JP2010015711A

JP2010015711A - X-ray generating device using hemimorphic crystal

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Publication number: JP2010015711A
Application number: JP2008172274A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ito; 嘉昭伊藤; Shinzo Yoshikado; 進三吉門; Giichi Nakanishi; 義一中西; Shinji Fukao; 真司深尾; Shigeo Ito; 茂生伊藤; Takeshi Tonegawa; 武利根川; Yohei Fujimura; 洋平藤村
Original assignee: Futaba Corp; Doshisha Co Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Futaba Corp; Doshisha Co Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray generating device of compact and light-weight which can generate stably X-rays of an intensity of a certain level or more with a small power, without requiring a vacuum exhaust device and with almost the same level of airtight structure of the package as a conventional one. <P>SOLUTION: The X-ray generating device is provided with a container 1 which maintains a high vacuum or a low-pressure gas atmosphere inside, at least one hemimorphic crystal 4 arranged in the container, temperature raising means 3 and 5 to 7 to raise or lower the temperature of the hemimorphic crystal, a field emission electron source 9 which is arranged in the container and can control emission of electrons from the outside, and a metal target for X-ray generation 8 which is arranged within a reaching range of an electric field generated by the hemimorphic crystal thermally excited by the temperature raising means in the container, and receives irradiation of electron beams from the hemimorphic crystal or the field emission electron source or from both of them. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、異極像結晶を用いたＸ線発生装置に関するものである。 The present invention relates to an X-ray generator using a heteropolar image crystal.

ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等の異極像結晶（焦電結晶ともいう）の熱励起によるＸ線発生装置は、高圧電源装置を必要としないので、小型軽量でありまた可搬性に優れている（例えば、特許文献１、２参照）。
この種の従来のＸ線発生装置において一定レベル以上のＸ線強度を安定して得るためには、装置内部を低圧ガス雰囲気に維持した状態で、異極像結晶の温度変化によって発生する電界と、装置内部の雰囲気ガス及び吸着ガスがこの電界によって電離することで発生する電子の個数密度と、を同時に増大させる必要がある。 X-ray generators by thermal excitation of heteropolar crystal (also referred to as pyroelectric crystal) such as lithium niobate (LiNbO ₃ ) and lithium tantalate (LiTaO ₃ ) do not require a high-voltage power supply, so they are small and lightweight. It is also excellent in portability (for example, see Patent Documents 1 and 2).
In order to stably obtain an X-ray intensity of a certain level or higher in a conventional X-ray generator of this type, an electric field generated by a temperature change of the heteropolar image crystal while maintaining the inside of the apparatus in a low-pressure gas atmosphere It is necessary to simultaneously increase the number density of electrons generated by ionizing the atmospheric gas and adsorbed gas inside the apparatus by this electric field.

しかし、これらのＸ線発生装置においては、装置内部の雰囲気ガス及び吸着ガスは、一旦装置内に封入された後は、補給されることがなく、よって、装置内部に発生する電子の個数は次第に減少するのみである。さらには、これらのＸ線発生装置は真空排気装置を備えていないので、装置の内部を一定の低圧ガス雰囲気に維持することが難しく、外部から装置内部への大気のリークによって比較的短時間のうちに装置内部のガス圧が上昇する。そして、ガス圧の上昇によってＸ線の発生効率が著しく低下する。
このため、これらのＸ線発生装置では、一定レベル以上の強度のＸ線を安定的に発生させることができなかった。 However, in these X-ray generators, the atmospheric gas and the adsorbed gas inside the apparatus are not replenished once sealed in the apparatus, and therefore the number of electrons generated inside the apparatus gradually increases. It only decreases. Furthermore, since these X-ray generators are not equipped with an evacuation device, it is difficult to maintain the inside of the device in a constant low-pressure gas atmosphere, and a relatively short period of time due to air leakage from the outside to the inside of the device. Over time, the gas pressure inside the device rises. And the generation | occurrence | production efficiency of X-ray falls remarkably by the raise of gas pressure.
For this reason, these X-ray generators cannot stably generate X-rays having an intensity of a certain level or more.

この問題を解消するため、Ｘ線発生装置の内部に熱電子放出による電子源を設け、この熱電子源から装置内部に電子を供給することが考えられる（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この構成によれば、熱電子源を作動させるのに少なくとも約１０Ｗの電力を必要とし、消費電力が大きくなる。また、熱電子源からの放熱によって異極像結晶の表面が加熱されて異極像結晶の正常な温度昇降が妨げられ、それによって異極像結晶の分極作用による電界が弱められ、さらには、熱電子源からの蒸発物が、異極像結晶表面に蒸着されることによって、異極像結晶の分極作用による電界が弱められ、その結果、一定強度のＸ線を長時間にわたって安定的に発生させることはできなかった。 In order to solve this problem, it is conceivable to provide an electron source by thermionic emission inside the X-ray generator and supply electrons from the thermoelectron source to the inside of the apparatus (for example, see Patent Document 3). However, this configuration requires at least about 10 W of power to operate the thermionic source and increases power consumption. Also, the surface of the heteropolar crystal is heated by heat dissipation from the thermionic source, preventing normal temperature rise and fall of the heteropolar crystal, thereby weakening the electric field due to the polarization action of the heteropolar crystal, By evaporating the evaporated material from the thermionic source on the surface of the heteropolar image crystal, the electric field due to the polarization of the heteropolar image crystal is weakened, resulting in stable generation of X-rays with a constant intensity over a long period of time. I couldn't make it.

