JP5266310B2 - Ｘ線源 - Google Patents

Description

当該発明は、Ｘ線の陰極を包含するものであるＸ線源に関係する。

Ｘ線は、しばしば陰極及び陽極を包含するものである真空管の形態で、Ｘ線源によって頻繁に発生させられたものである。陰極からの電子は、強い電場によって陽極に向かって加速されたものであると共に陽極との衝突でＸ線を発生させる。これらは、典型的にはベリリウムの、窓を通じてＸ線管の外へ通過する。

電子は、陰極を加熱することによる陰極からの熱電子の放出によって放出されたものである。高い出力の管のために、陰極は、典型的には、それが、十分な熱電子の放出を達成するために使用されたものであるところの高い温度（２４００Ｋ）で安定なものであるという利点を有するところの、タングステンのものであることがある。２４００Ｋでさえも、タングステンは、溶融する又は変形するものではない。これらの高い温度で、熱の放射は、顕著なものであると共に、そのように、陰極は、熱の放射によって効果的に平衡に達することができる。

Ｘ線解析のための存在するものであるＸ線管の記載は、ＥＰ５５３９１３に提供されたものである。

タングステンの陰極での不都合は、顕著な電力が、要求された高い温度を達する及びそれを維持するために必要とされたものであるというものである。顕著な冷却をすることは、また、要求されたものである。その上、蒸発は、順番にＸ線のパワーを低減すると共にＸ線スペクトルを汚染することがあるところの窓の汚染に帰着するものである、高い温度で起こることができる。

これの理由のために、あるものは、より低い温度で電子を放出するところの代替の陰極の材料における関心である。これの目的を達成するために、タングステンの陰極は、１１００Ｋのより低い温度での熱電子の放出に帰着するところのバリウムの酸化物でコートされたものであることがある。これらの温度で、材料の蒸発は、無視できるものであると共に、管の電力及び冷却することの要件は、それによって低減されたものである。

しかしながら、バリウムの酸化物のコーティングは、脆弱なものであると共に、強い電場における正のイオンからのスパッタリングによって影響を及ぼされたものであることができる。その上、使用されたより低い温度では、あるものは、より少ない熱の放射であると共に、そのように、陰極の全ての領域が同じ温度にあるものであることを保証することは、はるかにより困難なものになるものである。不等の温度は、順番に、不明確なＸ線のスポットに至るところの一様でないＸ線の放出に帰着することができる。さらに、タングステンのワイヤーへのコーティングの不等の結合をすることは、また、陽極からの不等のＸ線の放出に帰着する。これの理由のために、発明者が、承知のものである範囲までは、バリウムの酸化物は、分析の用途のための高い出力のＸ線管において使用されてきたものではない。

欧州特許出願第５５３９１３号明細書

このように、残るものは、相対的に低い陰極の温度及び高いＸ線の出力で動作するできるところのＸ線源についての要望である。

当該発明のある態様に従った、提供されたものは、付記１に従ったＸ線源である。

ワイヤーの放出ループのまわりの螺旋のワイヤー、及び、ワイヤーのこれの構成物におけるエミッターのコーティング、を備えた陰極を使用することによって、ワイヤーへのコーティングの接触（即ち、結合することの強さ）は、はるかに改善されたものである。

熱的なループは、放出ループ及びワイヤーの末端の間に提供されたものであることがある。使用におけるワイヤーの温度は、熱的なループ無しの単純な配置を使用するものであるときと比べてはるかにより良好に平衡させられたものである。

ワイヤーは、過度の熱伝達を回避するためのワイヤーの放出ループと比べてより細いものであることがあるところの支持ループに支持されたものであることがある。

図１は、当該発明の実施形態において使用された陰極の透視図を示す。 図２は、図１の陰極を組み込むものである、ある実施形態に従ったＸ線源の側面図を示す。 図３は、図１の陰極の詳細を示す。 図４は、図１に従った陰極のＸ線のスポット及び二つの比較の例を図解する。 図５は、図１の陰極についての時間にわたるＸ線の出力のグラフ及び比較の例である。

