CN117546264A - X射线管、x射线发生装置和窗部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的X射线管包括：壳体；在壳体内出射电子束的电子枪；在壳体内因电子束的入射而产生X射线的靶材；和密封壳体的开口而使X射线透射的窗部件。窗部件是将单晶金刚石形成为板状而形成的。单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系。

Description

X射线管、X射线发生装置和窗部件的制造方法
技术领域
本发明涉及X射线管、X射线发生装置和窗部件的制造方法。
背景技术
已知有一种X射线管，其包括：壳体；在壳体内出射电子束的电子枪；在壳体内因电子束的入射而产生X射线的靶材；以及密封壳体的开口而使X射线透射的窗部件。在这种X射线管中，窗部件由单晶金刚石形成为板状，有靶材形成在窗部件内侧的表面的情形(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5911323号公报
发明内容
发明所要解决的问题
虽然由单晶金刚石形成为板状的窗部件在X射线透射特性、耐热性、散热性等方面优异，但存在在结晶面易破裂的问题。尤其是，在使用小焦点的X射线管的X射线检查装置中，由于存在为了增大放大率而使检查对象靠近窗部件使得检查对象与窗部件接触的可能性，所以解决上述问题以提高窗部件的耐龟裂性极为重要。
本发明的目的在于提供一种能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性的X射线管、X射线发生装置和窗部件的制造方法。
用于解决问题的技术方案
本发明的一个方式的X射线管包括：壳体；在壳体内出射电子束的电子枪；在壳体内因电子束的入射而产生X射线的靶材；以及密封壳体的开口而使X射线透射的窗部件，窗部件是将单晶金刚石形成为板状而形成的，单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系。
在该X射线管中，在由单晶金刚石形成为板状的窗部件中，单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系。由此，相较于单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向平行的情形(即，单晶金刚石的(100)面与窗部件的厚度方向垂直的情形)，关于单晶金刚石所具有的多种结晶面，与窗部件的厚度方向平行的结晶面的数量减少，结果，窗部件在结晶面不易破裂。因此，根据该X射线管，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
在本发明的一个方式的X射线管中，单晶金刚石的[010]方向和[001]方向也可以与垂直于窗部件的厚度方向的面具有以小于45度的角度相交的关系。由此，关于单晶金刚石所具有的多种结晶面，与窗部件的厚度方向平行的结晶面的数量进一步减少，结果，窗部件在结晶面更不易破裂。因此，能够更可靠地提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
在本发明的一个方式的X射线管中，窗部件具有与壳体的内部相反的一侧的第1表面，单晶金刚石的[100]方向也可以与垂直于第1表面的方向具有以小于45度的角度相交的关系。由此，能够抑制由外力作用于窗部件的第1表面引起在窗部件产生龟裂。
在本发明的一个方式的X射线管中，窗部件安装于壳体的开口的周围的安装面，单晶金刚石的[100]方向也可以与垂直于安装面的方向具有以小于45度的角度相交的关系。在该情形下，也能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
在本发明的一个方式的X射线管中，窗部件具有壳体的内部一侧的第2表面，靶材也可以形成于第2表面。由此，在透射型X射线管中，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
在本发明的一个方式的X射线管中，单晶金刚石的[100]方向也可以与电子束入射至靶材的方向具有以小于45度的角度相交的关系。在该情形下，也能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
在本发明的一个方式的X射线管中，单晶金刚石的[100]方向也可以与窗部件的厚度方向具有以0.1度以上7度以下的角度相交的关系。由此，提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性，并且，例如在从具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板取出窗部件的情形下，能够容易且有效率地取出单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系的窗部件。
