JP6185493B2

JP6185493B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP6185493B2
Application number: JP2015006972A
Authority: JP
Inventors: 雄一小暮; 佐藤　義孝; 義孝佐藤; 典正小杉; 直樹奥村; 秋臣鵜嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Futaba Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Futaba Corp
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: JP2016134249A

Description

本発明は、高真空状態とされたパッケージ内部で電子源から電子を放出させてＸ線ターゲットに衝突させ、Ｘ線ターゲットから放出されたＸ線をパッケージのＸ線透過窓から外部に放射するＸ線管に関するものである。

従来から販売されているＸ線管は、Ｘ線透過窓としてベリリウムを使用している。しかし、ベリリウムはＸ線透過特性に優れているものの、酸化した場合に毒性を生じることがあるため扱いが非常に難しく、メンテナンス面での負担が大きいという問題があった。そこで、本願発明者等は、下記特許文献１に開示されるようにＸ線透過窓としてチタン（Ｔｉ）を用いたＸ線管を新たに開発した。

下記特許文献１に開示されるＸ線管は、ハニカム構造の開口部が形成された４２６合金からなる２枚の第１基板，第２基板と、第１基板と第２基板に挟まれて開口部を閉止するチタン箔製のＸ線透過窓とからなる基板と、前記基板に取り付けられて内部が高真空状態とされた箱型の容器部と、容器部の内部で前記第１基板の開口部に設けられたＸ線ターゲットと、容器部内に設けられてＸ線ターゲットに電子を供給する陰極を備えている。

特開２０１３―１８２８６９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるＸ線管のＸ線強度は、Ｘ線透過窓にベリリウムを使用したＸ線管のＸ線強度に満たないため、特許文献１の構成においてＸ線強度をより高めたＸ線管の開発が望まれている。

そこで、本願発明者等は、特許文献１のＸ線管のＸ線強度を高めて更なる品質向上を図るべく鋭意研究を行う最中、Ｘ線管のＸ線強度を上げるためには、「定格ターゲット電圧（管電圧）を昇圧すること」及び「Ｘ線透過窓に使用するチタン箔を従来装置よりも薄くすること」でＸ線強度が高まることを知得したが、同時にこれら２つの条件を満たすＸ線管を製造するにあたり、新たな課題も発見された。

すなわち、図７に示すように、チタンのＸ線吸収端が５ｋＶ付近にあり、５ｋＶで極端にＸ線透過率が低下するため、現状の管電圧である５ｋＶから約２倍となる９．８ｋＶまで単純に上げたとしても、図７に示すように従来のチタン箔の厚さ（１０μｍ）ではＸ線吸収端によって低下したＸ線透過率を賄うだけの強度が得られない。

そこで、管電圧を上げつつチタン箔の箔厚を薄くすることで、図７に示すようにＸ線透過率が向上することを確認しているが、より薄くなるようにチタン箔をローラーで圧延していくと、鋳造段階で混入したゴミによって圧延処理中にピンホールが発生するという問題がある。これは、チタンの箔厚を薄くするに連れてピンホールの発生リスクが高まり、単純にチタン箔を薄くすることでＸ線透過率は向上するが、ピンホールによる真空リークによりＸ線管の製造が困難になるという問題が発生した。

