JP2001250496A

JP2001250496A - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2001250496A
Application number: JP2000059916A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Takahashi; 貞幸高橋; Masaru Kuribayashi; 勝栗林; Naohisa Osaka; 尚久大坂
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブからなる冷陰極電子放
出源を陰極として採用することによって、熱陰極を使用
することに伴うさまざまな問題点を解消する。【解決手段】電子銃ユニットはウェネルト１２を備え
ており、このウェネルト１２の内部に陰極１４がある。
陰極１４は、陰極ベース２２と、その表面に固定された
エミッタ２４とからなる。エミッタ２４は電子放出用の
部材であって、カーボンナノチューブで作られている。
この電子銃ユニット１０に対向するようにターゲット１
６が配置されている。陰極１４と引き出し電極１８およ
びターゲット１６とで作られる電界の作用でエミッタ２
４から放出された電子は、引き出し電極１８で加速され
て、さらに、ウェネルト１２の窓２０で絞られて、ター
ゲット１６の表面に衝突し、Ｘ線を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は陰極に特徴のある
Ｘ線発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線発生装置の陰極としては、タングス
テン・フィラメントが代表的である。その動作温度は２
０００〜２３００℃と非常に高温である。タングステン
以外の熱陰極としては、トリウム入りタングステンや、
六ホウ化ランタンなども使われている。それらの動作温
度は１０００〜１５００℃で、タングステンよりは温度
が低いが、それでもかなり高温である。いずれの熱陰極
もかなり高出力の加熱電源が必要となる。また、トリウ
ム入りタングステンや、六ホウ化ランタンの熱陰極は、
安定したエミッション電流を得るためには高真空が必要
である。タングステン・フィラメントに必要な真空度は
「１×１０のマイナス３乗」Ｐａ以下であるが、トリウ
ム入りタングステンや六ホウ化ランタンの熱陰極に必要
な真空度は「１×１０のマイナス５乗」Ｐａ以下であ
る。

【０００３】ところで、最近、Ｘ線発生装置以外の技術
分野では、冷陰極電子放出源としてカーボンナノチュー
ブが注目されている。カーボンナノチューブは直径がナ
ノメータ（１０のマイナス９乗メートル）オーダの円筒
構造を持つ炭素材料である。このカーボンナノチューブ
は、電子放出部を平面状にしても（すなわち、針状にし
なくても）、常温において電界放出による電子放出が可
能である。カーボンナノチューブからなる冷陰極電子放
出源は、平面ディスプレイの電子源として用いることが
知られている（特開平１１−１９４１３４、特開平１０
−１９９３９８、特開平１０−１４９７６０、特開平１
０−１２１２４）。すなわち、この冷陰極電子放出源か
ら放出された電子を蛍光体に衝突させて発光式のディス
プレイとするものである。そのほかに、カーボンナノチ
ューブをブラウン管の電子銃として使うことも知られて
いる（特開平１１−２６０２４４、特開平１１−１１１
１５８）。

【０００４】また、炭素系材料からなる冷陰極電子放出
源としては、カーボンナノチューブのほかに、フラーレ
ンも知られている（特開平１０−１４９７６０）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＸ線発生装置は
熱陰極を用いているので、次のような問題が生じてい
る。（１）熱陰極を使うと、高出力の加熱源が必要にな
る。そして、熱陰極から熱電子を放出させるためには熱
陰極に大電流（例えば、十数アンペア）を流す必要があ
り、このような大電流を流すためのケーブルが必要にな
る。（２）陰極が非常に高温なので、周辺の熱対策設計
が必要である。（３）六ホウ化ランタン等の熱陰極では
高真空が必要である。（４）熱陰極は高温になり、陰極
からの放出ガスがＸ線発生装置に悪影響を及ぼす。した
がって、Ｘ線発生装置を実際に使う前に、しばらくの
間、熱陰極を加熱してガスを放出させ、実際に使うとき
のガス放出を少なくする必要がある。（５）熱陰極から
は、陰極材料がわずかずつではあるが蒸発して飛散し、
これがターゲット表面に付着してコンタミネーションと
なり、付着物質（陰極材料）に起因する特性Ｘ線を放出
してしまう問題もある。

