JP6061917B2 - 接触帯電によりｘ線を生成する装置 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１１年５月３日に提出された米国仮特許出願第６１／４８２，０３１の優先権を主張する。同仮特許出願は、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本願発明は、米国陸軍医学研究司令部から与えられた米国連邦政府補助金第Ｗ８１ＸＷＨ−１０−１−１０４９号の援助を受けてなされた。米国連邦政府は本願発明に関する一定の権利を有する。

本願発明の分野は、摩擦Ｘ線源およびシステムに関する。

初期のＨａｕｋｅｓｂｅｅ（Ｆ．Ｈａｕｋｅｓｂｅｅ，Ｐｈｙｓｉｃｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｕｂｊｅｃｔｓ（Ｌｏｎｄｏｎ：１７０９））の静電装置からｖａｎ ｄｅｒ Ｇｒａａｆの自身の名前に基づいた名称を持つ生成器まで３世紀に亘って、摩擦電気は高い静電電位の生成源として基礎科学研究に用いられ続けてきたが、当該主題においては第一原理的アプローチが不在のままとなっている（Ｍ．Ｓｔｏｎｅｈａｍ，Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ Ｓｉｍｕｌ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．１７，０８４００９（２００９））。静電生成器は２つの材料が互いに摩擦接触して擦れ合った時に生成される統合された電荷を蓄積する。選択される材料は、帯電する材料および電荷の極性の特性を示す、実験に基づき抽出されたリストである帯電列において互いに最も離れたものである（Ｐ．Ｅ．Ｓｈａｗ，Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ ９４，１６（１９１７））。２つの材料の接触点おいて、摩擦帯電の程度は、当該材料の周囲の気体をイオン化し、摩擦ルミネセンスを引き起こす程である。粘着（ＰＳＡ）テープを剥離する際に観察される摩擦ルミネセンスは長くに亘って科学の興味の対象であり（Ｅ．Ｎ．Ｈａｒｖｅｙ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ８９，４６０（１９３９））、静電に関する研究に起源を有する。テープが剥離されると、剥離されたばかりの領域の表面に、１０１２ｅ ｃｍ^−２（ｅは電子の基本的な電荷である）の電荷密度が曝され、続いて放出される（Ｃ．Ｇ．Ｃａｍａｒａ，Ｊ．Ｖ．Ｅｓｃｏｂａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｈｉｒｄ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ｎａｔｕｒｅ ４５５，１０８９（２００８））。〜１０ミリＴｏｒｒの真空度でテープが剥離されると、生成された摩擦ルミネセンスは、Ｘ線エネルギーにまで拡大することが分かっている（Ｖ．Ｖ．Ｋａｒａｓｅｖ，Ｎ．Ａ．Ｋｒｏｔｏｖａ ａｎｄ Ｂ．Ｗ．Ｄｅｒｙａｇｉｎ，Ｄｏｋｌ．Ａｋａｄ．Ｎａｕｋ．ＳＳＲ ８８ ７７７（１９５３））。より最近になって（Ｃａｍａｒａら、同文献）、真空でテープを剥離する際の摩擦帯電には２つの時間尺度があることが分かった。１つ目は静電生成器および旧来からの静電に関する実験に共通のものであり（Ｗ．Ｒ．Ｈａｒｐｅｒ，Ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９６７））、テープの表面上において平均１０１０ｅ ｃｍ^−２の電荷密度が維持されることになる長い時間尺度のプロセスである。２つ目は、１０１２ｅ ｃｍ^−２の電荷密度であるナノ秒のプロセスである。加えて、テープの剥離によって放出されるＸ線は、人の指節間の間隔を分析出来る程、剥離の線においてそれ自体で十分にコリメートされていることが分かっている。ナノ秒レベルのＸ線パルスを放射することにより、放射領域の推定を計算出来た。続く、幅が１．５ｍｍのＰＳＡテープを剥離した研究によって、プロセスが３００μｍ未満の寸法において起こることが確認された（Ｃ．Ｇ．Ｃａｍａｒａ，Ｊ．Ｖ．Ｅｓｃｏｂａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｈｉｒｄ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ ９９，６１３（２０１０））。

摩擦電気に関するこの最近の研究を支持しているのは、異なる材料間、特にポリマー間で電荷がどのように移動するかという疑問に改めて関心が集まっているという事実である。特に興味深いのは、互いに似通ったポリマー同士が互いに帯電するという報告である（Ｍ．Ｍ．Ａｐｏｄａｃａ，Ｐ．Ｊ．Ｗｅｓｓｏｎ，Ｋ．Ｊ．Ｍ．Ｂｉｓｈｏｐ，Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４９，９４６（２０１０））。さらに基本的には、移動する粒子がイオンであるのか（Ｌ．ＭｃＣａｔｈｙ ａｎｄ Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４７，２１８８（２００８））、電子であるのか（Ｈａｒｐｅｒ、同文献）という数世紀にも亘る実験研究にも関わらず依然として議論されている未解決の問題である。摩擦帯電を引き起こす電荷担体が電子であるかイオンであるかに関わらず、非常に高い電荷密度が容易に生成されるということははっきりしている。

