JPH11339702A - 液体金属タ―ゲットを有するｘ線源 - Google Patents

液体金属タ―ゲットを有するｘ線源

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JPH11339702A
JPH11339702A JP11131444A JP13144499A JPH11339702A JP H11339702 A JPH11339702 A JP H11339702A JP 11131444 A JP11131444 A JP 11131444A JP 13144499 A JP13144499 A JP 13144499A JP H11339702 A JPH11339702 A JP H11339702A
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ハーディング ジェフリー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、より高い連続装荷可能性を有する
Ｘ線源を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明は液体金属ターゲットを有するＸ
線管に関する。電子源（３）によって放出された電子
は、窓（２）を通って液体金属に入り、その中でＸ線を
発生する。高い原子番号を有する液体金属はポンプによ
って循環し、それにより窓の中の電子と液体金属との相
互作用によって発生された熱は放散されうる。この領域
において発生された熱は乱流によって放散され、それに
より効果的な冷却を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子の放出のため
の電子源と、電子の入射に応じてＸ線を放出し、上記Ｘ
線源の動作条件において循環する液体金属からなるター
ゲットとを含むＸ線源に関する。
【０００２】
【従来の技術】上述の種類のＸ線源は米国特許第４，９
５３，１９１号より既知である。その中に記載される液
体金属はポンプ回路の中に含まれ、ポンプ回路は、液体
金属をステンレススチール板を横切って収集槽へ流す分
配ヘッドを含み、続いて液体金属は収集槽から再び分配
ヘッドへ向かってポンプされる。電子ビームは、ステン
レススチール板を横切って流れる液体金属上に入射し、
その中でＸ線を発生する。
【０００３】液体金属はこのように、Ｘ線源の電子源が
収容される真空空間を通って流れる。従って、この種類
の管は最も高い動作温度が生じている場合でもＸ線源の
中の真空が影響を受けないよう低い蒸気圧を有する液体
金属に制限される。従って、比較的低い原子番号（３
１）を有し、従って比較的低いＸ線放射量を有するガリ
ウムが使用されねばならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｘ線源
の高い圧力の強さに影響を与えうるため、循環するガリ
ウムの流れからのガリウム粒子がＸ線源の真空空間を透
過することを防止することが重要である。これは、乱流
は潤滑剤粒子を逃がし得るため、ステンレススチール板
を横切るガリウムの流れは純粋に層流であるべきである
ことを意味する。分配ヘッドからステンレス板までのガ
リウムの流れ、特に電子ビームによるガリウムの加熱は
乱流を発生させる。従って、ガリウムは実質的に１ｍｍ
以下の厚さの薄い層としてのみ、また引用された文献の
中に示される速度よりも実質的により低い速度で流れて
もよく、それによりＸ線源の期待装荷可能性は大きく減
少される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、高められた連
続装荷可能性を有するＸ線源を提供することを目的とす
る。上述の種類のＸ線源に基づいて、この目的は、電子
によって横切られ液体金属によって冷却される窓が電子
源とターゲットとの間に配置されることによって達成さ
れる。
【０００６】本発明の本質的な面は、電子源によって放
出された電子が液体潤滑剤に直接に入射するのではな
く、Ｘ線源と液体潤滑剤とを互いに分離する窓を通過す
ることである。しかしながら適当な材料及び適当に小さ
