JP2009193861A - X-ray generator, method of generating x-ray, and target for generating x-ray - Google Patents
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Abstract
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X線発生装置、X線発生方法、及びX線発生用ターゲットに関する。 The present invention relates to an X-ray generation apparatus, an X-ray generation method, and an X-ray generation target capable of stably generating high-intensity X-rays for a long period of time.
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)。 In X-ray diffraction measurement or the like, it may be necessary to perform measurement by irradiating a sample with as strong X-rays as possible. A rotary anti-cathode X-ray generator is conventionally known as an X-ray generator used in such a case (see Patent Document 1).
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。 This rotating counter-cathode X-ray generator generates X-rays by irradiating an outer peripheral surface with an electron beam while rotating a cylindrical counter-cathode (target) in which a cooling medium is circulated at high speed. is there. This rotating anti-cathode X generator has an extremely high cooling efficiency because the irradiation position of the electron beam on the target changes from moment to moment as compared with the flat-type fixed target type in which the target is fixed. A high-current electron beam can be irradiated, and powerful (high-intensity) X-rays can be generated.
一方、平板式の固定ターゲットにおいても、使用するターゲット部材をWあるいはMoなどの高融点金属から構成することによって、上記回転対陰極X線発生装置と同等の高輝度X線を発生させることができる。 On the other hand, even in a flat type fixed target, high-intensity X-rays equivalent to those of the rotating anti-cathode X-ray generator can be generated by using a target member made of a refractory metal such as W or Mo. .
しかしながら、上述した平板式の固定ターゲット及び回転対陰極X線発生装置のいずれにおいても、高輝度X線を発生させるためには、高強度の電子線をターゲットに照射しなければならず、その結果、特に電子線が照射される電子線照射部の温度上昇が顕著になっていた。この結果、特に前記ターゲットの前記電子線照射部において、熱応力に起因した荒れがひどくなって、生成するX線の強度が減少してしまうという問題が生じていた。 However, in any of the above-described flat fixed target and rotating anti-cathode X-ray generator, in order to generate high-intensity X-rays, the target must be irradiated with a high-intensity electron beam. In particular, the temperature rise in the electron beam irradiation part irradiated with the electron beam was remarkable. As a result, particularly in the electron beam irradiation portion of the target, there has been a problem that the roughness due to thermal stress becomes severe and the intensity of the generated X-rays decreases.
また、前記電子線照射部の温度が過度に上昇するとかかる部分が溶解してしまい、溶解した金属が飛散して、ターゲットが損傷してしまうという問題も生じる。また、このような溶解した金属が電子線源に付着したりすると、かかる電子線源に損傷を与えてしまうという問題もある。
本発明は、高輝度の電子線が照射された場合においても、ターゲット上に形成された電子線照射部の温度上昇を抑制し、熱応力によるターゲットの荒れを抑制するとともに、ターゲットの飛散を抑制して、高輝度のX線を安定して発生させることを目的とする。 Even when a high-intensity electron beam is irradiated, the present invention suppresses the temperature rise of the electron beam irradiation part formed on the target, suppresses target roughening due to thermal stress, and suppresses target scattering. Then, it aims at generating a high-intensity X-ray stably.
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線を生成するターゲットとを具え、
前記ターゲットは、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の裏面外方に向けて一定の半径rの曲率を有する半球状又は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、X線発生装置に関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
An electron beam source for generating a predetermined electron beam;
Receiving an electron beam irradiation to form an electron beam irradiation part, comprising a target for generating a predetermined X-ray from the electron beam irradiation part;
The target is formed so as to include a hemispherical or semi-cylindrical convex portion having a curvature with a constant radius r toward the outer surface of the back surface of the electron beam irradiation portion with the electron beam irradiation portion as a center. It is related with the X-ray generator characterized.
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、
前記電子線をターゲットに照射し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、
前記ターゲットを、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の曲率を有する半球状又は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。
The present invention also provides:
Generating an electron beam from an electron beam source;
Irradiating the target with the electron beam to form an electron beam irradiation unit, and generating predetermined X-rays from the electron beam irradiation unit,
The target is formed so as to include a hemispherical or semi-cylindrical convex part having a curvature with a certain radius r toward the outside of the electron beam irradiation part with the electron beam irradiation part as the center, The present invention relates to an X-ray generation method, characterized in that heat generated in a beam irradiation unit is diffused to suppress a temperature rise in the electron beam irradiation unit.
