JP2007066850A - Ｘ線発生方法及びｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子線などのエネルギー線を高エネルギー状態でターゲットに照射した場合においても、前記ターゲットの、熱応力に起因した表面荒れを抑制し、前記ターゲットから高輝度のＸ線を安定的に生成する。
【解決手段】ターゲットの表面にエネルギー線を照射し、前記ターゲットの、前記エネルギー線の照射された部分を溶解させ、前記ターゲット表面の、前記エネルギー線照射に起因した荒れを消去した状態で前記ターゲットよりＸ線を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超高輝度を実現できるＸ線発生方法及びＸ線発生装置に関する。

Ｘ線回折測定等においては、可能なかぎり強い強度のＸ線を試料に照射して測定を行う必要がある場合がある。この様な場合に用いられるＸ線発生装置として従来から回転対陰極Ｘ線発生装置が知られている。

この回転対陰極Ｘ線発生装置は、内部に冷却媒体を流通させた円柱状の対陰極（ターゲット）を高速で回転させながら、その外周表面に電子線を照射してＸ線を発生させるものである。この回転対陰極Ｘ発生装置は、ターゲットを固定した固定ターゲットのタイプに比較してターゲット上の電子線の照射位置が時々刻々と変化するので冷却効率が極めて高く、したがって、対陰極に大電流の電子線を照射することができ、強力な（高輝度の）Ｘ線を発生させることができる。

しかしながら、上述したような回転対陰極を初めとするターゲットに電子線が照射されると、前記ターゲットは加熱され、前記電子線の照射が外れると前記ターゲットは冷却されるようになる。したがって、前記ターゲット上において、前記電子線の照射に起因した加熱及び冷却が繰り返されることにより、前記ターゲットに熱応力が発生し、前記ターゲットの表面が荒れるようになる。このような荒れた表面を有するターゲットに対して電子線を照射し続けると、生成したＸ線が前記ターゲット表面の凹凸部分で吸収されるようになり、結果的にＸ線の出力が低下してしまうようになる。

したがって、生成されるＸ線の出力を安定的に維持するためには、当初よりターゲットに照射すべき電子線のエネルギーを低下させ、Ｘ線の出力を低い状態で安定的に維持しなければならない。

本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、電子線などのエネルギー線を高エネルギー状態でターゲットに照射した場合においても、前記ターゲットの、熱応力に起因した表面荒れを抑制し、前記ターゲットから高輝度のＸ線を安定的に生成することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、前記ターゲットの、前記エネルギー線の照射された部分を溶解させる工程を具え、
前記ターゲット表面の、前記エネルギー線照射に起因した荒れを消去した状態で前記ターゲットよりＸ線を発生させるようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

また、本発明は、
所定のエネルギー線照射によりＸ線を発生させるためのターゲットと、
前記エネルギー線を生成するためのエネルギー線源とを具え、
前記エネルギー線源は、前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射された部分が溶解するようにして前記エネルギー線照射を行い、前記ターゲット表面の、前記エネルギー線照射に起因した荒れを消去した状態で前記ターゲットよりＸ線を発生させるように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置に関する。

従来においては、回転対陰極などを構成するターゲットに対して電子線などのエネルギー線を照射してＸ線を発生させる際にも、前記ターゲットの溶解を抑制する観点から、前記エネルギー線の照射部分が最大でも前記ターゲットの融点近傍となるまでしか加熱せず、たとえ前記ターゲットが溶解するような場合が生じてもあくまで前記エネルギー線照射領域における微小領域に留めるようにしていた。

一方、本発明では、従来の常識に反して前記ターゲットに対して積極的に高エネルギー線を照射し、前記ターゲットのエネルギー線照射部分を溶解させるようにしている。この場合、前記ターゲットの溶解部分はあくまで前記エネルギー線の照射部分であって、前記ターゲットの全体の大きさに比較すると極めて微小な領域である。したがって、前記ターゲットの前記溶解に伴う飛散は極力抑制することができる。

また、前記ターゲットに対しては高エネルギー線が照射されるので、前記ターゲットからは高輝度のＸ線が発生するようになる。また、前記ターゲットの、前記エネルギー線照射部分は逐次溶解するようにしているので、例えば前記ターゲット表面に沿って前記エネルギー線をスキャンさせた場合、前記ターゲット表面の前記エネルギー線が照射された部分は逐次溶解するようになる。したがって、前記ターゲット表面は前記溶解に伴って逐次平坦化処理がなされることになり、前記ターゲット表面は前記エネルギー線照射中において常に平坦な状態を保持するようになるので、前記ターゲット表面の荒れに起因したＸ線の吸収などが生じることがない。この結果、高輝度のＸ線を長時間安定的に生成することができるようになる。

