JP6388387B2

JP6388387B2 - Ｘ線管

Info

Publication number: JP6388387B2
Application number: JP2014170507A
Authority: JP
Inventors: 克則清水; 下野　隆; 隆下野; 晋齊藤
Original assignee: Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: JP2016046145A

Description

実施形態は、Ｘ線回折装置用のＸ線管に関する。

Ｘ線管は、電子を放出する陰極と、この陰極に対向して陰極から放出された電子の入射によってＸ線を放出する陽極ターゲットと、陽極ターゲットを収納し、Ｘ線を外部に放射するＸ線放射窓を備えた金属外囲器及び陰極とこの金属外囲器との間で絶縁を保つセラミック外囲器から構成される真空外囲器と、を備える。金属外囲器とセラミック外囲器とを真空状態で接続するために、リング状の封着金属部が金属外囲器とセラミック外囲器との間に設けられ、それぞれに接合されている。セラミック外囲器は、封着金属を接合するためにメタライズ部を備えている。このような構造を備えたＸ線管においては、陰極と真空外囲器との間には、数ｍｍ程度の隙間があり、実使用時には陰極と真空外囲器との間に電位差が発生される。

特開平９−３０６３９９号公報

Ｘ回折装置用のＸ線管において、陰極と真空外囲器との間、より詳細には、陰極とメタライズ部との間で放電が発生される。Ｘ線回折分析では、被測定試料の高精度分析を行うため、発生されるＸ線には、高い安定性（Ｘ線強度の変動が小さいこと）が求められる。放電が発生されると、測定中のプロファイルデータ等において、ノイズとして検出され、データの信頼性が損なわれ得る。例えば、陰極とメタライズ部の間で放電が発生した場合、セラミック外囲器のメタライズ部には、クラックなどの破損が発生する可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、放電によってメタライズ部に生じるセラミックの破損を抑止できるＸ線管を提供することである。

本実施形態に係るＸ線管は、高電圧の印加で電子を放出する陰極と、前記陰極に対向し、当該陰極からの電子が射突されてＸ線を放出する陽極ターゲットと、第１の開口部及び底部を有する有底形状に形成され、当該底部に前記陽極ターゲットが設置され、前記陽極ターゲットから放射されるＸ線を外部に放射するＸ線照射窓を備えた金属外囲器と、前記第１の開口部に当接される第２の開口部及び内部で前記陰極を保持する保持部を有するセラミック外囲器と、前記金属外囲器と前記セラミック外囲器とを真空状態に気密接合する封着金属部と、前記第１の開口部で、前記封着金属部と前記セラミック外囲器とを接合する接合部と、前記接合部を前記陰極に直接的に晒さないように、前記接合部と前記陰極との間に介在され、前記接合部と前記陰極との間の放電を阻止して前記接合部を保護する保護部と、を備える。

図１は、第１の実施形態に係るＸ線管の構造を概略的に示す部分断面図である。図２は、図１に示すＸ線管の一部を拡大して概略的に示す部分断面図である。図３は、図２に示される第１の実施形態の変形例に係るＸ線管の一部を拡大して概略的に示す部分断面図である。図４は、第２の実施形態に係るＸ線管の一部を拡大して概略的に示す部分断面図である。図５は、図４に示される第２の実施形態の変形例に係るＸ線管の一部を拡大して概略的に示す部分断面図である。

以下で図面を参照して実施形態について説明をする。

図１は、実施の形態に係るＸ線管の内部構造を概略的に示している。図１に示すように、Ｘ線管１は、電子を放出する陰極（陰極構体）１０と、陰極１０に対向して配置され、放出された電子が射突（衝突）してＸ線を放射するディスク状の陽極ターゲット２０と、を具備する。陰極１０および陽極ターゲット２０は、真空雰囲気に密閉された筒状の真空外囲器３０内に収納される。また、外部電源、例えば、高電圧プラグ(図示せず）等が陰極１０に接続されて高電圧（管電圧）が陰極１０および陽極ターゲット２０の間に印加される。Ｘ線管１は、動作時に高温となる陽極ターゲット２０を冷却するための冷却機構を備えていてもよい。

