JP2004235113A

JP2004235113A - 軟ｘ線発生管

Info

Publication number: JP2004235113A
Application number: JP2003025247A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Akita Morimoto; 明大森本; Hitoshi Inaba; 仁稲葉
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】軟Ｘ線発生管において、ターゲット部分の放熱効率を向上させることにより、ターゲット寿命を延長した軟Ｘ線発生管を提供すること。
【解決手段】放出された熱電子をターゲット４に衝突させて、Ｘ線を発生させ、Ｘ線透過窓５を介して透過させる軟Ｘ線発生管１０において、前記Ｘ線透過窓５の周囲に冷却機構を備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟Ｘ線発生管に関し、特に、ターゲットの寿命を延長させることができる構造を備えた軟Ｘ線発生管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の軟Ｘ線発生管として、Ｘ線透過窓を備えた透過型軟Ｘ線発生管があり、この形式の軟Ｘ線発生管は、小型化に適した構造を備えている。図１９は一般的な透過型軟Ｘ線発生管の構成を示している。図１９を参照すると、透過型軟Ｘ線管５０は、ガラス製の管体５１、熱電子による電子線を放出するフィラメント５２、加速電圧が印加され、発生した熱電子を加速するカソード５３、加速された熱電子によって軟Ｘ線を発生するターゲット５４、及び、発生した軟Ｘ線を透過すると共に、管外との間で管内の真空を保つＸ線透過窓５５とを備えている。更に、Ｘ線透過窓５５は、接続ジョイント５６を介してガラス製の管体５１に機械的に取り付けられ、接続ジョイント５６とガラス管体５１の間には、シール材５７が充填され、管内を真空を保持している。
【０００３】
この従来の軟Ｘ線発生管の構成においては、接続ジョイント５６は、Ｘ線透過窓５５およびターゲット５４を保持するためにのみ使用されている。
【０００４】
一方、この種の透過型軟Ｘ線発生管は、小型化可能な構成を備えているため、種々の分野における応用が期待されている。例えば、特開平８−１２４６９５号公報には、軟Ｘ線発生管から発生する軟Ｘ線を電離箱等の遮蔽空間に照射し、空間内の空気を電離状態にした後、電離した状態にある空気を物体表面に吹き付けることにより、物体表面の静電気を除去することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１２４６９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報には、軟Ｘ線発生管自体の構造上の欠点等については何等記載されていない。ところで、この種、軟Ｘ線発生管においては、より大きな徐電効果を得るために、より高い出力で動作できることが望まれている。然るに、出力を高くすると、従来の軟Ｘ線発生管では、寿命が短くなってしまうと言う問題がある。また、このことが、軟Ｘ線発生管の応用範囲を限られたものにしている。
【０００７】
本発明者等の研究によれば、この種、軟Ｘ線発生管における長寿命化を妨げる原因は、ターゲット部分の発熱であることが判明した。
【０００８】
具体的に説明すると、図示されたターゲット５４は、Ｘ線透過窓５５や、接続ジョイント５６からの自然空冷により冷却されている。しかしながら、この構成では、Ｘ線透過窓５５と接続ジョイント５６の接触がＸ線透過窓５５の周囲部の表面に限られており、このため、熱伝導効率が悪く、積極的な冷却の効果を十分に生かしきることはできなかった。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲット部分における発熱の原因を究明し、発熱による影響を軽減することにより、ターゲットの長寿命化を図ることができる軟Ｘ線発生管を提供することである。
【００１０】
本発明の具体的な目的は、ターゲット部分の放熱効率を向上することで、ターゲットの寿命を長くした軟Ｘ線発生管を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の軟Ｘ線発生管では、放出された熱電子をターゲットに衝突させて、Ｘ線を発生させ、Ｘ線透過窓を介して透過させる軟Ｘ線発生管において、前記Ｘ線透過窓の周囲に冷却機構を備えていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の軟Ｘ線発生管では、前記軟Ｘ線発生管において、Ｘ線透過窓外周部に熱伝導率の良い材料で吸熱部材を設け、この吸熱部材を前記冷却機構と接続することでターゲット及びＸ線透過窓の冷却効率を上昇せしめたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の軟Ｘ線発生管では、前記軟Ｘ線発生管において、前記吸熱部材は、Ｃｕからなることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の軟Ｘ線発生管では、前記いずれか一つの軟Ｘ線発生管において、前記ターゲットは、Ｗ，Ａｕ，Ｗ合金、Ａｕ合金の内のいずれかを含むことを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の軟Ｘ線発生管では、前記いずれか一つに記載の軟Ｘ線発生管において、さらに冷却効率を向上するために、前記Ｘ線透過窓の表面上の少なくとも―部に前記冷却伝熱板に接続された吸熱用伝熱板を設けることで冷却効率を高めたことを特徴としている。
【００１６】
さらに、本発明の軟Ｘ線発生管では、前記軟Ｘ線発生管において、前記吸熱用伝熱板は、前記Ｘ線透過窓の厚みに比べて厚いことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態による軟Ｘ線発生管の断面構造を示す図である。図１を参照すると、軟Ｘ線発生管１０は、ガラス製の管体１、熱電子による電子線を放出するフイラメント２、発生した熱電子を加速する加速電圧が印加されるカソード３とを備えている。
【００１９】
更に、従来例と同様に、加速された熱電子が制動され軟Ｘ線を発生するターゲット４、発生した軟Ｘ線を透過して管外に出力し、管外との間で管内の真空を保つＸ線透過窓５、Ｘ線透過窓５とガラス製の管体１とを相互に力学的に接続する接続ジョイント６、接続ジョイント６とガラス管１の間に充填され真空を保つシール材７が設けられている。
【００２０】
図示された軟Ｘ線発生管は、接続ジョイント６とＸ線透過窓５の双方に熱的に接触した吸熱部材８、及び、接続ジョイント６に熱的に接続され、吸熱部材８に連結された図示しない冷却部材を備えた冷却機構を有している。
【００２１】
図２は図１の軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓側の部分断面図である。図２を参照すると、接続ジョイント６は、その下端近傍に、管内側に、突出した突出部６ａを備え、その上端は、管体１の下端に連結されている。管体１とジョイント６とは。シール材７によって封止されている。
【００２２】
一方、吸熱部材８は、管内側に延在し、突出部６ａの下部に位置付けられた吸熱リング１１を備えている。突出部６ａの管内側下部と、吸熱リング１１との間の間隙には、Ｘ線透過窓５が挟み込まれて、これによって、接続ジョイント６の突出部６ａと吸熱リング１１とは、熱的に接続されている。また、Ｘ線透過窓５の内側面には、ターゲット４が設けられている。
【００２３】
吸熱部材８は、吸熱リング１１から管外側に延在する冷却板を有し、当該冷却板の上面には放熱フィン１２が立設されている。このように、図示された吸熱部材８は、吸熱リング１１と冷却板とにより構成され、当該吸熱部材８と放熱フィン１２とにより、冷却機構を構成している。
【００２４】
なお、本発明の第１の実施の形態においては、冷却機構は、空冷による放熱フィンによる冷却を用いているが、水冷による冷却、ペルチェ素子による冷却など、冷却機能を有するものであれば、どの様な構成でも良い。
【００２５】
冷却板８を設けることで、Ｘ線透過窓５と接続ジョイント６との間の熱抵抗が減少し、以ってターゲット４及びＸ線透過窓５の冷却効率を向上せしめることができる。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態による軟Ｘ線発生管は、前述したように、吸熱リング１１を含む冷却機構を備えているが、このような構造を備えた本発明に係る軟Ｘ線発生管の特性と、冷却機構を備えていない軟Ｘ線発生管とを特性と比較した結果を下記表１に示す。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る軟Ｘ線発生管１０は、１０ｋＶ、５ｍＡの出力を有し、他方、従来型の軟Ｘ線発生管は、９．５ｋＶ、０．１５ｍＡの出力であり、本発明に係る軟Ｘ線発生管１０は改善された出力を有している。
【００２８】
ここで、比較に用いた本発明に係る軟Ｘ線発生管について、具体的に説明しておくと、表１からも明らかなとおり、フィラメント（カソード）とターゲットの間の距離は１０ｍｍである。Ｘ線透過窓５はベリリウム（Ｂｅ）からなり、従来よりも大型の直径は２０ｍｍ、厚みは４００μｍで、使用時においては、表面温度が１００℃に達していない。また、ターゲット４は金（Ａｕ）又はＷからなり、大型の直径１６ｍｍで、厚み０．２μｍである。表１からも明らかな通り、本発明に係るＸ線透過窓５及びターゲット４は従来の窓及びターゲットより大きい。
【００２９】
【表１】

