JP6963486B2

JP6963486B2 - Ｘ線管およびｘ線発生装置

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Inventors: 廣幸木場; 淳一森谷; 良文高橋; 普揮栗巣
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Description

本発明は、Ｘ線管およびＸ線発生装置に関し、特に外囲器内の真空度計測が可能なＸ線管およびＸ線発生装置に関する。

検査対象物にＸ線を照射する物品検査等においては、一般に、Ｘ線の発生源となるＸ線管やそれを備えたＸ線発生装置が使用されている。

Ｘ線管は、通常、例えば１０^−４Ｐａ程度の高真空の真空封止品であり、真空度の劣化が生じると、真空度の劣化に起因する異常放電の発生によってＸ線の強度が変動し易くなり、そのＸ線を用いる検査に異常を来たす可能性がある。

そこで、従来、Ｘ線管の電極を用いてＸ線管の外囲器内の真空度を測定可能にしているものが知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

このようなＸ線管およびそれを備えたＸ線発生装置においては、Ｘ線管の真空度を測定するために真空計を別設する必要が無く、Ｘ線管に真空度計測機能を比較的低コストに持たせることができるという利点がある。

特開２０１６−１４６２８８号公報特許第３２１１４１５号公報特開２０１４−２０２３号公報

しかしながら、上述のような従来のＸ線管およびＸ線発生装置にあっては、Ｘ線管内の高真空度を高精度に検出できないという問題があった。

具体的には、Ｘ線管の稼働真空領域が１０^−４Ｐａ（製造直後）程度から１０Ｐａ（寿命到達）程度であること、およびＸ線管が陰極側にフィラメントを有することを考慮すると、高精度の真空度計測機能をＸ線管に持たせるべく、真空度検出部にいわゆる電離真空計の原理を利用することが考えられる。

電離真空計は、フィラメントとグリッドとイオンコレクタの３極構造を有するが、フィラメントから放出され正の高電位のグリッドで加速された電子が衝突することで電離した気体すなわち陽イオンをイオンコレクタに集めイオン電流Ｉ_ｉを計測し、一方、フィラメントから放出された電子は正の高電位のグリッドに到着させて電子電流Ｉｅを計測することで、次の式（１）から真空度Ｐを計測するものである。
Ｐ＝（１／Ｓ）・（Ｉｉ/Ｉｅ） ......（１）
式（１）において、Ｓは感度という係数であり、イオンコレクタのイオン捕集効率をβ、気体のイオン化効率（電子が気体分子を電離させる確率）をσ、電子の飛行距離をＬ、ボルツマン定数をｋ、気体の絶対温度をＴとするとき、次の式（２）で表現することができる。
Ｓ＝ β・（σ／ｋＴ）・Ｌ ......（２）
これをＸ線管に適用した場合、Ｘ線管の一方の電極側のフィラメントから放出された電子をフィラメント近傍に付随した集束電極を正の高電位とすることで加速し、この加速された電子をＸ線管内の気体分子に衝突させ、気体分子を電離させて、陽イオンを生じさせ、その陽イオンを他方の電極であるターゲット側に到着させ、これをイオンコレクタとして、イオン電流を計測することができ、一方、グリッドとした正の高電位の集束電極に電子を到着させて電子電流を計測することができる。

しかしながら、そのようにＸ線管の外囲器内の電極を利用してＸ線管に真空度計測機能を付加しようとする場合、通常サイズのＸ線管ではフィラメントと集束電極の距離を長くすることが困難であり、感度Ｓが小さくなることから、イオン電流が微弱となり１０^−４Ｐａ程度の所要真空度の検出感度が得られなかった。

また、Ｘ線管の陰極であるフィラメントを負電位のままとして真空度測定をした場合、フィラメント近傍で生成された陽イオンの一部がフィラメント側に到着してしまい、ターゲットに到着する陽イオンが減少し、イオン電流の検出効率が大きく低下してしまうという問題もあった。

したがって、従来は、Ｘ線管に真空度計測機能を持たせたとしても、Ｘ線管の真空度を高感度に検出することが困難であり、Ｘ線管の異常放電の未然防止や寿命時期の監視を的確に行うことができないという問題があった。

本発明は、上述のような従来の課題を解決すべくなされたものであり、Ｘ線管の真空度を高感度に検出することができるＸ線管およびＸ線発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＸ線管は、上記目的達成のため、内部を所定の真空度に保持する外囲器と、前記外囲器内に設けられた電子放出用の陰極と、前記外囲器内に前記陰極に対向して設けられたＸ線発生用の陽極と、を備えたＸ線管であって、前記外囲器が、外囲器本体と、前記外囲器本体よりＸ線透過率および電気伝導率が高いＸ線窓部とを有しており、前記Ｘ線窓部または前記陽極のいずれか一方の部位が、前記Ｘ線窓部または前記陽極のいずれか他方の部位および前記陰極のいずれよりも低電位に設定されたとき、前記一方の部位を介したイオン電流の検出と、前記他方の部位を介した電子電流の検出との、少なくとも一方の検出が可能であることを特徴とする。

本発明では、陰極から陽極に飛行する電子との衝突により外囲器内の気体分子の一部が電離して陽イオンとなり、Ｘ線窓部または陽極のいずれか一方の部位および陰極のいずれかよりも低電位に設定されたＸ線窓部または陽極のいずれか他方の部位に陽イオンが到達することで、Ｘ線窓部または陽極のいずれか他方の部位を介してイオン電流が流れる。この場合、陰極とＸ線窓部または陽極とが離れていることから電子の飛行距離を長くでき、電子と気体分子の衝突確率が高くなることでイオン電流が計測し易くなり、Ｘ線管の真空度を高感度に検出することが可能となる。

