JP6253233B2 - 透過型ｘ線ターゲットおよび、該透過型ｘ線ターゲットを備えた放射線発生管、並びに、該放射線発生管を備えた放射線発生装置、並びに、該放射線発生装置を備えた放射線撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療機器、非破壊検査装置等に適用可能な波長範囲１ｐｍ〜１０ｎｍに属するＸ線を放出する放射線発生装置に関する。

特にターゲット層と、該ターゲット層を支持するダイアモンド基材とを備える透過型Ｘ線ターゲットに関する。さらに、本発明は、該透過型Ｘ線ターゲットを備える放射線発生管に関し、さらには、該放射線発生管を備えた放射線発生装置に関し、さらには、該放射線発生装置を備えた放射線撮影装置に関する。

在宅医療体制の整備、救急医療の処置範囲拡大等の社会的な情勢の変化により、可搬性を備えた小型軽量な医療モダリティのニーズが高まってきている。近年、このようなニーズに応えるように、医療分野における分析診断技術の発展と相まって、様々な医療モダリティが開発されてきている。放射線発生装置を備えた放射線撮影装置は、従来、その装置規模から、病院、医療検査機関等に固定設置されるものが主流であった。固定設置された医療モダリティは、作動期間とメンテナンスを含む休止期間とを定期的に設定して利用する形態が従来とられていた。

このような放射線発生装置を備えた放射線撮影装置においても、耐久性を高め、省メンテナンス化が図られることにより、装置の稼働率を向上させ、在宅医療または、災害や事故等の救急医療に適用可能な医療モダリティとすることが求められている。

放射線発生装置の耐久性を決定する主たる要因の一つとして、Ｘ線等の放射線の発生源となるターゲットの耐久性が挙げられる。ターゲットは一般に積層構造をとるが、ターゲットの層間の「密着性」を長期間確保することが、ターゲットの耐久性を向上させる上で重要であることは、公知であった。

電子線をターゲットに照射して放射線を発生させる放射線発生装置において、ターゲットにおける「放射線発生効率」は１％未満であるため、ターゲットに投入されたエネルギーのほとんどが熱に変換される。ターゲットで発生した熱のターゲット外部への「放熱」が不十分な場合は、ターゲットを構成する材料の変性や、層構成間に生じる応力に起因した膜剥がれ等の「密着性」の問題が生じる場合があった。

「放射線発生効率」を高効率化する方法として、ターゲットを、重金属を含有する薄膜形態としたターゲット層と、放射線を透過するとともにターゲット層を支持する基材とから構成された透過型Ｘ線ターゲットとすることは公知である。特許文献１には、従来の回転陽極型の反射型ターゲットに対して、「放射線発生効率」を１．５倍以上増大させた回転陽極型の透過型Ｘ線ターゲットが開示されている。

ターゲットから外部への「放熱」を促進する方法として、透過型Ｘ線ターゲットのターゲット層を支持する基材に、ダイアモンドを適用することが公知である。特許文献２には、タングステンからなるターゲット層を支持する基材としてダイアモンドを使用することにより、放熱性を高め、微小焦点化を実現することが開示されている。

ダイアモンドは、強固なｓｐ３結合および高い秩序を有する構造に由来した特異な特性を備えている。ダイアモンドが有する特異な特性のうち、高い耐熱性（融点１６００℃以上）、高い熱伝導性（６００〜２０００Ｗ／ｍ／Ｋ）、高い放射線透過性（軽元素、原子番号６）は、透過型Ｘ線ターゲットの支持基材として、特に優れた特長を備えている。本願発明の透過型Ｘ線ターゲットにおいても、ターゲット層を支持する基材としてダイアモンドを適用した構成を採用している。

一方で、ダイアモンドは、溶融金属との濡れ性が低く、また、固体金属との線膨張係数に不整合があることが知られており、ターゲット金属との親和性が低い。ターゲット層とダイアモンド基材との密着性を確保することが、透過型Ｘ線ターゲット９の信頼性を向上するための課題であった。

特許文献２には、ダイアモンド基材を備えた透過型Ｘ線ターゲットにおいて、密着促進層として材料非開示の中間層を、ダイアモンド基材とターゲット層との間に配置した積層構成が開示されている。

特許文献３には、透過型Ｘ線ターゲットを備えた放射線発生管において、線膨張係数の不整合と、放射線発生管動作時の発熱とに起因する、ターゲット層のダイアモンド基材に対する剥離課題が開示されている。特許文献３では、ターゲット層をダイアモンド基材側に反らせることにより、ターゲット層の剥離を抑制させることが開示されている。特許文献３では、さらに、ターゲット層をダイアモンド基材の周縁を超えて陽極部材にオーバーラップさせて、ターゲット層と陽極部材との電気的接合の信頼性を向上させることが開示されている。

特表２００９−５４５８４０号公報 特表２００３−５０５８４５号公報 特開２００２−２９８７７２号公報

特許文献２，３のように、ターゲット層とダイアモンド基材との密着性に改良を加えた透過型Ｘ線ターゲットにおいても、放射線の出力変動が生じる場合があった。

図４（ａ）〜（ｆ）の各図に図示したターゲット構造体２１４のそれぞれは、少なくとも、ダイアモンド基材２１７とターゲット層２１６とから構成される透過型Ｘ線ターゲット２１５を備えている。ダイアモンド基材２１７は、その周縁でろう材２１９を介して陽極部材２１８と接続されている。

図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれのターゲット構造体２１４をターゲット層２１６と重なる仮想平面で切断した概略平面図である。図４（ｅ）は、図４（ｂ）に図示した仮想断面Ｐ−Ｐ‘でターゲット構造体２１４を切り開いた断面図である。同様にして、図４（ｆ）は、図４（ｄ）に図示した仮想断面Ｑ−Ｑ‘でターゲット構造体２１４を切り開いた断面図である。

