JP2000306533A - 透過放射型x線管およびその製造方法 - Google Patents

透過放射型x線管およびその製造方法

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JP2000306533A
JP2000306533A JP11371002A JP37100299A JP2000306533A JP 2000306533 A JP2000306533 A JP 2000306533A JP 11371002 A JP11371002 A JP 11371002A JP 37100299 A JP37100299 A JP 37100299A JP 2000306533 A JP2000306533 A JP 2000306533A
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ray
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window plate
target
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JP11371002A
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Hiroki Kutsuzawa
宏樹 沓澤
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Toshiba Development and Engineering Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、X線透過窓板とターゲット薄膜
との間の界面剥離を未然に防止し、信頼性の高い透過放
射型X線管およびその製造方法を提供することを目的と
する。 【解決手段】 この発明は、真空容器33の一部に気密
接合されたベリリウム製のX線透過窓板37と、このX
線透過窓板の真空側の面に付着されX線を発生するタン
グステン製のターゲット薄膜40との間に、銅、クロ
ム、鉄、或いはニッケル等から選択された少なくとも1
つの金属元素またはそれを主体とする材料からなる少な
くとも1層の中間薄膜39をスパッタリング等の物理的
蒸着法で成膜したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、透過放射型X線
管およびその製造方法に係わり、とくにその真空容器の
一部を兼ねるX線放射窓板の内面に形成したX線発生用
ターゲット薄膜の界面剥離を未然に防止するようにした
この種X線管およびその製造方法に関する
【0002】
【従来の技術】X線管は、陽極ターゲットに電子ビーム
を衝突させてX線を発生する構成になっている。このX
線管は、医療診断装置、非破壊検査や材料分析等の工業
用など、多くの用途に利用されている。そして、用途に
応じていろいろな種類のX線管が実用化されている。そ
の1つに、微小焦点すなわちマイクロフォーカスX線発
生源を得る透過放射型X線管がある。
【0003】このマイクロフォーカス透過放射型X線管
の用途の一つは、半導体集積回路基板やその他の物体の
X線透視拡大撮影装置である。その概略構成は、図7に
示すように、X線遮蔽された装置ケース11の内部にX
線管12が配置されている。そして、このX線管12の
X線発生焦点位置Sから距離Laだけ離れた位置に半導
体集積回路基板のような被撮影物体13が置かれる。ま
た、この被撮影物体13の位置からさらに距離Lbだけ
離れた位置に、X線イメージ管または固体X線センサの
ようなX線エリアセンサ14のセンサ面が位置するよう
に配置されている。
【0004】X線管12には、ケース11に内蔵された
電源15から動作電圧が供給されるようになっており、
これは外部から制御される。また、X線エリアセンサ1
4のX線画像信号出力部16から出力されるX線画像信
号は、画像処理装置を内蔵するモニタ17に送られ、画
像表示部18に被撮影物体13のX線透視拡大撮影映像
が表示されるように構成されている。
