JP2020532089A - Ｘ線管のための制御デバイス及びｘ線管を動作させる方法 - Google Patents

Abstract

発明は、Ｘ線管（２）のための制御デバイスに関し、遮蔽物として設計されたハウジング（２９）を含み、ハウジング（２９）内にアノード電流調整ユニット（１）が配列され、アノード電流調整ユニット（１）は、カソード電源ユニット（１８）と、それぞれの場合にカソード（４）に接続されることとなる複数のカソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）と、カソード（４）の制御が判断されるプログラマブルアセンブリ（２５）と、に接続される。カソード電源ユニット（１８）、カソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）、及びプログラマブルアセンブリ（１８）も、ハウジング（２９）内に配列される。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線管を制御するデバイス及びＸ線管を動作させる方法に関する。

Ｘ線管を制御する方法は、例えばＵＳ７，７５１，５８２Ｂ２から知られている。この場合、Ｘ線システムは、一列に配列された複数の静止型Ｘ線源を有するトモシンセシスシステムとして設計される。

概して、Ｘ線管は電子エミッタを有し、電子エミッタの機能は、様々な物理的原理に依存し得る。中でも、ＤＥ１０２０１１０７６９１２Ｂ４では、ディスペンサカソードが、熱エミッタと言われる。ディスペンサカソードの使用についての情報は、例えば、ＤＥ１０２０１００４３５６１Ａ１に見出され得る。

カソードが電子の熱放出を目的とする多焦点Ｘ線管のための電子制御デバイスは、例えば、文書ＥＰ１６１７７６４Ｂ１及びＥＰ１６１８３６８Ｂ１から知られている。

電子の電界放出に特に適したエミッタは、ナノロッド、特にカーボンナノロッドを含むエミッタである。これに関連して、文書ＷＯ２０１８／０８６７３７Ａ１及びＷＯ２０１８／０８６７４４Ａ２に対して参照が行われる。

Ｘ線管についての放出電流の調整のための方法は、ＤＥ１０２００９０１７６４９Ｂ４に開示されている。ここで、電流調整は、電圧調整に重なり得る。

調査は、先行技術と比較して、Ｘ線管、特に電界放出カソードを有するＸ線管の制御をさらに開発する問題に基づき、特に高い動作信頼性が達成される。

この問題は、請求項１によるＸ線管を制御するためのデバイスによる発明に従って解決される。問題は、請求項１３による動作方法によっても解決される。以下では、方法に関連して説明される発明の実施形態及び利点が、制御デバイスにも適用され、かつその逆もある。

制御デバイスは、Ｘ線エミッタとして設計されたアノード、及びアノードに向けられた電子ビームを発生させることを目的とする複数のカソードを含むＸ線管を動作させることを目的とする。

制御デバイスは、遮蔽物として設計されたハウジングを含み、その中にアノード電流調整デバイスが配列される。アノード電流調整デバイスは、カソードにそれぞれ接続される複数のカソード電圧スイッチ及びカソードの制御が判断されるプログラマブルアセンブリとともに、カソード電源ユニットに接続される。この場合、カソード電源ユニット、カソード電圧スイッチ、及びプログラマブルアセンブリも、述べられたハウジング内に配列される。

適当な回路基板レイアウトとともに、共通ハウジング内に電子管のための電力及び制御電子装置を遮蔽して配置した結果として、電磁放射線放出が、従来の解決策と比較して明確に減少する。よって、他の電子機器に対する影響及び干渉、ならびに電子システムの異なる回路セクション間の影響及び干渉が、防止され得る。

例えば、制御デバイスのプログラマブルアセンブリは、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲート配列）及び少なくとも１つのデジタルアナログコンバータを含む。アノード電流制御ユニットは、中央電圧制御型の電流源であり、ＦＰＧＡもしくは別のプログラマブルアセンブリ、または少なくとも１つのデジタルアナログコンバータを介したそのようなアセンブリの配列によって制御される。ＦＰＧＡまたは同等の機能を有する素子が、いくつかのサブシステムを制御する。現在の例における可能なサブシステムは、カソードの電圧供給ユニット、即ち電源ユニット、アノード電源ユニット、合焦デバイス及びグリッドのための様々な供給ユニット、ならびにアノード電流制御ユニット及びカソード電圧スイッチに割り当てられる電源を含み得る。

カソードのパルスシーケンスの実行前でも、ＦＰＧＡは、パルスシーケンスがリアルタイムでトリガされるように既にプログラミングされている。パルスシーケンスのタイミングは、単にＦＰＧＡまたは類似機能の素子を通して起こる。様々な電流値の間の高速切り替えを可能にするために、例えば、２つのアナログデジタルコンバータが、等価な電流に対応する電圧値を用いてそれぞれプログラミングされる。マルチプレクサを通して、ブーストまたは実際のパルスについて所望の電圧レベル間で切り替えることが可能である。ブーストは、パルスの開始において発生するピークとしてここでは定義され、それを用いて、理論上の理想的な形態への改善された近似値を有するパルスの矩形形状が、短期間の電圧オーバシュートなしに発生したパルスと比較して達成され得る。

