(57)【要約】本発明は、高線量Ｘ線放射（γ）を生成するために、真空状態にある内部チャンバ（４０）内に電子（ｅ-）を放射する陰極と、陽極として構成されたターゲット（３１，３２）とを備え、陰極が、電界強化構造（７０）を有する電子（ｅ-）放射材料を主成分とする少なくとも１つの冷陰極（２１，２２，２３）を含むＸ線管（１１）に関する。本発明は、特に、電子（ｅ-）放射材料を保持する少なくとも１の支持体層（２０１）を含む冷陰極（２１，２２，２３）を有し、冷陰極（２１，２２，２３）の放射領域が、支持体層（２０１）の形状によって画定されるＸ線管（１１）に関する。
2007538359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高線量Ｘ線放射（γ）を生成するために、真空状態にある内部チャンバ（４０）内に電子（ｅ-）を放射する陰極と、陽極として構成されたターゲット（３１，３２）とを備えたＸ線管（１１）であって、
陰極は、電界強化構造（７０）を有する電子（ｅ-）放射材料を主成分とする少なくとも１つの冷陰極（２１，２２，２３）を有するＸ線管（１１）。
【請求項２】
冷陰極（２１，２２，２３）が、電子（ｅ-）放射材料を保持する少なくとも１の支持体層（２０１）を有し、冷陰極（２１，２２，２３）の放射面は、実質的に支持体層（２０１）の形状によって画定される、請求項１に記載のＸ線管（１１）。
【請求項３】
冷陰極（２１，２２，２３）の幾何学形状と空間構成および／または冷陰極（２１，２２，２３）の放射面が、支持体層の形成によって決定される、請求項１または２に記載のＸ線管（１１）。
【請求項４】
層深さに対する冷陰極（２１，２２，２３）の表面の比率が大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項５】
Ｘ線管（１１）の放射チャンバ（９０）の形状とサイズが、冷陰極（２１，２２，２３）および／または陽極（３１，３２）の表面積および／または空間構成によって決定される、請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項６】
電界強化構造（７０）が、カーボンナノチューブ（７１）を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項７】
電界増強構造（７０）が、サンゴ状カーボンを含む請求項６に記載のＸ線管（１１）。
【請求項８】
電界強化構造（７０）が、金属チップ（７０ａ）を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項９】
電界強化構造（７０）が、シリコンチップを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１０】
電界強化構造（７０）が、ダイヤモンドチップ、ダイヤモンドダスト、および／またはｓｐ2とｓｐ3結合カーボンのダイヤモンド状カーボンマトリックスを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１１】
支持体層が、カーボンナノチューブおよび／またはサンゴ状カーボンが埋め込まれたマトリックスを含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１２】
冷陰極（２１，２２，２３）の第１支持体層（２０１）が、セラミック材料による少なくとも１つの基板を含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１３】
支持体層（２０１）が、少なくとも１つの抵抗層（２０３）および／または導電性トラック層（２０２）を含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１４】
導電性トラック層（２０２）が、蒸着された銅層を含む、請求項１３に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１５】
支持体層の少なくとも１つの電子（ｅ-）放射層と少なくとも１つの抵抗層（２０３）が直列に接続された、請求項１３から１４のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１６】
冷陰極（２１，２２，２３）および／または陽極の断面形状が、完全円、扇形、環形、三角形、四角形、多角形、または任意の所望の画定可能な多角形として設計された、請求項１から１５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１７】
電子（ｅ-）放射材料が、画定された間隔で横並び、背中合わせおよび／または隣接して支持体層上に配置された、請求項１から１６のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１８】
Ｘ線放射（γ）の冷陰極（２１，２２，２３，２４）が、透明または実質的に透明に設計された、請求項１から１７のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１９】
冷陰極（２１，２２，２３，２４）が、真空内部チャンバ（４０）または放射チャンバ（９０）を外部から遮断する、請求項１から１８のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２０】
少なくとも１つの抽出グリッド（８０）が、冷陰極（２３）と陽極（３１，３２）の間に配置された、請求項１から１９のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２１】
電気碍子（６０）が、冷陰極（２３）と抽出グリッド（８０）の間に配置された、請求項１９に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２２】
陽極（３１，３２）が、少なくとも１つの冷却材層（ＫＭ）を有し、冷却材層（ＫＭ）が、冷却材（ＫＭ）および／またはガス冷却材（ＫＭ）を有する、請求項１から２１のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２３】
食料、薬剤、血漿、包装材料および／または器機を滅菌しかつ／または照射し、かつ／またはバクテリア、甲虫、害虫を殺傷する方法であって、請求項１から２２のいずれか１項によるＸ線管（１１）を使用する方法。
【請求項２４】
電子（ｅ-）を放射する冷陰極（２１，２２，２３，２４）と陽極（３３）とを有する電子エミッタ構造を有し、高線量電子ビームを生成する電子ビーム銃であって、冷陰極が、請求項１から２２の少なくとも１つの特徴機能を含む電子ビーム銃。
【請求項２５】
陽極（３３）が、電子（ｅ-）が浸透するように設計された請求項２４に記載の電子ビーム銃。
【請求項２６】
陽極（３３）が、支持体グリッドを備えた６〜２００μmの厚さを有するきわめて薄い箔を含む、請求項２４または２５のいずれか１項に記載の電子ビーム銃。
【請求項２７】
陽極（３３）の冷却が、空気対流、熱伝導および／または流体冷媒によって行われる、請求項２４から２６のいずれか１項に記載の電子ビーム銃。
【請求項２８】
合成材料のインクまたは高分子架橋を照射しかつ／または乾燥させる方法であって、請求項２４から２７による電子ビーム銃を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子（ｅ-）放射陰極を備え、詳細には様々な幾何学形状を有する物体の大きな面積に照射し滅菌用のＸ線管に使用する高線量率のＸ線管および電子ビーム銃に関し、さらに滅菌ならびにインクまたはそれぞれ高分子架橋の乾燥に使用する電子ビーム銃の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
血漿、医療機器、薬物および例えば野菜などの食物包装材料の滅菌において、レントゲン照射と電子線照射の使用は、ますます一般的になってきている。これは、Ｘ線や電子ビームを使用して行われることが好ましく、その理由は、放射線源としてのアイソトープが危険で取り扱いが難しく、また代替の（例えば化学的）滅菌法は費用効率が低くあるいは法律上の理由で使用できない場合があるためである。また、産業用途には、８０〜３００ｋｅＶのエネルギー範囲の電子（ｅ-）によるインクと高分子架橋の乾燥がある。すべての用途において、線量率をできるだけ高くすることが求められている。それにより、照射時間を大幅に短縮することができ、すなわち処理時間が短縮されると共にコストも削減される。
【０００３】
達成可能な線量率は、Ｘ線放射装置と電子ビーム銃とで基本的に異なる。加速電圧が１ＭＶまでの範囲では、Ｘ線を生成するために電子エネルギーの１％しかＸ線放射に変換されない。このため、標準のＸ線管では、その幾何学形状のために、放射に使用されるのは１０％未満である。この結果、電力を線量率に変換する効率因子がきわめて小さくなる。一方、電子ビーム銃を使用するときは、電子エネルギーの少なくとも５０％を滅菌に使用できると想定することができる。エネルギーの約５０％は、射出窓で失われる。また、Ｘ線管と電子ビーム銃は用途が異なる。電子は低い浸透深さを有し、したがって表面の滅菌にしか適していない。しかしながら、Ｘ線を使用すると、材料の内部も殺菌することができるが、低い効率を受け入れなければならない。
【０００４】
Ｘ線を使用する照射の場合、１表面当たりの線量率は、放射線源の焦点からの物体の距離と、焦点で生成される照射線量によって決まる。この照射量は、焦点にある材料が溶けないように焦点の冷却により放散または放出されなければならない熱エネルギーによってある程度制限される。従来のＸ線放射装置の特定の線量率は、これらの２つの因子により大きく限定される。したがって、線量率を高めるには、照射する物体をできるだけ放射線源に近づけなければならない。さらに、焦点での特定の露出によってターゲットが溶けないように、放射装置の焦点はできるだけ大きくなければならない。
【０００５】
電子エミッタの場合、物体はやはり放射線源にできるだけ近くなければならない。その理由は、近くないと電子が空気を通る経路の長さであまりにも多くのエネルギーが失われるからである。電子エミッタの射出窓の設計が最適化されている場合、照射出力のうち比較的少ない部分が陽極（ターゲット）で失われ、したがってＸ線照射よりも電子線照射によってきわめて高い線量率が実現される。
【０００６】
一般に、これまで、放射線源として熱電子源が使用されてきた。熱電子源は、直接加熱されても間接的に加熱されてもよく、熱電子の温度が十分な場合は、エミッタの真空中に電子（ｅ-）を直接放射する。加熱する熱電子源は、比較的確実で頑強で経済的な方法で作成することができるが、熱電子源にはいくつかの弱点がある。
【０００７】
原則として、陰極の出熱がエミッタ出力の約１〜５％にしかならない場合でも、陰極領域内の冷却する手段は高電流源によって駆動される。さらに、発生器は、加熱電力を高電圧で提供しなければならず、これは、高いコストと故障に対する弱さを意味する。熱電子源は高い電流密度を有するので、熱電子源を各点ごとではなく各面ごとに配置することができない。したがって、複雑な形状に均一に照射することもさらに難しい。熱電子源は、高温で操作され、その温度で放射材料は既に揮発している。したがって、そのような熱電子源の実用寿命は限りがある。電流供給線と場合によっては冷却のために、熱電子源をＸ線を透過するように構成することは困難である。したがって、照射の幾何学的可能性はさらに限定される。
【０００８】
例えば滅菌用のＸ線放射源の多くの応用例の場合、高線量率を実現し、また照射するそれぞれの物体の形状に放射線源の形態を適応させることができ、同時に照射する大量のそのような物体の特定の照射を可能にする放射線源が必要とされている。本発明による照射方法の費用効果の決め手は、例えばＸ線管や電子ビーム銃などの本発明の照射装置に冷陰極を組み込むことである。
【０００９】
冷陰極の動作形態は、以下にさらに詳しく説明される。電子（ｅ-）は、ポテンシャル障壁によって固体内部に拘束される。ポテンシャル障壁は、仕事関数φとも呼ばれ、一般に、従来のタングステンの渦巻形フィラメントでは４．５ｅＶ（電子ボルト）である。陰極の渦巻形フィラメントからの熱電子放出により、電子（ｅ-）は、ポテンシャル障壁を超えて真空に向かうのに十分なエネルギーを受け取る。したがって、達成可能な熱放射（thermoemission）の電流密度Ｊは、いわゆるリチャードソン式（Richardson equation）により、次の通りである。
【００１０】
Ｊ＝ａＴ2ｅｘｐ（−φ／ｋＴ）
【００１１】
ここで、ａはリチャードソン定数、Ｔは温度、Ｋはボルツマン定数である。
【００１２】
リチャードソン式から、仕事関数φが低いほど熱放射に有利であることが分かり、したがって、タンタル、ＢａＯ、トリウムなどの他のエミッタ材料を使用し処理することが試みられる。仕事関数φが低いほど低い温度で動作することができ、その結果、揮発速度が遅くなり高温陰極の寿命が長くなる。しかしながら、熱放射は、必要とされる高い温度Ｔ（＞１０００°ケルビン）のために、高い加熱容量要件を有し、したがってエネルギー消費量が多い。小さいフィラメントを有するＸ線管の従来の応用例では、これは問題ではない。さらに、電圧発生器は、印加電圧８Ｖで電流５Ａの必要電力をフィラメントを介して供給することができる。３本を超えるフィラメントが直列に接続された時点ですぐに発生器の上限容量に達する。
【００１３】
熱放射と対照的に、冷放出の場合、ポテンシャル障壁は、外部から印加される電界Ｆによって変形し、第一次近似において厚さｘ＝φ／ｅＦlを有する高さφの三角形を想定し、ここで、ｅは電子（ｅ-）の電荷であり、Ｆlは放射場所における局部電界である。障壁が十分に薄くなる場合、すなわちφ／ｅＦ1≦２ｎｍのとき、電子（ｅ-）は、障壁を通り抜け真空に達することができる。これは、冷陰極放出または電界放出とも呼ばれる。電子放出を引き起こすためには、放射場所に局部的に約２〜４０００Ｖ／μｍのきわめて高い電界強度Ｆlが必要とされる。
【００１４】
冷陰極エミッタの電流は、ファウラとノルトハイム（Fowler and Nordheim）１９２８による単純化された式を使って近似的に表すことができる。