当該発明の実施形態は、
図１は、当該発明の実施形態において使用された陰極の透視図を示す；
図２は、図１の陰極を組み込むものである、ある実施形態に従ったＸ線源の側面図を示す；
図３は、図１の陰極の詳細を示す；
図４は、図１に従った陰極のＸ線のスポット及び二つの比較の例を図解する；及び
図５は、図１の陰極についての時間にわたるＸ線の出力のグラフ及び比較の例である：
ところの付随するものである図面への参照と共に、純粋に例の方式によって、今、記載されたものであることになる。

同様の又は類似の構成部品は、概略的なもの及び一定の縮尺ではないものであるところの、異なる図において同様の参照数字が与えられたものである。

図１を参照することで、Ｘ線管のための陰極２は、示されたものである。陰極は、隣接して配置されたものであるところの第一の末端６及び第二の末端８の間で延びるものである単一の長さのタングステンのワイヤー４から形成されたものである。陰極は、放出ループ１０並びにそれぞれの第一の及び第二の末端６、８の間における第一の及び第二の熱的なループ１２、１４を備えた、円形の放出ループ１０の形態を有する。第一の及び第二の熱的なループ１２、１４の各々は、換言すると円形の後に続くものである、Ｕの脚１６が放出ループに対して平行に延びるものである、ワイヤーのＵ状に整形されたループで形成されたものである。用語“熱的なループ”は、ループの機能が、放出ループ１０及びワイヤーの末端６、８の間におけるいくらかの熱的な抵抗を提供するものであるので、使用されたものである。

図２を参照することで、陰極２は、中央の陽極２０を取り巻くものである放出ループ１０と共に配置されたものである。壁２２は、陽極２０及び陰極２の間で陽極２０のまわりに延びる。壁２２は、無いものが、陰極及び陽極の間における直通の一直線の経路であるというように、障害物として作用する。例において、陽極の表面２０は、ロジウムのものであるが、しかし、代替の材料は、要求されたものであるとすれば、使用されたものであることがある。陰極のワイヤーの末端６、８は、使用における放出ループ１０と熱的に平衡させられたものではないものであるところの支持体に取り付けられたものである。

熱的なループに対する追加において、追加的な細い支持ワイヤーは、放出ループのまわりに一様に間隔を空けられて配置された、放出ループを支持するために使用されたものである。これらは、均質な温度分布を実現するための長さ、厚さ、及び場所を備えた選択されたものである。特定したものにおいて、支持ワイヤー２３は、それらが、単位面積当たりの多いような熱を伝導させるものではないというように、タングステンのワイヤー４と比べてより細いものになされたものであることがある。しかしながら、支持ワイヤー２３は、熱的なループ無しに作られたものであることがあると共に、そのように、それらは、それらが、放出ループ並びに第一の及び第二の末端６、８の間における熱的なループとして単位時間当たりの類似の、低い、熱の流れを通過させるというように、より短い有効な長さを有する。このように、支持ワイヤー２３は、有効な長さ及び厚さの間におけるこれのトレードオフの結果としての熱的なループの熱的な抵抗の８０％から１２０％までの中の熱的な抵抗を有することがある。

これの方式において、相対的に均質な温度分布は、放出ループ１０の全長のまわりで達成されたものであることがある。

熱的なループ１２、１４の効果は、放出ループ１０及び末端６、８の間におけるワイヤーの長さを増加させることによって熱的に末端６、８への放出ループ１０を分断することである。

陰極２及び陽極２０は、陽極２０に面するものであるベリリウムの窓２６を備えた真空ハウジング２４の内側に配置されたものである。ハウジング２４は、排気されたものである。

図３は、陰極２のタングステンのワイヤー４の精密な詳細を図解する。第二のタングステンのワイヤー３０は、第一のタングステンのワイヤー４のまわりに螺旋に配置されたものである。バリウムの酸化物のコーティング３２は、ワイヤーの構成物に配置されたものである。例において、あるものは、螺旋のワイヤーの個々のひと巻きの間における小さいギャップであると共に、コーティング３２は、表面にわたってのみならずこれらのギャップの中へと延びる。これは、コーティング３２及びワイヤー４、３０の間における強い結合及び良好な化学的な接触を作り出すことが信じられたものである。

