透射型x射線靶和包括該透射型x射線靶的放射線產(chǎn)生管的制作方法
【專利摘要】本公開內(nèi)容涉及透射型X射線靶和包括該透射型X射線靶的放射線產(chǎn)生管。一種透射型X射線靶包括平板形金剛石基板和靶層，平板形金剛石基板具有第一表面和面對第一表面的第二表面，靶層位于第一表面上。第一表面的殘留應力低于第二表面的殘留應力。
【專利說明】透射型X射線靶和包括該透射型X射線靶的放射線產(chǎn)生管
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)射Ipm至IOnm的波長范圍內(nèi)的X射線的放射線產(chǎn)生設備，該放射線產(chǎn)生設備可適用于醫(yī)療器械、無損檢測裝置等。
[0002]特別地，本發(fā)明的方面涉及一種包括靶(target)層和支承該靶層的金剛石基板的透射型X射線靶。而且，本發(fā)明的方面涉及一種包括該透射型X射線靶的放射線產(chǎn)生管、包括該放射線產(chǎn)生管的放射線產(chǎn)生設備、以及包括該放射線產(chǎn)生設備的放射線照相裝置。
【背景技術】
[0003]近年來，建立了家庭護理系統(tǒng)，并且提高了急救醫(yī)療服務所提供的護理級別。因此，對于便攜式的小型輕量級醫(yī)療形態(tài)裝置的需求增加。為了響應這樣的需要，隨著醫(yī)療領域中的分析和診斷技術發(fā)展，開發(fā)了各種醫(yī)療形態(tài)裝置。現(xiàn)有的包括放射線產(chǎn)生設備的放射線照相裝置較大。因此，現(xiàn)有的放射線照相裝置主要是醫(yī)院和體檢設施中所使用的落地安裝類型。到目前為止，通過設置操作時間段和包括維護時間段的非操作時間段來使用這樣的落地安裝式醫(yī)療形態(tài)裝置。
[0004]希望的是，這樣的包括放射線產(chǎn)生設備的放射線照相裝置具有高耐用性并且被設計為易于維護，以使得可以提高該裝置的操作速率，并且該裝置可以用作適合于自然災害或事故的情況下的急救醫(yī)療服務和家庭護理的醫(yī)療形態(tài)裝置。
[0005]決定放射線產(chǎn)生設備的耐用性的主要因素是用作放射線(諸如X射線)的產(chǎn)生源的靶的耐用性。通常，靶包括層疊層。已知為了提高靶的耐用性，重要的是長時間維持靶的層的黏合性。
[0006]對于通過用電子束照射靶來產(chǎn)生放射線的放射線產(chǎn)生設備，靶的放射線產(chǎn)生效率為1%或更低。因此，提供給靶的幾乎所有的能量都被轉換為熱量。如果靶所產(chǎn)生的熱量沒有被充分地驅散到外部，則可能引起靶的材料可能退化的問題，或者與黏合性相關的問題(諸如由于層之間所產(chǎn)生的應力而導致的層分離)可能發(fā)生。
[0007]已知可以通過使用包括靶層以及透射放射線并支承該靶層的基板的透射型X射線靶來提高放射線產(chǎn)生效率，該靶層為包括重金屬的薄膜。PCT日文翻譯專利公開N0.2009-545840描述了一種放射線產(chǎn)生效率比現(xiàn)有的旋轉陽極型反射型靶的放射線產(chǎn)生效率高1.5倍的旋轉陽極型透射型X射線靶。
[0008]已知可以通過使用金剛石作為用于支承透射型X射線靶的靶層的基板的材料來有效地將熱量從靶驅散到外部。PCT日文翻譯專利公開N0.2003-505845描述了通過使用金剛石作為用于支承由鎢制成的靶層的基板的材料來提高散熱性能并實現(xiàn)微聚焦X射線設備的技術。
[0009]金剛石由于強sp3鍵和高度規(guī)則的晶體結構而具有特殊的特性。在金剛石的特性之中，高耐熱性(1600°C或更高的熔點)、高熱導率(600-2000W/m/K)、高放射線透射率(歸因于是一種原子序數(shù)為6的輕元素)特別適合用作用于支承透射型X射線靶的基板。在根據(jù)本發(fā)明的透射型X射線靶中，用于支承靶層的基板由金剛石制成。[0010]然而，金剛石與靶金屬的兼容性低，因為金剛石上的熔融金屬的可濕性低，并且線性膨脹系數(shù)在固態(tài)金屬與金剛石之間不同。因此，可能有必要改進靶層與金剛石基板之間的黏合性，以便改進透射型X射線靶的可靠性。
[0011]PCT日文翻譯專利公開N0.2003-505845描述了包括金剛石基板并且具有層疊結構的透射型X射線靶，在該層疊結構中，中間層設置在金剛石基板與靶層之間。該中間層用作黏合性增強層，但是中間層的材料沒有被描述。
[0012]日本專利特開N0.2002-298772描述了包括透射型X射線靶的放射線產(chǎn)生管的問題。該問題是，由于當放射線產(chǎn)生管進行操作時所產(chǎn)生的熱量和線性膨脹系數(shù)不同，靶層可能變得與金剛石基板分離。日本專利特開N0.2002-298772描述了通過將靶層形成為朝向金剛石基板凸起而抑制靶層分離的技術。日本專利特開N0.2002-298772還描述了通過將靶層設置為延伸超過金剛石基板的周邊并與陽極構件重疊來提高靶層與陽極構件之間的電連接的可靠性的技術。
[0013]然而，即使使用PCT日文翻譯專利公開N0.2003-505845和日本專利特開N0.2002-298772中所描述的、其中靶層和金剛石基板的黏合性得到改進的透射型X射線靶，放射線輸出的變化也可能發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的方面提供一種透射型X射線靶，該透射型X射線靶在維持使用金剛石基板的益處的同時抑制金剛石基板的碎粒(fragment)的脫離，并且靶層與陽極構件之間的電連接的可靠性高。本發(fā)明的方面還提供一種通過其抑制輸出變化并且具有高可靠性的放射線產(chǎn)生管、以及包括該放射線產(chǎn)生管的放射線產(chǎn)生設備和放射線照相裝置。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種透射型X射線靶包括平板形金剛石基板和靶層，平板形金剛石基板具有第一表面和面對第一表面的第二表面，靶層位于第一表面上。第一表面的殘留應力低于第二表面的殘留應力。
