JPH09510570A - Electron beam focus adjustment method and apparatus in a scanning electron beam computer tomography scanner - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＣＴシステムにおいて、電子ビーム（１２）は、ビームにより発生したイオンの分布を静電的に制御することによって合焦される。上流（自己拡大、非合焦）ビーム領域と下流（収束、自己合焦）ビーム領域の相対的長さが制御され、上流領域のビーム非合焦が下流領域のビーム自己合焦を補償する。したがって、実質的に零の外部合焦力が必要とされる。電子銃（３２）の下流に、正イオン電極（ＰＩＥ）が配置され、各領域の相対長さを決定する。ＰＩＥは、ビーム光学軸と同軸に取り付けられ、大きな正電位に接続される。ＰＩＥの電位が変化すると、境界位置が変化し、したがって、ビーム非合焦及び自己合焦の効果の大きさが変化する。正イオンは周期的イオン清掃電極（ＰＩＣＥ）により除去される。ＰＩＣＥの軸方向電位の変化速度がイオンを迅速に一掃する交番軸方向電界を形成する。 (57) Summary In a CT system, an electron beam (12) is focused by electrostatically controlling the distribution of ions generated by the beam. The relative lengths of the upstream (self-expanding, non-focusing) and downstream (focusing, self-focusing) beam regions are controlled, and the beam defocusing in the upstream region compensates for the beam self-focusing in the downstream region. Therefore, an essentially zero external focusing power is required. A positive ion electrode (PIE) is placed downstream of the electron gun (32) to determine the relative length of each region. The PIE is mounted coaxially with the beam optical axis and connected to a large positive potential. As the PIE potential changes, the boundary position changes, thus changing the magnitude of the beam defocus and self focus effects. Positive ions are removed by a periodic ion cleaning electrode (PICE). The rate of change of the axial potential of the PICE creates an alternating axial electric field that rapidly sweeps the ions.

Description

【発明の詳細な説明】 走査電子ビームコンピュータトモグラフィスキャナにおける 電子ビーム合焦調整方法および装置発明の分野 本発明は、走査電子ビームコンピュータトモグラフィＸ線システム、更に言え ば、このようなシステムにおいて、磁気若しくは静電レンズを使用せずに電子ビ ームを合焦させ、また、電子ビームの合焦を調整することに関する。発明の背景 走査電子ビームコンピュータトモグラフィ（「ＣＴ」）システムは、Ｂｏｙｄ 等に付与された米国特許第４，３５２，０２１号（１９８２年９月２８日）や、 Ｒａｎｄ等に付与された米国特許第４，５２１，９００号（１９８５年６月４日 ）、第４，５２１，９０１号（１９８５年６月４日）、第４，６２５，１５０号 （１９８６年１１月２５日）、第４，６４４，１６８号（１９８７年２月１７日 ）、及び第５，１９３，１０５号（１９９３年３月９日）に記述されている。本 出願人は、Ｒａｎｄ等に付与された上に掲げた各特許を参照し、また、これらの 各特許は参照によって本明細書に組み入れられている。 上に参照した特許に記述されているように、電子ビームは、排気型のほぼ円錐 形のハウジングチャンバの上流端にある電子銃によって生成される。電子ビーム は、電子銃の大きな電位（例えば、１３０ｋＶ）により、チャンバの軸に沿って 下流へ加速され、更に下流へ加速され、ビーム光学システムにより、合焦され、 偏向されて、Ｘ線発生ターゲットに沿って走査される。ターゲットにおける最終 のビームスポットは、電子銃を励起したときの元のビームサイズより非常に小さ いことが理解される。 ビーム光学システムは、磁気合焦コイル、四極子コイル、および、偏向コイル を含む。Ｘ線は、対象物（例えば、患者）を貫通し、検出アレイ２２によって検 出される。検出アレイ２２とターゲット１４は、システム対称軸２８と同軸とさ れ、また、システム対称軸２８と直交する平面を定める。検出アレイからの出力 は、デジタル化され、記憶され、コンピュータで処理されて対象物の一部の再構 築Ｘ線ビデオ画像を生成する。 ビーム光学システムの上流のチャンバ領域では、発散ビームが所望される。上 流領域では、電子ビームは、それ自身の空間電荷によって自己拡大できることが 好ましい。自己拡大は、電子空間電荷によって発生される力に依存する。これに 対して、ビーム光学システムからの下流では、収束する自己合焦ビームが所望さ れる。 真空チャンバは、電子ビームの存在で電離して正イオンを発生する残留、若し くは、導入ガスを含む。これらの正イオンは、収束ビームが所望される下流チャ ンバ領域では有用であるが、上流領域では、所望のビーム拡大を妨害するもので 有害なものとなり得る。もし上流側で正イオンが外部の静電界によって取り除か れなければ、これらの正イオンは負の電子ビームで捕獲されることになり、所望 のビーム自己拡大に必要とされる空間電荷を中和する。実際、この中和がビーム を不安定にし、崩壊させてしまうことさえあり得る。 従来の走査電子ビームスキャナの通常の構成では、上流領域に配置された少な くとも１つのイオン清掃電極（「ＩＣＥ」）に電子ビームを軸方向に通すことに よってこのような正イオンを除去している。ＩＣＥは、約１ｋＶの電位に結合さ れ、横電界を発生する。横電界は、約１３０ｋＶで加速されてかなり高速に移動 するような電子は妨害せずに、ゆっくりと移動する正イオンは遠くに追いやる。 この方法では、ＩＣＥは、上流領域からのみ正イオンを取り除くことから、正 イオンを、ビーム光学システムから下流に累積させることができる。下流では、 正イオンがビーム・空間電荷を中和するのが好ましく、これにより、ビームの引 きつけ磁界を収束させることができ、また、ビームを自己合焦させることができ る。このように、下流の収束は、電子ビームの電子によって発生された磁界に依 存する。 結果として、上流領域には自己反発、非合焦ビーム（de-focusing beam）が存 在し、下流領域には自己合焦ビームが存在することになる。ビーム光学システム の素子は、その後、Ｘ線ターゲットに沿って走査を行う際に、収束ビームを合焦 し、微調整して、明確な輪郭の再構築Ｘ線画像を生成する。 上流および下流チャンバ領域は、高い正電位、例えば、２ｋＶ、に結合された ワッシャー型の正イオン電極（「ＰＩＥ」）によって分離される。ＰＩＥは、大 きな軸方向電界を発生する。この軸方向電界は、（下流で形成された）正イオン が、それら正イオンの存在が有害である上流へ移動するのを防止する。上流領域 と下流領域の交差部付近には、通常、磁気ソレノイド合焦コイルが配置されてい る。このコイルは、コイル電流の変化に応答しててビームの焦点を提供し、微調 整する。 磁気ソレノイド合焦コイルが従来技術で使用されているが、このようなコイル をも含めて、素子の数を減少させることは、走査電子ビームＣＴシステムにおい て有用である。 走査電子ビームＣＴシステムでは、電子ビームを合焦することができる機構が 必要であり、また、このような機構を調整する手段、この手段は磁気ソレノイド 合焦コイルを不要とする、が必要である。更に、走査中に動的に合焦されて微調 整を行うことのできる電子ビーム合焦機構が必要である。発明の要旨 本発明は、ビームにより発生するイオンの分布を静電気的に制御することによ る、走査電子ビーム型ＣＴシステムにおける電子ビームに関する。上流（自己拡 大、非合焦）及び下流（収束、自己合焦）のビーム領域の相対的な長さは、上流 の領域におけるビームの非合焦が下流の領域におけるビームの自己合焦を補償す るように、静電気的に制御される。２つの領域の相対的な長さを適切に選択した 場合、合焦力は本質的に必要とされず、従来技術において使用された磁気合焦を 除去することができる。 電子銃から下流に位置する正イオン電極（“ＰＩＥ”という）が、２つの領域 間の境界の位置、従って各領域の相対的な長さを決定する。このＰＩＥは、円板 状の電極であって、ハウジング１０のドリフト管内でビーム光学軸に同軸的に取 り付けられており、正の大きな電位に接続されている。結果として生じる軸にお ける電場によって、正のイオンがＰＩＥを通過して、電子銃の方向に上流に移動 しないようにされている。ＰＩＥの電位を変えることによって、内部領域の境界 位置が変わり、これによってビームの非合焦及び自己合焦の効果の相対的な大き さが変わる。必要とされるＰＩＥの電位は、適当な電子ビーム監視器の出力を監 視しつつ、電位を変えることによって決定される。 更に、ＰＩＥの電位を動的に変えることにより、本発明は、走査中においても 、電子ビームの合焦を調整する。好ましい形態においては、電子銃をＰＩＥから 分離しているドリフト管の領域は、非常に狭いのでドリフト管を修正することな しには従来のＩＣＥを収容することができない。従って、正のイオンは、周期的 なイオン除去電極（“ＰＩＣＥ”という）によって上流の領域から除去される。 このＰＩＣＥは、ビーム光学軸の同軸である所定の間隔をもって配置されたワッ シャー状の幾つかの電極から成っており、ＰＩＣＥ電極は、大電位及び小電位に それぞれ交互に接続されている。軸の電位の高速の変化は、結果としてイオンを 直ちに一掃する交互の軸の場を形成する。従来の、例えば横断する場を有する別 の設計によるＩＣＥも可能である。 本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら詳細に説明する実施例 の記載から明らかになるであろう。