(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のＸ線管の熱陰極において、
前記発熱体に凹部が形成されていて、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末が焼結状態で固着していることを特徴とする熱陰極。
【請求項２】
請求項１に記載の熱陰極において、前記発熱体の材料がガラス状カーボンであり、前記熱電子放射材料が六ホウ化ランタンであることを特徴とする熱陰極。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱陰極において、前記発熱体に第１の凹部が形成され、この第１の凹部の底部にさらに第２の凹部が形成されていて、前記第２の凹部の内部に熱電子放射材料の粉末が焼結状態で固着していることを特徴とする熱陰極。
【請求項４】
熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のＸ線管の熱陰極を製造する方法において、次の（イ）〜（ハ）の段階を有する製造方法。
（イ）発熱体に凹部を形成する段階。
（ロ）前記凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填する段階。
（ハ）前記粉末を充填した状態の発熱体を通電して前記粉末の温度を上昇させることにより、前記粉末を焼結させる段階。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＸ線管の熱陰極に関し、特に、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造の熱陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線管の熱陰極の熱電子エミッタの材料として六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）を使うことが知られている（例えば、特開平１０−３２１１１９号公報）。この六ホウ化ランタンは、この材料だけで熱陰極を構成する場合もあるし（特開平１０−３２１１１９号公報の図１や図１４を参照）、カーボン等の発熱体に取り付けて熱陰極とする場合もある（特開平１０−３２１１１９号公報の図９と図１０を参照）。この発明は、後者のような使い方（熱電子エミッタを発熱体に取り付けたもの）に適用できるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３２１１１９号公報の図９と図１０の例では、カーボン製の発熱体に六ホウ化ランタン製の薄板を貼り付けている。このように薄板を貼り付けるためには、市販のカーボン接着剤に炭化ホウ素を加えて、これをカーボン製の発熱体と六ホウ化ランタン製の薄板の接合面及びその周囲に塗って、焼き固めていた。この場合、カーボンは六ホウ化ランタンに比べて柔軟で外力により変形できるのに対して、六ホウ化ランタンは硬いので、カーボンが変形した際に六ホウ化ランタンはこれに追従できず、接着部が破壊して六ホウ化ランタンが脱落するという問題が生じている。また、六ホウ化ランタンはカーボンに比べて電気抵抗が極めて小さいので、電気が通る断面積を小さくする必要があり、そのためには、六ホウ化ランタンを薄く作る必要があるが、そのように加工するのは大変である。さらに、薄板製の六ホウ化ランタンは、その厚さ分だけカーボンの表面から突き出ることになるので、六ホウ化ランタンの側面（厚さ部分）からも熱電子が放射されて、これがＸ線管のターゲット上の焦点の輝度むらを引き起こす原因になる。
【０００４】
この発明は上述の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、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のＸ線管の熱陰極において、熱電子エミッタを任意の形状に容易に製造できてかつ熱電子エミッタが脱落しないような熱陰極を提供することにある。この発明の別の目的は、横方向への熱電子放射をなくして、ターゲット上の焦点の輝度むらを少なくできる熱陰極を提供することにある。この発明のさらに別の目的は、このような熱陰極を製造するための簡便な方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明のＸ線管の熱陰極は、発熱体に凹部を形成して、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結固着したものである。この焼結した熱電子放射材料が熱電子エミッタになる。このようにすると、比較的薄い熱電子エミッタを任意の形状に容易に製造できる。そして、この熱電子エミッタは発熱体にしっかりと固着して脱落がしにくい。さらに、熱電子エミッタの正面（ターゲットに対向する面）だけが露出していて側面が露出していないので、熱電子エミッタの側面からの熱電子放射がなくなり、Ｘ線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【０００６】