陰極１０は、電子を放出する電子放出源としてのフィラメント１１と、放出された電子を陽極ターゲットに向けて収束する為の集束電極１２と、第１の高電圧端子１３と、第２の高電圧端子１４と、絶縁部材１５とを有している。陰極１０には、陽極ターゲット２０に対して相対的に負の管電圧が印加されている。

フィラメント１１は、例えば、２つの端子を有している。フィラメント１１の端子は、一方の端子が導線を介して第１の高電圧端子１３に電気的に接続され、もう一方の端子が導線を介して集束電極１２に電気的に接続されている。さらにフィラメント１１は、集束電極１２を介して第２の高電圧端子１４に電気的に接続されている。このフィラメント１１には、電流（フィラメント電流）が供給されて加熱されてフィラメント１１から電子（熱電子）が陽極ターゲット２０に向けて放出される（熱電子放出）。

集束電極１２は、電子が通る軌跡の周囲に配置されてフィラメント１１から発散されて放出される電子を陽極ターゲット２０に集束している。また、集束電極１２は、第２の高電圧端子１４に接続されている。フィラメント１１と集束電極１２とは、絶縁されている。

第１の高電圧端子１３及び第２の高電圧端子１４には、電源、例えば、高電圧プラグが陰極１０に接続されることによって、各々に電流が供給される。このとき、第１の高電圧端子１３には第１の高電圧が印加される。第１の高電圧端子１３に第１の高電圧が印加されることによってフィラメント１１にフィラメント電流が供給され、フィラメント１１が加熱される。第２の高電圧端子１４には第２の高電圧が印加される。第２の高電圧端子１４に第２の高電圧が印加されることによって、集束電極１２に電圧が印加される。

第１の高電圧端子１３は、陰極１０においてフィラメント１１の反対側の端部（上端部）に設けられている。第１の高電圧端子１３は、Ｘ線管１の中心軸である管軸ＴＡを中心軸とするように略円柱型のボタン形状に形成されている。第１の高電圧端子１３は、略中心軸に沿って延出する導線を保持し、この導線は、屈曲されてフィラメント１１の一方の端子に接続されている。

第２の高電圧端子１４は、管軸ＴＡに対して同軸に配置された略円筒形状に形成され、第１の高電圧端子１３側から陽極ターゲット２０に向けて突出されるように配置され、その先端に集束電極１２及びフィラメント１１が設けられている。第２の高電圧端子１４の基部には、プラグ状の絶縁部材１５を介して第１の高電圧端子１３が保持固定されている。

このプラグ状の絶縁部材１５は、第１の高電圧端子１３と第２の高電圧端子１４とを絶縁するように第２の高電圧端子１４の基部設けられた開口に装着され、また、このプラグ状の絶縁部材１５の開口には、同様にプラグ状の第１の高電圧端子１３が装着されている。

陽極ターゲット２０は、陰極１０のフィラメント１１と対向して配置され、例えば銅（Ｃｕ）または、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）の材料でディスク状に形成されている。陽極ターゲット２０には、陰極１０に対して相対的に正の管電圧が印加され，陽極ターゲット２０及び陰極１０との間に電位差によって、陰極１０から放出された電子は、陽極ターゲット２０に向けて加速され、集束電極１２によって集束され陽極ターゲット２０に射突される。加速集束された電子が陽極ターゲット２０に衝突することによって、陽極ターゲット２０からＸ線が放射される。

真空外囲器３０は、円筒状のセラミック外囲器３１と、接合部３２と、金属外囲器３３と、金属外囲器３３にＸ線を透過可能なＸ線照射窓３４と、封着金属部３５と、を有している。セラミック外囲器３１は、電気的絶縁性を示すセラミックで形成され、金属外囲器３３は金属部材で形成される。円筒状の金属外囲器３３の開口端（第１の開口端）には、セラミック外囲器３１の一方の開口端（第２の開口端）が当接されて両者が連結されている。陰極１０および陽極ターゲット２０を収納する真空外囲器３０は、密閉され、真空外囲器３０の内部は真空状態に維持されている。すなわち、真空外囲器３０は陰極１０および陽極ターゲット２０を真空状態で保持している。

