JP6218403B2 - 電界放射型電子銃を備えたｘ線管及びそれを用いたｘ線検査装置 - Google Patents

電界放射型電子銃を備えたｘ線管及びそれを用いたｘ線検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、電界放射型電子銃を備えたＸ線管及びそれを用いたＸ線検査装置に関し、特にベーキングの作業性を良くして、性能が安定した高分解能タイプのＸ線管及びそれを用いたＸ線検査装置に関する。
生物試料、物性材料、産業用電子部品等の研究、開発、解析調査等の用途において、試料の内部の状態や構造を、非破壊的にかつ高分解能で観察する装置として、投影拡大型のＸ線検査装置やＸ線ＣＴ装置等の検査装置（以下、本明細書では単に「Ｘ線検査装置」という）が知られている。こうした高分解能タイプ（試料を数μｍ〜数１０ｎｍの大きさで識別できる性能）のＸ線検査装置においては、微小焦点径かつ高輝度のＸ線源を有するＸ線管が必須である。
こうした用途で使われるＸ線管は、開放管型の構成をとっている。即ち、熱電子銃（電子源にＬａＢ６を使用した電子銃）、電界放射型電子銃又は熱電界放射型電子銃（一般的に「ショットキー電子銃」と称される）等から放出された電子ビームを電界で加速し、電子レンズにより極微小焦点径の電子ビームに絞り、これをＸ線ターゲットに照射し、Ｘ線ターゲットにおいて微小焦点径かつ高輝度のＸ線源を発生させるようになっている。そして、真空封止にガラスやセラミック等の材料を使用した密封管型のＸ線管は広く実用されているものの、密封管型のＸ線管においては、電界放射型電子銃を備えた高分解能タイプ用のものは実用化されていない。Ｘ線管の内部を超高真空に維持することが難しいためである。
投影拡大型のＸ線検査装置では、このＸ線源から発したＸ線ビームを試料に照射し、試料を透過したＸ線像を幾何学的に拡大してＸ線検出器により検出することにより、試料のＸ線透視画像を得ている（例えば、非特許文献１参照）。
Ｘ線ＣＴ装置では、上記の構成に加えて、Ｘ線ビームに対して試料を相対的に回転移動させながら、試料に対して異なる複数方向からの透視画像を得て、これら複数の画像を再構成処理することにより、断層画像を生成して試料内部の立体的な構造情報を得ている。分解能１５０−２００ｎｍを有するＸ線ＣＴ装置が知られており、これにはＸ線源の焦点径が４００ｎｍ以下のＸ線管が採用されている（例えば、非特許文献２参照）。
Ｘ線検査装置において良質のＸ線画像を得るためには、Ｘ線管の電子源から安定した電子ビームを放出させることにより、安定したＸ線ビームを発生させる必要がある。そのためには、電子銃の電子源の周囲を安定した超高真空（１０−７〜１０−８Ｐａ）にし、この超高真空状態を長期間維持することが重要である。電子源の周囲が安定した超高真空でなければ、電界放射型電子銃の電子源の先端部にガス分子が吸着したりガス分子によるイオン衝撃を受けて、電子のエミッションが不安定になったり、電子放出特性が低下したり、電子源の寿命が短くなったりするためである。
従来技術では、図１に示すように、ショットキーモジュール１００ａ、電子源１００ｂ、アノード１００ｃ、磁界重畳レンズ１００ｄ、電子線軸合わせコイル１００ｅ等で成る電子銃１００から、Ｘ線ターゲット１０１に至る電子ビーム１０３の走行空間を、ガスの発生し易い磁界電子レンズ（対物レンズ）１０４の磁気回路等から真空的に分離することによって、電子銃１００の電子源１００ｂの周囲を超高真空にすることが知られている（例えば、特開２００４−１３８４６０号公報参照）。なお、図１において、１１２はＸ線を示し、Ｘ線１１２は被検査体（試料）１１０を透過し、その透過画像がＸ線検出器１１１で検出される。
開放管型のＸ線管において、電子ビームの電子通路にライナーチューブ（パイプ）を用いることは周知である。ライナーチューブは、電子銃室とＸ線ターゲットを含む先端部材との間に、気密封止部材であるＯリングを用いて保持される。この構成によって気密性が確保され、電子銃〜ライナーチューブ〜Ｘ線ターゲットの空間の真空を維持している（例えば、特開２００９−３０１９０８号公報参照）。一般の電子顕微鏡も同様の構成であるが、開放管型の電子管のライナーチューブは、装置本体から単体で容易に取り外しできる構成であり、ライナーチューブの内壁等の定期的なクリーニング等の作業ができるようになっている。
開放管型のＸ線管を有するＸ線検査装置では、装置の製造組立、ほぼ定期的に行う電子源の交換、その他電子銃室内部のメンテナンス等の作業において、電子銃室内を大気に晒す必要がある。一旦、大気に晒した電子銃室を超高真空に戻すためには、Ｘ線管を再度、ベーキングする作業が必要である。ベーキングとは、電子管装置の真空に面する部材の金属表面や金属内部に吸着若しくは吸収されている様々なガス分子を、金属表面から放出させる作業である。装置の使用前に十分にベーキングしておくことにより、使用時に超高真空への排気を容易に行うことができる。ベーキングが不十分であると、徒に排気に時間が掛かるばかりで、所要の超高真空が中々得られない。
ベーキング作業は、通常、真空に面する部材を高温（２００〜３００℃）に加熱し、超高真空用の真空ポンプ（イオンポンプ、ターボ分子ポンプ等）によって長時間（２４〜１００時間程度）連続して排気することにより行うことが理想である。加熱の方法としては、例えば、Ｘ線管の周囲の装置部分にシーズヒータを巻き付けて、シーズヒータに通電してＸ線管を高温（２００〜３００℃）に加熱しながら、超高真空用の真空ポンプで長時間（２４〜１００時間程度）連続して排気する。このベーキングによって、電子銃室を含む真空管球部を安定した超高真空にすることが可能になる。
電子顕微鏡装置などは、電子銃室とそれ以降の電子レンズ系、試料室などとを容易に真空分離できる構成としている。即ち、電子銃室と電子レンズ系の間に中間室を設け、夫々の部分を独立して排気する差動排気の構成とし、電子銃室部のみをベーキングすることが可能である。これによって、電子銃部のみを超高真空（１０−７〜１０−８Ｐａ）に保ちながら、レンズ系以降を通常の真空（１０−３〜１０−４Ｐａ）で使用する方法も多く用いられている。