発熱体の材料としてはカーボンが適しており、特にガラス状カーボンが好ましいが、グラファイトを使うこともできる。熱電子放射材料の粉末の材質は特に制限されないが、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、各種のホウ化物等を使うことができる。その中でも特に六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）が適している。Ｘ線管のターゲットの材質に応じて熱電子放射材料の粉末の材質を選択することもできる。例えば、ＥＸＡＦＳ測定におけるコンタミネーション対策としては、ターゲットと熱電子放射材料の粉末との組み合わせとして、タングステンのターゲットに対して、熱電子放射材料の粉末としてタングステンやＴａＢ２を使うことができ、モリブデンのターゲットに対して、熱電子放射材料の粉末としてモリブデンや六ホウ化ランタンを使うことができる。
【０００７】
熱電子放射材料の粉末の粒径は０．１μｍ〜５０μｍの範囲内のものが使用でき、その中でも、比較的細かい１０μｍ以下のものが好ましい。上述の粒径の最小値０．１μｍは現在製造可能な下限値付近である。
【０００８】
この熱陰極は、次のようにして作ることができる。まず、発熱体に凹部を形成する。次に、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填する。それから、粉末を充填した状態の発熱体を通電して粉末の温度を上昇させることにより、粉末を焼結させる。このように、発熱体に通電するだけで粉末を焼結できるので、焼結のための加熱炉等を必要としない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の熱陰極の第１の実施形態における発熱体の斜視図である。この発熱体１０はガラス状カーボン（ｇｌａｓｓｙ  ｃａｒｂｏｎ）でできている。ガラス状カーボンは電気抵抗が黒鉛よりも非常に大きく、通電経路を長くしなくても（形状を複雑にしなくても）、タングステンコイルを使う場合と同程度の電力で熱電子放射材料を十分な温度に加熱できる。また、ガラス状カーボンは、グラファイトに比べて、溝を加工する際にエッジをシャープに加工できるので、加工精度が高い。この発熱体１０は、１対の通電用の端子１２、１４と、１対の脚部１６、１８と、エミッタ支持部２０とからなる。エミッタ支持部２０の上面には溝２２（凹部）が形成されている。この溝２２の長さＬは１２ｍｍ、幅Ｗは２ｍｍ、深さＤは０．２ｍｍである。この溝２２の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填することになる。
【００１０】
六ホウ化ランタンの粉末は粒径が０．１μｍ〜５０μｍの範囲内のものを使用でき、好ましくは０．１μｍ〜１０μｍの範囲内ものを使用する。この粉末を上述の溝２２の内部に充填するのに、次の３種類の方法を試した。いずれの方法もこの発明に使うことができる。
【００１１】
第１の充填方法では、溝２２の内部に六ホウ化ランタンの粉末をそのまま充填して、上から平板で押さえつけた。そのとき、粉末の表面がエミッタ支持部２０の上面と同じ高さになるようにした。
【００１２】
第２の充填方法では、六ホウ化ランタンの粉末を酢酸ブチル（液体）に懸濁させて粘土状にしてから、これを「へら」を用いて溝２２の内部に塗り込んだ。そのとき、この粘土状の混合物がエミッタ支持部２０の上面と同じ高さになるようにした。酢酸ブチルは六ホウ化ランタンを加熱させれば蒸発することになる。
【００１３】
第３の充填方法では、溝２２の内面に市販のカーボン接着剤を塗ってから、その上に六ホウ化ランタンの粉末を充填した。そのとき、粉末の表面がエミッタ支持部２０の上面と同じ高さになるようにした。カーボン接着剤には、六ホウ化ランタンとの密着性を向上させるために炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を混ぜておいてもよい。
【００１４】