【００１５】
Ｉ＝（１．５ｅ−６Ａ（Ｆl）2／φ）ｅｘｐ（１０．４／√（φ））ｅｘｐ（−６．４４ｅ７φ1.5／Ｆl）
【００１６】
ここで、Ａは、実験で決定された電流に適応させる前因子、√φは、仕事関数φの平方根である。
【００１７】
図２ａ＜原文まま２ｂ＞に、ファウラとノルトハイムの式による電流と電界強度の関係の特性曲線の一般的なきわめて急勾配の過程を示す。この場合、局部的に強化された電界強度Ｆlは、放射場所で数千ボルト／マイクロメートルにもなる。そのような高電界Ｆlは、幾何学的電界強化（geometric field enhancement）βによって実現される。大きい縦横比βを有する導電性の物体が電界に入れられたとき、幾何学形状によって左右される物体内の電荷の移動のために先端に電界強化が起こる。ここで、この物体が高さｈと曲率半径ｒを有する場合は、約β＝ｈ／ｒとなる。第一次近似において、強く強化された電界Ｆlは、以下の式で表すことができる。
【００１８】
Ｆl＝βＦ
【００１９】
ここで、Ｆは外部印加電界である。例えば、電界強化構造が、ｈ＝１０００ｎｍとｒ＝１ｎｍの寸法を有する場合は（これは、例えば、本発明による電界強化構造としてカーボンナノチューブの使用する場合に可能である）、電界強化が実現され、したがって印加電圧による電子の冷陰極放出によって外部印加電界Ｆが生じ、それにより外部印加電界Ｆは、一般に数ボルト／マイクロメートルになり、電界強化Ｆlは、数ボルト／ナノメートルになる。これに必要な電圧は技術的に全く実現可能である。
【００２０】
冷陰極における電流密度を十分に高めるために、高密度の電界強化構造を電界に導入しなければならない。ほんの３０年前までこれはほとんど不可能であった。しかしながら、ここ最近の数十年で、最大１０8個／ｃｍ2の放射マイクロチップ密度を実現できる様々な微細構造作成方法が開発された。そのようなリソグラフィで構成された陰極は、図２に概略的に表わされており、通常、例えばモリブデンの金属チップからなり、平坦画面技術から知られている。
【００２１】
マイクロチップをマイクロメートル精度で作成する方法は、細密で高価である。このため、きわめて低い印加電界強度における薄いカーボン膜の冷陰極放出に関する１９９０年代半ばの研究結果はたくさんの騒ぎを引き起こした。最初、その原因は、きわめて低い約０．１〜数ｅＶの仕事関数φであると想定された。今日では、いくつかの例外を除き、一般に、そのようなカーボン膜が電子を効率的に放射できるのは、仕事関数φが低いからではなく、電界強化構造を有するからであることが科学的に受け入れられている。そのような構造は、絶縁ｓｐ3相（insulating sp3 phase）によって取り囲まれたマトリックスの表面に配置されても内部に配置されてもよい。電気絶縁性ダイヤモンド内の強い共有結合がｓｐ3と呼ばれる。例えば、気相で成長した薄いカーボン膜は、絶縁ダイヤモンド状ｓｐ3カーボン間の結晶粒界でマイクロメートルサイズのグラファイト状ｓｐ2相を有する。印加電界はこのマトリックスに浸透することができるので、グラファイトｓｐ2相は電界強化構造として働く。カーボンナノチューブは、例えば米国特許第５，７２６，５２４  Ｂ１号に記載されたような電界強化構造として使用するのに適しているが、同様に、例えば米国特許第６，０８７，７６５  Ｂ１号と米国特許第６，５９３，６８３  Ｂ１号に記載されたような表面に鋭利な構造物を有するサンゴ状カーボン（coral-like carbon）などの他のカーボンタイプも商業的に魅力的である。
【００２２】
カーボン構造を生成するには、現時点での最新技術の通常の方法が考えられる。例えば、気相から析出する場合（化学蒸着法−ＣＶＤ）、炭素を多く含む気体混合物（例えば、メタン、アセチレンなど）を、場合によってはＨ2（水素）やＮ2など（窒素）を加えて、真空反応器（真空容器）に導入することができる。その後、マイクロ波プラズマを点火するか、または基板を６００℃〜９００℃に加熱する。いずれの場合も、付着パラメータに応じて、様々なカーボン構造物が基板上に成長する。触媒成長が使用されることもある。それにより、遷移金属（ニッケル、コバルト、鉄など）が、小さなクラスタの形、すなわち、サイズが数ナノメートルから数マイクロメートルで基板上に付着される。カーボンナノチューブは、そのようなクラスタ上に成長することができる。英語で「cathodic arc（陰極アーク）」と呼ばれる方法では、ヘリウム雰囲気中の２つのグラファイト電極間で、約８０Ａの電流強度Ｉでアーク放電が点火される。放電後に、カーボンブラック中にナノチューブが見つかり、これは、クリーニング処理の後で使用することができる。例えば、いわゆるレーザアブレーション法を使用することもできる。それによりレーザを使ってグラファイトターゲットにショットが発射される。同様にカーボンブラック中にナノチューブが見つかる。グラファイトターゲットに遷移金属を加えることによって、単層ナノチューブを作成することができる。様々な他の作成方法あるいは前述の作成方法の変形がある。一般に、そのような方法には、チューブの欠陥率、チューブの幾何学形状、不良品などに限られた影響がある。これは、これまでほとんど理解されていない成長メカニズムで行わなければならない。
【００２３】
本発明により、冷陰極エミッタとして特にカーボンナノチューブおよび他の限定的に構成されたカーボンとその改良物の使用が魅力的である重要な理由は、コスト効率と陰極の大面積構造が可能性なことである。しかし、カーボンの使用が興味深い理由は他にもある。カーボンの強い共有結合のために、カーボンで作成した冷陰極エミッタは、例えば蒸着したモリブデンチップやエッチングしたシリコンチップなどより破壊しにくい。高電圧電界中の原子は移動せず、例えば金属チップと違って破裂しにくい。
【００２４】
現時点で、電子エミッタとしてのカーボンナノチューブの作成方法は、まだ十分に発達していないと言うことができる。チューブの結合、例えば触媒作用で成長したチューブとの結合はきわめて不十分なことがあり、そのようなチューブは、電界中で、その電荷のために、陽極の方向に剥がれることがある（電界誘導されたエミッタ破壊）。したがって、カーボンナノチューブは、一方で放電を引き起こすことができるが、他方で放射性能は時間の経過と共に低下する。実際には、チューブの長期間安定性は、現時点で不十分であり、結合を改善するためにずっと研究が行われている。
【００２５】
カーボンを主成分とする冷陰極エミッタの使用に関する別の問題は、平面上の多数の平行な放射カーボン構造の限られた放出電流密度と関連する。実際には、一般に、典型的なナノチューブ薄膜層には平均で１ｃｍ2当たり１０8を超える潜在的エミッタがある。適切に接触されたナノチューブは、最大１０μＡ（理論的にはｍＡレンジまで）の電流を問題なく輸送できなければならない。これは１０3Ａ／ｃｍ2以上の電流密度となる。しかしながら、実験値から、約５〜１０Ｖ／μｍの電界強度Ｆでは、１〜１００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度と１０4〜１０5エミッタ／１ｃｍ2のエミッタ密度が達成されることが分かった（もっと高い電界強度では、陽極と陰極間に不利な形で放電が始まる）。
【００２６】
これに関して基本的に２つの説明がある。一方で、きわめて高密度の構造は電界強化に不利である。エミッタとエミッタの間隔がきわめて近いと、静電遮蔽が生じ、幾何学的に強化された電界Ｆlが低下することになる。
【００２７】
他方、カーボンナノチューブによる典型的な冷陰極エミッタ膜は、電界強化構造の確率的分布を有する。これにより、実験で研究されたすべての事例では、冷陰極表面上に電界強化構造の空間的確率分布β（ｘ，ｙ）が生じる。したがって、統計的β分布は、次のように定義することができる。
【００２８】
ｆ（β）＝ｄｎ／ｄβ
【００２９】
ｄｎは、小さい間隔β〜（β＋ｄβ）での単位表面積当たりの電界強化構造の数である。ｆ（β）は、冷陰極の性能または効率の大きさであり、次のようなエミッタ密度と電流密度の定量的説明を示す。
【００３０】
エミッタ密度（Ｆ）＝∫ｆ（β）ｄβ [ｃｍ-2]
【００３１】
電流密度（Ｆ）＝∫ｆ（β）Ｉ（β，Ｆ）ｄβ [Ａｃｍ-2]
【００３２】
Ｉ（β，Ｆ）は、外部印加電界Ｆの関数としての単一エミッタの電流であり、幾何学的電界強化である。カーボンナノチューブによる典型的な冷陰極のｆ（β）が、βの指数関数すなわちｆ（β）〜ｅｘｐ（ｋβ）を有することが分かった。
【００３３】
より高いβレンジ（＞４００）の電界強化構造の比較的少ない数のため、それ故に、すべての可能なエミッタの約０．０１％しか電流に寄与しない。残りのエミッタの電界強化値は低すぎ、したがって、電界Ｆlが２Ｖ／ｎｍより小さいので（式２を参照）動作しないままである。０．０１％のシェアを有する最も効率的なエミッタは、低い（すなわち、電圧差の小さい）印加電界Ｆで電流を供給するが、そのようなエミッタの数はきわめて少ないので、全体的な電流密度は低いままである。外部印加電界Ｆを高めようとすると、あまり効率的でないエミッタも電流に寄与することなり、間違いなく放電が起こるか何より最も効率的なエミッタの電流の誘導によるエミッタ破壊が起こる。
【００３４】
基本的には、現時点での最新技術において、電流密度とエミッタ密度を改善する３つの手法が知られている。第１の手法として、律速成長によってエミッタとエミッタの間隔を制御するかまたはエミッタ幾何学形状（高さと曲率半径の比）をそれぞれ制御する試みが行われる。この手法は、電界強化構造のいわゆる「自己組織化」として知られる。それにより、エミッタ間に生じる静電遮蔽をなくすか大幅に減少させることができる。したがって、幾何学的強化電界Ｆlが増大する。第２の手法として、律速成長によってｆ（β）を制御し操作する試みが行われる。 典型的なカーボン冷陰極のｆ（β）の指数関数的挙動は、本質的なものであるように思われるが、ｆ（β）の直線の勾配をかなり大きくすることによって、より多くのエミッタが高いβレンジに入るようになる。したがって、そのようなエミッタも電流密度を高めることに寄与することになる。第３の手法として、安定抵抗器の使用が知られており、マイクロチップに既に応用されている。１つまたは複数のエミッタが、例えば抵抗膜または抵抗層の形の抵抗器と直列に接続された場合、放射は、典型的なファウラ−ノルトハイム挙動から逸脱する。幾何学的強化電界Ｆlが大きくなるほど、電流はＦ−Ｎ特性線からの逸脱が大きくなる。
【００３５】
この作用は、最も高効率のエミッタの電流を抑制するために利用される。これは逆説的に思えるが、このようにして、最も高性能なエミッタの電流誘導エミッタ破壊が防止され、それにより外部から印加される電界を高めることができる。それにより高められた電界において、より小さいβを有するエミッタも電流密度に寄与することができる（式５を参照）。そのようなエミッタはきわめて大量に生じるので、ｆ（β）の指数関数的挙動によって、陰極の全体的電流密度が高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
したがって、本発明の目的は、熱電子放射線源の前述の欠点を克服し、また最小の陰極電力損失の高線量エミッタを使用するＸ線または電子ビームを有する照射装置を提案することであり、様々な幾何学形状を有し、同時に多量に照射することができる。詳細には、従来のＸ線放射装置より何倍も高い線量率を可能にするＸ線放射装置が提案されるべきである。また、Ｘ線に変換される有効エネルギーの割合も高められるべきであり、照射される表面と材料の深さに対するＸ線の均一な分布が達成されるべきである。さらにまた、提案された装置は、特に工業規模で、詳細には様々な物体の滅菌ならびにインクと高分子架橋の乾燥のためのコスト効率の高い照射を可能にすべきである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
これらの目的は、特に独立クレームの要素により本発明によって達成される。さらに、さらに他の有利な実施形態は、従属クレームと明細書から分かる。
【００３８】
詳細には、これらの目的は、Ｘ線管が、高線量Ｘ線放射（γ）を生成するために、真空状態の内部チャンバに電子（ｅ-）を放射する陰極と、陽極として構成されたターゲットとを有し、陰極が、電界強化構造を有する電子（ｅ-）放射材料を主成分とする少なくとも１つの冷陰極を含むという点で、本発明によって達成される。電界強化構造は、例えば、カーボンナノチューブ、サンゴ状カーボン、金属チップ、シリコンチップ、ダイヤモンドチップおよび／またはダイヤモンドダスト含むことができる。電界強化構造は、電子（ｅ-）を既に室温で放射することが好ましい。熱電子源として知られる熱陰極と対照的に、電界強化構造は、真空内で電子（ｅ-）を放射するためにいかなる加熱機能も必要としない。陰極の表面に一体化することができる電界強化構造は、外部印加電界の強化によって電子（ｅ-）を冷陰極放出させる。外部印加電界に基づく冷陰極の動作形態は、鋭利な設計の構造で強化され、その結果、一般に例えば約２０００〜４０００ボルト／１マイクロメートルの大きさの高電界が作成される。陽極は、陰極の電子放射面に対して、例えば小さい比率または同じ比率で設計されてもよい。本発明の１つの利点は、例えば、電子放出が室温で起こるということであり、したがってエミッタを加熱する装置が省略される。さらに、エミッタのすぐ近くの冷却手段がなくなる。別の利点として、エミッタの実用寿命について言及しなければならない。エミッタが室温で動作するので、エミッタ材料のアブレーションによる劣化が起きない。電流供給線と場合によって冷却手段のために、Ｘ線を透過するように電子放出源を構成することは難しい。それにより、照射の幾何学的可能性はさらに制限される。したがって、Ｘ線放射を透過する陰極および／または陽極を有するＸ線管は、現時点での最新技術で作成することができず、あるいは困難なしには作成することができない。
【００３９】
一実施形態の変形において、冷陰極は、電子（ｅ-）放射材料を保持する少なくとも１つの支持体層を有し、冷陰極の放射面は、実質的に支持体層の形状によって画定される。この実施形態変形の１つの利点は、例えば、ほとんどいかなる所望の幾何学形状の構成も達成できることである。
【００４０】
