JP7276865B2

JP7276865B2 - Ｘ線管球、ｘ線分析装置及びｘ線管球におけるターゲットの冷却方法

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Publication number: JP7276865B2
Application number: JP2020020085A
Authority: JP
Inventors: 正明山片
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2040-02-07
Also published as: JP2021125432A; US20210249214A1; DE102021102734A1; US11594393B2

Description

本発明は、Ｘ線管球、Ｘ線分析装置及びＸ線管球におけるターゲットの冷却方法に関する。

特許文献１には、Ｘ線管装置（Ｘ線管球）であって、ターゲットを固定した陽極の底面中心に向かって冷却ノズルから冷却用絶縁油を噴射するとともに、陽極の底面に底面部フィンを設けたものが記載されている。

また、特許文献２には、回折用Ｘ線管球であって、Ｘ線放射部材（ターゲット）の裏面に、複数条の冷却フィンを平行に設けた放熱部材を接合し、当該冷却フィンに沿って冷却水の管路を形成したものが記載されている。

特開２００３－３６８０６号公報実願昭５４－１２２９２０号（実開昭５６－４１４５４号）の願書に添付した明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム

一般に、Ｘ線管球のターゲットの冷却は、特許文献１にも記載されているように、陽極であるターゲットに対し、電子線が衝突する側とは反対の側から、純水などの冷却流体をノズルから噴出して衝突させる構造が用いられている。

図１は典型的なターゲット９０１の冷却構造９００を示す断面模式図である。同図において、ターゲット９０１は陽極でもある支持台９０２上に固定されており、ターゲット９０１の上方（図中上側）に配置された図示しない陰極から電子線９０３がターゲット９０１に向かって照射され、電子線９０３とターゲット９０１との衝突によりＸ線が放射される。この時、電子線９０３とターゲット９０１の衝突により発熱が生じる。

支持台９０２の下方（図中下側）には、支持台９０２に向かって開口するノズル９０４が配置され、支持台９０２に向けて冷却流体である水の噴流９０５を吹き付け、支持台９０２をその裏側から冷却する。したがって、ターゲット９０１の表面で発生した熱は支持台９０２に伝播し、吹き付けられた水により運び去られる。

この時、冷却性能を高めるため、ノズル９０４は、噴流９０５を最も高温となる部分に直接吹き付けるように配置される。すなわち、電子線９０３がターゲット９０１に衝突して発熱する位置の丁度真裏に噴流９０５を吹き付ける位置に置かれる。なお、電子線９０３の断面形状は、陰極の形状に応じた幅のある形状となるから、ターゲット９０１が発熱する位置も幅のある形状となる。このターゲット９０１が発熱する位置の中心を発熱中心と呼ぶこととすると、ノズル９０４は発熱中心に向けて噴流９０５を吹き付けるように配置されることになる。

図２は、冷却構造９００における冷却流体の流速ｖを発熱中心からの距離ｒに対して示したグラフの典型的な例である。同グラフに示すように、発熱中心の近傍の狭い領域では流速ｖは高い値を示すものの、距離ｒが増加し、発熱中心から遠ざかると流速ｖは急激が低下するため、発熱中心の近傍を除く大部分の領域では、流速ｖは低い値にとどまる。

このことは、典型的なターゲットの冷却構造９００では、発熱中心付近の極めて狭い領域でしか効率の良い冷却、すなわち冷却流体への熱伝達がなされず、その周辺部は冷却にほとんど寄与していないことを示している。そしてそれだけにとどまらず、本発明の発明者らは、次のような点において、図示の冷却構造９００が不利であることを見出した。すなわち：
・噴流衝突をさせると、冷却流体の運動エネルギーの大部分が流体摩擦により熱となって失われてしまう。
・固体表面から冷却流体への熱伝達は、固体表面付近に形成される乱流境界層における熱輸送が支配的であるから、図１における支持台９０２の裏側近傍を流れる流体（図中ａ）は冷却に寄与するが、支持台９０２の裏側から離れた位置を流れる流体（図中ｂ）は冷却にほとんど寄与しない。

すなわち、ノズル９０４から冷却流体の噴流９０５を作り出すために流体ポンプにより与えたエネルギーの相当の部分は、噴流衝突により失われるか、冷却にほとんど寄与しない流体流れを作り出すために消費されてしまう。このことは、ターゲット９０１の冷却に、流量及び加圧の点で過大な性能の流体ポンプが必要となっていることを意味する。その結果として、Ｘ線管球を用いる装置、例えば、Ｘ線分析装置の小型化や低消費エネルギー化が妨げられ、また、装置のコスト増が生じていると考えられる。

また、別の観点からは、Ｘ線出力を増大させることができなくなっているという問題も生じているといえる。すなわち、Ｘ線出力を増大させるために電子線９０３の強度を高めると、発熱量も増大する。ターゲット９０１の融解を防ぐためには、より高性能の流体ポンプを用意して、ノズル９０４からの噴流９０５の流量、すなわち流速を増大させ、冷却性能を高めなければならないが、噴流９０５の流速を高めるため、流体に高圧を加えると、噴流９０５内にキャビテーションが発生し、エロ―ジョンにより支持台９０２を著しく損傷してしまう。そのため、流体への加圧には限界があり、結果として、Ｘ線出力には限界が生じているのである。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率よく冷却が行えるＸ線管球及びかかるＸ線管球を備えたＸ線分析装置を得ることである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下の通りである。

（１）電子線を放出する電子線放出部と、前記電子線が衝突する第１の面を有するターゲットと、前記ターゲットの前記第１の面と反対の面である第２の面の側に固定された固体熱拡散部材と、前記固体熱拡散部材の前記ターゲットと反対の側に配置され、冷却流体が膜状流れを形成する膜状流路を形成する流路形成部材と、を有し、前記固体熱拡散部材には、前記ターゲットと反対の側に向かって突出する凸形状部が形成され、前記電子線の放出方向から見て、前記凸形状部の中心は、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱中心と重畳し、前記膜状流路は、前記凸形状部の表面の少なくとも一部に沿った形状であるとともに、前記膜状流路の厚みｄは、前記膜状流路の幅及び長さのいずれか小さい値ｌに対して、ｄ≦ｌ／２である、Ｘ線管球。

（２）（１）において、前記膜状流路は、前記電子線の放出方向から見て、前記発熱中心から所定の距離における前記冷却流体の平均流速が、前記発熱中心における前記冷却流体の平均流速より大きくなる形状である、Ｘ線管球。

（３）（１）または（２）において、前記膜状流路は、前記発熱中心から所定の距離の位置において流路断面積が最小となる形状である、Ｘ線管球。

（４）（１）～（３）のいずれかにおいて、前記凸形状部は、球頭形状又は尖頭形状である、Ｘ線管球。

（５）（１）～（４）のいずれかにおいて、前記冷却流体を前記膜状流路に導入する導入管部が、前記導入管部の中心軸と前記凸形状部の中心軸とが同軸となるように設けられる、Ｘ線管球。

（６）（１）～（３）及び（５）のいずれかにおいて、前記膜状流路は、前記冷却流体の流入口及び流出口を有し、前記凸形状部を囲繞する円環形状である、Ｘ線管球。

（７）（６）において、前記流入口及び前記流出口は、前記凸形状部を挟み、前記膜状流路の互いに反対の側に配置される、Ｘ線管球。

（８）（６）又は（７）において、前記膜状流路は、前記流出口の位置において、流れの異なる前記冷却流体を分離する分離壁を有する、Ｘ線管球。

（９）（１）～（８）のいずれかにおいて、前記膜状流路は、前記電子線の放出方向から見て、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱領域の長手方向を長軸とする長円又は楕円形状である、Ｘ線管球。

