(57)【要約】本発明はX線（３１）発生装置に関する。装置は真空空間（３）に収められた電子（２７）放射源（５）を有する。X線は、電子入射によって液体金属から放射される。液体金属は、放射源により放射された電子が液体金属に衝突する場所である狭窄部（１３）を流れる。狭窄部は、真空空間から狭窄部における液体金属を隔離しており、電子とX線を通す材料で構成される薄窓（２３）と、窓と対向する壁（２５）とによって仕切られている。本発明によると、壁（２５）は輪郭（ｐ）を有し、この輪郭は、狭窄部（１３）での液体金属圧力によって運転中に生じる窓の変形の結果、窓（２３）が有する輪郭（ｐ’）と適合している。従って、狭窄部は予め意図した断面積を有することが可能となり、窓の変形位置での流速低下、およびそれに伴って生じる過度の圧力増大を回避できる。
2005520289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空空間に収められた電子放射源と、電子入射の際X線を放射する液体金属と、前記放射源から放射された電子が液体金属に衝突する場所である狭窄部に流れる液体金属流を生じさせるポンプ式手段と、を有するX線発生装置であって、前記狭窄部が、電子とX線を通す、前記真空空間から前記狭窄部を隔離する窓と、前記窓と対向する壁と、によって仕切られており、少なくとも運転中、前記壁が、前記狭窄部における液体金属圧力によって運転中に生じる前記窓の変形の結果、前記窓が有する輪郭と適合した輪郭を有することを特徴とするX線発生装置。
【請求項２】
前記壁が少なくとも1つの作動器によって変形可能であり、当該装置が、前記狭窄部における液体金属圧力を測定する少なくとも1つの圧力センサと、前記センサによって測定された圧力の関数として前記作動器を制御する制御部と、を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記作動器が圧電作動器であることを特徴とする請求項2に記載の装置。
【請求項４】
運転中に前記窓の変形が生じる場合、前記狭窄部が、流れ方向で見たとき、前記流れ方向において生じる流速低下によって、粘性流損失により生じる前記狭窄部での液体金属の圧力低下を、前記流速低下によって生じる前記圧力増加と実質上、一致させるように、増大された断面積を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項５】
前記装置が、流れ方向から見て連続した、収束部と、前記狭窄部と、分散部と、を有する液体金属の流経路を有するように提供されており、前記収束部の少なくとも1箇所の中心線が、前記狭窄部とつながる前記収束部を介して、運転中に前記窓の変形が生じた場合、前記狭窄部が有する中心線の曲率と一致する曲率を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項６】
前記装置が、流れ方向から見て連続した、収束部と、前記狭窄部と、分散部と、を有する液体金属の流経路を有するように提供されており、前記収束部が、前記狭窄部における液体金属の乱流を発生させる手段、または増大させる手段を有するように提供されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項７】
運転中の前記窓の変形の結果として前記狭窄部が有する中心線が、前記放射源から見て凸状であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項８】
前記窓が、前記放射源から見て凹状であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項９】
前記窓が波形部を有するように提供されていることを特徴とする請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
前記波形部が前記狭窄部における液体金属流の方向に伸びていることを特徴とする請求項9に記載の装置。
【請求項１１】
前記窓と対向する前記壁が、前記窓の波形部と一致し、かつ、流れ方向と垂直な方向で見たとき、前記窓の波形部の位置と一致する位置にある波形部、を有するように提供されていることを特徴とする請求項10に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、X線発生装置に関するものであって、装置が、真空空間に収められた電子放射源と、電子入射の結果としてＸ線を放射する液体金属と、放射源から放射された電子が液体金属に衝突する場所である狭窄部に流れる液体金属流を生じさせるポンプ式手段とを有し、前記狭窄部が、電子とX線を通し、真空空間から狭窄部を隔離する窓と、窓と対向する壁と、によって仕切られていることを特徴とするX線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