図面の簡単な説明 図１は、一般化した走査電子ビーム型ＣＴ(computer tomography)Ｘ線システ ムを示しており、本発明による電子ビーム合焦を含むものである。 図２は、図１に示すシステムの縦方向の図である。 図３は、本発明によるビーム光学組立体３８のＰＩＣＥ−ＰＩＥ部分の透視図 である。 図４Ａは、図３のビーム光学組立体３８のＰＩＣＥ−ＰＩＥ部分の縦断面図で ある。 図４Ｂは、図３のビーム光学組立体３８のＰＩＣＥ−ＰＩＥの縦方向の異なる 位置における静電位を示す。 図４Ｃは、図３のビーム光学組立体３８のＰＩＣＥ−ＰＩＥの縦方向の異なる 位置における軸の電場を示す。好ましい実施例の説明 図１及び図２に示すように、一般化した走査電子ビーム型ＣＴＸ線システム８ は、真空室ハウジング１０を有する。この真空室ハウジング１０では、高い励起 （例えば、１３０ｋＶ）に応答して、上流の領域３４に位置する電子銃によって 電子ビーム１２が発生される。その後、この電子ビーム１２は、光学システム ３８によって引き起こされ、室１２の前面下方部１６内に位置する少なくとも１ つの円状の目標物（ターゲット）１４を走査する。 合焦した電子ビームにより走査されると、目標物は移動する扇状のＸ線ビーム １８を放出する。Ｘ線１８は、その後、被験者２０（例えば、患者や他のもの） の領域を通過し、直径方向に反対側に位置する検出器アレイ２２に記録される。 この検出器アレイ２２は、データを処理し、かつ、記録するコンピュータ処理シ ステム（矢印２４で示される）にデータを出力し、ビデオ監視器２６に被験者の 断面の像を出力する。第２の矢印２４に示されるように、コンピュータ処理シス テムは、システム８及びそこでの電子ビームの生成も制御する。 前述したように、ハウジング１０のガスは、電子ビーム１２の存在するとき正 のイオンを発生する。正のイオンは下流の、自己合焦の領域３６において有益で あるが、上流の、自己拡大の非合焦の領域３４においては除去しなければならな い（又は、少なくとも適切に制御しなければならない）。 本発明によれば、ビーム光学システム３８は、ＰＩＥ４８、ＰＩＣＥ５２、偏 向コイル、及び４重のコイル、即ち集合的なコイル４２を有する。コイル４２は 合焦効果に寄与するが、この合焦効果は、目標物１４の１つを走査するとき、ビ ームスポットの形成を援助するために使用される。ビーム光学システム３８は、 従来技術と対照的に、磁気合焦コイルを有していない。 図２及び図３に示されるように、ＰＩＥ４８及びＰＩＣＥ５２は、電子銃３２ とコイル４２との間のハウジング１０内に取り付けられており、その結果電子ビ ーム１２は、対称的なシステム軸２８に沿って同軸状にＰＩＥ４８及びＰＩＣＥ ５２を軸上で通過する。 図３に示されるように、ＰＩＥ４８は、中央の開口部がその領域で電子ビーム の直径と少なくとも同じ大きさ、代表的には、約２ｃｍであるような平面状のワ ッシャーであることが望ましい。ＰＩＥ４８は、大きな正の電位（例えば、２ｋ Ｖ）Ｖ₄₈に接続されることが望ましい。このＰＩＥは、室１０内でガスを放出し ないような相対的に不活性な導体材料、例えば、ステンレス鋼や銅から作られて いる。ＰＩＥは、セラミックのような絶縁材料から成る１又はそれ以上のポスト ５４を用いて、室１０内に取り付けられている。 このＰＩＥは、正のイオンがＰＩＣＥ５２（図４を参照）の方向の上流に移動 しないように軸上に場を発生させる。そのような上流の移動は有害であり、Ｘ線 の目標物に鋭い自己合焦するビームスポットの生成の邪魔になる。本発明によれ ば、ＰＩＥ４８は、上流の領域と下流の領域との間にインターフェースを画定す るように役立つ。 米国特許第 5,193,105号公報に開示されたような従来技術の走査電子ビームＣ Ｔシステムでは、ドリフト管は、上流の、ビーム拡大領域における正イオンを除 去するために、ＰＩＥの少なくとも一つのＩＣＥ上流を用いることを許すべく十 分に広い。しかしながら、本発明では、ドリフト管は、ＩＣＥを収容するにはあ まりにも小さい寸法である、約３．８ｃｍまで直径で狭められる。 従って、ＩＣＥの代わりに、本発明は、電子銃３２に隣接しかつＰＩＥ４８か ら上流に配置されたＰＩＣＥ５２を用いて上流領域３４から正イオンを除去する 。ＰＩＣＥ５２は、軸２８に沿って同軸で離間した複数のディスク状素子７０， ７２０を含むのが好ましい。ＰＩＣＥ素子は、ステンレス鋼またはチャンバ１０ 内で除気しない類似な比較的不活性な導電材料であるのが好ましい。絶縁柱（ポ スト）５４は、ドリフトチャンバ１０内にＰＩＣＥ５２を取り付けるために用い られる。 代替ＰＩＣＥ電極、例えば、７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃは、第１の電圧発 生源（電源）Ｖ₇₀に一緒に結合され、中間電極、例えば、７２，７２Ａ，７２Ｂ は、第２の電圧発生源（電源）Ｖ₇₂に一緒に結合される。図３の好ましい実施例 では、＋２ｋＶ及び接地をあるいは含んでいる、他の電位を用いることができる けれども、７つのＰＩＣＥディスク、Ｖ₇₀≒−２ｋＶ及びＶ₇₂≒０Ｖ（例えば、 接地）が用いられる。ＰＩＣＥに対する設計考慮は、比較的短い水平距離、例え ば約５ｃｍ以内では、軸電圧(axial potential)の十分に高い変化率がイオンを 素早く除去すべく生成されなければならないということである。Ｖ₇₀、Ｖ₇₂電圧 は、所望の電界を生成するために大きさにおいては十分であるが、１３０ｋＶ電 子銃電圧との比較において、電子ビーム流を擾乱するためには十分ではない。 更に、その上では通常のＩＣＥを用いることができない（空間がそのような使 用を許されると想定して）、３７のような、間隙を生成するハウジング１０にお ける不連続性にもかかわらず、ＰＩＣＥ５２は、電子ビーム１２を電界に有利に ゆだねる。 図３を参照すると、ＰＩＥ４８から上流（例えば、ＰＩＥ４８の左へ）で、正 の電子は、ＰＩＣＥ５２から除去され、かつ電子ビーム１２は、ビーム内の電子 の空間電荷により、拡大するか、または非合焦するということが理解される。軸 ２８に沿った種々の地点での非合焦力の大きさは、ビーム直径及び空間電荷密度 で変化する。 本発明によれば、ＰＩＥ４８は、下流領域（例えば、ビーム収束または自己合 焦領域）から上流領域（例えば、ビーム拡大または非合焦領域）を分離する。正 イオンがＰＩＥ４８から下流（例えば、図３の右へ）に存在するので、電子空間 電荷は、中和され、かつビームは、ビームの自己磁界により軸２８に向かって収 束または自己合焦する。自己合焦力の大きさは、ビーム直径及び電流密度の関数 として軸２８に沿って変化し、自己磁界を生成する。 本発明によれば、上流と下流領域の間に、上流領域全体におけるビーム拡大効 果が下流領域全体におけるビーム収束効果を補償する軸方向位置がある。次いで 、走査電子ビームをターゲット１４上に合焦するために実質的にゼロの外部合焦 力が要求される。 ＰＩＥ電圧Ｖ₄₈を変化することによって、イオンなし領域と中和領域との間の 境界は、移動することができる。この方法で、二つの領域の相対的長さは、上流 領域長さ及び下流領域長さがビーム収束及び発散効果が互いに補償することを結 果として生ずるまで変化することができる。 補償に必要なＰＩＥ Ｖ₄₈の大きさは、オシロスコープでビーム監視装置５６ （図２参照）からの出力を観測すると同時にＶ₄₈を変化することによって決定さ れるのが好ましい。Ｖ₄₈の最適値が用いられる。走査電子ビームＣＴシステムに おけるビーム品質を監視するための“Ｗ”ワイヤ装置５６の使用は、Rand等によ る米国特許第4,631,741 号公報(1986)に記載されている。ビーム監視装置の使用 は、この分野で知られているので、更なる説明は、ここでは行わない。 システム８内では、漂遊電磁界、及びチャンバ１０の不正確な寸法は、ビーム 内のイオン分布を変化することができ、かつ電子ビーム合焦の微調整を必要とす る。この微調整は、走査の間中に合焦を動的に制御するためにその電圧が変化さ れうる、ＰＩＥ電圧Ｖ₄₈を変化することによっても供給される。例えば、適切な Ｖ₄₈は、変動ＡＣ電圧が重ね合わされるＤＣ電圧レベルでありうる。望ましいな らば、ＡＣ電圧の形状は、Ｘ線ターゲット１６に沿ったビーム走査位置の関数と して、漂遊電界及びチャンバ１０の寸法における不正確性を補償するためにコン ピュータ機構２４によって適切に合わせることができる。 ＰＩＥ−ＰＩＣＥ組合せは、静電レンズを構成しうるが、このレンズは、弱く かつネガティブ（凹）であり、合焦効果全体にほとんど寄与しないということが 理解されるであろう。そのようなレンズの合焦効果は、ビーム・イオン分布によ って制御される、ビーム自己力(self-forces)のそれよりもかなり少なく、次い で、それは本発明により、ＰＩＥ電圧によって制御される。 本実施例は、ＰＩＥ電圧の関数として実効静電レンズの強度及びビーム・イオ ン分布の両方を変化する。しかしながら、静電レンズ強度及びビーム・イオン分 布は、実際に個別の効果なので、適切な電極構成は、イオン分布によりビーム磁 気自己力を変化すると同時に、静電合焦効果を一定またはゼロに維持することに よって合焦を許容する。 図４Ａは、縦断面におけるＰＩＣＥ−ＰＩＥアセンブリ５２−４８を示し、上 流空間電荷制限された、非合焦ビーム領域と下流中和された、自己合焦ビーム領 域との間の境界をはっきり分けることにおけるＰＩＥ４８の役割を表している。 図４Ｂは、軸１８に沿った種々の位置で測定可能な静電電圧を示す。図４Ｃは、 ＰＩＣＥ及びＰＩＥ装置から生じる、Ｚ−軸に沿った電界を示すと共に、イオン の動きも表わす。 纏めると、従来技術における磁気合焦コイルの使用とは対照的に、本発明は、 必要な合焦及び動的な合焦を供給するためのＰＩＥ装置を構成する。更に、本発 明で用いたＰＩＣＥ−ＰＩＥ構成は、少ないドリフト管空間を必要とし、少ない 電力を消費し、かつ従来技術の磁気合焦コイルよりも高い信頼性で動作する。 変更及び変形は、添付した特許請求の範囲によって画定された本発明の対象及 び精神から逸脱することなく、開示された実施例に対してなされうる。例えば、 合焦機構は、走査電子ビームＣＴシステムにおける使用に対して記載されたが、 そのような機構は、例えば高電流電子加速器インジェクター及び電子ビーム・ウ ェルダーのような他の用途においても同様に用いることができる。