KR101738652B1 - 코팅된 x-선 윈도우 - Google Patents

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Abstract

X-선 윈도우는 1차(22) 및 2차(70) 윈도우 요소를 포함한다. 옴 가열에 의해 잔사를 증발시키기 위해, 전류가 2차(업스트림) 윈도우 요소를 통해 흐른다. 한편, 전자 조사로부터 발생 및/또는 대전된 입자를 증착시키는 전하가 윈도우 요소에서 빠져나오게 될 것이다. 큰 잔사 입자가 윈도우 요소를 단락시켜 원하는 가열 패턴을 변경하는 것을 방지하기 위해, 윈도우 요소를 가열하기 위한 전류가 전하-드레인 층(76)으로부터 절연되는 층(72)을 통해 흐른다.

Description

코팅된 X-선 윈도우{COATED X-RAY WINDOW}
본 명세서에 개시된 발명은 일반적으로 전자 충돌 X-선 소스의 설치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 액체 제트 애노드(liquid-jet anode)를 포함하는 X-선 생성 장치용의 진공 케이싱(casing)의 일부로서 적합한 X-선 윈도우에 관한 것이다.
참고로 본 명세서에 병합되어 있는 WO 2010/083854로서 공개된 공동 계류 중인 국제 출원은 X-선 방사선이 통과하게 하면서 진공으로부터 대기압을 분리시키기 위한 자기 세척(self-cleaning) 윈도우 장치를 개시한다. 그 윈도우 장치는 동작 동안 오염 물질을 증발시키기 위해, 진공에 면하는 내부 표면을 세척하는 가열 수단을 갖는다. 특히, 윈도우는 스플래시(splashes), 액적(droplets) 및 액체 제트 애노드로부터 용착하는 미스트(depositing mist)로부터 세척될 수 있다.
본 발명의 목적은 오염에 대해 향상된 강성을 갖는 X-선 윈도우를 제안하는 것이다. 특정 목적은 강한 자기-가열 기능을 갖는 X-선 윈도우를 제안하는 것이다.
대기압 영역을 감압 영역으로부터 분리시키는 X-선 윈도우는:
Figure 112013057724069-pct00001
상기 대기압 영역을 중간 영역으로부터 분리시키는 1차 X-선-투과성 윈도우 요소;
Figure 112013057724069-pct00002
상기 중간 영역을 상기 감압 영역으로부터 분리시키며, 상기 감압 영역을 마주보고 증착되는 오염물질을 수용하는 측면을 포함하는 2차 윈도우 요소; 및
Figure 112013057724069-pct00003
상기 2차 윈도우 요소의 영역들 사이에 전기 전압을 인가하여 증착되어 있는 오염물질을 증발시키는 가열 수단을 포함한다.
그러한 윈도우는 X-선 소스의 진공 또는 진공에 가까운 챔버(감압 영역)의 벽에 제공될 수 있어, 필요한 진공(에 가까운) 상태를 유지하면서 생성된 X-선이 챔버를 벗어나게 할 수 있다. 액체 금속의 제트를 갖는 X-선 소스의 경우에, 오염물질은 애노드로부터의 금속 잔사일 수 있다. X-선 소스의 정상 동작 동안 2차 윈도우 요소 상에 잔사가 누적되더라도, 본 발명에 따르는 2차 윈도우 요소를 X-선 소스를 분리하지 않거나 진공을 해제하지 않은 상태로, 또는 소스의 정상 동작을 중단하지도 않은 상태로 세척하는 것이 가능하다.
본 발명자들은 기재된 종류의 윈도우가 잔사 입자가 윈도우에 인접한 요소와 전기 및/또는 열적 접속을 확립하는 오작동 조건에 민감한 것을 인지하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 잔사 입자 C1은 하우징(44)과 내부 표면을 형성하는 전기적으로 가열된 2차 윈도우 요소(24) 사이에 위치한다. 하우징(44)이 접지되면, 소스(30)에 의해 제공되는 전류의 일부분이 2차 윈도우 요소(24)를 가열하는 대신에 입자 C1를 통해 빠져나갈 수 있다. 하우징(44)이 전기적으로 절연되더라도, 경우에 따라, 입자 C1은 히트 싱크로서 작용하여 2차 윈도우 요소(24)가 의도된 온도 분포로부터 벗어나게 한다. 이것이 윈도우의 자기 세척 작용을 방해한다.
도 2는 2차 윈도우 요소(24)를 둘러싸는 전하 흡수 스크린(60)을 포함하는 윈도우 배치에서의 오작동 조건을 도시한다. 스크린(60)은 윈도우 경계 및 그와 관련된 설비가 전자나 X-선 조사로부터 또는 오염물질로부터의 보호를 필요로 하는 애플리케이션에 유용할 수 있다. 2차 윈도우 요소(24)의 옴 가열을 순서대로 처리하고 생성된 열을 보존할 수 있게 하기 위해, 윈도우 요소(24)는 열적 및 전기적으로 절연성 스페이서(62)에 의해 스크린(60)으로부터 분리된다. 2차 윈도우 요소(24)와 스크린 사이에 위치하는 오염물질 입자 C2는 이들 요소 사이에 불필요한 전기적 및/또는 열적 접속을 생성할 것이다. 특히, 전류원(30)으로부터 흐르는 전류는 접속점(26)으로부터 입자 C2까지 단분절(short segment)로 집중할 수 있다. 따라서, 입자 C2 자체가 가열을 덜 효율적이 되게 하므로, 윈도우가 오작동 조건으로부터 복구하는데 상당한 시간을 필요로 할 수 있다.
