(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024007456
(43)【公開日】2024-01-18
(54)【発明の名称】電界エミッタ及びアーク保護を備えたＸ線システム
(51)【国際特許分類】
H01J 35/14 20060101AFI20240110BHJP
H05G 1/00 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
H01J35/14
H05G1/00 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023106567
(22)【出願日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】17/855,739
(32)【優先日】2022-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】517023736
【氏名又は名称】ヴァレックス イメージング コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】デイヴ カーカム
(72)【発明者】
【氏名】コルトン ビー． ウッドマン
【テーマコード（参考）】
4C092
【Ｆターム（参考）】
4C092AA01
4C092AB19
4C092AC08
4C092BD04
4C092BD09
(57)【要約】 （修正有）
【課題】Ｘ線管における、アーク放電による電界エミッタの劣化、破壊などを抑制する。
【解決手段】ｘ線管は、放出面を有する電界エミッタ、アノード、及び電界エミッタとアノードとの間に配置される集束電極を含み、集束電極は、電界エミッタの放出面に実質的に垂直であり、電界エミッタに最も近い第一表面と、軸方向でアノードに最も近い第二表面であって、電界エミッタ及びアノードが軸を形成する、第二表面と、第一表面と第二表面との間に延在する第三表面と、第一表面と第三表面との間の集束電極上の第一位置であって、第三表面と第二表面との間の集束電極上の第二位置よりもアノードから遠い、第一位置とを含む。
【選択図】なし
【解決手段】ｘ線管は、放出面を有する電界エミッタ、アノード、及び電界エミッタとアノードとの間に配置される集束電極を含み、集束電極は、電界エミッタの放出面に実質的に垂直であり、電界エミッタに最も近い第一表面と、軸方向でアノードに最も近い第二表面であって、電界エミッタ及びアノードが軸を形成する、第二表面と、第一表面と第二表面との間に延在する第三表面と、第一表面と第三表面との間の集束電極上の第一位置であって、第三表面と第二表面との間の集束電極上の第二位置よりもアノードから遠い、第一位置とを含む。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
放出面を有する電界エミッタと、
アノードと、
前記電界エミッタと前記アノードとの間に配置された集束電極と、
を含む、ｘ線管であって、
前記集束電極は、
前記電界エミッタの前記放出面に対して実質的に垂直であり、前記電界エミッタに最も近い第一表面と、
前記アノードに軸方向で最も近い第二表面であって、前記電界エミッタ及び前記アノードは軸を形成する、前記第二表面と、
前記第一表面と前記第二表面との間に延在する第三表面と、
前記第一表面と前記第三表面との間の前記集束電極上の第一位置であって、前記第三表面と前記第二表面との間の前記集束電極上の第二位置よりも前記アノードから遠くにある、前記第一位置と、
を含む、前記ｘ線管。
アノードと、
前記電界エミッタと前記アノードとの間に配置された集束電極と、
を含む、ｘ線管であって、
前記集束電極は、
前記電界エミッタの前記放出面に対して実質的に垂直であり、前記電界エミッタに最も近い第一表面と、
前記アノードに軸方向で最も近い第二表面であって、前記電界エミッタ及び前記アノードは軸を形成する、前記第二表面と、
前記第一表面と前記第二表面との間に延在する第三表面と、
前記第一表面と前記第三表面との間の前記集束電極上の第一位置であって、前記第三表面と前記第二表面との間の前記集束電極上の第二位置よりも前記アノードから遠くにある、前記第一位置と、
を含む、前記ｘ線管。
【請求項2】
前記集束電極上の前記第二位置は、前記集束電極の別の部分よりも前記電界エミッタの中心から遠くにある、請求項１に記載のｘ線管。
【請求項3】
前記集束電極は接地する、請求項１に記載のｘ線管。
【請求項4】
前記第二表面にわたる点は、前記アノードから実質的に等距離にある、請求項１に記載のｘ線管。
【請求項5】
前記集束電極は、操作中に、電界強度の最高点が前記第二位置に配置されるような形状に作られる、請求項１に記載のｘ線管。
【請求項6】
前記第二表面は、前記軸に対して前記第一表面から離れて半径方向及び軸方向に延出する、請求項１に記載のｘ線管。
【請求項7】
前記集束電極は、前記アノードに向かい延出する突出部をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のｘ線管。
【請求項8】
前記突出部は、前記集束電極上の前記第一位置よりも、前記集束電極の上の前記第二位置及び前記アノードに近い、請求項７に記載のｘ線管。
【請求項9】
前記電界エミッタが基板上に配置される前記基板と、
前記電界エミッタ上の前記基板上に配置されたフレームと、
前記集束電極が前記フレーム上に配置される前記集束電極と、
を有するカソード構造体をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のｘ線管。
前記電界エミッタ上の前記基板上に配置されたフレームと、
前記集束電極が前記フレーム上に配置される前記集束電極と、
を有するカソード構造体をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のｘ線管。
【請求項10】
前記電界エミッタは、前記基板上に配置された複数の電界エミッタの１つであり、
前記フレームは、複数の開口部を含み、各開口部は前記複数の電界エミッタの１つに対応し、
前記集束電極は、第一部分及び第二部分を含み、
前記フレームの前記開口部は、前記第一部分と前記第二部分との間に配置される、請求項９に記載のｘ線管。
前記フレームは、複数の開口部を含み、各開口部は前記複数の電界エミッタの１つに対応し、
前記集束電極は、第一部分及び第二部分を含み、