前述の種類のX線発生装置は米国特許第6185277-B1号明細書から知ることができる。従来装置の窓は比較的薄く、電子およびX線が透過する材料、例えばダイヤモンドまたはモリブデンで構成される。窓は真空空間が液体金属により汚染されることを防止する。従来装置の運転の間、液体金属、例えば水銀は、閉じた経路システムの一部を構成する狭窄部を通って流れる。放射源は電子ビームを発生し、このビームは窓を通過し、狭窄部内の衝突場所で液体金属に衝突する。電子ビーム入射の結果、液体金属により放射されるX線は窓および、真空空間を取り囲む蔽い内に提供されるX線放射窓を介して放射される。液体金属の狭窄部における流速は比較的大きく、前記流れは乱流である。結果として、電子ビームの液体金属への入射の結果、衝突位置で発生した熱は、効果的な方法で液体金属流によって衝突位置から分散する。その結果、衝突位置での液体金属温度の上昇は抑制され、液体金属を過度に昇温することなく、電子ビームを比較的高いエネルギーレベルにすることが可能となる。従来装置の閉じた経路システムはさらに液体金属を冷却する手段である熱交換器を有する。
【０００３】
従来のX線発生装置の欠点は比較的薄い窓が、運転中に、狭窄部における液体金属圧力によって変形してしまうことである。窓の変形の結果、変形位置では狭窄部の断面積は増大する。前記断面積の増大は、変形位置において液体金属の流速低下を引き起こす。ベルヌイ効果の結果により、前記流速低下は変形位置で液体金属の圧力増大を生じさせることになるが、液体金属の高密度化のため、その圧力増大は比較的大きい。前記圧力増大の結果、窓の更なる変形あるいは破損さえもが生じてしまう。
【特許文献１】米国特許第6185277-B1号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、前述の種類のX線発生装置を提供することであり、窓の変形の結果生じる狭窄部における液体金属の圧力増大が抑制あるいは回避され、その結果、窓の変形度合いが著しく抑制され、また窓の破損が極力回避されることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を実現するため、本発明に一致したX線発生装置には、以下のような特徴がある。すなわち、少なくとも運転中、前記壁は、狭窄部における液体金属圧力により生じる窓の変形の結果として窓が運転中に有する輪郭に適合した輪郭を有する。
【０００６】
本発明は、液体金属圧力の影響下での窓の変形は以下の理由により避けられないとの洞察に基づくものである。すなわち窓は電子を十分に透過させるため比較的薄くしなければならず、また窓の片側には真空部が存在しているからである。本発明によれば、窓と対向する壁は、窓が運転中、窓の変形の結果として有する輪郭と適合する輪郭を有するため、窓が変形した状態での狭窄部の断面積を、運転中に、意図した所望の断面積、すなわち窓が変形せず、壁が前記輪郭になっていなかったなら狭窄部が有したであろう断面積、と実質上一致させることが可能となる。その結果、変形位置での流速および液体金属圧力は意図した、すなわち窓が変形せず壁が前記輪郭を有していたなら液体金属が有したであろう流速および圧力と実質上一致する。従って窓の変形位置での液体金属の圧力増大は著しく抑制あるいは回避され、結果として、窓の変形度合いおよび窓の破損の危険性は著しく低減する。
【０００７】
請求項1の「適合する」という言葉は「同一である」あるいは「一致する」ことに制限されることを意図するものではないことに留意する必要がある。従って本発明は、狭窄部が運転中に流れ方向で見たとき一定の断面積を有する実施例のみを範囲として含むものではなく、狭窄部が運転中に流れ方向において所定の意図した方法で変化する断面積を有する実施例をも範囲として含む。従って「適合する」という表現は通常、窓と対向する壁の輪郭が、変形した窓の輪郭と近似的に合うように、あるいは一致するように以下の方法で定められていることを表わすことを意図する。すなわち窓が変形した状態にある狭窄部での断面積が、運転中、流れ方向で見たとき、意図した断面積、すなわち窓が変形せず、壁が前記輪郭になっていなかったなら狭窄部が有したであろう断面積、と実質上一致するような方法、および一致するように変化させる方法である。
【０００８】
本発明による装置の特定の実施例においては、前記壁が少なくとも1つの作動器によって変形可能であることに特徴がある。装置は狭窄部において液体金属圧力を測定する少なくとも1つの圧力センサ、およびセンサによって測定された圧力の関数として作動器を制御する制御部を有する。本実施例において作動器は例えば以下のように制御され、その結果、窓と対向する壁には制御された輪郭が与えられる。すなわちセンサで測定された圧力が意図した圧力、すなわち窓が変形せず、壁が前記輪郭を有さなかったなら液体金属が有したであろう圧力、に一致する値に維持されるように制御される。別の方法の場合、作動器は例えば、狭窄部における液体金属圧力を所定の安全値を超えないように制御される。複数のセンサを使用し、狭窄部の複数の位置において圧力が測定できること、および複数の作動器を使用し、窓と対向する壁の輪郭が、圧力の測定された各位置において微調整できることが好ましい。
