JP6114981B2 - Ｘ線発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子線をターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生装置に関する。

従来、焦点の寸法を小さく絞ったＸ線を発生させるＸ線の発生源としてマイクロフォーカスＸ線発生装置が普及している。一般的なＸ線発生装置では、加熱されたカソードから出る熱電子を加速しターゲットに衝突させてＸ線を放射させる。ターゲットへ向かう電子流は広がるので、ウエネルトに適当な電場をかけて電子流の発散をおさえ、ターゲット上に焦点を結ばせている。マイクロフォーカスＸ線発生装置では、ターゲット上へ微小に絞った電子ビームを当てる必要があるため、様々な手段で電子ビームの集束を制御するものが知られている。

たとえば、特許文献１記載のＸ線発生装置は、Ｘ線管、電子銃、Ｘ線ターゲット、電子レンズ、スティグマトールおよびＸ線窓からなる基本構成に、Ｘ線反射鏡を用いたＸ線集束デバイスを備え、小さな寸法の焦点または焦線を有するＸ線を生じさせている。

特許文献２記載のＸ線集束装置は、２平面で使用され、電子銃のアノードと電磁石による集束レンズの間に設けられた２組の偏向コイルを有し、ビームを中心に合わせている。また、集束レンズとターゲットの間に設けられ、円形断面のビームを長く変形させるスティグマトールとして空芯の四極子磁石を有している。この四極子は、管の軸の周りを回転してライン焦点の方向を調節でき、ビームは、四極子の４つのコイル内の電流を制御することによりターゲット表面上で動かせるようになっている。

特許文献３記載の小型Ｘ線管球は、電子ビームの焦点をターゲットの微小面積部分に合わせるために、細径部の外部に設けられた環状の永久磁石を用いて、電子ビーム進行方向の焦点位置とターゲット上の焦点位置の調整を行っている。ただし、調整方法は、細径部に沿って永久磁石を移動させて行っている。

図１１は、上記のような従来のＸ線発生装置３００を示す斜視断面図である。Ｘ線発生装置３００は、アライメントコイル３１０、電磁石レンズ３２０、スティグマトール３４０、ターゲット３５０およびＸ線取出し窓３６０を備えている。図１２は、ターゲット３５０に対する電子線ｅ３の入射角α３とＸ線ｘ３の取り出し角β３を示す斜視図である。α３は７８°程度に大きくとり、スティグマトール３４０により電子線の断面を伸長させてターゲットに照射し、Ｘ線の取り出し角β３を小さくしたとえば１２°程度で取り出す。図１２の破線で囲む範囲は、電子線のターゲットへの照射範囲を示している。Ｘ線発生装置３００は、カソードで生じ、絞り３０５を通過した電子線を電磁石レンズ３２０で集束させており、装置においては電磁石レンズ３２０が大きい容積を占めている。

米国特許第６２８２２６３号明細書 米国特許第６７７８６３３号明細書 特開昭５８−１４５０４９号公報

上記のように、電子線を集束させる電磁石レンズは大きい容積を占めるため、装置をコンパクトに構成するのは困難である。しかしながら、Ｘ線発生装置に対しては、小さく、軽量化された装置を構成したいという要請がある。これに対しては、電磁石レンズに比べて小さい容積で強い磁場を発生させる永久磁石を用いて、電子線を集束する方法が考えられる。しかし、永久磁石を用いて電子線を集束させても、磁場強度が固定のため焦点を細かく制御することはできない。

永久磁石を用いて電子線を集束させた場合、経年変化や熱膨張によるカソードの寸法変化による電子放射性の変動、熱変化による永久磁石の磁力の変動、電圧の変動による焦点の移動、ターゲットの温度上昇やＸ線管球の寸法変化による焦点位置のズレなどに対して、永久磁石だけでは常に安定したＸ線を発生させることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小さく、軽量化された装置構成で、電子ビームの焦点位置の微細な調整ができるＸ線発生装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明のＸ線発生装置は、電子線をターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生装置であって、電子線を集束させる永久磁石レンズと、前記永久磁石レンズに対して電子線側に設けられ、前記永久磁石レンズによって生じる電子線の進行方向の焦点位置を補正する補正コイルと、前記集束した電子線を当てられるターゲットと、を備えることを特徴としている。

このように、電子レンズとして永久磁石を用いているため、通常の装置に較べて極めて小さく、軽量化された装置構成を実現できる。また、補正コイルにより、磁場強度を微調整し、電子線の進行方向の焦点位置の細かい調整が可能になる。なお、本発明のＸ線発生装置は、基本的に、Ｘ線管、電子銃、ターゲット、アライメントコイル、永久磁石レンズ、補正コイルおよびＸ線取出し窓から構成されている。

