JP4429811B2 - パルスｘ線源 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線を出射するＸ線源に関し、詳しくは、Ｘ線を必要時にのみ出射できるパルスＸ線源に関するものである。

従来、ベルトコンベア等により搬送される被検物を対象としたインライン方式のＸ線検査装置が知られている（例えば特許文献１）。このＸ線検査装置は、検査用のシールドボックス内に搬送された被検物にＸ線源から順次Ｘ線を照射し、被検物を透過したＸ線をＸ線検出器により順次検出することで被検物の拡大透視画像を得るように構成されている。

また、この種のＸ線検査装置に使用されるＸ線源用のＸ線管としては、Ｘ線の出射ポイントを被検物側に近づけることにより、Ｘ線出射ポイントから被検物までの距離を短縮して被検物の拡大透視画像の拡大率をより大きくできるようにした、いわゆるマイクロフォーカス機能を発揮するＸ線管が知られている（例えば特許文献２）。
特許第３０１１３６０号公報 特許第２７１３８６０号公報

ところで、特許文献１に記載のようなインライン方式のＸ線検査装置に使用されるＸ線源のＸ線管においては、Ｘ線が常時出射されていると、以下のような種々の問題が発生する。すなわち、検査用のシールドボックスからＸ線が漏れないようにシールドボックスの搬入口および搬出口にＸ線の遮蔽構造を設ける必要があるため、Ｘ線検査装置の構造が複雑化、大型化し、その製造コストも嵩む。また、Ｘ線検出器に大量のＸ線が照射される結果、Ｘ線検出器の特性が劣化し易く、その寿命が短命化する。さらに、Ｘ線を出射するＸ線管のターゲットの寿命も短命化する。

このような種々の問題を解消するには、被検物にＸ線を照射する必要時にのみＸ線管からＸ線を出射させ、それ以外のときにはＸ線の出射を停止させるような手段が必要であり、その手段としては、Ｘ線管内の電界操作によりターゲットに対する電子ビームの到達距離を制御することでターゲットから出射されるＸ線をオン・オフさせる電界操作手段が考えられる。この電界操作手段の原理は、Ｘ線管のカソード付近に配置されたグリッド電極の負の電位を十分深くすることで電子ビームがターゲットに到達しないようにしてＸ線の出射をオフさせ、グリッド電極の負の電位を急激に浅くすることで電子ビームをターゲットに到達させてＸ線の出射をオンさせるものである。

ここで、被検物の厚みの増大や被検物の材料の変更によってＸ線が被検物を透過し難い状況となった場合には、Ｘ線管の管電圧や管電流を増大させる必要がある。しかしながら、管電圧や管電流が増大されると、電界操作手段においては、Ｘ線の出射をオフさせる際にグリッド電極の負の電位を更に深くし、Ｘ線の出射をオンさせる際にはグリッド電極の負の電位をより急激に浅く変化させなければならない。そして、このようなグリッド電極の負の電位の急激な制御を行う関係で、Ｘ線管の管電圧や管電流を再現性よく一定に制御するのが極めて困難となり、管電圧や管電流にドロップ現象が発生する恐れがある。その結果、Ｘ線管は所望の線量、線質のＸ線を安定して出射できなくなる恐れがある。

そこで、本発明は、長期間に亘って安定した線量、線質のＸ線を必要時にのみ出射することができる高寿命のパルスＸ線源を提供することを課題とする。

本発明に係るパルスＸ線源は、電子ビームを出射する電子銃部と、電子ビームの入射によりＸ線を発生するＸ線出射面が先端部の斜面に設けられたターゲット体と、このターゲット体の先端部の斜面を囲んで配置され、かつ、Ｘ線出射面に電子ビームを入射させる電子ビーム通過孔が形成され前記ターゲット体と同電位のフード電極と、電子銃部から出射される電子ビームの進路を変更可能な電子ビーム偏向手段とをＸ線管に備えるパルスＸ線源であって、電子ビーム偏向手段は、フード電極の電子ビーム通過孔を通してターゲット体のＸ線出射面に電子ビームをフォーカス状態で入射させる進路と、フード電極上に設定された所定の退避部位に電子ビームをデフォーカス状態で入射させる進路とに電子ビームの進路を変更可能に構成され、前記フード電極における前記ターゲット体との非接触部位に前記退避部位が設定されていることを特徴とする。

