JP5248254B2

JP5248254B2 - Ｘ線発生方法及びｘ線発生装置

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Publication number: JP5248254B2
Application number: JP2008250490A
Authority: JP
Inventors: 知平坂部
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Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2013-07-31
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Description

本発明は、超高輝度を実現できるＸ線発生方法及び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。一方、Ｘ線の輝度は（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。すなわち、Ｘ線の輝度を向上させるには、上記電力を増大させるとともに及び上記ターゲット上の電子ビームの面積を減少させればよい。

しかしながら、この場合においては、上記ターゲット上において単位面積当たりに照射される電子ビームの強度が増大してしまうことになるので、電子線照射によって前記ターゲットが溶解し、飛散してしまうことになる。したがって、理論上は、上述のような関係式に基づいてＸ線の輝度を増大させることはできるが、実際上は、前記ターゲットの融点に起因してＸ線の輝度の増大には限界があった。

このような問題に鑑みて、特開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の内側に対して電子線を照射し、かかる部分をその融点近傍にまで加熱して、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近傍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。

したがって、特開２００４−１７２１３５号公報に開示された技術によれば、上述したターゲットの溶解及び飛散の問題を回避した状態で、ターゲット上における単位面積当たりに照射される電子ビームの強度を増大させることができるので、従来に比し、比較的高い輝度のＸ線を得ることができる。
特開２００４−１７２１３５号公報

しかしながら、Ｘ線を利用した高分解能の分析及び検査、さらには医療等の分野への応用を考慮するとさらなる高輝度のＸ線が求められており、そのためのＸ線発生方法及びＸ線発生装置の開発が求められている。

本発明は、高輝度のＸ線を発生させることが可能な、新規なＸ線発生方法及びＸ線発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一種からなる回転対陰極を６０００ｒｐｍ〜９０００ｒｐｍの回転速度で回転させるとともに、その表面に電子線を照射して、前記回転対陰極の平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下となるように、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を加熱し、前記回転対陰極よりＸ線を発生させるステップと、
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、その表面から外方に向かうように遠心力を作用させ、前記回転対陰極自体で、前記電子線が照射された前記部分を支持するステップとを具え、
前記回転対陰極は、筒状部と、この筒状部の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部と、前記筒状部及び前記円板状部の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部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、前記筒状部の筒の内壁表面を電子線照射部とするものであり、前記電子線照射部の内壁面に冷却水が流通される構成を有することを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

また、本発明は、
電子線を発生させるための電子線源と、
前記電子線源からの前記電子線の照射によってＸ線を発生させるための、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一種からなる回転対陰極と、
前記回転対陰極と連結し、前記回転対陰極の外方に向けて遠心力を作用させる回転機構とを具え、
前記回転対陰極は、筒状部と、この筒状部の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部と、前記筒状部及び前記円板状部の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部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、前記筒状部の筒の内壁表面を電子線照射部とするものであり、前記電子線照射部の内壁面に冷却水が流通される構成を有し、
前記電子線は、前記回転対陰極の平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下となるように、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を加熱し、前記電子線照射部分は、前記遠心力によって前記回転対陰極自体で支持するように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置に関する。

本発明では、回転対陰極を採用し、この回転対陰極の表面に対してエネルギー線を照射して加熱し、所定のＸ線を生成するようにしている。この際、前記エネルギー線の照射を前記回転対陰極の平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上となるように制御している。したがって、現在のところ特にその原因については明確にはなっていないが、前記回転対陰極の消耗を抑制して長時間に亘って高輝度のＸ線を生成することができる。なお、上記結果は、実験を通じて反復的に確認されている。

本発明によれば、上述の特開２００４−１７２１３５号公報に開示された技術によって生成されるＸ線輝度の約３倍程度以上の輝度のＸ線を生成することができる。

また、本発明における“平衡時における蒸気圧”とは熱平衡時の蒸気圧を意味し、上述した蒸気圧の値は、「真空ハンドブック」（株）アルバック編（Ohmsha発行）から抜粋したものである。

本発明の一態様においては、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することができる。これによって、前記回転対陰極の、前記エネルギー線が照射された前記部分の、前記回転対陰極自体での保持を容易かつ確実に行うことができるようになる。

また、本発明の他の態様においては、前記エネルギー線は電子線とすることができる。この場合、上記回転対陰極の単位面積当たりに強度の高いエネルギー線（電子線）を簡易に照射することができ、高輝度Ｘ線を簡易に生成することができる。

以上、本発明によれば、高輝度のＸ線を発生させることが可能な、新規なＸ線発生方法及びＸ線発生装置を提供することができる。

図１は、本発明の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１及び図２に示すＸ線発生装置１０は、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、回転駆動部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。

