特許 6974418 応力除去層を有する多層Ｘ線源ターゲット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6974418

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】応力除去層を有する多層Ｘ線源ターゲット

(51)【国際特許分類】

   H01J 35/08 20060101AFI20211118BHJP

   H01J 9/14 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01J35/08 B

   H01J35/08 C

   H01J9/14 M

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2019-215316(P2019-215316)

(22)【出願日】2019年11月28日

(65)【公開番号】特開2020-95951(P2020-95951A)

(43)【公開日】2020年6月18日

【審査請求日】2020年1月20日

(31)【優先権主張番号】16/218,718

(32)【優先日】2018年12月13日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(74)【代理人】

【識別番号】100207158

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 研二

(72)【発明者】

【氏名】ジョージ・セオドア・ダラコス

(72)【発明者】

【氏名】スコット・アンドリュー・ウィーヴァー

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・スコット・プライス

(72)【発明者】

【氏名】スティーヴン・ローレンコ・アラウホ

(72)【発明者】

【氏名】サティヤナラヤナン・ラーガヴァン

【審査官】 関口 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０９９５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１２５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０２９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３００６８５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ９／００−９／１８

３５／００−３５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子ビームによって衝突されると、Ｘ線を発生するように構成された構造を含み、前記構造が、
Ｘ線発生材料を含むＸ線発生層（５６）と、
前記Ｘ線発生層（５６）に隣接し、それと熱伝達している熱伝導層（５７）と、
前記熱伝導層（５７）に隣接している応力除去層（５９）と
熱伝導基板（５８）とを含み、
前記Ｘ線発生層（５６）、前記熱伝導層（５７）、および前記応力除去層（５９）のすべてが、前記熱伝導基板（５８）内に埋め込まれ、前記熱伝導基板（５８）によって支持され、
前記熱伝導層（５７）が、前記Ｘ線発生層（５６）と前記応力除去層（５９）との間に挟まれ、
前記応力除去層（５９）が、タングステンで形成される、Ｘ線源ターゲット（５４）。

【請求項2】

前記Ｘ線発生層（５６）が、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項3】

前記熱伝導層（５７）が、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、ベリリウム、および窒化アルミニウムのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項4】

前記Ｘ線発生層（５６）がタングステンを含み、前記熱伝導層（５７）がダイヤモンドを含む、請求項１に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項5】

前記Ｘ線発生層（５６）がタングステンの単層を含み、前記熱伝導層（５７）がダイヤモンドの単層を含み、前記応力除去層（５９）がタングステンの単層を含む、請求項１に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項6】

前記熱伝導基板（５８）が銅からなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項7】

電子ビームによって衝突されると、Ｘ線を発生するように構成された構造を含み、前記構造が、
基板（５８）と、
前記基板（５８）上に形成された応力除去層（５９）と、
前記応力除去層（５９）上に形成された熱伝導層（５７）と、
Ｘ線発生材料を含むＸ線発生層（５６）であって、前記熱伝導層（５７）上に形成された、Ｘ線発生層（５６）とを含み、
前記Ｘ線発生層（５６）、前記熱伝導層（５７）、および前記応力除去層（５９）のすべてが、前記基板（５８）内に埋め込まれ、
前記熱伝導層（５７）が、前記Ｘ線発生層（５６）と前記応力除去層（５９）との間に挟まれ、
前記応力除去層（５９）が、タングステンで形成される、Ｘ線源ターゲット（５４）。

【請求項8】

前記Ｘ線発生層（５６）が、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つまたは複数を含む、請求項７に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項9】

前記熱伝導層（５７）が、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、ベリリウム、および窒化アルミニウムのうちの１つまたは複数を含む、請求項８に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項10】

前記Ｘ線発生層（５６）がタングステンを含み、前記熱伝導層（５７）がダイヤモンドを含む、請求項６に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項11】

前記Ｘ線発生層（５６）がタングステンの単層を含み、前記熱伝導層（５７）がダイヤモンドの単層を含み、前記応力除去層（５９）がタングステンの単層を含む、請求項６に記載のＸ線源ターゲット（５４）。

【請求項12】

多層Ｘ線源ターゲットを製造するための方法（６０）であって、
凹部を含む熱伝導基板（５８）を形成するステップ（６２）と、
前記熱伝導基板（５８）中の前記凹部の底面上に応力除去層（５９）を形成するステップ（６４）と、
前記応力除去層（５９）上に熱伝導層（５７）を形成するステップ（６６）と、
前記熱伝導層（５７）上にＸ線発生層（５６）を形成するステップ（６８）と
を含み、
前記Ｘ線発生層（５６）、前記熱伝導層（５７）、および前記応力除去層（５９）のすべてが、前記熱伝導基板（５８）内に埋め込まれ、
前記熱伝導層（５７）が、前記Ｘ線発生層（５６）と前記応力除去層（５９）との間に挟まれ、
前記応力除去層（５９）が、タングステンで形成される、方法（６０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示する主題は、Ｘ線ターゲットに関する。詳細には、本明細書で開示する主題は、高熱伝導率層および応力除去層を有する多層Ｘ線ターゲットに関する。

