(57)【要約】  Ｘ線管組立品は、Ｘ線管エンベロープ、カソード組立品、および透過アノード組立品を含んでいる。当該透過アノード組立品は、Ｘ線生成層およびアノード基板を含んでいる。当該Ｘ線生成層は、輪状であって、回転円盤形のアノード基板上に搭載されていてよい。あるいは、当該Ｘ線生成層は、円筒形であって、回転および／または振動する円筒形のアノード基板上に搭載されていてよい。
2009545840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管エンベロープと、
上記Ｘ線管エンベロープ内に配置されたカソード組立品と、
上記Ｘ線管エンベロープ内に配置された透過アノード組立品とを含むＸ線管。
【請求項２】
上記透過アノード組立品は、アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる、請求項１に記載のＸ線管。
【請求項３】
上記アノード組立品は、上記Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記アノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている、請求項１または２に記載のＸ線管。
【請求項４】
上記Ｘ線生成層の厚さは、約５ミクロン以上約２５ミクロン以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項５】
上記アノード基板の厚さは、約１ミリメートル以上５ミリメートル以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項６】
上記Ｘ線生成層は、タングステンまたはモリブデンから成る、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項７】
上記アノード基板は、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムを含有している、請求項１〜６のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項８】
上記アノード組立品は、入射電子エネルギーを受け取るように構成されており、
上記Ｘ線生成層の厚さは、所定の入射電子エネルギーに対する上記Ｘ線生成層の材料内における電子飛程の約３分の１と等しい、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項９】
上記アノード基板は、自身の中心軸を中心として回転するように搭載された円盤であり、
上記Ｘ線生成層は輪状であり、且つ上記アノード基板と同心状である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１０】
上記Ｘ線生成層および上記アノード基板は実質的に円筒形である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１１】
上記アノード組立品は、上記Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記実質的に円筒形のアノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１２】
上記カソード組立品は、少なくとも部分的には、上記Ｘ線生成層およびアノード基板によって形成されるシリンダ内に配置されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１３】
上記アノード基板は、自身の中心軸を中心として回転するように搭載されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１４】
上記アノード基板は、自身の中心軸に沿って並進運動（translation）するように搭載されている、請求項１３に記載のＸ線管。
【請求項１５】
上記アノード基板は、自身の中心軸に沿って振動するように搭載されている、請求項１３または１４に記載のＸ線管。
【請求項１６】
上記アノード基板は、上記Ｘ線エンベロープの一体部分として形成されており、
上記Ｘ線エンベロープおよび一体アノード基板が真空チャンバを構成している、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１７】
上記アノード基板は、上記Ｘ線真空エンベロープに熱的に接続されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１８】
上記アノード基板は、上記Ｘ線エンベロープと協働して真空チャンバを規定している、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１９】
上記アノード基板および上記Ｘ線エンベロープは、Ｘ線筐体内において回転可能なように支持されている、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２０】
上記Ｘ線エンベロープおよびアノード基板は、上記Ｘ線筐体内において冷媒と熱接触している、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２１】
上記アノード基板は、上記Ｘ線筐体内において冷媒と直接的に熱接触している、請求項１〜２０のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２２】
上記Ｘ線エンベロープおよびアノード基板は、上記Ｘ線筐体内の冷媒内において回転する、請求項１〜２１のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２３】
内部ヒートシンクをさらに含んでおり、
上記内部ヒートシンクは、上記アノード組立品から内側へ放射状に配置されており、且つ、上記Ｘ線筐体と熱伝達する、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２４】
上記内部ヒートシンクは、実質的に円筒形であり、且つ、後方散乱電子を吸収するように構成されている、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２５】
