(57)【要約】【課題】真空排気装置を備えることなく、しかもパッケージ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。【解決手段】内部に高真空又は低圧ガス雰囲気を維持する容器１と、容器内に配置された少なくとも１つの異極像結晶４と、異極像結晶の温度を昇降させる温度昇降手段３、５〜７と、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９と、容器内における、温度昇降手段によって熱励起された異極像結晶から生じる電界の到達範囲内に配置され、異極像結晶又は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８とを備える。【選択図】図１
2010015711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７４５５６号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５５７５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００６／１０３８２２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
異極像結晶４としては、ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３８】
１  容器
２  Ｘ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
９ｉ  Ｓｉ基板
【図１】
2010015711.tif 000003
【図２】
2010015711.tif 000004
【図３】
2010015711.tif 000005
【図４】
2010015711.tif 000006