これに対して、Ｘ線検査装置では、このような差動排気による真空分離が困難な構成であるため、電子レンズ系を含めて丸ごとベーキングする方法がとられている。
電子顕微鏡装置のベーキングを容易にする構成として、電界放射型の電子銃室の出口にガンバルブを設け、このガンバルブを閉じて電子銃室をライナーチューブ等から真空的に切り離すことが提案されている。電子銃室の内部を真空に維持したまま、電子顕微鏡装置の本体から取り外して、電子銃室の周辺部だけを単独にベーキングすることが可能である（例えば、特開２００６−２９４４８１号公報参照）。
特開２００４−１３８４６０号公報 特開２００９−３０１９０８号公報 特開２００６−２９４４８１号公報
マース東研Ｘ線検査株式会社、 ナノフォーカスＸ線検査装置ＴＵＸ−３２００ ［平成２５年３月１２日検索］、インターネット<URL:http://www.mars-tohken.co.jp/en/products/xray/detail/id=204> Bruker MicroCT SkyScan2011 x-ray nanotomograph［平成２５年３月１２日検索］、インターネット<URL: http://www.skyscan.be/products/2011.htm>
上述のように電界放出型電子銃を用いた電子管では、超高真空（真空度：１０−７〜１０−８Ｐａ）が必要なため、真空管球部の排気システムには、ターボ分子ポンプ等に加え、電子銃室専用のイオンポンプやゲッターポンプを併用する構成が用いられる。
また、開放管型のＸ線管を使用する高分解能タイプのＸ線検査装置等では、作業性の向上とＸ線画像の取得時間の短縮のために、通常の電子顕微鏡等の電子管装置に比べて、電子ビームの電流量を２桁〜３桁大きくする必要がある。一般の電子顕微鏡では、集束した電子ビームを直接試料に照射し、試料との相互作用による信号を得ている。一方、Ｘ線検査装置では、集束した電子ビームをＸ線ターゲットに照射し、そこで発生したＸ線を試料に照射して、Ｘ線と試料との相互作用による画像信号を得ている。Ｘ線ターゲットでの、入射電子ビームに対して発生するＸ線のエネルギー変換効率は１％以下と極めて小さいため、得られる信号量も相応に小さくなるためである。Ｘ線検査装置では、作業性向上の要求から、良質のＸ線画像を短時間に得ることが必要である。そのために、一般の電子顕微鏡装置で通常使用されている電子ビームの電流量（試料面上で、数ｐＡから数１００ｎＡの範囲）に対して、高分解能タイプのＸ線顕微鏡装置では、Ｘ線ターゲット面上で、数μＡ〜数１０μＡの如く、数桁大きくする必要がある。
Ｘ線管においては、電子ビームは、ライナーチューブ、電子線絞り、Ｘ線ターゲット等の電子光学部品に衝突する。この衝突によって、これら電子光学部品の金属表面ではガス分子の脱離や再吸着が行われる。これらのガス分子の影響は、電子ビームの電流量が大きくなればなるほど大きくなる。本技術分野に属するＸ線管では、電子ビームの電流量を一般の電子顕微鏡装置等で使用される電流量よりも数桁大きくして使用する必要があるので、これら強い電子ビームによる放出ガスの影響を避けることは容易でない。安定したＸ線を発生させるためには、金属表面、金属内部に含まれるガス分子を、十分に放出させておくことによって、Ｘ線管の使用中における真空値の上昇を極力抑えることが強く求められる。これは、特に差動排気の構成が困難なＸ線検査装置では重要なことである。
従来のＸ線検査装置のベーキングでは、以下のような問題があった。Ｘ線管の中に、Ｏリングのような使用温度の上限が低い（例えば１２０〜１５０℃）部品が含まれているため、ベーキング温度の上限が、これら部品の使用温度に制限されてしまい、２００℃を超える高温で長時間加熱することができず、十分なベーキングを行うことができないという問題があった。また、本来ベーキングする必要のない部材（例えば、真空管球部の周囲にある熱容量の大きい磁界電子レンズ、鏡筒、装置の周辺部材等）は、熱的にＸ線管と結合しているため、一体にして加熱せざるを得なかった。このため、加熱に大きなエネルギーが必要となって、エネルギーの利用効率が悪かった。また同時に、加熱の所要時間も長くなってしまうという問題があった。さらに、Ｘ線管が装置に組み込まれた状態でベーキングするため、Ｘ線管の真空管球部の一部、例えばライナーチューブの先端部等がその周囲の部品に複雑に組み込まれている部位では、直接的な加熱が容易ではなく、部分的に温度ムラを生じやすかった。このため、真空管球部内の部材を均一の温度で加熱することができなかった。その結果、均一で安定したベーキングを行うことができず、長期にわたり安定した良質の超高真空を開放管型のＸ線管において得ることが困難という問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、開放管型のＸ線管を使用する高分解能タイプのＸ線検査装置において、上記のような従来技術の問題を解決することである。具体的には、Ｘ線検査装置のＸ線管の真空管球部を、使用部品の温度制限を受けない高い温度範囲でベーキングできること、エネルギー効率良くベーキングできること、ベーキング作業に掛かる手間を減らすこと、ベーキングの所要時間を短縮することを課題とする。更に、Ｘ線管の真空管球部全体を温度ムラなく均一に加熱してベーキングすることを課題とする。即ち、本発明は、ベーキングの作業性を良くして、性能が安定した開放管型のＸ線管及びそれを用いたＸ線検査装置等を提供することを目的とする。
本発明はＸ線ビームを照射するＸ線管に関し、本発明の上記目的は、電子ビームを発生する電界放射型電子銃を備えた電子銃室と、前記電子ビームを集束する磁界電子レンズ部と、前記電子ビームを絞る電子線絞りと、前記電子ビームの照射によりX線を発生させるX線ターゲットと、前記電子銃室及び前記X線ターゲットを配置したライナーチューブ部と、前記電子銃室を超高真空に排気して維持する真空ポンプとを備え、前記電子銃室、前記電子線絞り、前記X線ターゲット、前記ライナーチューブ部及び前記真空ポンプは一体的に真空封止されて成る真空管球部を構成し、前記真空管球部は前記磁界電子レンズ部から着脱可能な構成であり、前記ライナーチューブ部は、上部ライナーチューブと下部ライナーチューブの上下に２分割できるように構成され、前記上部ライナーチューブと前記下部ライナーチューブの分割部分の真空シールには、温度制限のある部品を有せず、前記真空シールは、メタルＯリング又は高温耐熱のＯリングとし、前記真空管球部を２００℃以上の高温でのベーキングを可能とすることにより達成される。
