JP2005293884A - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結像確認用ターゲットを用いることにより，２段式の電子レンズを備えていても，焦点サイズを容易に変更可能にする。
【解決手段】電子ビーム１２は第１の電子レンズ１４により第１の結像点１６に結像され，そこを通過した電子ビームは第２の電子レンズ１８により主ターゲット２０上に結像される。第１の結像点１６の位置に結像確認用ターゲット２８を配置できる。結像確認用ターゲット２８に電子ビームが当たると，そこからＸ線が発生し，これを蛍光塗料を塗布した観察窓で観察する。この観察をしながら，第１の電子レンズ１４の励磁電流を調整する。結像確認用ターゲット２８は，電子ビーム１２の経路上の挿入位置と，電子ビーム１２の経路から外れた退避位置との間で切り換え可能である。結像確認用ターゲット２８と観察窓は，電子ビーム１２に沿った方向（矢印６４の方向）に移動可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、２段式の電子レンズを備えるＸ線発生装置に関する。

図１は２段式の電子レンズを備える従来のＸ線発生装置の構成図である。電子銃１０で発生した電子ビーム１２は，第１の電子レンズ１４によって第１の結像点１６に結像され，さらに，第２の電子レンズ１８によってターゲット２０上に結像される。第２の結像点はターゲット２０の表面上に位置する。ターゲット２０の焦点からはＸ線２３が発生する。このような２段式の電子レンズを使うことで，ターゲット２０上の焦点サイズを小さくすることができる。したがって，このような２段式の電子レンズは，微小焦点サイズのＸ線発生装置において採用される。微小焦点サイズのＸ線発生装置は，例えばＸ線顕微鏡で使われる。

電子銃１０の位置での電子ビーム１２の断面サイズをＳとし，電子銃１０から第１の電子レンズ１４の中心までの距離をａ，第１の電子レンズ１４の中心から第１の結像点１６までの距離をｆ１，第１の結像点１６から第２の電子レンズ１８の中心までの距離をｂ，第２の電子レンズ１８の中心からターゲット２０までの距離をｆ２とすると，ターゲット上の焦点サイズＦは，収差を無視すれば，図９の（１）式で算出される。

ここで，電子銃１０，第１の電子レンズ１４，第２の電子レンズ１８及びターゲット２０の位置を固定すると仮定し，かつ，電子銃１０の位置における電子ビーム１２の断面サイズＳも一定であると仮定すると，ターゲット２０上の焦点サイズは距離ｆ１と距離ｂに依存する。第１の電子レンズ１４と第２の電子レンズ１８の位置は固定なので，ｂ＋ｆ１は一定である。したがって，焦点サイズは距離ｆ１のみに依存し，この距離ｆ１を変えることで，焦点サイズを変えることができる。距離ｆ１を変えるには，第１の電子レンズ１４の励磁電流を変えればよい。その場合，距離ｂが変わるので，ターゲット２０上へ電子ビームを結像させるために，第２の電子レンズ１８の励磁電流も変える必要がある。このように，第１の電子レンズの励磁電流を変えた場合には，第２の電子レンズの励磁電流も変える必要がある。

図１に示すような２段式の電子レンズを用いた電子ビーム集束装置はよく知られており，例えば，次の特許文献１に記載されている。
特開昭５５−９８４４５号公報

この特許文献１は，電子銃から出た電子ビームを試料上に集束させる装置において，第１の電子レンズと第２の電子レンズの励磁電流をそれぞれ調整することで，試料上での電子ビームのスポットサイズを変更することができる。そして第１の電子レンズの励磁電流を変えた場合には，それに応じて，第２の電子レンズの励磁電流も変えている。

また，マイクロフォーカスＸ線管に２段式の電子レンズを設けたものとしては，次の特許文献２が知られている。
特開２００２−４０１９９号公報

本発明の実施例の説明では，マイクロフォーカスＸ線発生装置の焦点サイズを測定することに言及しているが，この種の技術については，上述の特許文献２に開示されており，さらには，次の非特許文献１と非特許文献２にも開示されている。非特許文献１は非特許文献２を紹介した記事である。
非破壊検査，社団法人日本非破壊検査協会，１９８７年，第３６巻，第３号，ｐ．２２９−２３２ British Journal of NDT, 28-3 (1986) p.133-138