（１０）（１）～（９）のいずれかにおいて、前記流路形成部材は、前記冷却流体の流れ方向に沿った整流フィンを有する、Ｘ線管球。

（１１）（１）～（１０）のいずれかのＸ線管球を備えたＸ線分析装置。

（１２）Ｘ線管球におけるターゲットの冷却方法であって、電子線が衝突する第１の面を有するターゲットの前記第１の面と反対の面である第２の面の側に固定された固体熱拡散部材と、前記固体熱拡散部材の前記ターゲットと反対の側に配置される流路形成部材により、前記ターゲットを冷却する冷却流体が膜状流れを形成する膜状流路を形成し、前記固体熱拡散部材には、前記ターゲットと反対の側に向かって突出する凸形状部が形成され、前記電子線の放出方向から見て、前記凸形状部の中心は、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱中心と重畳し、前記膜状流路は、前記凸形状部の表面の少なくとも一部に沿った形状であるとともに、前記膜状流路の厚みｄは、前記膜状流路の幅及び長さのいずれか小さい値ｌに対して、ｄ≦ｌ／２であり、電子線放出部から前記電子線を放出し、前記電子線の放出方向から見て、前記冷却流体を、前記発熱中心における前記冷却流体の平均流速に比して、前記発熱中心の周辺部における前記冷却流体の平均流速の方が大きくなる膜状流路に流すことにより、前記ターゲットを冷却する、Ｘ線管球におけるターゲットの冷却方法。

典型的なターゲットの冷却構造を示す断面模式図である。典型的なターゲットの冷却構造における冷却流体の流速を発熱中心からの距離に対して示したグラフの典型的な例である。本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球の構造を示す概略断面図である。本発明に係るＸ線管球の冷却構造の概念を説明する模式拡大断面図である。本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の具体的構造を示す断面図である。図５に示した本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の流路形成部材の断面斜視図である。本発明の第２の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の具体的構造を示す断面図である。図７に示した本発明の第２の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の流路形成部材の断面斜視図である。本発明の第３の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の具体的構造を示す断面図である。図９のＸ－Ｘ線による平面断面図である。図９及び図１０に示した本発明の第３の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の流路形成部材の上面斜視図である。本発明の第４の実施形態に係るＸ線管球の冷却構造の具体的構造を示す断面図である。図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線による平面断面図である。図１２の矢線ｈで示した冷却流体の流れを、別の方向から示した様子が示されている図である。本発明の第４の実施形態の変形例に係る流路形成部材の、図１２に示したＸＶ方向から見た斜視図である。本発明の第４の実施形態の変形例に係る流路形成部材を、図１５とは反対に、上面側から見た斜視図である。本発明の各実施形態に係る冷却構造と従来より存在する噴流衝突型の冷却構造の冷却性能を比較して示すグラフである。本発明に係るＸ線管球を備えたＸ線分析装置の概略構成図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球１００を、図３～図５を参照して説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球１００の構造を示す概略断面図である。Ｘ線管球１００は、主として概略円筒形状のベース１と、ベース１に取り付けられた、同じく有底円筒形状のセラミックス製のハウジング２とにより構成される真空管（いわゆる熱電子管）であり、その内部は気密に保たれ、減圧され真空状態とされている。また、Ｘ管球１００がＸ線分析装置等のＸ線を利用する機器に取り付けられる際には、機器側に用意されたＸ線管球１００の取り付けアタッチメントとなるヘッダー３に取り付けられる。図３では、理解を容易とするため、Ｘ線管球がヘッダー３に取り付けられた状態で図示している。

ベース１は、適宜の金属材料、本例では銅製であり、その内部には、陰極となるフィラメント５と陽極となるターゲット６が配置される。図３には示していないが、フィラメント５は、収束電極に囲繞されていてもよい。フィラメント５から飛び出した熱電子による電子線７は、陽極であるターゲット６に衝突し、特定の方向にＸ線８を生じる。ベース１の側面には、ベリリウムやリンデマンガラスなどのＸ線を透過する物質により窓９が設けられており、Ｘ線８は窓９を通って外部に取り出され、種々の利用に供される。

フィラメント５は、ハウジング２を貫通する電極１０により外部の変圧器に電気的に接続され、電子の供給を受けるとともに、ジュール熱により加熱される。すなわち、フィラメント５及び電極１０は、電子線放出部を構成する。

ターゲット６の電子線が衝突する面と反対の面の側には、冷却構造１１が設けられ、ヘッダー３に設けられた冷却流体供給管１２から、図示しない外部のポンプにより加圧された冷却流体を受け入れ、ターゲット６を冷却後、ヘッダー３に設けられた冷却流体排出管１３から排出する。加熱された冷却流体は、好ましくは、図示しないラジエータなどにより冷却され、再度冷却流体供給管１２へと循環される。冷却構造１１は、本例では、ヘッダー３、後述する固体熱拡散部材１４を含む部材により構成されているため、Ｘ線管球１００がＸ線を利用する機器に取り付けられることによって冷却構造１１が構成されるようになっているが、これに替え、Ｘ線管球１００単独で冷却構造１１が構成されており、ヘッダー３をＸ線管球１００を機器に取り付ける際の単なるアタッチメントとしてもよい。

なお、図３に示したＸ線管球１００の基本構造は、代表的な封入型のセラミック製Ｘ線管球１００の例である。当該開示は、公知の、もしくは代替の他のＸ線管球１００の構造、例えば、封入型ガラス製Ｘ線管球や、開放型Ｘ線管球を採用することを妨げるものではない。

図４は、本発明に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の概念を説明する模式拡大断面図である。ターゲット６の電子線７が衝突する面（図中上側の面）を第１の面と称することとし、かかる第１の面と反対の面（図中下側の面）を第２の面と称することとすると、ターゲット６の第２の面の側には、固体熱拡散部材１４が固定される。

ここで、固体熱拡散部材１４は、ターゲット６で発生する熱を速やかに拡散及び冷却する目的でターゲット６の第２の面の側に取り付けられる部材又は構造を指している。図３に示したＸ線管球１００の例では、固体熱拡散部材１４とベース１とは別部材として作成され、固体熱拡散部材１４がベース１に取り付けられることにより、ベース１の一部を構成する構造となっているが、両者を一体のものとして、ベース１に固体熱拡散部材１４として機能する構造を作成するようにしてもよい。

固体熱拡散部材１４とターゲット６とは、熱伝達が速やかに行われるように固定が行われる。固定の手法としては、金属箔を用いたロウ付け等が挙げられる。また、固体熱拡散部材１４とターゲット６とは直接接するように固定されていても、両者の間に熱伝導率の高い適宜の層、例えばダイヤモンド薄膜等を介して固定されていてもよい。固体熱拡散部材１４は、熱伝導率が高い、すなわち、固体熱拡散に優れた材質により形成され、そのような材質としては、例えば銅である。

固体熱拡散部材１４は、ターゲット６を支持する台座である（この点においては、固体熱拡散部材１４と図１に示した支持台９０２とは機能を一にしている）と同時に、ターゲット６において生じた熱を固体熱拡散部材１４中に速やかに拡散する機能を有している。この熱拡散の速度は速く、ターゲット６にて生じた熱は速やかに固体熱拡散部材１４の裏面、すなわち、ターゲット６とは反対の側の面へと伝導する。

固体熱拡散部材１４の裏面の側には流路形成部材１５が配置され、冷却流体が通過する流路を固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５との間に形成する。図４では固体熱拡散部材１４の裏面と流路形成部材１５の流路を形成する面を模式的にターゲット６の第２の面とおおむね平行な面として示しているが、流路の形状はこれに限られない。種々の具体的な流路の形状を示す実施形態は後ほど示す。

