(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地されている筐体内に、絶縁部材を介してガラス管の一端部が支持され、当該ガラス管内における当該一端部側に、電子を放出する冷陰極素子が設けられ、当該ガラス管の他端部側に、前記冷陰極素子から放出された電子の照射によってＸ線を発生するターゲットと、前記ターゲットで発生したＸ線を外部に放出する窓部とを有する、電界放出型Ｘ線発生装置であって、
前記ガラス管の下端部の周縁部、および当該周縁部から前記ガラス管の側面の中ほどまでの周囲は絶縁材で覆われ、かつ前記ガラス管の側面の中ほどまで覆っている前記絶縁材の端部は、外方に凸に湾曲した形状を有することを特徴とする、電界放出型Ｘ線発生装置。
【請求項２】
接地されている筐体内に、絶縁部材を介してガラス管の一端部が支持され、当該ガラス管内における当該一端部側に、電子を放出する冷陰極素子が設けられ、当該ガラス管の他端部側に、前記冷陰極素子から放出された電子の照射によってＸ線を発生するターゲットと、前記ターゲットで発生したＸ線を外部に放出する窓部とを有する、電界放出型Ｘ線発生装置であって、
前記ガラス管における、少なくとも一端部周縁表面は、絶縁材で覆われ、前記絶縁材で覆われていない前記ガラス管の表面及び前記絶縁材の端部は、導体で被覆され、当該導体は接地されていることを特徴とする、電界放出型Ｘ線発生装置。
【請求項３】
前記絶縁材の表面は、導体で被覆され、当該導体は接地されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電界放出型Ｘ線発生装置。
【請求項４】
前記導体は、銀ペースト、ニッケルペースト、金ペースト、パラジウムペースト、またはカーボンペーストの何れか、またはこれらの組み合わせからなる導体膜であることを特徴とする、請求項２または３に記載の電界放出型Ｘ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出型冷陰極素子を用いたＸ線発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型冷陰極素子を用いたＸ線管（以下、「電界放出型Ｘ線管」という）は、常温での電子放出が可能であり、発熱量が少なく小型でも高性能化が容易になることから、従来のフィラメント方式（加熱したフィラメントが電子放出源として使われる）のＸ線管に代わる高出力光源として期待されている。しかしながら、電子源である電子放出素子（冷陰極素子）の電子放出量は、動作電圧以上の範囲においては印加電圧上昇に伴い指数関数的に増加する傾向がある。
【０００３】
例えば、動作電圧−１３．５ｋＶ印加時に３００μＡの管電流（Ｘ線管内部において冷陰極素子から接地ターゲット電極間で流れる電流）が発生するＸ線管において、前記動作電圧より高い−１４．５ｋＶの電圧が印加されると、管電流は３０００μＡにもなり、管電流は１０倍に急増する。このような急激な電流の増加は、管内において局所的な放電現象を誘発しやすくなり、この放電現象は電子放出源である冷陰極素子およびターゲットの破損、管内の真空レベルの劣化などを引き起こし、結果的に定格電圧範囲でのＸ線出力の低下、すなわち寿命の短縮を招く。発明者らの知見では、異常放電の原因となる管電圧の変動要因として、冷陰極素子を収納しているガラス管内壁面に蓄積される電荷に起因する放電が挙げられる。
【０００４】
これを図６に即して詳述する。従来の電界放出型Ｘ線管１０１は、接地され、上面が開口した筐体１０２を有し、この筐体１０２内に、絶縁体１０３を介して、ガラス管１０４の一端部が支持されている。ガラス管１０４は、筐体１０２内に収容されている。このガラス管１０４の絶縁体１０３側に、冷陰極素子１０５が設けられ、当該冷陰極素子１０５の周囲に、円筒状の金属電極１０６が設けられている。冷陰極素子１０５は金属電極１０６と並列に接続されており、これらの電極に、直流電源１０７から負電圧が印加されるようになっている。ガラス管１０４の他端側内面には、導電性の良好な金属材料によって構成されたターゲット１０８が形成されている。ターゲット１０８には、接地電位となる窓部１０９が接合され、外部に露出している。窓部１０９はターゲット１０８で発生したＸ線を外部に放出する機能を持った材料が使用され、たとえばＸ線の透過性にすぐれたベリリウムによって構成されている。なおガラス管１０４は気密に構成され、さらにガラス管１０４と筐体１０２の上面端部との間には、適宜の筐体１０２へのガラス管１０４の固定部材（以下、「固定部材」という）１１０が掛け渡されている。かかる構成により、筐体１０２とガラス管１０４との間には、空間Ｓが形成されている。
