JP6064456B2

JP6064456B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP6064456B2
Application number: JP2012194416A
Authority: JP
Inventors: 俊道政木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014049425A

Description

本発明は、Ｘ線管に関し、より詳細には、微小焦点径のＸ線を発する陽極ターゲットを用いたＸ線管に関する。

従来から、肉眼では直接視認することができないような微細部分の観察等に用いられるＸ線源として、微小な焦点径のＸ線を発するＸ線管を備えたマイクロフォーカスＸ線管が知られている。
図２は、一般的なＸ線管の構成を示す断面図である。Ｘ線管１０１は、陽極ターゲット２１と電子銃１０とを内部に有する円筒形状のガラス管（筐体）３１を備える。

ガラス管３１の側壁には、円形状のベリリウム（Ｂｅ）製のＸ線出射窓３１ａが形成されており、Ｘ線出射窓３１ａと対向する位置に陽極ターゲット２１が配置されるとともに、陽極ターゲット２１と対向する位置に電子銃１０の先端が配置されている。そして、ガラス管３１の内部は、真空状態となっている。
電子銃１０は、フィラメント（ヒータ電極および電子放射体の組み合わせでもよい）１１と、モリブデン（Ｍｏ）製のグリッド電極１３と、フォーカス電極１４とで構成されている。

陽極ターゲット２１は、タングステンで形成されており、高電圧を供給するためのターゲット支持体１２２の先端（一端面）に設けられている。ターゲット支持体１２２は、直径ｒ’、長さ（ｌ_１＋ｌ_２）の円柱形状をしており、ガラス管３１の他端面を突き抜けるように配置される。そして、ターゲット支持体１２２の外周面とガラス管３１の他端面とは、コバール等のろう付けにより接合されている。
ターゲット支持体１２２の一端面は、電子銃１０からの電子が陽極ターゲット２１に向かう軌道（ガラス管３１の中心軸）に垂直な面に対して例えば２５°傾けて形成されており、その結果、陽極ターゲット２１も２５°傾けて配置されることになる。このように陽極ターゲット２１が傾けて配置されているので、発生したＸ線の多くはＸ線出射窓３１ａに到達し、Ｘ線出射窓３１ａから外部に出射されるようになっている。
そして、ターゲット支持体１２２の他端部は、高圧電源（図示せず）と電気的に接続されるとともに、電子銃１０は、低圧電源（図示せず）と電気的に接続される。

このようなＸ線管１０１によれば、フィラメント１１が加熱されると、フィラメント１１の表面から電子が放出され、放出された電子は、グリッド電極１３で電子流の量が制御され、さらにフォーカス電極１４で集束されて、電子ビームとして正の高電圧が印加された陽極ターゲット２１上の１μ〜２００μｍの寸法の微小領域（焦点位置）に衝突する。この衝突により、陽極ターゲット２１中で電子ビームはＸ線と熱とに変換され、発生したＸ線はＸ線出射窓３１ａから外部に出射され、発生した熱はターゲット支持体１２２に伝わり、ターゲット支持体１２２の他端部から外部に排出されるようになっている。このようなターゲット支持体１２２を構成する材料として、導電性および熱伝導性のよい銅が用いられている。

Ｘ線管の一例として、銅製のターゲット支持体を備え、当該ターゲット支持体上にベリリウムやカーボン（Ｃ）等の軽元素からなる電子吸収層と、厚さ約１μｍの極めて薄いＸ線発生層とを積層したものを備えたマイクロフォーカスＸ線源が特許文献１に開示されている。

