JP6185494B2

JP6185494B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP6185494B2
Application number: JP2015006973A
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: JP2016134250A

Description

本発明は、高真空状態とされたパッケージの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品よりも薄くすること」でＸ線強度が高まることを発見したが、同時にこれら２つの条件を満たすように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９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、図示の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９に示すようにＸ線透過率が向上することが確認されている。

しかしながら、チタン箔の厚さを現状（１０μｍ）よりも薄くすると、熱拡散接合を行って基板と接合する際に、純粋なチタンが消失し、硬く脆い拡散層のため、機械的強度不足となり真空リークによる歩留りが低下するとともに、製品としての信頼性が低下するという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、チタンからなるＸ線透過窓のＸ線透過強度を向上させつつ、機械的強度を確保して歩留りを高水準で安定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箔厚１０μｍ未満のチタンからなる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高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、
前記基板は、少なくとも前記第１基板と前記Ｘ線透過窓との間又は前記第２基板と前記Ｘ線透過窓との間における前記開口部以外の接合面に接合補助材としてチタンを介在させ、この状態で熱拡散接合されて形成されることを特徴とする。

本発明によれば、Ｘ線透過窓の厚さを１０μｍ以下に薄くしたとしても、接合補助材としてチタンを介在させることで第１基板と第２基板との間に純粋なチタン層が存在する状態で基板が熱拡散接合されるため、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機械的強度の高い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斜視図である。（ａ）は接合補助材を介在させた状態の基板の平面図であり、（ｂ）は接合補助材を介在させた基板の分解斜視図である。接合補助材の他の配置形態を示す図である。Ｘ線透過窓のチタン箔を４μｍとして接合補助材を介在させない状態で熱拡散接合を行ったときの断面分析結果を示すグラフである。Ｘ線透過窓のチタン箔を４μｍとして３μｍの接合補助材を２枚介在させた状態で熱拡散接合を行ったときの断面分析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として作用し、第１基板４ａと第２基板４ｂが強固に固着して基板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１０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。

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のＸ線透過率を向上させるためにＸ線透過窓５に用いるチタン箔を従来品よりも薄くしたときに第１基板４ａとチタン箔との間及び第２基板４ｂとチタン箔との間の接合強度を高めるため、少なくとも第１基板４ａとＸ線透過窓５との間又は第２基板４ｂとＸ線透過窓５の間における開口部６以外の接合面に所定厚さの接合補助材８を介在させた状態で熱拡散接合を行っている。

接合補助材８は、例えばＸ線透過窓５と同種金属であるチタンのような接合対象となる基板４同士を熱拡散接合による接合を補助するための金属製材料である。なお、接合補助材８は、各基板４ａ、４ｂを熱拡散接合させる際の接合補助を行って強固な接合状態を実現できる金属製材料であればよいため、その成分や種類は接合対象となる基板４の材質に応じて適宜選択すればよい。

本形態では、図４（ａ）又は図４（ｂ）に示すように、Ｘ線透過窓５のＸ線透過率を向上させるために薄く圧延されたＸ線透過窓５となるチタン箔と第１基板４ａとの間及びチタン箔と第２基板４ｂとの間にそれぞれ介在している。

また、接合補助材８の厚さとしては、例えば接合補助材８としてＸ線透過窓５と同種金属であるチタンを用いた場合、少なくとも第１基板４ａと、Ｘ線透過窓５となるチタン箔と、第２基板４ｂとがそれぞれ熱拡散接合を経て純粋なチタン層が存在する状態で確実に接合する厚さであれば特に限定されない。そのため、例えば従来装置のＸ線透過窓の厚さ（１０μｍ）を満たすように、Ｘ線透過窓５の厚さに応じて適宜接合補助材８の厚さを規定すればよい。

なお、図１では、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との間の接合面及び接合補助材８と各部材と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、図４（ｂ）では、第１基板４ａとＸ線透過窓５との間又は第２基板４ｂとＸ線透過窓５の間にそれぞれ接合補助材８を介在させているが、上記のように少なくとも第１基板４ａとＸ線透過窓５との間又は第２基板４ｂとＸ線透過窓５の間に接合補助材８を介在させればよい。

さらに、接合補助材８は、例えば図４（ｂ）に示すような箔形状のものをＸ線透過窓５となるチタン箔を中心として第１基板４ａとの間及び第２基板４ｂとの間にそれぞれ介在させる構成の他、例えば第１基板４ａ又は第２基板４ｂにチタン箔を蒸着膜やスパッタ膜、若しくはめっき膜等により形成しても同等の効果を奏することができる。

