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JP2016537797A - X-ray source using straight line accumulation - Google Patents

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JP2016537797A
JP2016537797A JP2016544039A JP2016544039A JP2016537797A JP 2016537797 A JP2016537797 A JP 2016537797A JP 2016544039 A JP2016544039 A JP 2016544039A JP 2016544039 A JP2016544039 A JP 2016544039A JP 2016537797 A JP2016537797 A JP 2016537797A
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ジア ユン ルイス、シルヴィア
ジア ユン ルイス、シルヴィア
キーズ、ジャノス
フランシス リヨン、アラン
フランシス リヨン、アラン
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シグレイ、インコーポレイテッド
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  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

本願は、高輝度X線発生用の小型ソースを開示する。より高い輝度は、X線の直線累積を実現すべく、互いに位置合わせされた複数の領域の電子ビーム衝撃によって実現される。これは、離散した複数のX線放出器を位置合わせすることによって、又は高熱伝導率の基板と密接に熱的接触をさせて製造された、X線発生材料の複数の微細構造を有する新規のX線ターゲットを用いることによって、実現される。これにより、熱がより効率的にX線発生材料から排除されることが可能になり、次により高い電子密度、及び/又は、より高いエネルギー電子によるX線発生材料の衝撃が可能になるので、より大きなX線輝度をもたらす。複数の微細構造の配置は、軸上収束角の使用を可能にし、「角度0°」のX線放出としても知られているが、単一の発生源を有するように見えるべく位置合わせされた複数の微細構造からのX線の累積を可能にする。The present application discloses a compact source for generating high brightness X-rays. Higher brightness is achieved by electron beam bombardment of multiple regions aligned with each other to achieve linear accumulation of X-rays. This is a novel with multiple microstructures of X-ray generating material, manufactured by aligning discrete X-ray emitters or in intimate thermal contact with a high thermal conductivity substrate. This is realized by using an X-ray target. This allows heat to be more efficiently removed from the x-ray generating material, which in turn allows impact of the x-ray generating material with higher electron density and / or higher energy electrons, Provides greater x-ray brightness. The arrangement of multiple microstructures allows the use of an on-axis convergence angle, also known as “angle 0 °” x-ray emission, but aligned to appear to have a single source Allows accumulation of X-rays from multiple microstructures.

Description

[関連出願の相互参照]
本特許出願は、米国仮特許出願第61/880,151号(出願日:2013年9月19日)、同第61/894,073号(出願日:2013年10月22日)、同第61/931,519号(出願日:2014年1月24日)、同第62/008,856号(出願日:2014年6月6日)、及び同第14/490,672号(出願日:2014年9月19日)の優先権及び利益を主張し、これらすべては、これら全体を参照によって本明細書に組み込まれたものとする。本願は、米国特許出願第14/465,816号(出願日:2014年8月21日)にも関連しており、これは、これによりその全体を参照によって組み込まれたものとし、また付録Aとして部分的に含まれる。
[Cross-reference of related applications]
No. 61 / 880,151 (filing date: September 19, 2013), 61 / 894,073 (filing date: October 22, 2013), 61 / 931,519 (filing date: January 24, 2014), 62 / 008,856 (filing date: June 6, 2014), and 14 / 490,672 (filing date) : September 19, 2014), all of which are hereby incorporated by reference in their entirety. This application is also related to US patent application Ser. No. 14 / 465,816 (filing date: August 21, 2014), which is hereby incorporated by reference in its entirety and is also included in Appendix A. As partly included.

本明細書に開示された複数の実施形態は、X線の高輝度ソースに関する。そのような高輝度ソースは、製造検査、計測学、結晶学、構造/組成解析、及び医療用の画像処理/診断システムを含む、X線が使用される様々な用途に有用であり得る。   The embodiments disclosed herein relate to a high brightness source of X-rays. Such high intensity sources can be useful for a variety of applications where X-rays are used, including manufacturing inspection, metrology, crystallography, structure / composition analysis, and medical imaging / diagnosis systems.

1895年のレントゲンによるX線の最初の発見[W.C.Rontgen著、『Eine Neue Art von Strahlen』(Wiirzburg Verlag、1895年);『On a New Kind of Rays』、Nature、53巻、274−276ページ(1896年1月23日)]は、レントゲンが真空管内でターゲットの電子衝撃を実験していた時に、偶然生まれた。これらの高エネルギーで短波長の光子は、現在では、医学的応用及び診断的評価、並びにセキュリティ検査、工業検査、品質管理、及び故障解析、さらに結晶学、トモグラフィ、X線蛍光分析、及び同様のものなど科学的応用に、日常的に使用されている。   The first discovery of X-rays by X-rays in 1895 [W. C. Rongen, Eine Neue art von Strahlen (Wiirzburg Verlag, 1895); “On a New Kind of Rays”, Nature, 53, pp. 274-276 (January 23, 1896) It was born by chance while experimenting with electron impact on the target. These high-energy, short-wavelength photons are now used in medical applications and diagnostic evaluation, as well as security inspection, industrial inspection, quality control, and failure analysis, as well as crystallography, tomography, X-ray fluorescence analysis, and the like It is used on a daily basis for scientific applications.

実験用のX線ソースは、その後、クーリッジによって20世紀初頭に改善され[例えば、William D. Coolidgeによる米国特許第1,211,092号(発行日:1917年1月2日)、同第1,917,099号(発行日:1933年7月4日)、及び同第1,946,312号(発行日:1934年2月6日)を参照]、その後、20世紀後半に、シンクロトロンや自由電子レーザ(FEL)を用いて非常に強いX線ビームを発生させるシステムが開発された。しかしながら、これらのシンクロトロンやFELのシステムは、物理的に非常に大型のシステムであり、これらの設置には、大きな建物や広い土地を必要とした。小型で実用的な実験室ベースのシステム及び器械では、大部分のX線ソースは、クーリッジ管の基本的機構を現在でも使用している。   Experimental x-ray sources were subsequently improved by Coolidge in the early 20th century [see, for example, William D. et al. US Patent Nos. 1,211,092 (issue date: January 2, 1917), 1,917,099 (issue date: July 4, 1933), and 1,946, by Coolidge No. 312 (issue date: February 6, 1934)], then, in the latter half of the 20th century, a system that generated a very strong X-ray beam using a synchrotron or a free electron laser (FEL) was developed. . However, these synchrotron and FEL systems are physically very large systems, and their installation required large buildings and large land. In small, practical laboratory-based systems and instruments, most x-ray sources still use the basic mechanism of the Coolidge tube.

最も単純なX線ソースである透過X線ソース08の一例が図1に例示されている。ソースは、一般に密閉真空管02又は常時排気することによって提供される真空環境(典型的には10−6Torr、又はそれより高真空)を備え、管の外側にある高電圧源10の負極及び正極から、真空管02内部の様々な要素に通じる密封導線21及び22で製造されている。ソース08は、典型的には、ハウジング05内の真空管02を固定する複数のマウント03を備え、ハウジング05は、X線がソース08によって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。 An example of a transmission X-ray source 08, which is the simplest X-ray source, is illustrated in FIG. The source generally comprises a sealed vacuum tube 02 or a vacuum environment (typically 10 −6 Torr or higher vacuum) provided by constant evacuation, and the negative and positive electrodes of the high voltage source 10 on the outside of the tube. From the sealed conductors 21 and 22 leading to the various elements inside the vacuum tube 02. The source 08 typically includes a plurality of mounts 03 that secure the vacuum tube 02 in the housing 05, and the housing 05 may be lead or the like to prevent X-rays from being emitted in unwanted directions by the source 08. The shield material may be additionally provided.

真空管02の内部では、導線21を通じて高電圧源10に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。ターゲット01は、低電圧である反対側の高電圧導線22に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。放出された電子111はターゲット01に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット01と衝突する。固体ターゲット01への電子111の衝突は、X線888の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線888の一部は、X線を通すよう設計されたウィンドウ04を通って真空管02から出て行く。図1に示された構成において、ターゲット01はウィンドウ04上に堆積されるか、又は直接取り付けられ、ウィンドウ04は真空チャンバの壁の一部を形成する。他の従来技術による複数の実施形態において、ターゲットは、ウィンドウ04自体の不可欠な部分として形成され得る。   Inside the vacuum tube 02, the emitter 11 connected to the high voltage source 10 through the conducting wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a current is passed through the filament to generate a beam of electrons 111. The target 01 is electrically connected to the opposite high voltage conductor 22 which is at a low voltage, thereby acting as an anode. The emitted electrons 111 are accelerated toward the target 01 and collide with the target 01 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of the electrons 111 with the solid target 01 causes multiple effects including the emission of X-rays 888. A portion of the x-ray 888 exits the vacuum tube 02 through a window 04 designed to pass x-rays. In the configuration shown in FIG. 1, the target 01 is deposited or directly mounted on the window 04, which forms part of the wall of the vacuum chamber. In other prior art embodiments, the target may be formed as an integral part of the window 04 itself.

一般的なX線ソース設計の別の実施例は、反射X線ソース80であり、図2に例示されている。やはり、ソースは、一般に密閉真空管20又は常時排気することによって維持される真空環境(典型的には10−6Torr、又はそれより高真空)を備え、管の外側にある高電圧源10の負極及び正極から、真空管20内部の様々な要素に通じる密封導線21及び22で製造されている。ソース80は、典型的には、ハウジング50内の真空管20を固定する複数のマウント30を備え、ハウジング50は、X線がソース80によって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。 Another example of a typical x-ray source design is a reflective x-ray source 80, illustrated in FIG. Again, the source generally comprises a sealed vacuum tube 20 or a vacuum environment (typically 10 −6 Torr, or higher vacuum) maintained by evacuation, with the negative electrode of the high voltage source 10 on the outside of the tube. And sealed conductors 21 and 22 leading from the positive electrode to various elements inside the vacuum tube 20. The source 80 typically includes a plurality of mounts 30 that secure the vacuum tube 20 within the housing 50, and the housing 50 may be lead or the like to prevent X-rays from being emitted in unwanted directions by the source 80. The shield material may be additionally provided.

真空管20の内部では、導線21を通じて高電圧源10に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。ターゲット基板110に支えられたターゲット100は、低電圧である反対側の高電圧導線22及びターゲット支持部32に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子111はターゲット100に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット100と衝突する。ターゲット100への電子111の衝突は、X線の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線の一部は真空管20から出て、X線に対して透過的であるウィンドウ40を通過する。   Inside the vacuum tube 20, the emitter 11 connected to the high voltage source 10 through the conductive wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a current is passed through the filament to generate a beam of electrons 111. The target 100 supported by the target substrate 110 is electrically connected to the high-voltage conductive wire 22 and the target support portion 32 on the opposite side, which are at a low voltage, thereby functioning as an anode. The electrons 111 accelerate toward the target 100 and collide with the target 100 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of electrons 111 with the target 100 causes multiple effects including X-ray emission. Some of the X-rays exit the vacuum tube 20 and pass through a window 40 that is transparent to the X-rays.

反射X線ソースの別の従来技術による一実施形態において(図2には図示せず)、ターゲット100及び基板110は、一体化され得るか、又は銅(Cu)など同じ材料の固体ブロックを構成し得る。図1及び図2にも示されないが、実際には一般に使用されるように、複数の電子レンズ(静電レンズ又は電磁レンズ)が設けられ、電子の経路を誘導し、また形作って、より集中した収束ビームをターゲットに形成し得る。同様に、複数の放出器を備える電子ソースが提供され、より大きな電子の分散ソースを提供し得る。   In another prior art embodiment of a reflective x-ray source (not shown in FIG. 2), the target 100 and substrate 110 can be integrated or constitute a solid block of the same material, such as copper (Cu). Can do. Although not shown in FIGS. 1 and 2, as is generally used in practice, a plurality of electron lenses (electrostatic lenses or electromagnetic lenses) are provided to guide and shape the electron path, thereby making it more concentrated. The focused beam can be formed on the target. Similarly, an electron source comprising a plurality of emitters may be provided, providing a larger distributed source of electrons.

電子がターゲット100と衝突するとき、電子は複数の態様で相互作用し得る。これらは図3に例示されている。電子ビーム111の中の電子は、ターゲット100と、その表面102において衝突し、表面を通過する電子は、これらのエネルギーを、入射電子ビームのフットプリント(面積)に電子侵入深さを乗じることによって概して画定される相互作用体積200内のターゲット100に伝達する。非常に小さいサイズの入射電子ビーム(例えば、ビーム径が100nm未満)では、相互作用体積200は、典型的には3次元において「洋ナシ」の形又は「涙」の形であり、電子伝搬方向を中心に対称形を成す。より大きいビームでは、相互作用体積は、横方向のビーム強度プロファイルを用い、この「涙」形状のコンボリューションによって表される。   When electrons collide with the target 100, they can interact in several ways. These are illustrated in FIG. Electrons in the electron beam 111 collide with the target 100 at the surface 102, and electrons passing through the surface multiply these energies by multiplying the footprint (area) of the incident electron beam by the electron penetration depth. Transmit to the target 100 within a generally defined interaction volume 200. For very small sized incident electron beams (eg, beam diameter less than 100 nm), the interaction volume 200 is typically in the shape of “pear” or “tears” in three dimensions, and the direction of electron propagation Symmetrical shape around the center. For larger beams, the interaction volume is represented by this “tears” shaped convolution using a transverse beam intensity profile.

材料への電子の侵入深さを推定するのに一般に使用される方程式は、ポットの法則(Pott's Law)[P.J. Potts著、1987年、Springer Netherlands刊、『A Handbook of Silicate Rock Analysis』、第10章「Electron Probe Microanalysis」、336ページ]であり、それによると、ミクロン単位の侵入深さxは、keV単位の電子エネルギーEを3/2乗して、材料密度で割った値の10%に関連付けられていることが述べられている。
ダイヤモンド基板など、より密度が低い材料に対して、侵入深さは、X線発生に使用される大部分の元素など、より高密度の材料に対するよりはるかに大きくなる。
The equation commonly used to estimate the penetration depth of electrons into a material is Pott's Law [P. J. et al. Potts, 1987, published by Springer Netherlands, “A Handbook of Silicate Rock Analysis”, Chapter 10 “Electron Probe Microanalysis”, page 336], according to which the penetration depth V in micron units is k. It is stated that the electron energy E 0 is 3/2 and is related to 10% of the value divided by the material density.
For lower density materials, such as diamond substrates, the penetration depth is much greater than for higher density materials, such as most elements used for x-ray generation.

生じ得る複数のエネルギー伝達機構が存在する。相互作用体積200の全体にわたって、電子エネルギーは単に熱に変換され得る。吸収されたエネルギーの一部は、典型的には、表面近くに位置する領域221から検出される二次電子の発生を生じさせ得るが、その一方で、電子の中には後方散乱されるものもあり得て、これは、これらの高エネルギーに起因して、幾分大きい領域231から検出され得る。   There are multiple energy transfer mechanisms that can occur. Throughout the interaction volume 200, electron energy can simply be converted to heat. Some of the absorbed energy can typically cause the generation of secondary electrons detected from the region 221 located near the surface, while some of the electrons are backscattered. This can also be detected from the somewhat larger area 231 due to these high energies.

表面近くの領域221及び231を含み、ターゲット100の中へ約3倍深く延びている相互作用体積200の全体にわたって、X線888は発生し、外側に向かってあらゆる方向に放出される。X線放出は、複雑なエネルギースペクトルを有し得る。電子は材料に侵入すると、減速してエネルギーを失う。従って、相互作用体積200の異なる複数の部分で、異なる特性を有する複数のX線が生成される。100keVの電子がタングステンターゲットと衝突した際に放出される、典型的なX線放出スペクトルが図4に例示されている。   X-rays 888 are generated and emitted in all directions outwardly throughout the interaction volume 200, including regions 221 and 231 near the surface and extending approximately three times deep into the target 100. X-ray emission can have a complex energy spectrum. When electrons enter the material, they slow down and lose energy. Accordingly, a plurality of X-rays having different characteristics are generated at a plurality of different portions of the interaction volume 200. A typical X-ray emission spectrum emitted when 100 keV electrons collide with a tungsten target is illustrated in FIG.

図4に示されるように、広範なスペクトルのX線放出388が、最初の軌道から進路を変えた電子から生じるが、それは、その電子が様々な核及び他の電子のどれだけ近くを通るかに依存する。方向の変化と関連付けられた電子エネルギーの減少及び運動量変化は、X線の放出を発生させる。広範囲の偏向及び減速が生じ得るので、ターゲット材料の原子との電子衝突の近似統計値に起因して、エネルギーの変化は連続的であり、従って、発生したX線のエネルギーも連続的である。より大量の放出はエネルギースペクトルの低エネルギー側で生じ、高エネルギー側で生じる放出は、はるかに少なく、元の電子エネルギー(この例では、100keV)より大きいエネルギーのX線が存在しない絶対限界に達する。電子の減速の語源に起因して、この種類の連続X線放出388は、「制動(braking)」に対するドイツ語の単語「bremsen」にならい、一般に制動放出(bremsstrahlung)と呼ばれている。   As shown in FIG. 4, a broad spectrum of X-ray emission 388 results from an electron that has diverted from its initial trajectory, which is how close it passes to various nuclei and other electrons. Depends on. The decrease in electron energy and the change in momentum associated with the change in direction cause the emission of X-rays. Because a wide range of deflections and decelerations can occur, due to the approximate statistics of electron collisions with atoms of the target material, the energy change is continuous and therefore the energy of the generated X-rays is also continuous. Larger emissions occur on the low energy side of the energy spectrum, and much less occurs on the high energy side, reaching the absolute limit where there is no x-rays of energy greater than the original electron energy (100 keV in this example). . Due to the origin of electronic deceleration, this type of continuous x-ray emission 388 is commonly referred to as bremsstrahlung, following the German word “bremssen” for “braking”.

これらの連続X線888は、図3に相互作用体積200の最大の陰影部288として示される相互作用体積の全体にわたって発生する。より低いエネルギーにおいて、制動放出X線888は、典型的には等方的に、すなわち放出方向に関して強度変化がほとんどない状態で放出される[例えば、D.Gonzales、B.Cavness、S.William著『Angular distribution of thick−target bremsstrahlung produced by electrons with initial energies ranging from 10 to 20 keV incident on Ag』、Phys.Rev.A、84巻、052726(2011年)を参照]。より高いエネルギー励起は、電子ビームに垂直、すなわちターゲット表面に対して90度の入射ビームにとっては「0度」の放出を増加させ得る。[例えば、J.G.Chervenak、A.Liuzzi著、『Experimental thick−target bremsstrahlung spectra from electrons in the range 10 to 30 keV』、Phys.Rev.A、12巻(1)、26−33ページ(1975年7月)を参照]。   These continuous x-rays 888 occur throughout the interaction volume shown in FIG. 3 as the largest shaded portion 288 of the interaction volume 200. At lower energies, the bremsstrahlung x-ray 888 is typically emitted isotropically, i.e. with little intensity change with respect to the emission direction [e.g. Gonzales, B.M. Cavness, S.C. William, “Angular distribution of thick-target brmsstrahlung produced by elected with initial energies ranging from 10 to 20 keV incident. Rev. A, 84, 052726 (2011)]. Higher energy excitation may increase the “0 degree” emission for an incident beam perpendicular to the electron beam, ie, 90 degrees to the target surface. [For example, J. et al. G. Chervenak, A.M. Liuzzi, "Experimental thick-target bremstrength spectrum from the range in the range 10 to 30 keV", Phys. Rev. A, 12 (1), pp. 26-33 (July 1975)].

図1及び図2に示されるように、X線ソース08又は80は、典型的にはウィンドウ04又は40を有する。このウィンドウ04又は40は、アルミニウムのシート又は層など、低エネルギーX線を減衰させるフィルタを付加的に有し、図4に示された変更エネルギースペクトル488を生成し得る。   As shown in FIGS. 1 and 2, the X-ray source 08 or 80 typically has a window 04 or 40. This window 04 or 40 may additionally have a filter that attenuates low energy x-rays, such as an aluminum sheet or layer, to produce the modified energy spectrum 488 shown in FIG.

電子エネルギーが、ターゲット内の元素の内殻(コアシェル)電子の結合エネルギーより大きいとき、殻から電子の放出(電離)が生じ、空孔を生成し得る。次に、あまり強くなく結合された外殻の電子は、内殻の空孔に自由に遷移することができ、空孔を充填する。充填電子がより低いエネルギー準位に移動するので、余分なエネルギーが、X線光子の形で放出される。この放出は、光子のエネルギーが光子を発生する化学元素の特性を示しているので、「特性」放出として知られている。   When the electron energy is larger than the binding energy of the inner shell (core shell) electrons of the element in the target, electrons are emitted from the shell (ionization), and vacancies can be generated. Second, the less strongly bound outer shell electrons can freely transition to the inner shell vacancies, filling the vacancies. As the filled electrons move to lower energy levels, excess energy is released in the form of X-ray photons. This emission is known as a “characteristic” emission because the energy of the photon indicates the characteristics of the chemical element that generates the photons.

図4に示された例では、69.5keVの結合エネルギーを有する、タングステン原子のK殻電子を、100keVの電子が電離させ得る。10.2keVの結合エネルギーを有する、L殻の電子によって空孔が充填される場合、X線光子は、これら2つの準位の間のエネルギー差異に等しいエネルギー、つまりKα1=59.3keVを有する。同様に、M殻からK殻への遷移が、Kβ1=67.2keVとして示されている。複数の分離が様々な準位で生じ、例えば、Kβ1、Kβ2、Kβ3など、エネルギーにわずかな変化を引き起こし得る。 In the example shown in FIG. 4, 100 keV electrons can ionize K-shell electrons of a tungsten atom having a binding energy of 69.5 keV. When the vacancies are filled by L-shell electrons with 10.2 keV binding energy, the X-ray photon has an energy equal to the energy difference between these two levels, ie K α1 = 59.3 keV . Similarly, the transition from the M shell to the K shell is shown as K β1 = 67.2 keV. Multiple separations occur at various levels and can cause slight changes in energy, for example, Kβ1 , Kβ2 , Kβ3 .

これらの離散した輝線は、ターゲット材料の原子構造に依存するので、放出は概して「特性線」と呼ばれる。それは、「特性線」が特定の材料の特性を示すからである。図4に示されたX線放出スペクトルの例において、鋭い線988は、タングステンの「特性線」である。個々の特性線は非常に明るい可能性があり、単色ソースが所望される場合、適切なフィルタ又は結晶モノクロメータで単色化され得る。制動放射線に対する特性線の相対X線強度(フラックス)比は、元素及び入射電子エネルギーに依存し、実質的に変化し得る。概して、入射電子エネルギーが、内殻電子の電離エネルギーの3倍から5倍のときに、所与のターゲット材料に対する最大比が得られる。   Since these discrete emission lines depend on the atomic structure of the target material, emission is generally referred to as “characteristic lines”. This is because the “characteristic line” indicates the characteristics of a specific material. In the example of the X-ray emission spectrum shown in FIG. 4, the sharp line 988 is the “characteristic line” of tungsten. Individual characteristic lines can be very bright and can be monochromated with a suitable filter or crystal monochromator if a monochromatic source is desired. The relative X-ray intensity (flux) ratio of the characteristic line to the bremsstrahlung depends on the element and the incident electron energy and can vary substantially. In general, the maximum ratio for a given target material is obtained when the incident electron energy is 3 to 5 times the ionization energy of the core electrons.

図3に戻ると、これらの特性X線388は主に、相互作用体積200の2番目に大きい陰影部248として示される電子侵入深さのほんの一部で発生する。相対深さは、典型的には深さが増加するとともに低下する電子111のエネルギーによって、ある程度影響を受ける。電子エネルギーがターゲット内の電子の結合エネルギーを超えない場合、特性X線は全く放出されない。特性線の最大放出は、放出される特性X線光子のエネルギーの3倍から5倍を有する電子との衝撃の際に生じ得る。これらの特性X線は、複数の電子殻の間の原子放出によって生じるので、放出は概して完全に等方性になる。この相互作用体積200の実際の大きさは、電子のエネルギー及び入射角、表面トポグラフィ及び他の複数の特性(局所的な電荷密度を含む)、並びにターゲット材料の密度及び原子組成に応じて変化し得る。   Returning to FIG. 3, these characteristic X-rays 388 occur primarily at a fraction of the electron penetration depth, shown as the second largest shaded portion 248 of the interaction volume 200. The relative depth is typically affected to some extent by the energy of the electrons 111, which typically decreases with increasing depth. If the electron energy does not exceed the binding energy of the electrons in the target, no characteristic X-rays are emitted. Maximum emission of characteristic lines can occur upon impact with electrons having 3 to 5 times the energy of emitted characteristic X-ray photons. Since these characteristic X-rays are caused by atomic emission between multiple electron shells, the emission is generally completely isotropic. The actual size of this interaction volume 200 will vary depending on the electron energy and angle of incidence, surface topography and other properties (including local charge density), and the density and atomic composition of the target material. obtain.

用途によっては、広範なスペクトルを有するX線が適切であり得る。他の用途では、単色ソースが、要求される感度又は分解能のために所望され得るか、又は必要にさえなり得る。概して、ターゲット材料の組成は、特定の対象波長での強い特性線、又は所望の帯域幅にわたる制動放射線など、特定の用途に対して理想的な特性を有するX線スペクトルを提供すべく選択される。   Depending on the application, X-rays with a broad spectrum may be appropriate. In other applications, a monochromatic source may be desired or even required for the required sensitivity or resolution. In general, the composition of the target material is selected to provide an X-ray spectrum that has ideal characteristics for a particular application, such as a strong characteristic line at a particular wavelength of interest, or bremsstrahlung over a desired bandwidth. .

ソースのX線放出特性の制御は、電子エネルギーの選択(典型的には、加速電圧を変化させることで変更される)、X線ターゲット材料の選択、及びターゲットからのX線収集の形状によって、制御され得る。   Control of the X-ray emission characteristics of the source depends on the choice of electron energy (typically changed by changing the acceleration voltage), the choice of X-ray target material, and the shape of the X-ray collection from the target. Can be controlled.

図3に例示されるように、X線は等方的に放出され得るが、図5A〜図5Cに示されるように、ソースのウィンドウ440の方向に向かう、小立体角内のX線放出888だけが収集される。秒当たり、立体角(mrad)当たり、X線ソースの面積(mm)当たりのX線光子の数として定義される(測定法によっては、0.1%の帯域幅ウィンドウを定義に含める場合もある)X線輝度(場合により「明るさ(brilliance)」と呼ばれることもある)は、ダウンストリームアプリケーション用の良好な信号対雑音比を得ることに関連しているので、ソースにとって重要なフィギュアオブメリットである。 As illustrated in FIG. 3, X-rays can be emitted isotropically, but as shown in FIGS. 5A-5C, X-ray emission 888 within a small solid angle toward the source window 440. Only collected. Defined as the number of x-ray photons per second , solid angle (mrad 2 ), and x-ray source area (mm 2 ) (depending on the measurement method, the definition includes a 0.1% bandwidth window) X-ray brightness (sometimes called “brilliance”) is related to obtaining a good signal-to-noise ratio for downstream applications, so it is an important figure for the source. It is an advantage.

輝度は、収集されるX線を最大化すべく、幾何学的因子を調節することによって増加し得る。図5A〜図5Cに例示されるように、反射X線ソースのターゲット100の表面は、(図2にも示されたように)概して角度θで取り付けられ、分散された電子ビーム111による衝撃を受ける。ウィンドウ440を通る放出は、3つのターゲット角度、θ=60°(図5A)、θ=45°(図5B)、及びθ=30°(図5C)に対して、5つの等間隔で並んだ放出スポット408のセットで示されている。高角度θのソースでは、ウィンドウ440を中心とする立体角に対して、5つのスポットはより広がるので、輝度は減少する。一方、低角度θでは、5つのソーススポットはともに近づくように見え、従って同じ立体角内により多くのX線を放出するので、輝度の増加をもたらす。   Luminance can be increased by adjusting geometric factors to maximize the collected X-rays. As illustrated in FIGS. 5A-5C, the surface of the target 100 of the reflective x-ray source is mounted at an angle θ (as also shown in FIG. 2) and is subject to impact by the dispersed electron beam 111. receive. Emissions through window 440 are aligned at five equally spaced intervals for three target angles, θ = 60 ° (FIG. 5A), θ = 45 ° (FIG. 5B), and θ = 30 ° (FIG. 5C). A set of emission spots 408 is shown. For a source with a high angle θ, the brightness decreases as the five spots are more spread out with respect to the solid angle centered on the window 440. On the other hand, at a low angle θ, the five source spots appear to be closer together, thus emitting more X-rays within the same solid angle, resulting in an increase in brightness.

原理上は、θ=0°で取り付けられたソースは、すべてのソースに、放出されたX線を見掛け上では重ね合わさせ、累積させ得るので、可能な最大輝度を有すると考えられ得る。実際には、0°での放出は、従来のソース用の固体金属ターゲットの表面と平行に生じ、X線は、放出前にターゲット材料の長い距離に沿って伝搬しなければならないので、発生したX線の大部分は、ターゲット材料によって減衰され(再吸収され)、輝度を減少させる。 実際には、約6°から15°(ソース構成、ターゲット材料、及び電子エネルギーに依存する)の取り出し角を有するソースが、実用的な最大輝度を提供することが多く、ソースの見掛けのサイズを凝縮させるとともに、ターゲット材料内の再吸収を減少させ、従って一般に商用X線ソースに使用されている。   In principle, a source mounted at θ = 0 ° can be considered to have the maximum possible brightness because all the sources can be superposed and accumulated in appearance. In practice, the emission at 0 ° occurred because it occurred parallel to the surface of the solid metal target for conventional sources, and X-rays had to propagate along a long distance of the target material before emission. Most of the x-rays are attenuated (reabsorbed) by the target material, reducing brightness. In practice, a source with a take-off angle of about 6 ° to 15 ° (depending on source configuration, target material, and electron energy) often provides a practical maximum brightness, which reduces the apparent size of the source. Condensates and reduces reabsorption in the target material and is therefore commonly used in commercial x-ray sources.

有効ソース面積は、X線が使用のために収集される方向に沿って、すなわち、X線ビームの軸に沿って見た投影面積である。限られた電子侵入深さのため、電子侵入深さに匹敵するサイズか、又はそれより大きいサイズを有する入射電子ビームの有効ソース面積は、X線ビームの軸と、ターゲットの表面との間の角度(「取り出し角」と称される)に依存する。電子ビームサイズが電子侵入深さよりはるかに大きいとき、有効ソース面積は取り出し角の減少とともに減少する。この効果は、X線ソースの輝度を増加させるのに使用された。しかしながら、広く平坦なターゲットでは、この利点に限界がある。その理由は、X線が表面に伝搬するにつれて、ターゲット内部のX線発生ポイントからのX線の吸収が増加し、このX線の吸収は取り出し角がより小さくなるとともに増加するからである。典型的には、より低い角度による輝度向上と、再吸収による輝度の減少との間の妥協により、約6°の取り出し角に到達した。   The effective source area is the projected area viewed along the direction in which x-rays are collected for use, i.e. along the axis of the x-ray beam. Due to the limited electron penetration depth, the effective source area of an incident electron beam having a size comparable to or larger than the electron penetration depth is the distance between the axis of the x-ray beam and the surface of the target. Depends on the angle (referred to as “take-off angle”). When the electron beam size is much larger than the electron penetration depth, the effective source area decreases with decreasing extraction angle. This effect was used to increase the brightness of the X-ray source. However, this advantage is limited for wide, flat targets. The reason is that as X-rays propagate to the surface, X-ray absorption from the X-ray generation point inside the target increases, and this X-ray absorption increases as the extraction angle becomes smaller. Typically, a take-off angle of about 6 ° was reached due to a compromise between brightness enhancement with lower angles and brightness reduction with reabsorption.

制動放射線用のX線ソースの輝度を増大させる別の方法は、より大きい原子番号Zのターゲット材料を使用することである。その理由は、材料の原子番号がだんだん高くなると、それに対応して制動放射線用のX線発生の効率が高くなるからである。さらに、X線放出材料は、ソースにかかるより高い電子パワーがX線発生を増加させることを可能にすべく、高融点及び高熱伝導率など、理想的には良好な熱特性を有するべきである。これらの理由のため、ターゲットは、原子番号Zが74のタングステンを用いて製造されることが多い。表1は、X線ターゲット、複数の更なる可能性のあるターゲット材料(対象となる特定の特性線に特に有用)、及びターゲット材料の基板として使用され得るいくつかの材料に一般に使用される複数の材料を記載している。融点及び熱/電気伝導率は、300K(27℃)近傍の値を示している。大部分の値は、CRC刊『Handbook of Chemistry and Physics』の第90版[フロリダ州ボカラトン、CRC Press、2009年]から引用されている。他の複数の値は、インターネット上に見られる様々なソースから引用されている。 例えば、サファイアなど、いくつかの材料では、液体窒素温度(77K)以下の温度に冷却されると、1桁大きい熱伝導率が可能であり得ることに留意されたい[例えば、E.R.Dobrovinskaya他著、『Sapphire:Material,Manufacturing,Applications』、Springer Science + Business Media,LLC刊(2009年)の2.1.5章「熱特性」を参照]。
Another way to increase the brightness of an x-ray source for bremsstrahlung is to use a higher atomic number Z target material. The reason is that as the atomic number of the material increases, the efficiency of generating X-rays for bremsstrahlung increases correspondingly. Furthermore, the X-ray emitting material should ideally have good thermal properties, such as a high melting point and high thermal conductivity, to allow higher electron power on the source to increase X-ray generation. . For these reasons, targets are often manufactured using tungsten with an atomic number Z of 74. Table 1 shows commonly used X-ray targets, multiple additional potential target materials (especially useful for the particular characteristic line of interest), and some materials that can be used as a substrate for the target material. The materials are described. The melting point and the heat / electric conductivity are values in the vicinity of 300 K (27 ° C.). Most of the values are quoted from the 90th edition of CRC "Handbook of Chemistry and Physics" [Boca Raton, Florida, CRC Press, 2009]. Several other values are cited from various sources found on the Internet. It should be noted that for some materials, such as sapphire, thermal conductivity may be an order of magnitude greater when cooled to temperatures below the liquid nitrogen temperature (77 K) [eg, E.C. R. See Dobrovinskaya et al., “Sapphire: Material, Manufacturing, Applications”, Springer Science + Business Media, LLC, Chapter 2.1.5 “Thermal Properties”].

X線ソースの輝度を増加させる他の複数の方法は、全体の電流を増加させる、又は、例えば複数の電子レンズを用いてより小さいスポットに電子ビームの焦点を合わせるか、どちらか一方によって電子流密度を増加させることであり、又は加速電圧を増加させることで電子エネルギーを増加させることである(これは、ターゲットに堆積される単位電子エネルギー当たりのX線発生を増加させ、特性線においてさらに多くの放出も引き起こし得る)。   Other ways to increase the brightness of the x-ray source include increasing the overall current, or focusing the electron beam to a smaller spot using, for example, multiple electron lenses, either by electron flow. To increase the electron energy by increasing the density or by increasing the accelerating voltage (this increases the X-ray generation per unit electron energy deposited on the target, and more in the characteristic line May also cause the release of

しかしながら、これらの改善は全て、相互作用体積内で発生する熱量を増加させるという点で、限界がある。この問題は、真空中にターゲットを有することによって、そのため対流による表面の空気冷却が何も生じ得ないので、悪化する。過度の熱がターゲット内に発生した場合、ターゲット材料は相変化、さらに溶融や蒸発までも受け得る。電子ビームによってターゲットに堆積したエネルギーの大部分は熱になるので、熱の管理技術は、より優れたX線ソースを作るための重要なツールである。   However, all these improvements are limited in that they increase the amount of heat generated within the interaction volume. This problem is exacerbated by having the target in a vacuum so that no air cooling of the surface by convection can occur. If excessive heat is generated in the target, the target material can undergo phase changes, even melting and evaporation. Since most of the energy deposited on the target by the electron beam becomes heat, thermal management techniques are an important tool for creating a better x-ray source.

この問題に対処すべく開発された従来技術による1つの技術は、図6Aに例示された回転アノードシステムである。図6Aには、典型的には3,300rpmと10,000rpmとの間で回転する、ターゲットアノード500を有する回転アノードX線ソース580の断面が示されている。ターゲットアノード500は、シャフト530によってロータ520に接続され、ロータ520は、そのマウント522を通じて、導線22及び高電圧源10の正極に接続する導電性ベアリング524によって支持されている。すべて真空チャンバ20内にある、ロータ520、シャフト530、及びアノード500の回転は、典型的には、真空の外側に取り付けられた固定子巻線525によって誘導的に駆動される。   One prior art technique developed to address this problem is the rotating anode system illustrated in FIG. 6A. FIG. 6A shows a cross-section of a rotating anode x-ray source 580 having a target anode 500 that typically rotates between 3,300 rpm and 10,000 rpm. The target anode 500 is connected to the rotor 520 by a shaft 530, and the rotor 520 is supported by a conductive bearing 524 that connects to the conductor 22 and the positive electrode of the high voltage source 10 through its mount 522. The rotation of the rotor 520, shaft 530, and anode 500, all within the vacuum chamber 20, is typically inductively driven by a stator winding 525 mounted outside the vacuum.

図6Bに、ターゲットアノード500の表面が、より詳細に示されている。回転ターゲットアノード500の縁部510は、斜めに面取りされていることがあり、電子ビーム511のソースは、ターゲットアノード500の面取りされた縁部510に、電子ビームを方向付ける位置にあり、ターゲットスポット501からX線888を発生させる。ターゲットスポット501はX線を発生させるので、加熱するが、ターゲットアノード500が回転するので、加熱スポットがターゲットスポット501から離れ、ここで電子ビーム511はターゲットアノード500のより低温の部分を照射する。ホットスポット501を通過するときに再度加熱される前に、ホットスポットは冷却するための一回転分の時間を有する。ターゲットアノード500を継続的に回転させることによって、X線は固定された単一スポットから発生するが、電子ビームによって照射されるターゲットの総面積は、実質的に電子ビームスポットより大きくなり、電子エネルギーの堆積を、より大きい面積(及び体積)にわたって効果的に広げている。   In FIG. 6B, the surface of the target anode 500 is shown in more detail. The edge 510 of the rotating target anode 500 may be chamfered diagonally, and the source of the electron beam 511 is in a position to direct the electron beam to the chamfered edge 510 of the target anode 500, and the target spot X-ray 888 is generated from 501. Since the target spot 501 generates X-rays and is heated, the target anode 500 rotates, so that the heating spot is separated from the target spot 501, and the electron beam 511 irradiates a lower temperature portion of the target anode 500. Prior to being heated again when passing through the hot spot 501, the hot spot has time for one revolution to cool. By continuously rotating the target anode 500, X-rays are generated from a fixed single spot, but the total area of the target irradiated by the electron beam is substantially larger than the electron beam spot, and the electron energy. Is effectively spreading over a larger area (and volume).

熱を緩和する別のアプローチは、ターゲットX線材料の薄い層を高熱伝導の基板上に堆積したターゲットを使用することである。100keVまでのエネルギーを有する電子では、相互作用体積が薄いので、ターゲット材料自体は、数ミクロンより厚い必要はなく、熱を迅速に逃がすダイヤモンド、サファイア、又はグラファイトなどの基板上に堆積され得る。しかしながら、表1に示されるように、ダイヤモンドは電気伝導率が非常に低いので、ダイヤモンド基板上に作られるどのようなアノードの設計も、アノードのターゲット材料と高電圧の正極との間に電気接続をいまだに設ける必要がある。[ダイヤモンドに取り付けたX線ソースのアノードは、例えば、K.Upadhya他による米国特許第4,972,449号、B.Spitsyn他による米国特許第5,148,462号、及びM.Fryda他による米国特許第6,850,598号によって説明されている]。   Another approach to mitigating heat is to use a target with a thin layer of target X-ray material deposited on a high thermal conductivity substrate. For electrons with energies up to 100 keV, because the interaction volume is thin, the target material itself does not need to be thicker than a few microns and can be deposited on a substrate such as diamond, sapphire, or graphite that quickly releases heat. However, as shown in Table 1, since diamond has a very low electrical conductivity, any anode design made on the diamond substrate can be electrically connected between the anode target material and the high voltage positive electrode. Still need to be provided. [The anode of the X-ray source attached to the diamond can be U.S. Pat. No. 4,972,449 to Upadya et al. US Pat. No. 5,148,462 to Spitsyn et al. As described by US Pat. No. 6,850,598 to Fryda et al.].

基板は、例えば、水やエチレングリコールなどの液体、又は水素やヘリウムなどの気体といった、基板から熱を除去するクーラント用の複数の経路も有し得る(例えば、Paul E.Larsonによる米国特許第5,602,899号を参照)。水冷されたアノードは、回転アノードX線ソースを含む様々なX線ソースに用いられている。   The substrate may also have multiple pathways for coolant to remove heat from the substrate, for example, a liquid such as water or ethylene glycol, or a gas such as hydrogen or helium (eg, US Pat. No. 5 by Paul E. Larson). , 602,899). Water cooled anodes are used in a variety of x-ray sources, including rotating anode x-ray sources.

次に基板は、熱伝導特性で選択された銅又は何か他の材料を有するヒートシンクに取り付けられ得る。ヒートシンクは、熱を排除すべく、クーラント用の複数の経路も有し得る(例えば、Edward J.Mortonによる米国特許第8,094,784号を参照)。いくつかの場合において、ヒートシンクに取り付けられたX線ターゲットに更なる冷却を提供すべく、熱電冷却器又は極低温システムが用いられてきた。やはり、すべては、過剰加熱によるターゲット材料の溶融又は損傷を起こさず、高いX線輝度を実現することが目的である。   The substrate can then be attached to a heat sink having copper or some other material selected for its thermal conductivity properties. The heat sink may also have multiple paths for coolant to remove heat (see, eg, US Pat. No. 8,094,784 by Edward J. Morton). In some cases, thermoelectric coolers or cryogenic systems have been used to provide additional cooling to x-ray targets attached to a heat sink. Again, all is aimed at achieving high X-ray brightness without causing melting or damage of the target material due to overheating.

微小焦点ソース用の熱を緩和する別のアプローチは、液体金属の噴流によって作成されたターゲットを用いることである。電子は、液体ガリウム(原子番号31)の導電性噴流に衝撃を与え、加熱されたガリウムは電子照射体積から噴流とともに流出するので、高電流密度が可能になる。[例えば、M.Otendal他著、『A 9 keV electron−impact liquid−gallium−jet x−ray source』、Rev.Sci.Instrum、79巻、016102、(2008年)を参照]。   Another approach to mitigating heat for a microfocus source is to use a target created by a liquid metal jet. The electrons impact a conductive jet of liquid gallium (atomic number 31), and the heated gallium flows out of the electron irradiation volume with the jet, thus enabling a high current density. [For example, M.M. Otendal et al., “A 9 keV electron-impact liquid-gallium-jet x-ray source”, Rev. Sci. See Instrum, 79, 016102, (2008)].

特定の環境に効果的であるが、これらのソースには、まだ改善の余地がある。液体金属の噴流は、精巧な給排水システム及び消耗品を必要とし、用いられる材料(また、これにより原子番号の値及びその関連スペクトル)が制限され、より大きい出力に上げることが難しい。ダイヤモンド基板の上にコーティングされた一様な固体材料の薄膜ターゲットの場合では、回転アノード構成で用いられたとしても、膜への損傷が生じ得る前に許容され得る熱量にまだ限界がある。熱伝導は、膜の底面を通じて生じるだけである。横寸法においても、バルク材料に存在するのと同じ伝導の問題が存在する。   Although effective for certain environments, these sources still have room for improvement. Liquid metal jets require elaborate water supply and drainage systems and consumables, limiting the materials used (and thus the atomic number values and their associated spectra), making it difficult to increase to higher power. In the case of a uniform solid material thin film target coated on a diamond substrate, there is still a limit to the amount of heat that can be tolerated before damage to the film can occur, even when used in a rotating anode configuration. Heat conduction only occurs through the bottom surface of the membrane. Even in the lateral dimension, there are the same conduction problems that exist in bulk materials.

従って、高電子流密度の使用による高いX線輝度を実現するのに用いられ得るX線ソースのニーズが存在するが、それはまだ、実験室環境や机上環境に適応するに足るほど、又は携帯型装置に有用でさえあるほど小型である。そのような明るいソースは、画像処理並びに他の科学的用途及び診断用途のために、より良い信号対雑音比を提供するX線ベースのツールを可能にし得る。   Thus, there is a need for an x-ray source that can be used to achieve high x-ray brightness through the use of high electron current density, but it is still sufficient to accommodate laboratory and desktop environments, or portable It is so small that it is even useful for the device. Such bright sources may allow X-ray based tools that provide better signal-to-noise ratios for image processing and other scientific and diagnostic applications.

本開示は、既存の商用X線技術に比べて桁違いの明るさにまで至る可能性を有する、新規のX線ソースを示す。より高い輝度は、電子ビーム衝撃からX線を発生させるのに用いられるX線ターゲット向けに、新規の構成を使用することで、ある程度実現される。X線ターゲットの構成は、熱がより効率的にX線発生材料から排除されるように、高熱伝導率の基板と密接に熱的接触をする(そこに埋め込まれる、又は埋設されるなど)ように製造された1又は複数の選択されたX線発生材料の複数の微細構造を有し得る。これにより今度は、高電子密度及び/又は高エネルギーの電子とX線発生材料の衝撃が可能となり、より大きいX線輝度をもたらす。   The present disclosure presents a novel x-ray source that has the potential to reach orders of magnitude brightness compared to existing commercial x-ray technology. Higher brightness is achieved to some extent by using a new configuration for the X-ray target used to generate X-rays from electron beam bombardment. The configuration of the X-ray target is in close thermal contact (such as embedded or embedded) with a high thermal conductivity substrate so that heat is more efficiently removed from the X-ray generating material. May have a plurality of microstructures of one or more selected x-ray generating materials fabricated on the surface. This in turn allows the impact of high electron density and / or high energy electrons and the X-ray generating material, resulting in greater X-ray brightness.

いくつかの実施形態の大きな利点は、複数の微細構造の配置が、軸上収束角の使用を可能とし、単一の発生源で発しているように見えるべく位置合わせされた複数の微細構造からのX線の累積を可能とし、また「角度0°」のX線放出の位置合わせに用いられ得ることである。複数の発生源からのX線の直線累積は、より大きいX線輝度をもたらす。   A significant advantage of some embodiments is that the arrangement of multiple microstructures allows the use of on-axis convergence angles and from multiple microstructures aligned to appear to originate from a single source. X-rays can be accumulated, and can be used to align X-ray emission at “angle 0 °”. Linear accumulation of X-rays from multiple sources results in greater X-ray brightness.

