JP2012142114A - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線を発生する際に対陰極から放出される正イオン（矢印Ｂ）が陰極に衝突して陰極の寿命に悪影響が及ぶことを防止でき、しかもそれを実現するための構成が非常に簡単であるＸ線発生装置を提供する。
【解決手段】電子を発生する陰極２と、円筒形状の電子衝突面を有しており電子が電子衝突面に衝突した領域がＸ線焦点Ｆとなる回転対陰極４と、陰極２から出た電子に電界Ｅを付与するウエネルト電極７とを有するＸ線発生装置である。ウエネルト電極７は、電界Ｅを形成する電界形成面７ａと、電界形成面７ａによって形成されている電子通過用の開口１４とを有している。ウエネルト電極７の電界形成面７ａは、Ｘ線焦点Ｆの中心における回転対陰極４の外周面の接線面Ｓ２に対して傾斜している。電子放出用の開口１４の中心を通り電界形成面７ａに直交する面Ｓ３上に陰極２の中心がある。
【選択図】図２

Description

本発明は、陰極から発生した電子を対陰極に衝突させて当該対陰極からＸ線を発生するＸ線発生装置に関する。

上記のＸ線発生装置は、例えばＸ線分析装置において分析対象である試料へ照射されるＸ線を発生する装置である。例えば、特許文献１に開示されたＸ線発生装置では、陰極構体（陰極に相当）から放出される電子を陽極ターゲット（対陰極に相当）のテーパ状の側面に衝突させてＸ線焦点を形成し、そのＸ線焦点からＸ線を放出している。このＸ線発生装置においては、陽極ターゲットに電子が衝突した際に当該陽極ターゲットから正イオンが放出され、この正イオンが陰極に衝突することにより、陰極の寿命に悪影響を及ぼすおそれがある。正イオンが陰極に衝突することは、イオン衝撃と呼ばれることがある。

また、特許文献２によれば、フィラメント（陰極に相当）をウエネルト電極に対して偏心して配置することにより、ターゲット（対陰極に相当）上での電子照射領域を偏心させ、これにより、電子照射領域から放出される正イオンがフィラメントに衝突することを防止することが知られている。

特開平０５−０１３０３０号公報（第２〜３、図１） 特開２００７−１１５５５３号公報（第５頁、図７）

しかしながら、特許文献２に開示された上記の従来装置においては、ウエネルト電極に対するフィラメント（陰極）の設置位置を計算することが容易ではなく、さらに、ウエネルト電極をターゲット（対陰極）に対する所定位置に設置するための調整が難しいという問題があった。

本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、Ｘ線を発生する際に対陰極から放出される正イオンが陰極に衝突して陰極の寿命に悪影響が及ぶことを防止でき、しかもそれを実現するための構成が非常に簡単であるＸ線発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＸ線発生装置は、電子を発生する陰極と、円筒形状の電子衝突面を有しており前記電子が当該電子衝突面に衝突した領域がＸ線焦点となる回転対陰極と、前記陰極から出た電子に電界を付与するウエネルト電極とを有しており、前記ウエネルト電極は、前記電界を形成する電界形成面と、当該電界形成面に形成されている電子通過用の開口とを有しており、前記ウエネルト電極の電界形成面は、前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の接線面に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明によれば、ウエネルト電極の電界形成面がＸ線焦点の中心における回転対陰極の外周面の接線面に対して傾斜しているので、回転対陰極の外周面のＸ線焦点における法線面方向からずれた位置に陰極を置くことができる。こうすれば、Ｘ線焦点からＸ線を発生させている際に同時に回転対陰極の外周面の法線方向に出射する正イオンが陰極にぶつかることを防止でき、その結果、陰極の寿命が短くなることを防止できる。

なお、特許文献１（特開平０５−０１３０３０号公報）に開示されたＸ線発生装置では、当該文献の図１において、陰極構体（１９）の電界形成面が陽極ターゲット（１１／対陰極に相当）の円筒状外周面の接線面に対して傾斜している状態が図示されている。しかしながら、この文献において、陽極ターゲット（１１）の円筒状外周面にはＸ線焦点は形成されず、Ｘ線焦点は陽極ターゲット（１１）のテーパ状の側面に形成されているので、本発明のように回転対陰極の円筒状の外周面にＸ線焦点が形成される構成とは、根本的に異なっている。

本発明に係るＸ線発生装置においては、前記電子放出用の開口の中心を通り前記電界形成面に直交する面上に前記陰極の中心があることが望ましい。つまり、開口を形成しているウエネルト電極は陰極に対して上下又は左右で対称の位置関係にあることが望ましい。

