KR20140138688A

KR20140138688A - 주사 x-선 빔을 생성하기 위한 전자기 주사 장치

Info

Publication number: KR20140138688A
Application number: KR1020147024738A
Authority: KR
Inventors: 리 그로드진스; 페터 로칠드
Original assignee: 아메리칸 사이언스 앤 엔지니어링, 인크.
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-12-04
Also published as: RU2014134925A; MX2014010722A; PE20150111Z; GT201400012U; CA2865077A1; EP2823503A1; CN104160468A; WO2013133954A1; CL2014002351U1; JP2015513774A; US20130235977A1

Abstract

투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치. 전자빔은 오목한 애노드 상의 일련의 특정 위치에 입사되며, 이에 응답하여 애노드는 개구로부터 출사되는 전자기파가 전자빔의 각방향 주사에 대응하는 주사 평면 내의 소정 각도 범위에 걸쳐 주사하도록 하는 방식으로 전자기파를 방출한다. X-선 빔은 전자빔이 충돌하는 애노드의 측에서 후방 반구에 위치한 하나 이상의 출사 개구를 통해 장치로부터 추출된다.

Description

주사 X-선 빔을 생성하기 위한 전자기 주사 장치{ELECTROMAGNETIC SCANNING APPARATUS FOR GENERATING A SCANNING X-RAY BEAM}

본 발명은 그 개시내용이 본 명세서에 원용되는 것으로, 2012년 3월 6일 출원된 미국 가특허 출원 제61/607,232호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 X-선 방사선 소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오목한 표적 표면에 대한 대전 입자빔의 전자기 주사에 의해 주사 X-선 빔을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.

애노드 상에 전자 펜슬 빔을 전자기적으로 주사함으로써 생성되는 주사 X-선 빔은 오래전부터 구상되었지만, 상용 시스템은 아직 통용되고 있지 않다. 방법들 모두는 그 개시내용이 본 출원에 원용되는 미국 특허 제6,282,260호(그로찐, "단방향 소형 X-선 검사 장치")에 설명되어 있는 것으로, 도 1에 예시된 소위 전송 배열체를 사용한다. 캐소드(18)에 의해 방출되는 전자빔(20)은 표적(22), 통상적으로 애노드를 향해 가속된다(이하, 표적은 "애노드"로 칭함). 전자빔(20)은 빔의 배향(14)이 변경될 수 있도록 애노드(22)에 대해 주사될 수 있다. 본 예에서, 생성된 X-선은 얇고 통상적으로 Z값이 높은 애노드로부터 출사되어 원추형 외장체로 향하고 원추 꼭짓점의 개구를 통해서만 출사된다. 전자빔을 주사함으로써 생성되는 주사 X-선 빔의 다른 예들은 뒤에서 열거한다. 어떤 경우든 X-선은 전방의 반구체에서 발산된다.

전방을 향한 제동방사(bremsstrahlung)에 기초한 기하구조를 수반하는 전자기적으로 조종된 X-선 빔의 다른 구성은, 예컨대 그 개시 내용이 본 출원에 원용되는 미국 특허 제6,421,420호(그로찐, "순차적인 투과성 방사선 빔을 생성하는 방법 및 장치")와 미국 특허 제6,542,574호(그로찐, "컨테이너의 내용물을 검사하는 시스템")에 설명되어 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 투과성 전자기 방사선 주사 빔을 생성하기 위한 장치가 제시된다. 본 장치는 전파 방향을 특징으로 하는 전자빔을 생성하기 위한 소스와, 전자빔을 수광하고 이에 응답하여 전자기파를 방출하는 애노드를 구비한다. 본 장치는 또한 전자가 애노드 상의 일련의 특정 위치에 충돌하도록 전자빔의 전파 방향을 안내하기 위한 전자기빔 안내기와, 해당 개구로부터 출사되는 전자기파 빔의 방향이 전자빔의 각방향 주사에 응답하여 주사 평면 내의 소정 각도 범위에 걸쳐 주사하도록 애노드 상의 일련의 특정 위치로부터 전자기파를 방출하기 위한 출사 개구를 포함하되, 주사 평면은 적어도 45도만큼 전자빔의 전파 방향으로부터 변위된다.

