JP2006222031A

JP2006222031A - Ｘ線管ターゲットの製造方法

Info

Publication number: JP2006222031A
Application number: JP2005036385A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyuki Hasegawa; 清幸長谷川; Katsuyoshi Akabane; 克芳赤羽根; Yukio Kikuno; 幸男菊野; Nobuo Tozawa; 信雄戸沢
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Technos Co Ltd
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Technos Co Ltd
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】高融点金属からなるターゲット部材と高熱伝導度を有する基体金属とが良好に接合された製品を製造するこのとできる製法を提供すること。
【解決手段】高融点金属材料を用いて円環状のターゲット部材を製作するターゲット部材形成工程と、該ターゲット部材の内面にニッケルメッキを施すメッキ工程と、該ニッケルメッキが施されたターゲット部材のニッケルメッキ層に高融点金属を固相拡散させる固相拡散工程と、該ターゲット部材を鋳型中に嵌合し、その内側に溶融した銅または銅合金を鋳造する鋳ぐるみ工程と、鋳型から取り出された冷却後の鋳造物を所定の形状に機械加工する加工工程とを経て、銅または銅合金の基体の表面に高融点金属の円環状ターゲット部材が接合一体化されたＸ線管ターゲットを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子銃から発射された電子の衝突によりＸ線を発生するＸ線管ターゲットの製造方法に関するものである。

Ｘ線管としては、高融点金属からなる円環状ターゲット部材を高熱伝導金属材料からなる基体の円周状外周面に接合一体化したものが実用されている。このＸ線管ターゲットは、Ｘ線回折装置をはじめとする各種Ｘ線利用装置のＸ線源に用いられるもので、電子銃に対向させてＸ線管を配置し、電子銃から発射された電子をＸ線管ターゲット表面に衝突させることにより、該Ｘ線管ターゲットの表面からＸ線を発生させる構造となっている。

Ｘ線を発生させる材料としては、例えばタングステン、モリブデン、クロム、金、銀等の金属材料が挙げられる。しかしながら、これらの金属材料でＸ線管ターゲット全体を形成した場合、高価格となるばかりか、材料によっては、熱伝導率が低く、電子の衝突によって発生する熱を効率的に放散させることができず、表面部が異常高温になるという問題点がある。また、金属材料によっては、耐食性が低く、冷却水を長時間にわたって接触させておくことができない等の問題点もある。

そこで、従来のＸ線ターゲットは、電子の衝突によってＸ線を放射するターゲット材を熱伝導率の良好な金属材料で形成した基体の表面に接合一体化した構造とし、使用時には、基体の裏面配管を介して水を循環させ、電子の衝突により発生する熱を冷却するようにしている。

この種の従来のＸ線ターゲットは、基体の所要部分にターゲット材を設ける方法として、別途製作したターゲット材を蝋付けや固相拡散で固着したり、基体の表面に真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、メッキ等でターゲット材の層を形成する方法が採用されたが、いずれもターゲット材が基体から剥離しやすいという問題点があった。

特に、Ｘ線を放射するターゲット材としてタングステンを用いたものは、イオンプレーティングにより基体上に２０ミクロン程度の厚さの皮膜を形成するのが限界であり、この程度の厚さでは、Ｘ線放射時における破損が頻発するという問題点があるほか、使用により表面荒れが生じても、再研磨できないため、耐久性が乏しいという問題点があり、実用性に乏しかった。

一方、特許文献１には、異種金属間で生じる固相拡散を応用して、基体の表面にターゲット材を接合するＸ線管ターゲットの製造方法が開示されている。さらに特許文献２及び３には、基体とターゲット材との接合部に該基体とターゲット材よりも融点の低いインサート材を介在させ、所定の加圧下で加熱することにより、その接合部にインサート材の液相を生じさせる液相生成工程、インサート材を所定の加圧下で等温凝固させる工程、及び所定の加圧下の熱処理により、基体材料、ターゲット材、及びインサート材を相互に拡散させる拡散熱処理工程を行うＸ線管ターゲットの製造方法が開示されている。

特開平２−２３４３２４号公報特許第３０６７９９２号公報特許第３４１１４９３号公報

上記特許文献１に記載の方法では、接合する金属相互の融点に大きな温度差がある場合、融点の高い一方の金属が効率的に固相拡散する状態に至らず、その結果、接合強度が不足するという問題がある。また、上記特許文献２及び特許文献３に記載の方法では、ターゲット材としてタングステンやモリブデンといった高融点金属を用い、基体材料として熱伝導率の高い銅又は銅合金を用いた場合、インサート材は、銅又は銅合金の融点以下の融点をもつ材料、例えば銀、錫等が採用されるが、高融点金属ターゲット材とインサート材との融点の差が大きいため、拡散が十分に行われず、接合が不十分となるという問題点があった。また、インサート材が溶融すること、およびその後の固相拡散により、基体金属である銅又は銅合金と合金化し、基体金属の熱伝導度を低下させるという問題点もあった。