カソード、即ちＸ線管の電子エミッタに電力が供給されるカソード電圧スイッチは、例えばいくつかのＭＯＳＦＥＴを有する高電圧スイッチバンクとして構築される。ここで、複数のＭＯＳＦＥＴが、任意で単一のカソード電圧スイッチ内に、直列で接続される。

アノード電流制御ユニットは、カソード、即ち電子エミッタによって、カソード毎にリアルタイムで放出される電子流を制御することを可能にする。それぞれの場合において、カソードを流れる実電流及び割り当てられた公称値電流が制御に入る。さらに、抽出グリッド及び合焦デバイスを流れる電流が、制御に入り得る。

高電圧スイッチが制御され得る順序は、自由にプログラム可能であるため、使用されるエミッタのシーケンス及び数は、自由にプログラム可能であり得る。したがって、全てのエミッタが動作されなければならないわけではなく、Ｘ線管も、単一ビーム管として動作されてもよい。対応するマルチプレクサが使用されるとき、複数の、または全てのチャネルが、同時にアクティブ化されてもよく、よって電子エミッタが、並列でアクティブ化される。

典型的には、集束電極が、個々のカソードに割り当てられる。好適な実施形態では、カソードと集束電極との間に位置する抽出グリッドが、集束電極とは独立して接地される。

集束電極及びグリッドのエネルギー供給を通して、アノード上の熱焦点サイズは、エミッタ毎に個々で調節され得る。熱焦点サイズは、この状況において投影なしで考えられる。投影下で見られるべきＸ線焦点サイズは、これとは区別されるべきである。これが各エミッタについてパルス毎に調節可能であり得ることは、Ｘ線焦点サイズについても当てはまる。集束電極が一定電圧で動作され得る限り、焦点サイズは、グリッド電圧を変化させることによって、微調整の形態でも調節され得る。これは連続モード及びパルスモードの両方に当てはまる。それぞれの場合においてエミッタ毎に異なる調節が、全ての場合において可能である。

カソードを制御することにおける基本的な考察及び達成される利点は、以下のように要約される。

それぞれのカソードにそれぞれが割り当てられる高電圧スイッチのバンクを通して、個々のチャネル間で素早く切り替えることが可能である。この場合におけるバンクの各切り替えチャネルは、必要なカットオフ電圧を達成するために、複数の直列ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴを含むことが好ましい。電源の後にゲートエミッタ電圧を介したＦＰＧＡによって、または変化したアノード電流を介したアノード制御によって検出されるフラッシュオーバの場合、エミッタを保護するために、ゲートドライブ回路全体が、ＭＯＳＦＥＴとは分離され、ＭＯＳＦＥＴは、高電圧スイッチからバンクを形成する。これは、ジョイントゲートドライバの出力が通常動作において高電圧スイッチのバンクの個々のチャネルに分散される、マルチプレクサを介して実現される。高電圧スイッチのバンクをフラッシュオーバの場合の破壊から保護するために、電圧は、ＭＯＳＦＥＴカスケードを介して回路によりモニタリングされることが好ましい。

有利なさらなる開発によれば、制御デバイスのプログラマブルアセンブリは、Ｘ線管の動作中に測定される、特に電流及び電圧値を含む動作パラメータを記憶するように設計される。

制御デバイスをモニタリングすることは、アノードにおける高電圧のためにＸ線管の動作中におそらく発生し得るフラッシュオーバに関して特に重要である。フラッシュオーバは、電子エミッタとアノードとの間の短絡である。このプロセスでは、アノード電流は、電流ピークに達することがあり、電流ピークはナノ秒しか続かない。マイクロ秒の範囲にあるアノード電流制御の高速性のため、この電流パルスは、制御によって検出されない可能性が極めて高い。しかしながら、電流パルスは、測定されたアノード電流において実証され得る。

したがって、フラッシュオーバを防ぐための有利なプロセス制御において、測定されたアノード電流が、比較器においてアノード電流の調節可能な最大値と比較される。フラッシュオーバ、及びしたがって最大電流値の超過の場合に、比較器の出口において正電圧が達成され、デジタル値１を表す。値が最大値より低いとき、比較器は、ベース値、言い換えるとデジタルの０を出す。この検出機構の持続期間は、比較器の検出の持続期間にほぼ排他的に依存する。比較器によっては、これは、ピコ秒またはナノ秒の範囲内である。最大値を超えるとすぐに、比較器のデジタル値は、アノード電源ユニットとカソードの電圧供給ユニットとの間で追加の接続ケーブルを経てオプトカプラによって送信され、電子エミッタに損傷が発生しないように、カソードの電子放出は、ＭＯＳＦＥＴスイッチによって迅速に停止される。さらに、ある形態のフラッシュオーバでは、アノード電流の動向及びカソード電流の動向の変化に基づいて、将来的に発生するフラッシュオーバに関して結論が引き出され得る。このため、述べたようにアノード電流が測定され、アノード電流及びカソード電流が、制御から明らかな理由なしに低下する（アノード電流目標値が変更されていない）とき、予測されるフラッシュオーバの発生が、上述と同一の伝送機構に基づいて、カソードの電圧供給ユニットへ送信される。次いで、カソードの電子放出は、フラッシュオーバが起こる前であってもオフにされる。フラッシュオーバ回避のこの形態では、測定値が示すように、アノード電流の減少はフラッシュオーバが発生する前のマイクロ秒既に検出され得るため、電子放出の遮断時間はあまり重要ではない。