なお、本発明の好ましい態様においては、前記ターゲットは回転対陰極を構成し、前記エネルギー線は前記回転対陰極の回転による遠心力に抗して存在する部分に照射するようにする。これによって、前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射された部分が溶解した場合においても、この溶解部分が外方へ飛散するのを効果的に抑制することができるようになる。また、前記ターゲット上の前記エネルギー線の照射位置を簡易にシフトさせることができるので、高輝度のＸ線をより長時間安定的に発生させることができる。

この場合、前記回転対陰極は、前記回転対陰極の外縁に沿って設けた筒状部分を有し、前記エネルギー線は前記筒状部分の内壁表面に照射するようにすることもできる。この場合、前記筒状部分において溶解が生じることになるので、このような溶解部分が外方へ飛散するのをより効果的に抑制することができる。

また、前記筒状部材の側壁を前記中心軸側へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極の、前記電子線を照射した前記部分の、溶解に伴う飛散をさらに抑制するようにすることもできる。一方、前記筒状部材の側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させ、溶解部分の外方への飛散を抑制した状態で、前記回転対陰極から発生した前記Ｘ線の取り出しを容易にすることもできる。

さらに、前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成し、エネルギー線照射による溶解部分の飛散をより効果的に抑制するようにすることもできる。この際、前記Ｖ字溝状又は前記Ｕ字溝状に形成された前記部分は、前記エネルギー線照射による溶解後の、前記遠心力が作用した場合の形状と略同形状に形成することができる。これによって、前記ターゲットの表面荒れをより効果的に抑制することができ、高輝度のＸ線を長時間安定的に発生するようにすることができる。

また、本発明の他の好ましい態様においては、前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射される前記部分の周囲を、前記ターゲットの、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料よりも高融点及び／又は高熱伝導度の物質で構成する。これによって、ターゲット全体の冷却効率の向上が図れるとともに、ターゲット全体の変形を防止することができるようになり、高輝度のＸ線を長時間安定的に発生させるようにすることができる。

具体的に、Ｘ線発生のためのターゲットは、そのターゲット材料の、前記エネルギー線を照射する側に対する裏面において冷却水を流し、前記ターゲット材料、すなわち前記ターゲットを逐次冷却するようにしている。しかしながら、前記エネルギー線の強度をあまりに高くし過ぎたり、所定の箇所への照射時間が長時間化したりすると、前記ターゲット材料、すなわちターゲット自体が前記エネルギー線によって貫通し、前記冷却水がＸ線発生側に漏洩したりして、実質上装置の使用を不可能にしてしまう場合がある。

したがって、前記ターゲットを特に、前記ターゲット材と、このターゲット材の裏面に設けた前記高融点及び／又は高熱伝導度の物質との２重構造とし、前記エネルギー線を前記ターゲット材に照射して前記Ｘ線を発生させるとともに、前記物質の裏面側に前記ターゲット材に対する冷媒を流すように構成することによって、前記物質の高融点の効果による高耐熱性の効果及び／又は高熱伝導性の効果による高冷却性の効果とによって、前記ターゲットが前記エネルギー線照射によって貫通するのを抑制し、前記冷媒の漏洩を効果的に抑制することができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、電子線などのエネルギー線を高エネルギー状態でターゲットに照射した場合においても、前記ターゲットの、熱応力に起因した表面荒れを抑制し、前記ターゲットから高輝度のＸ線を安定的に生成することが可能な、Ｘ線発生方法及びＸ線発生装置を提供することができる。

以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係るＸ線発生装置の構成を示す断面図であり、図２は図１の一部拡大図である。以下、これらの図を参照にしながら一実施の形態を説明する。

図に示すＸ線発生装置においては、回転対陰極１が収納される対陰極室２と、陰極３が収納される陰極室４と、回転対陰極１を回転駆動する駆動モータ５が設けられた回転駆動部６とが、互いに隣接するとともに気密構造部材２ａ、４ａ及び６ａによって隔離されて形成されている。また、対陰極室２と陰極室４とを仕切る隔壁部２ｂには、陰極３から射出される電子線３０を通過させる小さな貫通孔２ｃが設けられている。さらに、対陰極室２及び陰極室４の各々には図示しない真空排気装置が接続される真空排気□２ｄ及び４ｄが設けられている。なお、貫通孔２ｃの部分に管を設けるようにすることもできる。

