰長とを示している。［ここで示されたデータはもともと、Ｂ．Ｌ．Ｈｅｎｋｅ、Ｅ．Ｍ．Ｇｕｌｌｉｋｓｏｎ、Ｊ．Ｃ．Ｄａｖｉｓによって、『Ｘ−ｒａｙ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ： ｐｈｏｔｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ， ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ａｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｔ Ｅ＝５０−３００００ ｅＶ， Ｚ＝１−９２』、Ａｔｏｍｉｃ Ｄａｔａ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｄａｔａ Ｔａｂｌｅｓ、第５４巻（２）、１８１−３４２ページ（１９９３年７月）に公開されたものであり、＜ｈｔｔｐ：／／ｈｅｎｋｅ．ｌｂｌ．ｇｏｖ／ｏｐｔｉｃａｌ＿ｃｏｎｓｔａｎｔｓ／ａｔｔｅｎ２．ｈｔｍｌ＞でアクセスされ得る。他のＸ線吸収の表は、＜ｈｔｔｐ：／／ｐｈｙｓｉｃｓ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ＰｈｙｓＲｅｆＤａｔａ／ＸｒａｙＭａｓｓＣｏｅｆ／ｃｈａｐ２．ｈｔｍｌ＞で利用可能である］。
図２２の値を用いた一例として、タングステンにおける６０ｋｅＶのＸ線では、Ｌ１／ｅがおよそ２００ミクロンとなり、２０ミクロン幅のＸ線発生要素の透過率は、次式で与えられる。
ベリリウム基板における６０ｋｅＶのＸ線では、Ｌ １／ｅ がおよそ５０，０００ミクロンとなり、埋め込まれた複数のタングステンＸ線発生要素の間の、１００ミクロン幅のベリリウム間隙の透過率は、次式のようになる。
従って、ベリリウム基板に埋め込まれ、１００ミクロン離れて離間した２０ミクロン幅のタングステン要素の周期的配列に対して、軸上強度の最良の推定値は次式のようになる。
これは、単一のタングステンＸ線放出要素と比較したとき、Ｘ線強度が１桁増大することを表している。
図２１に例示されたように、また図２３Ａにも例示されたように、電子は垂直入射で複数の微細構造要素８０１、８０２、８０３などに衝撃を与え得て、図２３Ｂに例示されたように電子ビーム１１２１、１１２２、１１２３などは角度θで、図２３Ｃに例示されたように（収束電子ビームなどの）電子ビーム１１３１、１１３２、１１３３などは複数の角度で、図２３Ｄに例示されたように電子ビーム１１４１、１１４２、１１４３などは両面から角度θで、図２３Ｅに例示されたように電子ビーム１１５１、１１５２、１１５３などは様々な強度または電子密度をそれぞれが有して、図２３Ｆに例示されたように一様な大面積の電子ビーム１１１で、又は当業者によって考案され得る多くの電子ビーム構成の任意の組み合わせで、複数の要素に衝撃を与え得る。
電子照射用のパターンの実際の設計は、Ｘ線発生材料、及び／又は複数のＸ線発生要素の間の領域を充填する材料の材料特性に一部依存し得る。図２３Ｅに例示されたように、Ｘ線発生材料の吸収性がきわめて高い場合には、Ｘ線を放出し、さらに他の複数のＸ線発生要素を通って最も長い距離を進まなければならない領域に衝撃を与えるのに、より大きい電子密度が用いられ得る。同様に、図２３Ｂに例示されたように、電子侵入深さが深い場合には、Ｘ線発生材料は、斜めにした電子で衝撃を与えられ得る。電子侵入深さが所望されたより深い場合、Ｘ線発生材料のより薄い領域が用いられ、より小さい鉛直方向の大きさでソースを形成し得る。
多くの実施形態において、電子照射の領域は、電子ビーム又は複数の電子ビームが、主にＸ線発生要素に衝撃を与え、これらの要素の間の領域には衝撃を与えないように調節され得る。多くの実施形態において、複数のＸ線発生要素の間の間隔は、真空ではなく、複数のＸ線発生要素からの熱の放散を容易にする固体材料で充填され得る。ダイヤモンドなどの熱伝導基板に埋め込まれた、又は埋設された複数のＸ線発生要素の配列を有するそのようなソースターゲットは、上述されたように同時係属中の米国特許出願第１４／４６５，８１６号に開示されており、これはその全体を参照によって組み込まれたものとする。
別個の複数のＸ線発生要素に独立して衝撃を与えるのに用いられる複数の電子ビームを有するソースは、異なる加速電圧が異なる電子ビームソースで用いられることを可能にするようにも構成され得る。そのようなソース８０−Ｂが図２４に例示されている。この例示においてもやはり、前の高電圧源１０が導線２１−Ａを介して、電子１１１−Ａをターゲット１１００−Ｂに向かって放出する電子放出器１１−Ａに接続されている。しかしながら、電圧１０−Ｂ及び１０−Ｃ用の２つの付加的な「ブースタ」も設けられ、これらの高電位が導線２１−Ｂ及び２１−Ｃを介して、異なるエネルギーの電子１１１−Ｂ及び１１１−Ｃをそれぞれ放出する付加的な電子放出器１１−Ｂ及び１１−Ｃに接続されている。Ｘ線発生要素８０１、８０２、８０３、…などを有するターゲット１１００−Ｂは、通常は一様に接地電位に設定されているが、異なるＸ線発生要素を目標とするのに用いられる個々の電子ビームソースは異なる電位に設定され得て、従って、様々なエネルギーの電子が異なるＸ線発生要素８０１、８０２、８０３、…などに衝撃を与えるのに用いられ得る。
