JP2005158474A

JP2005158474A - Ｘ線管

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Publication number: JP2005158474A
Application number: JP2003394904A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kuribayashi; 勝栗林; Tomohiro Chagi; 友弘茶木
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP4206329B2

Abstract

【課題】見かけの焦点サイズを大きくすることなく，ターゲット上の電子ビーム照射領域の表面積を増やして，Ｘ線ビームの強度を大きくする。
【解決手段】ターゲット３０の電子ビーム照射領域に，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の互いに平行な多数の溝３を形成する。溝３８の表面の少なくとも一部は，ターゲット３０の巨視的表面に対して３０〜８０度の範囲内の角度で傾斜している。溝３８の表面のすべては同一の金属で形成する。多数の溝３８によってターゲット３０の表面に微細な凹凸が形成され，これにより，電子ビーム照射領域の表面積が増える。その結果，最大投入電力が増加し，Ｘ線ビーム４６の強度を大きくできる。溝の深さは小さいので，見かけの焦点サイズは，それほど大きくならない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットの表面構造に特徴のあるＸ線管に関するものである。

Ｘ線管のターゲット（対陰極または陽極とも呼ばれる）のＸ線発生表面は，普通，平坦面であるか，あるいは，滑らかな曲面をしている。例えば，固定ターゲット（静止しているターゲット）では，Ｘ線発生表面は，大抵，平坦面である。また，回転ターゲットでは，Ｘ線発生表面は円筒面か円錐面である。そして，Ｘ線回折装置で使うＸ線管のように，比較的幅の狭いＸ線ビームを取り出すＸ線管においては，上述のようなＸ線発生表面に対して，比較的小さい取り出し角（例えば，６度）で，Ｘ線を取り出している。

図８は従来の回転ターゲットＸ線管におけるＸ線取り出し方法を示す斜視図である。回転ターゲット１０は円筒状の外周面１２を備えていて，回転軸線１４の回りを回転する。陰極フィラメント１６から放出された電子ビーム１８は，外周面１２に照射され，電子ビーム照射領域２０からは，あらゆる方向にＸ線が放出される。電子ビーム照射領域２０が細長い矩形であると仮定すると，外周面１２の接線方向に，所定の取り出し角βでＸ線を取り出せば，ラインフォーカスのＸ線ビーム２２となる。一方，回転軸線１４に平行な方向に，所定の取り出し角βでＸ線を取り出せば，ポイントフォーカスのＸ線ビーム２４となる。取り出し角βは，普通，３〜１２度の範囲内であり，例えば６度である。

回転ターゲットでは，電子ビーム照射領域が外周面上を相対的に移動するので，電子ビーム照射領域の冷却効率が優れている。したがって固定ターゲットよりも大きな電力を投入できて，強度の大きなＸ線ビームを取り出すことができる。回転ターゲットに投入できる最大許容電力は，主として，電子ビーム照射領域における冷却効率に依存する。そのため，回転ターゲットの内部には冷却水を流している。電子ビームが回転ターゲットに与えるエネルギーは，その大部分が熱エネルギーとなり，この熱エネルギーは冷却水によって持ち去られる。

Ｘ線ビームの強度を大きくするための工夫として，電子ビーム照射領域におけるターゲットの表面積を増やすことが考えられる。このようなアイデアは，次の特許文献１に開示されている。
特開昭６０−２５４５４０号公報

この特許文献１は，その「技術の背景」において，回転ターゲットの円筒状の外周面にＶ溝を形成することを開示している。そして，Ｖ溝の頂角を大にすると，ターゲット面の単位面積当たりに入射する電子ビームのパワーが大きくなって，大きな電子ビームパワーを投入してＸ線出力を大きくすることが不可能になる，と述べている。したがって，この特許文献１は，ターゲットの表面に溝を形成して表面積を増やせば，Ｘ線出力を大きくできる，ということを示唆している。

上述の特許文献１のようにＶ溝を形成すると，確かに，投入可能な電力が増加し，全体としてのＸ線出力を大きくできる。しかし，Ｘ線回折装置に用いられるＸ線管のように，比較的幅の狭いＸ線ビームを取り出すＸ線管においては，次のような問題が生じる。