さらに、ピンホールの問題を解決するため、樹脂材料を蒸着させる方法（例えば特許第３２９４４４０号）を採用してチタン箔に発生したピンホールを覆うことも考えられるが、樹脂材料は金属に対して５桁以上、気体透過性が高く、真空気密容器であるＸ線管では気密性の観点からすると気体透過性の高い樹脂材料を使うことができない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、Ｘ線透過窓としてチタン箔を使用してピンホールの発生リスクを極力抑えつつ、従来の箔厚よりも薄くしてＸ線透過率を向上させることのできるＸ線管を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたＸ線管は、開口部が形成された金属材料からなるＸ線不透過性の第１基板及び第２基板と、前記開口部を閉止するチタン箔からなるＸ線透過窓とを有し、前記第１基板と前記第２基板の間に前記Ｘ線透過窓を挟んで加熱しながら圧着することにより、前記第１基板と前記第２基板と前記Ｘ線透過窓とが熱拡散接合されて形成される基板と、
前記基板に取り付けられて内部が真空状態とされた箱型の容器部と、
前記容器部の内部において内側にある前記基板の前記開口部に設けられるＸ線ターゲットと、
前記容器部の内部に設けられ前記基板の開口部に対応して延在する線状の陰極及び前記陰極と前記Ｘ線ターゲットとの間に設けられ前記陰極の長手方向に対応する開口を有する複数の制御電極を有し、前記陰極から放出された電子を前記複数の制御電極によって引き出して前記Ｘ線ターゲットに電子を供給する電極部と、
を備えるＸ線管において、
前記Ｘ線透過窓は、前記Ｘ線透過窓は、前記チタン箔を複数枚積層させた状態で熱拡散接合したチタン単層であり、その箔厚が１０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、Ｘ線透過窓の厚さが１０μｍ以下となるように所定厚さのチタン箔を複数枚積層して熱拡散接合によりチタン単層とした構成であるため、薄く圧延されたチタン箔に生じたピンホールを他のチタン箔で覆うことができ、Ｘ線強度を向上させつつ、真空リークによる不良が生じることのないＸ線管を提供することができる。

本発明の実施形態の断面図である。本発明の実施形態の平面図である。本発明の実施形態における電極構造を示す分解拡散斜視図である。従来のＸ線管（チタン箔１０μｍ、５ｋＶ）と本発明のＸ線管（チタン箔４μｍ又は６μｍ、共に９．８ｋＶ）とのＸ線強度の比較結果を示すグラフである。従来のＸ線管（チタン箔１０μｍ、５ｋＶ）と本発明のＸ線管（チタン箔４μｍ又は６μｍ、共に９．８ｋＶ）との除電速度の比較結果を示すグラフである。従来のＸ線管（チタン箔１０μｍ、９．８ｋＶ）と本発明のＸ線管（チタン箔４μｍ又は６μｍ、共に９．８ｋＶ）との性能比を示すグラフである。チタン箔の箔厚に対するＸ線透過率を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。また、この実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者等により考え得る実施可能な他の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれるものとする。

［１．Ｘ線管の構成について］
＜１−１. 管構造について＞
まず、本発明のＸ線管１の構成について説明する。
図１に示すように、本例のＸ線管１は、箱型形状のパッケージ２を本体とする平型管である。パッケージ２は、シールガラス（鉛ガラス）を介在させてガラス製（例えば、ソーダライムガラス）の背面板３ａと枠状の側面板３ｂとを箱型に組み立てた容器部３を大気焼成によってドライシール化し、さらに側面板３ｂの開放側周縁部にシールガラスを形成した状態で第１基板４ａと第２基板４ｂとでチタン箔のＸ線透過窓５を挟んだ構成の基板４を取り付けて閉止される。また、パッケージ２の内部は、背面板３ａに形成した不図示の排気孔から高真空状態に排気されている。

基板４は、Ｘ線不透過性の４２６合金でできた矩形板である。４２６合金とは４２％Ｎｉ、６％Ｃｒ、残部Ｆｅ等の合金であり、容器部３を構成するソーダライムガラスと熱膨張係数が略等しい。なお、容器部３に使用するガラスの材質によって、基板４の金属材料も熱膨張率等を鑑みて適宜変更することができる。

また、図２に示すように、第１基板４ａと第２基板４ｂの中央には、長手方向に沿って細長い矩形状（又はスリット状）の開口部６が形成されている。

Ｘ線透過窓５は、第１基板４ａ及び第２基板４ｂと略同等の大きさのチタン箔であり、このチタン箔を第１基板４ａ，第２基板４ｂの間に挟んだ状態で、真空又は不活性ガス（例えば、Ａｒガス）雰囲気中で熱拡散接合によって一体化されることで開口部６が閉止された基板４を構成している。

熱拡散接合とは、母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で塑性変形が可能な限り生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を使用して接合する方法である。そして、熱拡散接合を用いた方法では、第１基板４ａと第２基板４ｂの他の部分でもチタン箔が固着剤の作用をし、第１基板４ａと第２基板４ｂが強固に固着し、基板４の強度を向上させる効果がある。また、基板４を金属材料としているので、金属箔からなるＸ線透過窓５との接合性が良好である。なお、Ｘ線透過窓５は、熱拡散接合によって第１基板４ａと第２基板４ｂと接合し、且つ、Ｘ線を透過する金属材料であればチタンに限定されない。

