JP2001266780A

JP2001266780A - Ｘ線発生装置

Info

Publication number: JP2001266780A
Application number: JP2000083390A
Authority: JP
Inventors: Sadayuki Takahashi; 貞幸高橋; Naohisa Osaka; 尚久大坂; Masaru Kuribayashi; 勝栗林
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブ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も済むようにする。【解決手段】熱陰極１４の背面側には間隔をおいて電
子放出電極１８が配置されている。電子放出電極１８
は、電極ベース２０と、その表面に固定されたエミッタ
２２とからなる。エミッタ２２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。熱陰極１
４と電子放出電極１８の間には、熱陰極１４の電位に対
して電子放出電極１８が負の電位となるように、電圧が
印加される。そうすると、電子放出電極１８のエミッタ
２２から電界放出の作用によって電子２４が放出され
る。電子２４は電界で加速されて、熱陰極１４の背面に
衝突する。この電子衝突により熱陰極１４が加熱され
て、熱陰極１４から熱電子２６が放出される。この熱電
子２６がターゲットに衝突する。

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。これだけの高
温に加熱するには、タングステン・フィラメントに十数
アンペアから３０アンペアにも及ぶ大電流（フィラメン
ト電流）を流す必要がある。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おり、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。これらの熱陰極も、やはり、
大きなフィラメント電流を必要とする。また、直熱型で
はなくて傍熱型の熱陰極もあるが、傍熱型の加熱源を加
熱するには、やはり大きな電流が必要となる。

【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】フィラメントに大電流
を流して陰極を自己抵抗加熱する従来のＸ線発生装置で
は、次のような問題が生じている。フィラメントに大電
流（例えば、十数アンペア以上）を流す必要があり、Ｘ
線発生装置につなぐケーブルにはこのような大電流を流
す必要がある。そして、Ｘ線発生装置の陰極はアースに
対して数十ｋＶの負の高電圧が印加されるので、Ｘ線発
生装置につなぐケーブルとしては、大電流を流すことが
できて、かつ、耐電圧が高く、発熱にも耐えるものを使
う必要がある。このような高圧ケーブルは、高価であ
り、また、太くて剛性も大きくなり、取り扱いも面倒で
ある。さらに、このような高圧ケーブルをＸ線発生装置
につなげると、Ｘ線発生装置が高圧ケーブルから大きな
力を受けることになるので、Ｘ線発生装置の支持装置も
強力なものにする必要がある。

【０００６】一方で、上述のカーボンナノチューブをＸ
線発生装置の陰極として用いることができれば、フィラ
メント電流の問題もなくなり、熱陰極を用いる場合のそ
の他のさまざまな問題も解消できて、好都合である。そ
こで、本件出願の出願人は、カーボンナノチューブをＸ
線発生装置の陰極として用いる発明について、特許出願
をした（特願２０００−５９９１６）。しかしながら、
カーボンナノチューブの電子放出面は、輝度むら（電子
放出の強度が電子放出面の場所によって異なること）が
存在することや、そのような輝度むらが時間的に変動す
ることなどが判明している。Ｘ線発生装置では、ターゲ
ット上の輝度むら（ターゲットに当たる電子流の強度が
ターゲット表面の場所によって異なること）をできるだ
け少なくすることが望まれており、また、発生するＸ線
強度の時間的変動をできるだけ少なくすることが望まれ
ている。したがって、カーボンナノチューブをＸ線発生
装置の陰極としてそのまま利用すると、上述のような輝
度むらやその時間変動がＸ線発生装置の性能に何らかの
悪影響を及ぼすおそれがある。

【０００７】この発明はこのような問題点を解決するた
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から得られる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
なくても済むようなＸ線発生装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明のＸ線発生装置
は、熱陰極を加熱するために、炭素系材料からなる冷陰
極電子放出源（具体的には、カーボンナノチューブ）を
利用している。この熱陰極は、直接電流を流して自己抵
抗加熱するいわゆる直熱タイプではなくて、電子放出電
極から放出される電子の衝突を受けて加熱されるもので
ある。そして、この電子放出電極のエミッタとしてカー
ボンナノチューブを利用するものである。すなわち、こ
のＸ線発生装置は、次の構成を備えている。（ａ）熱陰
極は、自己抵抗加熱をしない構造である。（ｂ）熱陰極
の背面側には、熱陰極から間隔をおいて、電子放出電極
が配置されている。（ｃ）電子放出電極のエミッタはカ
ーボンナノチューブで構成されている。（ｄ）熱陰極の
電位に対して電子放出電極に負の電位が印加されること
で電子放出電極のエミッタから電子が放出されて、この
電子が熱陰極に衝突することで熱陰極が加熱される。

