JP2004055325A

JP2004055325A - Ｘ線発生装置

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Publication number: JP2004055325A
Application number: JP2002210778A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ukita; 浮田　昌昭
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19
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Abstract

【課題】ターゲットを振動させて実効的な電子衝突面積を大きくすることにより、ターゲットを厚くすることなくその長寿命化を図って装置の稼働率を高め、連続したＸ線の発生時間を長くすることができる。
【解決手段】振動付与部によって電子ビームＢの衝突点をターゲット９上で移動させることができ、ターゲット９における実効的な電子衝突面積を大きくできるので、発生する熱を分散させて電子衝突による集中的なターゲット９の温度上昇を抑制することができる。したがって、ターゲット９の蒸散を減少させることができる。その結果、ターゲット９を厚くすることなくターゲット９の長寿命化を図ることができ、ターゲット９の交換・調整に起因する装置の稼働率を高めることができ、連続したＸ線発生時間を長くできる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線非破壊検査装置やＸ線分析装置のＸ線発生装置に係り、特に微小な対象物のＸ線透視像を得るために微小径の電子ビームを照射してミクロンサイズのＸ線源を有する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＸ線発生装置としては、例えば、特開２００２−２５４８４号公報、特開２００１−２７３８６０号公報、特開２０００−３０６５３３号公報に開示されているものが挙げられる。
【０００３】
これらの装置は、真空中で負の高電位（−Ｓｖ［Ｖ］）に保たれた電子源から発生する電子（Ｓａ［Ａ］）を、接地電位０Ｖとの電位差によって加速し、電子レンズで直径２０〜０．１μｍ程度に収束させている。このようにして収束された電子ビームを、金属などの固体からなるターゲット（例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ））に衝突させることでミクロンサイズのＸ線源を実現している。このときに発生するＸ線の最大エネルギーは、Ｓｖ［ｋｅＶ］となる。これらの装置のうち特に高分解能なのは、透過型マイクロフォーカスＸ線発生装置と呼ばれており、たとえば膜厚５μｍ程度のターゲットを、Ｘ線透過性のあるアルミニウム（Ａｌ）の保持体（例えば、膜厚０．５ｍｍ）などの薄板上に成膜して、ターゲットで発生したＸ線が、電子ビームの入射方向に窓を透過して大気中で利用できるようにしたものである。このような保持体は、ターゲットが薄膜では強度的に大気圧に対して耐えられないために用いられ、真空窓と呼ばれる。真空窓はＯリングなどを介して真空容器に締め付けて固定されている。この固定する部分は、電子レンズの先端中央部となっており、電子ビームが収束されて通過する直径１０ｍｍ程度の真空経路が形成されている。
【０００４】
このような透過型マイクロフォーカスＸ線発生装置では、ターゲットを電子レンズに密着して近づけられ、電子レンズの収差の影響を小さくできるので、電子収束径を最小にできる。したがって、最小のＸ線焦点を得る事ができ、高分解能なＸ線透視画像が得られる。また、被写体とＸ線焦点を近づけられるので、高倍率の撮影が可能である。このようなＸ線管は、被検体の内部の微小な欠陥などを探す検査装置に用いられており、長い時は１被検体あたり数時間にも及ぶ検査作業が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、加速された電子（電力Ｓａ・Ｓｖ［Ｗ］）をターゲットに衝突させてＸ線を発生させる場合、その電力の大部分は熱となり、Ｘ線の発生効率は１％以下である。衝突により発生する熱は、ターゲットの電子衝突部分の温度を上昇させるので、ターゲット材料の蒸発が起こり、さまざまな問題を引き起こす。
【０００６】
そこで、従来の透過型マイクロフォーカスＸ線発生装置では、ターゲットの寿命が近づくと装置を停止させ、真空容器に締め付けられている真空窓を緩め、真空窓を回転させたり交換したりして、電子衝突部を新しいターゲット面に換えてえて運転を再開するようにしている。そのため、長期間にわたって連続してＸ線を発生させることができなかったり、Ｘ線発生装置の稼働率を低下させたりするという問題の原因となっている。特に、大きな被検体では、Ｘ線強度を大きくするために、負荷電力を大きくして動作させる。このような場合にはターゲットの寿命が短く、頻繁にＸ線発生装置を停止させなければならないという問題がある。さらに、出力できるＸ線強度には限界があり、マイクロフォーカスＸ線管は暗いため作業効率を上げられないという問題もある。
【０００７】
ここで、電子ビーム電力とビーム径からターゲット寿命の試算方法について説明する。
【０００８】）
半無限の大きさを持ち熱伝導度Ｋ［Ｗ／ｃｍ℃］の固体表面上にある直径ｓ［μｍ］の円内に、電子ビーム電力（Ｓｖ・Ｓａ［Ｗ］）の全てが衝突するときの定常温度上昇ΔＴ［℃］は、以下のように表される（参考：石川順三　荷電粒子ビーム工学、コロナ社、２００１年５月１８日初版、ｐ１４５）。
【０００９】
ΔＴ［℃］　＝　２×１０^４・（Ｓｖ・Ｓａ）／（πＫｓ）　……　（１）
【００１０】
この式（１）より、温度上昇は、電力に比例し、衝突径ｓに反比例する。また、同じ温度上昇にするためには、衝突径ｓあたりの電力を一定にすればよいことを示している。また、衝突径ｓの時の衝突面積Ｓ＝π（ｓ／２）^２であるので、温度上昇ΔＴは面積Ｓのルートに反比例するともいえる。例えば、同じ電力なら面積を４倍にすれば温度上昇は１／２になる。
【００１１】
ターゲットがタングステン（Ｗ）である場合、定常温度上昇ΔＴは、タングステンの融点（３４１０℃）のときの熱伝導度Ｋ＝０．９［Ｗ／ｃｍ℃］を用いて試算できる。よって、室温とおなじ２７℃のターゲットに、電子ビームを照射した時の電子衝突面の定常温度Ｔ＝３００＋ΔＴ［Ｋ］と試算できる。
【００１２】
次に、温度Ｔ［Ｋ］の固体の蒸散量ｄ［ｋｇ／ｍ^２ｓｅｃ］は、以下のＬａｎｇｍｕｉｒの式（２）によって試算される。
【００１３】
ｄ　＝　４．３７×１０^−３・Ｐ√（Ｍ／Ｔ）　……　（２）
【００１４】
この式で、Ｍは固体材料の原子量で、タングステンの場合Ｍ＝１８３．８である。また、温度Ｔ［Ｋ］の時の固体の蒸気圧をＰ［Ｐａ］としている。このＰ［Ｐａ］は、定数Ａ＝４４０００、Ｂ＝８．７６、Ｃ＝５、Ｄ＝０として次の（３）式から試算される。
【００１５】
ｌｏｇＰ　＝　−Ａ／Ｔ＋Ｂ＋ＣｌｏｇＴ−ＤＴ＋２．１２５　……　（３）
【００１６】
上記の蒸発量ｄの単位を変換し、タングステン（Ｗ）の密度＝１９．３［ｇ／ｃｍ^２］で割ると、単位時間あたりの蒸発量（厚み）［μｍ／時間］を試算することができる。
【００１７】
以下に、タングステン（Ｗ）製ターゲットの寿命について各種電子ビーム負荷条件のもとに試算した結果（表１）と問題点を例示していく。表１中のターゲットの寿命は，微小なＸ線焦点を考慮し、ターゲットが衝突径ｓと同じ厚さ分蒸発するまでの時間としている。
【００１８】
【表１】

【００１９】
■問題点１
『ターゲット寿命により稼動時間ロスが発生する』
【００２０】
負荷条件▲１▼は、マイクロフォーカスＸ線管の通常の使用負荷の例である。Ｘ線焦点サイズが１μｍ程度となるように、ターゲット上の衝突径ｓ＝１μｍに電力０．３２Ｗの電子ビームを衝突させた場合、衝突部の温度は２５７６Ｋとなり、寿命は１４２時間と試算できる。この場合、１４２時間ごとに装置を停止し、ターゲットを緩めて回転させたりして新しいターゲット面に電子ビームを照射するようにしてから運転を再開することになる。ターゲットを緩めるので真空が破れ、再度真空引きを行う必要があるため、２時間ほどはＸ線を発生できないために稼働率を低下させる問題がある。この場合の稼働率は、連続稼動を想定して１４２／（１４２＋２）＝９９％で、週に１度２時間の保守作業をする手間がかかる。負荷電力を下げれば寿命が延びるが、Ｘ線強度が弱くなり透視撮影に時間がかかるので作業効率が低下する。