そこで本発明は、ターゲット材としてタングステンやモリブデン等の高融点金属を、また基体材料として銅もしくは銅合金を用いたＸ線管ターゲットであって、ターゲット材と基体金属の良好な接合状態を有するＸ線管ターゲットの製造方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、請求項１に記載のＸ線管ターゲット材の製造方法は、高融点金属材料を用いて円環状のターゲット部材を製作するターゲット部材形成工程と、該ターゲット部材の内面にニッケルメッキを施すメッキ工程と、該ニッケルメッキが施されたターゲット部材のニッケルメッキ層に高融点金属を固相拡散させる固相拡散工程と、該ターゲット部材を鋳型中に嵌合し、その内側に溶融した銅または銅合金を鋳造する鋳ぐるみ工程と、鋳型から取り出された冷却後の鋳造物を所定の形状に機械加工する加工工程とを経て、銅または銅合金の基体の表面に高融点金属の円環状ターゲット部材が接合一体化されたＸ線管ターゲットを得ることを特徴としている。

また、請求項２に記載の製造方法は、前記請求項１に記載の方法において、高融点金属としてタングステンを、銅合金としてクロム銅を用いるものである。

請求項１に記載のＸ線管ターゲットの製造方法は、高融点金属からなるターゲット材と、高熱伝導度を備えた銅又は銅合金からなる基体とをニッケルを介して接合するのであるが、タングステン、モリブデン等の高融点金属はニッケルに対し固溶性が良く、またニッケルと銅は全率固溶するので、高融点金属のターゲット材が銅又は銅合金の基体に強固に接合一体化される。このため、耐久性に優れたＸ線管ターゲットが得られるのである。高融点金属としては、請求項２に記載のごとく、タングステンが最も好ましく、基体としては、クロム銅を用いるのが好ましい。

以下本発明の実施形態について、具体的に説明する。図１、図２は本発明に係るＸ線管ターゲットを例示するもので、このＸ線管ターゲット１は、カップ状の基体２の円周状外周面に円環状の高融点金属からなるＸ線管ターゲット部材３が接合されている。このＸ線管ターゲット部材３に電子銃の電子が衝突すると、Ｘ線が放射される。使用中は、カップ状の基体２の内部に冷却水が供給される。

このＸ線管ターゲットは、次のような各工程を経て製造される。まず、高融点金属材料を用いて円環状のターゲット部材を製作するターゲット部材製作工程、得られたターゲット部材の内面にニッケルメッキを施すメッキ工程、高融点金属をニッケルメッキ層へ拡散させる固相拡散工程、鋳型中でターゲット部材に銅又は銅合金を鋳ぐるむ鋳ぐるみ工程、鋳型から取り出した鋳ぐるみ体に機械加工を施して所定の形状・寸法のＸ線管ターゲットとする加工工程、の各工程である。以下、高融点金属としてタングステンを用いる場合を例にとって説明する。

上記ターゲット部材製作工程は、圧延加工が施された高密度、高純度の板材を絞り加工し、ハット状部材とした後、これに放電加工等の方法で円環状ターゲット部材を形成する。ターゲット部材の材料である金属としては、高融点と耐スパッター性を保証するため、相対密度９８％以上で、純度は９９．９５％以上とするのが望ましい。

メッキ工程は、ターゲット部材の基体と接合する内面部分にニッケルメッキを施す工程で、内面だけにメッキ層を形成すればよいが、工程上の容易さから全面メッキが好ましければ、全面メッキを施してもよい。このメッキの材質としては、ニッケルメッキに限らず、タングステンやモリブデン等と固溶体を作りやすい鉄族金属（鉄、コバルト、パラジウム等）を採用することもできる。しかしながら、メッキの容易性やコストの見地から、ニッケルメッキを採用するのが最も好ましい。ニッケルメッキ層の膜厚は、ターゲット部材の内面が確実にニッケルメッキ層で覆われていることを保証するため、最低１ミクロンが必要であり、２〜３ミクロンとするのが好ましい。これ以上に厚くしても効果はそれほど変わらず、コストが高くなる分不利となる。

固相拡散工程は、ニッケルメッキ層への高融点金属の固相拡散工程であり、７００〜１１００℃で加熱して、ニッケル層中へターゲット部材を構成する高融点金属元素を拡散させ、ニッケルを母相とした固溶体を形成させる。７００℃よりも低い温度では拡散が不十分であり、１１００℃よりも高いと、ニッケルと高融点金属元素が脆い金属間化合物（例えばＮｉ₄ Ｗ等）を生成し、層間剥離の原因となるので、７００〜１１００℃の範囲が好ましい。

