JP2004146158A - Field emission type x-ray source - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界によって放出される高エネルギーの電子を陽極に入射して制御X線を発生させる電界放出(Field Emission,FE)型X線源に関する。この電界放出型X線源は、医療分野においては、X線撮影(レントゲン)装置、高速撮影CT(コンピュータトモグラフィー)装置、画像珍断装置等に適用可能であり、一般産業分野においては、内部侵入型工業検査装置、フラット型レントゲン装置等に適用可能である。
【0002】
【従来の技術】
高エネルギーの電子が金属製のターゲットに入射したときの制動作用によってX線を放出させる現象を利用したX線源は、医療分野では、X線撮影装置、高速撮影CT等多く利用されている。また、100kev以上の高エネルギーX線を放出させるX線源は、その優れた物質透過特性を活かし、工業用非破壊検査装置に利用されている。さらに、数10kevまでの低、中エネルギーのX線を放出するX線源は、蛍光X線分析による元素分析装置に利用されている。また、X線の照射が物質構造・生物的機能に与える影響を利用し、X線源は、医療用器具の殺・滅菌装置、高分子素材の硬化処理装置等のプロセス装置にも利用されることが試みられているばかりでなく、最新の医療分野では、X線の照射を利用した悪性腫瘍の治療装置に利用されることも試みられている。このように、X線源は、医療診断・治療、工業検査、分析、プロセス処理等の広い分野で普及したものとなっており、さらに新しい機能、機構を備えたものの出現によって革新的な技術の創出も期待されている。
【0003】
従来のX線源では、その最初の電子を放出する電子放出源(電子エミッタ)として、タングステン製のフィラメントを電流によって2000°Cの高温に加熱し、これによって電子を放出させるもの、いわゆる熱電子放出型(Thermmionic Emission,TE)のものを利用することが一般的である。図12はこの熱電子放出型の電子放出源を用いた従来型のX線源の構成を示したものである(例えば、非特許文献1参照。)。この熱電子放出型X線源は、X線管80と高圧電源91とフィラメント用電源92とを備えている。X線管80は、内部が高真空に維持され、一部にX線取り出し窓81aが形成された真空容器81を有している。真空容器81内には、電子放出源としてのフィラメント82と、このフィラメント82とは電気的絶縁状態の陽極83とが設けられているとともに、フィラメント82と陽極83との間にソリッド陰極84が設けられている。フィラメント82は加熱用の電流を流すフィラメント用電源92に接続されている。また、フィラメント82及びソリッド陰極84と陽極83との間には、フィラメント82及びソリッド陰極84と陽極83との間で電子eを加速する高圧電源電流を印加する高圧電源91が接続されている。
【0004】
この熱電子放出型X線源では、フィラメント用電源92によってフィラメント82に流す加熱用の電流量により、放出される電子eが制御される。そして、フィラメント82から放出された電子eは、フィラメント82と同電位にある電界コントロール用のソリッド陰極84と陽極83との間に印加される電圧によって、加速、集束され、陽極83に入射される。これにより陽極83の表面における制動作用でX線xが放出され、X線xがX線取り出し窓81aから放出される。
【0005】
一方、電界放出型の電子放出源を用いた一般的なX線源の構成を図13に示す(例えば、非特許文献2参照。)。この電界放出型X線源は、X線管85と高圧電源93とグリッド電源94とを備えている。X線管85も、内部が高真空に維持され、一部にX線取り出し窓86aが形成された真空容器86を有している。真空容器86内には、電子放出源としての陰極87と、この陰極87とは電気的絶縁状態の陽極88とが設けられているとともに、陰極87と陽極88との間に陰極グリッド89が設けられている。陰極87は、高い電界を得るために、非常に鋭い先端部をもつものとなっている。陰極87と陰極グリッド89とはグリッド電源94に接続され、陰極グリッド89と陽極88とは電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源93に接続されている。
【0006】
この電界放出型X線源では、陰極87と陰極グリッド89との間に印加する電圧によって、放出される電子eが制御される。そして、陰極87の先端部の限られた領域からのみ電子eが放出されるので、非常に集束性の良い電子ビーム、ひいては集束性の良いX線xが得られる。
【0007】
【非特許文献1】
飯沼 武、舘野 之男編著「X線イメージング」コロナ社、2001年3月、P.15
【非特許文献2】
杉江 紘、奥村 真幸、ヴァレリュー・フィリップ、岩田 和久、高橋 和巳、奥山 文雄著「Applied Physics Letters, Vol.78」アメリカ物理学会、2001年4月23日、P.2578−2580
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の熱電子放出型X線源においては、図12に示すように、フィラメント82に大電流を流すための大型のフィラメント用電源92が必要になること、フィラメント82の熱的な損耗による寿命(1ife time)の問題があること、フィラメント82の劣化に伴って最適な加熱用の電流量を調整する必要があること、フィラメント82の幾何的な形状に起因して電界の局所的な不均一性が発生し、空間的に均一な電子ビームの放出を得ることが難しく、それによって陽極83の表面への電子ビームの入射点も集束しきれずに、結果的に理想的な点光源のX線源とすることが困難であること等の問題がある。このため、このような熱電子放出型X線源を例えばジェットエンジンのファンブレード間の狭い空間に置く(ファンの痛み具合を調べるには、このようなことも必要)ことは、不可能である。医用、産業用を問い合わず、小型軽量かつポータブルなX線源に対する要求には切実なものがあるが、熱電子放出型X線源はこの要求に応えることはできない。
【0009】
