JP4982674B2 - Ｘ線発生器 - Google Patents
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Description
本発明は、電子を発生する電子発生手段及び支持部材に支持されたＸ線ターゲットが真空管内に配置され、前記電子発生手段から前記Ｘ線ターゲットへ電子を照射することにより生じるＸ線を所定位置へ導くＸ線ガイド手段が真空管外に配置されているＸ線発生器に関する。
近年、動植物もしくは鉱物の分析、又は、電子部品の解析もしくは品質管理などにＸ線分析装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。Ｘ線分析装置は、試料にＸ線を照射するためのＸ線発生器を備える。図５はＸ線発生器の例を示す図である。Ｘ線発生器は、電子を発生するフィラメント７０と、Ｘ線ターゲット６２と、フィラメント７０からＸ線ターゲット６２へ電子を照射することにより生じるＸ線を試料に導くＸ線ガイドチューブ（Ｘ線ガイド手段）８０とを備える。
特開２０００−２２１２９９号公報
Ｘ線ターゲット６２及びフィラメント７０は真空管６８内に配置され、Ｘ線ガイドチューブ８０は、ベリリウム窓７２を挟んで真空管６８外に配置されている。Ｘ線ガイドチューブ８０の直径は０．１ｍｍ程度であり、Ｘ線ターゲット６２からＸ線ガイドチューブ８０までの距離は３０ｍｍ程度である。そのため、Ｘ線ガイドチューブ８０によって試料に導かれるのは、Ｘ線ターゲット６２で生じたＸ線の一部だけであり、生じたＸ線は有効に使用されていないという問題がある。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、真空管に内側へ凹んだ凹部を設け、該凹部にＸ線ガイド手段を挿入した構成とすることにより、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光又は絞って（以下、集光等という）、輝度を向上させることができるＸ線発生器を提供することを目的とする。
また、本発明は、支持部材の突起部に記Ｘ線ターゲットを取付けた構成にすることにより、電子をＸ線ターゲットに集束し、衝突させ、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光等し、輝度を向上させることができるＸ線発生器を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、表面が球面状の突起部にＸ線ターゲットを取付けた構成とすることにより、電子をＸ線ターゲットにより良好に集束し、衝突させ、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線をさらに効率良くＸ線ガイド手段で集光等して、より良好に輝度を向上させることができるＸ線発生器を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、支持部材の突起部にダイヤモンドを介してＸ線ターゲットを取付けることにより、Ｘ線ターゲットの放熱を効率的に行うことができるＸ線発生器を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、Ｘ線ガイド手段及び電子発生手段を、支持部材の突起部と向き合うように配置したことにより、Ｘ線発生器を小型化することができるＸ線発生器を提供することを他の目的とする。
また、本発明は、電子発生手段として、コールドエミッタと、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを用いることにより、小型化できるＸ線発生器を提供することを他の目的とする。
本発明に係るＸ線発生器は、電子を発生する電子発生手段及び支持部材に支持されたＸ線ターゲットが真空管内に配置され、前記電子発生手段から前記Ｘ線ターゲットへ電子を照射することにより生じるＸ線を所定位置へ導くＸ線ガイド手段が真空管外に配置されているＸ線発生器において、前記電子発生手段は、カーボンナノチューブを用いてなるコールドエミッタと、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを備え、前記支持部材は突起部を有し、前記Ｘ線ターゲットは、ダイヤモンドを介して前記突起部に取付けられてあり、前記Ｘ線ガイド手段は、管状に形成され、一端に入射したＸ線の内、内面に対する入射角度が全反射の臨界角よりも小さいＸ線を、内面で全反射することによって集光し、他端から前記所定位置へ照射する構成となっており、前記Ｘ線ガイド手段及び前記電子発生手段は、前記Ｘ線ターゲットと向き合うように配置されており、前記真空管は、内側へ凹んだ凹部を備え、該凹部に前記Ｘ線ガイド手段の一端が挿入されていることを特徴とする。
