JP3824765B2

JP3824765B2 - 分析用ｘ線管

Info

Publication number: JP3824765B2
Application number: JP02459398A
Authority: JP
Inventors: 晋斎藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: JPH11224626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高出力あるいは高純度のＸ線を発生する分析用Ｘ線管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分析用Ｘ線管について、例えば、蛍光Ｘ線分析に使用される分析用Ｘ線管を例にとり、図４および図５を参照して説明する。
【０００３】
図４は全体の構造を一部を切り欠いて示し、符号４１は、分析用Ｘ線管を構成する真空外囲器である。真空外囲器４１は、ほとんどの部分が断面が円形の円筒状部分４１ａで構成され、先端部は、径が徐々に小さくなる傾斜部分４１ｂになっている。真空外囲器４１の後端部には、水などの冷却用媒体を供給し排出するための入出口４２が設けられている。真空外囲器４１の前面には出力窓５１が設けられ、真空外囲器４１の内部には、陽極ターゲット５２や陽極ターゲット５２を支持する支持体５３、収束電極５４、陰極フィラメント５５などが配置されている。
【０００４】
次に、分析用Ｘ線管の先端部分を横方向から見た構造について、図５（ａ）の断面図で説明する。真空外囲器４１の前面にＸ線の出力窓５１が設けられている。真空外囲器４１の内部には、出力窓５１に対向して陽極ターゲット５２が配置されている。陽極ターゲット５２は円筒状の支持体５３で支持され、支持体５３の内部空間５３ａは、陽極部分を冷却するための冷却水などが通る冷却路になっている。また、陽極ターゲット５２を囲んで収束電極５４が配置され、収束電極５４の外側には陰極フィラメント５５が環状に張られている。
【０００５】
なお、分析用Ｘ線管が動作状態に入ると、陰極フィラメント５５からの輻射熱や伝導熱によって真空外囲器４１の温度が上昇する。このため、真空外囲器４１の一部に冷却路５６を設け、真空外囲器４１を冷却する水などの冷却媒体を送り込んでいる。
【０００６】
次に、分析用Ｘ線管を出力窓５１方向から見た構造について、図５（ｂ）で説明する。中心部分に陽極ターゲット５２が位置し、その一部に円形の焦点５２ａが形成される。陽極ターゲット５２よりも広めに出力窓５１が設けられ、出力窓５１の外側には収束電極５４が位置している。また、収束電極５４の外側に陰極フィラメント５５が位置している。
【０００７】
ここで、上記した分析用Ｘ線管を用いて分析を行う方法について図６で説明する。分析用Ｘ線管６０の出力窓５１部分の下方に測定試料６１が所定の間隔で配置され、測定試料６１の斜め上方に検出器６２が配置される。
【０００８】
上記した配置において、分析用Ｘ線管６０が動作し、陰極フィラメント５５から電子Ｅが発生する。電子Ｅは陰極と陽極間の電圧で加速される。また、分析用Ｘ線管６０を構成する真空外囲器４１と収束電極５４によって収束され、陽極ターゲット５２に衝突する。衝突面には円形の焦点５２ａ（図５（ｂ））が形成され、衝突面からＸ線６３が励起される。Ｘ線６３は出力窓５１を通して測定試料６１に照射される。そして、測定試料６１から励起された蛍光Ｘ線６４は、スリットや分光結晶などの機構（図示せず）を通して検出器６２に入力し、測定試料６１を構成する物質が分析される。
【０００９】
ところで、蛍光分析用Ｘ線管から放射されるＸ線の波長は、陽極ターゲットの材質や陽極に印加される電圧で決まる。また、蛍光分析にあたっては、高出力で高純度のＸ線が必要とされている。
【００１０】
高出力のＸ線を得るためには、所定の印加電圧および高入力の電流が必要となる。その他、Ｘ線を外部に取り出す出力窓におけるＸ線の吸収が少ないこと、あるいは、陽極ターゲット表面から測定試料までの距離を短くしてＸ線の減衰を少なくすることなどが必要となる。
【００１１】
出力窓のＸ線吸収を少なくするために、出力窓の材料としてＸ線吸収率の低いＢｅが使用され、板厚は数１０〜数１００μｍに形成される。
【００１２】