다른 실시예에 따르면, 전자빔을 생성하기 위한 소스와, 소스에서 바라볼 때 오목한 표면을 가지며 전자빔을 수광하여 전자기파를 방출하는 애노드를 구비하는 투과성 전자기 방사선 주사 빔 생성 장치가 제시된다. 전자기빔 안내기가 애노드 상의 일련의 특정 위치로 전자빔을 안내하고, 전자기파가 전자빔의 각방향 주사에 응답하여 주사되는 방향으로 출사 개구를 통해 방출된다.

이상의 실시예 중 어떤 것에서든, 전자기빔 안내기는 전자빔 평면 내에서 전자빔을 주사할 수 있다. 출사 개구는 어느 실시예에서는 전자빔 평면 내에 위치하지만, 다른 실시예에서는 전자빔 평면 외부에 위치할 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, 본 장치는 다수의 출사 개구를 구비할 수 있다. 전자기빔 안내기는 전자빔 평면에 횡방향인 측방 평면에서 전자빔을 변환하도록 구성될 수 있다. 본 장치는 복수의 애노드를 구비할 수 있으며, 필터가 하나 이상의 출사 개구 내에 배치될 수 있다.

도 1은 미국 특허 제6,282,260호에 설명된 종래 기술의 전자빔 주사기를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 "일방향" 반사 기하구조를 갖는 전자빔 주사기의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반사-주사 X-선 빔 시스템을 위에서 내려다본 개략 단면도로, 이로부터 생성된 X-선 빔이 주사 전자빔의 평면으로부터 약 150°의 각도로 추출되는 것을 보여준다.
도 4는 2개의 동시 주사 x-선 빔을 생성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 입체 반사-주사 X-선 빔 시스템을 위에서 내려다본 개략 단면도이다.

전술한 본 발명의 특징은 첨부도면을 참조하는 다음의 상세한 설명을 통해 보다 용이하게 이해될 것이다.

이하, 도 2를 참조하여 설명하는 본 발명의 실시예에 따르면, 반사 기하구조가 주사 X-선 빔(217)을 생성하기 위해 사용된다. 캐소드 소스(203)에서 유래하는 전자(201)가 후술하는 바와 같이 시간이 흐름에 따라 변경되는 전파 방향을 특징으로 하는 전자빔(303)을 이루어 애노드(205)를 향해 가속된다.

도 2에 도시된 실시예에서, 애노드(205)는 소스(203)에서 바라볼 때 원호와 같은 오목한 표면을 가진다. 그러나 애노드(205)는 본 발명의 범위 내에서 어떤 형상이든 가질 수 있음은 물론이다. 애노드(205)에서 제동방사 과정에 의해 생성되는 X-선(207)가 후방 반구(back hemisphere)(209)에서 방출되어 해당 반구의 개구(211)로부터 출사된다. 본 발명은 본 명세서에서는 발견적 편의를 위해 제한 없이 X-선 방사선과 관련하여 설명되긴 하지만, 상기 제동방사 과정에서 유래하는 어떤 투과성 방사선도 본 발명의 범위에 속함은 물론이다. 도 2, 도 3 및 도 4의 도면에 도시된 반사 배열체는 다목적으로 사용되며, 도 1에 도시된 종래 기술의 전송 기하구조보다 많은 면에서 유리하다.

도시된 주사 자석[본 명세서에서는 주사 자석(213)이나 "스위핑 자석"으로 지칭될 수 있음]과 같은 전자기빔 안내기(213)와 애노드(205) 사이에 (도 2에 도시된) 소정 방사상 거리(R)를 갖는 구면을 가지는 본 발명의 실시예는, 평면형 애노드의 경우에 요구되는 것으로, 모든 지점에서 균일한 전자의 초점(215)을 수립함에 있어 평면형 애노드의 경우에 직면하게 되는 문제를 해결한다. 그러나, 다른 용례에서는 편평한 형상이나 여타의 형상을 갖는 애노드가 바람직할 수 있다.