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a scanning electron beam computed tomography X-ray system, and more particularly, in such a system. Focusing an electron beam without using a magnetic or electrostatic lens and adjusting the focus of the electron beam. BACKGROUND OF THE INVENTION Scanning electron beam computed tomography ("CT") systems are described in US Pat. No. 4,352,021 (September 28, 1982) to Boyd et al. And US Patent to Rand et al. No. 4,521,900 (June 4, 1985), No. 4,521,901 (June 4, 1985), No. 4,625,150 (November 25, 1986), No. 4, , 644,168 (February 17, 1987) and 5,193,105 (March 9, 1993). Applicant refers to each of the above listed patents granted to Rand et al., And each of these patents is incorporated herein by reference. As described in the above-referenced patent, the electron beam is generated by an electron gun at the upstream end of an evacuated, generally conical housing chamber. The electron beam is accelerated downstream by the large potential of the electron gun (eg, 130 kV) along the axis of the chamber, further downstream, and is focused and deflected by the beam optics to produce an x-ray producing target. Scanned along. It is understood that the final beam spot at the target is much smaller than the original beam size when the electron gun was excited. The beam optics system includes a magnetic focusing coil, a quadrupole coil, and a deflection coil. X-rays penetrate an object (eg, a patient) and are detected by the detector array 22. The detector array 22 and the target 14 are coaxial with the system symmetry axis 28 and define a plane orthogonal to the system symmetry axis 28. The output from the detector array is digitized, stored, and processed by a computer to produce a reconstructed x-ray video image of the portion of the object. A divergent beam is desired in the chamber region upstream of the beam optics. In the upstream region, the electron beam is preferably able to self-expand due to its own space charge. Self-expansion depends on the force generated by the electron space charge. In contrast, downstream from the beam optics, a converging, self-focusing beam is desired. The vacuum chamber contains residual or introduced gas that ionizes in the presence of an electron beam to generate positive ions. These positive ions are useful in the downstream chamber region where a focused beam is desired, but in the upstream region they interfere with the desired beam expansion and can be detrimental. If upstream positive ions are not removed by the external electrostatic field, these positive ions will be trapped by the negative electron beam, neutralizing the space charge needed for the desired beam self-expansion. . In fact, this neutralization can even destabilize and even destroy the beam. The conventional configuration of conventional scanning electron beam scanners removes such positive ions by passing the electron beam axially through at least one ion cleaning electrode ("ICE") located in the upstream region. The ICE is coupled to a potential of about 1 kV and produces a transverse electric field. The transverse electric field accelerates at about 130 kV and does not interfere with electrons that move at a considerably high speed, but slowly moves positive ions away. In this way, the ICE removes positive ions only from the upstream region, thus allowing positive ions to accumulate downstream from the beam optics system. Downstream, positive ions preferably neutralize the beam space charge, which can focus the attractive magnetic field of the beam and also self-focus the beam. Thus, downstream focusing depends on the magnetic field generated by the electrons of the electron beam. As a result, there is a self-repulsing, de-focusing beam in the upstream region and a self-focusing beam in the downstream region. The elements of the beam optics system then focus and fine tune the focused beam as it scans along the x-ray target to produce a well-defined reconstructed x-ray image. The upstream and downstream chamber regions are separated by a washer-type positive ion electrode (“PIE”) coupled to a high positive potential, eg, 2 kV. The PIE produces a large axial electric field. This axial electric field prevents positive ions (formed downstream) from moving upstream where the presence of those positive ions is detrimental. A magnetic solenoid focusing coil is usually arranged near the intersection of the upstream region and the downstream region. The coil provides and fine-tunes the focus of the beam in response to changes in coil current. Although magnetic solenoid focusing coils have been used in the prior art, reducing the number of elements, including such coils, is useful in scanning electron beam CT systems. Scanning electron beam CT systems require a mechanism that can focus the electron beam, and a means for adjusting such a mechanism, which does not require a magnetic solenoid focusing coil. . Further, there is a need for an electron beam focusing mechanism that can be dynamically focused during scanning to make fine adjustments. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an electron beam in a scanning electron beam CT system by electrostatically controlling the distribution of ions generated by the beam. The relative lengths of the upstream (self-expanding, non-focusing) and downstream (focusing, self-focusing) beam regions are such that the beam defocusing in the upstream region compensates for the beam self-focusing in the downstream region. To be controlled electrostatically. With proper selection of the relative lengths of the two regions, focusing power is essentially not required and the magnetic focus used in the prior art can be eliminated. A positive ion electrode (referred to as "PIE") located downstream from the electron gun determines the location of the boundary between the two regions, and thus the relative length of each region. The PIE is a disk-shaped electrode, is coaxially attached to the beam optical axis in the drift tube of the housing 10, and is connected to a large positive potential. The resulting electric field in the axis prevents positive ions from passing through the PIE and moving upstream in the direction of the electron gun. By changing the potential of the PIE, the boundary position of the interior region is changed, which changes the relative magnitude of the beam defocusing and self-focusing effects. The required PIE potential is determined by changing the potential while monitoring the output of the appropriate electron beam monitor. Further, by dynamically changing the potential of the PIE, the present invention adjusts the focus of the electron beam even during scanning. In the preferred form, the region of the drift tube that separates the electron gun from the PIE is so narrow that it cannot accommodate a conventional ICE without modification of the drift tube. Therefore, positive ions are removed from the upstream region by a periodic ion removal electrode (referred to as "PICE"). The PICE is composed of a number of washer-shaped electrodes which are arranged at a predetermined interval coaxial with the beam optical axis, and the PICE electrodes are alternately connected to a large potential and a small potential. The rapid changes in axis potential result in the formation of alternating axial fields that immediately sweep out the ions. ICEs with other designs, eg conventional, with crossing fields are also possible. Other features and advantages of the present invention will be apparent from the description of the embodiments described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a generalized scanning electron beam CT (computer tomography) X-ray system, which includes electron beam focusing according to the present invention. 2 is a vertical view of the system shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view of the PICE-PIE portion of the beam optics assembly 38 according to the present invention. 4A is a vertical sectional view of a PICE-PIE portion of the beam optical assembly 38 of FIG. 4B shows electrostatic potentials at different vertical positions of the PICE-PIE of the beam optical assembly 38 of FIG. 4C shows the axial electric field at different longitudinal positions of the PICE-PIE of the beam optics assembly 38 of FIG. Description of the Preferred Embodiment As shown in FIGS . 1 and 2, a generalized scanning electron beam CTX system 8 includes a vacuum chamber housing 10. In the vacuum chamber housing 10, the electron beam 12 is generated by an electron gun located in the upstream region 34 in response to high excitation (eg, 130 kV). The electron beam 12 is then triggered by the optical system 38 to scan at least one circular target 14 located in the lower front portion 16 of the chamber 12. When scanned by the focused electron beam, the target emits a moving fan-shaped X-ray beam 18. The X-rays 18 then pass through an area of a subject 20 (eg, a patient or others) and are recorded on a diametrically opposite detector array 22. The detector array 22 outputs the data to a computer processing system (indicated by arrow 24) that processes and records the data, and outputs to the video monitor 26 an image of the cross section of the subject. As indicated by the second arrow 24, the computer processing system also controls the system 8 and the production of the electron beam therein. As mentioned above, the gas in the housing 10 produces positive ions in the presence of the electron beam 12. Positive ions are beneficial in the downstream, self-focusing region 36, but must be removed (or at least properly controlled) in the upstream, self-expanding, non-focusing region 34. . In accordance with the present invention, the beam optics system 38 includes a PIE 48, a PICE 52, a deflection coil, and a quadruple coil or collective coil 42. The coil 