JP2019145452A - 冷陰極構造及びこれを有するｘ線発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エミッタで電子を効率よく発生させ、かつ発生した電子をターゲットに的確に到達させることができる冷陰極構造を提供することにある。【解決手段】高真空状態に密封された容器内に設けた冷陰極２７と、冷陰極２７の冷陰極本体２７ａに挿着され、ターゲットに向けて電子を放出するエミッタ２８とを有する電界放出型の冷陰極構造であって、エミッタ２８は、ターゲットに向けて凸状に形成されている凸状面を有し、エミッタ２８の先端と冷陰極本体２７ａの先端との差が±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍの範囲内である構成となる。【選択図】図８

Description

本発明は、密封された容器内に設けた冷陰極と、該冷陰極に挿着され、ターゲットに向けて電子を放出するエミッタとを有する電界放出型の冷陰極構造及びこれを有するＸ線発生装置に関する。

Ｘ線発生装置における電子発生方法として、フィラメントを加熱して熱電子を発生させる熱陰極式が知られているが、高出力の熱源が必要であることから装置の大型化と高コスト化を招き、さらに陰極が高温となることから周辺の耐熱措置も必要となる。そのため、加熱用の電源を必要としない、常温において電子放出が可能な電界放出型の冷陰極式の電子線放射装置が提案されている（特許文献１）。

特許文献１に記載の冷陰極式の装置によれば、給電体であるカソードに嵌めこんだガード電極で囲まれる内側でガード電極よりも引っ込んだ位置に炭素膜を形成した凹面形状の電子放出部が設けられているので、電子放出面での電界強度は弱められ、大電流が流れるのを防止することができる。また、凹面形状とした電子放出面の焦点位置にターゲットを設けることで、電子を効率よくターゲットに照射することができる。

特許第５２９００８７号公報

しかしながら、上記冷陰極の電子線放射装置では、ガード電極よりも引っ込んだ位置に炭素膜を形成した凹面形状の電子放出部が設けられているので、総電子量（電流）は電界遮蔽により、低下し所定値になるが、電子放出部表面への電界分布が凹面形状の中心部で弱く周端近傍で強いため、極端に言えばリング形状の電子ビームになる可能性がある。従ってＸ線発生は大変効率が悪くなる。

本発明は、エミッタで電子を効率よく集中して発生させ、かつ発生した電子をターゲットに的確に到達させることができる冷陰極構造及びこの冷陰極構造を有するＸ線発生装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷陰極構造は、密封された容器内に設けた冷陰極と、該冷陰極に挿着され、ターゲットに向けて電子を放出するエミッタとを有する電界放出型の冷陰極構造であって、前記エミッタは、前記ターゲットに向けて凸状に形成されている凸状面を有する構成である。

このような構成によれば、電界放出型の冷陰極構造におけるエミッタのターゲットに向けた面が、凸形状に形成されているので、エミッタの中心付近に電界が集中するため、ターゲットへ向けた電子放出量が確保でき、ガード電極との幾何学的形状関係から放出電子の拡散が制限され、帯状に集中した電子ビームとなりうるので、ターゲットで発生するＸ線の線量も維持することができる。なお、エミッタのターゲットに向けた面が凸形状であればよく、例えば、エミッタの断面は円形状でも、半円形状であってもよい。

本発明に係る冷陰極構造において、前記エミッタの凸状面の先端と、前記冷陰極のターゲットに向けた先端との差は、所定範囲内である構成とすることができる。

このような構成によれば、エミッタの凸状面の先端と、冷陰極のターゲットに向けた先端との差が所定範囲内とすることで、エミッタから放出された電子をターゲットに効率よく向けることができる。エミッタの凸状面の先端が、冷陰極の先端より所定以上突出すると電子の拡散によりターゲットからそれた電子が増加し、冷陰極の先端より内部に入り込み過ぎると、電子の拡散は防止できるものの、電界強度が低下して放出電子が所定量より低下する。そのため、エミッタのターゲット側の先端と冷陰極のターゲット側の先端とが同一面であるか、又はエミッタの先端と冷陰極の先端との差が、ターゲットへの放出電子の量が所定量維持できる程度の所定範囲内とするものである。

