JP4370057B2 - 毛細管光学系を含むx源を有するx線照射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、対象物を照射するX線を生成するX線源を含む装置に係わり、このX線源はX線を伝達する毛細管の束を具備し、その束の一端はX線のための出口とされてX線を透過するX線窓が設けられている。
【0002】
この種類の装置は、欧州特許第0244504B1号から公知である。
【0003】
X線照射装置は、多くの適用分野において使用され得る。第1の適用例は、材料の構成及び/又は構造を分析するX線分析である。照射されるべき対象物は、装置を用いて分析されるべき材料の標本によって形成される。概して、X線蛍光及びX線回折といった二つの分析技術が適している。X線蛍光の場合、標本は多色X線ビームを用いて照射される。照射は標本の中にある様々な元素を励起し、標本は組成元素を表わすX線(蛍光放射線)を放射する。標本の基本組成は、この蛍光放射線を検出し分析することによって決定し得る。X線回折の場合、標本は一般的に単色X線ビームを用いて照射され、この単色X線ビームは標本の中にある成分の結晶構造の規則性のため、所与の角度でのみ偏向(回折)される。回折角度は、標本の組成の結晶構造に関連する情報を与える。
【0004】
X線照射装置の別の適用分野の例は、超小型電子技術のための非常に小さい構造が基板上に形成され、又は、このような構造を露光するためのマスクが製造されるX線リソグラフィーである。照射されるべき対象物は、上記基板又は製造されるべきマスクによって形成される。X線照射装置の別の適用分野の例は、X線を人間の身体の非常に明確に画成された領域に当てることがしばしば重要となる医学的治療又は診断である。照射されるべき対象物は、照射されるべき組織によって形成される。
【0005】
上記適用例の全てにおいて、検査又は処置すべき対象物を照射するのに要求されるX線はX線管を用いて発生され得る。このようなX線管では、X線が陽極の中で生成されるようにX線は陽極の電子衝撃によって発生される。この処理が真空で行われなくてはならないため、X線管は必ず真空気密性の筐体を含むように構成される。X線管からX線を伝達させるために、筐体には陽極の近傍に位置し管から生成されたX線を伝達する役割を担う窓開口部が設けられる。既知の従来のX線管では、この窓開口部は通常ベリリウムから形成されるX線を透過するX線窓によって覆われる。
【0006】
ベリリウムを窓の材料として選択したのはX線の吸収に関するベリリウムの興味深い性質に基づくものであるが、このX線の吸収は無視できるものではない。このことは比較的長い波長、例えば、1nm乃至10nmの大きさのオーダの波長を有するX線の場合に顕著である。窓を薄くして窓による吸収を減少させることを試みてもよいが、材料の強度がこの減少を制限する。今日実現できるベリリウムX線窓の厚さは、50μmの大きさのオーダである。X線窓は大気中の圧力に耐えられるよう支持グリッドによって支持される。ベリリウムは、堅さが不足し、又、非常にもろいため、これらの窓がより薄く構成される可能性は非常に低い。X線管の動作中に窓は比較的高温に晒されるため、X線窓のための他の材料、例えば、合成材料の箔は使用され得ない。
【0007】
引用された欧州特許第0244504号に開示された装置では、内部でX線を全反射する毛細管は、長さが約0.5mm乃至1.0mmの束を形成するようにして束ねられる。この束における毛細管は、約10μm乃至20μmの直径を有し、束は外観がプレート状になるようおよそ10万本の毛細管により構成される。このプレート状の束の片面には、例えば、5μmの大きさのオーダの厚さのアルミニウム又はマグネシウムの薄層が設けられる。この薄層は、細い電子ビームによって衝突され、X線ターゲットとして機能し、このとき電子ビームのエネルギーは20keVの大きさのオーダである。電子ビームの直径は、約5μmであり、束における各毛細管の直径よりも小さくなる。プレート状の束のもう一方の面には、前述の層で発生されたX線を伝達し全ての電子を遮断するために、例えば、2μmの大きさのオーダの厚さでアルミニウムコートされたベリリウム、炭素又はより高い重合体の薄層が設けられる。この面は、束における毛細管の端によって形成されたグリッドに支えられる。
【0008】
この既知の構造は、比較的長い波長を有するX線を発生することに適している。しかしながら、比較的長い波長を有するX線を発生することは、効率が悪い処理であり、低いX線強度を発生するために比較的高電力の電子ビームを発生させることが要求される。X線ターゲットとして機能する薄層には、この層に放散された熱を放出する冷却手段が設けられていないので、電子ビームは低電力しかこの層に印加できない。従って、この構造のX線パワーは非常に制限される。