本発明に係るＸ線発生器は、前記突起部及びダイヤモンドを介して該突起部に取付けられた前記Ｘ線ターゲットを合わせた表面形状は球面状であることを特徴とする。
本発明に係るＸ線発生器は、電子を発生する電子発生手段及び支持部材に支持されたＸ線ターゲットが真空管内に配置され、前記電子発生手段から前記Ｘ線ターゲットへ電子を照射することにより生じるＸ線を所定位置へ導くＸ線ガイド手段が真空管外に配置されているＸ線発生器において、前記支持部材は突起部を有し、前記Ｘ線ターゲットは、ダイヤモンドを介して前記突起部に取付けられてあり、前記Ｘ線ガイド手段は、管状に形成され、一端に入射したＸ線の内、内面に対する入射角度が全反射の臨界角よりも小さいＸ線を、内面で全反射することによって集光し、他端から前記所定位置へ照射する構成となっており、前記Ｘ線ガイド手段及び前記電子発生手段は、前記Ｘ線ターゲットと向き合うように配置され、前記電子発生手段は、前記Ｘ線ガイド手段のＸ線ターゲット側の端部周辺に配置されたカーボンナノチューブを用いてなるコールドエミッタと、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを備えていることを特徴とする。
本発明においては、真空管が備える内側へ凹んだ凹部にＸ線ガイド手段を挿入しているため、Ｘ線ターゲットとＸ線ガイド手段との距離が縮まり、立体角を大きくし、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光等することが可能になり、輝度を向上させることができる。なお、Ｘ線ガイド手段とは、Ｘ線ガイドチューブのようなＸ線を集光等して照射領域に導くもの、コリメータのように立体角を制限してＸ線を照射領域に導くものなどを含む。
本発明においては、支持部材は突起部を有し、該突起部にＸ線ターゲットを取付けている。突起部の周辺の電気力線の分布は突起部の形状に応じたほぼ同心状の分布となり、電子発生手段から照射された電子は前記分布の中心方向に集束する。例えば突起部の表面を球面状とした場合、前記突起部の周辺の電気力線の分布は同心球面状の分布となり、電子発生手段から照射された電子は前記同心球面の中心方向に集束する。Ｘ線ターゲットに照射する電子を集束し、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くガイドすることが可能になり、Ｘ線ビーム径を容易に微小化することができる。また、電子の照射スポットを集束することにより、電流量を減少することができ、電源ユニット小型化できる。そのため、発生器全体の小型化が容易になる。さらに、突起部は真空管内側に突出しているため、Ｘ線ターゲットは真空管の内側に配置されることになり、Ｘ線ガイド手段との距離が縮まる。そのため、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光等することが可能になり、輝度を向上させることができる。
本発明においては、Ｘ線ターゲットを、熱伝導率の高いダイヤモンドを介して支持部材の突起部に取付けているため、Ｘ線ターゲットで生じた熱を効率的に支持部材に逃がすことができる。Ｘ線ターゲットの放熱を効率的に行うことができる。
本発明においては、生じたＸ線を所定位置に導くＸ線ガイド手段及び電子発生手段を、支持部材の突起部と向き合うように配置する場合、電子発生手段をＸ線ガイド手段近傍で支持することが可能になる。電子発生手段をＸ線ガイド手段の近傍で支持することにより、Ｘ線発生器を小型化することができる。
本発明においては、電子発生手段として、コールドエミッタ（冷陰極）と、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを用いているため、タングステンフィラメントを用いる場合とは異なり、熱を加える必要がない。熱を加えないため、冷却ファンなどは不要であり、Ｘ線発生器を小型化できる。また、コールドエミッタを用いることにより、高輝度化できる。
本発明によれば、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光等し、輝度を向上させることができる。
本発明によれば、Ｘ線ターゲットに照射する電子を集束し、Ｘ線ターゲットで発生したＸ線を効率良くＸ線ガイド手段で集光等し、輝度を向上させることができる。
本発明によれば、Ｘ線ターゲットの放熱を効率的に行うことができる。
本発明によれば、Ｘ線発生器を小型化することができる。
以下、本発明のＸ線発生器をＸ線分析装置に用いた場合を例にして説明を行う。なお、本発明のＸ線発生器は、Ｘ線分析装置に限定はされず、Ｘ線を発生させる任意の装置に用いることが可能である。
