JP6362113B2 - 光電制御装置と組み合わせた少なくとも1つの電子源を備えるx線源 - Google Patents
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Description
・フィラメントの予熱時間が不要となるため、すぐに作動させることができる。
・開始/停止シーケンス中に発生する熱機械的サイクルによる疲労やエイジングがない。
・高温に加熱されるフィラメントとそれに伴う電源が省かれることにより、消費エネルギーが低減し、電源が簡素化される。
・カーボンナノチューブ陰極の前面に配置される電子引き出し用グリッドをバイアスすることにより、放出の変調が可能となる。
・陰極グリッド間容量によって、最大変調周波数が制限される。
・陰極により放出される電流がグリッドに印加される電圧によって指数関数的に変化するため、陰極からの放出電流を制御する精度が低下する。
・グリッドは電子流に対して完全な透過性を持つわけではないため、陰極により放出される電流の30から50%を遮断し、このグリッドの加熱されることによる寸法の変化を促進し、その結果、上記の指数関数的変化によって、陰極から放出される電流が不安定となり、同時に、熱慣性と脆化によっても悪化する。
・グリッドによって遮断される電流の一部とそれによって生じるグリッドの加熱もまた、この種の陰極を高電流(数十mA)で使用できない原因となる。たとえば、2mAの電流について150kVの電圧の放射線発生管の陰極の場合、電流の40%を遮断するグリッドでは120Wを散逸させることになる。
・複数の先端、ここではナノチューブを有する陰極の場合、先端の幾何学的特徴が若干異なるだけで、先端での電界、ひいては先端の集合が存在する範囲で放出される電流に大きなばらつきが生じ、その数値は、低い放出量からナノチューブを破壊する量までに及ぶ可能性がある。
・高電圧に関してグリッド電圧を制御するために、複雑な電源を設けることも必要である。
前記冷電子源はまた、少なくとも1つの導電表面(55)を有する少なくとも1つの基板(57)を備え、少なくとも1つの導電表面(55)と前記陽極(53)との間に高電圧が印加されることによって生じる電界を受け、前記冷電子源は、電流が照明によって略線形に制御される少なくとも1つの光導電素子(58)と、少なくとも1つの放出素子(59)とをさらに備え、前記光導電素子(58)は、少なくとも1つの放出素子(59)と導電表面(55)との間に直列に電気接続されて、前記光導電素子(58)の中で光発生された電流が、それが関連付けられる前記放出素子(59)または放出素子(59)の集合によって放出される電流と等しくなり、放出されたX線の流れが照明に略線形に依存するようになっており、
導電表面、光導電素子、および、放出素子は、基板上に一体的に集積され、冷電子源を構成し、放射線源は、長い冷電子源または冷電子源の集合の照明の位置指定装置を備え、位置指定装置が、時間経過とともに、長い冷電子源の上の異なる領域、または、冷電子源の集合の中の異なる冷電子源を選択し、これに対応して、長い陽極の、または、陽極の集合の中の1つの陽極の領域からX線を放出させ、
前記放射線源が、いくつかの真空チャンバと、前記真空チャンバを支持する支持手段と、高電圧電源と、X線ビームを発生させるために、高電圧電源の電力を前記真空チャンバに分配する手段と、前記真空チャンバのそれぞれに専用の個別の光制御手段とを備え、
前記真空チャンバが、円筒対称に配置されてシングルビームX線管が構成され、
前記シングルビームX線管が、前記冷電子源と、前記陽極と、前記シングルビームX線管にその円筒壁を介して入る光ビームで前記冷電子源を照明するためのミラーと、を備えることを特徴とする。
−当てられる照明は、各エミッタの電流を個々に制御する役割を果たし、したがって、電圧の変化する電極またはフラット導体を介して制御が行われる場合に発生する、ナノチューブの高さの差によってこれらのエミッタが破壊されるリスクが回避される。
−電圧の変化する電極またはフラット導体によって制御する場合のようにエミッタの列を構造的に画定する必要がなく、したがって、少なくとも1つの光電陰極にかかわる放出領域のあらゆる考えられる画定が可能となる。
本発明の第一の実施形態によれば、図5に示すように、放射線源はシングルビーム源であり、真空チャンバ20と、高電圧電源手段21と、電気絶縁手段22と、光学的に反射する、すなわち使用される波長を反射する装置25へと光ビーム24を向ける照明源23と、を備え、陰極26の感光層を励起させて電子流27を発生させ、この電子流がターゲット28に送られる。前記ターゲットとの衝撃によってX線ストリーム30が、チャンバに設けられ、前記X線に対して透過性のある窓29を通じて発生される。有利な点として、チャンバはまた、電子流による衝撃中に高温に加熱されるターゲットを冷却する手段31を備えていてもよい。
図6A、6Bに示すように、放射線源は、円形支持手段42の中に分散された一連のチャンバ(X線管)41iが存在するために、複数のX線流40iを発生し、前記円形支持手段はまた、高電圧電源43からの電力を分配する手段を含む。
図7A、7B、7C、7Dに示すように、放射線源はまた、マルチビーム源であってもよく、単独のチャンバを有していてもよい。図の例によれば、前記チャンバ50は、有利な点として、異なる配置の電子源を包含するいくつかの形態とすることができる。数例を挙げると、平面的に収束する構成(図7a)、平行ビームを円形に配置した構成(図7b)、平行ビームを垂直に配置した構成(図7c)、平行ビームをマトリクス状に配置した構成(図7d)がある。
上記の例は、個々のターゲットに関連付けられた個別の電子源の集合を備えるマルチビーム放射線源に関する。
