(57)【要約】【課題】カソード１と、カソード１に対向して配置され、カソード１から放出される電子を通過させる開口部１２を有するグリッド電極４と、カソード１から放出された電子の衝突によりＸ線を発生させるターゲット８とを有するＸ線管において、Ｘ線管におけるグリッド電極４に二次電子放出材料１４を配置し、これらから生じる二次電子を有効利用することで、カソード１の負荷を低減してＸ線管の寿命を向上させるに際し、二次電子の放出効率を向上させる。【解決手段】グリッド電極４の開口部１２の内面を、カソード１に向かって開いたテーパー面とすると共に、このテーパー面の少なくとも一部に、二次電子放出係数の最大値が１より大きい二次電子放出材料１４を配置し、しかもカソード１とグリッド電極４との間の間隔を、カソード１とグリッド電極４との間の電位差が二次電子放出材料１４の二次電子放出係数を１より大きくする電圧範囲となるように設定する。【選択図】図１
2012113920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、該カソードに対向して配置され、前記カソードから放出される電子を通過させる開口部を有するグリッド電極と、前記カソードから放出された電子の衝突によりＸ線を発生させるターゲットとを有するＸ線管において、
前記グリッド電極の前記開口部の内面が、前記カソードに向かって開いたテーパー面となっていると共に、該テーパー面の少なくとも一部に、二次電子放出係数の最大値が１より大きい二次電子放出材料が配置されており、且つ前記カソードと前記グリッド電極との間の間隔が、前記カソードと前記グリッド電極との間の電位差が前記二次電子放出材料の二次電子放出係数を１より大きくする電圧範囲となるように設定されていることを特徴とするＸ線管。
【請求項２】
前記カソードとグリッドとの間の電位差が、前記二次電子放出材料の二次電子放出係数が最大値をとる電圧となるように、前記カソードと前記グリッド電極との間の間隔が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線管。
【請求項３】
前記グリッド電極電位がゼロ電位であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線管。
【請求項４】
前記グリッド電極が、頂点を前記カソードに向けた三角形をなす断面の枠材で前記開口部を区画した構造をなし、前記断面における三角形の斜面に前記二次電子放出材料が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項５】
前記二次電子放出材料は、酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムから選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線管。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線管と、該Ｘ線管を駆動する制御部とを備えていることを特徴とするＸ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば怪我や病気の診断や非破壊検査等を行う医療機器や産業機器に用いられるＸ線管及びこれを搭載したＸ線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管の寿命はカソードとターゲットの寿命によるところが大きい。このうち、カソードの寿命は、カソード電流を増幅して管電流（定格電流）とし、負荷を低減することで延ばすことが可能である。
【０００３】
従来、開口部を有するメッシュ状のグリッド電極を用いた陰極線管において、グリッド電極のカソードとの対向面に、二次電子放出係数の最大値が１以上の二次電子放出材料を配置することが知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、グリッド電極のカソードとの対向面に配置した二次電子放出材料から生じる二次電子を有効利用することで、カソード電流を増幅し、もってカソードの負荷を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８５０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、二次電子放出材料は開口部外側、つまりグリッド電極のカソード側の表面に設けられている。このため、カソードから放出された電子は、二次電子放出材料の配置面に対して垂直に近い角度で入射することになる。二次電子放出係数は、カソードから放出された電子の二次電子放出材料面への入射角が大きいほど大きくなり、より低い電圧でカソード電流を増幅することが可能となる。しかし、特許文献１の技術では、上記のように小さい入射角しか得られないことから、大きな二次電子放出係数とはならない問題がある。加えて、特許文献１では、二次電子放出材料の配置面に衝突する電子のエネルギー、即ちグリッド−カソード間の電界について何ら考慮しておらず、この点からも良好な二次電子放出効率を得るのに十分なものであるとはいえない。
【０００６】
