JP2019145451A - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットで反射した反射電子、２次電子による容器内における絶縁体の帯電を防止することができるＸ線発生装置を提供することにある。【解決手段】密封可能な容器１２と、容器１２内に設けられ、電子を放出する電子源である電極２７及びエミッタ２８と、容器１２内に設けられ、エミッタ２８から放出された電子の衝突によりＸ線を発生するターゲット２２と、有するＸ線発生装置１１であって、容器１２の材質は、金属及び合金の少なくともいずれかであるとする構成である。【選択図】図５

Description

本発明は、電子放出部から放出された電子をターゲットに衝突させてＸ線を発生するＸ線発生装置に関する。

高真空にした容器内において、電子源（電子放出部）から放出された電子をターゲット膜に照射して、Ｘ線を発生させるＸ線発生管が知られている（特許文献１）。特許文献１に開示されているＸ線発生管は、ガラス管内部に軸方向に沿って冷陰極電子源、電子引き出し電極、放出電子加速収束電極が絶縁体冶具により取付けられ、ターゲットに近い部分が耐電圧緩和湾曲構造を併せ持つ収束電極により、ターゲットで反射した電子や２次電子による絶縁性の電極支持部材やガラス管等の帯電を防止し、Ｘ線管内の電極間の耐電圧特性が保持している。

特開２００７−６６６９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたＸ線管では、電子源からの不要電子の放散防止構造をもつ電子引出し電極、放出電子の加速収束及び帯電防止突出部をもつ収束電極をＸ線管軸方向に絶縁体冶具で固定し配置しており、Ｘ線管を小型化するには構造が複雑となる。また一部露出したガラス管と収束電極を離す必要もある。また、特許文献１のＸ線管では、引出し電極のアパーチャーに比べ冷陰極径は非常に大きく、かつ放出電子の方向を制御していないため、引出し電極に電流が流れることによるロスで安定してアパーチャーから放出電子の大部分を通過させることは難しい。２電極で電子源からの放散する電子の防御、放出した電子の方向制御とターゲットでの反射電子、二次電子による帯電防止を合わせて行う構造のため、部品も多く複雑であり小型化と安定性を十分に達成できない。

本発明は、冷陰極に適した超高真空環境を実現し、放出電子の方向を制御し、ターゲットで反射した反射電子、２次電子による容器内での帯電を防止することができる電子源とターゲットとの２電極構造を有するＸ線発生装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るＸ線発生装置は、密封容器と、該容器内に設けられ、電子を放出する電子源と、前記容器内に設けられ、前記電子源から放出された電子の衝突によりＸ線を発生するターゲットと、を有するＸ線発生装置であって、前記容器の材質は、金属及び合金の少なくともいずれかである構成となる。

このような構成によれば、電子源とターゲットを内部に設けた密封容器が、導電性の金属材料であるから、電子源から放出された電子がターゲットで反射した反射電子、２次電子が発生した場合でも、容器を接地電位とすることで容器内での帯電を防止することができ、電子源からの放出電子への帯電による影響が生じない。また、電子を放出する空間が金属及び合金の少なくともいずれかである材質の容器で遮蔽されているので、空間の真空度がガラス管に比べガス放出しないため、Ｘ線発生装置に印加する電圧が安定している。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記電子源は、棒状に形成された電極と、該電極の長手方向に形成された溝部に取り付けられた、電子放出機能をもつエミッタと、を含む構成とすることにより放出電子の量と方向を制御ができる。このＸ線発生装置は、容器を通じてターゲットが接地電位とされ、電子源に負電圧が印加されて、電子源より放出された電子がターゲットに当たることによりＸ線を発生する冷陰極型のＸ線発生装置である。すなわち、ターゲットが接地電位とされ、そして電子源がターゲットに対して負に偏倚される。

このような構成によれば、エミッタから電子の方向性を制御し線状に近い帯状に放出できるので、Ｘ線を効率よく発生させ、照射範囲を広くすることができる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記エミッタは、炭素系材料からなる構成とすることができる。

