JP2024075073A

JP2024075073A - Ｘ線発生装置

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Publication number: JP2024075073A
Application number: JP2022186239A
Authority: JP
Inventors: 綾介藪下; Ryosuke Yabushita; 晃人小林; Akito Kobayashi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-06-03
Anticipated expiration: 2042-11-22
Also published as: TW202422611A; JP7384989B1; WO2024111161A1

Abstract

【課題】カソード表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できるＸ線発生装置を提供する。【解決手段】Ｘ線発生装置１は、電子ビームＥＢを放出するカソードＣを有する電子銃３、及び電子銃３から出射された電子ビームＥＢが入射するターゲット１１を含んで構成されるＸ線管２と、Ｘ線管２の駆動を制御する制御部５１と、を備え、制御部５１は、カソードＣの消費電力に基づいてカソードＣの温度を推定し、カソードＣの推定温度が通常動作用の所定範囲内に保持されるようにカソードＣへの供給電流を制御する第１動作モードと、第１動作モードを所定時間実施した後、所定範囲よりも高い清浄化用の温度でカソードを加熱する第２動作モードと、を実行する。【選択図】図４

Description

本開示は、Ｘ線発生装置に関する。

従来、電子ビームを放出するカソードを有する電子銃、及び電子銃から出射された電子ビームが入射するターゲットを含んで構成されるＸ線管を備えたＸ線発生装置が知られている。例えば特許文献１に記載のＸ線発生装置では、ターゲットに入射した電子ビームの一部が反射電子としてターゲットから放出する構成が開示されている。

特開平１１－１４４６５３号公報特開２０１２－４９１２２号公報

上述のようなＸ線発生装置の動作時においては、電子ビームの焦点寸法や焦点形状といった電子ビームの特性を所望の範囲に維持するため、カソードの温度を所定範囲内に保持する必要がある。従来のＸ線発生装置では、所望の出力を得るために動作時のカソードの温度を所定の温度（例えば１８００Ｋ）以上の温度に保持していたが、高温のためにカソードの寿命が得られにくいという問題があった。

このような問題に対し、出力とのバランスを取りつつ、動作時のカソードの温度を所定の温度未満に保持する手法が考えられる。この手法では、動作時のカソードの温度を従来よりも下げることで、カソードの長寿命化が図られる。その一方で、動作時のカソードの温度を下げることで、カソード表面への異物の付着が生じ、電子ビームの放出特性が劣化するという新たな課題が生じ得る。

この新たな課題に対し、例えば特許文献２に記載のＸ線管は、カソードを１０００℃以上に加熱するヒータを有し、当該ヒータによってフラッシング処理を施すことで、カソード表面の清浄化を行っている。この特許文献２のＸ線管では、清浄化処理を必要に応じて適宜実施している。しかしながら、特許文献２からは実際のカソードの温度が分からないため、所望の清浄化処理が確実に行われているかの確認は困難である。また、特許文献２からは通常動作時のカソード温度も分からないため、カソードの動作状況も把握できず、清浄化処理を適切なタイミングで行うことも困難であった。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、カソード表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できるＸ線発生装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係るＸ線発生装置の要旨は、以下の［１］～［６］のとおりである。

［１］電子ビームを放出するカソードを有する電子銃、及び前記電子銃から出射された前記電子ビームが入射するターゲットを含んで構成されるＸ線管と、前記Ｘ線管の駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記カソードの消費電力に基づいて前記カソードの温度を推定し、前記カソードの推定温度が通常動作用の所定範囲内に保持されるように前記カソードへの供給電流を制御する第１動作モードと、前記第１動作モードを所定時間実施した後、前記所定範囲よりも高い清浄化用の温度で前記カソードを加熱する第２動作モードと、を実行するＸ線発生装置。

このＸ線発生装置では、第１動作モードにおいて、カソードの消費電力に基づいてカソードの温度を推定し、カソードの推定温度が通常動作用の所定範囲内に保持されるようにカソードへの供給電流を制御する。これにより、通常動作時のカソードの温度を適切に維持できるため、電子ビームの放出特性（例えば焦点寸法や寸法形状）を所望の範囲に安定的に維持できる。また、このＸ線発生装置では、第１動作モードの実施の際にカソードの表面に異物が付着することを考慮し、カソード表面を清浄化するための第２動作モードを実施する。第２動作モードでは、第１動作モードの所定範囲よりも高い清浄化用の温度でカソードを加熱し、カソード表面から異物を除去することで、電子ビームの放出特性を良好に保つことができる。このＸ線発生装置では、カソードを適切な温度で維持する第１動作モードを実施することで、カソードの所定の動作状況（適切な動作状態を維持しつつ動作時間に基づく状態変化を推定し得る状況）を所定時間実施した後に第２動作モードを実施する。これにより、カソード表面の清浄化を適切なタイミング（カソード表面への異物の付着が進行してきたタイミング）で実施できると共に、第２動作モードを温度制御しながら実施できるため、カソード表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できる。

