JP2017168216A - Ｘ線ターゲットおよびそれを備えたｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射窓の割れを防止することができるＸ線ターゲットおよびそれを備えたＸ線発生装置を提供することを目的とする。【解決手段】Ｘ線ターゲット４は、照射窓４１を支持するフレームを、照射窓４１に近い方の第１フレーム４２およびその外側の第２フレーム４３に分割し、それぞれ異なる材料を使用する。熱膨張率が１×１０−６／Ｋであるダイヤモンド板４１ａで照射窓４１を形成し、熱膨張率が４．８×１０−６／ＫのＭｏ（モリブデン）、あるいは熱膨張率が４．３×１０−６／ＫのＷ（タングステン）で第１フレーム４２を形成し、熱膨張率が１６．５×１０−６／ＫのＣｕ（銅）で第２フレーム４３を形成する。このように、照射窓４１と第１フレーム４２との熱膨張率の差が、照射窓４１と第２フレーム４２との熱膨張率の差より小さくなるように構成することにより、収縮量の差による照射窓４１の割れを防止する。【選択図】図１

Description

この発明は、表面にターゲット材が成膜された照射窓を備えたＸ線ターゲットおよびそれを備えたＸ線発生装置に関する。

従来、Ｘ線発生装置（Ｘ線管）は、図２（ａ）に示す反射型のタイプおよび図２（ｂ）に示す透過型のタイプがある。反射型のタイプでは、ターゲットに電子ビームＢを照射して、ターゲットからのＸ線（図２では「Ｘｒａｙ」で表記）を電子ビームＢと異なる方向（例えば直交方向）に出射する。一方、透過型のタイプでは、ターゲットに電子ビームＢを照射して、ターゲットからのＸ線がターゲットを透過することにより、Ｘ線を電子ビームＢと同じ方向に出射する。

非破壊で試料の内部を観察することができるマイクロフォーカスＸ線検査装置にＸ線管を用いる場合には、Ｘ線源であるターゲットと試料とを可能な限り近接させる必要がある。反射型のタイプでは、ターゲットを収容する真空容器とターゲットとの間の距離の分、ターゲットと試料とを近接させることができない。それに対して、透過型のタイプでは、ターゲット材が成膜された照射窓を真空容器に取り付けることにより、ターゲットと試料とがほぼ接触可能な位置にまで互いに近接させることができる。その結果、試料を高拡大で観察することができる。

透過型のタイプにおけるターゲット（透過型ターゲット）において、ターゲット膜を支持する基材には、Ｘ線の吸収が少ないことと、熱伝導率が良いことが求められる。ダイヤモンドは、その両方の要求を満たしているので、基材として優れており、使用が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。両方の要求を満たす基材としてダイヤモンド以外では、特許文献２に示すように窒化ホウ素(BN: Boron Nitride) などがある。

照射窓は真空容器の一部をなしているので、真空容器とは気密状態で取り付けられる必要があるが、ダイヤモンド板を直接に真空容器に取り付けるのは難しい。そこで、ダイヤモンドの周囲に金属フレームをロウ付けすることによって、真空容器への取り付けをし易くしている。透過型のタイプではＸ線がターゲットを透過し易くするために、ダイヤモンド板は薄膜である。

ダイヤモンドの熱膨張率は１×１０^−６／Ｋと非常に小さいので、金属フレームの熱膨張率が大きいと、熱膨張差による収縮量の差によりロウ付け時に薄膜のダイヤモンド板が割れてしまう。そこで、ダイヤモンドを支持する金属フレームには、熱膨張率４．８×１０^−６／ＫのＭｏ（モリブデン）や熱膨張率４．３×１０^−６／ＫのＷ（タングステン）など低熱膨張率の材料が用いられる。

特開平４−１４４０４５号公報 特開平５−３４３１９３号公報

しかしながら、金属フレームとしてＭｏやＷを使用すると、以下のような問題点がある。すなわち、透過型ターゲットに電子ビームを当ててＸ線を発生させる際、電子ビームのエネルギーのほとんどは熱に変換されるので、透過型ターゲットの温度が上がる。透過型ターゲットと試料とを接触させて試料を高拡大で観察する際、従来の透過型ターゲットでは過熱により試料を損傷する恐れがある。

透過型ターゲット周辺はスペースが限られており、冷却水を流す、空冷ファンを設けるなどの特別な冷却機構を設けることは難しい。主な排熱機構は、部品の熱伝導によりＸ線管筐体（真空容器）に逃がすだけになってしまうので、透過型ターゲットの温度を規定以下にするには、入射する電子ビームのエネルギーを制限するしかない。電子ビームのエネルギーを制限するということは、Ｘ線量を制限することを意味する。

