改善された出力安定性を有するＸ線ソースアセンブリ、およびその流体ストリーム分析の適用
【課題】改善された出力安定性を有するＸ線源アセンブリおよび動作方法を提供する。
【解決手段】アセンブリ２７００は、電子２１２０が上に当たるソーススポットを有するアノード２１２５、および出力構造に対するアノードソーススポットの位置を制御する制御システム２７１５，２７２０を含む。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件にもかかわらず、出力構造２７１０に対するアノードソーススポットの位置を維持することができる。開示する一態様は、石油をベースとする燃料の硫黄の分析に最も適している。
【解決手段】アセンブリ２７００は、電子２１２０が上に当たるソーススポットを有するアノード２１２５、および出力構造に対するアノードソーススポットの位置を制御する制御システム２７１５，２７２０を含む。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件にもかかわらず、出力構造２７１０に対するアノードソーススポットの位置を維持することができる。開示する一態様は、石油をベースとする燃料の硫黄の分析に最も適している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願と同じ譲受人に譲渡された以下の出願の主題に関する主題を含む。以下に列挙する出願は、参照によって本明細書に完全に組み込まれている：
「X-RAY TUBE AND METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING FLUID STREAMS USING X-RAYS」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３３６，５８４号、２０００１年１２月４日出願（整理番号０４４４．０４５Ｐ）
「A METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTING X-RAYS」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第６０／３８３，９９０号、２００２年５月２９日出願（整理番号０４４４．０５５Ｐ）
「X-RAY SOURCE ASSEMBLY HAVING ENHANCED OUTPUT STABILITY」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３９８，９６５号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５６Ｐ）
「METHOD AND DEVICE FOR COOLING AND ELECTRICALLY INSULATING A HIGH-VOLTAGE、HEAT-GENERATING COMPONENT」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第６０／３９８，９６８号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５７Ｐ）
「AN ELECTRICAL CONNECTOR、A CABLE SLEEVE、AND A METHOD FOR FABRICATING AN ELECTRICAL CONNECTION」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）
「DIAGNOSING SYSTEM FOR AN X-RAY SOURCE ASSEMBLY」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３９８，９６６号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０６５Ｐ）
【０００２】
本発明は、一般に、Ｘ線ソースに関し、より具体的には、安定性が動作条件の範囲にわたって改善され、流体ストリームの分析に特別に適用される、集束または視準されたＸ線ビーム出力を有するＸ線ソースアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｘ線分析方法の実施は、２０世紀の科学および技術の最も重要な進展の１つであった。Ｘ線回折、Ｘ線分光法、Ｘ線撮像、および他のＸ線分析技法の使用は、実質的にすべての科学分野において知識の深遠な増大をもたらした。
【０００４】
Ｘ線蛍光（ＸＲＦ；X-ray fluorescence）は、物質をＸ線のビームに曝露させて、たとえばある化学物質の存在を判定する分析技法である。ＸＲＦ技法では、Ｘ線に曝露される物質の化学成分の少なくともいくつかは、Ｘ線光子を吸収して、特徴的な２次蛍光Ｘ線を生成することができる。これらの２次Ｘ線は、物質の化学成分に特有である。適切な検出および分析の際に、これらの２次Ｘ線を使用して、物質の化学成分の１つまたは複数を特徴付けることができる。ＸＲＦ技法は、とりわけ、医学的分析、半導体チップの評価、および法医学を含めて、多くの化学ならびに材料科学の分野において広範に適用される。
【０００５】
ＸＲＦ方法は、たとえばガソリンおよびディーゼル燃料などの石油をベースとする燃料である、燃料の硫黄内容物の測定にしばしば使用されてきた。既存のＸＲＦシステムは、重量で百万分の５（ｐｐｍ）程度まで低い燃料の硫黄を検出することが既知である。しかし、この検出能力は、厳密な制御条件を必要とした。たとえば、この検出能力は、通常、実験室においてのみ達成可能である。現場においてなど、より厳密ではない条件下では、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）規格方法Ｄ２６２２などの既存のＸＲＦ方法は、最低でわずかに約３０ｐｐｍの燃料における硫黄濃度の検出に限定される。とりわけ、本発明は、燃料における硫黄のＸＲＦ検出の繰返し性および検出性について改善を提供する。
【０００６】
これらの産業および分析産業などの多くの他の産業において、Ｘ線ビーム生成装置は、一般的に使用される。Ｘ線ビーム生成装置は、通常、電子ビームを金属表面に当てることによってＸ線を生成するＸ線管を含むことが可能である。Ｘ線管は、通常、電子ビームを生成する電子銃、および電子ビームが上に向けられる金属表面を提供するアノードを含む。通常、電子銃およびアノードは、１）アノードが接地され、電子銃が高い正の電圧で動作する；２）電子銃が接地され（すなわち、接地カソード）、アノードが高い負の電圧において動作する；または３）カソードおよびアノードが異なる電圧で動作する「バイポーラ」モード、の３つの異なるモードで動作する。低電力の応用分野では、Ｘ線管は、通常、「接地カソード」で動作し、電子銃およびその隣接構成要素は、本質的に接地電位で動作し、アノードおよびその隣接構成要素は、あるとすれば、たとえば５０キロボルト（ｋｖ）以上の高電位で動作する。
【０００７】
電子ビームがアノードに当たり、かつそのような高電圧においてアノードを動作することにより、たとえば少なくとも約５０ワットの熱、一般的には大量の熱が生成される。この熱を散逸させるために、Ｘ線管は、通常、冷却流体、すなわち、冷却油が分解するのを防止するように十分に高い誘電強度を有し、かつ高電位におけるアーク放電を可能にする冷却油などの熱伝導性冷却流体に浸漬される。通常の高誘電率冷却流体は、シェルオイルカンパニ（Ｓｈｅｌｌ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって提供されるディアラアックスオイル（Ｄｉａｌａ Ａｘ ｏｉｌ）（商標）である。
【０００８】
従来の技術では、Ｘ線管および冷却油は、通常、たとえば円筒金属容器である封止容器内に保持され、Ｘ線管は、油に浸漬され、かつ容器から電気的に絶縁される。結果的な構造は、高誘電強度の油によって囲まれた高電位の高温アノードを有するＸ線管を含み、すべて、封止金属容器内に包含される。その結果、油は、アノードによって加熱される際に、通常、容器内を対流する。対流により油がこのように加熱することにより、容器の壁およびＸ線管自体も対流により加熱される。従来、封止容器の外壁は、たとえば、自然対流、強制空気対流によって、または容器の外側に冷却流体を流すことによって、直接冷却することが可能である。対流および伝導による伝熱のこの鎖は、非効率的な冷却プロセスである。中庸な電力散逸を必要とする従来のＸ線管でも、Ｘ線ビーム装置およびその構成要素は、通常、たとえば摂氏１２０度程度の高温になる。そのような高温は、望ましくなく、Ｘ線管の動作に有害となることがある。
【０００９】
したがって、当技術分野では、Ｘ線ビーム装置、またはあらゆる他の高温高電圧装置を冷却する簡単な方法を提供することが必要である。
【００１０】
さらに、Ｘ線放射を集束させる能力は、最近まで達成不可能であったが、様々な応用分野において使用されるＸ線ソース、したがってＸ線システムのサイズおよびコストの低減を可能にした。特許文献１は、強度が高く直径が小さいＸ線スポットサイズを生成し、一方、低電力低コストのＸ線ソースを組み込むことを可能にする集束要素を含むＸ線ソースの一例を記載している。
【００１１】
いくつかの文献に上述のような従来の技術に関連した技術内容が開示されている（例えば、特許文献１〜１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，３５１，５２０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３１７，４８３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２８５，５０６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７４７，８２１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７４５，５４７号明細書
【特許文献６】米国特許第５，６０４，３５３号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５７０，４０８号明細書
【特許文献８】米国特許第５，５５３，１０５号明細書
【特許文献９】米国特許第５，４９７，００８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，１９２，８６９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，１７５，７５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
Ｘ線放射を集束させる能力の発展は、最近達成されたが、たとえば様々な動作条件下でのＸ線ビームの出力安定性を改善するために、Ｘ線ソースアセンブリをさらに改良することが依然として必要である。本発明は、この必要性を満たすことを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、従来の技術の方法および装置の限定の多くに対処する方法および装置を提供する。以下の記述において、および本明細書にわたって、とりわけ、「集束」、「集束させる」、および「集束される」という表現は、とりわけ、たとえば「集束装置」、「Ｘ線集束装置」、「集束手段」、「集束光学機器」において繰り返して出現する。本発明によれば、これらの表現は、Ｘ線が、集中されるなど、実際に「集束される」装置または方法に適用することができ、これらの表現は、Ｘ線を「集束させる」装置に本発明を限定することを意図していない。本発明によれば、「集束」およびそれに関係する用語は、Ｘ線を収集する、Ｘ線を視準させる、Ｘ線を収束させる、Ｘ線を分散させる方法および装置、またはＸ線の強度、方向、経路、もしくは形状を任意の方式で変化させる装置を識別するように作用することも意図している。Ｘ線を取り扱う、加工する、変化させる、修正する、および処理するすべてのこれらの手段は、「集束」およびそれに関係する用語によって本明細書に包含される。
【００１５】
本発明の一態様は、Ｘ線管、およびＸ線管によって生成される熱を除去するためにＸ線管に熱的に結合された熱伝導性誘電材料を備えるＸ線管アセンブリである。熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、およびダイアモンド様炭素とすることが可能である。Ｘ線管アセンブリは、第１端部および第２端部を有するＸ線管を含むことが可能であり、Ｘ線管の第１端部は、電子ビーム生成装置を含み、Ｘ線管の第２端部は、Ｘ線ソースを生成するために電子ビームが当たる表面を有するアノードを含む。熱伝導性誘電材料は、通常、アノードに熱的に結合される。たとえば少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンである冷却手段を、熱伝導性誘電材料に熱的に結合することも可能である。本発明の他の態様では、熱伝導性誘電材料によって、Ｘ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は、流体冷却剤とは接触しない。
【００１６】
本発明の他の態様は、電子ビーム生成装置およびアノードを有するＸ線管アセンブリを動作する方法を備える。該方法は、電子ビームを電子ビーム生成装置からアノードに向けて、Ｘ線を生成し、それによりアノードを加熱することと、アノードに熱的に結合された熱伝導性誘電材料を提供することと、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することとを備える。再び、熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、またはダイアモンド様炭素とすることが可能である。一態様では、アノードは、電気的に絶縁され、電子は、ほとんどまたはまったくアノードから熱伝導性誘電材料に移動しない。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管を空気冷却することが可能である。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は、流体冷却剤とは接触しない。
【００１７】
本発明の他の態様は、Ｘ線ソースアセンブリを備える。Ｘ線ソースアセンブリは、ハウジングと、Ｘ線を生成し、ハウジングに取り付けられているＸ線管と、Ｘ線管によって生成される熱を除去するためにＸ線管に熱的に結合される熱伝導性誘電材料と、Ｘ線管によって生成されるＸ線を放出するためのハウジングにおける少なくとも１つの送り孔とを備える。Ｘ線ソースアセンブリは、ハウジングにおいてＸ線管を調節可能であるように取り付ける手段をさらに含むことが可能である。一態様では、Ｘ線ソースアセンブリは、第１端部および第２端部を有するＸ線管を含み、Ｘ線管の第１端部は、電子ビーム生成装置を備え、Ｘ線管の第２端部は、Ｘ線を生成するために電子ビームが上に当たる表面を備える。再び、熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、またはダイアモンド様炭素とすることが可能である。誘電材料は、熱伝導性誘電材料に熱的に結合された少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンによって冷却することも可能である。Ｘ線ソースアセンブリは、たとえば少なくとも１つのねじ込みピンによって、Ｘ線管ハウジングに調節可能であるように取り付けられるＸ線ソースを有することも可能である。Ｘ線ソースアセンブリは、たとえば少なくとも１つの送り孔を有する可動バフルによって、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経て放出されるＸ線を変化させるまたは修正する手段を含むことも可能である。本発明の一態様では、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経て放出される少なくともいくらかのＸ線を受け取るために、Ｘ線光学機器を取り付けることが可能である。このアセンブリの一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。このアセンブリの一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は流体冷却剤とは接触しない。
【００１８】
本発明の他の態様は、電子ビーム生成装置を備える第１端部、およびアノードならびにアノードに熱的に結合された熱伝導性誘電材料を有する第２端部を有するＸ線管アセンブリを動作する方法を備える。該方法は、電子ビームを電子ビーム生成装置からアノードに向けて、Ｘ線を提供し、それによりアノードを加熱することと、アノードから熱伝導性誘電材料に熱を伝導することによってアノードを冷却することとを備える。Ｘ線管アセンブリは、少なくとも１つの冷却ピンまたは冷却フィンを含むことも可能であり、アノードを冷却することは、流体冷却剤に少なくとも１つの冷却ピンまたは冷却フィンの上を移動させることをさらに含むことが可能である。また、アノードから熱伝導性誘電材料に熱を伝導することによってアノードを冷却することは、アノードから電子をほとんどまたはまったく移動させずに実施することが可能である。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することによってアノードを冷却するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。この方法の他の態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することによってアノードを冷却するとき、十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は流体冷却剤とは接触しない。
【００１９】
本発明の他の態様は、Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置からのＸ線の透過を最適化する方法を備える。Ｘ線ソースは、Ｘ線を生成するためのＸ線管を備え、Ｘ線管は、調節可能取付け手段によってハウジングにおいて取り付けられ、ハウジングは、Ｘ線管によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの送り孔を有する。該方法は、Ｘ線管をハウジングにおいて取り付けることと、Ｘ線管に電圧を印加し、それにより、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経てＸ線のビームを放出させることと、Ｘ線集束装置をハウジングにおいて少なくとも１つの送り孔に隣接して取り付け、それにより、Ｘ線収束装置がＸ線管から少なくともいくらかのＸ線を受け取ることと、Ｘ線集束装置を経てＸ線を透過させることを最適化するために、Ｘ線管の調節可能取付け手段を調節することとを備える。調節可能取付け手段は、複数のねじ込み固定具を備えることが可能である。Ｘ線集束装置は、Ｘ線集束結晶またはＸ線集束キャピラリ装置を備えることが可能である。
【００２０】
本発明の他の態様は、Ｘ線蛍光分析システムであり、Ｘ線ソースおよびハウジングを有するＸ線ソースアセンブリと、Ｘ線ソースアセンブリに動作式に結合され、かつ第１Ｘ線集束装置をＸ線ソースアセンブリと位置合わせする手段を有する第１Ｘ線集束装置と、Ｘ線集束装置に動作式に結合されたハウジングを有し、かつＸ線曝露アセンブリを第１Ｘ線集束装置と位置合わせする手段を有するＸ線曝露アセンブリと、Ｘ線曝露アセンブリに動作式に結合され、かつ第２Ｘ線集束装置をＸ線曝露アセンブリと位置合わせする手段を有する第２Ｘ線集束装置と、第２Ｘ線集束装置に動作式に結合され、かつＸ線検出装置を第２Ｘ線集束装置と位置合わせする手段を有するＸ線検出装置とを備える。位置合わせする手段の少なくとも１つは、複数の位置合わせピンを備える。好ましくは複数のアセンブリであるアセンブリの少なくとも１つの位置合わせにより、アセンブリの１つまたは複数を現場以外で組み立てて、現場でアセンブリを大規模に再位置合わせすることを必要とせずに、現場で装備することが可能になる。現場での再位置合わせを回避することは、より効率的である。
【００２１】
本発明の他の態様は、Ｘ線を検出する方法である。該方法は、Ｘ線ソースを提供することと、Ｘ線光学機器を使用して、Ｘ線の少なくともいくらかを小面積Ｘ線検出器に集束させることと、小面積Ｘ線検出器によってＸ線を検出することとを備える。本発明の一態様では、小面積検出器は、半導体型検出器またはケイ素リチウム型検出器（すなわち、ＳｉＬｉ型検出器）とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、ＰＩＮダイオード型検出器とすることが可能である。本発明の一態様は、たとえば小面積検出器の空気冷却である、小面積検出器の冷却をさらに備える。小面積線検出器は、検出器開口を含むことが可能であり、検出器開口の面積は、約１０平方ミリメートル未満、好ましくは約６平方ミリメートル未満、またはさらに約４平方ミリメートル未満とすることが可能である。Ｘ線の少なくともいくらかを集束させることは、キャピラリ型Ｘ線光学機器またはＤＣＣＸ線光学機器を使用して実施することが可能である。該方法は、約摂氏１０度と約摂氏４０度との間の温度においてなど、約摂氏０度より高い温度で実施することが可能である。
【００２２】
本発明の他の態様は、Ｘ線を検出する装置を備える。該装置は、小面積Ｘ線検出器、および小面積Ｘ線検出器の上にＸ線の少なくともいくらかを集束させる手段を備える。小面積Ｘ線検出器は、通常、通常約６平方ミリメートル未満である、約１０平方ミリメートル未満の面積を有する検出器開口を含む。小面積Ｘ線検出器は、半導体型検出器またはケイ素リチウム型検出器とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、ＰＩＮダイオード型とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、空気冷却など、冷却することが可能である。少なくともいくらかのＸ線を集束させる手段は、たとえば湾曲結晶またはキャピラリＸ線光学機器である、Ｘ線光学機器を備えることが可能である。
【００２３】
本発明の他の態様は、Ｘ線を使用して流体を分析する装置を備える。該装置は、流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させるために、流体をＸ線に曝露させる手段、および流体の少なくとも１つの特性を判定するために、流体からのＸ線蛍光を分析する手段を備える。流体は、液体または気体とすることが可能である。流体をＸ線に曝露させる手段は、Ｘ線を流体に集束させる少なくとも１つのＸ線光学機器とすることが可能である。
【００２４】
本発明の他の態様は、Ｘ線を使用して流体の成分を分析する方法を備える。該方法は、流体をＸ線に曝露させて、流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させることと、流体からＸ線蛍光を検出することと、検出Ｘ線蛍光を分析して、流体の少なくとも１つの特性を判定することとを備える。一態様によれば、該方法は、ある時間期実質的に連続して実施される。該方法は、真空下で実施することも可能である。
【００２５】
一態様では、Ｘ線蛍光の検出は、約摂氏０度より高温など、摂氏マイナス５０度より高い温度で実施される。該方法の他の態様では、Ｘ線蛍光の検出は、小面積Ｘ線検出器、たとえば半導体型Ｘ線検出器、たとえばＰＩＮ型半導体Ｘ線検出器を使用して実施することが可能である。
【００２６】
本発明の他の態様は、燃料の硫黄を分析する装置を備える。該装置は、燃料の少なくともいくらかの硫黄にＸ線蛍光を発生させるために、燃料をＸ線に曝露させる手段、および燃料の硫黄の少なくとも１つの特性を判定するために、燃料からのＸ線蛍光を分析する手段を備える。燃料の硫黄の少なくとも１つの特性は、燃料の硫黄の濃度とすることが可能である。
【００２７】
本発明のさらに他の態様は、燃料の硫黄を分析する方法である。該方法は、燃料をＸ線に曝露させて、燃料の硫黄の少なくともいくらかにＸ線蛍光を発生させることと、Ｘ線蛍光を検出することと、硫黄からのＸ線蛍光を分析して、燃料の硫黄の少なくとも１つの特性を判定することとを備える。該方法は、通常、ある時間期間実質的に連続して実施される。燃料をＸ線に曝露させることは、真空下で実施することが可能である。真空下において実施されるとき、燃料は、通常、真空に曝露されることを防止するために、室内に封入される。たとえば、燃料を室に封入することが可能であり、Ｘ線は、室の窓を介して燃料にアクセスする。一態様によれば、Ｘ線は、単色Ｘ線とすることが可能である。また、Ｘ線蛍光の検出は、約摂氏マイナス１００度より高い温度、通常約摂氏マイナス５０度より高い温度、または、たとえば室温（摂氏２０度）においてである、約摂氏０度よりさらに高い温度で実施することが可能である。検出は、たとえばＰＩＮ型半導体検出器である、半導体型検出器を使用して実施することが可能である。
【００２８】
本発明の改善された熱散逸の態様に関して、本発明は、高電圧熱生成構成要素を冷却および電気絶縁する装置である。この装置は、構成要素と熱接続された第１側および第２側を有する第１熱伝導性材料と、第１熱伝導性材料の第２側と熱接続された第１側および第２側を有する熱伝導性誘電材料と、熱伝導性誘電材料の第２側と熱接続された第１側を有する第２熱伝導性材料とを含み、構成要素によって生成される熱は、構成要素から装置を経て伝導され、一方、装置全体の電流損は、最小限に抑えられる。本発明の一態様では、構成要素と第１熱伝導性材料との熱接続は、構成要素と第１熱伝導性材料との間の接触領域を経ており、接触領域は、第１外側寸法を有し、第１熱伝導性材料は、第１外側寸法より大きい第２外側寸法を有する周囲を有し、構成要素からの少なくともいくらかの熱は、接触領域から第１熱伝導性材料の周囲に向かう方向に、第１熱伝導性材料において伝導される。本発明の他の態様では、第１熱伝導性材料は、第１プレートを備え、少なくともいくらかの熱が、接触領域から第１プレートの周囲に向かう方向に、第１プレートにおいて伝導され、したがって熱伝導性誘電材料を経て第２熱伝導性材料に伝導される。本発明は、たとえば少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンである、第２熱伝導性材料からの熱の除去を容易にする手段を含むことも可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料は、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、およびダイアモンド様炭素の１つを備える。高電圧熱生成構成要素は、装置の中でも、Ｘ線生成装置、電子ビーム生成装置、高電圧導線、またはマイクロ波生成装置とすることが可能である。
【００２９】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析技法および光学機器と共に使用することが可能である。
【００３０】
本熱散逸発明の他の態様は、Ｘ線管アセンブリであり、高電圧被加熱アノードおよびアノードに結合された熱散逸装置を含む。熱散逸装置は、アノードと熱接続された第１側および第２側を有する第１金属プレートと、第１金属プレートの第２側と熱接続された第１側および第２側を有する熱伝導性誘電材料と、熱伝導性誘電材料プレートの第２側と熱接続された第１側を有する第２金属プレートとを備え、アノードにおいて生成される熱は、アノードから装置を経て伝導され、一方、装置全体の電流損は、最小限に抑えられる。本発明の１つの改善された態様では、熱散逸装置は、アノードの構造支持を提供した。たとえば、熱散逸装置は、アノードの実質的にすべての構造支持を提供することができる。本発明の他の態様では、Ｘ線管アセンブリは、第１金属プレートに結合された高電圧コネクタをさらに含む。
【００３１】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析技法および光学機器と共に使用することが可能である。
【００３２】
本熱散逸発明の他の態様は、高電圧熱生成構成要素を冷却および電気的に絶縁する装置を製造する方法である。該方法は、構成要素に接触する第１表面および第２表面を有する第１熱伝導性材料を提供することと、第１表面および第２表面を有する熱伝導性誘電材料を提供することと、第１熱伝導性材料および熱伝導性誘電材料が熱接続されるように、第１熱伝導性誘電材料の第１表面を第１熱伝導性材料の第２表面に結合することと、第１表面および第２表面を有する第２熱伝導性材料を提供することと、熱伝導性誘電材料および第２熱伝導性材料が熱接続されるように、第２熱伝導性材料の第１表面を熱伝導性誘電材料の第２表面に結合することとを備える。本発明の一態様では、結合は、糊付け、接着結合、はんだ付け、ろう付け、または溶接を備える。使用することが可能である１つの接着剤は、ダウケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）の４７１４熱伝導性ケイ素接着剤またはその等価物である。本発明の他の態様は、高電圧コネクタを電気絶縁性第１熱伝導性材料に結合することをさらに含む。
【００３３】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システムおよび光学機器と共に使用することが可能である。
【００３４】
Ｘ線装置によって生成されるＸ線ビームを内部または外部のＸ線光学機器と位置合わせすることが望ましい可能性があるので、本発明の一態様によれば、Ｘ線ビーム装置の構成要素は、とりわけ、熱膨張による位置合わせの変動を相殺するために、ユーザが光学機器に対するＸ線ビームの位置または方向を調節することを可能にする方式で取り付けられる。さらに、Ｘ線ビーム装置と光学機器との位置合わせは、Ｘ線管が封止容器の内部にボルトで締めされ、かつ封止容器が冷却流体を有するとき、困難なことがあるので、本発明の一態様では、冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないＸ線ビーム装置が提供される。たとえば、本発明の一態様によれば、十分な冷却を有するが、光学装置との精密な位置合わせなど、装置の位置合わせを可能にするＸ線ビーム装置が提供される。
【００３５】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システムおよび光学機器と共に使用することが可能である。
【００３６】
本発明の改善された安定性の態様に関して、上述したＸ線管においてなど、Ｘ線を生成するためにアノードにｅビームを当てることを使用することにより、Ｘ線ソース内においてＸ線管を支持および位置決めする要素を熱膨張させるのに十分な量の熱を生成することができる。この熱膨張は、アノードから発散しているＸ線と、たとえばＸ線の方向を制御するように作用する要素との間に誤整列を生じさせるのに十分であることがある。その結果、異なる電力においてＸ線ソースを動作することにより、発散Ｘ線と集束電極との間において、ある範囲の誤整列がもたらされる可能性がある。この誤整列により、Ｘ線ソースの出力電力強度が大きく変動することがある。誤整列により、たとえばピンホールまたは単一反射鏡である、いくつかのタイプのビーム制御要素のＸ線スポットまたはＸ線ビーム位置が変化することもある。したがって、一態様では、ある範囲の動作電力レベルにわたって改善された出力安定性、ならびに改善されたＸ線スポットまたはＸ線ビーム位置の安定性を有するＸ線ソースアセンブリが、本明細書において提供される。より具体的には、本発明の態様によるＸ線ソースアセンブリは、アノード電力レベル、ハウジングの温度、およびアセンブリの周囲温度など、Ｘ線ソースの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、比較的一定に維持することができるＸ線ビーム出力強度を提供する。
【００３７】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００３８】
改善された安定性について、電子が上に当たるソーススポットを有するアノードを含むＸ線ソースアセンブリ、および出力構造に対してアノードソーススポットの位置を制御する制御システムを提供することにより、追加の利点が提供される。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を維持することができる。
【００３９】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４０】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を生成するアノードを有するＸ線管、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を含むＸ線ソースアセンブリが提供される。Ｘ線ソースアセンブリは、光学機器のＸ線出力強度を制御する制御システムをさらに含む。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる。
【００４１】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４２】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を提供する方法が提示される。該方法は、電子が上に当たるソーススポットを備えるアノードを有するＸ線ソースアセンブリを提供することと、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を制御することとを含む。制御は、Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を維持することを含む。
【００４３】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４４】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を提供する方法が提示される。該方法は、Ｘ線を生成するアノードを備えるＸ線管、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を有するＸ線ソースアセンブリを提供することと、光学機器からのＸ線出力の強度を制御することとを含む。制御は、Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、光学機器からのＸ線の出力の強度を維持することを含む。
【００４５】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４６】
本発明のこれらおよび他の実施形態および態様は、添付の図面、以下の記述、および添付の請求項を検討する際に、より明らかになるであろう。
【００４７】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結論部分において具体的に指摘され、かつ明瞭に主張されている。しかし、本発明は、本発明の他の目的および利点と共に、構造および実施方法の両方に関して、好ましい実施形態の以下の詳細な記述および添付の図面を参照することによって、最適に理解することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を実施するために使用することができるＸ線蛍光システムの概略的ブロック図である。
