JP5594545B2

JP5594545B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP5594545B2
Application number: JP2012195006A
Authority: JP
Inventors: 祐彦大日方; 悠策古賀; 和史西田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2012234843A

Description

本発明は、平行化、あるいは収束化したＸ線を出力することができるＸ線管に関し、特に低エネルギー帯のＸ線を用いる厚さ計などの測定器に用いて好適なＸ線管に関するものである。

厚さ計は、低エネルギーのＸ線を測定試料に照射し、この測定試料を透過したＸ線の強度を測定することにより、当該測定試料の厚さを測定する測定装置である。このような厚さ計の構成を図４に示す。なお、本発明の理解に必要な部分のみ説明する。

図４において、１０はＸ線管、１１はゾーンプレートであり、線源ユニットを構成している。Ｘ線管１０は低エネルギーのＸ線を発生する。このＸ線はゾーンプレート１１で平行化され、矢印１３方向に搬送されている測定試料１２に照射される。Ｘ線はこの測定試料１２によって減衰される。測定試料１２を透過したＸ線の強度は検出器１４で検出され、この検出したＸ線強度から測定試料１２の坪量（厚さ）が算出される。

通常、Ｘ線管１０から放射されるＸ線は四方に放散されるため、そのまま測定試料１２に照射した場合、測定試料１２の位置変動やＸ線管１０と検出器１４の距離変動のために、正確な測定を行うことができない場合がある。そのため、ゾーンプレート１１でＸ線を平行化、あるいは収束化して測定試料１２に照射する。ゾーンプレート１１としては例えばＸ線フレネルレンズが用いられる。Ｘ線フレネルレンズは、例えば特許文献１に記載されている。なお、ゾーンプレートの他に、キャピラリーや回折格子が用いられる場合もある。

図５にＸ線管の構成を示す。図５（Ａ）は透過型Ｘ線管の構成図である。この図において、２０はＸ線管であり、内部は高真空とされ、かつヒータ２１、ターゲット基材２２、窓材２３が配置されている。ヒータ２１により熱せられたカソード３１は熱電子を放出する電子放出源である。また、ターゲット基材２２、窓材２３としてはベリリウム等が用いられる。カソード３１とターゲット基材２２との間には、高圧電源２４を用いて高圧が印加される。

カソード３１から放出された電子は高圧電源２４による高圧で加速され、高速でターゲット基材２２に衝突する。このためＸ線が発生する。このＸ線は窓材２３を透過して外部に出力される。

図５（Ｂ）は反射型Ｘ線管の構成図である。２５はＸ線管であり、その内部は高真空にされる。また、ヒータ２６、ターゲット基材２７、窓材２８が配置される。ターゲット基材２７とカソード３２の間には、高圧電源２９により高圧が印加される。

ヒータ２６に電流を流すと、カソード３２が熱せられ、熱電子が発生する。この電子は高圧電源２９の高圧により加速され、高速でターゲット基材２７に衝突する。この衝突によって発生したＸ線はターゲット基材２７で反射され、窓材２８を透過して外部に出力される。（Ａ）の透過型Ｘ線管では発生したＸ線はターゲット基材２２を透過して外部に出力されるのに対して、（Ｂ）の反射型Ｘ線管ではターゲット基材２７で反射方向に発生して外部に出力される点が異なる。
特開平６−９４８９８号公報

しかしながら、このようなＸ線管には次のような課題があった。前述したように、Ｘ線管から出力されるＸ線は平行Ｘ線、あるいは収束Ｘ線ではなく、放散するビーム形状を有している。厚さ計では線源と測定試料、検出器間の距離が長いので、このような放散形状のＸ線をそのまま用いると、Ｘ線の広がりが大きくなって測定資料位置でのＸ線の強度が低下し、十分なＳ／Ｎ比を確保することが困難になる場合がある。また、距離ずれによって測定値の誤差が大きくなってしまう。そのため、Ｘ線管と測定試料との間にゾーンプレートや屈折レンズ、キャピラリや回折格子を配置し、Ｘ線を平行化、あるいは収束化してＸ線強度の維持を図る場合がある。

しかし、このゾーンプレートや屈折レンズ等がＸ線を吸収するために、Ｘ線の強度が低下してしまうという課題があった。特に、厚さ計では５ｋｅＶ程度の低エネルギーＸ線を用いるので、ゾーンプレートや屈折レンズ等に吸収される割合が大きく、厚さを測定するためのＸ線強度を確保することが困難になる場合があるという課題もあった。

測定のＳ／Ｎ比を向上させるために検出器１４を大きくして検出感度を増加させることも考えられるが、検出器１４を大きくするとコストがアップし、また機器のサイズが大きくなってしまうという課題もあった。