ここで、ターゲット６の発熱中心をＯとし、平面視、すなわち、電子線７の放出方向から見て、発熱中心Ｏからの距離をｒと置くこととする。この時、流路形成部材１５は、発熱中心Ｏに対する周辺領域Ｐにおいて、固体熱拡散部材１４の裏面の表面に沿った形状となる膜状流路を形成する点に特徴がある。図４では、膜状流路は固体熱拡散部材１４の裏面の表面に平行なものを例示しているが、膜状流路の形状は必ずしも固体熱拡散部材１４の裏面の表面に平行でなくともよい。

すなわち、図４に示すように、発熱中心Ｏから０＜ｒ_１＜ｒ_２であるような距離ｒ_１、ｒ_２をとり、ｒが０からｒ_１までの範囲を中心領域Ｃ、ｒがｒ_１からｒ_２までの範囲を周辺領域Ｐとすると、流路形成部材１５により形成される流路は、周辺領域Ｐにおいて、膜状流路となる部分を含んでいる。ここで、膜状流路、すなわち、流路が膜状であるとは、流路の厚み（固体熱拡散部材１４の裏面に垂直な方向の長さ）が、流路の幅（固体熱拡散部材１４の裏面に平行であって、流体流れに垂直な方向の長さ）及び、流路の長さ（固体熱拡散部材１４の裏面に平行であって、流体流れに平行な方向の長さ）より十分に小さいことを指す。

定性的には、膜状流路の厚みは、固体熱拡散部材１４の裏面から流路中を流れる冷却流体への熱伝達を効率化できる厚みとすればよい。先に述べたとおり、この熱伝達は乱流境界層による影響が支配的であるから、基本的な考え方としては、固体熱拡散部材１４の裏面に沿って形成され発達する乱流境界層を妨げず、かつ、乱流境界層に寄与しない冷却流体の輸送量を小さくできるような厚みを選択すればよいことになる。十分に発達した乱流境界層の厚みをδとすると、乱流境界層は、固体熱拡散部材１４の裏面と流路形成部材１５の上面の両方に形成されるから、膜状流路の厚みｄは、

となるような実用的に小さい値を選択すればよいことになる。

実用的には、δの値は冷却流体の種類や、流速等の運転時の条件により変化するため、ｄの大きさを一義的に定めることは難しいが、一般的なＸ線分析装置に用いられるＸ線管球１００において、水を冷却流体として用いると想定すると、０．１ｍｍ≦ｄ≦１０ｍｍの範囲とすることが好ましく、より好ましくは、０．２ｍｍ≦ｄ≦５ｍｍとするとよい。

また、膜状流路の厚みdが膜状流路の幅及び、膜状流路の長さより十分に小さいとは、例えば、膜状流の幅及び長さのいずれか小さい値をｌとしたときに、ｄ≦ｌ／２であることをいうものとしてよく、より好ましくはｄ≦ｌ／５ととするとよい。

このような設計が好ましい理由は次のとおりである。すなわち、膜状流路においては、流路の厚みｄが十分に小さいため流路断面積が小さく、冷却流体の流速が早くなるため、固体熱拡散部材１４の裏面から流路中を流れる冷却流体への熱伝達が速やかに行われ、なおかつ、冷却に寄与しない冷却流体の輸送量が小さいため、冷却の効率が良い。

そして、中心領域Ｃと周辺領域Ｐの面積比は、

となり、噴流衝突を生じる中心領域Ｃはごく狭い領域として設計することができるため、ｒ_２／ｒ_１の値は２以上とすることが容易である。仮にｒ_２／ｒ_１を２として設計すると、Ｐ／Ｃは３となり、周辺領域Ｐの面積は中心領域Ｃに比して３倍の大きさを持つこととなる。このように、面積の大きい周辺領域Ｐにおいて膜状流路を形成することで、より広い面積についてより効率の良い冷却ができることとなり、結果として、冷却構造１１の冷却効率が大幅に向上する。

で定義することができ、ｒ_ｐにおいて、

この条件は、より面積の大きい周辺領域Ｐにおける熱交換を大きくすることをいうものであり、冷却構造１１の設計によっては、中心領域Ｃにおける冷却を行わないようなものも可能である。その場合には、発熱中心Ｏにおける冷却流体の流れが存在しないことになる。

また、周辺領域Ｐにおいて、冷却流体の流速が最大となることが好ましい。すなわち、膜状流路は、ｒ_１＜ｒ_ｍ＜ｒ_２となるような所定のｒ_mにおいて、冷却流体が最大流速ｖ_ｍとなる形状であるとよい。このことは、図４に模式的に示したように、膜状流路が、発熱中心Ｏから所定の位置ｒ_mにおいて、冷却流体の流路断面積が最小となる形状であることを意味している。

この冷却流体が最大流速ｖ_ｍとなる位置は、熱交換が最も効率よく行われる位置であるから、発熱中心Ｏに近い位置であることが好ましく、一例として、周辺領域Ｐの中間位置であるｒ＝（ｒ_１＋ｒ_２）／２より発熱中心Ｏ側に配置する。しかしながら、最大流速ｖ_ｍとなる位置は任意であり、必ずしもここで述べた条件に当てはまらない設計でもよい。

図５は、図３にも示した本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の具体的構造を示す断面図である。

冷却構造１１において、固体熱拡散部材１４の表側の面にはターゲット６が固定されている。電子線７は、その中心軸がこのターゲット６の中心と一致するように照射されるため、図中一点鎖線で示したターゲット６の中心の位置が発熱中心Ｏとなる。

固体熱拡散部材１４の裏側の面は平坦ではなく、同図に示すように、発熱中心Ｏを中心として、固体熱拡散部材１４の裏側に向かって凸となるように突出する凸形状部１６を有している。本実施形態では、凸形状部１６は、発熱中心Ｏを中心軸とする軸対称（回転対称）の形状であり、その先端が半球となる、球頭形状となっている。また、凸形状部１６の周囲は、図中上に向かって凹となる半円環面であり、凸形状部１６とは滑らかに接続されている。半円環面の外周は、図中下に向かって立ち上がる壁面となっており、固体熱拡散部材１４の裏側の面に設けられ、中心に凸形状部１６が立設された窪みを形成している。

かかる窪みには、図中下方から流路形成部材１５が図中の位置まで挿入され、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５との間に冷却流体の流路が形成される。流路形成部材１５の材質は特に限定はないが、本実施形態ではステンレスである。流路形成部材１５はおおむね円筒形状であり、流路形成部材１５のターゲット６側の（すなわち、図中上側の）先端は、固体熱拡散部材１４の裏面形状と相補的な関係にあたる形状となっている。本実施形態では、上に凸となる半円環面であり、流路形成部材１５が適正に配置された際に、固体熱拡散部材１４との間にわずかな隙間が形成されるよう設計される。

流路形成部材１５のターゲット６と反対の側（すなわち、図中下側）には、ヘッダー３と接続され、冷却流体を流路に導入する開口である導入管部２９が形成される。本実施形態では、導入管部２９は、凸形状部１６の中心軸でもある発熱中心Ｏを通る軸と同軸に設けられる円筒形状の部分である。導入管部２９にヘッダー３の上方（図中上側）に突き出した部分が差し込まれることにより、前室１７が形成され、導入管部２９とヘッダー３の冷却流体供給管１２と液密に接続されるとともに、流路形成部材１５の位置が設計された位置に定まる。したがって本例では、前室１７はおおむね円柱形状であり、その中心軸もまた、発熱中心Ｏを通る軸と同軸である。図５に示した断面形状は、そのような形状の一例である。

