JP5911323B2 - ターゲット構造体及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、電子線を照射することにより放射線を発生するターゲットが、基板上に形成されたターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムに関する。

放射線源として用いられる放射線発生装置では、真空状態の中で、電子源から電子を放出させ、タングステン等の原子番号が大きい金属材料で構成されるターゲットに電子を衝突させることにより放射線を発生させている。電子源から放出された電子がターゲットに入射した際には、入射したエネルギーのほとんどが熱に変換されるため、ターゲットは発熱する。このとき、ターゲットで発生した熱を十分に放熱できないと、ターゲットが熱により損傷し、その結果安定した放射線量を取り出せなくなる。

特許文献１には、ダイヤモンド基板の真空側の表面にターゲット薄膜を配置し、ターゲット薄膜で発生した熱をダイヤモンド基板から速やかに放熱する技術が開示されている。ダイヤモンドは、ベリリウムや基板として用いられる他の材料に比べて熱伝導性が極めて優れているため、ターゲット薄膜で発生した熱をダイヤモンド基板に速やかに逃がすことができる。更に、特許文献１ではダイヤモンドが真空維持のＸ線管の封止窓としての機能も有している。また、特許文献１には、ターゲット薄膜とターゲット基板の密着性を上げるために中間層を設けることも記載されている。

特表２００３−５０５８４５号公報

特許文献１に記載の技術では、上述のように、ダイヤモンド基板を用いることによって、電子線の照射によりターゲット薄膜で発生した熱をダイヤモンド基板に速やかに逃がすことができる。このため、繰り返し使用しても、比較的初期の段階では安定した放射線量が得られ、何ら問題なかった。

しかし、実用にあたっては安定した放射線量が得られる期間を更に長くする必要があり、特許文献１に記載の技術では、長時間使用した場合にはダイヤモンド基板とターゲット薄膜との密着性が不十分となり、速やかに放熱することができなかった。また、ダイヤモンド基板とターゲット薄膜の間に中間層を設けた場合でも、長時間使用した場合にはダイヤモンド基板と中間層との密着性が不十分となり、速やかに放熱することができなかった。よって、長時間使用した場合にもターゲットで発生した熱をより速やかに放熱することが求められる。

そこで、本発明は、ダイヤモンド基板上にターゲットが形成された構成を有し、ターゲットで発生した熱をより速やかに放熱することができるターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ダイヤモンド基板上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層が形成され、前記ダイヤモンド基板表面の前記ターゲット層が形成される領域において、最も多い結晶面が（１００）面であり、前記ダイヤモンド基板表面の前記ターゲット層が形成される領域に、０．０１μｍ以上２．０μｍ以下の凹凸を有し、前記ターゲット層の厚さが、１μｍ〜１５μｍであることを特徴とするターゲット構造体を提供するものである。
また本発明は、上記本発明のターゲット構造体と、電子を放出する電子源とを備えることを特徴とする放射線発生装置を提供するものである。
さらに本発明は、上記本発明の放射線発生装置と、該放射線発生装置から放出され、撮影対象物を透過した放射線を検出する放射線検出器とを備えることを特徴とする放射線撮影システムを提供するものである。

本発明によれば、ターゲット構造体を構成するダイヤモンド基板とターゲット層がより結合しやすい構造をとるため、ダイヤモンド基板とターゲット層の密着性をより向上させることができる。これにより、ターゲット層で発生した熱をダイヤモンド基板により速やかに放熱することができる。よって、本発明のターゲット構造体を用いると長期間にわたって安定した放射線量を得ることができる。

本発明のターゲット構造体を備える放射線発生装置の一例を示す断面構成図である。 本発明のターゲット構造体の４つの例を示す断面図である。 本発明のターゲット構造体を備える放射線源の他の例を示す断面構成図である。 本発明の放射線発生装置を用いた放射線撮影システムの構成図である。

以下図面を参照して、本発明のターゲット構造体、及びそれを備える放射線発生装置並びに放射線撮影システムについて好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、下記実施形態に記載されている構成部材の材質、寸法、形状、相対配置等は、特に記載がない限り、本発明の範囲を限定する趣旨のものではない。