特開平６−１８８０９２号公報

ところで、Ｘ線管１０１において、陽極ターゲット２１（焦点位置）から発生するＸ線エネルギーは、電子線のエネルギーの数％程度であり、殆どは熱となってターゲット支持体１２２を伝わり、ガラス管３１の外部に排出される。よって、陽極ターゲット２１に電子ビームを照射した直後は、ターゲット支持体１２２の温度が上昇し続けることになる。このとき、ターゲット支持体１２２として銅棒が用いられており、銅の熱膨張係数（２０×１０^−６／℃）は大きいことから、ターゲット支持体１２２が膨張していく。そしてその結果、電子線が照射される陽極ターゲット２１上の焦点位置が変動する。特に、電子ビームの照射開始直後は、ターゲット支持体１２２の膨張速度が激しいので、焦点位置も大きく変動する。この焦点位置の変動は、Ｘ線検査装置において検査精度を落とす要因となるので、検査精度を確保しようとすると、ターゲット支持体１２２の温度が安定し膨張がおさまるまで待たなければならないという問題点があった。

本発明者は、陽極ターゲット２１上での焦点位置の変動を小さくすることができるＸ線管について検討した。ターゲット支持体を構成する材料として、導電性および熱伝導性のよい銅が挙げられるが、上述した通り銅の熱膨張係数は大きい。そこで、熱膨張係数が小さい様々な材料を検討した結果、熱伝導性が銅の１／３（熱伝導率：１３０Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、熱膨張係数が銅の１／４（５×１０^−６／℃）であって、導電性と高温での安定性とに優れたカーボン（グラファイト（等方性黒鉛））を用いることを見出した。

すなわち、本発明のＸ線管は、出射窓が形成されているガラス製の筐体と、前記筐体の内部に配置され、電子ビームを放射するカソードと、前記筐体の内部に一端面が配置されるとともに前記筐体の外部に他端面が配置されるターゲット支持体と、前記ターゲット支持体の一端面に設けられた陽極ターゲットとを備え、前記カソードから放射される電子ビームを前記陽極ターゲットで受容して、前記陽極ターゲットで発生したＸ線を筐体の出射窓から出射するＸ線管であって、前記ターゲット支持体は、カーボン製の第一支持体と、銅製の第二支持体とを有し、前記第一支持体は、前記筐体の内部に配置されるとともに、前記第二支持体の全部は、前記筐体の外部に配置されるようにしている。

以上のように、本発明のＸ線管によれば、ターゲット支持体の大部分にカーボンを用いているので、電子ビームの照射開始直後でもターゲット支持体の温度変化による伸び縮みが小さく陽極ターゲットの位置の変動を小さくすることができるため、電子ビームの照射後すぐに精度の高いＸ線検査を実現することができる。特にＸ線のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すＸ線検査装置において有用である。なお、Ｘ線のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す理由は、フィラメント寿命や内部真空度劣化等による寿命を考慮し、極力長く使用することができるようにするためである。
また、カーボン（グラファイト（等方性黒鉛））は比較的安価であるので、コストパフォーマンスを高めることができる。さらに、グラファイト（等方性黒鉛）には、細かい孔があり、使用時にはこの細かい孔中にフィラメントや陽極ターゲット等から蒸発したガスが吸着されるので、筐体の内部の真空度を長く保つことができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記陽極ターゲットは、タングステンで形成されており、前記第一支持体の一端面と前記陽極ターゲットとの間には、銅層又はレニウム層が形成されているようにしてもよい。
本発明のＸ線管によれば、タングステンとカーボンとの反応によるタングステンカーバイドの生成が防止される。このため、タングステンカーバイドが生成されることによる熱的・機械的な耐衝撃性の低下を防止することができる。

さらに、上記の発明において、前記第一支持体の他端部は前記第二支持体の一端部内にはめ込まれて接合されるか、或いは、前記第二支持体の一端部は前記第一支持体の他端部内にはめ込まれて接合されており、前記第二支持体の外周面と前記筐体の他端面とは、ろう付けにより接合されているようにしてもよい。

実施形態に係るＸ線管の一例を示す断面図。一般的なＸ線管の構成を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、実施形態に係るＸ線管の一例を示す断面図である。なお、Ｘ線管１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
Ｘ線管１は、陽極ターゲット２１と電子銃１０とを内部に有する円筒形状のガラス管（筐体）３１を備える。