なお、本実施形態では、凸形状部１６、導入管部２９及び前室１７の中心軸はいずれも発熱中心Ｏを通る軸と同軸であるが、これら各部の中心軸は必ずしも発熱中心Ｏを通り軸に対し同軸でなくともよく、ターゲット６の側から見て、凸形状部１６やターゲット６の幾何中心に対して同軸であってもよい（ただし、多くの設計においては、これらは一致することが多いと考えられる）。また、導入管部２９の形状は円筒形状に限定されず、多角筒形状その他の任意の筒形状であってもよく、前室１７は円柱形状に限定されず、多角柱形状その他の任意の柱状であってもよい。

ヘッダー３は、固体熱拡散部材１４の窪みをターゲット６と反対の側から封鎖し、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５との間に形成された流路を冷却流体供給管１２及び冷却流体排出管１３と接続するとともに、前述したように、流路形成部材１５の位置を固体熱拡散部材１４に対して所定の位置に定める。

冷却流体供給管１２から流入した冷却流体は、矢線ａに示すように、凸形状部１６の下方の中心領域Ｃに形成された前室１７から、凸形状部１６の周囲へと流入する。そして冷却流体は、周辺領域Ｐにおいて、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５間に形成された膜状流路Ｆ中を膜状流れとなって通過する。

すなわち、本実施形態にて示されるように、ターゲット６にて生じた熱を、固体熱拡散部材１４を介して、凸形状部１６へと拡散させることにより、冷却可能表面積を増大させ、さらに、かかる凸形状部１６の表面に沿った流路を設けて冷却流体を凸形状部１６の表面に沿って流すことにより、冷却効率を飛躍的に高めるとともに、冷却流体流れにおける圧力損失を低減するものである。

図５には、流路が膜状流路Ｆとなっている区間を白抜き矢印で示した。膜状流路Ｆでは、流路断面積が他の部分に比して小さくなるため、冷却流体の流速は増大し、効率よく固体熱拡散部材１４からの熱交換を受ける。

その後、冷却流体は流路形成部材１５の外周面を矢線ｂに示すように下方に向かって流下し、円管状の後室１８へと流入し、冷却流体排出管１３から排出される。前室１７及び後室１８は、冷却流体の流れにより生じる圧損を小さくするために流路断面積が大きくとられており、前室１７及び後室１８における流速は膜状流路Ｆに比して十分に小さい。このような設計により、冷却構造１１に十分な冷却流体を供給するためのポンプに要求される昇圧性能は低く抑えられる。

図５より明らかなように、本実施形態の膜状流路Ｆは、平面視において、発熱中心Ｏから等方的に広がる流れであるから、流路の厚みが同じ場所であれば、より発熱中心Ｏに近い位置のほうが流路断面積が小さい。そのため、本実施形態では、冷却流体の最大流速ｖ_ｍが得られる位置Ｍは、図示したように、上向きに凸となる半円環面形状の膜状流路Ｆの中心側に近い位置となる。

図６は、図５に示した本発明の第１の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の流路形成部材１５の断面斜視図である。同図では、流路形成部材１５は、その中心軸を通る平面により、図５にも表れていたその断面形状が示されている。流路形成部材１５は、全体としておおむね円筒形状をしており、図中上側に示した上辺の半円環面が膜状流路の壁面の一部を構成する。また、図中下側に示した肉厚の部分が円筒形状の導入管部２９となっている。

図７は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の具体的構造を示す断面図である。本実施形態は、先の実施形態に対し、冷却構造１１の具体的形状のみが異なり、その他の点において差異はないため、Ｘ線管球１００の全体構成を示す図として、図３を援用することとし、また、両実施形態において同等又は対応関係にある部材については同符号を付して、重複する説明についてはこれを省略するものとする。

本実施形態に係る冷却構造１１では、凸形状部１６が、発熱中心Ｏを中心軸とする尖頭形状となっている。ここでは、凸形状部１６は、発熱中心Ｏを軸に持つ下向きに凸の円錐形状である。また、流路形成部材１５の形状も、凸形状部１６に対応した形状となっている。すなわち、周辺部Ｐの内周側においては、凸形状部１６と相補的な形状となる、下向きに凹となる円錐面であり、周辺部Ｐの外周側では、上向きに凸となる半円環面であり、両者は滑らかに接続されている。

この円錐面から半円環面にそって膜状流路Ｆが図示のごとく形成されており、冷却流体の最大流速ｖ_ｍが得られる位置Ｍは、膜状流路Ｆの入り口付近となる。また、図７より容易に看取できるように、膜状流路Ｆとその前後の流路において、流路の壁面は、冷却流体を流した際の流れ線に沿った形状となるように設計されており、この区間において流れの壁面からの剥離や、渦が生じないようになされている。このように、流路形成部材１５の表面形状を、冷却流体の流れ線に沿った表面形状とすることで、流れの乱れによるエネルギー損失を抑えることができ、冷却構造１１に十分な冷却流体を供給するためのポンプに要求される昇圧性能の低下に寄与する。

また、本実施形態においては、前室１７は、流路形成部材１５の導入管部２９にヘッダー３の上方（図中上側）に突き出した部分が接続されることにより形成される円柱形状の空間であり、円筒形状の導入管部２９及び前室１７の中心軸は、凸形状部１６の中心軸と同軸となっている。先の実施形態と同様に、前室１７及び後室１８は、冷却流体の流れにより生じる圧損を小さくするために流路断面積が大きくとられており、前室１７及び後室１８における流速は膜状流路Ｆに比して十分に小さい。

図８は、図７に示した本発明の第２の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の流路形成部材１５の断面斜視図である。同図においても、流路形成部材１５は、その中心軸を通る平面により、図７にも表れていたその断面形状が示されている。本実施形態においても、流路形成部材１５は、全体としておおむね円筒形状をしており、図中上側に示した上辺の半円環面から、図中下方に連続する円錐面が膜状流路の壁面の一部を構成する。また、図中下側に示した、円錐面が連続する円筒形状の部分が導入管部２９となっている。

図９は、本発明の第３の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の具体的構造を示す断面図である。本実施形態もまた、先の実施形態に対し、冷却構造１１の具体的形状のみが異なり、その他の点において差異はないため、Ｘ線管球１００の全体構成を示す図として、図３を援用するとともに、また、各実施形態において同等又は対応関係にある部材については同符号を付して、重複する説明についてはこれを省略する。

本実施形態に係る冷却構造１１では、固体熱拡散部材１４の裏面は平坦であり、裏側から見て、平坦な底を持つ円筒上の窪みを有する形状となっている。かかる窪みの中に、流入口１９及び流出口２１と、流入口１９及び流出口２１と接続された円環状膜状流路２０を形成する流路形成部材１５が挿入され、ヘッダー３により冷却流体供給管１２と流入口１９が接続されるとともに、冷却流体排出管１３と流出口２１がそれぞれ接続される。

円環状膜状流路２０は、図９の紙面に垂直な面内に広がる円環形状の流路であり、図７で示した断面図では本来現れないが、説明の便宜上、図９の奥行方向に見える円環状膜状流路２０の入口と出口を示した。円環状膜状流路２０自体は、固体熱拡散部材１４の裏面と流路形成部材１５の表面との間に形成され、その流れの厚さ方向の断面は、図９に現れているように扁平な矩形となっている。冷却構造１１における膜状流路Ｆが形成されている区間は、円環状膜状流路２０が形成されている区間と一致する。その区間を図９の白抜き矢印にて示した。