本発明において、前記一方の部位は前記Ｘ線窓部であり、前記他方の部位は前記陽極である構成とすることができる。あるいは、前記一方の部位は前記陽極であり、前記他方の部位は前記Ｘ線窓部である構成とすることもできる。

また、前記Ｘ線管の前記Ｘ線窓部は、所定の電気伝導率を有する金属製で、外周側に外部接続用の電極が配置されている構成とすることもできる。

本発明に係るＸ線発生装置は、上記構成のＸ線管を備えたＸ線発生装置であって、前記陰極および前記陽極に第１の電位差で電圧を印加して前記Ｘ線管にＸ線を発生させる第１の電圧印加状態と、前記陰極および前記他方に前記第１の電位差より小さい第２の電位差で電圧を印加する第２の電圧印加状態とに切替え可能な電圧印加部と、前記一方の部位に接続され、前記電圧印加部が前記第２の電圧印加状態にあるとき、前記イオン電流を検出するイオン電流検出部と、前記他方の部位に接続され、前記電圧印加部が前記第２の電圧印加状態にあるとき、前記電子電流を検出する電子電流検出部との、少なくとも一方の検出部を有することを特徴とする。

本発明のＸ線発生装置では、Ｘ線管を作動させる第１の電圧印加状態と、イオン電流検出と電子電流検出との少なくとも一方の検出が可能となる第２の電圧印加状態とが切り替えられることで、必要時に第２の電圧印加状態として、Ｘ線管の真空度を高感度に検出することが可能となる。

前記Ｘ線発生装置は、前記イオン電流検出部と、前記電子電流を検出する電子電流検出部との、少なくとも一方の検出部の検出情報に基づいて前記外囲器内の前記真空度に関連する情報を出力する情報出力部を有する構成とすることができる。また、前記情報出力部から出力される前記出力情報は、前記外囲器内の前記真空度または該真空度の適否を示す情報であってもよい。あるいは、前記情報出力部から出力される前記出力情報は、前記外囲器内の前記真空度が許容範囲内から外れるまでの残寿命または該残寿命の適否を示す情報であってもよい。

ここでより具体的には、前記情報出力部から出力される（真空度および残寿命に関連した）前記出力情報は、イオン電流または電子電流の検出情報またはイオン電流と電子電流の電流比である算出情報の少なくとも一つを、前記Ｘ線管において予め測定したイオン電流と電子電流及びこれらの電流比と比較して、算出するものである。さらに、前記出力情報は、前記イオン電流と前記電子電流及びこれら電流の電流比の検出情報と算出情報の時間増大率の経時変化を、予め測定したこれら検出情報と算出情報の時間増大率の経時変化と比較して、算出するものであってもよい。

本発明によれば、高真空領域の真空度を高感度に検出でき、異常放電の未然防止や寿命時期の監視を的確に行うことができるＸ線管およびＸ線発生装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＸ線管を備えたＸ線発生装置の正面断面図である。本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置を備えたＸ線検査装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置の制御系のブロック構成図である。本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置で検出したイオン電流からＸ線管の真空度計測が可能なことを検証するシステムの構成図である。図４に示す検証システムによるＸ線管の一検証例における真空度計測時のイオン電流Ｉｉおよび／または電子電流Ｉｅと真空度の関係を示す測定結果のグラフであり、（ａ）はＸ線窓部でのイオン電流Ｉｉについて、（ｂ）はＸ線管の電子電流Ｉｅについて、（ｃ）はイオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの比Ｉｉ／Ｉｅについて、それぞれの真空度に応じた変化を示している。図４に示す検証システムによるＸ線管の他の検証例における真空度計測時のイオン電流Ｉｉおよび／または電子電流Ｉｅと真空度の関係を示す測定結果のグラフであり、（ａ）は一検証例より増加したＸ線窓部でのイオン電流Ｉｉについて、（ｂ）は一検証例より増加したＸ線管の電子電流Ｉｅについて、（ｃ）はイオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの比Ｉｉ／Ｉｅについて、それぞれの真空度に応じた変化を示している。本発明の他の実施形態に係るＸ線管を備えたＸ線発生装置の正面断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。

［一実施形態］
図１ないし図３は、本発明の一実施形態に係るＸ線管を有するＸ線発生装置およびそれを備えたＸ線検査装置を示している。

まず、構成について説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態のＸ線検査装置１は、Ｘ線発生部２（Ｘ線発生装置）、Ｘ線検出部３およびＸ線検査制御部４を備えている。

Ｘ線発生源としてのＸ線発生部２は、図１および図２に示すように、金属製の箱体Ｂの内部に例えば２極Ｘ線管タイプのＸ線管１０を有しており、そのＸ線管１０を箱体Ｂ内の冷却用の絶縁油Ｃに浸漬した構成を有している。このＸ線管１０は、外囲器１１の内部を所定の真空度、例えば１０^−４Ｐａ程度の高真空にした真空封止品である。

Ｘ線管１０は、外囲器１１内で陰極側のフィラメント１２から放出されて集束電極１３により集束される電子を、フィラメント１２に対向する陽極１４側のターゲット１５に衝突させ、ターゲット１５からＸ線を発生させるようになっている。フィラメント１２、集束電極１３およびターゲット１５は、それぞれ外囲器１１に対し、電気絶縁されている状態で取付けられている。

