JP2009123486A - 回転対陰極ｘ線発生装置、ｘ線発生方法、及びｘ線発生用回転対陰極 - Google Patents

Abstract

【課題】回転対陰極に対して高輝度の電子線が照射された場合においても、前記回転対陰極の冷却水の局部的な沸騰を抑えることにより冷却能を保持し、高輝度のＸ線を安定して発生させる。
【解決手段】所定の電子線を発生させるための電子線源と、前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成する回転対陰極とを具え、前記電子線照射部は、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成され、前記回転対陰極は、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むように形成して、回転対陰極Ｘ線発生装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、長期間安定して高輝度のＸ線を発生することが可能な回転対陰極Ｘ線発生装置、Ｘ線発生方法、及びＸ線発生用回転対陰極に関する。

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のある場合がある。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（特許文献１参照）。

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平板式の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。

ところで、一般的にＸ線の出力は陰極と対陰極との間に印加する電力（電流×電圧）に対応する。一方、Ｘ線の輝度は（上記電力）／（ターゲット上の電子ビームの面積）であるので、上記電力の最大値はターゲット上の電子ビームの面積に大きく依存する。例えば銅をターゲットとした理化学用Ｘ線発生装置の出力強度をこの電力で表示すると、上記従来の回転対陰極Ｘ線発生装置では、ターゲット上に０．１×１ｍｍの電子ビームを照射する汎用の理化学用Ｘ線発生装置の場合は、最大１．２ｋＷ程度、超高輝度といわれるものでも最大３．５ｋＷ程度の出力を得るのが限界であった。この段階では、Ｘ線強度或いは輝度を上げるためには、電子線照射部の温度を回転対陰極が１か移転する間に出来るだけ水冷面温度に近付ける必要があるため、機械強度が許す限りターゲットの厚みを薄く設計されている。

このような問題に鑑みて、特許文献２においては、回転対陰極Ｘ線発生装置の、回転中心を中心軸とする筒状部分に対して電子線を照射し、かかる部分をその融点以上にまで加熱して、高輝度のＸ線を発生することが試みられている。この場合、前記電子線の照射部は前記回転対陰極の融点以上にまで加熱されるので、前記照射部は少なくとも部分的に溶解するようになる。しかしながら、前記照射部は前記回転対陰極の回転に伴って発生する遠心力によって前記筒状部分に保持されるようになるので、前記照射部の、溶解部分の外方への飛散を抑制することができる。

一方、上記技術においては、回転対陰極を電子線照射によってその融点以上の高温に加熱するので、前記回転対陰極を冷却する際、前記照射部位に相当する水冷面で冷却水が沸騰して水蒸気となってしまい、前記回転対陰極の冷却効率が低下してしまう。したがって負荷を無理に上げると水蒸気の発生により回転対陰極の振動が増加し、前記回転対陰極を有するＸ線発生装置を駆動させることが出来なくなる場合があった。
特開平７−１２２２１１号 特開２００４−１７２１３５号公報

本発明は、回転対陰極に対して高輝度の電子線が照射され、回転対陰極の全周が溶融状態になった場合においても、前記回転対陰極上に形成された電子線照射部に対応する冷却面の熱を分散させることにより部分的な温度上昇を抑制し、前記回転対陰極の冷却水による冷却能を保持し、高輝度のＸ線を安定して発生させることを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の電子線を発生させるための電子線源と、
前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成する回転対陰極とを具え、
前記電子線照射部は、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成され、
前記回転対陰極は、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むように形成したことを特徴とする、回転対陰極Ｘ線発生装置に関する。

また、本発明は、
電子線源から電子線を発生させるステップと、
前記電子線を回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において電子線照射部を形成するとともに、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するステップとを含み、
前記回転対陰極を、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むように形成し、前記電子線照射部において発生した熱を拡散させ、前記電子線照射部の温度上昇を抑制するようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

さらに、本発明は、
電子線照射を受けて所定のＸ線を生成する回転対陰極であって、
前記回転対陰極の、電子線照射によって形成された電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含み、
前記電子線照射部は、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成するように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生用回転対陰極に関する。

本発明によれば、回転対陰極の、電子線が照射されることによって形成され、所定のＸ線を生成する電子線照射部を、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成するようにしている。したがって、前記電子線の強度を上昇させて前記電子線照射部を少なくとも部分的に溶解させ、高輝度のＸ線を生成するようにした場合においても、前記電子線照射部の、溶解した部分が外方に飛散することなく、例えば電子線源などを汚染することなく、高輝度のＸ線を生成することができる。

また、前記回転対陰極は、その裏面側に前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むようにしているので、前記電子線照射部で発生した熱は前記凸部内に拡散し、従来のように照射位置の直下に当たる水冷面の小面積部分が高温になることなく、概ね半円乃至半楕柱状の凸部の水冷面は略同温度になる。なお、半円柱状とは、断面が完全な円である場合の他、楕円形に近いような場合も含むような概念である。