［２］カソードは、単結晶材料からなる電子放出部を備える［１］記載のＸ線発生装置。この場合、所望の電子放出特性を備えたカソードが得られる。

［３］単結晶材料は、セリウム又はランタンを含む［２］記載のＸ線発生装置。この場合、所望の電子放出特性を備えたカソードが容易に得られる。

［４］前記単結晶材料は、セリウムを含み、前記第１動作モードにおける前記通常動作用の所定範囲は、１７２０Ｋ～１７８０Ｋに設定されている［２］又は［３］記載のＸ線発生装置。この場合、通常動作時のカソードの温度を従来よりも下げることで、電子ビームの焦点寸法を維持しつつ、カソードの長寿命化が図られる。通常動作時のカソードの温度を下げることで、カソード表面への異物の付着が生じ易くなるが、上述の処理により、カソード表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できる。

［５］前記制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記カソードへの供給電流の制御を行った場合でも前記カソードの推定温度が前記所定範囲に保持されない場合に、その旨を示す報知信号を生成する［１］～［４］のいずれか記載のＸ線発生装置。このような構成によれば、第１動作モード実施中において、カソードへの供給電流の制御ではカソードの推定温度が所定範囲に保持されない場合に、カソードの異常を迅速に外部に報知することができる。

［６］前記カソードから放出される前記電子ビームの焦点寸法及び／又は焦点形状を計測する電子ビーム計測部を備え、前記制御部は、前記第２動作モードの実施後に前記電子ビームの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び／又は形状を満たさない場合に、その旨を示す報知信号を生成する［１］～［５］のいずれか記載のＸ線発生装置。このような構成によれば、第２動作モード実施後においても電子ビームの放出特性が改善されない場合に、カソードの異常を迅速に外部に報知することができる。

本開示によれば、カソード表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できる。

本開示の一実施形態に係るＸ線発生装置の構成を示す概略的な断面図である。図１に示したＸ線発生装置の排気部の構成を示すブロック図である。図１に示したＸ線発生装置のＸ線照射に関するチャート図である。第１動作モード及び第２動作モードに関する制御部の構成を示すブロック図である。各動作モードにおける制御部のフローチャートである。カソードの温度推定に用いる参照データの一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係るＸ線発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係るＸ線発生装置の構成を示す概略的な断面図である。図１に示すように、Ｘ線発生装置１は、電子銃３と、回転陽極ユニットＵと、磁気レンズ４と、排気部５と、電子銃３を収容する筐体６と、回転陽極ユニットＵを収容する筐体７と、を含むＸ線管２を備えている。また、Ｘ線発生装置１は、Ｘ線管２の動作を制御する制御部５１（図４参照）を備えている。Ｘ線管２を画成する筐体６と筐体７とは、一体に構成されていてもよく、別体に構成されていてもよい。別体である場合、筐体６と筐体７とは、互いに取り外し可能であってもよく、取り外すことができない態様で一体的に結合されていてもよい。

電子銃３は、電子ビームＥＢを放出する部分である。電子銃３は、電子ビームＥＢを放出するカソードＣを有している。カソードＣは、例えば円形平面カソードである。カソードＣの電子放出部Ｃａは、例えばセリウムやランタンを含む単結晶材料（ＣｅＢ_６やＬａＢ_６）からなる。本実施形態では、単結晶材料としてＣｅＢ_６が用いられている。カソードＣの電子放出面は、カソードＣの平面視において円形状をなしている。カソードＣは、電源装置５６（図４参照）からの供給電流により、断面形状が円形状の電子ビームＥＢを放出する。

回転陽極ユニットＵは、ターゲット１１と、回転支持体１２と、駆動部１３とを有している。ターゲット１１の構成材料としては、例えば、タングステン、銀、ロジウム、モリブデン、及びそれらの合金等の重金属が挙げられる。回転支持体１２は、回転軸Ａ回りに回転可能に構成されている。本実施形態では、回転軸Ａは、ターゲット１１への電子ビームの入射方向と一致している。回転軸Ａは、ターゲット１１への電子ビームの入射方向に対して傾斜していてもよい。

回転支持体１２の構成材料としては、例えば銅、銅合金等の金属が挙げられる。回転支持体１２は、回転軸Ａを中心軸とする扁平な円錐台状の台座１２ａを有している。ターゲット１１は、台座１２ａの周縁部に沿って配置されている。駆動部１３は、回転支持体１２を回転軸Ａ周りに回転駆動させる部分である。駆動部１３は、例えばモータ等の駆動源を有している。