【００２１】
■問題点２
『Ｘ線強度の上限があり、作業効率が上がらない』
【００２２】
負荷条件▲２▼は▲１▼より少し高強度にした例で、電力を０．３２Ｗから０．３５Ｗに９％増加させた場合の試算である。同じ加速電圧で電流を９％増加させた例としており、Ｘ線強度が９％増加し作業効率が９％増加する。しかし、衝突部の温度は２７９０Ｋとなり、寿命は７時間と試算できる。したがって、わずか９％Ｘ線強度を向上させたために、７時間ごとに新しいターゲット面に交換する作業が必要となり、稼働率は７／（７＋２）＝７８％で、▲１▼にくらべ極端に低くなる。
【００２３】
負荷条件▲３▼と▲４▼は、▲１▼にくらべ３倍ほど高強度にした場合の例である。試算では衝突部の温度が、タングステンの融点（約３６８０Ｋ）、沸点（約６２００Ｋ）を超えており、急速に蒸発するため寿命はない。仮にＸ線強度が３倍に上がれば、同じ結果を得るために必要な作業時間は、１／３ですむので、作業効率は３倍にできる。しかし、▲３▼▲４▼の試算のとおり、負荷電力には限界がありＸ線強度にも上限があるので、作業効率を上げることはできないという問題がある。
【００２４】
■問題点３
『微小焦点化で暗くなる』
【００２５】
温度上昇ΔＴは（１）式のように、単位直径あたりの電子ビーム電力で決まる。したがって、電子ビームを絞って衝突径を小さくする場合には、電子ビームの電力も下げなければならない。例えば、より高分解能化した微小Ｘ線焦点となるように、衝突径ｓ＝０．１μｍにする場合で考える。▲１▼と同じような蒸発レートであるためには、電力を１／１０にしなければいけないので、作業効率が１／１０になる。その上、寿命は「微小なＸ線焦点を考慮して、ターゲットが衝突径ｓと同じ厚さ分蒸発するまでの時間」としているので、寿命までの蒸発厚さは１／１０になり、寿命が１／１０になってしまう。この場合の稼働率も、１４．２／（１４．２＋２）＝８８％に低下する。したがって、▲１▼と比べた稼動率は大幅に低下する。
【００２６】
因みに、この程度の微小焦点化は、近年の半導体分野における集積回路の微細化に追随するために必要とされているだけに問題である。参考までに、衝突径ｓ＝０．１μｍで負荷を大きくした場合の試算結果を表１▲５▼に示す。電力は▲１▼の７５％となる電力０．２４Ｗとした。衝突部の温度は１７３７１Ｋとなり、蒸発のため寿命はない。
【００２７】
■問題点４
『焦点形状の変化があるので、使用に注意が必要』
【００２８】
表１▲１▼のような条件で１４２時間連続してＸ線照射を行うと、ターゲットが１μｍ蒸発して薄くなる。その間、電子ビームの衝突する面の形状が変化しており、Ｘ線発生領域の形状も変化している。結果としてＸ線焦点の形状と位置が微妙に変化してゆく。そのため、高空間分解能を求められるマイクロフォーカスＸ線管では、寿命に関わらず、電子ビーム焦点位置を微妙に調整しながらでないと一定の性能を得られないことがあり、稼動率を下げる問題がある。
【００２９】
■問題点５
『ターゲットは厚めで、ターゲットによるＸ線の不要な吸収がある』
【００３０】
寿命の間に同じようなＸ線焦点であるためには、ターゲットの厚さは電子の最大進入深さとターゲット寿命相当厚さの和以上にしておく必要がある。また、電圧変動による電力上昇などに耐えるためにも、ターゲット厚は厚めに成膜されているのが普通である。
【００３１】
例えば、管電圧４０ｋＶのとき加速された４０ｋｅＶのエネルギーをもった電子はタングステンターゲットに衝突し、制動放射などによりブロードなＸ線を発生させながら最大で２．６μｍ進入する。したがって、管電圧４０ｋＶで衝突直径＝１μｍならターゲット厚さは３．６μｍ以上必要となり、余裕をみて５μｍ程度に設定される。
【００３２】
ところが、Ｘ線発生領域の最大深さは２．６μｍであるから、ターゲット厚さ５μｍのうちの残り２．４μｍで吸収されなかったものだけが透過Ｘ線として利用可能で、発生したＸ線の利用率が低下する。例えば、２０ＫｅＶのＸ線がタングステン２．４μｍを通過する場合８０％しか透過しなので、Ｘ線強度が低下して作業効率８０％に低下するので問題である。
【００３３】
■問題点６
『回転陽極式のＸ線管では、装置を高分解能にできない』
【００３４】
ターゲットの熱による問題を解決するために、医療用のｍｍサイズ焦点のＸ線発生装置においては、ターゲットを回転させる回転陽極式というものが採用されている。マイクロフォーカスＸ線発生装置においても、ターゲットを回転させることが考えられる。しかし、回転のために使用するベアリング（玉軸受）では回転精度が不足しているので、ターゲットを精度良く回転させることができない。したがって、Ｘ線焦点の変動が生じるため、このような医療用の方式を採用することはできない。特に、Ｘ線焦点サイズがミクロンオーダであるマイクロフォーカスＸ線発生装置への応用は困難である。
【００３５】
前記について具体的に説明を行っておく。
医療用の回転陽極式Ｘ線管は、Ｘ線焦点サイズが０．２〜１ｍｍ程度である。また、真空容器・電子源・陽極円板・回転軸受・モータが一体構成されている。モータは電磁力を利用するので電子ビームに影響を与えるから、離さなければならず、回転陽極式Ｘ線管は大型化する。回転軸受としては内径６〜１０ｍｍの玉軸受が採用され、外径１０〜３０ｍｍ以上で厚さも２．５〜１０ｍｍ以上ある。この範囲の玉軸受の最高精度等級はＪＩＳ２級で規定されており、内輪のアキシアル振れ精度・ラジアル振れ精度は最大１．５μｍもある。そして、高真空・高温・高速という厳しい条件で使用されるため、特殊な潤滑方式が使われる。例えば、Ｘ線管内部の真空度は０．１３ｍＰａ（１０^−６Ｔｏｒｒ）以下が必要であるし、陽極の発熱により２００〜５００℃の温度範囲で使用可能でなければならないし、回転速度３０００〜１００００ｒｐｍ（５０〜１６７ｃｙｃ／ｓｅｃ）程度の高速回転も要求される。以上の厳しい条件を満足するために、軟質金属の薄い皮膜などを固体潤滑剤として用いるという、非常に特殊な潤滑方式となる。その固体潤滑剤の寿命は短いため、Ｘ線管の寿命も数百時間と短い問題もある。
【００３６】
マイクロフォーカスＸ線管は医療用ほどの負荷電力ではないので、管球がそれほど高温になる事はない。しかし、軸受鋼の線熱膨張係数は１２．５×１０^−６（１／℃）程度あり、たった２０℃温度が上昇するだけで１．５〜２．５μｍ内径が膨れて回転精度を悪くする。２０℃の程度の温度上昇は、室温変化や回転による摩擦で生じる熱などにより簡単に起こる。ＪＩＳ２級で規定されている回転精度とあわせると、３μｍ以下の回転精度は保証外であり、実現不可能である。さらに、回転陽極円板は最低でもベアリング外径より大きくなければならず、直径１０ｍｍ以上必要であるため、面の精度である「うねり」をミクロンオーダにすることは難しい。そのため、Ｘ線焦点が１０μｍ程度変動することになる。Ｘ線焦点サイズが０．２〜１ｍｍ程度である医療用の回転陽極式Ｘ線管ではこの程度の精度が問題になることはない。しかし、Ｘ線焦点サイズがミクロンオーダであるマイクロフォーカスＸ線管では、焦点サイズが変化したり、焦点位置が電子ビーム方向にずれたりするので回転陽極式の応用は難しい。
【００３７】
また、玉軸受は透過型Ｘ線の真空窓の厚さ０．５ｍｍ程度にくらべ、５倍以上大きく、回転陽極式は大型化する。小さく作りこむことができないので、回転陽極と被検体を近づけられず、幾何学的な拡大倍率を大きくすることが難しい。また、回転陽極にすれば、Ｘ線を取り出すための真空窓を別途設ける必要も生じるので、ますます幾何学的な拡大倍率を大きくすることが難しくなる。たとえ高精度な玉軸受が開発されたとしても、高分解能なＸ線透視画像を得ることは難しい。