したがって、前記回転対陰極を冷却する冷却水等が、前記電子線照射部に相当する水冷部が高温に加熱されることに起因して沸騰し、気化するのを抑制することができる。この結果、前記水冷部を効率的に冷却することができる。このため、前記回転対陰極を有するＸ線発生装置を自動停止させるような不利益を回避することができる。なお、前記冷却水等によって、前記回転対陰極の冷却面の温度が可能な限り均一になるようにすることが好ましい。

換言すれば、回転対陰極に対して高強度の電子線が照射された場合においても、前記回転対陰極上に形成された電子線照射部に対応する冷却面の熱を分散させることにより部分的なの温度上昇を抑制し、前記回転対陰極の冷却水による冷却能を保持し、高輝度のＸ線を安定して発生させることができる。

なお、本発明の一例においては、前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成することができる。この場合、前記電子線照射部は、前記回転対陰極の回転に伴って発生する遠心力によって、前記筒状部分に押し付けられるようになるので、上述した所定のＸ線を生成する電子線照射部を、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成するという要件を簡易に満足することができる。

なお、本発明の一例において、前記凸部は、前記ターゲットよりも熱伝導率の大きな材料を含むことができる。この場合、前記ターゲットの、特に電子線照射部における温度上昇をより効果的に抑制することができる。

例えば、前記凸部は、銅、銀、金、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも１つを含むようにする。

以上説明したように、本発明によれば、回転対陰極に対して高輝度の電子線が照射された場合においても、前記回転対陰極水冷面上に形成された凸部は等温面と水冷面が一致する形状を有するため、凸部が存在しない場合に生じる電子線照射部直下の水冷面が高温になる温度上昇を抑制し、前記回転対陰極の冷却水による冷却能を保持し、高輝度のＸ線を安定して発生させることができる。

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、本発明の回転対陰極Ｘ線発生装置の一例における要部を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す回転対陰極発生装置の、回転対陰極を拡大して示す図であり、図３は、図２に示す回転対陰極の上平面図であり、図４は、図１〜３に示す回転対陰極の電子線照射部を拡大して示す図である。

図１に示すように、本実施形態における回転対陰極Ｘ線発生装置１０は、回転対陰極１１と電子線源としての電子銃１５とを具えている。回転対陰極１１は、回転軸１２に機械的に接続された本体部分１１１と、この本体部分１１１の側端部において、本体部分１１１に対して略垂直に立設した側壁部としての筒状部分１１２とを有している。

図２及び３に示すように、回転対陰極１１１は略円形状を呈し、筒状部分１１２は本体部分の側端部の全周に亘って設けられている。また、回転対陰極１１は、その下部（本体部分１１１）に取り付けられた回転軸１２の回りに、例えば矢印で示すような方向に回転するように構成されている。

電子銃１５からは電子線２０が水平方向に出射され、偏向電子レンズ１６によって約１８０度の方向転換を受け、回転対陰極１１の筒状部分１１２の内壁に照射されることにより、電子線照射部１１Ａを形成する。電子線照射部１１Ａは電子線照射によって励起され、所定のＸ線３０を生成するようになる。また、図２〜４に示すように、電子線照射部１１Ａを中心として、その外方に向けて一定の半径ｒを有する半円柱状の凸部１１３が、筒状部分１１２の外壁に沿って形成されている。

本実施形態において、電子線照射部１１Ａは筒状部分１１２の内壁部に形成されるので、電子線照射部１１Ａは、回転対陰極１１の回転に伴って発生する遠心力Ｇによって筒状部分１１２に固定される。したがって、電子線２０の強度を上昇させて電子線照射部１１Ａを少なくとも部分的に溶解させ、高輝度のＸ線を生成するようにした場合においても、電子線照射部１１Ａの、溶解した部分が外方に飛散することなく、例えば電子銃１５などを汚染することなく、高輝度のＸ線を生成することができる。

一方、電子線照射部１１Ａで発生した熱は、瞬間毎に電子線照射部１１Ａを中心として球状に伝搬し、電子線２０のトレースによって形成される電子線照射部１１Ａの形状に従って、所定の時間内では、電子線照射部１１Ａの外方に前記球状が結合してなるような半円柱状に伝搬するようになる。本実施形態では、回転対陰極１１の、筒状部分１１２の外壁に沿って一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部１１３が形成されているので、電子線照射部１１Ａで発生した熱は、瞬間毎には凸部１１３内を球状に、所定の時間内では凸部１１３内を半円柱状に伝搬するようになる。

結果として、電子線照射部１１Ａで発生した熱は凸部１１３内に拡散し１１３の表面は等温面に整形されているのでこの面全体が沸騰寸前の温度に達するまで電子線の照射量を増やすことが可能になる。回転対陰極１１（筒状部分１１２）自体である程度の熱拡散が生じ、電子線照射部１１Ａが冷却されるしたがって、回転対陰極１１を冷却する冷却水等が、電子線照射部１１Ａが高温に加熱されることに起因して沸騰し、気化するのを抑制することができる。この結果、電子線照射部１１Ａ、すなわち回転対陰極１１を効率的に冷却することができる。