図４（ａ）に図示されたターゲット構造体２１４は、ターゲット層２１６と陽極部材２１８との電気的な接続を図る目的から、ターゲット層２１６の周縁からダイアモンド基材２１７の周縁までの領域に、環状の電極２２３を備えている。このターゲット構造体２１４においては、ダイアモンド基材片ごと電極２２３が透過型Ｘ線ターゲットから脱離して生じた、ダイアモンド基材２１７が露出する露出領域２１７ｅが認められた。

図４（ｂ）、（ｆ）に図示されたターゲット構造体２１４は、電極２２３を介さずに、ろう材２１９とターゲット層２１６とが電気的に接続している点が図４（ａ）に記載のターゲット構造体２１４と異なる。図４（ｂ）に図示されたターゲット構造体２１４においては、ダイアモンド基材片ごとターゲット層２１６が透過型Ｘ線ターゲット２１５から脱離して生じた、ダイアモンド基材２１７が露出する露出領域２１７ｅが認められた。

図４（ｃ）に図示されたターゲット構造体２１４は、図４（ａ）に記載のターゲット構造体２１４と構成は同じである。図４（ｃ）に図示されたターゲット構造体２１４においては、ターゲット層２１６と電極２２３との境界を跨ってそれぞれが、ダイアモンド基材片ごと透過型Ｘ線ターゲットから脱離して生じた、ダイアモンド基材２１７が露出した露出領域２１７ｅが認められた。

図４（ｄ）に図示されたターゲット構造体２１４は、短冊状の電極２２３を介してろう材２１９とターゲット層２１６とが電気的に接続している点が図４（ａ）に記載のターゲット構造体２１４と異なる。図４（ｄ）に記載のターゲット構造体２１４においては、短冊状の電極２２３を分断するように露出領域２１７ｆが認められた。

以上の図４（ａ）〜（ｆ）のそれぞれに図示されたターゲット構造体２１４を備えた放射線発生管においては、放射線出力変動に相関のある管電流の変動が併せて観測された。また、図４（ａ）〜（ｆ）のそれぞれに記載のターゲット構造体２１４は、放射線発生管に組み込む前の段階においては、露出領域は認められなかった。さらに、出力変動が観察されなかった他の放射線発生管から分解して取出した透過型Ｘ線ターゲットにおいては、露出領域は認められなかった。

また、図４（ａ）〜（ｆ）に図示された透過型Ｘ線ターゲットに認められた露出領域２１７ｅおよび２１７ｆは、電極２２３またはターゲット層２１６がダイアモンド基材片ごと透過型Ｘ線ターゲット２１５から脱離している箇所が支配的であったが、ダイアモンド基材片の脱離は無く、電極２２３またはターゲット層２１６がダイアモンド基材２１７から剥離した箇所も一部に認められた。

以上の検討結果より推定される放射線の出力変動の要因としては、局所的に露出した絶縁面（露出領域２１７ｅおよび２１７ｆ）に電界集中が生じて、露出領域２１７ｅおよび２１７ｆから他の部材との間で微小放電が断続的に発生したことによるもの、或いは、陽極部材２１９とターゲット層２１６間の導通の不安定性によるもの、が挙げられる。

放射線出力変動のメカニズムの詳細は明らかでは無いものの、少なくとも、ダイアモンド基材２１７の周縁におけるダイアモンド基材片の透過型Ｘ線ターゲットからの脱離が関係していていることが、本発明者等の鋭意なる検討の結果明らかとなった。

ダイアモンドを基材として備えた透過型Ｘ線ターゲットは、反射型ターゲットやベリリウムを支持基材として備えた透過型Ｘ線ターゲットとは異なり、放射線放出面の裏面側からターゲット層と陽極電位供給手段との間の導通を図ること難しい。従って、ダイアモンドを基材として備えた透過型Ｘ線ターゲットでは、ダイアモンド基材の周縁においてターゲット層への導通経路を確保することが求められる。

また、前述の透過型Ｘ線ターゲットに生じるダイアモンド基材片の脱離は、放射線発生管内に導電性の異物を発生させることを意味する。従って、導電性の異物が、放射線発生管の放電耐圧を直接的に低下させる放電原因となる点で、放射線発生管の信頼性の点で問題であった。この点からも、ダイアモンド基材２１７の周縁におけるターゲット層等の剥離・ダイアモンド基材片の脱離を防止することが求められる。

本発明は、ダイアモンドを基材として備えるメリットを維持しつつ、ダイアモンド基材片の脱離を抑制し、ターゲット層と陽極部材との電気的接続の信頼性が高い透過型Ｘ線ターゲットを提供することを目的とする。さらに、本発明は、出力変動を抑制した、信頼性の高い放射線発生管、放射線発生装置、ならびに、放射線撮影装置を提供することを目的とする。

本発明の透過型Ｘ線ターゲットは、一方の面と、それに対向する他方の面を有する平板状のダイアモンド基材と、前記一方の面の上に位置するターゲット層と、を備え、前記一方の面は、前記他方の面に比べ残留応力が小さいことを特徴とする。

本発明によれば、ダイアモンド基材片のターゲットからの脱離を防止した信頼性の高い透過型Ｘ線ターゲットを提供することが可能となる。さらには、放射線の出力変動を抑制し、導電性物質が付着したダイアモンド剥離片の放射線発生管内への飛散を防止した信頼性の高い放射線発生管を提供することができる。さらには、信頼性の高い放射線発生管を備えた放射線発生装置ならびに放射線撮影装置を提供することが可能となる。

本発明のターゲットの一例を示す断面図（ａ）、（ｂ）、（ｅ）と、平面図（ｃ）、（ｄ）。 本発明のターゲットを備える放射線発生管（ａ）と、放射線発生装置（ｂ）の各構成例を示す断面構成図である。 本発明の放射線発生装置を備える放射線撮影装置の構成図である。 露出領域が確認されたターゲットの平面図（ａ）−（ｄ）と、断面図（ｅ）、（ｆ）