【0005】被撮影物体のX線撮影の拡大率Mは、概
ね、M=(La+Lb)/La であらわされる。ただ
し、(La《Lb)となるように設定するため、距離La
を小さくするほど拡大率Mは大きくなる。また、X線管
のX線発生源である焦点Sのサイズが小さければ小さい
ほど、解像度の高い鮮明なX線透視拡大撮影画像が得ら
れることも自明である。
【0006】そのため、X線管の焦点S、すなわちX線
発生ターゲット部分をできるだけ被撮影物体13の近く
に配置して、距離Laを可能な限り小さくできる構成が
望ましい。この目的には、X線発生ターゲット部がX線
管の最先端に存在するマイクロフォーカス透過放射型X
線管の使用が適する。
【0007】この型のX線管12は、図8に示すよう
に、真空容器21の一方の側の金属円筒部の先端部に、
X線を透過するX線透過窓板22が真空気密に設けられ
ている。この透過窓板22は、通常、ベリリウム(B
e)などX線に対する透過率の高い材料で構成されてい
る。また、このX線透過窓板22の真空側の面には、要
部を拡大して示すように、タングステン(W)などから
なる陽極ターゲット薄膜23が直接付着されている。そ
して、真空容器内の他方側のガラス部分内に電子ビーム
を発生する陰極24が配置され、それと電子レンズ用の
複数個のグリッド電極からなる電子銃25が配置されて
いる。
【0008】上記した構成において、陰極から発生され
て電子銃25を経た電子ビームeは、陽極ターゲット薄
膜23の位置で点焦点Sを結ぶようになっている。そし
て、この陽極ターゲット薄膜で発生したX線がそのまま
透過窓板22を通して外部に放射される。この放射X線
を符号Xであらわしており、X線撮影に利用される。
【0009】このような装置或いはX線管は、例えば米
国特許第5077771号明細書、日本特許第2713
860号、同特許第2634369号、特公平7−50
594号、特開平9−171788号、実公昭52−5
6778号、或いは実開昭54−163885号の各公
報等に開示されている。
【0010】なお、透過放射型X線管の陽極ターゲット
を構成するタングステン薄膜の膜厚は、X線管に印加す
る電圧によって最適な膜厚が相違している。たとえば、
工業用に使用されるX線管の場合、X線管に印加される
電圧は数十kV〜百数十kVの範囲が一般的になってい
る。このような場合、陽極ターゲットを構成するタング
ステン薄膜の最適な膜厚は、数μm〜10数μmの範囲
となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、陽極ターゲ
ットを構成するタングステン薄膜をベリリウム製X線透
過窓板の内面に直接付着させた構造は、タングステン薄
膜を形成する際に発生する薄膜中の残留応力、あるい
は、透過窓板を構成するベリリウムとの熱膨張差などが
影響して、ベリリウムとの間で界面剥離が起きやすく、
不安定なものになりやすい。
【0012】とくに、マイクロフォーカス透過放射型X
線管においては、タングステン薄膜に例えば直径が数十
μmまたはそれ以下の略円形の焦点サイズとなる電子ビ
ームを衝突させるため、この微小焦点部分で界面剥離が
起こりやすい。この界面剥離が起こった場合には、電子
ビームの局部照射によるタングステン薄膜の溶融や剥離
物の飛散などにより、X線管の致命的な損傷に至る場合
も考えられる。
【0013】この発明は、上記した欠点を解決するもの
で、X線透過窓板とターゲット薄膜との間の界面剥離を
未然に防止し、信頼性の高い透過放射型X線管およびそ
の製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明は、真空容器の
一部に気密接合されたベリリウム製のX線透過窓板と、
このX線透過窓板の真空側に設けられX線を発生するタ
ングステンまたはタングステンを主体とする合金からな
るターゲット薄膜との間に、例えば銅のような少なくと
も1つの金属元素またはこの金属元素を主体とする材料
からなる少なくとも1層の中間薄膜がこれらX線透過窓
板およびX線発生用ターゲット薄膜にそれぞれ密着して
設けられている透過放射型X線管である。
【0015】また、この発明の製造方法は、ベリリウム
