炭素複合材料の支持構造
【課題】X線減衰を抑え,強靱な支持構造を有するX線窓を提供する。
【解決手段】炭素複合材料リブ１１を含むＸ線窓用の支持構造は、マトリックス中の炭素繊維を有する。支持構造は、外周および開口部を画成する支持フレーム１２と、炭素複合材料を有する複数のリブ１１であって、支持フレーム１２の開口部１５上に延在し、支持フレーム１２に搭載されるものである、複数のリブ１１と、複数のリブ１１間の開孔１４とを有することができる。膜１３は、複数のリブ１１上に配置、且つ搭載され、リブ１１全体に亘り、また開孔１４上に配置、且つ開孔１４全体に亘る。
【解決手段】炭素複合材料リブ１１を含むＸ線窓用の支持構造は、マトリックス中の炭素繊維を有する。支持構造は、外周および開口部を画成する支持フレーム１２と、炭素複合材料を有する複数のリブ１１であって、支持フレーム１２の開口部１５上に延在し、支持フレーム１２に搭載されるものである、複数のリブ１１と、複数のリブ１１間の開孔１４とを有することができる。膜１３は、複数のリブ１１上に配置、且つ搭載され、リブ１１全体に亘り、また開孔１４上に配置、且つ開孔１４全体に亘る。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
Ｘ線窓の支持構造など、支持構造に含まれる支持部材は、強靱でありながら小型であることが重要である。Ｘ線窓における支持構造は、膜（フィルム）を支持することができる。Ｘ線窓は、Ｘ線源または検出装置を包囲するために使用できる。Ｘ線窓を使用してＸ線を窓を介して透過させると共に、圧力差、例えば窓の一側面にかかる周囲空気圧とその窓の反対側の真空とを分離することもできる。
【０００２】
Ｘ線窓は支持構造で支持された薄膜を含むことができ、通常、フレームで支持されたリブから成る。この支持構造を使用して前記薄膜のたるみまたは破損を最小限に抑えることができる。前記支持構造はＸ線の透過と干渉する可能性があるため、リブをできるだけ薄く若しくは細くするとともに、前記薄膜を支持する強度を十分保つことが望ましい。前記支持構造および膜は、通常、たるみ若しくは破損することなく約１気圧の差圧に十分耐える強度が求められる。
【０００３】
支持構造には、シリコンを含有する材料が従来使用されている。そのような材料のウエハーをエッチングすると、前記支持構造を形成することができる。
【０００４】
Ｘ線窓に関連する情報は、米国特許第４，９３３，５５７号、第７，７３７，４２４号、第７，７０９，８２０号、第７，７５６，２５１号、ならびに米国特許出願第１１／７５６，９６２号、第１２／７８３，７０７号、第１２／８９９，７５０号、第１３／０１８，６６７号、第６１／４０８，４７２号、第６１／４４５，８７８号、第６１／４０８，４７２号に見られ、これらはすべてこの参照により本明細書に組み込まれる。また、Ｘ線窓に関連する情報は、「Ｔｒｉａｌ ｕｓｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ ａｓ ａ ｎｏｎ−Ｂｒａｇｇ ｗｉｎｄｏｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｘ−ｒａｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ」（Ｘ線を透過させる非ブラッグ窓材料としての炭素繊維強化プラスチックの試用）（Ｎａｋａｊｉｍａら、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ ６０（７）、ｐｐ．２４３２〜２４３５、１９８９年７月）にも見られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強靱な支持構造を提供すると有利なことがわかっている。Ｘ線窓の場合、Ｘ線の減衰を最小限に抑える支持構造を提供すると有利であると認識されている。本発明は、支持構造と、これらの必要性を満たす支持構造を作製する方法とを対象としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、本装置は、外周および開口部を画成する支持フレームと、炭素複合材料を有する複数のリブであって、前記支持フレームの前記開口部上に延在し、前記支持フレームに搭載されるものである、前記複数のリブとを有する。開孔は、前記複数のリブ間に存在する。膜は、前記複数のリブ上に配置、且つ搭載され、当該リブ全体に亘るようにでき、また前記開孔上に配置、且つ当該開孔全体に亘るようにできる。前記膜は、放射線を透過させるように構成される。
【０００７】
別の実施形態において、炭素複合材料支持構造を作製する方法は、プレッシャープレートの非粘着性面間で少なくとも１枚の炭素複合材料シートを押圧する工程と、少なくとも５０℃で前記シートを加熱し、当該シートを硬化させて炭素複合材料ウエハーにする工程とを有する。各シートの厚さは、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）にできる。次に、前記ウエハーを前記プレスから取り出し、当該ウエハーにレーザー加工で複数の開孔を作製してリブを成形する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料支持構造の概略的な横断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料支持構造の概略的な横断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料ウエハーの概略的な上面図である。
【図４】図４は、炭素複合材料支持構造の概略的な上面図であり、炭素複合材料中の炭素繊維は、本発明の一実施形態に基づき、支持フレームの開口部を横切って複数のリブの長手方向の軸方向に配列されている。
【図５】図５は、炭素複合材料を有する炭素複合材料支持構造の概略的な上面図であり、前記炭素複合材料に含まれる炭素繊維は、本発明の一実施形態に基づき、２つの異なる方向に配列されている。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に基づき、少なくとも２つの異なる断面サイズを有するリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に基づき、交差しあうリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に基づき、六角形状の開孔および六角形状のリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に基づき、六角形状の開孔と、六角形状のリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の一部の概略的な上面図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に基づき、三角形状の開孔と、三角形状のリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に基づき、一方向に延在する２つのリブと、異なる一方向に延在する２つのリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む複数の積み重ねられた支持構造の概略的な横断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む積み重ねられた支持構造の概略的な上面図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む積み重ねられた支持構造の概略的な上面図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む多層支持構造の概略的な横断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る不規則形状の支持フレームの概略的な上面図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る、不規則形状の支持フレームを伴った支持構造の概略的な上面図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係る支持フレームを伴った支持構造の概略的な上面図であり、前記支持フレームは、前記リブを完全に取り囲まない。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係るＸ線検出器の概略的な横断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に基づき、少なくとも１枚の炭素複合材料シートを押圧および加熱して炭素複合材料ウエハーを形成する工程を示す概略的な横断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る、支持フレームの上に設けられ、それにより支持されたリブの概略的な上面図である。
【図２３】図２３は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図であり、前記支持フレームは前記取り付け部の内部に面している。
【図２４】図２４は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図であり、前記支持フレームは前記取り付け部の外部に面している。
【図２５】図２５は、本発明の一実施形態に基づき、複数のリブ間に設けられた複数の交差補強体を含む炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図２６】図２６は、本発明の一実施形態に基づき、複数のリブ間に設けられた複数の交差補強体を含む炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
定義
本明細書における用語「約」は、所与の値がその端点より「わずかに大きく」または「わずかに小さく」てもよいとすることで、数値または範囲に柔軟性を与えるため使用される。
【００１０】
本明細書における用語「炭素繊維」は、炭素質量分率が少なくとも８５％、長さが少なくとも５マイクロメートル、および直径が少なくとも１マイクロメートルの実質的に円筒形の固体構造をいう。
【００１１】
本明細書において炭素繊維がリブに対して配列されることを指す用語「（の）方向に配列された」は、その炭素繊維が前記リブの長手方向の軸に実質的に配列され、前記リブの長手方向の軸に対して炭素繊維が厳密に配列される必要はないことを意味する。
【００１２】
本明細書における用語「リブ」とは支持部材を指し、それ自体で、または他のリブと連結して、直線状に、または屈曲状若しくは曲線状に、支持フレームの開口部上に延在可能である。
【００１３】
本明細書における用語「実質的に」は、作用、特徴、特性、状態、構造、単位体、または結果の完全またはほぼ完全な程度または度合いをいう。例えば、「実質的に」包囲された物体とは、その物体が完全またはほぼ完全に包囲されていることをいう。絶対的な完全性からの逸脱に関する厳密な許容度は、場合により、特定の文脈に応じて異なる。ただし、一般的に、絶対的かつ総体的な完全性が得られた場合と同じ全体的な結果を有するような完全性への近さがある。「実質的に」の使用は作用、特徴、特性、状態、構造、単位体、または結果の完全またはほぼ完全な欠如をいう否定的な意味合いで使用される場合も、等しく適用される。
【００１４】
以下、本明細書では図面に示した例示的な諸実施形態を参照し、それらを具体的な表現で説明する。ただし、これらは本発明の範囲を限定するよう意図したものではないことが理解されるであろう。本開示を所持した当業者であれば考案するであろう、本明細書で例示した進歩性のある特徴の修正形態および変更形態、ならびに本明細書で例示した本発明の原理の付加的な応用は、本発明の範囲内と見なされる。
【００１５】
図１に例示するように、支持構造１０は、支持フレーム１２および複数のリブ１１を有する態様で示されている。前記支持フレーム１２には、外周Ｐおよび開口部１５を含めることができる。前記複数のリブ１１は、炭素複合材料を有してもよく、前記支持フレーム１２の前記開口部１５上に延在可能であり、また、当該支持フレーム１２に搭載できる。開孔１４は、前記複数のリブ１１間に存在する。前記リブ１１の頂部は、実質的に共通の平面１６内で終端する。
【００１６】
前記炭素複合材料は、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有することができる。前記炭素繊維は、一実施形態において少なくとも８５％、別の一実施形態において少なくとも８８％、別の一実施形態において少なくとも９２％、または別の一実施形態において１００％の炭素質量分率を有することができる。前記炭素繊維は、ｓｐ２結合により他の炭素原子に連結された炭素原子を有することができる。前記炭素繊維は、一実施形態において少なくとも１マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも３マイクロメートル、または別の一実施形態において少なくとも５マイクロメートルの直径を有することができる。前記炭素繊維の大半、実質的にすべて、またはすべては、一実施形態において少なくとも１マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１０マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１００マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１ミリメートル、または別の一実施形態において少なくとも５ミリメートルの長さを有することができる。前記炭素繊維の大半、少なくとも８０％、実質的にすべて、またはすべては、リブに沿って配列される。前記炭素繊維の大半、少なくとも８０％、実質的にすべて、またはすべては、一実施形態において、配列の比較対象である前記リブの長さの少なくとも半分の長さを有することができ、また別の実施形態では、配列の比較対象である前記リブと少なくとも同じ長さにできる。前記炭素繊維は、実質的に直線状である。
【００１７】
一実施形態において、前記支持構造がＸ線窓として使用される場合、膜１３は、前記複数のリブ１１の上に設置および搭載し、当該リブ１１全体に亘るようにすることが可能であり、また前記開孔１４の上に設置、および当該開孔１４全体に亘るようにできる。前記膜１３は、放射線を透過させるよう構成できる。例えば、前記膜１３は、原子番号の低い材料で作製され、例えば約５〜５００マイクロメートル（μｍ）の薄さにすることができる。前記膜１３は、少なくとも１気圧の差圧で破損しない十分な強度を有するようにできる。前記膜１３は、密閉性または気密性であってよい。前記膜１３は、本明細書で説明する支持構造の１つおよびシェル（外殻構造）と組み合わせて、密閉筐体を形成する。