図１は、本発明に係るＸ線発生器の構成例を示す部分断面図である。Ｘ線発生器１０は、試料ステージ３６上方に配置されており、試料ステージ３６上に載置された試料３８にＸ線を照射する。３０はシリカガラス製のＸ線ガイドチューブ（Ｘ線ガイド手段）であり、先端側の開口部は試料ステージ３６上方に配置されている。Ｘ線ガイドチューブ３０は、直径が０．１ｍｍ程度の円筒などの管状のものであるが、例えば半円筒状のものを用いることも可能である。なお、図示してないが、試料ステージ３６に臨むように、試料３８にＸ線を照射したことにより生じる蛍光Ｘ線を検出するための半導体検出器が設けられている。
Ｘ線ガイドチューブ３０の根元側は、真空管１８の内側に突出した凹部２８に挿入されている。真空管１８は、ゲッターポンプ１９により高真空に保たれる。図２は凹部２８の底部分の部分断面図である。凹部２８の底部分にはベリリウム窓２２が設けられており、Ｘ線ガイドチューブ３０の根元側の開口部は、ベリリウム窓２２と対面している。ベリリウム窓２２の上側（真空管１８内側）の中心及び外周周辺には、カーボンナノチューブ（コールドエミッタ：冷陰極）２０が配置され、さらに上側（Ｘ線ターゲット１２側）に引き出し電極２４が配置され、電子発生手段が構成されている。なお、カーボンナノチューブ２０は、ベリリウム窓２２の上側の中心には配置せず、外周周辺のみに配置することも可能である。この場合、Ｘ線ガイドチューブ３０に入射されるＸ線が、中心に配置されたカーボンナノチューブ２０によって遮られないため、効率的にＸ線が入射される。
引き出し電極２４の上方には、図１に示すように、Ｘ線ターゲット１２が配置されている。Ｘ線ターゲット１２は、棒状の銅製の支持部材１４の先端（突起部）に取付けられている。支持部材１４の先端側は、真空管１８内に配置され、支持部材１４の根元側は、油浴１６に挿入されている。図３は、支持部材１４の先端部分の部分断面図である。支持部材１４の先端表面は球面状である。
Ｘ線ターゲット１２は、ダイヤモンド４０を介して、銅製の支持部材１４の先端に取付けられている。Ｘ線ターゲット１２は、緩衝層４２を介して、蒸着法又はスパッタ法によりダイヤモンド４０に固着される。緩衝層４２としては、例えばＸ線ターゲット１２がロジウムの場合はタンタルを用い、Ｘ線ターゲット１２がタングステンの場合は緩衝層４２を設けないことも可能である。ダイヤモンド４０は、真空中での銀ロウ付けにより、銅製の支持部材１４に固着される。支持部材１４とダイヤモンド４０との間には、熱膨張差の緩衝層４４として、チタンなどの薄膜を設けることが好ましい。Ｘ線ターゲット１２の熱は、高熱伝導性のダイヤモンド４０及び銅製の支持部材１４を通して油浴１６へ逃がされる。
引き出し電極２４には電源Ｅ１が接続されており、また、引き出し電極２４とＸ線ターゲット１２との間には、カーボンナノチューブ２０から発生された電子を加速するための高電圧が電源Ｅ２により印加されている。引き出し電極２４にかけられた電圧によってカーボンナノチューブ２０から発生された電子２６は、Ｘ線ターゲット１２と引き出し電極２４との間にかけられた電界によって加速され、Ｘ線ターゲット１２に衝突する。その際、支持部材１４の先端は半球形状であり、図１又は３の破線に示すように、先端周辺の電気力線は先端と同心の球面状となり、加速された電子は前記球面の中心方向へ集束するため、Ｘ線ターゲット１２に例えば直径１μｍ等のスポットで容易に集束することができる。また、電子の集束が容易なため、電源Ｅ２を小型化することが可能となる。
Ｘ線ターゲット１２に電子が衝突することによりＸ線が発生し、発生したＸ線はＸ線ガイドチューブ３０に進み、Ｘ線ガイドチューブ３０の内面に対する入射角度が全反射の臨界角よりも小さい場合、内面と全反射することによって集光され、試料ステージ３６上の試料３８に照射される。その際、電子がＸ線ターゲット１２上に小さな径で集束されている方が、高エネルギのＸ線が効率よく集光される。また、Ｘ線ガイドチューブ３０は真空管１８の凹部２８に挿入されているため、Ｘ線ターゲット１２からＸ線ガイドチューブ３０までの距離は７ｍｍ程度に縮まり、Ｘ線を効率良く集光することができる。よって、高輝度微小径のＸ線ビームを実現できる。Ｘ線の輝度が高まるため、直径１μｍにＸ線を集光しても十分な強度を得ることができ、２次元測定における空間分解能を、現在の１０μｍから１μｍに飛躍的に改善することができる。試料３８にＸ線を照射することにより生じる蛍光Ｘ線は、上述した図示しない半導体検出器によって検出される。そして、半導体検出器の信号を図示しない分析装置で分析することにより、試料３８の組成を得ることができる。
