パッシブイオン集電極を持つＸ線管
陰極３、陽極５、及び追加電極７を有するＸ線管１が提供される。その中で、追加電極は、陽極５から来る自由電子２７の衝突により、追加電極７が陰極電位と陽極電位の間にある電位に負に帯電するように、配置され適合される。追加電極７はパッシブであり得る、すなわち、実質的に電気的に絶縁され、アクティブな外部電圧源に接続されない。追加電極７は一次電子ビーム２１の中からイオンを除去し、さらにまたＸ線管１の筐体１１内の残留ガスの原子も除去する、イオンポンプとしてはたらき得る。追加電極７のイオンポンプ能力をさらに増すために、磁界発生器６１が追加電極７に隣接して配置されることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン集電極を持つＸ線管に関し、該Ｘ線管は例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムにおいて使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管は例えばＣＴシステムにおいて使用され、ここではＸ線管は患者の周囲を回転し、Ｘ線の扇ビームを生成しており、ガントリロータ上でＸ線管の反対側では、Ｘ線管とともに検出器システムが回転し、これは減衰したＸ線を電気信号へ変換する。これらの電気信号に基づいて、コンピュータシステムは患者の身体の画像を再構成し得る。
【０００３】
Ｘ線管の中では、陰極から放出される一次電子のビームが陽極の焦点に衝突し、Ｘ線を作り出す。しかしながら、入射一次電子の何割かは後方散乱されるか、又は反跳電子を作り出し、これらの電子は以下「後向き電子」と一般的に呼ばれる。その結果、焦点から離れ、一次ビームのエネルギーのおよそ４０％（Ｗ‐ターゲット）を運び去る後向き電子が電流に変換される。
【０００４】
いくつかの従来の管設計は、陽極の真正面に陰極を持つ。従って、陰極と陽極の間に強電界が作られる。こうした管設計においては、正に帯電した陽極によって引き起こされるミラー効果により、多くの後向き電子が再び陽極へ向け直され、その結果陽極が不要に加熱され、さらに、後向き電子が陽極に衝突する焦点から相隔たる領域から望ましくない焦点外Ｘ線を作り出す。
【０００５】
改良された最近のアプローチにおいては、こうした望ましくない加熱と焦点外Ｘ線は、後向き電子が集電極へ向かってほぼフィールドフリーな空間を移動することができるようにＸ線管を改良することによって、効果的に軽減されることができる。こうして、陽極の熱負荷の４０％の大部分が回避され、焦点外Ｘ線の大部分もまた回避され得る。
【０００６】
しかしながら、強力な一次ビーム、及び後向き電子のシャワーにおける残留ガス又はターゲット蒸気から作られるイオンに起因する問題が生じ得る。陽極と陰極の間に強電界が作られる、前のＸ線管設計においては、こうしたイオンは電極のうちの一方、通常は陰極へ向かって、電界によって引きつけられる。しかしながら、ほぼフィールドフリーな空間を持つ最近のＸ線管設計においては、イオンはもはや引きつける強電界を経験しない可能性がある。従って、大量のイオンが陰極に埋め込まれ、Ｘ線管内の真空から除去された、前の設計にあるようなアクティブな関連イオンポンプはもう存在しない。
【０００７】
従って、Ｘ線生成のための有効電子ビームの主要部分付近の静電界が、ビーム空間電荷によって生成される動的場よりも小さいような、有効電子ビームの長いほぼフィールドレスなドリフト軌道を持つＸ線管は、電子ビーム中の大きなイオン濃度に悩まされる可能性があり、これはその集束を不安定にする可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題を少なくとも部分的に克服するＸ線管を提供する必要があり得る。特に、Ｘ線管内で生成されるイオンが、一次電子ビームのドリフト軌道から、特にほぼフィールドレスなドリフト軌道から、効果的に収集され除去され得るようなＸ線管を提供する必要があり得る。さらに、構成が単純であり、その結果製造費と維持費を減らすようなＸ線管を提供する必要があり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、Ｘ線管が提供され、該Ｘ線管は、陰極、陽極、及び追加電極を有する。その中で、追加電極は、自由電子の衝突により、追加電極が陰極電位と陽極電位の間にある電位にまで負に帯電するように、配置され適合される。
【００１０】
従来の陰極‐陽極配置に加えて、Ｘ線管内に追加電極を設けることが、本発明の主旨とみなされ得る。この追加電極は、Ｘ線管の動作中にイオン収集器又はイオンポンプとしてはたらくように適合され得る。こうした動作中、陰極によって放出される電子は陽極へ向かって加速される。陽極に衝突するとき、反跳電子又は後方散乱電子が陽極から放出され得る。追加電極は、こうした自由反跳電子が追加電極に衝突し得るようなＸ線管内の位置に配置され得る。こうした自由電子の衝突により、追加電極は負に帯電する。追加電極はさらに、衝突する自由電子によって追加電極が帯電する電位が、Ｘ線管の動作中に陰極電位と陽極電位の間にあるように、配置され適合されるものとする。
【００１１】
この文脈においては、Ｘ線管の動作中に追加電極が帯電する電位が、追加電極への自由電子の衝突に主に起因する、すなわち依存するということを強調することが重要であり得る。言い換えれば、追加電極の平衡負電位、すなわち、Ｘ線管システムが起動条件から平衡連続使用条件へ達した後に得られる電位は、一方では追加電極に衝突する自由電子の流れによって、他方では電荷の純損失によって、例えば追加電極からの電子放出と収集されたイオンによって、主に決定される。再度言い換えれば、追加電極はパッシブな自己帯電（ｓｅｌｆ‐ｃｈａｒｇｉｎｇ）電極と称されることができる。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、追加電極は外部電圧源に電気的に接続されない。言い換えれば、追加電極は実質的に電気的に絶縁され、パッシブである。例えば追加電極は、Ｘ線管の筐体又はＸ線管の陽極にも、外部電圧を印加することによって追加電極に所定の又は選択可能な電位を設定するための追加制御ユニットにも、電気的に接続されない。絶縁は完全でなくてもよい。すなわち、例えばセラミック上の薄層金属表面コーティングを用いて、限られた線形（オーム）又は非線形の電気抵抗特性を持ってもよい。
【００１３】
この文脈において、追加電極と外部電圧源及び／又はＸ線管の他の部品との間に電気的接続がないという用語は、追加電極と電圧源又はＸ線管素子との間に導電性素子が設けられないというように解釈され得る。特に、追加電極へ向かう導電体又は配線がなくてもよい。従って追加電極は、自由電子の衝突により、特定の平衡電位にまで帯電する。しかしながら、"電気的接続がない"とは、例えば、追加電極の表面から周囲のガス又は真空へ電子が放出される、冷電子又は熱電子放出などによって、従来の導電体以外の方法によって追加電極から電荷が放出される可能性を除外するものと解釈されてはならない。
【００１４】
Ｘ線管動作中に自由電子の衝突によって追加電極が帯電する平衡電位は、陰極の負電位をはるかに下回り、例えば陰極の電位よりも陽極の電位に近くなり得る。例えばこの平衡電位は、陽極と陰極の間の電位差の１乃至３０％、好適には３乃至１０％であり得る。例えば、陰極電位が−１２０ｋＶで陽極電位が０ｋＶである場合、追加電極はその平衡電位がおよそ−５ｋＶになるように配置され適合され得る。
【００１５】
