JP2009115824A - 電子線を通す窓 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、２つの空間の間の分離素子として機能する、電子線を通す窓、及び、このような窓を製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電子線を通す窓であって、キャリヤ基板から分離された電子線を通す箔と、動作状態において、前記電子線を通す箔の中心領域を支持する前記箔の周辺領域に接続された保持素子であって、前記電子線を通す箔および前記保持素子は、２つの別の部分として構成され、前記保持素子は、９×１０^−６／Ｋ以下の線膨張係数を有する材料で構成された、保持素子と、前記保持素子に前記箔を接合するため、前記箔と前記保持素子の間に設置された接合層と、を有することを特徴とする、電子線を通す窓。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線を通す箔と、動作状態において電子線を通す箔の周辺領域を支持する素子とを有する、電子線を通す窓、並びに、このような窓を製造する方法に関わる。本発明は、Ｘ線装置に更に関わる。

このような窓は、感応な対象物が外部条件から覆い隠されるべき一方で電子線の路を充分に通すことがまだ保護される全ての場所において使用される。ＤＥ１９８２１９３９Ａ１は、液体金属ターゲットを有するＸ線管、即ち、ＬＩＭＡＸＸ線管（ＬＩＭＡＸ＝液体金属陽極Ｘ線管）においてこのような窓を使用することを提案する。このようなＸ線装置は、電子源、及び、放射器の動作状態で循環する液体金属のターゲットを基本的に含む。液体金属はポンプ循環システム中に存在し、分割ヘッドを用いて特別な鋼板を介して受容器の中にポンプで送られる。電子線は、特別な鋼板上を流れる液体金属に当たり、そこでＸ線を発生する。窓を用いることにより、電子源及びターゲットの真空空間は２つの独立した空間を形成するよう互いから分離され、それによりターゲットは流れの種類及び液体金属の選択に以前より感応でなくなる。ここで使用される窓は、例えば、シリコンキャリヤ基板上に蒸着されたダイヤモンド層を有し、その後電子線用の窓領域又は透過域を形成するためにキャリヤ基板が部分的に除去される。従って構成される窓は、Ｘ線管中に直接的に取り付けられる。

本発明の文脈において、キャリヤ基板と保持素子との間で区別が付けられていることに注意すべきである。キャリヤ基板は、窓の箔を製造するための蒸着表面又は補助の表面として機能し、保持素子は動作位置における箔のための位置決め補助部として機能する。

ＤＥ１９８２１９３９Ａ１から公知の窓は、より高い圧力差では、不十分な接着性のためにダイヤモンド箔がシリコン基板から剥がされ、即ち、窓が突然開かれるため、４バーよりも大きい圧力差に耐えることができない。破裂圧は、特にＬＩＭＡＸ管の場合では４バーよりも大きい圧力差が生じるとき、管の動作の開始フェーズ中に到達される。

従って、本発明は、２つの空間の間の様々な状況及び／又は変動する状況下で分離素子として確実に損なわれないままである電子線を通す窓、及び、このような窓を製造する対応する方法を提供することを目的とする。特に、動作状態において４バーよりも大きい圧力差に耐えることができる過剰圧力及び真空適用法のために窓が設けられるべきである。

この目的は、電子線を通し、キャリヤ基板から分離されている箔、並びに、動作状態において電子線を通す箔の周辺領域を支持する保持素子を有する、電子線を通す窓を用いて実現され、このとき保持素子は箔の材料の線熱膨張係数に等しい又は近くなるように適合される線熱膨張係数を有する材料から成る。

電子線を通す箔は、１０μｍほどの厚さを有するダイヤモンドから成ることが好ましい。別の実施例では、箔はモリブデン又はベリリウムから形成されてもよい。

ダイヤモンド箔の場合、保持素子が９×１０^−６／Ｋ以下の線熱膨張係数を有する材料から成ることが好ましく、特に好ましい材料は約０．５−１×１０^−６／Ｋ乃至９×１０^−６／Ｋの範囲にある線熱膨張係数を有する材料の選択である。下限値は、ダイヤモンドの線熱膨張係数に従う。単結晶としての理想的なダイヤモンドの線熱膨張係数は０．５×１０^−６／Ｋであり、この係数はＣＶＤ処理による生成物及びそれに伴って形成される多結晶材料では１×１０^−６／Ｋの値まで達する。