本発明に係る冷陰極構造において、前記所定範囲は、±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍである構成とすることができる。

このような構成によれば、所定範囲を、±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍとすることで、無駄な拡散を防止し、且つターゲットへの放出電子の量を所定量に維持することができる。上記したように、±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍの所定範囲を超えると、ターゲットに到達する電子が減少し、十分なＸ線量を発生させることができないからである。

本発明に係る冷陰極構造において、前記冷陰極は長手方向に形成された溝部を有する棒状部材から成り、前記エミッタは断面が円形状の軸部材から成り、前記溝部に挿着される構成とすることができる。

このような構成によれば、冷陰極の溝部に挿着されたエミッタは、断面が円形状の軸部材であるから、楕円形状に電子が放出されるので、横長のターゲット全体に電子を放出することができる。

本発明に係る冷陰極構造において、前記エミッタは、電界電子放出に適したナノ構造をもつ炭素系材料から成る構成とすることができる。

このような構成によれば、エミッタを電界電子放出に適したナノ構造をもつ炭素系材料とすることで、加熱することなく、高電圧による電界を加えることで電子を放出することができるので、電界放出型の冷陰極構造に好適である。炭素系材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノ構造体、ＣＣＮＳ等が含まれる。

本発明に係るＸ線発生装置は、上記記載の冷陰極構造を有し、前記エミッタから放出された電子の衝突により前記ターゲットからＸ線を発生する構成である。

このような構成によれば、上記記載の冷陰極構造を有するＸ線発生装置であるから、発生した電子を効率よくターゲットに放出するので、十分な線量のＸ線を発生させることができる。

本発明に係るＸ線発生装置において、前記密封された容器内は、高真空の状態の真空度に設定されている構成とすることができる。

このような構成によれば、密封された容器内を高真空とすることで、効率よく電子を放出させ、十分な線量のＸ線を発生させることができる。

本発明の冷陰極構造によれば、エミッタのターゲットに向けた面が、凸形状に形成されているので、エミッタの中心付近での電界強度が強く、ターゲットへ向けた電子放出量が多くなり、ターゲットから所定量のＸ線を発生させうることができる。また、エミッタの凸状面の先端と、冷陰極のターゲットに向けた先端との差が所定範囲内であるので、エミッタから放出された電子をターゲットに効率よく向けることができる。さらに、本発明の上記冷陰極構造を用いたＸ線発生装置によれば。エミッタから発生した電子を効率よくターゲットに放出するので、ターゲットから所定量のＸ線を発生させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るＸ線発生装置の斜視図である。 図２は、図１に示すＸ線発生装置の平面図である。 図３は、図１に示すＸ線発生装置の底面図である。 図４は、図２のＡ−Ａ断面図である。 図５は、上記Ｘ線発生装置の分解斜視図である。 図６は、図５の一部組み立て斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る冷陰極構造の斜視図である。 図８は、図７の冷陰極構造を上下逆転させた斜視図である。 図９は、図７に示す冷陰極構造とターゲットとの配置を示す概略断面図である。 図１０Ａは、エミッタが冷陰極内に陥入（０．２ｍｍ）した状態の冷陰極構造の断面説明図である。 図１０Ｂは、エミッタと冷陰極とが同一面である状態の冷陰極構造の断面説明図である。 図１０Ｃは、エミッタが冷陰極より突き出た（０．２ｍｍ）状態の冷陰極構造の断面説明図である。 図１１は、線形状エミッタから放出される電子の範囲を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施の一形態に係るＸ線発生装置は、図１乃至図６に示す構造となっている。図１は本発明の実施の形態に係るＸ線発生装置の斜視図、図２は図１に示すＸ線発生装置の平面図、図３は図１に示すＸ線発生装置の底面図、図４は図２のＡ−Ａ断面図、図５は上記Ｘ線発生装置の分解斜視図、図６は図５の一部組み立て斜視図である。以下、図１乃至図６を参照して説明する。