【００１８】
前記膜１３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、水素化ホウ素、アルミニウム、またはこれら各種材料の混合物を有することができる。前記膜１３には積層体を含めてよく、その積層中の各層は異なる材料を有することができる。
【００１９】
一実施形態において、前記膜１３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、水素化ホウ素、アルミニウム、およびこれら各種材料の混合物から成る群から選択される材料を有する薄膜上に成膜されたアルミニウム層を含む、一体的に積み重ねられた複数の層を有することができる。アルミニウムは、密閉膜を提供するガスバリアとなる。アルミニウムを使用して可視光が窓を透過するのを防ぐことが可能である。一実施形態において、前記アルミニウム層の厚さは、１０〜６０ナノメートルである。
【００２０】
前記膜１３は、前記アルミニウム層上に保護層を含むことができる。この保護層は、アルミニウムの腐食を防ぐ。この保護層は、アミノホスホン酸、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ホウリンケイ酸ガラス、フッ化炭化水素、ポリマー、ビスマレイミド、シラン、フッ素、またはこれらの組み合わせを有することができる。この保護層は、化学気相成長法、原子層成長法、スパッタ、浸漬、またはスプレーにより成膜される。ポリマーの保護層は、ポリイミドを有することができる。保護層としてのアミノホスホン酸使用については、米国特許第６，７８５，０５０号に説明されており、本文献はこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
蛍光Ｘ線分析法など一部の応用において、前記膜１３は、原子番号の低い元素、例えば水素（１）、ベリリウム（４）、ホウ素（５）、および炭素（６）を含有することが望ましい。次の材料、高配向熱分解黒鉛、ポリマー、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、および水素化ホウ素は、原子番号の低い元素である水素、ベリリウム、ホウ素、および炭素から成り、またはこれらを大きな割合で含有する。
【００２２】
一実施形態では、前記支持フレーム１２が炭素複合材料を有する。前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成できる。図１に示すように、前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、実質的に同じ厚さｔ１を有することができる。
【００２３】
図２に示すように、前記複数のリブ１１および支持フレーム１２は、別個に形成しても、別個の材料で形成しても、および／または異なる厚さ（ｔ２≠ｔ３）を有してもよい。一実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも１０％厚い
【数１】
【００２４】
。別の実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも２０％厚い
【数２】
【００２５】
。別の実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも５０％厚い
【数３】
【００２６】
。
【００２７】
製造を単純化するため、図１に示すように、単一の炭素複合材料ウエハーから１回の工程で前記リブ１１および前記支持フレーム１２を形成することが望ましい。一実施形態において、前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成された。前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１を、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成すると、製造を単純化する上で有益である。支持フレーム１２を前記リブ１１より強靭にするには、前記リブ１１および支持構造を別個に形成し、図２に示すように支持構造１２をより厚くすることが望ましい。
【００２８】
一実施形態において、前記リブ１１および／または支持フレーム１２は、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）の厚さｔおよび／または２０〜１００マイクロメートル（μｍ）の幅を有することができる。別の実施形態において、前記リブ１１および／または支持フレーム１２は、１０〜３００マイクロメートル（μｍ）の厚さｔおよび／または１０〜２００マイクロメートル（μｍ）の幅ｗを有することができる。一実施形態において、隣接しあうリブ１１同士の間隔Ｓは、１００〜７００マイクロメートル（μｍ）とできる。別の実施形態では、隣接しあうリブ同士の間隔Ｓを、７００マイクロメートル（μｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）にできる。別の実施形態において、隣接しあうリブ同士の間隔Ｓは、１ミリメートル〜１０ミリメートルであってよい。間隔Ｓを広げるほど、Ｘ線は前記窓を透過しやすくなるが、前記膜１３への支持は弱まる。また間隔Ｓを小さくするほどＸ線の減衰が増大するため望ましくないが、前記膜１３の支持は強化できる。
【００２９】
高い強度を有する炭素複合材料を支持構造に使うと、前記支持フレーム１２内の露光面積の割合を高くでき、および／またはリブ１１の全体的な高さを低減できるものであり、そのどちらも前記窓が放射線を透過させる能力を高める上で望ましい特徴である。前記開孔１４は、一実施形態において、前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内で前記複数のリブ１１より大きな面積を占めることができる。種々の実施形態において、前記開孔１４は、前記複数のリブ１１より大きな面積、すなわち前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内面積の７０％超、９０％超、７０％〜９０％、８５％〜９５％、９０％〜９９％、または９９％〜９９．９％を占めることができる。
【００３０】
前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内の面積に対し、非常に大きな割合を占める開孔を伴った諸実施形態は、膜が強靱なため必要とされる支持が最低限ですむ場合に適用できる。そのような諸実施形態は、少なくとも１つの追加支持構造、例えば付加的なポリマー支持構造が、前記炭素複合材料支持構造と前記膜１３との間に設けられる場合にも適用できる。
【００３１】
図３に示すように、炭素複合材料シート３０は、実質的に単一の方向Ａ１に配列された炭素繊維３１を有することができる。図４の支持構造４０に示すように、前記炭素複合材料中の当該炭素繊維３１は、前記開口部上で前記複数のリブ１１の長手方向の軸Ａ１の方向に配列される。
【００３２】
種々の図および実施形態では、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維３１を前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。一実施形態では、すべての前記炭素繊維３１を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、実質的にすべての前記炭素繊維３１を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、前記炭素繊維３１の少なくとも８０％を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、前記炭素繊維３１の少なくとも６０％を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。
【００３３】
前記炭素繊維３１は、一実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも５倍長い、別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１０倍長い、別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１００倍長い、または別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１０００倍長い強固な構造を有することができる。
【００３４】
一実施形態において、支持構造内の炭素複合材料は、少なくとも２枚の炭素複合材料シートの積層体を有することができる。前記積層体の少なくとも１枚のシートに含まれる炭素繊維３１は、当該積層体の他の少なくとも１枚のシートの炭素繊維３１と異なる方向に配列される。例えば、図５に示す支持構造５０には、１つの方向Ａ１に配列した炭素繊維３１ａを伴う炭素複合材料シートと、別の方向Ａ２に配列した炭素繊維３１ｂを伴う少なくとも１枚の炭素複合材料シートとが含まれる。本明細書で説明する種々の実施形態では、前記支持フレーム１２を、前記リブ１１と同じ炭素複合材料シートで作製しても、前記リブ１１と別個に、異なる材料で作製してもよい。
【００３５】
一実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも１０度である
【数４】
【００３６】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも３０度である
【数５】
【００３７】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも４５度である
【数６】
【００３８】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも６０度である
【数７】
【００３９】
。
【００４０】
別の実施形態では、前記炭素複合材料中の炭素繊維をランダムに配列できる。例えば、炭素繊維をランダムに配列したシートを使用できる。あるいは、多数のシートをランダムに配列して積み重ねてもよい。それらのシートを加圧して一体化し、切削すると、望ましい支持構造を形成できる。
【００４１】
図６に示すように、支持構造６０には、複数のサイズのリブ１１ａ〜ｅを含めることができる。例えば、各リブが異なる断面サイズを有してもよい。これは、一部のリブを幅ｗで切断し、他のリブをそれより狭い幅ｗで切断することにより達成できる。図６には、５つの異なるリブ断面サイズを示した（１１ｅ>１１ｄ>１１ｃ>１１ｂ>１１ａ）。
【００４２】
一実施形態において、前記複数のリブは、少なくとも１つの比較的小さいサイズのリブと、その断面積より少なくとも５％大きい断面積を伴う少なくとも１つの比較的大きなサイズのリブとを含む少なくとも２つの異なる断面サイズを有する。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも１０％とすることができる。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも２０％とすることができる。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも５０％とすることができる。異なるリブ断面サイズについては、２０１１年１２月６日付で出願された米国特許出願第１３／３１２，５３１号に説明されており、この出願は２０１１年２月２３日付で出願された米国仮特許出願第６１／４４５，８７８号に対して優先権を主張するもので、どちらもこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００４３】
図７に示すように、支持構造７０には、異なる方向Ａ３およびＡ４に延長するリブ１１を含めることができる。例えば、１つのリブまたはリブ群１１ｆは、１つの方向Ａ３に延長し、別のリブまたはリブ群１１ｇは別の方向Ａ４に延長する。異なる方向に延長するリブは、垂直または非垂直に交差させてもよい。炭素繊維は、前記リブの長手方向に配列している。例えば、図７では、一部の炭素繊維を１つのリブまたはリブ群１１ｆの長手方向の軸Ａ３の方向に配列させ、他の炭素繊維は別のリブまたはリブ群１１ｇの長手方向の軸Ａ３の方向に配列させることができる。一実施形態では、炭素繊維を２つの異なる方向Ａ３またはＡ４の１つに実質的に配列させることができる。
【００４４】
図８に示すように、支持構造８０には、前記支持フレーム１２の前記開口部１５上で非直線状に延在するリブ１１を含めることができる。それらのリブは、図８のように単一または複数の六角形状の開孔１４ａを形成するよう構成できる。
【００４５】
図９には、３つの異なる方向Ａ５〜７および少なくとも1つのリブ１１の長手方向の軸Ａ５〜７の方向に配列された炭素繊維を伴う支持構造９０のリブ１１を一部拡大して示している。１つの炭素繊維群３１ｈは、少なくとも１つのリブ１１ｈの方向Ａ５に配列でき、別の炭素繊維群３１ｉは、少なくとも１つのリブ１１ｉの方向Ａ６に配列でき、別の炭素繊維群３１ｊは、少なくとも１つのリブ１１ｊの方向Ａ７に配列できる。六角形状の炭素複合材料支持部材、特に炭素繊維が前記リブ１１と配列される場合、強靱な支持構造を提供する。
【００４６】
図１０は、３つの異なる方向Ａ８〜１０および少なくとも１つのリブ１１の長手方向の軸Ａ８〜１０の方向に配列された炭素繊維を伴う支持構造１００を示している。１つの炭素繊維群３１ｋは、少なくとも１つのリブ１１ｋの方向Ａ８に配列され、別の炭素繊維群３１ｍは、少なくとも１つのリブ１１ｍの方向Ａ９に配列され、別の炭素繊維群３１ｎは、少なくとも１つのリブ１１ｎの方向Ａ１０に配列されている。三角形状の炭素複合材料支持部材、特に炭素繊維が前記リブ１１と配列される場合、強靱な支持構造を提供する。
【００４７】
リブ構成の選択肢は、すべて平行か、六角形状か、三角形状か、または他の形状かにかかわらず、必要とされる強度、リブに必要な延在距離、リブにより支持される膜のタイプ、および製造可能性に応じて作製できる。
【００４８】
