(57)【要約】【課題】Ｘ線管陰極の電子放出構造体を提供する。【解決手段】螺旋に巻かれた円筒形フィラメントとすることができ、又はリボン又は他の適切な形状で構成することができる陰極構造体を含む装置及び方法。陰極構造体は、電流の通過により又は高エネルギ電子による衝撃など他の手段により加熱することができる。陰極構造体の表面の選択された部分は、表面の非選択部分に対して変更された特性を有する。一実施形態では、変更された特性は、湾曲である。別の実施形態では、変更された特性は、作業関数である。表面の選択部分の特性を変更することにより、電子ビーム強度を増大させ、かつその幅が低減される。【選択図】図３
2009526366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有するＸ線管の陰極として機能する円筒形フィラメント、
を含み、
前記表面の選択された部分は、該表面の非選択部分に対して少なくとも１つの変更された特性を有する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記円筒形フィラメントの前記表面から放出された電子を受け取る陽極を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記陽極上に入射する電子ビームを更に含み、
前記電子ビームは、実質的に、前記電子放出陰極構造体の前記表面の前記選択部分のみから前記陽極に向けて放出される、
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電子ビームは、前記陰極表面の非選択部分に対して、該陰極表面の前記選択部分からより高いビーム強度を放出することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記表面の前記選択部分の前記変更された特性は、実質的に前記選択部分のみから電子を放出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記変更された特性は、前記選択部分に沿った実質的に平坦又は凹状の湾曲であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記表面の前記選択部分の放出面半径は、前記電子放出陰極を含む円筒形フィラメントの直径の半分であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記表面の前記選択部分の放出面半径は、前記円筒形フィラメントの直径の半分よりも小さいか又は半分よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記円筒形フィラメントの前記表面から放出された電子を受け取る陽極を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
電子ビームが、前記陽極上に入射し、
前記電子ビームは、実質的に前記円筒形フィラメントの前記表面の前記選択部分から前記陽極に向けて放出される、
ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記電子ビームは、前記表面の非選択部分に対して、前記選択部分からより高いビーム強度を放出することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記変更された特性は、仕事関数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記選択部分の前記仕事関数は、前記表面の非選択部分に対してより低いことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記選択部分と前記非選択部分の前記仕事関数の差は、電子ボルト（ｅＶ）の約１と９／１０（１．９ｅＶ）であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記選択部分と前記非選択部分の前記仕事関数の差は、０．１よりも大きく、かつ３電子ボルト（３ｅＶ）を超えるまでであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記表面の前記非選択部分は、基部フィラメント材料を含み、該表面の前記選択部分は、該基部フィラメントの材料と該基部フィラメント材料上の材料の薄膜層とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記材料の薄膜層は、タンタルであり、前記基部フィラメント材料は、タングステンであることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記表面の前記選択部分は、基部フィラメント材料を含み、該表面の前記非選択部分は、該基部フィラメントの材料と該基部フィラメント材料上の材料の薄膜層とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記材料の薄膜層は、プラチナであり、前記基部フィラメント材料は、タングステンであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記表面の前記選択部分は、基部フィラメントの材料と該基部フィラメント材料上の材料の薄膜層とを含み、該表面の前記非選択部分は、該基部フィラメント材料と該基部フィラメント材料上の材料の第２の薄膜層とを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
材料の第１の薄膜層が、タンタルであり、前記材料の前記第２の薄膜層は、プラチナであり、前記基部フィラメント材料は、タングステンであることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記非選択部分は、基部フィラメント材料を含み、前記選択部分は、変換された材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２３】
前記基部フィラメント材料は、タングステンであり、前記変換された材料は、炭化タングステンであることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記選択部分は、基部フィラメント材料を含み、前記非選択部分は、変換された材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２５】
前記基部フィラメント材料は、タングステンであり、前記変換された材料は、二炭化タングステンであることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記選択部分は、第１の変換された材料を含み、前記非選択部分は、第２の変換材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の変換された材料は、炭化タングステンであり、前記第２の変換された材料は、二炭化タングステンであることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記非選択部分は、基部フィラメント材料を含み、前記選択部分は、浸炭された材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項２９】
前記非選択部分は、基部フィラメント材料を含み、前記選択部分は、該基部フィラメント材料から拡散されたそこからの元素を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項３０】
前記基部フィラメント材料からの前記拡散元素は、トリウムであり、該基部フィラメント材料は、トリア化タングステンであることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記基部フィラメント材料の前記拡散元素は、セリウムであり、該基部フィラメント材料は、セリウム化タングステンであることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記基部フィラメント材料の前記拡散元素は、ランタンであり、該基部フィラメント材料は、ランタン化タングステンであることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記円筒形フィラメントの前記表面から放出された電子を受け取るために配置された陽極を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項３４】
電子ビームが、前記陽極上に入射し、
前記電子ビームは、実質的に前記円筒形フィラメントの前記表面の前記選択部分から前記陽極に向けて放出される、
ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記電子ビームは、前記表面の非選択部分に対して、前記選択部分からより高いビーム強度を放出することを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記表面の前記選択部分の前記変更された特性は、実質的に該選択部分からのみの電子の放出をもたらすことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項３７】
Ｘ線管の陰極に対して、表面を有する円筒形フィラメントを設ける段階と、
前記円筒形フィラメントの前記表面の一部分を選択する段階と、
