(57)【要約】      （修正有）【課題】回転アノードＸ線源のＸ線束と輝度を増加させる。【解決手段】電子ビームスポットが回転アノード上に合焦するようなＸ線源において、電子ビームスポットの高さを実用上できる限り減少し、その幅を増加させて電子ビームスポットの幅に対する高さの比がＸ線飛び出し角度の正弦値より有意に小さくなるようにする電子ビームは、テストとシミュレーションの組み合わせからなる処理によって得られた電子光学系構成によって生成される。初期の電子光学系設計は従来のシミュレーション・ソフトウェアを使用して電子光学系をシミュレーションすることによって得られる。この初期電子光学系設計をハードウェアに組み込む。このハードウェアに対して広範囲の測定を実施し、測定の結果に基づいて新しいシミュレーションを実施する。最適な設計が得られるまでこの処理を反復する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線ビームが回転アノードから飛び出し角度で取り出されるＸ線源のＸ線束と輝度を増加させる方法であって、該方法は前記回転アノード上で高さと幅を有する広域電子ビームスポットであって、前記高さは所定の最大値以下で前記幅は前記幅に対する前記高さの比が前記飛び出し角度の正弦値より小さい値を有する広域電子ビームスポットを生成することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所定の最大値は０．１ミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電子スポットの前記幅は少なくとも１．０ミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高さに対する前記幅の比に前記飛び出し角度の正弦値を乗じたものが１．０５から２の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
多層Ｘ線光学系から前記Ｘ線ビームを反射させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
モノクロメータから前記Ｘ線ビームを反射させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
キャピラリ光学系から前記Ｘ線ビームを反射させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
Ｘ線ビームが飛び出し角度で回転アノードから取り出されることを特徴とするＸ線源で電子光学系を設計する方法であって、前記方法は、
（ａ）前記回転アノード上で高さと幅を有する広域電子ビームスポットであって、前記高さは所定の最大値以下で前記幅は前記幅に対する前記高さの比が前記飛び出し角度の正弦値より小さくい値を有することを特徴とする広域電子ビームスポットを生成可能な電子光学系の初期シミュレーションを実行するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）のシミュレーションの結果に基づいて広域電子スポットを生成する電子光学系を構築するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で構築した前記電子光学系によって生成された電子スポットについて測定を実行するステップと、
（ｄ）前記測定から、前記電子光学系によって生成された前記電子スポットの前記高さが所定の最大値以下でかつ前記電子光学系によって生成された前記電子スポットの幅が前記幅に対する前記高さの比が前記飛び出し角度の正弦値より小さい値を有するかどうかを判定するステップと、
（ｅ）前記電子スポットの前記高さと幅がステップ（ｄ）で設置した基準に適合しない場合にはステップ（ａ）で用いたシミュレーションを見直してステップ（ｂ）からステップ（ｄ）を反復するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）は有限要素法を使用して前記シミュレーションを実行することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ａ）は有限差分法を使用して前記シミュレーションを実行することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ａ）は表面電荷法を使用して前記シミュレーションを実行することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
Ｘ線ビームが飛び出し角度で回転アノードから取り出されるＸ線源のＸ線束と輝度を増加させるための装置であって、前記装置は