〔第１の実施形態〕
図１を用いて本発明のターゲット構造体を備える放射線発生装置の構成例について説明する。

放射線発生装置１３は、放射線を放出するための放出窓１０を有する外囲器１１の中に放射線源１及び駆動回路１４が配置され、外囲器１１内の余空間に絶縁油等の絶縁性液体１７が満たされ、構成されている。また、放射線発生装置１３には接地端子１６が設けられている。

外囲器１１は、放射線源１、駆動回路１４及び絶縁性液体１７が入っているため、比較的強度のある材質、例えば鉄、ステンレス、真鍮等が望ましい。尚、外囲器１１の周囲の全域又は一部に、鉛等の放射線を遮蔽できる部材を配置することもできる。外囲器１１に設けられた放出窓１０は、放射線源１から発生した放射線１５を放射線発生装置１３の外部に取り出すためのものであり、材質としてはアクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等の重元素を含まないプラスチックを用いることができる。

放射線源１は、電子源３、ターゲット保持部７で保持されたターゲット構造体８、及び透過窓９が設けられた真空容器６からなる。

電子源３は、電子放出部２及び電子源電流導入端子４からなり、電子放出部２から電子を放出する。電子源３の電子放出機構としては、真空容器６の外部より電子放出量を制御可能な電子源であれば良く、熱陰極型電子源、冷陰極型電子源等を適宜適用することが可能である。電子源３は、真空容器６を貫通するように配置した電子源電流導入端子４を介して、電子放出量及び電子放出のオン・オフ状態を制御可能なように、真空容器６の外部に配置した駆動回路１４に電気的に接続される。電子放出部２から放出された電子は、不図示の引き出しグリッド、不図示の加速電極により、１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ程度のエネルギーを有する電子線５となり、電子放出部２に対向して配置した、ターゲット構造体８のターゲット層に入射可能となっている。前述の引き出しグリッド、加速電極は、熱陰極の電子銃管に内蔵することも可能である。また、電子線の照射スポット位置及び電子線の非点収差の調整のための補正電極を電子源３に付加した上で、外部に配置した不図示の補正回路と接続することも可能である。

ターゲット構造体８は、ダイヤモンド基板上にターゲット層が形成された構成を有し、ターゲット層が電子放出部２に対峙している。ダイヤモンド基板は、少なくとも、ダイヤモンド基板表面のターゲット層が形成される領域において、最も多い結晶面が（１００）面となっている。「（１００）面」とは、ミラー指数が（１００）で表される面を指す。図１では更に、ターゲット構造体８が後方ターゲット保持部７ａと前方ターゲット保持部７ｂからなるターゲット保持部７に挟まれている。尚、ターゲット保持部７（後方ターゲット保持部７ａ、前方ターゲット保持部７ｂ）は本発明の必須の構成要素ではない。

後方ターゲット保持部７ａは、電子線５をターゲット層の電子線照射領域（放射線発生領域）に導くための電子線導入孔が設けられ、電子線照射領域から全方向へ放射される放射線のうち、後方へ向かって放射される放射線を遮蔽する機能も有する。一方、前方ターゲット保持部７ｂは、ターゲット層の電子線照射領域から全方向に放射される放射線のうち、前方へ向かって放射され、必要とされる放射線を取り出すための開口部を備え、それ以外の放射線を遮蔽する機能も有する。ターゲット保持部７に用いることができる材質は、電気伝導性や熱伝導性があれば良く、３０ｋＶ〜１５０ｋＶで発生する放射線を遮蔽できるものであればより好ましい。例えばタングステン、タンタルの他、モリブデン、ジルコニウム、ニオブ、又はこれらの合金を用いることができる。

