JP4261691B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線を発生させるＸ線管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線管においては、高真空の管内でカソードを加熱して電子を放出させる電子銃を用い、電子銃から出射された電子を、高電圧を印加した陽極ターゲットのＸ線発生面に入射することによってＸ線を発生させる。
【０００３】
このようなＸ線管としては、例えば特開平７−２９６７５１号公報に示されたものがある。このＸ線管では、電子銃及び電子銃が収納されている第１の筒状部材の中心軸と、ターゲット及びターゲットが収納されている第２の筒状部材の中心軸とが略直交するように各部が構成されている。これによって、電子銃からターゲットへの電子入射軸とターゲットから外部へのＸ線出射軸とが略直交し、また、ターゲット及びターゲットの先端部分に電子の加速・軌道制御のために取り付けられるフード電極の中心軸がＸ線出射軸と略平行とされたＸ線管が構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｘ線は、多くの物質・物体に対して透過性の良い電磁波であり、例えば半導体電子部品の検査など、物体の内部構造の非破壊・非接触検査等に多く用いられる。このような用途においてＸ線透視画像を鮮明にするには、（１）高拡大、（２）小焦点、及び（３）高コントラストの３つの条件を満たす必要がある。すなわち、（１）高拡大によってより細かい構造を観測することができ、（２）小焦点によって輪郭が明確な画像を得ることができ、また、（３）高コントラストによって明暗がはっきりした画像を得ることができる。
【０００５】
上記したようなＸ線管においては、発生・出射されるＸ線のＳ／Ｎ比の低下によって上記した条件のうち（３）の高コントラストが充分に得られないという問題があった。すなわち、Ｘ線透視画像において、Ｘ線のシグナル（Ｓ）成分による画像（シグナル画像）では、観測しようとする物体の内部構造等によって明るい部分と暗い部分とのパターンを生じる。一方、Ｘ線のノイズ（Ｎ）成分による画像（ノイズ画像）では、物体の内部構造と対応していないＸ線像となるため、例えば全体が明るい画像などが得られる。
【０００６】
観測によって得られるＸ線透視画像は上記したシグナル画像及びノイズ画像を足し合わせたものとなるため、使用するＸ線管からのＸ線のＳ／Ｎ比が充分に高くない場合、シグナル画像がノイズ画像によって全体的に明るくされるなど画像のコントラストが低下し、内部構造を示す明暗を区別しにくくなってしまうという問題を生じる。
【０００７】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、発生・出射されるＸ線のＳ／Ｎ比が向上されたＸ線管を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明によるＸ線管は、カソードから電子入射軸の方向に電子を放出する電子銃と、電子をＸ線発生面に入射させることによってＸ線を発生させてＸ線出射軸の方向に出射するターゲットと、を有し、ターゲットの中心軸がＸ線出射軸に対して略平行となるように構成されたＸ線管において、ターゲットを内部に収容するとともに、その所定の位置に形成された開口部分にＸ線出射窓が設けられた容器と、Ｘ線出射軸と略平行な筒状に形成され、ターゲットにＸ線発生面を覆うように取り付けられてその筒状の一方のＸ線出射窓と対向している開口部分をＸ線出射口とするとともに、その周面の電子銃に面する所定の位置に電子入射口が形成されているフード電極とを備え、フード電極は、その内面の所定の部位から内側に突出して形成されて、電子またはＸ線のノイズ成分に対してフード電極の外部への出射を制限する制限突起部を有し、制限突起部は、Ｘ線発生面とＸ線出射口との間であってフード電極の内面のうちでＸ線出射口側の部分に円形状に所定の内径を有して突出して、Ｘ線出射口の内径を、フード電極の他の部分の円筒形状の内径よりも小さく制限するリング状突起部であることを特徴とする。
【０００９】
ターゲットの中心軸を電子入射軸と略直交するＸ線出射軸方向としてＸ線管を構成した場合には、ターゲットに取り付けられる筒状のフード電極も同様にＸ線出射軸と平行に設置され、その筒状の一端側の開口がＸ線出射口となる。このとき、電子銃からの電子のＸ線発生面への入射点がＸ線のシグナル成分の発生点となるが、電子の二次散乱等に起因して上記の発生点以外において生じたＸ線等がＸ線出射口から外部に出射されることによって、得られるＸ線束中にＸ線のノイズ成分を生じてしまう。
【００１０】
