JP2013157269A - ターゲット構造体及びそれを備える放射線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット層とそれを支持する基板を有し、基板とターゲット層との界面におけるターゲット層の剥がれを抑制できる放射線透過型のターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムを提供する。
【解決手段】基板２の上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層３が２０μｍ以下の厚さで形成された放射線透過型のターゲット構造体であって、ターゲット層３の表面には凹凸が形成され、凹部はターゲット層３の厚さの半分以上の深さを有することを特徴とするターゲット構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療機器及び産業機器分野における非破壊Ｘ線撮影等に適用できるターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムに関する。

一般に放射線発生装置は、電子放出源から放出される電子を高電圧で加速し、タングステン等の金属で構成されるターゲットに照射してＸ線等の放射線を発生させている。放射線を発生するターゲットには、ターゲット表面で反射した放射線を取り出す反射型ターゲットと、ターゲットを透過した放射線を取り出す透過型ターゲットがある。いずれも電子放出源から放出された電子線がターゲットに入射した際には、入射したエネルギーのほとんどが熱に変換されるため、ターゲット表面の温度が高温となる。

一般に透過型ターゲットでは、発生した放射線の吸収を小さくするために薄膜のターゲット層を用いる。そのため電子線照射時にはターゲット表面付近のみならず、ターゲット層と支持基板の界面付近も高温となり、両者の熱膨張率の違いから熱応力が生じ、ターゲット層と支持基板との界面において、ターゲット層の剥がれが生じる場合があった。ターゲット層の剥がれが生じると、放射線線量が低下し信頼性が著しく低下する。この対策として、特許文献１には、タングステンからなるターゲット層とベリリウム製のＸ線透過窓板との間に、銅、クロム、鉄、ニッケル等の中間薄膜を形成することで、ターゲット層の剥がれを抑制する技術が開示されている。

一方反射型ターゲットの場合、電子線照射によりターゲット表面の温度が高温になると、照射時の熱応力によりターゲット表面に凹凸が生じ、放出された放射線の一部がターゲット表面の凸部に吸収されて放射線線量が減少するという問題がある（特許文献２参照）。この対策として、特許文献２には、ターゲット表面にマイクロスリットを形成し、熱によるターゲット表面の変形を抑制する技術が開示されている。

特開２０００−３０６５３３号公報 米国第７０７９６２５号明細書

特許文献１に記載の技術は、上述のように、ターゲット層と支持基板との間に中間薄膜を形成した構成を有している。しかしながら、この構成でも、ターゲット層、支持基板及び中間薄膜を構成する材料のそれぞれの熱膨張率の違いが大きいと、高温になったときにターゲット層又は中間薄膜に剥がれが生じる場合があった。また、ターゲット層、支持基板及び中間薄膜を構成する材料の熱膨張率を合わせようとすると、使用する材料の組合せが極めて限定されてしまうという問題があった。このため、使用する材料の組合せが限定されることなく、ターゲット層の剥がれを抑制することが求められていた。

一方特許文献２に記載の技術は、スリットの深さを３０μｍ以上１００μｍ以下とし、ターゲット層の厚さをそれよりも厚くしており、ターゲット層の厚さが厚いがゆえに生じるターゲット層の変形の抑制を目的とするものである。このため、特許文献２に記載の技術を透過型のターゲットにそのまま適用することはできなかった。

そこで、本発明は、ターゲット層とそれを支持する基板を有し、基板とターゲット層との界面におけるターゲット層の剥がれを抑制できる放射線透過型のターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基板の上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層が２０μｍ以下の厚さで形成された放射線透過型のターゲット構造体であって、
前記ターゲット層の表面には凹凸が形成され、凹部は前記ターゲット層の厚さの半分以上の深さを有することを特徴とするターゲット構造体を提供するものである。

本発明によれば、放射線透過型のターゲット構造体において、基板上にターゲット層が形成され、ターゲット層の表面には凹凸が形成され、凹部はターゲット層の厚さの半分以上の深さを有する。この凹部を設けることにより、ターゲット層と基板の熱膨張率差によって生じる熱応力を低減し、基板とターゲット層との界面におけるターゲット層の剥がれを抑制することができる。従って、長時間の駆動においても放射線線量の低下を抑制することができ、信頼性に優れた放射線透過型のターゲットを提供することができる。また、本発明のターゲット構造体を適用することにより、信頼性に優れた放射線発生装置及び放射線撮影システムを提供することができる。