本発明のいくつかの実施形態は、1つの構造から放出されたX線を収集し、それを再度焦点に集めて第2の構造体からのX線に重ね合わせる複数のX線光学要素を付加的に備える。このX線のリレーによっても、より大きいX線輝度がもたらされ得る。   Some embodiments of the present invention add a plurality of X-ray optical elements that collect X-rays emitted from one structure and refocus them onto the X-rays from the second structure. Prepare. This x-ray relay can also provide greater x-ray brightness.

本発明のいくつかの実施形態は、アノード又は複数のアノードから熱を排除する付加的な冷却システムを備える。本発明のいくつかの実施形態は、更に熱を放散し累積X線輝度を増大させるべく、微細構造パターンのターゲットを有するアノード又は複数のアノードを回転させることをさらに含む。   Some embodiments of the present invention comprise an additional cooling system that removes heat from the anode or anodes. Some embodiments of the present invention further include rotating the anode or anodes having a microstructured pattern target to further dissipate heat and increase cumulative x-ray brightness.

標準的な従来技術の透過X線ソースの略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of a standard prior art transmission X-ray source.

標準的な従来技術の反射X線ソースの略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of a standard prior art reflective x-ray source.

従来技術のX線ソースの材料表面と電子の相互作用の断面図を示す。Figure 2 shows a cross-sectional view of the interaction of electrons with the material surface of a prior art X-ray source.

タングステンターゲットの典型的な放出スペクトルを示す。2 shows a typical emission spectrum of a tungsten target.

ターゲットを60°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。Figure 3 shows the emission from a prior art target when the target is at a tilt angle of 60 °.

ターゲットを45°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。Figure 3 shows the emission from a prior art target when the target is at a 45 ° tilt angle.

ターゲットを30°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからの放出を示す。Figure 3 shows the emission from a prior art target when the target is at a 30 ° tilt angle.

従来技術の回転アノードX線ソースの略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of a prior art rotating anode X-ray source.

図6Aの回転アノードシステムのアノードの上面図を示す。FIG. 6B shows a top view of the anode of the rotating anode system of FIG. 6A.

本発明によるX線システムの一実施形態の略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of one embodiment of an X-ray system according to the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を大型基板上に有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 2 shows a perspective view of a target having a latticed embedded rectangular target microstructure on a large substrate that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、収束電子ビームとともに使用するための、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を大型基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。FIG. 6 shows a perspective view of a variation of a target having a latticed embedded rectangular target microstructure on a large substrate for use with a focused electron beam that may be used in some embodiments of the invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を切断基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。FIG. 5 shows a perspective view of a variation of a target having a microstructure of a grid-like embedded rectangular target on a cut substrate that can be used in some embodiments of the invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を棚状の凹み部を持つ基板上に有するターゲットの変形例の斜視図を示す。FIG. 6 shows a perspective view of a variation of a target having a microstructure of a grid-like embedded rectangular target on a substrate with shelf-like recesses that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、ターゲット微細構造を大型基板上に有するターゲットに入射する電子の断面図を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view of electrons incident on a target having a target microstructure on a large substrate that can be used in some embodiments of the invention.

図12のターゲットによって放出された一部のX線の断面図を示す。FIG. 13 shows a cross-sectional view of some X-rays emitted by the target of FIG.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、凹み領域を持つ基板上に配置された単一の矩形微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 4 shows a perspective view of a target having a single rectangular microstructure disposed on a substrate with a recessed area that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、凹み領域を持つ基板上に一列に配置された複数の矩形微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 4 shows a perspective view of a target having a plurality of rectangular microstructures arranged in a row on a substrate having a recessed area that may be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 2 shows a perspective view of a target having a microstructure of a grid-like embedded rectangular target that can be used in some embodiments of the present invention.

図16Aのターゲットの上面図を示す。FIG. 16B shows a top view of the target of FIG. 16A.

図16A及び図16Bのターゲットの側面/断面図を示す。FIG. 16C shows a side / sectional view of the target of FIGS. 16A and 16B.

図16のターゲットの断面図を示し、電子ビーム照射を受けた熱伝導基板への熱の伝達を示す。FIG. 17 shows a cross-sectional view of the target of FIG. 16 and shows the transfer of heat to a heat conducting substrate that has been irradiated with an electron beam.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、市松模様構成の埋め込みターゲット微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 3 shows a perspective view of a target having an embedded target microstructure in a checkerboard configuration that can be used in some embodiments of the present invention.

図18Aのターゲットの上面図を示す。FIG. 18B shows a top view of the target of FIG. 18A.

図18A及び図18Bのターゲットの側面/断面図を示す。FIG. 19 shows a side / sectional view of the target of FIGS. 18A and 18B.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、階段型基板上に配置された格子状の埋め込み矩形ターゲットの微細構造を有するターゲットの斜視図を示す。FIG. 2 shows a perspective view of a target having a microstructure of a grid-like embedded rectangular target disposed on a stepped substrate that can be used in some embodiments of the invention.

図19Aのターゲットの上面図を示す。FIG. 19B shows a top view of the target of FIG. 19A.

図19A及び図19Bのターゲットの側面/断面図を示す。FIG. 20 shows a side / sectional view of the target of FIGS. 19A and 19B.

電子衝撃を受けてX線を放出する図19Cのターゲットの断面図を示す。FIG. 19C shows a cross-sectional view of the target of FIG. 19C that emits X-rays upon electron impact.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、直線配列で配置されたX線放出器の集合体を示す。Fig. 4 illustrates a collection of X-ray emitters arranged in a linear array that may be used in some embodiments of the present invention.

1keVから400keVにわたるエネルギーを有するX線に対する、複数の材料の1/e減衰長を示す。Figure 2 shows the 1 / e decay length of multiple materials for X-rays with energies ranging from 1 keV to 400 keV.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、垂直入射電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 6 illustrates a linear array of x-ray emitters exposed to a normal incidence electron beam that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、角度θで入射した電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 6 illustrates a linear array of x-ray emitters exposed to an electron beam incident at an angle θ that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、収束電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 3 illustrates a linear array of X-ray emitters exposed to a focused electron beam that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、複数の方向から角度θで入射する電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 3 illustrates a linear array of x-ray emitters exposed to an electron beam incident at multiple angles from multiple directions that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、様々な電子密度の電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 3 illustrates a linear array of x-ray emitters exposed to electron beams of various electron densities that can be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、一様な電子ビームにさらされている直線配列のX線放出器を示す。FIG. 3 illustrates a linear array of x-ray emitters exposed to a uniform electron beam that can be used in some embodiments of the present invention.

複数の電子放出器を有する、本発明によるX線システムの一実施形態の略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of an X-ray system according to the invention having a plurality of electron emitters.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、異なる電子密度の電子ビームにさらされている多様なX線放出器の集合体を示す。Fig. 3 illustrates a collection of various X-ray emitters exposed to electron beams of different electron densities that can be used in some embodiments of the present invention.

ある範囲のX線エネルギーにわたる、タングステンの減衰長及びCSDA(電子の連続減速近似)の図を示す。FIG. 2 shows a tungsten decay length and CSDA (continuous electron deceleration approximation) diagram over a range of x-ray energies.

ある範囲のX線エネルギーにわたる、タングステンの、減衰長とCSDAの比の図を示す。FIG. 4 shows a diagram of tungsten attenuation length to CSDA ratio over a range of x-ray energies.

ある範囲のX線エネルギーにわたる、複数の材料の、減衰長とCSDAの比の図を示す。FIG. 4 shows a plot of attenuation length to CSDA ratio for multiple materials over a range of x-ray energies.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、時分割された電子ビーム照射の中で時間ステップt=0における、直線配列で配置されたX線放出器の集合体を示す。FIG. 4 shows a collection of X-ray emitters arranged in a linear array at time step t = 0 in time-divided electron beam irradiation that can be used in some embodiments of the present invention.

次の時間ステップt=1における、図28AのX線放出器の集合体を示す。FIG. 28B shows the collection of X-ray emitters of FIG. 28A at the next time step t = 1.

X線放出器の集合体を示す。t=0における図28A、次のステップt=1における図28B、及び次の時間ステップt=2における図28C。2 shows an assembly of X-ray emitters. FIG. 28A at t = 0, FIG. 28B at the next step t = 1, and FIG. 28C at the next time step t = 2.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、直線配列で配置されたX線放出器の集合体からのX線の軸外放出を示す。FIG. 4 illustrates X-ray off-axis emission from a collection of X-ray emitters arranged in a linear array that may be used in some embodiments of the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、広く離間した直線配列で配置されたX線放出器の集合体からのX線の軸外放出を示す。FIG. 3 illustrates X-ray off-axis emission from a collection of X-ray emitters arranged in a widely spaced linear array that may be used in some embodiments of the present invention.

複数の電子放出器と冷却システムを備える、本発明によるX線システムの一実施形態の略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of one embodiment of an X-ray system according to the present invention comprising a plurality of electron emitters and a cooling system.

図30のX線システムのターゲットの断面を示す。FIG. 31 shows a cross section of the target of the X-ray system of FIG.

2つの面のターゲットを備える、本発明によるX線システムの一実施形態の略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of an X-ray system according to the invention comprising a two-surface target.

図32のX線システムのターゲットの断面を示す。Fig. 33 shows a cross section of the target of the X-ray system of Fig. 32;

回転アノードの両面(opposite sides)に衝撃を与える複数の電子放出器を備える、本発明の一実施形態によるX線システムの略断面図を示す。1 shows a schematic cross-sectional view of an X-ray system according to an embodiment of the present invention comprising a plurality of electron emitters that impact both sides of a rotating anode.

本発明によるシステムで使用する直線累積のために位置合わせされた、複数のターゲットの断面を示す。Fig. 4 shows a cross section of a plurality of targets aligned for straight line accumulation used in a system according to the invention.

本発明によるシステムに使用する直線累積のために位置合わせされた、X線発生材料の複数の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。Figure 3 shows a cross section of a plurality of targets having a plurality of microstructures of X-ray generating material aligned for linear accumulation used in a system according to the present invention.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る分散電子ビームを用いて衝撃を受けられるX線コーティングを有するターゲットの側面図を示す。FIG. 4 shows a side view of a target having an x-ray coating that can be bombarded with a distributed electron beam that can be used in some embodiments of the present invention.

図37Aのターゲット及び分散電子ビームの斜視図を示す。FIG. 37B is a perspective view of the target of FIG. 37A and the dispersed electron beam.

図37Aのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。FIG. 37B shows a front view of the target and distributed electron beam of FIG. 37A.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得る、分散電子ビームを用いて衝撃を与えられている微細構造を有するターゲットの側面図を示す。FIG. 4 shows a side view of a target having a microstructure that is impacted with a distributed electron beam that can be used in some embodiments of the present invention.

図38Aのターゲット及び分散電子ビームの斜視図を示す。FIG. 38B is a perspective view of the target of FIG. 38A and the dispersed electron beam.

図38Aのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。FIG. 38B shows a front view of the target and distributed electron beam of FIG. 38A.

X線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、X線を収集して焦点を合わせるべく複数の反射レンズが用いられる。2 shows a cross section of a plurality of targets having a fine structure of an X-ray generating material. Here, a plurality of reflective lenses are used to collect and focus X-rays for use in the system according to the invention.

様々な配置のX線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、X線を収集して焦点を合わせるべく複数の反射レンズが用いられる。2 shows cross-sections of a plurality of targets having microstructures of X-ray generating materials in various arrangements. Here, a plurality of reflective lenses are used to collect and focus X-rays for use in the system according to the invention. X線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、反対方向に伝搬するX線をモニタすべく、付加的なウィンドウ及び検出器が用いられる。2 shows a cross section of a plurality of targets having a fine structure of an X-ray generating material. Here, additional windows and detectors are used to monitor X-rays propagating in the opposite direction.

X線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、X線を収集して焦点を合わせるべく、複数のウォルタレンズが用いられる。2 shows a cross section of a plurality of targets having a fine structure of an X-ray generating material. Here, a plurality of Walter lenses are used to collect and focus X-rays for use in the system according to the invention.

X線に用いられる複数のウォルタレンズの従来技術の実施形態を示す。1 illustrates a prior art embodiment of a plurality of Walter lenses used for X-rays.

複数の円筒形の光学要素を有する複数のウォルタレンズの従来技術の実施形態を示す。1 illustrates a prior art embodiment of a plurality of Walter lenses having a plurality of cylindrical optical elements.

X線発生材料の微細構造を有する複数のターゲットの断面を示す。ここでは、本発明によるシステムで使用するために、X線を収集して焦点を合わせるべく、複数のキャピラリレンズが用いられる。2 shows a cross section of a plurality of targets having a fine structure of an X-ray generating material. Here, a plurality of capillary lenses are used to collect and focus X-rays for use in the system according to the invention.

1.本発明の基本的な実施形態
図7は、本発明による反射X線システム80−Aの一実施形態を示す。上述した従来技術の反射X線システム80においても同様であるが、ソースは、一般に密閉真空チャンバ20又は常時排気することによって維持される真空環境(典型的には10−6Torr又はそれより高真空)を備え、管の外側にある高電圧源10の負極及び正極から、真空チャンバ20内部の様々な要素に通じる密封導線21及び22を有して製造されている。ソース80−Aは、典型的にはハウジング50内に真空チャンバ20を固定するマウント30を備え、ハウジング50は、X線がソース80−Aによって不要な方向に放出されるのを防止すべく、鉛などのシールド材を付加的に備え得る。
1. Basic Embodiment of the Invention FIG. 7 shows one embodiment of a reflective x-ray system 80-A according to the invention. As with the prior art reflective x-ray system 80 described above, the source is typically a sealed vacuum chamber 20 or a vacuum environment maintained by constant evacuation (typically 10 −6 Torr or higher vacuum). ) And sealed conductors 21 and 22 leading from the negative and positive electrodes of the high voltage source 10 outside the tube to the various elements inside the vacuum chamber 20. The source 80-A typically includes a mount 30 that secures the vacuum chamber 20 within the housing 50, and the housing 50 prevents x-rays from being emitted in unwanted directions by the source 80-A. A shield material such as lead may be additionally provided.

前述のように、チャンバ20の内部では、導線21を通じて高電圧源10に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。電子ビーム発生用の任意の数の従来技術の技法が、本明細書に開示された本発明の複数の実施形態に用いられ得る。電子ビーム発生に用いられる更なる公知技術は、熱電子放出のための加熱、ショットキー放出(加熱と電界放出との組み合わせ)、カーボンナノチューブなどのナノ構造を有する複数の放出器、複数の強誘電体材料を用いることを含む。[電子ビーム発生用の電子放出オプションに関する詳細は、Shigehiko Yamamoto著『Fundamental physics of vacuum electron sources』(Reports on Progress in Physics、第69巻、181−232ページ(2006年))、Alireza Nojeh著『Carbon Nanotube Electron Sources: From Electron Beams to Energy Conversion and Optophononics』(ISRN Nanomaterials、2014年版、論文番号879827、23ページ(2014年))、及びH.Riege著『Electron Emission from Ferroelectrics − A Review』(CERN Report CERN AT/93−18、スイス/ジュネーブ、1993年7月)を参照]。   As described above, inside the chamber 20, the emitter 11 connected to the high voltage source 10 through the conductive wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a current is passed through the filament to generate a beam of electrons 111. Any number of prior art techniques for electron beam generation can be used in the embodiments of the invention disclosed herein. Further known techniques used for electron beam generation are heating for thermionic emission, Schottky emission (combination of heating and field emission), multiple emitters with nanostructures such as carbon nanotubes, multiple ferroelectrics Using body material. [For more information on electron emission options for electron beam generation, see Shigehiko Yamamoto, Fundamental Physics of vacuum electron sources (Reports on Progress in Physics, Vol. 69, 181-232A, 6z, A). Nanotube Electron Sources: From Electron Beams to Energy Conversion and Optophonics (ISRN Nanomaterials, 2014 edition, paper number 879827, page 23 (2014)). Riege, "Electron emission from Ferroelectrics-A Review" (CERN Report CERN AT / 93-18, Switzerland / Geneva, July 1993)].

前述のように、ターゲット基板1000及びX線発生材料の領域700を有するターゲット1100は、低電圧である反対側の高電圧導線22及びターゲット支持部32に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子111はターゲット1100に向かって加速され、加速電圧の大きさで決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット1100と衝突する。ターゲット1100への電子111の衝突は、X線の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線の一部は真空管20から出て、X線に対して透過的であるウィンドウ40を通過する。   As described above, the target 1100 having the target substrate 1000 and the region 700 of the X-ray generating material is electrically connected to the opposite high-voltage conductive wire 22 and the target support portion 32 which are low voltage, and thereby serves as an anode. . The electrons 111 are accelerated toward the target 1100 and collide with the target 1100 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of electrons 111 with the target 1100 causes multiple effects including the emission of X-rays. Some of the X-rays exit the vacuum tube 20 and pass through a window 40 that is transparent to the X-rays.

しかしながら、本発明のいくつかの実施形態において、導線27を介してコントローラ10−1によって制御され、放出器11によって提供される電子線量及び電圧と調整される、静電レンズシステム、又は複数の電子レンズの他のシステムなどの電子制御機構70も存在し得る。従って、電子ビーム111は、基板1000と密接に熱的接触をするように製造された1又は複数の微細構造700を有するターゲット1100の上で、走査され、焦点が合わせられ、デフォーカスされ、又はそうでなければ方向付けられ得る。   However, in some embodiments of the present invention, an electrostatic lens system or a plurality of electrons controlled by controller 10-1 via lead 27 and coordinated with the electron dose and voltage provided by emitter 11 There may also be an electronic control mechanism 70 such as another system of lenses. Thus, the electron beam 111 is scanned, focused, defocused, or on a target 1100 having one or more microstructures 700 manufactured in intimate thermal contact with the substrate 1000, or Otherwise it can be directed.

図7に例示されたように、微細構造700の配列は、電子ビーム又はビーム111による複数の微細構造700の衝撃が、ターゲットの面法線に対して直交する方向に、その視野方向への強度が増す又は累積するような様式で、放出を生じさせるように配置され得る。その方向は、ウィンドウ40を通ってシステムから出ていく指向性ビーム888を形成すべく、システムのスクリーン84の開口部840によっても選択され得る。いくつかの実施形態において、開口部840は真空チャンバの外側に配置され得るか、又はより一般にはウィンドウ40自体が開口部として働き得る。いくつかの実施形態において、開口部は真空チャンバ内部にあり得る。   As illustrated in FIG. 7, the arrangement of the microstructures 700 is such that the impact of the plurality of microstructures 700 by the electron beam or the beam 111 is intensity in the viewing direction in a direction perpendicular to the surface normal of the target. May be arranged to cause release in a manner that increases or accumulates. That direction can also be selected by an opening 840 in the system screen 84 to form a directional beam 888 that exits the system through the window 40. In some embodiments, the opening 840 can be located outside the vacuum chamber, or more generally, the window 40 itself can serve as the opening. In some embodiments, the opening can be inside the vacuum chamber.

本明細書に開示された本発明によるX線ソースで用いられるものなどのターゲットは、同時係属中の『X線発生用の構造ターゲット(STRUCTURED TARGETS FOR X−RAY GENERATION)』という名称の米国特許出願(米国特許出願第14/465,816号、2014年8月21日出願)に詳細に説明されており、その内容はこれによりその全体を参照によって組み込まれたものとし、付録Aとして含まれる。上記参照された同時係属中の出願に開示された任意のターゲット設計及び構成は、本明細書で開示された任意のX線ソース又はすべてのX線ソースの構成要素として、使用を考慮され得る。   A target such as that used in the X-ray source according to the present invention disclosed herein is a co-pending US patent application entitled “Structure Target for X-ray Generation (STRUCTURED TARGETS FOR X-RAY GENERATION)” (US patent application Ser. No. 14 / 465,816, filed Aug. 21, 2014), the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety and are included as Appendix A. Any target design and configuration disclosed in the above referenced copending application may be considered for use as a component of any X-ray source or all X-ray sources disclosed herein.

図8は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットを示す。本図において、基板1000は、直(right)四角柱の規則的配列構造で配置されたX線発生材料(典型的には、金属材料)を含む微細構造700の配列を有する領域1001を有する。真空において、電子111は上からターゲットに衝撃を与え、微細構造700に熱及びX線を発生させる。基板1000の材料は、X線発生微細構造の材料と比較して、電子に対して比較的低いエネルギー堆積速度を有するように(典型的には、基板用に低原子番号の材料を選択することによって)選択されるので、大量の熱及びX線を発生しない。基板1000の材料は、典型的には100W/(m℃)より大きい高熱伝導率を有するようにも選択され得て、微細構造は典型的には基板内に埋め込まれている。すなわち、微細構造が四角柱として形成されている場合、微細構造700に発生した熱が基板1000へ効果的に放散されるように、6つ面のうち少なくとも5つの面が基板1000と密接に熱的接触をしていることが好ましい。しかしながら、他の複数の実施形態において用いられたターゲットは、より少ない直接接触の表面を有し得る。概して、「埋め込み」という用語が本開示で用いられるとき、微細構造の表面積の少なくとも半分は、基板と密接に熱的接触をしている。   FIG. 8 shows a target that may be used in some embodiments of the present invention. In this figure, a substrate 1000 has a region 1001 having an array of microstructures 700 including an X-ray generating material (typically a metal material) arranged in a regular array structure of right square pillars. In vacuum, the electrons 111 impact the target from above and generate heat and X-rays in the microstructure 700. The material of the substrate 1000 has a relatively low energy deposition rate for electrons compared to the material of the X-ray generating microstructure (typically selecting a low atomic number material for the substrate) Does not generate large amounts of heat and x-rays. The material of the substrate 1000 can also be selected to have a high thermal conductivity, typically greater than 100 W / (m ° C.), with the microstructure typically embedded within the substrate. That is, when the microstructure is formed as a quadrangular prism, at least five of the six surfaces are in close contact with the substrate 1000 so that heat generated in the microstructure 700 is effectively dissipated to the substrate 1000. It is preferable to have a mechanical contact. However, targets used in other embodiments may have fewer direct contact surfaces. In general, when the term “embedding” is used in this disclosure, at least half of the surface area of the microstructure is in intimate thermal contact with the substrate.

本発明によるターゲット1100は、図1に例示された透過X線ソース08用のターゲット01、又は図2の反射X線ソース80に例示されたターゲット100の代わりとして取り付けられ得るか、又は図6Aの回転アノードX線ソース580で用いられたターゲット500としての使用に適応され得る。   The target 1100 according to the present invention can be mounted in place of the target 01 for the transmission X-ray source 08 illustrated in FIG. 1 or the target 100 illustrated in the reflection X-ray source 80 of FIG. It can be adapted for use as the target 500 used in the rotating anode x-ray source 580.

「微細構造」という単語が本明細書で用いられるとき、X線発生材料を有する微細構造を特に表していることが、ここで留意されるべきである。X線微細構造を形成するのに用いられるキャビティなどの他の構造は、同じ規模の寸法を有するので、これも「微細構造」とみなされ得る。しかしながら、本明細書で用いられるように、「構造」、「キャビティ」、「穴」、「開口部」などの他の単語は、そのX線発生特性のために選択されない基板などの材料にこれらが形成されるとき、これらの構造に用いられ得る。「微細構造」という単語は、これらのX線発生特性のために選択された材料を有する構造のためのものである(reserved)。   It should be noted here that when the word “microstructure” is used herein, it specifically represents a microstructure with an X-ray generating material. Other structures, such as cavities used to form X-ray microstructures, can also be considered “microstructures” because they have the same scale dimensions. However, as used herein, other words such as “structure”, “cavity”, “hole”, “opening”, etc., refer to these in materials such as substrates that are not selected for their X-ray generation properties. Can be used in these structures. The word “microstructure” is reserved for structures having materials selected for these X-ray generation properties.

同様に、「微細構造」という単語が用いられるが、1ミクロンより小さい寸法、又はさらに小さくナノスケール寸法(すなわち、10nmより大きい)を有するX線発生構造も、本明細書で用いられるように「微細構造」という単語によって説明され得ることが、留意されるべきである。   Similarly, the term “microstructure” is used, but X-ray generating structures having dimensions smaller than 1 micron, or even smaller, nanoscale dimensions (ie, greater than 10 nm) are also used herein as “ It should be noted that it can be explained by the word “microstructure”.

図9は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットを示しており、ここで電子ビーム111−Fは、静電レンズによって方向付けられ、より集中した収束スポットを形成する。この状況では、ターゲット1100−FはX線材料を含む微細構造700−Fの配列を有する領域1001−Fをまだ有しているが、この領域1001−Fのサイズ及び寸法は、電子照射が生じる領域に合致し得る。これらのターゲットにおいて、ソース形状及びX線発生材料の「調整」は、設計によって、発生する熱量を微細構造領域1001−Fにほとんど制限して、設計及び製造の複雑さも低減するように制御され得る。これは、微小スポットを形成すべく焦点が合わせられた電子ビームとともに用いられるとき、又はより複雑な電子照射パターンを形成するより複雑なシステムによって用いられるときに、特に有用であり得る。   FIG. 9 illustrates another target as may be used in some embodiments of the present invention, where the electron beam 111-F is directed by an electrostatic lens to form a more concentrated focused spot. To do. In this situation, the target 1100-F still has a region 1001-F having an array of microstructures 700-F containing X-ray material, but the size and dimensions of this region 1001-F cause electron irradiation. Can match the region. In these targets, the “tuning” of the source shape and x-ray generating material can be controlled by the design to limit the amount of heat generated to the microstructure region 1001-F and also reduce design and manufacturing complexity. . This can be particularly useful when used with an electron beam that is focused to form a microspot, or when used by more complex systems that form more complex electron illumination patterns.

図10は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットを示しており、ここでターゲット1100−Eは、電子111にさらされたときにX線を放出するX線材料を含む微細構造700−Eの配列を有する領域1001−Eをまだ有しているが、領域1001−Eは基板1000−Eの縁部と同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置される。この構成は、図8に示されたように、基板がX線を吸収する材料を有するために、0°に近い角度での放出が構成内で著しく減衰され得るターゲットで有用であり得る。   FIG. 10 illustrates another target as may be used in some embodiments of the present invention, where target 1100-E emits X-rays when exposed to electrons 111. Still have an area 1001-E having an array of microstructures 700-E, including, but the area 1001-E is coplanar with or near the edge of the substrate 1000-E Placed in. This configuration can be useful with targets where emission at an angle close to 0 ° can be significantly attenuated in the configuration because the substrate has a material that absorbs x-rays, as shown in FIG.

しかしながら、図10のターゲットの欠点は、図8と比較すると、微細構造700−Eの片側で基板のかなりの部分がなくなっていることである。従って、熱は微細構造から対称に取り除かれず、局所的な加熱が増加し、熱の流れを悪化させ得る。   However, the disadvantage of the target of FIG. 10 is that a significant portion of the substrate is missing on one side of the microstructure 700-E as compared to FIG. Thus, heat is not removed symmetrically from the microstructure, local heating is increased, and heat flow can be exacerbated.

この問題に対処すべく、本発明のいくつかの実施形態において用いられるようないくつかのターゲットは、図11に示すような構成を用い得る。ここで、ターゲット1100−Rは、棚状の凹み部1002−Rを持つ基板1000−Rを有する。これにより、微細構造700−Rの配列を有する領域1001−Rは、基板の凹んだ縁部1003−Rと同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置され、0°又は0°に近い角度で、基板1000−Rに再吸収されることなくX線を放出することが可能になるが、それでも電子111にさらされたときに発生する熱に対して、より対称的なヒートシンクを提供する。   To address this issue, some targets, such as those used in some embodiments of the present invention, may use a configuration as shown in FIG. Here, the target 1100-R has a substrate 1000-R having a shelf-like recess 1002-R. Thereby, the region 1001-R having the arrangement of the microstructures 700-R is arranged in the same plane as or close to the recessed edge 1003-R of the substrate, and 0 ° or 0 Although it is possible to emit X-rays at an angle close to 0 ° without being reabsorbed by the substrate 1000-R, it is still more symmetric with respect to the heat generated when exposed to the electrons 111. I will provide a.

図12は電子ビーム111と、基板1000及びX線材料の微細構造700を有するターゲットとの間の関連する相互作用を示す。例示されたように、3つの電子経路だけが示されており、その電子の2つの代表が、示された2つの微細構造700に衝撃を与え、1つが基板と相互作用している。   FIG. 12 shows the associated interaction between the electron beam 111 and a target having a substrate 1000 and a microstructure 700 of X-ray material. As illustrated, only three electron paths are shown, with two representatives of the electrons impacting the two microstructures 700 shown, one interacting with the substrate.

上記の数式1で論じられたように、侵入の深さはポットの法則によって推定され得る。 この式を用いて、表2は、いくつかの一般的なX線ターゲット材料に対する推定侵入深さの一部を示す。
As discussed in Equation 1 above, the depth of penetration can be estimated by Pot's law. Using this equation, Table 2 shows some of the estimated penetration depths for some common X-ray target materials.

図12の例示では、60keVの電子が用いられ、基板1000の材料としてダイヤモンド(原子番号6)が選択され、微細構造700のX線発生材料として銅(原子番号29)が選択された場合、図12の左側にRと印を付けた大きさが10ミクロンの参考寸法に対応し、X線発生材料の深さDは、銅に対する電子侵入深さの2/3(66%)に設定されたとき、およそ3.5ミクロンになる。   In the example of FIG. 12, when 60 keV electrons are used, diamond (atomic number 6) is selected as the material of the substrate 1000, and copper (atomic number 29) is selected as the X-ray generating material of the microstructure 700, The size marked with R on the left side of 12 corresponds to a reference dimension of 10 microns, and the depth D of the X-ray generating material was set to 2/3 (66%) of the electron penetration depth for copper. Sometimes it becomes about 3.5 microns.

Cuの特性X線(K線)の大部分は、深さD以内で発生する。その深さ以下での電子の相互作用は、典型的にはほとんど特性X線(K線)を発生させないが、熱発生の一因となり、これにより、深さ方向に沿って緩やかな温度勾配をもたらす。従って、いくつかの実施形態において、材料中の電子の相互作用を制限し、局所的な温度勾配を最適化すべく、ターゲット中の微細構造の最大厚みを設定することが好ましい。本発明の1つの実施形態は、ターゲット中の微細構造化したX線発生材料の深さを、入射電子エネルギーにおける電子侵入深さの1/3と2/3との間に制限している。この場合、より低い質量密度の基板は、X線発生材料の直下の基板材料に、より低いエネルギー堆積速度をもたらし、これは次に、下の基板材料により低い温度をもたらす。これにより、X線発生材料と基板との間に、より大きい温度勾配がもたらされ、熱伝導を高める。温度勾配は、基板材料の高熱伝導率によって更に拡大される。   Most of the characteristic X-rays (K-rays) of Cu are generated within the depth D. Electron interactions below that depth typically generate little characteristic X-rays (K-rays), but contribute to heat generation, which creates a gentle temperature gradient along the depth direction. Bring. Thus, in some embodiments, it is preferable to set the maximum thickness of the microstructure in the target to limit the interaction of electrons in the material and optimize the local temperature gradient. One embodiment of the present invention limits the depth of the microstructured X-ray generating material in the target to between 1/3 and 2/3 of the electron penetration depth at the incident electron energy. In this case, the lower mass density substrate results in a lower energy deposition rate for the substrate material immediately below the x-ray generating material, which in turn results in a lower temperature for the underlying substrate material. This provides a greater temperature gradient between the X-ray generating material and the substrate, increasing heat conduction. The temperature gradient is further magnified by the high thermal conductivity of the substrate material.

同様の理由で、電子侵入深さより浅くなるように深さDを選択することも、制動放射線の効率的な発生に概して好ましい。というのは、その深さより下の電子はより低いエネルギー、従ってより低いX線発生効率を有するからである。   For the same reason, selecting the depth D to be shallower than the electron penetration depth is generally preferable for efficient generation of bremsstrahlung. This is because electrons below that depth have lower energy and hence lower x-ray generation efficiency.

注記:X線発生材料の寸法の他の選択肢も用いられ得る。本発明のいくつかの実施形態において用いられるようなターゲットでは、X線材料の深さは、電子侵入深さの50%になるように選択され得る。他の実施形態においては、X線材料の深さは、電子侵入深さの33%になるように選択され得る。他の実施形態においては、微細構造の深さDは、材料中の電子の「連続減速近似」(CSDA)範囲に関連して選択され得る。他の深さは、所望のX線スペクトル、及び選択されたX線材料の特性に応じて、特定され得る。   Note: Other options for x-ray generating material dimensions may also be used. For targets such as those used in some embodiments of the present invention, the depth of the x-ray material can be selected to be 50% of the electron penetration depth. In other embodiments, the depth of the x-ray material can be selected to be 33% of the electron penetration depth. In other embodiments, the microstructure depth D may be selected in relation to the “continuous deceleration approximation” (CSDA) range of electrons in the material. Other depths can be specified depending on the desired x-ray spectrum and the properties of the selected x-ray material.

注記:本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような他のターゲットでは、X線発生材料の深さと横寸法(幅W及び長さLなど)との間の特定の比も特定され得る。例えば、深さが特定の大きさDになるように選択された場合、次に横寸法W及び/又はLは、Dの5倍以下になるように選択され、5という最大比を与える。本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような他のターゲットでは、横寸法W及び/又はLは、Dの2倍以下になるように選択され得る。深さD並びに横寸法W及びL(X線発生微細構造の幅及び長さ)は、電子伝搬の軸に対して画定され得るか、又はX線発生材料の表面の向きに対して画定され得ることも、留意されるべきである。垂直入射電子に対しては、これらは同じ寸法になる。斜めに入射する電子に対しては、適切な予測が必ず用いられるように、注意が払われなければならない。   Note: For other targets, such as may be used in some embodiments of the invention, a specific ratio between the depth and lateral dimensions (such as width W and length L) of the x-ray generating material may also be specified. . For example, if the depth is selected to be a certain size D, then the lateral dimensions W and / or L are selected to be less than 5 times D, giving a maximum ratio of 5. In other targets, such as may be used in some embodiments of the present invention, the lateral dimensions W and / or L may be selected to be no more than twice D. The depth D and the lateral dimensions W and L (width and length of the X-ray generating microstructure) can be defined relative to the axis of electron propagation or can be defined relative to the orientation of the surface of the X-ray generating material. It should also be noted. For normally incident electrons, these are the same dimensions. Care must be taken to ensure that proper prediction is used for obliquely incident electrons.

図13は、図12に示された様々な領域からの相対的なX線発生を示す。X線888は、それが発生するX線発生材料中の領域248から放出された特性X線を有し、電子が基板と相互作用する領域1280及び1080は、基板元素の特性X線を発生させる(X線発生領域248中のX線発生材料の元素の特性X線ではない)。さらに、X線発生材料の領域248から放出された制動放射X線は、典型的には、電子が低原子番号の基板にしか遭遇しない領域1280及び1080において、それらの領域が放出する弱い連続X線1088及び1228よりはるかに強い。   FIG. 13 shows the relative x-ray generation from the various regions shown in FIG. X-rays 888 have characteristic X-rays emitted from regions 248 in the X-ray generating material from which they generate, and regions 1280 and 1080 where electrons interact with the substrate generate characteristic X-rays for the substrate elements. (It is not the characteristic X-ray of the element of the X-ray generation material in the X-ray generation region 248). In addition, the bremsstrahlung x-rays emitted from the region 248 of the x-ray generating material are typically weak continuous x-rays emitted by those regions in regions 1280 and 1080 where the electrons only encounter a low atomic number substrate. Much stronger than lines 1088 and 1228.

図13の例示は、右にだけ放出されるX線を示しているが、これは、このターゲットが図5A〜図5Cで論じられた低角度高輝度構成に用いられるときに、右に配置されているウィンドウまたはコレクタを予想しているからであることが、留意されるべきである。X線は、実際には、これらの領域からすべての方向に典型的に放出される。   The illustration of FIG. 13 shows X-rays that are emitted only to the right, which is placed to the right when this target is used in the low angle high brightness configuration discussed in FIGS. 5A-5C. It should be noted that this is because we are expecting a window or collector. In practice, x-rays are typically emitted from these regions in all directions.

図13が、微細構造に沿った特性X線の直線累積を可能とし、従って比較的強い特性X線信号を発生し得る構成を示すように、複数の材料がこれら自体の特性X線に対して比較的透明であることも、留意されるべきである。しかしながら、多くのより低いエネルギーのX線は、X線フィルタとして効果的に働くターゲット材料によって減衰させられる。複数の材料及び幾何学的パラメータの他の複数の選択肢が、低エネルギーX線の帯域通過が所望される用途など(例えば、画像処理用又は低原子番号の材料の蛍光分析用)で、非特性の連続X線が所望される場合に、選択され得る(例えば、非線形方式)。   As FIG. 13 shows a configuration that allows the linear accumulation of characteristic X-rays along the microstructure and thus can generate a relatively strong characteristic X-ray signal, multiple materials can be used with respect to their own characteristic X-rays. It should also be noted that it is relatively transparent. However, many lower energy x-rays are attenuated by the target material that effectively acts as an x-ray filter. Multiple materials and other multiple choices of geometric parameters are non-characteristic, such as in applications where low energy x-ray bandpass is desired (eg, for image processing or fluorescence analysis of low atomic number materials) Can be selected (e.g., non-linear method) when continuous X-rays are desired.

ここまでは、平面構造に配置されたターゲットが示された。これらは、概して実装するのがより容易である。なぜなら、堆積、エッチング、及び他のプレーナプロセスの複数の工程のための装置及びプロセスレシピは、プレーナダイヤモンドを用いた微小電気機械システム(MEMS)用途のデバイスの処理、及び半導体産業用のシリコンウェーハの処理でよく知られているからである。   Up to this point, targets arranged in a planar structure have been shown. These are generally easier to implement. Because equipment and process recipes for multiple steps of deposition, etching, and other planar processes include processing of devices for microelectromechanical system (MEMS) applications using planar diamond, and silicon wafers for the semiconductor industry. This is because it is well known in processing.

しかしながら、いくつかの実施形態において、3次元(3−D)で付加的な特性を有する表面を持つターゲットが所望され得る。前に論じられたように、電子ビームが電子侵入深さより大きいと、見掛けのX線ソースサイズ及び領域は、表面に対して平行に、すなわちゼロ度(0°)の取り出し角で見たときに最小になる(そして輝度は最大化される)。結果として、0°の取り出し角で見た時に、見掛け上の最大輝度のX線放出が生じる。X線発生材料内からの放出は、それが材料を通って0°で伝搬するにつれ累積する。   However, in some embodiments, a target with a surface having additional properties in three dimensions (3-D) may be desired. As previously discussed, when the electron beam is larger than the electron penetration depth, the apparent x-ray source size and region is parallel to the surface, ie when viewed at an extraction angle of zero degrees (0 °). Minimized (and brightness maximized). As a result, an apparent maximum luminance X-ray emission occurs when viewed at a 0 ° extraction angle. Emissions from within the x-ray generating material accumulate as it propagates through the material at 0 °.

しかしながら、実質的に一様な材料の広いターゲットでは、X線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のX線の複数の発生源の間のX線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、0°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、0°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。X線ビームが強度において1/eまで減少する距離はX線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたX線が可能な限り更なる材料を通過しない、X線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。   However, in a broad target of substantially uniform material, as the x-rays propagate through the material to the surface, the attenuation of the x-rays between multiple sources of x-rays within the target reduces the extraction angle. And increases due to the longer distance traveled within the material, often maximizing at or near an extraction angle of 0 °. Thus, any increase in brightness achieved by viewing near 0 ° can be balanced by reabsorption. The distance at which the X-ray beam decreases in intensity to 1 / e is called the X-ray attenuation length. Therefore, a configuration having a distance selected in relation to the x-ray attenuation length that does not allow the emitted x-rays to pass through as much further material as possible may be desired.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットの例示が、図14に示されている。図14において、単一の微細構造2700を有するX線発生領域は、棚状部2002に接した基板の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、図11に例示された状況に類似している。X線発生微細構造2700は、X線発生材料から成る矩形バーの形状をしており、基板2000に埋め込まれ、電子111で衝撃を与えられたときに、X線2888を放出する。   An illustration of a target as may be used in some embodiments of the present invention is shown in FIG. In FIG. 14, an X-ray generation region having a single microstructure 2700 is configured at or near the recessed edge 2003 of the substrate in contact with the shelf 2002, similar to the situation illustrated in FIG. 11. doing. The X-ray generation fine structure 2700 has a rectangular bar shape made of an X-ray generation material, is embedded in the substrate 2000, and emits X-rays 2888 when bombarded with electrons 111.

バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3の間になるように選択される。バーの厚みDは、鉛直方向に所望のX線ソースサイズを得るようにも選択され得る。バーの幅Wは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択される。例示されたように、WはおよそDの1.5倍であるが、所望のソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。   The bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is between 1/3 and 2/3 of the electron penetration depth of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. Selected. The thickness D of the bar can also be selected to obtain a desired X-ray source size in the vertical direction. The width W of the bar is selected to obtain the desired source size in the corresponding direction. As illustrated, W is approximately 1.5 times D, but can be substantially smaller or larger depending on the size of the desired source spot.

例示されたようにバーの長さLは、およそDの4倍であるが、いかなる大きさであってもよく、典型的には、選択されたX線発生材料のX線減衰長の1/4倍から3倍の間になるように決定され得る。例示されたように棚状部の縁部とX線発生材料の縁部との間の距離pはおよそWに等しいが、基板材料のX線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部2003と同一平面を成すところ(p=0)から最大1mmまで、任意の値になるよう選択されてよい。   As illustrated, the bar length L is approximately 4 times D, but can be of any size and is typically 1 / X of the x-ray attenuation length of the selected x-ray generating material. It can be determined to be between 4 and 3 times. As illustrated, the distance p between the edge of the shelf and the edge of the X-ray generating material is approximately equal to W, but the X-ray reabsorption characteristics, relative thermal characteristics, and electrons of the substrate material Depending on the amount of heat expected to be generated when an impact is applied, an arbitrary value may be selected from a point that is coplanar with the edge 2003 (p = 0) to a maximum of 1 mm.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットの例示が、図15に示されている。このターゲットでは、6つの微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706を有するX線発生領域が、棚状部2002に接した基板の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、図11及び図14に例示された状況と類似している。X線発生微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706は、基板2000に埋め込まれたX線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子111で衝撃を与えられたときにX線2888−Dを放出する。   An illustration of an alternative target as may be used in some embodiments of the present invention is shown in FIG. In this target, an X-ray generation region having six microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 is configured at or near the recessed edge 2003 of the substrate in contact with the shelf 2002, It is similar to the situation illustrated in FIGS. X-ray generation microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 are arranged in a linear array of rectangular prisms that generate X-rays embedded in the substrate 2000, and when X-ray generation is impacted by electrons 111 Line 2888-D is emitted.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなこのターゲットにおいて、X線発生材料の総体積は、前の図14の例示におけるものと同じである。図14に示された場合においても同様であるが、バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3の間になるように選択される。図14に示された場合においても同様であるが、バーの幅Wは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにWはおよそDの1.5倍である。前に論じられたように、バーの幅Wは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。   In this target as may be used in some embodiments of the present invention, the total volume of x-ray generating material is the same as in the previous illustration of FIG. The same applies to the case shown in FIG. 14, but the bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is the electron penetration depth of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. It is selected to be between 1/3 and 2/3. As in the case shown in FIG. 14, the bar width W is selected to obtain the desired source size in the corresponding direction, and as illustrated, W is approximately 1.5 times D. is there. As discussed previously, the bar width W can be substantially smaller or larger depending on the size of the desired source spot.

しかしながら、図14に例示されたような長さLの単一のバー2700は、6つのサブバー2701、2702、2703、2704、2705、2706に置き換えられており、それぞれの長さlはL/6である。X線発生の体積(同じ電子密度で衝撃を与えられたとき)は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する5つの面を有し、X線発生サブバー2701−2706から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離dはおよそlに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるX線量、及び、X線発生微細構造2701−2706の特定の材料と基板2000との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。   However, a single bar 2700 of length L as illustrated in FIG. 14 has been replaced with six subbars 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706, each having a length l of L / 6 It is. The volume of X-ray generation (when bombarded with the same electron density) is the same, but here each subbar has five faces that transfer heat to the substrate, and from X-ray generation subbars 2701-2706 Increase heat dissipation to the substrate. As illustrated, the separation distance d between the sub-bars is approximately equal to l, but larger or smaller dimensions may be used, which are the X-ray dose absorbed by the substrate and the X-rays Depends on the relative temperature gradient that can be realized between the particular material of the generated microstructure 2701-2706 and the substrate 2000.

同様に、棚状部の縁部とX線発生材料の縁部との間の距離pは、例示されたようにおよそWに等しいが、基板材料のX線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部2003と同一平面を成すところ(p=0)から最大1mmまで、任意の値になるよう選択されてよい。   Similarly, the distance p between the edge of the shelf and the edge of the X-ray generating material is approximately equal to W as illustrated, but the X-ray reabsorption characteristics, relative thermal characteristics of the substrate material. Depending on the amount of heat expected to be generated when impacted by electrons, it may be chosen to be any value from where it is coplanar with edge 2003 (p = 0) to a maximum of 1 mm. .

図15などに示された構成では、複数のX線発生サブバーの全長は、一般にX線発生材料におけるX線の直線減衰長の約2倍になるが、その距離の半分から3倍を超えるところまで選択され得る。同様に、バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みDは、該当方向に、ほぼ等しい所望のX線ソースサイズを得るためにも選択され得る。   In the configuration shown in FIG. 15 and the like, the total length of the plurality of X-ray generation sub-bars is generally about twice as long as the X-ray linear attenuation length in the X-ray generation material. Can be selected. Similarly, the bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is equal to 1/3 to 2/3 of the electron penetration depth of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. Although selected to be, it can be substantially larger. The thickness D of the bar can also be selected to obtain a desired x-ray source size that is approximately equal in the relevant direction.

示された複数のバーは、(示されたように)基板に埋め込まれ得るが、X線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。   The bars shown may be embedded in the substrate (as shown), but may be placed on the substrate if the thermal load generated on the x-ray generating material is not too great.

図16A〜図16Cは、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような、規則的配列構造に配置されたX線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造700の配列を有するターゲットの領域1001を示している。図16Aは、このターゲット用の16個の微細構造700の斜視図を示し、図16Bは同じ領域の上面図を示し、図16Cは同じ領域の側面/断面図を示している。(本開示の「側面/断面図」という用語に対して、意味する図は、物体の断面を作成し、次に横から断面の表面の方を見たような図である。この図は、断面部分の詳細、及び、基板自体が透明であると仮定した場合に(ダイヤモンドの場合には、概して可視光に当てはまる)、横から見られ得る材料のさらに内部の両方を示している)。   FIGS. 16A-16C have an array of microstructures 700 in the form of rectangular prisms containing X-ray generating materials arranged in a regular array structure, as may be used in some embodiments of the present invention. A target region 1001 is shown. FIG. 16A shows a perspective view of the 16 microstructures 700 for this target, FIG. 16B shows a top view of the same region, and FIG. 16C shows a side / cross-sectional view of the same region. (For the term “side / cross-sectional view” of the present disclosure, the meaning figure is a view of creating a cross-section of an object and then looking at the surface of the cross-section from the side. It shows both the details of the cross-section and both the interior of the material that can be seen from the side, assuming that the substrate itself is transparent (in the case of diamonds, generally true for visible light).

