JP3238566U - 回転液体－金属ターゲットを備えたｘ線源 - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力及び輝度を有し、かつ、電子ビームとターゲットとの相互作用ゾーンからの汚染粒子流出を深く抑制するＸ線源を提供する。【解決手段】Ｘ線ビーム３は電子ビーム５とターゲットとの相互作用ゾーン４で発生し、前記ゾーンは、回転アノードアセンブリ８の環状溝７内の溶融した可融金属の環状層である。溝は、半径方向および回転軸１０に沿った両方向への溶融金属のスロッピングを防止する表面プロファイルを有する。液体－金属ターゲット６はその上に作用する遠心力により、円筒面を形成する。ターゲットの線速度は８０ｍ／ｓよりも大きいことが好ましく、真空チャンバ１内ではカーボンナノチューブからなる変更可能な膜がＸ線ビーム経路内に設置され、電子ビーム入射及びＸ線ビーム出射のための開口を有する保護スクリーンが相互作用ゾーンの周囲に配置される。【選択図】図１

Description

本考案は、液体－金属ターゲットを有する強力な高輝度Ｘ線源、及び電子減速に基づいてＸ線放射を発生させる方法に関する。

高強度Ｘ線源は、顕微鏡、材料科学、生物医学的および医学的診断、材料試験、結晶およびナノ構造分析、原子物理学などの分野で使用される。それらは、現代のハイテク製造の分析基盤の基礎を提供し、新しい材料や製品を開発するための必須のツールである。

Ｘ線診断の方法を実行するためには、信頼性と長寿命を特徴とするコンパクトで強力な高輝度Ｘ線源が必要である。

１９９６年１０月２０日公開の特許ＲＵ２０６８２１０から公知の１つのアプローチに則して、Ｘ線源は回転アノードに集束した加速電子ビームを減速することに基づいている。電子ビーム方向は、焦点が合っているアノードに作用する遠心力の方向に近い。同時に、焦点の温度は、アノード材料の融点よりも高いレベルに維持される。前記装置及び前記方法は、Ｘ線源の出力及び輝度を増加させることを目的としている。

しかしながら、回転アノード自体の材料は、電子ビーム焦点から外れたときに凝固する液体－金属ターゲットとして使用される。重力および表面張力を含む融液に作用する種々の力の結果として、焦点経路領域における回転アノード表面の形状は非常に速い速度で変化し、これはＸ線源寿命を劇的に制限する。

この欠点は、２００１年２月６日に公開された米国特許第６１８５２７７号明細書から知られている、液体－金属が循環する閉ループ内の薄いウインドを通る液体－金属ターゲットの電子衝撃（又は、電子の衝突／電子の爆撃／electron bombardment）を含むＸ線放射を生成する方法において克服されている。このＸ線放射を発生させる方法および装置は、閉ループの薄いウインドの領域内のターゲットの流れが乱流である場合、真空チャンバ汚染が防止されることを確実にする。また、液体－金属を使用する可能性は、低い飽和蒸気圧を有するものみを使用することに限定されることなく実施され、これにより、Ｘ線放射収率を改善するためにターゲット材料を最適化することが可能になる、David B, et al. (2004) Liquid-metal anode x-ray tube SPIE 5196, 432-443, in: Laser-Generated and Other Laboratory X-Ray and EUV Sources, Optics, and Applications; (G Kyrala, et al; Eds.)

しかしながら、ＭＨＤポンプを備えた循環システムはヘッドが５０気圧を超え、目標速度が４０ｍ／ｓでなければならず、同様に、薄い（厚さが数ミクロンである）、好ましくはダイヤモンドの、閉ループのウインドがデバイスの複雑さを増大させる。さらに、電子衝撃が貫通して行われるウインドは機械的、熱的および放射線的負荷に曝され、これは、ターゲットへの高密度の電子ビーム電流の印加と、Ｘ線源の高輝度の達成を制限する。

この欠点は、２００２年２月７日に公開された米国特許出願第２００２００１５４７３号から知られている、ジェットの形態の液体－金属アノードターゲットを使用するＸ線放射を生成するための方法および装置において大幅に克服される。

このタイプのＸ線源はコンパクトなサイズとＸ線放射の高い安定性が特徴である。液体－金属と熱交換装置の冷却面との間の大きな接触面積のために、目標温度のより速い低減が達成される。このようにしてターゲット上の高密度の電子ビームエネルギー束を得ることができ、Ｘ線源の非常に高いスペクトル輝度を確保することができる。従って、液体－金属ジェットターゲットを有するＸ線源は、例えば２０１０年４月１３日に公開された米国特許第７６９７６６５号公報から知られている、熱伝達や流体動圧ベアリングに対して（又は、熱伝達のために及び流体動圧ベアリングとして）液体－金属を使用した固体回転アノードを有するＸ線源よりも約１桁高い輝度を有する。

しかしながら、液体－金属をポンピングするためのガス圧部分と高圧ポンプシステムから成るジェット液体－金属ターゲットの循環システムは、かなり複雑である。さらに、前記放射線源では、Ｘ線ウインド汚染の問題が典型的なものである。汚染の主な原因は液体－金属ジェットのトラップ及びノズルであり、その領域から、ターゲット材料微小液滴からなるミストが広がる。これは、通常、電子ビームパワーが高ければ高いほど、放射線源のパワーの減少がより速くなるという結果をもたらす。

この欠点は、２０１４年３月２５日に公開の米国特許第８６８１９４３号明細書から公知の高輝度Ｘ線源において部分的に克服され、ここでは、ジェット液体－金属ターゲットの電子衝撃の結果として発生したＸ線ビームは、Ｘ線ウインドを介して真空チャンバから出る。ターゲット材料としては、インジウム、スズ、ガリウム、鉛、ビスマス等の低融点金属又はこれらの合金を用いることが好ましい。好ましくはベリリウム箔からなるＸ線ウインドには、保護フィルム要素と、その蒸発洗浄システムとが設けられている。この解決策により、Ｘ線ウインドを交換するために必要とされるＸ線源の保守の間隔を広げることができる。