この点、上記電界放出型X線源では、電界放出型の電子放出源を備えることにより、熱電子放出型X線源で必要となるフィラメント用電源92が不用となるため、電子を放出する電子放出源の表面の幾何形状を選ぶことによって集束性の良好な電子ビーム放出が可能となる。このため、電界放出型X線源は、理想的な点光源から放出されるものに近い良質のX線が得られ、熱電子放出型X線源の問題点を解決することが可能である。X線源の小型化を図るためには、電子放出源の格段の小型化が不可欠である。これを解決し得る基本原理が電界電子放出である。
【0010】
しかしながら、電界放出型X線源では、図13に示すように、陰極87の尖った部分に熱的、物理的な負荷が集中するので、長時間にわたって安定動作させることが非常に困難とされている。
【0011】
すなわち、図12に示す一般的な熱電子放出型の電子放出源を備えたX線源では、10−5Paオーダの真空度に保たれており、この程度の真空度では、もちろんフィラメント82は多量のイオン入射が引き起こすスパッタによってその表面の形状が微視的に変化していくことになるが、電子放出が熱放出に依存している熱電子放出型の電子放出源では、数10時間程度の運転時間内では、ほとんどその影響を受けずに安定な動作を保つことができ、この程度の真空度であれば密封型の管球構造を採ることも容易であり、このことが多くの密封型X線管が熱陰極型の電子放出源で構成されている理由となっている。
【0012】
反面、図13に示す電界放出型の電子放出源では、電子放出源の表面の幾何形状が電子放出特性に対して大きな影響を与えるので、少なくとも10−6Paオーダ以下の真空度で動作させることが必要であり、そのため密封構造を採ることは非常に困難であることから、電界放出型の電子放出源がX線源、特に密封型のX線管85に適用された例はほとんどなく、多くは超高真空度を維持するための真空ポンプを備えた電子顕微鏡に適用されることに限られている。電界放出は、端的に言えば量子力学現象である電子トンネルであり、典型的な表面現象であることから、電子放出源の表面の化学状態(吸着の有無及びその程度)に指数関数的に依存する。つまり、電界放出型の電子放出源は、本来、電子放出源の表面の化学状態を不変に保ち得る超高真空(UHV)で作動さすべきものである。莫大な量の気体分子が残存し、従って、気体分子の吸着及び脱離が電子放出源の表面で繰り返される通常真空(<10−5Pa)中で電界放出型の電子放出源を長時間安定して作動させることは至難の技である。しかしながら、X線管85のUHV封じ切りは、技術的に不可能であり、電界放出型X線源を実現できるか否かは、ひとえに通常真空中で長時間〈例えば、100時間以上)、X線源に求められるX線管85内の電子流の許容変動幅が±0.5%の安定度で作動できる電界放出型電子放出源を開発できるか否かにかかっている。換言すれば、電界放出型の電子放出源では、高い電界を得るために鋭く尖らせた陰極87の先端部に残留ガス成分が電離して生じたイオンが入射し、陰極87の先端部分のスパッタを引き起こし、同時に局部的な加熱、蒸発作用を引き起こすことが難点となる。この影響を抑制するためには、残留ガスの密度を非常に低くすること、すなわち電子放出源を超高真空度の環境下に設置することが必要とされてきた。繰り返すことになるが、電界放出型電子放出源の泣きどころは寿命と安定性(stability)であり、この二つの関門を突破しないことには、実用的な電界放出型X線源の実現は夢物語となる。
【0013】
本発明は、フィラメントのない簡便な構造を持ち、高品質のX線放出が可能となる等の長所を有する電界放出型の電子放出源を有するX線源において、超高真空での動作が必要不可欠という難点を克服したX線源を提供することを目的としたものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平成13年度採択の革新的技術開発研究(現、産学官連携イノベーション創出事業)「ミニチュアX線源の開発」の一環として、ミニチュアX線管の構造がどうあるべきかを検討する段階で着想されたものである。
【0015】
我々がカーボンナノチューブ(CNT)からの電界放出型電子を用いて、X線像を撮影したのは、2001年である(Appl.Phys.Lett.78(2001)2778)。これは、電界放出型X線像撮影の世界初の成功例である。しかしながら、カーボンナノチューブ製の電子放出源といえども、電子電流は常に短周期に変動(fluctuation)し、かつ電流値は、徐々にではあるが、図1に示すように、時間と共に減少する。また、カーボンナノチューブ製の電子放出源の寿命は高々2時間であったが、これでも当時としては画期的な成果であった。図1に示される電子電流の右下がりの現象は、電子放出源の表面と残留ガスとの化学的相互作用に起因し、それを避けるには、周囲のガスに鈍感、すなわち化学的に安定な材料で電子放出源を作るほかに手段はない。
【0016】
我々は、10数年来Pd(パラジウム)と水素との相互作用の実験研究を続けており、それとの関連において、空間に分散されたPdナノ粒子の作製手法に並々ならぬ関心を持ち続けて来た。近年、我々は、図2に示すように、カーボンナノチューブとは基本的に構造が異なる炭素系ナノ構造体であるカーボンナノファイバー(CNF)に着目した(N.M.Rodriguez「A review of catalytically grown carbon nanofibers,J.Mater.Res.,Vol.8,No.12,Dec 1993」1993 Materials Reseach Science)。カーボンナノチューブは、全体が炭素原子からなり、先端部が半球状、側壁が円筒状の構造をなしている。これに対し、カーボンナノファイバーは、金属触媒(母体)であるサブストレート上に炭素原子が成長するものであり、側壁はカーボンナノチューブと同様に炭素原子によって円筒状に構成されるものの、先端部は必ずサブストレートの微結晶によって占められる。そして、カーボンナノファイバーにPdナノ粒子群を担持する手法を確立した。これは、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてPdを選択し、この炭素系ナノ構造体の先端部にPdの微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体をサブストレート上に構成したものである。念のため、このPdナノ粒子群をもつカーボンナノファイバーを電界放出型の電子放出源に使用してみたところ、図3に示すように、電子電流は右下がりにはならないことに気付いた。Pdナノ粒子群をもつカーボンナノファイバーが寿命の長い電界放出型電子放出源となり得ることの証左に他ならない。Pdは、Ptにつぐ安定触媒とされており、化学的に極めて安定である。Pdナノ粒子群をもつカーボンナノファイバー(以下、「Pd−emitter」と命名)が非超高真空中でもなかなかへこたれない(robustness)のは、Pdが化学的安定性に優れていることによる。
