JP6652197B2 - Ｘ線管 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線発生装置で使用するＸ線管に関し、特に微小焦点から照射を行うＸ線管に関する。
検査対象物の微細な内部構造を透視Ｘ線やＸ線ＣＴにより非破壊検査するときに、ぼけのない鮮明なＸ線画像を得るために微小焦点を有するＸ線管を用いたマイクロフォーカスＸ線検査装置が用いられている。マイクロフォーカスＸ線検査装置等に用いるＸ線管は、磁気レンズによりμｍレベルまで絞り込んだ電子ビームをターゲットに照射することで小さなＸ線焦点を実現している（特許文献１参照）。
このようなマイクロフォーカスＸ線検査装置に用いられるＸ線管の構成の一例を図３に示す。真空ゲージＧおよびターボ分子ポンプＴＭＰが取り付けられ、高真空排気された真空チャンバ１１内で負電圧が印加され陰極となるフィラメント（電子源）１２から、接地されたアノード１３に向けて電子ビームＢが出射される。アノード１３の中央には孔１３ａが設けてあり、電子ビームＢは加速されてアノード１３の孔１３ａを通過し、さらにこの孔１３ａに連通接続された円筒状のホルダシャフト１４を通過してターゲットホルダ１５内に配置されたターゲット１６に照射される。ターゲットホルダ１５の外側は水冷機構１５ａ（空冷機構でもよい）で冷却してある。
ホルダシャフト１４の外側には、電子ビームＢを収束する磁気レンズ１７、方向を調整する偏向器１８が設けてあり、ホルダシャフト１４を通過する電子ビームＢは磁気レンズ１７によってμｍレベルまで絞り込まれて、ターゲット１６上のＸ線焦点にフォーカスされる。
ターゲット１６は磁気レンズ１７の先端側に設けられるが、焦点を小さく絞り込むようにするには磁気レンズ１７の先端部分を完全に軸対称形にする必要がある。磁気レンズ１７に固定孔等の固定部を設けると対称性が崩れるため、ホルダシャフト１４はアノード１３側でフランジ１９を介してＯリングシール２０により気密に固定してある。
ターゲット１６は磁気レンズ１７の先端側に設けられるが、焦点を小さく絞り込むようにするには磁気レンズ１７の先端部分を完全に軸対称形にする必要がある。磁気レンズ１７に固定孔等の固定部を設けると対称性が崩れるため、ホルダシャフト１４はアノード１３側でフランジ１９を介してＯリングシール２０により気密に固定してある。
電子ビームＢが通過するホルダシャフト１４は内径１０ｍｍ程度であり、このホルダシャフト１４には磁化されにくいこと、放熱性を有すること、さらに電子ビームＢが内壁に当たると局所的に高温になるため高融点であることが求められている。そして、これらの要求を満たす材料としてタングステン合金が使用されている。
すなわち、タングステンは融点が３６８５Ｋで非磁性の重金属であり、電子ビームによる局所的な温度上昇に対しても十分に耐性を有する。ただし、単体金属では加工性が劣ることから加工しやすさを付与するためタングステン合金にして用いている。なお、ターゲットホルダ１５についてもＸ線照射窓以外の方向からのＸ線の出射を防止する観点からタングステン合金を用いており、ターゲットホルダ１５とホルダシャフト１４とはロウ付けで固定してある。
ところで、上述したＸ線管では、電子ビームＢがホルダシャフト１４の内壁に当たらないように通過させることが望ましいものの実際には困難であり、ホルダシャフト１４内を通過する電子ビームＢは、そのいくらかがホルダシャフト１４の内壁に当たってＸ線が発生する。
既述のように、ホルダシャフト１４にはタングステン合金が用いられている。そして、電子ビームが陽極に当たった場合の陽極でのＸ線発生効率は、陽極材料の原子番号に依存することが知られている。タングステンは重金属であるため、原子番号が比較的大きく、タングステン合金であっても相当量のＸ線が発生する。
既述のように、ホルダシャフト１４にはタングステン合金が用いられている。そして、電子ビームが陽極に当たった場合の陽極でのＸ線発生効率は、陽極材料の原子番号に依存することが知られている。タングステンは重金属であるため、原子番号が比較的大きく、タングステン合金であっても相当量のＸ線が発生する。