別の実施形態変形において、冷陰極および／または冷陰極の放射面の幾何学形状と空間構成は、支持体層の成形によって決定される。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、照射ユニットの幾何学形状を、照射方法の要件に対して単純に適応させることができることである。
【００４１】
さらに他の実施形態の変形において、冷陰極の表面の層深さに対する比率が大きい。この実施形態の１つの利点は、例えば、陰極が、大面積照射装置に適切していることである。
【００４２】
さらに別の実施形態の変形において、Ｘ線管の放射チャンバの形状とサイズは、冷陰極および／または陽極の表面積および／または空間構成によって決定される。この実施形態の１つの利点は、例えば、照射する材料にすべての側面から同時に照射できることである。
【００４３】
一実施形態の変形において、支持体層は、埋め込まれたカーボンナノチューブおよび／またはサンゴ状に構成されたカーボンを含むマトリックスを含む。この実施形態の変形の利点は、例えば、大面積エミッタ装置にとってきわめて経済的であることである。カーボンナノチューブは市販されており、サンゴ状に構成されたカーボンは、それ自体を大面積に経済的に付着させることができる。さらに、カーボンは、その強い共有結合のために、金属チップよりもイオン衝撃と放電に対する耐性が高い。カーボンは、大きな放出電流に耐えることができる。
【００４４】
別の実施形態の変形において、冷陰極の第１の支持体層は、セラミック材料またはガラスによる少なくとも１つの基板を含む。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、支持材料が、より安価で、形成容易で、真空に適していることである。さらに、これらの材料によるＸ線の弱まりは比較的わずかである。
【００４５】
一実施形態の変形において、支持体層は、少なくとも１つの抵抗層および／または導体経路層を含む。この実施形態の１つの利点は、例えば、放出電流を陰極表面に均一に分散させることができることである。したがって、特定電力を陽極上に適切に分散させることができ、それにより局部的加熱が回避される。
【００４６】
さらに実施形態の変形において、導体経路層は蒸着された銅層を含む。この実施形態の変形の利点は、例えば、銅が優れた電気特性と伝熱特性を有することである。他の金属も同様に有利に使用することができる。
【００４７】
一実施形態の変形において、Ｘ線管は、共軸の陰極中空円筒を内側に備えた陽極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陰極中空円筒内に配置することができるという利点を有する（放射が内側のリフレクタに進む）。
【００４８】
別の実施形態の変形において、Ｘ線管は、陽極の外側に共軸の陰極中空円筒を有する陽極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陽極中空円筒内に配置することができるという利点を有する（放射が内側の透過エミッタに進む）。
【００４９】
さらに別の実施形態変形において、Ｘ線管は、内側に共軸の陰極中空円筒を有する陽極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陽極中空円筒の外側に配置することができるという利点を有する（放射が外側の透過エミッタに進む）。
【００５０】
さらに実施形態の変形において、Ｘ線管は、陽極の外側に共軸の陰極中空円筒を有する陽極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陰極中空円筒の外側に配置することができるという利点を有する（放射は外側のリフレクタに進む）。
【００５１】
別の実施形態の変形において、冷陰極および／または陽極の断面は、完全円、扇形、環形、三角形、四角形、多角形または任意の所望の画定可能な多角形として設計される。この構造の長さは、原則的に、必要に応じて選択することができる。この実施形態の変形の利点は、例えば、エミッタ構造が、それ自体をモジュール式に構成できることである。
【００５２】
一実施形態の変形において、支持体層上の電子（ｅ-）放射材料は、画定された間隔で横並び、背中合わせかつ／または隣接して配置される。これは、抽出グリッド自体を平らな幾何学形状で容易に構成できるようにするので、例えば生産技術に関連する利点を有する。したがって、複数のそのようなエミッタモジュールを、エミッタ構造の複雑な幾何学形状で組み立てることができる。
【００５３】
一実施形態の変形において、Ｘ線放射（γ）用の冷陰極は、透明または実質的に透明に設計される。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、冷陰極の専用冷却機なしに（空気対流以外）リフレクタまたは透過エミッタ構造を構成することが可能であることである。
【００５４】
一実施形態の変形において、冷陰極と陽極の間に少なくとも１つの抽出グリッドが配置される。例えば、冷陰極と抽出グリッドの間に電気絶縁体を配置することができる。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、抽出グリッドと冷陰極エミッタの距離を放射面全体にわたって一定に維持できることである。それにより、放射強度の局部的ばらつきを小さくすることができる。また、抽出グリッドの使用は、イオン衝撃と放電からの保護として働くことができる可能性がある。
【００５５】
別の実施形態の変形において、陽極は、少なくとも１つの冷却材層（ＫＭ）を有し、冷却材層（ＫＭ）は、冷却液および／または冷却ガス（ＫＭ）を含む。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、陽極がより高い特定の電子強度に耐えることができることである。したがって、線量率をさらに高めることができる。
【００５６】
本発明によるＸ線管の他に、本発明は、また、本発明によるＸ線管により滅菌しかつ／または照射する方法ならびに適合する電子ビーム銃に関連することを述べる。
【００５７】
本発明の実施形態の変形は、以下に例を参照して説明される。実施形態の例は、以下の図によって示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
図１は、現時点での最新技術のそのような従来のＸ線管１０の構造を概略的に示す。それにより、電子ｅ-が、一般に高温タングステンコイルの電子エミッタ、すなわち陰極３０によって放射され、印加された高電圧によってターゲットに向かって加速され、Ｘ線γが、ターゲット、すなわち陽極２０によって窓３０１から放射される。すなわち、電子ｅ-がターゲットに衝突すると、そのとき生じている焦点でＸ線放射γが生成される。Ｘ線放射γは、窓３０１から外部空間に出て、照射に使用される。ターゲット２０上で生成された放射のわずかな部分だけが、照射される材料に達する。放射のほとんどは、管の幾何学形状により、管自体に吸収される。したがって、物体に完全に照射するために、物体のサイズにより特定の照射間隔を選択しなければならない。従来の構成では、一般に、ターゲット表面の半分の空間で照射の約１０％しか使用することができない。図１は、５０°の開度を有する射出窓３０１を示す。
【００５９】
図２は、現時点での最新技術の既知のリソグラフィで構成された冷陰極２２を概略的に示す。低コストの支持体、例えば、セラミック基板上に導電性トラック層２０２が蒸着され、さらに、この層に抵抗層２０３が付着される。抵抗層２０３上には、（電子）エミッタとも呼ばれる電界強化構造７０として、モリブデンで作成された金属チップ７０ａが付着される。金属チップ７０ａは、横方向に隣り合って配置された各ケース内に、絶縁体６０を使用して離間されている。絶縁体６０の表面には、高さ方向に、すなわち、抵抗層２０３から上方に離間されたグリッドとも呼ばれるゲート８０が形が合うように付着されている。金属チップ７０ａとゲート８０の間に電界Ｆ（図示せず）が印加され、ゲート８０は、抽出グリッドとして働き、金属材料で作成されている。ゲート８０は、電気的（絶縁されて）かつ空間的に分離され、一般に数マイクロメートルのアパーチャを有する。ゲート８０とエミッタ７０ａ間の電圧差は、一般に、１００ボルト未満になる。平坦画面の用途では、例えば、十〜数百個のそのようなマイクロチップ７０ａのグループ（画素）に並列に通電しなければならない。これは、Ｘ線管に絶対に必要というわけではない。
【００６０】
図３は、Ｘ線管１１の図を断面で示し、Ｘ線管１１は、好ましい実施形態において、互いに同軸で配置された中空円筒冷陰極２１と中空円筒陽極３１で構成されている。２つの中空円筒の共通中心軸は、図３の断面で分かるように、共通中間点ＭＰを通る。断面で、中間点ＭＰに対する半径ｒ１を有する外側の完全円上に、Ｘ線管１１の冷陰極２１が示されている。切り抜き部分Ａの図に抽出され拡大されて示されているように、冷陰極表面は、電界強化構造としてカーボンナノチューブ７１が埋め込まれたマトリックスを有する。外部印加電界Ｆ（図示せず）が印加される結果として、既に室温で、カーボンナノチューブによって、電子（ｅ-）がＸ線管１１の真空内部チャンバ４０内に放射される。そのように加速された電子（ｅ-）は、陽極側ターゲット３１にぶつかり、既知のようにＸ線放射（γ）を放射させる。中間点ＭＰに対する小さい方の半径ｒ２を有する陽極３１の設計により、Ｘ線放射（γ）は、同様に中空円筒状に設計された放射チャンバ９０内に四方に放射される。図３の実例において、電極２１、３１の二極管構造を有する透過エミッタは、Ｘ線放射（γ）を透過しない支持材料を冷陰極２１に使用して形成される。したがって、冷電子（ｅ-）放射陰極２１と陽極３１の間に十分に高い電圧が印加され、他の構造とは対照的に、ここでは抽出グリッドは配置されていない。電界強化構造、詳細にはカーボンナノチューブ７１は、冷陰極表面（拡大図Ａを参照）上のマトリックス７１ａに埋め込まれているが、冷陰極２１の支持材料（図示せず）は、例えば低コストのセラミック基板から成る。Ｘ線管１１を外部から遮断するこの基板は、既にＸ線管空間全体の外側の終端を形成しており、真空内部チャンバ４０と放射チャンバ９０の両方を一種の二重壁で取り囲む。さらに他の実施形態（図示せず）において、支持基板は、必要に応じて外側がさらに他の層で金属化されるか、あるいは金属または高分子物質からなるさらに他のハウジング壁材（図示せず）を含む。図３に示したように、冷電子（ｅ-）放射陰極２１の使用により、陽極表面を冷却するだけでよい。冷却は、例えば水、油、空気などの液体または気体の冷却材ＫＭによって行うことができる。概略的に示した冷却材空間は、陽極３１と冷陰極２１の共通中心軸の中間点ＭＰから半径ｒ３（ｒ３はｒ２より小さい）で、陽極３１と共に、中空円筒状に設計された放射チャンバ９０を取り囲む。陽極３１の材料として、さらに大きい原子番号の金属、例えば、タングステンが既知のように使用される。図３に示した陰極表面の実施形態において、カーボンナノチューブ７１や使用される他の電界強化構造７０もイオン衝撃を受ける。電子ビームで残留ガス（低濃度である）をイオン化することができる。したがって、残留ガスは、冷陰極２１に衝突する際に十分に高い印加陰極／陽極電圧（図示せず）に対応するエネルギーを有することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ７１は、その強い原子結合によって、ある程度イオン衝撃に耐えることができる。詳細には、図３による冷陰極２１と陽極３１の丸形エミッタ透過設計を有するＸ線管１１の構造は、例えばコストの理由で興味深く、その理由は、抽出グリッドやゲートがないとエミ��タ構造を容易かつ経済的に作成できるからである。詳細には、セラミック基板上に電界強化構造７１を全体的に付着させるのは、生産技術的に容易である。
【００６１】
図４は、抽出グリッド８０を有する冷陰極２３の構成を概略断面図で示し、エミッタ構造に属する陽極は示されていない。最初に、導電性トラック２０２を有する層が、支持材料２０１、例えば、安価なセラミック基板に蒸着される。導電性トラック層２０２は、陰極２３の表面の個別の電界強化構造７１に通電する働きをする。導電性トラック層２０２と電界強化構造７１の間に、抵抗層２０３が、電界強化構造７１と直列に挿入される。既に前に述べた第３の手法により、この抵抗層２０３は、安定抵抗器として電流密度とエミッタ密度を改善する働きをする。層２０１、２０２、２０３は、Ｘ線放射を実質的に透過し、また放射に耐性がある。すなわち、結合またはそれぞれの電気特性は長期安定性を有する。既に述べたように、別の問題として、陰極表面のエミッタの欠陥結合の結果、特にエミッタ破壊が見られた。状況により、エミッタ破壊は、イオン衝撃や放電よりも電流と電界で引き起こされる破壊によって生じる可能性が高い。しかしながら、エミッタの欠陥結合は、エミッタ性能の長期安定性が不十分になる悪い結果を有することがある。その結果、エミッタ性能の長期安定性を一定に維持する工程が取られることになり、これは、抽出電圧を時間と共に高めることにより達成される。抽出電圧を時間に対して確実に変化させるために、図４に図で示したような、三極管構造の電極構成が特に有利である。抽出電圧（図示せず）は、ゲート８０と冷陰極２３の間に印加され、電界強化構造７１の形状と、陰極表面とゲート８０間の間隔（この間隔は矢印ｄで示されている）とにより、一般に１０〜１００００ボルトになる。図４に示した実施形態において、電界強化構造７１は、イオン衝撃にあまりさらされず、特に電気的な高電圧放電にあまりさらされない。冷陰極２３の表面からゲート８０を空間的かつ電気的に分離するには、別の苦労が必要であり、したがって追加のコストが必要である。電気的／空間的な分離は絶縁体６０を使って行われ、その高さまたはそれぞれの厚さは、ゲート８０から冷陰極２３の表面までの間隔（矢印ｄ）に対応する。冷陰極自体と同じように、例えば、絶縁体／スペーサ６０は、平坦に設計されてもよく、例えば穿孔されたガラスまたはセラミックス板の形状を有することもできる。従って、各スペーサ６０は、例えば、特に大面積設計の冷陰極によりコスト効果の高い小さなガラスロッドからなる。ゲート８０（抽出グリッドとも呼ばれる）として、例えば陰極表面から遠い絶縁体６０の前面側に金属を蒸着させることができる。さらに、ゲート６０＜原文まま８０＞として、金属グリッドを、図４の断面で矢印ｃで示した可変穴間隔と、図４の断面で矢印ｂで示した可変隔壁幅（穴の間のウェブ）で使用することもできる。図４に従って三極管エミッタ構造を実施する際、ゲート８０の幾何学的配置（矢印ａ〜ｄ）に大きな重要性が与えられるべきである。それにより、前述の矢印ｂおよびｃは、絶縁体６０の穿孔パターンまたはそれぞれウェブ開口を決定し、陰極表面からゲート８０までの間隔は矢印ｄで決定され、矢印ａが、２つの絶縁体６０の間隔を決定する。前述の測定値（矢印ａ〜ｄ）は、電力損失と抽出電圧によって決定される。陰極２３へのゲート８０の遮蔽面と、除去されるスペーサ／絶縁体６０の面積が大きくなるほど、ゲート８０での損失が大きくなる。したがって、最適設計において、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）はできるだけ小さくなるように寸法が決定され、グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）はできるだけ大きくなるように寸法が決定されなければならない。グリッド（矢印ｃ）のウェブ開口の寸法を大きくすると外部印加電界Ｆ（図示せず）がエミッタ部分で弱くなりすぎるので、必要なだけ大きくすることはできず、一方、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）は、静電引力のためにグリッド形ゲート８０が大きく変形しないように十分に大きくなるように決定されなければならない。最後に述べた理由のために、分離スペーサ／絶縁体６０が、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）８０ａのそれぞれの下に配置された場合は、さらに有利である。これにより、２つの絶縁体の間隔（矢印ａ）は、グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）と全く同じくらい大きくなる。
