(57)【要約】【課題】フィラメントのない簡便な構造を持ち、高品質のＸ線放出が可能となる等の長所を有する電界放出型の電子放出源を有するＸ線源において、超高真空での動作が必要不可欠という難点を克服したＸ線源を提供する。【解決手段】陰極１２は、カーボンナノファイバー１２ｂの成長母体となるサブストレートとしてＰｄ等のガス吸着材を選択し、カーボンナノファイバー１２ｂの先端部にガス吸着材の微結晶１２ｃを付加又は内蔵した構造を持った集合体をサブストレート上に構成したものである。【選択図】　　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高真空に維持された真空容器と、該真空容器内に設けられた陰極と、該真空容器内で該陰極とは電気的絶縁状態に設けられ、該陰極から電界によって放出された電子が入射されてＸ線を放出させる陽極とを有するＸ線管と、
該陰極と該陽極との間で電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源とを備えた電界放出型Ｘ線源において、
前記陰極は、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてガス吸着材を選択し、該炭素系ナノ構造体の先端部に該ガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体を該サブストレート上に構成したものであることを特徴とする電界放出型Ｘ線源。
【請求項２】
前記Ｘ線管は前記真空容器内に前記陰極から放出される電子電流を制御するための陰極グリッドを有し、前記陰極と該陰極グリッドとの間で該陰極から放出される電子電流を制御するためのグリッド電源を備えていることを特徴とする請求項１記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項３】
前記高圧電源電流の短周期変動を検知する電流検知器と、該電流検知器の電流変動を抑えるように前記グリッド電源の出力電圧を制御するフイードバック回路とを備えていることを特徴とする請求項２記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項４】
前記フイードバック回路は電界放出型電子管全般に適用できるものであることを特徴とする請求項３記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項５】
前記グリッド電源には、前記高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項６】
前記高圧電源には、前記高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項７】
前記陰極のガス吸着特性を良好に維持するための冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項８】
前記炭素系ナノ構造体はカーボンナノファイバーであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の電界放出型Ｘ線源。
【請求項９】
前記ガス吸着材は、パラジウム、チタニウム及びジルコニムの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の電界放出型Ｘ線源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界によって放出される高エネルギーの電子を陽極に入射して制御Ｘ線を発生させる電界放出（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＦＥ）型Ｘ線源に関する。この電界放出型Ｘ線源は、医療分野においては、Ｘ線撮影（レントゲン）装置、高速撮影ＣＴ（コンピュータトモグラフィー）装置、画像珍断装置等に適用可能であり、一般産業分野においては、内部侵入型工業検査装置、フラット型レントゲン装置等に適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギーの電子が金属製のターゲットに入射したときの制動作用によってＸ線を放出させる現象を利用したＸ線源は、医療分野では、Ｘ線撮影装置、高速撮影ＣＴ等多く利用されている。また、１００ｋｅｖ以上の高エネルギーＸ線を放出させるＸ線源は、その優れた物質透過特性を活かし、工業用非破壊検査装置に利用されている。さらに、数１０ｋｅｖまでの低、中エネルギーのＸ線を放出するＸ線源は、蛍光Ｘ線分析による元素分析装置に利用されている。また、Ｘ線の照射が物質構造・生物的機能に与える影響を利用し、Ｘ線源は、医療用器具の殺・滅菌装置、高分子素材の硬化処理装置等のプロセス装置にも利用されることが試みられているばかりでなく、最新の医療分野では、Ｘ線の照射を利用した悪性腫瘍の治療装置に利用されることも試みられている。このように、Ｘ線源は、医療診断・治療、工業検査、分析、プロセス処理等の広い分野で普及したものとなっており、さらに新しい機能、機構を備えたものの出現によって革新的な技術の創出も期待されている。
