JP5226312B2 - シールド構造体及び同シールド構造体を含むｘ線装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線システム及び装置に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、Ｘ線装置内の熱管理を高め、かつ焦点を制御することにより、Ｘ線装置の性能を改善するＸ線装置シールド構造体・焦点制御アセンブリに関する。

Ｘ線システム及び装置は、産業及び医療の両分野にて広範囲にわたる用途にて使用される価値のあるツールである。例えば、そのような装備は、診断及び治療用放射線医学、半導体の製造及び加工並びに材料の分析及び試験のような領域にて一般的に使用されている。

多くの異なる用途にて使用される際、Ｘ線装置の基本的な操作は同じである。一般的に、電子が生成及び放出され、加速され、そして急激に停止される場合にＸ線が発生する。典型的なＸ線装置は、カソードシリンダとアノードハウジングにより集合的に画定される真空のエンクロージャを有するＸ線管を含む。カソードのような電子発生装置はカソードシリンダ内に配置され、電力源と接続されるフィラメントを含み、電力をフィラメントへ供給することにより熱電子放出工程にてフィラメントが電子を発生する。アノードは、カソードに対して離間して配置されたアノードハウジングに配置されている。アノードは、カソードにより放出された電子を受承すべく配向され、かつ時として「標的トラック」又は「焦点トラック」と称される標的面を含む。典型的には、標的面はタングステンのような比較的大きな原子番号を有する材料から構成されており、それにより標的に突き当たる電子流の運動エネルギーの一部を非常に高周波数の電磁波、即ちＸ線に変換する。

操作において、適切な電圧源との接続により形成されるカソードとアノードとの間の高電位の影響下にてカソードからアノードへと電子は迅速に加速される。次に加速した電子が高速度にて標的面に突き当たる。得られたＸ線は標的面から放射して、患者の身体のような対象物を通過するようにＸ線装置内に形成された窓を介してコリメートされる。対象物を通過したＸ線は次に、Ｘ線医療診断試験又は材料分析処置のような種々の用途の任意の一つにて使用されるべく検出及び分析される。

しかしながら、アノードの標的面に突き当たる電子は、比較的高い割合にてＸ線を生成しないで、単に標的面にて跳ね返される。そのような電子は時として「後方散乱」又は「跳ね返り」電子として称される。幾らかのＸ線管において、これらの跳ね返った電子の幾らかはカソードとアノードとの間に配置されている電子収集装置にて阻止及び回収され、それによりその跳ね返り電子はアノードの標的面に再び当たることはない。従って、一般的に、電子収集装置は、跳ね返り電子が標的アノードに再び突き当たること、及びＸ線画像の品質に好ましくない影響を与える「焦点から逸れた（ｏｆｆ−ｆｏｃｕｓ）」Ｘ線を生成することを回避する。

典型的には、そのような電子収集装置は、放出電子がカソードからアノードの標的面に向かって通過するための開口を画定する。この目的のために、開口は、カソードの付近に配置された入口と、アノードの標的面の付近に配置された出口とを含むか、或いは画定する。少なくとも一つの実施において、開口は、同入口が同出口の直径よりも大きい直径を有するように形成される。

そのような電子収集装置は幾らかの用途においては有用であることが示されてはいるが、それにも関わらず幾らかの問題点が存在する。例えば、幾らかの電子収集装置の幾何学的形状は、同電子収集装置が望ましくない熱集中を得るようになっている。そのような熱集中は特に、熱的な応力及びひずみを引き起こし、最終的には同装置の構造的な故障の原因となる。より詳細には、例えば高い温度差により生成される構成要素の不均一な熱膨張が破壊的な機械の応力及びひずみを誘引し、最終的にはその部品が機械的に故障する。

幾らかの典型的な電子収集装置に伴うさらに別の問題は、同電子収集装置に関連した熱流束分布に関する。特に、典型的な電子収集装置内の熱流束分布は一般的には不均一である。その結果、そのような電子収集装置は熱集中しやすい傾向にあり、同熱集中は同電子収集装置並びにＸ線装置のその他の部品に有害かつ可能性として破壊的であるとともに熱誘導される応力及びひずみを与える。更に、そのような熱集中は、典型的な電子収集装置から熱が除かれる際の効率及び効果を低減する傾向にある。

更に、電子収集装置を組み込んだ又は含んだＸ線装置は典型的には、同電子収集装置を通過して電子ビームを案内する、及び／又はアノードの標的トラックの焦点の位置を調整する上において効率的な装置又はシステムを欠いている。従って、そのような固定焦点タイプの装置に接続して得られた断層情報及びその他の情報は幾分制限を受けている。更に、アノードの標的トラックは、同標的トラックの同一の位置に焦点が連続して存在する結果、使用の早い時期から疲労及び故障をきたす。

周知の電子収集装置に伴う更に別の問題点は、開口の小さな直径の出口とアノードの標的面との間が比較的接近している点にある。特に、この空間的な関係は時として出口における望ましくない熱の集中を生ずる。そのような熱集中は、特に、収集装置の構造上の故障を最終的には引き起こす熱的な応力及びひずみを引き起こす。より詳細には、高い温度差により生成されるような構成要素の不均一な熱膨張が破壊的な機械の応力及びひずみを誘引し、最終的にはその部分が機械的に故障する。更に、典型的な電子収集装置の入口は出口よりも大きいので、後方散乱した電子が同入口に容易に跳ね返ってカソードに当たり、それによりカソードが損傷する、及び／又はカソードから放出された電子と干渉する。

幾らかの典型的な電子収集装置に伴う更なる問題点は、Ｘ線装置内での、アーク放電のような異常電流に関する。より詳細には、Ｘ線装置の金属及びガラス製部品のガス放出は、これらの部品の表面に吸着されたガスを除くために使用されている。これらのガスの除去は、Ｘ線装置の真空エンクロージャ内にて比較的高い真空を達成することを可能にする。一般的に、ガス放出は、Ｘ線装置の部品を所定の期間、高温に加熱する工程を含む。しかしながら、典型的なガス放出工程は、吸着されたガスの全てを除去せず、同部品の表面上或いは表面下に存在している幾らかのガスは、ガス放出が実施された後であっても多くの場合残留している。以下に記載するように、これらの残留ガス並びに通常のＸ線装置の操作時に生成するガスは、典型的な電子収集装置に関連したある種の欠点を強調することになる。