電子ビームＢが当たることによりホルダシャフト１４の内壁からもＸ線が発生すると、たとえ磁気レンズ１７で電子ビームＢを収束させていても、ターゲット１６上のＸ線焦点から放射されたＸ線だけでなく、ホルダシャフト１４の内壁から発生したＸ線の一部もＸ線照射窓から出射するようになり、その結果、Ｘ線検査等で得られるＸ線画像は不鮮明でぼやけた画像になる。
そこで本発明は、ホルダシャフトから放射される不要なＸ線を低減させて鮮明なＸ線画像を得ることができるＸ線管を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明に係るＸ線管は、電子ビームを発生する電子源と、該電子ビームを加速するとともに前記電子ビームを通過させる孔を有するアノードと、該アノードの孔を通過した電子ビームを通過させる通路を形成する筒状のホルダシャフトと、該ホルダシャフトの周囲に配置され前記電子ビームを収束する磁気レンズと、前記ホルダシャフトに連結されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダ内に配置されて前記電子ビームが衝突するターゲットと、前記ターゲットホルダに配置されて前記ターゲットから発生したＸ線を外部に取り出すための照射窓を有するＸ線管であって、前記ホルダシャフトは内壁がカーボン材で形成され、前記カーボン材は熱異方性を有するグラファイトであり、良熱伝導方向を前記ホルダシャフトの軸方向に向けてある。
ここで、カーボン材には、具体的にはグラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノ物質（カーボンナノチューブ）のような融点（昇華点）の高い材料が利用可能である。
ここで、カーボン材には、具体的にはグラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノ物質（カーボンナノチューブ）のような融点（昇華点）の高い材料が利用可能である。
本発明によれば、ホルダシャフトの内壁がカーボン材で形成されている。一般に、Ｘ線の発生効率Ａは次式（１）で与えられる。
発生効率（Ａ）＝Ｃ×Ｚ×Ｖ ・・・（１）
ここで、Ｃ：定数（１．１×１０−９）、Ｚ：陽極の原子番号、Ｖ：管電圧
そして、タングステンの原子番号は７４、カーボンの原子番号は６である。管電圧が一定（例えば１００ｋＶ）であれば、前者は０．８１４％、後者は０．０６６％であり、原子番号の大きさに比例して全ての管電圧で発生効率が１／１０以下に変化する。
よって、タングステンに比べて原子番号が十分に小さいカーボンを用いることにより、電子ビームがホルダシャフトに当たったときに発生するＸ線量を大幅に低減することができる。しかも融点がタングステンに匹敵（タングステンは３６８５Ｋ）し、真空中での昇華点も３９１５Ｋ以上であり、局所的に高温になっても十分な耐性を有している。
発生効率（Ａ）＝Ｃ×Ｚ×Ｖ ・・・（１）
ここで、Ｃ：定数（１．１×１０−９）、Ｚ：陽極の原子番号、Ｖ：管電圧
そして、タングステンの原子番号は７４、カーボンの原子番号は６である。管電圧が一定（例えば１００ｋＶ）であれば、前者は０．８１４％、後者は０．０６６％であり、原子番号の大きさに比例して全ての管電圧で発生効率が１／１０以下に変化する。
よって、タングステンに比べて原子番号が十分に小さいカーボンを用いることにより、電子ビームがホルダシャフトに当たったときに発生するＸ線量を大幅に低減することができる。しかも融点がタングステンに匹敵（タングステンは３６８５Ｋ）し、真空中での昇華点も３９１５Ｋ以上であり、局所的に高温になっても十分な耐性を有している。
前記カーボン材はカーボン含有率が９９．９％以上（質量比）であるのが好ましい。
不純物を含むカーボン材で形成したホルダシャフトは、壁面に電子ビームが当たると局所的に高温になり、融点の低い不純物は真空中で昇華して真空度が悪化する。この現象はＸ線管においては放電の原因となりＸ線管の安定性が損なわれる要因となる。よって、カーボン含有率が９９．９％以上として、融点および昇華点が低いカーボン以外の不純物を極力少なくすることで、安定してＸ線を照射させることができる。