【００３８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ターゲットを振動させて、実効的な電子衝突面積を大きくすることにより、ターゲットの長寿命化を図り、装置の稼働率を高めたり、Ｘ線の連続発生時間を長くしたり、Ｘ線強度を向上させたりできる高分解能でコンパクトなＸ線発生装置を提供することを目的とする。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために発明者が鋭意研究をした結果、本発明は次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、ターゲットに対して微小径の電子ビームを照射してＸ線を発生させるＸ線発生装置において、前記ターゲットの面方向に前記ターゲットを振動させる振動付与手段を備えていることを特徴とするものである。
【００４０】
（作用・効果）振動付与手段によってターゲットをターゲットの面方向に振動させる。これにより透過型・反射型を問わずＸ線焦点位置を変動させることなく、電子ビーム上のＸ線焦点位置を同じ位置に保ちつつ、電子ビームの衝突点をターゲット上で移動させることができ、ターゲットにおける実効的な電子衝突面積を大きくすることができるので、発生する熱を分散させて電子衝突による集中的なターゲットの温度上昇を抑制することができる。したがって、ターゲットの蒸散を減少させることができる。その結果、ターゲットの長寿命化を図ることができ、ターゲットの交換・調整に起因する装置の稼働率を高めることができ、Ｘ線発生時間を長くすることができる。
【００４１】
なお、振動とは、ほぼ一定の周期をもって揺れ動くことをいい、ターゲットを単に回転駆動するだけでは得られない作用・効果を奏する。
【００４２】
すなわち、回転によるとターゲット上で同一軌道上を電子ビームが繰り返し移動することになる。一方、振動によると、同一軌道上だけでなく、例えば、ターゲット上の第１の領域内を電子ビームが同一軌道を描いて振動した所定時間後、第２の領域内に電子ビームが移動し、そこで同一軌道を描いて振動するようにできる。このような振動によると、電子ビームのターゲット上における軌道を異ならせることができ、より実効的な電子衝突面積を増大させることができる。したがって、一定軌道を描くことからターゲットの一部だけしか利用しない回転型に対して、振動によると、電子ビームの軌道をターゲット面において相違する種々のものに設定することにより、ターゲットの全面にわたって有効に利用することが可能である。
【００４３】
逆にいえば、ターゲットの面積を小さくできるので、小形軽量なターゲットとなり、振動付与手段も小形化できる。したがって、Ｘ線焦点と被検体を近づけて、幾何学的な拡大倍率を大きくとった高分解能なＸ線透視撮影を行うことが可能である。
【００４４】
ここにいう振動は、その周期が数ヶ月、数週間、数日、数時間、数十Ｈｚ、数ｋＨｚ、数ＭＨｚ等の種々のものを含んでいる。
【００４５】
また、振動付与手段は、ターゲットへの電子ビームの衝突点における軌道が直線状または円孤状、さらにジグザグ状や正方形状などの二次元形状となるように振動させることが好ましい（請求項２）。
【００４６】
（作用・効果）ターゲット上における電子ビームの軌道は、円弧を描く円形状や、漢字の一の字形状を描いたり（一次元）、ジグザグ・矩形・四角形状を描いたり（二次元）するように振動させることにより、実効的な電子衝突面積を増大させつつも振動の制御を比較的容易に行うことができる。特に二次元的な軌道では、ターゲットを特に小さくできて振動付与手段も小形化できる。
【００４７】
また、管電圧、管電流、電子ビーム径のいずれかに応じて振動付与手段を制御する振動制御手段を備えていることが好ましい（請求項３）。
【００４８】
（作用・効果）ターゲットの温度上昇は、管電圧及び管電流に比例し、電子ビーム衝突径に反比例するので、これらに応じてターゲットの保持体の振動を制御することによって好適な振動付与が可能となる。
【００４９】
また、振動制御手段は、電子ビーム径と同程度以上の振幅で振動を制御し、かつその振幅を可変することができるのが好ましい（請求項４）。
【００５０】
（作用・効果）電子ビーム径以上の振幅で制御すれば、温度上昇を抑制することができる。より好ましくは、電子ビーム径の少なくとも２倍の振幅で制御することであり、この場合には振動時における電子ビームの重複がなくなって温度上昇を同程度に抑制することができる。
【００５１】
また、振動制御手段は、振動の周波数を可変することができるのが好ましい（請求項５）。
【００５２】
（作用・効果）電子ビームの出力が高いほど、また電子ビームの焦点径が小さいほど振動の周波数を高くすることにより、電子ビームの全衝突面にわたって均一な温度分布とすることができ、ターゲットの局部的な温度上昇を抑制することができる。
【００５３】
また、振動付与手段は、圧電素子を備えていることが好ましい（請求項６）。
【００５４】
（作用・効果）圧電素子は、磁界を生じないので電子ビームに悪影響を与えることがない。また、高速動作が可能であってミクロンオーダの微小変位動作が可能であるので、振動付与手段に好適である。
【００５５】
また、圧電素子とターゲットを被着した保持体とを一体的に構成して閉塞空間を形成することが好ましい（請求項７）。
【００５６】
（作用・効果）ターゲットの真空保持のために真空窓が不要となるので、構成が簡易化できる。さらに、真空窓が不要であるので、Ｘ線焦点と被写体との距離を最小にすることができ、幾何学的な拡大倍率を高くすることができる。
【００５７】
また、保持体を当接支持するイタバネを備えることが好ましい（請求項８）。
【００５８】
（作用・効果）ターゲットで発生した熱をイタバネから放熱させることができるので、さらに温度上昇を抑制することができる。さらに、電子ビーム方向へのターゲットの振動を抑制することができるので、Ｘ線焦点の移動を高精度に抑制しつつターゲットの面方向へ振動を与えることができる。
【００５９】
また、イタバネは放電加工によって作成されていることが好ましい（請求項９）。
【００６０】
放電加工は寸法精度が高く、厚い金属板を厚さ方向に貫通加工できるので、アスペクト比の高いイタバネを一体的に作成できる。アスペクト比の高いイタバネは、元の金属板の厚さ方向のブレがなく、元の金属板の厚さ方向に対して高精度である。また、元の金属板の厚さ方向と電子ビーム方向が同じであれば、高精度の振動が可能である。
【００６１】
また、ターゲットを真空封止するためにゴムまたは／およびイタバネを備えていることが好ましい（請求項１０）。
【００６２】
（作用・効果）ターゲットには振動が付与されるので、振動を吸収できるゴムやイタバネを単独で用いたり、それらを組み合わせて用いたりすることにより、ターゲットを真空封止することができる。したがって、真空窓を不要にでき、Ｘ線焦点と被写体との距離を最小にすることができ、幾何学的に拡大倍率を高くすることができる。
【００６３】
また、ターゲットの厚さは、電子ビームのエネルギーに応じた電子のターゲットに対する進入距離の２倍以下であることが好ましい（請求項１１）。
【００６４】
（作用・効果）ターゲットの長寿命化により厚いターゲットが不要となるので、最低限のターゲット厚さとすることができる。その厚さは、電子のターゲットへの進入深さの２倍以下である。このような厚さにすることにより、不要なＸ線吸収を最低限にすることができ、効率良くＸ線を利用することが可能である。特に、吸収されやすい軟Ｘ線を利用する場合に好適である。
【００６５】
また、電子ビームによるターゲットへの負荷が低い場合には、振動制御手段はターゲットを振動させずに一定の変位を与えるようにしてもよい（請求項１２）。
【００６６】
（作用・効果）電子ビームによるターゲットへの負荷が低く、振動させなくても数時間〜数日以上のターゲット寿命がある場合、振動制御手段はターゲットを電子ビーム衝突径の数倍以上の距離だけ変位（移動）させ静止させるようにする。したがって、変位だけでターゲット上の電子ビーム衝突点を新しくできるので、固定式ターゲットに比べ非常に短時間で異なる位置に移動させることができ、稼働時間ロスがなくなる。その場合、各位置において振動を付与しておいてもよいし付与しなくてもよい。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１〜図４は本発明の一実施例に係り、図１は透過型Ｘ線管の概略構成を示す縦断面図であり、図２はＸ線発生装置の概略構成を示すブロック図であり、図３はターゲット上における電子ビームの振動を示す模式図であり、図４は電子ビームの衝突面を拡大した模式図である。