例において、放出ループ１０は、直径において３８ｍｍの円形のループである。各々の熱的なループ１３、１４は、３０ｍｍの長さのものである。より内側のタングステンのワイヤー４は、２５０μｍの直径を有すると共に、第二の螺旋のワイヤー３０は、２９μｍの直径のものである。螺旋のピッチは、（３５−２９）＝６μｍの小さいギャップに至るものである、例においては３５μｍである。コーティングの厚さは、１０μｍである。放出ループは、例においては１００μｍの直径及び５ｍｍの長さを有したところの三つの支持ワイヤー２３によって支持されたものであった。

当技術において熟練した者が、認識することになるように、これらの測定は、変動させられたものであることができる。典型的には、放出ループ１０は、
最大の線形の寸法、即ち、１ｍｍから５００ｍｍまでの、典型的な実施形態においては５ｍｍから１５０ｍｍまでの、円形の場合における直径、を有することになる。ワイヤーの長さは、例については、１５ｍｍから１５００ｍｍまでのものであることがある。熱的なループ１４、１６は、２及び１７０ｍｍの間におけるワイヤーの長さを有することがある。より内側のワイヤー４は、５０μｍから９００μｍまでの直径を有することがあると共に、より外側の螺旋のワイヤー３０は、１μｍから５００μｍまでの直径を有することがある。より外側の螺旋のワイヤー３０のピッチは、そのようにピッチが好ましくは２９μｍから５８μｍまでのものである例におけるもののような直径２９μｍの螺旋のワイヤーについては、少なくともより外側の螺旋のワイヤー直径の１０倍までの、好ましくはより外側の螺旋のワイヤーの直径の二倍までの、より外側の螺旋のワイヤーの直径であるべきである。コーティングの厚さは、０．５μｍからより内側のワイヤーの直径の５０％までのものであることがある。より外側の螺旋のワイヤーは、より内側のワイヤーへきつく結び付けられたものであることがある、又は、例については、０からより内側のワイヤーの直径の２０％まで、それから間隔を空けられたものであることがある。支持ワイヤーは、例については、２０から５００μｍまでの直径のもの、及び、例については、２ｍｍから３０ｍｍまでのいずれの適切な長さのものであることがある。支持ワイヤーは、特定のものにおいては、より内側のワイヤーのものの、２０％から８０％まで、又は、２０％から５０％まで、の直径を有することがある。

熱的なループの各々の脚の長さは、放出ループの長さの１０％から４０％までであることがある。放出ループは、円形の円周のまわりに少なくとも３００°だけ延びるものである、円形の形態における陽極のまわりに延びることがある。

使用において、高い電圧は、陽極２０及び陰極２の間に適用されたものである。電圧は、例については、２０から６０ｋｅＶまでのものであることがある；他の電圧は、要求されたものであるとすれば、使用されたものであることがある。好ましくは、これは、ＥＰ６０８０１５に詳しく説かれたように、陰極への小さい正の電圧及び陽極への大きい正の電圧を適用することによってされたものである。電子２７は、陰極２によって熱的に放出されたものであると共に、それらが、Ｘ線２８が放出されたものであることを引き起こすところの陽極２０に命中する。放出されたＸ線は、窓２６を通じて外に通過する。

発明者は、熱的なループ、螺旋のワイヤー、及びコーティングの組み合わせが、高度に望ましい結果を生じさせることを発見してきた。

ＢａＯの使用は、先行技術のタングステンの陰極と比べてより低い温度での熱電子の放出を許容する。ＢａＯが第二のタングステンのワイヤーの螺旋に形成されたものであるところの方式は、ＢａＯの安定性を増加させる。試験された例においては、コーティングが、５０％のＢａＯ及び５０％のＳｒＯの混合物であることを留意すること；ＢａＯは、低い温度の放出のための原因であるものであると共に、これの理由のためにコーティングは、ＢａＯのコーティングと称されたものである。

発明者は、当該発明に従った陰極、ＢａＯのコーティングがタングステンのワイヤーへ直接的に適用されたものであるところの代替のＢａＯの陰極、及び、ＢａＯのコーティング無しのタングステンの陰極を試験してきた。Ｘ線のスポットは、結像させられてきたものである。図４は、これらの三つの場合を図解する−左の画像は、タングステンの陰極からのもの、真ん中の画像は、代替のＢａＯの陰極からのもの、及び、右の画像は、当該発明からのもの、である。

