JP2010500713A - Ｘ線管及びｘ線管のイオン偏向及び収集機構の電圧供給の方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子ビームを作る陰極、及び単１対の電極からなるイオン偏向及び収集機構（ＩＤＣ）を持ち、接地電位に比較して第１電極が正の電圧供給を有し、第２電極が能動的又は受動的に作られた負の電圧を有するＸ線管に関する。更に、本発明は、単１対の電極からなるイオン偏向及び収集機構（ＩＤＣ）の電圧供給の方法で、接地電位に比較して第１電極が正の電位差を有し、第２電極が能動的又は受動的に作られた負の電圧を有する方法に関する。

Description

本発明は、一般に単一対の電極を持ったＸ線管の技術分野に関し、特にイオン偏向及び収集機構（ＩＤＣ）の電圧供給及びＩＤＣ用の電位差を制御し提供するための方法に関する。より特には、本発明は、電子束を作り出す陰極及び単一対の電極からなるイオン偏向及び収集機構（ＩＤＣ）を持ったＸ線管及び単一対の電極からなるイオン偏向及び収集機構の電圧供給の方法に関する。定常状態を維持するために電子放出素子へのイオン照射を避けなければならない如何なる分野にも本発明は、適用可能である。

従来のＸ線管は、少なくとも２つの分離した電子エミッターを含む。これらの管内の陰極及び陽極間の距離が小さいので、ビーム形成レンズは実現されていない。カソードカップ(cathode cup)のみが、焦点の大きさ及び形に影響を有する。カソードカップ内でエミッターは、幾何学的に分離され、その結果、光軸に一列に並んでいない。故に、各エミッターは、唯１つの焦点を作る。高性能で未来のＸ線管世代は、焦点の大きさ及び形の可変の可能性を与える必要がある。従来のＸ線管と中間の異なるビーム形成レンズとの比較において、これらのチューブ(tube)は、より大きい陰極及び陽極間の距離を有する。最適な焦点の性質を達成するために、レンズシステムの光軸上に電子エミッターを置くことが必要である。チューブ内の不完全真空に起因して、残留気体の原子及び分子はイオン化可能で、高電圧により及び／又は光学システムの電磁的静電的レンズにより影響され得る。これらのイオンのうちの幾つかは、電子エミッターに向かって加速される。光学システムは、小さい点内のエミッターの表面に衝突するこれらのイオンに焦点を合わせる。このことは、エミッター構造を壊し寿命を減少させ、又はすぐ壊れることに導かれる可能性がある。特に、高電圧加速領域及びそれに続く電界フリー(field free)領域を持ったシステムは、この行動によって特徴付けられる。

中央に孔を有するエミッター設計の提案は、この問題を解決する可能性があり、一般的に米国特許５，３４３，１１２とドイツ特許ＤＥ １００ ２０ ２６６ Ａ１に記述される。エミッター中央に焦点化されるイオンは、この孔を通りエミッターより質量のある構造にぶつかる。より大きい熱容量に起因して、開放エネルギーは、より小さい温度上昇、に導き、何も損傷を与えない。

米国特許５，３４３，１１２ ドイツ特許ＤＥ １００ ２０ ２６６ Ａ１ 米国特許５，１９３，１０５ 米国特許４，６２５，１５０

中央に孔を有するエミッター設計は、中央部の非電子エミッター領域に苦しむ。それは、電子光学に否定的に影響し、焦点における非同質強度分布に導く。従って、同質放出が可能な最小焦点及び使用済み電子光学機構は、もはや達成され得ない。もう１つの減少の可能性は、光軸に沿って位置し、光軸に関して対称に位置する２つの電極から各々構築される、複数の静電レンズ（イオン除去電極ＩＣＥ）の配置にある。各電極対の一方が接地され、他方が負の電位を持つ。これは一般に、次に来る技術として見なされている米国特許５，５２１，９００に記述されている。空間に制限がある場合、米国特許５，５２１，９００に示されるような異なる負電圧を持った複数の静電レンズの配置の実施は可能ではない。

更に、米国特許５，１９３，１０５及び米国特許４，６２５，１５０において複数電極機構（複数ＩＣＥ）は、イオンを捕らえる回転電界又は横断電界を作るための少なくとも２対（４電極）からなるものとして記述される。

しかしフィールドフリー領域で管内のこれらの要素の内の唯１つのみを使うことによって、フィールドフリー領域からのより多くのイオンが、負電極に向かって加速され、高電圧領域に入る。これらのイオンは、焦点を合わされ、エミッターにぶつかる。従って、１電極が接地され、１電極が負の電位を持つ唯１対を含む機構は、エミッターにぶつかるイオンの数を増加させる。

