(57)【要約】    【課題】      ＣＮＴカソードでの放電やＣＮＴ飛散による電子放出特性の劣化が少なく、長寿命で信頼性の高い電子線発生装置を提供する。    【解決手段】  放電や劣化の原因である引出し電極のない２極型構造とし、ウェネルトとカソード、アノード間の相対位置を変えることにより電子ビームの電流値およびビーム径を制御することができる。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブをエミッタとするカソードとアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、カソードと電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソードとアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる機構を有することを特徴とする電子線発生装置
【請求項２】
カーボンナノチューブをエミッタとするカソードとアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、電子ビームの電流値とビーム径を計測する手段を具備し、エミッタからの電子放出量の変化に応じて、カソードとアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させることにより電子ビームの電流値およびビーム径を設定値範囲内に制御することを特徴とする電子線発生装置の制御方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを電子源に用いた電子線照射やＸ線照射に用いられる電子線発生装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという。）は、炭素六員環の連なったグラフェンシートが丸まって円筒状になったものである。単層、２層から多層まであり、その大きさは、直径が０．３〜数百ｎｍ、長さが１〜数十μｍ程度のものである。ＣＮＴは細く高いアスペクト比を有している。そしてその電子伝導性から非常に優れた電界電子放出特性を有しており、従来のタングステンや、六ほう化ランタン等の熱陰極カソードに代わる省エネルギー、高安定な冷陰極型の電子放出源（エミッタ）として蛍光表示管、Ｘ線管、電子線発生装置、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の用途への利用が期待されている。
【０００３】
上述のように、ＣＮＴをエミッタとするものは、電界放出による冷陰極型であり、電界をかけて電子を放出させるための引出し電極が必要である。そこで実際に、ＣＮＴエミッタを用いた３極型構造の機器、装置が多く提案されている。例えば、特許文献１には蛍光表示管にＣＮＴを適用した例が開示されているが、この蛍光表示管は、カーボンナノチューブの集合体からなる電界放出型電子放出材料が基材電極に貼着されたカソードとアノードに加えてメッシュ状の引出し電極（グリッド電極）が設けられている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｘ線発生装置が開示されているが、このＸ線発生装置も、カーボンナノチューブよりなるエミッタを陰極として、さらに引出し電極と電界を整形するためのウェネルトが設けられており、各々に独立の電源を接続し、各電位を独立に制御することにより、エミッタから放出された電子が単孔型の引出し電極で加速され、ウェネルトの窓で絞られて、アノードであるターゲットに衝突してＸ線を発生させるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３４６７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２５０４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＮＴエミッタを用いた３極型の電子線発生装置の大きな問題点は、ＣＮＴとカソード近傍に設けられた電位の異なる引出し電極やウェネルト間での放電発生によるＣＮＴエミッタの損傷とそれによって引き起こされるＣＮＴの剥離と引出し電極へのＣＮＴの付着である。放電発生によるＣＮＴエミッタの損傷は、電子放出特性が低下し、その結果として、寿命を短くすることになる。さらにＣＮＴの剥離と引出し電極へのＣＮＴの付着は、ＣＮＴエミッタと引出し電極間の電流集中を引き起こし、その結果として、寿命が極端に短くなるか、放電が頻発し短寿命化を促進することになり、実用上の大きな課題となる。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＣＮＴエミッタの電子放出中の放電発生を抑制し、長寿命化し安定化する電子線発生装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する根本的な方法は、引出し電極のないカソードとアノードの２極型構造とすることである。２極型構造は、タングステンフィラメントを用いる熱陰極型では一般的な方法であり、一定の加速電圧条件下でフィラメント電流により、フィラメント温度つまり熱電子放出量を調整することができる。一方、冷陰極型においては、カソードとアノード間の加速電圧を変化させる以外に電流値を調整することができない。この電流値をコントロールするために引出し電極が設けられている。加速電圧は装置の用途、条件により定められているため、電流値を制御する目的のために、加速電圧つまり電子の加速エネルギーを変化させることはできない。仮に加速電圧を変えた場合には電子ビームの収束状態が変わり、ビームを所定のサイズに保つためには収束レンズの付加も必要となる。本発明者は、カソードとウェネルトとアノードの相対的位置を変えることによって、電流値の変更や照射あるいはターゲット位置でのビーム径の調整、さらにはＣＮＴカソードの特性変化に対する電流値維持等の制御が可能であることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明は以下のような特徴を有している。
