JP4601994B2 - Ｘ線源及びその陽極 - Google Patents

Description

本発明は、工業製品や生体試料などの内部構造を非破壊的に観察するために用いられるＸ線を発生するＸ線源及びその陽極に関する。

マイクロフォーカスＸ線管において、特に電子源となる熱フィラメントの交換直後のターゲット上の電子ビーム焦点の位置合わせを容易にするための方法が考案されている。その一つは、特許文献１に記載されているように、電子レンズとターゲットとの間のアパーチャ部に中心部に電子ビームが通過する孔が開けられその周囲に分割された電極が設けられたものである。ビーム形状に広がりや偏りがある場合に電子ビームは中心を通過せずに分割された電極に衝突する。電極に流れる電流をモニターしながら電子レンズを電流などにより制御することにより、電子ビームが中心を通過してターゲット上の中心位置にＸ線発生点をあわせることが可能となっている。しかしながら、この方式において、分割電極に衝突する電子数に依存する電流値を最小にする条件においても、ターゲット上の電子ビームのスポットサイズは電子レンズの焦点の絞りの性能を超えて小さくすることは不可能である。

また、特許文献２に示されているように、ターゲット上で電子ビームが集束位置を適切に合わせることを容易にするために、Ｘ線像検出器の出力データをもとに電子レンズを自動的に調節する方式が考案されているが、この方式においては電子ビームのスポットサイズが最小に絞ることまでは自動的に検出することはできないでいる。マイクロフォーカスＸ線源は、ターゲット上で結像する電子ビームのスポットサイズを微小に絞ることにより高い空間分解能で対象物の像を観察しようとするものである。従来のマイクロフォーカスＸ線源においては、ターゲット上でＸ線を発生させる領域の大きさは、ターゲット上の電子ビームのスポットサイズは電子ビームを集束させる電子レンズの性能によって決定づけられている。また、従来の方法では、装置の利用者がターゲット上での電子ビームの焦点の広がりと位置のずれがどの程度であるかを直接的かつ定量的に簡便に計測することができなかった。さらに、マイクロフォーカスＸ線源においては、極めて集束度が高い電子集束機能をもつ電子レンズが必要とされるため、装置のコストが高くなってしまうことが問題であった。
特開２００１−３１９６０８号公報 特開２００３−００４６６８号公報

本発明の目的は、電子ビームのスポットサイズより微小にＸ線焦点を絞ることの可能なＸ線源及びその陽極を提供することにある。

本発明の第１の局面においては、Ｘ線源の陽極は、基体上に第１の金属層と絶縁層と第２の金属層が順に形成され、第１の金属層は第２の金属層を構成する元素の原子番号より大きい原子番号の元素を有し、絶縁層及び第２の金属層には第１の金属層を部分的に露出するための孔が開けられている。
本発明の第２の局面においては、第１の金属層の単位体積当たりの電子数、つまり電子数の体積密度は、第２の金属層の単位体積当たりの電子数、つまり電子数の体積密度より大きく、絶縁層及び第２の金属層には第１の金属層を部分的に露出するための孔が開けられている。
本発明の第３の局面においては、Ｘ線源の陽極は、基体と、基体上に重ねられ電子衝突によりＸ線を発生するためのターゲット層と、ターゲット層上に重ねられる絶縁層と、絶縁層上に重ねられ、ターゲット層を部分的に露出するために絶縁層とともに開口が開けられるシールド層とを具備する。

本発明によれば、電子ビームのスポットサイズより微小にＸ線焦点を絞ることが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１には、本実施形態に係るＸ線源（Ｘ線管ともいう）の断面構造を示している。真空容器１０には陰極１１と陽極８とが、グリッド電極１２、偏向コイル１３、アパーチャ１４、電子レンズ１５とともに収容される。グリッド電極１２は、陰極１１のフィラメントから放出された熱電子又はカーボンナノチューブ等の電界放出型電子源から放出された電子を電子ビーム５に整形する。典型的には４つの偏向コイル１３が、電子ビーム５の中心軸（光軸）の回りに９０°の周期で離散的に配置される。４つの偏向コイル１３は、それらに電流を供給する図示しない偏向コイル制御部とともに偏向部を構成する。４つの電子レンズ（フォーカスコイルともいう）１５は、それらに電流を供給する図示しない電子レンズ制御部とともに電子レンズ部を構成する。

