JPH07282992A

JPH07282992A - プラズマ式ｘ線発生装置

Info

Publication number: JPH07282992A
Application number: JP7676394A
Authority: JP
Inventors: Muneya Hirota; 統也広田; Sukeyuki Yasui; 祐之安井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】陰極の表面の溶融を防ぎ、安定した強度のＸ線
を出力することができるプラズマ式Ｘ線発生装置を得
る。【構成】Ｔ字形の陰極６Ａの内部に空洞６ｂを形成す
る。この空洞６ｂに外部から冷媒を供給し排出する流路
を陰極６Ａの後部に設けて、この流路に接続した接続管
10から純水９を空洞６ｂに供給し、陰極６Ａの頭部を冷
却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを利用した電
子ビーム源からＸ線を発生させるＸ線発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、プリント基板にはんだ付された
小形電子部品、特に、ＩＣなどのボンディング状態や一
般工業用セラミックスの内部の欠陥などの検査には、非
破壊検査用Ｘ線装置が使われている。

【０００３】以下、従来の非破壊検査用Ｘ線発生装置に
ついて説明する。

【０００４】図５の縦断面図に示すように、内部に供給
された気体を電離させる複数の陽極ワイヤ１を収納した
球状のイオン化室２の片側に抽出グリッド３が挿入さ
れ、この抽出グリッド３を介してイオン化室２と連通す
る円筒状の高電圧室４が配設されている。

【０００５】イオン化室２の他側には、Ｘ線発生用ター
ゲット５が配置されている。高電圧室４には、抽出グリ
ッド３と対向するように陰極16が収納され、この陰極16
の下端は高電圧導入端子７に接続され、絶縁ブッシング
８を介して高電圧室４の外部に引き出されている。

【０００６】高電圧室４には、図示していない排気口が
形成されており、この排気口は、図示しない排気装置に
接続され、この排気装置によってイオン化室２及び高電
圧室４の内部の圧力が所定の値に制御されている。

【０００７】通常、供給された気体の陽イオン化を効率
よく行うために、イオン化室２及び高電圧室４の圧力
は、10〜30ｍTorrという低い状態に保たれている。供給
される気体には、陰極６でのイオン衝撃による二次電子
放出比に優れたヘリウムが用いられる。また、イオン化
室２および高電圧室４のケースは接地されており、抽出
グリッド３はＸ線発生用ターゲット５と等電位状態にあ
る。

【０００８】陰極６は、高電圧導入端子７を介して図示
しない高電圧供給源に接続されており、約 150kVの高い
負のバイアス電圧が印加されている。一方、Ｘ線発生用
ターゲット５は、陰極６から入射する電子に対してＸ線
変換効率の高い厚さ数μｍほどのタングステンもしくは
タンタルで構成されている。

【０００９】Ｘ線発生装置を作動させる場合には、陽極
ワイヤ１に３kV程度のパルス電圧もしくは直流電圧を印
加する。この電圧が印加されると、陽極ワイヤ１と接地
電位にあるイオン化室２を構成するケースとの間に放電
が発生し、イオン化室２の内部にプラズマが生成され
る。一方、高電圧室４の内部に収納された陰極６は、抽
出グリッド３を通してこのプラズマからイオンを引き出
す。

【００１０】このイオンは、イオン化室２と高電圧室４
との間に挿入された抽出グリッド３を経て高電圧室４の
内部に侵入し、高エネルギーに加速されて陰極６に衝突
する。すると、陽極６の表面から図７（ａ）に示すよう
に二次電子が平行に放出される。このようにして放出さ
れた二次電子は、イオンの進行方向とは逆方向の抽出グ
リッド３に向かって加速され、イオン化室２を通過し
て、Ｘ線発生用ターゲット５に衝突し、その結果高エネ
ルギーのＸ線が出力される。

【００１１】ここで、抽出グリッド３の近辺における初
期エネルギーを無視し、負のバイアス電圧をＶ_HT、イオ
ンの電荷量をｅとすれば、単一の荷電イオンに関係があ
ることを念頭におき、イオンはｅ・Ｖ_HTに等しいエネル
ギをもって陰極６に到達するものと考えられる。