また、Ｘ線透過窓５の内面には、前記開口部６の内側からＸ線透過窓５の内面に密着するように、タングステン（Ｗ）の膜が蒸着されることによりＸ線ターゲット７が形成されている。なお、Ｘ線ターゲット７としては、モリブデンなどのタングステン以外の金属を用いても良い。また、Ｘ線ターゲット７を形成せず、Ｘ線透過窓５のチタン箔をＸ線ターゲットとして利用することもできる。この場合、後述する陰極９から放出された電子がチタン箔に衝突した際にチタンから発生する特性Ｘ線を利用して外部に放出することができる。

さらに、図１では、説明の都合上、第１基板４ａとＸ線透過窓５との間の接合面、第２基板４ｂとＸ線透過窓５との間の接合面が図示されているが、製品として完成したときは熱拡散接合により各接合面は消失することになる。

また、Ｘ線透過窓５の材質はチタンに限定されず、従来装置のベリリウムを使用せず、所望のＸ線強度が得られる金属材料であればよい。

そして、本発明のＸ線管１は、Ｘ線透過窓５に用いるチタン箔を従来装置よりも薄くしつつ、箔厚を薄くすることで発生するピンホールのリスクを回避しながらＸ線透過窓５のＸ線透過率を向上させるため、チタン箔の目標厚さを決め、この目標厚さとなるように薄く圧延したチタン箔を複数枚積層している。つまり、従来装置のチタン箔の箔厚が１０μｍとすると、これよりも薄い箔厚（例えば６μｍ）を目標厚さとし、この目標厚さとなるように例えば箔厚が３μｍのチタン箔を２枚積層して６μｍとしてＸ線透過窓５を構成している。

チタン箔は、〔発明が解決しようとする課題〕の項でも述べたように圧延して薄くすればするほどピンホールの発生リスクが高まってしまう。しかしながら、本例のように、薄く圧延したチタン箔を複数枚重ねることにより、仮に積層する全てのチタン箔にピンホールが発生していたとしても全てのピンホールの位置が一致する可能性は極めて低いため、複数枚のチタン箔を積層することで他のチタン箔によってピンホールが覆われることになる。

そして、ピンホールを覆うように積層した状態で熱拡散接合を行えば、各箔の接合面間の空隙が消失し、ついには界面が消失してチタン箔同士が接合される。従って、薄いチタン箔単体をＸ線透過窓５として使用するよりも、格段にピンホールの発生リスクを抑制する効果を奏する。

なお、チタン箔の目標厚さとするため、チタン箔の箔厚を適宜組み合わせることができる。例えば、チタン箔の目標厚さを４μｍとし、チタン箔の圧延限界厚さを１μｍとした場合、１μｍ厚のチタン箔を４枚積層した構成、２μｍ厚のチタン箔を２枚積層した構成、２μｍ厚のチタン箔１枚と１μｍ厚のチタン箔を２枚の合計３枚を積層した構成等が考え得るが、これらの組合せは実験等によって最適な組合せを検討して適宜選択すればよい。

＜１−２．電極構成について＞
次に、Ｘ線管１のパッケージ２内部における電極構成について説明する。
図１及び図３に示すように、パッケージ２の内部には、Ｘ線透過窓５と反対側の容器部３の内面に、ガラスへの帯電を防止するための背面電極８が設けられている。

背面電極８の下方には、電子源である線状の陰極９が張設されている。陰極９は、タングステン等からなるワイヤー上の芯線の表面に炭酸塩を施したもので、芯線を通電加熱することで、熱電子を放出するものである。

陰極９の下方には、陰極９から電子を引き出すためのメッシュ状の開口１０ａを有する第１制御電極１０が設けられている。また、第１制御電極１０の下方には、電子線の照射範囲を規制する第２制御電極１１が設けられている。

第２制御電極１１は、周囲の四方を板体に囲まれた箱型の電極部材であり、線状の陰極８と対応する部分に細長いスリットの開口１１ａを有し、且つ開口１１ａにメッシュ１１ｂが形成されている。