上述のようにして溝２２の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填したら、この発熱体１０を通電して粉末を焼結する。具体的には、六ホウ化ランタン粉末を充填した発熱体１０を開放型のＸ線管に取りつける。そして、Ｘ線管の内部を真空に排気しながら、この発熱体に通電する。その際、発熱体の両端に印加する電圧を徐々に増加させて、温度上昇を緩やかにする。例えば、１〜２時間をかけて１０００℃程度まで温度上昇させる。これによって、まず、六ホウ化ランタンの粉末のガス出しを実行する。それと同時に、発熱体による加熱と自己の発熱とによる温度上昇によって、粉末が焼結する。ここで、焼結とは、粉末材料がその融点以下の温度で熱処理されて粉末が互いに結合して一体化することを意味する。六ホウ化ランタンの融点は２７２０℃と高温であるから、それよりもかなり低い温度に加熱して、この粉末を焼結している。
【００１５】
粉末を充填する際は、上述のように粉末の表面がエミッタ支持部の上面と同じ高さにするのが一般的であるが、粉末の表面がエミッタ支持部の上面よりもわずかに下がっていても構わない。すなわち、熱電子エミッタの表面が、エミッタ支持部の上面よりも突き出さなければよいのであって、エミッタ支持部と同じ高さか、それよりもわずかに下がっていればよい。
【００１６】
図２は完成した熱陰極の斜視図である。図１の溝２２の内部に充填された粉末が焼結して固着した状態にあり、これが熱電子エミッタ２４を形成している。この熱電子エミッタ２４はサイズが２ｍｍ×１２ｍｍの矩形の熱電子放射面を備えていて、Ｘ線管のターゲット上にサイズが０．５ｍｍ×１２ｍｍの焦点（ノーマルフォーカス）を作るのに使うことができる。熱電子エミッタ２４から図２の上方に向かって熱電子が放射されることになる。この熱陰極を使用して電子流を発生させるときは、熱電子エミッタが１４００〜１５００℃の温度になるように発熱体１０に電流を流している。例えば、この熱陰極の１対の端子１２、１４間に約９Ｖの電圧を印加すると、熱陰極に約６Ａの電流が流れ、熱電子エミッタ２４が約１５００℃に加熱される。
【００１７】
一般に粉末材料を焼結させるためには、粉末材料を加圧成形してから、これを加熱炉などの加熱手段を用いて所望の温度まで加熱する必要がある。これに対して、この発明の熱陰極では、発熱体に粉末を充填してあるので、この発熱体に通電することで粉末を加熱することができ、別個の加熱手段を何ら必要としない。さらに、この発熱体を実際に開放型のＸ線管の熱陰極用の端子に取り付ければ、Ｘ線管の熱陰極加熱制御装置をそのまま使用して熱陰極電流を制御することにより、発熱体の温度制御が可能になる。したがって、粉末を焼結するに当たって、専用の加熱手段も、専用の温度制御装置もすべて不要になる。
【００１８】
ところで、Ｘ線管に限定しなければ、熱陰極の技術分野において、発熱体に形成した凹部に粉末を充填してこれを焼結した公知例が存在する。例えば、特開昭５８−６６２３５号公報の第６図の例では帯状のヒータに形成した孔に高融点金属粉末を充填してこれを焼結している。この焼結体に熱電子放射材料を含浸することになる。また、特開昭５６−３５３４７号公報ではニッケル製の支持体に形成した孔にニッケル粉末を充填してこれを焼結している。この焼結体に熱電子放射材料を含浸している。これらの公知技術は、発熱体に形成した凹部に「熱電子放射材料を含浸する基体となる多孔質体を作るための粉末」を充填してこれを焼結したものである。これに対して、この発明の熱陰極は、熱電子放射材料の粉末をそのまま発熱体の凹部に充填して焼結したことに特徴がある。Ｘ線管の熱陰極にとっては、熱電子放射材料を含浸するタイプの熱陰極は好ましくない。なぜならば、熱電子放射材料を含浸する基体となる多孔質体（焼結体）を構成する元素が、Ｘ線管のターゲットのコンタミネーションとなる恐れがあるからである。それゆえに、Ｘ線管にとっては、熱電子放射材料だけから熱電子エミッタを作ることが重要である。さらに、Ｘ線管では、比較的小さな熱電子放射面から均一かつ大量の電子放射を得ることが必要であり、そのような観点からも、含浸型ではなくて熱電子放射材料だけで作った熱電子エミッタが必要である。含浸型では大量の電子放射を得るのは難しい。
【００１９】
図３〜図６は熱電子エミッタの寸法及び形状を変更した別の実施形態の熱陰極を示す斜視図である。いずれも、図２の熱陰極と同じ方法で作られている。図３の熱陰極（第２の実施形態）は、小さな寸法のエミッタ支持部２０ａ（上面のサイズが例えば１ｍｍ×１ｍｍの正方形）の上面に内径０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍの穴（凹部）をあけて、この穴の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結したものである。この熱電子エミッタ２４ａは直径０．５ｍｍの円形の熱電子放射面を備えていて、Ｘ線管のターゲット上に０．０１ｍｍ×０．０１ｍｍの焦点を作るのに使うことができる。
