WO2007083662A1

WO2007083662A1 - 異極像結晶を用いたｘ線発生装置

Info

Publication number: WO2007083662A1
Application number: PCT/JP2007/050598
Authority: WO
Inventors: Yoshikazu Nakanishi; Shinzo Yoshikado; Yoshiaki Ito
Original assignee: Kyoto University; The Doshisha
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-07-26
Also published as: JPWO2007083662A1; JP4905721B2

Abstract

　真空排気装置を備えることなく、しかもパッケージの気密構造を従来と同程度として、長時間にわたって安定してＸ線を発生させることができる、異極像結晶を用いたＸ線発生装置を提供する。　内部に低圧ガス雰囲気を維持する内側密封容器１と、内側密封容器の内部に設けられた異極像結晶支持手段２と、内側密封容器の内部において異極像結晶支持手段に支持された異極像結晶３と、異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段２、９、１０、１２と、内部に大気圧に略等しい圧力のガス雰囲気を維持し、かつ内側密封容器を収容する外側密封容器６を備える。内側密封容器内には、外側密封容器内に封入されるガスよりも第１イオン化エネルギーの高いガスが封入される。異極像結晶の温度の昇降に伴って外側密封容器から外部にＸ線を放射する。

Description

明細書

異極像結晶を用いた X線発生装置

技術分野

[0001] 本発明は、熱的に励起された異極像結晶から発生される X線を利用した X線発生装置に関するものである。背景技術

[0002] 最近、 X線発生源として、異極像結晶を用いた X線発生装置が注目されつつある。

図 6には、異極像結晶を用いた従来の X線発生装置の構成が示されている。図 6を参照して、低圧ガス雰囲気が維持されたパッケージ 51内の底面に、ヒーター Zクーラ一板 52が配置され、その上面には、異極像結晶 53が置かれている。異極像結晶 53 は、その正の電気面がヒーター Zクーラー板 52の上面によって支持され、上向きに露出した負の電気面が、パッケージ 51上面に備えられた銅製ターゲット 54に対向している。ターゲット 54の上面には、 X線を透過し、気密保持が可能なベリリウム窓 55 が備えられている。

ノッケージ 51にはグラウンド線 56が接続されて接地電位に維持され、さらに、ヒータ一 Zクーラー板 52への直流電圧印加線 57および温度制御信号線 58が接続されて、温度昇降を行う加熱サイクルを生ずるようになって！/、る。

[0003] 異極像結晶は、焦電結晶とも呼ばれ、加熱および冷却を繰り返してその温度を昇降させると、結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追随できなくなって、電気的な中和が破られるという特性を有している。代表的な異極像結晶としては、 LiNbO単結晶があり、この結晶体内では正電荷 (Li+、 Nb⁵⁺)の重心と負電

3

荷 (o^2_)の重心とがー致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着して、るために、常時は電気的に中和されて、る。

[0004] そして、異極像結晶 53が一定の加熱サイクルで温度昇降され、主として、温度昇降時の負の電気面および正の電気面の電荷の増減による電界の変化により、負の電気面から解放される荷電粒子や、電子力パッケージ内のガスを遊離および励起し、それによつて電離した電子をターゲットに衝突させて X線が励起され、外部に放射されるようになっている（例えば、非特許文献 1参照)。

[0005] この従来の X線発生装置は、高圧電源や真空排気装置等を必要としないため、小型軽量で可搬である。しかしその一方で、真空排気装置が備えられていないことから、パッケージ内を一定の低圧ガス雰囲気に維持することが非常に難しぐ外部からパッケージ内への大気のリークによって、短時間のうちにパッケージ内のガス圧が上昇してしまう。

そして、ノッケージ内のガス圧が上昇すると、 X線の発生効率が著しく低下し、安定した X線の発生が困難となるばかりか、 X線の発生自体が停止してしまい、よって、 X線発生装置の寿命が非常に短くなつてしまう。

この問題を解決すべく、パッケージをより気密性の高い構造にすることが考えられる力それには多大のコストがかかり、非現実的である。

非特許文献 1 :AMPTEK社の製品カタログ、「AMPTEK X-RAY GENERAT OR WITH PYROELECTRIC CRYSTAL COOL— X」、インターネットく U RL： http://www.amptek.com/ coolx.html >

