JP5614854B2

JP5614854B2 - 電子銃、ｘ線発生装置及びｘ線測定装置

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Publication number: JP5614854B2
Application number: JP2012072552A
Authority: JP
Inventors: 野々口　雅弘; 雅弘野々口; 栗林　勝; 勝栗林; 将史影山
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Filing date: 2012-03-27
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Description

本発明は、陰極で発生した電子の進行をウエネルト電極によって制御する構成を有したＸ線発生装置に関する。

一般にＸ線発生装置においては、陰極で発生した電子を対陰極に衝突させる。対陰極において電子が衝突した領域がＸ線焦点となる。そして、このＸ線焦点からＸ線が発生する。このＸ線発生装置において、電子の進行経路上にウエネルト電極を配置し、このウエネルト電極によって電子の進行方向を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に示されたＸ線発生装置は、本明細書に添付の図１６に示すように、開口面積が大きい第１ウエネルト電極１０１と、開口面積が小さい第２ウエネルト電極１０２とを有している。陰極（フィラメント）１０３は第２ウエネルト電極１０２の開口の中に配置されている。対陰極（ターゲット）１０４と陰極１０３との間に電圧Ｖ１が印加されている。ウエネルト電極１０１，１０２と陰極１０３との間に電圧Ｖ２が印加されている。

陰極１０３に通電がなされると、陰極１０３は発熱して熱電子Ｅを発生する。熱電子Ｅは、第１ウエネルト電極１０１及び第２ウエネルト電極１０２によって形成された電界によって進行方向を制御されながら、電圧Ｖ１によって加速されて対陰極１０４に衝突する。電子が衝突した領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が放射される。

特開２００７−１１５５５３号公報（第５〜６頁、図７）

上記の従来のＸ線発生装置においては、陰極としてコイル状のタングステンフィラメントを用いていた。また、第１ウエネルト電極１０１と第２ウエネルト電極１０２は１つの電極部材によって一体部品となっていた。陰極は、継続して使用すると劣化するので、必要に応じて交換を行う。この交換の際には、図１６において、ウエネルト電極１０１，１０２をＸ線発生装置内の所定位置に配置したままで、陰極１０３を第２ウエネルト電極１０２から取り外し、その後、新たな陰極１０３を第２ウエネルト電極１０２の内部に取り付けていた。

陰極１０３の形状が大きくて、しかも第２ウエネルト電極１０２に対する陰極１０３の位置精度がそれ程厳しく無い場合には、そのような従来の交換方法を支障なく適用できる。しかしながら、最近では小型で高輝度の電子源が要求されており、そのような電子源においては、陰極を小型に形成すること、及び第２ウエネルト電極に対する陰極の位置精度を高く規定することが必要となって来ている。

このような場合に上記の従来の交換方法、すなわち、ウエネルト電極１０１，１０２をＸ線発生装置内の所定位置に配置したままで、陰極１０３を第２ウエネルト電極１０２から取り外し、その後、新たな陰極１０３を第２ウエネルト電極１０２の内部に取り付けるという方法を採用した場合には、ウエネルト電極１０１，１０２に対して陰極を所望の位置精度で配置することが不可能であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、陰極をウエネルト電極に対して高い位置精度で配置することができる電子銃、Ｘ線発生装置、及びＸ線測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電子銃は、電子を放出する陰極と、電子を通過させるための第１の孔を備えた第１ウエネルト電極と、前記陰極及び前記第１の孔に対して所定位置に配置された第２の孔を備えており前記第１ウエネルト電極よりも前記陰極に近い位置に設けられた第２ウエネルト電極と、前記陰極及び前記第２ウエネルト電極は１つの組立体内に含まれていて一体になっており、前記組立体は前記第１ウエネルト電極に対して着脱可能であることを特徴とする。

本発明によれば、陰極及び第２ウエネルト電極を含む組立体が第１ウエネルト電極に対して着脱可能である。そして、単体となった状態の組立体において第２ウエネルト電極に対する陰極の位置調整を行うことができる。このため、陰極の構成要素であるエミッタの形状が非常に小さくて、そのエミッタを第２ウエネルト電極に対して厳しい許容差範囲内の位置に置かなければならない場合でも、そのエミッタを所望の位置に容易に且つ正確に置くことができる。

本発明に係る電子銃において、前記第１ウエネルト電極の第１の孔の開口面積は前記第２ウエネルト電極の第２の孔の開口面積よりも大きく設定することができる。この構成により、陰極から放出された電子の方向制御を、第１ウエネルト電極及び第２ウエネルト電極によって正確に行うことができる。

本発明に係る電子銃において、前記陰極は、発熱するヒータ部と、前記ヒータ部によって加熱されて電子を放出するエミッタとを有する構成とすることができる。そして、前記エミッタは前記第２ウエネルト電極の第２の孔に挿入することができる。

この構成は、線状でコイル状のフィラメントによって陰極を構成するのでは無く、いわゆる傍熱型の陰極を用いることを内容とする構成である。ヒータ部はガラス状カーボン等によって形成でき、エミッタはＬａＢ_６、ＣｅＢ_６等によって形成できる。傍熱型の陰極は、線状でコイル状のフィラメント陰極に比較して、ヒータ電流を小さくでき、簡単に取り替えることができ、しかも寸法精度を容易に高くできる。

本発明に係る電子銃において、前記第２ウエネルト電極の電子が出る側の面は長方形状とすることができる。そして、前記組立体は、第２ウエネルト電極における電子が出る側の面の反対側に設けられた電極軸支持部材と、当該電極軸支持部材によって支持されて前記電子が出る側の面に沿って延在している電極軸とを有することができる。そして、前記陰極が前記電極軸に固定された状態で、前記陰極のエミッタを前記第２ウエネルト電極の第２の孔に対する所定位置に配置することができる。この構成により、組立体を簡単で安定した構造とすることができる。

本発明に係る電子銃において、前記陰極は前記電極軸の一端にネジによって固定することができる。また、前記電極軸の他端に端子ブロックを設け、当該端子ブロックに電力供給系の端子を取外し可能に接続することができる。
この構成により、電子銃を小型に形成することができ、しかも電力（すなわち、電圧及び電流）を受け取るための構成を小型で安定した構造にすることができる。

