JP2009193861A - Ｘ線発生装置、ｘ線発生方法、及びｘ線発生用ターゲット - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度の電子線が照射された場合においても、ターゲット上に形成された電子線照射部の温度上昇を抑制し、熱応力によるターゲットの荒れを抑制するとともに、ターゲットの飛散を抑制して、高輝度のＸ線を安定して発生させる。
【解決手段】所定の電子線を発生させるための電子線源と、前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するターゲットとを具え、前記ターゲットは、前記電子線照射部を中心として一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むようにしてＸ線発生装置を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、長期間安定して高輝度のＸ線を発生することが可能なＸ線発生装置、Ｘ線発生方法、及びＸ線発生用ターゲットに関する。

Ｘ線回折測定等においては、可能なかぎり強い強度のＸ線を試料に照射して測定を行う必要のある場合がある。この様な場合に用いられるＸ線発生装置として従来から回転対陰極Ｘ線発生装置が知られている（特許文献１参照）。

この回転対陰極Ｘ線発生装置は、内部に冷却媒体を流通させた円柱状の対陰極（ターゲット）を高速で回転させながら、その外周表面に電子線を照射してＸ線を発生させるものである。この回転対陰極Ｘ発生装置は、ターゲットを固定した平板式の固定ターゲットのタイプに比較してターゲット上の電子線の照射位置が時々刻々と変化するので冷却効率が極めて高く、したがって、対陰極に大電流の電子線を照射することができ、強力な（高輝度の）Ｘ線を発生させることができる。

一方、平板式の固定ターゲットにおいても、使用するターゲット部材をＷあるいはＭｏなどの高融点金属から構成することによって、上記回転対陰極Ｘ線発生装置と同等の高輝度Ｘ線を発生させることができる。

しかしながら、上述した平板式の固定ターゲット及び回転対陰極Ｘ線発生装置のいずれにおいても、高輝度Ｘ線を発生させるためには、高強度の電子線をターゲットに照射しなければならず、その結果、特に電子線が照射される電子線照射部の温度上昇が顕著になっていた。この結果、特に前記ターゲットの前記電子線照射部において、熱応力に起因した荒れがひどくなって、生成するＸ線の強度が減少してしまうという問題が生じていた。

また、前記電子線照射部の温度が過度に上昇するとかかる部分が溶解してしまい、溶解した金属が飛散して、ターゲットが損傷してしまうという問題も生じる。また、このような溶解した金属が電子線源に付着したりすると、かかる電子線源に損傷を与えてしまうという問題もある。
特開平７−１２２２１１号

本発明は、高輝度の電子線が照射された場合においても、ターゲット上に形成された電子線照射部の温度上昇を抑制し、熱応力によるターゲットの荒れを抑制するとともに、ターゲットの飛散を抑制して、高輝度のＸ線を安定して発生させることを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の電子線を発生させるための電子線源と、
前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するターゲットとを具え、
前記ターゲットは、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の裏面外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むように形成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置に関する。

また、本発明は、
電子線源から電子線を発生させるステップと、
前記電子線をターゲットに照射して電子線照射部を形成するとともに、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するステップとを含み、
前記ターゲットを、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むように形成し、前記電子線照射部において発生した熱を拡散させ、前記電子線照射部の温度上昇を抑制するようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法に関する。

さらに、本発明は、
電子線照射を受けて所定のＸ線を生成するターゲットであって、
前記ターゲットの、電子線照射によって形成された電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むことを特徴とする、Ｘ線発生用ターゲットに関する。

図１は、従来の固定式のＸ線発生用ターゲットの、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図であり、図２は、本発明の固定式のＸ線発生用ターゲット（Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法）の、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図である。なお、これら図面においては、熱伝導の概略を説明すべく、ターゲットの具体的構造については簡略化して記載している。

図１に示すように、従来のターゲット１１は一様な平板状を呈しており、その表面１１Ａに電子線１５を照射するとともに、裏面１１Ｂ側を水冷する。ターゲット１１の表面には、電子線１５の照射によって電子線照射部１２が形成される。電子線照射部１２は電子線照射によって温度が上昇するが、この温度上昇に伴う熱はほぼ球状に伝搬する。しかしながら、図１に示すような平板状のターゲット１１においては、その平板状の形態に起因して、電子線照射部１２直下での熱伝搬距離が短くなるため、この部位の温度が冷却媒体(通常は水)の沸点以上になると沸騰するため、上述した熱伝導をターゲット１１内で十分に行うことができない。

