JP2004511884A - 電子電界放出カソードを使用するｘ線発生機構 - Google Patents

Abstract

Ｘ線発生装置は、少なくとも４Ａ／ｃｍ^２の放出電子流密度を有するナノ構造（１１１０）含有材料から少なくとも一部が形成されている電界放出カソードを含む。カソード（１１１０）と、ゲート又はアノード（１１３０）との間で冷カソード放出電子を集束することが容易であり、かつ異なるアノード材料（１１３０）で電子ビームを集束するために、高いエネルギー変換効率及びコンパクトな構造（１１００）が実現され、エネルギーの異なるパルスＸ線放射を１つの装置から発生させることが可能である。

Description

【０００１】
（米国連邦の後援による研究又は開発に関する言明）
本発明の少なくともいくつかの側面は海軍研究所局（ｔｈｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）の後援の下に米国政府の支援を受けて実施された（契約番号Ｎ０００１４−９８−１−０５９７）。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
（発明の背景）
以下の説明の中で、いくつかの構造及び／又は方法に言及する。しかし、以下の言及はそれらの構造及び／又は方法が従来の技術を構成するという承認として解釈されるべきではない。出願人は、そのような構造及び／又は方法が本発明に比して従来の技術として認定されないことを明示する権利を明白に保持する。
【０００３】
Ｘ線は約１０^−８から１０^−１２ｍにわたる電磁スペクトルの部分を占める。原子は高エネルギー電子に衝突されると、２つの別個のプロセスを経てＸ線を放出する。
【０００４】
第１のプロセスでは、高速の電子は物質を通過する間に減速される。１個の電子がターゲット原子の核磁界又はその付近を通過するときに必ずしも停止するとは限らないが、突然に減速されると、電子はそのエネルギーの一部を失い、プランクの法則に従ってそのエネルギーはＸ線光子として放出される。電子は最終的に停止するまでにそのような減速を数回受けて、広い範囲で異なるエネルギーと波長を有するＸ線光子を放出する。このプロセスは大量のＸ線放射を発生し、その結果、制動放射（Ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ）とも呼ばれる連続型スペクトルを形成する。
【０００５】
第２のプロセスでは、入射電子はターゲット原子の軌道電子と衝突し、それをはじき出す（ｅｊｅｃｔ）。はじき出す電子が内側シェル軌道からの電子である場合、外側シェル軌道の電子が内側の空いた軌道に入り込み、それに付随してＸ線光子が放出される。このプロセスにおいては、関連する軌道遷移を表すエネルギー又は波長を有するＸ線の形態でエネルギーが放出される。軌道電子のエネルギーは量子化されているので、放出されるＸ線光子も量子化され、原子の不連続波長特性しか持つことができない。そのため、それらのＸ線光子は固有Ｘ線として分類されている。
【０００６】
カソードにおいて入射電子を発生させ、それらをターゲット電極に向かって加速するためにいくつかの方法が使用されている。従来の１つの方法はＸ線管の使用であった。電子を発生させるときに使用される方法に応じて、Ｘ線管はガス管と、高真空管という２つの一般的なグループに分類できる。
【０００７】
図１は、従来のガスＸ線管を示す。Ｘ線発生装置１１０は実質的にガラス外囲器１２０で構成されており、ガラス外囲器１２０の内部にカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）１２５が配置されている。このカソード１２５が電子のビーム１４０を発生し、それがアノード（ａｎｏｄｅ）１３０に衝突することによって医療及び科学を含む様々な目的に使用可能なＸ線１５０が放出される。カソードは電気リード線１３５を介して高電圧電源により給電される。更に、ガス圧力調整器１１５はこの種のＸ線装置におけるガス圧力を調整する。
【０００８】
図２に示す高真空管は第２の類型のＸ線管である。図２は、熱イオンカソードを有する真空Ｘ線管装置を示す。この種の装置２１０においては、ガラス外囲器２２０は真空体として機能する。カソード２２５はこの真空の中に配置され、電気リード線２３５を具備している。カソード２２５からの熱イオン電子放出により電子２４０が放出され、電子２４０はアノードターゲット２３０に衝突する。そのようなＸ線の放出の効率は非常に低いため、アノードが加熱される。この装置の寿命を伸ばすために、冷却機構を設けることが必要であった。冷却機構の一実施例は、入口２６５及び出口２７０を使用することにより水が循環されるチャンバ２６０である。電子の放出ビームの効率を改善するために、フォーカスシールド２４５が使用される場合が多い。フォーカスシールド２４５は熱イオン電子放出された電子をコリメートし、それらをアノード２３０へ誘導する。しかし、電子の熱イオン放出源の関係上、小さなスポットサイズまで集束させる（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）ことは困難である。これにより、１つには、最新のＸ線撮影の分解能は限定されてしまう（例えば、Ｓ．Ｃ．ＢｕｓｈｏｎｇのＲａｄｉｏｌｏｇｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔ、Ｍｏｓｂｙ−Ｙｅａｒ Ｂｏｏｋ、１９９７年、を参照）。アノード２３０から放出されたＸ線２５０は窓２５５を通過し、その後、医療及び科学を含む種々の目的に利用することができる。この種の装置のもう１つの特徴は外部シャッタ２７５である。カソードの加熱減衰と関連するＸ線の入射放出を防止するためにそのようなシャッタを組み込むことが必要であることがわかっている。この理由は、カソードに対する電力の印加が終了しても、残留加熱によって電子がターゲットに向かって放出され続け、Ｘ線を発生し続けるためである。
【０００９】
このＸ線発生プロセスでは、電子流の運動エネルギーのうちの約９８パーセントがアノードと衝突した時点で熱エネルギーに変換されてしまうため、プロセスの効率はさほど良くない。従って、電子流が強い場合、又は連続露光が要求される場合には、焦点スポット温度が非常に高くなる。アノードの損傷を回避するためにはこの熱をできる限り急速に取り除くことが不可欠である。これは回転アノード構造を導入することにより実現可能である。
【００１０】
先に述べた通り、このような装置においては、カソードからの電子の熱イオン放出の結果、電子ビームの開始と終了を精密なステップ関数で規定することができないために、シャッタ（例えば、２７５）が必要である。実際、電力が除去された後のまだ高い温度にある間、熱イオンカソードは電子を放出し、それがターゲットからの望ましくないＸ線の放出を引き起こすことがある。動作中、シャッタは機械的に、又はマイクロスイッチによって開放状態に保持されている。
【００１１】
更に、高温加熱によって、カソードフィラメントの寿命は限られてしまい、通常は医療に適用した場合で約数百時間、解析に適用した場合には数千時間である。正規の使用条件の下では、Ｘ線管の寿命を確定する本質的な要因はカソードフィラメントの損傷である場合が多い。
【００１２】
アノードで発生される有効Ｘ線の量はアノードに衝突する電子ビーム電流に比例する。熱イオン放出では、電子ビーム電流はカソードフィラメントを通過する電流のごく一部であるにすぎない（通常は１／２０）。デジタルＸ線撮影及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）などの最新の医療分野においては、非常に高いＸ線強度が要求され、それに付随して非常に高い熱イオン放出カソード電流が必要である。従って、これらの用途における主な制約はカソードにより発生される電子ビーム電流の量である。