また、Ｘ線管１０は、その長手方向が例えば被検査物Ｗの搬送方向（図２中のＸ方向）となるように配置されており、Ｘ線管１０により発生させたＸ線は、Ｘ線管１０のＸ線窓部１６から下向きにかつ搬送方向と直交するよう照射されるようになっている。なお、陽極１４は、説明の便宜上ここでは固定タイプのものとするが、回転タイプのもであってもよい。

図１および図２に示すように、Ｘ線発生部２は、Ｘ線管１０をＸ線発生が可能な状態に駆動する駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂと、駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂの非作動中に使用され、Ｘ線管１０を真空度計測器として作動させることができる測定電源回路２２Ａ、２２Ｂとを併有している。

駆動電源回路２１Ａは、陰極側の集束電極１３に対し所定の運転時電圧に対応する電位を印加するとともに、陰極側のフィラメント１２に熱電子放出エネルギを与える所定の点灯電圧を印加するようになっている。駆動電源回路２１Ｂは、陽極１４に高電圧の運転時陽極電圧に対応する正電位を印加するようになっている。ここでのＸ線発生のための電位や電位差は、それぞれ従来の範囲内で任意に設定され得る。また、駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂとの接点を接地することにより、回路を簡単に構成することができる。

真空度の測定電源回路２２Ａは、集束電極１３に対し所定の測定時電圧に対応する正電位Ｖ２を印加するとともに、陰極側のフィラメント１２に熱電子放出エネルギを与える点灯電圧Ｖ１を印加するようになっている。同じく測定電源回路２２Ｂは、陽極１４に所定の測定時電圧に対応する正電位Ｖ３を印加するようになっている。

Ｘ線検出部３は、検査空間２３をコンベア搬送される被検査物Ｗに対し、前後の遮蔽カーテン２４の間で上方のＸ線発生部２から照射され被検査物Ｗを透過したＸ線を検出するものであり、Ｘ線ラインセンサ３１と、被検査物Ｗを搬送するベルトコンベア３２と、その搬送駆動用の複数のローラ３３、３４とにより構成されている。

Ｘ線ラインセンサ３１は、被検査物Ｗのコンベア搬送面に沿って搬送方向と直交する方向に延びており、例えばライン状に整列配設された複数のフォトダイオードおよびその上方で前記延在方向に延びたシンチレータとによって構成されている。また、Ｘ線ラインセンサ３１には、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換部４１が設けられており、このＡ／Ｄ変換部４１からＸ線の透過濃度データをＸ線画像のライン画像データとして順次出力するようになっている。

図１に戻り、Ｘ線発生部２のＸ線管１０の外囲器１１は、電気絶縁性を有する素材からなる外囲器本体１１ａと、外囲器本体１１ａよりＸ線透過率および電気伝導率が高い素材からなるＸ線窓部１６とを有している。さらに、Ｘ線窓部１６の外周側には、外部接続用の電極１７が設けられている。なお、外囲器本体１１ａを導電性を有する素材とし、Ｘ線窓部１６が外囲器本体１１ａに電気絶縁した状態で取り付けられている構成であってもよい。

このＸ線窓部１６は、陰極側のフィラメント１２および集束電極１３と陽極１４側のターゲット１５とのいずれに対しても、それより低電位に設定されており、ここでは外部接続用の電極１７を介して接地されている。

Ｘ線検査装置１のＸ線検査制御部４には、Ａ／Ｄ変換部４１を介してＸ線ラインセンサ３１からのＸ線画像が入力されるようになっている。

このＸ線検査制御部４は、Ｘ線ラインセンサ３１から受け取ったＸ線画像を記憶するＸ線画像記憶部４２と、Ｘ線画像記憶部４２からの読出し画像データに対して各種画像処理アルゴリズム等を適用した画像処理を施す画像処理部４３と、画像処理結果を基に被検査物Ｗ中の混入異物の有無を判定する判定部４４と、を備えている。ここにいう画像処理アルゴリズムとは、例えば複数の画像処理フィルタや特徴抽出のための画像処理を組み合わせたものである。

Ｘ線検査制御部４には、さらに、各種パラメータ等の設定入力を行う設定操作部４５と、検査結果等を含むＸ線検査に関係する各種の情報とイオン電流・電子電流を含む真空度計測に関係する各種情報を表示出力する表示部４６と、が設けられている。

設定操作部４５は、ユーザが操作する複数のキーやスイッチ等で構成され、Ｘ線検査制御部４への各種パラメータ等の設定入力や動作モードの選択を行うものである。設定操作部４５と表示部４６は、例えばタッチパネル式表示器として一体構成してもよい。また、表示部４６は、他の報知手段や情報出力手段であってもよい。

Ｘ線検査制御部４には、また、ＲＯＭに格納された検査制御プログラムに従ってＸ線検査装置１の主たる制御を行う主制御部５１と、主制御部５１からの制御入力に応じてＸ線発生部２を制御するＸ線発生制御部５２とが併設されている。

主制御部５１は、Ｘ線発生制御部５２にＸ線管制御指令を出力するとともにＸ線検査装置１の全体制御に係る制御指令を出力するものであり、Ｘ線発生制御部５２は、Ｘ線管１０をＸ線管制御指令に応じて制御するものである。

主制御部５１は、Ｘ線検査装置１にＸ線を発生させるＸ線検査制御モードと、Ｘ線検査装置１にＸ線を発生させずにＸ線管１０内の真空度測定を行うことができる真空度計測モードとに切り替え可能となっている。