本発明に係る電子銃は、前記組立体及び前記第１ウエネルト電極を覆うウエネルトカバーと、当該ウエネルトカバーに固定された取付部とを有することができる。この取付部は、他の部材（例えば、台座）に取り付けられて所定位置に配置される。この構成により、作業者による組立体の取り扱いが容易となる。

次に、本発明に係るＸ線発生装置は、電子銃と、これに対向している対陰極とを有するＸ線発生装置であって、その電子銃は以上に記載した構成の各電子銃であり、当該電子銃は前記対陰極に対する所定位置に対して着脱可能であることを特徴とする。
このＸ線発生装置によれば、電子銃の交換及び電子銃内の陰極の交換を容易に行うことができ、しかも電子銃の構成要素である陰極を常にＸ線発生装置内の所望の位置に正確に置くことができる。

次に、本発明に係るＸ線測定装置は、Ｘ線発生装置で発生したＸ線を試料に照射し、当該試料で発生したＸ線をＸ線検出器によって検出するＸ線測定装置であって、そのＸ線発生装置は上記構成のＸ線発生装置であることを特徴とする。
このＸ線測定装置によれば、Ｘ線発生装置の構成要素である電子銃の交換及び電子銃内の陰極の交換を容易に行うことができ、しかも電子銃の構成要素である陰極を常にＸ線発生装置内の所望の位置に正確に置くことができる。このため、異なる種類のＸ線を用いて複数種類の測定を行うことが要求される場合に、その要求に容易に対応できる。

本発明に係るＸ線発生装置の一実施形態を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線に従った平面断面図である。図１及び図２のＢ−Ｂ線に従った縦断面図である。図２の要部を拡大して示す平面断面図である。本発明に係る電子銃の一実施形態を示す斜視図である。図５の矢印Ｃに従って電子銃の前面を示す斜視図である。図５に示す電子銃の要部である陰極ユニットを示す斜視図である。図７に示す陰極ユニットの要部である陰極を示す斜視図である。図７の矢印Ｄに従って陰極ユニットの前面を示す斜視図である。図５のＥ−Ｅ線に従って電子銃の断面構造を示す縦断面図である。図５の要部である陰極のエミッタ及びその周辺を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は正面図である。陰極と対陰極とを用いて行われるＸ線の発生を模式的に示す図である。図２の要部であるモノクロメータを示す斜視図である。図８に示した陰極の変形例を示す斜視図である。図７に示した陰極ユニットの変形例を示す斜視図である。従来のＸ線発生装置の要部を示す側面断面図である。

以下、本発明に係るＸ線発生装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。

（Ｘ線発生装置の全体的な構成）
図１は本発明に係るＸ線発生装置の外観を示す斜視図である。図２は図１におけるＡ−Ａ線に従った平面断面図である。図３は図１及び図２におけるＢ−Ｂ線に従った縦断面図である。図４は図２の要部を拡大して示す図である。

これらの図において、Ｘ線発生装置１は、図１に示す台座２と、台座２の上に設けられた金属製のケーシング３と、ケーシング３の内部に設けられた電子銃４と、同じくケーシング３の内部に設けられていて電子銃４に対向している回転対陰極６とを有している。図２及び図３では台座２の図示を省略している。電子銃４はケーシング３内の陰極収容空間Ｋ１内に配置されている。回転対陰極６はケーシング３内の対陰極収容空間Ｋ２内に配置されている。陰極収容空間Ｋ１と対陰極収容空間Ｋ２とは互いにつながっている空間である。

図２において、電子銃４と回転対陰極６とが対向している部分のケーシング３の壁の部分にＸ線取出し窓７が設けられている。Ｘ線取出し窓７は、Ｘ線を通過させることができる材料、例えば、Ｂｅ（ベリリウム）によって形成されている。ケーシング３において電子銃４が設けられている側の端部は、電子銃４を出し入れできる大きさの開口となっている。そして、その開口は蓋１０によって閉じられている。蓋１０はケーシング３に対して、ネジその他の締結手段によって着脱可能となっている。

図２では、ケーシング３の右側の壁（図３の図示しない手前側の壁）にＸ線取出し窓７を設ける例を示したが、Ｘ線取出し窓７はケーシング３の左側の壁（図３の奥側の壁）に設けることもできる。また、Ｘ線取出し窓７は、図２の手前側及び／又は奥側（すなわち、図３に示すＸ線発生装置１の上側Ｕ及び／又は下側Ｄ）に設けることもできる。

Ｘ線発生装置１は、また、図２において、Ｘ線取出し窓７の外部の近傍に設けられたＸ線シャッタ８と、Ｘ線シャッタ８の後部（図２の右部）に設けられたＸ線処理要素としての集光機能を備えたモノクロメータ９と、不要なＸ線の進行を遮断するスリット１１とを有している。図４に示すように、Ｘ線取出し窓７は、Ｘ線焦点Ｆから発生したＸ線をモノクロメータ９が取り込む角度βの範囲よりも広い照射角度を有している。なお、Ｘ線処理要素としては、モノクロメータ以外のＸ線処理構造体を必要に応じて用いることもできる。なお、図１ではＸ線シャッタ８及びモノクロメータ９の図示を省略している。

Ｘ線発生装置１がＸ線測定装置、すなわちＸ線分析装置に適用される場合には、図２において、スリット１１を通過したＸ線は試料Ｓ、例えばタンパク質の微小領域、例えば５０×５０μｍ〜１５０×１５０μｍの範囲内の領域を照射する。そして、試料Ｓで回折が生じた場合には、その回折線が図示しないＸ線検出器によって検出される。Ｘ線測定装置は特定の構成に限定されるものではなく、集中法回折測定装置、平行ビーム法回折測定装置、その他種々のＸ線測定装置に適用できる。なお、図１では、スリット１１及び試料Ｓの図示を省略している。