【００６８】
透過型Ｘ線管１は真空容器３を備えており、電子ビームＢを発生させるための電子銃２を内蔵している。真空容器３の電子銃２の反対側にはＸ線を発生する部分があり、その先端部材５は電子レンズの先端部材でもある。先端部材５はその中央部に直径１０ｍｍ以下の開口７を有し、ターゲット９が被着された保持体１１が開口７内に密着して取り付けられている。ターゲット９はタングステンやモリブデンなどの金属で構成されており、電子ビームが照射されるとＸ線が発生する。保持体１１に近接して、真空窓１３が取り付けられている。この真空窓１３は先端部材５にネジ止めされた取り付け部材１７によって押さえ込まれており、開口７周辺に埋設されたＯリング１５とともに真空封止の役割を果たしている。保持体１１と真空窓１３は、アルミ等のＸ線を透過する材料で構成されている。真空窓１３は、大気圧に対して真空を保持する強度が必要なため、板厚０．５ｍｍ以上にしている。
【００６９】
透過型Ｘ線管１は、電子銃２から放射された電子ビームＢが先端部材５の電子レンズ先端部付近で収束されてターゲット９に照射される。電子ビームが照射されたターゲット９からはＸ線が発生し、保持体１１及び真空窓１３を透過して、照射Ｘ線２１として放射される。電子レンズ光学系を用いるので、電子の収束位置をビーム軸上で変化させてターゲットへの電子衝突径を変化させられる。したがってＸ線焦点サイズを変化させることも可能である。ターゲット面上に収束点がくるようにレンズを調整した時に、電子レンズの収差で決まる最小のＸ線焦点となる。電子レンズの種類や構成にもよるが、ＳＥＭなどの電子光学系を使えば電子収束径はｎｍオーダーも可能である。また、電子銃のみでも１０〜１００μｍ程度の電子収束径が得られるので、特別な電子レンズのない構成も考えられる。さらに、被写体と使用目的により様々な構成が考えられる。
【００７０】
本実施例では、先端部材５における開口７の内周面に配設された振動付与部２３によって、上記の保持体１１を振動させることでターゲット９を振動させられるようになっている。この振動は、電子ビーム照射中であっても電子ビームＢの衝突点にあたるＸ線焦点が変動しないように、ターゲット９の面方向に振動するようにようになっている。
【００７１】
この発明における振動付与手段に相当する振動付与部２３は、振動制御手段に相当する図２の振動制御部２５により、振動の振幅や周波数等が制御される。電子銃２に与えられる管電圧や管電流等は、高電圧発生器２７によって制御される。これらの振動付与部２３及び高電圧発生器２７は、オペレータにより与えられた指示に基づく動作を行う制御部２９によって統括的に制御される。
【００７２】
振動付与部２３は、例えば、図３に示すように、ターゲット９における電子ビームＢの衝突点が直線的に往復運動するように振動を付与する。なお、このように直線的な軌道とする場合には、図４に示すように、少なくとも振幅が電子ビーム径Ｂａ以上となるようにするのが好ましい。このように制御することにより、電子ビーム衝突面の昇温を抑制できる。より好ましくは、少なくとも振幅が電子ビーム径Ｂａの２倍（２Ｂａ）以上となるようにする。この場合には、振動時における電子ビームＢの重複がなくなって電子ビーム衝突面の温度上昇を均一に抑制するのに好適である。
【００７３】
次に、上述した従来例における問題点１〜４がこの実施例により解決され改善されることをまず説明しておく。なお、実施例の詳細な振動付与手段のうち、特徴のある複数の具体例は後述する。これは、微小な振動はとても簡単に起こり、千差万別の実施例が考えられるため書ききれないのに、特定の実施例で説明しては、誤解を与えると判断したからである。例えば、ミクロンオーダの振動は自然界に普通に存在し、モータの振動が伝播してたまたまターゲットが振動するといったことも経験したりする。特許でも、防振機構の特許の方が価値を認められる。また、回転機構では玉軸受が使われるというような特定の基本部品が、本発明のような微小な振動では考えられないためである。
【００７４】
表１の▲１▼〜▲４▼のように電子ビーム衝突径ｓが１μｍの場合の改善度合いを試算していく。従来型の固定式ターゲットに対して電子ビームＢを衝突させているの時の衝突面積Ｓは、π（０．５）^２＝０．７９［μｍ^２］である。一方、本発明の振動の一例として、５μｍの振動振幅でターゲット９を振動させた場合、電子ビームの衝突面積Ｓの合計は、（π（０．５）^２＋１×５）＝５．７９［μｍ^２］となる。したがって、衝突面積Ｓは５．７９／０．７９＝７．３倍となり、円形に換算した直径ｓは２．７μｍとなる。よって、式（１）により試算される温度上昇ΔＴは固定式ターゲットの１／２．７となり、式（２）（３）により試算されるタングステンの蒸発量が減少し、ターゲットの寿命が延びることが期待できる。寿命の試算結果を表１「振動ターゲット」に示し、改善度合いについて以下に説明していく。
【００７５】
●問題点１の改善『超長寿命により稼動時間ロスがなくなる』
負荷条件▲１▼は、マイクロフォーカスＸ線管の通常の使用負荷の例であった。この▲１▼の場合、固定式ターゲットの寿命１４２時間に比べ、本発明による寿命は４．７×１０^２７時間に改善され、無限の寿命とみなせる。また、装置の稼働率は１００％に改善され、週に２時間の保守作業も不要になる。
【００７６】
●問題点２の改善『Ｘ線強度が上がり、作業効率が上がる』
負荷条件▲２▼は▲１▼より少し高強度にした例で、電力を０．３２Ｗから０．３５Ｗに９％増加させた場合の試算である。この▲２▼の場合、固定式ターゲットの寿命７時間に比べ、本発明による寿命は１．５×１０^２１時間に改善され、無限の寿命とみなせる。装置の稼働率は７８％から１００％に改善され、７時間ごとに２時間の保守作業も不要になる。固定式ターゲットでの▲１▼にくらべ、Ｘ線強度増加９％による作業効率増加９％をそのまま享受できるので、９％増の検査作業ができるようになる。
【００７７】
負荷条件▲３▼は、▲１▼にくらべ２．７倍ほど高強度にした場合の例である。固定式ターゲットでは寿命はなく使用不可であったが、本発明による寿命は１８９時間に大きく改善されている。固定式ターゲットの▲１▼の場合に比べ、寿命が１８９時間／１４２時間＝１．３倍、Ｘ線強度が０．８６Ｗ／０．３２Ｗ＝２．７倍に向上しており、作業効率が２．７倍向上する。
【００７８】
負荷条件▲４▼は、▲１▼にくらべ３．１倍ほど高強度にした場合の例である。固定式ターゲットでは寿命はなかったが、本発明による寿命は７８分もある。固定式ターゲットの▲１▼の場合に比べ、作業効率が３．１倍向上する。
【００７９】
負荷条件▲１▼〜▲４▼の改善説明は、本発明の一例としてターゲットを５μｍ振動させた場合であった。しかし、▲３▼と▲４▼の改善では寿命が短いように感じられるかもしれない。そこで、本発明では簡単に振動振幅を変更できることを利用し、１０μｍ振動させた場合の試算結果を表１中に括弧で示し補足する。この場合、負荷条件▲４▼であっても、衝突部温度＝２２１７Ｋ、寿命＝８２３８１時間と試算され、寿命が充分長くできることがわかる。つまり、本発明によれば、３倍以上のＸ線強度と長寿命は簡単に実現することができ、作業効率も大幅に上げる事が可能になる。
【００８０】
●問題点３の改善『微小焦点化でも暗くならない』
表１▲５▼は、近年の半導体分野における集積回路の微細化に追随するために必要とされているＸ線焦点サイズの微小化へ、本発明を応用する場合の改善例である。表１の▲１▼〜▲４▼では、電子衝突径が１μｍの場合の改善を説明しが、表１の▲５▼では電子衝突径を０．１μｍとした場合の改善が示されている。固定式ターゲットでは１／１０の負荷である０．０３２Ｗに下げた低強度Ｘ線で検査を行うしかなかった。▲５▼のように０．２４Ｗと無理に負荷を上げると寿命がなかった。しかし、本発明によれば、寿命は１６９時間もあり使用可能に改善される。従来固定式ターゲットの▲１▼の寿命１４２時間に比べても２０％も長い。Ｘ線強度も▲１▼の７５％もある。