図１の２段式の電子レンズを用いると，次のような問題がある。磁界型の電子レンズの場合，その結像倍率は，電子ビームの加速電圧（Ｘ線管においては管電圧に相当する）と励磁電流とに依存する。以下の説明では，加速電圧は一定であると仮定して，励磁電流の調整について説明する。ターゲット２０上の電子ビームのスポットサイズ（これを焦点サイズという）を変える場合，まず，第１の電子レンズ１４の励磁電流を変えてｆ１を所望の値に調整する。これにより，第１の電子レンズ１４の結像倍率（ｆ１／ａ）が変わる。結像距離ｆ１が変わると距離ｂが変わるので，ターゲット２０上にちょうど第２の結像点を位置させるためには，第２の電子レンズ１８の励磁電流も調整する必要がある。第２の電子レンズ１８の励磁電流を調整すれば，第２の電子レンズ１８の結像倍率（ｆ２／ｂ）も変わる。ところで，このような調整作業において，現実には，第１の結像点１６がどの位置にあるのかは不明である。したがって，第１の電子レンズの励磁電流と第２の電子レンズの励磁電流の組み合わせを任意に変えて，ターゲット上の焦点を観察し，その焦点がボケないような励磁電流の組み合わせを見つける必要がある。そして，そのような励磁電流の組み合わせと，得られたＸ線焦点のサイズとの関係を，データとして記録しておく必要がある。任意のＸ線焦点サイズを得ようと思えば，励磁電流の組み合わせについて膨大なデータ集積が必要になる。

本発明は，このような問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，２段式の電子レンズを備えていても，焦点サイズを容易に変更可能なＸ線発生装置を提供することにある。

本発明に係るＸ線発生装置は，次の構成を備えている。（ア）電子ビームを発生する電子ビーム発生源。（イ）前記電子ビームを第１の結像点に結像させるための第１の電子レンズ。（ウ）前記第１の結像点を通過した電子ビームを第２の結像点に結像させるための第２の電子レンズ。（エ）前記第１の結像点の位置に選択的に配置可能で，電子ビームの照射を受けて結像確認用のＸ線を発生する結像確認用ターゲット。（オ）前記結像確認用ターゲットから発生したＸ線を観察するための観察装置。（カ）前記第２の結像点の位置に配置されて，電子ビームの照射を受けて主Ｘ線を発生する主ターゲット。

本発明は，結像確認用ターゲットを用いて，第１の結像点における結像状態を確認しながら，第１の電子レンズの励磁電流を調整することができる。したがって，第１の電子レンズの励磁電流を容易に最適化することができる。任意の焦点サイズを得るためには，そのような焦点サイズが得られるような位置に結像確認用ターゲットを配置して，その結像確認用ターゲットからのＸ線を観察装置で観察しながら，第１の電子レンズの励磁電流を調整すればよい。

結像確認用ターゲットは，結像確認のときだけＸ線発生装置に取り付けて，それ以外のときは取り外すようにしてもよい。あるいは，結像確認用ターゲットを常にＸ線発生装置に取り付けておいて，その位置を，電子ビームの経路上の挿入位置と，電子ビームの経路から外れた退避位置との間で切り換えるようにしてもよい。

結像確認用ターゲットは，電子ビームに沿った方向に移動可能にするのが好ましい。これにより，いろいろな結像倍率（すなわち，主ターゲット上のいろいろな焦点サイズ）について結像確認作業ができる。

本発明は，電子レンズの励磁電流と結像距離との関係についてのデータをあらかじめ用意しておかなくても，結像確認用ターゲットを用いて，第１の電子レンズの結像状態を確認しながら第１の電子レンズの励磁電流を最適値に調整できるので，主ターゲット上の焦点サイズを自由に変えることができる。また，主ターゲットの位置を固定したままで，焦点サイズを変えることができる。