本実施形態に係るＸ線発生装置１１は、直方体形状の容器である真空容器１２と、円筒形状の絶縁体１３と、真空容器１２から真空排気するための円筒部材である排気パイプ１５と、絶縁体１３と排気パイプ１５とを接続する中間部材１６を有する。排気パイプ１５は、上記した容器１２内を真空排気するための筒状部材としての他、後述するように、その先端に取り付ける本発明の実施形態に係る冷陰極構造の電子放出部を構成する冷陰極２７及びエミッタ２８へのマイナス高電圧の印加口としての役割をも有するものである。なお、後述するように、排気パイプ１５は真空容器１２の内部を真空排気後に先端を封止される。

真空容器１２は、天部が開口となっている容器本体１２ａと、容器本体１２ａの天部を塞ぐ方形状の板部材である蓋部１２ｂとを有する。真空容器１２は、容器本体１２ａ及び蓋部１２ｂともステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）から成る金属容器である。ステンレス鋼以外では、例えば、融点が１０００°Ｃ以上で脱ガスの少ない金属が好ましく、例えば銅、チタン、鉄、ニッケル及び耐熱合金等が該当する。真空容器１２は、内部を真空状態として使用するものであり、高温度（１０００℃程度）でも脱ガスの少ない金属が使用され、さらに電子の放出に高電圧を印加すること、溶接で組み立てることから融点が高いものが好ましい。容器本体１２ａと蓋部１２ｂとは溶接等による組み立てで一体化されている。

容器本体１２ａの底部１２ａ１は長方形状で、その中心部には底部の１２ａ１の長手方向を長辺とする、長方形状の開口部１２ａ２が形成されている。開口部１２ａ２には、ベリリウムから成るベリリウム窓と称されるＸ線透過窓２１が、容器本体１２ａの内部側からろう接されている。これにより開口部１２ａ２はＸ線透過窓２１により封止されている。さらに、Ｘ線透過窓２１の容器本体１２ａ側には、電子の衝突によりＸ線を発生するタングステンから成るターゲット２２がコーティングされている。ターゲット２２は、Ｘ線透過窓２１の長手方向を長辺とする長方形状である。後述するように、本発明の実施形態に係る冷陰極構造に含まれるエミッタ２８から放出された電子がターゲット２２に衝突してＸ線が生じることになる。発生したＸ線はＸ線透過窓２１を透過して外部へ放出される。発生したＸ線は、例えば、除電気等による除電に使用される。このように、Ｘ線透過窓２１は、Ｘ線の透過性が良好かつ高融点であることが求められ、ベリリウムが好適な材質として使用される。また、ターゲット２２については、電子の衝突によりＸ線を発生し、かつ高融点であることが求められることから、タングステンを好適な材質とする。

真空容器１２の蓋部１２ｂには、円形状の開口部１２ｂ１が形成されている。この開口部１２ｂ１の容器１２内側周囲に、周壁を有する円板状の部材で、中心部に開口（排気パイプ１５貫通用の開口）を有する中間部材２５が周壁の先端をろう接されている。そして、絶縁体１３が一端を中間部材２５の底部に載置するようにして開口部１２ｂ１に挿着され、絶縁体１３と蓋部１２ｂ及び中間部材２５とがろう接されている。中間部材２５は、コバールを材質としている。

円筒形状の絶縁体１３は、排気パイプ１５が先端を容器１２の内部に突出させて貫通した状態となるように、絶縁体１３と排気パイプ１５とが中間部材１６を介してろう接されている。例えば、絶縁体１３はアルミナ、排気パイプ１５は無酸素銅、中間部材１６はコバールをそれぞれ材質としている。排気パイプ１５の容器１２内部側の先端には、本実施形態に係る冷陰極構造を構成する冷陰極２７及びエミッタ２８が設けられている。