これらのターゲットにおいて、複数の微細構造は6つの面のうち5つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造700の上面は基板の表面と同一平面を成すが、微細構造が凹所にある他のターゲットが製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他のターゲットが製造されてもよい。   In these targets, the plurality of microstructures are fabricated so that they are in intimate thermal contact with the substrate on five of the six surfaces. As illustrated, the top surfaces of the plurality of microstructures 700 are coplanar with the surface of the substrate, but other targets with recessed microstructures may be fabricated, and the plurality of microstructures may be on the surface of the substrate. Other targets may be manufactured that exhibit local “bumps”.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットは、基板の表面上に単に堆積された複数の直四角柱の微細構造を有し得る。この場合、角柱の底面だけが、基板と熱的接触をし得る。 図16Cに示されたような側面/断面図で、深さD、並びに基板平面における横寸法W及びLを有して基板に埋め込まれた複数の微細構造を有する構造の場合、埋め込み微細構造と堆積微細構造との、基板と接触する総表面積の比は次の式で表される。
W及びLに対してDの値が小さい場合、比は実質的に1になる。厚みが大きくなると比も大きくなり、等しい5つの面が熱的接触をする立方体(D=W=L)では、比は5である。質量密度及び熱伝導率に関して基板と類似の特性を有する材料のキャップ層が用いられる場合、比は6まで増加し得る。
An alternative target, such as may be used in some embodiments of the present invention, may have a plurality of rectangular prism microstructures simply deposited on the surface of the substrate. In this case, only the bottom surface of the prism can be in thermal contact with the substrate. In the case of a structure having a plurality of microstructures embedded in a substrate with a depth D and lateral dimensions W and L in the substrate plane, as shown in FIG. The ratio of the total surface area in contact with the substrate to the deposited microstructure is expressed as:
If the value of D is small relative to W and L, the ratio is substantially 1. As the thickness increases, the ratio increases, and in a cube where five equal surfaces are in thermal contact (D = W = L), the ratio is five. If a cap layer of material having similar properties to the substrate with respect to mass density and thermal conductivity is used, the ratio can increase to 6.

熱伝導は図17に代表的な矢印で例示されており、その中で、基板1000に埋め込まれた複数の微細構造700で発生した熱は、底面及び複数の側面を通って複数の微細構造700から外へ伝えられる(図面の平面から外へ複数の側面を通って伝達する矢印は示されていない)。 面積A、厚みdの材料を通って伝達される単位時間当たりの伝導熱量(ΔQ)は、次の式で与えられる。
ここでkは熱伝導率(W/(m℃))、ΔTは厚みdの全体にわたる温度の差異(℃)である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔTの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
The heat conduction is illustrated by a typical arrow in FIG. 17, in which the heat generated in the plurality of microstructures 700 embedded in the substrate 1000 passes through the bottom surface and the plurality of side surfaces, and the plurality of microstructures 700. From the plane of the drawing to the outside (the arrows that propagate through the sides are not shown). The amount of heat conduction (ΔQ) per unit time transmitted through the material of area A and thickness d is given by the following equation.
Here, k is the thermal conductivity (W / (m ° C.)), and ΔT is the temperature difference (° C.) over the entire thickness d. Thus, an increase in surface area, a decrease in thickness, and an increase in ΔT all lead to a proportional increase in heat conduction.

図18A〜図18Cは、本発明の一実施形態による、X線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造700及び701の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域1013を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。図18Aは25個の埋め込み微細構造700及び701の斜視図を示し、図18Bは同じ領域の上面図を示し、図18Cは点線で示された凹み領域を有する同じ領域の側面/断面図を示している。   FIGS. 18A-18C illustrate a region 1013 of a target having a checkered array of microstructures 700 and 701 in the shape of a rectangular prism containing an X-ray generating material, according to one embodiment of the present invention. . The array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate. 18A shows a perspective view of 25 buried microstructures 700 and 701, FIG. 18B shows a top view of the same region, and FIG. 18C shows a side / sectional view of the same region with a recessed region indicated by a dotted line. ing.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットの例示が、図19A−図19Cに示されており、厚みDを有するX線発生材料を含む微細構造2790及び2791の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域2001を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。   An illustration of another target, such as may be used in some embodiments of the present invention, is shown in FIGS. 19A-19C, which shows an array of microstructures 2790 and 2791 that include an X-ray generating material having a thickness D. FIG. 2 shows a target region 2001 according to an embodiment of the invention. The arrangement shown is a modified checkered pattern of rectangular prisms, but other configurations and arrangements of multiple microstructures may be used.

他の複数の実施形態で用いられるターゲットにおいても同様であるが、これらの微細構造2790及び2791は基板の表面に埋め込まれている。しかしながら、基板の表面は予め定められた非プレーナトポグラフィ、この特定の場合では、基板2000の面法線に沿った複数の段を有している。例示されたように、それぞれの段の高さhはほぼDに等しいが、段の高さは複数の微細構造の厚みの1倍から3倍の間になるように選択され得る。すべての段の全高は、鉛直方向(厚み方向)に沿った所望のX線ソースサイズと等しいか、又はそれよりも小さくなるように選択され得る。   The same applies to targets used in other embodiments, but these microstructures 2790 and 2791 are embedded in the surface of the substrate. However, the surface of the substrate has a predetermined non-planar topography, in this particular case, a plurality of steps along the surface normal of the substrate 2000. As illustrated, the height h of each step is approximately equal to D, but the step height can be selected to be between 1 and 3 times the thickness of the plurality of microstructures. The total height of all steps can be selected to be equal to or smaller than the desired x-ray source size along the vertical direction (thickness direction).

微細構造領域の全幅は、対応する方向に所望のX線ソースサイズと等しくなり得る。全体の外観はX線ソースの階段に似ている。図19Aは18個の埋め込み微細構造2790及び2791の斜視図を示し、図19Bは同じ領域の上面図を示し、図19Cは同じ領域の側面/断面図を示している。基板がベリリウム、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素であるとき、電気伝導層が階段構造の上面にコーティングされ得る。   The total width of the microstructure region can be equal to the desired x-ray source size in the corresponding direction. The overall appearance resembles an X-ray source staircase. 19A shows a perspective view of 18 buried microstructures 2790 and 2791, FIG. 19B shows a top view of the same region, and FIG. 19C shows a side / sectional view of the same region. When the substrate is beryllium, diamond, sapphire, silicon, or silicon carbide, an electrically conductive layer can be coated on the top surface of the step structure.

図20は、電子111によって衝撃を与えられたときの、図19Cの階段型ターゲットからのX線放出2888−Sを示している。他の複数の実施形態に用いられる複数のターゲットにおいても同様であるが、X線発生材料の複数の角柱は、電子が衝突したときに加熱される。X線発生材料の複数の角柱のそれぞれは、基板2000と熱的接触をしている5つの面を有しているので、X線材料から出ていく熱の伝導は、X線材料が表面に堆積された構成よりもまだ大きい。しかしながら、1つの面に対しては、X線の放出は、他の隣接する複数の角柱による吸収によって減衰されず、隣接する基板材料によって無視できるほどしか減衰されない。   FIG. 20 shows X-ray emission 2888-S from the step target of FIG. 19C when impacted by electrons 111. FIG. The same applies to a plurality of targets used in other embodiments, but the plurality of prisms of the X-ray generating material are heated when electrons collide. Since each of the plurality of prisms of the X-ray generating material has five surfaces that are in thermal contact with the substrate 2000, the conduction of heat from the X-ray material is caused by the X-ray material on the surface. Still larger than the deposited composition. However, for one surface, x-ray emission is not attenuated by absorption by other adjacent prisms, but is negligibly attenuated by adjacent substrate material.

従って、それぞれの角柱からのX線の輝度は、特に市松模様に配置されたX線発生材料の複数の角柱700及び701も示している図18A〜図18CのターゲットからのX線放出と比較したときに増加する。図18A〜図18Cの構成では、それぞれの角柱は基板に埋め込まれており、従って基板1000と熱的接触をしている5つの表面を有しているが、0°での横への放出は隣接する列の複数の角柱及び基板材料の両方によって減衰させられる。   Thus, the brightness of the X-rays from each prism is compared to the X-ray emission from the targets of FIGS. 18A-18C, which also shows a plurality of prisms 700 and 701 of X-ray generating material, particularly arranged in a checkered pattern. Sometimes increases. In the configuration of FIGS. 18A-18C, each prism is embedded in the substrate and thus has five surfaces in thermal contact with the substrate 1000, but the lateral emission at 0 ° is It is attenuated by both the prisms in the adjacent rows and the substrate material.

トポグラフィを伴ったターゲットを備えるそのような一実施形態は、まずトポグラフィを伴った基板を用意し、次に、前に説明したプレーナ基板用の製造プロセスに従って、X線材料の複数の角柱を埋め込むことによって製造され得る。代替的に、X線材料で充填される複数のキャビティを形成する最初の複数の工程は、初期の平坦基板に階段状のトポグラフィ構造を形成すべく向上させられ得る。どちらの場合においても、埋め込まれる角柱を特定の特徴のトポグラフィと重ね合わせることが所望される場合に、プレーナプロセスの当業者に知られているなどの、付加的な複数の位置合わせ工程が使用され得る。   One such embodiment comprising a target with topography first prepares the substrate with topography and then embeds multiple prisms of X-ray material according to the planar substrate manufacturing process described previously. Can be manufactured. Alternatively, the initial steps of forming cavities filled with x-ray material can be enhanced to form a stepped topographic structure on the initial flat substrate. In either case, additional registration steps, such as known to those skilled in the planar process, are used when it is desired to overlay the embedded prism with a particular feature topography. obtain.

複数の微細構造は、図19A〜図19C及び図20に例示されたように階段の縁部に対してある距離をおいて埋め込まれるか、又は(図10に示されたように)縁部と同一平面を成すように埋め込まれ得る。どちらの構成が特定の用途に適切であるかという判断は、X線発生材料及び基板材料のまさにその特性に依存し得て、その結果、例えば、5つの表面か4つの表面かによる熱の伝達によって可能になる電子電流の増加で実現された付加的な輝度が、自由空間放出か基板材料の一部を通じた再吸収かによって実現された付加的な輝度と比較され得る。位置合わせ及び重ね合わせの工程、並びに複数の層に複数の角柱を作るのに必要になり得る複数のプロセス工程に関連した付加的なコストは、達成可能な輝度の増加と比較して考慮される必要があり得る。   The plurality of microstructures may be embedded at a distance from the edge of the staircase as illustrated in FIGS. 19A-19C and 20, or (as shown in FIG. 10) the edge and It can be embedded in the same plane. The determination of which configuration is appropriate for a particular application can depend on the exact properties of the x-ray generating material and the substrate material, such as transfer of heat by, for example, five or four surfaces. The additional brightness realized by the increase in electron current made possible by the can be compared with the additional brightness realized by free space emission or reabsorption through a part of the substrate material. The additional costs associated with the alignment and superposition steps, and the multiple process steps that may be required to create multiple prisms in multiple layers, are considered relative to the increase in brightness that can be achieved. There may be a need.

上記の米国特許出願第14/465,816号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、複数のX線発生材料を有する複数の微細構造、X線発生材料の合金を有する複数の微細構造、拡散防止層又は密着層を堆積した複数の微細構造、熱伝導性オーバーコート膜を有する複数の微細構造、熱伝導性かつ導電性のオーバーコート膜を有する複数の微細構造、基板内に埋設された複数の微細構造、及び同様のものである。   As described in US patent application Ser. No. 14 / 465,816 above, other target configurations that can be used in embodiments of the present invention include a plurality of microstructures having a plurality of X-ray generating materials. A plurality of microstructures having an alloy of X-ray generating materials, a plurality of microstructures having a diffusion prevention layer or an adhesion layer deposited thereon, a plurality of microstructures having a thermal conductive overcoat film, a thermally conductive and conductive overcoat A plurality of microstructures having a film, a plurality of microstructures embedded in a substrate, and the like.

上記の米国特許出願第14/465,816号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、ダイヤモンド又はサファイアなどの熱伝導性基板上にミクロン規模の寸法の形状としてパターニングされる(又はそこに埋め込まれる)任意の数の従来のX線ターゲット材料(銅(Cu)、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)など)を有し得る複数の微細構造の配列である。いくつかの実施形態において、複数の微細構造は代替的に、これまで熱特性が劣ることに起因してその使用が限定されていた、スズ(Sn)、硫黄(S)、チタン(Ti)、アンチモン(Sb)などの従来と異なったX線ターゲット材料を有し得る。   As described in US patent application Ser. No. 14 / 465,816 above, other target configurations that may be used in embodiments of the present invention are micron on a thermally conductive substrate such as diamond or sapphire. Multiple fines that may have any number of conventional X-ray target materials (such as copper (Cu), molybdenum (Mo), and tungsten (W)) that are patterned (or embedded) in scale-sized shapes An array of structures. In some embodiments, the plurality of microstructures alternatively has been limited in its use due to poor thermal properties, such as tin (Sn), sulfur (S), titanium (Ti), It may have a different X-ray target material such as antimony (Sb).

上記の米国特許出願第14/465,816号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、立方体、矩形ブロック、正角柱、直四角柱、台形柱、球体、卵形、樽型物体、円柱、三角柱、ピラミッド型、四面体、又は、高輝度のX線を最も発生させ、熱も効率的に分散させるべく、表面積を増やす表面テクスチャ又は構造を有する形状を含む他の特別に設計された形状などの、任意の数の幾何学的形状を取る複数の微細構造の配列である。   As described in US patent application Ser. No. 14 / 465,816 above, other target configurations that may be used in embodiments of the present invention include cubes, rectangular blocks, regular prisms, rectangular prisms, Trapezoidal pillars, spheres, oval, barrel objects, cylinders, triangular prisms, pyramids, tetrahedrons, or surface textures or structures that increase surface area to generate the most intense X-rays and dissipate heat efficiently An array of multiple microstructures taking any number of geometric shapes, such as other specially designed shapes including shapes having

上記の米国特許出願第14/465,816号で説明されたように、本発明の複数の実施形態に用いられ得る他の複数のターゲット構成は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金を含む、X線発生材料として様々な材料を有する複数の微細構造の配列である。   As described in US patent application Ser. No. 14 / 465,816 above, other target configurations that may be used in embodiments of the present invention include aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, Cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and An array of a plurality of microstructures having various materials as X-ray generating materials, including combinations thereof and alloys thereof.

これまでに説明された複数の実施形態は、輝度を増加させたX線を発生させるX線ソースのターゲットとして用いられ得るX線材料を有する複数の微細構造を備えた様々なX線ターゲット構成を含んでいる。これらのターゲット構成は、電子で衝撃を与えられてX線を放出すると説明されてきたが、別の従来のソースにおいて固定X線ターゲットとして用いられて、図1の透過X線ソース08のターゲット01、又は図2の反射X線ソース80のターゲット100のいずれか一方を、本発明の複数の実施形態に従うX線ソースを形成する微細構造ターゲットと置き換え得る。   The embodiments described so far have various X-ray target configurations with multiple microstructures having X-ray materials that can be used as targets for X-ray sources that generate X-rays with increased brightness. Contains. Although these target configurations have been described as emitting X-rays when bombarded with electrons, they are used as fixed X-ray targets in other conventional sources to target 01 of the transmission X-ray source 08 of FIG. Alternatively, either one of the targets 100 of the reflective X-ray source 80 of FIG. 2 may be replaced with a microstructure target that forms an X-ray source according to embodiments of the present invention.

上述された複数のターゲットは可動X線ターゲットに埋め込まれて、例えば、図6Aの回転アノードX線ソース80のターゲット500を、本発明の他の複数の実施形態に従う可動微細構造ターゲットでソースを形成すべく、上述されたような微細構造ターゲットと置き換え得ることも可能である。   The multiple targets described above are embedded in a movable X-ray target, for example, forming the target 500 of the rotating anode X-ray source 80 of FIG. 6A with the movable microstructure target according to other embodiments of the present invention. Therefore, it is possible to replace the microstructure target as described above.

2.直線累積X線ソースの一般的な考察
図21は、直線配列で配置されたX線放出器の集合体を示している。直線配列の長軸は図の左から右に延びており、短軸は図の平面に入る、及びそこから出るように延びている。1又は複数のX線発生材料を有する、複数のX線発生要素801、802、803、804、…などは、高電圧(1keVから250keVまでのどこでも)において、電子ビーム1111、1112、1113、1114、…などによって衝撃を与えられ、X線818、828、838、848、…などを放出するサブソースを形成している。X線は等方的に放出される傾向があるが、ここでの解析は、サブソースの直線配列の中央を通る軸に沿った視点に対するものであり、そこに開口部840を有するスクリーン84が配置されている。
2. General Considerations for Linear Cumulative X-ray Sources FIG. 21 shows a collection of X-ray emitters arranged in a linear array. The long axis of the linear array extends from left to right in the figure, and the short axis extends in and out of the plane of the figure. A plurality of X-ray generating elements 801, 802, 803, 804,. ,..., Etc. are applied to form a sub-source that emits X-rays 818, 828, 838, 848,. Although X-rays tend to be emitted isotropically, the analysis here is for a viewpoint along an axis through the center of the linear array of sub-sources, where a screen 84 having an opening 840 is present. Has been placed.

図21に描かれたように、開口部は累積された角度0°のX線がソースから出てくることを可能にするが、実際には、面法線に対して+/−3°又は+/−6°でも放出される複数の角度の放出X線を可能にする開口部は、いくつかの用途で用いるために設計され得ることが、留意されるべきである。ウィンドウは直線配列の長軸に対して垂直入射又は垂直入射近くであることが概して好ましいが、いくつかの実施形態においては、最大85°の角度に傾いたウィンドウが有用であり得る。   As depicted in FIG. 21, the aperture allows X-rays with a cumulative angle of 0 ° to emerge from the source, but in practice, +/− 3 ° relative to the surface normal or It should be noted that openings that allow multiple angles of emission x-rays that are also emitted at +/− 6 ° can be designed for use in some applications. Although it is generally preferred that the window be at or near normal incidence with respect to the long axis of the linear array, in some embodiments, a window inclined at an angle of up to 85 ° may be useful.

i番目の放出器80iが、X線8i8を軸に沿って図21の右側へ放出すると仮定すると、例示されたように、一番右の放出器に関する放出は、単に自由空間を介して右へ伝搬する。しかしながら、他の複数の放出器からのX線は、複数の放出器の間にどんな材料があっても、そこを通過する間に発生する吸収、散乱、又は他の損失機構を介して減衰させられ、また伝搬軸からの発散や隣接する放出器を通過することで生じる損失によっても減衰させられる。   Assuming that the i th emitter 80i emits x-rays 8i8 along the axis to the right side of FIG. 21, as illustrated, the emission for the rightmost emitter is simply to the right through free space. Propagate. However, x-rays from other emitters are attenuated through any absorption, scattering, or other loss mechanisms that occur while passing through any material between the emitters. It is also attenuated by divergence from the propagation axis and losses caused by passing through adjacent emitters.

次のように定義した場合、I:i番目の放出器80iからのX線放出強度8i8、T1,0:1番目の放出器801の右への伝搬に関するX線透過率、Ti,i−1:i番目の放出器80iから(i−1)番目の放出器80(i−1)への伝搬に関するX線透過率、T:i番目の放出器80iを通る伝搬に関するX線透過率(Tは1)、 N個の放出器の配列から右への軸上のX線の全強度は、次のように表される。
これは最終的に次式のようになる。
If defined as follows: I i : X-ray emission intensity 8 i 8 from the i-th emitter 80 i, T 1,0 : X-ray transmittance for right propagation of the first emitter 801, T i, i-1: i-th emitter from 80i (i-1) th emitter 80 X-ray transmittance on propagation of (i-1) to, T i: X-ray relates propagation through the i-th emitter 80i Transmittance (T 0 is 1), the total intensity of the X-ray on the axis to the right from the array of N emitters is expressed as:
This finally becomes:

すべての放出器が、ほぼ同じ強度のX線を放出するソース設計では、
(これは、配列のX線放出要素が類似のサイズ及び形状であり、それらが類似のエネルギー及び密度を有する電子で衝撃を与えられる場合に実現し得る)。全放出強度は次式のようになる。
In a source design where all emitters emit X-rays of approximately the same intensity,
(This can be achieved if the array of X-ray emitting elements are of similar size and shape and are bombarded with electrons having similar energy and density). The total emission intensity is:

さらに、複数の放出器が、複数の要素の間の透過に対して実質的に同じ値を有する規則的配列構造で配置される場合は、次式のようになる。
そして、複数のX線放出要素のサイズ及び形状が、任意の所定の要素を通る伝搬も同じになるほど十分に類似している場合には、次式のようになる。
次に、全放出強度は次式のようになる。
Furthermore, if the multiple emitters are arranged in a regular array structure having substantially the same value for transmission between the multiple elements, then:
If the sizes and shapes of the plurality of X-ray emitting elements are sufficiently similar so that the propagation through any given element is the same, the following equation is obtained.
Next, the total emission intensity is as follows:

及びTi,i−1は、損失に起因した伝搬の減衰を表しており、従って常に0から1の間の値を持つことに留意されたい。 Nが大きい場合、右辺の合計は等比級数によって近似されることができ、次式で表される。
これにより、おおよその強度は次式のようになる。
この式は、透過率TとT2,1との積を、可能な限り1に近づけることで、Itotが増大することを示唆している。
Note that T i and T i, i−1 represent the attenuation of the propagation due to loss and therefore always have a value between 0 and 1. When N is large, the sum of the right side can be approximated by a geometric series and is expressed by the following equation.
As a result, the approximate strength is as follows.
This equation suggests that I tot is increased by bringing the product of the transmittances T 1 and T 2,1 as close to 1 as possible.

これは、損失及び減衰によって別のX線放出要素の追加が無駄になる前に、いくつの放出要素が一列に配置され得るかを推定するのにも用いられ得ることに留意されたい。例えば、放出要素の幅がX線の減衰長の1/eである場合、要素の透過率は、T=1/e=0.3679となる。 要素間の透過率をTi,i−1=T2,1=0.98と仮定すると、次式を導く。
この式は、1/eの長さと等しい幅を有する多数の要素は、1.564倍だけ強度を向上させ得るのみであることを示唆しており、要素の数を大きくしても2つの要素より軸上であまり生産的ではないことを示唆している。
Note that this can also be used to estimate how many emitting elements can be placed in a row before the addition of another X-ray emitting element is wasted due to loss and attenuation. For example, if the width of the emitting element is 1 / e of the attenuation length of X-rays, the transmittance of the element is T 1 = 1 / e = 0.3679. Assuming that the transmittance between the elements is T i, i-1 = T 2,1 = 0.98, the following equation is derived.
This formula suggests that a large number of elements having a width equal to the length of 1 / e can only improve the strength by 1.564 times. It suggests that it is less productive on the axis.

例えば、T=0.80のX線減衰を有する、より細い要素では、次式のようになる。
この式は、多数のX線発生要素を有するソースと同じくらいの明るさのソースを形成するには、これらの要素のうちほぼ5つまでが、一列に配置され得ることを示唆している。
For example, for thinner elements with X-ray attenuation of T 1 = 0.80,
This formula suggests that up to approximately five of these elements can be arranged in a row to form a source as bright as a source with multiple x-ray generating elements.

X線減衰は、異なるエネルギーのX線では異なり、TとT2,1との積は所定の材料に対して、ある範囲の波長にわたって著しく変化し得ることが留意されるべきである。 It should be noted that the x-ray attenuation is different for different energy x-rays, and the product of T 1 and T 2,1 can vary significantly over a range of wavelengths for a given material.

図22は、3種類のX線発生材料、すなわちモリブデン(Mo)、銅(Cu)、タングステン(W)の1keVから400keVにわたるエネルギーを有するX線に対する1/e減衰長と、3種類の基板材料、すなわちグラファイト(C)、ベリリウム(Be)、水(HO)の10keVから400keVまでの範囲のエネルギーを有するX線に対する1/e減衰長とを示している。[ここで示されたデータはもともと、B.L.Henke、E.M.Gullikson、J.C.Davisによって、『X−ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50−30000 eV, Z=1−92』、Atomic Data and Nuclear Data Tables、第54巻(2)、181−342ページ(1993年7月)に公開されており、<http://henke.lbl.gov/optical_constants/atten2.html>でアクセスされ得る。他のX線吸収の表は、<http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap2.html>で利用可能である]。 FIG. 22 shows the 1 / e attenuation length for three types of X-ray generating materials, namely, molybdenum (Mo), copper (Cu), and tungsten (W) for X-rays having energy ranging from 1 keV to 400 keV, and three types of substrate materials. That is, the 1 / e decay length for X-rays having energy in the range of 10 keV to 400 keV of graphite (C), beryllium (Be), and water (H 2 O) is shown. [The data shown here was originally L. Henke, E.M. M.M. Gullikson, J. et al. C. According to Davis, “X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E = 50-30000 eV, Z = 1-92”, Atomic Data and Nuclear 2 pages 34-34. (July 1993), <http: // henke. lbl. gov / optical_constants / atten2. It can be accessed at html>. Other X-ray absorption tables are <http: // physics. nist. gov / PhysRefData / XrayMassCoef / chap2. available at html>].

材料の1/e減衰長L1/eは、次式によって長さLに対する上記透過率と関連している。
従って、L1/eを大きくすると、Tが大きくなることを意味している。
The 1 / e attenuation length L 1 / e of the material is related to the transmittance for the length L by the following equation:
Therefore, increasing L 1 / e means that T i increases.

図22の値を用いた一例として、タングステンの60keVのX線、およそ200ミクロンのL1/eを用いると、20ミクロン幅のX線発生要素の透過率は、次式で与えられる。
一方、およそ50,000ミクロンのL1/eのベリリウム基板では、ベリリウムに埋め込まれた100ミクロン幅のタングステンX線発生要素の透過率は、次式のようになる。
従って、ベリリウム基板に埋め込まれ、100ミクロン離れて離間した20ミクロン幅のタングステン要素の周期的配列に対して、軸上強度の最良の推定値は次式のようになる。
これは、単一のタングステンX線放出要素と比較したとき、X線強度が1桁増大することを表している。
As an example using the values of FIG. 22, using a 60 keV X-ray of tungsten, approximately 200 microns of L1 / e , the transmittance of a 20 micron wide X-ray generating element is given by:
On the other hand, in the case of an L 1 / e beryllium substrate of approximately 50,000 microns, the transmittance of the tungsten X-ray generating element having a width of 100 microns embedded in beryllium is expressed by the following equation.
Thus, for a periodic array of 20 micron wide tungsten elements embedded in a beryllium substrate and spaced apart by 100 microns, the best estimate of on-axis strength is:
This represents an order of magnitude increase in x-ray intensity when compared to a single tungsten x-ray emitting element.

3.X線ソースの制御
複数の変動要素があり、それらによって、X線出力を向上させるべく、そのような一般的な直線累積ソースが「調整」又は調節され得る。本発明の複数の実施形態は、これらの変動要素の一部又はすべての制御及び調節を可能にし得るか、あるいは、これらの変動要素を何も制御せず、調節もしない。
3. X-Ray Source Control There are a number of variables by which such a general linear accumulation source can be “tuned” or adjusted to improve the X-ray output. Embodiments of the present invention may allow control and adjustment of some or all of these variables, or do not control or adjust any of these variables.

3.1.電子ビームのバリエーション
まず、いくつかの実施形態において、X線発生要素801、802、803、…などに衝撃を与える電子111、又は1111、1112、1113などのビーム又は複数のビームは、複数の電子レンズ、静電レンズ、又は磁界収束要素などの1又は複数の電子制御機構70を用いて形成され、かつ方向付けられ得る。典型的には、複数の静電レンズがX線ソースの真空環境内に配置され、複数の磁界収束要素が真空の外側に配置され得る。米国特許第6,870,172号『マスクを用いない反射電子ビーム投影リソグラフィ(Maskless reflection electron beam projection lithography)』に説明されているような従来技術のREBL(反射電子ビームリソグラフィシステム)に開示された、反射電子ビーム制御システムなどの様々な他の電子画像処理技術も、電子照射の複雑なパターンを形成するのに用いられ得る。
3.1. Electron Beam Variations First, in some embodiments, the beam 111 or the plurality of beams such as 1111, 1112, 1113, etc. that impact the X-ray generating elements 801, 802, 803,. It can be formed and oriented using one or more electronic control mechanisms 70 such as lenses, electrostatic lenses, or magnetic field focusing elements. Typically, multiple electrostatic lenses can be placed in the vacuum environment of the x-ray source and multiple magnetic field focusing elements can be placed outside the vacuum. Disclosed in prior art REBL (Reflected Electron Beam Lithography System) as described in US Pat. No. 6,870,172, Maskless Reflection Electron Beam Projection Lithography Various other electronic image processing techniques, such as a reflected electron beam control system, can also be used to form complex patterns of electron irradiation.

図21に例示されたように、また図23Aにも例示されたように、電子は垂直入射で複数の要素に衝撃を与え得て、図23Bに例示されたように電子ビーム1121、1122、1123などは角度θで、図23Cに例示されたように(収束電子ビームなどの)電子ビーム1131、1132、1133などは複数の角度で、図23Dに例示されたように両面から複数の微細構造700に衝撃を与える電子ビーム1141、1142、1143などは角度θで、図23Eに例示されたように電子ビーム1151、1152、1153などは様々な強度または電子密度で、図23Fに例示されたように一様な大面積の電子ビーム111で、又は当業者によって考案され得る多くの電子ビーム構成の任意の組み合わせで、複数の要素に衝撃を与え得る。   As illustrated in FIG. 21 and also illustrated in FIG. 23A, electrons can impact multiple elements at normal incidence, and electron beams 1121, 1122, 1123 as illustrated in FIG. 23B. Etc. is an angle θ, and as illustrated in FIG. 23C, electron beams 1131, 1132, 1133, etc. (such as a convergent electron beam) are at a plurality of angles, and as illustrated in FIG. The electron beams 1141, 1142, 1143, etc. that impact the beam are at an angle θ, and as illustrated in FIG. 23E, the electron beams 1151, 1152, 1153, etc. are at various intensities or electron densities, as illustrated in FIG. 23F. Multiple elements can be impacted with a uniform large area electron beam 111 or with any combination of many electron beam configurations that can be devised by those skilled in the art. The

電子照射用のパターンの実際の設計は、X線発生材料、及び/又は複数のX線発生要素の間の領域を充填する材料の材料特性に一部依存し得る。図23Eに例示されたように、X線発生材料の吸収性がきわめて高い場合には、X線を放出し、さらに他の複数のX線発生要素を通って最も長い距離を進まなければならない領域に衝撃を与えるのに、より大きい電子密度が用いられ得る。 同様に、図23Bに例示されたように、電子侵入深さが深い場合には、X線発生材料は、斜めにした電子で衝撃を与えられ得る。電子侵入深さが所望されたより深い場合、X線発生材料のより薄い領域が用いられ、鉛直方向の大きさがより小さいソースを形成し得る。   The actual design of the pattern for electron irradiation may depend in part on the material properties of the x-ray generating material and / or the material filling the region between the plurality of x-ray generating elements. As illustrated in FIG. 23E, when the X-ray generating material is very absorbent, it must emit X-rays and travel the longest distance through the other plurality of X-ray generating elements. Greater electron density can be used to impact the. Similarly, as illustrated in FIG. 23B, when the electron penetration depth is deep, the X-ray generation material can be bombarded with oblique electrons. If the electron penetration depth is deeper than desired, a thinner region of x-ray generating material can be used to form a source with a smaller vertical dimension.

多くの実施形態において、電子照射の領域は、電子ビーム又は複数の電子ビームが、主にX線発生要素1001、1002、1003などに衝撃を与え、これらの要素の間の領域には衝撃を与えないように調節され得る。多くの実施形態において、複数のX線発生要素の間の間隔は、真空ではなく、複数のX線発生要素からの熱の放散を容易にする固体材料で充填され得る。ダイヤモンドなどの熱伝導基板に埋め込まれた、又は埋設された複数のX線発生要素の配列を有するそのようなソースターゲットは、上述されたように同時係属中の米国特許出願第14/465,816号に開示されており、これはその全体を参照によって組み込まれたものとする。   In many embodiments, the region of electron irradiation is such that the electron beam or plurality of electron beams primarily impacts the x-ray generating elements 1001, 1002, 1003, etc., and impacts the region between these elements. Can be adjusted to not. In many embodiments, the spacing between the plurality of x-ray generating elements may be filled with a solid material that facilitates heat dissipation from the plurality of x-ray generating elements, rather than a vacuum. Such a source target having an array of multiple x-ray generating elements embedded in or embedded in a thermally conductive substrate such as diamond is described in copending US patent application Ser. No. 14 / 465,816, as described above. Which is incorporated by reference in its entirety.

複数のX線発生要素の間の領域が固体材料を有し、また電子で衝撃を与えられる場合、その領域は電子照射の下で加熱される傾向があり、それによって複数のX線発生要素との温度勾配が低減し、従ってX線発生要素からの熱の流れが低減する。電子エネルギー及び密度の量に対する制限が、溶融などの熱損傷が生じる前にX線発生材料によって吸収され得るエネルギー量で一部決定されることが多いということで、複数のX線発生要素からの熱の放散を増加させることが概して好ましく、それは、非X線発生領域の電子照射を減少させることによって、一部実現され得る。電子照射で発生した熱は、原子番号Zが増加するとともに増加する傾向があるので、ベリリウム(原子番号4)又はダイヤモンド(原子番号6)などの低原子番号の材料を有する基板を選択することが好ましい場合があることが、留意されるべきである。   If the area between the multiple X-ray generating elements has a solid material and is bombarded with electrons, the area tends to be heated under electron irradiation, thereby causing the multiple X-ray generating elements and The temperature gradient of the X-ray generation element is reduced, so that the heat flow from the X-ray generating element is reduced. The limitations on the amount of electron energy and density are often determined in part by the amount of energy that can be absorbed by the X-ray generating material before thermal damage such as melting occurs, resulting in multiple X-ray generating elements from It is generally preferred to increase heat dissipation, which can be achieved in part by reducing electron irradiation in non-X-ray generating regions. Since the heat generated by electron irradiation tends to increase as the atomic number Z increases, a substrate having a low atomic number material such as beryllium (atomic number 4) or diamond (atomic number 6) can be selected. It should be noted that there may be preferred cases.

別個の複数のX線発生要素に独立して衝撃を与えるのに用いられる複数の電子ビームを有するソースは、異なる加速電圧が異なる電子ビームソースで用いられることを可能にするようにも構成され得る。そのようなソース80−Bが図24に例示されている。この例示においてもやはり、前の高電圧源10が導線21−Aを介して、電子111−Aをターゲット1100−Bに向かって放出する電子放出器11−Aに接続されている。しかしながら、電圧10−B及び10−C用の2つの付加的な「ブースタ」も設けられ、これらの高電位が導線21−B及び21−Cを介して、異なるエネルギーの電子111−B及び111−Cを放出する付加的な電子放出器11−B及び11−Cに接続されている。X線発生要素801、802、803、…などを有するターゲット1100−Bは、通常は一様に接地電位に設定されているが、異なるX線発生要素を目標とするのに用いられる個々の電子ビームソースは異なる電位に設定され得て、従って、様々なエネルギーの電子が異なるX線発生要素801、802、803、…に衝撃を与えるのに用いられ得る。   A source having multiple electron beams used to independently bombard separate multiple x-ray generating elements can also be configured to allow different acceleration voltages to be used with different electron beam sources. . Such a source 80-B is illustrated in FIG. Also in this example, the previous high voltage source 10 is connected to the electron emitter 11-A that emits the electrons 111-A toward the target 1100-B via the conductor 21-A. However, two additional “boosters” for voltages 10-B and 10-C are also provided, and these high potentials are passed through the conductors 21-B and 21-C to electrons of different energy 111-B and 111-B. Connected to additional electron emitters 11-B and 11-C emitting -C. The target 1100-B having X-ray generating elements 801, 802, 803,... Is usually set to a uniform ground potential, but individual electrons used to target different X-ray generating elements. The beam source can be set to different potentials, so that various energetic electrons can be used to impact different x-ray generating elements 801, 802, 803,.

これにより、個々のX線発生要素に用いられる材料に応じて、異なるエネルギーの電子が異なるX線放出スペクトルを発生し得るという点において、X線放出の管理に複数の利点が提供され得る。発生する熱負荷も、異なる電子エネルギーの使用を通じて管理され得る。そのような複数のビーム構成にとって、様々な複数のビームが互いに干渉しないようにし、また誤ったエネルギーの電子を誤ったターゲット要素に与えないようにするための複数の電子レンズの設計は、複雑になり得る。   This can provide multiple advantages in managing X-ray emission in that electrons of different energies can generate different X-ray emission spectra depending on the material used for the individual X-ray generating element. The generated heat load can also be managed through the use of different electronic energy. For such multiple beam configurations, the design of multiple electron lenses to keep the various beams from interfering with each other and to not give wrong energy electrons to the wrong target element is complicated. Can be.

3.2.材料のバリエーション
複数のX線発生要素を同一の構成単位として扱い、間にある複数の領域も同一とみなすことはより簡単であるが、いくつかの実施形態においては、これらのパラメータにバリエーションを有することに対して複数の利点があり得る。
3.2. Material Variations It is easier to treat multiple x-ray generating elements as the same building block and to consider the multiple regions in between to be the same, but some embodiments have variations in these parameters There can be several advantages to this.

いくつかの実施形態において、異なる複数の材料からの様々なスペクトルの特性X線を軸上ビューが示すように、異なる複数のX線発生要素は異なる複数のX線放出材料を有し得る。X線に対して比較的透明である材料は、出力ウィンドウ840に最も近い位置(例えば、図21において最右端の要素)に用いられ得るが、より強く吸収する材料は、他の複数のソースをあまり減衰させないように配列の反対側の要素に用いられ得る。   In some embodiments, different x-ray generating elements may have different x-ray emitting materials, such as an axial view showing various spectral characteristic x-rays from different materials. A material that is relatively transparent to x-rays can be used in a position closest to the output window 840 (eg, the rightmost element in FIG. 21), but a material that absorbs more strongly can cause other sources to It can be used for elements on the opposite side of the array so as not to attenuate too much.

いくつかの実施形態において、複数のX線発生要素の間の距離は、複数の異なる材料の予想される熱負荷に応じて、変更され得る。例えば、複数の要素の間のより広い間隔は、電子衝撃の下でより多くの熱の発生が予想される要素に用いられ得て、より少ない熱が予想される場合には、より狭い間隔が用いられ得る。   In some embodiments, the distance between multiple x-ray generating elements can be varied depending on the anticipated thermal load of multiple different materials. For example, a wider spacing between multiple elements can be used for an element that is expected to generate more heat under electron bombardment, and a smaller spacing is expected if less heat is expected. Can be used.

3.3.サイズと形状のバリエーション
図25に例示されたように、いくつかの実施形態において、X線発生要素1801、1802、1803、…などは様々なサイズ及び幾何学的形状を有し得る。これは、複数の異なる材料が用いられ、複数の異なる材料によって電子の減速プロセス及びX線吸収が異なるという状況に特に有用であり得る。
3.3. Size and Shape Variations As illustrated in FIG. 25, in some embodiments, the x-ray generating elements 1801, 1802, 1803,... Can have various sizes and geometric shapes. This can be particularly useful in situations where a plurality of different materials are used and the electron deceleration process and x-ray absorption are different for a plurality of different materials.

直線累積X線ソースのための複数のX線発生要素の設計において考慮され得る有用なフィギュアオブメリットは、材料内のX線の1/e減衰長と、電子の「連続減速近似」(CSDA)飛程の半分との比である。電子は減速するにつれて、複数の衝突によってエネルギーを失い得るので、電子のCSDA飛程は、典型的には侵入深さより大きい。図26Aは、タングステンに対するこれら2つの関数の図を示しており、図26Bはその比の図を示している。X線データは、前に引用したヘンケ他によるソースからのものであり、CSDA飛程データは、NISTの「物理学的測定実験室(Physical Measurement Laboratory)」<http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html>からのものである。比は、X線の直線累積に用いられるとき、材料のX線発生に対するフィギュアオブメリットとみなされ得る。それは、材料のX線透過率が大きい(その微細構造に対するTが増加する)ときにその値は大きくなるが、CDSA飛程が小さいときにも大きくなるからである(これは、電子が迅速に吸収され、X線がより浅い深さのスポットから放出されるように見えることを意味している)。 Useful figures of merit that can be considered in the design of multiple x-ray generating elements for a linear cumulative x-ray source are the 1 / e attenuation length of x-rays in the material and the “continuous deceleration approximation” (CSDA) of electrons The ratio is half of the range. As an electron decelerates, the CSDA range of the electron is typically greater than the penetration depth, as multiple collisions can lose energy. FIG. 26A shows a diagram of these two functions for tungsten, and FIG. 26B shows a diagram of the ratio. X-ray data is from sources previously cited by Henke et al., And CSDA range data is from NIST “Physical Measurement Laboratory” <http: // physics. nist. gov / PhysRefData / Star / Text / ESTAR. html>. The ratio, when used for X-ray linear accumulation, can be considered a figure of merit for the X-ray generation of a material. It, X-rays transmittance of the material is large (that T i is increased with respect to the microstructure) but the value is large when, because also increases when more CDSA flight is small (which electrons rapidly The x-rays appear to be emitted from shallower depth spots).

図27は、この比を3種類の材料(Cu、Mo、及びW)の広範なX線エネルギーに対して示している。いったんX線材料が所望の特性線に対して選択されると、この比は特定のエネルギー範囲(タングステンでは約55keVなど)を示唆するのに用いられ得て、それにより、このフィギュアオブメリットが比較的大きくなるような状態でシステムが動作するように構成され得る。   FIG. 27 shows this ratio for a wide range of x-ray energies for the three materials (Cu, Mo, and W). Once the X-ray material is selected for the desired characteristic line, this ratio can be used to suggest a specific energy range (such as about 55 keV for tungsten), so that this figure of merit can be compared. The system can be configured to operate in such a state as to become large.

経験則として、微細構造の厚みは、電子ビーム伝搬の方向で測定されるようなCSDAの1/2又はそれより小さく設定され得る。ターゲット材料のいくつかの選択では、薄箔コーティングの材料が必要なX線放出を提供するのに十分であり得て、より複雑な埋め込み又は埋設微細構造は必要とされない場合もある。   As a rule of thumb, the thickness of the microstructure can be set to 1/2 or less of CSDA as measured in the direction of electron beam propagation. In some selections of target materials, the thin foil coating material may be sufficient to provide the required x-ray emission, and more complex embedded or embedded microstructures may not be required.

3.4.時分割放出
他の複数の実施形態において、X線発生要素801、802、803、804、…などは、電子による継続的な衝撃を受ける必要はないが、電子ビーム1211、1212、1213、1214、…などは、熱負荷を分散すべく時間とともにオンとオフとに切り替えられ得る。これは軸上で見たときに特に効果的であり得る。それは、すべてのX線が同じ発生源から発しているように見えるからである。
3.4. Time-Division Emission In other embodiments, the X-ray generating elements 801, 802, 803, 804,... Do not need to be continuously impacted by electrons, but the electron beams 1211, 1212, 1213, 1214, Etc. can be switched on and off over time to distribute the heat load. This can be particularly effective when viewed on an axis. This is because all X-rays appear to be emitted from the same source.

時分割した一実施形態は、図28A〜図28Cに例示されている。図28Aでは、最初の時間ステップt=0において、要素801及び804に対する電子ビーム1211及び1214がそれぞれオンになっており、他はすべてオフである。図28Bでは、時間ステップt=1において、要素802及び805に対する電子ビーム1212及び1215がオンであり、他はすべてオフである。図28Cでは、次の時間ステップt=2において、要素803及び806に対する電子ビーム1213及び1216がオンであり、他はすべてオフである。システムは、これらの構成の間を、単に様々な電子ビームを見えないようにするか、または機械的なシャッタでこれらのビームを遮断するか、あるいはこれらの電子ビームの位置を変えるかすることによって、切り替えられ得る。   One time division embodiment is illustrated in FIGS. 28A-28C. In FIG. 28A, at the first time step t = 0, electron beams 1211 and 1214 for elements 801 and 804 are on, respectively, and everything else is off. In FIG. 28B, at time step t = 1, electron beams 1212 and 1215 for elements 802 and 805 are on and all others are off. In FIG. 28C, at the next time step t = 2, the electron beams 1213 and 1216 for elements 803 and 806 are on and all others are off. The system simply makes the various electron beams invisible between these configurations, or simply blocks them with a mechanical shutter or changes the position of these electron beams. Can be switched.

さらに、いくつかの実施形態において、電子ビームは、X線発生材料を有するターゲット全面にわたって単に走査し得る。いくつかの実施形態において、この走査は規則的なラスタースキャンであってよく、他の複数の実施形態においては、走査を「一時休止(dwelling)」したり、X線発生領域をより低速で走査する一方で、1つのX線発生領域から次のX線発生領域へは急速に移動したりといった、不均一な走査であってもよい。他の実施形態において、電子ビームは、すべてのX線発生領域に同時に衝撃を与えるように設計され得るか、又は複数の電子ビームは複数のX線発生領域とほぼ同時に衝突するが、電子ビームを急速にオンオフさせて、「パルス状」のX線ソースを形成し得る。これは、いくつかの特定の用途に対していくつかの利点を有し得る。   Furthermore, in some embodiments, the electron beam may simply scan across the target with the x-ray generating material. In some embodiments, this scan may be a regular raster scan, and in other embodiments, the scan may be “dwelled” or the x-ray generation area may be scanned at a slower rate. On the other hand, non-uniform scanning such as rapid movement from one X-ray generation region to the next X-ray generation region may be used. In other embodiments, the electron beam can be designed to bombard all x-ray generation regions simultaneously, or the plurality of electron beams impinge on the plurality of x-ray generation regions almost simultaneously, It can be turned on and off rapidly to form a “pulsed” x-ray source. This can have several advantages for some specific applications.

電子照射のタイミングを変更可能なソースは、上述されたように、様々なスペクトルのX線エネルギー放出すべく、複数の異なる電位の電子で衝撃を与えられる複数の異なる種類の埋め込み微細構造を使用する複数の実施形態にも特に有用であり得る。   Sources that can change the timing of electron irradiation use multiple different types of embedded microstructures that can be bombarded with multiple different potential electrons to emit various spectral x-ray energies, as described above. Multiple embodiments may also be particularly useful.

