ピアス銃及びピアス銃の制御方法
【課題】高速な電子ビーム強度の制御を可能にする。
【解決手段】装置（１０）は、フィラメント（２２）と、フィラメント（２２）によって加熱されて電子ビーム（１４）を発生する電子放出器（２０）と、フィラメント（２２）及び電子放出器（２０）の各々に電力を供給するように構成されている電源（２６）とを含んでいる。装置はまた、フィラメント（２２）及び電子放出器（２０）の各々への電力の供給を制御する制御システム（３４）を含んでおり、制御システム（３４）は、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器（２０）及びフィラメント（２２）の動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器（２０）とフィラメント（２２）との間に望ましい電圧を印加し、フィラメント（２２）に望ましい電圧を印加するように構成されている。
【解決手段】装置（１０）は、フィラメント（２２）と、フィラメント（２２）によって加熱されて電子ビーム（１４）を発生する電子放出器（２０）と、フィラメント（２２）及び電子放出器（２０）の各々に電力を供給するように構成されている電源（２６）とを含んでいる。装置はまた、フィラメント（２２）及び電子放出器（２０）の各々への電力の供給を制御する制御システム（３４）を含んでおり、制御システム（３４）は、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器（２０）及びフィラメント（２２）の動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器（２０）とフィラメント（２２）との間に望ましい電圧を印加し、フィラメント（２２）に望ましい電圧を印加するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、ピアス型電子銃に関し、さらに具体的には、電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するようにピアス型電子銃の動作を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管は典型的には、電子ビームを与える陰極構造を含んでおり、電子ビームは、陰極−陽極間の真空ギャップに跨がって印加される高電圧を用いて加速されて、回転式陽極に衝突するとＸ線を発生する。電子ビームが陽極と衝突する区域をしばしば焦点スポットと呼ぶ。典型的には、陰極は１又は複数の円筒形又は平坦型フィラメントを含んでおり、フィラメントはカップの内部に配置されて、例として述べると高出力の大径焦点スポット又は高分解能の小径焦点スポットを生成する電子ビームを与える。撮像応用は、応用に依存して特定の形状を有する小径又は大径の焦点スポットの何れかを選択することを含んで設計され得る。
【０００３】
電子ビームを発生するための一つの特定的な陰極構造は、ピアス（Pierce）型電子銃である。ピアス型電子銃は、加熱用フィラメントと、電子放出用陰極と、陰極から離隔して設けられた電場成形用電極及び第一の抽出板と、抽出板から離隔して設けられたＸ線ターゲット陽極とを含んでいる。かかるピアス型銃の特定の実施形態が米国特許第３，８８２，３３９号に記載されている。かかる電子銃は典型的には、空間電荷制限体制で動作し、放出電流は抽出電圧を調節することにより容易に制御され得る。かかる銃は、アンペア数を高速で変化させて電子ビームを発生するのに特に適する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第２００２０１２５８４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既存のピアス型電子銃の一つの欠点は、電圧の制御、並びに放出器及びフィラメントを適正な動作温度に保つのに必要とされる電力の制御及び制限である。構成要素の寿命を延ばすために、様々な温度を適正な動作と両立させつつ可能な限り低くする必要がある。加えて、制御は、帰還線の本数を可能な限り少なくして行なう必要があり、またこれらの線は真空チェンバの内部から引き出すべきでなく、チェンバの内部に付加的な設備（例えば温度を測定するためのもの）を設けることは回避すべきである。
【０００６】
このように、電圧供給源によって発生される電圧の速やかな印加による極めて高速の態様での電子ビーム強度の制御を可能にするシステム及び方法が必要とされている。また、フィラメント及び放出器両方の動作温度を最低にしつつ放出器の温度を高速で且つ正確な態様で制御することを可能にするシステムを提供し得ると望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の各実施形態は、電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する装置を提供することにより上述の欠点を克服する。
【０００８】
本発明の一観点によれば、装置が、電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメントと、フィラメントによって加熱されて電子ビームを発生する電子放出器と、フィラメント及び電子放出器の各々に電力を供給するように構成されており複数の電圧供給源を含む電源とを含んでいる。この装置はまた、フィラメント及び電子放出器の各々への電力の供給を制御する制御システムであって、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器及びフィラメントの動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器とフィラメントとの間に望ましい電圧を印加し、フィラメントに望ましい電圧を印加するように構成されている制御システムを含んでいる。
【０００９】
本発明のもう一つの観点によれば、電子銃の動作を制御する方法が、電子ビームの電流を制御する第一の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第一の制御ループを設定するステップは、所望の電子ビーム電流を与え、所望の電流を有する電子ビームを発生するように電子放出器と抽出電極との間に電位を印加し、所望の期間にわたり電子ビームを印加することをさらに含んでいる。この方法はまた、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御する第二の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第二の制御ループを設定するステップは、所望の電子放出器動作温度を与え、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御するように、電子放出器とフィラメントとの間に電位を印加すると共にフィラメントに跨がる電位を印加することをさらに含んでいる。
【００１０】
本発明のさらにもう一つの観点によれば、制御システムが、所望の電子ビーム電流、電子ビーム放出持続時間、及び所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取り、所望の時間間隔にわたり所望の電子ビーム電流に基づいて電子放出器と抽出電極との間に電圧を印加し、所望の放出器要素動作温度に基づいて電子放出器とフィラメントとの間に初期電圧を印加するようにプログラムされているプロセッサを含んでいる。プロセッサはさらに、放出器要素とフィラメントとの間の初期電圧に基づいて初期フィラメント電圧を印加し、測定されたフィラメント電流値を、初期フィラメント電圧及び電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧に関連している初期フィラメント電流値と比較し、測定されたフィラメント電流と初期フィラメント電流との比較に基づいて、初期フィラメント電圧、及び電子放出器とフィラメントとの間の初期電圧の各々を修正するようにプログラムされている。
【００１１】
これらの利点及び特徴、並びに他の利点及び特徴は、添付図面と共に掲げられている以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明からさらに容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図面は、発明を実施するのに現状で思量される実施形態を示す。
【図１】本発明の一実施形態による電子銃のブロック概略図である。
【図２】図１の電子銃での電子ビームの電流の制御を示すグラフである。
【図３】図１の電子銃での電子放出器及びフィラメントの動作温度の制御を示すグラフである。
【図４（Ａ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図４（Ｂ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図４（Ｃ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第一の制御ループを示す流れ図である。
【図６】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第二の制御ループを示す流れ図である。
【図７】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第二の制御ループを示す流れ図である。
【図８】本発明の一実施形態によるＸ線源の概略図である。
【図９】本発明の一実施形態を組み入れたＣＴイメージング・システムの遠近図である。
【図１０】図８に示すシステムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態による装置１０のブロック概略図を示す。装置１０は、内部に含まれている電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２が最低限の動作温度に保たれるよう制御するように構成されている。本発明の実施形態の一例によれば、装置１０は、参照番号１２によって全体的に示す陰極構造を含むピアス型の電子銃であって、電子のビーム１４を発生して陰極１２からターゲット陽極１６の傘型（ベベル付き）周縁（図示されていない）に向かわせるように構成されている。電子ビーム１４はスポットに集束されて、陽極１６が回転するにつれてこのスポットからＸ線のビームが発散する。また、電子銃１０には加速用陽極アセンブリ１８（すなわちＸ線管において具現化されるときにはビーム収集器として形成される）が含まれており、アセンブリ１８は陰極構造１２とターゲット陽極１６との間に介設されている。陰極構造１２からの電子ビーム１４は加速用アセンブリ１８の開口を通過して最終的にはターゲット陽極１６に衝突する。一般的に述べると、参照番号１２のような陰極構造及び加速用陽極１８が、電子銃１０のようなピアス型電子銃の主要素である。
【００１４】
図１に示すように、陰極構造１２は熱イオン型陰極として構成され、この陰極は一実施形態によれば、本質的には、放出面（例えば凹面形放出面）を形成する電子放出器要素２０を有する金属ブロックである。電子放出器要素２０は、熱イオン性放出率を強化するために例えば炭酸バリウムを含浸させたタングステンのような耐火性金属で主に構成される。１又は複数のフィラメント又は発熱体２２が電子放出器要素２０に隣接して配置され、フィラメント２２にエネルギが与えられて電圧Ｖｅ−ｆが印加されると、フィラメント２２が放出器要素２０の温度を放出温度まで高める。次いで、制御電圧を電子放出器要素２０に印加して電子ビーム１４を発生することができ、この電子ビーム１４を、電子放出器要素２０に隣接して配置された集束用電極２３によって集束させることができる。
【００１５】
また、陰極構造１２には、正のＶｅ−ｅ電圧を印加することにより電子放出器要素２０から電子ビーム１４を抽出し、又は負のＶｅ−ｅ電圧を印加することにより電子ビーム１４を遮断するように作用する抽出板２４が含まれている。抽出板２４は電子放出器要素２０から離隔して設けられているので、抽出板２４と電子放出器要素２０との間に電位又は電圧を印加することができる。
【００１６】
電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々が、電気経路／接続２８、２９を介して真空チェンバ（図示されていない）の外部に位置する電源２６に接続される。電源２６は、電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に電力を選択的に印加し、各々の構成要素に印加される電圧は、後にあらためて詳述するように、電圧Ｖｅ−ｅ、Ｖｅ−ｆ、Ｖａｃをそれぞれ印加する電圧源３３、３５、３７を介して個々に制御可能である。このように、電力源２６を参照するときには、電圧源３３、３５、３７も参照される。また、電子銃１０には、電気経路２８、２９に沿った所望の位置での電流を測定するように構成されている第一及び第二のプローブ３０、３２が含まれている。第一のプローブ３０は電気経路２８に沿って配置されて、電子放出器要素２０によって発生される電子ビーム１４の電流を測定する。第二のプローブ３２は電気経路２９に沿って配置されて、フィラメント２２によって発生される電流を測定する。