図９は，外周面にＶ溝を形成した回転ターゲット１１からＸ線ビームを取り出すことを示す斜視図である。回転ターゲット１１の内部には冷却水通路が形成されているが，図示の断面部分において，冷却水通路は省略している。Ｖ溝１５は円筒状の外周面１３の周方向に延びている。Ｘ線ビーム１７は周方向に取り出している。電子ビーム１９とＸ線ビーム１７と回転ターゲット１１との位置関係は，図８におけるラインフォーカスに相当する。Ｘ線ビーム１７は，円筒状の外周面１３の接線に対して，６度の取り出し角で取り出している。このようなＶ溝１５を形成すると，電子ビーム照射領域２１の表面積が増加するので，投入電力を増やすことができる。したがって，Ｘ線強度を増やすことができる。しかしながら，Ｖ溝１５の形状に相当する寸法Ｈだけ，Ｘ線ビーム１７の幅が広がることになる。このような幅の広いＸ線ビーム１７は，一般には，そのままではＸ線回折装置には使えない。スリットを用いて寸法Ｈよりも細く絞ればよいが，そうすると，表面積を増やしてＸ線ビームの全体強度をせっかく高めても，幅を狭くすることで全体のＸ線強度が小さくなり，Ｖ溝を形成した意味がなくなる。

一方，次の特許文献２は，電子管について，電子流入電極の表面に微細な凹凸を形成することを開示している。この微細な凹凸が，本発明の構成に多少とも関係がある。
特開昭６３−１６０１２９号公報

この特許文献２は，送信管，マイクロ波管，Ｘ線管などの電子管に関するものであり，その電子流入電極面に規則的な多数の凹凸を形成して，その凹凸の一方の斜面に黒色被膜を付着している。この黒色被膜は熱放散性を高めるために設けられている。黒色被膜が付着していない部分は，電極本体の材質（例えば，銅）が露出していて，ここに電子が流入する。この特許文献２の実施例は，送信用多極電子管の銅製アノードに関するものであり，円筒状のアノードの内面に微細な凹凸を形成している。その凹凸の断面形状は三角形であり，凹凸の高さは２０〜３０μｍである。この凹凸の一方の斜面に黒色被膜を形成している。この黒色被膜は，酸化チタン粉末と酸化アルミニウム粉末の混合物をプラズマ溶射して形成している。

この特許文献２は，一応，電子管の一例としてＸ線管も例示してはいるが，Ｘ線回折装置で用いるようなＸ線管（ターゲットの表面に対して３〜１２度の小さい取り出し角でＸ線を取り出すようなＸ線管である）においては，上述のような黒色被膜を形成することは考えられない。なぜならば，Ｘ線回折装置に用いるＸ線管は，通常，ターゲットの材質（例えば，銅）に固有の特性Ｘ線を使うことを想定しているので，黒色被膜をターゲットの表面の一部に付着すると，黒色被膜からも特性Ｘ線が生じて，これがＸ線回折測定の邪魔になるからである。特許文献２における微細な凹凸は，溝の一方の斜面に黒色被膜を形成するためのものであるから，所望の特性Ｘ線を取り出すことを目的としたＸ線管に関しては，ターゲットの表面に微細な凹凸を形成する動機付けにはなりえない。

本発明の目的は，ターゲットの巨視的表面に対して３〜１２度の取り出し角でＸ線を取り出すようなＸ線管において，見かけの焦点サイズを大きくすることなく，ターゲット上の電子ビーム照射領域の表面積を増やして，許容最大投入電力を増やし，もって，取り出すＸ線ビームの強度を増やすことにある。

本発明は，電子ビームを発生する電子ビーム発生源と，前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと，前記Ｘ線をＸ線管の外部に取り出す取り出し窓とを備えるＸ線管において，前記ターゲットの電子ビーム照射領域に，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の互いに平行な多数の溝が形成されていて，前記溝の表面の少なくとも一部が，前記ターゲットの巨視的表面に対して３０〜８０度の範囲内の角度で傾斜しており，前記溝の表面のすべてが同一の金属で形成されている。

本発明の別の構成は，電子ビームを発生する電子ビーム発生源と，前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと，前記ターゲットの巨視的表面に対して取り出し角が３〜１２度の範囲内となるように前記Ｘ線をＸ線管の外部に取り出す取り出し窓とを備えるＸ線管において，前記ターゲットの電子ビーム照射領域に，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の互いに平行な多数の溝が形成されていて，前記溝の表面の少なくとも一部が，前記ターゲットの巨視的表面に対して３０〜８０度の範囲内の角度で傾斜している。

