JP5458472B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線非破壊検査装置やＸ線分析措置などのＸ線源として用いられるＸ線管に関するものである。

Ｘ線を利用した検査装置としては、Ｘ線顕微鏡、異物検査装置、蛍光Ｘ線分析装置などの各種の産業検査装置や、Ｘ線診断装置などの医療用Ｘ線装置が知られている。それら装置に用いられるＸ線源のうち、高空間分解能なものはマイクロフォーカスＸ線管と呼ばれており、その分解能は１０μｍ以下である。

図３は、従来のＸ線検査装置の構成例を示している。本例でのＸ線検査装置は、電子源１から放出される電子をアノード３で加速後、電子光学系９により収束させた電子ビームＲｅを衝突させ、タングステンなどの高融点金属の薄板でできたターゲット５上に微小なＸ線源２３を得るようにしている。そして、Ｘ線源２３から発生するＸ線Ｒｘを用いて試料（被検査体）２５の内部を拡大投影し、試料内部の微細構造を非破壊で透視検査するというものである。

このような装置の空間分解能を決めているのはＸ線源の大きさで、Ｘ線源サイズ（焦点サイズ）が小さい方がボケ量が減って分解能が向上する。そのために、電子光学系９で電子ビームを小さく集束し、Ｘ線源サイズを小さくすることが研究されてきた。しかし、電子光学系の一般的な性質（収差）として、電子ビームを小さく集束させていくと電子ビーム量が減少することが知られている。したがって、Ｘ線量もそれに応じて減少するので、検査に時間がかかるという問題がある。

電子ビームを小さく集束させても電子ビーム量を減少させない方法として、電子源の輝度を上げる方法がある。例えば、タングステンよりも高い電流密度が得られるＬａＢ６（六ホウ化ランタン）のエミッタを用いる方法があるが、１μｍ以下で明るいＸ線源を実現するのは困難であった。

さらに、高分解能で明るいＸ線源を実現するため、ＬａＢ６よりも高い電流密度が得られるショットキーエミッタ等の電界放射電子源を用いたものが研究されている。しかし、ショットキーエミッタを用いてＸ線管で必要とされる大電流を流そうとすると、ショットキーエミッタはＬａＢ６よりも電子銃の球面収差の影響が大きいので、高分解能を得るには工夫が必要である。

ここで球面収差とは、レンズの中心部を通る電子ビームとレンズの周辺部を通る電子ビームとで集束する点が異なることであり、ボケの原因の１つである。球面収差を小さくするためには、レンズの周辺部を通る電子ビームを中心部に集める必要があり、磁場重畳型レンズを用いる方法が知られている。磁場重畳レンズを用いれば、電流密度も高くなるが、レンズだけでは限界もある。

このようなＸ線顕微鏡検査装置として、図４に示すような電子銃１の電子発生部近傍に磁界発生部を有する磁界重畳レンズ１１を用いる方法が開示されている（特許文献１、２参照。）。

また、図５（Ａ），（Ｂ）に開示されている概略図は図４に示した方法を具現化した例で、「電子源部（アノード３を含む電子源１）の電子発生部の近傍に、磁界重畳レンズ１１を配置し、少なくとも電子発生部から電子加速手段の構成要素であるアノードに至るまで、電子源１が作る電界に磁界重畳レンズ１１が作る磁界を重畳させて、電子をアノードで加速しながら集束させる構成」とすることで、収差の影響を低減させている（特許文献１、２参照。）。

しかし、電子銃１と磁界重畳レンズ１１の距離が近くなるために電子源部の耐電圧が低下し、Ｘ線ターゲット５に対して高管電圧の電子ビームを照射することが困難になり、Ｘ線管用の電子銃として利用することが困難になる。また、加速のためのアノードが明示されておらず、耐電圧がどの程度あるのか不明である。
また、磁界レンズ１１のギャップ長ｓ’とボア径ｂ’を大きくとることで装置が大型化する上、レンズの磁界発生効率が悪化し、磁界回路のコイルを大型化する必要があり、アンペアターンは極端に大きくなり、コイルからの発熱が増大し、その対策として冷却機構が必要になる。

特開２００４−１３８４６０ 特開２００４−１３８４６１

ショットキーエミッタを用いてＸ線管で必要とされる大電流を得ようとするときの、電子源部の収差による空間分解能の制限を改善する為の、図４、図５（Ａ），（Ｂ）に開示されている方法では、電子顕微鏡などで用いられる特殊な形状の磁界レンズを用いるため、電子源室のスペースが限定され、高電圧となる電子ビームエミッタと電子源室との間の耐電圧が低下し、Ｘ線管用の電子銃として利用することが困難になってしまう。