な厚さを選択することにより、窓は電子エネルギーの小
さな部分（約８００ｅＶ）のみを吸収することが考えら
れる。従って、電子は窓によって大きく減速されること
なく液体金属を透過し、その中でＸ線を励起しうる。液
体金属は従って以下の３つの機能を有する。 （ａ）高エネルギーの電子をＸ線へ変換する。 （ｂ）電子が液体金属と相互作用を起こす領域から効果
的に熱を除去する。 （ｃ）窓を冷却する。
【０００７】この窓の使用は、冷却剤が窓に沿って乱流
として案内されることを可能とする。乱流の場合、液体
金属は層流の場合と比較してはるかに良く混ぜられ、従
ってよりよい冷却が達成される。更に、液体金属は、層
流と比較してより厚い層として、またはより高い速度で
電子との相互作用の領域を通って案内されうる。このよ
うにより有効な冷却又はより高い連続装荷可能性が達成
される。
【０００８】更に、真空空間を液体金属から分離するこ
とは、ガリウムよりも高い蒸気圧を有し、また電子エネ
ルギーのより大きな部分をＸ線に変換するようより高い
原子番号を有する金属が選択されることを可能とする。
日本国特許出願第０８０３６９７８号は、電子源によっ
て放出された電子がＸ線源の真空空間を密封する窓を通
ってターゲット上に入射するＸ線源を既に開示している
ことに注意すべきである。明らかに固体ターゲットであ
るターゲットは、窓から幾らかの距離だけ離れている回
転可能取付台に配置される。欠陥が生じた場合は、これ
は同一の取付台上の他のターゲットによって容易に置換
されうる。電子のエネルギーのうちの一部は窓の中で熱
に変換され、Ｘ線源の装荷可能性は低いため、窓の外側
は外気条件を受けるため加熱された時に酸素と反応しな
い材料によって形成されねばならないという更なる問題
がある。
【０００９】窓は、循環する液体金属の流れの圧力に耐
えるようできる限り安定しており、また、電子からでき
る限り小さなエネルギーを引き出すよう構成されるべき
である。窓の適当な材料は、適当な実施例を記載する請
求項２及び請求項３に記載される。ダイアモンド以外
に、例えばベリリウム又は合成材料といった他の窓材料
が使用されうる。請求項４及び請求項５は、適当なター
ゲットである金属及び合金を記載する。従って、本発明
の文脈では金属という用語は広義に解釈されねばならな
い。金属という用語は、化学元素によって定義される金
属だけでなく、それらの化合物を含むべきである。
【００１０】請求項６に記載される実施例は、増加され
た連続出力を可能とする有効な冷却を与える。請求項７
の更なる実施例は、窓の領域における乱流を実現し、こ
れは請求項８に従って最も簡単に実現されうる。請求項
９に記載される実施例は、外囲器によって包囲された真
空空間及び液体金属が流れる空間は、互いに気密密封さ
れることを確実にする。従って、液体金属は、既知のＸ
線源のように低い蒸気圧を有する必要はない。請求項１
０に記載される更なる実施例では、液体金属の中で発生
されたＸ線は、Ｘ線出口窓から有用な放射線として放出
する前に電子用の窓を通過する。電子源によって放出さ
れる電子ビームが細長い断面を有する場合（「ストリッ
プ焦点原理」）、電子ビームによって画成される平面と
有用な放射線ビームの出現は、液体金属が窓を通過して
流れる方向に垂直に延在すべきである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
述する。図１中の参照番号１は、窓２によって真空気密
に密封された、望ましくは電気的に接地された管外囲器
を示す。管外囲器の真空空間には、動作条件において電
子ビーム４を放出する陰極３の形の電子源が収容されて
おり、電子ビームは窓２を通ってシステム５の中に存在
する液体金属上に入射する。システム５は、液体金属が
ポンプ５２によって動かされ、セクション５１の中の窓
２の外側を通過して流れるダクト５０のシステムを含
む。セクション５１を通過した後、液体金属は熱交換器
５３に入り、発生された熱は適当な冷却回路によって排
出される。
【００１２】窓２を通過する電子と液体金属との間の相
互作用は、外囲器１の窓２及びＸ線出口窓６を通って発
せられるＸ線を発生する（即ち液体金属はターゲットと