請求項１に記載の発明は、カーボンナノチューブをエミッタとするカソードとアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、カソードと電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソードとアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる機構を有することを特徴とする電子線発生装置に関するものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、カーボンナノチューブをエミッタとするカソードとアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、電子ビームの電流値とビーム径を計測する手段を具備し、エミッタからの電子放出量の変化に応じて、カソードとアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させることにより電子ビームの電流値およびビーム径を設定値範囲内に制御することを特徴とする電子線発生装置の制御方法に関するものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、ＣＮＴカソードにて発生し易い放電やＣＮＴの剥離を抑制することができ、カソード寿命を延ばし、安定化することが可能となる。これにより実用性や信頼性の高い電子線照射装置、Ｘ線照射装置等の電子線発生装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の電子線発生装置は、カソードとアノードとウェネルトを有し、引出し電極のない２極型構造であり、ＣＮＴはカソード電極基板上に取付けられている。
基板は導電性のものであり、ステンレス鋼やＦｅ−Ｎｉ系合金等のＮｉ合金、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属および半導体とその合金製のもののほか、ガラスやセラミック等の表面に金属や伝導性半導体を蒸着等により被着させたもの等がある。半導体の例としては、導電性の良好なＩＴＯ（錫ドープ酸化インジウム）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２などのｎ型酸化物半導体等を挙げることができる。
【００１２】
ＣＮＴはアーク放電法やＣＶＤ法等純度、種類等によらず公知の方法で得られたものをそのまま使用することができる。また、基板上に成膜する方法も、スプレー堆積法、電気泳動法、スクリーン印刷法等によらず公知の方法で得られたもので良い。
アノードはカソードに対向して配置される。材質や形状は電子線発生装置の用途等に依存するが、例えば上記基板で例示されている導電性のものが用いられ、典型的な形状は平板である。
【００１３】
アノードとカソードの間隔は加速電圧、ＣＮＴカソードの電子放出性能、構造等により決まるが、おおよそ加速電圧に比例する。加速電圧の範囲を約１０〜１００ｋＶとすると、アノードとカソードの間隔は、５〜２００ｍｍ程度、通常１０〜１００ｍｍ程度である。
ウェネルトは、電界を整形しカソードから放出される電子線を絞る機能を有するものであり、広義では積極的に電源に接続して電圧をかけるものも含まれるが、本発明では、カソード近傍に配置され、カソードと短絡あるいは抵抗により接続され、カソードとほぼ同電位であるものと定義する。ウェネルトの材質として、ステンレス鋼、Ｎｉ合金、銅等が用いられる。
【００１４】
本発明においては、このカソードとアノードとウェネルトの少なくとも２つを進退させる機構を設け、これによってどのようになるかを図１の模式図により説明する。１０１はＣＮＴカソードであり、１０２はウェネルト、１０３はアノードである。熱陰極カソードのタングステンフィラメントの場合も同様であるが、ＣＮＴの電子放出特性は徐々に劣化する。この特性劣化に対して、所定の電流値を保つことが電子線発生源としての最も基本の性能である。タングステンフィラメントの場合には、劣化に伴い通電電流を増加させ、フィラメント温度を上げることによって、電流値を一定に保つことができる。一方、ＣＮＴカソードは熱電子放出ではなく電界放出であるため原理的に不可能であるが、アノードの位置に対してウェネルトの位置をカソード側に近づけることによって、カソード表面にかかる電界が強くなり放出電流を増加させることができる。図２はこの原理に従って、ＣＮＴカソードの劣化に対して、ウェネルトを進退させることによって、電流値が一定に保てることを電子ビーム軌道計算で確かめた結果である。図１に示した一点鎖線の領域１０４を２次元の円筒軸を対象としたモデルを電子ビーム軌道計算に用いており、図１に示す原点Ｏ、ｒ軸、Ｚ軸がそれぞれ図２の原点Ｏ、縦軸（ｒ軸）、横軸（Ｚ軸）に対応している。
【００１５】