しかしながら、蒸発洗浄に必要な温度は高く、例えば、Ｇａ及びＩｎの蒸発のためには約１，０００℃以上であり、これは装置をはるかに複雑にする。

本考案の解決しようとする技術的問題は前記欠点がなく、高い出力及び輝度を有し、かつ、電子ビームとターゲットとの相互作用ゾーンからの汚染粒子流出を深く抑制するＸ線源の作成に関するものである。

これらの目的は、電子ビームと液体－金属ターゲットとの相互作用ゾーンで生成されたＸ線ビームを出力するためのＸ線ウインドを備えた真空チャンバを備えるＸ線源を用いて果たすことができる。

Ｘ線源は、液体－金属ターゲットが回転アノードアセンブリ（又は、回転陽極組立体）内に実装された環状溝内に位置する溶融した可融金属の環状層であり、環状溝は半径方向および回転アノードアセンブリの回転軸（１０）に沿った両方向における液体－金属ターゲットの材料の噴出を阻止する表面プロファイルを有することを特徴とする。

好ましくは、溶融した可融金属の環状層が環状溝の表面に遠心力によって形成され、前記表面は回転軸に面する（又は、対向する）。

好ましくは遠心力の作用により、液体－金属ターゲットは回転軸と一致する対称軸を有する円筒面（又は、円形円筒面）を有するか、又は前記円筒面とわずかに異なる表面を有する。

好ましくは、ターゲット材料がＳｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、及び／又はそれらの合金からなる群に属する可融金属から選択される。

好ましくは、液体－金属ターゲットの温度が溝材料の融点よりも低い。

好ましくは、ターゲットの線速度（linear velocity）は８０ｍ／ｓを超える。

本考案の実施形態は、Ｘ線ビームの経路内の真空チャンバ内に設置されたカーボンナノチューブＣＮＴで作られた膜をさらに含む。

好ましくは、ＣＮＴ膜が相互作用ゾーンの見通し線の外側の側（又は、面／side）にコーティングされる。

本考案の実施形態は真空チャンバの減圧を必要としないＣＮＴ膜を交換するためのユニットをさらに備える。

本考案の実施形態では、前記相互作用ゾーンを取り囲むように堅固に（又は、移動不能に）取り付けられたデブリシールドをさらに備え、前記シールド（又は、遮蔽体）は、前記電子ビームの入射用の第１の開口と、前記Ｘ線ビームの出射用の第２の開口とを備える。

本考案の実施形態では、スリットギャップ（又は、スリット状の隙間／スリットの隙間）が、デブリシールド（２７）を回転アノードアセンブリから分離する。

本考案の実施形態では、デブリシールドが相互作用ゾーンの近くでターゲットの角度セクタの反対側に配置される。

好ましくは、デブリシールド（２７）は円形である。

本考案の実施形態では、回転アノードアセンブリが液体冷却システムを備えている。

別の実施形態では、ターゲット上の電子ビームの相互作用ゾーン又は焦点スポットのサイズが５０μｍ未満である。

好ましくは、回転軸は任意の方向を有することができる。

前記回転アノードアセンブリの表面上の液体－金属ターゲットの電子衝撃と、
電子ビームの前記液体－金属ターゲットとの相互作用ゾーンで生成されるＸ線ビームの、真空チャンバのＸ線ウインドを通した出力と、
を含む、Ｘ線放射の発生方法であって、前記方法は、
前記回転アノードアセンブリ内に実装された環状溝の表面上の溶融した可融金属の環状層としての遠心力によるターゲットを形成することと、
前記環状溝の表面の選択された形状（又は、プロファイル）による前記半径方向及び前記回転軸に沿った両方向に噴出されないように溶融した可融金属を提供することを含む、方法。

好ましくは、液体－金属ターゲットが８０ｍ／ｓを超える線速度で回転される。

本考案の実施形態では、前記Ｘ線ウインドは前記Ｘ線ウインドの前に設置されたＣＮＴ膜によって、前記相互作用ゾーンにおいてＸ線放射と共に生成されるデブリ（又は、塵埃）から保護され、前記ＣＮＴ膜は必要に応じて交換される。

本考案の実施形態では、前記相互作用ゾーンの外側へのデブリ粒子の流出が前記相互作用ゾーンを取り囲むように堅固に取り付けられたデブリシールドによってさらに抑制され、前記シールドは、前記電子ビームのための入口を形成する第１の開口と、前記Ｘ線ビームのための出口を形成する第２の開口とを有する。

好ましくは、前記回転アノードアセンブリは液体冷却システムによって冷却される。

本考案の実施形態は、回転が減速又は停止される前に液体－金属ターゲットの電子衝撃を停止するステップ、前記ターゲットを固体状態に冷却するステップをさらに含む（又は、本考案の実施形態は、回転が減速又は停止され、前記ターゲットが固体状態に冷却する前に液体－金属ターゲットの電子衝撃を停止するステップをさらに含む）。

本考案の実施形態では、前記ターゲットの開始溶融が電子衝撃及び／又は誘導加熱によって行われる。

本考案の技術的成果は、液体－金属ターゲット形成のシステムを単純化すること、相互作用ゾーン内のターゲット速度を増加させることによってより高出力の電子ビームを使用する可能性を提供すること、ターゲット材料を最適化すること、出射ウインドの汚染を排除すること、及びそれをベースとしてＸ線源の輝度、寿命及び操作の容易さを改善する可能性を実現することにある。

本考案の上記および他の目的、利点および特徴は、添付の図面を参照して例として提供される、その実施形態の以下の非限定的な説明において、より明らかになるであろう。

本考案の本質は、図面によって説明される：

図１、図２、図３は、本考案の実施形態によるＸ線源の概略図である。

図面において、同一の装置要素は同一の参照番号で示されている。

これらの図面はこの技術的概念の実施形態の完全な範囲をカバーもしないし制限もせず、さらに、それらは、その実施の特定の事例を実証するためのサポート材料としてのみ提供される。

本考案の実施形態では、図１に概略的に示すように、Ｘ線源は電子ビーム５とターゲット６との相互作用ゾーン４で発生したＸ線ビーム３を、その電子衝撃の結果として出力するＸ線ウインド２を備えた真空チャンバ１を備えている。