それにも関わらずフラッシュオーバが発生する場合、カソードの電源ユニットの電圧がグリッドに基づく点で有利な構成において、フラッシュオーバの影響が最小化される。したがって、グリッドとエミッタとの電圧差が、グリッド上へのフラッシュオーバの場合に変化せず、よってまた、エミッタにおいて放出される電子の数が変化しない。これは、エミッタの長い耐用年数を保証する。グリッドへのフラッシュオーバによって変化するアノードとグリッドとの間の電圧は、エミッタの寿命に脅威をもたらさない。

制御デバイスを用いて動作されるＸ線管では、例えば、ディスペンサカソードが電子エミッタとして使用される。

特に好適な実施形態では、Ｘ線管のカソードは、電界放出カソード、特に、ナノスティックとも呼ばれるナノロッドを有するカソードである。

ナノスティックは、量子力学の電界放出効果に関して可能な限り最も低い電子仕事関数を有する材料で作られることが好ましい。ここで、ナノスティックは、本来均一な、または不均一な合成物を有し、中空体、即ちチューブとして、または固体のいずれかで形成される。カソードは、同一種類のナノスティックまたは異なる種類のナノスティックの混合であってもよく、ナノスティックの種類は、その材料組成及び材料改質に関係する。

電子の電界放出のための純粋な形態、またはドープ形態の適当な材料は、例えば、単層または多層カーボンナノチューブ、単層または多層ヘテロ窒素カーボンナノチューブ、希土類ホウ化物、特に六ホウ化ランタン及び六ホウ化セリウム、金属酸化物、特にＴｉＯ₂、ＭｎＯ、ＺｎＯ、及びＡｌ₂Ｏ₃、金属硫化物、特に硫化モリブデン、窒化物、特に窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化炭素、窒化ガリウム、炭化物、特に炭化ケイ素、シリコンである。カソードの動作中に電子を放出するナノスティックを生成するための出発生成物もまた、高分子材料で作られた棒状で、任意で中空の、素子を含む。カソードのナノスティックは、任意で、特にコーティングの形態で高分子材料から部分的にのみ作られた出発生成物から作られる。

特に好適な実施形態では、その表面上で、カソードは、好適には垂直方向に、言い換えるとアノードの方向にナノスティックを有する。Ｘ線エミッタの動作時に互いから十分な距離で、非常に強力な電界がナノスティックの先端で発生されて、電子の放出を大幅に簡略化し得る。

カソードのパルス動作において、カソードの静電容量及びカソードに電気的に接続される素子、特に供給線が役割を担う。このような静電容量の望ましくない影響を最小化するために、任意で放電回路がカソード電圧スイッチに接続される。放電回路は、発生される矩形ピークの開始における、前述した電圧オーバシュートに対する補完的な解決コンポーネントを表す。

カソードのパルス動作に加えて、好適な実施形態では、Ｘ線管のアノードのパルス動作も可能である。ここで、アノード電圧供給ユニットは、パルス型ユニポーラ電圧の形態で直流を供給する。この実施形態では、制御デバイスに割り当てられるアノード電圧供給ユニットは、マルクス発生器であることが好ましい。アノードに印加される電圧パルスのレベルは、パルス毎に異なり得る。

Ｘ線管を動作させるための発明の方法は、以下の特徴によって特徴づけられる。
− アノードを流れる電流の目標値が指定される。
− アノードを実際に流れる電流が、単一電流源によって調整され、単一電流源は、複数のスイッチに接続され、複数のスイッチのそれぞれが、１つのカソードに割り当てられる。

アノード電流調整は、以下で説明される様々なやり方で行われ得る。最初に、全ての制御可能性の共通点が論じられ、最後に、それらの差異が示される。

Ｘ線管における電子の放出時に、アノード電流は、制御デバイスのうちの１つに割り当てられ、かつＸ線管に接続されるカスケード、及び制御デバイスのコンポーネントを形成する制御ユニットの両方を流れる。これは、電圧に変換され、測定抵抗または動作中の増幅回路によって制御ユニットまたはカスケードのいずれかにおいて測定される。

この電圧は、アノード電流に比例して、アノード電流調整のための可変の入力となる。ここで、アナログデジタルコンバータを通してデジタル形式で、またはアナログ値としてのいずれかで、電圧値が存在し得る。追加の入力値は、電流設定値についての情報である。ここでも、情報は、電流設定値に比例する電圧値から得られるデジタル値またはアナログ電圧値で構成されてもよく、アナログ値は、デジタルアナログ変換によって得られる。

いずれにせよ、カソードの電流設定値は、初期値として得られる。これは、カソード電流を調整するための内部制御ループが存在することを意味し、それによって、これは可能な限り速くカソード電流設定値に従う。さらに、カソード電流設定値を変更することによってアノード電流を調整する外部制御ループが存在する。カソード電流設定値の指定を通したアノード電流調整のために、アノード電流情報は、デジタルまたはアナログ手段のいずれかによって、アノードのための電力供給を達成する回路基板からカソードが電力を供給される回路基板へ送信されなければならない。アナログ送信の場合、回路基板は、可能な限り干渉を受けないケーブルで接続される。このため、アノード電流またはデジタル値に比例するアノード電圧の基準電位は、個々の回路基板上で電圧範囲が異なるために変更されなければならない。これは、アナログまたはデジタルオプトカプラを用いることによって行われる。