【００１２】また、抽出グリッド３から引き出されたイ
オンが陰極６に衝突することによって放出される二次電
子は、抽出グリッド３に向かって加速され、ｅ・Ｖ_HTの
エネルギーに到達する。これらの状態において、１個の
イオンとこのイオンによって放出される電子は、同じ電
場線に対応して、ほぼ重畳する軌道を呈する。

【００１３】このようなＸ線発生装置は前述したよう
に、プリント基板にはんだ付された小形電子部品、主に
ＩＣなどのボンディング状態や、一般工業用セラミック
スの内部の欠陥などの非破壊検査に使われる。また、Ｘ
線発生装置は、イオン化室２とＸ線発生用ターゲット５
の間に電子ビーム収束用の磁界レンズを設けることで、
Ｘ線焦点の小さい、検査解像度を向上させたＸ線発生装
置に適用される。

【００１４】ところで、従来のＸ線発生装置では、高電
圧陰極６に対して冷却機能が施されていない。陰極表面
上でのイオン衝突によるエネルギは 0.5×10⁶W/mm²と
なり、これは陰極表面温度に換算すると約1000℃とな
る。

【００１５】陰極表面上のイオン衝突領域において、そ
の中心部は周辺部より熱が逃げにくい。したがって、陰
極表面上の中心部に図６に示すような融解部19が形成さ
れるおそれがある。もし、この融解部19が形成される
と、陰極６の前面の電位分布を乱し、イオンの衝突によ
り生ずる電子の進行方向を図７（ｂ）に示すように著し
く乱す。

【００１６】したがって、図７（ａ）に示したような平
行な電子ビームが得られないのでこの電子ビームがター
ゲット５に透過して発生するＸ線も所定の強度を得るこ
とができなくなる。また、この融解部19が絶えず進行し
て形状が変動すると、電子ビームとＸ線の強度は不安定
となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のＸ
線発生装置においては、イオンの衝突による発熱によっ
て、陰極表面の中心部が融解し、この融解によって発生
する電子ビームの方向が大きく発散してしまい、その結
果、所要の断面積で、かつ、強度の電子ビームおよびＸ
線を取り出すことは非常に困難である。

【００１８】そのため、従来のプラズマ式Ｘ線発生装置
においては、頻繁に陰極を交換する方法も採られてきた
が、すると、プラズマ式Ｘ線発生装置の保守のために稼
働率が低下して、製品の生産高が制約される。

【００１９】そこで、本発明の目的は、イオン衝突での
発熱による表面上の融解を防ぐことができ、必要かつ安
定した強度の電子ビームおよびＸ線を出力することので
きるプラズマ式Ｘ線発生装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、気体を電離する陽極が収納され片側にＸ線発生用タ
ーゲットが設けられ他側に抽出グリッドが設けられたイ
オン化室と、このイオン化室の他側と連通し二次電子を
放出する陰極が収納された高電圧室を備えたプラズマ式
Ｘ線発生装置において、外部と連通する空洞を陰極に形
成したことを特徴とする。

【００２１】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の空洞に冷却流体を貯留したことを特徴とする。

【００２２】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
に記載の空洞に冷却流体を吹き付けたことを特徴とす
る。

【００２３】また、請求項４に記載の発明は、気体を電
離する陽極が収納され片側にＸ線発生用ターゲットが設
けられ他側に抽出グリッドが設けられたイオン化室と、
このイオン化室の他側と連通し二次電子を放出する陰極
が収納された高電圧室を備えたプラズマ式Ｘ線発生装置
において、外部から供給される冷却流体の流路を陰極に
形成したことを特徴とする。

【００２４】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載の冷却流体の流路を、陰極の軸心に形成された流
入路と、この流入路と陰極頭部で連通し陰極の外周に形
成された流出路で構成したことを特徴とする。

