(57)【要約】移動式の小型Ｘ線源（１０）が、移動のために省電力の陰極要素（３８）を含み、かつ陰極要素の寿命を延ばすためにゼロ電界領域を生成する陽極光学素子（８０）を含む。電界が、排気した管（１４）の両側に配置した陽極（３０）と陰極（３４）に印加される。陽極は、電子の衝突に応答してＸ線を発生する標的材料（５４）を含む。陰極は、陽極と陰極の間の電界に応答して陽極に向かって加速される電子を発生するための陰極要素（３８）を含む。管は、約７．６２ｃｍ（３インチ）未満の長さと約２．５４ｃｍ（１インチ）未満の直径または幅を有し得る。陰極要素は、約１ワット未満の低電力を消費する省電力の陰極要素を含むことができる。電源は、電池電源（７４）を含み得る。陽イオンが逆に陰極要素に向かって加速されにくいように、ゼロ電界領域を陽極に位置決めすることができる。陽極管（８４）を陽極と陰極の間で陽極に配置しかつ陽極と陽極管が同じ電位を有するように陽極に電気的に結合して、ゼロ電界領域を形成することができる。
2005523558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）排気された管と、
ｂ）前記管内に配置された陽極であって、電子の衝突に応答してＸ線を発生するように構成された材料を含む陽極と、
ｃ）前記陽極に対向して前記管内に配置された陰極であって、前記陽極と前記陰極の間の電界に応答して前記陽極に向かって加速される電子を発生するように構成された陰極要素を含む陰極と、
ｄ）前記陽極に位置決めされ、陽イオンが逆に前記陰極要素に向かって加速されにくいように構成された電界領域と、を備えるＸ線源装置。
【請求項２】
前記電子が、前記陽極に衝突して前記陽極を熱し、残留気体の分子を放出させ、さらに前記電子が、前記残留気体の分子を陽イオンにイオン化し、そのイオンは、通常では逆に前記陰極に向かって加速されて前記陰極要素をスパッタ腐食することになる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ａ）前記陽極と前記陰極の間で陽極に配置された陽極管であって、前記陽極と前記陽極管が同じ電位を有するように前記陽極に電気的に結合され、ゼロ電界領域を生成する陽極管をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記陽極管と前記陽極が同じ材料を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記排気された管が、約７．６２ｃｍ（３インチ）未満の長さと約２．５４ｃｍ（１インチ）未満の直径または幅を有し、前記陰極要素が約１ワット未満の低電力を消費し、
前記陰極要素に電力を供給しかつ前記陽極と前記陰極の間に前記電界を供給するために、前記陽極、前記陰極、および前記陰極要素に電気的に結合された電池電源をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記電池電源が、電池式の高電圧電源を含み、前記陽極と前記陰極の間に少なくとも約１５キロボルトの電界を供給する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ａ）前記陰極要素に隣接して配置された陰極光学素子であって、アパーチャを中に備えて電子が前記陽極に向かって前記アパーチャを通過できるように構成された板を含む陰極光学素子と、
ｂ）前記陽極に隣接して配置された陽極光学素子であって、電子が前記陽極に向かって通過できる中空を有する陽極管を含み、前記陽極管が前記中空内部に前記電界領域を生成する陽極光学素子と、をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記陰極要素が、約１００マイクログラム未満の質量を有する低質量のフィラメントを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記陰極要素が、熱電子エミッタ、タングステンのフィラメント、アルカリ土類の混合酸化物を被覆したタングステンのフィラメント、電界電子エミッタ、強誘電性陰極、金属先端アレイ、配列されたゲート変調エミッタ、電界電子放出表面になったゲート変調エミッタ、カーボンナノチューブ、変調ゲートを備えたカーボンナノチューブ、および熱したランタンヘキサボライドからなる群から選択した電子放出源を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記排気された管の端部中に配置され、Ｘ線を放出するように構成され、前記排気された管の長手軸と位置合わせされてＸ線を実質的に前記長手軸に沿って放出するように構成された窓をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
ａ）前記標的材料に隣接する前記窓に配置されたＸ線フィルタと、
