JPH10503618A - 微小焦点ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微小焦点Ｘ線発生装置において、集束化された電子ビームがＸ線ビーム生成のためターゲット（２３）の制動材料上に当てられる。焦点（２２）にて制動材料は、高い熱負荷により少なくとも液状の集合状態に移行する。この理由から当該装置は、パルス作動モードで作動され、ここで、ターゲット（２３）上での焦点（２２）の位置が各照射と共に先行の位置に対してずらされる。制動材料が担体層（３３）上の制動層（３２）内に配置されており、電子ビーム（１６）は、電子ビーム（１６）のほうに配向された制動層（３２）に垂直方向に当てられる。制御部は、遅くとも担体層（３３）の溶融の際照射を中断するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 微小焦点Ｘ線発生装置 本発明は請求の範囲１の上位概念による装置に関する。その種装置は、米国特 許第３４４０１３号明細書から公知である。 所謂直接−及び拡大ラジオグラフィ装置の利用可能性、殊に、材料検査及び医 療の領域における当該の利用可能性については、下記刊行物に記載されている。 寄稿“Entwicklung und Perspektiven der medizinischen Vergroesserungsra diographie”G．Reuther，H.-L．Kronholz及びK.B．Huettenbrink著述；刊行物R ADIOLOGE Bd．31（1991）403-406中寄稿。 その種の装置の機能は、幾何光学的ないしビームジオメトリ（幾何学）的法則性 に立脚する。該幾何光学的法則性によれば、次のような場合のみ、ビーム源によ り高い局所分解能のコントラストの豊かな放射線画像、ラジオグラフないし陰影 、シルエット画像が生ぜじめられる、即ち、結像上有効に作用する放射面が、結 像さるべき被検ないし被照射対象物の被照射面に比して著しく小さい場合のみ、 当該のコントラストの豊かな放射線画像、ラジオグラフないしシルエット、陰影 画像が生ぜしめられる。そうしないと、被検ないし被照射対象物の各点が種々の 角度をなして、即ちビーム 源の種々の個所から照射されることとなるので、像平面内への投影の際各被検な いし被照射対象物−点、個所により相互にずれた陰影、シルエット−投射を来た し、そして、全体的に、被検ないし被照射対象物のぼけた輪郭が結果として生じ 、該被検ないし被照射対象（被写）物は、像平面からの距離に従って拡大表示さ れることとなるからである。 それにより、微小焦点Ｘ線発生装置は、達成可能な分解能の改善にも拘わらず 、実際上、例えば、医療診断技術にて、さして普及し得なかった。このことは、 就中、次のことに基因するように思われる、即ち、単に、限られたＸ線ビーム− 出力パワーでしか作動し得ないということに基因するように思われる。それとい うのは、制動ターゲットへの電子ビームの著しく狭い密なフォーカシングは、相 応して、著しく高いエネルギ密度を以て著しく小さい直径を有する焦点（フォー カス）を生じさせるからである。上記の単位面積ないし容積当たりの大きな（固 有の）負荷によっては、迅速に次のような状況、事態が生ぜしめられるからであ る。即ち、通常１０°〜４５°の方向をなして照射されるターゲットが、送出さ るべきＸ線ビームエネルギへの光電子ビームエネルギの変換にとって不都合な当 該のトポグラフイの変化を間もなくの制動層の破壊を伴って受けるという状況、 事態が生ぜしめられるのである。他方では、比較的僅かな出力パワーのＸ線ビー ムで動作する場合、各Ｘ線撮影ごとの露光時間を延長しなければならなくなり、 そのことは、不要に高いビーム負荷及び被検ないし被照射対象物−運動に基づく 不鮮鋭性を回避する上での、１０分の数ｓｅｃないし１００分の数ｓｅｃの領域 における短い露光時間に対する要求に矛盾することとなる。ターゲットアノード 上の焦点が小さければ小さい程、上記のターゲットが溶融し始める前に小さなタ ーゲット面の受けとるエネルギ、パワー電力も、それだけ益々低くなる。要する に上記の特性は、Ｘ線ビームの比較的に高い電力−出力パワーのための、ターゲ ットに当てられる電子ビームの一層より高い密度に対する要求に矛盾する。 