本発明に係るパルスＸ線源では、Ｘ線管の電子ビーム偏向手段の作動状態に応じ、電子銃部から出射された電子ビームがフード電極の電子ビーム通過孔を通過してターゲット体のＸ線出射面にフォーカス状態で入射されることにより、Ｘ線管からＸ線が出射される。一方、電子ビームがフード電極上の所定の退避部位にデフォーカス状態で入射されることにより、Ｘ線管からのＸ線の出射が停止される。

ここで、Ｘ線管からＸ線を出射させ、また、Ｘ線の出射を停止させるための電子ビーム偏向手段の作動状態は、Ｘ線管の管電圧や管電流に影響を与えないため、Ｘ線管は所望の線量、線質のＸ線を安定して出射することができる。また、Ｘ線の出射を停止させる際には、電子ビームがフード電極上の所定の退避部位にデフォーカス状態で入射されるため、フード電極の損傷が抑制される。

本発明のパルスＸ線源において、フード電極上の退避部位がターゲット体との非接触部位に設定されていると、退避部位に電子ビームが入射された際のターゲット体への熱的影響が低減され、ターゲット体の熱膨張が防止されるので好ましい。特に、フード電極上の退避部位がターゲット体の先端部の斜面に対向する部位に設定されていると、退避部位からターゲット体までの距離が開くため、ターゲット体の熱膨張がより効果的に防止されるので好ましい。

本発明のパルスＸ線源において、電子ビーム偏向手段は、Ｘ線管の電子銃部に外付けされる偏向用電磁コイルで構成してもよいし、電子銃部に内蔵される偏向用電極で構成してもよい。

本発明のパルスＸ線源において、フード電極上の退避部位を含むその周辺部分が高融点物質で構成されていると、電子ビームの入射に伴なう退避部位の熱溶解が防止されるので好ましい。また、フード電極上の退避部位を含むその周辺部分がＸ線発生率の低い物質で構成されていると、退避部位からの余分なＸ線の発生が抑制されされるので好ましい。Ｘ線発生率の低い高融点物質としては、ホウ化窒素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）などが挙げられる。

本発明に係るパルスＸ線源によれば、Ｘ線管の電子ビーム偏向手段の作動状態に応じ、電子ビームをターゲット体のＸ線出射面にフォーカス状態で入射させることでＸ線管からのＸ線の出射を開始でき、電子ビームをフード電極上の所定の退避部位にデフォーカス状態で入射させることでＸ線管からのＸ線の出射を停止でき、必要時にのみＸ線管からＸ線を出射させることができる。

ここで、電子ビーム偏向手段の作動作動状態は、Ｘ線管の管電圧や管電流に影響を与えないため、Ｘ線管は所望の線量、線質のＸ線を安定して出射することができる。また、Ｘ線の出射を停止させる際には、電子ビームがフード電極上の所定の退避部位にデフォーカス状態で入射されるため、フード電極の損傷が抑制できる。

従って、本発明のパルスＸ線源によれば、長期間に亘って安定した線量、線質のＸ線を必要時にのみＸ線管から出射することができ、Ｘ線管の高寿命化を達成することができる。また、本発明のパルスＸ線源を備えて構成されるＸ線検査装置においては、パルスＸ線源からＸ線の照射を受けるＸ線検出器の高寿命化を達成することができ、また、検査用のシールドボックスの搬入口および搬出口の構造も簡素化することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るパルスＸ線源の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は本発明の一実施形態に係るパルスＸ線源の外観を示す正面図、図２は図１に示したＸ線管の構造を示す縦断面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

