(57)【要約】      （修正有）【課題】冷陰極を有するＸ線発生装置において、短期間の使用でガラス管球内の真空度が劣化し、Ｘ線写真の品質が劣化するという問題を解決することができる、ガラス管球の封入構造およびその排気方法を提供する。【解決手段】Ｘ線発生装置は真空排気されたガラス管球１００を含む。ガラス管球はその内部に、絶縁材１１２を介して基部１１０に支持された冷陰極１１０Ｃ、フォーカスキャップ１２５、タングステンフィラメント１１５、および陽極ターゲット１４０、並びに３つの電極ピン１１０１、１１０２、１１５３、および陽極ピン１４０４を有している。ガラス管球を封止する前の排気中に、タングステンフィラメントを加熱し、かつ、陽極ターゲットに高電圧を印加して、フィラメントから放出される熱電子を加速してガラス管球の内壁および陽極ターゲットに衝突させて排気時間を短縮しかつ真空度を高める。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷陰極によるＸ線発生装置の封入構造であって、
ガラス管球を有し、
前記ガラス管球は、基部、冷陰極、フォーカスキャップ、および、陽極ターゲットを或る１つの順序で前記ガラス管球内に有し、かつ、前記ガラス管球外に延出する第１の電極ピン、第２の電極ピン、単一用途ピン、および、陽極ピンと関連付けられ、
前記陽極ターゲットは、前記冷陰極に対向する傾斜面を、前記傾斜面に衝突する冷電子に起因して発生するＸ線がＸ線窓部を通って出射されることができるように有し、
前記第１の電極ピンは、前記冷陰極に接続され、
前記陽極ピンは、前記陽極ターゲットに接続されている、冷陰極によるＸ線発生装置の封入構造において、
前記基部の周囲のタングステンフィラメントと、
前記ガラス管球の開口部が封止される前の前記ガラス管球の排気中に、前記タングステンフィラメントに電圧を印加することにより熱電子を放出するための、前記基部および前記タングステンフィラメントの第１のワイヤ端部に接続された前記第２の電極ピン、および、前記タングステンフィラメントの第２のワイヤ端部に接続された前記単一用途ピンと、を特徴とする、Ｘ線発生装置の封入構造。
【請求項２】
電圧ブーストモジュール、周波数発振回路、および、バッテリをさらに備え、前記電圧ブーストモジュールは、前記第１の電極ピンおよび前記陽極ピンのそれぞれに接続された２つの電気出力端子を有し、さらに、前記電圧ブーストモジュールおよび前記ガラス管球は、前記Ｘ線窓部を除き、絶縁性ゲルによってパッケージされ、前記バッテリは、前記電圧ブーストモジュールおよび前記周波数発振回路と共に作動してＸ線を発生させるための４０ｋＶ〜７０ｋＶの高電圧を生じる、請求項１に記載のＸ線発生装置の封入構造。
【請求項３】
前記冷陰極は、基部に支持されている複数の金属棒を有し、前記金属棒は、それぞれ、電子を放出するために前記金属棒上に形成された炭素膜を有する、請求項１に記載のＸ線発生装置の封入構造。
【請求項４】
前記冷陰極は、前記基部の凸曲面上に形成された炭素膜である、請求項１に記載のＸ線発生装置の封入構造。
【請求項５】
排気対象のＸ線発生装置のガラス管球を準備するステップであって、前記ガラス管球は、基部、タングステンフィラメント、冷陰極、フォーカスキャップ、および、陽極ターゲットを前記ガラス管球内に有し、かつ、前記ガラス管球外に延出する陽極ピンおよび単一用途ピンを有し、前記タングステンフィラメントは、前記基部の周囲に位置し、前記タングステンフィラメントの第１のワイヤ端部および第２のワイヤ端部の一方がアースされ、他方が前記単一用途ピンに接続される、ステップと、
前記単一用途ピンに約２Ｖ〜１０Ｖの電圧、約１Ａ〜５Ａの電流を印加し、かつ、前記陽極ピンに約１ｋＶ〜７０ｋＶの電圧を印加して、前記ガラス管球の排気中に前記タングステンフィラメントから放出される熱電子を加速するステップと、
前記ガラス管球の真空度が所定の基準に達したら、前記ガラス管球の開口部を封止するステップと、を含む、Ｘ線発生装置のガラス管球の排気方法。
【請求項６】