して作用する）。電子ビーム４は、望ましくはストリッ
プ焦点原理に従って、図１の平面に垂直な方向の寸法が
図の平面の方向の寸法よりも実質的により大きな寸法で
ある断面を有する。この場合、放射線出口窓６は破線に
よって示されるように、ストリップ焦点が向けられてい
る外囲器１の周囲上の方向に、従ってＸ線管１の断面の
図面の平面の上又は下の部分に配置されねばならない。
【００１３】窓２は、管外囲器及び液体金属によって横
切られるセクション５１を真空気密に密封するよう作用
する。更に、電子４が窓を通過するときに電子４ができ
る限り少ない熱を発生するよう、窓は電子４に対してで
きる限り「透明」であるべきである（陰極３は管外囲器
に対して負の高い電圧を担持する）。更に、窓は適当な
熱伝導性を有する材料から構成されるべきである。ダイ
アモンドは窓に適した材料である。窓の厚さが１μｍの
場合、適当な機械的な安定性は既に達成されている。か
かる窓の中で１５０ｋｅＶのエネルギーを有する電子に
よってかかる窓の中で受けられるエネルギーの損失は１
％以下であり、液体金属が電子によって５０ｋＷだけ加
熱されたときは、従って電子によって窓の中で発生され
る熱流は５００Ｗ以下である。ダイアモンドの更なる利
点は、その高い熱伝導率であり、無酸素環境において不
可逆的な変更を受けることなく最高で１５００℃の温度
まで加熱されうることである。
【００１４】図２は、ダイアモンドの窓２を有するシス
テム５の部分５１を示す図である。かかるダイアモンド
の窓は、例えば以下のようにして製造されうる。適当な
ＣＶＤ方法を使用して、厚さ３００μｍ及び直径６ｍｍ
を有するシリコン基板２２上に、厚さ１μｍを有するダ
イアモンド層が蒸着される。続いて、適当な方法、例え
ばエッチングを使用して、シリコン基板上の電子ビーム
が入射する領域に例えば５ｍｍ×０．８ｍｍの開口２１
が形成され、それによりこの領域にはダイアモンドの窓
のみが残される。シリコン基板２２は次にセクション５
１又は外囲器１に適当に接続される。続いて、上記のよ
うに処理されたシリコン基板２２には、電子によって帯
電しないよう薄い金属化層が設けられる。
【００１５】液体金属については、高い原子番号を有
し、低い温度、望ましくは室温で液体である金属又は金
属合金が使用されうる。−３９℃において既に流体であ
る水銀は適当な金属である。適当な金属合金は、６２．
５％Ｇａ／２１．５％Ｉｎ及び１６％Ｓｎ（値は重さに
よるパーセンテージで表示）からなる。この合金は１
０．７℃において流体となる。部分的により高い原子番
号を有する元素からなる他の適当な合金は、４３％Ｂｉ
／２１．７％Ｐｂ／１８．３％Ｉｎ／８％Ｓｎ／５％Ｃ
ｄ及び４％Ｈｇからなる。この合金は３８℃において液
体となる。従って、Ｘ線源を動作させる前に、この合金
は流体となるまで加熱されねばならない。
【００１６】電子によって発生される熱の効果的な放散
のために、冷却媒体が充分に迅速に、乱流として窓を通
過して流れることが前提条件である。乱流が生ずること
により液体は特に迅速に混ぜられるため、乱流は熱エネ
ルギーを特に効果的に放出することが知られている。こ
のため、４ｍｍの幅（窓の寸法に対応）及び約１ｍｍの
厚さを有する液体の流れは窓を通過して案内されるべき
である。上記の厚さが１ｍｍよりもかなり小さければ、
放散されうる熱流は小さくなりすぎる。しかしながら厚
さがかなり大きければ、窓の領域において充分な流れの
速度が得られないという危険性が生ずる。
【００１７】ダクトのシステムはすると、例えば６ｍｍ
の内側寸法を有するダクト５０からの液体金属は、適当
な中間部材を通じて４ｍｍ×１ｍｍの断面に狭窄されう
るよう構成されうる。しかしながら、ダクト５０と同じ
内側寸法を有するセクション５１を構成し、切抜部２１
に対向する窓の領域においてのみセクション５１の狭窄
部を与えることがより簡単である。流れの断面は従って
４ｍｍ×１ｍｍに狭窄され、それによりこの領域におい
て液体金属の流れの速度は例えばダクト５０の中におけ
る速度よりも速い。流れの断面の狭窄と、電子による液
体金属の加熱と、液体金属の比較的速い速度（２５ｍｓ
-1）は、この領域において乱流が生ずることを確実にす