【背景技術】

【0002】

様々な医療診断、実験、セキュリティ検査、および産業品質管理画像化システムは、いくつかの他のタイプのシステム（たとえば、放射線ベースの治療システム）とともに、動作中に放射線の線源としてＸ線管を利用する。一般的にＸ線管は、陰極と陽極とを含む。陰極内の電子ビーム放出体が、電子によって衝突されるターゲットを含む陽極に向かって電子の流れを放出する。

【0003】

電子ビームによってターゲットに堆積されるエネルギーの大部分が、ターゲット内に熱を生じ、エネルギーの別の部分がＸ線放射線の生成をもたらす。実際、電子ビームＸ線ターゲット相互作用からのエネルギーの約１％のみがＸ線発生を担い、残りの９９％はターゲットの加熱をもたらす。Ｘ線フラックスは、したがって、所与の時間期間内に電子ビームによって線源ターゲットに堆積され得るエネルギーの量に強く依存している。しかしながら、動作中に生成される比較的大量の熱は、低減されない場合、Ｘ線源を損壊する（たとえば、ターゲットを溶かす）可能性がある。したがって、従来のＸ線源は、一般的に、ターゲットを回転すること、または能動的に冷却することによって冷却される。しかしながら、回転が過熱を防ぐ手段であるとき、関連するＸ線フラックスとともに堆積される熱の量は、回転速度（ＲＰＭ）、ターゲット蓄熱容量、放射および伝導冷却能力、ならびに支持ベアリングの温度限度によって制限される。回転するターゲットを有する管はまた、固定のターゲット管よりも大きく、重くなる傾向がある。ターゲットが能動的に冷却されるとき、そのような冷却は一般的に、電子ビーム衝突エリアから比較的離れて行われ、ターゲットに適用できる電子ビームパワーを著しく制限する。両方の状況において、冷却方法の限定的熱除去能力は、Ｘ線管によって発生するＸ線の全体的なフラックスを大幅に低下させる。

【0004】

このことを念頭に置いて、いくつかの手法は、層をなすＸ線源構成を採用する場合があり、Ｘ線発生材料の層が、熱伝導材料の層と交互配置され、熱放射を促進する。一例は、多層ダイヤモンドタングステン構造である場合があり、タングステンは、電子ビームによって衝突されるとＸ線を発生し、ダイヤモンドは、熱を奪う。そのような多層タングステン−ダイヤモンドターゲット構造は、好適な熱放散のために高いＸ線フラックス密度を生み出すことができ、その結果、従来のターゲット構造よりも高い電子ビーム照射に耐えることができる。しかしながら、そのような多層構造が、動作設定時に、層の層間剥離を起こす場合がある。たとえば、Ｘ線発生層と熱伝導層との間の接着が、層間の不十分な界面化学結合のために動作中に不適切となる場合がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

第１の態様は、電子ビームによって衝突されると、Ｘ線を発生するように構成された構造を含むＸ線源ターゲットである。この構造は、Ｘ線発生材料を含むＸ線発生層を有し、熱伝導層が、Ｘ線発生層に隣接し、それと熱伝達（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）している。応力除去層が、熱伝導層に隣接している。熱伝導層は、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている。

【0006】

第２の態様は、電子ビームによって衝突されると、Ｘ線を発生するように構成された構造を有するＸ線源ターゲットである。この構造は、基板と、基板上に形成された応力除去層とを含む。熱伝導層が、応力除去層上に形成される。Ｘ線発生層が、Ｘ線発生材料を含み、Ｘ線発生層は、熱伝導層上に形成される。熱伝導層は、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている。

【0007】

第３の態様は、多層Ｘ線源ターゲットを製造するための方法である。この方法は、熱伝導基板を形成するための第１の形成するステップと、熱伝導基板上に応力除去層を形成するための第２の形成するステップとを含む。第３の形成するステップが、応力除去層上に熱伝導層を形成し、第４の形成するステップが、熱伝導層上にＸ線発生層を形成する。熱伝導層は、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている。

【0008】

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて行う本発明の様々な態様の以下の詳細な説明からさらに容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の態様による、Ｘ線画像化システムのブロック図である。