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。

この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、この発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

図２（ａ）、図２（ｂ）は本発明の透過型Ｘ線ターゲットを備えた放射線発生管、および、放射線発生装置のそれぞれの構成例を示した断面図である。

＜放射線発生装置＞
図２（ｂ）には、放射線束１１を放射線透過窓１２１からＸ線を放出する放射線発生装置１０１の実施形態が示されている。本実施形態の放射線発生装置１０１は、放射線透過窓１２１を有する収納容器１２０内に、放射線源である放射線発生管１０２、および、放射線発生管１０２の駆動するための駆動回路１０３を有している。

放射線発生管１０２及び駆動回路１０３を内蔵する収納容器１２０は、容器としての十分な強度を有し、かつ放熱性に優れたものが望ましく、その構成材料としは、例えば真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料が好適に用いられる。

本実施形態においては、収納容器１２０内の内部の放射線発生管１０２と駆動回路１０３以外の余空間４３は、絶縁性液体１０９が充填されている。絶縁性液体１０９は、電気絶縁性を有する液体で、収納容器１２０の内部の電気的絶縁性を維持する役割と、放射線発生管１０２の冷却媒体としての役割とを有する。絶縁性液体１０９としては、鉱油、シリコーン油、パーフロオロ系オイル等の電気絶縁油を用いるのが好ましい。

＜放射線発生管＞
図２（ａ）には、電子放出源３と電子放出源３に対向する透過型Ｘ線ターゲット１１５（以降、本願明細書においては、透過型Ｘ線ターゲットをターゲットと称す）とを備えた透過型の放射線発生管１０２の実施形態が示されている。

本実施形態では、電子放出源３が備える電子放出部２から放出された電子線５を、ターゲット１１５のターゲット層１１６に衝突させることにより放射線束１１を発生させる。なお、電子線５に含まれる電子は、電子放出源３とターゲット層１１６との間の電界により、放射線を発生させるのに必要な入射エネルギーに加速される。かかる加速電界は、駆動回路１０３から出力される管電圧Ｖａにより、陰極電位を電子放出源３に、陽極電位をターゲット層１１６に、それぞれ電位規定することにより放射線発生管１０２の内部空間１３に形成される。

ターゲット構造体１１４は、ターゲット１１５と陽極部材１１８とにより構成される。ターゲット１１５は、ターゲット層１１６、及びターゲット層１１６を支持するダイアモンド基材１１７とから構成される。

ターゲット層１１６は、含有するターゲット材料とその層厚とを、管電圧Ｖａとともに適宜選択することにより、必要な線種を放出する放射線発生層となる。

ターゲット材料としては、例えば、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）等の原子番号４０以上の高い原子番号の金属材料を含有することが可能である。ターゲット層１１６は、ダイアモンド基材１１７上に、蒸着法、スパッタ法等の任意の成膜方法により形成することが可能である。ターゲット層１１６とダイアモンド基材１１７との密着性を確保することを目的として、特許文献２に開示されているように、ターゲット層１１６とダイアモンド基材１１７との間に不図示の中間層を設けた形態も本願発明は含む。

ターゲット層１１６の層厚は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とすることができる。層厚の下限と上限は、それぞれ、放射線出力強度の確保、界面応力の低減の観点から定められ、２μｍ以上１０μｍ以下の範囲とすることが、より好ましい。

陽極部材１１８は、ターゲット層１１６の陽極電位を規定する機能を少なくとも有するダイアモンド基材１１７。陽極部材は、図１（ｅ）に図示されたように、一方の面１１７ａの周縁部に沿って位置するか、図１（ａ）、（ｂ）に図示されたように、側面１１７ｃに沿って位置する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に図示する配置関係および、接続関係を取ることにより、陽極部材１１８は、さらに、ターゲット１１５を保持する機能と、必要な方向への放射線取出し角度（放射角）を規定する機能を有する。

さらに、陽極部材１１８は、高比重の材料から構成することにより放射線遮蔽機能を持たせることが可能である。陽極部材１１８を構成する材料としては、質量吸収係数μ／ρ［ｍ^２／ｋｇ］と密度［ｋｇ／ｍ^３］との積が大きいことが、陽極部材１１８およびターゲット構造体１１４の小型化の点で好ましい。

さらに、陽極部材１１８を構成する材料としては、ターゲット層１１６から発生する放射線の特性Ｘ線エネルギーに基づいて、固有の吸収端エネルギーを有する金属元素を適宜選択することが、より一層の小型化の点で好ましい。陽極部材１１８は、銅、銀、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等を含有することが可能であり、ターゲット層１１６が含有するターゲット金属と同じ金属元素を含有することも可能である。

本実施形態においては、陽極部材１１８は、ターゲット１１５を囲むような筒状の形状とすることにより、ターゲット層１１６から放出された放射線の放出角の範囲を規定する前方遮蔽体としての機能を備える。さらに、本実施形態において、陽極部材１１８は、ターゲット層１１６から電子放出源３の方向に向けて、後方散乱した不図示の反射電子または、不図示の後方散乱放射線の到達する範囲を制限する後方遮蔽体としての機能を有する。

放射線発生管１０２は、陰極電位に規定される電子放出源３と、陽極電位に規定されるターゲット層１１６との間の電気的な絶縁を図る目的で設けられる絶縁管１１０によって胴部が構成されている。絶縁管１１０は、ガラス材料やセラミクス材料等の絶縁性材料で構成される。絶縁管１１０は、電子放出源３とターゲット層１１６との間隔を規定する機能を持たせることも可能である。

放射線発生管１０２の内部空間１３は、電子放出源３を機能させるために減圧されている。放射線発生管１０２の内部の真空度は、１０^−８Ｐａ以上１０^−４Ｐａ以下であることが好ましく、電子放出源３の寿命の観点からは、１０^−８Ｐａ以上１０^−６Ｐａ以下であることがより一層好ましい。