本発明の上記目的は、前記ライナーチューブ部の外壁に設けた第１の嵌合部と前記磁界電子レンズ部に設けた第２の嵌合部とを嵌合すること、また、電子線絞りに配置された第３の嵌合部とライナーチューブの内壁に配置された第４の嵌合部とを嵌合することにより、前記真空管球部の光学軸と前記磁界電子レンズ部の光学軸との軸合わせを、機械的に精度が高く行うようになっていることにより、或いは前記ライナーチューブ部は、前記ライナーチューブ部の長さ方向に複数に分割可能な構成であることにより、或いは前記磁界電子レンズ部は更に前記電子ビームを前記X線ターゲット上で走査する走査コイルを備え、前記ライナーチューブ部は前記X線ターゲットで反射する反射電子を検出する反射電子検出部を備えることにより、前記反射電子検出部は反射電子検出電極を支持するセラミックス製の検出端子支持部材を有することにより、前記X線ターゲットの表面の反射電子像を観察可能としていることにより、或いは前記ライナーチューブ内に、前記電子線絞り部等で発生する散乱電子線と散乱X線をカットするための散乱線絞りを備え、或いは真空外から前記X線ターゲットの冷却をするヒートシンク構造をもつことにより、或いは前記磁界電子レンズ部は前記電界放射型電子銃に最も近い側に、上極ポールピースの内径が下極ポールピースの内径よりも大きい第1の電子レンズを備え、前記電子銃室は前記第１の電子レンズの形状に合わせた凸状の形状を有することにより磁界重畳型電子銃を構成するようになっていることにより、より効果的に達成される。
また、本発明はＸ線検査装置に関し、本発明の上記目的は、上記いずれかのＸ線管と、試料ステージと、前記試料ステージを透過した試料のＸ線透過画像を検出するX線検出器とを設けることにより達成される。
本発明に係るＸ線管の真空管球部は、Ｏリング等の温度制限（例えば１２０〜１５０℃）のある部品を有しない構成であり、超高真空を維持したまま磁界電子レンズ部から容易に抜き出して取り外しができる構成である。そのため、真空管球部単体を高い温度で、温度むらなく均一に、エネルギー効率良くベーキングできる。また、恒温槽等内での加熱に適した構成であることから、ベーキングの作業性も向上する。加えて、真空管球部以外の部分は加熱しなくて済むから、こうした部分には加熱に弱い部品の使用が可能となり、部品選択の幅が広がる効果がある。
本発明では、真空管球部と磁界電子レンズとを嵌合する構成としているので、両者の光軸合わせを正確、かつ容易に行うことができる。その結果、ベーキング後の組み込みの作業性の向上を図ることができ、製品の性能の再現性及び安定性を容易に確保できる効果がある。
本発明によれば、Ｘ線ターゲットの交換は、Ｘ線ターゲットが付いている側のライナーチューブのみを交換するだけで済み、電子銃側のライナーチューブは再使用できるから、使用部材に無駄がなく、経済性に優れる効果がある。また、反射電子検出電極の支持部材をセラミックス材料にし、反射電子検出部を堅固かつ小型化しているので、ターゲットや反射電子検出部を収容するライナーチューブの先端部を小さくできる。この結果、ライナーチューブの先端部の入る磁界電子レンズ部のポールピース径が小さくなり、磁界電子レンズも小型化でき、レンズ収差を小さく抑えながらレンズ電流も小さくて済むというエネルギー節約の効果がある。
更に本発明によれば、高性能で小型の磁界重畳型の電子銃を実現できる構成であるから、性能向上の効果がある。また、本発明に係るＸ線管を備えたＸ線検査装置は、消耗品である電子源と電子線絞りと散乱線絞りとX線ターゲットを含む真空管球部を一体的にかつ容易に交換できるため、メンテナンス性に優れる効果がある。更に超高真空（１０ −７ 〜１０ −８ Ｐａ）で安定したＸ線源を有するＸ線管によって、試料のＸ線観察において、安定した性能を有するＸ線検査装置を提供できる。
従来のＸ線検査装置の構成の一例を示す断面構造図である。 本発明に係るＸ線検査装置の構成の一例を示す断面構造図である。 本発明に係る真空管球部の構成の一例を示す断面構造図である。 本発明に係る真空管球部の他の構成例を示す断面構造図である。 本発明に係る反射電子検出部の一例を示す断面構造図である。 本発明に係るＸ線管の他の構成例を示す断面構造図である。 本発明に係るＸ線検査装置の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るＸ線ＣＴ装置の実施の形態を示す構成図であって、同図（Ａ）は装置の平面図、同図（Ｂ）は装置の正面図である。
本発明のＸ線検査装置では、上述した諸課題を解決するために、以下で説明するような構成としている。Ｘ線管を真空管球部とその他の部分に分離できる構成とし、真空管球部をＸ線検査装置から着脱容易な構成としている。ベーキングの作業性を良くして、性能が安定した高分解能タイプのＸ線管を提案すると共に、それを用いたＸ線検査装置を提案する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、電界放出型の電子源を用いたＸ線管及びそれを用いたＸ線検査装置に関し、Ｘ線管の電子銃室で、対象とする真空度は超高真空（１０−７〜１０−８Ｐａ）である。本明細書では、部品等の相互の位置関係の表記において、特に断りがない限り、重力の向きとは無関係に便宜的に、電子光学系の光軸の電子源側を（上、上部、上端等）、Ｘ線ターゲット側を（下、下部、下端等）と表記することにする。
図２及び図３に本発明の第１の実施形態を示して説明する。
本発明に係るＸ線検査装置１の主要部は、Ｘ線管２、試料ステージ５、Ｘ線検出器３で構成されている。Ｘ線管２のＸ線源４７から発したＸ線ビーム４８は、試料ステージ５に保持された検査対象の試料４を透過し、そのＸ線透過画像は、Ｘ線源４７と、試料４と、Ｘ線検出器３との相互配置で幾何学的に定まる倍率に拡大され、Ｘ線検出器３によって検出される。
