JP5812700B2

JP5812700B2 - Ｘ線放出ターゲット、ｘ線発生管およびｘ線発生装置

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Publication number: JP5812700B2
Application number: JP2011127513A
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Inventors: 孝夫小倉; 佐藤　安栄; 安栄佐藤; 靖浩伊藤
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Description

本発明は、Ｘ線放出ターゲットおよびＸ線放出装置に関し、特に医療機器および産業機器分野における診断応用や非破壊Ｘ線撮影等に適用できる、透過型Ｘ線放出ターゲットおよび、それを用いたＸ線放出装置に関する。

Ｘ線放出ターゲットとして、透過型ターゲットが公知である。透過型ターゲットでは、電子放出源とターゲット部と取り出し窓とを直線上に配置する事ができるので、透過型ターゲットの小型Ｘ線放出装置への応用が期待されている。
特許文献１には、ダイアモンド基板上にタングステンのアノードを形成する際に、アノードとダイアモンド基板の間に密着促進層を中間層として配置する事が開示されている。特許文献２では、ベリリウム基板上にタングステンのアノードを形成する際に、アノードとベリリウム基板間に、線膨張量の差に伴う応力剥がれを防止する為に、銅、クロム、鉄、チタン等の中間層を配置する事が開示されている。

特表２００３―５０５８４５号公報特開２０００―３０６５３３号公報

ダイアモンドが有する、低密度（原子番号Ｚ＝６）、高熱伝導度（λ＝１Ｅ３〜２Ｅ３Ｗ／ｍ・Ｋ）、高耐熱性（融点３５５０℃）等の特異な物理特性により、ダイアモンドを基板とした透過型ターゲットは、放熱性の点で有利である。しかしながら、透過型Ｘ線ターゲットにおいてダイアモンドを基板とした場合であっても、ターゲットにおける局在化した発熱の非局在化、すなわち、ターゲットのアノードの発熱部からダイアモンド基板への熱伝達特性が必ずしも十分ではなかった。そのため、ターゲットから放出されるＸ線の放出強度の変動（出力変動）が生じる場合があった。出力変動が抑制され安定した高出力動作を図る事は、Ｘ線ターゲットを用いたＸ線分析システムの高感度化、高性能化において重要である。

本発明の第１は、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット金属を含有するターゲット層と、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過するダイアモンド基板と、前記ターゲット層と前記ダイアモンド基板との間に配され、前記ターゲット層の熱伝導率よりも低い熱伝導率を呈する中間層とを備え、前記中間層は、炭化物層であり、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが負である被炭化金属を含有する事を特徴とするＸ線放出ターゲットである。

さらに、本発明の第２は、電子の照射によりＸ線を発生するターゲット金属を含有するターゲット層と、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過するダイアモンド基板と、前記ターゲット層と前記ダイアモンド基板と間に前記ターゲット金属よりも低い熱伝導率を呈する中間層と、を備え、前記中間層は、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが負である被炭化金属を含有する事を特徴とするＸ線放出ターゲットである。

本発明によれば、ダイアモンド基板とターゲット層（アノード）との間の熱伝達特性に優れ、ターゲット層の温度上昇に伴う出力変動を抑制し、高出力かつ安定したＸ線放出特性を有するＸ線放出ターゲットおよびＸ線放出装置を提供することができる。

本発明におけるＸ線放出装置の断面図本発明におけるＸ線放出ターゲットの断面図本発明における他のＸ線放出ターゲットの断面図本発明におけるＸ線放出部の断面図本発明におけるＸ線放出ターゲットの伝熱径路を説明するための説明図本発明における実験装置のブロック図

図１を用いて本発明のＸ線放出装置の構成例について説明する。

Ｘ線放出装置１３は、放出窓１０を有した筺体１１とＸ線放出源１と駆動回路１４から構成される。Ｘ線放出源１は、Ｘ線透過窓９を有する外囲器６からなる。外囲器６の内部は、減圧（真空排気）された内部空間１２となっている。内部空間１２は、電子の平均自由行程として、後述する電子放出源３とＸ線放出ターゲット８（以下、ターゲットと略す）の間の距離を少なくとも電子が飛翔可能なだけの真空度であれば良く、１Ｅ−４Ｐａ以下の真空度が適用可能である。使用する電子放出源や、動作する温度等を考慮して適宜選択する事が可能であり、冷陰極電子放出源等の場合は、１Ｅ−６Ｐａ以下の真空度とする事がより好ましい。真空度の維持の為に、不図示のゲッタを内部空間１２、若しくは、内部空間１２に連通している不図示の補助スペースに設置する事も可能である。