保持素子は、線熱膨張係数が５乃至６×１０^−６／Ｋの間であるモリブデン、タングステン、チタン、タンタルのような材料、並びにそれらの低合金、ガラス、適切な低い線熱膨張係数を有するセラミック材料、ダイヤモンド、及び、可能性としてダイヤモンド特に、多結晶形態にあるダイヤモンドよりも低い線熱膨張係数を有する材料から形成されることが好ましい。

第１の有利な実施例では、電子線を通す箔及び保持素子は、一体形でダイヤモンドから成る。元の厚さが１０μｍよりも厚い一体形のダイヤモンド板から製造された、保持素子と窓との一体形の実施例が特に有利である。

第２の有利な実施例では、電子線を通す箔及び保持素子は２つの部分として構成され、箔が１０μｍ、好ましくは５μｍよりも薄い厚さを有する箔が、介在する接合層を用いて保持素子上に設けられる。箔及び保持素子の両方は、この第２の実施例においても夫々ダイヤモンドから形成されてもよく、又は、夫々モリブデンから形成されてもよい。箔及び保持素子に対して同じ材料を選択することにより、熱膨張挙動の最適マッチングを提供する。

箔が上に蒸着されるキャリヤ基板によって形成され、キャリヤ基板と箔との間の比較的小さい接着力により高い圧力差に耐えることができずキャリヤ基板からの箔の剥離をもたらす従来の窓と比較して、本願の窓は信頼性のある接合層を有する。保持素子の材料は、その材料の挙動がダイヤモンド箔の材料の挙動に適合するよう選択され、それにより２つの材料は体積を同様に変化させて外部影響に反応する。全体的にみて、４バー以上の圧力差に耐えられ、例えば、内容物（異なる凝集状態における異なる成分の液体）における差のため異なる状況が広がる空間に対する分離手段としても好適である窓が得られる。

２つの部分による、実施例の接合層は、活性化金属はんだの溶融層又はガラス溶融によって形成されることが好ましい。この接合層は、保持素子の接合表面上に設けられる。例えば、チタン又はモリブデンのような活性化金属はんだ中に含まれる炭化形成物は、ダイヤモンド箔の場合には炭素が存在する接触表面において箔と反応し、箔と保持素子との間で固定した接合を実現する金属炭化物を形成する。同様にして、エポキシ樹脂に基づく接着層又は例えば、Aremco Companyによって販売される温度に耐性があるセラミック接着剤も有利である。接合層は、組み合わされた接着／溶融層によって形成されてもよく、この場合、特にセラミック接着剤とのガラス溶融の組み合わせをここで触れるとする。

厚さが箔の厚さの少なくとも１０％であり、箔の表面領域を超えて延在する少なくとも一つの厚くされた部分を、放射線を通す箔の少なくとも一つの表面が有することが更に提案される。機械的補強リッジ又は補強模様を表す提案されたこの厚くされた部分は、特に箔全体の厚さよりも薄いが箔の厚さの少なくとも１０％であるべき厚さであることが好ましいが必ずしも必要でない。厚くされた部分は、例えば、平行に配置される又はグリッドを形成する補強素子として規則的な間隔で設けられ、又は、不規則的な間隔で設けられる。上記厚くされた部分は、箔を機械的に安定させる一方で電子線のためにより高い透過性を有する開領域を残す。

X線を通し、電子線を通す窓がX線を通す窓とは基本的に異なる透過に対する境界条件に従わなくてはならならないため、異なる種類の窓を開示するＥＰ０４７６８２７Ａ１を参照する。この引用された文書では、Ｘ線を通すダイヤモンド箔、例えば、シリコンから成り、ダイヤモンド箔が上に蒸着されるキャリヤ基板、及び、Ｘ線を通す箔の周辺領域を支持する保持素子として機能するキャリヤリングを有するＸ線窓が記載される。ダイヤモンド箔には、その機械力を高めるために、その表面上にダイヤモンドから成る補強用横材が設けられる。キャリヤリングはアルミニウムから成る。このような窓を製造するためには、０．０５乃至１０μｍの厚さを有するダイヤモンド箔が成長されるよう、平面のキャリヤ基板が気相蒸着処理、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）処理において炭素を含む気体で気化される。補強リッジがあるべき場所において凹みを有し、他の場所においてダイヤモンドの蒸着を妨げるマスクが設けられる。補強用横材の厚さが箔の厚さよりも厚くなるとき、蒸着が停止され、マスクが除去され、キャリヤ基板がその後の窓領域において中央でエッチングされ、基板がキャリヤリングに接合される。基板は、完全にエッチングされてもよく、この場合アルミニウムのキャリヤリングはダイヤモンド箔に直接的に接合される。