冒頭に述べた米国特許第４３４４０１３号明細書（Ledley）から公知の微小焦 点−Ｘ線発生装置は既に、溶融されたターゲットで動作する。上記装置では、電 子ビームは、斜めにセッティングされたターゲットに当てられ、その結果上記の 生成されたＸ線ビームは、同じく角度をなして、ターゲットから放射される。但 し、上記装置の場合以下のことは考慮されていない、即ち、ターゲットの完全な 溶融状態になる前に既に、クレータ形成の迅速な進行に基づき、放射されたＸ線 −有効ビームの光学軸がＸ線ビームを著しく吸収する隆起するクレータ縁辺によ り、陰影化され、ないし、遮蔽作用を受けることは考慮されていない。而して、 点状源から発するとは見なされ得ない発散、拡散Ｘ線 光が生じる。従って、入射する電子ビームに対して斜めのターゲットの位置を有 するその種装置は、その有効性が実証されていない。 ＤＥ−ＯＳ３４０１７４９Ａ１（Siemens）の係わるＸ線発生装置では、電子 ビームは、制動材料上で、常時、例えば蛇行状に偏向される。それにより、上述 のように画像鮮鋭度は悪影響を受ける。 ＤＥ−ＯＳ２６５３５４７Ａ１（Kod及びSterzel）からは、透過ターゲットが 公知であり、該透過ターゲットでは、制動材料が担体材料上に配置されている。 微小焦点−装置にて生じるようなクリティカルな熱負荷を防止することは、当該 明細書には言及されていない。 従って、本発明の基礎を成す課題とするところは、微小焦点、マイクロフォー カス−ラジオグラフィに対して更なる適用、使用領域を創出、拡大し、ここで、 最小化焦点直径にも拘わらず、ターゲット上に幾何光学的ないしビームジオメト リ（幾何学）的に可用のＸ線ビームを生成するようにして当該の更なる適用、使 用領域の創出、拡大を行うことにある。 上記課題は、本発明によれば、次のようにして解決される、即ち、本発明の上 位概念による装置を請求の範囲１の特徴部分により設計構成するのである。 サブクレームでは、本発明の発展形態及び構成が規定される。 図中、本発明の１実施例を示す。 図１は、微小焦点、マイクロフォーカスＸ線発生装置の縦断面略図。 図２は、ターゲットの拡大断面略図。 図３は、図２のターゲットをターゲット電流の測定の様子と共に示す概念図。 図３Ａは、照射持続時間に依存してのターゲット電流の特性経過を示す特性図 。 図４はターゲットを制動容積と共に示す概念図。 図４Ａは、担体層を担体材料−ドーピング材と共に示す概念図。 微小焦点、マイクロフォーカスＸ線発生装置１は、ガラス又は、非強磁性の金 属から成る排気ケーシング１１，１２を有する。Ｘ線管１２は、概して円形の任 意の横断面を有する。管１２の後方端面１１を通って、細針状のカソード１４に 対する電気給電ワイヤ線１３が突入している。加熱されるカソード１４は、電子 源として作用し、該電子源からは、キャップ状のグリッド１５を用いて、狭幅の 発散、分散する電子ビーム１６が、取出される。ビーム１６は、孔付ディスクア ノード１７の中央開口を通過し、ここで、虚焦点（ｖｉｒｔｕａｌ ｆｏｃｕｓ ）１８の生じるよう集束、フォーカシングせしめられる。しかる後、再び拡開す るビーム１６は、管１２内に配置された偏向コイル１９の横断面ゾーンを通過し 、そして、後続するフォー カシングコイル２１の磁気ギャップ２０内にて集束される。集束フォーカシング コイル２１は、電磁レンズとなって透過ターゲット２３上に、焦点２２として、 虚焦点（ｖｉｒｔｕａｌ ｆｏｃｕｓ）１８の縮小された画像を結像し、上記透 過ターゲット２３は、管１２の出射開口４内に位置する。集束コイル２１は、典 型的には０．５...１００μmのオーダの極めて小面積の焦点２２を生ぜしめる。 ターゲット２３は、元素の周期表における高い原子番号の金属、例えばタングス テン、金、銅又はモリブデン及び僅かにＸ線ビームを吸収するが良好な導電性の 担体層３３、有利にはアルミニウム又はベリリウムから成る。ターゲット材料の 制動作用に基づき、ビーム１６の照射電子により、Ｘ線ビーム２５が励起、触発 される。Ｘ線ビーム２５の一部は、ビーム方向（上記ビーム方向は、電子ビーム １６の軸１０と一致する）２８を有するターゲット２３を通過し、そして、発散 Ｘ線ビーム２５として、試料２６のほうに向かって、管１２から出射する。