特に、本明細書にて既に明記したように、典型的な電子収集装置はカソードの付近に配置された開口が大きな直径部分を備えた状態である。従って、吸着したガスが一般的には存在している電子収集面の比較的大きな部分が、電場強度が最大又は最大に近い状態であるカソードに非常に接近して配置されている。照射が始まると、吸着したガスが脱着又はイオン化されやすくなり、結果として熱が発生する。カソード付近の強い電場にイオン化したガスが存在すると、高い電場領域にガスのアーク放電及び／又はその他の異常電流を生ずる。特に、そのような電流の影響はＸ線装置の性能及び寿命を相殺し、同Ｘ線装置の部品に損傷を与えるか、又は破壊する。

本発明は、上記した懸案を鑑みてなされたものである。

一般に、本発明の実施形態は、Ｘ線装置の熱集中を減衰することが可能なように構成されたシールド構造体を有するシールド構造体・焦点制御アセンブリに関する。シールド構造体・焦点制御アセンブリは、同シールド構造体を貫通して電子ビームを案内し、更にはアノードの標的トラック上の電子ビーム焦点の位置の制御を可能にするように構成されるとともに配置された磁気装置のような電子操縦機構を含み得る。

本発明の第一の実施形態において、シールド構造体・焦点アセンブリは、カソードと、回転アノードのようなアノードとの間に介装されるべく構成されたシールド構造体を含むように提供される。図示された実施形態において、環境は、アノード接地Ｘ線装置の形態である。シールド構造体は、カソードからアノードの標的面までその内部を電子が通過するチャンバを画定し、かつシールド構造体は更に、チャンバと連通する入口通路及び出口通路を画定する。実施の形態において、入口通路及び出口通路の各々はチャンバの最大径よりも小さい最大径を有する。図示された実施形態において、シールド構造体・焦点制御アセンブリは磁気コイルのような磁気装置を含み、同磁気装置はＸ線装置のカソードにより放出される電子の移動経路に影響を与えるような磁場を生ずるように配置される。

シールド構造体・焦点制御アセンブリのシールド構造体は同様に種々のその他の形態とすることができ、同形態の各々は上記Ｘ線装置に供給され得る。例えば、シールド構造体は、同シールド構造体の本体に取り付けられる延長面を含み得る。

別の実施形態において、シールド構造体は電子がカソードからアノードの標的面に向かって通過するべく開口を少なくとも部分的に画定する電子収集面を画定する。収集面は、アノードの標的面に向かって指向され得る。また、開口は入口及び出口を含み、同入口が出口よりも小さい面積を有するように構成されている。

従って、本発明の例示された実施形態は、特に、シールド構造体の熱集中の減衰を容易にし、かつアノードの標的トラック上の焦点位置の制御を効果的かつ信頼のおけるものにする。本発明の実施形態のこれらの態様及びその他の態様は以下の記載及び添付された請求の範囲からより明らかになるであろう。

本発明の上記した態様及びその他の態様が得られる様式のために、上述の要約された本発明のより特定した記載が添付された図面に示された特定の実施形態を参照してなされる。これらの図面は本発明の典型的な実施形態を示すのみでありその範囲を制限するものではないことが理解され、本発明は、添付された図面を使用して更なる特殊性及び詳細な説明が記載及び説明されるであろう。

本発明の例示的な実施形態の種々の態様を記載するために、図面が参照される。図面はそのような例示的な実施形態を図表的かつ概略的に示すものであり、本発明を制限するものでもないし、それらは必ずしも寸法どおりに描かれていないことを理解すべきである。

一般的に、本発明の実施形態は、例えばアノード接地Ｘ線管のようなＸ線装置の熱集中を減衰することが可能なように構成されたシールド構造体を有するシールド構造体・焦点制御アセンブリに関する。以下に詳細に記載されるように、シールド構造体チャンバの内面にわたり比較的均一な熱流束分布を達成することができると幾らかの用途及び操作環境では望ましい。特に、比較的均一な熱流束分布は、熱集中が減衰又は排除されるために、電子収集装置に関連した熱移動における相対的な改善に寄与する。

シールド構造体・焦点制御アセンブリの例示的な実施形態はまた、同シールド構造体を貫通して電子ビームを案内し、更にはアノードの標的トラック上の電子ビーム焦点の位置の制御を可能にするように構成されるとともに配置された磁気装置のような操縦機構を含む。特に、焦点の位置を制御及び調整することが可能であることは、固定した焦点操作のために構成された周知のＸ線装置にて容易に得られた断層情報を超える断層情報を生成することを可能にする。この付随的な断層情報はＸ線装置の使用者が改善された放射線医学的情報を得ることを可能にし、同情報は種々の分析及び評価を実施するのに使用され得る。
Ｉ．シールド構造体・焦点制御アセンブリのための例示的な操作環境の態様
図１を特に注目すると、符号１００にて示されているＸ線装置であって、シールド構造体・焦点制御アセンブリ１５０の例示的な実施形態が使用され得るＸ線装置の種々の態様に関する詳細が提供されている。シールド構造体・焦点制御アセンブリ１５０の例示的な実施（ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）はシールド構造体２００と磁気装置２５０とを含み、両者は以下に詳細に記載されている。少なくとも幾らかの実施において、Ｘ線装置１００は、例えばアノードが接地電位に保持されるとともにカソードが１４０ＫＶの電位を有するアノード接地Ｘ線装置の形態をとっている。無論、本発明の実施形態は、同様にその他の電位のアノード接地装置に接続して使用可能であり、更に、アノード接地Ｘ線装置以外のものにおいても使用され得る。従って、本発明の範囲は任意の特定の型のＸ線装置に限定されるように解釈されるべきではない。

更に、シールド構造体・焦点制御アセンブリ１５０の例示的な実施形態は、回転アノード型Ｘ線装置と接続して使用するために適しているが、本発明の範囲はそれに制限されない。むしろ、シールド構造体・焦点制御アセンブリ１５０の実施形態は、本明細書に開示されている機能が有用であることが証明されている任意の用途にて使用され得る。