台座１２ａに配置されたターゲット１１は、回転支持体１２の回転に伴って回転しながら電子ビームＥＢを受け、Ｘ線ＸＲを発生させる。本実施形態では、ターゲット１１は、反射型のターゲットとなっており、ターゲット１１への電子ビームの入射方向に交差（直交）する方向にＸ線ＸＲを発生させる。ターゲット１１で発生したＸ線ＸＲは、筐体６の側壁部分に形成された出射窓１４から筐体６の外部に出射される。出射窓１４は、窓部材１５によって気密に塞がれている。窓部材１５の構成材料としては、例えばベリリウム、アルミニウム、カーボンなどの軽元素が挙げられる。

磁気レンズ４は、カソードＣからターゲット１１に向かう電子ビームＥＢを制御する部分である。本実施形態では、磁気レンズ４は、偏向コイル２１と、集束レンズ２２と、四重極レンズ２３とによって構成されている。偏向コイル２１、集束レンズ２２、四重極レンズ２３は、いずれも筐体２４内に収容されている。筐体２４内には、電子ビームＥＢが通過する通過路２４ａが形成されている。偏向コイル２１、集束レンズ２２、四重極レンズ２３は、筐体２４内において、通過路２４ａを囲むように、カソードＣからターゲット１１に向かってこの順に配置されている。

偏向コイル２１は、カソードＣにおける電子ビームＥＢの出射軸と、集束レンズ及び四重極レンズ２３の中心軸との間の角度ずれを補正する。集束レンズ２２は、例えばコイル、ポールピース、ヨーク等を含んで構成されている。集束レンズ２２は、電子ビームＥＢを軸回り回転させながら電子ビームＥＢを集束させる。集束レンズ２２の配置領域を通過する電子ビームＥＢは、例えば螺旋を描くように回転しながら集束する。四重極レンズ２３は、例えばヨーク、コイルを含んで構成されている。四重極レンズ２３は、電子ビームＥＢの断面形状を円形状から楕円形状に変化させる。

Ｘ線発生装置１は、図１に示すように、チラーユニット３１と、温度センサ３２とを備えている。チラーユニット３１と温度センサ３２とは、互いに情報通信可能に接続されている。チラーユニット３１と温度センサ３２とは、互いにＣＰＵユニット等の制御部に接続されていてもよい。回転陽極ユニットＵを備えるＸ線発生装置１では、例えば０．１℃の温度変化で電子ビームＥＢの焦点位置が１μｍ程度変化する。このため、Ｘ線ＸＲの安定性の向上に際しては、Ｘ線管２の温度管理が重要な要素となっている。Ｘ線発生装置１では、温度センサ３２で検出したＸ線管２の温度に基づいてチラーユニット３１をフィードバック制御することでＸ線管２の温度変化を抑制し、Ｘ線ＸＲの安定性の向上を図っている。チラーユニット３１のフィードバック制御方式は、比例制御及び積分制御のいずれであってもよい。

チラーユニット３１は、所定の温度に調整された冷媒をＸ線管２に向けて供給する部分である。冷媒としては、例えば水、不凍液などの液体冷媒を用いることができる。チラーユニット３１は、Ｘ線管２内の熱源（例えば電子銃、ターゲットなど）の近傍の周囲に形成された流路に冷媒を流通させることで、Ｘ線管２の温度を所定範囲内に維持する。

チラーユニット３１は、Ｘ線発生装置１を組み込む装置構成、或いはＸ線遮蔽用の鉛箱などの配置の関係で、例えばＸ線管２から相当の距離（例えば２０ｍ程度）をもって離間して配置される場合がある。このため、チラーユニット３１に内蔵される温度センサを用いた温度制御では、温度センサとＸ線管２との距離が離れすぎていることに起因し、Ｘ線管２の温度制御の精度が担保できないことが問題となり得る。このため、Ｘ線発生装置１では、図１に示すように、チラーユニット３１とは別体の温度センサ３２がＸ線管２の近傍に配置されている。

温度センサ３２は、Ｘ線管２で発生するＸ線ＸＲによる劣化を回避するため、Ｘ線管２の近傍であって且つＸ線ＸＲの影響を受けない位置に配置されている。本実施形態では、温度センサ３２は、筐体６において、カソードＣからの電子ビームＥＢの放出方向と反対側となる端部６ａに接触或いは近接して配置されている。さらに、温度センサ３２は、筐体６において、Ｘ線ＸＲの出射方向と反対側に配置されていてもよい。温度センサ３２は、チラーユニット３１とＸ線管２との間に配置される冷媒用の配管上に配置してもよく、ターゲット１１で発生したＸ線ＸＲの照射を受けないようにＸ線管２の直下に配置してもよい。