セラミック外囲器３１は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する筒状に形成され、その内にリング状の区画壁として支持部が形成されている。セラミック外囲器３１は、両端に開口部を有し、一方の開口部が金属外囲器３３に接合される。ここで、金属外囲器３３が接続される側の開口端をセラミック外囲器３１の接合側開口端（第２の開口端）と称する。金属外囲器３３に接合されるセラミック外囲器３１は、金属外囲器３３と同軸に設けられ、金属外囲器３３の外径よりも僅かに大きい内径を有している。セラミック外囲器３１の先端部の内側には、段差部３１ａが形成されている。より詳細には、このセラミック外囲器３１の段差部３１ａは、セラミック外囲器３１の開口端部の内側に形成される。この段差部３１ａは例えば、セラミック外囲器３１の開口端部を内側から外側に切削して形成される。セラミック外囲器３１は、管軸ＴＡに沿った方向に延出し、陰極１０を包囲するように配置されている。陰極１０と真空外囲器３０の内壁との間には、数ｍｍ、例えば、５から６ｍｍの所定間隔が空けられている。セラミック外囲器３１は、内部に開口が形成されている支持部を有し、それぞれの両端開口部で開口し、支持部で区画される第１及び第２の筒状部で構成されている。また、セラミック外囲器３１の支持部は、陰極１０の端部が支持部開口に装着され、陰極１０を支持している。より詳細には、図１に示すように、セラミック外囲器３１は、セラミック外囲器３１の内周縁側に位置し、管軸ＴＡに垂直な方向に突出しているリング状支持部を有している。陰極１０が金属外囲器３３に向けて第２の筒状部内を延出され、第２の筒状部内を真空気密となるように陰極１０（第２の高電圧端子１４）がリング状支持部に気密に装着されている。また、セラミック外囲器３１の第１の筒状部には、開口端側から、陰極１０に高電圧を供給する高電圧プラグが装着される。

図２を参照してセラミック外囲器３１と金属外囲器３３との接合部分についてより詳細に説明する。図２は、セラミック外囲器３１と金属外囲器３３との接合構造を拡大して概略的に示す部分断面図である。セラミック外囲器３１は、開口端面に塗布されているメタライズ部（接合部）３２を有する。封着金属部３５がろう付けによって接続されるために、メタライズ部３２は、開口端面に所定の範囲で形成される。メタライズ部３２は、セラミック外囲器３１の段差部３１ａ以外の開口端面に形成される。メタライズ部３２は、セラミック外囲器３１と封着金属３５とを高気密に接合し、セラミック外囲器３１の寸法の調整をするために設けられている。

金属外囲器３３は、セラミック外囲器３１と同様に筒状であって、底部を有するように形成され、金属外囲器３３は、中心軸が略管軸ＴＡに一致するように配置されている。また、金属外囲器３３の底部には、陽極ターゲット２０が装着され、金属外囲器３３が陰極１０、特に、フィラメント１１及び集束電極１２を包囲するように配置されている。金属外囲器３３は、内径がわずかにセラミック外囲器３１より小さく形成され、セラミック外囲器３１の段差部３１ａに嵌合される段差が形成されている。金属外囲器３３の段差部３１ａは、筒状部の開口端面の内側の一部がセラミック外囲器３１の内面側を延在されるように形成されている。この段差は、以下の説明では、メタライズ部３２を保護する機能を有することから保護部３３ａと称する。保護部３３ａは、開口端面の一部が管軸ＴＡに沿って、セラミック外囲器３１の方向に突出して形成され、保護部３３ａの内面は、金属外囲器３３の内側面に相当している。換言すれば、陰極１０と金属外囲器３３の内側面との距離は一定に維持され、保護部３３ａは、前述の段差部３１ａに嵌合されるに適合する形状に形成されている。なお、保護部３３ａを除く、金属外囲器３３の開口端面とメタライズ部３２との間には、微少な間隔が空けられている。また、保護部３３ａは、メタライズ部３２が陰極１０に直接に晒らされないように両者を遮断するように設けられている。すなわち、保護部３３は、陰極１０に高電圧が負荷された場合に発生する放電からメタライズ部３２を保護する。また、底部開口部は、有底部内面に固定された陽極ターゲット２０によって塞がれて真空気密状態に維持されている。陽極ターゲット２０及び底部開口部は、金属外囲器３３の中心軸と同軸に配置されている。なお、この底部開口部に冷却液が流入するように構成されていてもよい。冷却液が流入するように形成されることによって、陽極ターゲット２０が効率的に冷却される。
金属外囲器３３は、陽極ターゲット２０から放射されるＸ線を外部に導くためにＸ線窓３４を有している。本実施形態では、Ｘ線窓は互いに対向するように金属外囲器３３の側部に設けられている。