これに対して、上記したＸ線管においてはフード電極のＸ線出射口の近傍などの所定の内壁部分に制限突起部を設ける。これによって、Ｘ線のシグナル成分の出射軌道範囲を確保しつつ、フード電極の内部空間から外部へと出射されるＸ線または電子の軌道を制限してノイズ成分の出射を抑制することができ、したがって、得られるＸ線のＳ／Ｎ比を向上することが可能である。
【００１１】
また、制限突起部は、Ｘ線発生面とＸ線出射口との間に円形状に突出したリング状突起部であることを特徴とする。
【００１２】
このような制限突起部によれば、Ｘ線出射口の内径をフード電極の円筒形状の内径よりも小さくして効率的な出射軌道制限を行うことができる。なお、制限突起部としては、出射軌道を制限可能なものであれば、このようなリング状の形状以外にも様々な形状のものを適用可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるＸ線管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
図１は、本発明によるＸ線管の第１の実施形態の構成を示す断面図であり、図１（ａ）はＸ線管１の横断面図、図１（ｂ）は縦断面図を示す。これらは、いずれも後述する電子入射軌道ｌｅを含む平面での断面を示している。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｘ線管１は、電子を発生・放出させる電子銃部２と、電子銃部２からの電子を受けてＸ線を発生させるＸ線発生部３と、を備えて構成されている。
【００１５】
電子銃部２は、各構成要素を収容するとともにその中心軸が電子入射軸と略平行に設置された容器２１を備え、容器２１内には外部からの電力供給により発熱するヒータ２２が設けられている。また、電子銃部２には、ヒータ２２によって熱せられ電子を放出するカソード２３、及びカソード２３から放出された電子を集束させるフォーカスグリッド電極２４が設けられている。さらに、容器２１には、カソード２３から放出されフォーカスグリッド電極２４により集束された電子を出射するための電子通過口２５が形成されている。この電子通過口２５は、フォーカス電極としての機能も果たしている。この電子銃部２から、電子入射軸方向の電子入射軌道ｌｅによって電子が放出され、Ｘ線発生部３へと入射される。
【００１６】
一方、Ｘ線発生部３は、各構成要素を収容するとともにその中心軸がＸ線出射軸と略平行に設置された容器３１を備えている。容器３１は、電子銃部２の容器２１と電子通過口２５を介して連通されており、したがって、カソード２３から放出される電子を入射できる構造になっている。これらの容器２１及び３１は密封されており、その内部がほぼ真空状態に保たれている。
【００１７】
容器３１の内部には、電子銃部２からの電子を受けてＸ線を発生させるターゲット４が設置されている。このターゲット４は金属製の棒状体であって、その中心軸をＸ線出射軸方向とし、電子銃部２からの電子入射軸に対して略直交する向きとして配置されている。ターゲット４の先端部分４０に形成されている先端面は電子銃部２からの電子を受けてＸ線を発生させるＸ線発生面４１であり、電子が入射される電子入射軌道ｌｅ前方の位置に、電子入射軌道ｌｅに対して所定の角度で形成されて配置されている。このＸ線発生部３に電子銃部２からの電子が入射して、Ｘ線出射軸方向のＸ線出射軌道ｌｘによってＸ線が発生・出射される。
【００１８】
なお、互いに略直交する電子入射軌道ｌｅ及びＸ線出射軌道ｌｘは、それぞれ実際には所定の広がりを有する範囲の軌道であるが、図１においては、簡単のためそれぞれ電子入射軸及びＸ線出射軸と一致させて示してある。
【００１９】
容器３１には、所定の位置に形成された開口部分にＸ線出射窓３２が設けられている。Ｘ線出射窓３２は、ターゲット４のＸ線発生面４１から発せられたＸ線を容器３１の外部へと出射させるための窓であり、例えば、Ｘ線透過材であるＢｅ材からなる板材などにより構成される。このＸ線照射窓３２は、ターゲット４の先端面であるＸ線発生面４１に面するＸ線出射軌道ｌｘ前方の位置に設けられている。また、Ｘ線出射窓３２は、その中心がターゲット４の中心軸の延長上に略一致するように配置され、Ｘ線出射軸がその内側を通過するように形成されている。
【００２０】
ターゲット４の先端部分４０には、フード電極５が取り付けられている。フード電極５は、Ｘ線発生面４１へと進入するカソード２３からの電子を加速するとともにその軌道を制御する機能を有し、ターゲット４の中心軸・Ｘ線出射軸とほぼ平行な筒状に形成されている。これらのターゲット４及びフード電極５には、電子銃部２の電子通過口２５の縁部分の電位に対して、正の高電圧が印加されている。