図１１に示すように、支持構造１１０には、少数のリブ１１、例えば異なる２方向Ａ１１〜１２にそれぞれ２つのリブ１１を含めることができる。あるいは、前記構造には、単一のリブのみ、２つの異なる方向の各々に単一のリブ、または少なくとも３つの異なる方向の各々に単一のリブを含めることができる。これは、非常に強靱で最低限の支持しか必要としない膜１３を支持する場合に望ましい。炭素繊維３１ｐおよび３１ｏは、リブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。例えば、図１１に示したように、炭素繊維３１ｏはリブ１１ｏの長手方向の軸Ａ１１の方向に配列し、炭素繊維３１ｐはリブ１１ｐの長手方向の軸Ａ１２の方向に配列できる。
【００４９】
図１２に示すように、支持構造１２０には、積み重ねられた複数の支持構造１２７〜１２８を含めることができる。一次支持構造１２７は、外周Ｐおよび開口部１５を画成する一次支持フレーム１２を有し、複数の一次リブ１１は、前記開口部１５上に延在する。当該一次リブ１１は、前記一次支持フレーム１２に搭載可能である。開孔１４は、当該一次リブ１１間に存在できる。これらのリブは、炭素複合材料を有することができる。前記一次支持構造１２７は、本明細書で説明する種々の炭素複合材料支持構造の１つに基づいて作製できる。前記一次リブ１１の頂部は、実質的に単一平面１６内で終端する。
【００５０】
二次支持構造１２８は、図１２に示すように、前記一次支持構造１２７の頂部、したがって前記一次支持構造１２７と前記膜１３との間に積み重ねることができる。あるいは、前記一次支持構造１２７を前記二次支持構造１２８の上に積み重ねることにより、前記一次支持構造１２７を前記二次支持構造１２８と前記膜との間に設けるようにもできる。前記二次支持構造１２８は、前記一次リブ１１が終端する平面１６で、前記一次支持構造１２７に合着させることができる。
【００５１】
前記二次支持構造１２８は、外周Ｐと、開口部１２５と、その開口部１２５上に延在する複数の二次リブ１２１とを形成する二次支持フレーム１２２を有することができる。前記二次リブ１２１は、前記二次支持フレーム１２２に搭載できる。開孔１２４は、前記二次リブ１２１間に存在する。前記二次支持構造１２８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１２７と膜１３との間に設けるか、または、完全に前記一次支持構造１２７と膜１３との間に設けてもよい。前記二次リブ１２１の頂部は、実質的に単一平面１２６内で終端する。
【００５２】
一実施形態において、前記二次支持フレーム１２２および前記二次支持リブ１２１は一体的に形成され、同じ材料で作製可能である。別の実施形態では、前記二次支持フレーム１２２および前記二次支持リブ１２１が一体的に形成されず、別個に作製されたのち合着され、異なる材料での作製が可能である。
【００５３】
別の実施形態において、前記一次支持フレーム１２および前記二次支持リブ１２２は単一の支持フレームであり、前記一次リブ１１および前記二次リブ１２１の双方を支持する。前記一次支持フレーム１２および前記二次支持フレーム１２２は一体的に形成でき、同じ材料で作製できる。また、前記一次支持フレーム１２、前記一次リブ１１、および前記二次支持フレーム１２２も一体的に形成でき、同じ材料で作製できる。そのため、前記二次リブ１２１は、前記一次リブ１１、前記一次支持フレーム１２、および／または前記二次支持フレーム１２２で支持することができる。
【００５４】
一実施形態において、一次リブ１１は、前記二次リブ１２１用の前記支持フレーム１２２を有する。例えば、一次支持構造１２７を形成し、二次リブ１２１を形成したのち、それらの二次リブ１２１を前記一次支持構造１２７の頂部に配置し、またはそれに合着させることができる。前記一次または二次支持構造、あるいはその双方には接着剤を噴霧でき、それら２つの支持構造を押圧して前記接着剤で一体的に接着させることができる。
【００５５】
一実施形態において、前記二次支持構造１２８はポリマーを有する。別の実施形態において、前記二次支持構造１２８は光感受性ポリイミド（感光ポリイミド）を有する。支持構造への光感受性ポリマーの使用については、米国特許第５，５７８，３６０号に説明されており、本文献はこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００５６】
図１３〜１４は、支持構造１３０および１４０を示したもので、これらの支持構造はそれぞれ一次および二次支持構造を伴う。図１３において、二次リブ１２１ａは、一次リブ１１および二次支持フレーム１３２により支持される。図１４において、二次リブ１２１ｂは、一次リブ１１および一次支持フレーム１４２により支持される。そのため、支持フレーム１４２は、一次支持フレームおよび二次支持フレームの双方として作用する。
【００５７】
図１５に示すように、支持構造１５０には、積み重ねられた複数の支持構造１５７〜１５８を含めることができる。一次支持構造１５７は、外周Ｐおよび開口部１５を画成する一次支持フレーム１２を有することができ、複数の一次リブ１１は、前記開口部１５上に延在する。当該一次リブ１１は、前記一次支持フレーム１２に搭載可能である。開孔１４は、当該一次リブ１１間に存在する。これらのリブは、炭素複合材料を有することができる。前記一次支持構造１５７は、本明細書で説明する種々の炭素複合材料支持構造の１つに基づいて作製できる。
【００５８】
二次支持構造１５８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１５７の上に設けることができる。前記二次支持構造１５８は、外周Ｐと、開口部１５５と、その開口部１５５上に延在する複数の二次リブ１５１とを形成する二次支持フレーム１５２を有することができる。前記二次リブ１５１は、前記二次支持フレーム１５８および／または前記一次リブ１１に搭載できる。開孔１５４は、前記二次リブ１５１間に存在する。前記二次支持構造１５８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１５７と膜１３との間に設けることができる。前記二次リブ１５１の頂部は、実質的に単一平面１５６内で終端する。
【００５９】
一部の二次支持構造１５１ｂは、一次リブ１１または前記一次支持構造１２と、前記膜との間に設けることができる。他のリブ１５１ａは、下方に延長させ、部分的に一次リブ間に設けることができる。この実施形態は、まず一次支持構造１５７を作製し、次に液状の光感受性ポリマーを前記一次支持構造１５７の上に注ぐことにより作製できる。この光感受性ポリマーをパターン化して造形すると、リブ１５１が形成され、また当該ポリマーを硬化させることができる。
【００６０】
積み重ねられた支持構造は、全長を大きくする際に役立つ。例えば、ポリマー支持構造を使って全長を伸ばすのは非現実的である。下層に炭素複合材料支持構造を使うと、ポリマー支持構造を必要なだけ延長できるようになる。
【００６１】
本明細書の図の大半は、円形の支持フレームを示している。円形の支持フレームを使うと比較的好都合ではあるが、本明細書で説明する種々の実施形態には他の支持フレーム形状も使用できる。図１６には、外周Ｐおよび開口部１５を伴った不規則形状の支持フレーム１６２を示す。図１７には、不規則形状の支持フレーム１６２に取り付けられたリブ１１を伴う支持構造１７０を示す。外側のリブは、前記支持フレームを形成することができる。
【００６２】
本明細書の図の大半では、リブを完全に取り囲む支持フレームを示している。外周が取り囲まれた支持フレームは、強度およびリブの支持が向上するため好適な実施形態であるが、本明細書で説明する種々の実施形態は、完全に取り囲まれた支持フレームに限定されるものではない。図１８には、支持フレーム１２に開孔１８２を有する支持構造１８０を示す。この場合、前記支持フレーム１２は、リブ１１を完全に取り囲む必要がない。図１６〜１８に示した実施形態は、本明細書で説明する支持構造の種々の実施形態に適用できる。
【００６３】
図１９に示すように、Ｘ線検出ユニット１９０には、本明細書で説明する一実施形態に係る支持構造１９５を含めることができる。膜１３は、前記支持構造１９５の上に設けることができる。前記支持構造および膜１３は、Ｘ線窓１９６を有することができる。このＸ線窓１９６は、取り付け部１９２に封着される。また、Ｘ線検出器１９１も、前記取り付け部１９２に装着できる。前記取り付け部１９２および窓１９６は、密閉された筐体を有することができる。前記窓１９６は、Ｘ線１９４の透過が可能な窓１９６を選択し、また前記検出器１９１を前記窓１９４に位置合わせするなどにより、Ｘ線１９４が前記検出器１９１に作用するよう構成することができる。一実施形態において、前記支持フレーム１２および前記取り付け部１９２は同じものであり、前記複数のリブ１１は、この支持フレーム１２および取り付け部１９２に取り付けられる。前記膜１３は前記取り付け部１９２に封着され、Ｘ線検出器１９１は前記取り付け部に取り付けることができる。前記Ｘ線窓１９６および取り付け部１９２は、比例計数管、ガス電離箱、およびＸ線管と併用することもできる。
【００６４】
図２０に示すように、取り付けられた窓２００には、取り付け部２０２に装着された支持構造２０１上に設けられた膜１３を含めることができる。前記支持構造２０１は、本明細書で説明する、炭素複合材料リブ１１を含んだ諸実施形態の１つであってよい。前記膜１３は、薄膜層２０３および外層２０５を含む一体的に積み重ねられた複数の層を有することができる。前記外層２０５には、少なくとも１つのポリマー層、少なくとも１つの水素化ホウ素層、少なくとも１つのアルミニウム層、またはこれらの層の組み合わせを含めることができる。前記薄膜２０３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、またはこれら各種材料の混合物から成る群から選択される材料を有することができる。
【００６５】
前記薄膜２０３、前記支持構造２０１、またはその双方は、取り付け部２０２への封着により密閉された接合部２０４を形成する。前記外層２０５は、前記薄膜層２０３の外周を超えて延長可能であり、前記密閉された接合部２０４を覆うことができる。この外層２０５は、前記密閉された接合部の腐食を防ぐ。
【００６６】
図２３〜２４に示すように、Ｘ線窓２３０は、取り付け部２３１に装着可能である。前記窓２３０は、前記取り付け部２３１に封着できる。前記Ｘ線窓２３０は、本明細書で説明する種々の実施形態の１つであってよい。前記窓２３０および取り付け部２３１は、内部空間２３２を包囲する。この内部空間２３２は、真空であってもよい。
【００６７】
図２３に示すように、前記複数のリブ１１は、前記膜１３と前記内部空間２３２との間に設けることができる。図２４に示すように、前記膜１３は、前記複数のリブ１１と前記内部空間２３２との間に設けることができ、その場合、当該膜１３により前記複数のリブ１１は前記内部空間２３２から分離される。
【００６８】
図２３に示すように前記リブ１１を前記膜１３と前記内部空間２３２との間に配置すると、前記膜１３をより容易に支持できるが、この実施形態は、特定の炭素複合材料の構成要素が前記内部空間２３２の前記真空中へガスを放出するため、真空度が損なわれるという欠点がある。この問題が起こるかどうかは、真空のレベルおよび炭素複合材料のタイプに応じて異なる。
【００６９】
炭素複合材料の構成要素が前記内部空間２３２へガスを放出するという上記の問題を解決する方法の１つは、前記膜１３を前記リブ１１と前記内部空間２３２との間に配置することである。この設計の難点は、前記窓２３０および取り付け部２３１外のガス圧により、前記膜１３が前記支持構造１２および／またはリブ１１から遠ざかる方向へ押し込まれることである。そのため、図２４の実施形態の場合は、前記膜１３と前記リブ１１および／または支持構造１２との間の接合をより強力にしなければならない可能性がある。
【００７０】
前記膜１３と、前記リブ１１および／または支持構造１２との間の前記接合は、ポリイミドまたは他の高強度接着剤を使うことで、より強力にできる。接着剤は、前記窓が曝される望ましい温度をもたらすように選択しなければならない。また、ガスを放出しない接着剤を選択する必要がある。前記膜１３と、前記リブ１１および／または支持構造１２との間の前記接合は、前記リブ１１、支持構造１２、および／または膜１３の表面を、当該表面を接合する前に処理することで改善できる。この表面処理には、水酸化カリウム溶液または酸素プラズマの使用などが含まれる。
【００７１】
炭素複合材料の前記内部空間２３２へガスを放出する問題を解決するもう１つの方法は、ガスを放出しない、またはガス放出が最低限に抑えられる炭素複合材料を選択することである。ポリイミドおよび／またはビスマレイミドを含有するマトリックスに埋め込まれた炭素繊維を含む炭素複合材料は、ガス放出量が低いため好ましい。また、ポリイミドおよびビスマレイミドは、高温に耐える能力および構造的強度からも適切である。
【００７２】
図２５〜２６のＸ線窓２５０および２６０に示すように、複数のリブ１１ｒは、実質的に直線状で互いに平行であり、支持フレームの開口部を横切って配列されている。前記窓２５０および２６０は、前記複数のリブの隣接しあうリブ間に延在する複数の中間支持交差補強体２５１をさらに有することができる。これらの交差補強体２５１は、当該支持フレームの開口部全長にわたることなく、隣接しあうリブ間の開孔の範囲にわたる。これらの交差補強体２５１は、炭素複合材料を有してよい。これら複数の交差補強体２５１は、前記複数のリブ１１ｒに実質的に垂直にできる。
【００７３】
前記交差補強体２５１は、隣接する開孔に設けられた隣接する交差補強体２５１に対し横方向にオフセットすることにより、セグメント化されて互いに不連続になるようにできる。例えば図２５では、中央の交差補強体２５１ａが一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられ、前記開口部１４の幅のほぼ中点に配置されている。その外側の交差補強体２５１ｂは、一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられ、前記開口部１４の幅の中点からオフセットされている。そのため、中央の交差補強体２５１ａおよび外側の交差補強体２１５ｂは、どちらも一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられているが、前記中央の交差補強体２５１ａは、外側の交差補強体２１５ｂと比べ、異なるリブ１１ｒ同士の間に交互に配置される。
【００７４】