ｂ）前記窓に配置されたＸ線コリメータであって、Ｘ線が望ましい方向に通過できるように構成されたアパーチャを含むＸ線コリメータと、をさらに備える請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記排気された管の側面中に配置され、Ｘ線を前記長手軸に対して横断方向に放出するように構成した窓をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電子が金属標的に衝突することによってＸ線ビームを発生させることに関する。本発明は、さらに具体的には、移動式で小型の透過型Ｘ線源に関し、このＸ線源は、Ｘ線の発生点に近接して試料を配置できる構成を有し、ＸＲＦの応用例において検出器を近接して配置できる構成を有し、かつＸ線源として小径のスポットを生成できる電子光学的要素構成を有する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管では、２つの電極の間に印加された高いバイアス電圧によって、陰極源から放出された電子が陽極に引きつけられる。介在する空間を排気して電子が減速および散乱するのを回避しなければならないが、主として、閉じ込められている気体がイオン化し、生成されるイオンが陰極に向かって加速されて、フィラメントを腐食して管の寿命が限られるのを防止するために真空にしなければならない。固有Ｘ線および制動放射Ｘ線は、陽極標的物質に電子が衝突することによって発生する。どの物質もそれ自体の固有放射線に対して相対的に透過的であり、したがって標的が薄ければ、衝突表面の反対側の標的表面からの強力な放射が生じ得る。このような配置を透過型Ｘ線管と呼ぶ。比較すると、側面窓型管は、真空の空間中に厚い陽極を有し、そのＸ線放射は真空室の側面中に配置されたＸ線透過窓を介して管から出る。それぞれの種類はその長所と短所を有し、その種類は目的とする応用例に応じる。
【０００３】
典型的なＸ線管は大型でかつ脆弱であり、移動性を制約する重い高電圧電源によって電圧を加えなければならない。したがって、分析のために試料を収集してＸ線ユニットまで持参しなければならない。これは一般的なＸ線の応用例には非常に不便である。いくつかの「実地応用例」には、土壌、水、金属、鉱石、ドリルフォール(well bore)などのＸ線蛍光分析（ＸＲＦ）ばかりでなく、回折測定およびメッキ厚さ測定が含まれる。
【０００４】
低電力Ｘ線源を携帯式（portability)にする一般的な方策は、放射性分解時に銀のＫ本のＸ線を放射する１０９Ｃｄを使用するものである。このような多くの有用な計測装置源が現在使用されており、銀のスペクトル線を有するＸＲＦの感応性および信頼性を高めるためのソフトウェアが開発されてきた。残念ながら、１０９Ｃｄからの放射強度は、約１．２年の半減期で指数関数的に崩壊する。このために１０９Ｃｄの頻繁な再較正が必要になり、最終的にはそれを廃棄しなければならない。このような放射性源の大きさは１または２キュリーであり、したがってＸＲＦに有用な量のこのような同位体を運搬および保有するために免許が必要である。
【０００５】
小型Ｘ線管は医療目的では実績がある。例えば、米国特許第５，７２９，５８３号および第６，１３４，３００号を参照されたい。しかし、その配置は分析には不適切である。このような管は、検出器が容易に接近可能なスポットに放射線を集中するのではなく、治療上の理由で、少なくともπステラジアン内にＸ線を送出するように設計されている。したがって、このような治療目的のＸ線管は、発散ビームのために実地のＸＲＦ作業には不適切である。医療用Ｘ線管の別の種類には、診断目的のＸ線、すなわち、Ｘ線管が体内に配置されている組合せ装置がある。放射Ｘ線が組織を通過して体外のフィルムに達する。これによって腫瘍の位置または解剖学的構造の疾患が明らかになる。例えば、米国特許第５，０１０，５６２号および第５，１１７，８２９号を参照されたい。「５６２号」特許に関して、金属箔は透過型陽極ではなく、電子窓であることに留意することが重要である。「８２９号」特許に関して、興味深いノズルが示されているが、他の装置は大型であり、したがって移動実地作業には不適切である。
【０００６】
Ｘ線管の別の種類には、Ｘ線検査のために配管やボイラに挿入するために使用する棒状陽極が含まれる。この金属製の棒状陽極は、電子ビームが進入する箇所からその対向端まで中空になっており、その対向端がＸ線を発生させるための標的である。棒状構造全体が陽極電位にある。棒の側面中の窓によって、Ｘ線を陽極から放射することができる。電子ビームを端部の標的上に合焦するために、磁気コイルを棒に沿って位置決めする。この電磁石は重く、かつそれを携帯型にすることになれば大型電池からのかなりの電力が必要である。しかも、長尺の陽極は典型的な分析応用例ではほとんど価値がない。このような棒状陽極管は透過型ではない。
【０００７】
Ｘ線管の陽極標的で直径が小さいＸ線源を実現するために、電極またはアパーチャ、もしくは両方がＸ線管内で使用されてきた。これらは、電子ビームを標的上の小さいスポットに合焦するように設計されている。これらの電極の１つがウェーネルトアパーチャと呼ばれている。それは、顕微鏡用の電子銃の場合と同様に、陰極の近くに配置されている。これによって電子束は著しく制限される。電子ビームが陽極を打つ場合、その直径が制限されることは、電子ビームが、検体の小部分を打つように意図されているＸ線の隣接源であるので一層重大である。このことから他の電極が必要になるのが典型である。１つの種類は、陰極領域から陽極までのほぼ中間まで延長する焦点調整電極である。このような典型的には円筒形の管によって高電圧点と低電圧点の間の距離が短くなり、それによって管内で電気的破壊を招く恐れがある。
【０００８】
