JP2005056592A - Ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体からの電子放出を利用し、しかも半導体素子に損傷を与えずに安定的に構築できるＸ線管を提供することを目的とする。
【解決手段】上部開口及び下部開口を有し、側壁を貫通する金属電極を有するセラミック胴体部と、前記セラミック胴体部の前記下部開口を封止する下蓋部と、前記下蓋部の上に設けられ、シリコン基板と、シリコンを構成元素のひとつとする絶縁層と、金属薄膜電極と、を有し、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に電界を印加することにより電子を放出するシリコン電子源と、前記セラミック胴体部の前記上部開口を封止し、開口を有するコレクタ電極と、前記コレクタ電極の前記開口を封止するベリリウム板と、前記ベリリウム板の前記シリコン電子源に対向する側に被着され前記シリコン電子源から放出された電子が衝突することによりＸ線を発生させるターゲットと、を備えたことを特徴とするＸ線管を提供する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線管に関し、特に、ターゲットに電子を与える電子源として半導体素子を備えたＸ線管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸ線管における電子源は、真空中でヒーターに通電することにより陰極（ヒーターと共通でもよい）から熱電子を放出させる熱電子放出機構を利用したものであった。このようなＸ線管は、陰極の寿命に限界があり、半導体デバイスに比べて寿命が短い点で改善の余地がある。また、ヒーターの電気的接続のためにリード線などを設ける必要もあり、小型化にも不利であった。
【０００３】
一方、近年、半導体からの電子放出について研究が進められている（例えば、特許文献１）。すなわち、金属・絶縁体・半導体（ｍｅｔａｌ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＭＩＳ）構造において絶縁膜が薄いと、トンネル効果により電子が絶縁膜を通過して金属電極に到達する。そして、金属電極も同等に薄いと、到達した電子のうちの一部は金属電極をも通過し、もし金属電極よりも高い電位を有する別の電極があればそこへ到達する。
【０００４】
また、シリコン基板上の一部に多孔質のポリシリコン層を形成後、金属薄膜を形成して電子を放出させる提案もある（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３４２９９５号公報
【特許文献２】
特許第２９８７４１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＸ線管は、陰極からの熱電子放出を利用していたため、３次元に比較的大きな形状を持つ陰極部（電極、ヒーター、リード部、支持部などで構成される）が必要であった。しかし、例えば電子部品の製造装置に付属させる静電除去装置や医療用装置では、Ｘ線管の小型化が必須である。このためには陰極部の小型化が不可欠である。
また、従来の電子流は「点」に近い陰極から放射されるため、１０ＫｅＶ近い高電圧で加速された電子がターゲットに衝突して局所的に発熱が起こり 装置設計において放熱が大きな問題であった。これを解決するには発熱部の分散が必要である。
【０００７】
さらにまた、Ｘ線管を長寿命化するには、熱電子放出型の電子放出源よりも半導体を利用した電子放出源を用いることが望ましい。
しかしながら、従来は半導体素子を電子源とする電子管は皆無であったため、仮に、電子放出効率に優れた半導体電子源が開発されても これを電子管の内部にいかに組み込むべきかという点についての設計・実装の指針はまったく無かった。
【０００８】
半導体素子を電子源とする電子管を実現するには、数多くの課題がある。そのうちのいくつかを挙げると以下の如くである。
▲１▼半導体素子の真空中での動作に対する配慮がなされていない。すなわち、真空中で半導体素子を動作させるには、ガスを発生する材料が使えない。具体的には、エポキシ接着剤や高分子膜などは気化することにより真空管内やコレクタ電極などを汚染し、かつガス発生による放電などのため高電圧動作を不可能とする。したがって、これらに代わる材料の選択が必要である。
【０００９】
▲２▼半導体素子は、電子管製造工程での温度上昇に耐えねばならない。すなわち、電子管を真空封止する工程では、部品のガス出しのため高温下における排気が不可欠である。通常は、５００℃以上に加熱して真空排気することが望ましい。しかし、殆どの半導体素子は、金属電極を形成後に５００℃以上に加熱すると、金属と半導体との反応や、実装部材との熱膨張率の違いによるチップのクラックなどの劣化や故障が生ずる。
【００１０】