本発明のターゲット構造体の例を示す模式図である。 本発明のターゲット構造体の他の例を示す模式図である。 基板とターゲット層の間に中間層が形成されたターゲット構造体の模式図である。 ターゲット層が保護層に覆われたターゲット構造体の模式図である。 本発明のターゲット構造体を備える放射線発生装置の断面模式図である。 本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影システムの構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されない。なお、本明細書で特に図示又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知技術を適用する。

〔第１の実施形態〕
まず、図１を用いて本発明のターゲット構造体について説明する。図１は本実施形態の放射線透過型のターゲット構造体の模式図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）における領域３０の拡大図、図１（ｃ）（ｄ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’線における断面図である。

本実施形態のターゲット構造体１は、基板２の上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層３が形成されている。ターゲット層３に電子線を入射すると放射線が発生し、発生した放射線の一部は基板２を透過して、ターゲット層３の反対側に放出され、放射線撮影等に使用される。

基板２は、ターゲット層３を支持し、ターゲット層３で発生する放射線の少なくとも一部を透過するものである。基板２を構成する材料は、ターゲット層３を支持できる強度を有し、ターゲット層３で発生した放射線の吸収が少なく、かつターゲット層３で発生した熱をすばやく放熱できるよう熱伝導率の高いものが好ましい。例えばダイヤモンド、炭化シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム等を用いることができる。基板２の厚みは、基板２への前記要求事項を満たすため、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が適当である。

ターゲット層３は、基板２の表面に形成されている。ターゲット層３を構成する材料は、融点が高く、放射線発生効率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル、モリブデン、又はこれらの金属を含む合金等を用いることができる。ターゲット層３の厚みは、発生した放射線がターゲット層３を透過する際に生じる吸収を少なくするため２０μｍ以下が好ましく、２μｍ以上２０μｍ以下が適当である。

図１（ａ）の領域３０において、ターゲット層３の表面には凹凸が形成されている。図１（ｃ）はターゲット層３が表面の凹凸の凹部４によって複数に分割された例である。図１（ｄ）はターゲット層３が表面の凹凸の凹部４によって完全に分割されていない例である。本発明は図１（ｃ）、図１（ｄ）のいずれの構成でも良い。凹部４の深さは、深い程、熱応力低減の効果が大きい。このため、凹部４の深さはターゲット層３の厚さの半分以上とするのが良い。好ましくは、ターゲット層３の厚さの２／３以上の深さである。ここで、図１（ａ）の領域３０は電子線が照射される範囲を含む領域であれば良く、ターゲット層３の表面の全領域であっても良い。

凹部４の幅Ｌ１は、狭すぎると熱応力低減の効果が小さく、また製造も困難である。また広すぎると線量の低下や画質の悪化を生じる。そのため、Ｌ１の平均は０．１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。また凸部３１の幅Ｌ２は、狭すぎると製造が困難であり、広すぎると熱応力低減の効果が小さい。そのため、Ｌ２の平均は１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。

ターゲット層３にこのような凹部４を設けると、ターゲット層３と基板２の熱膨張率差によって生じる熱応力を低減し、基板２とターゲット層３との界面におけるターゲット層３の剥がれを抑制することができる。そのため、長時間の駆動においても放射線線量の低下を抑制することができる。

凹部４及び凸部３１の形状は、前記Ｌ１、Ｌ２の条件を満たすものであれば良く、図１の形状に限られるものではない。図２に、本発明に適用可能なターゲット層３の別の形状の例を示すが、本発明はこれらに限定されない。ターゲット層３を構成する材料、ターゲット層３の厚みは図１と同じである。

図２（ａ）は図１と同様に、碁盤目状の凹部４を有するものであるが、凹部４で分割されたターゲット層３の凸部３１の一部が連結部３２で連結されているものである。基板２がダイヤモンド、窒化シリコン、窒化アルミニウムのような絶縁性基板の場合、このように凸部３１の一部を互いに連結することでターゲット層３の導通をとることができる。

図２（ｂ）は、凹部４で分割されたターゲット層３の凸部３１が六角形の形状を有するものである。図２（ｃ）は、凹部４で分割されたターゲット層３の凸部３１が長方形の形状を有するものである。図２（ｄ）は、凹部４で分割されたターゲット層３の凸部３１が同心円の形状を有するものである。図２（ｂ）〜図２（ｄ）においても、図２（ａ）と同様に、凹部４で分割されたターゲット層３の凸部３１の一部が不図示の連結部３２で連結されていても良い。

