JP2004335420A

JP2004335420A - Fe type x-ray radiography system and method of manufacturing fe emitter used in the same

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Publication number: JP2004335420A
Application number: JP2003133604A
Authority: JP
Inventors: Fumio Okuyama; 文雄奥山; Shigekimi Kita; 重公北; Masayuki Tanemura; 真幸種村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray radiography system capable of dramatically reducing the size of an electron beam source, and being stable with the service life of FE type and to provide a method of manufacturing an FE (field emission) emitter used in the radiography system. <P>SOLUTION: The Pd emitter 1 is voltage-supplied with a current from a power source 9 through a current stabilizing device 8. An extracted voltage is applied to a gate 2 of an extractor electrode, through the power source 9 and the current stabilizing device 8. FE electron flow emitted from the Pd emitter 1 is converged by a lens 3 to generate a convergent electron beam which is made to collide to a metal target 4 energized by a power source 10 to generate X-rays. The X-rays are radiated through a window 5 of Be to a sample 6 to be inspected. The X-rays transmitted through the sample 6 form an image on an X-ray film 7. Because the FE electron flow is determined by the extraction voltage, the extraction voltage is automatically controlled through a feedback circuit to stabilize the current for controlling the FE electron current. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の組織を調査するためのフィールドエミッション（以下、ＦＥと呼ぶ）型Ｘ線ラジオグラフィーシステム及びそれに用いるＦＥエミッターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線は、原子番号の大きい原子から成る材料にはよく吸収され、また逆に、軽元素から成る材料は透過し易い。Ｘ線の、この性質を利用して、各種材料の組織を調べる手段がＸ線ラジオグラフィー（Ｘ−ｒａｙＲａｄｉｏｇｒａｐｈｙ以下、ＸＲと呼ぶ）である。
【０００３】
Ｘ線は、金属ターゲットを加速電子線で照射することによって取り出し、電子線をつくる伝統的手法が熱電子放出（ＴｈｅｒｍｉｏｎｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ，以下、ＴＥと呼ぶ）型である。ＴＥは、高温（＞２０００℃）にあるタングステンフィラメントから熱的に励起された電子が真空中に飛び出す現象であり、当然のこととしてフィラメントの加熱電源を必要とする。また、ＴＥ型Ｘ線管は概して大型であり、例えば、ジェットエンジンのファンの傷み具合を調べる際に、ファンブレードの間の狭い空間に置くことは不可能である。医用、産業用を問わず、小型軽量かつポータブルなＸＲシステムに対する要求には切実なものがあるが、ＴＥ型ＸＲはこの要求に応えることはできないで今日に至っている。
【０００４】
ＸＲの小型化を図るためには、電子源の格段の小型化が不可欠である。これを解決し得る基本原理はＦＥ（フィールドエミッション）型をおいて他にない。ＦＥは、量子力学現象である電子トンネルであり、加熱電源を必要としないことはもとより、原理上、電子放出源がナノないし準ナノサイズになければならない。このため電子源の微小化が容易である。即ち、ＸＲにＦＥを適用すれば、ＸＲシステムを格段に小型化することができる。
【０００５】
本発明者等がカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと呼ぶ）からのＦＥ電子を用いてＸ線像を撮影して発表したのは２００１年である。これは、ＦＥ型ＸＲの世界初の成功例であるが、ＣＮＴエミッターといえども、電子電流は常に短周期に変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）するのみならず、電流値は、図１に示すように、徐々にではあるが、時間と共に減少し、ＣＮＴエミッターの寿命は高々２時間にすぎなかった。しかし、これでも当時としては、画期的な成果であった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、ＣＮＴをＸ線発生装置の陰極として用いると、ＣＮＴの電子放出面に時間的に変動する輝度ムラが生じ、発生するＸ線強度に時間的変動が発生するので、それを改良する目的で、ＣＮＴを電子放出源とした電子流を利用して陰極を加熱することにより、高圧ケーブルに大電流を流さなくて良いようにした発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ＦＥは典型的な表面現象であり、電子放出源（エミッター）表面の化学状態（吸着の有無、及びその程度）に指数関数的に依存する。即ち、ＦＥエミッターは、本来、エミッター表面の化学状態を不変に保ち得る超高真空（ＵＨＶ）で作動さすべきものであり、莫大な量の気体分子が残存し、したがって、気体分子の吸着及び脱離がエミッター表面で繰り返される通常真空（＜１０^−７Ｔｏｒｒ）中で、ＦＥ電子源を長時間、安定的に作動させるのは至難の技である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２６６７８０号公報
