(57)【要約】【課題】Ｘ線を発生させるための装置において、Ｘ線ターゲット上への電子線の集束性を良好にし、しかも高い寿命を有するものを提供する。【解決手段】真空引き可能なハウジング５内に陰極として冷電子源１及び陽極としてＸ線ターゲット３を、陰極と陽極との間に電圧が加えられたとき電子源１から放出される電子線２中の電子がＸ線ターゲット３へ向け加速されるように配置し、ハウジング５内の電子源１とＸ線ターゲット３との間に、電子源１の範囲における正イオンの成分を減少させるための装置７を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空引き可能なハウジング（５）内に陰極として１つ又は複数の冷電子源（１）及び陽極として少なくとも１つのＸ線ターゲット（３）が、陰極と陽極との間に電圧が加えられたとき電子源（１）から放出される電子線（２）中の電子がＸ線ターゲット（３）へ向け加速されるように配置されているＸ線を発生させるための装置において、ハウジング（５）内の電子源（１）とＸ線ターゲット（３）との間に、電子源（１）の範囲における正イオンの成分を減少させるための装置（７）が配置されていることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項２】
正イオンの成分を減少させるための装置（７）が電極系であり、直流電圧又は交流電圧が加えられたときこの電極系によって正イオンが捕獲されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
１つ又は複数の冷電子源（１）が電界放出電子源であることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
１つ又は複数の冷電子源（１）が電界の印加時電子を放出する材料構造によって基板上に形成され、この基板上に又はその上方に電極アレイ又は電極格子が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
材料構造がカーボナノチューブからなる層によって形成されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
材料構造がスピント・エミッタからなる層によって形成されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項７】
材料構造と基板（１０）との間に光電半導体からなる層（１１）が設けられ、基板（１０）が少なくとも１つの範囲に対し光透過性であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
ハウジング（５）が回転可能に支持され、基板（１０）を通して光電層（１１）上へ光の集束のための送出可能性を有することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
Ｘ線ターゲット（３）が電子源（１）に対し回転可能に配置され、Ｘ線ターゲット（３）が回転する際、Ｘ線ターゲット（３）上のリング状の軌道（４）上に存在する異なる個所に順次電子線（２）が衝突するようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
電子線（２）に対する偏向装置（６）が、正イオンの成分を減少させるための装置（７）とＸ線ターゲット（３）との間に配置され、この偏向装置によって電子線（２）がＸ線ターゲット（３）上に集束され、Ｘ線ターゲット（３）上の円軌道（４）上に導かれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
正イオンの成分を減少させるための装置（７）が電極系であり、この電極系によって、直流又は交流電圧の印加時正イオンが捕獲され、その際電極系は円筒状配置に形成され、この配置は電子線（２）を取り巻き、その配置内に対向する電極の複数の対を含むことを特徴とする請求項９又は１０記載の装置。
【請求項１２】
ハウジング（５）は中心軸を中心に中空リングを形成し、この中空リング内において一方の側に円形状に電子源（１）が、対向する側に円形状にＸ線ターゲット（３）が延び、その際中空リングの内周にはハウジング（５）からＸ線（１３）が出るための回転する窓（１２）が形成され、円形状に延びる電子源（１）が、電子源（１）の選択的制御によってハウジング（５）内においてＸ線ターゲット（３）上に回転するＸ線焦点が発生されるように構造化されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
正イオンの成分を減少させるための装置（７）が電極系であり、この電極系によって、直流又は交流電圧の印加時正イオンが捕獲され、その際電極系は、軸方向に相前後して存在し中心軸を中心に同心的に配置された電極リング（７a、７ｂ）の複数の対から形成されることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