【００２５】さらに、請求項６に記載の発明は、請求項
１に記載の空洞の前面側に、冷却流体が気化する環状の
空洞部を形成したことを特徴とする。

【００２６】

【作用】請求項１に記載の発明においては、イオンの衝
突によって加熱された陰極の熱は、空洞の内部の冷媒に
よって冷却される。

【００２７】また、請求項２に記載の発明においては、
イオンの衝突によって加熱された陰極の熱は、空洞の内
部に貯留された冷媒によって冷却される。

【００２８】また、請求項３に記載の発明においては、
イオンの衝突によって加熱された陰極の熱は、空洞の内
部に吹き付けられる冷却流体によって冷却される。

【００２９】また、請求項４に記載の発明においては、
イオンの衝突によって加熱された陰極の熱は、陰極に形
成された冷却流体の流路に供給される流体によって冷却
される。

【００３０】また、請求項５に記載の発明においては、
イオンの衝突によって加熱された陰極の熱は、陰極の軸
心に形成された流入路から頭部に流入し電極の外周に形
成された流出路から排出される冷却流体によって冷却さ
れる。

【００３１】さらに、請求項６に記載の発明において
は、イオンの衝突によって加熱された陰極の熱は、空洞
の内部の冷却流体に接する陰極の中央部によって冷却さ
れ、加熱によって膨脹した冷却流体による内圧上昇は、
環状の空洞部に気化する蒸気によって緩和される。

【００３２】

【実施例】以下、本発明のプラズマ式Ｘ線発生装置の一
実施例を図面を参照して説明する。図１は、請求項１及
び請求項２に記載の発明のプラズマ式Ｘ線発生装置を示
す部分縦断図で、従来の技術で示した図５に対応する図
である。なお、図５で示したイオン化室２は省略した
が、構成は同一である。

【００３３】図１において、高電圧室４の下端中央部に
は、円柱状の絶縁ブッソング８が気密に貫設され、この
絶縁ブッシング８には、高電圧室４の内部に突き出た部
分の軸心に、外形が略Ｔ字形の陰極６の下端が挿入され
固定されている。

【００３４】陰極６の内部には、略Ｔ字状の空洞６ａが
形成され、この空洞６ａには、純水９が注入されてい
る。陰極６の下端には、高電圧導入端子７の上端があら
かじめろう付され、この高電圧導入端子７の下端は、図
示しない約 150kVの負のバイアス電源に接続されてい
る。

【００３５】このように陰極が構成されたプラズマ式Ｘ
線発生装置においては、図５で示した抽出グリッド３を
経て加速されたイオンの衝突によって発生した陰極前面
の熱は、空洞６ａに注入された純水９によって冷却され
るので、陰極前面の温度上昇を減らすことができ、この
温度上昇に伴う図７（ｂ）で示す溶解部19の形成を防ぐ
ことができる。したがって、図７（ａ）で示すような、
平行な電子ビームを図５で示したイオン化室２の上端に
位置するＸ線発生用ターゲット５に照射することができ
る。

【００３６】なお、上記実施例において、陰極６の加熱
による純水９の膨脹に伴って、陰極６が破損する事態を
防ぐために、陰極６の下部から絶縁ブッシング８を経
て、外部に高温の純水又は蒸気を排出するための連通穴
を形成してもよい。

【００３７】また、純水９が沸騰しないような使用条件
のときには、陰極６の下部と絶縁ブッシング８との境界
面の一部にステンレス製の蛇腹を設け、絶縁ブッシング
８には空洞を形成して、純水の膨脹による体積の増加を
逃がすようにしてもよい。

【００３８】また、上記実施例では、陰極６の空洞６ａ
に注入された冷媒は純水にしたときで説明したが、陰極
６の温度上昇条件によって、例えば、フロリナートや絶
縁油などを注入してもよい。さらに、冷媒は液体だけで
なくてもよく、陰極６の温度上昇によっては、六フッ化
硫黄ガス（ＳＦ₆ガス）を使ってもよい。この場合に
は、体積の膨脹による圧力上昇を防ぐ手段を省いてもよ
い。