ジオ メトリ（幾何学）的ビーム法則性に基づき、試料２６の構造が、Ｘ線ビーム２５ に対して多かれ少なかれ、非透過性である限り、陰影、シルエット部の亀裂とし て相応に拡大され、像平面２９内のフィルム上に投影される。 管１２内での真空状態維持のため及び溶融カソード１４の蒸気状材料トレーサ 、軌跡の引き出しのための 吸引装置３７により、同時にターゲット２３中の焦点孔３１からの溶融した材料 粒子が管１２の内部空間から排出、清浄化されるようになる。 Ｘ線ビーム２５の特に高い収率は、透過ターゲット２３における極めて小面積 の励起された制動容積４０（図４）により得られる。高いエネルギ、電力密度、 即ち、マイクロフォーカシング（微小焦点−集束）された電子ビーム１６による 単位面積当てられの高い物理的負荷により、ターゲット２３内への焦点孔３１の 溶融形成が行われ、その結果Ｘ線ビーム２５の送出方向２８に残留ターゲット材 料、以て、それのビームを減衰させるエネルギ吸収が連続的に減少する。制動層 ３２は、当該電子ビーム１６により所期のように溶融され、このことにより０、 それの集合状態に関してダイナミックに変化するＸ線ビーム源が形成される。 薄膜３２としての制動材料が、例えばタングステンから成る制動材料が、良好 な熱伝導性の材料上に、例えば、ベリリウムとか、又はアルミニウムから成る材 料が付着された場合、次のことが殆ど回避できないが、但し、クリティカルでな いようになる、即ち、制動層３２にて孔３１の底部にて、マイクロフォーカシン グされた電子ビーム１６によってビーム方向２８でその後方に位置する担体層３ ３が溶融されるのが殆ど回避できないが但し、クリティカルでないようになる。 その場合、勿論、当該個所でターゲット２３の照射が 終了されねばならない、即ち、上記Ｘ線装置１の適用中、撮影を終了させなけれ ばならない。それというのは、電子ビーム１６での担体層３３の負荷によっては 、著しく軟らかいＸ線ビーム２５、もって像平面２９内にて、透射さるべき試料 ２６の殆ど利用できない拡散したシルエット、陰影画像しか生ぜしめられないか らである。 次に撮影さるべきＸ線陰影、シルエット画像に対してマイクロフォーカシング された電子ビーム１６での透過ターゲット２３の著しく短時間の照射が行われる 。そのため、カソード１４は、たんに短時間のみ作動され、及び／又は、ビーム １６は図中示されていない旋回可能な絞りを介して短時間のみ解放され、又はビ ーム１６は、偏向コイル１９の相応の制御を介して短時間非機能状態の待機方向 からビーム送出方向２８の機能及び作用軸１６内へ旋回せしめられる。勿論、透 過ターゲット２３においては、そこにて先に孔３１の溶融形成された個所を照射 してはいけない、それというのは、そうしないと、まもなく、又は直ちに、担体 層３３が、制動材料から成る制動層３２が溶融されることと成るからである。従 って、ずれ、オフセット制御部３４が設けられており、該オフセット制御部３４ は、機器軸１０外への偏向コイル１９を用いての前述のビーム偏向により、及び ／又は、機器軸１０に対して相対的なターゲット２３の移動により、次のような 作用が生ぜしめられる、即ち、蛇行状に、又はスパイラル状に延びる経路に沿っ てのみ順次連続する焦点２２が惹起されるような作用が生ぜしめられる。それに より、ターゲット２３の消費、消尽されていない、ないし、使用されていない領 域のみが順次負荷を受け、而して、ターゲットの破壊がが回避され、そこでは、 殆ど有効でない過度に小さいエネルギのＸ線ビームが励起、触発されるに過ぎな いことが保証、確保される。要するに、ターゲット２３は、透過動作モードで垂 直方向での電子ビームの印加負荷を受け、ここで、溶融液相への集合−変換が開 始されるまで、当該の印加負荷がなされる。 管１２、ないし、それの軸１０に対して相対的なターゲット２３のずれ、移動 を明示するため、図中、位置定めモータ３５が管内にとり込んで示してある。そ のかわりに、ターゲット２３を位置定めモータ３５と共に基本的に、管１２の出 射開口２４の前に端面側で真空密に保持されるか、又は、位置定めモータ３５の 外部配置構成から、壁部を通って、ロッドが、管１２内部におけるターゲットに 対する回転−又は推動保持体３６に当接、係合する。