（２）また、本発明のＸ線発生装置は、前記補正コイルが、電子線の進行方向において前記永久磁石レンズの磁場の磁力範囲内に設置されていることを特徴としている。これにより、電子線の進行方向にわたるＸ線発生装置の外形寸法を短くできる。また、補正コイルのサイズを小さくできる。なお、上記の磁力範囲とは、永久磁石レンズによる磁力が永久磁石レンズの最大磁力の６８％以上となる範囲である。補正コイルは、永久磁石レンズの電子線経路側に設けられていることがなお好ましい。

例えば、永久磁石レンズが円筒状である場合、補正コイルは、その永久磁石レンズの孔の内側に設置されていることが好ましい。ただし、厳密に永久磁石レンズの孔内でなくてもその端面付近の永久磁石レンズの磁力範囲内に設けることができる。

（３）また、本発明のＸ線発生装置は、前記ターゲットが、前記電子線の入射角が３°以上２０°以下となるように前記電子線に対して表面を傾斜させて設置されていることを特徴としている。これにより、焦点サイズを小さくしたまま、ターゲット上では電子ビームが斜めに広がって当たるため、ターゲットが融点を超える高温になることなく大きな負荷を印加して、輝度の高いＸ線を取り出すことができる。

（４）また、本発明のＸ線発生装置は、前記ターゲットで生じるＸ線を装置外部に取り出すＸ線取出し窓を更に備え、前記Ｘ線取出し窓は、前記ターゲットの表面に対するＸ線の取り出し角が、前記ターゲットの表面に対する前記電子線の入射角と同程度となる位置に設置されていることを特徴としている。これにより、見掛けのＸ線源焦点サイズを小さくでき、輝度の高いＸ線を取り出すことができる。

（５）また、本発明のＸ線発生装置は、前記ターゲットで生じるＸ線を装置外部に取り出すＸ線取出し窓を更に備え、前記Ｘ線取出し窓が、前記Ｘ線取出し窓の表面が前記電子線に概略平行かつ前記ターゲットの表面に概略垂直になるように設置されていることを特徴としている。これにより、線状に広がったラインフォーカスのＸ線を取り出すことができる。

（６）また、本発明のＸ線発生装置は、前記ターゲットが、薄膜に形成され、ダイヤモンド基板上に形成されていることを特徴としている。これにより、薄膜に生じた熱をダイヤモンドにより拡散できる。また、斜入射を前提としているため、ターゲット用薄膜を薄くしても入射電子がターゲットと作用し、十分にＸ線強度が得られる。

本発明によれば、小さく、軽量化された装置構成で、電子ビームの焦点位置の微細な調整ができる。

第１の実施形態に係るＸ線発生装置を示す斜視断面図である。 ターゲットに対する電子線の入射角とＸ線の取り出し角を示す斜視図である。 補正コイルを十分に操作していないときのＸ線スポットを示す図である。 補正コイルを十分に操作したときのＸ線スポットを示す図である。 第１の実施形態に係るＸ線発生装置により得られたＸ線スポットである。 Ｘ線スポットの強度分布を示す図である。 実験結果を示す表である。 ダイヤモンド上に金属薄膜を形成したターゲットを示す断面図である。 Ｘ線発生試験後のＣｕバルクターゲットの表面状態を示す図である。 Ｘ線発生試験後のダイヤモンド上のターゲット用のＣｕ薄膜の表面状態を示す図である。 従来のＸ線発生装置を示す斜視断面図である。 ターゲットに対する電子線の入射角とＸ線の取り出し角を示す斜視図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、図面に示す実施態様は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

［第１の実施形態］
図１は、Ｘ線発生装置１００を示す斜視断面図である。Ｘ線発生装置１００は、アライメントコイル１１０、永久磁石レンズ１２０、補正コイル１３０、ターゲット１５０およびＸ線取出し窓１６０を備えている。Ｘ線発生装置１００は、カソードを陰極とし、ターゲット１５０を陽極として、数十キロボルトの高電圧を印加することで、カソードから生じた電子線をターゲット１５０に衝突させてＸ線を発生させる装置である。なお、図１では、電子線の集束を制御するための構成を示しており、カソード周辺部は省略している。

通常カソードは通電によって加熱されることにより熱電子を放出し、放出された電子線がウエネルトに印加された制御用電圧によって進行方向を制御されながら、カソードとターゲットとの間に印加された高電圧によって加速されてターゲット１５０に衝突し、その衝突の際にターゲットからＸ線が発生して広い角度領域内に発散する。