【０００５】
そして冷陰極素子１０５に所定の高圧電圧、例えば−１３．５ｋＶを印加して電界放出型Ｘ線管１０１を作動させると、冷陰極素子１０５からターゲット１０８に向け、電子が放出され、窓部１０９からＸ線が放出される。
【０００６】
このとき、冷陰極素子１０５周辺の同電位の金属電極１０６と、接地された筐体１０２との間に電界が形成されるため、当該電界によって一部の電子が筐体１０２に向かって供給される。しかしながら、金属電極１０６と筐体１０２の間には、絶縁体であるガラス管１０４が存在しており、筐体１０２に向かって放出される電子は、当該ガラス管１０４の内面に蓄積されていく。この電子の蓄積は、ガラス管１０４と金属電極１０６間の電位差が無くなるまで継続する。換言すれば、同電位（この場合は−１３．５ｋＶ）になった時点で、ガラス管１０４内壁面への電子の蓄積による増加は無くなり平衡状態になる。
【０００７】
この結果、作動直後は冷陰極素子１０５と筐体１０２との間で−１３．５ｋＶの電位差があったのに対して、作動後の平衡状態ではガラス管１０４と筐体１０２の間の空気層Ｓに、−１３．５ｋＶの電位差が発生することになり、局所的な放電が発生するリスクが高くなる。特に、ガラス管１０４の下端部Ａ周辺は電界集中がより生じやすく、放電発生の起点になりやすい。この放電が生じると、周辺に急激な電界の変化を伴い、冷陰極素子１０５への印加電圧にも影響し、これを変化させる。この印加電圧の変化が原因で、特に印加電圧が増加（絶対電圧としてで、例えば−１３．５ｋＶ→−１４ｋＶに増加）した場合に、電子放出量が急激に増加して、この過電流により冷陰極素子１０５の電子放出面の損傷を招き、寿命劣化の大きな原因となる。
【０００８】
この点に関し、電子源として従来の熱電子方式を採用したＸ線管の内部において、絶縁部材の外面に、高抵抗値を有する電気抵抗膜を固着することが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２４５８０６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載された従来技術は、Ｘ線管内部での放電を問題としており、前記したような、筐体１０２とガラス管１０４との間に発生する放電に対してどのように対応するかについては不明である。また前記従来技術は、電気抵抗膜の抵抗値に制限があり、Ｘ線管の導電部より高く、かつ絶縁部よりも低い抵抗値を有するものに限られ、この点で汎用性があるものとは言えなかった。またさらにいえば、前記従来技術では、放電の現象に関してどのように発生するかについて説明が無いばかりか、抵抗膜塗布により、なぜ放電を防止できるのかについての説明もない。したがって、対策の具体的な効果が理解し得えず、前記したガラス管１０４と筐体１０２の間に発生する局所的な放電現象に対して、どのように適用すべきか、また適用した場合の効果については、まったく示唆もないものである。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電界放出型冷陰極素子を用いたＸ線発生装置において、そのような高抵抗膜を塗布することなく、冷陰極素子を収容しているガラス管とその外側に位置している筐体間の微小放電を防止して、冷陰極素子、Ｘ線発生装置の寿命を従来よりも延ばし、安定した動作を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本発明は、接地されている筐体内に、絶縁部材を介してガラス管の一端部が支持され、当該ガラス管内における当該一端部側に、電子を放出する冷陰極素子が設けられ、当該ガラス管の他端部側に、前記冷陰極素子から放出された電子の照射によってＸ線を発生するターゲットと、前記ターゲットで発生したＸ線を外部に放出する窓部とを有する、電界放出型Ｘ線発生装置であって、前記ガラス管の下端部の周縁部、および当該周縁部から前記ガラス管の側面の中ほどまでの周囲は絶縁材で覆われ、かつ前記ガラス管の側面の中ほどまで覆っている前記絶縁材の端部は、外方に凸に湾曲した形状を有することを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、電界集中により放電の起点となりやすい一端部周縁表面は、絶縁材で覆われているので、気中での電界強度の上昇を防止して、電荷の蓄積を抑えることができ、前記したような放電の発生を防止することができる。
【００１４】
本発明においては、少なくとも電界集中により放電の起点となりやすいガラス管の冷陰極素子側の端部周縁表面を覆えばよい。
【００１５】