最も効果的に帯電を引き起こすには、材料同士の密な接触、および接触面の清潔さが重要である（Ｒ．Ｂｕｄａｋｉａｎ，Ｋ．Ｗｅｎｉｎｇｅｒ，Ｒ．Ａ．Ｈｉｌｌｅｒ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ｎａｔｕｒｅ ３９１，２６６（１９９８））。ＰＳＡテープの剥離のジオメトリは数学的に見事であり（Ａ．Ｄ．ＭｃＥｗａｎ ａｎｄ Ｇ．Ｉ．Ｔａｙｌｏｒ，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．２６，１（１９６６））、両方の基準を満たしてはいるが、高電圧源を必要としない携帯型のＸ線源においてこれらを用いることの不利な点は、市販のテープを真空内で剥離する際に起こる顕著な気体放出（Ｅ．Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ，Ｊ．Ｈｏｒｖａｔ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｌｅｗｉｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９７，１３１５０２（２０１０））、並びに、信頼性および摩耗などの実用面での課題である。よって、改善された摩擦Ｘ線源およびシステムの必要性は依然として存在する。

本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、封入器と、少なくとも部分的に封入器内に配置された第１ローラーと、少なくとも部分的に封入器内に配置され、第１ローラーと回転接触する第２ローラーと、第１ローラーと第２ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続された駆動アセンブリとを含む。駆動アセンブリは、第１ローラーおよび第２ローラーが回転しつつ第１ローラーの部分と第２ローラーの部分とが封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、第１ローラーと第２ローラーとを接触したまま回転させる。第１ローラーは、少なくとも部分的に第１摩擦電気材料からなる表面を有し、第２ローラーは、少なくとも部分的に第２摩擦電気材料からなる表面を有し、第１摩擦電気材料は第２摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有する。封入器は制御された大気環境を提供し、第１摩擦電気材料、第２摩擦電気材料、および制御された大気環境は、第１ローラーと第２ローラーとの間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される。

本願発明の一実施形態に係るＸ線画像化システムは、Ｘ線源と、Ｘ線検出器とを含む。Ｘ線源は、封入器と、少なくとも部分的に封入器内に配置された第１ローラーと、少なくとも部分的に封入器内に配置され、第１ローラーと回転接触する第２ローラーと、第１ローラーと第２ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続された駆動アセンブリとを含む。駆動アセンブリは、第１ローラーおよび第２ローラーが回転しつつ第１ローラーの部分と第２ローラーの部分とが封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、第１ローラーと第２ローラーとを接触したまま回転させる。第１ローラーは、少なくとも部分的に第１摩擦電気材料からなる表面を有し、第２ローラーは、少なくとも部分的に第２摩擦電気材料からなる表面を有し、第１摩擦電気材料は第２摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有する。封入器は制御された大気環境を提供し、第１摩擦電気材料、第２摩擦電気材料、および制御された大気環境は、第１ローラーと第２ローラーとの間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される。

