JP4370057B2 - 毛細管光学系を含むｘ源を有するｘ線照射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、対象物を照射するＸ線を生成するＸ線源を含む装置に係わり、このＸ線源はＸ線を伝達する毛細管の束を具備し、その束の一端はＸ線のための出口とされてＸ線を透過するＸ線窓が設けられている。
【０００２】
この種類の装置は、欧州特許第０２４４５０４B1号から公知である。
【０００３】
Ｘ線照射装置は、多くの適用分野において使用され得る。第１の適用例は、材料の構成及び／又は構造を分析するＸ線分析である。照射されるべき対象物は、装置を用いて分析されるべき材料の標本によって形成される。概して、Ｘ線蛍光及びＸ線回折といった二つの分析技術が適している。Ｘ線蛍光の場合、標本は多色Ｘ線ビームを用いて照射される。照射は標本の中にある様々な元素を励起し、標本は組成元素を表わすＸ線（蛍光放射線）を放射する。標本の基本組成は、この蛍光放射線を検出し分析することによって決定し得る。Ｘ線回折の場合、標本は一般的に単色Ｘ線ビームを用いて照射され、この単色Ｘ線ビームは標本の中にある成分の結晶構造の規則性のため、所与の角度でのみ偏向（回折）される。回折角度は、標本の組成の結晶構造に関連する情報を与える。
【０００４】
Ｘ線照射装置の別の適用分野の例は、超小型電子技術のための非常に小さい構造が基板上に形成され、又は、このような構造を露光するためのマスクが製造されるＸ線リソグラフィーである。照射されるべき対象物は、上記基板又は製造されるべきマスクによって形成される。Ｘ線照射装置の別の適用分野の例は、Ｘ線を人間の身体の非常に明確に画成された領域に当てることがしばしば重要となる医学的治療又は診断である。照射されるべき対象物は、照射されるべき組織によって形成される。
【０００５】
上記適用例の全てにおいて、検査又は処置すべき対象物を照射するのに要求されるＸ線はＸ線管を用いて発生され得る。このようなＸ線管では、Ｘ線が陽極の中で生成されるようにＸ線は陽極の電子衝撃によって発生される。この処理が真空で行われなくてはならないため、Ｘ線管は必ず真空気密性の筐体を含むように構成される。Ｘ線管からＸ線を伝達させるために、筐体には陽極の近傍に位置し管から生成されたＸ線を伝達する役割を担う窓開口部が設けられる。既知の従来のＸ線管では、この窓開口部は通常ベリリウムから形成されるＸ線を透過するＸ線窓によって覆われる。
【０００６】
ベリリウムを窓の材料として選択したのはＸ線の吸収に関するベリリウムの興味深い性質に基づくものであるが、このＸ線の吸収は無視できるものではない。このことは比較的長い波長、例えば、１ｎｍ乃至１０ｎｍの大きさのオーダの波長を有するＸ線の場合に顕著である。窓を薄くして窓による吸収を減少させることを試みてもよいが、材料の強度がこの減少を制限する。今日実現できるベリリウムＸ線窓の厚さは、５０μｍの大きさのオーダである。Ｘ線窓は大気中の圧力に耐えられるよう支持グリッドによって支持される。ベリリウムは、堅さが不足し、又、非常にもろいため、これらの窓がより薄く構成される可能性は非常に低い。Ｘ線管の動作中に窓は比較的高温に晒されるため、Ｘ線窓のための他の材料、例えば、合成材料の箔は使用され得ない。
【０００７】
