JP2005332663A - Ｘ線発生装置および電子ビーム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クーロン相互作用による影響を小さくすることができるＸ線発生装置および電子ビーム制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 陰極１１から発生した電子ビームＢはターゲット１２に衝突してＸ線が発生するまでに、各段の集束コイル１３₁，１３₂によって集束しながらターゲット１２に向かう。このとき、コントローラ３２は、第１、第２集束コイル１３₁，１３₂の間に電子ビームＢが結像しないように、すなわち中間クロスオーバが形成されないように各段の集束コイル１３を操作することで、結像することなく陰極１１からターゲット１２に電子ビームＢは向かう。したがって、陰極１１からターゲット１２にわたって、電子ビームＢ中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、工業分野、医療分野などに用いられるＸ線発生装置および電子ビーム制御方法に係り、特に、複数の集束手段によって電子ビームを集束させる技術に関する。

Ｘ線発生装置では、陰極である電子銃（電子源）から発生した電子ビームを加速させてターゲットに衝突させることでＸ線を発生させる。Ｘ線を発生させる際には、ターゲットに電子ビームを衝突させるまでに、光学の集束レンズと同様に集束コイル（集束手段）によって電子ビームを集束させる。

従来では陰極としてタングステンで形成されたフィラメントを用いていたが、近年では消耗や切断に強い６ほう化ランタン（ＬａＢ₆）や６ほう化セリウム（ＣｅＢ₆）などで形成された単結晶あるいは焼結体のチップを用いている。これらのチップを用いることでフィラメントを用いたときよりも高輝度で、かつ高分解能化を実現することができる。

なお、上述した高分解能化を実現した場合には、高分解能のモードでは一般にＸ線量が減少してＸ線画像が暗くなる場合がある。そこで、実用上の理由によりＸ線画像が明るい中分解能のモードを兼ね備える必要がある。高分解能・中分解能間での選択を可能とするために、複数の集束コイルを備える。特に、２つの集束コイルを備えた場合、すなわち集束コイルを２段に設けた場合には、電子銃側の集束コイルを『第１集束コイル』とし、ターゲット側の集束コイルを『第２集束コイル』としたときに、第１集束コイルで電子ビームが集束した後に、第２集束コイルでターゲット上に集束し、微小スポットからＸ線が発生する（例えば、非特許文献１参照）。なお、このとき、第１集束コイルと第２集束コイルとの間に電子ビームが一旦結像する中間クロスオーバが形成される。これらの２段以上の集束コイルにより中間クロスオーバを形成して微小スポットを形成する手法は、高い縮小率が必要な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで広く使われている手法である。
実験物理学講座２３ 電子顕微鏡， 上田良二 編 共立出版（１９８２），P328-330

しかしながら、第１コイルの後段側に集束させて中間クロスオーバを形成する場合には、ＳＥＭのように例えば１０ｎＡ未満のように小さな電子ビーム量で集束を行うときには問題がないが、Ｘ線発生装置のように例えば１μＡを超える大きな電子ビーム量を必要とするときには以下のような問題がある。

電子ビーム中の電子同士は、クーロン（Coulomb）相互作用によって互いに反発している。通常の集束されていないビーム状態では、電子同士の平均相対距離が十分に長いので、クーロン相互作用の影響は小さいが、集束コイルによって結像されるクロスオーバでは電子ビームが微小領域に集中するので、クーロン相互作用の影響が大きくなる。クーロン相互作用は、電子ビーム量が多くなればなるほど大きくなる。したがって、ＳＥＭで起こるクロスオーバのときよりも、Ｘ線発生装置で起こるクロスオーバのときの方がクーロン相互作用は大きくなる。

クーロン相互作用によって電子ビームの質が劣化することはよく知られている（例えば、P. Kruitt and G. H. Jansen, "Space charge and statistical Coulomb effects", Handbook of Charged Particle Optics/edited by Jon Orloff, p275-318, CRC Press）。クロスオーバにおいてクーロン相互作用により、（ａ）電子ビームのもつエネルギのバラツキが大きくなる（Boersch効果），あるいは（ｂ）電子ビーム中の電子の速度方向や、垂直成分の変位／速度に統計的なバラツキが生じるという現象が起こる。上述した（ａ），（ｂ）のいずれの場合においても、ターゲット上の電子ビームの径を広げるという影響をもつ。