前述のように、次のような 場合には、常に、ターゲットの移動を行なわなければならない、即ち、電子ビー ム１６により微小孔３１が担体層３３に達する程深く制動層３２内に溶融形成さ れる場合には、当該のターゲットの移動を行なわなけ ればならない。 前記時点を求めるための簡単な方法によれば、出力、パワーに関して評定、推 定可能な、又は、容易になお経験的に求めることができる数ミリセカンド又はマ イクロセカンドのオーダの短い照射時間後、ターゲット上での焦点生成を終了さ せる。そのために、電子ビームは、前述のように遮断されたり、遮蔽されたり、 又は、ターゲット領域外に旋回され得る。但し、上記方法は、微小孔３１の個別 状態を考慮しない。当該の方法では、担体層３３が既に照射されるか、又は、他 方では、微小孔３１は制動層３２と担体層３３との間の境界に達しないようにす るとよい。 そこにて、制御層３２が溶融され、電子が担体層３３に当てられる時点ｔａを 求める一層精確な方法は、図３に示すようなターゲット電流１の測定である。タ ーゲット電流１を照射時間ｔの関数として測定する場合、上記ターゲット電流Ｉ は、図３Ａに示す特性経過を有する。時点ｔａでは、ターゲット電流の跳躍的増 大が行われる。時点ｔａは、次のような時点である、即ち、そこで、電子ビーム が制動層２に衝撃を加え、そして、微小孔３１が担体層３の所まで達するような 時点である。要するに、ターゲット電流Ｉの測定により、著しく容易に、制御部 により、電子ビーム１６の方向変換のための命令を得ることができる。ここで、 全体的に制動層３２及び担体層３３の自動的な局所的 な特性が考慮される。 高電圧電界内で加速される電子が材料の表面内に進入すると、当該電子は、材 料との相互作用にて、一連の弾性的衝撃を受け、該弾性的衝撃のもとで、その都 度、それの運動エネルギの一部を失い、該運動エネルギは、ビームに変換される 。上記ビームの一部は、Ｘ線ビームから成る。一連の弾性的衝撃中、電子は、タ ーゲット材料内で、制動容積４０（図４）を通過し、前記制動容積の拡がりは、 第１にターゲット材料の原子番号と、電子のエネルギＥ_oと、電子ビーム直径Ａ により定まる。 Ｘ線ビームは前述の制動容積４０内で生じる。従って、ビーム源の拡がりは、 制動容積４０の大きさにより定まる。“零”に向かう電子ビーム直径ｄを想定（ 仮定）する場合でも、電子の拡がりに基づき、有限の制動容積は、保持された侭 である。従って、実質的にＥ_o及びＺにより定まる最小のビーム源の大きさを下 回ることは基本的にない。 ビーム源を更に縮小しようとする場合には、担体材料内に、担体材料−ドーピ ング材４１（図４Ａ）が、挿入されなければならず、ないし、作り込まれなけれ ばならず、該担体材料−ドーピング材の容積は、それぞれ、連続する担体材料に おける電子の所定の制動容積４０より著しく小さいものである。 利用可能なＸ線ビームは、たんに高い原子番号の担 体材料中でのみ生じる。ターゲット材料−ドーピング材４１から小さな原子番号 の担体材料中へ進入する電子は、次のような電子と同様に利用可能なＸ線ビーム には寄与しない、即ち、ドーピング材４１と共に直接担体材料内へ侵入する電子 が利用可能なビームに大して寄与しないのと同様である。 図４Ａの小さなドーピング材容積において、同じ電子ビーム密度のもとで、制 動層３２（図２）における比較的大きな制動容積４０におけるより僅かな単位時 間当たりのＸ線フォトンが生じるので、電子ビーム濃度（電流）を増大しなけれ ばならない。このことによっては、成程担体材料−ドーピング材４１及びそれの 担体材料周囲の一層迅速な溶融を生じるが、溶融過程中生じるＸ線ビームを利用 することもできる。次のＸ線撮影のため電子ビーム１６は、公知のようになお利 用されていないドーピング材個所４１へ偏向される等々。ドーピング材４１は、 例えば所定のパターン、コンフィギュレーション（構成配列）で配置構成され得 る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年４月４日 【補正内容】 冒頭に述べた米国特許第４３４４０１３号明細書（Ledley）から公知の微小焦 点−Ｘ線発生装置は既に、溶融ターゲットで動作する。上記装置では、電子ビー ムは、斜めにセッティングされたターゲットに当たり、その結果上記の生成され たＸ線ビームは、同じく角度をなして、ターゲットから放射される。