いくつかの実施形態において、異なる複数の材料からの様々なスペクトルの特性Ｘ線を軸上ビューが示すように、異なる複数のＸ線発生要素は異なる複数のＸ線放出材料を有し得る。Ｘ線に対して比較的透明である材料は、出力ウィンドウ８４０に最も近い位置（例えば、図２１において最右端の要素８０１）に用いられ得るが、より強く吸収する材料は、他の複数のＸ線サブソースをあまり減衰させないように配列の反対側の要素に用いられ得る。
図２７は、３種類の材料（Ｃｕ、Ｍｏ、及びＷ）の広範なＸ線エネルギーに対する、この比の図を示している。いったんＸ線発生材料が所望の特性線に対して選択されると、この比は特定のエネルギー範囲（タングステンでは約５５ｋｅＶなど）を示唆するのに用いられ得て、このフィギュアオブメリットが比較的大きくなるようにシステムが動作するよう構成され得る。
３．４．時分割Ｘ線発生
他の複数の実施形態において、Ｘ線発生要素８０１、８０２、８０３、８０４、…などは、電子による継続的な衝撃を受ける必要はないが、電子ビーム１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、…などは、熱負荷を分散すべく時間とともにオンとオフとに切り替えられ得る。これは軸上で見たときに特に効果的であり得る。それは、すべてのＸ線が同じ発生源から発しているように見えるからである。
さらに、いくつかの実施形態において、電子ビームは、Ｘ線発生材料を有するターゲット全面にわたって単に走査し得る。いくつかの実施形態において、この走査は規則的なラスタースキャンであってよく、他の複数の実施形態においては、走査を「一時休止（ｄｗｅｌｌｉｎｇ）」したり、Ｘ線発生領域をより低速で走査する一方で、１つのＸ線発生領域から次のＸ線発生領域へは急速に移動したりといった、不均一な走査であってもよい。他の実施形態において、電子ビームは、すべてのＸ線発生領域に同時に衝撃を与えるように、又は複数の電子ビームを複数のＸ線発生領域にほぼ同時に衝突させるが、電子ビームを急速にオンオフさせて、「パルス状」のＸ線ソースを形成すように設計され得る。これは、いくつかの特定の用途に対していくつかの利点を有し得る。
図２９Ｂは、複数の微細構造から、今回は入射電子ビーム１１１１、１１１２、１１１３などから離れた方向への放出を示している。この実施例では、微細構造８０１、８０２、８０３、…の間隔は、これらのサイズに対してはるかに大きいので、隣接する複数のＸ線放出要素による減衰もなくＸ線が伝搬し得る軸外角度は、図２９Ａに例示された状況おける軸外角度よりもはるかに小さい。
３．６．複数の独立した電子ビーム
図３０及び図３１（ターゲットをさらに詳細に示している）に例示されているのは、上述された複数の要素の一部を組み込んだ、より一般的なＸ線システム８０−Ｃである。本システムは、複数の導線２１−Ａ、２１−Ｂ、及び２１−Ｃを介して、電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、１１１−Ｃを発生させる複数の電子放出器１１−Ａ、１１−Ｂ、及び１１−Ｃに様々な電圧を送る電子システムコントローラ１０−Ｖを備えている。これらの電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、１１１−Ｃのそれぞれは、導線２７−Ａ、２７−Ｂ、及び２７−Ｃを介して、複数の電子レンズ７０−Ａ、７０−Ｂ、及び７０−Ｃを制御するシステムコントローラ１０−Ｖからの信号によって制御され得る。
例示されたように、本システムは冷却システムをさらに備えている。冷却システムは、典型的には水である冷却流体９３を充填した容器９０を有し、冷却流体９３はポンプなどの機構１２０９によって、一部がターゲット１１００−Ｃの基板１０００を通過する複数の冷却経路１２００を通って動かされる。
図３１は、電子による衝撃下にあるターゲット１１００−Ｃの一部を、本システムの拡大図で示しており、その中に２つの付加的な電子ビーム１１１−Ｄ及び１１１−Ｅが加えられている。例示されたように、ビーム１１１−Ｄ及び１１１−Ｅの両方は、右側の３つの電子ビーム１１１−Ａ、１１１−Ｂ、及び１１１−Ｃより高電流を有し、一番左の電子ビーム１１１−Ｅは、すべてのビームの中で最も高い電流密度を有しており、複数のビームは等しい密度である必要はないことを示している。より高い電流を受ける一番左のＸ線発生要素８０４及び８０５は、これらとこれらに隣接する微細構造との間に、より低い電子電流を受ける一番右の要素８０１、８０２、及び８０３の間に設けられている間隔より大きい間隔を有するようにも例示されている。いくつかの実施形態において、８０４及び８０５は、８０１、８０２、及び８０３よりも原子番号が高い材料で構成され得る。
