JP5424098B2 - 電子放出体およびｘ線放射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電子放出体（エミッタ）およびこの電子放出体を用いたＸ線放射装置に関する。
真空中で電界を集中させて電子を放出する電界放射を行うための電子放出体として、特許文献１に示されるカーボンナノチューブや特許文献２に示されるグラフェンシートが多層に重なった尖頭形状の炭素膜が知られている。
また、電子放出体から放出される電子の方向が拡散しないようにする構造として、特許文献３には、カソード電極が形成された基板表面にカーボンナノチューブからなる電子放出層が形成され、この電子放出層の外周側に、電子放出層と同電位の導電層を設け、更に電子放出層の上方にゲート電極を設けた構造が開示されている。
また、特許文献４には、炭化珪素単結晶からなる基板の表面に、その軸が基板の厚み方向に倣うように高密度にカーボンナノチューブを配向形成したエミッタが開示されている。
また、特許文献５には、ガラス基板の電子放出層と接する面にくぼみを設けることで、くぼみの形状に応じた電子放出層を形成し、電子放出層から放出される電子の収束性を高める内容が開示されている。
また、特許文献６には、エミッタの上方近傍にゲート電極を設け、このゲート電極から離れた箇所にレンズ電極を配置し、エミッタから放出された電子ビームをレンズ電極で収束させる構成が開示されている。
上記特許文献のうち、エミッタ（電子放出体）から放出された電子線が飛散しないようにしているのは特許文献３，５、６である。しかしながら、特許文献３、５にあっては電子線を１点に収束させるものではなく、電子線の広がりをゲート電極などで抑制しようというものであり、電子線密度を高める内容ではない。
一方、特許文献６にはレンズ電極を用いて電子線を収束させることが記載されているが、点状のエミッタから出射した電子線が一旦広がり、その後、レンズ電極で収束しているため、エミッタから出射した際の電子線密度に戻っただけで、電子線密度が高くなっているわけではない。
更に、面状のエミッタを想定した場合、ゲート電極やレンズ電極を用いて電子線を収束させてもある程度の広がりをもってしまう。
上記課題を解決するため本発明に係る電子放出体は、基板の表面に電圧を印加することで電子を放出する炭素膜を形成した電子放出体であって、前記基板の表面は凹面とされ、前記炭素膜は炭素からなる突起が面状に多数個展開して構成された構成とした。
尚、前記凹面の形状としては１点に焦点を結ぶものが考えられ、この場合には前記突起の軸芯は前記焦点に向かって伸びる。
尚、前記凹面の形状としては１点に焦点を結ぶものが考えられ、この場合には前記突起の軸芯は前記焦点に向かって伸びる。
前記炭素からなる突起としては、例えば基板表面に形成される***部とこの***部から伸びる針状部からなり、この針状部はグラフェンシートが斜めに巻回された中空状をなすものが好ましい。
また前記基板の周縁にはガード電極を設けることが好ましい。このガード電極は前記炭素膜よりも突出するとともに外周側の曲率半径が炭素膜側の曲率半径以上とする。
また本発明に係るＸ線放射装置は、前記電子放出体を陰極とし、金属ターゲットを陽極とし、この陽極を前記基板の凹面の焦点位置に配置して構成される。
本発明に係る電子放出体は、凹面状をなす放出面から放出された電子線が１点に収束するため、電子線密度が高くなる。基板周縁にガード電極を設けた場合には更に電子線を集中させることができる。
上記電子放出体を陰極（カソード）、タングステンなどのターゲットが陽極（アノード）となるように接続するとともにターゲットを電子線の焦点位置に配置することで、ターゲットから強力なＸ線が放出される。
以下に本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図１に示すように、電子放出体はステンレスなどを材料とする基板１、炭素膜２およびリング状をなすガード電極３から構成される。
前記リング状をなすガード電極３は基板１の周縁で前記炭素膜２よりも突出している。またガード電極３の外周側の曲率半径Ｒ１は炭素膜２側の曲率半径Ｒ２以上に設定されている。このようにガード電極３の形状をＲ１≧Ｒ２とすることで、炭素膜２面での局部的な電界集中を抑制し、熱劣化に伴う電流劣化や放電現象が起こらないようにすることができる。
前記基板１には凹面（凹球面）１１が形成されている。この凹面１１は一定の曲率半径を有し、平行な光線が入射したと仮定すると収束する焦点Ｆが存在する。
前記凹面１１上には数μｍ〜数十μｍの厚さで炭素膜２が形成されている。この炭素膜２は図２に示すように、多数の突起２１が面状に展開して構成され、更に突起２１は凹面１１の表面に形成される***部２２とこの***部２２から伸びる針状部２３からなる。
前記炭素膜２を形成する方法を図３に基づいて説明する。先ず図３（ａ）に示すように、予め基板１の表面を凹面１１を形成しておき、この凹面１１を研磨棒４を用いて研磨する。研磨剤にはダイヤモンド粉とシリカ粉を水に混合したものを用いる。