【0009】
本発明は、X線源が比較的長い波長のX線を生成することに適するX線照射装置と、実際の状況においてX線照射装置を動作させるのに充分な強度とを提供することを目的とする。上記目的を達成するために、本発明による装置は、X線源が真空気密性の筐体を含むX線管を有し、この筐体はX線管によって生成されたX線を筐体の外部に伝達する窓開口部を設け、束の一端は真空気密的に上記窓開口部に設けられ、束の一端における上記毛細管は上記X線が発生される場所に向けられ、毛細管の内部は筐体内に位置するX線管の真空空間と真空的に連通し、X線を透過するX線窓は環境から毛細管の内部を真空気密的に遮断することを特徴とする。
【0010】
X線が伝達する毛細管の束自体は、例えば、Ira Klotzky及びQi-FanXiao:“Polycapillary Focusing Optic For Low-Energy-X-Ray-Flourescence”,Proceedings of SPIE,Vol.3115,1997年から既知である。このような毛細管の伝導性の性質は、毛細管の内部でのX線の全反射に関する周知の現象に基づく。全反射により、毛細管には無視できるほどの強度の損失しか生じないので、損失のない方法でX線を伝達するためにこれらの毛細管が使用され得る。毛細管は、(端がX線管に連結されるべき)束の一端において毛細管が接合材料、例えば、合成材料によって囲まれる既知の方法で、束を形成するように組み立てられる。従って、毛細管の間のギャップは、気密的に充填されると同時に束の外側にエンベロープが形成され、このエンベロープは束をX線管に連結するためにも使用され得る。このような連結は、例えば、管の窓開口部に上記エンベロープを真空気密的に適合させることができる管状の除起したエッジを設けることで実現され得る。
【0011】
長波のX線はガス、特に空気によって良く吸収される。従って、上記毛細管の中に存在する全てのガスが長波のX線を吸収できないように、毛細管の内部は筐体内に位置するX線管の内部と真空接触状態にある。
【0012】
X線管の陽極に対向する束の端は、最大のX線パワーが束によって捕捉されるよう成形され得る。例えば、略点状の形状を有するX線の焦点(実際の状況では比較的小さい直径を有する焦点)の場合、束の全ての毛細管は上記焦点に向けられ得る。束の他端はX線装置が意図する適用法に適合する外観をもたせることができ、例えば、その端における毛細管が全て一点に向けられ、これにより、束を用いて伝達される全てのパワーは上記一点に集中されるか、又は、所望の形状のX線焦点線が形成され得る。
【0013】
毛細管の断面が小さいため、束の出口側となる端はX線窓のための微細格子状支持グリッドとなり得るのでX線窓の厚さは通常のX線管のX線窓の厚さよりもはるかに薄くてもよい。
【0014】
X線窓の厚さは、本発明の一実施例では1μmよりも薄い。X線窓のこの厚さは、微細格子状支持グリッドとしてはたらく束が一般的にX線光ファイバーのための直径(即ち、10μm乃至100μmの大きさのオーダ)を有する毛細管により構成されるとき、このX線窓の厚さは特別な工夫をしなくても実現できる。
【0015】
本発明の別の実施例におけるX線窓は、合成箔から形成される。この合成箔のためにポリプロピレン又はポリエチレンナフタレイト(PEN)が使用される。窓の材料は、比較的少量の長波X線のみを吸収するように、実質的に低い原子番号を有する元素(炭素及び水素)のみを含む合成材料である。上記材料が所望の厚さを有する箔として商業的に入手できないとき、窓を製造する前にこのような薄い厚さを実現することを意図した処置がなされるべきである。これは、入手可能な箔を伸張することで実現され得る。しかしながら、上記PENは所望の厚さで購入できる。薄い厚さを有する重合体X線窓は、製品番号AP1.3としてMOXTEKからも販売されており、これらの窓は300nmの重合体の厚さを有するので上記目的のためにも使用され得る。
【0016】
本発明の別の実施例のX線窓は、ダイヤモンドから形成される。上述された合成材料と同様に、炭素のみから成るダイヤモンドは長波のX線に対して比較的低い吸収力を有する。更に、ダイヤモンドは化学的に非常に耐性があり、これは様々な適用例において利点となり得る。薄い厚さのダイヤモンド層の製造自体は、例えば、公開された独国特許出願(“Offenlegungsschrift”)第3927132A1号から公知である。
【0017】
本発明は添付図を参照して以下に詳細に説明され、図中、同じ参照番号は対応する要素を示す。