すなわち、（ａ）のように、電子ビームのもつエネルギのバラツキが大きくなると、エネルギによってレンズの焦点距離が変わるレンズ系の色収差によってビームぼけを起こす。また、（ｂ）のように、変位／速度の垂直成分の統計的なバラツキが生じると、ビームの輝度、すなわち単位立体角当たりの電流密度を低下させてしまい、（ｂ）の場合においてもターゲット上のビーム径が広がってしまう。

クロスオーバにおけるクーロン相互作用の影響は、上述したフィラメントのときよりも高輝度を実現することができる６ほう化ランタン（ＬａＢ₆）などのチップを電子銃の陰極として用いる場合の方が大きい。すなわち、高輝度になれば単位立体角当たりの電流密度が高くなるので、電子ビーム量が多くなってクーロン相互作用が大きくなる。このことから、フィラメントのときよりもチップを陰極として用いる場合の方が、ターゲット上の電子ビームの径を広げる効果が大きい。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、クーロン相互作用による影響を小さくすることができるＸ線発生装置および電子ビーム制御方法を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、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、電子ビームを発生させる電子源と、前記電子源に対向配置され、電子源からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させるターゲットと、電子源と前記ターゲットとの間に配置され、電子ビームを集束させる複数の集束手段とを備えたＸ線発生装置であって、前記集束手段を操作することで電子ビームの集束を制御する制御手段を備え、その制御手段は、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、電子源から発生した電子ビームはターゲットに衝突してＸ線が発生するまでに、複数の集束手段によって集束しながらターゲットに向かう。このとき、制御手段は、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することで、結像することなく電子源からターゲットに電子ビームは向かう。したがって、電子源からターゲットにわたって、電子ビーム中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。

また、請求項２に記載の発明は、複数の集束手段により電子ビームを集束させて、電子ビームのターゲットへの衝突によりＸ線を発生させる際に、それらの集束手段を操作することで電子ビームの集束を制御する電子ビーム制御方法であって、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項２に記載の発明によれば、電子ビームはターゲットに衝突してＸ線が発生するまでに、複数の集束手段によって集束しながらターゲットに向かう。このときに、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することで、結像することなくターゲットに電子ビームは向かう。したがって、ターゲットに向かうまで、電子ビーム中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。

なお、本明細書は、次のようなＸ線撮像装置に係る発明も開示している。

（１）Ｘ線を発生させて照射するＸ線発生手段と、照射されたＸ線を検出するＸ線検出手段とを備え、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像するＸ線撮像装置であって、前記Ｘ線発生手段は、電子ビームを発生させる電子源と、前記電子源に対向配置され、電子源からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させるターゲットと、電子源と前記ターゲットとの間に配置され、電子ビームを集束させる複数の集束手段と、前記集束手段を操作することで電子ビームの集束を制御する制御手段とを備え、その制御手段は、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することを特徴とするＸ線撮像装置。

前記（１）に記載の発明によれば、Ｘ線発生手段から照射されたＸ線をＸ線検出手段が検出することで、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像する。このＸ線発生手段において電子源から発生した電子ビームはターゲットに衝突してＸ線が発生するまでに、複数の集束手段によって集束しながら電子源からターゲットに向かう。このときに、制御手段は、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することで、結像することなく電子源からターゲットにわたって、電子ビーム中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。このクーロン相互作用による影響を小さくすることで、ターゲット上の電子ビームの径を小さくすることができて、ビームぼけを防止することができるとともに、このビームぼけによるＸ線画像の劣化を防止することができる。また、複数の集束手段をＸ線発生手段が備えているので、クーロン相互作用による影響を小さくしつつ、複数種類の分解能を選択することができ、様々な撮像を行うことができる。

この発明に係るＸ線発生装置および電子ビーム制御方法によれば、電子ビームはターゲットに衝突してＸ線が発生するまでに、複数の集束手段によって集束しながらターゲットに向かう。このときに、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することで、結像することなくターゲットに向かうまで、電子ビーム中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。