上記の研磨によって凹面１１の表面には微細な炭素粒子またはシリカ粒子が付着し、この微細粒子が炭素突起２１の成長の起点になると思われる。
次いで、図３（ｂ）に示す平行平板型のプラズマＣＶＤ装置５を用いて炭素膜を成膜する。具体的には、接地した下側の電極５１上に基板１を凹面１１が上になるようにセットし、上側電極５２には直流電源５３の負極側を接続し、正極側を接地する。
そして、プラズマＣＶＤ装置５内を真空排気系５４で排気しガス導入系５５から水素ガスを導入し、内圧を３０ｔｏｒｒ程度まで徐々に減圧する。この状態で電極５１、５２間にプラズマを発生させ、電流を２．５Ａ程度まで増加する。この処理により基板表面の酸化膜が除去される。
次いで、ガス導入系５５からプラズマＣＶＤ装置５内に水素ガスとメタンガスとの混合ガスを導入し内部の圧力を７５ｔｏｒｒ程度まで徐々に上昇させる。この内圧を維持しつつ電流を２．５Ａから６．０Ａに徐々に増加する。
プラズマＣＶＤ装置５内で発生したプラズマ中の電子がメタンガスと衝突して炭素原子を遊離し、この炭素原子が凹面１１の表面の結晶の起点となる微粒子（炭素やシリカ）に吸着され、炭素の結晶が徐々に成長する。
反応ガスとしてはメタンガス以外に、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレン等のガス、あるいは一酸化炭素、二酸化炭素、エタノールやアセトンの有機溶剤の蒸気を用いることができる。
炭素結晶の成長は最初は***部２２が徐々に大きくなり、次いで***部２２の先端から針状部２３が成長する。この針状部２３はグラフェンシートが斜めに多層に巻回され且つ内部は中空になっている。このようにして形成された炭素突起２１の軸は凹面１１の接線と略直交するため、多数の炭素突起２１の軸は凹面１１の焦点Ｆにて交わることになる。
以上の如くして製造された電子放出体は、例えば図４に示すＸ線放射装置に組み込むことができる。
即ち、Ｘ線放射装置は減圧状態（１〜１０００ｔｏｒｒ）に維持されたケース６内に上記電子放出体を陰極（エミッタ）として挿入し、焦点Ｆの位置にタングステンなどの金属ターゲット６１を配置している。この金属ターゲット６１はケース６に形成した窓部を機密に封止している。
即ち、Ｘ線放射装置は減圧状態（１〜１０００ｔｏｒｒ）に維持されたケース６内に上記電子放出体を陰極（エミッタ）として挿入し、焦点Ｆの位置にタングステンなどの金属ターゲット６１を配置している。この金属ターゲット６１はケース６に形成した窓部を機密に封止している。
以上において、陰極としての基板１と陽極としての金属ターゲット６１の間に直流電圧を印加する。電流密度は瞬間的に１００ｍＡ／ｃｍ２が確認された。
すると、前記炭素膜２を構成する炭素突起２１の先端部に強い電界が形成される。この強い電界により、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式で示されるトンネル電子が炭素膜２から金属ターゲット６１に向かって放出される。この放出される電子（電子線）は炭素突起２１の軸に沿って放出されるため、焦点Ｆにおいて極めて高密度の電子が金属ターゲット６１に衝突することになり、強Ｘ線が金属ターゲット６１を透過して発生する。
図示例では、電子線がターゲットを透過する透過型のＸ線放射装置を示したが、ターゲットで反射してＸ線を発生する反射型のＸ線放射装置とすることもできる。
本発明に係る電子放出体およびこの電子放出体を組み込んだＸ線放射装置は、例えば非破壊検査機器などに応用することができる。
１…基板、１１…基板の凹面
２…炭素膜、２１…炭素膜を構成する突起、２２…突起を構成する***部、２３…突起を構成する針状部
３…ガード電極
４…研磨棒
５…プラズマＣＶＤ装置、５１、５２…平行平板電極、５３…直流電源、５４…真空排気系、５５…ガス導入系、６１…金属ターゲット
Ｒ１…ガード電極の外周側の曲率半径、Ｒ２…ガード電極の炭素膜側の曲率半径、Ｆ…焦点
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Claims (3)
- 基板の表面に電圧を印加することで電子を放出する炭素膜を形成した電子放出体であって、前記基板の表面は凹面とされ、前記炭素膜は炭素からなる突起が面状に多数個展開して構成され、前記基板の周縁にガード電極が設けられ、このガード電極は前記炭素膜よりも突出するとともに外周側の曲率半径が炭素膜側の曲率半径以上とされ、前記凹面は一定の曲率半径を有し、平行な光線が入社したと仮定すると収束する焦点が存在することを特徴とする電子放出体。
- 請求項１に記載の電子放出体において、前記炭素からなる突起は基板表面に形成される***部とこの***部から伸びる針状部からなり、この針状部はグラフェンシートが斜めに巻回された中空状をなすことを特徴とする電子放出体。
- 請求項１または請求項２に記載の電子放出体を陰極とし、金属ターゲットを陽極とし、この陽極を前記基板の凹面の焦点位置に配置することを特徴とするＸ線放射装置。
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