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２は本発明の第１実施例のＸ線発生装置の基本構成を示す側面断面図である。このＸ線発生装置は２段式の電子レンズを備えていて，微小焦点サイズを得ることができる。このＸ線発生装置は細長い真空容器２２を備えており，この真空容器２２の内部空間は真空に維持されている。真空容器２２の内部の長手方向の一端付近には電子銃１０が配置されていて，真空容器２２の他端付近には主ターゲット２０が配置されている。電子銃１０は陰極フィラメント２４とウェーネルト円筒２６を備えている。電子銃１０から放出された電子ビーム１２は，アノード２７によって加速される。電子銃１０と主ターゲット２０との間には管電圧が印加される。電子ビーム１２は，第１の電子レンズ１４によって集束されて，第１の結像点１６に結像される。さらに，第１の結像点１６を通過した電子ビームは，第２の電子レンズ１８によって集束されて，第２の結像点に結像される。第２の結像点の位置に主ターゲット２０の表面が位置している。主ターゲット２０のＸ線焦点からは主Ｘ線２３が発生する。主ターゲット２０の内部には冷却水通路２１が形成されていて，主ターゲット２０は冷却水により冷却される。

電子銃１０の位置での電子ビームの断面サイズをＳとし，電子銃１０から第１の電子レンズ１４の中心までの距離をａ，第１の電子レンズ１４の中心から第１の結像点１６までの距離をｆ１，第１の結像点１６から第２の電子レンズ１８の中心までの距離をｂ，第２の電子レンズ１８の中心から主ターゲット２０までの距離をｆ２とすると，主ターゲット２０上の焦点サイズＦは，収差を無視すれば，図９の（１）式で算出される。第１の電子レンズ１４の結像倍率はｆ１／ａであり，第２の電子レンズ１８の結像倍率はｆ２／ｂであり，この２段式のレンズの全体の結像倍率は（ｆ１／ａ）（ｆ２／ｂ）となる。

この実施例では，ａ＝２００ｍｍ，ｆ１＋ｂ＝２００ｍｍ，ｆ２＝２０ｍｍである。すなわち，ａとｆ２は固定であり，ｆ１とｂが可変である。電子銃１０の位置での電子ビーム１２の断面サイズＳは６０μｍである。したがって，主ターゲット２０上の焦点サイズＦは，結像距離ｆ１，すなわち第１の結像点１６の位置，に依存する。

このＸ線発生装置は，第１の電子レンズ１４と第２の電子レンズ１８の間において，電子ビーム１２の経路上に結像確認用ターゲット２８を選択的に配置することができる。図２は結像確認用ターゲット２８が電子ビーム１２の経路から外れた位置（以下，退避位置という）にある状態を示している。一方，図３は結像確認用ターゲット２８が電子ビーム１２の経路上の位置（以下，挿入位置という）にある状態を示している。図３に示すように，結像確認用ターゲット２８が挿入位置にあると，電子ビーム１２は結像確認用ターゲット２８に当たり，そこからＸ線４４が発生する。このＸ線４４を観察することで，距離ｆ１における結像状態を確認できる。図２と図３において，結像確認用ターゲット２８は，電子ビーム１２の経路に対して垂直に移動することで（すなわち矢印２９の方向に移動することで），退避位置と挿入位置とが切り換えられるようになっている。なお，この矢印２９は，単に位置の切り換えが可能であることを原理的に示しているだけであって，結像確認用ターゲット２８の実際の動きは，このような方向の動きに限定されない。

図５は結像確認装置の側面断面図である。結像確認用ターゲット２８は挿入位置の状態にある。また，図６は結像確認用ターゲットの挿入位置と退避位置を示す水平断面図であり，これらの水平断面図は電子ビームの経路を含む水平面で切断したものである。

図５において，結像確認装置６６は，結像確認ターゲット２８の位置を切り換えるためのの位置切換機構と，観察窓４６とを備えている。位置切換機構は，ターゲット支持体３０と操作体３２とケーシング３４を備えている。ターゲット支持体３０は外周が円筒面である。このターゲット支持体３０は，ケーシング３４に形成された円筒状の穴の中に回転可能に挿入されている。ケーシング３４の内部は真空であり，ターゲット支持体３０とケーシング３４の間はＯリング３６で真空シールされている。ターゲット支持体３０には，図６（Ａ）に示すように，水平の貫通孔３８が形成されている。この貫通孔３８は断面が矩形である。この貫通孔３８に対して垂直になるように孔４０が形成されている。孔４０を通過した電子ビーム１２は結像確認用ターゲット２８に当たるようになっている。