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１），Ｐ２７７８
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＸＲシステムの超高真空排気は、甚だ高価であり、実用性はなきに等しい。ＦＥ型ＸＲを実現できるか否かは、一重に通常真空中で、長時間（例えば、１００時間以上）をＸＲに求められる管内電子流の許容変動幅±０．５％以下の安定度で作動できるＦＥ電子源を開発できるか否かにかかっている。即ち、ＦＥ電子源の泣きどころは寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）と安定度（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）であり、この二つの関門を突破しないことには、実用のＦＥ型ＸＲの実現は、夢物語となる。
【００１０】
そこで本発明は、長寿命の電子源材料と電子電流安定化技術を開発して、電子線源の格段の小型化が図られた、ＦＥ型の寿命で安定なＸ線ラジオグラフィーシステムの提供と、それに用いるＦＥエミッターの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の請求項１に係るＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムは、電界電子放出源と引出電極と電子レンズとターゲットとから成る四極構造を構成し、該電界電子放出源により放出されるＦＥ電子流が電子レンズにより収束された電子線を、金属ターゲットに衝突させて発生するＸ線をＢｅ（ベリリウム）でなる窓を介して照射される被検査体の試料とから成り、前記電界電子放出源は空間的に分散したＰｄナノ金属粒子から成るＰｄエミッターで構成し、該Ｐｄエミッターから放出される電子流の変動幅を小さく抑えるためのフィードバック機能をもつ電源安定化装置を有する構成とした。
【００１２】
この発明の請求項２に係るＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムは、電界電子放出源と引出電極と電子レンズとターゲットとから成る四極構造を構成し、該電界電子放出源により放出されるＦＥ電子流が電子レンズにより収束された電子線を、金属ターゲットに衝突させて発生するＸ線をＢｅ（ベリリウム）でなる窓を介して照射される被検査体の試料とから成り、前記電界電子放出源は空間的に分散したＰｄナノ金属粒子から成るＰｄエミッターで構成し、ＦＥ電子流である放射電流の変化をセンサーで検知し、フイードバック機能をもつ電源安定化装置に負帰還しＰｄエミッターから放出される電子流の変動幅を小さく抑える構成とした。
【００１３】
これにより、本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムは、電子線源材料としてＰｄナノ結晶を用いたことにより電子線源の格段の小型化が進み、ＦＥ型の小型軽量なＸＲを得ることができ、かつ、その動作の不安定さを解消するために、放射電子流の変化をセンサーで検知し、フィードバック回路を用いて引出し電圧を制御することにより電子流を安定させることができ、ポータブルでかつ寿命が長く安価な高分解能エックス線観測装置を得ることができる。
【００１４】
この発明の請求項３に係るＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法は、Ｗワイヤ−をホルダー電極に溶接し、超音波洗浄した後、平板円電極と平行になるようにチャンバ−内に設定した後、チャンバ−内を真空に排気し、ターゲット（触媒金属）を正電位に帯電させた後、所定の圧力のＡｒガスをチャンバ−内に導入すると同時に、チャンバー内のグロー放電により生じる放電プラズマ内のＡｒ^＋イオンがターゲット１４をたたいてＷワイヤー上に触媒を蒸着し、該Ｗワイヤ−上への触媒堆積の後、前記平板円電極をアース電位にし、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）とアンモニア（ＮＨ_３）を導入し、その分圧比を１：２、全圧を約１Ｔｏｒｒの条件で、該Ｗワイヤーを所定温度以上に加熱し、直流電源により所定の負電位を与え、グロー放電が発生させて該Ｗワイヤー上でＣＮＦｓを成長させることを特徴とする。
構成とした。
【００１５】
この発明の請求項４に係るＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法は、上記請求項３記載の製造方法において、前記ターゲット（触媒金属）にはＰｄ板のみを使用した構成とした。
【００１６】
これにより、本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法は、触媒金属１４にＰｄ板のみを用い、スパッタ蒸着やＣＮＦｓの直流プラズマＣＶＤを行うことにより、寿命が長く高効率のＦＥエミッターを得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、１０数年来Ｐｄ（パラジウム）と水素の相互作用の実験研究を続けており、それとの関連で、空間に分散されたＰｄナノ粒子の作製手法に並々ならぬ関心を持ち続けてきた。ＣＮＴエミッターの電子電流の右下りは、エミッター表面と残留ガスの化学的相互作用に起因し、右下りを避けるためには、周囲ガスに鈍感、すなわち化学的に安定な材料でエミッターを作るほかに手段はない。近年、我々のＣＮＴ作製手法を改良することにより、図２に示すようなカーボンナノファイバー（ナノチューブとは構造が異なる）に担持されたＰｄナノ結晶をつくることができた。
【００１８】
