(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）表面を有するＸ線発生ターゲットを含むＸ線管陽極と、
ｂ）電子ビーム軸を有するＸ線管陰極であって、前記電子ビーム軸が焦点において前記ターゲットの前記表面と交差し、また前記電子ビーム軸は前記ターゲットの前記表面に対して第１の角度で方向づけられており、前記第１の角度がほぼ２０°であるＸ線管陰極と、
ｃ）中心点を有する表面を含むＸ線管窓であって、前記焦点と前記中心点とを結ぶ線が、前記ターゲットの前記表面に対して第２の角度をなしており、前記第２の角度がほぼ７°であるＸ線管窓と、を具備するＸ線管構体。
【請求項２】
前記電子ビーム軸及び前記中心点は、前記ターゲットの前記表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定している請求項１に記載のＸ線管構体。
【請求項３】
ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生する請求項１又は２に記載のＸ線管構体。
【請求項４】
ａ）表面を有するＸ線発生ターゲットを含むＸ線管陽極と、
ｂ）電子ビーム軸を有し、且つ前記ターゲットに入射したときにほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を生じさせる電子を発生するするＸ線管陰極であって、前記電子ビーム軸が焦点において前記ターゲットの前記表面と交差し、また前記電子ビーム軸は前記ターゲットの前記表面に対して第１の角度で方向づけられており、前記第１の角度がほぼ２０°であるＸ線管陰極と、
ｃ） 中心点を有する表面を含むＸ線管窓であって、前記焦点と前記中心点とを結ぶ線が、前記ターゲットの前記表面に対してほぼ７°の第２の角度をなし、前記電子ビーム軸と前記中心点が、前記ターゲットの前記表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定しているＸ線管窓と、を具備するＸ線管構体。
【請求項５】
Ｘ線を発生する方法において、
ａ）電子ビーム軸を有する電子ビームを発生する過程と、
ｂ）前記電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲットの表面上の焦点に入射させてＸ線を発生する過程であって、前記電子ビーム軸が前記ターゲットの前記表面に対してほぼ２０°の第１の角度をなすようにした、当該Ｘ線を発生する過程と、
ｃ）前記ターゲットの前記表面に対してほぼ７°の第２の角度をなすＸ線を利用する過程と、を含んでいる方法。
【請求項６】
前記電子ビーム軸及び前記中心点は、前記ターゲットの前記表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定している請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記過程ｂ）は、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生する請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
Ｘ線を発生する方法において、
ａ）電子ビーム軸を有する電子ビームを発生する過程と、
ｂ）前記電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲットの表面上の焦点に入射させて、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生する過程であって、前記電子ビーム軸が前記ターゲットの前記表面に対してほぼ２０°の第１の角度をなすようにした、当該Ｘ線を発生する過程と、