図３１には、熱伝導性（熱を除去するため）と導電性の両方を兼ねる導電性オーバーコート膜７７０も示されており、接地７２２への電子の戻り経路が設けられている。軸上にあるＸ線がターゲットから放射されることを可能にするための開口部８４０を有する、スクリーン８４も示されている。
上述された2つの面のターゲットは、アノードが回転して熱を分散させる回転アノードを備える一実施形態にも用いられ得ることにも留意されたい。これらの特徴を有するシステム５８０−Ｒが、図３４に例示されている。この実施形態では、多くの要素が、図６Ａに例示されたような従来の回転アノードシステムにおけるものと同じであるが、例示されたようなこの実施形態では、コントローラ１０−３が、導線２１−Ｆ及び２１−Ｇを介して、電子ビーム２５１１−Ｆ及び２５１１−Ｇをそれぞれ放出する２つの放出器１１−Ｆ及び１１−Ｇのそれぞれに高電圧を供給する。これらの電子ビームは、Ｘ線２５８８を生成するＸ線発生材料を有するコーティング２５２１及び２５２２で両面をコーティングされた、ターゲット５００−Ｒの面取りされた部分の両面に衝撃を与える。ビームをステアリングする複数の電子レンズ又はＸ線ビーム出力を画定するための開口部など、付加的な制御を伴う複数の実施形態も設計され得ることも明らかであるべきである。
４．３．埋め込構造を有する2つの面のターゲット
図３６は別の実施形態を示しており、ここで複数のターゲットは、薄いコーティングの代わりに、基板に埋め込まれたＸ線発生材料の複数の微細構造を有している。
概して、ターゲットとレンズとの間の関係は、製造時に確立されている。レンズは、真空中で使用するために設計された特定のマウント又はエポキシのどちらか一方で、そして光学製造の当業者によく知られているなどの位置合わせの手順を用いることによって、所定の位置に固定され得る。前に説明されたように、最終的な位置合わせは、Ｘ線検出器を出力開口部に配置して、最大Ｘ線強度を実現すべく、様々な電子ビームの焦点及び位置を調節することによって実現され得る。最終的な調節は、Ｘ線を用いる複数の光学要素の位置合わせに対しても成され得る。検出器は、電子ビームコントローラにフィードバックを提供するのにも用いられ得ることが、留意されるべきである。例えば、検出器はスペクトル出力の測定値を提供し、それは次に特定の特性線を発生させる電子ビームにその出力を増加させるか又は減少させるように指示するのに用いられ得る。
すべてのターゲットが、同じ入射角の電子で衝撃を与えられる必要があるとは限らないことも、留意されるべきである。複数のＸ線放出材料を有する構成では、材料によっては異なる侵入深さを有し得る。従って、異なる入射角の電子で衝撃を与えることは、その特定のターゲットのＸ線発生に、より効率的であり得る。また、以前の複数の実施形態で説明されたように、異なる電子密度、エネルギー、角度、焦点調節の状態などが、異なるターゲットに用いられ得る。
放出はすべてのターゲットから等方的に生じ、収集及び焦点に集める複数のＸ線レンズは、両方向に伝搬するＸ線に作用することが、留意されるべきである。従って、複数のターゲットのつながりの反対端に配置された検出器は、Ｘ線システムの較正及び全体の出力のモニタとして働き得る。
５．２．ウォルタレンズ及び他の多要素Ｘ線レンズ
本発明の別の実施形態が、図４２に例示されている。この実施形態において、１つのターゲットから放出されたＸ線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素２９２１及び２９３１は、現在ではウォルタレンズとして知られる光学要素である。ウォルタレンズは、Ｘ線を収集し焦点に集める、入れ子構造のミラーのよく知られたシステムであり、典型的に放物線状及び／又は双曲線状の反射面を、典型的にグレージング角で用いられるそれぞれの要素とともに有している。典型的には、反射面はガラスである。ガラス表面は、高質量密度材料又はＸ線多層（典型的に、モリブデン（Ｍｏ）及びケイ素（Ｓｉ）の層を用いて作られる）でコーティングされ得る。
図４３Ａ及び図４３Ｂは、水平及び鉛直の両方向に向けて配置された様々な湾曲レンズを有する、Ｘ線用に用いられる多要素レンズの従来技術の実施形態を示している。上述されたように、これらの光学要素に用いられる材料及びコーティングは、様々なＸ線発生源から放出されることが予想されるＸ線のスペクトルに適合するように選択され得る。
５．３．ポリキャピラリレンズ
本発明の別の実施形態が、図４４に例示されている。この実施形態において、１つのターゲットから放出されたＸ線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素２９４１及び２９５１は、現在ではポリキャピラリレンズとして知られる光学要素である。ポリキャピラリレンズは、Ｘ線が細いファイバを通って誘導され、所望位置の別の端に現れるという点において、光ファイバと類似している。しかしながら、全内部反射を用いて反射させる固体のガラス繊維を有する光ファイバと異なり、ポリキャピラリレンズは複数の中空チューブを有し、Ｘ線はグレージング角において材料からの外部反射によってチューブへと誘導される。
５．４．バリエーション