▲３▼ガラスまたはセラミックを主たる真空容器とする電子管内部に半導体素子を実装するための実装技術を新たに開発する必要がある。すなわち、電子管では、溶接や銀（Ａｇ）ロウつけなどの接合技術が主として用いられるが、半導体素子に対してこれらの技術を適用することは無理がある。
【００１１】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、半導体からの電子放出を利用し、しかも半導体素子に損傷を与えずに安定的に構築できるＸ線管を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、半導体電子源を用いることによって、ヒーターが不要となり且つ平面状の電子源が可能となる。この結果、Ｘ線管の小型化が可能となる。特に、Ｘ線管の管軸方向にコンパクトにすることができ、つまり、従来よりも大幅に管長の短いＸ線管を実現できる。
また、平面状電子源とすることにより、ほぼ２次元的広がりを持った平行な電子流が得られるため、ターゲットでの熱発生を分散できる。その結果として、発熱による弊害を抑制しつつ、大出力化が容易となる。
【００１３】
すなわち、上記目的を達成するため、本発明のＸ線管は、上部開口及び下部開口を有し、側壁を貫通する金属電極を有するセラミック胴体部と、前記セラミック胴体部の前記下部開口を封止する下蓋部と、前記下蓋部の上に設けられ、シリコン基板と、シリコンを構成元素のひとつとする絶縁層と、金属薄膜電極と、を有し、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に電界を印加することにより電子を放出するシリコン電子源と、前記セラミック胴体部の前記上部開口を封止し、開口を有するコレクタ電極と、前記コレクタ電極の前記開口を封止するベリリウム板と、前記ベリリウム板の前記シリコン電子源に対向する側に被着され前記シリコン電子源から放出された電子が衝突することによりＸ線を発生させるターゲットと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、半導体からの電子放出を利用し、しかも半導体素子に損傷を与えずに安定的に構築できるＸ線管を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の第２のＸ線管は、開口を有するガラス容器と、前記ガラス容器の中に収容され、シリコン基板と、シリコンを構成元素のひとつとする絶縁層と、金属薄膜電極と、を有し、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に電界を印加することにより電子を放出するシリコン電子源と、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極にそれぞれ接続され、前記ガラス容器の外側に引き出された一対の引き出し電極と、前記ガラス容器の前記開口を封止し、少なくも一部がベリリウム板からなるコレクタ電極と、前記ベリリウム板の前記シリコン電子源に対向する側に被着され前記シリコン電子源から放出された電子が衝突することによりＸ線を発生させるターゲットと、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記構成によっても、半導体からの電子放出を利用し、しかも半導体素子に損傷を与えずに安定的に構築できるＸ線管を提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態にかかるＸ線管の要部構成を例示する模式図である。すなわち、同図（ａ）は、その一部断面平面図、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、同図（ｃ）は、同図（ｂ）の一部拡大図である。
【００１９】
本実施形態のＸ線管は、中空の略円筒状のセラミック胴体部１７、１８と、その上部開口を封止するコレクタ電極１５と、その下部開口を封止する下蓋部２１と、を有する。セラミック製の胴体部１７及び１８は、第１の金属電極１９を挟持して銀ロー接合されている。すなわち、セラミック製の胴体の側壁を金属電極が貫通して設けられている。
【００２０】
下蓋部２１には、排気管２２が接続され、排気ポンプなどの図示しない排気手段により、Ｘ線管の内部封止空間が排気可能とされている。また、下蓋部２１の上面には、下部基台２０、セラミック板２６を介してシリコン電子源１４が設けられている。シリコン電子源１４は、一対の電極を有し、その一方は、ボンディング・ワイヤ３４、３３により、金属電極１９に接続されている。
【００２１】