ターゲットの表面に上述のような溝を形成することで，電子ビーム照射領域の表面積が増加し，見かけの焦点サイズをほとんど増やすことなく，Ｘ線管への投入電力を増やすことができる。その結果，Ｘ線強度を大きくすることができる。溝の深さは０．５μｍ〜１００μｍの範囲内であるが，この深さを小さくすればするほど，焦点サイズが大きくならないので好都合である。加工が可能であれば，溝の深さを０．５μｍ〜１０μｍにするのが好ましい。

前記ターゲットは円筒形の巨視的表面を有する回転ターゲットとすることができる。その場合に，前記溝を前記円筒形の巨視的表面の周方向に延びようにすれば，ラインフォーカスのＸ線ビームを取り出すことができ，前記溝を前記円筒形の巨視的表面の軸線に平行に延びるようにすれば，ポイントフォーカスのＸ線ビームを取り出すことができる。

本発明のＸ線管は，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の多数の溝をターゲット表面に形成して，溝の表面をターゲットの巨視的表面に対して３０〜８０度の角度で傾斜させたことにより，電子ビーム照射領域の表面積を増やし，Ｘ線強度を大きくすることができる。

以下，図面を参照して，本発明の実施例を詳しく説明する。図１は，本発明の第１実施例のＸ線管の要部の斜視図である。このＸ線管は，円筒状の固定ターゲット３０の端面がＸ線発生面３２になっている。この実施例では，Ｘ線発生面３２は銅の単一材料でできているが，それ以外に，モリブデン，コバルト，クロムなどの，ターゲット材料として一般に使われる各種の金属を用いることができる。このＸ線発生面３２に，陰極フィラメント３４から電子ビーム３６が照射される。陰極フィラメント３４が本発明における電子ビーム発生源である。Ｘ線発生面３２の巨視的表面は平面であるが，微視的には微細な多数の溝が形成されていて，凹凸形状になっている。Ｘ線発生面３２を拡大して見ると，互いに平行な多数の溝３８が形成されている。溝３８の表面はすべて銅である。

図２は溝３８を拡大して示す断面図である。巨視的表面４０に対して，Ｖ字形の溝３８が多数形成されている。隣り合う溝３８に挟まれた山の頂点を互いに結んだ線が巨視的表面４０を表す。溝３８を構成する二つの傾斜面４２，４４は，巨視的表面４０に対して，それぞれ，角度α１，α２だけ傾斜している。この実施例ではα１とα２は等しく，その角度は６０度である。溝３８の深さＤは５０μｍである。したがって，溝３８の開口幅Ｐは約５８μｍである。溝３８の形成ピッチもＰである。巨視的表面４０と比較して，α１＝α２＝６０度の凹凸表面は，表面積が２倍になる。このような溝３８を加工するには，例えば，頂角が６０度のダイヤモンドバイトを用いて，平削り盤で加工する。

図１に戻って，陰極フィラメント３４から放出された電子ビーム３６はＸ線発生面３２に照射され，そこからＸ線が発生して，あらゆる方向に出て行く。このようなＸ線のうち，Ｘ線発生面３２の巨視的表面に対して，６度の取り出し角でＸ線ビーム４６を取り出すようになっている。すなわち，そのような取り出し方向にＸ線ビームの取り出し窓４８が設けられている。図１の実施例では，電子ビーム３６の断面は水平方向に細長くなっており，かつ，Ｘ線ビーム４６は水平方向に取り出しているので，得られるものはポイントフォーカスのＸ線ビーム４６である。図１において，溝３８はＸ線発生面３２上で水平方向に延びるように形成されているので，Ｘ線ビーム４６の取り出し方向は，溝３８の延びる方向とほぼ一致している。

図３はＸ線ビームと電子ビーム照射領域との関係を示す斜視図である。ターゲット３０のＸ線発生面のうち，電子ビーム照射領域（細長い矩形）だけを模式的に示している。この電子ビーム照射領域５０は，電子ビームの断面寸法が１ｍｍ×１０ｍｍに相当するものである。巨視的表面上で考えれば，電子ビーム照射領域は１ｍｍ×１０ｍｍの細長い矩形になり，照射面積は１０平方ｍｍになる。ところが，微視的には，溝３８の傾斜面に電子ビームが当たるので，上述のα１＝α２＝６０度の条件において，電子ビーム照射面積は，溝３８を形成しない場合と比べて，その２倍の２０平方ｍｍになる。もし，電子ビーム照射面積当たりの許容最大投入電力がほぼ一定であるならば，照射面積が増加した分だけ，投入電力を増やすことができ，それだけＸ線強度を増やすことができる。実際には，傾斜面における単位面積当たりの許容最大投入電力は，平坦面における単位面積当たりの許容最大投入電力よりも小さくなる傾向があるので，面積の増加分だけ，まるまる投入電力を増やすことはできないが，それでも，平坦面に比べれば投入電力を増やすことができる。

