JP2013232308A

JP2013232308A - Ｘ線管

Info

Publication number: JP2013232308A
Application number: JP2012102986A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Otani; 良一大谷
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14

Abstract

【課題】起動してから動作可能なまでの時間を短縮する。
【解決手段】Ｘ線を透過発生するターゲットを備えた真空容器とこの真空容器に収納されターゲットに電子ビームを衝突させる電子銃を具備するＸ線管において、電子銃は、電子を発生する陰極とこの陰極から電子を引き出しこの電子を通過させる電子通過孔２２ａを形成した引出電極２２とこの引出電極により引き出された電子を電子ビームに収束させる静電レンズを形成する電極とを有しており、引出電極２２は電子通過孔２２ａを有する中央領域１００とこの中央領域の周囲に形成され支持体により支持される周辺領域１０１とからなり、前記周辺領域に複数の開口１０２が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、微小焦点を有するＸ線管に関する。

微小焦点を有するＸ線管は、対象物の微小領域や微小対象物を高分解能で検査する非破壊検査装置などに広く利用されている。このＸ線管は、Ｘ線透過型のターゲットを用いターゲット表面からμｍオーダ径以下のＸ線源を生成する。

このターゲットに電子銃ユニットが組み合わされて、このユニットから発生される電子ビームをターゲット表面に集束させて０．１μｍの微小焦点のＸ線源が得られるまでになっている。

電子銃ユニットは電子を発生する陰極から電子ビームが通過する管軸すなわち基準軸に沿ってそれぞれ電子通過孔を有する抑制電極、引出電極、加速電極、収束電極、ＮＡアパチャー電極からなり、Ｘ線ターゲットに向けて配置される。上記加速電極、収束電極およびＮＡアパチャー電極が静電レンズを形成し電子ビームをターゲットに集束する。

陰極は電子顕微鏡などにも汎用的に利用されている熱電界放出型（ＴＦＥ）電子源を用いるのが一般的である。

特開２００７−１８８４３１号公報

このＴＦＥ電子源では、通電加熱されるフィラメントの先端に、電子放出点すなわちエミッタチップが接合されており、エミッタチップの先端が最適温度（約１５００℃）になったときに所定の電子ビーム電流が安定に得られるという特徴がある。そのため、このような微少な電子源では最適温度に達するまでに電子源近傍の電極等の構造物も加熱されて熱平衡状態となることが必要である。フィラメントに定格よりも過大電流を流してエミッタチップを過熱することで、所定温度まで輻射で周囲の電極を加熱し熱平衡を促進することが可能であるが、この過加熱はエミッタの寿命低下が起こすほか、エミッタチップの状態の悪化を招き動作が不安定になる。このため定格フィラメント電流のみでエミッタチップやその周辺の電極を加熱するがエミッタの先端が最適温度に至って安定するまでに要する時間は通常２時間以上かかる。それまでは焦点位置、サイズが安定しないため、実際にＸ線を用いて検査測定するまでにはこのような待機時間が必要になる。この待機時間の短縮化をはかるのが課題である。

本実施形態のＸ線管は、Ｘ線を透過発生するターゲットを備えた真空容器とこの真空容器に収納された電子銃を具備するＸ線管において、前記電子銃は、電子を発生する陰極とこの陰極から電子を引き出しこの電子を通過させる電子通過孔を形成した引出電極とこの引出電極により引き出された電子を前記電子ビームに収束させる静電レンズを形成する電極とを有しており、前記引出電極は前記電子通過孔を有する中央領域とこの中央領域の周囲に形成され支持体により支持される周辺領域とからなり、前記周辺領域に複数の開口が設けられている。

第１の実施形態の略縦断面図。第１の実施形態の一部の略断面図。第１の実施形態の動作を説明する略図。第１の実施形態の引出電極を説明する平面図。第２の実施形態の引出電極を説明する平面図。第３の実施形態の引出電極を説明する平面図。第１の実施形態を説明する曲線図。

（第１の実施形態）
本実施形態を図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３および図６を参照して説明する。本実施形態のＸ線管１０は円筒状の真空容器１１に備えたＸ線透過型のターゲット１２と真空容器１１内に電子銃１３を収容して構成されている。

