JP2010067525A - Ｘ線発生方法及びｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度のＸ線を発生させることが可能な、新規なＸ線発生方法及びＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】回転対陰極の表面にエネルギー線を照射して、前記回転対陰極の前記エネルギー線が照射された部分を加熱し、少なくとも部分的に気化させた状態で、前記回転対陰極よりＸ線を発生させ、前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射された前記部分に対して、その表面から外方に向かうように遠心力を作用させ、前記回転対陰極自体で、前記エネルギー線が照射された前記部分を支持する。
【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。

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。

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（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。すなわち、Ｘ線の輝度を向上させるには、上記電力を増大させるとともに及び上記ターゲット上の電子ビームの面積を減少させればよい。

しかしながら、この場合においては、上記ターゲット上において単位面積当たりに照射される電子ビームの強度が増大してしまうことになるので、電子線照射によって前記ターゲットが溶解し、飛散してしまうことになる。したがって、理論上は、上述のような関係式に基づいてＸ線の輝度を増大させることはできるが、実際上は、前記ターゲットの融点に起因してＸ線の輝度の増大には限界があった。

このような問題に鑑みて、特開２００４−１７２１３５号公報には、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の内側に対して電子線を照射し、かかる部分をその融点近傍にまで加熱して、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近傍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。

したがって、特開２００４−１７２１３５号公報に開示された技術によれば、上述したターゲットの溶解及び飛散の問題を回避した状態で、ターゲット上における単位面積当たりに照射される電子ビームの強度を増大させることができるので、従来に比し、比較的高い輝度のＸ線を得ることができる。
特開２００４−１７２１３５号公報

しかしながら、Ｘ線を利用した高分解能の分析及び検査、さらには医療等の分野への応用を考慮するとさらなる高輝度のＸ線が求められており、そのためのＸ線発生方法及びＸ線発生装置の開発が求められている。

本発明は、高輝度のＸ線を発生させることが可能な、新規なＸ線発生方法及びＸ線発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
回転対陰極の表面にエネルギー線を照射して、前記回転対陰極の前記エネルギー線が照射された部分を加熱し、少なくとも部分的に気化させた状態で、前記回転対陰極よりＸ線を発生させるステップと、
前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射された前記部分に対して、その表面から外方に向かうように遠心力を作用させ、前記回転対陰極自体で、前記エネルギー線が照射された前記部分を支持するステップと、
を具えることを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

また、本発明は、
エネルギー線を発生させるためのエネルギー線源と、
前記エネルギー線源からの前記エネルギー線の照射によってＸ線を発生させるための回転対陰極と、
前記回転対陰極と連結し、前記回転対陰極の外方に向けて遠心力を作用させる回転機構とを具え、
前記エネルギー線は、前記回転対陰極の照射部分を加熱し、少なくとも部分的に気化させた状態で前記Ｘ線を発生させ、前記照射部分は、前記遠心力によって前記回転対陰極自体で支持す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。

一般に、Ｘ線発生装置におけるターゲットに対してエネルギー線を照射し、その温度を融点以上にまで上昇させると、前記ターゲットを構成する部材の蒸気圧が増大するようになるので、前記ターゲットが消耗する。したがって、このような場合においては、ターゲットに凹みが出来、発生したＸ線が取り出し不能になるため取り出されるＸ線の輝度も減少するものと考えられていた。

ところが、本発明に従って、回転対陰極を採用し、この回転対陰極の表面に対してエネルギー線を照射して加熱し、前記エネルギー線照射部が少なくとも部分的に気化するようにすることによって、驚くべきことに照射するエネルギー線の、前記回転対陰極の単位面積当たりの強度の増大に伴い、生成されるＸ線の輝度が格段に増大することを見出した。具体的には、上述の特開２００４−１７２１３５号公報に開示された技術によって生成されるＸ線輝度の約３倍程度以上の輝度のＸ線が生成されることが判明した。

なお、前記回転対陰極の、前記エネルギー線照射部を少なくとも部分的に気化させることによって生成されるＸ線の輝度が向上する理由については、現在明確とはなっておらず、原因究明の最中である。しかしながら、前記エネルギー線照射部を少なくとも部分的に気化させれば、Ｘ線輝度が向上することについては、実験を通じて反復的に確認されている。

また、本発明における“少なくとも部分的に気化させた状態”とは、上記回転対陰極の融点時における、前記回転対陰極を構成する部材の蒸気圧よりも高いことを意味しており、例えば数倍から数十倍、数千倍の蒸気圧を呈する場合を意味する。

本発明の一態様においては、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、前記電子線は前記筒状部分の内壁表面に照射するようにすることができる。これによって、前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射された前記部分の、前記回転対陰極自体での保持を容易かつ確実に行うことができるようになる。