溝３８による凹凸がない状態を考えると，巨視的表面に対して取り出し角βでＸ線ビーム４６を取り出せば，見かけの焦点サイズ，すなわち，方向の揃ったＸ線ビーム４６についての断面寸法は，幅がＷ，高さがＨになる。幅Ｗは，電子ビーム照射領域５０の幅Ｗに等しい。一方，高さＨは取り出し角βに依存する。βを６度と仮定すると，Ｈは電子ビーム照射領域の長さＬの約１０分の１になる。このように，電子ビーム照射領域の幅Ｗを１ｍｍ，長さＬを１０ｍｍ，取り出し角βを６度に仮定すると，Ｈは約１ｍｍになり，Ｘ線ビーム４６の見かけの焦点サイズは１ｍｍ×１ｍｍとなる。

さらに，この実施例では，ターゲット３０の表面に多数の溝３８からなる凹凸を形成しているので，取り出すＸ線ビーム４６の断面形状は，この凹凸を反映した形状になる。すなわち，高さＨの方向の上端と下端に微小な凹凸ができる。この凹凸の高さは，ターゲット表面の凹凸の高さにほぼ等しい。溝３８の深さをＤとすると，Ｘ線ビーム４６の高さＨの方向の上端と下端に，高さが約Ｄの凹凸ができる。この凹凸ができることで，見かけの焦点サイズの高さは，Ｈから，Ｈ＋Ｄに増える。この実施例では，Ｈ＝１ｍｍ，Ｄ＝０．０５ｍｍ（５０μｍ）であるから，全体としては，見かけの焦点サイズの高さは，それほど増えない。すなわち，見かけの焦点サイズはほとんど大きくならずに，投入電力を増やすことができる。

Ｘ線回折測定で使う場合のように，高さＨ方向に比較的狭いＸ線ビームを取り出すときには，Ｈの最大値は１〜２ｍｍ程度である。その場合，ターゲット表面の溝の深さＤは，最大で０．１ｍｍ（すなわち，１００μｍ）程度にするのが好ましい。この程度の深さであれば，見かけの焦点サイズはそれほど大きくならない。また，ターゲット表面に多数の溝を平行に加工する技術を考慮すると，溝の深さＤは最小で０．５μｍ程度である。したがって，溝の深さＤの好ましい値は，０．５μｍ〜１００μｍである。

図２において，ターゲット表面に溝３８を形成する理由は，溝３８による傾斜面４２，４４を作ることで，電子ビームが当たる表面積を増やすことにある。角度α１，α２を小さくすると，表面積を増やす効果が小さくなる。そこで，角度α１，α２の少なくとも一方は，３０度以上にするのが好ましい。また，角度α１，α２の両方を９０度に近づけていくと，隣り合う溝の間の山が細くなって，山の部分での熱の逃げが悪くなる。したがって，角度α１，α２の少なくとも一方は８０度以下にすべきである。

図７はターゲット表面の凹凸形状の変更例を示す断面図である。（ａ）はＶ字形の溝の二つの傾斜面の角度α１とα２が異なっている例である。（ｂ）は角度α１が９０度になっている例である。この場合，角度α２の傾斜面だけがＸ線発生に寄与する。（ｃ）は溝の底部が平坦になっていて，台形状の溝になっている例である。二つの傾斜面５１，５２と底面５３とがＸ線発生に寄与する。（ｄ）は溝を構成する二つの傾斜面の断面形状が曲線５４になっている例である。以上の４種類の変更例は，図２と同様に，電子ビーム照射領域の表面積が増加する。溝の断面形状は，これらの変更例に限らず，いろいろな形状にすることができる。