したがって、ターゲット１１の裏面１１Ｂ側を水冷しても、ターゲット１１の特に電子線照射部１２の温度上昇を十分に抑制することができない。この結果、ターゲット１１に対して高強度の電子線１５が照射されると、電子線照射部１２における熱応力が多大となり、ターゲット１１の荒れが生じてＸ線輝度が劣化したり、溶解したターゲット材料が飛散したりして、電子線源が劣化したりしてしまう場合がある。

一方、図２に示す本発明のターゲット２１においては、電子線照射部２２を中心として、その外方に向けて半径ｒの曲率を有する凸部２２１を裏面２１Ｂ側に形成している。したがって、ターゲット２１の表面２１Ａ側から高強度の電子線２５を照射した場合においても、電子線照射部２２の温度上昇に伴う熱伝導を凸部２２１内にほぼ球状に伝搬せしめることができる。この結果、電子線照射部２２の温度上昇を十分に抑制することが可能となり、電子線照射部２２の熱応力に起因したターゲット２１の荒れによるＸ線輝度の低下や、溶解が抑制され、ターゲット材料が飛散することによる電子線源の劣化等を抑制することができる。

すなわち、本発明のＸ線発生用ターゲット（Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法）によれば、ターゲット内に生じた熱をターゲット自身による熱伝搬によって十分に拡散し、電子線照射部における温度上昇を抑制することができる。したがって、ターゲットの裏面の水冷の効果と併せて、前記電子線照射部の温度上昇をより効果的に抑制することができ、上記のような温度上昇に伴う不利益を回避することができる。

なお、ターゲット２１の大きさ（厚さ等）に対して電子線２５の幅が無視できないような場合、図３に示すように、電子線照射部２２の端部２２Ａを基準として曲率半径ｒの２つの半球を描き、これら２つの半球を結合するとともに、外周面を連続させて得た半球を凸部２２１として定義する。

なお、本発明の一例において、前記凸部は、前記ターゲットよりも熱伝導率の大きな材料を含むことができる。この場合、前記ターゲットの、特に電子線照射部における温度上昇をより効果的に抑制することができ、かかる温度上昇に起因した上記ターゲットの表面荒れなどによるＸ線輝度の低下などの不利益を回避することができる。

例えば、前記ターゲットが、銅、クローム及びコバルトの少なくとも一つを含む場合、前記凸部は、銅、銀、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも一つを含むようにする。この場合、前記ターゲット及び前記凸部が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、前記凸部を構成する銅の熱伝導率が前記ターゲットを構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。

また、本発明の一態様において、前記ターゲットは回転対陰極を構成することができる。この場合、上述したように、ターゲット上の電子線の照射位置が時々刻々と変化するので冷却効率が極めて高く、したがって、対陰極に大電流の電子線を照射することができ、強力な（高輝度の）Ｘ線を発生させることができる。

回転対陰極の場合は、電子線照射部の位置が前記回転対陰極の回転に伴って変化することになる。この場合は、回転に伴う各瞬間における電子線照射部に対して凸部が半球状となることが要求されるので、上記回転対陰極の回転に伴う前記電子線の前記回転対陰極のトレースに従って、前記凸部は半球状の凸部が結合したような形態、すなわち半円柱状となる。

この場合においても、上記回転対陰極の回転に伴う各瞬間における電子線照射部においては、半円球状の凸部の熱伝搬の効果によって、その温度上昇を効果的に抑制することができる。結果として、回転対陰極を用いた場合においても、電子線照射部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、高輝度の電子線が照射された場合においても、ターゲット上に形成された電子線照射部の温度上昇を抑制し、熱応力によるターゲットの荒れを抑制するとともに、ターゲットの飛散を抑制して、高輝度のＸ線を安定して発生させることができる。

以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。

図４は、本発明のＸ線発生装置の一例を示す構成図である。図４から明らかなように、本実施形態においては、平板状の固定式ターゲットを用いた場合のＸ線発生装置を示している。

図４に示すＸ線発生装置３０においては、真空容器３１内に、対陰極（ターゲット）３２が配置されているとともに、これと対向するようにして陰極３３が設けられている。陰極３３は電子線源として機能し、ウエーネルト３４の内側にセラミックなどの絶縁体で固定され、ウエーネルト３４が電子線用のレンズとして機能している。