3.5.軸外構成
他の複数の実施形態において、僅かに軸外の構成が好ましい場合がある。そのような構成の複数の実施例が、図29A〜図29Bに例示されている。
3.5. Off-axis configuration In other embodiments, a slightly off-axis configuration may be preferred. Several examples of such a configuration are illustrated in FIGS. 29A-29B.

図29Aでは、軸外ウィンドウ841、又は、スクリーン84又は壁にある開口部を通るX線放出が例示されている。X線放出は概して等方性であるので、電子で衝撃を受けたすべての微細構造からの放出は、この方向にも放出される。しかしながら、開口部841を通過するこの放出878の様々な光線は、同じ方向に伝搬せずに分散し、拡張したソースの様相を呈する。しかしながら、拡張したソースの様相が所望される場合、そのような軸外を用いた、X線用の小角度の集合体構成が適当であり得る。   In FIG. 29A, X-ray emission is illustrated through an off-axis window 841, or an opening in the screen 84 or wall. Since X-ray emission is generally isotropic, emissions from all microstructures impacted by electrons are also emitted in this direction. However, the various rays of this emission 878 that pass through the opening 841 are dispersed without propagating in the same direction, presenting an expanded source appearance. However, if an extended source aspect is desired, a small angle aggregate configuration for X-rays using such off-axis may be appropriate.

図29Bは、複数の微細構造から、今回は入射電子ビーム1111、1112、1113などから離れた方向への放出を示している。この実施例では、微細構造801、802、803、…の間隔は、これらのサイズに対してはるかに大きいので、隣接する複数のX線放出要素による減衰もなくX線が検出器によって検出され得る軸外角度は、図29Aに例示された状況おける軸外角度よりもはるかに小さい。   FIG. 29B shows emission from a plurality of microstructures, this time away from the incident electron beams 1111, 1112, 1113, and the like. In this embodiment, the spacing of the microstructures 801, 802, 803,... Is much larger than their size so that X-rays can be detected by the detector without attenuation by adjacent X-ray emitting elements. The off-axis angle is much smaller than the off-axis angle in the situation illustrated in FIG. 29A.

3.6.複数の独立した電子ビーム
図30及び図31(ターゲットをさらに詳細に示している)に例示されているのは、上述された複数の要素の一部を組み込んだ、より一般的なX線システム80−Cである。本システムは、複数の導線21−A、21−B、及び21−Cを介して、電子ビーム111−A、111−B、111−Cなどを発生させる複数の電子放出器11−A、11−B、及び11−Cに様々な電圧を送る電子システムコントローラ10−Vを備えている。これらの電子ビーム111−A、111−B、111−Cのそれぞれは、導線27−A、27−B、及び27−Cを介して、複数の電子レンズ70−A、70−B、及び70−Cを制御するシステムコントローラ10−Vからの信号によって制御され得る。
3.6. Multiple Independent Electron Beams Illustrated in FIGS. 30 and 31 (the target is shown in more detail) is a more general X-ray system 80 that incorporates some of the elements described above. -C. The system includes a plurality of electron emitters 11-A, 11 that generate electron beams 111-A, 111-B, 111-C, etc. via a plurality of conductors 21-A, 21-B, and 21-C. The electronic system controller 10-V which sends various voltages to -B and 11-C is provided. Each of these electron beams 111-A, 111-B, and 111-C is connected to a plurality of electron lenses 70-A, 70-B, and 70 via conductors 27-A, 27-B, and 27-C. It can be controlled by a signal from the system controller 10-V that controls -C.

例示されたように、本システムは冷却システムをさらに備えている。冷却システムは、典型的には水である冷却流体93を充填した容器90を有し、冷却流体93はポンプなどの機構1209によって、ターゲット1100−Cの基板1000を通過する冷却経路を含む複数の冷却経路1200を通って動かされる。   As illustrated, the system further comprises a cooling system. The cooling system includes a container 90 filled with a cooling fluid 93, typically water, which includes a plurality of cooling paths that pass through a substrate 1000 of a target 1100-C by a mechanism 1209 such as a pump. It is moved through the cooling path 1200.

これらの例示は、本発明の理解を助ける目的で示されており、様々な要素(微細構造、表面層、冷却経路など)は縮尺通りに描かれていないことが、留意されるべきである。   It should be noted that these illustrations are presented for the purpose of assisting in understanding the present invention, and that various elements (microstructures, surface layers, cooling paths, etc.) are not drawn to scale.

図31は、電子による衝撃下にあるターゲット1100−Cを本システムの拡大図で示しており、その中に2つの付加的な電子ビーム111−D及び111−Eが加えられている。例示されたように、ビーム111−D及び111−Eの両方は、右側の3つの電子ビーム111−A、111−B、及び111−Cより高電流を有し、一番左の電子ビーム111−Eは、すべてのビームの中で最も高い電流密度を有しており、複数のビームは等しい密度である必要はないことを示している。より高い電流を受ける一番左のX線発生要素804及び805は、これらとこれらに隣接する微細構造との間に、より低い電子電流を受ける一番右の要素801、802、及び803の間に設けられている間隔より大きい間隔を有するようにも例示されている。いくつかの実施形態において、804及び805は、801、802、及び803よりも原子番号が高い材料で構成され得る。   FIG. 31 shows a target 1100-C under electron impact in an enlarged view of the system, in which two additional electron beams 111-D and 111-E have been added. As illustrated, both beams 111-D and 111-E have a higher current than the right three electron beams 111-A, 111-B, and 111-C, and the leftmost electron beam 111 -E has the highest current density of all the beams, indicating that the beams need not be of equal density. The leftmost X-ray generating elements 804 and 805 that receive a higher current are between these and the adjacent microstructure, between the rightmost elements 801, 802, and 803 that receive a lower electron current. It is also illustrated that it has a larger interval than that provided in FIG. In some embodiments, 804 and 805 can be composed of a material with a higher atomic number than 801, 802, and 803.

図31には、熱伝導性(熱を除去するため)と導電性の両方を兼ねる導電性オーバーコート膜770も示されており、接地722への電子の戻り経路が設けられている。軸上にあるX線がターゲットから放射されることを可能にするための開口部840を有する、スクリーン84も設けられている。   FIG. 31 also shows a conductive overcoat film 770 that serves both as thermal conductivity (to remove heat) and conductivity, and is provided with a return path for electrons to the ground 722. A screen 84 is also provided having an opening 840 to allow on-axis x-rays to be emitted from the target.

3.7.基板用の材料選択
上記のように、X線発生材料の複数の微細構造を有するターゲットの基板では、基板に対するX線の透過率Tがほぼ1であることが好ましい。 長さL及び線吸収係数αの基板材料では、次式のようになる。
ここでL1/eは、X線強度が1/e倍まで減少する長さである。
3.7. Selection of Material for Substrate As described above, in the target substrate having a plurality of fine structures of the X-ray generating material, the X-ray transmittance T to the substrate is preferably about 1. For a substrate material having a length L and a linear absorption coefficient α s , the following equation is obtained.
Here, L 1 / e is a length at which the X-ray intensity decreases to 1 / e times.

概して、次式の関係で表される。
ここで、XはX線エネルギー(keV)であり、Zは原子番号である。従って、L1/e大きくするには(すなわち、材料をより透過させるには)、より高いX線エネルギーが求められ、より低い原子番号が非常に好ましい。このため、様々な形態(例えば、ダイヤモンド、グラファイトなど)のベリリウム(原子番号4)及び炭素(原子番号6)の両方が、基板として望ましい場合がある。と言うのは、これらがX線に対して非常に透過的であり、また高熱伝導率を有する(表1を参照)ためでもあるという両方の理由による。
Generally, it is expressed by the relationship of the following formula.
Here, X is X-ray energy (keV), and Z is an atomic number. Therefore, to increase L 1 / e (ie, to make the material more transparent), higher X-ray energy is required, and a lower atomic number is highly preferred. For this reason, both beryllium (atomic number 4) and carbon (atomic number 6) in various forms (eg, diamond, graphite, etc.) may be desirable as substrates. This is due to both reasons that they are very transparent to X-rays and also because of their high thermal conductivity (see Table 1).

4.本発明の複数の実施形態の他の実施例
4.1.2つの面のターゲット
直線累積用に配置された複数のX線発生要素を有するターゲットを用いたソース80−Dの1つの実施形態が、図32に例示されており、ターゲット2200が図33でより詳細に示されている。
4). Other Examples of Embodiments of the Invention 4.1.2 Target of One Surface One embodiment of a source 80-D using a target having a plurality of x-ray generating elements arranged for line accumulation 32, the target 2200 is shown in more detail in FIG.

図32に示された実施形態では、コントローラ10−2が、電子ビーム1221及び1222をターゲット2200の両面に向かって放出する2つの放出器11−D及び11−Eに高電圧を供給している。位置、方向、焦点合わせなど、電子ビーム1221及び1222の特性は、それぞれ導線27−D及び27−Eを介して、ビームの特性をビーム電流設定及び高電圧設定で調整する複数の電子レンズ70−D及び70−Eによって制御され、すべてはコントローラ10−2によって制御されている。ターゲット2200は基板2200と、基板2200の各面に1つずつある、2つのX線発生材料の薄いコーティング2221及び2222とを有している。   In the embodiment shown in FIG. 32, controller 10-2 supplies a high voltage to two emitters 11-D and 11-E that emit electron beams 1221 and 1222 toward both sides of target 2200. . The characteristics of the electron beams 1221 and 1222, such as the position, direction, and focusing, are adjusted via the conductors 27-D and 27-E, respectively. Controlled by D and 70-E, all controlled by controller 10-2. The target 2200 has a substrate 2200 and two thin coatings 2221 and 2222 of X-ray generating material, one on each side of the substrate 2200.

電子ビーム1221及び1222は、複数の電子レンズ70−D及び70−Eによって方向付けられ、それぞれの位置から発生したX線821及び822が、X線2888のビームがソース80−Dから放出されることを可能にするスクリーン84の開口部840と位置合わせされるような位置で、ターゲット2200の両面の薄いコーティング2221及び2222に衝撃を与える。   The electron beams 1221 and 1222 are directed by a plurality of electron lenses 70-D and 70-E, and X-rays 821 and 822 generated from the respective positions are emitted from the source 80-D. The thin coatings 2221 and 2222 on both sides of the target 2200 are impacted in such a position that they are aligned with the openings 840 in the screen 84 that allow this.

電子による大面積の衝撃はより大きな重なり合いを実現するが、電子密度がより高い場合に、より高いX線放出が生じるので、複数の電子レンズ70−D及び70−Eが、電子ビーム1221及び1222を25ミクロンの小さいスポットに、又はさらに小さいスポットに焦点合わせするのに用いられ得る。示されたような構成におけるそのような小さいスポットに対して、重畳されたX線放出パターンを生成するための(従って、2つのスポットの直線累積を実現するための)2つの電子衝撃スポットの位置合わせが、開口部840の向こうにX線検出器を配置して、X線ビーム2888の強度を測定することによって実行され、電子ビーム1221及び1222の位置及び焦点は、複数の電子レンズ70−D及び70−Eを用いて変更される。2つのスポットは、両方のスポットからの同時強度が検出器で最大になるときに、位置合わせされているとみなされ得る。   Large area bombardment with electrons achieves greater overlap, but higher electron emission occurs at higher electron densities, so that multiple electron lenses 70-D and 70-E are used for electron beams 1221 and 1222. Can be used to focus a small spot of 25 microns or even a smaller spot. For such a small spot in the configuration as shown, the location of two electron impact spots to generate a superimposed X-ray emission pattern (and thus to achieve a linear accumulation of the two spots) The alignment is performed by placing an X-ray detector over the aperture 840 and measuring the intensity of the X-ray beam 2888, and the position and focus of the electron beams 1221 and 1222 are determined by the plurality of electron lenses 70-D. And 70-E. Two spots can be considered aligned when the simultaneous intensity from both spots is maximized at the detector.

ターゲット2200は、真空チャンバ内の構造体にしっかりと取り付けられ得るか、又はその位置が変えられるように取り付けられ得る。いくつかの実施形態において、ターゲットは更に加熱を放散すべく、回転アノードとして取り付けられ得る。   The target 2200 can be securely attached to a structure in the vacuum chamber or can be attached so that its position can be changed. In some embodiments, the target can be mounted as a rotating anode to further dissipate heat.

上述したように、コーティング2221及び2222の厚みは、予想電子エネルギー及び侵入深さ又は材料のCSDA推定値に基づいて選択され得る。例示されたように、面法線に対して斜めに衝撃が生じる場合、入射角はコーティング厚の選択にも影響を与え得る。電子ビーム1221及び1222に対するターゲット2200の傾きは約45°に示されているが、X線が放出されることを可能にする0°から90°までの任意の角度が用いられ得る。   As described above, the thickness of coatings 2221 and 2222 may be selected based on expected electron energy and penetration depth or material CSDA estimate. As illustrated, the incidence angle can also affect the choice of coating thickness if the impact occurs at an angle to the surface normal. Although the tilt of target 2200 relative to electron beams 1221 and 1222 is shown at about 45 °, any angle from 0 ° to 90 ° that allows X-rays to be emitted may be used.

上述された2つの面のターゲットは、アノードが回転して熱を分散させる回転アノードを備える一実施形態にも用いられ得ることにも留意されたい。これらの特徴を有するシステム580−Rが、図34に例示されている。この実施形態では、多くの要素が、図6Aに例示されたような従来の回転アノードシステムにおけるものと同じであるが、例示されたようなこの実施形態では、コントローラ10−3が、導線21−G及び21−Fを介して、電子ビーム2511−F及び2511−Gをそれぞれ放出する2つの放出器11−F及び11−Gに高電圧を供給する。これらの電子ビームは、X線2588を生成するX線発生材料を有するコーティング2521及び2522で両面をコーティングされた、ターゲット500−Rの面取りされた部分の両面に衝撃を与える。ビームをステアリングする複数の電子レンズ又はX線ビーム出力を画定するための開口部など、付加的な制御を伴う複数の実施形態も設計され得ることも明らかであるべきである。   It should also be noted that the two-surface target described above can also be used in one embodiment with a rotating anode in which the anode rotates to dissipate heat. A system 580-R having these features is illustrated in FIG. In this embodiment, many elements are the same as in a conventional rotating anode system as illustrated in FIG. 6A, but in this embodiment as illustrated, the controller 10-3 is connected to a conductor 21- A high voltage is supplied to two emitters 11-F and 11-G that emit electron beams 2511-F and 2511-G, respectively, via G and 21-F. These electron beams impact both sides of the chamfered portion of the target 500-R, coated on both sides with coatings 2521 and 2522 having an X-ray generating material that generates X-rays 2588. It should also be clear that multiple embodiments with additional controls may be designed, such as multiple electron lenses to steer the beam or openings to define the x-ray beam output.

4.2.複数の2つの面のターゲット
上述されたようなソース80−Dは、2つの面を有する単一ターゲットに限定されない。図35に示されているのは、一対のターゲット2203、2204であり、それぞれは2つのコーティング2231及び2232、並びに2241及び2242をそれぞれ有しており、これらはそれぞれ基板2230及び2240上にあるX線発生材料である。この実施形態において、今回は2つのターゲット2203、2204上のそれぞれの複数のコーティングに衝撃を与え、X線831及び832、並びに841及び842をそれぞれ発生させるように制御される4つの電子ビーム1231、1232、1241、1242があることを除いて、ソースは、図32に例示されたものと類似の構成を有する。
4.2. Multiple Two Surface Targets Source 80-D as described above is not limited to a single target having two surfaces. Shown in FIG. 35 is a pair of targets 2203, 2204, each having two coatings 2231 and 2232, and 2241 and 2242, respectively, which are located on substrates 2230 and 2240, respectively. It is a line generating material. In this embodiment, four electron beams 1231 are now controlled to impact each of the plurality of coatings on the two targets 2203, 2204 and generate X-rays 831 and 832, and 841 and 842, respectively. Except for the presence of 1232, 1241, and 1242, the source has a configuration similar to that illustrated in FIG.

この実施形態では、単一の発生源から発しているように見えるべく、4つのX線発生スポットがスクリーン84の開口部840と位置合わせされている。開口部840の向こうに配置された検出器で総X線強度を最大化すべく、今回は4つの電子ビーム1231、1232、1241、及び1242が調節されることを除いて、位置合わせの手順は2つの面のターゲットの場合に対して上述された通りである。   In this embodiment, the four x-ray generation spots are aligned with the openings 840 in the screen 84 to appear to originate from a single source. The alignment procedure is 2 except that the four electron beams 1231, 1232, 1241, and 1242 are now adjusted to maximize the total x-ray intensity with the detector positioned beyond the aperture 840. As described above for the case of a two-surface target.

上述されたように、ターゲット2203及び2204は、真空チャンバ内の構造体にしっかりと取り付けられ得るか、又はこれらの位置が変えられるように取り付けられ得る。いくつかの実施形態において、ターゲット2203及び2204は更に加熱を放散すべく、回転アノードとして取り付けられ得る。ターゲット2203及び2204の回転は、同期してもよく、独立して制御されてもよい。   As described above, targets 2203 and 2204 can be securely attached to structures in the vacuum chamber or can be attached so that their positions can be changed. In some embodiments, targets 2203 and 2204 can be mounted as rotating anodes to further dissipate heat. The rotation of targets 2203 and 2204 may be synchronized or controlled independently.

上述されたように、コーティング2231、2232、及び、2241、2242の厚みは、予想電子エネルギー及び侵入深さ又は材料のCSDA推定値に基づいて選択され得る。例示されたように、面法線に対して斜めに衝撃が生じる場合、入射角はコーティング厚の選択にも影響を与え得る。電子ビーム1231、1232、及び、1241、1242に対するターゲット2203及び2204の傾きは約45°に示されているが、X線が放出されることを可能にする0°から90°までの任意の角度が用いられ得る。   As described above, the thickness of the coatings 2231, 2232, and 2241, 2242 can be selected based on expected electron energy and penetration depth or CSDA estimate of the material. As illustrated, the incidence angle can also affect the choice of coating thickness if the impact occurs at an angle to the surface normal. The tilt of the targets 2203 and 2204 relative to the electron beams 1231, 1232, and 1241, 1242 is shown at about 45 °, but any angle from 0 ° to 90 ° that allows X-rays to be emitted. Can be used.

4つのX線発生表面を有する2つのターゲットのみが図35に例示されているが、X線発生材料でコーティングされた複数の表面を有する任意の数のターゲットを伴った複数の実施形態が、同じ様式で用いられ、それぞれのターゲットは、独立して制御された電子ビームで片面又は両面に衝撃を与えられ得る。さらに、様々なターゲット用のコーティングは、異なるX線材料になるように選択され得る。例えば、上流側のコーティング2241及び2242は、銀(Ag)又はパラジウム(PD)などの材料になるように選択され得て、下流側のコーティング2231及び2232は、上流側のターゲットから発生した特性X線に対してより高い透過率を有するロジウム(Rh)になるように選択され得る。これにより、複数の要素からの複数の特性線を有する、混合X線スペクトルが提供され得る。さらに、様々な電子ビーム電流及び密度を調節することによって、調整可能なX線の混合が実現され得る。   Although only two targets with four x-ray generating surfaces are illustrated in FIG. 35, multiple embodiments with any number of targets having multiple surfaces coated with x-ray generating material are the same. Used in a manner, each target can be impacted on one or both sides with an independently controlled electron beam. Further, the coatings for various targets can be selected to be different x-ray materials. For example, the upstream coatings 2241 and 2242 may be selected to be a material such as silver (Ag) or palladium (PD), and the downstream coatings 2231 and 2232 may be characteristic X generated from the upstream target. It can be selected to be rhodium (Rh), which has a higher transmission for the line. This can provide a mixed X-ray spectrum with multiple characteristic lines from multiple elements. Furthermore, adjustable x-ray mixing can be achieved by adjusting various electron beam currents and densities.

同様に、コーティング自体は一様な材料である必要はないが、複数の特性X線の混合を生成するように設計された、様々なX線発生物質の合金であってもよい。   Similarly, the coating itself need not be a uniform material, but may be an alloy of various x-ray generators designed to produce a mixture of characteristic x-rays.

4.3.埋め込構造を有する2つの面のターゲット
図36は別の実施形態を示しており、ここでターゲットは、薄いコーティングの代わりに、基板に埋め込まれたX線発生材料の複数の微細構造を有している。
4.3. FIG. 36 shows another embodiment, where the target has multiple microstructures of x-ray generating material embedded in a substrate instead of a thin coating. ing.

2つのターゲット2301及び2302が示され(図32及び図33に例示されるなどの単一ターゲットもこの様式で構成され得るが)、それぞれは4つの微細構造であるX線発生材料2311、2312、2313、2314、及び、2321、2322、2323、2324をそれぞれ有し、基板2310、2320のそれぞれの面にそれぞれ埋め込まれている。電子ビーム1281、1282、1283及び1284は、ターゲット2301、2302の上に方向付けられ、スクリーン84−Bの開口部840−Bと位置合わせされたときに、同じソースから生じたように見えるビーム882を形成するX線を生成する。   Two targets 2301 and 2302 are shown (although a single target such as illustrated in FIGS. 32 and 33 may also be configured in this manner), each of four microstructures of X-ray generating material 2311, 2312, 2313, 2314, and 2321, 2322, 2323, and 2324, which are embedded in the surfaces of the substrates 2310 and 2320, respectively. The electron beams 1281, 1282, 1283, and 1284 are directed over the targets 2301, 2302 and appear to originate from the same source when aligned with the openings 840-B in the screen 84-B. X-rays are generated.

上述されたように、この実施形態用の複数の埋め込み微細構造は、所望のスペクトル出力を実現すべく、異なる複数のX線発生材料を有し得るか、又は、複数のX線発生材料の合金又は混合物を有し得る。   As described above, the embedded microstructures for this embodiment may have different X-ray generating materials or alloys of X-ray generating materials to achieve the desired spectral output. Or it can have a mixture.

4.4.傾斜表面上の複数の位置
ターゲット2400が分散電子ビーム2411と位置合わせされている、別の実施形態が図37A〜図37Cに例示されている。この実施形態では、電子ビーム2411は、基板2410上に形成されたX線発生材料のコーティング2408の上の複数のスポットに焦点が合わされている。電子ビーム2411は、複数のスポットが位置合わせされた列に形成され、列に沿った(角度0°での)これらのX線放出2488が、単一の発生源から生じているように見えるように、調節され得る。
4.4. Another embodiment in which a plurality of position targets 2400 on an inclined surface is aligned with the distributed electron beam 2411 is illustrated in FIGS. 37A-37C. In this embodiment, the electron beam 2411 is focused on a plurality of spots on the coating 2408 of x-ray generating material formed on the substrate 2410. The electron beam 2411 is formed in a row in which multiple spots are aligned so that these x-ray emissions 2488 along the row (at an angle of 0 °) appear to originate from a single source. Can be adjusted.

この実施形態の変形例が図38A〜図38Cに例示されている。この実施形態のターゲット2401では、コーティングの代わりに、X線発生材料の微細構造2481、2482、2483が基板2410に埋め込まれている。分散電子ビーム2411は、これらの微細構造に衝撃を与え、やはり単一の発生源から生じているように見えるX線2488を発生させる。   Variations of this embodiment are illustrated in FIGS. 38A-38C. In the target 2401 of this embodiment, the microstructures 2481, 2482, and 2483 of the X-ray generating material are embedded in the substrate 2410 instead of the coating. Dispersed electron beam 2411 impacts these microstructures and generates x-rays 2488 that also appear to originate from a single source.

5.付加的なX線レンズを用いたX線集中
ここまでに説明された複数の実施形態では、複数の発生源からの複数のX線放出が、それらを特定の角度から見たときに、それらが重なり合っているように見えるように、従って単に単一のより明るいX線ソースであるように見えるように、単に位置合わせされている。
5. X-Ray Concentration Using Additional X-Ray Lenses In the embodiments described so far, multiple X-ray emissions from multiple sources are generated when they are viewed from a particular angle. It is simply aligned so that it appears to overlap, and thus just appears to be a single brighter x-ray source.

しかしながら、X線放出は概して等方性であり、従って、小さい視野角しか持たない開口部が用いられる場合、大部分のX線エネルギーは失われる。   However, x-ray emission is generally isotropic and therefore, if an aperture with only a small viewing angle is used, most of the x-ray energy is lost.

これは、他の角度で複数の発生源から放出されるその他のX線を、複数のX線光学要素を用いて収集することによって対処され得る。グレージング角ミラー、多層コーティングを有するミラー、又はより複雑なウォルタレンズやキャピラリレンズなど、従来のX線用の複数の光学要素が用いられ得る。   This can be addressed by collecting other x-rays emitted from multiple sources at other angles using multiple x-ray optical elements. A plurality of conventional optical elements for X-rays can be used, such as glazing angle mirrors, mirrors with multilayer coatings, or more complex Walter and capillary lenses.

概して、ターゲットとレンズとの間の関係は、製造時に確立されている。レンズは、光学製造の当業者によく知られているなどの位置合わせの手順を用いて、真空中で使用するために設計された特定のマウント又はエポキシのどちらか一方で、所定の位置に固定され得る。前に説明されたように、最終的な位置合わせは、X線検出器を出力開口部に配置して、最大X線強度を実現すべく、様々な電子ビームの焦点及び位置を調節することによって実現され得る。最終的な調節は、X線を用いる複数の光学要素の位置合わせに対しても成され得る。検出器は、電子ビームコントローラにフィードバックを提供するのにも用いられ得ることが、留意されるべきである。例えば、検出器はスペクトル出力の測定値を提供し、それは次に特定の特性線を発生させる電子ビームにその出力を増加させるか又は減少させるように指示するのに用いられ得る。   In general, the relationship between the target and the lens is established at the time of manufacture. The lens is fixed in place with either a specific mount or epoxy designed for use in vacuum, using alignment procedures such as are well known to those skilled in optical manufacturing. Can be done. As previously described, final alignment is achieved by placing an x-ray detector at the output aperture and adjusting the focus and position of the various electron beams to achieve maximum x-ray intensity. Can be realized. Final adjustments can also be made for alignment of multiple optical elements using X-rays. It should be noted that the detector can also be used to provide feedback to the electron beam controller. For example, the detector provides a measurement of the spectral output that can then be used to instruct the electron beam that generates a particular characteristic line to increase or decrease its output.

すべてのターゲットが、同じ入射角の電子で照射される必要があるとは限らないことも、留意されるべきである。複数のX線放出材料を有する構成では、材料によっては異なる侵入深さを有し得る。従って、異なる入射角の電子で衝撃を与えることは、その特定のターゲットのX線発生に、より効率的であり得る。また、以前の複数の実施形態で説明されたように、異なる電子密度、エネルギー、角度、焦点調節の状態などが、異なるターゲットに用いられ得る。   It should also be noted that not all targets need to be illuminated with electrons of the same angle of incidence. In configurations having multiple x-ray emitting materials, different materials may have different penetration depths. Thus, bombarding with electrons of different angles of incidence can be more efficient for generating X-rays for that particular target. Also, as described in previous embodiments, different electron densities, energies, angles, focus states, etc. can be used for different targets.

放出はすべてのターゲットから等方的に生じ、収集及び焦点に集める複数のX線レンズは、両方向に伝搬するX線に作用することが、留意されるべきである。従って、複数のターゲットのつながりの反対端に配置された検出器は、較正及びX線システムの全体の出力のモニタとして働き得る。   It should be noted that the emission occurs isotropically from all targets and that multiple x-ray lenses that collect and focus on the x-rays act on x-rays that propagate in both directions. Thus, a detector placed at the opposite end of the multiple target chain can serve as a monitor for the calibration and the overall output of the x-ray system.

5.1.一般的な反射レンズ
図39は、位置合わせされた3つのターゲット2801、2802、2803を用いた一実施形態を示しており、それぞれは基板2811、2812、2813に埋め込まれたX線発生材料の微細構造2881、2882、2883を有している。複数のターゲットのそれぞれは、電子ビーム1181、1182、1183によってそれぞれ衝撃を与えられ、X線2818、2828、2838をそれぞれ発生させる。
5.1. General Reflective Lenses FIG. 39 illustrates one embodiment using three aligned targets 2801, 2802, 2803, each of which is a microscopic X-ray generating material embedded in a substrate 2811, 2812, 2813. Structures 2881, 2882, 2883 are included. Each of the plurality of targets is bombarded by electron beams 1181, 1182, and 1183, respectively, and generates X-rays 2818, 2828, and 2838, respectively.

複数のX線放出ターゲットのそれぞれの間に、X線イメージングミラーレンズ2821、2822、2831、2832が配置され、より広い複数の角度に放出されたX線を収集して、それを別のX線ターゲットのX線発生スポットに対応する位置の焦点に再方向付けする。例示されたように、焦点は、隣接ターゲットのX線発生スポットになるように設定されているが、いくつかの実施形態において、すべてのX線ミラーは、X線を同じポイントに、例えば、最後の(一番右の)X線ターゲットの最後のX線発生スポットに焦点を合わせるように設計され得る。   An X-ray imaging mirror lens 2821, 2822, 2831, 2832 is disposed between each of the plurality of X-ray emission targets, and collects X-rays emitted at a plurality of wider angles and is used as another X-ray. Redirect to the focal point at the position corresponding to the target x-ray generation spot. As illustrated, the focus is set to be the X-ray generation spot of the adjacent target, but in some embodiments, all X-ray mirrors have the X-rays at the same point, e.g., last Can be designed to focus on the last x-ray generation spot of the (rightmost) x-ray target.

これらのイメージングミラーレンズ2821、2822、2831、2832は、典型的にガラスで作られた反射面を有する楕円面ミラー、又は高質量密度材料でコーティングされた表面、又は多層コーティングされたX線リフレクタ(典型的にモリブデン(Mo)及びケイ素(Si)の層を用いて作られる)、又はクリスタルレンズ、又はこれらの組み合わせなど、任意の従来のX線イメージング光学要素であってよい。X線レンズ及びそのコーティング用の材料及び構造の選択は、収集され再度焦点に集められるX線のスペクトルに応じて異なり得る。断面として例示されているが、X線レンズ全体又はその一部は、円筒対称性を有し得る。   These imaging mirror lenses 2821, 2822, 2831, 2832 can be ellipsoidal mirrors with reflective surfaces typically made of glass, or surfaces coated with high mass density materials, or multilayer coated X-ray reflectors ( It may be any conventional x-ray imaging optical element, typically made with molybdenum (Mo) and silicon (Si) layers), or a crystal lens, or a combination thereof. The choice of materials and structure for the x-ray lens and its coating can depend on the spectrum of x-rays collected and refocused. Although illustrated as a cross-section, the entire x-ray lens or a portion thereof may have cylindrical symmetry.

この実施形態の変形例が、図40に例示されている。この実施形態において、第1の(上流側の)X線ターゲット2830は、他の箇所で説明されたように、X線発生材料の複数の微細構造2883が埋め込まれた基板2833をここでは備えている。このターゲット2830から放出されたX線2838−Aの強度は、これらの複数の微細構造2883から放出されたX線の直線累積に起因して増加し、前に説明された複数の実施形態においてと同様に、この実施形態においても、より明るい全体のX線ソースに寄与し得る。しかしながら、この実施形態では、電子ビーム1183−Aは、複数の微細構造2883により効果的に衝撃を与えるべく、(例示されたように)図39の実施形態とは異なる入射角、サイズ、形状、及び焦点を有するように調節され得る。   A modification of this embodiment is illustrated in FIG. In this embodiment, the first (upstream) X-ray target 2830 now includes a substrate 2833 embedded with a plurality of microstructures 2883 of X-ray generating material, as described elsewhere. Yes. The intensity of the X-ray 2838-A emitted from the target 2830 increases due to the linear accumulation of the X-rays emitted from the plurality of microstructures 2883, and in the previously described embodiments. Similarly, this embodiment can also contribute to a brighter overall x-ray source. However, in this embodiment, the electron beam 1183 -A has a different incident angle, size, shape, and shape (as illustrated) from the embodiment of FIG. 39 to effectively impact the plurality of microstructures 2883. And can be adjusted to have a focus.

この実施形態の別の変形例が、図41に例示されている。この例示では、左に伝搬する第2のX線ビーム2988−Lも例示されている。この第2のX線ビームは、プレート84−Lの第2の開口部840−Lを通って伝搬し、第2のX線照射ソースとして用いられ得るか、又は検出器4444と共に用いられて、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及び、発散又は収束など、X線ビーム特性のモニタとして働き得る。   Another variation of this embodiment is illustrated in FIG. In this illustration, the second X-ray beam 2988-L propagating to the left is also illustrated. This second X-ray beam propagates through the second opening 840-L of the plate 84-L and can be used as a second X-ray irradiation source or used with the detector 4444, It can serve as a monitor for X-ray beam characteristics such as brightness, brightness, total intensity, flux, energy spectrum, beam profile, and divergence or convergence.

5.2.ウォルタレンズ
本発明の別の実施形態が、図42に例示されている。この実施形態において、1つのターゲットから放出されたX線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素2921及び2931は、現在ではウォルタレンズとして知られる光学要素である。ウォルタレンズは、X線を収集し焦点に集める、入れ子構造のミラーのよく知られたシステムであり、典型的に放物線状及び/又は双曲線状の反射面を、典型的にグレージング角で用いられるそれぞれの要素とともに有している。典型的には、反射面はガラスである。ガラス表面は、高質量密度材料又はX線多層(典型的に、モリブデン(Mo)及びケイ素(Si)の層を用いて作られる)でコーティングされ得る。
5.2. Walter Lens Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. In this embodiment, optical elements 2921 and 2931 that collect X-rays emitted from one target and focus it downstream in focus are optical elements now known as Walter lenses. A Walter lens is a well-known system of nested mirrors that collects and focuses X-rays, typically using parabolic and / or hyperbolic reflective surfaces, typically used at glazing angles, respectively. It has with the element of. Typically, the reflective surface is glass. The glass surface can be coated with a high mass density material or an X-ray multilayer (typically made using molybdenum (Mo) and silicon (Si) layers).

図43A及び図43Bは、水平及び鉛直の両方向に向けて配置された様々な円筒形のレンズを有する、X線用に用いられるウォルタレンズの従来技術の実施形態を示している。上述されたように、これらの光学要素に用いられる材料及びコーティングは、様々なX線発生源から放出されることが予想されるX線のスペクトルに適合するように選択され得る。   43A and 43B show prior art embodiments of Walter lenses used for X-rays with various cylindrical lenses arranged in both horizontal and vertical directions. As mentioned above, the materials and coatings used for these optical elements can be selected to match the spectrum of x-rays expected to be emitted from various x-ray sources.

5.3.キャピラリレンズ
本発明の別の実施形態が、図44に例示されている。この実施形態において、1つのターゲットから放出されたX線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素2941及び2951は、現在ではポリキャピラリレンズとして知られる光学要素である。ポリキャピラリレンズは、X線が細いファイバを通って誘導され、所望位置の別の端に現れるという点において、光ファイバと類似している。しかしながら、全内部反射を用いて反射させる固体のガラス繊維を有する光ファイバと異なり、ポリキャピラリレンズは複数の中空チューブを有し、X線はグレージング角において材料からの外部反射によってチューブへと誘導される。
5.3. Capillary Lens Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. In this embodiment, the optical elements 2941 and 2951 that collect X-rays emitted from one target and focus it downstream in focus are optical elements now known as polycapillary lenses. Polycapillary lenses are similar to optical fibers in that X-rays are guided through a thin fiber and appear at the other end of the desired location. However, unlike optical fibers with solid glass fibers that reflect using total internal reflection, polycapillary lenses have multiple hollow tubes and X-rays are directed into the tube by external reflection from the material at the glazing angle. The

ポリキャピラリレンズは、X線を収集して再方向付けするのによく知られた手段であり、任意の数の従来のポリキャピラリー光学要素が、本明細書で開示された本発明の複数の実施形態において用いられ得る。しかしながら、複数のキャピラリーファイバを有するポリキャピラリレンズは、多くの角度で放出されたX線を収集して、所望される焦点部分に方向付けられ得るように用いられると、概して考えられている。   A polycapillary lens is a well-known means for collecting and redirecting x-rays, and any number of conventional polycapillary optical elements can be used to implement multiple embodiments of the invention disclosed herein. It can be used in form. However, it is generally believed that polycapillary lenses with multiple capillary fibers can be used to collect X-rays emitted at many angles and direct them to the desired focal portion.

5.4.バリエーション
特定のオプションが、反射レンズ、ウォルタレンズ、又はキャピラリレンズを示す複数の例示に示されたが、これらは決して限定することを意味するものではない。図39から図42、及び図44に例示された光学構成は、例えば、図41のミラー2821、2822を置き換えるウォルタレンズ2931と入れ換え可能であり得る。複数の微細構造を有する複数のターゲットがこれらの例示で用いられているが、図33及び図35で例示されたなどの複数の薄膜を有する複数のターゲットが、焦点に集めるこれらのX線レンズと共に用いられ得ることも、留意されるべきである。
5.4. Variations Although specific options have been shown in several examples showing reflective lenses, Walter lenses, or capillary lenses, these are not meant to be limiting in any way. The optical configurations illustrated in FIGS. 39 to 42 and 44 may be interchangeable with, for example, a Walter lens 2931 that replaces the mirrors 2821 and 2822 of FIG. Multiple targets with multiple microstructures are used in these examples, but multiple targets with multiple thin films, such as illustrated in FIGS. 33 and 35, together with these X-ray lenses that focus at the focal point It should also be noted that it can be used.

6.限定及び拡張
本願をもって、発明者らによって意図される最良の形態を含む、本発明の複数の実施形態が開示されている。特定の複数の実施形態が示され得るが、いくつかの実施形態のためにのみ詳細に論じられた複数の要素は、他の複数の実施形態にも適用され得ることが認識されるであろう。
6). Limitations and Extensions With the present application, a number of embodiments of the invention are disclosed, including the best mode contemplated by the inventors. While specific embodiments may be shown, it will be appreciated that elements discussed in detail only for some embodiments may be applied to other embodiments as well. .

特定の複数の材料、複数の設計、複数の構成、及び複数の製造工程が、本発明及び好ましい複数の実施形態を説明すべく示されたが、そのような説明は限定することを意図するものではない。複数の変形例及び複数の変更例は、当業者には明らかであり得て、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載された範囲によってのみ限定されことが意図されている。   While specific materials, designs, configurations, and manufacturing processes have been shown to describe the present invention and preferred embodiments, such descriptions are intended to be limiting. is not. Variations and modifications may be apparent to those skilled in the art, and the invention is intended to be limited only by the scope described in the appended claims.

本明細書で説明されたすべての要素、部材、及び工程が含まれていることが好ましい。当業者には明らかであるように、これらの要素、部材、工程のいずれも、他の複数の要素、複数の部材、複数の工程によって置き換えられ得るか、又は完全に削除され得ることが理解されるべきである。   Preferably, all elements, members, and processes described herein are included. As will be apparent to those skilled in the art, it is understood that any of these elements, members, processes can be replaced by other elements, elements, processes, or eliminated altogether. Should be.

概して、本文書は少なくとも以下のことを開示している。高輝度X線発生用の小型ソース。より高い輝度は、X線の直線累積を実現すべく、互いに位置合わせされた複数の領域の電子ビーム衝撃によって実現される。これは、離散した複数のX線放出器を位置合わせすることによって、又は高熱伝導率の基板と密接に熱的接触をして作られた、X線発生材料の複数の微細構造を有する新規のX線ターゲットの使用によって実現される。これにより、熱がより効率的にX線発生材料から排除されることが可能となり、またこの材料がより高い電子密度及び/又はより高いエネルギーの電子で衝撃を与えられることが可能となるので、より大きいX線輝度がもたらされる。複数の微細構造の配置は、軸上収束角の使用を可能とし、位置合わせされた複数の微細構造からのX線の累積を可能にするので、単一の発生源を有しているように見え、これは「角度0°」のX線放出としても知られている。   In general, this document discloses at least the following: A small source for generating high-intensity X-rays. Higher brightness is achieved by electron beam bombardment of multiple regions aligned with each other to achieve linear accumulation of X-rays. This is a novel with multiple microstructures of X-ray generating material made by aligning discrete X-ray emitters or in close thermal contact with a high thermal conductivity substrate. This is achieved by using an X-ray target. This allows heat to be more efficiently removed from the x-ray generating material and allows the material to be bombarded with higher electron density and / or higher energy electrons, Greater x-ray brightness is provided. The arrangement of multiple microstructures allows the use of on-axis convergence angles and allows the accumulation of x-rays from multiple aligned microstructures, so that it has a single source Visible, also known as “angle 0 °” x-ray emission.