尚、図２（ａ）〜図２（ｄ）においても、図１（ｄ）と同様に、ターゲット層３が凹部４によって完全に分割されていなくても良い。また、凹部４の形状は図２（ａ）〜図２（ｄ）のいずれかの形状を組み合わせたものであっても良い。

基板２上にターゲット層３を形成する方法としては、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等の成膜方法を用いることができる。凹部４を形成する方法としては、ターゲット層３を成膜する時に、凹部４を形成する部分を遮蔽したマスクを基板２上に配置して成膜する方法を用いることができる。また、基板２上にターゲット層３を成膜した後、凹部４を形成する部分以外をフォトレジストでマスクし、凹部４を形成する部分のターゲット層３をエッチング除去する方法を用いることができる。

以上、本実施形態によれば、図１の構成のみならず、図２の構成においても、ターゲット層３に凹部４が設けられているため、ターゲット層３と基板２の熱膨張率差によって生じる熱応力を低減することができる。このため、基板２とターゲット層３の間に中間層を設けなくても、基板２とターゲット層３との界面におけるターゲット層３の剥がれを抑制することができ、材料の選択の範囲を広くすることができる。従って、長時間の駆動においても放射線線量の低下が少なく、信頼性に優れた放射線放出ターゲットを提供することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、図３を用いて本発明のターゲット構造体について説明する。図３（ａ）（ｂ）は本実施形態の放射線透過型のターゲット構造体の断面図である。本実施形態は、基板２とターゲット層３の間に中間層５を備えたものであり、その他については第１の実施形態と同様とすることができる。

図３において、中間層５は基板２とターゲット層３との密着性を更に改善するためのものである。中間層５を構成する材料は、基板２及びターゲット層３を構成する材料との密着性が良い材料が好ましい。このような材料としては、チタン、クロム、バナジウム、タンタル、又はこれらの金属を含む合金や化合物等を挙げることができる。また、中間層５は、ターゲット層３で発生する熱を基板２に伝導しやすくさせる機能も持つことができる。

中間層５の厚みは、基板２及びターゲット層３との密着性を確保でき、かつターゲット層３で発生した放射線の吸収を少なくできる厚みであることが望ましく、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下が好ましい。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様にターゲット層３に凹部４が設けられている。図３（ａ）は、ターゲット層３が凹部４によって複数に分割され、中間層５は分割されていない例である。図３（ｂ）は、ターゲット層３が凹部４によって複数に分割され、中間層５の表面にも凹凸が設けられ、ターゲット層３の凸部３１の下に位置する領域を凹部とし、中間層５がその凹部によって複数に分割された例である。

尚、図１（ｄ）と同様に、ターゲット層３は凹部４によって完全に分割されていなくても良い。また、ターゲット層３が凹部４によって複数に分割されている場合でも、中間層５は複数に分割されていなくても良い。

基板２上に中間層５及びターゲット層３を形成する方法としては、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等の成膜方法を用いることができる。凹部を形成する方法としては、成膜時に、凹部を形成する部分を遮蔽したマスクを基板上に配置して成膜する方法を用いることができる。この時、ターゲット層３を成膜する時にマスクを配置すれば、図３（ａ）のように、ターゲット層３のみに凹部４が形成される。また、中間層５及びターゲット層３を成膜する時にマスクを配置すれば、図３（ｂ）のように、ターゲット層３及び中間層５に凹部が形成される。また、基板２上に中間層５及びターゲット層３を成膜した後、凹部を形成する部分以外をフォトレジストでマスクし、凹部を形成する部分のターゲット層３、又はターゲット層３と中間層５をエッチング除去する方法を用いることができる。

以上、本実施形態によれば、ターゲット層３に凹部４が設けられているため、基板２と中間層５及びターゲット層３の熱膨張率の差が大きくても各界面における剥がれが生じにくく、材料の選択の範囲を広くすることができる。また、基板２とターゲット層３との間に密着性を改善する中間層５が形成されている。そのため、基板２とターゲット層３との密着性をより強固にし、より長時間の駆動、又はより高出力の駆動においても、ターゲット層３の剥がれを抑制し、放射線線量の低下を抑制することができる。

〔第３の実施形態〕
次に、図４を用いて本発明のターゲット構造体について説明する。図４は本実施形態の放射線透過型のターゲット構造体の断面図である。本実施形態は、ターゲット層３の凹部４を塞ぐことなく、ターゲット層３を覆う保護層６を備えたものであり、その他については第１の実施形態と同様とすることができる。