（電子銃）
図３及び図４において、電子銃４は、電子発生部１２と、ウエネルトカバー１３と、ウエネルトカバー１３と一体である取付部１４とを有している。電子発生部１２は、図５に示すように、第１ウエネルト電極１６と、陰極ユニット１７とを有している。陰極ユニット１７は、ネジ１８（例えば、直径２．６ｍｍの６角孔付ボルト）によって第１ウエネルト電極１６に固定されている。第１ウエネルト電極１６はネジ１９（例えば、直径２．６ｍｍの６角孔付ボルト）によってウエネルトカバー１３に固定されている。

第１ウエネルト電極１６の回転対陰極６に対向する面を矢印Ｃに従って示すと図６に示す通りである。図６において、ウエネルトカバー１３は第１ウエネルト電極１６の回転対陰極６に対向する面以外の部分を覆っている。第１ウエネルト電極１６は電子を通過させるための孔である第１の孔２２を有している。

本実施形態において、陰極ユニット１７は第１ウエネルト電極１６に対して着脱可能な構成となっている。図７は、第１ウエネルト電極１６から取り外された単体の陰極ユニット１７を示している。陰極ユニット１７は、第２ウエネルト電極２３と、これの裏面に固定された断面Ｌ字形状の電極軸支持部材としてのブラケット２４と、ブラケット２４を貫通している２本の電極軸２６ａ，２６ｂと、カーボンワッシャ２７ａ，２７ｂを介してネジ２８ａ，２８ｂによって電極軸２６ａ，２６ｂの上端に固定された陰極２９とを有している。

ブラケット２４はネジ（例えば、６角孔付ボルト）２５によって第２ウエネルト電極２３の裏面に固定されている。ブラケット２４と電極軸２６ａ，２６ｂとは耐熱性の接着剤によって互いに固着されている。端子ブロック３１ａ，３１ｂは、溶接、例えばＴＩＧ溶接によって電極軸２６ａ，２６ｂの下端に固着されている。各端子ブロック３１ａ，３１ｂにはネジ孔３２ａ，３２ｂが設けられている。これらのネジ孔３２ａ，３２ｂに図５の端子ネジ２１ａ，２１ｂをネジ込むことができる。

図５において、外部の電気系統の端子３３がウエネルトカバー１３の下部に導入されている。端子ネジ２１ａ又は２１ｂによって相手側の端子３３を端子ブロック３１ａ又は３１ｂに固着することにより、端子ブロック３１ａ及び３１ｂの一方又は両方を他の電気系統と電気的に接続することができる。本実施形態では、一方の端子ブロック３１ａに外部端子３３が接続されている。

端子ブロック３１ａ，３１ｂは導電性材料、例えばＳＵＳ３０４によって形成されている。電極軸２６ａ，２６ｂは導電性材料、例えばＳＵＳ３０４によって形成されている。ブラケット２４は絶縁性材料、例えばセラミックスによって形成されている。第１ウエネルト電極１６及び第２ウエネルト電極２３は導電性材料、例えばＳＵＳ３０４によって形成されている。

本実施形態では、図５に示す状態において電子発生部１２の下部の端子ネジ２１ａ又は２１ｂを緩めて取り外し、さらにネジ１８を緩めて取り外せば、陰極ユニット１７を第１ウエネルト電極１６から取り外すことができる。また、その逆の手順により、陰極ユニット１７を第１ウエネルト電極１６へ取り付けることができる。

陰極２９は、図８に示すように、非晶質のカーボンによって形成されたヒータ部３６と、単結晶の硼化物又多結晶焼結体の硼化物によって形成されたエミッタ（電子放出体）３７とによって形成されている。非晶質のカーボンは、例えばガラス状カーボンである。硼化物は、例えばＬａＢ_６（六硼化ランタン）、ＣｅＢ_６（六硼化セリウム）である。

ヒータ部３６は、図７の電極軸２６ａ，２６ｂに固定される部分である取付部３８と、熱を有効に発生するために迂回している迂回形状部３９とを有している。エミッタ３７は、ヒータ部３６の中央の先端部に接着剤、好ましくはカーボン接着剤によって固着されている。取付部３８には、図７のネジ２８ａ，２８ｂを貫通させるための貫通孔４１が形成されている。
なお、陰極２９の形状は、供給される電流や、必要とされる発熱量に応じて、図８に示す形状以外の適宜の形状とすることができる。

図７において、第２ウエネルト電極２３の回転対陰極６に対向する面を矢印Ｄに従って示すと図９に示す通りである。図９において、第２ウエネルト電極２３における電子が出る側の面２３ａは概ね長方形状に形成されている。その第２ウエネルト電極２３には、上方から順に、陰極２９のエミッタ３７を収容する孔である第２の孔４２と、図５のネジ１８（第１ウエネルト電極１６への固着用ネジ）を通すための貫通孔４３と、ネジ２５（ブラケット２４の固定用ネジ）と嵌合するネジ孔４４とが設けられている。

図５のＥ−Ｅ線に従った電子銃４の断面構造は図１０に示す通りである。図１０において、陰極２９の取付部３８とウエネルトカバー１３の内面との間隔Ｇは、例えば約０．７５ｍｍである。

図１１は、陰極２９のエミッタ３７と、第２ウエネルト電極２３と、第１ウエネルト電極１６との位置関係を示している。図１１（ａ）は側面断面図であり、図１１（ｂ）は正面図である。エミッタ３７の電子放出面の高さＨ及び長さＬは、例えば、Ｈ×Ｌ＝０．５ｍｍ×２ｍｍである。第２ウエネルト電極２３の回転対陰極６（図３参照）側の表面である電子が出る側の面２３ａ（以下、基準面ということもある）は、陰極ユニット１７を図５のように第１ウエネルト電極１６に取り付けた状態で、第１ウエネルト電極１６に対する相対位置が自動的に正確に所定位置に位置決めされる。

そして、第２ウエネルト電極２３の電子が出る側の面、すなわち基準面２３ａに対するエミッタ３７の相対位置は、投影機を用いて寸法を確認したり、レーザ光を利用した非接触高さ測定器を用いて寸法を確認しながら、図７のネジ２８ａ，２８ｂを緩めたり締めたりして陰極２９を微妙に動かすことにより、調節される。具体的には、基準面２３ａに対するエミッタ３７の寸法公差は、例えば±０．０２ｍｍである。また、基準面２３ａに対するエミッタ３７の平行度は、例えば±０．０２ｍｍである。