【００６２】
図４による冷陰極２３の第１の設計において、例えば、（ｉ）２つの絶縁体の間隔（矢印ａ）が０．０１〜２ｍｍ、（ii）グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）が０．０１〜０．２ｍｍ、（iii）グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）が０．０１〜０．３ｍｍ、および（iv）陰極表面からゲートまでの間隔（矢印ｄ）が０．０１〜２ｍｍの値範囲を想定することができる。
【００６３】
陰極２３の表面から陰極ゲート８０までの間隔（矢印ｄ）の値が大きい場合は、一般に数千ボルトの抽出電圧をかけなければならない。その結果、ゲート８０の電力損失がきわめて大きくなる。陰極２３の表面からゲート８０までの間隔が数十μmになる場合は、例えば最大約１００ボルトの電気抽出電圧でほぼ十分であるが、一方、リソグラフィで画定されていない陰極の短絡の危険が比較的大きい。したがって、冷陰極２３の設計において、矢印ａ、ｂ、ｃおよびｄで示した前記間隔に関する妥協が必要である。したがって、使用されるマイクロメートルレンジでリソグラフィ法、画定されたゲート、絶縁体およびエミッタ表面を使用して陰極２３を作成することがさらに有利である。
【００６４】
図５ａは、Ｘ線管で本発明により使用される任意の画定可能な扇形内の多数の冷陰極モジュール２５と１つの陽極３２から成るモジュール式に組み立てられた冷陰極２４を有する透過エミッタ構造を示す。外半径ｒ１を有する外側扇形部分に、概略的に示したように、複数の冷陰極モジュール２５が実質的に同じ間隔で配置されている。冷陰極モジュール２５は、その表面に、Ｘ線管の真空内部チャンバ４０内で電子（ｅ-）を既に室温で放射する電界強化構造（図示せず）を有する。代替として、冷陰極モジュール２５は、図４の実施形態の変形に従って装備されてもよい。加速されて、電子は（ｅ-）は、陽極側ターゲット３２にぶつかる。既知のように、Ｘ線放射（γ）は、ターゲット３２によって例えば放射チャンバ９０内に放射される。同じように、陽極側ターゲット３２は、扇形部分に配置されているが、中間点ＭＰに対してもっと小さい半径ｒ２を有する。モジュール式に構成された冷陰極２４と陽極側ターゲット３２は、扇形部分を形成し、これは、半径ｒ１とｒ２の他に、横方向の区切りしたがって点線で描かれた角度αの辺によって様々に画定可能である。３６０°のうちの角度αを決めることにより、図３の線に沿った丸い透過エミッタ構造が形成され、それぞれの数の冷陰極モジュール２５が、外側環状部分に離間せずに配置される。基本的には、冷陰極２４の放射面は、モジュール式に組み立てることができるだけでなく、図５ａに示したような複数の透過エミッタ構造を、例えば同じ外側冷陰極半径ｒ１と内側陽極半径ｒ２でα＝９０°の角度を有する４つの扇形部分構成を集めて、図３の線に沿った丸い透過エミッタ構造を形成することもできる。基本的に、図５ａによる冷陰極モジュール２５と陽極３２の構成において、角度αは、０〜３６０°の範囲で定義可能であり、半径ｒ１またはそれぞれｒ２は、少なくとも０μｍより大きい寸法に決定され、それにより、透過エミッタ構造を有するＸ線管において、例えば図３の線に沿ってこの構成を使用する際に、外側冷陰極半径ｒ１と内側ターゲット半径ｒ２の差が、例えば真空状態にある電子ｅ-の加速経路としたがって内部空間を決定し、半径ｒ２が放射チャンバを決定する。冷却材ＫＭの層は、放射チャンバ９０と向かい合う陽極側ターゲット３２の面上のさらに別の半径ｒ３（それにより、ｒ３はｒ１とｒ２より小さくなるように選択される）によって概略的に示されている。既に述べたように、冷陰極を有する透過エミッタの設計の利点は、冷却が陽極側しか必要ないことである。
【００６５】
同様に、図５ｂに、モジュール式に組み立てた冷陰極２４を有する透過エミッタ構造を示す。図５ａによる寸法決めの特別な事例を表す無限に対する半径ｒ１、ｒ２およびｒ３と、０°に対する角度αを決定することにより、モジュール式冷陰極２４と冷却材層ＫＭ付きの陽極側ターゲット３２とが、互いに平行または実質的に平行に配置される。この構造により、複数の装置のエミッタ装置（Ｘ線管、電子ビーム銃）を組み合わせで実現することができる。例えば、それぞれ９０°の角度αを有するか、２つのエミッタだけが高い湾曲率ｒを有するか、あるいはそれぞれ前述のエミッタ構造の組み合わせにより、４つのエミッタを組み合わせることができる。そのようなエミッタ構造は、図３に既に示した二極管構造、すなわち、抽出グリッドなしかあるいは図４による三極管設計、すなわち、抽出グリッドありのいずれかでも構成することができる。個別の冷陰極モジュール２４が、電界強化構造をその表面全体に付着させた状態で、離間なしに組み立てられた場合は、同様に、組み合わされた冷陰極モジュール２５の放射面は実質的に全体になる。図５ａと図５ｂに断面で示したように、必要に応じて画定可能な側面、前面、後面の扇形を有する冷陰極モジュール２５を、真珠ネックレス状に組み合わせると、モジュール式冷陰極２５の表面に必要に応じて画定することができる網状構造が作成され、それにより、グリッド構造は、個別に使用される冷陰極２５あるいはそれぞれ組み合わせ可能な冷陰極モジュール２４とそれらの構造に依存する。基本的には、陽極側ターゲットのモジュール構造は、冷陰極２４のモジュール設計と同じように可能であるが、コストのために、陽極は、図３、図５ａ、図５ｂに示したように一体で設計され、これは、生産技術に関しては、例えば、冷陰極と陽極の中空円筒設計のＸ線管を有する応用例、またはそれぞれ冷陰極と陽極の実質的に共面構成を有する電子エミッタにおいて容易に達成可能である。
【００６６】
図５ａと同じように、図６ａは、必要に応じて画定可能な同様の環形扇形のモジュール構成の冷陰極２４と陽極の構造を示す。しかしながら、図５ａと対照的に、図６ａではリフレクタ構造が形成されており、Ｘ放射（γ）を透過する材料がモジュール式冷陰極２４に使用され、個々の冷陰極モジュール２５が、半径ｒ１（例えば、図３によりＸ線管内に示したような放射チャンバ９０に対して）を有する内側環形上に配置され、半径ｒ３を有する冷却材層ＫＭの陽極３２が、半径ｒ２の外側環形上に配置されている。したがって、半径ｒ１は、半径ｒ２より小さい寸法に決定され、またこれは半径ｒ３より小さい。例えばＸ線管においてこの種の構成を使用するとき、電子ｅ-は、モジュール構成の冷陰極２４によって室温で放射され、電子ｅ-は、真空内部チャンバ４０内で加速され、ターゲット３２にぶつかり、その結果、Ｘ線放射（γ）が、放射チャンバ９０内の陽極側ターゲット３２から放射される。陰極側のＸ線放射（γ）を透過する陰極材料を通って、Ｘ線放射（γ）は、この構造では冷陰極２４によって取り囲まれた放射チャンバ９０に達する。
【００６７】
図７は、電子ビーム銃内で電子エミッタ１２を使用するために、図５ｂの線に沿った構造のモジュール式冷陰極２４を備えた電子透過エミッタ１２を概略的に示す。したがって、図７に示した陽極側材料は、電子ビームが浸透するように設計される。モジュール構成の冷陰極２４を有する電子透過エミッタ構造を使用することにより、失われた熱は、空気対流、水、または他の専用の冷却手段によって、陽極３３の側面から放出される。詳細には、陽極３３を電子（ｅ-）を透過するように構成するために、支持体グリッドを有する薄い陽極箔が使用される。支持体グリッド隔壁３３ａは図７に示されている。エネルギー範囲が８０〜３００ｋＶのとき、陽極箔の厚さは一般に３〜２００μｍになる。陽極箔３３と支持体グリッドの組み合わせは、特に支持体グリッド自体で、入射する電子（ｅ-）の一部分を吸収する。前述のような箔が十分に薄くまた支持体グリッドのグリッド開口に対するグリッド隔壁幅の比率が十分に小さい状態で、電力損失は、透過窓において比較的小さく、平均で入力電力の３０％未満になる。
【００６８】
基本的には、前述の提案した表面エミッタと丸形エミッタ構造あるいはそれぞれ透過エミッタとリフレクタ構造ならびにレントゲン撮影における従来のエミッタ構造は、モジュール式に組み立てられた冷陰極とそれに対応して配置された陽極によって構成することができる。以上述べた方法はすべて、実質的に電子の放射面を表わす冷陰極の表面に電界強化構造を適用するのに適切である。個別の冷陰極素子およびそれから構成されたエミッタセグメントのモジュール式組立体は、特に、平坦放射面および湾曲放射面または照射面の大面積設計に適している。放射チャンバ用の任意の所望の幾何学的配置の構成と被照射体用の任意の幾何学形状のまわりのエミッタの構成が可能であり、高線量エミッタを、表面領域またはそれぞれ空間内に、特に大面積に画定可能な形で配置することができる。ここで、エミッタ設計の４つの基本構造が可能であることを述べる。
【００６９】
１．内側陰極、外側陽極、内方放射（リフレクタ）
【００７０】
２．外側陰極、内側陽極、内方放射（透過エミッタ）
【００７１】
３．内側陰極、外側陽極、外方放射（透過エミッタ）
【００７２】
４．外側陰極、内側陽極、外方放射（リフレクタ）。
【００７３】
Ｘ線放射装置の他の構成が可能であるが、電子ビーム銃には透過エミッタとしての構成だけを検討することができ、透明陽極は、常に、真空空間からの電子の通過を可能にする。
【００７４】
本発明の利点は、以下のように要約することができる。高線量率に加えて、特に電界強化構造の全体的な適用において、冷陰極を低コストで作成することができ、冷陰極は、特に最小の熱損失を有し、室温での放射によって付加的な冷却を必要とせず、リフレクタまたは透過エミッタの構造は、Ｘ線を透過する陰極材料かＸ線を透過しない陰極材料のどちらかを使用しても可能である。支持体層上に具体的に層で形成された冷陰極用の電界強化構造および電界強化構造によって画定された冷陰極幾何学形状、さらに別の機能層の画定された発生、および詳細には支持体層と（ｅ-）放射層間の接触面の画定された幾何学形状の使用の組み合わせによって、特に大面積形状またはそれぞれのモジュール式に組み立てた冷陰極の構成と、陽極の対応する設計による自由に画定可能な形状の大きな放射チャンバが可能になる。同様に、物体上の部分的照射は、例えば個別の冷陰極モジュールの画定された構成によって可能である。
【００７５】
以上列挙した利点は、Ｘ線放射装置ならびに電子ビーム銃に当てはまる。第１の事例において、陽極は、衝突する電子がすべて吸収されＸ線の生成に使用されるように設計される。第２の事例において、陽極は、電子が実質的に陽極に浸透し、照射に直接使用することができるように設計される。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】現時点での最新技術による熱電子源を有するＸ線管を示す図である。 電子（ｅ-）が陰極３０によって放射され、Ｘ線γが窓３０１を介して陽極２０から放射される。
【図２】冷電子（ｅ-）放射陰極を示す図である。現時点での最新技術の電界強化構造として金属チップを有するリソグラフィ構成陰極を概略的に示す。
【図３】中空円筒形状のＸ線管の本発明による実施形態の断面図である。詳細には、中空円筒状の冷陰極陽極構成ならびに同様に構成された放射チャンバの断面を概略的に示す。これにより、例えば、陰極中空円筒３１内に４πガンマ線を均一に分散させることができる。照射する材料は、陽極中空円筒３１の内部に配置することができる。これにより、すべての面から物体に均一に照射され、これは他の方法でほとんど不可能である。
【図４】電極のいわゆる三極管構造の抽出グリッドを有するカーボンナノチューブを含む冷陰極の断面図である。
【図５ａ】扇形部分の電子源としてモジュール式に組み立てられた冷陰極を備えた可変電極形状の透過エミッタ構造の断面図である。４πガンマ放射を達成するために（やはり図３を参照）、複数のそのような透過エミッタ構造をモジュール式に有利に組み立てることができる。紙面に対して垂直な長手方向の透過エミッタ構造の長さは自由に選択することができる。
【図５ｂ】特別な事例の寸法の冷陰極と陽極の半径を有し、陰極と陽極が平行または実質的に平行な図５ａによる透過エミッタ構造の断面図である。