ターゲット保持部７とターゲット構造体８の接合は、不図示のろう附けにより行うことができる。ろう付けのろう材としては、ターゲット保持部７の材料や、耐熱温度等により適宜選択することができる。例えばターゲット構造体８が高温になるような場合には、高融点金属用ろう材として、Ｃｒ−Ｖ系、Ｔｉ−Ｔａ−Ｍｏ系、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ａｌ系、Ｔｉ−Ｃｒ系、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｂｅ系、Ｚｒ−Ｎｂ−Ｂｅ系等を選択できる。他に、Ａｕ−Ｃｕを主成分とするろう材、ニッケルろう、黄銅ろう、銀ろう、パラジウムろうを用いることができる。

真空容器６は、ガラスやセラミックス等で構成することができ、真空容器６の内部は真空排気（減圧）された内部空間１２となっている。真空容器６に設けられた透過窓９は、ターゲット構造体８のターゲット層で発生した放射線１５を透過し、放出窓１０から外部へ取り出す機能を有する。このため、透過窓９の材料としては、真空容器６内の真空度を維持でき、放射線１５の透過をできるだけ減衰させない材料が望ましい。例えばベリリウム、カーボン、ダイヤモンド、ガラス等で、重元素を含まないものが望ましい。内部空間１２は、電子の平均自由行程として、電子源３と放射線を放出するターゲット層の間の距離を、少なくとも電子が飛翔可能なだけの真空度であれば良く、１×１０^-4Ｐａ以下の真空度が適用可能である。使用する電子源や、動作する温度等を考慮して適宜選択することが可能であり、冷陰極型電子源等の場合には１×１０^-6Ｐａ以下の真空度とするのがより好ましい。真空度の維持のために、内部空間１２又は内部空間１２に連通している不図示の補助スペースに、不図示のゲッタを配置することも可能である。

次に、図２を用いて本発明のターゲット構造体８について説明する。

図２（ａ）は、（１００）面の単結晶ダイヤモンド基板８ａの上にターゲット層８ｂを成膜した構成である。（１００）面の界面エネルギーはσ＝９．２Ｊ／ｍ²であり、（１１１）面の界面エネルギーσ＝５．３Ｊ／ｍ²、（１１０）面の界面エネルギーσ＝６．５Ｊ／ｍ²に比べて大きい。その結果、他の結晶面に比べて（１００）面が、ターゲット層８ｂをダイヤモンド基板８ａに成膜したときに、ターゲット層８ｂとより結合しやすいという特徴がある。本発明はこの特徴を利用したものであり、本発明によれば、ダイヤモンド基板８ａとターゲット層８ｂの密着性をより向上させることができる。これにより、ターゲット層８ｂで発生した熱をダイヤモンド基板８ａにより速やかに逃がすことができる。尚、ダイヤモンド基板８ａは、表面全体が（１００）面になっていなくても良く、少なくとも、ダイヤモンド基板８ａ表面のターゲット層８ｂが形成される領域において、最も多い結晶面が（１００）面であれば良い。ダイヤモンド基板８ａ表面のターゲット層８ｂが形成される領域における（１００）面の占める割合が５０％以上であるのが好ましい。後述の図２（ｂ）〜図２（ｄ）のダイヤモンド基板についても同様である。

（１００）面を得る方法は、製造時に（１００）面が成長しやすいようにしても良いし、単結晶ダイヤモンドを製造後に（１００）面が表面になるように切り出しても良い。

ターゲット層８ｂは、通常、原子番号２６以上の金属材料を用いることができる。より好適には、熱伝導率が大きく融点が高いものほど良い。具体的には、タングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、パラジウム、レニウム等の金属材料、又はこれらの合金材料を好適に用いることができる。ターゲット層８ｂの厚さは、加速電圧によってターゲット層８ｂへの電子線の浸入深さ即ち放射線の発生領域が異なるため、最適な値は異なるが、１μｍ〜１５μｍである。

ダイヤモンド基板８ａへのターゲット層８ｂの一体化は、スパッタ、蒸着によって得ることができる。また、別の方法では、別途、圧延や研磨により所定の厚さのターゲット層８ｂを形成し、ダイヤモンド基板８ａに高温、高圧下で、拡散接合することにより得ることができる。