本実施形態では、エミッタ３７の形状自体が非常に小さく、さらに、第２ウエネルト電極２３の基準面２３ａに対するエミッタ３７の相対位置も非常に厳しい許容差範囲内に収まっていなければならない。図１６に示した従来の電子銃にあっては第１ウエネルト電極１０１と第２ウエネルト電極１０２とが１つの一体部品であるウエネルト電極として形成されており、しかもそのウエネルト電極は対陰極１０４に対する所定位置に取り外し不能に固定配置されていた。そして、ウエネルト電極１０１，１０２に対する陰極１０３の相対的な位置を調整する際には、Ｘ線発生装置の内部に固定されているウエネルト電極１０１，１０２に対して陰極１０３を外部から微妙に動かして、その調整をしなければならなかった。陰極１０３の形状が大きかったり、ウエネルト電極１０１，１０２に対する陰極１０３の相対位置の許容差範囲が大きい場合には、そのような従来の調整方法を適用しても問題は生じなかったが、本実施形態のようにエミッタ３７が非常に小型になり、しかもウエネルト電極１０１，１０２に対する陰極１０３の相対位置の許容差範囲が非常に小さい場合には、上記のような従来の調整方法では十分な位置精度を実現できない。

この点に関し、本実施形態では、エミッタ３７及び第２ウエネルト電極２３を含む陰極ユニット１７が第１ウエネルト電極１６に対して着脱可能である。そして、単体となった状態の陰極ユニット１７において第２ウエネルト電極２３の基準面２３ａに対して陰極２９のエミッタ３７の位置を微妙に調節することが可能である。この結果、エミッタ３７の形状が非常に小さくて、そのエミッタ３７を第２ウエネルト電極２３に対して厳しい許容差範囲内の位置に置かなければならない場合でも、そのエミッタ３７を所望の位置に容易に置くことができる。

（回転対陰極）
図２及び図３から理解されるように、回転対陰極６は円盤形状に形成されている。回転対陰極６の外周表面は、希望する波長のＸ線を発生できる材料によって形成されている。例えば、ＣｕＫα線を希望する場合には、Ｃｕ（銅）によって形成される。また、回転対陰極６の外周表面は、Ｃｒ（クロム）又はＷ（タングステン）とすることもできる。

回転対陰極６は、図示しない駆動装置によって駆動されて、対陰極６自身の幅方向（すなわち、円形状の平面と直交する方向）に延びる中心線Ｘ０を中心として回転する。例えば、９，０００〜１２，０００ｒｐｍの回転速度で回転する。駆動装置は、図示されていないが、例えば回転対陰極６の中心軸と駆動源とをベルトで連結して成るベルト駆動方式や、回転対陰極６の中心軸を電磁力によって直接に回転駆動するダイレクトドライブ方式等、任意の構成とすることができる。異なる方式の駆動方法を採用する場合でケーシング３の形状が変わることがあるが、いずれの場合でも回転対陰極６を収容するためのケーシング３の内部空間は気密に保持される。

（電力系及びＸ線の発生）
図３において、ケーシング３の上部に電圧供給部４６が設けられている。この電圧供給部４６に電力ケーブル４７が接続されており、図示しない高電圧発生源から電力ケーブル４７を通して図５の外部端子３３へ電圧及び電流が供給される。これにより、電子銃４の電子発生部１２へ高電圧及び高電流が供給される。

図１２は、陰極２９と回転対陰極６とを模式的に示している。図１２において、回転対陰極６は電気的に接地されている。回転対陰極６と陰極２９との間には負の電圧Ｖ１、例えばＶ１＝４５〜６０ｋＶが印加されている。陰極２９と第１ウエネルト電極１６及び第２ウエネルト電極２３との間には負の電圧Ｖ２、例えばＶ２＝２００Ｖが印加されている。電圧Ｖ１及びＶ２は、図３の電力ケーブル４７を通じて供給される。

陰極２９は通電によって発熱してエミッタ３７から熱電子を放出する。放出された電子は、第１ウエネルト電極１６及び第２ウエネルト電極２３によって進行方向を制御されながら、電圧Ｖ１によって加速されて回転対陰極６の外周面に衝突する。こうして回転対陰極６の外周面に電子が衝突した領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が空間の全方位に発生する。

回転対陰極６の外周面上に形成された実際のＸ線焦点Ｆは実焦点と呼ばれる。実焦点Ｆの大きさは、例えば陰極２９のエミッタ３７の形状に対応した幅Ｗ０、長さＬ０の長方形状である。寸法は、例えば、Ｗ０＝４０μｍ、Ｌ０＝４００μｍの長方形状からＷ０＝７０μｍ、Ｌ０＝７００μｍの長方形状である。

Ｘ線焦点Ｆから全方位に放出されたＸ線は、回転対陰極６の回転中心線Ｘ０に対して平行方向に設けられた（すなわち実焦点Ｆの短手側に設けられた）取出し窓７から外部へ取り出されたり、回転中心線Ｘ０に対して直角方向に設けられた（すなわち実焦点Ｆの長手側に設けられた）取出し窓４８から外部へ取り出される。Ｘ線焦点Ｆに対する取出し窓７の角度α１及びＸ線焦点Ｆに対する取出し窓４８の角度α２は、Ｘ線取出し角と呼ばれており、これらの角度は例えば角度５°〜６°である。なお、Ｘ線取出し窓７は図１及び図２に示したＸ線取出し窓７と同じものである。また、Ｘ線取出し窓４８は図１及び図２に示す本実施形態では設けられていない。

実焦点端手側の窓７から取り出されるＸ線についてのＸ線焦点、及び実焦点長手側の窓４８から取り出されるＸ線についてのＸ線焦点は、実効焦点と呼ばれている。実焦点短手側の窓７から取り出されるＸ線の実効焦点の大きさは、実焦点が４０×７０μｍであれば、４０×４０μｍの矩形状又はφ（直径）４０μｍの円形状である。他方、実焦点が７０×７００μｍであれば７０×７０μｍ又はφ７０μｍである。こうして取り出されたＸ線はポイントフォーカスのＸ線と呼ばれる。