前記フレームの前記開口部は、前記第一部分と前記第二部分との間に配置される、請求項９に記載のｘ線管。
【請求項11】
電界エミッタを有するカソード構造体と、
アノードと、
前記電界エミッタと前記アノードとの間に配置された集束電極と、
を含む、ｘ線管であって、
前記集束電極は、前記電界エミッタ及び前記アノードに対して配置され、前記集束電極は、操作中に、前記カソード構造体上の電界強度の最高点が前記電界エミッタよりも前記集束電極に近くなるような形状に作られる、前記ｘ線管。
アノードと、
前記電界エミッタと前記アノードとの間に配置された集束電極と、
を含む、ｘ線管であって、
前記集束電極は、前記電界エミッタ及び前記アノードに対して配置され、前記集束電極は、操作中に、前記カソード構造体上の電界強度の最高点が前記電界エミッタよりも前記集束電極に近くなるような形状に作られる、前記ｘ線管。
【請求項12】
前記電界強度の最高点は、前記集束電極の別の部分よりも前記電界エミッタの中心から遠くにある、請求項１１に記載のｘ線管。
【請求項13】
前記集束電極は接地する、請求項１１に記載のｘ線管。
【請求項14】
前記電界エミッタ及び前記アノードは軸を形成し、
前記集束電極は、
前記軸に対して実質的に平行に延在する第一表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて半径方向に延出する第二表面と、
を含む、請求項１１～１３のいずれか一項に記載のｘ線管。
前記集束電極は、
前記軸に対して実質的に平行に延在する第一表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて半径方向に延出する第二表面と、
を含む、請求項１１～１３のいずれか一項に記載のｘ線管。
【請求項15】
前記集束電極上の第一位置は、前記第一表面と前記第二表面との間にあり、
前記集束電極は、操作中に、電界強度の最高点が前記第一位置に配置されるような形状に作られる、請求項１４に記載のｘ線管。
前記集束電極は、操作中に、電界強度の最高点が前記第一位置に配置されるような形状に作られる、請求項１４に記載のｘ線管。
【請求項16】
前記第二表面にわたる点は、前記アノードから実質的に等距離にある、請求項１４に記載のｘ線管。
【請求項17】
前記電界エミッタ及び前記アノードは軸を形成し、
前記集束電極は、
前記軸に対して実質的に平行に延在する第一表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて半径方向に延出する第二表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて前記第二表面に向かい半径方向及び軸方向に延出する第三表面と、
前記第一表面と前記第三表面との間にある前記集束電極上の第一位置と、
前記第三表面と前記第二表面との間にある前記集束電極上の第二位置と、
を含む、請求項１１～１３のいずれか一項に記載のｘ線管。
前記集束電極は、
前記軸に対して実質的に平行に延在する第一表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて半径方向に延出する第二表面と、
前記軸に対して前記第一表面から離れて前記第二表面に向かい半径方向及び軸方向に延出する第三表面と、
前記第一表面と前記第三表面との間にある前記集束電極上の第一位置と、
前記第三表面と前記第二表面との間にある前記集束電極上の第二位置と、
を含む、請求項１１～１３のいずれか一項に記載のｘ線管。
【請求項18】
前記集束電極は、操作中に、電界強度の最高点が前記第二位置に配置されるような形状に作られる、請求項１７に記載のｘ線管。
【請求項19】
アノードに向けて電子を放出するための手段と、
前記アノードに向けて前記電子を放出するための前記手段から放出された前記電子を集束させるための手段であって、
前記電子を集束させるための前記手段における電界強度を、前記電子を放出するための前記手段における電界強度を超えて高めるための手段、
を含む、前記電子を収束させるための前記手段と、
を含む、ｘ線管。
前記アノードに向けて前記電子を放出するための前記手段から放出された前記電子を集束させるための手段であって、
前記電子を集束させるための前記手段における電界強度を、前記電子を放出するための前記手段における電界強度を超えて高めるための手段、
を含む、前記電子を収束させるための前記手段と、
を含む、ｘ線管。
【請求項20】
前記電子を集束させるための前記手段は、前記電子を放出するための前記手段に対して前記電子を集束させるための前記手段の最も近い部分よりも、前記電子を放出するための前記手段からさらに遠い前記電子を集束させるための前記手段上に電界強度の最大点を位置決めするための手段をさらに含む、請求項１９に記載のｘ線管。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
ｘ線システム内で使用されるＸ線管には、電界エミッタが含まれる場合がある。電界エミッタは、電界エミッタの構造により、特にアーク放電の影響を受けやすい場合がある。電界エミッタに影響するアークは、構造を劣化させ、または破壊し、最終的にはｘ線管を操作不能にする可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【0002】
【図1】いくつかの実施形態によるｘ線管のブロック図である。
【図2】いくつかの実施形態によるｘ線システムのブロック図である。
【図3】いくつかの実施形態による２つの表面の電極を備えたｘ線管のブロック図である。
【図4】いくつかの実施形態による３つの表面の電極を備えたｘ線管のブロック図である。
【図5】いくつかの実施形態による、突出部を有する集束電極を備えたｘ線管のブロック図である。
【図6】いくつかの実施形態による集束電極の切り欠き図である。
【図7】いくつかの実施形態による複数の電界エミッタ用の集束電極の切り欠き図である。
【図8】いくつかの実施形態による集束電極を含むカソード組立体の断面図である。
【図9】いくつかの実施形態によるｘ線撮影システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0003】