図１は、実施例に係るＸ線管の構成を示す概略断面図であり、図２は、中間クロスオーバが形成されたときにおいてＸ線管の各段の集束コイルの励起強度をそれぞれ変えたときの陰極からの電子ビームの照射状態を示す概略図であり、図３は、中間クロスオーバを形成しなかったときの電子ビームの照射状態を示す概略図であり、図４は、通常の操作においてＸ線管の各段の集束コイルの励起強度をそれぞれ変えたときの陰極からの電子ビームの照射状態を示す概略図である。

図１に示すＸ線管１はＸ線非破壊検査機器など代表されるＸ線撮像装置に用いられ、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線管１と、Ｘ線管１から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器２とを備えている。Ｘ線検出器２は、例えばイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）やフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）などがある。Ｘ線管１から照射されたＸ線をＸ線検出器２が検出することで、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像する。Ｘ線管１と後述するレンズ電源３１とコントローラ３２とはこの発明におけるＸ線発生装置に相当し、この発明におけるＸ線発生手段にも相当する。また、Ｘ線検出器２は、この発明におけるＸ線検出手段に相当する。

Ｘ線管１は、電子ビームＢを発生させる陰極（カソード）１１と、この陰極１１に対向配置され、陰極１１からの電子ビームＢの衝突によりＸ線を発生させるターゲット１２と、陰極１１とターゲット１２との間に配置され、電子ビームＢを集束させる２つの集束コイル１３を備えている。つまり、本実施例では、集束コイル１３を２段に設けている。本明細書中では、陰極１１側の集束コイル１３を『第１集束コイル１３₁』とし、ターゲット１２側の集束コイル１３を『第２集束コイル１３₂』とする。なお、特に断りがないときには『集束コイル１３』で統一して以下を説明する。

本実施例では、陰極１１として６ほう化ランタン（ＬａＢ₆）や６ほう化セリウム（ＣｅＢ₆）などで形成された単結晶あるいは焼結体のチップを用いている。このチップは、タングステンで形成されたフィラメントと比較すると消耗や切断に強い。陰極１１は、この発明における電子源に相当し、ターゲット１２は、この発明におけるターゲットに相当し、集束コイル１３は、この発明における集束手段に相当する。

集束コイル１３は円環状に構成されており、その中心には電子ビームＢを絞る絞り孔１４を有したアパーチャ１５を配設している。各集束コイル１３は、Ｘ線管１の外部にある各レンズ電源３１を介してコントローラ３２に接続されており、レンズ電源１３から集束コイル１３に電流を流すことで磁界を発生させて、光学の集束レンズと同様に集束コイル１３は電子ビームＢを集束させる。なお、集束コイル１３は、それに流す電流、すなわち励起強度を変えることで電子ビームＢの焦点距離を自在に変えることができる。本明細書中では、第１集束コイル１３₁に電流を流すレンズ電源３１を『第１レンズ電源３１₁』とし、第２集束コイル１３₂に電流を流すレンズ電源３１を『第２レンズ電源３１₂』とする。なお、特に断りがないときには『レンズ電源３１』で統一して以下を説明する。コントローラ３２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成されており、この発明における制御手段に相当する。

陰極１１と第１集束コイル１３₁との間には、陰極１１から第１集束コイル１３₁に向かう電子ビームＢの照射方向に、ウェネルト電極１６，陽極（アノード）１７を順に配設している。なお、陽極１７は、通常では接地電位となっている。

ウェネルト電極１６は、陽極１７によって引き出される陰極１１からの電子ビームＢの電子ビーム量（『エミッション電流値』あるいは『管電流値』とも呼ばれる）を制御するもので、ウェネルト電極１６の電位によって電子ビーム量が変化する。陽極１７は、陰極でもある陰極１１から発生する電子ビームＢを引き出す。この陽極１７による引き出しで電子ビームＢはターゲット１２に向かって加速する。上述したこれらの陰極１１とウェネルト電極１６と陽極１７とで電子銃を構成している。

この他に、陰極１１と第２集束コイル１３₂との間には、図示を省略する偏向コイルを備えており、電子ビームＢの照射を偏向する。そして、この偏向コイルに電流を流すことで磁界を発生させて偏向を行う。偏向コイルの配設箇所や、配設個数については特に限定されず、陰極１１と第２集束コイル１３₂との間であれば、電子ビームＢの照射状況に応じて適宜変更することができる。