放射線発生管１０２は、真空容器として、かかる真空度を維持するための気密性と耐大気圧強度とを備えることが好ましい。放射線発生管１０２内部の減圧は、不図示の排気管を介して不図示の真空ポンプで真空排気した後、かかる排気管を封止する方法をとることが可能である。また、放射線発生管１０２の内部には、真空度の維持を目的として、不図示のゲッターを配置しても良い。

なお、本実施形態では、ダイアモンド基材１１７は、ターゲット層１１６で発生した放射線を放射線発生管１０２の外に取り出すための透過窓の役割を担うとともに、真空容器を構成する部材としての役割も有している。

電子放出源３は、ターゲット１１５が備えるターゲット層１１６に対向して設けられている。電子放出源３としては、例えばタングステンフィラメント、含浸型カソードのような熱陰極や、カーボンナノチューブ等の冷陰極を用いることができる。電子放出源３は、電子線５のビーム径および電子電流密度、オンオフ制御を目的として、不図示のグリッド電極、静電レンズ電極を備えることが可能である。

＜ターゲット＞
次に、図１を用いて本発明のターゲット１１５（透過型Ｘ線ターゲット）の特徴を備えた実施形態ついて具体的に説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、ターゲット１１５と陽極部材１１８とがろう材１１９を介して接合されたターゲット構造体１１４の断面が図示されている。ターゲット１１５は、ダイアモンド基材１１７の一方の面１１７ａにターゲット層１１６が形成されている。図１（ｃ）、（ｄ）は、ターゲット層１１６が形成された側から、図１（ａ）、（ｂ）のそれぞれに図示されたターゲット構造体１１４を見た平面図である。図１（ｅ）は、陽極部材１１８とターゲット１１５との電気的接続を、ターゲット層１１６を形成した側において行った、図１（ａ）に図示されたターゲット構造体１１４の変形例である。

ダイアモンド基材１１７は、天然ダイアモンドまたは、人工ダイアモンドのいずれを選択しても良いが、再現性、均質性、コスト等の観点から、高温高圧合成法、化学的気相成長法で形成された人工ダイアモンドとすることが好ましい。均質な結晶構造が得られる点において、高温高圧合成法による高圧合成ダイアモンドが、より一層好ましい形態として採用することが可能である。

ダイアモンド基材１１７の外形は、図１（ａ），（ｂ），（ｅ）に図示するように、一方の面とそれに対向する他方の面とを有した平板状とし、例えば、直方体形状、ディスク状とすることが可能である。

ディスク状のダイアモンド基材１１７の大きさとしては、直径２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることにより、必要な焦点径を形成可能なターゲット層１１６設けることが可能となり、厚さ０．５以上４．０ｍｍ以下とすることにより、放射線の透過性を確保することが可能となる。直方体形状のダイアモンド基材とする場合は、前述の直径の範囲を、直方体が有する面の短辺と長辺のそれぞれの長さに置き換えれば良い。

ダイアモンド基材１１７は、側面１１７ｃを有する。側面１１７ｃは、一方の面１１７ａと他方の面１１７ｂのそれぞれの周縁と接続するダイアモンド基材１１７の部分であって、周状の形態となる。

ダイアモンド基材１１７のアスペクト比（厚さ／直径）は、放射線の透過性を考慮して１未満とすることが好ましい。従って、所望のダイアモンド基材１１７の厚さを有し、厚さ方向を法線とする主面を有した板状の母材から、所望のアスペクト比のダイアモンド基材１１７を部分的に取り出すことが経済的である。

前述の方法は、高圧合成ダイアモンドまたは、化学的気相成長法によるダイアモンドを用いる場合に製法上のメリットをそれぞれ有している。前者は、ダイアモンド基材が備えている結晶性に鑑みて、厚み方向に薄い母材から切り出すことにより、切断時に母材の結晶方位の影響を受け難いメリットを有する。結晶方位の影響は、壁開が含まれる。後者は、膜厚より膜面方向に大きな母材を形成することが、成膜手法として整合性が高い。

高圧合成ダイアモンド基材は、単結晶構造をとり、所定の結晶方位を主面に割り当てることが可能である。また、固体結晶の表面張力は、各面の結晶方位に依存する。従って、高圧合成ダイアモンドをダイアモンド基材１１７に適用することにより、ターゲット層１１６を形成する１１７ａ面に対して任意の結晶方位を割り当て可能とある。例えば、（１００）面を１１７ａ面とすることで、ターゲット層１１７とダイアモンド基材１１７との密着性向上させることが可能である。

また、ダイアモンド基材１１７の一方の面１１７ａには、少なくとも、ターゲット層１１６が形成される。従って、一方の面１１７ａは、ダイアモンド基材１１７の他の面に比較して、形状精度と洗浄性がより高く求められる。不図示の板状のダイアモンド母材から取り出す手法を採用することにより、ダイアモンド基材を母材から取り出す工程に先だって、板状の母材の主面を一括して平滑処理することが可能となる。上記の方法は、高精度な面１１７ａを有し、かつ、高い再現性を有した複数のダイアモンド基材１１７が製造可能となる点で好ましい。

ダイアモンド基材１１７を母材から取り出す加工方法としては、機械研磨、エッチング、局所加熱光照射、集束イオンビーム照射等の様々な方法が採用される。ダイアモンド基材１１７の側面以外の面（例えば面１１７ａ）へのダメージを抑制する観点からは、局所加熱光照射または、集束イオンビーム照射が好適な加工方法である。雰囲気制御が不要な点、および、ダイアモンド基材中にイオン打ち込みが無い点で、レーザ光源を用いた局所加熱光照射が、より一層好適な加工方法である。

図４の各図に図示されたターゲット構造体２１４に認められた露出領域２１７ｅ、２１７ｆの発生要因について、以下に説明する。

本願発明者等の鋭意なる検討の結果、露出領域２１７の発生分布が、計測した残留応力分布との間に相関が認められ、ターゲット層の成膜時点でダイアモンド基材に残留している残留応力値の面間の差異が原因となっていることが判った。