전자 빔(303)의 전자들이 애노드(205)에 충돌하는 지점인 초점(215)은 스위핑 X-선 빔(217)의 원 초점으로, 해당 초점(215)의 치수는 스윕각(θ_el)과도 무관하다. 본 명세서에서 스위핑 X-선 빔(217)은 "반사-주사 X-선 빔"으로 지칭될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에서, 전자기 빔 안내기(213)는 "전자 빔 평면"으로 지칭될 수 있는 평면(도 2에서 페이지의 평면)에서 전자빔(303)을 스윕한다.

애노드(205)의 호의 모든 지점에서 출사 개구(211)까지의 거리(D)가 거의 일정하기 때문에 표적(미도시) 전체에 걸쳐 균일한 주사 X-선 빔(217)이 생성된다.

주사 전자빔(220)과 주사 X-선 빔(217)은 비슷한 부피를 차지하며, 그 결과 전체 시스템이 종래의 기하구조의 경우보다 소형화되고 차폐부가 경량화될 수 있다.

주사 전자빔(220)의 "평면"과 주사 X-선 빔(217)의 평면은 수 밀리미터 이하의 두께로 형성될 수 있다. (본 명세서에서 사용되는 용어 "평면"은 스윕된 빔의 경로의 시간 적분을 표현하기 위해 사용될 수 있다. 빔이 일차원적이 아니라 유한한 단면을 가지는 한에 있어서 용어 "평면"은 유한한 두께를 갖긴 하지만, 서술 목적을 위해 두께는 무시해도 무방하다). X-선 빔(217)이 스윕하는 평면은 본 명세서에서는 "주사 평면"으로 지칭된다.

스위핑 자석(213)은 전자 소스(203)와 애노드(205)를 둘러싸는 진공 하우징(235) 내부의 진공 공간(230) 외부에 배치될 수 있다. 출사 개구(211)의 배치에는 상당한 자유가 존재한다. 도 3은 출사 개구(301)가 스위핑 전자빔(303)을 포함하는 평면으로부터 오프셋되는 일 구체예를 도시한다. 각도(300)는 X-선 빔(307)이 추출되는 방향과 전자빔(303) 사이의 각도를 가리킨다. 본 발명의 범위 내에서, 각도(300)는 45°보다 큰 각도들을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전자 초점과 자기 스윕은 소기의 스윕 패턴이 프로그래밍되거나 조작자의 명령 하에서 변경될 수 있도록 프로세서(305)의 제어를 받는다. 예컨대, X-선 빔(307)의 각방향 스윕은 전자빔(303)의 각방향 스윕을 변경함으로써 용이하게 변경될 수 있다.

주사각이 변경되더라도 표적에 대한 총 X-선 플럭스에는 변함이 없는 진성 초점(true focus) 시스템이 출사 개구의 크기를 적절히 변경하면서 애노드(205)로부터 출사 개구(301)까지의 거리(D)를 변경함으로써 구현될 수 있다.

이하, 위에서 바라본 도 4의 단면도를 참조하면, 전자 주사 평면의 양측에 하나씩, 두 개의(또는 이보다 많은 수의) 유사한 주사 X-선 빔(401, 403)이 투과 또는 산란 X-선의 입체 촬상을 위해 동시에 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전자빔(303)은 또한 (도 2 내지 도 4에 도시된 단면의 평면에서) 측방 평면에서 변환될 수도 있다. 빔(303)을 측방으로 변환하고, 애노드(205)에 의해 방출되는 X-선의 경로에 X-선 불투과성 요소(410)를 배치함으로써, X-선은 일시적으로 번갈아가며 빔 401과 빔 403으로 방출될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 다수의 애노드가 마련될 수 있어서 전자빔(303)이 각각의 애노드에 머무는 기간 동안 별개의 스펙트럼 특성을 제공할 수 있다. 각각의 빔(401, 403)(또는 그 일부)의 에너지 스펙트럼이 용도에 맞게 적합화될 수 있도록 개구(421, 423)는 필터를 포함할 수 있다(혹은 대안으로서, 필터는 각각의 X-선 빔의 다른 부분 내에 마련될 수 있다).

(예컨대, 도 3에 도시되어 있는) X-선 한정 개구(301)는 가변 필터 및 X-선 셔터와 함께 진공(230) 내부에, 또는 바람직한 실시예에서는 진공 외부에 배치될 수 있다.