但し、上記 装置の場合以下のことは考慮されていない、即ち、ターゲットの完全な溶融状態 になる前に既に、クレータ形成の迅速な進行に基づき、放射されたＸ線−有効ビ ームの光学軸がＸ線ビームを著しく吸収する隆起するクレータ縁辺により、陰影 化、ないし、遮蔽作用を受ける。而して、点状源から発するとは見なされ得ない 発散、拡散Ｘ線光が生じる。従って、入射する電子ビームに対して斜めのターゲ ットの位置を有するその種装置は、その有効性が実証されていない。 ＤＥ−ＯＡ，Ａ３３０７０１９(Scanray)から公知のＸ線発生装置では、電子 ビームがターゲット上に垂直方向に当てられる。有効ビームとしては０〜１０度 の角度をなして送出されるＸ線ビームが使用される。但し、固定のターゲットで 動作する。溶融−透過ターゲットは、設けられておらず、亦言及されてもいない 。 従って、本発明の基礎を成す課題とするところは、そこにて、垂直方向に入射 する電子ビームがターゲットを溶融してあり、他のターゲット個所へ偏向へせし められるべき時点（ｔａ）を精確に検出することにある。 上記課題は、本発明によれば、次のようにして解決される、即ち、本発明の上 位概念による微小焦点Ｘ線発生装置を請求の範囲１の特徴部分に規定したように 設計構成するのである。 請求の範囲 １． 微小焦点Ｘ線発生装置であって、集束化された電子ビームがＸ線ビーム生 成のためターゲット（２３）の制動材料上に垂直方向に当てられ、焦点（２２） にて制動材料は、高い熱負荷により少なくとも液状の集合状態に移行し、ターゲ ット（２３）上での焦点（２２）の位置が各照射と共に先行の位置に対してずら されており、ここにおいて、制動材料が担体層（３３）上の制動層（３２）内に 配置されており、前記制動層（３２）は、電子ビーム（１６）のほうに配向され た、担体層（３３）の側に配置されており、制御部（３４）が設けられており、 該制御部は遅くとも担体層（３３）の溶融の際電子ビーム（１６）を中断するよ うに構成されている当該の微小焦点Ｘ線発生装置において、 制御部（３４）は、そこにて電子ビーム（１６）により担体層（３３）が溶 融される時点（ｔａ）をターゲット電流（Ｉ）の測定により求めるように構成さ れていることを特徴とする微小焦点Ｘ線発生装置。 ２． 前記制動材料は、ドーピング材（４１）の形で担体層（３３）内に配置さ れていることを特徴とする請求の範囲１から５までのうちいずれか１項記載の装 置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 微小焦点Ｘ線発生装置であって、集束化された電子ビームがＸ線ビーム生 成のためターゲット（２３）の制動材料上に当てられ、焦点（２２）にて制動材 料は、高い熱負荷により少なくとも液状の集合状態に移行し、ターゲット（２３ ）上での焦点（２２）の位置が各照射と共に先行の位置に対してずらされている 当該の装置において、 前記制動材料は、担体層（３３）上に制動層（３２）内に配置されており、 電子ビーム（１６）は、電子ビーム（１６）のほうに配向された制動層（３２） に垂直に当てられ、制御部（３４）が設けられており、該制御部は、遅くとも担 体層（３３）の溶融の際電子ビーム（１６）を中断するように構成されているこ とを特徴とする微小焦点Ｘ線発生装置。 ２． ターゲット（２３）上で、蛇行状−又はスパイラル状の不連続のビーム偏 向が行われるように構成されていることを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ３． 或１つの照射から次の照射への移行の際ターゲット（２３）の回転及び／ 又はシフト、移動が行われるように構成されていることを特徴とする請求の範囲 １記載の装置。 ４． 前記の、遅くとも担体層（３３）の溶融の際電 子ビーム（１６）を中断する制御部（３４）は、時間制御されるように構成され ていることを特徴とする請求の範囲１記載の装置。 ５． 制御部（３４）は、そこにて電子ビーム（１６）により、担体層（３３） が溶融される時点（ｔａ）をターゲット電流（Ｉ）の測定により求めることを特 徴とする請求の範囲１から３までのうちいずれか１項記載の装置。 ６． 制動材料はドーピング材（４１）の形で担体層（３３）内に配置されてい ることを特徴とする請求の範囲１から５までのうちいずれか１項記載の装置。