ダイアモンド基材に残留している残留応力値の面間の差異の原因は、明らかでは無いものの、推定される原因の一つは、ダイアモンド基材の母材からの切り出し工程の異方性が考えられた。また、推定される他の原因の一つとしては、ダイアモンド基材の対向する夫々の面と側面との形状が関係していることが推定された。

レーザ加工により母材から取り出されたダイアモンド基材を例とすると、残留応力が相対的に大な領域を有する面は、レーザ光の入射面の反対側の面であった。

また、機械加工により母材から取り出されたダイアモンド基材を例とした場合においても、機械加工の加工刃のダイアモンド基材内部への進行方向と相関が認められ、刃が抜ける側の面に残留応力が高かった。

次に、ダイアモンド基材の対向する夫々の面と側面との形状について説明する。残留応力は、ダイアモンド基材１１７の端面形状にも依存し、ターゲット層２１６形成面のダイアモンドのクラック・脱離に関与していることが判った。具体的には、側面と主面とのなす角度が、鋭角と鈍角との差異があった場合には、側面との成す角度が鋭角な場合は、主面側に、応力がより残留している事実が確認された。なお、本願明細書において、主面と側面との成す角は、ダイアモンド基材の断面形状における内角を構成する側の角度を意味する。

本発明の第１の実施形態においては、図１（ａ）に記載のように、ターゲット層１１６をダイアモンド基材１１７の残留応力が小さい方の面１１７ａに形成する形態とすることにより、ダイアモンド基材１１７のクラックを抑制し、ターゲット層１１６の脱離、または、電極１２３の剥離を抑制する。

また、本発明の第２の実施形態においては、図１（ｂ）に記載のように、一方の面１１７ａと側面１１７ｃとの成す角が、対向する他方の面１１７ｂと側面１１７ｃとの成す角より、大きい一方の面に、ターゲット層１１６を備えることを特徴とする。

第２の実施形態のより好ましい態様としては、図１（ｂ）に記載のように、一方の面１１７ａと側面１１７ｃとの成す角が鈍角であることを特徴とする。

また、第１の実施形態の特徴と第２の実施形態の特徴とを併せて備えることにより、ダイアモンド基材１１７に残留する応力を確実に低減させ、より一層信頼性の高いターゲット１１５が得られる。

前述のようにダイアモンド基材の一方の面１１７ａと他方の面１１７ｂとの夫々の面上に残留応力の分布が存在する場合において、前記残留応力が小さい面とは、前記夫々の面において最大である残留応力の比較において小さい面のことを意味する。

ダイアモンド基材１１７の残留応力の小さい面１１７ａを特定するには、複屈折法またはレーザラマン分光法等を利用することが出来る。本願発明は、その他の残留応力測定方法を適用することを制限しない。

応力によって結晶構造が変化した時、その物質を透過する光の振動方向に依存した屈折率の異方性が生じる複屈折が生じる。この時、物質を透過した光には、光の振動方向に依存した位相差が生じるので、光学的な観察により応力を同定することが可能となる。このように複屈折位相差により同定可能な応力を光弾性応力と称する。従って、ダイアモンド基材を透過した透過光と入射光との間の複屈折位相差を検出することによって、応力発生個所を同定することが可能となる。第１の低残留応力面の特定方法は、光弾性応力を測定する複屈折位相差法である。

レーザラマン分光法は、測定物質にレーザー光を照射し、物質の結晶構造や分子振動に起因するラマン散乱光の波長変化を検出するものである。結晶構造や分子振動は物質固有のものであるため一般には物質の同定に利用されるが、応力が存在することによっても原子間の結合長や結合角などの結晶構造が変化し、それに応じて散乱光の波長が変化する。その波長変化をレーザラマン分光法で検出することで、ダイアモンド基材１１７の残留応力分布を測定することができる。第２の低残留応力面の特定方法は、ラマン散乱光の波長変化を検出するレーザラマン分光法である。

また、低靭性な部材に残留応力がある場合、残留応力を駆動力として０．１〜１００μｍ程度のマイクロクラックが発生する場合がある。マイクロクラックの発生によりダイアモンド基材から応力が解放されるものと予想された。しかしながら、本願発明者等の検討の結果、マイクロクラック領域内またはその近傍に、複屈折位相差が観測された。従って、マイクロクラックによっても、加工時応力はダイアモンド基材から完全には開放されずに、マイクロクラック近傍に局在して残留しており、さらなるマイクロクラックまたはダイアモンド基材片の脱離の要因となっていることが判った。

第３の低残留応力面の特定方法は、顕微鏡観察によってダイアモンド基材のマイクロクラック分布を評価することである。第３の低残留応力面の特定方法によって、残留応力の小さい面を間接的に同定することが可能となる。適用可能な顕微鏡は、ダイアモンド基材１１７の表面形状が観察されれば任意の顕微鏡を適用可能であって、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ＳＴＭ、ＴＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等が適用可能である。

第４の低残留応力面の特定方法は、ダイアモンド基材の端部形状を同定するマクロ観察である。ダイアモンド基材１１７の残留応力分布と、側面１１７ｃと主面１１７ａまたは主面１１７ｂとの成す角に、相関があることを見出した。具体的には、側面１１７ｃを介して対向する２つの主面のうちいずれか一方の面１１７ａと側面１１７ｃとの成す角が、いずれか他方の面１１７ｂと側面１１７ｃとの成す角より、大きいとき、一方の面１１７ａは他方の面１１７ｂより低残留応力面であると同定可能であった。

ターゲット層１１６は、図１（ａ）のようにダイアモンド基材１１７の残留応力の小さい方の面１１７ａの全面に形成しても良いし、図１（ｂ）のように、ダイアモンド基材の周縁（端部）から離間した位置に、部分的に形成しても良い。