【０００９】
本発明による装置のさらに別の実施例では前記作動器が圧電作動器であることに特徴がある。圧電作動器は、窓と対向する壁に比較的小さく、正確な変形を生じさせるのに適しており、壁の輪郭を極めて正確に調整することができる。さらに圧電作動器は圧力センサとしても使用でき、装置構造を著しく単純化できる。
【００１０】
本発明による装置の特定の実施例においては、運転中に窓の変形が生じた場合、狭窄部が以下のような断面積を有することに特徴がある。すなわち狭窄部は、流れ方向において流速低下が生じた際、粘性流損失によって生じる狭窄部での液体金属の圧力低下が、前記流速低下によって生じる前記圧力増大と実質上、一致するように、流れ方向で見て増大する断面積を有する。狭窄部が流れ方向で見て一定の断面積を有する場合、液体金属は実質上、流れ方向において一定の速度で狭窄部を通り、液体金属圧力は、粘性流損失の結果、流れ方向で低下する。その結果、狭窄部全体で液体金属の定常流を維持するために必要なある最小圧力を狭窄部出口で得るため、狭窄部入口では比較的高い圧力が必要となる。狭窄部入口での前記高圧力およびそれに伴う狭窄部入口と出口間の圧力勾配は窓に大きな機械的負荷を与え、それにより窓の破損の危険性が著しく増大する。本特定の実施例では、窓と対向する壁の輪郭は、運転中に窓の変形が生じた場合、粘性流損失によって生じる流れ方向での液体金属の圧力低下が、断面積の増大およびこれに伴う流速低下によって生じた流れ方向での圧力増大によって実質上、相殺されるように定められる。前記圧力増大はベルヌイ効果の結果生じる。その結果、液体金属圧力は、狭窄部全体で実質上、一定となり、液体金属を適正な流速にすることによって、比較的低いレベルに維持される。結果として窓の機械的負荷は比較的小さくなる。
【００１１】
本発明による装置の特定の実施例では、以下の液体金属の流経路を有する装置が提供されることに特徴がある。すなわち、装置は、流れ方向で見て連続した、収束部と、前記狭窄部と、分散部とを有し、前記収束部の少なくとも1箇所の中心線は、狭窄部とつながる収束部を介して、運転中に窓の変形が生じた場合、狭縮部が有する中心線の曲率と適合した曲率を有している。運転中、窓が変形した場合、変形した窓と、窓と対向する輪郭を定められた壁とによって仕切られた狭窄部は流れ方向で見て湾曲する。結果として湾曲した流れが狭窄部に存在する。湾曲した流れには、流れが、遠心力によって生じる主流方向と交差する方向の成分を有するという利点がある。前記交差成分の結果、衝突位置において生じた熱はより効果的に狭窄部を流れる液体金属に分散し、衝突位置からの放熱を改善できる。狭窄部とつながる収束部を介する、収束部の少なくとも1箇所の中心線は、狭窄部の中心線の曲率と適合する曲率を有するため、狭窄部における湾曲した流れは既に収束部で生じている。その結果、狭窄部においてさらに顕著となる湾曲した部分での流速、特に前記交差成分の速度、が著しく増大するため、衝突位置からの放熱はさらに改善される。
【００１２】
本発明による装置の特定の実施例では、以下の液体金属の流経路を有する装置が提供されることに特徴がある。すなわち、装置は、流れ方向で見て連続した、収束部と、前記狭窄部と、分散部とを有し、収束部は狭窄部において液体金属流に乱流を発生させまたは増大させる手段を有するように提供される。狭窄部における液体金属流の前記乱流または乱流増大の結果、衝突位置において生じた熱は、より効率的に狭窄部を流れる液体金属流に分散され、衝突位置からの放熱はさらに改善される。
【００１３】
本発明による装置の特定の実施例では、運転中の窓の前記変形の結果、狭窄部が有する中心線が放射源から見て、凸状であることに特徴がある。本実施例では窓、および窓の下方の比較的近距離に存在する衝突位置は、湾曲した狭窄部の外径部に置かれている。前記外径部での主流方向における局部流速は、液体金属が遠心力により前記外径方向に向けられるため、比較的大きくなる。その結果、衝突位置での放熱はさらに改善される。
【００１４】
本発明による装置の特定の実施例では窓が放射源から見て凹状であることに特徴がある。本実施例では窓は湾曲した狭窄部の内径部に置かれている。湾曲した狭窄部における液体金属流に働く遠心力が、湾曲した狭窄部の外径方向、すなわち内径部から離れる方向に働くため、窓に加わる機械的負荷および窓の破損の危険性はさらに抑制される。
【００１５】