前記交差補強体２５１は、前記開口部を横切る前記リブと平行な直線距離上で、前記支持フレームから約３分の１の位置に配置できる。これらの交差補強体２５１は、隣接する開孔に設けられた隣接する交差補強体２５１に対し横方向にオフセットすることにより、セグメント化されて互いに不連続になるようにできる。例えば図２６では、上方の交差補強体２５１ｃ（それぞれ、この図の上方部分に位置することから上方という）は、一対のリブ１１ｒ間に交互に設けることができ、前記開口部１４を横切る距離の約３分の１の位置に配置できる。下方の交差補強体２５１ｄ（それぞれ、この図の下方部分に位置することから下方という）は、前記上方の交差補強体２５１ｃが設けられる交互のリブ１１ｒ対とは異なる一対のリブ１１ｒ間に交互に設けることができる。下方の交差補強体２５１ｄは、前記開口部１４を横切る距離の約３分の１の位置に配置できるが、この３分の１の距離は、前記上方の交差補強体２５１ｃに対し、前記開口部の反対側からのものである。
【００７５】
作成方法
複数（または単一）の炭素複合材料シートを使用して炭素複合材料ウエハーを作製できる。炭素複合材料は、その強靱性からＸ線窓に必要な小寸法のリブを切断加工で作製することが難しい。リブは、レーザー加工（レーザーアブレーションまたはレーザー切断とも呼ばれる）により、望ましいパターンでウエハー内に作製できる。
【００７６】
最適なマトリックス材料は、用途に基づき選択できる。ポリイミドおよび／またはビスマレイミドを含有するマトリックスに埋め込まれた炭素繊維を含む炭素複合材料は、ガス放出量が低く、耐熱性があり、構造的強度が高いため好ましい。
【００７７】
十分長い炭素繊維を伴う複合材料を選択すると、構造的強度を改善できる。前記窓の前記開口部上に延在する炭素繊維は、一部の用途に好適である。
【００７８】
１または複数の炭素複合材料シートは、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有することができる。前記マトリックスは、ポリイミドなどのポリマーを有することができる。前記マトリックスは、ビスマレイミドを含有することができる。前記マトリックスは、非晶質炭素または水素化非晶質炭素を含有することができる。前記マトリックスは、セラミックを含有することができる。そのセラミックは、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、または窒化アルミニウムを有することができる。
【００７９】
一実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の１０〜４０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。別の実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の４０〜６０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。別の実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の６０〜８０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。前記炭素複合材料中の炭素繊維は、実質的に直線状にできる。
【００８０】
炭素ウエハーは、高温で、例えばオーブンで、プレッシャープレート間に少なくとも１つの炭素複合材料シートを入れて、押圧により形成できる。あるいは、ローラーを使って前記シートを押圧してもよい。前記シートを加熱するには、前記プレッシャープレートまたはローラーを加熱する。前記シートは、少なくとも５０℃まで加熱できる。単一のシートを使っても、複数のシートを使ってもよい。前記炭素複合材料シート中の炭素繊維は、ランダムに配列、単一方向に配列、２つの異なる方向に配列、３つの異なる方向に配列、または３つより多くの異なる方向に配列することができる。
【００８１】
前記炭素複合材料シート押圧前には、当該シートの一面にポリイミドの層（例えば、圧力で）を接合できる。前記ポリイミド層は、炭素複合材料シート間、または炭素複合材料シート積層体の外面に配置できる。前記ポリイミド層を前記炭素複合材料シートとともに切断してリブを作製し、最終的な支持構造の一部として永続的に保つことができる。前記ポリイミド膜の層の厚さは、一実施形態において５〜２０マイクロメートルである。このポリイミド層の目的の１つは、前記炭素複合材料シートの片面を平滑にして、前記Ｘ線窓膜の接合をより容易にすることである。もう一つの目的は、最終的なリブ強度を改善することである。ポリイミドの層は、別の適切なポリマーで置き換えてもよい。ポリマーに望まれる２つの特徴は、耐熱性および高強度である。
【００８２】
一実施形態において、積層体中の単一シートの炭素繊維または全シートの炭素繊維は、単一方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、当該リブの長手方向の軸が前記炭素繊維の方向に配列するように切断される。
【００８３】
別の実施形態では、少なくとも２枚の炭素複合材料シートが積み重ねられて押圧され、ウエハーが作製される。少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第１の方向に配列され、他の少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第２の方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第１の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第２のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第２の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断される。一実施形態において、その２つの異なる方向がなす角度は、少なくとも１０度である。別の実施形態において、前記２つの異なる方向がなす角度は、少なくとも６０度である。別の実施形態において、前記２つの異なる方向がなす角度は、約９０度である。
【００８４】
別の実施形態では、少なくとも３枚の炭素複合材料シートが積み重ねられて押圧され、ウエハーが作製される。少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第１の方向に配列され、少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第２の方向に配列され、少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第３の方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第１の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第２のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第２の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第３のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第３の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断される。その任意の２つの異なる方向がなす角度は、約１２０度にできる。前記構造は、六角形状または三角形状の開孔を形成することができる。
【００８５】
一実施形態において、積層体中の各炭素複合材料シートの厚さは、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）とできる。
【００８６】
前記炭素複合材料シートを押圧してウエハーにするため使用されるプレートは、当該炭素複合材料シートに面する非粘着性の表面を有することができる。前記プレートは、フッ素化されたシリコン平面を前記シートに面して有することができる。例えば、図２１では、２枚のプレート２１１と、これら２枚のプレート２１１にはさまれた少なくとも１枚の炭素複合材料シート２１２とを含むプレス２１０を示している。前記炭素複合材料シート２１２には、ポリイミドまたは他のポリマーの層を含めることができる。
【００８７】
前記炭素複合材料シート２１２に圧力Ｐをかけると、その炭素複合材料シート（と、任意選択でポリイミドなどのポリマーの層と）は少なくとも５０℃の温度に加熱され、前記炭素複合材料シートが硬化して炭素複合材料ウエハーになる。温度、圧力、および時間は、前記シートの厚さ、シート数、マトリックス材料、および前記ウエハーに望まれる最終的な特徴に応じて調整できる。例えば、ポリイミドマトリックス中で炭素繊維を有する炭素複合材料シートは、圧力２００〜３０００ｐｓｉ、温度１２０〜２００℃、およびシートの初期厚さ１８０マイクロメートル（μｍ）でウエハーへと加工された。
【００８８】
前記ウエハーは、前記プレスから取り出したのち切断して、リブおよび／または支持フレームへと成形できる。前記ウエハーは、レーザー加工またはレーザーアブレーションで切断できる。高出力レーザーの短パルスを使うと、超高速レーザーアブレーションにより材料を焼灼して開孔を形成できる。フェムト秒レーザーも使用できる高出力レーザーの短パルスによるウエハー材料のアブレーションを使うと、前記炭素複合材料に含まれるポリマー材料の過熱を防ぐことができる。あるいは、非パルスレーザーを使い、伝導または対流によるを除熱など他の方法で前記ウエハーを冷却することもできる。前記ウエハーは、その上に水または空気を流して冷却できる。上記の冷却方法は、付加的な冷却が必要な場合、レーザーパルス、例えばフェムト秒レーザーと併用することもできる。
【００８９】
レーザー成形される前記リブは、単一または複数の元の炭素複合材料層から成形でき、少なくとも１つのポリイミド層を含んでよい。ポリイミド層が前記積層体に使用される場合、前記リブは炭素複合材料およびポリイミドを有することができるため、ポリイミドリブが前記炭素複合材料リブに合着および配列されることになる。
【００９０】
図２２の支持構造２２０に示すように、リブ１１は、前記支持構造１２と別個に形成できる。次いで、前記支持フレーム１２の上にリブ１１を載置できる。接着剤を使用すると、前記リブを定位置に保持できる。前記支持フレーム１２は、一材料のリングまたは取り付け部、例えば図１９に示した取り付け部１９２または図２０に示した取り付け部２０２とすることができる。
【００９１】
言うまでもなく、以上参照した構成は、単に本発明の原理の応用を例示したものである。本発明の要旨を逸脱しない範囲で、多数の変更形態および代替構成が考案可能である。以上、現時点で最も実用的かつ好適な本発明の実施形態に関連付け、具体性と詳細をもって本発明を図面で示し完全に説明してきたが、当業者であれば、本明細書に記載した本発明の原理および概念を逸脱しない範囲で多数の変更形態が可能であることが明確に理解されるであろう。
【背景技術】
【０００１】
Ｘ線窓の支持構造など、支持構造に含まれる支持部材は、強靱でありながら小型であることが重要である。Ｘ線窓における支持構造は、膜（フィルム）を支持することができる。Ｘ線窓は、Ｘ線源または検出装置を包囲するために使用できる。Ｘ線窓を使用してＸ線を窓を介して透過させると共に、圧力差、例えば窓の一側面にかかる周囲空気圧とその窓の反対側の真空とを分離することもできる。
【０００２】
Ｘ線窓は支持構造で支持された薄膜を含むことができ、通常、フレームで支持されたリブから成る。この支持構造を使用して前記薄膜のたるみまたは破損を最小限に抑えることができる。前記支持構造はＸ線の透過と干渉する可能性があるため、リブをできるだけ薄く若しくは細くするとともに、前記薄膜を支持する強度を十分保つことが望ましい。前記支持構造および膜は、通常、たるみ若しくは破損することなく約１気圧の差圧に十分耐える強度が求められる。
【０００３】
支持構造には、シリコンを含有する材料が従来使用されている。そのような材料のウエハーをエッチングすると、前記支持構造を形成することができる。
【０００４】
Ｘ線窓に関連する情報は、米国特許第４，９３３，５５７号、第７，７３７，４２４号、第７，７０９，８２０号、第７，７５６，２５１号、ならびに米国特許出願第１１／７５６，９６２号、第１２／７８３，７０７号、第１２／８９９，７５０号、第１３／０１８，６６７号、第６１／４０８，４７２号、第６１／４４５，８７８号、第６１／４０８，４７２号に見られ、これらはすべてこの参照により本明細書に組み込まれる。また、Ｘ線窓に関連する情報は、「Ｔｒｉａｌ ｕｓｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ ａｓ ａ ｎｏｎ−Ｂｒａｇｇ ｗｉｎｄｏｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｘ−ｒａｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ」（Ｘ線を透過させる非ブラッグ窓材料としての炭素繊維強化プラスチックの試用）（Ｎａｋａｊｉｍａら、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ ６０（７）、ｐｐ．２４３２〜２４３５、１９８９年７月）にも見られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強靱な支持構造を提供すると有利なことがわかっている。Ｘ線窓の場合、Ｘ線の減衰を最小限に抑える支持構造を提供すると有利であると認識されている。本発明は、支持構造と、これらの必要性を満たす支持構造を作製する方法とを対象としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、本装置は、外周および開口部を画成する支持フレームと、炭素複合材料を有する複数のリブであって、前記支持フレームの前記開口部上に延在し、前記支持フレームに搭載されるものである、前記複数のリブとを有する。開孔は、前記複数のリブ間に存在する。膜は、前記複数のリブ上に配置、且つ搭載され、当該リブ全体に亘るようにでき、また前記開孔上に配置、且つ当該開孔全体に亘るようにできる。前記膜は、放射線を透過させるように構成される。
【０００７】