優先的に前記選択部分から電子を放出するように前記選択部分の特性を変更する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記円筒形フィラメントの前記表面は、凸状湾曲を有し、
前記特性は、前記凸状湾曲であり、
前記特性を変更する段階は、前記凸状湾曲を前記円筒形フィラメントの前記選択部分に沿って実質的に平坦又は凹状の湾曲に変える段階を含む、
ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記表面の前記凸状湾曲を変える段階は、前記円筒形フィラメントの選択部分から材料を除去する段階を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記選択部分から材料を除去する段階は、前記円筒形フィラメントの該選択部分を研削する段階を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記選択部分から材料を除去する段階は、前記円筒形フィラメントの該選択部分の区域を切り込む段階を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記選択部分から材料を除去する段階は、前記円筒形フィラメントの直径の半分を除去して、前記表面の該選択部分内に放出面湾曲を設ける段階を更に含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記選択部分から材料を除去する段階は、前記円筒形フィラメントの直径の半分未満を除去して、前記表面の該選択部分内に放出面湾曲を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記選択部分から材料を除去する段階は、放電機械加工を用いる段階を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記表面の前記凸状湾曲を変える段階は、前記選択部分の材料を曲げる段階を含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
前記材料を曲げる段階は、
前記円筒形フィラメントを円筒形溝付きマンドレル上に巻き付ける段階と、
前記円筒形フィラメントの前記選択部分の前記材料を変形させる望ましい形状を有する楔部で該円筒形フィラメントを押圧することにより、該選択部分の該材料を変形させる段階と、
を更に含む、
ことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記円筒形フィラメントの前記表面は、仕事関数を有する基部フィラメント材料を有し、
前記特性は、前記仕事関数であり、
前記特性を変更する段階は、前記円筒形フィラメントの前記表面の非選択部分に対して前記選択部分における前記仕事関数を変える段階を含む、
ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４８】
前記選択部分の前記仕事関数は、前記表面の非選択部分に対してより低いことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記仕事関数を変更する段階は、基部フィラメント材料を有する前記表面の前記選択部分上に材料の薄膜層を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記材料の薄膜層は、タンタルであり、前記基部フィラメント材料は、タングステンであることを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記仕事関数を変更する段階は、基部フィラメント材料を有する前記表面の非選択部分上に材料の薄膜層を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５２】
前記材料の薄膜層は、プラチナであり、前記基部フィラメント材料は、タングステンであることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記仕事関数を変更する段階は、
基部フィラメント材料を有する前記表面の前記選択部分上に材料の第１の薄膜層を堆積させる段階と、
前記表面の非選択部分上に材料の第２の薄膜層を堆積させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５４】
前記材料の第１の薄膜層は、炭化タングステンであり、前記材料の第２の薄膜層は、二炭化タングステンであることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記仕事関数を変更する段階は、前記選択部分の前記基部フィラメント材料の組成を第１の材料に変換する段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５６】
前記基部フィラメント材料は、タングステンであり、前記第１の材料は、炭化タングステンであることを特徴とする請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記仕事関数を変更する段階は、前記非選択部分の基部フィラメント材料を第１の材料に変換する段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５８】
前記基部フィラメント材料は、タングステンであり、前記第１の材料は、二炭化タングステンであることを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記仕事関数を変更する段階は、基部フィラメント材料を炭化タングステンまで浸炭し、かつ該浸炭基部フィラメント材料を前記非選択部分から除去する段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項６０】
前記仕事関数を変更する段階は、表面の前記選択部分において基部フィラメント材料であるタングステンを炭化タングステンまで浸炭する段階を含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項６１】
前記仕事関数を変更する段階は、前記選択部分の基部フィラメント材料を第１の材料に変換し、かつ前記非選択部分の該基部フィラメント材料を第２の材料に変換する段階を含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の材料は、炭化タングステンであり、前記第２の材料は、二炭化タングステンであることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記仕事関数を変更する段階は、
表面の前記選択部分の基部フィラメント材料を浸炭する段階と、
前記炭化タングステンとの反応により、前記円筒形フィラメントの前記基部材料の第１の元素を第２の元素へ化学還元する段階と、
前記円筒形フィラメントの前記基部材料に形成された前記第２の元素を前記表面の前記選択部分まで拡散させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項６４】
前記仕事関数を変更する段階は、
表面の前記選択及び非選択部分の基部フィラメント材料を浸炭する段階と、
表面の前記非選択部分から前記浸炭された材料を除去する段階と、
前記円筒形フィラメントの前記基部材料の第１の元素を第２の元素に還元する段階と、
前記円筒形フィラメントの前記基部材料の前記第２の元素を前記表面の前記選択部分まで拡散させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６５】
前記基部フィラメント材料は、トリア化タングステンであり、該基部フィラメント材料の前記第１の元素は、トリアであり、前記第２の元素は、トリウムであることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記基部フィラメント材料は、セリウム化タングステンであり、該基部フィラメント材料の前記第１の元素は、セリアであり、前記第２の元素は、セリウムであることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
前記基部フィラメント材料は、ランタン化タングステンであり、該基部フィラメント材料の前記第１の元素は、酸化ランタンであり、前記第２の元素は、ランタンであることを特徴とする請求項６４に記載の方法。
【請求項６８】
陰極のフィラメントからＸ線管内の陽極に電子ビームを放出する段階、
を含み、
前記フィラメントは、選択された部分に変更された特性を有する表面を収容し、
それによって前記Ｘ線管の陽極上に入射する電子ビームの幅を低減する段階、
を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項６９】