前記回転アノード上で高さと幅を有する電子ビームスポットを生成する電子ビーム発生源と、
前記電子ビームスポットを調節して前記高さが所定の最大値以下でかつ前記幅は前記幅に対する前記高さの比が前記飛び出し角度の正弦値より小さい値を有するようにする手段と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記所定の最大値が０．１ミリメートルであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記電子スポットの前記幅が少なくとも１．０ミリメートルであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記高さに対する前記幅の比に前記飛び出し角度の正弦値を乗じたものが１．０５から２の範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
多層Ｘ線光学系から前記Ｘ線ビームを反射させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
モノクロメータから前記Ｘ線ビームを反射させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
キャピラリ光学系から前記Ｘ線ビームを反射させることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
Ｘ線ビームが飛び出し角度で回転アノードから取り出されるＸ線源の電子光学系を設計するための装置であって、前記装置は
前記回転アノード上で高さと幅を有する広域電子ビームスポットであって、前記高さは所定の最大値以下であってかつ前記幅は前記幅に対する前記高さの比が前記飛び出し角度の正弦値より小さい値を有することを特徴とする広域電子ビームスポットを生成可能な電子光学系の初期シミュレーションを実行する手段と、
前記シミュレーションの結果に応じて、前記広域電子スポットを生成する電子光学系を構築する手段と、
前記電子光学系によって生成された電子スポットに対する測定を実行して測定データを生成する手段と、
前記電子光学系によって生成された前記電子スポットの前記高さが所定の最大値以上かつ前記電子光学系によって生成された前記電子スポットの前記幅は前記幅に対する前記高さの比が前記取り出し角度の正弦値より大きい値を有する場合に、前記測定データに応じて、動作して、前記シミュレーションを実行する手段を制御して更なるシミュレーションを実行し、前記構築する手段を制御して前記更なるシミュレーションに基づいて更なる電子光学系を構築し、前記測定を実行する手段を制御して前記更なる電子光学系について測定を実行する手段と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２０】
電子光学系の初期シミュレーションを実行する前記手段は、有限要素法、有限差分法、表面電荷法のうちの１つを使用してシミュレーションを実行する手段を含むことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来のＸ線源においてＸ線は電子ビームを標的アノードへ配向することにより生成される。アノード材料の電子構造に於ける正孔の生成及び充填の過程のため、特定の単色Ｘ線が既知の方法で生成される。しかし、この過程ではアノード材料に相当量の熱も発生する。大出力Ｘ線生成装置では、アノード材料に於ける熱発生はアノード材料が溶融するか又は破壊される点まで増加することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
したがって、従来の大出力Ｘ線発生装置では大きな面積のアノードを使用して、これを連続的に高速で回転させるのが一般的である。この構成を図１で模式的に図示してあり、代表的な回転アノード式生成装置１００が図示してある。Ｘ線発生装置はカソード１０２とモータ１０６により駆動される回転アノード１０４を含む。カソード１０２とアノード１０４は真空室１０８内部に配置され、真空室は真空ポンプ１１０によって排気される。電源１１２はフィラメント熱電流と高圧（通常３０〜６０ｋＶ）をフィラメントとアノードの間に発生させる。カソードに於ける熱源およびカソードとアノードの間の高電圧のため、電子が発生して回転アノード１０４へ向けて加速される。
【０００３】
こうして得られる電子ビームはアノード上の小さいスポットにだけ衝突し、このスポットが電子の衝撃によって発熱する。しかし、アノードの回転によりこのスポットは電子ビームから急速に移動し回転の残りの部分の間にアノード上のこのスポットはまた冷却される。このようにすると電子ビームによりアノードに印加される電力密度は密閉管内のアノード等の静止アノードと比較して大幅に高くすることができる。
