CN103137400B - 电场发射型x射线产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电场发射型X射线产生装置。在使用电场发射型冷阴极元件的X射线产生装置中，防止收容有冷阴极元件的玻璃管和位于其外侧的框体间的放电，与以往相比，延长冷阴极元件、X射线产生装置的寿命，实现稳定的工作。框体（2）接地。通过来自直流电源（7）的电压的施加而发射电子的冷阴极元件（5）收容在玻璃管（4）内，玻璃管（4）的下端部（4a）在框体（2）内被绝缘材料（3）支承。在玻璃管（4）的上端部侧设置有靶（8）和将在靶（8）产生的X射线发射到外部的窗部（9）。玻璃管（4）中的下端部（4a）的周缘部（4b）被绝缘材料（3）所覆盖，绝缘材料（3）的表面用接地的导体（21）进行被覆。

Description

电场发射型X射线产生装置

技术领域

本发明涉及使用了电场发射型冷阴极元件的X射线产生装置。

背景技术

使用了电场发射型冷阴极元件的X射线管（以下，称为“电场发射型X射线管”）能进行在常温下的电子发射，即使发热量少且小型，高性能化也容易实现。因而，被期待作为代替以往的灯丝（filament）方式（将加热后的灯丝作为电子发射源使用）的X射线管的高输出光源。但是，作为电子源的电子发射元件（冷阴极元件）的电子发射量有在工作电压以上的范围中伴随着施加电压上升而呈指数函数增加的趋势。

例如，当在施加工作电压-13.5kV时产生300μA的管电流（在X射线管内部从冷阴极元件到接地靶（target）电极之间流过的电流）的X射线管中，施加比上述工作电压高的-14.5kV的电压时，管电流变成3000μA，管电流激增为十倍。像这样的急剧的电流的增加，变得容易在管内引发局部的放电现象，该放电现象会引起作为电子发射源的冷阴极元件以及靶的破损、管内的真空程度的劣化等。其结果是，导致在额定电压范围下的X射线输出的降低，即，导致寿命的缩短。在发明者们的见解中，作为成为异常放电的原因的管电压变动的主要原因，可举出起因于积蓄在容纳有冷阴极元件的玻璃管内壁面的电荷的放电。

对此结合图6进行详述。以往的电场发射型X射线管101具有接地、上表面开口了的框体102。在该框体102内，经由绝缘体103支承玻璃管104的一个端部。玻璃管104收容在框体102内。在该玻璃管104的绝缘体103侧设置有冷阴极元件105，在该冷阴极元件105的周围设置有圆筒状的金属电极106。冷阴极元件105与金属电极106并联连接，从直流电源107向这些电极施加负电压。在玻璃管104的另一端侧内表面形成有由导电性良好的金属材料构成的靶108。在靶108接合有成为接地电位的窗部109，该窗部109露出到外部。窗部109使用具有将在靶108产生的X射线发射到外部的功能的材料，例如由X射线的透射性优越的铍（beryllium）构成。另外，玻璃管104以气密的方式构成，进而在玻璃管104和框体102的上表面端部之间架设有对框体102的玻璃管104的固定构件（以下，称为“固定构件”）110。利用这样的结构，在框体102和玻璃管104之间形成有空间S。

而且，当向冷阴极元件105施加规定的高压电压例如-13.5kV使电场发射型X射线管101动作时，电子从冷阴极元件105朝向靶108发射，从窗部109发射出X射线。

此时，因为在冷阴极元件105周边的同电位的金属电极106和接地的框体102之间形成电场，所以一部分电子由该电场朝向框体102进行供给。但是，在金属电极106和框体102之间存在作为绝缘体的玻璃管104，朝向框体102发射的电子积蓄在该玻璃管104的内表面。该电子的积蓄会继续到玻璃管104和金属电极106间的电位差消失为止。换句话说，在变为同电位（在该情况下是-13.5kV）的时候，由电子向玻璃管104内壁面的积蓄造成的增加将消失，变成平衡状态。