外囲器６内に配置する電子放出源３としては、外囲器６の外部より放出電子量を制御可能な電子放出源であれば良く、熱陰極型電子放出源、冷陰極型電子放出源を適宜適用する事が可能である。電子放出源３は、外囲器６を貫通するよう配した電流導入端子４を介して、電子放出量および電子放出のオン・オフ状態を制御可能なように、外囲器６の外部に設置した駆動回路１４に電気的に接続される。電子放出源３は、電子放出部２を有している。電子放出部２から放出された電子は、不図示の引き出しグリッド及び加速電極により、１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ程度のエネルギーを有する電子ビーム５となり、電子放出部２に対向して配置した、ターゲット８に、入射可能となっている。前述の引き出しグリッド、加速電極は、熱陰極の電子銃管に内蔵する事も可能である。また、電子ビームの照射スポット位置および電子ビームの非点収差の調整の為の補正電極を電子放出源３に配置し、補正電極を、筺体１１の内外に配置した不図示の補正回路と接続する事も可能である。また、筺体１１は、所定の電位に規定する事が好ましく、接地端子１６を介して接地する事が可能である。

次に、ターゲット８について図１および図２を用いて説明する。ターゲット８は、外囲器６内の真空雰囲気に配置され、電子放出源３からの電子ビーム５を、その一方の面に入射可能な位置に配置される。ターゲット８は重元素からなるターゲット物質により構成され、ターゲット物質内において、入射した電子ビームの電子が運動エネルギーを失う過程でＸ線が発生する。すなわち、ターゲット物質内の（電子侵入長×電子ビームスポット）の領域がＸ線の発生領域となり、ここから、全方位にＸ線が放射される。本発明のＸ線放出源１においては、発生したＸ線のうち、電子入射面の裏面側より放出された成分を利用するものである。

ターゲット８は、ターゲット保持部７に固定される。電子放出源３と、ターゲット８、放出Ｘ線の取り出し部（透過窓９および放出窓１０）とは、それらの中心が同一直線上となるように配置される。さらに、ターゲット保持部７は、加速された電子ビーム５をターゲット８に入射させる為に、所定の電位にターゲットを電位規定する為の電気的接続機構を兼ねる事が可能である。従って、ターゲット保持部７は、ターゲット部の温度が変動した場合にも、安定した位置規定性能が維持される為の耐熱性と、電気的接続性能が維持されるための導電性とを有する材料を使用する事が好ましい。さらに、ターゲットの保持部７は、放射Ｘ線の外部取り出し成分１５を規定するアパーチャ機構すなわち、Ｘ線遮蔽作用をも有する事が可能である。従って、ターゲット保持部７は、耐熱性と、導電性と、Ｘ線非透過の為の高い比重とを有する事がさらに望ましく、例えば、モリブデン、タンタル、タングステン等の重金属、すなわち、原子番号３０以上の金属が使用可能である。

ターゲット保持部７は、ターゲット８の位置および電子放出源との相対的な角度を規定するターゲット保持面７Ｃを有する。さらに、ターゲット保持部７は、ターゲット保持面７Ｃより、電子放出源３側に突出した部位を有し、これを後方ターゲット保持部７Ａとする。さらに、ターゲット保持部７は、ターゲット保持面７Ｃより、放出窓１０側に突出した部位を有し、これを前方ターゲット保持部７Ｂとする。後方ターゲット保持部７Ａが、高比重材料で構成されている場合は、ターゲット８で発生する反射電子と電子放出源３側に放射されるＸ線の放射範囲を制限する事ができる。同様にして、前方ターゲット保持部７Ｂが、高比重材料で構成されている場合は、ターゲット８で発生する電子放出源３側に放射されるＸ線の放射範囲を制限する事ができる。前述のターゲット８から離れた位置にあって部材の嵩が高い筺体１１および外囲器６に、高比重の高比重材料を設ける場合に比較して、ターゲット８により近い位置にあるターゲット保持部７Ｂに高比重材料を設ける場合の方が、
Ｘ線発生装置全体の重量増を抑制する効果があり、軽量化の点で有利である。