冷陰極２７は、棒状のステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）で、その長手方向を水平状態にしてその中央部が、絶縁体１３を貫通した排気パイプ１５の先端とろう接されている。このとき、絶縁体１３の容器１２内側に挿入した部分は、中間部材２５により覆われているので、容器１２の内部への絶縁体の露出が抑えられている。冷陰極２７にはその長手方向に沿って溝部が形成されており、当該溝部には、電界電子放出に適したナノ構造をもつ炭素系材料から成る棒状のエミッタ２８がＸ線透過窓２１と対向する位置となるように、溶接により挿着されている。また、冷陰極２７の両端には、ステンレス製の蓋部（ＳＵＳキャップ）３１ａ、３１ｂがそれぞれ溶接により装着されている。蓋部３１ａ、３１ｂは、冷陰極２７及びエミッタ２８の両端面における電界集中緩和のためのキャップである。エミッタ２８は、後述する電圧の印加により生じる電界の作用によって、電子を発生する電界放出型のもので、炭素系材料である、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノ構造体、ＣＣＮＳ等で形成されている。

冷陰極２７とエミッタ２８とを有する、本実施形態の冷陰極構造の詳細について、図７、図８を参照して説明する。図７は本発明の実施の形態に係る冷陰極構造の斜視図、図８は図７の冷陰極構造を上下逆にした斜視図である。

冷陰極２７は、棒状の冷陰極本体２７ａと、冷陰極本体２７ａの中央部を嵌め込んで装着する冷陰極基部２７ｂとを有する。冷陰極基部２７ｂは、円筒状の部材であり、その一端に切欠きを設け、冷陰極本体２７ａの中央部を嵌め込んで装着している。冷陰極本体２７ａの長手方向には、一方の先端から他方の先端まで断面Ｕ字形状の溝部２７ａ１が形成されている。冷陰極本体２７ａを冷陰極基部２７ｂに嵌め込んだときに、冷陰極基部２７ｂとは反対の側に溝部２７ａ１が位置するようになる。溝部２７ａ１には、断面が円形の軸部材であるエミッタ２８が溶接等により挿着される。このとき、冷陰極本体２７ａの溝部２７ａに挿着されたエミッタ２８のターゲット側の先端と、冷陰極本体２７ａのターゲット側の先端２７ａ２とが略同一面となっている。このように冷陰極本体２７ａの先端とエミッタ２８の先端とを略同一面とすることで、ターゲット２２から外れる電子を抑えることができ、ターゲット２２に電子を的確に衝突させ、ターゲットから効率よくＸ線を発生させることができる。

冷陰極本体２７ａの先端とエミッタ２８の先端とを略同一面としたときの、エミッタ２８から電子をターゲット２２に放出するときの概略について図９を参照して説明する。図９は冷陰極構造とターゲットとを示す概略断面図である。図９に示すように、エミッタ２８から発生した電子は、若干の拡散を生じるものの対向する位置にあるＸ線透過窓２１にコーティングされたターゲット２２の範囲内に放出されることになる。なお、エミッタ２８とターゲット２２との間は本実施例では２~４ｍｍとなっている。

次に、冷陰極本体２７ａの先端とエミッタ２８の先端とが同一面の場合、先端同士が所定範囲（±０．２ｍｍ）の範囲にある場合の、エミッタ２８から放出され、ターゲット２２に到達する電子の放出範囲について、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃを参照して説明する。図１０Ａはエミッタが冷陰極内に約０．２ｍｍ陥入した状態の冷陰極構造の断面説明図、１０Ｂはエミッタと冷陰極とが略同一面である状態の冷陰極構造の断面説明図、図１０Ｃはエミッタが冷陰極より約０．２ｍｍ突き出た状態の冷陰極構造の断面説明図である。