製X線透過窓板の内面上に、少なくとも1つの金属元
素、例えば銅やクロム、鉄、或いはニッケル等から選択
された金属元素またはこの金属元素を主体とする材料か
らなる少なくとも1層の中間薄膜、さらにこの中間薄膜
上にX線発生用ターゲット薄膜を例えばスパッタリング
等の物理的蒸着法で成膜することを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態について図1乃
至図4を参照して説明する。同図に示すマイクロフォー
カス透過放射型X線管30は、ガラス容器部分31およ
び先端が閉じられた金属円筒容器部分32が真空気密に
接合された真空容器33を備えている。この真空容器3
3の内部には、電子銃34が配置されている。この電子
銃34は、電子ビームを発生する陰極35、および電子
レンズ用の複数個のグリッド電極を備えている。なお、
ここで説明するX線管の例は、電子ビーム加速電圧すな
わち陰極と陽極ターゲット薄膜との間に印加される動作
電圧が、50〜70kVの範囲のものである。
【0017】さて、真空容器の金属円筒容器部分32の
先端部は、X線放射窓保持用リング36に、X線透過率
の高い材料であるベリリウム(Be)またはベリリウム
を主体とする合金からなるX線透過窓37が、ろう材層
38により真空気密にろう接されている。X線放射窓保
持用リング36は、厚肉の鉄(Fe)、またはコバール
(商品名)やステンレス鋼のような鉄合金、或いは銅
(Cu)または銅合金のような機械的に高強度の材料で
形成されている。そして、そのテーパ状に外方に延長さ
れた外周薄肉部36aが、金属円筒容器部分の先端開口
部32aにヘリアーク溶接により真空気密接合されてい
る。
【0018】ベリリウム製のX線透過窓板37の内面す
なわち真空領域側の面には、純銅(Cu)からなる中間
薄膜39、およびタングステン(W)からなる陽極ター
ゲット薄膜40が、この順に成膜され、積層して付着さ
れている。なお、このX線管の動作に際しては、従来技
術で述べたと同様に、陰極35から発生され電子銃34
を経た電子ビームeは、陽極ターゲット薄膜40の位置
で焦点Sを結ぶようになっている。そして、この焦点位
置で発生したX線は、そのままX線透過窓37を通して
符号Xで示すように外部に放射され、X線撮影等に利用
される。
【0019】次に、X線透過窓板37、中間薄膜39お
よび陽極ターゲット薄膜40の好ましい組立て、或いは
成膜プロセスを、図3および図4により説明する。ま
ず、図3の(a)に示すように、予め所定形状に加工し
た窓保持用リング36の開口部の段差36bに、ろう材
として例えば銀が50%と銅が50%の銀合金ろう材を
配置し、さらに厚さが約1mmのベリリウム製円板から
なるX線透過窓板37を配置し、非酸化性雰囲気中で加
熱処理し、溶融ろう材38による気密ろう接を行なっ
た。
【0020】次に、これを図4に示すスパッタリング成
膜装置50内に配置し、図3の(b)に示すように、窓
保持用リング36に接合された状態のベリリウム製X線
透過窓37の内面に、銅からなる中間薄膜39を、厚さ
がおよそ0.4μmとなるようにスパッタリング法によ
り成膜し、直接付着させた。
【0021】次に、同じスパッタリング成膜装置内で、
図3の(c)に示すように、銅からなる中間薄膜39の
上に、タングステンの薄膜40を、厚さがおよそ4μm
となるようにスパッタリング法により成膜し、付着させ
た。その後、このように中間薄膜およびタングステン薄
膜を成膜したX線透過窓板37を有する窓保持用リング
36を、図1に示したように、金属円筒容器部分の先端
開口部32aに嵌め、両者の合致した薄肉円筒端部をヘ
リアーク溶接により真空気密に接合して真空容器とし、
この真空容器内に電子銃等を組み入れ、排気工程等を経
てX線管を完成させた。
【0022】図4に示すスパッタリング成膜装置50
は、普通に知られた直流(DC)二極スパッタリング装
置である。同図の符号51は真空または減圧容器、5
2、53はスパッタリング用のターゲット材、54はこ
れらターゲット材を固定するターゲット固定台、55は
シールド、56は絶縁体、57はターゲット材を冷却す