基本的には、制御を達成するために２つの可能性が存在する。制御は、アルゴリズムの形態でデジタルに、または演算増幅器としてアナログ方式で、のいずれかで確立され得る。容易に適合可能であるという点においてデジタル制御に対して利点があるが、制御は、アナログの変形と同様に高速ではない。一方、アノード電流は、長期間にわたって一定であり、かつ一定伝送率だけカソード電流と異なるということが、測定によって見つけられた。したがって、能動的制御なしでも、アノード電流は、初期較正実行において伝送率を判断すること、及びアノード電流のルックアップテーブルに伝送率を記憶することによって、アノード電流に適合され得る。最初に伝送率が判断され、かつアノード電流がこれを用いて設定されるように、これらの２つの制御方法が結合されてもよく、その際、伝送速度がアナログまたはデジタル制御を用いて変わる場合であってもアノード電流が一定に保たれる。

Ｘ線管の動作中に、そのそれぞれがカソードに割り当てられる既に述べた合焦機構の結果として、焦点がアノード上に生成されてもよく、１つのカソードは別のカソードとは異なる。焦点サイズの変動は、一定のアノード電圧、及びパルス毎に異なる電圧を有するパルスアノード電圧の場合の両方において、可能性がある。電子放出材料の前に位置する抽出グリッドを用いて、即ち電子ビームを合焦する手段として抽出グリッドを使用して、焦点の幾何形状に影響を及ぼす可能性も存在する。

有利なプロセス変形によれば、必要であれば変化の傾向が判断できるように、アノードを流れる電流の変化が検出される。この種の傾向を自動的に判断及び評価することによって、ある状況下において、アノードと電子エミッタとの間のフラッシュオーバのリスクの増加が、推察され得る。そのような場合、Ｘ線管への損傷を防止し、中断時間を最小化するために、カソードの電源は自動的に切断される。

アノードが、パルス式で動作される場合、アノードの静電容量及び接続されたコンポーネントもまた重要である。規定として、矩形パルス形状が、アノードのパルス動作中に所望される。可能な限り上手く矩形形状を達成するために、電圧オーバシュートが、不要な静電容量の影響を補償するためパルスの開始において発生し得る。アノードのパルス動作の特定の利点は、連続パルスが異なる電圧レベルにあってもよいということである。異なる電圧レベルの結果として、異なる波長のＸ線放射線を有するＸ線パルスが発生される。これらの場合における波長は、検査される物体において見つけられる異なる材料のＸ線特性に適合され得る。これによって、物体内の様々な材料が、非常に上手く区別されるように検査されることが可能となる。これは、静止した、特に回転しないＸ線源の配列で行われることが好ましい。

以下では、発明の複数の例示的実施形態が、図面に基づいてさらに詳細に説明される。

Ｘ線装置の概要である。 図１による、Ｘ線装置に適した合焦デバイスである。 図１による、Ｘ線装置に適した合焦デバイスである。 図１による、Ｘ線装置に組み込まれる合焦デバイスである。 図１による、Ｘ線装置に組み込まれる合焦デバイスである。 図１による、Ｘ線管に適した合焦デバイスの追加の可能な実施形態である。 図１による、Ｘ線管に適した合焦デバイスの追加の可能な実施形態である。 図１による、Ｘ線装置のための制御デバイスの概略的表現である。 図１による、Ｘ線装置のアノード電源ユニットの理論上の設計である。 図１による、Ｘ線装置のカソードに電力を供給するために電流源を制御する信号チェーンである。 ブロック図における、図１０において電源を介して電力が供給される高電圧スイッチバンクの構造である。 図１による、Ｘ線装置のアノードのパルス動作のためのスイッチである。 追加のＸ線装置のアノードの電源回路である。 Ｘ線装置のアノードを制御するための代替的実施形態である。 可変電圧レベルを有するＸ線装置のアノードのパルス動作のための回路の理論上の設計である。 図１５による、回路のコンポーネントの特性の図である。 図１による、Ｘ線装置のカソード制御デバイスの構造のブロック図である。 図１による、Ｘ線装置のカソード制御デバイスで発生される電流パルスの図である。

別段の記述がない限り、以下の説明は、全ての例示的実施形態に関係する。対応する部品またはパラメータは、全ての図面において同一の参照符号でラベル付けされている。

Ｘ線装置１は、Ｘ線管２及び制御デバイス３を含む。Ｘ線管２のコンポーネントは、電子源としてのカソード４及びアノード５であり、アノード５は、カソード４によって発生された電子ビームＥＢにより衝突されて、Ｘ線ＸＲを発生させる。電子源４とアノード５との間に、電子ビームＥＢのための合焦デバイス６が位置する。

図１による例示的実施形態において、電子源４は、電界放出カソードとして設計される。ここで、セラミック基板７上に、金属被覆８及びカーボンナノチューブを含むエミッタ層９が位置する。抽出グリッド１０は、エミッタ層９からわずかな距離にある。