コンピュータ断層撮影装置におけるＸ線源として使用されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線を発生させるための装置に関し、とりわけコンピュータ断層撮影装置に使用するのに適する装置に関する。この装置は真空引き可能なハウジングを有し、そのハウジング内には陰極として１つ又は複数の冷電子源と、陽極として少なくとも１つのＸ線ターゲットとが配置され、陰極と陽極との間に電圧が加えられたとき電子源から放出される電子線中の電子が陽極ターゲット上へ向け加速されるようになっている。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線を発生させるための装置は、例えば医用診断において、透視画像、又はコンピュータ断層撮影（CT）の場合には患者の体内の画像を得るために使用される。コンピュータ断層撮影の多様な可能性によって、コンピュータ断層撮影装置において使用されるＸ線管に対する要求は絶え間なく増大している。例えば最近のコンピュータ断層撮影装置は、最適化された線量調節、又は平衡光子流を持った２つの異なるエネルギーにおける駆動を実現できるようにするために管電流を高い速度で調節し得るＸ線管が要求される。
【０００３】
熱電離放出による電子源が使用されるコンピュータ断層撮影装置のためのＸ線管が知られている（例えば特許文献１参照）。Ｘ線を発生させる際には、このＸ線管のハウジングはその中に固定されたＸ線ターゲットと共に回転し、その結果固定して配置された電子源から発散される電子線はＸ線ターゲットに時とともに種々の場所に当たる。回転するハウジングは、駆動中のＸ線ターゲットのより良い冷却を可能にする。さらに、熱電離放出に基づく電子源を使用することも知られている（例えば特許文献２参照）。そこに記載されているＸ線管においては、電子源とＸ線ターゲットとの間の範囲における正イオンの成分を減ずるため、補助の電極系、即ちいわゆるRICE系（RICE：Rotating Field Ion Controlling Electrode）およびいわゆるICE系（ICE：Ion Controlling Electrode）がハウジング中に配置されている。正イオンは電極系において再び捕獲され、その際このことは、静止電界又は交番電界を介して行うことができる。正イオンは加速された電子とＸ線管の真空引きされたハウジング中に残留しているガス分子との衝突により生じる。この正イオンは電子線中の電子間の反発力を中和し、その結果集束範囲においてＸ線ターゲット上への電子線の良好な集束を可能にする。しかしながら、できるだけ小さな焦点は集束範囲の前の領域における電子線の十分な分散の場合のみ達成されるから、この領域における正イオンは望ましくない。何故なら正イオンは電子の反発力によって電子線の必要な拡大を妨げることになるからである。上述の電極配置によって、この領域における正イオンの成分は減ぜられ、その結果全体として電子線の鋭い焦点がＸ線ターゲット上に発生せしめられる。
【０００４】
熱電離放出をベースとするＸ線管は、しかしながら放出のために必要な加熱に基づいてゆっくりとした反応時間を示し、高いエネルギー消費を有し、しかも所要面積が大きい。それ故上述のような最近のCTへの適用に対しては、このようなＸ線管はあまり適していない。
【０００５】
熱電離放出源のほかに、Ｘ線を発生させるため、電界放出電子源、いわゆる冷電子源、も知られている。例えばコンピュータ断層撮影装置にも使用し得るＸ線管が知られている（例えば特許文献３参照）。このＸ線管においては、電子源として、例えばカーボンナノチューブのような電界放出材料からなる層を有する基板が使用される。この電子源の個々の範囲は、局部的な電界を介して局部的に電子を放出し得るように、設けられた電極構造を介して選択的に反応させることができる。放出は300Ｋの温度で（冷放出）行わせ、電極を介して極めて迅速にオン・オフさせることができる。冷電子放出に基づくＸ線管は、Ｘ線放出の正確な制御可能性という利点を持ち、その結果Ｘ線被爆が減少し、Ｘ線照射の際の時間分解能を増大させることができる。電界放出電流はこのＸ線管の場合電子源に加えられる電圧によって制御され、熱電離放出の場合のように温度によっては制御されない。それ故印加電界の適切な制御によって、可変のパルス幅及び高い繰返しレートを有するパルス状Ｘ線放出が達成される。制御電圧は通例50〜100Ｖの範囲にのみ存在し、その結果速いパルス周波数を簡単に作ることができる。
【０００６】
真空引き可能なハウジング内に陰極として１つ又は複数の冷電子源及び陽極として少なくとも１つのＸ線ターゲットが配置され、陰極と陽極との間に電圧が加えられたとき電子源から放出される電子線中の電子が陽極ターゲットに向け加速されるような、コンピュータ断層撮影装置のためのＸ線を発生させる装置が知られている（特許文献４参照）。このＸ線管においては、電子源は湾曲した表面を有し、この表面によって既に集束作用が電子線へ及ぼされる。それ故付加の集束装置はこのＸ線管ではなくてもよい。