なお、回転軸部１３の回転によって回転対陰極１も回転するようになり、回転対陰極１、すなわち筒状部１１の外方に向けて遠心力が作用するようになる。

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１６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５ａ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。

本態様では、回転対陰極１の筒状部１１の表面１aに対して電子線３０を照射して加熱し、電子線照射部１ａの平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは１０Ｔｏｒｒとする。これによって、特に原因については明確にはなっていないが、電子線照射部１ａ、すなわち回転対陰極１の消耗を抑制して長時間に亘って高輝度のＸ線を生成することができる。

なお、上限である１００Ｔｏｒｒを超えると、回転対陰極１の消耗が激しくなり、高輝度Ｘ線を長時間安定して生成することができない場合がある。また、１０Ｔｏｒｒ前後であれば、種々のターゲット材について回転対陰極１の消耗を抑制しながら、高輝度のＸ線を比較的長時間に亘って安定的に生成することができる。

一般に、材料の蒸発速度Γｍは以下の式で表わすことができる（「真空の物理と応用」裳華房刊）
Γｍ＝５．８×１０^−２×ｐ・（Ｍ／Ｔ）^１／２（ｇ・ｃｍ^−２・ｓｅｃ^−１）（１）
（ｐ：平衡蒸気圧（Ｔｏｒr），Ｍ：分子量，Ｔ：温度（Ｋ））。

一例として、回転対陰極１がＣｕから構成されているとすると、平衡蒸気圧ｐが１０Ｔｏｒｒとなる温度Ｔは２１３０Ｋであり、その分子量Ｍが６３．５４であることから、（１）に基づいてΓｍは０．１（ｇ・ｃｍ^−２・ｓｅｃ^−１）となる。一方、電子線照射部１ａの面積は例えば約０．２４（ｃｍ^２）であるので、電子線照射部１ａから蒸発するＣｕの量は、０．１（ｇ・ｃｍ^−２・ｓｅｃ^−１）×０．２４（ｃｍ^２）から２．４×１０^−２（ｇ・ｓｅｃ^−１）となる。すなわち、１秒間に２．４×１０^−２（ｇ）のＣｕが蒸発していることになる。

なお、Ｃｕの密度ρ＝８．９２（ｇ・ｃｍ^−１）を用いれば、２．４×１０^−２（ｇ・ｓｅｃ^−１）／８．９２（ｇ・ｃｍ^−１）＝２．７×１０^−３・ｃｍ^３・ｓｅｃ^−１となり、１秒間に２．７×１０^−３（ｃｍ^３）のＣｕが蒸発していることになる。

また、回転対陰極１の電子線照射部１ａからの体積換算の蒸発量は、
回転対陰極の円周長（ｃｍ）×電子線のビーム幅（ｃｍ）×回転対陰極の毎秒毎の凹む深さｄ（２）
で表わすことができるので、例えば回転対陰極１の円周長を１０πｃｍ、電子線３０のビーム幅を０．０８ｃｍとすると、１０π×０．０８×ｄ＝２．７×１０^−３より、ｄ＝１０．７μm・ｓｅｃ^−１となる。

一般に、回転対陰極１の厚さは約２ｍｍ程度であるので、上記条件が成立すると、約３分程度で回転対陰極１に穴があくことになる。一方、電子線３０の照射によって、電子線照射部１ａは凹み、目的とするＸ線はかかる凹み部分から取り出すことになるが、その取り出し角度が例えば６度であるとすると、電子線照射部１ａが６３μｍ凹んだ時点でＸ線はその凹み部分の側壁に吸収されるようになるので、結果として約６秒の運転の後、Ｘ線を外部に取り出すことができなくなってしまう。

また、平衡蒸気圧ｐが本発明の下限である０．１Ｔｏｒｒの場合においても、上述した計算を再度行うことによって、電子線照射部１ａが凹むことによって１０分程度でＸ線を外部に取り出すことができなくなってしまう。

すなわち、従来の文献に掲載されているような理論式に基づいた場合は、本態様の図１及び２に示すようなＸ線発生装置では、約６秒程度から１０分程度の運転しか行うことができず、長時間安定して高輝度のＸ線を得ることは困難であることが想定された。

ところが驚くべきことに、図１及び２に示す本態様のＸ線発生装置においては、上述したような操作を行い、電子線照射部１ａの平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上としても、数日に亘って安定した運転を行うことができ、高輝度のＸ線を生成することができる。実際、現状では、半径５ｃｍの回転対陰極１をＣｕから構成した場合において、１３０ｋＷ／ｍｍ^２程度の輝度のＸ線を２０時間に亘って得ている。この間、取り出されたＸ線の強度に減衰の傾向は殆ど見られないので、上記の数倍〜数百倍の寿命が有る。