その平衡負電位により、追加電極はその周囲における正に帯電したイオンを引きつけるイオン収集器又はイオンポンプとしてはたらき得る。従って、一次電子ビームの電子又は後ろ向き電子と気相分子の衝突によって周辺空間内に作られるイオンは、電界を経験し、真空空間から追加電極へ向かってすばやく引き出され、ここでバルク材料の中に埋められ得る。こうしたイオンポンプは例えば化学ゲッタに基づく他の従来既知のイオンポンプよりも効率的にはたらき得る。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態によれば、Ｘ線管は筐体部分をさらに有し、筐体部分は所定電位に維持されるようになっており、追加電極は、Ｘ線管の動作中に、一方では、陽極から来て追加電極に衝突する電子によって追加電極の負電位が上昇しやすくなるような、他方では、追加電極から筐体部分へ向かって放出される電子によって追加電極の負電位が低下しやすくなるような、筐体部分に対する位置と距離に配置される。
【００１７】
筐体部分は、陰極、陽極、及び追加電極といったＸ線管の素子を包囲する、筐体全体、又はかかる筐体全体の一部であってもよい。筐体部分は金属などの導電性材料から作られ得る。筐体部分は外部電圧源への電気的接続によって所定電位に維持され得る。あるいは、筐体部分は例えば陽極に電気的に接続されることができ、その結果陽極と同じ電位になる。
【００１８】
特に筐体部分と陽極が同じ電位である後者の場合、筐体部分は、陽極と追加電極を有するＸ線管の部分を主に包囲するように設計され得、Ｘ線管のこの部分においては、陰極と陽極及び／又は筐体部分との間の主電界が遮蔽される。その結果、ほぼフィールドレスな領域がＸ線管内に作られることができる。このほぼフィールドレスな領域においては、例えばフィールドレスなドリフト軌道が作られることができ、ここでは陰極から来て陽極へ向かって加速される電子は、陽極と陰極の間の電位差から生じる大きな電界を経験しない。特に、追加電極がこうしたほぼフィールドレスな領域内に配置される場合、このほぼフィールドレスな領域内に比較的低い電界を作ることができ、この低電界は、このほぼフィールドレスな領域において生成されるイオンを追加電極へ向かって引きつける。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極は絶縁素子によって筐体部分に対して電気的に絶縁され、この絶縁素子は、Ｘ線管の平衡動作条件下において、絶縁素子を通る追加電極から筐体部分への電流が、陽極から来て追加電極に衝突する電荷の流れよりも小さくなるようになっている限られた導電性を持つ。こうした配置において、追加電極は衝突する電子によって特定の負電位に帯電するが、絶縁素子を通る小さな電流が負電荷の損失を引き起こす。絶縁素子の典型的な電気抵抗性は１メガオームよりも大きくなり得る。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極は電子の電界放出に適した放出面領域を有する。
【００２１】
電子は、特定物質の表面から放出されることができるために、最小ポテンシャルエネルギー又は最小運動エネルギーを持つ必要がある。このエネルギーは物質の仕事関数とも称される。
【００２２】
一例として、このエネルギーは熱エネルギーの形で提供されることができる。電極は、電極内の電子が電極物質から出ることができるために十分な運動エネルギーを持つような温度に加熱されることができる。これは熱陰極の原理とも称される。
【００２３】
他方で、強電界が電極表面の付近に存在する場合、ポテンシャル電子エネルギーは低減され得る。電子は、放出電流と電界の間のＦｏｗｌｅｒ‐Ｎｏｒｄｈｅｉｍの関係に従って、表面ポテンシャル障壁を通ってトンネルすることができる。この目的のため、及び電流を増大するために、電極の表面形状は、電子が対応する位置において電極物質から出ることができるよう、微視的電界が局所的に上昇されるように適合されることができる。例えば、電極の表面は小さなチップ、例えばタングステンチップを備えることができ、チップ先端においては電位が強く上昇され、電子がこうしたチップ先端から放出されることができる。特定の表面形状によって局所的に上昇されたこうした電界による電子放出は、しばしば電子の"電界放出"又は"冷電子放出"と呼ばれる。
【００２４】
その中で、電極表面から放出される電子電流の大きさは、一方では、対応する基準電位、例えばＸ線管の隣接筐体部分の電位などに対する電極電位による巨視的電界に強く依存し、他方では、電極の表面形状によって修正され得る局所的微視的電界に強く依存する。例えば、正しいサイズの放出面領域を考えると、およそ−５ｋＶである電極の放出面領域と、０ｋＶである筐体部分の隣接基準電位領域の間のおよそ１ｍｍの距離は、特定のＸ線管において散乱電子の入力電流を厳密に平衡させ得ることがわかっている。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極の放出面領域はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を有する。例えば、放出面領域はカーボンナノチューブでコーティングされてもよく、それによって、電界が局所的に上昇され得る鋭いエッジをナノチューブが形成する、微視的に荒い表面構造を作り出す。カーボンナノチューブは、その電界放出電流密度が比較的高く、チップの局部過熱及び自壊に対する安定性もまた高いことから、特に有用であり得る。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極はＸ線管の陰極と陽極の間のほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接して配置される。
【００２７】
負に帯電した追加電極は、例えばほぼフィールドレスなドリフト軌道内の一次電子ビームによって作られる正に帯電したイオンを引きつけ、その結果一次電子ビームの集束を安定化させ得る。"ほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接する"という語は、本明細書では、追加電極が、追加電極の負電荷に起因する引力が、ドリフト軌道内に生成されるイオンのかなりの部分を引きつけ、追加電極の方へ向けるために十分に高くなるような、陰極と陽極の間の一次電子ビームのドリフト軌道からの位置と距離に配置されるというように解釈され得る。このように、追加電極はイオン収集器としてはたらき得る。実際には、追加電極とフィールドレスなドリフト軌道の間の距離は数ミリメートルの範囲内であり得る。
【００２８】
さらなる実施形態によれば、追加電極は陰極から来る電子が陽極に衝突する焦点に隣接して配置される。陽極において焦点の近くに配置されるとき、追加電極はこうした焦点を囲む体積からイオンを有利に除去し得、その結果一次電子ビームの集束の安定化に役立つ。さらに、焦点から放出される反跳電子又は後方散乱電子が追加電極に容易に達することができ、その結果追加電極を所望の電位へ帯電させる。
【００２９】
上述の態様及び実施形態において、追加電極は"電位変換器"として機能する"プル電極"としてはたらき得る。一次電子ビーム内のイオン化電子の運動エネルギーは例えば１００乃至１２０ｋｅＶであり得るのに対し、例えば電界放出によって追加電極から放出される電子は、イオン化過程が起こる空間中の点によって、０乃至５ｋｅＶのエネルギーを持ち得る。イオン化断面積は、高エネルギー範囲と比較してこの低エネルギー範囲において一桁分高いので、中程度エネルギーの電子の流れがＸ線管内の真空を通過するとき、Ｘ線管内の残留ガスのイオン化効率は大きく増強される。言い換えれば、Ｘ線管内の残留ガスの原子又は粒子は、例えば電界放出によって追加電極から放出される低エネルギー電子によって効率的にイオン化されることができ、作られたイオンは、例えば追加電極へ向かって引きつけられる、すなわち"ポンプ"されることができ、従って追加電極はイオンポンプとしてはたらく。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態によれば、Ｘ線管は追加電極に隣接する磁界を生成するのに適した磁界発生器をさらに有する。