Ｘ線装置１００の例示された実施形態は、カソード缶１０４とアノードハウジング１０６とにより少なくとも部分的に協働して画定される真空エンクロージャ１０２を含む。真空エンクロージャ１０２の窓１０８であって、実質的にはベリリウム又はその他の適切な材料から構成されている窓１０８は、発生したＸ線が同Ｘ線装置１００の外側に透過することを可能にする。

カソード缶１０４の開口端部と嵌合するように構成されたアダプタ１１０も設けられている。図示された実施において、アダプタ１１０はカソード缶１０４の一部を受承するべく構成されたソケット１１０Ａを画定する。アダプタ１１０及びカソード缶１０４は、ロウ付け、突合せ溶接、又はソケット溶接を含む任意の適切な方法により結合され得るが、結合方法はそれらに限定されるものではない。図１に示されるように、本実施形態におけるソケット１１０Ａはアダプタ１１０の首部１１０Ｂの直径よりも大きい直径を有する。そのような直径がシールド構造体２００に関連する場合のアダプタ１１０の首部１１０Ｂの直径に関する更なる詳細な説明は、以下に示される。

図１を続けて参照すると、カソード１１２はカソード缶１０４内に配置されて設けられている。同カソード１１２はフィラメント（図示しない）を含み、同フィラメントは電力源からの電力がフィラメントに供給された場合に熱イオンの放出によりフィラメントから電子が放出するように、電力源（図示しない）に接続されるべく構成されている。カソード１１２はアノード（以下に記載）と同様に、高電圧源に接続されるように構成されている。

Ｘ線装置１００は更に、例示的ではあるがタングステン又はその他適切な材料から構成されている基板１１４Ａを含む回転型アノード１１４を含み、同基板１１４Ａ上に標的面１１４Ｂに設けられている。アノード１１４は軸受アセンブリ１１６により回転可能に支持されており、かつ加圧時にアノード１１４を高速回転させる固定子１１８が設けられている。例示的な図示された配置において、アノード１１４と軸受アセンブリ１１６のみがアノードハウジング１０６に配置される一方、固定子１１８はアノードハウジング１０６の外側に配置されている。

続いて図１に注目すると、シールド構造体２００はカソード１１２とアノード１１４との間に介装されている。例示的な図示された実施において、シールド構造体２００はカソード缶１０４及びアノードハウジング１０６と協働して真空エンクロージャ１０２を画定する。少なくとも幾らかの実施において、シールド構造体２００は実質的には円形であるが、例えば正方形、長方形又は卵型のようなその他の形状も同様に実施可能である。

一般的に、シールド構造体２００はカソード１１２から放出された電子がアノード１１４の標的面１１４Ｂまで通過するように構成されている。シールド構造体２００の少なくとも幾らかの実施は、同シールド構造体２００から熱を取り除くために、冷却剤が流通する一つ以上の流体通路を画定するか、或いはそうでなければ組み込む若しくは含んでいる。特に、シールド構造体２００の例示的な実施は、付随的又は代替的に延長面２０４のような種々の構造要素を含み、同延長面２０４は、冷却剤が循環する一つ以上の流体通路２０６を画定するために、（それらに限定されるものではないが、）ハウジング２０２、アダプタ１１０、アノードハウジング１０６及び／又はその他の構造体のようなその他の構造体と協働するべく構成及び配置されている。

最後に、上記に示唆されているように、外部冷却システム１２０は冷却剤を含む冷却剤リザーバ１２２と流体連通するように設けられており、真空エンクロージャ１０２の少なくとも一部が浸漬されている。外部冷却システム１２０はまた、本明細書の更に別の箇所にて詳細に述べられているように、シールド構造体２００と流体連通可能なように構成かつ配置されている。
ＩＩ．シールド構造体・焦点制御アセンブリの例示的な実施の態様
図２及び３に注目し、かつ引き続いて図１に注目すると、図２及び２において符号３００にて示されるシールド構造体の例示的な実施に関する詳細が提供されている。シールド構造体３００の例示的な実施形態は、実質的に銅又は銅合金から構成されている。しかしながら、任意のその他適切な材料もまた使用可能である。更に、シールド構造体３００は、幾らかの例示的な実施において、カソード缶１０４、アダプタ１１０又はアノードハウジング１０６と一体的である。従って、本発明の範囲は、シールド構造体３００の任意の特定の実施に制限されるものであると解釈されるべきではない。

シールド構造体の実施形態は、種々の異なる様式にて製造され得る。例えば、同シールド構造体の幾らかの実施例は鋳造により形成される。同シールド構造体の更にその他の実施例は例えば４軸フライス盤のようなフライス盤を用いて形成される。

シールド構造体３００は内面３０５を有するチャンバ３０４を画定する本体３０２を含む。チャンバ３０４は一般的には電子流がカソード１１２からアノード１１４の標的面１１４Ｂを通過可能なように構成されている（図１を参照）。チャンバ３０４は本体３０２により画定される入口通路３０４Ａ及び出口通路３０４Ｂと連通している。入口通路３０４Ａに隣接して、ソケット３０４Ｃがアダプタ１１０の一部を受承するように構成されている。その他の実施において、ソケット３０４Ｃは必要ではない。

シールド構造体３００の図示された実施において、チャンバ３０４、入口通路３０４Ａ、出口通路３０４Ｂ及びソケット３０４Ｃは、各々ほぼ円形の断面形状を有するが、代替的な形状も使用され得る。例えば、幾らかの実施において、チャンバ３０４、入口通路３０４Ａ、出口通路３０４Ｂ及びソケット３０４Ｃの一つ以上は卵型のような非円形の形状を有する。更に、図示された実施形態は、チャンバ３０４、入口通路３０４Ａ、出口通路３０４Ｂ及びソケット３０４Ｃの各々が互いに同心円状にある配置が示されているが、本発明の範囲はそのように制限されるものではない。むしろ、チャンバ３０４、入口通路３０４Ａ、出口通路３０４Ｂ及びソケット３０４Ｃの一つ以上が、残りのものに対して非同心円状に配置され得る。