別の実施形態において、炭素複合材料支持構造を作製する方法は、プレッシャープレートの非粘着性面間で少なくとも１枚の炭素複合材料シートを押圧する工程と、少なくとも５０℃で前記シートを加熱し、当該シートを硬化させて炭素複合材料ウエハーにする工程とを有する。各シートの厚さは、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）にできる。次に、前記ウエハーを前記プレスから取り出し、当該ウエハーにレーザー加工で複数の開孔を作製してリブを成形する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料支持構造の概略的な横断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料支持構造の概略的な横断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る炭素複合材料ウエハーの概略的な上面図である。
【図４】図４は、炭素複合材料支持構造の概略的な上面図であり、炭素複合材料中の炭素繊維は、本発明の一実施形態に基づき、支持フレームの開口部を横切って複数のリブの長手方向の軸方向に配列されている。
【図５】図５は、炭素複合材料を有する炭素複合材料支持構造の概略的な上面図であり、前記炭素複合材料に含まれる炭素繊維は、本発明の一実施形態に基づき、２つの異なる方向に配列されている。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に基づき、少なくとも２つの異なる断面サイズを有するリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に基づき、交差しあうリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に基づき、六角形状の開孔および六角形状のリブを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に基づき、六角形状の開孔と、六角形状のリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の一部の概略的な上面図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に基づき、三角形状の開孔と、三角形状のリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に基づき、一方向に延在する２つのリブと、異なる一方向に延在する２つのリブと、前記リブの長手方向の軸方向に配列された炭素繊維とを伴った炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む複数の積み重ねられた支持構造の概略的な横断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む積み重ねられた支持構造の概略的な上面図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む積み重ねられた支持構造の概略的な上面図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る、炭素複合材料支持構造を含む多層支持構造の概略的な横断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る不規則形状の支持フレームの概略的な上面図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る、不規則形状の支持フレームを伴った支持構造の概略的な上面図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係る支持フレームを伴った支持構造の概略的な上面図であり、前記支持フレームは、前記リブを完全に取り囲まない。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係るＸ線検出器の概略的な横断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に基づき、少なくとも１枚の炭素複合材料シートを押圧および加熱して炭素複合材料ウエハーを形成する工程を示す概略的な横断面図である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る、支持フレームの上に設けられ、それにより支持されたリブの概略的な上面図である。
【図２３】図２３は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図であり、前記支持フレームは前記取り付け部の内部に面している。
【図２４】図２４は、本発明の一実施形態に係る、取り付け部に装着されたＸ線窓の概略的な横断面図であり、前記支持フレームは前記取り付け部の外部に面している。
【図２５】図２５は、本発明の一実施形態に基づき、複数のリブ間に設けられた複数の交差補強体を含む炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【図２６】図２６は、本発明の一実施形態に基づき、複数のリブ間に設けられた複数の交差補強体を含む炭素複合材料支持構造の概略的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
定義
本明細書における用語「約」は、所与の値がその端点より「わずかに大きく」または「わずかに小さく」てもよいとすることで、数値または範囲に柔軟性を与えるため使用される。
【００１０】
本明細書における用語「炭素繊維」は、炭素質量分率が少なくとも８５％、長さが少なくとも５マイクロメートル、および直径が少なくとも１マイクロメートルの実質的に円筒形の固体構造をいう。
【００１１】
本明細書において炭素繊維がリブに対して配列されることを指す用語「（の）方向に配列された」は、その炭素繊維が前記リブの長手方向の軸に実質的に配列され、前記リブの長手方向の軸に対して炭素繊維が厳密に配列される必要はないことを意味する。
【００１２】
本明細書における用語「リブ」とは支持部材を指し、それ自体で、または他のリブと連結して、直線状に、または屈曲状若しくは曲線状に、支持フレームの開口部上に延在可能である。
【００１３】
本明細書における用語「実質的に」は、作用、特徴、特性、状態、構造、単位体、または結果の完全またはほぼ完全な程度または度合いをいう。例えば、「実質的に」包囲された物体とは、その物体が完全またはほぼ完全に包囲されていることをいう。絶対的な完全性からの逸脱に関する厳密な許容度は、場合により、特定の文脈に応じて異なる。ただし、一般的に、絶対的かつ総体的な完全性が得られた場合と同じ全体的な結果を有するような完全性への近さがある。「実質的に」の使用は作用、特徴、特性、状態、構造、単位体、または結果の完全またはほぼ完全な欠如をいう否定的な意味合いで使用される場合も、等しく適用される。
【００１４】
以下、本明細書では図面に示した例示的な諸実施形態を参照し、それらを具体的な表現で説明する。ただし、これらは本発明の範囲を限定するよう意図したものではないことが理解されるであろう。本開示を所持した当業者であれば考案するであろう、本明細書で例示した進歩性のある特徴の修正形態および変更形態、ならびに本明細書で例示した本発明の原理の付加的な応用は、本発明の範囲内と見なされる。
【００１５】
図１に例示するように、支持構造１０は、支持フレーム１２および複数のリブ１１を有する態様で示されている。前記支持フレーム１２には、外周Ｐおよび開口部１５を含めることができる。前記複数のリブ１１は、炭素複合材料を有してもよく、前記支持フレーム１２の前記開口部１５上に延在可能であり、また、当該支持フレーム１２に搭載できる。開孔１４は、前記複数のリブ１１間に存在する。前記リブ１１の頂部は、実質的に共通の平面１６内で終端する。
【００１６】
前記炭素複合材料は、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有することができる。前記炭素繊維は、一実施形態において少なくとも８５％、別の一実施形態において少なくとも８８％、別の一実施形態において少なくとも９２％、または別の一実施形態において１００％の炭素質量分率を有することができる。前記炭素繊維は、ｓｐ２結合により他の炭素原子に連結された炭素原子を有することができる。前記炭素繊維は、一実施形態において少なくとも１マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも３マイクロメートル、または別の一実施形態において少なくとも５マイクロメートルの直径を有することができる。前記炭素繊維の大半、実質的にすべて、またはすべては、一実施形態において少なくとも１マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１０マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１００マイクロメートル、別の一実施形態において少なくとも１ミリメートル、または別の一実施形態において少なくとも５ミリメートルの長さを有することができる。前記炭素繊維の大半、少なくとも８０％、実質的にすべて、またはすべては、リブに沿って配列される。前記炭素繊維の大半、少なくとも８０％、実質的にすべて、またはすべては、一実施形態において、配列の比較対象である前記リブの長さの少なくとも半分の長さを有することができ、また別の実施形態では、配列の比較対象である前記リブと少なくとも同じ長さにできる。前記炭素繊維は、実質的に直線状である。
【００１７】
一実施形態において、前記支持構造がＸ線窓として使用される場合、膜１３は、前記複数のリブ１１の上に設置および搭載し、当該リブ１１全体に亘るようにすることが可能であり、また前記開孔１４の上に設置、および当該開孔１４全体に亘るようにできる。前記膜１３は、放射線を透過させるよう構成できる。例えば、前記膜１３は、原子番号の低い材料で作製され、例えば約５〜５００マイクロメートル（μｍ）の薄さにすることができる。前記膜１３は、少なくとも１気圧の差圧で破損しない十分な強度を有するようにできる。前記膜１３は、密閉性または気密性であってよい。前記膜１３は、本明細書で説明する支持構造の１つおよびシェル（外殻構造）と組み合わせて、密閉筐体を形成する。
【００１８】
前記膜１３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、水素化ホウ素、アルミニウム、またはこれら各種材料の混合物を有することができる。前記膜１３には積層体を含めてよく、その積層中の各層は異なる材料を有することができる。
【００１９】
一実施形態において、前記膜１３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、水素化ホウ素、アルミニウム、およびこれら各種材料の混合物から成る群から選択される材料を有する薄膜上に成膜されたアルミニウム層を含む、一体的に積み重ねられた複数の層を有することができる。アルミニウムは、密閉膜を提供するガスバリアとなる。アルミニウムを使用して可視光が窓を透過するのを防ぐことが可能である。一実施形態において、前記アルミニウム層の厚さは、１０〜６０ナノメートルである。
【００２０】
前記膜１３は、前記アルミニウム層上に保護層を含むことができる。この保護層は、アルミニウムの腐食を防ぐ。この保護層は、アミノホスホン酸、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ホウリンケイ酸ガラス、フッ化炭化水素、ポリマー、ビスマレイミド、シラン、フッ素、またはこれらの組み合わせを有することができる。この保護層は、化学気相成長法、原子層成長法、スパッタ、浸漬、またはスプレーにより成膜される。ポリマーの保護層は、ポリイミドを有することができる。保護層としてのアミノホスホン酸使用については、米国特許第６，７８５，０５０号に説明されており、本文献はこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
蛍光Ｘ線分析法など一部の応用において、前記膜１３は、原子番号の低い元素、例えば水素（１）、ベリリウム（４）、ホウ素（５）、および炭素（６）を含有することが望ましい。次の材料、高配向熱分解黒鉛、ポリマー、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、および水素化ホウ素は、原子番号の低い元素である水素、ベリリウム、ホウ素、および炭素から成り、またはこれらを大きな割合で含有する。
【００２２】
一実施形態では、前記支持フレーム１２が炭素複合材料を有する。前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成できる。図１に示すように、前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、実質的に同じ厚さｔ１を有することができる。
【００２３】
図２に示すように、前記複数のリブ１１および支持フレーム１２は、別個に形成しても、別個の材料で形成しても、および／または異なる厚さ（ｔ２≠ｔ３）を有してもよい。一実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも１０％厚い
【数１】
【００２４】
。別の実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも２０％厚い
【数２】
【００２５】
。別の実施形態では、前記支持フレーム１２の厚さｔ３は、前記リブ１１の厚さｔ２より少なくとも５０％厚い
【数３】
【００２６】
。
【００２７】
製造を単純化するため、図１に示すように、単一の炭素複合材料ウエハーから１回の工程で前記リブ１１および前記支持フレーム１２を形成することが望ましい。一実施形態において、前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１は、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成された。前記支持フレーム１２および前記複数のリブ１１を、少なくとも１つの炭素複合材料層から一体的に形成すると、製造を単純化する上で有益である。支持フレーム１２を前記リブ１１より強靭にするには、前記リブ１１および支持構造を別個に形成し、図２に示すように支持構造１２をより厚くすることが望ましい。
【００２８】