さらに、本発明は、
電子線照射を受けて所定のX線を生成するターゲットであって、
前記ターゲットの、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、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径rの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むことを特徴とする、X線発生用ターゲットに関する。
Furthermore, the present invention provides
A target for generating predetermined X-rays upon irradiation with an electron beam,
The target includes a hemispherical or semi-cylindrical convex portion having a curvature with a certain radius r toward the outside of the electron beam irradiation portion with the electron beam irradiation portion formed by electron beam irradiation as the center. The present invention relates to a target for X-ray generation.
図1は、従来の固定式のX線発生用ターゲットの、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図であり、図2は、本発明の固定式のX線発生用ターゲット(X線発生装置及びX線発生方法)の、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図である。なお、これら図面においては、熱伝導の概略を説明すべく、ターゲットの具体的構造については簡略化して記載している。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a state of heat conduction in the vicinity of an electron beam irradiation portion of a conventional fixed X-ray generation target, and FIG. 2 is a diagram illustrating a fixed X-ray generation target (X It is the schematic which shows the state of the heat conduction of the electron beam irradiation part vicinity of an X-ray generation apparatus and a X-ray generation method. In these drawings, the specific structure of the target is simplified to describe the outline of heat conduction.
図1に示すように、従来のターゲット11は一様な平板状を呈しており、その表面11Aに電子線15を照射するとともに、裏面11B側を水冷する。ターゲット11の表面には、電子線15の照射によって電子線照射部12が形成される。電子線照射部12は電子線照射によって温度が上昇するが、この温度上昇に伴う熱はほぼ球状に伝搬する。しかしながら、図1に示すような平板状のターゲット11においては、その平板状の形態に起因して、電子線照射部12直下での熱伝搬距離が短くなるため、この部位の温度が冷却媒体(通常は水)の沸点以上になると沸騰するため、上述した熱伝導をターゲット11内で十分に行うことができない。
As shown in FIG. 1, the
したがって、ターゲット11の裏面11B側を水冷しても、ターゲット11の特に電子線照射部12の温度上昇を十分に抑制することができない。この結果、ターゲット11に対して高強度の電子線15が照射されると、電子線照射部12における熱応力が多大となり、ターゲット11の荒れが生じてX線輝度が劣化したり、溶解したターゲット材料が飛散したりして、電子線源が劣化したりしてしまう場合がある。
Therefore, even if the back surface 11B side of the
一方、図2に示す本発明のターゲット21においては、電子線照射部22を中心として、その外方に向けて半径rの曲率を有する凸部221を裏面21B側に形成している。したがって、ターゲット21の表面21A側から高強度の電子線25を照射した場合においても、電子線照射部22の温度上昇に伴う熱伝導を凸部221内にほぼ球状に伝搬せしめることができる。この結果、電子線照射部22の温度上昇を十分に抑制することが可能となり、電子線照射部22の熱応力に起因したターゲット21の荒れによるX線輝度の低下や、溶解が抑制され、ターゲット材料が飛散することによる電子線源の劣化等を抑制することができる。
On the other hand, in the
すなわち、本発明のX線発生用ターゲット(X線発生装置及びX線発生方法)によれば、ターゲット内に生じた熱をターゲット自身による熱伝搬によって十分に拡散し、電子線照射部における温度上昇を抑制することができる。したがって、ターゲットの裏面の水冷の効果と併せて、前記電子線照射部の温度上昇をより効果的に抑制することができ、上記のような温度上昇に伴う不利益を回避することができる。 That is, according to the X-ray generation target (X-ray generation apparatus and X-ray generation method) of the present invention, the heat generated in the target is sufficiently diffused by the heat propagation by the target itself, and the temperature rise in the electron beam irradiation unit Can be suppressed. Therefore, together with the effect of water cooling on the back surface of the target, the temperature rise of the electron beam irradiation unit can be more effectively suppressed, and the disadvantages associated with the temperature rise as described above can be avoided.
