JP4886760B2

JP4886760B2 - Ｘ線装置

Info

Publication number: JP4886760B2
Application number: JP2008298233A
Authority: JP
Inventors: 隆下野; 克則清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: JP2009043741A

Description

本発明は、ターゲットに電子ビームを照射してＸ線を発生させるＸ線装置に関する。

従来、この種のＸ線を発生させるＸ線装置としては、マイクロフォーカスＸ線発生装置に用いる透過型マイクロフォーカスＸ線発生管球がある。

そして、反射型マイクロフォーカスＸ線発生管球の場合には、大半で寿命の問題は存在しなかった。一方、透過型マイクロフォーカスＸ線管発生管球は、小型で検査物とＸ線源を接近して配設できるため、拡大倍率を大きくでき、超精密なＸ線透過検査ができる。ところが、透過型マイクロフォーカスＸ線発生管球の場合には、ターゲットに電子ビームを照射してＸ線を発生させているが、ターゲットの微小面積に大きな電力の電子ビームを照射し、この電子ビームのエネルギのほとんどが熱となるため、ターゲットが劣化してターゲットに寿命の問題がある。そこで、透過型マイクロフォーカスＸ線発生装置では開放型としてターゲットを定期的に交換する必要があり、構造は複雑になり大型で高価なものである。また、このような構造を取る必要があるため、Ｘ線源となるターゲットから測定物までの距離を接近させることが困難で、Ｘ線検査の拡大率の性能には限界がある。

近年、小型で構成の簡単な封止切りの透過型マイクロフォーカスＸ線発生管球が開発されているが、ターゲットの熱的な劣化のために寿命が短くなり、焦点サイズが５μｍのもので２Ｗ程度の入力がターゲットの限界である。

そこで、たとえばターゲットの寿命を延ばす構造として、真空容器内に電子ビームを照射する陰極およびこの陰極からの電子ビームを照射してＸ線を発生するターゲットを配設し、このターゲットを電子ビームの軸方向に対して直交する方向に移動可能に配設し、このターゲットを真空容器の外部の磁石により移動させ、電子ビームが照射されるターゲットの位置を異ならせ、ターゲットの電子ビームが照射されるある位置が寿命になった場合に、磁石によりターゲットを移動させて初期の性能を回復するものが知られている（たとえば特許文献１参照）。
特開平３−２２３３１号公報（第２頁−第３頁、第１図）

しかしながら、上述のように真空容器内のターゲットを移動させる場合、ターゲット自体を移動可能にするとともに、ターゲットを移動させるための磁石を配設するなど構造が複雑になる問題を有している。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成で長寿命化を図ったＸ線装置を提供することを目的とする。

本発明は、真空容器と、この真空容器内に配置され、電子ビームを照射する陰極と、前記真空容器内に配置され、前記陰極に対して正の電圧が印加され、前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと、前記真空容器内の前記ターゲットと陰極との間に配置され、前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の負の電圧が印加された静電型の第１集束電極と、この第１集束電極と前記ターゲットとの間に配置され、前記第１集束電極に印加された電圧の値よりも大きく前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の正の電圧が印加された静電型の第２集束電極と、この第２集束電極と前記ターゲットとの間に、前記第１集束電極と前記陰極との間隔および前記第１集束電極と前記第２集束電極との間隔よりも広い間隔で前記第２集束電極から離間されて配置され、前記第１集束電極に印加された電圧の値よりも大きく前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の正の電圧が印加された静電型の第３集束電極と、前記真空容器外に取り付けられた永久磁石を備え、電子ビームの軸方向に沿った中心位置が前記第３集束電極と陰極との間に位置し、ターゲットに照射される電子ビームの照射位置を前記永久磁石により移動させる磁石部とを具備したもので、電子ビームを照射してＸ線を発生させていた照射位置が寿命になっても、ターゲットの他の位置に磁石部の真空外囲器外に取り付けられた永久磁石により電子ビームの照射位置を移動させることができるため、照射位置をターゲットの寿命になってない位置に変えることにより初期の性能を得ることができ、長寿命化を図れるとともに、磁石部の電子ビームの軸方向に沿った中心位置が、陰極と、静電型の第１ないし第３集束電極のうち最もターゲット側に位置する第３集束電極との間に位置することで、陰極から放出される電子の初期段階で磁界によるスピンがかかることにより焦点形状の歪みやボケが最小になる。