特開２００５−１７４５５６号公報JP 2005-174556 A 特開２００５−２８５５７５号公報JP 2005-285575 A 国際公開ＷＯ２００６／１０３８２２号パンフレットInternational Publication WO2006 / 103822 Pamphlet

本発明の課題は、真空排気装置を備えることなく、しかも装置の気密構造を従来と同程度として、小電力で、一定レベル以上の強度のＸ線を安定して発生させることができる小型軽量のＸ線発生装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compact and light weight that can stably generate X-rays having a certain level or more with low power, without providing an evacuation device, and with an airtight structure of the device similar to the conventional one. The object is to provide an X-ray generator.

上記課題を解決するため、本発明は、内部に高真空又は低圧ガス雰囲気を維持する容器と、前記容器内に配置された少なくとも１つの異極像結晶と、前記異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段と、前記容器内に配置され、電子の放出を外部から制御可能とされた電界放出型電子源と、前記容器内における、前記温度昇降手段によって熱励起された前記異極像結晶から生じる電界の到達範囲内に配置され、前記異極像結晶又は前記電界放出型電子源又はそれらの両方からの電子線の照射を受けるＸ線発生用金属ターゲットと、を備えたことを特徴とするＸ線発生装置を構成したものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides a container that maintains a high vacuum or low-pressure gas atmosphere therein, at least one heteropolar crystal disposed in the container, and the temperature of the heteropolar crystal is increased or decreased. Temperature raising and lowering means, a field emission electron source disposed in the container and capable of controlling electron emission from the outside, and the heteropolar image crystal thermally excited by the temperature raising and lowering means in the container And an X-ray generating metal target that is disposed within the reach of the electric field generated from and receives an electron beam from the heteropolar image crystal and / or the field emission electron source. The X-ray generator is configured.

上記構成において、前記電界放出型電子源は、前記容器の内壁面の少なくとも一箇所又は全体に配置され、又は前記金属ターゲットの前記異極像結晶に面した表面の少なくとも一箇所又は全体に配置されることが好ましい。 In the above configuration, the field emission electron source is disposed at least at one place or the entire inner wall surface of the container, or at least one place or the entire surface of the metal target facing the heteropolar image crystal. It is preferable.

前記電界放出型電子源を、少なくとも一方の面にマイクロメートルオーダー又はそれ以下の大きさのファイバー又は先端の尖った突起を備えた基板と、前記基板の前記ファイバー又は前記先端の尖った突起を備えた面に対向して配置されたゲート電極と、前記ゲート電極に対し所定の電圧を供給して、前記ゲート電極に前記ファイバーや先端の尖った突起とは独立な電位を付与する電源と、前記電源の前記ゲート電極への電圧供給を制御する制御部と、を有する構成とすることができる。
この場合、前記ファイバーは、筒状又はコイル状又はリボン状又は先端が尖った突起を有する針状であることが好ましく、また、前記ファイバー又は先端が尖った突起は、炭素又は窒化硼素又は金属又は半導体材料又はそれらを少なくとも構成元素の１つとして含む化合物から形成されていることが好ましい。
前記基板は接地されていることが、また好ましい。 The field emission electron source is provided with a substrate having a fiber having a size of a micrometer order or less or a pointed protrusion on at least one surface, and the fiber of the substrate or the pointed protrusion. A gate electrode disposed opposite to the opposite surface, a power source for supplying a predetermined voltage to the gate electrode, and applying a potential independent of the fiber and the tip with a sharp tip to the gate electrode, And a control unit that controls supply of voltage to the gate electrode of the power source.
In this case, the fiber is preferably cylindrical, coiled, ribbon-shaped, or needle-shaped with a sharp tip, and the fiber or the sharp tip has carbon, boron nitride, metal, or It is preferably formed from a semiconductor material or a compound containing them as at least one of the constituent elements.
It is also preferred that the substrate is grounded.

また、前記電界放出型電子源を、少なくとも１つのＳｐｉｎｄｔ型電界放出素子と、前記Ｓｐｉｎｄｔ型電界放出素子のゲート電極に所定の電圧を供給する電源と、前記電源の前記ゲート電極への電圧供給を制御する制御部と、を有する構成とすることができる。
この場合、前記Ｓｐｉｎｄｔ型電界放出素子の基板は接地されていることが好ましい。 The field emission electron source includes at least one Spindt type field emission device, a power source for supplying a predetermined voltage to the gate electrode of the Spindt type field emission device, and a voltage supply to the gate electrode of the power source. And a control unit for controlling.
In this case, the substrate of the Spindt type field emission device is preferably grounded.

また好ましくは、前記電界放出型電子源の前記ゲート電極に印加される電圧が、前記制御部によって、前記異極像結晶の温度昇降のサイクルに対して同期的に又は非同期的に昇降するように制御される。あるいは、前記電界放出型電子源は、複数個備えられ、前記電界放出型電子源の一部または全部の前記ゲート電極に印加される電圧が、前記制御部によって、前記異極像結晶の温度昇降のサイクルに対して同期的に又は非同期的に昇降するように制御される。 Preferably, the voltage applied to the gate electrode of the field emission electron source is raised or lowered by the control unit synchronously or asynchronously with respect to the temperature raising / lowering cycle of the heteropolar crystal. Be controlled. Alternatively, a plurality of the field emission electron sources are provided, and a voltage applied to a part or all of the gate electrodes of the field emission electron source is caused by the controller to raise or lower the temperature of the heteropolar image crystal. It is controlled to move up and down synchronously or asynchronously with respect to the cycle.