図１０は、図９のＸ－Ｘ線による平面断面図である。円環状膜状流路２０は、平面視において円環形状であり、その一方の側に冷却流体供給管１２と接続される流入口１９が設けられ、その他方の側に冷却流体排出管１３と接続される流出口２１が設けられる。なお、本例では、流入口１９と流出口２１の断面を円形として示したが、必ずしもこれらは円形でなくてもよく、他の形状であってもよい。

したがって、図9の冷却流体供給管１２から流入した冷却流体は、矢線ｃで示したようにターゲット６側に向かって流れ、流入口１９に流入する。そして、図１０の矢線ｄに示したように、冷却流体の流れは、流入口１９から同図における上下方向の二手に分かれ、円環状膜状流路２０内を円周方向に流れて、流出口２１で合流し、流出する。円環状膜状流路２０から流出した冷却流体は、図９の矢線ｅに示すように、流出口２１からターゲット６から離れる方向に流れ、冷却流体排出管１３から流出する。

図１１は、図９及び図１０に示した本発明の第３の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の流路形成部材１５の上面斜視図である。同図に示されるように、流路形成部材１５の上面中心部には柱状の凸部となる柱頭部２６が形成され、その周囲に断面矩形の円環状の窪みである円環状凹部２７が設けられている。円環状凹部２７の柱頭部２６に対して反対となる側にそれぞれ、流入口１９及び流出口２１が穿孔されている。円環状凹部２７の外側は、円環状に上側に向かって突き出す円環状壁２８となっている。

柱頭部２６及び円環状壁２８の円環状凹部２７の底面に対する高さは等しくなっており、図９の断面図に示されるように、流路形成部材１５が冷却構造１１に組み込まれると、固体熱拡散部材１４の底面と柱頭部２６及び円環状壁２８の上面が面接触する。このとき、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５とは、その接触面において熱伝達がなされるため、柱頭部２６は、固体熱拡散部材１４の熱を下方に向かって拡散する、凸形状部１６として機能することになる。かかる凸形状部１６は、図９に示されているように、発熱中心Ｏを通る軸に沿って下方に伸びており、冷却流体が円環状膜状流路２０内を凸形状部１６の外周面に沿って流れることにより、円滑な熱交換がなされる。

本実施形態では、図９～図１１より明らかなように、発熱中心Ｏにおいては流路が形成されておらず、冷却流体の流れが存在していないため、ターゲット６において発生した熱の冷却流体への熱交換は、専ら周辺領域Ｐのみにて行われる。また、流入口１９及び流出口２１の断面積は十分大きく設計され、流入口１９及び流出口２１内での冷却流体の流速を低く抑えて冷却流体の流れにより生じる圧損を小さくするよう企図されている。

また、冷却流体の最大流速ｖ_ｍは、円環状膜状流路２０の断面中央付近で得られ、円周方向に沿っておおむね一定となる。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係るＸ線管球１００の冷却構造１１の具体的構造を示す断面図である。本実施形態もまた、先の実施形態に対し、冷却構造１１の具体的形状が異なっており、その他の点において実質的な差異はないため、Ｘ線管球１００の全体構成を示す図として、図３を援用するとともに、また、各実施形態において同等又は対応関係にある部材については同符号を付して、重複する説明についてはこれを省略する。

また、本実施形態に係る冷却構造１１においても、第３の実施形態と同様に、固体熱拡散部材１４の裏面は平坦であり、裏側から見て、平坦な底を持つ円筒上の窪みを有する形状となっている。かかる窪みの中に、流路形成部材１５が挿入され、ヘッダー３により冷却流体供給管１２と流入口１９が接続されるとともに、冷却流体排出管１３と流出口２１がそれぞれ接続される構造も同様である。流路形成部材１５は、流入口１９及び流出口２１と接続された楕円環状膜状流路２４を形成する。

本実施形態に係る楕円環状膜状流路２４は、図１２の紙面に垂直な面内に広がる楕円環形状の流路であり、図１２で示した断面図では本来現れないが、説明の便宜上、図１２の奥行方向に見える楕円環状膜状流路２４の入口と出口を示した。また、流出口２１も本来図１２の断面には表れないが、その位置を示している。楕円環状膜状流路２４の出口と流出口２１の位置は、図中破線で示した。

また、流路形成部材１５の図中右側の流出口２１と重なり合う位置には、分離壁２２が設けられている。分離壁２２の形状および意義については後述する。楕円環状膜状流路２４は、固体熱拡散部材１４の裏面と流路形成部材１５の表面との間に形成され、その流れの厚さ方向の断面は、図１２に現れているように扁平な矩形である。冷却構造１１における膜状流路Ｆが形成されている区間は、楕円環状膜状流路２４が形成されている区間と一致し、その区間は白抜き矢印にて示されている。

図１３は、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線による平面断面図である。楕円環状膜状流路２４は、平面視において長軸Ｈを有する楕円環形状であり、その一方の側に冷却流体供給管１２と接続される流入口１９が設けられ、その他方の側に冷却流体排出管１３と接続される流出口２１が設けられる。また、流出口２１には、分離壁２２が設けられ、流入口１９から二手に分かれた流路を、流出口２１の位置において隔てている。

図１２に戻り、冷却流体供給管１２より注入された冷却流体は、矢線ｆに示したように発熱中心Ｏを通る中心線に沿ってターゲット６に向かって進み、斜め上方に向かう前室１７を通過して流入口１９から楕円環状膜状流路２４へと流入する。

図１３に示されるように、流入口１９から楕円環状膜状流路２４へと流入した冷却流体は、矢線ｇに示されるように図中上下の二手に分かれて楕円環状膜状流路２４内をその周方向に流れる。そして、流入口１９と反対の側において、流出口２１から流出する。この際に、上下に二手に分かれた互いに異なる流れは、分離壁２２により分離され、互いに衝突することなく流出口２１へと流れ出すようにされている。

これは、流出口２１の位置において、二手に分かれた冷却流体の流れがほぼ互いに対向する向きとなり、これらの流れを衝突させると流れが大きく乱れるため、エネルギー損失を生じるためである。このエネルギー損失は、冷却流体を冷却構造１１に流す上での圧力損失の増大という形で顕在化するため、流れの衝突によるエネルギー損失があると、その分冷却流体を送り出すポンプの能力が高いものが必要となってしまう恐れがある。そこで、分離壁２２により流れの異なる冷却流体を分離し、流れの衝突を防いでいる。

流出口２１より流出した冷却流体は、図１２の矢線ｈに示すように、ターゲット６から遠ざかる方向へと流れ、冷却流体排出管１３から排出される。ここで、図１４は、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線における断面図である。図１３のＸＩ－ＸＩ線は、流出口２１及び分離壁２２を含む楕円環状膜状流路２４の周方向に沿った線である。

図１４には、図１２の矢線ｈで示した冷却流体の流れを、別の方向から示した様子が示されている。分離壁２２により隔てられた楕円環状膜状流路２４から流出口２１に流入した冷却流体は、分離壁２２の両面に沿ってターゲット６から遠ざかる方向に流下し、分離壁２２が途切れる後室１８において合流し、その後冷却流体排出管１３へと流れていく。図１４より明らかなように、分離壁２２の下側における流れの合流時には、二手に分かれた流れの向きはほぼ同じとなっているため、流れの衝突は起こらず、冷却流体のスムーズな流れが形成される。

なお、本実施形態において、分離壁２２は冷却媒体の流れによるエネルギー損失を低減させ、圧力損失を低減させる上で有効な手段ではあるが、本実施形態における楕円環状膜状流路２４を用いたターゲット６の冷却を行う上で必須のものではない。圧力損失が許容範囲内であったり、ターゲット６に対する冷却性能が十分に得られるなどの事情の下では、分離壁２２を省略して、図１３に示した冷却流体の矢線ｇで示した流れが、流出口２１の位置で合流するようにしてもよい。