【０００３】
従来のＸ線源では、その最初の電子を放出する電子放出源（電子エミッタ）として、タングステン製のフィラメントを電流によって２０００°Ｃの高温に加熱し、これによって電子を放出させるもの、いわゆる熱電子放出型（Ｔｈｅｒｍｍｉｏｎｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＴＥ）のものを利用することが一般的である。図１２はこの熱電子放出型の電子放出源を用いた従来型のＸ線源の構成を示したものである（例えば、非特許文献１参照。）。この熱電子放出型Ｘ線源は、Ｘ線管８０と高圧電源９１とフィラメント用電源９２とを備えている。Ｘ線管８０は、内部が高真空に維持され、一部にＸ線取り出し窓８１ａが形成された真空容器８１を有している。真空容器８１内には、電子放出源としてのフィラメント８２と、このフィラメント８２とは電気的絶縁状態の陽極８３とが設けられているとともに、フィラメント８２と陽極８３との間にソリッド陰極８４が設けられている。フィラメント８２は加熱用の電流を流すフィラメント用電源９２に接続されている。また、フィラメント８２及びソリッド陰極８４と陽極８３との間には、フィラメント８２及びソリッド陰極８４と陽極８３との間で電子ｅを加速する高圧電源電流を印加する高圧電源９１が接続されている。
【０００４】
この熱電子放出型Ｘ線源では、フィラメント用電源９２によってフィラメント８２に流す加熱用の電流量により、放出される電子ｅが制御される。そして、フィラメント８２から放出された電子ｅは、フィラメント８２と同電位にある電界コントロール用のソリッド陰極８４と陽極８３との間に印加される電圧によって、加速、集束され、陽極８３に入射される。これにより陽極８３の表面における制動作用でＸ線ｘが放出され、Ｘ線ｘがＸ線取り出し窓８１ａから放出される。
【０００５】
一方、電界放出型の電子放出源を用いた一般的なＸ線源の構成を図１３に示す（例えば、非特許文献２参照。）。この電界放出型Ｘ線源は、Ｘ線管８５と高圧電源９３とグリッド電源９４とを備えている。Ｘ線管８５も、内部が高真空に維持され、一部にＸ線取り出し窓８６ａが形成された真空容器８６を有している。真空容器８６内には、電子放出源としての陰極８７と、この陰極８７とは電気的絶縁状態の陽極８８とが設けられているとともに、陰極８７と陽極８８との間に陰極グリッド８９が設けられている。陰極８７は、高い電界を得るために、非常に鋭い先端部をもつものとなっている。陰極８７と陰極グリッド８９とはグリッド電源９４に接続され、陰極グリッド８９と陽極８８とは電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源９３に接続されている。
【０００６】
この電界放出型Ｘ線源では、陰極８７と陰極グリッド８９との間に印加する電圧によって、放出される電子ｅが制御される。そして、陰極８７の先端部の限られた領域からのみ電子ｅが放出されるので、非常に集束性の良い電子ビーム、ひいては集束性の良いＸ線ｘが得られる。
【０００７】
【非特許文献１】
飯沼　武、舘野　之男編著「Ｘ線イメージング」コロナ社、２００１年３月、Ｐ．１５
【非特許文献２】
杉江　紘、奥村　真幸、ヴァレリュー・フィリップ、岩田　和久、高橋　和巳、奥山　文雄著「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．７８」アメリカ物理学会、２００１年４月２３日、Ｐ．２５７８−２５８０
