JP7571249B2 - 電子銃、ｘ線発生管、ｘ線発生装置およびｘ線撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、医療機器および産業機器分野における非破壊Ｘ線撮影等に適用できるＸ線発生装置、および該Ｘ線発生装置を備えるＸ線撮影システムに関する。

近年半導体デバイス等の微細化や多層化が進み産業分野における半導体集積回路基板に代表される電子デバイス検査においてはＸ線発生管を備えたＸ線検査装置が用いられている。

ターゲットに電子ビームを照射する電子源として、管軸方向に沿ってターゲットに向けて突出させた電子銃を備えたＸ線発生管が知られている。

特許文献１には、ターゲット側に複数のグリッド電極を備える電子銃とすることにより、ターゲット上に形成される焦点の位置精度とマイクロフォーカス化が図られることが開示されている。

また、かかる電子銃が備える複数のグリッド電極は、それぞれが絶縁性の部材により支持されることにより、電極間の距離が規定されるとともに、各電極に所定の電位が印加されるように構成されている。

特許文献２には、微小焦点化を意図して、管軸方向に延びる絶縁性の支柱に複数のグリッド電極が間隔をあけて支持された電子銃を備えたＸ線発生管が開示されている。

特開２００２‐２９８７７２号公報 特開２００７‐６６６９４号公報

複数のグリッド電極が絶縁部材により支持されたグリッド電極を電子銃に備えるＸ線発生管が適用されたＸ線撮影システムにおいて、撮影画像の品質低下が生じる場合があった。

本願発明者の検討により、Ｘ線発生管の動作履歴に伴い発生する焦点位置または焦点形状の変動が、かかる撮影品質の低下に関係していることが判った。

本願発明は、絶縁部材に支持されたグリッド電極を有した電子銃を備え、焦点の位置または形状の変動が抑制された信頼性の高いＸ線発生管、Ｘ線発生装置を提供することを目的とする。また、本願発明は、本願発明に係るＸ線発生装置を備えることにより、高画質のＸ線撮影が可能なＸ線撮影システムを提供することを目的とする。

電子の照射によりＸ線を発生するターゲットを含み接地される陽極と、前記ターゲットに電子を照射する陰極と、前記陽極と前記陰極とを絶縁し前記陽極、前記陰極とともに真空容器を構成する絶縁管と、を備え前記陽極と前記陰極間に管電圧が印加されるＸ線発生管の前記陰極に適用され前記ターゲットに向けて電子ビームを照射する電子銃であって、
電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部から放出された電子が通過する電子通過孔をそれぞれが有するとともに前記ターゲットに向かう方向にこの順で配置される引出電極と集束電極と、前記引出電極と前記集束電極を電気的に絶縁し支持するために管周方向に離散的に設けられた複数の絶縁支持部材と、を有し、
前記電子放出部から前記集束電極を電子が通過するまでの放出電子の通過経路である電子通過路から管径方向の外側に見て前記絶縁支持部材が直視される部分を前記複数の絶縁支持部材のいずれもが有さないように前記引出電極と前記集束電極のそれぞれが前記複数の絶縁支持部材を遮る導電性の遮蔽部を有していることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る第２の電子銃は、接地される陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを絶縁し前記陽極、前記陰極とともに真空容器を構成する絶縁管と、を備え、前記陽極と前記陰極間に管電圧が印加される真空管に適用され前記陰極を構成する電子銃であって、
電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部から放出された電子が通過する電子通過孔をそれぞれが有するとともに前記陽極に向かう方向にこの順で配置される引出電極と集束電極と、前記引出電極と前記集束電極を電気的に絶縁し支持するために管周方向に離散的に設けられた複数の絶縁支持部材と、を有し、
前記電子放出部から前記集束電極を電子が通過するまでの放出電子の通過経路である電子通過路から管径方向の外側に見て前記絶縁支持部材が直視される部分を前記複数の絶縁支持部材のいずれもが有さないように前記引出電極と前記集束電極のそれぞれが前記複数の絶縁支持部材を遮る導電性の遮蔽部を有している。

本発明によれば、Ｘ線発生管の電子銃が、電子通過路からみて絶縁支持部材が直視されないように遮る導電部を有することで、焦点の位置または形状の変動が抑制された信頼性の高いＸ線発生管、Ｘ線発生装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るＸ線発生管を示す概略構成図（ａ）～（ｈ）である。 参考形態に係るＸ線発生管を示す概略構成図（ａ）～（ｉ）である。 本発明の課題に係る、散乱金属粒子の絶縁支持部材上への推定された堆積過程の概念図（ａ）～（ｆ）である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線発生管を示す概略構成図（ａ）～（ｊ）である。 本発明の第３の実施形態に係るＸ線発生管を示す概略構成図（ａ）～（ｈ）である。 本発明の第４の実施形態に係るＸ線発生装置を示す概略構成図である。 本発明の第５の実施形態に係るＸ線撮影システムを示す概略構成図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。これらの実施形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対配置などは、この発明の範囲を限定する趣旨のものではない。また、本明細書で特に図示又は記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知又は公知の技術を適用する。

＜Ｘ線発生管＞
図１は、本願発明の第１の実施形態に係るＸ線発生管１が示されている。Ｘ線発生管１は、本願発明の基本的な特徴である導電部を備えた透過型のＸ線発生管である。