【００３９】図２（ａ）は、請求項４に記載の発明のプ
ラズマ式Ｘ線発生装置を示す部分縦断面図で、図１に対
応する図である。図２（ａ）においては、陰極６Ａの頭
部の内部に形成された空洞９Ａの形状は、図１とほぼ同
一形状であるが、頭部の下部の軸部の直径が図１の電極
６と比べて太くなっている。

【００４０】この軸部には、空洞９Ａに貫通する一対の
流路が形成され、陰極６Ａの下端には、各流路に接続管
10が接続されている。陰極６Ａの下端中央には、図１で
示した高電圧導入端子７と比べて僅かに短い高電圧導入
端子７Ａの片側が接続され、この高電圧導入端子７の他
端は、図１と同様に図示し内約150 ｋＶの負のバイアス
電源に接続されている。

【００４１】このように陰極６Ａが構成されたプラズマ
式Ｘ線発生装置においては、矢印Ａで示すように片側の
接続管10を経て陰極６Ａの空洞６ｂの内部に供給された
純水９は、陰極６Ａの頭部に形成された空洞６ｂに注入
され、この空洞６ｂで流速を落して電極６Ａの熱を吸収
した後、Ｕ字形に反転し他側の接続管10から外部の冷却
装置に環流する。

【００４２】この場合には、プラズマ式Ｘ線発生装置の
起動と同時に、接続管10の冷却装置側の図示しない弁を
開くことで、電極６Ａで発生した熱を外部から供給する
冷却純水で冷却することで、陰極６Ａの加熱を防ぐこと
ができ、図７（ａ）で示した平行な電子ビームをＸ線発
生用ターゲットに照射することができる。

【００４３】このように構成された陰極においても、図
１で述べた冷媒と同様に、フロリナートや絶縁油を使っ
てもよく、また、六フッ化硫黄ガスのような気体を使っ
てもよい。また、冷媒は液体を環流させる代りに、圧縮
空気とともに接続管10から陰極６Ａの空洞６ｂの内部に
吹き付けて請求項３に記載の発明としてもよい。

【００４４】図２（ｂ）は、請求項５に記載の発明のプ
ラズマ式Ｘ線発生装置を示す部分縦断面図で、図１及び
図２に対応する図である。図２（ｂ）において図２
（ａ）と異なるところは、陰極６Ｂの頭部の内部に形成
された空洞６ｃの形状は、ほぼ図１及び図２（ａ）で示
した空洞６ａ，６ｂと同一であるが、陰極６Ｂの軸部に
は、軸心に直径が大きい流路11Ａが形成され、この流路
11Ａの両側に流路11Ａの直径よりも細い流路11Ｂが形成
されている。

【００４５】この場合には、冷媒は、矢印Ｃ１で示すよ
うに陰極６Ｂの下端に接続された接続管を介して陰極６
Ｂの軸心の流路に供給された後、頭部の空洞６ｃに供給
されて陰極６Ｂの熱を吸収した後、左右の流路11Ｂを経
て矢印Ｄ１，Ｄ２に示すように図示しない冷却装置に環
流される。

【００４６】また、この場合には、抵抗の低い流路11Ａ
から空洞６ｃに供給された冷媒は、空洞６ｃの前面側の
中央部に当って放射状に広がり、陰極６Ｂの熱によって
加熱された後環流するが、空洞６ｃに流入した冷媒は、
陰極６Ｂのなかで最高温部となる中心部にまず接触する
ので、冷媒効果を上げることができる利点がある。この
場合にも、図２（ａ）と同様に冷媒を圧縮空気とともに
空洞６ｃの内部に吹き付けてもよい。

【００４７】図３（ａ）は、請求項６に記載の発明のプ
ラズマ式Ｘ線発生装置を示す部分縦断面図で、図１，図
２（ａ），図２（ｂ）に対応する図である。図３（ａ）
においては、陰極６Ｃの形状は図１で示した陰極６とほ
ぼ同形であるが、空洞６ｄの上端には図示しない平面図
では環状となる冷媒幾何部６ｄ１が形成されている。

【００４８】この場合には、陰極６Ｃの中央部は内面が
冷媒に接しているので、熱伝達がよく、この熱伝達によ
って加熱され気化した冷媒は冷媒気化部６ｄ１に上昇す
る。したがって、図１で前述した内圧を逃がすための連
通穴や蛇腹を省くことができる利点がある。