図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アノードとカソード間の距離を固定し、それぞれＣＮＴカソードの劣化を模擬して電界増倍係数αを１１７３、７８２、５８７に変化させたとき、つまり、初期特性から約半分の特性にまで劣化したときに、ウェネルトの位置を少しずつ進退させて計算し、アノードとカソード間の加速電圧１５ｋＶで、電流値が１ｍＡとなるようなウェネルトの位置を求めた場合であり、カソード、アノード、ウェネルトの形状と電界の状態を示す等電位線とそれによる電子ビームの軌道計算結果を示したものである。アノードとカソード間に印加された電圧による平均電界強度に対し、ＣＮＴのような先鋭な形状の先端近傍には局所的にその電界の数１０〜数千倍の電界集中が発生する。この効果によってＣＮＴから電子が放出されるのであるが、電界増倍係数αとは、その平均電界に対して、何倍の電界強度となっているかを意味するものである。ただし、ランダムな形状もしくは状態のＣＮＴの電界増倍度を求めることは現実的に困難であり、しかも、電界増倍度はプログラム条件の電界増倍係数αとは一致しないため、本計算における電界増倍係数αやカソード、ウェネルト等の寸法値および結果は、傾向を示すものであり、実際の条件とは必ずしも一致しない。
【００１６】
図３は、図２の計算結果を基に、アノードとカソード間の距離を４.８５ｍｍに一定とした条件下で、電子ビームの電流値を一定に保った場合の電界増倍係数αに対するビーム径の変化を示したものである。図３より、ウェネルトを２ｍｍカソード側へ近づけることによって、電流値を一定に保つことができることがわかる。しかし、図３に示すように、この方法では、ウェネルトをカソード側へ近づけるに伴いビームが収束状態から発散状態へと、アノードでのビーム径が大きく変化する。一方、カソードとウェネルトの相対位置を固定し、カソード及びウェネルトに対してアノードの位置を変化させた場合のビーム径の変化を示したものが図４である。この場合でも、アノードでのビーム径を一定に保つことができないが、さらにカソード劣化時（α＝５８７）において、アノードとカソードもしくはウェネルトとの距離が近く放電する危険性が高くなる。
【００１７】
上記のことから、カソード、アノード、ウェネルトのいずれか一つを進退させる、例えば、ウェネルトをカソードに近づけるか、あるいはカソードとアノードを近づけるか等によって、電子ビームの電流値を一定に保つことができるが、ビーム径は発散あるいは収束して一定に保つことはできない。そこで、カソードとウェネルトの間隔を大きくすれば、電流量は減少するものの、電子ビームを収束させる方向であるため、ＣＮＴカソードの電子放出特性に対してカソードとアノードとウェネルトとの間にビーム径を一定に保つ最適な位置条件が存在するものと考えた。
【００１８】
図５は、電子ビームの電流値とビーム径とが一定になるような条件においてカソードとウェネルトの位置を求めた結果である。図５より、ＣＮＴカソードのエミッション特性変化に応じて、電流値とビーム径を一定に保つためにはカソードとウェネルトとアノードとの間に最適な位置条件が存在することがわかり、例えば、アノードの位置を固定して、カソードとウェネルトの両方を最適な位置になるように設定すればよいことがわかる。すなわち、電子ビームの電流値とビーム径を一定に保つためには、カソード、アノード、ウェネルトのすべてを、あるいはカソード、アノード、ウェネルトの内いずれか２つを進退させればよいのである。
【００１９】
次に、この原理を用いて電子ビームの電流値とビーム径を所定値に保つための制御方法について説明する。電子ビームの電流値はアノードとカソード間に接続された電源において計測することができる。一方、ビーム径の計測方法については、図１にその一例を示す。キロボルト以上の電圧で加速された電子ビームがアノード１０３に衝突すると、制動放射光によりビームが衝突した領域１０５が発光する。この発光領域１０５をＣＣＤカメラ１０６にて撮影し、画像処理方法によりビーム径を計測することができる。以上の方法により計測された電流値とビーム径を用いて、図６に、アノードを固定した状態でＣＮＴカソードのエミッション特性変化に対応して、電子ビームの電流値とビーム径を所定値に保つための制御フローを示す。なお、ここでは、電流値とビーム径は設定値範囲内となるように制御するものとする。一般的にカソードの特性が劣化した場合、電流値は減少するとともに、ビーム径が大きくなる傾向がある。図６に示したフローは、最初に、電子ビームの電流値（Ｉｂ）を電源に接続した電流計により計測し、設定値の範囲内か否かを判断する。電流値（Ｉｂ）が設定値範囲内であれば、引き続きビーム径（Ｐｂ）を計測する。しかし、カソードからの電子放出量が低下したことにより、電流値（Ｉｂ）が設定値範囲外になった場合には、カソードの位置を変更させた後にビーム径（Ｐｂ）を計測する。ここで、電流値（Ｉｂ）が設定値下限を下回った場合には、カソードを微小値だけアノード側へ前進させる。逆に、電流値（Ｉｂ）が設定値上限を上回った場合には、カソードを微小値だけアノード方向から後退させるようにすればよい。次に、ビーム径（Ｐｂ）が設定値の範囲内か否かを判断する。ビーム径（Ｐｂ）が設定値範囲内であれば終了であり、設定値範囲外であればウェネルトの位置を変更させて、再度電流値を計測する。ここで、ビーム径（Ｐｂ）が設定値上限を上回った場合には、ウェネルトを微小値だけアノード側へ前進させる。逆に、ビーム径（Ｐｂ）が設定値下限を下回った場合には、ウェネルトを微小値だけアノード方向から後退させるようにすればよい。