42 contributes to the focusing effect, which is used to assist in the formation of the beam spot when scanning one of the targets 14. The beam optics system 38, in contrast to the prior art, does not have a magnetic focusing coil. As shown in FIGS. 2 and 3, the PIE 48 and PICE 52 are mounted within the housing 10 between the electron gun 32 and the coil 42 so that the electron beam 12 is directed along the symmetrical system axis 28. Coaxially through the PIE 48 and the PICE 52. As shown in FIG. 3, the PIE 48 is preferably a planar washer whose central opening is at least as large as the diameter of the electron beam in its area, typically about 2 cm. PIE ₄₈ is preferably connected to a large positive potential (eg, 2 kV) V ₄₈ . The PIE is made of a relatively inert conductor material, such as stainless steel or copper, that does not release gas in the chamber 10. The PIE is mounted within the chamber 10 using one or more posts 54 made of an insulating material such as ceramic. This PIE creates an on-axis field so that positive ions do not move upstream in the direction of PICE 52 (see Figure 4). Such upstream movement is detrimental and interferes with the creation of a sharp self-focusing beam spot on the x-ray target. According to the present invention, the PIE 48 serves to define an interface between the upstream region and the downstream region. In prior art scanning electron beam CT systems such as those disclosed in US Pat. No. 5,193,105, a drift tube is provided upstream of at least one ICE upstream of the PIE to remove positive ions in the beam expansion region. Wide enough to allow it to be used. However, in the present invention, the drift tube is narrowed in diameter to about 3.8 cm, a size that is too small to accommodate the ICE. Thus, instead of ICE, the present invention removes positive ions from upstream region 34 using PICE 52 located adjacent to electron gun 32 and upstream from PIE 48. PICE 52 preferably includes a plurality of disk-shaped elements 70, 720 coaxially spaced along axis 28. The PICE element is preferably stainless steel or a similar relatively inert conductive material that does not degas in the chamber 10. The insulating column (post) 54 is used to mount the PICE 52 in the drift chamber 10. Alternative PICE electrodes, eg, 70, 70A, 70B, 70C, are coupled together to a first voltage source (power source) V ₇₀ , and intermediate electrodes, eg, 72, 72A, 72B, are coupled to a second voltage source. (Power) V _{72 tied} together. In the preferred embodiment of FIG. 3, seven PICE disks, V ₇₀ ≈-2 kV and V ₇₂ ≈0 V (eg, ground) are used, although other potentials may be used, including or alternatively +2 kV and ground. . A design consideration for PICE is that within relatively short horizontal distances, eg, within about 5 cm, a sufficiently high rate of change in axial potential must be generated to quickly remove ions. The V ₇₀ and V ₇₂ voltages are sufficient in magnitude to produce the desired electric field, but not sufficient to perturb the electron beam current as compared to the 130 kV electron gun voltage. Furthermore, despite the discontinuity in the housing 10 that creates the gap, such as 37, where a normal ICE cannot be used on it (assuming space allows such use), the PICE 52 Direct the electron beam 12 to an electric field. Referring to FIG. 3, upstream from the PIE 48 (eg, to the left of the PIE 48), positive electrons are removed from the PICE 52 and the electron beam 12 expands or becomes non-uniform due to the space charge of the electrons in the beam. It is understood to be in focus. The magnitude of the defocus force at various points along axis 28 varies with beam diameter and space charge density. In accordance with the present invention, the PIE 48 separates the upstream region (eg, beam expansion or non-focus region) from the downstream region (eg, beam focusing or self-focusing region). Since positive ions are present downstream from PIE 48 (eg, to the right in FIG. 3), the electron space charge is neutralized and the beam is focused or self-focused towards axis 28 due to the beam's self-field. The magnitude of the self-focusing force varies along axis 28 as a function of beam diameter and current density, producing a self-field. According to the invention, there is an axial position between the upstream and the downstream region in which the beam expansion effect in the entire upstream region compensates for the beam focusing effect in the entire downstream region. An essentially zero external focusing force is then required to focus the scanning electron beam onto the target 14. By changing the PIE voltage V ₄₈ , the boundary between the ion-free region and the neutralizing region can be moved. In this way, the relative lengths of the two regions can be