本文書は、少なくとも以下の概念も示している。
(概念1)
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的なウィンドウと、
上記真空チャンバ内の少なくとも1つの電子ビーム放出器と、
少なくとも1つのターゲットであって、
第1の選択材料を有する基板と、
そのX線発生特性のために選択された第2の材料を有する複数の離散構造とを、
有する上記少なくとも1つのターゲットとを、
備え、
上記複数の離散構造のそれぞれは、上記基板と熱的接触をしており、
上記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、10ミクロンより薄い厚みを有し、上記複数の離散構造のうち上記少なくとも1つのそれぞれの横寸法は、50ミクロンより小さい、
X線ソース。
(概念2)
上記複数の離散構造は、上記基板の表面に埋め込まれている、
概念1に記載のX線ソース。
(概念3)
上記複数の離散構造は、上記基板の表面の深さ100ミクロン未満内に埋設されている、
概念1又は2に記載のX線ソース。
(概念4)
上記放出器から上記ターゲット上に放出される電子ビームを方向付ける手段をさらに有する、
概念1から3の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念5)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の電子レンズを有する、
概念4に記載のX線ソース。
(概念6)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の静電レンズを有する、
概念4又は5に記載のX線ソース。
(概念7)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の磁気レンズを有する、
概念4から6の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念8)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、焦点を合わせる、発散させる、焦点をぼかす、走査する、ラスタースキャンをする、一時休止する、見えないようにする、スイープする、ビーム方向を変更する、ビーム強度プロファイルを変更する、複数の電子ビームを形成する、ビーム電流密度を変更する、電子ビーム中の電子の加速を変更するから成る群から選択された操作によって、上記電子ビームの制御を可能とする、
概念4から7の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念9)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、少なくとも1つの大きさにおいて30ミクロンより小さいスポットサイズに上記電子ビームの焦点を合わせることを可能にする、
概念4から8の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念10)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、上記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、上記電子ビームを方向付けることを可能にする、
概念1から9の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念11)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、上記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、上記電子ビームを方向付けることを可能にし、
上記パターンは、放出された上記X線の予め定められた複数の特性をモニタする検出器からの信号に応答して、時間内に適応される、
概念10に記載のX線ソース。
(概念12)
放出された上記X線の予め定められた上記複数の特性は、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及びビーム広がりから成る群から選択される、
概念11に記載のX線ソース。
(概念13)
上記複数の離散構造は、直線配列に配置される、
概念1から12の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念14)
上記複数の離散構造は、類似形状を有するように製造される、
概念1から13の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念15)
上記類似形状は、正角柱、直四角柱、立方体、三角柱、台形柱、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、たる形から成る群から選択される、
概念14に記載のX線ソース。
(概念16)
上記第1の選択材料は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される、
概念1から15の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念17)
上記第2の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念1から16の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念18)
上記複数の離散構造のサブセットは、そのX線発生特性のために選択された第3の材料を有する、
概念1から17の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念19)
上記第3の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念18に記載のX線ソース。
(概念20)
上記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、上記基板の縁部から500ミクロン以内に配置される、
概念1から19の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念21)
上記直線配列は、長軸及び短軸を有するように画定され、上記直線配列の上記長軸は、上記ウィンドウと位置合わせされ、上記長軸と上記ウィンドウの面法線との間の角度は、上記長軸と上記ウィンドウとが交差する部分において、85°よりも小さい、
概念13から20の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念22)
上記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、上記ウィンドウに最も近い上記基板の縁部から500ミクロン以内に配置される、
概念21に記載のX線ソース。
(概念23)
上記ターゲットの上記複数の微細構造は、方向付けられた上記電子ビームにさらされたときに、上記複数の離散構造のうち予め定められた1つによって放出されたX線が、上記複数の離散構造の別のものを透過するように位置合わせされている、
概念4から22の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念24)
上記ターゲットは、方向付けられた上記電子ビームにさらされたときに、上記複数の離散構造のうち予め定められた数の離散構造によって放出されたX線が、上記複数の離散構造から選択された1つの予め定められた離散構造を透過するように、位置合わせされている、
概念21から23の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念25)
冷却システムであって、
冷却流体を保存するための容器と、
上記冷却流体を運ぶための上記基板内の経路と、
上記容器から上記基板内の上記経路に上記流体を運ぶための付加的な経路と、
上記基板内の上記経路から上記容器に上記流体を運ぶための付加的な経路と、
上記システムを通って上記流体をポンプで送り込むポンピング機構とを、
含む上記冷却システムをさらに備える、
概念1から24の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念26)
上記ターゲットを回転させる機構をさらに備える、
概念1から25の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念27)
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第1のウィンドウと、
上記真空チャンバ内の1又は複数の電子放出器と、
複数のX線ターゲットとを、
備え、
それぞれのターゲットは、そのX線発生特性のために選択された材料を有し、
上記材料の少なくとも1つの大きさは20ミクロンより小さく、
上記1又は複数の電子放出器及び上記複数のX線ターゲットは、上記複数のターゲット上の電子の衝撃が複数のX線サブソースを生成するように位置合わせされ、それにより上記複数のサブソースは上記第1のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされている、
X線ソース。
(概念28)
そのX線発生特性のために選択された上記材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念27に記載のX線ソース。
(概念29)
予め定められたX線エネルギースペクトルに対して、上記複数のX線ターゲットのうち少なくとも1つのX線の透過率は、50%より大きい、
概念27又は28に記載のX線ソース。
(概念30)
予め定められた上記X線エネルギースペクトルは、少なくとも1つのX線サブソースの発光スペクトルに対応する、
概念27から29の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念31)
上記複数のターゲットのうち少なくとも1つは、基板をさらに有する、
概念27から30の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念32)
上記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
概念27から31の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念33)
上記X線発生材料は、薄膜の形で上記基板上にある、
概念31又は32に記載のX線ソース。
(概念34)
上記ターゲットは、0.1Wm−1−1より大きい熱伝導率の材料を有する基板に埋め込まれた複数の離散構造を有し、
上記複数の離散構造は、そのX線発生特性のために選択された材料を有する、
概念27から30の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念35)
複数のX線サブソースを形成すべく、上記ターゲット上の1又は複数の位置に、上記複数の電子放出器のうち少なくとも1つからの電子ビームを方向付けるための手段をさらに備える、
概念34に記載のX線ソース。
(概念36)
電子ビームを方向付けるための上記手段は、複数の電子レンズを備える、
概念35に記載のX線ソース。
(概念37)
複数の上記ターゲットへの上記複数の電子ビームの上記衝撃によって生成された複数のX線サブソースすべての中央部が、上記第1のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされるように、上記複数の電子ビームのそれぞれを位置合わせする手段をさらに備える、
概念34から36の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念38)
少なくとも2つの隣接するX線サブソースが、共通の基板を共有する、
概念27から37の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念39)
X線光学要素をさらに備え、
上記光学要素は、サブソースによって放出されたX線が、上記光学要素によって、隣接するX線サブソースの上に方向付けられるように配置される、
概念27から38の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念40)
上記X線光学要素は、斜入射X線リフレクタを有する、
概念39に記載のX線ソース。
(概念41)
上記X線光学要素は、多層コーティングを有するX線リフレクタを有する、
概念40に記載のX線ソース。
(概念42)
上記X線光学要素は、20ミクロンを超える厚みがあり、かつ高質量密度の材料を含むコーティングがされたX線リフレクタを有する、
概念40に記載のX線ソース。
(概念43)
上記X線光学要素はウォルタレンズを有する、
概念39に記載のX線ソース。
(概念44)
上記X線光学要素はポリキャピラリレンズを有する、
概念39に記載のX線ソース。
(概念45)
上記X線光学要素は、複数の焦点が2つの隣接するサブソースの中央に対応するように配置された、楕円体のキャピラリレンズを有する、
概念39に記載のX線ソース。
(概念46)
X線光学要素をさらに備え、
上記光学要素は、サブソースによって放出されたX線が上記光学要素に入り、上記真空チャンバ内の予め定められた位置の上に方向付けられるように配置される、
概念39に記載のX線ソース。
(概念47)
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第2のウィンドウをさらに備え、
上記複数のサブソースは、上記第1のウィンドウ及び上記第2のウィンドウの両方を通過する線に沿って、位置合わせされている、
概念27から46の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念48)
X線検出器をさらに備え、
上記検出器は、上記複数のサブソースのうち少なくとも1つによって放出された上記X線が上記検出器に当たるように、位置合わせされている、
概念47に記載のX線ソース。
(概念49)
真空チャンバと、
上記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第1のウィンドウと、
上記真空チャンバ内の第1の電子ビーム放出器と、
第2の電子ビーム放出器と、
ターゲットであって、
基板と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第1の構造と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第2の構造とを、
有するターゲットとを、
備える、
X線ソース。
(概念50)
複数の対の電子ビーム放出器と、
複数のターゲットであって、
基板と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第1の構造と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第2の構造とを、
有する複数のターゲットとを、
さらに備える、
概念49に記載のX線ソース。
(概念51)
上記第1の構造の上記材料と、上記第2の構造の上記材料とは、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
概念49又は50に記載のX線ソース。
(概念52)
上記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
概念49から51の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念53)
上記複数の構造のうち少なくとも1つは、上記基板の表面上の薄膜コーティングである、
概念49から52の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念54)
上記第1の構造及び上記第2の構造は、両方とも上記基板の両面(opposite surfaces)上の薄膜コーティングである、
概念49から53の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念55)
上記複数の構造のうち少なくとも1つは、1又は複数の微細構造を有する、
概念49から54の何れか1つに記載のX線ソース。
(概念56)
上記1又は複数の微細構造は上記基板に埋め込まれている、
概念55に記載のX線ソース。
(概念57)
1又は複数の微細構造は、他の複数の微細構造のうち少なくとも1つに対し、上記基板の反対側の面に埋め込まれている、
概念56に記載のX線ソース。
(概念58)
上記第1の電子放出器及び上記第2の電子放出器は、上記ターゲットの両面に複数の電子ビームで衝撃を与えるべく位置合わせされている、
概念49に記載のX線ソース。
(概念59)
X線を発生させる方法であって、
少なくとも1つのターゲットを、複数の離散構造に当たるよう形成された電子ビームにさらす段階を備え、
上記少なくとも1つのターゲットは、
第1の選択材料を有する基板と、
そのX線発生特性のために選択された第2の材料を有する上記複数の離散構造とを、
有し、
上記複数の離散構造のそれぞれは、上記基板と熱的接触をしており、
上記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、10ミクロンより薄い厚みを有し、
上記複数の離散構造のうち上記少なくとも1つのそれぞれの横寸法は、50ミクロンより小さい、
方法。
(概念60)
X線を発生させる方法であって、
単一の真空チャンバ内に含まれたX線発生材料を有する複数のターゲットを、複数の電子ビームを用いてさらす段階を備え、
上記複数の電子ビームの位置は、上記複数のターゲットから放出され、また予め定められた開口部も通過する上記X線の強度を増加させるように調節されている、
方法。
[付録A]
X線発生のための構造化ターゲット
This document also demonstrates at least the following concepts:
(Concept 1)
A vacuum chamber;
An X-ray transmissive window attached to the wall of the vacuum chamber;
At least one electron beam emitter in the vacuum chamber;
At least one target,
A substrate having a first selected material;
A plurality of discrete structures having a second material selected for its X-ray generation characteristics;
Said at least one target having
Prepared,
Each of the plurality of discrete structures is in thermal contact with the substrate,
At least one of the plurality of discrete structures has a thickness of less than 10 microns, and the lateral dimension of each of the at least one of the plurality of discrete structures is less than 50 microns;
X-ray source.
(Concept 2)
The plurality of discrete structures are embedded in the surface of the substrate.
X-ray source described in Concept 1.
(Concept 3)
The plurality of discrete structures are embedded within a depth of less than 100 microns on the surface of the substrate;
X-ray source according to concept 1 or 2.
(Concept 4)
Means for directing an electron beam emitted from the emitter onto the target;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 3.
(Concept 5)
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electron lenses;
X-ray source according to concept 4.
(Concept 6)
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electrostatic lenses;
X-ray source according to concept 4 or 5.
(Concept 7)
The means for directing the electron beam comprises a plurality of magnetic lenses;
X-ray source according to any one of concepts 4 to 6.
(Concept 8)
The above means for directing the electron beam include focusing, diverging, defocusing, scanning, raster scanning, pausing, hiding, sweeping, changing beam direction, beam Allows control of the electron beam by an operation selected from the group consisting of changing the intensity profile, forming multiple electron beams, changing the beam current density, and changing the acceleration of electrons in the electron beam. ,
X-ray source according to any one of concepts 4 to 7.
(Concept 9)
The means for directing the electron beam makes it possible to focus the electron beam on a spot size smaller than 30 microns in at least one dimension;
X-ray source according to any one of concepts 4 to 8.
(Concept 10)
The means for directing the electron beam enables directing the electron beam in a pattern corresponding to a position of at least a portion of the plurality of discrete structures;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 9.
(Concept 11)
The means for directing the electron beam enables directing the electron beam in a pattern corresponding to a position of at least a portion of the plurality of discrete structures;
The pattern is adapted in time in response to signals from a detector that monitors a plurality of predetermined characteristics of the emitted x-ray.
The X-ray source according to Concept 10.
(Concept 12)
The predetermined characteristics of the emitted X-ray are selected from the group consisting of brightness, brightness, total intensity, flux, energy spectrum, beam profile, and beam spread;
X-ray source according to concept 11.
(Concept 13)
The plurality of discrete structures are arranged in a linear array,
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 12.
(Concept 14)
The plurality of discrete structures are manufactured to have similar shapes,
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 13.
(Concept 15)
The similar shape is selected from the group consisting of a regular prism, a rectangular prism, a cube, a triangular prism, a trapezoidal pillar, a pyramid, a tetrahedron, a cylinder, a sphere, an egg, and a barrel.
X-ray source according to concept 14.
(Concept 16)
The first selection material is selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon.
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 15.
(Concept 17)
The second material is aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum Selected from the group consisting of tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 16.
(Concept 18)
A subset of the plurality of discrete structures has a third material selected for its x-ray generation characteristics;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 17.
(Concept 19)
The third material is aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum Selected from the group consisting of tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
An X-ray source as described in Concept 18.
(Concept 20)
At least one of the plurality of discrete structures is disposed within 500 microns from an edge of the substrate;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 19.
(Concept 21)
The linear array is defined to have a major axis and a minor axis, the major axis of the linear array is aligned with the window, and the angle between the major axis and the surface normal of the window is Smaller than 85 ° at the intersection of the long axis and the window,
X-ray source according to any one of concepts 13 to 20.
(Concept 22)
At least one of the plurality of discrete structures is disposed within 500 microns from an edge of the substrate closest to the window;
X-ray source according to concept 21.
(Concept 23)
When the plurality of microstructures of the target are exposed to the directed electron beam, X-rays emitted by a predetermined one of the plurality of discrete structures are converted into the plurality of discrete structures. Aligned to penetrate another
X-ray source according to any one of concepts 4 to 22.
(Concept 24)
When the target is exposed to the directed electron beam, X-rays emitted by a predetermined number of discrete structures of the plurality of discrete structures are selected from the plurality of discrete structures. Aligned to penetrate one predetermined discrete structure;
The X-ray source according to any one of concepts 21 to 23.
(Concept 25)
A cooling system,
A container for storing the cooling fluid;
A path in the substrate for carrying the cooling fluid;
An additional path for transporting the fluid from the container to the path in the substrate;
An additional path for carrying the fluid from the path in the substrate to the container;
A pumping mechanism for pumping the fluid through the system;
Further comprising the cooling system comprising:
25. X-ray source according to any one of concepts 1 to 24.
(Concept 26)
A mechanism for rotating the target;
The X-ray source according to any one of concepts 1 to 25.
(Concept 27)
A vacuum chamber;
A first window transparent to X-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
One or more electron emitters in the vacuum chamber;
Multiple X-ray targets
Prepared,
Each target has a material selected for its x-ray generation characteristics,
At least one size of the material is less than 20 microns,
The one or more electron emitters and the plurality of X-ray targets are aligned such that an electron impact on the plurality of targets generates a plurality of X-ray sub-sources, whereby the plurality of sub-sources are Aligned along an axis passing through the first window;
X-ray source.
(Concept 28)
The materials selected for their X-ray generation properties are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium Selected from the group consisting of silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
X-ray source according to concept 27.
(Concept 29)
For a predetermined X-ray energy spectrum, the transmittance of at least one of the plurality of X-ray targets is greater than 50%.
X-ray source according to concept 27 or 28.
(Concept 30)
The predetermined X-ray energy spectrum corresponds to an emission spectrum of at least one X-ray sub-source;
An X-ray source according to any one of concepts 27 to 29.
(Concept 31)
At least one of the plurality of targets further includes a substrate,
X-ray source according to any one of concepts 27 to 30.
(Concept 32)
The substrate has a material selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon.
32. An X-ray source according to any one of concepts 27 to 31.
(Concept 33)
The X-ray generating material is on the substrate in the form of a thin film;
X-ray source according to concept 31 or 32.
(Concept 34)
The target has a plurality of discrete structures embedded in a substrate having a material with a thermal conductivity greater than 0.1 Wm −1 ° C −1 ,
The plurality of discrete structures have materials selected for their X-ray generation characteristics.
X-ray source according to any one of concepts 27 to 30.
(Concept 35)
Means for directing an electron beam from at least one of the plurality of electron emitters to one or more locations on the target to form a plurality of X-ray sub-sources;
X-ray source according to concept 34.
(Concept 36)
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electron lenses;
X-ray source according to concept 35.
(Concept 37)
The central portion of all of the plurality of X-ray sub-sources generated by the impact of the plurality of electron beams to the plurality of targets is aligned along an axis passing through the first window. Means for aligning each of the plurality of electron beams;
37. An x-ray source according to any one of concepts 34 to 36.
(Concept 38)
At least two adjacent X-ray sub-sources share a common substrate;
38. X-ray source according to any one of concepts 27 to 37.
(Concept 39)
Further comprising an X-ray optical element;
The optical element is arranged such that X-rays emitted by a sub-source are directed by the optical element onto an adjacent X-ray sub-source.
X-ray source according to any one of concepts 27 to 38.
(Concept 40)
The X-ray optical element has a grazing incidence X-ray reflector,
X-ray source according to concept 39.
(Concept 41)
The X-ray optical element has an X-ray reflector with a multilayer coating;
X-ray source according to concept 40.
(Concept 42)
The x-ray optical element has a coated x-ray reflector having a thickness greater than 20 microns and comprising a high mass density material;
X-ray source according to concept 40.
(Concept 43)
The X-ray optical element has a Walter lens;
X-ray source according to concept 39.
(Concept 44)
The X-ray optical element has a polycapillary lens;
X-ray source according to concept 39.
(Concept 45)
The X-ray optical element has an elliptical capillary lens arranged such that a plurality of focal points correspond to the center of two adjacent sub-sources.
X-ray source according to concept 39.
(Concept 46)
Further comprising an X-ray optical element;
The optical element is arranged such that X-rays emitted by a sub-source enter the optical element and are directed over a predetermined position in the vacuum chamber.
X-ray source according to concept 39.
(Concept 47)
A second window transparent to x-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
The plurality of sub-sources are aligned along a line passing through both the first window and the second window;
47. An X-ray source according to any one of concepts 27 to 46.
(Concept 48)
Further comprising an X-ray detector;
The detector is aligned such that the x-ray emitted by at least one of the plurality of sub-sources strikes the detector;
An x-ray source according to concept 47.
(Concept 49)
A vacuum chamber;
A first window transparent to X-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
A first electron beam emitter in the vacuum chamber;
A second electron beam emitter;
A target,
A substrate,
A first structure having a material selected for its X-ray generation characteristics;
A second structure having a material selected for its X-ray generation properties;
Having a target,
Prepare
X-ray source.
(Concept 50)
Multiple pairs of electron beam emitters;
Multiple targets,
A substrate,
A first structure having a material selected for its X-ray generation characteristics;
A second structure having a material selected for its X-ray generation properties;
Having a plurality of targets,
In addition,
An x-ray source according to concept 49.
(Concept 51)
The material of the first structure and the material of the second structure are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium. Selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
X-ray source according to concept 49 or 50.
(Concept 52)
The substrate has a material selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon.
The X-ray source according to any one of concepts 49 to 51.
(Concept 53)
At least one of the plurality of structures is a thin film coating on a surface of the substrate;
53. An x-ray source according to any one of concepts 49 to 52.
(Concept 54)
The first structure and the second structure are both thin film coatings on both sides of the substrate.
An X-ray source according to any one of concepts 49 to 53.
(Concept 55)
At least one of the plurality of structures has one or more microstructures.
An x-ray source according to any one of concepts 49 to 54.
(Concept 56)
The one or more microstructures are embedded in the substrate;
An x-ray source according to concept 55.
(Concept 57)
One or more microstructures are embedded in an opposite surface of the substrate with respect to at least one of the other microstructures;
An x-ray source according to concept 56.
(Concept 58)
The first electron emitter and the second electron emitter are aligned to impact each of the surfaces of the target with a plurality of electron beams;
An x-ray source according to concept 49.
(Concept 59)
A method for generating X-rays,
Exposing at least one target to an electron beam formed to strike a plurality of discrete structures;
The at least one target is
A substrate having a first selected material;
A plurality of discrete structures having a second material selected for its X-ray generation characteristics;
Have
Each of the plurality of discrete structures is in thermal contact with the substrate,
At least one of the plurality of discrete structures has a thickness of less than 10 microns;
A lateral dimension of each of the at least one of the plurality of discrete structures is less than 50 microns;
Method.
(Concept 60)
A method for generating X-rays,
Exposing a plurality of targets having x-ray generating material contained within a single vacuum chamber with a plurality of electron beams;
The positions of the plurality of electron beams are adjusted to increase the intensity of the X-rays emitted from the plurality of targets and also passing through a predetermined opening.
Method.
[Appendix A]
Structured target for X-ray generation

付録図の13は、規則的配列構造に配置されたX線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造700の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1001を示している。付録図の13Aは、この実施形態の16個の微細構造700の斜視図を示し、付録図の13Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の13Cは同じ領域の側面/断面図を示している。(本開示の「側面/断面図」という用語に対して、意味する図は、物体の断面を作成し、次に横から断面の表面を見たような図である。この図は、断面部分の詳細、及び、基板自体が透明であると仮定した場合に(ダイヤモンドの場合には、概して可視光に当てはまる)、横から見られ得る材料のさらに内部の両方を示している)。   Appendix diagram 13 shows a region 1001 of a target according to one embodiment of the present invention having an array of microstructures 700 in the form of rectangular prisms containing X-ray generating material arranged in a regular array structure. . 13A of the appendix diagram shows a perspective view of 16 microstructures 700 of this embodiment, 13B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 13C of the appendix diagram shows a side / sectional view of the same region. Yes. (For the term “side / sectional view” of the present disclosure, the meaning figure is a view of creating a cross-section of an object and then looking at the surface of the cross-section from the side. And both the interior of the material that can be seen from the side, assuming that the substrate itself is transparent (in the case of diamonds, generally true for visible light).

この実施形態において、複数の微細構造は6つの面のうち5つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造700の上面は基板の表面と同一平面を成すが、微細構造が凹所にある他の複数の実施形態が製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他の複数の実施形態が製造されてもよい。   In this embodiment, the plurality of microstructures are fabricated to be in intimate thermal contact with the substrate on five of the six surfaces. As illustrated, the top surfaces of the plurality of microstructures 700 are coplanar with the surface of the substrate, but other embodiments in which the microstructures are recessed may be fabricated, and the plurality of microstructures may be formed on the substrate. Other embodiments may be manufactured that exhibit local “bumps” to the surface of the substrate.

別の実施形態は、基板の表面上に単に堆積された複数の直四角柱の微細構造を有し得る。この場合、角柱の底面だけが、基板と熱的接触をし得る。 付録図の13Cに示されたような側面/断面図で、深さD、並びに基板平面における横寸法W及びLを有して基板に埋め込まれた複数の微細構造を有する構造の場合、埋め込み微細構造と堆積微細構造との、基板と接触する総表面積の比は次の式で表される。
W及びLに対してDの値が小さい場合、比は実質的に1になる。厚みが大きくなると比も大きくなり、等しい5つの面が熱的接触をする立方体(D=W=L)では、比は5である。質量密度及び熱伝導率に関して基板と類似の特性を有する材料のキャップ層が用いられる場合、比は6まで増加し得る。
Another embodiment may have a plurality of rectangular prism microstructures simply deposited on the surface of the substrate. In this case, only the bottom surface of the prism can be in thermal contact with the substrate. In the case of a structure having a plurality of microstructures embedded in a substrate having a depth D and lateral dimensions W and L in the substrate plane in the side / cross-sectional view as shown in Appendix C of 13C The ratio of the total surface area in contact with the substrate between the structure and the deposited microstructure is given by:
If the value of D is small relative to W and L, the ratio is substantially 1. As the thickness increases, the ratio increases, and in a cube where five equal surfaces are in thermal contact (D = W = L), the ratio is five. If a cap layer of material having similar properties to the substrate with respect to mass density and thermal conductivity is used, the ratio can increase to 6.

熱伝導は付録図の14Aに代表的な矢印で例示されており、その中で、基板1000に埋め込まれた複数の微細構造700で発生した熱は、底面及び複数の側面を通って複数の微細構造700から外へ伝えられる(図面の面外方向へ複数の側面を通って伝達する矢印は示されていない)。 面積A、厚みdの材料を通って伝達される単位時間当たりの伝導熱量(ΔQ)は、次の式で与えられる。
ここでkは熱伝導率(W/(m℃))、ΔTは厚みdの全体にわたる温度の差異(℃)である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔTの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
The heat conduction is illustrated by a typical arrow in 14A of the appendix diagram, in which the heat generated in the plurality of microstructures 700 embedded in the substrate 1000 is transmitted through the bottom surface and the plurality of side surfaces. Transmitted out of structure 700 (arrows transmitting through the sides in the out-of-plane direction of the drawing are not shown). The amount of heat conduction (ΔQ) per unit time transmitted through the material of area A and thickness d is given by the following equation.
Here, k is the thermal conductivity (W / (m ° C.)), and ΔT is the temperature difference (° C.) over the entire thickness d. Thus, an increase in surface area, a decrease in thickness, and an increase in ΔT all lead to a proportional increase in heat conduction.

別の実施形態が付録図の14Bに例示されており、ここで基板は冷却経路1200を付加的有し得る。そのような冷却経路は、上述されたように、基板から熱を奪うための水又は別の冷却流体を用いた従来技術の冷却経路であってよく、又は埋め込み微細構造700の近くの領域から熱を最もよく除去するように適応された設計に従って製造されてもよい。   Another embodiment is illustrated in appendix 14B, where the substrate may additionally have a cooling path 1200. Such a cooling path may be a prior art cooling path using water or another cooling fluid to remove heat from the substrate, as described above, or heat from an area near the embedded microstructure 700. May be manufactured according to a design adapted to best remove.

別の複数の実施形態は当業者によって理解され得るか、又は考案され得て、そこで、例えば基板は熱の伝達を向上させるために銅ブロックなどのヒートシンクに結合され得る。次に銅ブロックもその中に、ブロックから熱を奪うのに役立つ複数の冷却経路を有し得る。代替的に、基板は熱電冷却器に取り付けられ得て、電圧がその中の特別に作成された半導体デバイスに印可される。これらのデバイスにおいて、電流の流れは、一方に冷却、他方に加熱を生じさせる。ペルチェ冷却器などの市販のデバイスは、デバイス全体にわたって最大70℃の温度差を発生させることが可能であるが、熱源から大量の熱を除去する全体の能力には限界があり得る。   Alternative embodiments can be understood or devised by those skilled in the art, where, for example, the substrate can be coupled to a heat sink, such as a copper block, to improve heat transfer. The copper block may then have a plurality of cooling paths therein that help to remove heat from the block. Alternatively, the substrate can be attached to a thermoelectric cooler, and a voltage is applied to a specially created semiconductor device therein. In these devices, the current flow causes cooling on one side and heating on the other. Commercial devices such as Peltier coolers can generate temperature differences of up to 70 ° C. throughout the device, but the overall ability to remove large amounts of heat from a heat source can be limited.

代替的に、基板は、液体窒素が流れる経路を有するブロックなどの極低温冷却器に取り付けられるか、又は、液体窒素の容器又は別の極低温基板と熱的接触をして、より強い冷却を供給され得る。基板が、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素などの材料を有するとき、熱伝導率は概して、室温から温度が減少するとともに増大する。そのような場合において、これらのより低い温度の冷却に耐え得るように、ターゲットを設計することが好ましいことがある。   Alternatively, the substrate is attached to a cryocooler, such as a block with a path through which liquid nitrogen flows, or in thermal contact with a liquid nitrogen container or another cryogenic substrate for stronger cooling. Can be supplied. When the substrate comprises a material such as diamond, sapphire, silicon, or silicon carbide, the thermal conductivity generally increases with decreasing temperature from room temperature. In such cases, it may be preferable to design the target to withstand these cooler temperatures.

付録図の15は別の実施形態を示しており、複数の微細構造700を形成するX線発生材料を埋め込む前に、基板1000に形成された複数のキャビティが、(好ましくは最小の厚みの)密着層715で最初にコーティングされている。そのような密着層は、X線材料と基板材料との間の結合が弱いような場合に適切であり得る。密着層は、2つの材料の熱膨張係数の差異が大きいときに、バッファ層としても働き得る。いくつかの材料の選択では、材料が複数の微細構造から基板材料へ(又はその逆に)拡散するのを防止すべく、密着層が拡散バリア層に置き換えられ得るか、又は(別の層を加えることによって)拡大され得る。密着層及び/又は拡散バリア層が用いられる複数の実施形態では、複数の微細構造700から基板1000への熱の流れが密着層715の存在によって著しく妨げられたり絶縁されたりしないように、材料及び厚みの選択は層の熱特性も考慮すべきである。   Appendix diagram 15 illustrates another embodiment in which a plurality of cavities formed in the substrate 1000 are (preferably of a minimum thickness) prior to embedding the X-ray generating material that forms the plurality of microstructures 700. It is first coated with an adhesion layer 715. Such an adhesion layer may be appropriate when the bond between the X-ray material and the substrate material is weak. The adhesion layer can also serve as a buffer layer when the difference in thermal expansion coefficient between the two materials is large. In some material choices, the adhesion layer can be replaced with a diffusion barrier layer to prevent the material from diffusing from multiple microstructures into the substrate material (or vice versa), or (another layer can be Can be enlarged). In embodiments where an adhesion layer and / or a diffusion barrier layer are used, the materials and materials are such that the heat flow from the plurality of microstructures 700 to the substrate 1000 is not significantly hindered or insulated by the presence of the adhesion layer 715. The choice of thickness should also take into account the thermal properties of the layer.

付録図の16は、導電層725がターゲットの表面に付加された別の実施形態を示している。電子による衝撃が与えられると、余分な電荷は、アノードとして効果的に機能するターゲットの接地に戻るための経路を必要とする。付録図の13に例示されたようなターゲットが、離散した接続されていない複数の微細構造700を、電気的に絶縁された基板材料(ドープされていないダイヤモンドなど)内に有し、継続した電子衝撃下にあった場合、大きな電荷が表面に蓄積され得る。さらにカソードからの電子は、同じエネルギーを持つターゲットと衝突しないか、又は反発すらして、X線の発生を減少させ得る。   Appendix diagram 16 shows another embodiment in which a conductive layer 725 is added to the surface of the target. When bombarded with electrons, the extra charge requires a path to return to the ground of the target that effectively functions as the anode. A target such as that illustrated in appendix 13 has a plurality of discrete, unconnected microstructures 700 in an electrically isolated substrate material (such as undoped diamond) and continued electrons. When under impact, large charges can accumulate on the surface. In addition, electrons from the cathode may not collide or even repel targets with the same energy, reducing x-ray generation.

これは、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、炭素(C)、クロム(Cr)、又はチタン(Ti)などの比較的低い原子番号であることが好ましい導電性材料の薄い層を堆積させることによって対処され、これにより、離散した複数の微細構造700から、高電圧源に対して正極に接続されている電気経路722への電気伝導が可能となり得る。実際には、この端子は典型的にシステムの電気接地であり、カソードの電子ソースには負の高電圧が供給されている。   This is to deposit a thin layer of conductive material, preferably a relatively low atomic number such as aluminum (Al), beryllium (Be), carbon (C), chromium (Cr), or titanium (Ti). This may allow electrical conduction from a plurality of discrete microstructures 700 to an electrical path 722 connected to the positive electrode for a high voltage source. In practice, this terminal is typically the electrical ground of the system and a negative high voltage is supplied to the cathode electron source.

付録図の17は、本発明の別の実施形態を示しており、複数の微細構造702が基板1000により深く埋め込まれているか、又は埋設されている。そのような埋め込み微細構造は、例えばダイヤモンドであってもよい付加的な層1010の堆積によって更に覆われ得て、基板と同じ熱伝導特性を提供し得る。これにより、埋設微細構造702のすべての面から、熱が放散されることが可能となる。しかしながら、そのような状況では、本構造上に入射する電子のために接地への経路722を提供することが望ましく、それは付加的な層1010を堆積させる前に設けられた埋め込み導電層726の形であってよい。 いくつかの実施形態において、この導電層726は、埋め込み導電層726を、ターゲット表面上の付加的な導電層728に連結するための導電性構造を提供する「ビア」727、又は鉛直方向の接続を、多くの場合、ピラー又は円柱の形で有し、次に付加的な導電層728は、接地への経路722に接続される。   Appendix diagram 17 illustrates another embodiment of the present invention in which a plurality of microstructures 702 are embedded or embedded in substrate 1000. Such buried microstructure can be further covered by the deposition of an additional layer 1010, which can be, for example, diamond, and can provide the same thermal conductivity characteristics as the substrate. This allows heat to be dissipated from all surfaces of the buried microstructure 702. However, in such a situation, it is desirable to provide a path 722 to ground for electrons incident on the structure, which is in the form of a buried conductive layer 726 provided prior to depositing the additional layer 1010. It may be. In some embodiments, this conductive layer 726 is a “via” 727 that provides a conductive structure for coupling the buried conductive layer 726 to an additional conductive layer 728 on the target surface, or a vertical connection. , Often in the form of pillars or cylinders, then the additional conductive layer 728 is connected to a path 722 to ground.

付録図の18は、本発明の別の実施形態を示しており、複数の微細構造はその中に更なる複数の構造を順に有している。均一な微細構造の代わりに、最下層731、中間層732、及び最上層733を有する微細構造が示されている。これらの層は、全体が複数の特性線を放出するように、異なる複数のX線発生材料を有するよう選択され得る。代替的に、別個の複数の層を有する代わりに、所望のX線発光スペクトルを実現すべく、隣り合って配置された複数の材料を有する微細構造が用いられてもよい。代替的に、別個の複数の層を有する代わりに、所望のX線発光スペクトルを実現すべく、2又はそれより多い材料から成る一様又は多様な混合物、又は合金を有する微細構造が用いられてもよい。別の実施形態は、基板の材料と同じ材料を有する中間層732を有し、最上層733及び最下層のための高い熱放散を提供する。さらに、付録図の16及び付録図の17に示されたように、電気経路を導電性経路に提供すべく、側壁(図示せず)に沿って導電層が付加され得る。   Appendix diagram 18 illustrates another embodiment of the present invention in which the microstructures have a plurality of additional structures in sequence. Instead of a uniform microstructure, a microstructure having a bottom layer 731, an intermediate layer 732, and a top layer 733 is shown. These layers can be selected to have different X-ray generating materials such that the whole emits multiple characteristic lines. Alternatively, instead of having a plurality of separate layers, a microstructure with a plurality of adjacently arranged materials may be used to achieve the desired X-ray emission spectrum. Alternatively, instead of having separate layers, a microstructure with a uniform or diverse mixture or alloy of two or more materials is used to achieve the desired X-ray emission spectrum. Also good. Another embodiment has an intermediate layer 732 having the same material as that of the substrate, providing high heat dissipation for the top layer 733 and the bottom layer. In addition, a conductive layer may be added along the sidewall (not shown) to provide an electrical path to the conductive path, as shown in Appendix Figure 16 and Appendix Figure 17.

付録図の19は、本発明の別の実施形態を示しており、やはり複数の微細構造702が基板内に埋設されている。しかしながら、この実施形態では、最初に導電層を設け、その後に付加的なキャップ層を堆積させる代わりに、電気特性と熱伝導特性との組み合わせのために選択された単一の層770のみが、この実施形態において堆積させられる。これは、複数の埋設微細構造702から熱及び電子の両方を運ぶように、例えば、表面に対して鉛直に配置されたカーボンナノチューブ(原子番号6)の堆積であってもよい。次に、この単一の層770は接地への経路722に接続されて、ターゲットがX線発生システムのアノードとして働くことを可能にし得る。代替的に、層770の材料は、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、クロム(Cr)、又は銅(Cu)を有するように選択され得る。   Appendix diagram 19 illustrates another embodiment of the present invention, again with a plurality of microstructures 702 embedded in the substrate. However, in this embodiment, instead of first providing a conductive layer and then depositing an additional cap layer, only a single layer 770 selected for the combination of electrical and thermal properties, Deposited in this embodiment. This may be, for example, the deposition of carbon nanotubes (atomic number 6) arranged perpendicular to the surface to carry both heat and electrons from the plurality of embedded microstructures 702. This single layer 770 may then be connected to a path 722 to ground to allow the target to act as the anode of the x-ray generation system. Alternatively, the material of layer 770 can be selected to have aluminum (Al), beryllium (Be), chromium (Cr), or copper (Cu).

複数の実施形態が付録図の13〜付録図の19に別個に示され、これらを製造する様々なプロセスが後に示されるが、これらの実施形態の複数の要素は、互いに組み合わされ得るか、又は当該分野で知られている他の一般に知られている複数のターゲット製造方法と組み合され得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、付録図の19の複数の埋設微細構造702は、付録図の18に例示されたような複数の材料も有し得る。同様に、付録図の15に例示されたような密着層715は、付録図の16に示されたような複数の埋め込み微細構造700の製造に適用されてもよい。これらの代替例の分離は例示のみを目的としており、任意の特定のプロセスを限定するものではない。   Several embodiments are shown separately in Appendix Figure 13 through 19 in Appendix Figure, and various processes for manufacturing them will be shown later, but the elements of these embodiments may be combined with each other, or It will be apparent to those skilled in the art that it can be combined with other commonly known multiple target manufacturing methods known in the art. For example, the plurality of embedded microstructures 702 in the appendix diagram 19 may also have a plurality of materials as illustrated in the appendix diagram 18. Similarly, an adhesion layer 715 as illustrated in Appendix diagram 15 may be applied to manufacture a plurality of buried microstructures 700 as illustrated in Appendix diagram 16. The separation of these alternatives is for illustrative purposes only and is not intended to limit any particular process.

付録図の13〜付録図の19に例示された複数の微細構造は、一様なサイズ及び形状を有する規則的間隔のパターンとして示されたが、一様な微細構造の不規則パターン又はランダムパターン、あるいは多様なサイズ及び形状を有する微細構造の規則的なパターン、あるいは多様なサイズおよび形状を有する微細構造の不規則パターンも、本発明の複数の実施形態において用いられ得る。   Although the plurality of microstructures illustrated in the appendix diagram 13 to the appendix diagram 19 are shown as regularly spaced patterns having uniform size and shape, the uniform microstructure irregular pattern or random pattern Alternatively, a regular pattern of microstructures having various sizes and shapes, or an irregular pattern of microstructures having various sizes and shapes can also be used in embodiments of the present invention.

同様に、いくつかの実施形態は、例えば、直四角柱の形状の微細構造で説明されたが、複数の製造プロセスは、用いられる特定のプロセスの製品に応じて、90°以外の角度で壁を有する、又は正確に直角のコーナーを有するのではなく、丸められ、面取りされ、又はアンダーカットされ得る複数の構造を形成し得る。複数の微細構造が本明細書で説明された形状と実質的に類似する複数の実施形態は、複数のプロセス製品が、例示された、又は説明されたような形状からある程度の逸脱をもたらすとしても、開示されているものとして当業者によって理解されるであろう。   Similarly, although some embodiments have been described with microstructures in the shape of, for example, rectangular prisms, multiple manufacturing processes can be performed at angles other than 90 ° depending on the particular process product used. Or may have multiple structures that can be rounded, chamfered, or undercut, rather than having right-angled corners. Embodiments in which the microstructures are substantially similar to the shapes described herein may be used even if the process products result in some deviation from the shapes as illustrated or described. Will be understood by those skilled in the art as disclosed.

同様に、本明細書で開示された様々な実施例は、複数の微細構造の規則正しい周期配列で例示され得るが、離散微細構造の相対的な位置、サイズ、及び形状は、規則的、周期的、又は一様である必要はない。様々なサイズを有し、複数の微細構造の間に様々な距離を有し得る間隔を持った複数の微細構造の構成も、機能し得る。   Similarly, the various embodiments disclosed herein may be illustrated with a regular periodic array of multiple microstructures, but the relative positions, sizes, and shapes of discrete microstructures are regular, periodic Or need not be uniform. Multiple microstructure configurations having various sizes and spacings that may have various distances between the multiple microstructures may also work.

3.様々な微細構造の形状
本発明の特定の複数の実施形態が、前の章で説明された。しかしながら、複数の層及び構造における複数の変形例の他に、複数の実施形態は、様々なサイズ及び形状の複数の微細構造も有する。
3. Various Microstructure Shapes Specific embodiments of the present invention have been described in the previous section. However, besides multiple variations in multiple layers and structures, multiple embodiments also have multiple microstructures of various sizes and shapes.

付録図の20は、本発明の一実施形態による、典型的には金属のX線発生材料を含む直四角柱の形の微細構造700及び702から成る2つ規則的配列を有するターゲットの領域1011を示している。配列は、電子照射の下にあるとき、それぞれの微細構造が「より低温」の基板材料で囲まれるように、横方向に異なる深さで互い違いに配置されている。複数の微細構造の物理的な分離は、より低温の広い材料に複数の小さいホットスポットを提供し、これにより、複数の微細構造から熱を急速に放散させる多くの局所温度勾配を発生させる。付録図の20Aは、この実施形態における16個の埋め込み微細構造700と9個の埋設微細構造702の斜視図を示し、付録図の20Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の20Cは同じ領域の側面/断面図を示している。   Appendix diagram 20 shows a region 1011 of a target having two regular arrangements of microstructures 700 and 702 in the form of rectangular prisms, typically containing a metallic X-ray generating material, according to one embodiment of the present invention. Is shown. The arrays are staggered at different depths in the lateral direction so that when under electron irradiation, each microstructure is surrounded by a “cooler” substrate material. The physical separation of multiple microstructures provides multiple small hot spots in a cooler, broader material, thereby creating many local temperature gradients that rapidly dissipate heat from the multiple microstructures. 20A of the appendix diagram shows a perspective view of 16 embedded microstructures 700 and 9 embedded microstructures 702 in this embodiment, 20B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 20C of the appendix diagram is the same A side / sectional view of the region is shown.

付録図の21Aに例示されたように、埋設微細構造702−Aは、異なる複数の層の複数の構造の間に電気接触が確立されるように、埋め込み微細構造700より僅かに大きく製造され得る。埋設微細構造702−Aが十分な電気伝導率を有する場合、これにより、接地への経路722を提供する単一の電気導電層725は、両方の層の帯電を防止するのに十分であり得る。   As illustrated in appendix 21A, embedded microstructure 702-A can be made slightly larger than embedded microstructure 700 such that electrical contact is established between structures in different layers. . If the embedded microstructure 702-A has sufficient electrical conductivity, then a single electrically conductive layer 725 that provides a path 722 to ground may be sufficient to prevent charging of both layers. .

その一方で、付録図の21Aに例示された構成は、電子エネルギー及び材料組成の設定によっては、効果的な熱伝導及び電気伝導を提供するには小さ過ぎる領域しか提供できない場合がある。   On the other hand, the configuration illustrated in 21A of the appendix may provide only a region that is too small to provide effective thermal and electrical conduction, depending on the settings of electronic energy and material composition.

これに対処すべく、付録図の21Bに例示されたように、複数の埋設微細構造702−Bは基板1000により深く埋設され、複数の埋設微細構造702−B用に、接地への経路722に更なる電気接続を提供するビア727によって接続された独自の導電層726を有するように製造され得る。この構成は、熱及びX線の複数のソースの間に長い距離を設けられるので、いくつかの用途では好ましい場合がある。   In order to cope with this, as illustrated in FIG. 21B of the appendix, the plurality of embedded microstructures 702-B are embedded deeper in the substrate 1000, and the plurality of embedded microstructures 702-B are connected to the path 722 to the ground. It can be fabricated with its own conductive layer 726 connected by vias 727 that provide additional electrical connections. This configuration may be preferred for some applications because it provides a long distance between multiple sources of heat and x-rays.

いくつかの製造プロセスでは、アンダーカットを提供すべく、エッチングプロセスが調整され得る。[例えば、ダイヤモンドの等方性エッチング及び異方性エッチングの両方に関しては、例えば、D.S.Hwang、T.Saito、N.Fujimori著『New etching process for device fabrication using diamond』、Diamond & Related Materials、第13巻、2207−2210ページ(2004年)を参照]。複数の微細構造を形成するのに用いられる複数のキャビティを基板にエッチングすべく、アンダーカットのプロセスが選択され、キャビティのすべての部分を充填し得る電気めっきなどの等方性プロセスを用いて複数の微細構造が形成される場合、所定の位置に「固定」された複数の微細構造が、付録図の22に例示されるように形成され得る。   In some manufacturing processes, the etching process can be adjusted to provide an undercut. [For example, for both isotropic and anisotropic etching of diamond, see, for example, D.C. S. Hwang, T .; Saito, N .; Fujimori, “New etching process for device manufacturing diamond,” Diamond & Related Materials, Vol. 13, pp. 2207-2210 (2004)]. The undercut process is selected to etch multiple cavities used to form multiple microstructures into the substrate, and multiple using isotropic processes such as electroplating that can fill all cavities. When a plurality of microstructures are formed, a plurality of microstructures “fixed” in a predetermined position can be formed as illustrated in FIG.

付録図の22は、基板1000の中にアンダーカットを有する複数のキャビティを充填することによって形成された複数の微細構造704の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1012を示している。そのように形成された複数の微細構造704は、X線発生材料を有する台形柱の形をしている。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置され、表面周りの「へり(lip)」又は残りの基板材料は、複数の微細構造704を所定の位置にさらによく保持して、応力又は熱的な過負荷がかかった際の剥離を防止するように働く。付録図の22Aは、この実施形態における、16個の台形状の埋め込み微細構造704の斜視図を示し、付録図の22Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の22Cは同じ領域の側面/断面図を示している。   Appendix diagram 22 illustrates a region 1012 of a target according to one embodiment of the present invention having an array of microstructures 704 formed by filling a plurality of cavities with undercuts in a substrate 1000. Yes. The multiple microstructures 704 so formed are in the form of trapezoidal columns with X-ray generating material. The array as shown is arranged as an embedded array on the surface of the substrate, and the “lip” or remaining substrate material around the surface better holds the plurality of microstructures 704 in place, It works to prevent delamination when subjected to stress or thermal overload. 22A of the appendix diagram shows a perspective view of 16 trapezoidal embedded microstructures 704 in this embodiment, 22B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 22C of the appendix diagram shows a side surface / A cross-sectional view is shown.

付録図の23は、本発明の一実施形態による、X線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造700及び701の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域1013を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の23Aは、この実施形態における、25個の埋め込み微細構造700及び701の斜視図を示し、付録図の23Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の23Cは、点線で示された複数の凹み領域を有する同じ領域の側面/断面図を示している。   Appendix diagram 23 illustrates a region 1013 of a target having a checkered array of microstructures 700 and 701 in the shape of a rectangular prism containing X-ray generating material, according to one embodiment of the present invention. The array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate. 23A of the appendix diagram shows a perspective view of the 25 buried microstructures 700 and 701 in this embodiment, 23B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 23C of the appendix diagram is shown by a dotted line FIG. 5 shows a side / cross-sectional view of the same region with multiple recessed regions.

付録図の24は、X線発生材料を含む直円柱の形で複数の微細構造706の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1014を示している。示されたような配列は、基板に埋め込まれた配列として配置されている。付録図の24Aは、この実施形態における、16個の埋め込み微細構造706の斜視図を示し、付録図の24Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の24Cは、微細構造706の列の中央全体にわたる同じ領域の側面/断面図を示している。   Appendix diagram 24 shows a region 1014 of a target according to one embodiment of the invention having an array of a plurality of microstructures 706 in the form of a right circular cylinder containing an X-ray generating material. The array as shown is arranged as an array embedded in the substrate. 24A of the appendix diagram shows a perspective view of the 16 embedded microstructures 706 in this embodiment, 24B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 24C of the appendix diagram shows the center of the column of the microstructures 706 A side / section view of the same region throughout is shown.

付録図の25は、X線発生材料を含む直円柱の形で、微細構造708及び709の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1015も示している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列としても配置されている。しかしながら、この実施形態では、横から又は端から見たときに、X線のソースに付録図の24の構成では存在する「間隙」が全くないように見えるような構成である。付録図の25Aは、この実施形態における、18個の埋め込み微細構造708及び709の斜視図を示し、付録図の25Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の25Cは同じ領域の奥行き感のある側面/断面図を示している。   Appendix diagram 25 also shows a region 1015 of the target according to one embodiment of the present invention having a dense array of microstructures 708 and 709 in the form of a right cylinder containing X-ray generating material. The dense array as shown is also arranged as a buried array on the surface of the substrate. However, in this embodiment, when viewed from the side or from the end, the X-ray source appears to have no “gap” present in the configuration of FIG. 25A of the appendix diagram shows a perspective view of the 18 embedded microstructures 708 and 709 in this embodiment, 25B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 25C of the appendix diagram shows the depth feeling of the same region. A side / sectional view is shown.

付録図の26は、X線発生材料を含む正三角柱の形で、微細構造711及び712の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1016を示している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の26Aは、この実施例における、18個の埋め込み微細構造711及び712の斜視図を示し、付録図の26Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の26Cは同じ領域の奥行き感のある側面/断面図を示している。   Appendix diagram 26 illustrates a region 1016 of a target according to one embodiment of the present invention having a dense array of microstructures 711 and 712 in the form of a regular triangular prism containing x-ray generating material. The dense array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate. 26A in the appendix diagram shows a perspective view of the 18 embedded microstructures 711 and 712 in this embodiment, 26B in the appendix diagram shows a top view of the same region, and 26C in the appendix diagram shows the depth feeling of the same region. A side / sectional view is shown.

付録図の27は、X線発生材料を含む四面体の形で、微細構造713及び714の密集配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1017を示しており、1つの面が基板1000の表面とほぼ同一平面を成している。示されたような密集配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の27Aは、この実施形態における、18個の埋め込み微細構造713及び714の斜視図を示し、付録図の27Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の27Cは同じ領域の奥行き感のある側面/断面図を示している。   Appendix diagram 27 shows a region 1017 of a target according to one embodiment of the present invention having a dense array of microstructures 713 and 714 in the form of a tetrahedron containing x-ray generating material, one side being a substrate. It is almost flush with the surface of 1000. The dense array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate. 27A in the appendix diagram shows a perspective view of the 18 embedded microstructures 713 and 714 in this embodiment, 27B in the appendix diagram shows a top view of the same region, and 27C in the appendix diagram shows the depth feeling of the same region. A side / sectional view is shown.

付録図の28は、X線発生材料を含む直四角柱の形で、前に説明された微細構造700、701及び702の組み合わせを有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1018を示している。この実施形態において、表面近くに埋め込まれた微細構造700及び701の層は、付録図の23に例示されたような市松模様を形成する一方で、この構造は、上部の市松模様の「間隙」より下に配置されている複数の微細構造702の埋設層も有している。前に説明された場合においても同様であるが、埋設層の複数の微細構造は、上部埋め込み層の微細構造700及び701と電気接触をするのに十分な大きさであり得るが、他の複数の実施形態においては、埋設微細構造702から電荷を逃がす別個の導電層が、接地への経路を提供すべく製造され得る。付録図の28Aは、この実施形態における、48個の埋め込み微細構造700、701及び702の斜視図を示し、付録図の28Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の28Cは、同じ領域の奥行き感のある側面/断面図を示している。   Appendix diagram 28 illustrates a region 1018 of a target according to one embodiment of the present invention having a combination of microstructures 700, 701, and 702 described above in the form of a rectangular prism containing x-ray generating material. Yes. In this embodiment, the layers of microstructures 700 and 701 embedded near the surface form a checkered pattern as illustrated in Figure 23 of the appendix, while this structure is an upper checkered “gap”. It also has a buried layer of a plurality of microstructures 702 disposed below. The same is true for the previously described case, but the microstructures of the buried layer may be large enough to make electrical contact with the upper buried layer microstructures 700 and 701, but the other In this embodiment, a separate conductive layer that releases charge from the buried microstructure 702 can be fabricated to provide a path to ground. Appendix A 28A shows a perspective view of 48 embedded microstructures 700, 701 and 702 in this embodiment, Appendix B 28B shows a top view of the same region, and Appendix C 28C shows the same region. A side / sectional view with a sense of depth is shown.