ターゲット１２は電子銃１３側の面に電子ビームが衝突することによりＸ線を発生し他の面からすなわち真空容器１１外側にＸ線を放射するもので、原子数の大きな金属例えばタングステン板で形成される。ターゲット１２は真空容器１１の一端面を形成するターゲット支持板１４の中央で支持され、ターゲット自体が真空容器の一部を兼ねている。なお軟Ｘ線例えば特性Ｘ線を利用する場合、ターゲットにタングステン以外の金属を用いることもできる。

電子銃１３は真空容器１１の内部に収容され内壁で固定され、真空容器１１の他端面に設置されるステム１５から各電極に電圧が印加されて、電子を収束して電子ビームとしターゲットに衝突させる。電子銃１３は管軸ｍに沿って、陰極２０、抑制電極２１、引出電極２２、加速電極２３、収束電極２４、ＮＡアパチャー電極２５を配列して構成され、加速電極２３、収束電極２４およびＮＡアパチャー電極２５で単電位型静電レンズを形成している。各電極２１〜２５は陰極２０からを放出された電子が通過する電子通過孔２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａを備えている。

陰極２０は通電により加熱されるフィラメント２０ａとその折り曲げた先端に溶接したエミッタチップ２０ｂで構成されており、エミッタチップ２０ｂはタングステンなどの高融点金属やまたその表面を電子放出物質で処理した構造で、ＴＦＥ（Thermal Field Emission：熱電界放出型）電子源である。

抑制電極２１は陰極２０を基準にして負電位に印加されてエミッタチップ先端が配置される電子通過孔２１ａを有してその他の部分を覆い、エミッタチップ２０ｂから放出される電子を制御する。さらにチップ先端から放出される電子を管軸ｍすなわち基準軸ｍ上に絞り、チップ周辺から放出される電子を抑制する。

引出電極２２は陰極２０に対して正電圧が印加され、エミッタチップの先端から放出される電子を引き出すように構成されている。引出電極２２の中心には、電子ビームが通過する円形の電子通過孔２２ａが形成されており、エミッタチップ先端に対して電子通過孔２２ａ中心が高い精度でアライメントされる。引出電極２２の外縁は金属支持筒３２によりセラミック絶縁体３１に固定される。金属支持筒３２は筒壁に排気を円滑にするための開口部が形成されている。

このようにして陰極２０は絶縁体を介して抑制電極２１および引出電極２２に絶縁して取り付けられ、電子銃１３に組み込まれている。

図３を参照して説明すると、引出電極２２はオーステナイト系ステンレス鋼の金属円板で、中心に電子が通過する電子通過孔２２ａを形成した中央領域１００とフランジとなる周辺領域１０１とを有している。周辺領域１０１は中央領域１００を囲んで複数の開口１０２（図示では８個）が設けられ、質量は約１／２に低下可能となる。

図１Ｂに示すように、中央領域１００の半径はエミッタチップ先端部の電界に影響を与えない範囲を含めばよく、一例として、エミッタ先端から放射角θが約１７０度の領域で引出電極２２の機能を要しているため、その外側域は引出電極中央領域を支持する構造であればよく、中央領域１００を最小約８ｍｍとすれば機能する。これらの開口１０２の存在により周辺領域は開口間に梁１０３だけが形成される。したがって梁構造で中央領域１００が支持されるため引出電極の熱容量が開口のない場合よりも小さくなり、Ｘ線管動作の立ち上げ時にエミッタチップから放射された輻射熱により引出電極２２の温度が所定動作温度に到達し電子ビームスポットが安定するまでの時間が短縮される。

加速電極２３は、引出電極２２よりさらに高い正電圧が印加され、引出電極２２によって引き出された電子ビームを加速するように構成されている。加速電極２３の中心には、電子ビームが通過する円形の電子通過孔２３ａが形成されている。

収束電極２４は、加速電極２３とＮＡアパチャー電極２５に挟まれた空間に配置される。加速電極２３とＮＡアパチャー電極２５を同電位にしたときに収束電極２４はこれらの電極と異なる正電位に印加され、これらの電極２３，２４，２５によって電子ビームを収束する単電位型の静電レンズが形成される。収束電極２４の中心には、電子ビームが通過する円筒の電子通過孔２４ａが形成される。

ＮＡアパチャー電極２５は加速電極２３と同電位にされて静電レンズの一部を形成し、静電レンズの出口側に配置されており、ＮＡアパチャー電極２５中心に電子ビームを絞り込む円形の電子通過孔２５ａが形成されてさらに収束された電子ビームの周辺部をカットする。

