CN106165053A - 金属电极、使用有所述金属电极的电子枪、电子管及x射线管 - Google Patents

Abstract

使用具备厚度为10nm以上的钝化膜(33a)的金属作为用以在真空中产生电场的金属电极(聚焦杯电极)(33)。由不锈钢形成金属电极(33)，将所述不锈钢浸渍在处理液中进行皮膜处理(钝化处理)，由此，能够将钝化膜(33a)形成得比10nm更厚。这样，因为钝化膜(33a)比10nm更厚，所以表面均一且密接性优异，针孔也少，因此，能够提高耐电压性能。

Description

金属电极、使用有所述金属电极的电子枪、电子管及X射线管

技术领域

本发明涉及一种在真空中使用的金属电极、使用有所述金属电极的电子枪、电子管及X射线管。

背景技术

电子枪或X射线管等是使真空内的电极之间(例如包围灯丝(filament)的聚焦杯(focus cup)与阳极之间)产生电压差而工作。通常，以使电极表面的电场为10kV/mm以下的方式进行设计，使用表面经过研磨的电极，并将所述电极清洗以使灰尘等不会附着于所述电极。这些做法可以说会使电极表面均一且平滑，电场不会局部地集中，从而会防止电极放电。若除了灰尘以外，研磨面上还有微小的针孔等，则导致微小的角部分变成高电场而放电。研磨有机械研磨或电化学研磨等多个种类。

但是，在多数情况下，必须连续施加使电极表面的电场超过10kV/mm的高电压。因此，电极需要具有高耐电压特性(即不放电的电极)。为了获得高耐电压特性，如下所述的方法已为人所知。

A.使用经过研磨的电极并实施彻底清洗的方法已为人所知。最近，还有进行超精密镜面加工的情况，所述超精密镜面加工是将电极表面研磨成粗糙度为1nm(Ra)左右的高精度表面的加工。在所述经过研磨的金属表面自然地形成氧化膜(自然氧化膜)。例如，在铁中含有约10.5％以上的铬而成的合金即“不锈钢”的情况下，在不锈钢的表面生成自然氧化膜，所述自然氧化膜被称为“钝化皮膜”或“钝化膜”，并且厚度为1nm～3数nm，最厚设为6nm。所述膜主要是在铬上键结有氧和羟基的致密且密接性高的膜，其覆盖金属表面。所述皮膜具有如下性质：即使因擦痕等而部分地被除去，只要有氧，则会立即再生，并且所述皮膜保护不锈钢不受腐蚀环境的影响。不锈钢因所述钝化皮膜而具有优异的耐腐蚀性，但根据放置的环境，所述钝化皮膜会受到破坏而发生腐蚀。即，通常的钝化皮膜因为极薄，所以不均一且残留有微小的凹陷或针孔。易腐蚀度是利用孔蚀(pitting corrosion)测试(JISG0578)来判定(参照http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q8/)。一般来说，若镀覆厚度增加，则针孔会减少。

B.在电极上形成绝缘膜(例如环氧膜)的方法已为人所知。

C.利用等离子体·离子注入在文纳尔电极(Wehnelt electrode)(在用于X射线管的情况下，所述文纳尔电极为聚焦杯电极)上形成类钻碳(diamond like carbon，DLC)膜的方法已为人所知(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-164427号公报

发明内容

[发明所要解决的课题]

但是，在如上所述的A～C的方法的情况下，存在如下所述的问题。

即，在A方法中，需要昂贵的精密加工机，而且需要用于所述精密加工机的微细均一的研磨粒。另外，电极形状大多不平坦，无法一次对大量的电极进行加工。结果是成本升高。而且，在A方法中，因为表面的钝化膜薄且不均一，所以若以数纳米级进行观察，则会引起电场局部地集中，并成为高电场而放电。

另外，在B方法中，绝缘膜对于电极的密接性容易因制造不均等而变得不充分，绝缘膜会从金属上剥离。而且，因为耐热温度低，无法进行高温烘烤(除气处理)等，所以真空度容易下降。

另外，C方法存在如下问题：因为成膜装置昂贵，且必须在真空中成膜，所以产量低(虽取决于真空室的尺寸，但一次仅能够对数个进行处理，成膜时间长)。结果是成本升高。

本发明是鉴于所述情况而成，其目的在于提供一种表面均一且密接性优异并能够提高耐电压性能的金属电极、使用有所述金属电极的电子枪、电子管及X射线管。

[解决课题的技术手段]

