JP4204986B2 - Ｘ線発生方法及び回転対陰極ｘ線発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、超高輝度を実現できるＸ線発生方法及び回転対陰極Ｘ線発生装置に関する。

X線回折測定等においては、可能なかぎり強い強度のX線を試料に照射して測定を行う必要のある場合がある。この様な場合に用いられるX線発生装置として従来から回転対陰極X線発生装置が知られている。

この回転対陰極X線発生装置は、内部に冷却媒体を流通させた円柱状の対陰極（ターゲット）を高速で回転させながら、その外周表面に電子線を照射してX線を発生させるものである。この回転対陰極X発生装置は、ターゲットを固定した固定ターゲットのタイプに比較してターゲット上の電子線の照射位置が時々刻々と変化するので冷却効率が極めて高く、したがって、対陰極に大電流の電子線を照射することができ、強力な（高輝度の）X線を発生させることができる。

ところで、一般的にX線の出力は陰極と対陰極との間に印加する電力（電流×電圧）に対応するので、X線の出力強度をこの電力で表示すると、上記従来の回転対陰極X線発生装置では、ターゲット上に０．１×１ｍｍの電子ビームを照射する汎用のX線発生装置の場合は、最大１．２ｋＷ程度、超高輝度といわれるものでも最大３．５ｋＷ程度の出力を得るのが限界であった。

本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、従来の回転対陰極X線発生装置の出力限界を越えた出力を得ることが可能な、Ｘ線発生方法及び回転対陰極X線発生装置を提供することを目的とするものである。

上述の課題を解決するための手段として、第１の発明は、
回転対陰極の表面に電子線を照射し、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を前記回転対陰極の融点近傍又は融点以上にまで加熱して、少なくとも部分的に溶解させた状態で前記回転対陰極よりＸ線を発生させる工程と、
前記回転対陰極の、前記電子線が照射された前記部分に対して、その表面から内部に向かうように遠心力を作用させ、前記部分を前記回転対陰極の内方に設けられた所定の構造物で支持する工程とを具え、
前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成することを特徴とする、Ｘ線発生方法であり、
回転対陰極に陰極から放出される電子線を照射してＸ線を発生させる回転対陰極Ｘ線発生装置であって、
回転対陰極の表面に電子線を照射し、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を前記回転対陰極の融点近傍又は融点以上にまで加熱して、少なくとも部分的に溶解させた状態で前記回転対陰極より前記Ｘ線を発生させるとともに、前記回転対陰極の、前記電子線が照射された前記部分に対して、その表面から内部に向かうように遠心力を作用させ、前記部分を前記回転対陰極の内方に設けられた所定の構造物で支持するように構成し、前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成した、回転対陰極Ｘ線発生装置である。

第２の発明は、前記第１の発明において、前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線は前記筒状部分の内壁表面に照射するようにしたＸ線発生方法及び回転対陰極Ｘ線発生装置である。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記電子線は前記回転対陰極に対向するようにして設けられた陰極から放出され、前記回転対陰極を収納する対陰極室と、前記陰極を収納する陰極室とを隣接させて気密部材で構成し、前記対陰極室及び前記陰極室を仕切る隔壁に前記陰極から射出される前記電子線を通過させる小さな貫通孔を設けるとともに、前記対陰極室及び前記陰極室それぞれに真空排気装置を接続して、真空排気するようにしたＸ線発生方法及び回転対陰極Ｘ線発生装置である。

上述の発明によれば、対陰極の表面であって回転による遠心力が前記対陰極の表面から内部に向かって作用する部位に電子線を照射するように構成したことによって、前記電子線の照射によって前記対陰極の表面が溶解に近い状態になった場合でもその電子線照射部分が対陰極内部の構造物に支えられて変形もしくは破損するおそれを効果的に阻止とすることが可能になる。そのため、対陰極表面を構成する物質が融点に近い温度になるまで照射電子線の電流を増やすことが可能になる。また、電子線照射部の部分の断面をＶ字溝状又はＵ字構状に形成にしているので、電子照射部の一部が溶解してもそれが回転対陰極の外部に飛び散るおそれをより効果的に防止できる。

