JP3411493B2 - Ｘ線管ターゲットの製造方法およびターゲット製作ユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子銃から発射
された電子の衝突に応じてＸ線を発生するＸ線管ターゲ
ットの製造技術に係り、特にターゲット部材としてタン
グステン材料を用いたＸ線管ターゲットの製造方法と、
同製造方法の中間工程で製作されるターゲット製作ユニ
ットに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のとおり、Ｘ線回折装置をはじめと
する各種Ｘ線利用装置のＸ線源に用いられるＸ線管は、
電子銃に対向してＸ線管ターゲット（対陰極）を配置
し、電子銃から発射された電子をＸ線管ターゲットの表
面に衝突させることにより、該Ｘ線管ターゲットの表面
からＸ線を発生させる構造となっている。

【０００３】電子の衝突に応じてＸ線を発生する材料と
しては、例えば、モリブデン，クロム，タングステン，
金，銀等の金属材料があげられる。これらの金属材料で
Ｘ線管ターゲットの全体を形成した場合、製品コストが
高価格となるばかりか、材料によっては熱伝導率が低
く、電子が衝突した際に発生する熱を効率的に冷却する
ことができず、また耐腐食性が低く冷却水を長時間にわ
たり接触させておくことができない等の問題がある。

【０００４】そこで、従来のＸ線管ターゲットは、図４
に示すように、電子の衝突に応じてＸ線を放射する金属
材料によってターゲット材２０を形成し、このターゲッ
ト材２０を熱伝導率の良好な金属材料で形成した基台２
１の表面に形成した構造となっており、基台２１の裏面
側に配管２２，２３を介して冷却水を循環させることに
より、電子の衝突時に発生する熱を冷却するようにして
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来のＸ線管
ターゲットは、基台２１の所要部分にターゲット材２０
をろう付け、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッ
タリング、めっき等で接合または形成する手段が採られ
ていたが、いずれもターゲット材２０が基台２１から剥
離しやすい等の課題を有していた。

【０００６】特に、タングステン材料を用いたターゲッ
ト材２０においては、イオンプレーティングにより、基
台２１上に２０μｍ程度の厚さに形成するのが限界であ
り、この程度の厚さでは放電による破損が頻発し、また
使用により表面粗れが生じても再研磨することができな
いため、耐久性が乏しいという欠点があった。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、充分な厚みのあるタングステン材料からなる
ターゲット部材を、基台の周面に接合してなる剥離しに
くく高い耐久性を備えたＸ線管ターゲットを製造するこ
とを目的とする。

【０００８】本出願人は、先にインサート材による液相
拡散を利用して基台２１の表面にターゲット部材２０を
接合するＸ線管ターゲットの製造方法を提案している
（特開平９−１６１６７３号公報参照）。本発明は、こ
の先に提案した製造方法を改良し、特にターゲット部材
としてタングステン材料を用いたＸ線管ターゲットを、
歩留りよく製造できるようにしたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明のＸ線管ターゲットの製造方法は、次の工程
を含むことを特徴としている。 タングステン材料を
用いて円環状のターゲット部材を形成するターゲット部
材形成工程 熱伝導の良好な金属材料を用いて、ター
ゲット部材を外嵌する円筒状の周壁を有する基台を形成
する基台形成工程 基台と同一の金属材料を用いて、
ターゲット部材の周囲を被覆する円筒状の周壁を有する
カバー部材を形成するカバー部材形成工程 ターゲッ
ト部材の少なくとも内周面と基台との間に、該ターゲッ
ト部材および基台よりも低い融点をもつインサート材を
介在させるとともに、真空雰囲気下において、ターゲッ
ト部材を基台に外嵌し、かつターゲット部材の周囲にカ
バー部材を装着して、これら基台とカバー部材とにより
ターゲット部材を密封して、基台、ターゲット部材、イ
ンサート材およびカバー部材を組み合わせたターゲット
製作ユニットを形成するユニット形成工程 ターゲッ
ト製作ユニットを、周囲から均等に加圧しながら所定温
度に加熱し、インサート材を溶融させる加熱工程 タ
ーゲット製作ユニットを周囲から均等に加圧しながら、
インサート材を等温凝固させる等温凝固工程 等温凝
固工程の後、さらにターゲット製作ユニットを周囲から
均等に加圧しながら熱処理して、基台、ターゲット部
材、およびインサート材を相互に拡散させる拡散熱処理
工程

【００１０】この発明によれば、上記加熱工程において
インサート材との共晶により低い共融温度で基台が溶融
して効率的にいわゆる液相拡散が進行し、ターゲット部
材と基台とが加圧下で接合する。