上述したように金属フレームにＭｏやＷなどの低熱膨張率の材料を使用すると、上述した熱膨張差を解決することができるが、Ｍｏの熱伝導率が１３８Ｗ／ｍ／Ｋ、Ｗの熱伝導率が１７２Ｗ／ｍ／Ｋと、熱伝導率が小さいので、外部に放熱し難い。したがって、従来の構成以外で照射窓（透過型ターゲット自体）の割れを防止することが望まれる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、照射窓の割れを防止することができるＸ線ターゲットおよびそれを備えたＸ線発生装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、この発明に係るＸ線ターゲットは、表面にターゲット材が成膜された照射窓と、前記照射窓に接合され、前記照射窓を支持する第１フレームと、前記照射窓には接合されておらず、前記第１フレームに接合され、前記第１フレーム金属で形成された第２フレームとを備え、前記照射窓と前記第１フレームとの熱膨張率の差が、前記照射窓と前記第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなるように構成されるものである。

この発明に係るＸ線ターゲットによれば、照射窓を支持するフレームを、照射窓に近い方の（照射窓に接合され、照射窓を支持する）第１フレームおよび（照射窓には接合されておらず、第１フレームに接合され、第１フレームを支持する、金属で形成された）第２フレームに分割し、それぞれ異なる材料を使用する。照射窓と第１フレームとの熱膨張率の差が、照射窓と第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなるように構成することにより、収縮量の差による照射窓の割れを防止することができる。

また、この発明に係るＸ線発生装置は、この発明に係るＸ線ターゲットと、当該Ｘ線ターゲットを収容する容器とを備えたものである。

この発明に係るＸ線発生装置によれば、照射窓の割れを防止することができるＸ線ターゲットを備えることにより、Ｘ線量を制限することなくＸ線を発生させることができる。

この発明に係るＸ線ターゲット装置によれば、照射窓と第１フレームとの熱膨張率の差が、照射窓と第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなるように構成することにより、収縮量の差による照射窓の割れを防止することができる。

実施例に係るＸ線ターゲットを備えたＸ線管の構成を示す概略断面図である。 従来のＸ線管の構成を示す概略断面図であり、（ａ）は反射型のタイプ、（ｂ）は透過型のタイプである。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。図１は、実施例に係るＸ線ターゲットを備えたＸ線管の構成を示す概略断面図である。

図１に示すように、Ｘ線管１は、真空容器２と陰極３とＸ線ターゲット４とを備えている。その他にも、引き出し電極等を備えているが、図１では図示を省略する。陰極３およびＸ線ターゲット４は真空容器２内に収容されている。Ｘ線管１は、この発明におけるＸ線発生装置に相当し、真空容器２は、この発明における容器に相当する。

陰極３はフィラメント３１を備えており、フィラメント３１から電子ビームＢが照射される。本実施例では、熱電子放出型の電子銃としてフィラメントを備えた陰極を例に採って説明したが、６ほう化ランタン（ＬａＢ_６）あるいは６ほう化セリウム（ＣｅＢ_６）からなる単結晶あるいは焼結体から構成されるエミッタを備えた陰極を、熱電子放出型の電子銃として用いてもよい。また、熱電子放出型の電子銃以外に、電界放出型の電子銃を用いてもよい。

Ｘ線ターゲット４は、照射窓４１と、照射窓４１の外周に設けられた第１フレーム４２と、第１フレーム４２のさらに外周に設けられた第２フレーム４３とを備えている。第１フレーム４２は照射窓４１に接合され、照射窓４１を支持している。第２フレーム４３は、照射窓４１には直接的に接合されておらず、第１フレーム４２に接合され、第１フレーム４２を支持している。照射窓４１は、ダイヤモンド板４１ａとターゲット材４１ｂとを備えており、ダイヤモンド板４１ａの表面（電子ビームＢの衝突面）にターゲット材４１ｂが成膜されている。ターゲット材４１ｂはＷ（タングステン）で形成されている。

ダイヤモンド板４１ａは第１フレーム４２にロウ付けより支持され、第１フレーム４２の外周に第２フレーム４３が接合される。本実施例では、第１フレーム４２は金属で形成されており、好ましくはＭｏ（モリブデン）あるいはＷで形成されている。第２フレーム４３も金属で形成されており、好ましくはＣｕ（銅）で形成されている。

ダイヤモンド板４１ａと第１フレーム４２との接合方法は、上述したようにロウ付けするのが好ましい。ただし、ロウ付けに限定されず、第１フレームが照射窓（ここではダイヤモンド板４１ａ）を支持する方法であればよい。第１フレーム４２と第２フレーム４３との接合方法は種々（例えば溶接が）あるが、本実施例でのダイヤモンド板４１ａと第１フレーム４２との接合と同様に、ロウ付けで接合することにすれば、一つの工程で３部品（ダイヤモンド板４１ａ，第１フレーム４２，第２フレーム４３）を接合することができるので、安価に製作することができる。