Ｘ線源は、医用分野では、Ｘ線診断装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置等に用いられる。Ｘ線診断装置であれば、Ｘ線源は、例えばＣ形のアームの一端に、他端のイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）又は固体Ｘ線検出器（フラットパネルデテクタ（ＦＰＤ）ともいう）に対向するように取り付けられる。人体用Ｘ線コンピュータ断層撮影装置であれば、Ｘ線源は、回転自在に保持される環状フレームにＸ線検出器とともに取り付けられる。比較的小さな工業部品や生体試料の場合は、Ｘ線源とＸ線検出器は固定し、対象物を回転する台に載せて断層撮影をおこなうこともできる。

図２に図１の陽極８の断面構造を示している。図３には図１の陽極８の平面構造を示している。Ｘ線源のＸ線放射窓を兼ねた基体１上に、第１の金属層２が重ねられる。第１の金属層２は、電子ビーム５の衝突によりＸ線を効果的に発生するためのターゲット層を構成する。陰極１１と陽極８の間の高電圧により高速に加速された電子ビーム５が第１の金属層２に衝突すると、微小な領域で多量の熱を発生する。したがって基体１としては、窓材として利用できるようにＸ線の透過率の高い、すなわち原子番号の比較的小さな元素によって構成された材料であることが必要であるとともに、熱伝導性に優れた材料であることが必要とされる。元素の原子番号は、その元素の原子の持つ電子数に等しいので、原子番号の比較的小さな元素によって構成された材料であるということは、単位体積当たりの電子数、すなわち電子数の体積密度が小さい材料であるとも言うことができる。このような材料として、例えばダイヤモンド、グラファイト、ベリリウム、アルミニウムのような単一の元素で構成された単体の材料や、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化珪素のような化合物の材料があり、その中から基体１の材料として選択的に用いられる。

第１の金属層２は、タングステンやモリブデンなどの原子番号の比較的大きな元素の単一素材又はその元素を含む複合材料から構成される。第１の金属層２の上には、原子番号の比較的小さな元素からなる絶縁層３が重ねられる。絶縁層３としては、電気的な絶縁が可能で耐熱性があり、蒸気圧が低い物質であることが必要とされ、二酸化珪素、窒素アルミニウム、ダイヤモンドなどの材料が好ましい。

絶縁層３の上に、チタンなどの原子番号の比較的小さな元素の単一素材又はその元素を含む複合材料から構成される第２の金属層４が重ねられる。同一条件のもとで第２の金属層４で発生するＸ線の量が第１の金属層２で発生するＸ線の量よりも少なくなるように、第２の金属層４を構成する又は主に構成する元素の原子番号は、第１の金属層２を構成する又は主に構成する元素の原子番号よりも小さい。あるいは、第２の金属層４の電子数の体積密度は、第１の金属層２の電子数の体積密度よりも小さい。好ましくは、第２の金属層４ではほとんどＸ線が発生しないように、第２の金属層４を構成する又は主に構成する元素が選定される。第２の金属層４は、開口部分を除き電子ビーム５から第１の金属層２を遮蔽するためのシールド層として設けられている。