合焦デバイス６は、順次接続された多様な集束電極１１、１２を含む。集束電極１１、１２の設計の変形が、図２〜７において概略的に示される。それぞれの場合において、カソード５の焦点において発生されたＸ線ＸＲが、Ｘ線管２からＸ線ウィンドウ１３を通過する。Ｘ線装置のための対応する検出器は、図示されていない。

Ｘ線管２を動作させるために使用される制御デバイス３は、アノード電源ユニット１４を含み、アノード電源ユニット１４は、アノード５に高電圧を供給する。アノード５を実際に流れる電流は、Ｉ_A-actualと示される。これに対して、Ｉ_A-Sは、アノード設定値を示す。

アノード設定値の値Ｉ_A-Sは、アノード電流制御ユニット１９に入力される。アノード電流制御ユニット１９は、電源として、電流制御ループの中央ユニットを構成し、それは、以下でさらに説明されるように様々な種類のものであってもよい。

アノード電流制御の詳細な設計とは独立して、制御デバイス３は、集束電極１２の電圧供給ユニット１５、及び集束電極１１の電圧供給ユニット１６を含む。さらに、抽出グリッド１０の電圧供給ユニット１７が存在する。電圧供給ユニット１７は、絶縁変圧器を含む。これを用いて、図８においてＢＰと示される基準電位と、これも図８に示される接地との間にガルバニック分離が存在する。この分離は、アノード５からのフラッシュオーバの場合にＸ線管２への損傷を回避するために決定的に重要なものである。荷電粒子がアノード５によって放出される場合、これらは、集束電極１１、１２の電位が簡単に上がるように、集束電極１１、１２によって偏向される。一方の集束電極１１、１２と他方の抽出グリッド１０との間にガルバニック接続が存在する場合、抽出グリッド１０の電位も、結果として上昇する。これは、同様に電子源４の放出の増加をもたらし、それが、アノード５からの粒子放出のアバランシェ状の増加をもたらす。カソード４の破壊に及ぶ負の結果を有し得るこの種の影響は、集束電極１１、１２から、抽出グリッド１０がある基準電位ＢＰを分離することによって回避される。集束電極１１、１２の電位は、Ｕ_F1、Ｕ_F2で示され、−１０ｋＶと＋１０ｋＶとの間の範囲内にある。Ｕ_gは、抽出グリッド１０の電位を示し、これは、−５ｋＶと＋５ｋＶとの間の範囲内にある。

アノード電流制御ユニット１９は、カソード４の電圧供給ユニット１８及びカソードスイッチ配列２０に接続される。さらに、アノード電流制御ユニット１９は、プログラマブルアセンブリ２５に接続され、プログラマブルアセンブリ２５は、マイクロコントローラ２６及びＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲート配列）２７を含む。前述したコンポーネント１８、１９、２０、２５は、カソード制御デバイス２８内にアセンブルされ、カソード制御デバイス２８は、遮蔽物として設計されたハウジング２９内に位置する。図８において破線で示される外部ハウジング３０も、制御デバイス３の他のコンポーネントを取り囲む。

これらの追加コンポーネントは、中でもアノード電源ユニット１４を含む。図９から明らかなように、アノード電源ユニット１４は、アノードコントローラ３１、降圧コンバータ３２、ロイヤー発振器３３、変圧器３４、及びカスケード回路３５を含む。カスケード回路３５は、アノード５に印加されるアウトレット電圧Ｕ_Aを供給する。アノード電流制御ユニット１９によって発せられる信号は、カソードスイッチ配列２０に伝導され、概してＳｉｇで示される。

エミッタ電流源、即ちアノード電流制御ユニット１９の制御が、図１０において可視化される。ここで、３６はユーザインタフェース、３７はデジタル信号プロセッサ、３８はＦＰＧＡ、３９はオプトカプラ、４０は別のＦＰＧＡ、４１はデジタルアナログコンバータ、４２はスイッチング素子を示し、スイッチング素子は、２つのデジタルアナログコンバータ４１を別の電流制御ユニット１９に接続する。

アノード電流制御ユニット１９によって発せられる信号Ｓｉｇは、カソードスイッチ配列２０に伝導され、図１１に概略的に示される。カソードスイッチ配列２０は、個々のカソード電圧スイッチ２１、２２、２３、２４を含み、その数が、制御されるべきカソード４の数に対応する。エミッタ電流は、Ｉ_Eで示される。個々のエミッタ、即ちカソード４に印加される電圧は、電圧モニタ４６によってモニタリングされる。電圧モニタ４６は、ゲートドライバ４７に接続され、ゲートドライバ４７は、マルチプレクサ４３を介してカソード電圧スイッチ２１、２２、２３、２４と相互作用する。マルチプレクサ４３の追加的な接続は、４４、４５で示される。ゲートドライバ４７は、オプトカプラ４９を経て、低電圧レベルにあるロジックモジュール４８と接続される。

図１１による回路によって、電流パルスが発生し、電流パルスについてのさらなる情報が図１８に示されている。電流パルスは、時間ｔ₀から時間ｔ₁に及ぶ矩形パルスである。エミッタ電流Ｉ_Eを有する所望の矩形形状に可能な限り近づくために、パルスの開始において、信号ＳｉｇがピークＰＥを描き、それと寄生容量が釣り合う。このようにして、一定の電流レベルＫＳが、パルス全体にわたって実際に達成される。