【００２０】
以上のように最適なカソードとウェネルトの位置条件を求めることができる。また、カソードの位置を固定した場合には、図６においてカソードをアノードに置き換えることにより最適なアノードとウェネルトの位置条件を求めることができる。同様に、ウェネルトの位置を固定した場合には、図６においてウェネルトをアノードに置き換えることにより最適なカソードとアノードの位置条件を求めることができる。
【００２１】
カソード、ウェネルトおよびアノードを進退させる手段は問うところではなく、螺条やピニオンラック等を利用することができる。アノードでのビーム径計測については、前述の方法以外にも種々の方法が考えられる。アノードではＸ線も発生しているため、Ｘ線検出可能なカメラで撮影する方法や電子線、Ｘ線により発光する蛍光体をアノードの内側（ビーム側）あるいは外側（大気側）に塗布し、その発光をＣＣＤカメラで撮影する方法等がある。
【実施例】
【００２２】
実際の電子線発生装置の一例として、図７に、大気中への電子線、Ｘ線照射装置に適用した場合の断面図を示す。真空チャンバーや真空管等２０２の真空下において、ＣＮＴカソード１０１とアルミニウム、ベリリウム、チタン等のフォイルでできたアノード２０１間に高電圧電源３０１を接続して、１０〜５０ｋＶの電圧を印加して、電子線を発生させる。発生させた電子線は加速されて加速電圧と同じエネルギーでアノードであるフォイルに到達する。そのフォイルを透過させて電子線を大気中へ取り出し、対象物に照射するのが電子線照射装置であり、フォイルにてＸ線を発生させ大気中の対象物へ照射するのがＸ線照射装置である。
【００２３】
本装置では、ＣＮＴカソード１０１とウェネルト１０２全体とアノード２０１間の位置を変更するための電動式の移動機構２０４が据付られており、制御装置３０５の指令により変更させることができる。２０３はカソード単独の移動機構であり、負の高電圧がかかるため、バッテリーや絶縁アンプ、無線等を用いて電気的には絶縁された構成により、制御装置３０５からの指令でカソードの位置を変更する。３０２は引出された全ビーム電流を計測する電流計であり、３０４はアノードでのビーム径を簡易的に測定する手段の一例であり、前述のような蛍光体などの発光をＣＣＤカメラで測定する方法でも良い。３０４は必要なビームサイズをほぼ同じ大きさに開けられた穴を持つ導電性のグリッド板であり、３０４に流入する電流値を３０３の電流計でモニタする。この電流値が所定の設定値上限以上になれば、ビーム径が所定値より大きくなったと判定し、設定値下限以下となるとビーム径が所定値より小さくなったと判定する。電流計３０２と３０３の測定値を元に制御装置３０５によって、ウェネルトとカソードの位置を移動機構２０３、２０４により動かし、最適な値、条件となるように制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上は、大気中への電子線、Ｘ線照射装置の場合の例であるが、真空チャンバー内でのターゲットへの照射やＸ線発生装置、あるいは、Ｘ線管などの真空管への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る電子線発生装置の基本構成を説明する模式図である。
【図２】カソードとアノード間の相対位置を固定し、ＣＮＴカソード特性変化に対して、電流を一定に保つためのウェネルトの位置を求めた結果である。  （ａ）ＣＮＴカソード高特性時（初期）での位置関係とビーム軌道計算結果（ｂ）ＣＮＴカソード中間特性時での位置関係とビーム軌道計算結果（ｃ）ＣＮＴカソード劣化時（初期の１／２）での位置関係とビーム軌道計算結果
【図３】カソードとアノード間の相対位置を固定し、電流一定となるようにウェネルトの位置変化とビーム径の関係を示したグラフである。
【図４】カソードとウェネルト間の相対位置を固定し、電流一定となるようアノードの位置変化とビーム径の関係を示したグラフである。
【図５】本発明に係る電流値とビーム径を一定に保つためのカソード、ウェネルト、アノードの最適位置を求めたグラフである。
【図６】本発明に係る電流値とビーム径を一定に保つためのカソードとウェネルトの制御方法を示すフロー図である。
【図７】本発明に係る実施例を示す電子線発生装置の模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１  ＣＮＴカソード
１０２  ウェネルト
１０３  アノード
１０４  ビーム軌道計算モデルの領域
１０５  電子ビーム衝突によるアノード板発光領域
１０６  アノード板の発光を撮影するＣＣＤカメラ
１０７  アノードとカソード間の距離
１０８  アノードとウェネルト間の距離
２０１  金属製のフォイル材のアノード板
２０２  真空チャンバー
２０３  ＣＮＴカソードの電動式移動機構
２０４  ウェネルト及びカソードの電動式移動機構
３０１  電子加速用の高電圧電源
３０２  引出された全ビーム電流を測定するための電流計
３０３  ３０４に流入した電流値を測定するための電流計
３０４  発散した電子ビームを検出するための金属板
３０５  カソードとウェネルト位置を制御するための制御装置
【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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【図７】
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