一方、胴体部１７の上部開口は、接着用金属部１６を介して、ステンレス（ＳＵＳ）などからなるコレクタ電極１５により封止されている。接着用金属部１６とコレクタ電極１５との接合部は、例えばシーム溶接により形成することができる。コレクタ電極１５は、その中央部に、封止空間の側に突出した凸部を有し、この凸部に開口１５Ｈが設けられている。この開口１５Ｈは、ベリリウム（Ｂｅ）板２４により封止されている。そして、ベリリウム板２４の内側にターゲット２３が接着されている。その接続関係は、図１（ｃ）に表した如くである。
【００２２】
図２（ａ）は、下蓋部の積層構造を表す組み立て図である。すなわち、本具体例においては、下蓋部２１は金属板により形成され、シリコン電子源１４の裏面と電気的に接続された電極とされている。
【００２３】
前述したように、一般に、半導体チップは真空中では動作させない。電子管の中に半導体チップを取り付けて正常に動作させるには、第１に真空管の封止工程における高温に耐えるように取り付けねばならない。また、真空中でガスがでるような接着材料（たとえばエポキシ）を使うことはできない。また一般に、半導体チップは電子管を構成する材料や構造との整合性がよくない。
【００２４】
これらの問題を克服するために、本具体例においては、図２（ａ）に表したように、（シリコン電子源１４）／（メタライズつきセラミック板２６）／（金属製の下部基台２０）、という３層構造を形成する。このような３層構造とすることにより、熱膨張率の違いによる半導体チップ破壊を防止し、半導体の動作領域の温度低減を図った。まずシリコン電子源１４の裏面には、モリブデン（Ｍｏ）／金（Ａｕ）（それぞれの厚みは、例えば、０．２／０．５マイクロメータである）という２層構造のオーミック電極８を形成する。
【００２５】
またセラミック板２６の上面と下面には、例えば、モリブデン（Ｍｏ）／マンガン（Ｍｎ）からなる２層構造の厚膜を形成し、さらにその上に金（Ａｕ）を０．５マイクロメータ前後メッキする。そして、シリコン電子源１４が搭載される上面において、これら金属膜をパターニングして、シリコン電子源１４の裏面のオーミック電極８と接続するためのメタライズパターン２７を形成する。シリコン電子源１４のオーミック電極８は、電子管のひとつの電極として外部に引き出す必要がある。従って、セラミック板２６の上面のメタライズパターン２７をセラミック板２６の側面メタライズパターン２９を介してその下面のメタライズパターン３０に接続すると好都合である。シリコン電子源１４とメタライズ２７とは、金属共晶半田３１によって接合する。セラミック板２６の材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＢｅＯなどを用いることができ、熱伝導性と安全性の観点からは、ＡｌＮを用いることが望ましい。
【００２６】
セラミック板２６の下面メタライズ３０は、金属共晶半田３２によって下部基台２０に接続される。下部基台２０は、金属製の下蓋部２１に接合される。下部基台２０は、例えばコバール（ＫＯＶＡＲ：鉄、ニッケル、コバルトを主成分とする合金）や銅タングステン（ＣｕＷ）などの、セラミックと近い熱膨張率を有する材料からなる。また、下部基台２０の表面にニッケルメッキなどを施して、高融点金属半田と接着しやすくするとよい。
【００２７】
半導体素子（シリコン電子源）１４は、図２（ｂ）に表したように、その表面に金属薄膜電極１２が設けられ、さらにその一部に金（Ａｕ）などが積層されたオーバーコート２５が設けられ、電位の均一化が計られている。オーバーコート２５の一部は、ワイヤボンディングのためのコンタクト電極を構成している。そして、ボンディング・ワイヤ３４によってセラミック板２６のメタライズパターン２８に接続されている。
【００２８】
次に、この下蓋部の組み立て工程について説明する。
まず、シリコン電子源１４のオーミック電極８とセラミック板２６の上面のメタライズパターン２７とをＡｕＧｅ共晶半田３１（融点約３５０℃）で接着する。そして、シリコン電子源１４のチップ上面のオーバーコート２５からセラミック板２６の上面のもうひとつのメタライズパターン２８に、ワイヤ３４をボンディングして接続する。その後、セラミック板２６の下面のメタライズ３０と金属製の下部基台２０（下部基台２０を設けない場合は、下蓋部２１）とをＡｕＧｅ共晶半田３２により接着する。なお、共晶半田は、ＡｕＧｅに限らずＡｕＳｉ（融点約３８０℃）、ＡｕＳｎ（融点２８０℃）などを用いてもよい。
【００２９】
次に、ワイヤボンディングにより接続されたメタライズパターン２８と胴体部１７、１８の間から管内に突出して設けられた金属電極１９とをワイヤ３３をボンディングして接続する。あるいは、予め金属電極１９と金属板（たとえばＳＵＳまたはＫＯＶＡＲ製）とを溶接などで接続しておき、その一方をセラミック板２６のメタライズ２８と接続してもよい。
【００３０】