[0016]從以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的進一步的特征將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1A、1B和IE是根據(jù)本發(fā)明的實施例的靶的截面圖；圖1C和ID是該靶的平面圖。
[0018]圖2A是包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的靶的放射線產(chǎn)生管的截面框圖，圖2B是放射線產(chǎn)生設備的截面框圖。
[0019]圖3是包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的放射線產(chǎn)生設備的放射線照相裝置的框圖。
[0020]圖4A至4D是其中觀測到暴露區(qū)域的靶的平面圖，圖4E和4F是該靶的截面圖。
【具體實施方式】
[0021]圖4A至4F均示出包括透射型X射線靶215的靶結構214。靶215至少包括金剛石基板217和祀層216。金剛石基板217沿著其周邊通過釬焊接頭(branzed joint)219與陽極構件218連接。
[0022]圖4A至4D均是沿著通過靶層216的虛平面截取的靶結構214的示意性平面圖。圖4E是沿著圖4B中所示的線IVE-1VE截取的靶結構214的截面圖。同樣地，圖4F是沿著圖4D中所示的線IVF-1VF截取的靶結構214的截面圖。
[0023]圖4A中所示的靶結構214包括從靶層216的周邊延伸到金剛石基板217的周邊的環(huán)形電極223。電極223將靶層216與陽極構件218電連接。靶結構214具有暴露區(qū)域217e，在暴露區(qū)域217e中，金剛石基板217被暴露。當金剛石基板217的碎粒和電極223的一部分都變?yōu)閺耐干湫蚗射線靶脫離時，形成暴露區(qū)域217e。
[0024]圖4B和4F中所示的靶結構214與圖4A中所示的靶結構214的不同之處在于，不使用電極223將釬焊接頭219和靶層216彼此電連接。圖4B中所示的靶結構214具有暴露區(qū)域217e，在暴露區(qū)域217e中，金剛石基板217被暴露。當金剛石基板217的碎粒和靶層216的一部分都變?yōu)閺耐干湫蚗射線靶215脫離時，形成暴露區(qū)域217e。
[0025]圖4C中所示的靶結構214具有與圖4A中所示的靶結構214相同的結構。圖4C中所示的靶結構214具有暴露區(qū)域217e，在暴露區(qū)域217e中，金剛石基板217被暴露。當在靶層216與電極223之間的邊界的兩側，金剛石基板217的碎粒、靶層216的一部分和電極223的一部分變?yōu)閺耐干湫蚗射線靶215脫離時，形成暴露區(qū)域217e。
[0026]圖4D中所示的靶結構214與圖4A中所示的靶結構214的不同之處在于，釬焊接頭219和靶層216通過條形電極223彼此電連接。圖4D中所示的靶結構214具有分割條形電極223的暴露區(qū)域217f。
[0027]對于包括圖4A至4F中所示的靶結構214中的任何一個的放射線產(chǎn)生管，觀測到與放射線輸出的變化相關的管電流變化。在將圖4A至4F中的每個中所示的靶結構214安裝在放射線產(chǎn)生管中之前，靶結構214不具有暴露區(qū)域。而且，從對于其沒有觀測到輸出變化的其他放射線產(chǎn)生管移除的透射型X射線靶不具有暴露區(qū)域。
[0028]在圖4A至4F中所示的透射型X射線靶中的暴露區(qū)域217e和217f中，通常，電極223的一部分和金剛石基板的碎?；蛘甙袑?16的一部分和金剛石基板的碎粒從透射型X射線靶215脫離。然而，在一些情況下，金剛石基板的碎粒不脫離，而電極223的一部分或者靶層216的一部分與金剛石基板217分離。
[0029]根據(jù)上述檢查，假設放射線輸出的變化因為以下原因而發(fā)生:由于局部暴露的絕緣表面(暴露區(qū)域217e和217f)上的電場聚集，在暴露區(qū)域217e和217f與另一構件之間間歇性地發(fā)生微放電；以及陽極構件218與靶層216之間的電連接的不穩(wěn)定性不穩(wěn)定。
[0030]發(fā)明人進行了深入的研究并且發(fā)現(xiàn)，盡管放射線輸出變化發(fā)生的詳細機理不清楚，但是至少在金剛石基板217的周邊處金剛石基板217的碎粒的脫離被認為與該機理相關。
[0031]包括金剛石基板的透射型X射線靶與包括由鈹制成的支承基板的透射型X射線靶和反射型靶的不同之處在于，它可能難以從放射線發(fā)射表面的背側將靶層與陽極電勢供給單元電連接。因此，當使用包括金剛石基板的透射型X射線靶時，可能有必要在金剛石基板的周邊處提供到靶層的電路徑。
[0032]在透射型X射線靶中金剛石基板的碎粒的脫離意味著在放射線產(chǎn)生管中產(chǎn)生了導電雜質(zhì)。因此，因為導電雜質(zhì)可以引起放電并且直接降低放射線產(chǎn)生管的耐壓，所以放射線產(chǎn)生管的可靠性存在問題。此外，在這個方面，可能有必要防止靶層等的分離以及金剛石基板217的碎粒在金剛石基板217的周邊處的脫離。[0033]以下，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。
[0034]實施例中所描述的組件的材料、形狀、尺寸和相對位置不限制本發(fā)明的范圍。
[0035]圖2A和2B分別是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括透射型X射線靶的放射線產(chǎn)生管和包括該放射線產(chǎn)生管的放射線產(chǎn)生設備的截面圖。