前記電圧を前記単一用途ピンに印加して前記タングステンフィラメントを加熱する時に前記ガラス管球の過熱を防止するための加熱しない時間をさらに含む、請求項５に記載のＸ線発生装置のガラス管球の排気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極を有するＸ線発生装置に関し、特にＸ線発生装置の封入プロセスにおいてタングステンフィラメントの加熱とガラス管球容器の排気とを同時に行うプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出電子を発生させる冷陰極を有するＸ線発生装置が、電界放出電子の量子理論により既知である。電界放出電子の基本原理では、電界を印加しない時に、導体の電子は、ポテンシャルエネルギー障壁を通過し得、真空側に達し得る十分なエネルギーを有しなければならない。電界を印加する時に、エネルギーバンドが屈曲し、その結果、電子は、大量のエネルギーを必要とせずにポテンシャルエネルギー障壁を通過して真空側に達する。印加される電界が増大すると、電子が通過するポテンシャルエネルギー障壁は低くなり、引き出される電流の大きさは増加する。電磁気学理論によれば、帯電物体が尖端を有する場合、かかる尖端の周囲の電界強度は、他の箇所の電界強度よりもずっと高くなる。電極付近の空気はイオン化される（部分的に導電性を帯びる）ことができるが、電極から離れた領域ではイオン化されない。したがって、電界放出陰極としては、陰極に印加される電圧が低くても電界が生じるように、炭素繊維のより上端の部分が望ましい。
【０００３】
現在、Ｘ線発生装置は通常、マイクロ波素子、センサ、パネルディスプレイ等の電子源として使用されている。電子放出効率は主に、素子の構造、材料、および、電界放出陰極（すなわち、Ｘ線発生装置）の形状に依存している。電界放出陰極は、シリコン、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ等の金属から形成される。これら材料の中では、カーボンナノチューブが特に重要である。カーボンナノチューブの開口部は極めて細くかつ安定し、また、カーボンナノチューブは低い伝導電界および高い放出電流密度を有し、かつ、非常に安定しているからである。これら特徴によって、カーボンナノチューブは、電界放出陰極に非常に適している。したがって、カーボンナノチューブが他の材料に代わり、次世代の電界放出の材料になる可能性が高い。
【０００４】
電界放出陰極は、Ｘ線管等のＸ線発生装置の陰極として使用されることができる。Ｘ線発生装置は、陰極、電磁レンズの絞り、および、陽極ターゲットをガラス容器内に封入してなる。カーボンナノチューブは、従来の熱陰極ネオン管に取って代わることができる。Ｘ線発生装置において熱陰極ネオン管を使用する場合、電力の約９９％は、熱に変換される。したがって、熱陰極ネオン管は、冷却水で冷却されなければならない。対照的に、カーボンナノチューブは、低電界強度下で電子ビームを放出することができるため、カーボンナノチューブの電力から電子ビームへの変換効率は、熱陰極ネオン管の変換効率よりも高い。さらに、Ｘ線発生装置においてカーボンナノチューブを使用する場合、冷却プロセスは必要とされない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，５５３，０９６号明細書
【特許文献２】米国特許第８，５５９，５９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Zhou et al.による特許文献１は、カーボンナノチューブを採用したＸ線発生装置を開示している。Zhou et al.は、陰極電界放出の電子放出源としてナノメートル構造の材料を使用している。さらに、Zhou et al.は、カーボンナノチューブを使用したＸ線発生装置によって、約３０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を生成することができると主張している。このＸ線発生装置の電界閾値は、約３．５Ｖ／μｍである。
【０００７】
上記閾値は、ハンドヘルドのＸ線発生装置に使用するには依然として高すぎるため、本発明の発明者らは、０．３Ｖ／μｍの低さの電界閾値のＸ線発生装置を開示する。特許文献２を参照されたい。図１は、側壁１１０Ｗを有する基部１１０によって支持された複数の金属棒を備える冷陰極１１１の概略図を示し、これら複数の金属棒は、その表面上に形成された炭素膜１１０Ｃを有する。このＸ線発生装置をガラス管球内に封入する間、排気プロセスを約３時間行い、真空度が１．０×１０−８ｔｏｒｒ〜１．０×１０−９ｔｏｒｒに達している。さらに、このＸ線発生装置を使用できるのは、非常に短期間（例えば、スナップ写真１００枚）のみである。その後は、Ｘ線写真の品質が低下する。本発明者らは、低品質な写真の原因が、ガラス管球内の真空度が短期間で劣化することに起因し得ることを見出した。したがって、かかる課題を克服することが本発明の目的の１つである。本発明の他の目的は、Ｘ線発生装置の電極ピンにおいて認められるコロナ放電の問題を解決することである。