るためにターゲット固定台中に循環させる冷媒、58は
シャッタ、59は被成膜基板を載置する基板載置台、6
0は排気ポンプ、61はアルゴンガスのような放電用ガ
スの導入を制御する制御弁、62は直流電源をそれぞれ
あらわしている。
【0023】そこで、図3の(a)に示したベリリウム
製のX線透過窓板37をろう接した窓保持用リング36
を基板載置台59の上に載せて、減圧容器51とともに
接地電位とする。一方、ターゲット固定台54には、銅
からなるターゲット材52、およびタングステンからな
るターゲット材53を置き換え可能に固定する。このタ
ーゲット固定台54には、直流電源62のマイナス極を
電気的に接続してある。
【0024】そして、減圧容器51の内部を真空に排気
した後、矢印で示すように放電用ガス63を導入して例
えば10Pa程度の所定圧力に制御するとともに、直流
電源62から例えば1kV程度の所定電圧を印加して減
圧容器内に放電プラズマを発生させる。次に、シャッタ
58を制御して、まず銅からなるターゲット材52から
X線透過窓板37の面上に銅の中間薄膜を成膜する。
【0025】次に、タングステンからなるターゲット材
53に置き換えて中間薄膜上にタングステンからなるタ
ーゲット薄膜を成膜する。こうして、図3の(c)に示
したX線管の透過窓板37の内面に中間薄膜39および
ターゲット薄膜40を連続的に積層して成膜する。
【0026】図5に示す実施例は、銅からなる中間薄膜
39、およびタングステンからなるターゲット薄膜40
を、ベリリウム製X線透過窓37の内面からさらに透過
窓保持用リング36の内側テーパ面の途中まで延長して
スパッタリング被覆したものである。これら中間薄膜お
よびターゲット薄膜の延長部分を、符号39a,40a
でそれぞれあらわしている。
【0027】この実施例によれば、X線管の動作に何ら
不都合がなく、むしろ中間薄膜39およびターゲット薄
膜40の成膜に際して、マスキングを比較的ラフにして
も差支えないという利点がある。
【0028】図6に示す実施例は、ベリリウム製X線透
過窓板37の内面に2層39b,39cからなる中間薄
膜39を積層して成膜し、その内面にターゲット薄膜4
0を成膜したものである。2層からなる中間薄膜39の
材料は、例えばX線透過窓板側の中間薄膜39bを鉄
(Fe)とし、ターゲット薄膜側の中間薄膜39cをチ
タン(Ti)としてもよい。それによって、熱膨張率
が、X線透過窓板37であるベリリウムからターゲット
薄膜40のタングステンに向かって大きい順に配列さ
れ、各層間の界面剥離が一層抑制される。
【0029】なお、中間薄膜39b,39cは、上記に
限らず、例えば中間薄膜39bを金(Au)とし、中間
薄膜39cをクロム(Cr)にすることもできる。或い
はまた、中間薄膜39bを銅(Cu)とし、中間薄膜3
9cをタンタル(Ta)にすることもできる。その他、
種々の組合わせが可能である。また、2層に限らず、3
層またはそれ以上に積層することも可能である。
【0030】このように製作したマイクロフォーカス透
過放射型X線管は、微小焦点X線の放射を長時間継続し
ても、X線透過窓板から銅製中間薄膜およびタングステ
ン製ターゲット薄膜の界面剥離が起らず、高い信頼性が
得られた。その主な理由は、X線透過窓を構成するベリ
リウム板と銅からなる中間薄膜とが比較的合金化しやす
いことと、スパッタリング成膜法により、高いエネルギ
ーでベリリウム製窓材に中間薄膜が高付着力で付着さ
れ、さらに同様にこの中間薄膜にタングステン製ターゲ
ット薄膜が高付着力で付着されるとともに、これら各界
面部分で下地金属中へのイオン打込み現象が存在してい
るものと考えられる。こうして、各界面で良好な密着性
が得られ、界面剥離が生じ難くなっているものと考えら
れる。
【0031】ところで、金属中への電子の進入深さは、
よく知られるように、同じ金属であれば電子の加速電圧
のn乗に比例する。ここで、nは約1.7である。そこ
で、X線管の陽極ターゲットがタングステンである場合
は、30kVの加速電圧での電子の進入深さは約1μm
であり、100kVの加速電圧での電子の進入深さは約
8μmである。