対陰極３２と陰極３３との間にはアパチャーグリッド３５及び陽極３６が設けられている。アパチャーグリッド３５は陰極に対し条件により異なるが概ね±7kVの範囲で変化でき、負電位の時は電子を遮断し、正電位の時は陰極の空間電荷を中和し、多量の電子を効果的に引き出すのに用いられる。陽極３６は対陰極（ターゲット）３２と同電位に保たれ両者は通常アースされている。陽極３６には電子線を通過させるための穴が形成されており、陰極３３から発せられた電子線３８を、アパチューグリッド３５、陽極３６間の電場勾配に従って加速し、さらにはその後の電位差をなくし高温になった対陰極３２から出る分子やイオンの影響を減らすために設けられているものであって、本例においては必要に応じて省略することができる。また、真空容器３１にはＸ線取り出し窓３７が設けられており、対陰極３２から発生したＸ線３９を外部に取り出させるように構成されている。

なお、通常グリッドは効率を良くするため網目状のものが多いが、それでは電子線束に編み目状の濃淡が出来、更にグリッドに過剰な電流が流れるため、敢えて円筒形のグリッドを用いる、即ち電子線３８は円筒の中を通るため陰が出来ない。このようなグリッドをアパチュアーグリッドという。

また、対陰極３２の裏面側には水冷室４２が設けられ、対陰極３２を裏面側から水冷されるように構成されている。なお、冷媒である水は、入口４２Ａから水冷室４２内に供給し、出口４２Ｂから排出させて、水冷室４２内を循環するように構成されている。

本実施形態において、対陰極３２は、上記図２に示したように、電子線照射部３２Ａを中心として曲率半径ｒの半球状の凸部３２１を有するようにして構成する。これによって、電子線照射部３２Ａの温度上昇に伴う熱伝導を凸部３２１内にほぼ球状に伝搬せしめることができる。この結果、電子線照射部３２Ａの温度上昇を十分に抑制することが可能となり、電子線照射部３２Ａの熱応力に起因した対陰極３２の荒れによるＸ線３９の輝度の低下や、溶解が抑制されてターゲット材料の蒸散が抑制され、対陰極材料の付着等による陰極３３の劣化等を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、対陰極３２の大きさに比較して電子線３８の幅が無視できないような場合、凸部３２１は、上記図３で説明したように、電子線照射部３２Ａの端部を基準として２つの半球を描き、これら２つの半球を結合し、外周面を連続させて得た半球を凸部３２１として定義する。

対陰極３２は、例えば銅、クローム、コバルトなどから構成することができる。さらには、高融点金属であるタングステンやモリブデン等から構成することもできる。後者の場合、より高強度の電子線３８を照射することができるので、より高輝度のＸ線を生成することができるようになる。

なお、凸部３２１は、上述したような対陰極３２と一体として同じ材料から構成することもできるが、より高い熱伝導率を有する材料から構成することができる。このような材料としては、銀、銅、ダイヤモンドライクカーボンやダイヤモンドを挙げることができる。なお、上述したように、対陰極３２及び凸部３２１が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、凸部３２１を構成する銅の熱伝導率が対陰極３２を構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。

図５は、本発明のＸ線発生装置の他の例を示す構成図である。図５から明らかなように、本実施形態においては、回転対陰極を用いた場合のＸ線発生装置を示している。

図５に示すＸ線発生装置５０においては、真空容器５１内に、回転対陰極５２が配置されているとともに、これと対向するようにして電子線源としての電子銃５３が設けられている。回転対陰極５２の下面には回転シャフト５５が接続されており、図中矢印で示す方向に回転できるように構成されている。なお、回転対陰極５２の、電子銃５３と相対向する側には、回転対陰極５２と接触するようにして水冷室５４が設けられており、この水冷室５４内には回転シャフト５５を通じて外部から冷媒（冷却水）が循環されるようになっている。

図５に示すＸ線発生装置５０においては、電子銃５３から電子線５８が回転対陰極５２の表面に照射され、得られた電子線照射部５２Ａから所定のＸ線５９が生成され、Ｘ線取り出し窓５７から外部に取り出される。

本実施形態においても、回転対陰極５２は、上記図２に示したように、回転に伴う各瞬間における電子線照射部５２Ａに対して凸部が半球状となり、上記回転対陰極５２の回転に伴う電子線５８の、回転対陰極５２に対するトレースに従って、前記半球状の凸部が結合したような形態、すなわち半円柱状の凸部５２１を有している。この場合、回転対陰極５２の回転に伴う各瞬間における電子線照射部５２Ａにおいては、半円球状の凸部の熱伝搬の効果によって、その温度上昇を効果的に抑制することができる。