【０００８】
本発明の目的の１つは、長期間の使用後でさえ初期の真空度を維持する冷陰極を有するＸ線発生装置の封入構造を提供し、Ｘ線写真の品質を良好に保つことである。
【０００９】
本発明の他の目的は、封入プロセス中にＸ線ガラス管球を溶融して封止する前の排気の時間費用を削減する方法を提供することである。
【００１０】
本発明のもう１つの目的は、電極ピンにおけるコロナ放電を回避する極めて高耐圧の抵抗を有する絶縁性ゲルを備えるＸ線ガラス管球構造を提供することである。
【００１１】
本発明は、冷陰極を有するＸ線発生装置の封入構造およびその排気方法を開示する。本Ｘ線発生装置は、ガラス管球を有し、このガラス管球は、基部、タングステンフィラメント、冷陰極、フォーカスキャップ、および、陽極ターゲットをガラス管球内に有し、かつ、ガラス管球外に延出する第１の電極ピン、第２の電極ピン、単一用途ピン（single-used pin）、および、陽極ピンと関連付けられている。基部の周囲に位置するタングステンフィラメントは、第２の電極ピンに接続された第１のワイヤ端部、および、単一用途ピンに接続された第２のワイヤ端部を有する。ガラス管球の端部を溶融して封止する前のガラス管球の排気中に、単一用途ピンに電圧を印加してタングステンを加熱し、かつ、高電圧を陽極ターゲットに印加してフィラメントから放出される熱電子を加速してガラス管球の内壁および陽極ターゲットに衝突させることにより、排気の時間を短縮しかつ真空度を高める。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】先行技術に係わるＸ線発生装置の冷陰極の模式図である。
【図２Ａ】本発明に係わるガラス管球外に延出する３つの電極ピン、陽極ピン、および、基部の周囲のタングステンフィラメントを有するＸ線発生装置の断面図である。
【図２Ｂ】本発明に係わるガラス管球外に延出する２つの電極ピン、陽極ピン、および、基部の周囲のタングステンフィラメントを有するＸ線発生装置の断面図である。
【図２Ｃ】本発明に係わるガラス管球外に延出する３つの電極ピン、陽極ピン、および、基部の周囲のフォーカスキャップ内のタングステンフィラメントを有するＸ線発生装置の断面図である。
【図２Ｄ】本発明に係わる基部上の冷陰極および基部の周囲のタングステンフィラメントの概略側面図である。
【図２Ｅ】本発明に係わる冷陰極として使用される凸曲面上に形成された炭素膜と、基部の周囲のタングステンフィラメントとを有する基部の概略側面図である。
【図２Ｆ】本発明に係わる冷陰極として使用される凹曲面上に形成された炭素膜と、基部の周囲のタングステンフィラメントとを有する基部の概略側面図である。
【図２Ｇ】本発明に係わるＸ線発生装置のＸ線窓部に沿う概略断面図である。
【図３】本発明に係わる機能モジュールを示すハンドヘルドのＸ線発生装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、基部１１０と、冷陰極１１０Ｃと、フォーカスキャップ１２５と、タングステンフィラメント１１５と、陽極ターゲット１４０とを有するガラス管球１００を有し、上記陽極ターゲット１４０は、冷陰極１１０Ｃに対向する傾斜面を、この傾斜面１４０に衝突する冷電子（cold electron）に起因して発生するＸ線がＸ線窓部１３０を通って出射されることができるように有する。本Ｘ線発生装置は、図２Ａおよび図２Ｃに示すように、ガラス管球外に延出する３つの電極ピン１１０１，１１０２，１１５３および陽極ピン１４０４を有してもよく、図２Ｂに示すように、２つの電極ピン１１０１，１１５３を有してもよい。ガラス管球１００の２つの電極ピンのうち、２つの電極ピン１１０１，１１０２の一方は、ダミーピンである。電極ピン１１０１，１１０２は同じ電位だからである。ダミーピン１１０１または１１０２は、Ｘ線発生装置が直立するように支持することに使用される。陽極ターゲット１４０は、陽極ピン１４０４に接続している。
【００１４】