例示的なシールド構造体３００の形状のその他の態様も同様に変更できる。例えば、図２及び３に図示された実施において、シールド構造体３００は、内径「ａ」であるアダプタ１１０と干渉するように構成される。更に、シールド構造体３００は、少なくとも三つの特徴的な直径であって、その値が特定の用途の必要条件に適するように調整可能である直径を含む、種々のパラメータを画定する、又は具現化する。

特に、シールド構造体３００は入口通路径「ｂ」と、出口通路径「ｃ」と、最大チャンバ径「ｄ」とを画定する。少なくとも幾らかの実施において、上述の直径のそれぞれの値及び一つ以上の直径の別の直径に対する比率は、チャンバ３０４の内面３０５の比較的均一な熱流束分布のような所望の効果の達成を容易にするように選択される。シールド構造体のそのような直径及び／又はその他の態様はその他の熱的な効果を同様に達成可能とするように選択され、かつ実施される。

例えば、出口通路径の調整は、チャンバに侵入する跳ね返り電子の数の制御を可能にする。同様に、入口通路径の調整は、チャンバのカソード付近から脱出する跳ね返り電子の数の制御を可能にする。別の例として、チャンバの内面の幾何学的形状及び／又はサイズの変更は、単独で、或いは両通路径の一方若しくは両方の変更との組み合わせにおいて、チャンバ内の熱流束分布を調整するために使用され得る。

従って、例えばシールド構造体３００のｃ／ｄ比及び「ａ」及び「ｂ」の寸法のような設計パラメータのために選択される特定の値は、Ｘ線装置の操作温度、操作温度となるまでに要する時間、予め定められた時間にわたり特定のＸ線装置により行われる照射数、Ｘ線装置による照射の強度、Ｘ線装置の操作時間、Ｘ線装置の寿命、シールド構造体の材料、真空エンクロージャ内の真空、及び熱がシールド構造体から移動する速度等を含む種々の要因に依存するが、それらに限定されるものではない。

既に提案したように、設計者は、シールド構造体の種々のパラメータから選択した値に関してかなりの自由裁量を有している。従って、本発明の範囲は、シールド構造体の任意の特定の実施に限定されるものであると解釈されるべきではないし、また任意の特定の設計パラメータ値又は一群の値に限定されるものであると解釈されるべきではない。

図示された実施において、例えば、入口通路径「ｂ」は、アダプタの内径「ａ」よりも小さくなるように選択される。付随的に、出口通路径「ｃ」は、入口通路径「ｂ」及びアダプタ径「ａ」よりも大きくなるように選択される。最終的に、最大チャンバ径「ｄ」は、アダプタの内径「ａ」、入口通路径「ｂ」及び出口通路径「ｃ」よりも大きい。任意の直径の一つ以上のその他の直径に対する特定の比率は、所望となるように選択され得る。

例えば、ｃ／ｄ比は、チャンバ３０４内の所望の熱流束分布を達成することを容易にするために、所望に応じて調整され得る。別の実施例として、以下に記載されている図５及び６は、入口通路径「ｂ」及び出口通路径「ｃ」がほぼ等しいが、最大チャンバ径「ｄ」よりは小さいシールド構造体の実施の態様が示されている。

チャンバ３０４、入口通路３０４Ａ、出口通路３０４Ｂ及びソケット３０４Ｃの一つ以上がほぼ円形の断面形状以外を有するより一般的な場合において、アダプタと、入口通路と、出口通路と、チャンバとの関係は、それぞれの直径に関してというよりはむしろ、それぞれの断面積に関して表現され得ることを注目すべきである。

続いて図２及び３を参照すると、例示的なシールド構造体３００はさらに本体３０２に取り付けられた一つ以上の延長面３０６を含む。例示された実施において、複数の延長面３０６は、本体３０２の周囲にほぼ円形状及び環状に配置されて設けられている。図示された実施形態において、延長面３０６の各々はほぼ長方形の断面を画定するが、本発明の範囲はそれに制限されるものではない。むしろ、延長面３０６の大きさ、形状、間隔、配置及び方向（それらに限定されるものではないが）のような態様は、特定の用途の必要条件に適するように、必要に応じて変更可能である。

例えば図４に示されるように、延長面３０６は一つ以上の流体通路３０８を少なくとも部分的に画定するように互いに協働する。そのような実施の少なくとも幾らかにおいて、流体通路３０８はシールド構造体３００の延長面３０６及びアノードハウジング１０６により協働的に画定される。更にその他の実施において、ハウジング３１０は流体通路３０８を少なくとも部分的に画定するために延長面３０６と協働するように設けられている。ハウジング３１０は幾らかの実施においては別個の要素を含むが、その他の実施においてはアノードハウジング１０６と一体的である。

任意の場合において、流体通路３０８は適切な冷却システム（図１）により生成するとともに提供される冷却剤の流通を可能にするように構成及び配置されており、同冷却システムは、例えば対流及び／又は伝導によるようなシールド構造体３００の冷却のために同シールド構造体３００の一部と接触するように指向されている。この目的のために、シールド構造体３００の例示的な実施はさらに、少なくとも一つの冷却剤入口ポート及び少なくとも一つの冷却剤出口ポート（図示しない）を画定するか、そうでなければ含んでおり、両者は流体通路３０８と流体連通可能である。本明細書のその他の箇所において明記されているように、シールド構造体３００は幾らかの実施においては外部冷却システムと接続されている。

最後に、シールド構造体３００は種々の異なる様式にて構成されている。図３に示されている例示的な実施（同様に図６も参照）において、本体３０２は三つの独立した部分３０２Ａ、３０２Ｂ及び３０２Ｃを含み、それらは機械加工及び／又はその他の適切な方法等により形成されている。三つの部分３０２Ａ、３０２Ｂ及び３０２Ｃが構築された後に、それらは図示されるように、積み上げられ、整列され、ロウ付け、溶接若しくは任意のその他適切な方法により互いに取り付けられる。

図４に続けて注目すると、シールド構造体及び焦点制御アセンブリ２００の図示された実施は、シールド構造体３００に加えて電子操縦部品を含む。図示された実施形態においては、これはＢ場（Ｂ−ｆｉｅｌｄ）発生装置のような磁気装置２５０により提供される。以下に更に詳細に記載されているように、磁気装置２５０はアノード１１４の標的面１１４Ｂにおける焦点の位置を制御及び調整することを可能にする。