なお、ターゲット21の大きさ(厚さ等)に対して電子線25の幅が無視できないような場合、図3に示すように、電子線照射部22の端部22Aを基準として曲率半径rの2つの半球を描き、これら2つの半球を結合するとともに、外周面を連続させて得た半球を凸部221として定義する。
In the case where the width of the
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、かかる温度上昇に起因した上記ターゲットの表面荒れなどによるX線輝度の低下などの不利益を回避することができる。 In the example of the present invention, the convex portion may include a material having a higher thermal conductivity than the target. In this case, the temperature increase of the target, particularly in the electron beam irradiation part, can be more effectively suppressed, and disadvantages such as a decrease in X-ray luminance due to the surface roughness of the target due to the temperature increase are avoided. can do.
例えば、前記ターゲットが、銅、クローム及びコバルトの少なくとも一つを含む場合、前記凸部は、銅、銀、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一つを含むようにする。この場合、前記ターゲット及び前記凸部が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、前記凸部を構成する銅の熱伝導率が前記ターゲットを構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。 For example, when the target includes at least one of copper, chrome, and cobalt, the protrusion includes at least one of copper, silver, diamond-like carbon, and diamond. In this case, when the target and the convex portion are made of the same copper, the copper thermal conductivity that constitutes the convex portion is more than the thermal conductivity of copper that constitutes the target in consideration of the purity of copper and the like. Also make it bigger.
また、本発明の一態様において、前記ターゲットは回転対陰極を構成することができる。この場合、上述したように、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。 In one embodiment of the present invention, the target may constitute a rotating counter cathode. In this case, as described above, since the irradiation position of the electron beam on the target changes every moment, the cooling efficiency is extremely high. Therefore, the counter-cathode can be irradiated with a high-current electron beam, which is powerful (high (Luminance) X-rays can be generated.
回転対陰極の場合は、電子線照射部の位置が前記回転対陰極の回転に伴って変化することになる。この場合は、回転に伴う各瞬間における電子線照射部に対して凸部が半球状となることが要求されるので、上記回転対陰極の回転に伴う前記電子線の前記回転対陰極のトレースに従って、前記凸部は半球状の凸部が結合したような形態、すなわち半円柱状となる。 In the case of a rotating counter-cathode, the position of the electron beam irradiator changes as the rotating counter-cathode rotates. In this case, since the convex part is required to be hemispherical with respect to the electron beam irradiation part at each moment accompanying rotation, according to the rotation of the electron beam following the rotation of the rotation counter cathode, The convex portion has a shape in which hemispherical convex portions are combined, that is, a semi-cylindrical shape.
この場合においても、上記回転対陰極の回転に伴う各瞬間における電子線照射部においては、半円球状の凸部の熱伝搬の効果によって、その温度上昇を効果的に抑制することができる。結果として、回転対陰極を用いた場合においても、電子線照射部の温度上昇を効果的に抑制することができる。 Even in this case, in the electron beam irradiation part at each moment accompanying the rotation of the rotating counter cathode, the temperature rise can be effectively suppressed by the effect of heat propagation of the semispherical convex part. As a result, even when a rotating counter cathode is used, the temperature rise of the electron beam irradiation part can be effectively suppressed.
以上説明したように、本発明によれば、高輝度の電子線が照射された場合においても、ターゲット上に形成された電子線照射部の温度上昇を抑制し、熱応力によるターゲットの荒れを抑制するとともに、ターゲットの飛散を抑制して、高輝度のX線を安定して発生させることができる。 As described above, according to the present invention, even when a high-intensity electron beam is irradiated, the temperature rise of the electron beam irradiation part formed on the target is suppressed, and the roughening of the target due to thermal stress is suppressed. In addition, scattering of the target can be suppressed and high-intensity X-rays can be generated stably.
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。 Hereinafter, other features and advantages of the present invention will be described based on the best mode for carrying out the invention.
