JP4374727B2

JP4374727B2 - Ｘ線管及びｘ線発生装置

Info

Publication number: JP4374727B2
Application number: JP2000139878A
Authority: JP
Inventors: 昌昭浮田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP2001319605A; US20030185344A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｘ線非破壊検査装置やＸ線分析装置などのＸ線源として用いられる透過型マイクロフォーカスＸ線管、軟Ｘ線画像検査用Ｘ線管などや、それらを含むＸ線発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線非破壊検査装置やＸ線分析装置などのＸ線源として用いられる透過型のＸ線管は、微小な焦点を有し、例えば、ＬＳＩの内部構造を拡大してＸ線写真を撮る工業用Ｘ線装置に用いられる。
【０００３】
従来の透過型のＸ線管は、図９に示されるように、真空に保持された真空容器１０内に電子源１２、電子レンズ１４、金属ターゲット１５などが配設され、電子源１２からグリッド１１によって電子ビーム１３が引き出され、引き出された電子ビーム１３は電子レンズ１４によって絞られた後、金属ターゲット１５に照射される。そして、電子ビーム１３が照射された金属ターゲット１５においてＸ線が発生するが、発生したＸ線のなかで、電子ビーム１３の入射側と反対側からＸ線透過窓１６を透過するＸ線が利用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示した従来構成のＸ線管では、金属ターゲット１５は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（ＭＯ）、銅（Ｃｕ）などの一種類の金属からなる金属層により構成されているため、発生するＸ線もターゲット固有の特性Ｘ線や制動放射Ｘ線のみを含んだものとなる。このため、従来のＸ線管では、検査対象に適した種々の線質のＸ線を発生することが出来ず、検査対象に応じた柔軟な検査を行うことが出来なかった。
【０００５】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために創案されたものであって、検査対象に応じて、Ｘ線の線質を変更でき、検査対象に適したＸ線を発生することが出来るＸ線管及びＸ線発生装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電子源から電子をターゲットに照射し、Ｘ線を発生させるＸ線管において、前記ターゲットを異なる金属よりなる多層膜として形成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項1の発明によれば、ターゲットが異なる金属よりなる多層膜によって形成されているため、それぞれの金属層から異なる線質を有するＸ線が発生する。
【０００８】
請求項２の発明は、前記Ｘ線管において、前記多層膜からなるターゲットを、電子の入射側の金属層の融点が下層の金属層の融点より高くなるよう形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明によれば、ターゲットの電子入射側の層を高融点金属で形成したため、下層の低融点金属が融解し蒸発することを防止でき、ターゲットが長寿命化する。
【００１０】
請求項３の発明は、Ｘ線発生装置において、前記Ｘ線管と、前記ターゲットに応じて前記電子源に異なる高電圧を印加する高電圧制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明によれば、ターゲットに照射される電子のエネルギーを適宜変更することにより、多層膜からなるターゲットへの電子の入射深さが変わる。このため、発生するＸ線の線質を種々変更することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態にかかるＸ線発生装置の要部構成を示す図である。同図において、真空に保持された真空容器１０内に電子源１２、電子レンズ１４、多層膜金属ターゲット５などが配設されＸ線管が構成されており、同Ｘ線管において、電子源１２からグリッド１１によって電子ビーム１３が引き出された後、電子レンズ１４によって点光源を作るために絞られ、異なる金属からなる多層膜金属ターゲット５に照射される。
【００１３】
そして、電子ビーム１３が照射された多層膜金属ターゲット５においてＸ線が発生し、発生したＸ線のなかで、電子ビーム１３の入射側と反対側からＸ線透過窓１６を透過するＸ線が利用される。
【００１４】
高電圧発生装置２０は、電子源１２に対して高電圧を供給し、高電圧発生装置２０が供給する高電圧は制御手段２１によって適宜制御される。
【００１５】
図２は、図１で示したＸ線発生装置においてＸ線管のＸ線発生部を拡大した図であり、本実施形態では、多層膜金属ターゲット５は、それぞれ異なる金属からなる第１金属層５ａ，第２金属層５ｂ，及び第３金属層５ｃから構成される。電子ビーム１３が多層膜金属ターゲット５に入射すると、電子ビーム１３が有するエネルギーに応じて、第１金属層５ａ，第２金属層５ｂ，及び第３金属層５ｃからそれぞれ異なる線質のＸ線Ｘａ，Ｘｂ，及びＸｃが発生する。
【００１６】
次に、多層膜金属ターゲット５に照射すべき電子ビーム１３の加速電圧の選定について簡単のため２層膜からなるターゲットを例にして説明する。図３は、ARCHARDが提案し、KANAYA&OKAYAMAが修正した電子の拡散モデルを説明するための図である。この拡散モデルによると、入射電子は、ある金属試料５０に対して、入射電子深さＲ１まで進み、そこから電子拡散半径Ｒ２である球状に等方散乱を行う。
【００１７】
ここで、入射電子深さＲ１はＸ線発生部の中心位置に相当し、電子拡散半径Ｒ２によってその発生領域が規定されることになる。そして、入射電子深さＲ１、電子拡散半径Ｒ２は、最大深さＲに比例し、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２の関係は以下式１〜式３で示される。
【式１】