前記フィラメントの前記表面の選択部分から放出される電子の数を該表面の非選択部分から放出される電子の数よりも大きいように増大する段階を更に含むことを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的に、Ｘ線管陰極の分野に関するものであり、より具体的には、Ｘ線管陰極の電子放出構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管の従来のコイルフィラメントは、図１に示すように、溝内に懸垂された密な巻回螺線形を有する。コイルの縦方向の図を図２に示している。一般的に、フィラメントコイルは、管の陽極に対向しており、電界の幾何学的形状は、特に電子エネルギがまだ低いフィラメントコイル近くでは、広がる傾向があり、電子ビームの広がりをもたらし、従って、陽極に送出される電子ビームの強度が低減される。図２に示すように、陽極に対向する凸状湾曲陰極表面からのビームの広がりは、円筒形フィラメントコイルの幾何学的形状の公知の特性である。図２の広がりは、強調のために誇張されていることに注意すべきである。電子ビームの広がりは、陽極に入射する電子ビームの幅と共に増大し、電子ビームの広がりにより陽極に入射する電子ビーム内の均一性が低減されると共に、陽極に入射する電子ビームの縁部が曖昧になる。
【発明の開示】
【０００３】
表面を有するＸ線管の陰極のために螺旋に巻かれる円筒形フィラメントの装置及び方法を説明する。一実施形態では、表面の選択部分は、円筒形フィラメントの表面の非選択部分に対して変更された特性を有する。一実施形態では、変更特性は、湾曲である。別の実施形態では、変更特性は、仕事関数である。これらの特性の変更の目的は、Ｘ線管の陽極に入射する電子ビームの鮮明度及び強度を改善することである。
【０００４】
一実施形態では、湾曲は、表面の選択部分から材料を研削するか又は切り取ることにより形成することができる。別の実施形態では、湾曲は、表面の選択部分の材料を曲げ加工することにより形成することができる。
【０００５】
一実施形態では、円筒形フィラメントの表面は、関連の仕事関数を有する基部フィラメント材料を有する。一実施形態では、基部フィラメント材料を有する表面の選択部分上に材料薄膜層を堆積することにより仕事関数を変更する。一実施形態では、材料薄膜層は、非選択部分の基部フィラメント材料よりも低い仕事関数を有する。別の実施形態では、仕事関数を変更する段階は、基部フィラメント材料を有する表面の非選択部分上に材料の薄膜層を堆積する段階を含む。材料薄膜層は、選択部分の基部フィラメント材料より高い仕事関数を有する。代替的に、仕事関数を変更する段階は、表面の選択部分上に第１の材料薄膜層を堆積し、かつ表面の非選択部分上に第２の材料薄膜層を堆積する段階を含む。第１の材料薄膜層は、非選択部分の第２の材料薄膜層より低い仕事関数を有する。
【０００６】
本発明の更に別の特徴及び利点は、添付図面及び以下に続く詳細説明から明らかになるであろう。
【０００７】
本発明の実施形態は、一例として示すものであり、添付図面の図により限定されることは意図していない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の説明においては、本発明の徹底的な理解を達成するために、特定の材料、処理パラメータ、処理段階のような多くの特定の詳細を説明する。当業者は、主張する実施形態を実施するためにこれらの詳細に具体的に固執する必要があるというものではないことを認識するであろう。他の例においては、公知の処理段階、材料などは、本発明を曖昧なものにしないために説明を割愛する。「仕事関数」という用語は、本明細書で使用される時、金属表面から電子を除去するために必要とされる最小量のエネルギを意味する。
【０００９】
陰極に対して説明する。陰極は、Ｘ線管においては、陽極と衝突した時にＸ線を生成するために必要とされる高エネルギまで、蓄積されている電子を放出するのに使用することができる。陰極は、本明細書で説明するように螺旋に巻線することができる円筒形フィラメントとすることができる。円筒形フィラメントは、表面を有する導電体、通常、ワイヤである。表面の機能は、電子ビームを供給することである。表面は、選択部分及び非選択部分を有することができる。以下でより詳細に説明するように、表面の選択部分は、表面の非選択部分に対して変えることができる特性を有する。
【００１０】
一般的なコイル状フィラメント内の凸状湾曲により、電子ビームが拡散し、従って、陽極に送出される電子ビーム強度が低減される。一実施形態では、コイル状フィラメントの凸状湾曲は、コイル状フィラメントの電子放出面に対してより良好な幾何学的形状を達成し、電子ビームの広がりを低減して陽極に送出される電子ビーム強度を増大するためにコイル状フィラメントの上面上で実質的に平坦な又は凹状湾曲に変えることができる。輪郭に湾曲を有する表面で、陰極巻線は、電子放出面に接するエンベロープが凹状輪郭を有し、従って、電子を陽極に集束するために１次元Ｐｉｅｒｃｅ陰極の幾何学的形状に似るように成すことができる。湾曲は、例えば、表面の選択部分内に表面の輪郭を研削、切断、又は曲げ加工することにより形成することができる。代替的に、当業者に公知の他の方法を用いて、表面の選択部分に沿って所要の湾曲を形成することができる。
【００１１】
別の実施形態では、仕事関数は、例えば、材料を堆積して選択部分の少なくとも１つの上の仕事関数を変更するか、又は選択した区域を除外して非選択区域上に材料を堆積するか、又は選択部分及び非選択部分の両方に異なる仕事関数の材料を堆積することにより、フィラメント表面の明示的に選択した区域上で変更することができる。これは、表面を基部フィラメント材料と異なる複合物に変換することができる作業による達成することができる。１つのこのような作業の例は、仕事関数を低減するために、選択した区域内で制御可能な深さの表層を浸炭するためにタングステンフィラメントワイヤで行われる。他の表面修正作業を用いて仕事関数を減少又は増加するか、又はフィラメントの定められた区域における表面の挙動を他の方法で変えることができる。当業技術の当業者に公知の方法を用いて、表面の選択部分と非選択部分との仕事関数の差を変えて、選択部分が表面の非選択部分より低い仕事関数を有することを可能にすることができる。
【００１２】
陰極の選択部分の幾何学的な定義は、仕事関数が低減された区域からの電子束を増大させることにより電子ビームの集束を改善するように考案することができる。供給源地が小さくなる時に、電子ビーム幅を低減することができて、ビーム縁部を鮮明にすることができ、面積が小さくなると共に縁部鮮明度が明瞭になった専有面積が陽極上で可能になる。電子ビームの小専有面積化にも関わらず、電子ビームは、高密度化が可能であり、かつ全体的なＸ線生成量を維持することができる。Ｘ線画像鮮明度は、一般的に、Ｘ線供給源スポットサイズで判断される。電子ビーム強度を増大させ、及び／又は電子ビーム幅を低減すると、陽極に入射する電子ビームの専有面積は、幅が減少し、均一性が増大し、かつより明確な縁部を含む。ビーム強度を増大させ、及び／又は電子ビーム幅を低減することにより、本明細書で説明するフィラメントを含むＸ線管は、より明瞭かつぼけが少ない画像を生成する。
【００１３】
円筒形フィラメントの表面の選択部分の特性を変更することによりフィラメントの電子放出区域を定める更に別の利点は、電子ビーム強度を増大させることができると共に、別々の電気的励起を必要とすることになる更に別の集束電極がなくても、陽極でのビームのための専有面積の鮮明度及びサイズを改善することができる点にある。
【００１４】
Ｘ線管は、一般的に、電子を加速させると共に、陰極フィラメントから金属陽極に向ける、衝撃によりＸ線が生成される電極を含む密封部材を含む。従来のＸ線管には、気体分子との過度の衝突なしに自由に電子を加速させることができる高真空状態を閉じ込める、通常、ガラス又はセラミック及び金属構造の密封部材が設けられている。陰極／フィラメントは、電流で加熱された時に電子を周囲に放出する。電子は、陽極へ加速され、陽極は、加速電子が当たった時にＸ線を生成する。一部のＸ線管においては、陽極は、高エネルギ電子が衝突することにより蓄積されたエネルギにより熱を広げるために回転される。Ｘ線管内側にある回転陽極は、陽極を回転するように考案された誘導電動機の回転子を含む。誘導電動機の固定子は、通常、Ｘ線管の外側に位置する。Ｘ線管エンベロープには、Ｘ線管により生成されたＸ線の出口を可能にするために低密度材料で製造された窓を設けることができる。窓は、出力Ｘ線ビームの境界を定めるためにより高密度な境界を有することができる。
【００１５】
図３は、陰極及び陽極を有するＸ線管の一実施形態を示している。図３のＸ線管１００は、陰極構造体１１０及び陽極１２０を含む。陰極構造体１１０は、導電性フィラメント１１１及びフィラメントハウジング構造体１１２を含むことができる。フィラメント１１１は、螺旋に巻かれた円筒形ワイヤとすることができる。フィラメント１１１は、表面を含むことができる。電流の通過により十分に加熱された時のフィラメント１１１は、表面から電子を放出する。次に、上述のＸ線管１００の陰極構造体１１０と陽極１２０の間での数千ボルトから数十万ボルトの範囲の高電圧の印加から生じる陰極構造体１１０と陽極１２０の間の電界により、陽極の方向に電子が加速される。
【００１６】
加速電子は、電子ビーム強度と、幅と、長さとを有する電子ビームを形成する。ビーム長は、陰極構造体１１０と陽極１２０の間の距離に依存する。ビームエネルギ及び幅は、陰極構造体１１０と陽極１２０の間に存在する電界により定められる。電子は、低エネルギでフィラメント１１１の表面から放出されることに注意すべきである。この状態においては、電子は、存在する電界による簡単な操作を受けやすい。特に、エネルギ低い時に、ビーム内の電子源になるように割り当てられる区域の操作のしやすさ及び幾何学的形状と、電子軌道の操作しやすさとを組み合わせることにより、本明細書で説明する方法及び構造体を用いて、電子ビームの幅を減少させることができ、かつ電子ビームの強度を増大させることができる。電子ビームの強度を増大させて幅を低減すると、陽極に入射する電子ビームの専有面積が小さくなる。