【図６ａ】扇形部分の電子源としてモジュール式に組み立てられた冷陰極を有する可変電極形状のリフレクタ構造の断面図である。陰極と冷陰極の支持体層は、実質的にＸ線放射を透過する。紙面に対して垂直な長手方向のリフレクタ構造の長さは自由に選択することができる。
【図６ｂ】特別な事例の寸法の冷陰極と陽極の半径を有し、陰極と陽極が平行または実質的に平行に配置された、図６ａによるリフレクタ構造の断面図である。
【図７】図５ｂと類似の構成のモジュール式冷陰極を備えた電子透過エミッタの図である。
【図１】
2007538359.tif 000003
【図２ａ】
2007538359.tif 000004
【図２ｂ】
2007538359.tif 000005
【図２ｃ】
2007538359.tif 000006
【図３】
2007538359.tif 000007
【図４】
2007538359.tif 000008
【図５ａ】
2007538359.tif 000009
【図５ｂ】
2007538359.tif 000010
【図６ａ】
2007538359.tif 000011
【図６ｂ】
2007538359.tif 000012
【図７】
2007538359.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月22日(2007.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高線量Ｘ線（γ）を生成するＸ線管（１１）において、電界強化構造（７０）を有する電子（ｅ-）放射材料を主成分とし、Ｘ線管（１１）内の真空状態の内部チャンバ（４０）内に電子（ｅ-）を放射する冷陰極（２１，２２，２３）と、陽極として構成されたターゲット（３１，３２）とを備え、Ｘ線放射（γ）をＸ線管（１１）の放射チャンバ（９０）内に放射することができるＸ線管（１１）であって、
冷陰極（２１，２２，２３）を、多数の冷陰極モジュール（２５）からモジュール式に組み立てることができ、Ｘ線管（１１）の放射チャンバ（９０）の形状とサイズを、冷陰極（２１，２２，２３）および／または陽極（３１，３２）の表面積および／または空間構成によって決定することができ、高線量Ｘ線（γ）を生成することができるＸ線管（１１）。
【請求項２】
冷陰極（２１，２２，２３）および／または陽極（３１，３２）の断面形状が、完全円、扇形、環形、三角形、四角形、多角形、または任意の所望の画定可能な多角形状として設計された、請求項１に記載のＸ線管（１１）。
【請求項３】
Ｘ線管（１１）が、共軸の陰極中空円筒（２０）が内側にある陽極中空円筒（３１，３２）として設計された、請求項１または２に記載のＸ線管（１１）。
【請求項４】
Ｘ線管（１１）が、共軸の陽極中空円筒（３１，３２）が内側にある陰極中空円筒（２０）として設計された、請求項１または２に記載のＸ線管（１１）。
【請求項５】
陰極（２１，２２，２３）および／または陽極（３１，３２）が、Ｘ線放射（γ）を実質的に透過する支持材料を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項６】
冷陰極（２１，２２，２３）と陽極（３１，３２）との間に少なくとも１つの抽出グリッド（８０）が配置された、請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項７】
冷陰極（２３）と抽出グリッド（８０）との間に電気絶縁体（６０）が配置された、請求項６に記載のＸ線管（１１）。
【請求項８】
陽極（３１，３２）が、少なくとも１つの冷却材層（ＫＭ）を有し、冷却材層（ＫＭ）が、液体冷却材（ＫＭ）および／またはガス冷却材（ＫＭ）を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項９】
冷陰極（２１，２２，２３）が、電子（ｅ-）放射材料を保持する少なくとも１つの支持層（２０１）を有し、冷陰極（２１，２２，２３）の放射面の幾何学形状と空間構成が、支持層（２０１）の成形によって画定される、請求項１から８のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１０】
層深さに対する冷陰極（２１，２２，２３）の表面の比率が大きい、請求項１から９のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１１】
電界強化構造（７０）が、カーボンナノチューブ（７１）を含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１２】
電界強化構造（７０）が、サンゴ状カーボンを含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１３】
電界強化構造（７０）が、金属チップ（７０ａ）を含む、請求項１から１０に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１４】
電界強化構造は（７０）が、シリコンチップを含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１５】
電界強化構造（７０）が、ダイヤモンドチップ、ダイヤモンドダストおよび／またはｓｐ2とｓｐ3結合カーボンのダイヤモンド状カーボンマトリックスを含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１６】
支持層（２０１）は、カーボンナノチューブおよび／またはサンゴ状カーボンが埋め込まれたマトリックスを含む、請求項９から１５のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１７】
冷陰極（２１，２２，２３）の支持層（２０１）が、セラミック材料による少なくとも１つの基板を含む、請求項９から１６のいずれか１項に記載のＸ線管。
【請求項１８】
支持層（２０１）が、少なくとも１つの抵抗層（２０３）および／または導電性トラック層（２０２）を含む、請求項９から１７のいずれか１項に記載のＸ線管（１１）。
【請求項１９】
導電性トラック層（２０２）が、蒸着された銅層を含む、請求項１８に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２０】
支持層（２０１）の少なくとも１つの電子（ｅ-）放射層と少なくとも１つの抵抗層（２０３）とが直列に接続された、請求項１８または１９に記載のＸ線管（１１）。
【請求項２１】
電子（ｅ-）放射材料が、画定された間隔で横並び、背中合わせおよび／または隣接して支持層（２０１）上に配置された、請求項９から２０のいずれかに記載のＸ線管（１１）。
【請求項２２】
電子（ｅ-）放射材料を主成分とし電界強化構造（７０）を有する冷陰極（２４）と、陽極（３３）とを有し、高線量電子ビームを生成することができる電子エミッタ構成を有する電子ビーム銃であって、
冷陰極（２４）を、多数の冷陰極モジュール（２５）からモジュール式に組み立てることができ、電子ビーム銃の放射チャンバの形状とサイズを、冷陰極（２４）および／または陽極（３３）の表面積および／または空間構成により決定することができる電子ビーム銃。
【請求項２３】
冷陰極が、請求項９から２１の少なくとも１項の特徴形状を含む、請求項２２に記載の電子ビーム銃。
【請求項２４】
陽極（３３）が、支持グリッドを備えた厚さ６〜２００μmのきわめて薄い箔を有する、請求項２２または２３に記載の電子ビーム銃。
【請求項２５】
陽極（３３）の冷却が、空気対流、熱伝導および／または液体冷却媒体によって行われる、請求項２２から２４のいずれか１項に記載の電子ビーム銃。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子（ｅ-）放射陰極を備え、詳細には様々な幾何学形状を有する物体の大きな面積に照射し滅菌用のＸ線管に使用する高線量率のＸ線管および電子ビーム銃に関し、さらに滅菌ならびにインクまたはそれぞれ高分子架橋の乾燥に使用する電子ビーム銃の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
血漿、医療機器、薬物および例えば野菜などの食物包装材料の滅菌において、レントゲン照射と電子線照射の使用は、ますます一般的になってきている。これは、Ｘ線や電子ビームを使用して行われることが好ましく、その理由は、放射線源としてのアイソトープが危険で取り扱いが難しく、また代替の（例えば化学的）滅菌法は費用効率が低くあるいは法律上の理由で使用できない場合があるためである。また、産業用途には、８０〜３００ｋｅＶのエネルギー範囲の電子（ｅ-）によるインクと高分子架橋の乾燥がある。すべての用途において、線量率をできるだけ高くすることが求められている。それにより、照射時間を大幅に短縮することができ、すなわち処理時間が短縮されると共にコストも削減される。
【０００３】
達成可能な線量率は、Ｘ線放射装置と電子ビーム銃とで基本的に異なる。加速電圧が１ＭＶまでの範囲では、Ｘ線を生成するために電子エネルギーの１％しかＸ線放射に変換されない。このため、標準のＸ線管では、その幾何学形状のために、放射に使用されるのは１０％未満である。この結果、電力を線量率に変換する効率因子がきわめて小さくなる。一方、電子ビーム銃を使用するときは、電子エネルギーの少なくとも５０％を滅菌に使用できると想定することができる。エネルギーの約５０％は、射出窓で失われる。また、Ｘ線管と電子ビーム銃は用途が異なる。電子は低い浸透深さを有し、したがって表面の滅菌にしか適していない。しかしながら、Ｘ線を使用すると、材料の内部も殺菌することができるが、低い効率を受け入れなければならない。
【０００４】
Ｘ線を使用する照射の場合、１表面当たりの線量率は、放射線源の焦点からの物体の距離と、焦点で生成される照射線量によって決まる。この照射量は、焦点にある材料が溶けないように焦点の冷却により放散または放出されなければならない熱エネルギーによってある程度制限される。従来のＸ線放射装置の特定の線量率は、これらの２つの因子により大きく限定される。したがって、線量率を高めるには、照射する物体をできるだけ放射線源に近づけなければならない。さらに、焦点での特定の露出によってターゲットが溶けないように、放射装置の焦点はできるだけ大きくなければならない。
【０００５】
電子エミッタの場合、物体はやはり放射線源にできるだけ近くなければならない。その理由は、近くないと電子が空気を通る経路の長さであまりにも多くのエネルギーが失われるからである。電子エミッタの射出窓の設計が最適化されている場合、照射出力のうち比較的少ない部分が陽極（ターゲット）で失われ、したがってＸ線照射よりも電子線照射によってきわめて高い線量率が実現される。
【０００６】
一般に、これまで、放射線源として熱電子源が使用されてきた。熱電子源は、直接加熱されても間接的に加熱されてもよく、熱電子の温度が十分な場合は、エミッタの真空中に電子（ｅ-）を直接放射する。加熱する熱電子源は、比較的確実で頑強で経済的な方法で作成することができるが、熱電子源にはいくつかの弱点がある。
【０００７】
原則として、陰極の出熱がエミッタ出力の約１〜５％にしかならない場合でも、陰極領域内の冷却する手段は高電流源によって駆動される。さらに、発生器は、加熱電力を高電圧で提供しなければならず、これは、高いコストと故障に対する弱さを意味する。熱電子源は高い電流密度を有するので、熱電子源を各点ごとではなく各面ごとに配置することができない。したがって、複雑な形状に均一に照射することもさらに難しい。熱電子源は、高温で操作され、その温度で放射材料は既に揮発している。したがって、そのような熱電子源の実用寿命は限りがある。電流供給線と場合によっては冷却のために、熱電子源をＸ線を透過するように構成することは困難である。したがって、照射の幾何学的可能性はさらに限定される。
【０００８】
例えば滅菌用のＸ線放射源の多くの応用例の場合、高線量率を実現し、また照射するそれぞれの物体の形状に放射線源の形態を適応させることができ、同時に照射する大量のそのような物体の特定の照射を可能にする放射線源が必要とされている。本発明による照射方法の費用効果の決め手は、例えばＸ線管や電子ビーム銃などの本発明の照射装置に冷陰極を組み込むことである。
【０００９】
冷陰極の動作形態は、以下にさらに詳しく説明される。電子（ｅ-）は、ポテンシャル障壁によって固体内部に拘束される。ポテンシャル障壁は、仕事関数φとも呼ばれ、一般に、従来のタングステンの渦巻形フィラメントでは４．５ｅＶ（電子ボルト）である。陰極の渦巻形フィラメントからの熱電子放出により、電子（ｅ-）は、ポテンシャル障壁を超えて真空に向かうのに十分なエネルギーを受け取る。したがって、達成可能な熱放射（thermoemission）の電流密度Ｊは、いわゆるリチャードソン式（Richardson equation）により、次の通りである。
【００１０】
Ｊ＝ａＴ2ｅｘｐ（−φ／ｋＴ）
【００１１】
ここで、ａはリチャードソン定数、Ｔは温度、Ｋはボルツマン定数である。
【００１２】
リチャードソン式から、仕事関数φが低いほど熱放射に有利であることが分かり、したがって、タンタル、ＢａＯ、トリウムなどの他のエミッタ材料を使用し処理することが試みられる。仕事関数φが低いほど低い温度で動作することができ、その結果、揮発速度が遅くなり高温陰極の寿命が長くなる。しかしながら、熱放射は、必要とされる高い温度Ｔ（＞１０００°ケルビン）のために、高い加熱容量要件を有し、したがってエネルギー消費量が多い。小さいフィラメントを有するＸ線管の従来の応用例では、これは問題ではない。さらに、電圧発生器は、印加電圧８Ｖで電流５Ａの必要電力をフィラメントを介して供給することができる。３本を超えるフィラメントが直列に接続された時点ですぐに発生器の上限容量に達する。
【００１３】
熱放射と対照的に、冷放出の場合、ポテンシャル障壁は、外部から印加される電界Ｆによって変形し、第一次近似において厚さｘ＝φ／ｅＦlを有する高さφの三角形を想定し、ここで、ｅは電子（ｅ-）の電荷であり、Ｆlは放射場所における局部電界である。障壁が十分に薄くなる場合、すなわちφ／ｅＦ1≦２ｎｍのとき、電子（ｅ-）は、障壁を通り抜け真空に達することができる。これは、冷陰極放出または電界放出とも呼ばれる。電子放出を引き起こすためには、放射場所に局部的に約２〜４０００Ｖ／μｍのきわめて高い電界強度Ｆlが必要とされる。