引用された欧州特許第０２４４５０４号に開示された装置では、内部でＸ線を全反射する毛細管は、長さが約０．５ｍｍ乃至１．０ｍｍの束を形成するようにして束ねられる。この束における毛細管は、約１０μｍ乃至２０μｍの直径を有し、束は外観がプレート状になるようおよそ１０万本の毛細管により構成される。このプレート状の束の片面には、例えば、５μｍの大きさのオーダの厚さのアルミニウム又はマグネシウムの薄層が設けられる。この薄層は、細い電子ビームによって衝突され、Ｘ線ターゲットとして機能し、このとき電子ビームのエネルギーは２０ｋｅＶの大きさのオーダである。電子ビームの直径は、約５μｍであり、束における各毛細管の直径よりも小さくなる。プレート状の束のもう一方の面には、前述の層で発生されたＸ線を伝達し全ての電子を遮断するために、例えば、２μｍの大きさのオーダの厚さでアルミニウムコートされたベリリウム、炭素又はより高い重合体の薄層が設けられる。この面は、束における毛細管の端によって形成されたグリッドに支えられる。
【０００８】
この既知の構造は、比較的長い波長を有するＸ線を発生することに適している。しかしながら、比較的長い波長を有するＸ線を発生することは、効率が悪い処理であり、低いＸ線強度を発生するために比較的高電力の電子ビームを発生させることが要求される。Ｘ線ターゲットとして機能する薄層には、この層に放散された熱を放出する冷却手段が設けられていないので、電子ビームは低電力しかこの層に印加できない。従って、この構造のＸ線パワーは非常に制限される。
【０００９】
本発明は、Ｘ線源が比較的長い波長のＸ線を生成することに適するＸ線照射装置と、実際の状況においてＸ線照射装置を動作させるのに充分な強度とを提供することを目的とする。上記目的を達成するために、本発明による装置は、Ｘ線源が真空気密性の筐体を含むＸ線管を有し、この筐体はＸ線管によって生成されたＸ線を筐体の外部に伝達する窓開口部を設け、束の一端は真空気密的に上記窓開口部に設けられ、束の一端における上記毛細管は上記Ｘ線が発生される場所に向けられ、毛細管の内部は筐体内に位置するＸ線管の真空空間と真空的に連通し、Ｘ線を透過するＸ線窓は環境から毛細管の内部を真空気密的に遮断することを特徴とする。
【００１０】
Ｘ線が伝達する毛細管の束自体は、例えば、Ira Klotzky及びQi-FanＸiao：“Polycapillary Focusing Optic For Low-Energy-Ｘ-Ray-Flourescence”，Proceedings of SPIE，Vol．3115，1997年から既知である。このような毛細管の伝導性の性質は、毛細管の内部でのＸ線の全反射に関する周知の現象に基づく。全反射により、毛細管には無視できるほどの強度の損失しか生じないので、損失のない方法でＸ線を伝達するためにこれらの毛細管が使用され得る。毛細管は、（端がＸ線管に連結されるべき）束の一端において毛細管が接合材料、例えば、合成材料によって囲まれる既知の方法で、束を形成するように組み立てられる。従って、毛細管の間のギャップは、気密的に充填されると同時に束の外側にエンベロープが形成され、このエンベロープは束をＸ線管に連結するためにも使用され得る。このような連結は、例えば、管の窓開口部に上記エンベロープを真空気密的に適合させることができる管状の除起したエッジを設けることで実現され得る。
【００１１】
長波のＸ線はガス、特に空気によって良く吸収される。従って、上記毛細管の中に存在する全てのガスが長波のＸ線を吸収できないように、毛細管の内部は筐体内に位置するＸ線管の内部と真空接触状態にある。
【００１２】
Ｘ線管の陽極に対向する束の端は、最大のＸ線パワーが束によって捕捉されるよう成形され得る。例えば、略点状の形状を有するＸ線の焦点（実際の状況では比較的小さい直径を有する焦点）の場合、束の全ての毛細管は上記焦点に向けられ得る。束の他端はＸ線装置が意図する適用法に適合する外観をもたせることができ、例えば、その端における毛細管が全て一点に向けられ、これにより、束を用いて伝達される全てのパワーは上記一点に集中されるか、又は、所望の形状のＸ線焦点線が形成され得る。
【００１３】