また、陽極タ一ゲットから測定試料までの距離を短くするためには、管球内部では、陽極ターゲットと出力窓間の距離を短くし、また、管球外部では、真空外囲器の管球先端と測定試料間の距離を短くすることが必要となる。しかし、陽極ターゲットと出力窓間の距離は、陽極に印加される電圧や、電子を陽極ターゲットに収束するための位置関係で決まり、短くすることには限界がある。また、真空外囲器と測定試料間の距離も、測定試料の大きさ、あるいは、Ｘ線管の先端部分の形状の影響を受ける測定試料から検出器側に取り出される蛍光Ｘ線の角度や方向で制約され、距離の短縮には限界がある。
【００１３】
また、高純度のＸ線を出力させるためには、陽極ターゲットで発生されるＸ線の純度を上げること、および、陽極ターゲット以外の材料から発生するＸ線を少なくすることが必要となる。そのため、従来、陽極ターゲットの材料として高純度の単物質が使用されている。例えば、純度９９．９％のＲｈ材を使用し、陽極ターゲットの材質内に含まれる他物質によるＸ線の発生を少なくしている。しかし、Ｘ線管が動作すると、陽極ターゲットの焦点面からＸ線と同時に２次電子が発生する。２次電子の軌道は、印加電圧や電極構造によって相違し、到達する先には広がりがある。しかし、その多くは、陽極ターゲットと陽極ターゲットを支持する支持体との接合部近傍となっている。この場合、支持体として、陽極ターゲットの熱を逃がすために熱伝導のよいＣｕが使用されるため、ＣｕによるＸ線が発生する。Ｃｕが発生するＸ線は、Ｘ線管が発生するＸ線の純度を低下させ、また、分析精度を低下させる原因になる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
分析用Ｘ線管に対して分析精度の向上が要求され、より高出力で、より高純度のＸ線源が必要になっている。このため、従来、Ｘ線の出力窓を薄くし、あるいは陽極ターゲットと出力窓間の距離を短くし、あるいは管球自体を測定試料に近づける方法が検討されている。しかし、管球自体を測定試料に近づける方法は、Ｘ線管を構成する真空外囲器の構造による制約がある。
【００１５】
ここで、Ｘ線管の真空外囲器の構造が、管球と測定試料間の距離の短縮化を制約する理由について図７で説明する。
【００１６】
符号６０がＸ線管、符号６１が測定試料、符号６２が検出器である。この配置において、Ｘ線管６０を測定試料６１に近づければ、測定試料６１に照射されるＸ線６３、そして、測定試料６１から得られる蛍光Ｘ線６４は強くなる。しかし、Ｘ線管６０と測定試料６１との距離Ｌが小さくなると、測定試料６１から得られる蛍光Ｘ線６４がＸ線管６０の一部６０ａ（丸印）で遮られ、検出器６２に入力する蛍光Ｘ線６４が減衰する。
【００１７】
このため、Ｘ線管６０と測定試料６１間の距離や、蛍光Ｘ線６４を測定試料６１から検出器６２側に取り出す角度は、分析用途などによって適性な値が決められている。蛍光Ｘ線６４を取り出す角度（θ）は、測定試料にもよるが、Ｘ線管６０から測定試料６１にＸ線６３が照射される方向に対し、６０度前後に固定されているものが多い。
【００１８】
測定試料から取り出される蛍光Ｘ線を真空外囲器が遮らないようにするために、真空外囲器の出力窓側の先端部を細くする方法が考えられる。しかし、真空外囲器の出力窓側の部分は電子を収束させるための電極にもなっている。このため、出力窓側の先端部を単純に細くすると、管球内の耐電圧が維持されず、管球の性能が低下する。また出力窓側の部分を細くした場合、陽極ターゲットのまわりに張設される陰極フィラメントに対し、陽極ターゲットに適性な焦点形状を形成するための寸法決定が困難になる。また、細くなった出力窓側の部分が高温化するという問題もある。また先細化した場合、スペースに余裕がないため、陰極の影響を受けて高温になる真空外囲器部分を冷却するための冷却機構を、陰極や出力窓部分などから離れた位置に設けなければならず、冷却効率が悪くなる。
【００１９】
上記した理由から、真空外囲器の出力窓側を細くするができず、管球自体を測定試料に近づける距離が制約されている。
【００２０】
また、Ｘ線管を高出力化した場合、印加電圧や電流が高入力化し陽極ターゲットの温度が上昇する。そのため、陽極ターゲット材を薄くし、あるいは、陽極ターゲットの熱を効率よく支持体に逃がす構造が必要となっている。しかし、従来のＸ線管の場合、陽極ターゲットを薄くすると、陽極ターゲットに電子が衝突する面と支持体との距離が短くなる。これによって、多くの２次電子が支持体に衝突し、支持体からのＸ線が増え、Ｘ線の純度が低下する。
【００２１】