【００１７】
図１に示すように、電子銃１０には、電源２６から電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧を制御する制御システム３４が含まれている。すなわち、制御システム３４は、放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧の大きさを個々に制御する。制御システム３４はこのように、フィラメントへの電圧（Ｖａｃ）、電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧（Ｖｅ−ｆ）、及び電子放出器要素と抽出板との間の電圧（Ｖｅ−ｅ）を制御するように構成される。また、制御システム３４は、放出が要求されたときにのみ、且つ電圧Ｖｅ−ｅが調整されて所望の値になった後にのみ、抽出板２４に電圧を加えることにより電子ビーム１４の放出を選択的に生ずるように構成される。放出が望まれないときには、制御システム３４は、放出器と抽出板との間の電圧Ｖｅ−ｅを負の値に保つ。本発明の各実施形態によれば、制御システム３４は、放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧の大きさを、電力源２６に接続されて電気経路２８、２９に沿って配置されているケイ素及び炭化ケイ素スイッチ、並びにダイオード等のような様々な装置（図示されていない）の任意のものを介して調整することができ、電圧源Ｖｅ−ｅ、Ｖｅ−ｆ、及びＶａｃが放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４のために提供されるようにする。
【００１８】
動作について述べると、制御システム３４は、電子ビーム１４の電流を制御すると共に、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するように作用する。制御システム３４は、電子銃１０の動作を制御する二つの制御ループを設定し具現化するように構成されているものとして記述され得る。第一の制御ループは、電子ビームの電流１４を制御するために設定される。第二の制御ループは、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度を保つよう制御するために設定される。制御ループの「第一」及び「第二」との表記は識別の目的のためのみのものであって、具現化形態の特定の序列を示唆するものではない。本発明の一実施形態によれば、第二の制御ループは、第一の制御ループに先立って又は第一の制御ループと同時に具現化される。第一及び第二の制御ループを介した電子銃１０の制御は、極めて高速の態様での電子ビーム電流強度の制御を可能にすると同時に、高速で且つ正確な態様での電子放出器要素２０の温度の同時制御を可能にする。
【００１９】
電子ビームの電流１４を制御すると共に電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を制御するために、制御システム３４は、フィラメントへの電圧（Ｖａｃ）、電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧（Ｖｅ−ｆ）、及び電子放出器要素と抽出板との間の電圧（Ｖｅ−ｅ）を制御する。図２には、第一の制御ループによる電子ビームの電流１４の制御を示すグラフが掲げられている。ｘ軸は電子放出器要素と抽出板との間の電圧Ｖｅ−ｅに対応しており、ｙ軸は放出される電子ビームの電流Ｉｅ−ｔに対応している。図２に示すように、Ｖｅ−ｅとＩｅ−ｔとの間の関係を示す曲線３６が掲げられており、所望の電流密度を有する電子ビームの放出は、電子放出器要素と抽出板との間に、対応する電圧の印加を要求する。曲線３６は、線形部分３８と「飽和」部分４０とを含んでおり、飽和部分４０は電子放出器要素の動作温度Ｔｅｍｉｔによる影響を受ける。電子銃１０（図１）の動作時には、電子ビームの電流の制御は、曲線３６の線形部分３８に位置する所望の制御ゾーン４２において行なわれる。線形部分３８は、電子放出器要素の空間電荷制限動作モードに対応する。空間電荷制限モードでの電子放出器要素の動作は、極めて高速の態様での電子ビーム電流強度の制御を可能にする。
【００２０】
図３には、第二の制御ループによる電子放出器及びフィラメントの動作温度の制御を示すグラフが掲げられている。ｘ軸は電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧Ｖｅ−ｆに対応しており、ｙ軸はフィラメントによって放出される電流Ｉｆｉｌに対応している。図３に示すように、Ｖｅ−ｆとＩｆｉｌとの間の関係を示す曲線４４が掲げられている。曲線４４は、線形部分４５と「飽和」部分４６とを含んでおり、飽和部分及び閾値電圧（Ｖｅｍｉｔ−ｆｉｌ）はフィラメントの動作温度Ｔｆｉｌによる影響を受け、閾値電圧は線形挙動から飽和挙動への移行に対応する電圧である（温度Ｔｆｉｌが与えられた場合）。電子銃１０（図１）の動作時には、電子放出器の動作温度の制御は、制御ゾーン４２において行なわれ、フィラメントの動作温度の制御は、曲線４４の飽和部分４６に位置する所望の制御ゾーン４７において、一定の電力曲線４８に従ってフィラメントを制御することにより行なわれる。飽和部分４６は、フィラメントの温度制限動作モードに対応する。温度制限モードでのフィラメントの動作は、電荷制限モードでの電子放出器要素の温度の制御を提供し、次にこの制御が、各構成要素の寿命を最適化するように、高速で且つ正確な態様での電子ビーム１４（図１）強度の制御、温度スパイクの回避、並びに電子放出器及びフィラメント両方の温度の最低限の動作温度での保持を提供する。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、図４（Ａ）に示すように、電子放出器に印加される電力の制御は、制御ゾーン４７において２種の別個の電力曲線４８、４９（図３に示す単一の電力曲線４８ではなく）に従って行なわれ得ることが認められる。すなわち、最小の時間量で電子放出器を所望の動作温度まで高めるために、第一の電力曲線４９に従って所定の期間にわたり電力を初期印加することができる。電子放出器が所望の動作温度に達したら、第二の電力曲線４８に従って電力を印加することができ、第二の電力曲線４８に従って印加される電力は、電子銃１０（図１）の動作時間にわたり保たれる。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、電力は、参照番号５０に示す時刻ｔ１まで第一の電力曲線４９に従って初期印加される。時刻ｔ１には、電子放出器は、参照番号５１に示す所望の動作温度に達する。従って、時刻ｔ１には、電力は第二の電力曲線４８に従って印加され、印加される電圧は、電子銃の動作時間にわたり第二の電力曲線４８に沿って保たれる。
【００２２】
図５〜図７を図１と併せて参照して、電子銃１０の動作を制御する手法５２を示す流れ図について説明する。手法５２は、例えば、電子銃の電子回路に設けられている制御システム３４のような制御システムによって行なわれ得る。手法５２は、電子ビームの電流１４を制御すると共に、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する第一及び第二の制御ループ５４（図５）、５６（図６及び図７）を具現化している。
【００２３】
図５には、電子ビームの電流１４を制御する第一の制御ループ５４が示されている。第一の制御ループ５４は、ステップ５７において、電子銃１０によって発生されるべき電子ビーム２８の所望の電子ビーム電流を示す入力の受け取り又は取得から開始する。所望の電子ビーム電流の入力の受け取りの後に、ステップ５８において、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき望ましい電圧（放出器−抽出板間電圧Ｖｅ−ｅ）を、所望の電子ビーム電流に基づいて決定する。本発明の実施形態の一例によれば、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき電圧であって所望の電流を有する電子ビーム１４を発生するのに必要とされる電圧を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。
【００２４】
電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき望ましい電圧Ｖｅ−ｅのルックアップ・テーブル等を介した決定の後に、ステップ６０において電源及び制御システムを介して電子放出器２０と抽出板２４との間に望ましい電圧を印加し、望ましい電圧は、電子ビーム１４を「入（オン）」にする所望の期間／持続時間として認められた所望の時間間隔（すなわち「入」時間（time on duration））にわたり印加される。電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の電圧Ｖｅ−ｆの印加がフィラメント２２への電圧Ｖａｃ（後にあらためて詳述する）の供給と相俟って、電子放出器要素２０が所望の温度に達する。電子放出器要素２０が動作温度にあるときには、電子放出器２０と抽出板２４との間の電圧Ｖｅ−ｅの印加によって電子ビーム１４の放出が生ずる。発生される電子ビーム１４が、ステップ５６において受け取られた所望の電流値に等しい電流値を有するか否かを決定し確認するために、ステップ６２において、放出される電子ビーム１４の実時間電流密度値を、電気経路２８に沿って電源２６と電子放出器要素２０との間の点に配置されている第一のプローブ３０等によって測定する。ステップ６４では、第一のプローブ３０によって測定された実時間電流を初期に望ましい電子ビーム電流と比較して、測定された実時間電流が初期に望ましい電子ビーム電流に近似的に等しいか、又は代わりに予め決められた量を上回って変化しているため「異なっている」かの決定を行なう。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、ステップ６４において、測定された実時間電流の値と初期に望ましい電子ビーム電流の値との間の差が初期に望ましい電子ビーム電流の値の±５％未満である場合には、測定された実時間電流は初期に望ましい電子ビーム電流に近似的に等しいと看做される。測定された実時間電流の値と初期に望ましい電子ビーム電流の値との間の差が初期に望ましい電子ビーム電流の値の±５％よりも大きい場合には、測定された実時間電流は初期に望ましい電子ビーム電流に対して異なっていると看做される。かかる閾値範囲は、電子銃の安定性の目的のための公差及びヒステリシスを導入する。
【００２６】
これら二つの電流値が近似的に等しいと判明した場合６６には、電子銃１０は不測の動作状態を何ら蒙っていないと決定される。第一の制御ループ５４はステップ６７に進み、時間間隔／期間を修正した後にステップ５７にループして戻り、ステップ５７において次の所望の電子ビーム電流が入力され受け取られる。第一の制御ループ５４がループして戻る各回毎にステップ６７において時間間隔をこのように修正する。次いで、第一の制御ループ５４は、入力され受け取られた次の所望の電子ビーム電流について繰り返されて、更新後の所望の電子ビーム電流及び更新後の所望の「入」時間を有する電子ビーム１４を発生するように、必要に応じて電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧を修正する。
【００２７】
二つの電流値が「異なっている」（すなわち予め決められた量を上回って異なっている）と判明した場合６８には、電子銃１０が不測の動作状態を蒙っているかも知れず、所与の電子ビーム電流と、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧であってこの所与の電子ビーム電流を発生するのに必要とされる電圧との間の相関が、元のルックアップ・テーブルに記載されている相関と比較して変化したと決定する。従って、ルックアップ・テーブルは、ステップ７０においてこの不測の動作状態を反映するように更新されて、電子ビーム電流と、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧との間のさらに正確な関係を与える。ルックアップ・テーブルの更新後に、「入」時間がステップ６７において更新され、第一の制御ループ５４はステップ５７にループして戻り、ステップ５７では次の所望の電子ビーム電流及び「入」時間６７が入力され受け取られる。次いで、第一の制御ループ５４は入力され受け取られた次の所望の電子ビーム電流及び「入」時間間隔について繰り返されて、更新後の所望の電子ビーム電流について電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき電圧が、更新されたルックアップ・テーブルを介して決定される。
【００２８】