[0036]放射線產(chǎn)生設備
[0037]圖2B示出根據(jù)實施例的從放射線透射窗口 121發(fā)射放射線束11的放射線產(chǎn)生設備101。根據(jù)本實施例的放射線產(chǎn)生設備101包括容器120、放射線產(chǎn)生管102和驅動電路103，容器120具有放射線透射窗口 121，放射線產(chǎn)生管102是放射線源，驅動電路103用于驅動放射線產(chǎn)生管102。
[0038]容納放射線產(chǎn)生管102和驅動電路103的容器102可以具有足以作為容器的強度和高散熱性能。容器120可以由金屬(諸如黃銅、鐵或不銹鋼)制成。
[0039]在本實施例中，容器120中未被放射線產(chǎn)生管102和驅動電路103占據(jù)的額外空間43被絕緣液體109填充。電絕緣的絕緣液體109用作容器120中的電絕緣體并用作冷卻放射線產(chǎn)生管102 的冷卻劑。絕緣液體109可以是電絕緣油(諸如礦物油、硅油或全氟油)。
[0040]放射線產(chǎn)生管
[0041]圖2A示出根據(jù)實施例的包括電子發(fā)射源3和面對電子發(fā)射源3的透射型X射線靶115的放射線產(chǎn)生管102。(以下，透射型X射線靶將被簡稱為靶。)
[0042]在本實施例中，通過用從電子發(fā)射源3的電子發(fā)射單元2發(fā)射的電子束5照射靶115的靶層116來產(chǎn)生放射線束11。通過電子發(fā)射源3與靶層116之間形成的電場使電子束5中的電子加速，以便具有產(chǎn)生放射線所需的入射能量。這樣的加速電場在放射線產(chǎn)生管102的內(nèi)部空間13中被產(chǎn)生為管電壓Va，該管電壓Va從驅動電路103輸出，將陰極電勢提供給電子發(fā)射源3并將陽極電勢提供給靶層116。
[0043]靶結構114包括靶115和陽極構件118。靶115包括靶層116和支承靶層116的金剛石基板117。
[0044]可以通過選擇靶層116中所包括的靶材料、靶層116的厚度和管電壓Va來使靶層116發(fā)射具有希望頻率的放射線。
[0045]靶材料可以包括原子序數(shù)為40或更大的金屬，諸如Mo(鑰)、Ta(鉭)或W(鶴)?？梢酝ㄟ^使用任何膜形成方法(諸如氣相沉積或濺射)在金剛石基板117上形成靶層116。為了實現(xiàn)靶層116與金剛石基板117之間的高黏合性，PCT日文翻譯專利公開N0.2003-505845描述了包括設置在靶層116與金剛石基板117之間的中間層(未示出)的結構。這樣的結構也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0046]靶層116的層厚度可以在I μL?至20 μL?的范圍內(nèi)?？紤]到確保放射線輸出中的足夠強度以及降低界面應力，層厚度可以在2 μ m至10 μ m的范圍內(nèi)。
[0047]陽極構件118至少具有確定靶層116的陽極電勢的功能。如圖1E所示，陽極構件118沿著金剛石基板117的第一表面117a的周邊安置。可替換地，如圖1A和IB所示，陽極構件118沿著金剛石基板117的側面117c安置。當陽極構件118如圖1A、1B和IE中的任何一個所示那樣設置和連接時，陽極構件118還具有保持靶115的功能以及確定在希望方向上以其發(fā)射放射線的角度(放射線角度)的功能。
[0048]通過從高比重材料制成陽極構件118，陽極構件118可以具有放射線阻擋功能。陽極構件118可以由質(zhì)量吸收系數(shù)μ/p [m2/kg]和密度[kg/m3]的乘積較大的材料制成，因為，在這種情況下，可以縮小陽極構件118和靶結構114的大小。
[0049]陽極構件118可以由具有根據(jù)靶層116所產(chǎn)生的放射線的特征X射線能量的本征吸收邊緣能量的合適金屬元素制成，因為，在這種情況下，可以進一步縮小陽極構件118和靶結構114的大小。陽極構件118可以包括銅、銀、Mo、Ta、W等。陽極構件118可以包括與靶層116中所包括的靶金屬的金屬元素相同的金屬元素。
[0050]在本實施例中，陽極構件118具有包圍靶115的圓柱形形狀。因此，陽極構件118用作限制從靶層116發(fā)射的放射線的發(fā)射角度范圍的前阻擋構件。在本實施例中，陽極構件118還用作限制反射電子(未示出)和背散射放射線(未示出)到達的區(qū)域的后阻擋構件。這樣的反射電子在朝向電子發(fā)射源3的方向上從靶層116背散射。
[0051]放射線產(chǎn)生管102包括作為套筒部分的絕緣管110。絕緣管110使具有陰極電勢的電子發(fā)射源3和具有陽極電勢的靶層116彼此電絕緣。絕緣管110由絕緣材料(諸如玻璃或陶瓷)制成。絕緣管110可以具有確定電子發(fā)射源3與靶層116之間的距離的功能。
[0052]放射線產(chǎn)生管102中的內(nèi)部空間13被減壓，以使得電子發(fā)射源3可以起作用。放射線產(chǎn)生管102中的內(nèi)部空間13的真空程度可以在10_8Pa至10_4Pa的范圍內(nèi)?？紤]到電子發(fā)射源3的壽命，真空程度可以在10_8Pa至10_6Pa的范圍內(nèi)。
[0053]作為真空器皿(vessel)，放射線產(chǎn)生管102可以具有通過其可以維持這樣的真空程度的氣密性和耐壓性。可以通過使用真空泵(未示出)經(jīng)由排放管(未示出)抽吸空氣、然后密封排放管來使放射線產(chǎn)生管102的內(nèi)部減壓。為了維持真空程度，可以將吸氣劑(未示出)設置在放射線產(chǎn)生管102中。
[0054]在本實施例中，金剛石基板117用作通過其朝向放射線產(chǎn)生管102的外部發(fā)射由靶層116產(chǎn)生的放射線的透射窗口，并且還用作真空器皿的一部分。