磁気装置２５０は種々の様式にて実施され得る。例えば、磁気装置２５０は幾らかの実施では永久磁石である。代替的に、磁気装置２５０はその他の実施では電磁石として実施され得る。更に、磁気装置２５０は一つの磁石又は複数の磁石として実施され得る。付随的に、磁気装置２５０の大きさ、数、形態、タイプ及び強度（それらに限定されるものではないが）のような態様は、特定の用途の必要とする条件に適合するように必要に応じて変更され得る。

磁気装置が電磁コイルとして実施される場合、例えば、コイルに迅速に加圧する及び電力を遮断することにより焦点の位置を変更できる。代替的に、同様の結果は、磁気コイルに印加される電圧の極性を迅速に反対にすることによっても達成される。

上記記載と関連して、電磁石、永久磁石、磁気コイル及びより一般的には磁気装置は、磁場を発生するための手段の例示的な構造的な実施を含むことに注目すべきである。従って、同程度の機能を実施することができる任意のその他の構成もまた使用され得る。

図４に示されるように、磁気装置２５０はシールド構造体３００の入口通路３０４Ａに近接したアダプタ１１０の首部１１０Ｂの周囲に例示的に配置されている。そのように配置された磁気装置２５０はカソード１１２により放出された電子の移動経路に影響を与えることが可能であり、それにより焦点の位置の制御を容易にする。しかしながら、図４に示された配置は一例のみであることに注目すべきである。より一般的には、磁気装置２５０は、焦点制御の実施に伝導的である任意のその他の様式にて配置及び配向され得る。

次に、図５及び６を参照すると、一般的に符号５００にて示されるシールド構造体の代替的な実施の種々の態様に関する詳細が提供されている。シールド構造体５００は図２及び３に示されるシールド構造体３００と多くの点において類似しているので、図５及び６の記載は、二つの実施形態の間の違いに主として着眼する。

シールド構造体３００と同様に、シールド構造体５００は内面５０５を有するチャンバ５０４を画定する本体５０２を含む。一般的に、チャンバ５０４は、電子流がカソード１１２からアノード１１４の標的面１１４Ｂを通過することを可能するように構成されている（図１及び４を参照）。チャンバ５０４は、同様に本体５０２により画定される入口通路５０４Ａ及び出口通路５０４Ｂと連通している。入口通路５０４Ａに隣接してソケット５０４Ｃが画定されており、同ソケット５０４Ｃは内径「ａ」を有するアダプタ１１０の一部を受承するように構成されている。

シールド構造体３００の場合と同様に、シールド構造体５００は入口通路径「ｂ」、出口通路径「ｃ」及び最大チャンバ径「ｄ」を画定する。少なくとも幾らかの実施において、上述の直径のそれぞれの値及び一つ以上の直径の別の直径に対する比率は、チャンバ５０４の内面５０５の比較的均一な熱流束分布の達成を容易にするように選択される。シールド構造体のそのような直径及び／又はその他の態様はその他の熱的な効果を同様に達成可能とするように選択され、かつ実施される。

図示された実施において、入口通路径「ｂ」は、アダプタの内径「ａ」よりも小さくなるように選択される。しかしながら、シールド構造体３００の場合とは異なり、シールド構造体５００の出口通路径「ｃ」は、入口通路径「ｂ」とほぼ同じ大きさとなるように選択される一方、出口通路径「ｃ」及び入口通路径「ｂ」のいずれも最大チャンバ径「ｄ」よりも小さくなるように選択される。無論、任意の直径の一つ以上のその他の直径に対する特定の比率は、所望となるように選択され得る。一例として、ｃ／ｄの比は、チャンバ５０４内の所望の熱流束分布を達成することを容易にするために、所望に応じて調整され得る。

チャンバ５０４、入口通路５０４Ａ、出口通路５０４Ｂ及びソケット５０４Ｃの一つ以上がほぼ円形の断面形状以外を有するより一般的な場合において、アダプタと、入口通路と、出口通路と、チャンバとの関係は、それぞれの直径に関してというよりはむしろ、それぞれの断面積に関して表現され得ることに注目すべきである。
ＩＩＩ．図１乃至６の例示的なシールド構造体・焦点制御アセンブリの操作の態様
続いて図１乃至６を参照すると、Ｘ線装置操作環境にて使用されるようなシールド構造体・焦点制御アセンブリ２００（図１乃至４を参照）のような、シールド構造体・焦点制御アセンブリの例示的な実施の種々の操作態様に関する詳細が提供されている。

操作において、電力がカソード１１２に印加され、カソード１１２とアノード１１４との間が高電位となる。カソード１１２に印加された電力により、カソードフィラメントからの電子の熱電子放出が起こり、高電圧が電子をアノード１１４の標的面１１４Ｂに向かって迅速に加速する。電子が標的面１１４Ｂに突き当たると、窓１０８を透過するＸ線が生成される。

標的面１１４Ｂに当たる電子の少なくとも幾らかは同標的面１１４Ｂからカソード１１２及び／又はＸ線装置１００のその他の構造体及び要素に跳ね返った。既に明記したように、そのように跳ね返った電子は、同跳ね返った電子がＸ線装置１００の一部に当たった際に熱に変換されるかなりの運動エネルギーを保持したままである。

しかしながら、シールド構造体３００（図４）の幾何学的形状は、適用可能な操作環境条件及び操作必要条件を考慮してｃ／ｄ比を選択すると、チャンバ３０４の内面の実質的な部分にわたりほぼ均一な熱流束分布を達成することができる。例えば、幾らかの実施において、ｃ／ｄ比が約１．０未満であると、チャンバ３０４の内面３０５におけるほぼ均一な熱流束分布が容易に達成できる。特に、このほぼ均一な熱流束はシールド構造体３００の内部における好ましくない熱集中を低減するとともに、例えば外部冷却システム１２０によりシールド構造体３００から熱が取り除かれる際の効果及び効率を相対的に改善する。