【００１３】
Ｘ線の発生において可能な改善の１つは電界放出カソード材料の導入である。電界放出は強力な電界の影響の下の電子の放出である。しかし、Ｘ線発生装置に従来の電界放出カソード材料を取り入れることには、いくつかの困難な問題が伴う。例えば、電界放出カソード材料は、アノードターゲット材料に衝突したときに所望のＸ線強度が発生されるように、十分に高いレベル（医療に適用する場合にはターゲットにおいて２，０００ｍＡ程度の高レベル）の放出電子流密度を発生することが可能でなければならない。
【００１４】
従来の多くの電界放出材料は、カソードに相対的に高い電界を印加しない限り、所望の放出電子回路密度を発生することが不可能である。更に、従来の電界放出材料の多くは高い印加電界の下で高い電流密度において安定した放出を発生できない。高い制御電圧を使用するとカソード材料を損傷するおそれが大きくなり、また、製造及び操作にコストがかかるハイパワーの装置を使用することが必要になる。
【００１５】
従来は、ナノメートルサイズの鋭いチップを有する、金属（Ｍｏなど）又は半導体材料（Ｓｉなど）のような電界放出材料が利用されていた。これらの材料については有用な放出特性が実証されているが、ターンオン（ｔｕｒｎ−ｏｎ）電界は相対的に高く、通常は１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で５０〜１００Ｖ／μｍ程度である（例えば、Ｗ． Ｚｈｕ他のＳｃｉｅｎｃｅ、第２８２巻、１４７１ページ（１９９８年）を参照）。
【００１６】
ダイヤモンド又は炭素ナノチューブの形態をとる炭素材料は電子電界放出材料として有効に利用できる可能性があることがわかっている。
【００１７】
ダイヤモンド系材料では低電界放出が観測されている（１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で３〜５Ｖ／μｍ）。しかし、３０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を超えると放出は不安定であり、一様な鋭いチップを製造することは困難であると共にコストもかかる。更に、現実の装置環境におけるこれらの材料の安定性も、一部にはイオン衝突、化学的に活性の種との反応及び高温によって問題となる（例えば、Ｉ． Ｂｒｏｄｉｅ、Ｃ． Ａ． Ｓｐｉｎｄｔの「Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ」、Ｐ． Ｗ． Ｈａｗｋｅｓ編、第８３巻、１ページ（１９９２年）を参照）。
【００１８】
ダイヤモンド材料を電界放出器として使用することには、ダイヤモンドが所望の電流密度より低い電流密度を発生するという問題もある。局所化された放出ホットスポットの観測は１００Ａ／ｃｍ^２程度の電流密度を有すると報告されているが、実際の放出エリアは測定されておらず、理解されもせず、再現可能でもない。例えば、Ｋ． Ｏｋａｎｏ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７０号、２２０１ページ（１９９７年）を参照されたい。これは引用により本明細書に組み込まれる。ダイヤモンド放出器及び関連する放出装置は、例えば、米国特許第５，１２９，８５０号、第５，１３８，２３７号、第５，６１６，３６８号、第５，６２３，１８０号、第５，６３７，９５０号、第５，６４８，６９９号；Ｏｋａｎｏ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，第６４巻、２７４２ページ（１９９４年）；Ｋｕｍａｒ他のＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、第３８巻、７１ページ（１９９５年）；及びＧｅｉｓ他のＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第Ｂ１４巻、２０６０ページ（１９９６年）に開示されている。これらの文献はすべて、引用により本明細書に組み込まれる。
【００１９】
以前に刊行された炭素ナノチューブ放出材料の研究書は、通常は０．１〜１００ｍＡ／ｃｍ^２程度の相対的に低い電流密度を報告していた。報告されているより高い電子放出の数値は解釈するのが困難であり、例えば、数値が放出カソードとターゲットアノード材料との距離に無関係であるという理由により信頼性に欠ける（米国特許第６，０５７，６３７号）。炭素ナノチューブ放出器は、例えば、Ｔ． Ｋｅｅｓｍａｎｎのドイツ特許第４，４０５，７６８号；Ｒｉｎｚｌｅｒ他のＳｃｉｅｎｃｅ、第２６９号、１５５０ページ（１９９５年）；Ｄｅ Ｈｅｅｒ他のＳｃｉｅｎｃｅ、第２７０号、１１７９ページ（１９９５年）；Ｓａｉｔｏ他のＪａｐａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第３７号、１．３４６ページ（１９９８年）；Ｗａｎｇ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７０号、３３０８ページ（１９９７年）；Ｓａｉｔｏ他のＪａｐａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第３６号、１．１３４０ページ（１９９７年）；Ｗａｎｇ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，第７２号、２９１２ページ（１９９８年）；及びＢｏｎａｒｄ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７３号、９１８ページ（１９９８年）に開示されている。これらの文献はすべて、引用により本明細書に組み込まれる。
【００２０】
異なる基板上に付着された単壁炭素ナノチューブフィルムからの４Ａ／ｃｍ^２程度の高い放出が報告されている（Ｗ． Ｚｈｕ他のＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７５号、８７３ページ（１９９９年）、係属中の米国特許出願第０９／２５９，３０７号）。１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度に対する閾値電界は＜５Ｖ／μｍである（Ｃ． Ｂｏｗｅｒ他の「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｃａｒｂｏｎ」、Ｊ． Ｓｕｌｌｉｖａｎ、Ｊ． Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ、Ｏ． Ｚｈｏｕ、Ｔ． Ａｌｌｅｎ及びＢ． Ｃｏｌｌ編、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ、第５９３巻、２１５ページ（２０００年））。
【００２１】
医療の分野で使用されるＸ線管は、通常、「見かけ （ａｐｐａｒｅｎｔ）」のスポットサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）が０．３ｍｍ^２及び１ｍｍ^２の２段階の焦点スポット（ｆｏｃｕｓ ｓｐｏｔ）を含む。ターゲット角度が６°及び１５°であるとき、これは０．３×３ｍｍ^２及び１×４ｍｍ^２の実際の電子衝突面積に相当する。焦点スポットを更に縮小するには、ターゲット角度を更に小さくし且つ電子電流をより高くすることが必要である。カソードフィラメントに供給される電力に制約があるため、これは不可能である。