いくつかの実施形態は、電界エミッタ及びアーク保護を備えたｘ線システム及びｘ線管に関する。電界エミッタは、構造上、特にアーク放電及び損傷を受けやすい場合がある。電界エミッタの相対的なサイズにより、通常であれば電界エミッタにおける電界強度が高まる可能性がある。電界強度が高まると、アークが発生し得る確率が高まる可能性があり、電界エミッタ上でアークが発生する確率が高まる可能性がある。以下にさらに詳細に説明されるように、集束電極の位置及び構造により、電界エミッタ上でアークが発生して損傷を引き起こし得る確率が低下し得る。さらに、アークが発生した場合、アークが発生する可能性が高い位置は、電界エミッタから遠くなるように制御され得る。その結果、アーク発生後もｘ線管が操作可能な状態を維持し得る確率が高くなり得る。
【0004】
図１は、いくつかの実施形態によるｘ線管のブロック図である。ｘ線管１００ａは、アノード１０２、電界エミッタ１０４、及び集束電極１０６ａを含む。アノード１０２は、入射電子に応答してｘ線を発生するように構成された構造体を含む。電界エミッタ１０４は、アノード１０２の方に向けられ得る電子ビームを発生するように構成される。電界エミッタ１０４は、様々なタイプのエミッタを含み得る。例えば、電界エミッタ１０４は、ナノチューブエミッタ、ナノワイヤエミッタ、Ｓｐｉｎｄｔアレイなどを含み得る。従来、ナノチューブは中空の中心を有する構造体の少なくとも一部を有し、ナノワイヤまたはナノロッドは実質的に中実のコアを有する。用語の使用を簡単にするために、本明細書で使用する場合、ナノチューブは、ナノワイヤ及びナノロッドも指す。ナノチューブは、アスペクト比が少なくとも１００：１（長さ：幅または直径）のナノメートルスケール（ｎｍスケール）の管状構造を示す。Ｓｐｉｎｄｔアレイは、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）などの電子発生材料を使用する小さな鋭い円錐形を有する個々の電界エミッタを含み得る。いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４は、純粋またはドープされた形態などで、炭素、金属酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または酸化マンガン（ＭｎｘＯｙ、式中ｘ及びｙは整数である）、金属、硫化物、窒化物、及び炭化物のような引張強さが高く、熱伝導率が高い、導電性または半導電性材料から形成される。
【0005】
いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４は複数の電界エミッタを含み得る。例えば、電界エミッタ１０４は、数十から数百個、またはそれ以上の個別の電界エミッタ１０４を含んでもよい。各電界エミッタ１０４は、アノード１０２の方に向けられる電子ビームを発生するように構成され得る。各電界エミッタ１０４は、図１に示される集束電極対１０６ａ、１０６などの対応する集束電極１０６、またはユニタリ集束電極１０６の対応する開口部に関連付けられ得る。
【0006】
電界エミッタ１０４は、他のタイプのエミッタと比べてより大きい面積を有し得る。例えば、電界エミッタ１０４は、約１０ミリメートル（ｍｍ）から約３０ｍｍの長さ、及び約２ｍｍから約６ｍｍの幅を有し得る。一例では、電界エミッタ１０４の長さは幅よりも少なくとも５倍大きい。相対的に面積が大きくなると、アノード１０２上の焦点スポットのサイズが大きくなる場合がある。焦点スポット上の入射電子によるアノード１０２の加熱がそのより大きい面積に広がり得ることで、アノード１０２の上の熱応力が低減するため、電子フラックスが高くなることなどが可能になる。さらに、電界エミッタ１０４は、他のエミッタと比較して、比較的低い電流フラックスを有し得る。より低いフラックスを補償するために、電界エミッタ１０４の面積を増大させてもよい。これらの態様により、電界エミッタ１０４の相対的な面積が大きくなる。相対的な面積が大きくなるということは、電界エミッタ１０４の周囲の局所的な電界強度がアノード１０２または管電圧により感受性があることを意味する。
【0007】
電界エミッタ１０４の相対的な面積が大きくなると、アークが発生する確率が高くなる可能性がある。電界エミッタ１０４の面積が増大するにつれて、アークを受ける可能性のある別の構造体の相対的な位置がアノード１０２からさらに離れることで、それら構造体上の電界強度が電界エミッタ１０４での電界強度と比較して低下する。その結果、電界エミッタ１０４でアークが発生し得る確率を高める可能性がある。電界エミッタ１０４は、それらの構造上、熱電子エミッタなどの他のタイプのエミッタよりもアーク放電により感受性がある場合がある。例えば、電界エミッタ１０４は、アークによって損傷を受ける可能性のある、薄層などの比較的小さい構造体を含む場合がある。
【0008】
したがって、電界エミッタは相反する設計上の問題を有する。電界エミッタ１０４は、その性質により、そして加熱の分散のために焦点スポットが大きいことが望ましいことにより、面積が大きくなり得る。しかしながら、その面積が増大すると、電界エミッタ１０４上でアーク放電が発生する確率が高まる。
【0009】
集束電極１０６ａは、電界エミッタ１０４上でアーク放電が発生する確率を高めることを緩和し得る。その結果、アーク放電による電界エミッタ１０４への損傷の確率が低下しながら、電界エミッタ１０４の面積が大きくなることの利点を実現し得る。集束電極１０６ａは、アノード１０２と電界エミッタ１０４との間に配置される。集束電極１０６ａは、アノード１０２上の焦点スポットのサイズ及び／または形状を調整するように構成される。集束電極１０６ａの少なくとも部分は、電界エミッタ１０４のどの部分よりもアノード１０２に近い。例えば、電界エミッタ１０４の任意の部分とアノード１０２の任意の部分との間の最短距離は、距離１０８であり得る。集束電極１０６ａの部分からアノード１０２までの最短距離は、距離１１０であり得る。距離１１０は距離１０８よりも短い。
【0010】
集束電極１０６ａまでの距離１１０が電界エミッタ１０４までの距離１０８よりも短いため、集束電極１０６ａにおける電界強度は電界エミッタ１０４における電界強度よりも高くなり得る。その結果、電界エミッタ１０４上でアークが発生する確率は低下し得るが、集束電極１０６ａ上でアークが発生する確率は高まり得る。