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 本発明の課題は、真空排気装置を備えることなぐし力もノッケージの気密構造を従来と同程度として、長時間にわたって安定して X線を発生させることができる、異極像結晶を用いた X線発生装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 上記課題を解決するため、本発明は、内部に低圧ガス雰囲気を維持する内側密封容器と、前記内側密封容器の内部に設けられた異極像結晶支持手段と、前記内側密封容器の内部において前記異極像結晶支持手段に支持された異極像結晶と、前記異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段と、内部に大気圧に略等しい圧力のガス雰囲気を維持し、かつ前記内側密封容器を収容する外側密封容器を備え、前記内側密封容器内には、前記外側密封容器内に封入されるガスよりも第 1イオン化工ネルギ一の小さ、ガスが封入されて、て、前記異極像結晶の温度の昇降に伴つて前記外側密封容器から外部に X線を放射するものであることを特徴とする X線発生装置を構成したものである。

[0008] 力かる構成において、外側密封容器内の圧力は略大気圧に等しいので、外部から外側密封容器内への大気のリークはほとんど生じない。一方、内側密封容器内の圧力は、外側密封容器内の圧力より低いので、外側密封容器内から内側密封容器内へのガスのリークが生じる。

一方、異極像結晶は、第 1イオンィ匕エネルギーのより大きいガス雰囲気中に置かれた場合の方力第 1イオンィ匕エネルギーのより小さいガス雰囲気中に置かれる場合よりも、より高い圧力下において、最大 X線強度を生じさせるという物性を有している。こうして、異極像結晶が収容された内側密封容器内は、当初、第 1イオンィ匕エネルギ一のより小さいガスの低圧雰囲気に維持され、それによつて、異極像結晶は熱的に励起されることによって、 X線を安定して効率よく発生させる。その後、内側密封容器内にガスのリークが生じ始めると、外側密封容器力も第 1イオンィ匕エネルギーのより大きいガスが入り込むとともに、内側密封容器内のガス圧は次第に上昇するが、このとき、内側密封容器内の第 1イオンィ匕エネルギーのより大きいガスの濃度が上昇していくので、異極像結晶は、依然として、熱的に励起されることにより、 X線を安定して効率よく発生させる。

[0009] 上記構成において、好ましくは、前記内側密封容器に封入されるガスは、 Nおよび

2

Arおよび Krおよび Oのうちのいずれか 1つ、またはそれらの 2つ以上の組み合わせ

2

からなり、前記外側密封容器に封入されるガスは、 Heおよび Neのうちのいずれか 1 つ、またはそれらの組み合わせ力もなつている。

[0010] また好ましくは、前記外側密封容器の壁は X線を透過させない材料から形成され、前記外側密封容器の壁には少なくとも 1つの X線透過窓が気密シールされた状態で設けられており、さら〖こ好ましくは、前記内側密封容器の壁は X線を透過させない材料から形成され、前記内側密封容器の壁には、前記外側密封容器の X線透過窓に整合する位置に開口が設けられ、前記開口には金属ターゲットが気密シールされた状態で取り付けられている。

[0011] 上記構成において、また好ましくは、前記温度昇降手段は、前記異極像結晶の加熱および冷却を繰り返し行うことができる加熱 ·冷却手段と、前記異極像結晶の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーからの温度検出信号に基づき、前記加熱 ·冷却手段の動作を制御する制御手段とを有して、る。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、異極像結晶が収容された密封容器を別の密封容器内に収容して二重構造とし、内側密封容器内には、外側密封容器内に封入されるガスよりも第 1 イオン化エネルギーが小さいガスを封入するとともに、外側密封容器内の圧力を略大気圧に等しくし、内側密封容器内の圧力を外側密封容器内の圧力より低くしたことにより、内側密封容器内にガスのリークが生じた場合にも、長時間にわたって、 X線を安定して効率的〖こ発生させることができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]本発明の 1実施例による異極像結晶を用いた X線発生装置の概略構成を示した透視図である。

[図 2]図 1に示された X線発生装置の縦断面図である。

[図 3]ガスの第 1イオン化エネルギーと、そのガス雰囲気中における最大 X線強度が生じるガス圧との関係を示すグラフである。

[図 4]種々のガス雰囲気中における X線強度とガス圧との関係を示すグラフである。

[図 5]Nガスを封入した密封容器内に Neガス、 Heガスを導入した時の X線強度とガ

2

ス圧の関係を示すグラフである。

[図 6]異極像結晶を用いた X線発生装置の従来例の縦断面図である。

符号の説明

[0014] 1 内側密封容器

2 ペルチェ素子

3 異極像結晶

4 銅板

5 金属ターゲット

6 外側密封容器

7 スぺーサ 8 X線透過窓

9 温度センサー

10 制御部

11 直流電圧印加線

12 制御部

13 信号伝送線

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図 1は、本発明の 1実施例による異極像結晶を用いた X線発生装置の概略構成を示した透視図であり、図 2は、図 1に示された X線発生装置の縦断面図である。