回転対陰極１は、Ｃｕ（銅）等からなる筒状部１１と、この筒状部１１の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部１２と、筒状部１１及び円板状部１２の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部１３とが連続して一体に形成され、かつ内部は冷却水を流すことができるように空洞に形成されており、筒状部１１の筒の内壁表面１ａを電子線照射部とするものである。

回転対陰極１の回転軸部１３は、回転駆動部６内に設けられた１対の軸受け部材１３ａ、１３ｂによって回転自在に支持されている。また、回転軸部１３の外周部には上記駆動モータ５の回転子５ｂが取付けられ、この回転子５ｂを回転駆動する固定子５ａが上記回転駆動部６内において気密構造部材６ａに取付けられている。

回転軸部１３の円板状部１２寄りの根元部には、回転軸部１３と気密構造部材６ａとの間を気密に保持して上記体対陰極室２の真空を維持する回転軸シール部材１３ｃが設けられている。

さらに、回転対陰極１の内部には、電子線照射部１ａの内壁面に冷却水を流通させるための固定隔壁部材１４が挿入設定されている。この固定隔壁部材１４は、回転軸部１３の内部においては筒状をなしており、円板状部１２に至ってその筒の端部を円板状に拡げ、筒状部１１の内部の右端部内壁の手前で延長されている。

すなわち、この固定隔壁１４は、回転対陰極１の内部の空洞部分をいわば二重管構造に仕切っている。この二重管の外側管部１４ａは冷却水の導入口１６に連通されている。なお、冷却水の導入口１６から導入された冷却水は軸受け部材１３ｂや駆動モータ５が設けられた収納スペース内に洩れ出ないようにしつつ二重管の外側管部１４ａ内に導入されるようになっている。

したがって、冷却水導入口１６から導入された冷却水は、二重管の外側管部１４ａを進行、上記筒状部１１の内部の右端部内壁で折り返して二重管の内側管部１４ｂに進行して電子線照射部１ａの内壁面を冷却した後、内側管部１４ｂ内をさらに進行して冷却水の排出□１７を通じて外部に排出される。

回転対陰極１の電子線照射部１ａの近傍の気密構造部材２ａには、電子線照射部１ａに電子線３０が照射されたときに発生するX線２０を外部に取り出すためのX線窓２１が形成されている。このX線窓２１にはべリリウム膜等のX線透過性の材料からなるX線透過膜２２が形成されており、対陰極室２の真空を維持しながらX線を取り出せるようになっている。

陰極３は、絶縁構造部３２、フィラメント３３及びウエンネルト３４等とから構成されており高圧導入部３１から導入された数十ＫＶの高圧電力及びフィラメント電力を供給することによって、対陰極１に電子線３０を照射する。

上述の構成において、冷却水導入口１６から冷却水を導入し、騒動モータ５によって回転対陰極１を高速回転させ、陰極３から対陰極１の電子線照射部１ａに電子線３０を照射するとＸ線２０を発生させることができる。この際、電子線３０の強度は電子線照射部１ａが溶解するような強度とする。

上述の構成によれば、駆動モータ５によって回転対陰極１を高速回転させているので、電子線３０の照射部はかかる照射部を溶解させるとともに、その照射溶解部が逐次変化するようになる。したがって、対陰極１の表面は前記溶解に伴って逐次溶解するようになる。したがって、対陰極１の表面は前記溶解に伴って逐次平坦化処理がなされることになり、対陰極１の表面は電子線３０の照射中において常に平坦な状態を保持するようになる。すなわち、本例においては、対陰極１の表面が電子線３０の照射によって荒れることがないので、生成したＸ線が対陰極１の表面荒れによって吸収されたりすることがない。

また、電子線３０は対陰極１の電子線照射部１ａが溶解するような高強度で照射しているため、対陰極１からは高輝度のＸ線が発生するようになる。したがって、生成したＸ線の、対陰極１の表面荒れに起因した吸収抑制の効果と相伴って、高輝度のＸ線を長時間安定的に生成することができるようになる。

なお、本例においては、対陰極１の表面における電子線照射部１ａの溶解に伴って、その表面荒れを表面平均粗さで１μｍ以下、さらには１００ｎｍ以下にまですることができる。すなわち、対陰極１の表面を長時間に亘って極めて平坦に維持することができる。一方、従来の方法では、例えば対陰極１の表面荒れは表面平均粗さで２〜１０μｍ程度である。したがって、本発明では、このような対陰極１の表面荒れの相違に基づいて、高輝度のＸ線を安定的に生成することができることが分かる。