【００８１】
しかし、▲５▼の改善では強度が低下するように感じられるかもしれない。そこで、▲１▼と同じ強度（電力０．３２Ｗ）で１０μｍ振動させた場合の試算結果を表１中に括弧で示し補足する。寿命＝１３４１時間と試算され、寿命が充分長くできることがわかる。つまり、本発明によれば、微小焦点化でも暗くならないことがわかる。したがって、作業効率を低下させずに、より詳細な検査が行えることになり、微細化している半導体検査に充分使えるようにできる。
【００８２】
●問題点４の改善『焦点形状の変化が極微小なので、使用が楽になる』
従来、高空間分解能を求められるマイクロフォーカスＸ線管では、寿命に関わらず電子ビーム焦点位置を微妙に調整しながらでないと一定の性能を得られないことがあり、使用に注意しなければならない問題があった。しかし、問題点１の改善でも述べた表１▲１▼の寿命を比較すればこの問題が大幅に改善されていることがわかる。固定式ターゲットの寿命１４２時間に比べ、本発明による寿命は４．７×１０^２７時間に改善され、無限の寿命とみなせる。つまり、１０万時間使用してもターゲットの蒸発厚は２×１０^−１９μｍしかなく衝突径１μｍに対してまったく問題にならないので、無調整で性能が維持でき、使用が楽になる。
【００８３】
以上で述べたように、従来例における問題点１〜４が、本発明の請求項１により解決され大幅に改善されることを表１を中心に説明してきた。試算では、振動による電子衝突面はすべて、図３のような直線的な軌道であるとした。それ以外の電子ビームＢの他の軌道としては、図５〜８のようなものであってもよい（請求項２）。
【００８４】
図５は、側面から見て円形状・円弧状を呈するように振動させる例である。図６は、図５の構成とは円弧の方向を逆に構成したものであり、側面から見て円形状を呈するように振動させる例である。
【００８５】
図７は、ターゲット９において、円孤軌道を描くように保持体１１を振動させる例である。この場合、例えば、リング状の超音波モータによって保持体１１を回転往復駆動して、二点鎖線矢印で示すように円弧状に振動を付与するように構成してもよい。また、超音波モータに代えて静電モータによって振動を付与するようにしてもよい。
【００８６】
図８は二点鎖線矢印で示すように二次元方向に保持体１１を振動させ、電子衝突部全体の大きさが□６μｍの例である。図８中に点線で示すように、それぞれ異なる軌道を描くように、左右方向に振動させ、所定時間後に上下方向に異なる位置で左右振動を付与するようにしている。ここで、この二次元振動の両方向の振幅とも６μｍとし、電子ビーム衝突径ｓ＝１μｍであるとすると、図３などの直線軌道に比べた面積は６倍になり、式（１）よりターゲット面の温度上昇は１／√６となり、ますます寿命を延ばすことができ有利である。また、ターゲット面を無駄なく有効に使うことができるようになる。逆にいえば、最小のターゲット面積にできるので保持体１１も最小限の重さですむ。そのため、振動させるためのエネルギーが最小にでき、振動付与部を最小化することができる顕著な効果がある。その他、ジグザグに振動させてもよい。
【００８７】
次に、上述した振動制御部２５における制御例について説明する。
【００８８】
請求項３による振動制御部２５は、被写体に応じて制御部２９によって設定される電子ビームＢの衝突径ｓ［μｍ］、管電圧−Ｓｖ［Ｖ］、管電流Ｓａ［Ａ］に応じて振動振幅Ｖｗ［μｍ］や振動周波数Ｖｆ［Ｈｚ］を最適に制御する。または、電子ビーム衝突点付近の温度を測定して、制御してもよい。
【００８９】
なお、通常の管電流Ｓａとしては設定値を用いればよいが、ターゲット９に直接配備した電流測定器（図示省略）からの信号をＳａとして制御するようにしてもよい。
【００９０】
制御としては、電子ビーム衝突点付近の測定温度が高いほど、衝突径ｓが小さいほど、電力が大きいほど振動振幅や周波数を増加させるようにする。
【００９１】
請求項４の例として、「振動振幅」だけを制御する場合は以下の（５）式に従うのが好ましい。
【００９２】
Ｖｗ　＝　α・（Ｓｖ・Ｓａ）／ｓ　　……　（５）
【００９３】
係数αは■問題点１〜４の改善で効果があった振幅５μｍの場合を例にすれば、係数α＝５〜１５程度が好ましい。しかし、係数αはターゲット熱伝導率Ｋや負荷や寿命などにより適時変更するのが望ましい。
【００９４】
しかしながら、例えば、係数α＝５、電力１Ｗ、衝突径ｓ＝５μｍのときは、振動振幅Ｖｗ＝１μｍとなってしまい、常に電子ビームＢが衝突している部分ができてしまうことがある。そこで、これを回避するために、（４）式の計算後に、次の条件判定式によって判定するのが好ましい。
【００９５】
「条件判定式」
振動振幅Ｖｗ＜衝突径ｓのときは、振動振幅Ｖｗ＝β・ｓとする。ここで、係数β＞１である。
【００９６】
請求項５の例として、「振動周波数」だけを制御する場合は、以下の（６）式に従うのが好ましい。
【００９７】
短時間における熱負荷を考慮した場合、移動速度ω［μｍ／ｓｅｃ］を考慮する必要がある。本発明の場合、振動による移動速度ω＝２・Ｖｗ・Ｖｆ［μｍ／ｓｅｃ］と近似できるので、振動周波数Ｖｆの制御は以下の式に従うのが好ましい。
【００９８】
Ｖｆ＝ω／（２・Ｖｗ）＝ω・ｓ／（２・α・Ｓｖ・Ｓａ）　……　（６）
【００９９】
移動速度ωとしては、例えば、電子衝突部の移動速度が２ｍ／ｓｅｃとなるような回転数の場合に温度が２５００℃以下となり長寿命であるという実験データがある。これを基準にすると、移動速度ω＝２×１０^６μｍ／ｓｅｃとすれば十分であるが、ターゲット熱伝導率Ｋや負荷や寿命などにより適時変更するのが望ましい。振動波形は、正弦波や三角波などが適用される。
【０１００】
ここで、問題点６で述べた回転陽極式との大きな違いを補足しておく。回転陽極式と本発明の振動式の最もおおきな違いは、電子ビームの軌道の長さにある。回転陽極式ではベアリング等を使用するために、ベアリング外形以上の円板ターゲットが必要である。例えば、最小外形１０ｍｍをもつベアリングの場合でもターゲット直径は１１ｍｍほど必要である。この場合、電子ビーム照射される軌道長さは３１．４ｍｍ、材料がアルミ（密度＝２．７ｇ／ｃｍ^３）で厚さが０．５ｍｍとした重さは０．４７ｇもある。それに対し、本発明で例示した電子衝突径１μｍ程度の場合、振動振幅は１０μｍ程度もあれば充分なので、保持板１１の大きさも１×１ｍｍ以下にできる。この大きさでの重さは、たった０．００１４ｇである。従って、小形軽量化でき、駆動力も小さくてすむ。ターゲット材料の無駄が少ない点も資源・環境問題から望ましい。
【０１０１】
ここからは上記の実施例のうち、振動付与部２３の具体例を、図９〜１７を順次参照しつつ詳細に説明していく。これらの９つの具体例は、本発明の請求項６から１０にあるような構成要素部品を含み、本発明においては特有の効果を発揮する例であるが、本発明の請求項１〜５はこれら以外の機構によっても簡単に実現することができる。
【０１０２】
請求項６にあるように、本発明には圧電素子が最適である。
圧電素子とは、圧電材料に電界を加えると材料の分極方向と電界方向に応じて伸縮することをアクチュエータとして利用したものである。圧電素子の材料には、高分子（ポリビニリデンフロライドとトリフロールエチレンの共重合体など）やセラミック（チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ　（Ｚｒ，Ｔｉ　）Ｏ_３　］などが主成分）がある。アクチュエータとしての特徴は、▲１▼微小変位の高精度制御性、▲２▼発生応力が大きい、▲３▼高速応答性良好、▲４▼エネルギー変換効率が大、▲５▼電磁干渉なし、などである。アクチュエータの用途が拡大する中で、特に微小変位の精密制御用として、半導体デバイス製造装置やＳＴＭにおける精密位置決め、細胞操作用のミクロマニピュレータ、光学におけるミラーやレンズの位置・角度・焦点距離調節・工作機械の誤差補正などに多用されている。その他にも超音波の送受素子としても利用されている。変位量は数ｎｍ〜数百μｍ、応答周波数はＤＣ〜数ＭＨｚまで各種のものが製作可能である。
【０１０３】
アクチュエータとしての圧電素子は、面内変位を利用する直線変位型と面外変位を利用する屈曲変位型の二つに分類できる。