【００４９】図３（ｂ）は、請求項６に記載の発明のプ
ラズマ式Ｘ線発生装置の他の実施例を示す図で、図２
（ａ）で示した陰極６Ａの空洞６ｂの前面側に冷媒気化
部６ｄ１を形成したときを示す。

【００５０】この場合には、陰極６Ｄに接続管10を介し
て供給される冷媒の流量の変動で、空洞６ｄ内の冷媒が
急峻に高温となっても、冷媒気化部６ｄ１によって陰極
６Ｄにかかる内圧の上昇を抑えることができ、陰極６Ｄ
の破損を防ぐことができる利点がある。

【００５１】図４は、請求項６に記載の発明のプラズマ
式Ｘ線発生装置の異なる他の実施例を示す部分縦断面図
で、図２（ｂ）で示した陰極６Ｂの空洞６ｃの前面側に
冷媒気化部６ｄ１を形成したときを示す。この冷媒気化
部６ｄ１の作用・効果も、図３（ａ），（ｂ）で述べた
冷媒気化部６ｄ１と同一である。

【００５２】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
気体を電離する陽極が収納され片側にＸ線発生用ターゲ
ットが設けられ他側に抽出グリッドが設けられたイオン
化室と、このイオン化室の他側と連通し二次電子を放出
する陰極が収納された高電圧室を備えたプラズマ式Ｘ線
発生装置において、外部と連通する空洞を陰極に形成す
ることで、イオンの衝突によって加熱された陰極の熱を
空洞の内部の冷媒によって冷却したので、イオン衝突で
の発熱による陰極表面の融解を防ぐことができ、必要か
つ安定した強度の電子ビームおよびＸ線を出力すること
のできるプラズマ式Ｘ線発生装置を提供することができ
る。

【００５３】また、請求項２に記載の発明によれば、請
求項１に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置において、空洞
に冷却流体を貯留することで、イオンの衝突によって加
熱された陰極の熱を空洞の内部に貯留された冷媒によっ
て冷却したので、イオン衝突での発熱による陰極表面の
融解を防ぐことができ、必要かつ安定した強度の電子ビ
ームおよびＸ線を出力することのできるプラズマ式Ｘ線
発生装置を提供することができる。

【００５４】また、請求項３に記載の発明によれば、請
求項１に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置において、空洞
に冷却流体を吹き付けることで、イオンの衝突によって
加熱された陰極の熱を空洞の内部に吹き付けられる冷却
流体によって冷却したので、イオン衝突での発熱による
陰極表面の融解を防ぐことができ、必要かつ安定した強
度の電子ビームおよびＸ線を出力することのできるプラ
ズマ式Ｘ線発生装置を提供することができる。

【００５５】また、請求項４に記載の発明によれば、気
体を電離する陽極が収納され片側にＸ線発生用ターゲッ
トが設けられ他側に抽出グリッドが設けられたイオン化
室と、このイオン化室の他側と連通し二次電子を放出す
る陰極が収納された高電圧室を備えたプラズマ式Ｘ線発
生装置において、外部から供給される冷却流体の流路を
陰極に形成することで、イオンの衝突によって加熱され
た陰極の熱を陰極に形成された冷却流体の流路に供給さ
れる流体によって冷却したので、イオン衝突での発熱に
よる陰極表面の融解を防ぐことができ、必要かつ安定し
た強度の電子ビームおよびＸ線を出力することのできる
プラズマ式Ｘ線発生装置を提供することができる。

【００５６】また、請求項５に記載の発明によれば、請
求項４に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置において、冷却
流体の流路を、陰極の軸心に形成された流入路と、この
流入路と陰極頭部で連通し陰極の外周に形成された流出
路で構成することで、イオンの衝突によって加熱された
陰極の熱を陰極の軸心に形成された流入路から頭部に流
入し電極の外周に形成された流出路から排出される冷却
流体によって冷却したので、イオンの衝突によって加熱
された陰極の熱を陰極に形成された冷却流体の流路に供
給される流体によって冷却したので、イオン衝突での発
熱による陰極表面の融解を防ぐことができ、必要かつ安
定した強度の電子ビームおよびＸ線を出力することので
きるプラズマ式Ｘ線発生装置を提供することができる。