このような構成によれば、エミッタを炭素系材料とすれば、加熱することなく、高電界を加えることで電子を放出することができる。炭素系材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノ構造体、ＣＣＮＳ等を含む。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記容器の対向する２つの面の一方の面には第１の開口部が、他方の面には第２の開口部がそれぞれ設けられ、更に、前記第１の開口部には、当該第１の開口部を塞ぐＸ線透過窓が設けられ、前記第２の開口部には前記容器内を真空排気するための筒状部材が挿着されている構成とすることができる。すなわち、前記第２の開口部にはＸ線管の真空度、出力特性及び出力安定性試験する間は真空装置と接続し高真空を維持する真空排気するための筒状部材が挿着されている構成となっている。この筒状部材は真空容器内に設置したゲッターを５００℃以上で活性化後封止切断し真空を維持する。

このような構成によれば、密封可能な容器を真空排気用の筒状部材を通じて真空排気できるので、電子放出部である電子源から放出された電子をターゲットに衝突させてＸ線を効率よく発生させることができ封止後の真空度予測、Ｘ線管の出力・安定性と寿命推定をあらかじめ把握できる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記エミッタを前記Ｘ線透過窓に向けた状態で、前記電子源が前記筒状部材の容器内部側の端部に取付けられ、前記Ｘ線透過窓の容器内部側に前記ターゲットがコーティングされている構成とすることができる。

このような構成によれば、（エミッタから放出された電子を−削除）ターゲットでの発生Ｘ線をできる限り吸収させないで、効率よくターゲットに衝突させてＸ線を発生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、前記容器と前記筒状部材とは、電気的に絶縁されている構成とすることができる。

このような構成によれば、容器と筒状部材とを電気的に絶縁されているので、筒状部材を通じて電子源に高電圧を印加しても、容器を接地電位に保持することができ、ターゲットで反射した電子を容器で接地することができる。

本発明によれば、電子源とターゲットを内部に設けた密封容器が、金属及び合金の少なくともいずれかの材質であるから、容器を接地電位とすることで容器内で生じる反射電子、２次電子による帯電を防止することができ、電子放出部からの放出電子を効率よくターゲットに衝突させてＸ線を発生させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線発生装置の平面図である。 図２は、上記Ｘ線発生装置の正面図（図１のＡ−Ａ矢視）である。 図３は、上記Ｘ線発生装置の底面図（図２のＢ−Ｂ矢視）である。 図４は、上記Ｘ線発生装置の側面図（図１のＣ−Ｃ矢視）である。 図５は、上記Ｘ線発生装置の断面図（図１のＤ−Ｄ断面）である。 図６は、上記Ｘ線発生装置の断面図（図１のＥ−Ｅ線面）である。 図７は、上記Ｘ線発生装置の分解斜視図である。 図８は、図７に示すＸ線発生装置の組み立て工程図（その１）である。 図９は、図７に示すＸ線発生装置の組み立て工程図（その２）である。 図１０は、図７に示すＸ線発生装置の組み立て工程の完成斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施の一形態に係るＸ線発生装置は、図１乃至図７に示す構造となっている。
図１は本発明の実施の形態に係るＸ線発生装置の平面図、図２は上記Ｘ線発生装置の正面図（図１のＡ−Ａ矢視）、図３は上記Ｘ線発生装置の底面図（図２のＢ−Ｂ矢視）、図４は上記Ｘ線発生装置の側面図（図１のＣ−Ｃ矢視）、図５は上記Ｘ線発生装置の断面図（図１のＤ−Ｄ断面）、図６は上記Ｘ線発生装置の断面図（図１のＥ−Ｅ断面）、図７は上記Ｘ線発生装置の分解斜視図である。