放射線源は、光学的焦点調節手段を有し、単独のナノチューブを位置指定して1本の電子ビームを発生する、マイクロフォーカスまたはナノフォーカス放射線源である。その結果、1本のナノチューブによって照射されるターゲットも、非常に微小な焦点を有するX線を供給する。マイクロレベルまたはナノレベルの微小焦点X線源のスポット径は、照明される領域の面積に応じて調整してもよく、したがって、スポット径を、ターゲット上の許容パワー密度の関数として制御することができる。任意で、磁気または静電集光システムを使い、ナノチューブの端部から放出される電子のすべてをターゲット上に集めてもよく、熱スポットの大きさは放出表面と同等で、すなわち、直径10から100nm程度である。
上記の例は、電子加速手段として高電圧の放射線源に関する。本発明によれば、放射線源はまた、冷電子源と組み合わせた「ライナック」加速器構造と、冷電子源による電子の放出を制御する光電装置と、照明によって前記光電装置を制御するための光源と、を備えていてもよい。この場合、これらの要素の組み合わせによって、加速器を簡素化し、小型化し、それが生成する電子ビームとX線の品質を改善することができる。
−加速器の周波数でのビームの初期時間変調と位相延長(phase extension)により、100%近い電流効率を達成できる。電流全体が、短パルスとして放出されるため、マイクロ波による位相の受入が最大限となり、長さ方向の損失が発生しない。
−電子の損失が減少するため、ライナック内の熱損失も減る。
−放出時にすでに電子波束が生成されるため、加速器内のセルはすべて、電子の予備的な事前の塊状化ではなく、実際にビームを加速させることのみに使用できるため、ライナックの形状を簡素化し、その長さを短縮できる。したがって、従来はビームの一時的な整形に使用されていた加速器の第一の空洞を簡略化してもよい。
−電子銃の小型化に加え、高周波数電流の制御が可能となることは、非常に高周波数のライナック(たとえば、Xバンドで動作)も利用できることを意味する。
−生成される電子波束の短い位相延長によって、ビームの最終的なエネルギー分散を減らすことができる。
−エネルギー分散が低いために、加速器から出るビームは容易に集光でき、変換ターゲットで焦合した非常に点に近い放射源を提供できる。
−電子を事前に塊状化する、または塊状化するための空洞がないため、ビーム品質の高い、低エネルギー(4MeV未満)のライナックの使用を想定することが可能となる。
−初期電流をパルスごとに制御することによって、X線および関連する画像形成の品質のために一定のビーム強度が必要となるような、パルスごとの多重エネルギー方式の用途に可変電流ライナックの使用を想定することが可能となる。
Claims (29)
- 真空チャンバ(50)と、光波(56i)を入射させるための手段(56h)と、電界を受けたときに電界放出現象によって前記真空チャンバ(50)内で電子(52i)を放出することができる冷電子源(52)と、高電圧を供給する電源(55)と、前記真空チャンバ内(50)で電子衝撃の効果によりX線(53i)を放出できる材料(53j)を含む陽極(53)と、前記真空チャンバ(50)に設けられ、前記X線が出る際に通過する少なくとも1つの窓(54)と、前記光波を供給する少なくとも1つの光源(56)と、を備える放射線源であって、
前記冷電子源はまた、少なくとも1つの導電表面(55)を有する少なくとも1つの基板(57)を備え、少なくとも1つの導電表面(55)と前記陽極(53)との間に高電圧が印加されることによって生じる電界を受け、前記冷電子源は、電流が照明によって略線形に制御される少なくとも1つの光導電素子(58)と、少なくとも1つの放出素子(59)とをさらに備え、前記光導電素子(58)は、少なくとも1つの放出素子(59)と導電表面(55)との間に直列に電気接続されて、前記光導電素子(58)の中で光発生された電流が、それが関連付けられる前記放出素子(59)または放出素子(59)の集合によって放出される電流と等しくなり、放出されたX線の流れが照明に略線形に依存するようになっており、
導電表面、光導電素子、および、放出素子は、基板上に一体的に集積され、冷電子源を構成し、放射線源は、長い冷電子源または冷電子源の集合の照明の位置指定装置を備え、位置指定装置が、時間経過とともに、長い冷電子源の上の異なる領域、または、冷電子源の集合の中の異なる冷電子源を選択し、これに対応して、長い陽極の、または、陽極の集合の中の1つの陽極の領域からX線を放出させ、
前記放射線源が、複数の前記真空チャンバと、前記複数の前記真空チャンバを支持する支持手段と、高電圧電源と、X線ビームを発生させるために、高電圧電源の電力を前記複数の前記真空チャンバに分配する手段と、前記複数の前記真空チャンバのそれぞれに専用の個別の光制御手段とを備え、
前記複数の前記真空チャンバが、円筒対称に配置されて複数のシングルビームX線管が構成され、
前記シングルビームX線管が、前記冷電子源と、前記陽極と、前記シングルビームX線管にその円筒壁を介して入る光ビームで前記冷電子源を照明するためのミラーと、を備える
ことを特徴とする放射線源。 - ターゲットとなる前記陽極は電気的に接地され、前記冷電子源は高い負電圧であることを特徴とする請求項1に記載の放射線源。
- 前記導電表面、前記光導電素子および前記放出素子は、前記基板上に一体構造で集積されることを特徴とする請求項1または2に記載の放射線源。
- 少なくとも1つの冷電子源は放出先端を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の放射線源。
- 高解像度X線画像形成のための点状X線源を形成するための放出先端を備えることを特徴とする請求項4に記載の放射線源。
