JP2004095311A

JP2004095311A - 電子線発生装置

Info

Publication number: JP2004095311A
Application number: JP2002254206A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Yamamoto; 山本　顕義
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】製造コストが安価であると共に耐熱性が良好であり、かつ、高電圧下、ノンヒータで、大量の電子を放出できるカソードを備えた電子線発生装置を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る電子線発生装置１０は、カソード１１とアノード１４との間に高電圧を印可するものであって、カソード本体１２の表面に配向性カーボンナノチューブ層１３を接合したカソード１１と、そのカソード１１の配向性カーボンナノチューブ層１３表面に光Ｌを照射する光源１６とを備えたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線発生装置に係り、特に、数ｋＶ以上の高電圧下で用いられる電子線発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、物理学分野（素粒子、核）や、医療分野などにおいて電子線は利用されているが、近年、これらとは別の分野においても利用が高まりつつあり、例えば、金属の改質や溶解のための熱源として、また、容器などの滅菌・殺菌源としての利用が始まっている。
【０００３】
電子線を発生させる装置の１つとして加速器の電子銃がある。図３に示すように、加速器の電子銃３０は、数ｋＶ以上の高電圧下で用いられるものであり、真空容器３１内に高周波又は正電場で電位勾配を形成し、その電位勾配中に電子源（カソード（陰極）３２）とアノード（陽極）３３を設けることで電子ｅ２を放出し、大電流を発生させている。一般的な加速器の電子銃においては、直径１ｃｍ前後のカソード３２から、数百ｍＡ以上の電流が得られている。また、現在の加速器の電子銃は、電子線の品質が安定な熱放出型が主流となっており、例えば、回路部３４にカソード３２を加熱するためのヒータ回路を備えている。
【０００４】
電子を放出するカソードとしては、熱カソード、電界放出カソード、及びフォトカソードが挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
▲１▼　熱カソードは、加熱用機器（ヒータ）によってカソードを加熱することで、大量の熱電子を放出するため大電流が得られ、加速器のカソードに用いられている。しかし、熱カソードは、発生する熱電子の放出方向が乱雑であり、電子線の品質があまり良好でないという問題があった。また、ヒータにより機器が高温（１０００℃超）に加熱されるため、機器寿命の低下を招くという問題があった。
【０００６】
▲２▼　電界放出カソードは、高融点金属からなるカソードの先端を鋭く尖らせて電界を集中させ、電界放出を誘導するものである。しかし、電界放出カソードは、低電圧下、比較的小さな電流（例えば、数μＡ）を発生させるものであり、高電圧下、大電流を発生させる加速器のカソードには適用できなかった。また、カソードの尖端が電子放出の際に高温に晒されると、金属が溶融して尖端形状が変化するおそれがあり、そうなった場合、電子放出ができなくなるという問題があった。
【０００７】
▲３▼　フォトカソードは、例えば半導体や金属からなるカソードの表面に、仕事関数近傍の光（レーザ光）を照射し、光電子を放出するものである。しかし、光電子放出のためには大出力（Ｔ（テラ）Ｗ級）のレーザ光を必要とすると共に、カソードの材質によって使用するレーザ光の波長が限定されるという問題があった。また、フォトカソードにより大電流を発生させるためには、高価格な大電力レーザが必要で、産業用には不向きであった。カソードを半導体で構成する場合、真空中での製造プロセスが必要となるため、製造コストが高いという問題があった。
【０００８】
以上、▲１▼〜▲３▼の理由により、製造コストが安価であると共に耐熱性が良好であり、かつ、高電圧下、ノンヒータで、大量の電子を放出できるカソードは得られていない。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、製造コストが安価であると共に耐熱性が良好であり、かつ、高電圧下、ノンヒータで、大量の電子を放出できるカソードを備えた電子線発生装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る電子線発生装置は、カソードとアノードとの間に高電圧を印可して電子線を発生させる装置において、カソード本体の表面に配向性カーボンナノチューブ層を接合したカソードと、そのカソードの配向性カーボンナノチューブ層表面に光を照射する光源とを備えたものである。
【００１１】
ここで、請求項２に示すように、上記光源は、光の照射のＯＮ／ＯＦＦと光の輝度及び／又は強度とを制御する制御手段を備えていることが好ましい。