ターゲット８についてさらに詳細に、図２を用いて説明する。ターゲット８は、ダイアモンド基板８０と、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが負である金属を含有する第１の層８１と、原子番号が４２以上の金属を含有する第２の層８２がこの順に積層した構成からなる。

ダイアモンド基板８０は、少なくとも第１の層８１と第２の層８２を付与する側の面（内面）と、その面の裏面としてＸ線を取り出す為の面（外面）と、ターゲット保持部７と接続する為の側面とを有している。ダイアモンド基板８０の厚さ（内面と外面との距離）は、面内で実質的に一定であることが、Ｘ線の透過率分布を均一化する点で好ましい。ダイアモンド基板８０は、円柱状（ディスク状）、平板状の形状とする事が可能である。ダイアモンド基板８０の厚さの上限は、Ｘ線の透過率の観点で決める事が可能であり、厚さの下限は、熱伝達性と強度の観点から決める事が可能であって、５０μｍ〜２０００μｍの範囲を使用する事が可能である。特に好ましくは、３５０μｍ〜１２００μｍの範囲を使用する事が可能である。ダイアモンド基板８０は、単結晶体、多結晶体、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のような非晶質体のいずれもでも良いが、熱伝導性の観点からは単結晶体である事が好ましい。同様にして、ダイアモンド基板８０を得る為の製法についても、化学気相成長法（ＣＶＤ）、焼結体形成法、種結晶と原料炭素と触媒金属を用いて高圧下で合成した高圧合成法のいずれでも可能であり、特に限定されないが、厚さの確保と熱物性、純度の観点からは、高圧合成法が好ましく適用される。

次に、第２の層８２について説明する。第２の層８２の含有する第２の金属は、入射電子を効率的にＸ線に変換する為に高い比重を有する材料が使用される。具体的には、前記第２の層８２は、原子番号が４２以上の金属を含有する。例えば、タングステン、ルテニウム、白金、イリジウム、タンタル等が適用可能である。電子からＸ線への変換に関与する領域は、同時に、発熱の領域でもあり、第２の層８２の層厚方向で電子侵入長の範囲に局所的な発熱スポット生じる。第２の層８２が高い熱伝導性を有する材料である事は、発熱部より低温であるターゲット保持部７への熱伝達性の点で有利であり、電子照射スポット５３の過熱を緩和する事が可能となる。特にタングステンは、高融点３３８０℃であり、広い温度域で１００Ｗ／ｍＫより大の高熱伝導率を有する材料であってより好ましい材料の一つである。第２の層８２の膜厚は、Ｘ線の（発生量、減衰量、線質）、電子の加速電圧、ターゲット支持部への熱伝達の観点から選択する事が可能であり、例えば、１μｍ〜１５μｍの範囲を実施する事が可能である。より高電圧で加速した電子を利用する場合は、第２の層８２へ電子侵入長よりも高膜厚とする事が可能であるが、制動放射成分よりも特性放射成分を支配的としたい場合は、電子侵入長より低膜厚とする事が可能である。第２の層８２の形成方法は、ダイアモンド基板や第１の層との密着性が確保されれば、特定の製法には限定されず、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着等が利用可能である。

次に、第１の層８１について説明する。ダイアモンドは、高熱伝導性、高耐熱性、低比重の点からダイアモンド基板およびＸ線の透過窓として優れている。然しながら、ターゲット材料に適用可能な高比重な各種金属材料とダイアモンドとは親和性が低い為に、ターゲット金属（第２の層８２）の成膜時およびＸ線放出動作時に膜剥がれを生じる等の密着性の問題を有していた。第１の層８１は、当該密着性の問題を改善する目的から、ダイアモンド基板８０と第２の層８２の層間に、密着層として配置するものである。第１の層８１は、ダイアモンドと炭化物を形成する第１の金属を含有する事でダイアモンドと密着性を確保する事が可能であり、炭化物の標準生成自由エネルギーが負である材料からなる。炭化物の標準生成自由エネルギーとは、炭化物を単体（金属）から
生成するときの自由エネルギー変化である。炭化物の標準生成自由エネルギーは、一般に温度特性を有しており、本発明における炭化物の標準生成自由エネルギーが考慮すべき温度範囲は、ターゲットの動作温度および第２層が含有する金属の融点を考慮して、５００℃〜１５００℃である。本発明の第１の層の炭化物の標準生成自由エネルギーは、負である事が、第１の層８１とダイアモンド基板８０間のアンカリング効果を得られる点で好ましい。本発明の第１の層の炭化物の標準生成自由エネルギーが−４０ｋＪ／ｍｏｌ ℃以下である事により、第１の層８１の層厚が薄くても、ダイアモンド基板８０と間で充分なアンカリングの効果を得る事が可能であり、より好ましい。さらに、第２の層が含有する金属と第１の層が含有する金属が固溶体を形成する事が、第１の層８１と第２の層８２との間の高い親和性を利用可能となるので、より一層好ましい。同様の観点から、第２の層が含有する金属と第１の層が含有する金属が、全率固溶の関係にある事がより好ましい。