Ｘ線管２の主要部は、真空管球部１１と磁界電子レンズ部２８とで構成されている。真空管球部１１の主要部は、円筒状の電子銃室１２と、円筒状のライナーチューブ部１９と、ライナーチューブ部１９内の下方に配設されたＸ線ターゲット２３と、真空状態を形成して維持する真空ポンプ２７とで構成されている。
電子銃室１２は、主に電子銃１３、絶縁碍子部１４で構成され、電子銃室１２の外部には真空ポンプ２７が接続されている。電子銃室１２の下端部は、ライナーチューブ部１９に繋がっている。電子銃１３の電子源１６から発した電子ビーム１７は、その通路であるライナーチューブ部１９内を走行しながら、ライナーチューブ部１９の周りの真空外に配置した磁界電子レンズ部２８から集束作用を受け、さらに電子線絞り４０から電子ビーム１７の一部の通過を阻止する制限を受け、Ｘ線ターゲット２３の上に極微小点径の電子プローブとなって照射される。その結果、Ｘ線ターゲット２３に、微小焦点径で高輝度のＸ線を発生するＸ線源４７が生じる。このＸ線源４７から電子ビーム１７の進行方向と同方向のＸ線の成分を、真空管球部１１の下方外部でＸ線ビーム４８（透過ターゲット型のＸ線ビーム）として取り出される。
本発明では、電子ビーム１７を発生する電子源１６として、(Thermal field-emission type, TFE)の熱電界放射型の電子銃１３を用いている。この電子源１６と図示しない二つの制御電極（サプレッサ電極、引き出し電極）によって電子銃１３を構成し、これらは直径２００ｍｍ程度の略円盤状の絶縁碍子部１４（セラミック製フランジ）に取り付けられている。電子銃１３の電子源１６と制御電極は、絶縁碍子部１４を貫通する図示しない導入端子を介して、高圧ケーブル１５に接続されている。絶縁碍子部１４と導入端子とは、真空封止された気密構造である。絶縁碍子部１４は、電子銃室１２の内部の真空維持と、電子ビーム１７の発生と、加速に必要な高電圧信号の電気絶縁との目的で使用している。高圧ケーブル１５は、装置制御部６（図７）に接続され、電子ビーム１７の発生に必要な高電圧の電気エネルギーと電気制御信号を、導入端子を介して電子銃１３に供給している。なお、本発明は、冷電界放射型（Cold field-emission type, CFE）の電子銃１３を用いる場合にも同様に適用できる。
図２及び図３では、電子銃室１２と真空ポンプ２７を繋ぐ真空ポート２６を１箇所しか示していないが、採用する真空の排気システムに応じて、複数箇所に設けても構わない。場所や個数は当業者が適宜選択できる。
本発明に係る装置に使用する真空ポンプ２７としては、低真空域で大きな排気能力を有するロータリポンプやドライポンプ、低真空から高真空にわたって排気能力を有するターボ分子ポンプ、超高真空を維持するために適したイオンポンプ等を周知の方法により、適宜組み合わせて使用する。電子銃室１２には、真空ポート２６を介してイオンポンプを接続するが、更にNEG（Non-evaporable getter）ポンプを配置する構成としても構わない。
電子銃室１２の筐体、絶縁碍子部１４、真空ポート２６、ライナーチューブ部１９、電子線絞り４０、Ｘ線ターゲット２３などの各構成部材は、ロー付け、溶接、或いはメタルＯリングを用いたメタルシールの方法によって接合し、一体的な真空の密閉空間を形成している。なお、通常の真空シールに用いられるＯリング部品は、本発明では使用しない。以降、この真空の密閉空間を形成している部分を、「真空管球部１１」と称する。
真空管球部１１のライナーチューブ部１９（Ｘ線ターゲット２３を含む）は、磁界電子レンズ部２８(走査コイル３９、非点補正子５１を含む)の磁極穴３１に対して着脱自在な構成であり、随時、真空管球部１１をＸ線管２から引き出すことが可能である。そして、必要に応じて、真空管球部内１１の真空を保ったまま引き出して、真空管球部１１のみを高温でベーキングしたり、交換したりすることを可能にしている。
電子銃室１２と絶縁碍子部１４の接合は、碍子とフランジを溶接、ロー付け又はメタルＯリングを用いたメタルシールにより一体化してある。メタルシールで真空シールすれば、この部分のシールを外すことによって、絶縁碍子部１４を真空管球部１１から分離して、電子源１６の交換やＸ線ターゲット２３の交換が可能になる。電子源１６を交換するときは、この部分のメタルシールを外せば、電子源１６の交換は容易にできる。この場合、電子銃室１２やライナーチューブ部１９の部材は再利用できる。Ｘ線ターゲット２３を交換する時は、この部分のメタルシールを外して、電子銃１３を除いた部分である、電子銃室１２と、ライナーチューブ部１９と、Ｘ線ターゲット２３とを一体にして交換することになる。
本実施形態では、電子銃室１２の円筒部は直径φ２０５ｍｍ、高さ２２０ｍｍ、ライナーチューブ部１９の円筒部は直径φ１５ｍｍ、高さ８５ｍｍ程度の大きさである。いずれも主な材料は、非磁性体のオーステナイト系ステンレスを使用する。従って、図２及び図３から判るように、真空管球部１１の全体の大凡の大きさは、電子銃室１２の円筒部にライナーチューブ部１９の円筒部を足し合わせた程度の大きさとなる。真空管球部１１の質量は、イオンポンプや図示されない真空バルブ等を含めても約２０ｋｇと軽量化されている。従って、真空管球部１１の取り付けや取り外しを伴うベーキングや、メンテナンス作業は人力で手軽にできるという、従来にない効果がある。
真空管球部１１の電子銃室１２とライナーチューブ部１９は、ロー付や溶接によって接合されている。電子銃室１２からライナーチューブ部１９を取り外す必要のない構成であるため、真空管球部１１の真空シールにおいては、通常の電子管装置のライナーチューブ部１９の結合部に使用されるＯリング（耐久温度上限：１２０〜１５０℃）等の部材を一切使用しない。この結果、真空管球部１１は、高い温度でベーキングすることが可能になる。真空管球部１１の全領域を容易かつ均一に、２００〜３００℃以上の高温でベーキングすることが可能となる。また、真空管球部１１をＸ線検査装置１から取り外して、真空管球部１１のみをベーキングしたり、交換したりできる構成であるため、真空管球部１１の周りの磁界電子レンズ部２８等の部材には、熱的に何ら影響を与えることもない。また、真空管球部１１以外の部材（例えば電気配線部材、磁界レンズの巻線材料、支持部材等）は、ベーキング温度に耐える特別の耐熱部材を使用する必要はなく、通常の部材を使用できるので経済的である。