毛細管の断面が小さいため、束の出口側となる端はＸ線窓のための微細格子状支持グリッドとなり得るのでＸ線窓の厚さは通常のＸ線管のＸ線窓の厚さよりもはるかに薄くてもよい。
【００１４】
Ｘ線窓の厚さは、本発明の一実施例では１μｍよりも薄い。Ｘ線窓のこの厚さは、微細格子状支持グリッドとしてはたらく束が一般的にＸ線光ファイバーのための直径（即ち、１０μｍ乃至１００μｍの大きさのオーダ）を有する毛細管により構成されるとき、このＸ線窓の厚さは特別な工夫をしなくても実現できる。
【００１５】
本発明の別の実施例におけるＸ線窓は、合成箔から形成される。この合成箔のためにポリプロピレン又はポリエチレンナフタレイト（PEN）が使用される。窓の材料は、比較的少量の長波Ｘ線のみを吸収するように、実質的に低い原子番号を有する元素（炭素及び水素）のみを含む合成材料である。上記材料が所望の厚さを有する箔として商業的に入手できないとき、窓を製造する前にこのような薄い厚さを実現することを意図した処置がなされるべきである。これは、入手可能な箔を伸張することで実現され得る。しかしながら、上記PENは所望の厚さで購入できる。薄い厚さを有する重合体Ｘ線窓は、製品番号AP1.3としてMOXTEKからも販売されており、これらの窓は３００ｎｍの重合体の厚さを有するので上記目的のためにも使用され得る。
【００１６】
本発明の別の実施例のＸ線窓は、ダイヤモンドから形成される。上述された合成材料と同様に、炭素のみから成るダイヤモンドは長波のＸ線に対して比較的低い吸収力を有する。更に、ダイヤモンドは化学的に非常に耐性があり、これは様々な適用例において利点となり得る。薄い厚さのダイヤモンド層の製造自体は、例えば、公開された独国特許出願（“Offenlegungsschrift”）第３９２７１３２A１号から公知である。
【００１７】
本発明は添付図を参照して以下に詳細に説明され、図中、同じ参照番号は対応する要素を示す。
【００１８】
図１は、既知のＸ線管によって発生されたＸ線の強度を表わすグラフであり、ベリリウムＸ線窓におけるＸ線吸収によって生じた問題を示す。このグラフは、エネルギーが５０ｋｅＶでビーム電流が６０ｍＡである電子ビームによって照射されたニッケル陽極から放射されたＸ線の強度を、そのＸ線の波長（反比例するＫｅＶの単位で表わされる）の関数として理論的に計算して得たグラフである。この放射線の強度は、任意の尺度で表わされ、この場合では任意の検出器の１秒当たりの計数パルスの数（ｃｐｓ）として表わされる。このグラフは、１４６ｎｍ（０．８５２ｋｅＶのエネルギーに対応）のニッケルのＬαラインが関連する波長では約２Ｘ１０^１２ｃｐｓの強度が達成されることを示す。
【００１９】
図２は、既知のＸ線管のベリリウム窓におけるＸ線の吸収力を表わすグラフであり、Ｘ線吸収によって生じた問題を示す。この図では、Ｘ線が１００μｍの厚さを有するベリリウム窓を通ることが前提条件とされる。図１に示されるように、放射線がこの窓に入射する。図２のグラフは、上述された１．４６ｎｍ（０．８５２ｋｅＶのエネルギーに対応）のニッケルのＬαラインの波長では約２Ｘ１０^６ｃｐｓの強度が達成され、従って１０^６の倍率で減衰することを意味する。この減衰はＸ線の経路に１００μｍのベリリウム窓が存在することによるものである。
【００２０】
図３は、本発明に関連し、本発明によるＸ線源が使用され得る既知のＸ線分析装置の一部を示す図であり、この場合その装置はＸ線分光計である。Ｘ線分光計は、Ｘ線のビーム１０を発生するＸ線管２を含む。Ｘ線分光計を用いて検査されるべき試料の標本は、標本を収容する標本場所に配置され、ビーム１０がその標本４を照射する。
【００２１】