特定のオプションが、反射レンズ、ウォルタレンズ、又はポリキャピラリレンズを示す複数の例示に示されたが、これらは決して限定することを意味するものではない。図３９から図４２、及び図４４に例示された光学構成は、例えば、図４１のミラー２８２１、２８２２を置き換えるウォルタレンズ２９３１と入れ換え可能であり得る。複数の微細構造を有する複数のターゲットがこれらの例示で用いられているが、図３３及び図３５で例示されたなどの複数の薄膜を有する複数のターゲットが、焦点に集めるこれらのＸ線レンズと共に用いられ得ることも、留意されるべきである。
例えば、導電層の堆積はキャップ層の堆積前に行われると説明されたが、付録図の１９に例示されたものなど、これらの機能を組み合わせた層（すなわち、導電性キャップ層）が用いられる。同様に、複数のプロセス工程の一部が繰り返されて、付録図の１８に例示されたような複数の層のターゲット材料を堆積し得る。

Claims (60)

  1. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的なウィンドウと、
    前記真空チャンバ内の少なくとも１つの電子ビーム放出器と、
    少なくとも１つのターゲットであって、
    第１の選択材料を有する基板と、
    そのＸ線発生特性のために選択された第２の材料を有する複数の離散構造とを、
    有する前記少なくとも１つのターゲットとを、
    備え、
    前記複数の離散構造のそれぞれは、前記基板と熱的接触をしており、
    前記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、１０ミクロンより薄い厚みを有し、前記複数の離散構造のうち前記少なくとも１つのそれぞれの横寸法は、５０ミクロンより小さい、
    Ｘ線ソース。
  2. 前記複数の離散構造は、前記基板の表面に埋め込まれている、
    請求項１に記載のＸ線ソース。
  3. 前記複数の離散構造は、前記基板の表面の深さ１００ミクロン未満内に埋設されている、
    請求項１又は２に記載のＸ線ソース。
  4. 前記放出器から前記ターゲット上に放出される電子ビームを方向付ける手段をさらに備える、
    請求項１から３の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  5. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の電子レンズを有する、
    請求項４に記載のＸ線ソース。
  6. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の静電レンズを有する、
    請求項４又は５に記載のＸ線ソース。
  7. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の磁気レンズを有する、
    請求項４又は５に記載のＸ線ソース。
  8. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、焦点を合わせる、発散させる、焦点をぼかす、走査する、ラスタースキャンをする、一時休止する、見えないようにする、スイープする、ビーム方向を変更する、ビーム強度プロファイルを変更する、複数の電子ビームを形成する、ビーム電流密度を変更する、電子ビーム中の電子の加速を変更するから成る群から選択された操作によって、前記電子ビームの制御を可能とする、
    請求項４から７の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  9. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、少なくとも１つの大きさにおいて３０ミクロンより小さいスポットサイズに前記電子ビームの焦点を合わせることを可能にする、
    請求項４から８の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  10. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、前記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、前記電子ビームを方向付けることを可能にする、
    請求項４から９の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  11. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、前記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、前記電子ビームを方向付けることを可能にし、
    前記パターンは、放出された前記Ｘ線の予め定められた複数の特性をモニタする検出器からの信号に応答して、時間内に適応される、
    請求項１０に記載のＸ線ソース。
  12. 放出された前記Ｘ線の予め定められた前記複数の特性は、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及びビーム広がりから成る群から選択される、