もとより、このようなＰｄナノ材料の水素吸蔵挙動が本発明者等の主なる関心であるが、念のためＦＥエミッターに使用してみたところ、放出電流（所定抵抗値の端子電圧で表示）は、図３に示すように、右下りにはならないことが見い出された。この結果は、Ｐｄナノ粒子群が、寿命の長いＦＥ電子源となり得ることを示すにほかならない。
【００１９】
Ｐｄは、Ｐｔ（白金）に次ぐ安定触媒とされており、化学的に極めて安定である。Ｐｄナノ粒子群（以下、Ｐｄエミッターと呼ぶ）が、非超高真空中でもなかなかへこたれない（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）のは、Ｐｄが化学的安定性に優れていることによる。加えてＰｄエミッターは、十分な量の電子を放出する。その理由は、Ｐｄ粒子の形状にある。
【００２０】
図４にみられるように、Ｐｄ粒子は、表面に鋭い“エッジ”（円で囲んだ突起部）を有する。ＦＥ電子は、このような鋭角エッジから優先的に放出されるものである。即ち、Ｐｄ粒子はＦＥ電子源として理想的な形態を有することになる。
【００２１】
しかし、Ｐｄエミッターは長寿命であるが、±８％の短周期変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）は避けることができない。短周期変動は、残留気体分子がエミッター表面にぶつかるために発生するのであり、エミッター材料の如何にかかわらず、非超高真空中では必ず起るものである。
【００２２】
図３における短周期変動は、約±７％である。これを±０．５％以内に減らすためには、短周期変動は真空度に比例して減少するので、電子源部の差動排気も一つの方法ではあるが、それではＸ線管の構造が複雑になり現実的でない。そこで本発明者等は、Ｘ線源の構造はそのままで、電子回路技術の工夫により、短周期変動を減らすことが良策であることに結論が見い出された。
【００２３】
本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムの概要を図５により説明する。１はＰｄでなるエミッター、２は引出電極となるゲート、３は電子レンズ、４は金属ターゲットであり、これらから成る四極構造を構成し、５はＢｅ（ベリリウム）でなる窓、６はＸ線照射される試料、７はＸ線フィルム、８は電源安定化装置、９，１０は直流電源である。
【００２４】
このような構成において、Ｘ線照射は次のよう行われる。本発明の特徴とするＰｄエミッター１に電源９の電流を、本発明の特徴とする電源安定化装置８を介して電流供給する。同様に、引出電極となるゲート２には、直流電源９と電流安定化装置８を介して引き出し電圧を印加する。Ｐｄエミッター１により放出されるＦＥ電子流は電子レンズ３により収束された電子線となり、直流電源１０により付勢された金属ターゲット４に衝突させられてＸ線を発生し、Ｂｅの窓５を介して被検査物である試料６に照射される。試料６を透過したＸ線はＸ線フィルム７に結像される。
【００２５】
ＦＥ電子流は、図６に示すように、引き出し電圧によって決まるので、本発明はこの引き出し電圧をフィードバック回路で自動的に制御し、電流を安定化することにより、ＦＥ電子流を制御するものである。より具体的には、ＦＥ電子流である放射電流の極くわずかの変化をセンサー（図示せず）で検知し、フイード・バック回路を有する電源安定化装置８に負帰還し電流値を瞬時に元の値に戻すように引き出し電圧を制御する。
【００２６】
図７に電源安定化装置を使用して放射電流（所定抵抗値の端子電圧で表示）の時間変化を記録したものを示す。図３のものと比較すれば、電源安定化装置の効果は明らかであり、短周期変動は±０．５％（標準偏差）近傍に低減されている。このエミッターは約２ヶ月間使い続けており、実働時間は３０時間を越すにもかかわらず、ＦＥ特性に劣化はみられない。電源安定化装置は単に電子電流を安定させるだけでなく、エミッターの延命効果ももつことが明らかになった。
【００２７】
次に、カーボンナノファイバ−のうち、ＣＮＦｓ合成について説明する。合成の原理は直流プラズマＣＶＤであり、合成装置の基本構成を図８に示す。ステンレス製のチャンバー２０内は、ガラシールド１３内に封止されたＣＮＦｓの成長基板であるタングステン（Ｗ）ワイヤー１２のホルダー電極１１と、ターゲット（触媒金属）１４の平板円電極（メッシュ電極）１５からなる。各電極はアース電位、０〜１０ｋＶの調整可能な直流電源１７、１８へと接続され、それぞれ陽極、陰極として働く。
【００２８】
直流電源電圧を上昇させることによッて、電極間に放電を誘起させ、ターゲット１４のスパッタ蒸着やＣＮＦｓの直流プラズマＣＶＤを行う。電極間距離は、電極支持棒が自由に動くことにより任意に変化させることができるが、通常は、約１０ｍｍである。またＷワイヤ−１２の通電加熱のために、ホルダー電極間に交流電源（０〜２０Ａ）を接続する。
【００２９】
外部には、チャンバー２０内にアルゴン（Ａｒ）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを導入するためバルブ１６が付いており、それぞれのバルブ１６を調節して圧力計１９で確認することにより、チャンバー２０内のガス圧力を一定に保つことができる。またこれらのガスを任意の混合比で導入することもできる。排気系は、油拡散ポンプとロータリーポンプから成り、実験時にはチャンバー２０内を１．３×１０^−３Ｐａ（１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下の高真空に保つ。
【００３０】
次に、ＣＮＦ_Ｓの合成のプロセスについて説明する。
（１）触媒の蒸着
まず、Ｗワイヤ−１２をホルダー電極１１に図９のようにスポット溶接し、アセトン、エタノールで超音波洗浄した後、平板円電極１５と平行になるようにチャンバ−２０内に設定した後、チャンバ−２０は、前記の圧力まで排気する。
【００３１】
排気後、Ｗワイヤー１２上に触媒を蒸着する。その際の手順は、まず、触媒金属１４を０〜４ｋＶの正電位に帯電させた後、０．０５〜０．１ＴｏｒｒのＡｒガスをチャンバ−２０内に導入する。ガス導入と同時にチャンバー２０内でグロー放電が起き、放電プラズマ内のＡｒ^＋イオンがターゲット１４をたたく。その時に放出された金属粒子がＷワイヤー１２上に堆積し、触媒として働く。触媒層の厚さは、８０ｎｍ程度である。
【００３２】
（２）ＣＮＦｓの成長