実焦点長手側の窓４８から取り出されるＸ線の実効焦点の大きさは、実焦点が４０×７０μｍであれば、４０×７０μｍの長方形状である。他方、実焦点が７０×７００μｍであれば７０×７００μｍの長方形状である。こうして取り出されたＸ線はラインフォーカスのＸ線と呼ばれる。

ポイントフォーカス又はラインフォーカスは、Ｘ線回折装置、Ｘ線散乱装置等といったＸ線分析装置によって行われる測定の種類に応じて適宜に選択して使用される。本実施形態では、実焦点端手側の１つのＸ線取出し窓７からポイントフォーカスのＸ線を取り出すものとしている。

（排気系）
図３において、陰極２９を含んでいる電子銃４はケーシング３内に設けられた陰極収容空間Ｋ１内に収容されている。また、回転対陰極６はケーシング３内に設けられた対陰極収容空間Ｋ２内に収容されている。陰極収容空間Ｋ１と対陰極収容空間Ｋ２は互いにつながっている。陰極２９の寿命を長くしたり、対陰極６の表面の汚染を防いだりするため、陰極収容空間Ｋ１及び対陰極収容空間Ｋ２は真空状態又はそれに近い減圧状態（以下、単に真空状態という）になるように排気される。以下、この排気系について説明する。

ケーシング３の内部であって、ケーシング３の壁３ａによって隔てられた所に排気通路５１が設けられている。排気通路５１の一端は電子銃４を収容している陰極収容空間Ｋ１に直接に開口している。壁３ａによって隔てられているので、排気通路５１は対陰極収容空間Ｋ２には直接には開口していない。排気通路５１の他端には排気手段としてのターボ分子ポンプ５２が接続されている。ターボ分子ポンプ５２は、周知の通り、回転軸に複数の回転翼を軸心に沿って多段にわたって取り付けた構成を有している。図示していないが、ターボ分子ポンプ５２の後段にはロータリーポンプが接続されている。

ロータリーポンプは陰極収容空間Ｋ１及び対陰極収容空間Ｋ２を、大気圧より低いが比較的高い圧力まで１次的に粗く減圧させるための１次的な排気装置である。ターボ分子ポンプ５２は陰極収容空間Ｋ１及び対陰極収容空間Ｋ２を、ロータリーポンプによって設定された１次的な圧力よりもさらに低い圧力状態、望ましくは真空状態まで減圧するための２次的な排気装置である。粗い排気を行う１次的な排気装置はロータリーポンプ以外の適宜のポンプを適用することもできる。また、高精度の排気を行う２次的な排気装置もターボ分子ポンプ以外の適宜のポンプ、例えば油拡散ポンプを適用することができる。

ターボ分子ポンプ５２及び図示しないロータリーポンプによって陰極収容空間Ｋ１及び対陰極収容空間Ｋ２を真空状態に設定することにより、陰極２９の劣化を抑えて陰極２９の寿命を長くすることができ、さらに回転対陰極６の表面の汚染を防いで回転対陰極６の寿命を長くすることができる。

ところで、一般に、陰極２９のエミッタ３７から電子を発生して回転対陰極６のＸ線焦点ＦからＸ線を発生させたとき、Ｘ線焦点ＦからはＸ線以外に２次電子（いわゆる反跳電子）が発生する。この２次電子がターボ分子ポンプ５２の内部へ進入すると、ターボ分子ポンプ５２内で電荷が蓄積され、その結果、異常な放電が発生するおそれがある。また、進入した電子が、ターボ分子ポンプの回転翼を支持するベアリングのグリスを劣化させるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、ターボ分子ポンプ５２につながっている排気通路５１は隔壁３ａによって対陰極収容空間Ｋ２から隔絶しているので、対陰極６のＸ線焦点Ｆで発生した２次電子は対陰極収容空間Ｋ２内で消滅し、排気通路５１に進入することがなく、従って、２次電子がターボ分子ポンプ５２に進入することを防止できる。

本実施形態では、排気通路５１は回転対陰極６の回転中心線Ｘ０に対して直角の方向（図３の左右方向）に延在している。また、排気通路５１は、陰極２９から見て回転対陰極６と同じ側に設けられている。これらの構成により、Ｘ線焦点Ｆで発生した２次電子が排気通路５１へ進入することを正確に防止できると共に、排気通路５１を対陰極収容室Ｒ２と別の所に設けた構造でありながら、Ｘ線発生装置１の全体形状を非常に小型に形成することができた。

なお、排気通路５１は隔壁を隔てて対陰極収容空間Ｋ２と別の所に形成されていれば良く、必ずしも、図３に示すように回転対陰極６の回転中心線Ｘ０に対して直角であって、しかも回転対陰極６の面平行中心線Ｘ２に沿って略平行に延びる方向に設けなくても良く、それ以外の適宜の方向に延在するようにしても良い。

（電子銃の支持系）
図３において、ケーシング３の端部に電子銃４の支持装置５３が設けられている。この支持装置５３は、セラミックによって形成されたガイシ５４と、ガイシ５４の上に固定された台座５６とを有している。電子銃４の取付部１４は、ネジ等といった固定具によって台座５６の上に固定されている。電子銃４は、電子銃４以外の他の部材に取り付けられてＸ線発生装置１の内部の所定位置に設置されるのであるが、本実施形態では、台座５６がそのような他の部材として機能している。台座５６への取付部１４の固定は、ネジ以外の任意の固定手段を用いて行っても良い。

ガイシ５４はベアリング５７によって自身の中心線Ｘ１を中心として回転可能にケーシング３に支持されている。ガイシ５４従って台座５６の回転中心線Ｘ１は、回転対陰極６の回転中心線Ｘ０に直交している回転対陰極６の幅方向に関する中心線Ｘ２、すなわち回転対陰極６の円形状の面に対して平行方向に延びる回転対陰極６の中心線Ｘ２（面平行中心線ということがある）と交差している。