이들 단점에 비추어, 본 발명은 청구항 1에 따르는 X-선 윈도우를 제공한다. 유리한 실시예들은 그 종속 청구항들에 의해 한정된다. 제1 양태에서, 2차 윈도우 요소는:
Figure 112013057724069-pct00004
전기 절연 층;
Figure 112013057724069-pct00005
감압 영역을 마주보고 전하 싱크에 연결되는 전하-드레인 층; 및
Figure 112013057724069-pct00006
상기 전하-드레인 층으로부터 전기적으로 절연되는 히터 층을 포함하고, 그 사이로 상기 전압이 인가되는 상기 영역들은 상기 히터 층 내에 위치한다.
그러므로, 본 발명은 종래 기술의 윈도우의 2차 윈도우 요소가 2개의 상이한 유형의 전하 전송 - 잔사를 증발시키기 위한 옴 가열과 대전된 잔사 입자 또는 직접 전자 조사에 의해 요소에 전송되는 전하의 배출의 양자 - 에 대해 책임이 있고, 또한 두 가지 유형의 전하 전송을 분리하는 것이 유리하다는 인식에 의거하고 있다. 두 가지 유형의 전하 전송은 히터 층 및 전하-드레인 층과 같은 별개의 층들에서 발생하는 경우, 히터 층이 잔사의 증착으로부터 보호되는 위치에 위치할 수 있고, 그렇지 않은 경우 그 기능을 혼란시키기 쉬워진다. 본 발명은 도 2에 도시된 오작동 조건을 종래 기술보다 더 빠르게 바로잡는데, 그 이유는 옴 가열이 스크린(60)과 2차 윈도우 요소(24) 사이의 잔사 입자 C2를 통한 불필요한 전기 접속에도 불구하고 계속 동작하기 때문이다. 유사하게, 도 1에 도시된 오작동 조건은 본 발명에 의해 쉽게 미연에 방지될 수 있으며, 이는 잔사에 가장 많이 노출되는 부분인 경계로부터 일정 거리에 히터 층이 종료하는 2차 경계 요소를 이용하여 구현될 수 있다.
이 개시내용 및 특히 청구항의 목적을 위해, 용어 "잔사" 및 "오염물질"이 상호 교환적으로 사용된다. "전기적으로 절연 층"은 의도되는 애플리케이션에 따라 높거나 낮은 열 전도성을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 윈도우 요소의 축방향으로 대향하는 측면 상에 증착하는 잔사가 제거되는 경우, 전기적으로 절연 층은 바람직하게는 높은 (축방향) 열 전도성을 갖는다. 반면에, 잔사가 히터 층과 열 접촉하는 요소 상에서는 증발되지만, 윈도우 요소의 축방향으로 대향하는 측면 상에서는 증발되지 않는 경우(예를 들면, 2차 윈도우 요소가 X 선에 대해 부분적으로 비투과성인 경우), 또한 열적으로도 절연성인 전기적으로 절연성 재료를 선택하는 것이 더욱 경제적이다. 더욱이, "전하-드레인 층"은 임의의 상당한 정도까지 정전 충전되지 않도록 하기 위해 윈도우 요소로부터 전하를 빼내도록 적응된다. 이것을 달성하기 위해, 전하-드레인 층은 접지 전위, 일정한 비접지 전위(전자에 관해 인력 또는 척력임) 또는 변동하는 전위와 같은 임의의 적절한 전위에 있을 수 있다. 더욱이, 전하-드레인 층은 적어도 2차 윈도우 요소의 횡단 방향에서는 전기적으로 전도성이므로, 전하가 윈도우 요소에서 빠져나와 전하 싱크로 진행할 수 있게 된다. 마지막으로, "히터 층"은 2차 윈도우 요소의 전체 또는 일부분을 덮는 고체 또는 비고체 요소일 수 있다. 히터 층은 적어도 윈도우 요소의 횡단 방향에서는 전기적으로 전도성인 재료의 얇은 층일 수 있다.
본 발명은 도 1과 유사하게 스크린되지 않은 윈도우로서 구현될 수도 있다. 이는 간단하고 효율적인 구성을 제공하며, 이는 그럼에도 불구하고, 2차 윈도우 요소의 경계로부터 일정 거리에 히터 층을 종료하게 함으로써와 같이 잔사 스플래시로부터 보호되는 위치에 히터 층을 배치함으로써 단단하게 만들어질 수 있다.
