(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線は電子入射の結果、液体金属によって放射される。液体金属は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（１３）を流れる。狭窄部は電子とX線を通す材料からなる薄窓（２３）によって仕切られており、この窓は真空空間から狭窄部の液体金属を隔離している。本発明によると主流方向（Ｘ）で見たとき、狭窄部（１３）は、運転中、前記方向において生じる流速低下のため、粘性流損失により生じた前記方向での狭窄部における液体金属の圧力低下が、前記流速増大の結果ベルヌイ効果によって生じた前記方向での前記圧力増大に実質上一致するように、増大された断面積を有している。結果として、狭窄部における液体金属圧力は狭窄部全体を通じて均一で比較的低いレベルに維持され、それによって窓には運転中、均一で比較的小さな機械的負荷しかからない。このようにして窓の変形や窓の破損の危険性を著しく抑制できる。
2005519449.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狭窄部を通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、電子とX線を通す、前記真空空間と前記狭窄部を隔離する窓によって、仕切られた前記狭窄部が、流れ方向で見たとき、運転中、前記方向において生じる流速低下により、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、X線発生装置。
【請求項２】
窓と対向する狭窄部が、流れ方向と反対の上流方向で見たとき、窓に対して漸近する壁によって仕切られていることを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
【請求項３】
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、および前記装置が、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、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と、を有すること、を特徴とする請求項2に記載のX線発生装置。
【請求項４】
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3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狭窄部を通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線放射窓を介して発散する。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放熱される。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】
従来装置の運転中、狭窄部で十分に大きな液体金属流速を得るためのポンプ式手段によって、経路システムにおける狭窄部より上流側の部分では比較的高い圧力が発生する。前記高流速、およびいわゆるベルヌイ効果の結果、狭窄部における液体金属は、狭窄部より上流側で生じた圧力と比べて低い圧力を有する。従来装置の問題は、狭窄部における液体金属の圧力は比較的低いものの、窓が比較的薄いため、前記圧力の結果、窓の変形および破損さえもが生じるということである。
【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、狭窄部における液体金属圧力がより抑制され、前記圧力の結果として比較的薄い窓の変形が抑制され、また窓の破損が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線発生装置は、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、流れ方向で見たとき、運転中、前記方向において流速低下が生じる結果、粘性流損失によって生じる狭窄部での液体金属圧力の低下が、前記流速の低下によって生じた前記圧力増大と実質上、一致するように、増大させた断面積を有する。
【０００６】
本発明は、上記の従来装置の問題が主として、狭窄部における液体金属の局部圧力によって生じており、この圧力は狭窄部における主圧力レベルより著しく高くなっているとの認識に基づくものである。本発明はさらに、狭窄部における液体金属の局部圧力は、狭窄部における液体金属流の粘性流損失、および狭窄部における液体金属流の流速、の両方により決まるとの洞察に基づくものである。流れ方向で見て前記流速が一定である場合、これは狭窄部が流れ方向において一定の断面積を有する場合であるが、前記粘性流損失の結果、前記圧力は流れの方向において低下することになる。結果として、狭窄部入口では、狭窄部出口である最小圧力を得るため、比較的高い圧力が必要となる。なお前記最小圧力は、境界層分離または気化のような狭窄部出口での流れの不規則性を回避するために必要である。狭窄部の入口での前記高い圧力、およびそれと付随する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、その結果として、窓の変形および破損の危険性は著しく増大する。しかしながら本発明に一致した装置においては断面積は流れの方向で増大し、その結果、流速は前記方向で低下する。前記流速低下の結果として、粘性流損失がゼロであれば、液体金属圧力はベルヌイ効果により流れの方向で増加する。本発明に一致した装置において流れ方向での前記断面積の増大により、流速損失によって生じる上記の圧力低下が、ベルヌイ効果によって生じる上記圧力増大によって実質上相殺される。結果として狭窄部における液体金属圧力は実質上、狭窄部全体で一定となり、その結果、前記圧力を、狭窄部上流の液体金属の適切な流速および圧力によって、狭窄部全体において比較的低いレベルに維持できる。結果として、窓には均一かつ比較的小さな機械的負荷しかかからず、窓の変形は著しく抑制され、窓の破損は回避できる。