【００２２】
従来の熱イオン放出器に伴うもう１つの問題は空間電荷効果である。空間電荷は印加されるＸ線電圧（ｋＶ）及びフィラメント電流に非常に影響されやすい。従って、管がいわゆる飽和限界で動作していない限り、電子ビーム電流（ｍＡ）とｋＶの個別制御を実現することは困難である。これは、一般に、より高いｋＶ（Ｘ線電圧）に対してより大きなｍＡ（電子ビーム電流）を示唆している。
【００２３】
デジタルＸ線透視及びデジタルＸ線撮影においては、いくつかの物質（造影剤のヨードを含む）のコントラストを向上させるためにエネルギーサブトラクション（ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ）技法（より低い平均Ｘ線エネルギーで得られた画像をより高いＸ線エネルギーにより作成された画像から減算する）を使用する。例えば、Ｓ． Ｃ． ＢｕｓｈｏｎｇのＲａｄｉｏｌｏｇｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔ（Ｍｏｓｂｙ−Ｙｅａｒ Ｂｏｏｋ、１９９７年）を参照。これは収集されるデータポイントごとに高いｋＶと低いｋＶを交互に必要とする。熱イオン電子源の始動と終了は本来困難であるため、このプロセスは低速であり、患者は不必要に高い投射量のＸ線にさらされることになる。
【００２４】
コンピュータ断層撮影では、Ｘ線ファン（ｆａｎ：扇形）ビームの均一性が重要である。従来の管構造においては、ターゲット表面からのＸ線の放出が非等方性である（すなわち、表面に対する放出方向によって決まる）ために、均一性を実現することは困難である。焦点領域の様々に異なる部分から放出角度の異なる組み合わせによってＸ線ビームの様々に異なる部分が放出される。従って、焦点スポットに一様な電子ビームが衝突したとしても、その結果発生するＸ線は一様ではない。
【００２５】
従って、熱イオン放出、あるいは高い制御電圧又は外部からの印加電圧に依存せずに、高い放出電子流密度を信頼性をもって発生することが可能な電界放出カソード材料を組み込んだＸ線発生装置を構成することが望ましい。また、制御及び集束が容易である放出電子ビームを有するＸ線発生装置を提供することが望ましい。
【００２６】
（発明の概要）
本発明は、Ｘ線発生装置に電界放出ナノ構造カソード材料を取り入れることにより、現在のＸ線発生装置の望ましくない特徴を回避する。本発明のナノ構造電界放出材料は、相対的に弱い制御電界（ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）を印加（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）することにより、制御された信頼性の高い方法で高い放出電子流密度を発生することが可能である。従って、熱イオン放出の電子ビーム電流と比較して、より高い電子ビーム電流を実現することができる。本発明のナノ構造電界放出カソードは、単に印加電圧を変化させるだけで、持続時間が変化するパルスの電子放出の開始および終了を精密なステップ関数で規定することが可能である。熱イオン放出において見られた熱減衰の間の残留放出の問題は回避される。本発明のナノ構造を利用する電界放出カソードを有するＸ線管を使用すると、現場で使用するための携帯Ｘ線機器を構成することも可能である。
【００２７】
パルス化する利点に加えて、Ｘ線発生装置内部におけるビームの向きを制御する機械的手段及び／又は電気的手段の使用により、電界放出電子をアノードターゲット領域の複数の特定のエリアへ誘導することもできるであろう。方向づけという特徴により、１つのＸ線装置の中で複数のアノードターゲット材料を使用することが可能になり、その結果、単一の装置でより広い範囲の特性Ｘ線を発生できる。更に、アノードに対する衝突の時間が短縮されるため、アノードの冷却に要求される条件が緩和され、それに付随して周辺装置も少なくて済む。
【００２８】
ナノ構造カソード材料の使用により、安定し且つ制御及び集束が容易である高い電子ビーム電流を放出することが可能になる。従って、本発明のＸ線発生装置は、現在の構成と比較して撮影の画質及び速度の大幅な改善を可能にする多種多様な医療分野への適用が実現される。医療に適用した場合にＸ線ビームに要求される主な特徴は非常に強いこと、Ｘ線の発生が精密に制御されること、及び「見かけ」の焦点スポットが小さいことである。
【００２９】
ナノ構造電界放出器の場合、電子ビーム電流はカソードに供給されるのと同じである。従って、１桁大きい電子ビーム電流を実現することに困難はない。本発明によれば、角度が相当に小さく、その結果、「見かけ」の焦点スポットサイズがより小さいアノードターゲットを新たに構成できる。これにより、撮影分解能及び撮影速度を劇的に向上させることができる。例えば、ターゲット角度が２°と６°である０．１ｍｍ^２及び０．３ｍｍ^２の焦点スポットが考えられる。従って、本発明の装置は現在の機械と同じ量のＸ線を発生することができるが、その分解能は３〜４倍高くなるか、あるいは同程度の分解能であれば、３〜４倍強いＸ線ビームを発生することができるであろう。
【００３０】
ナノ構造電子電界放出器の場合、Ｘ線管に要求される電流密度では空間電荷制限に達することはない。従って、本発明のＸ線装置の構成によりｍＡとｋＶをそれぞれ独立して、安定して制御することが可能である。
【００３１】
本発明により、電界放出器の高速なパルス動作を容易に実現できるため、Ｘ線透視、Ｘ線撮影及び断層撮影におけるデジタル撮影の劇的なスピードアップが図れ、それにより、患者が不必要な放射線にさらされることは少なくなる。
【００３２】
本発明によれば、電界放出器からの電子ビームの制御及び集束が容易であるため、複数のターゲット材料を含むアノードを実現できる。例えば、アノードとカソードとの間に印加されるｋＶ（Ｘ線電圧）を変化させずに、同じ電子ビームを高いＺ（より高い平均Ｘ線エネルギーを発生する）材料と、低いＺ（より低い平均Ｘ線エネルギーを発生する）材料とで交互に集束することにより、上述のようなパルス化されたＸ線エネルギーを発生させることができる。そのような技法は電源構造を簡略化するので、それに関連するコストも低減される。このようなアノードターゲットと電界放出器の構成によって、ｋＶをパルス化せずにＸ線エネルギーをパルス化させることが可能になるため、コストを低減でき、かつＸ線透視、Ｘ線撮影及びコンピュータ断層撮影などのデジタル撮影のスピードアップを図ることができる。
【００３３】
本発明による電界放出器を使用し、それに関連して制御が容易になることにより、非等方性効果を補正するように均一に分布する電子ビームを発生することが可能である。従って、電界放出器を伴うＸ線構造は極めて一様なＸ線ビームの発生を可能にし、その結果、デジタル撮影におけるコントラストと分解能を向上させる。
【００３４】
第１の側面によれば、チャンバと、Ａ／ｃｍ^２を超える放出電子流密度を有するナノ構造含有材料から形成される電界放出カソードと、アノードターゲットと、カソードとアノードとの間に印加される電位により発生される加速電界とを具備するＸ線発生装置が提供される。
【００３５】
別の側面によれば、チャンバを設け、４Ａ／ｃｍ^２を超える放出電子流密度を有するナノ構造含有材料から構成される電界放出カソードをチャンバ内へ導入し、カソードに制御電圧を印加することにより電子流を放出させ、チャンバ内のアノードターゲットに放出電子流を入射させることによりアノードターゲットからＸ線を放出させることを特徴とするＸ線を発生する方法が提供される。