従って本発明の目的は、Ｘ線管自体でＸ線の平行化、収束化を行うことができるＸ線管を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
電子を放出する電子放出源と、
前記電子放出源が放出した電子が照射され、Ｘ線を吸収しない材質で形成され、その内面に電子が衝突することによりＸ線を放射する部材が配置された複数の中空パイプを束ねたマイクロキャピラリと、
前記マイクロキャピラリが放射したＸ線を外部に取り出す窓材と、
を具備したものである。Ｘ線を発生させるターゲット基材とＸ線を平行化する部材を兼ねることができるので、ゾーンプレート等のＸ線を平行化、収束化する部材が不要になり、Ｘ線の減衰を小さくすることができる。また、簡単にマイクロキャピラリを作ることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記Ｘ線を放射する部材を、前記マイクロキャピラリの前記電子が衝突する面にも配置するようにしたものである。発生するＸ線の強度が高くなる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、Ｘ線を発生させるターゲット基材、あるいはＸ線を外部に取り出す窓材と、Ｘ線を平行化、収束化する部材を兼用するようにした。

Ｘ線を発生させるために必要不可欠なターゲット基材や窓材にＸ線を平行化、収束化する機能を持たせるようにしたので、ゾーンプレート等のＸ線を平行化あるいは収束化させる部材が不要になる。そのため、Ｘ線の減衰を最小限にすることができるという効果がある。また、部品点数を削減することができるという効果もある。

また、Ｘ線管とゾーンプレート等を組み合わせた構成では、Ｘ線管を用いる機器の組み立て工程で軸調整や配置状のアラインメント調整が必要であり、組み立て工程が複雑になると課題があった。本発明ではＸ線管単体で平行あるいは収束の調整を行うことができるので、機器の組み立て工程における調整を大幅に簡略化することができるという効果もある。

また、従来のＸ線管では、測定対象の位置、あるいはＸ線管と平行化／収束化する部材の位置関係が変動するとこの測定対象に照射されるＸ線の強度が変動し、測定精度が悪化するという課題があった。本発明のＸ線管はそれ自体で平行化、収束化したＸ線を出力できるので、測定対象の位置が変動しても測定精度が悪化し難いという効果もある。特に、厚さ計のように低エネルギーのＸ線を用い、Ｘ線管と測定対象間の距離が長い測定器において、顕著な効果が得られる。

このような効果があるため、Ｘ線管と検出器間の距離を無理に短くする必要がない、ヒータ電流を小さくすることができるためＸ線管の寿命を長くすることができる、部品点数が少なくなるので、交換、調整に関わる保守費用を削減することができるという効果もある。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るＸ線管に用いる窓材の一実施例を示す模式図である。なお、この実施例は図５（Ａ）の透過型Ｘ線管および（Ｂ）の反射型Ｘ線管に適用できるものである。Ｘ線管の構造自体は図５と同じなので、説明を省略する。

図１において、３０は窓材であり、上図（Ａ）は平面図、下図（Ｂ）は断面図である。この実施例では、円形の窓材２３（２８）の表面に同心円の輪状の帯（輪帯）を形成し、これらの各輪帯の厚さを１つおきに変えるようにしたものである。例えば、外側から奇数番目（１、３、５、・・・）の輪帯の厚さをＷ１とし、偶数番目（２、４、６、・・・・）番目の輪帯の厚さをＷ２（Ｗ１＜Ｗ２）とする。この窓材を、図５（Ａ）の窓材２３の代わりに用いるようにする。窓材３０の材質は、図５と同じようにベリリウムを用いる。

厚さが厚い輪帯はＸ線が透過し難く、厚さが薄い輪帯はＸ線が透過し易い。ターゲット基材２２の表面で発生したＸ線はこの窓材３０を透過するが、その際、同心円状に透過Ｘ線強度が高い部分と低い部分が発生する。このため、逆位相のＸ線は遮られ、同位相のＸ線は特定の焦点距離に集まる。

すなわち、窓材３０に複数の輪帯を形成し、この輪帯を１つおきにＸ線が透過し易い状態と透過し難い状態になるようにし、Ｘ線を特定の焦点距離に収束させるようにする。このようにすることにより、窓材３０にゾーンプレートの役割を兼ねさせることができるので、図４のゾーンプレート１１が不要になる。そのため、厚さ計の構成が簡単になり、かつゾーンプレート１１にＸ線が吸収され、測定対象１２に照射されるＸ線の強度が低下することがなくなる。

特定の焦点距離にＸ線を収束させるためには、窓材に形成する輪帯の半径を特定の値に調整すればよい。波長λのＸ線を焦点距離ｆに収束させるためには、ｎ番目の輪帯の半径ｒ_n（フレネル半径）が下記（１）式を満たすようにする。ここでは、簡単のため、窓材に入射するＸ線は概平行成分によるものとして解説する。