図４において、保護層６はターゲット層３の剥がれや浮きを抑制するためのものであり、保護層６を構成する材料は、基板２及びターゲット層３を構成する材料と密着性が良く、熱膨張率が近いものが好ましい。また、保護層６における電子線の吸収が小さくなるように電子侵入長の長い比較的原子番号の小さい材料が望ましい。例えばチタン、ニッケル、ジルコニウム、クロム、ニオブ、シリコン、又はこれらの金属を含む合金や化合物等から選択することができる。また保護層６は、ターゲット層３及び凹部４を覆うように連続的に形成されることが望ましく、厚みは１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。

基板２上にターゲット層３を形成し、ターゲット層３に凹部４を形成する方法としては、第１の実施形態と同様の方法を用いることができる。ターゲット層３上に保護層６を形成する方法としては、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等の成膜方法を用いることができる。

以上、本実施形態によれば、ターゲット層３に凹部４が設けられ、ターゲット層３の凹部４が塞がれていないため、ターゲット層３と基板２の熱膨張率差によって生じる熱応力を低減することができる。このため、基板２とターゲット層３との界面におけるターゲット層３の剥がれを抑制することができる。また、保護層６がターゲット層３を覆って形成されているため、基板２とターゲット層３との密着性をより強固にし、より長時間の駆動、又はより高出力の駆動においても、ターゲット層３の剥がれを抑制し、放射線線量の低下を抑制することができる。

〔第４の実施形態〕
次に、図５を用いて、本発明の放射線透過型のターゲット構造体を備える放射線発生装置について説明する。本実施形態の放射線発生装置は、放射線発生管１０を備えており、この放射線発生管１０は収納容器１７の内部に収納されている。

放射線発生管１０は、真空容器１５、電子放出源１１、ターゲット構造体１、及び放射線遮蔽部材１４を備えている。ターゲット構造体１には、第１〜第３の実施形態に記載のいずれかのターゲット構造体を適用することができる。

収納容器１７の内部に放射線発生管１０を収納した余空間には絶縁性媒体１６が充填されている。収納容器１７の内部には、本実施形態のように不図示の回路基板及び絶縁トランス等から構成される高圧回路基板１９を設けても良い。高圧回路基板１９を設けた場合、例えば高圧回路基板１９から放射線発生管１０に電圧信号が印加され放射線の発生を制御することができる。

収納容器１７は、容器としての十分な強度を有し、かつ放熱性に優れたものが望ましく、真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料が好適に用いられる。

絶縁性媒体１６は、電気絶縁性を有していれば良く、例えば絶縁媒体及び放射線発生管１０の冷却媒体としての役割を有する電気絶縁油を用いるのが好ましい。電気絶縁油としては、鉱油、シリコーン油等が好適に用いられる。その他に使用可能な絶縁性媒体１６としては、フッ素系電気絶縁液体が挙げられる。

収納容器１７には、収納容器外部に放射線を取り出すための放射線透過窓１８が設けられている。放射線発生管１０から放出された放射線はこの放射線透過窓１８を通して外部に放出される。放射線透過窓１８には、ガラス、アルミニウム、ベリリウム、ポリカーボネート等が用いられる。

放射線発生管１０には、本実施形態のように引出し電極１２とレンズ電極１３を設けても良い。これらを設けた場合、引出し電極１２によって形成される電界によって電子放出源１１から電子が放出され、放出された電子はレンズ電極１３で収束され、ターゲット構造体１のターゲット層に入射し放射線が発生する。

真空容器１５は、放射線発生管１０の内部を真空に保つためのもので、ガラスやセラミクス材料等が用いられる。真空容器１５内の真空度は１０^-4Ｐａ〜１０^-8Ｐａ程度であれば良い。また、真空容器１５には不図示の排気管を設けても良い。排気管を設けた場合、例えば排気管を通じて真空容器１５内を真空に排気した後、排気管の一部を封止することで真空容器１５の内部を真空にすることができる。真空容器１５の内部には真空度を保つために、不図示のゲッターを配置しても良い。また、真空容器１５は、開口部を有しており、その開口部には放射線遮蔽部材１４が接合されている。この放射線遮蔽部材１４は真空容器１５の開口部に連通する通路を有しており、その通路にターゲット構造体１が接合されることにより真空容器１５が密閉される。