일 실시예에서, 2차 윈도우 요소는 감압 영역을 마주보는 측면 상에서 스크린에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 바람직하게는, 스크린은 전하 흡수체(또는, 전하 싱크 예컨대, 접지)에 연결됨으로써 및 전기적으로 전도성으로 됨으로써 전하 드레인으로서 작용을 한다. 스크린은 만약에 있다면, 스플래시 또는 이동하는 액적을 포함하는 잔사로의 직접 노출에 대해 2차 윈도우 요소의 에지, 기계적인 고정 수단 및 전기 접속을 보호한다.
일 실시예에서, 2차 윈도우 요소는 전하 드레이닝(draining) 스크린에 의해 둘러싸이고, 2차 윈도우 요소의 전하-드레인 층은 열적으로 절연성인 스페이서를 통해 스크린에 끼워 맞춰짐으로써 스크린에 접속된다. 스페이서는 스크린과 윈도우 요소의 전하-드레인 층의 양자와 전기 접속되어 있다. 스페이서 자체는 2차 윈도우 요소에 영향을 주는 전하를 빼내도록 충분히 전기적으로 전도성이다. 일반적으로, 윈도우 요소에 영향을 주는 전하는 대략 마이크로 암페어이다. 가열 전력이 덜 필요하게 되고 더 약한 가열 전류의 사용이 히터 층의 작업 수명을 연장시키므로, 2차 윈도우 요소를 열적으로 절연시키는 것이 경제적이다.
일 실시예에서, 2차 윈도우 요소는 전하-드레이닝 스크린에 의해 둘러싸이고 열적으로 및 전기적으로 전도성인 스페이서를 통해 이것에 끼워 맞춰진다. 전하-드레인 층으로부터 전하의 원하는 드레이닝을 달성하기 위해, 이 층이 필라멘트를 통해 스크린에 연결된다. 필라멘트는 바람직하게는 2차 윈도우 요소 및/또는 스크린의 열 팽창을 용이하게 하기 위해 느슨해진다.
일 실시예에서, 전하-드레인 층은 절연 층 외부로 연장하지 않는 반면, 히터 층은 적어도 윈도우 요소의 횡단 방향으로 양의 거리만큼 전하-드레인 층 외부로 연장한다. 절연 층은 히터 층과 또는 전하-드레인 층과 동일 평면 상에 있을 수 있거나, 전하-드레인 층 외부로 연장하지만 히터 층까지는 연장하지 않는다. 크기의 차이가 층들의 전기 절연성을 더욱 강하게 만든다. 그 차이는 2차 윈도우 요소의 전기적 및 기계적 체결을 간략하게 할 수도 있는데, 그 이유는 그 일부가 전기적으로 전도성인 액체와 함께 저장소 내의 슬릿 내로 삽입될 수 있기 때문이다. 그러한 체결은 WO 2010/083854호의 도 3과 유사하게 달성될 수 있다. 그 체결은 윈도우 요소를 축방향으로 고정시키고 윈도우 요소를 몇몇 횡단 방향으로도 고정시킬 수 있다. 유리하게도, 2차 윈도우 요소는 온도 변화에 응답하여 팽창 및 수축할 수 있다. 윈도우 요소의 경계의 2개의 세그먼트(segment)가 상이한 저장소의 슬릿 내로 삽입되면, 옴 가열을 위한 전류가 히터 층을 통해 구동될 수 있다. 히터 층 및 전기적으로 절연 층이 에지에서 서로 동일 평면 상에 있으면, 양자는 용기 내의 슬릿 내로 삽입될 수 있다.
이 실시예에 대한 변형에서, 히터 층은 절연 층 외부로 연장하지 않고, 전하-드레인 층은 히터 층 외부로 적어도 양의 거리만큼 연장한다. 절연 층은 어느 하나의 외부 층과 동일 평면 상에 있을 수 있거나, 히터 층과 전하-드레인 층의 각각의 경계 사이에서 종료할 수도 있다. 이 기하학적 구조는 적어도 2차 윈도우 요소의 경계의 일부분 위에 적용한다. 전하-드레인 층이 상기 부분에서 2차 윈도우 요소의 가장 바깥쪽 부분을 구성하기 때문에, 이 층을 저장소 내의 슬릿 내로 삽입함으로써 고정시키는 것이 편리하며, 여기에서 이 층이 전기적으로 전도성인 액체와 접촉한다. 전하-드레인 층 및 전기적으로 절연 층이 서로 동일 평면 상에 있으면, 양자는 용기 내의 슬릿 내로 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 액체는 전하 싱크로 차례로 전기적으로 접속된다. 필수적인 것은 아니지만 슬릿 내로의 삽입에 의해 윈도우 요소의 하나 보다 많은 경계 세그먼트를 연결하는 것이 가능한데, 그 이유는 열 팽창성 및 전하-드레이닝 능력의 양자가 이미 하나에 의해 달성되기 때문이다.
일 실시예에서, 전기적으로 절연 층은 적어도 2차 윈도우 요소의 경계의 일부분 위에서 2차 윈도우 요소의 가장 바깥쪽 부분을 구성한다. 이 부분에서, 더욱 정확하게는, 전기적으로 절연 층은 히터 층 외부로 제1 거리만큼 및 전하-드레인 층 외부로 제2 거리만큼 연장할 수 있고, 여기에서 제1 및 제2 거리는 윈도우 요소의 횡단 방향과 관련된다. 이는 체결 수단의 전기 절연성이 강제적이지 않기 때문에, 2차 윈도우 요소를 장착하기 쉽게 만든다. 부가적으로 전기적으로 절연 층이 열적으로 절연성이면, 장착은 더욱 쉬워질 수 있는데, 그 이유는 체결 수단이 열적으로 전도성 재료(예컨대, 금속)로부터 자유로워질 필요가 없기 때문이며, 여기에서 이것이 편리하다.