更に、電極を使う両方の機構は、必要な空間及び質量を増やす１以上の電圧源を必要とする。これは、ガントリー(gantry)実施問題へと導く可能性がある。

要約すれば、イオン照射、及びエミッター破壊を避け、上述のＸ線管及び方法の記述された不利な点を克服するためのＸ線管及び方法に対する必要があるかもしれない。

不利な点は、請求項１によるＸ線管及び請求項７による方法により克服できる可能性がある。本発明は、独創的なＸ線管の原理的幾何学的機構、及び電界フリー領域を含む特に高性能Ｘ線管用の単一イオン収集器又はＩＤＣの好ましい操作モードを含む。

イオン収集器又はＩＤＣは、正イオンの偏向及び収集に必要な電気双極子場を作るために能動的に又は能動的及び受動的電圧源の組み合わせにより駆動可能である。これによりイオン照射、及びエミッター破壊を避ける事ができる。

能動的／受動的電圧源の場合に、受動的電圧源は、陽極からの後方散乱電子により及び浮いた(floated)電極を帯電する事により与えられる。定められた電位を達成するために、浮いた電極は、ツェーナーダイオード又は抑制(suppressor)ダイオードを介しゼロ電位に接続可能である。

荷電粒子に関する静電場の影響に基づく第１機構において、本発明は好ましくは、各電極は反対の電位を持ち且つエンベロープ(envelope)のみ、特にＸ線管がゼロ電位を持った唯１対の電極のみ使う（米国特許５，１９３，１０５で請求された最小数４極に比較して２極）。これは、単一要素ＩＣＥに比して、エミッターにぶつかるイオンをかなり減らすことができる。反対の電圧を提供するには、唯２つの電圧源のみ必要である。

本発明の第２機構において、静電イオン偏向器／収集器原理を実行することにより且つ受動機構により負の能動電圧源を取り替える事により更に負の電極源を除去することは可能である。その機構は、擬似浮上電極及び受動電子素子、特に対称電界を達成するために正電極の反対の電圧と等しい降伏電圧を持つ少なくとも１つの抑制ダイオード又はツェーナーダイオードからなる。負電極に必要な電荷は、電界フリー領域内をほぼ直線状に走行しこの電極にぶつかる散乱電子の手段によって作られる。

本発明の他の機能及び利点は、添付図面とともに詳細に記述される好ましい実施例中の以下の記述から明らかにされる。

本発明を実践できる一般化された先行技術Ｘ線管を示す。 第１電極が負の電位を持ち、第２電極がゼロ電位を持つ先行技術イオン制御電極機構（ＩＣＥ）を示す光軸に垂直な断面である。 回転電界又は横断電界を生成するための先行技術４電極機構を示す光軸に垂直な断面である。 一般化双極管を示す。 一般化単極管を示す。 ＩＤＣの両電極用の能動電圧供給の一般化機構の光軸内の断面を示す。 光軸に垂直に示される図５Ａによる機構を示す。 活性化されたＩＤＣ無しの状態で図１で示される管内の模擬イオンの走行跡を示す。 １極が接地され他極が負の電位を持った図１で示される管内の模擬イオンの走行跡を示す。 両電極が反対の電位を持ち、管エンベロープのみが接地された図１で示される管内の模擬イオンの走行跡を示す。 ＩＤＣ（１００％イオン）無しの状態でのエミッター上のイオンの模擬焦点を示す。 １極が接地され他極が負の電圧（１０５％イオン）を持ったＩＤＣモードでのエミッター上のイオンの模擬焦点を示す。 両電極が反対の電位を持ち、管エンベロープのみが接地（１６％イオン）されたＩＤＣモードでのエミッター上のイオンの模擬焦点を示す。 抑制ダイオードを持った受動負電極の一般化機構を示す。 図１に示される設計機構用の何百ボルトかの抑制ダイオード降伏電圧までの管電流（点Ｐ１−Ｐ４）に依存する受動電極の帯電時間の簡略化グラフを示す。 時間対受動負電極（１）上の電圧及び管電流（２）の簡略化グラフを示す。

本発明を実施できる図１に示されたＸ線管１の良く知られた先行技術機構は、高電圧領域４を作り出す陰極カップ３を持った陰極２を示し、特に、陰極カップ３から明白には示されていない陽極の陽極ディスク６へ延びる電子ビーム５を示す。電子ビーム５は、陽極ディスク６上の焦点７を形成する。電子ビーム５は、電子ビーム５からのイオンを偏向し及び収集するイオン偏向／収集機構（ＩＤＣ）８により対称に囲まれ、更に電子ビーム５を前記焦点７に集める「光学」レンズ９により囲まれる。電子ビーム５がＩＤＣ７を過ぎた後、電界フリー領域１０に達する。図２Ａに示される断面は、１電極１２を負の電位差−Ｕに、且つ他の電極１３を接地(ground)電位Ｇに接続した先行技術イオン除去電極（ＩＣＥ）１１の光軸に垂直である。