具体的には、第２の層８２がタングステンであった場合には、第１の層としては、チタン、バナジウム、タンタル、クロムを適用する事で、第２の層８２と第１の層８１の各層其々に存在する金属元素同士が、任意の組成比で固溶体を形成する事が可能である。前述の通り、任意の組成比で固溶体を形成可能な材料からなる層間の界面は、連続的な金属濃度分布が形成される事で、二つの層の界面が強固に密接する事が可能となる。

さらには、第１の層８１を構成する金属元素が、５００℃〜１５００℃における炭化物の標準生成自由エネルギーが負である事を満足する事を本発明の実施形態は含み、第１の層８１とダイアモンド基板８０との密着性を確保する事が可能となる。さらに、第１の層８１として、チタン、バナジウム、タンタル、クロムを適用する事により、第１の層８１を構成する金属元素が、５００℃〜１５００℃における炭化物の標準生成自由エネルギーが−４０ｋＪ／ｍｏｌ℃以下である事を満足し、第１の層８１とダイアモンド基板８０の密着性をより一層確保する事が可能である。さらに、第１の層８１として、チタン、タンタルを適用する事により、炭化物の標準生成自由エネルギーが−１００ｋＪ／ｍｏｌ℃以下で有る事を満足し、さらにより一層の密着性を、第１の層８１とダイアモンド基板８０との間で確保する事が可能である。第１の層８１の形成方法は、ダイアモンド基板８０や第２の層８２との密着性が確保されれば、特定の製法には限定されず、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着等が様々な成膜方法が利用可能である。

次に、第１の層８１の膜厚の好適な範囲について説明する。第１の層８１が含有する第１の金属は、前述のように、密着性に優れた金属であるが、これら金属の熱伝導率は、表１に示す通り、第２の層８２に好適なタングステンよりも、必ずしも高い熱伝導率を有さない。

このため、第１の層８１の層厚が厚すぎると、発熱部からダイアモンド基板８０への熱伝達が阻害される。第２の層８２の発熱部からの熱伝導について図５を用いて具体的に説明する。図５は、熱伝達パスを説明する為の説明図であり、図５（Ａ）が上面図、図５（Ｂ）が上面図に対応する断面図である。半径ｒ２のディスク状で厚さｔ０のダイアモンド基板５０の上に、層厚ｔ１の第１の層５１と層厚ｔ２の第２の層５２が、それぞれ各層の下層の周縁部まで覆うように積層されている。積層されたターゲットは、各層の周縁部において、ターゲット保持部５４により固定されている。第２の層には電子照射スポットに相当する高温部を、第１の層の加熱部５３として示し、加熱部５３は、第２の層８２の外周円と同心円状に半径ｒ１で示している。ここで、加熱部５３から低温部（ターゲット保持部）５４への熱伝達を考える。なお、ダイアモンド基板５０、第１の層５１、第２の層５２の各熱伝導率は、それぞれ、λ０、λ１、λ２とした。

第２の層５２の加熱部５３から、直下の第１の層の熱伝達径路５７を介してダイアモンド基板５０に流れる熱流径路の熱伝達率Ｋ１は、式１となる。

第２の層５２の加熱部５３から第２の層５２の膜面の方向に放射状に熱伝達し、低温部５４に至る熱流経路５８の熱伝達率Ｋ２は、式２となる。

第１の層５１からダイアモンド基板５０がその中央部で受けた熱流を、ダイアモンド基板５０の中央部から基板面方向に放射状に熱伝達し、低温部５４に至る熱流経路５９の熱伝達率Ｋ０は、式３となる。