【０００９】そして、前記負の電位を調節することで、
Ｘ線発生装置の管電流を制御することができる。前記熱
陰極の材質には特に制限はないが、少なくとも電子放出
部分の材質を六ホウ化ランタンとするのが好ましい。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て
もよい。

【００１０】

【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、この発明のひとつの
実施形態における電子銃ユニット１０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１０はウェネルト１２を備えており、このウェネル
ト１２の内部に熱陰極１４がある。熱陰極１４の背面側
（ターゲット１６に面している側とは反対の側）には間
隔をおいて電子放出電極１８が配置されている。この電
子放出電極１８は熱陰極１４を加熱するためのボンバー
ド電極として機能する。

【００１１】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。熱陰極１４から放出され
た熱電子２６は、ウェネルト１２の窓２８で絞られ、熱
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。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Ｌ１は約１２ｍｍである。

【００１２】図２は熱陰極１４の付近を拡大して示した
切断端面図である。電子放出電極１８は、電極ベース２
０と、その表面に固定されたエミッタ２２とからなる。
電極ベース２０は厚さ０．５ｍｍのニッケル板で作られ
ている。エミッタ２２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。熱陰極１４と電子
放出電極１８との距離Ｌ２は０．５〜３．０ｍｍに設定
される。熱陰極１４は厚さ０．５ｍｍの六ホウ化ランタ
ンでできている。この場合、熱陰極１４の全体を六ホウ
化ランタンで作ってもよいが、熱陰極１４のベースをカ
ーボンにして電子放出面だけを六ホウ化ランタンとして
もよい。あるいは、その他の熱陰極材質として、（１）
タングステン単体、（２）タンタル単体、（３）含浸タ
ングステン、すなわち、タングステンにバリウムを含浸
させてエミッション特性を良好にしたもの、（４）トリ
ウムタングステン、すなわち、タングステンにトリウム
を添加したもの、などを用いてもよい。

【００１３】熱陰極１４と電子放出電極１８の間には、
熱陰極１４の電位に対して電子放出電極１８が負の電位
となるように、電圧が印加される。そうすると、電子放
出電極１８のエミッタ２２から電界放出の作用によって
電子２４が放出される。カーボンナノチューブからなる
エミッタ２２からは、１平方センチメートル当たり１０
０ｍＡ〜１Ａ程度の電流密度を得ることができる。電子
２４は電界で加速されて、熱陰極１４の背面に衝突す
る。この電子衝突により熱陰極１４が加熱されて、熱陰
極１４から熱電子２６が放出される。この熱電子２６が
ターゲットに衝突する。熱陰極１４の適切な加熱温度
は、熱陰極材質が六ホウ化ランタン、含浸タングステ
ン、トリウムタングステンの場合は１０００〜１６００
℃であり、タングステン、タンタルの場合は２０００〜
２３００℃である。

【００１４】図３は熱陰極１４の正面図（ターゲットの
側から見た図）である。熱陰極１４の表面は正方形であ
り、この熱陰極１４はウェネルトの開口３０の中に収納
されている。また、ウェネルトの表面には、開口３０よ
りも大きな窓２８がある。窓２８の開口寸法は７ｍｍ×
７ｍｍ程度である。開口３０の寸法は５ｍｍ×５ｍｍ程
度である。熱陰極１４の表面の寸法は３ｍｍ×３ｍｍ程
度である。

【００１５】図１に戻って、このＸ線発生装置の電気回
路を説明する。熱陰極１４とターゲット１６の間には第
１電源４２が接続されていて、ターゲット１６の電位
（通常は接地されている）に対して熱陰極１４の電位
（管電圧）が例えばマイナス６０ｋＶに設定される。熱
陰極１４から放出された熱電子２６はこの管電圧で加速
されてターゲット１６に衝突する。管電流は数十〜３０
０ｍＡ程度である。熱陰極１４とウェネルト１２の間に
は第２電源４４が接続されていて、熱陰極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。熱陰極１４から放出された熱電子２６
は、熱陰極１４に対してマイナス電位のウェネルト１２
の窓２８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。このように、第２電源４４は、熱陰
極１４に対してウェネルト１２の電位を制御するもので
あり、熱陰極１４から放出された熱電子２６をターゲッ
ト１６上に集束させる機能を有する。この第２電源４４
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。