varied until the upstream region length and the downstream region length result in beam converging and diverging effects compensating for each other. The magnitude of PIE V ₄₈ required for compensation is preferably determined by observing the output from beam monitor 56 (see FIG. 2) on an oscilloscope while varying V ₄₈ . The optimum value of V ₄₈ is used. The use of "W" wire assembly 56 to monitor beam quality in a scanning electron beam CT system is described by Rand et al. In U.S. Pat. No. 4,631,741 (1986). The use of beam monitoring devices is known in the art and will not be described further here. Within the system 8, stray fields and incorrect dimensions of the chamber 10 can change the ion distribution in the beam and require fine tuning of electron beam focusing. This fine adjustment is also provided by changing the PIE voltage V ₄₈ , whose voltage can be changed during the scan to dynamically control the focus. For example, a suitable V ₄₈ may be a DC voltage level on which a varying AC voltage is superimposed. If desired, the shape of the AC voltage can be appropriately tailored by computer mechanism 24 to compensate for stray electric fields and inaccuracies in the dimensions of chamber 10 as a function of beam scan position along x-ray target 16. . It will be appreciated that the PIE-PICE combination may constitute an electrostatic lens, but this lens is weak and negative (concave) and contributes little to the overall focusing effect. The focusing effect of such a lens is significantly less than that of the beam self-forces controlled by the beam ion distribution, which in turn is controlled by the PIE voltage according to the present invention. This embodiment changes both the effective electrostatic lens intensity and the beam ion distribution as a function of PIE voltage. However, since electrostatic lens strength and beam ion distribution are actually individual effects, a suitable electrode configuration will change the beam magnetic self-force with the ion distribution while maintaining a constant or zero electrostatic focusing effect. Focus is allowed by doing so. FIG. 4A shows a PICE-PIE assembly 52-48 in longitudinal section, clearly demarcating the boundary between the upstream space charge limited unfocused beam region and the downstream neutralized self-focused beam region. Represents the role of PIE48 in. FIG. 4B shows the electrostatic voltage that can be measured at various locations along axis 18. FIG. 4C shows the electric field along the Z-axis resulting from the PICE and PIE devices, as well as the movement of the ions. In summary, in contrast to the use of magnetic focusing coils in the prior art, the present invention constitutes a PIE device for providing the requisite and dynamic focus. Moreover, the PICE-PIE configuration used in the present invention requires less drift tube space, consumes less power, and operates more reliably than prior art magnetic focusing coils. Modifications and variations may be made to the disclosed embodiments without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. For example, focusing mechanisms have been described for use in scanning electron beam CT systems, but such mechanisms may be used in other applications as well, such as high current electron accelerator injectors and electron beam welders. be able to.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 37/21 9508−2Ｇ Ｈ０１Ｊ 37/21 Ｚ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. ⁶ Identification number Internal reference number FI H01J 37/21 9508-2G H01J 37/21 Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １．電子の空間電荷による第１の力が電子ビームを拡大かつ非合焦する上流の非 合焦領域と、前記空間電荷の中和と電子ビーム自身の磁界による第２の力が電子 ビームを収束させる下流の合焦領域とを有する真空ハウジングチャンバで発生し た電子ビームを合焦する機構であって、下流方向に移動する電子ビームがビーム 軸を定める機構において、 前記電子ビームとほぼ同軸の電子ビームの発生器から下流に配置された正の イオン電極を備え、 前記下流に配置された正のイオン電極は、該電極を通して上流への移動を制 御する軸方向電界を形成する正電位に結合されており、 前記正電位は、前記第１の力と第２の力の効果がほぼ等しい、前記上流と下 流の領域を分離する軸方向境界位置を決定しており、 前記電子ビームを合焦するのには、ほぼ零の外部の合焦力が必要である、 ことを特徴とする機構。 ２．前記正のイオン清掃電極は電子ビームを通過させ得る寸法の中心開口を有す る平坦な円板であることを特徴とする請求項１に記載の機構。 ３．前記正電位は、前記電子ビームの走査の間に変化し、 前記変化した電位は前記電子ビームのイオン分布を変化させて前記走査の間 前記電子ビームを動的に合焦させる、 ことを特徴とする請求項１に記載の機構。 ４．前記正電位は約＋２Ｋｖの大きさを有する請求項１に記載の機構。 ５．電子の空間電荷による第１の力が電子ビームを拡大かつ非合焦する上流の非 合焦領域と、前記空間電荷の中和と電子ビーム自身の磁界による第２の力が電子 ビームを収束させる下流の合焦領域とを有する真空ハウジングチャンバで発生し た電子ビームを収束するシステムであって、下流方向に移動する電子ビームがビ ーム軸を定めるシステムにおいて、 前記ビーム軸と同軸で前記上流領域に配置され、電子の空間電荷が前記上流 領域に電子ビームの発散を引き起こす前記第１の力を生むように、前記上流領域 から正イオンを除去する第１手段を備え、 前記ビーム軸と同軸で前記第１手段の下流に配置され、下流に形成された正 イオンがそこを通して上流へ移動するのを制御し、前記上流と下流の領域を分離 する軸方向境界位置を決定する第２手段を備え、 前記軸方向境界位置は、前記第１の力と第２の力の効果がほぼ等しく、前記 電子ビームを合焦させるのに実質的に零の外部合焦力を必要とする、 ことを特徴とするシステム。 ６．前記第１手段は、イオンを迅速に一掃する交番軸方向電界を生成することを 特徴とする請求項５に記載のシステム。 ７．前記第１手段は、周期的イオン清掃電極を備え、 前記ビーム軸と同軸で前記第２手段の上流に隔置された複数の平坦な円板要 素を備え、 該要素の各々は、前記ビームが通過し得るような寸法の中心開口を定めてお り、 前記平坦な円板要素に交互に第１と第２の電位源が接続され、前記第１と第 ２の電位源の間の電位差が前記平坦な円板の隣接するものの間交番軸方向電界を 形成する、 ことを特徴とする請求項６に記載のシステム。 ８．前記第２手段は、正電位源に接続された電極を備え、下流に形成された正イ オンが前記電極を通して上流へ移動するのを制御する軸方向電界を形成する、 ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。 ９．前記正電位源は、前記電子ビームの走査の間に変化し、 前記変化した電位は前記電子ビームのイオン分布を変化させて前記走査の間 前記電子ビームを動的に収束させる、 ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。 10．電子の空間電荷による第１の力が電子ビームを拡大する上流の非合焦領域と 、前記空間電荷の中和と電子ビーム自身の磁界による第２の力が電子ビームを収 束させる下流の合焦領域とを有する真空ハウジングチャンバで電子ビームを発生 する手段を備え、 前記下流方向に移動する電子ビームがビーム軸を定めており、 前記電子ビームをＸ線発生ターゲットに沿って走査する手段を備え、 前記手段の下流に配置されて前記電子ビームとほぼ同軸に発生する正電位電 極を備え、この正電位電極は、下流に形成された正イオンが該電極を通して上流 へ移動するのを制御する軸方向電界を形成する正電位に接続されており、 前記正電位は、前記第１の力と第２の力の効果がほぼ等しい、前記上流と下 流の領域を分離する軸方向境界の位置を決定し、 前記Ｘ線発生ターゲットに前記電子ビームを合焦させるのに実質的に零の外 部合焦力を必要とする、 ことを特徴とする走査電子ビームＣＴＸ線システム。 11．電子の空間電荷による第１の力が電子ビームを拡大かつ非合焦させる上流の 非合焦領域と、前記空間電荷の中和と電子ビーム自身の磁界による第２の力が電 子ビームを収束させる下流の合焦領域とを有する真空ハウジングチャンバで発生 した電子ビームを合焦する方法であって、下流方向に移動する電子ビームがビー ム軸を定める方法において、 前記第１の力と第２の力の効果がほぼ等しい、前記上流と下流の領域を分離 する軸方向境界位置が前記チャンバ内に存在するように、下流に形成された正イ オンが上流へ移動するのを制御する軸方向電界を形成するステップから成り、 前記電子ビームを合焦するのに実質的に零の外部合焦力を必要とする、 ことを特徴とする方法。 12．前記軸方向電界を形成するステップは、 正電位電極を、下流において、前記電子ビームとほぼ同軸の電子銃の下流に 配置された前記電子ビームの発生源と同軸に配置し、 前記電極を前記軸方向電界を形成する正電位源に接続する、 ことから成る請求項１１に記載の方法。 13．前記正電位電極を配置するステップは、前記電子ビームが通過し得るような 寸法の中心開口を有する平坦な円板を配置することから成り、 前記正電位源に接続するステップは、前記電極を約＋２Ｋｖの大きさの電位 源に接続することから成る、 ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。 14．前記軸方向電界は、前記電子ビームの走査の間に変化し、 前記変化した軸方向電界は、前記電子ビームのイオン分布を変化させて前記 走査の間前記電子ビームを動的に合焦させる、 ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。 15．前記軸方向電界は、前記電位源を変化させることにより前記電子ビームの走 査の間に変化し、 前記変化する電位は、前記電子ビームのイオン分布を変化させて前記走査の 間前記電子ビームを動的に合焦させる、 ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。[Claims] 1. The first force due to the space charge of the electrons expands and defocuses the electron beam A second force due to the focusing region and the neutralization of the space charge and the magnetic field of the electron beam itself Occurs in a vacuum housing chamber with a downstream focus area that focuses the beam. It is a mechanism for focusing the electron beam, and the electron beam moving in the downstream direction is the beam. In the mechanism that determines the axis,     A positive beam located downstream from the electron beam generator, which is substantially coaxial with the electron beam. Equipped with an ion electrode,     The positive ion electrode located downstream controls migration upstream through the electrode. Is coupled to a positive potential that creates a controlled axial electric field,     The positive potential has the effect that the first force and the second force are substantially equal to each other. The axial boundary position that separates the flow region is determined,     In order to focus the electron beam, an external focusing power of almost zero is required,   A mechanism characterized by that. 2. The positive ion cleaning electrode has a central aperture sized to allow passage of an electron beam. The mechanism according to claim 1, wherein the mechanism is a flat disc. 3. The positive potential changes during scanning of the electron beam,     The changed potential changes the ion distribution of the electron beam to change the ion distribution during the scanning. Dynamically focusing the electron beam,   The mechanism according to claim 1, wherein: 4. The mechanism of claim 1, wherein the positive potential has a magnitude of about +2 Kv. 5. The first force due to the space charge of the electrons expands and defocuses the electron beam A second force due to the focusing region and the neutralization of the space charge and the magnetic field of the electron beam itself Occurs in a vacuum housing chamber with a downstream focus area that focuses the beam. It is a system that converges the electron beam, In the system that determines the arm axis,     Arranged coaxially with the beam axis in the upstream region, the space charge of electrons is The upstream region so as to produce the first force causing the divergence of the electron beam in the region. A first means for removing positive ions from the     It is arranged downstream of the first means coaxially with the beam axis and is formed downstream. Controls the movement of ions through it upstream and separates the upstream and downstream regions A second means for determining the axial boundary position to     At the axial boundary position, the effects of the first force and the second force are substantially equal, Requires substantially zero external focusing power to focus the electron beam,   A system characterized by that. 6. The first means is to generate an alternating axial electric field for swiftly cleaning the ions. The system of claim 5 characterized. 