以下、図１乃至図７を参照して説明する。Ｘ線発生装置１１は、直方体形状の容器である真空容器１２と、円筒形状の絶縁体１３と、真空容器１２から真空排気するための筒状部材である排気パイプ１５と、絶縁体１３と排気パイプ１５とを接続する中間部材１６を有する。排気パイプ１５は、上記した真空容器１２内を真空排気するための筒状部材としての他、後述するように、その先端に取り付ける電極２７及びエミッタ２８へのマイナス高電圧の印加口としての役割をも有するものである。なお、排気パイプ１５は、真空容器１２内を排気した後に、真空引き装置（不図示）に接続する側の先端が封止される。

真空容器１２は、天部が開口となっている容器本体１２ａと、容器本体１２ａの天部を塞ぐ蓋部１２ｂとを有する。容器１２は、容器本体１２ａ及び蓋部１２ｂともステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）から成る金属容器である。ステンレス鋼以外では、例えば、融点が１０００°Ｃ以上で脱ガスの少ない金属が好ましく、例えば銅、チタン、鉄、ニッケル及び耐熱合金等が該当する。真空容器１２は、１０⁻⁷Ｐａ以上の超高真空状態を維持する容器として使用するものであり、脱ガスの少ない金属が使用され、融点が高いものが好ましい。容器本体１２ａと蓋部１２ｂとは溶接などによる組み立てで一体化されている。

容器本体１２ａの底部１２ａ１は長方形状で、その中心部には底部の１２ａ１の長手方向を長辺とする、長方形状の開口部（第１の開口部）１２ａ２が形成されている。開口部１２ａ２には、ベリリウム金属から成るベリリウム窓と称されるＸ線透過窓２１が、容器本体１２ａの内部からろう接などの方法で接合されている。開口部１２ａ２はＸ線透過窓２１により封止されている。さらに、Ｘ線透過窓２１の容器本体１２ａ側には、電子の衝突によりＸ線を発生するタングステンから成るターゲット２２がコーティングされている。後述するように、電極２７に挿着されたエミッタ２８から放出された電子がターゲット２２に衝突してＸ線が生じるものである。発生したＸ線はＸ線透過窓２１を透過して外部へ放出される。発生したＸ線は、例えば、除電気等による除電に使用される。このように、Ｘ線透過窓２１は、軟Ｘ線をよく透過しかつ高融点であることが求められることから、ベリリウムが好適な材質として使用する。また、ターゲット２２については、一般的にＸ線生成効率の優れた高原子番号で高融点をもつタングステンを好適な材質とする。

容器１２の蓋部１２ｂには、円形状の開口部（第２の開口部）１２ｂ１が形成されている。この開口部１２ｂ１の容器１２内側周囲に、周壁を有する円板状の部材で、中心部に開口（排気パイプ１５貫通用の開口）を有する中間部材２５が周壁の先端をろう接されている。そして、絶縁体１３が一端を中間部材２５の底部に載置するようにして開口部１２ｂ１に挿着され、絶縁体１３と蓋部１２ｂ及び中間部材２５がそれぞれろう接されている。中間部材２５は、コバール合金を材質としている。

円筒形状の絶縁体１３は、真空引き装置（不図示）に接続される、大気側先端を封止した排気パイプ１５が先端を容器１２の内部に突出させて貫通した状態となるように、絶縁体１３と排気パイプ１５とが中間部材１６を介してろう接されている。絶縁体１３はアルミナ、排気パイプ１５は無酸素銅、中間部材１６はコバール合金をそれぞれ材質としている。排気パイプ１５の容器１２内部側の先端部には、棒状のステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）の電極２７が長手方向を水平状態にしてその中央部がろう接されている。このとき、絶縁体１３の容器１２内側に挿入した部分は、中間部材２５により覆われているので、容器１２の内部への絶縁体の露出が抑えられている。電極２７にはその長手方向に沿って溝部が形成されており、当該溝部には、炭素系材料から成る棒状のエミッタ２８がＸ線透過窓２１と２〜３ｍｍ離して対向する位置となるように、溶接により挿着されている。また、電極２７の両端には、ステンレス製の蓋部３１ａ、３１ｂがそれぞれ溶接により装着されている。蓋部３１ａ、３１ｂは、電極２７及びエミッタ２８の両端面における電界集中緩和のためのキャップである。この両端にとりつけた放電防止用のキャップにより、電子源と容器との耐電圧を保証する。さらに電子源とターゲットの間隔は、電子放出特性とターゲットに照射される電子分布（帯状形態）を決定し、Ｘ線発生を効率よく行われる。