本発明は、グリッド電極に二次電子放出材料を配置し、これらから生じる二次電子を有効利用することで、カソードの負荷を低減し、もってＸ線管の寿命を向上させるに際し、二次電子の放出効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するもので、カソードと、該カソードに対向して配置され、前記カソードから放出される電子を通過させる開口部を有するグリッド電極と、前記カソードから放出された電子の衝突によりＸ線を発生させるターゲットとを有するＸ線管において、
前記グリッド電極の前記開口部の内面が、前記カソードに向かって開いたテーパー面となっていると共に、該テーパー面の少なくとも一部に、二次電子放出係数の最大値が１より大きい二次電子放出材料が配置されており、且つ前記カソードと前記グリッド電極との間の間隔が、前記カソードと前記グリッド電極との間の電位差が前記二次電子放出材料の二次電子放出係数を１より大きくする電圧範囲となるように設定されていることを特徴とするＸ線管を提供するものである。
【０００８】
また、本発明は、上記本発明に係るＸ線管と、該Ｘ線管を駆動する制御部とを備えていることを特徴とするＸ線発生装置を提供するものでもある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、二次電子放出材料は、グリッド電極の開口部の内面であるテーパー面に設けられているので、カソードから放出される電子を、この二次電子放出材料の設置面に大きな入射角で入射させることができる。従って、二次電子放出係数が大きくなる状態で二次電子を放出させることができ、良好な二次電子放出効率が得られる。加えて、カソードとグリッド電極との間の電位差が二次電子放出材料の二次電子放出係数を１より大きくする電圧範囲となるように設定されていることによっても二次電子放出効率が向上する。これらのことから、カソード電流の増幅率が高くなり、カソードの負荷を大幅に低減することができる。従って、本発明によれば、長期間にわたって均一で安定な特性を有するＸ線管及びＸ線発生装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明に係るＸ線管の一例を示す断面構成模式図、（ｂ）はグリッド電極の一例を表す平面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図２】二次電子放出係数の入射エネルギー依存性を表した概念図である。
【図３】カソード電流の印加電界依存性を表した図である
【図４】ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ及びＡｌ2Ｏ3についての二次電子放出係数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明を更に説明する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明のＸ線管の一例を示す断面構成模式図である。図示されるように、真空容器１１内には、電子源であるカソード１、グリッド電極４、ターゲット８が設けられている。電子源は、複数配置してそれぞれ独立に駆動制御することもできるが、以下の説明では一つの電子源に着目して構成の概略を説明する。
【００１３】
Ｘ線管に適用するカソード１としては、大電流を安定に取り出しやすい含浸型カソード（熱陰極）を好適に使用することができる。本例も含浸型カソードを用いた例で、絶縁部材２に設けられたカソード１を加熱して電子を放出させるためのヒータ３がカソード１の近傍に設けられている。ヒータ３に１Ｗ程度の通電を行うことでカソード１の温度を９００〜１０００℃程度まで容易に上げることが可能である。例えば、カソード１の温度を９００℃程度に保持した場合、カソード１とグリッド電極４との間に２０Ｖ／μｍ程度の電界を印加することで、カソード１から１ｍＡ程度の電流を取り出すことが可能となる。
【００１４】
カソード１は絶縁部材２と一体構造化されており、グリッド電極４は、カソード１に対向して、グリッド電極支持部材５に支持されている。そして、絶縁部材２をグリッド電極支持部材５に突き当てて配置することによって、カソード１とグリッド電極４との距離が規定されている。
【００１５】
また、グリッド電極４とターゲット８との間には、集束電極６が配置されている。この集束電極６は、グリッド電極４によってカソード１から引き出された電子のターゲット８表面における焦点径を制御するものである。通常、集束電極６には数百〜数ｋＶ程度の電圧範囲の電圧を印加して焦点径の調節を行うが、この集束電極６を省略して、グリッド電極支持部材５のレンズ効果のみによって電子線を集束することも可能である。
【００１６】