【図２】本発明の一態様が改善の対象とする、従来の技術のＸ線管の概略的断面図である。
【図３】本発明の一態様の概略的断面図である。
【図４】本発明の他の態様の透視図である。
【図５】本発明の他の態様の透視図である。
【図６】本発明の他の態様の透視図である。
【図７】本発明の他の態様のハウジングアセンブリの透視図である。
【図８】ハウジングが除去されている、図７に示した本発明の態様の透視図である。
【図９】本発明の他の態様によるＸ線蛍光システムの概略的なブロック図である。
【図１０】本発明の一態様による高電圧構成要素ならびに冷却および電気絶縁装置の一実施形態の断面正面図である。
【図１１】本発明の一態様による図１０の冷却および電気絶縁装置の詳細を示す図である。
【図１２】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１３】本発明の態様による、変位に対する出力強度をプロットする、図１２に示したようなＸ線ソースについてソース走査曲線の一例を示す図である。
【図１４】本発明の態様により対処される、光学機器に対するソーススポットの誤整列を示す図１のＸ線ソースアセンブリの断面図である。
【図１５】本発明の態様による、光学機器に対するソーススポットの変位を監視するための相違センサ配置を示す図１４のＸ線ソースアセンブリの断面図である。
【図１６】本発明の態様による、図１２、１４、および１５に示したアノードベースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１７】本発明の態様による、図１２、１４、および１５のアノードスタックの断面図である。
【図１７Ａ】本発明の態様による、異なるアノード電力レベルについてアノードスタックの要素にわたる温度変化を示すグラフの図である。
【図１７Ｂ】本発明の態様による、アノード電力レベルの関数として基準温度変化を示すグラフの図である。
【図１８】本発明の態様による、改良Ｘ線ソースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１９】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図１９Ａ】本発明の態様による、図１９の制御システムのプロセッサによって実施される処理の一実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの制御処理の一実施形態のフローチャートの図である。
【図２１】本発明の態様による、図２０の制御処理によって使用することができる例示的な基準温度の表の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、物質をＸ線放射に曝露させて、物質の特性を決定するために検出および分析することができる蛍光放射を生成するために使用される通常のシステム１０の概略的ブロック図を示す。そのようなシステムは、通常、Ｘ線ソース１２、第１Ｘ線集束装置１４、サンプル励起チャンバー１６、第２Ｘ線集束装置１８、およびＸ線検出器２０を含む。Ｘ線ソース１２は、たとえばＸ線管であり、Ｘ線ビーム２２を生成する。Ｘ線ビーム２２は、通常、発散ビームであるので、ビーム２２は、１つまたは複数のＸ線集束装置１４によって回折または集束される。Ｘ線集束装置１４は、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている、同時係属の米国出願０９／６６７，９６６号、２０００年９月２２出願（整理番号０４４４．０３５）において開示された結晶など、実質的に平行な原子面を有する両側湾曲結晶である、１つまたは複数の両側湾曲結晶とすることが可能である。Ｘ線集束装置は、１つまたは複数のキャピラリ型Ｘ線光学機器または湾曲結晶光学機器とすることが可能であり、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）、（特許文献８）、（特許文献９）、（特許文献１０）、および（特許文献１１）において開示された光学機器の１つである。１つまたは複数のＸ線集束装置は、サンプル励起チャンバー１６に向けられる集束ビーム２４を生成する。
【００５０】
励起チャンバー１６において試験されているサンプルは、特性が所望される任意の望ましい物質とすることが可能である。サンプルは、固体、液体、または気体とすることが可能である。サンプルが固体である場合、サンプルは、たとえばＸ線反射平坦表面、光反射表面など、通常、比較的平坦な表面上に配置される。サンプルは、固体、液体、または気体である場合、Ｘ線ビームが通過することができるＸ線透過開口を有する、封止容器などの閉じた容器または室に包含することも可能である。ビーム２４によって放射されたとき、チャンバー１６にあるサンプルの成分の少なくとも１つは、通常、その成分がＸ線蛍光を発生する、すなわちＸ線２４による励起のためにＸ線の２次ソース２６を生成するような方式で励起される。再び、Ｘ線ビーム２６は、通常、Ｘ線の発散ビームであるので、ビーム２６は、たとえば装置１４と同様の装置である２次Ｘ線集束装置１８によって集束され、Ｘ線検出器２０に向けられるＸ線の集束ビーム２８を生成する。当業者には、本発明のこの態様および他の態様は、Ｘ線蛍光の応用分野に関して記述されているが、Ｘ線吸収の応用分野においても使用することが可能であることが明らかであろう。
【００５１】
Ｘ線検出器２０は、比例計数管型または半導体型のＸ線検出器とすることが可能である。通常、Ｘ線検出器２０は、検出Ｘ線の少なくともいくつかの特性を含む電気信号３０を生成し、この信号は、分析、プリントアウト、または他の表示のために分析装置３２に転送される。
【００５２】
本発明の様々な態様は、図１に示したシステム１０およびシステム構成要素に進展および改善を提供する。本発明のこれらの態様の１つを、図２および３に関して開示する。図２は、たとえばオックスフォードインストゥルメンツオブスコッツバリー（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｃｏｔｔｓ Ｖａｌｌｅｙ、カルフォルニア州）によって生産されるシリーズ５０００ＴＦ５０１１Ｘ線管である、通常の従来の技術のＸ線管アセンブリ３４の断面図を示すが、他の同様のＸ線管を使用することが可能である。通常通り、この従来の技術のＸ線管３４は、非導電性ガラスハウジングを通常備える円筒ハウジング３６を含む。電子ビーム生成装置３８およびアノード４０が、通常、図示した配向でハウジング３４において取り付けられる。アノード４０は、通常、薄い固体材料であり、たとえば、銅または同様の高温導電性材料の導電性アノードの上に取り付けられたタングステンまたはクロミウムである。アノード４０は、通常、表面５０を提供するように適応され、ハウジング４１において剛性支持をアノード４０に提供し、また構造４１より上の気体体積を構造４１より下の体積から隔離するように適応された円筒支持構造４１を有する。アノード４０は、ハウジング３６を貫通する円筒非導電性支持４４をも含む。電気接続４２が、電力を電子ビーム生成装置３８に提供する。ハウジング３６は、通常、Ｘ線管３４によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの開口４６を含む。ハウジング３６は、通常、管３４の内体積を周囲環境から隔離し、管３４の内体積は、通常、約１０-6Torrなど、少なくともある形態または真空を備える。
【００５３】
たとえば５０ワットの電力が電気接続４２に提供されたとき、電子ビーム生成装置３８は、矢印４８によって示すように、アノード４０の表面５０に向けられる電子ビームを生成する。表面５０は、通常、たとえば管の軸に対して約４５度傾斜している傾斜表面である。電子ビーム４８と表面５０との相互作用により、Ｘ線が生成され、すべての方向に散乱される。生成されるＸ線の波長および周波数は、とりわけ、電気接続４２に提供される電力の関数である。しかし、これらの散乱Ｘ線の少なくとも１つの経路は、開口４６に向いた矢印５２によって示される。Ｘ線ビーム５２の方向は、通常、管３４の配向の関数である。矢印５２によって表されるＸ線ビームは、開口４６のＸ線透過性障壁５４を通過する。Ｘ線透過性障壁５４は、通常、Ｘ線の通過を可能にし、一方周囲環境からハウジング３６の内体積を隔離するベリリウム（Ｂｅ）またはチタニウム（Ｔｉ）から作成される。
【００５４】
電子ビーム４８をアノード４０に当てることによってＸ線を生成することにより、大量の熱が生成され、たとえば、アノード４０の温度は、通常、少なくとも摂氏６０度まで上昇し、タングステンの融点程度まで上昇することがある。その結果、管３４は、通常、たとえば石油をベースとする油である冷却および絶縁流体５６に浸漬される。管３４および流体５６は、通常、円筒ハウジング５８に包含される。ハウジング５８は、通常、Ｘ線に対して不透過性であり、たとえば、ハウジング５８は、通常、鉛張りすることができる。冷却および絶縁流体５６の体積、したがってハウジング５８のサイズは、Ｘ線管３４の冷却要件の関数である。ハウジング５８は、管３４によって生成されるＸ線を放出するために、通常、管３４の開口４６と位置合わせされた開口６０をも含む。管３４は、通常、たとえばねじ込み接続により、管３４の支持４４に取り付けられた支持構造６２によってハウジング５８内において剛性に取り付けられる。支持４４は、アノード４０をハウジング５８から電気的に絶縁するために、通常、セラミック材料などの非導電性材料から作成される。
【００５５】
図３は、図２に示した従来の技術のＸ線管アセンブリに対する改良である本発明の一態様によるＸ線管アセンブリ６４を示す。図３に現われる特徴の多くは、図２の特徴と実質的に同じとすることができ、同じ参照符合で識別される。本発明のこの態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４には、ハウジング３６を有するＸ線管３４’（管３４と同様とすることが可能である）、電子ビーム生成装置３８、アノード４０、および図２に関して示しかつ記述した構造と本質的に同一である開口４６が含まれる。しかし、本発明によれば、Ｘ線管アセンブリ６４は、Ｘ線管３４’に取り付けられた、または熱的に結合された少なくとも１つの熱伝導性であるが非導電性の材料７０を含む。熱伝導性非導電性材料（熱伝導性誘電材料と呼ぶことがある）７０は、高い熱伝導性および高い誘電強度をも有する材料である。たとえば、材料７０は、通常、少なくとも約１００Ｗｍ-1Ｋ-1であり、好ましくは少なくとも１５０Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導性を有し、材料７０は、通常、少なくとも約１．６×１０7Ｖｍ-1であり、好ましくは少なくとも約２．５６×１０7Ｖｍ-1の誘電強度を有する。材料７０は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、ダイアモンド様炭素、その組合せ、またはその等価物もしくは派生物とすることが可能である。図３では、材料７０は、たとえば円形円筒または矩形円筒の構造である円筒構造として示されているが、材料７０は、多くの異なる幾何学的形状を取り、かつ所望の機能を提供することが可能である。
【００５６】
Ｘ線管６４は、通常、ハウジング１５８において取り付けることが可能である。ハウジング１５８は、図２のハウジング５８と同様であり、通常、たとえば鉛張り材料、鉛、またはタングステンであるＸ線不透過性材料から製作される。ハウジング１５８は、円形円筒および矩形円筒を含めて、あらゆる適切な形状を想定することが可能である。本発明の一態様では、ハウジング１５８は、タングステンプレートから製作され、タングステンの機械加工性が不良であることにより、ハウジング１５８は、矩形円筒の形状であることが好ましい。当然、タングステンのハウジングを製作する他の手段を提供する方法が作成される場合、これらの方法を本発明に適用することもできる。
【００５７】
本発明によれば、熱伝導性誘電材料７０により、具体的にはアノード４０から、および一般的には管３４’から熱を伝導し、一方、具体的にはアノード４０から、および一般的には管３４’からの電流の移動を最小限に抑えるまたは防止することが可能になる。本発明のこの態様では、支持４４’（図２の管３４の支持４４とは異なる）は、通常、たとえば銅またはアルミニウムである導電性材料で作成される。本発明のこの態様によれば、熱は、アノード４０から支持４４’および材料７０を介して伝導され、一方、材料７０は、アノード４０をたとえば外部ハウジング１５８から電気的に絶縁する。
【００５８】
従来の技術のＸ線管アセンブリとは異なり、本発明のこの態様によるＸ線管３４’の温度は、アノード４０から熱を伝導して、材料７０の表面領域を介して熱を周囲環境に散逸させることによって低減することができる。したがって、材料７０は、管３４’の冷却要件を低減するように、またはアノード４０の加熱の増大を達成することができるように、具体的にはアノード４０、および一般的には管３４’を冷却する。たとえば、本発明の一態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却する十分な手段を提供し、それにより、追加の冷却手段は、ほとんどまたはまったく必要とされない。本発明の他の態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却する十分な手段を提供し、それにより、たとえば強制空気冷却（非強制空気冷却は、本発明の一態様を特徴付けるが）である空気冷却は、管３４’の十分な冷却を提供する。本発明の他の態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却するのに十分な手段を提供し、それにより、従来の技術のＸ線管アセンブリに必要な流体より、必要とされる冷却および絶縁流体が少ない。たとえば、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも１０％少なく、通常、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも２０％少なく、好ましくは、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも５０％少ない。
【００５９】
本発明の一態様によれば、材料７０の冷却能力は、たとえば冷却フィンまたは冷却ピンを材料７０に導入することによって、材料７０の表面領域を増大させることによって増強される。本発明の他の態様では、材料７０に熱的に結合された構造に冷却フィンまたは冷却ピンを導入することによって、追加の冷却能力が得られる。１つのそのような随意選択の構造を図３にファントムで示す。図３は、材料７０に取り付けられた、そうでない場合は材料７０に熱的に結合されたプレート７２を含む。プレート７２は、たとえば銅またはアルミニウムである熱伝導性材料で作成され、冷却に十分な表面領域を提供することが可能である。本発明のこの態様では、熱結合構造の表面領域は、冷却ピンまたは冷却フィン７４を使用することによって改善される。本発明の一態様によれば、プレート７２およびフィン７４は、材料７０から熱を伝導することができるように、熱伝導性の材料からなり、たとえば銅、鉄、またはアルミニウムをベースとする。本発明の他の態様では、プレート７２は、タングステン銅など、熱伝導性であり、かつＸ線の貫通に対して耐性のある材料から製作される。タングステン銅の銅は、所望の導電性を提供し、一方、タングステンは、所望のＸ線遮蔽を提供する。同じまたは同様の特性を有する他の材料をプレート７２に使用することが可能である。プレート７２が、タングステン銅などの２重材料であるとき、フィン７０は、単に、銅またはアルミニウムをベースとする材料とすることが可能である。
【００６０】
図４、５、および６は、本発明の他の態様による、Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置アセンブリ８０ならびにＸ線ソースアセンブリ８２を示す。Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置アセンブリ８０は、Ｘ線ソースアセンブリ８２およびＸ線集束装置８４を備える。図４に示したＸ線集束装置８４は、上記で参照した米国特許において開示されているポリキャピラリＸ線光学機器であるが、装置８４は、上記で解説したＸ線集束結晶およびキャピラリ型光学機器など、あらゆるタイプのＸ線集束装置とすることが可能である。本発明の一態様では、Ｘ線ソースアセンブリ８２は、図３において記述し、かつ示した熱伝導性誘電材料７０を有する少なくとも１つのＸ線ソース６４を備える。Ｘ線ソースアセンブリ８２は、図３では矩形円筒として示されているが、アセンブリ８２は、円計円筒または球を含めて、あらゆる好都合な幾何学的形状を取ることが可能である。アセンブリ８２は、電気接続８６、８７を介して電力を受け取る。
【００６１】
図５は、図４に示したＸ線ソースおよびＸ線集束装置の破断図を示す。図５に示したように、アセンブリ８０は、Ｘ線ソースアセンブリ８２およびＸ線集束装置８４を含む。Ｘ線ソースアセンブリ８２は、ハウジング８８、Ｘ線管アセンブリ６４（図３に示す）、およびＸ線バフルアセンブリ９０を含む。本発明のこの態様によれば、ハウジング８８は、円筒または矩形の円筒の形状など、円筒の形状であり、たとえば鉛、鉛張り材料、タングステン、劣化ウラン、またはその組合せである、Ｘ線遮蔽材料から製作される。ハウジング８８は、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの送り孔（図示せず）、およびＸ線光学機器８４を取り付ける手段を含む。図５に示した本発明の態様では、取付け手段８９は、ハウジングの貫通口の回りに位置するボルト締めフランジ接続を備え、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線が、その接続を通って光学機器８４に移動する。
【００６２】
ハウジング８２は、Ｘ線管アセンブリ６４が通って延びることが可能である送り孔９４を有する下部プレート９２を含むことも可能である。たとえば、図５に示したように、Ｘ線管アセンブリ６４の冷却フィン７４は、たとえば冷却フィン７４への空気アクセスを提供するために、下部プレート送り孔９４を通って延びることが可能である。図示したように、本発明の一態様では、冷却フィン７４は、放射状に方向付けることが可能である。
【００６３】
本発明の他の態様によれば、ハウジング８８は、ハウジング８８が取り付けられる構成要素に対してハウジング８８を位置合わせする少なくとも１つの手段を含むことが好ましい。たとえば、ハウジング８８における位置合わせ手段は、Ｘ線管ソーススポットの配向の基準とされる１つまたは複数のダウエルピンまたはダウエルピンホール９８を含むことが可能である。これらのダウエルホールまたはダウエルピンの調節および配向について、以下で解説する。
【００６４】
Ｘ線ソースアセンブリ８２は、アセンブリ８２から放出されるＸ線の量およびタイプを変化させるバフルプレートアセンブリ９０を含むことも可能である。本発明のこの態様によれば、バフルアセンブリ９０は、好ましくは複数の貫通口９６である、少なくとも１つの貫通口９６を有するバフル円筒９１を含む。貫通口は、図３に示した開口４６に対してなど、Ｘ線管アセンブリのＸ線開口に対して並進移動可能である。開口９６は、サイズおよび形状を変更することが可能であり、または、アセンブリ８２によって放出されるＸ線の量およびタイプを変更するために使用することができる１つまたは複数のＸ線ろ過装置を含むことが可能である。バフルアセンブリ９０は、１つまたは複数の開口を有するあらゆるタイプのプレートを備えることが可能であるが、図５に示した本発明の態様によれば、バフルアセンブリ９０は、Ｘ線管３４’の軸の回りに取り付けられ、かつハウジング８８に回転式に取り付けられた円形円筒９１を備える。バフル円筒９１は、ディスク９３に取り付けることが可能である。本発明のこの態様によれば、管３４’の開口に対する開口９６の配向は（再び図３参照）、図示されていない手段によってディスク９３を介してバフル円筒９１を回転させることによって変更することが可能である。バフル円筒９１を回転させる手段は、たとえばステッパモータまたは線形アクチュエータによる、手動手段または自動手段とすることが可能である。
【００６５】
図６は、明瞭に図示するためにハウジング８８の側面および上部が取り除かれている、図４および５のＸ線ソースおよび集束装置アセンブリ８０の図を示す。図６は、Ｘ線管アセンブリ６４、バフル円筒アセンブリ９０、およびＸ線光学機器８４を示す。図６は、ハウジング８８の下部プレート９２の上へのＸ線管アセンブリ６４の調節可能な取付けをも示す。図５に示したように、電気接続８６が、管３４’のアノード４０に動作式に接続され、電子接続８７が、管３４’の電子ビームアノード生成装置３８に動作式に接続される（図３参照）。
【００６６】
本発明のこの態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４（熱伝導性誘電材料７０を有する）が、ハウジング８８に調節可能であるように取り付けられ、それにより、Ｘ線管３４’によって放出されるＸ線の方向および配向を、Ｘ線光学機器８４との位置合わせについて最適化するなど、変更および最適化することが可能である。回転調節および並進調節を含めて、Ｘ線管アセンブリ６４の配向および位置合わせを変更する多くの手段を使用することが可能であるが、図４、５、および６に示した本発明の態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４の配向および位置合わせは、好ましくは複数のねじ込みロッドまたはねじである、少なくとも１つのねじ込みロッドまたはねじによって実施される。図６に示した態様では、３つのねじ込みねじ１００が、下部プレート９２を通ってねじ込まれて、プレート７２の下部表面と係合する。ねじ１００は、プレート７２のねじ込み穴など、穴の中にねじ込むことが可能であり、または、単にプレート７２の下部プレートに接して支持することが可能である。ねじ１００の調節またはあらゆる他の調節手段は、手作業で実施することが可能であり、または自動化することが可能である。
【００６７】
本発明の一態様によれば、管アセンブリ６４の配向の調節は、ハウジング８８に登録可能である。すなわち、本発明の一態様では、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線ビームの配向は、ハウジング８８およびＸ線ソースアセンブリ８２に対合する構成要素の位置合わせに登録可能である。たとえば、Ｘ線集束装置またはサンプル励起チャンバーは、ハウジング上の１つまたは複数のデータ点を単に位置合わせすることによって、Ｘ線管３４’に位置合わせすることが可能である。図４、５、および６に示した本発明の態様では、Ｘ線管３４’によって創出されるＸ線ビームの配向および位置合わせは、ハウジング８８上の１つまたは複数のダウエルピンまたはダウエルピンホール９８に登録される。その結果、対合構成要素をダウエルピンまたはダウエルホール９８に適切に位置合わせすることによって、たとえばほとんどまたはまったくさらに調節せずに、対合構成要素を管３４’のＸ線ビームと相応に位置合わせすることができる。
【００６８】
図７は、本発明の他の態様によるＸ線蛍光アセンブリ１１０を示す。Ｘ線蛍光アセンブリ１１０は、Ｘ線ソースアセンブリ１１２、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、およびＸ線検出器アセンブリ１２０を備える。アセンブリ１１０は、図示されていない少なくとも１つのＸ線集束装置（通常少なくとも２つの装置）をも含む。すべてのこれらの装置は、ハウジング１１５を有する単一アセンブリ１１０に統合される。
【００６９】
図８は、図７に示したＸ線蛍光システム１１０を示すが、Ｘ線ソースアセンブリ１１２、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、Ｘ線検出器アセンブリ１２０、および２つのＸ線集束装置１１４、１１８の典型的な空間関係を示すために、ハウジング１１５が除去されている。図１に示したシステム１０と類似の方式で、Ｘ線ソースアセンブリ１１２が、Ｘ線ビーム１２２を生成し、このＸ線ビームは、Ｘ線集束装置１１４によって集束されて、励起チャンバーアセンブリ１１６において試験されるサンプル上に集束されるビーム１２４を生成する。サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６においてサンプルのＸ線放射によって創出されるＸ線蛍光は、Ｘ線蛍光ビーム１２６を生成する。ビーム１２６は、Ｘ線集束装置１１８によって集束され、集束Ｘ線ビーム１２８を提供し、このビームは、Ｘ線検出器アセンブリ１２０に向けられる。ソースアセンブリ１１２、ホルダアセンブリ１１６、および検出器アセンブリは、それぞれ、各アセンブリをハウジング１１５に取り付ける取付けフランジ１１３、１１７、および１２１をそれぞれ含む。Ｘ線集束装置１１４および１１８は、これらの装置をハウジング１１５に取り付ける手段をも含む。
【００７０】
Ｄ２６２２方法においてなど、ＸＲＦ検出の従来の技術の方法では、サンプル励起経路および検出経路は、たとえばヘリウム環境である不活性気体環境において維持される。しかし、不活性気体の利用可能性は、特に遠隔位置では、これらの従来の技術のプロセスの実施を不都合にする。対照的に、本発明の一態様では、サンプル励起経路および検出経路は、真空下に維持され、不活性気体は必要ではない。たとえば、図７および８に示したシステム１１０では、ハウジング１１５は、少なくとも約１５Torrなど、真空下に維持される。真空は、可動部分のないベンチュリポンプによって提供することができる。しかし、所望され、かつ利用可能である場合、本発明の他の態様では、窒素またはヘリウムなどの不活性気体を導入して、たとえば加圧下で、ハウジング１１５に維持することができる。本発明の他の態様では、ハウジング１１５は、加熱または冷却することが可能であり、たとえば、直接もしくは間接の熱交換手段によって、または放射もしくは対流の加熱手段または冷却手段を介して、加熱または冷却することが可能である。本発明の他の態様では、ハウジング１１５は、加圧せず、実質的に大気の圧力および温度を包含することが可能である。
【００７１】
Ｘ線ソースアセンブリ１１２は、あらゆるタイプのＸ線ソースを含むことが可能であるが、ソースアセンブリ１１２は、図４、５、および６に示したソースアセンブリ８２と同様または同一のソースを含むことが好ましい。すなわち、ソースアセンブリ１１２は、材料７０などの熱伝導性誘電材料を有するＸ線管アセンブリを含むことが好ましく、ハウジングに調節可能であるように取り付けられ、隣接構成要素に登録可能であり、たとえば、ダウエルピンまたはダウエルホールを介してハウジング１１５に登録可能である。
【００７２】
Ｘ線集束装置１１４および１１８は、たとえば両側湾曲結晶またはポリキャピラリ光学機器である、以前に解説した集束装置のいずれか１つとすることが可能である。図８に示したＸ線集束装置１１４および１１８は、両側湾曲結晶として示されているが、上記で参照した米国特許において開示されているポリキャピラリ単色Ｘ線光学機器を含めて、他のタイプのＸ線光学機器もシステム１１０に使用することが可能である。
【００７３】
いくつかの従来の技術のＸＲＦ方法では（再び、たとえばＤ２６２２方法）、サンプルの励起は、多色Ｘ線を使用して実施される。とりわけ、多色Ｘ線励起の使用は、多色励起に固有の誤差を訂正するために、少なくとも２つのＸ線波長の使用を必要とする。本発明の一態様によれば、たとえばＸ線集束装置１１４による励起は、単色Ｘ線を使用して実施される。単色励起の使用により、多色励起を使用するときに通常必要とされる検出誤差の訂正の必要性が回避される。たとえば、本発明の一態様では、制動放射照明がないので、背景放射レベルが低減される。その結果、本発明は、多色励起を使用する従来の技術の方法より高い信号対雑音比を提供する。
【００７４】
Ｘ線サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６は、たとえば固体、液体、または気体のサンプルである、試験用サンプルを保持または維持するための、あらゆるタイプの空洞または表面を備えることが可能である。本発明の一態様では、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６は、たとえば連続流体（すなわち気体または液体）分析のために、サンプル励起チャンバー１１６からそれぞれサンプルを導入および除去するための導管１２３および１２５をそれぞれ含む。
【００７５】
従来の技術のＸＲＦ方法（たとえば、Ｄ２６２２方法）は、直径が少なくとも２５ｍｍであり、しばしばそれよりはるかに大きい直径のサンプルサイズを通常必要とする。Ｘ線収束装置を有する本発明の一態様では、サンプルの直径は、２５ｍｍ未満の直径、さらに１０ｍｍ未満の直径、またはさらに３ｍｍ未満の直径とすることが可能である。そのような小さいサンプル直径を有する能力によって、より小さい照明領域およびより確実な励起ならびに検出が可能になる。
【００７６】
Ｘ線検出器アセンブリ１２０は、たとえば集束Ｘ線ビームであるＸ線ビーム１２８を受け取ることができるあらゆるタイプのＸ線検出器を備えることが可能である。検出器アセンブリ１２０は、比例計数管型Ｘ線検出器または半導体型Ｘ線検出器を含むことが可能である。本発明の一態様では、Ｘ線検出器１２０は、少なくとも１つのＰＩＮダイオードタイプＸ線検出器を含む。
【００７７】
通常の従来の技術のＸＲＦ方法（再び、たとえばＤ２６２２方法）は、Ｘ線検出器の代わりに比例計数管を使用する。しかし、比例計数管型検出器は、可能な限り多くの光子をカウントするために、大きな検出領域または長い検出時間を通常必要とする。また、比例計数管型検出器は、通常、検出領域の上に「窓」を有する。高エネルギーＸ線では、窓の存在は些細なことであるが、比例計数管型検出器を使用して低エネルギーＸ線を検出するとき、窓の存在は、透過Ｘ線を妨害することがある。そのような妨害を回避するために窓をより薄くすることにより、気体が漏れる可能性が増大する。しかし、本発明の一態様では、励起Ｘ線を検出器の上に集束させることにより、大きな検出領域、長い検出時間、または比例計数管型検出器を特徴付ける窓の必要性が回避される。
【００７８】
従来の技術の方法（Ｄ２６２２方法など）において使用される他のタイプの検出器は、半導体型検出器を使用する。半導体型検出器は、通常、比例計数管型検出器がより好ましいが、その理由は、半導体型検出器は、とりわけ、サイズがより小さいからである。たとえば、比例計数管型検出器は、通常、半導体型検出器の検出器領域の約５００倍の検出器領域を有する。さらに、半導体型検出器は、比例計数管型検出器より高い分解能および良好なＸ線エネルギーを達成する。しかし、半導体型検出器のサイズが増大する際に、半導体の「漏れ電流」が増大して、望ましくない検出雑音を生成するので、半導体型検出器は、通常、サイズが限定される。一方、半導体型検出器のサイズを低減することにより、漏れ電流による検出雑音が低減される。しかし、通常、半導体型検出器がより小さくなる際に、検出器の検出効率が低下し始めるので、半導体型検出器は、検出器をどの程度小さくすることができるかという点についても限定される。
【００７９】
通常、半導体型検出器の性能を増大させるために、半導体型検出器は、冷却され、たとえば、約マイナス摂氏１０度から約絶対温度７７度の任意の温度に冷却される。しかし、そのような装置を冷却することは、高価で不便である。さらに、半導体型検出器を冷却することにより、検出器上に凝縮を形成し、これにより検出器の性能を妨害する可能性が導入される。凝縮が被冷却検出器の上に形成される可能性を低減する１つの方法は、たとえば窒素を使用して、不活性気体環境において検出器を窓の後ろに維持することである。不活性気体のために存在する熱移動を限定するために、真空を不活性気体の代わりに使用することがある。しかし、再び、半導体型検出器に不活性気体または真空を使用することは、不都合かつ高価であり、回避されることが好ましい。
【００８０】
半導体型検出器を使用する欠点のいくつかは、本発明によって回避または克服される。まず、Ｘ線集束装置を使用して励起ビームを集束させることにより、比例計数管型検出器の大きな検出領域が回避される。本発明によるＸ線の集束は、半導体型検出器により適している。具体的には単色Ｘ線を使用するＸ線エネルギーまたはフラックスの集束および集中は、半導体型検出器のサイズが減少する際に通常生じる分解能の損失をある程度相殺する。その結果、本発明の一態様によれば、半導体型検出器は、たとえば比例計数管型検出器の性能と比較して、性能を感知可能な程度にはほとんど損ねずに、摂氏０度より高い温度、または摂氏１０度より高い温度、またはさらに約室温（約摂氏２０度）以上においてなど、摂氏−１０度より高い温度で動作することができる。
【００８１】
さらに、被冷却表面上の凝縮を回避するために、ある形態の保護「窓」を通常必要とする冷却を必要としないので、本発明の一態様によれば、保護窓は必要ではない。すなわち、本発明の一態様は、摂氏０度より高い温度、または室温以上において使用される窓なし半導体型Ｘ線検出器である。
【００８２】
Ｘ線蛍光システムにおいて使用することができる半導体型検出器の１つのタイプは、ＰＩＮダイオード型半導体検出器であり、たとえば、ケイ素ＰＩＮダイオードである。本発明の一態様による１つのそのようなＰＩＮダイオード検出器の仕様を表１に示す。本発明によるＰＩＮダイオードは、前置増幅器ボードに取り付けて、ケーブルによって増幅器に付けることが可能である。
【００８３】
【表１】
【００８４】
図９は、本発明の他の態様による、通常連続的に流体を分析するＸ線蛍光システム２１０を示す。Ｘ線蛍光分析システム２１０は、通常、たとえばＸ線ソースアセンブリ１１２、Ｘ線サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、Ｘ線検出器アセンブリ１２０、および１つまたは複数のＸ線集束装置１１４、１１８を有する図７および８に示したＸ線蛍光システム１１０である少なくとも１つのＸ線蛍光アセンブリ２１２を備えるが、同様の機能を実施する他のアセンブリを使用することが可能である。システム２１０には、流体入口２１４、流体出口２１６、および流体パージ入口２１８も含まれる。入口２１４、出口２１６、およびパージ入口２１８は、手動または自動の隔離バルブ（図示せず）を含むことも可能である。流体入口２１４に導入される流体は、Ｘ線蛍光を介して分析することができるあらゆるタイプの液体または気体とすることが可能であるが、本発明の一態様では、流体は、燃料であり、とりわけ、たとえばガソリン、ディーゼル燃料、プロパン、メタン、ブタンである石油をベースとする燃料、または石炭ガスなどの流体燃料である。Ｘ線蛍光を介して検出することができる石油をベースとする燃料の１つの成分は、硫黄であるが、他の成分も検出することができる。本発明の一態様では、システム２１０によって分析される流体は、ディーゼル燃料であり、この場合、ディーゼル燃料の硫黄の内容が特徴付けられ、たとえば、硫黄の濃度が判定される。ディーゼル燃料の硫黄内容を特徴付けるシステムが、エックス−レイオプティカルシステムズインク（Ｘ−Ｒａｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．ニューヨーク州、アルバニー）によって商標ＳＩＮＤＩＥ（商標）として市販されている。
【００８５】