其结果是，相对于刚动作之后在冷阴极元件105和框体102之间有-13.5kV的电位差，在动作后的平衡状态中会变成在玻璃管104和框体102之间的空气层S产生-13.5kV的电位差，产生局部的放电的风险变高。特别是，玻璃管104的下端部A周边更容易发生电场集中，容易变成放电产生的起点。当发生该放电时，在周边伴随着急剧的电场的变化，也会影响到对冷阴极元件105的施加电压，使其变化。在该施加电压的变化成为原因，特别是施加电压增加（作为绝对电压，例如-13.5kV增加到-14kV）了的情况下，电子发射量急剧增加，由于该过电流导致冷阴极元件105的电子发射面的损伤，成为寿命劣化的较大的原因。

关于这一点，提出了在采用以往的热电子方式作为电子源的X射线管的内部，在绝缘构件的外表面粘着具有高电阻值的电阻膜的方案（专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-245806公报。

但是，在专利文献1记载的现有技术中将在X射线管内部的放电作为问题，关于对如上述那样的在框体102和玻璃管104之间产生的放电如何进行应对则不清楚。此外，上述现有技术对电阻膜的电阻值有所限制，限于具有比X射线管的导电部高且比绝缘部低的电阻值的电阻膜，在这一方面不能说是有通用性的电阻膜。此外，如果进一步说，在上述现有技术中不仅对于关于放电现象是如何产生的没有说明，而且对于利用电阻膜涂敷为何能防止放电也没有说明。因此，不能理解对策的具体的效果，关于对上述的在玻璃管104和框体102之间产生的局部的放电现象应如何进行应用或者在进行了应用的情况下的效果，也完全没有启示。

发明内容

本发明是鉴于这样的方面而做成的，其目的在于，在使用了电场发射型冷阴极元件的X射线产生装置中，不用涂敷这样的高电阻膜，就可防止收容有冷阴极元件的玻璃管和位于其外侧的框体间的微小放电，与以往相比，延长冷阴极元件、X射线产生装置的寿命，实现稳定的工作。

为了达成所述目的，本发明是，一种电场发射型X射线产生装置，在接地的框体内经由绝缘构件支承玻璃管的一个端部，在该玻璃管内的该一个端部侧以支承等方式设置有发射电子的冷阴极元件，在该玻璃管的另一端部侧，即，与所述冷阴极元件相向的一侧，具有由从所述冷阴极元件发射的电子的照射而产生X射线的靶和将在所述靶产生的X射线发射到外部的窗部，该电场发射型X射线产生装置的特征在于，所述玻璃管中的至少一个端部周缘表面被绝缘材料所覆盖。

根据本发明，由于电场集中而容易成为放电的起点的一个端部周缘表面被绝缘材料所覆盖，因此能防止在空气中的电场强度的上升，能抑制电荷的积蓄，能防止如上述那样的放电的产生。

虽然在本发明中只要至少覆盖由于电场集中而容易成为放电的起点的玻璃管的冷阴极元件侧的端部周缘表面即可，但是当然也可以覆盖玻璃管的表面全部。

此外，也可以使未被上述绝缘材料覆盖的上述玻璃管的表面被导体（电导体）所被覆，该导体接地。

进而，也可以用导体对像这样覆盖了玻璃管的表面的绝缘构件的表面进行被覆，并使该导体接地。在这样的情况下的导体中包含例如由导体制成的网状物（mesh）、金属网、导电性线圈、导体膜。

关于上述导体，能提出例如由银浆、镍浆（nickel paste）、金浆、钯浆（palladiumpaste）、或者碳糊（carbon paste）的任一种，或者它们的组合制成的导体膜。