【００１７】
電子ビームの制御に及ぼす影響の低下は、ビームを分岐したり又は広げたりする原因になる傾向がある電子の相互の静電気的反発にある。陰極構造体１１０と陽極１２０の間の強い電界により加速される時に、電子は、横の加速を受けなくなり、ビームは、望ましい狭い専有面積により厳密に保持することができる。
【００１８】
陽極に移動する時に電子を加速させるために必要とされる高電界は、高電圧電源により設けられる。通常の電源は、商用の電力線から高電圧交流電源を達成するようになっている変圧器を含む。殆どの場合、交流電源は、真空管、半導体を問わず、高電圧整流器により整流される。尚、高電圧電源を生成する多くの代替手段が、Ｘ線生成の当業技術で公知である。整流後の高電圧の印加で、電子は、最初に迅速に高エネルギに加速される。陽極に到達すると、電子は、急激に停止される。ごく僅かの電子に対しては、非常に厳しい停止処理によりＸ線が生成される。Ｘ線は、電子が陽極に衝突する電子ビームの専有面積から始まる。鮮明な境界で狭いＸ線ビームを形成するために、専有面積は、極力小さなものであるべきであり、従って、陽極上で電子ビームの小さな専有面積を達成することが重要である。
【００１９】
陽極１２０は、円筒形フィラメント１１１の表面から放出される電子を受け取るように形成することができる。陽極は、電子ビームの方向に傾斜した面を示すように配置することができる。Ｘ線は、電子ビーム専有面積の下で生成され、かつ電子衝突の集束点から等方的に分配される。垂直線から陽極面までの９０°未満の角度に対しては、Ｘ線は、自由に出現する。特に、図３によれば、Ｘ線は、経路１２１に沿って出現する。Ｘ線が出現した時、１２０で入射電子ビームの幅を有する焦点は、Ｘ線の観点からは、短縮幅がビーム２１２として見える。電子ビームの成形は、陽極で矩形専有面積を示すように考案することができる。この構成においては、出口Ｘ線ビーム１２１の方向から見て電子ビーム専有面積により生成されたＸ線は、適切な角度で、小さな正方形のプロフィールを有するように見える。この構成に適切な角度は、一般的に、０°から２０°の範囲に該当する。この幾何学的形状は、電子ビームのエネルギを受け取る区域を陽極上で広げることを可能にし、従って、陽極面の局所的加熱が低減される。１つの例示的な実施形態では、陽極の角度は、ほぼ７°である。代替的に、他の角度を用いることができる。電子ビームの専有面積は、縦軸が出力Ｘ線ビームの方向に配置された状態で矩形とすることができる。出力Ｘ線ビームの方向で見た時に、この矩形は、断面１２１で見えるＸ線の小さい方の見掛けの原点を設けるように短縮される。このような構成は、陽極１２０の加熱及び侵食を低減する一助になると考えられる。
【００２０】
陰極構造体１１０のフィラメントハウジング構造体１１２は、フィラメント１１１を封入する。フィラメントハウジング構造体１１２は、陰極の周囲に、かつ陰極１１０と陽極１２０の間に電界を成形することができ、これは、陰極１１１が陽極１２０までの電子の経路に影響を与える可能性がある。より具体的には、フィラメントハウジング構造体１１２の形状は、ビームの初期の成形に影響を与える可能性がある。この成形に対して特定の言及が為される。
【００２１】
上述のように、陰極は、Ｘ線管１００の陰極構造体１１０の電子放出要素を設けるために螺旋に巻かれた円筒形ワイヤとすることができるフィラメント１１１を含むことができる。陰極の表面は、表面の非選択部分に対して変更された特徴を有する選択部分を有することができる。一実施形態では、表面の選択部分の変更された特徴は、表面の選択部分に沿った湾曲とすることができる。選択部分の湾曲は、実質的に凹状、平坦、又は凸状とすることができる。
【００２２】
一実施形態では、円筒形フィラメント１１１の選択部分の特性を変更することは、Ｘ線管１００の陰極構造体１１０内で役目をする螺旋に巻かれた円筒形フィラメントの表面を設け、円筒形フィラメントの表面の各部を選択して、選択部分から放出される電子の軌道に有利であるように選択部分の幾何学的形状的特性を変えることにより達成することができる。選択部分の特性を変更する段階は、フィラメント１１１の表面の選択部分に沿った凸状湾曲を実質的に平坦な又は凹状形状に変える段階を含むことができる。必要とされる幾何学的形状的変更を達成する段階の例を図４ａ及び図５ａに示し、それぞれ、図４ｂの段階４０１から４０３、及び図５ｂの５０１から５０３に示している。凸状湾曲とは、本明細書で言及する時、表面までの巻線フィラメントタングステンのエンベロープが、陽極１２０に対向する円筒形フィラメント１１１の中心部からの凸状湾曲を有することを意味する。
【００２３】
選択部分の凸状湾曲を変えることは、例えば、４０５ａで、選択部分から材料を研削で除去することにより、段階４０５で、選択部分から材料を除去して実質的に凹状湾曲を形成することによって達成することができる。代替的な実施形態では、選択部分から材料を除去することは、他の方法、例えば、段階４０５ｂで選択部分から材料を切断することにより、段階４０５ｃで放電機械加工により、又は当業者に公知の他の方法、例えば、エッチングにより行うことができる。円筒形フィラメント１１１の選択部分の凸状湾曲を変えることは、円筒形フィラメント１１１を巻線螺旋に巻回する前又は後に行うことができることに注意すべきである。
【００２４】
別の実施形態では（図５ａを参照されたい）、選択部分の凸状湾曲を変える段階は、段階５０５で、材料を凸状形状から実質的に平坦な又は凹状湾曲に曲げ加工することを含むことができる。選択部分から材料を曲げ加工する段階は、段階５０５ａで円筒形フィラメントを巻いて螺旋を形成すること、及び段階５０５ｂで選択部分の材料を変形して実質的に平坦な又は凹状湾曲に形成することを含むことができる。１つの例示的な実施形態では、選択部分の材料を曲げ加工する段階は、円筒形フィラメントを円筒形溝付きマンドレルに巻き付ける段階、及び楔部で円筒形溝付きマンドレル上の円筒形フィラメント巻線を押圧することにより選択部分の材料を変形させる段階を含む。楔部は、円筒形フィラメントコイルの選択部分を変形させて円筒形フィラメントの表面の選択部分上に実質的に平坦な又は凹状湾曲を形成する望ましい形状を有する。代替的に、選択部分から材料を曲げ加工する段階としては、当業者に公知の他の方法、例えば、段階５０５ａで円筒形フィラメントをコイル状の螺旋に巻き付ける前に、段階５０５ｂで円筒形フィラメントの選択部分の材料を変形させることを含むことができる。
【００２５】
図４ａは、表面の選択部分上に凹状湾曲を有する円筒形フィラメントコイルの一実施形態の縦断面図を例示している。図４の陰極構造体１１０は、円筒形フィラメント４１１及びフィラメントハウジング構造体１１２を含む。円筒形フィラメント４１１は、非選択部分４１４及び選択部分４１５を有する表面を含む。図４ａは、螺旋の軸線に沿った螺旋に巻かれた円筒形フィラメントを例示しており、従って、円筒形フィラメント４１１の１つのコイルの図を例示することに注意すべきである。一般的に、この成形は、円筒形フィラメント４１１の２つ又はそれよりも多くのコイルに拡張することができ、かつコイルの全てを含むことさえも可能である。
【００２６】
上述のように、十分な温度に加熱するのに十分な電流が円筒形フィラメント４１１を通った時、陰極構造体１１０の円筒形フィラメント４１１は、電子ビーム４１３を形成する陽極１２０に向けて電子を放出する。この実施形態では、表面の選択部分４１５の変更された特性は、湾曲である。段階４０５で材料を選択部分４１５から除去した時、非選択部分４１４は、変更湾曲を有する部分の境界を形成する。選択部分４１５に沿った湾曲は、実質的に平坦又は凹状とすることができる。
【００２７】
上述のように、代替的な実施形態では、材料を除去することは、段階４０５ａ及び４０５ｂで選択部分４１５から材料を研削して除去するか又は切断し、それぞれ、非選択部分４１４が望ましい曲率の領域の境界を形成することを可能にすることにより行うことができる。上述のように、円筒形フィラメント４１１は、付加的なコイルを含むことができ、従って、材料を除去する上述の方法は、円筒形フィラメント４１１の表面の付加的な選択部分４１５上で行うことができる。
【００２８】
段階４０５での表面の選択部分４１５からの材料の除去により、選択部分４１５より下方にあるワイヤの断面の区域が減少すると考えられ、従って、フィラメントの局所的電流密度が増大し、それによって表面の選択部分４１５より下方にある区域内では電流による生成される温度が増大し、かつ表面の非選択部分４１４より下方にある区域では電流による生成された温度が減少する。これは、表面の選択部分４１５の方が、表面の非選択部分４１４によって放出されるよりも、そこでのより高い温度のために、より容易に電子を放出することを可能にすることができる。表面の非選択部分４１４及び表面より下方にある対応する区域の温度を低減すると、非選択部分４１４に掛かる機械的応力が低減し、従って、円筒形フィラメント４１１の寿命を延ばすことができる。
【００２９】
例示目的上、一実施形態では、段階４０５での表面の選択部分４１５からの材料の除去により、放出面の放出面曲率半径は、円筒形フィラメントワイヤ４１１の直径のほぼ半分の除去により形成される。
【００３０】
上述のように、フィラメントの選択部分４１５から材料を除去すれば、従って、局所的電流密度が高くなり、従って、局所的温度が高くなり、それによってフィラメントの非選択部分４１４からの電子放出における付随物の増加なく、選択部分４１５からの望ましいより高い電子放出が促進されることに注意すべきである。フィラメントの非選択部分４１４における電流密度により、それらの部分の温度が下がり、従って、上述のように、それらの部分での応力が低減され、それによってフィラメント４１１の寿命を延ばすことができる。