    請求項１１に記載のＸ線ソース。
  13. 前記複数の離散構造は、直線配列に配置される、
    請求項１から１２の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  14. 前記複数の離散構造は、類似形状を有するように製造される、
    請求項１から１３の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  15. 前記類似形状は、正角柱、直四角柱、立方体、三角柱、台形柱、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、たる形から成る群から選択される、
    請求項１４に記載のＸ線ソース。
  16. 前記第１の選択材料は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される、
    請求項１から１５の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  17. 前記第２の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
    請求項１から１６の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  18. 前記複数の離散構造のサブセットは、そのＸ線発生特性のために選択された第３の材料を有する、
    請求項１から１７の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  19. 前記第３の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
    請求項１８に記載のＸ線ソース。
  20. 前記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、前記基板の縁部から５００ミクロン以内に配置される、
    請求項１から１９の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  21. 前記直線配列は、長軸及び短軸を有するように画定され、前記直線配列の前記長軸は、前記ウィンドウと位置合わせされ、前記長軸と前記ウィンドウの面法線との間の角度は、前記長軸と前記ウィンドウとが交差する部分において、８５°よりも小さい、
    請求項１３に記載のＸ線ソース。
  22. 前記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、前記ウィンドウに最も近い前記基板の縁部から５００ミクロン以内に配置される、
    請求項２１に記載のＸ線ソース。
  23. 前記ターゲットの複数の離散構造は、方向付けられた前記電子ビームにさらされたときに、前記複数の離散構造のうち予め定められた１つによって放出されたＸ線が、前記複数の離散構造の別のものを透過するように位置合わせされている、
    請求項４から２２の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  24. 前記ターゲットは、方向付けられた前記電子ビームにさらされたときに、前記複数の離散構造のうち予め定められた数の離散構造によって放出されたＸ線が、前記複数の離散構造から選択された１つの予め定められた離散構造を透過するように、位置合わせされている、
    請求項２１から２３の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  25. 冷却システムであって、
    冷却流体を保存するための容器と、
    前記冷却流体を運ぶための前記基板内の経路と、
    前記容器から前記基板内の前記経路に前記冷却流体を運ぶための付加的な経路と、
    前記基板内の前記経路から前記容器に前記冷却流体を運ぶための付加的な経路と、
    前記冷却システムを通って前記冷却流体をポンプで送り込むポンピング機構とを、
    含む前記冷却システムをさらに備える、
    請求項１から２４の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  26. 前記ターゲットを回転させる機構をさらに備える、
    請求項１から２５の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  27. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第１のウィンドウと、
    前記真空チャンバ内の１又は複数の電子放出器と、
    複数のＸ線ターゲットとを、
    備え、
    それぞれのターゲットは、そのＸ線発生特性のために選択された材料を有し、
    前記材料の少なくとも１つの大きさは２０ミクロンより小さく、