ｃ）前記ターゲットの前記表面に対してほぼ７°の第２の角度をなし、かつ前記電子ビーム軸とともに、前記ターゲットの前記表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定するこれらのＸ線を利用する過程と、を含んでいる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にはＸ線管に関し、特に、ターゲットに加えられたパワーに対するＸ線エネルギー束の比がより大きいＸ線管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療分野で使用されるＸ線装置は、通常、加熱されて電子のビームを放出する陰極と、一方の表面が陰極に対向するターゲットを有する（通常、回転する）陽極と、窓取付け部により固定されたＸ線透過窓を含むガラス及び／又は金属製の周囲フレームとを含むＸ線管を含む。通常、陰極は、電子がターゲット表面上の焦点にターゲット表面に対してほぼ９０°の角度で入射するように方向づけられる。放出された電子の一部は、ターゲット表面に入射してＸ線を発生し、そのＸ線の一部は、Ｘ線ビームとしてＸ線透過窓を介してフレームから出射する。通常、Ｘ線窓は、ターゲット表面に対してほぼ７°の角度でターゲット表面から離間するＸ線を受けられるように配置される。放出された電子の中には、ターゲット表面に入射した時に、Ｘ線を発生せずに後方散乱するものもある。後方散乱した電子の多くは、続けて、Ｘ線透過窓及び窓取付け部を含むフレームに入射し、フレームを加熱する。フレームは、熱放射線などのその他の熱源により内側からも加熱される。加熱されたフレームは、通常、フレームと専用のＸ線透過窓を有する周囲ケーシングとの間に位置する油又は水などの液体冷媒により冷却される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ターゲット表面に入射する電子のパワーのほぼ１パーセント未満は、Ｘ線のパワーに変換される。電子ビームのパワーを増加すれば、管のＸ線パワー出力も増加するであろう。しかしながら、電子ビームのパワーを増加すると、ターゲットの熱負荷が許容し難いほど高くなり、最終的に、Ｘ線パワー出力が制限されることになる。ターゲットの熱負荷当りのＸ線管パワーの比を増加させるためのＸ線管構体及びＸ線を発生する方法が必要とされている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の実施態様において、Ｘ線管構体は、Ｘ線管陽極、Ｘ線管陰極及びＸ線管窓を含む。陽極は、表面を有するＸ線発生ターゲットを含む。陰極は電子ビーム軸を有する。電子ビーム軸は焦点においてターゲット表面と交差し、かつターゲットの表面に対して第１の角度で方向づけられる。第１の角度は１５°〜６０°の範囲にある。窓は中心点を有する表面を含み、焦点と中心点とを結ぶ線はターゲット表面に対して第２の角度をなす。
【０００５】
本発明の第２の実施態様において、Ｘ線管構体は、Ｘ線管陽極、Ｘ線管陰極及びＸ線管窓を含む。陽極は表面を有するＸ線発生ターゲットを含む。陰極は電子ビーム軸を有する。電子ビーム軸は焦点においてターゲット表面と交差し、かつターゲットの表面に対して第１の角度で方向づけられる。第１の角度は１５°〜６０°の範囲にある。Ｘ線管陰極は、ターゲットに入射したときにほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を生じさせる電子を発生する。窓は中心点を有する表面を含み、焦点と中心点とを結ぶ線は、ターゲット表面に対して第２の角度をなす。第２の角度は第１の角度より小さい。電子ビーム軸及び中心点は、ターゲット表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定する。
【０００６】
本発明の第１の方法は、Ｘ線を発生するための方法であり、過程ａ）からｃ）を含む。過程ａ）は、電子ビーム軸を有する電子ビームを発生することを含む。過程ｂ）は、電子ビーム軸がＸ線ターゲットの表面に対して１５°〜６０°の範囲の第１の角度をなすように、電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲットの表面上の焦点に入射させて、Ｘ線を発生することを含む。過程ｃ）は、ターゲットの表面に対して第２の角度をなすこれらのＸ線を利用することを含む。
【０００７】