手法５２の第一の制御ループ５４はこのように具現化されて、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧Ｖｅ−ｅを制御することを介して電子ビーム１４の電流を制御する。電子ビーム１４の所与の所望の電流について、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧は一定に保たれるため、所望の電子ビーム電流強度を有する電子ビーム１４は、不要の電流変動を招かずに確実に抽出されるようになる。加えて、第一の制御ループ５４は、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧を制御することを介して電子ビーム放出の迅速な停止を提供する。すなわち、第一の制御ループ５４は、放出が必要とされて、電圧が調整されて所望の値になった後にのみ、抽出板２４への電圧の印加を提供するため、放出が望まれないときには、放出器要素２０と抽出板２４との間の電圧を負の値に保つことができる。
【００２９】
図６及び図７には、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する第二の制御ループ５６が図示されている。図６及び図７の第二の制御ループ５６は図５の第一の制御ループ５４とは別個に図示されているが、第二の制御ループ５６は、第一の制御ループの前に又は第一の制御ループと同時に具現化され得ることが認められる。
【００３０】
図６に示すように、第二の制御ループ５６はステップ７２において、電子放出器要素２０の所望の動作温度を示す入力の受け取り又は取得／計算から開始する。所望の電子放出器要素動作温度は、電子銃によって要求される最大の電子ビーム強度について電荷制限動作モードでの電子放出器要素の動作を可能にする最低温度になるように算出され選択される。所望の電子放出器要素動作温度の入力の受け取りの後に、ステップ７４において、放出器要素２０に印加されるべき電力Ｐａｐｐを所望の放出器要素動作温度に基づいて決定する。本発明の実施形態の一例によれば、所望の放出器要素動作温度に対応する放出器要素２０に印加されるべき電力を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。放出器要素２０に印加されるべき電力の決定の後に、ステップ７６において、決定された電力に関連するフィラメント温度を決定するためにもう一つのルックアップ・テーブルにアクセスする。さらに明確に述べると、フィラメント温度を決定するときに、決定された電力について最大許容可能電圧（Ｖｅ−ｆ）が電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されると想定する。この電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される最大許容可能電圧について、ルックアップ・テーブルは、この決定された電力についての電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の最大電圧に対応するフィラメント電流Ｉｆｉｌ（Ｉｆｉｌはフィラメントによって放出される電流）を与えるのに必要とされる関連するフィラメント温度を与える。
【００３１】
ステップ７４及びステップ７６は放出器要素２０に印加されるべき電力及び所要のフィラメント温度をそれぞれ決定するために別個のルックアップ・テーブルにアクセスするものとして記載されているが、単一のルックアップ・テーブルから両設定を得てもよいことが認められる。すなわち、電子放出器要素２０及びフィラメント２２の幾何学的構成に基づいて、所望の放出器要素動作温度と、放出器要素２０に印加されるべき電力と、所要のフィラメント温度との間の関係を単一のルックアップ・テーブルから得ることができる（印加され得る最大Ｖｅ−ｆが与えられた場合）。
【００３２】
電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の最大許容可能電圧に関連するフィラメント温度を決定したら、ステップ７８において、決定されたフィラメント温度がフィラメント２２から電子放出器要素２０へのＩｆｉｌの放出を生ずるのに十分であるか否かについての決定を行なう。すなわち、ステップ７８において、決定されたフィラメント温度が電子ビーム１４の放出を齎すために電子放出器要素２０を加熱するのに十分であるか否かを決定する。決定されたフィラメント温度がＩｆｉｌの放出を齎すのに十分である場合８０には、第二の制御ループ５６は、ステップ８２において、決定されたフィラメント動作温度に基づいて行なわれるフィラメントに印加すべき初期電圧（Ｖａｃ）の決定に進む。実施形態の一例によれば、ステップ８２において、関連するフィラメント動作温度に基づいてフィラメント２２に印加すべき初期電圧を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。
【００３３】
ステップ７６において得られたフィラメント温度がＩｆｉｌの放出を齎すのに十分でないと決定された場合８４には、第二の制御ループ５６は、ステップ８６において、Ｉｆｉｌの放出を提供する最低のフィラメント温度の選択又は識別に進む。放出を提供する最低のフィラメント温度の識別の後に、第二の制御ループ５６はステップ８２に進み、放出を提供する識別された最低のフィラメント動作温度に基づいて、ルックアップ・テーブル等を介して、フィラメント２２に印加すべき初期電圧を決定する。放出を提供する最低のフィラメント温度の識別の後に、第二の制御ループ５６はまたステップ８８に進み、放出を提供する最低のフィラメント温度に基づいて電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき修正後の電圧値を決定する。本質的に、ステップ８８での電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき修正後の電圧の決定は、ステップ７６において用いられたルックアップ・テーブルの反転ルックアップ・テーブルを用いることにより行なわれる。放出を提供するフィラメント温度は既知であるので、ステップ８８において反転ルックアップ・テーブルにアクセスして、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき電圧であって最低フィラメント放出温度に対応する電圧を決定することができる。
【００３４】
図７を参照して述べると、フィラメント２２に印加されるべき初期電圧及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき初期電圧の設定の後に、ステップ９０では、決定された初期電圧をフィラメント２２、及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の両方に印加する。電力が電源２６によって与えられ、制御システム３４は、フィラメント２２に印加される電圧及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき初期電圧の大きさをそれぞれの決定された初期電圧レベルに従って個々に制御するように作用する。電子放出器要素２０及びフィラメント２２への電圧の印加の後に、ステップ９２において、電気経路２９に沿って電源２６とフィラメント２２との間の点に位置する第二のプローブ３２等を介してフィラメント２２の実時間電流値を測定する。
【００３５】
フィラメント２２の実時間電流値の測定が取得された後に、ステップ９４において初期電圧の印加と及び実時間フィラメント電流の測定との間で予め決められた時間間隔が経過したか否かについての決定を行なう。実施形態の一例によれば、かかる決定は、タイマを設定して、測定時刻にタイマが満了しているか否かを決定することにより行なわれ得る（タイマは安定動作のために望ましい）。タイマが満了していない場合９６には、第二の制御ループ５６はステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算する。電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の電圧Ｖｅ−ｆは、次式に従って決定され得る。
【００３６】
Ｖｅ−ｆ＝Ｐａｐｐ／Ｉｐｒｏｂｅ２ ［式１］
式中、Ｐａｐｐは放出器要素２０に印加される電力であり、Ｉｐｒｏｂｅ２は第二のプローブ３２によって測定される実時間フィラメント電流である。次いで、修正後／更新後振幅のＶｅ−ｆを電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加して、第二の制御ループ５６はステップ９２にループして戻り、実時間フィラメント電流を再び測定する。電子放出要素２０によって反射し返された加熱を補償するためには電圧調節が必要である。
【００３７】
ステップ９４においてタイマが満了したとの決定が為された場合１００には、第二の制御ループ５６はステップ１０２に進み、第二のプローブ３２によって測定された実時間フィラメント電流の測定値Ｉｐｒｏｂｅ２を初期フィラメント電流Ｉｆｉｌ−ｉｎｉｔと比較して、実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きいか否かの決定を行なう。尚、初期フィラメント電流は測定される必要はなく、ステップ７６又はステップ８８において確定される供給電力Ｐａｐｐ及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧Ｖｅ−ｆに基づいて決定されることを特記しておく。ステップ１０２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きいとの決定が為された場合１０４には、第二の制御ループ５６は、ステップ１０６においてフィラメント２２に印加される電圧の値を減少させ、ステップ１０８においてタイマをリセットした後にステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。
【００３８】
ステップ１０２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きくないとの決定が為された場合１１０には、第二の制御ループ５６はステップ１１２に進み、実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さいか否かを決定する目的のために、測定された実時間フィラメント電流Ｉｐｒｏｂｅ２を初期フィラメント電流Ｉｆｉｌ−ｉｎｉｔと再び比較する。ステップ１１２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さいとの決定が為された場合１１４には、第二の制御ループ５６は、ステップ１１６においてフィラメント２２に印加される電圧の値を増加させ、ステップ１０８においてタイマをリセットした後にステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。ステップ１１２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さくないとの決定が為された場合１１８には、実時間フィラメント電流は初期フィラメント電流に等しいと決定されて、フィラメント２２に印加される電圧の値は現在値に保たれる。次いで、第二の制御ループ５６はステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。
【００３９】
図８には、本発明の一実施形態による電子ビームを発生する電子銃を組み入れたＣＴシステム向け等のＸ線発生管１４０が示されている。主に、Ｘ線管１４０は、筐体１４６に収納された陰極アセンブリ１４２及び陽極アセンブリ１４４を含んでおり、陰極アセンブリ１４２は、図１の陰極構造１２に従って構築されて制御システム３４（図１）によって制御されるピアス型電子銃陰極である。陽極アセンブリ１４４は、回転式陽極円板１５４及び陽極円板を包囲する陽極遮蔽１５６を回転させるように構成されているロータ１５８を含んでおり、当技術分野では公知である。陰極アセンブリ１４２からの電子電流１６２によって衝突されると、陽極１５６はここからＸ線ビーム１６０を放出する。
【００４０】
図９には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム２１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ２１２を含むものとして示されている。ガントリ２１２はＸ線源２１４を有し、Ｘ線源２１４はガントリ２１２を巡って回転して、ガントリ２１２の反対側に設けられている検出器アセンブリ又はコリメータ２１８へ向けてＸ線のビーム２１６を投射する。Ｘ線源２１４は、図１に示して説明した電子銃１０を有するＸ線管を含んでいる。図１０を参照すると、検出器アセンブリ２１８は、複数の検出器２２０及びデータ取得システム（ＤＡＳ）２３２によって形成されている。これら複数の検出器２２０は、患者２２２を通過した投射Ｘ線を感知して、ＤＡＳ２３２がこのデータを後続の処理のためのディジタル信号へ変換する。各々の検出器２２０が、入射Ｘ線ビームの強度、従って患者２２２を通過して減弱したビームの強度を表わすアナログ電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ２１２及びガントリ２１２に装着されている各構成要素が回転中心２２４の周りを回転する。