また、Ｘ線ガイドチューブ３０を真空管１８の凹部２８に挿入することにより、Ｘ線発生器を小型化することができる。さらに、Ｘ線ガイドチューブ３０の根元側の開口部付近にカーボンナノチューブ２０及び引き出し電極２４を配置することにより、Ｘ線発生器を小型化することができる。Ｘ線発生器が小型化されるため、Ｘ線発生器自体を移動させて走査を行うことができる。そのため、大きなサンプル又は生体サンプルに対して測定が可能になる。特に、医療分野で今まで不可能であった人体に対する蛍光Ｘ線分析を行うことが可能になる。
上述した実施の形態において、コールドエミッタ（２０）としては、カーボンナノチューブの代わりに、ＬａＢ6 結晶を用いることが可能である。また、コールドエミッタ（２０）とＸ線ターゲット１２との間で加速された電子は、支持部材１４の先端形状に応じた電界によってＸ線ターゲット１２上に集束されるが、この集束のために電磁レンズを用いることも可能である。また、Ｘ線ターゲット１２はタングステン又はロジウムなどを用い、熱伝導性の良い銅又は銀などの金属にインブラント又は機械的に接着することが可能である。また、ファンを用いて油浴１６を空冷したり、油浴１６を用いずに銅又は銀自体を空冷して熱を逃がすことも可能である。さらに、放熱が良好な場合は、Ｘ線ターゲット１２と銅又は銀との間にダイヤモンドを用いないことも可能である。
また、上述した実施の形態において、カーボンナノチューブの代わりに、負バイアスにしたフィラメントを用いることも勿論可能である。また、当該構造の場合は、油浴１６を用いずに、水冷により熱を逃がすことも可能である。図４は、本発明に係るＸ線発生器の構成例を示す部分断面図である。支持部材１５は水冷用のパイプ５０を備えている。また、凹部２８の底部分のベリリウム窓２２の上側にはフィラメント２１が配置され、さらに上側には引き出し電極２５が配置されている。また、Ｘ線ガイド手段は、Ｘ線ガイドチューブのようなＸ線集光手段が好適であるが、それに代えてコリメータ等の適宜のＸ線ガイド部材を用いることが可能である。
１０ Ｘ線発生器
１２ Ｘ線ターゲット
１４ 支持部材
１６ 油浴
１８ 真空管
２０ カーボンナノチューブ
２１ フィラメント
２２ ベリリウム窓
２４、２５ 引き出し電極
２６ 電子
３０ Ｘ線ガイドチューブ
３６ 試料ステージ
３８ 試料
４０ ダイヤモンド
４２、４４ 緩衝層
５０ 水冷パイプ
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Claims (3)
- 電子を発生する電子発生手段及び支持部材に支持されたＸ線ターゲットが真空管内に配置され、前記電子発生手段から前記Ｘ線ターゲットへ電子を照射することにより生じるＸ線を所定位置へ導くＸ線ガイド手段が真空管外に配置されているＸ線発生器において、
前記電子発生手段は、カーボンナノチューブを用いてなるコールドエミッタと、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを備え、
前記支持部材は突起部を有し、前記Ｘ線ターゲットは、ダイヤモンドを介して前記突起部に取付けられてあり、
前記Ｘ線ガイド手段は、管状に形成され、一端に入射したＸ線の内、内面に対する入射角度が全反射の臨界角よりも小さいＸ線を、内面で全反射することによって集光し、他端から前記所定位置へ照射する構成となっており、
前記Ｘ線ガイド手段及び前記電子発生手段は、前記Ｘ線ターゲットと向き合うように配置されており、
前記真空管は、内側へ凹んだ凹部を備え、
該凹部に前記Ｘ線ガイド手段の一端が挿入されていることを特徴とするＸ線発生器。 - 前記突起部及びダイヤモンドを介して該突起部に取付けられた前記Ｘ線ターゲットを合わせた表面形状は球面状であることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生器。
- 電子を発生する電子発生手段及び支持部材に支持されたＸ線ターゲットが真空管内に配置され、前記電子発生手段から前記Ｘ線ターゲットへ電子を照射することにより生じるＸ線を所定位置へ導くＸ線ガイド手段が真空管外に配置されているＸ線発生器において、
前記支持部材は突起部を有し、前記Ｘ線ターゲットは、ダイヤモンドを介して前記突起部に取付けられてあり、
前記Ｘ線ガイド手段は、管状に形成され、一端に入射したＸ線の内、内面に対する入射角度が全反射の臨界角よりも小さいＸ線を、内面で全反射することによって集光し、他端から前記所定位置へ照射する構成となっており、
前記Ｘ線ガイド手段及び前記電子発生手段は、前記Ｘ線ターゲットと向き合うように配置され、
前記電子発生手段は、前記Ｘ線ガイド手段のＸ線ターゲット側の端部周辺に配置されたカーボンナノチューブを用いてなるコールドエミッタと、該コールドエミッタから電子を発生させる電極とを備えていることを特徴とするＸ線発生器。
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