Ｘ線発生制御部５２は、Ｘ線検査制御モード選択時に、Ｘ線管１０の集束電極１３と陽極１４との間に高電圧を印加しつつ、フィラメント１２にはさらに点灯電圧Ｖ１を印加して、電子を放出させるようになっている。

図３に示すように、Ｘ線発生制御部５２は、主制御部５１と協働し複数の制御プログラムを実行することで、条件切替部５５、Ｘ線制御部５６および真空度測定制御部５７としての機能を発揮できるようになっている。

Ｘ線制御部５６は、前述のＸ線検査制御モードにおいて、Ｘ線管１０のＸ線発生用の駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂを作動させることができる。

条件切替部５５は、前述のＸ線検査制御モードと真空度計測モードとを切り替え可能とするもので、設定操作部４５からの切替え要求操作入力に基づく手動切替えにより、あるいは、主制御部５１からの所定運転期間経過ごとの測定要求入力に基づく自動切替えにより、Ｘ線制御部５６と真空度測定制御部５７とを択一的に作動させるようになっている。また、真空度測定制御部５７は、前述の真空度計測モードにおいて、Ｘ線管１０の測定電源回路２２Ａ、２２Ｂを作動させることができる。

より具体的には、Ｘ線発生制御部５２とＸ線管１０の間には、Ｘ線管１０の真空度を測定・算出しＸ線検査制御部４を介して表示部４６に出力する真空度計測部６１と、前述のＸ線検査制御モードと真空度計測モードとを切替え制御しつつＸ線管１０を駆動するＸ線管駆動部６２とが設けられている。

真空度計測部６１は、Ｘ線管１０に選択的に接続されるイオン電流・電子電流検出部６３と、イオン電流・電子電流検出部６３がＸ線管１０に接続されたときにイオン電流・電子電流検出部６３からのイオン電流と電子電流の少なくとも一方の検出情報を基にＸ線管１０の真空度を推定する真空度算出部６４とを含んでいる。

イオン電流・電子電流検出部６３のイオン電流検出は、外部接続用の電極１７を介してＸ線管１０のＸ線窓部１６に接続されたとき、Ｘ線窓部１６から接地電位に流れる電流を微弱電流計１８によりイオン電流Ｉｉ（図１参照）として検出することができるようになっている。

一方、イオン電流・電子電流検出部６３の電子電流検出は、測定用電源回路２２Ｂと電流計１９を介してＸ線管１０の陽極１４に接続されたとき、接地電位から陽極１４に流れる電流を電流計１９により電子電流Ｉｅ（図１参照）として検出することができるようになっている。

真空度算出部６４は、真空度測定に先立って予めイオン電流と電子電流の真空度依存性を測定した結果を記憶しておき、Ｘ線管１０のイオン電流Ｉｉもしくは電子電流Ｉｅ、または電流比Ｉｉ／Ｉｅ（イオン電流／電子電流）から、対応するＸ線管１０の真空度を算出することができる。また、真空度算出部６４は、Ｘ線管１０の真空度（イオン電流もしくは電子電流またはその電流比）の経時変化から、Ｘ線管１０の残寿命を算出し、Ｘ線検査制御部４内の他の機能部（例えば、残寿命報知機能部）に出力する機能も有している。

Ｘ線管駆動部６２は、Ｘ線制御部５６および真空度測定制御部５７に対応する高圧電源制御部６６および測定用電源制御部６７を有しており、Ｘ線管１０のＸ線発生用の駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂを有する高圧電源回路６５と、測定電源回路２２Ａ、２２Ｂを有する真空度計測時の測定用電源回路６８とを切替え制御することができる。

このＸ線管駆動部６２は、高圧電源制御部６６により高圧電源回路６５からＸ線管１０の陰極および陽極に第１の電位差Ｖａでそれぞれの電位に対応する駆動電圧を印加してＸ線管１０にＸ線を発生させる第１の電圧印加状態と、測定用電源制御部６７により測定用電源回路６８からＸ線管１０の陰極および陽極に第１の電位差Ｖａより小さい第２の電位差Ｖｂでそれぞれの電位Ｖ２、Ｖ３に対応する真空度測定時の電圧を印加する第２の電圧印加状態とに切替え可能な電圧印加部となっている。

本実施形態におけるＸ線検査装置１の表示部４６は、イオン電流と電子電流の検出情報に基づいて外囲器１１内の真空度に関連する情報を出力する情報出力部の機能を有している。また、表示部４６から出力される出力情報は、外囲器１１内の真空度またはその真空度の適否を示す情報であってもよい。さらに、表示部４６から出力される出力情報は、外囲器１１内の真空度が予め設定されたその許容範囲内から外れるまでの残寿命、あるいはその残寿命の適否を示す情報（例えば、Ｘ線管１０の交換時期を示す文字やマークの表示）であってもよい。

次に、本実施形態におけるＸ線検査装置１の動作について説明する。

上述のように構成された本実施形態のＸ線検査装置１は、Ｘ線検査と真空度計測が可能であり、通常はＸ線検査を行い、真空度計測は定期的(１回／日、１回／週など)に行う。このＸ線検査装置１のＸ線検査時と真空度計測時のＸ線管１０の動作について、それぞれ以下に説明する。