【０００７】
本発明に一致したX線発生装置の特定の実施例は、窓とは反対の側において狭窄部が、流れ方向と反対の上流方向で見たとき、窓に対して漸近する壁によって仕切られていることに特徴がある。本実施例では、狭窄部の流れ方向における断面積の増大は、狭窄部の高さ、すなわち窓と、窓と対向する壁間の距離を前記方向において増大することで実現される。従って狭窄部は比較的長い一定幅、すなわち流れ方向とは垂直で高さと垂直な比較的大きな範囲を有するように供される。この方法においては、狭窄部の幅と平行な方向に伸びるフォーカス線を有するX線を発生する装置が最適である。電子は狭窄部の幅と平行に伸びる衝突線で液体金属に衝突する。
【０００８】
本発明に一致したX線発生装置の別の実施例は、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、および当該装置が、狭窄部での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、センサで測定された圧力の関数として作動器を制御する制御部とを有すること、に特徴がある。本実施例においては、作動器は例えば、窓と対向する壁にある輪郭が与えられ、センサで測定された圧力が所定の目標圧力に一致したある値に維持されるように、または測定された圧力が所定の安全値を超えないように、狭窄部に断面積が与えられる、というような方法で制御される。複数のセンサを用いて圧力を狭窄部における複数の場所で測定できるようにすること、および複数の作動器を用いて窓と対向する壁の輪郭を圧力が測定される個々の場所において調整できるようにすること、が好ましい。この方法で、狭窄部全体において液体金属について意図した均一かつ低圧力化を適切な方法において実現することができる。
【０００９】
本発明に一致したX線発生装置のさらに別の実施例は前記作動器を圧電作動器とすることに特徴がある。圧電作動器は、窓と対向する壁の変形が比較的小さく、正確に生じる場合に適しており、狭窄部の断面積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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図1には本発明に一致したX線発生装置の第1実施例の主要な構成物のみが概略的に示されている。装置は、放射源5または電子放射カソードを収容する真空空間3を取り囲む覆い1を有する。装置はさらに入口経路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。閉じた経路システム7を有する。経路システム7には、電子入射の際、X線放射特性を有する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または金属合金、例えばHgを用いてもよい。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により仕切られている。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を有しているが、ここには電子とX線を十分に通す他の種類の材料、例えばMoを用いても良い。窓23は狭窄部13を真空空間13から隔離し、それによって真空空間3が液体金属粒子により汚染されることを防いでいる。
【００１１】
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。
【００１２】
液体金属に電子ビーム27が入射することによる別の結果として、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。
【００１３】
図2に示すように、本発明に一致した装置の第1実施例の狭窄部13は、主流方向Xから見て長さLcは約3mmであり、高さすなわち、窓23と壁25との間の距離は約200μmであり、さらに主流X方向および高さと垂直な方向から見て幅は約10mmである。狭窄部13の幅が相対的に長いのは、狭窄部13の幅と平行な方向、すなわち図2の図面に対して垂直な方向に伸びるフォーカス線を有するX線31を発生させるためである。従って衝突位置29も狭窄部13の幅と平行な方向に伸びる衝突線である。運転中、狭窄部13において十分に大きな液体金属流速を得るため、ポンプ21は狭窄部13から上流の経路入口9において比較的高い液体金属圧力を生じさせる。示された実施例においては、狭窄部13において50m/s程度の流速を得るため、経路入口では近似的に50-60barの圧力が発生する。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。
【００１４】
狭窄部13における液体金属は、狭窄部13における液体金属の粘性流損失、および狭窄部13における液体金属流の局部主流速の両方により定まる局部圧力を有する。前記局部主流速が主流X方向において一定のとき、すなわち、狭窄部13が一定の断面積を有する場合、粘性流損失の結果、前記局部圧力は主流X方向で低下する。前記粘性流損失がゼロであり、また主流方向Xにおける断面積の減少または増大の結果、前記局部主流速が主流方向Xで、それぞれ増大または低下した場合、前記局部圧力は、それぞれベルヌイ効果により低下または増大する。図2に示すように、窓23と対向する壁25は、主流方向Xと反対の上流方向で見たとき、窓23に対して漸近している。その結果、狭窄部13の高さおよび狭窄部13の断面積は主流方向Xに向かって次第に増大し、狭窄部13における液体金属の局部主流速は主流方向Xに向かって次第に低下する。