Ｗワイヤ−１２上への触媒堆積の後、平板円電極１５をアース電位にし、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）とアンモニア（ＮＨ_３）を導入し、その分圧比を１：２とする。全圧は約１Ｔｏｒｒである。次いで、ワイヤーを４００℃以上に加熱し、直流電源１８により５００Ｖの負電位を与えると、グロー放電が発生し、ワイヤー１２上でＣＮＦｓの成長が始まる。ＣＮＦｓは、放電が持続される限り、自動的に軸方向の成長を続ける。
【００３３】
このようにして得られるＣＮＦｓの先端は、必ず触媒のナノ結晶によって占められる。換言すれば、ＣＮＦｓは“空間に分散したナノ金属微結晶の担体”であると言うこともできる。
【００３４】
また、新規なカーボンナノファイバ−として、パラジウムを坦持するＣＮＦｓを発見した。従来より、ＣＮＦｓ成長の触媒として働くのは、Ｃｏ（コバルト）等の強磁性金属とされていた。それ故、Ｃｏと水素吸蔵金属としての機能を有するＰｄをはり合わせたターゲットを使用すれば、先端にＣｏ微結晶を有し、かつ、Ｐｄを内包するＣＮＦｓが得られるのではないかとの予測をもった。
【００３５】
その理由は、図１０に示すように、ターゲット（触媒金属）１４にＣｏとＰｄをはり合わせたものを用いると、ＣｏとＰｄが、Ｗワイヤ−１２上に同時蒸着されるからである。ところが実際に、成長温度を４００℃〜６００℃、最適ワイヤー径を３０μｍ、最適ガス圧をアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）／アンモニア（ＮＨ_３）の分圧比を１：２、全圧は約１Ｔｏｒｒで成長させると、予想に反し、ＣＮＦｓの先端を占めるのは、ＣｏではなくＰｄのナノ結晶であることが分かった（微結晶が、Ｐｄであることは、電子線回折で確かめられている）。このように、Ｐｄが強磁性ではないにもかかわらず、ＣＮＦｓ成長の触媒として働くことがここに明らかとなった。そこで、ターゲットにはＰｄ板のみを使用することとした。
【００３６】
次に、本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムを用いた試料の撮像結果について紹介する。図１１は、マウスの尾（ａ）と手首（ｂ）のＸ線像であり、矢印は体毛を示す。尾（ａ）は電子線エネルギー１０ｋｅＶ，露出時間１０ｍｉｎでの撮像であり、尾骨の先端及び体毛の直径はいずれも約１００μｍである。手首（ｂ）は電子線エネルギー２０ｋｅＶ，露出時間１５ｍｉｎで撮像し、指の骨格が分解されている。このように、従来のＴＥ型ＸＲでは観察できなかった微細構造を観察できた。
【００３７】
図１２は、マウスの手首を１５ｋｅＶ，１５ｍｉｎで撮像したＸ線像であり、（ｂ）は（ａ）の円で囲まれた部分の拡大像を示し、爪の像がはっきりと確認できた。
【００３８】
図１３はＬＳＩを電子線エネルギー４０ｋｅＶ，露出時間１０ｓｅｃで撮像したＸ線像であり、（ａ）は全体像、（ｂ）は中心部の拡大図である。矢尻、矢印は直径約２０μｍのリード線を点溶接部を示す。このように、微細構造物が見事に描写された。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムは、電子線源材料としてＰｄナノ結晶を用いたことにより電子線源の格段の小型化が進み、ＦＥ型の小型軽量なＸＲを得ることができ、かつ、その動作の不安定さを解消するために、放射電子流の変化をセンサーで検知し、フィードバック回路を用いて引出し電圧を制御することにより電子流を安定させることができ、寿命が長く安価な高分解能エックス線観測装置を得ることができる。また、その用途も医用を始め種々の市場の拡大が期待できる。
【００４０】
また、本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法は、触媒金属１４にＰｄ板のみを用い、スパッタ蒸着やＣＮＦｓの直流プラズマＣＶＤを行うことにより、寿命が長く高効率のＦＥエミッターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＮＴエミッターの電子電流の時間変遷図。
【図２】カーボンナノファイバーに担持されたＰｄナノ結晶図。
【図３】Ｐｄナノ材料のＦＥエミッターの電子電流の時間変遷図。
【図４】Ｐｄ粒子の表面の“エッジ”部を示す図。
【図５】本発明のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムの概要図。
【図６】ＦＥ電子流と引き出し電圧との関係図。
【図７】本発明の電源安定化装置を使用した時の電子電流の時間変遷図。
【図８】本発明のカーボンナノファイバ−の合成装置の概要図。
【図９】Ｗワイヤ−をホルダー電極にスポット溶接した状態図。
【図１０】ターゲット（触媒金属）にＣｏとＰｄを貼り合わせ状態図。
【図１１】マウスの尾（ａ）と手首（ｂ）のＸ線像。
【図１２】マウスの手首を撮像したＸ線像。
【図１３】ＬＳＩを撮像したＸ線像。
【符号の説明】
１Ｐｄエミッター
２引出電極となるゲート
３電子レンズ
４金属ターゲット
５Ｂｅ（ベリリウム）でなる窓
６試料
７Ｘ線フィルム
８電源安定化装置
９，１０直流電源
１１ホルダー電極
１２タングステン（Ｗ）ワイヤー
１３ガラスシールド
１４触媒金属
１５平板円電極（メッシュ電極）
１６バルブ
１７，１８直流電源
１９圧力計
２０チャンバー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission (hereinafter, referred to as FE) type X-ray radiography system for investigating structures of various materials and a method of manufacturing an FE emitter used therein.
[0002]
[Prior art]
X-rays are well absorbed by materials composed of atoms having a high atomic number, and conversely, materials composed of light elements are easily transmitted. X-ray radiography (hereinafter, referred to as XR) is a means for examining the structure of various materials using this property of X-rays.