特許文献２（特開２００７−１１５５５３号公報）に開示されたＸ線発生装置では陰極をウエネルト電極の中心位置から適切な距離だけずらせることにより、電子ビームの進行方向を曲げて回転対陰極の外周面上にＸ線焦点を形成し、これにより、Ｘ線焦点から回転対陰極の法線方向に出る正イオンが陰極にぶつからないように構成した。しかしながら、この場合には、陰極の配置位置を設計によって求めることが非常に難しく、しかも陰極の配置位置を正確に位置決めするための調整も非常に難しい。これに対し、上記のように電子放出用の開口の中心を通り電界形成面に直交する面上に陰極の中心があるように構成すれば、陰極は単にウエネルト電極の中心位置に配置するだけで良いので、設計が非常に簡単であり、陰極の設置も非常に簡単に行うことができる。

本発明に係るＸ線発生装置においては、陰極から出る電子は曲がることなくウエネルト電極の電界形成面と直交する方向に直線状に進行することが望ましい。こうすれば、Ｘ線焦点の形成位置を安定させることができる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記ウエネルト電極は、前記電子通過用の開口に近い位置に設けられた第１空間と、前記電子通過用の開口から遠い位置にあり前記第１空間につながっており当該第１空間よりも容積が小さい第２空間とを有することができる。そして、前記陰極の一部は前記第１空間内にあり、前記陰極の残りの一部は前記第２空間内にある構成とすることができる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記第１空間と前記第２空間との境界部分の壁に第１Ｘ線遮蔽部材を取外し可能に取り付けることができ、さらに、前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の法線が前記第１空間を通過して前記第１Ｘ線遮蔽部材と交わるように構成できる。この構成により、Ｘ線焦点からＸ線を発生する際に同時にＸ線焦点から発生する正イオンが陰極にぶつかってその陰極を劣化させることを防止できる。
このＸ線発生装置おいて、前記第１Ｘ線遮蔽部材はＭｏ（モリブデン）を主成分とする金属によって形成できる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記第２空間は第２Ｘ線遮蔽部材でふさがれており、前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の法線は前記陰極の周囲の前記第２空間を通過して前記第２Ｘ線遮蔽部材と交わる構成とすることができる。この構成により、Ｘ線焦点からＸ線を発生する際に同時にＸ線焦点から発生する正イオンが陰極にぶつかってその陰極を劣化させることを防止できる。
この構成において、前記第２Ｘ線遮蔽部材はＷ（タングステン）を主成分とする金属によって形成できる。

本発明によれば、ウエネルト電極の電界形成面がＸ線焦点の中心における回転対陰極の外周面の接線面に対して傾斜しているので、回転対陰極の外周面のＸ線焦点における法線面方向からずれた位置に陰極を置くことができる。こうすれば、Ｘ線焦点からＸ線を発生させている際に同時に回転対陰極の外周面の法線方向に出射する正イオンが陰極にぶつかることを防止でき、その結果、陰極の寿命が短くなることを防止できる。

本発明に係るＸ線発生装置の一実施形態を示す正面図である。 図１の主要部であり陰極と対陰極とが対向する部分を一部破断して拡大して示す図である。 図１の主要部であるウエネルト電極の正面図である。 回転対陰極の外周面上に形成されるＸ線焦点を示す斜視図である。 本発明に係るＸ線発生装置の他の実施形態を示す正面図である。 本発明に係るＸ線発生装置のさらに他の実施形態の主要部を一部破断して示す正面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係るＸ線分析装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。

図１は、本発明に係るＸ線発生装置の一実施形態の正面図である。図２は図１の主要部であり陰極と対陰極とが対向する部分を一部破断して拡大して示す図である。図３は図１の主要部であるウエネルト電極（Wehnelt Electrode）の正面図である。

図１において、本実施形態のＸ線発生装置１は、陰極２を備えた電子銃３と、電子銃３に対向している回転対陰極４とを有している。電子銃３はセラミックによって形成されたガイシ６の上に設けられている。

回転対陰極４は図示しない駆動装置によって駆動されて中心軸線Ｘ０を中心として所定の速度、例えば９，０００〜１２，０００ｒｐｍで矢印Ａに示すように回転できる。回転対陰極４の外周表面は円筒形状となっている。この円筒形状の外周表面は、取り出したいＸ線の波長に応じた金属、例えばＣｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）等によって形成されている。

電子銃３は、図２に示すように、導電性の金属によって形成されたウエネルト電極７を有しており、陰極２はそのウエネルト電極７の内部に形成された空間内に収容されている。陰極２は、図３に示すように、長さＬ１のコイル状のフィラメントによって形成されている。図２において、陰極２は紙面と直角の方向（すなわち紙面を貫通する方向）へ延びている。ウエネルト電極７は、周知の通り、陰極２から放出された電子に電界を付与して、電子の進行方向を制御する電極である。