ここで、各熱流径路５７、５８、５９の熱流の連続の関係を満足する条件と、熱流径路５７が、加熱部５３からダイアモンド基板５０への熱伝達上のボトルネック（ＴｈｅｒｍａｌＦｌｏｗ流れを制限する意味当業者−伝熱技術分野の技術常識の範囲；英英辞書ａｎａｒｒｏｗｏｒｏｂｓｔｒｕｃｔｅｄｓｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｅｒｅｍｏｖｅｍｅｎｔｉｓｓｌｏｗｅｄｄｏｗｎ）とならない為の条件は、式４で示される。

熱伝導率λ０が高いダイアモンドを基板としている為、第２の層５２の熱伝導率λ１との関係では、式５を満たす。

ダイアモンド基板５０の厚さｔ０、第２の層５２の厚さｔ２の関係ｔ０＞ｔ２、および、ダイアモンド基板５０の熱伝導率λ０、第２の層５２の熱伝導率λ２の関係 λ０＞λ２および、式２，式３から自明な、熱伝達率の関係Ｋ０＞＞Ｋ２であることを考慮して、整理すると、第１の層５１の厚さｔ１の上限は、第１の層５１と第２の層５２の形状と熱伝導率で規定され、式６のようになる。

式６は、第１の層５１の熱的ボトルネックを解消し、より高熱伝達なダイアモンド基板５０を、支配的な熱伝導経路とする事が可能となる技術的な意義を有する。例えば、第２の層５２の層厚が大きい時には、第１の層５１の層厚の上限をより一層小さくする事により、第１の層５１の熱的なボトルネックを解消する事が可能である事を意味する。このようにする事で、ターゲット金属層（第２の層５２）への電子照射密度が増大した場合にも、Ｘ線放出スポットである第２の層５２の加熱部５３の過熱を緩和する事が可能となる効果を得る事ができる。

第１の層５１の層厚ｔ１が式６を満たした上で、さらに、第１の層の層厚ｔ１が、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲を満たす事により、Ｘ線放出動作時の線形性と出力安定性を確保したＸ線放出ターゲットとＸ線放出装置を提供する事が可能である事を、本発明者等は見出した。さらには、前記第１の層５１の層厚が、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である事により、Ｘ線放出動作時のより一層高い出力安定性を確保する事が可能である事を見出した。

なお、ダイアモンド基板８０に対する、第１の層８１および第２の層８２の積層の形態は、図２に示すように、ダイアモンド基板の片面全体を覆うような形態に限らず、図３（Ｂ）乃至図３（Ｄ）の各図に示すように、さまざまな被覆状態をも含む。第１の層８１および第２の層８２をどの範囲まで被覆するかは、図３（Ａ）のように、電子ビーム３５の照射範囲や、ターゲット保持部７との電気的接続を考慮して、決定する事が可能である。本発明のターゲット８のターゲット保持部７に対する固定方法は、不図示の銀ロウ材等の導電性の接続部材を用いる方法、あるいは、圧着方法等が利用可能である。

また、ターゲット保持部７とターゲット８からなるＸ線放出部の形態ついては、図１に示す形態に限らずに、図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）に示すような様様な形態をとる事が可能である。どのような形態でターゲット８をターゲット保持部７が保持するかは、ターゲット８への電気的接続および、ターゲット８の第２の層８２で反射する反射電子の到達範囲、および、放出Ｘ線や後方散乱Ｘ線の放射範囲を考慮して適宜決定する事が可能である。

また、電子放出源３およびＸ線の放射ターゲット８は、Ｘ線放出装置１３およびＸ線放出源１に対して、図１のように単数配置するだけでなく、それぞれ複数配置する事も本発明は含む。

また、電子放出源３とターゲット８との電位関係は、筺体１１の電位、および、電源回路の種類等により適宜選択可能である。電子放出源３とターゲット８との電位関係は、加速した電子ビーム５がターゲット８に所定の運動エネルギーで入射可能であればよく、例えば、電子放出源３の加速電極を接地した上で、電子放出部（カソード）２を接地電位に対して負電位に規定するようにする事も可能であるし、電子放出部２と加速電極の間の任意の電位を接地して、加速電極を正電位に、電子放出部２の電位を負電位に規定する事も可能である。