また、図１（ｂ）に記載の実施形態においては、ターゲット層１１６と陽極部材１１８との電気的接続をとるために、ターゲット層１１６の周縁とダイアモンド基材１１７の周縁との間に導電性の材料からなる電極１２３が形成されている。

本実施形態のように、ダイアモンド基材１１７に直接接触する電極１２３としては、ダイアモンド基材との密着性の観点から、炭化物標準生成自由エネルギーが負の金属を含有することが好ましい。炭化物標準生成自由エネルギーが負の金属として、チタン、ジルコニウム、クロムが選択可能である。また、電極１２３は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下の膜厚とすることが電気的接続と密着性を両立する点で好ましい。

また、図１（ａ）に記載の実施形態は、ターゲット層１１６をダイアモンド基材１１７の周縁まで形成しているが、ダイアモンド基材１１７の周縁に電極１２３を備えている。本実施形態における電極１２３は、電気的接続、および、ろう材１１９とターゲット層との間の相互拡散防止を目的として設けられる。本実施形態において、電極１２３はターゲット層１１６の上に形成されているが、ターゲット層１１６とダイアモンド基材１１７の間に形成しても良い。

ろう材１１９としては、放射線発生管１０２の動作温度、被接合部材との接着性等により適宜選択することができる。ろう材１１９の具体例としては、Ｃｒ−Ｖ系合金、Ｔｉ−Ｔａ−Ｍｏ系合金、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ａｌ系合金、Ｔｉ−Ｃｒ系合金、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｂｅ系合金、Ｚｒ−Ｎｂ−Ｂｅ系合金、Ａｕ−Ｃｕを主成分とするろう材、ニッケルろう、黄銅ろう、銀ろうを適用可能である。

以上のような実施形態のターゲット１１５により、導電性物質が付着したダイアモンド剥離片が放射線発生管１０１内に飛散することを低減し、放射線発生管１０１内の放電を抑制することができる。また、ダイアモンド基材のクラック、脱離に起因するターゲット層１１６と駆動回路１０３の電気接続不良を防止することができる。これにより、高い信頼性を有する放射線発生装置を提供することができる。

＜放射線撮影装置＞
次に、図３を用いて、本発明のターゲットを備える放射線撮影装置の構成例について説明する。

システム制御ユニット２０２は、放射線発生装置１０１と放射線検出器２０６とを統合制御する。駆動回路１０３は、システム制御ユニット２０２による制御の下に、放射線発生管１０２に各種の制御信号を出力する。駆動回路１０３は、放射線発生装置１０１が備える、本実施形態においては、収納容器１２０の内部に放射線発生管１０２とともに収納されているが、収納容器１２０の外部に配置しても良い。駆動回路１０３が出力する制御信号により、放射線発生装置１０１から放出される放射線束１１の放出状態が制御される。

放射線発生装置１０１から放出された放射線束１１は、可動絞りを備えた不図示のコリメータユニットによりその照射範囲を調整されて放射線発生装置１０１の外部に放出され、被検体２０４を透過して検出器２０６で検出される。検出器２０６は、検出した放射線を画像信号に変換して信号処理部２０５に出力する。

信号処理部２０５は、システム制御ユニット２０２による制御の下に、画像信号に所定の信号処理を施し、処理された画像信号をシステム制御ユニット２０２に出力する。

システム制御ユニット２０２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置２０３に画像を表示させるための表示信号を表示装置２０３に出力する。

表示装置２０３は、表示信号に基づく画像を、被検体２０４の撮影画像としてスクリーンに表示する。

本発明に関わる放射線の代表例はＸ線であり、本発明の放射線発生装置１０１と放射線撮影装置は、Ｘ線発生ユニットとＸ線撮影システムとして利用することができる。Ｘ線撮影システムは、工業製品の非破壊検査や人体や動物の病理診断に用いることができる。

（実施例１）
図１（ａ）、（ｃ）に図示されたターゲット構造体１１４を以下のような手順にて作成した。

ダイアモンド基材１１７は、高温高圧合成法による単結晶ダイアモンドからなる板状の母材から、レーザー光で加工して取出した。取出したダイアモンド基材１１７の形状は、厚さ１ｍｍ、直径５ｍｍのディスク形状であった。

ダイアモンド基材１１７の残留応力は市販の複屈折測定装置を用いて測定し、ダイアモンド基材１１７端部の残留応力が小さい方の面１１７ａを特定した。補足的に走査型電子顕微鏡と光学顕微鏡にてマイクロクラックの有無を観察した結果、残留応力の小さい方の面ではマイクロクラックが無かった。本実施例においては、クラック幅が１μｍ以上のものを、マイクロクラックとしてカウントした。

次に、ダイアモンド基材１１７の残留応力の小さい方の面１１７ａの全面に厚さ５μｍのタングステン膜をターゲット層１１６として成膜した。ターゲット層１１６の成膜は、アルゴンをキャリアガスとしたスパッタ法により行った。

次に、ダイアモンド基材１１７とターゲット層１１６からなるターゲット構造体の周縁から内側方向に１００μｍ幅で、チタンからなる円環状の電極１２３をスパッタ法にて形成した。

次に、ダイアモンド基材１１７の側面１１７ｃと、管状の陽極部材１１８の内壁とを銀ろうからなるろう材１１９でろう付けした。本工程においては、ろう材１１９の一部が、少なくとも電極１２３と接触するようにろう付けした。陽極部材１１８の材料はタングステンとした。

以上のようにして作成したターゲット構造体１１４を、図２（ａ）に図示された放射線発生管１０２に取り付けて、図２（ｂ）に図示された放射線発生装置１０１を作成した。次に、放射線発生装置１０１を動作させて、出力動作の安定性と放射線出力の変動とを評価した。その結果、放射線発生管１０２内での放電は認められず、安定に動作できることが確認された。さらに、放射線出力変動を測定したところ、顕著な出力変動は観測されなかった。即ち、本実施例の放射線発生装置１０１において、ターゲット層１１６と陽極部材１１８との電気的な接続不良による不具合は認められなかった。