換言すれば、回転対陰極１１Ａに対して凸部がない場合より数倍高密度の電子線が照射された場合においても、回転対陰極１１の冷却水による冷却能を保持し、高輝度のＸ線を安定して発生させることができる。

回転対陰極１１は、例えば銅、クローム、鉄、コバルトなどから構成することができる。さらには、高融点金属であるタングステンやモリブデン等から構成することもできる。後者の場合、より高強度の電子線２０を照射することができるので、より高輝度のＸ線を生成することができるようになる。

なお、凸部１１３は、上述したよう回転対陰極１１と一体化させて同じ材料から構成することもできるが、より高い熱伝導率を有する材料から構成することができる。このような材料としては、銅、銀、金、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボンやダイヤモンドを挙げることができる。但し冷却水は乱流になので、必要に応じそれに耐得る表面処理を行う。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例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。

例えば、回転対陰極１１の電子線照射部１１Ａを被覆するようにして被膜を形成することができる。この場合、電子線２０の照射によって電子線照射部１１Ａが少なくとも部分的に溶解するように、回転対陰極１１を構成する材料の融点以上にまで加熱された場合においても、その構成材料の蒸発を前記被膜によって抑制することができる。したがって、回転対陰極１１の消耗を効果的に抑制することができる。

なお、この場合、前記被膜を形成する材料は、回転対陰極１１を構成する材料の比重より小さなものを用いるので、前記被膜は電子線照射部１１Ａにおいて上述した遠心力により固定されるようになり、Ｘ線発生過程における電子線照射などによって、前記被膜が回転対陰極１１から離脱或いは融解したターゲット物質とまざるようなことがなくなる。

具体的に、前記被膜は、黒鉛、ダイヤモンド、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭化チタン、シリコン、ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、特には黒鉛を含むことが好ましい。また、前記被膜がある程度の導電性を有する場合には、電子線２０を照射した際にチャージアップを抑制することができ、前記被膜の破壊などを効果的に抑制することができる。

また、上記具体例では、筒状部分１１２を本体部分１１１の側端部において略垂直に立設させているが、回転軸１２に向けて数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１１Ａが溶解してもそれが回転対陰極１１の外部に飛散するのをより効果的に抑制することができる。また、筒状部分１１２を回転軸１２から外方へ向けて傾斜するようにすることができる。この場合には、Ｘ線３０の取り出しが容易になる。

本発明の回転対陰極Ｘ線発生装置の一例における要部を示す概略構成図である。 図１に示す回転対陰極発生装置の、回転対陰極を拡大して示す図である。 図２に示す回転対陰極の上平面図である。 図１〜３に示す回転対陰極の電子線照射部を拡大して示す図である。

符号の説明

１０ 回転対陰極Ｘ線発生装置
１１ 回転対陰極
１１１ 回転対陰極の本体部分
１１２ 回転対陰極の筒状部分
１１３ 一定の半径ｒを有する半円柱状の凸部
１１Ａ 電子線照射部
１１Ｂ 溝部
１２ 回転軸
１５ 電子銃
１６ 偏向電子レンズ
２０ 電子線
３０ Ｘ線
Ｇ 遠心力

Claims (12)

1. 所定の電子線を発生させるための電子線源と、
   前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成する回転対陰極とを具え、
   前記電子線照射部は、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成され、
   前記回転対陰極は、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むように形成したことを特徴とする、回転対陰極Ｘ線発生装置。
2. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
3. 前記凸部は、前記回転対陰極よりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項1又は２に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
4. 前記凸部は、銅、銀、金、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置
5. 電子線源から電子線を発生させるステップと、
   前記電子線を回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において電子線照射部を形成するとともに、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するステップとを含み、
   前記回転対陰極を、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含むように形成し、前記電子線照射部において発生した熱を拡散させ、前記電子線照射部の温度上昇を抑制するようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法。
6. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成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. 前記凸部は、前記回転対陰極よりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載のＸ線発生方法。
8. 前記凸部は、銅、銀、金、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載のＸ線発生方法
9. 電子線照射を受けて所定のＸ線を生成する回転対陰極であって、
   前記回転対陰極の、電子線照射によって形成された電子線照射部を中心として、前記電子線照射部から外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半円柱状の凸部を含み、
   前記電子線照射部は、前記回転対陰極の、回転に伴う遠心力が作用する方向において形成するように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生用回転対陰極。
10. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成するように構成したことを特徴とする、請求項９に記載のＸ線発生用回転対陰極。
11. 前記凸部は、前記回転対陰極よりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項９又は１０に記載のＸ線発生用回転対陰極。
12. 前記凸部は、銅、銀、金、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載のＸ線発生用回転対陰極

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