他の目的および効果は説明、図面、および例から明らかになるであろう。
本願発明の一実施形態に係るＸ線源を封入器の一部を省略して示す概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線源の側面を、封入器を省略して示す概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線源の上面を、封入器の一部を省略して示す概略図である。 本願発明の概念のいくつかを説明するための補助となる、２つのローラー間の接触領域を拡大して示す概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線源の概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線源の概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線源の概略図である。 本願発明の一実施形態に係るＸ線システムの概略図である。 引張バネにより接触させられ、１×１０−３Ｔｏｒｒの大気圧において３００ｒｐｍの速さで回転させられる２ｃｍ幅のローラーからのＸ線放射の例を示し、一方のローラーは鉛製テープで覆われ、他方のローラーはテープ（処理済ポリエチレン）の層で覆われている。 異なる複数のシステムについて、回転速度の関数としてのＸ線束の例を示し、黒色の四角は、セロハンテープの剥離に関し本発明者らが以前発表した結果の要約を示し、Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｎａｔｕｒｅ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙは、２ｃｍ幅のテープを２０ｃｍ／秒で剥離することにより以前発表されたＸ線画像を得るべく用いられた統合された束であり、Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｎａｔｕｒｅは、２ｃｍのテープを３．６ｃｍ／秒で剥離することにより得られる統合された束であり、Ｆｉｇｕｒｅ ３ ＡＰＢは、１．５ｍｍの細長のテープを３．６ｃｍ／秒で剥離することにより得られる束であり、ひし形は、２ｃｍ幅のセロハンテープを剥離することにより得られるデータを表し、このシステムにより生成されるＸ線が回転速度に比例することを示しており、点は、鉛製ローラーとテープのバッキング（処理済ポリエチレン）との接触により得られるデータを表し、差し込み図は、代表的な速度に関して平均値を示す。 ５×１０−５Ｔｏｒｒの大気圧および３ｃｍ／秒の接線速度で接触する２ｃｍ幅のローラーについてＸ線スペクトルの例を示し、上部の波形は、鉛製ローラーとテープのバッキング（処理済ポリエチレン）との接触により得られるスペクトルであり、下部の波形は、粘着側が表側であるセロハンテープのローラーとテープのバッキングとの接触により得られるスペクトルである。 ３ｍｍ幅の鉛製ロールをポリエチレン製ローラーに対して３ｃｍ／秒で回転させることにより得られるＸ線のバーストの幅の例を示し、ヒストグラムに示される５０ｋｅＶ超のエネルギーを有するＸ線パルスを検出するのに５'ＰＭＴに結合された２つの液体シンチレータが用いられ、ＰＭＴ信号が記録され、それらの幅を得るべくガウス分布に当てはめられ、差し込み図は、２つの検出器の間の相関を示し、Ｘ線パルスが実際に測定されたことを示しており、右側の狭い出力記録は、宇宙線により得られる幅のヒストグラムであり、特性信号が５ナノ秒の幅を有することを示している。 １×１０−４Ｔｏｒｒの大気圧および３ｃｍ／秒の接線速度で接触する２ｃｍ幅のローラーについてＸ線スペクトルを示し、上部の波形は、鉛製ローラーとテープのバッキング（処理済ポリエチレン）との接触により得られるスペクトルであり、下部の波形は、モリブデン製ローラーとテープのバッキングとの接触により得られるスペクトルであり、鉛により得られる特徴的なＬライン、およびモリブデンにより得られるＫラインがはっきりと観察される。 互いに接触する１ｃｍ幅の鉛製ローラーおよびポリマー製ローラーを用いて撮像されるＸ線画像の例を示し、Ｘ線源上の窓に載置された物体を示す。 互いに接触する１ｃｍ幅の鉛製ローラーおよびポリマー製ローラーを用いて撮像されるＸ線画像の例を示し、２００ｒｐｍの速度および３０秒間の露出で撮像されたＸ線画像を示す。 本願発明の一実施形態に係る、検出器から２ｃｍ、頂点から８ｃｍの位置で０°、４５°、９０°の角度で得られる、２５０ミクロンの厚さのステンレス製剃刀のＸ線画像の例を示し、０°では、剃刀は直接、頂点の方向に向き検出器に対し垂直であり、ローラーは、１ｃｍ幅で３０ｒｐｍの速度で回転しており、露出は３０秒であり、このような画像は、トポグラフィの再構成に用いることが出来る。 南京錠のＸ線画像、および、デジタルＸ線検出器Ｒａｄ−Ｉｃｏｎ ＲａｄＥｙｅ２００上の当該物体の絵の例を示し、検出器は１０×１０ｃｍの放射面と、１００μｍの画素分解能とを有し、画像解像度はおよそ１／４ｍｍである。 本願発明の一実施形態に係る、手、および鶏の折れた腿のＸ線画像の例を示す。

本願発明のいくつかの実施形態を以下に詳細に説明する。実施形態の説明において、説明を明確にすべく特定の用語を用いる。しかし本願発明は、そのように選択される特定の用語によって限定されない。当業者であれば、本願発明の幅広い概念から逸脱することなく他の同等の部材を用いることが可能であり、他の方法を実施することが可能であることを理解されよう。背景技術および発明を実施するための形態の項を含む本明細書のあらゆる箇所において参照される参考文献は全て、それぞれが組み込まれたかのように参照により組み込まれる。

本願発明のいくつかの実施形態は、高電圧電源を用いることなくコリメートされたＸ線を生成する装置および方法に関する。本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、高電圧の電子機器を要さず、どのような機械運動の動力源によっても駆動され得る。本発明者らは、単に２つの材料を接触運動させるだけで、Ｘ線画像法に有用なＸ線束を生成出来ることを実証した。接触する際のジオメトリ次第で、コリメートを実現することが出来る。本発明者らは、線形のＸ線検出器に結合される線状のＸ線放射を用いることによりＸ線画像を取得するための単純な方法を実現出来ることを実証した。本願発明のいくつかの実施形態は、電力供給網を要さない極めて携行性の高いＸ線源を提供出来る。本発明者らによる以前の発明は、ＷＯ／２００９／１０２７８４ ＭＥＣＨＡＮＯＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＴ Ｘ−ＲＡＹ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲに記載されており、当該特許文献はその内容の全体が本明細書に参照により組み込まれる（内容の全体が本明細書に参照により組み込まれるＮａｔｕｒｅ ｖ４５５ １０８９−１０９２（２００８）およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖ９９ ６１３−６１７（２０１０）も参照されたい）。