一実施形態に係るパルスＸ線源は、図１に示すように、電源ボックス１の上部に配置されたＸ線管２を備えている。このＸ線管２は、図２および図３に示すように、電子ビームを出射する電子銃部ＥＧを容器２Ａ内に収容した電子銃収容部２Ｂと、電子ビームの入射を受けてＸ線を発生するターゲット体Ｔを容器２Ｃ内に収容したターゲット体収容部２Ｄとを備えている。

電子銃部ＥＧを収容した容器２Ａとターゲット体Ｔを収容した容器２Ｃとの間には、電子銃部ＥＧから出射された電子ビームを棒状のターゲット体Ｔの先端部に向けて通過させる電子ビーム通過窓２Ｅが形成されている。また、容器２Ｃには、ターゲット体Ｔの先端部からその軸線方向に出射されるＸ線を取り出すためのＸ線透過窓２Ｆが設けられている。そして、この容器２Ａ，２Ｃは、内部が真空にされることで真空容器を構成している。

電子銃部ＥＧは、給電用のステムピンＰを介して供給される電力により発熱するヒータＨと、このヒータＨにより加熱されることで熱電子を放出するカソードＫと、カソードＫから放出された熱電子による電子ビームの電流量を制御するグリッド電極Ｇと、電子ビームをターゲット体Ｔの先端部に向け加速して集束させるフォーカスグリッド電極ＦＧとを備えて構成されている。なお、電子銃部ＥＧは、少なくとも電子発生源（本実施形態においてはヒータＨおよびカソードＫ）を有する電子放出部であれば、どのような構成によるものでもよい。

一方、ターゲット体Ｔは、電子ビームの衝突によってＸ線を発生するターゲット板Ｔ１と、このターゲット板Ｔ１に高電圧を供給する棒状のターゲット支持体Ｔ２と、電子ビームの集束のためにターゲット板Ｔ１を囲む筒状のフード電極Ｆとを備えて構成されている。

ここで、ターゲット体Ｔの先端部となるターゲット支持体Ｔ２の先端部には、その軸線に斜交する斜面Ｔ３が電子ビーム通過窓２Ｅに対面する向きで形成されている。このターゲット支持体Ｔ２の斜面Ｔ３にはターゲット板Ｔ１が埋め込まれており、その表面のＸ線出射面Ｔ４は、斜面Ｔ３と同一面をなしている。なお、ターゲット板Ｔ１は、ターゲット支持体Ｔ２の先端部の斜面Ｔ３上に載せた状態で固定されていても良い。また、ターゲット板Ｔ１とターゲット支持体Ｔ２とは、ターゲット板Ｔ１用の材質により一体に形成してターゲット体Ｔとしてもよい。

フード電極Ｆは、ターゲット支持体Ｔ２の先端部に嵌合固定される筒状に形成されており、電子ビーム通過窓２Ｅに対面し、かつ、ターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４に対面する部位には電子ビーム通過孔Ｆ１が形成されている。また、電子ビーム通過孔Ｆ１よりＸ線出射方向に寄ったフード電極Ｆの先端部には、フォーカスグリッド電極ＦＧとの間の等電位面をフォーカスグリッド電極ＦＧに近づけるための突起Ｆ２が形成されている。この突起Ｆ２の存在により、電子ビーム通過孔Ｆ１を通してターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４に入射される電子ビームの焦点位置はＸ線出射方向に変位し、Ｘ線管２はいわゆるマイクロフォーカス機能を発揮するようになる。なお、フード電極Ｆとターゲット支持体Ｔ２の先端部との間に電界的な影響の出ない範囲で隙間が設けられていると、フード電極Ｆからターゲット板Ｔ１への熱的影響が低減されるので好ましい。

図４は図２および図３に示したＸ線管２の等価回路を示しており、ＧＮＤに接地された零電位のフォーカスグリッド電極ＦＧと、ターゲット支持体Ｔ２を介して高圧電源ＶＴに接続されたターゲット板Ｔ１およびこれと同電位のフード電極Ｆとの電位差により電子ビームが加速される。また、電子ビームの電流量（管電流）を増減するために、グリッド電極Ｇは電圧が可変に制御されるグリッド用可変電源ＶＧに接続されている。さらに、電子ビームが集束する焦点位置をターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４に合わせるため、電圧が可変に制御されるカソード用可変電源ＶＫが設けられ、このカソード用可変電源ＶＫにカソードＫが接続されている。