[0055]電子發(fā)射源3被設置為面對靶115的靶層116。例如，可以使用熱陰極(諸如鎢絲或浸潰陰極)或冷陰極(諸如碳納米管)作為電子發(fā)射源3。為了電子束5的束直徑、電子電流的密度和開關控制的目的，電子發(fā)射源3可以包括柵格電極(未示出)或靜電透鏡電極。
[0056]革巴
[0057]接下來，參照圖1，將詳細描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的靶115 (透射型X射線靶)。
[0058]圖1A和IB示出其中靶115和陽極構件118通過釬焊接頭119彼此接合的靶結構114。靶115包括形成在金剛石基板117的第一表面117a上的靶層116。圖1C和ID是分別示出從形成靶層116的一側看到的、圖1A和IB中所示的靶結構114的平面圖。圖1E示出圖1A中所示的靶結構114的修改形式，在該修改形式中，陽極構件118和靶115在形成靶層116的一側彼此電連接。
[0059]金剛石基板117可以由天然金剛石或合成金剛石制成?？紤]到再現(xiàn)性、均勻性和成本，可以使用通過使用高壓高溫法或化學氣相沉積法制成的合成金剛石。特別地，可以使用通過使用高壓高溫法制成的合成金剛石，因為可以通過使用該方法獲得均勻的晶體結構。
[0060]如圖1A、IB和IE所示，金剛石基板117可以具有平板狀形狀，該平板狀形狀具有第一表面和面對第一表面的第二表面。例如，金剛石基板117可以具有長方體形狀或盤狀形狀。[0061]當金剛石基板117具有直徑在2mm至IOmm的范圍內(nèi)的盤狀形狀時，可以在金剛石基板117上設置能夠形成合適的焦點直徑的靶層116。當金剛石基板117具有厚度在0.5至
4.0mm的范圍內(nèi)的盤狀形狀時，金剛石基板具有合適的放射線透射率。當金剛石基板117具有長方體形狀時，該長方體形狀的短邊和長邊中的每一個均可以具有上述范圍內(nèi)的長度。
[0062]金剛石基板117具有側面117c。側面117c是第一表面117a的周邊通過其與第二表面117b的周邊連接的圓柱形表面。
[0063]考慮到放射線透射率，金剛石基板117的縱橫比(厚度/直徑)可以低于I。因此，通過分離板形基材的具有合適厚度并且具有垂直于厚度方向的主面的一部分來制作具有合適縱橫比的金剛石基板117是經(jīng)濟的。
[0064]對于使用通過使用高壓高溫法制成的金剛石的情況或使用通過使用化學氣相沉積法制成的金剛石的情況，該方法在生產(chǎn)上具有優(yōu)勢。在前一種情況下，因為考慮到金剛石基板的晶體結構而從在厚度尺寸上尺寸較小的基材切割金剛石基板，所以存在可以在切割過程期間抑制基材的晶體取向的影響的優(yōu)點。這樣的晶體取向影響包括解理。在后一種情況下，這種膜形成方法適合于形成在面內(nèi)方向上的尺寸大于厚度方向上的尺寸的基材。
[0065]高壓合成金剛石基板具有單晶結構，并且預定的晶體取向可以被分配給主面。固態(tài)晶體的表面張力取決于表面的晶體取向。因此，通過對于金剛石基板117使用高壓合成金剛石，可以將合適的晶體取向分配給其上形成靶層116的第一表面117a。例如，通過使用
(100)表面作為第一表面117a，可以提高靶層116與金剛石基板117之間的黏合性。
[0066]至少祀層116形成在金剛石基板117的第一表面117a上。因此,第一表面117a的形狀精度和去垢性能需要高于金剛石基板117的其他表面的形狀精度和去垢性能。當使用使金剛石基板117與板形金剛石基材(未示出)分離的方法時，可以在使金剛石基板與基材分離之前將板形基材的整個主面弄平滑。通過這種方法，可以制造每個均具有精度高、再現(xiàn)性高的第一表面117a的金剛石基板117。
[0067]可以通過各種方法(例如，機械拋光、蝕刻、局部加熱光照射、聚焦離子束照射等)來使金剛石基板117與基材分離。為了防止對金剛石基板117的除了側面之外的表面(例如，第一表面117a)的損傷，局部加熱光照射或聚焦離子束照射是合適的方法。特別地，使用激光光源的局部加熱光照射是特別合適的，因為它不必執(zhí)行大氣控制并且離子不被植入到金剛石基板中。
[0068]以下將描述在圖4中所示的靶結構214中形成暴露區(qū)域217e和217f的原因。
[0069]發(fā)明人進行了深入的研究并且發(fā)現(xiàn)，在暴露區(qū)域217e和217f的產(chǎn)生的分布與所測殘留應力的分布之間存在相關性，并且當形成靶層時，由于金剛石基板中殘存的殘留應力量在表面之間不同，暴露區(qū)域217e和217f的產(chǎn)生發(fā)生。
[0070]盡管金剛石基板中殘存的殘留應力在表面之間不同的準確原因不清楚，但是估計原因之一是當從基材切割金剛石基板時切割處理的各向異性。另一估計原因是由金剛石基板的相對表面和側面形成的形狀的影響。
[0071]例如，在通過激光處理與基材分離的金剛石基板中，具有其中殘留應力相對高的區(qū)域的表面是與其上入射激光束的表面相對的表面。
[0072]在通過機械加工與基材分離的金剛石基板中，在切割機器的切割器進入到金剛石基板中的方向與殘留應力之間存在相關性，并且切割器從其退出金剛石基板的表面的殘留應力聞。
[0073]接下來，將詳細描述由金剛石基板的相對表面和側面形成的形狀。已發(fā)現(xiàn)，殘留應力還取決于金剛石基板117的端面的形狀，并且與裂紋的產(chǎn)生和金剛石的碎粒從其上形成靶層216的表面的脫離相關。具體地講，已發(fā)現(xiàn)，在側面與主面之間的角度是銳角的情況下，主面中殘存的殘留應力大于該角度為鈍角的情況。在本說明書中，主面與側面之間的角度是金剛石基板的截面形狀的內(nèi)角。
[0074]如圖1A所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，靶層116形成在金剛石基板117的殘留應力較低的第一表面117a上。因此，抑制了金剛石基板117中裂紋的產(chǎn)生、靶層116的脫離以及電極123的分離。