本发明的一个方式的X射线发生装置具有上述X射线管和对电子枪施加电压的电源部。
根据该X射线发生装置，基于上述理由，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
本发明的一个方式的窗部件的制造方法包括：通过外延生长来形成具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板的第1形成步骤；和从单晶金刚石基板取出板状的窗部件的取出步骤，在取出步骤中，以单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向以小于45度的角度相交的方式，从单晶金刚石基板取出窗部件。
本发明的一个方式的窗部件的制造方法包括：准备具有主面的种基板的准备步骤，其中主面与(100)面具有以小于45度的角度相交的关系；通过外延生长来在种基板的主面形成单晶金刚石基板的第1形成步骤；和实施沿着与单晶金刚石基板的厚度方向垂直的方向的切出加工，来从单晶金刚石基板取出板状的窗部件的取出步骤。
在这些窗部件的制造方法中，在所获得的窗部件中，单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系。因此，根据该窗部件的制造方法，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性。
本发明的一个方式的窗部件的制造方法也可以还包括在厚度方向上的窗部件的一个表面形成因电子束的入射而产生X射线的靶材的第2形成步骤。由此，能够获得透射型X射线管用的窗部件。
在本发明的一个方式的窗部件的制造方法中，单晶金刚石的[100]方向也可以与窗部件的厚度方向具有以0.1度以上7度以下的角度相交的关系。由此，提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性，并且，例如在从具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板取出窗部件的情形下，能够容易且有效率地取出单晶金刚石的[100]方向与窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系的窗部件。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件的耐龟裂性的X射线管、X射线发生装置和窗部件的制造方法。
附图说明
图1是一个实施方式的X线产生装置的框图。
图2是图1所示的X射线管的剖视图。
图3是图2所示的窗部件的局部侧视图。
图4是表示图2所示的窗部件的制造方法的侧视图。
图5是变化例的X射线管的剖视图。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。其中，对于各图中相同或相当部分标注相同附图标记并省略重复说明。
[X射线发生装置的结构]
如图1所示，X线产生装置10包括X射线管1和电源部11。X射线管1和电源部11支承于由金属形成的外壳(省略图示)内。作为一例，X射线管1是小焦点的X射线源，X射线发生装置10是用于用来放大观察检查对象的内部构造的X射线非破坏检查的装置。
如图2示，X射线管1包括壳体2、电子枪3、靶材4和窗部件5。X射线管1如下所述，构成为无需零件更换等的密封透射型X射线管。
壳体2包括头盖21和阀22。头盖21由金属形成为有底筒状。阀22由玻璃等绝缘材料形成为有底筒状。阀22的开口部22a与头盖21的开口部21a气密地接合。在X射线管1中，壳体2的中心线成为管轴线A。在头盖21的底壁部21b形成有开口23。开口23位于管轴线A上。开口23在从与管轴线A平行的方向观察时，例如呈以管轴线A为中心线的圆形。
电子枪3在壳体2内出射电子束B。电子枪3具有加热器31、阴极32、第1栅极电极33和第2栅极电极34。加热器31、阴极32、第1栅极电极33和第2栅极电极34从阀22的底壁部22b一侧以该顺序配置在管轴线A上。加热器31由灯丝构成，通过通电而发热。阴极32被加热器31加热而放出电子。第1栅极电极33形成为筒状，调节从阴极32放出的电子的量。第2栅极电极34形成为筒状，使通过第1栅极电极33的电子聚焦于靶材4。加热器31、阴极32、第1栅极电极33和第2栅极电极34各自与贯通阀22的底壁部22b的多个引线接脚35各自电性地且物理地连接。