일 실시예에서, 2차 윈도우 요소는 X-선 투과성이다. 다르게 표현하면, 윈도우 요소는 제한 정도까지만 X-선 파장 범위의 방사선을 흡수한다. 허용 가능한 흡광도를 갖는 윈도우 재료의 설계 선택은 전기 전도성, 열 전도성, 기계적 강도, 마모에 대한 내성, 생산 공학(production engineering) 관점 등과 같은 재료의 다른 성질에 이해 영향을 받을 수 있다. 그러므로, 2차 윈도우 요소의 가열된 부분은 X-선 빔이 윈도우 요소를 통과하는 위치에 대응하는 적어도 중앙부를 포함해야 한다.
일 실시예에서, 2차 윈도우 요소는 상기 논의된 점에서 반드시 X-선 투과성일 필요는 없다. 이로 인해 윈도우 요소의 재료가 더 큰 관용도를 갖고 선택될 수 있다. X-선 방사선을 통과시키기 위해, 윈도우 요소는 적어도 하나의 홀을 포함한다. 1차 윈도우 요소에 잔사가 도달하는 것을 방지하기 위해, 홀에 X-선 투과성 커버가 제공된다. 커버는 또한 감압 영역과 중간 영역 사이에서 압력 브레이크로서 작용할 수도 있다. 홀은 실질적으로 축방향으로 연장한다. 홀은 직선이거나 상호작용 영역에서 시작하는 선 원뿔 즉, 선 방향으로 약간 넓어지는 형상일 수도 있다. 커버는 바람직하게는 히터 층과 직접 또는 2차 윈도우 요소의 다른 층을 통해 열 접촉하고 있다. 커버는 감압 영역의 측면 상의 홀 애퍼처와 오버랩할 수 있다. 커버는 또한 중간 영역의 측면 상의 홀과 오버랩할 수도 있고; 이 후자의 장착은 커버 요소의 효율적인 가열에 비추어 바람직하다.
주목할 것은, 본 발명은 비록 본 명세서에 개시된 특징들이 서로 다른 청구항들에서 인용되더라도, 그 특징들의 모든 조합에 관련된다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부하는 도면을 참조하여 이하 더욱 상세히 설명할 것이다:
도 1 및 2는 2개의 상이한 오동작 조건에서의 종래 기술의 X-선 윈도우를 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 부분적으로 차단된 X-선 윈도우의 횡단면 측면도;
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따라 2차 윈도우 요소를 전기적으로 및 기계적으로 고정시키는 2개의 바람직한 방법을 도시하는 도면;
도 6 및 7은 2차 윈도우 요소의 전하 드레인 층들을 스크린에 연결하는 2개의 바람직한 방법을 도시하는 도면;
도 8 및 9는 2차 윈도우 요소의 2개의 바람직한 층 기하학적 구조를 도시하는 도면; 및
도 10은 본 발명에 따르는 X-선 윈도우의 중심 부분의 상세한 횡단면 측면도이고, 여기에서 단면이 2차 윈도우 요소를 통해 덮여진 축을 이루는 홀을 교차한다.
같은 참조 번호가 도면 상에서 같은 구성요소에 대해 사용된다. 달리 표시되어 있지 않은 한, 도면들은 개략도이며, 크기 변경은 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 X-선 윈도우의 횡단면도이다. 도면은 전류원(30)에 대해서는 부분적으로 개략적이고, 접지로의 여러 개의 접속은 본 발명의 물리적인 실시예에서의 그 위치에 무관하게 및 기호로 도시된다. 윈도우의 의도된 사용은 X-선 소스의 하우징에의 진공 방지 X-선 애퍼처의 제공이다. 윈도우 배치는 감압 영역(10) 및 대기압 영역(14)을 분리시킨다. 감압 영역(10)은 기밀(진공 밀봉) 하우징(44)의 내부에 있을 수 있고, X-선 생성용 설비를 포함하고, X-선 윈도우의 1차 윈도우 요소(22)와 함께 이것을 환경으로부터 분리시킨다. X-선 생성 설비의 동작 동안, 감압 영역(10)은 10-9 및 10-6 바(bar) 사이와 같은 진공 또는 진공에 가까운 압력에 있을 수 있다. X-선 소스의 애노드로서, 액체 금속 제트(도시 생략)가 동작 동안 노즐(도시 생략)로부터 연속적으로 분출될 수 있다.