    前記１又は複数の電子放出器及び前記複数のＸ線ターゲットは、前記複数のＸ線ターゲット上の電子の衝撃が複数のＸ線サブソースを生成するように位置合わせされ、それにより前記複数のＸ線サブソースは前記第１のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされている、
    Ｘ線ソース。
  28. そのＸ線発生特性のために選択された前記材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
    請求項２７に記載のＸ線ソース。
  29. 予め定められたＸ線エネルギースペクトルに対して、前記複数のＸ線ターゲットのうち少なくとも１つのＸ線の透過率は、５０％より大きい、
    請求項２７又は２８に記載のＸ線ソース。
  30. 予め定められた前記Ｘ線エネルギースペクトルは、少なくとも１つのＸ線サブソースの発光スペクトルに対応する、
    請求項２９に記載のＸ線ソース。
  31. 前記複数のＸ線ターゲットのうち少なくとも１つは、基板をさらに有する、
    請求項２７から３０の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  32. 前記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
    請求項３1に記載のＸ線ソース。
  33. Ｘ線発生材料は、薄膜の形で前記基板上にある、
    請求項３１又は３２に記載のＸ線ソース。
  34. 前記ターゲットは、０．１Ｗｍ−１℃−１より大きい熱伝導率の材料を有する基板に埋め込まれた複数の離散構造を有し、
    前記複数の離散構造は、そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する、
    請求項２７から３０の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  35. 複数のＸ線サブソースを形成すべく、前記ターゲット上の１又は複数の位置に、前記複数の電子放出器のうち少なくとも１つからの電子ビームを方向付けるための手段をさらに備える、
    請求項３４に記載のＸ線ソース。
  36. 電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の電子レンズを備える、
    請求項３５に記載のＸ線ソース。
  37. 複数の前記ターゲットへの複数の電子ビームの衝撃によって生成された複数のＸ線サブソースすべての中央部が、前記第１のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされるように、前記複数の電子ビームのそれぞれを位置合わせする手段をさらに備える、
    請求項３４から３６の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  38. 少なくとも２つの隣接するＸ線サブソースが、共通の基板を共有する、
    請求項２７から３７の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  39. Ｘ線光学要素をさらに備え、
    前記Ｘ線光学要素は、サブソースによって放出されたＸ線が、前記Ｘ線光学要素によって、隣接するＸ線サブソースの上に方向付けられるように配置される、
    請求項２７から３８の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  40. 前記Ｘ線光学要素は、斜入射Ｘ線リフレクタを有する、
    請求項３９に記載のＸ線ソース。
  41. 前記Ｘ線光学要素は、多層コーティングを有するＸ線リフレクタを有する、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  42. 前記Ｘ線光学要素は、２０ミクロンを超える厚みがあり、かつ高質量密度の材料を含むコーティングがされたＸ線リフレクタを有する、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  43. 前記Ｘ線光学要素はウォルタレンズを有する、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  44. 前記Ｘ線光学要素はポリキャピラリレンズを有する、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  45. 前記Ｘ線光学要素は、複数の焦点が２つの隣接するサブソースの中央に対応するように配置された、楕円体のキャピラリレンズを有する、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  46. Ｘ線光学要素をさらに備え、
    前記Ｘ線光学要素は、サブソースによって放出されたＸ線が前記Ｘ線光学要素に入り、前記真空チャンバ内の予め定められた位置の上に方向付けられるように配置される、