窗部件5密封壳体2的开口23。窗部件5由单晶金刚石形成为板状。窗部件5例如呈以管轴线A为中心线的圆板状。窗部件5具有第1表面51和第2表面52。第1表面51是与壳体2的内部相反一侧的表面，第2表面52是壳体2的内部侧的表面。第1表面51和第2表面52分别是例如垂直于管轴线A的平坦面。靶材4形成于窗部件5的第2表面52。靶材4例如由钨形成为膜状。靶材4在壳体2内由于电子束B的入射而生成X射线R。在本实施形态中，在靶材4生成的X射线R透过靶材4和窗部件5出射至外部。
窗部件5安装于壳体2的开口23的周围的安装面24。安装面24是例如与管轴线A垂直的平坦面，形成于头盖21。窗部件5经由焊料等接合部件(省略图示)与安装面24气密地接合。在X射线管1中，靶材4与头盖21电连接，靶材4和窗部件5与头盖21热连接。作为一例，靶材4经由头盖21设为接地电位。作为一例，由于电子束B的入射而在靶材4产生的热直接和/或经由窗部件5传递至头盖21，从头盖21释放至散热部(省略图示)。在本实施形态中，通过壳体2、靶材4和窗部件5将壳体2内部的空间维持于高真空度。
在如上构成的X射线发生装置10中，将靶材4的电位作为基准，由电源部11对电子枪3施加负电压。作为一例，电源部11在靶材4被设为接地电位的状态下，将负的高电压(例如-10kV～-500kV)经由各引线接脚35施加于电子枪3的各部。从电子枪3出射的电子束B沿管轴线A聚焦于靶材4。在靶材4上的电子束B的照射区域中产生的X射线R以该照射区域为焦点，透过靶材4和窗部件5朝外部出射。
[窗部件的构成]
如图3所示，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向D具有以小于45度的角度(优选为0.1度以上7度以下的角度)相交的关系。换言之，在窗部件5中，单晶金刚石的(100)面与垂直于窗部件5的厚度方向D的面(例如与第1表面51平行的面)具有以小于45度的角度相交的关系。厚度方向D例如是第1表面51与第2表面52相对的方向。另外，所谓“相交的关系”是指以大于0度的角度相交的关系。
在本实施形态中，在窗部件5中，单晶金刚石的[010]方向和[001]方向与垂直于窗部件5的厚度方向D的面(例如与第1表面51平行的面)具有以小于45度的角度相交的关系。换言之，在窗部件5中，单晶金刚石的(010)面和(001)的面与窗部件5的厚度方向D具有以小于45度的角度相交的关系。作为一例，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向是以窗部件5的厚度方向D为基准，绕与[011]方向平行的轴线以0.1度以上7度以下的角度倾斜，且绕与[0-11]方向平行的轴线以0.1度以上7度以下的角度倾斜。
若将窗部件5的第1表面51设为基准，则在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与垂直于第1表面51的方向具有以小于45度的角度相交的关系。若将壳体2的开口23的周围的安装面24设为基准，则在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与垂直于安装面24的方向具有以小于45度的角度相交的关系。在电子束B沿着管轴线A(与管轴线A平行地)入射至靶材4的情形下，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与电子束B入射至靶材4的方向具有以小于45度的角度相交的关系。另，窗部件5并非限定于作为一片基板而由一体形成的单晶金刚石基板构成，也可以将多个单晶金刚石部件在横向上相邻接合而成为一片基板的镶嵌晶体(mosaic crystal)金刚石基板而构成。由镶嵌晶体金刚石基板构成的窗部件5也能够由于满足上述条件的状态下使多个单晶金刚石部件各自相邻接合，而具有与作为一片基板而由一体形成的单晶金刚石基板构成的窗部件5相同的特性。
[窗部件的制造方法]
如图4的(a)所示，准备具有(100)面作为主面的种基板100，通过对种基板100的主面的外延生长(例如CVD(Chemical Vapor deposition：化学气相沉积)法)，形成具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板110(第1形成步骤)。接着，以单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向以小于45度的角度相交的方式，从单晶金刚石基板110取出窗部件5(取出步骤)。作为一例，窗部件5通过机械加工或激光加工从单晶金刚石基板110切出并研磨外表面而获得。接着，如图4的(b)所示，在厚度方向D上窗部件5的一个表面形成靶材4(第2形成步骤)。靶材4的形成例如通过溅镀来实施。