ガイシ５４及びそれに固定された台座５６は中心線Ｘ１を中心として回転可能であるが、通常は、図２に示す位置、すなわち、電子銃４のフィラメント２９のエミッタ３７が回転対陰極６に対して真正面を向く位置、すなわちウエネルトカバー１３が回転対陰極６の面平行中心線Ｘ２と一直線を成す位置に固定されている。

電子銃４を上記の固定状態から解除することにより、台座５６及びそれに取り付けられた電子銃４を線Ｘ１を中心として小さな角度で回転移動、すなわち傾斜移動させることができる。そして、台座５６はその傾斜移動させた後の位置に固定することができる。このような電子銃４の傾斜移動は、回転対陰極６の外周面上における電子の衝突領域、すなわちＸ線焦点Ｆの形成領域を、回転対陰極６の外周面上で変化させるためのものである。例えば、回転対陰極６の外周表面の中心から左側の部分と右側の部分とを互いに異なる材料で形成した上で、電子銃４を左右方向へ傾斜移動させれば、回転対陰極６の外周面から発生するＸ線の波長を変化させることができる。

（Ｘ線処理系）
図２のモノクロメータ９はＸ線焦点Ｆから出た複数種類の波長のＸ線を含むＸ線を単色化する。すなわち、モノクロメータ９は複数種類の波長のＸ線から特定波長のＸ線を選択的に取り出す。本実施形態においてモノクロメータ９は、いわゆるサイド・バイ・サイド構造の多層膜ミラーによって構成されている。このような多層膜ミラーは、例えば株式会社リガク製のマックス・フラックス（登録商標）を用いることができる。サイド・バイ・サイドの多層膜ミラーは、例えば図１３に示すように、それぞれが湾曲したＸ線反射面５８ａ，５８ｂを有した２つの多層膜ミラー５９ａ，５９ｂを互いに直角に配置した構成となっている。

個々の多層膜ミラー５９ａ，５９ｂは、図１３の部分図（ａ）に模式的に示すように、複数の異なる物質から成る薄膜６１を交互に積層することによって形成されている。薄膜６１は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）とＣ（炭素）、Ｍｏ（モリブデン）とＳｉ（シリコン）、Ｗ（タングステン）とＢ_４Ｃ、等といった各種の物質の積層の組み合わせを適用できる。図１３（ａ）では便宜的に個々の薄膜６１を非常に厚い膜厚で描いているが、実際には非常に薄い薄膜である。Ｘ線焦点Ｆから出たＸ線Ｒ０は各Ｘ線反射面５８ａ，５８ｂで反射（すなわち回折）する。反射したＸ線Ｒ１は、Ｘ線反射面５８ａ，５８ｂの湾曲形状に応じた進行経路をたどる。

例えば、Ｘ線反射面５８ａ，５８ｂが楕円面であれば、Ｘ線焦点Ｆを１つの楕円焦点に置いたとき、反射Ｘ線Ｒ１はもう１つの楕円焦点に集束する集束Ｘ線となる。Ｘ線反射面５８ａ，５８ｂが放物面であれば、反射Ｘ線Ｒ１は平行Ｘ線となる。本実施形態では、Ｘ線反射面５８ａ，５８ｂを楕円面に設定し、試料Ｓが置かれる位置Ｐに反射Ｘ線Ｒ１が集束するように設定する。

Ｘ線は、一般に、ブラッグの回折条件である２ｄｓｉｎθ＝ｎλを満足するときに回折する。但し、「ｄ」は格子面間隔、「θ」はブラッグ角（すなわち、Ｘ線の入射角及び反射角）、「ｎ」は反射次数、「λ」は使用したＸ線の波長である。多層膜ミラー５９ａ．５９ｂでは、Ｘ線入射側からの距離をＹとしたとき、Ｙの値が変化するごとにｄの値を変化させて、距離Ｙの各位置においてＸ線が反射（すなわち回折）するように設定している。これにより、反射Ｘ線Ｒ１として強度の強いＸ線を得ている。

図２において、ケーシング３のＸ線取出し窓７とＸ線処理要素としてのモノクロメータ９との間に設けられたＸ線シャッタ８は、例えば、図２の紙面垂直方向（紙面を貫通する方向）に延びる円筒形状に形成されており、さらにその円筒形状の中心線を横切る方向にＸ線通過用の貫通孔が設けられている。Ｘ線シャッタ８を自身の中心線の周りに矢印Ｊで示すように回転させて貫通孔をＸ線進行路に合わせるか、あるいは合わせないかにより、それぞれ、Ｘ線を通過させるか、あるいはＸ線の進行を遮断できる。

（ケーシング、電子銃等の寸法）
本実施形態において、電子銃４、ケーシング３等に関する形状及び寸法は、図４において、次のように設定されている。なお、各寸法は許容誤差を含んだ概略の値である。
電子銃４のウエネルトカバー１３の幅Ｗ１０＝１０ｍｍ、
回転対陰極６の幅Ｗ１１＝１０ｍｍ、
電子銃４のウエネルトカバー１３とケーシング３の壁の内面との距離Ｗ１２＝９．５ｍｍ、
電子銃４の取付部１４とケーシング３の壁の内面との距離Ｗ２２＝１５ｍｍ、
回転対陰極６の面平行方向の中心線Ｘ２からＸ線処理要素であるモノクロメータ９の先端までの距離Ｗ１４＝３０ｍｍ、
である。

電子銃４の取付部１４の幅Ｗ３０は、人が取付部１４を台座５６に着脱する際に支障を来たさない程度の小さ過ぎない大きさである。陰極収容空間Ｋ１は、電子銃４の電子発生部１２を収容している狭幅部分と、電子銃４の取付部１４を収容している広幅部分とから成っている。広幅部分の幅Ｗ３１は人の指を挿入するのに十分な幅である。陰極収容空間Ｋ１の狭幅部分の幅は対陰極収容空間Ｋ２の幅Ｗ３２と等しくなっている。

なお、ケーシング３の形状は必要に応じて種々に改変できる。例えば、陰極収容空間Ｋ１の狭幅部分の幅及び対陰極収容空間Ｋ２の幅Ｗ３２を陰極収容空間Ｋ１の幅広部分の幅Ｗ３１まで広げて、陰極収容空間Ｋ１の全体の幅と対陰極収容空間Ｋ２の幅とを等しい均一の幅とすることができる。
また、本実施形態における狭幅部分を含めた陰極収容空間Ｋ１の全体の幅を符号Ｗ３１で示すように広くして、陰極収容空間Ｋ１の狭幅部分を無くすこともできる。