本発明の第２の方法は、Ｘ線を発生するための方法であり、過程ａ）からｃ）を含む。過程ａ）は、電子ビーム軸を有する電子ビームを発生することを含む。過程ｂ）は、電子ビーム軸がＸ線ターゲットの表面に対して１５°〜６０°の範囲の第１の角度をなすように、電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲットの表面上の焦点に入射させて、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生することを含む。過程ｃ）は、ターゲットの表面に対して第１の角度よりも小さい第２の角度をなし、かつ電子ビーム軸とともに、ターゲットの表面に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定するＸ線を利用することを含む。
【０００８】
本発明に従って、第１の角度（通常、電子ビーム入射角と呼ばれるが、ここでは「α」とする）及び第２の角度（通常、Ｘ線放出角と呼ばれるが、ここでは「β」とする）を選択することにより、幾つかの利益及び利点が得られる。例えば、実験データを用いて行われたコンピュータによるベンチマークシミュレーションは、βが７°に等しく、αが１５°〜２０°に等しい場合、ほぼ１．５のＸ線エネルギー束の増加を示している。この増加は、βが７°でαが９°である従来技術の構成によるＸ線エネルギー束と比較して計算される。その比較において、ターゲットに加えられたパワー（すなわち、温度により測定された熱負荷）及びターゲットの焦点温度は、本発明の構成及び従来技術の構成の両方において同一であり、本発明の構成のＸ線スペクトルが、適正に比較を行なうために、従来技術の構成と同じ平均フォトン（すなわち、Ｘ線）エネルギーを得るべくろ過されることは、当業者には明らかなことであろう。１．５の増加は、本発明の構成のターゲットにおける同じ熱負荷及び同じ焦点温度に対するＸ線パワー出力が、従来技術の構成と比較して５０パーセント増加したことを意味する。また、本発明の構成のＸ線管は、従来技術の構成のＸ線管と比較して、同じＸ線パワー出力且つより低い温度で（管の寿命を延ばすために）動作させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図面において、図１は、本発明のＸ線管構体１０の一実施例を概略的に示す。図１に示す第１の実施態様において、Ｘ線管構体１０は、Ｘ線管陽極１２、Ｘ線管陰極１４及びＸ線管窓１６を含む。陽極１２は、表面２０を有するＸ線発生ターゲット１８を含む。陰極１４は、電子ビーム軸２２を含む。電子ビーム軸２２は、焦点２４でターゲット１８の表面２０と交差し、ターゲット１８の表面２０に対して第１の角度２６で方向づけられる。第１の角度２６は、１５°〜６０°の範囲にある。窓１６は、当業者には知られるように、Ｘ線透過窓であり、中心点３０を有する表面２８を含む。中心点３０は、幾何学的な中心点である。例えば、窓の表面が矩形の形状である場合、中心点は、その矩形の対角線の交差する点である。焦点２４と中心点３０とを結ぶ線３２は、ターゲット１８の表面２０に対して第２の角度３４をなす。
【００１０】
一設計例において、第１の角度２６は１５°〜３０°の範囲にあり、第２の角度３４は５°〜１５°の範囲にある。別の設計例において、第１の角度２６はほぼ２０°であり、第２の角度３４はほぼ７°である。本発明を説明するにあたり、用語「ほぼｘ°」は、「ｘ°±２°」を意味する。一構成において、電子ビーム軸２２及び中心点３０は、通常、ターゲット１８の表面２０に対してほぼ垂直に方向づけられる平面（すなわち、図１の紙面）を規定する。本発明を説明するにあたり、用語「ほぼ垂直」は、「垂直±２°」を意味する。一例において、陰極１４は、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生するターゲット１８に入射する電子（電子ビーム軸２２を中心として一列になるように配置される）を発生する。線３２を中心として一列になるように配置されるＸ線の中には、窓１６を通過し、医療的な診察などの種々の目的に使用されるものもある。通常、医療的な診察に使用されるＸ線は、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有する。本発明を説明するにあたり、用語「ほぼ２００ｋＶ未満」は、「２０５ｋＶ未満」を意味する。なお、電子ビーム軸２２は、軌道が電子ビーム軸２２と一致するこれらの電子の進行方向を示す指向性の線である。また、線３２は、軌道が線３２と一致するＸ線の進行方向を示す指向性のある線である。一実施例において、第２の角度３４は、第１の角度２６より小さい。