另外，准备具有主面的种基板100，该主面与(100)面具有以小于45度的角度相交的关系(准备步骤)，通过外延生长在该种基板100的主面形成单晶金刚石基板110(第1形成步骤)，通过实施沿着与单晶金刚石基板110的厚度方向垂直的方向的切出，也能够从该单晶金刚石基板110取出窗部件5(取出步骤)。在该情形下，通过外延生长形成单晶金刚石的[100]方向与单晶金刚石基板110的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系的单晶金刚石基板110。因此，通过实施沿着与单晶金刚石基板110的厚度方向垂直的方向的切出，能够容易获得单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系的窗部件5。
[作用和效果]
在X射线管1中，在由单晶金刚石形成为板状的窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向D具有以小于45度的角度相交的关系。由此，相较于单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向D平行的情形(即单晶金刚石的(100)面与窗部件5的厚度方向D垂直的情形)，关于单晶金刚石所具有的多种结晶面(例如(0-11)面、(011)面等)，与窗部件5的厚度方向D平行的结晶面的数量减少，结果，窗部件5在结晶面不易龟裂。因此，根据该X射线管1和具有X射线管1的X射线发生装置10，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
另外，若单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向具有以0.1度以上7度以下的角度相交的关系，则提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性，并且，例如在从具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板110取出窗部件5的情形下，能够容易且有效率地取出单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系的窗部件。
在X射线管1中，在窗部件5中，单晶金刚石的[010]方向和[001]方向与垂直于窗部件5的厚度方向D的面具有以小于45度的角度相交的关系。由此，关于单晶金刚石所具有的多种结晶面，与窗部件5的厚度方向D平行的结晶面的数量进一步减少(至少(0-11)面、(011)面未与窗部件5的厚度方向D平行)，结果，窗部件5在结晶面更不易龟裂。因此，能够更可靠地提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
在X射线管1中，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与垂直于窗部件5的第1表面51的方向具有以小于45度的角度相交的关系。由此，能够抑制由外力作用于窗部件5的第1表面51引起窗部件5产生龟裂。
在X射线管1中，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与壳体2的开口23周围的安装面24垂直的方向具有以小于45度的角度相交的关系。在该情形下，也能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
在X射线管1中，靶材4形成于窗部件5的第2表面52。由此，在透射型X射线管中，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
在X射线管1中，在窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与电子束B入射至靶材4的方向具有以小于45度的角度相交的关系。在该情形下，也能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
在窗部件5的制造方法中，在获得的窗部件5中，单晶金刚石的[100]方向与窗部件5的厚度方向D具有以小于45度的角度相交的关系。因此，根据窗部件5的制造方法，能够提高由单晶金刚石形成为板状的窗部件5的耐龟裂性。
在窗部件5的制造方法中，在厚度方向D上窗部件5的一个表面形成靶材4。由此，能够获得透射型X射线管用的窗部件5。
[变化例]
本发明不限定于上述实施形态。X射线管1也可以构成为密封反射型X射线管。如图5所示，密封反射型的X射线管1与上述密封透射型的X射线管1的主要不同点在于：电子枪3配置于头盖21侧方的收纳部6内；以及靶材4不由窗部件5支承而由支承部件7支承。收纳部6具有侧管61和管座62。侧管61以侧管61的一个开口部61a面向头盖21内部的方式与头盖21的侧壁部接合。管座62密封侧管61的另一开口61b。加热器31、阴极32、第1栅极电极33和第2栅极电极34从管座62一侧依序配置于侧管61内。多个引线接脚35贯通管座62。支承部件7贯通阀22的底壁部22b。靶材4以在管轴线A上以与电子枪3和窗部件5两者相对的方式倾斜的状态，固定于支承部件7的前端部71。