【００３１】
図５ａは、表面の選択部分５１５上に凹状湾曲を有する円筒形フィラメントコイルの別の実施形態の縦断面図を例示している。凹状湾曲は、本明細書の目的上、コイル状フィラメントのエンベロープ表面の湾曲を指す。図５ａの陰極構造体１１０は、コイル状円筒形フィラメント５１１及びフィラメントハウジング構造体１１２を含む。円筒形フィラメント５１１は、非選択部分５１４及び選択部分５１５を有する表面を含む。図５ａは、螺旋の軸線に沿った螺旋に巻かれた円筒形フィラメントの図を例示しており、従って、円筒形フィラメント５１１の１つのコイルを例示することに注意すべきである。一般的に、この成形は、円筒形フィラメント５１１の２つ又はそれよりも多くのコイルに拡張することができ、かつコイルの全てを含むことさえ可能である。
【００３２】
上述のように、電流が円筒形フィラメント５１１を通った時、陰極構造体１１０の円筒形フィラメント５１１は、電子ビーム５１３を形成する陽極１２０に向けて電子を放出する。この実施形態では、表面の選択部分５１５の変更された特性は、エンベロープ湾曲である。段階５０５で選択部分５１５の材料を曲げ加工することにより、選択部分５１５は、望ましいエンベロープ湾曲を形成し、これは、選択部分５１５の初期の材料が無傷のままであり、単に、非選択部分５１４に対して位置を変えることを意味する。選択部分５１５に沿って形成されたエンベロープ湾曲は、実質的に平坦又は凹状とすることができる。
【００３３】
上述のように、一実施形態では、段階５０５で選択部分の材料を曲げることは、段階５０５ａで円筒形溝付きマンドレル上へ円筒形フィラメント５１１を巻き付けて、段階５０５ｂで表面の選択部分５１５の材料を変形させることにより、すなわち、円筒形フィラメント５１１の選択部分５１５の材料を変形させる望ましい形状を有する楔部で円筒形溝付きマンドレル上で円筒形フィラメント５１１を押圧することによって実行することができる。変形した材料は、円筒形フィラメントの表面の選択部分５１５上で実質的に平坦な又は凹状エンベロープ湾曲を有することができる。代替的に、材料を曲げ加工する他の公知の方法を、たとえば、段階５０５ａで円筒形フィラメント５１１をコイル状螺旋に巻き付ける前に、段階５０５ｂで円筒形フィラメントの選択部分５１５の材料を変形させることを用いることができる。
【００３４】
上述のように、円筒形フィラメント５１１は、付加的なコイルを含むことができ、従って、材料を曲げる上述の方法は、円筒形フィラメント５１１の表面の付加的な選択部分上で実行することができる。
【００３５】
一実施形態では、段階５０５で表面の選択部分５１５の材料を曲げ加工することにより、フィラメントの選択部分５１５の放出面のエンベロープの曲率半径は、円筒形フィラメント５１１のコイルの直径の半分とすることができる。他の実施形態では、段階５０５における表面のフィラメント５１４上での適切な変形段階により、表面の選択部分５１５のエンベロープ面曲率半径は、この値よりも大きいか又は小さいとすることができる。
【００３６】
図６は、成形された電子放出フィラメントの選択部分の逆数である放出面の曲率半径に対する電子ビームのビーム幅の関係を示す例示的なグラフである。グラフ６００は、表面の選択部分の湾曲の縦座標である相対ビーム幅６０１が、横座標である放出面半径６０２に対してどのように変化するかの１つの例示的な実施形態を例示している。グラフ６００においては、放出面半径６０２は、ミリメートルの逆数（ｍｍ-1）で表され、関連のビーム幅６０１は、ミリメートルで表される。放出面半径６０２の符号規約上、正の数は、凸状湾曲を表し、負の数は、凹状湾曲を表し、ゼロは、平坦な湾曲を表している。代替的に、当業者に公知の他の符号規約及び単位を用いることができる。ビーム幅は、Ｘ線管の全体的な幾何学的形状、並びに電子放出面の曲率に依存する。図６のビーム幅は、陽極上での専有面積で定められる。
【００３７】
この例示的な実施形態において示すように、放出面の逆数半径６０２が正の数からゼロに減少する時に、相対ビーム幅６０１は減少する。同様に、逆数半径６０２が更にゼロから負の数に減少する時に、相対ビーム幅６０１は、更に減少する。この例示的な実施形態では、正の数は、凸状湾曲を表し、負の数は、凹状湾曲を表し、ゼロは、相互の平面を表している。例示として、グラフ６００で表した特定の場合では、放出面逆数６０２が、＋．７６３ミリメートル（．７６３＝１／１．３１）の曲率を有する時、相対ビーム幅６０１は、８ミリメートルの値を有し、放出面６０２がゼロの曲率を有する時、相対ビーム幅６０１は、２ミリメートルの値を有し、放出面逆数６０２が、−２．５６ミリメートル（−２．５６＝ｌ／（−．３９））の曲率を有する時、相対ビーム幅６０１は、１．５ミリメートルの値を有する。
【００３８】
上の説明の陰極構造体の幾何学的形状の影響に加えて、電子ビームの電流密度は、電子放出面の仕事関数によって影響される場合もある。図７ａから図７ｄは、非選択部分７１４及び選択部分７１５を有する表面を含む円筒形フィラメント７１１の１つのコイルの実施形態を例示する縦断面図である。代替的に、円筒形フィラメント７１１は、円筒形フィラメント７１１の表面の１つ又はそれよりも多くの選択部分及び非選択部分を有することができる。論じやすいように、以下、選択部分７１５及び非選択部分７１４は、選択部分７１５及び非選択部分７１４と呼ぶ。円筒形フィラメント７１１は、更に別のコイルを含むことができるので、以下で説明する仕事関数を変える方法は、円筒形フィラメント７１１の表面の１つ又はそれよりも多くの選択部分７１５及び非選択部分７１４上で実行することができる。
【００３９】
一実施形態では、円筒形フィラメント７１１の選択部分７１５の特性を変更することは、段階７０１でＸ線管１００の陰極１１０に螺旋に巻かれた円筒形フィラメントの表面を設け、段階７０２で円筒形フィラメント７１１の表面の部分７１５を選択し、かつ段階７０３で実質的に択部分７１５だけから電子を放出するように選択部分７１５の特性を変更することにより達成することができる。選択部分７１５の特性を変更する段階は、段階７０４で円筒形フィラメントの表面の非選択部分７１４に対して選択部分７１５の作業関数を変えることを含むことができる。代替的な実施形態では、選択部分７１５の特性を変更する段階は、選択部分７１５の作業関数を変える段階、非選択部分７１４の作業関数を変える段階、又は円筒形フィラメント７１１の表面の選択部分７１５及び非選択部分７１４の作業関数を変える段階を含むことができる。
【００４０】
一実施形態では、段階７０４でこの実施形態ではタングステンで製造された円筒形フィラメントの表面の非選択部分７１４に対して選択部分７１５の作業関数を変える段階は、以下に詳細に説明するように、段階７０４ａで材料を堆積する段階、段階７０４ｂで材料を変換／浸炭する段階、又は段階７０４ｃで材料を変換／浸炭して材料の拡散に備える段階を含むことができる。タングステンを変換／浸炭する段階は、必要とされる場合に、タングステンを炭化タングステン（ＷＣ）又は二炭化タングステン（Ｗ2Ｃ）に化学的に変更する材料を導入する処理である。
【００４１】
選択部分７１５が非選択部分７１４よりも低い作業関数を有するように、選択部分７１５、非選択部分７１４、又は選択部分及び非選択部分７１５及び７１４の両方の作業関数を変えると、表面の選択部分７１５から放出される電子の数を増大させることができる。選択部分７１５から放出される電子数が増大すると、陰極構造体１１０のコイル状円筒形フィラメント７１１から陽極１２０に向けて放出される電子ビームの強度を増大させることができる。選択部分７１５から放出される電子数の増大は、電子ビームの幅の減少により達成することができ、それによって陽極１２０に入射する電子ビーム専有面積の幅を低減することができる。
【００４２】
１つの例示的な実施形態では、選択部分７１５と非選択部分７１４の作業関数差異は、電子ボルトのほぼ２／１０（０．２ｅＶ）である。代替的に、例えば、２と４／１０電子ボルト（２．４ｅＶ）を上限として、１電子ボルト（１ｅＶ）を超えるか又は下回る他の作業関数差異を用いることができる。別の例示的な実施形態では、選択部分７１５と非選択部分７１４の作業関数差異は、０．２ｅＶから２．４ｅＶの範囲とすることができる。代替的に、他の範囲を用いることもできる。
【００４３】
図７ａは、表面を有する円筒形フィラメントコイルの一実施形態の縦断面図を例示している。図７ａの陰極構造体１１０は、円筒形フィラメント７１１及びフィラメントハウジング構造体１１２を含む。円筒形フィラメント７１１は、非選択部分７１４及び選択部分７１５を有する表面を含む。上述のように、電流が円筒形フィラメント７１１を通った時、陰極構造体１１０の円筒形フィラメント７１１は、電子ビームを形成する陽極１２０（図示せず）に向かった電子の出射を可能にする点まで加熱される。この実施形態では、表面の選択部分７１５の変更された特性は、作業関数である。
【００４４】
上述のように、フィラメント７１１は、表面を有するＸ線管１００の陰極構造体１１０内に設けられた螺旋に巻かれた円筒形フィラメントとすることができる。表面は、表面の非選択部分７１４に対して変更特性を有する選択部分７１５を有することができる。この実施形態では、表面の選択部分７１５の変更特性は、作業関数とすることができる。この実施形態では、更に、表面の選択部分７１５は、円筒形フィラメント７１１の表面の非選択部分７１４より低い作業関数を有する。