図２は、図１に示したＸ線発生装置の排気部の構成を示すブロック図である。図２に示すように、排気部５は、真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂと、バッファタンク４２と、バックポンプ４３とを含んで構成されている。真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂとバッファタンク４２とは、金属製のベローズホース等によって互いに接続されている。バッファタンク４２とバックポンプ４３とは、フォアラインバルブ４４を介し、金属製のベローズホース等によって互いに接続されている。

真空ポンプ４１Ａは、排気流路Ｅ１（図１参照）を介して筐体６の内部空間Ｓ１を真空排気するポンプである。真空ポンプ４１Ｂは、排気流路Ｅ２（図１参照）を介して筐体７の内部空間Ｓ２を真空排気するポンプである。真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂにより、電子銃３及びターゲット１１で発生するガスが除去され、内部空間Ｓ１，Ｓ２が真空状態又は部分真空状態に維持される。内部空間Ｓ１は、例えば１０^－４Ｐａ以下、好ましくは１０^－５Ｐａ以下の真空状態又は部分真空状態に維持される。内部空間Ｓ２は、例えば１０^－６Ｐａ～１０^－３Ｐａの間の真空状態又は部分真空状態に維持される。

バッファタンク４２は、真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂとバックポンプ４３との間に配置される大容量の真空チャンバである。バッファタンク４２の配置により、バックポンプ４３が停止した状態であっても真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂの排圧を確保することが可能となる。また、バックポンプ４３の動作時の振動がＸ線管２に直接的に伝わることが防止され、Ｘ線管２において、外部振動による電子ビームＥＢの焦点位置の変動を抑制できる。

バッファタンク４２には、真空計４５が設けられている。真空計４５は、バッファタンク４２の内圧を検出する部分である。真空計４５でバッファタンク４２の内圧をモニタリングすることで、バックポンプ４３の性能低下を検出できる。また、真空計４５の設置及びフォアラインバルブ４４によるバッファタンク４２とバックポンプ４３との接続により、バックポンプ４３の間欠運転が可能となる。したがって、排気部５を低振動かつ低消費電力で動作させることができる。

真空ポンプ４１Ａには、ベント圧センサ４６が接続されている。ベント圧センサ４６は、ベント時の内部空間Ｓ１，Ｓ２の内圧を検出する部分である。ベント圧センサ４６でベント時の内部空間Ｓ１，Ｓ２の内圧をモニタリングすることで、内部空間Ｓ１，Ｓ２の内圧が異常値まで上昇していないか否かを判断できる。

上記排気部５では、初期真空排気において所定の真空度以下となるようにＸ線管２の内部空間Ｓ１，Ｓ２を排気した後、フォアラインバルブ４４が閉じ、バックポンプ４３が停止する。その後、真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂの消費電力をモニタリングしつつ、内部空間Ｓ１，Ｓ２の排気が継続される。真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂの消費電力が規定値を超えた場合、フォアラインバルブ４４が開き、バックポンプ４３が起動する。真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂの消費電力が規定値以下に戻った後、フォアラインバルブ４４が閉じ、バックポンプ４３が停止する。初期真空排気を除いたバックポンプ４３の動作時間は、例えば１００時間中０．５時間未満程度でよい。

制御部５１（図４参照）は、Ｘ線管２の動作を制御する部分である。制御部５１は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのメモリ、ＣＰＵなどのプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスクなどの格納部、ディスプレイなどの表示部を備えて構成されたコンピュータシステムである。コンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。制御部５１は、ＰＬＣ（programmable logic controller）によって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）等の集積回路によって構成されていてもよい。

図３は、図１に示したＸ線発生装置のＸ線照射に関するチャート図である。図３のチャートは、後述の第１動作モードのチャートである。図３に示すように、Ｘ線発生装置１でＸ線ＸＲの出力を行う際には、排気部５、回転支持体１２の駆動部１３（モータ）、磁気レンズ４、フィラメント通電（カソードＣの加熱）、電源装置５６（図４参照）を以下のタイミングで駆動させる。まず、時刻ｔ０において、真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂが駆動し、Ｘ線管２の真空度が上昇する。また、チラーユニット３１が駆動し、Ｘ線管２の温度制御が開始される。次に、駆動部１３が駆動し、モータの回転数が０ｒｐｍから１２０００ｒｐｍ程度まで上昇する。また、集束レンズ２２及び四重極レンズ２３への電流供給が開始される。