図２（ｂ）は、（１００）面の単結晶ダイヤモンド基板８ａが凹凸になっており、その上にターゲット層８ｂを成膜した構成である。実際の凹凸を有する基板では、エッジ部やテーパがあるため、完全に（１００）面のみではなく、（１１１）面や（１１０）面等の他の結晶面も含まれる。特に、０．０１μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸では、（１００）面が多く、かつ凹凸の大きさも適度にあるため、化学的な結合と物理的な密着が相乗効果をなすため、より効果がある。ここで、凹凸の大きさとは、ダイヤモンド基板８ａの山と谷の高低差のことである。

ダイヤモンド基板８ａの表面の凹凸の形成は、メタルボンドやスカイフ等で物理的に研磨する方法により得ることができる。この場合、メタルボンドの種類や、スカイフ研磨に用いるダイヤモンドの砥粒の種類によって異なるが、概ね、メタルボンド研磨では０．１μｍ〜２．０μｍ程度の凹凸を形成でき、スカイフ研磨では０．０５μｍ〜０．２μｍ程度の凹凸を形成できる。

また、研磨以外の方法として、ダイヤモンドを７５０℃〜８５０℃程度で加熱し、表面を僅かにグラファイト化又はアモルファス化し、その後、弗酸等で表面のグラファイト化又はアモルファス化した生成物を除去する方法がある。この方法により、凹凸のあるダイヤモンド表面を得ることができる。また、他の加熱の方法としてレーザー光を用いることができる。この方法は、凹凸を数μｍ〜数十μｍに規則正しく配列させることができる。これらの加熱方法で加熱した後に、弗酸等で生成物を除去する方法で得られる凹凸は、加熱温度により影響を受けるが、概ね、０．０１μｍ〜０．１μｍ程度である。

図２（ｂ）のように、例えばダイヤモンド基板８ａの表面の凹凸が０．０１μｍ〜０．２μｍのように小さい場合、成膜されたターゲット層８ｂの表面はほぼ均一になる。

しかし、図２（ｃ）のようにダイヤモンド基板８ａの表面の凹凸が大きくなると、例えば１μｍ以上であるような場合、ダイヤモンド基板８ａの表面の凹凸に合わせてターゲット層８ｂの表面に凹凸が発生する。しかし、電子線の照射される領域、即ち焦点は、通常０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であり、焦点領域は、数μｍ程度の凹凸からみれば非常に大きく、ほぼ均一とみなすことができる。

上記より、ダイヤモンド基板８ａの表面の凹凸は０．０１μｍ以上２．０μｍ以下であるのが良い。

図２（ｄ）では、（１００）面の単結晶ダイヤモンド基板８ａの上にチタンやニオブ等の密着層８ｃを成膜した後、密着層８ｃの上にターゲット層８ｂを成膜した構成を示している。（１００）面に密着層８ｃが形成されるため、より密着性がアップする。尚、図２（ｄ）のダイヤモンド基板に、図２（ｂ）（ｃ）のように凹凸があっても有効なのは当然である。

尚、本発明のターゲット構造体は反射型ターゲット、透過型ターゲットのどちらにも適用することができる。反射型の場合にはターゲットやダイヤモンド基板の形状を大きくすることによっても放熱性を向上させることができるが、透過型の場合にはターゲットやダイヤモンド基板の厚さを薄くする必要があるためそれが難しい。よって、本発明のターゲット構造体は透過型ターゲットの方がより適している。

〔第２の実施形態〕
図３を用いて本発明のターゲット構造体を備える放射線発生装置の他の構成例について説明する。本実施形態は、放射線源１の構成が異なることを除いて第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、ターゲット構造体８が真空封止を兼ねており、ターゲット構造体８が保持されたターゲット保持部７と真空チャンバ１８を、フランジ１９によって真空維持している。ターゲット構造体８が第１の実施形態の透過窓９の役割を果たすため、第１の実施形態の透過窓９に相当するものは必要としない。このため、放射線の減衰を少なくすることができる点でより好ましい。