当該発明に従った陰極が、コーティング及び巻き付けられたワイヤーの間における一様な温度分布及び良好な結合をすることの理由のために、非常に一様なＸ線のスポットを届けることは、見てとられたものであることになる。対比において、ＢａＯのコーティングを備えた従来のＸ線の陰極は、より乏しい結果を与えるであろうものであるところのスポットの欠落する部分を備えた一様でないスポットを生じさせる。

さらに、当該発明に従った陰極の寿命は、従来のタングステンの陰極と比べて相当により長いものである。タングステンの蒸発の欠如は、時間にわたった安定なＸ線の出力に帰着する。図５は、当該発明に従った管（上部の線）及びタングステンの陰極を備えた存在する管のＸ線の出力を図解する。

当該発明の実施形態の記載が、より内側のワイヤー４及び螺旋のワイヤー３０の両方についてのタングステンの使用を記載するとはいえ、白金、レニウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、タンタル、パラジウム、ニオブ、オスミウム、又はハフニウム、及び、他の耐火性の材料を包含するものである、代替の材料は、また、使用されたものであることがある。使用された材料は、また、そのような金属の組み合わせ及び／又は合金であることがある。

また、バリウムの酸化物は、唯一の低い温度のＸ線のエミッターではないものであるが、しかし、イットリウムの酸化物、ランタンの六ホウ酸塩（ＬａＢ_６）、ＴｈＢ_４、ドープされたタングステン、ドープされたバリウムの酸化物、及び混合物、カーボンナノチューブ、並びに、４ｅＶより下の仕事関数を備えた他の材料は、また、使用されたものであることがある。そのような材料は、ＬａＢ_ｘ、即ち、非化学量論的な式というような式によって、表されたものであることがある。エミッターのコーティングは、また、カルシウムの酸化物、ストロンチウムの酸化物、アルミニウムの酸化物、又はケイ素の酸化物というような充填材を包含することがある。

円形のみならず、放出ループは、線、矩形のもの、若しくは卵形、又は、“ヘアピン”の形状、長い“Ｕ”の形状というような、他の形態を有することができる。

リング、陰極及び陽極を備えた具体的な配置は、また、自由選択のものであると共に、陰極に面するものである又はそれどころか他の構成における、陽極は、また、例については、配置されたものであることができる。

“Ｘ線源”によってＸ線のいずれの源も、それが、封止された管を包含するものであろうとなかろうと、意図されたものである。

［付記］
付記１．
陽極；
陽極を取り巻くものである放出ループを有するものである陰極；及び
それにおいて、陰極は、
第一の末端及び第二の末端の間で延びるものである耐火性の金属の第一のワイヤー；
少なくとも放出ループの長さにわたって第一のワイヤーのまわりに延びるものである及びそれを覆うものである耐火性の金属の第二のワイヤーの螺旋；並びに
少なくとも放出ループの長さにわたってワイヤーを覆うものであるコーティング、
コーティングが、４ｅＶより下の仕事関数を有すること
：を包含すること；
：を含むものである、Ｘ線源であって、
それにおいて、耐火性の金属の第一のワイヤーは、放出ループ及び第一の末端の間における第一の熱的なループ、並びに、放出ループ及び第二の末端の間における第二の熱的なループを包含する、Ｘ線源。

付記２．付記１に従った陰極であって、それにおいて、第一の及び第二の熱的なループの各々は、放出ループに対して平行に延びるものであるループ要素の対を含む、陰極。

付記３．いずれかの先行するものに従ったＸ線源であって、さらに、放出ループを支持するものである少なくとも一つの支持ワイヤーを含むものであると共に、それにおいて、支持ワイヤーは、より低い熱伝導性を有するための第一のワイヤーと比べてより細いものであるＸ線源。

付記４．付記４に従ったＸ線源であって、それにおいて、支持ワイヤーは、第一のワイヤーの直径の１０％から８０％までの範囲における直径を有する、Ｘ線源。

付記５．いずれかの先行するものである付記に従った陰極であって、それにおいて、熱的なループの各々のループ要素の長さは、放出ループの長さの１０％から４０％までである、陰極。