【０００６】この発明はこのような問題を解決するため
になされたものであり、その目的は、炭素系材料からな
る冷陰極電子放出源を陰極として採用することによっ
て、熱陰極を使用することに伴うさまざまな問題点を解
消したＸ線発生装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明のＸ線発生装置
は陰極のエミッタ材料としてカーボンナノチューブを使
うことを特徴としている。このカーボンナノチューブの
エミッタは電界放出の原理で電子を放出するものであ
り、冷陰極電子放出源となる。そして、この発明では、
カーボンナノチューブを採用するための工夫として、電
子ビームの集束制御とは独立して管電流を制御するため
に、次のような構成のいずれかを採用している。第１の
構成は、陰極の近傍に引き出し電極を配置して、ウェネ
ルトの電位と引き出し電極の電位とを独立して制御する
ようにしている。第２の構成は、陰極の背後に電子放出
源を配置して、電子放出源からの電子を陰極の背面に衝
突させて、これにより陰極の温度を室温から１００℃程
度までの温度範囲内で制御し、もって陰極のエミッタか
らの電子放出量を制御するようにしている。第３の構成
は、陰極にヒータを設けて、陰極の温度を室温から１０
０℃程度までの温度範囲内で制御し、もって陰極のエミ
ッタからの電子放出量を制御するようにしている。

【０００８】カーボンナノチューブのエミッタを使う
と、従来の熱陰極に比べて、次のような利点がある。
（１）陰極を高温に加熱する必要がないので省電力であ
る。（２）高温加熱用の大電流ケーブルが不要になる。
（３）陰極が室温に近い温度なので周辺の熱対策が不要
である。（４）高温加熱部分がないので、ガス放出のた
めの陰極加熱作業が不要であり、すぐにＸ線発生装置を
使うことができる。（５）高温の陰極から陰極材料が蒸
発してこれがターゲットに付着することがないので、タ
ーゲットの汚染が少なくなる。（６）「１×１０のマイ
ナス３乗」Ｐａ程度の圧力で安定したエミッション電流
が得られ、高真空にする必要がない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、この発
明の実施形態を説明する。図１は、この発明の第１の実
施形態における電子銃ユニットの切断端面図である。こ
の切断端面図はＸ線発生装置の電子銃ユニット１０を側
面から見たときの切断端面図である。この電子銃ユニッ
トはウェネルト１２を備えており、このウェネルト１２
の内部に陰極１４がある。陰極１４は、陰極ベース２２
と、その表面に固定されたエミッタ２４とからなる。陰
極ベース２２は厚さ０．５ｍｍのニッケル板で作られて
いる。エミッタ２４は電子放出用の部材であって、カー
ボンナノチューブで作られている。この電子銃ユニット
１０に対向するようにターゲット１６が配置されてい
る。陰極１４と引き出し電極１８およびターゲット１６
とで作られる電界の作用でエミッタ２４から放出された
電子は、ウェネルト１２の窓２０で絞られ、陰極１４と
ターゲット１６間にかけられた電界により加速されて、
ターゲット１６の表面に衝突し、Ｘ線を発生させる。エ
ミッタ２４からウェネルト１２の表面までの距離Ｌ１は
６〜７ｍｍである。ウェネルト１２の表面からターゲッ
ト１６の表面までの距離Ｌ２は約１２ｍｍである。

【００１０】図２は引き出し電極１８の正面図（ターゲ
ットの側から見た図）である。引き出し電極１８は全体
として矩形であり、矩形の開口部３８を備えている。引
き出し電極１８の二つの脚部４０は絶縁碍子３２（図１
を参照）で支持されている。ターゲットの方向から見る
と、引き出し電極１８はウェネルトの窓２０の中に見え
る。そして、引き出し電極１８の開口部３８の中にエミ
ッタ２４が見える。

【００１１】ウェネルトの窓２０の開口寸法は１０ｍｍ
×１０ｍｍ程度である。引き出し電極１８の開口部３８
の寸法は７ｍｍ×７ｍｍ程度である。引き出し電極１８
は０.５〜１.０ｍｍの板材で作られている。エミッタ２
４の電子放出領域の寸法は５ｍｍ×５ｍｍ程度である。

【００１２】図１に戻って、このＸ線発生装置の電気回
路を説明する。陰極１４は電気絶縁性の碍子２８で支持
されており、この陰極１４は陰極配線３０に接続してい
る。引き出し電極１８は電気絶縁性の絶縁碍子３２で支
持されており、この引き出し電極１８は引き出し電極配
線３３に接続している。ウェネルト１２はウェネルト配
線３４に接続している。ターゲット１６はターゲット配
線３６に接続している。