真空チャンバ１は真空排気システムを備えることもできるし、密閉（又は、シールドオフ）することもできる。

耐圧（又は、気密／pressure tight）Ｘ線ウインド２は、薄膜からなることが好ましい。出射ウインド材料に対する要求は、Ｘ線ビームに対する高い透過性、すなわち、低い原子番号、および真空を環境圧力から分離するために十分な機械的強度を含む。ベリリウムは、このようなウインドに広く使用されている。

このＸ線源は、ターゲット６が、遠心力の作用により形成された、電子銃９の回転アノードアセンブリ８内に実装された環状の溝７内に位置する溶融金属の環状層であることを特徴とする。環状溝７は、遠心力の作用に曝された液体－金属ターゲット６の材料が半径方向及び回転軸１０に沿う両方向に噴出されるのを防止する表面形状を有する。

安定化された回転軸１０を有するシャフト（又は、軸）１１に取り付けられたアノードアセンブリ８は、電気モータ又は別の駆動装置によって回転される。

本考案によれば、十分に高い遠心力のために、ターゲット６は、回転軸１０（図１）と一致する対称軸を有する円筒形又は類似の表面を有する。同時に、液体－金属ターゲット６の材料の体積は、環状溝７の体積を超えない。

ターゲット６を形成するために、回転アノードアセンブリの一部は、好ましくは環状バリア１３又はショルダーの形態の周辺部分を有するディスク１２として実装される。同時に、環状溝７は、回転軸線１０に面する、環状バリア１３の表面上に実装される。

溝７の表面は、図１に示すように、回転軸１０に対向する円筒面と、２つの半径方向表面とによって形成することができるが、この選択肢に限定されない。

溝の材料は液体－金属ターゲットの温度よりも高い融点を有し、その材料は、好ましくはＳｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ及び／又はそれらの合金を含む無毒の可融金属の群に属する。蒸気圧の低い金属及びその合金、例えば、Ｇａ及びＳｎ並びにそれらの合金が好ましい。

例えば、ターゲット６の材料としては、６８．５重量％のＧａ、２１．５重量％のＩｎおよび１０重量％のＳｎを含むガリンスタン合金を使用することができ、融点および凝固点は－１９℃であり、操作の全時間を通じて液体状態にある。好適なターゲットの材料は、Ｇａ９５重量％、Ｉｎ５重量％を含み、２５℃の融点、１６℃前後の凝固点を有する合金であり得る。

Ｘ線源の動作（又は、作用又はオペレーション）、ならびにその貯蔵および輸送のために、ターゲット材料は非作動状態で固体であり、例えば、作動状態に移行するために電子ビーム５自体による加熱を必要とするものが好ましい場合がある。このようなターゲット材料としては、融点１２５℃のＳｎ／Ｉｎ合金、６６％のＩｎと３４％のＢｉを含み、融点及び凝固点が７２℃前後の合金を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

Ｘ線放射の収率を高めるためには、原子番号の大きいターゲット材料、例えば鉛系合金を用いることが好ましい。

一般に、回転アノードアセンブリの提案された設計は、ターゲット材料を最適化するための広範囲のオプションを提供する。

ターゲット材料を溶融状態に移行させるために、Ｘ線源は、ターゲット材料の溶融を開始するコンパクトな誘導加熱システム１４を備えることができる。誘導加熱システム１４は、予め規定された最適温度範囲でターゲット材料の温度を安定させる可能性をもって実施することができる。

回転駆動装置は、真空チャンバ１内に配置された円筒状のロータ１５と、回転駆動装置１１と、真空チャンバ１の外側に配置したステータ１６とを備えた電動モータとして実装することができる。

本考案の他の実施形態では、回転駆動装置は、外側の駆動ハーフカップリングと内側のアイドルハーフカップリングとを備えた磁気結合の形態で実装することができる。

磁気密着性を高めるためには、回転駆動装置の内側部分１５と外側部分１６との間の真空チャンバ壁の一部は十分に薄くなければならず、その材料は高い電気抵抗と最小の透磁率を有していなければならない。誘電体又はステンレス鋼は、このような材料として使用することができる。後者の場合、肉厚は約０．５ｍｍとすることができる。

図１の本考案の特定の実施形態において、ロータ１５を備えた回転アノードアセンブリ８は、液体－金属流体動的ベアリング（又は、軸受け）によって支持される。前記ベアリングは、固定シャフト１７と、低粘度及び低融点を特徴とする例えばガリウム又はその合金、例えばガリウム－インジウム－錫（ＧａＩｎＳｎ）のような液体－金属層１８とを含む。

ロータ１５には、固定シャフト１７の側面の一部をそれらの間に隙間を設けて囲む環状の摺動シール１９が設けられている。摺動シール１９と固定シャフト１７との間の隙間は、液体金属１８が漏れることなくロータ１５と共にシャフト１１が回転することを確実にするサイズを有する。このために、隙間幅は５００μｍ以下である。図１の摺動シール１９は、液体金属１８が蓄積されるいくつかの環状チャネルを有する。このように摺動シール１９はラビリンスシールリングとして機能する。

液体金属を有する流体ダイナミックベアリング（又は、流体動圧ベアリング／fluid dynamic bearing）は、真空汚染なしに非常に高い温度に耐えることができる。液体－金属の潤滑（又は、潤滑性／潤滑剤／lubrication）とベアリングの大きな接触面積は、液体冷却剤２０、例えば水によって、又はより高い沸点を有する冷却剤によって、回転アノードアセンブリ８からの非常に効率的な放熱を保証する。冷却システム（図示せず）の熱交換器を通って循環する液体冷却剤２０については、入口チャネル２１および出口チャネル２２が固定シャフト１７に設けられており、ここで冷却剤２０の流れ方向は図１の矢印で示されている。

したがって、本考案の好ましい実施形態では、回転アノードアセンブリ８には液体冷却システム２０が設けられる。

図１に示す考案の実施形態では、液体金属１８の層が回転アノードアセンブリ８と電子銃の電源２３との間の摺動電気接触として、また、回転ターゲット６から液体冷却剤２０への熱伝達のために作用する。