封着金属部３５は、管軸ＴＡを軸に回転対称に形成される。例えば、封着金属部３５は、管軸ＴＡに一致する中心軸を有する略筒状に形成される。封着金属部３５は、セラミック外囲器３１から金属外囲器３３の外周を延在されるように配置され、封着金属部３５は、その端がメタライズ部３２にろう付けされ、このメタライズ部３２を介してセラミック外囲器３１の開口端に接合され、その内面が同様にろう付によって金属外囲器３３の側部に接合されている。この封着金属部３５の接合によって、セラミック外囲器３１及び金属外囲器３３で規定された内部空間が真空気密に保持される。封着金属部３５のろう付けの際には、セラミック外囲器３１の開口端面周辺でろう垂れが発生しないようにメタライズ部３２に接合される。封着金属部３５は、金属材料、例えば、封着金属部３５は、コバール、又は鉄等で形成される。

Ｘ線管１の動作時において、陰極１０に高電圧が負荷されると、陰極１０から電子が射出され、集束電極１２によって陽極ターゲットへ射出された電子が集束される。Ｘ線管１の動作時において、金属部材との間で放電が生じる虞があるが、放電が生じた場合、セラミック外囲器３１の保護部３１ｂは、放電がメタライズ部３２にまで達することを防止し、メタライズ部３２に損傷を与えるような事態を防止することができる。より詳細には、第１の実施形態においては、陰極１０に対向するセラミック外囲器３１の開口端面に塗布されたメタライズ部３２が金属外囲器３３の保護部３３ａによって遮蔽される。したがって、陰極１０とメタライズ部３２との間で発生する放電を防止することができ、その結果として、放電によるＸ線管の破損等が抑止される。また、陰極１０と真空外囲器３０との間の距離を変えることなく陰極１０とメタライズ部３２との放電を防止できるので、形状の変化による電界強度の影響が抑制される

なお、図３に示すように、変形実施例として、セラミック外囲器３１が保護部３１ｂを有していてもよい。この変形実施例においては、保護部３１ｂは、セラミック外囲器３１の内側の開口端面がセラミック外囲器３１の内壁に沿って金属外囲器３３の方向に突出した舌片状の円筒片として形成される。換言すれば、セラミック外囲器３１の開口端外周に段部が形成されてセラミック外囲器３１に保護部３１ｂとしての舌片状の円筒片が設けられる。保護部３１ｂは、陰極１０とメタライズ部３２とを遮断するように陰極１０及びメタライズ部３２の間に設置される。ここで、メタライズ部３２は、封着金属部３５の端部が接合可能な範囲で形成される。金属外囲器３３には、開口側内周面が切除されてセラミック外囲器３１側に突出する段差部３３ｂが形成される。例えば、段差部３３ｂは、金属外囲器３３の開口端部を内側から外側に切削されて形成される。保護部３１ｂは、セラミック外囲器の内壁に沿って段差部３３ｂへ向かって延びるように形成される。このような構成によって保護部３１ｂによって陰極１０とメタライズ部３２との間の放電を阻止することができる。

以下で図面を参照して、他の実施形態について説明する。他の形態のＸ線管１は、第１の実施形態のＸ線管１と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るＸ線管１では、第１の実施形態のＸ線管１の保護部が保護部材で置き換えられている点が異なっている。