【０００７】
しかしながらこれまで、Ｘ線管におけるこのような冷電子源の寿命が比較的大きな問題である。例えば寿命が短くなるのは、特に冷電子源の敏感な表面のイオン照射によって引き起こされることが報告されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。イオン照射は正イオンによって引き起こされ、その正イオンはハウジング内にとどまる残留ガス分子と電子線の電子との衝突によって生じる。それ故電子源の寿命を高めるためには、Ｘ線源のハウジング内を約10-8Torrの極めて高い真空に保持することが提唱される。このことは例えば、真空引きされたハウジング内へゲッター材料を付加挿入することによって達成することができる。ただ、CT設備において必要とされるような高出力Ｘ線管においては、そのような高い真空度を保持することは陽極の温度が高いことに基づいて極めて困難である。さらに、高い真空状態は空間電荷効果に基づいて鋭く集束された電子線の発生を妨げる。何故なら中和する正イオンが欠けるからである。
【特許文献１】米国特許第5105456号明細書
【特許文献２】米国特許第5193105号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第2002/0094064 A1号明細書
【特許文献４】米国特許第6760407 B2号明細書
【非特許文献１】Y.Cheng et al.“Electron field emission from carbon       nanotubes”C,R.Physique 4（2003）、1021〜1033頁
【非特許文献２】Y.Saito et al.“Cathode Ray Tube Lighting Elements w      ith Carbon Nanotube Field Emitters”Japanese Journal of Applied Ph      ysics、Vol.37(1998)、346〜348頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、Ｘ線を発生させるための装置、特にコンピュータ断層撮影装置に使用するための装置であって、Ｘ線ターゲット上への電子線の良好な集束が可能であり、高い寿命を有するＸ線発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は特許請求の範囲の請求項１による装置によって解決される。この装置の有利な実施形態は請求項２以下の従属請求項又は以下の説明及び実施例から明らかである。
【００１０】
Ｘ線を発生させるための本発明の装置は、真空引き可能なハウジングを含み、このハウジング内に陰極として１つ又は複数の冷電子源及び陽極として少なくとも１つのＸ線ターゲットが、陰極と陽極との間に電圧が印加されたとき電子源から放出される電子線内の電子がＸ線ターゲットへ向け加速されるように配置される。この装置は、ハウジング内において電子源とＸ線ターゲットとの間に電子源の範囲における正イオンの成分を減少させるための装置が配置される。
【００１１】
本装置においては、従って冷電子源、特に電界放出電子源が使用され、その電子源においては電子流が電子源に加えられる電界を介して制御され得る。それによって、電子放出に対して及びそれと結び付くＸ線放出に対しても極めて速い反応時間が達成される。この種の電子源の構造及び使用の詳細は、例えば前出の非特許文献１から得ることができる。電子源とＸ線ターゲットとの間の電子源の範囲に配置された正イオンの成分を減少させるための装置によって、そのようなイオンによる電子源の表面の照射は阻止されるか少なくとも著しく減ぜられる。このことは電子源の寿命を少なからず高め、それによって電子線のＸ線ターゲット上への集束性を制限することはない。それ故本装置においてはハウジング内に極度の高い真空状態を保持する必要はない。むしろ、電子線の電子との衝突により正イオンを発生させるためある程度の成分のガス分子が望ましい。何故ならこの正イオンは電子線の集束範囲において、即ち特にＸ線ターゲットの前の範囲で電子線の電子の反発力を中和するために用いられるからである。この範囲における空間電荷効果の低減によって、即ち電子の相互の反発の低減によって、電子線はその鋭い集束を維持し、わずかな陽極電位で高い電子流の場合でもＸ線ターゲット上の小さな焦点を可能にする。
【００１２】
正イオンの成分を減少させるための装置は、正イオンを相応する領域で捕獲する電極系から構成されるのが有利である。この場合とりわけICE電極系又はRICE電極系が重要であり、これらの電極系においては複数の電極対が電子線を中心に配置され、その電極対に直流電圧又は交流電圧又はそれらの組み合わせが適切なやり方で加えられる。