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の熱電子放出型Ｘ線源においては、図１２に示すように、フィラメント８２に大電流を流すための大型のフィラメント用電源９２が必要になること、フィラメント８２の熱的な損耗による寿命（１ｉｆｅ　ｔｉｍｅ）の問題があること、フィラメント８２の劣化に伴って最適な加熱用の電流量を調整する必要があること、フィラメント８２の幾何的な形状に起因して電界の局所的な不均一性が発生し、空間的に均一な電子ビームの放出を得ることが難しく、それによって陽極８３の表面への電子ビームの入射点も集束しきれずに、結果的に理想的な点光源のＸ線源とすることが困難であること等の問題がある。このため、このような熱電子放出型Ｘ線源を例えばジェットエンジンのファンブレード間の狭い空間に置く（ファンの痛み具合を調べるには、このようなことも必要）ことは、不可能である。医用、産業用を問い合わず、小型軽量かつポータブルなＸ線源に対する要求には切実なものがあるが、熱電子放出型Ｘ線源はこの要求に応えることはできない。
【０００９】
この点、上記電界放出型Ｘ線源では、電界放出型の電子放出源を備えることにより、熱電子放出型Ｘ線源で必要となるフィラメント用電源９２が不用となるため、電子を放出する電子放出源の表面の幾何形状を選ぶことによって集束性の良好な電子ビーム放出が可能となる。このため、電界放出型Ｘ線源は、理想的な点光源から放出されるものに近い良質のＸ線が得られ、熱電子放出型Ｘ線源の問題点を解決することが可能である。Ｘ線源の小型化を図るためには、電子放出源の格段の小型化が不可欠である。これを解決し得る基本原理が電界電子放出である。
【００１０】
しかしながら、電界放出型Ｘ線源では、図１３に示すように、陰極８７の尖った部分に熱的、物理的な負荷が集中するので、長時間にわたって安定動作させることが非常に困難とされている。
【００１１】
すなわち、図１２に示す一般的な熱電子放出型の電子放出源を備えたＸ線源では、１０−５Ｐａオーダの真空度に保たれており、この程度の真空度では、もちろんフィラメント８２は多量のイオン入射が引き起こすスパッタによってその表面の形状が微視的に変化していくことになるが、電子放出が熱放出に依存している熱電子放出型の電子放出源では、数１０時間程度の運転時間内では、ほとんどその影響を受けずに安定な動作を保つことができ、この程度の真空度であれば密封型の管球構造を採ることも容易であり、このことが多くの密封型Ｘ線管が熱陰極型の電子放出源で構成されている理由となっている。
【００１２】
反面、図１３に示す電界放出型の電子放出源では、電子放出源の表面の幾何形状が電子放出特性に対して大きな影響を与えるので、少なくとも１０−６Ｐａオーダ以下の真空度で動作させることが必要であり、そのため密封構造を採ることは非常に困難であることから、電界放出型の電子放出源がＸ線源、特に密封型のＸ線管８５に適用された例はほとんどなく、多くは超高真空度を維持するための真空ポンプを備えた電子顕微鏡に適用されることに限られている。電界放出は、端的に言えば量子力学現象である電子トンネルであり、典型的な表面現象であることから、電子放出源の表面の化学状態（吸着の有無及びその程度）に指数関数的に依存する。つまり、電界放出型の電子放出源は、本来、電子放出源の表面の化学状態を不変に保ち得る超高真空（ＵＨＶ）で作動さすべきものである。莫大な量の気体分子が残存し、従って、気体分子の吸着及び脱離が電子放出源の表面で繰り返される通常真空（＜１０−５Ｐａ）中で電界放出型の電子放出源を長時間安定して作動させることは至難の技である。しかしながら、Ｘ線管８５のＵＨＶ封じ切りは、技術的に不可能であり、電界放出型Ｘ線源を実現できるか否かは、ひとえに通常真空中で長時間〈例えば、１００時間以上）、Ｘ線源に求められるＸ線管８５内の電子流の許容変動幅が±０．５％の安定度で作動できる電界放出型電子放出源を開発できるか否かにかかっている。換言すれば、電界放出型の電子放出源では、高い電界を得るために鋭く尖らせた陰極８７の先端部に残留ガス成分が電離して生じたイオンが入射し、陰極８７の先端部分のスパッタを引き起こし、同時に局部的な加熱、蒸発作用を引き起こすことが難点となる。この影響を抑制するためには、残留ガスの密度を非常に低くすること、すなわち電子放出源を超高真空度の環境下に設置することが必要とされてきた。繰り返すことになるが、電界放出型電子放出源の泣きどころは寿命と安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）であり、この二つの関門を突破しないことには、実用的な電界放出型Ｘ線源の実現は夢物語となる。
【００１３】