また、本例では、電子線照射部１ａは対陰極１の筒状部１１の内壁面に設定しているので、この場合、筒状部１１の前記内壁面において溶解が生じることになる。したがって、電子線照射部１ａは回転対陰極１の回転に伴う遠心力に抗して存在するようになり、外方への飛散を効果的に抑制することができる。

なお、上述の実施例では、回転対陰極１の筒状部１１に対して特に変形加工を加えることなく、すなわち、筒状部１１の側壁が回転軸線（中心軸）に平行となる状態のままで、前記内壁面を電子線照射部１ａとしている。しかしながら、電子線照射部１ａの表面をその断面の表面輪郭線が回転軸線に対して、コンマ数度ないし十数度傾斜するようにすることもできる。

具体的には、筒状部１１の前記側壁を前記回転軸線に向けてコンマ数度ないし数十度の角度で傾斜するようにすることができる。この場合、電子線照射部１ａは筒状部１１の内壁面上において遠心力に抗してより安定的に存在することができるようになる。したがって、電子線照射部１ａの溶解による外方への飛散をさらに効果的に抑制することができるようになる。一方、筒状部１１の前記側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させるようにすることもできる。この場合、電子線照射部１ａの外方への飛散を抑制した状態で、回転対陰極１から発生したＸ線の取り出しを容易にすることができる。

さらに、電子線照射部１ａの部分を断面がＶ字溝状又はＵ字構状に形成すれば、電子照射部１ａの溶解による外方への飛散を効果的に防止できる。この場合には、Ｖ宇状又はＵ字状の溝巾やその傾斜角度もしくは溝深さ等は、Ｘ線取り出しが可能な寸法にすることは勿論である。さらには、上記溝形状を、前記表面部分が溶解して液状になった場合に遠心力の作用によって形成される液状部の表面形状と同一の表面形状に予め形成しておけば、電子線照射部１ａの電子線照射による表面変形を軽減することが可能になる。

また、電子線照射部１ａの部分だけを、発生させるＸ線の種類で決まるターゲット物質で構成し、その周囲をより高融点の物質及び／又は熱伝導度のより高い物質で構成すれば、回転対陰極１全体の冷却効率の向上が図れるとともに、回転対陰極１全体の変形を防止することができるようになり、高輝度のＸ線を長時間安定的に発生させるようにすることができる。

さらに、回転対陰極１、特に電子線が照射される筒状部１１をターゲット材と、このターゲット材の裏面に設けた高融点及び／又は高熱伝導度の物質との２重構造とし、前記電子線を前記ターゲット材に照射して前記Ｘ線を発生させるとともに、前記物質の裏面側に前記ターゲット材に対する冷媒を流すように構成することによって、前記物質の高融点の効果による高耐熱性の効果及び／又は高熱伝導性の効果による高冷却性の効果とによって、回転対陰極１の筒状部１１が前記電子線照射によって貫通するのを抑制し、前記冷媒の漏洩を効果的に抑制することができるようになる。

なお、前記冷媒としては、冷却水や冷却オイルなどの液体状のものを用いることができる。

本発明においては、電子線照射部１ａを溶解させるようにしているので、対陰極室２内において、電子線照射部１ａを構成する金属の蒸気圧が上昇し、Ｘ線透過膜２２が汚染される場合がある。これを防止するために、対陰極室２内のＸ線透過膜２２の前面に交換可能なＸ線透過性の保護膜を設けることが望ましい。この保護膜としては、例えば、反跳電子に耐えられるＮｉ膜、ＢＮ膜、Ａｌ膜、マイラー膜等の長尺状の保護膜をロールに巻いた供給ロールと、この供給ロールの保護膜を巻き取る巻取ロールとをＸ線窓２１の内側に設け、供給ロールと巻取ロールとの間に張られた保護膜がＸ線透過膜１ａの前面に配置されるようにすればよい。なお、前記保護膜の厚さは、前記反跳電子のエネルギーやＸ線の吸収などを考慮して適宜に設定する。

また、上記具体例においては、エネルギー線として電子線を用いているが、その他のエネルギー線、例えばレーザ光線やイオンなどのエネルギー線を適宜に用いるようにすることができる。

以上、本発明を具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置の構成を示す断面図である。 図１の一部拡大図である。