元素分析のためにＸ線蛍光を励起するのに使用するＸ線管の１つの重要な特徴は、Ｘ線の発生点が照射中の試料に可能な限り接近していることである。これが必要なのは、Ｘ線の強度は標的スポットからの距離の２乗の逆数に比例して低下するからである。このように接近していることは、空間分解能の理由のためにＸ線束が試料の小さいスポットに合焦される場合、さらに１つの利点であり、それによって複雑な試料の個々の小部分を分析可能にする。ＸＲＦでは、このようなＸ線ビームを使用して試料中の元素を励起する。次にそれらの元素が、ランベルトパターンで固有放射線の蛍光を発し、したがって検体を照射するビームと検出器に向かう蛍光Ｘ線の間に約４５°の角度があれば、ＸＲＦ感度が最大になる。一般的なＸ線管では、電子が衝突するスポットが広く、また鋭くないので、検出器を望ましい４５°ではなく、９０°以上の角度で片側に配置しなければならない。
【０００９】
Ｔｒｅｓｅｄｅｒの特許（米国特許第６，０７５，８３９号）の一目的は、標的を試料に接近可能にすることであるが、この発明の放射窓の端部が必然的に拡大されている（２０ｍｍを超える）。その上、管の電子銃が陽極の概ね背後ではなく、陽極の側方に配置されているので、陽極が窓から著しく後退している。しかも、電子ビームの曲率のために空間を空けるように標的をＸ線窓から十分に離して置かねばならないので、Ｔｒｅｓｅｄｅｒの設計を変更することができない。その結果として、この特許の図３が示すように、標的と試料の間の間隔が大きくなる。
【００１０】
感応性の高いＸＲＦのための別の要件は、試料を励起するために適切な帯域の波長で照射することである。より高いバイアス電圧はＸ線束を増やすばかりでなく出力のスペクトルを変化させる。バイアスは、操作者の選択下にあるべきであり、Ｘ線管電流の設定とは別個であるべきである。一般的には、Ｘ線束（および対応する管電流）が大きければ大きいほど、測定値は、それがＸＲＦ、メッキ厚さ、あるいは回折であっても、それだけ感応性および精度が高くなる。しかし、一旦、検出器が飽和すると、追加的な電力は無駄である。電子ビーム電流は、適切であって過剰にならないＸ線強度を生成するように調整されるべきである。
【００１１】
一般的なＸ線管では、電子の衝突時にＸ線出力に変換されるのは電子ビーム出力の１％未満であるので、実質的に冷却することが必要である。残りのエネルギーは標的の中で熱になる。熱は熱電子の電子源によっても上昇する。高い温度はいくつかの管部品の寿命を早めるので管の温度の蓄積および上昇は許容できない。熱衝撃は特に破壊的である。したがって、十分な電力で動作するとき、ほとんどのＸ線管は、流れる液体または強制空気で冷却する必要がある。冷却効率は、主としてＸ線管の厚い部分（例えば、特に陽極）を介する熱エネルギーの伝導が遅いことによって制約を受ける。小型化によってこの問題がある程度軽減されるが、米国特許第６，０７５，８３９号（油、ＳＦ６、または強制空気による冷却）および強制空気による冷却を補助するために外部突起を有する米国特許第６，０４４，１３０号の発明では依然として冷却が必要である。十分なＸ線束を実現するために、現時点で利用可能なＸ線管はすべて大型にならざるを得ないので、それらを冷却しなければならない。すなわち、現時点では、周囲の空気によってのみ冷却される、十分に出力があるＸ線管を入手することはできない。
【００１２】
別の重要な特徴は、管の較正と試料の測定に要する期間にわたってＸ線束を安定させることである。この安定度は約±０．１％であるべきである。典型的な小型の高電圧ＤＣ電源はこの基準に合わず、管の抵抗率が時間経過に伴って変化する恐れがある。したがって、高電圧安定性は、移動式Ｘ線管に対して１つの問題を提示する。
【００１３】
Ｘ線管は１００年以上前に最初に作製されたが、移動応用例で利用可能な、１０９Ｃｄ放射性源によって取り組まれたような移動式Ｘ線管はない。非常に数多くのＸ線管計測機器が科学および産業で使用されているので、これは驚くべきことである。移動式で電子的なＸ線管および計測装備に対する必要性が長い間感じられてきたことは明らかである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
移動式の小型Ｘ線源の開発は有利であることが認識されている。さらに、実地応用例のためのＸ線源の開発は有利であることが認識されている。さらに、低電力消費のＸ線源の開発は有利であることが認識されている。さらに、放射性ではないＸ線源の開発は有利であることが認識されている。寿命または耐久性が向上したＸ線源の開発も同様に有利であることが認識されている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、移動のために省電力の陰極要素を有し、かつ／または陰極要素の寿命を延ばすためにゼロ電界領域を生成する陽極光学素子を有する移動式の小型Ｘ線源を提供する。このＸ線源は排気された管を含む。陽極は管内に配置され、電子の衝突に応答してＸ線を放射する材料を含む。陰極は、陽極に対向して管内に配置される。電界が陽極と陰極に印加される。陰極は、陽極と陰極の間の電界に応答して陽極に向かって加速される電子を発生するための陰極要素を含む。電源は、陰極要素に電力を供給し、かつ陽極と陰極の間に電界を供給する。電源は、陽極、陰極、および陰極要素に電気的に結合される。
【００１６】
本発明のさらに詳細な態様によれば、管は小型かつ移動式である。管は約７．６２ｃｍ（３インチ）未満の長さと約２．５４ｃｍ（１インチ）未満の直径または幅を有し得る。陰極要素は、約１ワット未満の低電力を消費する省電力の陰極要素を含むことができる。電源は電池電源を含むことができる。