本発明による一体形の実施例に対する製造方法では、第１のステップにおいて１０乃至１０００μｍの厚さを有する単結晶又は多結晶のダイモンド板が製造され、この板は、電子線の径に少なくとも対応する表面積にわたって中央領域で電子線を通す厚さに薄くされる。この薄くする処理は、公知のレーザ又はイオン照射処理を用いて実現されることが好ましい。電子線の径に依存して、この域は５対２ｍｍよりも小さい長方形の寸法を典型的に有する。処理の有利な変更態様において、この一体形の窓には板の中央域が不規則に薄くされた補強素子が設けられてもよい。この場合、中央の透過域のエッジ領域をより少なく薄くすることが望ましく、それにより、厚くされた部分は薄くされた域即ち、処理された域の最も外側にある領域に存在する。従って、透過域を通る電子線の路は略妨げられない。異なる処理の深さで薄くすることは供給される電力を用いて制御される。

更に、有利な実施例では、導電性のダイヤモンドが使用されるべきであり、これは、ダイヤモンド箔又はダイヤモンド板を気相蒸着中にホウ素でドーピングすることにより実現される。

有利には、提案される窓は、請求項１６記載の特徴を有するＸ線装置中で使用されるが、その使用は本出願に制限されないことは明らかである。

本発明による、電子線を通す２つの部分から成る窓の実施例の断面図である。 図１の２つの部分からなる窓の実施例の更なるバージョンの断面図である。 図２の更なるバージョンの平面図である。 本発明による、電子線を通す窓の一体形の実施例の断面図である。 不規則なダイヤモンド箔の厚さを有する図４の窓の実施例の断面図である。 不規則なダイヤモンド箔の厚さを有する図４の窓の第２の実施例の断面図である。 従来構成された窓（三角形）及び本発明による窓（ドット）に対する窓の幾何学的形状と破裂圧との関係を示す図である。 本発明による、電子線を通す窓を具備するＸ線装置を示す図である。

本発明の更なる特徴及び利点は、図面に示す本発明の実施例を以下により詳細に説明する次の説明から明らかになる。上述の特性の組み合わせ以外に個々の特性、又は、特性の他の組み合わせも本発明の一部を成す。

図１は、ダイヤモンド箔１及び別個の環状の保持素子２といった２つの部分から組み立てられる窓３を示す断面図であり、箔１及び保持素子２は接着又は溶融層４を用いて互いに接合される。ダイヤモンド箔１は、１０μｍまでの厚さを有し、電子線を通す。保持素子２の材料は、温度に対して耐性のある金属であり、値が９×１０^−６／Ｋ、即ち、ダイヤモンドの膨張係数に近い又は等しい値よりも好ましくは低い線熱膨張係数を有することを特徴とする。この例としてモリブデンがある。しかしながら、電子線を通す箔がモリブデンから成り、保持素子がモリブデンの熱膨張挙動に適合する熱膨張挙動の材料から製造されることも考えられる。

保持素子２がキャリヤ基板として機能してダイヤモンド箔の実際の製造には加わらないが、ダイヤモンド箔が製造された後にだけダイヤモンド箔に接合されることを強調する。

薄いダイヤモンド層の製造は公知であり、気相蒸着処理を手段として行われる。例えば、基板をエッチング又は可能性として研削することによってダイヤモンド箔が上に蒸着されたキャリヤ基板がダイヤモンド箔から完全にはぎ取られ、このダイヤモンド箔１は、透明な透過域５が形成されるよう周辺又はエッジ領域で保持素子２に接合される。

図２中の実施例に示すように、薄いダイヤモンド層１０には、その機械的安定性のために保持素子２に面する表面と反対側の表面上で構造又は補強素子として機能する厚くされた部分１６ａ、１６ｂ、１６ｃが設けられる。図１と同様の構成要素は、図１と同じ参照番号を有する。これら厚くされた部分１６ａ、１６ｂ、１６ｃもダイヤモンドから形成され、本実施例では、互いに対して平行に延在し、これは、図３の平面図においてより明確に示される。不規則に離間された厚くされた部分を有する実施例も同様に考えることができ、厚くされた部分が配置される他の幾何学的形状又は模様も可能である。