【００１３】陰極配線３０とターゲット配線３６の間に
は第１電源４２が接続されていて、陰極１４の電位に対
してターゲット１６の電位（管電圧）が０〜６０ｋＶに
設定される。陰極１４のエミッタ２４から放出された電
子はこの管電圧で加速されてターゲット１６に衝突す
る。陰極配線３０とウェネルト配線３４の間には第２電
源４４が接続されていて、陰極１４の電位に対してウェ
ネルト１２の電位は０〜マイナス１０００Ｖに設定され
る。陰極１４のエミッタ２４から放出された電子は、陰
極１４に対してマイナスの電位となっているウェネルト
１２の窓によって絞られて、ターゲット１６の表面の所
定位置に集束する。陰極配線３０と引き出し電極配線３
３の間には第３電源４６が接続されていて、陰極１４の
電位に対して引き出し電極１８の電位はマイナス１００
０Ｖ〜プラス１０００Ｖに設定される。この引き出し電
極１８の電位を制御することにより、エミッタ２４から
放出される電子の電流（管電流）を制御することができ
る。通常は、引き出し電極１８の電位を陰極１４に対し
てプラス側に設定して管電流を調整することになるが、
管電流を抑制するためにマイナス側に設定することも有
り得る。カーボンナノチューブからなるエミッタ２４
は、１平方センチメートル当たり１００ｍＡ〜１Ａ程度
の電流密度を得ることができる。

【００１４】上述の第２電源４４は陰極１４に対してウ
ェネルト１２の電位を制御するものであって、電子ビー
ムをターゲット上に集束させる機能を有する。この第２
電源を制御することにより、ターゲット上の焦点サイズ
を調節できる。一方、上述の第３電源は陰極１４に対し
て引き出し電極１８の電位を制御するものであって、管
電流の大きさを制御する機能を有する。従来の熱フィラ
メントを使うタイプの陰極ではフィラメント電流を制御
することで管電流を制御することができるが、エミッタ
２４にカーボンナノチューブを使う場合は、陰極自体に
管電流制御機能がないので、上述のように引き出し電極
の電位を制御することで管電流を制御するようにしてい
る。

【００１５】カーボンナノチューブをエミッタとして使
った陰極は、エミッタを高温に加熱する必要がないの
で、高出力の加熱電源が不要であり、従来の熱陰極と比
較して消費エネルギーが少ない。

【００１６】ところで、Ｘ線発生装置では管電流を高精
度に安定させることが要求される。具体的には、管電流
の許容変動幅は０.１％程度である。このように管電流
を安定させるには、上述の第２電源４４と第３電源４６
を使って、ウェネルト１２と引き出し電極１８とを独立
して制御することが必要である。引き出し電極１８を省
略することも考えられるが、そうすると、ウェネルト１
２の電位を制御することによってターゲット上の焦点サ
イズと管電流の両方を制御しなければならず、焦点サイ
ズとは独立に管電流を精密に制御することができない。

【００１７】次に、この発明の第２の実施形態を説明す
る。図３は第２の実施形態における電子銃ユニットの切
断端面図である。この実施形態が第１の実施形態と異な
るところは、引き出し電極が存在しないことであり、そ
の代わりに、陰極１４の背後に電子放出用のタングステ
ン・フィラメント４８が配置されている。このフィラメ
ント４８の両端はフィラメント加熱電源５０に接続して
いる。このフィラメント加熱電源５０はフィラメント４
８の両端に０〜２Ｖ程度の小さな電圧を印加することで
フィラメント４８の加熱温度を制御する。そして、この
フィラメント加熱回路５２と陰極配線３０との間には第
３電源５４が接続されていて、陰極１４の電位に対して
フィラメント４８の電位が０〜マイナス３００Ｖに設定
される。陰極１４に対するフィラメント４８の電位を制
御することにより、フィラメント４８から放出された電
子が陰極１４の背面に衝突するときのエネルギーを制御
することができる。これにより、陰極１４の加熱温度が
制御されて、エミッタ２４からの電子放出量が増減す
る。その結果、管電流が制御される。なお、フィラメン
ト４８からの電子の衝突によって陰極１４の温度を上昇
させる場合に、その温度はそれほど大きくする必要はな
く、室温からせいぜい１００℃程度までの温度範囲で足
りる。第１電源４２と第２電源４４は第１の実施形態と
同じである。

【００１８】次に、この発明の第３の実施形態を説明す
る。図４は第３の実施形態における電子銃ユニットの切
断端面図である。この実施形態が第１の実施形態と異な
るところは、引き出し電極が存在しないことであり、そ
の代わりに、陰極１４の背面にヒータ５６が密着してい
る。このヒータ５６の両端はヒータ加熱電源５８に接続
しいる。このヒータ加熱電源５８はヒータ５６の加熱温
度を制御し、これによって、陰極１４の温度を制御して
いる。その結果、エミッタ２４からの電子放出量が増減
し、管電流が制御される。なお、陰極１４の温度はそれ
ほど大きくする必要はなく、室温からせいぜい１００℃
程度までの温度範囲で足りる。第１電源４２と第２電源
４４は第１の実施形態と同じである。