【００１２】
高電圧下、カソードの表面に形成した配向性カーボンナノチューブ層に、光源からの光を照射することによって、ノンヒータのカソード表面から大量の電子を放出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
炭素系電子放出材の１つであるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称す）は、線径が数ｎｍと非常に細いことから、電界中にＣＮＴを配置した場合、先端部において電界集中が生じ易い。その結果、ＣＮＴの先端から電子が大量に放出される。このため、近年、ＣＮＴは電子源、特に電界放出ディスプレイのカソードとして応用されている。また、ＣＮＴは、一般的に、ＣＮＴ粉体又はＣＮＴ膜の状態で用いられるが、この内、基板表面に、ＣＶＤ法によりＣＮＴを一方向に配向させて形成した配向性ＣＮＴ層を用いたカソードが、高品質な電子線が得られるカソードとして期待されている。
【００１５】
しかし、このカソードは、低電圧下、比較的小さな電流を発生させることはできるものの、高電圧下、大電流を発生させることはできないことから、加速器のカソードには適用することができない。これは、配向性ＣＮＴ層においてはＣＮＴが高密度に配置されていることから、各ＣＮＴの先端が非常に近接している。その結果、電界中の各ＣＮＴの先端で電界集中が生じにくくなってしまい、十分な量の電子が放出されなくなる。このため、配向性ＣＮＴ層を用いたカソードにおいては、大電流を発生させることができない。
【００１６】
以上より、現状においては、この配向性ＣＮＴ層を用いたカソードで、高電圧下、大電流を発生させる技術は確立されていない。
【００１７】
本発明に係る電子線発生装置の好適一実施の形態の概略図を図１に示す。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態に係る電子線発生装置１０は、カソード本体１２の表面に配向性ＣＮＴ層（配向性カーボンナノチューブ層）１３を強固に接合してなるカソード１１と、アノード１４と、カソード１１−アノード１４間に高電圧を印加する電源１５と、カソード１１のＣＮＴ膜１３の表面に光Ｌを照射する光源１６とを備えたものである。
【００１９】
光源１６は制御手段１７を備えており、この制御手段１７によって、光Ｌの照射のＯＮ／ＯＦＦと光Ｌの輝度及び／又は強度とが制御される。
【００２０】
配向性ＣＮＴ層１３は、基板（図示せず）の表面に、ＣＮＴを一方向に配向させて、かつ、高密度に一体形成したものである。ここで、ＣＮＴの配向方向は任意であり、特に限定するものではないが、後述する光電子ｅ１の放出を考慮すると、カソード本体１２の厚さ方向（図１中では上下方向）と同じ方向が好ましい。また、配向性ＣＮＴ層１３におけるＣＮＴの密度は高い程、光電子ｅ１の放出量が多くなると考えられるが、その分、製造コストも高くなる。このため、ＣＮＴの密度は、要求される性能及びコストを鑑みて適宜決定され、特に限定するものではない。
【００２１】
光源１６から照射される光Ｌとしては、従来のフォトカソードのようにレーザ光だけに限定するものではなく、白色光や、自然光（太陽光）などが利用可能である。
【００２２】
図２に、図１の電子線発生装置を電子銃に適用した一例を示すように、その基本的な構造は、図３に示した従来の電子銃と同じである。
【００２３】
具体的には、筒状の真空容器２１ａの一方の開口端（図２中では右端）には、円盤状のアノード１４が設けられる。アノード１４の中央部には、後述するカソードから放出される電子ｅ１が通るための穴２４が形成される。このアノード１４を介して、真空容器２１ａに真空容器２１ｂが連結される。
【００２４】
真空容器２１ａの他方の開口端（図２中では左端）には、筒状で、ガラス又はセラミックス製の絶縁容器２２が接続され、この絶縁ガラス容器２２に電子放射部材２５が設けられる。電子放射部材２５は、ロッド状の挿入部２６とフランジ部２７とで構成され、挿入部２６が真空容器２１ａ内に挿入されると共に、フランジ部２７が絶縁ガラス容器２２に接続される。挿入部２６の先端には、図１に示したカソード１１が配置されており、カソード１１の配向性ＣＮＴ層１３が挿入部２６の先端に臨んで設けられる。
【００２５】
挿入部２６内部には回路部４３が設けられ、この回路部４３内にグリッドパルス回路やバイアス回路等が配線される。ここで、カソード１１は、光Ｌの照射により光電子ｅ１を放出するフォトカソードであるため、図３に示した電子銃３０の回路部３３のように、ヒータ回路は必要としない。
【００２６】
絶縁ガラス容器２２とフランジ部２７との間の高電圧部４１、及び絶縁ガラス容器２２と真空容器２１ｂとの間の高電圧部４２は、それぞれ高電圧電源（図示せず）に接続され、これによって、カソード１１−アノード１４間に高電圧が印可される。
【００２７】
また、真空容器２１ｂ及びアノード１４のそれぞれには、真空容器２１ａ，２１ｂの外に設けた光源１６から照射された光Ｌを、カソード１１の配向性ＣＮＴ層１３に導入・照射するための管状の光導入部材２８ａ，２８ｃが設けられる。光導入部材２８ａの光源１６側には、光導入窓（例えば、集光レンズなど）２８ｂが気密に設けられる。
