JP2008226760A

JP2008226760A - 冷陰極装置および放射線放射装置および電子線放出装置および発光装置

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Publication number: JP2008226760A
Application number: JP2007066686A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Onizuka; 好弘鬼塚; Norikatsu Myojin; 紀勝明神; Takahiro Matsumoto; 貴裕松本; Susumu Nakamura; 奨中村
Original assignee: ONIZUKA GLASS KK; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: ONIZUKA GLASS KK; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】冷陰極と電子引出電極との位置関係を一定のものに保持することが可能であって、装置ごとの出力を安定化することの可能な冷陰極装置を提供する。
【解決手段】本発明の冷陰極装置は、棒状の冷陰極４と、該冷陰極４との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極４から電子が放出されるように前記冷陰極４に対して配置されている電子引出電極５と、前記棒状の冷陰極４と前記電子引出電極５とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極４の一方の端部とともに前記電子引出電極５を保持する保持部材２とを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷陰極装置および放射線放射装置および電子線放出装置および発光装置に関する。

従来、例えば非特許文献１には、グラファイトロッドに水素プラズマ処理を施して凹凸が形成された冷陰極が示されている。
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ８８，０７３５１１（２００６）Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｇｒａｐｈｉｔｅｎａｎｏｎｅｅｄｌｅｃａｔｈｏｄｅａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ

上述したような棒状（ロッド）の冷陰極から電子を放出させる構造のものとするのに、本願の発明者は、当初、図１（ａ），（ｂ）に示すような構成を考えた。なお図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図である。すなわち、図１（ａ），（ｂ）に示す構成は、棒状の冷陰極１０４と、該冷陰極１０４との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極１０４から電子が放出されるように前記冷陰極１０４に対して配置されている電子引出電極（グリッド）１０５とを有している。

ここで、冷陰極１０４，電子引出電極１０５は、例えばガラス管中で真空に排気され、真空に保たれる。このとき、電子引出電極１０５と該電子引出電極１０５の中心の直下数ｍｍの位置に配置された冷陰極１０４との間に数ｋＶの電圧を印加することにより、冷陰極１０４から電子引出電極１０５に向かって電子が放出される。

また、例えば、それと同時に、図示されていないガラス管他端に金属などを配置し、正の電圧を金属に数十ｋＶの電圧を印加することにより、電子引出電極１０５に向かう放出電子が金属に向かって加速されて、Ｘ線を発生させることが可能となる。

ところで、図１の構造では、冷陰極１０４は、対向したステムピン１０３間にタングステンワイヤ等の冷陰極加熱用フィラメントをスポット溶接等の手法を用いて張り、そのワイヤにカーボン接着剤等を用いて、図示のように電子引出電極１０５の中心直下に配置されるよう接着される。ワイヤに２Ａ程度の電流を通電することにより、冷陰極１０４が加熱され、冷陰極１０４から放出される電子の放出量が安定する。

また、電子引出電極１０５は、銅メッシュ等の金属メッシュからなり、他のステムピン１０３と溶接されて、冷陰極１０４の直上に配置される。

しかしながら、上記のように、冷陰極１０４，電子引出電極１０５をステムピン１０３を用いて固定しようとした場合、溶接を行う際、あるいはカーボン接着剤で冷陰極１０４を接着する際に、冷陰極１０４と電子引出電極１０５との間の距離を一定に保持することが非常に困難であることがわかった。特に、冷陰極１０４の接着は、接着剤が固化する際に向きを固定することが難しい。このように、従来では、接着の際、冷陰極１０４の先端の向きが変化してしまったり、また、冷陰極１０４とグリッド１０５との間の距離を一定にすることが困難であった。冷陰極１０４と電子引出電極１０５との間の距離が変化すると、同じ電圧を印加した場合でも、電子の放出量が著しく変化する。すなわち、Ｘ線管などのデバイスを製造した場合、同条件で動作させても管球ごとに出力が著しく変化するという問題があった。

本発明は、冷陰極と電子引出電極との位置関係を一定のものに保持することが可能であって、装置（例えば管球）ごとの出力を安定化することの可能な冷陰極装置および放射線放射装置および電子線放出装置および発光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材とを有していることを特徴とする冷陰極装置である。

また、請求項２記載の発明は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子が衝突する位置に配置され、前記冷陰極から放出された電子の衝突によって放射線を放射するターゲットとを有していることを特徴とする放射線放射装置である。

また、請求項３記載の発明は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の少なくとも一部を透過して電子線として外部に放出する電子線透過手段とを備えていることを特徴とする電子線放出装置である。