【００３６】
本発明によれば、印加電圧又は制御電圧により電流密度とその分布の双方とを精密に制御することができる。
【００３７】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明によれば、Ｘ線発生装置のカソードの少なくとも一部がナノ構造含有材料（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）により形成される。ナノ構造材料（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）はナノメートル単位の寸法を有する。それらのナノ構造は球形、棒状／ワイヤ形、又は管状などの様々な形状をとることができる。
【００３８】
本発明により、高い放出電流密度を有する数多くのナノ構造材料が考えられる。例えば、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸化珪素、酸化ゲルマニウム、炭化珪素、ホウ素、窒化ホウ素及び炭化ホウ素から形成されるナノ構造含有材料が考えられる。これらの材料の詳細は、米国特許第　　　　　　　号（出願第０９／５９４，８４４号；代理人書類番号０３２５６６−００３）から得ることができる。この引用によりこの文献の開示内容が本明細書に組み込まれる。
【００３９】
本発明の別の実施例によれば、Ｘ線発生装置のカソードの少なくとも一部を形成するために使用される材料は、単壁ナノチューブ又は多重壁ナノチューブのいずれかの炭素ナノチューブから構成されている。
【００４０】
カソードは何らかの適切な方法により形成されれば良い。例えば、放出電子のビームを集束するように作用する１つ以上の鋭いチップ又は隆起部などの様々な幾何学的構成によって電界放出カソードを形成することが知られている。その例としては、Ｌｅｖｉｎｅの米国特許第３，９２１，０２２号；Ｃｏｃｈｒａｎ Ｊｒ．他の米国特許第４，２５３，２２１号；及びＫｅｅｓｍａｎｎ他の米国特許第５，７７３，９２１号を参照されたい。この引用によりこの文献の開示内容が本明細書に組み込まれる。
【００４１】
カソードは本発明のナノチューブ材料から全体を形成されても良いし、あるいは少なくとも一部がナノチューブ材料で被覆された基板を具備していても良い。
【００４２】
数多くの単壁ナノチューブ製造技法が考えられている。例えば、レーザーアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ）プロセスを使用して単壁ナノチューブを製造できる。この技法は、例えば、Ａ． Ｔｈｅｓｓ他によるＳｃｉｅｎｃｅ第２７３号の４８３〜４８７ページ（１９９６年）；Ｃ． Ｂｏｗｅｒ他によるＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ第Ａ６７号の４７ページ（１９９８年）；Ｘ． Ｐ． Ｔａｎｇ他によるＳｃｉｅｎｃｅ第２８８号の４９２ページ（２０００年）に概要が記載されている。この引用によりこれらの文献の開示内容が本明細書に組み込まれる。また、単壁炭素ナノチューブはアーク放電（例えば、Ｃ． Ｊｏｕｒｎｅｔ他によるＮａｔｕｒｅ第３８８号の７５６ページ（１９９７年））技法及び化学気相成長（例えば、Ａ． Ｍ． Ｃａｓｓｅｌｌ他によるＪ． ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ、１０３の６４８４ページ（１９９９年））技法によっても製造可能である。
【００４３】
本発明に従って単壁ナノチューブを形成するのに特に適する技法の１つは、米国特許第　　　　　　号（出願第０９／２５９，３０７号；代理人書類番号０３２５６６−００１）に記載されているような技法を含む。この引用によりこの文献の開示内容が本明細書に組み込まれる。
【００４４】
技法の一例によれば、グラファイトと、ニッケル及び／又はコバルトなどの適切な触媒とから製造されたターゲットを水晶管の中に配置する。ターゲットは、０．６原子パーセントのニッケル及び０．６原子パーセントのコバルトと混合されたグラファイト粉末と、グラファイトセメントから形成されている。次に、ターゲットを管内部で約１，１５０℃の温度まで加熱する。真空ポンプによって管から空気を排除し、アルゴンなどの不活性ガスの流れを適切な供給源により管の中へ導入する。管内部への不活性ガスの流れ、並びに管内部における真空を制御しかつ監視するために様々な制御装置をシステムに装着できる。不活性ガスの圧力は約８００ｔｏｒｒなどの適切なレベルに維持される。
【００４５】
上記の温度でターゲットをアブレートするために、パルスＮｄ：ＹＡＧレーザーなどのエネルギー源が使用される。ターゲットをアブレートするために、レーザーの第１及び／又は第２の調波ビーム、すなわち、それぞれ、１，０６４ｎｍと５３２ｎｍを使用するのが好ましい。
【００４６】
ターゲットがアブレートされるにつれて、不活性ガスの流れによりナノチューブ含有材料は下流側へ搬送され、管の内壁に堆積層を形成する。次に、それらの堆積層を除去して、ナノチューブ含有材料を回収する。回収時に、この材料を解析した結果、５０〜７０体積％のＳＷＮＴを含有しており、個々のチューブの直径は１．３〜１．６ｎｍ、束直径は１０〜４０ｎｍであることが判明した。束の向きはランダムであった。
【００４７】
次に、回収された材料を適切な浄化プロセスにより浄化する。好ましい一実施例では、有機溶剤、好ましくはメタノールなどのアルコールのような適切な液状媒体の中にナノチューブ材料を配置する。ハイパワー超音波ホーンを使用して、ナノチューブを数時間にわたり液状媒体中に懸濁する状態に保持し、その間に懸濁液を細孔膜に通す。別の実施例においては、Ｔａｎｇ他によるＳｃｉｅｎｃｅ第２８８号の４９２ページ（２０００年）に記載されているように、炭素ナノチューブ含有材料を、まず、適切な溶剤、好ましくは２０％のＨ_２Ｏ_２の中で還流により浄化し、その後、ＣＳ_２、続いてメタノールの中ですすぎ、続いて濾過する。
【００４８】
本発明を何らかの特定の理論に限定するのではないが、本発明の上述のプロセスに従って製造されるナノチューブ材料は電子を放出する材料の能力を向上させると考えられる。更に、上述の合成ＳＷＮＴの電気抵抗は非常に低いと考えられる。本発明の単壁ナノチューブ材料に与えられる上述の特徴により、材料は以前に研究されていた材料と比較してより信頼性が高く且つ一貫して優れた性能を示すことができると考えられる。
【００４９】
先に説明した処理工程に加えて、浄化済み材料を更にボールミルなどの粉砕又は酸化により更に処理することが可能である。任意に行われる粉砕の工程は、言うまでもなく、より一層破砕されたナノチューブを形成し、理論上は、アノードターゲットに向かって電子を放出するための場所を形成することができるナノチューブの端部の数を少なくとも更に増加させるように作用する。強力な酸の中での酸化により炭素ナノチューブを更に短縮することもできる。酸の濃度と反応時間によりナノチューブの長さを調整できる。好ましい一実施例では、浄化済み単壁炭素ナノチューブはＨ_２ＳＯ_４とＨＮＯ_３を３：１の体積比で含有する溶液の中で超音波処理される。２４時間の超音波処理の後、平均ナノチューブ長さは（浄化後の１０〜３０μから）０．５μまで減少する。短いナノチューブを使用すると、単位面積当たりの放出チップの数を増加させることができる。
【００５０】
浄化済み単壁ナノチューブ材料のような上述のナノ構造材料をカソード基板材料の上にフィルムとして付着させることができる。本発明の材料の重要な利点は、バインダー材料の使用に依存せずに基板上に付着させること、又はフィルムとして形成することが可能であるという点である。バインダー材料の使用は材料の電気的特性に悪影響を及ぼし、その結果、電界放出特性にマイナスの影響を与える。