この発明は、上記した欠点を解決し、高出力あるいは高純度のＸ線を発生する分析用Ｘ線管を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明の分析用Ｘ線管は、Ｘ線の出力窓が一部に設けられ、少なくとも前記出力窓側の端部が、前記出力窓に平行な平面上で直交する２つの軸の第１軸方向で長く、第２軸方向で短く形成された真空外囲器と、この真空外囲器内部の前記出力窓に対向する位置に配置されたＸ線発生用の陽極ターゲットと、この陽極ターゲットから前記第１軸方向に離れて設けられた収束電極と、前記第１軸方向で前記収束電極よりも外側に設けられた陰極フィラメントとを具備している。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態について図１を参照して説明する。図１は、分析用Ｘ線管をＸ線の出力窓側から見た図で、符号１１は、分析用Ｘ線管を構成する真空外囲器である。真空外囲器１１は、円筒状部分１１ａと、この円筒状部分１１ａを断面した場合にその断面の広がりの範囲内に入る大きさで、外形がほぼ矩形をした矩形状部分１１ｂとから構成されている。なお、円筒状部分１１ａを断面にした場合のその中心と矩形状部分１１ｂの中心は一致している。また、矩形状部分１１ｂの長辺側の先端部分は、幅が狭くなる傾斜部分１１ｃになっている。また矩形状部分１１ｂの先端部にはＸ線の出力窓１２が設けられている。
【００２４】
なお、図１には、矩形状部分１１ｂの中心で直交し、かつ、矩形状部分１１ｂの短辺および長辺にそれぞれ平行な２つの軸Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂが付されている。
【００２５】
真空外囲器１１の中央には、円筒状部分１１ａから矩形状部分１１ｂにわたって円筒状の支持体（図示せず）が配置され、矩形状部分１１ｂに位置する支持体の端面に陽極ターゲット１３が設けられている。陽極ターゲット１３の一部は焦点部１４を形成している。なお、出力窓１２は、陽極ターゲット１３よりも外側に広がる大きさで、陽極ターゲット１３に対向している。
【００２６】
陽極ターゲット１３から矩形状部分１１ｂの長手方向、すなわち軸Ｂ−Ｂ方向に離れた位置に収束電極１５が軸Ｂ−Ｂに直交して配置されている。また、軸Ｂ−Ｂ方向で収束電極１５の外側には陰極フィラメント１６が配置されている。陰極フィラメント１６はらせん状に細く巻かれ、例えば、軸Ｂ−Ｂに直交して直線状に配置されている。また、陰極フィラメント１６の近くに、陰極フィラメント１６と平行に水などの冷却媒体を通すための冷却パイプ１７が設けられている。冷却パイプ１７は矩形状部分１１ｂを貫通し、その両端は矩形状部分１１ｂの外側まで延びている。
【００２７】
次に、上記した分析用Ｘ線管を図１の軸Ａ−Ａで断面にした構造について図２（ａ）で説明する。図２（ａ）では、陽極ターゲット１３を支持する支持体２１が示されている。そして、陽極ターゲット１３と支持体２１の境界部分にＲｈのコーティング２２が施されている。支持体２２の内部空間２２ａは、陽極を冷却するための水など冷却媒体を通す冷却路になっている。
【００２８】
次に、分析用Ｘ線管を図１の軸Ｂ−Ｂで断面にした構造について図２（ｂ）で説明する。矩形状部分１１ｂ内部の空間端部に陰極フィラメント１６が配置され、陰極フィラメント１６と陽極ターゲット１３間に収束電極１５が設けられている。陰極フィラメント１６は矩形状部分１１ｂの壁部分１１ｄで支持され、陰極フィラメント１６から放出された電子Ｅは、収束電極１５と矩形状部分１１ｂの前面部との間を通るようになっている。また、冷却パイプ１７は、陰極フィラメント１６を支持する壁部分１１ｄを貫通して設けられている。
【００２９】
上記したように、真空外囲器１１は出力窓１２側が矩形状部分１１ｂに構成され、軸Ａ−Ａ方向で幅が狭くなっている。そして、真空外囲器１１の中心軸部分に陽極ターゲット１３や出力窓１２が位置している。軸Ａ−Ａ方向の矩形状部分１１ｂ内部には、図２（ａ）に示すように、支持体２１と支持体２１に固着された陽極ターゲット１３のみが配置されている。また、軸Ｂ−Ｂ方向の真空外囲器１１の内部空間は、図２（ｂ）に示されるように幅が広く構成されており、この方向に、陽極ターゲット１３および収束電極１５、陰極フィラメント１６などが配置されている。なお、陽極ターゲット１３にはＲｈ材が使用され、また、陽極ターゲット１３周辺の支持体２１との接合部近傍に厚さ５μｍのＲｈ被膜２２が形成されている。
【００３０】
ここで、上記した構成の分析用Ｘ線管を用いて、測定試料を分析する方法について図３を参照して説明する。なお、図３では、図１および図に対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は一部省略する。
【００３１】