【式２】

【式３】

式１で表されるRは、ターゲット物性によって決まる項と、電子ビーム１３の加速電圧V[Volt]によって決まる項Rv(V)の積で表せ、Rv(V)は以下のようになる。
【式４】

図４は、横軸を加速電圧V、縦軸をRv(V)とした加速電圧とRvとの関係を、４式に基づいて求めたものである。同図より、加速電圧Vにほぼ比例してRv(V)が大きくなること、すなわち、最大深さRは、加速電圧Vにほぼ比例して大きくなることがわかり、同様にＲ１,Ｒ２は、加速電圧Vにほぼ比例して大きくなることが示される。
【００１８】
上記式１から式３の関係に基づき、金属試料５０として銅（Ｃｕ）ターゲット（ρ：８．９２、Ｚ：２９、Ａ：６３．６）を用いた場合における加速電圧Ｖと入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２の関係は図５のようになる。なお、図５は加速電圧を横軸に、入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２の値を縦軸として示した図である。
【００１９】
一方、図６は、金属試料５０としてゲルマニウム（Ｇｅ）ターゲット（ρ：６．４６、Ｚ：３２、Ａ：７２．６）を用いた場合における加速電圧Ｖと入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２の関係を示しており、加速電圧を横軸に、入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２の値を縦軸として示した図である。
【００２０】
ここで、本実施形態で使用するターゲットとして、図７（ａ）に示されるように、Ｘ線透過窓１６に厚さ４．０ｕｍのＧｅ金属薄膜５０ｂと、その上層に厚さ０．７０４ｕｍのＣｕ金属薄膜５０ａを製膜した多層膜ターゲットを考える。この場合、入射電子の加速電圧を３０ｋＶとすると図５より、入射電子深さＲ１＝０．７０４ｕｍの位置がＸ線発生部のほぼ中心位置となり、また、図５から電子拡散半径Ｒ２＝２．０７３ｕｍとなることから、Ｃｕ金属薄膜５０ａにおけるＸ線発生領域は、図７（ａ）に示されるように、領域６０で示される部分となる。
【００２１】
一方、図６より、入射電子の加速電圧が３０ｋｅＶの場合、ゲルマニウム（Ｇｅ）において、電子拡散半径Ｒ２＝３．６００ｕｍとなることから、Ｇｅ金属薄膜５０ｂにおけるＸ線発生領域は、図７（ａ）に示されるように領域７０で示される部分となる。
【００２２】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す多層膜ターゲットに加速電圧３０ｋｅＶの電子を照射した場合に発生するＸ線スペクトルの予想図を示している。図７（ｂ）において、制動放射のＸ線スペクトル（同図の黒棒）は銅（Ｃｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）ではほとんど相違しないが、発生するＸ線には、銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線Ｋα（約８ＫｅＶ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）の特性Ｘ線Ｋα（約９ＫｅＶ）が含まれる。
【００２３】
次に、図７（ａ）に示した多層膜ターゲットにおいて、入射電子の加速電圧をが２０ＫｅＶ及び４０ＫｅＶとした場合、図５及び図６に示したグラフより、Ｘ線の発生領域及びＸ線スペクトルは図８（１）−ａ、（１）−ｂ、及び図８（３）−ａ、（３）−ｂのようになると考えられる。なお、図８（２）−ａ、（２）−ｂは、図７（ａ）と同様に入射電子の加速電圧が３０ｋｅＶの場合のＸ線発生領域及びＸ線スペクトルを示している。
【００２４】
図８（１）−ａでは、入射電子の到達点はＣｕ金属薄膜５０ａ内にあるため、図８（１）−ｂに示されるように、加速電圧が３０ｋｅＶの場合に比べて銅（Ｃｕ）の特性Ｘ線強度が相対的に高められる。
【００２５】
また、図８（３）−ａでは、入射電子の到達点はＧｅ金属薄膜５０ｂ内にあるため、図８（３）−ｂに示されるように、加速電圧が３０ｋｅＶの場合に比べてゲルマニウム（Ｇｅ）の特性Ｘ線強度が相対的に高められる。
【００２６】
以上の通り、図１に示すＸ線発生装置において、電子源１２に供給する加速電圧を適宜変更することによって、発生するＸ線の線質を種々に変更することが可能となる。なお、電子源１２に供給すべき加速電圧は、使用するターゲットの材料及びその膜厚と、予め、例えば、図５及び図６等で示したように使用材料に応じて求めた加速電圧と入射電子深さＲ１、電子拡散半径Ｒ２との関係から決定し、検査体に応じて加速電圧を適宜選択するように構成すればよい。