（Ｘ線発生装置の全体的な動作）
本実施形態のＸ線発生装置１は以上のように構成されているので、図３において、排気通路５１、ターボ分子ポンプ５２、及び図示しないロータリーポンプを含む排気装置の働きにより、陰極収容空間Ｋ１及び対陰極収容空間Ｋ２の内部が真空状態に設定される。その後、フィラメント２９に通電が成されると、そのフィラメント２９が発熱してエミッタ３７から電子が放出される。放出された電子は、図１１の第１ウエネルト電極１６及び第２ウエネルト電極２３によって進行方向を制御されながら、図２の回転対陰極６の外周面に衝突してＸ線焦点Ｆを形成する。そして、このＸ線焦点ＦからＸ線が空間の全方位に出射する。

Ｘ線シャッタ８がＸ線の通過を許容する状態に設定されていると、Ｘ線シャッタ８を通過したＸ線がモノクロメータ９のＸ線反射面に入射する。モノクロメータ９は入射したＸ線を単色化し、単色化されたＸ線Ｒ１が試料Ｓ内の領域に集束する。スリット１１は、不要なＸ線が試料Ｓに向かうことを防止する。試料Ｓに入射したＸ線は、その試料Ｓの結晶構造に対応して回折し、その回折線が図示しないＸ線検出器によって検出される。その検出結果を分析することにより、試料Ｓの結晶構造を解析できる。

Ｘ線発生の処理を継続して行うと、電子銃４の特性が次第に劣化する。特性が許容限界よりも悪くなった場合には、電子銃４を交換する。また、測定の種類に応じて異なった種類の電子銃４に交換する必要が生じる場合がある。これらのような電子銃４の交換に際しては、ケーシング３の側端の蓋１０をケーシング３から取り外し、陰極収容空間Ｋ１内に作業者が指を挿入し、電子銃４の取付部１４を台座５６から取り外し、さらに、電子銃４の全体をケーシング３の外側へ持ち出す。その後、別の電子銃４を陰極収容空間Ｋ１内へ挿入し、その電子銃４の取付部１４を台座５６に固定することにより、電子銃４を回転対陰極６に対する所定位置に設置する。

本実施形態のＸ線発生装置１では、図５において、陰極２９を別の陰極と交換しなければならない場合がある。その場合には、図３においてケーシング３の端面に設けた蓋１０を外して開口を開ける。そして、その開口に作業者が手を入れて、電子銃４の取付部１４を台座５６から取り外し、電子銃４をケーシング３の外部に取り出す。

次に、取り出された電子銃４に対して、図５において、端子ネジ２１ａを緩めて外部端子３３を端子ブロック３１ａから取り外し、ネジ１８を緩めて陰極ユニット１７を第１ウエネルト電極１６から取り外し、さらに、陰極ユニット１７の全体をウエネルトカバー１３の外部に取り出す。このとき、第１ウエネルト電極１６はネジ１９によってウエネルトカバー１３に取り付けられたままである。

取り出された陰極ユニット１７は図７に示す状態である。この陰極ユニット１７において、電極軸２６ａ，２６ｂの上端のネジ２８ａ，２８ｂを緩めて取り外し、陰極２９を電極軸２６ａ，２６ｂから取り外す。次に、別の陰極２９のエミッタ３７を第２ウエネルト電極２３の第２の孔４２に挿入し、さらに、陰極２９の取付部３８をネジ２８ａ，２８ｂによって電極軸２６ａ，２６ｂの上端に固定する。

この際、エミッタ３７は、第２ウエネルト電極２３の基準面である電子が出る側の面２３ａに対して所望の相対位置に置かれる。本実施形態では、図１１に示すように、エミッタ３７が第２ウエネルト電極２３の第２の孔４２の中に納まる位置に置かれる。必要に応じて、エミッタ３７の一部若しくは全部を第２の孔４２の対陰極側（図１１の右側）の外側又は対陰極と反対側（図１１の左側）の外側へ出して配置させることもできる。

電子が出る側の面２３ａに対するエミッタ３７の相対位置の調整は、投影機を用いて寸法を確認したり、レーザ光を利用した非接触高さ測定器を用いて寸法を確認しながら、ネジ２８ａ，２８ｂを締めたり緩めたりして陰極２９を適宜に位置移動させることによって行われる。この位置調整は、図３及び図５のウエネルトカバー１３の中で行われるのではなく、陰極ユニット１７を第１ウエネルト電極１６から分離した上で、ウエネルトカバー１３の外部にて行われる。従って、本実施形態では、エミッタ３７が小型であって、しかもエミッタ３７の設置位置に関して厳しい寸法許容差が要求される場合であっても、その要求に応えることができる。

（変形例）
陰極２９の形状は、図８に示した形状に限られず、必要に応じた形状とすることができる。例えば、図８の実施形態では、迂回形状部分３９においてＺ１〜Ｚ５の５つの迂回形状を形成したが、迂回形状の個数をより少なく、又はより多くすることができる。図１４は変形例に係る陰極６９を示している。この陰極６９はＺ１〜Ｚ３の３個の迂回形状を持っている。なお、図１４と図８とで同じ部材は同じ符号を用いて示している。

図１５は、上記の陰極６９を用いて構成された陰極ユニット６７を示している。この陰極ユニット６７が図７に示した陰極ユニット１７と異なる点は、
（１）電極軸２６ａ，２６ｂを支持するための電極軸支持部材としてのブラケット６４が断面Ｌ字形状の部材ではなく、直方体部材の角部を面取りした形状の部材であること、
（２）図７で示したようなネジ２５でブラケット６４を第２ウエネルト電極２３に固定するのではなく、部分Ｍの所で溶接によってそれらを固着して一体にしている。図１５と図７とで同じ部材は同じ符号を用いて示している。