図２は磁界電子レンズ部２８の構成を示しており、磁界電子レンズ部２８の主要部は、第１の電子レンズ（コンデンサレンズ）、第２の電子レンズ(対物レンズ）で構成されており、電子銃室１２から発した電子ビーム１７をＸ線ターゲット２３上に集束させる働きをする。磁界電子レンズ部２８の中央部には磁極穴３１があり、この磁極穴３１に真空管球部１１のライナーチューブ部１９が着脱自在に配置されている。磁極穴３１は、レンズ特性を決定する電子レンズのポールピースによって形成されるものであり、便宜のため、ここでは、各ポールピースの名称を電子源１６の側から順に、第１の電子レンズ３２（上極３３、下極３４）、第２の電子レンズ３５（上極３６、下極３７）と称することとする。磁極穴３１の周囲には走査コイル３９と非点補正子５１が配置されており、前者は、電子ビーム１７をＸ線ターゲット２３の上で走査する働きをする。後者は、電子ビームの非点収差を補正する働きをする。
Ｘ線ターゲット２３は、ライナーチューブ部１９内の下端に一体的に、ロー付け等により装着されている。
図２及び図３の構成では、Ｘ線ターゲット２３を交換する時は、絶縁碍子部１４のメタルシールを外して、電子銃１３を除いた部分である電子銃室１２と、ライナーチューブ部１９と、Ｘ線ターゲット２３とを一体にして交換する必要がある。
この問題を解決するための構成を図４及び図５に示す。図４は真空管球部１１の他の構成例を示し、図５は反射電子検出部４９の一例を示している。
ライナーチューブ部１９の長さ方向に、上部ライナーチューブ２０と下部ライナーチューブ２１の上下に２分割できる構成としている。分割部分の真空シールには、メタルＯリング４６やコンフラットフランジ（“ＣＯＮＦＬＡＴ”及び“コンフラット”はアジレント テクノロジーズ インコーポレイテッド社の登録商標）等のメタルシールを用いることができる。最近市販されたメタルＯリング（例えば三菱電線工業株式会社の“サンリーメスシリーズ”。“ＳＵＮＬＩＭＥＳ”および“サンリメス”は三菱電線工業社株式会社の登録商標）は、その直径が最小φ８ｍｍ程度であり、コンフラットフランジの直径よりも遥かに小さいので、このメタルＯリング４６を使用すれば、分割部の大きさを小さくすることができる。真空管球部１１をＸ線管２から抜き差しするためには、磁界電子レンズ部２８の磁極穴３１の穴径を真空管球部１１のライナーチューブ１９の外径よりも大きくする必要があるが、これを直径φ１５ｍｍにすることができる。本構成とすることにより、Ｘ線ターゲット２３を有する側の下部ライナーチューブ２１だけを交換する事が出来る。したがって、電子銃室１２と上部ライナーチューブ２０の部材は再使用できる。交換部品が減少するので、経済的である。また、両ライナーチューブの結合部は、メタルＯリング４６によって真空シールしているので、高温のベーキングが可能である。なお、メタルＯリング４６に代えて、２００℃以上の高温で焼き出し可能なシール材、例えばカルレッツＯリング（“ＫＡＬＲＥＺ”及び“カルレッツ”は米国デュポン社の登録商標）などを用いることも可能である。しかしながら、大気中の水素やヘリウムがＯリングを通して透過する為、メタルＯリングを使用する場合と比べて、到達圧力が悪化する。
このようなメタルＯリング４６を使用することによって、ライナーチューブ部１９の分割部が小さくなるので、その分割部を第２の電子レンズ下極３７の付近に設けることができる（図４及び図５を参照）。コンフラットフランジを使用する場合に比べると、ライナーチューブ部１９の外径を小さくでき、その結果、磁界電子レンズ部２８の磁極穴３１の径を小さく出来るため、磁界電子レンズ部２８自体も小型化できる。また、磁界電子レンズ部２８の励磁電流も少なくて済むので、磁界電子レンズ部２８の発熱量も少なくて済み、エネルギーの節約ができる。
コンフラットフランジの外径は最小φ３４ｍｍであり、締め付けにＭ４のネジを用いることから、その取り付けに大きなスペースを必要とする。第１の電子レンズ上極３３の径を極端に大きくし、コンフラットフランジがこの上極の付近に収まるように配置することとなる。この構成は図示しないが、第１の電子レンズの形状は、後述する図６の第１の電子レンズ３２と似た形状となる。
図５は、電子ビーム１７の集束に欠かすことのできない電子線絞り４０を配置した実施例を示す。電子線絞り４０の機能は、電子レンズの収差の影響を抑え、散乱電子など余計な電子線を遮断することである。通常は、直径φ２〜３ｍｍの白金、モリブデンなどの素材のディスクに円形の穴をあけて用いることが多い。電子線絞り４０の取り付け位置は、絞りの効果が最も高くなる位置である対物レンズの主面付近とすることが多い。しかし、余計な電子線を遮断でき、電子ビーム１７の収束角を正しく制限することができるならば、素材、形状、配置については、さほど拘る必要はない。電子線絞り４０の取り付け部分の真空シールはメタルＯリング４６を用いているので、高温でのベーキングが可能である。
磁界電子レンズ部２８の光軸に対して電子線絞り４０が偏芯して配置されると、収差に大きく影響するばかりか、フォーカス合わせ時に電子線が動き回るため、性能や操作性に大きな悪影響を生ずる。そのため、電子線絞り４０の中心を磁界電子レンズ部２８の中心に対して機械的に高精度に位置合わせをすることが不可欠である。そのため、先ず電子線絞り４０をライナーチューブ部１９の中心軸上（光軸上）に正しく位置決めしておく。次に、真空管球部１１のライナーチューブ部１９を磁界電子レンズ部２８の磁極穴に正しく位置合わせすることによって、偏芯を防ぐことができる。このように電子線絞り４０の中心が磁界電子レンズ部２８の光軸上に来るように芯出しするために、真空管球部１１のライナーチューブ部１９の外壁と第２の電子レンズ下極３７に各々が嵌合部を設け、これらの嵌合部を嵌合させることによって、両者の光軸の中心位置と光軸の方向と光軸方向の上下の位置を容易に位置合わせすることができる。また電子線絞り４０は、磁界電子レンズ部２８に対して所定の位置に位置合わせされるので、磁界電子レンズ２８の光軸及び対物レンズの主面位置に対しても、正確に位置合わせした組み立てができることになる。