【００１４】
冷陰極エミッタの電流は、ファウラとノルトハイム（Fowler and Nordheim）１９２８による単純化された式を使って近似的に表すことができる。
【００１５】
Ｉ＝（１．５ｅ−６Ａ（Ｆl）2／φ）ｅｘｐ（１０．４／√（φ））ｅｘｐ（−６．４４ｅ７φ1.5／Ｆl）
【００１６】
ここで、Ａは、実験で決定された電流に適応させる前因子、√φは、仕事関数φの平方根である。
【００１７】
図２ａ＜原文まま２ｂ＞に、ファウラとノルトハイムの式による電流と電界強度の関係の特性曲線の一般的なきわめて急勾配の過程を示す。この場合、局部的に強化された電界強度Ｆlは、放射場所で数千ボルト／マイクロメートルにもなる。そのような高電界Ｆlは、幾何学的電界強化（geometric field enhancement）βによって実現される。大きい縦横比βを有する導電性の物体が電界に入れられたとき、幾何学形状によって左右される物体内の電荷の移動のために先端に電界強化が起こる。ここで、この物体が高さｈと曲率半径ｒを有する場合は、約β＝ｈ／ｒとなる。第一次近似において、強く強化された電界Ｆlは、以下の式で表すことができる。
【００１８】
Ｆl＝βＦ
【００１９】
ここで、Ｆは外部印加電界である。例えば、電界強化構造が、ｈ＝１０００ｎｍとｒ＝１ｎｍの寸法を有する場合は（これは、例えば、本発明による電界強化構造としてカーボンナノチューブの使用する場合に可能である）、電界強化が実現され、したがって印加電圧による電子の冷陰極放出によって外部印加電界Ｆが生じ、それにより外部印加電界Ｆは、一般に数ボルト／マイクロメートルになり、電界強化Ｆlは、数ボルト／ナノメートルになる。これに必要な電圧は技術的に全く実現可能である。
【００２０】
冷陰極における電流密度を十分に高めるために、高密度の電界強化構造を電界に導入しなければならない。ほんの３０年前までこれはほとんど不可能であった。しかしながら、ここ最近の数十年で、最大１０8個／ｃｍ2の放射マイクロチップ密度を実現できる様々な微細構造作成方法が開発された。そのようなリソグラフィで構成された陰極は、図２に概略的に表わされており、通常、例えばモリブデンの金属チップからなり、平坦画面技術から知られている。
【００２１】
マイクロチップをマイクロメートル精度で作成する方法は、細密で高価である。このため、きわめて低い印加電界強度における薄いカーボン膜の冷陰極放出に関する１９９０年代半ばの研究結果はたくさんの騒ぎを引き起こした。最初、その原因は、きわめて低い約０．１〜数ｅＶの仕事関数φであると想定された。今日では、いくつかの例外を除き、一般に、そのようなカーボン膜が電子を効率的に放射できるのは、仕事関数φが低いからではなく、電界強化構造を有するからであることが科学的に受け入れられている。そのような構造は、絶縁ｓｐ3相（insulating sp3 phase）によって取り囲まれたマトリックスの表面に配置されても内部に配置されてもよい。電気絶縁性ダイヤモンド内の強い共有結合がｓｐ3と呼ばれる。例えば、気相で成長した薄いカーボン膜は、絶縁ダイヤモンド状ｓｐ3カーボン間の結晶粒界でマイクロメートルサイズのグラファイト状ｓｐ2相を有する。印加電界はこのマトリックスに浸透することができるので、グラファイトｓｐ2相は電界強化構造として働く。カーボンナノチューブは、例えば米国特許第５，７２６，５２４  Ｂ１号に記載されたような電界強化構造として使用するのに適しているが、同様に、例えば米国特許第６，０８７，７６５  Ｂ１号と米国特許第６，５９３，６８３  Ｂ１号に記載されたような表面に鋭利な構造物を有するサンゴ状カーボン（coral-like carbon）などの他のカーボンタイプも商業的に魅力的である。
【００２２】
カーボン構造を生成するには、現時点での最新技術の通常の方法が考えられる。例えば、気相から析出する場合（化学蒸着法−ＣＶＤ）、炭素を多く含む気体混合物（例えば、メタン、アセチレンなど）を、場合によってはＨ2（水素）やＮ2など（窒素）を加えて、真空反応器（真空容器）に導入することができる。その後、マイクロ波プラズマを点火するか、または基板を６００℃〜９００℃に加熱する。いずれの場合も、付着パラメータに応じて、様々なカーボン構造物が基板上に成長する。触媒成長が使用されることもある。それにより、遷移金属（ニッケル、コバルト、鉄など）が、小さなクラスタの形、すなわち、サイズが数ナノメートルから数マイクロメートルで基板上に付着される。カーボンナノチューブは、そのようなクラスタ上に成長することができる。英語で「cathodic arc（陰極アーク）」と呼ばれる方法では、ヘリウム雰囲気中の２つのグラファイト電極間で、約８０Ａの電流強度Ｉでアーク放電が点火される。放電後に、カーボンブラック中にナノチューブが見つかり、これは、クリーニング処理の後で使用することができる。例えば、いわゆるレーザアブレーション法を使用することもできる。それによりレーザを使ってグラファイトターゲットにショットが発射される。同様にカーボンブラック中にナノチューブが見つかる。グラファイトターゲットに遷移金属を加えることによって、単層ナノチューブを作成することができる。様々な他の作成方法あるいは前述の作成方法の変形がある。一般に、そのような方法には、チューブの欠陥率、チューブの幾何学形状、不良品などに限られた影響がある。これは、これまでほとんど理解されていない成長メカニズムで行わなければならない。
【００２３】
本発明により、冷陰極エミッタとして特にカーボンナノチューブおよび他の限定的に構成されたカーボンとその改良物の使用が魅力的である重要な理由は、コスト効率と陰極の大面積構造が可能性なことである。しかし、カーボンの使用が興味深い理由は他にもある。カーボンの強い共有結合のために、カーボンで作成した冷陰極エミッタは、例えば蒸着したモリブデンチップやエッチングしたシリコンチップなどより破壊しにくい。高電圧電界中の原子は移動せず、例えば金属チップと違って破裂しにくい。
【００２４】
現時点で、電子エミッタとしてのカーボンナノチューブの作成方法は、まだ十分に発達していないと言うことができる。チューブの結合、例えば触媒作用で成長したチューブとの結合はきわめて不十分なことがあり、そのようなチューブは、電界中で、その電荷のために、陽極の方向に剥がれることがある（電界誘導されたエミッタ破壊）。したがって、カーボンナノチューブは、一方で放電を引き起こすことができるが、他方で放射性能は時間の経過と共に低下する。実際には、チューブの長期間安定性は、現時点で不十分であり、結合を改善するためにずっと研究が行われている。
【００２５】
カーボンを主成分とする冷陰極エミッタの使用に関する別の問題は、平面上の多数の平行な放射カーボン構造の限られた放出電流密度と関連する。実際には、一般に、典型的なナノチューブ薄膜層には平均で１ｃｍ2当たり１０8を超える潜在的エミッタがある。適切に接触されたナノチューブは、最大１０μＡ（理論的にはｍＡレンジまで）の電流を問題なく輸送できなければならない。これは１０3Ａ／ｃｍ2以上の電流密度となる。しかしながら、実験値から、約５〜１０Ｖ／μｍの電界強度Ｆでは、１〜１００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度と１０4〜１０5エミッタ／１ｃｍ2のエミッタ密度が達成されることが分かった（もっと高い電界強度では、陽極と陰極間に不利な形で放電が始まる）。
【００２６】
これに関して基本的に２つの説明がある。一方で、きわめて高密度の構造は電界強化に不利である。エミッタとエミッタの間隔がきわめて近いと、静電遮蔽が生じ、幾何学的に強化された電界Ｆlが低下することになる。
【００２７】
他方、カーボンナノチューブによる典型的な冷陰極エミッタ膜は、電界強化構造の確率的分布を有する。これにより、実験で研究されたすべての事例では、冷陰極表面上に電界強化構造の空間的確率分布β（ｘ，ｙ）が生じる。したがって、統計的β分布は、次のように定義することができる。
【００２８】
ｆ（β）＝ｄｎ／ｄβ
【００２９】
ｄｎは、小さい間隔β〜（β＋ｄβ）での単位表面積当たりの電界強化構造の数である。ｆ（β）は、冷陰極の性能または効率の大きさであり、次のようなエミッタ密度と電流密度の定量的説明を示す。
【００３０】
エミッタ密度（Ｆ）＝∫ｆ（β）ｄβ [ｃｍ-2]
【００３１】
電流密度（Ｆ）＝∫ｆ（β）Ｉ（β，Ｆ）ｄβ [Ａｃｍ-2]
【００３２】
Ｉ（β，Ｆ）は、外部印加電界Ｆの関数としての単一エミッタの電流であり、幾何学的電界強化である。カーボンナノチューブによる典型的な冷陰極のｆ（β）が、βの指数関数すなわちｆ（β）〜ｅｘｐ（ｋβ）を有することが分かった。
【００３３】
より高いβレンジ（＞４００）の電界強化構造の比較的少ない数のため、それ故に、すべての可能なエミッタの約０．０１％しか電流に寄与しない。残りのエミッタの電界強化値は低すぎ、したがって、電界Ｆlが２Ｖ／ｎｍより小さいので（式２を参照）動作しないままである。０．０１％のシェアを有する最も効率的なエミッタは、低い（すなわち、電圧差の小さい）印加電界Ｆで電流を供給するが、そのようなエミッタの数はきわめて少ないので、全体的な電流密度は低いままである。外部印加電界Ｆを高めようとすると、あまり効率的でないエミッタも電流に寄与することなり、間違いなく放電が起こるか何より最も効率的なエミッタの電流の誘導によるエミッタ破壊が起こる。
【００３４】
基本的には、現時点での最新技術において、電流密度とエミッタ密度を改善する３つの手法が知られている。第１の手法として、律速成長によってエミッタとエミッタの間隔を制御するかまたはエミッタ幾何学形状（高さと曲率半径の比）をそれぞれ制御する試みが行われる。この手法は、電界強化構造のいわゆる「自己組織化」として知られる。それにより、エミッタ間に生じる静電遮蔽をなくすか大幅に減少させることができる。したがって、幾何学的強化電界Ｆlが増大する。第２の手法として、律速成長によってｆ（β）を制御し操作する試みが行われる。 典型的なカーボン冷陰極のｆ（β）の指数関数的挙動は、本質的なものであるように思われるが、ｆ（β）の直線の勾配をかなり大きくすることによって、より多くのエミッタが高いβレンジに入るようになる。したがって、そのようなエミッタも電流密度を高めることに寄与することになる。第３の手法として、安定抵抗器の使用が知られており、マイクロチップに既に応用されている。１つまたは複数のエミッタが、例えば抵抗膜または抵抗層の形の抵抗器と直列に接続された場合、放射は、典型的なファウラ−ノルトハイム挙動から逸脱する。幾何学的強化電界Ｆlが大きくなるほど、電流はＦ−Ｎ特性線からの逸脱が大きくなる。
【００３５】
この作用は、最も高効率のエミッタの電流を抑制するために利用される。これは逆説的に思えるが、このようにして、最も高性能なエミッタの電流誘導エミッタ破壊が防止され、それにより外部から印加される電界を高めることができる。それにより高められた電界において、より小さいβを有するエミッタも電流密度に寄与することができる（式５を参照）。そのようなエミッタはきわめて大量に生じるので、ｆ（β）の指数関数的挙動によって、陰極の全体的電流密度が高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
したがって、本発明の目的は、熱電子放射線源の前述の欠点を克服し、また最小の陰極電力損失の高線量エミッタを使用するＸ線または電子ビームを有する照射装置を提案することであり、様々な幾何学形状を有し、同時に多量に照射することができる。詳細には、従来のＸ線放射装置より何倍も高い線量率を可能にするＸ線放射装置が提案されるべきである。また、Ｘ線に変換される有効エネルギーの割合も高められるべきであり、照射される表面と材料の深さに対するＸ線の均一な分布が達成されるべきである。さらにまた、提案された装置は、特に工業規模で、詳細には様々な物体の滅菌ならびにインクと高分子架橋の乾燥のためのコスト効率の高い照射を可能にすべきである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
これらの目的は、特に独立クレームの要素により本発明によって達成される。さらに、さらに他の有利な実施形態は、従属クレームと明細書から分かる。
【００３８】
詳細には、これらの目的は、Ｘ線管が、高線量Ｘ線放射（γ）を生成するために、真空状態の内部チャンバに電子（ｅ-）を放射する陰極と、陽極として構成されたターゲットから構成され、陰極が、電界強化構造を有する電子（ｅ-）放射材料を主成分とする少なくとも１つの冷陰極を含み、陰極および陽極が第１および第２の閉鎖中空円筒として設計され、１つの中空円筒体が他の中空円筒体の内側に形成され、陰極および／または陽極がＸ線放射（γ）を実質的に透過する材料を含んでいる本発明によって達成される。本発明の１つの利点は、例えば、照射する材料をＸ線管の内側に配置することが出来、それにより、Ｘ線の集中および相当により強力かつより一様な照射を達成することができることである。この実施例の変形の更なる利点の１つは、例えば、（空気対流を除き）冷陰極の専用冷却器なしにリフレクタまたは透過エミッタ構造を構築することが可能であることである。
【００３９】
一実施形態の変形において、電界強化構造は、例えば、カーボンナノチューブ、サンゴ状カーボン、金属チップ、シリコンチップ、ダイヤモンドチップおよび／またはダイヤモンドダスト含むことができる。電界強化構造は、電子（ｅ-）を既に室温で放射することが好都合である。熱電子源として知られる熱陰極と対照的に、電界強化構造は、真空内で電子（ｅ-）を放射するためにいかなる加熱機能も必要としない。陰極の表面に一体化することができる電界強化構造は、外部印加電界の強化によって電子（ｅ-）を冷陰極放出させる。外部印加電界に基づく冷陰極の動作形態は、鋭利な設計の構造で強化され、その結果、一般に例えば約２０００〜４０００ボルト／１マイクロメートルの大きさの高電界が作成される。陽極は、陰極の電子放射面に対して、例えば小さい比率または同じ比率で設計されてもよい。この一実施形態の変形は、例えば、電子放出が室温で起こり、したがってエミッタを加熱する装置が省略されるという利点を有している。さらに、エミッタのすぐ近くの冷却手段がなくなる。別の利点として、エミッタの実用寿命について言及しなければならない。エミッタが室温で動作するので、エミッタ材料のアブレーションによる劣化が起きない。電流供給線と場合によって冷却手段のために、Ｘ線を透過するように電子放出源を構成することは難しい。それにより、照射の幾何学的可能性はさらに制限される。したがって、Ｘ線放射を透過する陰極および／または陽極を有するＸ線管は、現時点での最新技術で作成することができず、あるいは困難なしには作成することができない。