第２の金属層４と絶縁層３の略中央には、微小な略円形の開口部（孔ともいう）６が開けられている。開口部６はエッチング加工によって形成される。開口部６の中心が電子ビーム５の中心軸上に位置するように陽極８が電子ビーム５の中心軸に対してアライメントされている。典型的には開口部６は単一であるが、電子ビーム５の中心軸の近傍に複数個設けられていても構わない。このようにすると、開口部が電子ビームにより熱的に損傷していく場合に、複数の開口部の中から電子ビームの偏向により損傷していない開口部を選択することで、陽極の寿命を実質的に延ばすことができる。開口部６は、電子レンズ１５で小さく絞り込むことのできる電子ビーム５のスポット２６の限界径よりも短い径で形成される。第２の金属層４と絶縁層３に開口部６が開けられたことにより、開口部６に対応する第１金属層２の一部表面が陰極１１に対して露出される。

陽極８に到達した電子ビーム５は第２の金属層４で遮蔽され、開口部６を通過して第１の金属層２の一部表面に衝突する。電子ビーム５が衝突した第１の金属層２の一部表面においてＸ線が発生する。従って、Ｘ線が発生するＸ線焦点は、電子ビーム５のスポット径よりも小さいサイズに実現され得る。

つまり、電子ビーム５を陽極８に照射すると、開口部６を通過してその底部、つまり第１の金属層２の表面まで到達した電子は、原子番号の大きな第１の金属層２に衝突してＸ線を発生する。一方、電子ビーム５のスポット２６が開口部６より広がっている場合、電子ビーム５は原子番号の小さな第２の金属４にも衝突する。この場合はＸ線の発生が少ないため、Ｘ線の発生領域はほぼ開口部６の底部の面積に依存する。したがって、あらかじめフォトリソグラフィーまたは電子ビーム露光を用いて形成された開口部６の大きさを、電子ビーム５のスポット２６のサイズより、小さく加工することにより、マイクロフォーカスＸ線装置において装置のビームフォーカスの性能を超えたＸ線発生領域の微小化をおこなうことができる。

第１の金属層２と第２の金属層４とは、絶縁層３を挟んで隔てられているため、電気的に絶縁されている。Ｘ線源の窓材を兼ねた基体１は筺体１０から電気的に絶縁され、Ｘ線ビーム５の中心軸の中心において、エッチング加工によって第２の金属層４と絶縁層３が除かれて第１の金属層２が表面に露出された開口部６に衝突する電子ビーム５の電流量が検出できるように電流計２５が接続されている。したがって、第１の金属層２と第２の金属層４に衝突する電子ビームの強度比は、それぞれの金属層２，４からグランドへ流れる電流をモニターすることにより検知することができる。例えば、Ｘ線の発生がほとんど０である場合には、第１の金属層２からグランドへ流れる電流が０であり、電子ビーム５が開口部６の位置から反れていることが電流によって検知される。電子ビーム５のスポット径が開口部６の径より広がっている場合には、第１の金属層２および第２の金属層４からそれぞれグランドへ流れる電流の比が電子ビーム５のスポット２６のサイズの大きさを反映した量としてモニターされる。電子ビーム５がこのような光軸中心に開口部６が開けられた第１の金属層２に衝突するとき、その元素の原子番号が大きいため効率良くＸ線が発生する。開口部６の周囲の第２の金属層４に衝突した電子は、第２の金属層４の原子番号が小さいため、Ｘ線の発生量は少ない。したがって、電子ビーム５が開口部６の大きさよりも広がっている場合においても、Ｘ線の発生領域（Ｘ線焦点）の大きさはあらかじめエッチング加工により作製された開口部６の径にほぼ等しいものとなる。

しかしながら、電子ビーム５のスポット２６の位置が開口部６の位置からどの向きにどの程度にずれているかは、この情報だけから得ることはできない。それを解決するために、図３に示したように、第２の金属層４が、開口部６で交差する複数本、ここでは２本の溝１９，２０により４つの部分４−１，４−２，４−３，４−４に分割されている。

溝１９，２０は絶縁層３にも到達しており、溝１９，２０では第１の金属層２の表面が露出している。溝１９，２０は、第２の金属層４およびその下の絶縁層３をエッチング加工により除去することで形成され、最表面は第１の金属層２になっている。この溝１９，２０により、第２の金属層４からなる電極部分４−１，４−２，４−３，４−４は、電気的に分離されている。これら４−１，４−２，４−３，４−４には、電子ビーム５がそれぞれの電極４−１，４−２，４−３，４−４に衝突して流れる電流量が検出できるようにそれぞれ電流計２１，２，２３，２４が接続される。電流計２１，２，２３，２４で検出される電流値を、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４と表記する。