【００１７】
本発明の別のさらに詳細な態様によれば、電池電源が、陽極と陰極の間に少なくとも約１５キロボルトの電界を供給する。
本発明の別のさらに詳細な態様によれば、窓が、排気された管の陽極に配置可能である。この窓は、排気された管の長手軸と位置合わせされて実質的に長手軸に沿ってＸ線を放出することができる。別法として、Ｘ線を長手軸に対して横断方向に放出するように、排気された管の側面中に窓を配置することができる。
【００１８】
本発明の別のさらに詳細な態様によれば、陽イオンが逆に陰極要素に向かって加速されにくいように、ゼロ電界領域を陽極に位置決めすることができる。電子は、陽極に衝突して陽極を熱し、残留気体の分子を放出させることができる。さらに、電子は、残留気体の分子を陽イオンにイオン化することができる。このようなイオンは、通常では逆に陰極に向かって加速されて陰極要素をスパッタ腐食することになる。
【００１９】
本発明の別のさらに詳細な態様によれば、陽極管が、陽極と陰極の間で陽極に配置可能であり、陽極と陽極管が同じ電位を有するように陽極に電気的に結合可能である。陽極管は、ゼロ電界領域を生成することができる。
【００２０】
本発明の別のさらに詳細な態様によれば、陰極光学素子を陰極要素に隣接して配置することができる。陰極光学素子は、アパーチャを中に備えて電子が陽極に向かってアパーチャを通過できるように構成した板を含むことができる。
【００２１】
本発明の追加的な特徴および利点は、例として本発明の特徴を共に示す添付の図面と併せて採用した以下の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ここで図面に示す例示的な実施形態を参照し、本明細書では特定の用語を使用して当該実施形態を説明する。しかし、それによって本発明の範囲を限定しようとするものではないことが理解されよう。本明細書で説明する本発明の形状構成の変形およびさらなる変更、本明細書に説明する本発明の原理の追加的な応用例は、関連技術分野にありかつ本開示を保有する当業者なら想起するものであり、本発明の範囲内にあると見なす。
【００２３】
図１〜３に例示するように、全体として１０で表す、本発明による移動式の小型Ｘ線源が示されている。有利なことに、このＸ線源１０は、電池電源で使用するのに適切な省電力の陰極要素を含み、実地応用例にＸ線源を移動式にすることができる。さらに、有利なことに、このＸ線源１０は、陰極要素がスパッタ腐食されにくいように、したがって陰極要素の寿命を延ばすために、陽イオンが逆に陰極要素に向かって加速されにくいように、陽極にゼロ電界領域を生成するための陽極光学素子を含む。土壌、水、金属、鉱石、ドリルホールなどのＸ線蛍光分析（ＸＲＦ）ばかりでなく、回折測定およびメッキ厚み測定などの「実地応用例」は、このようなＸ線源１０の恩恵を受ける得る分野である。
【００２４】
Ｘ線源１０は、排気された管またはガラス管球１４を含む。Ｘ線源１０は、透過型Ｘ線源であり、図示のように、管１４は透過型Ｘ線管であり得る。管１４は、細長い円筒１６を含み得るが、１つの態様では、酸化アルミニウムなどのセラミック材から作製される。セラミックは、その寸法の安定性およびその高電圧に対する耐性のために伝統的に使用されてきたガラスよりも優れていると考えられる。埋封された気体を除去するために、セラミックを真空加熱によって前処理する。延長部１８および２２を管１４の両端に取り付けることができる。これらの延長部１８および２２は、金属材料から作製してセラミック管１４に鑞付けすることができる。
【００２５】
真空封止後の管内の残留気体を除去するために、ゲッター２６またはゲッター材料を管１４中に配置し、延長部２２に取り付けることができる。下でさらに詳細に説明するように、ゲッター２６をゼロ電界位置または領域内に位置決めすることができる。高度の清浄度基準が維持され、かつ排気が適切に行われていれば、熱電子エミッタを有する管には不要な場合がある。ゲッターはＳＴ１２２／ＮＣＦ、Ｔｉ／Ｚｒ／Ｖ／Ｆｅ合金から作製し得る。それを加熱することによって２４時間までの間、活性化することができる。
【００２６】
上述のように、有利なことに、Ｘ線源１０は、移動式であり、実地応用例に適している。Ｘ線管またはガラス球体１４は、有利なことに、約７．６２ｃｍ（３インチ）未満の長さであり、かつ直径または幅が約２．５４ｃｍ（１インチ）未満であり、持ち運びおよび実地応用例での使用が容易である。
【００２７】
全体を３０で示す陽極および全体を３４で示す陰極を管１４の内部に配置するか、および／または管１４の一部として形成する。陽極３０および陰極３４は、相互に対向して管１４の両端に配置されている。電界は、陽極３０と陰極３４の間に印加される。下で説明するように、陽極３０は接地可能であり、他方で陰極３０には電圧を印加することができる。陰極には、陽極に対して負の高電圧を保持することができる。別法として、陽極に正の高電圧を保持し、陰極を接地することもできる。
【００２８】
上述のように、陰極は、有利なことに省電力の陰極であり、低質量で省電力の陰極要素、すなわち、フィラメント３８を含む。この陰極要素３８は、小型コイル型タングステンのフィラメントなどの熱電子エミッタであり得る。陰極要素３８は、陽極３０と陰極３４の間の電界に応答して陽極３０に向かって加速される電子（図２の４０で示す）を発生させる。有利なことに、陰極要素は、本明細書では約１ワット未満の電力消費になるように意図されている省電力型である。陰極要素３８の省電力化によって、Ｘ線源１０は電池から電力供給が可能になり、したがって移動式である。しかも、有利なことに、陰極要素は、約１００マイクログラム足らずの低質量である。