（第１の実施例）
第１の実施例を、図２、図４Ｂ、図６を用いて詳細に説明する。

まず、住友電気工業株式会社製の高圧合成ダイアモンドをダイアモンド基板８０として用意した。ダイアモンド基板８０は、直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍのディスク状（円柱状）の形状であり、室温での熱伝導率は、２０００Ｗ／ｍ／Ｋである。予め、ＵＶ−オゾンアッシャにより、ダイアモンド基板８０の表面にある有機物を除去した。

このダイアモンド基板の直径１ｍｍの円形の２面のうちの一方の面上に、スパッタ法により、Ａｒをキャリアガスとして、チタンからなる第１の層８１を１０ｎｍの厚さで形成した。チタンの成膜時のダイアモンド基板は、２６０℃となるように基板加熱した。次に、成膜装置の雰囲気をベントする事なしに、連続成膜により、第１の層８１の上に、Ａｒをキャリアガスとして、スパッタにより、タングステンからなる第２の層８２を８μｍの厚さに形成した。タングステンの成膜時のダイアモンド基板８０は、チタンの成膜時と同様に、２６０℃となるようにステージにより基板加熱した。成膜過程で予め用意したモニター基板により各層の熱伝導率を評価したところ、第１の層の熱伝導率は、１６Ｗ／ｍ・Ｋであり、第２の層の熱伝導率は、１７８Ｗ／ｍ・Ｋであった。

第１の層８１および第２の層８２の各層の厚さは、積層成膜する前に、予め、単層膜で成膜した膜厚と成膜時間との検量線データを取得し、成膜時間により指定の膜厚となるようにして積層した。検量線データを取得する為の膜厚の測定は、株式会社堀場製作所製の分光エリプソメータＵＶＩＳＥＬＥＲを用いた。

得られた、ターゲット８の断面を、機械研磨とＦＩＢ加工処理により、第２の層８２、第１の層８１およびダイアモンド基板８０の界面を含むようにした断面検体Ｓ１を準備した。準備した検体Ｓ１をＸ線電子分光法（ＸＰＳ）により、組成と結合の分布状態をマッピングしたところ、第１の層８１に対応するチタンが支配的な領域と、ダイアモンド基板８０に対応する炭素が支配的な領域との境界に、チタンと炭素の結合が存在する事を確認した。また、前記検体Ｓ１と同様にして、ＦＩＢ加工処理する事により、透過型電子線顕微鏡（ＴＥＭ）観察用の検体Ｓ２を準備した。その後、透過型電子線顕微鏡の明視野像観察と、電子線回折分析（ＥＤ）と電子線分光分析（ＥＤＸ）を組合せて、結晶性分布と結晶方位分布と組成分布を評価した。得られた結晶方位のマッピングをした。この結果、第２の層８２に対応するタングステンが支配的な領域と、第１の層８１に対応するチタンが支配的な領域の遷移領域にタングステンとチタンの固溶体が形成されている事を確認した。このようにして、図２に示すような、ダイアモンド基板８０、チタンからなる第１の層８１、タングステンからなる第２の層８２がこの順に積層したターゲット８を得た。次に、ターゲット８を後方ターゲット保持部７Ａ、前方ターゲット保持部７Ｂからなるタングステン製のターゲット保持部７に狭持し、さらに不図示の銀ロウを接続層として用いて、図４（Ａ）のように、第２の層８２が後方ターゲット保持部７Ａと接触するように固定した。

次に、ターゲット８とターゲット保持部７とからなるユニット（Ｘ線放出部）を、ターゲット８と、電子放出部２を有する含侵型の熱電子銃を電子放出源３とを、第２の層８２と電子放出部２とが正対する様に対向させた。さらに、図６に示すように、前記ユニットと電子放出源３を、フランジ１９を有する真空チャンバ１８に配置した。ターゲット保持部７は、フランジ１９を介して真空チャンバに固定される。ターゲット８は、ターゲット保持部７、フランジ１９を介して真空チャンバとの間で電気的な導通が得られるよう接続した。さらに、真空チャンバ１８は、真空チャンバ１８に接続した接地端子１６により接地電位に電位規定した。電子放出源３のカソードは、−１２０ｋＶに不図示の電源回路により電位規定し、ターゲット８の第２の層８２の中心に、１２０ｋｅＶの運動エネルギーを有する電子ビーム５を照射可能となるようにした。電子放出源３の周縁部と後方ターゲット保持部７Ａの周縁部には、内部に水を還流する不図示の銅製の冷却管を配置して、電子放出源３とターゲット８およびターゲット保持部７を、Ｘ線出力動作時に冷却可能なようにした。