本発明による装置の別の実施例では波形部を有する窓が提供されることに特徴がある。前記波形部により窓の機械的強度は改善される。この方法において窓は損傷または破損から、より保護される。特に装置が起動あるいは停止する際、狭窄部における液体金属圧力を、通常運転時の値よりかなり高い値にまで上昇させることができる。
【００１６】
本発明による装置のさらに別の実施例では前記波形部が狭窄部における液体金属の流れ方向に伸びていることに特徴がある。この方法において波形部は窓の位置で流れに不規則性を生じさせないため、衝突位置からの放熱は波形部の存在には、ほとんど影響されないか、あるいは全く影響されない。その上、本実施例においては波形部の存在の結果、狭窄部における流損失の増大が抑制される。
【００１７】
本発明による装置の別の実施例では、窓と対向する壁が波形部を有するように提供されることに特徴がある。この波形部は、窓の波形部と一致しており、流れ方向と垂直の方向で見たとき、窓の波形部と同位置に置かれている。この方法においては、窓と、窓と対向する壁の間の局部的距離は、流れ方向と垂直な方向で見て、波形部の有無に影響されない。その結果、波形部の存在は狭窄部の断面積には影響を及ぼさず、従って液体金属の主流速および圧力に局部的な偏りは生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図1には本発明によるX線発生装置の第1実施例の主要構成部のみが概略的に示されている。装置は放射源5または電子放射用カソードを収容する真空空間3を囲む蔽い1を有する。装置はさらに閉じた経路システム7を有し、これは入口経路9、収束部11、狭窄部13、分散部15、出口経路17、熱交換器19および水圧ポンプ21を有する。経路システム7には電子入射の際X線を放出する特性を持つ液体金属が満たされている。示された実施例において液体金属はGa、InおよびSnの合金であるが、室温で液体である他の種類の金属あるいは合金、例えばHgを使用しても良い。狭窄部13は、電子とX線を通す窓23、および窓23と対向する壁25によって仕切られている。示された実施例において窓23は比較的薄いダイヤモンド板であるが、例えばMoのような電子とX線を十分に通す他の種類の材料を使用しても良い。窓23は狭窄部13を真空空間3と隔離し、これにより真空空間3が液体金属の粒子によって汚染されることを防止している。
【００１９】
装置運転中、液体金属は水圧ポンプ21によって狭窄部13を通って流れる。示された実施例において、水圧ポンプ21は従来型のものであるが、別の適切なポンプ式手段、例えば電磁式流体ポンプ等を代わりに利用しても良い。狭窄部13は比較的小さな断面積を有しており、狭窄部13における液体金属流は比較的高流速であって、乱流となっている。放射源5は電子ビーム27を生じ、これは窓23を通り狭窄部13の位置29で液体金属に衝突する。液体金属への電子ビーム27の入射の結果、X線31が衝突位置29で発生する。従って、狭窄部13の液体金属はX線発生装置のアノードを構成する。X線31は窓23、および蔽い1内に設けられたX線放射窓33を介して放射される。
【００２０】
液体金属に電子ビーム27が入射したときの別の結果として、衝突位置29において多量の熱が発生する。この熱は衝突位置29から狭窄部13における液体金属流による効果的な方法で分散され、熱された液体金属はその後、再び熱交換器19で冷却される。このようにして、衝突位置29および狭窄部13の周囲での液体金属の過度の昇温は回避される。狭窄部13における液体金属流によって、衝突位置29から比較的高速の放熱が実現され、その結果比較的高エネルギーレベルのX線31が得られる。
【００２１】
運転中、狭窄部13において液体金属の十分に大きな流速を得るため、ポンプ21は比較的高圧の液体金属を生じる。示された実施例において、入口経路9において50-60bar程度の圧力が発生し、狭窄部13において50m/s程度の流速が得られる。示された実施例において狭窄部13は高さ、すなわち窓23と壁25との間の距離は近似的に400μmであり、流れ方向における長さは約1.5mm、流れ方向と垂直な幅は約10mmである。収束部11におけるベルヌイ効果の結果、狭窄部13での圧力は1bar程度である。分散部15におけるベルヌイ効果の結果、経路出口17における圧力は40-50bar程度であり、これは、粘性流損失のため、経路入口11圧力よりも低くなっている。
【００２２】
狭窄部13における液体金属圧力の影響の下、窓23は変形を受ける。窓23の変形は避けられない。これは窓23は電子とX線を十分に透過させるため比較的薄くしなければならず、また液体金属を隔てた窓の片側には真空部が存在しているためである。図1の実施例において窓23の中央部での最大変形は30μm程度である。窓23’と対向する壁25’が平坦であれば、本発明に含まれない装置の狭窄部13’を概略的に表わした図2に示すように、窓23’の変形は狭窄部13’の変形位置での断面積を増大させる。前記断面積の増大は流速の低下につながり、ベルヌイ効果の結果、変形位置での圧力は増大する。前記圧力増大は、液体金属の高密度化の結果、比較的大きくなる。典型的な密度を8000kg/m3程度とした場合、図2においてdで表されている、窓23’中央部の最大変形の位置では10bar程度の圧力増大となる。このような圧力増大は窓23’にさらに許容できない変形を生じさせ、窓23’の破損に至ることもある。
