JP5022124B2 - 回転対陰極ｘ線発生装置及びｘ線発生方法 - Google Patents

Description

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

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。一方、Ｘ線の輝度は（上記電力）／（ターゲット上の電子ビームの面積）であるので、上記電力の最大値はターゲット上の電子ビームの面積に大きく依存する。例えば銅をターゲットとした理化学用Ｘ線発生装置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理化学用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。

このような問題に鑑みて、特開平２００４−１７２１３５号公報には、回転対陰極Ｘ線発生装置の、回転中心を中心軸とする筒状部分に対して電子線を照射し、かかる部分をその融点以上にまで加熱して、高輝度のＸ線を発生することが試みられている。この場合、前記電子線の照射部は前記回転対陰極の融点以上にまで加熱されるので、前記照射部は少なくとも部分的に溶解するようになる。しかしながら、前記照射部は前記回転対陰極の回転に伴って発生する遠心力によって前記筒状部分に保持されるようになるので、前記照射部の、溶解部分の外方への飛散を抑制することができる。

しかしながら、上記技術においては、回転対陰極を電子線照射によってその融点以上にまで加熱し、電子線照射部を部分的に溶解させてしまうので、前記電子線照射部を含む近傍の領域は、比較的高温の状態となり、高い蒸気圧を有するようになる。したがって、前記回転対陰極の電子線照射に伴う消耗が顕著となり、前記回転対陰極の利用効率が極めて悪くなってしまうという問題が生じる。
特開平２００４−１７２１３５号公報

本発明は、回転対陰極を用いたＸ線発生装置及びＸ線発生方法において、前記回転対陰極の電子線照射による消耗を抑制することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
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、
前記回転対陰極の遠心力と同方向に電子線を照射して前記Ｘ線を発生させるための電子線照射部と、
少なくとも前記電子線照射部を覆うようにして設けられ、前記電子線照射部からの前記回転対陰極の構成部材の蒸発を抑制するための被膜とを具え、
前記電子線照射部は、前記回転対陰極の逆台形状に形成された溝部内に位置するように構成し、前記被膜は、前記溝部内に形成したことを特徴とする、回転対陰極Ｘ線発生装置に関する。

また、本発明は、
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Ｘ線発生方法であって、
前記回転対陰極の遠心力の方向と前記電子線の照射方向とが同方向となるような前記回転対陰極の箇所に、電子線照射部を形成する工程と、
前記電子線照射部を覆うようにして被膜を形成し、前記電子線照射部からの前記回転対陰極の構成部材の蒸発を抑制する工程と、
前記電子線照射部から前記Ｘ線を発生させる工程とを具え、
前記電子線照射部は、前記回転対陰極の逆台形状に形成された溝部内に位置し、前記被膜は、前記溝部内に形成することを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

上記回転対陰極Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法によれば、Ｘ線を発生させるべく、電子線を回転対陰極に照射してＸ線を発生させる際に形成される電子線照射部を被膜で覆うようにしている。したがって、前記電子線照射部が例えば前記回転対陰極を構成する部材の融点以上にまで加熱されて、その蒸気圧が増大したとしても、前記被膜によって前記回転対陰極の蒸発が抑制されるようになる。結果として、前記回転対陰極の電子線照射による消耗を抑制することができるようになる。

また、本発明において、前記電子線照射部は、前記回転対陰極の逆台形状に形成された溝部内に位置するように構成し、前記被膜は、前記溝部内に形成する。この場合、前記被膜を前記回転対陰極に対して強固に結合するような状態で形成することができ、前記被膜の前記回転対陰極からの離脱を効果的に抑制することができる。

本発明の一態様において、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、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成される。この場合、前記回転対陰極の遠心力の方向と前記電子線の照射方向とが同方向となるような要件を満足するように、前記回転対陰極の箇所に、電子線照射部を簡易に形成することができる。

また、本発明の一態様において、前記電子線照射部は、その少なくとも一部を前記電子線によって溶解するように構成する。この場合、前記電子線照射部には高強度の電子線が照射されていることになるので、前記回転対陰極（電子線照射部）から生成されるＸ線の輝度を増大させることができる。

なお、前記被膜は、前記回転対陰極に対して固溶しない材料から構成することが好ましい。もし、前記被膜が前記回転対陰極に対して固溶してしまうと被膜として存在しなくなり、ターゲット金属の蒸発を抑える効果が激減する場合がある。