図１（ａ）、（ｂ）は、Ｘ線発生管１の基本的な構成を示す２面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ線発生管１を陽極側から見た正面図である。また、図１（ｃ）は、本実施形態のＸ線発生管１を駆動した際に、ターゲット上に形成される焦点が示されている図１（ｂ）の部分拡大図である。また、図１（ｄ）は、図１（ａ）に示すＸ線発生管１の電子銃４ｂを拡大した断面図である。さらに、また、図１（ｅ）～（ｈ）は、図１（ｄ）に示す仮想平面Ａ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃ、Ｄ－Ｄにおける、電子銃４ｂの断面を示す断面図である。

本実施形態では、電子放出部４０から放出された電子ビームをターゲット層５ｃに照射することによりターゲット５ｂからＸ線を発生させる。このため、ターゲット層５ｃは支持基板５ｄが電子銃４ｂに向いている面に配置されている。即ち、電子放出部４０はターゲット５ｂに対向するように陰極４に配置されている。電子放出部４０から放出された電子は、Ｘ線発生管１に印加された管電圧により陰極４と陽極５との間に形成された加速電場により、ターゲット層５ｃでＸ線を発生させる為に必要な入射エネルギーまで加速される。

陽極５はターゲット５ｂとターゲット５ｂに接続される陽極部材５ａとを備え、Ｘ線発生管１の陽極電位を規定する電極として機能している。

陽極部材５ａは、導電性材料からなりターゲット層５ｃと電気的に接続される。陽極部材５ａは、図１に示すように、支持基板５ｄの周囲に接続されターゲット５ｂを保持している。

また、ターゲット層５ｃは、高い原子番号、高融点、高比重の金属元素として、タンタル、モリブデン、タングステン等のターゲット金属が含有されている。一方、支持基板５ｄは、Ｘ線の透過性が高く、熱伝導性が高い材料が好ましく、例えば、ダイヤモンド、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミ、グラファイト、ベリリウム等を用いることができる。特に、ダイヤモンドは、ｓｐ３結合に由来する高い熱伝導性と、放射線に対する高い透過性とを有している点において透過型ターゲットの支持基板材料として好ましい。

Ｘ線発生管１の内部は、電子線の平均自由行程を確保することを目的として、真空となっている。Ｘ線発生管１の内部の真空度は、１×１０^－４Ｐａ以下であることが好ましく、電子放出部４０の電子放出特性の安定化の観点からは、１×１０^－６Ｐａ以下であることがより一層好ましい。本実施形態においては、電子放出部４０およびターゲット層５ｃは、それぞれ、Ｘ線発生管１の内部空間または内面に配置されている。

Ｘ線発生管１の内部の真空は、不図示の排気管および真空ポンプを用いて排気された後、かかる排気管を封止することにより、形成される。Ｘ線発生管１の内部には、真空度の維持を目的として、不図示のゲッタが配置される場合もある。

Ｘ線発生管１は、陰極電位に規定される電子放出部４０と、陽極電位に規定されるターゲット層５ｃとの間の電気的絶縁を図る目的において、陽極部材５ａと陰極部材４ａとの間に絶縁管２が狭持されている。即ち、絶縁管２は、管軸方向において一端と他端とが、それぞれ陽極部材５ａと陰極部材４ａとに接続されている。

絶縁管２は、ガラス材料やセラミクス材料等の絶縁性材料で構成される。セラミクスからなる絶縁管２は、強度を担保する意図において、外周面を０．１μｍ～１００μｍ厚のガラス層で保護される。

本実施形態において、絶縁管２、電子放出部４０を備えた陰極４、ターゲット５ｂを備えた陽極５は、真空度を維持するための気密性と大気圧に耐える堅牢性とを有する外囲器を構成している。従って、陰極４及び陽極５は、絶縁管２の管軸方向の両端にそれぞれ接続されることにより、外囲器の部分を構成する。同様にして、支持基板５ｄは、ターゲット層５ｃで発生したＸ線をＸ線発生管１の外に取り出す透過窓の役割を担うとともに、外囲器の部分を構成していると言える。

＜電子銃＞
次に本願発明のＸ線発生管の特徴である電子銃について、図１（ａ）、（ｄ）、（ｅ）～（ｈ）を用いて説明する。

陰極４は、電子放出部４０、グリッド電極４２、および、グリッド電極を支持する絶縁支持部材４１と、を備える電子銃４ｂと陰極部材４ａを備え、ターゲット５ｂと電子放出部４０とが対向するように配置されている。

電子放出部４０は、タングステンフィラメント、含浸型カソード、酸化物カソードなどの熱陰極電子源や、モリブデンからなるｓｐｉｎｄｔ型カソード等の冷陰極電子源が適用される。

本実施形態の電子銃４ｂは、図１（ａ）に示す通り、陰極部材４ａより陽極５の側に向かって突出している。このように陽極５の側に電子銃４ｂを突出させた配置とすることは、絶縁耐圧を低下させずに焦点位置精度を担保することと意図するものである。即ち、陰極４と陽極５の間を接続する絶縁管２の沿面経路を所定距離以上に離す、一方で、電子銃４ｂとターゲット５ｂとの距離を所定距離以下とすることにより、電子放出部４０より放出された電子線が管径方向の電場の影響を受け難くされている。