このＸ線源は高電圧電源を要さず、単純な直接的な機械運動により駆動され得る。互いに接触する回転ローラーからのＸ線放射は、接触部の長さに亘る頂点に近い小さな領域から発せられる。その結果得られるのが、線状のＸ線放射である。これはあらゆる従来の技術とこのＸ線源とを区別する独特な性能である。

本願発明のいくつかの実施形態は、コリメートされ得、必要な時間およびエネルギーが少なくて済み得るＸ線源として、制御された環境で異なる複数の材料の接触運動を実現するシステムおよび方法に関する。本願発明の単純な一実施形態は、図１に示される部分真空中で自身の接触摩擦により回転させられる異なる材料からなる２つのローラーを含む。この構成を用いて、Ｘ線画像法に有用なＸ線束を生成することが出来る。Ｘ線放射は、接触部の長さに亘って延在する頂点に近い領域から連続的、かつ、ナノ秒のバーストとして起こり得る。

加えて、２以上の回転表面が接触させられる際に加えられる力を変化させることにより、Ｘ線の生成に大きな影響が及ぼされる。これは、表面の圧縮力の変化により電荷移動も変化するからである。本願発明のいくつかの態様によると、部分的な回転および変化のある回転も有用である。例えば、本願発明の一実施形態によると、２つの表面を時計方向に数度だけ回転させ、その後、それら２つの表面が反時計方向に回転するように反転させ、このように前後させられる。本願発明の一般的な概念は、互いに接触する円筒ローラーに限定されない。本願発明のいくつかの実施形態によると、円筒以外の形状を有する表面を用いることも出来る。いくつかの実施形態において、表面の１つは例えば平面上であり、他の表面は、当該平面を前後して移動するローラーである。本願発明の概念は幅広く、これらの特定の例に限定されない。

図１は、本願発明の一実施形態に係る、Ｘ線源１００を示す概略図である。図１のＸ線源１００は、内部構造を見ることが出来るよう部分的に組み立てられた状態が示されている。Ｘ線源１００は、図１では下半分だけが示されている封入器１０２と、少なくとも部分的に封入器１０２内に配置された第１ローラー１０４と、少なくとも部分的に封入器１０２内に配置され、第１ローラー１０４と回転接触する第２ローラー１０６と、第１ローラー１０４と第２ローラー１０６とのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続された駆動アセンブリ１０８（図２Ａ）とを含む。駆動アセンブリ１０８は、第１ローラー１０４および第２ローラー１０６が回転しつつ第１ローラー１０４の部分と第２ローラー１０６の部分とが封入器１０２内で接触したり接触しなかったりするよう、第１ローラー１０４と第２ローラー１０６とを接触したまま回転させる。第１ローラー１０４は、少なくとも部分的に第１摩擦電気材料からなる表面を有し、第２ローラー１０６は、少なくとも部分的に第２摩擦電気材料からなる表面を有する。図３に概略的に示されるように、第１摩擦電気材料は第２摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有する。しかし、本願発明の一般的な概念は、図１〜図３に示される実施形態に限定されない。他の実施形態において、材料の順序は逆であり得る。封入器１０２は制御された大気環境を提供する（図４〜図６も参照）。第１摩擦電気材料、第２摩擦電気材料、および制御された大気環境は、第１ローラー１０４と第２ローラー１０６との間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される。

Ｘ線源１００の封入器１０２は、封入器１０２の他の部分と比較しＸ線１１２に対して実質的に透明なＸ線窓１１０を有する。言い換えると、封入器１０２は、窓１１０以外の部分を通って容器１０２からＸ線が放出されないよう実質的にブロックする遮蔽された状態を実現する。窓１１０を含む封入器は、容器１０２内のガス圧が容器１０２周囲の大気圧よりも低くなるよう真空を維持する。本願発明の一実施形態において、封入器１０２は、１０−１Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する。本願発明の一実施形態において、封入器１０２は、１０−９Ｔｏｒｒ超、かつ１０−３Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する。