윈도우는 2개의 실질적으로 평행한 윈도우 요소: 1차 윈도우 요소(22) 및 2차 윈도우 요소(70)를 포함한다. 1차 및 2차 윈도우 요소는 중간 영역(12)을 둘러싼다. 오염물질 C가 감압 영역에 마주보는 2차 윈도우 요소(70)의 그 측면(78) 상에 용착하도록 기대된다. 오염물질 C는 증기, 부유 입자 또는 액적, 또는 스플래시의 형태로 2차 윈도우 요소(70)에 도달할 수 있다. 1차 윈도우 요소(22)용의 적절한 재료는 베릴륨을 포함하고, 이는 유용한 두께 값들에서 X-선 투과성이다. 2차 윈도우 요소(70)와 대조적으로, 1차 윈도우 요소(22)는 내열성일 필요는 없다. 1차 윈도우 요소(22)는 기밀 하우징(44)에 고정된다. 열 팽창을 허용하기 위해, 2차 윈도우 요소(70)는 각 에지에서 간극(clearance)을 갖고 고정되며; 유사한 간극이 도면의 평면 외부에 위치하는 2차 윈도우 요소(70)의 에지에 제공될 수도 있다. 주목할 것은, 각각의 간극이 또한 2차 윈도우 요소(70)와 하우징(44) 사이의 보온으로서 작용을 한다. 추가의 보온 조치로서, X-선 윈도우를 둘러싸는 하우징(44)의 부분이 낮은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어질 수도 있다. 2차 윈도우 요소(70)로부터 열속(heat flux)을 감소시키는 것이 유리한 데, 그 이유는 윈도우 요소(70)(또는 그 일 부분)를 원하는 온도에 유지하기 위해 공급되는 에너지가 덜 필요하게 되기 때문이다. 이것은 또한, X-선 윈도우가 제공되는 영역에서 X-선 소스를 냉각시킬 필요성을 감소시킨다.
이 실시예에서, 윈도우는 2차 윈도우 요소의 최상부 및 최하부 에지를 덮는 스크린(60)을 더 포함하며, 그것에 의해 스크린(60) 아래에 위치하는 경우 전류원(30)과 전기 접속 수단(26, 28)을 포함하는 에지를 따라 배치되는 감지 설비를 보호한다. 스크린(60)은 (축 방향에서 볼 때) 우측 및/또는 좌측면도 덮을 수 있고, 일체로 제조될 수도 있다. 금속판, 바람직하게는 스테인리스 강과 같은 내식성 금속으로부터 시작하여, 스크린은 홀을 펀칭하고 이어서 판을 구부려 에지 및 코너를 형성하여 제조될 수 있다. 이 실시예에서, 스크린(60)은 전하의 증가를 피하도록 접지된다.
2차 윈도우 요소(70)는 3개의 층: 지지하는 전기 절연 중간 층(74), 업스트림 방향 즉, 감압 영역(10)에 마주보는 요소(70)의 측면(78)의 일 부분 상에 제공되는 전하-드레인 층, 및 다운스트림 방향에 마주보고, 전류원(30)에 포인트(26, 28)에서 접속되어 옴 가열(ohmic heating)이 달성될 수 있는 히터 층(72)을 포함한다. 이 실시예에서, 접지된 전하-드레인 층(76)은 2차 윈도우 요소(70)의 전체 좌측면(78) 위로 연장하지 않고, 스크린(60)에 의해 한정된 애퍼처의 축방향 돌출부 미세하게 외부로만 연장한다. 더욱 정확하게는, 전하-드레인 층(76)은 돌출부 외부로 거리 d1만큼 연장할 수 있고, 이 거리 d1은 스크린(60)과 좌측면(78) 사이의 축간 거리 및 그 아래에서 대전된 잔사(charged debris) C 또는 전자 e-가 영향을 주는 것으로 기대되는 최대 각도를 고려하면서 선택될 수 있다. 따라서, 윈도우 요소(70)의 상부 및 하부 경계를 형성하는 것은 일반적으로 총 20 ㎛의 두께를 가질 수 있는 절연층(74) 및 히터 층(72) 함께이다. 이들 상부 및 하부 경계는 스페이서(62, 64) 사이에 고정되며, 이는 바람직하게는 Al2O3과 같은 보온 재료 또는 Macor(등록상표)와 같은 기계 가공할 수 있는 세라믹 재료로 만들어진다. 윈도우 요소(70)의 우측면이 전기적으로 도전성이고 옴 가열이 되므로, 우측 스페이서(64)는 바람직하게는 전기 절연성이다. 스크린(60)이 2차 윈도우 요소(70)를 완전히 둘러싸면, 스페이서는 도면에 직교하는 수직 평면에서 연장하는 링 형상과 같은 폐쇄된 형상을 가질 수 있다.