これら陰極２０、抑制電極２１、引出電極２２、加速電極２３、収束電極２４は互いに絶縁状態で各電子通過孔が基準軸ｍに対して高精度に位置合わせされセラミックスの環状または筒状の絶縁支持体３１，３３，３４により支持される。さらに、ＮＡアパチャー電極２５は加速電極２３の周辺領域に金属の支持体３５により高精度に支持されて、電子銃ユニットを構成する。この構成で、エミッタチップの先端と、引出電極、加速電極、収束電極およびＮＡアパチャー電極の電子通過孔中心は基準軸ｍに対して１００μｍ以下、一般的な高精度加工技術を適用すれば、５０μｍ以下の精度をもたせることができる。

このようにして構成された電子銃１３の各電極はセラミック絶縁体のステム１５に植設された筒状または柱状の導入端子３６〜４０に接続される。引出電極２２は金属筒体３２および金属フランジ３０を介して導入端子３９に接続される。電子銃１３は、電子銃ユニットとして加速電極２３の外周に周辺領域を突出して形成した支持フランジ２３Ａを、真空容器内壁に取り付けることにより装着され真空容器１１に収納される。ステム１５外周と真空容器１１側壁の他端面とが封着されて真空容器が作製され、電子銃１３の動作に必要な到達真空度になるまで真空容器１１が加熱脱ガスされ真空排気後、封じ切る措置が取られてＸ線管１０が完成する。

本実施形態の構成材料は金属部分が陰極およびターゲットを除いてはオーステナイト系ステンレス鋼である。すなわち各電極は電子通過孔の位置精度、垂直度、耐震動正、耐温度性能などから、耐熱性と、超高真空下で利用可能な金属が必要であり、ステンレス鋼を用いることが好ましい。またステムおよび各電極の絶縁支持はアルミナなどのセラミックスにすることが好ましい。

図３に示すように、引出電極２２は電子通過孔２２ａを有する中央領域１００とその外周の周辺領域１０１からなるが、本実施形態では引出電極材質をＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼とし、電子通過孔２２ａを精密に形成するために、中央領域１００と周辺領域１０１を分離して製造する。あらかじめ電子通過孔を精密に形成した金属円板からなる中央領域１００を、開口を設けた周辺領域１０１に一体に接合して組み立てている。一例として中央領域１００の厚みは０．３ｍｍ、周辺領域１０１の厚みは１．０ｍｍ、周辺領域を外縁で支持する金属支持筒３２の厚みは１．０ｍｍである。また電子通過孔２２ａの径は０．６ｍｍ、引出電極の中央領域１００の径は約８ｍｍ、周辺領域１０１の径は約２５ｍｍ、開口１０２は基準軸から半径１６ｍｍの部分に中心をもつ例えば６ｍｍ径の円孔である。

静電レンズを形成する加速電極２３、収束電極２４、ＮＡアパチャー電極２５もそれぞれ中央領域と周辺領域を別個に製造し最終的に一体に接合する。加速電極２３およびＮＡアパチャー電極２５の中央領域を金属円板で形成し、収束電極２４の中央領域を金属筒体で形成している。各電極の周辺領域は別個に製造することで高精度加工上の制約が緩和される。

なお変形例として各電極の中央領域とフランジになる周辺領域を同一円板で形成することができる。

図２に示すように、Ｘ線管１０の電子銃１３の各電極への電圧供給は電源４１にケーブル４２を接続して供給される。一例として陰極２０を基準電圧０Ｖとすると、抑制電極２１に−５００Ｖ（Ｖ１）、引出電極２２に５ｋＶ（Ｖ２）、加速電極２３、ＮＡアパチャー電極２５およびターゲット１２に３０ｋＶ（Ｖ３）、収束電極２４には約５００Ｖ（Ｖ４）を印加する。真空容器１１もターゲット１２と同電位である。通常、真空容器を接地電位にするので、陰極２０の基準電位は相対的に−３０ｋＶになる。なおこれらの印加電圧はＸ線管に要求される動作に対応して可変される。

Ｘ線管１０の起動時は電源４１から陰極フィラメントに電流例えばフィラメント抵抗値を１Ωとするとき一例として２．５Ａを流して加熱する。エミッタチップが加熱され、輻射熱で抑制電極２１および引出電極２２が加熱される。エミッタチップが１５００℃になり、電極の電子通過孔や間隔寸法も熱平衡状態になると、電子ビームのターゲット面の焦点が安定するので各電極に電圧を印加してＸ線を発生できる状態になる。