ウエネルト電極７の内部空間は、容積の大きい第１空間８と、容積の小さい第２空間９とから成っている。図３から理解されるように、第１空間８及び第２空間９は左右方向（水平方向）に長い立方体形状であり、それらの左右方向の長さＬ２は同じである。図２に示すように、第２空間９は回転対陰極４から見て第１空間８の後方に位置しており、第１空間８につながっている。陰極２の輪形状の断面部分の一部分は第１空間８内に有り、陰極２の残りの部分は第２空間９内にある。但し、陰極２の配置位置はこの仕様に限られない。

第１空間８と第２空間９との境界部分で第１空間８の壁には第１Ｘ線遮蔽部材１１が取外し可能に取り付けられている。また、第２空間９がウエネルト電極７の外部に開口する部分は第２Ｘ線遮蔽部材１２が取外し可能に取り付けられている。第１Ｘ線遮蔽部材１１は、例えばＭｏ（モリブデン）によって形成されている。第２Ｘ線遮蔽部材１２は、例えばＷ（タングステン）によって形成されている。

図１において、回転対陰極４は電気的に接地されている。回転対陰極４と陰極２との間には負の電圧Ｖ１、例えばＶ１＝４５〜６０ｋＶが印加されている。陰極２とウエネルト電極７との間には負の電圧Ｖ２、例えばＶ２＝２００Ｖが印加されている。陰極２とウエネルト電極７との間に電圧Ｖ２が印加されると、陰極２とウエネルト電極７との間に図２に模式的に示す電界Ｅが発生する。陰極２は通電によって発熱して熱電子を放出する。放出された電子は、電界Ｅによって進行方向を制御されながら、電圧Ｖ１によって加速されて回転対陰極４の外周面に衝突する。こうして回転対陰極４の外周面に電子が衝突した領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が空間の全方位に発生する。

回転対陰極４の外周面上に形成された実際のＸ線焦点Ｆは実焦点と呼ばれる。実焦点Ｆの大きさは、例えば図４に模式的に示すように、陰極２の形状に対応した幅Ｗ１、長さＬ３の長方形状である。寸法は、例えば、Ｗ１＝４０μｍ、Ｌ３＝４００μｍの長方形状からＷ１＝７０μｍ、Ｌ３＝７００μｍの長方形状である。

Ｘ線焦点Ｆから全方位に放出されたＸ線は、回転対陰極４の回転軸線Ｘ０と平行方向に設けられた（すなわち実焦点Ｆの短手側に設けられた）取出し窓１３ａから外部へ取り出されたり、回転軸線Ｘ０と直角方向に設けられた（すなわち実焦点Ｆの長手側に設けられた）取出し窓１３ｂから外部へ取り出される。Ｘ線焦点Ｆに対する取出し窓１３ａの角度α１及びＸ線焦点Ｆに対する取出し窓１３ｂの角度α２は、Ｘ線取出し角と呼ばれており、これらの角度は例えば角度５°〜６°である。

実焦点端手側の窓１３ａから取り出されるＸ線についてのＸ線焦点、及び実焦点長手側の窓１３ｂから取り出されるＸ線についてのＸ線焦点は、実効焦点と呼ばれている。実焦点短手側の窓１３ａから取り出されるＸ線の実効焦点の大きさは、実焦点が４０×４００μｍであれば、４０×４０μｍの矩形状又はφ（直径）４０μｍの円形状である。他方、実焦点が７０×７００μｍであれば７０×７０μｍ又はφ７０μｍである。こうして取り出されたＸ線はポイントフォーカスのＸ線と呼ばれる。

実焦点長手側の窓１３ｂから取り出されるＸ線の実効焦点の大きさは、実焦点が４０×４００μｍであれば、４×４００μｍの長方形状である。他方、実焦点が７０×７００μｍであれば７×７００μｍの長方形状である。こうして取り出されたＸ線はラインフォーカスのＸ線と呼ばれる。ポイントフォーカス又はラインフォーカスは、Ｘ線回折装置、Ｘ線散乱装置等といったＸ線分析装置によって行われる測定の種類に応じて適宜に選択して使用される。

図２において、ウエネルト電極７の先端面７ａは電界Ｅの形成に大きく関わっている面である。本明細書ではこの面７ａをウエネルト電極７の電界形成面と呼ぶことにする。この面７ａは１つの平らな平面Ｓ１に含まれる面である。本明細書ではこの平面Ｓ１をウエネルト平面Ｓ１と呼ぶことがある。