本発明は、フィラメントのない簡便な構造を持ち、高品質のＸ線放出が可能となる等の長所を有する電界放出型の電子放出源を有するＸ線源において、超高真空での動作が必要不可欠という難点を克服したＸ線源を提供することを目的としたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平成１３年度採択の革新的技術開発研究（現、産学官連携イノベーション創出事業）「ミニチュアＸ線源の開発」の一環として、ミニチュアＸ線管の構造がどうあるべきかを検討する段階で着想されたものである。
【００１５】
我々がカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からの電界放出型電子を用いて、Ｘ線像を撮影したのは、２００１年である（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１）２７７８）。これは、電界放出型Ｘ線像撮影の世界初の成功例である。しかしながら、カーボンナノチューブ製の電子放出源といえども、電子電流は常に短周期に変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）し、かつ電流値は、徐々にではあるが、図１に示すように、時間と共に減少する。また、カーボンナノチューブ製の電子放出源の寿命は高々２時間であったが、これでも当時としては画期的な成果であった。図１に示される電子電流の右下がりの現象は、電子放出源の表面と残留ガスとの化学的相互作用に起因し、それを避けるには、周囲のガスに鈍感、すなわち化学的に安定な材料で電子放出源を作るほかに手段はない。
【００１６】
我々は、１０数年来Ｐｄ（パラジウム）と水素との相互作用の実験研究を続けており、それとの関連において、空間に分散されたＰｄナノ粒子の作製手法に並々ならぬ関心を持ち続けて来た。近年、我々は、図２に示すように、カーボンナノチューブとは基本的に構造が異なる炭素系ナノ構造体であるカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）に着目した（Ｎ．Ｍ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ「Ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｃａｔａｌｙｔｉｃａｌｌｙ　ｇｒｏｗｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ　１９９３」１９９３　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅｓｅａｃｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）。カーボンナノチューブは、全体が炭素原子からなり、先端部が半球状、側壁が円筒状の構造をなしている。これに対し、カーボンナノファイバーは、金属触媒（母体）であるサブストレート上に炭素原子が成長するものであり、側壁はカーボンナノチューブと同様に炭素原子によって円筒状に構成されるものの、先端部は必ずサブストレートの微結晶によって占められる。そして、カーボンナノファイバーにＰｄナノ粒子群を担持する手法を確立した。これは、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてＰｄを選択し、この炭素系ナノ構造体の先端部にＰｄの微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体をサブストレート上に構成したものである。念のため、このＰｄナノ粒子群をもつカーボンナノファイバーを電界放出型の電子放出源に使用してみたところ、図３に示すように、電子電流は右下がりにはならないことに気付いた。Ｐｄナノ粒子群をもつカーボンナノファイバーが寿命の長い電界放出型電子放出源となり得ることの証左に他ならない。Ｐｄは、Ｐｔにつぐ安定触媒とされており、化学的に極めて安定である。Ｐｄナノ粒子群をもつカーボンナノファイバー（以下、「Ｐｄ−ｅｍｉｔｔｅｒ」と命名）が非超高真空中でもなかなかへこたれない（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）のは、Ｐｄが化学的安定性に優れていることによる。
【００１７】