【図2】本開示の態様による、ターゲット表面上の熱スポット、および検出器によって見られる光スポットに関して、入射電子ビームの一般化された図である。

【図3】本開示の態様による、ターゲット層、熱伝導層、および応力除去層を有するＸ線源の断面斜視図である。

【図4】本開示の態様による、多層Ｘ線源ターゲットを製造するための方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の図面は、必ずしも一定の縮尺であるとは限らないことに留意されたい。図面は、単に本発明の典型的な態様を示すためであり、したがって本発明の範囲を限定するとみなされるべきではない。図面では、図面間で同様の参照符号が同様の要素を表している。

【0011】

１つまたは複数の特定の実施形態について以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では実際の実装形態のすべての特徴について説明しない場合がある。いかなるこのような実際の実装形態の開発においても、いかなるエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおいてもそうであるように、開発者の特定の目標を達成するために、たとえばシステム関連およびビジネス関連の制約に従うことなど、実施によって異なる可能性がある数多くの実施時特有の決定をしなければならないということを諒解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間のかかるものである可能性があるが、しかしながら本開示の恩恵を受ける当業者にとって設計、制作、製造の日常的な取り組みとなるであろうことを諒解されたい。

【0012】

本発明の様々な実施形態の要素を伝えるとき、「ある」、「この」、および「前記の」という冠詞（ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅｓ “ａ，” “ａｎ，” “ｔｈｅ，” ａｎｄ “ｓａｉｄ”）は、要素の１つまたは複数があることを意味するよう意図されている。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包含的であって、記載した要素以外の追加の要素がある場合があることを意味するよう意図されている。さらに、以下の説明でのいかなる数値例も、非限定的であるよう意図されており、したがって追加の数値、範囲、および割合が開示する実施形態の範囲内にある。「隣接」という用語は、近くに、接近して、もしくは近接してあること、接していること、隣り合っていること、または接触していることと定義されるが、隣接は、近いが間に入る介在層（たとえば、接着層など）があることと定義される場合もあることを理解すべきである。

【0013】

上述のように、Ｘ線源によって生成されるＸ線フラックスは、線源のターゲット領域に投射する電子ビームのエネルギーおよび強度に依存し得る。ターゲットに堆積されるエネルギーは、Ｘ線フラックスに加えて、大量の熱を生み出す。したがって、動作の通常過程の間、線源ターゲットが、調節されなければ、ターゲットに損傷を与え得る温度に達する可能性がある。温度上昇は、ある程度までは、ターゲットを「直接冷却」とも呼ばれる対流冷却を行うことによって管理することができる。しかしながら、そのような冷却はマクロ的であり、損傷、すなわち融解が発生する可能性がある電子ビーム衝突エリアに直接隣接して行われない。微細な局部冷却がなければ、線源によって生み出されるＸ線のフラックス全体は制限され、潜在的に線源を、高いＸ線フラックス密度を必要とするものなど、いくつかの用途には適さないものにする。電子ビームがより大きい面積にわたってエネルギーを分散させるようにターゲットを回転させると、ターゲット温度を局部的に下げることができるが、それは一般的に、より大きい真空容積、およびベアリングなどの回転構成要素をさらに複雑にすることを必要とする。さらに、ターゲットを回転させることと関連する振動は、必要とされるスポットサイズが振動の振幅程度である高解像度用途の場合、極めて大きくなる。したがって、線源が、高いＸ線フラックスの出力を可能にする方法で実質的に連続して動作できるならば望ましいであろう。

【0014】

本開示は、Ｘ線源での熱集積を低減し、上部Ｘ線生成層でのクラッキングを低減するように構成された特徴を有するＸ線源を含むシステムの実施形態を提供する。たとえば、本明細書で説明する実施形態のいくつかは、上部Ｘ線発生層（すなわち、ターゲット層）と、（ターゲット層内の）Ｘ線発生材料と熱伝達して配置された中部熱伝導材料と、応力除去層と接触し、熱伝達している下部応力除去層とを有する多層Ｘ線源を含む。本明細書で使用するターゲット層は、所与の深さまたは高さでターゲット層全体にわたって連続して（すなわち、間断なくまたは途切れなく）広がるＸ線発生材料の層またはフィルムを含んでもよい。