標本４は、別の標本空間８における標本ホルダ６の中に配置される。図中、実線で表わされるように全方向に伝搬するＸ線蛍光放射線は、標本で発生される。蛍光放射線は、入口スリット１４が図２を参照して説明されたイメージングローランド幾何配置に関して対象物１６を画像化する機能を実施するようにこの入口スリットを照射する。図中、スリット１４の幅は明瞭性のために一定の尺度で示されてなく、実際の状況ではこのスリットの幅は関連する適用例に依存して、約１０分の１ミクロン乃至数ミリメートルのオーダである。入口スリット１４を出ると、蛍光放射線のビーム１８は湾曲した反射表面２９を有する分析結晶２８上に入射される。分析結晶の表面の形状は、図３を参照して以下に詳細に説明される。説明中、分析結晶２８の表面２９は円筒状の形状を有し、即ち結晶表面と図面との交線は曲線（即ち図中の線２９）であるが、結晶表面と図面に垂直な面（例えば、図面及び線２９に垂直な面）との交線は直線であることに注意すべきである。この配置において分析結晶は、ブラッグ関係式（２ｄ．ｓｉｎΘ＝ｎλ）に基づいて入射角度によって決定される所望の波長を蛍光放射線のビームから選択する機能と、明らかな対象物の点１６から発生されるビームをイメージ点２４に合焦する機能の二つの機能を有する。このイメージ点は、Ｘ線検出器２０のための入口コリメータを構成する出口スリット２６に画像化される。偏向されたＸ線は、入口窓２２を通って検出器２０の上に入射されて検出され、その後、更なる信号処理が電子的な手段（図示せず）を用いて実施される。
【００２２】
分析結晶２８は図中示されていないホルダの上に据付けられ、図面において二方向に移動可能であり（矢印３０によって表わされる）、図面に垂直な軸３２について回転可能でもある。移動できることによって、分析結晶は精確に決定された方向及び位置に調節され得る。
【００２３】
Ｘ線管２から検出器２０までのビーム経路は、気密的に封止可能な測定空間２４を通って延び、この空間は長い波長のＸ線の場合、所望であれば真空排気されてもよく、又、このような測定に適するガスで充填されてもよい。
【００２４】
既知のＸ線分析装置は、Ｘ線１０のために出口窓が設けられた既知のＸ線管を利用する。本発明が使用されるとき、このＸ線窓は省略してもよい。その理由は、このＸ線窓の機能が、本発明によるＸ線源の一部を形成し、Ｘ線窓を具備したＸ線を伝達する毛細管の束によって代替されるためである。
【００２５】
図４は、本発明によるＸ線源を表わす図である。Ｘ線源は、陽極４０を具備したＸ線管２を含む。陽極は、その上に焦点５６を形成する電子ビーム４２によって照射され、そこから既知の方法でＸ線４４が発生され、このＸ線は窓開口部５４を通ってＸ線管２から離れる。本発明によるＸ線源には、Ｘ線を伝達する毛細管４６の束が設けられ、その一端は真空気密的に窓開口部５４に連結される。束のその端における毛細管は、Ｘ線が発生される陽極上の焦点５６に向けられる。図４に示される毛細管の束は、毛細管の間にギャップがある束として示されているが様々な構成が実行できる。特に、毛細管が互いに並べて配置され硬く相互接続されている実施例を構成することが可能である。Ｘ線管の窓開口部５４に対する束の真空気密性の連結を可能にするために、必要とされる束における所望の真空気密性は、窓開口部５４の内側に接続された合成材料の層を束の外部にも設けることで実現される。図４において、真空封止は、毛細管が真空気密的に設けられるプレート形状の支持具５８によって表わされる。このプレート形状の支持具自体は、真空気密的に窓開口部５４の中に取り付けられる。
【００２６】
真空排気された空間が、Ｘ線管２の筐体５２の中に存在する。この空間は毛細管の内部と真空的に連通しており、毛細管の他端４８は合成材料又は非常に薄い厚さのダイヤモンドから形成されたＸ線を透過するＸ線窓５０を用いて真空気密的に封止される。束４６の毛細管の一端が、例えば、１０μｍの周期構造を有する微細格子状支持グリッドとして機能することにより、この薄い厚さが可能となるので特別な段階を要すること無く１μｍの厚さが実行可能である。束４６の端４８において毛細管は、そこから発生されるＸ線が再び一つの場所に集中するように向けられる。この装置において検査されるべき標本１０は、その集中する場所に配置され得る。