電子銃４ｂは、陽極５の側に突出している部分に電子放出部４０、グリッド電極４２が配置される、かかる部分をヘッド部と称する。また、ヘッド部を陰極部材４ａに対して支えている部分をネック部と称する。本実施形態のネック部には、図１（ｄ）～（ｈ）に示すように、電子放出部４０を支えるカソード支持部４５、引き出しグリッド電極４３に引き出し電位を給電する給電部４３ｄ、集束グリッド電極４４に集束電位を給電する給電部４４ｄ、が配置されている。

電子銃４ｂは、図１（ｄ）～（ｈ）に示す様に、電子通過孔４３ｆ、電子通過孔４４ｆを備えた引き出しグリッド電極４３、集束グリッド電極４４と、かかるグリッド電極４３、集束グリッド電極４４を支持する絶縁支持部材４１と、を備えている。グリッド電極４３、集束グリッド電極４４が備える電子通過孔４３ｆ、４４ｆは、電子放出部４０からターゲット５ｂに向かう方向に電子通過路７を規定する。

引き出しグリッド電極４３および、集束グリッド電極４４のいずれも、電子通過路７を通過する電子の運動を規制し、電子ビームのビーム径を規定するという点において共通するため、本願発明においては、グリッド電極４２と、まとめて称する。

また、引き出しグリッド電極４３は、電子放出部４０から放出された電子が電子通過孔４３ｆを通過する電子の通過量を経時的に制御することを意図して設けられており、不図示の電圧源より複数の電位が切り替えられて印加される。一方、集束グリッド電極４４は、電子に対して集束電場を形成しターゲット５ｂ上に形成する焦点８の大きさを規定することを意図して設けられ、電子放出部４０に対して所定の電位差を有した集束グリッド電位が不図示の電圧源より印加される。

なお、本願明細書における電子通過路７は、電子放出部４０から放出された電子が集束グリッド電極４４を通過するまでの通過経路に対応する。

引き出しグリッド電極４３は、電子通過孔４３ｆが設けられ管径方向および周方向に延在する環状部４３ａを備えており、環状部４３ａの外縁において電子通過路７の周囲に９０度間隔で４つ配置された絶縁支持部材４１ａ～４１ｄにより支持されている。

絶縁支持部材４１ａ～４１ｄは、グリッド電極４２との接続部における熱応力を緩和するために、グリッド電極４２と線膨張係数の整合がはかられる。グリッド電極４２がモリブデン（３００Ｋにおけるα＝４．８×１０^－６Ｋ^－１）で構成されている場合は、アルミナ（３００Ｋにおけるα＝７．０×１０^－６Ｋ^－１）が適用される。グリッド電極４２と絶縁支持部材４１ａ～４１ｄとは不図示のろう材を介して接合されている。

なお、グリッド電極４３、集束グリッド電極４４のそれぞれが複数配置される形態も本願発明の実施態様（不図示）に含まれる。従って、グリッド電極４２が、３以上である形態も本願発明の実施態様（不図示）に含まれる。かかる態様においては、絶縁支持部材４１は、複数のグリッド電極４２の少なくとも２つを電気的に絶縁するとともに支持する。

また、集束グリッド電極４４は、図１（ｄ）、（ｈ）に示す様に、引き出しグリッド電極４３の電子通過孔４３ｆを通過した電子が通過可能な電子通過孔４４ｆが設けられ管径方向および周方向に延在する環状部４４ａを備えている。

なお、環状部４３ａ、４４ａは、管径方向（ｙｚ平面）に平行である必要は無く、電子通過路７を規定するだけの電場が形成する形態であればよく、すり鉢状（コーン状）であっても良い。また、環状部４３ａ、４４ａは、メッシュ状グリッド、スパイラル状グリッド電極、多重環状電極等の不連続な形状であっても良い。

＜第１の実施形態＞
次に、本願発明の特徴である導電部を備えた第１の実施形態に係るＸ線発生管について、図１（ａ）～（ｈ）の各図を用いてより詳細に説明する。

本実施形態のグリッド電極４２は、電子放出部４０に近い側に引き出しグリッド電極４３、電子放出部４０から遠い側に集束グリッド電極４４を備えている。引き出しグリッド電極４３は、さらに、管軸方向に延在する管状部４３ｂ、４３ｃを備えている。管状部４３ｂ、４３ｃは、管径方向と交差する方向に延在しているとも言える。管状部４３ｂおよび４３ｃは、電子放出部４０の側と、集束グリッド電極４４の側と、に環状部４３ａからそれぞれ突出している管状の突出部である。管状部４３ｂ、４３ｃは、引き出しグリッド電極４３の部分であり、環状部４３ａとともに、不図示の電圧源に電気的に接続されて電位規定されている。

また、集束グリッド電極４４は、環状部４４ａの外縁において、電子通過路７の周りに９０度間隔で４つ配置された絶縁支持部材４１ａ～４１ｄにより支持されている。環状部４４ａは、ターゲット５ｂに対向するように配置されている。