前記異極像結晶の前記ターゲットと反対側を向く面、及び前記金属ターゲット及び前記容器の壁が、接地されていることがまた好ましい。 It is also preferable that the surface of the heteropolar crystal facing away from the target and the metal target and the wall of the container are grounded.

本発明によれば、異極像結晶の温度昇降の繰り返しにより異極像結晶から電界を生じさせるとともに、電子の放出を外部から制御可能な電界放出型電子源から容器内に電子を放出させて、容器内の電子を加速して金属ターゲットに衝突させるようにしたので、高圧電源装置や真空排気装置等の大掛かりな装置を一切備えることなく、コンパクトな構成でもって一定レベル以上の強度のＸ線を長時間にわたって安定的に発生させることができる。また、電子源の作動時に熱が発生することもなく、しかも、容器内に不都合な汚染を生じさせることもない。そして、本発明によるＸ線発生装置は、小型で可搬なＸ線発生装置として、医療分野、Ｘ線分析の分野及びその他の各種産業分野において幅広く利用することができる。 According to the present invention, an electric field is generated from the heteropolar image crystal by repeatedly raising and lowering the temperature of the heteropolar image crystal, and electrons are emitted from a field emission type electron source capable of controlling electron emission from the outside into the container. Because the electrons in the container are accelerated and collide with the metal target, X-rays with a certain level or more in a compact configuration without any large-scale devices such as a high-voltage power supply device or a vacuum exhaust device. Can be stably generated over a long period of time. In addition, no heat is generated during operation of the electron source, and no undesirable contamination occurs in the container. The X-ray generator according to the present invention can be widely used as a small and portable X-ray generator in the medical field, the field of X-ray analysis, and other various industrial fields.

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例による異極像結晶を用いたＸ線発生装置の概略構成を示した断面図である。図１に示すように、本発明のＸ線発生装置は、内部に、例えば、高真空、あるいは、窒素、ネオン又はヘリウム等の低圧ガス雰囲気（１〜１０^−４Ｐａ）を維持する容器１を備えている。この実施例では、容器１は、Ｘ線を透過させない材料から形成され、両端開口が閉じられた円筒形状を有している。容器１の形状はこれに限定されず、任意の形状の容器が使用可能である。容器１の上壁には、例えばＢｅ又はＸ線透過性プラスチックから形成されたＸ線透過窓２が備えられている。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an X-ray generator using a heteropolar image crystal according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the X-ray generator of the present invention includes a container 1 that maintains a high vacuum or a low-pressure gas atmosphere (1 to 10 ⁻⁴ Pa) such as nitrogen, neon, or helium inside. I have. In this embodiment, the container 1 is formed of a material that does not transmit X-rays, and has a cylindrical shape with both end openings closed. The shape of the container 1 is not limited to this, and a container having an arbitrary shape can be used. The upper wall of the container 1 is provided with an X-ray transmission window 2 made of, for example, Be or X-ray transmission plastic.

また、容器１内の底部にはペルチェ素子３が配置されている。ペルチェ素子３の電極３ａ、３ｂは、容器１の底壁に気密シールされた状態で取り付けられ、底壁を貫通している。ペルチェ素子３は、この実施例では、異極像結晶の加熱及び冷却を繰り返し行う加熱・冷却手段として機能するだけでなく、異極像結晶支持手段としても機能する。そして、ペルチェ素子３の上側の基板上に、異極像結晶４が接合、支持される。この場合、異極像結晶は、常温で自発的に分極しており、一方の端面側に正の電気面が、他方の端面側に負の電気面が生じているが、この実施例では、異極像結晶４が、負の電気面４ａを上向きにしてペルチェ素子３の基板上に配置される。なお、異極像結晶４をその正の電気面が上向きになるように配置してもよい。 A Peltier element 3 is disposed at the bottom of the container 1. The electrodes 3a and 3b of the Peltier element 3 are attached to the bottom wall of the container 1 in an airtight manner and penetrate the bottom wall. In this embodiment, the Peltier element 3 not only functions as a heating / cooling unit that repeatedly heats and cools the heteropolar image crystal, but also functions as a heteropolar image crystal support unit. The heteropolar image crystal 4 is bonded and supported on the substrate on the upper side of the Peltier element 3. In this case, the heteropolar crystal is spontaneously polarized at room temperature, and a positive electric surface is generated on one end face side, and a negative electric surface is generated on the other end face side. The heteropolar image crystal 4 is disposed on the substrate of the Peltier element 3 with the negative electric surface 4a facing upward. Note that the heteropolar image crystal 4 may be arranged so that its positive electric surface faces upward.

異極像結晶４としては、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３等の公知の異極像結晶を用いることができる。異極像結晶４の形状や大きさは限定されない。 As the heteropolar image crystal 4, a known heteropolar image crystal such as LiNbO ₃ or LiTaO ₃ can be used. The shape and size of the heteropolar crystal 4 are not limited.

容器１の外部には、ペルチェ素子３に電力を供給する、例えば電池からなる電源部７と、電源部７からペルチェ素子３に供給される電流を切り換えて、ペルチェ素子３の基板上面を発熱面又は吸熱面として機能させる制御部６が配置される。また、異極像結晶４の適当な位置に温度センサー５が取付けられ、制御部６は、温度センサー５の検出信号に基づき、ペルチェ素子３の動作を制御し得るようになっている。 On the outside of the container 1, a power supply unit 7 configured to supply power to the Peltier element 3, for example, a battery, and a current supplied from the power supply unit 7 to the Peltier element 3 are switched, and the upper surface of the substrate of the Peltier element 3 is heated. Or the control part 6 made to function as an endothermic surface is arrange | positioned. Further, a temperature sensor 5 is attached to an appropriate position of the heteropolar image crystal 4, and the control unit 6 can control the operation of the Peltier element 3 based on the detection signal of the temperature sensor 5.