【００１１】続いて、インサート材を等温凝固させるこ
とにより、その後、接合温度に再加熱しても接合部分が
溶融することがなくなる。したがって、電子の衝突によ
り高温状態となっても、ターゲット部材が基台から離脱
するおそれがない。ここで、「等温凝固」とは、一定の
温度に保持する間に拡散により金属材料の組成が変化
し、その融点が上昇することによって凝固する現象をい
う。

【００１２】さらに、拡散熱処理工程では、接合部分の
材質が均質化するので、基台とターゲット部材との間の
密着力が大きく、一層確実な接合状態を形成することが
できる。

【００１３】さて、ターゲット部材を構成するタングス
テン材料は、非常に脆い。したがって、上記加熱工程、
等温凝固工程、および拡散熱処理工程において、ターゲ
ット部材の外周面および内周面に不均一な圧力が作用す
ると、割れが生じ歩留り低下の原因となる。

【００１４】本出願人が先に提案したＸ線管ターゲット
の製造方法（特開平９−１６１６７３号公報参照）で
は、ターゲット部材の外周を枠材で囲んでいたが、この
方法ではターゲット部材に作用する圧力の均一性を保ち
にくく、特にターゲット部材をタングステン材料で形成
した場合、同部材の割れが生じやすかった。

【００１５】そこで、本発明では、ターゲット部材を基
台に外嵌し、かつターゲット部材の周囲にカバー部材を
装着して、これら基台とカバー部材とによりターゲット
部材を密封した構成のターゲット製作ユニットをあらか
じめ形成するようにしている。このターゲット製作ユニ
ットを、上記加熱工程、等温凝固工程、および拡散熱処
理工程にかけることにより、ターゲット部材の内周面に
は基台を介して均一な圧力が作用し、また同部材の外周
面にはカバー部材を介して均一な圧力が作用しするの
で、ターゲット部材の割れを抑制することができる。

【００１６】さらに、カバー部材を基台と同一の材料で
形成するとともに、基台およびカバー部材の各周壁をほ
ぼ同一厚さの円筒形状に形成すれば、ターゲット部材の
内周面に作用する圧力と外周面に作用する圧力とをほぼ
均一にすることができ、一層ターゲット部材の割れを抑
制することができる。

【００１７】また、堅くて脆いタングステン材料を円環
状に形成することは従来の技術では困難であったが、本
発明者らは、タングステン材料を加熱しながら絞り加工
することにより、継目のない円環状のターゲット部材の
形成を実現した。

【００１８】さらに、ユニット形成工程において、真空
雰囲気下で基台とカバー部材とによりターゲット部材を
密封することにより、これら基台とカバー部材とで囲ま
れた密封室内を真空状態として、加熱工程における液層
拡散等を適正に進行させることが可能となる。ここで、
真空雰囲気下における基台とカバー部材との間の密封
は、電子ビーム溶接によって実現することができる。な
お、インサート材は、加熱工程において前記基台を形成
する金属材料と共晶する材料で形成することが好まし
い。

【００１９】上述したＸ線管ターゲットの製造方法の中
間工程で形成されるターゲット製作ユニットは、熱伝導
の良好な金属材料を用いて形成した円筒形状の周壁を有
する基台と、タングステン材料を用いて円環状に形成し
基台の周壁に外嵌したターゲット部材と、熱伝導良好な
金属材料を用いて形成しターゲット部材の周囲を被覆す
る円筒形状の周壁を有するカバー部材とを含んでいる。
そして、ターゲット部材の少なくとも内周面と基台との
間に、該ターゲット部材および基台よりも低い融点をも
つインサート材を介在させるとともに、ターゲット部材
を、基台およびカバー部材により密封して形成される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。図１はこの発明の
実施形態に係る製造方法によって製作されるＸ線管ター
ゲットの縦断面図である。このＸ線管ターゲット１は、
ローターターゲットと称する回転式のターゲット（対陰
極）であり、有底円筒状をした基台２の円周表面に環状
のターゲット部材３を接合した構造となっている。基台
２は、熱伝導の良好な金属材料、例えば無酸素銅やクロ
ム銅などの銅合金で形成してあり、図示しない回転駆動
装置に装着されて高速回転する。

【００２１】ターゲット部材３は、タングステン材料で
形成してある。このターゲット部材３は、内周面が基台
２に接触しているので熱伝導性が良好となり、ターゲッ
ト部材３の冷却効率が高い。