本実施形態に係る冷却構造１１における最大流速ｖ_ｍは、楕円環状膜状流路２４の断面中央付近で得られ、周方向に沿っておおむね一定となる。

また、本実施形態において、図１３に示すように、楕円環状膜状流路２４は円形ではなく、軸Ｈを長軸とする楕円環形状とされている。この理由は次のとおりである。すなわち、ターゲット６において電子線７が衝突し発熱を生じる発熱領域の形状は、一般に、発熱中心Ｏに対し、等方的ではなく特定の方向に偏りを持つ。具体的には、一定長さの直線状の細長い領域となる。図１３には、この発熱領域２３の形状を示した。なお、発熱領域２３の形状が直線状となるのは、図３に示すように、電子線７を放出する陰極となるフィラメント５が細長い直線状の形状をしているためであり、電子線７の断面形状はこのフィラメント５の形状に左右されるからである。

したがって、このように特定の方向に偏りを持つ発熱領域２３における発熱による熱伝播は等方的でなく、その長手方向に引き伸ばされた形状となる。楕円環状膜状流路２４は、このように特定の方向に偏りを持つ発熱領域２３が想定される場合に、発熱領域２３の長手方向に長軸Ｈを持つ楕円環形状とすることで、その流路の全長にわたり、交換される熱量を偏ることなく均等とする効果がある。このようにすることで、楕円環状膜状流路２４の流れに沿っての固体熱拡散部材１４の温度変化が小さくなるため、特定の位置において高温となり、冷却流体が膜沸騰を生じて冷却性能を損なうような事態が防止される。

なお、楕円環状膜状流路２４の離心率（又は扁平率）は、発熱領域２３の長手方向長さなどに応じて適宜決定すればよい。この決定は、実験的に、またはコンピュータシミュレーションにより最適な形状を求めることになされてよい。また、楕円環状膜状流路２４の平面形状は、必ずしも楕円でなくともよい。長円や、その他、発熱領域２３に応じた等方的でない任意の形状を選択してよい。

図１５は、本発明の第４の実施形態の変形例に係る流路形成部材１５の、図１２に示したＸＶ方向から見た斜視図である。本変形例では、同図にみられるように、前室１７中に整流フィン２５が複数立設されており、図中手前方向から流入した冷却流体が、前室１７を通過して、流路形成部材１５の周縁部に向かって流れの向きが変えられ、図中奥に見える、流入口１９へと流れていく際に、渦を生じるなどの流れの乱れが生じにくい構造となっている。

この整流フィン２５は、望ましい流れの向きに沿った方向に延びる板状部材として流路形成部材１５に形成される。本変形例では、整流フィン２５は、前室１７内に設けられたが、整流フィン２５の配置位置はこれに限定されず、楕円環状膜状流路２４内やその流入口１９及び流出口２１、その前後の前室１７及び後室１８を含む、冷却流体の流路のいかなる場所に設けてもよい。整流フィン２５は、冷却流体の流れの向きや断面が急激に変化するなど、流れの乱れが生じやすい場所に適宜設けるとよく、必要でなければ必ずしも設けなくともよい。

整流フィン２５を流路中に立設することにより、流路表面の面積は増大し、また整流フィン２５の分だけ流路断面積が減少するため、摩擦抵抗が増大し、管摩擦損失は少なくとも増大する。一方で、整流フィン２５による整流効果により、流れの乱れによる損失は減少するので、整流効果による圧力損失が整流フィン２５を設置することによる管摩擦損失を上回る場合には、整流フィン２５を設置した方が有利となる。整流フィン２５の設置の有無、設置位置およびその形状は、冷却流体の流れの条件に応じて適宜決定するとよい。

図１６は、本発明の第４の実施形態の変形例に係る流路形成部材１５を、図１５とは反対に、上面側から見た斜視図である。同図に示すように、流路形成部材１５の上面中心部には柱状の凸部となる柱頭部２６が形成され、その周囲に断面矩形の楕円環状の窪みである楕円環状凹部３０が設けられている。流入口１９、流出口２１の位置及び形状、分離壁２２の形状も同図によく表れている。

本実施形態においても、図１２の断面図に示されるように、流路形成部材１５が冷却構造１１に組み込まれると、固体熱拡散部材１４の底面と柱頭部２６が面接触し、その接触面において熱伝達がなされるため、柱頭部２６は、固体熱拡散部材１４の熱を下方に向かって拡散する、凸形状部１６として機能することになる。かかる凸形状部１６もまた、図１２に示されているように、発熱中心Ｏを通る軸に沿って下方に伸びており、冷却流体が楕円環状膜状流路２４内を凸形状部１６の外周面に沿って流れることにより、円滑な熱交換がなされる。

以上説明した各実施形態に係る冷却構造１１の冷却性能を、各実施形態に共通する所定の条件下においてコンピュータシミュレーションを行うことにより評価した。冷却性能の評価対象となる指標として、冷却流体が冷却構造１１を通過する際の圧力損失ΔＰ（冷却流体供給管１２と冷却流体排出管１３における静水圧差）、冷却構造１１に生じる最高温度Ｔ_ｍ、冷却構造１１の冷却流体の流路の表面に生じる最高温度である流路表面最高温度Ｔ_ｃｍの３点を選択し、比較のため、典型的なターゲット９０１の冷却構造９００としてすでに説明した従来より存在するものを噴流衝突型として示す。

共通する条件として、発熱領域２３における発熱を１０００Ｗ、発熱領域２３の大きさを幅０．４ｍ、長手方向長さを８ｍｍ、冷却流体の体積流量Ｑを４０００ｃｍ^３／ｍｉｎ、冷却流体の初期温度を２５℃とし、冷却流体として水を選択した。その際の各指標の値を、図１７のグラフに示した。

同グラフでは、圧力損失ΔＰについては左軸目盛にｋＰａを単位として、最高温度Ｔ_ｍ及び流路表面最高温度Ｔ_ｃｍについては右軸目盛に℃を単位として示した。なお、最高温度Ｔ_ｍと流路表面最高温度Ｔ_ｃｍには温度の開きがあるため、右軸目盛は一定目盛ではない。

グラフより明らかなように、最高温度Ｔ_ｍは、従来の噴流衝突型がおおよそ４９２℃であるのに対し、実施形態１乃至実施形態４のものは４７６℃～４９６℃の範囲にとどまっており、大きな差はなく、噴流衝突型に比して遜色がないことがわかる。最高温度Ｔ_ｍは、発熱中心Ｏにおけるターゲット６の直下で得られるから、ターゲット６の溶融を生じることなく冷却がなされているといえる。

圧力損失ΔＰについては、従来の噴流衝突型がおおよそ９１ｋＰａであるのに対し、実施形態１乃至実施形態４のものは１７ｋＰａ～５４ｋＰａの範囲となり、おおよそ２０％～６０％に低減されている。特に、実施形態２のものは圧力損失が１７ｋＰａと約１８％に、また、実施形態１のものは圧力損失が３２ｋＰａと３５％に低減されており、これら実施形態に係る冷却構造１１が圧力損失の低減に特に有利であることが看取できる。

流路表面最高温度Ｔ_ｃｍについては、従来の噴流衝突型がおおよそ１８３℃であるのに対し、実施形態１乃至実施形態４のものは８６℃～１３６℃の範囲となり、４７℃～９７℃の低減が達成されている。流路表面最高温度Ｔ_ｃｍが従来の噴流衝突型のように、沸点（水の場合は常圧で１００℃。冷却構造１１の流路内では加圧されているためこれよりやや高い温度となる）を大幅に上回ると、その位置により冷却流体が膜沸騰を起こし、冷却性能が著しく損なわれる恐れが高いが、実施形態１乃至実施形態４のもののように、沸点を下回るか、又は沸点に近い温度であればその恐れはなく、安定した冷却性能が得られていると考えられる。