【０００４】
この構造が図２に図示してある。電子ビーム生成装置２００は電子ビーム２０２を生成し、ビームはアノード２０４に衝突する。アノード２０４は軸２１０の周囲を矢印２０６で示してある方向に回転する。アノード２０６上の電子の衝突又は合焦スポット２０８は、二つの特異的パラメータである高さｈと幅ｗにより記述することができる。スポットの高さはアノード回転方向２０６に対して接線方向に定義され、幅は回転軸２１０と平行な方向に定義される。一般に、アノード２０６上のスポット２０８の幅ｗは高さｈより大きい。従来のスポット合焦システムにおいて、高さ対幅の比率はＸ線ビーム２１４の飛び出し角度２１２の正弦値に等しくなるように設定される。この飛び出し角度では、Ｘ線ビーム２１４の幅と高さは等しくなり、アノード２０６上で楕円形をなすスポット２０８の場合にはＸ線ビーム２１４は円形になる。この従来の構成の一例が欧州特許ＥＰ１２７３９０６号に記載してあり、ここでは１ミリメートル×０．１ミリメートル（ｗ×ｈ）の細長く狭い焦点がアノード上に形成されＸ線ビームは約６度の飛び出し角度でスポットから取り出される。この飛び出し角度では、見かけ上の合焦スポット領域はおよそ１００ミクロンメートル×１００ミクロンメートルの大きさになる。
【０００５】
図３は、スポットの高さ（ｈspot）とスポットの幅（ｗspot）の比率が飛び出し角度（α）の正弦値と等しいアノード３００上の正方形のスポット３０２について線焦点ビーム３０８及び３１０と点焦点ビーム３０４及び３０６の両方について、この関係を示している。
2008078132.tif 000003
点焦点方向においてこの構成では、ビーム３０４と３０６で次式にしたがって高さ（ｈbeam）と幅（ｗbeam）方向の寸法を発生する
2008078132.tif 000004
【０００６】
線焦点方向においてビームの高さ（ｈbeam）と幅（ｗbeam）の間の比率は飛び出し角度αの正弦値の２乗になる。
2008078132.tif 000005
【０００７】
電子スポットの寸法と構成は例えば図４に示したような電子光学系構成を用いることで調節できる。ここではフィラメント４０６によって生成される電子ビーム４０４が焦点カップ４０８を用いて回転アノード４０２上のスポット４００に合焦する。
【０００８】
Ｘ線源の二つの重要な性質は光源のＸ線束と輝度であってこれらの性質を最大にするのが望ましい。Ｘ線束は作成される毎秒あたりＸ線光子の個数でありアノードに印加される電力に対して直線相関し、電力の４０％の増加でＸ線束は４０％増加する。つまりアノードに印加される電力を最大限にするのが望ましい。
【０００９】
しかし、前述したように、アノードに衝突する電子のエネルギーのため、回転アノードは発熱し、結果としてアノードに印加される電力が増加すればするほど、アノードの温度も上昇する。アノードに印加される電子電力Ｐは電子加速電圧Ｕｅと放射電流Ｉｅの積によって与えられる。アノード材料とＸ線の所望の特性波長とに依存するがＵｅは通常４０から６０キロボルト程度である。従来の回転アノードでは、放射電流は１０から１００ミリアンペア程度である。したがって、従来のシステムでは、アノードに印加される電子電力Ｐは数キロワット程度である。
【００１０】
アノードへ印加することができる最大電力Ｐmaxはパラメータα、スポットの幅ｗ、スポットの高さｈ、アノードの回転速度ω、アノードの背景温度Ｔ0、アノードが耐えることのできる最大温度Ｔmaxによって表現されるアノード属性の組み合わせに依存する。最大電力は次式によって決定することができる：
2008078132.tif 000006
（１）
【００１１】
したがって、アノードへ印加することができる最大電力すなわち最大Ｘ線束には限界が存在する。
【００１２】
Ｘ線源の輝度はアノードへ印加される電力密度ＰＤに直線的に依存する。最大電力密度ＰＤmaxはアノードへ印加することができる最大電力を電子スポットの幅と高さで除したものに等しい。つまりＰＤmaxは次式で与えられる：
2008078132.tif 000007
（２）
したがって、スポット高さと幅の比が飛び出し角度の正弦値によって固定されているので、光源のＸ線束と輝度は従来アノードへ印加することができる最大電力によって制限されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の原理によれば、アノード上の電子焦点スポットの高さを実用的にできるだけ減少し、幅を増加させることで焦点スポットの幅に対する高さの比が飛び出し角度の正弦値より有意に小さくなる。このようにすると、光源のＸ線束及び輝度が最大化される。