【００２２】すなわち、図示しない電子銃から発射した
電子をターゲット部材３に衝突させることにより、ター
ゲット部材３の表面からＸ線が発生するが、その際、タ
ーゲット部材３は電子の衝突に伴い高熱を発生する。こ
の熱を冷却するため、稼働中は配管５ａ，５ｂを介して
基台２の裏面側に冷却水を循環させており、基台２を介
してターゲット部材３と冷却水との間で熱交換を行って
いる。したがって、この熱交換を媒介する基台２に、タ
ーゲット部材３を接触させることにより、冷却効率を向
上させることができる。

【００２３】ターゲット部材３の両側縁は、基台２の段
部２ａと後述するカバー部材４の段部４ａとで挟まれ抜
けが防止されている。

【００２４】次に、上述したＸ線管ターゲットの製造方
法について、図２および図３を主に参照して詳細に説明
する。まず、タングステン材料を用いて円環状のターゲ
ット部材３を形成する（ターゲット部材形成工程）。こ
の工程では、タングステン材料を加熱しながら絞り加工
することにより継目のない円環状のターゲット部材３を
得ることができる。ここで、タングステン材料が厚すぎ
ると、絞り加工において剥離が生じ、一方、薄すぎると
割れが生じるため、同材料の厚さ調節が、この工程にお
ける重要な条件となる。本発明者らの実験によるとここ
で、ターゲット部材を、厚さ０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ
に形成することにより、所望のＸ線管ターゲットを製作
することができた。なお、この工程で用意するタングス
テン材料は、図１に示したＸ線管ターゲット１（最終製
品）のターゲット部材３より厚くしなければならないこ
とは勿論である。

【００２５】また、上述したような熱伝導の良好な金属
材料を用いて基台２を形成するとともに、この基台２と
同一の金属材料によりカバー部材４を形成する（基台形
成工程、カバー部材形成工程）。基台２は、有底円筒状
に形成し、外周に段部２ａを形成する。カバー部材４
は、円筒状に形成し、内周に段部４ａを形成する。

【００２６】基台２において、後述するようにターゲッ
ト部材３が外嵌される周壁２ｂ（円筒状に形成）の厚さ
と、カバー部材４において、後述するようにターゲット
部材３の外周を被覆する周壁４ｂの厚さとは、ほぼ同じ
厚さに設定してある。また、基台２の段部２ａとカバー
部材４の段部４ａとは、ターゲット部材３の厚さとほぼ
等しい高さに設定してある。

【００２７】次に、基台２の周壁２ｂにターゲット部材
３を外嵌するとともに、これら基台２とターゲット部材
３の外周にカバー部材４を外嵌して、ターゲット部材３
を基台２とカバー部材４とで被覆する（図２参照）。

【００２８】このとき、少なくとも基台２とターゲット
部材３との間に、インサート材を介在させる。インサー
ト材としては、基台２およびターゲット部材３よりも低
い融点をもつ各種金属材料を用いることができるが、好
ましくは基台２およびターゲット部材３と類似した組成
の金属材料に融点降下元素を加えたものや、基台２およ
びターゲット部材３と共晶して液相を生じる金属材料を
用いる。この種のインサート材として、例えば、金，
銀，チタン合金，錫などを適用することができる。

【００２９】インサート材は、ペースト状のものを基台
２とターゲット部材３との間に塗布したり、また薄板状
のものを基台２とターゲット部材３との間に挟み込むよ
うにして介在させる他、あらかじめ基台２またはターゲ
ット部材３の接合面にめっきあるいは蒸着しておいても
よい。

【００３０】本発明者らの実験によれば、インサート材
として銀を用い、ターゲット部材３の表面全体にめっき
することにより、基台２、ターゲット部材３、およびカ
バー部材４の相互間を強固に接合することができた。

【００３１】続いて、上記基台２、ターゲット部材３、
カバー部材４を組み合わせたものを別に設けた真空吸引
室内に配置して真空吸引する。これにより真空雰囲気を
形成し、基台２とカバー部材４とで囲まれた部分（ター
ゲット部材３が嵌め込まれた部分）を充分に真空引きす
る。この部分にガスが残存すると、後述するＨＩＰ(熱
間均等加圧装置)による処理を適正に行うことができな
い。その後、該真空雰囲気下で、基台２とカバー部材４
との接触部分（図２のａ、ｂ部分）を電子ビーム溶接
し、ターゲット部材３を基台２とカバー部材４とで密封
する。以上の工程（ユニット形成工程）で、ターゲット
製作ユニット６が形成される。

【００３２】次に、このターゲット製作ユニット６を、
加圧装置の加圧室内に挿入配置する。加圧装置として
は、内部に加熱手段を有するホットプレス装置を用い
る。一般にＨＩＰ(熱間均等加圧装置)と称されているホ
ットプレス装置を利用すれば、ターゲット製作ユニット
６の周囲から液相拡散に必要な圧力を作用させることが
できるとともに、以下の各工程をその加圧室１２内で連
続的に処理できるため、迅速に作業を進めることが可能
となる。