付記６．いずれかの先行するものである付記に従ったＸ線源であって、さらに、陽極及び陰極の間における直通の一直線の経路を回避するために陽極及び陰極の間に陽極のまわりに周囲に延びるものである壁を備えたリングを含むものである、Ｘ線源。

付記７．いずれかの先行するものである付記に従ったＸ線源であって、それにおいて、陰極のワイヤーにおけるコーティングは、バリウム、イットリウム、トリウム、オスミウム、ルテニウム、若しくはスカンジウムの少なくとも一つの酸化物又は金属のフィルム、又はＴｈＢ_ｘ、Ｂａ_ｘＳｃ_ｙＯ_ｚ、ＬａＢ_ｘを含む、Ｘ線源。

付記８．付記７に従ったＸ線源であって、それにおいて、陰極におけるコーティングは、ＢａＯを含む、Ｘ線源。

付記９．いずれかの先行するものである付記に従ったＸ線源であって、それにおいて、陰極の第一の及び第二の末端は、隣接のものである、Ｘ線源。

付記１０．いずれかの先行するものである付記に従ったＸ線源であって、それにおいて、陰極の第一の及び第二のワイヤーは、タングステンのものである、Ｘ線源。

Claims (10)

1. 陽極；
   前記陽極を取り巻くものである放出ループを有するものである陰極；及び
   前記陰極は、
   第一の末端及び第二の末端の間で延びるものである耐火性の金属の第一のワイヤー；
   少なくとも前記放出ループの長さにわたって前記第一のワイヤーのまわりに延びるものである及びそれを覆うものである耐火性の金属の第二のワイヤーの螺旋；並びに
   少なくとも前記放出ループの長さにわたって前記ワイヤーを覆うものであるコーティング、
   前記コーティングが、４ｅＶより下の仕事関数を有すること
   ：を包含すること；
   ：を含むものである、Ｘ線源であって、
   前記耐火性の金属の第一のワイヤーは、前記放出ループ及び前記第一の末端の間における第一の熱的なループ、並びに、前記放出ループ及び前記第二の末端の間における第二の熱的なループを包含すると共に、
   各々の熱的なループは、前記放出ループ及びそれぞれの末端の間に熱的な抵抗を提供するＸ線源。
2. 請求項１に従ったＸ線源であって、
   前記第一の及び第二の熱的なループの各々は、前記放出ループに対して平行に延びるものであるループ要素の対を含む、Ｘ線源。
3. 請求項１又は２に従ったＸ線源であって、
   さらに、前記放出ループを支持するものである少なくとも一つの支持ワイヤーを含むものであると共に、
   前記支持ワイヤーは、より低い熱伝導性を有するための前記第一のワイヤーと比べてより細いものである、Ｘ線源。
4. 請求項３に従ったＸ線源であって、
   前記支持ワイヤーは、前記第一のワイヤーの直径の１０％から８０％までの範囲における直径を有する、Ｘ線源。
5. 請求項１から４までのいずれかに従ったＸ線源であって、
   前記熱的なループの各々のループ要素の長さは、前記放出ループの長さの１０％から４０％までである、Ｘ線源。
6. 請求項１から５までのいずれかに従ったＸ線源であって、
   さらに、陽極及び陰極の間における直通の一直線の経路を回避するために前記陽極及び前記陰極の間に前記陽極のまわりに周囲に延びるものである壁を備えたリングを含むものである、Ｘ線源。
7. 請求項１から６までのいずれかに従ったＸ線源であって、
   前記陰極のワイヤーにおける前記コーティングは、バリウム、イットリウム、トリウム、オスミウム、ルテニウム、若しくはスカンジウムの少なくとも一つの酸化物又は金属のフィルム、又はＴｈＢ_ｘ、Ｂａ_ｘＳｃ_ｙＯ_ｚ、ＬａＢ_ｘを含む、Ｘ線源。
8. 請求項７に従ったＸ線源であって、
   前記陰極における前記コーティングは、ＢａＯを含む、Ｘ線源。
9. 請求項１から８までのいずれかに従ったＸ線源であって、
   前記陰極の前記第一の及び第二の末端は、隣接のものである、Ｘ線源。
10. 請求項１から９までのいずれかに従ったＸ線源であって、
    前記陰極の前記第一の及び第二のワイヤーは、タングステンのものである、Ｘ線源。

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