【0011】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６ａは、電界エミッタ１０４及びアノード１０２に対して配置され、操作中、カソード構造体上の電界強度の最高点が電界エミッタ１０４よりも集束電極１０６ａに近くなるような形状に作られる。カソード構造体は、電界エミッタ１０４の電位である、またはその電位に近い構造体を含んでもよい。例えば、アノード１０２は（カソード構造体または接地に対して）約１０～５０キロボルト（ｋＶ）、約５０～１５０ｋＶ、約５０～４５０ｋＶなどであってもよい。いくつかの実施形態では、これらの電圧は、マンモグラフィ、医用画像診断、産業用イメージング、爆発物検出、非破壊検査（ＮＤＴ）などの特定の用途に関連付けられ得る。電界エミッタ１０４、集束電極１０６ａ、グリッド（図示せず）などのカソード構造体は、約－３ｋＶから約１ｋＶの電圧であってもよい。一般に、電界強度が高くなると、アークの確率が高くなり得る。その結果、ｘ線管１００ａの設計は、局所的な電界強度の最大値を最小にすることを含む場合がある。しかしながら、いくつかの実施形態では、電界強度の最高点は、設計によって生じることができ、特に、電界エミッタ１０４から離れて、オフセット、またはシフトすることができる。いくつかの実施形態では、電界強度の最高点での電界強度は、電界エミッタ１０４の上の最も高い電界強度の約８倍より大きくなり得る。いくつかの実施形態では、集束電極１０６ａの構造により、電界強度の最高点での電界強度が、電界エミッタ１０４に最も近い集束電極１０６ａの一部での電界強度よりも少なくとも約２５％高くなり得る。
【0012】
図２は、いくつかの実施形態によるｘ線システムのブロック図である。ｘ線システム２００は、上述のｘ線管１００ａと同様のｘ線管１００ｂを含み得る。ｘ線管１００ｂは、真空筐体２１２を含んでもよく、アノード１０２、電界エミッタ１０４、及び集束電極１０６ｂは真空筐体２１２の内部２０２ａ内に配置される。
【0013】
ｘ線システム２００は、真空筐体２１２の外部２０２ｂの上に配置された電圧源２０４を含み得る。電圧源２０４は、ｘ線システム２００用の複数の電圧を発生するように構成され得る。例えば、電圧源２０４は、電界エミッタ１０４用の１つ以上の電圧２０６、アノード１０２用の高電圧２０８、集束電極１０６用の集束電極電圧２１０などを発生するように構成され得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６ｂは接地してもよい。すなわち、集束電極電圧２１０は０Ｖまたはほぼ０Ｖであってもよい。真空筐体２１２の一部、ｘ線管１００ｂのハウジングなどは接地してもよい。集束電極１０６ｂはその接地を共有してもよい。いくつかの実施形態では、電圧源２０４はその接地を共有してもよい。その結果、アークは、集束電極１０６ｂを通して放電すると、電荷を接地に向け得る。
【0015】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６ｂは接地とは異なる電圧２１０であってもよい。例えば、電圧源２０４は、可変電圧を集束電極１０６ｂに印加するように構成され得る。電圧源２０４は、集束電極電圧２１０での所望の可変性を許容するにもかかわらず、発生する可能性のあるアークに対応するためのスパークギャッププロテクタまたは他の回路を含んでもよい。
【0016】
図３は、いくつかの実施形態による２つの表面の電極を備えたｘ線管のブロック図であり、集束電極の２つの表面３０２、３０６は、アノードとは反対側を向いている他の２つの表面３０８、３１０よりも高い電界強度を有する。ｘ線管１００ｃは、ｘ線管１００ａ～ｂと同様であってもよい。しかしながら、集束電極１０６ｃは特定の構造を有していてもよい。
【0017】
集束電極１０６ｃは、軸３００に対する構造を有してもよい。電界エミッタ１０４及びアノード１０２は軸３００を形成し得る。軸３００は、電界エミッタ１０４から放出されてアノード１０２の方に進行する電子の一般的な方向にアライメントされてもよい。この例では、軸３００はＹ軸に沿って延在し得る。軸３００に対して軸方向に延在する構成要素は、Ｙ軸沿いに何らかの構成要素を有する場合がある。いくつかの実施形態では、軸方向に延在する構成要素は、軸方向のみまたはＹ軸沿いにのみ延在してもよいが、他の軸方向に延在する構成要素は、半径方向、すなわち、軸３００、またはＸ－Ｚ平面に平行なＹ軸に垂直に延在し、Ｘ軸沿いに延在し、Ｚ軸沿いに延在するなど、何らかの部分を有し得る。
【0018】
集束電極１０６ｃは少なくとも２つの表面を含む。ここでは、２つの表面３０２及び３０４は一例として使用される。第一表面（または電界エミッタ垂直面またはビーム整形面）３０２は、軸３００、または電界エミッタ１０４の放出面に対して実質的に平行に延在する。表面３０２は、操作時にアノード１０２上に焦点スポットを整形する構造体を備えたビーム整形面を含んでもよい。表面３０２は、電界エミッタ１０４からの電子をアノード１０２上に集束させるための電界の整形の大部分に寄与し得る。表面３０４などの他の表面も何らかの影響を与える可能性があるが、表面３０４の相対的な寄与は表面３０２のものよりも小さい。
【0019】
集束電極１０６ｃの第二表面（またはアノードに面する平行面）３０４は、第一表面３０２から離れて軸から半径方向に延出する。いくつかの実施形態では、第二表面３０４は、実質的に軸方向の構成要素のない、第一表面３０２からＸ－Ｚ平面に平行に離れて半径方向にのみ延出するように形成される。その結果、第一表面３０２及び第二表面が接合する位置３０６は、約９０度の角度であり得る。第二表面３０４は、アノード１０２に最も近い表面であってもよい。操作中、電界強度の最高点は、第一表面３０２が第二表面３０４に接合する位置に配置される。集束電極１０６ｃが同じ電位であり得るため、表面３０２沿いの電界強度は、第一表面３０２及び第二表面３０４が接合する位置３０６の電界強度よりも必然的に低くなり得る。さらに、位置３０６の比較的鋭い特徴により、電界が電界内の導体の角部または縁部の周囲に集中するため、局所的な電界強度が高まる可能性がある。その結果、発生する可能性のあるアークは、電界エミッタ１０４ではなく位置３０６で発生する確率が高くなり得る。
【0020】
一例として９０度の角度が使用されているが、他の実施形態では、角度は異なってもよい。例えば、角度は、カソード構造体上の電界強度の極大値が位置３０６で発生するような範囲内で大きくてもよく、または小さくてもよい。
【0021】