【0017】
Pd−emitterといえども、±8%の短周期変動(fluctuation)は避けることは出来ない。短周期変動は、残留気体分子が電子放出源の表面にぶつかるために発生するものであり、電子放出源の材料の如何にかかわらず、非超高真空中では不可避の現象である。図3に示される短周期変動は、約±8%である。これを±0.5%に減らすにはどうすればよいか。短周期変動は真空度に比例して減少するので、X線管をUHVに排気すれば問題はないが、そのための技術が存在しないのは前述したところである。いっそのこと、図4に示すように、“電子回路技術で短周期変動を減らしてしまおう”というのが我々の結論であり、これが本発明の一方の柱でもある。本発明は、電界放出型X線ラジオグラフィーの実用化を念頭に置いたものであり、応用研究の典型である。
【0018】
本発明の電界放出型X線源は、高真空に維持された真空容器と、該真空容器内に設けられた陰極と、該真空容器内で該陰極とは電気的絶縁状態に設けられ、該陰極から電界によって放出された電子が入射されてX線を放出させる陽極とを有するX線管と、
【0019】
該陰極と該陽極との間で電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源とを備えた電界放出型X線源において、
【0020】
前記陰極は、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてガス吸着材を選択し、該炭素系ナノ構造体の先端部に該ガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体を該サブストレート上に構成したものであることを特徴とする。
【0021】
本発明の電界放出型X線源においては、炭素系ナノ構造体の先端部に備えた不純物ガスの吸着特性の優れたパラジウム(Pd)やチタニウム(Ti)等のガス吸着材からなる微結晶が不純物を取り込むことによって、スパッタの要因を低減することが可能となる。また、炭素系ナノ構造体は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブに代表されるように、直径が数10nm以下のファイバー状の集合体であり、この先端部に付加されたガス吸着材の微結晶は、その集合体の本数分が空間的に広く分布した形状となることから、吸着物質の全表面積が非常に大きなものとなる。不純物の吸着作用はこの表面積に依存するので、上記の構造は理想的なものとなる。
【0022】
したがって、本発明の電界放出型X線源によれば、従来、超高真空での動作が不可欠であり、スパッタによる先端部分の損耗によって安定な電子放出が困難とされてきた電界放出型の電子放出源に対して、10−5Pa程度の真空度でも長時間安定に電子放出が可能となる。このため、本発明の電界放出型X線管は、ミニチュアX線源にも適用できる。電界放出型電子源の最大の特徴は、電子ビームの強収束が実現できることにある。このことは、電界放出型ミニチュアX線源が超高分解能のX線像を与え得ることを意味し、本発明が次世代のX線技術である“Field−emission x−ray technology”への道を開くこともあり得る。
【0023】
本発明の電界放出型X線源においては、X線管は陰極から放出される電子電流を制御するための陰極グリッドを有し、陰極と陰極グリッドとの間で陰極から放出される電子電流を制御するためのグリッド電源を備えていることができる。この場合、電界放出型X線源は、3極管構成となり、陰極に入射するイオンを抑制する効果が期待できる。
【0024】
本発明の電界放出型X線源においては、高圧電源電流の短周期変動を検知する電流検知器と、この電流検知器の電流変動を抑えるようにグリッド電源の出力電圧を制御するフイードバック回路とを備えていることが好ましい。この場合、電子電流の短周期的な変化をとらえて電子放出量をフィードバック制御することができる。電界放出型の電子放出源を備えたX線源においては、図3に示すように、電子電流に短周期的な変動が見られるのが一般的である。これは、図5(A)に示すように、陰極Cから電界放出された電子eにより不純物原子iaがイオンiに電離し、そのイオンiによって陰極Cがスパッタされることから、図5(B)に示すように、スパッタによって陰極Cの先端部がさらに微細な尖った表面形状になったときに電界が大きくなって電子電流が増加し、図5(C)に示すように、スパッタの進行によってこの微細構造が元のような表面形状に戻ったときには、電界が減少して電子電流も低下することに起因していると推定される。このように電子電流の短周期的な増加は、スパッタによって表面形状が変化し始めていることを示す指標となるので、これをいち早く検知して制御することによってスパッタの進行を防ぎ、陰極先端部の損耗を抑制することが可能となる。
【0025】
フイードバック回路としては、電界放出型電子管全般に適用できるものであることが好ましい。電子放出源の寿命と放出電流の安定性とを確保するフイードバック回路は、近年日米欧で開発が進められている電界放出型ディスプレーの実用化にも寄与する。これにより、フイードバック回路が汎用性を有することとなり、電界放出型X線源の製造コストの低廉化も実現可能となる。
【0026】
本発明の電界放出型X線源においては、グリッド電源には、高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることが好ましい。また、高圧電源に高圧電源電流の短周期変動を制御するための高周波フィルターが設けられていることも好ましい。これらの高周波フィルターは上記フイードバック回路に代用することも可能である。高周波フィルターの導入によって、急激な電子電流の増加は抑制されることになるので、上記フイードバック回路と同様の作用により、スパッタの進行を防ぎ、陰極先端部の損耗を抑制することが可能となる。高周波フィルターは、インダクター、抵抗等で構成され得る。