図１８から明らかなように、ＰＥピークは、パルス全体と比較して非常に狭い。具体的には、ＰＥピークの急速な減少が起こる。ＰＥピークは、いわゆる電流ブーストによって達成される。さらに、クレームされていない解決策との比較のために、比較信号ＶＳｉも図１８に描かれている。電流ブーストなしで発生する比較信号ＶＳｉは、ＰＥピークとは対照的にＰＥピークの最大値と一致する最大値に向かってゆっくり低下を示し、比較電流ＶＩとして図１８に示される電流パルスが、実質的によりゆっくり上昇し、よりゆっくりと降下もすることを意味し、それによって電流パルスの全体的な矩形形状が達成されない。互いに引き続き続いている電流パルスの場合、これは、パルスがオーバラップし得る不要な影響も有する。

制御デバイス３は、パルスモードでカソード４だけでなくアノード５も動作させる可能性を提供する。図１２から明らかなように、アノード電源ユニット１４は、特にインバータ５０及びジャイレータ回路５２を含む。

図１２によるアノード電源ユニット１４は、図１による配列の一部であり、Ｘ線装置１が単一エネルギーモードで動作されるように一定レベルで電圧パルスを供給する。Ｘ線管２は、複数のＸ線源を含む。この例示的実施形態において電子ビームＥＢを発生させるために提供されるカソードは、エミッタとしてカーボンナノチューブを有する。代替で、図１２による装置は、単一のエミッタでＸ線管を動作させるために使用され得る。

制御デバイス３のプレパルス補償ＰＰＣは、電圧パルスの開始における短期的な電圧減少、いわゆる急降下を回避するために提供され、図１２に示されるように、トリガ信号５１を処理する。プレパルス補償ＰＰＣは、トリガ信号５１によって、発生するパルスの開始における電圧が、特に静電容量に起因する寄生効果を補償するために、所望の電圧レベルに対して多少上がることを意味する。ここで、トリガ信号５１は、発生する電圧パルスの開始に、数マイクロ秒だけ既に先行している。結果として、アノード電圧Ｕ_Aの電圧パルスが生成され、これは高い確率で矩形パルスを表す。アノード電圧Ｕ_Aは、±１０ｋＶから±１３０ｋＶの範囲内にある。

図１〜１２とは対照的に、図１３及び図１４は、ディスペンサカソードを用いて動作されるＸ線デバイス１に関する。図１３によるアノードエネルギ供給ユニット１４を具備するＸ線デバイス１は、電圧がグリッド接続ＧＡ１、ＧＡ２を介して印加されるＸ線管２内に２つのグリッドを有する。

さらに、加熱素子が存在し、加熱素子は、加熱接続ＨＡを介して接続される。

図１３によるアノード電源ユニット１４は、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御される。アノード電源ユニット１４内で、５３は位相シフトＰＷＭコントローラ、５４はオイルタンク、５５はコントローラ、５６は交流直流コンバータ、５７及び５８はそれぞれゲートドライバ、５９はオプトカプラを示す。

図１４による実施形態は、グリッド接続ＧＡ１、ＧＡ２の欠如によって図１３による例示的実施形態とは異なる。高電圧スイッチは、図１４において６０と示される。

一定レベルでアノード電圧Ｕ_Aを生成するように意図される図１３及び図１４による配列とは対照的に、図１によるデバイスを使用して生成されるパルスは、アノード電圧Ｕ_Aを描き、パルス毎に均一レベルまたは異なる電圧レベルのいずれかにある。

最後に指名された場合において、パルスアノード電圧Ｕ_Aが急激にレベルを変化させて発生される、図１５における使用のために示される回路は、Ｘ線デバイス１における使用に適している。ここで、６１は線間電圧接続、６２はインバータ、６３は変圧器、６４は直流交流コンバータ、及び６５はマルクス発生器を示す。測定デバイス６７は、電流及び電圧を測定するために提供される。プレパルス補償ＰＰＣが実現されるコンポーネントは、回路６６の一部である。それぞれ個々に発生された電圧パルスの間、図１に概略的に示されるように、電流制御の効果が残っている。

電流制御は、様々な制御ループＣＲ１、ＣＲ２、ＣＲ３、ＣＲ４の形態で設計され得る。全ての場合において、あるアノード電流設定値Ｉ_A-Sは、事前設定されている。この電流設定値Ｉ_A-Sは、測定された値と比較される。最も単純な場合、これは、単に実際のアノード電流Ｉ_A-actualの問題である。対応する制御ループは、ＣＲ２で示される。Ｉ_Gで示されるグリッド電流、即ち抽出グリッド１０を流れる電流も制御に含まれる場合、制御ループＣＲ４が存在する。集束電極１１、１２は、また、制御ループＣＲ３及びＣＲ１における役割を担う。制御ループＣＲ３の場合、集束電極１１、１２は、受動的に、即ちＸ線管２のハウジングと同一電位で動作される。一方、制御ループＣＲ１の場合、能動的な合焦が用いられる。この場合、集束電極１１、１２は、およそ−１０ＫＶから＋１０ＫＶの一定電圧またはパルス電圧で動作され得る。集束電極１１、１２を流れる電流は、Ｉ_F1及びＩ_F2でそれぞれ示される。制御ループＣＲ１は、電流調整全体の最も複雑な形態である。