次に、中間クロスオーバが形成されたときにおいて各段の集束コイル１３の励起強度をそれぞれ変えたときの陰極からの電子ビームの照射状態について、図２を参照して説明する。実際には、電子ビームＢはアパーチャ１５の絞り孔１４を通って絞られるが、アパーチャ１５を備えた場合でも、備えない場合でも、電子ビームＢの焦点距離は変わらないので、図２および後述する図３、図４では絞り孔１４やアパーチャ１５の図示を省略する。なお、図２の各図では、ターゲット１２上に焦点が常に位置するように各段の集束コイル１３はコントローラ３２に操作されている。

もし、第１、第２集束コイル１３₁，１３₂の間で結像されていれば、すなわち中間クロスオーバＣが形成されていれば、図２（ａ）に示すような状態となる。この場合には、コントローラ３２は第１レンズ電源３１₁を介して第１集束コイル１３₁を操作する。具体的には、中間クロスオーバＣが形成されているときの電流よりも小さくする、すなわち第１集束コイル１３₁の励起強度を小さくするように第１集束コイル１３₁を操作する。すると、第１集束コイル１３₁の励起強度が小さくなることで第１集束コイル１３₁に対して焦点距離が長くなり、それに伴って中間クロスオーバＣは、図２（ｂ）に示すように第２集束コイル１３₂側に移動する。なお、ターゲット１２上に焦点が常に位置するように、中間クロスオーバＣの移動に伴って、コントローラ３２は第２レンズ電源３１₂を介して、第２集束コイル１３₂を操作する。

図２（ｂ）に示すように、中間クロスオーバＣが形成されている場合には、コントローラ３２は第１レンズ電源３１₁を介して第１集束コイル１３₁を操作する。具体的には、図２（ｂ）に示す中間クロスオーバＣが形成されているときの電流よりも小さくする、すなわち第１集束コイル１３₁の励起強度を小さくするように第１集束コイル１３₁を操作する。すると、中間クロスオーバＣは第２集束コイル１３₂側にさらに移動し、最終的には、図２（ｃ）に示すように中間クロスオーバＣが形成されなくなる。すなわち、第１、第２集束コイル１３₁，１３₂間に電子ビームＢが結像しなくなる。

なお、電子ビームＢの量や第１、第２集束コイル１３₁，１３₂間の距離や陰極１１・第１集束コイル１３₁の間の距離や第２集束コイル１３₂・ターゲット１２間の距離などによって励起強度は変化するので、第１集束コイル１３₁の励起強度を先ず変更してから、ターゲット１２上に焦点が合うように第２集束コイル１３₂の励起強度を変更すると、各段の集束コイル１３の操作および電子ビームＢの集束の制御が行いやすい。もちろん、第２集束コイル１３₂の励起強度を先ず変更してから、ターゲット１２上に焦点が合うように第１集束コイル１３₁の励起強度を変更してもよい。

また、図２（ｃ）に示すような状態から、第１集束コイル１３₁の励起強度を小さくするように第１集束コイル１３₁を操作すると、図３に示すように、第１、第２集束コイル１３₁，１３₂間において電子ビームＢの照射角の開きが平行になる。

上述した場合では、中間クロスオーバＣが形成されたときから、中間クロスオーバＣが形成されなくなるまでの照射状態を説明するために図２を用いて説明したが、実際には、照射する場合においては、中間クロスオーバＣを形成せずに図４のように操作する。

第１レンズ電源３１₁を介して、第１集束コイル１３₁の励起強度を０にする、すなわち第１集束コイル１３₁に流す電流を０にするように、コントローラ３２は第１集束コイル１３₁を操作する。すると、図４（ａ）に示すような状態となる。この場合には、レンズ系倍率も最小となり、ターゲット１２上に到達する電子ビームＢの量も最少である。第１集束コイル１３₁の励起強度を連続的に増大させると、図４（ｂ）に示すような状態となる。このとき、ターゲット１２上に焦点が常に位置するように、コントローラ３２は第２レンズ電源３１₂を介して、第２集束コイル１３₂を操作する。

そして、第１集束コイル１３₁の励起強度を所定の閾値以下に制限しつつ、第１集束コイル１３₁の励起強度をさらに増大させれば、図４（ｃ）に示すように、中間クロスオーバが形成されることがない。なお、高分解能／中分解能を選択する場合においては、第１集束コイル１３₁の励起強度を所定の閾値以下に制限した状態で、各段の集束コイル１３の励起強度、すなわちレンズ系倍率を調整するように操作すればよい。