以上示した通り、本発明の各実施形態に係る冷却構造１１においては、ターゲット６に対する十分な冷却性能を維持しつつ、流路における圧力損失ΔＰ及び流路表面最高温度Ｔ_ｃｍの大幅な低減が達成されており、冷却性能の効率化がなされている。圧力損失ΔＰが小さいため、より性能の低いポンプを使用することが可能であり、ポンプの小型化や低コスト化に寄与する。また、流路表面最高温度Ｔ_ｃｍが低いため、電子線出力を増大させても引き続き良好な冷却性能を維持することができ、また、冷却流体の流量を増加させることも容易である。

以上説明した実施形態において、第１及び第２の実施形態に係る冷却構造１１では、凸形状部１６を固体熱拡散部材１４の裏面構造として形成し、第３及び第４の実施形態に係る冷却構造１１では、凸形状部１６を流路形成部材１５の一部として形成する構成としたが、凸形状部１６をどの部材により形成するかには特段の限定はなく、Ｘ線管球をヘッダー３に取り付けた状態で、固体熱拡散部材１４から熱拡散が生じる形態で凸形状部１６が形成されていればよい。したがって、凸形状部１６を固体熱拡散部材１４又は流路形成部材１５の一部として形成する構成に限られず、別の独立した部材により凸形状部１６を形成しても、さらには複数の部材が組み合わされることにより凸形状部１６を形成するようにしてもよい。

また、上説明における発熱中心Ｏは、平面視における発熱量の重心位置として観念されるべき位置であるが、この位置を正確に（測定などにより）定めることは容易でなく、またその実用上の必要性も大きくないと考えられるため、電子線７が照射される領域の幾何学的中心や、ターゲット６の幾何学的中心を簡易的に発熱中心Ｏと看做して差し支えない。そして、上説明した各実施形態では、凸形状部１６の中心軸が発熱中心Ｏを通る軸と一致するものとして説明したが、両者は厳密に一致している必要はない。少なくとも、平面視において、凸形状部１６が形成されている領域内に発熱中心Ｏが含まれていればよい。

また、第１及び第２の実施形態において、膜状流路Ｆの厚さを定めるため、膜状流路Ｆの一部分に適宜のスペーサを設けてもよい。具体的には、固体熱拡散部材１４、流路形成部材１５、又はその両方の膜状流路Ｆの壁面となる面の一部分に所定厚さの突起を設け、両部材を突き当てるように組み立てることにより、所定厚さの膜状流路Ｆが正確かつ簡易に構成されるようにしてよい。あるいは、別途所定厚さのスペーサ部材を用意し、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５の間に挟み込むようにしてこれら部材を組み立てるようにしてもよい。これらのスペーサの位置及び数は任意であるが、膜状流路Ｆの複数の箇所にあることが好ましい。

また、上説明した各実施形態では、固体熱拡散部材１４と流路形成部材１５の間に膜状流路Ｆが形成されるものとして説明したが、流路形成部材１５を、単独で膜状流路Ｆが形成される形状として作成し、かかる流路形成部材１５と固体熱拡散部材１４間で熱伝達がなされるように組み立てるものであってもよい。流路形成部材１５を精度良く作製することで、膜状流路Ｆの寸法精度を容易に高いものとすることができる。

第４の実施形態では、楕円形状の楕円環状膜状流路２４が楕円形状であり、膜状流路Ｆ及び凸形状部１６の平面視における幾何学形状が楕円又は長円となっているものを示したが、かかる点を第１乃至第３の実施形態に適用し、膜状流路Ｆ及び凸形状部１６の平面視における幾何学形状を楕円又は長円としてもよい。また、第４の実施形態で示した分離壁２２を、第３の実施形態における流出口２１に設けてもよい。

図１８は、本発明に係るＸ線管球１００を備えたＸ線分析装置２００の例の概略構成図である。同図中（ａ）は、Ｘ線分析装置２００の概略システム構成を示すブロック図、（ｂ）はＸ線回折装置２０１の概略構成を示す図である。

（ａ）を参照し、Ｘ線分析装置２００は、Ｘ線回折装置２０１、結晶相同定装置２０２、及び表示装置２０３を含んで構成されている。なお、表示装置２０３は、例えば、フラットパネルディスプレイ装置等からなり、結晶相同定装置２０２と一体に構成されていてもよい。

結晶相同定装置２０２は、入力手段２１１、記憶部２１２、解析部２１３、及び出力手段２１４を含んで構成されている。結晶相同定装置２０２は、一般的なコンピュータにより実現することができ、その場合、例えば、入力手段２１１及び出力手段２１４は入出力インターフェイス等、記憶部２１２はハードディスクやメモリ等、解析部２１３はＣＰＵ等から構成される。記憶部２１２には、データベースが記憶されている。データベースには、既知の複数の結晶相のＸ線回折パターンの、２θ－Ｉプロファイルにおけるピーク位置及びピーク強度比のデータが、格子面の距離ｄ対強度比Ｉのデータ（ｄ－Ｉデータ）として登録されている。記憶部２１２は、外付けのハードディスク等であってもよい。

解析部２１３は、Ｘ線回折装置２０１から入力手段２１１を介して入力されたＸ線回折データを、記憶部２１２に記憶する。そして、解析部２１３は、記憶部２１２に記憶されたＸ線回折データに対して情報処理を行って、処理結果を記憶部２１２に記憶し、また出力手段２１４を介して、処理結果を表示装置２０３に表示させる。

（ｂ）を参照し、Ｘ線回折装置２０１は、ゴニオメータ２０４、Ｘ線発生装置２０５、コリメータ２０６、Ｘ線検出器２０７、制御ユニット２０８、及び入出力装置２０９を含んで構成されている。ゴニオメータ２０４は、測角器であり、その中心部には、試料２１０を搭載して回転する試料台が設けられている。Ｘ線発生装置２０５から発生したＸ線は、ピンホールを有するコリメータ２０６を通過して細いビーム状の線束となり、試料２１０へ照射される。Ｘ線検出器２０７は、試料２１０により回折されたＸ線を検出する。試料２１０へ照射されるＸ線の、試料２１０の格子面からの角度θであるとき、回折角度は２θとなる。制御ユニット２０８は、コンピュータ、シーケンサ、専用回路等により構成されており、ゴニオメータ２０４、Ｘ線発生装置２０５、及びＸ線検出器２０７を制御する。入出力装置２０９は、測定条件等を制御ユニット２０８へ入力し、またＸ線検出器２０７が検出したＸ線回折データを結晶相同定装置２０２へ出力する。なお、図１８（ｂ）は、反射型のＸ線回析装置を示しているが、透過型のＸ線回析装置であってもよい。また、Ｘ線検出器は、２次元検出器に限らず、０次元検出器又は１次元検出器を用い、試料又は検出器を移動又は回転させる構成であってもよい。

Ｘ線回折装置２０１のＸ線発生装置２０５には、上述した各実施形態に係るＸ線管球１００が装着され、電極１０（図３参照）に電流を供給することで、Ｘ線を発生させる。また、Ｘ線管球１００には、別途設置した流体ポンプより冷却流体が供給され循環することにより冷却がなされる。

最後に、本発明の各実施形態に係るＸ線管球１００の製造方法を説明する。なお、以下のＸ線管球１００の製造方法の説明にあたっては、これまで説明した各実施形態に関する図３、図５～１２を適宜参照されたい。