【００２９】
陰極要素３８を支持するために取付板または端末キャップ４２を拡張部１８に取り付けることができる。ピンまたは支柱４６が、取付板または端末キャップ４２を貫通して突出し、その間に陰極要素３８を支持することができる。高電圧導線５０をピン４６に電気的に結合し、したがって陰極要素に結合することができる。
【００３０】
フィラメント両端の約１ボルトの電位によって約２００ミリアンペアの電流を駆動し、それによって温度を２３００℃まで上昇させる。この温度はほとんどの熱電子源に比べて低温であるが、それによってＸ線管の所期の応用例には十分な電子放出が生じる。例えば、半導体検出器を飽和するのに十分な蛍光を合金から発生させるには２０マイクロアンペアを要するにすぎない。タングステン陰極にアルカリ土類（例えば、Ｃｓ、Ｃａ、またはＢａ）の混合酸化物を被覆すれば、より高い放出効率が実現する。しかし、これらは実際に７２７℃（１０００ケルビン）ほどの低い温度で動作可能である。上述のように、このような被覆された陰極は依然として低質量であり得る。
【００３１】
このような低温のコイル型タングステンのエミッタには、従来の高温のヘアピン型に比べて数多くの利点がある。より低温の線はそれほどの熱を追加せず、これによって不都合な冷却機構の必要性が排除される。より低い温度は、タングステンの蒸発を抑え、したがって、タングステンが陽極に付着せず、線が細くなって切れることもない。しかし、低温のタングステンのコイルは、ラングミュアの限界以下に低下しないので、下で説明するように、そのコイルとウェーネルト光学素子、すなわち、陰極光学素子の間に空間電荷を蓄積することができる。
【００３２】
端末部品５２を延長部２２上の陽極３０に配置することができる。この端末部品５２は窓支持構造を形成することができる。延長部２２はコバール（ｋｏｖｅｒ）から作製可能であり、端末部品５２はモネルから作製可能である。電子４０が通過する穴を延長部２２と端末部品５２を貫通して形成することができる。
【００３３】
電子４０の衝突に応答してＸ線（図２の５８で示す）を発生させるために、窓または標的５４を端末部品５２の陽極３０に配置する。この窓または標的５４は、銀などのＸ線発生材料を含むことができる。窓または標的５４は、陽極３０の端部に配置される、厚さ２マイクロメートルの銀などの材料の薄板または層であり得る。陰極３４からの電子４０が窓または標的５４に衝突するとき、固有の銀Ｘ線放射５８は、大部分が一般的な１０９Ｃｄ放射性Ｘ線源と同じ波長である。
【００３４】
フィルタ６２を使用して低エネルギー制動放射の放射線を除去することができる。このフィルタ６２は、標的材料５４に接して陽極３０に配置可能である。フィルタ６２は、ベリリウムなどの濾過材料を含むことができる。さらには、フィルタは、１３０マイクロメートルのベリリウムなどの薄い層または板であり得る。フィルタ６２またはその材料は、窓または標的５４を被覆することができる。このような構成では、銀のＬ線を放射する場合があるが、これらは空気中を非常に短い距離を進んだ後で吸収される。ベリリウムの後にまたはその代わりに追加的な濾過機能を加え得ることが理解されよう。例えば、「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９６６年、３０１頁においてＵ．Ｗ．Ａｒｎｄｔ  ａｎｄ  Ｂ．Ｔ．Ｍ．Ｗｉｌｌｉｓが説明した種類のバランスフィルタが使用可能である。
【００３５】
円筒１６、延長部１８および２２、端末キャップ４２、端末部品５２、および窓または標的５４などの、上で説明した様々な構成要素が、排気された管１４を形成する。遮蔽体６６を管１４の周囲に配置して、電気的遮蔽および迷走Ｘ線からの遮蔽を行う。遮蔽体６６は、陽極を接地するために陽極３０に電気的に結合可能である。さらには、遮蔽体６６は、導電性でありかつＸ線を遮蔽するために金属製であり得る。遮蔽体６６は、陽極２０に接触する一方で、Ｘ線管１４と遮蔽体の間を絶縁できるように管状または円錐台の外殻であり得る。遮蔽体６６と管１４の間の空間７０は、珪素樹脂のゴムなどの注封材料を埋め込むことができる。１つの態様では、この注封材料が、高い熱伝導率を有し、さらに窒化ホウ素などの高い熱伝導率の材料を含むことができる。
【００３６】
有利なことに、Ｘ線源１０はまた、陽極３０、陰極３４、および陰極要素３８に電気的に結合された、７４によって示す電池式の高電圧電源または電池電源を含む。この電池電源７４は、陰極要素３８に電力を供給し、かつ陽極３０と陰極３４の間に電界を供給する。有利なことに、電池電源７４と省電力の陰極要素３８によって、Ｘ線源は実地応用例のために移動式にすることができる。
【００３７】
分析応用例では、Ｘ線放射強度を一定に維持することが重要である。したがって、この電源の特徴は、放出電流に比例する帰還によって維持される安定性にある。このような手段によって管抵抗率のドリフトはいずれも急速に中和されるので管電流は一定のままである。この電源は、米国特許第５，４００，３８５号に説明されているものと同様であるが、本発明では電源が小型でありかつ電池式である。
【００３８】