ターゲット支持体２２は、加熱処理されたカーボン（グラファイト（等方性黒鉛））製の第一支持体２３と、銅製の第二支持体２４とを有する。第一支持体２３は、直径ｒ、長さｌ_１の円柱形状をしており、他端面に中心軸方向で突出する直径ｒ’’（＜ｒ）、長さｌ’’ （＜ｌ_２）の円柱形状の凸部２３ａが形成されている。第二支持体２４は、直径ｒ、長さｌ_２の円柱形状をしており、一端面に中心軸方向で凹んだ直径ｒ’’、長さｌ’’の円柱形状の凹部２４ａが形成されている。凸部２３ａと凹部２４ａとは同じ形状をしており、例えば凸部２３ａの外周面と凹部２４ａの内周面とにネジが設けられていると、凹部２４ａ内に凸部２３ａがネジ機構で嵌められることで、第一支持体２３と第二支持体２４とは一体化される。

上記第一支持体および第二支持体の直径ｒとしては、上述したようにカーボン（グラファイト（等方性黒鉛））の熱伝導性（熱伝導率：１３０Ｗ／ｍ・Ｋ）は、銅の１／３になるので、従来のターゲット支持体１２２の直径ｒ’よりも１．７倍程度にすることが好ましい。
これにより、第一支持体２３と第二支持体２４とは、電気的・熱的に導通し、機械的に充分強固な接合をされることになる。

そして、このようなターゲット支持体２２は、一端面がＸ線出射窓３１ａと対向する位置に配置されるとともに、他端面がガラス管３１の他端面を突き抜けるように配置される。このとき、第一支持体２３は、ガラス管３１の内部に配置されるとともに、第二支持体２４は、ガラス管３１の外部に配置される。また、第二支持体２４の外周面とガラス管３１の他端面とは、コバール等のろう付けにより接合される。
なお、ターゲット支持体２２の一端面は、電子銃１０からの電子が陽極ターゲット２１に向かう軌道（ガラス管３１の中心軸）に垂直な面に対して例えば２５°傾けて形成されている。また、Ｘ線出射窓３１ａはガラス管３１の側面部に設けられている。

また、ターゲット支持体２２の先端（一端面）には、銅又はレニウムで形成される保護層２５が設けられている。これにより、保護層２５は、第一支持体２３と陽極ターゲット２１との反応を防止する。上記保護層２５の厚さは、０．５μｍ以下であることが好ましい。

さらに、保護層２５上には、陽極ターゲット２１が設けられている。その結果、陽極ターゲット２１も２５°傾けて配置される。このように陽極ターゲット２１が傾けて配置されているので、発生したＸ線の多くはＸ線出射窓３１ａに到達し、Ｘ線出射窓３１ａから外部に出射されるようになっている。上記の陽極ターゲットの材質としては、Ｘ線発生効率が高く、耐熱性に優れる点から、タングステン等が挙げられる。また、上記陽極ターゲットの厚さは、５μｍ以下であることが好ましい。なお、陽極ターゲットの厚さは、使用する管電圧、希望するＸ線の焦点径、Ｘ線量により決定され、例えば管電圧が１００ｋＶの場合、数百ｎｍ〜数μｍの範囲となる。

電子銃１０は、フィラメント１１と、モリブデン（Ｍｏ）製のグリッド電極１３と、フォーカス電極１４とで構成されている。フィラメント１１はヒータ電極と電子放射体の組み合わせでもよい。Ｘ線管におけるこのような電子を放出する部材は一般的にカソード（陰極）と呼ばれ、本発明において、カソードはどのような形式のものであってもよい。
そして、Ｘ線管１を使用する際には、ターゲット支持体２２の他端部は、高圧電源（図示せず）と電気的に接続されるとともに、電子銃１０は、低圧電源（図示せず）と電気的に接続される。

ここで、Ｘ線管１を作製する作製方法について説明する。
まず、カーボン（グラファイト（等方性黒鉛））製の第一支持体２３を加熱処理する。これにより、グラファイト（等方性黒鉛）には細かい孔があるので、使用時にはこの細かい孔中にフィラメント１１や陽極ターゲット２１等から蒸発したガスが吸着され、ガラス管３１の内部の真空度をより長く保つことができるようになる。次に、凹部２４ａ内に凸部２３ａをはめ込むことで、第一支持体２３と第二支持体２４とを一体化する。