【００５１】
図３は、電界放出カソードを付着させ、製造する技法の一例における主要な工程を概略的に示す。基板３００が示されているが、カソード基板材料としてどの特定の材料を利用するかは特に重大な問題ではなく、基板は従来から使用されている適切な導電性材料から構成されていれば良い。ナノ構造材料、例えば、単壁炭素ナノチューブ３２０を与える前に、基板上に薄い炭素溶解又は炭化物形成金属中間層３１０を付着させるのが好ましい。炭素溶解又は炭化物形成金属中間層３１０の材料の例としてはＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ及びＨｆがある。次に、熱処理によりフィルム３３０を形成し、続いて、任意に、装置から余分なＳＷＮＴ３４０を除去するために超音波処理を実施する。熱処理は高真空、好ましくは１０^−６ｔｏｒｒの下で、金属中間層と炭素ナノチューブ、又は適切なナノ構造に薄い炭化物層を形成できる温度、あるいは少量の炭素を溶解することが可能である温度で実施される。そのような処理の後、炭素ナノチューブ又は適切なナノ構造は基板に接着する。
【００５２】
ナノ構造材料又は単壁炭素ナノチューブは、懸濁液又は溶液キャスティング、吹き付け、スピンコーティング、スパッタリング、スクリーン印刷又は電気泳動蒸着を含む多様な方法により、金属中間層３１０を伴って基板３００上に付着させることができる。一例を挙げると、０．０１から１０μｍ、更に特定すれば０．１から１μｍ程度の厚さを有するフィルムが製造される。別の実施例においては、薄く連続する「紙」３５０（図６）を直接に基板に張り付けることができる。紙３５０は、例えば、炭素ナノチューブ及びナノチューブの沈殿物からの濾紙上の濾過プロセスの間に形成され、通常は滑らかな表面を有し、可撓性である。
【００５３】
アーク放電及び化学気相成長などの他の方法により形成される単壁炭素ナノチューブを含むフィルムも、以上説明した手順により形成できる。更に、化学気相成長法により直接に炭素ナノチューブフィルムを基板上に成長させることも可能である。
【００５４】
本発明のナノ構造材料を含有するカソード材料は、相対的に低い印加電圧で高い放出電流密度を示すことを特徴としている。
【００５５】
本発明の原理に従って形成された様々な単壁ナノチューブ材量及び多重壁ナノチューブ材料について電界放出測定を実施した。図４は、本発明に従って製造された５種類のナノチューブ材料をグラフにより示す。これらの測定値は、２〜５Ｖ／μｍの印加電界で１０ｍＡ／ｃｍ^２、４〜７Ｖ／μｍの印加電界で１００ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度を示す。比較のために、ナノダイヤモンド電界放出材料からの結果も示されている。図４により示すように、研究対象となった材料は相対的に低い印加電界電圧に対して相対的に高い電流密度を示す。
【００５６】
以下の表１は、いくつかのカソード材料に関して１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を得るために要求される閾値電界をまとめたものである。本発明の炭素ナノチューブは、一様に、所定の電流密度に対して、研究された他の材料より低い閾値電界を有していた。更に、炭素ナノチューブ材料の場合、発生される電流密度は研究された他の材料と比較してより安定していた。
【００５７】
【表１】

【００５８】
従って、上記の表により明示されるように、本発明による単壁ナノチューブ材料などのナノ構造材料から構成されるカソードを有するＸ線発生装置は、１００ｍＡ／ｃｍ^２を超える、好ましくは１，０００ｍＡ／ｃｍ^２を超える、最も好ましくは５，０００ｍＡ／ｃｍ^２を超える放出電子流密度を発生することが可能である。
【００５９】
本発明の原理と一致して形成された単壁炭素ナノチューブから構成される電子放出カソードは適切などのようなＸ線発生装置にも組み込むことができるであろうと考えられる。そのような装置に与えられる利点により、そのようなＸ線発生装置のカソードのみならず、アノード並びに他の構成要素についても設計変更が可能になる。以下に、本発明の原理に従って構成された装置のいくつかの例を説明する。
【００６０】
図５から図８Ｂは、本発明による電界放出カソード装置の横断面図を示す。一実施例５００においては、電界放出カソード構造５１０は、所望の金属中間層３１０を伴うことが望ましい導電性基板３００の上にナノ構造又は炭素ナノチューブのフィルム３３０を具備する。付着後、フィルム３３０は真空熱処理されるのが好ましい。絶縁スぺーサ５３０の上にはゲート電極５２０、好ましくは融点温度が高い金属グリッドが配置されており、絶縁スぺーサ５３０はゲート電極５２０とナノチューブフィルム３３０との間に配置されている。可変電圧制御を伴うのが好ましい電源５４０はゲート電極５２０とナノチューブカソード５１０との間に接続されている。
【００６１】
別の実施例６００においては、電界放出カソード構造６１０は、Ｆｅ又はＴｉなどの所望の金属中間層３１０を有するのが好ましい導電性基板３００の上に配置された薄いナノ構造又は炭素ナノチューブ紙３５０を具備する。紙３５０は金属中間層３１０によって基板３００上に圧接されており、接着を実現するために真空熱処理されるのが好ましい。更に、紙３５０は絶縁カラー６３０により基板３００上に固定されている。絶縁カラー６３０の上にゲート電極６２０、好ましくは、融点温度が高い金属グリッドが配置されている。可変電圧制御を伴うのが好ましい電源６４０はゲート電極と紙３５０又は導電性基板３００との間に接続されている。
【００６２】
あるいは、実施例７００は、所望の金属中間層３１０を伴う導電性基板３００の上のナノ構造又は炭素ナノチューブフィルム３３０を具備する電界放出カソード構造７１０であっても良く、この場合、電界放出された電子との衝突によって起こる金属グリッドの過熱を最小にするために、フィルム３３０はパターン形成され、ゲート電極７２０の開口と整列されている。ゲート電極７２０、好ましくは融点温度が高い金属グリッドは絶縁スぺーサ７３０の上に配置されている。電界放出された電子が長期間にわたりグリッド７２０に衝突することに起因するグリッド７２０の過熱の問題を回避するために、金属グリッド７２０とパターン形成されたフィルム３３０はオフセット位置関係で配置されている。
【００６３】
更に別の実施例８００では、電界放出カソード構造８１０は、所望の金属中間層３１０を伴うのが好ましい導電性基板３００の上にナノ構造又は炭素ナノチューブフィルム３３０を具備する。付着後、フィルム３３０は真空熱処理されるのが好ましい。ゲート電極８２０、好ましくは融点温度が高い金属グリッドは絶縁スぺーサ８３０の上に配置されており、絶縁スぺーサ８３０はゲート電極８２０とナノチューブフィルム３３０との間に配置されている。可変電圧制御を伴うのが好ましい電源８４０はゲート電極８２０とナノチューブカソード８１０との間に接続されている。Ｘ線の強さの安定性を改善するため、ゲート電極８２０とカソード８１０との間の印加電圧を変化させ、それに従ってＸ線管電流の変動を補正する（電子流はターゲットに到達する）ために、フィードバック回路を組み込むことが可能である。例えば、Ｘ線管電流を監視するための電流計（加速電圧と共にＸ線の強さを制御する）を組み込むことができる。電流が設定電圧より低下すると、設定管電流に到達するまでゲート電圧（カソードからの電界放出電流密度を制御する）が増加される。
【００６４】