電子放出源１１は、真空容器１５の内部に、真空容器１５の開口部に対向して配置されている。電子放出源１１にはタングステンフィラメントや、含浸型カソードのような熱陰極、又はカーボンナノチューブ等の冷陰極を用いることができる。電子放出源１１の近傍には引出し電極１２が配置され、引出し電極１２によって形成される電界によって放出された電子は、レンズ電極１３で収束され、ターゲット構造体１に入射し放射線が発生する。このとき、電子放出源１１とターゲット構造体１のターゲット層との間に印加される電圧Ｖａは、放射線の使用用途によって異なるものの、概ね４０ｋＶ〜１５０ｋＶ程度である。

放射線遮蔽部材１４は、ターゲット構造体１のターゲット層から放出された放射線のうち、不要な放射線を遮るものであり、真空容器１５の開口部に接合されている。電子放出源１１から放出された電子は、真空容器１５の開口部に連通する放射線遮蔽部材１４の通路を通過してターゲット層に照射される。このときターゲット層の電子放出源側に散乱した不要な放射線は、放射線遮蔽部材１４で遮蔽される。また、ターゲット層を透過した放射線は、真空容器１５の開口部に連通する放射線遮蔽部材１４の通路を通過し、不要な放射線は放射線遮蔽部材１４で遮蔽される。

放射線遮蔽部材１４を構成する材料は、放射線の吸収率が高く、かつ熱伝導率の高いものが好ましい。例えばタングステン、タンタル等の金属材料を用いることができる。不要な放射線を遮蔽するため、放射線遮蔽部材１４の厚みは３ｍｍ以上が適当である。

放射線遮蔽部材１４の形状は、図５のように放射線の通路の開口面積が、ターゲット構造体１側から収納容器１７側に向けて徐々に大きくなっていても良い。これは、ターゲット構造体１のターゲット層を透過した放射線が放射状の拡がりをもつからである。

以上、本実施形態によれば、本発明のターゲット構造体を適用することにより、信頼性に優れた放射線発生装置を提供することができる。

〔第５の実施形態〕
次に、第４の実施形態の放射線発生装置を用いた放射線撮影システムについて説明する。図６は本実施形態の放射線撮影システムの構成図である。

システム制御装置６２は、放射線発生装置６０と放射線検出装置６１とを連携制御する。制御部６４は、システム制御装置６２による制御の下に、放射線発生管１０に各種の制御信号を出力する。制御信号により、放射線発生装置６０から放出される放射線の放出状態が制御される。放射線発生装置６０から放出された放射線は、被検体６５を透過して検出器６８で検出される。検出器６８は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部６７に出力する。信号処理部６７は、システム制御装置６２による制御の下に、画像信号に所定の信号処理を施し、処理された画像信号をシステム制御装置６２に出力する。システム制御装置６２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置６３に画像を表示させるための表示信号を表示装置６３に出力する。表示装置６３は、表示信号に基づく画像を、被検体６５の撮影画像としてスクリーンに表示する。

１：ターゲット構造体、２：基板、３：ターゲット層、４：凹部、５：中間層、６：保護層、１０：放射線発生管、１１：電子放出源、１２：引出し電極、１３：レンズ電極、１４：放射線遮蔽部材、１５：真空容器、１６：絶縁性媒体、１７：収納容器、１８：放射線透過窓、１９：高圧回路基板、３１：凸部、３２：連結部、６０：放射線発生装置、６１：放射線検出装置、６２：システム制御装置、６３：表示装置、６４：制御部、６５：被検体、６７：信号処理部、６８：検出器

Claims (8)

1. 基板の上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層が２０μｍ以下の厚さで形成された放射線透過型のターゲット構造体であって、
   前記ターゲット層の表面には凹凸が形成され、凹部は前記ターゲット層の厚さの半分以上の深さを有することを特徴とするターゲット構造体。
2. 前記ターゲット層は、前記凹部によって複数に分割されていることを特徴とするターゲット構造体。
3. 前記凹部は平均の幅が０．１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のターゲット構造体。
4. 前記凸部は平均の幅が１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターゲット構造体。
5. 前記基板と前記ターゲット層の間に中間層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターゲット構造体。
6. 保護層が、前記凹部を塞ぐことなく、かつ前記ターゲット層を覆って形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターゲット構造体。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のターゲット構造体と、電子を放出する電子放出源とを備えることを特徴とする放射線発生装置。
8. 請求項７に記載の放射線発生装置と、該放射線発生装置から放出され、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出装置とを備えることを特徴とする放射線撮影システム。

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