先ず、Ｘ線検査時のＸ線管１０の動作について説明する。Ｘ線検査装置１のＸ線検査は、従来のＸ線検査と同様である。

Ｘ線発生制御部５２の条件切替部５５からの切替え指令に応じてＸ線制御部５６が作動するとき（Ｘ線検査制御モード時）、高圧電源制御部６６を通じて駆動電源回路２１Ａ、２１Ｂにより、陰極には直流の負電位、例えば−５０ｋＶが印加される。さらに、フィラメント１２には、直流または交流の電圧、例えば１０Ｖ程度が印加され、フィラメント１２が点灯して高温となり、電子が放出される。また、集束電極１３にも、直流の負電位、例えば−５０ｋＶが印加され、フィラメント１２から放出された電子を収束する役割を果たす。一方、ターゲット１５は、直流の正電位、例えば＋５０ｋＶ程度が印加され、これによりフィラメント１２から放出された電子が加速されて、ターゲット１５に衝突して、ターゲット１５からＸ線を発生させる。そして、発生したＸ線は、Ｘ線窓部１６を透過して、外部に出射される。そして、出射したＸ線により被検査物Ｗの検査が行われる。

次に、真空度計測時のＸ線管１０の動作について説明する。

条件切替部５５からの切替え指令に応じて真空度測定制御部５７が作動する真空度計測モードにおいて、測定用電源制御部６７の測定電源回路２２Ａにより、陰極側のフィラメント１２と集束電極１３に対し所定の正電位Ｖ２を印加するとともに、陰極側のフィラメント１２に熱電子放出エネルギを与える点灯電圧Ｖ１が印加される。また、測定電源回路２２Ｂにより、陽極１４側のターゲット１５にＶ２よりも高い所定の正電位Ｖ３が印加される。そして、イオンコレクタとしてのＸ線窓部１６は、直流電源を接続することなく接地電位にされる。

陰極側のフィラメント１２と集束電極１３には正電位Ｖ２を印加するが、ここで、正電位Ｖ２は、０Ｖより高ければ任意の電位でよく、例えば１０Ｖから１００Ｖ程度までの範囲内に設定するが、特に１０Ｖ以上５０Ｖ以下が望ましい。

フィラメント１２を点灯させる電圧Ｖ１は、個々のフィラメントに依存するが、直流電圧でも交流電圧でもよい。

陽極１４側のターゲット１５に与えられる正電位Ｖ３は、フィラメント１２に与えられる正電位Ｖ２より１００Ｖ程度以上高い電位であればよく、例えば１００Ｖ以上５ｋＶ以下であるが、イオン電流Ｉｉの計測安定性を考慮すると、１００Ｖ以上３ｋＶ以下であるのがより好ましい。

この真空度計測モードにおいて、フィラメント１２から放出された電子が、より高い正電位Ｖ３のグリッドである陽極１４側のターゲット１５に引き寄せられて加速し、外囲器１１内に残留する気体の分子に衝突して、この分子を電離（イオン化）させる。そして、気体分子の電離後の陽イオンは、より低電位である接地電位に引き寄せられ、Ｘ線窓部１６に到達して中和もしくは失活して気体分子に戻る。このとき、Ｘ線窓部１６から接地電位に微弱電流であるイオン電流Ｉｉが流れる。一方、接地電位からグリッドとしての陽極１４側のターゲット１５に電子電流Ｉｅが流れる。

Ｘ線窓部１６に流れるイオン電流Ｉｉと陽極１４側のターゲット１５に流れる電子電流Ｉｅは、イオン電流・電子電流検出部６３の微弱電流計１８と電流計１９によりそれぞれ計測され、真空度算出部６４に出力され、真空度および残寿命に変換される。

この真空度計測モードにおける本発明の真空度計測の特徴について述べる。

ターゲット１５と陽極側フィラメント１２の距離は、集束電極１３とフィラメント１２の距離よりも十分に長い。これにより、電子の飛行距離Ｌを長くでき、真空度測定の感度Ｓ（電離真空計係数）を向上させることができる。

また、この真空度計測モードにおいて、イオンコレクタとしてのＸ線窓部１６は、イオン電流Ｉｉを擾乱させる浮遊電子等の発生要因を取り除いたものとなっている。また、Ｘ線窓部１６は、例えば金属ベリリウム製の略円板状のもので、ターゲット１５の面積よりも大きい面積を有している。これにより、イオン捕集効率βを増大でき、真空度測定の感度Ｓ（電離真空計係数）を向上させることができる。

したがって、電離真空計の原理で、Ｘ線管１０の真空度を高感度に検出することが可能となる。

加えて、本実施形態では、検証例として後述するように、間欠的な異常放電が発生する真空度（１０^−２Ｐａ）以上において、真空度増大とともに電子電流Ｉｅが微増から急増する。一方、イオン電流Ｉｉの線形以上の増大が発現する。

この現象を用いて、電子電流Ｉｅもしくはイオン電流Ｉｉ、またはイオン電流Ｉｉ／電子電流Ｉｅの測定データを保持しておき、時間増大率（例えば、（［今回データ］−［前回データ］）／［前回データ］）をモニタすることで、異常放電の発生と寿命に到達する真空度の計測の確度を向上させることができる。

このように、本実施形態においては、高真空領域の真空度を高感度に検出でき、異常放電の未然防止や寿命時期の監視を的確に行うことのできるＸ線管１０およびＸ線検査装置１を提供することができる。