更に、電界放出カソード構造８１０は、放出された電子ビームを狭い領域に集束させるフォーカスリング８５０を更に具備していても良い。フォーカスリング８５０は構造８１０の、ゲート電極８２０の上方に装着され、第２のスぺーサ８６０によりゲート電極から絶縁されている。フォーカスリングには負バイアス８７０が与えられる。
【００６５】
あるいは、ナノ構造含有材料又は炭素ナノチューブ材料を凹面によって基板に付着させることも可能である。ゲート電極に、カソードとゲート電極との間に一定の距離が維持されるように湾曲が与えられる。このような構成は電界放出された電子をターゲットアノードに向かって集束するようにも作用する。
【００６６】
図９は、本発明による電界放出ナノ構造又は炭素ナノチューブカソードを有する真空Ｘ線管である。Ｘ線発生装置９１０内部には、電子発生カソードとして使用されるべき電界放出カソード装置９１１が配置されている。電界放出装置には、制御電圧を供給するための電気リード線９３５が取り付けられている。炭素ナノチューブ電界放出カソード装置９１１と金属アノードターゲット９３０との間に十分な電界が与えられると、アノード９３０に向かって放出された電子９４０は、まず、フォーカスシールド９４５を通過して進む。アノードターゲット９３０に衝突した後、Ｘ線９５０が放出され、真空チャンバ９２０の側の窓９５５を通過する。この実施例では、入口９６５及び出口９７０を有する冷却水チャンバ９６０の使用により、冷却水が供給される。しかし、本発明の電界放出カソード装置９１０は、熱イオン効果に依存せずにＸ線をアノードから放出させるのに十分な大きさの放出電極電流密度を発生することができるため、装置に要求される冷却条件は大幅に軽減される。更に、単に制御電圧を変化させるだけでＸ線をより精密にパルス化させることができる。機械式シャッタなどを排除することが可能である。
【００６７】
図１０は、線Ａ−Ａに沿った図９の装置の図を示す。この図は、アノード９３０と窓９５５の相対的な向きを示す。
【００６８】
図１１は、本発明のナノ構造又は炭素ナノチューブ電界放出カソード装置１１１０を有する真空Ｘ線管の第２の実施例１１００である。この実施例では、電界放出カソード装置１１１０は並進ステージ１１１１の上に装着されている。並進ステージの位置は並進制御装置１１２１により制御される。カソードリード線１１３５に電流を印加することにより、電界放出カソード装置１１１０とアノード１１３０との間に電界が発生する。形成された電界の下で、カソードから電子１１４０が電界放出されて、アノードに向かって導かれる。放出された電子の衝突によって発生したＸ線１１５０は、アノードターゲットから真空チャンバ１１２０の側の窓１１５５を通過して進む。電子の衝突に起因するアノードの残留加熱は、冷却水又はその他のヒートシンクの使用により除去される。図１１は、入口１１６５及び出口１１７０を具備する冷却水チャンバ１１６０を示す。更に、アノード金属ターゲット１１３０はアノード装着プラテン１１３１に装着されている。このプラテンは、ヒートシンクによりアノードから急速に熱を除去できるように高い熱伝導率を有する。装着プラテン１１３１は、ヒートシンクと共通の面で真空チャンバに装着されている。
【００６９】
あるいは、アノード装着プラテン１１３１はプラテンの平面に対して垂直な中心軸に関して回転するように装着されても良い。この回転によって、放出電子のビーム１１４０の経路にアノード金属ターゲット１１３０を個別に離して位置決めすることができる。この回転装置を使用することにより、個々のアノードの材料の組成に対応する複数の特性波長を有するＸ線１１５０を発生できるであろう。
【００７０】
更に別の実施例においては、アノード装着プラテン１１３１は静止しており、制御装置１１２０により制御される並進ステージ１１１１が放出される電子ビーム１１４０を各々のアノード金属ターゲットに別個に衝突させるようにしても良い。
【００７１】
あるいは、並進ステージ１１１１はラスタ化能力を有していても良い。電界放出カソード装置１１１０の選択された領域の個別アドレッシング、グループアドレッシング又は行列アドレッシングを利用することにより、ラスタ化された放出電子ビームを発生させ、そのまま各々のアノード金属ターゲット１１３０に個別に衝突するように誘導しても良い。このような構成により、先の実施例の利点の全てが実現される。
【００７２】
別の実施例では、アノードは静止しており、個別に制御される電界放出カソードのアレイが組み込まれている。アレイのいくつかの電界放出器を選択的にオン、オフすることにより、電界放出される電子はターゲットアノード表面の異なる部分に衝突する。
【００７３】
更に別の実施例においては、アノード装着プラテン１１３１は可動ベース又はアームに装着されている。ユーザがアノードターゲットを容易に取り付け、取り外しできるように、ベース又はアームは真空チャンバ１１２０内部で容易に移動自在であり、また、真空チャンバ１１２０から容易に取り外し可能である。
【００７４】
図１２は、線Ｂ−Ｂに沿った図１１の装置の図である。この図では、アノード装着プラテン１１３１におけるアノード金属ターゲット１１３０の位置がより明確に示されている。
【００７５】
以上説明した構成により、先に図９の実施例に関連して説明した本発明の電界放出制御を使用した場合と同じ利点が実現される。加えて、走査された放出電子ビームは異なるターゲット材料に衝突し、それにより、同じ装置で異なる種類の特性Ｘ線を発生させることが可能になるので有利である。また、走査されたビームは同じターゲット材料の異なる領域に衝突することにより、ターゲット全体の加熱を減少させる。
【００７６】
医療への適用などのＸ線発生装置のいくつかの用途においては、要求される重要な特性としてＸ線発生の精密な制御、非常に強いＸ線の発生及び発生されるＸ線の見かけの焦点スポットが小さいことが含まれる。
【００７７】
従来のいくつかのＸ線発生装置は、発生されるＸ線の見かけの焦点スポットサイズが０．３ｍｍ^２と１．００ｍｍ^２である２つの焦点スポットを有する。ターゲット角度が６°及び１５°の場合、これは実際に電子がアノードに衝突するときの面積が０．３×３．０ｍｍ^２及び１．０×４．０ｍｍ^２であることを表す。焦点スポットを縮小するためには、カソードからの放出電子流を増加させてターゲット角度を小さくすることが必要とされる。従来の装置では、カソードフィラメントに供給できる電力に制約があるため、これは不可能である。
【００７８】
本発明の装置によりこれらの欠点を克服することができる。本発明の原理に従って構成された、ナノ構造を利用する電界放出器を含む装置は、カソードに供給される電流にほぼ相当する放出電子ビーム電流を発生することができるので、アノードターゲットの角度を小さくし、その結果、見かけの焦点スポットサイズ（ａｐｐａｒａｎｔ ｆｏｃｕｓ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）を縮小することを可能にする。
【００７９】
本発明の原理に従って構成されたそのようなアノードの１つを図１３に示す。図１３には正面図と側面図の双方で示されている焦点スポット１３０２には、１００〜５，０００ｍＡの電流を有する放出電子ビームが入射する。焦点スポット１３０２の長さは１０〜３０ｍｍ、幅は０．１〜０．５ｍｍである。本発明によれば、例えば、２°〜１０°のターゲット角度１３０４を実現するようにターゲット角度を小さくすることができる。好ましい一実施例では、二重焦点スポット構成の場合、ターゲット角度は約２°と約６°にすることができる。上述の構成は０．１〜０．５ｍｍ^２の面積を有するより小さな「見かけの」焦点スポット１３０６を発生することが可能である。好ましい一実施例においては、二重焦点スポット構成の場合、０．１ｍｍ^２と０．３ｍｍ^２の見かけの焦点スポットが実現される。