図４は、いくつかの実施形態による３つの表面の電極を備えたｘ線管のブロック図であり、集束電極の３つの表面４０２、４０４、４０６は、アノードとは反対側を向いている他の表面４１４、４１６よりも高い電界強度を有する。ｘ線管１００ｄは、ｘ線管１００ａ～ｃと同様であってもよい。しかしながら、集束電極１０６は、より高い電界強度を有する少なくとも３つの表面を含んでもよい。第一表面（または電界エミッタ垂直面またはビーム整形面）４０２は、ｘ線管１００ｃの集束電極１０６ｃの第一表面３０２と同様であってもよい。第一表面４０２は、焦点スポットに影響するビーム整形面であってもよい。
【0022】
第三表面（またはアノード対向面）４０８は、第一表面４０２から離れてＸ－Ｚ平面に平行な半径方向に延出し得、集束電極１０６ｃの第二表面３０４と同様の位置（または内側角部または内側隅部）４０６で第一表面４０２に接合される。しかしながら、第三表面４０８は、Ｙ軸に沿った軸３００に対して第一表面４０２から離れて軸方向にも延出する。この実施形態では、第三表面４０８の軸方向の延出は、アノードに向かう方向である。その結果、位置４０６における第一表面４０２及び第三表面４０８の角度は９０度より大きくなり得る。位置４０６における角度がより大きい場合、位置４０６における電界強度は、９０度の角度と比較して低下する可能性がある。第一表面４０２と同様に、第三表面４０８は、ビーム整形面であり、操作時にアノード１０２の焦点スポット上に所望の軌跡を有する所望の断面に電子ビームを整形するのに役立つ。
【0023】
さらに、集束電極は、第二表面（またはアノードに面する平行面）４０４を含む。第二表面４０４は、位置（または外側角部または外側隅部）４１０で第三表面４０８に接合する。第二表面４０４は、軸３００に対して第三表面４０８から離れて延出する。結果として得られた構造により、表面４０２を介した焦点スポットの制御だけでなく、位置４０６での角度、第三表面４０４の長さ、及び位置４１０での角度だけ電界エミッタ１０４からさらに離れた電界強度のより高い点の位置決めも可能になる。
【0024】
例えば、線４１２は、アノード１０２から等距離にある点である。第三表面４０８が第二表面４０４に接合する位置４１０は、等距離線４１２にあってもよい。しかしながら、位置４０６は、等距離線４１２よりもアノード１０２から遠くにあってもよい。結果として、位置４０６における電界強度は、位置４１０における電界強度よりも低くなり得る。電界強度の最高点は、第三表面４０８が第二表面４０４に接合する位置４１０に配置され得る。
【0025】
さらに、位置４１０における第三表面４０８に対する第二表面４０４の角度は、第二表面４０４に沿った他の点が点４１０よりもアノード１０２から遠くにあるように決定され得る。結果として、表面４０４に沿った電界強度は、位置４１０における電界強度よりも低くなる可能性がある。集束電極１０６ｄに沿った電界強度は、位置４１０では極大値であり得る。あらゆるアーク放電は、電界エミッタ１０４により近いものを含む集束電極１０６ｄに沿った他の位置ではなく、位置４１０で発生し得る。電界エミッタに対して位置３０６（図３）が非常に近いため、電界強度が最も高い位置３０６でのアーク放電は、依然として電界エミッタ１０４などの周囲の特徴に漏れ、または発生し、電界エミッタ１０４に損傷を与える可能性がある。最も高い電界強度を電界エミッタ１０４から離れた位置４１０（図４）に移動させると、電界強度が最も高い位置４１０でのアーク放電が電界エミッタ１０４に漏れるまたは発生する尤度が低下するため、アーク放電による電界エミッタ１０４の損傷の尤度が低下する。アノード１０２から離れた同様の距離にある同様のサイズの集束電極１０６ｃ、１０６ｄの場合、角度が鋭角になっているまたは狭くなっている位置３０６（図３）は、角度が広い位置４１０（図４）よりも電界強度が高いアノード１０２に近くなり得る。そのため、集束電極１０６ｃは、改善されたビーム整形及び集束特性を有することができるが、アークと、アークによって引き起こされる電界エミッタ１０４などのカソード構造体への損傷との尤度が高くなる。
【0026】
いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４のどの部分よりもアノード１０２に近い（例えば、電界強度が最も高い）集束電極１０６ｄの部分または位置（例えば、４１０）は、集束電極１０６ｄの別の部分（例えば、４０２、４０６、４０８）よりも電界エミッタ１０４の中心から遠くなる。例えば、電子ビームに面する表面４０２など、集束電極１０６ｄのビーム整形面は（電界強度が最も高い）集束電極１０６ｄのその部分または位置（例えば、４１０）よりも電界エミッタ１０４の中心に近くなってもよい。集束電極１０６ｄが単一電位であってもよいため、電界強度は、ビーム整形面（例えば、４０２、４０４、４０８）よりもアノード１０２に近い集束電極１０６ｄの部分または位置（例えば、４１０）で高くなる。
【0027】
図５は、いくつかの実施形態による、突出部を有する集束電極を備えたｘ線管のブロック図である。ｘ線管１００ｅは、上述のｘ線管１００ａ～ｄと同様であってもよい。集束電極１０６ｅは、表面４０２、４０４、及び４０８、ならびに位置４０６及び４１０と同様である、対応する位置５０６及び５１０を有する表面５０２、５０４、及び５０８を含み得る。
【0028】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６ｅは突出部５１４を含む。突出部は、第三表面５０８からアノード１０２に向かい延出する。突出部５１４は、電界エミッタ１０４のどの部分よりもアノード１０２に近い集束電極１０６ｅの部分を含む。突出部５１４の部分は、アノード１０２から等距離の線５１２にある。集束電極１０６ｅの他のすべての部分は、突出部５１４のその部分よりもアノード１０２から遠くにある。
【0029】
いくつかの実施形態では、突出部５１４は、局所の最小半径に関連付けられる。図５に示される、突出部５１４の角部での半径Ｒが小さくなるにつれて、特定の特徴はより鋭くなる。局所の半径Ｒは、ゼロに近づいてもよく、または鋭い角部に近づいてもよい。特徴が鋭くなったり、半径が小さくなったりなどすると、その領域に電界がさらに集中する可能性がある。突出部５１４は、電界エミッタ１０４に近い集束電極１０６ｅの部分からオフセットされてもよい。その結果、電界強度が高くなる位置は、電界エミッタ１０４からオフセットされる可能性がある。突出部５１４の位置は、電界強度が高くなる位置、したがってアークが発生する可能性のある位置の制御を提供する。
【0030】