内部部材をさらに含んでおり、
上記内部部材は、上記アノード組立品から内側へ放射状に配置されており、且つ、上記Ｘ線管エンベロープと協働して上記Ｘ線管エンベロープ内に第１のチャンバおよび第２のチャンバを規定している、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２６】
上記第１のチャンバはアノード冷却チャンバであり、上記第２のチャンバは電子加速チャンバである、請求項１〜２５のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２７】
上記第２のチャンバは、上記第１のチャンバよりも高い真空度に維持される、請求項１〜２６のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項２８】
Ｘ線管内において用いるアノード組立品であって、
アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでおり、
アノード入射角度およびＸ線放射角度が双方ともほぼゼロ度となるように構成されているアノード組立品。
【請求項２９】
上記アノード基板は、自身の中心軸を中心にして回転するように搭載された円盤であり、
上記Ｘ線生成層は輪状であり、且つ上記アノード基板と同心状である、請求項２８に記載のアノード組立品。
【請求項３０】
上記Ｘ線生成層および上記アノード基板は実質的に円筒形である、請求項２８に記載のアノード組立品。
【請求項３１】
上記アノード基板は、中心軸を中心として回転するように構成されている、請求項２８〜３０のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３２】
上記アノード基板は、上記中心軸に沿って振動するように構成されている、請求項２８〜３１のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３３】
上記アノード組立品は、入射電子エネルギーを受け取るように構成されており、
上記Ｘ線生成層の厚さは、所定の入射電子エネルギーに対する電子飛程の約３分の１と等しい、請求項２８〜３２のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３４】
上記アノード組立品は、上記Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記アノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている、請求項２８〜３３のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３５】
上記Ｘ線生成層の厚さは、約５ミクロン以上約２５ミクロン以下である、請求項２８〜３４のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３６】
上記アノード基板の厚さは、約１ミリメートル以上約５ミリメートル以下である、請求項２８〜３５のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３７】
上記Ｘ線生成層は、タングステンまたはモリブデンから成る、請求項２８〜３６のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３８】
上記アノード基板は、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムを包含している、請求項２８〜３７のいずれか１項に記載のアノード組立品。
【請求項３９】
カソードからアノードへ向けて電子を加速してＸ線を生成する工程と、
上記アノードを通過する上記Ｘ線を用いてＸ線ビームを形成する工程とを含んでいる、Ｘ線ビームの生成方法。
【請求項４０】
上記アノードは、基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
上記基板は実質的に円筒形である、請求項３９または４０に記載の方法。
【請求項４２】
上記カソードからの上記加速電子が上記Ｘ線生成層上に螺旋形の焦点軌道を形成するように、上記基板を回転および振動させる工程をさらに含んでいる、請求項３９〜４１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願データ〕
本出願は、２００６年４月２０日に出願された米国仮出願第６０／７４５,２１３号、２００６年４月２０日に出願された米国仮出願第６０／７４５,２１５号、および２００６年１１月２９日に出願されたび米国仮出願第６０／８６７,６１８号に対して優先権を主張するものであり、その全内容は参照として本明細書に援用される。
【０００２】
〔連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載〕
本発明は、国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）によって授与された協定番号ＭＤＡ９７２-０３-２-０００１によって、政府支援を得て成されたものである。米国政府は、本発明の一定の権利を保持する。
【０００３】
〔本発明の分野〕
本発明は、一般的にはＸ線管に関し、特にＸ線法および透過アノードを採用したＸ線管に関する。
【０００４】
〔発明の背景〕
高出力のＸ線管は通常、金属、セラミック、またはガラスから成る真空エンベロープを有しており、カソードフィラメントを有する真空エンベロープ内に加熱電流が流される。この電流によってフィラメントが十分に加熱され、電子雲が放射される、すなわち、熱イオン放射が起こる。真空エンベロープ内に配置されたカソードとアノード組立品との間に、高電位（通常は約１０〜３００キロボルト）が印加される。この電位によって、電子が、真空エンベロープ内部の真空領域を介して、カソードからアノード組立品へ流れ、十分なエネルギーを有する電子ビームがアノードに当たり、Ｘ線が生成される。
【０００５】