他の実施形態において、第１ローラー１０４と第２ローラー１０６とのうち少なくとも一方は、第１ローラー１０４と第２ローラー１０６との間の回転接触の間、少なくとも２つの異なるＸ線スペクトルが生成されるよう、互いに異なる摩擦電気材料からなる少なくとも２つの表面領域を有する。容易に理解されるであろうが、本願発明の様々な実施形態においては、１つ、２つ、３つ、またはより多くのタイプの摩擦電気材料でコーティングされたローラーが含まれ得る。それ自体がコーティングされていてもよい当該摩擦電気材料は、空間的パターンであり、Ｘ線源１００により生成されるＸ線スペクトルのタイプが変化するよう選択される。加えて、狭エネルギー帯のＸ線放射を促すよう所望される励起状態を有する１以上の原子を含む材料も含まれ得る（２０１２年３月９日に提出された本願の譲受人と同じ譲受人による国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２８５８１も参照。当該国際特許出願はその内容の全体が本明細書に参照により組み込まれる。）

本願発明の一実施形態において、駆動アセンブリ１０８は電気モータを含む。いくつかの実施形態において、Ｘ線源１００は、バッテリー、コンデンサ、および超コンデンサのうち少なくとも１つを含む蓄電部材をさらに含む。例えば、ハンドル１１４内にバッテリーが位置付けられている。いくつかの実施形態において、Ｘ線源１００は光起電性部材をさらに含む。他の実施形態において、Ｘ線源１００は手動充電器も含む。いくつかの実施形態において、駆動アセンブリは手動メカニズム（図示せず）を含む。手動メカニズムには、例えば手回しクランクが含まれる。そのような手動メカニズムは、電気モータの代わりに設けられるか、または電気モータに追加して設けられる。

本願発明の他の実施形態においては、３つ、４つ、またはより多くのローラーが含まれる。例えば、少なくとも１つのローラーを駆動することにより残りのローラーが摩擦接触により回転させられるよう隣り合って配置された３つ、４つ、またはより多くのローラーが含まれ得る。これらのローラーは直列のローラーとして見なすことが出来る。代替的に、若しくは追加的に、本願発明の他の実施形態においては、別個の複数のローラーペア、または複数の直列配置されたローラーが含まれる。例えば、１つのローラーペアが他のローラーペアの隣に配置され、各ローラーペアは他のローラーペアとは独立して駆動させられる。これらのローラーは並列のローラーと見なすことが出来る。隣接するローラーに接触する各ローラーは、接点においてＸ線が生成されるように構成される。よって、１つのローラーペアが存在する一実施形態において、Ｘ線源１００は単線Ｘ線源となる。２以上のローラーが存在する場合、Ｘ線源は複線Ｘ線源となる。いくつかの実施形態において、複数のローラーを用いることにより、平面Ｘ線源を実現することが出来る。

圧力が１０−３Ｔｏｒｒ未満であり、接触する材料が金属およびポリマー碍子である場合、Ｘ線パルスが生成され得る。また、Ｘ線パルスの生成にはおよそ１ｍｍの接触面積が適していることが分かっている。Ｘ線パルスは例えば、数１０ナノ秒程度であり得る。

Ｘ線源１００は単線Ｘ線源、または複線Ｘ線源となり得るので、本願発明のいくつかの実施形態に係るＸ線画像化システムは、線状Ｘ線源に対応するよう選択された線状検出器を実現出来る（図６Ａを参照）。

以下に、本願発明の概念の説明を補足するいくつかの実施例を示す。本願発明の幅広い概念は、特定の例によって限定されない。

実施例
一実施例において、接触後に電荷を交換し保持するよう、異なる材料からなる２つのローラーが選択される。これらのローラーは、限定するわけではないがバネなどの外力によって接触するよう互いに押し付けられる。限定されるわけではないが電気モータなどの機械運動の動力源により、ローラーの表面が相対的に移動させられる。本実施形態の特定の実施例においては、金属面を有するローラーと、当該ローラーに接触するポリマー製ローラーが含まれる。１×１０−３Ｔｏｒｒの空気圧が維持された容器内で回転させられるそのようなシステムからのＸ線放射は、図７に示されている。

互いに接触する回転ローラーからのＸ線束は、回転速度により制御され得（図８）、本願発明の一実施形態によると、接線速度が８０ｃｍ／秒となるまで回転速度に比例する（図８の差し込み図を参照）。この速度は２００ｒｐｍの回転速度に対応する。一般的にＸ線束は、接触させられ、非接触とさせられる材料の１秒あたりの面積に対応する。本発明者らの以前の研究の比較として、図８は、Ｎａｔｕｒｅ ４５５，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２３，２００８およびＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ ９９，２０１０からのデータを編集したものも含む。