Ｘ線のエネルギーＥと波長λとの間には下記（２）式の関係がある。
λ＝ｃ／（ｅ／ｈ）＝ｃｈ／ｅ・・・・・・・（２）
但し、ｃ＝光速(2.99792458E+08m/s)、ｈ＝プランク定数(6.62602876E-34)、ｅ＝電子の電荷(1.6021892E-19J、1J=6.24E18eVで換算)である。

厚さ計では、通常５〜１０ｋｅＶのＸ線を用いる。このエネルギーを上記（２）式に当てはめると、
５ｋｅＶでλ≒０．２４８ｎｍ
１０ｌｅＶでλ≒０．１２４ｎｍ
になる。５ｋｅＶのＸ線を焦点距離ｆ＝１０００ｍｍ位置に収束させるためには、最内側の輪帯の半径ｒ₁を１５．７μｍにすればよい。

図２に前記（１）式を用いて計算した輪帯の半径ｒ_nの計算結果を示す。なお、Ｘ線の波長λ＝０．２４８ｎｍ、焦点距離ｆ＝１０ｍｍとした。このグラフに示す半径の輪帯を作成し、これらの輪帯の厚さを交互に変化させることにより、Ｘ線を収束させ、また平行化することができる。

なお、図２では輪帯の数を１００００個としたが、実用上支障のない範囲で増減させることができる。特に加工が困難な外周近辺の輪帯は省略してもよい。

また、図１では円形の輪帯を形成するようにしたが、長円、矩形などでもよい。要は、同心円状に形成すればよい。また、輪帯の中心を複数個設け、各々の中心の周りに輪帯を形成するようにするなど、適宜変形することができる。また、放熱を良くし、かつ機械的強度を増すために、輪帯に直交する方向にリブ等を入れてもよい。

また、この実施例では輪帯の厚さを交互に変え、Ｘ線が透過し易い輪帯と透過し難い輪帯を交互に形成するようにしたが、窓材をシリカガラスなどで作成し、Ｘ線が透過し難いボイドを埋め込むようにしてもよい。要は、Ｘ線が通過しやすい輪帯と通過し難い輪帯を交互に形成するものであれば、種々の作成手法を用いることができる。

さらに、この実施例ではターゲット基材としてベリリウムを用い、タングステン等をコートするようにしたが、その他の材質であってもよい。要は、電子が衝突するとＸ線を放射する材質であればよい。また、蒸着などによって表面のみＸ線を放射する部材を配置してもよい。

さらに、図１実施例では窓材２３，２８の表面を加工するようにしたが、ターゲット基材２２を同じように加工することもできる。このようにしても、Ｘ線の収束や平行化を促すことができる。ターゲット基材を加工する構成では、図５（Ａ）の透過型Ｘ線管のみに適用することができる。

例えば、ターゲット基材に図２の半径を有し、その厚さが交互に異なる輪帯を形成し、ターゲット基材をこの窓材の手前の位置に配置すると、平行化が促進されたＸ線を得ることができる。また、平行化したＸ線を用いると、Ｘ線管の外部の位置で収束化が促進されたＸ線を得ることができる。なお、透過型Ｘ線管では、ターゲット基材と窓材の両方にＸ線の透過度が異なる輪帯を形成してもよい。

Ｘ線を平行化するために、マイクロキャピラリを用いる場合がある。図３（Ａ）の４０はマイクロキャピラリであり、極細の中空パイプ４１を束ねて円筒体状に形成したものである。マイクロキャピラリの一端から入射したＸ線は中空パイプ４１の内壁で反射し、概平行成分が出射される。中空パイプはＸ線を吸収しない材質で形成される。

（Ｂ）および（Ｃ）は本発明の一実施例を示す図であり、マイクロキャピラリの断面図を表している。太線４２はタングステンであり、中空パイプ４１の内壁に蒸着または付着されている。（Ｂ）は中空パイプ４１の内壁のみにタングステン４２が蒸着されているが、（Ｃ）は内壁だけでなく、電子が衝突する底面部（４２）にも蒸着（付着）されている。

蒸着とは、真空容器内で蒸着材料を気化もしくは昇華して、離れた位置に置かれた基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成方法である。蒸着する材料によっては、ＲＦプラズマやイオン銃照射によって前処理を行うことにより、密着性を向上させることができる。

電子が衝突する底面部においては、タングステンにより穴を覆う必要がある事から、適宜ベリリウムの薄膜を基材として蒸着したり、デポジット等によって付着させたりする事ができる。