アノードとしてのターゲット８には数十ｋ〜百ｋＶ程度の電圧が印加され、電子はターゲット８に衝突してＸ線を発生する。ターゲット８は透過型で、電子の衝突により生じたＸ線はターゲット８を透過して、電子の照射面とは反対側に設けられたＸ線透過窓１０を通して、真空容器１１外部に取り出されるものとなっている。ターゲット８は、不図示のターゲット膜とターゲット基板から構成されている。ターゲット膜は、ターゲット基板の電子照射面側に設けられるもので、タングステン等の原子番号が大きい高融点材料を用いた薄膜を好適に用いることができる。ターゲット膜の膜厚は、加速電圧によって電子線浸入深さ、すなわちＸ線発生領域が異なるので、最適な値は加速電圧によって異なるが、百ｋＶ程度の加速電圧を用いる場合は、通常、数μｍ〜十μｍ程度の厚さでターゲット基板上に形成される。ターゲット基板は熱伝導性が良好で、且つＸ線の透過率が良好な軽元素材料から構成されている。例えばシリコンカーバイド等の材料を好ましく用いることができ、ターゲット膜はこのターゲット基板上にスパッタリング等の物理成膜によって緻密な膜構造をとるように形成される。また、ターゲット８はＸ線・反射電子線遮蔽板７とＸ線遮蔽板９とで挟持されており、これらにより、後方散乱Ｘ線及び反射電子の遮蔽と、前方に取り出すＸ線の照射角規定を行っている。
【００１７】
図１（ｂ）はグリッド電極の一例を表す平面図、図１（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面図であり、次にこれを用いて説明する。
【００１８】
本例のグリッド電極４は、電子を通過させる矩形（正方形）形状の開口部１２を有している。但し、開口部１２の形状はこれに限定されるものではなく、円形や六角形等の開口にしても良い。また、図１（ｂ）はカソード１側から見た平面図であり、図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面図に示される通り、開口部１２の内面は、カソード１に向かって開いたテーパー面となっている。具体的には、グリッド電極４は、頂点をカソード１に向けた三角形をなす断面の枠材１３で区画された開口部１２を縦横に連ねたメッシュ状の構造をなしており、開口部１２の断面形状はカソード１に向かって開いた台形状となっている。また、開口部１２の内面であるテーパー面、即ち上記断面における三角形の斜面には、二次電子放出係数の最大値が１より大きい二次電子放出材料１４が配置されている。二次電子放出材料１４は、開口部１２の内面であるテーパー面全体に配置することが好ましいが、少なくともテーパー面の一部に配置すればよい。
【００１９】
上記開口部１２の内面のテーパー角度をθ（度）、グリッド電極４の厚さをｄ（μｍ）、開口部１２の幅をｗ（μｍ）とすると、開口率ρは下記式（１）で示される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
カソード１から放出される電流Ｉ0（ｍＡ）とすると、グリッド電極４によって引き出されて開口部１２を通ってターゲット８に向かう電流は〜ρＩ0と表すことができる。また、グリッド電極４によって引き出され二次電子放出材料１４が形成されたグリッド電極４によって増幅された電流は〜δ（１−ρ）Ｉ0と表すことができるので、正味の増幅率αは下記式（２）で示される。但し、δは材料の二次電子放出係数であり、グリッド電極４において発生した二次電子のすべてはターゲット８に向かうものとする。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
上記式（２）によれば、開口率ρが小さく、また二次電子放出係数δが大きいほど増幅率は多くなる。しかし、実際には開口率ρが小さくなるとグリッド電極４で発生した二次電子でターゲット８に向かう割合が小さくなるので開口率ρをあまり小さくすることはできない。このため、通常０．９≧ρ≧０．４程度で使用される。
【００２４】
また、カソード１から放出された電子の二次電子放出材料１４の付設面への入射角（電子の入射方向を示す線と、入射点の法線とがなす角）はほぼテーパー角θと等しく、二次電子放出係数δについては、δ∝１／ｃｏｓθとなる。従って、実際の増幅率αは、θの増加と共に大きくなる。例えば、ｄ／ｗ＝１／２のとき、開口率ρが０．９≧ρ≧０．４の範囲となるθは８７°≧θ≧６０°であり、この範囲でθができるだけ大きく、且つ安定な電流が得られるようなテーパー角度θを選択することが好ましい。
【００２５】
次に、図２を用いて二次電子放出係数δについての入射エネルギー（一次電子エネルギー）Ｅ0（ｅＶ）依存性について説明する。一般に、二次電子放出係数δは入射エネルギーＥ0に対して山型の変化曲線を示し、二次電子放出係数δの最大値であるδmは、入射エネルギーＥ0がＥ0mの時に生じ、通常１以上である。δmが１より大きい場合、δ＝１を満たす入射エネルギーはＥ0IとＥ0IIの二つ存在し、このＥ0Iより大きくＥ0IIより小さい入射エネルギーＥ0であればδ＞１となる。従って、グリッド電極４とカソード１間の電位差がＥ0Iより大きくＥ0IIより小さくなるようにグリッド電極４とカソード１との間隔を設定しておくことで、電流を増幅することができる。二次電子放出が最も多くなる最適配置は、グリッド電極４とカソード１間の電位差がＥ0mとなるようにグリッド電極４とカソード１との間隔を設定した配置である。
【００２６】
このときカソード電流Ｉ0は管電流（定格電流）Ｉから逆算した値Ｉ0／αとすれば良く、図３に示したカソード１の放出電流特性から必要電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）が求められる。カソード１とグリッド電極４間の電位差をＥ0mとした場合、カソード１とグリッド電極４間ギャップはＥ0m／Ｅとなる。このようにして、カソード１とグリッド電極４間の間隔を設定することができる。
【００２７】