なお、本実施例において、放電の検出は、陽極部材１１８、電流導入端子４、および、接地端子１６と、駆動回路１０３とを結ぶ接続線と、収納容器１２０と接地端子１６とを結ぶ接続線との計４か所に対して、不図示の放電カウンターを接続して行った。

また、本実施例において放射線出力変動の評価は、以下のようにして行った。電子放出部２とターゲット層１１６の中心を結ぶ延長線上で、ダイアモンド基材１１７から収納容器１２０の外側方向に向かって１００ｃｍ離れた位置に、不図示の線量計を配置した。線量計は半導体検出器を備え、放射線束１１の強度の時間変動を測定可能となっている。

放射線出力変動の測定の手順としては、駆動回路１０３により電子放出源３を、３０秒毎に３秒間電子放出動作させ、曝射時間３秒の中央２秒間の時間変動を測定した。放射線出力変動のカウント条件は、２秒間の放射線出力の平均強度に対して２％以上の変動発生を、顕著な放射線出力変動としてカウントとした。なお、放射線の出力変動の評価の際には、ターゲット層１１６から接地端子１６に流れる管電流を不図示の検知手段を備えた不図示の負帰還回路により、管電流の変動が１％以内に収まるように制御した。

更に、図３に示すように、本実施例で作成した放射線発生装置１０１を用いて放射線撮影装置６０を構成し、その動作を確認したところ、安定に放射線撮影を行うことができた。なお、上記の動作確認と放射線撮影とにおいて、管電圧Ｖａは１１０ｋＶとした。

次に、本実施例の放射線発生管１０２から、ターゲット構造体１１４を取出して観察したところ、ターゲット１１５には、露出領域は観察されなかった。

（比較例１）
従来は、ダイアモンド基材端部の残留応力を同定せずに、ターゲット層をダイアモンド基材上に形成していたため、残留応力の大きい面にターゲット層を形成していたことがあった。そこで、本発明と従来方法の比較を行うために、本比較例において、ダイアモンド基材の端部の残留応力が大きい方の面にターゲット層を形成し、実験を行った。

ダイアモンド基材は実施例１と同様の形状とし、複屈折測定装置で残留応力の大きい方の面を特定した。補足的に電子顕微鏡と光学顕微鏡にて、マイクロクラックの有無を観察した結果、残留応力の大きい方の面ではマイクロクラックが３ヶ見つかった。マイクロクラックのカウント条件は、実施例１と共通とした。

次に、ダイアモンド基材の残留応力の大きい方の面に実施例１と同様にターゲット層２１６と電極２２３を形成し、さらに、電極２２３と陽極部材２１８とがろう材２１９に接触するようにろう付けし、ターゲット構造体２１４を作成した。得られたターゲット構造体２１４を放射線発生管に取り付け、放射線発生管と放射線発生管に電気的に接続された駆動回路とを収納容器に収め、放射線発生装置を作成して、実施例１と同様に動作確認を行った。

本比較例においては、１時間の評価時間内において、管電圧は持続的に印加可能であったが、微小放電に起因すると推定される放射線の出力変動が評価時間内に２回確認された。

次に、本比較例に使用した放射線発生管から、ターゲット構造体２１４を取出して光学顕微鏡にて観察したところ、図４（ａ）に図示するような露出領域２１７ｅが、電極２２３の形成領域に認められた。

（実施例２）
図１（ｂ）、（ｄ）に示したターゲット構造体１１４を以下のような手順にて作成した。

ダイアモンド基材１１７は実施例１と同様のレーザ光照射によって、単結晶ダイアモンドからなる母材から切り出した。ダイアモンド基材１１７を光学顕微鏡を用いて測長したところ、一方の面１１７ａと側面１１７ｃとのなす角は９３．２度であり、他方の面１１７ｂと側面１１７ｃとのなす角は、８６．８度であった。

本実施例においても、実施例１と同様に複屈折法を用いて、応力の小さい方の面１１７ａを特定した。電子顕微鏡観察と光学顕微鏡観察との結果、本実施例のダイアモンド基材１１７においても、残留応力の小さい方の面１１７ａにマイクロクラックは無く、小さい方の面１１７ａと側面１１７ｃとの成す角が前述の９３．２度であった。

次に、ダイアモンド基材１１７の残留応力の小さい方の面１１７ａ内のφ２ｍｍの場所に厚さ６μｍのタングステン膜をターゲット層１１６として形成した。ターゲット層１１６の成膜は、実施例１と同様にして、アルゴンをキャリアガスとしたスパッタ法により行った。

次に、ターゲット層１１６と陽極部材１１８との電気的接続を目的として、幅１００μｍの銅チタン合金を含有する電極１２３をターゲット層１１６の周縁からダイアモンド基材１１７の周縁まで形成した。ターゲット層１１６と電極１２３とは、５０μｍオーバーラップさせた。電極１２３は、金属含有ペーストを用いて、スクリーン印刷と焼成により形成した。

ダイアモンド基材１１７の側面１１７ｃと陽極部材１１８を銀ろうからなるろう材１１９でろう付けした。ろう材１１９の一部が、電極１２３と接触するようにした。陽極部材１１８の材料は、実施例１と同様にしてタングステンとした。

以上のようにして作成したターゲット構造体１１４を、実施例１と同様にして、図２（ａ）に図示された放射線発生管１０２に取り付けて、図２（ｂ）に図示された放射線発生装置１０１を動作させて、放射線出力の安定性を確認した。

本実施例においても、放射線発生管１０２内での放電は認められず、安定に動作できることを確認した。さらに、放射線出力変動を測定したところ、顕著な出力変動も観測されなかった。即ち、本実施例の放射線発生装置１０１においても、ターゲット層１１６と陽極部材１１８との電気的な接続不良による不具合は認められなかった。