【0027】
本発明の電界放出型X線源においては、陰極のガス吸着特性を良好に維持するための冷却手段を備えることも好ましい。陰極材のベース及び炭素系ナノ構造体の先端部に付加されたガス吸着性の金属媒質は、その温度を低く抑えることが吸着特性を向上する上で効果的効果的であることから、これちの冷却手段は吸着材の性能を高めるのに有効に作用するものとなる。冷却手段としては、放熱板、冷却管、電子冷却素子等を採用することができる。
【0028】
我々は炭素系ナノ構造体がカーボンナノファイバーである場合に本発明の効果を確認している。また、我々は、ガス吸着材がパラジウムである場合に本発明の効果を確認している。ガス吸着材としては、パラジウムの他、チタニウム及びジルコニウムの少なくとも1種を採用できると考えられる。
【0029】
なお、特開2001−35427号公報には、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド状材料、非晶質のダイヤモンド及びダイヤモンド状炭素を電子放出源とすることが記載されているが、本発明に係る炭素系ナノ構造体はこれらを含まない。また、本発明のX線源と同公報記載のX線源とは、後者が単なるX線発生装置であり、電子放出源の生命線である寿命と安定性とへの配慮がなされていない点において、前者とは基本的に異なる。ちなみに、同公報記載のダイヤモンド電子源から放出される電子流の安定性は、10−6Paの超高真空下でさえも、変動幅が±3〜30%に達しており、許容変動幅とされる±0.5%以下には程遠い。
【0030】
また、特開2001−250496号公報には、炭素系ナノ構造体であるカーボンナノチューブを電子放出源とすることが記載されているが、カーボンナノチューブは、先端部が半球状フラーレンであり、金属の微結晶を頂くカーボンナノファイバーとは構造が基本的に異なる。本発明に係る電子放出源は、炭素系ナノ構造体であるカーボンナノファイバーの先端部にPd等のガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵させることにより延命が図られており、全体が炭素原子からなるカーボンナノチューブの電子放出源よりもはるかに長寿命である。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る電界放出型X線源の第1〜5の実施形態を図面に基づき説明する。
【0032】
(実施形態1)
この電界放出型X線源は、図6に示すように、X線管10と高圧電源20とを備えている。X線管10は、内部が高真空に維持され、一部にX線取り出し窓11aが形成された真空容器11を有している。真空容器11内には、電子放出源としての陰極12と、この陰極12とは電気的絶縁状態の陽極13とが設けられている。陰極12と陽極13とは電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源20に接続されている。
【0033】
陰極12は、図7に示すように、パラジウム(Pd)、チタニウム(Ti)等のガス吸着特性を持つガス吸着材からなる母材12aをベースとして、その上にプラズマ化学反応等の手法によってカーボンナノファイバー12bの集合体を形成した構成としている。これらカーボンナノファイバー12bの先端部分には、サブストレートとなるガス吸着材の微結晶12cが付加又は内蔵されている。
【0034】
高圧電源20によって陽極13−陰極12間に電圧を印加すれば、陰極12を構成するカーボンナノファイバー12bの各要素の先端部分には高い電界が集中することになる。これにより陰極12の表面から電子eが放出、加速され、陽極13に入射する。このため、陽極13の制動作用によってX線xが放出され、X線取り出し窓11aからX線xが外部に放射される。
【0035】
このように構成された実施形態1の電界放出型X線源では、カーボンナノファイバー12bの先端部のガス吸着材からなる微結晶12cが先端部付近の不純物ガスを取り込むことによって、先端部付近の不純物の濃度を低く抑える作用を起こす。陰極12の母材12aについても不純物ガスの吸着効果は期待できるが、無数本のカーボンナノファイバー12bの先端部にある微結晶12cの全表面積から考えると、その効果は後者のものが支配的と考えることができる。このため、この電子放出源の構造は、ガス吸着材からなる微結晶12cを広く空間状に分布した特異な形状を持つことによって、他の構造では達し得ない不純物抑制効果を発揮することが可能となる。
【0036】
一般的に電界放出型X線源では、10−7Pa程度の超高真空が必要とされているが、この電子放出源では、先端部分で不純物をガス吸着材の内部に取り込む作用があるので、1乃至2オーダ下の真空度でも、十分安定に電子を放出することができ、不純物ガスが電離してそのイオンが陰極12の先端部に入射することによってスパッタを引き起こさせる作用を抑制することによって、陰極12の先端部の損耗を防止することができ、長寿命を達成することが可能となる。
【0037】
(実施形態2)
この電界放出型X線源は、図8に示すように、X線管10と高圧電源20とグリッド電源30とを備えている。X線管10内には、陰極12に近接して陰極グリッド14が設けられている。陰極12と陰極グリッド14とはグリッド電源30に接続され、陰極グリッド14と陽極13とは高圧電源20に接続されている。他の構成は実施形態1の電界放出型X線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0038】
この電界放出型X線源では、グリッド電源30によって陰極グリッド14−陰極12間に電圧を印加することにより、陰極12を構成するカーボンナノファイバー12bの各要素の先端部分から電子eを放出させる。電子eの中で陰極グリッド14を通り抜けた成分は、高圧電源20によって陰極グリッド14と陽極13との間に印加された高電圧によって加速され、陽極13に入射される。このため、陽極13の制動作用によってX線xが放出され、X線取り出し窓11aからX線xが外部に放射される。また、この電界放出型X線源では、陰極グリッド14の付加により、高圧電源20によって印加する高電圧に依らず、電子放出量を制御することが可能となり、また陰極12への不純物イオンの入射量を低減することが可能となる。他の作用効果は実施形態1と同様である。