【0015】

Ｘ線発生材料と熱伝達している熱伝導材料は、一般的に、Ｘ線発生材料よりも高い全体的熱伝導率を有する。１つまたは複数の熱伝導材料は、一番上のターゲット層の下に配置されてもよい。熱伝導層は、一般的に、冷却効率の改善を可能にするために、電子ビームがぶつかるＸ線発生材料から熱を放散または拡散するように構成されるので、一般的に「熱放散」または「熱拡散」層と呼ばれる場合がある。線源ターゲット（すなわち、陽極）内の熱伝導がより良いと、エンドユーザは、線源ターゲットを同じターゲット動作温度に維持しながら、より高いパワーまたはより小さいスポットサイズで線源ターゲットを動作させることができる。代替的に、線源ターゲットは、同じＸ線源パワーレベルでより低い温度に維持され、したがって線源ターゲットの動作寿命を増やすことができる。前者のオプションは、より高いＸ線源パワーが測定暴露時間をより速くするのでよりスループットをより高め、または、より小さいスポットサイズがより小さい特徴を区別できるようにするので特徴検出可能性を改善する。後者のオプションは、ターゲットまたは管（ターゲットが管の一体部分である場合）がより低い頻度で取り替えられるので、エンドユーザの運用（変動）費用がより下がる。応力除去層は、上の２層（すなわち、Ｘ線発生層および熱伝導層）での高い応力状態を低減させ、より低い定常状態温度を示す。応力除去層は、より高いパワーレベルの使用を可能にし、走査速度の上昇、およびパートスループット（ｐａｒｔ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）の上昇、ならびに走査解像度の増加をもたらす。応力除去層のさらなる利点は、ターゲットがＸ線発生層および／または熱伝導層でのクラッキングを無くしたまたは減らしたために寿命を増やしたことである。また限られた数の層は、異なる材料の場合、より多くの層を有するターゲットで発生する場合がある層間剥離の機会を減らす。

【0016】

本明細書で説明するＸ線源は、固定（すなわち、非回転）陽極構造、または回転陽極構造に基づく場合があり、反射または透過Ｘ線発生のいずれかのために構成される場合がある。本明細書で使用する透過型配置は、Ｘ線ビームが、電子ビームを受ける面の反対側の線源ターゲットの表面から放出される配置である。逆に、反射配置では、Ｘ線が線源ターゲットを離れる角度は、一般的に、線源ターゲットに対する垂直面に対して鋭角をなす。これは、出力ビームにおけるＸ線密度を効果的に上げ、線源ターゲット上にはるかに大きい熱スポットを可能にし、それによってターゲットの熱負荷を下げる。

【0017】

最初の例として、一実装形態では、電子ビームが、Ｘ線発生（たとえば、タングステン）層または領域によって優先的に吸収される。Ｘ線発生領域に吸収された後、Ｘ線光子および熱が生成される。吸収されたエネルギーの大部分は、熱に変換される。下にある熱伝導材料は、Ｘ線発生材料よりもはるかに効果的に熱を発散する。これは、Ｘ線生成材料内の熱集中を減少させる。下部応力除去層は、上の２つのＸ線発生層および熱伝導層での熱応力を減少させ、基板層（たとえば、銅）を過熱および融解から保護する。Ｘ線発生材料内の最高温度は下げられるので、電子ビームのパワー（および対応するＸ線発生）を上げることができ、または、Ｘ線発生領域を溶かすことなく、従来の設計に対してスポットサイズを縮小させることができる。パワーの増加は、より速い試料検査、またはより長い寿命をもたらす。スポットサイズの縮小は、より小さい特徴検出可能性および解像度の向上をもたらす。

【0018】

上記を念頭に置いて、図１を参照すると、Ｘ線画像化システム１０が、被写体１８（たとえば、患者またはセキュリティもしくは品質管理検査を受けているアイテム）を通してＸ線１６のビームを投射するＸ線源１４を含むように示されている。画像化システム１０は、いくつかの文脈で説明される場合があるが、本明細書で開示するＸ線画像化システムは、任意の好適なタイプの画像化の文脈または任意の他のＸ線実装形態とともに使用される場合があることに留意されたい。たとえば、システム１０は、蛍光透視システム、マンモグラフィシステム、血管造影システム、標準的放射線画像化システム、トモシンセシス（ｔｏｍｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）もしくはＣアームシステム、コンピュータ断層撮影システム、および／または放射線療法治療システムの一部であってもよい。さらに、システム１０は、医療画像化の状況に適用可能であるだけでなく、産業または製造上の品質管理、部品検査、荷物および／または包装検査などのための様々な検査システムにも適用可能であり得る。したがって、被写体１８は、実験室試料、（たとえば、生検からの組織）、患者、荷物、貨物、製造部品、核燃料、または他の興味のある材料であってもよい。