なお、回転対陰極１をＣｕ以外のターゲット材、例えばＣｏ，Ｍｏ及びＷ等から構成した場合においても同様の結果を得ている。

電子線照射部１ａは、回転軸部１３の回転による筒状部１１の外方に作用する遠心力によって、筒状部１１すなわち回転対陰極１に支持されるようになる。

また、回転対陰極１を加熱するエネルギー線として電子線３０を用いているので、回転対陰極１の単位面積当たりに強度の高いエネルギー線（電子線）を簡易に照射することができ、高輝度Ｘ線を簡易に生成することができる。

さらに、図1及び２に示す装置においては、回転対陰極１を６０００ｒｐｍ〜９０００ｒｐｍなる速度で回転させることが好ましい。これによって、特に原因は定かではないが、本発明の作用効果を効果的に奏することができるようになる。

図３は、本発明のＸ線発生装置の他の例における要部を示す概略構成図である。図1及び２に示すＸ線発生装置では、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とを分割し、対陰極室２と陰極室４とを仕切る隔壁部２ｂに形成された貫通孔２ｃを介して、陰極３から電子線３０を直線的に対陰極室２に導入し、回転対陰極１の筒状部１１に照射するようにしている。

これに対して、本態様のＸ線発生装置１０では、上述のように回転対陰極１及び電子線源（陰極）を別の室に設けることなく同じ室に配置し、前記電子線源から発射された電子線を偏向磁石によって変更させることによって、回転対陰極１の筒状部１１に照射するようにしている。以下、具体的に説明する。

図３に示すように、本態様におけるＸ線発生装置１０は、回転対陰極１と電子線源としての電子銃４０とを具えている。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ている。なお、筒状部１１、円板状部１２及び回転軸部１３は、上記態様と同様に、必要に応じて空洞化し、冷却水が循環できるように構成することができる。

なお、本態様においても、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。

本態様のＸ線発生装置１０は、図３に示すように、回転対陰極１及び電子銃４０を同じ室に配置し、電子銃４０から発射された電子線３０を偏向磁石によって変更させることによって、回転対陰極１の筒状部１１に照射するように構成している。したがって、図１及び２に示すように、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とを分割配置するように構成したＸ線発生装置１０と比較して、装置構成を簡略化することができる。

電子銃４０からは電子線３０が水平方向に出射され、偏向電子レンズ４１によって約１８０度の方向転換を受け、回転対陰極１の筒状部分１１の内壁に照射されることにより、加熱された電子線照射部１ａから所定のＸ線２０を生成するようになる。

本態様でも、回転対陰極１の筒状部１１の表面に対して電子線３０を照射して加熱し、電子線照射部１ａの平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは１０Ｔｏｒｒとする。これによって、特に原因については明確にはなっていないが、電子線照射部１ａ、すなわち回転対陰極１の消耗を抑制して長時間に亘って高輝度のＸ線を生成することができる。

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、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。

また、電子線照射部１ａから気化した回転対陰極１の構成部材によって、Ｘ線透過膜２２が汚染されないように、対陰極室２内のＸ線透過膜２２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２２の前面に配置されるようにすればよい。

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

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
２０Ｘ線
３０電子線
４０電子銃
４１偏向電子レンズ

Claims

Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一種からなる回転対陰極を６０００ｒｐｍ〜９０００ｒｐｍの回転速度で回転させるとともに、その表面に電子線を照射して、前記回転対陰極の平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下となるように、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を加熱し、前記回転対陰極よりＸ線を発生させるステップと、
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、その表面から外方に向かうように遠心力を作用させ、前記回転対陰極自体で、前記電子線が照射された前記部分を支持するステップとを具え、
前記回転対陰極は、筒状部と、この筒状部の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部と、前記筒状部及び前記円板状部の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部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、前記筒状部の筒の内壁表面を電子線照射部とするものであり、前記電子線照射部の内壁面に冷却水が流通される構成を有することを特徴とする、Ｘ線発生方法。
前記平衡時の蒸気圧は１０Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生方法。
電子線を発生させるための電子線源と、
前記電子線源からの前記電子線の照射によってＸ線を発生させるための、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一種からなる回転対陰極と、
前記回転対陰極と連結し、前記回転対陰極の外方に向けて遠心力を作用させる回転機構とを具え、
前記回転対陰極は、筒状部と、この筒状部の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部と、前記筒状部及び前記円板状部の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部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、前記筒状部の筒の内壁表面を電子線照射部とするものであり、前記電子線照射部の内壁面に冷却水が流通される構成を有し、
前記電子線は、前記回転対陰極の平衡時における蒸気圧が０．１Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下となるように、前記回転対陰極の前記電子線が照射された部分を加熱し、前記電子線照射部分は、前記遠心力によって前記回転対陰極自体で支持するように構成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置。
前記平衡時の蒸気圧は１０Ｔｏｒｒ以下であることを特徴とする、請求項３に記載のＸ線発生装置。