【００４１】
ガントリ２１２の回転及びＸ線源２１４の動作は、ＣＴシステム２１０の制御機構２２６によって制御される。制御機構２２６は、Ｘ線源２１４に電力信号、制御信号、及びタイミング信号を与えるＸ線制御器２２８と、ガントリ２１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器２３０とを含んでいる。画像再構成器２３４が、標本化されてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ２３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ２３６への入力として印加されて、コンピュータ２３６は大容量記憶装置２３８に画像を記憶させる。
【００４２】
コンピュータ２３６はまた、キーボード、マウス、音声作動式コントローラ、又はその他任意の適当な入力装置のような何らかの形態の操作者インタフェイスを有するコンソール２４０を介して、操作者から命令及び走査パラメータを受け取る。付設されている表示器２４２によって、操作者は再構成画像、及びコンピュータ２３６からの他データを観測することができる。操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ２３６によって用いられて、ＤＡＳ２３２、Ｘ線制御器２２８及びガントリ・モータ制御器２３０に制御信号及び情報を与える。加えて、コンピュータ２３６は、電動式テーブル２４６を制御して患者２２２及びガントリ２１２を位置決めするテーブル・モータ制御器２４４を動作させる。具体的には、テーブル２４６は、患者２２２を全身として又は部分的に図９のガントリ開口２４８に挿入して移動させる。
【００４３】
開示されるシステム及び方法の技術的寄与は、放出される電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するようにピアス型電子銃の動作を制御するコンピュータ実装型の手法を提供することにある。
【００４４】
従って、本発明の一実施形態によれば、装置が、電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメントと、フィラメントによって加熱されて電子ビームを発生する電子放出器と、フィラメント及び電子放出器の各々に電力を供給するように構成されており複数の電圧供給源を含む電源とを含んでいる。この装置はまた、フィラメント及び電子放出器の各々への電力の供給を制御する制御システムであって、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器及びフィラメントの動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器とフィラメントとの間に望ましい電圧を印加し、フィラメントに望ましい電圧を印加するように構成されている制御システムを含んでいる。
【００４５】
本発明のもう一つの実施形態によれば、電子銃の動作を制御する方法が、電子ビームの電流を制御する第一の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第一の制御ループを設定するステップは、所望の電子ビーム電流を与え、所望の電流を有する電子ビームを発生するように電子放出器と抽出電極との間に電位を印加し、所望の期間にわたり電子ビームを印加することをさらに含んでいる。この方法はまた、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御する第二の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第二の制御ループを設定するステップは、所望の電子放出器動作温度を与え、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御するように、電子放出器とフィラメントとの間に電位を印加すると共にフィラメントに跨がる電位を印加することをさらに含んでいる。
【００４６】
本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、制御システムが、所望の電子ビーム電流、電子ビーム放出持続時間、及び所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取り、所望の時間間隔にわたり所望の電子ビーム電流に基づいて電子放出器と抽出電極との間に電圧を印加し、所望の放出器要素動作温度に基づいて電子放出器とフィラメントとの間に初期電圧を印加するようにプログラムされているプロセッサを含んでいる。プロセッサはさらに、放出器要素とフィラメントとの間の初期電圧に基づいて初期フィラメント電圧を印加し、測定されたフィラメント電流値を、初期フィラメント電圧及び電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧に関連している初期フィラメント電流値と比較し、測定されたフィラメント電流と初期フィラメント電流との比較に基づいて、初期フィラメント電圧、及び電子放出器とフィラメントとの間の初期電圧の各々を修正するようにプログラムされている。
【００４７】
発明を限定された数の実施形態にのみ関連して詳細に記載したが、本発明はかかる開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。寧ろ、本発明は、本書では記載されていないが発明の要旨及び範囲に沿った任意の数の変形、変更、置換又は均等構成を組み入れるように改変され得る。加えて、発明の様々な実施形態について記載したが、発明の各観点は所載の実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、以上の記載によって制限されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ピアス型電子銃装置
１２ 陰極構造
１４ 電子ビーム
１６ ターゲット陽極
１８ 加速用陽極アセンブリ
２０ 電子放出器
２２ フィラメント
２３ 集束用電極
２４ 抽出板
２６ 電源
２８、２９ 電気経路／接続
３０ 第一のプローブ
３２ 第二のプローブ
３３、３５、３７ 電圧源
３４ 制御システム
３６ Ｖｅ−ｅとＩｅ−ｔとの間の関係を示す曲線
３８ 線形部分
４０ 飽和部分
４２ 制御ゾーン
４４ Ｖｅ−ｆとＩｆｉｌとの間の関係を示す曲線
４５ 線形部分
４６ 飽和部分
４７ 制御ゾーン
４８、４９ 電力曲線
５０ 時刻ｔ１
５１ 所望の動作温度
５２ 電子銃の動作を制御する手法
５４ 第一の制御ループ
５６ 第二の制御ループ
１４０ Ｘ線発生管
１４２ 陰極アセンブリ
１４４ 陽極アセンブリ
１４６ 筐体
１５４ 回転式陽極円板
１５６ 陽極遮蔽
１５８ ロータ
１６０ Ｘ線ビーム
１６２ 電子電流
２１０ イメージング・システム
２１２ ガントリ
２１４ 放射線源
２１６ Ｘ線ビーム
２１８ 検出器アセンブリ又はコリメータ
２２０ 検出器
２２２ 患者
２２４ 回転中心
２２６ 制御機構
２２８ Ｘ線制御器
２３０ ガントリ・モータ制御器
２３２ データ取得システム（ＤＡＳ）
２３４ 画像再構成器
２３６ コンピュータ
２３８ 大容量記憶装置
２４０ コンソール
２４２ 表示器
２４４ テーブル・モータ制御器
２４６ 電動式テーブル
２４８ ガントリ開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、ピアス型電子銃に関し、さらに具体的には、電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するようにピアス型電子銃の動作を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管は典型的には、電子ビームを与える陰極構造を含んでおり、電子ビームは、陰極−陽極間の真空ギャップに跨がって印加される高電圧を用いて加速されて、回転式陽極に衝突するとＸ線を発生する。電子ビームが陽極と衝突する区域をしばしば焦点スポットと呼ぶ。典型的には、陰極は１又は複数の円筒形又は平坦型フィラメントを含んでおり、フィラメントはカップの内部に配置されて、例として述べると高出力の大径焦点スポット又は高分解能の小径焦点スポットを生成する電子ビームを与える。撮像応用は、応用に依存して特定の形状を有する小径又は大径の焦点スポットの何れかを選択することを含んで設計され得る。
【０００３】
電子ビームを発生するための一つの特定的な陰極構造は、ピアス（Pierce）型電子銃である。ピアス型電子銃は、加熱用フィラメントと、電子放出用陰極と、陰極から離隔して設けられた電場成形用電極及び第一の抽出板と、抽出板から離隔して設けられたＸ線ターゲット陽極とを含んでいる。かかるピアス型銃の特定の実施形態が米国特許第３，８８２，３３９号に記載されている。かかる電子銃は典型的には、空間電荷制限体制で動作し、放出電流は抽出電圧を調節することにより容易に制御され得る。かかる銃は、アンペア数を高速で変化させて電子ビームを発生するのに特に適する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第２００２０１２５８４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既存のピアス型電子銃の一つの欠点は、電圧の制御、並びに放出器及びフィラメントを適正な動作温度に保つのに必要とされる電力の制御及び制限である。構成要素の寿命を延ばすために、様々な温度を適正な動作と両立させつつ可能な限り低くする必要がある。加えて、制御は、帰還線の本数を可能な限り少なくして行なう必要があり、またこれらの線は真空チェンバの内部から引き出すべきでなく、チェンバの内部に付加的な設備（例えば温度を測定するためのもの）を設けることは回避すべきである。
【０００６】
このように、電圧供給源によって発生される電圧の速やかな印加による極めて高速の態様での電子ビーム強度の制御を可能にするシステム及び方法が必要とされている。また、フィラメント及び放出器両方の動作温度を最低にしつつ放出器の温度を高速で且つ正確な態様で制御することを可能にするシステムを提供し得ると望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の各実施形態は、電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する装置を提供することにより上述の欠点を克服する。
【０００８】
本発明の一観点によれば、装置が、電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメントと、フィラメントによって加熱されて電子ビームを発生する電子放出器と、フィラメント及び電子放出器の各々に電力を供給するように構成されており複数の電圧供給源を含む電源とを含んでいる。この装置はまた、フィラメント及び電子放出器の各々への電力の供給を制御する制御システムであって、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器及びフィラメントの動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器とフィラメントとの間に望ましい電圧を印加し、フィラメントに望ましい電圧を印加するように構成されている制御システムを含んでいる。
【０００９】
本発明のもう一つの観点によれば、電子銃の動作を制御する方法が、電子ビームの電流を制御する第一の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第一の制御ループを設定するステップは、所望の電子ビーム電流を与え、所望の電流を有する電子ビームを発生するように電子放出器と抽出電極との間に電位を印加し、所望の期間にわたり電子ビームを印加することをさらに含んでいる。この方法はまた、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御する第二の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第二の制御ループを設定するステップは、所望の電子放出器動作温度を与え、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御するように、電子放出器とフィラメントとの間に電位を印加すると共にフィラメントに跨がる電位を印加することをさらに含んでいる。
【００１０】
本発明のさらにもう一つの観点によれば、制御システムが、所望の電子ビーム電流、電子ビーム放出持続時間、及び所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取り、所望の時間間隔にわたり所望の電子ビーム電流に基づいて電子放出器と抽出電極との間に電圧を印加し、所望の放出器要素動作温度に基づいて電子放出器とフィラメントとの間に初期電圧を印加するようにプログラムされているプロセッサを含んでいる。プロセッサはさらに、放出器要素とフィラメントとの間の初期電圧に基づいて初期フィラメント電圧を印加し、測定されたフィラメント電流値を、初期フィラメント電圧及び電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧に関連している初期フィラメント電流値と比較し、測定されたフィラメント電流と初期フィラメント電流との比較に基づいて、初期フィラメント電圧、及び電子放出器とフィラメントとの間の初期電圧の各々を修正するようにプログラムされている。