[0003]
X-rays are extracted by irradiating a metal target with an accelerated electron beam, and a traditional method of producing an electron beam is a thermionic emission (hereinafter, referred to as TE) type. TE is a phenomenon in which thermally excited electrons jump out of a tungsten filament at a high temperature (> 2000 ° C.) into a vacuum, and naturally requires a heating power supply for the filament. Moreover, the TE type X-ray tube is generally large, and for example, when examining the damage of the fan of the jet engine, it is impossible to place the tube in a narrow space between the fan blades. There is an urgent need for a small, lightweight, and portable XR system for both medical and industrial uses, but the TE-type XR has not been able to meet this demand and has come to this day.
[0004]
In order to reduce the size of the XR, it is essential to make the electron source much smaller. There is no other basic principle that can solve this, except for the FE (field emission) type. FE is an electron tunnel, which is a quantum mechanical phenomenon, and does not require a heating power supply, and in principle, the electron emission source must be nano- or quasi-nano-sized. Therefore, miniaturization of the electron source is easy. That is, if FE is applied to XR, the XR system can be significantly reduced in size.
[0005]
It was 2001 that the present inventors took an X-ray image using FE electrons from a carbon nanotube (hereinafter referred to as CNT) and presented it. This is the world's first successful example of the FE type XR. Even in the case of the CNT emitter, not only the electron current always fluctuates in a short period, but also the current value gradually increases as shown in FIG. However, it decreased with time and the lifetime of the CNT emitter was only at most 2 hours. However, this was an epoch-making result at that time (for example, see Non-Patent Document 1).
[0006]
In addition, when CNT is used as a cathode of an X-ray generator, luminance variation that fluctuates with time on the electron emission surface of the CNT occurs, and the generated X-ray intensity fluctuates with time. An invention has been disclosed in which a cathode is heated using an electron flow using CNT as an electron emission source so that a large current does not need to flow through a high-voltage cable (for example, see Patent Document 1).
[0007]
FE is a typical surface phenomenon, and depends exponentially on the chemical state (presence / absence of adsorption and its degree) of the surface of the electron emission source (emitter). That is, the FE emitter should be operated in an ultra-high vacuum (UHV) which can keep the chemical state of the emitter surface unchanged, and a huge amount of gas molecules remain, and therefore, adsorption and desorption of gas molecules. It is very difficult to stably operate the FE electron source for a long time in a normal vacuum (<10 ⁻⁷ Torr) where separation is repeated on the emitter surface.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-266780 A [Non-Patent Document 1]
Appl. Phys. Lett. 78 (2001), P2778
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, ultra-high vacuum evacuation of the XR system is prohibitively expensive and practically useless. Whether or not the FE type XR can be realized depends on a single operation in a normal vacuum for a long time (for example, 100 hours or more) with a stability of ± 0.5% or less of the allowable fluctuation range of the electron flow in the tube required for the XR. It depends on whether or not the FE electron source that can be developed can be developed. That is, the crying points of the FE electron source are life time and stability, and realization of a practical FE type XR is a dream story without breaking through these two barriers.
[0010]
Therefore, the present invention has developed a long-life electron source material and an electron current stabilization technology to provide a FE type life-stable X-ray radiography system in which the electron beam source is significantly reduced in size. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing an FE emitter used for the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, an FE type X-ray radiography system according to claim 1 of the present invention comprises a quadrupole structure including a field electron emission source, an extraction electrode, an electron lens, and a target. An FE electron beam emitted by the source is collimated by an electron lens into an electron beam and collided with a metal target, and X-rays generated from the electron beam are irradiated through a window made of Be (beryllium) from a sample of an inspection object. The field electron emission source is composed of a Pd emitter composed of spatially dispersed Pd nano metal particles, and a power supply stabilizing device having a feedback function for suppressing a fluctuation width of an electron flow emitted from the Pd emitter. .
[0012]
The FE type X-ray radiography system according to a second aspect of the present invention has a quadrupole structure including a field electron emission source, an extraction electrode, an electron lens, and a target, and the FE electron current emitted by the field electron emission source. And a sample of an object to be inspected, which is irradiated with an X-ray generated by colliding an electron beam converged by an electron lens with a metal target through a window made of Be (beryllium). Consisting of a Pd emitter composed of spatially dispersed Pd nano-metal particles, a sensor detects the change in the radiated current, which is the FE electron current, and negatively feeds back to a power supply stabilization device with feedback function to be emitted from the Pd emitter. The configuration is such that the fluctuation range of the electron current is suppressed to be small.
[0013]
Thus, in the FE X-ray radiography system of the present invention, the use of Pd nanocrystals as the electron beam source material allows the electron beam source to be significantly reduced in size, thereby obtaining an FE-type small and lightweight XR. In order to eliminate the instability of its operation, the sensor detects changes in the radiated electron current and controls the extraction voltage using a feedback circuit to stabilize the electron current. In addition, it is possible to obtain an inexpensive high-resolution X-ray observation device having a long life and low cost.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an FE emitter for use in an FE type X-ray radiography system, wherein a W wire is welded to a holder electrode, ultrasonically cleaned, and the chamber is set so as to be parallel to the flat circular electrode. After setting the inside of the chamber, the inside of the chamber is evacuated to vacuum and the target (catalyst metal) is charged to a positive potential, and then Ar gas at a predetermined pressure is introduced into the chamber, and simultaneously glow discharge in the chamber is performed. Ar ⁺ ions in the discharge plasma generated by the gas strike the target 14 to deposit a catalyst on the W wire. After the catalyst is deposited on the W wire, the flat circular electrode is set to the ground potential, and acetylene (C ₂ H ₂₎ and ammonia were introduced (NH _3), the partial pressure ratio 1: 2, a total pressure of about 1Torr conditions, heating the W wire above a predetermined temperature, the DC power supply Gives a predetermined negative potential, glow discharge is generated, characterized in that growing CNFs on the W wire.