２１０を通る流体の流れは、１つまたは複数の制御バルブ２２２、２２４、流量計２２６、および圧力インジケータ２２８など、様々な従来の流れおよび圧力制御装置によって調整および監視される。制御バルブ２２２、２２４は、通常、２路または３路のバルブであり、手動または自動の制御バルブとすることが可能である。システム２１０の制御および動作は、制御装置２２０を介して手動で制御する、または自動的に制御することが可能である。制御装置２２０は、通常、１つまたは複数の従来のプログラム可能論理制御装置（Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ（ＰＬＣ））、電力入力、電力調整装置、信号入力、信号プロセッサ、データ分析装置、入力装置、および出力装置を含む。制御装置２２０は、適切な制御システムから入力信号を受信して、その信号を、図９にファントムで示す様々な電気接続を介して、監視および制御装置に向ける。システム２１０は、１つまたは複数のキャビネット、ハウジング、またはエンクロージャ２３０に収容することができ、たとえば、流体取扱い装置を１つのキャビネットに配置して、制御装置２２０を別のキャビネットに配置することが可能である。キャビネットまたはエンクロージャは、通常、ＮＥＭＡ４／１２パージエンクロージャである。システム２１０は、据置きにする、または携帯することが可能である。
【００８６】
以下の記述は、ディーゼル燃料の硫黄を検出するための本発明の適用、すなわちＳＩＮＤＩＥ（商標）システムについて具体的に記述するが、本発明は、ディーゼル燃料の他の成分または硫黄もしくは他の成分を含む他の流体に適用可能であることが、当業者には明らかになるであろう。システム２１０の動作は、以下のように進行する。Ｘ線分析アセンブリ２１２に、たとえば制御装置２２０から電気接続２１１を介して電圧を印加する。通常少なくともいくらかの硫黄を含んでいるディーゼル燃料が、入口２１４を介してシステム２１０に導入され、バルブ２２４を通過し、導管２１５を介してＸ線分析アセンブリ２１２に流れ込む。ディーゼル燃料は、システム２１２におけるＸ線曝露アセンブリのＸ線曝露室に導入され（たとえば、図８の導管１２３を介して）、そこで、ディーゼル燃料は、Ｘ線に曝露され、硫黄の少なくともいくらかは、Ｘ線蛍光を発生し、硫黄の存在が、システム２１２によって検出される。システム２１２によって検出された硫黄に対応する電気信号が、データの分析または表示のために、制御装置２２０に送信される。ディーゼル燃料は、曝露室を出て（たとえば、図８の導管１２５を介して）、導管２１７を通過し、出口２１６を介してシステム２１０から放出される。導管２１７における燃料の圧力および流量を、それぞれ流量測定装置２２６（ロトメータなど）および圧力インジケータ２２８（圧力ゲージなど）によって検出して、対応する信号を、それぞれ電気接続２２７および２２８を介して制御装置２２０に転送することが可能である。バルブ２２２および２２４を流れる流れの方向（および流量）は、たとえば流量計２２６または圧力インジケータ２２８によって検出された流れおよび圧力に応答して、それぞれ、制御信号２２３および２２５を介して制御装置２２０によって調整することが可能である。パージ入口２１８を使用して、水、空気、または窒素などの液体または気体のパージをシステムに導入することが可能であり、あるいは既知の硫黄内容を有する燃料をシステム較正のために導入することが可能である。パージの方向および流れは、バルブ２２２および２２４を介して、手動で、または自動的に制御することができる。
【００８７】
再び、システム２１０、すなわちＳＩＮＤＩＥ（商標）システムのコンパクトで頑強な設計は、多くのタイプの流体の分析に適していることが、当業者には明らかになるであろう。しかし、石油をベースとする燃料の分析に使用するとき、システム２１０は、原油井戸において、油貯蔵設備において、燃料精製所において、燃料分配パイプラインもしくはネットワークのあらゆる場所において、または石油をベースとする燃料の硫黄内容が所望されるあらゆる他の場所において、硫黄の分析に使用することができる。システム２１０を使用することにより、燃料の硫黄分析の従来の方法では通常必要とされるサンプルの準備および分析試薬の必要性が排除される。システム２１０は、連続的で迅速なオンライン燃料硫黄内容を提供し、これにより、品質の評価および制御を可能な限り迅速に実施することができる。図９に示したシステムについて、分析および物理的な仕様のいくつかを表ＩＩに示す。
【００８８】
【表２】
【００８９】
本発明の改善された熱散逸の態様：
本発明の他の熱散逸態様によれば、図１０は、本発明の一態様による高誘電強度ならびに熱伝導冷却および電気絶縁装置を有するＸ線ビームアセンブリ１１００の断面図を示す。Ｘ線ビームアセンブリ１１００は、透過窓１１１０を有するガラスまたはセラミックで通常形成される真空気密Ｘ線管１０５を含むＸ線不透過性エンクロージャ１１６０を含む。図１０では、エンクロージャ１１６０は、部分的にのみ示されているが、エンクロージャ１１６０は、通常、Ｘ線ビームアセンブリ１１００全体を囲むことが可能であることを理解されたい。Ｘ線管１１０５は、高電圧（ＨＶ）アノード１２５に対向して配置される電子銃１１１５を収容する。電子銃１１１５は、当技術分野では周知であるように、電圧勾配のために、電子ストリームの形態の電子、すなわち電子ビーム（ｅビーム）１１２０を放出する装置である。ＨＶアノード１１２５は、当技術分野においてやはり周知であるように、電子ストリームがその上に当たり、その結果、Ｘ線放射１１３０、すなわちＸ線を生成する対象として作用する。
【００９０】
電子銃１１１５は、通常、接地電位（たとえば、約ゼロボルト）に維持され、ＨＶアノード１１２５は、通常約５０ｋｖ以上など、高電圧電位に維持される。その結果、接地電位の電子銃１１１５から放出されるｅビーム１１２０は、高電圧電位にあるＨＶアノード１１２５の表面に電気的に引き付けられ、それにより、Ｘ線１１３０を生成する。ｅビーム１１２０が、アノード１１２５に当たり、Ｘ線１１３０が、Ｘ線１１３０の「焦点」１１２７と呼ばれるアノード１１２５上の位置からアノード１１２５から放出される。焦点１１２７におけるアノード１１２５の表面の配向角度により、Ｘ線１１３０を透過窓１１１０に向けるのが可能になる。透過窓１１１０は、通常、ベリリウム（Ｂｅ）などのＸ線透過性材料で形成され、これにより、Ｘ線１１３０がＸ線ビームアセンブリ１１００を出るのが可能になり、一方、Ｘ線管１１０５内の真空が維持される。本発明の一態様では、たとえば２０Ｋｅｖ以上の光子であるより高いエネルギーのＸ線を使用するとき、窓を必要としないことが可能であり、Ｘ線は、窓を必要とせずに、ガラスＸ線管などのＸ線管を通過することが可能である。
【００９１】
衝突表面と対向するＨＶアノード１１２５の端部は、通常、Ｘ線管１１０５の本体を通過して突出し、機械的、熱的、または電気的にベースアセンブリ１１３５に結合（たとえば接続）される。本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、熱伝導性材料から作成された第１プレート１１４０、誘電材料から作成された第２プレート１１５０、および熱伝導性材料から作成された第３プレートまたはベースプレート１１４５を含む３プレート構造である。第１プレート１１４０は、第２誘電性プレート１１５０によって、第３プレート１１４５から少なくとも部分的に電気絶縁される。本発明の一態様では、第１プレート１１４０は、熱拡散装置として機能する。すなわち、プレート１１４０は、たとえばプレート１１４０上の中央に位置する小限定領域である、限定領域にわたってアノード１１２５から熱を受け取り、熱をさらに散逸させることを容易にするために、熱をプレート１１４０のより大きい領域に分散させる。ベースアセンブリ１１３５は、ハウジング１１６０に取り付けることが可能である。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、少なくともアノード１１２５を支持し、およびＸ線管１１０５を支持することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０およびアノード１１２５は、たとえば金属の単一部品から機械加工された、または単一構成要素として鋳造された構成要素である、単一の一体式構成要素を備える。本発明の他の態様では、プレート１１４０およびアノード１１２５は、別々の構成要素であり、たとえば、はんだ付け、ろう付け、溶接、または導電性接着剤などの接着剤により、従来の手段によって対合される。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、Ｘ線管１１０５の構造支持のみを提供する。ベースアセンブリ１１３５内の相互接続のさらなる詳細を図１１において提供する。
【００９２】
本発明の一態様では、プレート１１４０、プレート１１４５、または両方のプレート１１４０および１１４５は、プレート１１５０の上（またはバー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に導電性材料のコーティングまたは層を備えることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０、プレート１１４５、または両方のプレート１１４０および１１４５に対応する導電性材料のコーティングまたは層は、方法の中でも、化学蒸着またはスパッタリングによってプレート１１５０（または同様の構造）の上に付着された、または加えられた導電性材料（銅など）の層を備えることが可能である。
【００９３】
本発明の他の態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、たとえば熱伝導性誘電材料で作成された単一プレート１１５０（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造）である単一プレートまたは構成要素構造を備えることが可能であり、プレート１１４０およびプレート１１４５、または対応する構造を省略することが可能である。プレート１１５０は、アノード１１２５の上に直接配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。
【００９４】
本発明の他の態様では、ベースアセンブリ１１３５は、２プレートまたは２部材の構造を備えることが可能であり、プレート１１４０またはプレート１１４５（もしくは等価な構造）を省略することが可能である。本発明の一態様では、アノード１１２５をプレート１１５０などの熱伝導性誘電材料の上（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に配置することが可能であり、導電性プレート１１４５をプレート１１５０の上（または同様の構造の上）に配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。本発明の一態様では、導電性プレート１１４５（またはその等価物）の機能は、プレート１１５０（または同様の構造）など、熱伝導性誘電材料に加えられた導電性材料の層またはコーティングによって提供することが可能である。本発明の一態様では、導電性材料（たとえば銅）の層またはコーティングは、化学蒸着、スパッタリング、または同様のプロセスによって施すことが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電性プレート１１５０の機能は、導電性プレート１１４５（またはその等価物）に加えられた熱伝導性誘電材料の層またはコーティングによって提供することが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料の層またはコーティングは、たとえば化学蒸着によってプレート１１４５（またはその等価物）に施されたＤＬＣである、ダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）とすることが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料の層またはコーティングは、アノード１１２５から導体プレート１１４５に熱を分散させる熱拡散装置として作用する。
【００９５】
さらに、本発明の他の２構成要素の態様では、アノード１１２５は、プレート１１４０などの熱伝導性電気絶縁性材料の上（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に配置することが可能であり、熱伝導性誘電材料（プレート１１５０または同様の構造など）は、プレート１１４０の上（または同様の構造の上）に配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。再び、本発明の一態様では、導電性プレート１１４０（またはその等価物）の機能は、プレート１１５０（または同様の構造の上）などの熱伝導性誘電材料に加えられた導電性材料の層によって提供することが可能である。
【００９６】
本発明の２構成要素および３構成要素の実施形態では、プレート１１４０および１１４５は、たとえば２インチ（５．０８センチ）の直径のディスク型プレートである円形プレートとすることが可能であるが、本発明によれば、３角形、正方形、または矩形など、あらゆる従来の形状のプレートを使用することが可能である。プレート１１４０および１１４５は、銅などの銅包含材料、アルミニウム包含材料、銀包含材料、金包含材料、ダイアモンド様炭素などのダイアモンド材料、またはこれらの材料の２つ以上の組合せなど、たとえば高度に熱伝導性の材料である熱伝導性材料から形成することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、たとえば上述した材料の１つである導電性材料を備えることも可能である。プレート１１４０および１１４５は、約０．２５インチ（０．６３５センチ）など、約０．１インチ（０．２５４センチ）から約０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、ほぼ同じサイズであり、たとえば、ほぼ同じ直径を有することが可能である。しかし、本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、異なるようにサイズ決めされ、たとえば、図１０に示したように、プレート１１４５は、直径がより大きいなど、プレート１１４０より大きくすることが可能である。ベースプレート１１４５は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の構造全体を支持および収容するために、ある構築構成または取付け構成を含むことも可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０およびプレート１１４５の厚さは、プレート１１４０の表面積と比較して小さくすることが可能である。たとえば、本発明の一態様では、プレート１１４０またはプレート１１４５の厚さ（インチで表す）に対する表面積（平方インチで表す）の比は、通常、少なくとも約５対１とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０またはプレート１１４５の表面積とその厚さとの比は、約１０対１と約１００対１との間とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０の直径は、約２インチ（５．０８センチ）であり、プレート１１４０の厚さは、約０．２５インチ（０．６３５センチ）であり、これは、約１２．５対１の面積対厚さの比に対応する。
【００９７】
本発明の単一構成要素、２構成要素、および３構成要素の実施形態では、誘電性プレート１１５０は、やはり円形プレートとすることが可能であるが、プレート１１４０および１１４５に関して上述したように、あらゆる従来型の形状のプレートを使用することが可能である。プレート１１５０は、プレート１１４０および１１４５より小さくすることが可能であり、たとえば、プレート１１４０、１１４５、および１１５０が円形の形状のとき、プレート１１５０の直径を、プレート１１４０および１１４５より小さくすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１５０は、ディスク型で、直径が約１．５インチ（３．８１センチ）とすることが可能である。プレート１１５０は、酸化ベリリウムセラミック、窒化アルミニウムセラミック、ダイアモンド様炭素、またはその派生物もしくは等価物など、高電圧において高い熱伝導性を提供する材料から形成することが可能である。その結果、誘電性プレート１１５０は、高い誘電強度を有することが可能であり、同時に、良好な熱伝導体でもある。たとえば、本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、絶対温度１度当たりの１メートル当たり少なくとも約１５０ワットの熱伝導性（Ｗ／ｍ／Ｋ）およびメートル当たり少なくとも約１．６×１０７ボルトの誘電強度（Ｖ／ｍ）を有する材料を備える。誘電性プレート１１５０は、約０．２５インチ（０．６３５センチ）の厚さなど、約０．１インチ（０．２５４センチ）と約０．５インチ（１．２７センチ）との間の範囲にある通常の厚さを有することが可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０の厚さは、誘電性プレート１１５０の表面積と比較して小さくすることが可能である。たとえば、本発明の一態様では、プレート１１５０の表面積（平方インチで表す）対厚さ（インチで表す）の比は、通常、少なくとも約５対１とすることが可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０の表面積対その厚さの比は、約５対１と約１００対１との間とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１５０の直径は、約１．５インチ（３．８１センチ）の直径および約０．２５インチ（０．６３５センチ）の厚さを有し、これは、約７．０対１の面積対厚さ比に対応する。
【００９８】
酸化ベリリウムセラミックは、銅の熱伝導性の約２／３である通常の熱伝導性を有し、一方、窒化アルミニウムセラミックは、銅の熱伝導性の約１／２である熱伝導性を有する。本発明の一態様では、酸化ベリリウムセラミックが、誘電性プレート１１５０の形成に使用される。本発明の他の態様では、窒化アルミニウムセラミックが、誘電性プレート１１５０の形成に使用される。いくつかの応用例では、窒化アルミニウムセラミックが好ましいが、その理由は、酸化ベリリウムは、有害な物質であり、したがって、環境上の理由により製造プロセスに望ましくないからである。対照的に、窒化アルミニウムセラミックは、酸化ベリリウムの代替物として、費用効果が高く、有害ではなく、作業が容易である。
【００９９】
本発明も一態様では、導体プレート１１４０、１１４５、誘電性プレート１１５０は、プレート間の結合材料の量を最小限に抑えるように、平坦である。たとえば、本発明の一態様では、ディスク１１４０ならびに１１４５の表面およびディスク１１５０の表面は、内部において少なくとも約０．００１インチ（０．００２５４センチ）であるように平坦である。
【０１００】
本発明の一態様では、ＨＶアノード１１２５は、プレート１１４０に少なくとも熱的に接続される。本発明の他の態様では、アノード１１５０は、プレート１１４０に少なくとも熱的および電気的に接続される。本発明の他の態様では、アノード１１２５は、ベースアセンブリ１１３５のプレート１１４０に機械的、熱的、および電気的に接続される。本発明の他の態様では、プレート１１４０は、たとえばＨＶ導線１１５５を介して、高電圧ソースに少なくとも電気的に接続することが可能である。本発明の他の態様では、プレート１１４０は、たとえばＨＶ導線１１５５を介して、高電圧ソースに機械的、熱的、および電気的に接続される。ＨＶ導線１１５５は、２００２年６月２６日に出願された、すなわち本出願と同じ日に出願された、同時係属の米国出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）において開示されているプレート１４０に添付することが可能である。この開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。その結果、本発明の一態様では、高電圧電位がプレート１１４０およびＨＶアノード１１２５にも供給される。反対に、ベースプレート１１４５は、通常、ほぼ接地電位に維持される。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、高電圧プレート１１４０と接地ベースプレート１１４５との間の電気絶縁を提供する。再び、すべての相互接続のさらなる詳細について、図１１を参照して以下で提供する。
【０１０１】
本発明の他の態様では、高電圧ケーブル１１５５は、プレート１１４０を介する以外の手段によって、アノード１１２５と電気的に接続することが可能である。たとえば、一態様では、ケーブル１１５５は、たとえば同時係属の米国出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）において開示されている電気接続によって、アノード１１２５に直接接続される。たとえば、本発明の一態様では、アノード１１２５が、プレート１１５０などの熱伝導性誘電材料のすぐ上に配置され、ケーブル１１５５をアノード１１２５に直接接続することが可能である。本発明の他の態様では、ケーブル１１５５は、構造１１３５に関係しない手段など、他の手段を介してアノード１１２５に接続される。
【０１０２】
本発明の一態様では、電子銃１１１５およびＨＶアノード１１２５を有するＸ線管１１０５、ベースアセンブリ１１３５、およびＨＶ導線１１５５は、エンクロージャ１１６０に収容され、それにより、Ｘ線ビームアセンブリ１１００を形成する。エンクロージャ１１６０は、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の要素を封入するケイ素注封材料またはその等価物などの注封材料である、封入剤１１６２としても既知の封入材料で満たすことが可能である。図１０に示したように、Ｘ線ビームアセンブリ１１００のいくつかの要素は、ベースアセンブリ１１３５など、エンクロージャ１１６０を超えて突出することが可能である。エンクロージャ１１６０注封剤１１６２は、空気ポケットの空隙とすることが可能である構造を形成することが可能であり、かつＸ線ビームアセンブリ１１００の多くの表面を、封入剤１１６２またはハウジング１１６０を介して、周囲空気などの周囲環境から隔離するように作用することが可能である。本発明の一態様では、封入剤１１６２は、ケイ素注封材料またはその等価物など、少なくとも約１．６×１０7Ｖ／ｍの破壊電圧を有する材料を備える。本発明の他の態様では、封入剤１１６２の熱特性は、封入剤１１６２の機能には重要でない可能性がある。たとえば、封入剤１１６２を備える材料は、良好な熱伝導体である必要はない可能性がある。封入剤１１６２に使用することが可能である１つの材料はケイ素材料であり、たとえば、Ｄｏｗ Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４ケイ素エラストマなどのケイ素エラストマ、またはその等価物である。
【０１０３】
図１１は、本発明の一態様によるベースアセンブリ１１３５の詳細な断面図を示す。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、高誘電強度および熱伝導性熱散逸装置として作用する。本発明の他の態様では、ベースアセンブリ１１３５は、高誘電強度および熱伝導性熱散逸装置ならびにＸ線ビームアセンブリ１１００の構造支持として作用する。
【０１０４】
図１１は、ＨＶアノード１１２５が、プレート１１４０に少なくとも熱的に接続されることを示すが、本発明の一態様では、アノード１１２５は、プレート１１４０に機械的、熱的、および電気的に接続される。本発明の一態様では、アノード１１２５は、たとえば、１つまたは複数の機械固定具、溶接、ろう付け、はんだ付け、接着剤など、従来の手段を介してプレート１１４０に機械的に接続される。本発明の一態様では、アノード１１２５は、取付けスタッド１２０５、結合層１２１０、またはその組合せを介してプレート１１４０に接続される。取付けスタッド１２０５は、スチール、たとえばアルミニウム、銅、または上述した他の導電性材料の１つである導電性材料から形成されたねじ込みスタッドとすることが可能である。図１１に示した本発明の態様では、取付けスタッド１２０５は、ＨＶアノード１１２５およびプレート１１４０の両方にねじ込まれる。結合層１２１０は、たとえばＩｎ−Ｓｎ共晶はんだなどのインジウム錫（Ｉｎ−Ｓｎ）はんだまたはその等価物などの高導電性はんだから形成することが可能である。
【０１０５】
プレート１１４０、１１４５、および１１５０は、たとえば、１つまたは複数の機械的固定具、溶接、ろう付け、はんだ付け、接着剤など、従来の手段によって互いに接続することも可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、結合層１２１５を介してプレート１１４０に接続され、プレート１１４５は、結合層１２２０を介して誘電性プレート１１５０に接続される。結合層１２１５、１２２０は、たとえば、上述した結合層１２１０に使用されるはんだと同様の高導電性はんだとすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４５は、ベースアセンブリ１１３５を支持するまたは取り付ける手段を含み、この手段は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００、または少なくともアノード１１２５も支持することも可能である。ベースアセンブリ１１３５を支持する手段は、任意の従来の支持手段とすることが可能であるが、本発明の一態様では、プレート１１４５は、たとえば少なくとも１つのねじ込み取付け穴である、少なくとも１つの取付け穴１４０５を含む。
【０１０６】
Ｘ線ビームアセンブリ１１００は、プレート１１４５から熱を伝導し、かつ散逸させる他の手段を含むことが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４５は、プレート１１４５から熱を伝導し、かつ散逸させる従来の手段に動作式に接続することが可能である。たとえば、プレート１１４５は、１つまたは複数の冷却フィンもしくは冷却ピンに動作式に接続することが可能である。本発明の他の態様では、プレート１１４５または冷却フィンもしくは冷却ピンは、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００に取り付けられた電気ファンなどのファンによって、強制空気冷却に曝露させることも可能である。
【０１０７】
本発明の一態様によれば、プレート１１４０および１１４５は、たとえば図１１に示した半曲智（radiused）縁である、滑らかな縁を備える。本発明のこの態様によれば、半曲智縁は、プレート１１４０と１１４５との間の電気放出の可能性を低減するように、プレートの縁の周囲の電場勾配を最小限に抑える。
【０１０８】
本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の低電圧構成要素または接地構成要素からの直接支持がほとんどまたはまったくない状態で、具体的には高電圧アノード１１２５の支持である、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の機械的支持を提供する。本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５によって提供される機械的支持は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を除去するための熱伝導経路をも含む。本発明の他の態様では、機械的支持および熱伝導の他に、ベースアセンブリ１１３５は、少なくともいくらかの電気絶縁を提供することも可能であり、この場合、ベースアセンブリ１１３５全体で、電流は、ほとんどまたはまったく失われない。すなわち、アノード１１２５から、またはＸ線ビームアセンブリ１１００のあらゆる他の高電圧構成要素からの電流損は、最小限に抑えられる。
【０１０９】
本発明の他の態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、アノード１１２５からなど、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を散逸させる、たとえば伝導する有効な手段を提供する。本発明のこの態様によれば（図１０参照）、ビーム１１２０がアノード１１２５に当たり、Ｘ線１１３０を生成することによって生成される熱は、衝突点１１２７からアノード１１２５に沿ってプレート１１４０に伝導される。次いで、プレート１１４０は、熱を、たとえば径方向において、アノード１１２５の接触点から伝導し、熱をプレート１１４０に分散させ、たとえば、熱をプレート１１４０に一様に分散させる。次いで、プレート１１４０の熱は、プレート１１５０に伝導され、プレート１１５０から、熱は、プレート１１４５において伝導される。本発明の一態様によれば、プレート１１４０において熱を分散させることにより、プレート１１４０において熱が効果的に分散され、誘電性プレート１１５０全体の温度差は、最小限に抑えられる。その結果、誘電性プレート１１５０の熱伝導性は、銅包含材料などの従来の伝導材料の伝導性より劣る可能性があるが、プレート１１４０からプレート１１４５に熱を散逸させるのに十分な伝導性を依然として提供することが可能である。プレート１１４５の熱は、対合構造への伝導により、または自然対流、強制空気対流により、もしくはプレート１１４５の上に冷却流体を流すことにより、さらに散逸させることが可能である。本発明の一態様では、冷却ピンまたは冷却フィン（図示せず）をプレート１１４５に動作式に接続することが可能である。さらに、本発明の一態様によれば、１つまたは複数の誘電性プレート１１５０および導電性プレート１１４５をプレート１１４０に取り付けることが可能であり、たとえば、プレート１１５０および１１４５の２つの以上の組を使用して、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を伝導することが可能である。
【０１１０】
本発明の一態様によれば、内部冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないなど、冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないＸ線生成装置が提供される。すなわち、本発明の一態様は、ある従来の技術の特徴である、流体の封止手段、漏れ防止、または取替えを提供する必要性を排除する。さらに、本発明の他の態様によれば、Ｘ線ビームの調整または位置合わせのために、より機械判読可能であるように適合させることができるＸ線生成装置が提供される。たとえば、冷却流体が存在しない、または冷却流体を必要としない状態で、位置合わせまたは調節の機構が流体気密であることを必要とせずに、Ｘ線ビーム１１３０とキャピラリ光学機器または結晶光学機器などのＸ線光学機器とを位置合わせするためなど、Ｘ線位置合わせまたは調節機構をＸ線装置１１００に組み込むことが可能である。たとえば、本発明の一態様と共に使用することが可能である１つの位置合わせ機構が、同時係属の米国出願第６０／／３３６，５８４号、２００１年１２月４日出願（整理番号０４４４．０４５Ｐ）において開示されている。この開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１１１】
本発明の改善された位置合わせおよび安定性の態様
上記で一般的に解説したように、本発明は、一態様において、たとえば集束Ｘ線ビームまたは視準Ｘ線ビームを提供し、かつある範囲の動作条件にわたって安定な出力を有するＸ線ソースアセンブリを提供する。この安定な出力は、一態様では、動作条件の１つまたは複数の変化にもかかわらず、アセンブリの出力構造に対するアノードソーススポットの位置決めを制御する制御システムを介して得られる。たとえば、アノードソーススポットの位置は、アノードの電力レベルの変化またはＸ線ソースアセンブリの周囲温度の変化にもかかわらず、出力構造に対して一定に維持することができる。
【０１１２】
制御システムは、アノードソーススポットまたは出力構造の移動を実施することができる１つまたは複数のアクチュエータを使用する。たとえば、１つのアクチュエータは、出力構造に対するアノードソーススポット位置の調整を実施するように、アノードの加熱／冷却を提供する温度アクチュエータを備えることが可能である。他のアクチュエータは、必要に応じてアノードソーススポットまたは出力構造の位置を物理的に調節するメカニカルアクチュエータを備えることが可能である。他のアクチュエータは、電子ビームを静電的または磁気的に移動させることが可能である。１つまたは複数のセンサを制御システムによって使用して、出力構造に対するアノードソーススポット位置に関するフィードバックを提供することができる。センサは、アノードの温度を直接または間接に測定するセンサ、ならびにハウジング温度センサおよび周囲温度センサなど、温度センサを含むことが可能である。センサは、アノード電力レベルを得るためのフィードバック機構、または光学機器出力強度の直接または間接の尺度を含むことも可能である。
【０１１３】
他の態様では、Ｘ線を生成するためのアノード、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を有するＸ線管を含むＸ線ソースアセンブリが開示されている。光学機器からＸ線出力強度を収集する制御システムが提供される。この制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる。たとえば、制御システムは、アノード電力レベルの変化および／または周囲温度の変化について調節することができる。本発明の様々な追加の特徴についても、以下で記述し、主張する。
【０１１４】
本明細書で使用する際に、「出力構造」という句は、Ｘ線ソースアセンブリの部分、またはＸ線ソースアセンブリに関連する部分を備える構造を指す。例として、構造は、集束光学機器または視準光学機器など、Ｘ線透過窓または光学機器を備えることができ、アセンブリ内においてＸ線管を囲むハウジングに固定する、または固定しないことが可能である。
【０１１５】
図１２は、本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリ２１００の断面正面図を示す。Ｘ線ソースアセンブリ２１００は、透過窓２１０７を有する真空気密Ｘ線管２１０５（通常、ガラスまたはセラミックで形成される）を備えるＸ線ソース２１０１を含む。Ｘ線管２１０５は、高電圧（ＨＶ）アノード２１２５に対向して配置された電子銃２１１５を収容する。電圧が印加されたとき、電子銃２１１５は、当技術分野では周知であるように、電子ストリームの形態の電子、すなわち電子ビーム（ｅビーム）を放出する。ＨＶアノード２１２５は、電子ストリームがＸ線放射すなわちＸ線２１３０を生成するために上に当たるソーススポットを有する対象として作用する。
【０１１６】