    請求項４０に記載のＸ線ソース。
  47. 前記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第２のウィンドウをさらに備え、
    前記複数のＸ線サブソースは、前記第１のウィンドウ及び前記第２のウィンドウの両方を通過する線に沿って、位置合わせされている、
    請求項２７から４６の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  48. Ｘ線検出器をさらに備え、
    前記Ｘ線検出器は、前記複数のＸ線サブソースのうち少なくとも１つによって放出された前記Ｘ線が前記Ｘ線検出器に当たるように、位置合わせされている、
    請求項４７に記載のＸ線ソース。
  49. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの壁に取り付けられた、Ｘ線に透過的な第１のウィンドウと、
    前記真空チャンバ内の第１の電子ビーム放出器と、
    第２の電子ビーム放出器と、
    ターゲットであって、
    基板と、
    そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第１の構造と、
    そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第２の構造とを、
    有するターゲットとを、
    備える、
    Ｘ線ソース。
  50. 複数の対の電子ビーム放出器と、
    複数のターゲットであって、
    基板と、
    そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第１の構造と、
    そのＸ線発生特性のために選択された材料を有する第２の構造とを、
    有する複数のターゲットとを、
    さらに備える、
    請求項４９に記載のＸ線ソース。
  51. 前記第１の構造の前記材料と、前記第２の構造の前記材料とは、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
    請求項４９又は５０に記載のＸ線ソース。
  52. 前記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
    請求項４９から５１の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  53. 前記第１の構造及び前記第２の構造のうち少なくとも１つは、前記基板の表面上の薄膜コーティングである、
    請求項４９から５２の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  54. 前記第１の構造及び前記第２の構造は、両方とも前記基板の両面（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ）上の薄膜コーティングである、
    請求項４９から５３の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  55. 前記第１の構造及び前記第２の構造のうち少なくとも１つは、１又は複数の微細構造を有する、
    請求項４９から５４の何れか一項に記載のＸ線ソース。
  56. 前記１又は複数の微細構造は前記基板に埋め込まれている、
    請求項５５に記載のＸ線ソース。
  57. １又は複数の微細構造は、他の複数の微細構造のうち少なくとも１つに対し、前記基板の反対側の面に埋め込まれている、
    請求項５６に記載のＸ線ソース。
  58. 前記第１の電子ビーム放出器及び前記第２の電子ビーム放出器は、前記ターゲットの両面に複数の電子ビームで衝撃を与えるべく位置合わせされている、
    請求項４９に記載のＸ線ソース。
  59. Ｘ線を発生させる方法であって、
    少なくとも１つのターゲットを、複数の離散構造に当たるよう形成された電子ビームにさらす段階を備え、
    前記少なくとも１つのターゲットは、
    第１の選択材料を有する基板と、
    そのＸ線発生特性のために選択された第２の材料を有する前記複数の離散構造とを、
    有し、
    前記複数の離散構造のそれぞれは、前記基板と熱的接触をしており、
    前記複数の離散構造のうち少なくとも１つは、１０ミクロンより薄い厚みを有し、
    前記複数の離散構造のうち前記少なくとも１つのそれぞれの横寸法は、５０ミクロンより小さい、
    方法。
  60. Ｘ線を発生させる方法であって、
    単一の真空チャンバ内に含まれたＸ線発生材料を有する複数のターゲットを複数の電子ビームにさらす段階を備え、
    前記複数の電子ビームの位置は、前記複数のターゲットから放出され、また予め定められた開口部も通過する前記Ｘ線の強度を増加させるように調節されている、
    方法。
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