【００３３】図３は上記ＨＩＰ１０の構成を模式的に示
した図である。加圧室１２内には、加熱手段としてのヒ
ータ１３が設置してあり、コンピュータ制御によって加
圧室１２内を所望の一定温度に保持することができる。
加圧室１２内の不純ガスは、排気管１４を介して吸引除
去することができ、一方、Ｎ₂ガス等の不活性ガスをガ
ス供給管１５を介して加圧室１２内に充填することがで
きるようになっている。

【００３４】ターゲット製作ユニット５を加圧室１２内
の載置台１１上に配置した状態で、まず、インサート材
を溶融させる加熱工程を実施する。この工程では、ター
ゲット制作ユニット６を周囲から均等に加圧するととも
に、所定の温度に加熱する。このときの温度は、基台２
およびターゲット部材３の融点より低いが、インサート
材が溶融して液相を形成する適宜の温度に設定する。圧
力は、加熱による基台２等の膨張および基台２，ターゲ
ット部材３の材質等を考慮して、基台２等に変形および
破損が生じない適宜の圧力に設定する。すなわち、圧力
が小さ過ぎると加熱による基台２の膨張により薄肉のタ
ーゲット部材３に割れを生じるおそれがある。一方、圧
力が大き過ぎると該圧力によって基台２等に変形が生じ
るおそれがある。

【００３５】この加熱工程は、インサート材を液相に変
化させるまでに要する適宜の時間だけ継続し、インサー
ト材が共晶して液相を形成したら引き続き次工程である
等温凝固工程に移行する。等温凝固工程では、加圧室１
２内の温度および圧力を加熱工程におけるそれとほぼ同
一または類似する値に設定したまま、適宜の時間保持す
る。この等温凝固工程によって、インサート材、基台
２、およびターゲット部材３との間の液相拡散を進行さ
せる。この等温凝固工程での液相拡散により、基台２と
ターゲット部材３の接合部における組成が変化するとと
もに、インサート材の融点が上昇して凝固する。その結
果、基台２とターゲット部材３とが強固に接合され、し
かも接合温度まで再加熱しても接合部が溶融しない状態
を形成することができる。

【００３６】等温凝固工程において、固相、液相の界面
が移動している間もインサート材、基台２、およびター
ゲット部材３を構成する元素は相互に拡散しているが、
これら各構成要素の成分が均質化する時間に比べ、等温
凝固は比較的短時間で終了する。そこで、加圧室１２内
での加熱および加圧状態を保持したままの状態を継続
し、基台２とターゲット部材３の接合部における組成の
均質化を図る（拡散熱処理工程）。

【００３７】この拡散熱処理工程によって、インサート
材が等温凝固した後、インサート材、基台２、およびタ
ーゲット部材３の間で拡散が進行し、基台２とターゲッ
ト部材３とが一層強固に接合される。この拡散熱処理工
程は、等温凝固工程に比べ充分に長い時間をかけて実施
する。

【００３８】上述のように加熱工程、等温凝固工程、拡
散熱処理工程を実施していく過程で、ほぼ同一の金属材
料からなる基台２とカバー部材４との間も固相拡散が進
行し、これら基台２とカバー部材との間も強固な接合状
態が形成される。この状態では、ターゲット部材３は、
基台２およびカバー部材４の内部に埋もれている。そこ
で、主にカバー部材４の外周面を研削し、ターゲット部
材３を表面に露出させる。最後に、基台２を適宜の形
状、寸法に加工し、最終製品であるＸ線管ターゲット１
を形成する（図１参照）。

【００３９】本発明者らの実験によれば、以上の製造方
法により、厚さ０．２ｍｍ程度のターゲット部材を有す
るＸ線管ターゲットを製作することができた。また、タ
ーゲット部材の厚さが、０．７ｍｍを越えると熱伝導率
が悪くなり、一方、０．０５ｍｍ以下では亀裂が発生し
やすくなった。

【００４０】なお、この発明は上述した実施形態に限定
されるものではない。例えば、上記の実施形態は、いわ
ゆるロータターゲットを対象にしてその製造方法を詳述
したが、この発明はロータターゲット以外のＸ線管ター
ゲット、例えば、固定ターゲットと称するＸ線管ターゲ
ット（対陰極）の製造にも適用できることは勿論であ
る。