【００２１】
図２は、図１に示したＸ線管のターゲット４、フード電極５、及びその周辺の構造を拡大して示す端面図である。ターゲット４の先端部分４０の先端面であるＸ線発生面４１は、ターゲット４の中心軸に対して、したがって電子入射軸及びＸ線出射軸に対してそれぞれ斜め（直交せず、かつ平行でない）となる平面状に形成されている。
【００２２】
ターゲット４の先端部分４０に対して、上記したようにフード電極５が取り付けられている。フード電極５は金属製の筒状体であり、その内径がターゲット４の先端部分４０の外径とほぼ同一径とされ、また、その軸方向の長さ寸法が先端部分４０の長さとほぼ同一寸法とされている。
【００２３】
このフード電極５は、Ｘ線発生面４１の周囲を覆うように設置されており、筒状の一端側のＸ線出射窓３２と対向している開口部分が、ターゲット４のＸ線発生面４１からのＸ線がＸ線出射軌道ｌｘに沿って通過するＸ線出射口５１となるように配置されている。また、周面の電子通過口２５と対向している所定の部位には、電子銃部２のカソード２３からの電子が電子入射軌道ｌｅに沿って通過する電子入射口５２が形成されている。本実施形態においては、電子入射口５２はターゲット４の軸方向について、電子入射軸に対してほぼ対称な開口範囲となる形状に形成されている。
【００２４】
また、フード電極５の内面のうち、Ｘ線出射口５１側の円形状・環状の部分には、内側に向かってリング板状に所定の内径を有して突出した制限突起部５３が形成されている。これによって、Ｘ線出射口５１の内径は、フード電極５の他の部分の円筒形状の内径よりも小さく制限されている。
【００２５】
以上の構成によるＸ線管１の動作及び効果について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
【００２６】
ターゲット４及びフード電極５に正の高電圧が印加されると、ターゲット４及びフード電極５は、電子銃部２の電子通過口２５の縁部に対して正の高電位となるため、電子銃部２と、ターゲット４及びフード電極５との間の空間に所定の電界が形成される。これにより、電子銃部２のカソード２３から放出された電子は、フォーカスグリッド電極２４によって集束され、電子通過口２５を通過した後、電子銃部２と、ターゲット４及びフード電極５との間の電界によって加速されて、フード電極５の電子入射口５２を通過してターゲット４のＸ線発生面４１へと進入・入射される。
【００２７】
そして、電子がＸ線発生面４１に入射することによって、その電子の入射位置においてＸ線が発生する。発生したＸ線は、フード電極５のＸ線出射口５１、及びＢｅ製のＸ線出射窓３２を通過してＸ線出射軌道ｌｘの方向に出射される。ここで、Ｘ線発生面４１における電子の入射点（Ｘ線の発生点）は、ほぼターゲット４の中心軸上となるように構成されている。したがって、Ｘ線出射軸はターゲット４の中心軸と略一致している。また、Ｘ線発生面４１で発生されたＸ線については、このＸ線出射軸を含み、Ｘ線出射窓３２等によって制限・決定される所定の軌道範囲で放出された成分がシグナル成分として外部へと出射される。
【００２８】
上記した構成及び動作によって得られるＸ線には、Ｘ線の発生点からのＸ線のシグナル成分以外に、フード電極の内側各部などＸ線発生部３の他の位置で発生するＸ線のノイズ成分が含まれている。このようなＸ線を、例えば非破壊検査によるＸ線透視画像の取得に用いた場合、得られる透視画像は、Ｘ線のシグナル成分によって得られ観測しようとする物体の内部構造等に対応する明暗パターンを示すシグナル画像と、Ｘ線のノイズ成分によって得られ全体が明るいパターンなどになるノイズ画像と、の重ね合わせとなる。したがって、Ｘ線のＳ／Ｎ比が低いと、Ｘ線透視画像においてノイズ画像成分の強度が増大するために、そのコントラストが低下し、その結果、観測対象とした物体の構造等が明確に把握できない、という問題を生じる。
【００２９】
このようなＸ線のノイズ成分の発生原因としては、ターゲット４のＸ線発生面４１に到達した電子が二次反射または散乱等を起こし、それらの反射・散乱された電子が再びターゲット４やフード電極５等にぶつかってＸ線を発生させることがある。
【００３０】
上記した過程によって発生するＸ線のノイズ成分に対して、本実施形態によるＸ線管１においては、図１及び図２に示すように、Ｘ線出射口５１近傍のフード電極５の内面側に、内側に向かって突出したリング板状の制限突起部５３を形成し、Ｘ線出射口５１の内径をフード電極５の他の円筒形状部分の内径よりも小さく制限している。この制限突起部５３によって、ノイズ成分となる余分なＸ線や、入射軌道から外れてノイズ源となる電子等の外部への出射軌道・出射線量を制限して、ノイズ成分を低減・遮蔽することができる。