次に、ターゲット支持体２２の一端面に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法等により保護層２５を成膜し、さらに保護層２５上に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、蒸着法等により陽極ターゲット２１を成膜する。
次に、ターゲット支持体２２の一端面がＸ線出射窓３１ａと対向する位置に配置されるとともに、ターゲット支持体２２の他端面がガラス管３１の他端面を突き抜けるように、ターゲット支持体２２を配置して、第二支持体２４の外周面とガラス管３１の他端面とを、コバール等のろう付けにより接合する。その結果、Ｘ線管１が得られる。

このようなＸ線管１によれば、Ｘ線管１を使用する際には、フィラメント１１が加熱されると、フィラメント１１の表面から電子が放出され、放出された電子は、グリッド電極１３で電子流の量が制御され、フォーカス電極１４で集束されて、電子ビームとして正の高電圧が印加された陽極ターゲット２１上の１μ〜２００μｍの寸法の微小領域（焦点位置）に衝突する。衝突により、陽極ターゲット２１中で電子ビームはＸ線と熱とに変換され、発生したＸ線はＸ線出射窓３１ａから外部に出射され、発生した熱はターゲット支持体２２に伝わりターゲット支持体２２の他端部から外部に排出される。

以上のように、本発明のＸ線管１によれば、ターゲット支持体２２の大部分としてカーボンを用いているので、電子ビーム照射のし始めにターゲット支持体２２の温度が変動してもターゲット支持体２２の熱膨張率は小さく、陽極ターゲット２１の伸び縮みによる陽極ターゲット２１の位置の変動を小さくすることができるため、電子ビーム照射してすぐ精度の高いＸ線検査を実現することができる。
また、カーボン（グラファイト（等方性黒鉛））は比較的安価であるので、コストパフォーマンスをよくすることができる。さらに、グラファイト（等方性黒鉛）には、細かい孔があり、使用時にはこの細かい孔中にフィラメント１１や陽極ターゲット２１等から蒸発したガスが吸着されるので、ガラス管３１の内部の真空度を長く保つことができる。

＜他の実施形態＞
上述したＸ線管１では、第一支持体２３の他端部は第二支持体２４の一端部内にはめ込まれて接合されるような構成を示したが、第二支持体２４の一端部は第一支持体２３の他端部内にはめ込まれて接合されるような構成としてもよい。

本発明は、微小焦点径のＸ線を発する陽極ターゲットを用いたＸ線管等に利用することができる。

１Ｘ線管
１１フィラメント（カソード）
２１陽極ターゲット
２２ターゲット支持体
２３第一支持体
２４第二支持体
３１ガラス管（筐体）
３１ａ出射窓

Claims

出射窓が形成されているガラス製の筐体と、
前記筐体の内部に配置され、電子ビームを放射するカソードと、
前記筐体の内部に一端面が配置されるとともに前記筐体の外部に他端面が配置されるターゲット支持体と、
前記ターゲット支持体の一端面に設けられた陽極ターゲットとを備え、
前記カソードから放射される電子ビームを前記陽極ターゲットで受容して、前記陽極ターゲットで発生したＸ線を筐体の出射窓から出射するＸ線管であって、
前記ターゲット支持体は、カーボン製の第一支持体と、銅製の第二支持体とを有し、
前記第一支持体は、前記筐体の内部に配置されるとともに、
前記第二支持体の全部は、前記筐体の外部に配置されることを特徴とするＸ線管。
前記陽極ターゲットは、タングステンで形成されており、
前記第一支持体の一端面と前記陽極ターゲットとの間には、銅層又はレニウム層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
前記第一支持体の他端部は前記第二支持体の一端部内にはめ込まれて接合されるか、或いは、前記第二支持体の一端部は前記第一支持体の他端部内にはめ込まれて接合されており、
前記第二支持体の外周面と前記筐体の他端面とは、ろう付けにより接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線管。