なお、環状部４４ａは、環状部４３ａと同様にして、電子通過路７を規定するだけの電場が形成されればよく、すり鉢状（コーン状）やメッシュ状の形態であっても良い。

本実施形態の集束グリッド電極４４は、さらに、管軸方向に延在す管状部４４ｂ、４４ｃを備えている。管状部４４ｂ、４４ｃは、管径方向と交差する方向に延在しているとも言える。管状部４４ｂおよび４４ｃは、電子放出部４０の側と隣接する陽極５の側とにそれぞれ突出している管状の突出部である。管状部４４ｂ、４４ｃは、集束グリッド電極４４の部分であり、環状部４４ａとともに、不図示の電圧源に電気的に接続されて電位規定されている。

管状部４３ｂは、図１（ｄ）、（ｅ）に示す様に、電子通過路７から絶縁支持部材４１が直視されないように、陰極部材４ｂの側に突出している。ここで、管状部４３ｂは、引き出しグリッド電極４３と電子放出部４０とが短絡しないように、管径方向において電子放出部４０に対して離間している。

また、管状部４３ｃ、管状部４４ｂは、図１（ｄ）、（ｇ）に示す様に、電子通過路７から絶縁支持部材４１が直視されないように、管軸方向において重なる様に、互いに反対方向に突出している。即ち、グリッド電極４２（４３、４４）同士が短絡しないように、環状部４４ａと環状部４３ａ、及び、管状部４３ｃと管状部４４ｂは、それぞれ離間している。

なお、引き出しグリッド電極４３、集束グリッド電極４４は、図１（ｄ）、（ｇ）に示すように、互いの環状部４３ａ、４４ａが管軸方向に対向し、互いの管状部４３ｃ、４４ｂが管径方向に対向する部分を有する一対のグリッド電極４２であると言える。このような環状部４３ａ、４４ａ（導電部６）を備えることにより、本実施形態の電子銃４ｂは、絶縁支持部材４１ａ～４１ｄ上への管径方向に移動する散乱金属粒子の堆積が抑制される。

また、管状部４３ｃは管状部４４ｂより、管径方向において内側に位置している。即ち、環状部４３ａが電子放出部４０に近い側に位置する引き出しグリッド電極４３の管状部４３ｃは、環状部４４ａが電子放出部４０から遠い側に位置する集束グリッド電極４４の管状部４４ｂより、管径方向において内側に位置しているとも言える。

導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）は、電子通過路７から飛翔する金属粒子が、絶縁支持部材４１に堆積することを抑制し、絶縁支持部材４１の絶縁性を維持する役割を担う。これにより、電子放出部４０、グリッド電極４２（４３、４４）は、安定してそれぞれの所定の電位に規定される。この為、本実施形態に係るＸ線発生管１は、動作履歴に伴う焦点８の大きさ、位置および形状の変動が抑制され高い信頼性を有するものとなる。

導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）は、本実施形態においては、グリッド電極４２（４３、４４）の部分であって導電性を有している。従って、隣接する電子放出部４０、グリッド電極４２（４３、４４）が短絡しない範囲において、かかる導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）に金属粒子が堆積しても、グリッド電極による電場規定作用の変動が生じない。

本実施形態に係るＸ線発生管１によれば、電子通過路７からみて絶縁支持部材４１が直視されないように遮る導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）を電子銃４ｂが有することで、絶縁支持部材４１の絶縁性が担保される。このような導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）を有する電子銃４ｂを備えることで、焦点８の大きさ、位置および形状の変動が抑制された信頼性の高いＸ線発生管１を提供することが可能となる。

なお、本実施形態においては、導電部６（４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）は、グリッド電極４２（４３、４４）の部分であったが、グリッド電極４２（４３、４４）とは、電気的に分離した金属材料を配置する形態も本発明に含まれる。一方で、グリッド電極４２（４３、４４）が配置されるスペースにおいて、導電部６とグリッド電極４２との短絡、または導電部６と電子放出部４０との短絡、を抑制する為には、本実施形態のように導電部６がグリッド電極４２の部分であることが好ましい。

また、本実施形態においては、図１（ｅ）、（ｇ）に示す様に導電部６（４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）は、電子通過路７からみて絶縁支持部材４１ａ～４１ｄが直視されないように遮る管状の形態をとっているが、管状であることは必須では無い。例えば、周方向に離散的に配置さている絶縁支持部材４１ａ～４１ｄのそれぞれに対応して、周方向に離散的に導電部を配置する形態（不図示）も本発明の態様に含まれる。

電子通過路７から金属粒子が飛翔し、絶縁支持部材４１ａ～４１ｄに堆積する機序については、後述する。

＜参考形態＞
本願発明者は、絶縁支持部材に支持されたグリッド電極を備える電子銃を有するＸ線発生管において、Ｘ線発生管の駆動履歴に伴う焦点径の変動を確認した。

図２（ａ）～（ｅ）は、グリッド電極４２、４３が管状部（導電部）を備えていない点において第１の実施形態と相違する参考形態に係るＸ線発生管３０１が図示されている。

図２（ａ）～（ｈ）は、第１の実施形態に係る図１（ａ）～（ｈ）に対応して示されている。一方、図２（ｉ）は、１０^４回の曝射動作後のＸ線発生管３０４に認められた焦点３０８を模式的に示すものであって、第１の実施形態と相違し焦点径の拡大が見て取れる。