る。しかしながら、窓から数μｍの距離において、略層
流を有する層が存在し続ける。必要であれば、窓２の流
れに対向する側を粗くすることによりこの層流は除去さ
れうる。
【００１８】液体金属をダクトのシステム５０，５１を
通して駆動させるポンプ５２は、米国特許第４，９５
３，１９１号に開示されるように磁気流体力学的な力に
よってダクト５０，５１を通して液体金属をポンプしう
る。これらの磁気流体力学的な力は、液体金属中の電流
によって生ずる磁界と外部磁界との協働によって発生さ
れる。この種類のポンプは機械的に可動な部分を含む必
要がないという利点を有する。しかしながら他の原理に
基づいて動作するポンプもまた使用されうる。
【００１９】本発明は、Ｘ線源が少なくとも１０ｋＷの
連続出力で動作することを可能とする。回転陽極を有す
るＸ線管は概してより低い連続装荷可能性を有し、例え
ばコンピュータ断層撮影装置の中の動きによって損傷を
受けうる回転陽極のための軸受を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＸ線を線図的に示す図である。
【図２】Ｘ線の一部を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１ 外囲器 ２ 窓 ３ 電子源 ４ 電子ビーム ５ システム ２１ 開口 ２２ 基板 ５０ ダクト ５１ ダクトの部分 ５２ ポンプ ５３ 熱変換器 ５４ 狭窄部
フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子の放出のための電子源（３）と、 電子の入射に応じてＸ線を放出し、上記Ｘ線源の動作条
    件において循環する液体金属からなるターゲットとを含
    むＸ線源であって、 上記電子によって横切られ上記液体金属によって冷却さ
    れる窓（２）は上記電子源と上記ターゲットとの間に配
    置されることを特徴とするＸ線源。
  2. 【請求項２】 上記窓（２）はダイアモンドからなるこ
    とを特徴とする、請求項１記載のＸ線源。
  3. 【請求項３】 上記窓は、ダイアモンド層（２）と電子
    の入射領域における開口（２１）とを設けられた上記電
    子源に対向する基板（２２）を含むことを特徴とする、
    請求項２記載のＸ線源。
  4. 【請求項４】 上記ターゲットは水銀又は水銀合金から
    なることを特徴とする、請求項１記載のＸ線源。
  5. 【請求項５】 上記ターゲットは鉛及びビスマスを含む
    合金からなることを特徴とする、請求項１記載のＸ線
    源。
  6. 【請求項６】 上記液体金属を閉回路（５０，５１）の
    中で循環させ、それにより上記窓（２）の領域において
    主に乱流である流れを発生させるポンプ（５２）を有す
    ることを特徴とする、請求項１記載のＸ線源。
  7. 【請求項７】 上記液体金属によって横切られる回路の
    断面（５１）は、上記窓から離れて配置された領域より
    も、上記窓（２）の領域において実質的により小さいこ
    とを特徴とする、請求項６記載のＸ線源。
  8. 【請求項８】 上記回路は、その周囲に上記窓と上記窓
    の領域における狭窄部（５４）とを設けられたダクト
    （５１）を含むことを特徴とする、請求項７記載のＸ線
    源。
  9. 【請求項９】 上記電子源（３）は窓によって密封され
    た真空の外囲器（１）の中に収容されることを特徴とす
    る、請求項１記載のＸ線源。
  10. 【請求項１０】 上記外囲器（１）は上記ターゲットの
    中で発生したＸ線のための出口窓（６）を更に有するこ
    とを特徴とする、請求項１記載のＸ線源。
JP11131444A 1998-05-15 1999-05-12 液体金属タ―ゲットを有するｘ線源 Pending JPH11339702A (ja)

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DE19821939:3 1998-05-15

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