エミッタ２８は、後述する電圧の印加により生じる電界の作用によって、電子を発生する電界放出型のもので、炭素系材料である、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノ構造体、ＣＣＮＳ等で形成されている。

次に、本実施形態に係るＸ線発生装置１１の組み立てについて、分解斜視図である図７、組み立て工程図である図８乃至図１０を参照して説明する。図８は図７に示すＸ線発生装置の組み立て工程図（その１）、図９は図７に示すＸ線発生装置の組み立て工程図（その２）、図１０は図７に示すＸ線発生装置１１の組み立て工程の完成斜視図である。

Ｘ線発生装置１１の組み立ては、最初に、蓋部１２ｂ、中間部材２５、絶縁体１３、中間部材１６、排気パイプ１５及び電極２７をろう接する。具体的には、中間部材２５は蓋部１２ｂの開口部１２ｂ１の容器本体１２側に位置し、中間部材２５の上に絶縁体１３が位置し、絶縁体１３を挿通した排気パイプ１５の先端が容器本体１２の内部に位置するようにして、それぞれろう接する。

次に、容器本体１２ａの底部１２ａ１に形成された開口部１２ａに、Ｘ線透過窓２１を容器本体１２ａの内側からろう接し、さらに容器本体１２ａの内側からＸ線透過窓２１にターゲットをコーティングする。その後、エミッタ２８を電極２７に挿着して溶接し、更に電極２７の両端に蓋部３１ａ、３１ｂをかぶせ、溶接する。これにより電子源が構成される。次に、蓋部１２ｂを容器本体１２ａに溶接により装着する。

容器本体１２ａと蓋部１２ｂとの溶接により容器１２が一体となった後、真空ポンプ（不図示）により排気パイプ１５を通じて容器１２の内部を真空排気する。そして、真空排気後に排気パイプ１５の真空ポンプ側端部を潰して封止することで、容器１２の内部は超高真空状態とすることができる。これにより、エミッタ２８から放出された電子を効率よくターゲット２２に衝突させ、Ｘ線を発生させることができる。そして、Ｘ線発生装置１１は上述したように、電子放出部であるエミッタ２８及び電極２７を先端に取り付けた排気パイプ１５は、絶縁体１３を貫通して挿着されているので、容器１２とは絶縁されている。したがって、エミッタ２８からターゲット２２に向けて放出された電子が、ターゲット２２で反射電子となった場合でも、容器本体１２ａ及び蓋部１２ｂから成る真空容器１２は金属材質（例えば、ステンレス鋼）であり、更に容器１２内に挿入された絶縁体１３は中間部材２５で覆われているので、容器１２を接地電位とすることで、反射電子による容器１２内の帯電を防止することができる。

次に、図５〜図７を参照して本実施形態に係るＸ線発生装置１１の動作について説明する。排気パイプ１５に対して負の高電圧を印加すると、排気パイプ１６の先端に取り付けた電極２７に設けたエミッタ２８から、対向する位置にある接地電位とするターゲット２２に向けて電子が放出される。なお、排気パイプ１５とは、絶縁体１５を間に介しており、真空容器１２、Ｘ線透過窓２１、及び中間部材２５は接地電位となる。