図２Ａと図２Ｃとの相違点は、タングステンフィラメント１１５の位置であり、それは、図２Ａではフォーカスキャップ１２５の外側であり、図２Ｃではフォーカスキャップ１２５の内側である。Ｘ線発生装置の３つの電極ピンのうち、第２の電極ピン１１０２は、フォーカスキャップ１２５、基部１１０、および、タングステンフィラメント１１５の第１のワイヤ端部に電気接続している。第１の電極１１０１は、冷陰極１１０Ｃに電気接続している。基部１１０は、セラミックス等の絶縁材１１２によって冷陰極１１０Ｃから電気的に絶縁されている。第３の電極ピン１１５３は、タングステンフィラメント１１５の第２のワイヤ端部に接続された単一用途ピンである。本明細書において、「単一用途ピン」とは、かかるピンがガラス管球の排気プロセスにおいてのみ使用されることを意味する。第３の電極ピン１１５３は、Ｘ線発生装置の作動とは無関係である。
【００１５】
図２Ｂには、Ｘ線発生装置の２つの電極ピンが示されている。タングステンフィラメント１１５は、基部の周囲に、かつ、フォーカスキャップ１２５の外側にある。かかる図示は、単なる例示であり、これに制限されない。上述のように、タングステンフィラメント１１５は、フォーカスキャップ１２５の内側に配置され得る。Ｘ線発生装置の２つの電極ピンのうち、第２の電極ピン１１０２は、第１の電極ピン１１０１、フォーカスキャップ１２５、基部１１０、冷陰極１１０Ｃ、および、タングステンフィラメント１１５の第１のワイヤ端部に電気接続している。第３の電極ピン１１５３は、タングステンフィラメント１１５の第２のワイヤ端部に接続された単一用途ピンである。第３の電極ピン１１５３は、Ｘ線発生装置の作動とは無関係である。
【００１６】
タングステンフィラメント１１５の機能は、ガラス管球の排気プロセスにおいて使用されるのみであり、Ｘ線発生装置の作動とは無関係である。したがって、タングステンフィラメント１１５の位置は、基部の周囲に配置されており、その結果、タングステンフィラメント１１５は冷陰極から放出される冷電子を妨害しない。ガラス管球を封止する前にガラス管球１００の排気を行なう。第３の電極ピン１１５３に約２Ｖ〜１０Ｖの電圧を印加し、第２の電極ピンをアースして約１Ａ〜５Ａの電流を発生させてタングステンフィラメント１１５を加熱することにより、熱電子を発生させる。また、熱電子を加速し、有機材料、水分、不純物に衝突させてガラス管球１００内および陽極ターゲット１４０から除去するために、陽極ピン１４０４にさらに印加する電圧は、数千ボルト〜数万ボルト（例えば７０ｋＶ）の高さの高電圧であることが好ましい。熱電子の質量が非常に小さいため、加速された熱電子は、ガラス管球にダメージを与えることなく不純物に衝突することができる。分離した不純物は、排気される。
【００１７】
排気プロセスの間、ガラス管球の過熱を防止するために、タングステンフィラメント１１５を加熱するプロセスと加熱しないプロセスとを交互に行うことが好ましい。休止時間、すなわち、加熱しないプロセスを１分〜５分としてもよい。交互に加熱するプロセスと加熱しないプロセスとを複数回行った後、ガラス管球１００の内壁および陽極ターゲット１４０上に付着したあらゆる不純物が完全に除去されクリーニングされる。断面において直径が約３０ｍｍ〜４５ｍｍ、または、体積が４０ｍｍ３〜６０ｍｍ３のガラス管球１００の場合、加熱しない時間をいくらか含む排気の時間費用は、約１時間の時間費用である。排気後、ガラス管球の端部開口部は、溶融によって封止される。
【００１８】
タングステンフィラメント１１５を有するガラス管球が、タングステンフィラメントを有しないガラス管球に比して、排気プロセスの排気時間費用を短縮することを支援するのみならず、良質なＸ線写真の要因となることが分かった。
【００１９】
単一用途のタングステンフィラメント１１５を有するＸ線発生装置は、１０，０００回の撮影後でさえ、初期のＸ線写真の品質を保つことができる。対照的に、単一用途のタングステンフィラメント１１５を用いないＸ線発生装置のＸ線写真品質が、ガラス管球内の真空度の低下に起因して劣化することが分かった。
【００２０】
溶融による端部開口部の封止後、ガラス管球１００は、ガラス管球外に延出する４つの電極ピン１１０１，１１０２，１１５３，１４０４を有する。
【００２１】
２つの電極ピンを有するＸ線発生装置では、冷陰極１１０Ｃは複数の金属棒１１０Ｃ１から構成され、各金属棒は、金属棒上の炭素層１１０Ｃ２を伴って形成され、平面を有する基部１００上に銀のゲルまたははんだによって固定される。金属棒１１０Ｃ１をニッケルまたはプラチナから形成してもよい。
【００２２】
３つの電極ピンを有するＸ線発生装置では、前述の金属棒１１０Ｃ１は、セラミックス等の絶縁性材料によって固定される。金属棒１１０Ｃ１は、第１の電極ピン１１０１に接続している。
【００２３】
他の好ましい実施形態では、冷陰極１１０Ｃは、図２Ｅに示す凸曲面等の曲面上または図２Ｆに示す凹曲面上に形成された炭素膜である。