次に、本発明に係る軟Ｘ線発生管を構成する各部についてさらに詳しく説明する。
【００３０】
（Ｉ）フィラメント−ターゲット間距離：
図３はフィラメントからの輻射を説明する図であり、図３に示されたフィラメント温度は、２０００Ｋに保たれ、且つ、ターゲット４としては、直径１６ｍｍのターゲットを使用している。
【００３１】
図４はフィラメント−ターゲット間距離とターゲット面到達電力の関係を示す図であり、この図を利用して、フィラメントからターゲット面への輻射熱を極力抑えることができるフィラメント−ターゲット間距離を検討した。その結果、フィラメント−ターゲット間距離は、６ｍｍ以上が適当であり、また、１０ｍｍのフィラメントターゲット間距離では、２Ｗの加算となることが判明した。
【００３２】
（ＩＩ）ターゲット材：
次に、ターゲット材について検討した。
【００３３】
（ｉ）ターゲット材の材質について：
まず、ターゲット材質の決定を行った。Ｘ線放出効率は、次の数１式で示される。
【００３４】
【数１】

また、表２は各金属材料の融点、熱伝導率、Ｘ線放射効率を示している。
【００３５】
【表２】

上記表２に示すように、ターゲット材は、銅（Ｃｕ）に比べて熱伝導率が劣るが、Ｘ線放射効率に優れ、熱伝導率が高く、薄膜の成膜が可能であるものが好ましく、例えば、金（Ａｕ）又はタングステン（Ｗ）が好ましいことが判る。
【００３６】
また、スパッタターゲット価格は、高純度Ｗ（ＣＶＤ）はＡｕと同等の価格であり、Ａｕは真空瞬間蒸着（低コスト）で高品質成膜可能であり、Ｗはスパッタ（高いコスト）のみ高品質成膜可能である。
【００３７】
（ｉｉ）ターゲットの厚さ：
次にターゲットの厚さの決定を行った。
【００３８】
（ａ）Ａｕターゲット材について：
まず、Ａｕについて検討した。
【００３９】
電子のＡｕターゲット中での静止距離（投影飛程）は次の数２式で示される。
【００４０】
【数２】

図５はＡｕの厚さと、Ｘ線透過率との関係を示す図であり、図６は電子の加速電圧と静止距離を示す図である。
【００４１】
Ａｕターゲット材の厚さは、発生したＸ線が減衰することをできるだけ避けるとともに、電子がターゲット中で静止するに必要な距離から、厚さ０．２μｍが適当であることが判明した。
【００４２】
（ｂ）Ｗターゲット材について：
次に、Ｗターゲットの厚さの決定を行った。電子のターゲット中での静止距離（投影飛程）は次の数３式で示される。
【００４３】
【数３】

図７はタングステンの厚さと、Ｘ線透過率との関係を示す図であり、図８は電子の加速電圧と静止距離を示す図である。
【００４４】
Ｗターゲットの厚さは、Ａｕターゲットと同様に、発生したＸ線の減衰、電子のターゲット中での静止距離から、厚さ０．２μｍが適当であることが判明した。
【００４５】
（ＩＩＩ）Ｘ線透過窓の窓材について：
（ｉ）材質について：
窓材の材質としては、Ｘ線の透過率が高いことと、ターゲットで発生した熱を逃がしやすいことが要求される。
【００４６】
下記表３はＣｕ及びＢｅの熱伝導率と、減衰定数を示している。また、図９は窓材の厚さと、Ｘ線透過率との間の関係を示している。下記表３、図９ともに、１０ｋｅＶの電子によるＸ線の最短波長は、０．１２４ｎｍであり、ピーク波長０．２１ｎｍである。その結果、窓材の厚さが１００μｍの範囲において、ＣｕはＸ線透過率が減衰しているが、Ｂｅは１００μｍ以上においても、Ｘ線透過率が高いことが判明した。
【００４７】
この結果を参照して、窓材としては、ベリリウムを用いた。
【００４８】
【表３】

（ｉｉ）窓材のベリリウムの構造的薄膜化の限界について：
次に、窓材のベリリウムの構造的薄膜化の限界について調べた。せん断応力Ｓ，荷重圧力Ｐ、膜厚Ｔ，１辺の長さＤ＝２Ｒ（Ｒ：１辺の長さの１／２）ポアソン比０．３において、次の数４式が成り立つ。
【００４９】
【数４】