図５に戻って，ターゲット支持体３０の貫通孔３８の側壁に，銅製の結像確認用ターゲット２８が固定されている。この結像確認用ターゲット２８の表面は鉛直面からわずかに傾斜している。結像確認用ターゲット２８の上方にはベリリウム窓４２が配置されている。ベリリウム窓４２の上方は，Ｘ線４４が通過するための空間になっている。この空間は，ターゲット支持体３０内に形成された円筒状の孔５０で作られている。ベリリウム窓４２の直上にはメッシュ４８（図７も参照）が配置されている。このメッシュ４８は，後述するように，結像確認に必要なものである。結像確認用ターゲット２８に電子ビーム１２が当たると，そこからＸ線４４が発生し，このＸ線４４はベリリウム窓４２とメッシュ４８を通過して，観察窓４６の方向に向かう。

図６（Ａ）は結像確認用ターゲット２８が挿入位置にある状態を示している。電子ビーム１２は孔４０を通過して結像確認用ターゲット２８に当たり，そこからＸ線が発生する。図６（Ａ）の状態から，ターゲット支持体３０を時計方向に９０度回転させると，図６（Ｂ）の状態になる。この図６（Ｂ）は結像確認用ターゲット２８が退避位置にある状態を示している。電子ビーム１２は貫通孔３８を通過して主ターゲット２０に向かう。

図５に戻って，ターゲット支持体３０の上端には操作体３２が固定されている。操作体３２は概略円筒状であり，その外周には大径部５２があって，この大径部５２の外周面にはローレット加工がなされている（図７を参照）。このローレット加工面のところを両側から指で挟んで，操作体３２を回転させることができる。操作体３２を回転させると，これに固定されたターゲット支持体３０も回転する。操作体５２の内部には上下方向の貫通孔５３が形成されていて，その上端付近に観察窓４６が固定されている。観察窓４６の材質はＸ線防護用の鉛ガラスであり，Ｘ線４４がほとんど透過しないようになっている。観察窓４６の下面には蛍光塗料５４が塗布されている。蛍光塗料５４にＸ線４４が当たると蛍光が発生し，この蛍光を観察窓４６を通して観察者が見ることができる。

図７はターゲット支持体３０と操作体３２の斜視図であり，中心線を含む円直面で切断した状態を示している。この図７は，結像確認用ターゲット２８が挿入位置にある状態を示している。ベリリウム窓４２の上にはメッシュ４８が配置されている。電子ビーム１２が結像確認用ターゲット２８に当たると，そこからＸ線４４が発生し，このＸ線４４がベリリウム窓４２とメッシュ４８を通過して，観察窓４６の下面の蛍光塗料５４に当たる。

図８は結像確認用ターゲットの焦点５６（電子ビームが照射されている領域）の状態を確認する方法を示す原理図である。焦点５６と蛍光塗料５４の間にはタングステンワイヤ５８が配置されている。このワイヤ５８はメッシュを構成している１本のワイヤに相当する。寸法ｄの焦点５６から出たＸ線は，蛍光塗料５４に当たって蛍光を発生させるが，ワイヤ５８に遮られた部分は影となるので，ワイヤ５８の拡大像が影となって観測される。この拡大像は，中央の全影部６０と，その両側の半影部６２からなる。全影部６０は，焦点５６内のどこからやってくるＸ線もワイヤ５８に遮られて影となる部分である。半影部６２では，焦点５６内の一部からのＸ線はワイヤ５８に遮られて影になるが，焦点５６内の別の部分からのＸ線はワイヤ５８に遮られない。したがって，半影部６２は全影部６０よりも影が薄くなる。

第１の電子レンズの励磁電流を調整して（すなわち磁界強度を調整して），焦点５６の寸法ｄが最も小さくなるようにすれば，それが，結像確認用ターゲット上で電子ビームが正しく結像している状態となる。したがって，結像確認ターゲット上で電子ビームを結像させるには，第１の電子レンズの励磁電流を変化させて，観察窓の蛍光塗料に映るメッシュの影を観察し，そのメッシュの影が最もシャープに見えるところ，すなわち，半影部６２が最も小さくなるところ，を探せばよい。