二次電子放出材料としては、例えば酸化マグネシウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム等を使用することができる。これらはスパッタリング等の真空成膜によって容易にテーパー面に配置することが可能である。また、図４に示すように、これらの二次電子放出材料の中でも、酸化マグネシウムが、二次電子放出係数の最大値が最も大きいことから、最も好ましい。
【００２８】
グリッド電極４のグリッド電極電位はゼロ電位であることが好ましい。グリッド電極４の電位をゼロ電位としておくことで、帯電による電流の変動を防止することができる。
【００２９】
本発明に係るＸ線発生装置は、上述のＸ線管に、このＸ線管を駆動する制御部を接続することで得ることができる。
【実施例】
【００３０】
実施例１
図１（ａ）〜（ｃ）で説明したＸ線管と同様の構成のＸ線管を作製した。
【００３１】
カソードとしては、東京カソード研究所社製含浸型カソードアッシーを使用した。カソードはエミッタ（電子放出）が含浸された円柱形状をしており、筒状のスリーブ上端に固定されたキャップにろう材によって固定されている。スリーブ内にはヒータが取り付けられており、このヒータに通電することによってカソードが加熱されて熱電子が放出される。
【００３２】
グリッド電極としては、板厚１００μｍのモリブデン板をエッチング加工したものを使用した。開口部の形状は矩形（正方形）でその幅は２００μｍ、テーパー角度θはエッチング条件を調整して約６０°とした。このグリッド電極を成膜装置に移し、スパッタリングによってテーパー面に膜厚１μｍの酸化マグネシウム膜を形成した。
【００３３】
酸化マグネシウムの二次電子放出係数の最大値δmは、テーパー角度６０°を考慮した場合δm＝２０であり、そのときの入射エネルギーＥ0m＝４００Ｖである。また、このとき開口率ρ＝０．４であるから、増幅率αは前記式（２）からα＝１２．４と計算される。定格電流ＩをＩ＝２０ｍＡとすると、カソード電流Ｉ0はＩ0＝Ｉ／α＝１．６ｍＡとなり、カソードの放出電流特性から、１．６ｍＡを得るのに必要な電界ＥはＥ＝３８．１Ｖ／ｍｍとなる。よって、カソードとグリッド電極との間の間隔は、Ｅ0m／Ｅ＝４００／３８．１＝１０．５ｍｍにより、１０．５ｍｍとした。
【００３４】
集束電極は、板厚２ｍｍのモリブデン板に直径４ｍｍの孔を形成したものとした。また、ターゲットは、シリコンカーバイド基板（０．５ｍｍ厚）上にタングステン膜（５μｍ厚）が形成された透過型のものを用いた。ターゲット８は、タンタルからなるＸ線・反射電子線遮蔽板と、これもタンタルからなるＸ線遮蔽板とで挟持して配置するものとした。
【００３５】
以上のＸ線管の構成部材であって、脱ガス処理を施したものをＸ線窓が形成された真空容器内に設置して、Ｘ線管を作製した。Ｘ線管には、管外部から駆動制御ができるように、それぞれ端子を形成し、各端子を制御電源に接続してＸ線を発生させた。管電圧・電流特性を確認したところ、本実施例のＸ線管は、管電圧約４００Ｖで定格電流２０ｍＡ（このときカソード電流１．８ｍＡ）を得ることができた。
【００３６】
比較例１
二次電子放出材料である酸化マグネシウム膜を形成しないグリッド電極を使用した以外は実施例１と同様にして作製したＸ線管を用意し、管電圧・電流特性を確認した。その結果、定格電流２０ｍＡ（このときカソード電流４８ｍＡ）を得るのに管電圧約４．８ｋＶが必要であった。
【００３７】
実施例２
グリッド電極の開口部の内面のテーパー角度θを８０°とし、このテーパー面に膜厚１μｍの酸化バリウム膜を形成した。
【００３８】
酸化バリウムの二次電子放出係数の最大値δmは、テーパー角度８０°を考慮した場合δm＝２７であり、そのときの入射エネルギーＥ0m＝４５０Ｖである。また、このとき開口率ρ＝０．７であるから、増幅率αは前記式（２）からα＝８．２と計算される。定格電流ＩをＩ＝２０ｍＡとすると、カソード電流Ｉ0はＩ0＝Ｉ／α＝２．４ｍＡとなり、カソードの放出電流特性から、２．４ｍＡを得るのに必要な電界ＥはＥ＝５０．６Ｖ／ｍｍとなる。よって、カソードとグリッド電極との間の間隔は、Ｅ0m／Ｅ＝４００／３８．１＝８．９ｍｍにより、８．９ｍｍとした。
【００３９】
上記以外は実施例１と同様にしてＸ線管を作製し、Ｘ線を発生させて、管電圧・電流特性を確認した。本実施例のＸ線管は、管電圧約４５０Ｖで定格電流２０ｍＡ（このときカソード電流２．５ｍＡ）を得ることができた。
【００４０】
比較例２
二次電子放出材料である酸化バリウム膜を形成しないグリッド電極を使用した以外は実施例２と同様にして作製したＸ線管を用意し、管電圧・電流特性を確認した。その結果、定格電流２０ｍＡ（このときカソード電流２９ｍＡ）を得るのに管電圧約２．７ｋＶが必要であった。
【符号の説明】
【００４１】
１：カソード、２：絶縁部材、３：ヒータ、４：グリッド電極、５：グリッド電極支持部材、６：集束電極、７：Ｘ線・反射電子線遮蔽板、８：ターゲット、９：Ｘ線遮蔽板、１０：Ｘ線透過窓、１１：真空容器、１２：開口部、１３：枠材、１４：二次電子放出材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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