図 1および図 2を参照して、本発明の X線発生装置は、内部に低圧ガス雰囲気（3〜 6Pa)を維持する内側密封容器 1を備えている。この実施例では、内側密封容器 1は、 X線を透過させない材料 (例えば金属)から形成された、両端開口が閉じられた円筒形状を有している。

[0016] 内側密封容器 1内には、後述する外側密封容器内に封入されるガスよりも第 1ィォン化エネルギーが小さいガス、例えば、 Nおよび Arおよび Krおよび Oのうちのいず

2 2

れカ 1つ、またはそれらの 2つ以上の組み合わせが封入されている。

[0017] 内側密封容器 1の内側底壁には、ペルチェ素子 2が接合されている。ペルチェ素子 2は、この実施例では、異極像結晶の加熱および冷却を繰り返し行う加熱'冷却手段として機能するだけでなぐ異極像結晶支持手段としても機能する。そして、ペルチェ素子 2の基板上に、銅板 4を介して、異極像結晶 3が接合、支持されている。銅板 4は、ペルチェ素子 2が発熱または吸熱作用を生じさせる際に、ペルチェ素子 2と異極像結晶 3との間において均一かつ効率的な熱伝導が行われるようにする。

[0018] この実施例では、異極像結晶 3は、その正の電気面が銅板 4上に支持され、負の電気面が上向きとなるように配置される。異極像結晶としては、例えば、 LiNbO

3や LiT aO等の公知の異極像結晶がすべて使用可能である。この実施例では、異極像結

3

晶 3は円柱形状を有し、銅板 4は円形を有し、ペルチェ素子 2もまた対応する円柱形状を有しており、また、異極像結晶 3は、直径が約 10mm、厚さが約 1〜： LOmmの寸法を有している。

この実施例では、異極像結晶 3は、負の電気面が上向きとなるように銅板 4上に置かれるが、本発明の構成はこれに限定されるものではなぐ異極像結晶 3を、正の電気面が上向きとなるように配置することもできる。

[0019] 内側密封容器 1の上壁における、異極像結晶 3の負の電気面に対向する位置には、円形の開口が設けられ、この開口には板状の金属ターゲット 5が気密シールされた状態で取り付けられている。金属ターゲット 5は、例えば、銅、チタン、亜鉛、クロム、アルミニウム、鉄、錫、モリブデン、タングステン、タンタル等力もなつている。

[0020] 内側密封容器 1は、大気圧とほぼ等しい圧力のガス雰囲気を内部に維持する外側密封容器 6内に収容されている。さらに、内側密封容器 1の外側底壁面および外側密封容器 6の内側底壁面の間には、金属製またはガラス製のスぺーサ 7が接合され、このスぺーサ 7によって、内側密封容器 1は、外側密封容器 6内に支持、固定される

[0021] 外側密封容器 6内には、内側密封容器 1内に封入されるガスよりも第 1イオン化エネルギ一の大きいガス、例えば、 Heおよび Neのうちのいずれ力 1つ、またはそれらの組合わせが封入される。

外側密封容器 6の上壁における、内側密封容器 1の金属ターゲット 5に対向する位置には、例えば Beまたは X線透過性プラスチックカゝら形成された X線透過窓 8が備えられて、る。 X線透過窓 8にも気密シールがなされて!/、る。

[0022] 異極像結晶 3には、温度センサー 9が取付けられている。また、外側密封容器 6の外部には、ペルチェ素子 2に電力を供給する、例えば電池力もなる電源部 10が配置される。電源部 10とペルチェ素子 2とは、内側密封容器 1および外側密封容器 6の各底壁を貫通してのびる直流電圧印加線 11によって互いに接続されて、る。外側密封容器 6の外部には、温度センサー 9からの温度検出信号に基づき、電源部 10による電力供給を制御することによって、ペルチェ素子 2の動作を制御する制御部 12が配置されている。温度センサー 9と制御部 12とは、内側密封容器 1および外側密封容器 6の各底壁を貫通してのびる信号伝送線 13によって互、に接続されて!、る。直流電圧印加線 11および信号伝送線 13は、内側密封容器 1および外側密封容器 6の各底壁とハーメチックシールにより接合されて、る。