【００３１】
こうした磁界発生器によって生成される磁界により、追加電極から放出される電子は、湾曲した、従って伸長された電子軌道上に押しつけられ得る。例えば、Ｘ線管の筐体部分の方向に追加電極の放出面領域から放出される電子は、らせん軌道上に押しつけられ得る。その結果、電子がＸ線管内の真空を通って移動しなければならない軌道が伸長され、それによって電子とＸ線管内の残留ガスの原子との間の衝突の可能性を増加させる。従って、イオン生成、及びその結果追加電極のポンプ効率が増加されることができる。
【００３２】
磁界発生器によって生成される磁界はさらなる利点をもたらし得る。イオンは電子よりもかなり重い。例えば、イオンの質量は電子の質量よりもおよそ３桁大きい。その結果、運動するイオンに対する磁界の偏向効果は、同じ速度で運動する電子に対するよりもかなり小さい。この特性は、追加電極から放出される電子のドリフト軌道は磁界によって大きく曲げられ得るのに対して、こうした電子と非帯電粒子の衝突によって生成されるイオンは、引きつける追加電極へ向かって移動する間、磁界によってそれほど偏向されない、というように使用され得る。その結果、イオンが追加電極の表面に衝突する位置は、追加電極において電子が放出される表面領域から相隔たる。この効果を用いて、電子の電界放出のための放出面領域にイオンが衝突することが防止されることができる。これは、この放出面領域が通常は非常に繊細で、イオン衝撃によって容易に損傷されるため、追加電極の寿命を著しく増加させることができる。
【００３３】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極の部分表面領域は化学ゲッタ材料でコーティングされる。衝突により、イオンは中性化され、これらの原子と化合物を形成する材料層の中に埋められる。
【００３４】
本発明のさらなる実施形態によれば、イオンゲッタ材料でコーティングされる部分表面領域は、電子の電界放出に適している放出面領域の近くに位置する。上記でさらに概説されたように、追加電極の放出面領域から放出される電子によって生成されるイオンは、放出面領域の位置から相隔たる位置において追加電極に衝突する。従って、追加電極の表面の一部分は電子の電界放出に適しているのに対して、イオンが衝突すると思われる追加電極の表面領域の隣接部分はイオンゲッタ材料でコーティングされるように、追加電極を設計することが有利となり得る。その結果、追加電極のイオンポンプ効率がさらに増加され得る。
【００３５】
本発明の態様、実施形態、及び特徴は異なる主題を参照して記載されていることに留意すべきである。特に、いくつかの特徴と実施形態はＸ線管そのものを参照して記載されているのに対して、他の特徴と実施形態はその動作又は使用について記載されている。しかしながら、当業者は上記及び以下の記載から、他に通知されない限り、ある種の主題に属する任意の組み合わせ又は特徴に加えて、異なる主題に関する特徴間の任意の組み合わせもまた、本出願とともに開示されるものとみなされると推測するだろう。
【００３６】
本発明の上記の態様と実施形態、及びさらなる態様は、図面を参照して以下に記載される例示的な実施形態から明らかとなり得るが、本発明はそれらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は従来のＸ線管を示す。
【図２】図２は本発明の一実施形態にかかるＸ線管を示す。
【図３】図３は図２に示された部分Ａの拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図面は略図に過ぎず実物大ではないことに留意されたい。さらに、類似する参照符号は図面を通して類似する要素を指定する。
【００３９】
図１は、主要部品として陰極１０３と陽極１０５を有する従来のＸ線管１０１を示す。Ｘ線管１０１の部品は筐体１１１によって囲まれる。陰極１０３は例えば−１２０ｋＶの高い負電位に設定され、陰極１０３が筐体１１１に対して電気的に絶縁されるように、電気絶縁素子１１３によって筐体１１１に機械的に取り付けられる。陽極１０５は回転軸１１７の周りを回転されることができる円形ディスクとして設計される。陽極１０５は傾斜面１１５を有する。陰極１０３から放出され、陽極１０５へ向かって加速される一次電子ビーム１２１の電子（ｅ−）は、傾斜面１１５上の焦点１１９において陽極１０５に衝突する。
【００４０】
こうした電子の衝突により、陽極１０５に対して向けられる電子ビーム１２１のおよそ６０％の割合がＸ線のビーム１２３を生成するのに役立つ。このＸ線のビーム１２３は、被検試料の方向に筐体１１１内の窓１２５を通して透過されることができる。
【００４１】
しかしながら、電子ビーム１２１の残りのおよそ４０％の割合は、陽極１０５から離れた方向に飛んでいく反跳電子へ変換される。これらの後向き電子１２７は、陽極１０５又は筐体１１１の正電位によって引きつけられる。従って偏向された後向き電子１２７は焦点１１９から相隔たる位置１２９において陽極１０５の表面に衝突する可能性があり、その結果、一方では焦点外Ｘ線放射１３１を生成し、他方では陽極１０５内に大量の熱を生成する。
【００４２】
図１及び図２においては、Ｘ線管１０１の一部分のみが中心線（ＣＬ）まで示されていることに留意されたい。中心線（ＣＬ）は陽極１０５の対象軸と解釈されることができ、この対象軸の中に陽極の回転軸１１７が位置することができる。
【００４３】
図２は本発明にかかるＸ線管１の一実施形態を示す。Ｘ線管１は筐体１１内に配置される陰極３と陽極５を有する。陰極３は筐体１１に機械的に接続されるが、絶縁素子１３によって筐体１１に対して電気的に絶縁される。ディスク状の陽極５は回転軸１７の周りを回転されることができる。
【００４４】
図２に示される具体的な実施形態においては、Ｘ線管１はいわゆるシングルエンド管型である。これは、陰極３は例えば−１２０ｋＶの強い負電位に設定されるが、陽極５は接地電位、すなわち０ｋＶに設定されることを意味する。さらに、筐体１１も接地電位に設定されるように、筐体１１は陽極５に電気的に接続される。さらに、筐体１１は基本的に陽極５を囲み、小さな通路３５のみが陰極３と陽極５の間の接続として設けられるようになっている。この"ボトルネック"３５を通って、陰極３によって放出される一次電子ビーム２１は陽極５の傾斜面１５の方向に通過することができ、焦点１９から放出されるＸ線ビーム２３を生成するようになっている。
【００４５】
"ボトルネック"３５を有する筐体１１の特有の構造により、大体"ボトルネック"３５の上端からはじまって陽極５の近くにまで及ぶほぼフィールドレスな領域３７が存在する。このほぼフィールドレスな領域３７において、一次電子ビーム２１の主要部分付近の静電界は、ビーム空間電荷によって生成される動的場よりも小さい。
【００４６】
従来のＸ線管と同様に、焦点１９における陽極５への電子ビーム２１の衝突により、反跳電子２７が生成される。しかしながら、これらの電子２７はほぼフィールドレスな領域３７内で生成されるので、これらの電子２７は接地電位である陽極５によって引きつけられない。代わりに、その高い運動エネルギーにより、これらの電子２７は、陽極５に隣接し、かつほぼフィールドレスな領域３７内の電子ビーム２１の近くに設けられる追加電極７へ飛んでいき得る。
【００４７】