図１および図２は、カソード１２およびアノード１４を有する従来の典型的なＸ線管１０を示している。アノード材料は、厚さが１ミリメートルよりも大きいタングステンである場合が多い。カソード１２からの電子１６は加速され、アノード１４の入射面（前面）上の焦点１８に合わせられる。Ｘ線２０は、焦点から全方向に放射される。これらのＸ線部分は、アノード前面から射出されて、ウィンドウ２２およびコリメータ２４開口を通過し、射出Ｘ線ビーム２６となる。入射電子ビームと射出Ｘ線ビームとの両方が同一のアノード前面に入射および射出するため、このアノードは、本明細書においては反射アノードと称される。電子ビームの方向に放射されるＸ線は、その大部分がアノード材料によって吸収されるため、アノードを介して透過されるＸ線部分はわずかである。このため、従来のＸ線管は、反射アノードを用いている。
【０００６】
Ｘ線管１０に用いるカソード１２、アノード１４、およびコリメータ２４の幾何学的配置は、図１に示されているアノード入射（ＡＩ）角度およびＸ線放射（ＸＥ）角度によって説明することができる。ＡＩ角度は、入射電子ビームの軸とアノード前面の法線Ｎとが成す角度として規定される。ＸＥ角度は、入射電子ビームの軸（この軸は、アノードを通って突き出るまたは広がる）と射出Ｘ線ビームの軸とが成す角度として規定される。今日のＸ線管では、ＡＩ角度は通常、約１０度〜３０度であり、ＸＥ角度は通常、約９０度に等しい。
【０００７】
コリメータ開口の形状によって、Ｘ線ビームの形状が決定される。例えば、開口が円形である場合、その頂点が焦点にあり、半頂角が逆正接（ｒ／ｄ）と等しい円錐形のビームが得られる。ここで、ｒはコリメータ開口の半径であり、ｄは焦点からコリメータ開口の平面までの距離である。
【０００８】
図１では、診断放射線医学におけるＸ線画像用途として、コリメータ開口においてフィルタ２８が用いられている。このフィルタによって、主にＸ線スペクトルの低エネルギー領域内においてＸ線が減衰されるため、線量およびノイズが低減され、これによってＸ線画像の品質が向上する。上記フィルタの材料および厚さは、検査対象のＸ線減衰特性によって決められる。診断放射線医学では、異なるＸ線管からのＸ線出力を比較する基準として、３ミリメートルのアルミニウムを用いた標準的な濾過によって、従来の最低限の濾過を行う場合が多い。
【０００９】
このような特徴を有する今日の多くのＸ線管は、以下に挙げる制限のうちの１つ、あるいは１つ以上を有している。円錐形のＸ線ビームの場合、Ｘ線強度分布がビームに対して非対称である；円錐形のＸ線ビームの場合、ビーム区域の異なる点から視認した場合に焦点の投影サイズが大きくなり（図２の焦点３２対焦点３４を参照）、これによって焦点サイズの「ブルーミング現象」が生じる；円錐形のＸ線ビームの場合、半頂角がアノード入射角度（今日の高出力Ｘ線管では６度〜３０度）を超えることができない；高出力管の場合、熱容量を高くするために回転アノードの質量が大きく、これによって最大アノード直径および回転速度、ひいては得られる最大許容入力および冷却速度において、実用面における制限が課せられる。
【００１０】
〔本発明の概要〕
本発明は、透過アノードを有するＸ線管を提供する。当該透過アノードは、アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる。当該アノード組立品は、当該Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記アノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている。透過アノードを設けることによって、とりわけ、Ｘ線収量（x-ray yield）および出力を向上させ、焦点ブルーミングを低減させ、円錐ビーム用途において頂角を広くすることを容易にすることができる。
【００１１】
本発明の一形態は、Ｘ線管エンベロープと、当該Ｘ線管エンベロープ内に配置されたカソード組立品と、当該Ｘ線管エンベロープ内に配置された透過アノード組立品とを有する、Ｘ線管に関する。
【００１２】
別の形態では、上記透過アノード組立品は、アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる。
【００１３】
別の形態では、上記アノード組立品は、上記Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記アノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている。
【００１４】
本発明の別の形態は、Ｘ線管内において用いるアノード組立品に関する。当該アノード組立品は、アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる。当該アノード組立品は、アノード入射角度およびＸ線放射角度が双方ともほぼゼロ度となるように構成されている。
【００１５】
本発明の別の形態は、カソードからアノードへ電子を加速させてＸ線を生成する工程と、上記アノードを通過する当該Ｘ線を用いてＸ線ビームを形成する工程とを含む、Ｘ線ビームの生成方法に関する。
【００１６】
本発明の上記および上記以外の特徴について、以下に十分に説明し、特許請求の範囲において具体的に規定する。以下の説明および添付図面は、本発明の一部の実施形態を例として詳細に説明している。しかしこのような実施形態は、本発明の原理を採用することのできる様々な方法のうちの１つのみを示すものである。
【００１７】
〔図面の簡単な説明〕
以下では、本発明の上記および上記以外の特徴について、図を参照しながら説明する。図は下記の通りである。
【００１８】
図１は、反射アノードを有する従来のＸ線管の概略図である。
【００１９】
図２は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）環境における従来のＸ線管の概略図である。
【００２０】
図３は、透過アノードを有するＸ線管の概略図である。
【００２１】
図４は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）環境における、透過アノードを有するＸ線管の概略図である。
【００２２】
図５は、Ｘ線生成層の層厚と電子エネルギーとの典型的なプロット図である。
【００２３】
図６は、透過アノードを有するＸ線管および反射アノードを有するＸ線管の、Ｘ線収量とＸ線管の電圧との典型的なプロット図である。