さらに、有利なことには、Ｘ線源１０は、全体を８０で示す陽極光学素子を含む。この陽極光学素子８０は、Ｘ線管１４内の陽極３０に位置し、陽イオンが逆に陰極要素３８に向かって加速されにくいようにゼロ電界領域を生成する。Ｘ線管１４は排気され、さらにゲッター２６を含み得るが、窓または標的５４に電子４０が衝突することによって、陽極３０が熱せられて残留気体分子の放出を引き起こす恐れがある。陰極要素３８からの電子４０は、窓または標的５４に衝突してＸ線５８を発生させるばかりでなく、熱せられた陽極３０からの残留気体を陽イオンにイオン化し得る。通常は、このような陽イオンが逆に陰極３４に向かって加速されることになって、陰極要素３８をスパッタ腐食する恐れがある。陰極要素３８は省電力要素なので、それは低質量を有し得る。したがって、陽イオンによるこのようなスパッタ腐食は、陰極要素を著しく損傷し、陰極要素の寿命に有害な影響を与える恐れがある。しかし、陽極光学素子８０によって陽極に生成されたゼロ電界領域は、陽イオンが逆に陰極要素３８に向かって加速されにくいようにするので、陰極要素のスパッタ腐食を受けにくくなり、陰極要素とＸ線管の寿命を延ばす。
【００３９】
陽極光学素子８０は、陽極３０および窓または標的５４に配置された細長い陽極管８４を含むことができる。この細長い陽極管８４の一端は、窓または標的５４に接触するか、またはその直近に位置し得る。陽極光学素子８０、したがって陽極管８４は、窓または標的５４、もしくは陽極３０と同じ電位にある。したがって、陽極管８４および陽極３０を接地することができる。ゼロ電界領域を陽極管の中空内に形成することができる。陽極管８４は、銀から作製可能であり、１．６ｍｍの内径を有し得る。陽極光学素子８０は、電子４０の発散ビームに対して作用し、電子を窓または標的５４に合焦する。陽極光学素子８０は、そのアパーチャ端と陰極の間に適正な距離を有することによって合焦可能である。合焦は、Ｘ線が放射される小さいスポットを生成するために、また迷走電子が管の内側を打つのを防止するためにも必要であり得る。たとえ迷走電子が管の内側を打っても、得られるＸ線放射は同じ材料から構成されている標的と同じ波長である。管８４は、延長部２２と端末部品５２を完全に突き抜けるべきである。上述のように、管８４は窓または標的５４まで完全に延長するか、またはそれに達するべきであり、そうでなければ望ましくない波長のハローがＸ線ビームの周囲に出現する恐れがある。
【００４０】
１つの態様では、陽極管８４および陽極３０が、出力スペクトルの汚染を防止するために、同じ材料を含むかまたは同じ材料から作製することができる。例えば、陽極３０および陽極管８４は、銀、パラジウム、タングステン、ロジウム、チタン、クロムなどから作製可能である。
【００４１】
陽極光学素子８０と省電力の陰極要素３８が協働して移動式Ｘ線源を提供することを理解されたい。省電力陰極要素３８は電池電源を可能にし、他方で陽極光学素子８０は省電力陰極を早期に腐食しにくいようにする。
【００４２】
Ｘ線源１０はまた、陰極３４の近くに配置された陰極光学素子９０を含むことができる。この陰極光学素子９０は、陰極３４と陽極３０の間に配置された円板を含む。アパーチャ９４は、この円板中に配置され、かつ陰極要素３８と窓または標的５４の間の進路に沿って位置合わせ可能である。ぎざぎざを円板中に形成してアパーチャを取り囲むことができる。この円板は金属から作製可能である。陰極光学素子９０は、ウェーネルト光学素子の一種であり得るが、その形状は内曲ウェーネルト（またはＩＲＷ）の逆である。陰極光学素子９０の電圧は、別個に制御可能であるが、本構成では陰極電位に維持されている。陰極光学素子９０は放出された電子流の発散を十分に制限するので、陽極光学素子８０または陽極管８４は、完全に発散するビームに存在する大きな光学収差を伴わずに電子を合焦することができる。コイル熱電子エミッタはヘアピン型に比べて大きいが、陰極光学素子のアパーチャが、陽極上に合焦可能な空間電荷の領域を露出する。実際に、このようなアパーチャと陽極光学素子のアパーチャは異なる電位にあり、それらは静電レンズを形成する。陽極での電子ビームの焦点は驚くほど緊密である。さらに、陰極光学素子が電子源を陽極に対して位置決めするので、この構成ではフィラメントを中心に位置決めする必要がない。
【００４３】
陽極光学素子および陰極光学素子８０および９０が備わっていないと、電子ビームは弱くなりかつ標的で拡散する。フィラメントによる放出電流の約３０％のみが実際に窓を打つにすぎない。対照的に、陽極光学素子および陰極光学素子が備わっていると、放出電流の６０％よりも多くが陽極標的を打つ。しかも、フィラメントは１対１に近い倍率で標的上に投影される。その結果、わずか０．３ｍｍの直径を有するスポットからＸ線が放射される。これは、典型的なＸ線源の大きさよりも遙かに小さい。さらに、Ｘ線は薄い窓の内部で生成されるので、Ｘ線の発生点と試料の間の距離は数ミリメートルほどの短さになり得る。別の態様では、ピアス型電子銃が陰極光学素子に取って代わることができる。有利なことに、Ｘ線管はＸ線が放射される陽極上に１ミリメートル未満のスポットを生成する。小型Ｘ線源は、微小ＸＲＦ応用例にとって重要であるばかりでなく、高分解能の撮像および高精度の結晶学に欠くことができない。
【００４４】