上述したように、ダイヤモンドの熱膨張率は１×１０^−６／Ｋであり、Ｍｏの熱膨張率は４．８×１０^−６／Ｋであり、Ｗの熱膨張率は４．３×１０^−６／Ｋである。また、Ｃｕの熱膨張率は１６．５×１０^−６／Ｋである。したがって、ダイヤモンド板４１ａからなる照射窓４１とＭｏあるいはＷからなる第１フレーム４２との熱膨張率の差が、ダイヤモンド板４１ａからなる照射窓４１とＣｕからなる第２フレーム４３との熱膨張率の差より小さくなるように構成される。低熱膨張率のＭｏあるいはＷからなる第１フレーム４２にダイヤモンド板４１ａが直接に支持される結果、収縮量の差によるダイヤモンド板４１ａからなる照射窓４１の割れを防止することができる。

なお、第１フレーム４２と第２フレーム４３との熱膨張率の差は、照射窓４１と第１フレーム４２との熱膨張率の差より大きいが、本実施例では第１フレーム４２および第２フレーム４３が金属で形成されているので、たとえ熱膨張率が大きいＣｕで第２フレーム４３が形成されていても、第１フレーム４２の割れも金属の塑性変形により防止することができる。

また、上述したように、Ｍｏの熱伝導率は１３８Ｗ／ｍ／Ｋであり、Ｗの熱伝導率は１７２Ｗ／ｍ／Ｋである。また、Ｃｕの熱伝導率は４０２Ｗ／ｍ／Ｋである。したがって、Ｃｕからなる第２フレーム４３はＭｏあるいはＷからなる第１フレーム４２よりも熱伝導率が大きい。その結果、外周にある第２フレーム４３を介して外部に放熱し易くすることができ、Ｘ線ターゲット４の温度を下げることができる。ここで、第２フレーム４３の表面積を第１フレーム４２の表面積よりも大きくすることで、第２フレーム４３による放熱効果を大きくすることができる。また、同じ温度になる条件で比較すると、電子ビームＢのエネルギーを制限する必要がなく、本実施例でのＸ線ターゲット４の方がＸ線量を多くすることが可能である。

また、第１フレーム４２は、熱膨張率が４．８×１０^−６／ＫのＭｏ、あるいは熱膨張率が４．３×１０^−６／ＫのＷで形成され、第２フレーム４３は熱伝導率が４０２Ｗ／ｍ／ＫのＣｕで形成される。したがって、第１フレーム４２が熱膨張率５×１０^−６／Ｋ以下の金属、第２フレーム４３が熱伝導率２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属で構成される。その結果、収縮量の差によるダイヤモンド板４１ａからなる照射窓４１の割れを防止することができるとともに、外周にある第２フレーム４３を介して外部に放熱することによりＸ線ターゲット４の温度を下げることができる。

以上のように構成されたＸ線ターゲット４によれば、照射窓４１を支持するフレームを、照射窓４１に近い方の（照射窓４１に接合され、照射窓４１を支持する）第１フレーム４２およびその（照射窓４１には接合されておらず、第１フレーム４２に接合され、第１フレーム４２を支持する、金属で形成された）第２フレーム４３に分割し、それぞれ異なる材料を使用する。照射窓４１と第１フレーム４２との熱膨張率の差が、照射窓４１と第２フレーム４２との熱膨張率の差より小さくなるように構成することにより、収縮量の差による照射窓４１の割れを防止することができる。なお、本実施例では、第１フレーム４２は照射窓４１の外周に設けられ、第２フレーム４３は第１フレーム４２の外周に設けられている。

本実施例では、照射窓４１はダイヤモンドであるので、Ｘ線（図１では「Ｘｒａｙ」で表記）の吸収が少なく、熱伝導率が良い。したがって、Ｘ線を効率良く出射することができるとともに、熱伝導率が良いダイヤモンドによりＸ線ターゲット４の温度を下げることができる。

また、Ｘ線管１は、照射窓４１の割れを防止することができるＸ線ターゲット４を備えることにより、電子ビームＢのエネルギーを制限する必要がなくＸ線量を多くすることができ、Ｘ線量を制限することなくＸ線を発生させることができる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、照射窓４１はダイヤモンドであったが、熱伝導率が良ければ、ダイヤモンドに限定されない。例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、特許文献２に示すようなＢＮ（窒化ホウ素）などを照射窓として使用してもよい。ＳｉＣの熱伝導率は２７０Ｗ／ｍ／Ｋと熱伝導率が良いので、ＳｉＣによりＸ線ターゲットの温度を下げることができる。