また、前記被膜は、黒鉛、ダイヤモンド、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭化チタン、シリコン、ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、特には黒鉛を含むことが好ましい。これらの材料は、比重が比較的小さく、高温でも蒸気圧が低いため、上述したように、回転対陰極を構成する構成材料、例えばＣｕやＣｏなどの材料に対して固溶しにくい物質を選ぶ事により、前記電子線照射による蒸発の度合いを小さくすることができる。さらに、ある程度の導電性を有する場合には、前記電子線を照射した際にチャージアップを抑制することができ、前記被膜の破壊などを効果的に抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、回転対陰極を用いたＸ線発生装置及びＸ線発生方法において、前記回転対陰極の電子線照射による消耗を抑制することができる。

図１は、本発明の回転対陰極Ｘ線発生装置の一例における要部を示す概略構成図であり、図２は、図１に示す回転対陰極発生装置の、電子線照射部近傍を拡大して示す図である。

図１に示すように、本実施形態における回転対陰極Ｘ線発生装置１０は、回転対陰極１１と電子線発生源としての電子銃１５とを具えている。回転対陰極１１は、回転軸１２に機械的に接続された本体部分１１１と、この本体部分１１１の側端部において、本体部分１１１に対して略垂直に立設した側壁部としての筒状部分１１２とを有している。回転対陰極１１１は略円形状を呈し、筒状部分１１２は本体部分の側端部の全周に亘って設けられている。また、回転対陰極１１は、その下部（本体部分１１１）に取り付けられた回転軸１２の回りに、例えば矢印で示すような方向に回転するように構成されている。

また、電子銃１５からは電子線２０が水平方向に出射され、偏向電子レンズ１６によって約１８０度の方向転換を受け、回転対陰極１１の筒状部分１１２の内壁に照射されることにより、電子線照射部１１Ａを形成する。電子線照射部１１Ａは電子線照射によって励起され、所定のＸ線３０を生成するようになる。

次に、電子線照射部１１Ａの構成について、図２を参照して詳細に説明する。上述したように、電子線照射部１１Ａは筒状部分１１２の内壁部に形成されるが、本実施形態では、図２に示すように、筒状部分１１２の内壁部分に逆台形状の溝部１１Ｂを形成し、この溝部１１Ｂ内に電子線照射部１１Ａが位置するようにする。また、電子線照射部１１Ａは、被膜１７によって覆われている。なお、被膜１７は、電子線照射部１１Ａを覆うようにして、溝部１１Ｂ内に形成されている。なお、筒状部分１１２の裏面側は適当な方法によって適宜冷却することもできる。

なお、溝部１１Ｂの端部の立上がり角度αは、生成したＸ線３０が前記端部に入射して吸収されないような角度、例えば数度以下とする。

次に、図１及び２に示す回転対陰極Ｘ線発生装置を用いてＸ線の発生過程について説明する。図１及び２に示すように、回転対陰極１１は、図示しないモータなどの駆動系によって回転軸１２の回りに所定の角速度で回転する。すると、回転対陰極１１には、回転軸１２を中心としてその外方に遠心力Ｇが生成されるようになる。次いで、電子銃１５から電子線２０が出射され、偏向電子レンズ１６によって１８０度の方向転換を受けた後、回転対陰極１１の筒状部分１１２の内壁に照射されて電子線照射部１１Ａを形成するようになる。

なお、本実施形態では、電子線照射部１１Ａは筒状部分１１２の内壁表面に形成しているので、回転対陰極１１の遠心力Ｇの方向と電子線２０の照射方向とを同方向となるような要件を満足するような電子線照射部１１Ａを、回転対陰極１１において簡易に形成することができる。

このとき、電子線照射部１１Ａは、電子線２０の照射によって励起され所定のＸ線３０を生成するようになる。また、図１及び２から明らかなように、回転対陰極１１の回転による遠心力Ｇの方向と、電子線２０の照射方向とが一致している。したがって、電子線２０の強度を増大させて、回転対陰極１１、すなわち電子線照射部１１Ａが部分的に溶解するようにした場合においても、その溶解部分は遠心力Ｇによって筒状部分１１２に固定されることになる。一方、電子線照射部１１Ａは強度の増大した電子線２０が照射されるようになるため、かかる部分から生成されるＸ線の輝度が増大するようになる。

また、このような場合において、電子線照射部１１Ａ及び／又はその近傍の領域は、上述した溶解に伴って、回転対陰極１１の融点以上の温度にまで加熱される。したがって、上述したＸ線３０の発生と相伴って、回転対陰極１１の構成部材の蒸発が顕著となる。しかしながら、本実施形態では、特に電子線照射部１１Ａを覆うようにして溝部１１Ｂ内に被膜１７が形成されているので、上述した構成部材の蒸発を被膜１７によって抑制することができるようになる。したがって、高輝度のＸ線３０を発生させた場合においても、
回転対陰極１１の消耗を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、電子線照射部１１Ａは、回転対陰極１１の筒状部分１１２における逆台形状の溝部１１Ｂ内に位置するように構成し、被膜１７は、溝部１１Ｂ内に形成するようにしている。被膜物質の比重はターゲット物質の比重より小さな物質を用いるので、被膜１７は溝部１１Ｂにおいて遠心力により固定されるようになり、Ｘ線発生過程における電子線照射などによって、被膜１７が回転対陰極１１から離脱或いは融解したターゲット物質とまざるようなことがなくなる。