本発明は、電子源部の耐電圧を低下させることなく電子源部の収差を低減させることができるＸ線管を提供することを目的とする。

本発明のＸ線管は、電子ビームを放出する電子源、電子源から放出された電子ビームを加速するアノード、及びアノードによって加速された電子ビームが照射されるＸ線ターゲットが真空系内に配置され、電子ビームをＸ線ターゲット上に集束させる電子光学系を備えている。その上、電子光学系の一部である磁界レンズは真空系の外側に配置し、磁界を電子源とＸ線ターゲットとの間に発生させ、電子ビームを集束させている。この磁界レンズのヨークの上端面とＸ線ターゲットの間にアノードの電子入射側の面を配置していることを特徴としている。

なお、磁界レンズには、ギャップ長ｓとボア径ｂが大きくない標準的なもの（例えばs＝１０ｍｍ、ｂ＝２０ｍｍ）を用いることができる。

アノードの電子入射側の面は磁界レンズのギャップの下端よりも電子源側に配置することが好ましい。

最も良い形態の一つは、アノードの電子入射側の面が磁界レンズのヨークの上端面とほぼ同一面上に配置することである。

さらに、電界レンズ作用を生じさせるためには等電位線を曲げる必要があるので、アノードは磁界レンズの内径よりも小さく、かつ、電子源方向に凸型となっていることが好ましい。

さらに、電界作用を強めるために、凸型のアノードの外径は電子源からアノードまでの距離の５０〜１００％であることが好ましい。

本発明のＸ線管は、電子源、アノード及びＸ線ターゲットを真空系内に配置し、真空系の外側で電子源とＸ線ターゲットとの間には、磁界を発生させる磁界レンズを配置し、アノードは磁界レンズのヨークの上端面と同一面上又はＸ線ターゲット側に配置するようにしたので、アノードと光源をより近づけることができ、Ｘ線管の管電圧を高くすることが可能になる。

アノードをギャップの下端よりも電子源側に配置することで、電子源部の収差を低減させるので、高分解能なＸ線管用の電子銃として利用することが可能となる。

磁界レンズのヨーク上端面とアノードの電子入射側の面とが同一平面上に配置されるようにすれば、さらに収差が低減される。

アノードを磁界レンズの内径よりも小さく、かつ、電子源方向に凸型となっているようにすれば、アノード近傍での等電位線を凸型形状に沿って曲げた電界レンズの集束作用により、ターゲット電流を増加させることができる。

さらに、アノードの外径を小さくすると、電界レンズ効果が高くなるので、ターゲット電流をより増加させることができる。

図１は、本発明のＸ線管の概略断面図である。
真空系内には、電子ビームを放出する電子源１、アノード３、Ｘ線ターゲット５が配置されている。真空系の外には、磁界レンズ１１と磁界レンズ９が配置されている。図１は、真空排気特性が良い差動排気で構成した真空系を例示している。

負の高電圧に維持された電子源１から放出された電子ビームＲｅは、接地電位との電位差で加速される。実施例では、真空容器とアノード３が接地電位にあり、アノード３の中心にある孔（アパーチャー７）を通って、Ｘ線ターゲット５に衝突してＸ線を発生する。この時、真空系の外に設置された磁界レンズ１１と磁界レンズ９により、電子ビームＲｅをＸ線ターゲット５上で集束させることで、微小なＸ線源とすることができる。

電子源１は、エミッタと電極から構成されている。エミッタとしては、タングステンフィラメント、ＬａＢ６、ＣｅＢ６を使ってもよいが、ショットキーエミッターが最適である。電極は、エミッタからの電子を抑制したり、エミッタから電子を引き出したりする働きを持つ。

１００ｋＶぐらいの高エネルギーのＸ線を発生するためには、電子源１を−１００ｋＶに維持し、接地電位との間で加速する必要がある。図１ではアノード３と真空内壁とが接地電位にある。したがって、電子源１とこれらの間の耐電圧は１００ｋＶ必要となる。真空内壁と電子源１の間の耐電圧が１００ｋＶ丁度であるとすると、アノード３は真空内壁とほぼ同じ距離にあれば、電子源１とアノード３の間の耐電圧も１００ｋＶであり、図１の本実施例では、磁界レンズ１１のヨーク上端面１３とアノード３の上端面とが同一平面上に配置されるように構成している。

前記真空内壁の内、電子源１と磁界レンズの間にある真空内壁は電子源１に近づけた方が有利である。なぜならば、磁界レンズは電子源１に近づける方が集束性が向上するが、磁界レンズは真空外に置かれているためである。また、アノード３は、電子源１に近づける方が集束性が向上するからである。

従来技術の構成を示した図５においては、電子源１と磁界レンズ１１については図示されており、磁界レンズによる性能向上が見込まれる。しかし、アノード３が示されておらず、アノード３による性能向上は明示されていない。