【００１１】
これらの利点及び特徴、並びに他の利点及び特徴は、添付図面と共に掲げられている以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明からさらに容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図面は、発明を実施するのに現状で思量される実施形態を示す。
【図１】本発明の一実施形態による電子銃のブロック概略図である。
【図２】図１の電子銃での電子ビームの電流の制御を示すグラフである。
【図３】図１の電子銃での電子放出器及びフィラメントの動作温度の制御を示すグラフである。
【図４（Ａ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図４（Ｂ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図４（Ｃ）】２種の別個の電力曲線に従って図１の電子銃の電子放出器に印加される電力の制御を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第一の制御ループを示す流れ図である。
【図６】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第二の制御ループを示す流れ図である。
【図７】本発明の一実施形態によるピアス型電子銃の動作を制御する手法の第二の制御ループを示す流れ図である。
【図８】本発明の一実施形態によるＸ線源の概略図である。
【図９】本発明の一実施形態を組み入れたＣＴイメージング・システムの遠近図である。
【図１０】図８に示すシステムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態による装置１０のブロック概略図を示す。装置１０は、内部に含まれている電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２が最低限の動作温度に保たれるよう制御するように構成されている。本発明の実施形態の一例によれば、装置１０は、参照番号１２によって全体的に示す陰極構造を含むピアス型の電子銃であって、電子のビーム１４を発生して陰極１２からターゲット陽極１６の傘型（ベベル付き）周縁（図示されていない）に向かわせるように構成されている。電子ビーム１４はスポットに集束されて、陽極１６が回転するにつれてこのスポットからＸ線のビームが発散する。また、電子銃１０には加速用陽極アセンブリ１８（すなわちＸ線管において具現化されるときにはビーム収集器として形成される）が含まれており、アセンブリ１８は陰極構造１２とターゲット陽極１６との間に介設されている。陰極構造１２からの電子ビーム１４は加速用アセンブリ１８の開口を通過して最終的にはターゲット陽極１６に衝突する。一般的に述べると、参照番号１２のような陰極構造及び加速用陽極１８が、電子銃１０のようなピアス型電子銃の主要素である。
【００１４】
図１に示すように、陰極構造１２は熱イオン型陰極として構成され、この陰極は一実施形態によれば、本質的には、放出面（例えば凹面形放出面）を形成する電子放出器要素２０を有する金属ブロックである。電子放出器要素２０は、熱イオン性放出率を強化するために例えば炭酸バリウムを含浸させたタングステンのような耐火性金属で主に構成される。１又は複数のフィラメント又は発熱体２２が電子放出器要素２０に隣接して配置され、フィラメント２２にエネルギが与えられて電圧Ｖｅ−ｆが印加されると、フィラメント２２が放出器要素２０の温度を放出温度まで高める。次いで、制御電圧を電子放出器要素２０に印加して電子ビーム１４を発生することができ、この電子ビーム１４を、電子放出器要素２０に隣接して配置された集束用電極２３によって集束させることができる。
【００１５】
また、陰極構造１２には、正のＶｅ−ｅ電圧を印加することにより電子放出器要素２０から電子ビーム１４を抽出し、又は負のＶｅ−ｅ電圧を印加することにより電子ビーム１４を遮断するように作用する抽出板２４が含まれている。抽出板２４は電子放出器要素２０から離隔して設けられているので、抽出板２４と電子放出器要素２０との間に電位又は電圧を印加することができる。
【００１６】
電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々が、電気経路／接続２８、２９を介して真空チェンバ（図示されていない）の外部に位置する電源２６に接続される。電源２６は、電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に電力を選択的に印加し、各々の構成要素に印加される電圧は、後にあらためて詳述するように、電圧Ｖｅ−ｅ、Ｖｅ−ｆ、Ｖａｃをそれぞれ印加する電圧源３３、３５、３７を介して個々に制御可能である。このように、電力源２６を参照するときには、電圧源３３、３５、３７も参照される。また、電子銃１０には、電気経路２８、２９に沿った所望の位置での電流を測定するように構成されている第一及び第二のプローブ３０、３２が含まれている。第一のプローブ３０は電気経路２８に沿って配置されて、電子放出器要素２０によって発生される電子ビーム１４の電流を測定する。第二のプローブ３２は電気経路２９に沿って配置されて、フィラメント２２によって発生される電流を測定する。
【００１７】
図１に示すように、電子銃１０には、電源２６から電子放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧を制御する制御システム３４が含まれている。すなわち、制御システム３４は、放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧の大きさを個々に制御する。制御システム３４はこのように、フィラメントへの電圧（Ｖａｃ）、電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧（Ｖｅ−ｆ）、及び電子放出器要素と抽出板との間の電圧（Ｖｅ−ｅ）を制御するように構成される。また、制御システム３４は、放出が要求されたときにのみ、且つ電圧Ｖｅ−ｅが調整されて所望の値になった後にのみ、抽出板２４に電圧を加えることにより電子ビーム１４の放出を選択的に生ずるように構成される。放出が望まれないときには、制御システム３４は、放出器と抽出板との間の電圧Ｖｅ−ｅを負の値に保つ。本発明の各実施形態によれば、制御システム３４は、放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４の各々に供給される電圧の大きさを、電力源２６に接続されて電気経路２８、２９に沿って配置されているケイ素及び炭化ケイ素スイッチ、並びにダイオード等のような様々な装置（図示されていない）の任意のものを介して調整することができ、電圧源Ｖｅ−ｅ、Ｖｅ−ｆ、及びＶａｃが放出器要素２０、フィラメント２２、及び抽出板２４のために提供されるようにする。
【００１８】
動作について述べると、制御システム３４は、電子ビーム１４の電流を制御すると共に、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するように作用する。制御システム３４は、電子銃１０の動作を制御する二つの制御ループを設定し具現化するように構成されているものとして記述され得る。第一の制御ループは、電子ビームの電流１４を制御するために設定される。第二の制御ループは、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度を保つよう制御するために設定される。制御ループの「第一」及び「第二」との表記は識別の目的のためのみのものであって、具現化形態の特定の序列を示唆するものではない。本発明の一実施形態によれば、第二の制御ループは、第一の制御ループに先立って又は第一の制御ループと同時に具現化される。第一及び第二の制御ループを介した電子銃１０の制御は、極めて高速の態様での電子ビーム電流強度の制御を可能にすると同時に、高速で且つ正確な態様での電子放出器要素２０の温度の同時制御を可能にする。
【００１９】
電子ビームの電流１４を制御すると共に電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を制御するために、制御システム３４は、フィラメントへの電圧（Ｖａｃ）、電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧（Ｖｅ−ｆ）、及び電子放出器要素と抽出板との間の電圧（Ｖｅ−ｅ）を制御する。図２には、第一の制御ループによる電子ビームの電流１４の制御を示すグラフが掲げられている。ｘ軸は電子放出器要素と抽出板との間の電圧Ｖｅ−ｅに対応しており、ｙ軸は放出される電子ビームの電流Ｉｅ−ｔに対応している。図２に示すように、Ｖｅ−ｅとＩｅ−ｔとの間の関係を示す曲線３６が掲げられており、所望の電流密度を有する電子ビームの放出は、電子放出器要素と抽出板との間に、対応する電圧の印加を要求する。曲線３６は、線形部分３８と「飽和」部分４０とを含んでおり、飽和部分４０は電子放出器要素の動作温度Ｔｅｍｉｔによる影響を受ける。電子銃１０（図１）の動作時には、電子ビームの電流の制御は、曲線３６の線形部分３８に位置する所望の制御ゾーン４２において行なわれる。線形部分３８は、電子放出器要素の空間電荷制限動作モードに対応する。空間電荷制限モードでの電子放出器要素の動作は、極めて高速の態様での電子ビーム電流強度の制御を可能にする。
【００２０】
図３には、第二の制御ループによる電子放出器及びフィラメントの動作温度の制御を示すグラフが掲げられている。ｘ軸は電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧Ｖｅ−ｆに対応しており、ｙ軸はフィラメントによって放出される電流Ｉｆｉｌに対応している。図３に示すように、Ｖｅ−ｆとＩｆｉｌとの間の関係を示す曲線４４が掲げられている。曲線４４は、線形部分４５と「飽和」部分４６とを含んでおり、飽和部分及び閾値電圧（Ｖｅｍｉｔ−ｆｉｌ）はフィラメントの動作温度Ｔｆｉｌによる影響を受け、閾値電圧は線形挙動から飽和挙動への移行に対応する電圧である（温度Ｔｆｉｌが与えられた場合）。電子銃１０（図１）の動作時には、電子放出器の動作温度の制御は、制御ゾーン４２において行なわれ、フィラメントの動作温度の制御は、曲線４４の飽和部分４６に位置する所望の制御ゾーン４７において、一定の電力曲線４８に従ってフィラメントを制御することにより行なわれる。飽和部分４６は、フィラメントの温度制限動作モードに対応する。温度制限モードでのフィラメントの動作は、電荷制限モードでの電子放出器要素の温度の制御を提供し、次にこの制御が、各構成要素の寿命を最適化するように、高速で且つ正確な態様での電子ビーム１４（図１）強度の制御、温度スパイクの回避、並びに電子放出器及びフィラメント両方の温度の最低限の動作温度での保持を提供する。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、図４（Ａ）に示すように、電子放出器に印加される電力の制御は、制御ゾーン４７において２種の別個の電力曲線４８、４９（図３に示す単一の電力曲線４８ではなく）に従って行なわれ得ることが認められる。すなわち、最小の時間量で電子放出器を所望の動作温度まで高めるために、第一の電力曲線４９に従って所定の期間にわたり電力を初期印加することができる。電子放出器が所望の動作温度に達したら、第二の電力曲線４８に従って電力を印加することができ、第二の電力曲線４８に従って印加される電力は、電子銃１０（図１）の動作時間にわたり保たれる。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、電力は、参照番号５０に示す時刻ｔ１まで第一の電力曲線４９に従って初期印加される。時刻ｔ１には、電子放出器は、参照番号５１に示す所望の動作温度に達する。従って、時刻ｔ１には、電力は第二の電力曲線４８に従って印加され、印加される電圧は、電子銃の動作時間にわたり第二の電力曲線４８に沿って保たれる。
【００２２】
図５〜図７を図１と併せて参照して、電子銃１０の動作を制御する手法５２を示す流れ図について説明する。手法５２は、例えば、電子銃の電子回路に設けられている制御システム３４のような制御システムによって行なわれ得る。手法５２は、電子ビームの電流１４を制御すると共に、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する第一及び第二の制御ループ５４（図５）、５６（図６及び図７）を具現化している。
【００２３】