なお、被膜１７は、回転対陰極１１、すなわち電子線照射部１１Ａに対して固溶しない材料から構成することが好ましい。もし、被膜１７が回転対陰極１１、すなわち電子線照射部１１Ａに対して固溶してしまうと、被膜として存在しなくなるため被膜としての効果は期待できなくなってしまう場合がある。

具体的に、被膜１７は、黒鉛、ダイヤモンド、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭化チタン、シリコン、ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、特には黒鉛を含むことが好ましい。これらの材料は、比重が比較的小さく、高温でも蒸気圧が低いため、上述したように、回転対陰極を構成する構成材料、例えばＣｕやＣｏなどの材料に対して固溶しにくい物質を選ぶ事により、前記電子線照射による蒸発の度合いを小さくすることができる。さらに、ある程度の導電性を有する場合には、前記電子線を照射した際にチャージアップを抑制することができ、前記被膜の破壊などを効果的に抑制することができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記具体例では、筒状部分１１２を本体部分１１１の側端部において略垂直に立設させているが、回転軸１２に向けて数度の角度で傾斜するようにすることができる。この場合、電子線照射部１１Ａが溶解してもそれが回転対陰極１１の外部に飛散するのをより効果的に抑制することができる。また、筒状部分１１２を回転軸１２から外方へ向けて傾斜するようにすることができる。この場合には、Ｘ線３０の取り出しが容易になる。

本発明の回転対陰極Ｘ線発生装置の一例における要部を示す概略構成図である。 図１に示す回転対陰極発生装置の、電子線照射部近傍を拡大して示す図である。

符号の説明

１０ 回転対陰極Ｘ線発生装置
１１ 回転対陰極
１１１ 回転対陰極の本体部分
１１２ 回転対陰極の筒状部分
１１Ａ 電子線照射部
１１Ｂ 溝部
１２ 回転軸
１５ 電子銃
１６ 偏向電子レンズ
１７ 被膜
２０ 電子線
３０ Ｘ線
Ｇ 遠心力

Claims (12)

1. 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、
   前記回転対陰極の遠心力と同方向に電子線を照射して前記Ｘ線を発生させるための電子線照射部と、
   少なくとも前記電子線照射部を覆うようにして設けられ、前記電子線照射部からの前記回転対陰極の構成部材の蒸発を抑制するための被膜とを具え、
   前記電子線照射部は、前記回転対陰極の逆台形状に形成された溝部内に位置するように構成し、前記被膜は、前記溝部内に形成したことを特徴とする、回転対陰極Ｘ線発生装置。
2. 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、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
3. 前記電子線照射部は、その少なくとも一部を前記電子線によって溶解するように構成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
4. 前記被膜は、前記回転対陰極に対して固溶しない材料からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
5. 前記被膜は、黒鉛、ダイヤモンド、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭化チタン、シリコン、ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする、請求項４に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
6. 前記被膜は黒鉛を含むことを特徴とする、請求項５に記載の回転対陰極Ｘ線発生装置。
7. 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Ｘ線発生方法であって、
   前記回転対陰極の遠心力の方向と前記電子線の照射方向とが同方向となるような前記回転対陰極の箇所に、電子線照射部を形成する工程と、
   前記電子線照射部を覆うようにして被膜を形成し、前記電子線照射部からの前記回転対陰極の構成部材の蒸発を抑制する工程と、
   前記電子線照射部から前記Ｘ線を発生させる工程とを具え、
   前記電子線照射部は、前記回転対陰極の逆台形状に形成された溝部内に位置し、前記被膜は、前記溝部内に形成することを特徴とする、Ｘ線発生方法。
8. 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、前記電子線照射部は前記筒状部分の内壁表面に形成することを特徴とする、請求項７に記載のＸ線発生方法。
9. 前記電子線照射部は、その少なくとも一部を前記電子線によって溶解することを特徴とする、請求項７又は８に記載のＸ線発生方法。
10. 前記被膜は、前記回転対陰極に対して固溶しない材料からなることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
11. 前記被膜は、黒鉛、ダイヤモンド、アルミナ、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、炭化チタン、シリコン、ホウ素及び窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のＸ線発生方法。
12. 前記被膜は黒鉛を含むことを特徴とする、請求項１１に記載のＸ線発生方法。

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