- 前記冷電子源は、少なくとも1つの導電表面と、上端が前記導電表面に対して高さhの位置にある少なくとも1つの先端と、前記先端が、複数の場合にその隣接先端と前記高さhの2倍に略等しいかまたはそれより大きい距離dだけ離れ、かつ、光導電素子の横方向の寸法phiが、前記高さhと略等しいかまたはそれより小さくなるように、前記先端と前記導電表面との間に設置された少なくとも1つの光導電素子と、を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記放出素子または放出素子の集合は、規則的な列状に配置されることを特徴とする請求項4または6に記載の放射線源。
- 少なくとも1つの冷電子源は、カーボンナノチューブまたは金属ナノワイヤで製作される放出先端を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記陽極は、タングステンまたはZ値の高いその他の耐熱性材料を含む材料であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記陽極と前記X線が出るときに通過する前記窓は一致することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の放射線源。
- 少なくとも1つの光導電素子は、PIN構造の半導体からなるフォトダイオード型であり、ここで、Iは真性半導体領域または意図的なドーピングが行われない領域もしくはわずかにドーピングされた領域であり、ドーピングはN−またはP−型であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記光導電素子はMINダイオードであり、ここで、Mは金属領域を示すことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記光導電素子は、導電表面上に形成される金属層を有することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記基板は、前記放出素子を光導電素子を介して支持する前面を有し、前記光源は前記前面を照明することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記基板は、前記光源に対して透明であり、前記光源は前記基板の前記前面の反対側を照明することを特徴とする請求項14に記載の放射線源。
- 前記基板は、前記基板内の吸収現象を最小限にするために、薄い照明対象領域を有し、前記光源は前記基板の前記前面の反対側を照明することを特徴とする請求項14または15に記載の放射線源。
- 前記光源の光強度を制御し、発生させる前記X線の強度を調整する手段を備えることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記光源の前記冷電子源上の焦合を調整する手段を備えることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の放射線源。
- いくつかのシングルビームX線管と、円形に配置された前記シングルビームX線管を支持する円形支持手段と、高電圧電源と、X線ビームを発生させるために前記高電圧電源の電力を前記各種のシングルビームX線管に分配する手段と、前記シングルビームX線管の各々に専用の個別の光制御手段と、を備えることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記X線ビームのそれぞれは相互に平行で、前記円形支持手段に垂直であることを特徴とする請求項19に記載の放射線源。
- 前記X線ビームを収束させるための手段を備えることを特徴とする請求項19に記載の放射線源。
- チャンバと、それぞれの陽極に関連付けられた冷電子源のペアで構成されるいくつかのアセンブリと、前記冷電子源のために電力を分配するための手段と、を備えることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記光源からのビームを、前記1つの長い冷電子源の異なる領域または前記冷電子源の集合の中の異なる冷電子源へと偏向する空間的および/または時間的変調器を備えることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記位置指定装置は、長いビームで照明され、さまざまな照明法則を、前記1つの長い冷電子源の中のある領域または前記冷電子源の集合の中の1つの冷電子源に伝えて、これに対応する法則を、前記1つの長い陽極の中の領域、または前記陽極の集合の中の1つの陽極のある領域からのX線の放出に関して得るための空間光変調器であることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の放射線源。
- 光源の集合を有することと、前記位置指定装置は、前記1つの長い冷電子源の異なる領域または前記冷電子源の集合の中の異なる冷電子源に1対1で関連付けられた前記光源を偏向する能動的な光機械的なまたは光電気的な偏向器であり、前記領域または冷電子源は、前記1つの長い陽極の異なる領域または前記陽極の集合の中の異なる陽極に1対1で関連付けられることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記冷電子源により放出される電子を加速するための少なくとも1つの線形加速器をさらに備えることを特徴とする請求項1〜25のいずれか一項に記載の放射線源。
- 光強度は、少なくとも部分的に、空間伝搬ではなく(光ファイバによる)導波伝搬によって分配されることを特徴とする請求項1〜26のいずれか一項に記載の放射線源。
- 前記空間光変調器は導波伝搬型であることを特徴とする請求項24に記載の放射線源。
- 前記真空チャンバは前記光ファイバのための経路を備えることを特徴とする請求項27に記載の放射線源。
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