図１０Ａに示すように、エミッタ２８が冷陰極本体２７ａ内に陥入（０．２ｍｍ）した場合には、エミッタ２８から発生する電子は拡散することなく照射幅Ｗ１でターゲット２２に到達する。しかし、エミッタ２８が冷陰極本体２７ａ内に０．２ｍｍよりもさらに陥入すると電子の拡散はないものの、エミッタ２８への電界強度が低下するため、発生する電子が減少し、所望のＸ線を発生させることができない。したがって、０．５ｍｍが陥入の限界である。エミッタ２８と冷陰極本体２７ａとが同一面のときは、図１０Ｂに示すように好適な電子の拡散幅Ｗ２が得られ、かつ発生する電子が減少することがない。図１０Ｃに示すように、エミッタ２８が冷陰極本体２７ａから０．２ｍｍ突出したときは、電子の照射幅Ｗ３に拡大するが、ターゲット２２から外れる電子の数は許容の範囲内である。エミッタ２８が冷陰極本体２７ａから０．２ｍｍよりも突出すると、発生する電子はさらに拡散してターゲット２２から多数の電子が外れ、所定のＸ線量を得ることができない。したがって、冷陰極本体２７ａの先端とエミッタ２８の先端との差は、所定の範囲内、すなわち±０．５ｍｍの範囲が許容の限界となる。軸部材であるエミッタ２８からターゲット２２に放出される電子の範囲は、楕円形状となるため、エミッタ２８が冷陰極本体２７ａから上記所定範囲を超えて突出すると、図１１に示すように、ターゲット２２を外れた電子が増加するため、効率よくＸ線を発生することができない。エミッタ２８から放出された電子の範囲は、ターゲット２２を含む大きな楕円形状３３（鎖線で示す）となり、ターゲット２２に到達する電子の数は減少する。したがって、エミッタ２８の先端と冷陰極本体２７ａの先端との差が上記した±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍである所定範囲内とすることで、ターゲット２２から外れる電子を抑え、効率よく電子を放出することができ、ターゲットから所定量のＸ線を発生させることができる。

次に、本実施形態に係るＸ線発生装置１１の組み立てについて、分解斜視図である図５、一部組み立て図である図６、全体斜視図である図１を参照して説明する。

Ｘ線発生装置１１の組み立ては、最初に、蓋部１２ｂ、中間部材２５、絶縁体１３、中間部材１６、排気パイプ１５及び冷陰極２７をろう接する。具体的には、中間部材２５は蓋部１２ｂの開口部１２ｂ１の容器本体１２側に位置し、中間部材２５の上に絶縁体１３が位置し、絶縁体１３を挿通した排気パイプ１５の先端が容器本体１２の内部に位置するようにして、それぞれをろう接する。

次に、容器本体１２ａの底部１２ａ１に形成された開口部１２ａに、Ｘ線透過窓２１を容器本体１２ａの内側からろう接し、さらに容器本体１２ａの内側からＸ線透過窓２１にターゲットをコーティングする。その後、エミッタ２８を冷陰極２７に挿着して溶接し、更に冷陰極２７の両端に蓋部３１ａ、３１ｂをかぶせ、溶接する。次に、蓋部１２ｂを容器本体１２ａに溶接により装着する。

容器本体１２ａと蓋部１２ｂとの溶接により容器１２が一体となった後、真空ポンプ（不図示）により排気パイプ１５を通じて容器１２の内部を真空排気する。そして、真空排気後に排気パイプ１５の真空ポンプ側端部を封止することで、容器１２の内部は超高真空状態とすることができる。本実施形態に係る冷陰極構造であるエミッタ２８の先端と冷陰極本体２７ａの先端との差が上記した所定範囲内（±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍ）となるので、エミッタ２８から放出された電子を効率よくターゲット２２に衝突させ、Ｘ線を発生させることができる。そして、Ｘ線発生装置１１は上述したように、エミッタ２８及び冷陰極２７を先端に取り付けた排気パイプ１５は、絶縁体１３を貫通して挿着されているので、容器１２とは絶縁されている。したがって、エミッタ２８からターゲット２２に向けて放出された電子が、ターゲット２２で反射電子となった場合でも、容器本体１２ａ及び蓋部１２ｂから成る容器１２は金属材質（ステンレス鋼）であり、更に容器１２内に挿入された絶縁体１３は中間部材（コバール合金）２５で覆われているので、容器１２を接地電位とすることで、反射電子による容器１２内の帯電を防止することができる。