一実施形態において、前記リブ１１および／または支持フレーム１２は、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）の厚さｔおよび／または２０〜１００マイクロメートル（μｍ）の幅を有することができる。別の実施形態において、前記リブ１１および／または支持フレーム１２は、１０〜３００マイクロメートル（μｍ）の厚さｔおよび／または１０〜２００マイクロメートル（μｍ）の幅ｗを有することができる。一実施形態において、隣接しあうリブ１１同士の間隔Ｓは、１００〜７００マイクロメートル（μｍ）とできる。別の実施形態では、隣接しあうリブ同士の間隔Ｓを、７００マイクロメートル（μｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）にできる。別の実施形態において、隣接しあうリブ同士の間隔Ｓは、１ミリメートル〜１０ミリメートルであってよい。間隔Ｓを広げるほど、Ｘ線は前記窓を透過しやすくなるが、前記膜１３への支持は弱まる。また間隔Ｓを小さくするほどＸ線の減衰が増大するため望ましくないが、前記膜１３の支持は強化できる。
【００２９】
高い強度を有する炭素複合材料を支持構造に使うと、前記支持フレーム１２内の露光面積の割合を高くでき、および／またはリブ１１の全体的な高さを低減できるものであり、そのどちらも前記窓が放射線を透過させる能力を高める上で望ましい特徴である。前記開孔１４は、一実施形態において、前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内で前記複数のリブ１１より大きな面積を占めることができる。種々の実施形態において、前記開孔１４は、前記複数のリブ１１より大きな面積、すなわち前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内面積の７０％超、９０％超、７０％〜９０％、８５％〜９５％、９０％〜９９％、または９９％〜９９．９％を占めることができる。
【００３０】
前記支持フレーム１２の前記外周Ｐ内の面積に対し、非常に大きな割合を占める開孔を伴った諸実施形態は、膜が強靱なため必要とされる支持が最低限ですむ場合に適用できる。そのような諸実施形態は、少なくとも１つの追加支持構造、例えば付加的なポリマー支持構造が、前記炭素複合材料支持構造と前記膜１３との間に設けられる場合にも適用できる。
【００３１】
図３に示すように、炭素複合材料シート３０は、実質的に単一の方向Ａ１に配列された炭素繊維３１を有することができる。図４の支持構造４０に示すように、前記炭素複合材料中の当該炭素繊維３１は、前記開口部上で前記複数のリブ１１の長手方向の軸Ａ１の方向に配列される。
【００３２】
種々の図および実施形態では、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維３１を前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。一実施形態では、すべての前記炭素繊維３１を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、実質的にすべての前記炭素繊維３１を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、前記炭素繊維３１の少なくとも８０％を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。別の実施形態では、前記炭素繊維３１の少なくとも６０％を、前記複数のリブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。
【００３３】
前記炭素繊維３１は、一実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも５倍長い、別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１０倍長い、別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１００倍長い、または別の実施形態において当該炭素繊維の直径より少なくとも１０００倍長い強固な構造を有することができる。
【００３４】
一実施形態において、支持構造内の炭素複合材料は、少なくとも２枚の炭素複合材料シートの積層体を有することができる。前記積層体の少なくとも１枚のシートに含まれる炭素繊維３１は、当該積層体の他の少なくとも１枚のシートの炭素繊維３１と異なる方向に配列される。例えば、図５に示す支持構造５０には、１つの方向Ａ１に配列した炭素繊維３１ａを伴う炭素複合材料シートと、別の方向Ａ２に配列した炭素繊維３１ｂを伴う少なくとも１枚の炭素複合材料シートとが含まれる。本明細書で説明する種々の実施形態では、前記支持フレーム１２を、前記リブ１１と同じ炭素複合材料シートで作製しても、前記リブ１１と別個に、異なる材料で作製してもよい。
【００３５】
一実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも１０度である
【数４】
【００３６】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも３０度である
【数５】
【００３７】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも４５度である
【数６】
【００３８】
。別の実施形態において、異なる方向に配列した炭素繊維３１を有するシート間の角度は、少なくとも６０度である
【数７】
【００３９】
。
【００４０】
別の実施形態では、前記炭素複合材料中の炭素繊維をランダムに配列できる。例えば、炭素繊維をランダムに配列したシートを使用できる。あるいは、多数のシートをランダムに配列して積み重ねてもよい。それらのシートを加圧して一体化し、切削すると、望ましい支持構造を形成できる。
【００４１】
図６に示すように、支持構造６０には、複数のサイズのリブ１１ａ〜ｅを含めることができる。例えば、各リブが異なる断面サイズを有してもよい。これは、一部のリブを幅ｗで切断し、他のリブをそれより狭い幅ｗで切断することにより達成できる。図６には、５つの異なるリブ断面サイズを示した（１１ｅ>１１ｄ>１１ｃ>１１ｂ>１１ａ）。
【００４２】
一実施形態において、前記複数のリブは、少なくとも１つの比較的小さいサイズのリブと、その断面積より少なくとも５％大きい断面積を伴う少なくとも１つの比較的大きなサイズのリブとを含む少なくとも２つの異なる断面サイズを有する。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも１０％とすることができる。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも２０％とすることができる。別の実施形態では、異なるリブ同士の断面積の差を少なくとも５０％とすることができる。異なるリブ断面サイズについては、２０１１年１２月６日付で出願された米国特許出願第１３／３１２，５３１号に説明されており、この出願は２０１１年２月２３日付で出願された米国仮特許出願第６１／４４５，８７８号に対して優先権を主張するもので、どちらもこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００４３】
図７に示すように、支持構造７０には、異なる方向Ａ３およびＡ４に延長するリブ１１を含めることができる。例えば、１つのリブまたはリブ群１１ｆは、１つの方向Ａ３に延長し、別のリブまたはリブ群１１ｇは別の方向Ａ４に延長する。異なる方向に延長するリブは、垂直または非垂直に交差させてもよい。炭素繊維は、前記リブの長手方向に配列している。例えば、図７では、一部の炭素繊維を１つのリブまたはリブ群１１ｆの長手方向の軸Ａ３の方向に配列させ、他の炭素繊維は別のリブまたはリブ群１１ｇの長手方向の軸Ａ３の方向に配列させることができる。一実施形態では、炭素繊維を２つの異なる方向Ａ３またはＡ４の１つに実質的に配列させることができる。
【００４４】
図８に示すように、支持構造８０には、前記支持フレーム１２の前記開口部１５上で非直線状に延在するリブ１１を含めることができる。それらのリブは、図８のように単一または複数の六角形状の開孔１４ａを形成するよう構成できる。
【００４５】
図９には、３つの異なる方向Ａ５〜７および少なくとも1つのリブ１１の長手方向の軸Ａ５〜７の方向に配列された炭素繊維を伴う支持構造９０のリブ１１を一部拡大して示している。１つの炭素繊維群３１ｈは、少なくとも１つのリブ１１ｈの方向Ａ５に配列でき、別の炭素繊維群３１ｉは、少なくとも１つのリブ１１ｉの方向Ａ６に配列でき、別の炭素繊維群３１ｊは、少なくとも１つのリブ１１ｊの方向Ａ７に配列できる。六角形状の炭素複合材料支持部材、特に炭素繊維が前記リブ１１と配列される場合、強靱な支持構造を提供する。
【００４６】
図１０は、３つの異なる方向Ａ８〜１０および少なくとも１つのリブ１１の長手方向の軸Ａ８〜１０の方向に配列された炭素繊維を伴う支持構造１００を示している。１つの炭素繊維群３１ｋは、少なくとも１つのリブ１１ｋの方向Ａ８に配列され、別の炭素繊維群３１ｍは、少なくとも１つのリブ１１ｍの方向Ａ９に配列され、別の炭素繊維群３１ｎは、少なくとも１つのリブ１１ｎの方向Ａ１０に配列されている。三角形状の炭素複合材料支持部材、特に炭素繊維が前記リブ１１と配列される場合、強靱な支持構造を提供する。
【００４７】
リブ構成の選択肢は、すべて平行か、六角形状か、三角形状か、または他の形状かにかかわらず、必要とされる強度、リブに必要な延在距離、リブにより支持される膜のタイプ、および製造可能性に応じて作製できる。
【００４８】
図１１に示すように、支持構造１１０には、少数のリブ１１、例えば異なる２方向Ａ１１〜１２にそれぞれ２つのリブ１１を含めることができる。あるいは、前記構造には、単一のリブのみ、２つの異なる方向の各々に単一のリブ、または少なくとも３つの異なる方向の各々に単一のリブを含めることができる。これは、非常に強靱で最低限の支持しか必要としない膜１３を支持する場合に望ましい。炭素繊維３１ｐおよび３１ｏは、リブ１１の長手方向の軸方向に配列できる。例えば、図１１に示したように、炭素繊維３１ｏはリブ１１ｏの長手方向の軸Ａ１１の方向に配列し、炭素繊維３１ｐはリブ１１ｐの長手方向の軸Ａ１２の方向に配列できる。
【００４９】
図１２に示すように、支持構造１２０には、積み重ねられた複数の支持構造１２７〜１２８を含めることができる。一次支持構造１２７は、外周Ｐおよび開口部１５を画成する一次支持フレーム１２を有し、複数の一次リブ１１は、前記開口部１５上に延在する。当該一次リブ１１は、前記一次支持フレーム１２に搭載可能である。開孔１４は、当該一次リブ１１間に存在できる。これらのリブは、炭素複合材料を有することができる。前記一次支持構造１２７は、本明細書で説明する種々の炭素複合材料支持構造の１つに基づいて作製できる。前記一次リブ１１の頂部は、実質的に単一平面１６内で終端する。
【００５０】
二次支持構造１２８は、図１２に示すように、前記一次支持構造１２７の頂部、したがって前記一次支持構造１２７と前記膜１３との間に積み重ねることができる。あるいは、前記一次支持構造１２７を前記二次支持構造１２８の上に積み重ねることにより、前記一次支持構造１２７を前記二次支持構造１２８と前記膜との間に設けるようにもできる。前記二次支持構造１２８は、前記一次リブ１１が終端する平面１６で、前記一次支持構造１２７に合着させることができる。
【００５１】
前記二次支持構造１２８は、外周Ｐと、開口部１２５と、その開口部１２５上に延在する複数の二次リブ１２１とを形成する二次支持フレーム１２２を有することができる。前記二次リブ１２１は、前記二次支持フレーム１２２に搭載できる。開孔１２４は、前記二次リブ１２１間に存在する。前記二次支持構造１２８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１２７と膜１３との間に設けるか、または、完全に前記一次支持構造１２７と膜１３との間に設けてもよい。前記二次リブ１２１の頂部は、実質的に単一平面１２６内で終端する。
【００５２】
一実施形態において、前記二次支持フレーム１２２および前記二次支持リブ１２１は一体的に形成され、同じ材料で作製可能である。別の実施形態では、前記二次支持フレーム１２２および前記二次支持リブ１２１が一体的に形成されず、別個に作製されたのち合着され、異なる材料での作製が可能である。
【００５３】
別の実施形態において、前記一次支持フレーム１２および前記二次支持リブ１２２は単一の支持フレームであり、前記一次リブ１１および前記二次リブ１２１の双方を支持する。前記一次支持フレーム１２および前記二次支持フレーム１２２は一体的に形成でき、同じ材料で作製できる。また、前記一次支持フレーム１２、前記一次リブ１１、および前記二次支持フレーム１２２も一体的に形成でき、同じ材料で作製できる。そのため、前記二次リブ１２１は、前記一次リブ１１、前記一次支持フレーム１２、および／または前記二次支持フレーム１２２で支持することができる。
【００５４】
一実施形態において、一次リブ１１は、前記二次リブ１２１用の前記支持フレーム１２２を有する。例えば、一次支持構造１２７を形成し、二次リブ１２１を形成したのち、それらの二次リブ１２１を前記一次支持構造１２７の頂部に配置し、またはそれに合着させることができる。前記一次または二次支持構造、あるいはその双方には接着剤を噴霧でき、それら２つの支持構造を押圧して前記接着剤で一体的に接着させることができる。
【００５５】
一実施形態において、前記二次支持構造１２８はポリマーを有する。別の実施形態において、前記二次支持構造１２８は光感受性ポリイミド（感光ポリイミド）を有する。支持構造への光感受性ポリマーの使用については、米国特許第５，５７８，３６０号に説明されており、本文献はこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００５６】
図１３〜１４は、支持構造１３０および１４０を示したもので、これらの支持構造はそれぞれ一次および二次支持構造を伴う。図１３において、二次リブ１２１ａは、一次リブ１１および二次支持フレーム１３２により支持される。図１４において、二次リブ１２１ｂは、一次リブ１１および一次支持フレーム１４２により支持される。そのため、支持フレーム１４２は、一次支持フレームおよび二次支持フレームの双方として作用する。
【００５７】
図１５に示すように、支持構造１５０には、積み重ねられた複数の支持構造１５７〜１５８を含めることができる。一次支持構造１５７は、外周Ｐおよび開口部１５を画成する一次支持フレーム１２を有することができ、複数の一次リブ１１は、前記開口部１５上に延在する。当該一次リブ１１は、前記一次支持フレーム１２に搭載可能である。開孔１４は、当該一次リブ１１間に存在する。これらのリブは、炭素複合材料を有することができる。前記一次支持構造１５７は、本明細書で説明する種々の炭素複合材料支持構造の１つに基づいて作製できる。