[0075]如圖1B所示，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，第一表面117a與側面117c之間的角度大于面對第一表面117a的第二表面117b與側面117c之間的角度。靶層116設置在第一表面117a上。
[0076]在第二實施例中，如圖1B所示，第一表面117a與側面117c之間的角度可以是鈍角。
[0077]當金剛石基板117具有第一實施例和第二實施例這兩個實施例的特征時，可以可靠地減小金剛石基板117的殘留應力，并且可以獲得可靠性更高的靶115。
[0078]如上所述，在殘留應力的分布存在于金剛石基板117的第一表面117a和第二表面117b中的每個上的情況下,這些表面中最大殘留應力低于另一表面的最大殘留應力的一個表面將被稱為較低殘留應力表面。
[0079]可以通過使用雙折射法或激光拉曼光譜法來識別金剛石基板117的作為較低殘留應力表面的第一表面117a。在本發(fā)明中，可以使用用于測量殘留應力的其他方法。
[0080]當物質(zhì)的晶體結構由于應力而改變時，使得折射率各向異性的雙折射發(fā)生，折射率的各向異性取決于通過該物質(zhì)的光的振蕩方向。此時，因為通過該物質(zhì)的光具有取決于該光的振蕩方向的相位差，所以可以通過執(zhí)行光學觀測來識別應力?？梢酝ㄟ^使用雙折射相位差識別的這樣的應力將被稱為光彈性應力。因此，通過檢測入射束與通過金剛石基板的透射束之間的雙折射相位差，可以識別產(chǎn)生應力的位置。用于識別低殘留應力表面的第一種方法是測量光彈性應力的雙折射相位差法。
[0081]激光拉曼光譜法是當用激光束照射物質(zhì)時，檢測由于該物質(zhì)的晶體結構或分子振動而產(chǎn)生的拉曼散射光的波長的變化的方法。該方法通常用于識別物質(zhì)，因為晶體結構和分子振動是物質(zhì)特有的。然而，該方法還可以用于測量應力分布，因為晶體結構(諸如原子的鍵長和鍵角)由于存在應力而改變，相應地，散射光的波長改變。通過用激光拉曼光譜法檢測波長變化，可以測量金剛石基板117中的殘留應力的分布。用于識別低殘留應力表面的第二種方法是檢測拉曼散射光的波長變化的激光拉曼光譜法。
[0082]當?shù)晚g性構件具有殘留應力時，由于該殘留應力，可能產(chǎn)生寬度在大約0.1至ΙΟΟμπι的范圍內(nèi)的微裂紋。預期當產(chǎn)生微裂紋時，應力可以從金剛石基板被釋放。然而，作為發(fā)明人和其他人進行的檢查的結果，在微裂紋區(qū)域中或者在微裂紋區(qū)域附近觀測到雙折射相位差。因此，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在處理期間產(chǎn)生的應力并沒有由于微裂紋的產(chǎn)生而從金剛石基板被充分釋放，而是殘存在該微裂紋的附近，并且該殘留應力進一步引起微裂紋或金剛石基板的碎粒的脫離。[0083]用于識別低殘留應力表面的第三種方法是通過用顯微鏡觀測金剛石基板來評估金剛石基板中的微裂紋的分布。通過使用用于識別低殘留應力表面的第三種方法，可以間接地識別低殘留應力表面。可以使用可以用于觀測金剛石基板117的表面輪廓的任何顯微鏡。這樣的顯微鏡的例子包括光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM、STM或TEM)和原子力顯微鏡(AFM)。
[0084]用于識別低殘留應力表面的第四種方法是識別金剛石基板的端部的形狀的顯微觀測法。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在金剛石基板117中的殘留應力分布與側面117c和第一表面117a(主面)或第二表面117b (主面)之間的角度之間存在相關性。具體地講，這兩個主面彼此面對，在它們之間有側面117c，當?shù)谝槐砻?17a與側面117c之間的角度大于第二表面117b與側面117c之間的角度時，可以識別第一表面117a是殘留應力低于第二表面117b的殘留應力的低殘留應力表面。
[0085]如圖1A所示，靶層116可以形成在金剛石基板117的殘留應力較低的整個第一表面117a上。可替換地，如圖1B所示，靶層116可以形成在金剛石基板117的第一表面117a的與金剛石基板117的周邊(端部)分離的一部分上。
[0086]在圖1B中所示的實施例中，為了將靶層116和陽極構件118彼此電連接，在靶層116的周邊與金剛石基板117的周邊之間形成由導電材料制成的電極123。
[0087]本實施例中的與金剛石基板117直接接觸的電極123可以包括考慮到與金剛石基板的黏合性而具有負的碳化物標準生成自由能的金屬。具有負的碳化物標準生成自由能的金屬的例子包括鈦、鋯和鉻。電極123可以具有IOOnm至10 μ m的范圍內(nèi)的膜厚度，因為這樣的膜既提供良好的電連接，又提供高黏合性。
[0088]在圖1A中所示的實施例中，靶層116被形成為延伸到金剛石基板117的周邊，并且電極123沿著金剛石基板117的周邊設置。在本實施例中，電極123提供電連接，并且防止釬焊接頭119與靶層之間的相互擴散。在本實施例中，電極123形成在靶層116上?？商鎿Q地，電極123可以形成在靶層116與金剛石基板117之間。
[0089]可以基于放射線產(chǎn)生管102的操作溫度和與將被接合的物體的黏合性來適當?shù)剡x擇釬焊接頭119。釬焊接頭119的具體例子包括基于Cr-V的合金、基于T1-Ta-Mo的合金、基于T1-V-Cr-Al的合金、基于T1-Cr的合金、基于T1-Zr-Be的合金、基于Zr-Nb-Be的合金、包括作為主成分的Au-Cu的合金、鎳焊料、黃銅焊料和銀焊料。