【0018】
図1は、既知のX線管によって発生されたX線の強度を表わすグラフであり、ベリリウムX線窓におけるX線吸収によって生じた問題を示す。このグラフは、エネルギーが50keVでビーム電流が60mAである電子ビームによって照射されたニッケル陽極から放射されたX線の強度を、そのX線の波長(反比例するKeVの単位で表わされる)の関数として理論的に計算して得たグラフである。この放射線の強度は、任意の尺度で表わされ、この場合では任意の検出器の1秒当たりの計数パルスの数(cps)として表わされる。このグラフは、146nm(0.852keVのエネルギーに対応)のニッケルのLαラインが関連する波長では約2X1012cpsの強度が達成されることを示す。
【0019】
図2は、既知のX線管のベリリウム窓におけるX線の吸収力を表わすグラフであり、X線吸収によって生じた問題を示す。この図では、X線が100μmの厚さを有するベリリウム窓を通ることが前提条件とされる。図1に示されるように、放射線がこの窓に入射する。図2のグラフは、上述された1.46nm(0.852keVのエネルギーに対応)のニッケルのLαラインの波長では約2X106cpsの強度が達成され、従って106の倍率で減衰することを意味する。この減衰はX線の経路に100μmのベリリウム窓が存在することによるものである。
【0020】
図3は、本発明に関連し、本発明によるX線源が使用され得る既知のX線分析装置の一部を示す図であり、この場合その装置はX線分光計である。X線分光計は、X線のビーム10を発生するX線管2を含む。X線分光計を用いて検査されるべき試料の標本は、標本を収容する標本場所に配置され、ビーム10がその標本4を照射する。
【0021】
標本4は、別の標本空間8における標本ホルダ6の中に配置される。図中、実線で表わされるように全方向に伝搬するX線蛍光放射線は、標本で発生される。蛍光放射線は、入口スリット14が図2を参照して説明されたイメージングローランド幾何配置に関して対象物16を画像化する機能を実施するようにこの入口スリットを照射する。図中、スリット14の幅は明瞭性のために一定の尺度で示されてなく、実際の状況ではこのスリットの幅は関連する適用例に依存して、約10分の1ミクロン乃至数ミリメートルのオーダである。入口スリット14を出ると、蛍光放射線のビーム18は湾曲した反射表面29を有する分析結晶28上に入射される。分析結晶の表面の形状は、図3を参照して以下に詳細に説明される。説明中、分析結晶28の表面29は円筒状の形状を有し、即ち結晶表面と図面との交線は曲線(即ち図中の線29)であるが、結晶表面と図面に垂直な面(例えば、図面及び線29に垂直な面)との交線は直線であることに注意すべきである。この配置において分析結晶は、ブラッグ関係式(2d.sinΘ=nλ)に基づいて入射角度によって決定される所望の波長を蛍光放射線のビームから選択する機能と、明らかな対象物の点16から発生されるビームをイメージ点24に合焦する機能の二つの機能を有する。このイメージ点は、X線検出器20のための入口コリメータを構成する出口スリット26に画像化される。偏向されたX線は、入口窓22を通って検出器20の上に入射されて検出され、その後、更なる信号処理が電子的な手段(図示せず)を用いて実施される。
【0022】
分析結晶28は図中示されていないホルダの上に据付けられ、図面において二方向に移動可能であり(矢印30によって表わされる)、図面に垂直な軸32について回転可能でもある。移動できることによって、分析結晶は精確に決定された方向及び位置に調節され得る。
【0023】
X線管2から検出器20までのビーム経路は、気密的に封止可能な測定空間24を通って延び、この空間は長い波長のX線の場合、所望であれば真空排気されてもよく、又、このような測定に適するガスで充填されてもよい。
【0024】
既知のX線分析装置は、X線10のために出口窓が設けられた既知のX線管を利用する。本発明が使用されるとき、このX線窓は省略してもよい。その理由は、このX線窓の機能が、本発明によるX線源の一部を形成し、X線窓を具備したX線を伝達する毛細管の束によって代替されるためである。
【0025】