【００５８】
二次支持構造１５８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１５７の上に設けることができる。前記二次支持構造１５８は、外周Ｐと、開口部１５５と、その開口部１５５上に延在する複数の二次リブ１５１とを形成する二次支持フレーム１５２を有することができる。前記二次リブ１５１は、前記二次支持フレーム１５８および／または前記一次リブ１１に搭載できる。開孔１５４は、前記二次リブ１５１間に存在する。前記二次支持構造１５８は、少なくとも部分的に前記一次支持構造１５７と膜１３との間に設けることができる。前記二次リブ１５１の頂部は、実質的に単一平面１５６内で終端する。
【００５９】
一部の二次支持構造１５１ｂは、一次リブ１１または前記一次支持構造１２と、前記膜との間に設けることができる。他のリブ１５１ａは、下方に延長させ、部分的に一次リブ間に設けることができる。この実施形態は、まず一次支持構造１５７を作製し、次に液状の光感受性ポリマーを前記一次支持構造１５７の上に注ぐことにより作製できる。この光感受性ポリマーをパターン化して造形すると、リブ１５１が形成され、また当該ポリマーを硬化させることができる。
【００６０】
積み重ねられた支持構造は、全長を大きくする際に役立つ。例えば、ポリマー支持構造を使って全長を伸ばすのは非現実的である。下層に炭素複合材料支持構造を使うと、ポリマー支持構造を必要なだけ延長できるようになる。
【００６１】
本明細書の図の大半は、円形の支持フレームを示している。円形の支持フレームを使うと比較的好都合ではあるが、本明細書で説明する種々の実施形態には他の支持フレーム形状も使用できる。図１６には、外周Ｐおよび開口部１５を伴った不規則形状の支持フレーム１６２を示す。図１７には、不規則形状の支持フレーム１６２に取り付けられたリブ１１を伴う支持構造１７０を示す。外側のリブは、前記支持フレームを形成することができる。
【００６２】
本明細書の図の大半では、リブを完全に取り囲む支持フレームを示している。外周が取り囲まれた支持フレームは、強度およびリブの支持が向上するため好適な実施形態であるが、本明細書で説明する種々の実施形態は、完全に取り囲まれた支持フレームに限定されるものではない。図１８には、支持フレーム１２に開孔１８２を有する支持構造１８０を示す。この場合、前記支持フレーム１２は、リブ１１を完全に取り囲む必要がない。図１６〜１８に示した実施形態は、本明細書で説明する支持構造の種々の実施形態に適用できる。
【００６３】
図１９に示すように、Ｘ線検出ユニット１９０には、本明細書で説明する一実施形態に係る支持構造１９５を含めることができる。膜１３は、前記支持構造１９５の上に設けることができる。前記支持構造および膜１３は、Ｘ線窓１９６を有することができる。このＸ線窓１９６は、取り付け部１９２に封着される。また、Ｘ線検出器１９１も、前記取り付け部１９２に装着できる。前記取り付け部１９２および窓１９６は、密閉された筐体を有することができる。前記窓１９６は、Ｘ線１９４の透過が可能な窓１９６を選択し、また前記検出器１９１を前記窓１９４に位置合わせするなどにより、Ｘ線１９４が前記検出器１９１に作用するよう構成することができる。一実施形態において、前記支持フレーム１２および前記取り付け部１９２は同じものであり、前記複数のリブ１１は、この支持フレーム１２および取り付け部１９２に取り付けられる。前記膜１３は前記取り付け部１９２に封着され、Ｘ線検出器１９１は前記取り付け部に取り付けることができる。前記Ｘ線窓１９６および取り付け部１９２は、比例計数管、ガス電離箱、およびＸ線管と併用することもできる。
【００６４】
図２０に示すように、取り付けられた窓２００には、取り付け部２０２に装着された支持構造２０１上に設けられた膜１３を含めることができる。前記支持構造２０１は、本明細書で説明する、炭素複合材料リブ１１を含んだ諸実施形態の１つであってよい。前記膜１３は、薄膜層２０３および外層２０５を含む一体的に積み重ねられた複数の層を有することができる。前記外層２０５には、少なくとも１つのポリマー層、少なくとも１つの水素化ホウ素層、少なくとも１つのアルミニウム層、またはこれらの層の組み合わせを含めることができる。前記薄膜２０３は、高配向熱分解黒鉛、窒化ケイ素、ポリマー、ポリイミド、ベリリウム、カーボンナノチューブ、ポリマーに埋め込まれたカーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、ポリマーに埋め込まれたグラフェン、またはこれら各種材料の混合物から成る群から選択される材料を有することができる。
【００６５】
前記薄膜２０３、前記支持構造２０１、またはその双方は、取り付け部２０２への封着により密閉された接合部２０４を形成する。前記外層２０５は、前記薄膜層２０３の外周を超えて延長可能であり、前記密閉された接合部２０４を覆うことができる。この外層２０５は、前記密閉された接合部の腐食を防ぐ。
【００６６】
図２３〜２４に示すように、Ｘ線窓２３０は、取り付け部２３１に装着可能である。前記窓２３０は、前記取り付け部２３１に封着できる。前記Ｘ線窓２３０は、本明細書で説明する種々の実施形態の１つであってよい。前記窓２３０および取り付け部２３１は、内部空間２３２を包囲する。この内部空間２３２は、真空であってもよい。
【００６７】
図２３に示すように、前記複数のリブ１１は、前記膜１３と前記内部空間２３２との間に設けることができる。図２４に示すように、前記膜１３は、前記複数のリブ１１と前記内部空間２３２との間に設けることができ、その場合、当該膜１３により前記複数のリブ１１は前記内部空間２３２から分離される。
【００６８】
図２３に示すように前記リブ１１を前記膜１３と前記内部空間２３２との間に配置すると、前記膜１３をより容易に支持できるが、この実施形態は、特定の炭素複合材料の構成要素が前記内部空間２３２の前記真空中へガスを放出するため、真空度が損なわれるという欠点がある。この問題が起こるかどうかは、真空のレベルおよび炭素複合材料のタイプに応じて異なる。
【００６９】
炭素複合材料の構成要素が前記内部空間２３２へガスを放出するという上記の問題を解決する方法の１つは、前記膜１３を前記リブ１１と前記内部空間２３２との間に配置することである。この設計の難点は、前記窓２３０および取り付け部２３１外のガス圧により、前記膜１３が前記支持構造１２および／またはリブ１１から遠ざかる方向へ押し込まれることである。そのため、図２４の実施形態の場合は、前記膜１３と前記リブ１１および／または支持構造１２との間の接合をより強力にしなければならない可能性がある。
【００７０】
前記膜１３と、前記リブ１１および／または支持構造１２との間の前記接合は、ポリイミドまたは他の高強度接着剤を使うことで、より強力にできる。接着剤は、前記窓が曝される望ましい温度をもたらすように選択しなければならない。また、ガスを放出しない接着剤を選択する必要がある。前記膜１３と、前記リブ１１および／または支持構造１２との間の前記接合は、前記リブ１１、支持構造１２、および／または膜１３の表面を、当該表面を接合する前に処理することで改善できる。この表面処理には、水酸化カリウム溶液または酸素プラズマの使用などが含まれる。
【００７１】
炭素複合材料の前記内部空間２３２へガスを放出する問題を解決するもう１つの方法は、ガスを放出しない、またはガス放出が最低限に抑えられる炭素複合材料を選択することである。ポリイミドおよび／またはビスマレイミドを含有するマトリックスに埋め込まれた炭素繊維を含む炭素複合材料は、ガス放出量が低いため好ましい。また、ポリイミドおよびビスマレイミドは、高温に耐える能力および構造的強度からも適切である。
【００７２】
図２５〜２６のＸ線窓２５０および２６０に示すように、複数のリブ１１ｒは、実質的に直線状で互いに平行であり、支持フレームの開口部を横切って配列されている。前記窓２５０および２６０は、前記複数のリブの隣接しあうリブ間に延在する複数の中間支持交差補強体２５１をさらに有することができる。これらの交差補強体２５１は、当該支持フレームの開口部全長にわたることなく、隣接しあうリブ間の開孔の範囲にわたる。これらの交差補強体２５１は、炭素複合材料を有してよい。これら複数の交差補強体２５１は、前記複数のリブ１１ｒに実質的に垂直にできる。
【００７３】
前記交差補強体２５１は、隣接する開孔に設けられた隣接する交差補強体２５１に対し横方向にオフセットすることにより、セグメント化されて互いに不連続になるようにできる。例えば図２５では、中央の交差補強体２５１ａが一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられ、前記開口部１４の幅のほぼ中点に配置されている。その外側の交差補強体２５１ｂは、一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられ、前記開口部１４の幅の中点からオフセットされている。そのため、中央の交差補強体２５１ａおよび外側の交差補強体２１５ｂは、どちらも一対のリブ１１ｒ間に交互に設けられているが、前記中央の交差補強体２５１ａは、外側の交差補強体２１５ｂと比べ、異なるリブ１１ｒ同士の間に交互に配置される。
【００７４】
前記交差補強体２５１は、前記開口部を横切る前記リブと平行な直線距離上で、前記支持フレームから約３分の１の位置に配置できる。これらの交差補強体２５１は、隣接する開孔に設けられた隣接する交差補強体２５１に対し横方向にオフセットすることにより、セグメント化されて互いに不連続になるようにできる。例えば図２６では、上方の交差補強体２５１ｃ（それぞれ、この図の上方部分に位置することから上方という）は、一対のリブ１１ｒ間に交互に設けることができ、前記開口部１４を横切る距離の約３分の１の位置に配置できる。下方の交差補強体２５１ｄ（それぞれ、この図の下方部分に位置することから下方という）は、前記上方の交差補強体２５１ｃが設けられる交互のリブ１１ｒ対とは異なる一対のリブ１１ｒ間に交互に設けることができる。下方の交差補強体２５１ｄは、前記開口部１４を横切る距離の約３分の１の位置に配置できるが、この３分の１の距離は、前記上方の交差補強体２５１ｃに対し、前記開口部の反対側からのものである。
【００７５】
作成方法
複数（または単一）の炭素複合材料シートを使用して炭素複合材料ウエハーを作製できる。炭素複合材料は、その強靱性からＸ線窓に必要な小寸法のリブを切断加工で作製することが難しい。リブは、レーザー加工（レーザーアブレーションまたはレーザー切断とも呼ばれる）により、望ましいパターンでウエハー内に作製できる。
【００７６】
最適なマトリックス材料は、用途に基づき選択できる。ポリイミドおよび／またはビスマレイミドを含有するマトリックスに埋め込まれた炭素繊維を含む炭素複合材料は、ガス放出量が低く、耐熱性があり、構造的強度が高いため好ましい。
【００７７】
十分長い炭素繊維を伴う複合材料を選択すると、構造的強度を改善できる。前記窓の前記開口部上に延在する炭素繊維は、一部の用途に好適である。
【００７８】
１または複数の炭素複合材料シートは、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有することができる。前記マトリックスは、ポリイミドなどのポリマーを有することができる。前記マトリックスは、ビスマレイミドを含有することができる。前記マトリックスは、非晶質炭素または水素化非晶質炭素を含有することができる。前記マトリックスは、セラミックを含有することができる。そのセラミックは、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、または窒化アルミニウムを有することができる。
【００７９】
一実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の１０〜４０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。別の実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の４０〜６０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。別の実施形態において、炭素繊維は、炭素複合材料の全体積の６０〜８０体積パーセントを占めてよく、前記マトリックスは、残りの体積パーセントを占めてよい。前記炭素複合材料中の炭素繊維は、実質的に直線状にできる。
【００８０】
炭素ウエハーは、高温で、例えばオーブンで、プレッシャープレート間に少なくとも１つの炭素複合材料シートを入れて、押圧により形成できる。あるいは、ローラーを使って前記シートを押圧してもよい。前記シートを加熱するには、前記プレッシャープレートまたはローラーを加熱する。前記シートは、少なくとも５０℃まで加熱できる。単一のシートを使っても、複数のシートを使ってもよい。前記炭素複合材料シート中の炭素繊維は、ランダムに配列、単一方向に配列、２つの異なる方向に配列、３つの異なる方向に配列、または３つより多くの異なる方向に配列することができる。
【００８１】
前記炭素複合材料シート押圧前には、当該シートの一面にポリイミドの層（例えば、圧力で）を接合できる。前記ポリイミド層は、炭素複合材料シート間、または炭素複合材料シート積層体の外面に配置できる。前記ポリイミド層を前記炭素複合材料シートとともに切断してリブを作製し、最終的な支持構造の一部として永続的に保つことができる。前記ポリイミド膜の層の厚さは、一実施形態において５〜２０マイクロメートルである。このポリイミド層の目的の１つは、前記炭素複合材料シートの片面を平滑にして、前記Ｘ線窓膜の接合をより容易にすることである。もう一つの目的は、最終的なリブ強度を改善することである。ポリイミドの層は、別の適切なポリマーで置き換えてもよい。ポリマーに望まれる２つの特徴は、耐熱性および高強度である。
【００８２】
一実施形態において、積層体中の単一シートの炭素繊維または全シートの炭素繊維は、単一方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、当該リブの長手方向の軸が前記炭素繊維の方向に配列するように切断される。
【００８３】