【００１４】
１つの実施例において、最適なスポットサイズを発生する電子光学構造はテストとシミュレーションの組み合わせからなる処理によって得られる。初期の電子光学系設計を得るには従来のシミュレーションソフトウェアを使用して電子光学系をシミュレーションすることにより、本発明が機能する範囲内でスポットを発生する電子光学系のセットアップを得るようにする。次にこの初期の電子光学系設計をハードウェアに組み込む。このハードウェアに対して広範囲な測定を行ない、測定結果に基づいて新しいシミュレーションを実施する。最適な設計が得られるまでこの処理を反復する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上式（１）から、固定された最大アノード温度でアノードに印加することができる最大電力はスポット幅が大きくなるほど増加することが理解できる。さらに、前述の式（１）と式（２）を組み合わせることで次式が得られる：
2008078132.tif 000008
（３）
【００１６】
式（３）は最大電力密度したがってＸ線源の最大輝度が電子スポットの幅ｗに依存しないことを示している。電子スポットの幅ｗが変化すると（またアノードへの電力がこれに対応して式（１）のように変化して最大アノード温度を維持するなら）電力密度は変化しない。さらに、式（３）から電力密度したがってＸ線源の輝度はスポットの高さｈを減少させると増加することがわかる。
【００１７】
したがって、本発明の原理によれば、アノード上の電子焦点スポットの高さを実用上充分に減少し、幅を増加させ、また焦点スポットの幅に対する高さの比が飛び出し角度の正弦値より有意に小さくなるように飛び出し角度を選択する。スポット高さを減少させるのには限界がある。回転アノードで最小の使用可能なスポット高さは典型的には５０から１００ミクロンの範囲内にある。一例として、本発明の原理によれば、楕円形の長い焦点スポットをアノード上に形成し、高さ９０ミクロン、幅１．２ミリメートルとしてＸ線ビームがスポットから取り出されると、約６度の飛び出し角度の下で幅が投影される（点フォーカス）。この場合、見かけ上の焦点スポット領域は楕円形になり軸長が１２０ミクロンと９０ミクロンで、これは「ストレッチ」スポットと呼ばれる。ストレッチ・スポットは線フォーカスと同じではなく、これは線フォーカスにおいてアノード上の電子スポットの高さが飛び出し角度の下で投影されることによることは特筆すべきである。ストレッチ・スポット・プロファイルの利点は、従来のスポットと同じ輝度ではビームにおいてより多くのＸ線束を発生することである。同時にビームの安定性の増加も得られる。さらに、ビームは１つの方向に大きいことからビームを形成する光学素子の許容される移動量もまた大きく取ることができる。さらに、ビームの断面積が大きいので、大きなサンプルを分析することができる。
【００１８】
現代のＸ線回折試験においてＸ線源は多層光学系との組み合わせで使用される。光源によって生成されたＸ線は多層を標的とする。多層光学系のＢｒａｇｇ角度条件を満たすＸ線はサンプルに向かって配向される。多層光学系のＢｒａｇｇピークの幅が制限されているため、光源で発生したＸ線の一部だけがサンプルに向かって放射され、したがって多層光学系が受け取る電子スポットの一部は有効サイズに制限される。この実用上の制限は、さらに、ビームにおける総線束とビームサイズを制限することになる。
【００１９】
図５は楕円形多層Ｘ線光学系によるＸ線ビーム形成のシミュレーション結果を示す。電子光学系（図５には図示していない）を調節して回転アノード５００上に長方形のスポット５０２を生成し、その一部が図５に図示してある。電子密度はスポットの中央部で最大値を有し、密度プロファイルのグラフ５０４で模式的に示したようにエッジでは徐々に小さくなっている。アノード５００上の電子スポット５０２の幅を増加させることで、アノードへ印加される総電力が式（１）から増加する。前述したように、ビームの輝度は変化せずＸ線束の増加はビーム幅の増加と正確に一致する。
【００２０】
スポット高さ、スポット幅、飛び出し角度を調節して、スポット幅に対するスポット高さの比率が飛び出し角度の正弦値より小さくなるようにする：
2008078132.tif 000009
【００２１】
このようなスポットは（点フォーカス方向において）長方形のＸ線ビーム５０６を発生し高さ／幅比は高さを幅と飛び出し角度の正弦値の積で除したものと等しい：
2008078132.tif 000010
【００２２】
したがって、Ｘ線ビームの幅に対するＸ線ビームの高さの比は１より小さい。ビーム５０８はＸ線光学系５０６から反射されてサンプルに向かう（図５には図示していない）。多層光学系５０８からの反射の後、ビーム５１０の高さｈopticと幅ｗopticの比は１に近付くがそれでも１より小さい：