また、本発明の他の態様においては、前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度を、前記回転対陰極の融点から２００℃以上、好ましくは７００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱する。前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度設定を上述のように行うことによって、Ｘ線輝度向上に要求される上記部分的な気化を簡易かつ確実に行うことができる。

なお、“前記回転対陰極の融点から２００℃以上”なる要件は、前記回転対陰極の構成部材、すなわちＸ線生成のためのターゲットとして汎用される銅（Ｃｕ）等の蒸気圧が融点時の約１０倍程度以上となる温度であり、“前記回転対陰極の融点から７００℃以上”なる要件は、前記回転対陰極の構成部材、すなわちＸ線生成のためのターゲットとして汎用される銅（Ｃｕ）等の蒸気圧が融点時の約１０００倍程度以上となる温度である。但し、これらの値は測定条件等によって変動するものであるので、必ずしも確定した値ではない。

さらに、本発明のその他の態様においては、前記エネルギー線は電子線とすることができる。この場合、上記回転対陰極の単位面積当たりに強度の高いエネルギー線（電子線）を簡易に照射することができ、高輝度Ｘ線を簡易に生成することができる。

図１は、本発明の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１及び図２に示すＸ線発生装置１０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、隣接して気密構造部材２ａ、４ａ及び６ａによってそれぞれ形成されている。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。

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、かつ内部は空洞に形成されたもので、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、回転騒動部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５ｂ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。

なお、回転軸部１３の回転によって回転対陰極１も回転するようになり、回転対陰極１、すなわち筒状部１１の外方に向けて遠心力が作用するようになる。

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、回転軸部１３の左端部の外周には軸シール部材５ａが設けられており、冷却水の導入口１６から導入された冷却水が軸受け部材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にはべリリウム膜やニッケル膜等の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の真空の維持しながら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及びウエーネルト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。

本態様では、回転対陰極１の筒状部１１の表面１aに対して電子線３０を照射して加熱し、電子線照射部１ａが少なくとも部分的に気化する。したがって、理由は定かではないが、特開２００４−１７２１３５号公報に開示されたような、回転対陰極の電子線照射部を融点近傍に加熱して溶解させる場合に比較して、生成されるＸ線２０の輝度を十分に向上させることができる。

この場合、回転対陰極１を加熱するエネルギー線として電子線３０を用いているので、回転対陰極１の単位面積当たりに強度の高いエネルギー線（電子線）を簡易に照射することができ、高輝度Ｘ線を簡易に生成することができる。

なお、電子線照射部１ａは、上述のように部分的に気化した場合においても、回転軸部１３の回転による筒状部１１の外方に作用する遠心力によって、筒状部１１すなわち回転対陰極１に支持されるようになる。

また、回転対陰極１の、電子線照射部1ａの温度を、回転対陰極１の融点から２００℃以上、好ましくは７００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱する。前者の場合、測定条件によって変動するため必ずしも確定したものではないが、本態様の回転対陰極１を構成する銅（Ｃｕ）の蒸気圧が融点時の約１０倍程度以上となり、後者の場合、本態様の回転対陰極１を構成する銅（Ｃｕ）の蒸気圧が融点時の約１０００倍程度以上となる。

結果として、電子線３０の照射によって電子線照射部１ａの温度を上述のように設定すれば、電子線照射部１ａの部分的な気化を十分に行うことができ、高輝度のＸ線２０を簡易に生成することができる。

具体的に、図1及び２に示す装置において、回転対陰極１を6000rpm〜9000rpmなる速度で回転させ、電子線３０の照射によって電子線照射部１ａを温度１９００℃〜２０００℃（銅の融点１０８３℃に対して約７００℃以上高い温度）に加熱した場合に、最大で１０８ｋＷ／ｍｍ^２の輝度を得ることができた。一方、特開２００４−１７２１３５号公報に開示されたように、電子線照射部１ａの温度を銅の融点近傍に加熱した場合は、約４０ｋＷ／ｍｍ^２の輝度しか得られなかった。

図３は、本発明のＸ線発生装置の他の例における要部を示す概略構成図である。図1及び２に示すＸ線発生装置では、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とを分割し、対陰極室２と陰極室４とを仕切る隔壁部２ｂに形成された貫通孔２ｃを介して、陰極３から電子線３０を直線的に対陰極室２に導入し、回転対陰極１の筒状部１１に照射するようにしている。

これに対して、本態様のＸ線発生装置１０では、上述のように回転対陰極１及び電子線源（陰極）を別の室に設けることなく同じ室に配置し、前記電子線源から発射された電子線を偏向磁石によって変更させることによって、回転対陰極１の筒状部１１に照射するようにしている。以下、具体的に説明する。