そして、これらペルチェ素子３、温度センサー５、電源部７及び制御部６から、異極像結晶４の温度を昇降させる温度昇降手段が構成される。温度昇降手段３、５〜７は、異極像結晶４の温度を、種々の温度勾配で、種々の周期で、あるいは非周期的に昇降させることができる。この場合、各温度昇降過程毎に、温度の上昇時間と下降時間は同じであることが好ましく、また、室温と、異極像結晶４のキューリー点以下の適当な高温度との間で温度の昇降が繰り返されることが好ましい。 The Peltier element 3, the temperature sensor 5, the power supply unit 7, and the control unit 6 constitute a temperature raising / lowering unit that raises and lowers the temperature of the heteropolar image crystal 4. The temperature raising and lowering means 3 and 5 to 7 can raise and lower the temperature of the heteropolar image crystal 4 at various temperature gradients, at various cycles, or non-periodically. In this case, the temperature rise time and the fall time are preferably the same for each temperature raising and lowering process, and the temperature is changed between room temperature and a suitable high temperature below the Curie point of the heteropolar image crystal 4. It is preferable that raising and lowering is repeated.

異極像結晶４は、定常状態においても分極していて、その電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているため、常時は電気的に中性である。そして、異極像結晶４が加熱及び冷却を繰り返されると、その温度変化に伴って結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追従できなくなって、電気的な中和が破られ、結晶の周囲に強い電界を生じさせる。こうして、温度昇降手段３、５〜７によって異極像結晶４の温度が昇降せしめられると、異極像結晶４から又はこれに向かって電界が生じる。 The anomalous image crystal 4 is polarized even in a steady state, and charges having the same sign as that of the charge and different signs are adsorbed on the crystal surface, so that it is always electrically neutral. Then, when the heteropolar image crystal 4 is repeatedly heated and cooled, the spontaneous polarization inside the crystal increases and decreases with the change in temperature, and the surface adsorption charge cannot follow the change, breaking the electrical neutralization. A strong electric field around the crystal. Thus, when the temperature of the heteropolar image crystal 4 is raised or lowered by the temperature raising / lowering means 3, 5 to 7, an electric field is generated from or toward the heteropolar image crystal 4.

容器１内であって、異極像結晶４から生じる電界の到達範囲内、この実施例では、異極像結晶４の上方に間隔をあけた位置に、箔状のＸ線発生用金属ターゲット８が配置される。なお、金属ターゲット８は、箔状以外に円柱状等の任意の形状であってよい。金属ターゲット８としては、発生させるべきＸ線の性質、用途に応じて適当な材料を選択することができる。例えば、本発明のＸ線発生装置をＸ線分析装置に適用する場合には、分析目的に適合するＡｌ、Ｍｇ、Ｃｕ等を使用することができる。
金属ターゲット８は、容器１の壁とともに接地されている。 In the container 1, within the reach of the electric field generated from the heteropolar image crystal 4, in this embodiment, at a position spaced above the heteropolar image crystal 4, the foil-like metal target for X-ray generation 8 Is placed. The metal target 8 may have an arbitrary shape such as a columnar shape in addition to the foil shape. As the metal target 8, an appropriate material can be selected according to the property and application of the X-ray to be generated. For example, when the X-ray generator of the present invention is applied to an X-ray analyzer, Al, Mg, Cu, etc. suitable for the purpose of analysis can be used.
The metal target 8 is grounded together with the wall of the container 1.

容器１内には、また、電界放出型電子源９が配置され、電子の放出を外部から制御可能になっている。電界放出型電子源９は、容器１の内壁面の少なくとも一箇所又は全体に配置され、又は金属ターゲット８の異極像結晶４に面した表面の少なくとも一箇所又は全体に配置されることが好ましい。なお、簡単のために、図１では、電界放出型電子源の構成を概念的に示してある。 A field emission electron source 9 is also disposed in the container 1 so that electron emission can be controlled from the outside. The field emission electron source 9 is preferably arranged at least at one place or the whole of the inner wall surface of the container 1 or at least one place or the whole of the surface of the metal target 8 facing the heteropolar crystal 4. . For the sake of simplicity, FIG. 1 conceptually shows the configuration of a field emission electron source.

図２は、電界放出型電子源の１実施例を示す図であり、（Ａ）は第１実施例の断面図、（Ｂ）は第２実施例の断面図である。図２（Ａ）に示す電界放出型電子源９は、カソード電極層９ｃを備えたガラス基板９ｂからなるカソード基板９ａと、カソード基板９ａ上に印刷法又はＣＶＤ法によって形成された多数のエミッタ部９ｄを有している。エミッタ部９ｄは、カソード基板９ａ上において、縦横に互いに間隔をあけてマトリクス状に配列され、それぞれ、起立したμｍオーダー又はそれ以下の大きさの多数のファイバー又は先端の尖った突起から構成されている。この場合、ファイバー又は先端の尖った突起は、炭素又は窒化硼素又は金属又は半導体材料又はそれらを少なくとも構成元素の１つとして含む化合物から形成されていることが好ましく、ファイバーは、筒状又はコイル状又はリボン状又は先端が尖った突起を有する針状であることが好ましい。
この電界放出型電子源９は、さらに、カソード基板９ａのエミッタ部９ｄを備えた面に対向して配置されたメッシュ状のゲート電極９ｅを有している。 2A and 2B are diagrams showing one embodiment of a field emission electron source, where FIG. 2A is a cross-sectional view of the first embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the second embodiment. A field emission electron source 9 shown in FIG. 2A includes a cathode substrate 9a made of a glass substrate 9b provided with a cathode electrode layer 9c, and a number of emitter portions formed on the cathode substrate 9a by a printing method or a CVD method. 9d. The emitter portions 9d are arranged in a matrix form on the cathode substrate 9a so as to be spaced apart from each other in the vertical and horizontal directions. Yes. In this case, the fiber or the pointed protrusion is preferably formed of carbon, boron nitride, metal, semiconductor material, or a compound containing at least one of them as a constituent element, and the fiber has a cylindrical shape or a coil shape. Alternatively, a ribbon shape or a needle shape having a sharpened tip is preferable.
The field emission type electron source 9 further includes a mesh-like gate electrode 9e disposed to face the surface of the cathode substrate 9a provided with the emitter portion 9d.