Ｐｄ−ｅｍｉｔｔｅｒといえども、±８％の短周期変動（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）は避けることは出来ない。短周期変動は、残留気体分子が電子放出源の表面にぶつかるために発生するものであり、電子放出源の材料の如何にかかわらず、非超高真空中では不可避の現象である。図３に示される短周期変動は、約±８％である。これを±０．５％に減らすにはどうすればよいか。短周期変動は真空度に比例して減少するので、Ｘ線管をＵＨＶに排気すれば問題はないが、そのための技術が存在しないのは前述したところである。いっそのこと、図４に示すように、“電子回路技術で短周期変動を減らしてしまおう”というのが我々の結論であり、これが本発明の一方の柱でもある。本発明は、電界放出型Ｘ線ラジオグラフィーの実用化を念頭に置いたものであり、応用研究の典型である。
【００１８】
本発明の電界放出型Ｘ線源は、高真空に維持された真空容器と、該真空容器内に設けられた陰極と、該真空容器内で該陰極とは電気的絶縁状態に設けられ、該陰極から電界によって放出された電子が入射されてＸ線を放出させる陽極とを有するＸ線管と、
【００１９】
該陰極と該陽極との間で電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源とを備えた電界放出型Ｘ線源において、
【００２０】
前記陰極は、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてガス吸着材を選択し、該炭素系ナノ構造体の先端部に該ガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体を該サブストレート上に構成したものであることを特徴とする。
【００２１】
本発明の電界放出型Ｘ線源においては、炭素系ナノ構造体の先端部に備えた不純物ガスの吸着特性の優れたパラジウム（Ｐｄ）やチタニウム（Ｔｉ）等のガス吸着材からなる微結晶が不純物を取り込むことによって、スパッタの要因を低減することが可能となる。また、炭素系ナノ構造体は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブに代表されるように、直径が数１０ｎｍ以下のファイバー状の集合体であり、この先端部に付加されたガス吸着材の微結晶は、その集合体の本数分が空間的に広く分布した形状となることから、吸着物質の全表面積が非常に大きなものとなる。不純物の吸着作用はこの表面積に依存するので、上記の構造は理想的なものとなる。
【００２２】
したがって、本発明の電界放出型Ｘ線源によれば、従来、超高真空での動作が不可欠であり、スパッタによる先端部分の損耗によって安定な電子放出が困難とされてきた電界放出型の電子放出源に対して、１０−５Ｐａ程度の真空度でも長時間安定に電子放出が可能となる。このため、本発明の電界放出型Ｘ線管は、ミニチュアＸ線源にも適用できる。電界放出型電子源の最大の特徴は、電子ビームの強収束が実現できることにある。このことは、電界放出型ミニチュアＸ線源が超高分解能のＸ線像を与え得ることを意味し、本発明が次世代のＸ線技術である“Ｆｉｅｌｄ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｘ−ｒａｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”への道を開くこともあり得る。
【００２３】
本発明の電界放出型Ｘ線源においては、Ｘ線管は陰極から放出される電子電流を制御するための陰極グリッドを有し、陰極と陰極グリッドとの間で陰極から放出される電子電流を制御するためのグリッド電源を備えていることができる。この場合、電界放出型Ｘ線源は、３極管構成となり、陰極に入射するイオンを抑制する効果が期待できる。
【００２４】
本発明の電界放出型Ｘ線源においては、高圧電源電流の短周期変動を検知する電流検知器と、この電流検知器の電流変動を抑えるようにグリッド電源の出力電圧を制御するフイードバック回路とを備えていることが好ましい。この場合、電子電流の短周期的な変化をとらえて電子放出量をフィードバック制御することができる。電界放出型の電子放出源を備えたＸ線源においては、図３に示すように、電子電流に短周期的な変動が見られるのが一般的である。これは、図５（Ａ）に示すように、陰極Ｃから電界放出された電子ｅにより不純物原子ｉａがイオンｉに電離し、そのイオンｉによって陰極Ｃがスパッタされることから、図５（Ｂ）に示すように、スパッタによって陰極Ｃの先端部がさらに微細な尖った表面形状になったときに電界が大きくなって電子電流が増加し、図５（Ｃ）に示すように、スパッタの進行によってこの微細構造が元のような表面形状に戻ったときには、電界が減少して電子電流も低下することに起因していると推定される。このように電子電流の短周期的な増加は、スパッタによって表面形状が変化し始めていることを示す指標となるので、これをいち早く検知して制御することによってスパッタの進行を防ぎ、陰極先端部の損耗を抑制することが可能となる。