本明細書のその他の箇所に開示されているように、熱流束分布に対する修正及び／又はその他所望の熱的効果の実施は、シールド構造体の一つ以上のパラメータを適切に修正することにより容易に達成され得る。例えば、シールド構造体５００は、シールド構造体３００の出口通路３０４Ｂよりも相対的に小さい直径を有する出口通路５０４Ｂを備えて構成される。従って、シールド構造体５００はチャンバ５０４への電子の跳ね返りが相対的に少なくなるように構成され、内面５０５を通る熱流束を結果として低減する。

シールド構造体・焦点制御アセンブリの例示的な操作態様を引き続き参照して、磁気装置は所望の強度及び方向を有する磁場を発生し、それにより放出した電子の実質的な部分がアノードの標的面まで指定された経路を追従する。磁気装置により与えられる磁場の強度及び方向のような態様を調整可能であるので、焦点の位置の変更は容易に実施され得る。特に、このようにして焦点を移動させることが可能であることにより、操作者は、そうではない場合と比較してより多くの断層撮影による情報を集めることができる。言い換えると、この更なる情報はＸ線装置により実施される評価及び分析における相対的な改善に寄与する。
ＩＶ．シールド構造体・焦点制御アセンブリの代替的な実施の態様
次に図７乃至９に注目すると、図７において符号６００にて示されているシールド構造体・焦点制御アセンブリ６００の代替的な実施に関する詳細が提供されている。シールド構造体・焦点制御アセンブリ６００は、シールド構造体６０２がチャンバを含んでおらず、むしろ電子がカソードからアノードまで通過する開口６０２Ａを画定する電子収集面を画定する内面を有する点において、本明細書に開示されているその他の幾らかの実施形態とは幾分異なっている。図示された実施形態において、同面は、アノードに向かって指向するほぼ凹面の形状を備えて構成されている。

最初に特に図７に注目すると、シールド構造体・焦点制御アセンブリ６００は更に磁気装置６０４（例えば、Ｂ場発生装置として実施される）のような一つ以上の電子操縦装置を含み、同磁気装置は、本明細書に開示されているように、焦点制御機能を実施するために構成されるとともに配置されている。本明細書に開示されているその他の磁気装置の場合と同様に、磁気装置６０４は例えば、電磁石、磁気コイル又は永久磁石として実施される。更に、磁気装置６０４は、幾らかの場合では一つの磁石として、或いは複数の磁石として、実施され得る。付随的に、磁気装置６０４の大きさ、数、形態、型及び強さ（それらに限定されるものではないが）のような態様は、特定の用途が必要とする条件に適合するように必要に応じて変更され得る。磁気装置６０４は焦点制御の実施に対して伝導性である任意の様式にて配置及び配向され得る。同様に構成されたシールド構造体の構造及び操作に関する更なる詳細な説明は、図８及び９と関連して以下に提供される。

次に図８及び９に注目すると、符号７００にて明記されているシールド構造体の例示的な実施に関する詳細が提供されている。シールド構造体７００の例示的な実施形態（図８及び９を参照）は、銅又は銅合金から実質的に構成されている。しかしながら、任意のその他適切な材料も同様に使用可能である。加えて、シールド構造体７００は幾らかの例示的な実施において、カソード缶１０４、アダプタ１１０或いはアノードハウジング１０６と一体的である。従って、本発明の範囲は、シールド構造体７００の任意の特定の実施に制限されるものと解釈されるべきではない。

図８及び９に好適に示されるように、シールド構造体７００は、電子流がカソード１１２からアノード１１４の標的面１１４Ｂまで通過することを可能にする開口７０４を画定する内面７０２を有する本体７０１を含む。開口７０４は入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂを含む。この例示的な実施において、開口７０４、入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂは全てほぼ円形の形状であるが、更に同入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂは互いにほぼ同心円状にある。しかしながら、本発明の範囲はそれに限定されるものではない。例えば、幾らかの実施において、開口７０４、入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂの一つ以上は、卵型のような非円形である幾何学形状を有する。加えて、入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂは互いに同心円状である必要はない。

図示された実施において、内面７０２により画定された開口７０４はアダプタ１０８に取り付けられるべく構成及び配置されたほぼ管状の領域を含む。この実施は例示のみのものであり、本発明の範囲を任意の様式に制限するものであると解釈されるべきではない。例えば、シールド構造体７００の幾らかの実施はそのような管状領域を含んでいない。

図８及び９を続いて参照すると、入口７０４Ａは出口７０４Ｂの面積よりも小さい面積を有する。入口７０４Ａ及び出口７０４Ｂがほぼ円形であるシールド構造体７００の例示的な実施において、これは、入口７０４Ａの直径が出口７０４Ｂの直径と比較して小さいことを意味する。付随的に、図示された実施形態において、内面７０２はほぼ凹状の形態である。図８の断面において最適に示されている一つの例示的な実施において、内面７０２は入口７０４Ａと出口７０４Ｂとの間にて湾曲している。しかしながら、その他の例示的な実施において、内面７０２は別の型の凹状形状にて実施される。特に、内面７０２は、同内面７０２が入口７０４Ａと出口７０４Ｂとの間にてほぼ直線で記載されるようにほぼ円錐台状（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）の断面形状にて実施される。

しかしながら、いずれの場合であっても、シールド構造体の内面７０２は、例えば図８に示されるように、シールド構造体７００をカソード１１２とアノード１１４との間に配置した場合に同アノード１１４の標的面１１４Ｂに指向するとともに同カソード１１２から離れるように構成されている。従って、図８に示されるように、入口７０４Ａはカソード１１２に近接して配置される一方で、出口７０４Ｂはアノード１１４に近接して配置される。本明細書の別の箇所にて更に詳細に記載されているように、そのような配置は種々の有用な示唆を有する。図８に最適に図示されているように、シールド構造体７００はまた、入口７０４Ａ付近に配置されたソケット７０５を画定する。ソケット７０５は、図示されるように、アダプタ１１０の一部と嵌合するように一般的には構成かつ配置されている。

付随的に、シールド構造体７００の少なくとも幾らかの実施は、ほぼ環状である一つ以上の延長面７０６を含む。図示された実施形態において、延長面７０６の各々はほぼ長方形の断面を画定するが、本発明の範囲はそれらに限定されるものではない。むしろ、延長面７０６のサイズ、形状、間隔、配置及び方向（それらに限定されるものではないが、）のような態様は、特定の用途が必要とする条件に適するように必要に応じて変更され得る。