【００１１】
図１に示す第２の実施態様において、Ｘ線管構体１０は、Ｘ線管陽極１２、Ｘ線管陰極１４及びＸ線管窓１６を含む。陽極１２は、表面２０を有するＸ線発生ターゲット１８を含む。陰極１４は、電子ビーム軸２２を含む。電子ビーム軸２２は、焦点２４でターゲット１８の表面２０と交差し、かつターゲット１８の表面２０に対して第１の角度２６で方向づけられる。第１の角度２６は、１５°〜６０°の範囲にある。陰極１４は、ターゲット１８に入射したときにほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を生じさせる電子を発生する。窓１６は、当業者には知られるように、Ｘ線透過窓であり、中心点３０を有する表面２８を含む。中心点３０は、幾何学的な中心点である。焦点２４と中心点３０とを結ぶ線３２は、ターゲット１８の表面２０に対して第２の角度３４をなす。第２の角度３４は、第１の角度２６より小さい。電子ビーム軸２２及び中心点３０は、ターゲット１８の表面２０に対してほぼ垂直に方向づけられる平面（すなわち、図１の紙面）を規定する。一設計例において、第１の角度２６は１５°〜３０°の範囲にあり、第２の角度３４は５°〜１５°の範囲にある。別の設計例において、第１の角度２６はほぼ２０°であり、第２の角度３４はほぼ７°である。
【００１２】
本発明の第１の方法は、Ｘ線を発生するための方法であり、過程ａ）〜ｃ）を含む。過程ａ）は、電子ビーム軸２２を有する電子ビームを発生することを含む。過程ｂ）は、電子ビーム軸２２がＸ線ターゲット１８の表面２０に対して１５°〜６０°の範囲の第１の角度２６をなすように、電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲット１８の表面２０上の焦点（焦点２４と呼ばれる幾何学的中心を有する）に入射させて、Ｘ線を発生することを含む。過程ｃ）は、ターゲット１８の表面２０に対して第２の角度３４をなすこれらのＸ線を利用することを含む。
【００１３】
本発明の第１の方法の一適用例において、第１の角度２６は１５°〜３０°の範囲にあり、第２の角度は５°〜１５°の範囲にある。第１の方法の別の適用例において、第１の角度２６はほぼ２０°であり、第２の角度はほぼ７°である。本発明の第１の方法の一例において、過程ｃ）は、電子ビーム軸２２と共に、ターゲット１８の表面２０に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定するＸ線を利用することを含む。第１の方法の別の例において、過程ｂ）は、ほぼ２００ｋＶ未満のエネルギーを有するＸ線を発生することを含む。一使用例において、第２の角度３４は、第１の角度２６より小さい。
【００１４】
本発明の第２の方法は、Ｘ線を発生するための方法であり、過程ａ）〜ｃ）を含む。過程ａ）は、電子ビーム軸２２を有する電子ビームを発生することを含む。過程ｂ）は、電子ビーム軸２２がＸ線ターゲット１８の表面２０に対して１５°〜６０°の範囲の第１の角度２６をなすように、電子ビームを方向づけてＸ線発生ターゲット１８の表面２０上の焦点（焦点２４と呼ばれる幾何学的中心点を有する）に入射させて、Ｘ線を発生することを含む。過程ｃ）は、ターゲット１８の表面２０に対して第１の角度２６よりも小さい第２の角度３４をなし、かつ電子ビーム軸２２とともに、ターゲット１８の表面２０に対してほぼ垂直に方向づけられる平面を規定するＸ線を利用することを含む。本発明の第２の方法の一適用例において、第１の角度２６は１５°〜３０°の範囲にあり、第２の角度は５°〜１５°の範囲にある。第２の方法の別の適用例において、第１の角度２６はほぼ２０°であり、第２の角度はほぼ７°である。
【００１５】