Configuration.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an FE emitter for use in an FE type X-ray radiography system, wherein the target (catalytic metal) comprises only a Pd plate. did.
[0016]
Thus, the method of manufacturing the FE emitter used in the FE type X-ray radiography system of the present invention has a long life and high efficiency by using only a Pd plate as the catalyst metal 14 and performing sputter deposition or DC plasma CVD of CNFs. FE emitter can be obtained.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present inventors have been conducting experimental research on the interaction between Pd (palladium) and hydrogen for more than a decade, and in this regard, have continued to have an enormous interest in techniques for producing Pd nanoparticles dispersed in space. Have been. The right-down of the electron current of the CNT emitter is caused by the chemical interaction between the emitter surface and the residual gas. To avoid the right-down, in addition to making the emitter insensitive to the surrounding gas, that is, making the emitter with a chemically stable material, There is no means. In recent years, Pd nanocrystals supported on carbon nanofibers (having a different structure from nanotubes) as shown in FIG. 2 have been able to be produced by improving our CNT fabrication technique.
[0018]
Of course, the hydrogen storage behavior of such a Pd nanomaterial is of primary interest to the present inventors, but when used for FE emitters just in case, the emission current (indicated by the terminal voltage of a predetermined resistance value) is As shown in FIG. 3, it was found that the vehicle does not go down to the right. This result shows that Pd nanoparticles can be a long-lived FE electron source.
[0019]
Pd is regarded as a stable catalyst next to Pt (platinum), and is extremely stable chemically. The reason why Pd nanoparticles (hereinafter referred to as Pd emitters) are not easily robust even in a non-ultra-high vacuum is that Pd has excellent chemical stability. In addition, Pd emitters emit a sufficient amount of electrons. The reason lies in the shape of the Pd particles.
[0020]
As seen in FIG. 4, the Pd particles have sharp "edges" (circled protrusions) on the surface. FE electrons are preferentially emitted from such sharp edges. That is, the Pd particles have an ideal form as an FE electron source.
[0021]
However, while Pd emitters have a long life, short-term fluctuations of ± 8% cannot be avoided. The short-period fluctuation occurs because the residual gas molecules hit the emitter surface, and always occurs in a non-ultra-high vacuum regardless of the emitter material.
[0022]
The short-period variation in FIG. 3 is about ± 7%. In order to reduce this to within ± 0.5%, since the short-period fluctuation decreases in proportion to the degree of vacuum, differential evacuation of the electron source is one of the methods. It's complicated and unrealistic. Therefore, the present inventors have found that it is a good idea to reduce short-period fluctuations by devising electronic circuit technology while keeping the structure of the X-ray source as it is.
[0023]
The outline of the FE X-ray radiography system of the present invention will be described with reference to FIG. 1 is an emitter made of Pd, 2 is a gate to be an extraction electrode, 3 is an electron lens, 4 is a metal target and constitutes a quadrupole structure composed of these, 5 is a window made of Be (beryllium), 6 is an X-ray A sample to be irradiated, 7 is an X-ray film, 8 is a power stabilizer, and 9 and 10 are DC power supplies.
[0024]
In such a configuration, X-ray irradiation is performed as follows. The current of the power supply 9 is supplied to the Pd emitter 1 which is a feature of the present invention, through the power supply stabilizer 8 which is a feature of the present invention. Similarly, an extraction voltage is applied to the gate 2 serving as an extraction electrode via a DC power supply 9 and a current stabilizer 8. The FE electron current emitted from the Pd emitter 1 becomes an electron beam converged by the electron lens 3, is collided with the metal target 4 energized by the DC power supply 10, generates X-rays, and passes through the Be window 5. Thus, the sample 6 which is the inspection object is irradiated. The X-ray transmitted through the sample 6 is imaged on the X-ray film 7.
[0025]
Since the FE electron current is determined by the extraction voltage as shown in FIG. 6, the present invention controls the FE electron current by automatically controlling the extraction voltage by a feedback circuit and stabilizing the current. is there. More specifically, a sensor (not shown) detects a very small change in the radiation current, which is the FE electron current, and negatively feeds back to the power supply stabilizing device 8 having a feedback circuit to instantaneously change the current value. The extraction voltage is controlled to return to the original value.
[0026]
FIG. 7 shows a time change of a radiation current (indicated by a terminal voltage having a predetermined resistance value) recorded using a power supply stabilizing device. Compared to FIG. 3, the effect of the power stabilizing device is clear, and the short-period fluctuation is reduced to around ± 0.5% (standard deviation). This emitter has been used for about two months, and the FE characteristic is not deteriorated even though the actual working time exceeds 30 hours. It has been found that the power supply stabilization device not only stabilizes the electron current but also has the effect of extending the life of the emitter.
[0027]
Next, the synthesis of CNFs among carbon nanofibers will be described. The principle of the synthesis is DC plasma CVD, and FIG. 8 shows the basic configuration of the synthesis apparatus. A stainless steel chamber 20 has a holder electrode 11 of tungsten (W) wire 12, which is a growth substrate of CNFs sealed in a glass shield 13, and a flat circular electrode (mesh electrode) 15 of a target (catalytic metal) 14. Consists of Each electrode is connected to an adjustable direct current power supply 17, 18 of ground potential, 0-10 kV, serving as an anode and a cathode, respectively.