本考案の他の実施形態では、液体冷却剤２０は回転アノードアセンブリ８内に直接供給することができる。磁性流体シール及び／又は摺動スリーブを使用して、回転部品の気密性を確保することができる。回転アノードアセンブリを支持するために、種々のタイプの転がりベアリング（又は、転がり軸受け）を使用することができる。

ジェット液体－金属アノードを有するＸ線源とは対照的に、ターゲット材料微小液滴から成るミストが広がっている領域からノズルや液体－金属ジェットトラップのような集中的な発生源（又は、デブリの発生源）を排除するので、提案した設計における発生デブリのレベルは著しく減少した。その結果、出口ウインドの蒸発洗浄の複雑なシステムおよびその比較的頻繁な交換は必要とされない。その結果、提案した考案は、液体－金属ターゲットＸ線源の信頼性と操作の容易さを著しく改善する。デブリ抑制のための追加の手段なしにその動作の可能性が実現される。

しかしながら、液体－金属ターゲットＸ線源の長期間の動作の過程で、ターゲット材料の蒸気及びクラスタがその表面に堆積されることにより、Ｘ線ウインド２の透明性が劣化する可能性がある。その結果、複雑な保守を必要とせず、できるだけ長時間の運転を確保するために、デブリを抑制し、それからＸ線ウインド２を保護するための手段を追加的に導入することができる。

図２には、Ｘ線源の実施形態が概略的に示されており、カーボンナノチューブ、ＣＮＴ膜からなる膜２４がＸ線ビーム３の経路内の真空チャンバ１内に設置されている。

ＣＮＴ膜２４は光学素子であり、好ましくは２００～２０ｎｍ（この範囲に限定されるものではない）の厚さのフレーム又はケーシングに取り付けられた自立型ＣＮＴフィルムの形態であり、Ｘ線放射の吸収が低く、その寿命を延ばすためのコーティング及び／又は充填剤を有することができ、又は他の特性を与えることができる。したがって、ＣＮＴ膜は、コーティング、例えばＸ線範囲においてスペクトルフィルタとして働く金属箔が適用（又は、塗布）される堅固なベース（又は、土台）として働くことができる。

研究によって実証されるように、ほとんどのコーティング材料とは対照的に、ＣＮＴ膜は、ターゲット材料によって濡らされず、ターゲット材料の吸収の程度がはるかに低い。その結果、ＣＮＴ膜は、好ましくは相互作用ゾーン４の見通し線（又は、ラインオブサイト／視界線／line of sight）の外側の、デブリにあまり露出されていない側にコーティングすることができる。同時に、ＣＮＴ膜２４は好ましくはＸ線ウインド及びそれに対向するＣＮＴ膜２４の側面の両方をデブリから完全に保護するために、Ｘ線ウインド２と同一平面に取り付けられる。

高い導電率を特徴とするＣＮＴ膜２４は好ましくはその静電荷を排出するために接地され、これは膜上に堆積されるデブリの量を減少させる。

本考案の実施形態では、Ｘ線管１において、コンパクトユニット２５は、その透明度が所定の値まで低下した後にＣＮＴ膜を交換するために設置される。好ましくは、ＣＮＴ膜を交換するためのユニット２５は真空チャンバ１の減圧を必要としない。例えばレボルバ型のＣＮＴ膜を交換するためのユニット２５は、真空チャンバ１の外部から、例えば磁気継手を介した駆動装置によって、又はグランド（又は、腺／gland）を介して、又は真空チャンバ内に設置された小型ステップモータによって作動させることができるが、これらの選択肢に限定されるものではない。

ＣＮＴ膜の長い耐用年数のために、ターゲットの線速度は汚染粒子の微小液滴画分（又は、微小液滴のフラクション）が主に接線方向に向けられ、ＣＮＴ膜に向けられないように、十分に高く、２０ｍ／ｓを超え、好ましくは８０ｍ／ｓを超えるべきであることに留意されたい。

図２において、回転軸１０は、描画平面に対して垂直である。ターゲット６と共に回転アノードアセンブリ８は、好ましくは回転軸上に配置される摺動電気接点２６を介して電子銃の電源２３に電気的に接続される。なお、本実施の形態において、上述した実施の形態（図１）と同一の装置部分には、図２と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図３において、Ｘ線源が概略的に示されており、ここで、回転アノードアセンブリの外側のデブリ粒子の出口（又は、漏出／エグジット）を追加的に抑制するために、デブリシールド２７が導入され、相互作用ゾーン４を取り囲むように堅固に取り付けられる。デブリシールドは、ターゲット６への電子ビーム５の入射口を形成する第１の開口２８と、相互作用ゾーン４からＸ線ウインド２へのＸ線ビーム３の出射口を形成する第２の開口２９とを備える。

デブリシールド２７の導入は、電子ビームとターゲットの相互作用ゾーンからのデブリ粒子流の強力な抑制をもたらす。より深いデブリ抑制のために、シールド１２は、スリットのギャップによって回転アノードアセンブリ８から分離される。この場合、焦点スポットは、溝７及びデブリシールド２７の表面によって形成される基本的に閉じたキャビティ内に位置する。相互作用ゾーン３内のＸ線放射によって生成された前記キャビティからのデブリ粒子（蒸気、イオン、ターゲット材料のクラスタ）の排出は２つの小さな開口２８、２９を介してのみ可能であり、これは、Ｘ線源内の汚染レベルを確実に低くする。

図３に示される本考案の一実施形態によれば、デブリシールド１２は相互作用ゾーン４の近くでターゲット３の角度部分（又は、角度セクタ／angular sector）の反対側に位置することができ、端部のスリットギャップによってそれから分離することができる。

別の実施形態では、デブリシールド２７は円形とすることができる。

シールド２７の第１及び第２の開口２８，２９は円錐形とすることができ、これにより、デブリシールド２７と環状溝７との間のキャビティ内にデブリをより効率的に保持するために、それらの断面積を最小化することができる。