【0019】

被写体は、たとえば、入射Ｘ線１６を減衰または屈折させ、データ収集システム２４に結合された検出器２２に衝突する投射Ｘ線照射２０を生成し得る。単一のユニットとして示しているが、検出器２２が、独立してまたは互いとともに動作する１つまたは複数の検出ユニットを含む場合があることに留意されたい。検出器２２は、被写体１８を通ってまたは外れて通過する投射Ｘ線２０を検知し、放射線２０を表すデータを生成する。データ収集システム２４は、検出器２２で生成されたデータの性質に依存して、後続処理のためにデータをデジタル信号に変換する。用途に応じて、各検出器２２は、各投射Ｘ線ビーム２０の強度および／または位相を表し得る電気信号を作り出す。

【0020】

Ｘ線コントローラ２６が、Ｘ線源１４および／またはデータ収集システム２４の動作を調節してもよい。コントローラ２６は、Ｘ線照射１６のフラックスを制御するために、およびＸ線源用の冷却システム、画像分析ハードウェアなど、他のシステム機能の動作を制御するまたはこれに合わせるために、パワーおよびタイミング信号をＸ線源１４に提供してもよい。システム１０が画像化システムである実施形態では、画像再構成器２８（たとえば、再構成のために構成されたハードウェア）が、データ収集システム２４からサンプリングされ、デジタル化されたＸ線データを受け取り、被写体１８の異なる減衰、異なる屈折、またはそれらの組合せを表す１つまたは複数の画像を生成するために、高速再構成を行ってもよい。画像は、大容量記憶装置３２に画像を記憶するプロセッサベースのコンピュータ３０への入力として適用される。

【0021】

コンピュータ３０はまた、キーボード、マウス、音声作動型コントローラ、または任意の他の好適な入力装置など、ある種の操作者インターフェースを有するコンソール３４を介して操作者からコマンドおよび走査パラメータを受け取る。関連ディスプレイ４０により、操作者はコンピュータ３０からの画像および他のデータを観察することができる。コンピュータ３０は、データ収集システム２４およびＸ線コントローラ２６に制御信号および情報を提供するために、操作者が与えるコマンドおよびパラメータを使用する。

【0022】

次に図２を参照すると、検出器２２とともに、Ｘ線源１４の構成要素のハイレベル図が示されている。図示したＸ線発生の態様は、回転または固定陽極Ｘ線源１４のいずれかと一致し得る反射Ｘ線発生配置と一致している。図示した実装形態では、Ｘ線源１４が、Ｘ線発生材料／層５６のターゲット領域に向かって電子ビーム５２を放出する電子ビーム放出体（ここではエミッタコイル５０として示す）を含む。Ｘ線発生層５６は、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つもしくは複数などの高Ｚ材料、または電子が衝突するとＸ線を放出することができる他の任意の材料もしくは材料の組合せであってもよい。線源ターゲットはまた、基板５８、またはＸ線発生材料を囲む熱伝導層もしくは他の領域など、１つまたは複数の熱伝導材料を含んでもよい。本明細書で使用するＸ線発生材料５６の領域は、一般的に、ターゲット層または線源ターゲットのＸ線発生層によって包含されていると説明され、Ｘ線発生層は、いくらかの対応する厚さを有し、厚さは、所与の線源ターゲット内のＸ線発生層によって異なる場合がある。

【0023】

Ｘ線発生層５６に入射する電子ビーム５２は、検出器２２の方に向けられるＸ線１６を発生させ、Ｘ線１６は検出器２２に入射し、光スポット２３は検出器面上に投射される焦点のエリアである。Ｘ線発生層５６上の電子衝突エリアは、放出されるＸ線１６の特定の特性を実現するために、線源ターゲット（たとえば、陽極５４）上の特定の形状、厚さ、またはアスペクト比を定めてもよい。たとえば、放出されるＸ線ビーム１６は、Ｘ線発生層５６に入射するとき、電子ビーム５２のサイズおよび形状に関係する特定のサイズおよび形状を有してもよい。したがって、Ｘ線ビーム１６は、衝突エリアのサイズおよび形状に基づいて予測され得るＸ線放出エリアから線源ターゲット５４を出る。図示の例では、電子ビーム５２とターゲットの垂線との間の角度は、αと定義される。角度βは、検出器の垂線とターゲットの垂線との間の角度である。ｂがターゲット領域５６における温度焦点サイズであり、ｃが光焦点サイズである場合、ｂ＝ｃ／ｃｏｓ βとなる。さらに、この配置では、等価なターゲット角度は９０−βである。

【0024】

以下でより詳細に説明するように、様々な実施形態が、応力除去層５９と接触している熱伝導層５７と接触しているＸ線発生層５６をｚ次元に有するマルチターゲット層線源ターゲット５４を採用し、熱伝導層は、Ｘ線発生層５６と応力除去層５９との間に挟まれている。基板層５８は、銅材料または合金のような、熱伝導性を有する材料で作られる。そのような多層線源ターゲット５４（たとえば、陽極）（本明細書で説明するそれぞれの層および／または層内構造および機能を含む）が、蒸着（化学気相堆積（ＣＶＤ）など）、スパッタリング、原子層堆積、化学めっき、イオン注入、またはプラズマアーク堆積（ｐｌａｓｍ ａｒｃ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）もしくはプラズマスプレー堆積などの高速堆積コーティング技法などの付加または還元製造を含む、好適な半導体製造技法などの任意の好適な技法を使用して製作されてもよい。