발견적 편의를 위해, 본 발명은 본 명세서에서는 X-선 펜슬 빔을 평면 형태로 주사하는 것과 관련하여 비제한적으로 설명된다. 예컨대, 본 발명은 래스터(raster) 방식이나 다른 방식으로 2차원 주사에 적용될 수 있다. 바람직한 2차원 실시예에서, 애노드(205)는 중공형 구체의 세그먼트이다.

도 2에서 참조번호 200으로 일괄 표기된 일방향 주사 시스템은 수백 keV에 이르는 X-선으로 트럭을 주사하는 대형 시스템에서 100 keV 미만의 빔으로 주사하는 소형 시스템까지 광범위한 용례에 적용될 수 있다. 수백 keV 미만의 전자 에너지의 경우, 제동방사 각방향 분포는 전자 비정(electron range)에 비해 두꺼운 표적으로부터 실질적으로 등방성이다. 모델 연산에 의하면, 관심 에너지 범위에서 180°(후방) 방향으로 X-선의 강도가 실제로 90°에서 X-선의 강도보다 높다는 것이 확인된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 단지 예로서 제시된 것으로, 기술분야의 기술자라면 다양한 변형과 변경을 당연히 알 수 있을 것이다. 이런 모든 변형 및 변경은 첨부된 특허청구범위에서 규정되는 본 발명의 범위에 속하도록 의도되어있다.

본 명세서에 제시된 예가 방법 행위나 시스템 요소의 특정한 조합을 수반하지만, 이런 행위와 요소는 X-선 검출이라는 동일한 목적을 달성하기 위해 다른 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 단일 장치의 특징들이 청구항의 개별 인용 요소들의 요건을 충족할 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 단지 예로서 제시된 것으로, 기술분야의 기술자라면 다양한 변형과 변경을 당연히 알 수 있을 것이다. 이런 모든 변형 및 변경은 첨부된 특허청구범위에서 규정되는 본 발명의 범위에 속하도록 의도되어있다.

Claims

투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치이며,
a. 전파 방향을 특징으로 하는 전자빔을 생성하기 위한 소스와;
b. 전자빔을 수광하고 이에 응답하여 전자빔의 실질적으로 반대 방향으로 전자기파를 방출하기 위한 애노드와;
c. 전자가 애노드 상의 일련의 특정 위치에 충돌하도록 전자빔의 전파 방향을 안내하는 전자기빔 안내기와;
d. 출사 개구로서, 개구로부터 출사되는 전자기파 빔의 방향이 전자빔의 각방향 주사에 응답하여 주사 평면 내의 소정 각도 범위에 걸쳐 주사하도록 애노드 상의 일련의 특정 위치로부터 전자기파를 방출하기 위한 출사 개구를 포함하되,
주사 평면은 적어도 45도만큼 전자빔의 전파 방향으로부터 변위되는,
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치이며,
a. 전자빔을 생성하기 위한 소스와;
b. 소스에서 바라볼 때 오목한 표면을 가지며, 전자빔을 수광하고 이에 응답하여 전자빔의 실질적 반대 방향으로 전자기파를 방출하는 애노드와;
c. 애노드 상의 일련의 특정 위치로 전자빔을 안내하는 전자기빔 안내기와;
d. 출사 개구로서, 개구로부터 출사되는 전자기파 빔이 전자빔의 각방향 주사에 응답하여 소정 각도 범위에 걸쳐 주사되도록 애노드 상의 일련의 특정 위치에서 방출되는 전자기파를 방출하기 위한 출사 개구를 포함하는,
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전자기빔 안내기는 전자빔 평면 내에서 전자빔을 스윕하도록 구성되는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제3항에 있어서, 출사 개구는 전자빔 평면 내에 위치하는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제3항에 있어서, 출사 개구는 전자빔 평면 외부에 위치하는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제3항에 있어서, 복수의 출사 개구를 추가로 포함하는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전자기빔 안내기는 전자빔 평면에 대해 횡방향인 측방 평면에서 전자빔을 변환하도록 추가로 구성되는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 애노드를 추가로 포함하는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 출사 개구 내부에 배치되는 필터를 추가로 포함하는
투과성 전자기 방사선의 주사 빔을 생성하기 위한 장치.