Ｘ線を望ましい方向に誘導するために、Ｘ線コリメータ１０２をＸ線管１４の端部上の陽極３０に配置することができる。このコリメータ１０２は、標的５４またはフィルタ６２上に配置可能である。コリメータ１０２は、それを貫通し、陰極要素３８から窓または標的５４に至る経路と位置合わせされた穴を含む。コリメータ１０２は、垂直な窓に対して大きな角度で抜け出すＸ線を遮断する。望ましくないＸ線波長の発生を防止するために、コリメータ１０２を銀で作製することができる。装置操作者が感電する恐れがないようにＸ線コリメータ１０２を大地電位に維持することができる。
【００４５】
上に説明した構成では、陽極のスペクトルには銀のＫα線とＫβ線、および驚くほど強力なＬ線ばかりでなく、加速電位およびその下方限界にも及ぶ制動放射による放射線を含むことが判明した。この低エネルギーの限界は、標的陽極中およびＸ線フィルタ中への吸収によって決定される。スペクトルは、バイアス電圧の大きさに応答する。Ｋ線とＬ線の強度比は、Ｋ線よりもＬ線をよく吸収する標的陽極の厚さによって変化する。スペクトルはまた、Ｘ線フィルタの材料と厚さを変更することによって、または前述のようにバランスフィルタ（ｂａｌａｎｃｅｄ  ｆｉｌｔｅｒ）を追加することによって調整可能である。
【００４６】
上で説明したように、陰極要素３８は熱電子エミッタであり得る。電子エミッタの他の種類も使用可能である。例えば、図５を参照すると、電界電子エミッタ１２０を使用することができる。この電界電子エミッタ１２０には位置調整枠１２４を含むことができる。この位置調整枠１２４はセラミックから作製可能である。位置調整枠１２４は端末キャップまたは取付板４２上に取り付けることができる。円板１２８を電界電子エミッタ１２０に重ねることができる。円板１２８は、電子を透過させるアパーチャを含むことができる。円板はステンレス鋼から作製可能である。電界電子エミッタの先端は、約１０−８ｍｍＨｇよりも大きい背圧を受けて動作すると破壊する恐れがあり、したがってＸ線管にはゲッターが推奨される。電源の陰極部分は、電界電子エミッタゲートに約８０ボルトを印加することができる。熱電子フィラメントとは対照的に、電界電子エミッタは、陽極に向かって放出される電流以外に、事実上電流を消費することはなく、したがってそれは管の他の部分を熱することはない。しかも、ゲート電圧は、高い電圧が残存している間、電子放出および引き続く非常に高い周波数のＸ線放射を制御するために、切換えまたは変調可能である。
【００４７】
電子エミッタの別の例として、電子を放出するために強誘電性固体を備えることができる。ここでも電源の陰極部分を適合させることができる。この場合は、電源はより高い電圧パルスを強誘電体に供給可能である。
【００４８】
金属先端アレイ、配列されたまたは電界電子放出表面になったゲート変調エミッタ、変調ゲートを備えたまたは備えていないカーボンナノチューブ、熱したランタンヘキサボライド（ＬａＢ６）などを含めて、他の電子エミッタを使用することができる。
上に説明したように、Ｘ線源１０はその長手軸に沿ってＸ線５８を放射するように構成されている。陰極要素３８と窓または標的５４はＸ線管１４の長手軸に沿って位置合わせされる。陽極光学素子８０と陰極光学素子９０も同様に長手軸に沿って位置合わせされている。
【００４９】
図４を参照すると、多くの態様で上に説明したＸ線源に類似する別のＸ線源１３０が示されているが、それは長手軸に対して横断方向に、すなわち、横方向にＸ線５８を放射するように構成されている。Ｘ線源１３０は、Ｘ線回折応用例のために、銅などの金属のより大質量の塊を含む標的または標的材料１３４を備える陽極３０ｂを含む。他の導電性標的も使用可能である。標的１３４は、電子４０の経路またはＸ線管１４の長手軸に対して鋭角または鈍角（直角に対して）に配向した角度付き表面１３８を有することができる。この角度付き表面１３８は、Ｘ線５８を長手軸に対して横方向すなわち横断方向に誘導する。窓１４２は、陽極３０ｂ中に形成するかまたはそれに配置可能であり、標的からのＸ線が窓を通過するように、角度付き表面１３８に隣接する陽極側面上に位置決め可能である。ベリリウムを含む材料で窓を作製することができる。窓は他の材料からも作製可能であり、その窓に銅電子放出のためにβ線フィルタとなるニッケルなどのフィルタ材料を被覆する。
【００５０】
Ｘ線源１３０はまた、上に説明したゼロ電界領域を生成するために陽極光学素子８０ｂを有することができる。この陽極光学素子８０ｂは、延長部２２ｂおよび／または端末部品を貫通して形成した軸穴を含むことができる。
【００５１】
Ｘ線ヘッドの操作を容易にし、かつヘッドを長く狭い空間に挿入できるように、柔軟な電線によってヘッドを高電圧電源に接続することができる。別法として、ヘッドを電源と一体形成して電線が露出しない単一ユニットに作製する。ヘッド／電源の組合せは、中程度の大きさの空間には十分に小型である。図６を参照すると、一体型Ｘ線ユニット１５０は、電線によってヘッドを電源に接続しないで、単一ユニットにするために電源１５４に埋め込んだＸ線源１０または１３０を含むことができる。この電源１５４を電池に電気的に結合することができる。
【００５２】
管寿命を延ばすために、管の電源を入れたときに以下のような手順を踏む。すなわち、
１）高電圧のバイアスを印加し、次いで、
２）陰極構造が熱衝撃を受けないようにフィラメント電流を少なくとも数ミリ秒にわたって増加させる。
【００５３】