【0039】
(実施形態3)
この電界放出型X線源は、図9に示すように、グリッド電源30と高圧電源20との回路ループの中に電子電流を高速で検知できる電流検出器40が設けられ、電流検出器40とグリッド電源30との間に電流検知器40の電流変動を抑えるようにグリッド電源30の出力電圧を制御するフィードバック回路41が設けられている。他の構成は実施形態2の電界放出型X線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0040】
この電界放出型X線源では、電流検出器40からの信号を受けてフィードバック回路41によってグリッド電源30の出力電圧を高速で制御し、電子電流の短周期的な変動を抑制する。上述したように、電子電流の急激な増加は、スパッタによって陰極12の先端部の形状が微細な構造になって放出電子量が増加することによるものと考え、これを制御することによって先端部への熱負荷とスパッタによる損耗の増大作用とを抑制し、陰極12の先端部の損耗を未然に防止することが可能となる。このフィードバック回路41を用いて電子電流を一定に制御した場合、図4に示すように電子電流が変化する。このように電子電流の短周期的な変動を抑えることによって、陰極12の寿命を延長することができる。他の作用効果は実施形態1と同様である。
【0041】
(実施形態4)
この電界放出型X線源は、図10に示すように、3極管構造を構成するため、陰極12とグリッド電源30との回路ループ中に高周波フィルター50が設けられているとともに、グリッド電源30と高圧電源20との回路ループ中に高周波フィルター51が設けられている。これら高周波フィルター51はインダクター、抵抗等で構成されている。他の構成は実施形態2の電界放出型X線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0042】
この電界放出型X線源では、電子電流が急激に増加する現象が生じた場合には、高周波フィルター50、51に加わる電圧量が増加し、電子電流の増加を低減する。このため、この電界放出型X線源は、結果的に電子電流の短周期的な変動を抑制し、実施形態3の電界放出型X線源と同等の効果を得ることができる。他の作用効果は実施形態1と同様である。
【0043】
なお、電界放出型X線源が3極管構造を構成する場合、高周波フィルター50、51をグリッド電源30の回路ループ又は高圧電源20の回路ループのどちらかに備えることができる。
【0044】
(実施形態5)
この電界放出型X線源は、図11に示すように、陰極12に電子冷却素子60を備えている。他の構成は実施形態2の電界放出型X線源と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0045】
この電界放出型X線源では、電子冷却素子60が動作中に陰極12の温度の上昇を抑え、不純物ガスの吸着効果を維持することが可能となる。この冷却作用によって、ガス吸着材を用いた陰極12の母材12a及びカーボンナノファイバー12bの先端部に付加した微結晶12cの吸着特性は良好に維持され、これによってスパッタの原因となる不純物濃度を低く抑え、陰極12の寿命を延長することが可能となる。他の作用効果は実施形態1と同様である。
【0046】
なお、電界放出型X線源の構造によって電子冷却素子60を備えることが困難な場合には、代わりに冷却液を通す冷却管を陰極12に備えたり、陰極12近くに放熱フィンを備えることによって、陰極12の温度の上昇を抑えるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】カーボンナノチューブ製の電子放出源から放出された電子電流の時間変動を示すグラフである。
【図2】Pdナノ粒子群を担持したカーボンナノファイバーを示す顕微鏡写真である。
【図3】Pdナノ粒子群を担持したカーボンナノファイバー製の電子放出源から放出された電子電流の時間変動を示すグラフである。
【図4】図3に対して安定化回路を働かせた場合のグラフである。
【図5】スパッタ現象による陰極の先端部の形状変化を示す説明図である。
【図6】実施形態1の電界放出型X線源の模式構成図である。
【図7】実施形態1の電界放出型X線源の電子放出源の要部模式構成図である。
【図8】実施形態2の電界放出型X線源の模式構成図である。
【図9】実施形態3の電界放出型X線源の模式構成図である。
【図10】実施形態4の電界放出型X線源の模式構成図である。
【図11】実施形態5の電界放出型X線源の模式構成図である。
【図12】従来の熱電子放出型のX線源の模式構成図である。
【図13】従来の一般的な電界放出型X線源の模式構成図である。
【符号の説明】
10…X線管
11…真空容器
20…高圧電源
12…陰極
12b…カーボンナノファイバー(炭素系ナノ構造体)
12c…ガス吸着材の微結晶
13…陽極
14…陰極グリッド
30…グリッド電源
40…電流検出器
41…フィードバック回路
50、51…高周波フィルター
60…電子冷却素子(冷却手段)
e…電子
x…X線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field emission (FE) type X-ray source that emits high-energy electrons emitted by an electric field to an anode to generate controlled X-rays. This field emission type X-ray source is applicable to an X-ray imaging (X-ray) apparatus, a high-speed imaging CT (computer tomography) apparatus, an image exclusion apparatus, and the like in a medical field, and an internal invasion in a general industrial field. The present invention is applicable to a type industrial inspection device, a flat type X-ray device, and the like.