【００２４】
図７は、本発明の別の実施形態に係る、円筒形の透過アノードを有するＸ線管の概略断面図である。
【００２５】
図８は、本発明の別の実施形態に係る、円筒形の透過アノードを有するＸ線管の概略断面図である。
【００２６】
〔詳細な説明〕
以下の詳細な説明では、同様の箇所には、それらが本発明の別の実施形態に示されているか否かに関わらず、同一の参照符号が付与されている。これらの図は、本発明を明確かつ簡潔に示すために、必ずしも互いに相対的な縮尺とはなっておらず、一部の特徴はやや概略的に示されている場合もある。
【００２７】
本開示内容は、透過アノードＸ線管を提供する。当該透過アノードは、アノード基板上に配置されたＸ線生成層を含んでいる。当該透過アノードは、当該Ｘ線生成層において電子エネルギーを受け取り、上記アノード基板を介してＸ線を放射するように構成されている。
【００２８】
図３および図４を参照すると、Ｘ線管４０は、Ｘ線エンベロープ４２を有している。Ｘ線エンベロープ４２内には、カソード組立品４４（単にカソードとも称する）およびアノード組立品４６（アノードまたは透過アノードとも称する）が配置されている。アノード組立品４６は、アノード基板５０上またはアノード基板５０の上方に配置された、Ｘ線生成層４８（ターゲット層またはＸ線ターゲット層とも称する）を含んでいる。Ｘ線生成層４８がアノード基板５０「上に配置されている」と記載されている場合、Ｘ線生成層４８がアノード基板５０に直接付着しているか、接続されているか、あるいは結合されている状態を含んでいることを意味しており、また、当該Ｘ線生成層が、Ｘ線生成層とアノード基板との間に配置された１つ以上の中間層（例えば、粘着層およびフィルタ層等）と共にアノード基板上に配置されている状態を含んでいることを意味していることについて理解されたい。
【００２９】
以下においてより十分に説明するが、Ｘ線生成層４８およびアノード基板５０を含む透過アノード４６は、カソード４４から加速電子５２を受け取り、例えばこれらの加速電子とＸ線生成層の材料との相互作用によって、Ｘ線５４を製造または生成するように構成されている。生成されたＸ線は、アノード基板５０（および、必要に応じてコリメータ５６）を通過して、Ｘ線ビームを形成する。言い換えると、加速電子５２のビームは、Ｘ線生成層４８上に法線入射または準法線入射し、焦点から順方向に放射されたＸ線が、Ｘ線生成層および基板（および、必要に応じてコリメータ）を介して通過し、射出Ｘ線ビームを形成する。アノード組立品４６は、透過アノードと称されることについて理解されたい。これは、Ｘ線が、基本的には、（アノードに反射する従来の反射アノードとは対照的に）アノードを通過するか、あるいはアノードを介して透過されるからである。
【００３０】
Ｘ線管に用いるカソード４４およびアノード４６（および、関連するあらゆるコリメータ５６）の幾何学的配置は、アノード入射（ＡＩ）角度およびＸ線放射（ＸＥ）角度によって説明することができる。ＡＩ角度は、入射電子ビームの軸とアノード面の法線（例えば、Ｘ線生成層の表面の法線）とが成す角度として規定することができる。ＸＥ角度は、入射電子ビームの軸と射出Ｘ線ビームの軸とが成す角度として規定することができる。
【００３１】
従来のＸ線管では、通常、ＡＩ角度は約６度〜約３０度の範囲であり、ＸＥ角度は約９０度であるが、図３および図４に示されているＸ線管は、アノード入射角度およびＸ線放射角度が両方ともほぼゼロ度であってよいことによって特徴付けることができる。ＸＥ角度をほぼゼロ度にするということは、入射電子ビームの軸と、（アノードを介して透過された）射出Ｘ線ビームとの間で測定されたＸＥ角度が約１８０度である状態を含むことを意味していることについて理解されたい。言い換えると、図３および図４に示されているＸ線管は、ＸＥ角度がほぼゼロ度であり、入射電子ビームの軸が透過アノードを通過して突き出るまたは広がることによって特徴付けることができる。以下においてより十分に説明するが、ＡＩ角度およびＸＥ角度をほぼゼロ度にすることのできるＸ線管を設けることによって、焦点（すなわち、Ｘ線生成層上の焦点）から放射されるＸ線のより多くの部分をアノードを介して透過させ、Ｘ線管のエンベロープからＸ線ウィンドウおよびコリメータ開口を介して射出させることが容易になる。透過されたＸ線ビームは、軸外角度が大きくなるのに伴い、投影される軸外焦点サイズが小さくなるような軸対称性を有している。
【００３２】
上述のように、アノードは、これらに限定されるものではないがタングステンまたはモリブデンを含む材料から成るＸ線生成層を基板材料上に有した、複合構造を有していてよい。上記基板は、これらに限定されるものではないが炭化ケイ素、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムを含む、任意の適切な低密度材料から形成されていてよい。好ましい一実施形態では、アノードは、炭化ケイ素から成る厚い（例えば、約１ミリメートル〜約５ミリメートル）基板層上に配置された、タングステンから成る比較的薄い（例えば、約５ミクロン〜約２５ミクロン）Ｘ線生成層を含んでいる。別の実施形態では、Ｘ線生成層の厚さは約５ミクロンである。別の実施形態では、Ｘ線生成層の厚さは約１０ミクロンである。別の実施形態では、Ｘ線生成層の厚さは約１５ミクロンである。
【００３３】
Ｘ線生成層がタングステンから形成されている好ましい一実施形態では、Ｘ線生成層の厚さは、アノード材料内におけるＸ線の製造と減衰との競合効果の結果としてアノードを介して得られる最大Ｘ線出力をもたらすように選択され、所定の入射電子エネルギー（またはＸ線管の電圧）における電子飛程の約３分の１と等しくなる。図５には、Ｘ線管の電圧に対するＸ線生成層の厚さの値が、５０キロボルト〜５００キロボルトの領域において示されている。
【００３４】
図５に示されているように、Ｘ線生成層は、好ましい厚さが通常は約５ミクロン〜約２５ミクロン程度であるため、機械的安定性を得るために基板材料上に堆積してもよい。Ｘ線生成層内において製造されるＸ線は、基板通過後にさらに減衰するため、当該基板を任意の外部フィルタ（例えば、従来の反射アノード管において用いられることの多い外部フィルタ）と置き換えることができる。前述のように、基板は、原子番号および厚さが典型的な外部フィルタの減衰特性とほぼ合致する、任意の適切な材料から形成することができる。基板による濾過を利用して、Ｘ線スペクトルのエネルギー領域を減衰させることによって、Ｘ線画像を向上させることができる。