[0028]
By increasing the DC power supply voltage, a discharge is induced between the electrodes to perform sputter deposition of the target 14 and DC plasma CVD of CNFs. The distance between the electrodes can be arbitrarily changed by freely moving the electrode support rod, but is usually about 10 mm. An AC power supply (0 to 20 A) is connected between the holder electrodes for energizing and heating the W wire-12.
[0029]
Outside, a valve 16 for introducing argon (Ar), acetylene (C ₂ H ₂ ), and ammonia (NH ₃ ) gas into the chamber 20 is provided. By confirming, the gas pressure in the chamber 20 can be kept constant. Further, these gases can be introduced at an arbitrary mixing ratio. The exhaust system includes an oil diffusion pump and a rotary pump. During the experiment, the inside of the chamber 20 is maintained at a high vacuum of 1.3 × 10 ⁻³ Pa (1.0 × 10 ⁻⁵ Torr) or less.
[0030]
It will now be described a process of synthesis of CNF _S.
(1) Deposition of Catalyst First, a W wire 12 is spot-welded to the holder electrode 11 as shown in FIG. 9 and ultrasonically cleaned with acetone and ethanol. , The chamber 20 is evacuated to the above pressure.
[0031]
After evacuation, a catalyst is deposited on the W wire 12. The procedure at that time is to first charge the catalyst metal 14 to a positive potential of 0 to 4 kV, and then introduce 0.05 to 0.1 Torr of Ar gas into the chamber 20. A glow discharge occurs in the chamber 20 at the same time as the gas is introduced, and Ar ⁺ ions in the discharge plasma strike the target 14. The metal particles released at that time are deposited on the W wire 12 and act as a catalyst. The thickness of the catalyst layer is about 80 nm.
[0032]
(2) after the catalyst bed of the CNFs growth W wire -12 above, the flat circular electrode 15 and the ground potential, introducing acetylene _(C 2 _{H 2)} and ammonia (NH _3), the partial pressure ratio 1: Let it be 2. The total pressure is about 1 Torr. Next, when the wire is heated to 400 ° C. or higher and a negative potential of 500 V is applied by the DC power supply 18, a glow discharge occurs, and the growth of CNFs on the wire 12 starts. CNFs automatically continue to grow axially as long as the discharge is sustained.
[0033]
The tips of the CNFs thus obtained are always occupied by catalyst nanocrystals. In other words, CNFs can be said to be "carriers of nanometal microcrystals dispersed in space".
[0034]
Also, as a novel carbon nanofiber, CNFs carrying palladium were discovered. Conventionally, a ferromagnetic metal such as Co (cobalt) works as a catalyst for CNFs growth. Therefore, it is predicted that if a target in which Co and Pd having a function as a hydrogen storage metal are bonded to each other is used, CNFs having Co microcrystals at the tip and containing Pd may be obtained. to get.
[0035]
The reason is that, as shown in FIG. 10, when a target (catalytic metal) 14 in which Co and Pd are bonded is used, Co and Pd are co-evaporated on the W wire-12. However, actually, the growth temperature is 400 ° C. to 600 ° C., the optimum wire diameter is 30 μm, the optimum gas pressure is acetylene (C ₂ H ₂ ) / ammonia (NH ₃ ), the partial pressure ratio is 1: 2, and the total pressure is about 1 Torr. When grown, it was unexpectedly found that the tip of the CNFs was occupied by Pd nanocrystals rather than Co (microcrystals were confirmed to be Pd by electron diffraction). Thus, it has now been found that Pd acts as a catalyst for CNFs growth, despite not being ferromagnetic. Therefore, only the Pd plate was used as the target.
[0036]
Next, the imaging result of the sample using the FE type X-ray radiography system of the present invention will be introduced. FIG. 11 is an X-ray image of the tail (a) and wrist (b) of the mouse, and the arrows indicate body hair. The tail (a) is an image taken with an electron beam energy of 10 keV and an exposure time of 10 min. The tip of the tail bone and the diameter of the hair are both about 100 μm. The wrist (b) is imaged at an electron beam energy of 20 keV and an exposure time of 15 min, and the skeleton of the finger is decomposed. Thus, a fine structure that could not be observed with the conventional TE XR could be observed.
[0037]
FIG. 12 is an X-ray image of the wrist of the mouse taken at 15 keV for 15 min. FIG. 12B shows an enlarged image of the part surrounded by the circle in FIG. 12A, and the nail image was clearly confirmed.
[0038]
FIGS. 13A and 13B are X-ray images obtained by imaging the LSI with an electron beam energy of 40 keV and an exposure time of 10 sec. FIG. 13A is an overall image, and FIG. Arrowheads and arrows indicate spot welds of lead wires having a diameter of about 20 μm. In this way, the fine structure was beautifully described.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, in the FE X-ray radiography system of the present invention, the use of Pd nanocrystals as the electron beam source material allows the electron beam source to be significantly reduced in size, and obtains an FE-type small and lightweight XR. In order to eliminate the instability of its operation, it is possible to stabilize the electron flow by detecting changes in the radiated electron current with a sensor and controlling the extraction voltage using a feedback circuit. It is possible to obtain an inexpensive high-resolution X-ray observation device with a long life. In addition, the use thereof can be expected to expand in various markets including medical use.