[0090]通過根據(jù)上述實施例的靶115，防止其上具有導電物質(zhì)的金剛石的碎粒在放射線產(chǎn)生管102中散布，因此，可以抑制放射線產(chǎn)生管102中的放電。而且，可以防止由于金剛石基板中的裂紋和金剛石基板的一部分的脫離而導致的靶層116與驅動電路103之間的松動電連接。因此，可以提供可靠性高的放射線產(chǎn)生設備。
[0091]放射線成像裝置
[0092]接下來，參照圖3，將描述包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的靶的放射線照相裝置的結構。
[0093]系統(tǒng)控制單元202對放射線產(chǎn)生設備101和放射線檢測器206進行整體控制。在系統(tǒng)控制單元202的控制下，驅動電路103將各種控制信號輸出到放射線產(chǎn)生管102。在本實施例中，驅動電路103和放射線產(chǎn)生管102被設置在放射線產(chǎn)生設備101的容器120中?？商鎿Q地，驅動電路103可以被設置在容器120的外部。基于從驅動電路103輸出的控制信號，控制從放射線產(chǎn)生設備101發(fā)射放射線束11。
[0094]從放射線產(chǎn)生設備101發(fā)射的放射線束11的照射范圍通過具有可動光圈的準直器單元(未示出)被調(diào)整，然后放射線束11向放射線產(chǎn)生設備101的外部發(fā)射，并透過被檢體204而由檢測器206檢測。檢測器206將檢測到的放射線變換為圖像信號并向信號處理器205輸出該圖像信號。
[0095]在系統(tǒng)控制單元202的控制下，信號處理器205對圖像信號執(zhí)行預定信號處理，并將處理后的圖像信號輸出到系統(tǒng)控制單元202。
[0096]系統(tǒng)控制單元202將用于使顯示裝置203顯示圖像的顯示信號輸出到顯示裝置203。
[0097]顯示裝置203在屏幕上將基于顯示信號的圖像顯示為被檢體204的圖像。
[0098]通常，與本發(fā)明的實施例相關的放射線是X射線。根據(jù)本發(fā)明的實施例的放射線產(chǎn)生設備101和放射線照相裝置可以分別用作X射線產(chǎn)生單元和X射線成像系統(tǒng)。X射線成像系統(tǒng)可以用于工業(yè)產(chǎn)品的無損測試以及人體和動物的診斷。
[0099]例子
[0100]例子I
[0101]通過以下處理制成圖1A和IC中所示的靶結構114。
[0102]通過使用激光束從由通過使用高壓高溫法制成的單晶金剛石制成的板形基材分離金剛石基板117。金剛石基板117具有厚度為1_、直徑為5_的盤狀形狀。
[0103]通過使用市售的雙折射測量裝置對金剛石基板117的殘留應力進行測量，從而識別金剛石基板117的端部中殘留應力較低的第一表面117a。另外，通過使用掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡來觀測微裂紋的存在。在殘留應力較低的表面中，微裂紋不存在。在例子I中，對寬度為Iym或更大的微裂紋的數(shù)量進行計數(shù)。
[0104]接下來，在金剛石基板117的殘留應力較低的第一表面117a的整個上形成厚度為5ym的鎢膜作為靶層116。通過使用利用氬作為載氣的濺射法來形成靶層116。
[0105]接下來，通過使用濺射法將由鈦制成的環(huán)形電極123形成為從包括金剛石基板117和靶層116的靶結構的周邊向內(nèi)延伸IOOym的寬度。
[0106]接下來，通過由銀焊料制成的釬焊接頭119將金剛石基板117的側面117c和具有管狀形狀的陽極構件118的內(nèi)壁彼此接合。在這個步驟中，執(zhí)行釬焊，以使得釬焊接頭119的一部分至少與電極123接觸。陽極構件118的材料是鎢。
[0107]將如上所述那樣制作的靶結構114如圖2A所示那樣安裝在放射線產(chǎn)生管102中，并且制成圖2B中所示的放射線產(chǎn)生設備101。接下來，操作放射線產(chǎn)生設備101，并對輸出操作的穩(wěn)定性和放射線輸出的變化進行評估。結果，沒有觀測到放射線產(chǎn)生管102中的放電，并且確認放射線產(chǎn)生設備101可以穩(wěn)定地操作。而且，對放射線輸出的變化進行測量，沒有觀測到顯著的輸出變化。也就是說，在根據(jù)例子I的放射線產(chǎn)生設備101中，沒有發(fā)生由于靶層116與陽極構件118之間的松動電連接而導致的故障。
[0108]在例子I中，通過將放電計數(shù)器(未示出)與放射線產(chǎn)生設備101的四個部分(包括陽極構件118、電流輸入端子4、將地端子16連接到驅動電路103的連接線、以及將容器120連接到地端子16的連接線)連接來執(zhí)行放電的檢測。
[0109]在例子I中，如下對放射線輸出的變化進行評估。沿著將電子發(fā)射單元2連接到靶層116的中心的線的延長線，將放射量測定器(未示出)放置在朝向容器120的外部與金剛石基板117相距IOOcm的位置處。放射量測定器包括半導體檢測器，并且能夠檢測放射線束11的強度的順序變化。
[0110]通過下述方式測量放射線輸出的變化，即，在每一個三十秒周期內(nèi)使驅動電路103驅動電子發(fā)射源3三秒間隔，并在該三秒間隔中間的兩秒間隔內(nèi)對放射線輸出的順序變化進行測量。對放射線的變化進行計數(shù)的條件是使得，在所述兩秒間隔內(nèi)輸出的放射線的平均強度的2%或更大的變化的發(fā)生被計數(shù)為放射線輸出的顯著變化。在對放射線輸出的變化進行評估期間，通過使用具有檢測器(未示出)的負反饋電路(未示出)來控制從靶層116流到地端子16的管電流，以使得管電流的變化限于1%或更小。
[0111]而且，如圖3所示制作包括根據(jù)例子I的放射線產(chǎn)生設備101的放射線照相裝置60，并執(zhí)行放射線照相裝置60的測試操作。結果，穩(wěn)定地執(zhí)行放射線照相成像。在測試操作和放射線照相成像中，將管電壓Va設置為llOkV。