【００８０】
コンピュータ断層撮影などの用途においては、Ｘ線ファンビームの均一性が重要である。従来の管構造では、ターゲット表面からのＸ線の放出が異方性である（すなわち、表面に対する放出方向によって決まる）ため、均一性を実現することは困難である。焦点領域の様々に異なる部分から様々に異なる放出角度の組み合わせによりＸ線ビームの様々に異なる部分が放出されてくる。従って、焦点スポットに一様な電子ビームが衝突したとしても、その結果発生するＸ線ビームは一様ではない。
【００８１】
本発明によれば、ナノ構造カソードから放出される電子ビームの電流密度及び分布を精密に制御することができる。これにより、極めて一様なＸ線ビームを発生する新たな方法が可能になる。そのような方法の一実施例も図１３に概略的に示されている。ナノ構造放出器１３１０とゲート１３１３との間に印加される電圧を制御することにより、ある所望の電流密度及び分布を有する電子ビーム１３０１を発生できる。アノード１３０２に衝突すると、特別に設計された一様でない電子ビーム１３０１は一様なＸ線のビーム１３０３を発生することができる。方法を更に改善した実施例は、Ｘ線検出器１３１４とカソード１３１０との間にフィードバック制御機構１３１３を含む。そのような機構はある所望の強さ分布を伴うＸ線ビームを発生させ、これは、デジタル乳房撮影などのある種の用途において有利であろう。
【００８２】
見かけの焦点スポットサイズが縮小された本発明のアノード構成は、従来の装置と比較して、撮影分解能と撮影速度を著しく向上させる。例えば、本発明の原理に従って構成されたＸ線発生装置は現在の機械と同量のＸ線を発生するが、その分解能は従来の装置の３〜４倍高いか、あるいは従来の装置に匹敵する分解能を有しているが、３〜４倍の強さのＸ線を発生することが可能である。
【００８３】
デジタルＸ線透視及びデジタルＸ線撮影などのいくつかの用途においては、解析すべき被写体のいくつかの物質のコントラストを向上させるためにエネルギーサブトラクション技法が使用される。この技法は低い平均エネルギーを有するＸ線を使用して第１の画像を獲得し、より高い平均エネルギーを有するＸ線を使用して獲得された第２の画像からこの第１の画像を「減算」することを含む。上記の技法は、従来、カソードに印加される電圧をより低い強さのＸ線を発生するための低いｋＶ値と、より高い強さのＸ線を発生するためのより高いｋＶ値との間で交番させることにより実施されていた。先に説明したように、熱イオン電子放出の開始と終了には困難が伴うため、このプロセスは低速である。医療の用途に使用された場合、これは患者を高い線量のＸ線に不必要にさらす原因となる。
【００８４】
本発明に従って発生される放出電子ビームを容易に制御、集束できるため、複数のターゲット材料から成るアノードターゲットを利用することが可能である。
【００８５】
そのような装置の１つを図１４に示す。多重ターゲットアノード１４００は第１のターゲット材料１４０２と、第２のターゲット材料１４０４とを具備している。第１のターゲット材料１４０２と第２のターゲット材料１４０４により円錐形又は円錐台形の面１４０３が規定されている。例えば、第１のターゲット材料１４０２は概して相対的に低い平均エネルギーのＸ線を発生する材料であり、第２のターゲット材料１４０４は概して相対的に高い強さのＸ線を発生する材料であっても良い。言うまでもなく、この配置を逆にすることも可能である。本発明に従って構成された電界放出器１４０８に電圧１４０６が印加されると、電界放出器はターゲットアノード１４００に衝突する電子の流れを放出する。放出器１４０８から放出される電子流が相対的に低いエネルギーを有するＸ線１４１０を発生するために第１のターゲット材料１４０２に衝突するのと交互に、相対的に高いエネルギーを有するＸ線１４１２を発生するために第２のターゲット材料１４０４に衝突するように、放出器１４０８をパルス化又は交互動作させることができる。
【００８６】
本発明の装置は従来の装置より安価であり且つより早い動作速度を有し、これはＸ線透視、Ｘ線撮影及びコンピュータ断層撮影などの用途において特に好都合である。
【００８７】
本発明に従って実行される方法は、ナノ構造含有材料から構成される電界放出装置を設け、先に複数のアノードターゲットのうちの少なくとも１つが配置されている又は後に配置されるチャンバ内に電界放出装置を導入することを含む。電界放出装置はＸ線発生装置においてカソードとして作用するように位置決めされる。チャンバは、その後、Ｘ線を発生する準備として密封され、所定の最低圧力まで排気されるか、又は不活性雰囲気で充満されるか、あるいは上記のいずれも行われない。
【００８８】
電界放出カソードの構成は、レーザーアブレーションと、その後に続く浄化及び基板への炭素ナノチューブの付着などの先に説明した方法を含む多様な方法によれば良い。
【００８９】
制御電圧が印加されると、本発明の電界放出カソードは電子の流れを放出する。制御電圧の印加は放出の開始と終了を確定し、それにより、その持続時間及び強さが制御される。電子ビームをパルス化させると、アノード加熱が減少するという利点及びそれに付随する利点が得られ、更に、放出されるＸ線の持続時間を更に精密に制御できる。あるいは、印加される制御電圧を制御することにより放出ビームをパルス化させても良い。
【００９０】
更に別の代替構成として、ビームを複数のアノードターゲットのうちの少なくともいずれか１つに衝突させるべく誘導するように放出される電子ビームを制御するために、ナノ構造材料のアレイを制御電圧により個別に、又は所定のシーケンスで、あるいはグループ分けしてアドレッシングしても良い。この方法により、同じ装置で異なる材料から形成される複数のターゲットが衝突を受けることになるため、異なる材料から成るターゲットをチャンバに追加する又はチャンバから取り除く必要なく、より広いスペクトルで放出Ｘ線を発生することができる。更に、この代替方法はアノードのいずれか１つの領域が衝突を受ける時間を短縮するために使用されても良く、これはアノードの加熱の減少に寄与する。
【００９１】
アノードターゲットに衝突する電界放出電子のビームは、物理学では良く知られている手段によりＸ線を発生する。発生されたＸ線は、その後、Ｘ線透過窓を通ってチャンバから出て、医療及び科学を含む様々な用途に利用される。
【００９２】
以上説明した例の方法の変形、並びに追加の方法は上述の本発明の装置を参照すれば明白である。
【００９３】
本発明をその好ましい実施例に関連させて説明したが、添付の請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨から逸脱せずに、特定して説明されない追加、削除、変形及び置き換えを実施できることは当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来のガスＸ線管の横断面図である。
【図２】
従来の真空Ｘ線管の横断面図である。
【図３】
単壁炭素ナノチューブを電界放出カソードに製造するときの主な工程を示すプロセス図である。
【図４】
いくつかの電界放出材料についてある放出電流密度を得るために要求される閾値電界を示すグラフを示す図である。
【図５】
本発明の第１の実施例による炭素ナノチューブ電界放出装置の横断面図である。
【図６】
本発明の別の実施例による炭素ナノチューブ電界放出装置の横断面図である。
【図７Ａ】
本発明の更に別の実施例による炭素ナノチューブ電界放出装置の横断面図である。