【０１０４】
さらに、直線変位型は単板型と積層型がある。単板型は厚み方向に分極された圧電板で分極Ｐと平行に電界を印加して横方向に生じる伸縮変位を利用するものが多いが、「縦変形」、「横変形」、「すべり変形」の三種類の圧電変形を起こさせることができる。積層型は圧電板を積み重ねて一体化したもので、隣り合った圧電板の分極Ｐの方向は互いに１８０度向きを異にする。各圧電板は電気的に並列駆動され、積層方向に変位を生じる。
【０１０５】
また、屈曲変位型はモノモルフ（ｍｏｎｏｍｏｒｐｈ）、ユニモルフ（ｕｎｉｍｏｒｐｈ）、バイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）、マルチモルフ（ｍｕｌｔｉｍｏｒｐｈ）が含まれる。このうちのバイモルフは２枚の圧電板をシム（薄い金属板）の両側に貼り合わせたもので、各圧電板には互いに逆符号の歪みが生じるように電界を印加して屈曲変形させる。構造が簡単で、大きな変位がえられるが、発生力は小さめである。
【０１０６】
これらの圧電素子は電界で変位を生じるので、電磁モータ等とは異なって磁界を生じない。従って、電子ビームに悪影響を与えないようにすることは簡単で、電子ビームに近接した構成が可能である。
【０１０７】
また、小形でも駆動力が大きく、保持板程度の重量は楽に振動させられるため、圧電素子を用いた振動付与機構は直径１０ｍｍ以下の開口７内に取り付けることも容易である。電子収束点の収差は電子レンズに近いほど小さいので、収差の少ない最小の電子収束径が得られる。したがって、Ｘ線焦点も最小とすることができる。さらに、Ｘ線焦点と被写体とを近づけることができ、撮影倍率を高くできるので、高空間分解能なＸ線透視像が得られる。また、ミクロンオーダの高精度制御性・高速性があるので、この発明における振動付与手段に最も適している。
【０１０８】
以上のような圧電素子のうち、バイモルフを用いた振動付与部２３の一具体例について図９を参照して説明する。図９の（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【０１０９】
図９に示す振動付与部２３は、取り付け部材３１と圧電バイモルフ３３を備えている。取り付け部材３１は、筒状を呈し、先端部材５の開口７内周面に取り付けられている。圧電バイモルフ３３は板状で、取り付け部材３１の上下二カ所に立設されている。それらの先端部には、保持体１１の上下端部が取り付けられている。したがって、これら３つの部品により平行四辺形を形成している。また、これら圧電バイモルフ３３は同一面が同じ方向に向くように取り付けられており、逆相でそれぞれ交流電圧が印加される。すると、図中に二点鎖線矢印で示すように、ターゲット９の面方向に振動が付与され、長寿命・高強度なＸ線管を実現する。
【０１１０】
例えば、圧電バイモルフ３３の長さが５ｍｍ、振動振幅が１０μｍである場合には、圧電バイモルフ３３の長さは不変でほぼ直線状であるので、電子ビームＢの入射方向における最大移動量は５−√（５^２−０．０１^２）＝１０ｎｍとなる。したがって、ターゲット９がこの程度移動しても、通常の電子ビームＢ径が１μｍ程度のＸ線焦点サイズであれば充分高精度な振動をさせることが可能である。
【０１１１】
さらに微小な焦点サイズの一例として、１００ｎｍ程度の場合でも、振動振幅を１μｍとすれば電子ビームＢの入射方向における最大移動量は５−√（５^２−０．００１^２）＝０．１ｎｍとなるので充分高精度な振動をさせることが可能である。それぞれの移動量／焦点サイズの比は、１０μｍ／１μｍ＝１０倍、１μｍ／１００ｎｍ＝１０倍となっており、ターゲット９における実効的な電子衝突面積を大きくすることができているので、発生する熱を分散させて電子衝突による集中的なターゲットの温度上昇を抑制することができる。
【０１１２】
次に、バイモルフを用いた振動付与部２３の別の具体例を図１０で説明する。図１０の（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。電子ビームの軌道は図５に模式図で示す。
【０１１３】
この例では、電子ビームＢの軌道が図５に示すように、側面から見て円弧状を呈するように振動を付与する。
【０１１４】
振動付与部２３は、上述した構成と同様に、取り付け部材３１と圧電バイモルフ３３を備えている。取り付け部材３１は筒状を呈し、先端部材５の開口７内周面に取り付けられている。圧電バイモルフ３３は板状に形成されて、取り付け部材３１の同一高さ位置に左右にそれぞれ一つずつ立設されている。それらの先端部には、縦断面が円弧状を呈する保持体１１の高さ方向の中央部であって左右方向の端部が取り付けられている。また、これらは同一面が同じ方向に振動するように配設されており、個々に逆相でそれぞれ交流電圧が印加される。すると、図中に二点鎖線矢印で示すように、ターゲット９の円弧面方向に振動が付与され、円孤状の軌道を描くように振動する。
【０１１５】
次に、振動付与部２３の別の具体例について、図１１と図１２を参照しながら説明する。なお、図１１と図１２の（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【０１１６】
この例では、上述した圧電バイモルフ３３に代えて、直線変位型の圧電素子３５を採用している。
【０１１７】
すなわち、振動付与部２３は、取り付け部材３１と圧電素子３５を備えている。取り付け部材３１は、筒状を呈し、先端部材５の開口７内周に取り付けられている。角柱状に形成された圧電素子３５は、取り付け部材３１の内周側上下二カ所に埋設されている。それらの内側面には、板状の保持体１１の上下端部が取り付けられている。二つの圧電素子３５は、ターゲット面に平行で互いに同じ方向に微小変位動作するように埋設されている。圧電素子３５を駆動すると、図中に二点鎖線矢印で示すように、ターゲット９の面方向に振動が付与される。圧電素子３５は、横変形・すべり変形の素子の場合には符号３５ａで、縦変形の素子の場合は符号３５ｂで取り付け部材３１に埋設される。さらに、単板型・積層型のどちらの圧電素子を用いてもよい。
【０１１８】
この場合には、圧電バイモルフ３３のように電子ビームＢの入射方向の変位を考慮する必要がなく、変位方向は圧電素子３５の特性だけで決まっているので、より高精度な振動が可能である。
【０１１９】
また、保持体１１は軽量なので、図１２に示すように、片持ち式に構成しても充分高精度な振動が可能である。
【０１２０】
すなわち、上記の構成において、取り付け部材３１の上下二カ所に埋設していた圧電素子３５を下方のみに設けている。これによると、構成を簡易化しつつも上記同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
次に、請求項７に関する振動付与部２３の具体例を２つ、図１３と図１４を参照しながら説明する。なお、図１３と図１４の（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【０１２２】
この例では、□１ｍｍ程度で高さ数ｍｍ程度の直線変位型の圧電素子３５を複数個集積したものを利用し、外形が正方形で中空部を有するように取り付け部材３１に対して立設してある。そして、中空部を閉塞するように保持体１１が取り付けられている。各圧電素子３５は、それぞれ「すべり変形」で動作するようにされ、かつ、図１３（ａ）において、ターゲット９の面方向（図の上下方向）に振動するように設定されている。
【０１２３】
この構成によると、圧電素子３５と保持体１１とを一体的に構成して、閉塞空間を形成することができる。したがって、図１のような真空窓１３が不要となり、構成を簡易化できるとともに、Ｘ線焦点と被写体とを近づけることができ撮影倍率を高くできるので、装置性能を高分解能にできる。
【０１２４】
なお、上記の構成においては、複数個の圧電素子３５を用いたが、図１４に示すような特殊な圧電素子を採用してもよい。
【０１２５】