【００２５】
フイードバック回路としては、電界放出型電子管全般に適用できるものであることが好ましい。電子放出源の寿命と放出電流の安定性とを確保するフイードバック回路は、近年日米欧で開発が進められている電界放出型ディスプレーの実用化にも寄与する。これにより、フイードバック回路が汎用性を有することとなり、電界放出型Ｘ線源の製造コストの低廉化も実現可能となる。
【００２６】
本発明の電界放出型Ｘ線源においては、グリッド電源には、高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることが好ましい。また、高圧電源に高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることも好ましい。これらの高周波フィルターは上記フイードバック回路に代用することも可能である。高周波フィルターの導入によって、急激な電子電流の増加は抑制されることになるので、上記フイードバック回路と同様の作用により、スパッタの進行を防ぎ、陰極先端部の損耗を抑制することが可能となる。高周波フィルターは、インダクター、抵抗等で構成され得る。
【００２７】
本発明の電界放出型Ｘ線源においては、陰極のガス吸着特性を良好に維持するための冷却手段を備えることも好ましい。陰極材のベース及び炭素系ナノ構造体の先端部に付加されたガス吸着性の金属媒質は、その温度を低く抑えることが吸着特性を向上する上で効果的効果的であることから、これちの冷却手段は吸着材の性能を高めるのに有効に作用するものとなる。冷却手段としては、放熱板、冷却管、電子冷却素子等を採用することができる。
【００２８】
我々は炭素系ナノ構造体がカーボンナノファイバーである場合に本発明の効果を確認している。また、我々は、ガス吸着材がパラジウムである場合に本発明の効果を確認している。ガス吸着材としては、パラジウムの他、チタニウム及びジルコニウムの少なくとも１種を採用できると考えられる。
【００２９】
なお、特開２００１−３５４２７号公報には、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド状材料、非晶質のダイヤモンド及びダイヤモンド状炭素を電子放出源とすることが記載されているが、本発明に係る炭素系ナノ構造体はこれらを含まない。また、本発明のＸ線源と同公報記載のＸ線源とは、後者が単なるＸ線発生装置であり、電子放出源の生命線である寿命と安定性とへの配慮がなされていない点において、前者とは基本的に異なる。ちなみに、同公報記載のダイヤモンド電子源から放出される電子流の安定性は、１０−６Ｐａの超高真空下でさえも、変動幅が±３〜３０％に達しており、許容変動幅とされる±０．５％以下には程遠い。
【００３０】
また、特開２００１−２５０４９６号公報には、炭素系ナノ構造体であるカーボンナノチューブを電子放出源とすることが記載されているが、カーボンナノチューブは、先端部が半球状フラーレンであり、金属の微結晶を頂くカーボンナノファイバーとは構造が基本的に異なる。本発明に係る電子放出源は、炭素系ナノ構造体であるカーボンナノファイバーの先端部にＰｄ等のガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵させることにより延命が図られており、全体が炭素原子からなるカーボンナノチューブの電子放出源よりもはるかに長寿命である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る電界放出型Ｘ線源の第１〜５の実施形態を図面に基づき説明する。
【００３２】
（実施形態１）
この電界放出型Ｘ線源は、図６に示すように、Ｘ線管１０と高圧電源２０とを備えている。Ｘ線管１０は、内部が高真空に維持され、一部にＸ線取り出し窓１１ａが形成された真空容器１１を有している。真空容器１１内には、電子放出源としての陰極１２と、この陰極１２とは電気的絶縁状態の陽極１３とが設けられている。陰極１２と陽極１３とは電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源２０に接続されている。
【００３３】