付録図の29は、X線発生材料を含む長い直四角柱の形で、埋め込み微細構造716及び埋設微細構造717の両方を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1019を示している。示されたような実施形態において、交互の層では、長い角柱が、多くの場合、「丸太組み(stack−of−logs)」構成と呼ばれる構成で、互いに直交した方向に延伸するように配置されている。前に説明された場合においても同様であるが、埋設層の複数の微細構造717は、上部埋め込み層の微細構造716と電気接触をし得るが、他の複数の実施形態においては、埋設微細構造717から電荷を逃がす別個の導電層が、接地への経路を提供すべく製造され得る。付録図の29Aは、この実施形態における、微細構造716及び717の斜視図を示し、付録図の29Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の29Cは同じ領域の奥行き感のある側面/断面図を示している。   Appendix diagram 29 shows a region 1019 of a target according to one embodiment of the present invention having both embedded microstructure 716 and embedded microstructure 717 in the form of a long rectangular column containing x-ray generating material. In the embodiment as shown, in alternating layers, long prisms are arranged to extend in directions orthogonal to each other, often in a configuration referred to as a “stack-of-logs” configuration. ing. The same is true for the previously described case, although the buried layer microstructures 717 may be in electrical contact with the upper buried layer microstructure 716, but in other embodiments, the buried microstructures A separate conductive layer that releases charge from 717 can be fabricated to provide a path to ground. 29A in the appendix diagram shows a perspective view of the microstructures 716 and 717 in this embodiment, 29B in the appendix diagram shows a top view of the same region, and 29C in the appendix diagram has a side / section with a sense of depth in the same region. The figure is shown.

付録図の30はX線発生材料を含む球体の形で、複数の微細構造718の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域1020を示している。示されたような配列は、基板の表面に埋め込み配列として配置されている。付録図の30Aは、この実施形態における、16個の埋め込み微細構造704の斜視図を示し、付録図の30Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の30Cは同じ領域の側面/断面図を示している。   Appendix diagram 30 shows a region 1020 of a target according to one embodiment of the present invention having an array of microstructures 718 in the form of a sphere containing x-ray generating material. The array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate. 30A of the appendix diagram shows a perspective view of 16 embedded microstructures 704 in this embodiment, 30B of the appendix diagram shows a top view of the same region, and 30C of the appendix diagram shows a side / sectional view of the same region. Show.

付録図の30に例示されたような埋め込み球体の領域の製造は、いくつかの実施形態において、良好な機械的剛性又はより低い製造コストを有し得るが、材料が堆積され得る球状のキャビティを基板に形成することは、複数のプロセス課題を与え得る。従って、いくつかの実施形態において、半球状のキャビティが基板に形成され得て、次にそれがX線発生材料で充填されるか、又は予め製造された球体が表面に堆積されて、堆積オーバーコート膜材料で覆われ得る。   Fabrication of the area of the embedded sphere as illustrated in appendix 30 may in some embodiments have a good mechanical rigidity or lower manufacturing cost, but a spherical cavity in which material can be deposited. Forming on a substrate can present multiple process challenges. Thus, in some embodiments, a hemispherical cavity can be formed in the substrate, which is then filled with x-ray generating material, or a pre-fabricated sphere is deposited on the surface, resulting in over-deposition. It can be covered with a coating film material.

前に論じられたように、本明細書で開示された様々な実施例は、複数の微細構造の規則正しい周期的又は規則的配列で例示され得るが、離散微細構造の相対的な位置、サイズ、及び形状は、規則的、周期的、又は一様である必要はない。様々なサイズを有し、複数の微細構造の間に様々な距離を有し得る間隔を持った複数の微細構造の構成も、機能し得る。   As previously discussed, the various embodiments disclosed herein may be illustrated with a regular periodic or regular arrangement of multiple microstructures, but the relative location, size, And the shape need not be regular, periodic, or uniform. Multiple microstructure configurations having various sizes and spacings that may have various distances between the multiple microstructures may also work.

いくつかの実施形態では、X線発生材料を有する複数の微細構造のサイズ及び分布を決定する様々な測定基準が用いられ得る。複数の微細構造は、ターゲット内に予め定められた厚みDになるように指定され、前に論じられたように、Dは、所与のX線発生材料において所与のエネルギーの電子の電子侵入深さの特定の割合(例えば、30%または50%など)になるように選択され得るか、又はある範囲の許容された深さであり得る。複数の微細構造は、これらの横寸法L及びWが、特定の係数以上で乗じたD(例えば、2倍又は3倍)を超えないように、また個々の微細構造はどれも、隣接する微細構造に予め定められた距離dより近づくことがないように特定され得る。代替的に、複数の微細構造はこれらの横寸法L及びWが、用途によって異なるX線減衰長(特定のエネルギーのX線ビームの強度が1/e倍まで低下する長さ)を超えないように特定され得る。   In some embodiments, various metrics can be used to determine the size and distribution of multiple microstructures with x-ray generating materials. The multiple microstructures are specified to have a predetermined thickness D in the target, and as discussed previously, D is the electron penetration of electrons of a given energy in a given x-ray generating material. It can be selected to be a certain percentage of depth (eg, 30% or 50%, etc.) or it can be a range of allowed depths. The multiple microstructures are such that their lateral dimensions L and W do not exceed D (eg, 2 or 3 times) multiplied by a specific factor or more, and any individual microstructure is an adjacent microstructure. It can be specified that the structure is no closer than a predetermined distance d. Alternatively, multiple microstructures do not allow these lateral dimensions L and W to exceed different X-ray attenuation lengths (lengths where the intensity of an X-ray beam of a particular energy is reduced to 1 / e times) depending on the application. Can be specified.

最も一般的な場合では、複数の微細構造を有する領域は、X線発生材料を有する厚みDまで電子にさらされる全体領域の体積分率を画定することによって特定され得る。例えば、タングステン(W)の複数の微細構造が60keVの電子とともに用いられる場合、表2による侵入深さは2.41ミクロンとなり、D=1ミクロンという値は、侵入深さの41%に当たる厚みを表すことになる。基板材料に対するX線発生材料の体積分率が、複数の微細構造を含むが周囲のターゲット基板を含まないターゲットの領域内でほぼ50%である限り、最初の層の厚みD=1ミクロンに対して50%の体積分率を画定することは、例えば、付録図の23の市松模様配列を用いることによって、又は様々なサイズ及び形状のよりランダムな分布の微細構造によってのどちらか一方で実現され得る。そのような複数の構成は、例えば、熱伝導のための付加的な表面積に関して利点を提供し得る。   In the most general case, a region having a plurality of microstructures can be identified by defining the volume fraction of the entire region exposed to electrons up to a thickness D having an X-ray generating material. For example, if multiple microstructures of tungsten (W) are used with 60 keV electrons, the penetration depth according to Table 2 is 2.41 microns, and the value D = 1 microns is equivalent to 41% of the penetration depth. Will represent. As long as the volume fraction of the X-ray generating material relative to the substrate material is approximately 50% within the target region that includes multiple microstructures but does not include the surrounding target substrate, for the initial layer thickness D = 1 micron Defining a volume fraction of 50% is achieved either by using, for example, the checkered arrangement of 23 in the appendix or by a more randomly distributed microstructure of various sizes and shapes obtain. Such multiple configurations may provide advantages with respect to additional surface area for heat conduction, for example.

また、X線発生領域の体積分率は、電子エネルギー、X線発生材料特性、及び基板の再吸収特性に応じて、様々な値に設定され得る。特定の複数の特性線を必要とするいくつかの用途では、より低い体積分率を有する構成が好ましい場合がある。様々な波長を有するものなど、発光スペクトルに関する別の複数の変形例では、制動放出を増大させる、より高い体積分率が好ましい場合がある。概して、厚みDの第1の層における体積分率は、様々な用途で15%から85%の間になるように設定され得る。   In addition, the volume fraction of the X-ray generation region can be set to various values according to the electron energy, the X-ray generation material characteristics, and the substrate reabsorption characteristics. For some applications that require a specific plurality of characteristic lines, a configuration with a lower volume fraction may be preferred. In other variations on the emission spectrum, such as those with different wavelengths, higher volume fractions that increase bremsstrahlung may be preferred. In general, the volume fraction in the first layer of thickness D can be set to be between 15% and 85% for various applications.

代替的に、いくつかの実施形態において、X線発生材料の球状の複数の微細構造が事前に準備され、次に基板の表面の上に分散させられ得る。特に、複数の微細構造が(付録図の30に例示されたような)規則的配列構造に配置されることが所望される場合に、複数の微細構造を所定の位置に固定するプロセスが用いられ得る。この後に、これらの球状の複数の微細構造を熱伝導材料で覆う堆積プロセスが続く。いくつかの実施形態において、これは、その熱伝導特性のためのみに選択された材料であり得るが、別の複数の場合においては、堆積材料は、熱伝導率及び電気伝導率の両方が有益であるように選択された複数の材料の混合物として選択され得て、また覆う材料は接地への経路を提供する導電層としても働く。   Alternatively, in some embodiments, a plurality of spherical microstructures of x-ray generating material can be pre-prepared and then dispersed over the surface of the substrate. In particular, when it is desired that a plurality of microstructures be arranged in a regular array (as illustrated in appendix 30), a process of fixing the plurality of microstructures in place is used. obtain. This is followed by a deposition process in which these spherical microstructures are covered with a thermally conductive material. In some embodiments, this may be a material selected only for its thermal conductivity properties, but in other cases, the deposited material will benefit from both thermal and electrical conductivity. Can be selected as a mixture of a plurality of materials selected to be, and the overlying material also acts as a conductive layer that provides a path to ground.

別の実施形態において、X線発生材料を有する複数の微細構造の分散は、一様な球体に限定される必要はなく、様々なサイズ及び形状の複数の粒子であってよい。これは付録図の31に例示されており、本発明によるターゲットの領域1021は、多様な複数の微細構造を有している。同様に、類似の実施形態において、付録図の32に例示されたように、本発明によるターゲットの領域1022は、様々なサイズ及び形状の微細構造だけでなく、異なる材料組成の微細構造も有し得る。   In another embodiment, the distribution of the microstructures with the X-ray generating material need not be limited to a uniform sphere, but may be a plurality of particles of various sizes and shapes. This is illustrated in Appendix diagram 31. A target region 1021 according to the present invention has a plurality of various microstructures. Similarly, in a similar embodiment, as illustrated in Appendix Figure 32, the region 1022 of the target according to the present invention has not only microstructures of various sizes and shapes but also microstructures of different material compositions. obtain.

ここまで、平面構造に配置されている複数の実施形態が示された。これらは、概して実装するのがより容易である。なぜなら、堆積、エッチング、及び他のプレーナプロセスの複数の工程のための装置及びプロセスレシピは、プレーナダイヤモンドを用いた微小電気機械システム(MEMS)用途のデバイスの処理、及び半導体産業用のシリコンウェーハの処理でよく知られているからである。   Up to this point, a plurality of embodiments arranged in a planar structure have been shown. These are generally easier to implement. Because equipment and process recipes for multiple steps of deposition, etching, and other planar processes include processing of devices for microelectromechanical system (MEMS) applications using planar diamond, and silicon wafers for the semiconductor industry. This is because it is well known in processing.

しかしながら、いくつかの実施形態において、3次元(3−D)で付加的な特性を有する表面が所望され得る。前に論じられたように、電子ビームが電子侵入深さより大きいと、見掛けのX線ソースサイズ及び領域は、表面に対して平行に、すなわちゼロ度(0°)の取り出し角で見たときに最小になる(そして輝度は最大化される)。結果として、0°の取り出し角で見た時に、見掛けの最大輝度のX線放出が生じる。X線発生材料内からの放出は、それが材料を通って0°で伝搬するにつれ累積する。   However, in some embodiments, a surface with additional properties in three dimensions (3-D) may be desired. As previously discussed, when the electron beam is larger than the electron penetration depth, the apparent x-ray source size and region is parallel to the surface, ie when viewed at an extraction angle of zero degrees (0 °). Minimized (and brightness maximized). As a result, X-ray emission with apparent maximum brightness occurs when viewed at a 0 ° extraction angle. Emissions from within the x-ray generating material accumulate as it propagates through the material at 0 °.

しかしながら、実質的に一様な材料の広いターゲットでは、X線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のX線の複数の発生源の間のX線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、0°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、0°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。X線ビームが強度において1/eまで減少する距離はX線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたX線が可能な限り更なる材料を通過しない、X線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。   However, in a broad target of substantially uniform material, as the x-rays propagate through the material to the surface, the attenuation of the x-rays between multiple sources of x-rays within the target reduces the extraction angle. And increases due to the longer distance traveled within the material, often maximizing at or near an extraction angle of 0 °. Thus, any increase in brightness achieved by viewing near 0 ° can be balanced by reabsorption. The distance at which the X-ray beam decreases in intensity to 1 / e is called the X-ray attenuation length. Therefore, a configuration having a distance selected in relation to the x-ray attenuation length that does not allow the emitted x-rays to pass through as much further material as possible may be desired.

ターゲットの1つの実施形態の例示が、付録図の33に示されている。付録図の33において、単一の微細構造2700を有するX線発生領域は、棚状部2002に接した基板の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、付録図の10に例示された状況に類似している。X線発生微細構造2700は、X線発生材料から成る矩形バーの形状をしており、基板2000に埋め込まれ、電子111で衝撃を与えられたときに、X線2888を放出する。   An illustration of one embodiment of the target is shown in Appendix diagram 33. In the appendix diagram 33, the X-ray generation region having a single microstructure 2700 is configured at or near the recessed edge 2003 of the substrate in contact with the shelf 2002 and is illustrated in appendix diagram 10. Similar to the situation. The X-ray generation fine structure 2700 has a rectangular bar shape made of an X-ray generation material, is embedded in the substrate 2000, and emits X-rays 2888 when bombarded with electrons 111.

バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3の間になるように選択される。バーの厚みDは、鉛直方向に所望のX線ソースサイズを得るようにも選択され得る。バーの幅Wは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択される。例示されたように、WはおよそDの1.5倍であるが、所望のソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。   The bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is between 1/3 and 2/3 of the electron penetration depth of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. Selected. The thickness D of the bar can also be selected to obtain a desired X-ray source size in the vertical direction. The width W of the bar is selected to obtain the desired source size in the corresponding direction. As illustrated, W is approximately 1.5 times D, but can be substantially smaller or larger depending on the size of the desired source spot.

例示されたようにバーの長さLは、およそDの4倍であるが、いかなる大きさであってもよく、典型的には、選択されたX線発生材料のX線減衰長の1/4倍から3倍の間になるように決定され得る。例示されたように棚状部の縁部とX線発生材料の縁部との間の距離pはおよそWに等しいが、基板材料のX線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部2003と同一平面を成すところ(p=0)から最大1mmまで、任意の値になるよう選択されてよい。   As illustrated, the bar length L is approximately 4 times D, but can be of any size and is typically 1 / X of the x-ray attenuation length of the selected x-ray generating material. It can be determined to be between 4 and 3 times. As illustrated, the distance p between the edge of the shelf and the edge of the X-ray generating material is approximately equal to W, but the X-ray reabsorption characteristics, relative thermal characteristics, and electrons of the substrate material Depending on the amount of heat expected to be generated when an impact is applied, an arbitrary value may be selected from a point that is coplanar with the edge 2003 (p = 0) to a maximum of 1 mm.

別の本発明の実施形態の例示が、付録図の34に示されている。例示されたようなこの実施形態では、6つの微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706を持つX線発生領域を有する本発明によるターゲットが、棚状部2002に接した基板の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、付録図の10及び付録図の33に例示された状況と類似している。X線発生微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706は、基板2000に埋め込まれたX線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子111で衝撃を与えられたときにX線2888−Dを放出する。   An illustration of another embodiment of the present invention is shown in appendix diagram 34. In this embodiment as illustrated, a target according to the invention having an X-ray generating region with six microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 is recessed in the substrate in contact with the shelf 2002 It is configured at or near the edge 2003 and is similar to the situation illustrated in Appendix diagram 10 and Appendix diagram 33. X-ray generation microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 are arranged in a linear array of rectangular prisms that generate X-rays embedded in the substrate 2000, and when X-ray generation is impacted by electrons 111 Line 2888-D is emitted.

この実施形態において、X線発生材料の総体積は、前の付録図の33の例示におけるものと同じである。付録図の33に示された場合においても同様であるが、バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3の間になるように選択される。付録図の33に示された場合においても同様であるが、バーの幅Wは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにWはおよそDの1.5倍である。前に論じられたように、バーの幅Wは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。   In this embodiment, the total volume of the X-ray generating material is the same as in the illustration of 33 in the previous appendix. The same applies to the case shown in Appendix 33, but the bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is the electron of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. It is selected to be between 1/3 and 2/3 of the penetration depth. The same is true in the case shown in Appendix 33, but the bar width W is selected to obtain the desired source size in the corresponding direction, and as illustrated, W is approximately 1.5 of D. Is double. As discussed previously, the bar width W can be substantially smaller or larger depending on the size of the desired source spot.

しかしながら、付録図の33に例示されたような長さLの単一のバー2700は、6つのサブバー2701、2702、2703、2704、2705、2706に置き換えられており、それぞれの長さlはL/6である。X線発生の体積(同じ電子密度で衝撃を与えられたとき)は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する5つの面を有し、X線発生サブバー2701−2706から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離dはおよそlに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるX線量、及び、X線発生微細構造2701−2706の特定の材料と基板2000との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。   However, a single bar 2700 of length L as illustrated in appendix 33 is replaced with six subbars 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706, each length l being L / 6. The volume of X-ray generation (when bombarded with the same electron density) is the same, but here each subbar has five faces that transfer heat to the substrate, and from X-ray generation subbars 2701-2706 Increase heat dissipation to the substrate. As illustrated, the separation distance d between the sub-bars is approximately equal to l, but larger or smaller dimensions may be used, which are the X-ray dose absorbed by the substrate and the X-rays Depends on the relative temperature gradient that can be realized between the particular material of the generated microstructure 2701-2706 and the substrate 2000.

同様に、棚状部の縁部とX線発生材料の縁部との間の距離pは、例示されたようにおよそWに等しいが、基板材料のX線再吸収特性、相対的な熱特性、及び電子で衝撃を与えられたときに発生が予想される熱量に応じて、縁部2003と同一平面を成すところ(p=0)から最大1mmまで、任意の値になるよう選択されてよい。   Similarly, the distance p between the edge of the shelf and the edge of the X-ray generating material is approximately equal to W as illustrated, but the X-ray reabsorption characteristics, relative thermal characteristics of the substrate material. Depending on the amount of heat expected to be generated when impacted by electrons, it may be chosen to be any value from where it is coplanar with edge 2003 (p = 0) to a maximum of 1 mm. .

付録図の34などに示された構成では、複数のX線発生サブバーの全長は、一般にX線発生材料におけるX線の直線減衰長の約2倍になるが、その距離の半分から3倍を超えるところまで選択され得る。同様に、バーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みDは、該当方向に、ほぼ等しい所望のX線ソースサイズを得るためにも選択され得る。   In the configuration shown in the appendix diagram 34 and the like, the total length of the plurality of X-ray generation subbars is generally about twice the X-ray linear attenuation length in the X-ray generation material. You can select up to more. Similarly, the bar thickness D (thickness along the surface normal of the target) is equal to 1/3 to 2/3 of the electron penetration depth of the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. Although selected to be, it can be substantially larger. The thickness D of the bar can also be selected to obtain a desired x-ray source size that is approximately equal in the relevant direction.

示された複数のバーは、(示されたように)基板に埋め込まれ得るが、X線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。   The bars shown may be embedded in the substrate (as shown), but may be placed on the substrate if the thermal load generated on the x-ray generating material is not too great.

本発明の別の実施形態の例示が付録図の35に示されており、厚みDを有するX線発生材料を含む微細構造2790及び2791の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域2001を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。   An illustration of another embodiment of the present invention is shown in Appendix Figure 35, where a region of a target according to one embodiment of the present invention having an array of microstructures 2790 and 2791 comprising an X-ray generating material having a thickness D 2001 is shown. The arrangement shown is a modified checkered pattern of rectangular prisms, but other configurations and arrangements of multiple microstructures may be used.

他の複数の実施形態においても同様であるが、これらの微細構造2790及び2791は基板の表面に埋め込まれている。しかしながら、基板の表面は予め定められた非プレーナトポグラフィ、この特定の場合では、基板2000の面法線に沿った複数の段を有している。例示されたように、それぞれの段の高さhはほぼDに等しいが、段の高さは複数の微細構造の厚みの1倍から3倍の間になるように選択され得る。すべての段の全高は、鉛直方向(厚み方向)に沿った所望のX線ソースサイズと等しいか、又はそれよりも小さくなるように選択され得る。   Similar to other embodiments, these microstructures 2790 and 2791 are embedded in the surface of the substrate. However, the surface of the substrate has a predetermined non-planar topography, in this particular case, a plurality of steps along the surface normal of the substrate 2000. As illustrated, the height h of each step is approximately equal to D, but the step height can be selected to be between 1 and 3 times the thickness of the plurality of microstructures. The total height of all steps can be selected to be equal to or smaller than the desired x-ray source size along the vertical direction (thickness direction).

微細構造領域の全幅は、対応する方向に所望のX線ソースサイズと等しくなり得る。全体の外観はX線ソースの階段に似ている。付録図の35Aは、この実施形態において、18個の埋め込み微細構造2790及び2791の斜視図を示し、付録図の35Bは同じ領域の上面図を示し、付録図の35Cは同じ領域の側面/断面図を示している。基板がベリリウム、ダイヤモンド、サファイア、ケイ素、又は炭化ケイ素であるとき、電気伝導層が階段構造の上面にコーティングされ得る。   The total width of the microstructure region can be equal to the desired x-ray source size in the corresponding direction. The overall appearance resembles an X-ray source staircase. 35A in the appendix shows a perspective view of 18 buried microstructures 2790 and 2791 in this embodiment, 35B in the appendix shows a top view of the same region, and 35C in the appendix shows a side / section of the same region. The figure is shown. When the substrate is beryllium, diamond, sapphire, silicon, or silicon carbide, an electrically conductive layer can be coated on the top surface of the step structure.

付録図の36は、電子111によって衝撃を与えられたときの、付録図の35Cの階段型実施形態からのX線放出2888−Sを示している。他の複数の実施形態においても同様であるが、X線発生材料の複数の角柱は、電子が衝突したときに加熱される。X線発生材料の複数の角柱のそれぞれは、基板2000と熱的接触をしている5つの面を有しているので、X線材料から出ていく熱の伝導は、X線材料が表面に堆積された構成よりもまだ大きい。しかしながら、1つの面に対しては、X線の放出は、他の隣接する複数の角柱による吸収によって減衰されず、隣接する基板材料によって無視できるほどしか減衰されない。   Appendix diagram 36 shows X-ray emission 2888-S from the stepped embodiment of 35C of the appendix diagram when impacted by electrons 111. As in other embodiments, the plurality of prisms of the X-ray generating material are heated when the electrons collide. Since each of the plurality of prisms of the X-ray generating material has five surfaces that are in thermal contact with the substrate 2000, the conduction of heat from the X-ray material is caused by the X-ray material on the surface. Still larger than the deposited composition. However, for one surface, x-ray emission is not attenuated by absorption by other adjacent prisms, but is negligibly attenuated by adjacent substrate material.

従って、それぞれの角柱からのX線の輝度は、特に市松模様に配置されたX線発生材料の複数の角柱700及び701も示している、例えば付録図の23の実施形態からのX線放出と比較したときに増加する。付録図の23の構成では、それぞれの角柱は基板に埋め込まれており、従って基板1000と熱的接触をしている5つの表面を有しているが、0°での横への放出は隣接する列の複数の角柱及び基板材料の両方によって減衰させられる。   Thus, the brightness of the X-rays from the respective prisms also shows a plurality of prisms 700 and 701 of X-ray generating material arranged in a checkered pattern, for example X-ray emission from the embodiment of FIG. Increases when compared. In the configuration of Appendix 23, each prism is embedded in the substrate and thus has five surfaces in thermal contact with the substrate 1000, but the lateral emission at 0 ° is adjacent. Is attenuated by both the plurality of prisms and the substrate material.

トポグラフィを伴ったターゲットを備えるそのような一実施形態は、まずトポグラフィを伴った基板を用意し、次に、前に説明したプレーナ基板用の製造プロセスに従って、X線材料の複数の角柱を埋め込むことによって製造され得る。代替的に、X線材料で充填される複数のキャビティを形成する最初の複数の工程は、初期の平坦基板に階段状のトポグラフィ構造を形成すべく向上させられ得る。どちらの場合においても、埋め込まれる角柱を特定の特徴のトポグラフィと重ね合わせることが所望される場合に、プレーナプロセスの当業者に知られているなどの、付加的な複数の位置合わせ工程が使用され得る。   One such embodiment comprising a target with topography first prepares the substrate with topography and then embeds multiple prisms of X-ray material according to the planar substrate manufacturing process described previously. Can be manufactured. Alternatively, the initial steps of forming cavities filled with x-ray material can be enhanced to form a stepped topographic structure on the initial flat substrate. In either case, additional registration steps, such as known to those skilled in the planar process, are used when it is desired to overlay the embedded prism with a particular feature topography. obtain.

複数の微細構造は、付録図の35及び付録図の36に例示されたように階段の縁部に対してある距離をおいて埋め込まれるか、又は(付録図の9に示されたように)縁部と同一平面を成すように埋め込まれ得る。どちらの構成が特定の用途に適切であるかという判断は、X線発生材料及び基板材料のまさにその特性に依存し得えて、その結果、例えば、5つの表面か4つの表面かによる熱の伝達によって可能になる電子電流の増加で実現された付加的な輝度が、自由空間放出か基板材料の一部を通じた再吸収かによって実現された付加的な輝度と比較され得る。位置合わせ及び重ね合わせの工程、並びに複数の層に複数の角柱をパターニングするのに必要になり得る複数のプロセス工程に関連した付加的なコストは、達成可能な輝度の増加と比較して考慮される必要があり得る。   Multiple microstructures may be embedded at a distance from the edge of the staircase as illustrated in appendix diagram 35 and appendix diagram 36, or (as shown in appendix diagram 9) It can be embedded to be flush with the edge. The determination of which configuration is appropriate for a particular application can depend on the exact properties of the x-ray generating material and the substrate material, such as transfer of heat by, for example, five or four surfaces. The additional brightness realized by the increase in electron current made possible by the can be compared with the additional brightness realized by free space emission or reabsorption through a part of the substrate material. The additional costs associated with the alignment and overlay steps, as well as the multiple process steps that may be required to pattern multiple prisms in multiple layers, are considered relative to the increase in brightness that can be achieved. It may be necessary.

これまでに説明された複数の実施形態は、輝度を増加させたX線を発生させるべく、X線ソースのターゲットとして用いられ得るX線材料を有する、複数の微細構造を備える様々なX線ターゲット構成を説明している。これらのターゲット構成は、電子で衝撃を与えられてX線を放出すると説明されてきたが、別の従来のソースにおいて固定X線ターゲットとして用いられて、付録図の1の透過X線ソース08のターゲット01、又は付録図の2の反射X線ソース80のターゲット100のいずれか一方を、本発明によるターゲットと置き換え得る。   The embodiments described so far are various X-ray targets comprising a plurality of microstructures having an X-ray material that can be used as a target of an X-ray source to generate X-rays with increased brightness. Explains the configuration. Although these target configurations have been described as being bombarded with electrons and emitting X-rays, they can be used as fixed X-ray targets in other conventional sources to produce a transmission X-ray source 08 in Figure 1 of the Appendix. Either the target 01 or the target 100 of the reflective X-ray source 80 of Figure 2 in the Appendix can be replaced with a target according to the present invention.

説明されたような複数の実施形態は、可動X線ターゲットにも同様にうまく適用され得て、例えば、付録図の6の回転アノードX線ソース80のターゲット500を、本発明によるターゲットと置き換え得ることも可能である。   Embodiments as described can equally well be applied to a mobile x-ray target, for example, the target 500 of the rotating anode x-ray source 80 of appendix 6 can be replaced with a target according to the present invention. It is also possible.

付録図の37は、回転アノード2500として構成された、本発明の一実施形態を示している。回転アノード2500の外側の環状部には、複数のX線発生材料が形成されており、前に説明されたプロセスのどれによっても形成され得る。付録図の37に例示されたような実施形態では、2つの別個の材料が例示され、それぞれは、環状リング2508及び2509、又は、正方形構造2518及び2519の、どちらか一方の形をした様々な微細構造を有している。   Appendix diagram 37 illustrates one embodiment of the present invention configured as a rotating anode 2500. A plurality of x-ray generating materials are formed on the outer annular portion of the rotating anode 2500 and can be formed by any of the processes previously described. In the embodiment as illustrated in appendix 37, two separate materials are illustrated, each with various shapes in the form of either annular rings 2508 and 2509 or square structures 2518 and 2519. Has a fine structure.

従来の回転アノードにおいても同様であるが、電子は、従来の回転アノードが面取りされているのとちょうど同様に面取りされ得る縁部のターゲットアノード2500に衝撃を与え、電子ビームのソースは、ターゲットアノード2500の面取りされた縁部2510上に電子ビームを方向付けて、ターゲットスポット2501からX線を発生させる。ターゲットスポット2501はX線を発生させるので、加熱するが、ターゲットアノード2500が回転するので、加熱スポットがターゲットスポット2501から離れ、電子ビームはターゲットアノード2500のより低温の部分をここで照射する。ホットスポット2501を通過するときに再度加熱される前に、ホットスポットは冷却するための一回転分の時間を有する。ターゲットアノード2500を継続的に回転させることによって、単一のスポットが熱くなり過ぎることはないが、それでもX線の連続的なソースが提供され得る。   As in a conventional rotating anode, the electrons impact the edge target anode 2500, which can be chamfered just as a conventional rotating anode is chamfered, and the source of the electron beam is the target anode. An electron beam is directed onto 2500 chamfered edges 2510 to generate x-rays from target spot 2501. Since the target spot 2501 generates X-rays and is heated, the target anode 2500 is rotated, so that the heating spot is separated from the target spot 2501 and the electron beam irradiates a lower temperature portion of the target anode 2500 here. Prior to being heated again when passing hot spot 2501, the hot spot has a time for one revolution to cool. By continuously rotating the target anode 2500, a single spot does not get too hot, but can still provide a continuous source of x-rays.

前に説明された回転アノードシステムにおいても同様であるが、アノードを更に冷却させるべく、回転アノードに更なる複数の冷却経路が提供され、より高い電圧又はより高い電流密度を有する電子との衝撃を可能にして、より明るいX線ソースを形成し得る。しかしながら、回転アノードのターゲット材料が、本明細書で開示された本発明による複数の微細構造を用いる場合、向上した熱特性によって、より高い電子の電力負荷が可能になり得る。これによって、いったん更なる熱負荷に適応することが可能になると、電子エネルギーおよび電流が増加され得るので、より高輝度のX線ソースが可能となる。代替的に、同じ輝度だが、より低い電圧、より低い電流、又はより低速のアノード回転速度など、設計するのがより容易な複数の構成要素を有する回転アノードソースを可能にすべく、熱に関する利点が用いられ得る。   Similar to the previously described rotating anode system, but in order to further cool the anode, the rotating anode is provided with a plurality of additional cooling paths to bombard electrons with higher voltage or higher current density. It is possible to form a brighter x-ray source. However, when the rotating anode target material uses a plurality of microstructures according to the invention disclosed herein, the improved thermal properties may allow higher electronic power loads. This allows for a brighter X-ray source once the energy and current can be increased once it can be accommodated for further heat loads. Alternatively, thermal benefits to allow a rotating anode source with multiple components that are easier to design, such as the same brightness but lower voltage, lower current, or slower anode rotation speed Can be used.

4.製造プロセス
本発明によるターゲットを製造するための複数の方法は、付録図の38のフローチャート、及び付録図の39〜付録図の40の断面図に概略が述べられている複数の工程を含んでいる。
4). Manufacturing Process A plurality of methods for manufacturing a target according to the present invention includes a plurality of steps outlined in the flow chart of appendix figure 38 and the cross-sectional view of appendix figure 39 to appendix figure 40. .

4.1.基板の選択
最初の工程において、適当な材料の基板3000が選択される。付録図の39Aでは、「1)」と指定された工程によって、これが示されている。上述されたように、これは典型的に、様々な物理特性及び熱特性、特に低質量密度、低原子番号、及び高熱伝導率のために選択された材料である。基板材料用の複数の候補が、表1に記載されており、いくつかは高熱伝導率(すなわち、100W/(m℃)より大きい熱伝導率の材料)を有している。これらの材料の中で、ダイヤモンドは、可能性のある基板として際立っている。室温において、熱伝導率はおよそ2200W/(m℃)であり、任意の材料に対してすでに知られている最も高い値の1つである。より低い温度、およそ−120℃において、この値は、ほぼ3倍高い値に増加し得る。
4.1. Substrate Selection In the first step, a substrate 3000 of suitable material is selected. In the appendix diagram 39A, this is indicated by the process designated "1)". As discussed above, this is typically a material selected for various physical and thermal properties, particularly low mass density, low atomic number, and high thermal conductivity. Several candidates for substrate materials are listed in Table 1, some having high thermal conductivity (ie, materials with thermal conductivity greater than 100 W / (m ° C.)). Among these materials, diamond stands out as a potential substrate. At room temperature, the thermal conductivity is approximately 2200 W / (m ° C.), one of the highest values already known for any material. At lower temperatures, approximately -120 ° C, this value can increase to almost three times higher.

直径120mmまでCVD成長したダイヤモンドに2mm厚までダイヤモンドコーティングしたウェーハが、ドイツのフライブルクにあるDiamond Materials GmbHから購入され得る。ダイヤモンドでコーティングされたケイ素基板、又はダイヤモンド・オン・インシュレータ(DOI)基板も、例えば、イリノイ州ロムオービルのAdvanced Diamond Technologies,Inc.、又はカルフォルニア州サンタクララのsp3 Diamond Technologiesから購入され得る。ペンシルベニア州イースト・ピーターズバーグのRichter Precision,Inc.によって製造されるなどのダイヤモンド状炭素(DLC)の膜も、基板材料として有用であり得る。   Wafers coated with diamond up to 2 mm thick on diamond grown to 120 mm diameter can be purchased from Diamond Materials GmbH, Freiburg, Germany. Diamond-coated silicon substrates, or diamond-on-insulator (DOI) substrates, are also available, for example, from Advanced Diamond Technologies, Inc., Rom Orville, Ill. Or from sp3 Diamond Technologies of Santa Clara, California. Richter Precision, Inc., East Petersburg, Pennsylvania. Diamond-like carbon (DLC) films, such as manufactured by may also be useful as substrate materials.

ベリリウムも、基板材料の候補になり得る。低原子番号(原子番号4)なので、ベリリウムは非常に軽く、また特にX線に対して透過性があり、従って、基板内に埋め込まれた複数の微細構造からのX線放出を妨げ得る連続X線のソースにはなりにくい。ベリリウムのウェーハは、例えば、カルフォルニア州ロサンゼルスのAmerican Elements,Inc.、及びニューヨーク州ファーミングデールのAtomergic Chemetals Corporationから商業ベースで購入され得る。   Beryllium can also be a candidate substrate material. Because of its low atomic number (atomic number 4), beryllium is very light and is particularly transmissive to X-rays, and thus can prevent X-ray emission from multiple microstructures embedded in the substrate. Difficult to be a source of lines. Beryllium wafers are available, for example, from American Elements, Inc. of Los Angeles, California. And commercially available from Atomic Chemicals Corporation of Farmingdale, NY.

基板として適当であり得る他の複数の材料は、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、窒化ガリウム、炭化ケイ素、及びサファイアである。他の適当な複数の材料も、当業者に知られ得る。   Other materials that may be suitable as a substrate are graphite, silicon, boron nitride, gallium nitride, silicon carbide, and sapphire. Other suitable materials may be known to those skilled in the art.

4.2.基板のパターニング
いったん基板が選択されると、付録図の38に示されたように、次の工程3100は、付録図の39Aに示されたように基板3001をパターニングすることである。MEMS用途、ナノインプリント・リソグラフィ、及び他の複数のプロセス用にダイヤモンドをパターニングする、複数の知られたアプローチが存在する。[例えば、H.Masuda他著『Fabrication of Through−Hole Diamond Membranes by Plasma Etching Using Anodic Porous Alumina Mask』、Electrochemical and Solid−State Letters第4巻(11)、G101−G103ページ(2001年)、Y.Ando他著『Smooth and high−rate reactive ion etching of diamond』、Diamond and Related Materials第11巻(2002)、824−827ページ(2002年)、X.D.Wang他著『Precise patterning of diamond films for MEMS application』、J. Material Processing Technology第127巻、230−233ページ(2002年)、J.Taniguchi他著『Diamond Nanoimprint Lithography』、Nanotechnology第13巻、592−596ページ(2002年)、及び、D.S.Hwang/T.Saito/N.Fujimori著『New etching process for device fabrication using diamond』、Diamond & Related Materials第13巻、2207−2210ページ(2004年)を参照]。
4.2. Substrate Patterning Once a substrate has been selected, the next step 3100 is to pattern the substrate 3001 as shown in appendix 39A, as shown in appendix 38. There are multiple known approaches for patterning diamond for MEMS applications, nanoimprint lithography, and other processes. [E.g. Masuda et al., “Fabrication of Through-Hole Diamond Membranes by Plasma Etching Using Alumina Mask, Vol. 101, Electro-Sol. Ando et al., “Smooth and high-reactive reactive etching of diamond”, Diamond and Related Materials, 11 (2002), 824-827 (2002), X. D. Wang et al., “Precision patterning of diamond films for MEMS application”, J. Am. Material Processing Technology Vol. 127, pages 230-233 (2002), J. MoI. Taniguchi et al., “Diamond Nanoimprint Lithography”, Nanotechnology Volume 13, pages 592-596 (2002); S. Hwang / T. Saito / N. Fujimori, “New etching process for device manufacturing diamond,” Diamond & Related Materials, Vol. 13, pp. 2207-2210 (2004)].

Masuda他による上に引用されたプロセスにおいて、およそ3mmの厚さの研磨された多結晶ダイヤモンド膜が、多孔質アルミナマスクを用いて、パターニングされている。マスクは、アルミニウム表面にパターンを形成する炭化ケイ素モールドを用いて事前に準備されており、これは続いて陽極酸化プロセスによって酸化される。そのように形成されたアルミナ膜は、SiCモールド上のパターンによって位置が決定された、複数のポア(pore)を有している。次に膜は、そのアルミニウム基板から除去され、ダイヤモンド表面に転写される。次にダイヤモンドは、酸素による反応性イオンエッチングプロセスにさらされ、ここで多孔質アルミナ膜はマスクとして働く。   In the process cited above by Masuda et al., A polished polycrystalline diamond film approximately 3 mm thick is patterned using a porous alumina mask. The mask is pre-prepared with a silicon carbide mold that forms a pattern on the aluminum surface, which is subsequently oxidized by an anodization process. The alumina film thus formed has a plurality of pores whose positions are determined by the pattern on the SiC mold. The film is then removed from the aluminum substrate and transferred to the diamond surface. The diamond is then subjected to a reactive ion etching process with oxygen, where the porous alumina film serves as a mask.

このプロセス工程3100のための代表的な複数の工程が、「a)」、「b)」、「2)」、「3)」、及び「4)」で示された付録図の39Aの対応する工程によって例示されている。   A plurality of representative steps for this process step 3100 are the correspondence of 39A in the appendix diagram indicated by “a)”, “b)”, “2)”, “3)”, and “4)”. It is illustrated by the process of doing.

付録図の39Aの工程「a)」において、マスク3060は、基板3050上に形成され、パターニングされている。マスクは、例えば、アルミニウム基板上にパターニングされたアルミナであり得る。工程「b)」において、マスクは除去される。工程「2)」において、マスク3060は、基板3000に取り付けられる。工程「3)」において、マスク及び基板は、酸素による反応性イオンエッチング(RIE)などのパターン転写工程を受けて、最初の基板3000からパターニングされた基板3001を形成する。工程「4)」において、マスク3060は除去されて、パターニングされた基板3001が残る。   In the process “a)” of 39A in the appendix, the mask 3060 is formed on the substrate 3050 and patterned. The mask can be, for example, alumina patterned on an aluminum substrate. In step “b)”, the mask is removed. In step “2)”, the mask 3060 is attached to the substrate 3000. In step “3)”, the mask and the substrate are subjected to a pattern transfer step such as reactive ion etching (RIE) using oxygen to form a patterned substrate 3001 from the first substrate 3000. In step “4)”, the mask 3060 is removed, and the patterned substrate 3001 remains.

代替的に、基板は、従来の複数のリソグラフィプロセスを用いてパターニングされ得る。これらは、HSQなどのフォトレジストで基板をコーティングすること、及び、電子ビーム又は紫外線光子を用いて、ウェーハ上に形成される所望の構造を表しているパターンにレジストを露光することを含み得る。次にレジストは現像されて、露光された領域を除去し、基板を露出させる。次に基板とパターニングされたレジストとの組み合わせは、レジストパターンを基板に転写する適当なエッチングプロセス(酸素ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)など)で処理される。いったんこれが完了すると、余分なレジストは除去されて、付録図の39A及び付録図の39Bの工程「4)」に示されたパターニングされた基板3001と実質的に同じである、パターニングされた基板が残る。   Alternatively, the substrate can be patterned using conventional multiple lithographic processes. These may include coating the substrate with a photoresist such as HSQ and exposing the resist to a pattern representing the desired structure formed on the wafer using an electron beam or ultraviolet photons. The resist is then developed to remove the exposed areas and expose the substrate. Next, the combination of the substrate and the patterned resist is processed by an appropriate etching process (such as reactive ion etching (RIE) using oxygen gas) that transfers the resist pattern to the substrate. Once this is complete, the excess resist is removed, resulting in a patterned substrate that is substantially the same as the patterned substrate 3001 shown in step “4)” of Appendix A 39A and Appendix B 39B. Remain.

上述されたリソグラフィによるパターニングプロセスに関する変形例において、基板をパターニングするためのハードマスクとして働く特別に選択された材料で、基板がコーティングされ得る。この場合における複数の工程は、基板上へのハードマスクのコーティング、ハードマスク上へのレジストのコーティング、電子線露光又は光露光のいずれか一方によるレジストのパターニング、レジストの現像、レジストからハードマスクへのパターンの転写、ハードマスクから基板へのパターンの転写、付録図の39A及び付録図の39Bの工程「4)」に示されたパターニングされた基板3001と実質的に同じである、パターニングされた基板を残すことである。そのような複数のリソグラフィプロセス及びこれら変形例は、当業者にはよく知られている場合がある。   In a variation on the lithographic patterning process described above, the substrate can be coated with a specially selected material that serves as a hard mask for patterning the substrate. In this case, a plurality of steps include coating a hard mask on the substrate, coating the resist on the hard mask, patterning the resist by either electron beam exposure or light exposure, developing the resist, and converting the resist to the hard mask. Pattern transfer, pattern transfer from the hard mask to the substrate, patterned substrate 3001 substantially the same as the patterned substrate 3001 shown in the step “4)” in the appendix 39A and the appendix 39B. It is to leave the substrate. Such multiple lithography processes and variations thereof may be well known to those skilled in the art.

上述された複数のリソグラフィによるパターニングプロセスの他の複数の代替例において、基板は、収束イオンビームなどの機械を用いて、直接イオンミリングもされ得る。レーザエッチングなどの他の複数の技術も、基板をパターニングするのに用いられ得る。   In other alternatives to the lithographic patterning processes described above, the substrate can also be directly ion milled using a machine such as a focused ion beam. Several other techniques, such as laser etching, can also be used to pattern the substrate.

4.3.X線材料の埋め込み
いったん基板がパターニングされると、次の工程は、所望特性のX線を発生させ得る材料をパターニングされた複数のキャビティに堆積させる工程3300である。これは、材料に応じて、化学気相成長(CVD)、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む任意の数のよく知られた堆積技術を受け得る。アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びにこれらの組み合わせ及び合金を含む様々な材料が、X線発生材料として用いるために選択され得る。
4.3. Embedding X-Ray Material Once the substrate has been patterned, the next step is depositing 3300 a material that can generate X-rays of the desired characteristics in the patterned cavities. This depends on the material, any number of well-known depositions, including chemical vapor deposition (CVD), sputtering, electroplating, mechanical stamping, or other techniques that would be known to those skilled in the art. Get technology. Aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, Various materials can be selected for use as the x-ray generating material, including cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof.

このプロセス工程3300のための代表的な複数の工程が、「5)」で示された付録図の39Bの対応する工程によって例示されている。   A plurality of representative steps for this process step 3300 are illustrated by the corresponding steps in 39B of the appendix diagram indicated by “5)”.

いったんX線材料が堆積されると、典型的に余分な材料が基板上に存在する。機械砥粒研磨プロセス又は化学機械研磨(CMP)プロセスのどちらかを用いた次の研磨工程3500は、余分な材料を除去して、「6)」で示された付録図の39Bの対応する工程によって例示されたように、X線材料の離散微細構造3401で今は充填されている、パターニングされた基板3001の複数のキャビティを残す。   Once the x-ray material is deposited, excess material is typically present on the substrate. The next polishing step 3500 using either a mechanical abrasive polishing process or a chemical mechanical polishing (CMP) process removes excess material and corresponds to the corresponding step of 39B in the appendix diagram shown at “6)”. As illustrated by FIG. 2, leaving a plurality of cavities in the patterned substrate 3001 that are now filled with discrete microstructures 3401 of x-ray material.

4.4.別の密着材料
いくつかの材料は、特定の基板と組み合わせて用いられるとき、両者の間に良好な結合を提供する界面層を形成し得る。例えば、タングステンなどの選択されたX線材料では、パターニングされたダイヤモンド基板3001上へのタングステン材料のCVD堆積3400が、ダイヤモンドの複数のキャビティを、タングステンと炭素との間の境界に強固な炭化結合を形成するタングステンで充填するのに適切であり得る。しかしながら、銅などの他の複数の材料では、銅とダイヤモンド基板との間に、10nm厚のチタン(Ti)又はクロム(Cr)の層を堆積させるなどの密着層の使用は、2つの材料の間の密着性を向上させることによって、そしてまたいくつかの場合においては、一方の領域から他方の領域へ材料が拡散するのを防止することによっての両方により、アノードの機械的完全性を向上させるのに好ましい場合がある。
4.4. Alternative Adhesive Materials Some materials, when used in combination with a particular substrate, can form an interface layer that provides a good bond between them. For example, for selected x-ray materials such as tungsten, CVD deposition 3400 of tungsten material on a patterned diamond substrate 3001 causes the diamond cavities to be strongly carbonized at the boundary between tungsten and carbon. May be suitable for filling with tungsten to form. However, in other materials such as copper, the use of an adhesion layer, such as depositing a 10 nm thick layer of titanium (Ti) or chromium (Cr) between the copper and diamond substrate, Improve the mechanical integrity of the anode both by improving the adhesion between them and also in some cases by preventing the material from diffusing from one region to the other. May be preferable.