不純物を含むカーボン材で形成したホルダシャフトは、壁面に電子ビームが当たると局所的に高温になり、融点の低い不純物は真空中で昇華して真空度が悪化する。この現象はＸ線管においては放電の原因となりＸ線管の安定性が損なわれる要因となる。よって、カーボン含有率が９９．９％以上として、融点および昇華点が低いカーボン以外の不純物を極力少なくすることで、安定してＸ線を照射させることができる。
そして本発明によれば、前記カーボン材は熱異方性を有するグラファイトであり、良熱伝導方向を前記ホルダシャフトの軸方向に向けてある。
これによれば、ホルダシャフトに発生した熱をターゲットホルダに伝達させて放熱することで、放熱が効率的に行われるようになる。
これによれば、ホルダシャフトに発生した熱をターゲットホルダに伝達させて放熱することで、放熱が効率的に行われるようになる。
特に、グラファイトを用いる場合は、良熱伝導方向の熱伝導率が１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上になるものが得られる。具体的には、例えば株式会社サーモグラフィティクス製の人造グラファイトであるＰＹＲＯＩＤ（登録商標）のグレードＨＴ（カーボン含有率９９．９９９質量％、密度２．２２ｇ／ｃｍ３）を用いることで、良熱伝導方向の熱伝導率が１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）とすることができるので、効率的に放熱させることができる。
また、別の観点からなされた本発明のＸ線管は、電子ビームを発生する電子源と、該電子ビームを加速するとともに前記電子ビームを通過させる孔を有するアノードと、該アノードの孔を通過した電子ビームを通過させる通路を形成する筒状のホルダシャフトと、該ホルダシャフトの周囲に配置され前記電子ビームを収束する磁気レンズと、前記ホルダシャフトに連結されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダ内に配置されて前記電子ビームが衝突するターゲットと、前記ターゲットホルダに配置されて前記ターゲットから発生したＸ線を外部に取り出すための照射窓を有するＸ線管であって、前記ホルダシャフトは内壁がカーボン材で形成され、前記ホルダシャフトの内壁のカーボン材は、少なくともアノード側の一部の外壁を非磁性かつ前記カーボン材より高強度のカバーで覆うとともに当該カバーを介して保持されるようにしてある。
本発明によれば、カーボン材は脆い性質を有する。そのため、少なくとも固定部分となるアノード側の外壁を非磁性でホルダシャフトのカーボン材よりも高強度のカバーで覆うようにすることで、この部分で安全にホルダシャフトを固定できるようになる。
当該カバーに用いる材料としては、具体的にはチタン、あるいはホルダシャフトのカーボン材よりも高強度のグラファイト（例えば東洋炭素製高強度グラファイト）を用いることができる。
本発明によれば、カーボン材は脆い性質を有する。そのため、少なくとも固定部分となるアノード側の外壁を非磁性でホルダシャフトのカーボン材よりも高強度のカバーで覆うようにすることで、この部分で安全にホルダシャフトを固定できるようになる。
当該カバーに用いる材料としては、具体的にはチタン、あるいはホルダシャフトのカーボン材よりも高強度のグラファイト（例えば東洋炭素製高強度グラファイト）を用いることができる。
本発明によれば、電子ビームを通過させるホルダシャフトの内壁をカーボン材としたので、電子ビームが当たったときに発生するＸ線量を大幅に低減でき、しかも少なくとも従来と同程度以上の熱的な耐性を維持させることができる。
以下、本発明に係るＸ線管の実施例について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態であるマイクロフォーカスＸ線検査装置に用いられるＸ線管の全体構成を示す図であり、図２はそのホルダシャフト部分を含む特徴的な構造部分の拡大図である。なお、図３で説明したものと同じ部分については同符号を付している。