図２に示す窓では、厚くされた部分１６ａ、１６ｂ、１６ｃは三角形の幾何学的形状を有する。これら厚くされた部分の厚さは、ダイモンド箔の厚さ全体にはならないが、箔の厚さ全体の少なくとも１０％であるべきである。更に、ダイヤモンド箔の両面に、又は、保持素子に対向する表面にだけ厚くされた部分を設けることが可能である。機械的安定性の影響と電子線のために透過域として機能するより高い透過性の充分な領域との間で均衡が見出されなくてはならない。厚くされた部分は、例えば、蒸着処理中にコーティングされるべきＣＶＤキャリヤ基板の適切な構成を通じてダイヤモンド箔に加えられてもよい。しかしながら、例えば、レーザアブレーション又はより厚い箔に与えられるイオン線で領域を除去することも可能であり、この領域はその後の電子線を通す領域を形成する。

ダイヤモンド箔と低い線熱膨張係数を有する材料の保持素子との間で接着又は溶融層を使用することによる固定した接合の解決の原理以外では、一体形の窓の解決の原理が本発明によると提案され、このときこの窓は完全にダイヤモンドから成る。

図４は、このような窓の断面図である。本実施例において箔（３００ａ）及び保持素子３００ｂは一体、即ち、窓３００を形成する。１０μｍより厚い、好ましくは１０００μｍまでの厚さを有するダイヤモンド板がこのために使用され、この板は、電子線の径に少なくとも対応する表面積にわたって電子を透過する厚さまでレーザ又はイオンアブレーションによって薄くされる。これにより、保持素子３００ｂ内に実際の窓領域３０７が形成される。この窓領域の規則的な配置以外では、ダイヤモンドから一体形で形成される図５の実施例は、不規則に薄くされたダイヤモンド板、即ち、厚くされた部分３１０ａ及び３１０ｂで補強された透過域３０８を示す。電子線は、厚くされた部分間の、電子線を通す領域３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを通ることができる。図６に示す有利な実施例では、厚くされた部分、即ち、減らされていない領域３１２ａ、３１２ｂは処理された域又は透過域３０９の最も外側の領域にあり、図５中の窓との違いは線によって示される。実際の透過域３０９は、充分な安定性を有して影響を及ぼされないままである。

図７において、提案された構成を有する窓が、蒸着処理においてダイタモンド箔が設けられるキャリヤ基板によって形成される公知の窓よりもより圧力に対して耐性があることが明らかである。破裂圧がこの尺度として示される。厚さ及び径は、夫々の窓に対する幾何学的な値を示す。径は、窓開口部の最も長い寸法であると理解され、即ち、ここではｃｍ単位での透過域の最も長い寸法であり、この寸法は、円形の開口部ではその径に、楕円形の開口部では楕円のその長軸に、更に、長方形の開口部ではその長辺に対応する。シリコンキャリヤ基板上により少ない接着性箔を有する窓サンプル（三角形）が３乃至４バールで離されたことは明らかである。より高い破裂圧（ドット）を実現するためには、本発明によるとダイヤモンド箔がキャリヤ基板から完全に除去され、別個の接合層を用いて比較的低い線熱膨張係数を有する材料からの別個の保持素子又は窓フレームに固定して接合され、或いは、一体として製造される。点線は、窓の破裂圧に対する実験的に得られた限界値に対応し、このとき、
破裂圧（バール）＝１．３×［厚さ（μｍ）／径（ｃｍ）］
が成立し、公知の関係
破裂圧（バール）＝１×［厚さ（μｍ）／径（ｃｍ）］
からの違いが分かる。

従って、μｍ単位での窓の厚さは、径（ｃｍ）と窓の２辺間の圧力差との積の０．７倍よりも大きくなくてはならない。

図８は、本発明による窓３と共に上記の変更態様が有利には使用され得る、ＬＩＭＡＸ処理によって動作されるＸ線装置２０を概略的に示す図である。Ｘ線装置は、Ｘ線管２１及び液体金属循環システム２２によって形成される。Ｘ線管２１は、窓３を用いて真空密式に閉じられる。Ｘ線管２１の真空空間では、陰極２３の形態にある電子源があり、この電子源は動作状態では、電子線２４を出射し、この電子線は、窓３を通じてスチール板上に伝えられる液体金属に当たる。この目的のために液体金属循環システム２２が設けられ、このシステムは、管状のダクトシステム２５から構成され、このダクトシステム２５中では領域２７において窓３の外側を流れるよう液体金属がポンプ２６によって送られる。液体金属は、領域２７を通った後、熱交換器２８を通り、生成された熱がこの熱交換器から適切な冷却システムを用いて除去される。窓を通る電子と液体金属との相互作用は、Ｘ線（即ち、液体金属がターゲットとして機能する）を発生し、このＸ線は窓３、及び、管２１中の出射窓２９を通過して外に出る。