【００２０】
図４の熱陰極（第３の実施形態）は、エミッタ支持部２０ｂの側面に熱電子放射面をもってきて、図の手前の方向に熱電子を放射させるものである。この熱陰極は、ターゲットの焦点３０ｂに対向する位置に熱電子放射面が存在しないようにしている。この種の熱陰極（ターゲットの焦点に対向する位置に熱電子放射面が存在しないタイプ）については特開平１０−３０２６８８号公報に開示されている。この熱陰極では、概略環状のエミッタ支持部２０ｂの上部と下部のそれぞれの側面に溝を形成して、この溝に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結し、熱電子エミッタ２４ｂを得た。上部と下部の熱電子放射面のサイズはそれぞれ１ｍｍ×１２ｍｍであり、これらの熱電子放射面の間隔は０．５〜２ｍｍ程度である。熱電子エミッタ２４ｂから図の手前方向に放射された熱電子は、ウェーネルト電極２６ｂに形成された開口部２８ｂによって絞られて、ターゲット上に（０．５ｍｍ〜１ｍｍ）×１２ｍｍの焦点３０ｂとして集束する。
【００２１】
図５の熱陰極（第４の実施形態）は、図４とほぼ同様であるが、熱電子エミッタ２４ｃの形状がほぼ円環状になっている。この熱電子エミッタ２４ｃもエミッタ支持部２０ｃに形成した溝に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結することで作ることができる。熱電子エミッタ２４ｃの熱電子放射面のサイズは内径が１〜１．５ｍｍで、半径方向の幅が０．５ｍｍである。ほぼ円環状の熱電子エミッタ２４ｃから図の手前方向に放射された熱電子は、ウェーネルト電極２６ｃに形成された開口部２８ｃによって絞られて、ターゲット上に直径０．３ｍｍの点状の焦点３０ｃを形成する。
【００２２】
図６の熱陰極（第５の実施形態）は図２の熱陰極に類似しており、熱電子エミッタ２４ｄの形状は矩形である。ただし、その熱電子放射面の寸法は、０．５ｍｍ×１ｍｍであり、ターゲット上の焦点サイズは、０．１ｍｍ×１ｍｍである。
【００２３】
図７はウェーネルト電極を通して図２の熱陰極の熱電子放射面（図２の上面）を見た平面図である。ウェーネルト電極２６には細長い開口部２８が形成されており、この開口部２８から、熱陰極のエミッタ支持部２０と、その上の熱電子エミッタ２４とが見えている。
【００２４】
図８は図７のＡ−Ａ線で切断した切断端面図である。熱電子エミッタ２４から放射された熱電子は電子流３２となり、この電子流３２はウェーネルト電極２６の開口部２８で絞られて、ターゲット３４上に焦点３０を形成する。この実施形態では、ウェーネルト電極２６の電位は熱陰極の電位（例えばマイナス６０ｋＶ）と同じにできる。あるいは、ウェーネルト電極２６にバイアス電圧（例えば、熱陰極の電位よりもマイナス側に１ｋＶ程度まで）を印加することもできる。熱電子エミッタ２４の幅Ｗは２ｍｍであるが、焦点３０の幅ＦＷは０．５ｍｍである。紙面に垂直な方向の長さＬは、熱電子エミッタ２４も焦点３０も、ほぼ１２ｍｍである。熱電子エミッタ２４の熱電子放射面のサイズは、このように焦点サイズよりも大きくして、熱電子エミッタからの電子流を絞って焦点を作るのが好ましい。こうすると、電子流の電流（Ｘ線管の電流）を大きくとることができて、高出力のＸ線を発生することができる。なお、熱電子エミッタ２４の熱電子放射面のサイズは、焦点サイズと同程度までは小さくすることができる。
【００２５】
この熱陰極では、熱電子エミッタ２４は、エミッタ支持部２０の凹部の内部に埋め込まれた状態になっているので、エミッタ支持部２０の表面から突き出していない。したがって、熱電子エミッタ２４の幅Ｗの外側の側面３６は露出しておらず、この側面３６から熱電子が放射されることはない。側面３６から熱電子が放出されてしまうと、ウェーネルト電極２６による電子レンズの作用で電子流を絞る場合に、その電子レンズの収差が大きくなって、ターゲット３４上に所望のサイズにまで電子流を絞ることが非常に難しくなり、輝度むらが生じてしまう。これに対して、この実施形態では側面３６から熱電子が放出されないので、焦点３０の輝度むらが少なくなる。また、ウェーネルト電極２６にバイアス電圧を印加しなくても（熱陰極と同電位であっても）、輝度むらの少ない焦点３０を得ることができる。
【００２６】