本発明に係るＸ線管は、真空ゲージＧおよびターボ分子ポンプＴＭＰが取り付けられ、高真空排気された真空チャンバ１１内に負電圧が印加され陰極となるフィラメント（電子源）１２が配置されている。フィラメント１２からは、接地されたアノード１３に向けて電子ビームＢが出射される。アノード１３の中央には孔１３ａが設けてあり、電子ビームＢは加速されてアノード１３の孔１３ａを通過し、さらにこの孔１３ａに連通接続された円筒状のホルダシャフト１４を通過してターゲットホルダ１５内に配置されたターゲット１６に照射される。ターゲットホルダ１５の外側は水冷機構１５ａ（空冷機構でもよい）で冷却してある。
ホルダシャフト１４の外側には、電子ビームＢを収束する磁気レンズ１７、方向を調整する偏向器１８が設けてあり、ホルダシャフト１４を通過する電子ビームＢは磁気レンズ１７によってμｍレベルまで絞り込まれて、ターゲット１６上のＸ線焦点にフォーカスされる。
本実施形態のＸ線管では、ホルダシャフト１４は磁気レンズ１７に囲まれる先端側のホルダシャフト１４ａ（内径φ１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ程度）と、偏向器１８に囲まれる根元側のホルダシャフト１４ｂとに分割してある。根元側ホルダシャフト１４ｂは、図３に示した従来構造のホルダシャフト１４と同様のタングステン合金が使用され、フランジ１９を介して真空チャンバ１１にＯリングシール２０を介して固定支持してある。
先端側ホルダシャフト１４ａとの連結部分には、先端側ホルダシャフト１４ａの内壁に段付き部１４ｃが形成してあり、この段付き部１４ｃにＯリングシール２０を介在させて気密に接続してある。
先端側ホルダシャフト１４ａとの連結部分には、先端側ホルダシャフト１４ａの内壁に段付き部１４ｃが形成してあり、この段付き部１４ｃにＯリングシール２０を介在させて気密に接続してある。
先端側ホルダシャフト１４ａは、筒状のカーボン材、好ましくはピュアカーボンが使用されている。具体的には、株式会社サーモグラフィティクス製人造グラファイト、ＰＹＲＯＩＤのグレードＨＴ（カーボン率９９．９９９％、密度２．２２ｇ／ｃｍ３、熱伝導率が１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用い、その良熱伝導方向が先端側ホルダシャフト１４ａの軸方向（長手方向）となるように加工してある。
すなわち真空中であっても良熱伝導方向に沿って熱が伝達され、ターゲットホルダ１５の水冷機構１５ａを利用して効率的に放熱するようにしてある。
すなわち真空中であっても良熱伝導方向に沿って熱が伝達され、ターゲットホルダ１５の水冷機構１５ａを利用して効率的に放熱するようにしてある。
ターゲットホルダ１５（タングステン合金）と先端側ホルダシャフト１４ａ（カーボン材）との接続部分はロウ付けしてある。なお、カーボン材がグラファイトの場合は、後述するカバー２１との接合部分も含め、種々の金属との接合が可能なコンポロイドの技術で接合することもできる。
先端側ホルダシャフト１４ａのアノード１３に近い側の端部近傍には、先端側ホルダシャフト１４ａの外側にチタン等の非磁性材料でカーボン材より高強度のカバー２１が取り付けてある。カバー２１の外周面の一部にはカット面（Ｄカット面）２１ａが形成され、カバー２１に支持されるシャフト固定部２２およびシャフト固定用のネジ２３をカット面２１ａに当接することで、ターゲットホルダ１５の一部に設けたＸ線照射窓１５ｂの方向に出射方向が向くように固定するとともに、その位置で回転ずれしないようにしてある。
なお、上記のカバー２１のように先端側ホルダシャフト１４ａの一部を覆うのではなく、磁気レンズ１７に囲まれる部分も含めた先端側ホルダシャフト１４ａの全体を覆うカバーとしてもよい。
なお、上記のカバー２１のように先端側ホルダシャフト１４ａの一部を覆うのではなく、磁気レンズ１７に囲まれる部分も含めた先端側ホルダシャフト１４ａの全体を覆うカバーとしてもよい。