図５に、分割タイプのライナーチューブにおける位置合わせの構造を示す。下部ライナーチューブ２１の嵌合部Ａ２２が、第２の電子レンズ下極３７の嵌合部Ｂ３８と嵌合する構成であり、また、電子線絞り４０の嵌合部C５２が下部ライナーチューブ２１の嵌合部D５３と嵌合する構造とする。これにより、電子線絞り４０の中心が磁界電子レンズ部２８の光軸上に来るように芯出しされる。ライナーチューブ部（２０、２１）を上方に引き上げることによって、磁界電子レンズ部２８の磁極穴３１から真空管球部１１を引き出すことができる。これにより、真空管球部１１の取り付けが正確かつ容易にできるので、組み立て作業を効率化でき、また、製品の性能の再現性と安定性を容易に確保できる。なお、図５の構成と効果は、図２及び図３に示す分割しないライナーチューブ１９を有するＸ線管にも適用できることは明白である。
図５は、Ｘ線ターゲット２３の表面の反射電子像を観察するための検出部の主要な構成の断面を示している。なお、ネジ等の締結部品は表記を省略している。磁界電子レンズ部２８の中に配置した走査コイル３９により、電子ビーム１７をＸ線ターゲット２３の表面上で走査させ、Ｘ線ターゲット２３の表面からの反射電子５０を反射電子検出電極４２で検出している。高分解能のＸ線像を得るためには、電子ビーム１７をＸ線ターゲット２３の面に対して正確にフォーカス合わせすると共に、非点補正子５１を用いて電子ビーム１７の非点収差を補正することが欠かせない。Ｘ線像の観察のみによって、これらの作業を行うことは困難である。図５では、反射電子検出電極４２は、中央に電子ビーム１７を通すための孔を有し、Ｘ線ターゲット２３に近い位置に対向配置することにより、Ｘ線ターゲット２３からの反射電子５０を効率よく収集し、反射電子５０による信号をリード線４３によって大気側に取り出す構成である。また、Ｘ線ターゲット２３を交換する場合は、メタルＯリング４６以降の下部ライナーチューブ２１と、それに組み込まれた反射電子検出電極４２を一体に交換することになる。この構成とすることにより、高い温度でベーキングすることができる。
図５の検出支持部材４４はセラミックス製であり、円筒状の形状をしている。反射電子検出電極４２は、検出端子支持部材４４の略円筒の側面を貫通すると共に、図５に示すようにロー付けによって真空シールしている。こうすることによって、高温ベーキングと超高真空での使用を満たす構成としている。検出端子支持部材４４を金属にロー付けする際には、ロー付け部の表面をメタライズする。メタライズ加工は、必要な部分のみ任意に選択して行うことができるので、必要に応じて絶縁部と導電部を使い分けることができる。反射電子５０の検出部に通常用いられるハーメチックシールに比べて、セラミックス製の支持部材とすることによって、反射電子検出部４９を大幅に堅固かつ小型化できる。Ｘ線ターゲット２３や反射電子検出部４９を含むライナーチューブの先端部を小さくすることができるので、ライナーチューブの先端部を収容するポールピースの外径も小さくて済む。よって、磁界電子レンズの小型化ができ、レンズ収差を小さく抑えながら、レンズ電流が小さくて済むというエネルギー節約の効果がある。なお、図５における構成と効果は、図２及び図３に示す分割しないライナーチューブ１９を有するＸ線管にも適用できることは明白である。
図５は、散乱電子線、散乱Ｘ線によるバックグラウンドを遮断するための散乱線絞り４１を配置した構成を示している。Ｘ線検査装置に使用されるＸ線管では、電子銃１３、アノード１８、ライナーチューブ部１９、電子線絞り４０などに電子ビーム１７が衝突することによって生ずる散乱電子や散乱Ｘ線の発生を避けることは困難である。そしてこれらは、本来のＸ線ビーム４８に混入することによって、Ｘ線像のバックグラウンドとなって、Ｘ線透視画像を劣化させる。散乱線絞り４１は、これらの散乱電子や散乱Ｘ線のＸ線ビーム４８への混入を遮断して、バックグラウンドを減少させる働きをする。散乱線絞り４１は電子線絞り４０の後方、すなわち、X線ターゲット２３側に配置することにより、Ｘ線画像の大幅な改善を実現できる。消耗品である散乱線絞り４１の交換は、メタルＯリング４６以降の下部ライナーチューブ２１、電子線絞り４０、検出端子支持部材４４(メタライズセラミックス）、反射電子検出電極４２、Ｘ線ターゲット２３と一体に行うことになる。
図５は、更にＸ線ターゲット２３を冷却する構成を示している。高分解能タイプのＸ線検査装置１では、極薄のＸ線ターゲット２３に電子ビーム１７を照射し、Ｘ線ターゲット２３の反対面側から出射するＸ線ビーム４８、いわゆる透過ターゲット型のＸ線ビーム４８を利用する。Ｘ線ターゲット２３には大きなエネルギーの電子ビーム１７が照射され、そのエネルギーの殆どが熱に変換されるため、Ｘ線ターゲット２３の冷却が極めて重要である。冷却が不十分だとＸ線ターゲット２３が損傷する。Ｘ線ターゲット２３は、ベリリウムやダイヤモンド等のＸ線を透過し易く、かつ熱伝導に優れたターゲット支持体２４の上に貼られている。Ｘ線ターゲット２３上で発生した熱は、ターゲット支持体２４及びターゲットホルダ２５を介して、ターゲットホルダ２５に機械的に接触させたヒートシンク５４へ放熱される。ヒートシンク５４の構成は、強制空冷、水冷、液体窒素冷却、ペルチェ冷却など様々考えられる。図５に示すＸ線ターゲット２３のヒートシンク５４は、図６に示す磁界重畳型の電界放出型電子銃のＸ線管２においても、実施できることは言うまでもない。
次に、ベーキング方法について説明する。この真空管球部１１の真空ポート２６に、イオンポンプなどの超高真空用の真空ポンプ２７を取り付けて一体とし、その真空ポンプ２７で排気しながら、これら一体を丸ごと高温状態に一定時間置くことによって、超高真空を得るためのベーキングができる。高温状態にする方法としては、Ｘ線検査装置１から取り外した真空管球部１１と真空ポンプ２７の一体だけを加熱すれば良い。シーズヒータを、真空管球部１１と真空ポンプ２７の一体に丸ごと巻き付けて加熱する方法がある。装置全体ではなく、真空管球部１１と真空ポンプ２７だけの限られた部分のみを加熱すれば良いので、加熱用のシーズヒータ等の装着が容易である、真空管球部１１を温度ムラなく均一に加熱できる、加熱エネルギーも必要最低限に節約できるというメリットがある。