ここで、図２に示すように、Ｘ線管２の電子銃収容部２Ｂには、ターゲット体収容部２Ｄ側のターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４へ向けて出射された電子ビームの進路を変更させることができる偏向用電磁コイル３が電子ビーム偏向手段として付設されている。この偏向用電磁コイル３は、図５に示すように、門形（コの字形）の芯材３Ａの両極部３Ｂ，３Ｃを除く中間部分３Ｄにコイル３Ｅが巻装されたものであり、芯材３Ａは、飽和磁束密度が大きく、透磁率が高く、しかも保持力の小さい材料として、例えばＦｅＣ材で構成されている。また、コイル３Ｅはエナメル線を５００ターン巻きして構成されている。

図５に示した偏向用電磁コイル３は、図２に示すように、ターゲット支持体Ｔ２の軸線と平行な線上に両極部３Ｂ，３Ｃが位置する向きで電子銃収容部２Ｂの容器２Ａの外周に装着されている。そして、この偏向用電磁コイル３のコイル３Ｅは、図４に示すように、スイッチ回路４を介して直流電源ＤＣに接続されている。

このような偏向用電磁コイル３は、図６に示すように、カソードＫからフード電極Ｆの電子ビーム通過孔Ｆ１を通してターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４へ向かう電子ビームの進路を二点鎖線で示す正規の進路から破線で示す進路に偏向させるように通電時の電流方向が設定されている。すなわち、図６に破線で示すように、電子ビームの進路を電子ビーム通過孔Ｆ１からフード電極Ｆの周方向に偏向させるように電流方向が設定されている。

ここで、偏向用電磁コイル３の通電により電子ビームの進路が偏向されると、電子ビームはフード電極Ｆの電子ビーム通過孔Ｆ１から周方向に離れた退避部位Ｆ３にデフォーカス状態で入射される。すなわち、電子ビームは、フード電極Ｆ上において、ターゲット支持体Ｔ２の先端部の斜面Ｔ３に対向するターゲット支持体Ｔ２とは非接触の部位（ターゲット体Ｔに対して非接触の部位）に設定された退避部位Ｆ３にデフォーカス状態で入射される。この場合、フード電極Ｆの少なくとも退避部位Ｆ３を含むその周辺部分がＸ線発生率の低い高融点物質、例えばホウ化窒素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）などで構成されていると、電子ビームの入射による退避部位Ｆ３の熱溶解が防止され、かつ、退避部位Ｆ３からの余分なＸ線の発生が抑制されるので好ましい。

以上のように構成された一実施形態のパルスＸ線源では、図４に示したスイッチ回路４がオンされると、偏向用電磁コイル３が通電状態となり、図６に示すように、電子銃収容部２ＢのカソードＫから出射された電子ビームの進路が破線で示すようにフード電極Ｆの周方向に偏向され、電子ビームがフード電極Ｆ上の退避部位Ｆ３にデフォーカス状態で入射される。その結果、ターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４からのＸ線の出射が停止される。

一方、スイッチ回路４がオフされると、偏向用電磁コイル３が非通電状態となり、図６に二点鎖線で示すように、カソードＫから出射された電子ビームがフード電極Ｆの電子ビーム通過孔Ｆ１を通過し、ターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４に焦点を結んで入射される。その結果、図２に示すように、ターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４からＸ線透過窓２Ｆに向けてＸ線が出射される。

ここで、スイッチ回路４のオン・オフに伴なう偏向用電磁コイル３の通電および非通電の状態は、電子ビームの電流量（管電流）に影響を与えることがなく、Ｘ線管２の管電圧や管電流に影響を与えないため、Ｘ線管２は所望の線量、線質のＸ線を安定して出射する。