以上のように構成されたＸ線管１とレンズ電源３１とコントローラ３２とからなるＸ線発生装置によれば、陰極１１から発生した電子ビームＢはターゲット１２に衝突してＸ線が発生するまでに、各段の集束コイル１３によって集束しながらターゲット１２に向かう。このとき、コントローラ３２は、第１、第２集束コイル１３₁，１３₂の間に電子ビームＢが結像しないように、すなわち中間クロスオーバＣが形成されないように各段の集束コイル１３を操作することで、結像することなく陰極１１からターゲット１２に電子ビームＢは向かう。したがって、陰極１１からターゲット１２にわたって、電子ビームＢ中の電子同士の平均相対距離は常に十分に長くなり、クーロン相互作用による影響を小さくすることができる。

また、Ｘ線管１を備えたＸ線撮像装置によれば、このクーロン相互作用による影響を小さくすることで、ターゲット１２上の電子ビームＢの径を小さくすることができて、ビームぼけを防止することができるとともに、このビームぼけによるＸ線画像の劣化を防止することができる。また、２つの第１、第２集束コイル１３₁，１３₂を備えているので、クーロン相互作用による影響を小さくしつつ、複数種類の分解能を選択することができ、様々な撮像を行うことができる。

なお、本実施例では、陰極１１として消耗や切断に強い単結晶あるいは焼結体のチップを用いており、このチップはタングステンで形成されたフィラメントよりも高輝度を実現することができる。したがって、中間クロスオーバが形成される場合では、クーロン相互作用が大きくなるが、この発明では、そのクーロン相互作用による影響を小さくすることができる。したがって、この発明では、かかるチップを陰極１１として用いる場合において、特に有用である。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、非破壊検査機器などの工業用装置を例に採ってＸ線撮像装置を説明したが、この発明は、Ｘ線診断装置などの医用装置にも適用することができる。

（２）上述した実施例では、電子源として、消耗や切断に強い単結晶あるいは焼結体のチップを用いたが、タングステンで形成されたフィラメントを用いてもよい。

（３）上述した実施例では、集束コイル１３はいわゆる２段式であったが、３段以上であってもよい。

（４）上述した実施例では、各集束手段（実施例では集束コイル１３）の間に結像しないように各集束手段を操作するのであれば、図３、図４（ｃ）に示すように電子ビームＢの照射角の開きが平行になるように操作してもよいし、図２（ｃ）に示すように電子ビームＢが絞り込まれるように操作してもよいし、図４（ｂ）に示すように電子ビームＢが開くように操作してもよい。

実施例に係るＸ線管の構成を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、中間クロスオーバが形成されたときにおいてＸ線管の各段の集束コイルの励起強度をそれぞれ変えたときの陰極からの電子ビームの照射状態を示す概略図である。 中間クロスオーバを形成しなかったときの電子ビームの照射状態を示す概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、通常の操作においてＸ線管の各段の集束コイルの励起強度をそれぞれ変えたときの陰極からの電子ビームの照射状態を示す概略図である。

符号の説明

１ … Ｘ線管
２ … Ｘ線検出器
１１ … 陰極
１２ … ターゲット
１３ … 集束コイル
１３₁ … 第１集束コイル
１３₂ … 第２集束コイル
３１ … レンズ電源
３１₁ … 第１レンズ電源
３１₂ … 第２レンズ電源
３２ … コントローラ
Ｃ … 中間クロスオーバ
Ｂ … 電子ビーム

Claims (2)

1. 電子ビームを発生させる電子源と、前記電子源に対向配置され、電子源からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させるターゲットと、電子源と前記ターゲットとの間に配置され、電子ビームを集束させる複数の集束手段とを備えたＸ線発生装置であって、前記集束手段を操作することで電子ビームの集束を制御する制御手段を備え、その制御手段は、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することを特徴とするＸ線発生装置。
2. 複数の集束手段により電子ビームを集束させて、電子ビームのターゲットへの衝突によりＸ線を発生させる際に、それらの集束手段を操作することで電子ビームの集束を制御する電子ビーム制御方法であって、隣接する各集束手段の間に電子ビームが結像しないように各集束手段を操作することを特徴とする電子ビーム制御方法。
   

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