【００１９】上述の三つの実施形態では、エミッタ２４
としてカーボンナノチューブを用いているが、カーボン
ナノチューブの代わりにフラーレンを用いることもでき
る。フラーレンは、炭素原子の結合構造として５角形と
６角形からなる多面体構造をしたものであり、代表的な
ものは６０個の炭素原子からなる球状のものである。こ
のようなフラーレンもＸ線発生装置の陰極エミッタとし
て使うことができる。

【００２０】上述の三つの実施形態では、エミッタ２４
の表面は平面状であるが、これをターゲットに向かって
凹面または凸面にすることもできる。このような曲面に
することで、電子ビームの集束性を改善することができ
る。

【００２１】

【発明の効果】この発明のＸ線発生装置は、陰極のエミ
ッタ材料としてカーボンナノチューブを使っているの
で、従来の熱陰極に比べて、次のような利点がある。
（１）陰極を高温に加熱する必要がないので省電力であ
る。（２）高温加熱用の大電流ケーブルが不要になる。
（３）陰極が室温に近い温度なので周辺の熱対策が不要
である。（４）高温加熱部分がないので、ガス放出のた
めの陰極加熱作業が不要であり、すぐにＸ線発生装置を
使うことができる。（５）高温の陰極から陰極材料が蒸
発してこれがターゲットに付着することがないので、タ
ーゲットの汚染が少なくなる。（６）「１×１０のマイ
ナス３乗」Ｐａ程度の圧力で安定したエミッション電流
が得られ、高真空にする必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態の電子銃ユニットの
切断端面図である。

【図２】引き出し電極の正面図である。

【図３】この発明の第２の実施形態の電子銃ユニットの
切断端面図である。

【図４】この発明の第３の実施形態の電子銃ユニットの
切断端面図である。

【符号の説明】

１０電子銃ユニット１２ウェネルト１４陰極１６ターゲット１８引き出し電極２０窓２２陰極ベース２４エミッタ４２第１電源４４第２電源４６第３電源

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年２月１９日（２００１．２．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウェネルトと、ウェネルトの内部に配置
された陰極と、陰極に対向して配置されたターゲットと
を備えるＸ線発生装置において、次の構成を備えるＸ線
発生装置。（ａ）前記陰極のエミッタがカーボンナノチューブで構
成されている。（ｂ）前記陰極の近傍に引き出し電極が配置されてい
る。（ｃ）前記陰極と前記ターゲットの間に第１電源が接続
されていて、この第１電源によって前記陰極の電位に対
する前記ターゲットの電位が制御される。（ｄ）前記陰極と前記ウェネルトの間に第２電源が接続
されていて、この第２電源によって前記陰極の電位に対
する前記ウェネルトの電位が制御される。（ｅ）前記陰極と前記引き出し電極の間に第３電源が接
続されていて、この第３電源によって前記陰極の電位に
対する前記引き出し電極の電位が制御される。
【請求項２】ウェネルトと、ウェネルトの内部に配置
された陰極と、陰極に対向して配置されたターゲットと
を備えるＸ線発生装置において、次の構成を備えるＸ線
発生装置。（ａ）前記陰極のエミッタがカーボンナノチューブで構
成されている。（ｂ）前記陰極の背後に電子放出源が配置されていて、
この電子放出源から放出される電子が前記陰極の背面に
衝突するようになっている。（ｃ）前記陰極と前記ターゲットの間に第１電源が接続
されていて、この第１電源によって前記陰極の電位に対
する前記ターゲットの電位が制御される。（ｄ）前記陰極と前記ウェネルトの間に第２電源が接続
されていて、この第２電源によって前記陰極の電位に対
する前記ウェネルトの電位が制御される。（ｅ）前記陰極と前記引き出し電極の間に第３電源が接
続されていて、この第３電源によって、前記陰極の電位
に対する前記電子放出源の電位が制御される。
【請求項３】ウェネルトと、ウェネルトの内部に配置
された陰極と、陰極に対向して配置されたターゲットと
を備えるＸ線発生装置において、次の構成を備えるＸ線
発生装置。（ａ）前記陰極のエミッタがカーボンナノチューブで構
成されている。（ｂ）前記陰極にヒータが設けられている。（ｃ）前記陰極と前記ターゲットの間に第１電源が接続
されていて、この第１電源によって前記陰極の電位に対
する前記ターゲットの電位が制御される。（ｄ）前記陰極と前記ウェネルトの間に第２電源が接続
されていて、この第２電源によって前記陰極の電位に対
する前記ウェネルトの電位が制御される。（ｅ）前記ヒータは第３電源によって加熱温度が制御さ
れる。
【請求項４】陰極のエミッタがカーボンナノチューブ
で構成されていることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項５】請求項１から４までのいずれか１項に記
載のＸ線発生装置において、前記カーボンナノチューブ
の代わりにフラーレンを用いることを特徴とするＸ線発
生装置。