【0032】そのため、上記実施例のように、陽極ター
ゲットを構成しているタングステン薄膜の厚さを約4μ
mにした場合は、50kVの加速電圧の動作での電子の
進入深さはタングステン薄膜の表面から約2.5μmま
で、70kVの加速電圧の動作ではタングステン薄膜の
表面から約4μmすなわちタングステン薄膜の厚さ概ね
全体に進入し、X線を効率よく放射するとともに、銅の
中間薄膜やベリリウム製X線透過窓板までは電子が到達
せず、不都合を引き起こすことが未然に防止される。
【0033】なお、中間薄膜としては、陽極ターゲット
薄膜の主体金属であるタングステンよりも原子番号が小
さい金属元素またはそれを主体とする合金や化合物を使
用することが、発生したX線を不所望に吸収しなのでと
くに望ましい。しかし、中間薄膜として原子番号が比較
的高い材料を使用しても、その厚さを薄く成膜すれば、
この中間薄膜で吸収するX線量は無視できる程度に小さ
くすることが可能である。一方、中間薄膜の存在によっ
て、若干ではあるが、ターゲット薄膜からの熱放散性も
高められる。
【0034】このような理由に基づいて、この種X線管
の用途、動作中の電子ビーム加速電圧の範囲を考慮し
て、陽極ターゲットを構成しているタングステン薄膜の
厚さを最適な厚さに製作することができる。また、陽極
ターゲット薄膜の素材は、純タングステンに限られず、
例えばレニウム(Re)を微量含むレニウム・タングス
テン合金や、モリブデン(Mo)を微量含むモリブデン
・タングステン合金、あるいはその他の元素を微量含む
タングステン主体の合金を使用してもよい。
【0035】一方、中間薄膜39は、材料として上述の
ように純銅(Cu)が好ましいが、それに限らず、他の
元素を微量含んでもよく、あるいは次のような材料を使
用できる。すなわち、例えばクロム(Cr)、鉄(F
e)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、チタン
(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、ロ
ジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)、或いはこれ
らの少なくとも1つの金属元素を主体とする合金または
化合物から選択された材料であってもよい。或いはま
た、これらから選択された材料の薄膜の1層であること
に限らず、複数の薄膜の積層であってもよい。なお、前
述のように、陽極ターゲット薄膜の主体であるタングス
テンよりも原子番号やX線吸収率が小さく且つ融点が約
950℃を超える金属材料の使用が、X線管の製造中ま
たは動作中の安定性のうえでとくに好ましい。
【0036】また、この中間薄膜39の厚さは、これと
X線透過窓板37または陽極ターゲット薄膜との間の界
面剥離を生じない範囲でできるだけ薄い方が望ましい。
これを種々検討した結果、陽極ターゲット薄膜40の厚
さの、1/50乃至1/2の範囲、より好ましくは、1
/30乃至1/3の範囲にすることが望ましいことが確
認できた。
【0037】なお、X線透過窓板37の厚さは、動作時
も真空容器として安全且つ安定に機能する範囲で、可能
な限り薄く構成することが望ましい。
【0038】中間薄膜、或いは陽極ターゲット薄膜の成
膜方法は、上述のスパッタリング法に限らず、イオンプ
レーティング法、或いは真空蒸着法などの、いわゆる物
理的蒸着(PVD)法が適する。また、これらの方法の
組合わせによって全体を成膜してもよい。
【0039】また、上記のX線という表現には、γ線な
ど放射線を含むものとする。
【0040】
【発明の効果】この発明によれば、ベリリウム製X線放
射窓板の内面に成膜したタングステン主体のターゲット
薄膜の界面剥離を未然に防止でき、信頼性の高い透過放
射型X線管およびその製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態を示すX線管の縦断面図
である。
【図2】図1の要部を拡大して示す断面図である。
【図3】図1のX線放射窓板およびターゲット薄膜の組
立ておよび成膜プロセスを示す要部縦断面図である。