図4は、本発明のX線発生装置の一例を示す構成図である。図4から明らかなように、本実施形態においては、平板状の固定式ターゲットを用いた場合のX線発生装置を示している。 FIG. 4 is a block diagram showing an example of the X-ray generator of the present invention. As is apparent from FIG. 4, the present embodiment shows an X-ray generator when a flat fixed target is used.
図4に示すX線発生装置30においては、真空容器31内に、対陰極(ターゲット)32が配置されているとともに、これと対向するようにして陰極33が設けられている。陰極33は電子線源として機能し、ウエーネルト34の内側にセラミックなどの絶縁体で固定され、ウエーネルト34が電子線用のレンズとして機能している。
In the
対陰極32と陰極33との間にはアパチャーグリッド35及び陽極36が設けられている。アパチャーグリッド35は陰極に対し条件により異なるが概ね±7kVの範囲で変化でき、負電位の時は電子を遮断し、正電位の時は陰極の空間電荷を中和し、多量の電子を効果的に引き出すのに用いられる。陽極36は対陰極(ターゲット)32と同電位に保たれ両者は通常アースされている。陽極36には電子線を通過させるための穴が形成されており、陰極33から発せられた電子線38を、アパチューグリッド35、陽極36間の電場勾配に従って加速し、さらにはその後の電位差をなくし高温になった対陰極32から出る分子やイオンの影響を減らすために設けられているものであって、本例においては必要に応じて省略することができる。また、真空容器31にはX線取り出し窓37が設けられており、対陰極32から発生したX線39を外部に取り出させるように構成されている。
An
なお、通常グリッドは効率を良くするため網目状のものが多いが、それでは電子線束に編み目状の濃淡が出来、更にグリッドに過剰な電流が流れるため、敢えて円筒形のグリッドを用いる、即ち電子線38は円筒の中を通るため陰が出来ない。このようなグリッドをアパチュアーグリッドという。 In general, grids are often mesh-like to improve efficiency. However, since a grid-like shading is produced in the electron beam bundle and an excessive current flows through the grid, a cylindrical grid is used. Since 38 passes through a cylinder, it cannot be shaded. Such a grid is called an aperture grid.
また、対陰極32の裏面側には水冷室42が設けられ、対陰極32を裏面側から水冷されるように構成されている。なお、冷媒である水は、入口42Aから水冷室42内に供給し、出口42Bから排出させて、水冷室42内を循環するように構成されている。
Further, a
本実施形態において、対陰極32は、上記図2に示したように、電子線照射部32Aを中心として曲率半径rの半球状の凸部321を有するようにして構成する。これによって、電子線照射部32Aの温度上昇に伴う熱伝導を凸部321内にほぼ球状に伝搬せしめることができる。この結果、電子線照射部32Aの温度上昇を十分に抑制することが可能となり、電子線照射部32Aの熱応力に起因した対陰極32の荒れによるX線39の輝度の低下や、溶解が抑制されてターゲット材料の蒸散が抑制され、対陰極材料の付着等による陰極33の劣化等を抑制することができる。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態においても、対陰極32の大きさに比較して電子線38の幅が無視できないような場合、凸部321は、上記図3で説明したように、電子線照射部32Aの端部を基準として2つの半球を描き、これら2つの半球を結合し、外周面を連続させて得た半球を凸部321として定義する。
Also in this embodiment, when the width of the
対陰極32は、例えば銅、クローム、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38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。
The
なお、凸部321は、上述したような対陰極32と一体とし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、銀、銅、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。なお、上述したように、対陰極32及び凸部321が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、凸部321を構成する銅の熱伝導率が対陰極32を構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。
In addition, although the
図5は、本発明のX線発生装置の他の例を示す構成図である。図5から明らかなように、本実施形態においては、回転対陰極を用いた場合のX線発生装置を示している。 FIG. 5 is a block diagram showing another example of the X-ray generator of the present invention. As is apparent from FIG. 5, in the present embodiment, an X-ray generator when a rotating counter cathode is used is shown.