例として、電子銃２１１５は、接地電位（ゼロボルト）に維持することができ、一方、ＨＶアノード２１２５は、高電圧電位に維持され、通常約５０ｋＶである。その結果、接地電位において電子銃２１１５から放出されたｅビーム２１２０は、ＨＶアノード２１２５の表面に電気的に引き付けられ、それにより、ｅビーム２１２０がアノードを打つアノード上のソーススポットからＸ線２１３０を生成する。その後、Ｘ線２１３０は、真空気密Ｘ線管２１０５の透過窓２１０７を通るように向けられる。透過窓２１０７は、通常、ベリリウム（Ｂｅ）などの材料で形成され、これにより、Ｘ線の透過をほぼ妨害しないことが可能になり、一方、Ｘ線管２１０５内の真空は依然として維持される。
【０１１７】
ハウジング２１１０が、Ｘ線管２１０５を少なくとも部分的に閉鎖する。ハウジング２１１０は、Ｘ線管２１０５の透過窓２１０７と位置合わせされた開口２１１２を含むことができる。例として、開口２１１２は、開放開口をハウジング２１１０に備え、または空気空間を画定する閉鎖開口を備えることができる。透過窓２１０７および開口２１１２を透過する際に、Ｘ線２１３０は、光学機器２１３５によって収集される。光学機器２１３５は、この例では、ハウジング２１１０の開口２１１２の回りに集中して示されている。光学機器２１３５は、ハウジング２１１０の外表面に固定することができ、または、開口２１１２内にあるように（たとえば、透過窓２１０７に接して位置するように）、ハウジング２１１０内に部分的に配置することができ、もしくは、ハウジング２１１０から離れて支持されるが、ハウジング２１１０の開口２１１２と位置合わせすることができる。
【０１１８】
留意したように、光学機器２１３５は、例として、集束光学機器または視準光学機器を備えることができる。図１２では、光学機器２１３５は、集束要素として示されており、強度が高く、直径が小さいスポット２１４５を必要とする応用例においてＸ線ソース２１００を使用するとき、有用である。集束光学機器２１３５は、Ｘ線放射２１３０を収集して、放射を収束Ｘ線２１４０に集束させる。低電力ソースを必要とするＸ線蛍光システムと関連してＸ線ソース２１００を使用するとき、収束光学機器は、有益であることがある。代替として、光学機器２１３５は、光学機器（図示せず）からのＸ線放射出力の平行ビームを必要とする応用分野において使用される視準光学要素を備えることができる。視準光学要素の場合、Ｘ線２１４０は、図１２に示すようにスポット２１４５に収束するのではなく、平行である。
【０１１９】
光学機器２１３５は、たとえば集束または視準のために、Ｘ線を収集または加工することができるあらゆる光学要素を備えることができる。例として、光学機器２１３５は、ポリキャピラリバンドル（Ｘレイオプティカルシステムズインク（Ｘ−ｒａｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．、ニューヨーク州、アルバニー）から入手可能なものなど）、両側湾曲光学機器、またはフィルタ、ピンホール、もしくはスリットなどの他の光学要素の形態を備えることができる（ポリキャピラリ光学機器は、全反射により光子を透過させる薄く中空の管の束である。そのような光学機器は、たとえば、（特許文献１１）、（特許文献１０）、および（特許文献９）において記載されている。両側湾曲光学機器は、たとえば、（特許文献３）および（特許文献２）において記載されている）。Ｘ線ソースアセンブリ２１００の較正の際に、光学機器２１３５は、Ｘ線ソースアセンブリ２１００の他の較正が実施されるまで、（一実施形態では）Ｘ線ソース２１０１に対して静止したままである。
【０１２０】
ＨＶアノード２１２５の端部は、Ｘ線管２１０５の本体を経て突出する衝突表面に対向し、かつベースアセンブリ２１５０に機械的および電気的に接続される。ベースアセンブリ２１５０は、第１導体ディスク２１５５を含み、このディスクは、誘電体ディスク２１６０を介してベースプレート２１６５から電気的に絶縁される。本明細書においてアノードスタックと呼ばれる結果的なアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０構造は、「Method and Device For Cooling and Electrically Insulating A High-Voltage, Heat Generating Component」という名称の上記で組み込まれた同時出願特許出願において詳細に記載されている。この文献においてより詳細に記載されているが、ベースアセンブリ２１５０の構造および機能について、以下で簡単に解説する。
【０１２１】
導体ディスク２１５５およびベースプレート２１６５は、たとえば、数インチの直径の、銅などの高導電性および高熱伝導性材料で形成されたディスク型のプレートである。例として、導体ディスク２１５５およびベースプレート２１６５は、０．１（０．２５４センチ）から０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能であり、０．２５インチ（０．６３５センチ）が１つの具体的な例である。ベースプレート２１６５は、Ｘ線ソース２１０１の構造全体を収容するために、構造上の詳細をさらに含むことが可能である。
【０１２２】
誘電体ディスク２１６０は、たとえば、直径が１．５インチ（３．８１センチ）で、酸化ベリリウムセラミックまたは窒化アルミニウムセラミックなど、高電圧において高誘電強度を提供する材料で形成されたディスク型プレートである。さらに、導体ディスク２１５５またはベースプレート２１６５と同程度の熱伝導性ではないが、これらの材料は、比較的良好な熱伝導性を提示する。誘電体ディスク２１５０は、０．１インチ（０．２５４センチ）から０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能であり、０．２５インチ（０．６３５センチ）が１つの具体的な例である。
【０１２３】
導体ディスク２１５５は、適切な高電圧導線２１７０を介して、高電圧ソース（図示せず）に機械的および電気的に接続される。その結果、高電圧電位が、導体ディスク２１５５、およびその後ＨＶアノード２１２５に供給される。対照的に、ベースプレート２１６５は、接地電位に維持される。誘電体ディスク２１６０は、高電圧導体ディスク２１５５と接地ベースプレート２１６５との間の電気絶縁を提供する。高電圧導線２１７０を導体ディスク２１５５に接続するアセンブリの一例が、「An Electical Connector, A Cable Sleeve, and A Method For Fabricating A High Voltage Electrical Connection For A High Voltage Device」という名称の上記で組み込まれた一般に出願された特許出願において記載されている。
【０１２４】
Ｘ線管２１０５、ベースアセンブリ２１５０、およびＨＶ導線２１７０は、封入剤２１７５に包含される。封入剤２１７５は、電圧破壊を回避するために十分に高い誘電強度を有するケイ素などの剛性または半剛性の材料を備えることができる。さらに、好ましい熱経路がベースアセンブリ２１５０を通過するので、封入剤２１７５は、良好な熱伝導体である必要はない。具体的な例として、封入剤２１７５は、ケイ素エラストマ（ダウケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から入手可能なＤｏｗ Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４など）をＸ線管、ベースアセンブリ、および高電圧導線の回りに溶接することによって形成することができ、それにより、地面に至る望ましくない電圧破壊経路を提供する可能性がある空気ポケットのない構造を形成する。
【０１２５】
図１３は、ソース走査曲線２２００を示すグラフであり、たとえばスポット２１４５（図１２）の強度である出力強度の表示が、アノードソーススポットと出力光学機器との間の変位または誤整列に関してプロットされている。スポット強度は、光学機器（２１３５）の焦点にわたってＸ線（２１３０）を走査することから得られる。ガウスプロットが得られることが示されており、最大強度が、光学機器の焦点においてＸ線２１３０（したがってアノードソーススポット）を適切に位置合わせすることにより達成される。
【０１２６】
図示したように、半最大値（ＦＷＨＭ）における全幅Ｗ１は、約２００ミクロンに等しい。２００ミクロンのＦＷＨＭは、Ｘ線２１３０（したがってアノードソーススポット）が、光学機器２１３５の焦点から２１００ミクロンの距離変位している結果として、スポット２１４５におけるＸ線強度が５０％降下することを示す。適切に較正されたとき、Ｘ線ソースアセンブリ２１００は、傾斜がほぼゼロに等しい図１３のソース走査曲線の上部付近における所与の電力について機能し、それにより、光学機器２１３５に関するＸ線２１３０の変位がわずかに変動しても（たとえば、５μｍ以下）は、強度の降下は些少である。例として、光学機器２１３５に対するＸ線２１３０の変位における許容可能な変動の範囲をＷ２によって表す。これは、Ｘ線２１３０と光学機器２１３５の焦点との間の５ミクロン未満の変位は、許容可能であることを示す。しかし、Ｘ線ソースの動作電力が０から５０Ｗまで変化する際に、５０ミクロン程度の熱膨張の相違が、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の要素において生じることがある。
【０１２７】
図１４は、図１２に関して上述したＸ線ソース２１００を示す。しかし、この例では、ＨＶアノード２１２５に当たるｅビーム２１２０によって生成される熱により、ＨＶアノード２１２５、導体ディスク２１５５、ベースプレート２１６５、およびより少ない程度であるが誘電体ディスク２１６０が膨張した。この膨張の結果、Ｘ線２３１０の発散ビームが、生成され、これは、図１２に示したＸ線２１３０に関して垂直方向にずれる。たとえば、電子銃２１１５が５０Ｗの電力において動作する場合、Ｘ線２３１０の焦点は、０Ｗにおける位置から５０ミクロン程度ずれる可能性がある。Ｘ線２３１０は、光学機器２１３５と誤整列され、その結果、Ｘ線２３１５の収束ビームは、著しく強度が低減されたスポット２３２０を生成する。
【０１２８】
両側湾曲結晶およびポリキャピラリバンドルなど、視準光学機器および集束光学機器の物理的な性質のために、アノードソーススポットに対する光学機器２１３５の精密な位置決めが、Ｘ線２３１５の最適な視準または集束のために望ましい。その結果、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の熱膨張に由来する可能性のあるような光学機器２１３５に対するＸ線２３１０のずれは、図１３にグラフで示すように、著しく低減された強度を有するスポット２３２０をもたらすことがある。
【０１２９】
出力構造に対するアノードソーススポットのずれは、様々な手法を使用して測定することができる。たとえば、温度センサ２４００をアノードスタックのベースにおいて使用して、アノードスタックの温度変化を測定することができる。これは、以下でさらに記述するように、較正手続き中の光学機器に対するアノードソーススポットのずれに相関させることができる。図１６は、代替温度センサの実施を示す。
【０１３０】
図１６に示すように、再び導体ディスク２１５５、誘電体ディスク２１６０、およびベースプレート２１６５を含むベースアセンブリ２１５０は、ベースプレート２１６５内において凹み、かつベースプレート２１６５と良好に熱接触する温度センサ２４００を含むように修正される。例示のために、図１６は、アノードから、ベースアセンブリへ、およびベースアセンブリを経た熱移動を表す波を示す。これらの波は、図１５に示すように、ｅビーム２１２０がＨＶアノード２１２５に当たることによって生成される熱を表す。
【０１３１】
また、図１５には、Ｘ線強度測定装置２４１０も示されている。ずれを判定するために温度を感知することに加えて、またはその代替として、Ｘ線ソース２１０１または光学機器２１３５のＸ線出力強度を測定することができる。例として、回折の応用分野では、本明細書において記述するような位置制御システムに必要なフィードバックを提供するために、イオン室または比例計数管を強度測定装置２４１０として使用することができる。回折の応用分野では、対象となるエネルギーは、通常、１つの波長におけるものであり、したがって、Ｘ線経路内に配置される比例係数管は、対象となる少量のＸ線を吸収するだけである。当業者なら、Ｘ線ソースアセンブリ２１００からＸ線出力の強度を直接または間接に判定するために、他の強度測定手法を使用することができることを理解するであろう。温度感知、Ｘ線強度感知などの目的は、アノードソーススポットと出力構造との位置合わせに関するフィードバック情報を提供することである。制御システムおよび制御プロセスについて、図１８〜２１を参照して以下でさらに記述する。
【０１３２】
アノードスタックの温度と、出力構造に対するアノードソーススポットとの相関は、図１７〜１７Ｂを参照すると、より良好に理解することができる。
【０１３３】
図１７には、アノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０を備えるアノードスタックが示されている。アセンブリ２１５０は、導体ディスク２１５５、誘電体ディスク２１６０、ベースプレート２１６５を含み、この例では、温度センサ２４００は、内部に埋め込まれて示されている。アノードスタックは、図１７Ａのグラフの距離軸（ｘ軸）と相関するように、水平に配置される。
【０１３４】
図１７Ａに示すように、アノードスタックは、スタックを備える様々な構成要素にわたって異なる温度変化を有する。５０Ｗおよび２５Ｗの両方の例について、アノード２１２５の最右端から開始して、たとえば導体ディスク２１５５の両端の温度降下よりわずかに急な傾きを有する温度降下が示されている。アノード２１２５およびディスク２１５５の両方とも導電性であるが、ディスク２１５５の断面がより大きいことは、１つの主要表面から他への温度降下がより小さいことを意味する。やはり図１７Ａに示したように、アノードスタックの両端の温度変化は、アノードの電力レベルに関係する。温度変化（ｙ軸）は、室温より高いアノードスタックの温度変化のずれを表す。したがって、ゼロに印加されたアノードの電力レベルでは、ずれはゼロと想定される。
【０１３５】
さらなる改良として、本発明の態様によるＸ線ソースアセンブリは、室または周囲の温度変化に対応するように調節することができる。膨張に寄与する要素の全熱膨張が、５０Ｗビーム電流において、０Ｗビーム電流と同じであるようにするために、プレート２１６５（したがって接続要素）の０Ｗベース温度は、たとえば４０℃まで上昇させることができる。これを、点線によって図１７Ａに示す。
【０１３６】
図１７Ｂは、０ワットと５０ワットとの間の様々なアノード電力レベルについて、アノードスタックの構成要素の周囲温度より低い基準温度の例を示す。より具体的には、図１７Ｂは、様々な管動作電力の基準温度を示す（図１７Ａの０Ｗにおいて導出され、かつ示されている）。さらに、追加の温度のずれをこの基準温度に追加することによって、同じシステムが、周囲温度の変化に対応することができる。たとえば、５０Ｗおよび２０℃において、０℃の基準デルタ温度が得られる。この基準デルタ温度が５℃に上昇した場合、このデルタ温度を２０℃に維持するために、追加の熱が供給される。しかし、２５℃では、追加の加熱は必要ない。このようにして、たとえば２０℃では、基準デルタ温度のずれが必要であり、これによって、より高い周囲温度での補償が可能になる。
【０１３７】
図１８は、本発明の他の態様による、全体を２７００と表記するＸ線ソースアセンブリの一実施形態の断面正面図を示す。Ｘ線ソースアセンブリ２７００は、Ｘ線ソース２７０５および出力光学機器２１３５を含む。光学機器２１３５は、真空Ｘ線管２１０５のＸ線透過窓２１０７に対して位置合わせされる。Ｘ線管２１０５は、再び、高電圧アノード２１２５に対向して配置される電子銃２１１を収容する。電圧が印加されたとき、電子銃２１１５が、電子ストリームの形態で電子（すなわち、上述した電子ビーム２１２０）を放出する。ＨＶアノード２１２５は、窓２１０７を透過し、かつ光学機器２１３５によって収集されるＸ線放射２１３０を生成するために、電子ストリームが上に当たるソーススポットに関する対象として作用する。電子銃２１１５およびアノード２１２５は、図１２、１４、および１５の実施形態に関して上述したように機能する。
【０１３８】
アノード２１２５は、再び、ベースアセンブリに物理的および電気的に接続され、ベースアセンブリは、誘電体ディスク２１６０を介してベースプレート２１６５’から電気的に絶縁された導体プレート２１５５を含む。ベースアセンブリの構築および機能は、図１２、１４、および１５に関して上述したベースアセンブリと同様とすることができる。高電圧導線２１７０が、所望の電力レベルをアノード２１２５に提供するように、導電性プレート２１５５に接続される。電子銃２１１５、アノード２１２５、ベースアセンブリ２１５０、および高電圧導線２１７０は、封入剤２１７５によって包含され、これらは、すべて、ハウジング２７１０内にある。ハウジング２７１０は、Ｘ線管２１０５のＸ線透過窓２１０７に位置合わせされた開口２７１２を含む。動作時、Ｘ線放射２１３０が、光学機器２１３５によって収集され、この例では、スポット２７４５に集束される２７４０。上記で留意したように、光学機器２１３５は、ポリキャピラリバンドルおよび両側湾曲結晶を含めて、様々なタイプの光学要素のいずれか１つを備えることが可能である。また、光学機器２１３５は、たとえば、Ｘ線ソースアセンブリの応用例に応じて、集束光学機器または視準光学機器を備えることが可能である。
【０１３９】
本発明の態様によれば、制御システムが、Ｘ線ソースアセンブリ２７００の内部において実施される。この制御システムは、たとえば、ハウジング２７１０内に埋め込まれて示されているプロセッサ２７１５、ならびにプロセッサ２７１５に結合される１つまたは複数のセンサおよび１つまたは複数のアクチュエータ（センサ／アクチュエータ２７２０およびアクチュエータ２７３０など）を含む。Ｘ線ソースアセンブリ２７００内のこの制御システムは、たとえば、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の熱膨張を補償する機能を備える。この熱膨張は、光学機器２１３５に対するＸ線２１３０の位置合わせを維持するために、アノードの電力レベルを変化させる。これにより、Ｘ線ソースアセンブリ２７００は、アノードの動作レベル範囲内において、安定な強度を有するスポットサイズ２７４５を維持することが可能になる。
【０１４０】
図１９は、本発明の態様による、制御ループの一実施形態を示し、図１９Ａは、制御機能の一例を示す。図１９に示すように、１つまたは複数のセンサ２８００が、たとえば、アノードスタック温度および／またはＸ線出力強度に関するフィードバックを提供し、このフィードバックは、制御機能を実施するプロセッサ２８１０に供給される。例として、図１９Ａは、カレントポジション（current position）（Ｋ）、変化率（ｄ／ｄｔ）、および累積履歴（Ｓ）を決定することができるように、温度のずれが、温度センサ（ＴＳ）からの値と、基準温度（Ｒ）との間において判定される制御機能を示す。この比例積分微分関数の結果は、次いで合計され、出力を時間の関数（Ｏ（ｔ））として提供する。この出力は、１つまたは複数のアクチュエータ２８２０に提供される。このアクチュエータは、たとえばアノードソーススポット位置を出力構造に対して維持するため、または光学機器の出力構造を所望の値に維持するために、アノードソーススポット位置または出力構造（光学機器など）の位置の自動変更を実施する。この監視および調節のプロセスは、Ｘ線ソースアセンブリの制御システムによって連続的に繰り返すことができる。
【０１４１】
図１８に戻ると、センサ／アクチュエータ２７２０は、ベースプレート２１６５’に物理的に結合された温度アクチュエータを含むことができる。この温度アクチュエータ２７２０は、たとえば、ベースプレートに熱を追加する、またはベースプレートから熱を除去するために、ベースプレート２１６５’を加熱するおよび／または冷却するあらゆる手段を備えることができる。例として、加熱要素は、キャドドックエレクトロニクス（ＣａｄｄｏｃｋＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、カルフォルニア州リバーサイド）から入手可能なモデル番号ＭＰ８５０などの１０Ｏｈｍの電力抵抗器を備えることが可能であり、一方、適切な冷却要素は、強制空気熱シンクまたは液体ベース熱シンクを備えることが可能である。温度アクチュエータをＸ線ソースアセンブリの動作中に使用して、アノードＸ線スポットを、Ｘ線収集光学機器などの１つまたは複数の出力構造に関して最適な配向に維持することができる。ベースプレートに熱を加える、またはベースプレートから熱を除去することは、アノード電力レベルなどのアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、一貫した平均温度が、Ｘ線ソースアセンブリの動作中にアノードスタックにわたって維持されるように達成される。
【０１４２】
具体的には、一実施形態では、ベースアセンブリおよびＨＶアノードの熱膨張は、生成されるＸ線が、たとえばＸ線ソースアセンブリの動作範囲にわたって収集光学機器と一貫して位置合わせすることを可能にする許容度内に維持される。たとえば、ＨＶアノードおよびベースアセンブリ要素のサイズが、それを通過する熱の散逸が低減されることにより減少しないように、Ｘ線ソースアセンブリが低減された動作電力に移行するとき、加える熱を追加することが可能であり、それにより、Ｘ線と収集光学機器との最適位置合わせを維持することが可能になる。一実施形態では、加熱要素は、ベースプレートの内部に含むことができ、一方、冷却要素は、ベースプレートの曝露表面に熱的に結合することが可能である。
【０１４３】
アノードスタックにわたって一定の平均温度を維持することに関して本明細書では記述されているが、当業者なら、アノードソーススポットと出力構造との間で所望の位置合わせを維持する他の機構が存在することを理解するであろう。たとえば、メカニカルアクチュエータ２７３０を使用して、アノードソーススポットに対する収集光学機器の配向および位置決めを物理的に調節することができる。これらのアクチュエータは、プロセッサ２７１５から受信した信号に応答するように、手動で調節可能であり、または自動化することができる。他の作動制御機構も、当業者には明らかであり、本明細書において提示される請求項によって包含される。制御システムの目的は、たとえば収集光学機器の入力（すなわち焦点）に対して、アノードソーススポットの所望の配向を維持することである。通常、この所望の配向は、最高強度スポット２７４５を保証する最適配向を備える。
【０１４４】
図２０は、図１８のプロセッサ２７１５によって実施することが可能である処理の一実施形態のフローチャートである。図２０は、たとえば、アノードに加えられる電力レベルなど、１つまたは複数の動作条件に変化に応答して、ベースアセンブリに熱を加えるまたはベースアセンブリから熱を除去し、それにより、アノードスタック全体にわたって一定平均温度を維持し、したがって、放出されるＸ線を収集光学機器の入力に関して最適に位置合わせすることを可能にするために、Ｘ線ソースアセンブリの動作中にプロセッサによって周期的に繰り返されるループを表す。
【０１４５】
図２０に示すように、処理は、アノード電力レベルを読み取る２９００ことによって開始される。一実施形態では、アノードの電力レベルは、信号範囲がたとえば０と１０Ｖとの間にある２つのアナログ入力から判定することができる。１つの入力は、電力を電子銃２１１５（図１８）に供給する電源が動作している電圧に接続され、一方、第２入力は、電源によって引き出されるアンペア数に接続される。これらの２つの入力から、電子銃２１１５が動作している電力を判定することが可能であり、これもアノードの電力レベルである。
【０１４６】
処理は、次に、アノードスタックの温度ならびにソースハウジングを読み取る２９１０。上記で留意したように、アノードスタックの温度は、温度センサを使用して、ベースアセンブリのベースプレートから得ることができ、結果として得られる信号は、アセンブリ内に埋め込まれているプロセッサに再び供給される。ハウジングの温度は、温度センサを備えることもでき、この温度センサは、一実施形態では、エンクロージャの膨張または収縮を測定するために、ハウジングの表面に熱的に結合される。ハウジングの温度の測定は、監視されている光学機器または他の出力構造が、ハウジングに機械的に結合されていると想定することが望ましい。
【０１４７】
次に、処理は、読取り電力レベルについて基準温度を決定する２９２０。基準温度は、測定アノード電力レベルにおけるアノードスタックの望ましい所定の温度である。基準温度は、Ｘ線ソースアセンブリの較正手続き中に判定することができ、特定のアセンブリに固有、または複数の同一に製造されたＸ線ソースアセンブリに共通とすることが可能である。図２１は、読取り電力レベルの基準温度を調べるために使用することができる表の一実施形態を示す。図示したように、図２１の表も、アノードスタックの所望の基準温度を判定する際に考慮される他の動作条件として、ハウジングの温度を使用する。したがって、Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度およびアノード電力レベルに応じて、アノードスタックの所望の基準温度が得られる。
【０１４８】
基準温度および読取り温度は、図１９に関して上述したポジション、レート（率）、および累積履歴の制御アルゴリズムに供給される。アルゴリズムを使用して、１つまたは複数のアクチュエータ２９３０への出力を計算する。当業者なら、この機能を実施するために、比例成分微分アルゴリズムを容易に実施することができる。出力を得た後、出力は、たとえば、光学機器の入力に対するアノードソーススポット位置を維持するために、アクチュエータに提供される２９４０。
【０１４９】
１つの具体的な例として、プロセッサは、冷却ファンがある範囲の回転速度において動作して、それにより、アノードスタックのベースプレートから適切なレートで熱を除去することを可能にするパルス幅変調信号を備える信号を出力することができる。デューティサイクルは、アノードの動作電力によってパルス幅変調出力を判定することができるようなものである。第２出力により、加熱要素に供給される電力を変更し、それにより、アノードスタックのベースプレートに追加される熱量を変更することを可能にすることができる。一実施形態では、プロセッサは、比例積分微分（ＰＩＤ）アルゴリズムを実施した後、定式またはルックアップ表を使用して、アノードが現在動作している特定の電力レベルについて、アノードスタックのベースプレートを維持されるべきである温度（すなわち基準温度）を判定することができる。
【０１５０】
上述したフィードバックに基づくアルゴリズムの代替として、プロセッサは、（例として）モデルまたは予測に基づくアルゴリズムを実施することができる。予測に基づくアルゴリズムの例として、既知のソース走査曲線上の正確な開始位置を識別するために、ソースおよび光学機器を意図して誤整列させることができる。たとえば、ソースおよび光学機器の位置合わせは、ソース走査曲線上の傾きの急な位置に変位させることができ、それにより、変位を正確に測定または推測することが可能になる。その後、判定された変位を使用して、曲線のピークに戻るように、既知のソース走査曲線を使用して調節することができる。
【０１５１】
本発明について、好ましい実施形態を参照して具体的に図示および記述してきたが、当業者なら、請求項において記述される本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本発明に対して、形態および詳細の様々な変更を実施することが可能であることを理解するであろう。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願と同じ譲受人に譲渡された以下の出願の主題に関する主題を含む。以下に列挙する出願は、参照によって本明細書に完全に組み込まれている：
「X-RAY TUBE AND METHOD AND APPARATUS FOR ANALYZING FLUID STREAMS USING X-RAYS」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３３６，５８４号、２０００１年１２月４日出願（整理番号０４４４．０４５Ｐ）
「A METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTING X-RAYS」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第６０／３８３，９９０号、２００２年５月２９日出願（整理番号０４４４．０５５Ｐ）
「X-RAY SOURCE ASSEMBLY HAVING ENHANCED OUTPUT STABILITY」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３９８，９６５号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５６Ｐ）
「METHOD AND DEVICE FOR COOLING AND ELECTRICALLY INSULATING A HIGH-VOLTAGE、HEAT-GENERATING COMPONENT」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第６０／３９８，９６８号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５７Ｐ）
「AN ELECTRICAL CONNECTOR、A CABLE SLEEVE、AND A METHOD FOR FABRICATING AN ELECTRICAL CONNECTION」、Ｒａｄｌｅｙ、米国特許仮出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）
「DIAGNOSING SYSTEM FOR AN X-RAY SOURCE ASSEMBLY」、Ｒａｄｌｅｙら、米国特許仮出願第６０／３９８，９６６号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０６５Ｐ）
【０００２】
本発明は、一般に、Ｘ線ソースに関し、より具体的には、安定性が動作条件の範囲にわたって改善され、流体ストリームの分析に特別に適用される、集束または視準されたＸ線ビーム出力を有するＸ線ソースアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｘ線分析方法の実施は、２０世紀の科学および技術の最も重要な進展の１つであった。Ｘ線回折、Ｘ線分光法、Ｘ線撮像、および他のＸ線分析技法の使用は、実質的にすべての科学分野において知識の深遠な増大をもたらした。
【０００４】
Ｘ線蛍光（ＸＲＦ；X-ray fluorescence）は、物質をＸ線のビームに曝露させて、たとえばある化学物質の存在を判定する分析技法である。ＸＲＦ技法では、Ｘ線に曝露される物質の化学成分の少なくともいくつかは、Ｘ線光子を吸収して、特徴的な２次蛍光Ｘ線を生成することができる。これらの２次Ｘ線は、物質の化学成分に特有である。適切な検出および分析の際に、これらの２次Ｘ線を使用して、物質の化学成分の１つまたは複数を特徴付けることができる。ＸＲＦ技法は、とりわけ、医学的分析、半導体チップの評価、および法医学を含めて、多くの化学ならびに材料科学の分野において広範に適用される。
【０００５】
ＸＲＦ方法は、たとえばガソリンおよびディーゼル燃料などの石油をベースとする燃料である、燃料の硫黄内容物の測定にしばしば使用されてきた。既存のＸＲＦシステムは、重量で百万分の５（ｐｐｍ）程度まで低い燃料の硫黄を検出することが既知である。しかし、この検出能力は、厳密な制御条件を必要とした。たとえば、この検出能力は、通常、実験室においてのみ達成可能である。現場においてなど、より厳密ではない条件下では、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）規格方法Ｄ２６２２などの既存のＸＲＦ方法は、最低でわずかに約３０ｐｐｍの燃料における硫黄濃度の検出に限定される。とりわけ、本発明は、燃料における硫黄のＸＲＦ検出の繰返し性および検出性について改善を提供する。
【０００６】
これらの産業および分析産業などの多くの他の産業において、Ｘ線ビーム生成装置は、一般的に使用される。Ｘ線ビーム生成装置は、通常、電子ビームを金属表面に当てることによってＸ線を生成するＸ線管を含むことが可能である。Ｘ線管は、通常、電子ビームを生成する電子銃、および電子ビームが上に向けられる金属表面を提供するアノードを含む。通常、電子銃およびアノードは、１）アノードが接地され、電子銃が高い正の電圧で動作する；２）電子銃が接地され（すなわち、接地カソード）、アノードが高い負の電圧において動作する；または３）カソードおよびアノードが異なる電圧で動作する「バイポーラ」モード、の３つの異なるモードで動作する。低電力の応用分野では、Ｘ線管は、通常、「接地カソード」で動作し、電子銃およびその隣接構成要素は、本質的に接地電位で動作し、アノードおよびその隣接構成要素は、あるとすれば、たとえば５０キロボルト（ｋｖ）以上の高電位で動作する。
【０００７】
電子ビームがアノードに当たり、かつそのような高電圧においてアノードを動作することにより、たとえば少なくとも約５０ワットの熱、一般的には大量の熱が生成される。この熱を散逸させるために、Ｘ線管は、通常、冷却流体、すなわち、冷却油が分解するのを防止するように十分に高い誘電強度を有し、かつ高電位におけるアーク放電を可能にする冷却油などの熱伝導性冷却流体に浸漬される。通常の高誘電率冷却流体は、シェルオイルカンパニ（Ｓｈｅｌｌ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって提供されるディアラアックスオイル（Ｄｉａｌａ Ａｘ ｏｉｌ）（商標）である。
【０００８】
従来の技術では、Ｘ線管および冷却油は、通常、たとえば円筒金属容器である封止容器内に保持され、Ｘ線管は、油に浸漬され、かつ容器から電気的に絶縁される。結果的な構造は、高誘電強度の油によって囲まれた高電位の高温アノードを有するＸ線管を含み、すべて、封止金属容器内に包含される。その結果、油は、アノードによって加熱される際に、通常、容器内を対流する。対流により油がこのように加熱することにより、容器の壁およびＸ線管自体も対流により加熱される。従来、封止容器の外壁は、たとえば、自然対流、強制空気対流によって、または容器の外側に冷却流体を流すことによって、直接冷却することが可能である。対流および伝導による伝熱のこの鎖は、非効率的な冷却プロセスである。中庸な電力散逸を必要とする従来のＸ線管でも、Ｘ線ビーム装置およびその構成要素は、通常、たとえば摂氏１２０度程度の高温になる。そのような高温は、望ましくなく、Ｘ線管の動作に有害となることがある。
【０００９】
したがって、当技術分野では、Ｘ線ビーム装置、またはあらゆる他の高温高電圧装置を冷却する簡単な方法を提供することが必要である。
【００１０】
さらに、Ｘ線放射を集束させる能力は、最近まで達成不可能であったが、様々な応用分野において使用されるＸ線ソース、したがってＸ線システムのサイズおよびコストの低減を可能にした。特許文献１は、強度が高く直径が小さいＸ線スポットサイズを生成し、一方、低電力低コストのＸ線ソースを組み込むことを可能にする集束要素を含むＸ線ソースの一例を記載している。
【００１１】