アライメントコイル１１０は、絞り１０５の直後に設けられ、電子線ｅ１の進行方向に垂直な面上における位置や断面形状を調整できる。アライメントコイル１１０は、面上での電子線の位置調整に用いられるものであるため、電子線の進行方向に垂直な面上の２方向に応じて２組設けられている。

永久磁石レンズ１２０は、アライメントコイル１１０の後段に設けられており、電子レンズとして磁場により電子線ｅ１を集束させる。電子レンズとして電磁石レンズではなく、永久磁石レンズを用いているため、従来の装置に較べて極めて小さく、軽量化された装置構成を実現できる。

補正コイル１３０は、電子線ｅ１の進行方向において永久磁石レンズ１２０の磁場の磁力範囲内に設置され、かつ、永久磁石レンズ１２０に対して電子線ｅ１側に設けられ、永久磁石レンズ１２０によって生じる電子線ｅ１の進行方向における焦点位置を補正し、１Ａ以下の小さい電流で電子線の焦点位置を調整できる。補正コイル１３０は、電子線の進行方向を軸として軸対称に構成され、軸を中心とする丸型、円筒形または樽型等に形成することができる。また、上記のアライメントコイル１１０のように、ブロック状に形成され、軸を中心として対称に配置されていてもよい。補正コイル１３０により、磁場強度を微調整し、電子線の進行方向の焦点位置の細かい調整が可能になる。なお、磁力範囲とは、永久磁石レンズ１２０による磁力が永久磁石レンズ１２０の最大磁力の６８％以上となる範囲である。また、補正コイル１３０は、永久磁石レンズ１２０の電子線経路側に設けられていることがなお好ましい。

例えば、永久磁石レンズ１２０が円筒状である場合、補正コイル１３０は、その永久磁石レンズ１２０の孔の内側に設置されていることが好ましい。ただし、厳密に永久磁石レンズ１２０の孔内でなくてもその端面付近の永久磁石レンズ１２０の磁力範囲内に設けることができる。

補正コイル１３０は、電子線ｅ１の進行方向において永久磁石レンズ１２０の磁力範囲内に設置されているので、電子線ｅ１の進行方向にわたるＸ線発生装置１００の外形寸法を短くできる。また、補正コイル１３０が永久磁石レンズ１２０の磁力範囲外に設置されている場合と比べて、補正コイル１３０のサイズを小さくできる。

仮に、永久磁石レンズ１２０の磁力範囲外、例えばターゲット１５０側に補正コイル１３０を置いた場合、永久磁石レンズ１２０で合わせきれなかったズレが大きくなり補正しなければならない量が大きくなるため、補正コイル１３０自体のサイズも大きくしなければならない。永久磁石レンズ１２０の磁力範囲内への設置であれば、補正量が小さく、補正コイル１３０自体のサイズも小さくて済む。

ターゲット１５０は、集束した電子線ｅ１を当てられ、Ｘ線ｘ１を発生させる。ターゲット１５０には、たとえばＣｕ、Ｍｏ、Ｗ等の陽極となる金属が用いられる。図１に示すように、ターゲット１５０は、電子線の進行方向に対して大きく傾斜して設置されており、電子線ｅ１の入射角が３°〜２０°となるように設けられている。

これにより、電子線の断面形状を伸長させなくても、電子線の進行方向に対して長い範囲で電子線をターゲットに照射することができる。その結果、ターゲット１５０を損傷させることなく、十分な強度のＸ線を取り出すことができる。このようにターゲット１５０が電子線に対して大きく傾斜していることで、Ｘ線強度を確保するための調整を行う手段が不要になり、装置を小型化、簡略化することができる。

Ｘ線取出し窓１６０は、たとえばＢｅ（ベリリウム）で形成され、ターゲット１５０で生じるＸ線を装置外部に取り出す。電子線がターゲットに衝突し、広い角度領域内に発散されたＸ線のうち、Ｘ線取出し窓１６０の方向に出射されたＸ線が装置外部に取り出される。

Ｘ線取出し窓１６０の位置は利用態様に応じて様々に考えられるが、一態様としてターゲット１５０の表面に対するＸ線の取り出し角が、ターゲット１５０の表面に対する電子線の入射角と同程度となる位置に設置されていることが好ましい。これにより、見掛けのＸ線源焦点サイズを小さくしたまま、大きな負荷を印加し、輝度の高いＸ線を取り出すことができる。