【００２４】
人体のＸ線写真を撮影するために、陽極ピン１４０４と第１の電極ピン１１０１との間の電圧降下が、５０ｋＶ〜７５ｋＶの大きさである必要がある。このような大きさの電圧は、陽極ピン１４０４の、および、第１の電極ピン１１０１の近傍において空気の絶縁破壊を容易に引き起こし、スパークを生じる。
【００２５】
図２Ｇでは、Ｘ線窓部１３０に沿う断面図を示す。図２Ｇは、Ｘ線窓部１３０以外のガラス管球１００上を任意で被覆する鉛箔１０１を示す。かかる鉛箔の厚さは、約１ｍｍである。この場合、Ｘ線発生装置の陽極ピン１４０４および第１の電極ピン１１０１は、電圧ブーストモジュール２１０の出力端子に接続している。この場合、電圧ブーストモジュール２１０は、高耐圧抵抗の性質を有する絶縁性ゲル１０５によってガラス管球と共にパッケージされている。この場合、最後に、上記パッケージは、第２の鉛箔１０２によって被覆される。上記パッケージングプロセスでは、Ｘ線窓部１３０は常に開口状態に保持されている。
【００２６】
２層の薄膜（第１の鉛箔１０１および第１の鉛箔の外側の第２の鉛箔１０２）を有するパッケージ構造は、単一層の、厚みがより大きな外側の鉛箔１０２のみを有するパッケージ構造よりも良好であることが分かった。これにより、ハンドヘルドのＸ線発生装置の重量を１０％削減することができる。
【００２７】
図３に示すように、好ましいハンドヘルドのＸ線発生装置２００は、ピストルのような構造であり得る。かかる構造は、ガラス管球１００、電圧ブーストモジュール２１０、制御モジュール２３０、高周波発振器モジュール２２０、バッテリ２０５、および、シェル２４０を備える。制御モジュール２３０は、トリガ２３５によって制御される。バッテリ２０５は、電圧ブーストモジュール２１０、制御モジュール２３０、および、高周波発振器モジュール２１０に電力を供給し、低電圧を、人のＸ線写真撮影に使用するためのＸ線を発生させるために必要な５０ｋＶ〜７０ｋＶまで高める。
【００２８】
本発明によれば、使用されるＸ線発生装置では、１００μＡ〜２００μＡの低さの電流を生じる。この電流は、既知のハンドヘルドのＸ線発生装置（例えば、ARIBEX社製のNormad pro 2）において使用される電流の１０分の１に過ぎない。Normad pro 2は、熱電子を発生させるためにタングステンフィラメントを陰極として使用する従来のＸ線発生装置の１つである。この種のＸ線発生装置用の電流は少なくとも約１ｍＡであり、１秒間の撮影につき少なくとも１分間休止させてＸ線発生装置を冷却する必要がある。
【００２９】
本発明の利点は、
（１）１秒間の撮影につき少なくとも１分間休止させる必要がある従来のハンドヘルドのＸ線発生装置に比して、連続的に、かつ、約６５ｋＶの電圧下で非常に良好な透過率で撮影することができるハンドヘルドのＸ線発生装置であること、
（２）ガラス管球の排気を支援するためのタングステンフィラメントを有しないハンドヘルドのＸ線発生装置では、１００回の撮影後のＸ線写真の品質が低下するのに対し、ガラス管球内の真空度を良好に保つことができるため、Ｘ線写真の品質が数千回の撮影後でさえ初期同様であること、
（３）Normad pro 2に比してＸ線量が非常に小さく、また、Ｘ線写真の品質は、低電流にもかかわらず非常に良好であり、本Ｘ線発生装置が人の胸部、歯科治療、骨格に使用され、与えるダメージが最小であるため、Ｘ線量が大きい従来のＸ線発生装置より優れていること、である。
【００３０】
当業者に理解されるように、本発明の前述の好ましい実施形態は、本発明の例示であり、本発明を制限するものではない。本発明は、添付の特許請求項の趣旨および範囲に含まれるさまざまな修正形態および類似の構成を網羅することを意図しており、そのような修正形態および類似の構成のすべてを包含するように、本特許請求項は、最も広く解釈されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
2016105399.tif 000004
【図２Ｂ】
2016105399.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
2016105399.tif 000008
【図２Ｆ】
2016105399.tif 000009
【図２Ｇ】
2016105399.tif 000010
【図３】
2016105399.tif 000011
【外国語明細書】
2016105399000001.pdf