同じ目的のために、本考案の実施形態では、電子ビーム５及びＸ線ビーム３が相互作用ゾーン４において、出て行く微小液滴及びデブリのクラスタ部分（又は、塊部分／クラスタフラクション）の支配的な方向を決定するターゲットの線速度ベクトルの方向がシールド２７の開口２８、２９に向かう方向と著しく異なるように配向される。

本考案により実施される液体－金属ターゲットを有するＸ線源は、断層撮影のための現代の周期的に動作するＸ線管の利点を有する。これは、１ｍｍ^２未満の実効焦点面積で約５ＭＪの回転アノード熱容量で達成される高い（１００ｋＷまで）動作電力を特徴とする。

同時に、本考案に従って実施されるＸ線源は、ターゲットの溶融に関連する制限が存在しないので、非常に小さなサイズの焦点で動作することを可能にするジェット液体－金属アノードを有するＸ線源の利益を有する。上記によれば、本考案の好ましい実施形態では、高輝度Ｘ線源はマイクロフォーカスＸ線源である。本考案のこれらの実施形態では、電子銃９の出口に配置された静電レンズ及び／又は磁気レンズのシステムは、５０～５μｍのサイズを有する液体－金属ターゲット６上の焦点スポットを有する電子ビーム５の形成に使用される。一般に、１μｍ未満のサイズの焦点を得ることができる。電子ビームのマイクロフォーカシングのための静電レンズシステム及び／又は磁気レンズシステムの存在は図３に概略的に示されるように、電子銃９のより大きな断面寸法をもたらすことに留意されたい。

本考案の実施形態では、ターゲットの線速度は８０ｍ／ｓを超え、これは既知の類似物よりも高い。高いターゲット速度は電子ビームパワーの高い（ｋＷ）レベルでの動作を可能にし、ターゲットへの電力入力のより効率的な散逸を保証する。

遠心力の存在により、回転ターゲット表面は、電子ビームによって導入される擾乱に対して安定で弾力的である（又は、回復力に富む）。回転速度が十分に高い場合、電子ビームはターゲットの乱されていない「新鮮な」表面と相互作用し、これにより、Ｘ線源の高い空間的およびエネルギー的安定性が確保される。液体－金属ターゲットの速度が速いほど、ターゲット表面の安定性が高い。

アノードアセンブリの提案された設計は、２００～４００ｒｐｍまでのその回転周波数を実施することを可能にする。これは、１００～２００ｍ／ｓまでの電子ビームの相互作用ゾーンにおける液体－金属ターゲット線速度の値を達成することを可能にする。同時に、公知の類似物で使用される高圧ポンプシステムは必要とされない。これにより、高輝度・高出力Ｘ線源の設計が大幅に簡素化される。

Ｘ線放射を発生させる方法は、次のように実施される。真空チャンバ１は、オイルフリーポンプシステムを用いて１０^－５～１０^－８バール未満に減圧される。他の実施形態では、真空チャンバ１を密閉することができる。アノードアセンブリ８は例えば、ステータ１６とロータ１５とからなる駆動装置によって回転される。本考案の実施形態では、回転が図１の固定シャフト１７および液体金属の層１８を含む流体動的ベアリングを用いて行われる。

遠心力の作用下で、ターゲット６は回転アノードアセンブリ８の環状溝７の、回転軸１０に対向する表面上に、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ及び／又はそれらの合金からなる群に属する溶融金属の層として形成される。

必要に応じて、ターゲット材料は、固定誘導加熱システム１４を用いて予め溶融される。

電子銃及び液体冷却システム２０の電源２３は、スイッチオンとなる。電源２３を使用して、電子銃９内に位置するカソードとアノードとの間に、典型的には４０ｋＷ～１６０ｋＷの間の高電圧が印加される。この電圧電位は、陰極によって放出された電子を回転アノードアセンブリ８の方向に加速するために使用される。

電子銃によって生成された電子ビーム５は、液体－金属ターゲット６の電子衝撃を行うために使用される。電子衝撃の結果、回転する液体－金属ターゲット６上の相互作用ゾーン４ではＸ線ビーム３が発生しＸ線ウインド２を介して真空チャンバを出る。

Ｘ線源の高輝度を達成するために、液体－金属ターゲットの電子衝撃は、５０～１μｍの範囲の相互作用ゾーン又は焦点スポットのサイズを有するマイクロフォーカス電子銃を用いて行われる。焦点の小さな寸法を得るために、電子銃のカソードモジュール９には、静電レンズ及び／又は磁気レンズ及び電磁気レンズの形態の集束手段が使用される。

相互作用ゾーンにおけるターゲット表面上の流体力学的および熱的負荷を減少させるために、８０ｍ／ｓ以上の高い線速度で回転させる。

好ましくは、回転アノードアセンブリ８からの熱が液体冷却システム２０を使用して放散される。本考案の特定の実施形態では、回転アノードアセンブリから液体冷却剤への熱が図１の流体動的ベアリングの液体金属１８の層を介して伝達される。

本考案の実施形態では、放熱は放射によって行うことができる。

Ｘ線源は連続モード又はサイクリックモードで動作できる。後者の場合には、アノードアセンブリ８が各サイクルの後に減速され、その寿命を延ばすことができる。

本考案の実施形態では、ターゲットの電子衝撃は、回転アノードアセンブリが減速又は停止され、ターゲットが固体状態まで冷却される前に終了される。これにより、Ｘ線源の操作の容易さが確保され、特に、アノードアセンブリ８の回転軸１０を自由に配向させ、Ｘ線ビーム３を任意の必要な方向に出力させることができる。

ターゲットの次の初期融解は、電子衝撃及び／又は誘導加熱システムを用いて行われる。

動作の過程で、目標温度は、Ｘ線源の長期安定動作を保証する環状溝材料の融点以下に維持される。

ＣＮＴ膜の透過度が所定の値まで変化すると、交換のためにユニット２５を使用して交換される。

Ｘ線放射を生成するための方法の実施形態では、回転アノードアセンブリの外側にデブリ粒子の漏出が相互作用ゾーン４の近くに堅固に取り付けられたデブリシールド２７を用いてさらに抑制される。同時に、相互作用ゾーンからのデブリ粒子の流れは、２つの前記開口の開口によって制限される。