これに対して、従来の回転対陰極X線発生装置では、回転による遠心力が電子線照射部である表面から外方に向かって作用するので、この遠心力に抗して表面の形状を維持するために融点より大巾に低い温度（１／２以下程度）に対陰極表面を維持しなければならなかった。また、それゆえ、対陰極表面の温度がその範囲を越えないように、照射する電子線による電流が制限されていたものである。

これに対して本発明では、遠心力の作用による変形を著しく軽減できるので、前記対陰極の前記表面の温度を融点の近傍もしくは融点以上（従来の２．５倍以上）に設定可能であることから、本発明では、従来の超高輝度の回転対陰極X線発生装置の最大許容負荷電力の少なくとも２．５倍以上の許容負荷電力を有するものとすることが可能であることが判明している。

また、第３の発明のように、対陰極を収納する部屋である対陰極室と陰極を収納する部屋である陰極室とを仕切って各々独立に排気するようにすれば、対陰極の電子線照射部の近傍の真空度の変化が陰極の近傍の真空度に影響を及ばすのを軽減できるので、イレギュラー放電のおそれを防止することができる。

以上詳述したように、本発明は、回転対陰極の表面であって回転による遠心力が前記対陰極の表面から内部に向かって作用する部位に電子線を照射するように構成したことによって、前記対陰極表面が溶解に近い状態になるまで照射電子線の電流を増大することを可能にし、これによって従来の回転対陰極X線発生装置の出力限界を越えた極めて大出力のＸ線発生方法及び回転対陰極X線発生装置を提供しているものである。

図１は本発明の一実施の形態に係るX線発生装置の構成を示す断面図であり、図２は図１の一部拡大図である。以下、これらの図を参照にしながら一実施の形態を説明する。

図において、回転対陰極１が収納される対陰極室２と、陰極３が収納される陰極室４と、回転対陰極１を回転駆動する駆動モータ５が設けられた回転駆動部６とが、隣接して気密構造部材２ａ、４ａ及び６ａによってそれぞれ形成されている。また、対陰極室２と陰極室４とを仕切る隔壁部２ｂには、陰極３から射出される電子線３０を通過させる小さな貫通孔２ｃが設けられている。さらに、対陰極室２及び陰極室４の各々には図示しない真空排気装置が接続される真空排気□２ｄ及び４ｄが設けられている。

回転対陰極１は、Ｃｕ（銅）等からなる筒状部１１と、この筒状部１１の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部１２と、筒状部１１及び円板状部１２の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部１３とが連続して一体に形成され、かつ内部は空洞に形成されたもので、筒状部１１の筒の内壁表面１ａを電子線照射部とするものである。

回転対陰極１の回転軸部１３は、回転騒動部６内に設けられた１対の軸受け部材１３ａ、１３ｂによって回転自在に支持されている。また、回転軸部１３の外周部には上記駆動モータ５の回転子５ｂが取付けられ、この回転子５ｂを回転駆動する固定子５ｂが上記回転駆動部６内において気密構造部材６ａに取付けられている。

回転軸部１３の円板状部１２寄りの根元部には、回転軸部１３と気密構造部材６ａとの間を気密に保持して上記体対陰極室２の真空を維持する回転軸シール部材１３ｃが設けられている。

さらに、回転対陰極１の内部には、電子線照射部１ａの内壁面に冷却水を流通させるための固定隔壁部材１４が挿入設定されている。この固定隔壁部材１４は、回転軸部１３の内部においては筒状をなしており、円板状部１２に至ってその筒の端部を円板状に拡げ、筒状部１１の内部の右端部内壁の手前で延長されている。

すなわち、この固定隔壁１４は、回転対陰極１の内部の空洞部分をいわば二重管構造に仕切っている。この二重管の外側管部１４ａは冷却水の導入口１５に連通されている。なお、回転軸部１３の左端部の外周には軸シール部材１５が設けられており、冷却水の導入口１６から導入された冷却水が軸受け部材１３ｂや駆動モータ５が設けられた収納スペース内に洩れ出ないようにしつつ二重管の外側管部１４ａ内に導入されるようになっている。

したがって、冷却水導入口１６から導入された冷却水は、二重管の外側管部１４ａを進行、上記筒状部１１の内部の右端部内壁で折り返して二重管の内側管部１４ｂに進行して電子線照射部１ａの内壁面を冷却した後、内側管部１４ｂ内をさらに進行して冷却水の排出□１７を通じて外部に排出される。