いくつかの実施形態では、突出部５１４は、位置５０６よりも位置５１０またはその近くに配置され得る。したがって、アークが発生しやすい突出部５１４は、電界エミッタ１０４からさらに離れている可能性がある。
【0031】
いくつかの実施形態では、突出部５１４以外の第三表面５０８にわたる点は、アノード１０２から実質的に等距離にある。結果として、これらの点に沿った電界強度は実質的に同じである可能性がある。しかしながら、突出部５１４は表面５０４と同じ電位であるため、突出部５１４における電界強度は必然的に高くなる可能性がある。
【0032】
突出部５１４を含む集束電極１０６の一例として集束電極１０６ｄと同様の集束電極１０６ｅを使用したが、他の実施形態では、他の集束電極１０６が突出部５１４を含んでもよい。例えば、集束電極１０６ｅは、図３の集束電極１０６ｃと同様の構造体を含んでもよいが、集束電極１０６ｅの表面からアノード１０２に向かい延出する突出部５１４を有する。
【0033】
図６は、いくつかの実施形態による集束電極の切り欠き図である。上述のように、複数の電界エミッタ１０４が存在してもよい。集束電極１０６ｆは、複数の開口部６２０を含む。各開口部６２０は、複数の電界エミッタ１０４のうちの１つに関連付けられる。電界エミッタ１０４のそれぞれについて、集束電極１０６ｆのある点は、その電界エミッタ１０４よりもアノード１０２に近い。開口部６２０は、上述の第一表面３０２、４０２、５０２などと同様の第一表面６０２を有し得る。集束電極１０６ｆは、上述の第二表面３０４、４０４、及び５０４と同様の第二表面６０４を含み得る。
【0034】
開口部６２０が電界エミッタと１対１で関連付けられるものとして説明されているが、他の実施形態では、各開口部６２０は複数の電界エミッタに関連付けられてもよい。しかしながら、集束電極１０６ｆは、それにもかかわらず、それらの電界エミッタ１０４のいずれよりも、図１～５のアノード１０２などのアノードに近い点を有し得る。
【0035】
図７は、いくつかの実施形態による複数の電界エミッタ用の集束電極の切り欠き図である。集束電極１０６ｇは、部分１０６ｇ－１と１０６ｇ－２との間に形成された単一開口部７０２を含む。複数の電界エミッタ１０４が単一開口部７０２内に配置される。いくつかの実施形態では、フレーム７０４は電界エミッタ１０４の間に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、フレーム７０４は接地してもよく、または集束電極１０６ｇと同じ電位であってもよい。集束電極１０６ｇは、上述の集束電極１０６と同様の断面を有してもよい。例えば、集束電極１０６ｇは、上述の集束電極１０６ａ～ｅと同様の、断面を有してもよく、突出部などを含んでもよい。
【0036】
図８は、いくつかの実施形態による集束電極を含むカソード組立体の断面図である。カソード組立体８００は基板８３０を含む。基板８３０は、セラミック基板または他の絶縁基板を含み得る。銅層などの導電層８３６は基板８３０上に配置される。上述のようなカーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドなどのエミッタ８４４は導電層８３６上に配置され得る。１つのエミッタ８４４が示されているが、図７の電界エミッタ１０４と同様に複数のエミッタ８４４が存在してもよい。グリッド８３４は、エミッタ８４４の上に配置され得る。導電層８３６とグリッド８３４との間に電圧を印加して、エミッタ８４４から電子を発生させてもよい。グリッド８３４は、図示のように電子がメッシュなどのグリッドを通過する遮蔽タイプであることができ、または電子が開いたアパーチャを通過する非遮蔽タイプ（図示せず）であることができる。
【0037】
図７のフレーム７０４と同様のフレーム８３８は、基板８３０の上に配置され得る。フレーム８３８は、電子ビームの集束にも寄与し得る。フレーム８３８は、グリッド８３４などの他の構成要素に構造上の支持を与え得る。スペーサ（図示せず）は、フレーム８３８及びグリッド８３４を分離してもよく、スペーサは導電性または絶縁性であってもよい。フレーム８３８は、複数のエミッタ８４４に関連付けられた複数の開口部８３８'を含み得る。
【0038】
スペーサ８４０は、フレーム８３８及び基板８３０を分離してもよい。スペーサ８４０は、導電性であってもよく、または絶縁性であってもよい。フレーム８３８は、導電性材料を含み得る。第二スペーサ８４２はフレーム８３８の上に配置される。第二スペーサ８４２は、導電性であってもよく、または絶縁性であってもよい。集束電極１０６ｈは、第二スペーサ８４２の上に配置される。集束電極１０６ｈは、上述の集束電極１０６ａ～ｇと同様であってもよい。
【0039】
いくつかの実施形態では、集束電極は、図７の部分１０６ｇ－１及び１０６ｇ－２と同様の第一部分１０６ｈ－１及び第二部分１０６ｈ－２を含み得る。複数の開口部８３８'は、部分１０６ｈ－１と１０６ｈ－２との間に配置され得る。部分１０６ｈ－１及び１０６ｈ－２は、エミッタ８４４に沿って、例えばＺ方向に平行に延在し得る。
【0040】
スペーサ８４２は絶縁性であってもよいが、いくつかの実施形態では、スペーサ８４２は導電性であってもよく、または省略されてもよい。したがって、集束電極１０６ｈ及びフレーム８３８は同じ電位であってもよい。
【0041】
グリッド８３４またはフレーム８３８は、アークによる損傷からの何らかの保護をエミッタ８４４に提供してもよい。しかしながら、グリッド８３４及びフレーム８３８はエミッタ８４４に比較的近接しており、アークの電位が高いため、保護は最小限でよい。例えば、フレーム８３８は、エミッタ８４４から約２００マイクロメートル（μｍ）離れていてもよい。エミッタ８３８に近接しているため、フレーム８３８または取り付けられたグリッドは、アークによって引き起こされるあらゆる溶融金属または金属蒸気による損傷を軽減することができなくなる。さらに、フレーム８３８の近くでアークが発生する場合、スペーサ８４２または他の構造体の材料が損傷する可能性がある。したがって、アークが発生する可能性のある位置を集束電極１０６ｈ上のエミッタ８４４及びフレーム８３８からさらに遠ざけることにより、アークによってエミッタ８４４、フレーム８３８、スペーサ８４２、または他の同様の構造体に発生する可能性のある損傷を減少させ得る。
【0042】