また、接合補助材８は、第１基板４ａ及び第２基板４ｂとＸ線透過窓５とが適切に接合されればよいため、図４に示すように第１基板４ａ及び第２基板４ｂの開口部６を除くほぼ全領域に介在させなくてもよい。

接合補助材８の他の実施例としては、例えば図５に示すように第１基板４ａと第２基板４ｂの外周縁端部及び開口部６の外周縁端部に沿って帯状に配置させる方法等が考えられる。つまり、本例のＸ線管１における接合補助材８の配置方法としては、図４や図５に示すように、Ｘ線透過窓５と第１基板４ａ及び第２基板４ｂとの接合が十分補助され、且つ気体の流路を阻害するように配設してあればよい。これにより、Ｘ線管１として機能するために必要な気密性と機械的強度を確保することができる。

＜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９が設けられている。

背面電極９の下方には、電子源である線状の陰極１０が張設されている。陰極１０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１０の下方には、陰極１０から電子を引き出すためのメッシュ状の開口１１ａを有する第１制御電極１１が設けられている。また、第１制御電極１１の下方には、電子線の照射範囲を規制する第２制御電極１２が設けられている。

第２制御電極１２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１２ａを有し、且つ開口１２ａにメッシュ１２ｂが形成されている。

第２制御電極１２の開口１２ａ及びメッシュ１２ｂ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１０から放出された電子が第２制御電極１２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１２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９、陰極１０、第１制御電極１１、第２制御電極１２によって電極部１３を構成している。

このような電極構成により、陰極１０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１０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１２には、第１制御電極１１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１０との絶縁性を悪化させることがないように、陰極１０側を遮蔽する機能も有している。

なお、背面電極９は、容器部３と線状の陰極１０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１１、第２制御電極１２に加えて、線状の陰極１０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１１並びに第２制御電極１２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。

まず、本実施例のＸ線管１において、Ｘ線透過窓５となるチタン箔の箔厚の違いと接合補助材８の有無による接合部分断面を分析した。また、接合補助材８として、Ｘ線透過窓５と同種金属であるチタンを採用した。

チタン箔が４μｍで接合補助材８を介在させない状態で熱拡散接合により基板４を作製すると、図６に示すように基板間における熱拡散接合部分において純粋なチタン層が消失し硬く脆い拡散層のみとなっていることが確認された。基板４の断面にて、中央部にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒが存在する拡散層（脆いチタン層）が存在すると、接合不良が発生しやすく、それが原因で真空リークが起こってＸ線管１の作製が困難となる。

しかしながら、チタン箔が４μｍで、厚さ３μｍの接合補助材８を第１基板４ａとの間及び第２基板４ｂとの間にそれぞれ介在させて熱拡散接合し、基板４を作製すると、図７に示すように拡散層の間に純粋なチタン層が残っていることが確認できた。このように、拡散層の間に純粋なチタン層が確認できる状態であれば、接合補助材８が機能して十分な接合強度が得られる。このような状態であれば、接合強度は十分に保たれ、真空リークを起こすことなく良好なＸ線管１を作製することができる。

次に、本実施例のＸ線管１と従来のＸ線管とのＸ線強度及び除電速度を比較した。図８は、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、Ｘ線強度の比較では電流が１５０μＡ定格で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、除電速度の比較では電流が１５０μＡ定格で被除電体との間の距離（測定距離）を３０ｃｍとした。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、除電速度共に向上することが証明されたことになる。

なお、上述した比較例では、チタン箔の箔厚が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や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よりも薄いチタン箔でＸ線透過窓５を作製する際に、少なくとも第１基板４ａと第２基板４ｂの重なる部分に薄くしたチタン箔を補うように接合補助材８を介在させた状態で熱拡散接合させて基板４を作製している。

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、且つ第１基板４ａと第２基板４ｂとの間で確実に熱拡散接合することができるため、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
８…接合補助材
１３…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箔厚１０μｍ未満のチタンからなる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高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、
前記基板は、少なくとも前記第１基板と前記Ｘ線透過窓との間又は前記第２基板と前記Ｘ線透過窓との間における前記開口部以外の接合面に接合補助材としてチタンを介在させ、この状態で熱拡散接合されて形成されることを特徴とするＸ線管。