【００３５】
一実施形態では、基板として、（Ｘ線収量の規定において外部フィルタとして用いられる３ミリメートルのアルミニウムとほぼ合致する）約３ミリメートルの炭化ケイ素を選択することができる。照射線量率の測定のために特定された上記３ミリメートルのアルミニウムフィルタは、ベースラインフィルタであり、反射アノード管および透過アノード管における同じように減衰されたＸ線スペクトルに基づいた、Ｘ線収量の定量的比較を可能にするために導入される（図６参照）。炭化ケイ素基板は、高い熱伝導率および融点を有し、熱膨張はタングステンと同等となるように、高出力動作において望ましい熱的特性を有している。この基板における上記以外の材料および厚さは、当該基板および外部フィルタが、特定の放射線用途に対して望ましい濾過を行うのであれば、使用することができる。
【００３６】
上記透過アノードは、固定されていよく、あるいは中心軸５８（アノード軸またはアノードシャフトとも称される）を中心にして回転するようになっていてもよい。上記透過アノードはまた、本発明の範囲から逸脱することなく複合構造とすることができる。図３および図４は、透過アノード４６が円形の円盤形状をしており、基板５０が円盤形であり、Ｘ線生成層が輪状４８である、典型的な一実施形態を示している。この形状を変形させた構造、あるいは他の構造を採用することも可能である。回転円盤を採用した実施形態では、円盤が回転するため、電子ビームによって円盤半径に形成される焦点は、円形の焦点軌道となり、その幅はアノード面上の焦点サイズによって決定される。上記焦点軌道の領域内における円盤構造は、前述した透過アノードの複合構造と同一である。当該回転円盤を用いることによって、焦点領域内の熱負荷（または電子堆積エネルギー）を、より広い焦点軌道領域へ移動させることができる。従って、一定の電子入力および照射時間における焦点軌道温度は、円盤直径、質量、および回転速度によって決定される。
【００３７】
図７には、回転および／または振動する円筒形の透過アノード４６を有するＸ線管４０が設けられた、別の実施形態が示されている。図示されている実施形態では、回転透過アノード４６は実質的に円筒形をしており、カソード４４は、回転透過アノードによって構成されたシリンダ内に少なくとも部分的に配置されており、集束電子ビーム５２は、半径に沿ってシリンダ内面に向かって照射される。これは、図７に示されている。従って、焦点軌道は、基板５０上に配置されたＸ線生成層４８によって構成されたシリンダの内周に沿っている。図示されている実施形態では、アノード基板は実質的に円筒形であり、上部には実質的に円筒形のＸ線生成層が配置されている。
【００３８】
上記円筒形の回転透過アノードは、焦点サイズまたはカソードから射出される電子ビームの位置および方向を変更することなく焦点軌道幅を増加させる手段を提供する。これは、その回転軸の方向（矢印６０の方向沿い）に、回転シリンダを振動させることによって達成することができる。これらの回転と振動という２つの重畳した動きによって、Ｘ線生成層の内面の全部ではないが大部分を包含する、螺旋形の焦点軌道を形成することができる。従って、Ｘ線生成層上の焦点軌道の幅を、単一の焦点軌道の焦点幅から、振動の全振幅に等しい幅へと、効果的に拡大することができる。この拡大された焦点軌道の幅は、シリンダの熱伝導率および全長に応じて、振動幅の２倍の距離以上に効果的に拡大することができる。これに対応して周辺焦点軌道の区域が拡大することにより、放射線による熱損失の速度が高まる。これは、焦点軌道温度の４乗と、シリンダの照射外面および内面の面積（あるいは焦点軌道幅の２倍）により決まる。
【００３９】
図７をさらに参照すると、円筒形のアノードに対して効果的な放射冷却速度を得るために、内部熱シールド６２（ヒートシンクとも称される）が設けられている。ヒートシンク６２は、円筒形のＸ線生成層４８の内面を囲んでいるか、あるいは実質的に囲んでおり、また、カソード４４から放射される電子ビーム５２のための開口を有している。円筒形の透過アノードの内面および外面を囲む内部ヒートシンク６２およびＸ線エンベロープ４２は、熱伝達できることが好ましく、また室温（あるいは、他の比較的低い温度）に保たれることが好ましい。一実施形態では、上記内部ヒートシンクは、Ｘ線エンベロープと一体的に形成されている。この構成によって放射冷却速度が向上し、また同時に、アノードに対して低電界環境またはゼロ電界環境が生成されるため、Ｘ線管の作動中にアノード面から放射される荷電粒子に対して電圧勾配が生じることはない。
【００４０】
図３および図４に関連して説明したように、好ましい一実施形態では、円筒形の透過アノードは、入射電子ビームによって走査される区域において円筒形の基板上に堆積または配置された実質的に円筒形のＸ線生成層（例えば、タングステン層またはモリブデン層）を含んだ、複合構造を有している。円筒形の基板は、これらに限定されるものではないが炭化ケイ素、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムを含む、任意の適切な低密度材料から成っていてよい。
【００４１】
Ｘ線生成層がタングステンから形成されている、好ましい一実施形態では、Ｘ線生成層の厚さは、アノード材料内におけるＸ線の製造と減衰との競合効果の結果としてアノードを介して得られる最大Ｘ線出力がもたらされるように選択され、所定の入射電子エネルギー（またはＸ線管の電圧）での電子飛程の約３分の１と等しくなる。図５には、Ｘ線管の電圧に対するＸ線生成層の厚さの値が、５０キロボルト〜５００キロボルトの領域において示されている。
【００４２】
Ｘ線生成層は、（図５に示されているように）最適な厚さが通常は約５ミクロン〜約２５ミクロン程度であるため、機械的安定性を得るために基板材料上に堆積することができる。Ｘ線生成層内において製造されるＸ線は、基板通過後にさらに減衰するため、当該基板を任意の外部フィルタ（例えば、従来の反射アノード管において用いられることの多い外部フィルタ）と置き換えることができる。前述のように、基板は、原子番号および厚さが典型的な外部フィルタの減衰特性とほぼ合致する、任意の適切な材料から形成することができる。基板による濾過を利用して、Ｘ線スペクトルのエネルギー領域を減衰させることによって、Ｘ線画像を向上させることができる。