【図4】この発明の製造方法に適用するスパッタリング
装置を示す概略図である。
【図5】この発明の他の実施形態を示すX線管の要部縦
断面図である。
【図6】この発明のさらに他の実施形態を示すX線管の
要部縦断面図である。
【図7】X線拡大撮影装置を示す概略図である。
【図8】従来のX線管を示す縦断面図である。
【符号の説明】
33…真空容器 34…電子銃 36…X線透過窓保持用リング 37…X線透過窓板 39…中間薄膜 40…陽極ターゲット薄膜 50…スパッタリング成膜装置

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器の一部に気密接合されたベリリ
    ウム製のX線透過窓板と、このX線透過窓板の真空側に
    設けられX線を発生するタングステンまたはタングステ
    ンを主体とする合金からなるターゲット薄膜と、前記X
    線発生用ターゲット薄膜に照射する電子ビームを発生す
    る陰極構体とを具備し、上記X線発生用ターゲット薄膜
    から発生するX線を上記X線透過窓板を通して外部に放
    射させる構造の透過放射型X線管において、 前記X線透過窓板と前記X線発生用ターゲット薄膜との
    間に、少なくとも1つの金属元素または該金属元素を主
    体とする材料からなる少なくとも1層の中間薄膜が前記
    X線透過窓板およびX線発生用ターゲット薄膜にそれぞ
    れ密着して設けられていることを特徴とする透過放射型
    X線管。
  2. 【請求項2】 上記中間薄膜は、銅、クロム、鉄、ニッ
    ケル、シリコン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、ロジ
    ウム、金、銀、或いはそれらを主体とする合金または化
    合物から選択された材質である請求項1記載の透過放射
    型X線管。
  3. 【請求項3】 上記中間薄膜は、上記ターゲット薄膜を
    構成している主体であるタングステンよりも原子番号が
    小さい金属元素または該金属元素を主体とする材料であ
    る請求項1記載の透過放射型X線管。
  4. 【請求項4】 上記中間薄膜は、その厚さが上記ターゲ
    ット薄膜の厚さの1/50、乃至、1/2の範囲である
    請求項1記載の透過放射型X線管。
  5. 【請求項5】 真空容器の一部に気密接合されたベリリ
    ウム製のX線透過窓板と、このX線透過窓板の真空側に
    設けられX線を発生するタングステンまたはタングステ
    ンを主体とする合金からなるターゲット薄膜と、前記X
    線発生用ターゲット薄膜に照射する電子ビームを発生す
    る陰極構体とを具備し、上記X線発生用ターゲット薄膜
    から発生するX線を上記X線透過窓板を通して外部に放
    射させる構造の透過放射型X線管の製造方法において、 前記X線透過窓板の前記X線発生用ターゲット薄膜が設
    けられ側の面上に、少なくとも1つの金属元素または該
    金属元素を主体とする材料からなる少なくとも1層の中
    間薄膜を成膜し、さらにこの中間薄膜上に上記X線発生
    用ターゲット薄膜を成膜することを特徴とする透過放射
    型X線管の製造方法。
  6. 【請求項6】 上記中間薄膜またはX線発生用ターゲッ
    ト薄膜は、スパッタリング法、イオンプレーティング
    法、または真空蒸着法等の物理的蒸着法で成膜する請求
    項5記載の透過放射型X線管の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記真空容器の一部を構成するX線透過
    窓保持用リングを予め用意し、このX線透過窓保持用リ
    ングに上記X線透過窓板を気密接合し、その後に前記X
    線透過窓板の内面側に中間薄膜およびX線発生用ターゲ
    ット薄膜を順次成膜し、その後上記X線透過窓保持用リ
    ングを真空容器の残りの部分に気密接合する請求項5記
    載の透過放射型X線管の製造方法。
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