本願発明者の鋭意なる検討の結果、絶縁支持部材に支持されたグリッド電極を備える電子銃を有するＸ線発生管において、駆動履歴に伴う焦点径の変動に関し以下の５点の観測事実を確認した。
・焦点径の変動は、休止期間により回復が無く、不可逆的であったこと。
・焦点径の変動量に対する相関係数の二乗Ｒ^２は、管電圧＜曝射強度≒電子線の照射量＜電子放出源のフィラメント電流、の順であったこと。
・変動量が大きかったＸ線発生管の電子銃を解析したところ、グリッド電極間、グリッド電極と電子銃との間のノード間抵抗の減少が認められたこと。
・変動量が大きかったＸ線発生管の電子銃を分析したところ、絶縁支持部材の表面組成に特定の金属の増加が認められたこと。
・増加が認められた金属は、電子放出部由来の成分Ｂａが支配的であったこと。

かかる観測事実に基づき本願発明者は、「焦点径の変動要因は、Ｘ線発生管の動作に伴う絶縁支持部材３４１への散乱金属粒子の堆積にある」ものと推定するに至った。

＜散乱金属粒子発生の素過程＞
次に、図３（ａ）～（ｆ）を用いて、本願発明の課題に係る散乱金属粒子の発生と絶縁支持部材上への堆積に係る、本願発明者が推敲した素過程を説明する。

Ｘ線発生管３０１の内部は、不可避に残留するガスと共に、金属粒子が浮遊している。かかる金属粒子は、電子放出部３４０、ターゲット層３０５ｃの構成材料の一部が真空空間に放出された成分と考えられる。金属粒子の放出過程は、Ｘ線発生管の曝射動作、電子銃の電子放出動作に依拠していた観測結果から、図３（ａ）に示す様に、電子放出部３４０からの蒸発、ターゲット層３０５ｃ、グリッド電極３４２に対するスパッタリング等が考えられる。

浮遊している金属粒子は数ｅＶ以下程度の運動エネルギーである為、大半は発生箇所またはその近傍に捕獲されるが、残部は、図３（ｂ）、（ｃ）に示す様に、電子、Ｘ線の照射を受けて、陽イオン化する。

酸化バリウムが含侵された含浸型の電子放出部３４０を例に、電子放出部３４０から蒸散したＢａ粒子のイオン化過程を［化１］、［化２］に示す。
Ｂａ （Ｘ－ｒａｙ入射）→ Ｂａ^＋ ＋ ｅ^― ［化１］
Ｂａ （＋ｅ^－入射） → Ｂａ^＋ ＋ ２ｅ^― ［化２］

一方、発生した金属イオンは、電子銃３０４ｂまたはＸ線発生管３０１内部の電場から受ける静電力により、図３（ｄ）に示す様に、陰極部材３０４の側に移動し、その大半が、陰極３０４に捕獲される。捕獲された金属イオンは、［化３］のように、陰極３０４上で電子を受け渡され金属層として堆積すると考えられる。
Ｂａ^＋ ＋ ｅ^－ → Ｂａ ［化３］

なお、陰極３０４に堆積する金属は、陰極３０４を構成する陰極部材３０４ａ、電子放出部３４０の電場規定性能に影響を与えないため許容される。

一方、金属イオンの残部は、陰極３０４に捕獲される前に、図３（ｅ）に示す様に、散乱電子、電子ビームと再結合し、電子ビーム、散乱電子の運動エネルギーの一部を受け取り、中性の散乱金属粒子となる。

かかる散乱金属粒子は、電場の影響を受けない為に、管径方向（ｙｚ平面）への移動が可能であり、図３（ｆ）に示す様に、絶縁支持部材３４１の表面に金属粒子が固定化され、金属層を堆積させる。この結果、導電部６（管状部）を有さない電子放出部３０４ｂを有するＸ線発生管３０１は、グリッド電極３４３、３４４の電場規定性能が駆動履歴に伴い低下する。この結果、Ｘ線発生管３０１の動作履歴に伴い、図２（ｃ）に示す初期の焦点８から図２（ｉ）に示すデフォーカスされた焦点３０８への焦点サイズの変動が観測されるものと考えられる。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係るＸ線発生管１を示すものである。図４（ａ）～（ｈ）の各図は、図１（ａ）～（ｈ）の呈示の方法に準じている。本実施形態は、図４（ｄ）及び図４（ｅ）～（ｈ）に示す様に、絶縁支持部材４１の外側から見て絶縁支持部材４１ａ～４１ｄを隠す外周管状部４４ｅを備えている点において第１の実施形態と相違する。

なお、本実施形態においては、外周管状部４４ｅは、集束グリッド電極４４の給電部４４ｄを兼ねており、集束グリッド電極４４（グリッド電極４２）の部分であるとも言える。

電子銃４ｂの内側に位置する導電部６（管状部４３ｂ、４３ｃ、４４ｂ）は、電子通過路７からみて絶縁支持部材４１ａ～４１ｄを遮蔽している。これに対して、電子銃４ｂの外側に位置する導電部６（管状部４４ｅ）は、電子銃４ｂと絶縁管２に挟まれた領域から見て絶縁支持部材４１ａ～４１ｄを遮蔽している。