【００２７】
束４６に吸い取られるＸ線パワーは、Ｘ線焦点５６から束の入口側を認識できる立体角と、毛細管によるＸ線の伝達と、窓５０がＸ線を伝達する程度とに依存する。これらのパラメータは全て、広い範囲内で変化し得る。本発明により改良されたＸ線の吸収量を簡単に推定するために、上記立体角が０．２ステラジアン（陽極から２ｃｍの距離にあり１ｃｍ^２の受光表面積に対応）に等しく、伝達性が１０％の大きさのオーダであり（Proceedings of SPIE，“Polycapillary Focusing…”，表２，段落３．２の引用文献参照）、Ｘ線窓におけるＸ線吸収がその薄い厚さ及び適切な材料の選択のために無視できるほど小さいことを仮定する。つまり、陽極によって２πステラジアンの立体角で放射されたＸ線の全量の約３％の部分（即ち０．２／２π）が毛細管に入り、この毛細管がこの部分を１０％の伝達効率で伝達することにより、陽極において発生された放射線の最大０．３％が標本の照射に寄与する。既知のＸ線管における陽極で発生された全てのＸ線が使用された立体角内に収まる場合でも（このようにはなり得ないが）、標本の領域における強度は本発明を実行することで約３０００（１０^６の０．３％）の倍率で改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知のＸ線管によって発生されたＸ線の強度表わし、Ｘ線吸収によって生じた問題を示す図である。
【図２】 既知のＸ線管のベリリウム窓におけるＸ線の吸収力を表わしＸ線吸収によって生じた問題を示す図である。
【図３】 本発明によるＸ線源が使用され得るＸ線分析装置を表わす図である。
【図４】 本発明によるＸ線源を表わす図である。

Claims (8)

1. 対象物を照射するＸ線を生成し、上記Ｘ線を伝達する毛細管の束を具備し、上記Ｘ線の出口とされる上記束の一端にはＸ線を透過するＸ線窓が設けられているＸ線源を含む、上記Ｘ線を用いて上記対象物を照射するＸ線照射装置であって、
   上記Ｘ線源は真空気密性の筐体を有し、上記筐体にはＸ線管によって生成された上記Ｘ線を上記筐体の外部に伝達する窓開口部が具備され、
   上記束の一端は真空気密的に上記窓開口部に設けられ、
   上記束の一端における上記毛細管は上記Ｘ線が発生される場所に向けられ、それにより該場所の周りの立体角がカバーされ、
   上記束の毛細管は平行ではなく、
   上記束の他端における上記毛細管は、該他端から放出されるX線が一の場所に集中するように、配向し、
   上記毛細管の内部は上記筐体内に位置する上記Ｘ線管の真空空間と真空的に連通し、
   上記Ｘ線を透過するＸ線窓は環境から上記毛細管の内部を真空気密的に遮断することを特徴とするＸ線照射装置。
2. 上記Ｘ線窓の厚さは１マイクロメートル未満である、請求項１記載のＸ線照射装置。
3. 上記Ｘ線窓は合成材料の箔から形成される、請求項１又は２記載のＸ線照射装置。
4. 上記Ｘ線窓はダイヤモンドから形成される、請求項１又は２記載のＸ線照射装置。
5. Ｘ線分析装置である請求項１乃至４記載のＸ線照射装置。
6. 医療用Ｘ線照射装置である請求項１乃至４記載のＸ線照射装置。
7. Ｘ線リソグラフィー装置である請求項１乃至４記載の装置。
8. 請求項１乃至４のうちいずれか一項で定義されたＸ線源。

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