根据本发明，不用涂敷高电阻膜，就能防止收容有冷阴极元件的玻璃管和位于其外侧的框体间的放电，与以往相比，能延长冷阴极元件、X射线产生装置的寿命，能实现稳定的工作。

附图说明

图1是对示出实施方式的电场发射型X射线产生装置的结构的概略的侧面截面示意性地进行示出的说明图。

图2是示意性地示出在图1的电场发射型X射线产生装置中用导体对绝缘材料的表面进行被覆的例子的侧面截面的说明图。

图3是示意性地示出用绝缘材料覆盖玻璃管的周面全部并用导体对该绝缘材料的表面进行被覆的例子的侧面截面的说明图。

图4是示意性地示出在图1的电场发射型X射线产生装置中用导体对未被绝缘体覆盖的玻璃管表面进行被覆的例子的侧面截面的说明图。

图5是示出实施方式的电场发射型X射线产生装置和现有技术的电场发射型X射线产生装置中的管电流的随时间变化的图表。

图6是对示出现有技术的电场发射型X射线产生装置的结构的概略的侧面截面示意性地进行示出的说明图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。图1示出了实施方式的电场发射型X射线产生装置1的结构的概略，电场发射型X射线产生装置1在接地、上表面开口了的大致立方体的框体2内，经由绝缘材料3支承玻璃管4的一个端部，玻璃管4收容在框体2内。

绝缘材料3设置在玻璃管4的下端部4a和框体2的底面部2a之间，进而，该绝缘材料3覆盖玻璃管4的下端部4a的周缘部4b，并直到玻璃管4的侧面的中间左右，覆盖其周围。另外，关于用绝缘材料3覆盖的范围，在发明者们的见解中，只要从玻璃管4的下端部4a开始朝向上端部覆盖至少3mm的范围，就能达成预期的目的。绝缘材料3的材质例如包括硅酮橡胶（silicone rubber）。

在该玻璃管4的绝缘材料3侧设置有冷阴极元件5，在该冷阴极元件5的周围设置有圆筒状的金属电极6。冷阴极元件5和金属电极6并联连接，从直流电源7经由高压电缆向这些电极施加负电压。高压电缆对绝缘材料3的贯通部为玻璃管4的下端部4a侧。

在玻璃管4的上端部内表面形成有由钨（tungsten）、铜等导电性良好的金属材料构成的靶8。在靶8接合有成为接地电位的窗部9，该窗部9露出到外部。窗部9使用具有将在靶8产生的X射线发射到外部的功能的材料构成，例如由X射线的透射性优越的铍构成。

玻璃管4以气密的方式构成，在玻璃管4和框体2的上表面端部之间设置有固定构件10。利用这样的结构，在框体2和玻璃管4之间形成有空间S。

实施方式的电场发射型X射线产生装置1具有以上的结构，当向冷阴极元件5施加规定的高压电压例如-13.5kV时，电子从冷阴极元件5朝向靶8发射，在靶8处由电子的冲击生成X射线，从窗部9发射出X射线。

此时，因为在冷阴极元件5周边的同电位的金属电极6和接地的框体2之间依然形成电场，所以一部分电子由该电场朝向框体2供给，如前文所述的那样，电子积蓄在玻璃管4的内表面。但是，因为在本实施方式中，以往电场集中、容易产生放电的玻璃管4的下端部4a的周缘部4b也被绝缘材料3所覆盖，所以能使强的电场部分形成在该绝缘材料3，能削减周缘部4b成为在空间S中的放电的起点的风险。因此，能防止起因于放电的冷阴极元件5的损伤、劣化，与以往相比，能延长X射线产生装置1自身的寿命，而且能实现稳定的工作。

另外，从避免电场集中的意义考虑，优选覆盖至玻璃管4的侧面的中间左右的绝缘材料3的端部3a，如图1所示那样做成向外凸出弯曲的形状。

虽然在上述实施方式中，用绝缘材料3覆盖玻璃管4的下端部4a的周缘部4b，直到玻璃管4的侧面的中间左右，覆盖其周围，抑制了放电的产生，但是也可以如图2所示，在像这样形成了绝缘材料3之后，进而用导体21对该绝缘材料3的表面进行被覆（cover）。导体21接地。在接地时，只要与已经接地的框体2进行电连接即可。