本実施形態によれば、上記構成をとるため、第１の実施形態と同様の効果を奏すると共に、放射線の減衰を少なくすることができる。

〔第３の実施形態〕
図４を用いて第１の実施形態又は第２の実施形態の放射線発生装置を備える放射線撮影システムについて説明する。

放射線発生装置１３は、パネルセンサー２２（放射線検出器）と対峙し、その間に、撮影対象物２１が配置される。放射線発生装置１３から放射線１５が発生されている間のみ、撮影対象物２１を透過した放射線１５をパネルセンサー２２で感知するコントロール用電源２３を備える。このとき得られたデータをパソコン２４で表示及び解析する。撮影対象物２１は、加速電圧を変えることによって、人体や動物、電子基板や回路等、種々に適応できる。

以下、本発明の実施例として、（１００）面を成長させたダイヤモンド基板８ａの表面に凹凸が形成され、その表面上にターゲット層８ｂが形成されたターゲット構造体８を示す。

＜凹凸の形成＞
超高圧合成法で（１００）面を成長させたダイヤモンドを、成膜用ダイヤモンド基板とした。このダイヤモンド基板の寸法は、直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍのディスク状（円柱状）の形状である。このダイヤモンド基板を、実施例１乃至５の方法で研磨又は化学エッチングし、表面に凹凸を形成した。

［実施例１］
成膜用ダイヤモンド基板の（１００）面を、砥粒ダイヤモンドの粒径が＃２００の粉末を用いたメタルボンド研磨板を用いて研磨した。

［実施例２］
成膜用ダイヤモンド基板の（１００）面を、砥粒ダイヤモンドの粒径が＃１０００の粉末のペーストをオリーブオイルで希釈し、スカイフに滴化後、１５００ｒｐｍで研磨した。

［実施例３］
成膜用ダイヤモンド基板の（１００）面を、実施例２と同じ研磨条件及び同じ研磨方法で研磨した。

［実施例４］
成膜用ダイヤモンド基板を８００℃で１０分間保持し、表面をグラファイト化させた後、その部分をフッ化水素酸で化学エッチングにより除去した。

［実施例５］
成膜用ダイヤモンド基板の（１００）面を、出力１００Ｗ、照射時間０．２ｍｓｅｃの条件でレーザーを照射し、表面をグラファイト化させた後、その部分をフッ化水素酸で化学エッチングにより除去した。

＜ターゲット層の成膜＞
実施例１、２、４及び５で得たダイヤモンド基板については、ダイヤモンド基板の（１００）面を、予め、ＵＶ−オゾンアッシャにより、ダイヤモンド基板の表面にある有機物を除去した。そして、このダイヤモンド基板にスパッタ法により、アルゴンをキャリアガスに用い、ターゲット層として７μｍの厚さのタングステン層を形成した。このようにして、ターゲット構造体８を得た。

実施例３で得たダイヤモンド基板については、上記と同様の方法でダイヤモンド基板の表面にある有機物を除去した。そして、このダイヤモンド基板にスパッタ法により、アルゴンをキャリアガスに用い、密着層として０．１μｍの厚さのチタン層を成膜した後、ターゲット層として７μｍの厚さのタングステン層を形成した。このようにして、ターゲット構造体８を得た。

＜放射線源の作製＞
上記方法によって得たターゲット構造体８を、タングステンで作製されたターゲットホルダーにセットして一体化した。次に、図１に示すように、ターゲット構造体８を、電子放出部２を有する含侵型の熱電子銃である電子源３と対向させ、ゲッタを配置し、真空封止して放射線源１とした。このようにして５個の放射線源を作製した。

［比較例１］
比較例１として、超高圧合成法で（１１１）面を成長させたダイヤモンド基板を、成膜用ダイヤモンド基板として用いた。このダイヤモンド基板の（１１１）面を、砥粒ダイヤモンドの粒径が＃１０００の粉末のペーストをオリーブオイルで希釈し、スカイフに滴化し、１５００ｒｐｍで研磨した。このダイヤモンド基板の表面にある有機物を除去した後、このダイヤモンド基板にターゲット層として７μｍのタングステン層を形成し、ターゲット構造体８を得た。有機物の除去方法、ターゲット層の成膜条件及び成膜方法は上記と同じである。このターゲット構造体８を備える放射線源を上記放射線源の作製方法と同様の方法で作製した。