図４は、本実施形態のセラミック外囲器３１と金属外囲器３３との接合構造を拡大して概略的に示す部分断面図である。本実施形態では、第１の実施形態の保護部３１ｂが別体の保護部材３６として設置されている。保護部材３６は、金属外囲器３３の内面に設けられた段部に固定され、この段部内面に沿ってセラミック外囲器３１の段差部３１ａに向けて延出されている。例えば、保護部材３６は、円筒状に形成される。保護部材３６は、金属外囲器３３の内側に接合され、陰極１０にメタライズ部３２が直接に晒されず、両者の間に介在されて放電を遮断するように設置される。金属外囲器３３には、図４に示すように、保護部材３６を接合するように内側の開口端部に段差が形成されていても良い。金属外囲器３３の段差は、保護部材３６の厚さに相当する高さ或いはそれ以上の高さだけ内周面が削られて形成されれば良い。保護部材３６は、金属外囲器３３の段差部分に嵌合され、ろう付けによって接合される。

セラミック外囲器３１は、同様に開口端部の内側に段差部３１ａが形成されている。段差部３１ａは、セラミック外囲器３１の内側から外側へ切削されて形成されている。セラミック外囲器３１の段差部３１ａに、保護部材３６の先端部が嵌合される。このとき、保護部材３６は、セラミック外囲器３１の内面に沿って段差部３１ａに向けて延在されるように設置されている。

この第２の実施の形態によれば、保護部材３６が別体として設けられているので、保護部材３６が放電によって劣化したとしても保護部材３６を交換することができる。

なお、図５に示すように、保護部材３６は、セラミック外囲器に設けられていてもよい。保護部材３６はセラミック外囲器３１の内側の開口端部に形成される段差に接合される。保護部材３６は、陰極１０とメタライズ部３２とを遮断するように陰極１０及びメタライズ部３２の間に設置される。ここで、メタライズ部３２は、封着金属部３５の端部が接合可能な範囲で形成される。金属外囲器３３は、保護部材３６が突出する部分に段差部３３ｂを有する。保護部材３６はセラミック外囲器３１の内壁に沿って段差部３３ｂへ向かって延びるように設置される。このような構成によって保護部材３６によって陰極１０とメタライズ部３２と間の放電を遮断することができる。

以上の実施形態によれば、陰極１０とメタライズ部３２との間の放電が防止される。

その結果、放電によるＸ線管の破損等が抑止され、Ｘ線管１の信頼性が向上する。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものでなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具現化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０…陰極、１１…フィラメント、１２…フィラメント、１３…第１の高電圧端子、１４…第２の高電圧端子、１５…絶縁部材、２０…陽極ターゲット、３０…真空外囲器、３１…セラミック外囲器、３２…メタライズ部、３３…金属外囲器、３４…Ｘ線照射窓、３５…封着金属部

Claims

高電圧の印加で電子を放出する陰極と、
前記陰極に対向し、当該陰極からの電子が射突されてＸ線を放出する陽極ターゲットと、
第１の開口部及び底部を有する有底形状に形成され、当該底部に前記陽極ターゲットが設置され、前記陽極ターゲットから放射されるＸ線を外部に放射するＸ線照射窓を備えた金属外囲器と、
前記第１の開口部に当接される第２の開口部及び内部で前記陰極を保持する保持部を有するセラミック外囲器と、
前記金属外囲器と前記セラミック外囲器とを真空状態に気密接合する封着金属部と、
前記第１の開口部で、前記封着金属部と前記セラミック外囲器とを接合する接合部と、
前記接合部を前記陰極に直接的に晒さないように、前記接合部と前記陰極との間に介在され、前記接合部と前記陰極との間の放電を阻止して前記接合部を保護する保護部と、を備えるＸ線管。
前記接合部は、金属膜を蒸着して形成され、
前記保護部は、前記第２の開口部の一部が前記第１の開口部に嵌合されるように形成される、請求項１のＸ線管。
前記第１の開口部は、前記第２の開口部の一部が嵌合される段差を有するように形成され、前記陰極に直接的に晒さないように、前記段差が設けられる、請求項２のＸ線管。
前記接合部は金属膜を蒸着して形成され、
前記保護部は、前記陰極と前記接合部とを遮断するように前記陰極と前記接合部との間に設けられた保護部材である、請求項１のＸ線管。
前記第１の開口部は、前記保護部材を接合するための段差を有し、
前記保護部材が前記段差に嵌合され、接合される請求項４のＸ線管。
前記第２の開口部は、前記保護部材を接合するための段差を有し、
前記保護部材が前記段差に嵌合され、接合される請求項４のＸ線管。