いくつかの文献に上述のような従来の技術に関連した技術内容が開示されている（例えば、特許文献１〜１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，３５１，５２０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３１７，４８３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２８５，５０６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７４７，８２１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７４５，５４７号明細書
【特許文献６】米国特許第５，６０４，３５３号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５７０，４０８号明細書
【特許文献８】米国特許第５，５５３，１０５号明細書
【特許文献９】米国特許第５，４９７，００８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，１９２，８６９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，１７５，７５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
Ｘ線放射を集束させる能力の発展は、最近達成されたが、たとえば様々な動作条件下でのＸ線ビームの出力安定性を改善するために、Ｘ線ソースアセンブリをさらに改良することが依然として必要である。本発明は、この必要性を満たすことを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、従来の技術の方法および装置の限定の多くに対処する方法および装置を提供する。以下の記述において、および本明細書にわたって、とりわけ、「集束」、「集束させる」、および「集束される」という表現は、とりわけ、たとえば「集束装置」、「Ｘ線集束装置」、「集束手段」、「集束光学機器」において繰り返して出現する。本発明によれば、これらの表現は、Ｘ線が、集中されるなど、実際に「集束される」装置または方法に適用することができ、これらの表現は、Ｘ線を「集束させる」装置に本発明を限定することを意図していない。本発明によれば、「集束」およびそれに関係する用語は、Ｘ線を収集する、Ｘ線を視準させる、Ｘ線を収束させる、Ｘ線を分散させる方法および装置、またはＸ線の強度、方向、経路、もしくは形状を任意の方式で変化させる装置を識別するように作用することも意図している。Ｘ線を取り扱う、加工する、変化させる、修正する、および処理するすべてのこれらの手段は、「集束」およびそれに関係する用語によって本明細書に包含される。
【００１５】
本発明の一態様は、Ｘ線管、およびＸ線管によって生成される熱を除去するためにＸ線管に熱的に結合された熱伝導性誘電材料を備えるＸ線管アセンブリである。熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、およびダイアモンド様炭素とすることが可能である。Ｘ線管アセンブリは、第１端部および第２端部を有するＸ線管を含むことが可能であり、Ｘ線管の第１端部は、電子ビーム生成装置を含み、Ｘ線管の第２端部は、Ｘ線ソースを生成するために電子ビームが当たる表面を有するアノードを含む。熱伝導性誘電材料は、通常、アノードに熱的に結合される。たとえば少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンである冷却手段を、熱伝導性誘電材料に熱的に結合することも可能である。本発明の他の態様では、熱伝導性誘電材料によって、Ｘ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は、流体冷却剤とは接触しない。
【００１６】
本発明の他の態様は、電子ビーム生成装置およびアノードを有するＸ線管アセンブリを動作する方法を備える。該方法は、電子ビームを電子ビーム生成装置からアノードに向けて、Ｘ線を生成し、それによりアノードを加熱することと、アノードに熱的に結合された熱伝導性誘電材料を提供することと、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することとを備える。再び、熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、またはダイアモンド様炭素とすることが可能である。一態様では、アノードは、電気的に絶縁され、電子は、ほとんどまたはまったくアノードから熱伝導性誘電材料に移動しない。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管を空気冷却することが可能である。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は、流体冷却剤とは接触しない。
【００１７】
本発明の他の態様は、Ｘ線ソースアセンブリを備える。Ｘ線ソースアセンブリは、ハウジングと、Ｘ線を生成し、ハウジングに取り付けられているＸ線管と、Ｘ線管によって生成される熱を除去するためにＸ線管に熱的に結合される熱伝導性誘電材料と、Ｘ線管によって生成されるＸ線を放出するためのハウジングにおける少なくとも１つの送り孔とを備える。Ｘ線ソースアセンブリは、ハウジングにおいてＸ線管を調節可能であるように取り付ける手段をさらに含むことが可能である。一態様では、Ｘ線ソースアセンブリは、第１端部および第２端部を有するＸ線管を含み、Ｘ線管の第１端部は、電子ビーム生成装置を備え、Ｘ線管の第２端部は、Ｘ線を生成するために電子ビームが上に当たる表面を備える。再び、熱伝導性誘電材料は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、またはダイアモンド様炭素とすることが可能である。誘電材料は、熱伝導性誘電材料に熱的に結合された少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンによって冷却することも可能である。Ｘ線ソースアセンブリは、たとえば少なくとも１つのねじ込みピンによって、Ｘ線管ハウジングに調節可能であるように取り付けられるＸ線ソースを有することも可能である。Ｘ線ソースアセンブリは、たとえば少なくとも１つの送り孔を有する可動バフルによって、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経て放出されるＸ線を変化させるまたは修正する手段を含むことも可能である。本発明の一態様では、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経て放出される少なくともいくらかのＸ線を受け取るために、Ｘ線光学機器を取り付けることが可能である。このアセンブリの一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。このアセンブリの一態様では、熱伝導性誘電材料によってＸ線管から十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は流体冷却剤とは接触しない。
【００１８】
本発明の他の態様は、電子ビーム生成装置を備える第１端部、およびアノードならびにアノードに熱的に結合された熱伝導性誘電材料を有する第２端部を有するＸ線管アセンブリを動作する方法を備える。該方法は、電子ビームを電子ビーム生成装置からアノードに向けて、Ｘ線を提供し、それによりアノードを加熱することと、アノードから熱伝導性誘電材料に熱を伝導することによってアノードを冷却することとを備える。Ｘ線管アセンブリは、少なくとも１つの冷却ピンまたは冷却フィンを含むことも可能であり、アノードを冷却することは、流体冷却剤に少なくとも１つの冷却ピンまたは冷却フィンの上を移動させることをさらに含むことが可能である。また、アノードから熱伝導性誘電材料に熱を伝導することによってアノードを冷却することは、アノードから電子をほとんどまたはまったく移動させずに実施することが可能である。この方法の一態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することによってアノードを冷却するとき、アノードから十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管アセンブリを空気冷却することが可能である。この方法の他の態様では、熱伝導性誘電材料によってアノードから熱を伝導することによってアノードを冷却するとき、十分な熱を除去することが可能であり、それにより、Ｘ線管は流体冷却剤とは接触しない。
【００１９】
本発明の他の態様は、Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置からのＸ線の透過を最適化する方法を備える。Ｘ線ソースは、Ｘ線を生成するためのＸ線管を備え、Ｘ線管は、調節可能取付け手段によってハウジングにおいて取り付けられ、ハウジングは、Ｘ線管によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの送り孔を有する。該方法は、Ｘ線管をハウジングにおいて取り付けることと、Ｘ線管に電圧を印加し、それにより、ハウジングの少なくとも１つの送り孔を経てＸ線のビームを放出させることと、Ｘ線集束装置をハウジングにおいて少なくとも１つの送り孔に隣接して取り付け、それにより、Ｘ線収束装置がＸ線管から少なくともいくらかのＸ線を受け取ることと、Ｘ線集束装置を経てＸ線を透過させることを最適化するために、Ｘ線管の調節可能取付け手段を調節することとを備える。調節可能取付け手段は、複数のねじ込み固定具を備えることが可能である。Ｘ線集束装置は、Ｘ線集束結晶またはＸ線集束キャピラリ装置を備えることが可能である。
【００２０】
本発明の他の態様は、Ｘ線蛍光分析システムであり、Ｘ線ソースおよびハウジングを有するＸ線ソースアセンブリと、Ｘ線ソースアセンブリに動作式に結合され、かつ第１Ｘ線集束装置をＸ線ソースアセンブリと位置合わせする手段を有する第１Ｘ線集束装置と、Ｘ線集束装置に動作式に結合されたハウジングを有し、かつＸ線曝露アセンブリを第１Ｘ線集束装置と位置合わせする手段を有するＸ線曝露アセンブリと、Ｘ線曝露アセンブリに動作式に結合され、かつ第２Ｘ線集束装置をＸ線曝露アセンブリと位置合わせする手段を有する第２Ｘ線集束装置と、第２Ｘ線集束装置に動作式に結合され、かつＸ線検出装置を第２Ｘ線集束装置と位置合わせする手段を有するＸ線検出装置とを備える。位置合わせする手段の少なくとも１つは、複数の位置合わせピンを備える。好ましくは複数のアセンブリであるアセンブリの少なくとも１つの位置合わせにより、アセンブリの１つまたは複数を現場以外で組み立てて、現場でアセンブリを大規模に再位置合わせすることを必要とせずに、現場で装備することが可能になる。現場での再位置合わせを回避することは、より効率的である。
【００２１】
本発明の他の態様は、Ｘ線を検出する方法である。該方法は、Ｘ線ソースを提供することと、Ｘ線光学機器を使用して、Ｘ線の少なくともいくらかを小面積Ｘ線検出器に集束させることと、小面積Ｘ線検出器によってＸ線を検出することとを備える。本発明の一態様では、小面積検出器は、半導体型検出器またはケイ素リチウム型検出器（すなわち、ＳｉＬｉ型検出器）とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、ＰＩＮダイオード型検出器とすることが可能である。本発明の一態様は、たとえば小面積検出器の空気冷却である、小面積検出器の冷却をさらに備える。小面積線検出器は、検出器開口を含むことが可能であり、検出器開口の面積は、約１０平方ミリメートル未満、好ましくは約６平方ミリメートル未満、またはさらに約４平方ミリメートル未満とすることが可能である。Ｘ線の少なくともいくらかを集束させることは、キャピラリ型Ｘ線光学機器またはＤＣＣＸ線光学機器を使用して実施することが可能である。該方法は、約摂氏１０度と約摂氏４０度との間の温度においてなど、約摂氏０度より高い温度で実施することが可能である。
【００２２】
本発明の他の態様は、Ｘ線を検出する装置を備える。該装置は、小面積Ｘ線検出器、および小面積Ｘ線検出器の上にＸ線の少なくともいくらかを集束させる手段を備える。小面積Ｘ線検出器は、通常、通常約６平方ミリメートル未満である、約１０平方ミリメートル未満の面積を有する検出器開口を含む。小面積Ｘ線検出器は、半導体型検出器またはケイ素リチウム型検出器とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、ＰＩＮダイオード型とすることが可能である。本発明の一態様では、小面積検出器は、空気冷却など、冷却することが可能である。少なくともいくらかのＸ線を集束させる手段は、たとえば湾曲結晶またはキャピラリＸ線光学機器である、Ｘ線光学機器を備えることが可能である。
【００２３】
本発明の他の態様は、Ｘ線を使用して流体を分析する装置を備える。該装置は、流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させるために、流体をＸ線に曝露させる手段、および流体の少なくとも１つの特性を判定するために、流体からのＸ線蛍光を分析する手段を備える。流体は、液体または気体とすることが可能である。流体をＸ線に曝露させる手段は、Ｘ線を流体に集束させる少なくとも１つのＸ線光学機器とすることが可能である。
【００２４】
本発明の他の態様は、Ｘ線を使用して流体の成分を分析する方法を備える。該方法は、流体をＸ線に曝露させて、流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させることと、流体からＸ線蛍光を検出することと、検出Ｘ線蛍光を分析して、流体の少なくとも１つの特性を判定することとを備える。一態様によれば、該方法は、ある時間期実質的に連続して実施される。該方法は、真空下で実施することも可能である。
【００２５】
一態様では、Ｘ線蛍光の検出は、約摂氏０度より高温など、摂氏マイナス５０度より高い温度で実施される。該方法の他の態様では、Ｘ線蛍光の検出は、小面積Ｘ線検出器、たとえば半導体型Ｘ線検出器、たとえばＰＩＮ型半導体Ｘ線検出器を使用して実施することが可能である。
【００２６】
本発明の他の態様は、燃料の硫黄を分析する装置を備える。該装置は、燃料の少なくともいくらかの硫黄にＸ線蛍光を発生させるために、燃料をＸ線に曝露させる手段、および燃料の硫黄の少なくとも１つの特性を判定するために、燃料からのＸ線蛍光を分析する手段を備える。燃料の硫黄の少なくとも１つの特性は、燃料の硫黄の濃度とすることが可能である。
【００２７】
本発明のさらに他の態様は、燃料の硫黄を分析する方法である。該方法は、燃料をＸ線に曝露させて、燃料の硫黄の少なくともいくらかにＸ線蛍光を発生させることと、Ｘ線蛍光を検出することと、硫黄からのＸ線蛍光を分析して、燃料の硫黄の少なくとも１つの特性を判定することとを備える。該方法は、通常、ある時間期間実質的に連続して実施される。燃料をＸ線に曝露させることは、真空下で実施することが可能である。真空下において実施されるとき、燃料は、通常、真空に曝露されることを防止するために、室内に封入される。たとえば、燃料を室に封入することが可能であり、Ｘ線は、室の窓を介して燃料にアクセスする。一態様によれば、Ｘ線は、単色Ｘ線とすることが可能である。また、Ｘ線蛍光の検出は、約摂氏マイナス１００度より高い温度、通常約摂氏マイナス５０度より高い温度、または、たとえば室温（摂氏２０度）においてである、約摂氏０度よりさらに高い温度で実施することが可能である。検出は、たとえばＰＩＮ型半導体検出器である、半導体型検出器を使用して実施することが可能である。
【００２８】
本発明の改善された熱散逸の態様に関して、本発明は、高電圧熱生成構成要素を冷却および電気絶縁する装置である。この装置は、構成要素と熱接続された第１側および第２側を有する第１熱伝導性材料と、第１熱伝導性材料の第２側と熱接続された第１側および第２側を有する熱伝導性誘電材料と、熱伝導性誘電材料の第２側と熱接続された第１側を有する第２熱伝導性材料とを含み、構成要素によって生成される熱は、構成要素から装置を経て伝導され、一方、装置全体の電流損は、最小限に抑えられる。本発明の一態様では、構成要素と第１熱伝導性材料との熱接続は、構成要素と第１熱伝導性材料との間の接触領域を経ており、接触領域は、第１外側寸法を有し、第１熱伝導性材料は、第１外側寸法より大きい第２外側寸法を有する周囲を有し、構成要素からの少なくともいくらかの熱は、接触領域から第１熱伝導性材料の周囲に向かう方向に、第１熱伝導性材料において伝導される。本発明の他の態様では、第１熱伝導性材料は、第１プレートを備え、少なくともいくらかの熱が、接触領域から第１プレートの周囲に向かう方向に、第１プレートにおいて伝導され、したがって熱伝導性誘電材料を経て第２熱伝導性材料に伝導される。本発明は、たとえば少なくとも１つの冷却フィンまたは冷却ピンである、第２熱伝導性材料からの熱の除去を容易にする手段を含むことも可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料は、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、およびダイアモンド様炭素の１つを備える。高電圧熱生成構成要素は、装置の中でも、Ｘ線生成装置、電子ビーム生成装置、高電圧導線、またはマイクロ波生成装置とすることが可能である。
【００２９】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析技法および光学機器と共に使用することが可能である。
【００３０】
本熱散逸発明の他の態様は、Ｘ線管アセンブリであり、高電圧被加熱アノードおよびアノードに結合された熱散逸装置を含む。熱散逸装置は、アノードと熱接続された第１側および第２側を有する第１金属プレートと、第１金属プレートの第２側と熱接続された第１側および第２側を有する熱伝導性誘電材料と、熱伝導性誘電材料プレートの第２側と熱接続された第１側を有する第２金属プレートとを備え、アノードにおいて生成される熱は、アノードから装置を経て伝導され、一方、装置全体の電流損は、最小限に抑えられる。本発明の１つの改善された態様では、熱散逸装置は、アノードの構造支持を提供した。たとえば、熱散逸装置は、アノードの実質的にすべての構造支持を提供することができる。本発明の他の態様では、Ｘ線管アセンブリは、第１金属プレートに結合された高電圧コネクタをさらに含む。
【００３１】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析技法および光学機器と共に使用することが可能である。
【００３２】
本熱散逸発明の他の態様は、高電圧熱生成構成要素を冷却および電気的に絶縁する装置を製造する方法である。該方法は、構成要素に接触する第１表面および第２表面を有する第１熱伝導性材料を提供することと、第１表面および第２表面を有する熱伝導性誘電材料を提供することと、第１熱伝導性材料および熱伝導性誘電材料が熱接続されるように、第１熱伝導性誘電材料の第１表面を第１熱伝導性材料の第２表面に結合することと、第１表面および第２表面を有する第２熱伝導性材料を提供することと、熱伝導性誘電材料および第２熱伝導性材料が熱接続されるように、第２熱伝導性材料の第１表面を熱伝導性誘電材料の第２表面に結合することとを備える。本発明の一態様では、結合は、糊付け、接着結合、はんだ付け、ろう付け、または溶接を備える。使用することが可能である１つの接着剤は、ダウケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）の４７１４熱伝導性ケイ素接着剤またはその等価物である。本発明の他の態様は、高電圧コネクタを電気絶縁性第１熱伝導性材料に結合することをさらに含む。
【００３３】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システムおよび光学機器と共に使用することが可能である。
【００３４】
Ｘ線装置によって生成されるＸ線ビームを内部または外部のＸ線光学機器と位置合わせすることが望ましい可能性があるので、本発明の一態様によれば、Ｘ線ビーム装置の構成要素は、とりわけ、熱膨張による位置合わせの変動を相殺するために、ユーザが光学機器に対するＸ線ビームの位置または方向を調節することを可能にする方式で取り付けられる。さらに、Ｘ線ビーム装置と光学機器との位置合わせは、Ｘ線管が封止容器の内部にボルトで締めされ、かつ封止容器が冷却流体を有するとき、困難なことがあるので、本発明の一態様では、冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないＸ線ビーム装置が提供される。たとえば、本発明の一態様によれば、十分な冷却を有するが、光学装置との精密な位置合わせなど、装置の位置合わせを可能にするＸ線ビーム装置が提供される。
【００３５】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システムおよび光学機器と共に使用することが可能である。
【００３６】
本発明の改善された安定性の態様に関して、上述したＸ線管においてなど、Ｘ線を生成するためにアノードにｅビームを当てることを使用することにより、Ｘ線ソース内においてＸ線管を支持および位置決めする要素を熱膨張させるのに十分な量の熱を生成することができる。この熱膨張は、アノードから発散しているＸ線と、たとえばＸ線の方向を制御するように作用する要素との間に誤整列を生じさせるのに十分であることがある。その結果、異なる電力においてＸ線ソースを動作することにより、発散Ｘ線と集束電極との間において、ある範囲の誤整列がもたらされる可能性がある。この誤整列により、Ｘ線ソースの出力電力強度が大きく変動することがある。誤整列により、たとえばピンホールまたは単一反射鏡である、いくつかのタイプのビーム制御要素のＸ線スポットまたはＸ線ビーム位置が変化することもある。したがって、一態様では、ある範囲の動作電力レベルにわたって改善された出力安定性、ならびに改善されたＸ線スポットまたはＸ線ビーム位置の安定性を有するＸ線ソースアセンブリが、本明細書において提供される。より具体的には、本発明の態様によるＸ線ソースアセンブリは、アノード電力レベル、ハウジングの温度、およびアセンブリの周囲温度など、Ｘ線ソースの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、比較的一定に維持することができるＸ線ビーム出力強度を提供する。
【００３７】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００３８】
改善された安定性について、電子が上に当たるソーススポットを有するアノードを含むＸ線ソースアセンブリ、および出力構造に対してアノードソーススポットの位置を制御する制御システムを提供することにより、追加の利点が提供される。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を維持することができる。
【００３９】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４０】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を生成するアノードを有するＸ線管、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を含むＸ線ソースアセンブリが提供される。Ｘ線ソースアセンブリは、光学機器のＸ線出力強度を制御する制御システムをさらに含む。制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる。
【００４１】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４２】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を提供する方法が提示される。該方法は、電子が上に当たるソーススポットを備えるアノードを有するＸ線ソースアセンブリを提供することと、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を制御することとを含む。制御は、Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、出力構造に対するアノードソーススポットの位置を維持することを含む。
【００４３】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４４】
本発明の他の改善された安定性の態様では、Ｘ線を提供する方法が提示される。該方法は、Ｘ線を生成するアノードを備えるＸ線管、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を有するＸ線ソースアセンブリを提供することと、光学機器からのＸ線出力の強度を制御することとを含む。制御は、Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、光学機器からのＸ線の出力の強度を維持することを含む。
【００４５】
本発明のこの態様は、上記で解説した流体分析システム、光学機器、および熱散逸の態様と共に使用することが可能である。
【００４６】
本発明のこれらおよび他の実施形態および態様は、添付の図面、以下の記述、および添付の請求項を検討する際に、より明らかになるであろう。
【００４７】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結論部分において具体的に指摘され、かつ明瞭に主張されている。しかし、本発明は、本発明の他の目的および利点と共に、構造および実施方法の両方に関して、好ましい実施形態の以下の詳細な記述および添付の図面を参照することによって、最適に理解することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を実施するために使用することができるＸ線蛍光システムの概略的ブロック図である。
【図２】本発明の一態様が改善の対象とする、従来の技術のＸ線管の概略的断面図である。
【図３】本発明の一態様の概略的断面図である。
【図４】本発明の他の態様の透視図である。
【図５】本発明の他の態様の透視図である。
【図６】本発明の他の態様の透視図である。
【図７】本発明の他の態様のハウジングアセンブリの透視図である。
【図８】ハウジングが除去されている、図７に示した本発明の態様の透視図である。
【図９】本発明の他の態様によるＸ線蛍光システムの概略的なブロック図である。
【図１０】本発明の一態様による高電圧構成要素ならびに冷却および電気絶縁装置の一実施形態の断面正面図である。
【図１１】本発明の一態様による図１０の冷却および電気絶縁装置の詳細を示す図である。
【図１２】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１３】本発明の態様による、変位に対する出力強度をプロットする、図１２に示したようなＸ線ソースについてソース走査曲線の一例を示す図である。
【図１４】本発明の態様により対処される、光学機器に対するソーススポットの誤整列を示す図１のＸ線ソースアセンブリの断面図である。
【図１５】本発明の態様による、光学機器に対するソーススポットの変位を監視するための相違センサ配置を示す図１４のＸ線ソースアセンブリの断面図である。
【図１６】本発明の態様による、図１２、１４、および１５に示したアノードベースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１７】本発明の態様による、図１２、１４、および１５のアノードスタックの断面図である。
【図１７Ａ】本発明の態様による、異なるアノード電力レベルについてアノードスタックの要素にわたる温度変化を示すグラフの図である。
【図１７Ｂ】本発明の態様による、アノード電力レベルの関数として基準温度変化を示すグラフの図である。
【図１８】本発明の態様による、改良Ｘ線ソースアセンブリの一実施形態の断面図である。
【図１９】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図１９Ａ】本発明の態様による、図１９の制御システムのプロセッサによって実施される処理の一実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリの制御処理の一実施形態のフローチャートの図である。
【図２１】本発明の態様による、図２０の制御処理によって使用することができる例示的な基準温度の表の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、物質をＸ線放射に曝露させて、物質の特性を決定するために検出および分析することができる蛍光放射を生成するために使用される通常のシステム１０の概略的ブロック図を示す。そのようなシステムは、通常、Ｘ線ソース１２、第１Ｘ線集束装置１４、サンプル励起チャンバー１６、第２Ｘ線集束装置１８、およびＸ線検出器２０を含む。Ｘ線ソース１２は、たとえばＸ線管であり、Ｘ線ビーム２２を生成する。Ｘ線ビーム２２は、通常、発散ビームであるので、ビーム２２は、１つまたは複数のＸ線集束装置１４によって回折または集束される。Ｘ線集束装置１４は、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている、同時係属の米国出願０９／６６７，９６６号、２０００年９月２２出願（整理番号０４４４．０３５）において開示された結晶など、実質的に平行な原子面を有する両側湾曲結晶である、１つまたは複数の両側湾曲結晶とすることが可能である。Ｘ線集束装置は、１つまたは複数のキャピラリ型Ｘ線光学機器または湾曲結晶光学機器とすることが可能であり、たとえば、参照によって本明細書に組み込まれている（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）、（特許文献８）、（特許文献９）、（特許文献１０）、および（特許文献１１）において開示された光学機器の１つである。１つまたは複数のＸ線集束装置は、サンプル励起チャンバー１６に向けられる集束ビーム２４を生成する。
【００５０】
励起チャンバー１６において試験されているサンプルは、特性が所望される任意の望ましい物質とすることが可能である。サンプルは、固体、液体、または気体とすることが可能である。サンプルが固体である場合、サンプルは、たとえばＸ線反射平坦表面、光反射表面など、通常、比較的平坦な表面上に配置される。サンプルは、固体、液体、または気体である場合、Ｘ線ビームが通過することができるＸ線透過開口を有する、封止容器などの閉じた容器または室に包含することも可能である。ビーム２４によって放射されたとき、チャンバー１６にあるサンプルの成分の少なくとも１つは、通常、その成分がＸ線蛍光を発生する、すなわちＸ線２４による励起のためにＸ線の２次ソース２６を生成するような方式で励起される。再び、Ｘ線ビーム２６は、通常、Ｘ線の発散ビームであるので、ビーム２６は、たとえば装置１４と同様の装置である２次Ｘ線集束装置１８によって集束され、Ｘ線検出器２０に向けられるＸ線の集束ビーム２８を生成する。当業者には、本発明のこの態様および他の態様は、Ｘ線蛍光の応用分野に関して記述されているが、Ｘ線吸収の応用分野においても使用することが可能であることが明らかであろう。
【００５１】
Ｘ線検出器２０は、比例計数管型または半導体型のＸ線検出器とすることが可能である。通常、Ｘ線検出器２０は、検出Ｘ線の少なくともいくつかの特性を含む電気信号３０を生成し、この信号は、分析、プリントアウト、または他の表示のために分析装置３２に転送される。
【００５２】
本発明の様々な態様は、図１に示したシステム１０およびシステム構成要素に進展および改善を提供する。本発明のこれらの態様の１つを、図２および３に関して開示する。図２は、たとえばオックスフォードインストゥルメンツオブスコッツバリー（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｓｃｏｔｔｓ Ｖａｌｌｅｙ、カルフォルニア州）によって生産されるシリーズ５０００ＴＦ５０１１Ｘ線管である、通常の従来の技術のＸ線管アセンブリ３４の断面図を示すが、他の同様のＸ線管を使用することが可能である。通常通り、この従来の技術のＸ線管３４は、非導電性ガラスハウジングを通常備える円筒ハウジング３６を含む。電子ビーム生成装置３８およびアノード４０が、通常、図示した配向でハウジング３４において取り付けられる。アノード４０は、通常、薄い固体材料であり、たとえば、銅または同様の高温導電性材料の導電性アノードの上に取り付けられたタングステンまたはクロミウムである。アノード４０は、通常、表面５０を提供するように適応され、ハウジング４１において剛性支持をアノード４０に提供し、また構造４１より上の気体体積を構造４１より下の体積から隔離するように適応された円筒支持構造４１を有する。アノード４０は、ハウジング３６を貫通する円筒非導電性支持４４をも含む。電気接続４２が、電力を電子ビーム生成装置３８に提供する。ハウジング３６は、通常、Ｘ線管３４によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの開口４６を含む。ハウジング３６は、通常、管３４の内体積を周囲環境から隔離し、管３４の内体積は、通常、約１０-6Torrなど、少なくともある形態または真空を備える。
【００５３】
たとえば５０ワットの電力が電気接続４２に提供されたとき、電子ビーム生成装置３８は、矢印４８によって示すように、アノード４０の表面５０に向けられる電子ビームを生成する。表面５０は、通常、たとえば管の軸に対して約４５度傾斜している傾斜表面である。電子ビーム４８と表面５０との相互作用により、Ｘ線が生成され、すべての方向に散乱される。生成されるＸ線の波長および周波数は、とりわけ、電気接続４２に提供される電力の関数である。しかし、これらの散乱Ｘ線の少なくとも１つの経路は、開口４６に向いた矢印５２によって示される。Ｘ線ビーム５２の方向は、通常、管３４の配向の関数である。矢印５２によって表されるＸ線ビームは、開口４６のＸ線透過性障壁５４を通過する。Ｘ線透過性障壁５４は、通常、Ｘ線の通過を可能にし、一方周囲環境からハウジング３６の内体積を隔離するベリリウム（Ｂｅ）またはチタニウム（Ｔｉ）から作成される。
【００５４】
電子ビーム４８をアノード４０に当てることによってＸ線を生成することにより、大量の熱が生成され、たとえば、アノード４０の温度は、通常、少なくとも摂氏６０度まで上昇し、タングステンの融点程度まで上昇することがある。その結果、管３４は、通常、たとえば石油をベースとする油である冷却および絶縁流体５６に浸漬される。管３４および流体５６は、通常、円筒ハウジング５８に包含される。ハウジング５８は、通常、Ｘ線に対して不透過性であり、たとえば、ハウジング５８は、通常、鉛張りすることができる。冷却および絶縁流体５６の体積、したがってハウジング５８のサイズは、Ｘ線管３４の冷却要件の関数である。ハウジング５８は、管３４によって生成されるＸ線を放出するために、通常、管３４の開口４６と位置合わせされた開口６０をも含む。管３４は、通常、たとえばねじ込み接続により、管３４の支持４４に取り付けられた支持構造６２によってハウジング５８内において剛性に取り付けられる。支持４４は、アノード４０をハウジング５８から電気的に絶縁するために、通常、セラミック材料などの非導電性材料から作成される。