図面が示すように、延長面７０６は一つ以上の流体通路７０８を少なくとも部分的に画定するために、互いに協働している。幾らかの実施において、ハウジング７１０（図８を参照）は、シールド構造体７００をその内部に受承すべく設けられる。そのような実施の少なくとも幾らかにおいて、流体通路７０８はシールド構造体７００の延長面７０６とハウジング７１０とにより協働的に画定されている。任意の場合、流体通路７０８は、シールド構造体７００の対流的かつ伝導的冷却が可能となるように、同シールド構造体７００の一部と接触して指向されている適切な冷却システム（図示しない）により冷却剤の流れが生成かつ提供されるように構成かつ配置されている。この目的のために、シールド構造体の例示的な実施は、少なくとも一つの冷却剤入口ポート及び少なくとも一つの冷却剤出口ポートを更に画定するか、或いはそうでなければ含み、両者は流体通路７０８と流体連通される。

ハウジング７１０により詳細に注目すると、シールド構造体７００の幾らかの例示的な実施形態は、同シールド構造体７００がハウジング７１０と一体的であるように構成されており、同ハウジング７１０は、同様に、カソード缶１０４及びアノードハウジング１０６の一つ又は両方に溶接又はロウ付け等にて取り付けられて構成されている。しかしながら、更に別の実施において、シールド構造体７００及びハウジング７１０は別々の構造体である。シールド構造体７００に類似したハウジング７１０は例示的には銅又は銅合金にて構成されているが、ハウジング７１０の構造と同様に、その他の適切な材料も使用可能である。

既に明記したように、ハウジング７１０の幾らかの実施は、シールド構造体の冷却を容易にする一つ以上の流体通路を画定するために、シールド構造体７００と協働する。そのような冷却を更に容易にするために、ハウジング７１０の幾らかの例示的な実施は、同ハウジング７１０の外部に複数の延長面（図示しない）を付随的に含み、それによりＸ線装置１００が冷却剤リザーバ（図１を参照）に浸漬される実施において、同ハウジング７１０の延長面は冷却剤と接触し、かつシールド構造体７００から冷却剤リザーバの冷却剤に熱を移動させる。

更なるその他の実施において、ハウジング７１０はシールド構造体７００が同ハウジング７１０内にて部分的にのみ受承されるように構成される。これらの実施の幾らかにおいて、ハウジング７１０の外側に留まっているシールド構造体７００の部分は、冷却剤リザーバ内に含まれる冷却剤と実質的に接触するように構成及び配置された複数の延長面を含む。
Ｖ．図７乃至９の代替的なシールド構造体・焦点制御アセンブリの操作の態様
図７乃至９を続いて参照し、かつ図１も同様に注目すると、Ｘ線装置１００の操作環境にて使用されるシールド構造体７００の例示的な実施の種々の操作的な態様に関する詳細が提供されている。

操作において、電力がカソード１１２に印加され、カソード１１２とアノード１１４との間が高電位となる。カソード１１２に印加された電力により、カソードフィラメントからの電子の熱電子放出が起こり、高電圧が電子をアノード１１４の標的面１１４Ｂに向かって迅速に加速する。電子が標的面１１４Ｂに突き当たると、窓１０８を透過するＸ線が生成される。

標的面１１４Ｂに突き当たる電子の少なくとも幾らかは同標的面１１４Ｂからカソード１１２及び／又はＸ線装置１００のその他の構造体及び要素に跳ね返った。既に明記したように、そのように跳ね返った電子は、同跳ね返った電子がＸ線装置１００の一部に当たった際に熱に変換されるかなりの運動エネルギーを保持したままである。しかしながら、シールド構造体７００の入口７０４Ａは出口７０４Ｂと比較して小さいので、跳ね返った電子の多くはカソード１１２ではなく内面７０２に害を及ぼさない形にて当たる。従って、シールド構造体７００の形態及び配置は、カソード１１２のようなＸ線装置１００の感受性の高い構成要素に当たる可能性のある跳ね返り電子又は後方散乱電子の数を低減し、それによりカソード１１２にかかる熱負荷、及び結果としてカソード１１２が過剰な熱により損傷を受ける可能性を低減する。

付随的に、アノード１１４に指向するとともにカソード１１２から離れるようなシールド構造体７００の内面７０２の配置は、典型的な幾らかのシールド構造体の入口にて起こる熱集中を減衰する。より詳細には、跳ね返った電子は内面７０２の様々な位置に当たる傾向があるので、そのような跳ね返り電子の衝撃により生成される熱負荷は、内面７０２に比較的に均等に分散される。

これに対し、典型的なシールド構造体は、カソード１１２及びアノード１１４に対して相対向した位置関係にて配置されており、結果として、そのような配置において、跳ね返った電子の大部分は比較的小さな開口出口に直接的に隣接する構造体に当たり、この開口出口付近の熱負荷を集中する。本明細書のその他の箇所にて明記されているように、この問題は、開口出口のサイズが小さいので、比較的限られた数の跳ね返り電子のみがこの開口を通過可能であるという事実により更に悪くなる。

図８及び９に示されるシールド構造体７００の形態及び配置に関連した態様は、入口７０４Ａが、典型的なシールド構造体の形態及び配置と比較した場合、アノード１１４の標的面１１４Ｂから比較的遠い位置に配置されているので、標的面１１４ＢにおいてＸ線の発生により入口７０４Ａにかかる熱負荷が低減されるものである。特に、シールド構造体７００の実施形態により達成される熱負荷の分配及び／又は低減は、Ｘ線装置１００及び関係した構造体において、破壊的な熱的応力及びひずみの相対的な低減並びにその結果としての効果に寄与する。