特にここで提案された窓がこのようなＸ線装置において使用される場合、伝導性を手段として動作中に窓を帯電することを防止し、従って、電子線の偏向、減速、又は、完全な停止を防止するよう、ドーピングされたダイヤモンド箔を使用することが望ましい。ホウ素は、ドーピング処理において抵抗を１０００オーム未満に減少させるに好適である。

１、３００ａ 箔
２，３００ｂ 保持素子
３、３００ 窓
４ 接着層
５ 透過域
１０ ダイヤモンド層
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、３１０ａ、３１０ｂ 厚くされた部分
２０ Ｘ線装置
２１ Ｘ線管
２２ 液体金属循環システム
２３ 陰極
２４ 電子線
２５ ダクトシステム
２６ ポンプ
２７ 領域
２８ 熱交換器
２９ Ｘ線出射窓
３０７ 窓領域
３０８、３０９ 透過域
３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ 電子線を通す領域
３１２ａ、３１２ｂ 減らされていない部分

Claims (9)

1. 電子線を通す窓であって、
   キャリヤ基板から分離された電子線を通す箔と、
   動作状態において、前記電子線を通す箔の中心領域を支持する前記箔の周辺領域に接続された保持素子であって、前記電子線を通す箔および前記保持素子は、２つの別の部分として構成され、前記保持素子は、９×１０^−６／Ｋ以下の線膨張係数を有する材料で構成された、保持素子と、
   前記保持素子に前記箔を接合するため、前記箔と前記保持素子の間に設置された接合層と、
   を有することを特徴とする、電子線を通す窓。
2. 前記電子線を通す箔は、ダイヤモンドで構成されることを特徴とする請求項１記載の、電子線を通す窓。
3. 前記電子線を通す箔は、モリブデンで構成されることを特徴とする請求項１記載の、電子線を通す窓。
4. 前記保持素子は、９×１０^−６／Ｋよりも小さい線熱膨張係数を有する材料で構成されることを特徴とする請求項２記載の、電子線を通す窓。
5. 前記保持素子は、モリブデン、タングステン、チタン、タンタルのような金属、およびそれらの合金、ダイヤモンド、ガラス、ならびに相応する低い線熱膨張係数を有するセラミック材料を含む群から選択された材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の、電子線を通す窓。
6. 前記接合層は、活性金属はんだの溶融層もしくはガラス溶融層、または組み合わされた接着−溶融層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の、電子線を通す窓。
7. 前記電子線を通す箔の少なくとも一つの表面は、少なくとも一つの厚くされた部分を有し、該厚くされた部分の厚さは、前記箔の厚さの少なくとも１０％の厚さであり、
   前記少なくとも一つの表面は、前記保持素子から遠い側の対面する表面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の、電子線を通す窓。
8. 電子線を通す窓であって、
   キャリヤ基板から分離された電子線を通す箔であって、ダイヤモンドで構成された電子線を通す箔と、
   作動状態において前記電子線を通す箔の中心領域を支持する前記箔の周辺領域に接続された保持素子と、
   を有し、
   前記保持素子は、前記箔の材料の線膨張係数と適合された線膨張係数を有する材料で構成され、
   ダイヤモンド箔の厚さに関して、
   厚さ（μｍ）＞０．７Ｌ（ｃｍ）×Δｐ（バール）
   が成立し、
   ここで、Δｐ（バール）は、当該窓の２辺間の圧力差であり、Ｌは、当該窓の開口部の最長の寸法Lであることを特徴とする窓。
9. 電子を放射する電子源を備えるＸ線装置であって、
   当該Ｘ線装置の作動状態において、循環する液体金属で構成されたターゲットであって、前記電子が衝突した際に、Ｘ線を放射するターゲットと、
   前記電子源と前記ターゲットの間の分離素子として機能する、電子線を透過する窓と、
   を有し、
   前記窓は、
   キャリヤから分離され、電子線を通す箔と、
   作動状態において前記電子線を通す箔の中心領域を支持する前記箔の周辺領域に接続された保持素子であって、前記電子線を通す箔および前記保持素子は、２つの別の部分として構成され、前記保持素子は、前記箔の材料の線膨張係数と適合された線膨張係数を有する材料で構成された、保持素子と、
   前記保持素子に前記箔を接続するため、前記箔と前記保持素子の間に配置された接合層と、
   を有することを特徴とするＸ線装置。

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