Ｘ線管２の真空度が規定値に到達した後、フィラメントへの電流供給が開始され、カソードＣが昇温する。本実施形態では、昇温時のカソードＣの温度範囲は、１７２０Ｋ～１７８０Ｋに設定されている（詳細は後述する）。図３の例では、フィラメントへの供給電流の増加は、二段階で行われる。一段階目のフィラメントへの供給電流の増加は、カソードＣ及び電子銃３の熱膨張の安定化のために行われる。時刻ｔ１においてＸ線ＸＲの照射を開始する旨の指示信号が制御部５１に入力されると、フィラメントへの供給電流の二段階目の増加が開始すると共に管電圧が増加し、フィラメントへの電流の増加および管電圧の上昇が停止した時刻ｔ２において管電流が増加する。一例として、管電圧は１２０ｋＶであり、管電流は１０ｍＡである。

管電流の増加に伴い、時刻ｔ２においてＸ線ＸＲの出射が開始される。Ｘ線ＸＲの出射後、集束レンズ２２及び四重極レンズ２３への供給電流が更に一段階増加し、電子ビームＥＢの焦点位置及び焦点形状が所望の位置及び寸法となるように調整される。集束レンズ２２及び四重極レンズ２３への電流が更に一段階増加した後、時刻ｔ３においてＸ線ＸＲの照射を停止する旨の指示信号が制御部５１に入力され、集束レンズ２２への供給電流の低下が開始されるまでの期間中（図３の期間Ｔ）は、所望の径でＸ線ＸＲの出力が得られる期間となる。

時刻ｔ３においてＸ線ＸＲの照射を停止する旨の指示信号が制御部５１に入力されると、集束レンズ２２への供給電流が一段階減少し、その後に管電流及び管電圧が減少する。管電流及び管電圧の減少後、フィラメントへの供給電流が減少し、カソードＣが降温する。図３の例では、フィラメントへの供給電流の減少は、増加の際と同様に二段階で行われる。カソードＣへの供給電流が停止する時刻ｔ４から真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂの駆動が停止する時刻ｔ５までの期間は、カソードＣの冷却期間となる。

カソードＣの冷却期間において、集束レンズ２２及び四重極レンズ２３への供給電流が停止され、駆動部１３も停止される。駆動部１３の停止後、チラーユニット３１が停止され、Ｘ線管２の温度制御が終了する。カソードＣの冷却期間が終了した後、真空ポンプ４１Ａ，４１Ｂが停止される。これにより、Ｘ線管２の真空度が減少し、処理が終了する。

一般に、Ｘ線発生装置の動作時においては、電子ビームの焦点寸法を所望の範囲に維持するため、カソードの温度を所定範囲内に保持する必要がある。従来のＸ線発生装置では、例えば動作時のカソードの温度を１８００Ｋ以上の温度に保持していたが、高温のためにカソードの寿命が得られにくいという問題があった。これに対し、Ｘ線発生装置１では、上述したように、単結晶材料であるＣｅＢ_６からなるカソードＣの温度範囲が動作時において１７２０Ｋ～１７８０Ｋに設定されている。Ｘ線発生装置１では、カソードＣの温度範囲を従来よりも下げることで、電子ビームＥＢの焦点寸法を維持しつつカソードＣの長寿命化が図られる。上記温度範囲によれば、電子ビームＥＢの焦点寸法をおよそ半年間にわたって一定に維持することが可能となる。

一方、動作時のカソードＣの温度を下げる場合、カソードＣの表面への異物の付着が生じ易くなることが考えられる。カソードＣの表面への異物の付着が進行すると、電子ビームＥＢの放出特性が劣化し、Ｘ線管２から出射されるＸ線ＸＲの出力特性が十分に得られなくなるおそれがある。そこで、Ｘ線発生装置１では、カソードＣの表面の清浄化を適切なタイミングで実施すべく、制御部５１が、図３に示したＸ線ＸＲの出力（通常動作）に関する第１動作モードと、カソードＣの表面の清浄化に関する第２動作モードとを実行する。

図４は、第１動作モード及び第２動作モードに関する制御部の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御部５１は、第１動作モード及び第２動作モードに関する構成要素として、電源制御部５２と、消費電力検出部５３と、計時部５４と、報知部５５とを備えている。電源制御部５２は、カソードＣに電流を供給する電源装置５６を制御する部分である。

電源制御部５２は、電源装置５６と相互に通信可能に接続されている。消費電力検出部５３は、電源装置５６におけるカソードＣの消費電力を検出する部分である。消費電力検出部５３は、電源装置５６と相互に通信可能に接続されている。計時部５４は、時間を計測するカウンタである。報知部５５は、例えばモニタ、スピーカなどによって構成されている。