[0002]
[Prior art]
An X-ray source utilizing the phenomenon of emitting X-rays by a braking action when high-energy electrons enter a metal target is widely used in the medical field, such as an X-ray imaging apparatus and a high-speed imaging CT. An X-ray source that emits high-energy X-rays of 100 keV or more is utilized in industrial nondestructive inspection devices by utilizing its excellent material permeation characteristics. Furthermore, an X-ray source that emits X-rays of low and medium energy up to several tens of keV is used in an elemental analyzer by X-ray fluorescence analysis. Utilizing the effects of X-ray irradiation on the material structure and biological function, the X-ray source is also used in process equipment such as killing and sterilizing equipment for medical equipment and curing equipment for polymer materials. Not only that, in the latest medical field, it has been attempted to use the device for treating a malignant tumor using X-ray irradiation. As described above, X-ray sources have become widespread in a wide range of fields such as medical diagnosis and treatment, industrial inspection, analysis, and process processing. Creation is also expected.
[0003]
In a conventional X-ray source, as an electron emission source (electron emitter) for emitting the first electrons, a tungsten filament is heated to a high temperature of 2000 ° C. by an electric current, and the electrons are emitted by this. It is common to use a release type (Thermionic Emission, TE). FIG. 12 shows a configuration of a conventional X-ray source using the thermionic electron emission source (for example, see Non-Patent Document 1). This thermionic emission type X-ray source includes an
[0004]
In this thermoelectron emission type X-ray source, the emitted electrons e are controlled by the amount of heating current supplied to the
[0005]
On the other hand, a configuration of a general X-ray source using a field emission type electron emission source is shown in FIG. 13 (for example, see Non-Patent Document 2). This field emission type X-ray source includes an
[0006]
In this field emission type X-ray source, emitted electrons e are controlled by a voltage applied between the
[0007]
[Non-patent document 1]
"X-ray imaging", edited by Takeshi Iinuma and Yukio Tateno, Corona Co., March 2001, p. Fifteen
[Non-patent document 2]
Hiroshi Sugie, Masayuki Okumura, Valerieux Philip, Kazuhisa Iwata, Kazumi Takahashi, Fumio Okuyama, "Applied Physics Letters, Vol. 78," American Physical Society, April 23, 2001, P.S. 2578-2580
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional thermionic emission type X-ray source, as shown in FIG. 12, a large
[0009]
In this regard, in the field emission type X-ray source, since the field emission type electron emission source is provided, the
[0010]
However, in the field emission type X-ray source, as shown in FIG. 13, since a thermal and physical load is concentrated on the sharp portion of the
[0011]
That is, in the X-ray source including the general thermionic emission type electron emission source shown in FIG. -5 At a vacuum degree of the order of Pa, at this degree of vacuum, the surface shape of the
[0012]
On the other hand, in the field emission type electron emission source shown in FIG. 13, since the surface geometry of the electron emission source greatly affects the electron emission characteristics, at least 10 -6 Since it is necessary to operate at a vacuum degree of the order of Pa or less, it is very difficult to adopt a sealed structure, so that the field emission type electron emission source is an X-ray source, especially a sealed
[0013]
The present invention requires an operation in an ultra-high vacuum in an X-ray source having a field emission type electron emission source having a simple structure without a filament and having advantages such as enabling high-quality X-ray emission. It is an object of the present invention to provide an X-ray source that overcomes the essential difficulty.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention examines what the structure of a miniature X-ray tube should be as a part of "Development of a miniature X-ray source", which is an innovative technology development research (currently, industry-academia-government-government innovation creation project) adopted in 2001. It was inspired at the stage.
[0015]
We took an X-ray image using field emission electrons from carbon nanotubes (CNT) in 2001 (Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 2778). This is the world's first successful example of field emission X-ray imaging. However, even in the case of an electron emission source made of carbon nanotubes, the electron current always fluctuates in a short cycle (fluctuation), and the current value gradually decreases with time as shown in FIG. In addition, the lifetime of the electron emission source made of carbon nanotubes was at most 2 hours, but this was an epoch-making result at that time. The downward sloping phenomenon of the electron current shown in FIG. 1 is caused by the chemical interaction between the surface of the electron emission source and the residual gas. To avoid this, the surrounding gas is insensitive to the gas, that is, it is chemically stable. There is no alternative but to make the electron emission source from the material.
[0016]
We have been conducting experimental research on the interaction between Pd (palladium) and hydrogen for more than a decade, and in that regard, have been of extraordinary interest in methods for producing spatially dispersed Pd nanoparticles. Was. In recent years, as shown in FIG. 2, we have focused on carbon nanofibers (CNFs), which are carbon-based nanostructures whose structure is fundamentally different from that of carbon nanotubes (NM Rodriguez “A review of catalytically grown”). Carbon nanofibers, J. Mater. Res., Vol. 8, No. 12, Dec. 1993 "1993 Materials Research Science). The carbon nanotube is composed entirely of carbon atoms, has a hemispherical tip and a cylindrical side wall. On the other hand, carbon nanofibers have carbon atoms grown on a substrate that is a metal catalyst (base), and the side wall is formed of carbon atoms like a carbon nanotube. Always occupied by substrate crystallites. Then, a method of supporting a Pd nanoparticle group on a carbon nanofiber was established. This is because Pd is selected as a substrate serving as a growth base for the carbon-based nanostructure, and an aggregate having a structure in which Pd microcrystals are added or incorporated at the tip of the carbon-based nanostructure is placed on the substrate. It is what was constituted. As a precautionary measure, when the carbon nanofiber having the group of Pd nanoparticles was used for a field emission type electron emission source, it was found that the electron current did not decrease to the right as shown in FIG. There is no other proof that carbon nanofibers having Pd nanoparticles can be a long-life field emission type electron emission source. Pd is regarded as a stable catalyst after Pt, and is extremely chemically stable. The reason why carbon nanofibers having a group of Pd nanoparticles (hereinafter, referred to as “Pd-emitter”) are not easily robust even in a non-ultra-high vacuum is that Pd has excellent chemical stability.