次に、本実施形態に係るＸ線発生装置１１の動作について説明する。排気パイプ１５に対して負の高電圧を印加すると、排気パイプ１６の先端に取り付けた冷陰極２７に設けたエミッタ２８から、対向する位置にある接地電位のターゲット２２に向けて電子が放出される。なお、排気パイプ１５とは、絶縁体１５を間に介しており、容器１２（容器本体１２ａ、蓋部１２ｂ）、Ｘ線透過窓２１、及び中間部材２５は接地電位となる。

エミッタ２８の先端と冷陰極本体２７ａの先端との差が上記した所定範囲内（±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍ）となっているので、エミッタ２８から放出された電子は、必要以上に拡散することなく、高真空状態にある真空容器１２内をターゲット２２まで支障なく到達することができる。そのため、ターゲット２８に衝突した電子により、ターゲット２８からＸ線を効率よく発生させることができ、Ｘ線透過窓２１から外部にＸ線を供給することができる。

上述したように、本実施形態に係る冷陰極構造及びこの冷陰極構造を有するＸ線発生装置１１は、エミッタ２８のターゲットに向けた面が、凸形状に形成されているので、エミッタの中心付近での電界強度が維持され、ターゲットへ向けた電子放出量が所定数確保されることになる。また、エミッタ２８の凸状面の先端と、冷陰極本体２７ａのターゲットに向けた先端２７ａ２との差が所定範囲内の±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍ以内であるので、エミッタから放出された電子をターゲットに効率よく向けることができ、ターゲットから所定量のＸ線を発生させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態及び各部の変形例を説明したが、この実施形態や各部の変形例は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述したこれら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明に含まれる。

以上、説明したように、本発明に係る冷陰極構造を有するＸ線発生装置は、エミッタから発生した電子を効率よくターゲットに放出するので、ターゲットから所定量のＸ線を発生させることができるという効果を奏し、密封された容器内に設けた冷陰極と、該冷陰極に挿着され、ターゲットに向けて電子を放出するエミッタとを有する電界放出型の冷陰極構造のＸ線発生装置として有用である。

１０
１１ Ｘ線発生装置
１２ 真空容器
１２ａ 容器本体
１２ａ１ 底部
１２ａ２ 開口部
１２ｂ 蓋部
１２ｂ１ 開口部
１３ 絶縁体
１５ 排気パイプ
１６ 中間部材
２１ Ｘ線透過窓
２２ ターゲット
２５ 中間部材
２７ 冷陰極
２７ａ 冷陰極本体
２７ａ１ 溝部
２７ａ２ 先端
２７ｂ 冷陰極基部
２８ エミッタ
３１ａ、３１ｂ 蓋部（ＳＵＳキャップ）

Claims (7)

1. 密封された容器内に設けた冷陰極と、該冷陰極に挿着され、ターゲットに向けて電子を放出するエミッタとを有する電界放出型の冷陰極構造であって、
   前記エミッタは、前記ターゲットに向けて凸状に形成されている凸状面を有する冷陰極構造。
2. 前記エミッタの凸状面の先端と、前記冷陰極のターゲットに向けた先端との差は、所定範囲内である請求項１に記載の冷陰極構造。
3. 前記所定範囲は、±０．５ｍｍ望ましくは±０．２ｍｍである請求項２に記載の冷陰極構造。
4. 前記冷陰極は長手方向に形成された溝部を有する棒状部材から成り、前記エミッタは断面が円形状の軸部材から成り、前記溝部に挿着される請求項１乃至３のいずれかに記載の冷陰極構造。
5. 前記エミッタは、電界電子放出に適したナノ構造をもつ炭素系材料から成る請求項１乃至４のいずれかに記載の冷陰極構造。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の冷陰極構造を有し、前記エミッタから放出された電子の衝突により前記ターゲットからＸ線を発生するＸ線発生装置。
7. 前記密封された容器内は、高真空の状態の真空度に設定されている請求項６に記載のＸ線発生装置。

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