【図７Ｂ】
図７Ａの平面図である。
【図８Ａ】
本発明の別の実施例による炭素ナノチューブ電界放出装置の横断面図である。
【図８Ｂ】
図８Ａの平面図である。
【図９】
電界放出炭素ナノチューブカソードを有する真空Ｘ線管の別の実施例の横断面図である。
【図１０】
Ａ−Ａに沿った図９の装置の図である。
【図１１】
電界放出炭素ナノチューブカソードを有する真空Ｘ線管の更に別の実施例の横断面図である。
【図１２】
Ｂ−Ｂに沿った図１１の装置の図である。
【図１３】
本発明によるアノード構成の概略図である。
【図１４】
本発明の多重ターゲット回転自在アノードの概略図である。

Claims (30)

1. チャンバと、
   ４Ａ／ｃｍ^２を超える放出電子流密度を持つナノ構造含有材料を含む電界放出カソードと、
   アノードターゲットと、
   前記カソードと前記アノードターゲットとの間に印加される電位により発生する加速電界と
   を有することを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記放出電子流密度は１０，０００ｍＡ／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
3. ２〜７Ｖ／μｍの印加される電界は約１００ｍＡ／ｃｍ^２の安定した電流密度を発生することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
4. 前記ナノ構造含有材料は炭素ナノチューブを含むことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
5. 前記ナノ構造含有材料は単壁炭素ナノチューブを含むことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
6. 前記カソードは少なくとも一部が前記ナノ構造含有材料で被覆された基板材料を含むことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
7. 前記ナノ構造含有材料はバインダー材料を含まないことを特徴とする請求項６記載のＸ線発生装置。
8. 前記基板材料と前記ナノ構造含有材料との間に金属中間層を更に含むことを特徴とする請求項６記載のＸ線発生装置。
9. ゲート電極を更に有することを特徴とする請求項６記載のＸ線発生装置。
10. 前記ナノ構造含有材料は前記基板材料に接着された薄紙を含むことを特徴とする請求項６記載のＸ線発生装置。
11. 前記ナノ構造含有材料は、前記ゲート電極に配置された複数の開口と整列させた電子放出材料により規定されるパターン形成フィルムを含むことを特徴とする請求項９記載のＸ線発生装置。
12. 前記ゲート電極と前記カソードとの間に印加される電位を変化させることにより、発生されるＸ線の安定度を改善するように構成されたフィードバック回路を更に有することを特徴とする請求項９記載のＸ線発生装置。
13. 前記ゲート電極の上方に配置されたフォーカスリングを更に有することを特徴とする請求項９記載のＸ線発生装置。
14. 前記カソードと前記ゲート電極との間に印加される電位はオンとオフのパルスであり、パルスがオンである期間中に電界放出電子のビームを発生させ、パルスがオフである期間中には電界放出電子のビームを発生させないことを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
15. 前記アノードは更に複数のターゲット材料を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
16. 前記Ｘ線発生装置はエネルギーの異なるＸ線を選択的に発生することが可能であることを特徴とする請求項１５記載のＸ線発生装置。
17. 前記アノードターゲットの一部は第１のターゲット材料を含み、前記アノードターゲットの別の部分は第２のターゲット材料を含むことを特徴とする請求項１６記載のＸ線発生装置。
18. 前記アノードターゲットは円錐面を含むことを特徴とする請求項１７記載のＸ線発生装置。
19. 前記アノードターゲットは長さ１０〜３０ｍｍ、幅０．１〜０．５ｍｍの焦点スポットを有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
20. 前記アノードターゲットは２°〜１０°のターゲット角度を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
21. 前記Ｘ線発生装置は０．１〜０．５ｍｍ^２の面積を有する見かけの焦点スポットを発生することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
22. 前記アノードターゲットは長さ１０〜３０ｍｍ、幅０．１〜０．５ｍｍの焦点スポットと２°〜１０°のターゲット角度とを有し、前記Ｘ線発生装置は０．１〜０．５ｍｍ^２の面積を有する見かけの焦点スポットを発生することを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置。
23. チャンバを準備する工程と、
    ４Ａ／ｃｍ^２を超える放出電子流密度をもつナノ構造含有材料を含む電界放出カソードを前記チャンバ内へ導入する工程と、
    前記カソードに制御電圧を印加することにより、電子の流れを放出させる工程と、
    前記チャンバ内に放出された電子の流れを入射させるアノードターゲットを準備することにより、前記アノードターゲットからＸ線を放出させる工程と
    を有することを特徴とするＸ線を発生する方法。
24. 前記入射する電子ビームをパルス化する工程を更に有することを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。
25. 前記入射する電子ビームのパルスは前記電界放出カソード上への電界の印加と除去とにより発生することを特徴とする請求項２４記載のＸ線を発生する方法。
26. 前記ナノ構造含有材料は単壁炭素ナノチューブを含むことを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。
27. 前記カソードは少なくとも一部がナノ構造含有材料で被覆された基板を含むことを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。
28. 第１のターゲット材料を含む部分と、第２のターゲット材料を含む別の部分とを有するアノードターゲットを準備する工程と、
    第１の電子の流れを前記第１のターゲット材料に衝突させ、第２の電子の流れを前記第２のターゲット材料に衝突させることにより、同じ前記制御電圧を印加することで装置にエネルギーの異なるＸ線を発生させる工程と
    を更に含むことを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。
29. 前記アノードターゲットを長さ１０〜３０ｍｍ、幅０．１〜０．５ｍｍの焦点スポットと２°〜１０°のターゲット角度とで処理する工程と、
    それにより、０．１〜０．５ｍｍ^２の面積をもつ見かけの焦点スポットを発生する工程とを更に有することを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。
30. 前記印加電圧量は、所定の密度と分布のＸ線ビームを発生するために利用されることを特徴とする請求項２３記載のＸ線を発生する方法。

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