図１６による図とともに、図１５に対して参照が行われる。ここで、プレパルス補償ＰＰＣの詳細が示される。図において、ＣｏＶは、補償器電圧を示し、補償器電圧は、回路６６、補償回路によって発生される。補償プロセスは、多様なトリガ信号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３による影響を受ける。ここで、トリガ信号Ｔ３は、パルスの開始に影響を及ぼし、それは、補償器電圧ＣｏＶ及び絶対振幅に従って増加する形状で描かれ、言い換えると個々の鋸歯形状を有する。このパルスの持続期間は、パルス位相持続期間ＰｕＰｈとして図１６に示される。適切な時間に所望の量でパルスを供給するために、その推移が図１６において３つのトリガ信号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のすぐ下に示される回路６６内の内部電圧は、補償器電圧ＣｏＶの鋸歯パルスの開始直前に傾斜下降する。この傾斜の開始は、図１６において傾斜開始ＲＳとして示される。傾斜開始ＲＳは、時系列で、鋸歯パルスの開始に対して傾斜シフトＲＶだけ補償器電圧ＣｏＶよりも前に早まる。内部電圧の傾斜の終了は、ＲＥで示される。次いで、電圧降下位相ＳＲ内に、内部電圧が初期値、すなわち０ボルトに戻るまで、一定電圧レベルが維持される。

トリガ信号Ｔ２及びＴ１は、アイドリング状態ＩＰの終了及び開始を示している。図１６において時系列で最初に示されるアイドリング位相ＩＰの終了後、プレロード位相ＰｒＰｈが開始する。このプレロード位相ＰｒＰｈの間、補償器電圧ＣｏＶが偏向を示すことなく、回路６６内の内部電流が急降下する。初期電流は０アンペアであるため、電流の絶対振幅の増加がここで存在する。電流は、インダクタ電流ＩＣと示される。インダクタ電流ＩＣの絶対最小値、即ち絶対振幅の最大値は、補償器電圧ＣｏＶの鋸歯パルス内に存在する。次いで、電流は、インダクタエネルギー回復位相ＩＥＲ内に再び上昇する。電圧降下位相ＳＲの開始において、インダクタ電流ＩＣは、再び０アンペアの値をとっている。

Ｘ線管２の中に位置し、中央アノード電流制御ユニット１９によって制御される複数の個々のカソード４は、図１７において概略的に示されている。この場合のカソード４の数は、いかなる理論的な模倣も受けない。必要であれば、カソード４は、カソード回路アレイ２０に接続される放電回路６８を通して急速に放電され得る。放電回路６８は、抵抗のチェーンを含み、その第１の端は接地され、抵抗のチェーンの第２の端は、放電プロセス中に放電されることとなるカソード４にスイッチを介して接続される。

１． Ｘ線装置
２． Ｘ線管
３． 制御デバイス
４． 電子源、カソード
５． アノード
６． 合焦デバイス
７． セラミック基板
８． 金属被覆
９． エミッタ層
１０． 抽出グリッド
１１． 集束電極
１２． 集束電極
１３． Ｘ線ウィンドウ
１４． アノード電源ユニット
１５． 集束電極１２の電圧供給ユニット
１６． 集束電極１１の電圧供給ユニット
１７． 抽出グリッドの電圧供給ユニット
１８． カソードの電圧供給ユニット
１９． アノード電流制御ユニット
２０． カソード電圧スイッチ
２１． カソード電圧スイッチ
２２． カソード電圧スイッチ
２３． カソード電圧スイッチ
２４． カソード電圧スイッチ
２５． プログラマブルモジュール
２６． マイクロコントローラ
２７． ＦＰＧＡ
２８． カソード制御デバイス
２９． ハウジング
３０． 外部ハウジング
３１． アノードコントローラ
３２． 降圧コンバータ
３３． ロイヤー発振器
３４． 変圧器
３５． カスケード回路
３６． ユーザインタフェース
３７． デジタル信号プロセッサ
３８． ＦＰＧＡ
３９． オプトカプラ
４０． ＦＰＧＡ
４１． デジタルアナログコンバータ
４２． スイッチング素子
４３． マルチプレクサ
４４． 接続
４５． 接続
４６． 電圧モニタリング
４７． ゲートドライバ
４８． ロジック構築ブロック
４９． オプトカプラ
５０． インバータ
５１． トリガ信号
５２． ジャイレータ回路
５３． 位相シフトＰＷＭコントローラ
５４． オイルタンク
５５． コントローラ
５６． 交流直流コンバータ
５７． ゲートドライバ
５８． ゲートドライバ
５９． オプトカプラ
６０． 高電圧スイッチ
６１． 線間電圧接続
６２． インバータ
６３． 変圧器
６４． 交流直流コンバータ
６５． マルクス発生器
６６． 回路
６７． 測定デバイス
６８． 放電回路
ＢＰ 基準電位
ＣｏＶ 補償器電圧
ＣＲ１．．．ＣＲ４ 制御ループ
ＥＢ 電子ビーム
ＥＰ 放電位相
ＧＡ１、ＧＡ２ グリッド接続
ＨＡ 加熱接続
Ｉ_A-actual アノード実電流
Ｉ_A-S アノード電流設定値
ＩＣ インダクタ電流
Ｉ_E エミッタ電流
ＩＥＲ インダクタエネルギー回復位相
Ｉ_F1 集束電極１１を通る電流
Ｉ_F2 集束電極１２を通る電流
Ｉ_G グリッド電流
ＩＰ アイドリング位相
ＫＳ 一定電流レベル
ＰＥ ピーク
ＰＰＣ プレパルス補償
ＰｒＰｈ プレロード位相
ＰｕＰｈ パルス位相持続期間
ＲＳ 傾斜開始
ＲＥ 傾斜終了
ＲＶ 傾斜シフト
Ｓｉｇ 出力信号
ＳＲ 電圧降下位相
ｔ、ｔ₀、ｔ₁ 時間
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ トリガ信号
Ｕ_A アノード電圧
Ｕ_F1、Ｕ_F2 集束電極１１、１２の電圧
Ｕ_G グリッド電圧
ＶＩ 比較電流
ＶＳｉ 比較信号
ＸＲ Ｘ線放射線