図２（Ｂ）に示す電界放出型電子源は、カソード電極層２ｃを備えたガラス基板９ｂからなるカソード基板９ａと、カソード基板９ａ上に形成された絶縁層９ｆ及びゲート電極９ｅとを有している。ゲート電極９ｅの表面にはゲート穴加工が施され、ゲート電極９ｅ及び絶縁層９ｆを貫通する多数の穴９ｇが互いに間隔をあけてマトリクス状に形成される。そして、各穴９ｇの底に露出するカソード基板９ａ部分に、図２（Ａ）の実施例と同様のエミッタ部９ｄが形成される。 The field emission electron source shown in FIG. 2B has a cathode substrate 9a made of a glass substrate 9b provided with a cathode electrode layer 2c, and an insulating layer 9f and a gate electrode 9e formed on the cathode substrate 9a. ing. Gate holes are formed on the surface of the gate electrode 9e, and a large number of holes 9g penetrating the gate electrode 9e and the insulating layer 9f are formed in a matrix at intervals. Then, an emitter portion 9d similar to the embodiment of FIG. 2A is formed on the cathode substrate 9a exposed at the bottom of each hole 9g.

再び図１を参照して、電界放出型電子源９のゲート電極９ｅは、制御部６を介して電源部７に接続される。そして、電源７からゲート電極９ｅに対して所定の電圧が供給され、ゲート電極９ｅにはエミッタ部９ｄとは独立な電位が付与され、それによって、エミッタ部９ｄからの電子が引き出され、あるいはエミッタ部９ｄからの電子の放出が抑制される。
また、ゲート電極９ｅに印加される電圧が、制御部６によって、異極像結晶４の温度昇降サイクルに対して同期的にまたは非同期的に昇降するように制御される。 Referring again to FIG. 1, the gate electrode 9 e of the field emission electron source 9 is connected to the power supply unit 7 via the control unit 6. Then, a predetermined voltage is supplied from the power source 7 to the gate electrode 9e, and a potential independent of the emitter portion 9d is applied to the gate electrode 9e, whereby electrons from the emitter portion 9d are extracted, or the emitter The emission of electrons from the portion 9d is suppressed.
Further, the voltage applied to the gate electrode 9e is controlled by the control unit 6 so as to rise or fall synchronously or asynchronously with respect to the temperature raising and lowering cycle of the heteropolar image crystal 4.

次に、図３を参照して、本発明のＸ線発生装置の動作方法について説明する。以下の説明では、装置の容器内に低圧ガス雰囲気が維持されている。なお、説明を分かり易くするため、図３において、電界放出型電子源の構成を概念的に示した。 Next, an operation method of the X-ray generator of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, a low pressure gas atmosphere is maintained in the container of the apparatus. For easy understanding, FIG. 3 conceptually shows the configuration of the field emission electron source.

異極像結晶４は、定常状態においても分極していて、その電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているため、常時は電気的に中性である。異極像結晶４の温度が上昇せしめられると、負の電気面４ａでは、自発分極が小さくなり、よって、負の電荷の表面電荷密度が減少するが、負の電気面４ａに吸着している正の電荷量はすぐには減少しない。その結果、負の電気面４ａは正に帯電し、異極像結晶４から金属ターゲット８に向かう強い電界が生じる（図３（Ａ）参照）。 The anomalous image crystal 4 is polarized even in a steady state, and charges having the same sign as that of the charge and different signs are adsorbed on the crystal surface, so that it is always electrically neutral. When the temperature of the heteropolar crystal 4 is increased, the spontaneous polarization is reduced on the negative electric surface 4a, and thus the surface charge density of negative charges is reduced, but adsorbed on the negative electric surface 4a. The amount of positive charge does not decrease immediately. As a result, the negative electric surface 4a is positively charged, and a strong electric field is generated from the heteropolar image crystal 4 toward the metal target 8 (see FIG. 3A).

この電界により、容器中の残留ガス等のガス原子・分子が電離されて、正イオンと電子が生成される。この電子の生成にタイミングを合わせて、電界放出型電子源９のゲート電極９ｅに正電圧が供給され、電界放出型電子源９から容器１内に電子が放出される。なお、この例では、ゲート電極９ｅに正電位が付与されるが、ゲート電極９ｅに負電位を付与した場合でも、エミッタ部６ｄの電位との間に電子の引き出しに必要な電位差があれば、電界放出型電子源９から電子が放出される。 By this electric field, gas atoms and molecules such as residual gas in the container are ionized, and positive ions and electrons are generated. In synchronization with the generation of the electrons, a positive voltage is supplied to the gate electrode 9 e of the field emission electron source 9, and electrons are emitted from the field emission electron source 9 into the container 1. In this example, a positive potential is applied to the gate electrode 9e, but even when a negative potential is applied to the gate electrode 9e, if there is a potential difference necessary for extracting electrons from the potential of the emitter 6d, Electrons are emitted from the field emission electron source 9.