回転対陰極１の電子線照射部１ａの近傍の気密構造部材２ａには、電子線照射部１ａに電子線３０が照射されたときに発生するX線２０を外部に取り出すためのX線窓２１が形成されている。このX線窓２１にはべリリウム膜やニッケル膜等のX線透過性の材料からなるX線透過膜２２が形成されており、対陰極室２の真空の維持しながらX線を取り出せるようになっている。

陰極３は、絶縁構造部３２、フィラメント３３及びウエーネルト３４等とから構成されており高圧導入部３１から導入された数十ＫＶの高圧電力及びフィラメント電力を供給することによって、対陰極１に電子線３０を照射する。

上述の構成において、冷却水導入口１６から冷却水を導入し、騒動モータ５によって回転対陰極１を高速回転させ、陰極３から対陰極１の電子線照射部１ａに電子線３０を照射するとX線２０を発生させることができる。

上述の捕成によれば、遠心力の作用による変形を著しく軽減できるので、対陰極表面の温度を融点の近傍もしくは融点以上（従来の２．５倍以上）に設定可能であることから、本発明では、従来の超高輝度の回転対陰極X線発生装置の最大許容負荷電力の少なくとも２．５倍以上の許容負荷電力を有するものとすることが可能である。

なお、上述の実施例では、回転対陰極１の筒状部１１の筒の内壁面形状に対して特に変形加工を加えることなく、すなわち、筒状部１１の側壁が回転軸線（中心軸）に平行になる状態のままで、前記内壁面を電子線照射部１ａとしたが、これは例えば、電子線照射部１ａの表面をその断面の表面輪郭線が回転軸線に対して数度ないし十数度いずれかに傾くように形成してもよい。この場合、電子線照射部１ａの一部が溶解してもそれが回転対陰極外部に飛び散るおそれを防止できる。また、傾きを逆にした場合には、X線の取り出しが容易になる。

さらに、電子線照射部１ａの部分を断面がＶ字溝状又はＵ字構状に形成すれば、電子照射部１ａの一部が溶解してもそれが回転対陰極１の外部に飛び散るおそれをより効果的に防止できる。この場合には、Ｖ宇状又はＵ字状の溝巾やその傾斜角度もしくは溝深さ等は、X線取り出しが可能な寸法にすることは勿論である。さらには、上記溝形状を、前記表面部分が溶解して液状になった場合に遠心力の作用によって形成される液状部の表面形状と同一の表面形状に予め形成しておけば、表面が溶解状態に近い状態になった場合においても表面の変形のおそれを軽減することが可能になる。

また、電子線照射部１ａの部分だけを、発生させるX線の種類で決まるターゲット物質で構成し、その周囲をより高融点の物質及び／又は熱伝導度のより高い物質で構成すれば、ターゲット物質の冷却効率の向上、あるいは、変形防止が図られて、より高出力化することが可能になる。

さらに、本発明においては、電子線照射部１ａの温度を融点近傍もしくはそれ以上に設定する場合がある。この場合には対陰極室２内において、電子線照射部１ａを構成する金属の蒸気圧が上昇し、X線透過膜２２が汚染される場合がある。これを防止するために、対陰極室２内のX線透過膜１ａの前面に交換可能なX線透過性の保護膜を設けることが望ましい。この保護膜としては、例えば、反跳電子に耐えられるＮｉ膜等の長尺状の保護膜をロールに巻いた供給ロールと、この供給ロールの保護膜を巻き取る巻取ロールとをX線窓２１の内側に設け、供給ロールと巻取ロールとの間に張られた保護膜がX線透過膜１ａの前面に配置されるようにすれはよい。

本発明の一実施形態に係るX線発生装置の構成を示す断面図である。 図１の一部拡大図である。

符号の説明

１ 回転対陰極
１ａ 電子線照射部、
２ 対陰極室
３ 陰極
４ 陰極室、
５ 駆動モータ
６ 回転駆動部
１１ 筒状部
２０ X線
３０ 電子線

Claims (18)