このプロセス工程のための代表的な複数の工程が、"「5)」、「5a)」、「6a)」、及び「7a)」で示された付録図の40の対応する工程によって例示されている。   A plurality of representative steps for this process step are illustrated by the 40 corresponding steps in the appendix diagrams indicated by ““ 5) ”,“ 5a) ”,“ 6a) ”, and“ 7a) ”. ing.

パターニングされた基板3001から始まる付録図の40において、工程「5a)」は、パターニングされた基板3001上への適当な密着層3350の堆積を示している。典型的な密着層3350は、例えば、X線材料として銅(Cu)とともに用いられたとき、クロム(Cr)又はチタン(Ti)の層であり得る。他の複数の材料は、銅に対して炭化銅(CuC)、又はアルミニウムに対して炭化アルミニウム(AlC)など、ターゲット材料の炭化物合金を含み得る。さらに、両方の材料に良好な密着性を有する、当業者に知られた他の複数の材料が用いられ得る。一例として、多くの場合、モリブデンが銅に対するバリア層として用いられている。さらに、炭化チタン(TiC)バイレイヤ、又は炭化クロム(CrC)バイレイヤなどの複数の材料層が、密着層として用いられ得る。密着層の厚みは、X線材料及び基板材料の選択によって変わり得るが、典型的には、10nm厚のオーダになる。いったん堆積されると、堆積工程の後に炭化工程が続き得て、基板との炭化化合物を形成する。他の複数の実施形態において、炭化材料が直接堆積されて、密着層を提供し得る。   In the appendix diagram 40 starting with the patterned substrate 3001, step “5a)” illustrates the deposition of a suitable adhesion layer 3350 on the patterned substrate 3001. A typical adhesion layer 3350 can be, for example, a layer of chromium (Cr) or titanium (Ti) when used with copper (Cu) as the X-ray material. The other materials may include a carbide alloy of the target material, such as copper carbide (CuC) for copper or aluminum carbide (AlC) for aluminum. In addition, other materials known to those skilled in the art that have good adhesion to both materials may be used. As an example, molybdenum is often used as a barrier layer for copper. Furthermore, a plurality of material layers such as a titanium carbide (TiC) bilayer or a chromium carbide (CrC) bilayer may be used as the adhesion layer. The thickness of the adhesion layer may vary depending on the selection of the X-ray material and the substrate material, but is typically on the order of 10 nm thickness. Once deposited, the deposition step can be followed by a carbonization step to form a carbonized compound with the substrate. In other embodiments, the carbonized material can be deposited directly to provide an adhesion layer.

4.5.オーバーコート膜
いったん基板がパターニングされ、X線材料の複数の微細構造を形成すべく複数のキャビティが充填されると、次の工程は、X線材料に衝突する電子が接地への経路を有するようにする導電層の堆積である。
4.5. Overcoat film Once the substrate is patterned and multiple cavities are filled to form multiple microstructures of the X-ray material, the next step is to have electrons impacting the X-ray material have a path to ground. A conductive layer to be deposited.

このプロセス工程3700のための代表的な例示が、「7)」で示された付録図の39Bの対応する結果によって示されている。   A representative illustration for this process step 3700 is shown by the corresponding result in 39B of the appendix diagram indicated by “7)”.

堆積された材料3750は、ベリリウム(Be)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)などの複数の導電性材料、又は、グラファイト又はカーボンナノチューブなどの炭素材料のうち、いずれか1つであり得る。材料は、最小5nm、又は最大100nmであり得るが、充填された複数のキャビティを有する基板に、より大きなトポグラフィの変動が存在する場合など、いくつかの状況においては、材料は最大500nmになり得る。   The deposited material 3750 can be a plurality of conductive materials such as beryllium (Be), aluminum (Al), chromium (Cr), titanium (Ti), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), or Or any one of carbon materials such as graphite or carbon nanotubes. The material can be a minimum of 5 nm, or a maximum of 100 nm, but in some situations the material can be a maximum of 500 nm, such as when there is a greater topographic variation in a substrate with multiple cavities filled. .

複数の堆積技術は、限定されないが、化学気相成長(CVD)、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む、任意の数の様々な堆積技術であり得る。   The plurality of deposition techniques can be any number of various, including but not limited to chemical vapor deposition (CVD), sputtering, electroplating, mechanical stamping, or other techniques that would be known to those skilled in the art. It can be a deposition technique.

いったん導電層が堆積されると、最終的な保護オーバーコート膜又はキャップ層も堆積され得る。   Once the conductive layer is deposited, a final protective overcoat film or cap layer can also be deposited.

このプロセス工程3900のための代表的な例示が、「8)」で示された付録図の39Bの対応する結果によって示されている。   A representative illustration for this process step 3900 is shown by the corresponding result in 39B of the appendix diagram shown at “8)”.

堆積材料3950は、複数の材料のうちいずれか1つであり得るが、典型的には、ダイヤモンド(C)、ダイヤモンド状炭素(DLC)、又はベリリウム(Be)など、基板に用いられた同じ材料、又は炭化ケイ素(SiC)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、ロジウム(Rh)、及びパラジウム(PD)などの別の複数の材料になるように選択され得る。材料は、最小100nm、又は最大50ミクロンであり得る。   The deposition material 3950 can be any one of a plurality of materials, but typically the same material used for the substrate, such as diamond (C), diamond-like carbon (DLC), or beryllium (Be). Or another material such as silicon carbide (SiC), chromium (Cr), molybdenum (Mo), rhodium (Rh), and palladium (PD). The material can be a minimum of 100 nm, or a maximum of 50 microns.

複数の堆積技術は、限定されないが、化学気相成長(CVD)、スパッタリング、電気めっき、機械的スタンピング、又は当業者に知られているであろう他の技術を含む、任意の数の様々な堆積技術であり得る。   The plurality of deposition techniques can be any number of various, including but not limited to chemical vapor deposition (CVD), sputtering, electroplating, mechanical stamping, or other techniques that would be known to those skilled in the art. It can be a deposition technique.

下の層に対して良好な密着性を有すべく、キャップ層の堆積は、ダイヤモンド成長のシード層を形成する炭化チタン(TiC)などの密着層の堆積後に行われ得る。このシード層を提供する堆積は非常に薄く、おそらく1nmから5nmの間になり得る。   In order to have good adhesion to the underlying layer, the deposition of the cap layer can be performed after deposition of an adhesion layer such as titanium carbide (TiC) that forms the seed layer for diamond growth. The deposit providing this seed layer is very thin, possibly between 1 nm and 5 nm.

4.6.プロセスの組み合わせ
いったんこれらの工程が完了すると、付録図の39Bに「8)」で示された最終的な目的物は、X線ソースのターゲットとして用いるのに適当なX線発生材料の複数の微細構造を有する基板を備える。
4.6. Process Combinations Once these steps have been completed, the final object, indicated by “8)” in 39B of the appendix diagram, is a composite of multiple fines of X-ray generating material suitable for use as a target of an X-ray source. A substrate having a structure is provided.

特定の複数のプロセス工程が特定の順序で説明されたが、同様の結果を実現すべく、特定の複数の工程は異なる順序で、又は互いに組み合わされて実行され得ることは、理解されるべきである。   Although specific process steps have been described in a specific order, it should be understood that specific processes may be performed in different orders or in combination with each other to achieve similar results. is there.

例えば、導電層の堆積はキャップ層の堆積前に行われると説明されたが、付録図の19に例示されたものなど、これらを組み合わせた層が機能を果たす(すなわち、導電性キャップ層)。同様に、複数のプロセス工程の一部が繰り返されて、付録図の18に例示されたような複数の層のターゲット材料を堆積し得る。   For example, although it has been described that deposition of the conductive layer occurs prior to deposition of the cap layer, a combination of these functions, such as that illustrated in Appendix Figure 19 (ie, a conductive cap layer). Similarly, some of the multiple process steps may be repeated to deposit multiple layers of target material as illustrated in appendix 18.

さらに、付録図の21に例示されたような複数の層の微細構造は、この章で説明されたように、複数のプロセス工程(又はその一部)を繰り返すことによって形成され得る。
[付録図 13A]
[付録図 13B]
[付録図 13C]
[付録図 14A]
[付録図 14B]
[付録図 15]
[付録図 16]
[付録図 17]
[付録図 18]
[付録図 19]
[付録図 20A]
[付録図 20B]
[付録図 20C]
[付録図 21A]
[付録図 21B]
[付録図 22A]
[付録図 22B]
[付録図 22C]
[付録図 23A]
[付録図 23B]
[付録図 23C]
[付録図 24A]
[付録図 24B]
[付録図 24C]
[付録図 25A]
[付録図 25B]
[付録図 25C]
[付録図 26A]
[付録図 26B]
[付録図 26C]
[付録図 27A]
[付録図 27B]
[付録図 27C]
[付録図 28A]
[付録図 28B]
[付録図 28C]
[付録図 29A]
[付録図 29B]
[付録図 29C]
[付録図 30A]
[付録図 30B]
[付録図 30C]
[付録図 31]
[付録図 32]
[付録図 33]
[付録図 34]
[付録図 35A]
[付録図 35B]
[付録図 35C]
[付録図 36]
[付録図 37]
[付録図 38]
[付録図 39A]
[付録図 39B]
[付録図 40]
In addition, multiple layer microstructures as illustrated in appendix 21 may be formed by repeating multiple process steps (or portions thereof) as described in this section.
[Appendix Figure 13A]
[Appendix Figure 13B]
[Appendix Figure 13C]
[Appendix Figure 14A]
[Appendix Figure 14B]
[Appendix Fig. 15]
[Appendix Figure 16]
[Appendix Figure 17]
[Appendix Figure 18]
[Appendix Figure 19]
[Appendix Figure 20A]
[Appendix Figure 20B]
[Appendix Figure 20C]
[Appendix Figure 21A]
[Appendix Figure 21B]
[Appendix 22A]
[Appendix 22B]
[Appendix 22C]
[Appendix Figure 23A]
[Appendix Figure 23B]
[Appendix Figure 23C]
[Appendix Figure 24A]
[Appendix Figure 24B]
[Appendix Figure 24C]
[Appendix Figure 25A]
[Appendix Figure 25B]
[Appendix Figure 25C]
[Appendix Figure 26A]
[Appendix Figure 26B]
[Appendix Figure 26C]
[Appendix Figure 27A]
[Appendix Figure 27B]
[Appendix Figure 27C]
[Appendix Figure 28A]
[Appendix Figure 28B]
[Appendix Figure 28C]
[Appendix Figure 29A]
[Appendix Figure 29B]
[Appendix Figure 29C]
[Appendix Figure 30A]
[Appendix Figure 30B]
[Appendix Figure 30C]
[Appendix Figure 31]
[Appendix Figure 32]
[Appendix Figure 33]
[Appendix Figure 34]
[Appendix Figure 35A]
[Appendix Figure 35B]
[Appendix Figure 35C]
[Appendix Figure 36]
[Appendix Figure 37]
[Appendix Figure 38]
[Appendix Figure 39A]
[Appendix Figure 39B]
[Appendix Figure 40]

1896年のレントゲンによるX線の最初の発見[W.C.Rontgen著、『Eine Neue Art von Strahlen』(Wiirzburg Verlag、1895年);『On a New Kind of Rays』、Nature、53巻、274−276ページ(1896年1月23日)]は、レントゲンが真空管内でターゲットの電子衝撃を実験していた時に、偶然生まれた。これらの高エネルギーで短波長の光子は、現在では、医学的応用及び診断的評価、並びにセキュリティ検査、工業検査、品質管理、及び故障解析、さらに結晶学、トモグラフィ、X線蛍光分析、及び同様のものなど科学的応用に、日常的に使用されている。 The first discovery of X-rays by X-rays in 1896 [W. C. Rongen, Eine Neue art von Strahlen (Wiirzburg Verlag, 1895); “On a New Kind of Rays”, Nature, Vol. It was born by chance while experimenting with electron impact on the target. These high energy, short wavelength photons are now used in medical applications and diagnostic evaluation, as well as security inspection, industrial inspection, quality control, and failure analysis, as well as crystallography, tomography, X-ray fluorescence analysis, and the like It is used on a daily basis for scientific applications.

真空管02の内部では、導線21を通じて高電圧源10に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。ターゲット01は反対側の高電圧導線22に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。放出された電子111はターゲット01に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット01と衝突する。固体ターゲット01への電子111の衝突は、X線888の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線888の一部は、X線を通すよう設計されたウィンドウ04を通って真空管02から出て行く。図1に示された構成において、ターゲット01はウィンドウ04上に堆積されるか、又は直接取り付けられ、ウィンドウ04は真空チャンバの壁の一部を形成する。他の従来技術による複数の実施形態において、ターゲットは、ウィンドウ04自体の不可欠な部分として形成され得る。 Inside the vacuum tube 02, the emitter 11 connected to the high voltage source 10 through the conducting wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a current is passed through the filament to generate a beam of electrons 111. The target 01 is electrically connected to the opposite high voltage lead 22 and thereby acts as an anode. The emitted electrons 111 are accelerated toward the target 01 and collide with the target 01 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of the electrons 111 with the solid target 01 causes multiple effects including the emission of X-rays 888. A portion of the x-ray 888 exits the vacuum tube 02 through a window 04 designed to pass x-rays. In the configuration shown in FIG. 1, the target 01 is deposited or directly mounted on the window 04, which forms part of the wall of the vacuum chamber. In other prior art embodiments, the target may be formed as an integral part of the window 04 itself.

真空管20の内部では、導線21を通じて高電圧源10に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。ターゲット基板110に支えられたターゲット100は反対側の高電圧導線22及びターゲット支持部32に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子111はターゲット100に向かって加速し、加速電圧の大きさによって決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット100と衝突する。ターゲット100への電子111の衝突は、X線の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線の一部は真空管20から出て、X線に対して透過的であるウィンドウ40を通過する。 Inside the vacuum tube 20, the emitter 11 connected to the high voltage source 10 through the conductive wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a current is passed through the filament to generate a beam of electrons 111. Target 100 which is supported on the target substrate 110 is electrically connected to the opposite side of the high voltage conductor 22 and the target support 32, thereby acting as an anode. The electrons 111 accelerate toward the target 100 and collide with the target 100 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of electrons 111 with the target 100 causes multiple effects including X-ray emission. Some of the X-rays exit the vacuum tube 20 and pass through a window 40 that is transparent to the X-rays.

図3に戻ると、これらの特性X線388は主に、相互作用体積200の2番目に大きい陰影部248として示される電子侵入深さのほんの一部で発生する。相対深さは、典型的には深さが増加するとともに低下する電子111のエネルギーによって、ある程度影響を受ける。電子エネルギーがターゲット内の電子の結合エネルギーを超えない場合、特性X線は全く放出されない。特性線の最大放出は、放出される特性X線光子のエネルギーの3倍から5倍を有する電子との衝撃の際に生じ得る。これらの特性X線は、複数の電子殻の間の原子遷移によって生じるので、放出は概して完全に等方性になる。この相互作用体積200の実際の大きさは、電子のエネルギー及び入射角、表面トポグラフィ及び他の複数の特性(局所的な電荷密度を含む)、並びにターゲット材料の密度及び原子組成に応じて変化し得る。 Returning to FIG. 3, these characteristic X-rays 388 occur primarily at a fraction of the electron penetration depth, shown as the second largest shaded portion 248 of the interaction volume 200. The relative depth is typically affected to some extent by the energy of the electrons 111, which typically decreases with increasing depth. If the electron energy does not exceed the binding energy of the electrons in the target, no characteristic X-rays are emitted. Maximum emission of characteristic lines can occur upon impact with electrons having 3 to 5 times the energy of emitted characteristic X-ray photons. Since these characteristic X-rays are caused by atomic transitions between multiple electron shells, the emission is generally completely isotropic. The actual size of this interaction volume 200 will vary depending on the electron energy and angle of incidence, surface topography and other properties (including local charge density), and the density and atomic composition of the target material. obtain.

制動放射線用のX線ソースの輝度を増大させる別の方法は、より大きい原子番号Zのターゲット材料を使用することである。その理由は、材料の原子番号がだんだん高くなると、それに対応して制動放射線用のX線発生の効率が高くなるからである。さらに、X線放出材料は、ソースにかかるより高い電子パワーがX線発生を増加させることを可能にすべく、高融点及び高熱伝導率など、理想的には良好な熱特性を有するべきである。これらの理由のため、ターゲットは、原子番号Zが74のタングステンを用いて製造されることが多い。表1は、X線ターゲット、複数の更なる可能性のあるターゲット材料(対象となる特定の特性線に特に有用)、及びターゲット材料の基板として使用され得るいくつかの材料に一般に使用される複数の材料を記載している。融点及び熱/電気伝導率は、300K(27℃)近傍の値を示している。大部分の値は、CRC刊『Handbook of Chemistry and Physics』の第90版[フロリダ州ボカラトン、CRC Press、2009年]から取られている。他の複数の値は、インターネット上に見られる様々なソースから引用されている。 例えば、サファイアなど、いくつかの材料では、液体窒素温度(77K)以下の温度に冷却されると、1桁大きい熱伝導率が可能であり得ることに留意されたい[例えば、E.R.Dobrovinskaya他著、『Sapphire:Material,Manufacturing,Applications』、Springer Science + Business Media,LLC刊(2009年)の2.1.5章「熱特性」を参照]。
Another way to increase the brightness of an x-ray source for bremsstrahlung is to use a higher atomic number Z target material. The reason is that as the atomic number of the material increases, the efficiency of generating X-rays for bremsstrahlung increases correspondingly. Furthermore, the X-ray emitting material should ideally have good thermal properties, such as a high melting point and high thermal conductivity, to allow higher electron power on the source to increase X-ray generation. . For these reasons, targets are often manufactured using tungsten with an atomic number Z of 74. Table 1 shows commonly used X-ray targets, multiple additional potential target materials (especially useful for the particular characteristic line of interest), and some materials that can be used as a substrate for the target material. The materials are described. The melting point and the heat / electric conductivity are values in the vicinity of 300 K (27 ° C.). Most of the values are taken from the 90th edition of CRC "Handbook of Chemistry and Physics" [Boca Raton, Florida, CRC Press, 2009]. Several other values are cited from various sources found on the Internet. It should be noted that for some materials, such as sapphire, thermal conductivity may be an order of magnitude greater when cooled to temperatures below the liquid nitrogen temperature (77 K) [eg, E.C. R. See Dobrovinskaya et al., “Sapphire: Material, Manufacturing, Applications”, Springer Science + Business Media, LLC, Chapter 2.1.5 “Thermal Properties”].

特定の環境に効果的であるがまだ改善の余地がある。液体金属の噴流は、精巧な給排水システム及び消耗品を必要とし、用いられる材料(また、これにより原子番号の値及びその関連スペクトル)が制限され、より大きい出力に上げることが難しい。ダイヤモンド基板の上にコーティングされた一様な固体材料の薄膜ターゲットの場合では、回転アノード構成で用いられたとしても、膜への損傷が生じ得る前に許容され得る熱量にまだ限界がある。熱伝導は、膜の底面を通じて生じるだけである。横寸法においても、バルク材料に存在するのと同じ伝導の問題が存在する。 Although it is effective in a particular environment, there is still room for improvement. Liquid metal jets require elaborate water supply and drainage systems and consumables, limiting the materials used (and thus the atomic number values and their associated spectra), making it difficult to increase to higher power. In the case of a uniform solid material thin film target coated on a diamond substrate, there is still a limit to the amount of heat that can be tolerated before damage to the film can occur, even when used in a rotating anode configuration. Heat conduction only occurs through the bottom surface of the membrane. Even in the lateral dimension, there are the same conduction problems that exist in bulk materials.

タングステンターゲットの典型的なX線放射スペクトルを示す。2 shows a typical X-ray emission spectrum of a tungsten target.

ターゲットを60°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのX線放射を示す。Figure 3 shows X-ray emission from a prior art target when the target is at a 60 ° tilt angle.

ターゲットを45°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのX線放射を示す。Figure 3 shows X-ray emission from a prior art target when the target is at a 45 ° tilt angle.

ターゲットを30°の傾斜角にしたときの、従来技術のターゲットからのX線放射を示す。Figure 3 shows X-ray emission from a prior art target when the target is at a 30 ° tilt angle.

電子衝撃を受けてX線を放出する図19Cのターゲットの側面/断面図を示す。FIG. 19C shows a side / sectional view of the target of FIG. 19C that emits X-rays upon electron impact.

の時間ステップt=2における図28A及び図28BのX線放出器の集合体を示す。 FIG. 29 shows the collection of X-ray emitters of FIGS. 28A and 28B at the next time step t = 2.

図37A及び図37Bのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。FIG . 37 shows a front view of the target and distributed electron beam of FIGS . 37A and 37B .

図38A及び図38Bのターゲット及び分散電子ビームの前面図を示す。FIG. 39 shows a front view of the target and distributed electron beam of FIGS . 38A and 38B .

2つの円筒形の光学要素を有する複数のX線レンズの従来技術の実施形態を示す。 1 illustrates a prior art embodiment of a plurality of x-ray lenses having two cylindrical optical elements .

複数の円筒形の光学要素を有する複数のX線レンズの従来技術の実施形態を示す。1 illustrates a prior art embodiment of a plurality of x-ray lenses having a plurality of cylindrical optical elements.

前述のように、チャンバ20の内部では、導線21を通じて高電圧源10の負極に接続された放出器11がカソードとして働き、多くの場合、フィラメントに電流を流すことによって、電子111のビームを発生させる。電子ビーム発生用の任意の数の従来技術の技法が、本明細書に開示された本発明の複数の実施形態に用いられ得る。電子ビーム発生に用いられる更なる公知技術は、熱電子放出のための加熱、ショットキー放出(加熱と電界放出との組み合わせ)、カーボンナノチューブなどのナノ構造を有する複数の放出器、複数の強誘電体材料を用いることを含む。[電子ビーム発生用の電子放出オプションに関する詳細は、Shigehiko Yamamoto著『Fundamental physics of vacuum electron sources』(Reports on Progress in Physics、第69巻、181−232ページ(2006年))、Alireza Nojeh著『Carbon Nanotube Electron Sources: From Electron Beams to Energy Conversion and Optophononics』(ISRN Nanomaterials、2014年版、論文番号879827、23ページ(2014年))、及びH.Riege著『Electron Emission from Ferroelectrics − A Review』(CERN Report CERN AT/93−18、スイス/ジュネーブ、1993年7月)を参照]。 As described above, inside the chamber 20, the emitter 11 connected to the negative electrode of the high voltage source 10 through the conducting wire 21 functions as a cathode, and in many cases, a beam of electrons 111 is generated by passing a current through the filament. Let Any number of prior art techniques for electron beam generation can be used in the embodiments of the invention disclosed herein. Further known techniques used for electron beam generation are heating for thermionic emission, Schottky emission (combination of heating and field emission), multiple emitters with nanostructures such as carbon nanotubes, multiple ferroelectrics Using body material. [For more information on electron emission options for electron beam generation, see Shigehiko Yamamoto, Fundamental Physics of vacuum electron sources (Reports on Progress in Physics, Vol. 69, 181-232A, 6 z). Nanotube Electron Sources: From Electron Beams to Energy Conversion and Optophonics (ISRN Nanomaterials, 2014 edition, paper number 879827, page 23 (2014)). Riege, "Electron emission from Ferroelectrics-A Review" (CERN Report CERN AT / 93-18, Switzerland / Geneva, July 1993)].

前述のように、ターゲット基板1000及びX線発生材料の領域700を有するターゲット1100は反対側の高電圧導線22及びターゲット支持部32に電気的に接続され、これによりアノードとして働く。電子111はターゲット1100に向かって加速され、加速電圧の大きさで決定される電子エネルギーを有する高エネルギーでターゲット1100と衝突する。ターゲット1100への電子111の衝突は、X線の放出を含む複数の効果を引き起こす。X線の一部は真空管20から出て、X線に対して透過的であるウィンドウ40を通過する。 As described above, the target 1100 having the target substrate 1000 and the region 700 of the X-ray generating material is electrically connected to the opposite high voltage conductor 22 and the target support portion 32, thereby serving as an anode. The electrons 111 are accelerated toward the target 1100 and collide with the target 1100 with high energy having electron energy determined by the magnitude of the acceleration voltage. The collision of electrons 111 with the target 1100 causes multiple effects including the emission of X-rays. Some of the X-rays exit the vacuum tube 20 and pass through a window 40 that is transparent to the X-rays.

しかしながら、本発明のいくつかの実施形態において、導線27を介してコントローラ10−1によって制御され、放出器11によって提供される電子線量及び電圧と調整される、静電レンズシステム、又は複数の電子レンズの他のシステムなどの電子ビーム制御機構70も存在し得る。従って、電子ビーム111は、基板1000と密接に熱的接触をするように製造された1又は複数の微細構造700を有するターゲット1100の上で、走査され、焦点が合わせられ、デフォーカスされ、又はそうでなければ方向付けられ得る。 However, in some embodiments of the present invention, an electrostatic lens system or a plurality of electrons controlled by controller 10-1 via lead 27 and coordinated with the electron dose and voltage provided by emitter 11 There may also be an electron beam control mechanism 70 such as other systems of lenses. Thus, the electron beam 111 is scanned, focused, defocused, or on a target 1100 having one or more microstructures 700 manufactured in intimate thermal contact with the substrate 1000, or Otherwise it can be directed.

図7に例示されたように、微細構造700の配列は、電子ビーム又はビーム111による複数の微細構造700の衝撃が、ターゲットの面法線に対して直交する方向に、その視野方向への強度が増す又は累積するような様式で、放出を生じさせるように配置され得る。その方向は、ウィンドウ40を通ってシステムから出ていく指向性ビーム888を形成すべく、システムのスクリーン84の開口部840によっても選択され得る。いくつかの実施形態において、開口部840は真空チャンバの外側に配置され得るか、又はより一般にはウィンドウ40自体が開口部840として働き得る。いくつかの実施形態において、開口部は真空チャンバ内部にあり得る。 As illustrated in FIG. 7, the arrangement of the microstructures 700 is such that the impact of the plurality of microstructures 700 by the electron beam or the beam 111 is intensity in the viewing direction in a direction perpendicular to the surface normal of the target. May be arranged to cause release in a manner that increases or accumulates. That direction can also be selected by an opening 840 in the system screen 84 to form a directional beam 888 that exits the system through the window 40. In some embodiments, the opening 840 can be located outside the vacuum chamber, or more generally, the window 40 itself can serve as the opening 840 . In some embodiments, the opening can be inside the vacuum chamber.

図8は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲット1100を示す。本図において、基板1000は、直(right)四角柱の規則的配列構造で配置されたX線発生材料(典型的には、金属材料)を含む微細構造700の配列を有する領域1001を有する。真空において、電子111は上からターゲットに衝撃を与え、微細構造700に熱及びX線を発生させる。基板1000の材料は、X線発生微細構造の材料と比較して、電子に対して比較的低いエネルギー堆積速度を有するように(典型的には、基板用に低原子番号の材料を選択することによって)選択されるので、大量の熱及びX線を発生しない。基板1000の材料は、典型的には100W/(m℃)より大きい高熱伝導率を有するようにも選択され得て、微細構造は典型的には基板内に埋め込まれている。すなわち、微細構造が四角柱として形成されている場合、微細構造700に発生した熱が基板1000へ効果的に放散されるように、6つ面のうち少なくとも5つの面が基板1000と密接に熱的接触をしていることが好ましい。しかしながら、他の複数の実施形態において用いられたターゲットは、より少ない直接接触の表面を有し得る。概して、「埋め込み」という用語が本開示で用いられるとき、微細構造の表面積の少なくとも半分は、基板と密接に熱的接触をしている。 FIG. 8 shows a target 1100 as may be used in some embodiments of the present invention. In this figure, a substrate 1000 has a region 1001 having an array of microstructures 700 including an X-ray generating material (typically a metal material) arranged in a regular array structure of right square pillars. In vacuum, the electrons 111 impact the target from above and generate heat and X-rays in the microstructure 700. The material of the substrate 1000 has a relatively low energy deposition rate for electrons compared to the material of the X-ray generating microstructure (typically selecting a low atomic number material for the substrate) Does not generate large amounts of heat and x-rays. The material of the substrate 1000 can also be selected to have a high thermal conductivity, typically greater than 100 W / (m ° C.), with the microstructure typically embedded within the substrate. That is, when the microstructure is formed as a quadrangular prism, at least five of the six surfaces are in close contact with the substrate 1000 so that heat generated in the microstructure 700 is effectively dissipated to the substrate 1000. It is preferable to have a mechanical contact. However, targets used in other embodiments may have fewer direct contact surfaces. In general, when the term “embedding” is used in this disclosure, at least half of the surface area of the microstructure is in intimate thermal contact with the substrate.

図9は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲット1100−Fを示しており、ここで電子ビーム111−Fは、静電レンズによって方向付けられ、より集中した収束スポットを形成する。この状況では、ターゲット1100−FはX線材料を含む微細構造700−Fの配列を有する領域1001−Fをまだ有しているが、この領域1001−Fのサイズ及び寸法は、電子照射が生じる領域に合致し得る。これらのターゲットにおいて、ソース形状及びX線発生材料の「調整」は、設計によって、発生する熱量を微細構造領域1001−Fにほとんど制限して、設計及び製造の複雑さも低減するように制御され得る。これは、微小スポットを形成すべく焦点が合わせられた電子ビームとともに用いられるとき、又はより複雑な電子照射パターンを形成するより複雑なシステムによって用いられるときに、特に有用であり得る。 FIG. 9 shows another target 1100-F as may be used in some embodiments of the present invention, where the electron beam 111-F is directed by an electrostatic lens and is more focused. A spot is formed. In this situation, the target 1100-F still has a region 1001-F having an array of microstructures 700-F containing X-ray material, but the size and dimensions of this region 1001-F cause electron irradiation. Can match the region. In these targets, the “tuning” of the source shape and x-ray generating material can be controlled by the design to limit the amount of heat generated to the microstructure region 1001-F and also reduce design and manufacturing complexity. . This can be particularly useful when used with an electron beam that is focused to form a microspot, or when used by more complex systems that form more complex electron illumination patterns.

図10は、本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲット1100−Eを示しており、ここでターゲット1100−Eは、電子111にさらされたときにX線を放出するX線材料を含む微細構造700−Eの配列を有する領域1001−Eをまだ有しているが、領域1001−Eは基板1000−Eの縁部と同一平面を成して配置されるか、又はその近くに配置される。この構成は、基板がX線を吸収する材料を有するために、図8に示されたような構成において、0°に近い角度での放出が著しく減衰され得るターゲットで有用であり得る。 FIG. 10 shows another target 1100-E as may be used in some embodiments of the invention, where target 1100-E emits X-rays when exposed to electrons 111. FIG. Still have a region 1001-E with an array of microstructures 700-E containing X-ray material, but the region 1001-E is coplanar with the edge of the substrate 1000-E, Or it is arranged in the vicinity. This configuration may be useful with targets where emission at an angle close to 0 ° can be significantly attenuated in a configuration such as that shown in FIG. 8 because the substrate has a material that absorbs x-rays.

図12は電子ビーム111と、基板1000及びX線材料の微細構造700を有するターゲットとの間の関連する相互作用を示す。例示されたように、3つの電子経路だけが示されており、2つの代表電子が、示された2つの微細構造700に衝撃を与え、1つの代表電子が基板と相互作用している。 FIG. 12 shows the associated interaction between the electron beam 111 and a target having a substrate 1000 and a microstructure 700 of X-ray material. As illustrated, only three electron paths are shown, with two representative electrons impacting the two microstructures 700 shown, with one representative electron interacting with the substrate.

図13は、図12に示された様々な領域からの相対的なX線発生を示す。X線888は、それが発生するX線発生材料の複数の微細構造700中の領域248から放出された特性X線を有し、電子が基板と相互作用する領域1280及び1080は、基板元素の特性X線を発生させる(複数の微細構造700のX線発生領域248元素の特性X線ではない)。さらに、X線発生材料の複数の微細構造700の領域248から放出された制動放射X線は、典型的には、電子が低原子番号の基板にしか遭遇しない領域1280及び1080において、それらの領域が放出する弱い連続X線1088及び1228よりはるかに強い。 FIG. 13 shows the relative x-ray generation from the various regions shown in FIG. X-rays 888 have characteristic X-rays emitted from regions 248 in the plurality of microstructures 700 of the X-ray generating material from which they generate, and regions 1280 and 1080 where electrons interact with the substrate are Characteristic X-rays are generated (not characteristic X-rays of elements in the X-ray generation regions 248 of the plurality of microstructures 700 ). In addition, bremsstrahlung X-rays emitted from regions 248 of the plurality of microstructures 700 of the X-ray generating material typically occur in regions 1280 and 1080 where electrons encounter only low atomic number substrates. Is much stronger than the weak continuous X-rays 1088 and 1228 that emit.

質的に一様な材料の広いターゲットでは、X線が材料を通って表面に伝搬するにつれ、ターゲット内部のX線の複数の発生源の間のX線の減衰は、取り出し角を減少させるとともに、材料内を移動する距離がより長くなることに起因して増大し、多くの場合、0°の取り出し角において、又はその近くの角度で最大になる。従って、0°近くで見ることによって実現されるいかなる輝度の増加も、再吸収によって平衡させられ得る。X線ビームが強度において1/eまで減少する距離はX線減衰長と呼ばれている。従って、放出されたX線が可能な限り更なる材料を通過しない、X線減衰長に関連して選択された距離を有する構成が所望され得る。 In a broad target of substantive uniform materials, as X-rays are propagated to the surface through the material, the attenuation of X-rays between the multiple sources of target internal X-ray reduces the takeoff angle And increases due to the longer distance traveled through the material, often maximizing at or near the take-off angle of 0 °. Thus, any increase in brightness achieved by viewing near 0 ° can be balanced by reabsorption. The distance at which the X-ray beam decreases in intensity to 1 / e is called the X-ray attenuation length. Therefore, a configuration having a distance selected in relation to the x-ray attenuation length that does not allow the emitted x-rays to pass through as much further material as possible may be desired.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなターゲットの一部の例示が、図14に示されている。図14において、単一の微細構造2700を有するX線発生領域は、棚状部2002に接した基板の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、図11に例示された状況に類似している。X線発生微細構造2700は、基板2000に埋め込まれている幅W、長さL、及び深さ又は厚みDの矩形バーの形状をしており、電子111で衝撃を与えられたときに、X線2888を放出する。 An illustration of some of the targets as may be used in some embodiments of the present invention is shown in FIG. In FIG. 14, an X-ray generation region having a single microstructure 2700 is configured at or near the recessed edge 2003 of the substrate in contact with the shelf 2002, similar to the situation illustrated in FIG. 11. doing. The X-ray generation microstructure 2700 has a rectangular bar shape with a width W, a length L, and a depth or thickness D embedded in the substrate 2000. When the X-ray generation microstructure 2700 is struck by electrons 111, Line 2888 is emitted.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような代替的なターゲットの一部の例示が、図15に示されている。このターゲットでは、6つの微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706を有するX線発生領域が、棚状部2002に接したターゲット基板2000の凹んだ縁部2003に、又はその近くに構成され、図11及び図14に例示された状況と類似している。示されるように、X線発生微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706は、基板2000に埋め込まれたX線を発生する直四角柱の直線配列で配置され、電子111で衝撃を与えられたときにX線2888−Dを放出する。 An illustration of some of the alternative targets that may be used in some embodiments of the present invention is shown in FIG. In this target, an X-ray generation region having six microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 is configured at or near the recessed edge 2003 of the target substrate 2000 in contact with the shelf-like portion 2002. And is similar to the situation illustrated in FIGS. As shown, the X-ray generation microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 are arranged in a linear array of rectangular prisms that generate X-rays embedded in the substrate 2000 and are bombarded with electrons 111. X-rays 2888-D are emitted when

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るようなこのターゲットにおいて、X線発生材料の総体積は、前の図14の例示におけるものと同じである。図14に示された場合においても同様であるが、微細構造2701−2706の厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3の間になるように選択される。図14に示された場合においても同様であるが、微細構造2701−2706の幅Wは、対応する方向に所望のソースサイズを得るように選択され、例示されたようにWはおよそDの1.5倍である。前に論じられたように、バーの幅Wは、所望されるソーススポットのサイズに応じて、実質的にそれより小さくも、大きくもなり得る。 In this target as may be used in some embodiments of the present invention, the total volume of x-ray generating material is the same as in the previous illustration of FIG. The same applies to the case shown in FIG. 14, but the thickness D of the microstructure 2701-2706 (thickness along the surface normal of the target) is the X-ray generating material at the incident electron energy for optimum thermal performance. Is selected to be between 1/3 and 2/3 of the electron penetration depth. As in the case shown in FIG. 14, the width W of the microstructures 2701-2706 is selected to obtain the desired source size in the corresponding direction, and W is approximately 1 of D as illustrated. .5 times. As discussed previously, the bar width W can be substantially smaller or larger depending on the size of the desired source spot.

しかしながら、示されるように、図14に例示されたような長さLの単一のバー2700は、6つのサブバーの形で微細構造2701、2702、2703、2704、2705、2706に置き換えられており、それぞれの長さlはL/6である。X線発生の体積(同じ電子密度で衝撃を与えられたとき)は同じであるが、ここでそれぞれのサブバーは基板に熱を伝達する5つの面を有し、X線発生サブバー2701−2706から基板への熱の放散を増加させる。例示されたように、複数のサブバーの間の分離距離dはおよそlに等しいが、それより大きい又は小さい寸法が用いられてもよく、これは、基板に吸収されるX線量、及び、X線発生微細構造2701−2706の特定の材料と基板2000との間で実現され得る相対的な温度勾配に依存する。 However, as shown, a single bar 2700 of length L as illustrated in FIG. 14 has been replaced with microstructures 2701, 2702, 2703, 2704, 2705, 2706 in the form of six subbars. , Each length l is L / 6. The volume of X-ray generation (when bombarded with the same electron density) is the same, but here each subbar has five faces that transfer heat to the substrate, and from X-ray generation subbars 2701-2706 Increase heat dissipation to the substrate. As illustrated, the separation distance d between the sub-bars is approximately equal to l, but larger or smaller dimensions may be used, which are the X-ray dose absorbed by the substrate and the X-rays Depends on the relative temperature gradient that can be realized between the particular material of the generated microstructure 2701-2706 and the substrate 2000.

図15などに示された構成では、複数のX線発生サブバーの全長は、一般にX線発生材料におけるX線の直線減衰長の約2倍になるが、その距離の半分から3倍を超えるところまで選択され得る。同様に、複数のサブバーの厚みD(ターゲットの面法線に沿った厚み)は、最適熱性能のために、入射電子エネルギーにおけるX線発生材料の電子侵入深さの1/3から2/3に等しくなるように選択されたが、実質的にそれより大きくなり得る。バーの厚みDは、該当方向に、ほぼ等しい所望のX線ソースサイズを得るためにも選択され得る。 In the configuration shown in FIG. 15 and the like, the total length of the plurality of X-ray generation sub-bars is generally about twice as long as the X-ray linear attenuation length in the X-ray generation material. Can be selected. Similarly, the thickness of the plurality of sub-bars D (thickness along the surface normal of the target), for optimum thermal performance, 1/3 of the electron penetration depth of X-ray generating material at an incident electron energy 2 / Although selected to be equal to 3, it can be substantially larger. The thickness D of the bar can also be selected to obtain a desired x-ray source size that is approximately equal in the relevant direction.

数のバーは、(示されたように)基板に埋め込まれ得るが、X線発生材料に発生する熱負荷が大き過ぎない場合には、基板の上に配置されてもよい。 Bar multiple is be embedded (as shown) substrate, when the thermal load generated in the X-ray generating material is not too large, it may be disposed on the substrate.

図16A〜図16Cのターゲットにおいて、複数の微細構造は6つの面のうち5つで基板と密接に熱的接触をするように、製造されている。例示されたように、複数の微細構造700の上面は基板の表面と同一平面を成すが、複数の微細構造が凹所にある他のターゲットが製造されてよく、さらに複数の微細構造が基板の表面に対して局所的な「バンプ」を示す他のターゲットが製造されてもよい。
ここでkは熱伝導率(W/(m℃))、ΔTは厚みdの全体にわたる温度の差異(℃)である。従って、表面積の増大、厚みの低下、及びΔTの増大はすべて、熱伝導の比例的増加につながる。
In the targets of FIGS. 16A-16C , the plurality of microstructures are fabricated so as to be in intimate thermal contact with the substrate on five of the six faces. As illustrated, the top surfaces of the plurality of microstructures 700 are coplanar with the surface of the substrate, but other targets in which the plurality of microstructures are recessed may be fabricated, and the plurality of microstructures may be formed on the substrate. Other targets that exhibit local “bumps” to the surface may be manufactured.
Here, k is the thermal conductivity (W / (m ° C.)), and ΔT is the temperature difference (° C.) over the entire thickness d. Thus, an increase in surface area, a decrease in thickness, and an increase in ΔT all lead to a proportional increase in heat conduction.

図18A〜図18Cは、本発明の一実施形態による、X線発生材料を含む直四角柱の形をした微細構造700及び701の市松模様状の配列を有する、ターゲットの領域1013を示している。示されたような配列は、基板1000の表面に埋め込み配列として配置されている。図18Aは25個の埋め込み微細構造700及び701の斜視図を示し、図18Bは同じ領域の上面図を示し、図18Cは点線で示された凹み領域を有する同じ領域の側面/断面図を示している。 FIGS. 18A-18C illustrate a region 1013 of a target having a checkered array of microstructures 700 and 701 in the shape of a rectangular prism containing an X-ray generating material, according to one embodiment of the present invention. . The array as shown is arranged as a buried array on the surface of the substrate 1000 . 18A shows a perspective view of 25 buried microstructures 700 and 701, FIG. 18B shows a top view of the same region, and FIG. 18C shows a side / sectional view of the same region with a recessed region indicated by a dotted line. ing.

本発明のいくつかの実施形態において用いられ得るような別のターゲットの領域2001の例示が、図19A−図19Cに示されており、厚みDを有するX線発生材料を含む微細構造2790及び2791の配列を有する、本発明の一実施形態によるターゲットの領域2001を示している。示された配列は、直四角柱の変更された市松模様であるが、複数の微細構造の他の構成及び配列も用いられ得る。 An illustration of another target region 2001 as may be used in some embodiments of the present invention is shown in FIGS. 19A-19C and includes microstructures 2790 and 2791 comprising an x-ray generating material having a thickness D. A region 2001 of a target according to an embodiment of the present invention having an arrangement of The arrangement shown is a modified checkered pattern of rectangular prisms, but other configurations and arrangements of multiple microstructures may be used.

2.直線累積X線ソースの一般的な考察
図21は、直線配列で配置されたX線放出器の集合体を示している。直線配列の長軸は図の左から右に延びており、短軸は図の平面に入る、及びそこから出るように延びている。1又は複数のX線発生材料を有する、複数のX線発生要素801、802、803、804、…などは、高電圧(1keVから250keVまでのどこでも)において、電1111、1112、1113、1114、…などのビームによって衝撃を与えられ、X線818、828、838、848、…などを放出するサブソースを形成している。X線は等方的に放出される傾向があるが、この解析は、サブソースの直線配列の中央を通る軸に沿った視点に対するものであり、そこに開口部840を有するスクリーン84が配置されている。
2. General Considerations for Linear Cumulative X-ray Sources FIG. 21 shows a collection of X-ray emitters arranged in a linear array. The long axis of the linear array extends from left to right in the figure, and the short axis extends in and out of the plane of the figure. Having one or more X-ray generating material, a plurality of X-ray generating elements 801, 802, 803, and 804, ... etc., at high voltages (anywhere from 1keV to 250 keV), electronic 1111,1112,1113,1114 , ... shocked by the beam, such as to form a sub-source which emits X-ray 818,828,838,848, ... the like. Although X-rays tend to be emitted isotropically, this analysis is for a viewpoint along an axis that passes through the center of the linear array of sub-sources, where a screen 84 having an opening 840 is placed. ing.

すべての放出器が、ほぼ同じ強度のX線を放出するソース設計では、
(これは、配列のX線放出要素が類似のサイズ及び形状であり、それらが類似のエネルギー及び密度を有する電子で衝撃を与えられる場合に実現し得る)。全放出強度は次式のようになる。
In a source design where all emitters emit X-rays of approximately the same intensity,
(This can be achieved if the array of X-ray emitting elements are of similar size and shape and are bombarded with electrons having similar energy and density). The total emission intensity is:

図22は、3種類のX線発生材料、すなわちモリブデン(Mo)、銅(Cu)、タングステン(W)の1keVから1000keVにわたるエネルギーを有するX線に対する1/e減衰長と、3種類の基板材料、すなわちグラファイト(C)、ベリリウム(Be)、水(HO)の10keVから400keVまでの範囲のエネルギーを有するX線に対する1/e減衰長とを示している。[ここで示されたデータはもともと、B.L.Henke、E.M.Gullikson、J.C.Davisによって、『X−ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50−30000 eV, Z=1−92』、Atomic Data and Nuclear Data Tables、第54巻(2)、181−342ページ(1993年7月)に公開されたものであり、<http://henke.lbl.gov/optical_constants/atten2.html>でアクセスされ得る。他のX線吸収の表は、<http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap2.html>で利用可能である]。 FIG. 22 shows the 1 / e attenuation length for three types of X-ray generating materials, namely, molybdenum (Mo), copper (Cu), and tungsten (W) for X-rays having energies ranging from 1 keV to 1000 keV, and three types of substrates. 1 / e decay length for X-rays with energies ranging from 10 keV to 400 keV for materials (graphite (C), beryllium (Be), water (H 2 O)). [The data shown here was originally L. Henke, E.M. M.M. Gullikson, J. et al. C. According to Davis, “X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E = 50-30000 eV, Z = 1-92”, Atomic Data and Nuclear 2 pages 34-34. has been published (July 1993), <http: // henke. lbl. gov / optical_constants / atten2. It can be accessed at html>. Other X-ray absorption tables are <http: // physics. nist. gov / PhysRefData / XrayMassCoef / chap2. available at html>].