（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。

例えば、上記の実施形態では図２において電子銃４を中心線Ｘ１を中心として傾斜移動（すなわち揺動移動）できるようにしたが、そのような傾斜移動を行うことなく、電子銃４が常に回転対陰極６の面平行方向の中心線Ｘ２と平行に延在する状態に固定されている場合も本発明に含まれる。

上記の実施形態では、対陰極として回転対陰極４を用いたが、これを固定型の対陰極とすることもできる。

上記の実施形態ではＸ線シャッタ８をＸ線の進行方向に沿ってモノクロメータ９の上流位置に設けたが、Ｘ線シャッタ８はモノクロメータ９の下流位置に設けることもできる。こうすることにより、Ｘ線焦点Ｆからモノクロメータ９までの距離を小さくできる。

上記の実施形態では、線状のフィラメントによって陰極を形成するのではなく、断面矩形状で平面的には適宜の迂回形状を有した発熱体によってヒータ３６を形成し、そのヒータ部３６の先端にエミッタ３７を固着することにより陰極を形成した。しかしながら、線状でコイル状のフィラメントを陰極とすることもできる。

１．Ｘ線発生装置、２．台座、３．ケーシング、３ａ．壁、４．電子銃、６．回転対陰極、７．Ｘ線取出し窓、８．Ｘ線シャッタ、９．モノクロメータ、１０．蓋、１１．スリット、１２．電子発生部、１３．ウエネルトカバー、１４．取付部、１６．第１ウエネルト電極、１７．陰極ユニット（組立体）、１８．ネジ、１９．ネジ、２１ａ，２１ｂ．端子ネジ、２２．第１の孔、２３．第２ウエネルト電極、２３ａ．電子が出る側の面、２４．ブラケット（電極軸支持部材）、２５．ネジ、２６ａ，２６ｂ．電極軸、２７ａ，２７ｂ．カーボンワッシャ、２８ａ，２８ｂ．ネジ、２９．陰極、３１ａ，３１ｂ．端子ブロック、３２ａ，３２ｂ．ネジ孔、３３．外部端子、３６．ヒータ部、３７．エミッタ、３８．取付部、３９．迂回形状部、４１．貫通孔、４２．第２の孔、４３．貫通孔、４４．ネジ孔、４６．電圧供給部（電力供給系）、４７．電力ケーブル（電力供給系）、４８．Ｘ線取出し窓、５１．排気通路、５２．ターボ分子ポンプ、５３．支持装置、５４．ガイシ、５６．台座（他の部材）、５７．ベアリング、５８ａ，５８ｂ．Ｘ線反射面、５９ａ，５９ｂ．多層膜ミラー、６１．薄膜、６４．ブラケット（電極軸支持部材）、６７．陰極ユニット、６９．陰極、Ｆ．Ｘ線焦点、Ｇ．間隔、Ｈ．エミッタの高さ、Ｊ．回転方向、Ｌ．エミッタの長さ、Ｌ０．Ｘ線焦点の長さ、Ｍ．溶接部分、Ｋ１．陰極収容空間、Ｋ２．対陰極収容空間、Ｒ０，Ｒ１．Ｘ線、Ｓ．試料、Ｖ１，Ｖ２．電圧、Ｗ０．Ｘ線焦点の幅、Ｗ１０．ウエネルトカバーの幅、Ｗ１１．回転対陰極の幅、Ｗ１２．ウエネルトカバーとケーシングとの距離、Ｗ２２．取付部とケーシングとの距離、Ｗ１４．モノクロメータまでの距離、Ｗ３０．電子銃の取付部の幅、Ｗ３１．陰極収容空間の幅、Ｗ３２．対陰極収容空間の幅、Ｘ０．対陰極の回転中心線、Ｘ１．電子銃の回転中心線、Ｘ２．対陰極の面平行中心線、Ｙ．多層膜ミラーの反射位置の距離、 α１，α２．取出し角、 β．モノクロメータのＸ線取込み角

Claims

電子を放出する陰極と、
電子を通過させるための第１の孔を備えた第１ウエネルト電極と、
前記陰極及び前記第１の孔に対して所定位置に配置された第２の孔を備えており前記第１ウエネルト電極よりも前記陰極に近い位置に設けられた第２ウエネルト電極と、を有しており、
前記陰極及び前記第２ウエネルト電極は１つの組立体内に含まれていて一体になっており、
前記組立体は前記第１ウエネルト電極に対して着脱可能である
ことを特徴とする電子銃。
前記第１ウエネルト電極の第１の孔の開口面積は前記第２ウエネルト電極の第２の孔の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の電子銃。
前記陰極は、発熱するヒータ部と、前記ヒータ部によって加熱されて電子を放出するエミッタとを有しており、
前記エミッタは前記第２ウエネルト電極の第２の孔に挿入されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子銃。
前記第２ウエネルト電極の電子が出る側の面は長方形状であり、
前記組立体は、第２ウエネルト電極における電子が出る側の面の反対側に設けられた電極軸支持部材と、当該電極軸支持部材によって支持されて前記電子が出る側の面に沿って延在している電極軸とを有しており、
前記陰極が前記電極軸に固定された状態で前記陰極のエミッタが前記第２ウエネルト電極の第２の孔に対する所定位置に配置される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電子銃。
前記陰極は前記電極軸の一端にネジによって固定されていることを特徴とする請求項４記載の電子銃。
前記電極軸の他端に端子ブロックが設けられており、当該端子ブロックに電力供給系の端子が取外し可能に接続されることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の電子銃。
前記組立体及び前記第１ウエネルト電極を覆うウエネルトカバーと、当該ウエネルトカバーに固定された取付部とを有しており、前記取付部が他の部材に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の電子銃。
電子銃と、これに対向している対陰極とを有するＸ線発生装置において、
前記電子銃は請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の電子銃であり、
当該電子銃は前記対陰極に対する所定位置に対して着脱可能である
ことを特徴とするＸ線発生装置。
Ｘ線発生装置で発生したＸ線を試料に照射し、当該試料で発生したＸ線をＸ線検出器によって検出するＸ線測定装置において、
前記Ｘ線発生装置は請求項８記載のＸ線発生装置である
ことを特徴とするＸ線測定装置。