【００５７】さらに、請求項６に記載の発明によれば、
請求項１に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置において、陰
極内部の前面側に、冷却流体が気化する環状の空洞部を
形成することで、イオンの衝突によって加熱された陰極
の熱を空洞の内部の冷却流体に接する陰極の中央部によ
って冷却し、加熱によって膨脹した冷却流体による内圧
上昇は、環状の空洞部に気化する蒸気によって緩和した
ので、イオン衝突での発熱による陰極表面の融解を防ぐ
ことができ、必要かつ安定した強度の電子ビームおよび
Ｘ線を出力することのできるプラズマ式Ｘ線発生装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１及び請求項２に記載の発明のプラズマ
式Ｘ線発生装置の一実施例を示す部分縦断面図。

【図２】（ａ）は、請求項３及び請求項４に記載の発明
のプラズマ式Ｘ線発生装置の一実施例を示す部分縦断面
図。（ｂ）は、請求項５に記載の発明のプラズマ式Ｘ線
発生装置の一実施例を示す部分縦断面図。

【図３】（ａ）は、請求項６に記載の発明のプラズマ式
Ｘ線発生装置の一実施例を示す部分縦断面図。（ｂ）
は、請求項６に記載の発明のプラズマ式Ｘ線発生装置の
他の実施例を示す部分縦断面図。

【図４】請求項６に記載の発明のプラズマ式Ｘ線発生装
置の異なる他の実施例を示す部分縦断面図。

【図５】従来のプラズマ式Ｘ線発生装置の一例を示す縦
断面図。

【図６】従来のプラズマ式Ｘ線発生装置の作用を示す部
分詳細図。

【図７】（ａ）は、従来のプラズマ式Ｘ線発生装置の陰
極正常時の作用を示す部分詳細図。（ｂ）は、従来のプ
ラズマ式Ｘ線発生装置の陰極溶融時の作用を示す部分詳
細図。

【符号の説明】４…高電圧室、５…Ｘ線発生用ターゲット、６，６Ａ，
６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ…陰極、６ａ，６ｂ，６ｃ，６
ｄ，６ｅ…空洞，７，７Ａ…高電圧導入端子、８，８
Ａ，８Ｂ…絶縁ブッシング、９…純水、10…接続管、11
Ａ，11Ｂ…流路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体を電離する陽極が収納され片側にＸ
線発生用ターゲットが設けられ他側に抽出グリッドが設
けられたイオン化室と、このイオン化室の他側と連通し
二次電子を放出する陰極が収納された高電圧室を備えた
プラズマ式Ｘ線発生装置において、外部と連通する空洞
を前記陰極に形成したことを特徴とするプラズマ式Ｘ線
発生装置。
【請求項２】空洞に冷却流体を貯留したことを特徴と
する請求項１に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置。
【請求項３】空洞に冷却流体を吹き付けたことを特徴
とする請求項１に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置。
【請求項４】気体を電離する陽極が収納され片側にＸ
線発生用ターゲットが設けられ他側に抽出グリッドが設
けられたイオン化室と、このイオン化室の他側と連通し
二次電子を放出する陰極が収納された高電圧室を備えた
プラズマ式Ｘ線発生装置において、外部から供給される
冷却流体の流路を前記陰極に形成したことを特徴とする
プラズマ式Ｘ線発生装置。
【請求項５】冷却流体の流路を、陰極の軸心に形成さ
れた流入路と、この流入路と陰極頭部で連通し前記陰極
の外周に形成された流出路で構成したことを特徴とする
請求項４に記載のプラズマ式Ｘ線発生装置。
【請求項６】陰極内部の前面側に、冷却流体が気化す
る環状の空洞部を形成したことを特徴とする請求項１に
記載のプラズマ式Ｘ線発生装置。