また、請求項４記載の発明は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の入射によって所定波長の光を発光する発光手段とを有していることを特徴とする発光装置である。

請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材とを有しているので、冷陰極と電子引出電極との位置関係を一定のものに保持でき（より具体的には、冷陰極と電子引出電極との間の距離を一定のものに保持でき）、また、冷陰極の向きを固定することができ、これにより、装置（例えば管球）ごとの出力を安定化することができる（ほぼ一定のものにすることができる）。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の第１の形態は、冷陰極装置に関するものである。図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明に係る冷陰極装置の構成例を示す図である。ここで、図２（ａ）は電子引出電極が設けられていない状態の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図、図２（ｃ）は電子引出電極（帽子型）が設けられた状態の斜視図、図２（ｄ）は図２（ｃ）の上面図である。

図２（ａ）乃至（ｄ）を参照すると、この冷陰極装置は、ガラス管１内に、石英プレート２と、石英プレート２支持用のステムピン３と、冷陰極４と、電子引出電極（グリッド）５とが配置されている。

冷陰極４は、棒状のものである。より具体的に、冷陰極４には、例えば、先端が三角錐になっている直径０．５ｍｍの円柱状のグラファイトに水素プラズマ処理を施したものが用いられる。

また、電子引出電極５は、例えば、帽子型の金属で、上部中心に直径１ｍｍの穴６が開けられたものが用いられる。

また、石英プレート２は、図３（ａ），（ｂ）に詳しく図示されているように（図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は断面図）、中心に冷陰極４を支持する溝１１が設けられ、円周に沿って、ステムピン（５本のステムピン）３が挿入（例えば固定）される穴（５個の穴）１２が設けられている。また、石英プレート２の外周には、帽子型の電子引出電極５が嵌合する嵌合溝１３が設けられている。

すなわち、図２，図３の例では、５本のステムピン３で石英プレート２を支持し（例えば固定し）、この石英プレート２に、冷陰極４と電子引出電極５とを保持させる（例えば固定する）構造となっている。換言すれば、ステムピン３および石英プレート２は、棒状の冷陰極４と電子引出電極５とが一定の位置関係を保持するように、棒状の冷陰極４の一方の端部とともに電子引出電極５を保持する保持部材としての機能を有している。

このような構造にすることによって、冷陰極４と電子引出電極５との位置関係を一定のものに保持することができる（すなわち、より具体的には、石英プレート２を基準に、冷陰極４と電子引出電極５との位置関係を完全に固定することが可能となる）。

これにより、図２の例では、冷陰極４を、電子引出電極５の穴６の中心直下の例えば０．５ｍｍの位置に安定して配置することができる。

図２，図３のような構造の冷陰極装置では、電子引出電極５を接地し、冷陰極４に負電圧を印加する。電子引出電極５と冷陰極４との電位差は、冷陰極４から電子が放出されるのに十分な大きさとする。冷陰極４から電子が放出される閾値は約３Ｖ／μｍである。このため、冷陰極４に印加する電圧を−１５００Ｖ以下（冷陰極４と電子引出電極５との電位差を１５００Ｖ以上）にすれば、冷陰極４から電子を放出させることができる。

図２，図３のような構造の冷陰極装置は、次のように作製される。すなわち、例えば２６ｍｍのガラス管１と、ステムピン５本を有するステム管（ガラス管１に嵌まるステム管）を用意する。

石英プレート２を固定したいステムピン３の位置に、金属ワイヤ（短かく切った金属ワイヤ）等をスポット溶接し、それによってできた突起まで石英プレート２を嵌め込む。

そして図４に示すように、冷陰極４に巻いたタングステン等の加熱用フィラメント（金属フィラメント）を対向配置するステムピン３にスポット溶接する。次いで、伝導性，堅牢性を高めるため、フィラメントに冷陰極４をカーボンペースト等を用いて接着する。

そして、フィラメントを溶接していない１本（あるいは複数）のステムピン３に図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ニッケル等の金属箔１５をスポット溶接する。

次いで、石英プレート２に電子引出電極５を嵌め込み、固定する。そして、電子引出電極５の側面にステムピン３に溶接した金属箔１５を溶接する。

次いで、ステム管をガラス管１に融着させる。しかる後、ガラス管１内を真空排気して封止する。

このように本発明では、石英プレート２を用いて、冷陰極４，電子引出電極５などの位置決めを行ない、その後に、これらを固定することで、これらの位置関係を一定のものに保持でき（より具体的には、冷陰極４と電子引出電極５との間の距離を一定のものに保持でき）、また、冷陰極４の向きを固定することができる。