1. 回転対陰極の表面に電子線を照射し、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を前記回転対陰極の融点近傍又は融点以上にまで加熱して、少なくとも部分的に溶解させた状態で前記回転対陰極よりＸ線を発生させる工程と、
   前記回転対陰極の、前記電子線が照射された前記部分に対して、その表面から内部に向かうように遠心力を作用させ、前記部分を前記回転対陰極の内方に設けられた所定の構造物で支持する工程とを具え、
   前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成することを特徴とする、Ｘ線発生方法。
2. 前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記Ｖ字溝状又は前記Ｕ字溝状に形成された前記部分は、前記電子線照射による溶解後の、前記遠心力が作用した場合の形状と略同形状に形成することを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生方法。
3. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線は前記筒状部分の内壁表面に照射することを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線発生方法。
4. 前記電子線は前記回転対陰極に対向するようにして設けられた陰極から放出され、前記回転対陰極を収納する対陰極室と、前記陰極を収納する陰極室とを隣接させて気密部材で構成し、前記対陰極室及び前記陰極室を仕切る隔壁に前記陰極から射出される前記電子線を通過させる小さな貫通孔を設けるとともに、前記対陰極室及び前記陰極室それぞれに真空排気装置を接続して、真空排気することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
5. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸側へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極の、前記電子線を照射した前記部分の、溶解に伴う飛散を抑制することを特徴とする、請求項３又は４に記載のＸ線発生方法。
6. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極から発生した前記Ｘ線の取り出しを容易にすることを特徴とする、請求項３又は４に記載のＸ線発生方法。
7. 前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分の周囲を、前記回転対陰極の、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料よりも高融点及び／又は高熱伝導度の物質で構成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
8. 前記Ｘ線は、前記気密部材に設けられた所定のＸ線透過膜を介して外部に取り出すことを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
9. 前記Ｘ線透過膜の前方に、前記回転対陰極の、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料の蒸発に伴う前記Ｘ線透過膜の汚染を防止するための、保護膜を設けることを特徴とする、請求項８に記載のＸ線発生方法。
10. 回転対陰極に陰極から放出される電子線を照射してＸ線を発生させる回転対陰極Ｘ線発生装置であって、
    回転対陰極の表面に電子線を照射し、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を前記回転対陰極の融点近傍又は融点以上にまで加熱して、少なくとも部分的に溶解させた状態で前記回転対陰極より前記Ｘ線を発生させるとともに、前記回転対陰極の、前記電子線が照射された前記部分に対して、その表面から内部に向かうように遠心力を作用させ、前記部分を前記回転対陰極の内方に設けられた所定の構造物で支持するように構成し、前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分をＶ字溝状又はＵ字溝状に形成した、回転対陰極Ｘ線発生装置。
11. 前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記Ｖ字溝状又は前記Ｕ字溝状に形成された前記部分は、前記電子線照射による溶解後の、前記遠心力が作用した場合の形状と略同形状に形成したことを特徴とする、請求項１０に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
12. 前記回転対陰極は、前記回転対陰極の回転中心を中心軸とする筒状部分を有し、前記電子線は前記筒状部分の内壁表面に照射するように構成したことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
13. 前記回転対陰極を収納する対陰極室と、前記陰極を収納する陰極室とを隣接させて気密部材で構成し、前記対陰極室及び前記陰極室を仕切る隔壁に前記陰極から射出される前記電子線を通過させる小さな貫通孔を設けるとともに、前記対陰極室及び前記陰極室それぞれに真空排気装置を接続して、真空排気するように構成したことを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
14. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸側へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極の、前記電子線を照射した前記部分の、溶解に伴う飛散を抑制したことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
15. 前記筒状部材の側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させ、前記回転対陰極から発生した前記Ｘ線の取り出しを容易にしたことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
16. 前記回転対陰極の、前記電子線が照射される前記部分の周囲を、前記回転対陰極の、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料よりも高融点及び／又は高熱伝導度の物質で構成したことを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
17. 前記気密部材に所定のＸ線透過膜を設け、前記Ｘ線は前記Ｘ線透過膜を介して外部に取り出すようにしたことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
18. 前記Ｘ線透過膜の前方に、前記回転対陰極の、前記Ｘ線発生に寄与するターゲット材料の蒸発に伴う前記Ｘ線透過膜の汚染を防止するための、保護膜を設けたことを特徴とする、請求項１７に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。

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