このマイクロキャピラリ４０を、図５（Ａ）に示す透過型Ｘ線管のターゲット基材２２の代わりに、電子の軌跡がその軸に略平行になるように配置する。カソード３１から出射した電子はタングステン４２に衝突し、このためＸ線が発生する。このＸ線は中空パイプ４１の内壁で全反射しながら進行し、平行化される。この平行化されたＸ線は窓材２３を透過して外部に出力される。

従来、ベリリウムにタングステンを蒸着したターゲット基材が用いられてきた。この実施例はターゲット基材とマイクロキャピラリを兼用することにより、損失が少なくかつ平行化したＸ線を得ることができる。この実施例ではＸ線管内でＸ線が平行化されるので、Ｘ線管側面にＸ線が反射して平行度が乱されることが少なくなる。従って、より平行成分の多いＸ線を得ることができる。

なお、図３（Ｃ）の構成では、タングステンが付着された側の底面がヒータ２１側になるようにマイクロキャピラリ４０を配置すればよい。タングステンを底面穴を覆う様に付着することより、Ｘ線の発生効率を増加させることができる。

また、蒸着（付着）する材質はタングステンに限られることはなく、他の材質であってもよい。要は、電子が衝突したときにＸ線が放射される材質であればよい。さらに、この実施例では中空パイプ４１にタングステン等Ｘ線を放射する材料を蒸着するようにしたが、タングステン等Ｘ線を放射する材料そのもので中空パイプを製作してもよい。また、中空パイプを束ねるのではなく、円筒体に細い貫通穴を開けるようにしてもよい。

さらに、図３では中空パイプ４１を略平行に束ねてＸ線を平行化するようにしたが、ヒータ２１側が広がるようにわずかに傾けて束ねるようにしてもよい。Ｘ線は中空パイプの軸に沿う方向に矯正されるので、このようにすると収束するＸ線を得ることができる。

以上、これらの実施例ではＸ線を平行化、収束化するようにターゲット基材あるいは窓材の表面を加工し、またマイクロキャピラリをターゲット基材として用いるようにした。ターゲット基材や窓材そのものでＸ線を平行化あるいは収束化することができるので、別にゾーンプレートやマイクロキャピラリが不要になる。従って、Ｘ線管の構成が簡単になり、かつＸ線の減衰を最小限にすることができる。

また、外部にゾーンプレートやマイクロキャピラリを配置する必要がないので、Ｘ線管とこれらの部材との位置合わせが不要になり、調整工程を大幅に簡略化でき、かつ保守費用を削減することができる。Ｘ線を平行化し、収束させる要素をＸ線管内に取り込んでいるので、Ｘ線管のみで軸調整やアラインメント調整ができるという利点もある。

Ｘ線管のみで平行化したＸ線が得られるので、測定器に使用したときに測定対象である試料の位置変動、あるいはセンサのアラインメントが変動しても、測定精度に与える影響を少なくすることができる。特に低エネルギーＸ線を用い、かつ試料とセンサのギャップが広い厚さ計に用いて特に効果がある。

そのため、センサと測定対象の間隔を無理に短くしなくても測定精度を保ちやすくなり、設備側への負担を軽減することができる。例えば、測定対象が搬送されるラインを安定させるために、搬送ロールを増設しなければならない必要性が少なくなる。

また、Ｘ線を平行化、収束化することでその減衰を抑えることができる。そのため、厚さなどの測定精度が高くなり、設備投資を抑制することができる。また、Ｘ線強度を低くできるので、管電流を低くすることができる。このためＸ線管の寿命が長くなり、ランニングコストを削減することができる。

なお、この実施例では図５のＸ線管は電子を放出する電子放出源としてヒータを組み合わせたＸ線管を前提として説明したが、高電圧を印加して電子を放出するなど、他の原理による電子放出源を用いてもよい。

本発明の一実施例を示す構成図である。輪帯の半径を表す特性図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。厚さ計の構成図である。Ｘ線管の構成図である。

１０、２０、２５Ｘ線管
１１ゾーンプレート
１２測定対象
１４検出器
２１、２６ヒータ
２２、２７ターゲット基材
２３、２８、３０窓材
２４、２９高圧電源
３１、３２カソード
４０マイクロキャピラリ
４１中空パイプ
４２タングステン

Claims

電子を放出する電子放出源と、
前記電子放出源が放出した電子が照射され、Ｘ線を吸収しない材質で形成され、その内面に電子が衝突することによりＸ線を放射する部材が配置された複数の中空パイプを束ねたマイクロキャピラリと、
前記マイクロキャピラリが放射したＸ線を外部に取り出す窓材と、
を具備したことを特徴とするＸ線管。
前記Ｘ線を放射する部材を、前記マイクロキャピラリの前記電子が衝突する面にも配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載のＸ線管。