【００５５】
図３は、図２に示した従来の技術のＸ線管アセンブリに対する改良である本発明の一態様によるＸ線管アセンブリ６４を示す。図３に現われる特徴の多くは、図２の特徴と実質的に同じとすることができ、同じ参照符合で識別される。本発明のこの態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４には、ハウジング３６を有するＸ線管３４’（管３４と同様とすることが可能である）、電子ビーム生成装置３８、アノード４０、および図２に関して示しかつ記述した構造と本質的に同一である開口４６が含まれる。しかし、本発明によれば、Ｘ線管アセンブリ６４は、Ｘ線管３４’に取り付けられた、または熱的に結合された少なくとも１つの熱伝導性であるが非導電性の材料７０を含む。熱伝導性非導電性材料（熱伝導性誘電材料と呼ぶことがある）７０は、高い熱伝導性および高い誘電強度をも有する材料である。たとえば、材料７０は、通常、少なくとも約１００Ｗｍ-1Ｋ-1であり、好ましくは少なくとも１５０Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導性を有し、材料７０は、通常、少なくとも約１．６×１０7Ｖｍ-1であり、好ましくは少なくとも約２．５６×１０7Ｖｍ-1の誘電強度を有する。材料７０は、とりわけ、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、ダイアモンド様炭素、その組合せ、またはその等価物もしくは派生物とすることが可能である。図３では、材料７０は、たとえば円形円筒または矩形円筒の構造である円筒構造として示されているが、材料７０は、多くの異なる幾何学的形状を取り、かつ所望の機能を提供することが可能である。
【００５６】
Ｘ線管６４は、通常、ハウジング１５８において取り付けることが可能である。ハウジング１５８は、図２のハウジング５８と同様であり、通常、たとえば鉛張り材料、鉛、またはタングステンであるＸ線不透過性材料から製作される。ハウジング１５８は、円形円筒および矩形円筒を含めて、あらゆる適切な形状を想定することが可能である。本発明の一態様では、ハウジング１５８は、タングステンプレートから製作され、タングステンの機械加工性が不良であることにより、ハウジング１５８は、矩形円筒の形状であることが好ましい。当然、タングステンのハウジングを製作する他の手段を提供する方法が作成される場合、これらの方法を本発明に適用することもできる。
【００５７】
本発明によれば、熱伝導性誘電材料７０により、具体的にはアノード４０から、および一般的には管３４’から熱を伝導し、一方、具体的にはアノード４０から、および一般的には管３４’からの電流の移動を最小限に抑えるまたは防止することが可能になる。本発明のこの態様では、支持４４’（図２の管３４の支持４４とは異なる）は、通常、たとえば銅またはアルミニウムである導電性材料で作成される。本発明のこの態様によれば、熱は、アノード４０から支持４４’および材料７０を介して伝導され、一方、材料７０は、アノード４０をたとえば外部ハウジング１５８から電気的に絶縁する。
【００５８】
従来の技術のＸ線管アセンブリとは異なり、本発明のこの態様によるＸ線管３４’の温度は、アノード４０から熱を伝導して、材料７０の表面領域を介して熱を周囲環境に散逸させることによって低減することができる。したがって、材料７０は、管３４’の冷却要件を低減するように、またはアノード４０の加熱の増大を達成することができるように、具体的にはアノード４０、および一般的には管３４’を冷却する。たとえば、本発明の一態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却する十分な手段を提供し、それにより、追加の冷却手段は、ほとんどまたはまったく必要とされない。本発明の他の態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却する十分な手段を提供し、それにより、たとえば強制空気冷却（非強制空気冷却は、本発明の一態様を特徴付けるが）である空気冷却は、管３４’の十分な冷却を提供する。本発明の他の態様では、材料７０の存在は、管３４’を冷却するのに十分な手段を提供し、それにより、従来の技術のＸ線管アセンブリに必要な流体より、必要とされる冷却および絶縁流体が少ない。たとえば、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも１０％少なく、通常、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも２０％少なく、好ましくは、冷却流体は、従来の技術の管アセンブリより少なくとも５０％少ない。
【００５９】
本発明の一態様によれば、材料７０の冷却能力は、たとえば冷却フィンまたは冷却ピンを材料７０に導入することによって、材料７０の表面領域を増大させることによって増強される。本発明の他の態様では、材料７０に熱的に結合された構造に冷却フィンまたは冷却ピンを導入することによって、追加の冷却能力が得られる。１つのそのような随意選択の構造を図３にファントムで示す。図３は、材料７０に取り付けられた、そうでない場合は材料７０に熱的に結合されたプレート７２を含む。プレート７２は、たとえば銅またはアルミニウムである熱伝導性材料で作成され、冷却に十分な表面領域を提供することが可能である。本発明のこの態様では、熱結合構造の表面領域は、冷却ピンまたは冷却フィン７４を使用することによって改善される。本発明の一態様によれば、プレート７２およびフィン７４は、材料７０から熱を伝導することができるように、熱伝導性の材料からなり、たとえば銅、鉄、またはアルミニウムをベースとする。本発明の他の態様では、プレート７２は、タングステン銅など、熱伝導性であり、かつＸ線の貫通に対して耐性のある材料から製作される。タングステン銅の銅は、所望の導電性を提供し、一方、タングステンは、所望のＸ線遮蔽を提供する。同じまたは同様の特性を有する他の材料をプレート７２に使用することが可能である。プレート７２が、タングステン銅などの２重材料であるとき、フィン７０は、単に、銅またはアルミニウムをベースとする材料とすることが可能である。
【００６０】
図４、５、および６は、本発明の他の態様による、Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置アセンブリ８０ならびにＸ線ソースアセンブリ８２を示す。Ｘ線ソースおよびＸ線集束装置アセンブリ８０は、Ｘ線ソースアセンブリ８２およびＸ線集束装置８４を備える。図４に示したＸ線集束装置８４は、上記で参照した米国特許において開示されているポリキャピラリＸ線光学機器であるが、装置８４は、上記で解説したＸ線集束結晶およびキャピラリ型光学機器など、あらゆるタイプのＸ線集束装置とすることが可能である。本発明の一態様では、Ｘ線ソースアセンブリ８２は、図３において記述し、かつ示した熱伝導性誘電材料７０を有する少なくとも１つのＸ線ソース６４を備える。Ｘ線ソースアセンブリ８２は、図３では矩形円筒として示されているが、アセンブリ８２は、円計円筒または球を含めて、あらゆる好都合な幾何学的形状を取ることが可能である。アセンブリ８２は、電気接続８６、８７を介して電力を受け取る。
【００６１】
図５は、図４に示したＸ線ソースおよびＸ線集束装置の破断図を示す。図５に示したように、アセンブリ８０は、Ｘ線ソースアセンブリ８２およびＸ線集束装置８４を含む。Ｘ線ソースアセンブリ８２は、ハウジング８８、Ｘ線管アセンブリ６４（図３に示す）、およびＸ線バフルアセンブリ９０を含む。本発明のこの態様によれば、ハウジング８８は、円筒または矩形の円筒の形状など、円筒の形状であり、たとえば鉛、鉛張り材料、タングステン、劣化ウラン、またはその組合せである、Ｘ線遮蔽材料から製作される。ハウジング８８は、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線を放出する少なくとも１つの送り孔（図示せず）、およびＸ線光学機器８４を取り付ける手段を含む。図５に示した本発明の態様では、取付け手段８９は、ハウジングの貫通口の回りに位置するボルト締めフランジ接続を備え、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線が、その接続を通って光学機器８４に移動する。
【００６２】
ハウジング８２は、Ｘ線管アセンブリ６４が通って延びることが可能である送り孔９４を有する下部プレート９２を含むことも可能である。たとえば、図５に示したように、Ｘ線管アセンブリ６４の冷却フィン７４は、たとえば冷却フィン７４への空気アクセスを提供するために、下部プレート送り孔９４を通って延びることが可能である。図示したように、本発明の一態様では、冷却フィン７４は、放射状に方向付けることが可能である。
【００６３】
本発明の他の態様によれば、ハウジング８８は、ハウジング８８が取り付けられる構成要素に対してハウジング８８を位置合わせする少なくとも１つの手段を含むことが好ましい。たとえば、ハウジング８８における位置合わせ手段は、Ｘ線管ソーススポットの配向の基準とされる１つまたは複数のダウエルピンまたはダウエルピンホール９８を含むことが可能である。これらのダウエルホールまたはダウエルピンの調節および配向について、以下で解説する。
【００６４】
Ｘ線ソースアセンブリ８２は、アセンブリ８２から放出されるＸ線の量およびタイプを変化させるバフルプレートアセンブリ９０を含むことも可能である。本発明のこの態様によれば、バフルアセンブリ９０は、好ましくは複数の貫通口９６である、少なくとも１つの貫通口９６を有するバフル円筒９１を含む。貫通口は、図３に示した開口４６に対してなど、Ｘ線管アセンブリのＸ線開口に対して並進移動可能である。開口９６は、サイズおよび形状を変更することが可能であり、または、アセンブリ８２によって放出されるＸ線の量およびタイプを変更するために使用することができる１つまたは複数のＸ線ろ過装置を含むことが可能である。バフルアセンブリ９０は、１つまたは複数の開口を有するあらゆるタイプのプレートを備えることが可能であるが、図５に示した本発明の態様によれば、バフルアセンブリ９０は、Ｘ線管３４’の軸の回りに取り付けられ、かつハウジング８８に回転式に取り付けられた円形円筒９１を備える。バフル円筒９１は、ディスク９３に取り付けることが可能である。本発明のこの態様によれば、管３４’の開口に対する開口９６の配向は（再び図３参照）、図示されていない手段によってディスク９３を介してバフル円筒９１を回転させることによって変更することが可能である。バフル円筒９１を回転させる手段は、たとえばステッパモータまたは線形アクチュエータによる、手動手段または自動手段とすることが可能である。
【００６５】
図６は、明瞭に図示するためにハウジング８８の側面および上部が取り除かれている、図４および５のＸ線ソースおよび集束装置アセンブリ８０の図を示す。図６は、Ｘ線管アセンブリ６４、バフル円筒アセンブリ９０、およびＸ線光学機器８４を示す。図６は、ハウジング８８の下部プレート９２の上へのＸ線管アセンブリ６４の調節可能な取付けをも示す。図５に示したように、電気接続８６が、管３４’のアノード４０に動作式に接続され、電子接続８７が、管３４’の電子ビームアノード生成装置３８に動作式に接続される（図３参照）。
【００６６】
本発明のこの態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４（熱伝導性誘電材料７０を有する）が、ハウジング８８に調節可能であるように取り付けられ、それにより、Ｘ線管３４’によって放出されるＸ線の方向および配向を、Ｘ線光学機器８４との位置合わせについて最適化するなど、変更および最適化することが可能である。回転調節および並進調節を含めて、Ｘ線管アセンブリ６４の配向および位置合わせを変更する多くの手段を使用することが可能であるが、図４、５、および６に示した本発明の態様によれば、Ｘ線管アセンブリ６４の配向および位置合わせは、好ましくは複数のねじ込みロッドまたはねじである、少なくとも１つのねじ込みロッドまたはねじによって実施される。図６に示した態様では、３つのねじ込みねじ１００が、下部プレート９２を通ってねじ込まれて、プレート７２の下部表面と係合する。ねじ１００は、プレート７２のねじ込み穴など、穴の中にねじ込むことが可能であり、または、単にプレート７２の下部プレートに接して支持することが可能である。ねじ１００の調節またはあらゆる他の調節手段は、手作業で実施することが可能であり、または自動化することが可能である。
【００６７】
本発明の一態様によれば、管アセンブリ６４の配向の調節は、ハウジング８８に登録可能である。すなわち、本発明の一態様では、Ｘ線管３４’によって生成されるＸ線ビームの配向は、ハウジング８８およびＸ線ソースアセンブリ８２に対合する構成要素の位置合わせに登録可能である。たとえば、Ｘ線集束装置またはサンプル励起チャンバーは、ハウジング上の１つまたは複数のデータ点を単に位置合わせすることによって、Ｘ線管３４’に位置合わせすることが可能である。図４、５、および６に示した本発明の態様では、Ｘ線管３４’によって創出されるＸ線ビームの配向および位置合わせは、ハウジング８８上の１つまたは複数のダウエルピンまたはダウエルピンホール９８に登録される。その結果、対合構成要素をダウエルピンまたはダウエルホール９８に適切に位置合わせすることによって、たとえばほとんどまたはまったくさらに調節せずに、対合構成要素を管３４’のＸ線ビームと相応に位置合わせすることができる。
【００６８】
図７は、本発明の他の態様によるＸ線蛍光アセンブリ１１０を示す。Ｘ線蛍光アセンブリ１１０は、Ｘ線ソースアセンブリ１１２、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、およびＸ線検出器アセンブリ１２０を備える。アセンブリ１１０は、図示されていない少なくとも１つのＸ線集束装置（通常少なくとも２つの装置）をも含む。すべてのこれらの装置は、ハウジング１１５を有する単一アセンブリ１１０に統合される。
【００６９】
図８は、図７に示したＸ線蛍光システム１１０を示すが、Ｘ線ソースアセンブリ１１２、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、Ｘ線検出器アセンブリ１２０、および２つのＸ線集束装置１１４、１１８の典型的な空間関係を示すために、ハウジング１１５が除去されている。図１に示したシステム１０と類似の方式で、Ｘ線ソースアセンブリ１１２が、Ｘ線ビーム１２２を生成し、このＸ線ビームは、Ｘ線集束装置１１４によって集束されて、励起チャンバーアセンブリ１１６において試験されるサンプル上に集束されるビーム１２４を生成する。サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６においてサンプルのＸ線放射によって創出されるＸ線蛍光は、Ｘ線蛍光ビーム１２６を生成する。ビーム１２６は、Ｘ線集束装置１１８によって集束され、集束Ｘ線ビーム１２８を提供し、このビームは、Ｘ線検出器アセンブリ１２０に向けられる。ソースアセンブリ１１２、ホルダアセンブリ１１６、および検出器アセンブリは、それぞれ、各アセンブリをハウジング１１５に取り付ける取付けフランジ１１３、１１７、および１２１をそれぞれ含む。Ｘ線集束装置１１４および１１８は、これらの装置をハウジング１１５に取り付ける手段をも含む。
【００７０】
Ｄ２６２２方法においてなど、ＸＲＦ検出の従来の技術の方法では、サンプル励起経路および検出経路は、たとえばヘリウム環境である不活性気体環境において維持される。しかし、不活性気体の利用可能性は、特に遠隔位置では、これらの従来の技術のプロセスの実施を不都合にする。対照的に、本発明の一態様では、サンプル励起経路および検出経路は、真空下に維持され、不活性気体は必要ではない。たとえば、図７および８に示したシステム１１０では、ハウジング１１５は、少なくとも約１５Torrなど、真空下に維持される。真空は、可動部分のないベンチュリポンプによって提供することができる。しかし、所望され、かつ利用可能である場合、本発明の他の態様では、窒素またはヘリウムなどの不活性気体を導入して、たとえば加圧下で、ハウジング１１５に維持することができる。本発明の他の態様では、ハウジング１１５は、加熱または冷却することが可能であり、たとえば、直接もしくは間接の熱交換手段によって、または放射もしくは対流の加熱手段または冷却手段を介して、加熱または冷却することが可能である。本発明の他の態様では、ハウジング１１５は、加圧せず、実質的に大気の圧力および温度を包含することが可能である。
【００７１】
Ｘ線ソースアセンブリ１１２は、あらゆるタイプのＸ線ソースを含むことが可能であるが、ソースアセンブリ１１２は、図４、５、および６に示したソースアセンブリ８２と同様または同一のソースを含むことが好ましい。すなわち、ソースアセンブリ１１２は、材料７０などの熱伝導性誘電材料を有するＸ線管アセンブリを含むことが好ましく、ハウジングに調節可能であるように取り付けられ、隣接構成要素に登録可能であり、たとえば、ダウエルピンまたはダウエルホールを介してハウジング１１５に登録可能である。
【００７２】
Ｘ線集束装置１１４および１１８は、たとえば両側湾曲結晶またはポリキャピラリ光学機器である、以前に解説した集束装置のいずれか１つとすることが可能である。図８に示したＸ線集束装置１１４および１１８は、両側湾曲結晶として示されているが、上記で参照した米国特許において開示されているポリキャピラリ単色Ｘ線光学機器を含めて、他のタイプのＸ線光学機器もシステム１１０に使用することが可能である。
【００７３】
いくつかの従来の技術のＸＲＦ方法では（再び、たとえばＤ２６２２方法）、サンプルの励起は、多色Ｘ線を使用して実施される。とりわけ、多色Ｘ線励起の使用は、多色励起に固有の誤差を訂正するために、少なくとも２つのＸ線波長の使用を必要とする。本発明の一態様によれば、たとえばＸ線集束装置１１４による励起は、単色Ｘ線を使用して実施される。単色励起の使用により、多色励起を使用するときに通常必要とされる検出誤差の訂正の必要性が回避される。たとえば、本発明の一態様では、制動放射照明がないので、背景放射レベルが低減される。その結果、本発明は、多色励起を使用する従来の技術の方法より高い信号対雑音比を提供する。
【００７４】
Ｘ線サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６は、たとえば固体、液体、または気体のサンプルである、試験用サンプルを保持または維持するための、あらゆるタイプの空洞または表面を備えることが可能である。本発明の一態様では、サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６は、たとえば連続流体（すなわち気体または液体）分析のために、サンプル励起チャンバー１１６からそれぞれサンプルを導入および除去するための導管１２３および１２５をそれぞれ含む。
【００７５】
従来の技術のＸＲＦ方法（たとえば、Ｄ２６２２方法）は、直径が少なくとも２５ｍｍであり、しばしばそれよりはるかに大きい直径のサンプルサイズを通常必要とする。Ｘ線収束装置を有する本発明の一態様では、サンプルの直径は、２５ｍｍ未満の直径、さらに１０ｍｍ未満の直径、またはさらに３ｍｍ未満の直径とすることが可能である。そのような小さいサンプル直径を有する能力によって、より小さい照明領域およびより確実な励起ならびに検出が可能になる。
【００７６】
Ｘ線検出器アセンブリ１２０は、たとえば集束Ｘ線ビームであるＸ線ビーム１２８を受け取ることができるあらゆるタイプのＸ線検出器を備えることが可能である。検出器アセンブリ１２０は、比例計数管型Ｘ線検出器または半導体型Ｘ線検出器を含むことが可能である。本発明の一態様では、Ｘ線検出器１２０は、少なくとも１つのＰＩＮダイオードタイプＸ線検出器を含む。
【００７７】
通常の従来の技術のＸＲＦ方法（再び、たとえばＤ２６２２方法）は、Ｘ線検出器の代わりに比例計数管を使用する。しかし、比例計数管型検出器は、可能な限り多くの光子をカウントするために、大きな検出領域または長い検出時間を通常必要とする。また、比例計数管型検出器は、通常、検出領域の上に「窓」を有する。高エネルギーＸ線では、窓の存在は些細なことであるが、比例計数管型検出器を使用して低エネルギーＸ線を検出するとき、窓の存在は、透過Ｘ線を妨害することがある。そのような妨害を回避するために窓をより薄くすることにより、気体が漏れる可能性が増大する。しかし、本発明の一態様では、励起Ｘ線を検出器の上に集束させることにより、大きな検出領域、長い検出時間、または比例計数管型検出器を特徴付ける窓の必要性が回避される。
【００７８】
従来の技術の方法（Ｄ２６２２方法など）において使用される他のタイプの検出器は、半導体型検出器を使用する。半導体型検出器は、通常、比例計数管型検出器がより好ましいが、その理由は、半導体型検出器は、とりわけ、サイズがより小さいからである。たとえば、比例計数管型検出器は、通常、半導体型検出器の検出器領域の約５００倍の検出器領域を有する。さらに、半導体型検出器は、比例計数管型検出器より高い分解能および良好なＸ線エネルギーを達成する。しかし、半導体型検出器のサイズが増大する際に、半導体の「漏れ電流」が増大して、望ましくない検出雑音を生成するので、半導体型検出器は、通常、サイズが限定される。一方、半導体型検出器のサイズを低減することにより、漏れ電流による検出雑音が低減される。しかし、通常、半導体型検出器がより小さくなる際に、検出器の検出効率が低下し始めるので、半導体型検出器は、検出器をどの程度小さくすることができるかという点についても限定される。
【００７９】
通常、半導体型検出器の性能を増大させるために、半導体型検出器は、冷却され、たとえば、約マイナス摂氏１０度から約絶対温度７７度の任意の温度に冷却される。しかし、そのような装置を冷却することは、高価で不便である。さらに、半導体型検出器を冷却することにより、検出器上に凝縮を形成し、これにより検出器の性能を妨害する可能性が導入される。凝縮が被冷却検出器の上に形成される可能性を低減する１つの方法は、たとえば窒素を使用して、不活性気体環境において検出器を窓の後ろに維持することである。不活性気体のために存在する熱移動を限定するために、真空を不活性気体の代わりに使用することがある。しかし、再び、半導体型検出器に不活性気体または真空を使用することは、不都合かつ高価であり、回避されることが好ましい。
【００８０】
半導体型検出器を使用する欠点のいくつかは、本発明によって回避または克服される。まず、Ｘ線集束装置を使用して励起ビームを集束させることにより、比例計数管型検出器の大きな検出領域が回避される。本発明によるＸ線の集束は、半導体型検出器により適している。具体的には単色Ｘ線を使用するＸ線エネルギーまたはフラックスの集束および集中は、半導体型検出器のサイズが減少する際に通常生じる分解能の損失をある程度相殺する。その結果、本発明の一態様によれば、半導体型検出器は、たとえば比例計数管型検出器の性能と比較して、性能を感知可能な程度にはほとんど損ねずに、摂氏０度より高い温度、または摂氏１０度より高い温度、またはさらに約室温（約摂氏２０度）以上においてなど、摂氏−１０度より高い温度で動作することができる。
【００８１】
さらに、被冷却表面上の凝縮を回避するために、ある形態の保護「窓」を通常必要とする冷却を必要としないので、本発明の一態様によれば、保護窓は必要ではない。すなわち、本発明の一態様は、摂氏０度より高い温度、または室温以上において使用される窓なし半導体型Ｘ線検出器である。
【００８２】
Ｘ線蛍光システムにおいて使用することができる半導体型検出器の１つのタイプは、ＰＩＮダイオード型半導体検出器であり、たとえば、ケイ素ＰＩＮダイオードである。本発明の一態様による１つのそのようなＰＩＮダイオード検出器の仕様を表１に示す。本発明によるＰＩＮダイオードは、前置増幅器ボードに取り付けて、ケーブルによって増幅器に付けることが可能である。
【００８３】
【表１】
【００８４】
図９は、本発明の他の態様による、通常連続的に流体を分析するＸ線蛍光システム２１０を示す。Ｘ線蛍光分析システム２１０は、通常、たとえばＸ線ソースアセンブリ１１２、Ｘ線サンプル励起チャンバーアセンブリ１１６、Ｘ線検出器アセンブリ１２０、および１つまたは複数のＸ線集束装置１１４、１１８を有する図７および８に示したＸ線蛍光システム１１０である少なくとも１つのＸ線蛍光アセンブリ２１２を備えるが、同様の機能を実施する他のアセンブリを使用することが可能である。システム２１０には、流体入口２１４、流体出口２１６、および流体パージ入口２１８も含まれる。入口２１４、出口２１６、およびパージ入口２１８は、手動または自動の隔離バルブ（図示せず）を含むことも可能である。流体入口２１４に導入される流体は、Ｘ線蛍光を介して分析することができるあらゆるタイプの液体または気体とすることが可能であるが、本発明の一態様では、流体は、燃料であり、とりわけ、たとえばガソリン、ディーゼル燃料、プロパン、メタン、ブタンである石油をベースとする燃料、または石炭ガスなどの流体燃料である。Ｘ線蛍光を介して検出することができる石油をベースとする燃料の１つの成分は、硫黄であるが、他の成分も検出することができる。本発明の一態様では、システム２１０によって分析される流体は、ディーゼル燃料であり、この場合、ディーゼル燃料の硫黄の内容が特徴付けられ、たとえば、硫黄の濃度が判定される。ディーゼル燃料の硫黄内容を特徴付けるシステムが、エックス−レイオプティカルシステムズインク（Ｘ−Ｒａｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．ニューヨーク州、アルバニー）によって商標ＳＩＮＤＩＥ（商標）として市販されている。
【００８５】
２１０を通る流体の流れは、１つまたは複数の制御バルブ２２２、２２４、流量計２２６、および圧力インジケータ２２８など、様々な従来の流れおよび圧力制御装置によって調整および監視される。制御バルブ２２２、２２４は、通常、２路または３路のバルブであり、手動または自動の制御バルブとすることが可能である。システム２１０の制御および動作は、制御装置２２０を介して手動で制御する、または自動的に制御することが可能である。制御装置２２０は、通常、１つまたは複数の従来のプログラム可能論理制御装置（Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ（ＰＬＣ））、電力入力、電力調整装置、信号入力、信号プロセッサ、データ分析装置、入力装置、および出力装置を含む。制御装置２２０は、適切な制御システムから入力信号を受信して、その信号を、図９にファントムで示す様々な電気接続を介して、監視および制御装置に向ける。システム２１０は、１つまたは複数のキャビネット、ハウジング、またはエンクロージャ２３０に収容することができ、たとえば、流体取扱い装置を１つのキャビネットに配置して、制御装置２２０を別のキャビネットに配置することが可能である。キャビネットまたはエンクロージャは、通常、ＮＥＭＡ４／１２パージエンクロージャである。システム２１０は、据置きにする、または携帯することが可能である。
【００８６】
以下の記述は、ディーゼル燃料の硫黄を検出するための本発明の適用、すなわちＳＩＮＤＩＥ（商標）システムについて具体的に記述するが、本発明は、ディーゼル燃料の他の成分または硫黄もしくは他の成分を含む他の流体に適用可能であることが、当業者には明らかになるであろう。システム２１０の動作は、以下のように進行する。Ｘ線分析アセンブリ２１２に、たとえば制御装置２２０から電気接続２１１を介して電圧を印加する。通常少なくともいくらかの硫黄を含んでいるディーゼル燃料が、入口２１４を介してシステム２１０に導入され、バルブ２２４を通過し、導管２１５を介してＸ線分析アセンブリ２１２に流れ込む。ディーゼル燃料は、システム２１２におけるＸ線曝露アセンブリのＸ線曝露室に導入され（たとえば、図８の導管１２３を介して）、そこで、ディーゼル燃料は、Ｘ線に曝露され、硫黄の少なくともいくらかは、Ｘ線蛍光を発生し、硫黄の存在が、システム２１２によって検出される。システム２１２によって検出された硫黄に対応する電気信号が、データの分析または表示のために、制御装置２２０に送信される。ディーゼル燃料は、曝露室を出て（たとえば、図８の導管１２５を介して）、導管２１７を通過し、出口２１６を介してシステム２１０から放出される。導管２１７における燃料の圧力および流量を、それぞれ流量測定装置２２６（ロトメータなど）および圧力インジケータ２２８（圧力ゲージなど）によって検出して、対応する信号を、それぞれ電気接続２２７および２２８を介して制御装置２２０に転送することが可能である。バルブ２２２および２２４を流れる流れの方向（および流量）は、たとえば流量計２２６または圧力インジケータ２２８によって検出された流れおよび圧力に応答して、それぞれ、制御信号２２３および２２５を介して制御装置２２０によって調整することが可能である。パージ入口２１８を使用して、水、空気、または窒素などの液体または気体のパージをシステムに導入することが可能であり、あるいは既知の硫黄内容を有する燃料をシステム較正のために導入することが可能である。パージの方向および流れは、バルブ２２２および２２４を介して、手動で、または自動的に制御することができる。
【００８７】
再び、システム２１０、すなわちＳＩＮＤＩＥ（商標）システムのコンパクトで頑強な設計は、多くのタイプの流体の分析に適していることが、当業者には明らかになるであろう。しかし、石油をベースとする燃料の分析に使用するとき、システム２１０は、原油井戸において、油貯蔵設備において、燃料精製所において、燃料分配パイプラインもしくはネットワークのあらゆる場所において、または石油をベースとする燃料の硫黄内容が所望されるあらゆる他の場所において、硫黄の分析に使用することができる。システム２１０を使用することにより、燃料の硫黄分析の従来の方法では通常必要とされるサンプルの準備および分析試薬の必要性が排除される。システム２１０は、連続的で迅速なオンライン燃料硫黄内容を提供し、これにより、品質の評価および制御を可能な限り迅速に実施することができる。図９に示したシステムについて、分析および物理的な仕様のいくつかを表ＩＩに示す。
【００８８】
【表２】
【００８９】
本発明の改善された熱散逸の態様：
本発明の他の熱散逸態様によれば、図１０は、本発明の一態様による高誘電強度ならびに熱伝導冷却および電気絶縁装置を有するＸ線ビームアセンブリ１１００の断面図を示す。Ｘ線ビームアセンブリ１１００は、透過窓１１１０を有するガラスまたはセラミックで通常形成される真空気密Ｘ線管１０５を含むＸ線不透過性エンクロージャ１１６０を含む。図１０では、エンクロージャ１１６０は、部分的にのみ示されているが、エンクロージャ１１６０は、通常、Ｘ線ビームアセンブリ１１００全体を囲むことが可能であることを理解されたい。Ｘ線管１１０５は、高電圧（ＨＶ）アノード１２５に対向して配置される電子銃１１１５を収容する。電子銃１１１５は、当技術分野では周知であるように、電圧勾配のために、電子ストリームの形態の電子、すなわち電子ビーム（ｅビーム）１１２０を放出する装置である。ＨＶアノード１１２５は、当技術分野においてやはり周知であるように、電子ストリームがその上に当たり、その結果、Ｘ線放射１１３０、すなわちＸ線を生成する対象として作用する。
【００９０】
電子銃１１１５は、通常、接地電位（たとえば、約ゼロボルト）に維持され、ＨＶアノード１１２５は、通常約５０ｋｖ以上など、高電圧電位に維持される。その結果、接地電位の電子銃１１１５から放出されるｅビーム１１２０は、高電圧電位にあるＨＶアノード１１２５の表面に電気的に引き付けられ、それにより、Ｘ線１１３０を生成する。ｅビーム１１２０が、アノード１１２５に当たり、Ｘ線１１３０が、Ｘ線１１３０の「焦点」１１２７と呼ばれるアノード１１２５上の位置からアノード１１２５から放出される。焦点１１２７におけるアノード１１２５の表面の配向角度により、Ｘ線１１３０を透過窓１１１０に向けるのが可能になる。透過窓１１１０は、通常、ベリリウム（Ｂｅ）などのＸ線透過性材料で形成され、これにより、Ｘ線１１３０がＸ線ビームアセンブリ１１００を出るのが可能になり、一方、Ｘ線管１１０５内の真空が維持される。本発明の一態様では、たとえば２０Ｋｅｖ以上の光子であるより高いエネルギーのＸ線を使用するとき、窓を必要としないことが可能であり、Ｘ線は、窓を必要とせずに、ガラスＸ線管などのＸ線管を通過することが可能である。
【００９１】
衝突表面と対向するＨＶアノード１１２５の端部は、通常、Ｘ線管１１０５の本体を通過して突出し、機械的、熱的、または電気的にベースアセンブリ１１３５に結合（たとえば接続）される。本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、熱伝導性材料から作成された第１プレート１１４０、誘電材料から作成された第２プレート１１５０、および熱伝導性材料から作成された第３プレートまたはベースプレート１１４５を含む３プレート構造である。第１プレート１１４０は、第２誘電性プレート１１５０によって、第３プレート１１４５から少なくとも部分的に電気絶縁される。本発明の一態様では、第１プレート１１４０は、熱拡散装置として機能する。すなわち、プレート１１４０は、たとえばプレート１１４０上の中央に位置する小限定領域である、限定領域にわたってアノード１１２５から熱を受け取り、熱をさらに散逸させることを容易にするために、熱をプレート１１４０のより大きい領域に分散させる。ベースアセンブリ１１３５は、ハウジング１１６０に取り付けることが可能である。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、少なくともアノード１１２５を支持し、およびＸ線管１１０５を支持することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０およびアノード１１２５は、たとえば金属の単一部品から機械加工された、または単一構成要素として鋳造された構成要素である、単一の一体式構成要素を備える。本発明の他の態様では、プレート１１４０およびアノード１１２５は、別々の構成要素であり、たとえば、はんだ付け、ろう付け、溶接、または導電性接着剤などの接着剤により、従来の手段によって対合される。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、Ｘ線管１１０５の構造支持のみを提供する。ベースアセンブリ１１３５内の相互接続のさらなる詳細を図１１において提供する。
【００９２】
本発明の一態様では、プレート１１４０、プレート１１４５、または両方のプレート１１４０および１１４５は、プレート１１５０の上（またはバー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に導電性材料のコーティングまたは層を備えることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０、プレート１１４５、または両方のプレート１１４０および１１４５に対応する導電性材料のコーティングまたは層は、方法の中でも、化学蒸着またはスパッタリングによってプレート１１５０（または同様の構造）の上に付着された、または加えられた導電性材料（銅など）の層を備えることが可能である。
【００９３】
本発明の他の態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、たとえば熱伝導性誘電材料で作成された単一プレート１１５０（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造）である単一プレートまたは構成要素構造を備えることが可能であり、プレート１１４０およびプレート１１４５、または対応する構造を省略することが可能である。プレート１１５０は、アノード１１２５の上に直接配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。