【００２３】
窓23の変形の結果として生じる狭窄部13における液体金属の圧力増大を抑制あるいは防止するため、窓23と対向する壁25は、図3に示されるような輪郭pを有する。これは、窓23が有する、運転中に狭窄部13における液体金属圧力によって生じる窓23の変形の結果、生じる輪郭p’と一致する。示された実施例において、壁25は比較的厚く、また比較的低いX線透過性を有する材料で構成されており、そのため壁25の輪郭pは変化しない。壁25の輪郭pは、仮に窓23に加わる圧力が仮想の平坦な狭窄部、すなわち未変形の平坦な窓と、窓と対向する平坦な壁とに仕切られた狭窄部、における圧力と一致したなら窓23が有したであろう輪郭と一致する。輪郭pは例えば、数値計算によって予め定めることができる。このような方法で、運転中窓23が図3に示すような変形状態にあるときの狭窄部13の断面積を、前記仮想の平坦な狭窄部の断面積、すなわち流れ方向Ｘで一定な狭窄部13の断面積、と実質上一致させることが可能となる。その結果、窓23の変形位置での液体金属の流速および圧力は、前記仮想の平坦な狭窄部における流速および圧力と実質上一致し、それにより窓23の変形位置での液体金属の圧力増大を抑制したり、あるいは生じなくさせたりすることができる。
【００２４】
図4には本発明によるX線発生装置の第2実施例の狭窄部35を示す。図1および3に示した第1実施例の構成部と一致する第2実施例の構成部は同じ参照番号で示されている。狭窄部35を除き、第2実施例は実質上、第1実施例と一致し、従って第2実施例の他の構成部は図には示されず、説明されていない。狭窄部35において窓23と対向する壁25は輪郭p1を有する。この形状は、狭窄部35における液体金属圧力によって生じる窓23の変形の結果、窓23に生じる輪郭p1’とは実質上一致しないが、狭窄部35の断面積が流れ方向Ｘに対して徐々に増大するように、変形された窓23の輪郭p1’と適合している。従って、狭窄部35の入口37での断面積A1は、窓23の中央部における最大変形d位置での断面積A2よりも小さく、また前記断面積A2は狭窄部35の出口39での断面積A3よりも小さくなっている。狭窄部35における粘性流損失がゼロである場合、前記断面積増大の結果、流速は流れ方向Xで徐々に低下し、またベルヌイ効果の結果、液体金属圧力は流れ方向Xで徐々に増大する。壁25の輪郭p1、および窓23の変形状態の結果として生じる狭窄部35の流れ方向Ｘにおける断面積の増大によって次のことが生じる。すなわち、狭窄部35において粘性流損失によって生じる流れ方向Ｘでの液体金属の圧力低下が、ベルヌイ効果によって生じる流れ方向Xでの圧力増大と実質上一致し、従ってこれによって実質上、相殺される。その結果、狭窄部35における液体金属圧力は流れ方向Ｘで実質上一定となり、窓23は均一な機械的負荷を受けることとなる。本実施例においては、経路システム7全体寸法の適切な設計、および液体金属の適正な流速によって、運転中、狭窄部35全体を、比較的低く、均一な1barより低い圧力に維持することが可能であり、窓23の機械的負荷はさらに低減されることとなる。この圧力は、凹凸のない窓、および上流方向において窓に対して漸近している、窓と対向する壁によって仕切られた、仮想の狭窄部における圧力と一致する。
【００２５】
図5には本発明によるX線発生装置の第3実施例の狭窄部41を示す。図4に示した第2実施例の構成部と一致する第3実施例の構成部は同じ参照番号で示されている。狭窄部41を除き、第3実施例は実質上、第2実施例と一致し、従って第3実施例の他の構成部は図には示されず、説明されていない。狭窄部41において窓23と対向する壁43は、前述の第1および第2実施例における壁25のような、固定の輪郭を有していない。壁43は比較的薄い金属板45の表面であり、示された実施例ではこの厚さは200μmである。板45、従って壁43でもあるが、これは多数の圧電作動器47により主流方向Xを横断する方向での変形が可能である。この作動器は板45の下方で密閉チャンバ49に収められている。未変形状態においては、壁43は第2実施例の壁25の輪郭p1とおおよそ一致する輪郭p2を有している。従って第2実施例における壁25のように、輪郭p2は変形した窓23のp1’と以下のように適合している。すなわち、狭窄部41における粘性流損失によって生じる流れ方向Xでの液体金属の圧力低下が、流れ方向Xにおける狭窄部41の断面積増大によって生じるベルヌイ効果の結果、流れ方向Xにおける圧力増大とほぼ一致し、これによって相殺される。