結果として、回転対陰極５２を用いた場合においても、電子線照射部５２Ａの温度上昇を効果的に抑制することができる。このため、電子線照射部５２Ａの熱応力に起因した回転対陰極５２Ａの荒れによるＸ線５９の輝度の低下や、ターゲット材料の蒸散による飛散を抑制することができる。

なお、本実施形態においても、回転対陰極５２の大きさに比較して電子線５８の幅が無視できないような場合、凸部５２１は、上記図３で説明したように、電子線照射部５２Ａ端部を基準として２つの半球を描き、これら２つの半球を結合し、外周面を連続させて得た半球の連続体として上記半円柱形状が定義される。

回転対陰極５２は、例えば銅、クローム、コバルトなどから構成することができる。さらには、高融点金属であるタングステンやモリブデン等から構成することもできる。後者の場合、より高強度の電子線５８を照射することができるので、より高輝度のＸ線を生成することができるようになる。

なお、凸部５２１は、上述したような回転対陰極５２と一体として同じ材料から構成することもできるが、より高い熱伝導率を有する材料から構成することができる。このような材料としては、銀、銅、ダイヤモンドライクカーボンやダイヤモンドを挙げることができる。上述したように、回転対陰極５２及び凸部５２１が同じ銅から構成される場合は、銅の純度等を考慮し、凸部５２１を構成する銅の熱伝導率が回転対陰極５２を構成する銅の熱伝導率よりも大きくなるようにする。

以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

従来の固定式のＸ線発生用ターゲットの、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図である。 本発明の固定式のＸ線発生用ターゲットの、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図である。 同じく、本発明の固定式のＸ線発生用ターゲットの、電子線照射部近傍の熱伝導の状態を示す概略図である。 本発明のＸ線発生装置の一例を示す構成図である。 本発明のＸ線発生装置の他の例を示す構成図である。

符号の説明

１１ ターゲット
１２ 電子線照射部
１５ 電子線
２１ ターゲット
２２ 電子線照射部
２５ 電子線
３１ 真空容器
３２ 対陰極
３３ 陰極
３４ ウエーネルト
３５ グリッド
３６ 陽極
３７ Ｘ線取り出し窓
３８ 電子線粗れ
３９ Ｘ線
４２ 水冷室
５１ 真空容器
５２ 回転対陰極
５３ 電子銃
５４ 水冷室
５５ 回転シャフト
５７ Ｘ線取り出し窓
５８ 電子線
５９ Ｘ線

Claims (12)

1. 所定の電子線を発生させるための電子線源と、
   前記電子線の照射を受けて電子線照射部を形成し、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するターゲットとを具え、
   前記ターゲットは、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むように形成したことを特徴とする、Ｘ線発生装置。
2. 前記凸部は、前記ターゲットよりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 前記ターゲットは、銅、クローム及びコバルトの少なくとも一つを含み、前記凸部は、銀、銅、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線発生装置。
4. 前記ターゲットは回転対陰極を構成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のＸ線発生装置。
5. 電子線源から電子線を発生させるステップと、
   前記電子線をターゲットに照射して電子線照射部を形成するとともに、この電子線照射部から所定のＸ線を生成するステップとを含み、
   前記ターゲットを、前記電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むように形成し、前記電子線照射部において発生した熱を拡散させ、前記電子線照射部の温度上昇を抑制するようにしたことを特徴とする、Ｘ線発生方法。
6. 前記凸部は、前記ターゲットよりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項５に記載のＸ線発生方法。
7. 前記ターゲットは、銅、クローム及びコバルトの少なくとも一方を含み、前記凸部は、銀、銅、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載のＸ線発生方法。
8. 前記ターゲットは回転対陰極を構成することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載のＸ線発生方法。
9. 電子線照射を受けて所定のＸ線を生成するターゲットであって、
   前記ターゲットの、電子線照射によって形成された電子線照射部を中心として、前記電子線照射部の外方に向けて一定の半径ｒの曲率を有する半球状又は半円柱状の凸部を含むことを特徴とする、Ｘ線発生用ターゲット。
10. 前記凸部は、前記ターゲットよりも熱伝導率の大きな材料を含むことを特徴とする、請求項９に記載のＸ線発生用ターゲット。
11. 前記ターゲットは、銅、クローム及びコバルトの少なくとも一方を含み、前記凸部は、銀、銅、ダイヤモンドライクカーボン及びダイヤモンドの少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項９又は１０に記載のＸ線発生装置。
12. 前記ターゲットは回転対陰極を構成することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載のＸ線発生用ターゲット。

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