鋳ぐるみ工程は、鋳型中でターゲット部材に銅又は銅合金を鋳ぐるむ工程で、鋳型中の所定位置に円環状のターゲット部材を配置し、鋳型内部へ銅又は銅合金のブロックを置き、真空中で１２００℃に加熱し、銅又は銅合金のブロックを溶解する。ターゲット部材の内面にはニッケル固溶層が形成されているので、溶解した銅又は銅合金による濡れは良好である。ニッケルと銅は相互拡散するが、ニッケルの総量が小さいため、銅又は銅合金の熱伝導度に与える影響は僅かである。鋳型内部へ銅又は銅合金のブロックを置いて溶解してもよく、湯口を設けて、溶融した銅又は銅合金を注湯してもよい。銅又は銅合金から形成された基体中の鋳造欠陥、特に気泡を排除するため、真空又は減圧中での鋳造が好ましい。

加工工程は、鋳型から取り出した鋳造品に機械加工を施して、所定の形状・寸法を有するＸ線管ターゲットとする工程である。この加工は、例えば円環状高融点金属の外周面に旋盤加工を施して、基準面を形成し、しかるのち銅又は銅合金の部分を旋盤加工する。これにより、所望のＸ線管ターゲットが得られる。

素材であるタングステン板に加工を施して、図３（ａ）に示すような外径１２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤とした。タングステンの比重は１９．１以上、純度は９９．９５％以上であった。これに絞り加工を施し、図３（ｂ）に示すような外径７１．５〜７２ｍｍ、内径６８．８〜６９．２ｍｍ、側面平行部２４ｍｍ以上のカップ状とした。

得られたカップ状の部材の内面に電解ニッケルメッキを施した。このメッキに際しては、水素中において９００℃で１５分間加熱するクリーニング処理を行い、ついで厚さ２〜３ミクロンのメッキ層を形成した。その後水素中で８００℃で１５分間加熱することにより、固相拡散処理を行った。図３（ｃ）は内面にメッキを施したカップ状部材を表す。

ニッケルメッキを施したカップ状部材に放電加工を施して、カップの縁と底の部分を除去し、図３（ｄ）に示すようなタングステン円筒１を製作した。側面平行部は２４ｍｍ以上とした。

一方、銅との型離れの良い黒鉛を用いて坩堝状の鋳型５を作成した。図４は、この坩堝状鋳型５を表すもので、その内面には、黒鉛離型材を塗布した。図４に示す鋳型５は、底部が３段となっており、２段目の部分に上記タングステン円筒３を嵌着した。

基体の材料としてクロム銅を採用し、これを上記鋳型５に嵌る大きさのブロック（φ１６ｘＬ３０）に加工した。上記タングステン円筒を嵌着した鋳型５にクロム銅を入れ、真空溶解した。真空度は９ｘ１０^-5Ｔｏｒｒ以下でスタートし、最高９ｘ１０^-4Ｔｏｒｒ以上とした。これにより、クロム銅がタングステン円筒（Ｘ線ターゲット部材）と一体となった。

図５（ａ）は、冷却後鋳型から取り外した鋳造物を表すもので、鋳込み後のクロム銅の部分の上部に曳け巣６が存在した。この鋳造物のうち、まずタングステン円筒の外周部を旋盤で削って基準面を出したのち、クロム銅の部分に旋盤加工を施し、図５（ｂ）に示すような、所定形状・寸法のカップ状Ｘ線管ターゲットを得た。得られたＸ線管ターゲットは、タングステンのＸ線管ターゲット部材とクロム銅の基体とが良好に接合一体化されたもので、使用試験結果も良好であった。

以上の説明から明らかなように、本発明に係るＸ線管ターゲットは、熱伝導度が高い銅又は銅合金の基体の円周状外周面に、高融点金属からなる円環状のターゲット部材が強固に接合一体化されて設けられているもので、比較的低価格で耐久性に優れたＸ線放射効率の良いＸ線管ターゲットであり、Ｘ線利用装置のＸ線管ターゲットとして適したものである。

Ｘ線管ターゲットの断面図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。その拡大部分図である。製造工程の説明図である。円環状のターゲット部材を嵌着した坩堝状鋳型の断面図である。鋳造物の外観図（ａ）及び機械加工後の製品の外観図（ｂ）である。

符号の説明

１Ｘ線管ターゲット
２基体
３Ｘ線管ターゲット部材
５鋳型

Claims

高融点金属材料を用いて円環状のターゲット部材を製作するターゲット部材形成工程と、該ターゲット部材の内面にニッケルメッキを施すメッキ工程と、該ニッケルメッキが施されたターゲット部材のニッケルメッキ層に高融点金属を固相拡散させる固相拡散工程と、該ターゲット部材を鋳型中に入れて、その内側に溶融した銅または銅合金を鋳造する鋳ぐるみ工程と、鋳型から取り出された冷却後の鋳造物を所定の形状に機械加工する加工工程とを経て、銅または銅合金の基体の表面に高融点金属の円環状ターゲット部材が接合一体化されたＸ線管ターゲットを得ることを特徴とするＸ線管ターゲットの製造方法。
高融点金属がタングステンであり、銅合金がクロム銅である請求項１に記載のＸ線管ターゲットの製造方法。