【００４５】
以下でより詳細に説明するように、選択部分７１５が非選択部分７１４よりも低い作業関数を有するように仕事関数を変える段階は、選択部分７１５の作業関数を変える段階、非選択部分７１４の作業関数を変える段階、又は表面の選択部分７１５値及び非選択部分及び７１５の両方の作業関数を変える段階を含むことができる。
【００４６】
図７ｂは、作業関数を変えるために円筒形フィラメントコイルの表面の選択部分上に堆積された材料を有する一実施形態の縦断面図を例示している。一実施形態では、段階７０４ａで選択部分７１５の作業関数を変えることは、段階７２０で基部フィラメント材料の表面の選択部分７１５上に材料薄膜層７１５ａを堆積する段階を含むことができる。
【００４７】
一実施形態では、材料薄膜層７１５ａは、タンタルであり、選択部分及び非選択部分７１５及び７１４の基部フィラメント材料は、タングステンである。タンタルは、ほぼ４．１ｅＶの作業関数を有し、タングステンは、ほぼ４．５ｅＶの作業関数を有し、従って、０．４ｅＶの作業関数差分が発生する。代替的に、材料薄膜層７１５ａが表面の非選択部分７１４の基部フィラメント材料より低い作業関数を有するように、当業者に公知の他の材料を材料薄膜層７１５ａ及び基部フィラメント材料に使用することができる。
【００４８】
１つの例示的な実施形態では、選択部分７１５を被覆する材料薄膜層７１５ａと非選択部分７１４との作業関数差異は、ほぼ４／１０（０．４）ｅＶである（この実施例においては、作業関数は、タングステンの場合は４．５ｅＶ、及びタンタルの場合は４．１ｅＶである）。これは、タングステン上のＴａ薄膜に関するものであると考えられる。代替的に、他の作業関数差異、例えば、１ｅＶ又は１ｅＶ未満を使用することができる。別の例示的な実施形態では、選択部分７１５より上方の材料薄膜層７１５ａと非選択部分７１４との作業関数差異は、２／１０ｅＶから１ｅＶの範囲とすることができる。代替的に、他の範囲を使用することもできる。
【００４９】
図７ｃは、円筒形フィラメントコイルの表面の非選択部分上に材料を堆積する段階の別の実施形態の縦断面図を例示している。一部の実施形態では、段階７０４ａで非選択部分７１４の仕事関数を変える段階は、段階７２１で基部フィラメント材料を含む表面の非選択部分７１４上に材料薄膜層７１４ａを堆積する段階を含むことができる。代替的な実施形態では、非選択部分７１４仕事関数を変える段階は、段階７２２ａで基部フィラメント材料を含む表面の選択部分７１５及び非選択部分７１４上に第１の材料薄膜層７１４ａを堆積する段階、及び段階７２２ｃで表面の選択部分７１５上に第１の材料薄膜層７１４ａを堆積させ、従って、図７ｃに例示するのと類似の構造体をもたらす段階を含むことができ、又は非選択部分７１４の仕事関数を変える段階は、段階７２２ａで表面の選択部分７１５及び非選択部分７１４上に材料薄膜層７１５ａを堆積する段階、及び段階７２２ｃで表面の非選択部分７１４より上方から材料薄膜層７１５ａを除去し、従って、図７ｂに例示するのと類似の構造体をもたらす段階を含むことができる。
【００５０】
１つの例示的な実施形態では、材料薄膜層７１４ａは、プラチナであり、選択部分７１５及び非選択部分７１４の基部フィラメント材料は、タングステンである。プラチナは、ほぼ５ｅＶの仕事関数を有し、タングステンは、ほぼ４．５ｅＶの仕事関数を有し、結果としてほぼ０．５ｅＶの仕事関数差になる。代替的に、材料薄膜層７１４ａが、基部フィラメント材料より高い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を材料薄膜層７１４ａ及び選択部分７１５及び非選択部分７１４の基部フィラメント材料に使用することができる。
【００５１】
別の実施形態では、選択部分７１５と表面の非選択部分７１４の上の材料薄膜層７１４ａとの仕事関数差異は、ほぼ４／１０、０．４ｅＶである（タングステン上のＴａの場合）。他の仕事関数差異、例えば、１ｅＶ又は１ｅＶ未満を使用することができる。別の例示的な実施形態では、非選択部分７１４より上方にある材料薄膜層７１４ａと選択部分７１５との仕事関数差異は、０．２ｅＶから１ｅＶ間の範囲とすることができる。代替的に、他の範囲を使用することもできる。
【００５２】
図７ｄは、円筒形フィラメントコイルの表面の選択部分及び非選択部分の両方の上に材料を堆積する段階の別の実施形態の縦断面図を例示している。一実施形態では、選択部分７１５及び非選択部分７１４の仕事関数を変える段階は、段階７２３ａで基部フィラメント材料を有する表面の選択部分７１５上に第１の材料薄膜層７１５ａを堆積する段階、及び段階７２３ｂで表面の非選択部分７１４上に第２の材料薄膜層７１４ａを堆積する段階を含むことができる。一実施形態では、選択部分７１５及び非選択部分７１５の両方の基部フィラメント材料であるフィラメントの仕事関数を変える段階は、段階７２３ａで表面の選択部分７１５上に第１の材料薄膜層７１５ａを堆積する段階、及び段階７２３ｂで表面の非選択部分７１４上に第２の材料薄膜層７１４を堆積させる段階を含むことができる。
【００５３】
１つの例示的な実施形態では、第１の材料薄膜層７１５ａはタンタルであり、第２の材料薄膜層７１４ａはプラチナであり、選択部分７１５及び非選択部分７１４の基部フィラメント材料はタングステンである。代替的に、第１の材料薄膜層７１５ａが第２の材料薄膜層７１４ａより低い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を第１の材料薄膜層７１５ａ、第２の材料薄膜層７１４ａ、及び選択部分７１５及び非選択部分７１４の基部フィラメント材料に使用することができる。
【００５４】
一実施形態では、選択部分７１５より上方にある第１の材料薄膜層７１５ａと非選択部分７１４より上方にある第２の材料薄膜層７１４ａとの仕事関数差異は、ほぼ０．２ｅＶである。代替的に、他の仕事関数差異、例えば、１ｅＶ又は１ｅＶ未満を使用することができる。別の例示的な実施形態では、非選択部分７１４より上方にある材料薄膜層７１４ａと、選択部分７１５より上方にある材料薄膜層７１５ａとの仕事関数差異は、０．２ｅＶから１ｅＶの範囲とすることができる。代替的に、他の範囲を使用することもできる。
【００５５】
基部フィラメント材料上に材料を堆積する段階に関して本明細書で説明する方法においては、基部フィラメント材料上での堆積に使用される材料は、Ｘ線管１００内での作動に関する熱要件及び物理的要件に準拠するものであるべきであることに注意すべきであり、例えば、良好な薄膜接着性がほぼ２０００度ケルビンの範囲にわたって維持され、かつ堆積材料が、Ｘ線管１００のフィラメントの作動温度での蒸発により、又はフィラメントの目標とする寿命終了前の円筒形フィラメント７１１のバルク材料への拡散により消失しないことを確実にするように適正な注意を向けるべきである。
【００５６】
別の実施形態では、段階７０４ｂで選択部分７１５の仕事関数を変える段階は、段階７３０で選択部分７１５の基部フィラメント材料を基部フィラメント材料及び追加材料の化学化合物とすることができる第１の材料に変換する段階を含むことができる。
【００５７】
好ましい電子放出区域を達成するために基部フィラメント材料を変換する段階は、段階７３０で表面の選択部分７１５の基部フィラメント材料を非浸炭基部フィラメント材料より低い仕事関数を有する第１の材料に浸炭させることによって変換する段階を含むことができる。低い方の仕事関数の好ましい区域に備える手段の一部の代替例は、以下のものである。第１の例に対しては、段階７３１で基部フィラメント面７１４の非選択部分を第１の変更材料に変換する段階であり、変更材料は、フィラメントの選択部分で露光されたままである基部フィラメント材料より高い仕事関数を有する。第２の例に対しては、段階７３２ａで基部フィラメント面７１５の選択部分を第１の変更材料に変えて、段階７３２ｂで基部フィラメント面７１４の非選択部分を第２の変更材料に変換する段階であり、第２の変更材料は、第１の変更材料より高い仕事関数を有する。第３の例に対しては、段階７３３ａで基部フィラメント面を第１の変更材料に変換し、第１の変更材料が、基部フィラメント材料より高い仕事関数を有する段階、及び次に段階７３３ｂで選択部分７１５を定める領域から第１の材料を除去する段階である。第４の例に対しては、段階７３３ａで基部フィラメント面を第１の変更材料に変換し、第１の変更材料が、基部フィラメント材料より低い仕事関数を有する段階、及び次に段階７３３ｃで非選択部分７１４から変換基部フィラメント材料を除去する段階である。基部フィラメント材料は、タングステンとすることができ、選択部分７１５の変換化合材は、炭化タングステンＷＣ、又は二炭化タングステンＷ2Ｃとすることができる。注意事項として、タングステンは、４．５ｅＶの仕事関数を有し、ＷＣは、３．６ｅＶの仕事関数を有し、Ｗ2Ｃは、４．５８ｅＶの仕事関数を有する。これらの差異を利用して異なる電子放出区域を局所化することができる。タングステンの炭化物を引用しているが、表面の選択部分７１５の得られる変更表面の材料の方が基部フィラメント材料と比較した時に低い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を基部フィラメント材料に使用することができる。
【００５８】