【００２６】
第3実施例はさらに、狭窄部41において圧力センサによって測定された液体金属圧力の関数として作動器47を制御する制御部51を有する。示された実施例において、圧電作動器47は圧力センサとしても用いられる。作動器47は、作動器47で作用する圧力に対応した電気信号uP,iを定期的に制御部51に供給し、制御部51は信号uP,iに反応して制御部51により定められた、作動器47の変形に対応した電気信号uD,iを定期的に供給する。信号uD,iは、各作動器47により測定された狭窄部41での液体金属圧力が1barより小さな所定の値となるように、制御部51によって定められ、それにより壁43が輪郭p2’となるように変形する。従って狭窄部41において液体金属圧力を極めて正確な方法で、特に収束部11における液体金属圧力および流速との偏りに対し、ならびに例えば温度の差異によって生じる窓23の変形の偏りに対し、前記所定の値に維持することが可能となる。圧電作動器47は比較的小さくかつ正確な変形を壁43に発生させるのに適しており、この場合、壁43の輪郭p2’は極めて正確に調整することが可能である。さらに装置構造は比較的単純であり、作動器47で所要の圧力センサを構成することもできる。しかしながら本発明は、別々の圧力センサを用いて狭窄部41における液体金属圧力を測定すること、および別のタイプの作動器を用いること、の両方あるいはいずれか一方の実施例をも有することに留意する必要がある。本発明はまた、より少ない数の作動器および圧力センサ、あるいは、例えば窓23の中央部における最大変形dの位置で、1つの作動器と圧力センサのみを使用し、装置構造をさらに単純化した実施例も有する。本発明はさらに圧力センサの代わりに窓23の変形を測定するセンサを使用する実施例を有している。この実施例では作動器47は、運転中、窓23の変形を所定の意図した変形と一致させるように制御される。
【００２７】
前述の図1、3、4および5の実施例において、窓23は、運転中の窓23の変形の結果、放射源5および電子ビーム27から見て凸状になっている。これらの実施例において、窓23と対向する壁25、43の輪郭p、p1、p2’は変形した窓23の輪郭p’、p1’と一致または適合するため、壁25、43の輪郭p、p1、p2’、および狭窄部13、35、41が窓23の変形の結果有する中心線、もまた放射源5から見て凸状である。そのため狭窄部13、35、41における液体金属流は運転中、湾曲しており、図3に示すように、窓23は湾曲した流れの外径R0の近傍に存在し、壁25は湾曲した流れの内径R1の近傍に存在することとなる。湾曲した流れ内では遠心力が液体金属に働き、これは液体金属を外径R0の方向に向かわせ、これによって主流方向Xと交差する方向における流れ成分が生じる。結果として、図3に示すように主流方向Xにおいて局部流速VLは外径R0近傍では比較的大きくなる。衝突位置29は変形した窓23の下方の比較的小さい距離、すなわち局部流速VLが比較的大きい外径R0近傍、にあるため、衝突位置29からの放熱は凸状に湾曲した流れによって著しく改善される。
【００２８】
図6には本発明によるX線発生装置の第4実施例の収束部53、狭窄部13および分散部55を示す。図1および3に示した第1実施例の構成部と一致する第4実施例の構成部は同じ参照番号で示されている。狭窄部53および分散部55を除き、第4実施例は実質上、第1実施例と一致し、従って第4実施例の他の構成部は図には示されず、説明されていない。第4実施例の狭窄部13は図3に示された第1実施例の狭窄部13と一致するが、第2実施例の狭窄部35あるいは第3実施例の狭窄部41のような、本発明の範囲内の別の狭窄部を代わりに使用しても良い。図6にはさらに狭窄部13の中心線57が示されているが、これは放射源5および電子ビーム27から見て凸状になっている。運転中に生じる窓23の凸状の変形のためである。第4実施例において、収束部53は位置59を有しており、狭窄部13はこの位置59を介して収束部53につながっている。図6に示されるように前記位置59は湾曲した中心線61を有し、この線は、運転中に窓23に変形が生じた際に狭窄部13が有する中心線57の曲率と適合している。その結果、狭窄部13における湾曲した流れの曲率と一致した曲率を有する湾曲した流れは、収束部53の位置59においても存在する。このように狭窄部13における湾曲した流れは収束部53の位置59で予め発生することになる。結果として主流方向Xと交差する方向における流れの成分は、狭窄部53の位置59で予め発生し、狭窄部13においてさらに増大するため、外径R0近傍の狭窄部13における局部流速VLはさらに増大し、これによって衝突位置29からの放熱もさらに増大する。
【００２９】