【００９４】
本発明の他の態様では、ベースアセンブリ１１３５は、２プレートまたは２部材の構造を備えることが可能であり、プレート１１４０またはプレート１１４５（もしくは等価な構造）を省略することが可能である。本発明の一態様では、アノード１１２５をプレート１１５０などの熱伝導性誘電材料の上（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に配置することが可能であり、導電性プレート１１４５をプレート１１５０の上（または同様の構造の上）に配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。本発明の一態様では、導電性プレート１１４５（またはその等価物）の機能は、プレート１１５０（または同様の構造）など、熱伝導性誘電材料に加えられた導電性材料の層またはコーティングによって提供することが可能である。本発明の一態様では、導電性材料（たとえば銅）の層またはコーティングは、化学蒸着、スパッタリング、または同様のプロセスによって施すことが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電性プレート１１５０の機能は、導電性プレート１１４５（またはその等価物）に加えられた熱伝導性誘電材料の層またはコーティングによって提供することが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料の層またはコーティングは、たとえば化学蒸着によってプレート１１４５（またはその等価物）に施されたＤＬＣである、ダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）とすることが可能である。本発明の一態様では、熱伝導性誘電材料の層またはコーティングは、アノード１１２５から導体プレート１１４５に熱を分散させる熱拡散装置として作用する。
【００９５】
さらに、本発明の他の２構成要素の態様では、アノード１１２５は、プレート１１４０などの熱伝導性電気絶縁性材料の上（または、バー、ブロック、もしくは円筒などの同様の構造の上）に配置することが可能であり、熱伝導性誘電材料（プレート１１５０または同様の構造など）は、プレート１１４０の上（または同様の構造の上）に配置して、アノード１１２５を冷却するのに十分な熱経路を提供することが可能である。再び、本発明の一態様では、導電性プレート１１４０（またはその等価物）の機能は、プレート１１５０（または同様の構造の上）などの熱伝導性誘電材料に加えられた導電性材料の層によって提供することが可能である。
【００９６】
本発明の２構成要素および３構成要素の実施形態では、プレート１１４０および１１４５は、たとえば２インチ（５．０８センチ）の直径のディスク型プレートである円形プレートとすることが可能であるが、本発明によれば、３角形、正方形、または矩形など、あらゆる従来の形状のプレートを使用することが可能である。プレート１１４０および１１４５は、銅などの銅包含材料、アルミニウム包含材料、銀包含材料、金包含材料、ダイアモンド様炭素などのダイアモンド材料、またはこれらの材料の２つ以上の組合せなど、たとえば高度に熱伝導性の材料である熱伝導性材料から形成することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、たとえば上述した材料の１つである導電性材料を備えることも可能である。プレート１１４０および１１４５は、約０．２５インチ（０．６３５センチ）など、約０．１インチ（０．２５４センチ）から約０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、ほぼ同じサイズであり、たとえば、ほぼ同じ直径を有することが可能である。しかし、本発明の一態様では、プレート１１４０および１１４５は、異なるようにサイズ決めされ、たとえば、図１０に示したように、プレート１１４５は、直径がより大きいなど、プレート１１４０より大きくすることが可能である。ベースプレート１１４５は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の構造全体を支持および収容するために、ある構築構成または取付け構成を含むことも可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０およびプレート１１４５の厚さは、プレート１１４０の表面積と比較して小さくすることが可能である。たとえば、本発明の一態様では、プレート１１４０またはプレート１１４５の厚さ（インチで表す）に対する表面積（平方インチで表す）の比は、通常、少なくとも約５対１とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０またはプレート１１４５の表面積とその厚さとの比は、約１０対１と約１００対１との間とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４０の直径は、約２インチ（５．０８センチ）であり、プレート１１４０の厚さは、約０．２５インチ（０．６３５センチ）であり、これは、約１２．５対１の面積対厚さの比に対応する。
【００９７】
本発明の単一構成要素、２構成要素、および３構成要素の実施形態では、誘電性プレート１１５０は、やはり円形プレートとすることが可能であるが、プレート１１４０および１１４５に関して上述したように、あらゆる従来型の形状のプレートを使用することが可能である。プレート１１５０は、プレート１１４０および１１４５より小さくすることが可能であり、たとえば、プレート１１４０、１１４５、および１１５０が円形の形状のとき、プレート１１５０の直径を、プレート１１４０および１１４５より小さくすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１５０は、ディスク型で、直径が約１．５インチ（３．８１センチ）とすることが可能である。プレート１１５０は、酸化ベリリウムセラミック、窒化アルミニウムセラミック、ダイアモンド様炭素、またはその派生物もしくは等価物など、高電圧において高い熱伝導性を提供する材料から形成することが可能である。その結果、誘電性プレート１１５０は、高い誘電強度を有することが可能であり、同時に、良好な熱伝導体でもある。たとえば、本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、絶対温度１度当たりの１メートル当たり少なくとも約１５０ワットの熱伝導性（Ｗ／ｍ／Ｋ）およびメートル当たり少なくとも約１．６×１０７ボルトの誘電強度（Ｖ／ｍ）を有する材料を備える。誘電性プレート１１５０は、約０．２５インチ（０．６３５センチ）の厚さなど、約０．１インチ（０．２５４センチ）と約０．５インチ（１．２７センチ）との間の範囲にある通常の厚さを有することが可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０の厚さは、誘電性プレート１１５０の表面積と比較して小さくすることが可能である。たとえば、本発明の一態様では、プレート１１５０の表面積（平方インチで表す）対厚さ（インチで表す）の比は、通常、少なくとも約５対１とすることが可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０の表面積対その厚さの比は、約５対１と約１００対１との間とすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１５０の直径は、約１．５インチ（３．８１センチ）の直径および約０．２５インチ（０．６３５センチ）の厚さを有し、これは、約７．０対１の面積対厚さ比に対応する。
【００９８】
酸化ベリリウムセラミックは、銅の熱伝導性の約２／３である通常の熱伝導性を有し、一方、窒化アルミニウムセラミックは、銅の熱伝導性の約１／２である熱伝導性を有する。本発明の一態様では、酸化ベリリウムセラミックが、誘電性プレート１１５０の形成に使用される。本発明の他の態様では、窒化アルミニウムセラミックが、誘電性プレート１１５０の形成に使用される。いくつかの応用例では、窒化アルミニウムセラミックが好ましいが、その理由は、酸化ベリリウムは、有害な物質であり、したがって、環境上の理由により製造プロセスに望ましくないからである。対照的に、窒化アルミニウムセラミックは、酸化ベリリウムの代替物として、費用効果が高く、有害ではなく、作業が容易である。
【００９９】
本発明も一態様では、導体プレート１１４０、１１４５、誘電性プレート１１５０は、プレート間の結合材料の量を最小限に抑えるように、平坦である。たとえば、本発明の一態様では、ディスク１１４０ならびに１１４５の表面およびディスク１１５０の表面は、内部において少なくとも約０．００１インチ（０．００２５４センチ）であるように平坦である。
【０１００】
本発明の一態様では、ＨＶアノード１１２５は、プレート１１４０に少なくとも熱的に接続される。本発明の他の態様では、アノード１１５０は、プレート１１４０に少なくとも熱的および電気的に接続される。本発明の他の態様では、アノード１１２５は、ベースアセンブリ１１３５のプレート１１４０に機械的、熱的、および電気的に接続される。本発明の他の態様では、プレート１１４０は、たとえばＨＶ導線１１５５を介して、高電圧ソースに少なくとも電気的に接続することが可能である。本発明の他の態様では、プレート１１４０は、たとえばＨＶ導線１１５５を介して、高電圧ソースに機械的、熱的、および電気的に接続される。ＨＶ導線１１５５は、２００２年６月２６日に出願された、すなわち本出願と同じ日に出願された、同時係属の米国出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）において開示されているプレート１４０に添付することが可能である。この開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。その結果、本発明の一態様では、高電圧電位がプレート１１４０およびＨＶアノード１１２５にも供給される。反対に、ベースプレート１１４５は、通常、ほぼ接地電位に維持される。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、高電圧プレート１１４０と接地ベースプレート１１４５との間の電気絶縁を提供する。再び、すべての相互接続のさらなる詳細について、図１１を参照して以下で提供する。
【０１０１】
本発明の他の態様では、高電圧ケーブル１１５５は、プレート１１４０を介する以外の手段によって、アノード１１２５と電気的に接続することが可能である。たとえば、一態様では、ケーブル１１５５は、たとえば同時係属の米国出願第１０／２０６，５３１号、２００２年６月２６日出願（整理番号０４４４．０５８）において開示されている電気接続によって、アノード１１２５に直接接続される。たとえば、本発明の一態様では、アノード１１２５が、プレート１１５０などの熱伝導性誘電材料のすぐ上に配置され、ケーブル１１５５をアノード１１２５に直接接続することが可能である。本発明の他の態様では、ケーブル１１５５は、構造１１３５に関係しない手段など、他の手段を介してアノード１１２５に接続される。
【０１０２】
本発明の一態様では、電子銃１１１５およびＨＶアノード１１２５を有するＸ線管１１０５、ベースアセンブリ１１３５、およびＨＶ導線１１５５は、エンクロージャ１１６０に収容され、それにより、Ｘ線ビームアセンブリ１１００を形成する。エンクロージャ１１６０は、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の要素を封入するケイ素注封材料またはその等価物などの注封材料である、封入剤１１６２としても既知の封入材料で満たすことが可能である。図１０に示したように、Ｘ線ビームアセンブリ１１００のいくつかの要素は、ベースアセンブリ１１３５など、エンクロージャ１１６０を超えて突出することが可能である。エンクロージャ１１６０注封剤１１６２は、空気ポケットの空隙とすることが可能である構造を形成することが可能であり、かつＸ線ビームアセンブリ１１００の多くの表面を、封入剤１１６２またはハウジング１１６０を介して、周囲空気などの周囲環境から隔離するように作用することが可能である。本発明の一態様では、封入剤１１６２は、ケイ素注封材料またはその等価物など、少なくとも約１．６×１０7Ｖ／ｍの破壊電圧を有する材料を備える。本発明の他の態様では、封入剤１１６２の熱特性は、封入剤１１６２の機能には重要でない可能性がある。たとえば、封入剤１１６２を備える材料は、良好な熱伝導体である必要はない可能性がある。封入剤１１６２に使用することが可能である１つの材料はケイ素材料であり、たとえば、Ｄｏｗ Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４ケイ素エラストマなどのケイ素エラストマ、またはその等価物である。
【０１０３】
図１１は、本発明の一態様によるベースアセンブリ１１３５の詳細な断面図を示す。本発明の一態様では、ベースアセンブリ１１３５は、高誘電強度および熱伝導性熱散逸装置として作用する。本発明の他の態様では、ベースアセンブリ１１３５は、高誘電強度および熱伝導性熱散逸装置ならびにＸ線ビームアセンブリ１１００の構造支持として作用する。
【０１０４】
図１１は、ＨＶアノード１１２５が、プレート１１４０に少なくとも熱的に接続されることを示すが、本発明の一態様では、アノード１１２５は、プレート１１４０に機械的、熱的、および電気的に接続される。本発明の一態様では、アノード１１２５は、たとえば、１つまたは複数の機械固定具、溶接、ろう付け、はんだ付け、接着剤など、従来の手段を介してプレート１１４０に機械的に接続される。本発明の一態様では、アノード１１２５は、取付けスタッド１２０５、結合層１２１０、またはその組合せを介してプレート１１４０に接続される。取付けスタッド１２０５は、スチール、たとえばアルミニウム、銅、または上述した他の導電性材料の１つである導電性材料から形成されたねじ込みスタッドとすることが可能である。図１１に示した本発明の態様では、取付けスタッド１２０５は、ＨＶアノード１１２５およびプレート１１４０の両方にねじ込まれる。結合層１２１０は、たとえばＩｎ−Ｓｎ共晶はんだなどのインジウム錫（Ｉｎ−Ｓｎ）はんだまたはその等価物などの高導電性はんだから形成することが可能である。
【０１０５】
プレート１１４０、１１４５、および１１５０は、たとえば、１つまたは複数の機械的固定具、溶接、ろう付け、はんだ付け、接着剤など、従来の手段によって互いに接続することも可能である。本発明の一態様では、誘電性プレート１１５０は、結合層１２１５を介してプレート１１４０に接続され、プレート１１４５は、結合層１２２０を介して誘電性プレート１１５０に接続される。結合層１２１５、１２２０は、たとえば、上述した結合層１２１０に使用されるはんだと同様の高導電性はんだとすることが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４５は、ベースアセンブリ１１３５を支持するまたは取り付ける手段を含み、この手段は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００、または少なくともアノード１１２５も支持することも可能である。ベースアセンブリ１１３５を支持する手段は、任意の従来の支持手段とすることが可能であるが、本発明の一態様では、プレート１１４５は、たとえば少なくとも１つのねじ込み取付け穴である、少なくとも１つの取付け穴１４０５を含む。
【０１０６】
Ｘ線ビームアセンブリ１１００は、プレート１１４５から熱を伝導し、かつ散逸させる他の手段を含むことが可能である。本発明の一態様では、プレート１１４５は、プレート１１４５から熱を伝導し、かつ散逸させる従来の手段に動作式に接続することが可能である。たとえば、プレート１１４５は、１つまたは複数の冷却フィンもしくは冷却ピンに動作式に接続することが可能である。本発明の他の態様では、プレート１１４５または冷却フィンもしくは冷却ピンは、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００に取り付けられた電気ファンなどのファンによって、強制空気冷却に曝露させることも可能である。
【０１０７】
本発明の一態様によれば、プレート１１４０および１１４５は、たとえば図１１に示した半曲智（radiused）縁である、滑らかな縁を備える。本発明のこの態様によれば、半曲智縁は、プレート１１４０と１１４５との間の電気放出の可能性を低減するように、プレートの縁の周囲の電場勾配を最小限に抑える。
【０１０８】
本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、たとえば、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の低電圧構成要素または接地構成要素からの直接支持がほとんどまたはまったくない状態で、具体的には高電圧アノード１１２５の支持である、Ｘ線ビームアセンブリ１１００の機械的支持を提供する。本発明の一態様によれば、ベースアセンブリ１１３５によって提供される機械的支持は、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を除去するための熱伝導経路をも含む。本発明の他の態様では、機械的支持および熱伝導の他に、ベースアセンブリ１１３５は、少なくともいくらかの電気絶縁を提供することも可能であり、この場合、ベースアセンブリ１１３５全体で、電流は、ほとんどまたはまったく失われない。すなわち、アノード１１２５から、またはＸ線ビームアセンブリ１１００のあらゆる他の高電圧構成要素からの電流損は、最小限に抑えられる。
【０１０９】
本発明の他の態様によれば、ベースアセンブリ１１３５は、アノード１１２５からなど、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を散逸させる、たとえば伝導する有効な手段を提供する。本発明のこの態様によれば（図１０参照）、ビーム１１２０がアノード１１２５に当たり、Ｘ線１１３０を生成することによって生成される熱は、衝突点１１２７からアノード１１２５に沿ってプレート１１４０に伝導される。次いで、プレート１１４０は、熱を、たとえば径方向において、アノード１１２５の接触点から伝導し、熱をプレート１１４０に分散させ、たとえば、熱をプレート１１４０に一様に分散させる。次いで、プレート１１４０の熱は、プレート１１５０に伝導され、プレート１１５０から、熱は、プレート１１４５において伝導される。本発明の一態様によれば、プレート１１４０において熱を分散させることにより、プレート１１４０において熱が効果的に分散され、誘電性プレート１１５０全体の温度差は、最小限に抑えられる。その結果、誘電性プレート１１５０の熱伝導性は、銅包含材料などの従来の伝導材料の伝導性より劣る可能性があるが、プレート１１４０からプレート１１４５に熱を散逸させるのに十分な伝導性を依然として提供することが可能である。プレート１１４５の熱は、対合構造への伝導により、または自然対流、強制空気対流により、もしくはプレート１１４５の上に冷却流体を流すことにより、さらに散逸させることが可能である。本発明の一態様では、冷却ピンまたは冷却フィン（図示せず）をプレート１１４５に動作式に接続することが可能である。さらに、本発明の一態様によれば、１つまたは複数の誘電性プレート１１５０および導電性プレート１１４５をプレート１１４０に取り付けることが可能であり、たとえば、プレート１１５０および１１４５の２つの以上の組を使用して、Ｘ線ビームアセンブリ１１００から熱を伝導することが可能である。
【０１１０】
本発明の一態様によれば、内部冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないなど、冷却流体をほとんどまたはまったく必要としないＸ線生成装置が提供される。すなわち、本発明の一態様は、ある従来の技術の特徴である、流体の封止手段、漏れ防止、または取替えを提供する必要性を排除する。さらに、本発明の他の態様によれば、Ｘ線ビームの調整または位置合わせのために、より機械判読可能であるように適合させることができるＸ線生成装置が提供される。たとえば、冷却流体が存在しない、または冷却流体を必要としない状態で、位置合わせまたは調節の機構が流体気密であることを必要とせずに、Ｘ線ビーム１１３０とキャピラリ光学機器または結晶光学機器などのＸ線光学機器とを位置合わせするためなど、Ｘ線位置合わせまたは調節機構をＸ線装置１１００に組み込むことが可能である。たとえば、本発明の一態様と共に使用することが可能である１つの位置合わせ機構が、同時係属の米国出願第６０／／３３６，５８４号、２００１年１２月４日出願（整理番号０４４４．０４５Ｐ）において開示されている。この開示は、参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１１１】
本発明の改善された位置合わせおよび安定性の態様
上記で一般的に解説したように、本発明は、一態様において、たとえば集束Ｘ線ビームまたは視準Ｘ線ビームを提供し、かつある範囲の動作条件にわたって安定な出力を有するＸ線ソースアセンブリを提供する。この安定な出力は、一態様では、動作条件の１つまたは複数の変化にもかかわらず、アセンブリの出力構造に対するアノードソーススポットの位置決めを制御する制御システムを介して得られる。たとえば、アノードソーススポットの位置は、アノードの電力レベルの変化またはＸ線ソースアセンブリの周囲温度の変化にもかかわらず、出力構造に対して一定に維持することができる。
【０１１２】
制御システムは、アノードソーススポットまたは出力構造の移動を実施することができる１つまたは複数のアクチュエータを使用する。たとえば、１つのアクチュエータは、出力構造に対するアノードソーススポット位置の調整を実施するように、アノードの加熱／冷却を提供する温度アクチュエータを備えることが可能である。他のアクチュエータは、必要に応じてアノードソーススポットまたは出力構造の位置を物理的に調節するメカニカルアクチュエータを備えることが可能である。他のアクチュエータは、電子ビームを静電的または磁気的に移動させることが可能である。１つまたは複数のセンサを制御システムによって使用して、出力構造に対するアノードソーススポット位置に関するフィードバックを提供することができる。センサは、アノードの温度を直接または間接に測定するセンサ、ならびにハウジング温度センサおよび周囲温度センサなど、温度センサを含むことが可能である。センサは、アノード電力レベルを得るためのフィードバック機構、または光学機器出力強度の直接または間接の尺度を含むことも可能である。
【０１１３】
他の態様では、Ｘ線を生成するためのアノード、およびアノードによって生成されるＸ線を収集する光学機器を有するＸ線管を含むＸ線ソースアセンブリが開示されている。光学機器からＸ線出力強度を収集する制御システムが提供される。この制御システムは、Ｘ線ソースアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる。たとえば、制御システムは、アノード電力レベルの変化および／または周囲温度の変化について調節することができる。本発明の様々な追加の特徴についても、以下で記述し、主張する。
【０１１４】
本明細書で使用する際に、「出力構造」という句は、Ｘ線ソースアセンブリの部分、またはＸ線ソースアセンブリに関連する部分を備える構造を指す。例として、構造は、集束光学機器または視準光学機器など、Ｘ線透過窓または光学機器を備えることができ、アセンブリ内においてＸ線管を囲むハウジングに固定する、または固定しないことが可能である。
【０１１５】
図１２は、本発明の態様による、Ｘ線ソースアセンブリ２１００の断面正面図を示す。Ｘ線ソースアセンブリ２１００は、透過窓２１０７を有する真空気密Ｘ線管２１０５（通常、ガラスまたはセラミックで形成される）を備えるＸ線ソース２１０１を含む。Ｘ線管２１０５は、高電圧（ＨＶ）アノード２１２５に対向して配置された電子銃２１１５を収容する。電圧が印加されたとき、電子銃２１１５は、当技術分野では周知であるように、電子ストリームの形態の電子、すなわち電子ビーム（ｅビーム）を放出する。ＨＶアノード２１２５は、電子ストリームがＸ線放射すなわちＸ線２１３０を生成するために上に当たるソーススポットを有する対象として作用する。
【０１１６】
例として、電子銃２１１５は、接地電位（ゼロボルト）に維持することができ、一方、ＨＶアノード２１２５は、高電圧電位に維持され、通常約５０ｋＶである。その結果、接地電位において電子銃２１１５から放出されたｅビーム２１２０は、ＨＶアノード２１２５の表面に電気的に引き付けられ、それにより、ｅビーム２１２０がアノードを打つアノード上のソーススポットからＸ線２１３０を生成する。その後、Ｘ線２１３０は、真空気密Ｘ線管２１０５の透過窓２１０７を通るように向けられる。透過窓２１０７は、通常、ベリリウム（Ｂｅ）などの材料で形成され、これにより、Ｘ線の透過をほぼ妨害しないことが可能になり、一方、Ｘ線管２１０５内の真空は依然として維持される。
【０１１７】
ハウジング２１１０が、Ｘ線管２１０５を少なくとも部分的に閉鎖する。ハウジング２１１０は、Ｘ線管２１０５の透過窓２１０７と位置合わせされた開口２１１２を含むことができる。例として、開口２１１２は、開放開口をハウジング２１１０に備え、または空気空間を画定する閉鎖開口を備えることができる。透過窓２１０７および開口２１１２を透過する際に、Ｘ線２１３０は、光学機器２１３５によって収集される。光学機器２１３５は、この例では、ハウジング２１１０の開口２１１２の回りに集中して示されている。光学機器２１３５は、ハウジング２１１０の外表面に固定することができ、または、開口２１１２内にあるように（たとえば、透過窓２１０７に接して位置するように）、ハウジング２１１０内に部分的に配置することができ、もしくは、ハウジング２１１０から離れて支持されるが、ハウジング２１１０の開口２１１２と位置合わせすることができる。
【０１１８】
留意したように、光学機器２１３５は、例として、集束光学機器または視準光学機器を備えることができる。図１２では、光学機器２１３５は、集束要素として示されており、強度が高く、直径が小さいスポット２１４５を必要とする応用例においてＸ線ソース２１００を使用するとき、有用である。集束光学機器２１３５は、Ｘ線放射２１３０を収集して、放射を収束Ｘ線２１４０に集束させる。低電力ソースを必要とするＸ線蛍光システムと関連してＸ線ソース２１００を使用するとき、収束光学機器は、有益であることがある。代替として、光学機器２１３５は、光学機器（図示せず）からのＸ線放射出力の平行ビームを必要とする応用分野において使用される視準光学要素を備えることができる。視準光学要素の場合、Ｘ線２１４０は、図１２に示すようにスポット２１４５に収束するのではなく、平行である。
【０１１９】
光学機器２１３５は、たとえば集束または視準のために、Ｘ線を収集または加工することができるあらゆる光学要素を備えることができる。例として、光学機器２１３５は、ポリキャピラリバンドル（Ｘレイオプティカルシステムズインク（Ｘ−ｒａｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．、ニューヨーク州、アルバニー）から入手可能なものなど）、両側湾曲光学機器、またはフィルタ、ピンホール、もしくはスリットなどの他の光学要素の形態を備えることができる（ポリキャピラリ光学機器は、全反射により光子を透過させる薄く中空の管の束である。そのような光学機器は、たとえば、（特許文献１１）、（特許文献１０）、および（特許文献９）において記載されている。両側湾曲光学機器は、たとえば、（特許文献３）および（特許文献２）において記載されている）。Ｘ線ソースアセンブリ２１００の較正の際に、光学機器２１３５は、Ｘ線ソースアセンブリ２１００の他の較正が実施されるまで、（一実施形態では）Ｘ線ソース２１０１に対して静止したままである。
【０１２０】
ＨＶアノード２１２５の端部は、Ｘ線管２１０５の本体を経て突出する衝突表面に対向し、かつベースアセンブリ２１５０に機械的および電気的に接続される。ベースアセンブリ２１５０は、第１導体ディスク２１５５を含み、このディスクは、誘電体ディスク２１６０を介してベースプレート２１６５から電気的に絶縁される。本明細書においてアノードスタックと呼ばれる結果的なアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０構造は、「Method and Device For Cooling and Electrically Insulating A High-Voltage, Heat Generating Component」という名称の上記で組み込まれた同時出願特許出願において詳細に記載されている。この文献においてより詳細に記載されているが、ベースアセンブリ２１５０の構造および機能について、以下で簡単に解説する。
【０１２１】
導体ディスク２１５５およびベースプレート２１６５は、たとえば、数インチの直径の、銅などの高導電性および高熱伝導性材料で形成されたディスク型のプレートである。例として、導体ディスク２１５５およびベースプレート２１６５は、０．１（０．２５４センチ）から０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能であり、０．２５インチ（０．６３５センチ）が１つの具体的な例である。ベースプレート２１６５は、Ｘ線ソース２１０１の構造全体を収容するために、構造上の詳細をさらに含むことが可能である。
【０１２２】
誘電体ディスク２１６０は、たとえば、直径が１．５インチ（３．８１センチ）で、酸化ベリリウムセラミックまたは窒化アルミニウムセラミックなど、高電圧において高誘電強度を提供する材料で形成されたディスク型プレートである。さらに、導体ディスク２１５５またはベースプレート２１６５と同程度の熱伝導性ではないが、これらの材料は、比較的良好な熱伝導性を提示する。誘電体ディスク２１５０は、０．１インチ（０．２５４センチ）から０．５インチ（１．２７センチ）の範囲の厚さを有することが可能であり、０．２５インチ（０．６３５センチ）が１つの具体的な例である。
【０１２３】
導体ディスク２１５５は、適切な高電圧導線２１７０を介して、高電圧ソース（図示せず）に機械的および電気的に接続される。その結果、高電圧電位が、導体ディスク２１５５、およびその後ＨＶアノード２１２５に供給される。対照的に、ベースプレート２１６５は、接地電位に維持される。誘電体ディスク２１６０は、高電圧導体ディスク２１５５と接地ベースプレート２１６５との間の電気絶縁を提供する。高電圧導線２１７０を導体ディスク２１５５に接続するアセンブリの一例が、「An Electical Connector, A Cable Sleeve, and A Method For Fabricating A High Voltage Electrical Connection For A High Voltage Device」という名称の上記で組み込まれた一般に出願された特許出願において記載されている。
【０１２４】
Ｘ線管２１０５、ベースアセンブリ２１５０、およびＨＶ導線２１７０は、封入剤２１７５に包含される。封入剤２１７５は、電圧破壊を回避するために十分に高い誘電強度を有するケイ素などの剛性または半剛性の材料を備えることができる。さらに、好ましい熱経路がベースアセンブリ２１５０を通過するので、封入剤２１７５は、良好な熱伝導体である必要はない。具体的な例として、封入剤２１７５は、ケイ素エラストマ（ダウケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から入手可能なＤｏｗ Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４など）をＸ線管、ベースアセンブリ、および高電圧導線の回りに溶接することによって形成することができ、それにより、地面に至る望ましくない電圧破壊経路を提供する可能性がある空気ポケットのない構造を形成する。
【０１２５】
図１３は、ソース走査曲線２２００を示すグラフであり、たとえばスポット２１４５（図１２）の強度である出力強度の表示が、アノードソーススポットと出力光学機器との間の変位または誤整列に関してプロットされている。スポット強度は、光学機器（２１３５）の焦点にわたってＸ線（２１３０）を走査することから得られる。ガウスプロットが得られることが示されており、最大強度が、光学機器の焦点においてＸ線２１３０（したがってアノードソーススポット）を適切に位置合わせすることにより達成される。
【０１２６】
図示したように、半最大値（ＦＷＨＭ）における全幅Ｗ１は、約２００ミクロンに等しい。２００ミクロンのＦＷＨＭは、Ｘ線２１３０（したがってアノードソーススポット）が、光学機器２１３５の焦点から２１００ミクロンの距離変位している結果として、スポット２１４５におけるＸ線強度が５０％降下することを示す。適切に較正されたとき、Ｘ線ソースアセンブリ２１００は、傾斜がほぼゼロに等しい図１３のソース走査曲線の上部付近における所与の電力について機能し、それにより、光学機器２１３５に関するＸ線２１３０の変位がわずかに変動しても（たとえば、５μｍ以下）は、強度の降下は些少である。例として、光学機器２１３５に対するＸ線２１３０の変位における許容可能な変動の範囲をＷ２によって表す。これは、Ｘ線２１３０と光学機器２１３５の焦点との間の５ミクロン未満の変位は、許容可能であることを示す。しかし、Ｘ線ソースの動作電力が０から５０Ｗまで変化する際に、５０ミクロン程度の熱膨張の相違が、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の要素において生じることがある。
【０１２７】
図１４は、図１２に関して上述したＸ線ソース２１００を示す。しかし、この例では、ＨＶアノード２１２５に当たるｅビーム２１２０によって生成される熱により、ＨＶアノード２１２５、導体ディスク２１５５、ベースプレート２１６５、およびより少ない程度であるが誘電体ディスク２１６０が膨張した。この膨張の結果、Ｘ線２３１０の発散ビームが、生成され、これは、図１２に示したＸ線２１３０に関して垂直方向にずれる。たとえば、電子銃２１１５が５０Ｗの電力において動作する場合、Ｘ線２３１０の焦点は、０Ｗにおける位置から５０ミクロン程度ずれる可能性がある。Ｘ線２３１０は、光学機器２１３５と誤整列され、その結果、Ｘ線２３１５の収束ビームは、著しく強度が低減されたスポット２３２０を生成する。
【０１２８】
両側湾曲結晶およびポリキャピラリバンドルなど、視準光学機器および集束光学機器の物理的な性質のために、アノードソーススポットに対する光学機器２１３５の精密な位置決めが、Ｘ線２３１５の最適な視準または集束のために望ましい。その結果、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の熱膨張に由来する可能性のあるような光学機器２１３５に対するＸ線２３１０のずれは、図１３にグラフで示すように、著しく低減された強度を有するスポット２３２０をもたらすことがある。
【０１２９】