図２Ｂ）は、回転電界又は横断電界を生成するための先行技術４電極機構１４を示す。イオン減少の可能性はここで、電子ビームの光軸に沿って位置し、光軸に関して対称に位置する各々の２つの電極１７，１８，１９，２０から構築される、複数の静電レンズ１５，１６（イオン除去電極ＩＣＥ）の配置によって与えられる。

図３は、先行技術の双極管２４を示す。ここで、高電圧電界２２内の後方散乱電子２５は、陽極２３に向かって再び加速される。高性能ＣＴ及びＣＶＸ線管に関する将来の需要は、能動的な大きさ及び位置制御に加えて、高出力及び小焦点にある。高出力に到達する１つの鍵は、Ｘ線管２４内の最適化熱管理概念を使うことによって与えられる。図３に示されるような従来のＸ線管２４において、双極高電圧源は、正の高電位差＋ＨＶを持った陽極２３と共に使用される。そこで、陽極２３から後方散乱した電子２５は、陽極２３に向かって再加速され、したがって、全体管電力のほぼ９０−９５％が陽極２３に印加される。

図４は、単極管２６を示す。電界フリー領域２７の後方散乱電子２５は、影響を受けずに直線上（矢印）を走行する。単極機構は、１の高電圧源を用いて管電力を増加させるために使用可能である。高電位差−ＨＶは、陽極２３内の孔２８を貫く孔開口部の直径に依存して、事実上の電界フリー領域２７を貫く。後方散乱電子２５は、この領域では殆ど直線上を走行し、特別熱管理管部品にぶつかり電力（ここでは示されない）を発散する。このようにして、約４０％の電力が標的から発散し、より高い管電力が標的の過負荷なしに可能である。しかし、そのような単極機構は、陰極３０と陽極２３との間のより大きい距離を要し、その結果、より良い光学レンズシステムを要す。単極管２６内の残留気体の原子及び分子は、後方散乱電子２５によりイオン化可能で、そして陽極開口部を貫く弱い電界により加速される。これらのイオンは、光学レンズシステムの手段によりエミッターに集められ、電子ビームの空間電荷は、エミッターを傷つけ又は完全に破壊する。

図５は、本発明によるＩＤＣの両電極３２，３３用の能動電圧源３１の機構を示す。図５Ａ）は、光軸内の断面３４を示し、図５Ｂ）は、電子ビームの光軸に垂直な断面３５を示す。図５に示されるように、接地電位Ｇに比較して負の電位差−Ｕ及び正の電位差＋Ｕを持った電気双極子を使うことにより、エミッター機能を維持するために殆ど全てのイオンは、偏向又は収集可能である。このイオン偏向及び収集機構（ＩＤＣ）による電界は、その後にＩＤＣにぶつかるイオンに影響する。少数のイオンがエミッターではなく陰極カップに衝突する。

図６は、図１で示される管内の模擬イオンの走行跡を示す。図６Ａ）は、活性化されたＩＤＣ無しの状態の走行跡を示す。図６Ｂ）は、１極が接地電位Ｇに接地され他極が負の電位差―Ｕを持った場合の走行跡を示す。図６Ｃ）は、両電極が反対の電位を持ち、管エンベロープのみが接地電位Ｇに接地された場合の走行跡を示す。イオンの走行跡に対する異なる影響、特にＩＣＥ付きの管及びイオン制御なしの管の電極に近い走行跡に対する影響は、ここで明白にされる。

図７Ａ）は、図６Ａ）による、ＩＤＣ（１００％イオン）無しの状態でのエミッター上のイオンの第１の模擬焦点を示す。

図７Ｂ）は、図６Ｂ）による、１極が接地電位Ｇに接地され他極が負の電位差−Ｕ（１０５％イオン）を持ったＩＤＣモードでの模擬焦点であり、図７Ｃ）は、図６Ｃ）による、両電極が反対の電位を持ち、管エンベロープのみが接地電位Ｇに接地（１６％イオン）されたＩＤＣモードでの模擬焦点を示す。

結果として生じる図１に示すような管機構のイオン照射濃度及び±何百ボルトかのＵ_1DCは、図７に示される。これは、１００％ＩＤＣ（図７Ａ）なしの状態に比較して、イオン濃度を１６％（図７Ｃ）に減少させる。実験結果は、この減少がエミッター破壊を著しく減少させ、故に寿命を増加させる事を示す。