【００３１】
すなわち、この制限突起部５３を設けることによって、Ｘ線発生面４１を含むフード電極５内側の空間は、Ｘ線出射窓３２など外側の空間に対して充分に遮蔽され、Ｘ線のシグナル成分の通過経路以外をほぼ密閉された構造となる。
【００３２】
Ｘ線発生面４１上の電子の入射点に到達した電子のうち、Ｘ線の発生に寄与せずに反射・散乱された電子は、図２にその軌道の例をいくつか示すように、Ｘ線出射口５１に到達せずに反射・散乱を繰り返す。そして、それらの反射・散乱電子、及び反射・散乱電子によって発生されたＸ線のノイズ成分の大部分は、フード電極５の周面及び制限突起部５３によって密閉された内側の空間領域において、ターゲット４またはフード電極５の各部位において吸収等されることによって外部に出射されることなく消滅する。これによって、Ｘ線管１から出射されるＸ線のＳ／Ｎ比が大幅に向上される。
【００３３】
図３は、マイクロフォーカスＸ線管を用いたワイヤボンディングの観測・検査を例として、Ｘ線のＳ／Ｎ比の向上によるＸ線透視画像の鮮明化の効果を説明する模式図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ（ａ）正常なワイヤボンディングと、（ｂ）断線したワイヤを示し、これらのワイヤボンディング部分を従来のＸ線管を用いて観測したときに得られる画像を図３（ｃ）及び（ｄ）に、また、上記した実施形態による制限突起部を備えたＸ線管を用いて得られる画像を図３（ｅ）及び（ｆ）にそれぞれ示す。
【００３４】
従来のＸ線管による図３（ｃ）及び（ｄ）に示した画像においては、小焦点によって輪郭はほぼ明確であるが、Ｘ線のノイズ成分が多くＳ／Ｎ比が悪いために明暗のコントラストが充分でなく、図３（ｄ）においてもワイヤの断線の把握が困難である。これに対して、図３（ｅ）及び（ｆ）に示した本実施形態のＸ線管による画像においては、輪郭が明確であることに加え、Ｓ／Ｎ比が向上されていることによって明暗のコントラストが高くなり、したがって、図３（ｆ）に示されているように、ワイヤの断線を明確に確認することができる。
【００３５】
このような高コントラスト化の効果について、上記したＸ線管を用いて同一の試料を観測して評価を行った。コントラストの評価は、得られた画像中で最も明るい部分の強度Ｉｍａｘと、最も暗い部分の強度Ｉｍｉｎとを測定し、ＩｍｉｎのＩｍａｘに対する強度比Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ（％）を算出して行った。このとき、強度比の値が小さくなるほどコントラストが高い画像となる。なお、Ｘ線管の駆動条件としては、管電圧を８０、１００ｋＶとし、焦点調整のためにカソード電圧を振って観測を行っている。
【００３６】
得られた値は、従来のＸ線管を用いた場合の強度比が２．７〜１２．８％であったのに対して、本実施形態によるＸ線管を用いた場合においては強度比が０．８８〜２．３％であった。この数値より、制限突起部５３を設けてフード電極５の内部空間を密閉した構造を採用することによって、Ｘ線のＳ／Ｎ比が向上されて、Ｘ線透視画像の高コントラスト化が実現されていることがわかる。
【００３７】
なお、フード電極の形状に関しては、例えば特開昭５６−１４９７５９号公報または特開昭５９−１６２５３号公報に示したものがある。これらのＸ線管においてはいずれも、ターゲット及びフード電極の中心軸がＸ線出射軸ではなく電子入射軸に対して平行に構成されている。そのため、Ｘ線の出射はフード電極の周面に形成された開口から行われる。この場合、この開口形状によって結果としてＸ線の出射軌道が制限されることがあるが、その制限形態は上記のいずれのＸ線管においてもほぼ立体角の制限であって、他の部位からの軌道制限のための構造は有していない。
【００３８】
これに対して、本発明によるＸ線管は、ターゲット及びフード電極の中心軸がＸ線出射軸に平行に構成されたＸ線管に関するものであって、上記したＸ線管とは構造において異なる。そして、そのようなＸ線管に対してフード電極内側に制限突起部を設けることによって、Ｘ線発生点からの立体角のみでなく他の部位等からのＸ線等の出射軌道に対する制限を行って、Ｘ線のノイズ成分の出射量低減によるＳ／Ｎ比の向上を実現するものである。
【００３９】
図４は、本発明によるＸ線管の第２の実施形態の構成をターゲット４、フード電極５、及びその周辺を拡大して示す端面図である。なお、図示しない部分の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００４０】