[0017]
Even with a Pd-emitter, a short-term variation of ± 8% is inevitable. The short-period fluctuation occurs because the residual gas molecules hit the surface of the electron emission source, and is an unavoidable phenomenon in a non-ultra-high vacuum regardless of the material of the electron emission source. The short cycle variation shown in FIG. 3 is about ± 8%. How can this be reduced to ± 0.5%? Since the short-period fluctuations decrease in proportion to the degree of vacuum, there is no problem if the X-ray tube is evacuated to UHV, but there is no technique for that as described above. Furthermore, as shown in FIG. 4, our conclusion is that "short-period fluctuations will be reduced by electronic circuit technology", which is one pillar of the present invention. The present invention is intended for practical use of field emission X-ray radiography and is a typical example of applied research.
[0018]
The field emission type X-ray source of the present invention is provided with a vacuum vessel maintained at a high vacuum, a cathode provided in the vacuum vessel, and a cathode provided in the vacuum vessel in an electrically insulated state. An X-ray tube having an anode on which electrons emitted from a cathode by an electric field are incident to emit X-rays;
[0019]
A field emission type X-ray source comprising a high voltage power supply for applying a high voltage power supply current for accelerating electrons between the cathode and the anode,
[0020]
The cathode has a structure in which a gas adsorbent is selected as a substrate serving as a growth base of the carbon-based nanostructure, and microcrystals of the gas adsorbent are added or incorporated at the tip of the carbon-based nanostructure. It is characterized in that an aggregate is formed on the substrate.
[0021]
In the field emission type X-ray source of the present invention, microcrystals made of a gas adsorbing material such as palladium (Pd) or titanium (Ti) having excellent impurity gas adsorption characteristics provided at the tip of the carbon-based nanostructure are provided. By taking in impurities, it is possible to reduce the cause of sputtering. The carbon-based nanostructure is a fiber-like aggregate having a diameter of several tens of nm or less, as represented by carbon nanofibers and carbon nanotubes. Since the number of the aggregates is spatially widely distributed, the total surface area of the adsorbed substance becomes very large. The structure described above is ideal because the adsorption of impurities depends on this surface area.
[0022]
Therefore, according to the field emission type X-ray source of the present invention, operation in an ultra-high vacuum has been indispensable, and it has been difficult to stably emit electrons due to abrasion of the tip portion due to sputtering. 10 for source -5 Electrons can be stably emitted for a long time even at a degree of vacuum of about Pa. For this reason, the field emission type X-ray tube of the present invention can be applied to a miniature X-ray source. The most significant feature of the field emission electron source is that strong convergence of the electron beam can be realized. This means that a field emission miniature X-ray source can provide an ultra-high resolution X-ray image, and the present invention is a path to the next generation X-ray technology, “Field-emission x-ray technology”. Could be opened.
[0023]
In the field emission type X-ray source of the present invention, the X-ray tube has a cathode grid for controlling the electron current emitted from the cathode, and the electron current emitted from the cathode is provided between the cathode and the cathode grid. A grid power supply for controlling may be provided. In this case, the field emission type X-ray source has a triode configuration, and an effect of suppressing ions incident on the cathode can be expected.
[0024]
In the field emission type X-ray source of the present invention, a current detector for detecting a short-period fluctuation of a high-voltage power supply current and a feedback circuit for controlling an output voltage of a grid power supply so as to suppress the current fluctuation of the current detector are provided. Preferably, it is provided. In this case, the amount of electron emission can be feedback-controlled by capturing a short-period change in the electron current. In an X-ray source provided with a field emission type electron emission source, a short-period variation is generally observed in an electron current as shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 5A, the impurity atoms ia are ionized into the ions i by the electrons e field-emitted from the cathode C, and the ions C cause the cathode C to be sputtered. As shown in FIG. 5), when the tip of the cathode C has a finer pointed surface shape due to sputtering, the electric field increases and the electron current increases, and as shown in FIG. It is presumed that when the fine structure returns to the original surface shape, the electric field decreases and the electron current also decreases. As described above, the short-period increase in the electron current serves as an index indicating that the surface shape has begun to change due to sputtering. Wear can be suppressed.
[0025]
It is preferable that the feedback circuit can be applied to a general field emission type electron tube. The feedback circuit that ensures the life of the electron emission source and the stability of the emission current contributes to the practical use of the field emission display, which has been recently developed in Japan, the United States and Europe. As a result, the feedback circuit becomes versatile, and the manufacturing cost of the field emission X-ray source can be reduced.
[0026]
In the field emission type X-ray source of the present invention, it is preferable that the grid power supply is provided with a high-frequency filter for controlling short-period fluctuations of the high-voltage power supply current. It is also preferable that the high-voltage power supply is provided with a high-frequency filter for controlling short-period fluctuations of the high-voltage power supply current. These high-frequency filters can be used in place of the feedback circuit. The introduction of the high-frequency filter suppresses a rapid increase in the electron current. Therefore, by the same operation as in the feedback circuit, it is possible to prevent the progress of sputtering and to suppress the wear of the tip of the cathode. The high frequency filter can be composed of an inductor, a resistor, and the like.
[0027]
In the field emission type X-ray source of the present invention, it is also preferable to provide a cooling means for maintaining good gas adsorption characteristics of the cathode. The gas-adsorptive metal medium added to the base of the cathode material and the tip of the carbon-based nanostructure is effective in suppressing the temperature to improve the adsorption characteristics. The cooling means works effectively to enhance the performance of the adsorbent. As the cooling means, a radiator plate, a cooling pipe, an electronic cooling element, or the like can be employed.