図２は、ターゲットに対する電子線の入射角α１とＸ線の取り出し角β１を示す斜視図である。図２に示すように、ターゲット１５０は、電子線の入射角α１が３°以上２０°以下となるように電子線に対して表面を傾斜させて設置されている。これにより、いわゆるスティグマトールによる電子線の断面形状の調整なしで、焦点サイズを小さくしたまま、ターゲット上の電子ビーム照射面積を広くできる。そして、ターゲットが融点を超える高温になることなく大きな負荷を印加して、輝度の高いＸ線を取り出すことができる。その結果、小型化、簡略化をさらに進めることができる。なお、図２の破線で囲む範囲は、電子線のターゲット１５０への照射範囲を示している。

図２に示す例では、ターゲット１５０の表面に対するＸ線の取り出し角β１が、ターゲットの表面に対する電子線の入射角α１と同程度となる位置にＸ線取出し窓１６０の位置が設置されている。すなわち、取り出し角β１も電子線の入射角α１と同程度に設置されている。電子線の入射角α１、Ｘ線の取り出し角β１としては、たとえば１５°に設定できる。

Ｘ線取出し窓１６０は、Ｘ線取出し窓１６０の表面が電子線ｅ１に概略平行かつターゲット１５０の表面に概略垂直になるようにに設置されていてもよい。Ｘ線発生装置１００では、電子線のターゲット１５０に対する入射角α１が小さく、進行方向に長い範囲に電子線が照射される。その結果、ターゲット１５０の表面に概略平行な方向に放射される線状に広がったラインフォーカスのＸ線をＸ線取出し窓１６０を介して取り出すことができる。

［実施例１］
上記のＸ線発生装置１００、および従来のＸ線発生装置３００を用いて、Ｘ線発生装置１００が、十分な焦点サイズ、Ｘ線強度のＸ線を発生できるかを検証した。

いずれの装置においてもターゲットへの負荷を４５ｋＶ、０．５ｍＡ、すなわち２２．５Ｗとし、同じ温度、大気圧の条件で検証した。また、Ｘ線検出器はいずれの装置に対しても同じものを使用した。また、距離の条件はすべて同じにした。このようにして、発生したＸ線スポットを検出した。このとき、補正コイルにより、電子線の進行方向について焦点位置を調整した。

図３は、補正コイルを十分に操作していないときのＸ線スポットを示す図である。図３に示す例は、２つのアライメントコイルの電流をそれぞれ、７０ｍＡ，１５０ｍＡに設定し、補正コイルの電流を−１００ｍＡとされている場合のＸ線スポットである。

図４は、補正コイルを十分に操作したときのＸ線スポットを示す図である。図４に示す例は、２つのアライメントコイルの電流をそれぞれ、７０ｍＡ，１５０ｍＡに設定し、補正コイルの電流を３００ｍＡに調整した場合のＸ線スポットである。このようにして、補正コイルで電子線の焦点位置を調整し、Ｘ線スポットを小さくし、その強度を大きくして鋭いピークを作ることができた。

図５は、Ｘ線発生装置１００により得られたＸ線スポットである。図６は、図５に示すＸ線スポットの強度分布を示す図である。図５、図６に示すように、強度が大きく十分にサイズの小さいＸ線スポットが得られている。図６では、累積強度分布が９０％の閾値をａとし、５０％の閾値をｂとし、２０％の閾値をｃとし、１０％の閾値をｄとして表している。

図７は、実験結果を示す表である。Ｘ線発生装置１００（表中のExample 1）および従来のＸ線発生装置３００（表中のExample 3）のそれぞれを用いた場合に得られたＸ線スポットの評価を表にまとめたものである。強度、スポットサイズについていずれの装置でもほぼ同じであることが分かる。これにより、従来の装置と比較して、構成を小型化、軽量化したＸ線発生装置であっても、マイクロフォーカスのＸ線源としてＸ線スポットの強度や鋭さについて遜色ないことを実証できた。なお、Ｘ線強度は、Ｘ線強度検出メータの出力電圧値ｍＶで表している。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、ターゲット２５０が金属のバルクで構成されているが、ダイヤモンド上に金属薄膜を形成したものであってもよい。図８は、ダイヤモンド上に金属薄膜を形成したターゲット２５０を示す断面図である。ターゲット２５０は、導電性の材料で円筒状に形成されたホルダ部２５１の上部開口部を塞ぐように円板状のダイヤモンド板２５６が気密に接合され、ダイヤモンド板２５６の表面に導電性材料からなるターゲット用薄膜２５５が設けられている。ターゲット用薄膜２５５は、ホルダ部２５１の側面まで延長して設けられ、ホルダ部２５１に電気的に接続されている。