これら電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の比較結果によって、開口部６の中心に対する電子ビーム５のスポット２６の中心のずれの向きと距離を特定することができる。図示しない偏向コイル制御部は、電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４に基づいて、ずれの向きと距離を特定するとともに、特定したずれの向きと距離に応じた電流を４つの偏向コイル１３にそれぞれ供給することにより開口部６の中心に対して電子ビーム５のスポット２６の中心を動的に合わせる。図３の中心の座標を（０，０）として、具体的に説明する。

まず、図３のＸ方向のずれは、電流Ｉ１と電流Ｉ３の合計と、電流Ｉ２と電流Ｉ４の合計との比較によって特定することができる。まず、電流Ｉ２と電流Ｉ４の合計がほとんど０である場合には、電子ビーム５はほとんど中心（０，０）からはずれた（Ｘ＜０）の領域に当たっていることがわかる。したがって、Ｘ方向に関する対の偏向コイル１３に流す電流を電子ビーム５がＸ＞０に漸次移動していくように制御する。電子ビーム５のスポット２６の中心のＸ座標がほぼ０に近づくと、電流Ｉ２と電流Ｉ４の合計が０でなくなり、電流Ｉ１と電流Ｉ３の合計の値と同じ程度の値になる。この状態で、電流Ｉ１と電流Ｉ３の合計が電流Ｉ２と電流Ｉ４の合計より高い場合は、電子ビーム５のスポット２６の位置がＸ＞０の方向に移動するように偏向コイル１３の電流を制御し、逆に電流Ｉ１と電流Ｉ３の合計が電流Ｉ２と電流Ｉ４の合計より低い場合は、Ｘ＜０の方向に移動するように偏向コイル１３の電流を制御する。

Ｙ軸方向の電子ビーム５のスポット２６の位置の制御も同様に行われる。すなわち、電流Ｉ１と電流Ｉ２の合計が電流Ｉ３と電流Ｉ４の合計より高い場合は、Ｙ＜０の方向にビームスポット２６が移動するように偏向コイル１３に電流を供給する。反対に、電流Ｉ１と電流Ｉ２の合計が電流Ｉ３と電流Ｉ４の合計より低い場合は、Ｙ＞０の方向にビームスポット２６が移動するように偏向コイル１３を制御する。

図示しない電子レンズ制御部は、第１の金属層２に接続された電流計２５によって検出される電流値Ｉ０と、分割された第２の金属層４の電極部分４−１，４−２，４−３，４−４に接続されている電流計２１，２２，２３，２４によって検出される電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の合計とに基づいて、電子ビーム５のスポット２６のサイズを特定することができる。また、電子レンズ制御部は、特定した電子ビーム５のスポット２６のサイズが所定の径、典型的には電子レンズ１５の集束性能上の限界径に実質的に達していないとき、電子ビーム５のスポット２６が限界径に達するように、電子レンズ１５に流す電流を制御することができる。電子ビーム５のスポット２６が限界径に接近すると、それに伴って、電流計２１，２２，２３，２４によって検出される電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の合計が低下し、第１の金属層２に接続された電流計２５によって検出される電流値Ｉ０が高くなる。電子ビーム５のスポット２６が限界径に達したとき、電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の合計と、電流Ｉ０との差が所定値になる。電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の合計と、電流Ｉ０との差が所定値に一致する又は近似するように電子レンズ１５に流す電流を制御することにより、電子ビーム５のスポット２６のサイズを最小化することができる。