追加電極７は導電性材料から作られるが、電気絶縁材料から作られる絶縁素子４３によって筐体１１に機械的に取り付けられる。従って、追加電極７は電気的に絶縁され、従って衝突する後向き電子２７によって帯電され得る。これらの後ろ向き電子２７は、陰極３と陽極５の間の電位差までの範囲において、すなわち１２０ｋｅＶまでの範囲において、非常に高いエネルギーを持ち得るので、追加電極は理論的には陽極５の電位と陰極３の電位の間のどこかである対応する負電位にまで帯電されることができる。
【００４８】
追加電極７が過度に負に帯電するのを防ぐために、追加電極７には電子の電界放出に適した放出面領域４１が備わっている。図２に示された部分Ａの拡大図が図３に示される。放出面領域４１は、追加電極７と筐体１１の周辺部との間の電界を局所的に上昇させるために、例えばカーボンナノチューブでコーティングされる、又は小さな鋭いチップを備える、追加電極７の領域である。帯電した追加電極７と隣接する筐体１１の間の電位差から生じる巨視的電界、及び放出面領域４１内の表面構造によるこの電界の局所的微視的上昇により、電子４３は放出面領域４１から筐体１１の方向に放出されることができる。その際、放出面領域４１から放出される電子４３の流れの大きさは、追加電極７と筐体１１の間の電位差に強く依存する。従って、平衡状態又は定常状態の電位が追加電極７に対して設定され、陽極５の焦点１９から来る後ろ向き電子２７によってもたらされる電荷の流れは、筐体１１の方向に放出面領域４１から放出される電子４３の流れと同じ大きさである。
【００４９】
追加電極７の１つの効果は、筐体１１によって囲まれる真空内の残留ガスの原子と一次電子ビーム２１からの電子の衝突によって生成され得る、正に帯電したイオン５１を引きつけることである。こうしたイオン５１は追加電極７へ向かって引きつけられ、ひいてはそこに埋め込まれ得る。従って、こうしたイオン５１は一次電子ビーム２１に隣接する領域から除去され、ここでさもなければこうしたイオンは一次電子ビーム２１に干渉する可能性がある。
【００５０】
追加電極７の別の効果は次の通りである。追加電極７の放出面４１から放出される電子４３は、最大でも追加電極７と筐体１１の間の電位差である、すなわち０乃至５ｋｅＶの範囲内である、比較的低い運動エネルギーを持つ。こうした低エネルギー電子４３は、Ｘ線管１内の残留ガスの原子との衝突の可能性が高い。そしてこうした衝突によって生成されるイオン５３は、負に帯電した追加電極７ヘ向かって引きつけられ得、従って追加電極はここでもやはりイオンポンプとしてはたらく。
【００５１】
この後者の効果をさらに高めるために、磁界発生器６１が追加電極７に隣接する領域内に設けられる。この磁界発生器６１は、追加電極７と筐体１１の間の空間内に磁界を生成するのに適しており、放出面領域４１において放出される電子４３がこれを通過する。生成される磁界は、放出電子４３が真っ直ぐ電位線に沿って放出面領域４１から筐体１１へ向かって真っ直ぐ飛んでいくのではなく、電子４３の軌道が曲げられるように、放出電子４３を強く偏向させるのに役立つ。従って、放出面領域４１において放出される電子４３の飛行距離と飛行時間は延長され、従って残留原子との衝突の可能性が増加される。その結果、イオンポンプとしてはたらく追加電極7の効率が増加され得る。こうした電子‐原子衝突によって生成され、追加電極７へ向かって引きつけられるイオン５３は、その高い質量のために、磁界発生器６１によって生成される磁界によってわずかしか偏向されない。こうしたイオン５３は追加電極７へ向かって大体真っ直ぐに飛んでいき、放出面領域４１から相隔たる部分表面領域６３においてその表面に衝突し得る。こうした部分表面領域６３は、追加電極７のイオンポンプ能力をさらに高めるためにイオンゲッタ材料でさらにコーティングされ得る。従って、繊細な放出面領域４１はイオン５３の衝突に対して大いに保護される。
【００５２】
最後に、本発明の機構と特徴は次のように要約されることができる。陰極３、陽極５、及び追加電極７を有するＸ線管１が提供される。その中で、追加電極は、陽極５から来る自由電子２７の衝突により、追加電極７が陰極電位と陽極電位の間にある電位に負に帯電するように、配置され適合される。追加電極７は電気的に絶縁され得、外部電圧源に接続されない。追加電極７は一次電子ビーム２１の中からイオン５１を除去し、さらにまたＸ線管１の筐体１１内の残留ガスの原子も除去する、イオンポンプとしてはたらき得る。追加電極７のイオンポンプ能力をさらに増すために、磁界発生器６１が追加電極７に隣接して配置されることができる。
【００５３】
"有する"という語と類似語は、他の要素又はステップを除外せず、"ａ"又は"ａｎ"という語は複数の要素を除外しないことに留意すべきである。また、異なる実施形態に関連して記載された要素は組み合わされてもよい。また、請求項における参照符号はその請求項の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことにも留意すべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン集電極を持つＸ線管に関し、該Ｘ線管は例えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムにおいて使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管は例えばＣＴシステムにおいて使用され、ここではＸ線管は患者の周囲を回転し、Ｘ線の扇ビームを生成しており、ガントリロータ上でＸ線管の反対側では、Ｘ線管とともに検出器システムが回転し、これは減衰したＸ線を電気信号へ変換する。これらの電気信号に基づいて、コンピュータシステムは患者の身体の画像を再構成し得る。
【０００３】
Ｘ線管の中では、陰極から放出される一次電子のビームが陽極の焦点に衝突し、Ｘ線を作り出す。しかしながら、入射一次電子の何割かは後方散乱されるか、又は反跳電子を作り出し、これらの電子は以下「後向き電子」と一般的に呼ばれる。その結果、焦点から離れ、一次ビームのエネルギーのおよそ４０％（Ｗ‐ターゲット）を運び去る後向き電子が電流に変換される。
【０００４】
いくつかの従来の管設計は、陽極の真正面に陰極を持つ。従って、陰極と陽極の間に強電界が作られる。こうした管設計においては、正に帯電した陽極によって引き起こされるミラー効果により、多くの後向き電子が再び陽極へ向け直され、その結果陽極が不要に加熱され、さらに、後向き電子が陽極に衝突する焦点から相隔たる領域から望ましくない焦点外Ｘ線を作り出す。
【０００５】
改良された最近のアプローチにおいては、こうした望ましくない加熱と焦点外Ｘ線は、後向き電子が集電極へ向かってほぼフィールドフリーな空間を移動することができるようにＸ線管を改良することによって、効果的に軽減されることができる。こうして、陽極の熱負荷の４０％の大部分が回避され、焦点外Ｘ線の大部分もまた回避され得る。
【０００６】
しかしながら、強力な一次ビーム、及び後向き電子のシャワーにおける残留ガス又はターゲット蒸気から作られるイオンに起因する問題が生じ得る。陽極と陰極の間に強電界が作られる、前のＸ線管設計においては、こうしたイオンは電極のうちの一方、通常は陰極へ向かって、電界によって引きつけられる。しかしながら、ほぼフィールドフリーな空間を持つ最近のＸ線管設計においては、イオンはもはや引きつける強電界を経験しない可能性がある。従って、大量のイオンが陰極に埋め込まれ、Ｘ線管内の真空から除去された、前の設計にあるようなアクティブな関連イオンポンプはもう存在しない。
【０００７】