Claims (19)

1. Ｘ線エミッタとして設計されたアノード（５）、及び前記アノード（５）に向けられた電子ビームを発生させるために提供される複数のカソード（４）を備えるＸ線管（２）のための制御デバイスであって、遮蔽物として設計されたハウジング（２９）を有し、カソード電源ユニット（１８）と、それぞれの場合にカソード（４）に接続されることとなる複数のカソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）と、前記カソード（４）の制御が判断されるプログラマブルアセンブリ（２５）と、に接続された、アノード電流調整ユニット（１）が前記ハウジング（２９）内に配列され、前記カソード電源ユニット（１８）、前記カソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）、及び前記プログラマブルアセンブリ（２５）も前記ハウジング（２９）内に配列される、前記制御デバイス。
2. 前記プログラマブルアセンブリ（２５）が、ＦＰＧＡ（２７）及びマイクロコントローラ（２６）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御デバイス。
3. 前記カソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）全体が、複数のＭＯＳＦＥＴを有する高電圧スイッチバンクとして設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御デバイス。
4. 個々の前記カソード（４）に割り当てられる集束電極（１１、１２）によって特徴づけられ、前記カソード（４）と前記集束電極（１１、１２）との間に提供される抽出グリッド（１０）が、前記集束電極（１１、１２）から独立して接地される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御デバイス。
5. 前記プログラマブルアセンブリ（２５）が、前記Ｘ線管（２）の動作中に測定される動作パラメータを記憶するように設計されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御デバイス。
6. 前記カソード（４）が、電界放出カソードとして設計されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御デバイス。
7. 前記カソード（４）が、ナノスティック、特にカーボンナノチューブ、及び／または六ホウ化ランタン及び／または六ホウ化セリウムで作られたナノチューブを、電子エミッタとして含むことを特徴とする、請求項６に記載の制御デバイス。
8. 前記カソード（４）が、ディスペンサカソードとして設計されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御デバイス。
9. 前記デバイスが、前記カソード（４）の給電線を含む前記カソード（４）によって形成される静電容量を放電するように設計される放電回路（６８）を含み、前記放電回路（６８）が、前記カソード電圧スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）に接続されることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載の制御デバイス。
10. アノード電圧供給ユニット（１４）により特徴づけられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御デバイス。
11. 前記アノード電圧供給ユニット（１４）が、前記アノード（５）のパルス動作のために設計されることを特徴とする、請求項１０に記載の制御デバイス。
12. 前記アノード電圧供給ユニット（１４）が、マルクス発生器（６５）を含むことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の制御デバイス。
13. Ｘ線放出アノード（５）と、それぞれが前記アノード（５）上に電子ビームを向ける複数のカソード（４）と、を含むＸ線管（２）を動作させる方法であって、
    − 前記アノード（５）を流れる電流の設定値（Ｉ_A-S）が指定され、
    − 前記アノードを流れる実電流（Ｉ_A-actual）が、個々の電流源（１９）によって調整され、前記個々の電流源（１９）が、複数のスイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）に接続され、前記複数のスイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）のそれぞれが、カソード（４）に割り当てられる、前記方法。
14. 前記カソード（４）がパルス電流で動作され、前記パルスの開始において前記パルスのレベルを超えるピーク（ＰＥ）が発生することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記アノード（５）上の、個々のカソード（４）によって発生される焦点が、前記カソード（４）に割り当てられた合焦デバイス（１１、１２）によってカソード固有に設定される、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記カソード（４）に割り当てられた抽出グリッド（１０）が、それぞれの前記カソード（４）によって放出される前記電子ビームを合焦するために使用されることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記アノード（５）を流れる前記電流（Ｉ_A-actual）の変化を検出することによって、前記アノード（５）と前記カソード（４）との間で生じるフラッシュオーバのリスク上昇が検出され、前記カソード（４）に割り当てられた前記スイッチ（２０、２１、２２、２３、２４）が予防的に閉じられることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記アノード（５）が、パルス式で動作され、前記パルスの開始においてプレパルス補償ＰＰＣが、静電容量に対する補償のために発生することを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記アノード（５）が、連続するパルスの間、異なる電圧レベル（Ｕ_A）で動作されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。

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