１つの例示的な実施形態では、段階７３０及び段階７３１で、選択部分７１５及び非選択部分７１４にわたってタングステンを炭素と化合させて、表面のそれぞれＷＣ及びＷ2Ｃに対して化合を行うことにより、選択部分７１５と非選択部分７１４との仕事関数の差異は、結果として、ほぼ０．９ｅＶの仕事関数差になる。代替的に、第１の材料が基部フィラメント材料より低い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を第１の材料及び基部フィラメント材料に使用することができる。
【００５９】
別の例示的な実施形態では、段階７３１で表面の非選択部分７１４の仕事関数を変える段階は、非選択部分７１４のＷをＷ2Ｃに変換する段階を含むことができる。代替的に、第１の材料が基部フィラメント材料より高い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を第１の材料及び基部フィラメント材料に使用することができる。
【００６０】
別の例示的な実施形態では、段階７３２で選択部分７１５及び非選択部分７１４の仕事関数を変える段階は、選択部分７１５のＷをＷＣに変換する段階、及び段階７３２ｂで非選択部分７１４のＷをＷ2Ｃに変換する段階を含むことができる。代替的に、第１の材料が第２の材料より低い仕事関数を有するように、当業者に公知の他の材料を第１の材料、第２の材料、及び基部フィラメント材料に使用することができる。
【００６１】
表面を１つの化合物に変換し、次に、結果として生じる材料を別の化合物に変換することにより、変換材料は、フィラメント温度範囲を通して積層剥離、蒸発、及び拡散の影響を受けなくなることが可能であることに注意すべきである。
【００６２】
別の実施形態では、段階７０４ｃで選択部分７１５の仕事関数を変える段階は、化学的に操作することができる第１の元素を組み込む基部フィラメント材料の使用を含むことができる。例えば、タングステンフィラメント内でのトリアの導入は、第１の元素を供給することができる。反応するとタングステンに組み込まれていた酸化物を低減することができる炭化タングステンは、第１の材料としてタングステン内で生成することができる。一例においては、酸化物を組み込むタングステンフィラメントの表面の選択部分７１５を浸炭させることにより、段階７４１で第１の材料、炭化タングステンを供給して、還元後の酸化物（第２の要素）を形成するために選択部分における酸化物（第１の要素）を還元し、段階７４２で円筒形フィラメント７１１の基部フィラメント材料から生じる第２の要素を表面の選択部分７１５に拡散することができる。基部フィラメント材料に取り込まれた各種要素を適切に選択すると、この処理により選択部分表面までに拡散してその部分での仕事関数を変えることができる成分を達成することができる。代替的に、段階７０４ｃで選択部分７１５の仕事関数を変える段階は、段階７５０で表面の選択部分７１５及び非選択部分７１４の両方の基部フィラメント材料を第１の材料に変換する段階と、段階７５１で表面の非選択部分から第１の材料を除去する段階と、段階７５２で基部フィラメント材料の第１の要素を第２の要素に変換する段階と、段階７５３で円筒形フィラメント７１１の基部フィラメント材料に取り込まれた第２の要素を表面の選択部分７１５に拡散する段階と含むことができる。例えば、基部フィラメント材料は、トリア化タングステン（ごく僅かなトリアを含有するタングステン）とすることができ、第１の材料は、トリア化炭化タングステンとすることができる。代替的な実施形態では、他の基部フィラメント材料を使用することができ、選択化合物は、選択的に組み込むことができる。陰極構造体に取り込まれる化合物の例としては、タングステンに取り込まれると、トリア化タングステン、セリウム化タングステン、又はランタン化タングステンと呼ばれるフィラメントワイヤをもたらす酸化ランタンを含むことができる。尚、トリア、セリア、酸化ランタンなどを電子放出陰極に導入するための手段は、フィラメントワイヤ又は他の陰極構造体に対して機械的特性が得られるように、単純な混合以外の方法を含むことができる。例えば、ランタニドは、微量レベルの酸素が存在する状態でタングステンと適切に協働して同時スパッタリングすることができる。望ましい分布を生成する他の方法を用いることができる。
【００６３】
例示的な実施形態では、基部フィラメント材料は、トリア化タングステンである。トリア化タングステンは、１％から２％のトリアを含有する。この実施形態は、段階７４０で、表面の選択部分７１５のトリア化タングステンを第１の材料、炭化タングステンに浸炭させる段階を含む。表面の選択部分７１５は、浸炭表面に変換されており、円筒形フィラメント７１１のトリア化タングステンの大半中のトリアは、段階７４１でトリウムに還元される。トリウムは、段階７４２で表面の選択部分７１５に拡散する。トリウムは、蒸発によって表面の選択部分７１５から枯渇される。蒸発したトリウムは、タングステンフィラメントに取り込まれたままのトリアがある限り、トリアの継続的な還元により、表面の選択部分７１５内に存在する炭化タングステンによりトリウムに連続的に置換される。
【００６４】
トリアがトリウムに変換されて表面の選択部分７１５に拡散される速度は、選択部分７１５がどれだけ浸炭されたかに依存する。表面の非選択部分７１４は浸炭されていないために、表面の非選択部分７１４の領域では、その中のトリアはトリウムに変換されず、従って、表面の非選択部分７１４は、拡散しないトリアだけを含有する。表面の選択部分７１５は、表面に拡散することができるトリウムを含有し、従って、選択部分において、トリウムを含まず拡散しないトリアだけを含有する非選択部分７１４での仕事関数より低い仕事関数を達成する。この例示的な実施形態では、選択部分７１５は、ほぼ２．６ｅＶの仕事関数を有し、従って、ほぼ１．９ｅＶの非常に好ましい仕事関数差分が生じる。
【００６５】
別の例示的な実施形態では、基部フィラメント材料は、セリウム化タングステンである。この実施形態は、段階７４０で表面の選択部分７１５のセリウム化タングステンを炭化タングステンに浸炭させる段階を含む。表面の選択部分７１５が浸炭表面に変換されているために、円筒形フィラメント７１１のセリウム化タングステンの大半中のセリアは、段階７４１で表面の選択部分７１５の表面に拡散することができるセリウム（Ｃｅ）に還元され、従って、段階７４２で仕事関数が変更される。セリウムは、最終的に、表面の選択部分７１５から蒸発するが、その大半から補充され、たとえセリウムが蒸発したとしても、浸炭タングステンは、セリウムに残っている組み込まれたセリアを還元し続けて、十分な量が、表面の選択部分７１５の表面に拡散して、表面の選択部分７１５にセリウムの安定した供給を行う。
【００６６】
セリアがセリウムに変換されて表面の選択部分７１５に拡散する速度は、選択部分７１５がどれだけ浸炭されたかに依存する。表面の非選択部分７１４は浸炭させられていないために、表面の非選択部分７１４の領域では、その中のセリアはセリウムに変換されず、従って、表面の非選択部分７１４は、拡散しないセリアだけを含有する。表面の選択部分７１５はセリウムを含有するために、選択部分７１５は、拡散しないセリアだけを含有する非選択部分７１４より低い仕事関数を有する。
【００６７】
別の例示的な実施形態では、基部フィラメント材料は、ランタン化タングステンである。この実施形態は、段階７４０で表面の選択部分７１５のランタン化タングステンを炭化タングステンに浸炭させる段階を含む。表面の選択部分７１５が浸炭表面に変換されているために、円筒形フィラメント７１１のランタン化タングステンの殆どの酸化ランタンは、段階７４２で表面の選択部分７１５の表面に拡散することができ、段階７４１でランタンに還元される。ランタンは、最終的に表面の選択部分７１５から蒸発する。たとえランタンが表面の選択部分７１５から蒸したとしても、選択部分７１５の浸炭表面は、円筒形フィラメント７１１の基部フィラメント材料の大半中の残りの酸化ランタンをランタンに還元し続け、表面の選択部分７１５へのランタンの安定した流れを達成する。
【００６８】
酸化ランタンがランタンに変換されて表面の選択部分７１５に拡散する速度は、選択部分７１５がどれだけ浸炭されたかに依存する。表面の非選択部分７１４が浸炭されていないために、その中の酸化ランタンは、表面の非選択部分７１４の領域においてはランタンに変換されず、従って、表面の非選択部分７１４は、拡散しない酸化ランタンだけを含有する。表面の選択部分７１５はランタンを含有するために、選択部分７１５は、拡散しない酸化ランタンだけを含有する非選択部分７１４より低い仕事関数を有する。
【００６９】
上述の実施形態では、選択部分７１５の浸炭表面は消耗されることに注意すべきである。更に、円筒形フィラメント７１１は、選択部分７１５が過度に浸炭された場合は脆すぎるものになる場合がある。この要素は、円筒形フィラメント７１１の寿命を決める可能性がある。
【００７０】
図８は、Ｘ線管において陰極の均一な浸炭フィラメントコイルから陽極（図示せず）に向けて放出される電子ビームを示す例示的なグラフを示している。グラフ８００は、フィラメントハウジング構造体１１２に封入された円筒形フィラメント８１１の概要を示している。円筒形フィラメント８１１は、基部フィラメント材料を有する。この例示的な実施形態では、円筒形フィラメント８１１の表面の選択部分７１５及び非選択部分７１４は浸炭されており。従って、同じ仕事関数を有する。上述のように、電流が円筒形フィラメント８１１を通過した時、陰極１１０の円筒形フィラメント８１１は、電子ビーム８１３を形成する陽極１２０（図示せず）に向けて電子を放出する。電子ビームは、光線の断面に対応する専有面積でＸ線管（図示せず）の陽極１２０に衝突する。グラフ８００において例示するように、電子ビーム８１３が円筒形フィラメント８１１から遠くに進む時に、電子ビーム８１３の電子は広がり始め、電子ビーム８１３の幅を増大させ、電子ビームの強度を低減し、かつ陽極１２０に入射する電子ビームの専有面積の幅を増大させる。