本発明によれば、電子ビームを照射してＸ線を発生させていた照射位置が寿命になっても、真空容器外に位置する磁石部の永久磁石により電子ビームの照射位置をターゲットの他の位置に移動させることができるため、照射位置をターゲットの寿命になってない位置に変えることにより初期の性能を得ることができ、長寿命化を図ることができるとともに、磁石部の電子ビームの軸方向に沿った中心位置が、陰極と、静電型の第１ないし第３集束電極のうち最もターゲット側に位置する第３集束電極との間に位置することで、陰極から放出される電子の初期段階で磁界によるスピンがかかることにより焦点形状の歪みやボケを最小にできる。

以下、本発明の一実施の形態のマイクロフォーカスＸ線装置の透過型のマイクロフォーカスＸ線管球を図面を参照して説明する。

図１に示すように、１はＸ線装置としての真空管であるマイクロフォーカスＸ線発生装置の透過型のマイクロフォーカスＸ線発生管球で、このマイクロフォーカスＸ線発生管球１は、真空気密を保つ真空容器としての真空外囲器２を有し、この真空外囲器２は円筒状の筒状部３を有し、この筒状部３には真空排気用の排気管を取り付ける排気管取付部４が形成されている。なお、この排気管は真空排気後封止切りされる。

また、筒状部３の基端側には、円環のフランジ状の管球取付金具５が取り付けられる。この管球取付金具５は、この管球取付金具５を固定するねじなどを挿通するねじ挿通孔６が複数形成され、この管球取付金具５の背面側には、冷却用の油がこの管球取付金具５に沿って漏出することを防止する図示しないＯリングを装着する装着溝７が全周にわたって形成されている。

さらに、筒状部３の基端側となる管球取付金具５の背面側には、基端側が閉塞された二重筒状のガラス容器11が位置し、このガラス容器11の開放している外筒の先端には、金属性の円環状の外筒接続体12がガラス容器11に溶着されるなどして一体的に取り付けられ、この外筒接続体12が管球取付金具５に溶接されて気密に封止されている。また、ガラス容器11の内筒の内周側には内筒を閉塞する閉塞部13が形成されている。さらに、ガラス容器11の内筒の先端には、金属性の円環状の内筒接続体14がガラス容器11に溶着されるなどして一体的に取り付けられ、この内筒接続体14の先端には支持体15が接続されている。

そして、この支持体15の先端には環状板の保持体16が取り付けられ、この保持体16の内部には陰極保持体17が取り付けられ、この陰極保持体17に陰極18が装着されている。この陰極18は図示しないフィラメントを内蔵し、このフィラメントを加熱して熱電子となり電子ビームを放出する。また、陰極18はフィラメント21を有し、このフィラメント21にはガラス容器11の閉塞部13を気密状態で貫通するフィラメント端子22が接続され、このフィラメント端子22からフィラメント21を介して、外部からの電力が陰極18に供給される。

また、保持体16には、一体的に形成された電子レンズとなる静電型の集束電極体23が取り付けられ、この集束電極体23および陰極18により微小焦点電子銃が形成されている。この集束電極体23は、保持体16に棒状の電極保持絶縁体24が取り付けられ、この電極保持絶縁体24は陰極側から、マイナス数百Ｖの電圧を印加する第１集束電極25、プラス数ｋＶの電圧を印加する第２集束電極26、やや大きめの間隙を介してプラス数ｋＶの電圧を印加する第３集束電極27が所定の寸法に従い順次配設されている。また、第１集束電極25、第２集束電極26の中心には図示しない電子ビーム挿通孔が開口形成され、第３集束電極27の中心には、第１集束電極25および第２集束電極26の電子ビーム挿通孔との延長軸上に直線的に連通する電子ビーム挿通孔28が電子ビームの照射方向に沿って直線的に配設されている。

一方、筒状部３の先端側には、先端に向けて径小となる蓋体31が取り付けられ、この蓋体31の先端には取付部32が形成され、この取付部32には開口33が形成され、取付部32にはターゲット保持体34が保持され、このターゲット保持体34は開口35を有し、このターゲット保持体34に窓となる透過型のターゲット36が真空外囲器２の一部として気密に取り付けられている。このターゲット36は、第１集束電極25の電子ビーム挿通孔、第２集束電極26の電子ビーム挿通孔および第３集束電極27の電子ビーム挿通孔28を介して陰極18に対向して配設されている。また、ターゲット36は、真空気密の隔壁を目的とし厚さ数百μｍのＸ線の透過損失が少ないＸ線透過窓となるベリリウム薄板やＡｌ基板等を基板とし、このベリリウム薄板等の真空側に例えば約５μｍないし１０μｍのＸ線の発生性能が優れているタングステン等のＸ線源となる薄膜を成膜して形成されている。ベリリウム薄板等は、真空気密の隔壁の目的で、Ｘ線の透過損失が少ない材料として選ばれている。なお、タングステン薄膜厚さは、電子ビームの潜り込む深さと発生したＸ線の減衰量とに基づき設計されている。