この圧電素子３７は、強誘電体材料を焼結成型して製造され、外径５ｍｍ程度で長さ５〜２０ｍｍ程度の円筒形を呈し、三次元動作が可能となっている。このような圧電素子３７を利用した応用例として、走査プローブ顕微鏡の三次元スキャナがある。圧電素子３７は、内周面に接地電極を備え、外周面に５分割された電極Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚを備えている。電極Ｘ１，Ｘ２は、筒軸に直交する方向に設定されたＸ軸に沿って対向して設けられ、電極Ｙ１，Ｙ２はＹ軸に沿って対向して設けられている。電極Ｚは、筒軸に沿って設定されたＺ軸周りに、上部外周面に環状に設けられている。
【０１２６】
この圧電素子３７は、接地電極に対して外周面に設けられた電極に正電圧を印加すると伸長し、負電圧を印可すると収縮するように動作する。したがって、圧電素子３７を上述した取り付け部材３１に取り付けるが、電極Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２側を取り付け部材３１側にした場合、対向配置されている電極Ｘ１，Ｘ２に逆極性の電圧を加えると、図１４（ｂ）に示すように動作する。つまり、電極Ｘ１部分が伸長し、電極Ｘ２部分が収縮して、全体が湾曲変形して電極Ｚ側がＸ方向に変位することになる。
【０１２７】
先端側における変位量は、筒の長さと印可電圧によって決まる。印可する走査信号は、例えば、１ｎｍから数１０μｍまでの走査を数Ｖから２００Ｖ程度の電圧によって実現している。
【０１２８】
この圧電素子３７の先端部分に、ターゲット９を有する保持体１１を取り付けることにより、上述した図１３の構成と同様の効果を得ることができる。その上、Ｚ方向への変位も可能であるので、電子レンズと連動させてＸ線焦点の位置を変位させることができるので、被写体を動かすことなく撮影倍率を微調節することができるという利点も有する。なお、Ｚ方向への変位は、電極Ｚに電圧を印可することにより行うが、１０ｎｍ／Ｖ程度の極めて微小な伸縮動作を行うこともできる。
【０１２９】
請求項８にあるように、本発明の振動付与部にはイタバネ（Ｆｌｅｘｕｒｅ）　を構成部品として用いるのが最適である。本発明のような１ｍｍ以下の微小変位を行う場合、イタバネは塑性変形によるため、すべり動作・静摩擦・動摩擦・バッククラッシュがなく過酷な使用環境に耐える。鋼玉を使う軸受類のように潤滑材（グリース）の必要もないので、高真空・高温・高速な本発明に最適である。しかも、小形で高精度である点も有利である。
【０１３０】
イタバネを用いた具体例として図１５〜１７を参照しつつ順次説明していく。なお、図１５の（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示し、図１６は正面図を示し、図１７は縦断面図を示す。
【０１３１】
図１５は、圧電素子などの駆動素子３６を取り付け部材３１に備えた図１１の構成と略同じである。相違するのは、保持体１１を当接支持するように、イタバネ３９が先端部材５に取り付けられている点にある。先端部材５及び保持体１１とイタバネ３９との接合は、熱伝導率の高い接着や溶接が好適である。
【０１３２】
また、イタバネ３９の材料としては、熱伝導率の高さからセラミックや金属が好ましく、耐久性の面からバネの材料であるリン青銅やベリリウム銅が好ましい。さらに、加工精度の面から、イタバネ３９は金属厚板から放電加工によって掘り出して形成されるものが好ましい（請求項９）。
【０１３３】
このイタバネ３９は、ターゲット９の熱を、保持板を通じて逃がすとともに、駆動素子３６によって付与された振動により、電子ビームＢ方向にターゲット９が振動することを抑制する。したがって、振動に伴うＸ線焦点の変動を抑制することができる。
【０１３４】
なお、イタバネ３９を、図９〜１４に述べた圧電素子を用いた構成に採用してもよいことは言うまでもない。
【０１３５】
図１６は、図１５の構成と概略同じである。相違点は、イタバネ３９と取り付け部材３１に代えて、取り付け部材５０と一体で形成されたイタバネ部５１が採用されていることである。ターゲット９の保持体１１は、熱伝導性の接着剤や溶接により接続することもできるが、保持体も含めた一体成型としている。
【０１３６】
イタバネ部５１は、振動する方向に薄く、振動と垂直方向に厚い形状となっており、アスペクト比が高い構造で、放電加工などを用いて形成される。図１６のような「コ」の字構造の他にも、単板状、放射状などの様様な形状が考えられる。このようなアスペクト比が高いイタバネは、振動方向には小さな力で駆動できるが、振動と垂直な方向には動かし難い。したがって、電子ビーム方向に高精度な振動を可能にする。数ミクロン以下のサブミクロンのＸ線焦点をもつＸ線管の振動付与機構の一部として用いるのに好適である。また、組立精度の点からも望ましい。
【０１３７】
図１７は、イタバネを用いた振動付与部２３の他の構成を示す縦断面図である。
【０１３８】
保持体１１Ａは、真空窓（１３）を兼用するとともに、その周辺部がイタバネ３９ａに形成されている。また、駆動素子３６は、接続板４１を介して保持体１１Ａに接続されている。保持体１１Ａは、例えば、円筒状の金属ブロックから放電加工によって掘り出して形成する。なお、接続板４１を含めて形成することも可能である。
【０１３９】
ターゲット９には保持体１１を介して振動が付与されるので、振動を吸収できるイタバネ３９ａによりターゲット９を真空封止することができる。したがって、真空窓（１３）を不要にでき、Ｘ線焦点と被写体との距離を最小にすることができ、幾何学的に拡大倍率を高くすることができる。また、ゴム等の弾性体と組み合わせたり、イタバネ３９に代えてゴム等やベローズ等の弾性体だけで構成したりしてもよい（請求項１０）。
【０１４０】
次に請求項１１の説明を行う。
【０１４１】
●問題点５の改善
『ターゲット厚さを薄くすることで、ターゲットによるＸ線の不要な吸収をなくす』
従来は、問題点５で述べたように、ターゲットが５μｍなどと厚めにしてあるので、ターゲットにおけるＸ線の不要な吸収が生じていた。しかし、この発明においては、ターゲットを長寿命化することができるので、ターゲット厚を５μｍから２．４μｍ（つまり２．６μｍ薄くする）と最低限の厚さにしてもよい。
【０１４２】
例えば、管電圧４０ｋＶのとき加速された４０ｋｅＶのエネルギーをもった電子はタングステンターゲットに衝突して、Ｘ線を発生させながら最大で２．６μｍ進入する。本発明では、ターゲットを長寿命にできるので、この電子最大進入深さ２．６μｍと同じターゲット厚さとしてもよく、従来余分に付加されていた２．４μｍのタングステンによるＸ線吸収２０％をなくすことができる。従って、従来の５μｍターゲットに比べ、１．２倍の作業効率にできる。特に、吸収の割合が大きな低エネルギーにおける効果が大きい。
【０１４３】
ここで、密度ρ［ｇ／ｃｍ^３］のターゲットに、エネルギーＥ［ｋｅＶ］を有する電子が進入する最大進入深さＲ［μｍ］は、次の（４）式でほぼ計算できる。
【０１４４】
Ｒ　＝　０．００２１（Ｅ^２／ρ）　……　（４）
【０１４５】
したがって、加速電圧Ｅ［ｋｅＶ］のとき、Ｘ線発生が最大となるターゲット厚さは最大進入深さＲとなる。したがって、上記（４）式で表されるターゲット厚さを採用すればよい。
【０１４６】
なお、必ずしも上記（４）式で表される厚さに限定されるものではないが、おおむね計算される最大進入深さＲの２倍以下の厚さであればこの発明の効果が期待できる。特に、吸収されやすい軟Ｘ線を発生させる場合に好適である。
【０１４７】
また、ミクロンオーダ以下の衝突径ｓ［μｍ］の場合には、衝突径ｓと同じ厚さｔ（＝ｓ）［μｍ］とすることは、Ｘ線焦点サイズを微小化する点においてより好ましい。
【０１４８】
次に請求項１２の説明を行う。
電子ビームが低出力の場合には、上述した振動制御部２５が次のようにターゲットを変位するようにしてもよい。
【０１４９】
すなわち、電子ビームの出力が低い場合には、例えば、数ヶ月や数週間のオーダでターゲット９を変位させて電子の衝突点の位置を換える。その場合、各位置において振動を付与しておいてもよいし付与しなくてもよいが、変位により、ターゲット９の異なる衝突点に電子ビームＢの衝突点を短時間で移動させることができる。そのため、固定式の場合に行っていた真空引きの時間が不要になるので、短時間でターゲットの交換ができ、作業効率が悪くならないようにできる。