以下に図４（ａ）～（ｊ）を用いて、外周管状部４４ｅが導電部として発現する技術的意義を説明する。

＜＜後方散乱電子に係る散乱金属粒子＞＞
実質的に初速度０で電子放出部４０から放出された電子は、電子通過路７を経た後、管電圧Ｖａの静電ポテンシャルを受けて加速され、運動エネルギーＶａ（ｅＶ）でターゲット５ｂに入射する。

ターゲット５ｂでは、ターゲット層５ｃの内部で熱エネルギー、二次電子、オージェ電子に変換され、残部がＸ線に変換される。ターゲット層５ｃ内部でターゲット金属と相互作用し減速した成分である二次電子、オージェ電子は、０－５００（ｅＶ）の運動エネルギーしか有さずにターゲット層５ｃの後方に放出されるため、殆どが、陽極５に再入射し捕獲される。

一方、ターゲット層５ｃの表面で、入射電子のうち２０％～４０％程度は弾性散乱する。ターゲット層５ｃの表面で弾性散乱した後方散乱電子は、運動エネルギーＶａ（ｅＶ）を有しており、電子放出部４０の等電位面上にある領域まで到達しうる。

陽極５の側に陰極部材４ａから突出した電子銃４ｂを備えたＸ線発生管１は、陰極４陽極５の間の電場は、図４（ｉ）の様に、陰極４の側において電子銃４ｂによる変形を受けている。

ターゲット層５ｃから弾性散乱した後方散乱電子は、散乱角度分布を有しており、電子銃４ｂに向かって散乱する成分ばかりでなく、電子銃４ｂと絶縁管２との間の空間にも到達する成分が存在する。

図４（ｉ）には、管径方向に異なるＹ座標を有する管軸方向Ｘ０（ｙ＝－Ψ／２）、Ｘ１（ｙ＝０）および、Ｘ２（ｙ＝－Ψ／４）が示されている。また、図４（ｊ）には、管軸方向Ｘ０（ｙ＝－Ψ／２）、Ｘ１（ｙ＝０）および、Ｘ２（ｙ＝－Ψ／４）に沿った仮想線状の電位分布が示されている。ここで、陽極部材５ａの直径Ψ（ｍ）である。

電子放出部４０の静電ポテンシャルは、カソード電位－Ｖａ（ｅＶ）であるため、Ｘ２（ｙ＝－Ψ／４）に沿って移動する後方散乱電子は、電子放出部４０より陰極部材４ａの側に到達する。

従って、電子銃４ｂと絶縁管２との間の空間に到達する後方散乱電子は、Ｘ線発生管１の内部空間に微量に含まれる金属（陽）イオンと再結合し、中性の散乱金属粒子に変化する。即ち、電子銃４ｂと絶縁管２との間の空間に到達する後方散乱電子は、電子銃４ｂと絶縁管２との間の空間に散乱金属粒子を発生させ、絶縁支持部材４１に金属粒子を堆積させる要因となると考えられる。

本実施形態の外周管状部４４ｅ（導電部）は、かかる電子銃４ｂと絶縁管２との間の空間に発生する散乱金属粒子が絶縁支持部材４１ａ～４１ｄに堆積し絶縁支持部材４１を低抵抗化することを抑制するものである。これにより、電子放出部４０、グリッド電極４２（４３、４４）は、それぞれの所定の電位に安定して規定される。この為、本実施形態に係るＸ線発生管１は、図４（ｃ）に示す様に、動作履歴に伴う焦点８の大きさ、位置および形状の変動が、より一層抑制され高い信頼性を有するものとなる。

外周管状部４４ｅは、管径方向の外側から絶縁支持部材４１ａ～４１ｄ上に散乱金属粒子が堆積する事を抑制するために絶縁支持部材４１ａ～４１ｄの外側に設けられた導電部であるとも言える。

第１および第２の実施態様に係るＸ線発生管は、透過型のターゲットを備えた透過型Ｘ線発生管に適用した例を示した。しかしながら、絶縁支持部材にグリッド電極が支持された電子銃を備えているＸ線発生管に適用され、反射型のターゲットを備えた反射型Ｘ線発生管も本発明の態様に含まれる。

＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態に係るＸ線発生管１を示すものである。図５（ａ）～（ｈ）の各図は、図１（ａ）～（ｈ）の呈示の方法に準じている。本実施形態は、図５（ｄ）及び図５（ｇ）に示す様に、導電部を構成する環状部４３ｃ、４４ｂの管径方向における位置関係において第１の実施形態、第２の実施形態と相違する。即ち、管径方向において、互いに対向する環状部４３ｃ、４４ｂは、陰極４の側に位置する引き出しグリッド電極４３の管状部４３ｃが、陽極５の側に位置する集束グリッド電極４４の管状部４４ｂより、管径方向において外側に位置している。また、陰極４の側に位置する引き出しグリッド電極４３の管状部４３ｃは、陽極５の側に位置する集束グリッド電極４４の管状部４４ｂにより、電子通過路７から直視されないように配置されているとも言える。

このような配置をとることにより、集束グリッド電極４４の環状部４４ａで後方散乱した不図示の反射電子が、引き出しグリッド電極４３の管状部４３ｃに入射する現象が抑制され、引き出しグリッド電極４３の電位変動が抑制される。