【００２８】
本実施の形態においては、光導入部材２８ａ，２８ｃが別部材の場合について説明を行ったが、これに限定するものではなく、これらを一体に形成してもよい。また、本実施の形態においては、光導入部材２８ａ，２８ｃが管材の場合について説明を行ったが、これに限定するものではなく、例えば、光ファイバなどを用いてもよい。光導入部材を光ファイバで形成した場合、光導入部材を自在に屈曲させることができることから、設置スペースの制約を受けることがない。その結果、既設の電子銃にも適用することが可能となる。
【００２９】
次に、本実施の形態に係る電子線発生装置１０の作用を、図１及び図２に基づいて説明する。
【００３０】
先ず、電源１５に接続されたカソード１１−アノード１４間に高電圧を印加する。この時、前述したように、配向性ＣＮＴ層１３の各ＣＮＴにおいては電界集中が生じにくいことから、カソード１１−アノード１４間に高電圧を印加しただけの状態では、配向性ＣＮＴ層１３の表面から電子は殆ど放出されない。つまり、この状態において、カソード１１は殆ど機能していない。
【００３１】
次に、制御手段１７を制御して光Ｌの照射をＯＮとすると共に、光Ｌの輝度又は強度の少なくとも一方を制御し、高電圧印加に加えて、光源１６から配向性ＣＮＴ層１３に光Ｌを照射する。この光Ｌの照射によって、ＣＮＴの光量子特性により、配向性ＣＮＴ層１３の各ＣＮＴの先端から電子（光電子）ｅ１が大量に放出される。
【００３２】
カソード１１から放出された光電子ｅ１は、電子線としてアノード１４に向かって直進すると共に、穴２４から出射され、真空容器２１ｂ内を直進する。この出射された電子線は、加速器によって加速され、物理学分野、医療分野、又は各種の工業分野などに利用される。
【００３３】
ここで、本実施の形態に係る電子線発生装置１０においては、高電圧下、カソード１１の配向性ＣＮＴ層１３に、光源１６からの光Ｌを照射することで、配向性ＣＮＴ層１３の各ＣＮＴの先端から大量の光電子ｅ１を放出させることができる。このため、従来は、大電流を発生させることができなかった配向性ＣＮＴ層１３を用いたカソード１１であるにも関わらず、高電圧下、大電流を発生させることができる。
【００３４】
また、装置１０のカソード１１は、熱カソードのように加熱用機器（ヒータ）を用いなくても大量の光電子ｅ１を放出できるコールドカソードである。このため、カソード１１は、熱カソードと比較して、電子の運動が揃った高品質な電子ビーム（電子線）を得ることができる。その結果、カソード１１が、ヒータにより高温（１０００℃超）に加熱されることはなく、装置寿命の著しい向上を図ることができる。
【００３５】
また、装置１０のカソード１１で、配向性ＣＮＴ層１３の各ＣＮＴの先端から光電子ｅ１が放出される際、各ＣＮＴの先端部分は高温となるが、ＣＮＴは耐熱性に優れていることから、ＣＮＴに熱変形や溶融が生じることはない。このため、カソード１１は、電界放出カソードのように熱変形や溶融によって電子放出ができなくなるということはなく、その耐久性が良好である（カソード寿命が長い）。
【００３６】
また、装置１０のカソード１１は、光源１６からの光Ｌとして、従来のフォトカソードのように高価な大出力レーザ光を必要とせず、白色光や自然光でも十分な量の電子を放出することができる。また、使用する光Ｌについて、十分な量の電子を放出するための波長の制限は特にない。これらから、装置１０は、従来のフォトカソードと比較して製造コストが安価となる。
【００３７】
また、装置１０のカソード１１は、制御手段１７により光Ｌの照射のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、電子放出のタイミングを自在に制御することができる。また、光Ｌの輝度及び／又は強度を制御することで、光電子ｅ１の放出量を自在に制御することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、高電圧下、カソードの表面に形成した配向性ＣＮＴ層に、光源からの光を照射することによって、ノンヒータのカソード表面から大量の電子を放出することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子線発生装置の好適一実施の形態の概略図である。
【図２】図１の電子線発生装置を電子銃に適用した一例を示す断面図である。
【図３】従来の電子銃の断面図である。
【符号の説明】
１０　電子線発生装置
１１　カソード
１２　カソード本体
１３　配向性ＣＮＴ層（配向性カーボンナノチューブ層）
１４　アノード
１６　光源
１７　制御手段
Ｌ　光

Claims

カソードとアノードとの間に高電圧を印可して電子線を発生させる装置において、カソード本体の表面に配向性カーボンナノチューブ層を接合したカソードと、そのカソードの配向性カーボンナノチューブ層表面に光を照射する光源とを備えたことを特徴とする電子線発生装置。
上記光源が、光の照射のＯＮ／ＯＦＦと、光の輝度及び／又は強度とを制御する制御手段を備えた請求項１記載の電子線発生装置。