陰極１２は、図７に示すように、パラジウム（Ｐｄ）、チタニウム（Ｔｉ）等のガス吸着特性を持つガス吸着材からなる母材１２ａをベースとして、その上にプラズマ化学反応等の手法によってカーボンナノファイバー１２ｂの集合体を形成した構成としている。これらカーボンナノファイバー１２ｂの先端部分には、サブストレートとなるガス吸着材の微結晶１２ｃが付加又は内蔵されている。
【００３４】
高圧電源２０によって陽極１３−陰極１２間に電圧を印加すれば、陰極１２を構成するカーボンナノファイバー１２ｂの各要素の先端部分には高い電界が集中することになる。これにより陰極１２の表面から電子ｅが放出、加速され、陽極１３に入射する。このため、陽極１３の制動作用によってＸ線ｘが放出され、Ｘ線取り出し窓１１ａからＸ線ｘが外部に放射される。
【００３５】
このように構成された実施形態１の電界放出型Ｘ線源では、カーボンナノファイバー１２ｂの先端部のガス吸着材からなる微結晶１２ｃが先端部付近の不純物ガスを取り込むことによって、先端部付近の不純物の濃度を低く抑える作用を起こす。陰極１２の母材１２ａについても不純物ガスの吸着効果は期待できるが、無数本のカーボンナノファイバー１２ｂの先端部にある微結晶１２ｃの全表面積から考えると、その効果は後者のものが支配的と考えることができる。このため、この電子放出源の構造は、ガス吸着材からなる微結晶１２ｃを広く空間状に分布した特異な形状を持つことによって、他の構造では達し得ない不純物抑制効果を発揮することが可能となる。
【００３６】
一般的に電界放出型Ｘ線源では、１０−７Ｐａ程度の超高真空が必要とされているが、この電子放出源では、先端部分で不純物をガス吸着材の内部に取り込む作用があるので、１乃至２オーダ下の真空度でも、十分安定に電子を放出することができ、不純物ガスが電離してそのイオンが陰極１２の先端部に入射することによってスパッタを引き起こさせる作用を抑制することによって、陰極１２の先端部の損耗を防止することができ、長寿命を達成することが可能となる。
【００３７】
（実施形態２）
この電界放出型Ｘ線源は、図８に示すように、Ｘ線管１０と高圧電源２０とグリッド電源３０とを備えている。Ｘ線管１０内には、陰極１２に近接して陰極グリッド１４が設けられている。陰極１２と陰極グリッド１４とはグリッド電源３０に接続され、陰極グリッド１４と陽極１３とは高圧電源２０に接続されている。他の構成は実施形態１の電界放出型Ｘ線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
この電界放出型Ｘ線源では、グリッド電源３０によって陰極グリッド１４−陰極１２間に電圧を印加することにより、陰極１２を構成するカーボンナノファイバー１２ｂの各要素の先端部分から電子ｅを放出させる。電子ｅの中で陰極グリッド１４を通り抜けた成分は、高圧電源２０によって陰極グリッド１４と陽極１３との間に印加された高電圧によって加速され、陽極１３に入射される。このため、陽極１３の制動作用によってＸ線ｘが放出され、Ｘ線取り出し窓１１ａからＸ線ｘが外部に放射される。また、この電界放出型Ｘ線源では、陰極グリッド１４の付加により、高圧電源２０によって印加する高電圧に依らず、電子放出量を制御することが可能となり、また陰極１２への不純物イオンの入射量を低減することが可能となる。他の作用効果は実施形態１と同様である。
【００３９】
（実施形態３）
この電界放出型Ｘ線源は、図９に示すように、グリッド電源３０と高圧電源２０との回路ループの中に電子電流を高速で検知できる電流検出器４０が設けられ、電流検出器４０とグリッド電源３０との間に電流検知器４０の電流変動を抑えるようにグリッド電源３０の出力電圧を制御するフィードバック回路４１が設けられている。他の構成は実施形態２の電界放出型Ｘ線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４０】
この電界放出型Ｘ線源では、電流検出器４０からの信号を受けてフィードバック回路４１によってグリッド電源３０の出力電圧を高速で制御し、電子電流の短周期的な変動を抑制する。上述したように、電子電流の急激な増加は、スパッタによって陰極１２の先端部の形状が微細な構造になって放出電子量が増加することによるものと考え、これを制御することによって先端部への熱負荷とスパッタによる損耗の増大作用とを抑制し、陰極１２の先端部の損耗を未然に防止することが可能となる。このフィードバック回路４１を用いて電子電流を一定に制御した場合、図４に示すように電子電流が変化する。このように電子電流の短周期的な変動を抑えることによって、陰極１２の寿命を延長することができる。他の作用効果は実施形態１と同様である。