従って、Ｘ線生成のための有効電子ビームの主要部分付近の静電界が、ビーム空間電荷によって生成される動的場よりも小さいような、有効電子ビームの長いほぼフィールドレスなドリフト軌道を持つＸ線管は、電子ビーム中の大きなイオン濃度に悩まされる可能性があり、これはその集束を不安定にする可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題を少なくとも部分的に克服するＸ線管を提供する必要があり得る。特に、Ｘ線管内で生成されるイオンが、一次電子ビームのドリフト軌道から、特にほぼフィールドレスなドリフト軌道から、効果的に収集され除去され得るようなＸ線管を提供する必要があり得る。さらに、構成が単純であり、その結果製造費と維持費を減らすようなＸ線管を提供する必要があり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、Ｘ線管が提供され、該Ｘ線管は、陰極、陽極、及び追加電極を有する。その中で、追加電極は、自由電子の衝突により、追加電極が陰極電位と陽極電位の間にある電位にまで負に帯電するように、配置され適合される。
【００１０】
従来の陰極‐陽極配置に加えて、Ｘ線管内に追加電極を設けることが、本発明の主旨とみなされ得る。この追加電極は、Ｘ線管の動作中にイオン収集器又はイオンポンプとしてはたらくように適合され得る。こうした動作中、陰極によって放出される電子は陽極へ向かって加速される。陽極に衝突するとき、反跳電子又は後方散乱電子が陽極から放出され得る。追加電極は、こうした自由反跳電子が追加電極に衝突し得るようなＸ線管内の位置に配置され得る。こうした自由電子の衝突により、追加電極は負に帯電する。追加電極はさらに、衝突する自由電子によって追加電極が帯電する電位が、Ｘ線管の動作中に陰極電位と陽極電位の間にあるように、配置され適合されるものとする。
【００１１】
この文脈においては、Ｘ線管の動作中に追加電極が帯電する電位が、追加電極への自由電子の衝突に主に起因する、すなわち依存するということを強調することが重要であり得る。言い換えれば、追加電極の平衡負電位、すなわち、Ｘ線管システムが起動条件から平衡連続使用条件へ達した後に得られる電位は、一方では追加電極に衝突する自由電子の流れによって、他方では電荷の純損失によって、例えば追加電極からの電子放出と収集されたイオンによって、主に決定される。再度言い換えれば、追加電極はパッシブな自己帯電（ｓｅｌｆ‐ｃｈａｒｇｉｎｇ）電極と称されることができる。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、追加電極は外部電圧源に電気的に接続されない。言い換えれば、追加電極は実質的に電気的に絶縁され、パッシブである。例えば追加電極は、Ｘ線管の筐体又はＸ線管の陽極にも、外部電圧を印加することによって追加電極に所定の又は選択可能な電位を設定するための追加制御ユニットにも、電気的に接続されない。絶縁は完全でなくてもよい。すなわち、例えばセラミック上の薄層金属表面コーティングを用いて、限られた線形（オーム）又は非線形の電気抵抗特性を持ってもよい。
【００１３】
この文脈において、追加電極と外部電圧源及び／又はＸ線管の他の部品との間に電気的接続がないという用語は、追加電極と電圧源又はＸ線管素子との間に導電性素子が設けられないというように解釈され得る。特に、追加電極へ向かう導電体又は配線がなくてもよい。従って追加電極は、自由電子の衝突により、特定の平衡電位にまで帯電する。しかしながら、"電気的接続がない"とは、例えば、追加電極の表面から周囲のガス又は真空へ電子が放出される、冷電子又は熱電子放出などによって、従来の導電体以外の方法によって追加電極から電荷が放出される可能性を除外するものと解釈されてはならない。
【００１４】
Ｘ線管動作中に自由電子の衝突によって追加電極が帯電する平衡電位は、陰極の負電位をはるかに下回り、例えば陰極の電位よりも陽極の電位に近くなり得る。例えばこの平衡電位は、陽極と陰極の間の電位差の１乃至３０％、好適には３乃至１０％であり得る。例えば、陰極電位が−１２０ｋＶで陽極電位が０ｋＶである場合、追加電極はその平衡電位がおよそ−５ｋＶになるように配置され適合され得る。
【００１５】
その平衡負電位により、追加電極はその周囲における正に帯電したイオンを引きつけるイオン収集器又はイオンポンプとしてはたらき得る。従って、一次電子ビームの電子又は後ろ向き電子と気相分子の衝突によって周辺空間内に作られるイオンは、電界を経験し、真空空間から追加電極へ向かってすばやく引き出され、ここでバルク材料の中に埋められ得る。こうしたイオンポンプは例えば化学ゲッタに基づく他の従来既知のイオンポンプよりも効率的にはたらき得る。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態によれば、Ｘ線管は筐体部分をさらに有し、筐体部分は所定電位に維持されるようになっており、追加電極は、Ｘ線管の動作中に、一方では、陽極から来て追加電極に衝突する電子によって追加電極の負電位が上昇しやすくなるような、他方では、追加電極から筐体部分へ向かって放出される電子によって追加電極の負電位が低下しやすくなるような、筐体部分に対する位置と距離に配置される。
【００１７】
筐体部分は、陰極、陽極、及び追加電極といったＸ線管の素子を包囲する、筐体全体、又はかかる筐体全体の一部であってもよい。筐体部分は金属などの導電性材料から作られ得る。筐体部分は外部電圧源への電気的接続によって所定電位に維持され得る。あるいは、筐体部分は例えば陽極に電気的に接続されることができ、その結果陽極と同じ電位になる。
【００１８】
特に筐体部分と陽極が同じ電位である後者の場合、筐体部分は、陽極と追加電極を有するＸ線管の部分を主に包囲するように設計され得、Ｘ線管のこの部分においては、陰極と陽極及び／又は筐体部分との間の主電界が遮蔽される。その結果、ほぼフィールドレスな領域がＸ線管内に作られることができる。このほぼフィールドレスな領域においては、例えばフィールドレスなドリフト軌道が作られることができ、ここでは陰極から来て陽極へ向かって加速される電子は、陽極と陰極の間の電位差から生じる大きな電界を経験しない。特に、追加電極がこうしたほぼフィールドレスな領域内に配置される場合、このほぼフィールドレスな領域内に比較的低い電界を作ることができ、この低電界は、このほぼフィールドレスな領域において生成されるイオンを追加電極へ向かって引きつける。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極は絶縁素子によって筐体部分に対して電気的に絶縁され、この絶縁素子は、Ｘ線管の平衡動作条件下において、絶縁素子を通る追加電極から筐体部分への電流が、陽極から来て追加電極に衝突する電荷の流れよりも小さくなるようになっている限られた導電性を持つ。こうした配置において、追加電極は衝突する電子によって特定の負電位に帯電するが、絶縁素子を通る小さな電流が負電荷の損失を引き起こす。絶縁素子の典型的な電気抵抗性は１メガオームよりも大きくなり得る。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極は電子の電界放出に適した放出面領域を有する。
【００２１】
電子は、特定物質の表面から放出されることができるために、最小ポテンシャルエネルギー又は最小運動エネルギーを持つ必要がある。このエネルギーは物質の仕事関数とも称される。
【００２２】
一例として、このエネルギーは熱エネルギーの形で提供されることができる。電極は、電極内の電子が電極物質から出ることができるために十分な運動エネルギーを持つような温度に加熱されることができる。これは熱陰極の原理とも称される。
【００２３】
他方で、強電界が電極表面の付近に存在する場合、ポテンシャル電子エネルギーは低減され得る。電子は、放出電流と電界の間のＦｏｗｌｅｒ‐Ｎｏｒｄｈｅｉｍの関係に従って、表面ポテンシャル障壁を通ってトンネルすることができる。この目的のため、及び電流を増大するために、電極の表面形状は、電子が対応する位置において電極物質から出ることができるよう、微視的電界が局所的に上昇されるように適合されることができる。例えば、電極の表面は小さなチップ、例えばタングステンチップを備えることができ、チップ先端においては電位が強く上昇され、電子がこうしたチップ先端から放出されることができる。特定の表面形状によって局所的に上昇されたこうした電界による電子放出は、しばしば電子の"電界放出"又は"冷電子放出"と呼ばれる。