図８は、異なる複数のシステムについて、回転速度の関数としてのＸ線束を示す。黒色の四角は、セロハンテープの剥離に関し本発明者らが以前発表した結果の要約を示す。Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｎａｔｕｒｅ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙは、２ｃｍ幅のテープを２０ｃｍ／秒で剥離することにより以前発表されたＸ線画像を得るべく用いられた統合された束である。Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｎａｔｕｒｅは、２ｃｍのテープを３．６ｃｍ／秒で剥離することにより得られる統合された束である。Ｆｉｇｕｒｅ ３ ＡＰＢは、１．５ｍｍの細長のテープを３．６ｃｍ／秒で剥離することにより得られる束である。ひし形は、２ｃｍ幅のセロハンテープを剥離することにより得られるデータを表し、このシステムにより生成されるＸ線も回転速度に比例することを示している。点は、鉛製ローラーとテープのバッキング（処理済ポリエチレン）との接触により得られるデータを表す。差し込み図は、代表的な速度に関して平均値を示す。

鉛と一巻きのテープのバッキング（処理済ポリエチレン）との回転接触により得られるＸ線スペクトルは、図９の上側の曲線に示されるような特徴的な鉛のＬラインを示す。このことは、テープのバッキングに対して鉛が正に帯電し、電子の標的としての役割を果たすことを明らかに示している。同じ実験環境下で、一巻きのテープのバッキングと粘着側が表側である一巻きのテープとの接触により得られるＸ線放射を測定した（図９の下側の曲線）。これらの２つのシステムから得られるＸ線束の違いは、対象材料の原子量（Ｚ）を異ならせることによる、高いエネルギーの電子をＸ線に変換する効率性を制御する方法を示唆している。これらの結果は、異なる複数の材料により構成される１つのローラーを用いて、接触位置に応じて放射を制御することが出来ることも示している。

接触運動により得られるＸ線放射から、Ｘ線のバーストが生じ得る（図１０）。これらの測定は、鉛製ローラーとポリエチレン製ローラーとの接触により得られるＸ線パルスは、１０〜２０ナノ秒の長さとなることを示している。またこのことは、放出距離が１ｍｍとなり、電荷密度がおよそ１×１０^１１ｅ⁻／ｃｍ２となることを示唆している ［Ｎａｔｕｒｅ ４５５，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２３，２００８］。これらの結果は、このＸ線源からのＸ線放射が空間に関してコリメートされており、時間的に短いものであることを示している。

接触運動によって放射されるＸ線のスペクトルは、材料の構成を異ならせることにより制御することが出来る。図１１は、ポリマー製ローラーと鉛製ローラーとの接触により得られるスペクトルを、同じポリマー製ローラーとモリブデン製ローラーとの接触により得られるスペクトルと比較して示す。モリブデン製ローラーにより得られるＸ線放射は、特徴的なＫラインが主に占めており、Ｘ線エネルギーのスペクトルが制御されていることが示されている。このスペクトル分布は、従来のマンモグラフィーシステムにとって典型的なものである。このＸ線源は、造影Ｘ線画像法に有用となり得る。例えば、その表面の半分がある材料で覆われ、残りの半分が他の材料で覆われたローラーを用いることにより、回転と同期させて、異なるエネルギーが交互に表れるＸ線スペクトルを得ることが出来る。

本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、対象材料の特徴的なＸ線ラインを用いてエネルギースペクトルを狭め、またＸ線源のサイズの小ささを生かすことにより、位相差画像法にも用いることが出来る。複数の並列に配置されたローラーは格子の代わりに、垂直に配列されたＸ線源としての役割を果たすことが出来る。

本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、Ｘ線断層撮影法にも用いることが出来る。特に、配列された異なる複数のＸ線源を用いて、Ｘ線源を移動させる必要なく、複数のＸ線画像を撮像することが出来る。

互いに接触するローラーにより得られるＸ線放射によって撮像されるＸ線画像の例は、図１２Ａ〜図１５に示されている。

本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、電力を用いないＸ線画像法に有用である、携行性の高い、機械的に駆動されるＸ線源を実現する。例えば線形のＣｄＴｅＸ線検出器と組み合わせて、本願発明の一実施形態に係るＸ線源を用いて、エネルギー分解されたＸ線画像法を行うことが出来る。本願発明は、乳房デジタルトモシンセシスなどにおいてトモグラフィの再構成に用いることが出来る（図１３）。

本願発明の一実施形態に係るＸ線源は、蛍光Ｘ線にも用いることが出来る。

本明細書において図示し説明した実施形態は、当業者に本願発明を実施し利用する方法を提示することのみを目的としている。本願発明に係る実施形態の説明を明確にすべく、特定の用語が用いられている。しかし本願発明は、その選択された特定の用語によって限定されない。本願発明に係る上述した実施形態は、上述した提示の内容から当業者には理解いただけるように、本願発明から逸脱することなく修正および変更を加えることが可能である。特許請求項およびそれらの同等物の範囲において、特定して説明されるものは異なる実施が可能であることが理解されよう。