換言すれば、本発明の冷陰極装置は、棒状の冷陰極４と、該冷陰極４との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極４から電子が放出されるように前記冷陰極４に対して配置されている電子引出電極５と、前記棒状の冷陰極４と前記電子引出電極５とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極４の一方の端部とともに前記電子引出電極５を保持する保持部材（上記の例では、石英プレート）２とを有していることを特徴としている。

これにより、冷陰極４と電子引出電極５との間の位置関係（距離）を一定のものに保持でき、また、冷陰極の向きを固定することができ、これにより、装置（例えば管球）ごとの出力を安定化することができる（ほぼ一定のものにすることができる）。

また、本発明の第２の形態は、放射線放射装置に関するものであり、本発明の放射線放射装置は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子が衝突する位置に配置され、前記冷陰極から放出された電子の衝突によって放射線を放射するターゲットとを有している。

すなわち、本発明の第２の形態としての放射線放射装置は、前述した本発明の第１の形態としての冷陰極装置（図２乃至図４に示した冷陰極装置）において、図５に示すように、冷陰極４から放出された電子が衝突する位置に、電子の衝突によって放射線を放射するターゲット（例えば金属ターゲット）２０が配置されたものとなっている。換言すれば、ターゲット２０は、より具体的には例えば銅（Ｃｕ）からなり、正電圧が印加される陽極となっている。

より具体的に、図５において、図２のガラス管１の上方に、冷陰極４と対向して陽極としてのターゲット２０が配置され、また、ガラス管１の管壁には（管壁に穴を開けて）、ターゲット２０から放射された放射線（例えばＸ線）を外部に取り出すための放射線透過窓２２が設けられている。ここで、放射線透過窓２２は、Ｘ線の吸収係数の低い材料、例えばベリリウム、グラファイト、ポリイミド、アルミニウム、窒化ボロン等の薄膜で形成されている。具体的には、ガラス管１の管壁に穴を空け、Ｂｅ箔等を貼り付けて形成されている（ガラス管を１００μｍ程度に薄くしても可）。なお、ターゲット２０から放射される放射線がＸ線である場合、図５の放射線放射装置は、Ｘ線管として構成されたものとなっている。

このような構成では、電子引出電極５を接地し、冷陰極４に負電圧を印加する。電子引出電極５と冷陰極４との電位差は、冷陰極４から電子が放出されるのに十分な大きさとする。冷陰極４から電子が放出される閾値は約３Ｖ／μｍである。このため、冷陰極４に印加する電圧を−１５００Ｖ以下（冷陰極４と電子引出電極５との電位差を１５００Ｖ以上）にすれば、電子を放出させることができる。そして、冷陰極４から放出されて正電圧が印加されている陽極としてのターゲット２０に到達した電子のエネルギが陽極材料の特性Ｘ線のエネルギよりも大きい場合には、電子の入射位置からＸ線が放射される。陽極材料が銅（Ｃｕ）である場合、特性Ｘ線（ＣｕＫα）のエネルギは８．０４ｋｅＶである。このため、ターゲット２０に入射する電子のエネルギを８．０４ｋｅＶよりも大きくすることにより、Ｘ線を発生させることができる。

陽極２０から発生したＸ線は、ガラス管１に設けられている放射線Ｘ線透過窓２２から外部に放射される。ここで、Ｘ線透過膜２２に例えばポリイミド膜を使用する場合、８．０４ｋｅＶのエネルギにおける吸収係数αが６．６８ｃｍ^−１であるため、ポリイミド膜の厚さを３３０μｍにすることにより８０％程度の透過率を得ることができる。

また、冷陰極４と電子引出電極５とにパルス電圧を印加することにより、冷陰極４から電子をパルス的に放出させることができる。これにより、高輝度短パルスのＸ線を得ることができる。

また、本発明の第３の形態は電子線放出装置に関するものであり、本発明の電子線放出は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の少なくとも一部を透過して電子線として外部に放出する電子線透過手段とを備えていることを特徴としている。

すなわち、本発明の第３の形態としての電子線放出装置は、前述した本発明の第１の形態としての冷陰極装置（図２乃至図４に示した冷陰極装置）において、図６に示すように、ガラス管１の片側に、電子線透過部３１を有する電子線透過膜３０が設けられたものとなっている。なお、同６の構成は、電子線放出装置の具体例としての電子線照射管となっている。