【００４１】また、上記の実施形態において、基台２と
カバー部材４との間にも、これら基台２およびカバー部
材４よりも低い融点をもつインサート材を介在させるこ
とがきる。このようにすれば、基台２、インサート材、
およびカバー部材４の間でも液相拡散が進み、基台２と
カバー部材４とをより強固に接合することができる。さ
らに、インサート材はターゲット部材３の内周面のみな
らず、同部材３の側面と基台２の段部２ｃおよび環状部
材４の側面との間にも介在させることができる。このよ
うにすれば、液相拡散接合による接合面積が広がり、よ
り強固な接合状態をすることが形成できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
基台とターゲット部材とをそれぞれ融点に大きな温度差
のある金属材料で形成する場合にも、インサート材の作
用によりそれら部材間を確実に接合して耐久性の向上を
図ることができるともに、特にターゲット部材としてタ
ングステン材料を用いたＸ線管ターゲットを、歩留りよ
く製造できる

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係る製造方法によって製
作されるＸ線管ターゲットの縦断面図である。

【図２】この発明の実施形態に係るターゲット製作ユニ
ットを示す断面図である。

【図３】図２に示したターゲット製作ユニットを加圧装
置の加圧室内に配置した状態を示す断面図である。

【図４】従来一般のＸ線管ターゲットを説明するための
断面図である。

【符号の説明】

１：Ｘ線管ターゲット ２：基台 ３：ターゲット部材 ４：カバー部材 ６：ターゲット製作ユニット １０：ＨＩＰ １２：加圧室 １３：ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 9/14 H01J 35/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステン材料を用いて円環状のター
   ゲット部材を形成するターゲット部材形成工程と、 熱伝導の良好な金属材料を用いて、前記ターゲット部材
   を外嵌する円筒状の周壁を有する基台を形成する基台形
   成工程と、前記基台と同一の 金属材料を用いて、前記ターゲット部
   材の周囲を被覆する円筒状の周壁を有するカバー部材を
   形成するカバー部材形成工程と、 前記ターゲット部材の少なくとも内周面と前記基台との
   間に、該ターゲット部材および基台よりも低い融点をも
   つインサート材を介在させるとともに、真空雰囲気下に
   おいて、前記ターゲット部材を前記基台に外嵌し、かつ
   前記ターゲット部材の周囲に前記カバー部材を装着し
   て、これら基台とカバー部材とにより前記ターゲット部
   材を密封して、前記基台、ターゲット部材、インサート
   材およびカバー部材を組み合わせたターゲット製作ユニ
   ットを形成するユニット形成工程と、 前記ターゲット製作ユニットを、周囲から均等に加圧し
   ながら所定温度に加熱し、前記インサート材を溶融させ
   る加熱工程と、 前記ターゲット製作ユニットを周囲から均等に加圧しな
   がら、前記インサート材を等温凝固させる等温凝固工程
   と、 前記等温凝固工程の後、さらに前記ターゲット製作ユニ
   ットを周囲から均等に加圧しながら熱処理して、前記基
   台、ターゲット部材、およびインサート材を相互に拡散
   させる拡散熱処理工程とを含むことを特徴とするＸ線管
   ターゲットの製造方法。
2. 【請求項２】 前記ターゲット部材形成工程において、 タングステン材料を加熱しながら絞り加工することによ
   り、継目のない円環状のターゲット部材を形成すること
   を特徴とする請求項１記載のＸ線管ターゲットの製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記基台およびカバー部材の各周壁をほ
   ぼ同一厚さの円筒形状に形成することを特徴とする請求
   項１または２記載のＸ線管ターゲットの製造方法。
4. 【請求項４】 前記ユニット形成工程において、 前記基台とカバー部材との間を電子ビーム溶接すること
   により、前記ターゲット部材を密封することを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管ターゲ
   ットの製造方法。
5. 【請求項５】 熱伝導の良好な金属材料を用いて形成し
   た、円筒形状の周壁を有する基台と、 タングステン材料を用いて円環状に形成し、前記基台の
   周壁に外嵌したターゲット部材と、 熱伝導良好な金属材料を用いて形成し、前記ターゲット
   部材の周囲を被覆する円筒形状の周壁を有するカバー部
   材とを含み、 前記ターゲット部材の少なくとも内周面と前記基台との
   間に、該ターゲット部材および基台よりも低い融点をも
   つインサート材を介在させるとともに、 前記ターゲット部材を、前記基台およびカバー部材によ
   り密封して形成したことを特徴とするターゲット製作ユ
   ニット。
6. 【請求項６】 前記ターゲット部材は、厚さ０．０５ｍ
   ｍ〜１．０ｍｍに形成したことを特徴とする請求項５記
   載のターゲット制作ユニット。