【００２４】
その中で、電極表面から放出される電子電流の大きさは、一方では、対応する基準電位、例えばＸ線管の隣接筐体部分の電位などに対する電極電位による巨視的電界に強く依存し、他方では、電極の表面形状によって修正され得る局所的微視的電界に強く依存する。例えば、正しいサイズの放出面領域を考えると、およそ−５ｋＶである電極の放出面領域と、０ｋＶである筐体部分の隣接基準電位領域の間のおよそ１ｍｍの距離は、特定のＸ線管において散乱電子の入力電流を厳密に平衡させ得ることがわかっている。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極の放出面領域はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を有する。例えば、放出面領域はカーボンナノチューブでコーティングされてもよく、それによって、電界が局所的に上昇され得る鋭いエッジをナノチューブが形成する、微視的に荒い表面構造を作り出す。カーボンナノチューブは、その電界放出電流密度が比較的高く、チップの局部過熱及び自壊に対する安定性もまた高いことから、特に有用であり得る。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極はＸ線管の陰極と陽極の間のほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接して配置される。
【００２７】
負に帯電した追加電極は、例えばほぼフィールドレスなドリフト軌道内の一次電子ビームによって作られる正に帯電したイオンを引きつけ、その結果一次電子ビームの集束を安定化させ得る。"ほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接する"という語は、本明細書では、追加電極が、追加電極の負電荷に起因する引力が、ドリフト軌道内に生成されるイオンのかなりの部分を引きつけ、追加電極の方へ向けるために十分に高くなるような、陰極と陽極の間の一次電子ビームのドリフト軌道からの位置と距離に配置されるというように解釈され得る。このように、追加電極はイオン収集器としてはたらき得る。実際には、追加電極とフィールドレスなドリフト軌道の間の距離は数ミリメートルの範囲内であり得る。
【００２８】
さらなる実施形態によれば、追加電極は陰極から来る電子が陽極に衝突する焦点に隣接して配置される。陽極において焦点の近くに配置されるとき、追加電極はこうした焦点を囲む体積からイオンを有利に除去し得、その結果一次電子ビームの集束の安定化に役立つ。さらに、焦点から放出される反跳電子又は後方散乱電子が追加電極に容易に達することができ、その結果追加電極を所望の電位へ帯電させる。
【００２９】
上述の態様及び実施形態において、追加電極は"電位変換器"として機能する"プル電極"としてはたらき得る。一次電子ビーム内のイオン化電子の運動エネルギーは例えば１００乃至１２０ｋｅＶであり得るのに対し、例えば電界放出によって追加電極から放出される電子は、イオン化過程が起こる空間中の点によって、０乃至５ｋｅＶのエネルギーを持ち得る。イオン化断面積は、高エネルギー範囲と比較してこの低エネルギー範囲において一桁分高いので、中程度エネルギーの電子の流れがＸ線管内の真空を通過するとき、Ｘ線管内の残留ガスのイオン化効率は大きく増強される。言い換えれば、Ｘ線管内の残留ガスの原子又は粒子は、例えば電界放出によって追加電極から放出される低エネルギー電子によって効率的にイオン化されることができ、作られたイオンは、例えば追加電極へ向かって引きつけられる、すなわち"ポンプ"されることができ、従って追加電極はイオンポンプとしてはたらく。
【００３０】
本発明のさらなる実施形態によれば、Ｘ線管は追加電極に隣接する磁界を生成するのに適した磁界発生器をさらに有する。
【００３１】
こうした磁界発生器によって生成される磁界により、追加電極から放出される電子は、湾曲した、従って伸長された電子軌道上に押しつけられ得る。例えば、Ｘ線管の筐体部分の方向に追加電極の放出面領域から放出される電子は、らせん軌道上に押しつけられ得る。その結果、電子がＸ線管内の真空を通って移動しなければならない軌道が伸長され、それによって電子とＸ線管内の残留ガスの原子との間の衝突の可能性を増加させる。従って、イオン生成、及びその結果追加電極のポンプ効率が増加されることができる。
【００３２】
磁界発生器によって生成される磁界はさらなる利点をもたらし得る。イオンは電子よりもかなり重い。例えば、イオンの質量は電子の質量よりもおよそ３桁大きい。その結果、運動するイオンに対する磁界の偏向効果は、同じ速度で運動する電子に対するよりもかなり小さい。この特性は、追加電極から放出される電子のドリフト軌道は磁界によって大きく曲げられ得るのに対して、こうした電子と非帯電粒子の衝突によって生成されるイオンは、引きつける追加電極へ向かって移動する間、磁界によってそれほど偏向されない、というように使用され得る。その結果、イオンが追加電極の表面に衝突する位置は、追加電極において電子が放出される表面領域から相隔たる。この効果を用いて、電子の電界放出のための放出面領域にイオンが衝突することが防止されることができる。これは、この放出面領域が通常は非常に繊細で、イオン衝撃によって容易に損傷されるため、追加電極の寿命を著しく増加させることができる。
【００３３】
本発明のさらなる実施形態によれば、追加電極の部分表面領域は化学ゲッタ材料でコーティングされる。衝突により、イオンは中性化され、これらの原子と化合物を形成する材料層の中に埋められる。
【００３４】
本発明のさらなる実施形態によれば、イオンゲッタ材料でコーティングされる部分表面領域は、電子の電界放出に適している放出面領域の近くに位置する。上記でさらに概説されたように、追加電極の放出面領域から放出される電子によって生成されるイオンは、放出面領域の位置から相隔たる位置において追加電極に衝突する。従って、追加電極の表面の一部分は電子の電界放出に適しているのに対して、イオンが衝突すると思われる追加電極の表面領域の隣接部分はイオンゲッタ材料でコーティングされるように、追加電極を設計することが有利となり得る。その結果、追加電極のイオンポンプ効率がさらに増加され得る。
【００３５】
本発明の態様、実施形態、及び特徴は異なる主題を参照して記載されていることに留意すべきである。特に、いくつかの特徴と実施形態はＸ線管そのものを参照して記載されているのに対して、他の特徴と実施形態はその動作又は使用について記載されている。しかしながら、当業者は上記及び以下の記載から、他に通知されない限り、ある種の主題に属する任意の組み合わせ又は特徴に加えて、異なる主題に関する特徴間の任意の組み合わせもまた、本出願とともに開示されるものとみなされると推測するだろう。
【００３６】
本発明の上記の態様と実施形態、及びさらなる態様は、図面を参照して以下に記載される例示的な実施形態から明らかとなり得るが、本発明はそれらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は従来のＸ線管を示す。
【図２】図２は本発明の一実施形態にかかるＸ線管を示す。
【図３】図３は図２に示された部分Ａの拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図面は略図に過ぎず実物大ではないことに留意されたい。さらに、類似する参照符号は図面を通して類似する要素を指定する。