図5に示すX線発生装置50においては、真空容器51内に、回転対陰極52が配置されているとともに、これと対向するようにして電子線源としての電子銃53が設けられている。回転対陰極52の下面には回転シャフト55が接続されており、図中矢印で示す方向に回転できるように構成されている。なお、回転対陰極52の、電子銃53と相対向する側には、回転対陰極52と接触するようにして水冷室54が設けられており、この水冷室54内には回転シャフト55を通じて外部から冷媒(冷却水)が循環されるようになっている。
In the
図5に示すX線発生装置50においては、電子銃53から電子線58が回転対陰極52の表面に照射され、得られた電子線照射部52Aから所定のX線59が生成され、X線取り出し窓57から外部に取り出される。
In the
本実施形態においても、回転対陰極52は、上記図2に示したように、回転に伴う各瞬間における電子線照射部52Aに対して凸部が半球状となり、上記回転対陰極52の回転に伴う電子線58の、回転対陰極52に対するトレースに従って、前記半球状の凸部が結合したような形態、すなわち半円柱状の凸部521を有している。この場合、回転対陰極52の回転に伴う各瞬間における電子線照射部52Aにおいては、半円球状の凸部の熱伝搬の効果によって、その温度上昇を効果的に抑制することができる。
Also in this embodiment, as shown in FIG. 2, the
結果として、回転対陰極52を用いた場合においても、電子線照射部52Aの温度上昇を効果的に抑制することができる。このため、電子線照射部52Aの熱応力に起因した回転対陰極52Aの荒れによるX線59の輝度の低下や、ターゲット材料の蒸散による飛散を抑制することができる。
As a result, even when the
なお、本実施形態においても、回転対陰極52の大きさに比較して電子線58の幅が無視できないような場合、凸部521は、上記図3で説明したように、電子線照射部52A端部を基準として2つの半球を描き、これら2つの半球を結合し、外周面を連続させて得た半球の連続体として上記半円柱形状が定義される。
Also in this embodiment, when the width of the
回転対陰極52は、例えば銅、クローム、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58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。
The
なお、凸部521は、上述したような回転対陰極52と一体とし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、銀、銅、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。上述したように、回転対陰極52及び凸部521が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、凸部521を構成する銅の熱伝導率が回転対陰極52を構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。
In addition, although the
以上、本発明について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。 The present invention has been described in detail with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
11 ターゲット
12 電子線照射部
15 電子線
21 ターゲット
22 電子線照射部
25 電子線
31 真空容器
32 対陰極
33 陰極
34 ウエーネルト
35 グリッド
36 陽極
37 X線取り出し窓
38 電子線粗れ
39 X線
42 水冷室
51 真空容器
52 回転対陰極
53 電子銃
54 水冷室
55 回転シャフト
57 X線取り出し窓
58 電子線
59 X線
DESCRIPTION OF
Claims (12)
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線を生成するターゲットとを具え、
前記ターゲットは、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の曲率を有する半球状又は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、X線発生装置。 An electron beam source for generating a predetermined electron beam;
Receiving an electron beam irradiation to form an electron beam irradiation part, comprising a target for generating a predetermined X-ray from the electron beam irradiation part;
The target is formed so as to include a hemispherical or semi-cylindrical convex part having a curvature with a certain radius r toward the outside of the electron beam irradiation part with the electron beam irradiation part as a center. X-ray generator.
前記電子線をターゲットに照射し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、
前記ターゲットを、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の曲率を有する半球状又は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。 Generating an electron beam from an electron beam source;
Irradiating the target with the electron beam to form an electron beam irradiation unit, and generating predetermined X-rays from the electron beam irradiation unit,
The target is formed so as to include a hemispherical or semi-cylindrical convex part having a curvature with a certain radius r toward the outside of the electron beam irradiation part with the electron beam irradiation part as the center, An X-ray generation method characterized by diffusing heat generated in a beam irradiation unit to suppress a temperature rise in the electron beam irradiation unit.
前記ターゲットの、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、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径rの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むことを特徴とする、X線発生用ターゲット。 A target for generating predetermined X-rays upon irradiation with an electron beam,
The target includes a hemispherical or semi-cylindrical convex portion having a curvature with a certain radius r toward the outside of the electron beam irradiation portion with the electron beam irradiation portion formed by electron beam irradiation as the center. A target for X-ray generation.
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