【００２７】
次に、図２において示した第１金属層５ａ，第２金属層５ｂ，第３金属層５ｃの形成に際しては、融点が高い金属たとえばタングステン（Ｗ）（融点３４００℃）やモリブデン（Ｍｏ）（融点２６２０℃）を電子ビーム照射側の第１金属層５ａとして形成し、下層の第２金属層５ｂ、第３金属層５ｃを例えば低融点金属、たとえば銅（Ｃｕ）（融点１０８３°Ｃ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）（融点９５９℃）によって形成することにより、下層の低融点金属からなるターゲットを保護することが出来る。
【００２８】
すなわち、電子ビームが弱い時は、加熱された内部の薄膜で発生した熱を高融点金属からなる第１金属層５ａが吸収し、全体の温度上昇を抑え、一方、電子ビーム強度が高まり、下層の低融点金属層５ｂ、５ｃが融解する温度となっても、タングステン（Ｗ）などの高融点金属からなる表面層が融解せず、下層の低融点金属の融解による蒸発を抑えることでターゲット全体の破損が防止される。
【００２９】
上述した実施形態では、多層膜金属ターゲットのそれぞれの金属層を純金属で形成したが、第１金属層５ａ，第２金属層５ｂ，第３金属層５ｃを例えば、レニウムタングステン（Ｗ、Ｒｅ）、タンモリ合金（Ｗ、Ｍｏ）、銀パラ（Ｐｄ、Ａｇ）、リン青銅（Ｃｕ、Ｓｎ）、銅タン（Ｗ、Ｃｕ）、金合金等の合金で形成しても良い。
【００３０】
なお、多層膜金属ターゲットは、周知の製膜装置（真空蒸着装置、スパッタ製膜装置）によって容易に製造することができる。たとえば、真空蒸着装置では、Ａｌ板などのX線透過窓となる基板をセット後、蒸着源としてＧｅを電子ビームで加熱し発生するＧｅ金属蒸気を基板にあててＧｅ薄膜を製膜する。次に、蒸着源をCuに交換し電子ビームで加熱し、Cu金属蒸気を基板にあててCu薄膜を製膜する。その結果、X線透過窓上にＧｅ膜、Cu膜を形成することが出来る。
【００３１】
また、上述した実施形態では、透過型のＸ線管及びＸ線発生装置を示したが、本発明は、これに限らず、反射Ｘ線を利用する構成とすることで、反射型のＸ線管やＸ線発生装置にも適用されるものである。
【発明の効果】
本発明によれば、ターゲットが異なる金属よりなる多層膜によって形成されているため、異なる線質を有するＸ線を発生させることが可能となる。
【００３２】
また、ターゲットの電子入射側の層を高融点金属で形成したため、下層の低融点金属が融解することを防止でき、ターゲットの長寿命化を図ることが可能となる。
【００３３】
さらに、ターゲットに照射される電子のエネルギーを適宜変更することにより、多層膜からなるターゲットへの電子の入射深さが調整されるため、種々の線質のＸ線を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のＸ線発生装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態のＸ線発生装置のＸ線発生部を示す図である。
【図３】 ARCHARDが提案し、KANAYA&OKAYAMAが修正した電子の拡散モデルを説明するための図である。
【図４】加速電圧と拡散モデルにおけるＲｖ（Ｖ）との関係を示す図である。
【図５】銅（Ｃｕ）ターゲットにおける加速電圧と入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２との関係を示す図である。
【図６】ゲルマニウム（Ｇｅ）ターゲットにおける加速電圧と入射電子深さＲ１及び電子拡散半径Ｒ２との関係を示す図である。
【図７】ターゲットにおけるＸ線の発生領域及びＸ線スペクトルを示す図である。
【図８】各加速電圧でのターゲットにおけるＸ線の発生領域及びＸ線スペクトルを示す図である。
【図９】従来のＸ線管を示す図である。
【符号の説明】
１０…真空容器
１１…引出電極
１２…電子源
１３…電子ビーム
１４…集束電極
５…多層膜金属ターゲット
１６…Ｘ線透過窓
２０…高電圧発生装置
２１…制御手段

Claims

電子源から電子をターゲットに照射し、Ｘ線を発生させるＸ線管において、前記ターゲットを異なる金属よりなる多層膜として形成したことを特徴とするＸ線管において、前記多層膜からなるターゲットを、電子の入射側の金属層の融点が下層の金属層の融点より高くなるよう形成したことを特徴とするＸ線管。
請求項１に記載したＸ線管と、前記ターゲットに応じて前記電子源に異なる高電圧を印加する高電圧発生装置とを有するＸ線発生装置。