別の実施形態では、少なくとも２枚の炭素複合材料シートが積み重ねられて押圧され、ウエハーが作製される。少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第１の方向に配列され、他の少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第２の方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第１の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第２のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第２の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断される。一実施形態において、その２つの異なる方向がなす角度は、少なくとも１０度である。別の実施形態において、前記２つの異なる方向がなす角度は、少なくとも６０度である。別の実施形態において、前記２つの異なる方向がなす角度は、約９０度である。
【００８４】
別の実施形態では、少なくとも３枚の炭素複合材料シートが積み重ねられて押圧され、ウエハーが作製される。少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第１の方向に配列され、少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第２の方向に配列され、少なくとも１枚のシートの炭素繊維は第３の方向に配列される。第１のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第１の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第２のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第２の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断され、第３のリブ群または単一リブは、その長手方向の軸を、第３の方向に配列された前記炭素繊維と配列させた状態で切断される。その任意の２つの異なる方向がなす角度は、約１２０度にできる。前記構造は、六角形状または三角形状の開孔を形成することができる。
【００８５】
一実施形態において、積層体中の各炭素複合材料シートの厚さは、２０〜３５０マイクロメートル（μｍ）とできる。
【００８６】
前記炭素複合材料シートを押圧してウエハーにするため使用されるプレートは、当該炭素複合材料シートに面する非粘着性の表面を有することができる。前記プレートは、フッ素化されたシリコン平面を前記シートに面して有することができる。例えば、図２１では、２枚のプレート２１１と、これら２枚のプレート２１１にはさまれた少なくとも１枚の炭素複合材料シート２１２とを含むプレス２１０を示している。前記炭素複合材料シート２１２には、ポリイミドまたは他のポリマーの層を含めることができる。
【００８７】
前記炭素複合材料シート２１２に圧力Ｐをかけると、その炭素複合材料シート（と、任意選択でポリイミドなどのポリマーの層と）は少なくとも５０℃の温度に加熱され、前記炭素複合材料シートが硬化して炭素複合材料ウエハーになる。温度、圧力、および時間は、前記シートの厚さ、シート数、マトリックス材料、および前記ウエハーに望まれる最終的な特徴に応じて調整できる。例えば、ポリイミドマトリックス中で炭素繊維を有する炭素複合材料シートは、圧力２００〜３０００ｐｓｉ、温度１２０〜２００℃、およびシートの初期厚さ１８０マイクロメートル（μｍ）でウエハーへと加工された。
【００８８】
前記ウエハーは、前記プレスから取り出したのち切断して、リブおよび／または支持フレームへと成形できる。前記ウエハーは、レーザー加工またはレーザーアブレーションで切断できる。高出力レーザーの短パルスを使うと、超高速レーザーアブレーションにより材料を焼灼して開孔を形成できる。フェムト秒レーザーも使用できる高出力レーザーの短パルスによるウエハー材料のアブレーションを使うと、前記炭素複合材料に含まれるポリマー材料の過熱を防ぐことができる。あるいは、非パルスレーザーを使い、伝導または対流によるを除熱など他の方法で前記ウエハーを冷却することもできる。前記ウエハーは、その上に水または空気を流して冷却できる。上記の冷却方法は、付加的な冷却が必要な場合、レーザーパルス、例えばフェムト秒レーザーと併用することもできる。
【００８９】
レーザー成形される前記リブは、単一または複数の元の炭素複合材料層から成形でき、少なくとも１つのポリイミド層を含んでよい。ポリイミド層が前記積層体に使用される場合、前記リブは炭素複合材料およびポリイミドを有することができるため、ポリイミドリブが前記炭素複合材料リブに合着および配列されることになる。
【００９０】
図２２の支持構造２２０に示すように、リブ１１は、前記支持構造１２と別個に形成できる。次いで、前記支持フレーム１２の上にリブ１１を載置できる。接着剤を使用すると、前記リブを定位置に保持できる。前記支持フレーム１２は、一材料のリングまたは取り付け部、例えば図１９に示した取り付け部１９２または図２０に示した取り付け部２０２とすることができる。
【００９１】
言うまでもなく、以上参照した構成は、単に本発明の原理の応用を例示したものである。本発明の要旨を逸脱しない範囲で、多数の変更形態および代替構成が考案可能である。以上、現時点で最も実用的かつ好適な本発明の実施形態に関連付け、具体性と詳細をもって本発明を図面で示し完全に説明してきたが、当業者であれば、本明細書に記載した本発明の原理および概念を逸脱しない範囲で多数の変更形態が可能であることが明確に理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を透過させる窓であって、
ａ）外周および開口部を画成する支持フレームと、
ｂ）炭素複合材料を有する複数のリブであって、前記支持フレームの前記開口部上に延在し、前記支持フレームに搭載されるものであり、前記支持フレームおよび当該複数のリブは支持構造を有し、
ｃ）前記炭素複合材料は、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有するものである、
前記複数のリブと、
ｄ）前記複数のリブ間の開孔と、
ｅ）前記複数のリブ上に設けられ、且つ搭載され、当該複数のリブ全体に亘る膜であって、前記開孔上に設けられ、当該開孔全体に亘り、放射線を透過させるように構成された膜と
を有する窓。
【請求項２】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記複数のリブは、実質的に直線状で互いに平行であり、前記支持フレームの前記開口部を横切って配列され、
ｂ）当該窓は、さらに、複数の中間支持交差補強体であって、
ｉ．炭素複合材料を有し、
ｉｉ．前記複数のリブの隣接しあうリブ間に延長し、
ｉｉｉ．前記支持フレームの前記開口部の全長に亘ることなく、隣接しあうリブ間の開孔の範囲に亘るものである、
前記複数の中間支持交差補強体を有するものである窓。
【請求項３】
請求項２記載の窓において、前記複数の交差補強体は隣接する開孔の隣接する交差補強体に対して横方向にオフセットされ、当該複数の交差補強体がセグメント化されて互いに不連続になるものである窓。
【請求項４】
請求項３記載の窓において、前記複数の交差補強体は、前記開口部を横切る前記複数のリブと平行な直線距離上で、前記支持フレームから約３分の１の距離に配置されるものである窓。
【請求項５】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記支持構造は、一次支持構造を形成し、
ｂ）二次支持構造は、少なくとも部分的に前記一次支持構造と前記膜との間に配置され、
ｃ）前記二次支持構造は、
ｉ．二次外周および二次開口部を画成する二次支持フレームと、
ｉｉ．前記二次支持フレームの前記二次開口部上に延在し、前記二次支持フレームに搭載される複数の二次リブと、
ｉｉｉ．前記複数の二次リブ間の開孔と、
ｉｖ．光感受性ポリイミドと
を有するものである窓。
【請求項６】
請求項１記載の窓において、前記マトリックスは、ポリイミド、ビスマレイミド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される材料を有するものである窓。
【請求項７】
請求項１記載の窓において、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維の少なくとも８０％は、前記開口部上で前記複数のリブの長手方向の軸方向に配列されるものである窓。
【請求項８】
請求項７記載の窓において、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維の少なくとも８０％は、当該炭素繊維を有するリブの少なくとも半分の長さを有するものである窓。
【請求項９】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記複数のリブは、互いに交差するリブを含み、
ｂ）前記複数のリブの頂部は、実質的に共通の平面内で終端し、
ｃ）前記炭素複合材料は、少なくとも２枚の炭素複合材料シートの積層体を含み、
ｄ）各前記炭素複合材料シート中の炭素繊維は、少なくとも１つの前記複数のリブの長手方向の軸方向に配列されるものである
窓。
【請求項１０】
請求項１記載の窓において、前記複数のリブは、炭素複合材料リブを形成する炭素複合材料を有し、当該炭素複合材料リブに合着および配列されたポリイミドリブの層をさらに有し、当該ポリイミドリブの層は、前記炭素複合材料リブと前記膜との間に設けられるものである窓。
【請求項１】
Ｘ線を透過させる窓であって、
ａ）外周および開口部を画成する支持フレームと、
ｂ）炭素複合材料を有する複数のリブであって、前記支持フレームの前記開口部上に延在し、前記支持フレームに搭載されるものであり、前記支持フレームおよび当該複数のリブは支持構造を有し、
ｃ）前記炭素複合材料は、マトリックスに埋め込まれた炭素繊維を有するものである、
前記複数のリブと、
ｄ）前記複数のリブ間の開孔と、
ｅ）前記複数のリブ上に設けられ、且つ搭載され、当該複数のリブ全体に亘る膜であって、前記開孔上に設けられ、当該開孔全体に亘り、放射線を透過させるように構成された膜と
を有する窓。
【請求項２】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記複数のリブは、実質的に直線状で互いに平行であり、前記支持フレームの前記開口部を横切って配列され、
ｂ）当該窓は、さらに、複数の中間支持交差補強体であって、
ｉ．炭素複合材料を有し、
ｉｉ．前記複数のリブの隣接しあうリブ間に延長し、
ｉｉｉ．前記支持フレームの前記開口部の全長に亘ることなく、隣接しあうリブ間の開孔の範囲に亘るものである、
前記複数の中間支持交差補強体を有するものである窓。
【請求項３】
請求項２記載の窓において、前記複数の交差補強体は隣接する開孔の隣接する交差補強体に対して横方向にオフセットされ、当該複数の交差補強体がセグメント化されて互いに不連続になるものである窓。
【請求項４】
請求項３記載の窓において、前記複数の交差補強体は、前記開口部を横切る前記複数のリブと平行な直線距離上で、前記支持フレームから約３分の１の距離に配置されるものである窓。
【請求項５】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記支持構造は、一次支持構造を形成し、
ｂ）二次支持構造は、少なくとも部分的に前記一次支持構造と前記膜との間に配置され、
ｃ）前記二次支持構造は、
ｉ．二次外周および二次開口部を画成する二次支持フレームと、
ｉｉ．前記二次支持フレームの前記二次開口部上に延在し、前記二次支持フレームに搭載される複数の二次リブと、
ｉｉｉ．前記複数の二次リブ間の開孔と、
ｉｖ．光感受性ポリイミドと
を有するものである窓。
【請求項６】
請求項１記載の窓において、前記マトリックスは、ポリイミド、ビスマレイミド、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される材料を有するものである窓。
【請求項７】
請求項１記載の窓において、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維の少なくとも８０％は、前記開口部上で前記複数のリブの長手方向の軸方向に配列されるものである窓。
【請求項８】
請求項７記載の窓において、前記炭素複合材料中の前記炭素繊維の少なくとも８０％は、当該炭素繊維を有するリブの少なくとも半分の長さを有するものである窓。
【請求項９】
請求項１記載の窓において、
ａ）前記複数のリブは、互いに交差するリブを含み、
ｂ）前記複数のリブの頂部は、実質的に共通の平面内で終端し、
ｃ）前記炭素複合材料は、少なくとも２枚の炭素複合材料シートの積層体を含み、
ｄ）各前記炭素複合材料シート中の炭素繊維は、少なくとも１つの前記複数のリブの長手方向の軸方向に配列されるものである
窓。
【請求項１０】
請求項１記載の窓において、前記複数のリブは、炭素複合材料リブを形成する炭素複合材料を有し、当該炭素複合材料リブに合着および配列されたポリイミドリブの層をさらに有し、当該ポリイミドリブの層は、前記炭素複合材料リブと前記膜との間に設けられるものである窓。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１２−２４２３８１（Ｐ２０１２−２４２３８１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１０８０５５（Ｐ２０１２−１０８０５５）
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【出願人】（５１２１２１７２７）モックステック インク． (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｍｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０８０５５（Ｐ２０１２−１０８０５５）
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【出願人】（５１２１２１７２７）モックステック インク． (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｍｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
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