高速で回転する液体－金属ターゲットはジェット液体－金属アノードを持つＸ線源と比較してデブリの生成がはるかに少ない。同時に、提案されたデザインの明らかな利点は、１，０００℃以上の温度での蒸発Ｘ線ウインド洗浄の非常に複雑なシステムを使用する必要性を排除することである。これはすべて設計を簡素化し、高輝度Ｘ線源の動作寿命を延ばし、その保守と操作のための条件を改善する。

従って、本考案は液体－金属ターゲットＸ線源の輝度を増加させ、それらの設計を単純化し、それらの寿命を延ばし、操作を容易にすることを可能にする。

本明細書に開示される主題の特定の態様は、以下の番号付けされた条項に記載される。本開示又は任意の分割出願の実用新案登録請求の範囲は、これらの態様のうちの１つ又は複数を対象とすることができる。

１．液体－金属ターゲット上での電子ビームのフォーカスポットで発生したＸ線ビームを出力するためのＸ線ウインドを有する真空チャンバを備えるＸ線源であって、
前記液体－金属ターゲットは、遠心力により電子銃の回転アノードアセンブリの回転軸に対向する環状溝の表面に形成された溶融金属の層であることを特徴とするＸ線源。

２．前記回転アノードアセンブリは、内面が回転軸に対向する、環状バリアの形態の周縁部分を有するディスクであり、前記環状溝は、前記液体－金属ターゲットの材料の、半径方向および回転軸に沿った両方向への噴出を阻止する表面形状を有する、条項１に記載の装置。

３．前記回転アノードアセンブリは、液体冷却システムを備えている、条項１又は２に記載の装置。

４．前記ターゲット材料は、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびそれらの合金からなる群に属する可融金属から選択される、条項１～３のいずれかに記載の装置。

５．前記ターゲット上の前記電子ビームの前記焦点スポットのサイズは、５０μｍ未満である、条項１～４のいずれかに記載の装置。

６．前記ターゲットの線速度は、８０ｍ／ｓ以上である、条項１～５のいずれかに記載の装置。

７．カーボンナノチューブ（ＣＮＴ膜）で作られた膜をさらに含み、前記膜は、前記真空チャンバ内で、出射するＸ線ビームの経路内に設置される、条項１～６のいずれかに記載の装置。

８．前記ＣＮＴ膜は、前記ターゲット上の前記フォーカススポットの見通し線の外側に位置する側にコーティングされる、条項７に記載の装置。

９．前記ＣＮＴ膜を交換するためのユニットをさらに備え、前記ユニットは前記真空チャンバの減圧を必要としない、条項７又は８に記載の装置。

１０．液体－金属ターゲットの電子衝撃と、液体－金属ターゲット上の電子ビームのフォーカスポット内で発生するＸ線ビームの真空チャンバのＸ線ウインドを通した出力を有するＸ線放射の発生方法であって、
前記液体－金属ターゲットは、回転アノードアセンブリ内に実装された環状溝の回転軸に対向する表面上に、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎおよびその合金からなる群に属する溶融金属の層として遠心力によって形成される、方法。

１１．前記液体－金属ターゲットに対して５０μｍ未満のフォーカススポットサイズを有する電子衝撃が行われる、条項１０に記載の方法。

１２．前記液体－金属ターゲットは、８０ｍ／ｓを超える線速度で回転される、条項１０又は１１に記載の方法。

１３．前記回転アノードアセンブリは、液体冷却システムによって冷却される、条項１０～１２のいずれかに記載の方法。

１４．回転を減速又は停止し、前記ターゲットを固体状態に冷却する前に、前記液体－金属ターゲットの電子衝撃を終了させる（又は、回転を減速又は停止する前に前記液体－金属ターゲットの電子衝撃を終了させて、前記ターゲットを固体状態に冷却する）ことをさらに含む、条項１０～１３のいずれかに記載の方法。

１５．前記Ｘ線ウインドの前に設置されたＣＮＴ膜によって前記Ｘ線ウインドがデブリから保護され、前記ＣＮＴ膜が必要に応じて交換される、条項１０～１４のいずれかに記載の方法。

１６．溶融金属の層の形態のターゲットを相互作用ゾーンに導入する回転ターゲットアセンブリであって、前記層は前記回転ターゲットアセンブリの回転軸に対向する環状溝の表面上に遠心力によって形成される前記回転ターゲットアセンブリと、
前記相互作用ゾーンで前記ターゲットにフォーカスされるエネルギービームと、
短波放射線ビームの経路内のデブリ抑制手段と、
を有する真空チャンバを有する短波高輝度放射線源であって、
前記デブリ抑制手段は、
前記相互作用ゾーンから出射するデブリのマイクロ液滴画分の支配的な方向を決定する２０ｍ／ｓを超える高い線速度を有するターゲットの回転、
前記出射するデブリのマイクロ液滴画分の支配的な方向と異なる方向への短波放射ビームの出射、
前記相互作用ゾーンの見通し線エリアに設置され、前記短波放射ビームの開口を完全に覆う２０ｎｍより短い波長範囲で５０％を超える高い透過性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ膜）から作製された交換可能な膜を含むことを特徴とする短波高輝度放射線源。

１７．前記エネルギービームはパルスレーザビームであり、前記短波放射は、前記極紫外線（ＥＵＶ）及び／又は軟Ｘ線及び／又はＸ線範囲の前記ターゲット材料のレーザプラズマによって生成される、条項１６に記載の装置。

１８．静電場および磁場、保護気体流およびフォイルトラップのようなデブリ抑制手段がさらに使用される、条項１６又は１７に記載の装置。

１９．前記ＣＮＴ膜は、２０～１００ｎｍの範囲の厚さを有する、条項１６～１８のいずれかに記載の装置。

２０．前記ＣＮＴ膜が、前記真空チャンバの高真空区画と中真空区画の間のウインドとして作用する、条項１６に記載の装置。

２１．前記エネルギービームは電子ビームであり、前記回転ターゲットアセンブリは前記電子銃の回転アノードとして機能し、前記短波放射は、前記ターゲットの前記電子衝撃によって生成されるＸ線放射である、条項１６～２０のいずれかに記載の装置。