[0023] そして、これらペルチェ素子 2、温度センサー 9、電源部 10および制御部 12から、異極像結晶 3の温度を昇降させる温度昇降手段が構成される。温度昇降手段 2、 9、 10、 12は、異極像結晶 3の温度を、種々の温度勾配で、種々の周期であるいは非周期的に昇降させることができるようになつている。この場合、各温度昇降過程毎に、温度の上昇時間と下降時間は同じであることが好ましぐまた、室温と、異極像結晶のキユーリー点以下の適当な高温度との間で温度の昇降が繰り返されることが好ましい。

[0024] この実施例では、異極像結晶の加熱'冷却手段としてペルチェ素子が使用されているが、本発明の構成はこれに限定されるものではなぐ発熱および吸熱作用を繰り返し生じ得る適当な公知の手段を、異極像結晶の加熱'冷却手段として使用することができる。この場合、必要に応じて、別途、異極像結晶を支持するための異極像結晶支持手段を密封容器内に設ける必要がある。

[0025] そして、異極像結晶 3の温度が上昇せしめられると、異極像結晶 3の金属ターゲット 5に対向する面 (負の電気面）に発生する負の電荷の表面電荷密度が減少し、結晶 3の表面に吸着していた正の電荷量よりも減少し、表面は実質的に正に帯電する。その結果、異極像結晶 3の上方空間には、結晶 3から上向きに高電界が発生する。このとき、異極像結晶 3の上方空間には低気体圧力のガスが存在するが、この高電界により、一部のガスが電離され、正電荷を有するイオンと電子が発生してプラズマが形成される。また、異極像結晶 3の上方空間に、高電界によって放電が発生することもあり、これがさらなるガスの電離を促進する。

[0026] こうして発生した電子およびイオン力高電界により、それぞれ電界に対して逆の向きおよび同じ向きに加速される。その結果、 X線の発生に大きな寄与をすると考えられる電子については、異極像結晶 3および金属ターゲット 5間に存在する電子は異極像結晶 3の表面に衝突し、制動輻射機構により、異極像結晶 3から、当該結晶 3を構成する全元素固有の特性 X線および連続スペクトルを構成する白色 X線が発生する。発生した種々の X線は、さら〖こ、外側密封容器 6の X線透過窓 8を通って外部に放射される。

[0027] 異極像結晶 3の温度が下降せしめられると、異極像結晶 3の金属ターゲット 5に対向する面 (負の電気面）に発生する負の電荷の表面電荷密度が増加し、結晶 3の表面に吸着していた正の電荷量よりも増加し、表面は実質的に負に帯電する。

その結果、異極像結晶 3の上方空間には、結晶 3に向力つて高電界が発生する。そして、異極像結晶 3および金属ターゲット 5間に存在する電子は、金属ターゲット 5に衝突し、制動輻射機構により、金属ターゲット 5に固有の特性 X線および連続スぺタトルを構成する白色 X線が発生する。発生した種々の X線は、さらに、外側密封容器 6 の X線透過窓 8を通って外部に放射される。

[0028] この場合、外側密封容器 6内の圧力は略大気圧に等しいので、外部から外側密封容器 6内への大気のリークはほとんど生じない。一方、内側密封容器 1内の圧力は、外側密封容器 6内の圧力より低いので、外側密封容器 6内から内側密封容器 1内へのガスのリークが生じる。

[0029] 一方、異極像結晶 3は、第 1イオンィ匕エネルギーのより高いガス雰囲気中に置かれた場合の方が、第 1イオンィ匕エネルギーのより低いガス雰囲気中に置かれる場合よりも、より高い圧力下において、最大 X線強度を生じさせるという物性を有している。

これを確認するため、本発明による X線発生装置における内側密封容器の部分のみを使用し、内側密封容器内に第 1イオンィ匕エネルギーの異なる種々のガス (He、 Ne 、 N、 Ar、 Kr、 O )を封入し、封入ガスのそれぞれについて、 X線強度が最大値とな

2 2

る時の内側密封容器内圧力を測定した。測定結果を図 3のグラフに示す。図 3のダラフから、第 1イオン化エネルギーのより高いガス (He、 Ne等）の方力第 1イオン化工ネルギ一のより低いガス (N、 Ar、 Kr、 O等)よりも、より高い圧力下において、最大

2 2

X線強度を生じさせることがわかる。

また、上記と同様に、本発明による X線発生装置の内側密封容器の部分のみを使用し、内側密封容器内に第 1イオンィ匕エネルギーの異なる種々のガス (He、 Ne、 N、 A