ここで、Ｂｅのせん断応力を４００ｋｇ／ｃｍ２、荷重圧力を１ｋｇ／ｃｍ^２、安全係数を２倍にして実験を行った結果、図１０に示した辺固定支持Ｂｅ正方形１辺の長さと、安全Ｂｅ厚さとの関係が得られた。図からも明らかな通り、正方形一辺の長さと安全厚さとの関係は線形であり、例えば、正方形の一辺の長さが１６ｍｍの時、１７６μｍ（０．１７３ｍｍ）の厚さを持てばよく、前者が６ｍｍの時、１００μｍの厚さであれば良い。
【００５０】
図１１は、窓材中心からの距離（ｍｍ）と温度との関係を示す図であり、ここでは、窓材の厚さを変化させることによって、温度プロファイルの変化を測定した。窓材の温度を１００℃以下に保つためには、図１１からも明らかな通り、窓材は０．６ｍｍ以上の厚さを持てば良いことが分かる。尚、０．１２４ｎｍの波長のＸ線に対して、窓材は９０％のＸ線透過率を示し、また、０．２１ｎｍのＸ線に対して７０％のＸ線透過率を示した。
【００５１】
（ＩＶ）ターゲット・窓材料上での電圧上昇について：
次に、ターゲット・窓材料上での電圧上昇について検討した。図１２は抵抗値を説明するための図、図１３はＢｅ，Ｗ，Ａｕの厚さと、基板の中心電圧を示す図である。図１２に示すように、半径ａの位置から外側を見た場合、抵抗値Ｒは、次の数５式で示される。
【００５２】
【数５】

表４は、Ｂｅ，Ａｌ，Ｗの２０℃，１００℃における抵抗率と、半径０．１ｎｍより外側（半径８ｎｍ）を見た抵抗値を示している。
【００５３】
【表４】

（Ｖ）吸熱リングの厚みについて：
次に、吸熱リングの厚みを決定した。ここでは、ターゲットの直径を１６ｍｍとし、吸熱リングとして、熱伝導率の高いＣｕを使用した。この結果、厚みを持たせ吸熱性能を向上させるには、吸熱リングを構成するＣｕの厚さは０．４ｍｍ以上が必要であることが判明した。
【００５４】
図１４は窓材周辺部の概略断面図であり、図１５は吸熱リングを構成するＣｕの厚さと、Ｂｅ窓材の中心温度との関係を示している。
【００５５】
図１４及び図１５を参照すると、窓材の最大温度１００℃とした場合、吸熱リングを構成するＣｕ厚さは１ｍｍ、窓材を構成するＢｅの厚さは０．４３５ｍｍまで薄膜化可能であることが判明した。
【００５６】
図１６は本発明の第２の実施の形態による軟Ｘ線発生管の部分断面図である。
【００５７】
本発明の第２の実施の形態による軟Ｘ線発生管は、冷却機構の配置が異なる他は、第１の実施の形態と同様な構造を有している。即ち、図１６に示された軟Ｘ線発生管は、ガラス製の管体１、加速された熱電子が制動され軟Ｘ線を発生するターゲット４、発生した軟Ｘ線を透過し、管外との間で管内の真空を保つＸ線透過窓５、Ｘ線透過窓５とガラス製の管体１との間を相互に力学的に接続する接続ジョイント６、接続ジョイントとガラス管の間に充填され真空を保つシール材７と、接続ジョイントＸ線透過窓の両方に熱的に接続された吸熱部材である吸熱リング１１とによって構成されている。
【００５８】
また、接続ジョイント６の外周部外方に延在し、吸熱リング１１とは別の部材として構成された冷却板８が設けられ、冷却板８の一面には、放熱フィン１２が設けられている。冷却板８と放熱フィン１２とで、冷却機構が構成される。
【００５９】
本発明の第２の実施の形態においては、吸熱リング１１と、接続ジョイント６に熱的に接続された冷却機構とによって、Ｘ線ターゲットの温度を低下させることができる。
【００６０】
以上説明した本発明の第１及び第２の実施の形態においては、ターゲットの温度を１００℃以下に低減することができた。
【００６１】
図１７は本発明の第３の実施の形態による軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓５の底面を示す図である。本発明の第３の実施の形態においては、Ｘ線透過窓５を区分するように、吸熱用伝熱板１３が設けられている他は、第１の実施の形態と同様な構成を備えている。即ち、図１７を参照すると、接続ジョイント６とＸ線透過窓５の両方に熱的に接続されて吸熱リング１１が設けられ、吸熱リング１１と熱的に接触すると共に、Ｘ線透過窓５の表面を区分するように吸熱用伝熱板１３が形成されている。
【００６２】
図示された吸熱用伝熱板１３は、リング状の部分と、リング部分の外周を４等分する位置から外方に延びて、外側の吸熱リング１１まで延在している。
【００６３】
本発明の第３の実施の形態においては、吸熱用伝熱板１３がＸ線透過窓５表面を部分的に覆い、且つ、吸熱用リング１１と接続することで、Ｘ線透過窓表面の吸熱効率を上昇でき、Ｘ線透過率の減少を最小限としながら透過窓及びターゲットの温度上昇を低減することができる。
【００６４】
図１８は本発明の第４の実施の形態による軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓５の底面図である。本発明の第４の実施の形態においては、第３の実施の形態と同様にＸ線透過窓５を４つに区分するように吸熱用伝熱板１４が設けられている。図１８に示された吸熱用伝熱板１４は、接続ジョイント６とＸ線透過窓５の両方に熱的に接続されるとともに、吸熱リング１１にも接続されている。更に、吸熱用伝熱板１４は、十字型形状を有し、Ｘ線透過窓５の表面を４つに区分している。
【００６５】
本発明の第４の実施の形態においては、第３の実施の形態と同様に、吸熱用伝熱板１４をＸ線透過窓表面の少なくとも一部に形成し、吸熱用リング１１と接続することで、Ｘ線透過窓５表面の吸熱効率を上昇でき、Ｘ線透過率の減少を最小限としながら透過窓及びターゲットの温度上昇を低減することができる。
【００６６】
なお、本発明の第３及び第４の実施の形態においては、ターゲットの表面の温度上昇を、第１及び第２の実施の形態のものよりも５℃だけ低減できた。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｘ線透過窓及びターゲットの温度を低減することが可能となり、ターゲットの長寿命化が可能となる軟Ｘ線発生管を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による軟Ｘ線発生管の断面構造を示す図である。
【図２】図１の軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓側の部分断面図である。
【図３】フィラメントからの輻射を説明するための図である。
【図４】フィラメント−ターゲット間距離とターゲット面到達電力の関係を示す図である。
【図５】Ａｕの厚さと、Ｘ線透過率との関係を示す図である。
【図６】電子の加速電圧と金（Ａｕ）における静止距離との関係を示す図である。
【図７】タングステンの厚さと、Ｘ線透過率との関係を示す図である。
【図８】電子の加速電圧とタングステンにおける静止距離を示す図である。
【図９】窓材の厚さと、Ｘ線透過率との関係を示している。
【図１０】辺固定支持Ｂｅ正方形１辺の長さと、安全Ｂｅ厚さとの関係を示す図である。
【図１１】窓材中心からの距離と温度との関係を窓材厚さをパラメータとして測定した結果を示す図である。
【図１２】図１２は抵抗値を説明するための図である。
【図１３】Ｂｅ，Ｗ，Ａｕの厚さと、基板の中心電圧との関係を示す図である。
【図１４】窓材周辺部の概略断面図である。
【図１５】Ｃｕの厚さと、窓材中心温度との関係を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態による軟Ｘ線発生管の部分断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態による軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓の底面を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態による軟Ｘ線発生管のＸ線透過窓の底面を示す図である。
【図１９】一般的な透過型軟Ｘ線発生管の構成を示している。
【符号の説明】
１管体
２フイラメント
３カソード
４ターゲット
５Ｘ線透過窓
６接続ジョイント
６ａ突出部
７シール材
８冷却板
１０軟Ｘ線発生管
１１吸熱リング
１２放熱フィン
１３，１４吸熱用伝熱板
５０透過型軟Ｘ線発生管
５１管体
５２フィラメント
５３カソード
５４ターゲット
５５Ｘ線透過窓
５６接続ジョイント
５７シール材