焦点寸法ｄを知りたいときは，影の全体の寸法Ｌ３を測ることで，上述の特許文献２に記載の数式を用いて，焦点寸法ｄを算出することができる。すなわち，焦点５６からワイヤ５８までの距離Ｌ１，ワイヤ５８から蛍光塗料５４までの距離Ｌ２，ワイヤ５８の直径Ｄ，影の寸法Ｌ３を用いて，所定の数式により焦点寸法ｄを算出することができる。あるいは，より正確に焦点寸法を測定するには，ミクロフォトメータを用いてＸ線フィルム上にワイヤ像を記録し，その記録した像から焦点寸法を算出することもできる。

次に，結像確認装置を電子ビームに沿った方向に移動させる方法を説明する。図１０は結像確認装置の移動構造を示す側面断面図である。結像確認装置６６は電子ビームに沿った方向，すなわち矢印６４の方向，に移動させることができる。この移動により，結像距離ｆ１と距離ｂを任意に変えることができる。

結像確認装置６６のケーシング３４の両側には，細長く延びる内筒６８，７０が一体に形成されている。主ターゲット側（図面の左側）の内筒６８は外筒７２の内部に挿入されている。そして，内筒６８の先端付近の外周にはＯリング７４が設けられている。このＯリング７４により内筒６８と外筒７２の間を真空シールしている。一方，電子銃側（図面の右側）の内筒７０は外筒７６の内部に挿入されている。この内筒７０の先端付近の外周にもＯリングが設けられていて，外筒７６との間を真空シールしている。結像確認装置６６を手動で矢印６４の方向に動かせば，真空シール状態を保ちながら，結像確認装置６６を電子ビームに沿った方向に動かすことができる。この実施例では，ｆ１は４４〜１２０ｍｍの範囲内で変えることができ，それに伴って，ｂは１５６〜８０ｍｍの範囲内で変化する。したがって，結像倍率（Ｆ／Ｓ）は，２．８〜１５．０％の範囲内で変化する。

図１０は結像確認装置６６が最も電子銃側に寄った位置にある状態（ｆ１が最小）を示しており，図１１は結像確認装置６６が最も主ターゲット側に寄った位置にある状態（ｆ１が最大小）を示している。

図１０の例はＯリング方式の移動装置であるが，真空を保持したままで移動できるような他の方式，例えばベローズ方式，を採用することもできる。

次に，図２に示すＸ線発生装置の焦点サイズの調整方法を説明する。最初に，第１の電子レンズ１４だけを使って主ターゲット２０上に電子ビーム１２を結像する実験をした。管電圧を５０ｋＶにして，第１の電子レンズ１４の励磁電流を４４０μＡにすると，電子ビーム１２は主ターゲット２０上に結像し，このときの焦点サイズは約６４μｍであった。

次に，２段式の電子レンズを用いて実験をした。焦点サイズＦを所望の値にするには，まず，その焦点サイズＦが得られるような位置に，結像確認装置を矢印６４の方向に移動させる。例えば，２μｍの焦点サイズＦを得たい場合には，図９の（１）式においてＦ＝２μｍを代入すると，ｆ１＝５０ｍｍ，ｂ＝１５０ｍｍが得られる。そのような値になるように，結像確認装置を矢印６４の方向に移動させる。次に，図５の操作体３２を回転させて，ターゲット支持体３０を回転させ，結像確認用ターゲット２８を図６（Ａ）の挿入位置の状態にする。それから，管電圧を５０ｋＶに設定して，第１の電子レンズ１４の励磁電流を変化させて，図５の観察窓４６でＸ線４４によるメッシュ４８の影を観察する。そして，メッシュ４８の影が最もシャープになるように励磁電流を調整する。これによって，第１の結像点１６の位置が，ちょうど結像確認用ターゲット２８の位置と一致する。実験によれば，このときの第１の電子レンズ１４の励磁電流Ｉ１は６１８μＡであった。

次に，結像確認用ターゲット２８を図６（Ｂ）の退避位置に戻して，図２に示すように電子ビーム１２を主ターゲット２０に当てる。そして，主ターゲット２０から発生するＸ線２３について，そのワイヤ像を図８に示す方法で観測して，，ワイヤ像が最もシャープになるように，第２の電子レンズ１８の励磁電流を調整する。その結果，主ターゲット２０上の焦点サイズは２μｍになった。このときの第２の電子レンズの励磁電流Ｉ２は３９３μＡであった。