Ｘ線管球の製造方法は、大きく区分して、（１）各部材の製造工程、（２）各部材の組み立て工程、及び（３）真空引き工程の３工程からなる。

まず（１）の各部材の製造工程においては、各部材を公知の方法にて製造する。本発明の各実施形態においては、特に、冷却構造１１の構造に特徴があるため、この点について説明を加え、公知の部材の製造方法についてはこれを省略することとする。

固体熱拡散部材１４は、銅などの熱伝導率に優れた金属片に対し、凸形状部１６等の流路表面となる表面形状を加工する。この加工は、コンピュータ制御によるマシニングセンタなどを利用した切削加工で行ってよく、複雑な流路形状を設計通りに作成することができる。なお、この加工は、切削に限定されず、鍛造、鋳造、放電加工など他の各種の手法を用い又は併用してもよい。

固体熱拡散部材１４の表面には、金属単結晶より切りだされた銅、タングステンなどのターゲット片が、銅箔や金箔を用いたロウ付けにより密に固定される。この際に、固体熱拡散部材１４とターゲット片との間には隙間なく、熱伝達が阻害されないように注意が払われる。

流路形成部材１５やヘッダー３、ベース１についても、適宜機械旋盤やマシニングセンタによる加工により成型が行われる。流路形成部材１５は、実施形態３及び４に示した例のように、固体熱拡散部材１４と熱的に接触し、その一部として凸形状部１６を構成するものである場合には、固体熱拡散部材１４と同様に、熱伝導率に優れた金属性とすることが望ましい。そのような金属の例は、銅である。ハウジング２は、セラミック原料粉を圧粉成型の後焼結することにより成型され、電極１０やフィラメント５が取り付けられる。

このように各部材が製造された後、（２）の組み立て工程において、各部材が液密・気密に組み立てられる。各部材間の固定には、適宜の手法、例えば接着、圧着、ねじ込み、ねじの利用など各種の公知の方法を適宜用いてよい。

Ｘ線管球１００の組み立て終了後、（３）の真空引き工程において、ベース１に設けられる図示されていない排気口を真空ポンプに接続し、内部の気体を吸引してベース１及びハウジング２内の空間を真空状態とする。排気口は真空引きの後に封鎖され、真空ポンプが取り外された後もベース１及びハウジング２内の空間の真空状態が維持される。

以上の工程によりＸ線管球１００が製造される。製造されたＸ線管球１００は、上述のＸ線分析装置２００のほか、各種のＸ線利用機器に取り付けられ、利用される。

以上説明した本発明の各実施形態は、本発明を具体化した例として示したものであり、本発明の技術的範囲をその具体的態様に限定するものではない。各実施形態は、当業者により、その利用の対応に応じて必要となる変形がなされてよく、また、各実施形態にて示した構成を互いに組み合わせてもよい。本明細書にて示された本発明の技術的範囲は、そのようになされた変形や組合せを含むものである。

１ベース、２ハウジング、３ヘッダー、５フィラメント、６ターゲット、７電子線、８Ｘ線、９窓、１０電極、１１冷却構造、１２冷却流体供給管、１３冷却流体排出管、１４固体熱拡散部材、１５流路形成部材、１６凸形状部、１７前室、１８後室、１９流入口、２０円環状膜状流路、２１流出口、２２分離壁、２３発熱領域、２４楕円環状膜状流路、２５整流フィン、２６柱頭部、２７円環状凹部、２８円環状壁、２９導入管部、３０楕円環状凹部、１００Ｘ線管球、２００Ｘ線分析装置、２０１Ｘ線回折装置、２０２結晶相同定装置、２０３表示装置、２０４ゴニオメータ、２０５Ｘ線発生装置、２０６コリメータ、２０７Ｘ線検出器、２０８制御ユニット、２０９入出力装置、２１０試料、９００冷却構造、９０１ターゲット、９０２支持台、９０３電子線、９０４ノズル、９０５噴流。

Claims

電子線を放出する電子線放出部と、
前記電子線が衝突する第１の面を有するターゲットと、
前記ターゲットの前記第１の面と反対の面である第２の面の側に固定された固体熱拡散部材と、
前記固体熱拡散部材の前記ターゲットと反対の側に配置され、冷却流体が膜状流れを形成する膜状流路を形成する流路形成部材と、を有し、
前記固体熱拡散部材には、前記ターゲットと反対の側に向かって突出する凸形状部が形成され、前記電子線の放出方向から見て、前記凸形状部の中心は、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱中心と重畳し、
前記膜状流路は、前記凸形状部の表面の少なくとも一部に沿った形状であるとともに、前記膜状流路の厚みｄは、前記膜状流路の幅及び長さのいずれか小さい値ｌに対して、ｄ≦ｌ／２である、
Ｘ線管球。
前記膜状流路は、前記電子線の放出方向から見て、前記発熱中心から所定の距離における前記冷却流体の平均流速が、前記発熱中心における前記冷却流体の平均流速より大きくなる形状である、請求項１に記載のＸ線管球。
前記膜状流路は、前記発熱中心から所定の距離の位置において流路断面積が最小となる形状である請求項１又は２記載のＸ線管球。
前記凸形状部は、球頭形状又は尖頭形状である請求項１～３のいずれか１項に記載のＸ線管球。
前記冷却流体を前記膜状流路に導入する導入管部が、前記導入管部の中心軸と前記凸形状部の中心軸とが同軸となるように設けられる請求項１～４のいずれか１項記載のＸ線管球。
前記膜状流路は、前記冷却流体の流入口及び流出口を有し、前記凸形状部を囲繞する円環形状である請求項１～３及び５のいずれか１項に記載のＸ線管球。
前記流入口及び前記流出口は、前記凸形状部を挟み、前記膜状流路の互いに反対の側に配置される請求項６記載のＸ線管球。
前記膜状流路は、前記流出口の位置において、流れの異なる前記冷却流体を分離する分離壁を有する請求項６又は７記載のＸ線管球。
前記膜状流路は、前記電子線の放出方向から見て、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱領域の長手方向を長軸とする長円又は楕円形状である、
請求項１～８のいずれか１項に記載のＸ線管球。
前記流路形成部材は、前記冷却流体の流れ方向に沿った整流フィンを有する、
請求項１～９のいずれか１項に記載のＸ線管球。
請求項１～１０のいずれか１項に記載のＸ線管球を備えたＸ線分析装置。
Ｘ線管球におけるターゲットの冷却方法であって、
電子線が衝突する第１の面を有するターゲットの前記第１の面と反対の面である第２の面の側に固定された固体熱拡散部材と、前記固体熱拡散部材の前記ターゲットと反対の側に配置される流路形成部材により、前記ターゲットを冷却する冷却流体が膜状流れを形成する膜状流路を形成し、
前記固体熱拡散部材には、前記ターゲットと反対の側に向かって突出する凸形状部が形成され、前記電子線の放出方向から見て、前記凸形状部の中心は、前記電子線が前記ターゲットに衝突して発熱する発熱中心と重畳し、
前記膜状流路は、前記凸形状部の表面の少なくとも一部に沿った形状であるとともに、前記膜状流路の厚みｄは、前記膜状流路の幅及び長さのいずれか小さい値ｌに対して、ｄ≦ｌ／２であり、
電子線放出部から前記電子線を放出し、
前記電子線の放出方向から見て、前記冷却流体を、前記発熱中心における前記冷却流体の平均流速に比して、前記発熱中心の周辺部における前記冷却流体の平均流速の方が大きくなる膜状流路に流すことにより、前記ターゲットを冷却する、Ｘ線管球におけるターゲットの冷却方法。