【0025】

図２を参照すると、一般的に熱伝導層５７は、Ｘ線発生ターゲット材料／層によって示される熱伝導性よりも高い熱伝導性を有する。非限定的な例として、熱伝導層５７は、限定はしないが、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ： ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｄｅｒｅｄ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、ダイヤモンドを含む炭素ベースの材料、ならびに／またはベリリウム、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、および窒化アルミニウムなどの金属ベースの材料、またはそれらの任意の組合せを含んでもよい。銀−ダイヤモンドなどの合金材料もまた使用され得る。以下のＴａｂｌｅ １（表１）は、層５７についてのいくつかの例示的な熱伝導材料の組成、熱伝導率、熱膨張係数（ＣＴＥ）、密度、および融点を提供する。

【0026】

【表1】

【0027】

線源ターゲット５４内の熱伝導層、構造、または領域は、対応して異なる熱伝導組成、異なる厚さを有してもよく、および／または線源ターゲット５４内の所与の領域におけるそれぞれの熱伝導ニーズに応じて互いとは異なるように製作されてもよいことに留意されたい。しかしながら、異なるように作成されるときでも、そのような領域は、Ｘ線発生材料から熱を伝えるように形成される場合、依然として本明細書で使用するように熱伝導層（または領域）を構成する。さらに、本明細書で説明するように、様々な実施形態では線源ターゲット５４内の（ｚ次元の）それぞれの深さが、たとえばその深さで期待される電子ビーム入射エネルギーに対応するために、その深さで見られるＸ線発生材料の厚さを決定してもよい。すなわち、線源ターゲット５４内に異なる深さで形成されるＸ線発生材料の層または領域は、異なる厚さを有するように形成され得る。

【0028】

いくつかの実施形態では、線源ターゲット５４の所与の層内に見られるＸ線発生材料または層５６は、所与のｘ−ｙ平面の断面で、たとえば、ｘ−ｙ平面に形成されたそれぞれの層内の個別の「プラグ」または「リング」として見られるとき、線源ターゲット５４の有効表面積に対する限られた範囲にわたって設けられてもよい。特に、本明細書の裏付けとして行われた研究が、アクティブなＸ線発生層５６を電子ビーム５２（すなわち、プラグ）のサイズに制限すると、最大パワーの増加が可能になり得ることを示している。そのような配置では、熱伝達は、Ｘ線発生層５６の下の熱伝導層によって、限られたエリアのＸ線発生層／領域５６から離れて促進され得るが、横方向に（すなわち、同じ層内に）配設された熱伝導材料によっても促進され得る。

【0029】

図３は、本開示の態様による、Ｘ線発生層５６、熱伝導層５７、および応力除去層５９を有するＸ線源５４の断面斜視図を示す。Ｘ線源ターゲット５４は、電子ビームによって衝突されると、Ｘ線を発生するように構成された構造を含む。この構造は、Ｘ線発生材料で形成されたＸ線発生層５６を含む。熱伝導層５７が、Ｘ線発生層５６に隣接し、それと接触し、これと熱伝達している。熱伝導層５７は、Ｘ線発生層５６の下に形成される。応力除去層５９が、熱伝導層５７に隣接し、それと接触し、これの下にある。事実上、熱伝導層５７は、Ｘ線発生層５６と応力除去層５９との間に挟まれている。基板５８は、Ｘ線発生層５６、熱伝導層５７、および応力除去層５９を支持する熱伝導基板であり、銅または銅合金で形成されてもよい。

【0030】

Ｘ線発生層５６は、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、または銀のうちの１つまたは複数で形成される。単に一例として、Ｘ線発生層５６は、タングステンで形成され、深さ約０．１ｍｍであり、約２０ｍｍの長さ／幅および／または直径を有してもよい。電子ビーム４５０ｋＶ線源が約１００μｍ〜２，０００μｍで動作する場合、電子ビームは、Ｘ線発生層５６に約１００μｍ侵入する。しかしながら、Ｘ線発生層５６の厚さは、約４０μｍ〜約０．２ｍｍ、または記載した範囲よりも上または下の、特定の用途での必要に応じた任意の好適な厚さに及んでもよい。