ところで、図２を見ると分かるように、熱電子エミッタ２４の長手方向の両端部では、熱電子エミッタ２４の側面４４が露出している。理想的には、この長手方向の両端部でも熱電子エミッタ２４の側面４４が露出しない方が好ましい。しかし、この長手方向については、ウェーネルト電極で電子流を絞っていないので（すなわち、熱電子エミッタ２４の長手方向のサイズとターゲット上の焦点３０の長手方向のサイズはどちらも１２ｍｍである）、電子レンズの収差を考える必要がなくて、長手方向の両端部の側面４４から放出される熱電子の影響で焦点３０がぼやけたり輝度むらが生じたりすることはない。結局、熱電子エミッタの側面のうち、少なくとも電子レンズで絞る方向の側面が露出していないことが大切である。
【００２７】
図９はこの発明の熱陰極の第６の実施形態の斜視図である。図２の熱陰極と異なるところは、エミッタ支持部２０ｅの上面に電子流集束用の段差３８が形成されていることである。この熱陰極は次のようにして作ることができる。エミッタ支持部２０ｅの上面に、まず第１の溝４０（第１の凹部）を形成し、この第１の溝４０の底部に第２の溝４２（第２の凹部）を形成する。第２の溝４２の内部には六ホウ化ランタンの粉末を充填して、発熱体に通電することで粉末を焼結して、熱電子エミッタ２４ｅが完成する。第１の溝４０の両側の側壁は段差３８となっている。この段差３８は電子流を集束させる役割を果たしている。この点を図１０を参照して以下に説明する。
【００２８】
図１０は図９の熱陰極についての図８と同様の切断端面図である。熱電子エミッタ２４ｅから放射された熱電子は電子流３２ｅとなり、この電子流３２ｅはエミッタ支持部２０ｅに形成された段差３８によって絞られて、ターゲット３４上に焦点３０ｅを形成する。ウェーネルト電極２６ｅの開口部２８ｅはエミッタ支持部２０ｅよりも外側にある。この実施形態では、段差３８が電子流３２ｅを集束する電子レンズの役割（図８におけるウェーネルト電極２６の開口部２８が果たしている役割）を果たしている。段差３８と熱電子エミッタ２４ｅとの距離は、エミッタ支持体２０ｅに第１の溝と第２の溝とを形成したときの加工精度で定まり、精度がきちんと出る。したがって、ターゲット３４上に集束する焦点３０ｅのサイズが設計通りに正確に定まる。これに対して、図８のように、ウェーネルト電極２６の開口部２８によって電子流３２を集束させる場合には、開口部２８の幅方向の中心と熱電子エミッタ２４の幅方向の中心とは必ずしも一致せず、その誤差は、ウェーネルト電極２６や熱陰極を組み立てるときの組立精度に依存する。したがって、図８の場合は焦点３０のサイズが設計値からずれるおそれがある。
【００２９】
【発明の効果】
この発明のＸ線管の熱陰極は、発熱体の凹部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結したので、比較的薄い熱電子エミッタを容易に製造でき、かつ、この熱電子エミッタが発熱体にしっかりと固着して脱落がしにくい。さらに、熱電子エミッタの正面だけが露出していて側面が露出していないので、側面からの熱電子放射がなくなり、Ｘ線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の熱陰極の第１の実施形態における発熱体の斜視図である。
【図２】図１の発熱体を用いて完成した熱陰極の斜視図である。
【図３】この発明の熱陰極の第２の実施形態の斜視図である。
【図４】この発明の熱陰極の第３の実施形態の斜視図である。
【図５】この発明の熱陰極の第４の実施形態の斜視図である。
【図６】この発明の熱陰極の第５の実施形態の斜視図である。
【図７】ウェーネルト電極を通して図２の熱陰極の熱電子放射面を見た平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線で切断した切断端面図である。
【図９】この発明の熱陰極の第６の実施形態の斜視図である。
【図１０】図９の熱陰極についての図８と同様の切断端面図である。
【符号の説明】
１０  発熱体
１２、１４  端子
１６、１８  脚部
２０  エミッタ支持部
２２  溝
２４  熱電子エミッタ
２６  ウェーネルト電極
２８  開口部
３０  焦点
３４  ターゲット
【図１】
0003561664.tif 000002
【図２】
0003561664.tif 000003
【図３】
0003561664.tif 000004
【図４】
0003561664.tif 000005
【図５】
0003561664.tif 000006
【図６】
0003561664.tif 000007
【図７】
0003561664.tif 000008
【図８】
0003561664.tif 000009
【図９】
0003561664.tif 000010
【図１０】
0003561664.tif 000011