Claims (28)

1. Ｘ線源であり、
   封入器と、
   少なくとも部分的に前記封入器内に配置された第１ローラーと、
   少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第１ローラーと回転接触する第２ローラーと、
   前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続された駆動アセンブリと
   を備え、
   前記駆動アセンブリは、前記第１ローラーおよび前記第２ローラーが回転しつつ前記第１ローラーの部分と前記第２ローラーの部分とが前記封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、前記第１ローラーと前記第２ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
   前記第１ローラーは、少なくとも部分的に第１摩擦電気材料からなる表面を有し、
   前記第２ローラーは、少なくとも部分的に第２摩擦電気材料からなる表面を有し、
   前記第１摩擦電気材料は前記第２摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有し、
   前記封入器は制御された雰囲気環境を提供し、
   前記第１摩擦電気材料、前記第２摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される、Ｘ線源。
2. 前記封入器は、前記封入器の他の部分と比較しＸ線に対して実質的に透明なＸ線窓を有する、請求項１に記載のＸ線源。
3. 前記封入器は、１０−１Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する、請求項１または２に記載のＸ線源。
4. 前記封入器は、１０−９Ｔｏｒｒ超、かつ１０−３Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する、請求項１または２に記載のＸ線源。
5. 前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方は、前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間の回転接触の間、少なくとも２つの異なるＸ線スペクトルが生成されるよう、互いに異なる摩擦電気材料からなる少なくとも２つの表面領域を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線源。
6. 前記駆動アセンブリは電気モータを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線源。
7. バッテリー、コンデンサ、および超コンデンサのうち少なくとも１つを有する蓄電部材をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載のＸ線源。
8. 光起電性部材をさらに備える、請求項７に記載のＸ線源。
9. 手動充電器をさらに備える、請求項７また８に記載のＸ線源。
10. 前記駆動アセンブリは手動メカニズムを有する、請求項１から９のいずれか１項に記載のＸ線源。
11. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方と回転接触する第３ローラーをさらに備え、
    前記駆動アセンブリは、前記第１ローラー、前記第２ローラー、および前記第３ローラーが回転しつつ前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち前記少なくとも一方の部分が前記第３ローラーと前記封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、前記第１ローラーと、前記第２ローラーと、前記第３ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
    前記第３ローラーは、前記第１摩擦電気材料と前記第２摩擦電気材料とのうち少なくとも一方に対して負の摩擦電位を有する少なくとも部分的に第３摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第１摩擦電気材料、前記第２摩擦電気材料、前記第３摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第１ローラーと、前記第２ローラーと、前記第３ローラーとの間の回転接触により、少なくとも２つのローラー間接触部に沿って実質的に同時にＸ線が生成されるよう選択される、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線源。
12. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置された第３ローラーと、
    少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第３ローラーと回転接触する第４ローラーとをさらに備え、
    前記駆動アセンブリは、前記第３ローラーと前記第４ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続され、
    前記駆動アセンブリは、前記第３ローラーおよび前記第４ローラーが回転しつつ前記第３ローラーの部分と前記第４ローラーの部分とが前記封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、前記第３ローラーと前記第４ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
    前記第３ローラーは、少なくとも部分的に第３摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第４ローラーは、少なくとも部分的に第４摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第３摩擦電気材料は前記第４摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有し、
    前記第３摩擦電気材料、前記第４摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第３ローラーと前記第４ローラーとの間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線源。
13. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記駆動アセンブリに対して操作可能に接続された複数のローラーペアをさらに備え、
    前記複数のローラーペアのうち各ローラーは、前記複数のローラーペアのそれぞれのローラー間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択された対応する摩擦電気材料からなる表面を少なくとも部分的に有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載のＸ線源。
14. 前記第１摩擦電気材料と前記第２摩擦電気材料とのうち少なくとも一方は組成中に、前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち一方から他方へ移動する電子によって励起され得る量子励起エネルギー状態を有する原子を含み、
    前記原子は、前記Ｘ線源が狭エネルギー帯のＸ線を生成するよう、前記量子励起エネルギー状態から低エネルギー状態への遷移に応じて少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を発する、請求項１から１３のいずれか１項に記載のＸ線源。
15. Ｘ線画像化システムであり、