図6に示す第4の実施例において分散部55は位置63を有し、狭窄部13はこの位置63を介して分散部55とつながっている。前記位置63は、収束部53の位置59の中心線61のような、狭窄部13の中心線57と適合する曲率を有する中心線65を有する。その結果、狭窄部13における湾曲した流れは、分散部55の前記位置63において部分的に維持される。その結果、狭窄部13における湾曲した流れは実質上、分散部55の存在による影響を受けない。しかしながら、本発明は、収束部53の位置59の中心線61の曲率のみが狭窄部13の中心線57の曲率と適合する実施例も範囲に含むことに留意する必要がある。この実施例においては、狭窄部13の出口近傍における湾曲した流れは、分散部55の存在により、わずかに影響を受ける場合があるが、狭窄部13の比較的広い位置において、湾曲した流れによる効果はなお得ることができる。
【００３０】
前述のように、狭窄部13、35、41における液体金属の流速は、狭窄部13、35、41における液体金属の流速が乱流となるような値を有する。乱流の結果、電子入射の際、衝突位置29で発生した熱は、狭窄部13、35、41を流れる液体金属全体に、特に主流速Xと交差する方向において、効果的に分散するため、衝突部29からの放熱は改善される。図6に示される第4実施例においては、収束部53、および特に収束部53の位置59には、狭窄部13における液体金属の乱流を増大する手段が提供され、衝突部29からの放熱はさらに改善される。示された実施例において、乱流増大のための前記手段は、収束部53および位置59に等間隔に置かれた多数のロッド（rod）67を有する。前記ロッド67の代わりに乱流を増大させる他の適切な手段を利用してもよいことに留意する必要がある。そのような手段は、図1、3、4および5に示された本発明の他の実施例に利用することも可能である。図6の実施例においては、主流方向Xと交差する方向の熱の分布は、狭窄部13における、湾曲した流れの特徴であるいわゆるTG（Taylor-Goertler）渦の存在によりさらに改善される。湾曲した流れは収束部53の位置59に予め存在するため、前記渦は位置59において予め発生しており、狭窄部13においてさらに増大する。示された実施例において、ロッド67の間隔は運転中、前記TG渦の周期と実質上、一致する。この方法においては、ロッド67は狭窄部13における液体金属の乱流を増大させるのみならず、狭窄部13におけるTG渦をも増大させる。その結果、主流方向Xと交差する方向の熱の分布はさらに改善される。
【００３１】
図7は本発明によるX線発生装置の第5実施例の収束部69、狭窄部71および分散部73を示す。図1および3に示した第1実施例の構成部と一致する第5実施例の構成部は同じ参照番号で示されている。収束部69、狭窄部71および分散部73を除き、第5実施例は実質上、第1実施例と一致し、従って第5実施例の他の構成部は図には示されず、ここでは説明されない。第5実施例において、狭窄部71は窓75によって仕切られており、この窓75は、窓75が未変形の状態、および運転中の狭窄部71における液体金属圧力により変形した状態、いずれの場合も放射源5から見て凹状になっている。狭窄部71はさらに、窓75と対向する壁77によって仕切られている。前記壁77は固定の輪郭p3を有し、この輪郭p3は、運転中、狭窄部71における液体金属圧力による窓75の変形の結果、窓75が有する輪郭p3’と一致する。従って図3に示された第1実施例のように、狭窄部71の断面積は主流方向Xにおいて実質上、一定である。しかしながら、壁77は別の輪郭を有するように提供されても良いことに留意する必要がある。すなわち、壁77は、運転中、異なった所定の断面積、例えば図4の実施例のように、主流方向Xにおいて増大する断面積、が得られるような方法で、変形した窓75の輪郭と適合させても良い。壁77の輪郭p3は変形した窓75の輪郭p3’と一致あるいは適合するため、狭窄部71の中心線79もまた、運転中、放射源5から見て凹状であり、狭窄部71において、凹状に湾曲した液体金属流が存在する。その結果、窓75は湾曲した流れの内径近傍に存在し、壁77は湾曲した流れの外径近傍に存在することとなる。この方法において、狭窄部71における湾曲した液体金属流にかかる遠心力は、壁77の方向、すなわち窓75から反対の方向を向く。例えば、狭窄部71における平均流速を50m/s、液体金属の密度を約8000kg/m3、窓75と壁77間の距離を約250μm、中心線79の曲率を約10mmとすると、遠心力によって壁77には約5barの追加圧力がかかることとなる。この方法において、前記遠心力によって窓75に付加される機械的負荷が回避され、窓75の破損の危険性はさらに低減される。
【００３２】