このように、少なくとも電子ビームＢが当たりやすい領域の先端側ホルダシャフト１４ａの内壁をカーボン材であるグラファイトとすることにより、たとえ電子ビームが当たったとしてもＸ線の発生効率を抑えて不要なＸ線の発生を低減させることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施例では磁気レンズ１７に囲まれる先端側ホルダシャフト１４ａと、偏向器１８に囲まれる根元側ホルダシャフト１４ｂとに分割し、先端側ホルダシャフト１４ａだけをカーボン材からなるものとしたが、全体がカーボン材からなる１つのホルダシャフト１４としてもよい。この場合はアノード１３に近い側のホルダシャフト１４端部近傍の外側に非磁性材料からなるカバー２１を取り付け、図３に示した従来例と同様にフランジ１９で真空チャンバ１１に固定保持すればよい。
例えば、上記実施例では磁気レンズ１７に囲まれる先端側ホルダシャフト１４ａと、偏向器１８に囲まれる根元側ホルダシャフト１４ｂとに分割し、先端側ホルダシャフト１４ａだけをカーボン材からなるものとしたが、全体がカーボン材からなる１つのホルダシャフト１４としてもよい。この場合はアノード１３に近い側のホルダシャフト１４端部近傍の外側に非磁性材料からなるカバー２１を取り付け、図３に示した従来例と同様にフランジ１９で真空チャンバ１１に固定保持すればよい。
本発明は、マイクロフォーカスＸ線検査装置等に使用されるＸ線管に利用することができる。
１１ 真空チャンバ
１２ フィラメント（電子源）
１３ アノード
１４ ホルダシャフト
１４ａ 先端側ホルダシャフト
１４ｂ 根元側ホルダシャフト
１４ｃ 段付き部
１５ ターゲットホルダ
１５ａ 水冷機構
１５ｂ Ｘ線照射窓
１６ ターゲット
１７ 磁気レンズ
１８ 偏向器
１９ フランジ
２０ Ｏリングシール
２１ カバー
２１ａ カット面
Ｂ 電子ビーム
１２ フィラメント（電子源）
１３ アノード
１４ ホルダシャフト
１４ａ 先端側ホルダシャフト
１４ｂ 根元側ホルダシャフト
１４ｃ 段付き部
１５ ターゲットホルダ
１５ａ 水冷機構
１５ｂ Ｘ線照射窓
１６ ターゲット
１７ 磁気レンズ
１８ 偏向器
１９ フランジ
２０ Ｏリングシール
２１ カバー
２１ａ カット面
Ｂ 電子ビーム
Claims (2)
- 電子ビームを発生する電子源と、該電子ビームを加速するとともに前記電子ビームを通過させる孔を有するアノードと、該アノードの孔を通過した電子ビームを通過させる通路を形成する筒状のホルダシャフトと、該ホルダシャフトの周囲に配置され前記電子ビームを収束する磁気レンズと、前記ホルダシャフトに連結されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダ内に配置されて前記電子ビームが衝突するターゲットと、前記ターゲットホルダに配置されて前記ターゲットから発生したＸ線を外部に取り出すための照射窓を有するＸ線管であって、
前記ホルダシャフトは内壁がカーボン材で形成され、
前記カーボン材は熱異方性を有するグラファイトであり、良熱伝導方向を前記ホルダシャフトの軸方向に向けてある、Ｘ線管。 - 電子ビームを発生する電子源と、該電子ビームを加速するとともに前記電子ビームを通過させる孔を有するアノードと、該アノードの孔を通過した電子ビームを通過させる通路を形成する筒状のホルダシャフトと、該ホルダシャフトの周囲に配置され前記電子ビームを収束する磁気レンズと、前記ホルダシャフトに連結されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダ内に配置されて前記電子ビームが衝突するターゲットと、前記ターゲットホルダに配置されて前記ターゲットから発生したＸ線を外部に取り出すための照射窓を有するＸ線管であって、
前記ホルダシャフトは内壁がカーボン材で形成され、
前記ホルダシャフトの内壁のカーボン材は、少なくともアノード側の一部の外壁を非磁性かつ前記カーボン材より高強度のカバーで覆うとともに当該カバーを介して保持される、Ｘ線管。
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