こうして、容器１内の電子は、異極像結晶４から金属ターゲット８に向かう電界により、異極像結晶４の負の電気面４ａに衝突するか、あるいは、負の電気面４ａに吸着している正イオン（外部から見ると、自発分極の負極に吸着しているので電気的に中性になっている）に吸着される。電子が異極像結晶４の負の電気面４ａに衝突すると、制動輻射によって、異極像結晶４の特性Ｘ線及び連続Ｘ線が発生する。 Thus, the electrons in the container 1 collide with the negative electric surface 4a of the heteropolar image crystal 4 by the electric field directed from the heteropolar image crystal 4 to the metal target 8, or are adsorbed on the negative electric surface 4a. It is adsorbed by positive ions (which are electrically neutral since they are adsorbed on the negative electrode of spontaneous polarization when viewed from the outside). When electrons collide with the negative electrical surface 4a of the heteropolar image crystal 4, characteristic X-rays and continuous X-rays of the heteropolar image crystal 4 are generated by bremsstrahlung.

次に、異極像結晶４の温度が下降せしめられると、負の電気面４ａでは、自発分極が大きくなり、よって負の電荷の表面電荷密度が増加するが、負の電気面４ａに吸着している正の電荷量はすぐには増加しない。その結果、表面は負に帯電し、金属ターゲット８から異極像結晶４に向かう強い電界が生じる（図３（Ｂ）参照）。この電界により、ガス原子・分子が電離して電子が生成される。また、電子が吸着した正イオンが電界によって再び電離して、正イオンと電子の状態に戻る。この電子の生成にタイミングを合わせて、電界放出型電子源９のゲート電極９ｅに正電圧が供給され、電界放出型電子源９から容器１内に電子が放出される。この場合、異極像結晶４の昇温時と同様、ゲート電極９ｅに負電位を付与した場合でも、エミッタ部６ｄの電位との間に電子の引き出しに必要な電位差があれば、電界放出型電子源９から電子が放出される。 Next, when the temperature of the heteropolar image crystal 4 is lowered, spontaneous polarization increases on the negative electric surface 4a, and thus the surface charge density of negative charges increases, but the negative electric surface 4a is adsorbed. The amount of positive charge that does not increase immediately. As a result, the surface is negatively charged, and a strong electric field is generated from the metal target 8 toward the heteropolar crystal 4 (see FIG. 3B). By this electric field, gas atoms / molecules are ionized to generate electrons. Further, positive ions adsorbed with electrons are ionized again by the electric field, and return to the state of positive ions and electrons. In synchronization with the generation of the electrons, a positive voltage is supplied to the gate electrode 9 e of the field emission electron source 9, and electrons are emitted from the field emission electron source 9 into the container 1. In this case, even when a negative potential is applied to the gate electrode 9e, as in the case of raising the temperature of the heteropolar image crystal 4, if there is a potential difference necessary for extracting electrons between the potential of the emitter section 6d, a field emission type. Electrons are emitted from the electron source 9.

容器１内の電子は、金属ターゲット８から異極像結晶４に向かう電界によって、金属ターゲット８に向けて加速され、金属ターゲット８に衝突し、制動輻射によって、金属ターゲット８を形成する物質に固有の特性Ｘ線及び連続Ｘ線が発生する。 The electrons in the container 1 are accelerated toward the metal target 8 by the electric field from the metal target 8 toward the heteropolar crystal 4, collide with the metal target 8, and are intrinsic to the substance that forms the metal target 8 by bremsstrahlung. Characteristic X-rays and continuous X-rays are generated.

異極像結晶４の温度がさらに下降すると、異極像結晶４は、再び定常状態に戻り、分極の電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着し、電気的に中和状態となる。 When the temperature of the heteropolar image crystal 4 further decreases, the heteropolar image crystal 4 returns to the steady state again, and charges of the opposite sign are adsorbed on the crystal surface in an amount equal to the charge amount of polarization, and are electrically neutralized. It becomes.

上記説明において、容器内が高真空に維持される場合には、容器内に残留ガスが殆ど存在せず、よって、容器内には、それらのガス原子・分子の電離による正イオン及び電子が生じない点が、低圧ガス雰囲気が容器内に維持される場合と異なるだけである。 In the above description, when the inside of the container is maintained at a high vacuum, there is almost no residual gas in the container, and therefore positive ions and electrons are generated in the container due to ionization of those gas atoms and molecules. The only difference is that the low pressure gas atmosphere is maintained in the vessel.