［検証例１］
図４は、本実施形態のＸ線管１０で検出したイオン電流と電子電流から真空度計測が可能なことを検証するシステムの構成を示す。

同図に示すように、この検証システムは、真空ポンプ７１、真空計７２、開度調整可能なガス導入バルブ７３および導入ガスタンク７４を、真空配管７５を介してＸ線管１０に接続したものであり、試験用のＸ線管１０の外囲器１１内を真空ポンプ７１により排気するとともに、開度調整可能なガス導入バルブ７３を介して導入ガスタンク７４から外囲器１１内に不活性ガスである窒素ガスを断続的に導入することで、外囲器１１内を所要の真空排気状態にすることができる。

この検証システムによる検証に際しては、真空排気と併せて、測定電源回路２２Ａから陰極側のフィラメント１２と集束電極１３に対し所定の正電位Ｖ２を印加するとともに、陰極側のフィラメント１２に点灯電圧Ｖ１を印加し、測定電源回路２２Ｂから陽極１４側のターゲット１５に所定の正電位Ｖ３を印加する。

そして、Ｘ線管１０として使用される真空状態を含む所定の真空度範囲について、所定の圧力間隔でＸ線管１０のイオン電流Ｉｉを微弱電流計１８で、電子電流Ｉｅを電流計１９で検出する。

図４に示した検証システムによる検証例１として、フィラメント１２と集束電極１３に印加する正電位Ｖ２を一定に設定し、また、グリッド（陽極１４側のターゲット１５）に印加する正電位Ｖ３を一定に設定して、導入する窒素ガス流量を変更して真空度をパラメータとし、グリッドに流れる電子電流ＩｅとＸ線窓部１６に流れるイオン電流Ｉｉの真空依存性を測定した。

図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）に、フィラメント１２と集束電極１３側の正電位Ｖ２＝２０Ｖ、グリッド側の正電位Ｖ３＝２５０Ｖとした検証例１の場合のイオン電流（Ｉｉ）、電子電流（Ｉｅ）、および電流比（Ｉｉ／Ｉｅ）のそれぞれの真空度依存性を示している。

この場合、１０^−４Ｐａから１０^−２Ｐａの真空度領域において、イオン電流Ｉｉは１０^−９（Ａ）から１０^−１２（Ａ）程度と非常に微弱な電流であるが、真空度に対し１乗で増大し、電子電流Ｉｅは一定である。

これは、フィラメント１２から放出され正電位Ｖ３により加速された多数の電子のうち１つの電子に着目すると、その電子が飛行途中で気体分子と衝突し、気体イオンを１個生成することを反映する。すなわち、この真空領域では、気体の濃度である真空度の１乗でイオン電流Ｉｉは増大し、一方、電子電流Ｉｅは、気体衝突による電子の増加が多くないので、一定電流を示す。また、これらを反映して、イオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの電流比Ｉｉ／Ｉｅは、真空度の１乗に従う。なお、この１０^−４Ｐａから１０^−２Ｐａの真空度領域において、本実施例のＸ線管１０は、異常放電がほとんど発生しなかった。

一方、１０^−２Ｐａから１Ｐａの真空度領域においては、イオン電流Ｉｉは真空度の１乗以上で増大し、電子電流Ｉｅは一定値から徐々に増大する。

また、これらイオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの増加率が低真空度側（図中の間欠放電側）で大きくなる。この真空領域では、気体濃度が高くなるので、気体に衝突した電子または気体から電離した電子がグリッド電位Ｖ３によって再加速され、これらの電子が再度気体分子に衝突し、イオン電流Ｉｉをより増加させながら電子電流Ｉｅを増加させるからであると考えられる。これらを反映して、イオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの電流比Ｉｉ／Ｉｅは、真空度の１乗以上の非線形で増大している。なお、この１０^−２Ｐａ程度以上の圧力となる真空度において、Ｘ線管１０は間欠的な異常放電を発現することが確認された。

以上の結果から、本実施例の真空度計測機能付きのＸ線管１０では、Ｘ線管のイオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅを測定し、イオン電流Ｉｉもしくは電子電流Ｉｅ、またはこれらの電流比Ｉｉ／Ｉｅをモニタすることで、異常放電が発現しない１０^−４Ｐａ程度の真空度から間欠的な異常放電が発現する１０^−２Ｐａ程度までの真空度で、そして異常放電が頻発する１Ｐａ程度の真空度までに亘り、広範囲の真空度を測定することができることがわかる。

ところで、図５（ａ）ないし図５（ｃ）に示した検証例１では、フィラメント側の正電位Ｖ２＝２０Ｖ、グリッド側の正電位Ｖ３＝２５０Ｖであったが、その場合、１０^−４Ｐａオーダーの真空度のときのイオン電流が１０^−１２（Ａ）程度の微弱になり実用上問題となり得る。

［検証例２］
そこで、検証例２として、１０^−４Ｐａオーダーの真空度のときのイオン電流Ｉｉを増大させ、かつ１０^−２Ｐａから１Ｐａの真空度で発現するイオン電流Ｉｉの真空度に対する１乗以上の増大と電子電流Ｉｅの一定値からの非線形な増大とを確保することのできる、フィラメント側の正電位Ｖ２およびグリッド側の正電位Ｖ３の設定範囲について調べた。

フィラメント側の正電位Ｖ２は、イオンコレクタにイオンを集めるために正電位であればよく、実験において１０Ｖから１００Ｖの正電位としたが、イオン電流の変化は小さかった。したがって、フィラメント側の正電位Ｖ２は１００Ｖ以下の正電位に設定すればよいと決定した。