本実施形態では、制御部５１は、第１動作モード及び第２動作モードに加え、第２動作モード実行後に確認モードを実行する。確認モードに関する構成要素として、Ｘ線発生装置１は、Ｘ線焦点計測部５７を有している。Ｘ線焦点計測部５７は、本開示における電子ビーム計測部に相当する構成である。Ｘ線焦点計測部５７は、例えばカソードＣから放出される電子ビームＥＢによって発生するＸ線ＸＲの焦点の状態に基づいて、電子ビームＥＢの状態を間接的に計測する。具体的には、Ｘ線焦点計測部５７は、Ｘ線ＸＲの軸に対して配置されたピンホールと、Ｘ線ＸＲの焦点像を撮像するカメラとによって構成されている。Ｘ線焦点計測部５７は、制御部５１と情報通信可能に接続されている。

図５は、各動作モードにおける制御部のフローチャートである。図５に示すように、第１動作モードでは、まず、カソードＣへの電流の供給により電子ビームＥＢの放出がなされる（ステップＳ０１）。電子ビームＥＢの放出の後、制御部５１は、カソードＣの消費電力に基づいてカソードＣの温度を推定し、カソードＣの推定温度が通常動作用の所定範囲に保持されるようにカソードＣへの供給電流を制御する。具体的には、第１動作モードでは、消費電力検出部５３が電源装置５６からカソードＣに供給されるカソード電流及びカソード電圧をモニタリングし、カソードＣの消費電力を検出する（ステップＳ０２）。消費電力検出部５３は、カソードＣの消費電力の検出結果を示す結果情報を電源制御部５２に出力する。

電源制御部５２は、消費電力検出部５３から受け取った結果情報に基づいてカソードＣの温度を推定する（ステップＳ０３）。電源制御部５２は、カソードＣの温度の推定にあたって、例えば図６に示すような参照データＤを保有している。この参照データＤは、カソードＣの温度と消費電力との間に相関が存在するとの知見に基づくデータである。参照データＤは、カソードＣの消費電力を変化させた場合のカソードＣの温度の変化を実測することで予め作成され、電源制御部５２に記憶されている。

図６の例では、カソードＣの推定温度と消費電力とは比例関係を有している。すなわち、カソードＣの消費電力が小さいほどカソードＣの推定温度は低くなり、カソードＣの消費電力が大きいほどカソードＣの推定温度は高くなる。電源制御部５２は、カソードＣの消費電力に基づいて参照データＤを参照することによってカソードＣの温度を推定し、推定温度が通常動作用の所定範囲内（ここでは、１７２０Ｋ～１７８０Ｋ）から低下しているか否かを判断する（ステップＳ０４）。推定温度が所定範囲内に保持されている場合、電源制御部５２は、現在の消費電力を維持し、第１動作モードの開始から所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ０５）。所定時間が経過していない場合、ステップＳ０２に戻り、以降の処理を再び実行する。

推定温度が所定範囲から低下している場合、電源制御部５２は、カソードＣへの供給電流が増加するように電源装置５６を制御する（ステップＳ０６）。この制御の後、電源制御部５２は、消費電力検出部５３からの結果情報を引き続き受け取り、カソードＣの推定温度が所定範囲に復帰したか否かを判断する（ステップＳ０７）。カソードＣの推定温度が所定範囲に復帰したと判断した場合、ステップＳ０２に戻り、以降の処理を再び実行する。カソードＣの推定温度が所定範囲に復帰しなかったと判断された場合、電源制御部５２は、その旨を示す報知信号を生成し、報知部５５に出力する。報知部５５は、報知信号に基づき、アラーム音や警告の表示等によってカソードＣの異常を外部に報知する（ステップＳ０８）。この報知の後は、処理を終了する。

第２動作モードは、第１動作モードを所定時間実施した後に実施される。すなわち、上述したステップＳ０５において、第１動作モードの開始から所定時間が経過したと判断された場合に、第２動作モードが実施される。計時部５４は、制御部５１が第１動作モードで動作した時間を計測し、計測時間が所定時間に到達したタイミングで、第１動作モードが所定時間実施されたこと示す計時情報を電源制御部５２に出力する。所定時間は、例えば２４時間～７２時間程度に設定される。

第２動作モードでは、まず、電子ビームＥＢの放出が停止される（ステップＳ０９）。次に、第１動作モードで用いる所定範囲よりも高い清浄化用の温度でカソードＣを加熱する。具体的には、第２動作モードでは、電源制御部５２は、計時部５４から計時情報を受け取ると、カソードＣの推定温度が第１動作モードで用いる所定範囲よりも高くなるように電源装置５６を制御する（ステップＳ１０）。第２動作モードで用いる清浄化用の温度は、例えば第１動作モードで用いる通常動作用の所定範囲よりも１００Ｋ程度高い温度に設定される。本実施形態では、清浄化用の温度は、１８２０Ｋ～１８８０Ｋの範囲に設定されている。清浄化用の温度でのカソードＣの加熱時間は、例えば１分間以上に設定されている。