ウエネルト電極７の電界形成面７ａは、陰極２から発生した電子を通過させる開口１４を区画して形成している。電子はこの開口１４を通過して進行する。本実施形態において、ウエネルト電極７の電界形成面７ａ従ってウエネルト平面Ｓ１は、回転対陰極４の外周面上のＸ線焦点Ｆの中心における回転対陰極４の外周面の接線を含む面（以下、接線面という）Ｓ２に対して角度βで傾いている。角度βは例えば角度３°である。そして、陰極２のコイル輪の中心線Ｘ１は、電子放出用の開口１４の中心を通り電界形成面７ａ従ってウエネルト平面Ｓ１に直交する面Ｓ３内にある。

陰極２の中心線Ｘ１をウエネルト開口１４の中心面Ｓ３上に設けたことにより、陰極２から出た電子が電界Ｅから受ける力は常に均一であり、そのため、電子は曲がることなく直線状に進行して回転対陰極４の外周面上にＸ線焦点Ｆを形成する。

そして、開口１４を含むウエネルト面Ｓ１とＸ線焦点Ｆを通る接線面Ｓ２とが角度βで傾いていることにより、陰極２の中心線Ｘ１は、回転対陰極４の回転中心線Ｘ０とＸ線焦点Ｆの中心線を通る面（本実施形態では水平面）Ｓ４に対して距離Ｄだけずれた位置にある。回転対陰極４の回転中心線Ｘ０とＸ線焦点Ｆの中心線とを通る面Ｓ４は、Ｘ線焦点Ｆにおける回転対陰極４の外周面の接線面Ｓ２に直交する面、すなわち法線面である。

陰極２から出た電子が回転対陰極４の外周面上でＸ線焦点Ｆを結び、そのＸ線焦点ＦからＸ線が放射されることは既述の通りであるが、このＸ線放射の際には、一般に、Ｘ線焦点Ｆから回転対陰極４の外周面の法線方向に沿って矢印Ｂで示すように正イオンが放出される。仮にこの正イオンが陰極２に衝突すると、陰極２の劣化が早くなり、陰極２の寿命が短くなるという不都合が発生する。

これに対し、本実施形態では、陰極２を回転対陰極４の法線面Ｓ４から距離Ｄだけずらしてあるので、正イオンは陰極２にぶつかることなく、その周囲の第２空間９を通過して第２Ｘ線遮蔽部材１２にぶつかって吸収される。これにより、正イオンとの衝突に起因して陰極２の寿命が短縮化されることを防止でき、長期間にわたって陰極２の特性を維持できる。長期間にわたる正イオンの衝突により第２Ｘ線遮蔽部材１２が劣化したときには、その第２Ｘ線遮蔽部材１２を別の第２Ｘ線遮蔽部材１２に交換すれば良い。

特許文献２（特開２００７−１１５５５３号公報）に開示されたＸ線発生装置では陰極をウエネルト電極の中心位置から適切な距離だけずらせることにより、電子ビームの進行方向を曲げて回転対陰極の外周面上にＸ線焦点を形成し、これにより、Ｘ線焦点から回転対陰極の法線方向に出る正イオンが陰極にぶつからないように構成した。しかしながら、この場合には、陰極の配置位置を設計によって求めることが非常に難しく、しかも陰極の配置位置を正確に位置決めするための調整も非常に難しかった。

これに対し、本実施形態では、陰極２は単にウエネルト電極７の中心位置に配置するだけで良いので、設計が非常に簡単であり、陰極の設置も非常に簡単に行うことができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明に係るＸ線発生装置の他の実施形態を示している。上記の実施形態では図１に示したように、概ね直方体形状で先端の電界形成面７ａの部分に傾斜が付けられた形状のウエネルト電極７をガイシ６の上に直立状態（直角の状態）で取り付けた。

これに対し、本実施形態では、図５において、概ね直方体形状で先端の電界形成面７ａに傾斜が付けられていない（すなわち電界形成面７ａがウエネルト電極７の他の側面と平行である）形状のウエネルト電極７をガイシ６に斜めに取り付けることにより、ウエネルト平面Ｓ１と回転対陰極４の接線面Ｓ２との間に傾斜角βを形成している。