また前記絶縁材で覆われていない前記ガラス管の表面及び前記絶縁材の端部は、導体（電気伝導体）で被覆され、当該導体は接地されているようにしてもよい。
【００１６】
さらにそのようにガラス管の表面を覆った絶縁部材の表面を、導体で被覆し、この導体を接地するようにしてもよい。かかる場合の導体には、たとえば導体からなるメッシュ、金網、導電性コイル、導体膜が含まれる。
【００１７】
前記導体は、たとえば、銀ペースト、ニッケルペースト、金ペースト、パラジウムペースト、またはカーボンペーストの何れか、またはこれらの組み合わせからなる導体膜を提案できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高抵抗膜を塗布することなく、冷陰極素子を収容しているガラス管とその外側に位置している筐体間の放電を防止して、冷陰極素子、Ｘ線発生装置の寿命を従来よりも延ばし、安定した動作を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置の構成の概略を示す側面断面を模式的に示した説明図である。
【図２】図１の電界放出型Ｘ線発生装置において、絶縁材の表面を導体で被覆した例の側面断面を模式的に示した説明図である。
【図３】ガラス管の周面すべてを絶縁材で覆い、この絶縁材の表面を導体で被覆した例の側面断面を模式的に示した説明図である。
【図４】図１の電界放出型Ｘ線発生装置において、絶縁材で覆われていないガラス管表面を、導体で被覆した例の側面断面を模式的に示した説明図である。
【図５】実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置と従来技術にかかる電界放出型Ｘ線発生装置における管電流の経時変化を示すグラフである。
【図６】従来技術にかかる電界放出型Ｘ線発生装置の構成の概略を示す側面断面を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置１の構成の概略を示しており、電界放出型Ｘ線発生装置１は、接地され、上面が開口した略立方体の筐体２内に、絶縁材３を介して、ガラス管４の一端部が支持され、ガラス管４は筐体２内に収容されている。
【００２１】
絶縁材３は、ガラス管４の下端部４ａと筐体２の底面部２ａとの間に設けられており、さらにこの絶縁材３は、ガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂを覆い、ガラス管４の側面の中ほどまでその周囲を覆っている。なお絶縁材３で覆う範囲は、発明者らの知見では、ガラス管４の下端部４ａから上端部に向けて、少なくとも３ｍｍの範囲を覆えば、所期の目的を達成できる。絶縁材３の材質は、例えばシリコーンゴムからなる。
【００２２】
このガラス管４の絶縁材３側には、冷陰極素子５が設けられ、当該冷陰極素子５の周囲に、円筒状の金属電極６が設けられている。冷陰極素子５と金属電極６は並列に接続されており、これらの電極に、直流電源７から高圧ケーブルを介して負電圧が印加されるようになっている。高圧ケーブルの絶縁材３に対する貫通部は、ガラス管４の下端部４ａ側となる。
【００２３】
ガラス管４の上端部内面には、タングステン、銅など、導電性の良好な金属材料によって構成されたターゲット８が形成されている。ターゲット８には、接地電位となる窓部９が接合され、この窓部９は、外部に露出している。窓部９はターゲット８で発生したＸ線を外部に放出する機能を持った材料が使用され、たとえばＸ線の透過性にすぐれたベリリウムによって構成されている。
【００２４】
ガラス管４は気密に構成され、ガラス管４と筐体２の上面端部との間には、固定部材１０が設けられている。かかる構成により、筐体２とガラス管４との間には、空間Ｓが形成されている。
【００２５】
実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置１は、以上の構成を有しており、冷陰極素子５に所定の高圧電圧、例えば−１３．５ｋＶを印加すると、冷陰極素子５から、ターゲット８に向け電子が放出され、ターゲット８において電子の衝突によりＸ線が生成され、窓部９からＸ線が放出される。
【００２６】
このとき、冷陰極素子５周辺の同電位の金属電極６と、接地された筐体２との間には依然として電界が形成されるため、当該電界により、一部の電子が筐体２に向かって供給され、既述したように、ガラス管４の内面に電子が蓄積されていく。しかしながら、本実施の形態では、従来、電界が集中し、放電が発生しやすかったガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂも、絶縁材３で覆われているため、強い電界部分をこの絶縁材３に形成させることができ、周縁部４ｂが空間Ｓでの放電の起点となるリスクを削減できる。したがって、放電に起因する冷陰極素子５の損傷、劣化を防止し、Ｘ線発生装置１自体の寿命を従来よりも延ばすことができ、しかも安定した動作を実現することが可能である。