第２制御電極１１の開口１１ａ及びメッシュ１１ｂは、前述した第１基板４ａの開口部６及びその近傍に設けられたＸ線ターゲットとしても機能するチタン箔のＸ線透過窓５に対応しており、陰極９から放出された電子が第２制御電極１１から放射される範囲を規制し、第１基板４ａ側のＸ線透過窓５やその近傍に電子を当てることによって、効率的にＸ線を発生させてパッケージ２外に取り出せるように構成されている。また、第２制御電極１１とＸ線透過窓５の距離も、Ｘ線ターゲットとしても機能するＸ線透過窓５に対し、電子が適切な状態で衝突するために適した値に設定されている。

そして、背面電極８、陰極９、第１制御電極１０、第２制御電極１１によって電極部１２を構成している。

このような電極構成により、陰極８は、周囲が所定の電位が印加された電極で囲われるので、容器部３内面の帯電の影響を受けることなく、陰極８周囲の電位を安定させることができる。

また、第２制御電極１１には、第１制御電極１０によって引き出された電子がＸ線透過窓５以外の場所、例えばパッケージ２の内壁等に衝突し、Ｘ線ターゲットとしても機能するＸ線透過窓５（アノード）と陰極９との絶縁性を悪化させることがないように、陰極９側を遮蔽する機能も有している。

なお、背面電極８は、容器部３と線状の陰極９との距離が十分保たれていれば、容器部３への電子の帯電の影響が少なく不要である。また、制御電極は、第１制御電極１０、第２制御電極１１に加えて、線状の陰極９からＸ線透過窓５までの距離、管電圧、或いはＸ線透過窓５から取り出すＸ線の集束度合いに応じて追加しても良い。

さらに、第１制御電極１０並びに第２制御電極１１は、基板４と同様、容器部３の熱膨張係数をほぼ等しくするために、４２６合金を使用することが望ましい。

そして、上述した構成を備えたＸ線管１を用いて空気等にＸ線を照射してイオン化し、このイオンを帯電した被除電体（Ｘ線照射対象物）に放射することで、被除電体の除電処理を行うことができる。

［２．性能評価について］
次に、上述した構成を備えるＸ線管１の性能評価について説明する。
なお、下記工程は本発明を限定するものではなく、前・後記の趣旨に照らし合わせて適宜設計変更することは何れも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

図４は、従来装置のＸ線管と本実施例のＸ線管１とのＸ線強度の比較である。上述した製造方法に沿って作製したＸ線管１におけるチタン箔の箔厚に応じたＸ線強度を従来装置（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）と比較したグラフである。なお、実験条件は、電流を１５０μＡ定格とし、Ｘ線管１とＸ線照射対象物との間の距離（測定距離）を３０ｃｍとした。

図示の通り、従来装置のＸ線管（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）を「１」とすると、同じく従来装置のＸ線管（管電圧９．８ｋＶ、箔厚１０μｍ）はＸ線強度が約２５倍程度高まることが確認された。これは、管電圧を約２倍に上げたことでＸ線強度が高まることを証明している。

また、従来のＸ線管（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）と本実施例のＸ線管１（管電圧９．８ｋＶ、箔厚６μｍ又は管電圧９．８ｋＶ、箔厚４μｍ）とを比較すると、Ｘ線強度がそれぞれ約３４倍、約３６倍となった。これは、管電圧を約２倍にしたことに加えて、Ｘ線透過窓５の箔厚を従来装置よりも薄くしたことで得られた効果である。また、箔厚が薄くなるに連れてＸ線強度が高まることも確認できた。

図５は、従来装置のＸ線管と本実施例のＸ線管１との除電速度の比較例である。本実施例のＸ線管１におけるチタン箔の箔厚に応じた除電速度を従来装置（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）と比較したグラフである。なお、実験条件は、電流を１５０μＡ定格とし、Ｘ線管１と被除電体との間の距離（測定距離）を３０ｃｍとした。

図示の通り、従来装置のＸ線管（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）を「１」とすると、同じく従来装置のＸ線管（管電圧９．８ｋＶ、箔厚１０μｍ）は除電速度が約５．７倍程度高まることが確認された。これは、管電圧を約２倍に上げたことでＸ線強度が高まったため除電速度が向上したことを示している。