こうして、本発明のＸ線発生装置によれば、電界放出型電子源９からの電子放出を制御することよって、異極像結晶４への電子蓄積過程（異極像結晶４の温度上昇時）及び金属ターゲット８への電子加速過程（異極像結晶４の温度下降時）において容器１内の電子発生量を制御して、一定レベル以上の強度のＸ線を安定して発生させることができる。
上述の動作例では、ゲート電極９ｅに印加される電圧を、異極像結晶４の温度昇降のサイクルに同期させて昇降し、電界放出型電子源９から電子を放出させるようにしたが、ゲート電極９ｅの印加電圧を、異極像結晶４の温度昇降サイクルに同期させずに、容器内に発生する電子量の変動等に応じて昇降させて、電界放出型電子源９からの電子の放出を制御することもできる。 Thus, according to the X-ray generator of the present invention, the electron accumulation process in the heteropolar image crystal 4 (when the temperature of the heteropolar image crystal 4 increases) by controlling the electron emission from the field emission electron source 9. In addition, in the process of accelerating the electrons to the metal target 8 (when the temperature of the heteropolar image crystal 4 is lowered), the amount of generated electrons in the container 1 can be controlled to stably generate X-rays having an intensity of a certain level or higher. .
In the above operation example, the voltage applied to the gate electrode 9e is raised and lowered in synchronization with the temperature raising and lowering cycle of the heteropolar image crystal 4 to emit electrons from the field emission electron source 9. Emission of electrons from the field emission electron source 9 is performed by raising and lowering the applied voltage of the electrode 9e according to fluctuations in the amount of electrons generated in the container without synchronizing with the temperature raising and lowering cycle of the heteropolar image crystal 4. Can also be controlled.

本発明の構成は、上述の実施例に限定されない。例えば、電界放出型電子源を、図４に示すような構成とすることができる。図４の実施例では、電界放出型電子源はＳｐｉｎｄｔ型電界放出アレイからなっている。Ｓｐｉｎｄｔ型電界放出素子は、μｍオーダーの寸法を有していて、Ｓｉ基板（図２のカソード基板９ａを用いてもよい）９ｉと、基板９ｉ上に設けられた絶縁層９ｆと、ゲート電極９ｅとを有している。ゲート電極９ｅの表面にはゲート穴加工が施され、ゲート電極９ｅ及び絶縁層９ｆを貫通する多数の穴９ｇが互いに間隔をあけてマトリクス状に形成される。そして、各穴９ｇの底に露出するＳｉ基板９ｉ部分にコーン状のエミッタ９ｈが形成される。 The configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the field emission electron source can be configured as shown in FIG. In the embodiment of FIG. 4, the field emission electron source comprises a Spindt type field emission array. The Spindt type field emission device has a dimension on the order of μm, and includes an Si substrate (the cathode substrate 9a of FIG. 2 may be used) 9i, an insulating layer 9f provided on the substrate 9i, and a gate electrode 9e. And have. Gate holes are formed on the surface of the gate electrode 9e, and a large number of holes 9g penetrating the gate electrode 9e and the insulating layer 9f are formed in a matrix at intervals. A cone-shaped emitter 9h is formed on the Si substrate 9i exposed at the bottom of each hole 9g.

また、別の好ましい実施例によれば、複数個の電界放出型電子源９が備えられ、それらの電界放出型電子源９の一部または全部のゲート電極９ｅに印加される電圧が、制御部６によって、異極像結晶４の温度昇降のサイクルに対して同期的に又は非同期的に昇降するように制御される。 According to another preferred embodiment, a plurality of field emission electron sources 9 are provided, and the voltage applied to a part or all of the gate electrodes 9e of these field emission electron sources 9 is controlled by the control unit. 6 is controlled to rise or fall synchronously or asynchronously with respect to the temperature raising and lowering cycle of the heteropolar image crystal 4.

本願発明は、従来のＸ線管に代わるＸ線発生源として広く利用可能であり、さらには、腫瘍やガン細胞の除去等や、虫歯治療等の医療分野、また、殺菌等に応用することもできる。 The present invention can be widely used as an X-ray generation source that replaces a conventional X-ray tube, and can also be applied to medical fields such as removal of tumors and cancer cells, caries treatment, and sterilization. it can.

本発明の１実施例による異極像結晶を用いたＸ線発生装置の概略構成を示した断面図である。It is sectional drawing which showed schematic structure of the X-ray generator using the heteropolar image crystal by one Example of this invention. 電界放出型電子源の実施例を示す図であり、（Ａ）は第１実施例の断面図、（Ｂ）は第２実施例の断面図である。It is a figure which shows the Example of a field emission type electron source, (A) is sectional drawing of 1st Example, (B) is sectional drawing of 2nd Example. 図１のＸ線発生装置の動作を説明した図であり、（Ａ）は異極像結晶の温度上昇時における動作を、（Ｂ）は異極像結晶の温度下降時における動作を説明している。FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating the operation of the X-ray generation apparatus of FIG. 1, in which FIG. 1A illustrates the operation when the temperature of the heteropolar image crystal increases, and FIG. Yes. 電界放出型電子源の別の実施例を示す図２に類似の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view similar to FIG. 2 showing another embodiment of a field emission electron source.

符号の説明Explanation of symbols

１容器
２Ｘ線透過窓
３ペルチェ素子
３ａ、３ｂ電極
４異極像結晶
４ａ負の電気面
５温度センサー
６制御部
７電源部
８金属ターゲット
９電界放出型電子源
９ａカソード基板
９ｂガラス基板
９ｃカソード電極層
９ｄエミッタ部
９ｅゲート電極
９ｆ絶縁層
９ｇ穴
９ｈエミッタ
９ｉＳｉ基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2 X-ray transmissive window 3 Peltier element 3a, 3b Electrode 4 Heterogeneous image crystal 4a Negative electric surface 5 Temperature sensor 6 Control part 7 Power supply part 8 Metal target 9 Field emission type electron source 9a Cathode substrate 9b Glass substrate 9c Cathode Electrode layer 9d Emitter portion 9e Gate electrode 9f Insulating layer 9g Hole 9h Emitter 9i Si substrate