【0031】

熱伝導層５７は、限定はしないが高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンドを含む炭素ベースの材料、および／または酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）、無酸素高熱伝導率銅（ＯＦＨＣ）などの金属ベースの材料、またはそれらの任意の組合せで形成される。単に一例として、熱伝導層５７は、Ｘ線発生層５６の下部に結合され、ダイヤモンドで形成され、層５７は、厚さ約４０μｍ〜約１．２ｍｍであってもよい。しかしながら、熱伝導層５７の厚さは、特定の用途での必要に応じた任意の好適な厚さであってもよい。

【0032】

応力除去層５９は、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、または銀のうちの１つまたは複数で形成される。単に一例として、応力除去層５９は、タングステンで形成され、深さ約１ｍｍであり、約２０ｍｍの長さ／幅および／または直径を有してもよい。３つのすべての層が、基板５８内に含まれ、基板５８によって支持され、基板５８は、銅または銅合金で形成されてもよい。応力除去層５９は、熱伝導層５７の下部に結合され、熱伝導層５７とＸ線発生層５６の両方での応力を除去するように機能する。様々な層での応力は、その中にクラッキングを引き起こす場合があり、クラックはターゲット５４の寿命を減らし、したがってクラッキングを回避すること、または少なくともかなりの時間の間遅らせることができれば望ましい。さらに言えば層５６、５７、および５９ならびに任意のターゲット層は、蝋付け、接着剤、または蒸気もしくは液体堆積手法を使用した直接堆積によって、互いに結合されてもよい。堆積熱エクスカーション（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）または蝋付けプロセスステップなどの材料処理ステップが、関連する加熱および冷却サイクルの間に層に応力を引き起こす。層５６、５７はまた、ターゲットの動作中に熱膨張および収縮応力を受ける。これらの熱誘起応力が、層間剥離およびクラッキングを層に発生させることがある。応力除去層５９の追加は、Ｘ線発生層５６および熱伝導層５７に誘起される温度差を緩和することによって、Ｘ線発生層５６および熱伝導層５７が受ける応力を大いに軽減する。応力除去層５９は（その熱伝導特性のために）、より多くの熱が制御された方法で基板５９に向けられるようにし、基板の過熱が発生せず、上の２層（すなわち、Ｘ線発生層５６および熱伝導層５７）の温度差が、望ましいレベルまで緩和され、それによってターゲット５４において全体的な応力軽減がもたらされる。Ｘ線発生層では、インターフェースが受ける動作温度が高いために、高導電層への層の直接堆積が望ましいことに留意する。

【0033】

図４は、多層Ｘ線源ターゲット５４を製造するための方法６０のフローチャートを示す。方法６０は、熱伝導基板５８を形成または提供する形成するステップ６２を含む。ステップ６２は、銅基板を提供または形成することを含んでもよい。別の形成するステップ６４は、熱伝導基板５８上に応力除去層５９を形成する。応力除去層５９は、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、銀のうちの１つまたは複数である。応力除去層５９を基板５８に結合するために、蝋付けまたは接着剤が使用されてもよい。ステップ６６において、熱伝導層５７が、応力除去層５９上に形成される。熱伝導層５７は、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、銅−モリブデン、銅、タングステン−銅合金、または銀−ダイヤモンドのうちの１つまたは複数である。熱伝導性層５７を応力除去層５９に結合するために、蝋付けまたは接着剤が使用されてもよい。ステップ６８において、Ｘ線発生層５６が、熱伝導層５７上に形成される。Ｘ線発生層５６は、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、銀のうちの１つまたは複数である。Ｘ線発生層５６を熱伝導層５７に結合するために、直接堆積が使用されてもよい。上記の方法の結果、熱伝導層５７は、Ｘ線発生層５６と応力除去層５９との間に挟まれている。Ｘ線発生層５６は、熱アーク堆積源によって熱伝導層５７上に直接堆積されてもよい。熱アーク堆積から得られる密接な結合は、蝋付けの接合が耐えることができない非常に高い動作温度に耐えることができる。

【0034】

本実施形態の技術的効果は、限定はしないが、応力を軽減し、クラッキングの可能性を軽減して高温で動作することができる多層線源ターゲット構造を含む。いくつかの技術的実施形態は、単一の熱伝導層の上部に形成されたＸ線発生材料の単層を含み、単一の熱伝導層は、銅または他の高い熱伝導材料に埋め込まれた単一の応力除去層の上部に形成され、またはＸ線発生層は、タングステンの単層を含み、熱伝導層は、ダイヤモンドの単層を含み、応力除去層は、タングステンの単層を含む。本明細書で開示するように、Ｘ線発生構造は、焦点サイズまたはｋＶに関して限定されず、したがって、１００μｍ〜１，０００μｍの焦点、ならびに他の焦点サイズ、ならびに１００ｋＶ〜４５０ｋＶ（またはそれ以上）の用途に適用され得る。