Claims

放出された熱電子をターゲットに衝突させて、Ｘ線を発生させ、Ｘ線透過窓を介して出力させる軟Ｘ線発生管において、前記Ｘ線透過窓の周囲に冷却機構を備えていることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項１において、前記冷却機構は、Ｘ線透過窓外周部に熱伝導率の良い材料によって構成された吸熱部材を備えていることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項２において、前記吸熱部材は、Ｃｕからなることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項１乃至３の内のいずれか一つにおいて、前記ターゲットは、Ｗ，Ａｕ，Ｗ合金、Ａｕ合金の内のいずれかを含むことを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項１乃至４の内のいずれか一つにおいて、前記吸熱部材は、前記Ｘ線透過窓の表面に延在する部分を有する吸熱用伝熱板によって構成されていることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項１において、前記冷却機構は、Ｘ線透過窓外周部に熱伝導率の良い材料によって構成された吸熱部材と、Ｘ線透過窓から外側に延びる冷却板とを有していることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項６において、前記冷却機構は、更に、前記冷却板に熱的に接続された放熱フィンを有していることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項６又は７において、前記吸熱部材は、前記Ｘ線透過窓の底部に配置された吸熱リングを有していることを特徴とする軟Ｘ線発生管。
請求項８において、前記吸熱部材は、前記吸熱リングに熱的に接続され、前記Ｘ線透過窓を区分するように配置された吸熱用伝熱板を有していることを特徴とする軟Ｘ線発生管。