２２．金属の溶融層の形態のターゲットを集束レーザビームとの相互作用ゾーンに導入する回転ターゲットアセンブリを有する真空チャンバと、デブリ抑制手段を含む短波放射源を有し、有用な短波放射ビームが前記相互作用ゾーンから出射する、短波高輝度放射線源であって、
デブリシールドが前記相互作用ゾーンを取り囲むように堅固に取り付けられ、前記シールドが、前記相互作用ゾーンへの前記集束レーザビームの入口を形成する第１の開口と、前記相互作用ゾーンからの前記有用な短波放射ビームの出口を形成する第２の開口とを備えることを特徴とする、短波放射線源。

２３．スリットギャップが、前記回転ターゲットアセンブリから前記シールドを分離する、条項２２に記載の放射線源。

２４．前記シールドが円形である、条項２２又は２３に記載の放射線源。

２５．前記シールドの前記２つの開口のうちの少なくとも１つが円錐形である、条項２２～２４のいずれかに記載の放射線源。

２６．前記短波放射ビームの軸は、前記ターゲットアセンブリの回転面に対して４５度を超える角度で向けられる、条項２２～２５のいずれかに記載の放射線源。

２７．前記相互作用ゾーンを出るデブリ粒子の支配的な方向は、前記シールドの前記２つの開口のうちの少なくとも１つに対する方向とは著しく異なる、条項２２～２６のいずれかに記載の放射線源。

２８．前記相互作用ゾーンにおけるターゲットの線速度のベクトル、及び前記２つの開口のうちの少なくとも１つは、前記ターゲットアセンブリの前記相互作用ゾーン及び前記回転軸を通過する平面の異なる側に位置する、条項２７に記載の放射線源。

２９．前記シールドの前記２つの開口のうちの少なくとも１つの軸は、前記ターゲット平面に対して４５度未満の角度に向けられる、条項２７又は２８に記載の放射線源。

従って、本考案の実施形態はデブリを深く（又は、高度に／ディープに／deep）抑制し、最高の輝度及び出力、長寿命及び優れた使い易さを有するＸ線源の作成を提供する。

本明細書では特定の実施形態が開示されているが、本考案の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができる。本実施形態はすべての点で、例示的かつ非限定的であると見なされるべきであり、添付の実用新案登録請求の範囲の意味および同等の範囲内に入るすべての変更は、その中に包含されることが意図される。

提案されたＸ線源は、顕微鏡検査、材料科学、材料のＸ線検査、生物医学診断及び医療診断を含む多くの用途に向けられている。

下記は、本願の原出願に記載の事項である。
＜請求項１＞
電子ビーム（５）の液体－金属ターゲット（６）との相互作用ゾーン（４）で発生したＸ線ビーム（３）を出力するためのＸ線ウインド（２）を有する真空チャンバ（１）を備えるＸ線源であって、
前記液体－金属ターゲット（６）は、回転アノードアセンブリ（８）に実装された環状溝（７）内に位置する溶融した可融金属の環状層であり、前記環状溝（７）は、半径方向及び前記回転アノードアセンブリ（８）の回転軸（１０）に沿った両方向への前記液体－金属ターゲット（６）の材料の噴出を防止する表面形状を有することを特徴とするＸ線源。
＜請求項２＞
前記溶融した可融金属の環状層は、前記環状溝の表面に遠心力により形成され、前記表面は前記回転軸（１０）に対向する、請求項１記載のＸ線源。
＜請求項３＞
遠心力の作用により、前記液体－金属ターゲット（６）は、前記回転軸（１０）と一致する対称軸を有する円筒面を有するか、又は前記とはわずかに異なる面を有する、請求項１又は２に記載のＸ線源。
＜請求項４＞
前記回転アノードアセンブリの一部が環状障壁（１３）の形態の周縁部を有するディスク（１２）の形態で形成され、前記環状溝が前記回転軸（１０）に対向する前記環状障壁の表面に実装される、請求項１～３のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項５＞
前記ターゲットの材料が、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、及び／又はこれらの合金からなる群に属する可融金属から選択される、請求項１～４のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項６＞
前記液体－金属ターゲットの温度は前記溝の材料の融点よりも低い、請求項１～５のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項７＞
前記ターゲットの材料の融解を開始するように構成された誘導加熱システム（１４）をさらに備える、請求項１～６のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項８＞
前記ターゲットの線速度が８０ｍ／ｓを超える、請求項１～７のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項９＞
前記Ｘ線ビーム（３）の経路において前記真空チャンバ内に設置されるカーボンナノチューブＣＮＴからなる膜（２４）をさらに含む、請求項１～８のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１０＞
前記ＣＮＴの膜（２４）は、前記相互作用ゾーン（４）の見通し線の外側に位置する側にコーティングされる、請求項９に記載のＸ線源。
＜請求項１１＞
前記真空チャンバの減圧を必要としない、前記ＣＮＴの膜を交換するためのユニット（２５）をさらに備える、請求項９又は１０に記載のＸ線源。
＜請求項１２＞
前記相互作用ゾーン（４）を囲むように堅固に取り付けられたデブリシールド（２７）をさらに備え、前記シールドは、前記電子ビーム（５）の入口のための第１の開口（２２）と、前記Ｘ線ビーム（３）の出口のための第２の開口（２８）とを備える、請求項１～１１のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１３＞
スリットの隙間が前記デブリシールド（２７）を前記回転アノードアセンブリから分離する、請求項１２に記載のＸ線源。
＜請求項１４＞
前記デブリシールド（２７）は、前記相互作用ゾーン（４）の付近の前記ターゲットの角度セクタに対向して位置している、請求項１２又は１３記載のＸ線源。
＜請求項１５＞
前記デブリシールド（２７）が円形である、請求項１２～１４のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１６＞
前記回転アノードアセンブリ（８）は、液体冷却システム（２０）を備えている、請求項１～１５のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１７＞
前記ターゲット上の前記電子ビームの焦点スポット又は前記相互作用ゾーン（４）のサイズは、５０μｍ未満である請求項１～１６のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１８＞
前記回転軸は、任意の方向を有することができる、請求項１～１７のいずれかに記載のＸ線源。
＜請求項１９＞
回転アノードアセンブリ（８）の表面の液体－金属ターゲット（６）への電子衝撃と、電子ビーム（５）と前記液体－金属ターゲットの相互作用ゾーン（４）で発生したＸ線ビーム（３）の真空チャンバ（１）のＸ線ウインド（２）を通した出力と、
を含む、Ｘ線放射を発生する方法であって、
遠心力による回転アノードアセンブリ（８）に実装された環状溝（７）の表面上の溶融した可融金属の環状層としてのターゲット（６）の形成、および
前記環状溝の表面の選択された形状による、半径方向および回転軸（１０）に沿う両方向に噴出されない前記溶融した可融金属の提供を含む、方法。
＜請求項２０＞
前記液体－金属ターゲットは、８０ｍ／ｓを超える線速度で回転される、請求項１９に記載の方法。
＜請求項２１＞
前記Ｘ線ウインド（２）は、前記Ｘ線ウインドの前に設置された必要に応じて取り替えられるＣＮＴ膜（２４）によって、前記相互作用ゾーン（４）において前記Ｘ線放射と共に発生するデブリから保護される、請求項１９又は２０に記載の方法。
＜請求項２２＞
前記相互作用ゾーン（４）の外部へのデブリ粒子の流出は、前記相互作用ゾーン（４）を取り囲むように堅固に取り付けられたデブリシールド（２７）によってさらに抑制され、前記シールドは、前記電子ビーム（５）のための入口を形成する第１の開口（２８）と、前記Ｘ線ビーム（３）のための出口を形成する第２の開口（２９）とを有する、請求項１９～２１のいずれかに記載の方法。
＜請求項２３＞
前記回転アノードアセンブリは、液体冷却システムによって冷却される、請求項１９～２２のいずれかに記載の方法。
＜請求項２４＞
前記回転が減速又は停止される前に、前記液体－金属ターゲットの電子衝撃を終了させ、前記ターゲットを固体状態に冷却することをさらに含む、請求項１９～２３のいずれかに記載の方法。
＜請求項２５＞
前記ターゲットの溶融の開始が、電子衝撃及び／又は誘導加熱によって行われる、請求項１９～２４のいずれかに記載の方法。