【００７１】
図９は、Ｘ線管において陰極の選択的に浸炭されたフィラメントコイルから陽極へ放出される電子ビームを示すグラフの例示的な実施形態を例示している。グラフ９００は、フィラメントハウジング構造体１１２に封入されたコイル状円筒形フィラメント９１１の概要を示している。円筒形フィラメント９１１は、基部フィラメント材料を有する。この実施形態では、表面の選択部分７１５は浸炭されており、非選択部分７１４は浸炭されていないために、選択部分７１５は、表面の非選択部分７１４より低い仕事関数を有する。
【００７２】
上述のように、電流が円筒形フィラメント９１１を通過した時、陰極１１０の円筒形フィラメント９１１は、電子ビーム９１３を形成する陽極１２０（図示せず）に向けて電子を放出する。電子ビーム９１３を図８の電子ビーム８１３と比較すると、電子ビーム９１３が円筒形フィラメント９１１から遠ざかる時に、電子ビーム９１３は、電子ビーム幅が電子ビーム８１３の電子ビーム幅より小さい。電子ビーム９１３は、図８の電子ビーム８１３よりも広がりの効果が小さい。陽極１２０に入射する電子ビーム９１３は、専有面積が陽極１２０に入射する電子ビーム８１３の幅よりも小さく、陽極１２０に入射する電子ビーム８１３よりも均一な電子の分布を有する。陽極１２０に入射する電子ビーム８１３は、陽極１２０に入射する電子ビーム８１３の中心に向けて高い電子密度を有することができるが、図８との関係で説明するように、電子密度分布は、広がり効果により引き起こされる陽極１２０に入射する電子ビーム８１３の縁部に接近する電子の境界が鮮明ではなく分岐している。専有面積が広がって陽極１２０に入射する電子ビーム８１３の電子の分布がこのように均一でなければ、結果として、曖昧な又はぼやけたＸ線像になる恐れがあり、これは、電子ビーム８１３が陽極１２０に当たった時に、電子ビーム８１３領域が異なると、印加する電子ビーム強度が異なるからである。
【００７３】
逆に、電子ビーム９１３は、陽極に衝突する電子の分布が実質的に均一であり、この分布は、陽極１２０に入射する電子ビーム９１３の縁部を鮮明にし、かつ陽極１２０に入射する電子ビーム９１３内で均一なビーム強度分布を達成することができる。縁部が鮮明になり、かつ陽極１２０に入射する電子ビーム９１３内でのエネルギ分布が均一になると、陽極上の定められるスポットサイズが小さくかつ良好になり、従って、生成されるＸ線像はより鮮明なものになる。更に、陽極１２０に入射する電子ビーム９１３内での電子分布の均一性を増大させ、かつその縁部を鮮明化することにより、陰極構造体１１０は、電子ビーム強度を陽極１２０上の望ましい位置で最大にすることができる。この条件では、従って、陽極上での電子の専有面積は、図８の電子ビーム８１３の場合より幅は小さく、強度は大きく、縁部はより鮮明なものになる。
【００７４】
図１０は、選択的に浸炭されたフィラメントコイルから図９の陽極に放出される電子ビームの拡大図を例示している。図１０のグラフ９００は、フィラメントハウジング構造体１１２に封入されたコイル状円筒形フィラメント９１１の概要を示している。上述のように、この実施形態では、円筒形フィラメント９１１は、タングステンとすることができる基部フィラメント材料を有する。この例においては、円筒形フィラメント９１１の表面の選択部分７１５は浸炭されており、従って、選択部分７１５の仕事関数は、非選択部分７１４より低い。上述のように、電流が円筒形フィラメント９１１を通過した時、陰極構造体１１０の円筒形フィラメント９１１は、加熱されて、電子ビーム９１３を形成する陽極１２０（図示せず）に向けて電子を放出する。電子は、陰極１１０から陽極１２０まで進む時に、エネルギが増加することに注意すべきである。光線９１３の電子が加速されると、ビームが広がる傾向は、ある程度、電子の発生点に依存する。特に、フィラメントの放出面７１５のサイズ及び向きは、ビーム幅及びその専有面積のサイズに影響する。エネルギの増大のために、陽極１２０に入射する電子ビーム９１３の幅を決める電子ビーム９１３の形状は、電子ビーム９１３が陰極１１０から離れて陽極１２０に進む時に、電界を使用して制御することが困難になる。円筒形フィラメント９１１の選択部分７１５を浸炭させることによるか、又は他の手段による円筒形フィラメント９１１の放出区域の鮮明度により、陽極１２０に入射する電子ビーム９１３の形状は、無処置円筒形フィラメントの場合より正確な制御を可能にすることができる。円筒形フィラメント９１１の選択部分７１５は、周囲の区域７１４と比較すると、仕事関数が低いために、主としてより小さな放出区域７１５に放出を限定することにより、電子ビーム９１３の広がりを低減することができる。
尚、陰極構造体の特定の例、すなわち、コイル状円筒形フィラメントを上述したが、他の加熱形状を使用することもできる。例えば、望ましい湾曲への変形に対してより適切であると考えられるリボンフィラメントを使用することができる。更に、陰極形状の加熱は、代替的に、陰極構造体の電子衝撃のような間接的な手段によるものとすることができる。
【００７５】
上述の詳細説明において、本発明の実施形態の方法及び装置は、その特定の例示的な実施形態を参照して説明した。しかし、本発明の実施形態のより広い精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができることは明らかであろう。更に、上述で引用した上述の材料は、フィラメントで使用される材料を表すように一例として示したものである。他の材料を使用することができることも認められるであろう。これ以外に望ましい熱的、化学的、物理的、かつ電気的パラメータを満たすあらゆる材料を使用することができる。本発明の明細書及び図は、従って、制限的ではなく例示的であると見なすものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】螺旋形を有するＸ線管の従来のコイル状フィラメントを示す図である。
【図２】図１のコイル状フィラメントの縦断面図である。
【図３】陰極及び陽極を含むＸ線管の一実施形態を示す図である。
【図４ａ】表面の選択部分上に凹状湾曲を有する円筒形フィラメントコイルの一実施形態の縦断面図である。
【図４ｂ】選択部分内の表面の凸状湾曲を実質的に平坦な又は凹状湾曲に変える方法の一実施形態を示す図である。
【図５ａ】表面の選択部分上に凹状湾曲を有する円筒形フィラメントコイルの別の実施形態の縦断面図である。
【図５ｂ】選択部分内の表面の凸状湾曲を実質的に平坦な又は凹状湾曲に変える方法の別の実施形態を示す図である。
【図６】表面の選択部分の湾曲の放出面半径に対する相対的なビーム幅を示すグラフである。
【図７ａ】表面の選択部分及び非選択部分の境界を示す、円筒形フィラメントコイルの一実施形態の縦断面図である。
【図７ｂ】円筒形フィラメントコイルの表面の選択部分上に材料を堆積する一実施形態の縦断面図である。
【図７ｃ】円筒形フィラメントコイルの表面の非選択部分上に材料を堆積する別の実施形態の縦断面図である。
【図７ｄ】円筒形フィラメントコイルの表面の選択部分及び非選択部分の両方上に材料を堆積する別の実施形態の縦断面図である。
【図７ｅ】表面の非選択部分に対して選択部分の仕事関数を変える方法の一実施形態を示す図である。
【図７ｆ】コイル状フィラメントの表面上に材料を堆積する方法の一実施形態を示す図である。
【図７ｇ】コイル状フィラメントの表面の材料を変換／浸炭する方法の一実施形態を示す図である。
【図７ｈ】コイル状フィラメントの表面の材料を変換／浸炭し、かつ拡散する方法の一実施形態を示す図である。
【図８】Ｘ線管において陰極の均一な浸炭フィラメントコイルから陽極に放出される電子ビームを示すグラフの例示的な実施形態を示す図である。
【図９】Ｘ線管において陰極の選択的に浸炭されたフィラメントコイルから陽極に放出される電子ビームを示すグラフの例示的な実施形態を示す図である。
【図１０】図９の選択的に浸炭されたフィラメントコイルから陽極に放出される電子ビームの拡大図である。
【符号の説明】
【００７７】
１００  Ｘ線管
１１０  陰極構造体
１２０  陽極
【図１】
2009526366.tif 000003
【図２】
2009526366.tif 000004
【図３】
2009526366.tif 000005
【図４ａ】
2009526366.tif 000006
【図４ｂ】
2009526366.tif 000007
【図５ａ】
2009526366.tif 000008
【図５ｂ】
2009526366.tif 000009
【図６】
2009526366.tif 000010
【図７ａ】
2009526366.tif 000011
【図７ｂ】
2009526366.tif 000012
【図７ｃ】
2009526366.tif 000013
【図７ｄ】
2009526366.tif 000014
【図７ｅ】
2009526366.tif 000015
【図７ｆ】
2009526366.tif 000016
【図７ｇ】
2009526366.tif 000017
【図７ｈ】
2009526366.tif 000018
【図８】
2009526366.tif 000019
【図９】
2009526366.tif 000020
【図１０】
2009526366.tif 000021
【国際調査報告】
2009526366.tif 000022