図９は、いくつかの実施形態によるｘ線撮影システムのブロック図である。ｘ線撮影システム９００は、ｘ線源９０２及び検出器９１０を含む。ｘ線源９０２は、上記のようにｘ線管１００ａ～ｅと同様であってもよい。ｘ線源９０２は、ｘ線９２０が検体９２２を通過するように発生し得、検出器９１０によって検出され得るように、検出器９１０に相対して配置される。いくつかの実施形態では、検出器９１０は、医用イメージングシステム、非破壊検査システムなどの一部である。他の実施形態では、ｘ線撮影システム９００は、貨物走査システムの一部として可搬式車両走査システムを含み得る。
【0043】
いくつかの実施形態は、ｘ線管を含み、このｘ線管は、放出面を有する電界エミッタ１０４、アノード１０２、及び電界エミッタ１０４とアノード１０２との間に配置された集束電極１０６、１０６ａ～ｈを含み、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、電界エミッタ１０４の放出面に実質的に垂直であり、電界エミッタ１０４に最も近い第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と、アノード１０２に軸方向に最も近い第二表面３０４、４０４、５０４、６０４であって、電界エミッタ１０４及びアノード１０２は軸を形成する、第二表面３０４、４０４、５０４、６０４と、第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と第二表面３０４、４０４、５０４、６０４との間に延在する第三表面３０８、４０８、５０８と、第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と第三表面３０８、４０８、５０８との間の集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第一位置４０６、５０６であって、第三表面３０８、４０８、５０８と第二表面３０４、４０４、５０４、６０４との間の集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第二位置４１０、５１０よりもアノード１０２から遠くにある、第一位置４０６、５０６とを含む。
【0044】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第二位置４１０、５１０は、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの別の部分よりも電界エミッタ１０４の中心から遠い。
【0045】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは接地する。
【0046】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、アノード１０２に向かい延出する突出部５１４をさらに含む。
【0047】
いくつかの実施形態では、突出部５１４は、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第一位置４０６、５０６よりも集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第二位置４１０、５１０及びアノード１０２に近い。
【0048】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、操作中、電界強度の最高点が第二位置４１０、５１０に配置されるような形状に作られる。
【0049】
いくつかの実施形態では、第二表面３０４、４０４、５０４、６０４は、軸に対して第一表面３０２、４０２、５０２、６０２から離れて半径方向及び軸方向に延出する。
【0050】
いくつかの実施形態では、ｘ線管は、カソード構造体をさらに含み、このカソード構造体は、電界エミッタ１０４が基板上に配置される基板と、電界エミッタ１０４の上の基板の上に配置されるフレームと、集束電極１０６、１０６ａ～ｈであって、フレームの上に配置される、集束電極１０６、１０６ａ～ｈとを含む。
【0051】
いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４は、基板上に配置された複数の電界エミッタ１０４ｓの１つであり、フレームは複数の開口部を含み、各開口部は複数の電界エミッタ１０４ｓのうちの１つに対応し、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、第一部分及び第二部分を含み、フレームの開口部は、第一部分と第二部分との間に配置される。
【0052】
いくつかの実施形態では、第二表面３０４、４０４、５０４、６０４にわたる点は、アノード１０２から実質的に等距離にある。
【0053】
いくつかの実施形態は、ｘ線管を含み、このｘ線管は、電界エミッタ１０４を有するカソード構造体８００と、アノード１０２と、電界エミッタ１０４とアノード１０２との間に配置された集束電極１０６、１０６ａ～ｈとを含み、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、電界エミッタ１０４及びアノード１０２に対して配置され、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、操作中、カソード構造体上の電界強度の最高点が電界エミッタ１０４よりも集束電極１０６、１０６ａ～ｈに近くなるような形状に作られる。
【0054】
いくつかの実施形態では、電界強度の最高点は、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの別の部分よりも電界エミッタ１０４の中心から遠い。
【0055】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは接地する。
【0056】
いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４及びアノード１０２は軸を形成し、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、軸に実質的に平行に延在する第一表面３０２、４０２、５０２、６０２、軸に対して第一表面３０２、４０２、５０２、６０２から離れて半径方向に延出する第二表面３０４、４０４、５０４、６０４を含む。