エミッタ２８から放出された電子は、真空容器１２内が高真空状態となっているのでターゲット２２まで支障なく到達することができる。そのため、ターゲット２８に衝突した電子により、ターゲット２８からＸ線を効率よく発生させることができ、Ｘ線透過窓２１から外部にＸ線を供給することができる。また、ターゲット２８に衝突した電子の一部により、反射電子又は２次電子として容器１２内に反射して場合でも、絶縁体１３の容器１２内に挿入した部分は中間部材２５で覆われているので、絶縁体１３の帯電を抑えることができる。さらに、容器１２及び中間部材２５が金属部材で形成されているので、真空容器１２及び中間部材を接地電位とすることで、反射電子、２次電子が容器内で帯電することがない。そのため、エミッタ２８に印加された高電圧により支障なく電子をターゲットに放出することができ、Ｘ線を効果的に発生させることができる。

上述したように、本実施形態に係るＸ線発生装置１１は、電子放出部であるエミッタ２８及び電極２７と、ターゲット２２とを収容する真空容器１２が金属材質のステンレス鋼で形成され、更に絶縁体１３の容器１２内に挿入した部分がコバール合金から成る中間部材２５で覆われているので、容器１２及び中間部材２５を接地電位にすることで、容器１２内での帯電を抑えることができる。これにより、従来のガラス管容器のＸ線発生装置に生じていた、多数の電極構成とその保持構造及び、構成電極の複雑な形態を簡素かでき、反射電子又は２次電子の絶縁体への帯電による電極への影響を抑えることができ、安定した電子の放出と、これによるＸ線の安定した発生を得ることができる。放出電子の方向性と集束性を制御する電子源（電子放出部）である、電極（冷陰極）及びエミッタと、ターゲットを内部に設けた簡単な２電極構造の金属材質の密封容器であるので、簡素化し、かつ安定したＸ線の発生を得ることができるＸ線発生装置を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態及び各部の変形例を説明したが、この実施形態や各部の変形例は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述したこれら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明に含まれる。

以上、説明したように、本発明に係るＸ線発生装置は、電子源とターゲットを内部に設けた密封容器が、導電性である金属材料であるから、容器を接地電位とすることで容器内で生じる反射電子、２次電子による帯電を防止することができ、電子放出部からの放出電子を効率よくターゲットに衝突させてＸ線を発生させることができるので、電子源から放出された電子をターゲットに衝突させて軟Ｘ線領域まで波長を有するＸ線発生装置として有用である。

１１ Ｘ線発生装置
１２ 真空容器
１２ａ 容器本体
１２ａ１ 底部
１２ａ２ 開口部（第１の開口部）
１２ｂ 蓋部
１２ｂ１ 開口部（第２の開口部）
１３ 絶縁体
１５ 排気パイプ
１６ 中間部材
２１ Ｘ線透過窓（ベリリウム窓）
２２ ターゲット
２５ 中間部材
２７ 電極
２８ エミッタ
３１ａ、３１ｂ 蓋部

Claims (6)

1. 密封可能な容器と、
   該容器内に設けられ、電子を放出する電子源と、
   前記容器内に設けられ、前記電子源から放出された電子の衝突によりＸ線を発生するターゲットと、
   を有するＸ線発生装置であって、
   前記容器の材質は、金属及び合金の少なくともいずれかであるＸ線発生装置。
2. 前記電子源は、棒状に形成された電極と、該電極の長手方向に形成された溝部に取り付けられた、電子放出機能をもつエミッタと、を含む請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記エミッタは、炭素系材料からなる請求項２に記載のＸ線発生装置。
4. 前記容器の対向する２つの面の一方の面には第１の開口部が、他方の面には第２の開口部がそれぞれ設けられ、
   更に、前記第１の開口部には、当該第１の開口部を塞ぐＸ線透過窓が設けられ、前記第２の開口部には前記容器内を真空排気するための筒状部材が挿着されている請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線発生装置。
5. 前記エミッタを前記Ｘ線透過窓に向けた状態で、前記電子源が前記筒状部材の容器内部側の端部に取付けられ、前記Ｘ線透過窓の容器内部側に前記ターゲットがコーティングされている請求項４に記載のＸ線発生装置。
6. 前記容器と前記筒状部材とは、電気的に絶縁されている請求項４又は５に記載のＸ線発生装置。

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