次に、フィラメント側の正電位Ｖ２は２０Ｖに固定し、グリッド側の正電位Ｖ３を２５０Ｖから５ｋＶまで変更して、イオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの真空依存性を測定した。図６にフィラメント側の正電位Ｖ２＝２０Ｖ、グリッド側の正電位Ｖ３＝３ｋＶの場合の真空度依存性を示す。

グリッド側の正電位Ｖ３を２５０Ｖから３ｋＶにすることで、図６に示すように、１０^−４Ｐａの真空度のときのイオン電流Ｉｉが検証例１での５×１０^−１２（Ａ）から検証例２での１×１０^−９（Ａ）程度へと約２桁増大した。

これはグリッド電位Ｖ３を３ｋＶとすることで、飛行電子の運動エネルギが増大し、電子が気体に衝突した時のイオン化効率σｉが増大したためであると考えられる。１０^−４Ｐａでの電子電流Ｉｅも、１×１０^−４（Ａ）から１×１０^−３（Ａ）程度へと１桁増大した。

一方、１０^−２Ｐａから１Ｐａの真空度で発現したイオン電流Ｉｉの真空度に対する１乗以上の増大と電子電流Ｉｅの一定値からの非線形な増大傾向については、その傾きが減少した。

これは、グリッド電位Ｖ３を３ｋＶとしたことで、元々のイオン電流と電子電流が増加したためであり、１０^−２Ｐａから１Ｐａの真空度におけるイオン電流と電子電流の非線形な増大量は、グリッド電位Ｖ３＝２５０Ｖのときと比較して減少し５倍程度となっている。

以上より、本実施例では、グリッド電位Ｖ３＝３ｋＶのときにおいて、Ｘ線管のイオン電流もしくは電子電流、またはこれらの電流比Ｉｉ／Ｉｅの測定は比較的容易であったが、イオン電流Ｉｉまたは電子電流Ｉｅの非線形な増大率をモニタするのには、グリッド電位Ｖ３＝３ｋＶは限界に近く、実際、グリッド電位５ｋＶ程度がイオン電流と電子電流の非線形な増大率の測定限界となった。

このような結果から、グリッド電位Ｖ３は５ｋＶ以下に設定するのがよい。

以上の結果からも、本実施形態のＸ線管１０において異常放電が発現しない１０^−４Ｐａ程度の真空度から異常放電が頻発し寿命到達となる１０Ｐａの真空度までの広域の真空度を測定できる機能を持たせたＸ線管１０を提供することができる。

また、Ｘ線管製造直後の初期からの実用的な高真空度（例えば１０^−４Ｐａ）の測定を可能とすることができる。

さらに、イオン電流Ｉｉもしくは電子電流Ｉｅ、またはこれらの電流比の増大率をモニタすることで、Ｘ線管の異常放電が発現する真空度の測定精度を高めることができる。

よって、電極をそのまま利用した真空度計測機能付きのＸ線管でありながら、その電子の飛行距離Ｌを長くでき、原理的に高感度で広範囲の真空度計測が可能で、かつ、異常放電が発生する真空度領域で真空度計測のためのイオン電流と電子電流の非線形増大を利用することで高確度に異常放電の発生が予測できるＸ線管となることがわかる。

ところで、上述の一実施形態では、真空度計測モードにおいて、Ｘ線フィラメントをそのままフィラメントとし、Ｘ線ターゲットをグリッドとし、Ｘ線窓をイオンコレクタとするものであったが、本発明は、Ｘ線窓をグリッドとし、Ｘ線ターゲットをイオンコレクタとするものであってもよい。すなわち、本発明においては、Ｘ線管のＸ線窓部または陽極のいずれか一方（任意の一方）が、Ｘ線窓部または陽極のいずれか他方よりも低電位に設定されるとともに、陰極よりも低電位に設定され、Ｘ線窓部または陽極のうち任意の一方を介してイオン電流を検出可能な構成であればよい。よって、ここにいう一方がＸ線窓部であり、他方が陽極である一実施形態のような構成以外に、以下に述べる他の実施形態のように、イオンコレクタの配置を逆にした構成とすることもできる。

［他の実施形態］
図７は、本発明の他の実施形態に係るＸ線発生装置を示している。

本実施形態は、Ｘ線管の真空度計測モードにおいて、Ｘ線窓をグリッドとし、Ｘ線ターゲットをイオンコレクタとする点以外は、上述の一実施形態と同様である。したがって、一実施形態と同一の構成については同一符号を用い、一実施形態との相違点について説明する。

本実施形態では、Ｘ線発生制御部５２の条件切替え部５６が真空度計測モードに切り換えられたとき、イオン電流・電子電流検出部６３が陽極１４に選択的に接続できるようになっており、その接続時にターゲット１５から外部に流れる漏れ電流をイオン電流Ｉｉとして検出することができるようになっている。

真空度算出部６４は、一実施形態の場合と同様に、真空度測定に先立ってＸ線管１０毎に予め電子電流とイオン電流の真空度依存性を測定した結果を記憶しておき、Ｘ線管１０の電子電流Ｉｅもしくはイオン電流Ｉｉを検出し、または電流比Ｉｉ／Ｉｅを算出することで、対応するＸ線管１０の真空度を推定するようになっている。

このように、Ｘ線窓部１６または陽極１４のいずれか一方が陽極であり、他方がＸ線窓部１６である本実施形態においては、フィラメント１２側からＸ線窓部１６側に加速される電子が気体分子に衝突することで電離した気体すなわち陽イオンを、イオンコレクタであるターゲット１５に集め、外囲器１１内の真空度に略比例するイオン電流Ｉｉを計測することができる。