【００２７】
なお電界集中を避ける意味から、ガラス管４の側面の中ほどまで覆っている絶縁材３の端部３ａは、図１に示したように、外方に凸に湾曲した形状とすることが好ましい。
【００２８】
前記実施の形態では、ガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂを絶縁材３で覆い、ガラス管４の側面の中ほどまでその周囲を覆うようにして、放電の発生を抑えるようにしたが、図２に示したように、そのように絶縁材３を形成したうえで、さらに当該絶縁材３の表面を、導体２１で被覆するようにしてもよい。導体２１は、接地する。接地にあたっては、既に接地されている筐体２と電気的に接続すれば足りる。
【００２９】
これによって、ガラス管４の壁面内に蓄積される電子と逆極性の正電荷が誘導（誘導電荷）され、本誘導電荷により外部に形成されていた強い電界はほぼゼロ近くまで減少させることができる。その結果、既述の放電現象は確実に防止することができる。一方、ガラス管４壁面には、内面と外面とで、−１３ｋＶの電位差が発生することになるが、１〜２ｍｍ厚さ程度のガラス素材の放電破壊電圧は２０〜３０ｋＶ／ｍｍ程度であり、１ｍｍ以上のガラス壁にすることで本電位差による放電は確実に防止することができる。
【００３０】
導体２１としては、たとえば導電性材料、例えば金属からなるメッシュ、金網、導電性コイルを用いることができる。その材質および厚みは特に限定されるものではなく、接地することで誘導電荷を速やかに形成できる性能を有する条件であればよい。また、一様な膜でなくても、金網のようなものでも、また単に所定の間隔で導電線を巻き付けたものでも良い。かかる場合、隣り合う導電線との距離を２ｍｍ以下とするのが望ましい。この距離が長すぎると筐体２との間に形成される電界が徐々に高くなるためである。
【００３１】
かかる点からすれば、導体２１としては、既述した金網等に代えて、銀ペースト、ニッケルペースト、金ペースト、パラジウムペースト、またはカーボンペーストの何れか、またはこれらの組み合わせからなる導体膜によるコーティングが好ましい。
【００３２】
さらに導体２１で被覆するのは、絶縁材３の表面のみならず、絶縁材３で覆われていないガラス管４の表面まで、その領域を拡大してもよい。
【００３３】
さらにまた図３に示したように、絶縁材３が覆う領域を、ガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂはもちろん、ガラス管４の側面周囲全てに広げてもよい。これによって、ガラス管４の壁面が、空間Ｓ内に露出する部分をゼロにして、ガラス管４表面の絶縁破壊強度を全てに渡って向上させるようにしてもよい。またかかる場合も、そのように被覆領域を拡大した絶縁材３の表面を導体２１で被覆し、この導体２１を接地するようにしてもよい。これによって、ガラス管４と筐体２間での放電をゼロにすることができ、しかもガラス管４自体の強度を向上させることが可能である。
【００３４】
既述したように、ガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂを絶縁材３で覆うことで、周縁部４ｂが空間Ｓでの放電の起点となるリスクを削減して、放電に起因する冷陰極素子５の損傷、劣化の防止、並びにＸ線発生装置１自体の寿命を従来よりも延ばすことができるが、ガラス管４における、絶縁材３で覆われていない部分を導体２１で被覆するようにしてもよい。
【００３５】
図４は、かかる構成のＸ線発生装置１を示しており、この例では、図１に示した例に対して、ガラス管４における絶縁材３で覆われていない部分を、前記した導体２１で被覆し、この導体２１を接地している。なお導体２１で被覆する部分は、導体２１と絶縁材３との間の境界部分が、ガラス管４の表面に位置していると、当該部分に電界集中を招くおそれがある。したがって、導体２１と絶縁材３との間の境界部分は、ガラス管４の表面には位置しない、図４に示したような絶縁材３の表面部分に位置させるのがよい。すなわち、導体２１で被覆する部分は、ガラス管４における絶縁材３で覆われていない部分、及び、絶縁材３の端部３ａの全周であってかつガラス管４の表面と接していない部分であることがよい。なお筐体２は、既に接地されているので、たとえば、当該導体２１を、窓部９を介して筐体２と電気的に接続すればよい。