上に説明したように、唯１つのＩＥＣ（負電位）を使うことにより、イオン制御無しの状態よりもより多くのイオンがエミッター（１０５％イオン濃度）（図７Ｂ）に衝突する。原理上、この行動は、イオンに対する負電極の加速化された影響及び高電圧領域（図６Ｂ及び７Ｂ）への後に続く注入によって与えられる。この場合には、これは、イオンのほんのわずかの焦点ぼけ及び偏向のみの結果となる。

加速化された速い電子への±何百ボルトかのＵ_1DCを持ったＩＤＣの影響は、ほんの僅かである。

図８は、抑制ダイオード３６又はツェナーダイオードを持った受動負電極の本発明による単純化機構を示す。上述の両方の効果、つまりフィールドフリー領域内の直線走行及びＩＤＣ機能は、この機構に組み合わせることができる。もし電極が接地電位Ｇに接地されないなら、散乱電子は、それに衝突し、その表面は負の電位差−Ｕで帯電される。正に帯電した電極のために望ましい印加電圧に対応する適切なダイオードを選ぶことにより、明確で機能的能動／受動的ＩＤＣが与えられる。

図９は、図１に示される機構に似た機構中でＩＤＣを機能させるのに十分なマイナス何百ボルトまで如何に速く負の電極が帯電されるかを示す。受動電極の帯電時間は、図１に示される設計機構のための何百ボルトかの抑制ダイオード降伏電圧３８までの管電流（点Ｐ１−Ｐ４）に依存する。帯電時間は、おおむね相互管電流に比例する。与えられた管電流が、より大きい電流に対して減少するには数ミリ秒かかる。想定された曲線に対する後者の値の変位は、管電流（図１０曲線３７）の不完全な立ち上がり端によって説明可能である。望ましい管電流（図１０参照）に達するのに２，３ミリ秒かかる。より険しい立ち上がり端に必要な帯電時間は、より小さくなる。Ｘ線照射時間に関係する短い帯電時間により、能動／受動的ＩＤＣの機能は、それほどは減少しない。

更に、イオンの活動中正の偏向電極４０は、活動的である。その結果、ＩＤＣ用の図８に示すような能動及び受動電圧源の提案された組み合わせは、全ての種類のＸ線応用にとって十分である。

上記の説明は、特に以下の機構の提案という結果となる：
本発明の第１の機構において、荷電粒子に影響する静電双極子に基き、電界フリー領域を持ったＸ線管用の単一のイオン収集／偏向機構（ＩＤＣ）、反対の電位を持った２つの電極と能動的電圧源のみを持ったＩＤＣとして。

本発明の第２の機構において、散乱電子により帯電され、受動的なものとして実現される負の電極４１を持ち、および受動電子素子、例えばツェナーダイオード又は抑制ダイオード３６による電圧制限を持った機構。

本発明は、図に示された好ましい実施例に限られない。むしろ、複数の変形例が思案可能で、それは基本的に異なって構成された実施例においてさえ、記述された解決法及び発明原理を利用する。

追加的に、「含む」の語は、他の要素又はステップを除外せず、「１つの」の語は、複数を除外しないことに注意する。更に、上記実施例の１つを参照して記述された機能又はステップは又、上述の他の実施例における他の機能又はステップと組み合わせて使うことができる事に注意する。特許請求の範囲中の参照符号は、発明の範囲を制限する物として見なされない。

Claims (12)

1. 第１電極が接地電位に比較して正の電位差を有し、電子ビームを作る陰極、及び単１対の電極からなるイオン偏向及び収集機構を持ったＸ線管。
2. 前記第１電極が電圧供給に接続される請求項１によるＸ線管。
3. 第２電極が接地電位に比較して負の電位差を有する請求項１又は２によるＸ線管。
4. 前記第２電極が、第２電圧供給に接続される請求項３によるＸ線管。
5. 前記第２電極が、少なくとも１つの電子素子で電気受動素子に接続される請求項３によるＸ線管。
6. 前記受動素子が抑制ダイオードである請求項５によるＸ線管。
7. 請求項１から６によるＸ線管を含むＸ線装置。
8. 前記第１電極が、接地電位に比較して正の電位差を有する、単１対の電極からなるイオン偏向及び収集機構の電圧供給の方法。
9. 前記第２電極が、接地電位に比較して負の電位差を有する、請求項８による方法。
10. 前記負の電位差が、電圧供給によって提供される、請求項９による方法。
11. 前記負の電位差が、電子ビームの散乱電子により提供され、少なくとも１つの電子素子を含む電気受動素子により制限される請求項１０による方法。
12. 前記受動素子が、抑制ダイオードである、請求項１１による方法。

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