ここで、電子線透過膜３０には、例えばＳＯＩウエハが用いられる。具体的に、電子線透過膜３０として、Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉの順に厚さが３μｍ／２μｍ／５００μｍのものを用い、５００μｍの層の中心（あるいは複数箇所）に直径１００μｍの穴をエッチング等の手法で開け、更に穴部のＳｉＯ_２層も除去し、これによって、電子線透過膜３０に厚さ３μｍ、直径１００μｍの電子線透過部３１を形成することができる。

このような構成では、電子線透過膜３０を接地し、電子引出し電極５に数十ＫＶの負電圧を印加し、冷陰極４に更に小さい負電圧（冷陰極４と電子引出し電極５との電位差を１５００Ｖ以上）を印加する。図２の冷陰極４から放出された電子線が電子線透過膜３０に引き寄せられることにより、電子線透過膜３０の電子線透過部３１から外部に（大気中に）、電子線を放出することができる。

ここで、電子線透過部３１の上方に被照射物を配置することにより、出力の安定した電子線照射管として用いることが可能となる。この場合、本発明では、安定した出力の電子線により、出力の安定した電子線照射管を提供できる。

また、本発明の第４の形態は、発光装置に関するものであり、本発明の発光装置は、棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の入射によって所定波長の光を発光する発光手段とを有していることを特徴としている。

すなわち、本発明の第４の形態としての発光装置は、前述した本発明の第１の形態としての冷陰極装置（図２乃至図４に示した冷陰極装置）において、図７に示すように、ガラス管１の片側に、導電性薄膜付ガラス板４０上に蛍光体４１を塗布したものが設けられたものとなっている。なお、図７の構成は、発光装置の具体例としてのフィールドエミッションランプ（電界放出ランプ）となっている。

このような構成では、導電性薄膜付ガラス板４０に正電圧を印加し、図２の冷陰極４から放出された電子線を導電性薄膜付ガラス板４０に引き寄せ、導電性薄膜付ガラス板４０に塗布された蛍光体４１を電子線が照射することにより、蛍光体４１を発光させることができる。

この場合、本発明では、安定した出力の電子線により、ばらつきの少ないフィールドエミッションランプ（電界放出ランプ）を提供できる。

このように、本発明では（本発明の第１，第２，第３，第４の形態では）、冷陰極４を保持部材としての石英プレート２に保持させることにより、冷陰極の位置，高さ，向きを固定することができ、それと共に石英プレート２に電子引出電極５を保持させるので、冷陰極４と電子引出電極５との間の位置関係（距離）を一定に保持することが、簡単な構成によって可能になる。また、このように、冷陰極４と電子引出電極５との間の位置関係（距離）を一定に保持することができるので、従来技術と比較して，管球ごとの出力を安定化することが可能となる。

なお、上述の例では、冷陰極４には、円柱状のものを用いているが、棒状のものであれば良く、円柱状以外の形状のものを用いることができる。また、冷陰極４には、先端が三角錐になっているものを用いているが、先端を三角錐以外の形状のもの（例えば、円錐や四角錐など）にすることもできる。

本願の発明者が当初案出した冷陰極装置を示す図である。本発明に係る冷陰極装置の構成例を示す図である。石英プレートの構造を示す図である。冷陰極をステムピンに加熱用フィラメントにより取り付けた状態を示す図である。本発明に係る放射線放射装置の構成例を示す図である。本発明に係る電子線放出装置の構成例を示す図である。本発明に係る発光装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ガラス管
２石英プレート
３ステムピン
４冷陰極
５電子引出電極
６電子引出電極の穴
１１冷陰極支持用の溝
１２ステムピン挿入用の穴
１３電子引出電極嵌合用の溝
２０ターゲット
２２放射線透過窓
３０電子線透過膜
３１電子線透過部
４０導電性薄膜付ガラス板
４１蛍光体

Claims

棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材とを有していることを特徴とする冷陰極装置。
棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子が衝突する位置に配置され、前記冷陰極から放出された電子の衝突によって放射線を放射するターゲットとを有していることを特徴とする放射線放射装置。
棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の少なくとも一部を透過して電子線として外部に放出する電子線透過手段とを備えていることを特徴とする電子線放出装置。
棒状の冷陰極と、該冷陰極との間に所定の電位差を設けることによって前記冷陰極から電子が放出されるように前記冷陰極に対して配置されている電子引出電極と、前記棒状の冷陰極と前記電子引出電極とが一定の位置関係を保持するように前記棒状の冷陰極の一方の端部とともに前記電子引出電極を保持する保持部材と、前記冷陰極から放出された電子を引き寄せ、引き寄せられた電子の入射によって所定波長の光を発光する発光手段とを有していることを特徴とする発光装置。