本发明为了实现如上所述的目的而采用了如下所述的结构。

即，本发明的金属电极是在真空中使用的金属电极，且具备厚度为10nm以上的钝化膜。

[作用·效果]根据本发明的金属电极，使用具备厚度为10nm以上的钝化膜(即，比自然氧化膜更厚的钝化膜)的金属作为用以在真空中产生电场的金属电极。因为钝化膜的厚度为10nm以上，所以与自然氧化膜相比，所述钝化膜的表面均一且密接性优异，微细的针孔也少，因此，能够提高耐电压性能。

另外，本发明的金属电极被用于电子枪、电子管及X射线管。

[发明的效果]

根据本发明的金属电极、使用有所述金属电极的电子枪、电子管及X射线管，使用具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属作为用以在真空中产生电场的金属电极，能够提高耐电压性能。

附图说明

[图1](a)是表示实施例的X射线管的结构的概略剖视图，(b)是放大了(a)的聚焦杯电极33的概略剖视图。

[图2](a)是聚焦杯电极33附近的电位分布，(b)是聚焦杯电极33附近的电位分布及电子束轨道例。

[图3](a)是具有(厚度为300nm以上且600nm以下的)钝化膜时的耐电压实验(电场及真空度)的结果，(b)是用于比较的具有因自然氧化而形成的钝化膜时的耐电压实验(电场及真空度)的结果。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施例。

图1(a)是表示实施例的X射线管的结构的概略剖视图。

图1(b)是放大了图1(a)的聚焦杯电极33的本发明的概略剖视图。

图1(a)所示的X射线管1具备真空容器2、阴极3、阳极4及靶材5。阴极3、阳极4及靶材5收容在真空容器2内。

阴极3产生电子束B。阴极3具备发射电极31、发射部32、聚焦杯电极33及固定部34。真空容器2的底部由绝缘体7密封，但发射电极31及固定部34贯通绝缘体7而能电连接地构成。

发射电极31是将通常的双端子灯丝简化后图示的发射电极，通过使电流在两个端子之间流动而进行加热，从而从前端发射部32释放出热电子(电子束B)。所述热电子(电子束B)的电位大致接近于聚焦杯电极33的电位。

聚焦杯电极33呈包围发射电极31及发射部32的形状，且具有如下作用：控制电子束B从发射部32的抽出。聚焦杯电极33是以产生可获得所期望的性能的电场分布的形状对不锈钢(SUS)进行切割而形成。聚焦杯电极33的具体结构(不锈钢的钝化膜33a)将在后文中叙述。

固定部34是以保持聚焦杯电极33为目的，并被设计成表面相对于容器2为低电场，且与聚焦杯电极33同样地由不锈钢形成。但是，如下所述，聚焦杯电极33中的不锈钢的钝化膜33a的厚度大于10nm，相对于此，固定部34中的不锈钢的钝化膜34a的厚度为1nm～3数nm，最厚为6nm左右。

阳极4与阴极3相比处于正电位，抽出从发射电极31的发射部32放射出的电子束B。此时，使聚焦杯电极33与阳极4之间产生电压差来控制电子束B。电子束B向阳极4加速，并从阳极4的中央的孔射出。若加速电压逐渐升高以产生高能X射线，则阴极3表面的最高电场会变为10kV/mm以上。虽根据电极的形状和电位来设计电子束B的形状，但通常为了使所述电子束B收缩得较细，需要缩短电极间的距离，因此，无法使阴极表面的最高电场低于10kV/mm。

阳极4是由与聚焦杯电极33相同的不锈钢、或者钨或钼形成。在由不锈钢形成阳极4的情况下，与固定部34同样地，阳极4中的不锈钢的钝化膜4a的厚度为1nm～3数nm，最厚为6nm左右。

靶材5因电子束B的轰击而产生X射线(在图1(a)中表述为“X射线”)。所产生的X射线通过真空容器2的X射线出射窗21出射到外部。为了使X射线相对于电子束B大致正交地出射，靶材5的表面为相对于电子束B倾斜的面。靶材5由钨或钼等形成。