【００４１】
（実施形態４）
この電界放出型Ｘ線源は、図１０に示すように、３極管構造を構成するため、陰極１２とグリッド電源３０との回路ループ中に高周波フィルター５０が設けられているとともに、グリッド電源３０と高圧電源２０との回路ループ中に高周波フィルター５１が設けられている。これら高周波フィルター５１はインダクター、抵抗等で構成されている。他の構成は実施形態２の電界放出型Ｘ線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４２】
この電界放出型Ｘ線源では、電子電流が急激に増加する現象が生じた場合には、高周波フィルター５０、５１に加わる電圧量が増加し、電子電流の増加を低減する。このため、この電界放出型Ｘ線源は、結果的に電子電流の短周期的な変動を抑制し、実施形態３の電界放出型Ｘ線源と同等の効果を得ることができる。他の作用効果は実施形態１と同様である。
【００４３】
なお、電界放出型Ｘ線源が３極管構造を構成する場合、高周波フィルター５０、５１をグリッド電源３０の回路ループ又は高圧電源２０の回路ループのどちらかに備えることができる。
【００４４】
（実施形態５）
この電界放出型Ｘ線源は、図１１に示すように、陰極１２に電子冷却素子６０を備えている。他の構成は実施形態２の電界放出型Ｘ線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４５】
この電界放出型Ｘ線源では、電子冷却素子６０が動作中に陰極１２の温度の上昇を抑え、不純物ガスの吸着効果を維持することが可能となる。この冷却作用によって、ガス吸着材を用いた陰極１２の母材１２ａ及びカーボンナノファイバー１２ｂの先端部に付加した微結晶１２ｃの吸着特性は良好に維持され、これによってスパッタの原因となる不純物濃度を低く抑え、陰極１２の寿命を延長することが可能となる。他の作用効果は実施形態１と同様である。
【００４６】
なお、電界放出型Ｘ線源の構造によって電子冷却素子６０を備えることが困難な場合には、代わりに冷却液を通す冷却管を陰極１２に備えたり、陰極１２近くに放熱フィンを備えることによって、陰極１２の温度の上昇を抑えるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボンナノチューブ製の電子放出源から放出された電子電流の時間変動を示すグラフである。
【図２】Ｐｄナノ粒子群を担持したカーボンナノファイバーを示す顕微鏡写真である。
【図３】Ｐｄナノ粒子群を担持したカーボンナノファイバー製の電子放出源から放出された電子電流の時間変動を示すグラフである。
【図４】図３に対して安定化回路を働かせた場合のグラフである。
【図５】スパッタ現象による陰極の先端部の形状変化を示す説明図である。
【図６】実施形態１の電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【図７】実施形態１の電界放出型Ｘ線源の電子放出源の要部模式構成図である。
【図８】実施形態２の電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【図９】実施形態３の電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【図１０】実施形態４の電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【図１１】実施形態５の電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【図１２】従来の熱電子放出型のＸ線源の模式構成図である。
【図１３】従来の一般的な電界放出型Ｘ線源の模式構成図である。
【符号の説明】
１０…Ｘ線管
１１…真空容器
２０…高圧電源
１２…陰極
１２ｂ…カーボンナノファイバー（炭素系ナノ構造体）
１２ｃ…ガス吸着材の微結晶
１３…陽極
１４…陰極グリッド
３０…グリッド電源
４０…電流検出器
４１…フィードバック回路
５０、５１…高周波フィルター
６０…電子冷却素子（冷却手段）
ｅ…電子
ｘ…Ｘ線
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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