図５には、電子ビームの電流１４を制御する第一の制御ループ５４が示されている。第一の制御ループ５４は、ステップ５７において、電子銃１０によって発生されるべき電子ビーム２８の所望の電子ビーム電流を示す入力の受け取り又は取得から開始する。所望の電子ビーム電流の入力の受け取りの後に、ステップ５８において、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき望ましい電圧（放出器−抽出板間電圧Ｖｅ−ｅ）を、所望の電子ビーム電流に基づいて決定する。本発明の実施形態の一例によれば、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき電圧であって所望の電流を有する電子ビーム１４を発生するのに必要とされる電圧を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。
【００２４】
電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき望ましい電圧Ｖｅ−ｅのルックアップ・テーブル等を介した決定の後に、ステップ６０において電源及び制御システムを介して電子放出器２０と抽出板２４との間に望ましい電圧を印加し、望ましい電圧は、電子ビーム１４を「入（オン）」にする所望の期間／持続時間として認められた所望の時間間隔（すなわち「入」時間（time on duration））にわたり印加される。電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の電圧Ｖｅ−ｆの印加がフィラメント２２への電圧Ｖａｃ（後にあらためて詳述する）の供給と相俟って、電子放出器要素２０が所望の温度に達する。電子放出器要素２０が動作温度にあるときには、電子放出器２０と抽出板２４との間の電圧Ｖｅ−ｅの印加によって電子ビーム１４の放出が生ずる。発生される電子ビーム１４が、ステップ５６において受け取られた所望の電流値に等しい電流値を有するか否かを決定し確認するために、ステップ６２において、放出される電子ビーム１４の実時間電流密度値を、電気経路２８に沿って電源２６と電子放出器要素２０との間の点に配置されている第一のプローブ３０等によって測定する。ステップ６４では、第一のプローブ３０によって測定された実時間電流を初期に望ましい電子ビーム電流と比較して、測定された実時間電流が初期に望ましい電子ビーム電流に近似的に等しいか、又は代わりに予め決められた量を上回って変化しているため「異なっている」かの決定を行なう。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、ステップ６４において、測定された実時間電流の値と初期に望ましい電子ビーム電流の値との間の差が初期に望ましい電子ビーム電流の値の±５％未満である場合には、測定された実時間電流は初期に望ましい電子ビーム電流に近似的に等しいと看做される。測定された実時間電流の値と初期に望ましい電子ビーム電流の値との間の差が初期に望ましい電子ビーム電流の値の±５％よりも大きい場合には、測定された実時間電流は初期に望ましい電子ビーム電流に対して異なっていると看做される。かかる閾値範囲は、電子銃の安定性の目的のための公差及びヒステリシスを導入する。
【００２６】
これら二つの電流値が近似的に等しいと判明した場合６６には、電子銃１０は不測の動作状態を何ら蒙っていないと決定される。第一の制御ループ５４はステップ６７に進み、時間間隔／期間を修正した後にステップ５７にループして戻り、ステップ５７において次の所望の電子ビーム電流が入力され受け取られる。第一の制御ループ５４がループして戻る各回毎にステップ６７において時間間隔をこのように修正する。次いで、第一の制御ループ５４は、入力され受け取られた次の所望の電子ビーム電流について繰り返されて、更新後の所望の電子ビーム電流及び更新後の所望の「入」時間を有する電子ビーム１４を発生するように、必要に応じて電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧を修正する。
【００２７】
二つの電流値が「異なっている」（すなわち予め決められた量を上回って異なっている）と判明した場合６８には、電子銃１０が不測の動作状態を蒙っているかも知れず、所与の電子ビーム電流と、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧であってこの所与の電子ビーム電流を発生するのに必要とされる電圧との間の相関が、元のルックアップ・テーブルに記載されている相関と比較して変化したと決定する。従って、ルックアップ・テーブルは、ステップ７０においてこの不測の動作状態を反映するように更新されて、電子ビーム電流と、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧との間のさらに正確な関係を与える。ルックアップ・テーブルの更新後に、「入」時間がステップ６７において更新され、第一の制御ループ５４はステップ５７にループして戻り、ステップ５７では次の所望の電子ビーム電流及び「入」時間６７が入力され受け取られる。次いで、第一の制御ループ５４は入力され受け取られた次の所望の電子ビーム電流及び「入」時間間隔について繰り返されて、更新後の所望の電子ビーム電流について電子放出器２０と抽出板２４との間に印加されるべき電圧が、更新されたルックアップ・テーブルを介して決定される。
【００２８】
手法５２の第一の制御ループ５４はこのように具現化されて、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧Ｖｅ−ｅを制御することを介して電子ビーム１４の電流を制御する。電子ビーム１４の所与の所望の電流について、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧は一定に保たれるため、所望の電子ビーム電流強度を有する電子ビーム１４は、不要の電流変動を招かずに確実に抽出されるようになる。加えて、第一の制御ループ５４は、電子放出器２０と抽出板２４との間に印加される電圧を制御することを介して電子ビーム放出の迅速な停止を提供する。すなわち、第一の制御ループ５４は、放出が必要とされて、電圧が調整されて所望の値になった後にのみ、抽出板２４への電圧の印加を提供するため、放出が望まれないときには、放出器要素２０と抽出板２４との間の電圧を負の値に保つことができる。
【００２９】
図６及び図７には、電子放出器２０及びフィラメント２２の動作温度を、当該電子放出器２０及びフィラメント２２両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御する第二の制御ループ５６が図示されている。図６及び図７の第二の制御ループ５６は図５の第一の制御ループ５４とは別個に図示されているが、第二の制御ループ５６は、第一の制御ループの前に又は第一の制御ループと同時に具現化され得ることが認められる。
【００３０】
図６に示すように、第二の制御ループ５６はステップ７２において、電子放出器要素２０の所望の動作温度を示す入力の受け取り又は取得／計算から開始する。所望の電子放出器要素動作温度は、電子銃によって要求される最大の電子ビーム強度について電荷制限動作モードでの電子放出器要素の動作を可能にする最低温度になるように算出され選択される。所望の電子放出器要素動作温度の入力の受け取りの後に、ステップ７４において、放出器要素２０に印加されるべき電力Ｐａｐｐを所望の放出器要素動作温度に基づいて決定する。本発明の実施形態の一例によれば、所望の放出器要素動作温度に対応する放出器要素２０に印加されるべき電力を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。放出器要素２０に印加されるべき電力の決定の後に、ステップ７６において、決定された電力に関連するフィラメント温度を決定するためにもう一つのルックアップ・テーブルにアクセスする。さらに明確に述べると、フィラメント温度を決定するときに、決定された電力について最大許容可能電圧（Ｖｅ−ｆ）が電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されると想定する。この電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される最大許容可能電圧について、ルックアップ・テーブルは、この決定された電力についての電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の最大電圧に対応するフィラメント電流Ｉｆｉｌ（Ｉｆｉｌはフィラメントによって放出される電流）を与えるのに必要とされる関連するフィラメント温度を与える。
【００３１】
ステップ７４及びステップ７６は放出器要素２０に印加されるべき電力及び所要のフィラメント温度をそれぞれ決定するために別個のルックアップ・テーブルにアクセスするものとして記載されているが、単一のルックアップ・テーブルから両設定を得てもよいことが認められる。すなわち、電子放出器要素２０及びフィラメント２２の幾何学的構成に基づいて、所望の放出器要素動作温度と、放出器要素２０に印加されるべき電力と、所要のフィラメント温度との間の関係を単一のルックアップ・テーブルから得ることができる（印加され得る最大Ｖｅ−ｆが与えられた場合）。
【００３２】
電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の最大許容可能電圧に関連するフィラメント温度を決定したら、ステップ７８において、決定されたフィラメント温度がフィラメント２２から電子放出器要素２０へのＩｆｉｌの放出を生ずるのに十分であるか否かについての決定を行なう。すなわち、ステップ７８において、決定されたフィラメント温度が電子ビーム１４の放出を齎すために電子放出器要素２０を加熱するのに十分であるか否かを決定する。決定されたフィラメント温度がＩｆｉｌの放出を齎すのに十分である場合８０には、第二の制御ループ５６は、ステップ８２において、決定されたフィラメント動作温度に基づいて行なわれるフィラメントに印加すべき初期電圧（Ｖａｃ）の決定に進む。実施形態の一例によれば、ステップ８２において、関連するフィラメント動作温度に基づいてフィラメント２２に印加すべき初期電圧を決定するために、ルックアップ・テーブルにアクセスする。
【００３３】
ステップ７６において得られたフィラメント温度がＩｆｉｌの放出を齎すのに十分でないと決定された場合８４には、第二の制御ループ５６は、ステップ８６において、Ｉｆｉｌの放出を提供する最低のフィラメント温度の選択又は識別に進む。放出を提供する最低のフィラメント温度の識別の後に、第二の制御ループ５６はステップ８２に進み、放出を提供する識別された最低のフィラメント動作温度に基づいて、ルックアップ・テーブル等を介して、フィラメント２２に印加すべき初期電圧を決定する。放出を提供する最低のフィラメント温度の識別の後に、第二の制御ループ５６はまたステップ８８に進み、放出を提供する最低のフィラメント温度に基づいて電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき修正後の電圧値を決定する。本質的に、ステップ８８での電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき修正後の電圧の決定は、ステップ７６において用いられたルックアップ・テーブルの反転ルックアップ・テーブルを用いることにより行なわれる。放出を提供するフィラメント温度は既知であるので、ステップ８８において反転ルックアップ・テーブルにアクセスして、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき電圧であって最低フィラメント放出温度に対応する電圧を決定することができる。
【００３４】
図７を参照して述べると、フィラメント２２に印加されるべき初期電圧及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき初期電圧の設定の後に、ステップ９０では、決定された初期電圧をフィラメント２２、及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の両方に印加する。電力が電源２６によって与えられ、制御システム３４は、フィラメント２２に印加される電圧及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加されるべき初期電圧の大きさをそれぞれの決定された初期電圧レベルに従って個々に制御するように作用する。電子放出器要素２０及びフィラメント２２への電圧の印加の後に、ステップ９２において、電気経路２９に沿って電源２６とフィラメント２２との間の点に位置する第二のプローブ３２等を介してフィラメント２２の実時間電流値を測定する。
【００３５】
フィラメント２２の実時間電流値の測定が取得された後に、ステップ９４において初期電圧の印加と及び実時間フィラメント電流の測定との間で予め決められた時間間隔が経過したか否かについての決定を行なう。実施形態の一例によれば、かかる決定は、タイマを設定して、測定時刻にタイマが満了しているか否かを決定することにより行なわれ得る（タイマは安定動作のために望ましい）。タイマが満了していない場合９６には、第二の制御ループ５６はステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算する。電子放出器要素２０とフィラメント２２との間の電圧Ｖｅ−ｆは、次式に従って決定され得る。