由此，感应出与积蓄在玻璃管4的壁面内的电子相反极性的正电荷（感应电荷），利用该感应电荷能使形成在外部的强的电场减少至大致接近零。其结果是，能可靠地防止前文所述的放电现象。另一方面，虽然在玻璃管4壁面，在内表面和外表面产生-13kV的电位差，但是1～2mm厚度左右的玻璃原材料的放电击穿电压是20～30kV/mm左右，通过做成1mm以上的玻璃壁，从而能可靠地防止由于本电位差造成的放电。

作为导体21，例如能使用导电性材料，例如由金属制成的网状物、金属网、导电性线圈。其材质以及厚度不特别限定，只要是具有通过接地从而能迅速地形成感应电荷的性能的条件即可。此外，即使不是均匀（平坦）的膜也可以，可以是像金属网那样的导体，此外，也可以是仅以规定的间隔缠绕了导电线后的导体。在这样的情况下，优选使与相邻的导电线的距离为2mm以下。这是因为，当该距离过长时，在与框体2之间形成的电场会慢慢地变高。

从这样的方面考虑，作为导体21，优选代替前文所述的金属网等，利用由银浆、镍浆、金浆、钯浆、或者碳糊的任一种，或者它们的组合制成的导体膜进行的涂覆。

进而，用导体21进行被覆的不只是绝缘材料3的表面，还可以将其区域扩大至未被绝缘材料3覆盖的玻璃管4的表面。

进而此外，如图3所示，玻璃管4的下端部4a的周缘部4b自不必说，还可以将绝缘材料3覆盖的区域扩展到玻璃管4的整个侧面周围。由此，也可以使玻璃管4的壁面在空间S内露出的部分为零（zero），使玻璃管4表面的绝缘破坏强度整体提升。此外，在这样的情况下，也可以用导体21对像这样扩大了被覆区域的绝缘材料3的表面进行被覆，并使该导体21接地。由此，能使玻璃管4和框体2间的放电为零，而且能使玻璃管4自身的强度提升。

虽然如前文所述的那样，通过用绝缘材料3覆盖玻璃管4的下端部4a的周缘部4b，从而能削减周缘部4b成为在空间S中的放电的起点的风险，能防止起因于放电的冷阴极元件5的损伤、劣化，以及与以往相比，能延长X射线产生装置1自身的寿命，但是也可以用导体21对玻璃管4中的未被绝缘材料3覆盖的部分进行被覆。

图4示出了这样的结构的X射线产生装置1，在该例子中，相对于图1所示的例子，用上述的导体21对玻璃管4中的未被绝缘材料3覆盖的部分进行被覆，并将该导体21接地。另外，当导体21和绝缘材料3之间的边界部分位于玻璃管4的表面时，用导体21进行被覆的部分有在该部分导致电场集中的危险。因此，优选使导体21和绝缘材料3之间的边界部分不位于玻璃管4的表面，而是位于如图4所示那样的绝缘材料3的表面部分。即，优选是，用导体21进行被覆的部分是玻璃管4中的未被绝缘材料3覆盖的部分、以及绝缘材料3的端部3a全周且不与玻璃管4的表面相接的部分。另外，因为框体2已经接地，所以例如只要将该导体21经由窗部9与框体2进行电连接即可。

通过采用这样的结构，从而与图1所示的例子相比，能更加可靠地防止起因于放电的冷阴极元件5的损伤、劣化，与以往相比，能延长X射线产生装置1自身的寿命。进而，通过像这样用导体21对玻璃管4中的未被绝缘材料3覆盖的部分进行被覆，从而能将玻璃管4的热通过导体21释放到外部，能抑制玻璃管4以及其内部蓄热的情况。因此，从这样的方面考虑，也能延长玻璃管4以及玻璃管4内部的冷阴极元件5等的寿命。

此外，在使用立方体或者水平截面为正方形的框体作为框体2的情况下，框体2和圆筒形的玻璃管4的表面之间的距离是不均匀的。即，框体2的侧面中央和玻璃管4的表面之间的距离变得最短，变得容易在该部分引起绝缘破坏、容易产生放电。因此，在使用水平截面为正方形的框体作为框体2的情况下，为了防止在该部分产生放电，优选用导体21对玻璃管4的周面进行被覆。