本実施形態においては、フード電極５に設けられた電子入射口５２が、電子銃部２から電子が進入する電子入射軸・電子入射軌道ｌｅに対してＸ線出射口５１の反対方向側に広げられた開口形状に形成されている。この形状により、電子入射口５２を通過してフード電極５内に進入する電子は図４に示すようにＸ線出射口５１側に軌道を曲げられて、ターゲット４のＸ線発生面４１へと入射される。この場合、Ｘ線発生面４１上のＸ線の発生点からＸ線出射窓３２までの距離が短縮されるので、拡大率を高めることができる。
【００４１】
なお、本実施形態におけるＸ線発生面４１は、軌道が曲げられた電子の入射点がほぼターゲット４の中心軸上となるように、図１及び図２に示した実施形態よりもＸ線出射口５１方向にずらした位置に形成・配置されている。
【００４２】
本発明によるＸ線管は、上記した実施形態に限らず、様々な構成のターゲット及びフード電極を有するＸ線管に対して適用可能である。また、フード電極の内面側に形成される制限突起部の形状についても、上記した各実施形態に示した円形状の全体を突出させるリング状の突起部に限られるものではなく、例えば円形状の所定の一部のみに対して突起部を設けるなど、様々な形状とすることが可能である。また、異なる部位にそれぞれ形成された複数の突起部によって制限突起部を構成しても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によるＸ線管は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、ターゲット及びフード電極の中心軸がＸ線出射軸と略平行（電子入射軸と略直交）になるように構成されたＸ線管において、その筒状のフード電極のＸ線出射口となる開口側などの所定の内面部分に、内側に向かって突出してＸ線または電子のフード電極外部への出射軌道を制限する制限突起部を設ける。このとき、フード電極の周面及びターゲットのＸ線発生面で囲まれるフード電極の内部空間が、制限突起部によって充分に閉じられた空間となる。
【００４４】
これによって、本来のＸ線発生位置以外の部位からのＸ線等の出射が効率的に制限・遮蔽されるので、得られるＸ線に含まれるＸ線のノイズ成分が低減されてＳ／Ｎ比が向上されたＸ線管を実現することができる。また、このようなＸ線管を非破壊検査によるＸ線透視画像の取得に適用した場合、画像のコントラストが向上されるので、より正確に物体の構造等の情報を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線管の第１の実施形態の構成を示す（ａ）横断面図及び（ｂ）縦断面図である。
【図２】図１に示したＸ線管のターゲット及びフード電極等を拡大して示す端面図である。
【図３】図１に示したＸ線管を用いて得られるＸ線透視画像を従来のＸ線管を用いた場合と比較するための模式図である。
【図４】Ｘ線管の第２の実施形態の構成をターゲット及びフード電極等を拡大して示す端面図である。
【符号の説明】
１…Ｘ線管、
２…電子銃部、２１…容器、２２…ヒータ、２３…カソード、２４…フォーカスグリッド電極、２５…電子通過口、
３…Ｘ線発生部、３１…容器、３２…Ｘ線出射窓、４…ターゲット、４０…先端部分、４１…Ｘ線発生面、５…フード電極、５１…Ｘ線出射口、５２…電子入射口、５３…制限突起部。

Claims (1)

1. カソードから電子入射軸の方向に電子を放出する電子銃と、前記電子をそのＸ線発生面に入射させることによってＸ線を発生させてＸ線出射軸の方向に出射するターゲットと、を有し、前記ターゲットの中心軸が前記Ｘ線出射軸に対して略平行となるように構成されたＸ線管において、
   前記ターゲットを内部に収容するとともに、その所定の位置に形成された開口部分にＸ線出射窓が設けられた容器と、
   前記Ｘ線出射軸と略平行な筒状に形成され、前記ターゲットに前記Ｘ線発生面を覆うように取り付けられてその筒状の一方の前記Ｘ線出射窓と対向している開口部分をＸ線出射口とするとともに、その周面の前記電子銃に面する所定の位置に電子入射口が形成されているフード電極とを備え、
   前記フード電極は、その内面の所定の部位から内側に突出して形成されて、電子またはＸ線のノイズ成分に対して前記フード電極の外部への出射を制限する制限突起部を有し、
   前記制限突起部は、前記Ｘ線発生面と前記Ｘ線出射口との間であって前記フード電極の内面のうちで前記Ｘ線出射口側の部分に円形状に所定の内径を有して突出して、前記Ｘ線出射口の内径を、前記フード電極の他の部分の円筒形状の内径よりも小さく制限するリング状突起部であることを特徴とするＸ線管。

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