【0035】

本明細書は、最良の様態を含めて本発明を開示するために、また当業者であれば、任意のデバイスまたはシステムを作成して使用すること、および組み込まれた任意の方法を行うことを含めて、本発明を実践できるようにするために、例を使用している。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者であれば思い付く他の例も含むことができる。このような他の例が、特許請求の範囲の文字通りの言葉と違わない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文字通りの言葉とはわずかな違いのある等価な構造的要素を含む場合、これらは特許請求の範囲の範囲内であるものとする。

【0036】

さらに本発明の態様は、以下の項の主題によって提供される。

【0037】

［項１］Ｘ線源ターゲットであって、電子ビームによって衝突されるとＸ線を発生するように構成された構造を備え、この構造が、Ｘ線発生材料を含むＸ線発生層と、Ｘ線発生層に隣接し、それと熱伝達している熱伝導層と、熱伝導層に隣接している応力除去層とを含み、熱伝導層が、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている、Ｘ線源ターゲット。

【0038】

［項２］Ｘ線発生層が、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0039】

［項３］熱伝導層が、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、ベリリウム、および窒化アルミニウムのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0040】

［項４］応力除去層が、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、銅、銀のうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0041】

［項５］Ｘ線発生層がタングステンを含み、熱伝導層がダイヤモンドを含み、応力除去層がタングステンを含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0042】

［項６］Ｘ線発生層がタングステンの単層を含み、熱伝導層がダイヤモンドの単層を含み、応力除去層がタングステンの単層を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0043】

［項７］Ｘ線発生層と、熱伝導層と、応力除去層とを支持する熱伝導基板をさらに含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0044】

［項８］熱伝導基板が銅からなる、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0045】

［項９］Ｘ線源ターゲットであって、電子ビームによって衝突されるとＸ線を発生するように構成された構造を備え、この構造が、基板と、基板上に形成された応力除去層と、応力除去層上に形成された熱伝導層と、熱伝導層上に形成された、Ｘ線発生材料を含むＸ線発生層とを含み、熱伝導層が、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている、Ｘ線源ターゲット。

【0046】

［項１０］Ｘ線発生層が、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0047】

［項１１］熱伝導層が、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、ベリリウム、および窒化アルミニウムのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0048】

［項１２］応力除去層が、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、銅、銀のうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0049】

［項１３］Ｘ線発生層がタングステンを含み、熱伝導層がダイヤモンドを含み、応力除去層がタングステンを含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0050】

［項１４］Ｘ線発生層がタングステンの単層を含み、熱伝導層がダイヤモンドの単層を含み、応力除去層がタングステンの単層を含む、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0051】

［項１５］基板が銅からなる、任意の前項に記載のＸ線源ターゲット。

【0052】

［項１６］多層Ｘ線源ターゲットを製造するための方法であって、熱伝導基板を形成するステップと、熱伝導基板上に応力除去層を形成するステップと、応力除去層上に熱伝導層を形成するステップと、熱伝導層上にＸ線発生層を形成するステップとを含み、熱伝導層が、Ｘ線発生層と応力除去層との間に挟まれている、方法。

【0053】

［項１７］熱伝導基板が銅からなる、任意の前項に記載の方法。

【0054】

［項１８］応力除去層が、タングステン、モリブデン、チタン−ジルコニウム−モリブデン合金（ＴＺＭ）、タングステン−レニウム合金、銅−タングステン合金、クロム、鉄、コバルト、銅、銀のうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載の方法。

【0055】

［項１９］熱伝導層が、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、ベリリウム、および窒化アルミニウムのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載の方法。

【0056】

［項２０］Ｘ線発生層が、タングステン、レニウム、ロジウム、およびモリブデンのうちの１つまたは複数を含む、任意の前項に記載の方法。

【0057】

［項２１］Ｘ線発生層が、熱アーク堆積源によって熱伝導層上に直接堆積される、任意の前項に記載の方法。

【符号の説明】

【0058】

１０ Ｘ線画像化システム
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線
１８ 被写体
２０ 投射Ｘ線照射
２２ 検出器
２３ 光スポット
２４ データ収集システム
２６ Ｘ線コントローラ
２８ 画像再構成器
３０ コンピュータ
３２ 大容量記憶装置
３４ コンソール
４０ ディスプレイ
５０ エミッタコイル
５２ 電子ビーム
５４ 多層線源ターゲット／陽極
５６ Ｘ線発生材料／層
５７ 熱伝導層
５８ 基板層
５９ 応力除去層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】