更に、図３に示すように、実施例１と同様にして、本実施例で作成した放射線発生装置１０１を用いて放射線撮影装置６０を構成し、その動作を確認したところ、安定に放射線撮影を行うことができた。なお、上記の動作確認と放射線撮影とにおいて、管電圧Ｖａは１１０ｋＶとした。

次に、本実施例の放射線発生管１０２から、ターゲット構造体１１４を取出して観察したところ、ターゲット１１５には、露出領域は観察されなかった。

（比較例２）
ダイアモンド基材は実施例２と同様の形状とし、複屈折測定装置で残留応力の大きい方の面を特定した。補足的に電子顕微鏡と光学顕微鏡にて、マイクロクラックの有無を観察した結果、残留応力の大きい方の面ではマイクロクラックが３ヶ見つかった。マイクロクラックのカウント条件は、実施例１と共通とした。

次に、ダイアモンド基材の残留応力の大きい方の面に実施例１と同様にターゲット層２１６と電極２２３を形成し、さらに、電極２２３と陽極部材２１８とがろう材２１９に接触するようにろう付けし、ターゲット構造体２１４を作成した。得られたターゲット構造体２１４を放射線発生管に取り付け、放射線発生管と放射線発生管に電気的に接続された駆動回路とを収納容器に収め、放射線発生装置を作成して、実施例２と同様に動作確認を行った。

本比較例においては、１時間の評価時間内において、管電圧は持続的に印加可能であったが、微小放電に起因すると推定される放射線の出力変動が評価時間内に４回確認された。

次に、本比較例に使用した放射線発生管から、ターゲット構造体２１４を取出して光学顕微鏡で観察したところ、図４（ｄ）、（ｆ）に図示された露出領域２１７ｆが、電極２２３の形成領域に認められた。露出領域２１７ｆについて、走査型電子顕微鏡にて詳細に観察した結果、電極２２３がダイアモンド基材２１７から剥離している領域と、電極２２３がダイアモンド基材片ごと、ターゲット２１５から脱離している領域があった。

前者の露出領域は、ダイアモンド基材片が電極２２３ごと脱離したのち、二次的に生じた剥離現象によるものと推定される。

以上、実施例１，２、比較例１，２のいずれの評価においても、放射線発生管に組み込む段階では、いずれのターゲット１１５、２１５ともダイアモンド基材の脱離が無いことが確認されていた。比較例１，２において、分解後に確認された露出領域２１７ｅ、２１７ｆの発生については、以下のようなメカニズムが寄与していたものと推定される。

ターゲット層２１６が形成されたダイアモンド基材の面の残留応力に、放射線発生管の温度上昇に伴うターゲット層または電極の膨張（線膨張係数比 αタングステン／αダイアモンド＝４．５ ＞ １）に起因して、ダイアモンド基材のターゲット層形成面側に引張り応力が加わり、ダイアモンド基材にマイクロクラックとその進展が生じ、ダイアモンド基材の脱離に至ったものと推定される。

１１５ 透過型Ｘ線ターゲット（ターゲット）
１１６ ターゲット層
１１７ ダイアモンド基材
１１７ａ 一方の面（小残留応力面）
１１７ｂ 他方の面（大残留応力面）

Claims (16)

1. 一方の面と、それに対向する他方の面を有する平板状のダイアモンド基材と、
   前記一方の面の上に位置するターゲット層と、
   を備えた透過型Ｘ線ターゲットにおいて、
   前記一方の面は、前記他方の面に比べ残留応力が小さいことを特徴とする透過型Ｘ線ターゲット。
2. 前記一方の面及び前記他方の面の夫々の面上に残留応力の分布が存在する場合、前記残留応力が小さいとは、前記夫々の面において最大である残留応力の比較において小さいことであることを特徴とする請求項１に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
3. 前記ダイアモンド基材は側面を有し、
   前記一方の面と前記側面との成す角は、前記他方の面と前記側面との成す角より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
4. 前記一方の面と前記側面との成す角が、鈍角であることを特徴とする請求項３に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
5. 前記ダイアモンド基材は、単結晶ダイアモンドであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
6. 前記ダイアモンド基材は、単結晶ダイアモンドから構成された母材から、部分的に取り出されたものであることを特徴とする請求項５に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
7. 前記ターゲット層の層厚は、１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
8. 前記ターゲット層は、その周縁が、前記ダイアモンド基材の周縁から離間し、前記ダイアモンド基材上において、前記ターゲット層の周縁から前記ダイアモンド基材の周縁にかけて位置する電極をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
9. 前記電極は、炭化物標準生成自由エネルギーが負の金属元素を含有することを特徴とする請求項８に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
10. 前記電極は、チタンまたは、ジルコニウム、クロムを含有することを特徴とする請求項８または９に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
11. 前記電極の層厚は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項８または１０に記載の透過型Ｘ線ターゲット。
12. 請求項３または４に記載の透過型Ｘ線ターゲットと、
    前記一方の面の周縁部または前記側面の少なくともいずれか一方に沿って位置し、前記ターゲット層に電気的に接続された陽極部材と、を備えることを特徴とするターゲット構造体。
13. 前記ターゲット層と前記陽極部材とは、ろう材を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のターゲット構造体。
14. 請求項１２または１３に記載のターゲット構造体と、
    前記ターゲット層と対向して位置する電子放出部を備える電子放出源と、
    前記ターゲット層と前記電子放出源とを電気的に絶縁する絶縁管と、
    を備えることを特徴とする放射線発生管。
15. 請求項１４に記載の放射線発生管と、
    前記ターゲット層と前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲット層と前記電子放出部との間に印加される管電圧を出力する駆動回路と、
    を備える放射線発生装置。
16. 請求項１５に記載の放射線発生装置と、
    前記放射線発生装置から発生した放射線を検出する放射線検出器と、
    前記放射線発生装置と、前記放射線検出器とを統合して制御する制御ユニットと、
    を備えた放射線撮影装置。

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