【００１３】
本装置（以下Ｘ線管ともいう）は、電子線及び従ってＸ線の速い調節性に基づいて、並びにＸ線ターゲット上の電子線の小さな焦点によって生じる高い解像度に基づいて、とりわけコンピュータ断層撮影装置に使用するのに適している。この場合、コンピュータ断層撮影装置の種々の構成を使用することができ、例えば第３世代のコンピュータ断層撮影装置又は第５世代のコンピュータ断層撮影装置に使用することができる。なおこれらの世代のコンピュータ断層撮影装置においては、Ｘ線管もＸ線検出器も固定して配置されている。
【００１４】
上述の両非特許文献におけると同じように形成された冷電子源は、狙いを定めて個々の領域が電子放出のために制御され得るように構成されているのが有利である。このことは、放出材料の上に設けられるか又はその上に配置された電極構造、特に電極格子又は電極アレイを介して達成することができ、この電極アレイにおいては個々の電極は選択的に電圧を印加することができる。電子を放出する材料は、カーボンナノチューブの層からなるのが有利である。しかしまた既知のスピント・エミッタ（Spindt・Emitter）によって形成することもできる。
【００１５】
電子源の１つの実施形態においては、所属の基板上に先ず半導体材料からなる光電層、その上に電子放出層が設けられる。電子放出層の上にはさらに適切な電極構造が存在する。この実施形態においては、レーザ又はLEDの光電層上への照射によって、レーザ線に対し透過性の基板を通して局部的に電子の放出のための電圧を加えることができる。この実施形態によって、熱電離エミッターと関連して例えば米国特許第4821305 A号明細書から既知のようなＸ線管が実現され、このＸ線管においては電子源もＸ線ターゲットも円筒形の容器内に対向して配置され、この容器は駆動中回転する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明の装置を図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は本発明装置の１つの形態の概略を示し、この装置においては陽極として回転するＸ線ターゲット３が使用される。回転軸２０を中心に回転するＸ線ターゲット３及び冷電子源１は真空引き可能なハウジング５内に配置されている。冷電子源１はここでは凹形の表面を有し、この表面を通して放出される電子線２はＸ線ターゲット３上へ集束される。電子放出は電子源１に適切な電界を加えることによって行われ、このことは電子源の従来技術から知られている。電子線２の電子がその上に向かって加速される陽極としてのＸ線ターゲット３の回転によって、円形状の焦点帯４がＸ線ターゲット３上に形成され、それによって局部的な温度負荷がよりよく分散される。衝突する電子によって、衝突場所には特有のＸ線が生じ、このＸ線は図には特に示されていないハウジング５の窓を介してＸ線管から出て行く。この実施例では電子源１の範囲におけるICEないしRICE電極装置７の配置が概略的に示されている。この電極装置７によって、電子線２の電子がハウジング５内に残存するガス原子と衝突することにより生じる正イオンが捕獲され、電子源１の表面に達することはない。他方電子線の集束範囲においてはそのようなイオンが残存し、その結果そこでは集束に対しては不都合な空間電荷効果が相殺される。
【００１８】
凹形の表面を有する電子源１の通例比較的大きな面によって、別の集束電極、例えばウエーネルト電極などはなしですませることができる。何故なら集束は既に電子源１からの指向性の放出によって行われるからである。
【００１９】
図２は本発明装置の別の形態の概略を示し、この装置では回転管が使用される。Ｘ線ターゲット３のリング状の帯４上に熱エネルギーを分散するため、この場合には電子線２は集束及び偏向コイル６を介してリング状の軌道上に導かれる。ここでも冷電子源１の範囲に正イオンを捕獲するためのICE及びRICE電極系又はそのいずれか一方の電極系７が配置されている。このことは、付加的に、この集束範囲の前の領域８における正イオンの電子線２への影響を阻止し、その結果この電子線は妨害されることなく集束及び偏向コイル６まで広がることができる。しかしながら続く集束範囲９においてこの正イオンは有利に電子線２の電子の反発力を減少させるか消去することができ、その結果電子線は最適に集束され、それは低い加速電圧や高い電流の場合にも行われる。
【００２０】