Claims (18)

1. 電子ビーム（５）の液体－金属ターゲット（６）との相互作用ゾーン（４）で発生したＸ線ビーム（３）を出力するためのＸ線ウインド（２）を有する真空チャンバ（１）を備えるＸ線源であって、
   前記液体－金属ターゲット（６）は、回転アノードアセンブリ（８）に実装された環状溝（７）内に位置する溶融した可融金属の環状層であり、前記環状溝（７）は、半径方向及び前記回転アノードアセンブリ（８）の回転軸（１０）に沿った両方向への前記液体－金属ターゲット（６）の材料の噴出を防止する表面形状を有することを特徴とするＸ線源。
2. 前記溶融した可融金属の環状層は、前記環状溝の表面に遠心力により形成され、前記表面は前記回転軸（１０）に対向する、請求項１記載のＸ線源。
3. 遠心力の作用により、前記液体－金属ターゲット（６）は、前記回転軸（１０）と一致する対称軸を有する円筒面を有するか、又は前記とはわずかに異なる面を有する、請求項１又は２に記載のＸ線源。
4. 前記回転アノードアセンブリの一部が環状障壁（１３）の形態の周縁部を有するディスク（１２）の形態で形成され、前記環状溝が前記回転軸（１０）に対向する前記環状障壁の表面に実装される、請求項１～３のいずれかに記載のＸ線源。
5. 前記ターゲットの材料が、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、及び／又はこれらの合金からなる群に属する可融金属から選択される、請求項１～４のいずれかに記載のＸ線源。
6. 前記液体－金属ターゲットの温度は前記溝の材料の融点よりも低い、請求項１～５のいずれかに記載のＸ線源。
7. 前記ターゲットの材料の融解を開始するように構成された誘導加熱システム（１４）をさらに備える、請求項１～６のいずれかに記載のＸ線源。
8. 前記ターゲットの線速度が８０ｍ／ｓを超える、請求項１～７のいずれかに記載のＸ線源。
9. 前記Ｘ線ビーム（３）の経路において前記真空チャンバ内に設置されるカーボンナノチューブＣＮＴからなる膜（２４）をさらに含む、請求項１～８のいずれかに記載のＸ線源。
10. 前記ＣＮＴの膜（２４）は、前記相互作用ゾーン（４）の見通し線の外側に位置する側にコーティングされる、請求項９に記載のＸ線源。
11. 前記真空チャンバの減圧を必要としない、前記ＣＮＴの膜を交換するためのユニット（２５）をさらに備える、請求項９又は１０に記載のＸ線源。
12. 前記相互作用ゾーン（４）を囲むように堅固に取り付けられたデブリシールド（２７）をさらに備え、前記シールドは、前記電子ビーム（５）の入口のための第１の開口（２２）と、前記Ｘ線ビーム（３）の出口のための第２の開口（２８）とを備える、請求項１～１１のいずれかに記載のＸ線源。
13. スリットの隙間が前記デブリシールド（２７）を前記回転アノードアセンブリから分離する、請求項１２に記載のＸ線源。
14. 前記デブリシールド（２７）は、前記相互作用ゾーン（４）の付近の前記ターゲットの角度セクタに対向して位置している、請求項１２又は１３記載のＸ線源。
15. 前記デブリシールド（２７）が円形である、請求項１２～１４のいずれかに記載のＸ線源。
16. 前記回転アノードアセンブリ（８）は、液体冷却システム（２０）を備えている、請求項１～１５のいずれかに記載のＸ線源。
17. 前記ターゲット上の前記電子ビームの焦点スポット又は前記相互作用ゾーン（４）のサイズは、５０μｍ未満である請求項１～１６のいずれかに記載のＸ線源。
18. 前記回転軸は、任意の方向を有することができる、請求項１～１７のいずれかに記載のＸ線源。

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