2008078132.tif 000011
【００２３】
ビームがＸ線光学系５０８を通過する際、得られるビーム５１０は丸められず参照番号５１２で示したように幾らか歪んでおりグラフ５１４で模式的に示したように密度はもはや対称的ではなくなる。しかし、ビームの歪曲はマイナスの方向にＸ線回折試験の品質に影響しないことが分かっている。
【００２４】
図６はシミュレーションの結果を示すグラフであり実際の電子ビーム幅と丸いスポットが得られるビーム幅の比の関数としてＸ線束を示している。０．１×１ミリメートル平方の回転アノード上の電子スポットを基準として選択しグラフには基準に対するスポット幅の増加の結果を示している。つまり、水平軸は基準スポットの幅に対する電子スポットの幅の比率である。縦軸はＸ線束の増加を表わす。シミュレーションにおいて電力は式（１）により電子スポットの幅ｗと直線的に変化する。たとえば、出力が２０％大きく０．１×１．２ミリメートル平方のサイズのストレッチ・スポットは線束が１０％多くここから得られるＸ線ビームも１０％広い。Ｘ線ビームの輝度はスポットが広域になっても変化しないので、Ｘ線ビーム幅の相対的変化はＸ線束の相対的変化と同一である。シミュレーションではＸ線束とビーム幅の増加が限界に達することが示されている。前述の例において、Ｘ線束とビーム幅の増加はアノード上で無限サイズまで広域になった電子スポットについて約５０％の限界に達する。
【００２５】
別の実施例において、最適なスポットサイズと形状はテストとシミュレーションの組み合わせからなる処理によって得られる。この処理が図７に図示してある。処理はステップ７００で開始し、ステップ７０２に進みここで従来の方法例えば有限要素法、有限差分法、又は表面電荷法（境界要素法および電荷密度法としても知られる）などを用いて初期設計仕様から初期電子光学系シミュレーション７０２を実行する。その他周知の方法を用いることもできる。初期シミュレーションでは初期設計の仕様に適合しそうなスポットを生成する電子光学系の設計を作成する。ステップ７０４ではシミュレーションから得られた電子光学系設計をハードウェアに組み込む。
【００２６】
ステップ７０６において、ハードウェアに対して広範囲のテストを実行して電子ビームスポット特性を測定することができる。ステップ７０８では測定した特性を設計仕様と比較する。測定された特性と設計仕様の間の相違がステップ７１０で決定される通り受け入れ可能であれば、電子光学系の設計はステップ７１４で終了する。
【００２７】
これ以外に、ステップ７１０で、測定された特性と設計仕様との間の相違が受け入れられないと決定された場合、ステップ７１２において現在のシミュレーションを見直す。処理はステップ７０４に戻り、ここで新しいハードウェアを見直した設計から組み立てる。ステップ７１０で設計が受け入れ可能であると分かるまでステップ７０４〜７１２を反復する。電子光学系の当業者であればこのループは非常に急速に収束する。熟練した専門家であれば１回だけのシミュレーション、多くとも２回しか必要としない。
【００２８】
本発明はこれの多数の実施例を参照して図示し説明して来たが、添付の請求項に規定される通りの本発明の精神と範囲から逸脱することなく形状及び詳細において各種の変化が成し得ることは当業者には認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は従来の回転アノードＸ線源の略ブロック図である。
【図２】図２は回転アノード上の電子ビームスポットの略図でＸ線ビーム飛び出し角度に対する楕円形スポットの高さと幅の従来の関連性を示す。
【図３】図３はＸ線ビーム飛び出し角度に対する回転アノード上の長方形スポットの高さと幅の従来の関連性を示す略ブロック図である。
【図４】図４は回転アノード上で別の形状の電子ビームスポットを発生するために使用することができる従来の焦点カップを示す略図である。
【図５】図５は本発明の原理により回転アノード上に形成されるスポットで生成されるＸ線ビームを形成するためのＸ線光学系の使用を示す略図である。
【図６】図６は電子ビームスポット幅の増加によって得られるＸ線束の増加を示すグラフである。
【図７】図７は最適なスポットの形状とサイズを決定するための処理のフローチャートである。
【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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【外国語明細書】
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