その他の部材で図１に示した部材と同じ符号を付けて示している部材は同じ部材であり、その説明は省略する。本実施形態においても、ウエネルト平面Ｓ１と回転対陰極４の接線面Ｓ２との間に傾斜角βを設けたことにより、陰極２に正イオンが衝突することを防止でき、その結果、陰極２の寿命を長く維持できる。また、陰極２は単にウエネルト電極７の中心位置に配置するだけで良いので、設計が非常に簡単であり、陰極の設置も非常に簡単に行うことができる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明に係るＸ線発生装置のさらに他の実施形態を示している。上記の実施形態では図２に示したように、回転対陰極４のＸ線焦点ＦからＸ線を発生している際に回転対陰極４の外周面の法線面方向Ｓ４に同時に発生する正イオンを、ウエネルト電極７内の第１空間９をふさいでいる第２Ｘ線遮蔽部材１２にぶつけて吸収するようにした。

これに対し本実施形態では、図６に示すように、回転対陰極４のＸ線焦点Ｆの法線面方向Ｓ４へ進行する正イオンを、ウエネルト電極７内の第１空間８内の第１Ｘ線遮蔽部材１１にぶつけて吸収するようにしている。長期間にわたる正イオンの衝突によって第１Ｘ線遮蔽部材１１が劣化したときには、劣化した第１Ｘ線遮蔽部材１１を別の第１Ｘ線遮蔽部材１１に交換すれば良い。

（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、陰極２は、コイル状のフィラメント限られず、ＬａＢ_６（ランタンヘキサボライド）等といったホウ化物によって形成された固形状の物質によって形成することもできる。

１．Ｘ線発生装置、 ２．陰極、 ３．電子銃、 ４．回転対陰極、 ６．ガイシ、 ７．ウエネルト電極、 ７ａ．電界形成面、 ８．第１空間、 ９．第２空間、 １１．第１Ｘ線遮蔽部材、 １２．第２Ｘ線遮蔽部材、 １３ａ，１３ｂ．Ｘ線取出し窓、 １４．電子通過用開口、 Ｂ．正イオン進行方向、 Ｅ．電界、 Ｆ．Ｘ線焦点、 Ｌ１．陰極の長さ、 Ｌ２．ウエネルト内空間の長さ、 Ｌ３．Ｘ線焦点の長さ、 Ｓ１．ウエネルト平面、 Ｓ２．回転対陰極のＸ線焦点Ｆにおける接線面、 Ｓ３．ウエネルト面に直交する面、 Ｓ４．Ｘ線焦点における回転対陰極の法線面、 Ｘ０．回転対陰極の中心軸線、 Ｘ１．陰極のコイル輪の中心線、 Ｗ１．Ｘ線焦点の幅、 α１，α２．Ｘ線取出し角、 β．回転対陰極の接線面Ｓ２に対するウエネルト平面Ｓ１の傾斜角

Claims (8)

1. 電子を発生する陰極と、
   円筒形状の電子衝突面を有しており前記電子が当該電子衝突面に衝突した領域がＸ線焦点となる回転対陰極と、
   前記陰極から出た電子に電界を付与するウエネルト電極と、を有しており、
   前記ウエネルト電極は、前記電界を形成する電界形成面と、当該電界形成面によって形成されている電子通過用の開口とを有しており、
   前記ウエネルト電極の電界形成面は、前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の接線面に対して傾斜している
   ことを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記電子放出用の開口の中心を通り前記電界形成面に直交する面上に前記陰極の中心があることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
3. 前記陰極から出る電子は前記ウエネルト電極の電界形成面と直交する方向に直線状に進行することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＸ線発生装置。
4. 前記ウエネルト電極は、前記電子通過用の開口に近い位置に設けられた第１空間と、前記電子通過用の開口から遠い位置にあり前記第１空間につながっており当該第１空間よりも容積が小さい第２空間とを有しており、
   前記陰極の一部は前記第１空間内にあり、前記陰極の残りの一部は前記第２空間内にある
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の少なくとも１つに記載のＸ線発生装置。
5. 前記第１空間と前記第２空間との境界部分の壁に第１Ｘ線遮蔽部材が取外し可能に取り付けられており、
   前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の法線は前記第１空間を通過して前記第１Ｘ線遮蔽部材と交わる
   ことを特徴とする請求項４記載のＸ線発生装置。
6. 前記第１Ｘ線遮蔽部材はモリブデンを主成分とする金属より成ることを特徴とする請求項５記載のＸ線発生装置。
7. 前記第２空間は第２Ｘ線遮蔽部材でふさがれており、
   前記Ｘ線焦点の中心における前記回転対陰極の外周面の法線は前記陰極の周囲の前記第２空間を通過して前記第２Ｘ線遮蔽部材と交わる
   ことを特徴とする請求項４記載のＸ線発生装置。
8. 前記第２Ｘ線遮蔽部材はタングステンを主成分とする金属より成ることを特徴とする請求項７記載のＸ線発生装置。

Images