シールド構造体７００の形態及び配置の更なるその他の態様は、Ｘ線装置において時として発生するアーク放電のような異常電流の影響に関係する。本明細書中において上記したように、吸収されたガスのガス放出がＸ線装置において多くの場合起こり、更に、そのようなガス放出は、イオン化されたガスがカソードとアノードの間の非常に強い電場の領域に存在している場合はアーク放電が起こる。より詳細には、ガス放出は、Ｘ線装置により実施される照射操作時に一般的には起こる。照射と照射の間に、ガスは、シールド構造体の内面のようなＸ線構成要素の表面にて回収される。照射が始まると、ガスはイオン化し、典型的なシールド構造体の配置の結果として、同イオン化されたガスは電場の高強度の領域、即ち、カソード付近に集中される傾向にある。イオン化ガスの存在は、強い電場と組み合わせられて、アーク放電及び／又はその他の望ましくない異常電流の効果を引き起こす。

しかしながら、シールド構造体７００の実施形態は、ガスが存在する可能性のある内面７０２のかなりの部分がカソード１１２よりもアノード１１４に近くなるように構成かつ配置されている。上記記載と関連して、カソード１１４からの距離が増大すると、電場の強度が一般的には低減することを既に明記した。特に、シールド構造体７００の実施は、同シールド構造体７００の例示的な実施形態の構成及び配置が、ガス放出の結果として発生したイオン化ガスの集中が電場の低い強度の領域にて一層高くなるように構成さている点において、典型的なシールド構造体とは対照的である。従って、シールド構造体７００の実施は、Ｘ線装置１００におけるガスのアーク放電の相対的な低減に寄与する。

シールド構造体７００の実施形態は、同様にその他の様式においてもＸ線装置１００の性能の改善に寄与する。特に、Ｘ線装置１００の操作時に、シールド構造体７００の例示的な実施形態と接続して画定された流体通路を流れる冷却剤の循環は、同Ｘ線装置１００から熱を取り除き、それによりＸ線装置１００及びその構成部品の熱に起因する損傷の可能性を低減する。シールド構造体７００の幾らかの実施形態における延長面及び同様の構造体の存在は、そのような熱の除去を更に促進し、かつ同除去に貢献する。

記載された実施形態は、全ての点において、例示のみのためのものであり、限定的なものではないと解釈されるべきである。従って、本発明の範囲は、上記詳細な説明よりはむしろ添付された特許請求の範囲に示されている。特許請求の範囲と同等である意味及び範囲内にある全ての変更は、これらの範囲内に包含されるべきである。

Ｘ線装置に接続して使用されるものとしての例示的なシールド構造体・焦点制御アセンブリの態様を図示する平面図である。 複数の延長面を含むシールド構造体の例示的な実施の態様を図示する斜視図である。 図２に示されたシールド構造体の断面図である。 Ｘ線装置に使用されるものとしてのシールド構造体・焦点制御アセンブリの代替的な実施の態様を図示する部分断面図である。 複数の延長面を含むシールド構造体の代替的な実施の態様を図示する斜視図である。 図５に示されたシールド構造体の断面図である。 Ｘ線装置に接続して使用されるものとしてのシールド構造体・焦点制御アセンブリの代替的な実施の態様を図示する断面図である。 図８に開示される代替的なシールド構造体・焦点制御アセンブリの更なる態様を図示する断面図である。 図７及び８に開示された代替的なシールド構造体の実施の斜視図である。

Claims (15)

1. カソードとアノードが配置された真空エンクロージャを有するＸ線装置と接続して使用するのに適したシールド構造体であって、前記カソード及びアノードは、同アノードの標的面が前記カソードにより放出される電子を受承すべく配置されて構成されており、かつ前記シールド構造体が前記カソードと前記アノードの標的面との間に介装されて構成されているシールド構造体において、前記シールド構造体は、
   前記カソードから前記アノードの標的面まで電子が通過するチャンバを画定する本体と、
   前記本体に取り付けられる少なくとも一つの延長面と、を備え、
   前記本体は前記チャンバと連通する入口通路と出口通路とを更に画定し、かつ前記入口通路及び出口通路はいずれも前記チャンバの最大断面積よりも小さい断面積を有する、シールド構造体。
2. 前記入口通路の断面積は前記出口通路の断面積と同じである、請求項１に記載のシールド構造体。
3. 前記入口通路の断面積は前記出口通路の断面積よりも小さい、請求項１に記載のシールド構造体。
4. 前記シールド構造体は、銅及び銅合金のうちの一方からなる、請求項１に記載のシールド構造体。
5. 前記シールド構造体は、少なくとも部分的に流体通路を画定する、請求項１に記載のシールド構造体。
6. 前記本体及び前記少なくとも一つの延長面は、少なくとも部分的に流体通路を画定するために互いに協働する、請求項１に記載のシールド構造体。
7. 前記少なくとも一つの延長面は、複数の環状の延長面を含む、請求項１に記載のシールド構造体。
8. Ｘ線装置であって、
   真空エンクロージャと、
   アノード及びカソードであって、前記アノードの標的面が前記カソードにより放出される電子を受承すべく前記エンクロージャ内にて離間して配置されているアノード及びカソードと、
   前記アノード及び前記カソードの間に介装されるシールド構造体であって、前記カソードから前記アノードの標的面まで電子が通過するチャンバを画定するとともに前記チャンバと連通する入口通路と出口通路とを更に画定するシールド構造体と、前記入口通路及び前記出口通路はいずれも前記チャンバの最大断面積よりも小さい断面積を有することと、
   磁場を発生する手段であって、前記アノードの標的面上の焦点の位置を制御及び調整することを可能にするために操作される手段と、
   を備えるＸ線装置。
9. 前記アノードは前記Ｘ線装置の操作時には接地電位である、請求項８に記載のＸ線装置。
10. 前記入口通路の断面積は前記出口通路の断面積と同じである、請求項８に記載のＸ線装置。
11. 前記入口通路の断面積は前記出口通路の断面積よりも小さい、請求項８に記載のＸ線装置。
12. 前記シールド構造体は、銅及び銅合金のうちの一方からなる、請求項８に記載のＸ線装置。
13. 前記シールド構造体は、少なくとも部分的に流体通路を画定する、請求項８に記載のＸ線装置。
14. 前記シールド構造体は少なくとも一つの延長面を含む、請求項８に記載のＸ線装置。
15. 前記磁場を発生させる手段は、前記シールド構造体の入口通路に近接して配置される少なくとも一つの磁気装置を含む、請求項８に記載のＸ線装置。

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