[0040]
The method of manufacturing the FE emitter used in the FE type X-ray radiography system of the present invention uses a Pd plate alone as the catalyst metal 14 and performs sputter deposition or DC plasma CVD of CNFs to provide a long life and high efficiency. An FE emitter can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a time transition diagram of an electron current of a conventional CNT emitter.
FIG. 2 is a diagram of a Pd nanocrystal supported on a carbon nanofiber.
FIG. 3 is a time transition diagram of the electron current of the FE emitter of Pd nanomaterial.
FIG. 4 is a view showing an “edge” portion of the surface of a Pd particle.
FIG. 5 is a schematic diagram of an FE X-ray radiography system of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an FE electron current and an extraction voltage.
FIG. 7 is a time transition diagram of an electron current when the power supply stabilizing device of the present invention is used.
FIG. 8 is a schematic diagram of a carbon nanofiber synthesizing apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a state in which a W wire is spot-welded to a holder electrode.
FIG. 10 is a diagram showing a state where Co and Pd are bonded to a target (catalytic metal).
FIG. 11 is an X-ray image of the mouse tail (a) and wrist (b).
FIG. 12 is an X-ray image of a mouse wrist.
FIG. 13 is an X-ray image of an LSI.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 Pd emitter 2 Gate to be an extraction electrode 3 Electron lens 4 Metal target 5 Window made of Be (beryllium) 6 Sample 7 X-ray film 8 Power stabilizer 9 and 10 DC power supply 11 Holder electrode 12 Tungsten (W) wire 13 Glass Shield 14 Catalyst metal 15 Flat plate circular electrode (mesh electrode)
16 Valve 17, 18 DC power supply 19 Pressure gauge 20 Chamber

Claims

電界電子放出源と引出電極と電子レンズとターゲットとから成る四極構造を構成し、該電界電子放出源により放出されるＦＥ電子流が電子レンズにより収束された電子線を、金属ターゲットに衝突させて発生するＸ線をＢｅ（ベリリウム）でなる窓を介して照射される被検査体の試料とから成り、前記電界電子放出源は空間的に分散したＰｄナノ金属粒子から成るＰｄエミッターで構成し、該Ｐｄエミッターから放出される電子流の変動幅を小さく抑えるためのフィードバック機能をもつ電源安定化装置を有することを特徴とするＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステム。A four-pole structure including a field electron emission source, an extraction electrode, an electron lens, and a target is formed. An electron beam in which the FE electron flow emitted by the field electron emission source is converged by the electron lens impinges on a metal target. The field electron emission source comprises a Pd emitter composed of spatially dispersed Pd nano-metal particles, wherein the generated X-rays are irradiated through a window made of Be (beryllium). An FE type X-ray radiography system comprising a power supply stabilizing device having a feedback function for suppressing a fluctuation range of an electron flow emitted from the Pd emitter.

ＦＥ電子流である放射電流の変化をセンサーで検知し、フイードバック機能をもつ電源安定化装置に負帰還しＰｄエミッターから放出される電子流の変動幅を小さく抑えることを特徴とする請求項１記載のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステム。2. The method according to claim 1, wherein the sensor detects a change in the radiation current as the FE electron current, and negatively feeds back to a power supply stabilizing device having a feedback function to suppress a fluctuation width of the electron current emitted from the Pd emitter. FE X-ray radiography system.

Ｗ（タングステン）ワイヤ−をホルダー電極に溶接し、超音波洗浄した後、平板円電極と平行になるようにチャンバ−内に設定した後、チャンバ−内を真空に排気し、ターゲット（触媒金属）を正電位に帯電させた後、所定の圧力のＡｒガスをチャンバ−内に導入すると同時に、チャンバー内のグロー放電により生じる放電プラズマ内のＡｒ^＋イオンが前記ターゲットをたたいてＷワイヤー上に触媒を蒸着し、該Ｗワイヤ−上への触媒堆積の後、前記平板円電極をアース電位にし、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）とアンモニア（ＮＨ_３）を導入し、その分圧比を１：２、全圧を約１Ｔｏｒｒの条件で、該Ｗワイヤーを所定温度以上に加熱し、直流電源により所定の負電位を与え、グロー放電が発生させて該Ｗワイヤー上でＣＮＦｓを成長させることを特徴とするＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法。A W (tungsten) wire is welded to the holder electrode, ultrasonically cleaned, set in the chamber so as to be parallel to the flat circular electrode, and then the chamber is evacuated to a vacuum and the target (catalytic metal) Is charged to a positive potential, and then Ar gas at a predetermined pressure is introduced into the chamber. At the same time, Ar ⁺ ions in the discharge plasma generated by the glow discharge in the chamber strike the target to catalyze the W wire. After the catalyst is deposited on the W wire, the flat circular electrode is set to the ground potential, acetylene (C ₂ H ₂ ) and ammonia (NH ₃ ) are introduced, and the partial pressure ratio is 1: 2. The W wire is heated to a predetermined temperature or higher under the condition of a total pressure of about 1 Torr, a predetermined negative potential is applied by a DC power supply, a glow discharge is generated, and CNFs are grown on the W wire. Method for producing a FE emitters used for FE-type X-ray radiography system, characterized in that.

前記ターゲット（触媒金属）にはＰｄ板のみを使用することを特徴とする請求項３記載のＦＥ型Ｘ線ラジオグラフィーシステムに用いるＦＥエミッターの製造方法。4. The method according to claim 3, wherein only a Pd plate is used as the target (catalyst metal).