本出願人等は、第１の角度２６（通常、電子ビーム入射角と呼ばれるが、ここでは「α」とする）及び第２の角度３４（通常、Ｘ線放出角と呼ばれるが、ここでは「β」とする）の様々な値に対するＸ線エネルギー束増加についてのデータを得るために、何度かの実験を行なった。「増加」は、第１の角度及び第２の角度の種々の値に対するＸ線エネルギー束を、第１の角度２６が９０°（すなわち、αが９０°に等しい）で第２の角度３４が７°（すなわち、βが７°に等しい）の従来技術の構成を使用して得られたＸ線エネルギー束で割ったことを意味する。ここでは、ターゲット１８に加えられたパワー（すなわち、温度で測定された熱負荷）は、本発明の構成及び従来技術の構成の両方において同一であり、本発明の構成のＸ線スペクトルは、適正に比較を行なうために、従来技術の構成と同じ平均フォトン（すなわち、Ｘ線）エネルギーを得るべくろ過されることは、当業者には明らかなことであろう。１．５の増加は、本発明の構成のターゲット１８における同じ熱負荷及び同じ焦点温度に対するＸ線パワー出力が、従来技術の構成と比較して５０パーセント増加することを意味する。また、本発明の構成のＸ線管構体１０は、従来技術の構成のＸ線管構体と比較して、同じＸ線パワー出力で且つより低い温度で（管の寿命を延ばすために）動作させることができる。
【００１６】
本出願人等は、コンピュータプログラムに対してベンチマークテストを行なうための実験データを使用して、１００〜１５０ｋＶ用に最適化された電子顕微鏡法コンピュータコードに基づくモンテカルロ(Monte-Carlo) コンピュータプログラムシミュレーションを行なった。ベンチマークテストを行なったモンテカルロシミュレーションの結果は、ｙ軸がα（すなわち、第１の角度２６）を表わし、ｘ軸がβ（すなわち、第２の角度３４）を表わすＸ線エネルギー束増加を示すｘ−ｙ等高線図として、図２に提示される。驚くべきことに、本出願人等は、増加が少なくとも１．５（すなわち、図２の囲まれた１．５０の等高線の線上及び線内の領域）である「スイートスポット」を発見した。なお、１５°未満のα（すなわち、第１の角度２６）及び／又は５°未満のβ（すなわち、第２の角度３４）でＸ線管を製造することが、機械的且つ設計上困難であることは、当業者には明らかなことであろう。また、９°のα及び７°のβを有する従来技術のＸ線管構成を、βをほぼ７°に保ちつつ、ほぼ２０°のαを有するように変形することにより、機械的且つ設計上の困難を最小限に抑えつつ、図２及び図３により明らかなように、Ｘ線エネルギー束増加を結果として１．５０近くできることにも留意すべきである。Ｘ線エネルギー束増加の改善を提供するより広範囲な設計の外囲器は、図２から明らかなように、適度の機械的再設計により、１５°〜３０°の範囲のα（第１の角度２６）と、αよりも小さく且つ５°〜１５°の範囲にあるβ（第２の角度）とを必要とする。図２の目盛りからは外れるが、本出願人等は、αが１５°〜６０°の範囲にあり、かつβがαより小さい場合、Ｘ線エネルギー束において向上が見られることを発見した。
【００１７】
以上、例示の目的で、本発明の実施例の方法及び表現を説明してきた。以上の説明は、全てを網羅するものではなく、開示した形態のみに本発明を限定するものではない。多数の変形及び変更が可能であることは、上述の教示の観点から明らかである。本発明の趣旨の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線管構体の実施例の概略図。
【図２】方位角が０°であり、幾本かの等高線が図面を明瞭にする目的で省略され、α及びβ（°で示される）の種々の値に対するＸ線エネルギー束増加を示す等高線図。
【図３】βが７°の場合のαの種々の値（°で示される）に対するＸ線エネルギー束増加を示す図。
【符号の説明】
１０  Ｘ線管構体
１２  Ｘ線管陽極
１４  Ｘ線管陰極
１６  Ｘ線管窓
１８  Ｘ線発生ターゲット
２０、２８  表面
２２  電子ビーム軸
２４  焦点
２６  第１の角度
３０  中心点
３２  線
３４  第２の角度
【図１】
0004759148.tif 000002
【図２】
0004759148.tif 000003
【図３】
0004759148.tif 000004