さらに、図２にも示すように、真空外囲器２の外周には磁石部40が取り付けられ、この磁石部40は真空外囲器２と間隙を介して円環状の磁石保持体41がたとえば手動により回転自在に取り付けられ、磁石保持体41の径方向に沿って対向し電子ビームが通過する経路で約１０ガウスないし５０ガウスの強さの磁束を形成する永久磁石42，42が異なる極が対向した状態で方向性を持って配設されている。また、真空外囲器２の周囲には、掘込構造が採られて例えば１８°毎に２０箇所に円錐状の係止孔43が形成されている。一方、図３に示すように、磁石保持体41には９０°毎に４箇所に穴溝44が径方向に沿って形成され、この穴溝44にはボール押しスプリング45が挿入され、このボール押しスプリング45の先端には穴溝44に挿入可能な大きさの位置決め用のボール46が位置している。そして、ボール押しスプリング45により磁石保持体41のボール46が真空外囲器２の中心方向に付勢されて真空外囲器２の係止孔43に係止されることにより、所定の位置に位置決めされる。なお、対向する永久磁石42の周方向の中心を結ぶ線はターゲット36の中心を通り、永久磁石42の電子ビームの軸方向に沿った位置は、中心が陰極18の先端ないし最もターゲット36側に位置する第３集束電極27の間のＬの中に含まれる位置に位置する。

次に、上記実施の形態の動作について説明する。

まず、陰極18に電圧を印加すると、フィラメントが加熱されて熱電子となり電子ビームを放出し、集束電極体23を介してターゲット36に照射される。具体的には、陰極18から放出された電子ビームは、第１集束電極25のマイナス数百Ｖの電圧の電子レンズで集束され、第２集束電極26および第３集束電極27のプラス数ｋＶの電圧でさらに集束され、ターゲット36に約１００ｋＶの電圧で印加され、２μｍないし５μｍたとえば約５μｍの直径の電子ビームとなって、ターゲット36の真空側面に結像する。

また、磁石部40の永久磁石42により形成される磁界により、永久磁石42の位置に従い電子ビームはターゲット36の中心よりややずれた位置に結像する。

そして、このターゲット36の真空側面に結像した電子ビームは、このターゲット36のタングステン薄膜に衝突してＸ線となり、このＸ線はベリリウム薄板を透過して外部に取り出され、精密検査装置のＸ線源として利用される。

ところが、数ミクロンメータの焦点径に数Ｗのエネルギが入力されるためタングステン薄膜等のＸ線源の成膜面が高温になって劣化し、経時的に徐々にＸ線の発生量が低下するため、タングステン薄膜等のＸ線源の寿命が数百時間ないし１０００時間程度で寿命となる。

そこで、タングステン薄膜等のＸ線源の寿命となる数百時間、たとえば３００時間から８００時間程度で磁石部40の磁石保持体41を真空外囲器２の中心を回転軸として１８°手動あるいは機械的に回動させ、ボール46がボール押しスプリング45の付勢に抗して穴溝44内に収容され、隣合う係止孔43の位置で再びボール押しスプリング45により磁石保持体41のボール46が真空外囲器２の中心方向に付勢されて真空外囲器２の係止孔43に係止されることにより、１８°移動した所定の位置に位置決めされる。そして、この磁石保持体41の回動により、永久磁石42により形成される磁界の径方向の角度が変わることにより、永久磁石42の位置に従い電子ビームはターゲット36の以前照射された位置と異なる、たとえば５０μｍから１００μｍ程度ずれた位置に結像する。この電子ビームの結像位置の変更により、電子ビームはターゲット36の新しいタングステン薄膜等のＸ線源の位置に衝突することになり、Ｘ線はターゲット36の新しい位置で初期性能と等しいＸ線量を発生する。なお、この動作は、磁石保持体41の所定の停止位置に従い磁界の方向との関係も含め、全部で２０通りのターゲット36の照射位置を設定できる。