【００４３】
炭化ケイ素基板上に配置されたタングステンＸ線生成層が用いられている一実施形態では、Ｘ線は当該タングステン層内において生成され、そして炭化ケイ素基板を透過する。当該基板は、任意の外部フィルタ（例えば、従来の反射アノード管において用いられることの多い外部フィルタ）と置き換えることができる。円筒形のアノード基板は、原子番号および厚さが外部フィルタの減衰特性とほぼ合致する、任意の適切な材料を含んでいてよい。
【００４４】
上記炭化ケイ素基板は、高出力動作に対して良好な熱的特性を有しており、熱伝導率および融点は高く、熱膨張はタングステンと同等である。上記基板の材料および厚さは、好ましくは基板および外部フィルタが特定の放射線用途において望ましい濾過を行うように、上記以外の材料および厚さを採用することができる。
【００４５】
図７に示されている円筒形の透過アノード構造は、シュテファン-ボルツマン冷却チャンバ６４を有しており、内部ヒートシンクおよび円筒形の外部ヒートシンク（Ｘ線エンベロープ）が、高温アノードを有する放射冷却チャンバを取り囲んでいる。冷却処理は、シュテファン-ボルツマンの法則に基づいて行われる。シュテファン-ボルツマンの法則によると、アノード冷却速度は、アノードシリンダの絶対温度（ケルビン温度）の４乗、アノードシリンダ壁の内面面積および外面面積、および（ａ）アノードシリンダ壁の内面面積および外面面積の放射率、（ｂ）内部ヒートシンクの外面面積の放射率、および（ｃ）外部ヒートシンクの内面面積の放射率に比例する。
【００４６】
円筒形の上記透過アノード構造はさらに、散乱電子エネルギーに対してヒートシンクを用いている。入射電子エネルギーの比較的多くが、焦点から後方領域内へと散乱する。この散乱電子エネルギーの大部分は、非弾性電子散乱に対する弾性電子散乱の割合を最低限にするために、比較的低い原子番号を有する内部ヒートシンク６２の外面によって吸収される。この封じ込めによって、Ｘ線管の絶縁体領域内において生じ得る好ましくない電荷または加熱効果を回避することができる。
【００４７】
焦点領域は、回転シリンダの内面に位置している。従って、あらゆる動的変化（例えば、温度がその融点を超えて上昇する、１マイクロ秒毎の相変化、あるいは、その回転および振動動作によるシリンダ内面の連続的な位置変化）が生じている間に、当該焦点領域内においてタングステン材料の完全な状態（integrity）を保持する巨大な遠心力が存在する。この遠心力の値は、シリンダの直径および回転速度に応じて、重力加速度の数千倍と等しい値であってよい。（例えば、シリンダ直径が６インチであり、回転速度が１００００ｒｐｍである場合、遠心力は約５００ｇ（ｇ＝９８０ｃｍ／s２）と等しい）。この限局的な遠心力場では、円筒形の回転アノード内面上の移動するタングステン層内における電子エネルギー堆積によって生じる１マイクロ秒毎の相変化のサイクル後であっても、焦点領域における材料の完全な状態（例えば、タングステン原子数）が受ける変化はごくわずかである。この結果、タングステン層へ悪影響を与えることなく、またＸ線出力の変化をごく微細に止めて、ピークアノード温度がタングステンの融点を超え得る。従って、上記Ｘ線管は、今日のＸ線管が許容可能な入力よりも遥かに高い入力の範囲内で動作可能である。
【００４８】
円筒形の上記透過アノード構造はまた、アーク放電を低減するために、デュアルチャンバを用いている。高電圧のＸ線管は、アーク放電する傾向がある。これは、高温アノード近傍において、高勾配電界内に荷電粒子が存在しているためである。この状態を緩和するために、Ｘ線管は、２つの別々のチャンバを有している。一方のチャンバは、（例えば、比較的低い真空を有する）シュテファン-ボルツマン冷却チャンバ６４であり、他方のチャンバは、（例えば、比較的高い真空を有する）電子加速チャンバ６６である。冷却チャンバ６４は、ゼロ勾配電界において周辺荷電粒子を有する高温アノードを有している。加速チャンバ６６は、温度がより低く、荷電粒子がより少なく（アノード領域を含まず）、軸対称性および低減された電界勾配を有する中心高電圧カソード柱（cathode post）を有している。
【００４９】
図８を参照すると、回転および／または振動する円筒形の透過アノード４６が設けられたＸ線管４０の別の実施形態が示されている。図示されている実施形態では、回転透過アノード４６は、シリンダ形状をしており、カソード４４は、上記回転透過アノードによって構成されたシリンダ内に少なくとも部分的に配置されており、集束電子ビーム５２は、半径に沿ってシリンダ内面に向かって照射される。これは、図８に示されている。従って、焦点軌道はシリンダの内周に沿っている。図示されている実施形態では、アノード基板は実質的に円筒形であり、その上部には実質的に円筒形のＸ線生成層が配置されている。
【００５０】
図８に示されている円筒形の透過アノードは、回転エンベロープ（一般的には７０で示されている）を効果的に冷却することのできる別の形状を有している。以下により十分に説明するが、Ｘ線管４０は、円筒形の回転透過アノード４６を有している。回転透過アノード４６は、Ｘ線エンベロープ７０と直接的に熱接触しており、当該透過アノードおよびＸ線エンベロープは、熱伝導する冷媒７２内において回転する。
【００５１】