为了使X射线(Xray)出射到外部，在真空容器2中设置有X射线出射窗21。在本实施例中，阳极4图示为真空容器2的一部分，且已与真空容器2一体化。当然，也可以分开地分别构成真空容器2和阳极4。再者，由阴极3及阳极4构成电子枪6。电子枪6是本发明中的电子枪的一例。

其次，与所述图1一起，参照图2来说明聚焦杯电极33中的不锈钢的钝化膜33a的成膜。图2(a)是聚焦杯电极附近的电位分布，图2(b)是聚焦杯电极附近的电位分布及电子束轨道例。在图2中省略了与钝化膜相关的图示。图2的符号L为等电位线，等电位线L的间隔窄的位置表示电场增强的部位。

如图2所示，聚焦杯电极33与阳极4之间变窄，等电位线L的间隔变窄，电场集中而成为高电场，因此，容易引起电极的放电。因此，如图1(a)及图1(b)所示，本发明将与阳极4相向的聚焦杯电极33的至少外侧的钝化膜33a的厚度形成得大于10nm。

优选钝化膜33a的厚度大于自然氧化膜，即钝化膜33a的厚度为10nm以上。优选钝化膜33a的厚度为10nm以上且600nm以下。更优选钝化膜33a的厚度为300nm以上且600nm以下。原因在于：钝化膜33a的厚度大，则有利于提高耐电压特性，但若所述钝化膜33a的厚度大于600nm，则难以成膜。在此种厚度时，氧化覆膜有本身虽无色透明但因光的干涉而看上去已着色的特征，从而能够根据颜色来判断钝化膜33a的厚度。另外，钝化膜33a的厚度越增大，则聚焦杯电极33的表面会更均一且(聚焦杯电极33与钝化膜33a的)密接性会进一步增加，并且微细的针孔也会减少，因此，能够进一步提高耐电压性能。

也如“背景技术”栏中所述，不锈钢含有铬，在不锈钢的表面自然地形成有包含铬氧化物的钝化膜。所述钝化膜的厚度为1nm～3数nm，最厚为6nm。在由不锈钢形成固定部34或阳极4的情况下，形成于固定部34的表面的钝化膜34a或形成于阳极4的表面的钝化膜4a会自然地形成，这些钝化膜的厚度为1nm～3数nm，最厚为6nm。

相对于如上所述的自然氧化膜，将与阳极4相向的聚焦杯电极33的外侧的钝化膜33a的厚度形成为10nm以上。为了以使厚度为10nm以上的方式来形成钝化膜，将不锈钢浸渍在处理液中进行皮膜处理(钝化处理)。因为将不锈钢浸渍在处理液中进行处理，所以还会产生成本低这一效果。另外，优选在对聚焦杯电极33的外侧的表面进行电解研磨后，进行形成钝化膜33a的皮膜处理。因为在进行电解研磨后进行皮膜处理，所以聚焦杯电极33的表面更均一且(聚焦杯电极33与钝化膜33a的)密接性进一步增加，并且能够进一步提高耐电压性能。

以往，进行将不锈钢浸渍在处理液中的皮膜处理(钝化处理)的目的在于防止盐腐蚀或对不锈钢着色。本发明为了使在真空中使用的金属电极(在本实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)的耐电压性能提高而着眼于所述皮膜处理。结果是根据耐电压实验，已确认到耐电压性能提高，而且金属电极(聚焦杯电极33)的表面变得均一，金属电极(聚焦杯电极33)与钝化膜的密接性提高。耐电压实验将在后文中叙述。

将不锈钢浸渍在处理液中的皮膜处理(钝化处理)有化学方法及电化学方法。化学方法是将不锈钢浸渍在硝酸等氧化性的酸中来形成钝化膜。电化学方法是使电流在处理液中流动而在不锈钢上形成钝化膜。近年来，还开发出了氟系钝化膜等(参照http://www.chemical-y.co.jp/pickup/2009/08/post-6.html)。

也优选在以所述方式形成的钝化膜33a上，形成与聚焦杯电极33的钝化膜33a不同的其他种类的绝缘膜。所述绝缘膜作为保护膜而发挥功能，且能够进一步提高钝化膜33a的保护性。