次に、電子放出部２とディスク状のターゲット８の中心を結ぶ延長上で、かつ、ダイアモンド基板８０の大気側面より大気側に１００ｃｍ離れた箇所に、２種の線量計（２０，２１）を交換可能なように配置した。片方の線量計２０は、電離箱方式の線量計であり、線量の時間積分値を測定する為に配置し、もう片方の線量計２１は、半導体検出器を有して時間変動を測定する為に配置した。電子放出源３からの放出電流密度を変化させて、線量計２０により電子照射量に対するＸ線量の線形性を測定した。さらに、電子放出源３を０．１秒、１秒、３秒間連続照射した時間経過後に、線量計２１により検出した検出強度の中心値の１秒間の時間変動を測定した。なおいずれの電子照射も、第２の層８２の真空側表面に焦点をアライメントし、電子ビーム５のスポット半径は、０．５ｍｍとなるようにした。これらの評価結果を表２および、表３に示す。なお、線形性と安定性のいずれの評価も、第２の層８２から接地電極に流れる電流を検知して、不図示の負帰還回路により、第２の層に流れる電流密度を１％以内の変動値とするよう制御した。

本実施例のＸ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性のいずれの評価においても、充分な線形性と安定性を確認した。（本実施例およびその他の実施例のＸ線出力特性結果のうち線形性評価結果を示す表２、４，６，８，１０，１２の各表中の「○」は、線形性評価結果が問題無かった事を示す。さらに、出力安定性評価結果を示す表３，５，７，９，１１，１３の各表中の「○」は、出力安定性評価結果が問題無かった事を示している。）
（第２の実施例）
第１の実施例の第１の層８１の層厚を１ｎｍ、第２の層８２の層厚を７μｍとした事以外は、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。これらの評価結果を表４および、表５に示す。

本実施例のＸ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性のいずれの評価においても、充分な線形性と安定性を確認した。

（第３の実施例）
第１の実施例の第１の層８１の層厚を１００ｎｍ、第２の層８２の層厚を５．５μｍとした事以外は、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。これらの評価結果を表６および、表７に示す。

（第４の実施例）
第１の実施例の第１の層８１の層厚を０．１ｎｍ、第２の層８２の層厚を５．６μｍとした事以外は、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。これらの評価結果を表８および、表９に示す。

（第５の実施例）
第１の実施例の第１の層８１を、スパッタ成膜したタンタルとして、第１の層８１の層厚を１００ｎｍとした事以外は、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。なお、形成したタンタルからなる第１の層の室温での熱伝導率は、５８Ｗ／ｍ・Ｋであった。これらの評価結果を表１０および、表１１に示す。

また、実施例１と同様にして、ＸＰＳにより、第１の層８１と基板８０との間の界面の組成―結合の分布解析をしたところ、第１の層８１に対応するタンタルが支配的な領域と、ダイアモンド基板８０に対応する炭素が支配的な領域との境界に、タンタルと炭素の結合が存在する事を確認した。さらに、実施例１と同様にして、透過型電子線顕微鏡の明視野像観察と、電子線回折分析（ＥＤ）と電子線分光分析（ＥＤＸ）を組合せて、結晶性分布と結晶方位分布と組成分布を評価した。得られた結晶方位のマッピングをした。この結果、第２の層８２に対応するタングステンが支配的な領域と、第１の層８１に対応するタンタルが支配的な領域の遷移領域にタングステンとタンタルの固溶体が形成されている事を確認した。

（第６の実施例）
第１の実施例の第１の層８１をスパッタ成膜したタンタルとして層厚を１ｎｍとした事以外は、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。これらの評価結果を表１２および、表１３に示す。