（２）上述した実施例では、第１フレーム４２は金属で形成されていたが、必ずしも金属で形成される必要はない。例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）で第１フレームを形成してもよい。ＳｉＣの熱膨張率は４．５×１０^−６／Ｋと低熱膨張率であるので、収縮量の差による照射窓（実施例ではダイヤモンド板４１ａ）の割れを防止することができる。ただし、第１フレームの割れも防止するためには、上述した実施例のように第１フレームを（熱膨張率５×１０^−６／Ｋ以下の）低熱膨張率の金属で形成するのがより好ましい。上述した実施例のように第１フレームを金属で形成することにより、第１フレームの割れも金属の塑性変形により防止することができる。

（３）上述した実施例では、第１フレーム４２はＭｏあるいはＷで形成され、第２フレーム４３はＣｕで形成されていたが、照射窓と第１フレームとの熱膨張率の差が、照射窓と第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなるように構成し、より好ましくは第２フレームが第１フレームよりも熱伝導率が大きければ、これらの材料に限定されない。例えば、Ａｌ（アルミニウム）で第２フレームを形成してもよい。Ａｌの熱膨張率が２３×１０^−６／Ｋであるので、ダイヤモンド板からなる照射窓とＭｏあるいはＷからなる第１フレームとの熱膨張率の差が、ダイヤモンド板からなる照射窓とＡｌからなる第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなる。また、Ａｌの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上であるので、Ａｌからなる第２フレームはＭｏあるいはＷからなる第１フレームよりも熱伝導率が大きい。その結果、外周にある第２フレームを介して外部に放熱し易くすることができ、Ｘ線ターゲットの温度を下げることができる。

（４）上述した実施例では、照射窓４１がダイヤモンドである場合に、第１フレーム４２が熱膨張率５×１０^−６／Ｋ以下の金属、第２フレーム４３が熱伝導率２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属で構成されていたが、熱膨張率や熱伝導率は上述した範囲に限定されない。照射窓の材料に応じて熱膨張率や熱伝導率が規定の範囲を満たすように、第１フレームや第２フレームの材料をそれぞれ選択する。

（５）上述した実施例では、第１フレーム４２は照射窓４１の外周に設けられ、第２フレーム４３は第１フレーム４２の外周に設けられていたが、必ずしも第２フレーム４３は第１フレーム４２の外周に設けられる必要はない。第１フレームが、照射窓に接合され、照射窓を支持し、金属で形成された第２フレームが、照射窓には接合されておらず、第１フレームに接合され、第１フレームを支持する構造であれば、照射窓，第１フレーム，第２フレームの順に積層形成された構造であってもよい。

以上のように、この発明は、産業用や医療用のＸ線ターゲットおよびＸ線発生装置に適している。

１ … Ｘ線管
２ … 真空容器
４ … Ｘ線ターゲット
４１ … 照射窓
４１ａ … ダイヤモンド板
４１ｂ … ターゲット材
４２ … 第１フレーム
４３ … 第２フレーム

Claims (7)

1. 表面にターゲット材が成膜された照射窓と、
   前記照射窓に接合され、前記照射窓を支持する第１フレームと、
   前記照射窓には接合されておらず、前記第１フレームに接合され、前記第１フレームを支持する、金属で形成された第２フレームと
   を備え、
   前記照射窓と前記第１フレームとの熱膨張率の差が、前記照射窓と前記第２フレームとの熱膨張率の差より小さくなるように構成される、
   Ｘ線ターゲット。
2. 請求項１に記載のＸ線ターゲットにおいて、
   前記第１フレームは前記照射窓の外周に設けられ、前記第２フレームは前記第１フレームの外周に設けられている、Ｘ線ターゲット
3. 請求項１に記載のＸ線ターゲットにおいて、
   前記第２フレームは前記第１フレームよりも熱伝導率が大きい、Ｘ線ターゲット。
4. 請求項１に記載のＸ線ターゲットにおいて、
   前記第１フレームが熱膨張率５×１０^−６／Ｋ以下の金属、前記第２フレームが熱伝導率２００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の金属で構成される、Ｘ線ターゲット。
5. 請求項１に記載のＸ線ターゲットにおいて、
   前記第１フレームはタングステンまたはモリブデンによって形成され、前記第２フレームは銅によって形成されている、Ｘ線ターゲット。
6. 請求項１に記載のＸ線ターゲットにおいて、
   前記照射窓はダイヤモンドである、Ｘ線ターゲット。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のＸ線ターゲットと、
   当該Ｘ線ターゲットを収容する容器と
   を備えた、Ｘ線発生装置。

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