分析用Ｘ線管３０の下方に所定間隔で測定試料３１が配置されている。また、分析用Ｘ線管３０の矩形状部分１１ｂの長辺側の前方、すなわち図の右方向に検出器３２が配置されている。
【００３２】
このような配置で、分析用Ｘ線管が動作状態に入ると、陰極フィラメントから電子が放出され、真空外囲器１１や収束電極の作用で陽極ターゲット１３に衝突し、陽極ターゲット１３からＸ線３３が発生する。Ｘ線３３は出力窓１２を通しで管外に出力され、測定試料３１に照射される。また、測定試料３１から励起された蛍光Ｘ線３４は、スリットや分光結晶などの機構（図示せず）を通して検出器３２に入力し、測定試料３１を構成する物質が分析される。
【００３３】
上記したように、測定試料３１の分析を行う場合、検出器３２を矩形状部分１１ｂの長辺側に配置し、測定試料３１からの蛍光Ｘ線３４を矩形状部分１１ｂの長辺側に取り出している。蛍光Ｘ線３４を取り出す側では、幅が狭い方の矩形状部分１１ｂとなっている。このため、真空外囲器１１によって蛍光Ｘ線３４が遮られる領域が狭くなり、分析用Ｘ線管３０と測定試料３１との距離Ｌを近づけることができる。この結果、Ｘ線強度を向上できる。なお、矩形状部分１１ｂの短辺側の寸法は、陽極と真空外囲器間の耐電圧などを考慮して決定される。
【００３４】
また、上記した構成によれば、陰極フィラメント１６および収束電極１５は長い方の軸Ｂ−Ｂに沿って配置している。この場合、軸Ｂ−Ｂ方向は管内のスペースに余裕があるため、これらの電極を容易に配置できる。
【００３５】
また、陽極ターゲットと支持体の接合部近傍に、陽極ターゲットと同じ材質の被膜をコーティングしている。このため、陽極ターゲットの２次電子による支持体からのＸ線の発生が少なくなり、Ｘ線の純度が向上する。なお、コーティングの厚みは、管球の使用電圧や陽極ターゲットの材質により異なってくる。しかし、分析用Ｘ線管は、通常、使用電圧が５０〜７５ｋＶ程度であること、また、陽極ターゲット材がＲｈ、Ｗ、Ｃｒなどであることを考慮すれば、コーティングの厚さは５μｍ以上あれば、十分な効果が得られる。
【００３６】
この発明の構造によれば、管球と測定試料との距離を短くでき、従来の構造に比較し、例えばＸ線強度は約３０％向上している。また、支持体から発生するＸ線も、従来構造に比較して２０％以下となり、Ｘ線の純度が向上する。
【００３７】
なお、上記した実施形態では、一方の軸方向で長く、他方の軸方向で短い構造を矩形で構成している。しかし、このような構造は楕円形で形成することができ、この場合も同様の効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれは、高出力あるいは高純度のＸ線を発生する分析用Ｘ線管を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための平面図である。
【図２】本発明の実施形態を説明するための側面図である。
【図３】本発明の分析用Ｘ線管を用いた分析方法を説明するための概略の構造図である。
【図４】従来例を説明するための概略の構造図である。
【図５】従来例を説明するための概略の構造図である。
【図６】従来例による分析方法を説明するための概略の構造図である。
【図７】従来例の問題点を説明するための概略の構造図である。
【符号の説明】
１１…真空外囲器
１１ａ…真空外囲器の円筒状部分
１１ｂ…真空外囲器の矩形状部分
１１ｃ…真空外囲器の傾斜部分
１２…出力窓
１３…陽極ターゲット
１４…陽極ターゲットの焦点部
１５…収束電極
１６…陰極フィラメント
１７…冷却パイプ
Ａ−Ａ…第１軸
Ｂ−Ｂ…第２軸

Claims

Ｘ線の出力窓が一部に設けられ、少なくとも前記出力窓側の端部が、前記出力窓に平行な平面上で直交する２つの軸の第１軸方向で長く、第２軸方向で短く形成された真空外囲器と、この真空外囲器内部の前記出力窓に対向する位置に配置されたＸ線発生用の陽極ターゲットと、この陽極ターゲットから前記第１軸方向に離れて設けられた収束電極と、前記第１軸方向で前記収束電極よりも外側に設けられた陰極フィラメントとを具備した分析用Ｘ線管。
第１軸方向で長く、第２軸方向で短い部分の真空外囲器の断面形状は多角形または楕円形である請求項１記載の分析用Ｘ線管。
陰極フィラメントは、らせん状に巻かれて形成され、第１軸に直交して直線状に配置された請求項１記載の分析用Ｘ線管。
陰極を冷却するための冷却媒体を通す冷却路が陰極フィラメントの延長方向に設けられた請求項３記載の分析用Ｘ線管。
陽極ターゲットが支持体上に設けられ、前記陽極ターゲット周辺の前記支持体に、前記陽極ターゲットと同じ材料の被膜を厚さ５μｍ以上に形成した請求項１記載の分析用Ｘ線管。