【００３９】
図１は、主要部品として陰極１０３と陽極１０５を有する従来のＸ線管１０１を示す。Ｘ線管１０１の部品は筐体１１１によって囲まれる。陰極１０３は例えば−１２０ｋＶの高い負電位に設定され、陰極１０３が筐体１１１に対して電気的に絶縁されるように、電気絶縁素子１１３によって筐体１１１に機械的に取り付けられる。陽極１０５は回転軸１１７の周りを回転されることができる円形ディスクとして設計される。陽極１０５は傾斜面１１５を有する。陰極１０３から放出され、陽極１０５へ向かって加速される一次電子ビーム１２１の電子（ｅ−）は、傾斜面１１５上の焦点１１９において陽極１０５に衝突する。
【００４０】
こうした電子の衝突により、陽極１０５に対して向けられる電子ビーム１２１のおよそ６０％の割合がＸ線のビーム１２３を生成するのに役立つ。このＸ線のビーム１２３は、被検試料の方向に筐体１１１内の窓１２５を通して透過されることができる。
【００４１】
しかしながら、電子ビーム１２１の残りのおよそ４０％の割合は、陽極１０５から離れた方向に飛んでいく反跳電子へ変換される。これらの後向き電子１２７は、陽極１０５又は筐体１１１の正電位によって引きつけられる。従って偏向された後向き電子１２７は焦点１１９から相隔たる位置１２９において陽極１０５の表面に衝突する可能性があり、その結果、一方では焦点外Ｘ線放射１３１を生成し、他方では陽極１０５内に大量の熱を生成する。
【００４２】
図１及び図２においては、Ｘ線管１０１の一部分のみが中心線（ＣＬ）まで示されていることに留意されたい。中心線（ＣＬ）は陽極１０５の対象軸と解釈されることができ、この対象軸の中に陽極の回転軸１１７が位置することができる。
【００４３】
図２は本発明にかかるＸ線管１の一実施形態を示す。Ｘ線管１は筐体１１内に配置される陰極３と陽極５を有する。陰極３は筐体１１に機械的に接続されるが、絶縁素子１３によって筐体１１に対して電気的に絶縁される。ディスク状の陽極５は回転軸１７の周りを回転されることができる。
【００４４】
図２に示される具体的な実施形態においては、Ｘ線管１はいわゆるシングルエンド管型である。これは、陰極３は例えば−１２０ｋＶの強い負電位に設定されるが、陽極５は接地電位、すなわち０ｋＶに設定されることを意味する。さらに、筐体１１も接地電位に設定されるように、筐体１１は陽極５に電気的に接続される。さらに、筐体１１は基本的に陽極５を囲み、小さな通路３５のみが陰極３と陽極５の間の接続として設けられるようになっている。この"ボトルネック"３５を通って、陰極３によって放出される一次電子ビーム２１は陽極５の傾斜面１５の方向に通過することができ、焦点１９から放出されるＸ線ビーム２３を生成するようになっている。
【００４５】
"ボトルネック"３５を有する筐体１１の特有の構造により、大体"ボトルネック"３５の上端からはじまって陽極５の近くにまで及ぶほぼフィールドレスな領域３７が存在する。このほぼフィールドレスな領域３７において、一次電子ビーム２１の主要部分付近の静電界は、ビーム空間電荷によって生成される動的場よりも小さい。
【００４６】
従来のＸ線管と同様に、焦点１９における陽極５への電子ビーム２１の衝突により、反跳電子２７が生成される。しかしながら、これらの電子２７はほぼフィールドレスな領域３７内で生成されるので、これらの電子２７は接地電位である陽極５によって引きつけられない。代わりに、その高い運動エネルギーにより、これらの電子２７は、陽極５に隣接し、かつほぼフィールドレスな領域３７内の電子ビーム２１の近くに設けられる追加電極７へ飛んでいき得る。
【００４７】
追加電極７は導電性材料から作られるが、電気絶縁材料から作られる絶縁素子４３によって筐体１１に機械的に取り付けられる。従って、追加電極７は電気的に絶縁され、従って衝突する後向き電子２７によって帯電され得る。これらの後ろ向き電子２７は、陰極３と陽極５の間の電位差までの範囲において、すなわち１２０ｋｅＶまでの範囲において、非常に高いエネルギーを持ち得るので、追加電極は理論的には陽極５の電位と陰極３の電位の間のどこかである対応する負電位にまで帯電されることができる。
【００４８】
追加電極７が過度に負に帯電するのを防ぐために、追加電極７には電子の電界放出に適した放出面領域４１が備わっている。図２に示された部分Ａの拡大図が図３に示される。放出面領域４１は、追加電極７と筐体１１の周辺部との間の電界を局所的に上昇させるために、例えばカーボンナノチューブでコーティングされる、又は小さな鋭いチップを備える、追加電極７の領域である。帯電した追加電極７と隣接する筐体１１の間の電位差から生じる巨視的電界、及び放出面領域４１内の表面構造によるこの電界の局所的微視的上昇により、電子４３は放出面領域４１から筐体１１の方向に放出されることができる。その際、放出面領域４１から放出される電子４３の流れの大きさは、追加電極７と筐体１１の間の電位差に強く依存する。従って、平衡状態又は定常状態の電位が追加電極７に対して設定され、陽極５の焦点１９から来る後ろ向き電子２７によってもたらされる電荷の流れは、筐体１１の方向に放出面領域４１から放出される電子４３の流れと同じ大きさである。
【００４９】
追加電極７の１つの効果は、筐体１１によって囲まれる真空内の残留ガスの原子と一次電子ビーム２１からの電子の衝突によって生成され得る、正に帯電したイオン５１を引きつけることである。こうしたイオン５１は追加電極７へ向かって引きつけられ、ひいてはそこに埋め込まれ得る。従って、こうしたイオン５１は一次電子ビーム２１に隣接する領域から除去され、ここでさもなければこうしたイオンは一次電子ビーム２１に干渉する可能性がある。
【００５０】
追加電極７の別の効果は次の通りである。追加電極７の放出面４１から放出される電子４３は、最大でも追加電極７と筐体１１の間の電位差である、すなわち０乃至５ｋｅＶの範囲内である、比較的低い運動エネルギーを持つ。こうした低エネルギー電子４３は、Ｘ線管１内の残留ガスの原子との衝突の可能性が高い。そしてこうした衝突によって生成されるイオン５３は、負に帯電した追加電極７ヘ向かって引きつけられ得、従って追加電極はここでもやはりイオンポンプとしてはたらく。
【００５１】
この後者の効果をさらに高めるために、磁界発生器６１が追加電極７に隣接する領域内に設けられる。この磁界発生器６１は、追加電極７と筐体１１の間の空間内に磁界を生成するのに適しており、放出面領域４１において放出される電子４３がこれを通過する。生成される磁界は、放出電子４３が真っ直ぐ電位線に沿って放出面領域４１から筐体１１へ向かって真っ直ぐ飛んでいくのではなく、電子４３の軌道が曲げられるように、放出電子４３を強く偏向させるのに役立つ。従って、放出面領域４１において放出される電子４３の飛行距離と飛行時間は延長され、従って残留原子との衝突の可能性が増加される。その結果、イオンポンプとしてはたらく追加電極7の効率が増加され得る。こうした電子‐原子衝突によって生成され、追加電極７へ向かって引きつけられるイオン５３は、その高い質量のために、磁界発生器６１によって生成される磁界によってわずかしか偏向されない。こうしたイオン５３は追加電極７へ向かって大体真っ直ぐに飛んでいき、放出面領域４１から相隔たる部分表面領域６３においてその表面に衝突し得る。こうした部分表面領域６３は、追加電極７のイオンポンプ能力をさらに高めるためにイオンゲッタ材料でさらにコーティングされ得る。従って、繊細な放出面領域４１はイオン５３の衝突に対して大いに保護される。
【００５２】