図８は、適切な冷却液７２を含んだＸ線管筐体７４内の典型的な回転エンベロープ７０の断面図を示している。一実施形態では、回転エンベロープ７０は、エンドキャップ７６を有するシリンダと、適合する材料（例えばコバール）から成る回転シャフト７８とを有している。上記回転シャフト７８は、シリンダのアノード基板５０と結合および密封することができる。本実施形態では、アノード基板５０は、エンベロープ材料へ、密封して接続される材料から成る円筒形リングである。アノード基板材料の内面は、適切なＸ線生成層４８（例えば、タングステンまたはモリブデン）によって被覆されている。上記エンベロープの反対側は、上記回転エンベロープシリンダに密封して接続される、適切な絶縁材料（例えば、高電圧セラミック）からなる、端部材８０を有していてよい。高電圧を絶縁する、上記回転エンベロープのエンドプレートは、回転シャフトを有していてもよく、あるいは有していなくてもよい。これらの部品は、回転する真空エンベロープを構成する管の部分を説明するものである。また、上記回転エンベロープの詳細な構造は、特定の材料の任意の組み合わせから形成されていてよいことについて理解されたい。当業者には明らかであるように、エンベロープ全体は、炭化ケイ素あるいはその他の適切な材料から形成されていてもよく、高電圧を絶縁するための絶縁エンドプレートを有していてもよい。チャンバ外部と熱伝導するアノード面を有し、高電圧カソードおよびフィラメント電気接続（filament electrical connection）を設ける手段を備えた、真空度の高いチャンバ（high vacuum grade chamber）を形成することが好ましい。上記チャンバは、高出力の用途に対しては回転でき、低出力の用途に対しては回転できない、円筒形であることが好ましい。
【００５２】
図８に示されているように、電気的絶縁を行ってカソード４４に高電圧接続を提供するための端部材８０が設けられている。様々な方法によって、高電圧およびフィラメント接続を提供することができる。そのような実施形態の１つでは、同軸シャフトに２つの絶縁接続を有し、高電位にある２つのフィラメント接続を提供する。上記エンベロープの回転シャフトを支持する外部ベアリングもまた、高電圧およびフィラメント接続を提供する。これらの接続はまた、ブラシ組立品によって行うこともできる。内部シャフト上では、カソード組立品もまたベアリング組立品上にある。当該組立品は、１セットの永久磁石８２によって固定されており、エンベロープの回転時にカソードを固定位置に保持する。フィラメント接続８４は、ベアリング組立品を介して形成することができる。これは、本発明に係る高電圧／フィラメント接続を提供するための単なる一実施形態である。コイルに結合された変成器または誘導電流システムなど、接続およびフィラメント電力を提供する他の全ての手段を用いることができる。
【００５３】
エンベロープ組立品７０は、適切な筐体組立品７４内に配置されている。筐体組立品７４は、オイル若しくは他の適切な冷却液のような、エンベロープ用の冷媒７２を含んでいる。冷媒７２を流動させるための手段、および何らかの熱交換システム（図示せず）が備えられていてもよい。カソード組立品に高電圧を接続するため、およびフィラメントに電力を供給するために、高電圧接続８８が設けられている。また、アノード焦点において生成されたＸ線を射出させるための低減衰経路のために、Ｘ線ウィンドウ９０が設けられている。エンベロープの外面と冷媒との間に薄い流路を形成する組立品９２が、任意で組み込まれていてもよい。この隙間を小さく形成した場合は、好ましい流動特性が得られて、（例えばジャーナルベアリング内において達成できる）液体摩擦力の低減を達成することができる。これらの隙間に冷媒を流動させるために、様々な手段を設けることができる。
【００５４】
エンベロープを回転させるために、モーター９４が設けられている。モーター９４は、筐体内の冷媒内に配置されていてよく、あるいは冷媒または筐体の外部に配置されていてもよい。回転速度は用途に応じて異なり、任意の回転速度を採用することができる。
【００５５】
Ｘ線管に、本明細書に記載の透過アノード組立品のうちの１つを備えることによって、Ｘ線収量を高くすることができることについて理解されたい。本明細書において用いられる場合、Ｘ線収量は、単位電子入力当たり（per unit electron input power）のＸ線出力を意味している。Ｘ線収量は、電子キロワット入力当たり（per electron kilowatt input power）のＸ線照射線量率（毎秒レントゲン）であると定義することができる。照射線量率は、例えば、Ｘ線管内の焦点から１００ｃｍの距離において、イオン化チャンバを用いた標準的な方法によって測定される。これらの収量は、典型的な透過アノードＸ線管および従来の反射アノードＸ線管の両方において、適切なモンテカルロ計算によって決定されたものである。
【００５６】
透過アノードＸ線管を用いた場合、アノードは、厚さが入射電子エネルギー範囲（図３を参照）の約３分の１に等しいタングステンＸ線生成層を有し、炭化ケイ素から成る３ミリメートルの基板を有していると見込まれる。従来の反射アノードを用いたＸ線管では、アノード入射（ＡＩ）角度は１０度、Ｘ線放射（ＸＥ）角度は９０度であり、射出されたＸ線ビームは、厚さ３ｍｍの外部アルミニウムフィルタ（例えば図１に示されている）を介して透過されると見込まれる。モンテカルロ計算の結果は、Ｘ線収量の最大値が、アノード入射角度およびＸ線放射角度が両方ともゼロと等しい透過アノードを用いた場合に得られることを示している。これらの計算の一部を要約する図６の曲線は、１００〜３００キロボルトの領域において、透過アノードを用いたＸ線管のＸ線収量が、従来の反射アノードを用いたＸ線管の収量よりも約１．７倍〜２．０倍高いことを示している。
【００５７】
本明細書に記載の透過アノードを用いたＸ線管は、焦点サイズが小さいという別の利点を有している。今日の反射アノードを用いたＸ線管は、９０度の放射角度（例えば図２を参照）において視認した場合に、投影サイズと線幅とが等しくなる線焦点サイズを有している。円錐形のＸ線ビームの場合、投影される焦点サイズは、円錐頂角の角度領域上において視認した場合に、線の幅（line width）から線の長さ（line length）へと大きくなる。この状態は、焦点ブルーミングとして特徴づけられる。
【００５８】
対照的に、透過アノードによって形成された円錐形のビームは軸対称であり、焦点サイズは、円錐軸におけるゼロ度のＸ線放射角度から、円錐頂角の半分までの角度領域上において視認した場合に小さくなる。従って透過アノードは、焦点ブルーミングの全てを除去するものではないが、焦点ブルーミングを効果的に低減する。
【００５９】
また、反射アノードを用いたＸ線管では、焦点サイズによって単一焦点軌道の面積が規定されるため、焦点サイズが小さくなると当該面積もまた小さくなる。対照的に、上述の回転および振動する円筒形の透過アノードを用いたＸ線管は、向上した放射冷却によって、単一焦点軌道面積をより大きな面積へと変化させる。当該面積を大きくすることによって、焦点サイズを縮小した場合であっても同一の電子入力を用いることができる。