【００４０】
他の実施形態の変形において  Ｘ線管は、共軸の陽極中空円筒を内側に備えた陰極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陽極中空円筒内に配置することができ、Ｘ線を通じて直接照射することができるという利点を有する（放射が内側の透過エミッタに進む）。
【００４１】
さらに別の実施形態の変形において、Ｘ線管は、内側に共軸の陰極中空円筒を有する陽極中空円筒として設計される。この実施形態の変形は、一例として、例えば照射する材料を陰極中空円筒内に配置することができ、透過陰極で照射するという利点を有する（放射が内側のリフレクタに進む）。
【００４２】
さらに実施形態の変形において、冷陰極は、電子（ｅ-）放射材料を保持する少なくとも１つの支持体層を有し、冷陰極の放射面は、実質的に支持体層の形状によって画定される。この実施形態変形の１つの利点は、例えば、ほとんどいかなる所望の幾何学形状の構成も達成できることである。
【００４３】
別の実施形態変形において、冷陰極の放射面の幾何学形状と空間構成は、支持体層の成形によって決定される。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、照射ユニットの幾何学形状を、照射方法の要件に対して単純に適応させることができることである。
【００４４】
さらに他の実施形態の変形において、冷陰極の表面の層深さに対する比率が大きい。この実施形態の１つの利点は、例えば、陰極が、大面積照射装置に適切していることである。
【００４５】
さらに別の実施形態の変形において、Ｘ線管の放射チャンバの形状とサイズは、冷陰極および／または陽極の表面積および／または空間構成によって決定される。この実施形態の１つの利点は、例えば、照射する材料をすべての側面から同時に照射できることである。
【００４６】
一実施形態の変形において、支持体層は、埋め込まれたカーボンナノチューブおよび／またはサンゴ状に構成されたカーボンを含むマトリックスを含む。この実施形態の変形の利点は、例えば、大面積エミッタ装置にとってきわめて経済的になることである。カーボンナノチューブは市販されており、サンゴ状に構成されたカーボンは、それ自体を大面積に経済的に付着させることができる。さらに、カーボンは、その強い共有結合のために、金属チップよりもイオン衝撃と放電に対する耐性が高い。カーボンは、大きな放出電流に耐えることができる。
【００４７】
別の実施形態の変形において、冷陰極の第１の支持体層は、セラミック材料またはガラスによる少なくとも１つの基板を含む。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、支持材料が、より安価で、形成容易で、真空に適していることである。さらに、これらの材料によるＸ線の弱まりは比較的わずかである。
【００４８】
一実施形態の変形において、支持体層は、少なくとも１つの抵抗層および／または導体経路層を含む。この実施形態の１つの利点は、例えば、放出電流を陰極表面に均一に分散させることができることである。したがって、特定電力を陽極上に適切に分散させることができ、それにより局部的加熱が回避される。
【００４９】
さらに実施形態の変形において、導体経路層は蒸着された銅層を含む。この実施形態の変形の利点は、例えば、銅が優れた電気特性と伝熱特性を有することである。他の金属も同様に有利に使用することができる。
【００５０】
一実施形態の変形において、支持体層上の電子（ｅ-）放射材料は、画定された間隔で横並び、背中合わせかつ／または隣接して配置される。これは、抽出グリッド自体を平らな幾何学形状で容易に構成できるようにするので、例えば生産技術に関連する利点を有する。したがって、複数のそのようなエミッタモジュールを、エミッタ構造の複雑な幾何学形状で組み立てることができる。
【００５１】
別の実施形態の変形において、冷陰極および／または陽極は、少なくとも二つの独立した部分から構成される。これらの部分の数ひいてはこの構造の長さは、原則的に、必要に応じて選択することができる。この実施形態の変形の利点は、例えば、エミッタ構造が、それ自体をモジュール式に組み立てできることである。
【００５２】
一実施形態の変形において、冷陰極と陽極の間に少なくとも１つの抽出グリッドが配置される。例えば、冷陰極と抽出グリッドの間に電気絶縁体を配置することができる。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、抽出グリッドと冷陰極エミッタの距離を放射面全体にわたって一定に維持できることである。それにより、放射強度の局部的ばらつきを小さくすることができる。また、抽出グリッドの使用は、イオン衝撃と放電からの保護として働くことができる可能性がある。
【００５３】
別の実施形態の変形において、陽極は、少なくとも１つの冷却材層（ＫＭ）を有し、冷却材層（ＫＭ）は、冷却液および／または冷却ガス（ＫＭ）を含む。この実施形態の変形の１つの利点は、例えば、陽極がより高い特定の電子強度に耐えることができることである。したがって、線量率をさらに高めることができる。
【００５４】
本発明によるＸ線管の他に、本発明は、また、本発明によるＸ線管により滅菌しかつ／または照射する方法ならびに適合する電子ビーム銃に関連することを述べる。
【００５５】
本発明の実施形態の変形は、以下に例を参照して説明される。実施形態の例は、以下の図によって示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
図１は、現時点での最新技術のそのような従来のＸ線管１０の構造を概略的に示す。それにより、電子ｅ-が、一般に高温タングステンコイルの電子エミッタ、すなわち陰極３０によって放射され、印加された高電圧によってターゲットに向かって加速され、Ｘ線γが、ターゲット、すなわち陽極２０によって窓３０１から放射される。すなわち、電子ｅ-がターゲットに衝突すると、そのとき生じている焦点でＸ線放射γが生成される。Ｘ線放射γは、窓３０１から外部空間に出て、照射に使用される。ターゲット２０上で生成された放射のわずかな部分だけが、照射される材料に達する。放射のほとんどは、管の幾何学形状により、管自体に吸収される。したがって、物体に完全に照射するために、物体のサイズにより特定の照射間隔を選択しなければならない。従来の構成では、一般に、ターゲット表面の半分の空間で照射の約１０％しか使用することができない。図１は、５０°の開度を有する射出窓３０１を示す。
【００５７】
図２は、現時点での最新技術の既知のリソグラフィで構成された冷陰極２２を概略的に示す。低コストの支持体、例えば、セラミック基板上に導電性トラック層２０２が蒸着され、さらに、この層に抵抗層２０３が付着される。抵抗層２０３上には、（電子）エミッタとも呼ばれる電界強化構造７０として、モリブデンで作成された金属チップ７０ａが付着される。金属チップ７０ａは、横方向に隣り合って配置された各ケース内に、絶縁体６０を使用して離間されている。絶縁体６０の表面には、高さ方向に、すなわち、抵抗層２０３から上方に離間されたグリッドとも呼ばれるゲート８０が形が合うように付着されている。金属チップ７０ａとゲート８０の間に電界Ｆ（図示せず）が印加され、ゲート８０は、抽出グリッドとして働き、金属材料で作成されている。ゲート８０は、電気的（絶縁されて）かつ空間的に分離され、一般に数マイクロメートルのアパーチャを有する。ゲート８０とエミッタ７０ａ間の電圧差は、一般に、１００ボルト未満になる。平坦画面の用途では、例えば、十〜数百個のそのようなマイクロチップ７０ａのグループ（画素）に並列に通電しなければならない。これは、Ｘ線管に絶対に必要というわけではない。
【００５８】
図３は、Ｘ線管１１の図を断面で示し、Ｘ線管１１は、好ましい実施形態において、互いに同軸で配置された中空円筒冷陰極２１と中空円筒陽極３１で構成されている。２つの中空円筒の共通中心軸は、図３の断面で分かるように、共通中間点ＭＰを通る。断面で、中間点ＭＰに対する半径ｒ１を有する外側の完全円上に、Ｘ線管１１の冷陰極２１が示されている。切り抜き部分Ａの図に抽出され拡大されて示されているように、冷陰極表面は、電界強化構造としてカーボンナノチューブ７１が埋め込まれたマトリックスを有する。外部印加電界Ｆ（図示せず）が印加される結果として、既に室温で、カーボンナノチューブによって、電子（ｅ-）がＸ線管１１の真空内部チャンバ４０内に放射される。そのように加速された電子（ｅ-）は、陽極側ターゲット３１にぶつかり、既知のようにＸ線放射（γ）を放射させる。中間点ＭＰに対する小さい方の半径ｒ２を有する陽極３１の設計により、Ｘ線放射（γ）は、同様に中空円筒状に設計された放射チャンバ９０内に四方に放射される。図３の実例において、電極２１、３１の二極管構造を有する透過エミッタは、Ｘ線放射（γ）を透過しない支持材料を冷陰極２１に使用して形成される。したがって、冷電子（ｅ-）放射陰極２１と陽極３１の間に十分に高い電圧が印加され、他の構造とは対照的に、ここでは抽出グリッドは配置されていない。電界強化構造、詳細にはカーボンナノチューブ７１は、冷陰極表面（拡大図Ａを参照）上のマトリックス７１ａに埋め込まれているが、冷陰極２１の支持材料（図示せず）は、例えば低コストのセラミック基板から成る。Ｘ線管１１を外部から遮断するこの基板は、既にＸ線管空間全体の外側の終端を形成しており、真空内部チャンバ４０と放射チャンバ９０の両方を一種の二重壁で取り囲む。さらに他の実施形態（図示せず）において、支持基板は、必要に応じて外側がさらに他の層で金属化されるか、あるいは金属または高分子物質からなるさらに他のハウジング壁材（図示せず）を含む。図３に示したように、冷電子（ｅ-）放射陰極２１の使用により、陽極表面を冷却するだけでよい。冷却は、例えば水、油、空気などの液体または気体の冷却材ＫＭによって行うことができる。概略的に示した冷却材空間は、陽極３１と冷陰極２１の共通中心軸の中間点ＭＰから半径ｒ３（ｒ３はｒ２より小さい）で、陽極３１と共に、中空円筒状に設計された放射チャンバ９０を取り囲む。陽極３１の材料として、さらに大きい原子番号の金属、例えば、タングステンが既知のように使用される。図３に示した陰極表面の実施形態において、カーボンナノチューブ７１や使用される他の電界強化構造７０もイオン衝撃を受ける。電子ビームで残留ガス（低濃度である）をイオン化することができる。したがって、残留ガスは、冷陰極２１に衝突する際に十分に高い印加陰極／陽極電圧（図示せず）に対応するエネルギーを有することができる。しかしながら、カーボンナノチューブ７１は、その強い原子結合によって、ある程度イオン衝撃に耐えることができる。詳細には、図３による冷陰極２１と陽極３１の丸形エミッタ透過設計を有するＸ線管１１の構造は、例えばコストの理由で興味深く、その理由は、抽出グリッドやゲートがないとエミ��タ構造を容易かつ経済的に作成できるからである。詳細には、セラミック基板上に電界強化構造７１を全体的に付着させるのは、生産技術的に容易である。
【００５９】
図４は、抽出グリッド８０を有する冷陰極２３の構成を概略断面図で示し、エミッタ構造に属する陽極は示されていない。最初に、導電性トラック２０２を有する層が、支持材料２０１、例えば、安価なセラミック基板に蒸着される。導電性トラック層２０２は、陰極２３の表面の個別の電界強化構造７１に通電する働きをする。導電性トラック層２０２と電界強化構造７１の間に、抵抗層２０３が、電界強化構造７１と直列に挿入される。既に前に述べた第３の手法により、この抵抗層２０３は、安定抵抗器として電流密度とエミッタ密度を改善する働きをする。層２０１、２０２、２０３は、Ｘ線放射を実質的に透過し、また放射に耐性がある。すなわち、結合またはそれぞれの電気特性は長期安定性を有する。既に述べたように、別の問題として、陰極表面のエミッタの欠陥結合の結果、特にエミッタ破壊が見られた。状況により、エミッタ破壊は、イオン衝撃や放電よりも電流と電界で引き起こされる破壊によって生じる可能性が高い。しかしながら、エミッタの欠陥結合は、エミッタ性能の長期安定性が不十分になる悪い結果を有することがある。その結果、エミッタ性能の長期安定性を一定に維持する工程が取られることになり、これは、抽出電圧を時間と共に高めることにより達成される。抽出電圧を時間に対して確実に変化させるために、図４に図で示したような、三極管構造の電極構成が特に有利である。抽出電圧（図示せず）は、ゲート８０と冷陰極２３の間に印加され、電界強化構造７１の形状と、陰極表面とゲート８０間の間隔（この間隔は矢印ｄで示されている）とにより、一般に１０〜１００００ボルトになる。図４に示した実施形態において、電界強化構造７１は、イオン衝撃にあまりさらされず、特に電気的な高電圧放電にあまりさらされない。冷陰極２３の表面からゲート８０を空間的かつ電気的に分離するには、別の苦労が必要であり、したがって追加のコストが必要である。電気的／空間的な分離は絶縁体６０を使って行われ、その高さまたはそれぞれの厚さは、ゲート８０から冷陰極２３の表面までの間隔（矢印ｄ）に対応する。冷陰極自体と同じように、例えば、絶縁体／スペーサ６０は、平坦に設計されてもよく、例えば穿孔されたガラスまたはセラミックス板の形状を有することもできる。従って、各スペーサ６０は、例えば、特に大面積設計の冷陰極によりコスト効果の高い小さなガラスロッドからなる。ゲート８０（抽出グリッドとも呼ばれる）として、例えば陰極表面から遠い絶縁体６０の前面側に金属を蒸着させることができる。さらに、ゲート６０＜原文まま８０＞として、金属グリッドを、図４の断面で矢印ｃで示した可変穴間隔と、図４の断面で矢印ｂで示した可変隔壁幅（穴の間のウェブ）で使用することもできる。図４に従って三極管エミッタ構造を実施する際、ゲート８０の幾何学的配置（矢印ａ〜ｄ）に大きな重要性が与えられるべきである。それにより、前述の矢印ｂおよびｃは、絶縁体６０の穿孔パターンまたはそれぞれウェブ開口を決定し、陰極表面からゲート８０までの間隔は矢印ｄで決定され、矢印ａが、２つの絶縁体６０の間隔を決定する。前述の測定値（矢印ａ〜ｄ）は、電力損失と抽出電圧によって決定される。陰極２３へのゲート８０の遮蔽面と、除去されるスペーサ／絶縁体６０の面積が大きくなるほど、ゲート８０での損失が大きくなる。したがって、最適設計において、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）はできるだけ小さくなるように寸法が決定され、グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）はできるだけ大きくなるように寸法が決定されなければならない。グリッド（矢印ｃ）のウェブ開口の寸法を大きくすると外部印加電界Ｆ（図示せず）がエミッタ部分で弱くなりすぎるので、必要なだけ大きくすることはできず、一方、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）は、静電引力のためにグリッド形ゲート８０が大きく変形しないように十分に大きくなるように決定されなければならない。最後に述べた理由のために、分離スペーサ／絶縁体６０が、グリッド隔壁（穴の間のウェブ）８０ａのそれぞれの下に配置された場合は、さらに有利である。これにより、２つの絶縁体の間隔（矢印ａ）は、グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）と全く同じくらい大きくなる。