2차 윈도우 요소(70)는 일반적으로 큰 로컬 전압에 좌우되지 않으므로, 전기 절연층(74)이 높은 항복 전압용으로 설계될 필요가 없으며, 따라서 비교적 얇게 만들어질 수 있다. 이는 광범위한 재료들이 대부분의 애플리케이션에 대해 충분히 X-선 투과될 것이라는 것을 의미한다. 실제로, 9.25 keV에서 90%보다 높은 투과율이 아래의 재료: BeO, BN, CVD 다이아몬드의 0.1 ㎜ 두께의 층에 대해 기대되고 있다. 층이 증기 증착에 의해 제조되면 다수의 더 많은 재료가 적합할 것이고, 그에 의해 10 ㎛ 미만 두께가 쉽게 달성될 수 있다. 9.25 keV보다 더 높은 에너지에서, 광범위한 추가의 전기 절연 층(특정 재료의 특정 두께인 층)이 사용 가능해질 것이다. SiO2 및 Al2O3이 일반적으로 전기 절연 층(74)으로서 사용하기에 적합하다. 전기 절연 층(74)은 윈도우 요소(70)의 다른 층 상에 증기 증착에 의해 또는 기판 또는 다른 층 상에 분무, 스퍼터링 또는 닥터 블레이딩(doctor-blading)에 의해 생산될 수 있다. 전기 절연 층(74)은 또한 미리 제조된 필름으로 이루어질 수도 있다.
히터 층(72)은 대략 100 ㎛ 또는 바람직하게는 미만의 두께를 갖는 그래파이트 또는 바람직하게는 유리상(glassy) 탄소 호일(foil)과 같은 적절한 두께에서 X-선 투과인 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 히터 층(72)은 분무에 의해 또는 증기 증착에 의해 전기 절연 층 상에 증착될 수도 있다. 분무 또는 증기 증착은 마스킹 필름을 통해 행해질 수 있으므로, 전기 접속의 비고체 격자무늬(non-solid grid)가 형성되고, 이는 전류 패턴의 양호한 제어 및 그에 따른 히팅 파워(heating power)의 분배의 양호한 제어를 제공할 수 있다. 예컨대, 전기 전도성 필름을 펀칭하여 얻어지는 미리 제조된 히터 층이 전기 절연 층(74) 상에 접착될 수도 있다.
전하-드레인 층(76)은 적절한 두께에서 X-선 투과인 전기 전도성 재료로 이루어질 수 있다. 비교적 낮은 증기압, 비교적 높은 용융점 및 열 용융된 금속에 대한 적정한 내부식성을 갖는 도체 또는 반도체 재료가 바람직하다. 그래파이트, 다이아몬드 또는 비결정성 탄소와 같은 탄소가 매우 적합하다. Cr, Ni 또는 Ti의 얇은 층이 상당히 적합하다. (Nb, Mo, Ta, W, Re를 포함하는) 내화 금속의 비교적 더 얇은 층이 특히 내부식성에 대하여 적합하다. 전하-드레인 층(76)은 전기 절연층(74) 상에 용매에 유화되거나 용해되는 재료를 분무함으로써, 증기 증착을 수행함으로써, 또는 일부 다른 방법에 의해 전기 절연층(74)의 최상부에 형성될 수 있다. 그 기능을 달성하기 위해, 전하-드레인 층(74)이 전기적으로 접속될 것이며; 2차 윈도우 요소(70)의 옴 가열이 에너지 경제적인 방식으로 행해질 수 있도록 낮은 열 전도성을 갖는 전기 접속을 제공하는 것이 유리하다.
2차 윈도우 요소(70)는 미리 제조된 층들을 접착 또는 용접함으로써 그 최종 3층 구조로 조립될 수도 있다. 상기 개요 설명된 바와 같이, 층들은 또한 적절한 순서로 겹쳐서 형성될 수도 있다. 2차 윈도우 요소(70)를 설계할 때, 3층 래미네이트로서 그들의 개별 성질 및 그들의 양립성의 양자에 관련하여 재료가 선택될 것이며; 이는 그들의 열 팽창 계수를 매치시키는 것 및 다수의 로드 사이클 후에 열적 및/또는 기계적 마모를 평가하는 것을 포함할 수 있다.
도 4는 2차 윈도우 요소(70)의 최상부 에지 및 스크린(60)의 수직 부분의 상세한 도면이다. 도 4는 X-선 윈도우의 다른 부분들에 2차 윈도우 요소(70)를 전기적 및 기계적으로 연결하는 유리한 방법을 도시한다. 윈도우 요소(70)의 에지, 즉 전기적으로 절연 층(74) 및 복합 요소로서의 히터 층(72)이 전기적으로 전도성 액체를 함유하는 저장소(34) 내의 슬릿(32) 내로 삽입된다. 액체는 전류원(30)에 전기적으로 접속되고 저장소(34)는 가능하게는 스페이서를 통해 스크린 및/또는 하우징(44)과 같은 윈도우의 일부에 기계적으로 고정된다. WO 2010/083854호에 설명된 바와 같이, 이러한 유형의 연결은 윈도우 요소(70)가 열적으로 팽창할 수 있게 한다.
도 5는 도 4에 나타내는 실시예에 대한 변형을 도시한다. 여기에서, 히터 층(72)은 2차 윈도우 요소(70)의 나머지의 외부에 거리 d3>0만큼 돌출하고, 윈도우 요소(70)의 적어도 이 에지에서 윈도우 요소(70)의 에지를 형성한다. 그러면 저장소(34)의 슬릿(32) 내로 히터 층(72)을 삽입하여 원하는 전기 접속을 획득하기 쉬워진다. 전기적으로 절연 층(74)은 전하-드레인 층(76) 외부로 거리 d4≥0만큼 연장된다. 이 거리는 0일 수도 있지만, 그 거리가 양의 거리 d4 연장되어 히터 층(72)과 전하-드레인 층(76) 사이에 단락 회로 형성의 위험을 감소시키도록 절연 층(74)을 설계하는 것이 유리하다.