また、偏向用電磁コイル３の通電により進路が変更される電子ビームは、フード電極Ｆ上の退避部位Ｆ３にデフォーカス状態で入射されるため、フード電極Ｆの損傷が抑制される。特に、フード電極Ｆの退避部位Ｆ３を含むその周辺部分がホウ化窒素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）などのＸ線発生率の低い高融点物質で構成されている場合には、退避部位Ｆ３からの余分なＸ線の発生が抑制されると共に、退避部位Ｆ３の熱溶解が確実に防止される。

なお、偏向用電磁コイル３の通電時に電子ビームが入射されるフード電極Ｆ上の退避部位Ｆ３は、偏向用電磁コイル３の非通電に電子ビームが入射される電子ビーム通過孔Ｆ１の近傍に設定されているため、偏向用電磁コイル３に流す電流量は少なくて済み、偏向用電磁コイル３の発熱量が抑制される。

さらに、フード電極Ｆ上の退避部位Ｆ３は、ターゲット支持体Ｔ２の先端部の斜面Ｔ３に対向する部位、すなわち、ターゲット体Ｔに対して非接触の部位に設定されている。このため、ターゲット体Ｔは、退避部位Ｆ３に電子ビームが入射された際の発熱の影響を受け難く、その熱膨張が防止される。その結果、ターゲット板Ｔ１のＸ線出射面Ｔ４におけるＸ線の出射ポイントが変動することがなく、Ｘ線管２はマイクロフォーカス機能を十分に発揮することが可能となる。

すなわち、一実施形態のパルスＸ線源によれば、スイッチ回路４のオン・オフにより必要時にのみＸ線管２からＸ線を出射させることができるのであり、長期間に亘って安定した線量、線質のＸ線を必要時にのみＸ線管２から出射することができ、Ｘ線管２の高寿命化を達成することができる。

また、一実施形態のパルスＸ線源を備えて構成されるＸ線検査装置においては、パルスＸ線源からＸ線の照射を受けるＸ線検出器の高寿命化を達成することができ、また、検査用のシールドボックスの搬入口および搬出口の構造も簡素化することができる。

本発明に係るパルスＸ線源は、前述した一実施形態に限定されるものではなく、一部の構成部分を変更しても一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。例えば、図２に示した偏向用電磁コイル３は、真空容器２Ｃの外周に沿って９０度回転させた状態、すなわち図７に示すような向きで真空容器１Ｃの外周に装着してもよい。この場合、偏向用電磁コイル３による電子ビームの偏向方向は、図６に示した方向から９０度回転するため、電子ビームは、図８に破線で示すように、フード電極Ｆの電子ビーム通過孔Ｆ１から突起Ｆ２とは反対方向に軸方向に離れた位置に設定された退避部位Ｆ４にデフォーカス状態で入射されることとなる。

図８に示した変更例において、フード電極Ｆの少なくとも退避部位Ｆ４を含むその周辺部分がホウ化窒素（ＢＮ）、ダイヤモンド、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）などのＸ線発生率の低い高融点物質で構成されていると、電子ビームの入射による退避部位Ｆ４からの余分なＸ線の発生が抑制されると共に、退避部位Ｆ４の熱溶解が確実に防止される。また、この変更例においても、フード電極Ｆ上の退避部位Ｆ４がターゲット支持体Ｔ２の先端部の斜面Ｔ３に対向する部位に設定されているため、ターゲット体Ｔの熱膨張が防止される。そして、フード電極Ｆ上の退避部位Ｆ４が電子ビーム通過孔Ｆ１の近傍に設定されているため、偏向用電磁コイル３に流す電流量は少なくて済み、偏向用電磁コイル３の発熱量が抑制される。

ここで、図８の変更例に示すように、フード電極Ｆは、電子ビーム通過孔Ｆ１および退避部位Ｆ４が設定される側の内周面とターゲット支持体Ｔ２の先端部の外周面との間に若干の隙間を設けて装着するようにしてもよい。この場合、ターゲット体Ｔは、退避部位Ｆ４に電子ビームが入射された際の発熱の影響をより一層受け難くなり、ターゲット体Ｔの熱膨張がより効果的に防止される。