図４は本発明の第２実施例の要部の斜視図である。この例では，固定ターゲット３０からラインフォーカスのＸ線ビーム５６を取り出している。図１の状態から，固定ターゲット３０をそのままにして，陰極フィラメント３４を９０度だけ回転させた状態に相当する。Ｘ線発生面３２の上の電子ビーム照射領域は図面の上下方向に延びることになり，ここからライン状のＸ線ビーム５６を取り出している。溝３８の延びる方向と，Ｘ線ビーム５６を取り出す方向は，ほぼ同じである。Ｘ線ビーム５６の取り出し角は，やはり６度である。電子ビーム３６の断面形状を１ｍｍ×１０ｍｍと仮定すると，Ｘ線ビーム５６の見かけの焦点サイズは約０．１ｍｍ×１０ｍｍとなる。この場合，図３におけるＷが１０ｍｍで，Ｈが約０．１ｍｍになる。溝の深さＤは５０μｍなので，Ｘ線ビームのＨ方向の高さは，約０．１ｍｍに５０μｍを足して，約０．１５ｍｍになる。

図５は本発明の第３実施例の要部の斜視図である。この例では，回転ターゲット５８からポイントフォーカスのＸ線ビーム５９を取り出している。回転ターゲット５８の円筒形状の外周面には，回転軸線６０に平行な多数の溝６２が形成されている。微視的に見れば，これらの溝６２の断面形状は図２に示すものと同じである。回転ターゲット５８の外周面は銅でできており，溝６２の表面はすべて銅である。

図６は本発明の第４実施例の要部の斜視図である。この例では，回転ターゲット６４からラインフォーカスのＸ線ビーム６５を取り出している。回転ターゲット６４の円筒形状の外周面には，周方向に延びる多数の溝６６が形成されている。微視的に見れば，これらの溝６６の断面形状は図２に示すものと同じである。円周方向の溝６６を加工するには，例えば，ダイヤモンドバイトを用いて旋盤で加工する。

図５のポイントフォーカスと，図６のラインフォーカスでは，同一構造の回転ターゲットは使えない。ターゲットの外周面に形成する溝の延びる方向が異なるからである。

本発明の第１実施例のＸ線管の要部の斜視図である。溝を拡大して示す断面図である。Ｘ線ビームと電子ビーム照射領域との関係を示す斜視図である。本発明の第２実施例の要部の斜視図である。本発明の第３実施例の要部の斜視図である。本発明の第４実施例の要部の斜視図である。ターゲット表面の凹凸形状の変更例を示す断面図である。従来の回転ターゲットＸ線管におけるＸ線取り出し方法を示す斜視図である。外周面にＶ溝を形成した回転ターゲットからＸ線ビームを取り出すことを示した斜視図である。

符号の説明

３０固定ターゲット
３２Ｘ線発生面
３４陰極フィラメント
３６電子ビーム
３８溝
４０巨視的表面
４２傾斜面
４４傾斜面
４６Ｘ線ビーム
４８取り出し窓
５０電子ビーム照射領域

Claims

電子ビームを発生する電子ビーム発生源と，前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと，前記Ｘ線をＸ線管の外部に取り出す取り出し窓とを備えるＸ線管において，
前記ターゲットの電子ビーム照射領域に，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の互いに平行な多数の溝が形成されていて，前記溝の表面の少なくとも一部が，前記ターゲットの巨視的表面に対して３０〜８０度の範囲内の角度で傾斜しており，前記溝の表面のすべてが同一の金属で形成されていることを特徴とするＸ線管。
電子ビームを発生する電子ビーム発生源と，前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと，前記ターゲットの巨視的表面に対して取り出し角が３〜１２度の範囲内となるように前記Ｘ線をＸ線管の外部に取り出す取り出し窓とを備えるＸ線管において，
前記ターゲットの電子ビーム照射領域に，深さが０．５μｍ〜１００μｍの範囲内の互いに平行な多数の溝が形成されていて，前記溝の表面の少なくとも一部が，前記ターゲットの巨視的表面に対して３０〜８０度の範囲内の角度で傾斜していることを特徴とするＸ線管。
請求項１または２に記載のＸ線管において，前記ターゲットは円筒形の巨視的表面を有する回転ターゲットであり，前記溝が前記円筒形の巨視的表面の周方向に延びていることを特徴とするＸ線管。
請求項１または２に記載のＸ線管において，前記ターゲットは円筒形の巨視的表面を有する回転ターゲットであり，前記溝が前記円筒形の巨視的表面の軸線に平行に延びていることを特徴とするＸ線管。
請求項１または２に記載のＸ線管において，前記溝の深さが０．５μｍ〜１０μｍの範囲内であることを特徴とするＸ線管。