符号の説明

１ 回転対陰極
１ａ 電子線照射部、
２ 対陰極室
３ 陰極
４ 陰極室、
５ 駆動モータ
６ 回転駆動部
１１ 筒状部
２０ Ｘ線
３０ 電子線

Claims (22)

1. ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、前記ターゲットの、前記エネルギー線の照射された部分を溶解させる工程を具え、
   前記ターゲット表面の、前記エネルギー線照射に起因した荒れを消去した状態で前記ターゲットよりＸ線を発生させるようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法。
2. 前記ターゲットの表面の荒れは、表面平均粗さで１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生方法。
3. 前記エネルギー線は電子線であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線発生方法。
4. 前記ターゲットは回転対陰極を構成し、前記エネルギー線は前記回転対陰極の回転による遠心力に抗して存在する部分に照射することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
5. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の外縁に沿って設けた筒状部分を有し、前記エネルギー線は前記筒状部分の内壁表面に照射することを特徴とする、請求項４に記載のＸ線発生方法。
6. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸側へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極の、前記電子線を照射した前記部分の、溶解に伴う飛散を抑制することを特徴とする、請求項５に記載のＸ線発生方法。
7. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極から発生した前記Ｘ線の取り出しを容易にすることを特徴とする、請求項５に記載のＸ線発生方法。
8. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成することを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
9. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射される前記Ｖ字溝状又は前記Ｕ字溝状に形成された前記部分は、前記エネルギー線照射による溶解後の、前記遠心力が作用した場合の形状と略同形状に形成することを特徴とする、請求項８に記載のＸ線発生方法。
10. 前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射される前記部分の周囲を、前記ターゲットの、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料よりも高融点及び／又は高熱伝導度の物質で構成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
11. 前記ターゲットを前記ターゲット材と、このターゲット材の裏面に設けた前記高融点及び／又は高熱伝導度の物質との２重構造とし、前記エネルギー線を前記ターゲット材に照射して前記Ｘ線を発生させるとともに、前記物質の裏面側に前記ターゲット材に対する冷媒を流すことを特徴とする、請求項１０に記載のＸ線発生方法。
12. 所定のエネルギー線照射によりＸ線を発生させるためのターゲットと、
    前記エネルギー線を生成するためのエネルギー線源とを具え、
    前記エネルギー線源は、前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射された部分が溶解するようにして前記エネルギー線照射を行い、前記ターゲット表面の、前記エネルギー線照射に起因した荒れを消去した状態で前記ターゲットよりＸ線を発生させるように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置。
13. 前記ターゲットの表面の荒れは、表面平均粗さで１μｍ以下とすることを特徴とする、請求項１２に記載のＸ線発生装置。
14. 前記エネルギー線源は電子線源であって、前記エネルギー線は電子線であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のＸ線発生装置。
15. 前記ターゲットは回転対陰極を構成し、前記エネルギー線源は、前記エネルギー線を前記回転対陰極の回転による遠心力に抗して存在する部分に照射するように構成したことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一に記載のＸ線発生装置。
16. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の外縁に沿って設けた筒状部分を有し、前記エネルギー線源は、前記エネルギー線を前記筒状部分の内壁表面に照射するように構成したことを特徴とする、請求項１５に記載のＸ線発生装置。
17. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸側へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極の、前記電子線を照射した前記部分の、溶解に伴う飛散を抑制することを特徴とする、請求項１６に記載のＸ線発生装置。
18. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極から発生した前記Ｘ線の取り出しを容易にすることを特徴とする、請求項１６に記載のＸ線発生装置。
19. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成したことを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一に記載のＸ線発生装置。
20. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射される前記Ｖ字溝状又は前記Ｕ字溝状に形成された前記部分は、前記エネルギー線照射による溶解後の、前記遠心力が作用した場合の形状と略同形状に形成したことを特徴とする、請求項１９に記載のＸ線発生装置。
21. 前記ターゲットの、前記エネルギー線が照射される前記部分の周囲を、前記ターゲットの、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料よりも高融点及び／又は高熱伝導度の物質で構成したことを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか一に記載のＸ線発生装置。
22. 前記ターゲットを前記ターゲット材と、このターゲット材の裏面に設けた前記高融点及び／又は高熱伝導度の物質との２重構造とし、前記エネルギー線を前記ターゲット材に照射して前記Ｘ線を発生させるとともに、前記物質の裏面側に前記ターゲット材に対する冷媒を流すようにしたことを特徴とする、請求項２１に記載のＸ線発生装置。

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