【0057】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第一位置は、第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と第二表面３０４、４０４、５０４、６０４との間にあり、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、操作中に、電界強度の最高点が第一位置に配置されるような形状に作られる。
【0058】
いくつかの実施形態では、電界エミッタ１０４及びアノード１０２は軸を形成し、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、この軸に対して実質的に平行に延在する第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と、軸に対して第一表面３０２、４０２、５０２、６０２から離れて半径方向に延出する第二表面３０４、４０４、５０４、６０４と、軸に対して第一表面３０２、４０２、５０２、６０２から離れて第二表面３０４、４０４、５０４、６０４に向かい半径方向及び軸方向に延出する第三表面３０８、４０８、５０８と、第一表面３０２、４０２、５０２、６０２と第三表面３０８、４０８、５０８との間の集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上の第一位置３０６、４０６、５０６と、集束電極１０６、１０６ａ～ｈの上にあり、第三表面３０８、４０８、５０８と第二表面３０４、４０４、５０４、６０４との間にある第二位置４１０、５１０とを含む。
【0059】
いくつかの実施形態では、集束電極１０６、１０６ａ～ｈは、操作中、電界強度の最高点が第二位置４１０、５１０に配置されるような形状に作られる。
【0060】
いくつかの実施形態では、第二表面３０４、４０４、５０４、６０４にわたる点は、アノード１０２から実質的に等距離にある。
【0061】
いくつかの実施形態は、ｘ線管を含み、このｘ線管は、電子をアノードに向けて放出するための手段、及び電子をアノードに向けて放出するための手段から放出された電子を集束させるための手段を含み、電子を集束させるための手段は、電子を集束させるための手段での電界強度を、電子を放出するための手段での電界強度を超えて高めるための手段を含む。
【0062】
アノードに向けて電子を放出するための手段の例には、カソード構造体８００、電界エミッタ１０４、グリッド８３４などが含まれる。一例では、アノードに向けて電子を放出するための手段は、少なくとも３つの電界エミッタ１０４を含むことができる。
【0063】
電子をアノードに向けて放出するための手段から放出された電子を集束させるための手段の例には、集束電極１０６、１０６ａ～ｈ、及びフレーム７０４、８３８が含まれる。
【0064】
電子を集束させるための手段での電界強度を、電子を放出するための手段での電界強度を超えて高めるための手段の例は、表面３０２、４０２、５０２、６０２，４０８、５０８、位置または縁部４０６、５０６、突出部５１４などを含む。
【0065】
いくつかの実施形態では、電子を集束させるための手段は、電子を放出するための手段に対して電子を集束させるための手段の最も近い部分よりも、電子を放出するための手段からさらに遠い電子を集束させるための手段の上に電界強度の最大点を位置決めするための手段をさらに含む。電子を放出するための手段に対して電子を集束させるための手段の最も近い部分よりも、電子を放出するための手段からさらに遠い電子を集束させるための手段の上に電界強度の最大点を位置決めするための手段の例は、位置４１０及び５１０、突出部５１４などを含む。
【0066】
いくつかの実施形態は、カソード８００からアノード１０２に向けて電子を放出することと、放出された電子を集束電極１０６でアノード１０２に向けて集束させることと、集束電極１０６における電界強度を、カソード８００における電界強度を超えて高めることとを含む、方法を含む。
【0067】
いくつかの実施形態では、電界強度の最大点は、カソード８００に対して集束電極１０６の最も近い部分よりも、カソード８００からさらに遠い集束電極１０６の上に位置決めされる。
【0068】
構造、デバイス、方法、及びシステムを特定の実施形態に従って説明しているが、当業者は、特定の実施形態に対する多くの変形が可能であることを容易に認識し、したがって、任意の変形は、本明細書で開示した趣旨及び範囲内にあると考えられるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更が行われ得る。
【0069】
この書面での開示に続く特許請求の範囲は、ここで本書面での開示に明確に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施形態として成立する。この開示には、従属クレームを伴う独立クレームのすべての置換が含まれる。さらに、以下の独立請求項及び従属請求項から派生することが可能である追加の実施形態も、本書面での説明に明示的に組み込まれる。これらの追加の実施形態は、所与の従属請求項の依存関係を語句「請求項［ｘ］で始まり、この請求項の直前の請求項で終わる請求項のいずれか」に置き換えることによって決定され、ここで、括弧付きの用語「［ｘ］」は、直近に記載した独立請求項の番号に置き換えられる。例えば、独立請求項１で始まる第１の請求項の組について、請求項４は請求項１及び３のいずれかに従属し、これらの別々の従属関係によって２つの異なる実施形態を得ることができ、請求項５は請求項１、３または４のいずれか１項に従属し、これらの別々の従属関係によって３つの異なる実施形態を得ることができ、請求項６は請求項１、３、４または５のいずれか１項に従属し、これらの別々の従属関係によって４つの異なる実施形態を得ることができる、などである。
【0070】
特徴または要素に関する用語「第１」の請求項における記載は、第２の、または追加のそのような特徴または要素の存在を必ずしも示唆するものではない。存在する場合、ミ－ンズ・プラス・ファンクション形式で具体的に記載された要素は、米国特許法第１１２条（ｆ）項に従って、本明細書で説明された対応する構造、材料または動作及びそれらの均等物を網羅するように解釈されることが意図される。排他的な所有または特権が請求される本発明の実施形態は、以下のように定められる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【外国語明細書】