【００１６】熱陰極１４と電子放出電極１８の間には第
３電源４６が接続されていて、熱陰極１４の電位に対し
て電子放出電極１８の電位は０〜マイナス１０００Ｖの
間の適当な電位（例えばマイナス５００Ｖ）に設定され
る。好ましくは、熱陰極１４と電子放出電極１８の間の
電界の強さは１０００〜６０００Ｖ／ｍｍに設定する。
そして、熱陰極１４に対する電子放出電極１８の電位を
制御することにより、電子放出電極１８から放出される
電子２４（図２を参照）の電流を制御することができ
る。この電流の値は１〜１０ｍＡ程度である。この電流
の大きさによって熱陰極１４の加熱温度が定まり、この
加熱温度によって熱陰極１４から放出される熱電子２６
の電流（管電流）の大きさが定まる。したがって、第３
電源４６を調節することでＸ線発生装置の管電流を制御
できる。

【００１７】このＸ線発生装置は、熱陰極に直接電流を
流して自己抵抗加熱するいわゆる直熱タイプではないの
で、大電流を流すための従来の高圧ケーブルが不要とな
る。このＸ線発生装置では、電子放出電極１８と熱陰極
１４と第３電源４６とからなる閉回路に流れる電流（加
熱電流と呼ぶことにする）は従来のフィラメント電流に
比べて非常に小さい。Ｘ線発生装置につなぐ高圧ケーブ
ルには、管電流と上述の加熱電流の合計の電流が流れる
が、管電流は数十〜３００ｍＡ程度であり、加熱電流は
１〜１０ｍＡ程度であるから、高圧ケーブルには、せい
ぜい３００ｍＡ程度の電流しか流れない。したがって、
高圧・大電流用の太いケーブルは不要になり、市販の細
い高圧ケーブルでも間に合う。このような高圧ケーブル
は安価であり、また、取り扱いも簡単である。そして、
Ｘ線発生装置が高圧ケーブルから大きな力を受けるよう
なこともない。また、大電流が流れないので、Ｘ線発生
装置と高圧ケーブルとの接続部分の接触端子について
も、発熱を考慮した設計にしなくてもよい。なお、この
Ｘ線発生装置につながる高圧ケーブルとしては、電子放
出電極１８につながるケーブル、熱陰極１４につながる
ケーブル、ウェネルト１２につながるケーブルの３本が
必要になる。ターゲット１６はＸ線発生装置の管球ケー
シングと一体に接地されているので、ターゲットにつな
がる高圧ケーブルは不要である。

【００１８】上述の実施形態では、エミッタ２２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。

【００１９】

【発明の効果】この発明のＸ線発生装置は、炭素系材料
（カーボンナノチューブまたはフラーレン）からなる冷
陰極電子放出源から得られる電子流を利用して熱陰極を
加熱しているので、高圧ケーブルに大電流を流す必要が
なくなる

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のひとつの実施形態の電子銃ユニット
の切断端面図である。

【図２】熱陰極の付近を拡大して示した切断端面図であ
る。

【図３】熱陰極の正面図である。

【符号の説明】

１０電子銃ユニット１２ウェネルト１４熱陰極１６ターゲット１８電子放出電極４２第１電源４４第２電源４６第３電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栗林勝東京都昭島市松原町３丁目９番12号理学電機株式会社内Ｆターム(参考） 4C092 AA01 AB27 BD04 BD19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱陰極と、熱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）前記熱陰極は、自己抵抗加熱をしない構造であ
る。（ｂ）前記熱陰極の背面側には、熱陰極から間隔をおい
て、電子放出電極が配置されている。（ｃ）前記電子放出電極のエミッタはカーボンナノチュ
ーブで構成されている。（ｄ）前記熱陰極の電位に対して前記電子放出電極に負
の電位が印加されることで電子放出電極のエミッタから
電子が放出されて、この電子が熱陰極に衝突することで
熱陰極が加熱される。
【請求項２】請求項１に記載のＸ線発生装置におい
て、前記負の電位を調節することで管電流が制御される
ことを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項３】請求項１に記載のＸ線発生装置におい
て、前記熱陰極の少なくとも電子放出部分の材質が六ホ
ウ化ランタンであることを特徴とするＸ線発生装置。
【請求項４】請求項１から３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。