【０１５０】
なお、この発明は上述した実施例に限定されるものではなく、以下のように変形実施が可能である。
【０１５１】
（１）振動付与部２３の駆動源としては、上述したもののほかに、電歪素子、静電アクチュエータ、磁気歪素子等を採用することができる。また、電磁モータやソレノイドなどを電子ビームから遠く離して構成したり、磁気シールドを入れたりして、ターゲットを振動させるようにしてもよい。この場合も、小形で高分解能にはできないが、長寿命化する効果が大きい。
【０１５２】
（２）振動付与部２３のイタバネに代えて、線状バネ、金属金網、すべり軸受、セラミック製玉軸受、弾性金属体などを用いてもよい。
【０１５３】
（３）上述した例は、全て透過型のＸ線発生装置１であるが、この発明は図１８に示すように反射型のＸ線発生装置１Ａにも適用することができる。なお、図１８は、反射型のＸ線発生装置１Ａにおける概略構成を示す縦断面図である。
【０１５４】
反射型のＸ線発生装置１Ａは、電子ビームＢ方向に対して、ターゲット９を有する保持体１１を傾斜姿勢で位置させるための支持台４３を備え、その先端中央部に連結棒４５が、例えば圧電素子３５を介して取り付けられている。連結棒４５の先端部には保持体１１が取り付けられ、保持体１１の側面と支持台４３の側面を連結するように柔軟性を備えた接続板４７が配設されている。
【０１５５】
圧電素子３５を駆動すると、ターゲット９の面方向に振動が付与される。したがって、このような反射型のＸ線発生装置１Ａであっても、上述した透過型のＸ線発生装置１と同様の熱的な効果を奏し、長寿命と高Ｘ線強度を実現できる。
【０１５６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、振動付与手段によって電子ビームの衝突点をターゲット上で移動させることができ、ターゲットにおける実効的な電子衝突面積を大きくできるので、発生する熱を分散させて電子衝突による集中的なターゲットの温度上昇を抑制することができる。したがって、ターゲットの蒸散を減少させることができる。その結果、ターゲットを厚くすることなくターゲットの長寿命化を図ることができ、ターゲットの交換・調整に起因する装置の稼働率を高めることができ、連続したＸ線発生時間を長くできる。その上、Ｘ線強度を数倍以上向上させることができ、作業効率を上げられる。さらに、高精度に振動させられるので、従来にない高強度で微小なＸ線源を実現でき、検査精度を高めることができる。さらに、小型なので撮影倍率を大きくした空間分解能の高いＸ線装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線発生装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】Ｘ線発生装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ターゲット上における電子ビームの軌道を示す模式図である。
【図４】電子ビームの衝突面を拡大した模式図である。
【図５】ターゲット上における電子ビームの他の軌道を示す模式図である。
【図６】ターゲット上における電子ビームの他の軌道を示す模式図である。
【図７】ターゲット上における電子ビームの他の軌道を示す模式図である。
【図８】ターゲット上における電子ビームの他の軌道を示す模式図である。
【図９】振動付与部の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１０】振動付与部の他の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１１】振動付与部の他の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１２】振動付与部の他の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１３】振動付与部の他の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１４】円筒型圧電素子の構成を示す図であって、（ａ）は外観斜視図を示し、（ｂ）は動作の一態様を示す縦断面図である。
【図１５】振動付与部の他の構成を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は正面図を示す。
【図１６】放電加工により製造したイタバネを用いた概略構成を示す正面図である。
【図１７】イタバネを用いた概略構成を示す縦断面図である。
【図１８】反射型のＸ線発生装置における概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１　…　透過型のＸ線発生装置
９　…　ターゲット
１１　…　保持体
１３　…　真空窓
Ｂ　…　電子ビーム
２１　…　照射Ｘ線
２３　…　振動付与部（振動付与手段）
２５　…　振動制御部（振動制御手段）
２７　…　高電圧発生器
２９　…　制御部
３１　…　取り付け部材
３３　…　圧電バイモルフ
３５，３７　…　圧電素子
３９　…　イタバネ
４１　…　接続板
３６　…　駆動部
５０　…　取り付け部材
５１　…　一体で形成されたイタバネ部

Claims

ターゲットに対して微小径の電子ビームを照射してＸ線を発生させるＸ線発生装置において、前記ターゲットの面方向に前記ターゲットを振動させる振動付与手段を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１に記載のＸ線発生装置において、前記振動付与手段は、ターゲットへの電子ビームの衝突点における軌道が直線状または円弧状、さらにジグザグ状や正方形状などの二次元形状となるように振動させることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１または２に記載のＸ線発生装置において、管電圧、管電流、電子ビーム径、電子衝突部付近の測定温度のいずれかに応じて前記振動付与手段を制御する振動制御手段を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項３に記載のＸ線発生装置において、前記振動制御手段は、電子ビーム径以上の振幅で振動を制御し、かつその振幅を可変とすることができることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項３または４に記載のＸ線発生装置において、前記振動制御手段は、振動の周波数を可変とすることができることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１から５のいずれかに記載のＸ線発生装置において、前記振動付与手段は、圧電素子を備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項６に記載のＸ線発生装置において、前記圧電素子とターゲットを被着した保持体とを一体的に構成して閉塞空間を形成することを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１から７のいずれかに記載のＸ線発生装置において、前記保持体を当接支持するイタバネを備えることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項８に記載のＸ線発生装置において、前記イタバネは放電加工によって作成されていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１から９のいずれかに記載のＸ線発生装置において、前記ターゲットを真空封止するためにゴムまたはイタバネを備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１から１０のいずれかに記載のＸ線発生装置において、前記ターゲットの厚さは、管電圧により計算される電子のターゲットに対する進入距離の２倍以下であることを特徴とするＸ線発生装置。
請求項１から１１のいずれかに記載のＸ線発生装置において、前記振動制御手段は、ターゲットを変位させることを特徴とするＸ線発生装置。