도 6 및 7은 전하-드레인 층(76)을 전기적으로 접속하는 2개의 추가의 방법뿐만 아니라 2차 윈도우 요소의 2개의 추가의 층 구조를 도시한다. 도 6에서, 전기적으로 절연 층(74)은 가장 멀리 연장하여 윈도우 요소(70)의 에지를 구성한다. 더욱 정확하게는, 전기적으로 절연 층(74)은 히터 층(72)으로부터 거리 d61 만큼 연장되고 전하-드레인 층(76)으로부터 거리 d62 만큼 연장된다. 거리 d61, d62가 윈도우 요소(70)의 경계 둘레의 어느 곳에서나 적어도 양의 값 아래로 가지 않으면 전도성 층(72, 76)의 전기 절연에 유익하며, 그것에 의해 전도성 층(72, 76)은 이격된다.
도 7에 도시된 윈도우 요소(70)의 에지까지 연장하는 것이 전하-드레인 층(76)이다. 이 에지에서, 전기적으로 절연 층(74)은 횡단 거리 d72 만큼 전하-드레인 층(76)보다 짧고, 히터 층(72)은 전기적으로 절연 층(74)보다 거리 d71 만큼 짧다. 앞서 언급된 바와 같이, 전기 절연은 어느 정도까지는 이들 거리의 최소값에 의존한다.
전기 접속에 관하여, 도 6에 도시된 전하-드레인 층(76)이 스크린 상의 한 점에 전기 전도성 필라멘트를 통해 접속된다. 필라멘트를 느슨하게 함으로써, 2차 윈도우 요소(70)의 열 팽창이 용이하게 될 수 있다. 열 손실을 회피하기 위해, 이상적으로는, 필라멘트의 단면 영역이 단위 시간당 전하 충돌(charge bombardment)에 대응하는 전류를 전송할 수 있는 최소값으로서 판정될 것이다. 기계적인 강도, 탄성 및 기계적 또는 열적 마모에 대한 내성과 같은 추가적인 고려사항이 고려될 수도 있다.
도 7에서, 전하-드레인 층(76)이 앞서 설명한 실시예들에서 열적 및 전기적으로 전도성 스페이서(62)를 대신하는 열적으로 절연성, 전기적으로 전도성 스페이서(66)를 통해 연결된다. 전기 전도성 스페이서(66)는 이 실시예에서 자체가 접지되어 있는 스크린(60)으로부터 전류가 흐르게 할 수 있다. 스페이서(66)는 바람직하게는 스크린(60)으로 열이 달아나는 것을 방지하도록 낮은 열 전도성을 갖는다. 스페이서(66)는 얇은 전도성 층 예컨대, 금속화된 자기(porcelain)로 세라믹 재료의 일부분을 코팅함으로써 제조될 수 있다. 이와 달리, 스페이서는 도핑된 실리카와 같은 도핑된 세라믹 재료로, 또는 몇몇 금속(로이드) 카바이드, 니트라이드 또는 옥사이드로 이루어질 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 층들(72, 74, 76)이 에지들 중 하나에서 서로 동일 높이로 되는 2차 윈도우 요소(70)를 도시한다.
도 9는 다른 실시예에 따라, 동일 크기의 전하-드레인 층(76) 및 절연 층(74)과, 윈도우 요소(70)의 다운스트림측의 중앙 부분에까지 연장하는 히터 층(72)을 추가로 갖는 윈도우 요소(70)를 도시한다. 히터 층(72)은 마스킹된 증기 증착 또는 분무에 의해 형성되는 회로 또는 전기적으로 절연 층(74) 상에 접착된 전도성 필름일 수 있다.
도 10은 X-선 투과성이 아닌 적어도 하나의 층(72, 74, 76)을 갖는 2차 윈도우 요소(70)를 도시한다. 그 대신에, X 선을 통과시키기 위해, 윈도우 요소(70)는 히터 층(72)에 의해 열 전도될 수 있는 X-선 투과성 플레이트(80)에 의해 덮인 축방향 홀(90)을 포함한다. X-선 투과성 플레이트(80)는 업스트림측(78)으로부터 홀(90)을 덮으며, 이는 잔사가 비교적 간단한 기하학적 구조에 영향을 주고 그 구조로부터 세척될 수 있다는 점에서 유리하다. 이 실시예의 변형에서, 플레이트(80)는 다운스트림측에 배치될 수 있고, 그러면 히터 층(72)으로부터 플레이트(80)로의 열 전달을 더욱 효율적으로 만든다.