固体表面に吸着するガス分子の平均滞在時間τは、下記式（１）によって表される。式（１）中、τ０は定数、Ｅは吸着エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。式（１）から、例えば水分子の吸着を想定してＥを１．０ｅＶとすると、１７２０Ｋから１００Ｋ昇温した場合に、τの逆数で表される脱離速度は約１．５倍となる。このことから、第２モードで用いる清浄化用の温度は、第１動作モードで用いる通常動作用の所定範囲よりも１００Ｋ程度高い温度に設定される。
τ＝τ０×ｅｘｐ（Ｅ／ｋＴ）…（１）

一方、実験により、１８２０Ｋにおけるカソード蒸発速度は、１７２０Ｋにおけるカソード蒸発速度の２倍～５倍程度となることが導かれる。したがって、第１動作モードで用いる通常動作用の温度を第２モードで用いる清浄化用の温度よりも１００Ｋ低くすることで、カソード寿命を２倍～５倍に向上することができる。

確認モードは、第２動作モードに後続して実施される。確認モードは、例えば第１動作モードと並行して実施される。確認モードでは、まず、Ｘ線焦点計測部５７によってＸ線ＸＲの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測が行われ、Ｘ線ＸＲの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測結果に基づいて、カソードＣから放出される電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測が行われる（ステップＳ１１）。Ｘ線焦点計測部５７は、計測結果を示す結果情報を電源制御部５２に出力する。電源制御部５２は、Ｘ線焦点計測部５７からの結果情報に基づき、電子ビームＥＢの焦点寸法及び焦点形状が所望の寸法及び形状を満たすか否かを判断する（ステップＳ１２）。電子ビームＥＢの焦点寸法及び焦点形状が所望の寸法及び形状を満たすと判断した場合、カソードＣの表面の清浄化が正常に終了したと見做し、処理を終了する（若しくは第１動作モードの実施を継続する）。

電源制御部５２は、電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び／又は形状を満たさないと判断した場合、電子ビームＥＢの調整を指示する指示信号を生成する。制御部５１は、生成された指示信号に基づき、電子ビームＥＢの焦点寸法及び又は焦点形状の調整を実施する（ステップＳ１３）。電子ビームＥＢの調整は、例えば磁気レンズ４などへの供給電流の制御などによって実施される。

次に、電子ビームＥＢの調整回数が所定数を超えたか否かが判断される（ステップＳ１４）。電子ビームＥＢの調整回数が所定数を超えていないと判断された場合、ステップＳ１１に戻り、以降の処理を再び実行する。電子ビームＥＢの調整回数が所定数を超えたと判断された場合、カソードＣの表面に異常があると見做し、その旨を示す報知信号を生成し、報知部５５に出力する。報知部５５は、報知信号に基づき、アラーム音や警告の表示等によってカソードＣの異常を外部に報知する（ステップＳ１５）。

以上説明したように、Ｘ線発生装置１では、第１動作モードにおいて、カソードＣの消費電力に基づいてカソードＣの温度を推定し、カソードＣの推定温度が通常動作用の所定範囲内に保持されるようにカソードＣへの供給電流を制御する。これにより、通常動作時のカソードＣの温度を適切に維持できるため、電子ビームＥＢの放出特性（例えば焦点寸法や寸法形状）を所望の範囲に安定的に維持できる。

また、Ｘ線発生装置１では、第１動作モードの実施の際にカソードＣの表面に異物が付着することを考慮し、カソードＣの表面を清浄化するための第２動作モードを実施する。第２動作モードでは、第１動作モードの所定範囲よりも高い清浄化用の温度でカソードＣを加熱し、カソードＣの表面から異物を除去することで、電子ビームＥＢの放出特性を良好に保つことができる。Ｘ線発生装置１では、カソードＣを適切な温度で維持する第１動作モードを実施することで、カソードＣの所定の動作状況（適切な動作状態を維持しつつ動作時間に基づく状態変化を推定し得る状況）を所定時間実施した後に第２動作モードを実施する。これにより、カソードＣの表面の清浄化を適切なタイミング（カソードＣの表面への異物の付着が進行してきたタイミング）で実施できると共に、第２動作モードを温度制御しながら実施できるため、カソードＣの表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できる。