【００６０】
本明細書に記載の透過アノードを用いたＸ線管は、円錐形のＸ線ビームの頂角が大きいという別の利点を有している。透過アノードを用いたＸ線管は、従来の反射アノードを用いたＸ線管よりも、頂角の広い円錐形のＸ線ビームを供給することができる。円錐形のビームは、アノード焦点における頂点と、入射電子ビーム軸に沿った軸とによって規定される。従って、円錐頂角は、反射アノードを用いたＸ線管において生じる様なアノードヒール効果によって制限されることはなく、実際には９０度にまで広げることができる。さらに、焦点の見かけ上の面積（apparent area）は、軸外角度が大きくなると縮小する。この軸対称によって、サイズを５倍の大きさに見せる、反射アノード管において存在する焦点サイズのブルーミング現象が除去される。
【００６１】
本明細書に記載の透過アノードを用いたＸ線管は、パルス化された円錐形のＸ線ビームに対する電子ピーク入力が高いという別の利点を有している。最大許容電子入力は、焦点温度が焦点材料（例えばタングステン）の融点を超過してはならないという要件によって決定される。回転アノードを用いることによって、焦点領域が円形の焦点軌道に沿って移動し、そして電子ビームを通過する時間（滞留時間）中にピーク温度に達する。回転サイクルの残りの時間では、電子ビームの位置の外側の焦点軌道の温度は、サイクルが繰り返される前の温度である「事前温度（pre-temperature）」まで下げられる。１秒未満の短い照射時間（入力が非常に高い、パルス化された電子ビームの必要要件である）では、事前温度は、回転サイクル中に得られる最大焦点温度とほぼ等しいピーク温度に比べてわずかである。
【００６２】
上記ピーク温度は、焦点サイズおよび滞留時間により決まる。円錐Ｘ線ビームの場合、反射アノードおよび透過アノードの焦点サイズは同一であると見込まれる。（扇Ｘ線ビームの場合では、反射アノードにおける投影される焦点サイズは、透過アノードにおいて投影される焦点サイズと大きさが同じであり、小さいため、反射アノードにおける焦点サイズはより大きくなる。）従って、円錐ビームおよび所定の電子堆積エネルギーの場合、ピーク温度は滞留時間にのみにより決まり、回転アノードの回転速度、または１分当たりの回転数と焦点軌道の直径との積に反比例する。
【００６３】
今日の反射アノードは、質量および熱容量が大きいか、あるいはストラトン管（Straton tube）の場合は、質量が小さく、回転アノードに対して液体冷却を行うため、これらの反射アノードによって得られる最大回転速度は限定的である。これらの条件によってアノードの回転が制限されるため、現在の最大回転速度は、直径７インチのアノードの場合では１０,０００ｒｐｍであると考えられる。対照的に、上述の透過アノードによって得られる最大回転速度は、直径６インチのアノードの場合では、少なくとも１５,０００ｒｐｍまで高めることができる。これは、同じ焦点温度で、ピーク電子入力を、反射アノードのピーク電子入力の少なくとも１．３倍に高めることを意味する。
【００６４】
本明細書に記載の透過アノードを用いたＸ線管は、Ｘ線ビーム出力が高いという別の利点を有している。上述の透過アノードを用いたＸ線管は、今日の反射アノードを用いたＸ線管に比べて、（ａ）所定の電子入力および照射時間において、Ｘ線ビーム出力（またはＸ線照射線量率）を約１．５倍に高める機能と、（ｂ）パルス化された円錐形のＸ線ビームに対して、ピーク電子入力を少なくとも１．３倍に高める機能とを有している。この機能が可能であるのは、Ｘ線放射角度が入射電子ビーム方向に対してゼロであるため、および、アノード回転速度が、（前述の）反射アノード管によって得られる回転速度よりも少なくとも１．３倍高いためである。この結果、透過アノード管は、所定の電子入力および照射時間において、１．５よりも大きい力率のＸ線ビームを生成することができる。
【００６５】
本発明について、信頼できる好ましい１つまたは複数の実施形態に照らして図示および説明したが、当業者であれば、本明細書および添付図面を読んで理解した上で、同等の変更および変化を加えることができることは明らかである。特に、上述の素子（部品、組立品、デバイス、組成物等）によって行われる様々な機能に関し、これらの素子を説明するために用いられた用語（「手段」を含む）は、別段の記載がない限りは、これらの素子の機能を行う（すなわち、機能面において同等の）任意の素子に対応するものであると意図されている。これは、本明細書に示されている本発明の１つまたは複数の典型的な実施形態における機能を行う、開示されている構造と構造面において同等ではない場合であっても同様である。また、本発明の特定の特徴について、１つまたは１つ以上の実施形態に照らして説明したが、この特徴は、任意または特定の用途において望ましく有利である場合は、他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】反射アノードを有する従来のＸ線管の概略図である。
【図２】コンピュータ断層撮影（ＣＴ）環境における従来のＸ線管の概略図である。
【図３】透過アノードを有するＸ線管の概略図である。
【図４】コンピュータ断層撮影（ＣＴ）環境における、透過アノードを有するＸ線管の概略図である。
【図５】Ｘ線生成層の層厚と電子エネルギーとの典型的なプロット図である。
【図６】透過アノードを有するＸ線管および反射アノードを有するＸ線管の、Ｘ線収量とＸ線管の電圧との典型的なプロット図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係る、円筒形の透過アノードを有するＸ線管の概略断面図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係る、円筒形の透過アノードを有するＸ線管の概略断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2009545840.tif 000014
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