図4は、本発明によるX線源を表わす図である。X線源は、陽極40を具備したX線管2を含む。陽極は、その上に焦点56を形成する電子ビーム42によって照射され、そこから既知の方法でX線44が発生され、このX線は窓開口部54を通ってX線管2から離れる。本発明によるX線源には、X線を伝達する毛細管46の束が設けられ、その一端は真空気密的に窓開口部54に連結される。束のその端における毛細管は、X線が発生される陽極上の焦点56に向けられる。図4に示される毛細管の束は、毛細管の間にギャップがある束として示されているが様々な構成が実行できる。特に、毛細管が互いに並べて配置され硬く相互接続されている実施例を構成することが可能である。X線管の窓開口部54に対する束の真空気密性の連結を可能にするために、必要とされる束における所望の真空気密性は、窓開口部54の内側に接続された合成材料の層を束の外部にも設けることで実現される。図4において、真空封止は、毛細管が真空気密的に設けられるプレート形状の支持具58によって表わされる。このプレート形状の支持具自体は、真空気密的に窓開口部54の中に取り付けられる。
【0026】
真空排気された空間が、X線管2の筐体52の中に存在する。この空間は毛細管の内部と真空的に連通しており、毛細管の他端48は合成材料又は非常に薄い厚さのダイヤモンドから形成されたX線を透過するX線窓50を用いて真空気密的に封止される。束46の毛細管の一端が、例えば、10μmの周期構造を有する微細格子状支持グリッドとして機能することにより、この薄い厚さが可能となるので特別な段階を要すること無く1μmの厚さが実行可能である。束46の端48において毛細管は、そこから発生されるX線が再び一つの場所に集中するように向けられる。この装置において検査されるべき標本10は、その集中する場所に配置され得る。
【0027】
束46に吸い取られるX線パワーは、X線焦点56から束の入口側を認識できる立体角と、毛細管によるX線の伝達と、窓50がX線を伝達する程度とに依存する。これらのパラメータは全て、広い範囲内で変化し得る。本発明により改良されたX線の吸収量を簡単に推定するために、上記立体角が0.2ステラジアン(陽極から2cmの距離にあり1cm2の受光表面積に対応)に等しく、伝達性が10%の大きさのオーダであり(Proceedings of SPIE,“Polycapillary Focusing…”,表2,段落3.2の引用文献参照)、X線窓におけるX線吸収がその薄い厚さ及び適切な材料の選択のために無視できるほど小さいことを仮定する。つまり、陽極によって2πステラジアンの立体角で放射されたX線の全量の約3%の部分(即ち0.2/2π)が毛細管に入り、この毛細管がこの部分を10%の伝達効率で伝達することにより、陽極において発生された放射線の最大0.3%が標本の照射に寄与する。既知のX線管における陽極で発生された全てのX線が使用された立体角内に収まる場合でも(このようにはなり得ないが)、標本の領域における強度は本発明を実行することで約3000(106の0.3%)の倍率で改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 既知のX線管によって発生されたX線の強度表わし、X線吸収によって生じた問題を示す図である。
【図2】 既知のX線管のベリリウム窓におけるX線の吸収力を表わしX線吸収によって生じた問題を示す図である。
【図3】 本発明によるX線源が使用され得るX線分析装置を表わす図である。
【図4】 本発明によるX線源を表わす図である。
Claims (8)
- 対象物を照射するX線を生成し、上記X線を伝達する毛細管の束を具備し、上記X線の出口とされる上記束の一端にはX線を透過するX線窓が設けられているX線源を含む、上記X線を用いて上記対象物を照射するX線照射装置であって、
上記X線源は真空気密性の筐体を有し、上記筐体にはX線管によって生成された上記X線を上記筐体の外部に伝達する窓開口部が具備され、
上記束の一端は真空気密的に上記窓開口部に設けられ、
上記束の一端における上記毛細管は上記X線が発生される場所に向けられ、それにより該場所の周りの立体角がカバーされ、
上記束の毛細管は平行ではなく、
上記束の他端における上記毛細管は、該他端から放出されるX線が一の場所に集中するように、配向し、
上記毛細管の内部は上記筐体内に位置する上記X線管の真空空間と真空的に連通し、
上記X線を透過するX線窓は環境から上記毛細管の内部を真空気密的に遮断することを特徴とするX線照射装置。 - 上記X線窓の厚さは1マイクロメートル未満である、請求項1記載のX線照射装置。
- 上記X線窓は合成材料の箔から形成される、請求項1又は2記載のX線照射装置。
- 上記X線窓はダイヤモンドから形成される、請求項1又は2記載のX線照射装置。
- X線分析装置である請求項1乃至4記載のX線照射装置。
- 医療用X線照射装置である請求項1乃至4記載のX線照射装置。
- X線リソグラフィー装置である請求項1乃至4記載の装置。
- 請求項1乃至4のうちいずれか一項で定義されたX線源。
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