本実施形態によれば、Ｘ線を発生するＸ線源としての焦点を、加速された電子が陽極ターゲットに衝突する領域よりも微小に絞ることができ、空間分解能の高いマイクロフォーカスＸ線源を構成することができる。そのため、電子ビームのフォーカス能力が低い電磁レンズを用いることができ、装置のコストを下げることができる。また、分割されたターゲット上のそれぞれの電極に流れる電流値をモニターすることにより、ターゲット上のＸ線源の発生点をあらかじめ定めた一定の場所に制御することができ、電子ビームの焦点の位置合わせを容易におこなうことができる。さらに、ターゲット上での電子ビームのスポットサイズをもモニターし、制御することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施形態によるＸ線源の断面構造を示す図。 図１の陽極の断面図。 図１の陽極の平面図。

符号の説明

１…基体、２…第１の金属層（ターゲット層）、３…絶縁層、４…第２金属層（シールド層）、５…電子ビーム、６…Ｘ線焦点、７…Ｘ線ビーム、８…陽極、１０…Ｘ線管容器、１１…陰極、１２…グリッド電極、１３…偏向コイル、１４…アパーチャ、１５…電子レンズ。

Claims (12)

1. 基体上に第１の金属層と絶縁層と第２の金属層が順に形成され、前記第１の金属層は前記第２の金属層を構成する元素の原子番号より大きい原子番号の元素を有し、前記絶縁層及び前記第２の金属層には前記第１の金属層を部分的に露出するための孔が開けられていることを特徴とするＸ線源の陽極。
2. 基体上に第１の金属層と絶縁層と第２の金属層が順に形成され、前記第１の金属層の単位体積当たりの電子数は、前記第２の金属層の単位体積当たりの電子数より大きく、前記絶縁層及び前記第２の金属層には前記第１の金属層を部分的に露出するための孔が開けられていることを特徴とするＸ線源の陽極。
3. 基体と、
   前記基体上に重ねられ、電子衝突によりＸ線を発生するためのターゲット層と、
   前記ターゲット層上に重ねられる絶縁層と、
   前記絶縁層上に重ねられ、前記ターゲット層を部分的に露出するために前記絶縁層とともに開口が開けられるシールド層とを具備することを特徴とするＸ線源の陽極。
4. 前記ターゲット層は、前記シールド層を構成する元素の原子番号より大きい原子番号の元素を有することを特徴とする請求項３記載のＸ線源の陽極。
5. 前記ターゲット層の単位体積当たりの電子数は、前記シールド層の単位体積当たりの電子数より大きいことを特徴とする請求項３記載のＸ線源の陽極。
6. 前記シールド層は、前記開口において交差する複数本の溝により電気的に分離された複数の部分を有することを特徴とする請求項３記載のＸ線源の陽極。
7. 陰極と、
   電子発生部と、
   前記電子発生部で発生された電子が前記陰極との間の高電圧により加速され衝突することによりＸ線を発生する陽極とを具備し、
   前記陽極は、
   基体と、
   前記基体上に重ねられ、電子衝突によりＸ線を発生するためのターゲット層と、
   前記ターゲット層上に重ねられる絶縁層と、
   前記絶縁層上に重ねられ、前記ターゲット層を部分的に露出するために前記絶縁層とともに開口が開けられるシールド層とを具備することを特徴とするＸ線源。
8. 前記ターゲット層は、前記シールド層を構成する元素の原子番号より大きい原子番号の元素を有することを特徴とする請求項７記載のＸ線源。
9. 前記ターゲット層の単位体積当たりの電子数は、前記シールド層の単位体積当たりの電子数より大きいことを特徴とする請求項７記載のＸ線源。
10. 前記シールド層は、前記開口において交差する複数本の溝により電気的に分離された複数の部分を有することを特徴とする請求項７記載のＸ線源。
11. 前記電子衝突により前記複数の部分に流れる電流をそれぞれ計測する複数の電流計をさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のＸ線源。
12. 前記複数の電流計で計測した電流値に基づいて前記電子を偏向する偏向部をさらに備えることを特徴とする請求項１１記載のＸ線源。

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