본 발명은 도면 및 이상의 설명에서 상세히 예시 및 기재되었지만, 그러한 예시 및 기재는 예시적 또는 시범적인 것이고 제한적이 아님을 고려해야 하며, 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 2차 윈도우 요소는 감압 영역을 마주보는 전하-드레인 층, 절연 층, 히터 층과, 그 후 중간 영역을 마주보는 추가의 절연 층을 포함하는 4층 독립체(entity)로서 구현될 수도 있다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변형이 도면, 개시내용 및 첨부한 청구항들의 연구로부터 청구한 발명을 실시할 때 당업자에 의해 이해되고 행해질 수 있다. 청구항들 내의 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (20)

  1. 대기압 영역(14)을 감압 영역(10)으로부터 분리시키기 위한 X-선 윈도우(1)로서:
    상기 대기압 영역을 중간 영역(12)으로부터 분리시키는 1차 X-선-투과성 윈도우 요소(22); 및
    상기 중간 영역을 상기 감압 영역으로부터 분리시키는 2차 윈도우 요소(70)를 포함하고,
    상기 2차 윈도우 요소(70)는:
    증착되는 오염물질을 수용하기 위한, 상기 감압 영역과 마주보는 측면(78);
    전기 절연 층(74);
    상기 감압 영역과 마주보고 전하 싱크에 연결되는 전하-드레인 층(76); 및
    상기 전하-드레인 층으로부터 전기적으로 절연되고 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 히터 층(72)을 포함하고,
    상기 X-선 윈도우는:
    상기 히터 층의 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 전기 전압을 인가함으로써, 증착되어 있는 오염물질의 증발을 일으키도록 상기 2차 윈도우 요소 내에 열을 발생시키기 위한 가열 수단(26, 28, 30)을 더 포함하는,
    X-선 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감압 영역을 마주보는 측면(78) 상에서 상기 2차 윈도우 요소(70)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 스크린(60)을 더 포함하고, 상기 스크린은 전기 전도성이고 전하 싱크에 연결되는, X-선 윈도우.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전하-드레인 층(76)은 상기 스크린에 의해 완전히 둘러싸이고 상기 스크린과 거리(d1)만큼 오버랩하는, X-선 윈도우.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스크린 및 상기 2차 윈도우 요소는 서로 열적으로 절연되는, X-선 윈도우.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스크린과 상기 2차 윈도우 요소의 전하-드레인 층 사이에 배치되어 양자 모두와 전기 접촉하는 열적으로 절연성인 스페이서(66)를 더 포함하는 X-선 윈도우.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열적으로 절연성인 스페이서는:
    금속화된 알루미나,
    베타-알루미나,
    도핑된 실리카,
    도핑된 세라믹 재료,
    금속화된 세라믹 재료
    중 하나를 함유하는, X-선 윈도우.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 스크린과 상기 2차 윈도우 요소 사이에 배치되는 열적 및 전기적으로 절연성인 스페이서(62); 및
    상기 전하-드레인 층을 상기 스크린과 접속시키는 전기 전도성 필라멘트(68)를 더 포함하는, X-선 윈도우.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열적 및 전기적으로 절연성인 스페이서(62)는 유리-세라믹 재료를 함유하는, X-선 윈도우.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 층은:
    그래파이트,
    열분해 탄소
    중 하나를 함유하는, X-선 윈도우.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 절연 층은:
    다이아몬드,
    SiO2,
    BeO,
    Al2O3,
    BN
    중 하나를 함유하는, X-선 윈도우.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하-드레인 층은 최대로 상기 전기 절연 층 너머까지 연장하고;
    상기 히터 층은 상기 전하-드레인 층 외부로 적어도 거리(d3)만큼, 적어도 경계의 일부분 너머까지 연장하는, X-선 윈도우.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 히터 층의 경계의 일부분은 전기 전도성 액체를 함유하는 저장소(34) 내의 슬릿(32) 내로 삽입됨으로써 고정되는, X-선 윈도우.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 층은 최대로 상기 전기 절연 층 너머까지 연장하고;
    상기 전하-드레인 층은 상기 히터 층의 외부로, 적어도 경계의 일부분 너머까지 연장하는, X-선 윈도우.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전하-드레인 층의 경계의 일부분은 전기 전도성 액체를 함유하는 저장소(34) 내의 슬릿(32) 내로 삽입됨으로써 고정되는, X-선 윈도우.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 절연 층은 상기 히터 층 외부로 적어도 거리(d61)만큼 및 상기 전하-드레인 층 외부로 적어도 거리(d62)만큼 적어도 경계의 일부분 너머까지 연장하는, X-선 윈도우.
  16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하-드레인 층은:
    그래파이트,
    다이아몬드,
    비정질 탄소,
    크롬,
    니켈,
    티타늄,
    내화성 금속
    중 하나를 함유하는, X-선 윈도우.
  17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 윈도우 요소는 X-선-투과성인, X-선 윈도우.
  18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 윈도우 요소의 층들은 X-선-투과성 요소(80)에 의해 덮이는 적어도 하나의 축방향 홀(90)을 한정하는, X-선 윈도우.
  19. X-선-소스 하우징으로서:
    기밀 하우징(44); 및
    상기 하우징의 외부 벽에 제공되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 X-선 윈도우를 포함하는 X-선-소스 하우징.
  20. 청구항 19의 X-선-소스 하우징;
    상기 하우징 내부에 제공된 전자 소스; 및
    상기 하우징 내부에 제공된 액체-제트 전자 타깃을 포함하는 X-선 소스.
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