ホルダ部２５１の開口端は、円筒の内周面の内径よりわずかに大きい内径で段差が形成されており、段差は、ダイヤモンド板２５６の厚さとほぼ同じ高さを有し、ダイヤモンド板２５６を傾斜させて収容できるように設けられている。ダイヤモンド板２５６とホルダ部２５１とは、ろう付け等で接合される。

また、ターゲット用薄膜２５５は、イオンビームスパッタのような薄膜堆積法で形成される。ホルダ部２５１の支持される側の端部も気密に接合されており、その内部にはキャップ２５８が設けられ、キャップ２５８の内部と外部との間で形成される流通路に水等の冷媒を循環できるよう構成されている。ダイヤモンド板２５６の厚さは、３００μｍ〜８００μｍであることが好ましい。

ターゲットは、薄膜に形成され、ダイヤモンド基板上に形成されている。これにより、薄膜に生じた熱をダイヤモンドにより拡散できる。また、電子線の斜入射を前提としているため、ターゲット用薄膜を薄くしても入射電子がターゲットと作用し、十分にＸ線強度が得られる。

［実施例２］
上記のようなターゲット２５０と同等な構成の傾斜のないダイヤモンド板上のターゲット用のＣｕ薄膜に対して、０．１ｍｍ×１．１ｍｍ（＝焦点サイズ）に絞った電子線を連続して照射したところ、５．４ｋＷ／ｍｍ²の負荷で長期間安定したＸ線が得られた。ターゲットの最大負荷は焦点サイズに依存するので、上記値を２０μｍ×８０μｍの焦点サイズに換算すると、４０ｋＷ／ｍｍ²となる。

一方で、バルクＣｕを用いた通常のＣｕターゲットの場合、この値は半分以下である。なお、図９は、Ｘ線発生試験後のＣｕバルクターゲットの表面状態を示す図である。図９に示す例では、４０ｋＶ・１１ｍＡ（＝４４０Ｗ＝４ｋＷ／ｍｍ²）で約１時間負荷をかけたものであり、表面が完全に損傷されていることが分かる。

一方、図１０は、Ｘ線発生試験後のダイヤモンド上のターゲット用のＣｕ薄膜の表面状態を示す図である。図１０に示す例では、４０ｋＶ・１５ｍＡ（＝６００Ｗ＝５．４５ｋＷ／ｍｍ²）で約１００時間負荷をかけたものであり、表面が全く正常状態であることが分かる。なお、焦点サイズは両者とも０．１ｍｍ×１．１ｍｍである。

１００ Ｘ線発生装置
１１０ アライメントコイル
１２０ 永久磁石レンズ
１３０ 補正コイル
２５０ ターゲット
２５１ ホルダ部
２５５ ターゲット用薄膜
２５６ ダイヤモンド板
２５８ キャップ
１６０ Ｘ線取出し窓
ｅ１、ｅ３ 電子線
ｘ１、ｘ３ Ｘ線
α１、α３ 電子線の入射角
β１、β３ Ｘ線の取り出し角

Claims (6)

1. 電子線をターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生装置であって、
   電子線の進行方向に垂直な面上における位置および断面形状を調整するアライメントコイルと、
   前記アライメントコイルの後段に設けられ、中央に孔を有し、前記孔内を通過する電子線を集束させる永久磁石レンズと、
   前記永久磁石レンズの孔内の電子線側に設けられ、前記永久磁石レンズによって生じる電子線の進行方向の焦点位置を補正する補正コイルと、
   前記集束した電子線を当てられるターゲットと、を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記補正コイルは、電子線の進行方向において前記永久磁石レンズの磁場の磁力範囲内に設置されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
3. 前記ターゲットは、前記電子線と前記ターゲットの表面とのなす角度が３°以上２０°以下となるように前記電子線に対して表面を傾斜させて設置されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＸ線発生装置。
4. 前記ターゲットで生じるＸ線を装置外部に取り出すＸ線取出し窓を更に備え、
   前記Ｘ線取出し窓は、前記ターゲットで生じるＸ線と前記ターゲットの表面とのなす角が、前記ターゲットの表面に対する前記電子線と前記ターゲットの表面とのなす角度と同程度となる位置でＸ線を取り出せるように設置されていることを特徴とする請求項３記載のＸ線発生装置。
5. 前記ターゲットで生じるＸ線を装置外部に取り出すＸ線取出し窓を更に備え、
   前記Ｘ線取出し窓は、前記Ｘ線取出し窓の表面が前記電子線に概略平行かつ前記ターゲットの表面に概略垂直になるように設置されていることを特徴とする請求項３記載のＸ線発生装置。
6. 前記ターゲットは、薄膜に形成され、ダイヤモンド基板上に形成されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載のＸ線発生装置。