エミッタチップ先端から引出電極２２によって引き出された電子ビームが、加速電極２３によって加速され、収束電極２４によって収束され、ＮＡアパチャー２５を通過してターゲット１２の表面に入射する。ターゲットの表面には電子ビームの焦点（収束スポット）が形成され、そこで発生するＸ線がターゲット１２を透過して容器外部に放出される。対象物４３を透過したＸ線はＸ線平面検出器等の検出器４４等で可視画像に変換される。

図６はＸ線管の動作に至る待機時間を、本実施形態の引出電極の一例の特性Ａと、周辺領域に開口のない円板単板で形成された引出電極構造の比較例の特性Ｂとを比較して示す曲線図を示している。比較例の立ち上がり時間が２時間以上かかるのに対して、本実施形態では約１時間の短縮になっている。

（第２実施形態）
本実施形態は図４に示すように第１実施形態と異なる部分は引出電極２２の周辺領域１０１形状にある。他は同じ構造である。本実施形態では複数の開口１０４を扇形状にし、金属梁１０５部分を車輪のスポークのようにハブに相当する内側環状体１０６から、半径方向に放射状に延ばし周縁部である外側環状体１０７に接続したものである。金属梁１０５は中央領域側で細く周縁で太く形成されている。

梁構造により開口面積を拡げることができ、引出電極の周辺領域の熱容量を減らすことができるため、起動から熱平衡に至る安定なＸ線焦点が得られるまでの時間を短縮することができる。

（第３実施形態）
図５に示すように、本実施形態は引出電極２２の周辺領域１０１の梁１０８をセラミックスの絶縁性梁で形成したものである。他の部分は第２実施形態と同様の構成である。すなわち周辺領域１０１は中央領域１００に接する金属の内側環状体１０６と周縁で支持筒３２に固定される外側環状体１０７の間に絶縁性梁１０８を半径方向に延長しており、梁の間には複数の開口１０４を有している。中央領域１００を熱容量の小さな（比熱×質量ではステンレス金属よりも約６３％に低減できる）セラミックスの絶縁性梁１０８で支持することによって、周辺領域が金属で形成される構造よりもエミッタチップの輻射熱による熱平衡をより短時間に達成することができる。

中央領域１００の電気的接続は接続線１０９を用いて周縁の金属支持筒３２に接続することで得られる。また梁の表面に金属被覆を施して、接続線にすることができる。

以上の実施形態は引出電極の支持体を金属支持筒で形成しているが、絶縁筒体で形成することもできる。また、電子銃を単電位型で説明したが複数電位型など他の型の電子銃にも同様に適用することができるものである。

また以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０：Ｘ線管
１１：真空容器
１２：ターゲット
１３：電子銃
１４：ターゲット支持板
１５：ステム
２０：陰極
２０ａ：フィラメント
２０ｂ：エミッタチップ
２１：抑制電極
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ：電子通過孔
２２：引出電極
２３：加速電極
２４：収束電極
２５：ＮＡアパチャー電極
３１，３３，３４：絶縁体
３２：金属支持筒
３６，３７，３８，３９，４０：導入端子
４１：電源
４２：ケーブル
４３：対象物
４４：検出器
１００：中央領域
１０１：周辺領域
１０２，１０４：開口
１０３，１０５：金属梁
１０６：内側環状体
１０７：外側環状体
１０８：絶縁性梁
１０９：接続線

Claims

Ｘ線を透過発生するターゲットを備えた真空容器とこの真空容器に収納され前記ターゲットに電子ビームを衝突させる電子銃を具備するＸ線管において、前記電子銃は、電子を発生する陰極とこの陰極から電子を引き出しこの電子を通過させる電子通過孔を形成した引出電極とこの引出電極により引き出された電子を前記電子ビームに収束させる静電レンズを形成する電極とを有しており、前記引出電極は前記電子通過孔を有する中央領域とこの中央領域の周囲に形成され支持体により支持される周辺領域とからなり、前記周辺領域に複数の開口が設けられていることを特徴とするＸ線管。
前記周辺領域は前記開口間に複数の梁を具備していることを特徴とする請求項１記載のＸ線管。
前記複数の梁が金属で形成されていることを特徴とする請求項２記載のＸ線管。
前記複数の梁が絶縁体で形成されていることを特徴とする請求項２記載のＸ線管。