性能向上のために、本発明の構成要素によって相乗効果を発揮させる。例えば、熱電子エミッタを有する典型的な透過型管では、許容できない窓の加熱および深刻な電圧不安定が生じる恐れがある。しかし、本発明のＸ線管は、以下の特徴の相互作用によって安定的かつ低温である。すなわち、
１）管の端部が円錐であることおよびＸ線源と試料の間隔が近接していることによって、管は非常に小さいＸ線束で働く。
２）陽極窓は、薄いが高熱伝導性を有し、かつこの窓は周囲の空気によって十分に冷却するので、液体冷却、強制空気、管外側上の吸熱板などの必要性がない。
３）小さいＸ線束が可能であるので、陰極は、小型で堅牢になり、かつ異常に低い温度で動作可能であり、したがってその寿命がかなり延びる。
４）透過型管の抵抗率の典型的な変動を放出電流からの帰還を使用することによって補償してフィラメント電流を調整するので、十二分の安定性の水準が備わる。
【００５４】
電源は、高いＤＣバイアス電圧を供給することに加えて電子エミッタに適合しているべきである。例えば、熱電子エミッタはフィラメントを熱するために電流が必要である。電界電子エミッタは電子を取り出すために６０から８０ボルトを要し、強誘電性源には高電圧パルスが必要である。
【００５５】
強誘電性電子エミッタが有望なことは示されているが、やや費用がかかり、かつ移動応用例では信頼性に欠ける。熱電子エミッタは、約１０−５ｍｍＨｇまでの背景ガス圧に対する不活性などのいくつかの利点を有する。
【００５６】
しかし、熱電子エミッタは、フィラメント電流のための電源が必要であり、フィラメントによって熱が発生し、また電子放出を増やすために高温で動作するとフィラメントの寿命が限られる。時間単位の寿命は、ｔ  ３２／ρ０（ρ０は温度制限電流密度）によって適切に推定可能である。さらに、フィラメントは分散放射源であるが、理想的な電子源は点放射源（または少なくとも非常に小さい放射源）である。フィラメント線は「Ｖ字」に曲がっているのが典型である（ヘアピンフィラメント）。それによって放出スポットが小さくなるが、そのために他の問題が生じる。曲がり部分の応力によってその近くに熱点が生じ、フィラメントの金属がこれらの領域ではより早く蒸発する。フィラメントの抵抗が高まり、それに応じて、電源が一定の電圧に維持されないと加熱電流が減少することになる。電源電流が絶えず変化すると、フィラメントの薄い箇所が益々高温になりかつ急速に薄くなり、破損が切迫することになる。しかし、発生器の電気インピーダンス（導線を含む）が線の３分の１の電気インピーダンスであれば、フィラメントはその寿命を通じて同じ温度を維持する。
【００５７】
別法として、熱電子エミッタの代わりに電界電子エミッタを使用することができる。電界電子エミッタは事実上熱を生成しないが、それには実質的により完全真空に近い真空を維持することが必要である。その場合でも、電子ビームによる残留ガスの衝撃によって生成されるイオンが放出表面を腐食するために、電界電子エミッタは鈍くなりかつ非効率になりがちである。あらゆる種類の電子エミッタの寿命は限られており、通常はエミッタが管破損の原因である。実用的な移動式Ｘ線管の生産には改良が必要である。
【００５８】
恐らく熱電子エミッタでは、また電界電子エミッタでは確実に、管真空を清浄にするためにゲッターが必要である。ゲッターは金属製が典型であり、これは、ゼロ電界領域中に配置されていないと管中の電界を歪めることになる。
【００５９】
以上に参照した配置は、本発明の原理の応用例を例示するものであることを理解されたい。本発明を図面に示し、本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態と併せて以上に説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく数多くの変更形態および代替配置を考案することができる。特許請求の範囲に記載した本発明の原理および構想から逸脱することなく数多くの変更がなされ得ることは当業者には明白である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明の１実施形態による移動式の小型Ｘ線源を示す側断面図である。  図１ｂは、図１のＸ線源を示す概略断面図である。
【図２】図１のＸ線源を示す部分側断面図である。
【図３】図１のＸ線源を示す部分側断面図である。
【図４】本発明の１実施形態による別の移動式の小型Ｘ線源を示す側断面図である。
【図５】図５ａは、本発明の１実施形態による移動式の小型Ｘ線源の電界電子エミッタを示す斜視図である。
【００６１】
図５ｂは、図５ａの電界電子エミッタを示す分解組立図である。
【図６】本発明の１実施形態による一体型電源を有する移動式の小型Ｘ線源を示す概略図である。
【図１】
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【図１ｂ】
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【図２】
2005523558.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図６】
2005523558.tif 000008
【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【国際調査報告】
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