再者，如上所述，在聚焦杯电极33与阳极4之间，电场集中而成为高电场，因此，只要将与阳极4相向的聚焦杯电极33的至少外侧的钝化膜33a的厚度形成得较厚即可。因此，聚焦杯电极33的其他面上的钝化膜33c的厚度也可与固定部34的钝化膜34a或阳极4的钝化膜4a同样地为1nm～3数nm，最厚为6nm。这样，有如下优点，因为可不对聚焦杯电极33的其他面进行皮膜处理，所以能够抑制皮膜处理中所使用的处理液的使用量。当然，聚焦杯电极33的其他面上的钝化膜33c的厚度也可与聚焦杯电极33的外侧的钝化膜33a的厚度同样地形成。在此情况下，因为无需内表面的掩模处理，所以能够省略工序。

再者，为了将聚焦杯电极33的外侧的钝化膜33a的厚度形成得比聚焦杯电极33的其他面上的钝化膜33c更厚，只要将聚焦杯电极33的其他面以已掩蔽(masking)的状态浸渍在处理液中进行皮膜处理即可。在浸渍过程中，仅已掩蔽的面不形成钝化膜，在浸渍前后，在聚焦杯电极33的其他面(即已掩蔽的面)上自然地形成钝化膜。

根据以所述方式构成的金属电极(在本实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)，将具备厚度为10nm以上的钝化膜即比自然氧化膜更厚的钝化膜(在本实施例中，所述钝化膜为钝化膜33a)的金属作为用以在真空中产生电场的金属电极而用于聚焦杯电极33。因为钝化膜33a的厚度为10nm以上，所以表面均一且密接性优异，并能够提高耐电压性能。

在本实施例中，通过采用将不锈钢浸渍在处理液中的皮膜处理(钝化处理)，只要将不锈钢浸渍在处理液中进行处理即可，还会产生成本低这一效果。

另外，在本实施例的情况下，因为浸渍在处理液中进行处理，所以即使电极(在本实施例中，所述电极为聚焦杯电极33)的形状不平坦，也能够形成比10nm更厚的钝化膜33a。因此，与现有的A方法相比，无需昂贵的精密加工机或微细均一的研磨粒。另外，与A方法不同，无需使电极(聚焦杯电极33)平坦。而且，根据耐电压实验(参照图3(a))，也已确认到与A方法相比，在本实施例的情况下，表面变得均一，因此不会引起电场局部地集中，即使为高电场也不会放电。

另外，在本实施例的情况下，因为钝化膜33a的厚度为10nm以上，所以与以往的B方法相比，绝缘膜(此处为钝化膜)对于电极(聚焦杯电极33)的密接性足够高，且还具有耐热性。结果是绝缘膜(钝化膜)也不易从电极(聚焦杯电极33)上剥离。

另外，在本实施例的情况下，通过将不锈钢浸渍在处理液中的处理来形成钝化膜33a。因此，与以往的C方法相比，无需在真空中成膜的装置。另外，与C方法不同，能够将不锈钢一起浸渍在处理液中，从而产量提高。

另外，根据耐电压实验(参照图3(a))，也已确认到在本实施例的情况下，通过将具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极(聚焦杯电极33)装入到X射线管1中加以使用，即使连续施加使电极表面的电场超过10kV/mm的高电压、即使为高电场也不会放电。

[耐电压实验]

其次，参照图3来说明耐电压实验的结果。图3(a)是具有(厚度为300nm以上且600nm以下的)钝化膜时的耐电压实验(电场及真空度)的结果，图3(b)是用于比较的具有因自然氧化而形成的钝化膜时的耐电压实验(电场及真空度)的结果。若引起大的放电，则真空度(压力)会因电子碰撞而上升，因此，根据真空度来观察放电情况。

如图3(b)所示，已知当具有因自然氧化而形成的钝化膜(厚度为1nm～3数nm，最厚为6nm左右)时，在电场为10kV/mm的情况下未放电(真空度未变化)，但若电场超过11kV/mm，则产生了大的放电。即，放电后，释放出的电子会碰撞容器壁等而使吸附分子脱离，因此，真空度上升。相对于此，如图3(a)所示，已知当具有(厚度为300nm以上且600nm以下的)钝化膜时，尽管电场为10kV/mm的两倍以上即23kV/mm，却几乎未放电(真空度几乎未变化)。