したがって、外囲器１１内の電極をそのまま利用した真空度計測機能を確保しつつ、フィラメント１２および集束電極１３側からＸ線窓部１６側への電子の飛行距離Ｌを長くでき、高真空領域の真空度を高感度に検出でき、異常放電の未然防止や寿命時期の監視を的確に行うことのできるＸ線管１０およびＸ線検査装置１を提供することができる。

また、本実施形態においても、原理的に高感度で広範囲の真空度計測が可能で、かつ、異常放電が発生する真空度領域で真空度計測のためのイオン電流Ｉｉと電子電流Ｉｅの非線形増大を利用することにより高確度に異常放電の発生が予測できるＸ線管１０を提供することができる。

なお、上述の各実施形態においては、本発明は、Ｘ線管を使用するＸ線検査装置およびそのＸ線発生部２に相当するＸ線発生装置としたが、本発明は、Ｘ線検査装置に用いるＸ線発生装置のみならず、Ｘ線管を使用する他タイプのＸ線発生装置やＸ線診断装置の分野においても有用である。

以上説明したように、本発明は、高真空領域の真空度を高感度に検出でき、異常放電の未然防止や寿命時期の監視を的確に行うことができるＸ線管およびＸ線発生装置を提供できるものであり、外囲器内の真空度計測が可能なＸ線管およびＸ線発生装置全般に有用である。

１Ｘ線検査装置
２Ｘ線発生部
３Ｘ線検出部
４Ｘ線検査制御部
１０Ｘ線管
１１外囲器
１１ａ外囲器本体
１２フィラメント（陰極）
１３集束電極（陰極）
１４陽極
１５ターゲット（陽極）
１６Ｘ線窓部
１７外部接続用の電極
１８微弱電流計
１９電流計
２１Ａ、２１Ｂ駆動電源回路
２２Ａ、２２Ｂ測定電源回路
２３検査空間
３１Ｘ線ラインセンサ
３２ベルトコンベア
３３、３４ローラ
４１Ａ／Ｄ変換部
４２Ｘ線画像記憶部
４３画像処理部
４４判定部
４５設定操作部
４６表示部
５１主制御部
５２Ｘ線発生制御部
５４エージング条件選択部
５５条件切替部
５６Ｘ線制御部
５７真空度測定制御部
６１真空度計測部
６２Ｘ線管駆動部
６３イオン電流・電子電流検出部
６４真空度算出部
６５高圧電源回路
６６高圧電源制御部
６７測定用電源制御部
６８測定用電源回路
７１真空ポンプ
７２真空計
７３ガス導入バルブ
７４導入ガスタンク
７５真空配管
Ｖ１点灯電圧
Ｖ２正電位（フィラメント側の正電位）
Ｖ３正電位（グリッド側の正電位）

Claims

内部を所定の真空度に保持する外囲器と、前記外囲器内に設けられた電子放出用の陰極と、前記外囲器内に前記陰極に対向して設けられたＸ線発生用の陽極と、を備えたＸ線管であって、
前記外囲器が、外囲器本体と、前記外囲器本体よりＸ線透過率および電気伝導率が高いＸ線窓部とを有しており、
前記Ｘ線窓部または前記陽極のいずれか一方の部位が、前記Ｘ線窓部または前記陽極のいずれか他方の部位および前記陰極のいずれよりも低電位に設定されたとき、前記一方の部位を介したイオン電流の検出と、前記他方の部位を介した電子電流の検出との、少なくとも一方の検出が可能であることを特徴とするＸ線管。
前記一方の部位は前記Ｘ線窓部であり、前記他方は前記陽極であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
前記一方の部位は前記陽極であり、前記他方は前記Ｘ線窓部であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
前記Ｘ線窓部は、所定の電気伝導率を有する金属製で、外周側に外部接続用の電極が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のＸ線管を備えたＸ線発生装置であって、
前記陰極および前記陽極に第１の電位差で電圧を印加して前記Ｘ線管にＸ線を発生させる第１の電圧印加状態と、前記陰極および前記他方に前記第１の電位差より小さい第２の電位差で電圧を印加する第２の電圧印加状態とに切替え可能な電圧印加部と、
前記一方の部位に接続され、前記電圧印加部が前記第２の電圧印加状態にあるとき、前記イオン電流を検出するイオン電流検出部と、前記他方の部位に接続され、前記電圧印加部が前記第２の電圧印加状態にあるとき、前記電子電流を検出する電子電流検出部との、少なくとも一方の検出部を有することを特徴とするＸ線発生装置。
前記イオン電流検出部と、前記電子電流を検出する電子電流検出部との、少なくとも一方の検出部の検出情報に基づいて前記外囲器内の前記真空度に関連する情報を出力する情報出力部を有することを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生装置。
前記情報出力部から出力される前記出力情報は、前記外囲器内の前記真空度または該真空度の適否を示す情報であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線発生装置。
前記情報出力部から出力される前記出力情報は、前記外囲器内の前記真空度が許容範囲内から外れるまでの残寿命または該残寿命の適否を示す情報であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線発生装置。
前記情報出力部から出力される前記出力情報は、イオン電流または電子電流、またはイオン電流と電子電流の電流比、もしくはこれらの時間増大率の少なくとも一つから算出されることを特徴とする請求項７ないし請求項８に記載のＸ線発生装置。