なお、磁石保持体41の回動により最初の位置からＸ線の照射位置が順次動いていくが、寿命終了までにおよそ０．３ｍｍ以下の動きであり、Ｘ線を照射した後の検査装置の受像側の調整は不要である。

このようにして、規定使用時間毎に磁石保持体41を順次回転させることで、焦点サイズが数μｍの封止切り透過型のマイクロフォーカスＸ線発生管球１として、１万時間を越える寿命を実現できた。

また、永久磁石42の磁力を強くすると一度の磁石保持体41の回動による移動距離は大きくなり、目的あるいは装置の大きさにあわせて移動量を設定調整できる。なお、永久磁石42で電子の焦点をずらす方式では、電子レンズとなる第１集束電極25、第２集束電極26および第３集束電極27の性能を悪化させないでターゲット36に結像させることが必要である。

また、永久磁石42の強さと焦点寸法の移動と焦点直径の寸法と寿命時間との関係から、永久磁石42の最適位置を設定する。なお、永久磁石42の電子ビームの軸方向に沿った位置は、第１集束電極25からターゲット36までの間にあれば、照射位置となる焦点位置を移動することは可能であるが、第３集束電極27からターゲット36までの間にあると、磁石保持体41の回動に伴なって焦点サイズが不均一になったり周辺がボケたりするなど不安定となり、性能が劣化するおそれがある。したがって、永久磁石42の電子ビームの軸方向に沿った位置は、陰極18から第３集束電極27の間にあることにより、陰極18から放出される電子の初期段階で磁界によるスピンがかかることにより焦点形状の歪みやボケを最小にできる。

次に、他の実施の形態を図４を参照して説明する。

この図４に示す実施の形態は、真空外囲器２の外周に係止孔43を有さない従来のものに、真空外囲器２に断面Ｌ字状の環状の外付け金具51を嵌合させ、この外付け金具51に、図１ないし図３に示す実施の形態の係止孔43と同様に係止孔52を形成し、この外付け金具51の周囲に、磁石部40の磁石保持体41を真空外囲器２に対して回転自在に取り付け、この係止孔52に磁石保持体41のボール46を係止させるものである。

このように、マイクロフォーカスＸ線発生管球１自体を改造することなく外付け金具51を真空外囲器２に取り付け、この外付け金具51に磁石保持体41を取り付けることにより、従来の磁石部40を有さないマイクロフォーカスＸ線発生管球１も、電子ビームを移動させることができるようになり、長寿命化を図ることができるようになる。

本発明の一実施の形態のマイクロフォーカスＸ線発生管球の図２に示すＩ−Ｉ断面図である。同上平面図である。同上真空外囲器の係止孔を拡大して示す断面図である。同上他の実施の形態のマイクロフォーカスＸ線発生管球の外付け金具を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１Ｘ線装置としてのマイクロフォーカスＸ線発生管球
２真空容器としての真空外囲器
18 陰極
25 第１集束電極
26 第２集束電極
27 第３集束電極
36 ターゲット
40 磁石部
42 永久磁石

Claims

真空容器と、
この真空容器内に配置され、電子ビームを照射する陰極と、
前記真空容器内に配置され、前記陰極に対して正の電圧が印加され、前記電子ビームが照射されてＸ線を発生するターゲットと、
前記真空容器内の前記ターゲットと陰極との間に配置され、前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の負の電圧が印加された静電型の第１集束電極と、
この第１集束電極と前記ターゲットとの間に配置され、前記第１集束電極に印加された電圧の値よりも大きく前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の正の電圧が印加された静電型の第２集束電極と、
この第２集束電極と前記ターゲットとの間に、前記第１集束電極と前記陰極との間隔および前記第１集束電極と前記第２集束電極との間隔よりも広い間隔で前記第２集束電極から離間されて配置され、前記第１集束電極に印加された電圧の値よりも大きく前記ターゲットに印加された電圧の値よりも小さい値の正の電圧が印加された静電型の第３集束電極と、
前記真空容器外に取り付けられた永久磁石を備え、電子ビームの軸方向に沿った中心位置が前記第３集束電極と陰極との間に位置し、ターゲットに照射される電子ビームの照射位置を前記永久磁石により移動させる磁石部と
を具備したことを特徴とするＸ線装置。
磁石部は、電子ビームの軸方向を中心として周囲を回転可能でこの回転により電子ビームの照射位置を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載のＸ線装置。
磁石部は、電子ビームを挟んで対向して配設される
ことを特徴とする請求項２記載のＸ線装置。