図１に示すように、本態様におけるＸ線発生装置１０は、回転対陰極１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ている。なお、筒状部１１、円板状部１２及び回転軸部１３は、上記態様と同様に、必要に応じて空洞化し、冷却水が循環できるように構成することができる。

なお、本態様においても、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。

本態様のＸ線発生装置１０は、図３に示すように、回転対陰極１及び電子銃４０を同じ室に配置し、電子銃４０から発射された電子線３０を偏向磁石によって変更させることによって、回転対陰極１の筒状部１１に照射するように構成している。したがって、図１及び２に示すように、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とを分割配置するように構成したＸ線発生装置１０と比較して、装置構成を簡略化することができる。

電子銃４０からは電子線３０が水平方向に出射され、偏向電子レンズ４１によって約１８０度の方向転換を受け、回転対陰極１の筒状部分１１の内壁に照射されることにより、加熱された電子線照射部１ａから所定のＸ線２０を生成するようになる。

本態様でも、回転対陰極１の筒状部１１の表面に対して電子線３０を照射して加熱することにより、電子線照射部１ａを少なくとも部分的に気化する。したがって、特開２００４−１７２１３５号公報に開示されたような、回転対陰極の電子線照射部を融点近傍に加熱して溶解させる場合に比較して、生成されるＸ線２０の輝度を十分に向上させることができる。

この場合、回転対陰極１を加熱するエネルギー線として電子線３０を用いているので、回転対陰極１の単位面積当たりに強度の高いエネルギー線（電子線）を簡易に照射することができ、高輝度Ｘ線を簡易に生成することができる。

なお、電子線照射部１ａは、上述のように部分的に気化した場合においても、回転軸部１３の回転による筒状部１１の外方に作用する遠心力によって、筒状部１１すなわち回転対陰極１に支持されるようになる。

また、回転対陰極１の、電子線照射部1ａの温度を、回転対陰極１の融点から２００℃以上、好ましくは７００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱する。前者の場合、測定条件によって変動するため必ずしも確定したものではないが、本態様の回転対陰極１を構成する銅（Ｃｕ）の蒸気圧が融点時の約１０倍程度以上となり、後者の場合、本態様の回転対陰極１を構成する銅（Ｃｕ）の蒸気圧が融点時の約１０００倍程度以上となる。

結果として、電子線３０の照射によって電子線照射部１ａの温度を上述のように設定すれば、電子線照射部１ａの部分的な気化を十分に行うことができ、高輝度のＸ線２０を簡易に生成することができる。

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、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、ターゲット物質の冷却効率の向上、あるいは、変形防止が図られて、より高出力化することが可能になる。

また、電子線照射部１ａから気化した回転対陰極１の構成部材によって、Ｘ線透過膜２２が汚染されないように、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２２の前面に配置されるようにすればよい。

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

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
４０ 電子銃
４１ 偏向電子レンズ

Claims (10)

1. 回転対陰極の表面にエネルギー線を照射して、前記回転対陰極の前記エネルギー線が照射された部分を加熱し、少なくとも部分的に気化させた状態で、前記回転対陰極よりＸ線を発生させるステップと、
   前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射された前記部分に対して、その表面から外方に向かうように遠心力を作用させ、前記回転対陰極自体で、前記エネルギー線が照射された前記部分を支持するステップと、
   を具えることを特徴とする、Ｘ線発生方法。
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１に記載のＸ線発生方法。
3. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度を、前記回転対陰極の融点から２００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱す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. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度を、前記回転対陰極の融点から７００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱することを特徴とする、請求項３に記載のＸ線発生方法。
5. 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１〜４のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
6. エネルギー線を発生させるためのエネルギー線源と、
   前記エネルギー線源からの前記エネルギー線の照射によってＸ線を発生させるための回転対陰極と、
   前記回転対陰極と連結し、前記回転対陰極の外方に向けて遠心力を作用させる回転機構とを具え、
   前記エネルギー線は、前記回転対陰極の照射部分を加熱し、少なくとも部分的に気化させた状態で前記Ｘ線を発生させ、前記照射部分は、前記遠心力によって前記回転対陰極自体で支持するように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置。
7. 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、前記電子線は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６に記載のＸ線発生装置。
8. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度を、前記回転対陰極の融点から２００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱することを特徴とする、請求項６又は７に記載のＸ線発生装置。
9. 前記回転対陰極の、前記エネルギー線の照射部分の温度を、前記回転対陰極の融点から７００℃以上高い温度であって、前記回転対陰極の１気圧下における沸点以下の温度に加熱することを特徴とする、請求項８に記載のＸ線発生装置。
10. 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６〜９のいずれか一に記載のＸ線発生装置。

Images