Claims

内部に高真空又は低圧ガス雰囲気を維持する容器と、
前記容器内に配置された少なくとも１つの異極像結晶と、
前記異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段と、
前記容器内に配置され、電子の放出を外部から制御可能とされた電界放出型電子源と、
前記容器内における、前記温度昇降手段によって熱励起された前記異極像結晶から生じる電界の到達範囲内に配置され、前記異極像結晶又は前記電界放出型電子源又はそれらの両方からの電子線の照射を受けるＸ線発生用金属ターゲットと、を備えたことを特徴とするＸ線発生装置。 A container that maintains a high vacuum or low pressure gas atmosphere inside;
At least one heteropolar crystal disposed in the vessel;
Temperature raising and lowering means for raising and lowering the temperature of the heteropolar image crystal;
A field emission electron source disposed in the container and capable of controlling electron emission from the outside;
An electron beam from the heteropolar image crystal and / or the field emission electron source, which is disposed within the reach of an electric field generated from the heteropolar image crystal thermally excited by the temperature raising / lowering means in the container. An X-ray generation apparatus comprising: a metal target for X-ray generation that receives the irradiation of X-rays.

前記電界放出型電子源は、前記容器の内壁面の少なくとも一箇所又は全体に配置され、又は前記金属ターゲットの前記異極像結晶に面した表面の少なくとも一箇所又は全体に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。 The field emission electron source is arranged at least at one place or the whole of the inner wall surface of the container, or at least one place or the whole of the surface of the metal target facing the heteropolar crystal. The X-ray generator according to claim 1.

前記電界放出型電子源は、
少なくとも一方の面にマイクロメートルオーダー又はそれ以下の大きさのファイバー又は先端の尖った突起を備えた基板と、
前記基板の前記ファイバー又は前記先端の尖った突起を備えた面に対向して配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極に対し所定の電圧を供給して、前記ゲート電極に前記ファイバーや先端の尖った突起とは独立な電位を付与する電源と、
前記電源の前記ゲート電極への電圧供給を制御する制御部と、を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線発生装置。 The field emission electron source is:
A substrate with a fiber or a pointed protrusion on the order of micrometers or less on at least one surface;
A gate electrode disposed opposite to the surface of the substrate with the fiber or the pointed protrusion on the tip;
A power source for supplying a predetermined voltage to the gate electrode, and applying a potential independent of the fiber and the tip with a sharp tip to the gate electrode;
The X-ray generator according to claim 1, further comprising: a control unit that controls voltage supply to the gate electrode of the power source.

前記ファイバーは、筒状又はコイル状又はリボン状又は先端が尖った突起を有する針状であることを特徴とする請求項３に記載のＸ線発生装置。 4. The X-ray generator according to claim 3, wherein the fiber has a cylindrical shape, a coil shape, a ribbon shape, or a needle shape having a sharpened tip.

前記ファイバー又は先端が尖った突起は、炭素又は窒化硼素又は金属又は半導体材料又はそれらを少なくとも構成元素の１つとして含む化合物から形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のＸ線発生装置。 The fiber or the pointed protrusion is formed of carbon, boron nitride, metal, a semiconductor material, or a compound containing at least one of them as a constituent element. X-ray generator.

前記基板は接地されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載のＸ線発生装置。 6. The X-ray generator according to claim 3, wherein the substrate is grounded.

前記電界放出型電子源は、
少なくとも１つのＳｐｉｎｄｔ型電界放出素子と、
前記Ｓｐｉｎｄｔ型電界放出素子のゲート電極に所定の電圧を供給する電源と、
前記電源の前記ゲート電極への電圧供給を制御する制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。 The field emission electron source is:
At least one Spindt-type field emission device;
A power supply for supplying a predetermined voltage to the gate electrode of the Spindt-type field emission device;
The X-ray generator according to claim 1, further comprising: a control unit that controls voltage supply to the gate electrode of the power source.

前記Ｓｐｉｎｄｔ型電界放出素子の基板は接地されていることを特徴とする請求項７に記載のＸ線発生装置。 8. The X-ray generator according to claim 7, wherein the substrate of the Spindt type field emission device is grounded.

前記ゲート電極に印加される電圧が、前記制御部によって、前記異極像結晶の温度昇降のサイクルに対して同期的に又は非同期的に昇降するように制御されることを特徴とする請求項３〜請求項８のいずれかに記載のＸ線発生装置。 4. The voltage applied to the gate electrode is controlled by the control unit so as to rise and fall synchronously or asynchronously with respect to a temperature raising and lowering cycle of the heteropolar image crystal. The X-ray generator according to claim 8.

前記電界放出型電子源は、複数個備えられ、前記電界放出型電子源の一部または全部の前記ゲート電極に印加される電圧が、前記制御部によって、前記異極像結晶の温度昇降のサイクルに対して同期的に又は非同期的に昇降するように制御されることを特徴とする請求項３〜請求項８のいずれかに記載のＸ線発生装置。 A plurality of field emission electron sources are provided, and a voltage applied to a part or all of the gate electrodes of the field emission electron source is controlled by the controller to increase or decrease the temperature of the heteropolar image crystal. 9. The X-ray generator according to claim 3, wherein the X-ray generator is controlled so as to move up and down synchronously or asynchronously.

前記異極像結晶の前記ターゲットと反対側を向く面、及び前記金属ターゲット及び前記容器の壁が、接地されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＸ線発生装置。 6. The X-ray according to claim 1, wherein a surface of the heteropolar crystal facing the side opposite to the target, and the metal target and the wall of the container are grounded. Generator.