図7に示される第5実施例において、運転中に液体金属によって窓75にかかる圧力は1bar以下であり、特に狭窄部71の断面積が主流方向Xにおいて増大する場合には、流損失によって生じる主流方向Xにおける圧力低下は、ベルヌイ効果によって生じる主流方向Xでの圧力増大によって、実質上相殺される。しかしながら装置が起動あるいは停止する際、窓75の圧力は1bar以上にまで上昇する場合がある。窓75の過度の変形を抑制するため、特に装置が起動あるいは停止する際には、図8に示されるように、窓75は複数の波形部81を有するように提供される。示された実施例において、波形部81は、主流方向Xにおいて相互に平行に伸びており、この方向は図8の図面の面と垂直な方向である。この方法において窓75の位置での液体金属流の、流れの分離のような不規則性は、極力回避され、その結果、衝突位置29からの放熱は、波形部81の存在にはほとんど影響されないか、あるいは全く影響されないこととなる。また波形部81の存在の結果、狭窄部71における流損失の増大が抑制される。示された実施例において各波形部81は約100μmの高さhと、約100μmの幅wを有し、波形部81の間隔Pは約1mmである。波形部81の存在によって、窓75の機械的剛性は著しく改善され、狭窄部における液体金属圧力の存在の影響の下、窓75の変形は抑制され、特に装置の起動あるいは停止の際における窓75の損傷または破損の危険性が、さらに低減される。図8に示された実施例において、窓75と対向する壁77は複数の波形部83を有するように提供され、この波形部83は窓75に付与された波形部81と一致する。すなわち波形部83の形は波形部81の形と等しく、波形部83の位置は、主流方向Xに垂直な方向Yから見て、波形部81の位置と一致している。この方法において、窓75と壁77間の局部的な距離、すなわち波形部71の局部的な高さは波形部81の存在に影響されない。その結果、波形部81の存在は狭窄部71の断面積に影響を及ぼさず、従って狭窄部71における液体金属の主流速、および圧力に局部的な偏りは生じないこととなる。
【００３３】
凹状の窓75を有する図7の実施例において、狭窄部71における液体金属圧力の影響下での窓75の座屈変形を防止する上で、波形部81は特に適している。図3、4、5および6に示された、窓23が凸状の実施例において、波形部81と同様の波形部、あるいは窓の剛性を増大させる代替構造を利用しても良いことに留意する必要がある。これらの実施例においては、窓23は凸状であり、窓23の座屈変形は生じないが、液体金属圧力の影響下での窓23の変形、特に窓23の伸びを抑制することに波形部を利用することができる。図7の実施例における窓75は、波形部81の代わりに、窓75の座屈変形を防止する代替構造を有するように提供されても良い。図9は、装置の起動あるいは停止の際、窓75の座屈変形あるいは変形を防止する代替解決法を概略的に示す。波形部81は主として、装置の起動から停止までの間における窓75の座屈変形あるいは変形を防ぐために必要となるため、この解決法は波形部81と合わせて、あるいは波形部81の代わりに、利用しても良い。前記解決法では、窓75が変形していないときの輪郭と一致する輪郭を有する凸状の表面87を有する、プラグ（plug）85を利用する。プラグ85は、凸状表面87が窓75と接するように置くことができる。この目的の場合、装置は、図には示されていない電気機械式設置装置とともに提供される。プラグ85は、装置の起動あるいは停止の際、窓75と接する位置に置かれる。プラグ85は、装置が起動して狭窄部71における液体金属圧力が装置の運転値である1bar以下に到達するまでの極力長い時間、窓75と接した状態に保持される。圧力が装置の運転値に到達したとき、プラグ85は前記設置装置によって取り除かれる。装置が停止する前に、すなわち狭窄部71における液体金属流が減速する前に、プラグ85は設置装置によって窓75と接する位置に戻される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるX線発生装置の第1実施例を概略的に示す図である。
【図２】図1と同様の装置であるが、狭窄部を仕切る輪郭を定めることのできない壁を有する狭窄部を示す図である。
【図３】運転中の図1の装置の輪郭を定められた壁を有する狭窄部を示す図である。
【図４】本発明によるX線発生装置の第2実施例の、運転中に輪郭を定められた壁を有する狭窄部を示す図である。
【図５】本発明によるX線発生装置の第3実施例の、運転中に輪郭を定められた壁を有する狭窄部に示す図である。
【図６】本発明に一致したX線発生装置の第4実施例の、運転中の収束部、狭窄部および分散部を示す図である。
【図７】本発明に一致したX線発生装置の第5実施例の、運転中の収束部、狭窄部および分散部を示す図である。
【図８】図7のVIII-VIII線に沿った断面を示す図である。
【図９】狭窄部を仕切る窓の座屈変形を防止する代替解決法を有する図7の装置を示す図である。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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