【００３６】
Ｖｅ−ｆ＝Ｐａｐｐ／Ｉｐｒｏｂｅ２ ［式１］
式中、Ｐａｐｐは放出器要素２０に印加される電力であり、Ｉｐｒｏｂｅ２は第二のプローブ３２によって測定される実時間フィラメント電流である。次いで、修正後／更新後振幅のＶｅ−ｆを電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加して、第二の制御ループ５６はステップ９２にループして戻り、実時間フィラメント電流を再び測定する。電子放出要素２０によって反射し返された加熱を補償するためには電圧調節が必要である。
【００３７】
ステップ９４においてタイマが満了したとの決定が為された場合１００には、第二の制御ループ５６はステップ１０２に進み、第二のプローブ３２によって測定された実時間フィラメント電流の測定値Ｉｐｒｏｂｅ２を初期フィラメント電流Ｉｆｉｌ−ｉｎｉｔと比較して、実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きいか否かの決定を行なう。尚、初期フィラメント電流は測定される必要はなく、ステップ７６又はステップ８８において確定される供給電力Ｐａｐｐ及び電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧Ｖｅ−ｆに基づいて決定されることを特記しておく。ステップ１０２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きいとの決定が為された場合１０４には、第二の制御ループ５６は、ステップ１０６においてフィラメント２２に印加される電圧の値を減少させ、ステップ１０８においてタイマをリセットした後にステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。
【００３８】
ステップ１０２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも大きくないとの決定が為された場合１１０には、第二の制御ループ５６はステップ１１２に進み、実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さいか否かを決定する目的のために、測定された実時間フィラメント電流Ｉｐｒｏｂｅ２を初期フィラメント電流Ｉｆｉｌ−ｉｎｉｔと再び比較する。ステップ１１２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さいとの決定が為された場合１１４には、第二の制御ループ５６は、ステップ１１６においてフィラメント２２に印加される電圧の値を増加させ、ステップ１０８においてタイマをリセットした後にステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。ステップ１１２において実時間フィラメント電流が初期フィラメント電流よりも小さくないとの決定が為された場合１１８には、実時間フィラメント電流は初期フィラメント電流に等しいと決定されて、フィラメント２２に印加される電圧の値は現在値に保たれる。次いで、第二の制御ループ５６はステップ９８に進み、電子放出器要素２０とフィラメント２２との間に印加される電圧を測定された実時間フィラメント電流に基づいて再計算して、再計算後／修正後の電圧を印加する。
【００３９】
図８には、本発明の一実施形態による電子ビームを発生する電子銃を組み入れたＣＴシステム向け等のＸ線発生管１４０が示されている。主に、Ｘ線管１４０は、筐体１４６に収納された陰極アセンブリ１４２及び陽極アセンブリ１４４を含んでおり、陰極アセンブリ１４２は、図１の陰極構造１２に従って構築されて制御システム３４（図１）によって制御されるピアス型電子銃陰極である。陽極アセンブリ１４４は、回転式陽極円板１５４及び陽極円板を包囲する陽極遮蔽１５６を回転させるように構成されているロータ１５８を含んでおり、当技術分野では公知である。陰極アセンブリ１４２からの電子電流１６２によって衝突されると、陽極１５６はここからＸ線ビーム１６０を放出する。
【００４０】
図９には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム２１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ２１２を含むものとして示されている。ガントリ２１２はＸ線源２１４を有し、Ｘ線源２１４はガントリ２１２を巡って回転して、ガントリ２１２の反対側に設けられている検出器アセンブリ又はコリメータ２１８へ向けてＸ線のビーム２１６を投射する。Ｘ線源２１４は、図１に示して説明した電子銃１０を有するＸ線管を含んでいる。図１０を参照すると、検出器アセンブリ２１８は、複数の検出器２２０及びデータ取得システム（ＤＡＳ）２３２によって形成されている。これら複数の検出器２２０は、患者２２２を通過した投射Ｘ線を感知して、ＤＡＳ２３２がこのデータを後続の処理のためのディジタル信号へ変換する。各々の検出器２２０が、入射Ｘ線ビームの強度、従って患者２２２を通過して減弱したビームの強度を表わすアナログ電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ２１２及びガントリ２１２に装着されている各構成要素が回転中心２２４の周りを回転する。
【００４１】
ガントリ２１２の回転及びＸ線源２１４の動作は、ＣＴシステム２１０の制御機構２２６によって制御される。制御機構２２６は、Ｘ線源２１４に電力信号、制御信号、及びタイミング信号を与えるＸ線制御器２２８と、ガントリ２１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器２３０とを含んでいる。画像再構成器２３４が、標本化されてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ２３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ２３６への入力として印加されて、コンピュータ２３６は大容量記憶装置２３８に画像を記憶させる。
【００４２】
コンピュータ２３６はまた、キーボード、マウス、音声作動式コントローラ、又はその他任意の適当な入力装置のような何らかの形態の操作者インタフェイスを有するコンソール２４０を介して、操作者から命令及び走査パラメータを受け取る。付設されている表示器２４２によって、操作者は再構成画像、及びコンピュータ２３６からの他データを観測することができる。操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ２３６によって用いられて、ＤＡＳ２３２、Ｘ線制御器２２８及びガントリ・モータ制御器２３０に制御信号及び情報を与える。加えて、コンピュータ２３６は、電動式テーブル２４６を制御して患者２２２及びガントリ２１２を位置決めするテーブル・モータ制御器２４４を動作させる。具体的には、テーブル２４６は、患者２２２を全身として又は部分的に図９のガントリ開口２４８に挿入して移動させる。
【００４３】
開示されるシステム及び方法の技術的寄与は、放出される電子ビームの電流密度を制御すると共に、電子放出器及びフィラメントの動作温度を、当該電子放出器及びフィラメント両方の温度を最低限の動作温度に保つよう制御するようにピアス型電子銃の動作を制御するコンピュータ実装型の手法を提供することにある。
【００４４】
従って、本発明の一実施形態によれば、装置が、電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメントと、フィラメントによって加熱されて電子ビームを発生する電子放出器と、フィラメント及び電子放出器の各々に電力を供給するように構成されており複数の電圧供給源を含む電源とを含んでいる。この装置はまた、フィラメント及び電子放出器の各々への電力の供給を制御する制御システムであって、所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、電子放出器及びフィラメントの動作温度を最低にするように、所望の放出器要素動作温度に基づいて、電子放出器とフィラメントとの間に望ましい電圧を印加し、フィラメントに望ましい電圧を印加するように構成されている制御システムを含んでいる。
【００４５】
本発明のもう一つの実施形態によれば、電子銃の動作を制御する方法が、電子ビームの電流を制御する第一の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第一の制御ループを設定するステップは、所望の電子ビーム電流を与え、所望の電流を有する電子ビームを発生するように電子放出器と抽出電極との間に電位を印加し、所望の期間にわたり電子ビームを印加することをさらに含んでいる。この方法はまた、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御する第二の制御ループを設定するステップを含んでおり、該第二の制御ループを設定するステップは、所望の電子放出器動作温度を与え、電子放出器及びフィラメントの動作温度を制御するように、電子放出器とフィラメントとの間に電位を印加すると共にフィラメントに跨がる電位を印加することをさらに含んでいる。
【００４６】
本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、制御システムが、所望の電子ビーム電流、電子ビーム放出持続時間、及び所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取り、所望の時間間隔にわたり所望の電子ビーム電流に基づいて電子放出器と抽出電極との間に電圧を印加し、所望の放出器要素動作温度に基づいて電子放出器とフィラメントとの間に初期電圧を印加するようにプログラムされているプロセッサを含んでいる。プロセッサはさらに、放出器要素とフィラメントとの間の初期電圧に基づいて初期フィラメント電圧を印加し、測定されたフィラメント電流値を、初期フィラメント電圧及び電子放出器要素とフィラメントとの間の電圧に関連している初期フィラメント電流値と比較し、測定されたフィラメント電流と初期フィラメント電流との比較に基づいて、初期フィラメント電圧、及び電子放出器とフィラメントとの間の初期電圧の各々を修正するようにプログラムされている。
【００４７】
発明を限定された数の実施形態にのみ関連して詳細に記載したが、本発明はかかる開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。寧ろ、本発明は、本書では記載されていないが発明の要旨及び範囲に沿った任意の数の変形、変更、置換又は均等構成を組み入れるように改変され得る。加えて、発明の様々な実施形態について記載したが、発明の各観点は所載の実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、以上の記載によって制限されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ピアス型電子銃装置
１２ 陰極構造
１４ 電子ビーム
１６ ターゲット陽極
１８ 加速用陽極アセンブリ
２０ 電子放出器
２２ フィラメント
２３ 集束用電極
２４ 抽出板
２６ 電源
２８、２９ 電気経路／接続
３０ 第一のプローブ
３２ 第二のプローブ
３３、３５、３７ 電圧源
３４ 制御システム
３６ Ｖｅ−ｅとＩｅ−ｔとの間の関係を示す曲線
３８ 線形部分
４０ 飽和部分
４２ 制御ゾーン
４４ Ｖｅ−ｆとＩｆｉｌとの間の関係を示す曲線
４５ 線形部分
４６ 飽和部分
４７ 制御ゾーン
４８、４９ 電力曲線
５０ 時刻ｔ１
５１ 所望の動作温度
５２ 電子銃の動作を制御する手法
５４ 第一の制御ループ
５６ 第二の制御ループ
１４０ Ｘ線発生管
１４２ 陰極アセンブリ
１４４ 陽極アセンブリ
１４６ 筐体
１５４ 回転式陽極円板
１５６ 陽極遮蔽
１５８ ロータ
１６０ Ｘ線ビーム
１６２ 電子電流
２１０ イメージング・システム
２１２ ガントリ
２１４ 放射線源
２１６ Ｘ線ビーム
２１８ 検出器アセンブリ又はコリメータ
２２０ 検出器
２２２ 患者
２２４ 回転中心
２２６ 制御機構
２２８ Ｘ線制御器
２３０ ガントリ・モータ制御器
２３２ データ取得システム（ＤＡＳ）
２３４ 画像再構成器
２３６ コンピュータ
２３８ 大容量記憶装置
２４０ コンソール
２４２ 表示器
２４４ テーブル・モータ制御器
２４６ 電動式テーブル
２４８ ガントリ開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメント（２２）と、
該フィラメント（２２）により加熱されて電子ビーム（１４）を発生する電子放出器（２０）と、
前記フィラメント（２２）及び前記電子放出器（２０）の各々に電力を供給するように構成されており、複数の電圧供給源（３３、３５、３７）を含む電源（２６）と、
前記フィラメント（２２）及び前記電子放出器（２０）の各々への電力の供給を制御する制御システム（３４）と
を備えた装置（１０）であって、前記制御システム（３４）は、