本実施形態のＸ線発生管１によれば、曝射動作履歴に伴い、絶縁支持部材４１ａ～ｄの絶縁性の低下が抑制されるだけでなく、グリッド電極に入射する反射電子の影響が抑制されている。図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、焦点８の中心８ｃの位置がより一層安定した、より一層信頼性の高いＸ線発生管提供することが可能となる。

＜Ｘ線発生装置＞
次に、図６を用いて、本発明のＸ線発生管を備えたＸ線発生装置の構成例について説明する。

図６には、第４の実施形態に係るＸ線発生装置１０１が示されている。Ｘ線発生装置１０１は、第１または第２の実施形態に係るＸ線発生管１、および、Ｘ線発生管１を駆動するための駆動回路１０６と、Ｘ線発生装置１０２および駆動回路１０６を収納する収納容器１０７と、を備えている。

駆動回路１０６は、陰極および陽極の間に管電圧を印加する管電圧回路１０６ａと、電子銃４ｂの電子放出量を制御する電子量制御回路１０６ｂとを有している。管電圧回路１０６ａにより、ターゲット層５ｃと電子放出部４０との間に加速電場が形成される。ターゲット層５ｃの層厚と金属種とに対応して、管電圧Ｖａを適宜設定することにより、撮影に必要な線種を選択することができる。

Ｘ線発生管１及び駆動回路１０６を収納する収納容器１０７は、容器としての十分な強度を有し、かつ放熱性に優れたものが望ましく、その構成材料として、例えば真鍮、鉄、ステンレス等の金属材料が用いられる。

本実施形態の収納容器１０７は、Ｘ線発生管１の陽極５と電気的に接続され、接地電位に規定されている。

一方、収納容器１０７内のＸ線発生管１と駆動回路１０６以外の余空間には、絶縁性流体１０８が充填されることにより、収納容器１０７の収納されている部材と収納容器１０７との電気的絶縁が担保される。収納容器１０７に収納されている部材には、Ｘ線発生管１、駆動回路１０６、及び、不図示の配線等が含まれる。

絶縁性流体１０８は、電気絶縁性を有する液体で、収納容器１０７の内部の電気的絶縁性を維持する役割と、Ｘ線発生管１の冷却媒体としての役割とを有する。絶縁性流体１０８としては、鉱油、シリコーン油、パーフロオロ系オイル等の電気絶縁油、ＳＦ６等の絶縁性ガス等が用いられる。

本実施形態のＸ線発生装置１０１は、少なくとも第１～第３の実施形態いずれかに係るＸ線発生管１が適用されることにより、電子線の集束性能における安定性が担保された電子銃を備えるため、焦点８の変動が抑制された信頼性の高いものとなる。

＜Ｘ線撮影システム＞
次に、図７を用いて、本発明のＸ線発生装置を備えたＸ線撮影システムの構成例について説明する。

図７には、第５の実施形態に係るＸ線撮影システム２００が示されている。Ｘ線撮影システム２００は、Ｘ線発生装置１０１から放出され被検体２０４を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置２０１と、Ｘ線発生装置１０１とＸ線検出装置２０１とを連携して制御するシステム制御装置２０１と、を備えている。

駆動回路１０６は、システム制御装置２０２による制御の下に、Ｘ線発生管１に各種の制御信号を出力する。駆動回路１０６が出力する制御信号により、Ｘ線発生装置１０１から放出されるＸ線束の放出状態が制御される。

Ｘ線発生装置１０１から放出されたＸ線束は、被検体２０４を透過して検出器２０６で検出される。検出器２０６は、検出したＸ線を画像信号に変換して信号処理部２０５に出力する。

信号処理部２０５は、システム制御装置２０２による制御の下に、画像信号に所定の信号処理を施し、処理された画像信号をシステム制御装置２０２に出力する。

システム制御装置２０２は、処理された画像信号に基づいて、表示装置２０３に画像を表示させるための表示信号を表示装置２０３に出力する。表示装置２０３は、表示信号に基づく画像を、被検体２０４の撮影画像としてスクリーンに表示する。

本実施形態のＸ線撮影システム２００は、第４の実施形態に係るＸ線発生装置１０１を備えることにより、焦点８の変動が抑制され高品質の撮影画像を再現性良く取得することができる。なお、Ｘ線撮影システムは、工業製品の非破壊検査や人体や動物の病理診断に適用される。

１ Ｘ線発生管
２ 絶縁管
４ 陰極
４ｂ 電子銃
５ 陽極
５ｂ ターゲット
６ 導電部
７ 電子通過路
４０ 電子放出部
４１ 絶縁支持部材
４２ グリッド電極
４３ 引き出しグリッド電極
４４ 集束グリッド電極

Claims (19)