【００６０】
図４による冷陰極２３の第１の設計において、例えば、（ｉ）２つの絶縁体の間隔（矢印ａ）が０．０１〜２ｍｍ、（ii）グリッド隔壁（穴の間のウェブ）の幅（矢印ｂ）が０．０１〜０．２ｍｍ、（iii）グリッドのウェブ開口（矢印ｃ）が０．０１〜０．３ｍｍ、および（iv）陰極表面からゲートまでの間隔（矢印ｄ）が０．０１〜２ｍｍの値範囲を想定することができる。
【００６１】
陰極２３の表面から陰極ゲート８０までの間隔（矢印ｄ）の値が大きい場合は、一般に数千ボルトの抽出電圧をかけなければならない。その結果、ゲート８０の電力損失がきわめて大きくなる。陰極２３の表面からゲート８０までの間隔が数十μmになる場合は、例えば最大約１００ボルトの電気抽出電圧でほぼ十分であるが、一方、リソグラフィで画定されていない陰極の短絡の危険が比較的大きい。したがって、冷陰極２３の設計において、矢印ａ、ｂ、ｃおよびｄで示した前記間隔に関する妥協が必要である。したがって、使用されるマイクロメートルレンジでリソグラフィ法、画定されたゲート、絶縁体およびエミッタ表面を使用して陰極２３を作成することがさらに有利である。
【００６２】
図５ａは、Ｘ線管で本発明により使用される任意の画定可能な扇形内の多数の冷陰極モジュール２５と１つの陽極３２から成るモジュール式に組み立てられた冷陰極２４を有する透過エミッタ構造を示す。外半径ｒ１を有する外側扇形部分に、概略的に示したように、複数の冷陰極モジュール２５が実質的に同じ間隔で配置されている。冷陰極モジュール２５は、その表面に、Ｘ線管の真空内部チャンバ４０内で電子（ｅ-）を既に室温で放射する電界強化構造（図示せず）を有する。代替として、冷陰極モジュール２５は、図４の実施形態の変形に従って装備されてもよい。加速されて、電子は（ｅ-）は、陽極側ターゲット３２にぶつかる。既知のように、Ｘ線放射（γ）は、ターゲット３２によって例えば放射チャンバ９０内に放射される。同じように、陽極側ターゲット３２は、扇形部分に配置されているが、中間点ＭＰに対してもっと小さい半径ｒ２を有する。モジュール式に構成された冷陰極２４と陽極側ターゲット３２は、扇形部分を形成し、これは、半径ｒ１とｒ２の他に、横方向の区切りしたがって点線で描かれた角度αの辺によって様々に画定可能である。３６０°のうちの角度αを決めることにより、図３の線に沿った丸い透過エミッタ構造が形成され、それぞれの数の冷陰極モジュール２５が、外側環状部分に離間せずに配置される。基本的には、冷陰極２４の放射面は、モジュール式に組み立てることができるだけでなく、図５ａに示したような複数の透過エミッタ構造を、例えば同じ外側冷陰極半径ｒ１と内側陽極半径ｒ２でα＝９０°の角度を有する４つの扇形部分構成を集めて、図３の線に沿った丸い透過エミッタ構造を形成することもできる。基本的に、図５ａによる冷陰極モジュール２５と陽極３２の構成において、角度αは、０〜３６０°の範囲で定義可能であり、半径ｒ１またはそれぞれｒ２は、少なくとも０μｍより大きい寸法に決定され、それにより、透過エミッタ構造を有するＸ線管において、例えば図３の線に沿ってこの構成を使用する際に、外側冷陰極半径ｒ１と内側ターゲット半径ｒ２の差が、例えば真空状態にある電子ｅ-の加速経路としたがって内部空間を決定し、半径ｒ２が放射チャンバを決定する。冷却材ＫＭの層は、放射チャンバ９０と向かい合う陽極側ターゲット３２の面上のさらに別の半径ｒ３（それにより、ｒ３はｒ１とｒ２より小さくなるように選択される）によって概略的に示されている。既に述べたように、冷陰極を有する透過エミッタの設計の利点は、冷却が陽極側しか必要ないことである。
【００６３】
同様に、図５ｂに、モジュール式に組み立てた冷陰極２４を有する透過エミッタ構造を示す。図５ａによる寸法決めの特別な事例を表す無限に対する半径ｒ１、ｒ２およびｒ３と、０°に対する角度αを決定することにより、モジュール式冷陰極２４と冷却材層ＫＭ付きの陽極側ターゲット３２とが、互いに平行または実質的に平行に配置される。この構造により、複数の装置のエミッタ装置（Ｘ線管、電子ビーム銃）を組み合わせで実現することができる。例えば、それぞれ９０°の角度αを有するか、２つのエミッタだけが高い湾曲率ｒを有するか、あるいはそれぞれ前述のエミッタ構造の組み合わせにより、４つのエミッタを組み合わせることができる。そのようなエミッタ構造は、図３に既に示した二極管構造、すなわち、抽出グリッドなしかあるいは図４による三極管設計、すなわち、抽出グリッドありのいずれかでも構成することができる。個別の冷陰極モジュール２４が、電界強化構造をその表面全体に付着させた状態で、離間なしに組み立てられた場合は、同様に、組み合わされた冷陰極モジュール２５の放射面は実質的に全体になる。図５ａと図５ｂに断面で示したように、必要に応じて画定可能な側面、前面、後面の扇形を有する冷陰極モジュール２５を、真珠ネックレス状に組み合わせると、モジュール式冷陰極２５の表面に必要に応じて画定することができる網状構造が作成され、それにより、グリッド構造は、個別に使用される冷陰極２５あるいはそれぞれ組み合わせ可能な冷陰極モジュール２４とそれらの構造に依存する。基本的には、陽極側ターゲットのモジュール構造は、冷陰極２４のモジュール設計と同じように可能であるが、コストのために、陽極は、図３、図５ａ、図５ｂに示したように一体で設計され、これは、生産技術に関しては、例えば、冷陰極と陽極の中空円筒設計のＸ線管を有する応用例、またはそれぞれ冷陰極と陽極の実質的に共面構成を有する電子エミッタにおいて容易に達成可能である。
【００６４】
図５ａと同じように、図６ａは、必要に応じて画定可能な同様の環形扇形のモジュール構成の冷陰極２４と陽極の構造を示す。しかしながら、図５ａと対照的に、図６ａではリフレクタ構造が形成されており、Ｘ放射（γ）を透過する材料がモジュール式冷陰極２４に使用され、個々の冷陰極モジュール２５が、半径ｒ１（例えば、図３によりＸ線管内に示したような放射チャンバ９０に対して）を有する内側環形上に配置され、半径ｒ３を有する冷却材層ＫＭの陽極３２が、半径ｒ２の外側環形上に配置されている。したがって、半径ｒ１は、半径ｒ２より小さい寸法に決定され、またこれは半径ｒ３より小さい。例えばＸ線管においてこの種の構成を使用するとき、電子ｅ-は、モジュール構成の冷陰極２４によって室温で放射され、電子ｅ-は、真空内部チャンバ４０内で加速され、ターゲット３２にぶつかり、その結果、Ｘ線放射（γ）が、放射チャンバ９０内の陽極側ターゲット３２から放射される。陰極側のＸ線放射（γ）を透過する陰極材料を通って、Ｘ線放射（γ）は、この構造では冷陰極２４によって取り囲まれた放射チャンバ９０に達する。
【００６５】
図７は、電子ビーム銃内で電子エミッタ１２を使用するために、図５ｂの線に沿った構造のモジュール式冷陰極２４を備えた電子透過エミッタ１２を概略的に示す。したがって、図７に示した陽極側材料は、電子ビームが浸透するように設計される。モジュール構成の冷陰極２４を有する電子透過エミッタ構造を使用することにより、失われた熱は、空気対流、水、または他の専用の冷却手段によって、陽極３３の側面から放出される。詳細には、陽極３３を電子（ｅ-）を透過するように構成するために、支持体グリッドを有する薄い陽極箔が使用される。支持体グリッド隔壁３３ａは図７に示されている。エネルギー範囲が８０〜３００ｋＶのとき、陽極箔の厚さは一般に３〜２００μｍになる。陽極箔３３と支持体グリッドの組み合わせは、特に支持体グリッド自体で、入射する電子（ｅ-）の一部分を吸収する。前述のような箔が十分に薄くまた支持体グリッドのグリッド開口に対するグリッド隔壁幅の比率が十分に小さい状態で、電力損失は、透過窓において比較的小さく、平均で入力電力の３０％未満になる。
【００６６】
基本的には、前述の提案した表面エミッタと丸形エミッタ構造あるいはそれぞれ透過エミッタとリフレクタ構造ならびにレントゲン撮影における従来のエミッタ構造は、モジュール式に組み立てられた冷陰極とそれに対応して配置された陽極によって構成することができる。以上述べた方法はすべて、実質的に電子の放射面を表わす冷陰極の表面に電界強化構造を適用するのに適切である。個別の冷陰極素子およびそれから構成されたエミッタセグメントのモジュール式組立体は、特に、平坦放射面および湾曲放射面または照射面の大面積設計に適している。放射チャンバ用の任意の所望の幾何学的配置の構成と被照射体用の任意の幾何学形状のまわりのエミッタの構成が可能であり、高線量エミッタを、表面領域またはそれぞれ空間内に、特に大面積に画定可能な形で配置することができる。ここで、エミッタ設計の４つの基本構造が可能であることを述べる。
【００６７】
１．内側陰極、外側陽極、内方放射（リフレクタ）
【００６８】
２．外側陰極、内側陽極、内方放射（透過エミッタ）
【００６９】
３．内側陰極、外側陽極、外方放射（透過エミッタ）
【００７０】
４．外側陰極、内側陽極、外方放射（リフレクタ）。
【００７１】
Ｘ線放射装置の他の構成が可能であるが、電子ビーム銃には透過エミッタとしての構成だけを検討することができ、透明陽極は、常に、真空空間からの電子の通過を可能にする。
【００７２】
本発明の利点は、以下のように要約することができる。高線量率に加えて、特に電界強化構造の全体的な適用において、冷陰極を低コストで作成することができ、冷陰極は、特に最小の熱損失を有し、室温での放射によって付加的な冷却を必要とせず、リフレクタまたは透過エミッタの構造は、Ｘ線を透過する陰極材料かＸ線を透過しない陰極材料のどちらかを使用しても可能である。支持体層上に具体的に層で形成された冷陰極用の電界強化構造および電界強化構造によって画定された冷陰極幾何学形状、さらに別の機能層の画定された発生、および詳細には支持体層と（ｅ-）放射層間の接触面の画定された幾何学形状の使用の組み合わせによって、特に大面積形状またはそれぞれのモジュール式に組み立てた冷陰極の構成と、陽極の対応する設計による自由に画定可能な形状の大きな放射チャンバが可能になる。同様に、物体上の部分的照射は、例えば個別の冷陰極モジュールの画定された構成によって可能である。
【００７３】
以上列挙した利点は、Ｘ線放射装置ならびに電子ビーム銃に当てはまる。第１の事例において、陽極は、衝突する電子がすべて吸収されＸ線の生成に使用されるように設計される。第２の事例において、陽極は、電子が実質的に陽極に浸透し、照射に直接使用することができるように設計される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】現時点での最新技術による熱電子源を有するＸ線管を示す図である。 電子（ｅ-）が陰極３０によって放射され、Ｘ線γが窓３０１を介して陽極２０から放射される。
【図２】冷電子（ｅ-）放射陰極を示す図である。現時点での最新技術の電界強化構造として金属チップを有するリソグラフィ構成陰極を概略的に示す。
【図３】中空円筒形状のＸ線管の本発明による実施形態の断面図である。詳細には、中空円筒状の冷陰極陽極構成ならびに同様に構成された放射チャンバの断面を概略的に示す。これにより、例えば、陰極中空円筒３１内に４πガンマ線を均一に分散させることができる。照射する材料は、陽極中空円筒３１の内部に配置することができる。これにより、すべての面から物体に均一に照射され、これは他の方法でほとんど不可能である。
【図４】電極のいわゆる三極管構造の抽出グリッドを有するカーボンナノチューブを含む冷陰極の断面図である。
【図５ａ】扇形部分の電子源としてモジュール式に組み立てられた冷陰極を備えた可変電極形状の透過エミッタ構造の断面図である。４πガンマ放射を達成するために（やはり図３を参照）、複数のそのような透過エミッタ構造をモジュール式に有利に組み立てることができる。紙面に対して垂直な長手方向の透過エミッタ構造の長さは自由に選択することができる。
【図５ｂ】特別な事例の寸法の冷陰極と陽極の半径を有し、陰極と陽極が平行または実質的に平行な図５ａによる透過エミッタ構造の断面図である。
【図６ａ】扇形部分の電子源としてモジュール式に組み立てられた冷陰極を有する可変電極形状のリフレクタ構造の断面図である。陰極と冷陰極の支持体層は、実質的にＸ線放射を透過する。紙面に対して垂直な長手方向のリフレクタ構造の長さは自由に選択することができる。
【図６ｂ】特別な事例の寸法の冷陰極と陽極の半径を有し、陰極と陽極が平行または実質的に平行に配置された、図６ａによるリフレクタ構造の断面図である。
【図７】図５ｂと類似の構成のモジュール式冷陰極を備えた電子透過エミッタの図である。
【国際調査報告】
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