【００３６】
かかる構成を採用することで、図１に示した例よりもさらに確実に放電に起因する冷陰極素子５の損傷、劣化を防止し、Ｘ線発生装置１自体の寿命を従来よりも延ばすことができる。さらにこのように、ガラス管４における絶縁材３で覆われていない部分を、導体２１で被覆することにより、ガラス管４の熱を、導体２１を通じて外部に放出することができ、ガラス管４及びその内部が蓄熱することを抑制することでができる。したがってかかる点からも、ガラス管４およびガラス管４内部の冷陰極素子５等の寿命を延ばすことができる。
【００３７】
また筐体２として立方体もしくは、水平断面が正方形の筐体を使用した場合、筐体２と円筒形のガラス管４の表面との間の距離は、一様ではない。すなわち、筐体２の側面中央とガラス管４の表面との間の距離が最も短くなっており、この部分で絶縁破壊を起こして、放電が発生しやすくなる。したがって、筐体２として水平断面が正方形の筐体を使用した場合には、当該部分での放電の発生を防止するため、ガラス管４の周面を、導体２１で被覆することが好ましい。
【００３８】
さらにまた、ガラス管４の下端部周縁に、電界集中を起こすような凸部がない場合には、上記した筐体２の側面中央とガラス管４の表面との間の距離が最も短い部分で放電が発生する可能性が高い。このような場合、ガラス管４の下端部４ａの周縁部４ｂを絶縁材３で覆うことなく、ガラス管４の周面全体を、導体２１で被覆し、この導体２１を接地するようにしてもよい。
【００３９】
次に図２に示した実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置１と、図６に示した従来のＸ線管を２基ずつ製作し、これら４基の連続点灯試験を同時に実施した結果について説明する。この試験に使用した電界放出型Ｘ線発生装置１においては、導体２１として、銀ペーストからなる導電膜を用い、その厚みは約２０μｍとした。
【００４０】
本試験においては、より本技術課題となる現象が発生する確率が高くなると予測される、ＯＮ−ＯＦＦ（約１分間）−ＯＮ動作を約１０分間毎に行った。各冷陰極素子５、１０５への定格印加電圧は、本発明の有効性をより明確に評価できるように、より高い電位−１４ｋＶとした。また、微小放電現象を観測する手段としては、微小放電が発生することで、冷陰極素子５、１０５の電子放出特性が劣化する傾向がある点に着目し、電子電流を連続でモニタリングする方法を採用した。かかる試験を、１５０時間実施した結果を図４に示す。図４中、Ｘ１、Ｘ２は、実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置１の２基の結果を各々示し、Ｙ１、Ｙ２は、従来のＸ線管の２基の結果を各々示している。
【００４１】
これによれば、初期の管電流は４９０〜５００μＡと若干バラツキがあるが、それぞれの管電流の変化を比較すると明確な差が認められる。すなわち、実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置１については２基とも、管電流は１５０時間、ほとんど変化無く非常に安定している。一方、従来のＸ線管については２基とも複数箇所に急激な低下が見られ、初期電流に対して、Ｙ１は約３０μＡ、Ｙ２の場合は約６０μＡも低下しており、冷陰極素子１０５の電子放出性能の劣化が明らかである。なお従来のＸ線管において、それぞれ５〜６箇所見られる急激な低下は、前記局所的な放電現象起因の劣化と推測される。また、低下幅は回数を重ねるほど大きくなる傾向を示している。
【００４２】
なお試験で用いた実施の形態にかかる電界放出型Ｘ線発生装置のＸ１、Ｘ２についてはその後も継続して点灯させ、３０００時間安定した出力を維持できることが確認されている。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、電界放出型冷陰極素子を用いたＸ線発生装置に有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１    電界放出型Ｘ線発生装置
２    筐体
２ａ  底面部
３    絶縁材
４    ガラス管
４ａ  下端部
４ｂ  周縁部
５    冷陰極素子
６    金属電極
７    直流電源
８    ターゲット
９    窓部
１０    固定部材
２１    導体
Ｓ    空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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