［比較例２］
比較例２として、ＣＶＤにより得られた多結晶ダイヤモンド基板を、成膜用ダイヤモンド基板として用いた。このダイヤモンド基板にターゲット層として７μｍのタングステン層を形成し、ターゲット構造体８を得た。ターゲット層の成膜条件及び成膜方法は上記と同じである。このターゲット構造体８を備える放射線源を上記放射線源の作製方法と同様の方法で作製した。

＜（１００）面の測定と凹凸の測定＞
ダイヤモンド基板表面の結晶面の測定はＸ線回折法により行った。（１００）面の比率は、各結晶面の回折強度の合計を１００とした場合の割合である。ダイヤモンド基板表面の結晶面の凹凸の大きさ（表面粗さ）は表面粗さ計で測定した。

＜放射線の発生と測定方法＞
実施例の放射線源と比較例の放射線源の各々について、放射線量を半導体方式の線量計で測定した。駆動は、加速電圧が１００ｋＶ、電流が２ｍＡ、照射時間が１０ｍｓｅｃ、休止時間が９０ｍｓｅｃで行った。

＜評価結果＞
表１に、実施例のターゲット構造体と比較例のターゲット構造体の表面粗さと（１００）面の比率を示す。実施例における表面粗さは、実施例１が１.２μｍで最も大きく、実施例５が０．０１μｍと最も小さく、他の値はそれらの中間である。（１００）の比率は、実施例１が５０で最も小さく、他の値は９０又は９５である。一方、比較例における表面粗さは、比較例１が０．１μｍ、比較例２が０．２μｍである。（１００）面の比率は、比較例１が５、比較例２が２０である。

表２に、実施例の放射線源と比較例の放射線源の各々の放射線量の変化を示す。実施例１乃至５においても、比較例１及び２においても、１００時間まではパルス発生時間による線量の低下は見られない。しかし、３００時間後から、徐々に差がつきはじめ、７００時間後では、比較例１及び２では初期の５０％まで低下したのに比べて、実施例１乃至５では初期の７５〜８０％を維持しており、本発明が有効であることが分かる。

１：放射線源、２：電子放出部、３：電子源、４：電子源電子導入端子、５：電子ビーム、６：真空容器、７：ターゲット保持部、７ａ：後方ターゲット保持部、７ｂ：前方ターゲット保持部、８：ターゲット、８ａ：ダイヤモンド基板、８ｂ：ターゲット層、８ｃ：密着層、９：透過窓、１１：外囲器、１２：内部空間、１３：放射線発生装置、１４：駆動回路、１５：放射線、１６：接地端子、１７：絶縁性液体、１８：真空チャンバ、１９：フランジ、２１：撮影対象物、２２：パネルセンサー（放射線検出器）、２３：コントロール用電源、２４：パソコン

Claims (6)

1. ダイヤモンド基板上に、電子の照射により放射線を発生するターゲット層が形成され、前記ダイヤモンド基板表面の前記ターゲット層が形成される領域において、最も多い結晶面が（１００）面であり、
   前記ダイヤモンド基板表面の前記ターゲット層が形成される領域に、０．０１μｍ以上２．０μｍ以下の凹凸を有し、
   前記ターゲット層の厚さが、１μｍ〜１５μｍであることを特徴とするターゲット構造体。
2. 前記ダイヤモンド基板表面の前記ターゲット層が形成される領域における（１００）面の占める割合が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のターゲット構造体。
3. 前記ターゲット層はタングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、パラジウム、レニウム又はこれらの合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載のターゲット構造体。
4. 前記ダイヤモンド基板と前記ターゲット層の間に密着層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターゲット構造体。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターゲット構造体と、電子を放出する電子源とを備えることを特徴とする放射線発生装置。
6. 請求項５に記載の放射線発生装置と、該放射線発生装置から放出され、撮影対象物を透過した放射線を検出する放射線検出器とを備えることを特徴とする放射線撮影システム。

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