1. 電子の照射によりＸ線を発生するターゲットを含み接地される陽極と、前記ターゲットに電子を照射する陰極と、前記陽極と前記陰極とを絶縁し前記陽極、前記陰極とともに真空容器を構成する絶縁管と、を備え前記陽極と前記陰極間に管電圧が印加されるＸ線発生管の前記陰極に適用され前記ターゲットに向けて電子ビームを照射する電子銃であって、
   電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部から放出された電子が通過する電子通過孔をそれぞれが有するとともに前記ターゲットに向かう方向にこの順で配置される引出電極と集束電極と、前記引出電極と前記集束電極を電気的に絶縁し支持するために管周方向に離散的に設けられた複数の絶縁支持部材と、を有し、
   前記電子放出部から前記集束電極を電子が通過するまでの放出電子の通過経路である電子通過路から管径方向の外側に見て前記絶縁支持部材が直視される部分を前記複数の絶縁支持部材のいずれもが有さないように前記引出電極と前記集束電極のそれぞれが前記複数の絶縁支持部材を遮る導電性の遮蔽部を有している電子銃。
2. 前記Ｘ線発生管は、前記陽極に前記ターゲットと電気的に接続され前記絶縁管の一端と気密性を有して接続される陽極部材と、前記陰極に前記絶縁管の他端と気密性を有して接続される陰極部材と、を有し、
   前記陰極部材と電気的に接続され、前記陰極部材とともに前記陰極を構成する請求項１に記載の電子銃。
3. 前記集束電極は、電圧源により電位規定されていることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
4. 前記集束電極は、前記導電性の前記遮蔽部を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の電子銃。
5. 前記導電性の前記遮蔽部は、前記複数の絶縁支持部材が前記電子通過路から直視される部分を有さないように設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
6. 前記集束電極は、前記電子通過路を規定する電子通過孔が設けられ、管径方向に延在する環状部と、前記環状部に連なり前記電子通過路に沿って延在する管状部と、を有し、
   前記導電性の遮蔽部は、前記管状部の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の電子銃。
7. 前記導電性の遮蔽部は、前記絶縁支持部材の低抵抗化を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の電子銃。
8. 前記導電性の遮蔽部は、前記電子放出部に由来する金属粒子のうち管径方向の外側に向かう成分が前記絶縁支持部材上に堆積することを抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の電子銃。
9. 管径方向における外側から見て前記絶縁支持部材が直視されない様に、前記絶縁支持部材の管径方向における外側に外周管状部を有することを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の電子銃。
10. 前記外周管状部は、前記集束電極の一部を構成することを特徴とする請求項９に記載の電子銃。
11. 前記陽極は、前記電子銃からの電子ビームの照射を受けてＸ線を発生するターゲット層を有し、前記ターゲット層と前記電子放出部との間には加速電場が形成される請求項１～１０のいずれか１項に記載の電子銃。
12. 前記加速電場は、前記電子銃から放出された電子が前記管電圧に対応する静電ポテンシャルを受けて加速され前記ターゲット層に入射するように、少なくとも前記電子銃の陽極側終端と前記ターゲット層との間において形成されている請求項１１に記載の電子銃。
13. 前記加速電場は、前記電子通過路を経た電子が前記管電圧に対応する静電ポテンシャルを受けて加速され前記ターゲット層に入射するように、少なくとも前記集束電極と前記ターゲット層との間において形成されている請求項１１または１２に記載の電子銃。
14. 請求項２または３に記載の電子銃と、前記電子銃とともに前記陰極を構成する前記陰極部材と、前記ターゲットとともに前記陽極を構成する前記陽極部材と、前記陽極部材と前記陰極部材とに管軸方向の一端と他端において接続される前記絶縁管と、を有するＸ線発生管。
15. 請求項１４に記載のＸ線発生管と、前記ターゲットと前記電子放出部とのそれぞれに電気的に接続され、前記ターゲットと前記電子放出部との間に印加される管電圧を出力する駆動回路と、を備えるＸ線発生装置。
16. 請求項１５に記載のＸ線発生装置と、
    前記Ｘ線発生装置から放出され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、
    前記Ｘ線発生装置と前記Ｘ線検出装置とを連携して制御するシステム制御装置と、
    を備えることを特徴とするＸ線撮影システム。
17. 接地される陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極とを絶縁し前記陽極、前記陰極とともに真空容器を構成する絶縁管と、を備え、前記陽極と前記陰極間に管電圧が印加される真空管に適用され前記陰極を構成する電子銃であって、
    電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部から放出された電子が通過する電子通過孔をそれぞれが有するとともに前記陽極に向かう方向にこの順で配置される引出電極と集束電極と、前記引出電極と前記集束電極を電気的に絶縁し支持するために管周方向に離散的に設けられた複数の絶縁支持部材と、を有し、
    前記電子放出部から前記集束電極を電子が通過するまでの放出電子の通過経路である電子通過路から管径方向の外側に見て前記絶縁支持部材が直視される部分を前記複数の絶縁支持部材のいずれもが有さないように前記引出電極と前記集束電極のそれぞれが前記複数の絶縁支持部材を遮る導電性の遮蔽部を有している電子銃。
18. 前記陽極は、前記電子銃からの電子ビームの照射を受けてＸ線を発生するターゲット層を有し、前記ターゲット層と前記電子放出部との間には加速電場が形成される請求項１７に記載の電子銃。
19. 前記加速電場は、前記電子銃から放出された電子が前記管電圧に対応する静電ポテンシャルを受けて加速され前記ターゲット層に入射するように、少なくとも前記電子銃の陽極側終端と前記陽極との間において形成されている請求項１８に記載の電子銃。

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