7. The first means comprises a periodic ion cleaning electrode,     A plurality of flat discs coaxial with the beam axis and spaced upstream of the second means are required. Equipped with     Each of the elements defines a central aperture sized to allow the beam to pass through. And     First and second potential sources are alternately connected to the flat disc element, and the first and second potential sources are connected to each other. The electric potential difference between the two electric potential sources causes an electric field in the alternating axis direction between adjacent ones of the flat discs. Form,   7. The system according to claim 6, characterized in that 8. The second means includes an electrode connected to a positive potential source and has a positive electrode formed downstream. Creates an axial electric field that controls the movement of on through the electrodes upstream.   The system according to claim 5, wherein: 9. The positive potential source changes during scanning of the electron beam,     The changed potential changes the ion distribution of the electron beam to change the ion distribution during the scanning. Dynamically focusing the electron beam,   The system according to claim 8, characterized in that: Ten. A first force due to the space charge of electrons and an upstream defocused region where the electron beam expands , The second force due to the neutralization of the space charge and the magnetic field of the electron beam itself collects the electron beam. Generating an electron beam in a vacuum housing chamber with a downstream focusing area for bundling Is equipped with     The electron beam moving in the downstream direction defines the beam axis,     A means for scanning the electron beam along an X-ray generating target,     A positive potential electrode that is arranged downstream of the means and that is generated substantially coaxially with the electron beam. This positive potential electrode is provided with a positive electrode through which positive ions formed on the downstream side pass through the electrode. Is connected to a positive potential that creates an axial electric field that controls its movement to     The positive potential has the effect that the first force and the second force are substantially equal to each other. Determine the position of the axial boundary separating the flow regions,     A focus of the electron beam on the X-ray generation target is substantially zero. Requires focusing power,   A scanning electron beam CTX ray system characterized by the following. 11. The first force due to the space charge of the electrons expands and defocuses the electron beam A second force due to the non-focused area and the neutralization of the space charge and the magnetic field of the electron beam itself is generated. Occurring in a vacuum housing chamber with a downstream focus area that focuses the child beam The focused electron beam is focused and the electron beam moving in the downstream direction is beaded. In the method of determining the axis     Separates the upstream and downstream regions where the effects of the first and second forces are approximately equal The positive boundary formed downstream so that the axial boundary position Consisting of the step of creating an axial electric field that controls the on movement of the upstream,     Requires substantially zero external focusing power to focus the electron beam,   A method characterized by the following. 12. Forming the axial electric field,     A positive electrode is placed downstream of the electron gun, which is almost coaxial with the electron beam. Placed coaxially with the source of the electron beam placed,     Connecting the electrode to a positive potential source forming the axial electric field;   12. The method of claim 11 consisting of: 13. The step of disposing the positive electrode is such that the electron beam can pass through. Consisting of arranging a flat disc with a central opening of dimensions,     The step of connecting to the positive potential source comprises applying a potential of about +2 Kv to the electrodes. Consisting of connecting to a source,   13. The method according to claim 12, characterized in that 14. The axial electric field changes during scanning of the electron beam,     The changed axial electric field changes the ion distribution of the electron beam, Dynamically focusing the electron beam during scanning,   The method according to claim 11, wherein: 15． The axial electric field is generated by changing the potential source so that the electron beam travels. Change during the inspection,     The changing potential changes the ion distribution of the electron beam to cause a scan of the scan. Dynamically focusing the electron beam,   13. The method according to claim 12, characterized in that