図22の値を用いた一例として、タングステンにおける60keVのX線では、L1/eがおよそ200ミクロンとなり、20ミクロン幅のX線発生要素の透過率は、次式で与えられる。
ベリリウム基板における60keVのX線では、L 1/e およそ50,000ミクロンとなり、埋め込まれた複数のタングステンX線発生要素の間の、100ミクロン幅のベリリウム間隙の透過率は、次式のようになる。
従って、ベリリウム基板に埋め込まれ、100ミクロン離れて離間した20ミクロン幅のタングステン要素の周期的配列に対して、軸上強度の最良の推定値は次式のようになる。
これは、単一のタングステンX線放出要素と比較したとき、X線強度が1桁増大することを表している。
As an example using the values of FIG. 22, for 60 keV X-rays in tungsten, L 1 / e is approximately 200 microns, and the transmittance of an X-ray generating element having a width of 20 microns is given by the following equation.
For 60 keV X-rays on a beryllium substrate , L 1 / e is approximately 50,000 microns, and the transmittance of a 100-micron wide beryllium gap between a plurality of embedded tungsten X-ray generating elements is as follows: become.
Thus, for a periodic array of 20 micron wide tungsten elements embedded in a beryllium substrate and spaced apart by 100 microns, the best estimate of on-axis strength is:
This represents an order of magnitude increase in x-ray intensity when compared to a single tungsten x-ray emitting element.

図21に例示されたように、また図23Aにも例示されたように、電子は垂直入射で複数の微細構造要素801、802、803などに衝撃を与え得て、図23Bに例示されたように電子ビーム1121、1122、1123などは角度θで、図23Cに例示されたように(収束電子ビームなどの)電子ビーム1131、1132、1133などは複数の角度で、図23Dに例示されたよう電子ビーム1141、1142、1143などは両面から角度θで、図23Eに例示されたように電子ビーム1151、1152、1153などは様々な強度または電子密度をそれぞれが有して、図23Fに例示されたように一様な大面積の電子ビーム111で、又は当業者によって考案され得る多くの電子ビーム構成の任意の組み合わせで、複数の要素に衝撃を与え得る。 As illustrated in FIG. 21 and as illustrated in FIG. 23A, electrons can impact a plurality of microstructure elements 801, 802, 803, etc. at normal incidence, as illustrated in FIG. 23B. The electron beams 1121, 1122, 1123, etc. are at an angle θ, and as illustrated in FIG. 23C, the electron beams 1131, 1132, 1133, etc. (such as a convergent electron beam) are at multiple angles, as illustrated in FIG. 23D. the electron beam 1141,1142,1143 at an angle θ from both sides, such as electron beam 1151,1152,1153 as illustrated in FIG. 23E have respectively different intensity or electron density, the illustrated in FIG. 23F Multiple elements in a uniform large-area electron beam 111 or any combination of many electron beam configurations that can be devised by those skilled in the art. It can shock the element.

電子照射用のパターンの実際の設計は、X線発生材料、及び/又は複数のX線発生要素の間の領域を充填する材料の材料特性に一部依存し得る。図23Eに例示されたように、X線発生材料の吸収性がきわめて高い場合には、X線を放出し、さらに他の複数のX線発生要素を通って最も長い距離を進まなければならない領域に衝撃を与えるのに、より大きい電子密度が用いられ得る。同様に、図23Bに例示されたように、電子侵入深さが深い場合には、X線発生材料は、斜めにした電子で衝撃を与えられ得る。電子侵入深さが所望されたより深い場合、X線発生材料のより薄い領域が用いられ、より小さい鉛直方向の大きさでソースを形成し得る。 The actual design of the pattern for electron irradiation may depend in part on the material properties of the x-ray generating material and / or the material filling the region between the plurality of x-ray generating elements. As illustrated in FIG. 23E, when the X-ray generating material is very absorbent, it must emit X-rays and travel the longest distance through the other plurality of X-ray generating elements. Greater electron density can be used to impact the. Similarly, as illustrated in FIG. 23B, when the electron penetration depth is deep, the X-ray generation material can be bombarded with oblique electrons. If the electron penetration depth is deeper than desired, a thinner region of x-ray generating material may be used to form the source with a smaller vertical dimension .

多くの実施形態において、電子照射の領域は、電子ビーム又は複数の電子ビームが、主にX線発生要に衝撃を与え、これらの要素の間の領域には衝撃を与えないように調節され得る。多くの実施形態において、複数のX線発生要素の間の間隔は、真空ではなく、複数のX線発生要素からの熱の放散を容易にする固体材料で充填され得る。ダイヤモンドなどの熱伝導基板に埋め込まれた、又は埋設された複数のX線発生要素の配列を有するそのようなソースターゲットは、上述されたように同時係属中の米国特許出願第14/465,816号に開示されており、これはその全体を参照によって組み込まれたものとする。 In many embodiments, the region of electron irradiation, electron beam or plurality of electron beams is primarily impact the X-ray generating element, in the region between these elements is adjusted so as not to shock obtain. In many embodiments, the spacing between the plurality of x-ray generating elements may be filled with a solid material that facilitates heat dissipation from the plurality of x-ray generating elements, rather than a vacuum. Such a source target having an array of multiple x-ray generating elements embedded in or embedded in a thermally conductive substrate such as diamond is described in copending US patent application Ser. No. 14 / 465,816, as described above. Which is incorporated by reference in its entirety.

別個の複数のX線発生要素に独立して衝撃を与えるのに用いられる複数の電子ビームを有するソースは、異なる加速電圧が異なる電子ビームソースで用いられることを可能にするようにも構成され得る。そのようなソース80−Bが図24に例示されている。この例示においてもやはり、前の高電圧源10が導線21−Aを介して、電子111−Aをターゲット1100−Bに向かって放出する電子放出器11−Aに接続されている。しかしながら、電圧10−B及び10−C用の2つの付加的な「ブースタ」も設けられ、これらの高電位が導線21−B及び21−Cを介して、異なるエネルギーの電子111−B及び111−Cをそれぞれ放出する付加的な電子放出器11−B及び11−Cに接続されている。X線発生要素801、802、803、…などを有するターゲット1100−Bは、通常は一様に接地電位に設定されているが、異なるX線発生要素を目標とするのに用いられる個々の電子ビームソースは異なる電位に設定され得て、従って、様々なエネルギーの電子が異なるX線発生要素801、802、803、…などに衝撃を与えるのに用いられ得る。 A source having multiple electron beams used to independently bombard separate multiple x-ray generating elements can also be configured to allow different acceleration voltages to be used with different electron beam sources. . Such a source 80-B is illustrated in FIG. Also in this example, the previous high voltage source 10 is connected to the electron emitter 11-A that emits the electrons 111-A toward the target 1100-B via the conductor 21-A. However, two additional “boosters” for voltages 10-B and 10-C are also provided, and these high potentials are passed through the conductors 21-B and 21-C to electrons of different energy 111-B and 111-B. It is connected to additional electron emitters 11-B and 11-C that emit -C, respectively . The target 1100-B having X-ray generating elements 801, 802, 803,... Is usually set to a uniform ground potential, but individual electrons used to target different X-ray generating elements. beam source is obtained is set at different potentials, therefore, X-rays generating element 801, 802, 803 of electrons of different energies are different, ... can be used to impact the like.

いくつかの実施形態において、異なる複数の材料からの様々なスペクトルの特性X線を軸上ビューが示すように、異なる複数のX線発生要素は異なる複数のX線放出材料を有し得る。X線に対して比較的透明である材料は、出力ウィンドウ840に最も近い位置(例えば、図21において最右端の要素801)に用いられ得るが、より強く吸収する材料は、他の複数のX線サブソースをあまり減衰させないように配列の反対側の要素に用いられ得る。 In some embodiments, different x-ray generating elements may have different x-ray emitting materials, such as an axial view showing various spectral characteristic x-rays from different materials. A material that is relatively transparent to X-rays can be used at a location closest to the output window 840 (eg, the rightmost element 801 in FIG. 21), but a material that absorbs more strongly may be a plurality of other X It can be used for elements on the opposite side of the array so as not to attenuate the line sub- source too much.

図27は、3種類の材料(Cu、Mo、及びW)の広範なX線エネルギーに対する、この比の図を示している。いったんX線発生材料が所望の特性線に対して選択されると、この比は特定のエネルギー範囲(タングステンでは約55keVなど)を示唆するのに用いられ得てこのフィギュアオブメリットが比較的大きくなるようシステムが動作するよう構成され得る。 FIG. 27 shows a diagram of this ratio for a wide range of x-ray energies for the three materials (Cu, Mo, and W). Once the X-ray generating material is selected for the desired characteristic line, this ratio is obtained is used to indicate a specific energy range (such as about the tungsten 55 keV), the figure of merit is comparatively large It may be configured so that the system operates so.

3.4.時分割X線発生
他の複数の実施形態において、X線発生要素801、802、803、804、…などは、電子による継続的な衝撃を受ける必要はないが、電子ビーム1211、1212、1213、1214、…などは、熱負荷を分散すべく時間とともにオンとオフとに切り替えられ得る。これは軸上で見たときに特に効果的であり得る。それは、すべてのX線が同じ発生源から発しているように見えるからである。
3.4. Time-Division X-Ray Generation In other embodiments, the X-ray generation elements 801, 802, 803, 804,... Do not need to be continuously impacted by electrons, but the electron beams 1211, 1212, 1213, 1214,... Can be switched on and off over time to distribute the thermal load. This can be particularly effective when viewed on an axis. This is because all X-rays appear to be emitted from the same source.

さらに、いくつかの実施形態において、電子ビームは、X線発生材料を有するターゲット全面にわたって単に走査し得る。いくつかの実施形態において、この走査は規則的なラスタースキャンであってよく、他の複数の実施形態においては、走査を「一時休止(dwelling)」したり、X線発生領域をより低速で走査する一方で、1つのX線発生領域から次のX線発生領域へは急速に移動したりといった、不均一な走査であってもよい。他の実施形態において、電子ビームは、すべてのX線発生領域に同時に衝撃を与えるように又は複数の電子ビームを複数のX線発生領域にほぼ同時に衝突させるが、電子ビームを急速にオンオフさせて、「パルス状」のX線ソースを形成すように設計され得る。これは、いくつかの特定の用途に対していくつかの利点を有し得る。 Furthermore, in some embodiments, the electron beam may simply scan across the target with the x-ray generating material. In some embodiments, this scan may be a regular raster scan, and in other embodiments, the scan may be “dwelled” or the x-ray generation area may be scanned at a slower rate. On the other hand, non-uniform scanning such as rapid movement from one X-ray generation region to the next X-ray generation region may be used. In other embodiments, electron beam, to provide all the simultaneous impact the X-ray generating region, or substantially impinging simultaneously a plurality of electron beam into a plurality of X-ray generating region, quickly turns on and off the electron beam Can be designed to form a “pulsed” X-ray source . This can have several advantages for some specific applications.

図29Bは、複数の微細構造から、今回は入射電子ビーム1111、1112、1113などから離れた方向への放出を示している。この実施例では、微細構造801、802、803、…の間隔は、これらのサイズに対してはるかに大きいので、隣接する複数のX線放出要素による減衰もなくX線が伝搬し得る軸外角度は、図29Aに例示された状況おける軸外角度よりもはるかに小さい。 FIG. 29B shows emission from a plurality of microstructures, this time away from the incident electron beams 1111, 1112, 1113, and the like. In this example, the spacing between the microstructures 801, 802, 803,... Is much larger than their size, so that off- axis angles at which X-rays can propagate without attenuation by adjacent X-ray emitting elements. Is much smaller than the off-axis angle in the situation illustrated in FIG. 29A.

3.6.複数の独立した電子ビーム
図30及び図31(ターゲットをさらに詳細に示している)に例示されているのは、上述された複数の要素の一部を組み込んだ、より一般的なX線システム80−Cである。本システムは、複数の導線21−A、21−B、及び21−Cを介して、電子ビーム111−A、111−B、111−C発生させる複数の電子放出器11−A、11−B、及び11−Cに様々な電圧を送る電子システムコントローラ10−Vを備えている。これらの電子ビーム111−A、111−B、111−Cのそれぞれは、導線27−A、27−B、及び27−Cを介して、複数の電子レンズ70−A、70−B、及び70−Cを制御するシステムコントローラ10−Vからの信号によって制御され得る。
3.6. Multiple Independent Electron Beams Illustrated in FIGS. 30 and 31 (the target is shown in more detail) is a more general X-ray system 80 that incorporates some of the elements described above. -C. The system includes a plurality of electron emitters 11-A, 11-C that generate electron beams 111-A, 111-B, 111-C via a plurality of conductors 21-A, 21-B, and 21-C. The electronic system controller 10-V which sends various voltages to B and 11-C is provided. Each of these electron beams 111-A, 111-B, and 111-C is connected to a plurality of electron lenses 70-A, 70-B, and 70 via conductors 27-A, 27-B, and 27-C. It can be controlled by a signal from the system controller 10-V that controls -C.

例示されたように、本システムは冷却システムをさらに備えている。冷却システムは、典型的には水である冷却流体93を充填した容器90を有し、冷却流体93はポンプなどの機構1209によって、一部がターゲット1100−Cの基板1000を通過す複数の冷却経路1200を通って動かされる。 As illustrated, the system further comprises a cooling system. The cooling system typically has a container 90 filled with cooling fluid 93 is water, the cooling fluid 93 by a mechanism 1209 such as a pump, a part of the plurality you pass through the substrate 1000 of the target 1100-C It is moved through the cooling path 1200.

図31は、電子による衝撃下にあるターゲット1100−Cの一部を、本システムの拡大図で示しており、その中に2つの付加的な電子ビーム111−D及び111−Eが加えられている。例示されたように、ビーム111−D及び111−Eの両方は、右側の3つの電子ビーム111−A、111−B、及び111−Cより高電流を有し、一番左の電子ビーム111−Eは、すべてのビームの中で最も高い電流密度を有しており、複数のビームは等しい密度である必要はないことを示している。より高い電流を受ける一番左のX線発生要素804及び805は、これらとこれらに隣接する微細構造との間に、より低い電子電流を受ける一番右の要素801、802、及び803の間に設けられている間隔より大きい間隔を有するようにも例示されている。いくつかの実施形態において、804及び805は、801、802、及び803よりも原子番号が高い材料で構成され得る。 FIG. 31 shows a portion of the target 1100-C under impact by electrons in an enlarged view of the system, into which two additional electron beams 111-D and 111-E have been added. Yes. As illustrated, both beams 111-D and 111-E have a higher current than the right three electron beams 111-A, 111-B, and 111-C, and the leftmost electron beam 111 -E has the highest current density of all the beams, indicating that the beams need not be of equal density. The leftmost X-ray generating elements 804 and 805 that receive a higher current are between them and the adjacent microstructures, between the rightmost elements 801, 802, and 803 that receive a lower electron current. It is also illustrated that it has a larger interval than that provided in FIG. In some embodiments, 804 and 805 can be composed of a material with a higher atomic number than 801, 802, and 803.

図31には、熱伝導性(熱を除去するため)と導電性の両方を兼ねる導電性オーバーコート膜770も示されており、接地722への電子の戻り経路が設けられている。軸上にあるX線がターゲットから放射されることを可能にするための開口部840を有する、スクリーン84も示されている。 FIG. 31 also shows a conductive overcoat film 770 that serves both as thermal conductivity (to remove heat) and conductivity, and is provided with a return path for electrons to the ground 722. Also shown is a screen 84 having an opening 840 to allow on-axis X-rays to be emitted from the target.

上述された2つの面のターゲットは、アノードが回転して熱を分散させる回転アノードを備える一実施形態にも用いられ得ることにも留意されたい。これらの特徴を有するシステム580−Rが、図34に例示されている。この実施形態では、多くの要素が、図6Aに例示されたような従来の回転アノードシステムにおけるものと同じであるが、例示されたようなこの実施形態では、コントローラ10−3が、導線21−及び21−を介して、電子ビーム2511−F及び2511−Gをそれぞれ放出する2つの放出器11−F及び11−Gのそれぞれに高電圧を供給する。これらの電子ビームは、X線2588を生成するX線発生材料を有するコーティング2521及び2522で両面をコーティングされた、ターゲット500−Rの面取りされた部分の両面に衝撃を与える。ビームをステアリングする複数の電子レンズ又はX線ビーム出力を画定するための開口部など、付加的な制御を伴う複数の実施形態も設計され得ることも明らかであるべきである。 It should also be noted that the two-surface target described above can also be used in one embodiment with a rotating anode in which the anode rotates to dissipate heat. A system 580-R having these features is illustrated in FIG. In this embodiment, many elements are the same as in a conventional rotating anode system as illustrated in FIG. 6A, but in this embodiment as illustrated, the controller 10-3 is connected to a conductor 21- through F and 21- G, and supplies a high voltage to each of the electron beam 2511-F and 2511-G to emit each of the two emitters 11-F and 11-G. These electron beams impact both sides of the chamfered portion of the target 500-R, coated on both sides with coatings 2521 and 2522 having an X-ray generating material that generates X-rays 2588. It should also be clear that multiple embodiments with additional controls may be designed, such as multiple electron lenses to steer the beam or openings to define the x-ray beam output.

4.3.埋め込構造を有する2つの面のターゲット
図36は別の実施形態を示しており、ここで複数のターゲットは、薄いコーティングの代わりに、基板に埋め込まれたX線発生材料の複数の微細構造を有している。
4.3. FIG. 36 shows another embodiment, where multiple targets have multiple microstructures of x-ray generating material embedded in a substrate instead of a thin coating. Have.

概して、ターゲットとレンズとの間の関係は、製造時に確立されている。レンズは、真空中で使用するために設計された特定のマウント又はエポキシのどちらか一方で、そして光学製造の当業者によく知られているなどの位置合わせの手順を用いることによって、所定の位置に固定され得る。前に説明されたように、最終的な位置合わせは、X線検出器を出力開口部に配置して、最大X線強度を実現すべく、様々な電子ビームの焦点及び位置を調節することによって実現され得る。最終的な調節は、X線を用いる複数の光学要素の位置合わせに対しても成され得る。検出器は、電子ビームコントローラにフィードバックを提供するのにも用いられ得ることが、留意されるべきである。例えば、検出器はスペクトル出力の測定値を提供し、それは次に特定の特性線を発生させる電子ビームにその出力を増加させるか又は減少させるように指示するのに用いられ得る。 In general, the relationship between the target and the lens is established at the time of manufacture. Lens, in either the particular mount or epoxy designed for use in a vacuum, and by using the procedure of positioning, such as are well known to those skilled in the optical manufacturing, a predetermined position Can be fixed to. As previously described, final alignment is achieved by placing an x-ray detector at the output aperture and adjusting the focus and position of the various electron beams to achieve maximum x-ray intensity. Can be realized. Final adjustments can also be made for alignment of multiple optical elements using X-rays. It should be noted that the detector can also be used to provide feedback to the electron beam controller. For example, the detector provides a measurement of the spectral output that can then be used to instruct the electron beam that generates a particular characteristic line to increase or decrease its output.

すべてのターゲットが、同じ入射角の電子で衝撃を与えられる必要があるとは限らないことも、留意されるべきである。複数のX線放出材料を有する構成では、材料によっては異なる侵入深さを有し得る。従って、異なる入射角の電子で衝撃を与えることは、その特定のターゲットのX線発生に、より効率的であり得る。また、以前の複数の実施形態で説明されたように、異なる電子密度、エネルギー、角度、焦点調節の状態などが、異なるターゲットに用いられ得る。 All targets, may not necessarily an electron of the same incident angle should give al is an impact, it should be noted. In configurations having multiple x-ray emitting materials, different materials may have different penetration depths. Thus, bombarding with electrons of different angles of incidence can be more efficient for generating X-rays for that particular target. Also, as described in previous embodiments, different electron densities, energies, angles, focus states, etc. can be used for different targets.

放出はすべてのターゲットから等方的に生じ、収集及び焦点に集める複数のX線レンズは、両方向に伝搬するX線に作用することが、留意されるべきである。従って、複数のターゲットのつながりの反対端に配置された検出器は、X線システムの較正及び全体の出力のモニタとして働き得る。 It should be noted that emission occurs isotropically from all targets and that multiple x-ray lenses that collect and focus on the x-rays that propagate in both directions. Thus, a detector placed at the opposite end of a series of targets can serve as a calibration of the X-ray system and monitor the overall output.

5.2.ウォルタレンズ及び他の多要素X線レンズ
本発明の別の実施形態が、図42に例示されている。この実施形態において、1つのターゲットから放出されたX線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素2921及び2931は、現在ではウォルタレンズとして知られる光学要素である。ウォルタレンズは、X線を収集し焦点に集める、入れ子構造のミラーのよく知られたシステムであり、典型的に放物線状及び/又は双曲線状の反射面を、典型的にグレージング角で用いられるそれぞれの要素とともに有している。典型的には、反射面はガラスである。ガラス表面は、高質量密度材料又はX線多層(典型的に、モリブデン(Mo)及びケイ素(Si)の層を用いて作られる)でコーティングされ得る。
5.2. Walter Lenses and Other Multi-Element X-Ray Lenses Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. In this embodiment, optical elements 2921 and 2931 that collect X-rays emitted from one target and focus it downstream in focus are optical elements now known as Walter lenses. A Walter lens is a well-known system of nested mirrors that collects and focuses X-rays, typically using parabolic and / or hyperbolic reflective surfaces, typically used at glazing angles, respectively. It has with the element of. Typically, the reflective surface is glass. The glass surface can be coated with a high mass density material or an X-ray multilayer (typically made using molybdenum (Mo) and silicon (Si) layers).

図43A及び図43Bは、水平及び鉛直の両方向に向けて配置された様々な湾曲レンズを有する、X線用に用いられる多要素レンズの従来技術の実施形態を示している。上述されたように、これらの光学要素に用いられる材料及びコーティングは、様々なX線発生源から放出されることが予想されるX線のスペクトルに適合するように選択され得る。 43A and 43B show a prior art embodiment of a multi-element lens used for x-rays with various curved lenses arranged in both horizontal and vertical directions. As mentioned above, the materials and coatings used for these optical elements can be selected to match the spectrum of x-rays expected to be emitted from various x-ray sources.

5.3.ポリキャピラリレンズ
本発明の別の実施形態が、図44に例示されている。この実施形態において、1つのターゲットから放出されたX線を収集し、それを下流側で焦点に集める光学要素2941及び2951は、現在ではポリキャピラリレンズとして知られる光学要素である。ポリキャピラリレンズは、X線が細いファイバを通って誘導され、所望位置の別の端に現れるという点において、光ファイバと類似している。しかしながら、全内部反射を用いて反射させる固体のガラス繊維を有する光ファイバと異なり、ポリキャピラリレンズは複数の中空チューブを有し、X線はグレージング角において材料からの外部反射によってチューブへと誘導される。
5.3. Another embodiment of a polycapillary lens present invention is illustrated in Figure 44. In this embodiment, the optical elements 2941 and 2951 that collect X-rays emitted from one target and focus it downstream in focus are optical elements now known as polycapillary lenses. Polycapillary lenses are similar to optical fibers in that X-rays are guided through a thin fiber and appear at the other end of the desired location. However, unlike optical fibers with solid glass fibers that reflect using total internal reflection, polycapillary lenses have multiple hollow tubes and X-rays are directed into the tube by external reflection from the material at the glazing angle. The

5.4.バリエーション
特定のオプションが、反射レンズ、ウォルタレンズ、又はポリキャピラリレンズを示す複数の例示に示されたが、これらは決して限定することを意味するものではない。図39から図42、及び図44に例示された光学構成は、例えば、図41のミラー2821、2822を置き換えるウォルタレンズ2931と入れ換え可能であり得る。複数の微細構造を有する複数のターゲットがこれらの例示で用いられているが、図33及び図35で例示されたなどの複数の薄膜を有する複数のターゲットが、焦点に集めるこれらのX線レンズと共に用いられ得ることも、留意されるべきである。
5.4. Variations particular option, reflecting lens, Worutarenzu, or have been shown in several examples showing the polycapillary lens, which are not meant to be limiting in any way. The optical configurations illustrated in FIGS. 39 to 42 and 44 may be interchangeable with, for example, a Walter lens 2931 that replaces the mirrors 2821 and 2822 of FIG. Multiple targets with multiple microstructures are used in these examples, but multiple targets with multiple thin films, such as illustrated in FIGS. 33 and 35, together with these X-ray lenses that focus at the focal point It should also be noted that it can be used.

例えば、導電層の堆積はキャップ層の堆積前に行われると説明されたが、付録図の19に例示されたものなど、これらの機能を組み合わせた層(すなわち、導電性キャップ層)が用いられる。同様に、複数のプロセス工程の一部が繰り返されて、付録図の18に例示されたような複数の層のターゲット材料を堆積し得る。 For example, although it has been described that the conductive layer is deposited before the cap layer is deposited , a combination of these functions (ie, a conductive cap layer) is used , such as that illustrated in Appendix 19 . Similarly, some of the multiple process steps may be repeated to deposit multiple layers of target material as illustrated in appendix 18.

Claims (60)

真空チャンバと、
前記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的なウィンドウと、
前記真空チャンバ内の少なくとも1つの電子ビーム放出器と、
少なくとも1つのターゲットであって、
第1の選択材料を有する基板と、
そのX線発生特性のために選択された第2の材料を有する複数の離散構造とを、
有する前記少なくとも1つのターゲットとを、
備え、
前記複数の離散構造のそれぞれは、前記基板と熱的接触をしており、
前記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、10ミクロンより薄い厚みを有し、前記複数の離散構造のうち前記少なくとも1つのそれぞれの横寸法は、50ミクロンより小さい、
X線ソース。
A vacuum chamber;
An X-ray transmissive window attached to the wall of the vacuum chamber;
At least one electron beam emitter in the vacuum chamber;
At least one target,
A substrate having a first selected material;
A plurality of discrete structures having a second material selected for its X-ray generation characteristics;
Having at least one target having:
Prepared,
Each of the plurality of discrete structures is in thermal contact with the substrate;
At least one of the plurality of discrete structures has a thickness less than 10 microns, and the lateral dimension of each of the at least one of the plurality of discrete structures is less than 50 microns,
X-ray source.
前記複数の離散構造は、前記基板の表面に埋め込まれている、
請求項1に記載のX線ソース。
The plurality of discrete structures are embedded in a surface of the substrate;
The X-ray source according to claim 1.
前記複数の離散構造は、前記基板の表面の深さ100ミクロン未満内に埋設されている、
請求項1又は2に記載のX線ソース。
The plurality of discrete structures are embedded within a depth of less than 100 microns of the surface of the substrate;
The X-ray source according to claim 1 or 2.
前記放出器から前記ターゲット上に放出される電子ビームを方向付ける手段をさらに備える、
請求項1から3の何れか一項に記載のX線ソース。
Means for directing an electron beam emitted from the emitter onto the target;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 3.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の電子レンズを有する、
請求項4に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electron lenses;
The X-ray source according to claim 4.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の静電レンズを有する、
請求項4又は5に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electrostatic lenses;
The X-ray source according to claim 4 or 5.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の磁気レンズを有する、
請求項4又は5に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam comprises a plurality of magnetic lenses;
The X-ray source according to claim 4 or 5.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、焦点を合わせる、発散させる、焦点をぼかす、走査する、ラスタースキャンをする、一時休止する、見えないようにする、スイープする、ビーム方向を変更する、ビーム強度プロファイルを変更する、複数の電子ビームを形成する、ビーム電流密度を変更する、電子ビーム中の電子の加速を変更するから成る群から選択された操作によって、前記電子ビームの制御を可能とする、
請求項4から7の何れか一項に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam includes focusing, diverging, defocusing, scanning, raster scanning, pausing, hiding, sweeping, changing beam direction, beam Allows control of the electron beam by operations selected from the group consisting of changing the intensity profile, forming multiple electron beams, changing the beam current density, and changing the acceleration of electrons in the electron beam. ,
The X-ray source according to any one of claims 4 to 7.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、少なくとも1つの大きさにおいて30ミクロンより小さいスポットサイズに前記電子ビームの焦点を合わせることを可能にする、
請求項4から8の何れか一項に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam makes it possible to focus the electron beam to a spot size smaller than 30 microns in at least one dimension;
The X-ray source according to any one of claims 4 to 8.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、前記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、前記電子ビームを方向付けることを可能にする、
請求項4から9の何れか一項に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam enables directing the electron beam into a pattern corresponding to a position of at least a portion of the plurality of discrete structures;
The X-ray source according to any one of claims 4 to 9.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、前記複数の離散構造の少なくとも一部の位置に対応するパターンに、前記電子ビームを方向付けることを可能にし、
前記パターンは、放出された前記X線の予め定められた複数の特性をモニタする検出器からの信号に応答して、時間内に適応される、
請求項10に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam enables directing the electron beam into a pattern corresponding to a position of at least a portion of the plurality of discrete structures;
The pattern is adapted in time in response to a signal from a detector that monitors a plurality of predetermined characteristics of the emitted X-ray.
The X-ray source according to claim 10.
放出された前記X線の予め定められた前記複数の特性は、輝度、明るさ、全強度、フラックス、エネルギースペクトル、ビームプロファイル、及びビーム広がりから成る群から選択される、
請求項11に記載のX線ソース。
The predetermined properties of the emitted X-ray are selected from the group consisting of brightness, brightness, total intensity, flux, energy spectrum, beam profile, and beam spread;
The X-ray source according to claim 11.
前記複数の離散構造は、直線配列に配置される、
請求項1から12の何れか一項に記載のX線ソース。
The plurality of discrete structures are arranged in a linear array;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 12.
前記複数の離散構造は、類似形状を有するように製造される、
請求項1から13の何れか一項に記載のX線ソース。
The plurality of discrete structures are manufactured to have similar shapes;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 13.
前記類似形状は、正角柱、直四角柱、立方体、三角柱、台形柱、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、たる形から成る群から選択される、
請求項14に記載のX線ソース。
The similar shape is selected from the group consisting of a regular prism, a rectangular prism, a cube, a triangular prism, a trapezoidal column, a pyramid, a tetrahedron, a cylinder, a sphere, an egg, and a barrel.
The X-ray source according to claim 14.
前記第1の選択材料は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される、
請求項1から15の何れか一項に記載のX線ソース。
The first selection material is selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon.
The X-ray source according to any one of claims 1 to 15.
前記第2の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
請求項1から16の何れか一項に記載のX線ソース。
The second material is aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum. Selected from the group consisting of tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 16.
前記複数の離散構造のサブセットは、そのX線発生特性のために選択された第3の材料を有する、
請求項1から17の何れか一項に記載のX線ソース。
The subset of the plurality of discrete structures has a third material selected for its x-ray generation characteristics;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 17.
前記第3の材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
請求項18に記載のX線ソース。
The third material is aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum. Selected from the group consisting of tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
The X-ray source according to claim 18.
前記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、前記基板の縁部から500ミクロン以内に配置される、
請求項1から19の何れか一項に記載のX線ソース。
At least one of the plurality of discrete structures is disposed within 500 microns from an edge of the substrate;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 19.
前記直線配列は、長軸及び短軸を有するように画定され、前記直線配列の前記長軸は、前記ウィンドウと位置合わせされ、前記長軸と前記ウィンドウの面法線との間の角度は、前記長軸と前記ウィンドウとが交差する部分において、85°よりも小さい、
請求項13に記載のX線ソース。
The linear array is defined to have a major axis and a minor axis, the major axis of the linear array is aligned with the window, and the angle between the major axis and the surface normal of the window is Less than 85 ° at the intersection of the long axis and the window,
The X-ray source according to claim 13.
前記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、前記ウィンドウに最も近い前記基板の縁部から500ミクロン以内に配置される、
請求項21に記載のX線ソース。
At least one of the plurality of discrete structures is disposed within 500 microns from an edge of the substrate closest to the window;
The X-ray source according to claim 21.
前記ターゲットの複数の離散構造は、方向付けられた前記電子ビームにさらされたときに、前記複数の離散構造のうち予め定められた1つによって放出されたX線が、前記複数の離散構造の別のものを透過するように位置合わせされている、
請求項4から22の何れか一項に記載のX線ソース。
When the plurality of discrete structures of the target are exposed to the directed electron beam, X-rays emitted by a predetermined one of the plurality of discrete structures are Aligned to penetrate another,
The X-ray source according to any one of claims 4 to 22.
前記ターゲットは、方向付けられた前記電子ビームにさらされたときに、前記複数の離散構造のうち予め定められた数の離散構造によって放出されたX線が、前記複数の離散構造から選択された1つの予め定められた離散構造を透過するように、位置合わせされている、
請求項21から23の何れか一項に記載のX線ソース。
When the target is exposed to the directed electron beam, X-rays emitted by a predetermined number of discrete structures among the plurality of discrete structures are selected from the plurality of discrete structures. Aligned to penetrate one predetermined discrete structure;
The X-ray source according to any one of claims 21 to 23.
冷却システムであって、
冷却流体を保存するための容器と、
前記冷却流体を運ぶための前記基板内の経路と、
前記容器から前記基板内の前記経路に前記冷却流体を運ぶための付加的な経路と、
前記基板内の前記経路から前記容器に前記冷却流体を運ぶための付加的な経路と、
前記冷却システムを通って前記冷却流体をポンプで送り込むポンピング機構とを、
含む前記冷却システムをさらに備える、
請求項1から24の何れか一項に記載のX線ソース。
A cooling system,
A container for storing the cooling fluid;
A path in the substrate for carrying the cooling fluid;
An additional path for carrying the cooling fluid from the container to the path in the substrate;
An additional path for carrying the cooling fluid from the path in the substrate to the container;
A pumping mechanism for pumping the cooling fluid through the cooling system;
The cooling system further comprising:
The X-ray source according to any one of claims 1 to 24.
前記ターゲットを回転させる機構をさらに備える、
請求項1から25の何れか一項に記載のX線ソース。
A mechanism for rotating the target;
The X-ray source according to any one of claims 1 to 25.
真空チャンバと、
前記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第1のウィンドウと、
前記真空チャンバ内の1又は複数の電子放出器と、
複数のX線ターゲットとを、
備え、
それぞれのターゲットは、そのX線発生特性のために選択された材料を有し、
前記材料の少なくとも1つの大きさは20ミクロンより小さく、
前記1又は複数の電子放出器及び前記複数のX線ターゲットは、前記複数のX線ターゲット上の電子の衝撃が複数のX線サブソースを生成するように位置合わせされ、それにより前記複数のX線サブソースは前記第1のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされている、
X線ソース。
A vacuum chamber;
A first window transparent to x-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
One or more electron emitters in the vacuum chamber;
Multiple X-ray targets
Prepared,
Each target has a material selected for its x-ray generation characteristics,
At least one size of the material is less than 20 microns;
The one or more electron emitters and the plurality of X-ray targets are aligned such that an electron bombardment on the plurality of X-ray targets generates a plurality of X-ray sub-sources, thereby A line sub-source is aligned along an axis passing through the first window;
X-ray source.
そのX線発生特性のために選択された前記材料は、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
請求項27に記載のX線ソース。
The materials selected for their X-ray generation properties are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium, ruthenium, rhodium, palladium Selected from the group consisting of silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
The X-ray source according to claim 27.
予め定められたX線エネルギースペクトルに対して、前記複数のX線ターゲットのうち少なくとも1つのX線の透過率は、50%より大きい、
請求項27又は28に記載のX線ソース。
For a predetermined X-ray energy spectrum, the transmittance of at least one of the plurality of X-ray targets is greater than 50%;
The X-ray source according to claim 27 or 28.
予め定められた前記X線エネルギースペクトルは、少なくとも1つのX線サブソースの発光スペクトルに対応する、
請求項29に記載のX線ソース。
The predetermined X-ray energy spectrum corresponds to an emission spectrum of at least one X-ray sub-source;
30. The x-ray source of claim 29.
前記複数のX線ターゲットのうち少なくとも1つは、基板をさらに有する、
請求項27から30の何れか一項に記載のX線ソース。
At least one of the plurality of X-ray targets further includes a substrate.
The X-ray source according to any one of claims 27 to 30.
前記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
請求項31に記載のX線ソース。
The substrate comprises a material selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon;
The X-ray source according to claim 31.
X線発生材料は、薄膜の形で前記基板上にある、
請求項31又は32に記載のX線ソース。
The X-ray generating material is on the substrate in the form of a thin film;
The X-ray source according to claim 31 or 32.
前記ターゲットは、0.1Wm−1−1より大きい熱伝導率の材料を有する基板に埋め込まれた複数の離散構造を有し、
前記複数の離散構造は、そのX線発生特性のために選択された材料を有する、
請求項27から30の何れか一項に記載のX線ソース。
The target has a plurality of discrete structures embedded in a substrate having a material with a thermal conductivity greater than 0.1 Wm -1 ° C -1 ;
The plurality of discrete structures have materials selected for their x-ray generation characteristics;
The X-ray source according to any one of claims 27 to 30.
複数のX線サブソースを形成すべく、前記ターゲット上の1又は複数の位置に、前記複数の電子放出器のうち少なくとも1つからの電子ビームを方向付けるための手段をさらに備える、
請求項34に記載のX線ソース。
Means for directing an electron beam from at least one of the plurality of electron emitters to one or more locations on the target to form a plurality of X-ray sub-sources;
35. The x-ray source of claim 34.
電子ビームを方向付けるための前記手段は、複数の電子レンズを備える、
請求項35に記載のX線ソース。
The means for directing the electron beam comprises a plurality of electron lenses;
36. The x-ray source of claim 35.
複数の前記ターゲットへの複数の電子ビームの衝撃によって生成された複数のX線サブソースすべての中央部が、前記第1のウィンドウを通過する軸に沿って位置合わせされるように、前記複数の電子ビームのそれぞれを位置合わせする手段をさらに備える、
請求項34から36の何れか一項に記載のX線ソース。
The plurality of X-ray sub-sources generated by the impact of the plurality of electron beams on the plurality of targets are aligned along an axis passing through the first window. Means for aligning each of the electron beams;
37. An X-ray source according to any one of claims 34 to 36.
少なくとも2つの隣接するX線サブソースが、共通の基板を共有する、
請求項27から37の何れか一項に記載のX線ソース。
At least two adjacent X-ray sub-sources share a common substrate;
The X-ray source according to any one of claims 27 to 37.
X線光学要素をさらに備え、
前記X線光学要素は、サブソースによって放出されたX線が、前記X線光学要素によって、隣接するX線サブソースの上に方向付けられるように配置される、
請求項27から38の何れか一項に記載のX線ソース。
Further comprising an X-ray optical element;
The x-ray optical element is arranged such that x-rays emitted by a sub-source are directed by the x-ray optical element onto an adjacent x-ray sub-source;
The X-ray source according to any one of claims 27 to 38.
前記X線光学要素は、斜入射X線リフレクタを有する、
請求項39に記載のX線ソース。
The x-ray optical element has a grazing incidence x-ray reflector;
40. The x-ray source of claim 39.
前記X線光学要素は、多層コーティングを有するX線リフレクタを有する、
請求項40に記載のX線ソース。
The x-ray optical element comprises an x-ray reflector having a multilayer coating;
41. The x-ray source according to claim 40.
前記X線光学要素は、20ミクロンを超える厚みがあり、かつ高質量密度の材料を含むコーティングがされたX線リフレクタを有する、
請求項40に記載のX線ソース。
The x-ray optical element has a coated x-ray reflector having a thickness greater than 20 microns and comprising a high mass density material;
41. The x-ray source according to claim 40.
前記X線光学要素はウォルタレンズを有する、
請求項40に記載のX線ソース。
The X-ray optical element has a Walter lens;
41. The x-ray source according to claim 40.
前記X線光学要素はポリキャピラリレンズを有する、
請求項40に記載のX線ソース。
The X-ray optical element has a polycapillary lens;
41. The x-ray source according to claim 40.
前記X線光学要素は、複数の焦点が2つの隣接するサブソースの中央に対応するように配置された、楕円体のキャピラリレンズを有する、
請求項40に記載のX線ソース。
The X-ray optical element has an ellipsoidal capillary lens arranged such that a plurality of focal points correspond to the center of two adjacent sub-sources.
41. The x-ray source according to claim 40.
X線光学要素をさらに備え、
前記X線光学要素は、サブソースによって放出されたX線が前記X線光学要素に入り、前記真空チャンバ内の予め定められた位置の上に方向付けられるように配置される、
請求項40に記載のX線ソース。
Further comprising an X-ray optical element;
The X-ray optical element is arranged such that X-rays emitted by a sub-source enter the X-ray optical element and are directed over a predetermined location in the vacuum chamber.
41. The x-ray source according to claim 40.
前記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第2のウィンドウをさらに備え、
前記複数のX線サブソースは、前記第1のウィンドウ及び前記第2のウィンドウの両方を通過する線に沿って、位置合わせされている、
請求項27から46の何れか一項に記載のX線ソース。
A second window transparent to X-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
The plurality of x-ray sub-sources are aligned along a line passing through both the first window and the second window;
47. An X-ray source according to any one of claims 27 to 46.
X線検出器をさらに備え、
前記X線検出器は、前記複数のX線サブソースのうち少なくとも1つによって放出された前記X線が前記X線検出器に当たるように、位置合わせされている、
請求項47に記載のX線ソース。
Further comprising an X-ray detector;
The x-ray detector is aligned such that the x-ray emitted by at least one of the plurality of x-ray sub-sources strikes the x-ray detector;
48. The x-ray source of claim 47.
真空チャンバと、
前記真空チャンバの壁に取り付けられた、X線に透過的な第1のウィンドウと、
前記真空チャンバ内の第1の電子ビーム放出器と、
第2の電子ビーム放出器と、
ターゲットであって、
基板と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第1の構造と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第2の構造とを、
有するターゲットとを、
備える、
X線ソース。
A vacuum chamber;
A first window transparent to x-rays attached to the wall of the vacuum chamber;
A first electron beam emitter in the vacuum chamber;
A second electron beam emitter;
A target,
A substrate,
A first structure having a material selected for its X-ray generation characteristics;
A second structure having a material selected for its X-ray generation properties;
Having a target,
Prepare
X-ray source.
複数の対の電子ビーム放出器と、
複数のターゲットであって、
基板と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第1の構造と、
そのX線発生特性のために選択された材料を有する第2の構造とを、
有する複数のターゲットとを、
さらに備える、
請求項49に記載のX線ソース。
Multiple pairs of electron beam emitters;
Multiple targets,
A substrate,
A first structure having a material selected for its X-ray generation characteristics;
A second structure having a material selected for its X-ray generation properties;
Having a plurality of targets,
In addition,
50. The x-ray source of claim 49.
前記第1の構造の前記材料と、前記第2の構造の前記材料とは、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、並びに、これらの組み合わせ及びこれらの合金から成る群から選択される、
請求項49又は50に記載のX線ソース。
The material of the first structure and the material of the second structure are aluminum, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, gallium, zinc, yttrium, zirconium, molybdenum, niobium. Selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, silver, tin, iridium, tantalum, tungsten, indium, cesium, barium, gold, platinum, lead, and combinations and alloys thereof;
The X-ray source according to claim 49 or 50.
前記基板は、ベリリウム、ダイヤモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、及びダイヤモンド状炭素から成る群から選択される材料を有する、
請求項49から51の何れか一項に記載のX線ソース。
The substrate comprises a material selected from the group consisting of beryllium, diamond, graphite, silicon, boron nitride, silicon carbide, sapphire, and diamond-like carbon;
52. The X-ray source according to any one of claims 49 to 51.
前記第1の構造及び前記第2の構造のうち少なくとも1つは、前記基板の表面上の薄膜コーティングである、
請求項49から52の何れか一項に記載のX線ソース。
At least one of the first structure and the second structure is a thin film coating on a surface of the substrate;
53. An X-ray source according to any one of claims 49 to 52.
前記第1の構造及び前記第2の構造は、両方とも前記基板の両面(opposite surfaces)上の薄膜コーティングである、
請求項49から53の何れか一項に記載のX線ソース。
The first structure and the second structure are both thin film coatings on both surfaces of the substrate.
54. An X-ray source according to any one of claims 49 to 53.
前記第1の構造及び前記第2の構造のうち少なくとも1つは、1又は複数の微細構造を有する、
請求項49から54の何れか一項に記載のX線ソース。
At least one of the first structure and the second structure has one or more microstructures;
55. An X-ray source according to any one of claims 49 to 54.
前記1又は複数の微細構造は前記基板に埋め込まれている、
請求項55に記載のX線ソース。
The one or more microstructures are embedded in the substrate;
56. The X-ray source according to claim 55.
1又は複数の微細構造は、他の複数の微細構造のうち少なくとも1つに対し、前記基板の反対側の面に埋め込まれている、
請求項56に記載のX線ソース。
One or more microstructures are embedded in an opposite surface of the substrate relative to at least one of the other microstructures;
57. The x-ray source according to claim 56.
前記第1の電子ビーム放出器及び前記第2の電子ビーム放出器は、前記ターゲットの両面に複数の電子ビームで衝撃を与えるべく位置合わせされている、
請求項49に記載のX線ソース。
The first electron beam emitter and the second electron beam emitter are aligned to bombard both surfaces of the target with a plurality of electron beams.
50. The x-ray source of claim 49.
X線を発生させる方法であって、
少なくとも1つのターゲットを、複数の離散構造に当たるよう形成された電子ビームにさらす段階を備え、
前記少なくとも1つのターゲットは、
第1の選択材料を有する基板と、
そのX線発生特性のために選択された第2の材料を有する前記複数の離散構造とを、
有し、
前記複数の離散構造のそれぞれは、前記基板と熱的接触をしており、
前記複数の離散構造のうち少なくとも1つは、10ミクロンより薄い厚みを有し、
前記複数の離散構造のうち前記少なくとも1つのそれぞれの横寸法は、50ミクロンより小さい、
方法。
A method for generating X-rays,
Exposing at least one target to an electron beam formed to strike a plurality of discrete structures;
The at least one target is
A substrate having a first selected material;
The plurality of discrete structures having a second material selected for its x-ray generation characteristics;
Have
Each of the plurality of discrete structures is in thermal contact with the substrate;
At least one of the plurality of discrete structures has a thickness of less than 10 microns;
The lateral dimension of each of the at least one of the plurality of discrete structures is less than 50 microns;
Method.
X線を発生させる方法であって、
単一の真空チャンバ内に含まれたX線発生材料を有する複数のターゲットを複数の電子ビームにさらす段階を備え、
前記複数の電子ビームの位置は、前記複数のターゲットから放出され、また予め定められた開口部も通過する前記X線の強度を増加させるように調節されている、
方法。
A method for generating X-rays,
Exposing a plurality of targets having x-ray generating material contained in a single vacuum chamber to a plurality of electron beams;
The positions of the plurality of electron beams are adjusted to increase the intensity of the X-rays emitted from the plurality of targets and also passing through a predetermined opening.
Method.
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