[0112]接下來，從放射線產(chǎn)生管102移除靶結構114，并觀測靶結構114。在靶115中沒有發(fā)現(xiàn)暴露區(qū)域。
[0113]比較例子I
[0114]通過已經(jīng)存在的技術，在不識別金剛石基板的端部中的殘留應力的情況下在金剛石基板上形成靶層，因此，可能在殘留應力較高的表面上形成靶層。為了執(zhí)行與本發(fā)明的實施例的比較，在比較例子I中，在金剛石基板的在該金剛石基板的端部中具有較高殘留應力的表面上形成靶層。
[0115]使用形狀與例子I的形狀相同的金剛石基板。通過使用雙折射測量裝置來識別殘留應力較高的表面。另外，通過使用電子顯微鏡和光學顯微鏡來觀測微裂紋的存在。在殘留應力較高的表面中，發(fā)現(xiàn)三個微裂紋。以與例子I相同的方式對微裂紋的數(shù)量進行計數(shù)。
[0116]接下來，如例子I中那樣在金剛石基板的殘留應力較高的表面上形成靶層216和電極223。然后，通過經(jīng)由釬焊接頭219將電極223和陽極構件218彼此接合來制成靶結構214。將靶結構214安裝在放射線產(chǎn)生管中，并通過將放射線產(chǎn)生管和與放射線產(chǎn)生管電連接的驅動電路安裝在容器中來制成放射線產(chǎn)生設備。隨后，以與例子I相同的方式執(zhí)行測試操作。
[0117]在比較例子I中，在一小時評估時間期間，可以連續(xù)地施加管電壓。然而，在評估時間期間兩次觀測到放射線輸出的變化。估計這個變化是由于微放電而發(fā)生的。
[0118]接下來，從比較例子I中所使用的放射線產(chǎn)生管移除靶結構214，并通過使用光學顯微鏡來觀測靶結構214。在其中形成電極223的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了圖4A中所示的暴露區(qū)域217e。
[0119]例子2
[0120]通過以下處理制作圖1B和ID中所示的靶結構114。
[0121]如例子I中那樣，通過照射激光束來從由單晶金剛石制成的基材切割金剛石基板117。通過使用光學顯微鏡來對金剛石基板117進行測量。第一表面117a與側面117c之間的角度為93.2度，第二表面117b與側面117c之間的角度為86.8度。
[0122]如例子I中那樣，通過使用雙折射法來識別殘留應力較低的第一表面117a。通過使用電子顯微鏡和光學顯微鏡來觀測第一表面117a。結果，在金剛石基板117的殘留應力較低的第一表面117a中沒有觀測到微裂紋。第一表面117a與側面117c之間的角度為93.2度，其與以上相同。
[0123]接下來，形成厚度為6μπι的鎢膜作為靶層116。在金剛石基板117的殘留應力較低的第一表面117a的直徑為Φ2_的圓形部分上形成靶層116。如例子I中那樣，通過使用利用氬作為載氣的濺射法來形成靶層116。
[0124]接下來，為了將靶層116和陽極構件118彼此電連接，將電極123形成為從靶層116的周邊延伸到金剛石基板117的周邊，電極123是寬度為IOOym并且包括銅鈦合金的條狀物。將電極123形成為與靶層116重疊50 μ m的寬度。通過使用絲網(wǎng)印刷法和燃燒法，從具有金屬含量的膏狀物形成電極123。
[0125]通過由銀焊料制成的釬焊接頭119將金剛石基板117的側面117c和陽極構件118彼此接合。執(zhí)行釬焊，以使得釬焊接頭119的一部分與電極123接觸。如例子I中那樣，陽極構件118的材料是鎢。
[0126]如例子I中那樣，通過將如以上所述那樣制作的靶結構114安裝在圖2A中所示的放射線產(chǎn)生管102中來制作圖2B中所示的放射線產(chǎn)生設備101。然后，操作放射線產(chǎn)生設備101，并檢查放射線輸出的穩(wěn)定性。
[0127]此外，在例子2中，沒有觀測到放射線產(chǎn)生管102中的放電，并且確認放射線產(chǎn)生設備101穩(wěn)定地操作。而且，對放射線輸出的變化進行測量，沒有觀測到顯著的輸出變化。也就是說，在根據(jù)例子2的放射線產(chǎn)生設備101中，也沒有發(fā)生由于靶層116與陽極構件118之間的松動電連接而導致的故障。
[0128]而且，如圖3中所示那樣制作包括根據(jù)例子2的放射線產(chǎn)生設備101的放射線照相裝置60，并執(zhí)行放射線照相裝置60的測試操作。結果，穩(wěn)定地執(zhí)行放射線照相成像。在測試操作和放射線照相成像中，將管電壓Va設置為llOkV。
[0129]接下來，從放射線產(chǎn)生管102移除靶結構114，并觀測靶結構114。在靶115中沒有發(fā)現(xiàn)暴露區(qū)域。
[0130]比較例子2
[0131]使用形狀與例子2的形狀相同的金剛石基板。通過使用雙折射測量裝置來識別殘留應力較高的表面。另外，通過使用電子顯微鏡和光學顯微鏡來觀測微裂紋的存在。在殘留應力較高的表面中，發(fā)現(xiàn)三個微裂紋。以與例子I相同的方式對微裂紋的數(shù)量進行計數(shù)。
[0132]接下來，如例子I中那樣在金剛石基板的殘留應力較高的表面上形成靶層216和電極223。然后，通過經(jīng)由釬焊接頭219將電極223和陽極構件218彼此接合來制成靶結構214。將靶結構214安裝在放射線產(chǎn)生管中，并通過將放射線產(chǎn)生管和與放射線產(chǎn)生管電連接的驅動電路安裝在容器中來制成放射線產(chǎn)生設備。隨后，以與例子2相同的方式執(zhí)行測試操作。
[0133]在比較例子2中，在一小時評估時間期間，可以連續(xù)地施加管電壓。然而，在評估時間期間四次觀測到被估計為由于微放電而發(fā)生的輸出變化。