図３は本発明装置の別の形態を示し、この装置ではハウジング５はその中に配置された電子源１及びその中に配置されたＸ線ターゲット３と共に軸２０を中心に回転する。この場合レーザ１９の光線に対し透過性の電極基板１０上に光電半導体材料からなるリング１１が置かれている。このリング上にはまた、マイクロ構造化されたゲートを有し冷電子源１を形成する電子放出材料からなるリングが存在する。この際ゲート電極は網状に構造化され、その結果電子の放出が、マイクロ電極の網状アレイを用いて構造化（ピクセル化）された形で行われ得る。これらマイクロ電極の各々は別々に光電半導体材料を介して結合される。この半導体材料は、自由電荷担体（電子正孔対）を発生させるため、レーザ１９又は相応のLEDによる外部照射によって能動化される。この電荷担体は配置されたマイクロ電極とゲート制御電位にある透過性電極基板１０との間の電気的結合を作る。この構成によって、電子の局部的放出が、まさに照射された範囲に存在する範囲又はピクセルに対してのみ能動化される。到着する光線の断面及び形状の変更によって、陽極３上の焦点の大きさ及び形状を制御することが可能である。さらに交番する光偏向によっていわゆる跳躍焦点を発生させることもできる。この配置の本質的な利点は、マイクロ電極の能動化のための光エネルギーが、管電流を光電効果により直接発生させるためのエネルギーより十分小さいことにある。缶状のハウジング５の回転によって、さらにＸ線ターゲット３の相応するリング状の帯４上の熱エネルギーの分散が達成される。この構成においても、電子源１の範囲に相応のICE及びRICE電極構造又はそのいずれか一方の電極構造７が正イオンの成分の減少のために設けられ、それによって装置の寿命が高められる。図６はそのような配置を軸方向に見たものを示し、冷電子源１のリング、缶状のハウジング５並びにICE電極構造の内側及び外側のリング７が認められる。この電極構造はこの例では、軸方向に相前後して置かれ中心軸２０を中心に同心的に配置された複数の電極リング７からなる。
【００２１】
図４は更にに別の例を示し、この例ではハウジング５は既にリング状のハウジングとして形成され、例えばコンピュータ断層撮影装置の検査室を中心に配置されるようにすることができる。図４の右の部分はこのリングを極めて概略的に示したもので、放出するＸ線１３及びリングに配置されＸ線１３が当たる検出器１４が共に描かれている。図の左の部分には、リング状のハウジング５の一断面が拡大して示され、ハウジング内にリング状に取り巻いているＸ線ターゲット３並びに冷電子源１の構造化されたリングが認められる。この例においても、電子源１の範囲にはICEないしRICE電極構造７が配置されている。さらにこの図ではＸ線放出のための窓１２が認められる。このような装置は、第５世代のコンピュータ断層撮影装置の実現を可能にし、Ｘ線管及びＸ線検出器が固定して配置されている。回転するＸ線は同じように回転する電子線２によって、リング状に取り巻く電子源１の相応の局部的な制御を用いて発生される。
【００２２】
図５はこのような配置を軸方向に見たものを示し、冷電子源１のリング、リング状のハウジング５、ICE電極構造の内部リング７a及びICE電極構造の外部リング７bが認められる。この電極構造は従ってこの例では、軸方向に相前後して置かれリング状のハウジング５の中心軸に同心的に配置された電極リング７a、７bの複数の対からなっている。
【００２３】
図７は電子源１の範囲におけるICEないしRICE電極構造７の配置を示す。その下の電圧・経路線図は、異なる陽極の電位（陽極電位１６）、陰極の電位（陰極電位１７）及び電極構造７の個々の電極の電位によって生じる加速電界プロフィル１５を示す。加速プロセスの擾乱を避けるため、この電極構造７は速い交番電界を直線的な陽極加速電界に重畳する特定の電位シーケンスと結ばれている。交番成分は、電子の飛行に著しく影響を及ぼすことなく、重くかつゆっくりと動く正イオンを消す。電極系７の各電極に対する必要な電位を引出すため、陽極電位と陰極電位との間に接続し得る受動抵抗ネットワークを使用することができる。このことは管高電圧の各値に対し可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施例の構成図である。
【図４】本発明の第４の実施例の構成図である。
【図５】図４に示す実施例の軸方向に見た断面図である。
【図６】図３に示す実施例の軸方向に見た断面図である。
【図７】本発明の正イオンの成分を減少させるための装置の一例の構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  冷電子源
２  電子線
３  Ｘ線ターゲット
４  焦点帯
５  ハウジング
６  集束及び偏向コイル
７  電極装置
７a  電極内部リング
７b  電極外部リング
８  集束範囲の前の領域
９  集束範囲
１０  電極基板
１１  光電半導体材料からなるリング
１２  窓
１３  Ｘ線
１４  検出器
１５  加速電界プロフィル
１６  陽極電位
１７  陰極電位
１９  レーザ
２０  中心軸
【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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