さらに、図２に示したフード電極Ｆは、ターゲット板Ｔ１が付設されたターゲット支持体Ｔ２と一体に形成してもよく、あるいは、ターゲット板Ｔ１用の材質により斜面Ｔ３がＸ線出射面として構成されたターゲット体Ｔと一体に形成してもよい。

また、電子ビーム偏向手段としての偏向用電磁コイル３は、図４に示すようにスイッチ回路４および直流電源ＤＣに接続される偏向用電極５に変更することができる。

本発明の一実施形態に係るパルスＸ線源の外観を示す正面図である。 図１に示したＸ線管の構造を示す縦断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２および図３に示したＸ線管の等価回路図である。 図２に示した偏向用電磁コイルの斜視図である。 図３に示したカソードから出射される電子ビームの進路の偏向状況を示す図３の拡大断面図である。 偏向用電磁コイルの装着の向きを変更した例を示す図３に対応したＸ線管の縦断面図である。 図７に示したカソードから出射される電子ビームの進路の偏向状況を示す図２に対応した拡大部分断面図である。

符号の説明

１ 電源ボックス
２ Ｘ線管
２Ｂ 電子銃収容部
２Ｄ ターゲット体収容部
３ 偏向用電磁コイル（電子ビーム偏向手段）
４ スイッチ回路
５ 偏向用電極（電子ビーム偏向手段）
Ｋ カソード
Ｇ グリッド電極
ＦＧ フォーカスグリッド電極
Ｆ フード電極
Ｆ１ 電子ビーム通過孔
Ｆ２ 突起
Ｆ３ 退避部位
Ｔ ターゲット体
Ｔ１ ターゲット板
Ｔ２ ターゲット支持体
Ｔ３ 斜面
Ｔ４ Ｘ線出射面

Claims (6)

1. 電子ビームを出射する電子銃部と、電子ビームの入射によりＸ線を発生するＸ線出射面が先端部の斜面に設けられたターゲット体と、このターゲット体の先端部の斜面を囲んで配置され、かつ、前記Ｘ線出射面に電子ビームを入射させる電子ビーム通過孔が形成され前記ターゲット体と同電位のフード電極と、前記電子銃部から出射される電子ビームの進路を変更可能な電子ビーム偏向手段とをＸ線管に備えるパルスＸ線源であって、
   前記電子ビーム偏向手段は、前記フード電極の電子ビーム通過孔を通して前記ターゲット体のＸ線出射面に電子ビームをフォーカス状態で入射させる進路と、前記フード電極上に設定された所定の退避部位に電子ビームをデフォーカス状態で入射させる進路とに電子ビームの進路を変更可能に構成され、
   前記フード電極における前記ターゲット体との非接触部位に前記退避部位が設定されていることを特徴とするパルスＸ線源。
2. 請求項１に記載のパルスＸ線源であって、前記フード電極における前記ターゲット体の先端部の斜面に対向する部位に前記退避部位が設定されていることを特徴とするパルスＸ線源。
3. 請求項１又は２に記載のパルスＸ線源であって、前記電子ビーム偏向手段が前記Ｘ線管の電子銃部を収容する電子銃収容部の外部に取り付けられる偏向用電磁コイルで構成されていることを特徴とするパルスＸ線源。
4. 請求項１又は２に記載のパルスＸ線源であって、前記電子ビーム偏向手段が前記Ｘ線管の電子銃部を収容する電子銃収容部に内蔵される偏向用電極で構成されていることを特徴とするパルスＸ線源。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のパルスＸ線源であって、前記フード電極における少なくとも電子ビームが入射される退避部位が高融点物質で構成されていることを特徴とするパルスＸ線源。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のパルスＸ線源であって、前記フード電極における少なくとも電子ビームが入射される退避部位がＸ線発生率の低い物質で構成されていることを特徴とするパルスＸ線源。

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