[0028]
We have confirmed the effect of the present invention when the carbon-based nanostructure is a carbon nanofiber. In addition, we have confirmed the effect of the present invention when the gas adsorbent is palladium. It is considered that at least one of titanium and zirconium can be employed as the gas adsorbent, in addition to palladium.
[0029]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-35427 describes that polycrystalline diamond, diamond-like material, amorphous diamond, and diamond-like carbon are used as an electron emission source. The structure does not include these. Further, the X-ray source of the present invention and the X-ray source described in the publication are the same in that the latter is merely an X-ray generator, and no consideration is given to the life and stability which are the lifelines of the electron emission source. , Basically different from the former. Incidentally, the stability of the electron current emitted from the diamond electron source described in the publication is 10 -6 Even under an ultra-high vacuum of Pa, the fluctuation range reaches ± 3 to 30%, far from the allowable fluctuation range of ± 0.5% or less.
[0030]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-250496 describes that a carbon nanotube, which is a carbon-based nanostructure, is used as an electron emission source. The structure is fundamentally different from carbon nanofibers with microcrystals. The electron emission source according to the present invention extends the life by adding or incorporating microcrystals of a gas adsorbent such as Pd at the tip of a carbon nanofiber that is a carbon-based nanostructure. Has a much longer life than the electron emission source of carbon nanotubes.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, first to fifth embodiments of the field emission type X-ray source according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
(Embodiment 1)
This field emission type X-ray source includes an
[0033]
As shown in FIG. 7, the
[0034]
When a voltage is applied between the
[0035]
In the field emission type X-ray source of the first embodiment configured as described above, the microcrystal 12c made of the gas adsorbent at the tip of the
[0036]
Generally, in a field emission type X-ray source, 10 -7 Although an ultra-high vacuum of about Pa is required, this electron emission source has a function of taking impurities into the gas adsorbent at the tip portion, so that it is sufficiently stable even at a degree of vacuum of 1 to 2 orders of magnitude lower. Electrons can be emitted, and the ionization of the impurity gas to suppress the action of causing ions to enter the tip of the
[0037]
(Embodiment 2)
This field emission type X-ray source includes an
[0038]
In this field emission type X-ray source, by applying a voltage between the cathode grid 14 and the
[0039]
(Embodiment 3)
In this field emission type X-ray source, as shown in FIG. 9, a
[0040]
In this field emission type X-ray source, the output voltage of the
[0041]
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 10, the field emission type X-ray source has a high-
[0042]
In this field emission type X-ray source, when a phenomenon occurs in which the electron current sharply increases, the amount of voltage applied to the high frequency filters 50 and 51 increases, and the increase in the electron current decreases. As a result, this field emission type X-ray source can suppress short-period fluctuations of the electron current as a result, and can obtain the same effect as the field emission type X-ray source of the third embodiment. Other functions and effects are the same as those of the first embodiment.
[0043]
When the field emission type X-ray source has a triode structure, the high frequency filters 50 and 51 can be provided in either the circuit loop of the
[0044]
(Embodiment 5)
As shown in FIG. 11, the field emission type X-ray source includes an
[0045]
In this field emission type X-ray source, it is possible to suppress a rise in the temperature of the
[0046]
In the case where it is difficult to provide the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a time variation of an electron current emitted from an electron emission source made of carbon nanotubes.
FIG. 2 is a micrograph showing a carbon nanofiber supporting a Pd nanoparticle group.
FIG. 3 is a graph showing a time variation of an electron current emitted from an electron emission source made of carbon nanofibers carrying Pd nanoparticles.
FIG. 4 is a graph when a stabilizing circuit is activated with respect to FIG. 3;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a change in the shape of the tip of the cathode due to a sputtering phenomenon.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a field emission X-ray source according to the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram of a main part of an electron emission source of the field emission type X-ray source according to the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a field emission X-ray source according to a second embodiment.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a field emission X-ray source according to a third embodiment.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a field emission X-ray source according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a field emission X-ray source according to a fifth embodiment.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a conventional thermionic emission type X-ray source.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a conventional general field emission type X-ray source.
[Explanation of symbols]
10 X-ray tube
11 ... Vacuum container
20 ... High voltage power supply
12 ... Cathode
12b: carbon nanofiber (carbon-based nanostructure)
12c: Microcrystals of gas adsorbent
13… Anode
14 ... Cathode grid
30 ... Grid power supply
40 ... Current detector
41 ... Feedback circuit
50, 51 ... High frequency filter
60 ... Electronic cooling element (cooling means)
e ... Electronic
x ... X-ray
Claims (9)
該陰極と該陽極との間で電子を加速する高圧電源電流を印加する高圧電源とを備えた電界放出型X線源において、
前記陰極は、炭素系ナノ構造体の成長母体となるサブストレートとしてガス吸着材を選択し、該炭素系ナノ構造体の先端部に該ガス吸着材の微結晶を付加又は内蔵した構造を持った集合体を該サブストレート上に構成したものであることを特徴とする電界放出型X線源。A vacuum vessel maintained in a high vacuum, a cathode provided in the vacuum vessel, and the cathode is provided in an electrically insulated state in the vacuum vessel, and electrons emitted by the electric field from the cathode enter. An X-ray tube having an anode for emitting X-rays;
A field emission type X-ray source comprising a high voltage power supply for applying a high voltage power supply current for accelerating electrons between the cathode and the anode,
The cathode has a structure in which a gas adsorbent is selected as a substrate serving as a growth base of the carbon-based nanostructure, and microcrystals of the gas adsorbent are added or built in at the tip of the carbon-based nanostructure. A field emission type X-ray source, wherein an aggregate is formed on the substrate.
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