在具有如以上构成的密封反射型的X射线管1的X射线发生装置10中，作为一例，在头盖21和侧管61设为接点电位的状态下，由电源部11经由支承部件7对靶材4施加正电压，由电源部11经由多个引线接脚35对电子枪3的各部施加负电压。从电子枪3出射的电子束B沿着与管轴线A垂直的方向聚焦于靶材4上。在靶材4上的电子束B的照射区域中产生的X射线R以该照射区域为焦点，透过窗部件5朝外部出射。
X射线管1也可以构成为开放透射型X射线管或开放反射型X射线管。开放透射型或开放反射型的X射线管1构成为可使壳体2开放，是可更换零件(例如窗部件5、电子枪3的各部)等的X射线管。在具有开放透射型或开放反射型的X射线管1的X射线发生装置10中，通过真空泵来提高壳体2的内部空间的真空度。
在密封透射型或开放透射型的X射线管1中，靶材4形成于窗部件5的第2表面52中的至少开口23露出的区域即可。在密封透射型或开放透射型X射线管1中，靶材4也可以经由另一膜形成于窗部件5的第2表面52。
在密封反射型X射线管用或开放反射型X射线管用的窗部件5的制造方法中，无需在厚度方向D上的窗部件5的一个表面形成靶材4的步骤。
附图标记说明
1…X射线管、2…壳体、3…电子枪、4…靶材、5…窗部件、10…X射线发生装置、11…电源部、23…开口、24…安装面、51…第1表面、52…第2表面、110…单晶金刚石基板、B…电子束、R…X射线。

Claims (12)

1.一种X射线管，其包括：
壳体；
在所述壳体内出射电子束的电子枪；
在所述壳体内因所述电子束的入射而产生X射线的靶材；和
密封所述壳体的开口而使所述X射线透射的窗部件，
所述窗部件是将单晶金刚石形成为板状而形成的，
所述单晶金刚石的[100]方向与所述窗部件的厚度方向具有以小于45度的角度相交的关系。
2.如权利要求1所述的X射线管，其中，
所述单晶金刚石的[010]方向和[001]方向与垂直于所述窗部件的所述厚度方向的面具有以小于45度的角度相交的关系。
3.如权利要求1或2所述的X射线管，其中，
所述窗部件具有与所述壳体的内部相反的一侧的第1表面，
所述单晶金刚石的所述[100]方向与垂直于所述第1表面的方向具有以小于45度的角度相交的关系。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的X射线管，其中，
所述窗部件安装于所述壳体的所述开口的周围的安装面，
所述单晶金刚石的所述[100]方向与垂直于所述安装面的方向具有以小于45度的角度相交的关系。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的X射线管，其中，
所述窗部件具有所述壳体的内部一侧的第2表面，
所述靶材形成于所述第2表面。
6.如权利要求5所述的X射线管，其中，
所述单晶金刚石的所述[100]方向与所述电子束入射至所述靶材的方向具有以小于45度的角度相交的关系。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的X射线管，其中，
所述单晶金刚石的所述[100]方向与所述窗部件的所述厚度方向具有以0.1度以上7度以下的角度相交的关系。
8.一种X射线发生装置，其包括：
权利要求1至7中的任一项所述的X射线管和将电压施加于所述电子枪的电源部。
9.一种窗部件的制造方法，其包括：
通过外延生长来形成具有(100)面作为主面的单晶金刚石基板的第1形成步骤；和
从所述单晶金刚石基板取出板状的窗部件的取出步骤，
在所述取出步骤中，以单晶金刚石的[100]方向与所述窗部件的厚度方向以小于45度的角度相交的方式，从所述单晶金刚石基板取出所述窗部件。
10.一种窗部件的制造方法，其包括：
准备具有主面的种基板的准备步骤，其中所述主面与(100)面具有以小于45度的角度相交的关系；
第1形成步骤，通过外延生长来在所述种基板的所述主面形成单晶金刚石基板；和
取出步骤，实施沿着与所述单晶金刚石基板的厚度方向垂直的方向的切出加工，来从所述单晶金刚石基板取出板状的窗部件。
11.如权利要求9或10所述的窗部件的制造方法，还包括：
第2形成步骤，在所述厚度方向上的所述窗部件的一个表面，形成因电子束的入射而产生X射线的靶材。
12.如权利要求9至11中的任一项所述的窗部件的制造方法，其中，
所述单晶金刚石的[100]方向与所述窗部件的所述厚度方向具有以0.1度以上7度以下的角度相交的关系。
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