出力構造に対するアノードソーススポットのずれは、様々な手法を使用して測定することができる。たとえば、温度センサ２４００をアノードスタックのベースにおいて使用して、アノードスタックの温度変化を測定することができる。これは、以下でさらに記述するように、較正手続き中の光学機器に対するアノードソーススポットのずれに相関させることができる。図１６は、代替温度センサの実施を示す。
【０１３０】
図１６に示すように、再び導体ディスク２１５５、誘電体ディスク２１６０、およびベースプレート２１６５を含むベースアセンブリ２１５０は、ベースプレート２１６５内において凹み、かつベースプレート２１６５と良好に熱接触する温度センサ２４００を含むように修正される。例示のために、図１６は、アノードから、ベースアセンブリへ、およびベースアセンブリを経た熱移動を表す波を示す。これらの波は、図１５に示すように、ｅビーム２１２０がＨＶアノード２１２５に当たることによって生成される熱を表す。
【０１３１】
また、図１５には、Ｘ線強度測定装置２４１０も示されている。ずれを判定するために温度を感知することに加えて、またはその代替として、Ｘ線ソース２１０１または光学機器２１３５のＸ線出力強度を測定することができる。例として、回折の応用分野では、本明細書において記述するような位置制御システムに必要なフィードバックを提供するために、イオン室または比例計数管を強度測定装置２４１０として使用することができる。回折の応用分野では、対象となるエネルギーは、通常、１つの波長におけるものであり、したがって、Ｘ線経路内に配置される比例係数管は、対象となる少量のＸ線を吸収するだけである。当業者なら、Ｘ線ソースアセンブリ２１００からＸ線出力の強度を直接または間接に判定するために、他の強度測定手法を使用することができることを理解するであろう。温度感知、Ｘ線強度感知などの目的は、アノードソーススポットと出力構造との位置合わせに関するフィードバック情報を提供することである。制御システムおよび制御プロセスについて、図１８〜２１を参照して以下でさらに記述する。
【０１３２】
アノードスタックの温度と、出力構造に対するアノードソーススポットとの相関は、図１７〜１７Ｂを参照すると、より良好に理解することができる。
【０１３３】
図１７には、アノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０を備えるアノードスタックが示されている。アセンブリ２１５０は、導体ディスク２１５５、誘電体ディスク２１６０、ベースプレート２１６５を含み、この例では、温度センサ２４００は、内部に埋め込まれて示されている。アノードスタックは、図１７Ａのグラフの距離軸（ｘ軸）と相関するように、水平に配置される。
【０１３４】
図１７Ａに示すように、アノードスタックは、スタックを備える様々な構成要素にわたって異なる温度変化を有する。５０Ｗおよび２５Ｗの両方の例について、アノード２１２５の最右端から開始して、たとえば導体ディスク２１５５の両端の温度降下よりわずかに急な傾きを有する温度降下が示されている。アノード２１２５およびディスク２１５５の両方とも導電性であるが、ディスク２１５５の断面がより大きいことは、１つの主要表面から他への温度降下がより小さいことを意味する。やはり図１７Ａに示したように、アノードスタックの両端の温度変化は、アノードの電力レベルに関係する。温度変化（ｙ軸）は、室温より高いアノードスタックの温度変化のずれを表す。したがって、ゼロに印加されたアノードの電力レベルでは、ずれはゼロと想定される。
【０１３５】
さらなる改良として、本発明の態様によるＸ線ソースアセンブリは、室または周囲の温度変化に対応するように調節することができる。膨張に寄与する要素の全熱膨張が、５０Ｗビーム電流において、０Ｗビーム電流と同じであるようにするために、プレート２１６５（したがって接続要素）の０Ｗベース温度は、たとえば４０℃まで上昇させることができる。これを、点線によって図１７Ａに示す。
【０１３６】
図１７Ｂは、０ワットと５０ワットとの間の様々なアノード電力レベルについて、アノードスタックの構成要素の周囲温度より低い基準温度の例を示す。より具体的には、図１７Ｂは、様々な管動作電力の基準温度を示す（図１７Ａの０Ｗにおいて導出され、かつ示されている）。さらに、追加の温度のずれをこの基準温度に追加することによって、同じシステムが、周囲温度の変化に対応することができる。たとえば、５０Ｗおよび２０℃において、０℃の基準デルタ温度が得られる。この基準デルタ温度が５℃に上昇した場合、このデルタ温度を２０℃に維持するために、追加の熱が供給される。しかし、２５℃では、追加の加熱は必要ない。このようにして、たとえば２０℃では、基準デルタ温度のずれが必要であり、これによって、より高い周囲温度での補償が可能になる。
【０１３７】
図１８は、本発明の他の態様による、全体を２７００と表記するＸ線ソースアセンブリの一実施形態の断面正面図を示す。Ｘ線ソースアセンブリ２７００は、Ｘ線ソース２７０５および出力光学機器２１３５を含む。光学機器２１３５は、真空Ｘ線管２１０５のＸ線透過窓２１０７に対して位置合わせされる。Ｘ線管２１０５は、再び、高電圧アノード２１２５に対向して配置される電子銃２１１を収容する。電圧が印加されたとき、電子銃２１１５が、電子ストリームの形態で電子（すなわち、上述した電子ビーム２１２０）を放出する。ＨＶアノード２１２５は、窓２１０７を透過し、かつ光学機器２１３５によって収集されるＸ線放射２１３０を生成するために、電子ストリームが上に当たるソーススポットに関する対象として作用する。電子銃２１１５およびアノード２１２５は、図１２、１４、および１５の実施形態に関して上述したように機能する。
【０１３８】
アノード２１２５は、再び、ベースアセンブリに物理的および電気的に接続され、ベースアセンブリは、誘電体ディスク２１６０を介してベースプレート２１６５’から電気的に絶縁された導体プレート２１５５を含む。ベースアセンブリの構築および機能は、図１２、１４、および１５に関して上述したベースアセンブリと同様とすることができる。高電圧導線２１７０が、所望の電力レベルをアノード２１２５に提供するように、導電性プレート２１５５に接続される。電子銃２１１５、アノード２１２５、ベースアセンブリ２１５０、および高電圧導線２１７０は、封入剤２１７５によって包含され、これらは、すべて、ハウジング２７１０内にある。ハウジング２７１０は、Ｘ線管２１０５のＸ線透過窓２１０７に位置合わせされた開口２７１２を含む。動作時、Ｘ線放射２１３０が、光学機器２１３５によって収集され、この例では、スポット２７４５に集束される２７４０。上記で留意したように、光学機器２１３５は、ポリキャピラリバンドルおよび両側湾曲結晶を含めて、様々なタイプの光学要素のいずれか１つを備えることが可能である。また、光学機器２１３５は、たとえば、Ｘ線ソースアセンブリの応用例に応じて、集束光学機器または視準光学機器を備えることが可能である。
【０１３９】
本発明の態様によれば、制御システムが、Ｘ線ソースアセンブリ２７００の内部において実施される。この制御システムは、たとえば、ハウジング２７１０内に埋め込まれて示されているプロセッサ２７１５、ならびにプロセッサ２７１５に結合される１つまたは複数のセンサおよび１つまたは複数のアクチュエータ（センサ／アクチュエータ２７２０およびアクチュエータ２７３０など）を含む。Ｘ線ソースアセンブリ２７００内のこの制御システムは、たとえば、ＨＶアノード２１２５およびベースアセンブリ２１５０の熱膨張を補償する機能を備える。この熱膨張は、光学機器２１３５に対するＸ線２１３０の位置合わせを維持するために、アノードの電力レベルを変化させる。これにより、Ｘ線ソースアセンブリ２７００は、アノードの動作レベル範囲内において、安定な強度を有するスポットサイズ２７４５を維持することが可能になる。
【０１４０】
図１９は、本発明の態様による、制御ループの一実施形態を示し、図１９Ａは、制御機能の一例を示す。図１９に示すように、１つまたは複数のセンサ２８００が、たとえば、アノードスタック温度および／またはＸ線出力強度に関するフィードバックを提供し、このフィードバックは、制御機能を実施するプロセッサ２８１０に供給される。例として、図１９Ａは、カレントポジション（current position）（Ｋ）、変化率（ｄ／ｄｔ）、および累積履歴（Ｓ）を決定することができるように、温度のずれが、温度センサ（ＴＳ）からの値と、基準温度（Ｒ）との間において判定される制御機能を示す。この比例積分微分関数の結果は、次いで合計され、出力を時間の関数（Ｏ（ｔ））として提供する。この出力は、１つまたは複数のアクチュエータ２８２０に提供される。このアクチュエータは、たとえばアノードソーススポット位置を出力構造に対して維持するため、または光学機器の出力構造を所望の値に維持するために、アノードソーススポット位置または出力構造（光学機器など）の位置の自動変更を実施する。この監視および調節のプロセスは、Ｘ線ソースアセンブリの制御システムによって連続的に繰り返すことができる。
【０１４１】
図１８に戻ると、センサ／アクチュエータ２７２０は、ベースプレート２１６５’に物理的に結合された温度アクチュエータを含むことができる。この温度アクチュエータ２７２０は、たとえば、ベースプレートに熱を追加する、またはベースプレートから熱を除去するために、ベースプレート２１６５’を加熱するおよび／または冷却するあらゆる手段を備えることができる。例として、加熱要素は、キャドドックエレクトロニクス（ＣａｄｄｏｃｋＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、カルフォルニア州リバーサイド）から入手可能なモデル番号ＭＰ８５０などの１０Ｏｈｍの電力抵抗器を備えることが可能であり、一方、適切な冷却要素は、強制空気熱シンクまたは液体ベース熱シンクを備えることが可能である。温度アクチュエータをＸ線ソースアセンブリの動作中に使用して、アノードＸ線スポットを、Ｘ線収集光学機器などの１つまたは複数の出力構造に関して最適な配向に維持することができる。ベースプレートに熱を加える、またはベースプレートから熱を除去することは、アノード電力レベルなどのアセンブリの１つまたは複数の動作条件の変化にもかかわらず、一貫した平均温度が、Ｘ線ソースアセンブリの動作中にアノードスタックにわたって維持されるように達成される。
【０１４２】
具体的には、一実施形態では、ベースアセンブリおよびＨＶアノードの熱膨張は、生成されるＸ線が、たとえばＸ線ソースアセンブリの動作範囲にわたって収集光学機器と一貫して位置合わせすることを可能にする許容度内に維持される。たとえば、ＨＶアノードおよびベースアセンブリ要素のサイズが、それを通過する熱の散逸が低減されることにより減少しないように、Ｘ線ソースアセンブリが低減された動作電力に移行するとき、加える熱を追加することが可能であり、それにより、Ｘ線と収集光学機器との最適位置合わせを維持することが可能になる。一実施形態では、加熱要素は、ベースプレートの内部に含むことができ、一方、冷却要素は、ベースプレートの曝露表面に熱的に結合することが可能である。
【０１４３】
アノードスタックにわたって一定の平均温度を維持することに関して本明細書では記述されているが、当業者なら、アノードソーススポットと出力構造との間で所望の位置合わせを維持する他の機構が存在することを理解するであろう。たとえば、メカニカルアクチュエータ２７３０を使用して、アノードソーススポットに対する収集光学機器の配向および位置決めを物理的に調節することができる。これらのアクチュエータは、プロセッサ２７１５から受信した信号に応答するように、手動で調節可能であり、または自動化することができる。他の作動制御機構も、当業者には明らかであり、本明細書において提示される請求項によって包含される。制御システムの目的は、たとえば収集光学機器の入力（すなわち焦点）に対して、アノードソーススポットの所望の配向を維持することである。通常、この所望の配向は、最高強度スポット２７４５を保証する最適配向を備える。
【０１４４】
図２０は、図１８のプロセッサ２７１５によって実施することが可能である処理の一実施形態のフローチャートである。図２０は、たとえば、アノードに加えられる電力レベルなど、１つまたは複数の動作条件に変化に応答して、ベースアセンブリに熱を加えるまたはベースアセンブリから熱を除去し、それにより、アノードスタック全体にわたって一定平均温度を維持し、したがって、放出されるＸ線を収集光学機器の入力に関して最適に位置合わせすることを可能にするために、Ｘ線ソースアセンブリの動作中にプロセッサによって周期的に繰り返されるループを表す。
【０１４５】
図２０に示すように、処理は、アノード電力レベルを読み取る２９００ことによって開始される。一実施形態では、アノードの電力レベルは、信号範囲がたとえば０と１０Ｖとの間にある２つのアナログ入力から判定することができる。１つの入力は、電力を電子銃２１１５（図１８）に供給する電源が動作している電圧に接続され、一方、第２入力は、電源によって引き出されるアンペア数に接続される。これらの２つの入力から、電子銃２１１５が動作している電力を判定することが可能であり、これもアノードの電力レベルである。
【０１４６】
処理は、次に、アノードスタックの温度ならびにソースハウジングを読み取る２９１０。上記で留意したように、アノードスタックの温度は、温度センサを使用して、ベースアセンブリのベースプレートから得ることができ、結果として得られる信号は、アセンブリ内に埋め込まれているプロセッサに再び供給される。ハウジングの温度は、温度センサを備えることもでき、この温度センサは、一実施形態では、エンクロージャの膨張または収縮を測定するために、ハウジングの表面に熱的に結合される。ハウジングの温度の測定は、監視されている光学機器または他の出力構造が、ハウジングに機械的に結合されていると想定することが望ましい。
【０１４７】
次に、処理は、読取り電力レベルについて基準温度を決定する２９２０。基準温度は、測定アノード電力レベルにおけるアノードスタックの望ましい所定の温度である。基準温度は、Ｘ線ソースアセンブリの較正手続き中に判定することができ、特定のアセンブリに固有、または複数の同一に製造されたＸ線ソースアセンブリに共通とすることが可能である。図２１は、読取り電力レベルの基準温度を調べるために使用することができる表の一実施形態を示す。図示したように、図２１の表も、アノードスタックの所望の基準温度を判定する際に考慮される他の動作条件として、ハウジングの温度を使用する。したがって、Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度およびアノード電力レベルに応じて、アノードスタックの所望の基準温度が得られる。
【０１４８】
基準温度および読取り温度は、図１９に関して上述したポジション、レート（率）、および累積履歴の制御アルゴリズムに供給される。アルゴリズムを使用して、１つまたは複数のアクチュエータ２９３０への出力を計算する。当業者なら、この機能を実施するために、比例成分微分アルゴリズムを容易に実施することができる。出力を得た後、出力は、たとえば、光学機器の入力に対するアノードソーススポット位置を維持するために、アクチュエータに提供される２９４０。
【０１４９】
１つの具体的な例として、プロセッサは、冷却ファンがある範囲の回転速度において動作して、それにより、アノードスタックのベースプレートから適切なレートで熱を除去することを可能にするパルス幅変調信号を備える信号を出力することができる。デューティサイクルは、アノードの動作電力によってパルス幅変調出力を判定することができるようなものである。第２出力により、加熱要素に供給される電力を変更し、それにより、アノードスタックのベースプレートに追加される熱量を変更することを可能にすることができる。一実施形態では、プロセッサは、比例積分微分（ＰＩＤ）アルゴリズムを実施した後、定式またはルックアップ表を使用して、アノードが現在動作している特定の電力レベルについて、アノードスタックのベースプレートを維持されるべきである温度（すなわち基準温度）を判定することができる。
【０１５０】
上述したフィードバックに基づくアルゴリズムの代替として、プロセッサは、（例として）モデルまたは予測に基づくアルゴリズムを実施することができる。予測に基づくアルゴリズムの例として、既知のソース走査曲線上の正確な開始位置を識別するために、ソースおよび光学機器を意図して誤整列させることができる。たとえば、ソースおよび光学機器の位置合わせは、ソース走査曲線上の傾きの急な位置に変位させることができ、それにより、変位を正確に測定または推測することが可能になる。その後、判定された変位を使用して、曲線のピークに戻るように、既知のソース走査曲線を使用して調節することができる。
【０１５１】
本発明について、好ましい実施形態を参照して具体的に図示および記述してきたが、当業者なら、請求項において記述される本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本発明に対して、形態および詳細の様々な変更を実施することが可能であることを理解するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を生成するアノードを有するＸ線管と、
前記アノードによって生成されるＸ線を収集し、その方向を変えるＸ線光学機器であって、Ｘ線の焦点を有するＸ線光学機器と、
Ｘ線が前記Ｘ線光学機器によって放出される元である、前記Ｘ線管を囲むハウジングと、
前記アノードによって生成されるＸ線と前記Ｘ線光学機器の焦点との位置合せを維持することによって前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を制御する制御システムと、
を備え、
前記Ｘ線光学機器は前記ハウジングに固定され、
前記制御システムは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる
ことを特徴とするＸ線ソースアセンブリ。
【請求項２】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を監視するセンサ、および監視Ｘ線出力強度を使用して前記アノードおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を制御する制御装置をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項３】
前記制御システムは、少なくとも１つのアクチュエータを備え、前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードの位置の調節および前記Ｘ線光学機器からのＸ線出力強度の制御を実施する少なくとも１つの温度アクチュエータまたはメカニカルアクチユエータを備えた
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項４】
前記Ｘ線光学機器は、ポリキャピラリ光学機器、または集束結晶の形態の集束光学機器および視準光学機器の一方を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの動作条件は、アノードの電力レベル、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度、および／または前記Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項６】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を制御する自動制御システムを備え、前記制御システムは、フィードバックまたは予測に基づく
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項７】
前記制御システムは、
アノードの電力レベルを得る手段と、
アノードの温度、前記アノードを囲むハウジングの温度、および前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度の少なくとも１つを得る手段と、
前記得られたアノードの電力レベルについて基準温度を決定する手段と、
前記アノードの温度、前記ハウジングの温度または前記周囲温度のうちの少なくとも一つと前記基準温度を使用して、前記Ｘ線光学機器に対するアノードのソーススポットの位置を制御する手段とをさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項８】
前記Ｘ線管を少なくとも部分的に閉鎖するハウジングと、
前記ハウジングにおいて前記Ｘ線管を取り付ける調節可能取付け手段とをさらに備え、
前記調節可能取付け手段により、前記Ｘ線管からのＸ線の透過を最適にするように、前記ハウジングにおいて前記Ｘ線管の位置を調整することが可能になる
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項９】
前記調節可能取付け手段は、複数のねじ込み固定具を備えた
ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１０】
前記Ｘ線管を前記ハウジングに対して位置合わせする基準点をさらに備えた
ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１１】
Ｘ線を使用して試料を分析する装置と組み合わされた請求項１乃至１０のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリであって、前記装置は、
流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させるために、前記試料をＸ線に曝露させる手段と、
前記流体の少なくとも１つの特性を決定するために、前記試料からの前記Ｘ線蛍光を分析する手段とを備えた
ことを特徴とするＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１２】
前記Ｘ線管によって生成される熱を除去するために、前記Ｘ線管に熱的に結合された熱伝導性誘電材料
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１３】
前記制御システムは、前記アノードの加熱および冷却の少なくとも一方を実施し、それにより、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置の調節を実施する温度アクチュエータ、および前記アノードのソーススポットおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を調節するメカニカルアクチユエータを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１４】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置に関するフィードバックを提供する少なくとも１つのセンサをさらに含み、前記少なくとも１つのセンサは、アノードの電力レベルを監視し、アノードの温度を直接または間接に監視し、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度を測定し、および／または前記ハウジングの温度を測定する少なくとも１つのセンサを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１５】
Ｘ線を提供する方法であって、
電子が上に当たるソーススポットを備えるアノードを含むＸ線管を有するＸ線ソースアセンブリを提供するステップと、
前記アノードの電力レベルを取得するステップと、
前記取得されたアノードの電力レベルについての基準温度を用いてＸ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置を制御するステップと、
を備え、
前記Ｘ線ソースアセンブリは前記Ｘ線管を囲むハウジングを含み、
前記ハウジングには、前記アノードによって生成されるＸ線を収集し、その方向を変えるＸ線光学機器であって、Ｘ線の焦点を有するＸ線光学機器が固定され、
前記制御するステップは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、前記Ｘ線光学機器の焦点と前記アノードのソーススポットの位置との双方の間での位置合せを維持することによって前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を維持することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記制御するステップは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置を維持するために、前記アノードのソーススポットおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を自動的に制御することを含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記Ｘ線光学機器は、ポリキャピラリＸ線光学機器、または集束結晶の形態の集束Ｘ線光学機器および視準Ｘ線光学機器の少なくとも１つを備えた
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの動作条件は、アノードの電力レベル、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度、または前記Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度を含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
Ｘ線を生成するアノードを有するＸ線管と、
前記アノードによって生成されるＸ線を収集し、その方向を変えるＸ線光学機器であって、Ｘ線の焦点を有するＸ線光学機器と、
Ｘ線が前記Ｘ線光学機器によって放出される元である、前記Ｘ線管を囲むハウジングと、
前記アノードによって生成されるＸ線と前記Ｘ線光学機器の焦点との位置合せを維持することによって前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を制御する制御システムと、
を備え、
前記Ｘ線光学機器は前記ハウジングに固定され、
前記制御システムは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、Ｘ線出力強度を維持することができる
ことを特徴とするＸ線ソースアセンブリ。
【請求項２】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を監視するセンサ、および監視Ｘ線出力強度を使用して前記アノードおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を制御する制御装置をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項３】
前記制御システムは、少なくとも１つのアクチュエータを備え、前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードの位置の調節および前記Ｘ線光学機器からのＸ線出力強度の制御を実施する少なくとも１つの温度アクチュエータまたはメカニカルアクチユエータを備えた
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項４】
前記Ｘ線光学機器は、ポリキャピラリ光学機器、または集束結晶の形態の集束光学機器および視準光学機器の一方を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの動作条件は、アノードの電力レベル、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度、および／または前記Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度を備えた
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項６】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を制御する自動制御システムを備え、前記制御システムは、フィードバックまたは予測に基づく
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項７】
前記制御システムは、
アノードの電力レベルを得る手段と、
アノードの温度、前記アノードを囲むハウジングの温度、および前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度の少なくとも１つを得る手段と、
前記得られたアノードの電力レベルについて基準温度を決定する手段と、
前記アノードの温度、前記ハウジングの温度または前記周囲温度のうちの少なくとも一つと前記基準温度を使用して、前記Ｘ線光学機器に対するアノードのソーススポットの位置を制御する手段とをさらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項８】
前記Ｘ線管を少なくとも部分的に閉鎖するハウジングと、
前記ハウジングにおいて前記Ｘ線管を取り付ける調節可能取付け手段とをさらに備え、
前記調節可能取付け手段により、前記Ｘ線管からのＸ線の透過を最適にするように、前記ハウジングにおいて前記Ｘ線管の位置を調整することが可能になる
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項９】
前記調節可能取付け手段は、複数のねじ込み固定具を備えた
ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１０】
前記Ｘ線管を前記ハウジングに対して位置合わせする基準点をさらに備えた
ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１１】
Ｘ線を使用して試料を分析する装置と組み合わされた請求項１乃至１０のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリであって、前記装置は、
流体の少なくとも１つの成分にＸ線蛍光を発生させるために、前記試料をＸ線に曝露させる手段と、
前記流体の少なくとも１つの特性を決定するために、前記試料からの前記Ｘ線蛍光を分析する手段とを備えた
ことを特徴とするＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１２】
前記Ｘ線管によって生成される熱を除去するために、前記Ｘ線管に熱的に結合された熱伝導性誘電材料
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１３】
前記制御システムは、前記アノードの加熱および冷却の少なくとも一方を実施し、それにより、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置の調節を実施する温度アクチュエータ、および前記アノードのソーススポットおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を調節するメカニカルアクチユエータを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１４】
前記制御システムは、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置に関するフィードバックを提供する少なくとも１つのセンサをさらに含み、前記少なくとも１つのセンサは、アノードの電力レベルを監視し、アノードの温度を直接または間接に監視し、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度を測定し、および／または前記ハウジングの温度を測定する少なくとも１つのセンサを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線ソースアセンブリ。
【請求項１５】
Ｘ線を提供する方法であって、
電子が上に当たるソーススポットを備えるアノードを含むＸ線管を有するＸ線ソースアセンブリを提供するステップと、
前記アノードの電力レベルを取得するステップと、
前記取得されたアノードの電力レベルについての基準温度を用いてＸ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置を制御するステップと、
を備え、
前記Ｘ線ソースアセンブリは前記Ｘ線管を囲むハウジングを含み、
前記ハウジングには、前記アノードによって生成されるＸ線を収集し、その方向を変えるＸ線光学機器であって、Ｘ線の焦点を有するＸ線光学機器が固定され、
前記制御するステップは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、前記Ｘ線光学機器の焦点と前記アノードのソーススポットの位置との双方の間での位置合せを維持することによって前記Ｘ線光学機器のＸ線出力強度を維持することを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記制御するステップは、前記Ｘ線ソースアセンブリの少なくとも１つの動作条件の変化にもかかわらず、前記Ｘ線光学機器に対する前記アノードのソーススポットの位置を維持するために、前記アノードのソーススポットおよび前記Ｘ線光学機器の少なくとも一方の位置を自動的に制御することを含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記Ｘ線光学機器は、ポリキャピラリＸ線光学機器、または集束結晶の形態の集束Ｘ線光学機器および視準Ｘ線光学機器の少なくとも１つを備えた
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの動作条件は、アノードの電力レベル、前記Ｘ線ソースアセンブリの周囲温度、または前記Ｘ線ソースアセンブリのハウジングの温度を含む
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８】
【図１９】
【図１９Ａ】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１８】
【図１９】
【図１９Ａ】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−７１１２０（Ｐ２０１１−７１１２０Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３００２７（Ｐ２０１０−２３００２７）
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【分割の表示】特願２００３−５５０５６５（Ｐ２００３−５５０５６５）の分割
【原出願日】平成１４年１２月４日（２００２．１２．４）
【出願人】（５００５７７９８７）エックス−レイ オプティカル システムズ インコーポレーテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１２日（２０１０．１０．１２）
【分割の表示】特願２００３−５５０５６５（Ｐ２００３−５５０５６５）の分割
【原出願日】平成１４年１２月４日（２００２．１２．４）
【出願人】（５００５７７９８７）エックス−レイ オプティカル システムズ インコーポレーテッド (12)
【Ｆターム（参考）】
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