また、従来のＸ線管（管電圧５ｋＶ、箔厚１０μｍ）と本実施例のＸ線管１（管電圧９．８ｋＶ、箔厚６μｍ又は管電圧９．８ｋＶ、箔厚４μｍ）とを比較すると、それぞれ約６．５倍、約７．３倍となった。これは、管電圧を約２倍にしたことに加えて、箔厚を従来装置よりも薄くしたことでＸ線強度が高まったために得られた効果である。また、箔厚が薄くなるに連れて除電速度が高まることも確認できた。

図６は、従来装置のＸ線管と本実施例のＸ線管１とのＸ線強度及び除電速度の比較例である。本実施例のＸ線管１におけるチタン箔の箔厚に応じたＸ線強度と除電速度を従来装置（管電圧９．８ｋＶ、箔厚１０μｍ）と比較したグラフである。なお、実験条件は、実施例１、２の条件と同様であり、またグラフ中の点線は、各データの回帰直線である。

図示の通り、従来のＸ線管（管電圧９．８ｋＶ、箔厚１０μｍ）と本実施例のＸ線管１（管電圧９．８ｋＶ、箔厚６μｍ又は管電圧９．８ｋＶ、箔厚４μｍ）とを比較すると、Ｘ線強度はそれぞれ約１．３５倍、約１．４２倍となり、除電速度はそれぞれ約１．１５倍、約１．２７倍となった。これは、Ｘ線透過窓５の箔厚が薄くなるに連れてＸ線強度が向上することを証明している。

なお、上述した性能評価では、チタン箔の箔厚が２μｍのものを２枚重ねてＸ線透過窓５の箔厚を４μｍにしたものが最も薄い実施例となっているが、Ｘ線管１の容器内を真空にした状態で耐え得る厚さであればよい。従って、チタン箔の箔厚を１μｍにし、それを２枚重ねてＸ線透過窓５の箔厚を２μｍにすれば、４μｍや６μｍのＸ線透過窓５に比べて更なるＸ線強度の向上や除電速度の向上が見込めることは容易に推察できる。

以上説明したように、上述したＸ線管１は、従来装置のＸ線透過窓５の厚さより薄い目標厚さを決め、この目標厚さとなるように所定厚さに圧延した金属材料であるチタン箔を複数枚積層してＸ線透過窓５を構成している。

これにより、従来装置よりもＸ線透過窓５の厚さを薄くすることができ、且つ窓部分を複数枚で構成することにより薄く圧延されたチタン箔に生じたピンホールを他のチタン箔で覆うことができるため、Ｘ線強度を向上させつつ、真空リークによる不良が生じることのないＸ線管１を提供することができる。

１…Ｘ線管
２…パッケージ
３…容器部
４…基板（４ａ…第１基板、４ｂ…第２基板）
５…Ｘ線透過窓
６…開口部
７…Ｘ線ターゲット
１２…電極部

Claims

開口部が形成された金属材料からなるＸ線不透過性の第１基板及び第２基板と、前記開口部を閉止するチタン箔からなるＸ線透過窓とを有し、前記第１基板と前記第２基板の間に前記Ｘ線透過窓を挟んで加熱しながら圧着することにより、前記第１基板と前記第２基板と前記Ｘ線透過窓とが熱拡散接合されて形成される基板と、
前記基板に取り付けられて内部が真空状態とされた箱型の容器部と、
前記容器部の内部において内側にある前記基板の前記開口部に設けられるＸ線ターゲットと、
前記容器部の内部に設けられ前記基板の開口部に対応して延在する線状の陰極及び前記陰極と前記Ｘ線ターゲットとの間に設けられ前記陰極の長手方向に対応する開口を有する複数の制御電極を有し、前記陰極から放出された電子を前記複数の制御電極によって引き出して前記Ｘ線ターゲットに電子を供給する電極部と、
を備えるＸ線管において、
前記Ｘ線透過窓は、前記チタン箔を複数枚積層させた状態で熱拡散接合したチタン単層であり、その箔厚が１０μｍ以下であることを特徴とするＸ線管。