[0134]接下來，從比較例子2中所使用的放射線產(chǎn)生管移除靶結構214，并通過使用光學顯微鏡來觀測靶結構214。在其中形成電極223的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了 4D和4F中所示的暴露區(qū)域217f。通過使用掃描電子顯微鏡來詳細觀測暴露區(qū)域217f。結果，發(fā)現(xiàn)了其中電極223與金剛石基板217分離的暴露區(qū)域、以及其中電極223和金剛石基板的碎粒都從靶215脫離的暴露區(qū)域。
[0135]估計前一暴露區(qū)域是在金剛石基板的碎粒和電極223兩者都脫離之后接著產(chǎn)生的。
[0136]在例子I和2以及比較例子I和2中的每個中，在靶115和215被安裝在放射線產(chǎn)生管中之前，在靶115和215兩者中都沒有觀測到金剛石基板的碎粒的脫離。估計，在比較例子I和2中，在靶215被從放射線產(chǎn)生管移除之后發(fā)現(xiàn)的暴露區(qū)域217e和217f由于以下機理而出現(xiàn)。
[0137]除了金剛石基板的其上形成靶層216的表面的殘留應力之外，張應力也施加于該表面。當由于放射線產(chǎn)生管的溫度升高而導致靶層或電極膨脹(線性膨脹系數(shù)比率α鎢/α金剛石=4.5>1)時，產(chǎn)生張應力。結果，在金剛石基板中產(chǎn)生并顯現(xiàn)微裂紋，從而導致金剛石基板的脫離。
[0138]通過本發(fā)明，可以提供可靠性高的透射型X射線靶。通過該透射型X射線靶，防止金剛石基板的碎粒從靶脫離。而且，可以提供可靠性高的放射線產(chǎn)生管。通過該放射線產(chǎn)生管，抑制放射線輸出的變化，并且可以防止放射線產(chǎn)生管中與導電物質(zhì)粘附的金剛石碎粒的散布。此外，可以提供包括可靠性高的放射線產(chǎn)生管的放射線產(chǎn)生設備和放射線照相
>J-U ρ?α裝直。
[0139]盡管已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是要理解本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。權利要求的范 圍應遵循最廣泛的解釋，以便包含所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
【權利要求】
1.一種透射型X射線靶，包括: 平板形金剛石基板，所述平板形金剛石基板具有第一表面和面對第一表面的第二表面；以及 靶層，所述靶層位于第一表面上， 其中，第一表面的殘留應力低于第二表面的殘留應力。
2.根據(jù)權利要求1所述的透射型X射線靶， 其中，在殘留應力的分布存在于第一表面和第二表面中的每個上的情況下，當且僅當?shù)谝槐砻娴淖畲髿埩魬Φ陀诘诙砻娴淖畲髿埩魬r，第一表面的殘留應力才低于第二表面的殘留應力。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的透射型X射線靶， 其中，所述金剛石基板還具有側面，以及 其中，第一表面與所述側面之間的角度大于第二表面與所述側面之間的角度。
4.根據(jù)權利要求3所述的透射型X射線靶， 其中，第一表面與所述側面之間的角度是鈍角。
5.根據(jù)權利要求1所述的透射型X射線靶， 其中，所述金剛石基板是單晶金剛石。
6.根據(jù)權利要求5所述的透射型X射線靶， 其中，所述金剛石基板是通過從由單晶制成的基材分離所述基材的一部分而制成的。
7.根據(jù)權利要求6所述的透射型X射線靶， 其中，所述金剛石基板是通過局部加熱光的照射將所述基材的一部分從所述基材分離而制成的。
8.根據(jù)權利要求1所述的透射型X射線靶， 其中，所述靶層的層厚度在Iym至20 μπι的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求1所述的透射型X射線靶，還包括: 電極，所述電極在金剛石基板上被設置為從靶層的周邊延伸到金剛石基板的周邊，所述靶層的周邊與所述金剛石基板的周邊分離。
10.根據(jù)權利要求9所述的透射型X射線靶， 其中，所述電極包括具有負的碳化物標準生成自由能的金屬元素。
11.根據(jù)權利要求10所述的透射型X射線靶， 其中，所述電極包括鈦、鋯或鉻。
12.根據(jù)權利要求9所述的透射型X射線靶， 其中，所述電極的層厚度在IOOnm至10 μ m的范圍內(nèi)。
13.—種祀結構,包括: 根據(jù)權利要求3或4所述的透射型X射線靶；以及 陽極構件，所述陽極構件沿著所述側面和第一表面的周邊中的至少一個安置，并且與所述靶層電連接。
14.根據(jù)權利要求13所述的靶結構， 其中，所述靶層和所述陽極構件通過釬焊接頭彼此電連接。
15.一種放射線產(chǎn)生管，包括:根據(jù)權利要求1至12中的任何一個所述的透射型X射線靶； 電子發(fā)射源，所述電子發(fā)射源包括面對所述靶層的電子發(fā)射單元；以及 絕緣管，所述絕緣管使所述靶層和所述電子發(fā)射源彼此電絕緣。
16.—種放射線產(chǎn)生設備,包括: 根據(jù)權利要求15所述的放射線產(chǎn)生管；和 驅動電路，所述驅動電路與所述靶層和所述電子發(fā)射單元中的每一個電連接，所述驅動電路輸出施加于所述靶層和所述電子發(fā)射單元之間的管電壓。
17.一種放射線照相裝置，包括: 根據(jù)權利要求16所述的放射線產(chǎn)生設備； 放射線檢測器，所述放射線檢測器檢測所述放射線產(chǎn)生設備產(chǎn)生的放射線；以及 控制單元，所述控制單元對所 述放射線產(chǎn)生設備和所述放射線檢測器進行整體控制。
【文檔編號】A61B6/00GK103943442SQ201410022341
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權日:2013年1月18日
【發(fā)明者】五十嵐洋一, 小倉孝夫, 塚本健夫 申請人:佳能株式會社