本実施形態では、カソードＣは、単結晶材料からなる電子放出部Ｃａを備える。また、単結晶材料は、セリウム又はランタンを含む。これにより、所望の電子放出特性を備えたカソードＣが容易に得られる。さらに、本実施形態では、単結晶材料は、セリウムを含むＣｅＢｅ_６であり、第１動作モードにおける通常動作用の所定範囲は、１７２０Ｋ～１７８０Ｋに設定されている。通常動作時のカソードＣの温度を従来よりも下げることで、電子ビームＥＢの焦点寸法を維持しつつ、カソードＣの長寿命化が図られる。動作時のカソードＣの温度を下げることで、カソードＣの表面への異物の付着が生じ易くなるが、上述の処理により、カソードＣの表面の清浄化を確実かつ適切なタイミングで実施できる。

本実施形態では、制御部５１は、第１動作モードにおいて、カソードＣへの供給電流の制御を行った場合でもカソードＣの推定温度が所定範囲に保持されない場合に、その旨を示す報知信号を生成する。このような構成によれば、第１動作モード実施中において、カソードＣへの供給電流の制御ではカソードＣの推定温度が所定範囲に保持されない場合に、カソードＣの異常を迅速に外部に報知することができる。

本実施形態では、カソードＣから放出される電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状を計測するＸ線焦点計測部５７を備え、制御部５１は、第２動作モードの実施後に電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び形状を満たさない場合に、その旨を示す報知信号を生成する。このような構成によれば、第２動作モード実施後においても電子ビームＥＢの放出特性が改善されない場合に、カソードＣの異常を迅速に外部に報知することができる。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第２動作モードに後続する確認モードにおいて、Ｘ線焦点計測部５７の計測結果に基づいて電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び／又は形状を満たすか否かを間接的に判断しているが、電子ビーム計測部が電子ビームＥＢの焦点寸法及び焦点形状を直接的に計測する態様であってもよい。

Ｘ線焦点計測部５７は、Ｘ線ＸＲの焦点寸法及び／又は焦点形状を、報知信号を生成するか否かの判断対象としてもよい。Ｘ線ＸＲの焦点寸法及び／又は焦点形状の変動は、電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状の変動に起因するため、Ｘ線ＸＲの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測は、電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測と同義である。

上記実施形態では、第２動作モードに後続する確認モードにおいて、Ｘ線焦点計測部５７の計測結果に基づいて電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び／又は形状を満たすか否かを判断しているが、電子ビームＥＢの焦点寸法及び／又は焦点形状の計測及び判断は、Ｘ線発生装置１のユーザが手作業で行う態様であってもよい。電子ビームＥＢの焦点寸法及び焦点形状の計測は、いずれか一方のみであってもよい。確認モードは必ずしも実施しなくてもよく、第２動作モードの実施後に確認モードの実施を省略して第１動作モードを実施してもよい。

１…Ｘ線発生装置、２…Ｘ線管、３…電子銃、１１…ターゲット、５１…制御部、５７…Ｘ線焦点計測部（電子ビーム計測部）、Ｃ…カソード、Ｃａ…電子放出部、ＥＢ…電子ビーム。

Claims

電子ビームを放出するカソードを有する電子銃、及び前記電子銃から出射された前記電子ビームが入射するターゲットを含んで構成されるＸ線管と、
前記Ｘ線管の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記カソードの消費電力に基づいて前記カソードの温度を推定し、前記カソードの推定温度が通常動作用の所定範囲内に保持されるように前記カソードへの供給電流を制御する第１動作モードと、
前記第１動作モードを所定時間実施した後、前記所定範囲よりも高い清浄化用の温度で前記カソードを加熱する第２動作モードと、を実行するＸ線発生装置。
前記カソードは、単結晶材料からなる電子放出部を備える請求項１記載のＸ線発生装置。
前記単結晶材料は、セリウム又はランタンを含む請求項２記載のＸ線発生装置。
前記単結晶材料は、セリウムを含み、
前記第１動作モードにおける前記通常動作用の所定範囲は、１７２０Ｋ～１７８０Ｋに設定されている請求項２記載のＸ線発生装置。
前記制御部は、前記第１動作モードにおいて、前記カソードへの供給電流の制御を行った場合でも前記カソードの推定温度が前記所定範囲に保持されない場合に、その旨を示す報知信号を生成する請求項１～４のいずれか一項記載のＸ線発生装置。
前記カソードから放出される前記電子ビームの焦点寸法及び／又は焦点形状を計測する電子ビーム計測部を備え、
前記制御部は、前記第２動作モードの実施後に前記電子ビームの焦点寸法及び／又は焦点形状が所望の寸法及び／又は形状を満たさない場合に、その旨を示す報知信号を生成する請求項１～４のいずれか一項記載のＸ線発生装置。