同様にして，各種の焦点サイズＦを作ったときの，結像距離ｆ１，距離ｂ，第１の電子レンズの励磁電流Ｉ１，第２の電子レンズの励磁電流Ｉ２の値を，図９の表１に示す。このように，本発明のＸ線発生装置によれば，２μｍという非常に小さな焦点サイズにして，高い分解能を確保することもできるし，また，焦点サイズを１６μｍと比較的大きくして，分解能は劣るが強度の高いＸ線を発生させることもできる。

主ターゲット上の焦点サイズが５μｍのときは，主ターゲットに投入可能な負荷は，推定で２ワットである。１０μｍのときは４．２ワット，２０μｍのときは８．５ワットである。

ところで，Ｘ線発生装置の製造時の検査のときには，ミクロフォトメータを用いて，主ターゲットの焦点サイズを正確に測定することができる。その後は，所望の焦点サイズを得たい場合には，結像確認装置を動かすだけでよく，焦点サイズは，結像確認装置の位置に基づいて，図９の（１）式で計算できる。したがって，焦点サイズを変更するときは，ミクロフォトメータのような記録装置は使わずに，主ターゲットからの主Ｘ線を用いてワイヤまたはメッシュの像を観測しながら，その像が最もシャープになるように第２の電子レンズのレンズ電流を調整すればよい。

次に，別の実施例を説明する。図４は第２実施例についての図２と同様の側面断面図である。この実施例が図２の第１実施例と異なるところは，主ターゲットが透過型ターゲット６６であることである。主Ｘ線６８はターゲット６６を透過してから外部に取り出される。

２段式の電子レンズを備える従来のＸ線発生装置の構成図である。 本発明の第１実施例のＸ線発生装置の基本構成を示す側面断面図である。 図２のＸ線発生装置の別の状態を示す側面断面図である。 本発明の第２実施例のＸ線発生装置の基本構成を示す側面断面図である。 結像確認装置の側面断面図である。 図５に示す位置切換機構の挿入状態と退避状態を示す水平断面図である。 ターゲット支持体と操作体の切断状態の斜視図である。 結像確認用ターゲットの焦点の状態を確認する方法を示す原理図である。 焦点サイズを算出する数式と，焦点サイズを調整するときの各種の数値を示す表１である。 結像確認装置の移動機構を示す側面断面図である。 結像確認装置が別の位置にある状態を示す側面断面図である。

符号の説明

１０ 電子銃
１２ 電子ビーム
１４ 第１の電子レンズ
１６ 第１の結像点
１８ 第２の電子レンズ
２０ 主ターゲット
２３ 主Ｘ線
２８ 結像確認用ターゲット
３０ ターゲット支持体
３２ 操作体
４２ ベリリウム窓
４４ 結像確認用のＸ線
４６ 観察窓
４８ メッシュ
５４ 蛍光塗料
６６ 結像確認装置

Claims (3)

1. 次の構成を備えるＸ線発生装置。
   （ア）電子ビームを発生する電子ビーム発生源。
   （イ）前記電子ビームを第１の結像点に結像させるための第１の電子レンズ。
   （ウ）前記第１の結像点を通過した電子ビームを第２の結像点に結像させるための第２の電子レンズ。
   （エ）前記第１の結像点の位置に選択的に配置可能で，電子ビームの照射を受けて結像確認用のＸ線を発生する結像確認用ターゲット。
   （オ）前記結像確認用ターゲットから発生したＸ線を観察するための観察装置。
   （カ）前記第２の結像点の位置に配置されて，電子ビームの照射を受けて主Ｘ線を発生する主ターゲット。
2. 請求項１に記載のＸ線発生装置において，前記結像確認用ターゲットの位置を，前記電子ビームの経路上の挿入位置と前記電子ビームの経路から外れた退避位置との間で切り換えることができることを特徴とするＸ線発生装置。
3. 請求項１または２に記載のＸ線発生装置において，前記結像確認用ターゲットの前記電子ビームの経路上の配置位置を，前記電子ビームに沿った方向に移動させることができることを特徴とするＸ線発生装置。

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