2 r、 Kr、 O )を封入し、それぞれのガス雰囲気中における、銅の特性 X線（8. 09eV)

2

の発生強度のガス圧力依存性を調べた。結果を図 4のグラフに示す。図 4のグラフから、ガスの第 1イオンィ匕エネルギーが高くなると、発生 X線強度が最大値となるポイントは、次第に高圧側にシフトすることがわかる。

[0030] こうして、異極像結晶 3が収容された内側密封容器 1内は、当初、第 1イオンィ匕ェネルギ一のより低いガスの低圧雰囲気に維持され、それによつて、異極像結晶 3は熱的に励起されることによって、 X線を安定して効率よく発生させる。その後、内側密封容器 1内にガスのリークが生じ始めると、外側密封容器 6から第 1イオンィ匕エネルギーのより高いガスが入り込むとともに、内側密封容器 1内のガス圧は次第に上昇するが、このとき、内側密封容器 1内の第 1イオン化エネルギーのより高いガスの濃度が上昇していくので、異極像結晶 3は、依然として、熱的に励起されることにより、 X線を安定して効率よく発生させる。

上記の作用効果を調べるため、本発明による X線発生装置の内側密封容器の部分のみを使用し、予め Nガスを封入した内側密封容器内に Neガスまたは Heガスを導

2

入した時の X線強度とガス圧の関係を測定した。測定結果を図 5に示す。

この実験では、最初、内側密封容器内に Nを発生 X線強度が最大となる圧力で封入

2

しておき、その後、 Neを徐々に導入したときの発生 X線強度と、その時の容器内の圧力を測定した（図 5においては、 1. Ne-addedと表記)。同様に、内側密封容器内に N を発生 X線強度が最大となる圧力で封入しておき、その後、 Heを徐々に導入したと

2

きの発生 X線強度と、その時の容器内の圧力を測定した（図 5においては、 2. He-ad dedと表記）。

また、内側密封容器内に Nを徐々に導入していき、内部圧力が 3Paになった時点で

2

N力 Heに切り替えて導入したときの発生 X線強度と、その時の容器内の圧力を測

2

定した（図 5においては、 3. He-addedと表記）。

図 5のグラフから分るように、容器内に Neまたは Heが導入されても、発生 X線強度は急激には変化しない。また、第 1イオンィ匕エネルギーのより大きい Heを用いると発生 X線強度をより維持できることが分る。

Claims

請求の範囲

[1] 内部に低圧ガス雰囲気を維持する内側密封容器と、

前記内側密封容器の内部に設けられた異極像結晶支持手段と、

前記内側密封容器の内部において前記異極像結晶支持手段に支持された異極像結晶と、

前記異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段と、

内部に大気圧に略等しい圧力のガス雰囲気を維持し、かつ前記内側密封容器を収容する外側密封容器を備え、

前記内側密封容器内には、前記外側密封容器内に封入されるガスよりも第 1イオン化エネルギーの小さ、ガスが封入されてヽて、

前記異極像結晶の温度の昇降に伴って前記外側密封容器カゝら外部に X線を放射するものであることを特徴とする X線発生装置。

[2] 前記内側密封容器に封入されるガスは、 Nおよび Arおよび Krおよび Oのうちの

2 2 いずれか 1つ、またはそれらの 2つ以上の組み合わせ力なり、前記外側密封容器に封入されるガスは、 Heおよび Neのうちのいずれ力 1つ、またはそれらの糸且み合わせ力らなって!/、ることを特徴とする請求項 1に記載の X線発生装置。

[3] 前記外側密封容器の壁は X線を透過させな!/ヽ材料から形成され、前記外側密封容器の壁には少なくとも 1つの X線透過窓が気密シールされた状態で設けられていることを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の X線発生装置。

[4] 前記内側密封容器の壁は X線を透過させない材料から形成され、前記内側密封容器の壁には、前記外側密封容器の X線透過窓に整合する位置に開口が設けられ、前記開口には金属ターゲットが気密シールされた状態で取り付けられていることを特徴とする請求項 3に記載の X線発生装置。

[5] 前記温度昇降手段は、

前記異極像結晶の加熱および冷却を繰り返し行うことができる加熱 ·冷却手段と、前記異極像結晶の温度を測定する温度センサーと、

前記温度センサーからの温度検出信号に基づき、前記加熱'冷却手段の動作を制御する制御手段と、を有していることを特徴とする請求項 1〜請求項 4のいずれかに記載の X線発生装置。