最後に、本発明の機構と特徴は次のように要約されることができる。陰極３、陽極５、及び追加電極７を有するＸ線管１が提供される。その中で、追加電極は、陽極５から来る自由電子２７の衝突により、追加電極７が陰極電位と陽極電位の間にある電位に負に帯電するように、配置され適合される。追加電極７は電気的に絶縁され得、外部電圧源に接続されない。追加電極７は一次電子ビーム２１の中からイオン５１を除去し、さらにまたＸ線管１の筐体１１内の残留ガスの原子も除去する、イオンポンプとしてはたらき得る。追加電極７のイオンポンプ能力をさらに増すために、磁界発生器６１が追加電極７に隣接して配置されることができる。
【００５３】
"有する"という語と類似語は、他の要素又はステップを除外せず、"ａ"又は"ａｎ"という語は複数の要素を除外しないことに留意すべきである。また、異なる実施形態に関連して記載された要素は組み合わされてもよい。また、請求項における参照符号はその請求項の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことにも留意すべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と、
陽極と、
追加電極とを有するＸ線管であって、
自由電子の衝突により、前記追加電極が陰極電位と陽極電位の間の電位に負に帯電するように、前記追加電極が配置され適合される、Ｘ線管。
【請求項２】
前記追加電極が外部電圧源に電気的に接続されない、請求項１に記載のＸ線管。
【請求項３】
筐体部分をさらに有し、
前記筐体部分が所定電位に維持されるようになっており、
前記追加電極が、前記Ｘ線管の動作中に、前記陽極から来て前記追加電極に衝突する電子によって前記追加電極の負電位が上昇しやすくなるような、かつ、前記追加電極から前記筐体部分へ向かって放出される電子によって前記追加電極の負電位が低下しやすくなるような、前記筐体部分に対する位置と距離に配置される、請求項１又は２に記載のＸ線管。
【請求項４】
筐体部分をさらに有し、
前記筐体部分が所定電位に維持されるようになっており、
前記追加電極が絶縁素子によって前記筐体部分に対して電気的に絶縁され、前記絶縁素子が、前記Ｘ線管の平衡動作条件下において、前記絶縁素子を通る前記追加電極から前記筐体部分への電流が、前記陽極から来て前記追加電極に衝突する電荷の流れと等しいか又はそれよりも小さくなるようになっている限られた導電性を持つ、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項５】
前記追加電極が電子の電界放出に適した放出面領域を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項６】
前記放出面領域がカーボンナノチューブを有する、請求項５に記載のＸ線管。
【請求項７】
前記追加電極が前記陰極と前記陽極の間のほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接して配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項８】
前記追加電極が、電子が前記陰極から来て前記陽極に衝突する焦点に隣接して配置される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項９】
前記追加電極に隣接する磁界を生成するのに適した磁界発生器をさらに有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項１０】
前記追加電極の部分表面領域がイオンゲッタ材料でコーティングされる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項１１】
前記部分表面領域が、電子の電界放出に適した放出面領域に隣接して位置する、請求項１０に記載のＸ線管。
【請求項１】
陰極と、
陽極と、
追加電極とを有するＸ線管であって、
自由電子の衝突により、前記追加電極が陰極電位と陽極電位の間の電位に負に帯電するように、前記追加電極が配置され適合される、Ｘ線管。
【請求項２】
前記追加電極が外部電圧源に電気的に接続されない、請求項１に記載のＸ線管。
【請求項３】
筐体部分をさらに有し、
前記筐体部分が所定電位に維持されるようになっており、
前記追加電極が、前記Ｘ線管の動作中に、前記陽極から来て前記追加電極に衝突する電子によって前記追加電極の負電位が上昇しやすくなるような、かつ、前記追加電極から前記筐体部分へ向かって放出される電子によって前記追加電極の負電位が低下しやすくなるような、前記筐体部分に対する位置と距離に配置される、請求項１又は２に記載のＸ線管。
【請求項４】
筐体部分をさらに有し、
前記筐体部分が所定電位に維持されるようになっており、
前記追加電極が絶縁素子によって前記筐体部分に対して電気的に絶縁され、前記絶縁素子が、前記Ｘ線管の平衡動作条件下において、前記絶縁素子を通る前記追加電極から前記筐体部分への電流が、前記陽極から来て前記追加電極に衝突する電荷の流れと等しいか又はそれよりも小さくなるようになっている限られた導電性を持つ、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項５】
前記追加電極が電子の電界放出に適した放出面領域を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項６】
前記放出面領域がカーボンナノチューブを有する、請求項５に記載のＸ線管。
【請求項７】
前記追加電極が前記陰極と前記陽極の間のほぼフィールドレスなドリフト軌道に隣接して配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項８】
前記追加電極が、電子が前記陰極から来て前記陽極に衝突する焦点に隣接して配置される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項９】
前記追加電極に隣接する磁界を生成するのに適した磁界発生器をさらに有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項１０】
前記追加電極の部分表面領域がイオンゲッタ材料でコーティングされる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項１１】
前記部分表面領域が、電子の電界放出に適した放出面領域に隣接して位置する、請求項１０に記載のＸ線管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１１−５１９１２５（Ｐ２０１１−５１９１２５Ａ）
【公表日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０４５７９（Ｐ２０１１−５０４５７９）
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５１４５５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２７９９５
【国際公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【公表日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月７日（２００９．４．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５１４５５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１２７９９５
【国際公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
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