进而此外，在玻璃管4的下端部周缘没有引起电场集中那样的凸部的情况下，在上述的框体2的侧面中央和玻璃管4的表面之间的距离最短的部分产生放电的可能性高。在像这样的情况下，也可以不用绝缘材料3覆盖玻璃管4的下端部4a的周缘部4b，而用导体21对玻璃管4的周面整体进行被覆，并使该导体21接地。

接着，对制作各两台图2所示的实施方式的电场发射型X射线产生装置1和图6所示的以往的X射线管，并同时实施了这四台的连续点亮试验的结果进行说明。在该试验中使用的电场发射型X射线产生装置1中，使用由银浆制成的导电膜作为导体21，将其厚度做成大约20μm。

在本试验中，大约每隔十分钟进行预测为成为本技术课题的现象产生的概率会变更高的开启（ON）－关闭（OFF）（大约1分钟）－开启（ON）动作。将对各冷阴极元件5、105的额定施加电压设为更高的电位-14kV，以便能更加明确地评价本发明的有效性。此外，着眼于由于产生微小放电而导致冷阴极元件5、105的电子发射特性有劣化的趋势的方面，采用连续地观测电子电流的方法，作为观测微小放电现象的方式。在图5中示出实施150小时这样的试验后的结果。在图5中，X1、X2分别示出两台实施方式的电场发射型X射线产生装置1的结果，Y1、Y2分别示出两台以往的X射线管的结果。

据此，虽然初始的管电流与490～500μA存在若干偏差（变动，variation），但是当比较各自的管电流的变化时，可确认到明确的差异。即，对于实施方式的电场发射型X射线产生装置1，两台都是管电流在150小时几乎没有变化，非常稳定。另一方面，对于以往的X射线管，两台都在多处可见急剧的降低，相对于初始电流，Y1降低大约30μA，在Y2的情况下，竟然降低大约60μA，冷阴极元件105的电子发射性能的劣化明显。另外，在以往的X射线管中，可见的各个5～6处的急剧的降低，推测是起因于上述局部的放电现象的劣化。此外，降低幅度示出次数越重复、变得越大的趋势。

另外，对于在试验中使用的实施方式的电场发射型X射线产生装置的X1、X2，确认到此后也使其继续点亮，能维持3000小时稳定的输出。

产业上的可利用性

本发明在使用电场发射型冷阴极元件的X射线产生装置中有用。

附图标记的说明

1 电场发射型X射线产生装置；2 框体；2a 底面部；3 绝缘材料；4 玻璃管；4a 下端部；4b 周缘部；5 冷阴极元件；6 金属电极；7 直流电源；8 靶；9 窗部；10 固定构件；21导体；S 空间。

Claims (5)

1.一种电场发射型X射线产生装置，在接地的框体内经由绝缘构件支承玻璃管的一个端部，在该玻璃管内的该一个端部侧设置有发射电子的冷阴极元件，在该玻璃管的另一端部侧具有由从所述冷阴极元件发射的电子的照射而产生X射线的靶和将在所述靶产生的X射线发射到外部的窗部，其中，

所述玻璃管中的至少一个端部周缘表面被绝缘材料所覆盖。

2.根据权利要求1所述的电场发射型X射线产生装置，其中，

未被所述绝缘材料覆盖的所述玻璃管的表面以及所述绝缘材料的端部用导体进行被覆，该导体接地。

3.根据权利要求1所述的电场发射型X射线产生装置，其中，

所述绝缘材料的表面用导体进行被覆，该导体接地。

4.根据权利要求2所述的电场发射型X射线产生装置，其中，

所述绝缘材料的表面用导体进行被覆，该导体接地。

5.根据权利要求2、3或者4的任一项所述的电场发射型X射线产生装置，其中，

所述导体是由银浆、镍浆、金浆、钯浆、或者碳糊的任一种，或者它们的组合制成的导体膜。