別の方法として、真空管球部１１を適当な大きさの電気炉内に入れ、これら一体を真空引きしながら加熱することもできる。加熱の対象である真空管球部１１は大きくないので、大きな電気炉は不要であるし、温度ムラのない均一な加熱ができる、加熱エネルギーに無駄がない、温度コントロールが容易である等のメリットもある。また、どちらの方法でも、加熱作業の手順を簡単かつ容易にでき、ベーキングの作業時間も短縮できるというメリットがある。その他にも、様々な加熱方法が考えられる。電子銃室１２にイオンポンプ等の真空ポンプ２７を取り付け、一体的に加熱と真空排気を行えるので、この方法はベーキングとして極めて有効な手段となる。
図６はＸ線管の他の実施形態を示しており、電界放射電子銃１３の内部電界に磁界レンズ場を重畳させるための構成を示している。Ｘ線源４７として電界放出型の電子銃１３を用いる場合、電子源１６を電子レンズによって拡大して大電流の電子ビーム１７をＸ線ターゲット２３に照射させることが強く望まれる。このような時、通常の電界放射電子銃では第1レンズ（コンデンサレンズ）の球面収差係数の影響が大きく作用するため、Ｘ線ターゲット２３の上に微小径の電子プローブを照射することはできない。これを解決するためには、電子銃１３の電子源１６の電界に磁界レンズ場を重畳させ、電子源１６からの電子ビーム１７が広がる前に、電子源１６とアノード電極１８の間で電界と磁場を重畳させて電子ビーム１７を集束させながら加速する磁界重畳型の電子銃１３が必要になる。こうすることにより電子源１６から放射された大きな電子放射角範囲の電子ビーム１７を電子プローブとして有効利用でき、高輝度の微小径の電子プローブを生成できる。本実施形態の構成では、電子銃１３の電子源１６の位置を第１の電子レンズ３２の磁界レンズ場内に配置するために、第１の電子レンズ上極３３のポールピースの内径を下極３４のポールピースの内径よりも大きくとり、電子銃室１２の電子ビーム１７を出射する側の底面は下側に凸の形状をとることにより、第１の電子レンズ下側３４のポールピースの高さに入るようにしている。こうすることにより、電子銃１３の電子源１６の電界を第１の電子レンズ３２の磁場に重畳的に重ねることができ、磁界重畳型の電子銃１３を実現できる。
図７に本発明に係る他の実施形態を示す。本発明に係るＸ線検査装置１の主要部は、本発明に係るＸ線管２と、検査対象の試料４を載置する試料ステージ５と、Ｘ線検出器３、制御装置部６で構成されている。Ｘ線管２のＸ線源４７から発したＸ線ビーム４８は、試料ステージ５に保持された検査対象の試料４を透過してＸ線透過画像を生じ、このＸ線透過画像はＸ線源４７と、試料４と、Ｘ線検出器３との相互配置で幾何学的に定まる拡大倍率で投影拡大されて、Ｘ線検出器３によって検出される。高分解能タイプのＸ線検査装置１では、試料４の位置を極力Ｘ線源４７に近づけて高拡大倍率で撮像する。試料ステージ５は試料４をＸ線透視系の光軸（Ｘ線源４７〜Ｘ線検出器３）に対して相対移動させることにより、観察部位や観察方向を設定できるようになっている。試料ステージ５の機能は周知であるが、通常は試料４を５軸相対移動（（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の３方向と（θ、φ）の２回転方向）が良く使われる。Ｘ線検出器３としては、フラットパネル型の半導体検出器や光増倍管方式のＸ線検出器（Ｉｍａｇｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）、または、Ｘ線用カメラを使用する（非特許文献１を参照）。装置制御部６は、主に装置全体の動作を制御する主制御部、Ｘ線管２を制御するＸ線制御部、試料ステージ５を制御するステージ制御部、Ｘ線検出器３によって検出された画像信号を処理する画像処理部、処理画像を表示する表示部で構成される。
図８に本発明に係る更に別の実施形態例を示す。図８（Ａ）において、本発明に係るＸ線ＣＴ装置８の主要部は、本発明に係るＸ線管２と、検査対象の試料４を載置する試料ステージ５と、Ｘ線検出器３と、ＣＴ装置制御部７とで構成されている。Ｘ線管２のＸ線源４７から発したＸ線ビーム４８は、試料ステージ５に保持された検査対象の試料４を透過してＸ線透過画像を生じ、このＸ線透過画像はＸ線源４７と、試料４と、Ｘ線検出器３との相互配置で幾何学的に定まる拡大倍率で投影拡大されて、Ｘ線検出器３によって検出される。試料ステージ５は、試料４をＸ線透視系の光軸（Ｘ線源４７〜Ｘ線検出器３）に対して相対移動させることにより、観察部位や観察方向を設定できるようになっていると共に、Ｘ線ビーム４８に対して試料４を相対回転移動させながら、試料４に対して異なる複数方向からのＸ線透視画像を得るようになっている。Ｘ線検出器３としては、フラットパネル型の半導体検出器や光増倍管方式のＸ線検出器（Ｉｍａｇｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）、または、Ｘ線カメラを使用する。ＣＴ装置制御部７は、主に装置全体の動作を制御する主制御部、Ｘ線管２を制御するＸ線制御部、試料ステージ５を制御するステージ制御部、Ｘ線検出器３によって検出された異なる複数方向からの複数の画像信号を用いて再構成処理する再構成処理部、処理画像を表示する表示部から構成される。この構成によって、試料の画像を生成し、内部の立体的な構造情報を得ることができる（例えば、非特許文献２参照）。また、本発明に係るＸ線管２を使用したラミノグラフィ方式によるＸ線検査装置も、高分解能で試料内部の断層画像を得ることができる。
本発明のＸ線管を備えたＸ線検査装置では、Ｘ線管のベーキング作業が容易にでき、メンテナンス性に優れている。また、安定したＸ線源を有するＸ線管を使用することから、試料のＸ線像観察において安定した性能を有する。
