JP5458472B2 - X線管 - Google Patents

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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%である請求項に記載のX線管。
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