    Ｘ線源と、
    Ｘ線検出器と
    を備え、
    前記Ｘ線源は、
    封入器と、
    少なくとも部分的に前記封入器内に配置された第１ローラーと、
    少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第１ローラーと回転接触する第２ローラーと、
    前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続された駆動アセンブリと
    を有し、
    前記駆動アセンブリは、前記第１ローラーおよび前記第２ローラーが回転しつつ前記第１ローラーの部分と前記第２ローラーの部分とが前記封入器内で実質的に線状の接触領域に沿って接触したり接触しなかったりするよう、前記第１ローラーと前記第２ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
    前記第１ローラーは、少なくとも部分的に第１摩擦電気材料からなる表面を含み、
    前記第２ローラーは、少なくとも部分的に第２摩擦電気材料からなる表面を含み、
    前記第１摩擦電気材料は前記第２摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有し、
    前記封入器は制御された雰囲気環境を提供し、
    前記第１摩擦電気材料、前記第２摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間の回転接触により前記実質的に線状の接触領域に沿ってＸ線が生成されるよう選択され、
    前記Ｘ線検出器は、前記Ｘ線源からのＸ線を検出する線形検出器を有するよう構成され配置された、Ｘ線画像化システム。
16. 前記封入器は、前記封入器の他の部分と比較しＸ線に対して実質的に透明なＸ線窓を含む、請求項１５に記載のＸ線画像化システム。
17. 前記封入器は、１０−１Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する、請求項１５または１６に記載のＸ線画像化システム。
18. 前記封入器は、１０−９Ｔｏｒｒ超、かつ１０−３Ｔｏｒｒ未満の真空度を維持する、請求項１５または１６に記載のＸ線画像化システム。
19. 前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方は、前記第１ローラーと前記第２ローラーとの間の回転接触の間、少なくとも２つの異なるＸ線スペクトルが生成されるよう、互いに異なる摩擦電気材料からなる少なくとも２つの表面領域を含む、請求項１５から１８のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
20. 前記駆動アセンブリは電気モータを含む、請求項１５から１９のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
21. バッテリー、コンデンサ、および超コンデンサのうち少なくとも１つを有する蓄電部材をさらに備える、請求項１５から２０のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
22. 光起電性部材をさらに備える、請求項２１に記載のＸ線画像化システム。
23. 手動充電器をさらに備える、請求項２１または２２に記載のＸ線画像化システム。
24. 前記駆動アセンブリは手動メカニズムを有する、請求項１５から２３のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
25. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち少なくとも一方と回転接触する第３ローラーをさらに備え、
    前記駆動アセンブリは、前記第１ローラー、前記第２ローラー、および前記第３ローラーが回転しつつ前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち前記少なくとも一方の部分が前記第３ローラーと前記封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、前記第１ローラーと、前記第２ローラーと、前記第３ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
    前記第３ローラーは、前記第１摩擦電気材料と前記第２摩擦電気材料とのうち少なくとも一方に対して負の摩擦電位を有する少なくとも部分的に第３摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第１摩擦電気材料、前記第２摩擦電気材料、前記第３摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第１ローラーと、前記第２ローラーと、前記第３ローラーとの間の回転接触により、少なくとも２つのローラー間接触部に沿って実質的に同時にＸ線が生成されるよう選択される、請求項１５から２４のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
26. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置された第３ローラーと、
    少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記第３ローラーと回転接触する第４ローラーとをさらに備え、
    前記駆動アセンブリは、前記第３ローラーと前記第４ローラーとのうち少なくとも一方に対して操作可能に接続され、
    前記駆動アセンブリは、前記第３ローラーおよび前記第４ローラーが回転しつつ前記第３ローラーの部分と前記第４ローラーの部分とが前記封入器内で接触したり接触しなかったりするよう、前記第３ローラーと前記第４ローラーとを回転接触させつつ回転させ、
    前記第３ローラーは、少なくとも部分的に第３摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第４ローラーは、少なくとも部分的に第４摩擦電気材料からなる表面を有し、
    前記第３摩擦電気材料は前記第４摩擦電気材料に対し負の摩擦電位を有し、
    前記第３摩擦電気材料、前記第４摩擦電気材料、および前記制御された雰囲気環境は、前記第３ローラーと前記第４ローラーとの間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択される、請求項１５から２４のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
27. 少なくとも部分的に前記封入器内に配置され、前記駆動アセンブリに対して操作可能に接続された複数のローラーペアをさらに備え、
    前記複数のローラーペアのうち各ローラーは、前記複数のローラーペアのそれぞれのローラー間の回転接触によりＸ線が生成されるよう選択された対応する摩擦電気材料からなる表面を少なくとも部分的に有する、請求項１５から２６のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。
28. 前記第１摩擦電気材料と前記第２摩擦電気材料とのうち少なくとも一方は組成中に、前記第１ローラーと前記第２ローラーとのうち一方から他方へ移動する電子によって励起され得る量子励起エネルギー状態を有する原子を含み、
    前記原子は、前記Ｘ線源が狭エネルギー帯のＸ線を生成するよう、前記量子励起エネルギー状態から低エネルギー状態への遷移に応じて少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を発する、請求項１５から２７のいずれか１項に記載のＸ線画像化システム。

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