（第７の実施例）
第１の実施例と同様にして、ターゲット８の第２の層８２と、電子放出部２とが正対するように対向させ、かつ、図１に示すように、ベリリウムからなる厚さ１ｍｍの透過窓９を具備し、かつ、窒化ホウ素からなるセラミック製の外囲器６の中に、第１の実施例のターゲット８と電子放出源３とのそれぞれを配置した。ターゲット保持部７は、セラミック製の外囲器６に予め設けた不図示の電極との間で電気的に導通している。ターゲット８の非成膜面側が大気側を向き、成膜面側が真空側を向いている。透過窓９の中心と、ターゲット８の中心と、電子放出部２の中心とが同一直線上に並ぶように、透過窓９、ターゲット８、電子放出部２がそれぞれ固定されている。次に、外囲器６の内部空間１２を減圧して真空外囲器６とした。真空外囲器６に設けた電極は、接地電位に電位規定され、電子放出源３のカソードがー１２０ｋＶとなるようにして、ターゲット８の第２の層の中心部に、１２０ｋｅＶの運動エネルギーの電子を照射可能となるようにした。この真空外囲器６からなるＸ線放出源１を、電子銃を駆動する駆動回路１４とともに、図１のように、絶縁シリコーン油で満たした筺体１１の筺体内部空間１７に配置して、Ｘ線放出装置１３を完成させた。得られたＸ線放出装置１３に対して、実施例１と同様にして、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性を評価した。これらの評価結果を表１４および、表１５に示す。なお、線形性と安定性のいずれの評価も、第２の層８２から接地電極に流れる電流を検知して、不図示の負帰還回路により、第２の層に流れる電流密度を１％以内の変動値とするよう制御した。

以上、実施例１乃至実施例６で得られたいずれのＸ線放出ターゲット８、および実施例７のＸ線放出装置１３は、Ｘ線出力強度の電子照射量に対する線形性、高ドーズ電子照射条件におけるＸ線出力強度の安定性において、充分な線形性と安定性を確認した。

５０、８０ダイアモンド基板
５１、８１第１の層
５２、８２第２の層
８Ｘ線放出ターゲット

Claims

電子の照射によりＸ線を発生するターゲット金属を含有するターゲット層と、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過するダイアモンド基板と、
前記ターゲット層と前記ダイアモンド基板との間に配され、前記ターゲット層の熱伝導率よりも低い熱伝導率を呈する中間層とを備え、
前記中間層は、炭化物層であり、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが負である被炭化金属を含有する事を特徴とするＸ線放出ターゲット。
前記中間層の層厚が、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である請求項１に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属と、前記ターゲット金属との固溶体が、前記ダイアモンド基板と前記ターゲット層との境界に存在している事を特徴とする請求項１または２に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属は、チタン、バナジウム、タンタル、クロムのいずれかからなる事を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属は、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが − ４０ｋＪ／（ｍｏｌ℃）以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属は、チタンまたはタンタルであることを特徴とする請求項５に記載のＸ線放出ターゲット。
前記ターゲット金属は、原子番号が４２以上の金属であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
前記ターゲット金属は、タングステンであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
内部が減圧されている真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に配された電子放出源と
前記電子放出源と前記ターゲット層とが対向するように配された請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲットと、を備えたＸ線発生管。
請求項９に記載のＸ線発生管と、前記電子放出源を駆動する駆動回路と、
を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
電子の照射によりＸ線を発生するターゲット金属を含有するターゲット層と、前記ターゲット層で発生したＸ線を透過するダイアモンド基板と、
前記ターゲット層と前記ダイアモンド基板と間に前記ターゲット金属よりも低い熱伝導率を呈する中間層と、を備え、
前記中間層は、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが負である被炭化金属を含有することを特徴とするＸ線放出ターゲット。
前記中間層の層厚が、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である請求項１１に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属と、前記ターゲット金属との固溶体が、前記中間層と前記ターゲット層との境界に存在している事を特徴とする請求項１１または１２に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属は、チタン、バナジウム、タンタル、クロムのいずれかからなる事を特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
前記被炭化金属は、５００℃から１５００℃の温度域における炭化物標準生成自由エネルギーが −４０ｋＪ／ｍｏｌ℃ 以下であることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲット。
内部が減圧されている真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に配された電子放出源と
前記電子放出源と前記ターゲット層とが対向するように配された請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のＸ線放出ターゲットと、を備えたＸ線発生管。
請求項１６に記載のＸ線発生管と、前記電子放出源を駆動する駆動回路と、
を備えることを特徴とするＸ線発生装置。