前記断面積の増大およびそれに伴う局部主流速の低下によって次のことが生じる。すなわち、狭窄部13において粘性流損失によって生じた、実質上この損失分と同じである、液体金属の局部圧力低下が、局部主流速の低下およびベルヌイ効果により生じた前記局部圧力の増大によって実質上、相殺される。結果として、狭窄部13における液体金属圧力は実質上、狭窄部13全体で一定となる。前記圧力は、狭窄部13より上流の経路入口9における液体金属の適切な流れおよび圧力によって、狭窄部13全体にわたり、例えば1barまたはそれ以下の比較的低いレベルに維持される。しかしながら、前記圧力レベルは、狭窄部13における境界層分離あるいは液体金属の気化等の不規則性を回避するため、ある最小値レベル超えるように、例えば0.3-0.5barを超えるように維持される。狭窄部13における液体金属が均一かつ低圧力となる結果、窓23での機械的負荷を均一にかつ比較的小さくすることが可能となり、その結果、運転中の窓23の変形を抑制でき、窓の破損を防止できる。
【００１５】
上記の液体金属圧力の均一化を実現するために必要な、狭窄部13の断面積および付随する壁25の輪郭は狭窄部13における液体金属流の数値計算または実験的手段により定めることができる。図1および2に示した装置の第1実施例において狭窄部13は、その入口位置35での約200μmの高さh1、およびその出口位置37での約220μmの高さh2を有する。狭窄部13の入口35と出口37の間では狭窄部13の高さｈは200から220μmまで次第に増大する。壁25の傾斜角αは、入口35位置での最大値α1から出口37位置でのα2まで次第に減少する。これは、粘性流損失により生じる単位長さあたりの圧力低下は局部流速の2乗に比例し、従って主流方向Xにおいて低下するという事実による。
【００１６】
前述のように、図1および2に示された装置の第1実施例において、主流方向Xでの狭窄部13に要求される断面積の増大は、狭窄部13の高さhが前記方向において増大するという事実によって満たされる。この実施例においては狭窄部13の幅は主流方向Xで一定である。本発明は、流れ方向での狭窄部に要求される断面積の増大を別の方法、例えば狭窄部の高さを一定にして狭窄部の幅を増大する方法で、あるいは狭窄部の高さの増大と幅の増大の両方によって、実現する実施例にも及ぶことに留意する必要がある。
【００１７】
図3には本発明に一致したX線発生装置の第2実施例の狭窄部39を示す。図1および2に示された第1実施例の部分と一致する第2実施例の部分は対応する参照番号で示されている。狭窄部39を除き、第2実施例は実質上、第1実施例と一致しているため、第2実施例の他の部分は図3には示されていない上、説明もされていない。狭窄部39は窓23と対向する壁41によって仕切られており、この壁は、前述の第1実施例における壁25のような定まった輪郭を有していない。実施例に示されているように、壁41は比較的薄い、厚さ200μmの金属板43の表面である。板43、従って壁41でもあるが、これは多数の圧電作動器45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43の下方で密閉チャンバ47に収められている。未変形状態においては、壁41は図2に示された第1実施例の壁25の輪郭とおおよそ一致する輪郭pを有している。従って第1実施例における狭窄部13のように狭窄部39は、主流方向Xで見たとき、主流方向Xでの流速低下を生じ得る増大した断面積を有する。これによって、粘性流損失によって生じた狭窄部39での液体金属圧力の低下が、前記流速低下の結果、ベルヌイ効果によって生じる主流方向Xでの圧力増大とおおよそ一致し、従ってこれによりおおよそ相殺される。
【００１８】
第2実施例はさらに、狭窄部39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45を制御する制御部49を有する。示された実施例において、圧電作動器45は圧力センサとしても用いられる。作動器45は、作動器45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49に供給し、制御部49は信号uP,iに反応して制御部49により定められた、作動器45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45により測定された狭窄部39での液体金属圧力が1barより小さな所定の一定値となるように、制御部49によって定められ、それにより壁41が輪郭p’となるように変形する。従って狭窄部39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差に関し、前記所定値に維持することが可能となる。圧電作動器45は比較的小さく、正確な変形を壁41に発生させるのに適しており、この場合、壁41の輪郭p’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45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39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を用い、装置構造をさらに単純化した実施例も有している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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の装置の狭窄部を示す図である。
【図３】本発明によるX線発生装置の第2実施例の狭窄部を示す図である。
【図１】
2005519449.tif 000003
【図２】
2005519449.tif 000004
【図３】
2005519449.tif 000005
【国際調査報告】
2005519449.tif 000006
2005519449.tif 000007