電子源１とアノード３の間の耐電圧をさらに向上させて高エネルギーのＸ線を発生させるためには、耐電圧を向上させる必要がある。電子源１に最も近いのはアノード３であるから、アノード３を遠ざければ耐圧が向上する。
また、アノード３は磁界レンズギャップの下端よりも電子源１に近い位置にあれば、性能はほぼ変わらない。

したがって、アノード３は磁界レンズ１１のヨークの上端面１３と同一面上又はＸ線ターゲット側で、かつ、磁界レンズ１１のギャップｓの下端１５よりも電子源１側に配置されるのがよい。

上記の実施例の説明では、アノード３は磁界レンズ１１のギャップｓの下端１５よりも電子源１側に配置されているようにしているが、アノード３を磁界レンズの主面１７よりも電子源１側に配置してもよい。ここで主面１７とは、磁界レンズ中で電子ビームが屈折する面のことである。

アノード３から電子源１までの距離が近づくことで電子銃部の収差が改善し、より良好な収束性能を得ることが可能となる。

図２は図１のアノード付近を拡大した模式図で、第２の実施例を説明している。
第２の実施例の特徴である凸型形状アノード３の中心には直径１ｍｍ程度のアパーチャー７が設けられており、エミッタ１９から発せられた電子ビームＲｅが通過するようになっている。電子ビームの幅をｃ、電子源から発せられた電子ビームＲｅがアノード３を通過するまでの距離をａとした場合、アノード３の外径は、電子源１からアノード３までの距離ａの５０〜１００％程度が望ましい。

アノード３のエミッタ１９側は凸型になっているため、エミッタ１９とアノード３間の等電位線２１はアノード３の凸型形状に沿うように曲げられ、電子源１とアノード３の間の電界レンズ作用を強めるので、電子ビームＲｅをより集束させることができる。したがって、電流密度をより高くでき、同一のアパーチャー径でもより多くの電流をターゲットに照射することもできるので、より多くのＸ線を発生させられる。

図２の構成では電子源１とアノード３の間の電界に、磁界レンズ１１による磁界を重畳させることができ、電子をアノード３で加速しながら集束させられるので、磁界レンズの収差の影響を低減させることができ、微小なＸ線源とすることができる。

従来例と比較して、本発明では標準的な磁界レンズを用いるので、
磁気回路に大電流を流す必要がなくなり、コイルからの発熱が大きく冷却機構を付加して装置が大きくなるということもない。また、電子源室のスペースが限定されることもないため、電子ビームエミッタと電子源室との間の耐電圧を高くすることができる。したがって、小型で高管電圧の明るいＸ線管を実現することができる。

本発明は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高性能なＸ線管に利用することができる。

本発明の一実施例を示す概略図である。 同実施例の電子源部の拡大図である。 従来のＸ線検査装置の構成例を示している。 従来のＸ線顕微鏡検査装置の概略図である。 従来のＸ線顕微鏡検査装置を具現化した概略図であり、（Ａ）及び（Ｂ）はその一例である。

符号の説明

１ 電子源部
２ 真空内壁
３ アノード
５ Ｘ線ターゲット
７ アパーチャー
９ 電子光学系
１１ 磁界レンズ
１３ ヨークの上端面
１５ ギャップの下端
１７ 主面
１９ エミッタ
２１ 等電位線

Claims (3)

1. 電子ビームを放出する電子源、前記電子源から放出された電子ビームを加速するアノード、及び前記アノードによって加速された電子ビームが照射されるＸ線ターゲットが真空系内で上方から下方に向かって配置され、前記電子ビームをＸ線ターゲット上に集束させる電子光学系を備えたＸ線管において、
   前記電子光学系は磁界を前記電子源とＸ線ターゲットとの間に発生させる磁界レンズを前記真空系の外側に備え、
   前記磁界レンズは前記電子源に近い側に配置された第１磁界レンズとそれより遠い側に配置された第２磁界レンズを含んでおり、
   前記第１磁界レンズはその全体が前記電子源よりもＸ線ターゲット側に配置され、前記アノードの側方にギャップをもったものであり、
   前記アノードの電子入射側の面は、前記第１磁界レンズのヨークが磁界を発生する部分の上端面と同一面上、又は第１磁界レンズの前記上端面と前記ギャップの下端との間に配置されていることにより、前記第１磁界レンズは前記電子源と前記アノードとの間の電界に磁界を重畳させることを特徴とするＸ線管。
2. 前記アノードは前記第１磁界レンズの内径よりも小さく、かつ、前記電子源方向に凸型となっている請求項１に記載のＸ線管。
3. 前記アノードの外径は前記電子源から前記アノードまでの距離の５０〜１００％である請求項２に記載のＸ線管。

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