なお、本発明のＸ線検査装置には、高分解能タイプの投影拡大型のＸ線検査装置だけでなく、本発明に係るＸ線管を使用するＸ線ＣＴ装置や汎用のＸ線装置も含まれる。
１：Ｘ線検査装置 X-ray inspection apparatus
２：Ｘ線管 X-ray tube
３：Ｘ線検出器 X-ray detector
４：試料 sample
５：試料ステージ sample stage
６：装置制御部 apparatus control section
７：ＣＴ装置制御部 CT-apparatus control section
８：Ｘ線ＣＴ装置 X-ray CT apparatus
１１：真空管球部 vacuum tube section
１２：電子銃室 electron gun chamber
１３：電子銃 electron gun
１４：絶縁碍子部 insulator section
１５：高圧ケーブル high-tension cable
１６：電子源 electron source
１７：電子ビーム electron beam
１８：アノード anode
１９：ライナーチューブ部 liner tube section
２０：上部ライナーチューブ upper liner tube
２１：下部ライナーチューブ lower liner tube
２２：嵌合部Ａ fitting section
２３：Ｘ線ターゲット X-ray target
２４：ターゲット支持体 target supporting body
２５：ターゲットホルダ target holder
２６：真空ポート vacuum port
２７：真空ポンプ vacuum pump
２８：磁界電子レンズ部 electron magnetic lens section
３１：磁極穴 hole of magnetic polepiece
３２：第１の電子レンズ first electron lens
３３：第１の電子レンズ上極 first upper magnetic polepiece
３４：第１の電子レンズ下極 first lower magnetic polepiece
３５：第２の電子レンズ second electron lens
３６：第２の電子レンズ上極 second upper magnetic polepiece
３７：第２の電子レンズ下極 second lower magnetic polepiece
３８：嵌合部Ｂ fitting section
３９：走査コイル scanning coil
４０：電子線絞り electron beam aperture
４１：散乱線絞り scattered radiation aperture
４２：反射電子検出電極 backscattered electron detecting electrode
４３：リード線 lead line
４４：検出端子支持部材 detecting-terminal supporting member
４５：ロー付け brazing
４６：メタルＯリング metal O-ring
４７：Ｘ線源 X-ray source
４８：Ｘ線ビーム X-ray beam
４９：反射電子検出部 backscattered electron detecting section
５０：反射電子backscattered electron
５１：非点補正子 Stigmator
５２：嵌合部C fitting section
５３：嵌合部D fitting section
５４：冷却部ヒートシンク heat sink

Claims (6)

  1. 電子ビームを発生する電界放射型電子銃を備えた電子銃室と、
    前記電子ビームを集束する磁界電子レンズ部と、
    前記電子ビームを絞る電子線絞りと、
    前記電子ビームの照射によりX線を発生させるX線ターゲットと、
    前記電子銃室及び前記X線ターゲットを配置したライナーチューブ部と、
    前記電子銃室を超高真空に排気する真空ポンプとを備え、
    前記電子銃室、前記電子線絞り、前記X線ターゲット、前記ライナーチューブ部及び前記真空ポンプは一体的に真空封止されて成る真空管球部を構成し、前記真空管球部は前記磁界電子レンズ部から着脱可能な構成であり、
    前記ライナーチューブ部は、上部ライナーチューブと下部ライナーチューブの上下に２分割できるように構成され、前記上部ライナーチューブと前記下部ライナーチューブの分割部分の真空シールには、温度制限のある部品を有せず、
    前記真空シールは、メタルＯリング又は高温耐熱のＯリングとし、
    前記真空管球部を２００℃以上の高温でのベーキングを可能とすることを特徴とするX線管。
  2. 前記ライナーチューブ部に設けた第１の嵌合部と
    前記磁界電子レンズ部に設けた第２の嵌合部とを嵌合することにより、
    前記真空管球部の光学軸と前記磁界電子レンズ部の光学軸とを軸合わせする構成である請求項１に記載のX線管。
  3. 前記ライナーチューブ部は、前記ライナーチューブ部の長さ方向に複数に分割可能な構成である請求項１又は２に記載のX線管。
  4. 前記磁界電子レンズ部は更に前記電子ビームを前記X線ターゲット上で走査する走査コイルを備え、
    前記ライナーチューブ部は前記X線ターゲットで反射する電子線を検出する反射電子検出部を備えることにより、
    前記X線ターゲットの表面の反射電子像を観察可能としている請求項１〜３のいずれか1項に記載のX線管。
  5. 前記磁界電子レンズ部は前記電界放射型電子銃に最も近い側に、
    上極ポールピースの内径が下極ポールピースの内径よりも大きい第1の電子レンズを備え、
    磁界重畳型電子銃を構成する請求項１〜４のいずれか1項に記載のX線管。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のX線管と、
    試料ステージと、
    前記試料ステージを透過した試料のＸ線透過画像を検出するX線検出器とを備えたことを特徴とするX線検査装置。
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