本发明并不限于所述实施方式，能够以下述方式变形后实施。

(1)在所述实施例中，将具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极(在实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)装入到X射线管1中加以使用，但并不限定于X射线管1。只要金属电极在真空中被使用，且为具备比10nm更厚的钝化膜的构造，则既可以是金属电极单体，也可以是使用有所述金属电极的电子枪，还可以是使用有所述金属电极的电子管。如图1所示，电子枪6具备产生电子束B的阴极3和使来自所述阴极2的电子束B加速的阳极4，并且具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极可仅用作阴极3，也可仅用作阳极4，或可用作阴极3及阳极4这两者。另外，电子管具备图1的X射线管1中的靶材5以外的构造(真空容器2、阴极3及阳极4)，因此省略所述电子管的说明。

(2)在所述实施例中，具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极(在实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)由不锈钢形成，钝化膜为铬氧化物，但金属电极的材料并不限定于不锈钢，钝化膜也并不限定于铬氧化物。只要是离子化倾向大的金属，则金属本身会溶于非氧化性的酸(例如盐酸)，但因为利用氧化性的酸(例如硝酸)来形成厚度为10nm以上的钝化膜，所以只要利用离子化倾向大的金属来形成金属电极即可。特别例示铬单质或镍等作为具有耐电压性能的金属。在由镍形成金属电极的情况下，钝化膜为镍氧化物(氧化镍)。

(3)在所述实施例中，在对具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极(在实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)进行电解研磨后，进行形成包含铬氧化物的钝化膜(在图1中，所述钝化膜为钝化膜33a)的皮膜处理，但并非必须进行电解研磨。

(4)在所述实施例中，如图1所示，在钝化膜33a上具备与金属电极(在实施例中，所述金属电极为聚焦杯电极33)的钝化膜33a不同的其他种类的绝缘膜，但并非必须具备绝缘膜。

(5)在所述实施例中，将具备厚度为10nm以上的钝化膜的金属电极用作阴极3(特别是阴极3的聚焦杯电极33)，但只要是阴极以外的电极中的有可能引起电场集中或有可能在高电场中使用的电极，则所述金属电极也可用作所述阴极以外的电极。例如在用作阳极的情况下，在阳极上形成厚度为10nm以上的钝化膜。

(6)在所述实施例中，分开地分别构成了阳极和靶材，但也可为使阳极和靶材一体化而成的构造。

[工业上的可利用性]

如上所述，本发明适合于在真空中使用的金属电极、使用有所述金属电极的电子枪或电子管或X射线管。

[符号的说明]

1：X射线管

2：真空容器

3：阴极

33：聚焦杯电极

33a：(比自然氧化膜更厚的)钝化膜

4：阳极

5：靶材

6：电子枪

B：电子束

Claims (11)

1.一种金属电极，其是在真空中使用的金属电极，且

包括厚度为10nm以上的钝化膜。

2.根据权利要求1所述的金属电极，其中

所述金属电极由不锈钢、铬或镍形成，所述钝化膜为铬氧化物，或所述钝化膜为镍氧化物。

3.根据权利要求1或2所述的金属电极，其中

在对所述金属电极进行电解研磨后，进行形成所述钝化膜的皮膜处理。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属电极，其中

所述钝化膜的厚度为10nm以上且600nm以下。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的金属电极，其中

所述钝化膜的厚度为300nm以上且600nm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的金属电极，其中

在所述钝化膜上包括与所述金属电极的钝化膜不同的绝缘膜。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的金属电极，其中

将所述金属电极用作阴极。

8.根据权利要求7所述的金属电极，其中

所述阴极的外侧的面上的所述钝化膜的厚度形成得比所述阴极的其他面上的钝化膜的厚度更厚。

9.一种电子枪，其是使用有根据权利要求1至8中任一项所述的金属电极的电子枪，包括：

阴极，产生电子束；以及

阳极，使来自所述阴极的电子束加速。

10.一种电子管，其是使用有根据权利要求1至8中任一项所述的金属电极的电子管，包括：

真空容器；

阴极，收容在所述真空容器内且产生电子束；以及

阳极，收容在所述真空容器内且使来自所述阴极的电子束加速。

11.一种X射线管，其是使用有根据权利要求1至8中任一项所述的金属电极的X射线管，包括：

真空容器；

阴极，收容在所述真空容器内且产生电子束；

阳极，收容在所述真空容器内且使来自所述阴极的电子束加速；以及

靶材，收容在所述真空容器内且因来自所述阳极的电子束的轰击而产生X射线。