所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、
前記電子放出器（２０）及び前記フィラメント（２２）の動作温度を最低にするように、前記所望の放出器要素動作温度に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に望ましい電圧を印加し、前記フィラメント（２２）に望ましい電圧を印加する
ように構成されている、装置（１０）。
【請求項２】
前記電子放出器（２０）に隣接して配置されて該電子放出器（２０）からの前記電子ビーム（１４）を抽出する抽出電極（２４）であって、前記電源（２６）に電気的に接続されて該電源（２６）から電力を受ける抽出電極（２４）と、
前記電子ビーム（１４）の経路に配置されており、前記電子ビーム（１４）が衝突すると高周波数電磁エネルギのビームを放出するように構成されているターゲット陽極（１６）と
をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
所望の電子ビーム電流を示す入力を受け取って、
前記所望の電流を有する電子ビーム（１４）を発生するように、前記所望の電子ビーム電流に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に望ましい電圧を印加する
ように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記電源（２６）と前記電子放出器（２０）との間の電気経路に沿った点において第一の電流を測定する第一の電流センサ（３０）
をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
前記第一の電流を前記所望の電子ビーム電流と比較して、
前記第一の電流が前記所望の電子ビーム電流と予め決められた量だけ異なる場合には、前記第一の電流と前記所望の電子ビーム電流との間の前記差に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に修正後の電圧を印加する
ように構成されている、請求項２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記制御システム（３４）は、
前記所望の電子ビーム電流に基づいて前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に印加されるべき前記望ましい電圧を決定するためにルックアップ・テーブルにアクセスして、
前記第一の電流が前記所望の電子ビーム電流と前記予め決められた量だけ異なる場合には前記ルックアップ・テーブルを修正する
ように構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記制御システム（３４）は、
所望の電子ビーム「入」時間を示す入力を受け取って、
前記所望の電流を有する電子ビーム（１４）を前記所望の「入」時間にわたり発生するように、前記所望の電子ビーム「入」時間にわたり前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に前記望ましい電圧を印加する
ように構成されている、請求項２に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記制御システム（３４）は、
前記電子放出器（２０）に電力を印加し、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に初期電圧を印加し、前記電子放出器（２０）に印加されるべき前記電力及び前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に印加されるべき前記初期電圧は、前記所望の電子放出器動作温度に基づいており、
前記放出器要素（２０）と前記フィラメント（２２）との間の前記初期電圧及び決定されたフィラメント動作温度に基づいて初期フィラメント電圧を印加する
ように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記制御システム（３４）は、
所定の期間にわたり前記電子放出器（２０）に第一のレベルの前記電力を印加し、
前記所定の期間が経過した後に前記電子放出器（２０）に第二のレベルの前記電力を印加する
ように構成されており、
前記所定の期間は、前記放出器要素（２０）を前記所望の電子放出器動作温度にするのに必要とされる時間量に対応している、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項８】
前記電源（２６）と前記フィラメント（２２）との間の電気経路に沿った点において第二の電流を測定する第二の電流センサ（３２）をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
前記第二の電流を初期フィラメント電流と比較し、
前記第二の電流と前記フィラメント電流との前記比較に基づいて修正後のフィラメント電圧を印加し、
前記第二の電流と前記フィラメント電流との前記比較に基づいて前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に修正後の電圧を印加する
ように構成されている、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項９】
前記制御システム（３４）は、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間の前記初期電圧及び前記初期フィラメント電圧の各々を決定するためにルックアップ・テーブルにアクセスするように構成されている、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項１０】
前記制御システム（３４）は、前記電子放出器（２０）を電荷制限モードで動作させ、前記フィラメント（２２）を温度制限モードで動作させるように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項１】
電圧が印加されると発熱するように構成されているフィラメント（２２）と、
該フィラメント（２２）により加熱されて電子ビーム（１４）を発生する電子放出器（２０）と、
前記フィラメント（２２）及び前記電子放出器（２０）の各々に電力を供給するように構成されており、複数の電圧供給源（３３、３５、３７）を含む電源（２６）と、
前記フィラメント（２２）及び前記電子放出器（２０）の各々への電力の供給を制御する制御システム（３４）と
を備えた装置（１０）であって、前記制御システム（３４）は、
所望の電子放出器動作温度を示す入力を受け取って、
前記電子放出器（２０）及び前記フィラメント（２２）の動作温度を最低にするように、前記所望の放出器要素動作温度に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に望ましい電圧を印加し、前記フィラメント（２２）に望ましい電圧を印加する
ように構成されている、装置（１０）。
【請求項２】
前記電子放出器（２０）に隣接して配置されて該電子放出器（２０）からの前記電子ビーム（１４）を抽出する抽出電極（２４）であって、前記電源（２６）に電気的に接続されて該電源（２６）から電力を受ける抽出電極（２４）と、
前記電子ビーム（１４）の経路に配置されており、前記電子ビーム（１４）が衝突すると高周波数電磁エネルギのビームを放出するように構成されているターゲット陽極（１６）と
をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
所望の電子ビーム電流を示す入力を受け取って、
前記所望の電流を有する電子ビーム（１４）を発生するように、前記所望の電子ビーム電流に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に望ましい電圧を印加する
ように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記電源（２６）と前記電子放出器（２０）との間の電気経路に沿った点において第一の電流を測定する第一の電流センサ（３０）
をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
前記第一の電流を前記所望の電子ビーム電流と比較して、
前記第一の電流が前記所望の電子ビーム電流と予め決められた量だけ異なる場合には、前記第一の電流と前記所望の電子ビーム電流との間の前記差に基づいて、前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に修正後の電圧を印加する
ように構成されている、請求項２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記制御システム（３４）は、
前記所望の電子ビーム電流に基づいて前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に印加されるべき前記望ましい電圧を決定するためにルックアップ・テーブルにアクセスして、
前記第一の電流が前記所望の電子ビーム電流と前記予め決められた量だけ異なる場合には前記ルックアップ・テーブルを修正する
ように構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記制御システム（３４）は、
所望の電子ビーム「入」時間を示す入力を受け取って、
前記所望の電流を有する電子ビーム（１４）を前記所望の「入」時間にわたり発生するように、前記所望の電子ビーム「入」時間にわたり前記電子放出器（２０）と前記抽出電極（２４）との間に前記望ましい電圧を印加する
ように構成されている、請求項２に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記制御システム（３４）は、
前記電子放出器（２０）に電力を印加し、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に初期電圧を印加し、前記電子放出器（２０）に印加されるべき前記電力及び前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に印加されるべき前記初期電圧は、前記所望の電子放出器動作温度に基づいており、
前記放出器要素（２０）と前記フィラメント（２２）との間の前記初期電圧及び決定されたフィラメント動作温度に基づいて初期フィラメント電圧を印加する
ように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記制御システム（３４）は、
所定の期間にわたり前記電子放出器（２０）に第一のレベルの前記電力を印加し、
前記所定の期間が経過した後に前記電子放出器（２０）に第二のレベルの前記電力を印加する
ように構成されており、
前記所定の期間は、前記放出器要素（２０）を前記所望の電子放出器動作温度にするのに必要とされる時間量に対応している、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項８】
前記電源（２６）と前記フィラメント（２２）との間の電気経路に沿った点において第二の電流を測定する第二の電流センサ（３２）をさらに含んでおり、
前記制御システム（３４）は、
前記第二の電流を初期フィラメント電流と比較し、
前記第二の電流と前記フィラメント電流との前記比較に基づいて修正後のフィラメント電圧を印加し、
前記第二の電流と前記フィラメント電流との前記比較に基づいて前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間に修正後の電圧を印加する
ように構成されている、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項９】
前記制御システム（３４）は、前記電子放出器（２０）と前記フィラメント（２２）との間の前記初期電圧及び前記初期フィラメント電圧の各々を決定するためにルックアップ・テーブルにアクセスするように構成されている、請求項６に記載の装置（１０）。
【請求項１０】
前記制御システム（３４）は、前記電子放出器（２０）を電荷制限モードで動作させ、前記フィラメント（２２）を温度制限モードで動作させるように構成されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図４（Ｃ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４（Ａ）】
【図４（Ｂ）】
【図４（Ｃ）】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２１６４８１（Ｐ２０１１−２１６４８１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６９１３（Ｐ２０１１−６６９１３）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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