下蓋部２１は金属製であり、排気管２２が銀ロー付けされている。Ｘ線管を加熱しながら、この排気管２２を介してＸ線管の内部を十分に排気した後、排気管２２は圧着封止される。また、金属製の下部基台２０は、下蓋部２１に銀ローつけして固定することができる。なお、下部基台２０は、排気管２２の位置やセラミック板２６の厚みなどに応じて、省略することもできる。
【００３１】
図２（ｃ）は、シリコン電子源１４の断面構造を表す模式図である。すなわち、シリコン基板９の上には、多孔質状のシリコンナノ粒子層１０が設けられ、その上に金属薄膜電極１２が形成されている。また、シリコン基板９の裏面には、オーミック電極８が形成されている。オーバーコート２５は、金属薄膜電極１２に電界が均一に印加されるように、所定のパターンで形成されている。オーバーコート２５の厚みは、０．５マイクロメータ程度とすることができる。
【００３２】
図３は、シリコン電子源１４の要部拡大断面図である。
【００３３】
また、図４（ａ）は、シリコン電子源１４のバンド構造を表す模式図であり、図４（ｂ）は、その動作を説明するための概念図である。
【００３４】
すなわち、多孔質状のナノ粒子層１０は、おおよその大きさがナノメートルのオーダの半導体微結晶のコア１０Ａとそれを被覆する絶縁層１０Ｂとからなるナノ粒子の集合体である。粒子のサイズをナノメートルのオーダーとすることにより、電子の振る舞いがバルク的ではなく量子的となる。絶縁層１０Ｂの厚さは、微結晶コア１０Ａの結晶粒径より小さいことが望ましい。絶縁層１０Ｂを薄くすることにより、トンネル効果により電子を放出させることができる。
たとえば微結晶コア１０Ａの粒径は１〜２０ナノメータ、絶縁層１０Ｂの厚みは１〜１０ナノメータ程度とするとよい。絶縁層１０Ｂの材料としては、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いることができる。
【００３５】
ナノ結晶層１０の上面には、金属薄膜電極１２が設けられている。金属薄膜電極１２の材料としては、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）またはこれら金属の組合せなどが仕事関数の観点から適している。また、電子のトンネル効果を生じさせるために、その膜厚は５〜５０ナノメータとすることが望ましい。また、これら金属薄膜の積層構造とする場合には、例えば、下から順に、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）なる積層構造や、チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）なる積層構造などを用いることができる。
【００３６】
このシリコン電子源１４をＸ線管の中に装着し、真空中で金属薄膜電極１２にプラス電圧を印加して、電圧を上げていくとトンネル効果により金属薄膜電極１２を突き抜けて電子が放出される。コレクタ電極１５を電子管の中でシリコン電子源１４と対向するように設け、金属薄膜電極１２に対してプラスの電位を印加する。
【００３７】
図５は、この時の電流・電圧特性を表すグラフ図である。ここで、「素子電流（Ｉｐｓ）」とは、金属薄膜電極１２とＳｉ基板９との間で流れる電流であり、「放出電流（Ｉｅ）」とは、電子源１４からコレクタ電極１５まで到達する電流である。ここで、コレクタ電圧Ｖｃは、３００ボルトとした。
【００３８】
印加電圧を増加していくと、印加電圧（Ｖｐｓ）が３ボルトで約１０^−６アンペア程度の素子電流（Ｉｐｓ）が流れ、電圧を増加させると素子電流も増加する。そして、１０ボルト付近で約１０^−６アンペア程度の放出電流（Ｉｅ）が得られることが分かる。印加電圧（Ｖｐｓ）を２５ボルトとした時に、素子電流（Ｉｐｓ）は約６０ミリアンペアであり、放出電流（Ｉｅ）は約１００マイクロアンペア得られる。
【００３９】
図６は、このシリコン電子源１４を真空中で連続動作させた時の素子電流（Ｉｐｓ）と放出電流（Ｉｅ）の経時変化を表すグラフ図である。同図から、素子電流と放出電流のいずれも、１０００時間の間にわたって極めて安定しており、シリコン電子源１４が長期間の使用に際して安定した電子源として動作可能であることが分かる。
【００４０】
次に、本実施形態のＸ線管の動作について説明する。
図１に表したように、シリコン電子源１４は、コレクタ電極に接続されたターゲット２３と対向して配置されている。コレクタすなわちターゲット２３に約１０ＫｅＶを印加すると、シリコン電子源１４から放出された電子が加速され、高エネルギを持ちターゲット２３に衝突する。すると、ターゲット２３の材料に応じた特性Ｘ線および制動輻射による連続Ｘ線が発生する。このようなＸ線管は、静電電荷を中和する静電除去装置や、殺菌などの医療用装置に使用することができる。
【００４１】
ターゲット２３の厚みは、その原子量、原子番号、あるいは密度などを勘案して適宜決定することができる。例えば、ターゲットの材料としてタングステン（Ｗ）を用いた場合には、１０ＫｅＶで加速する場合０．０６３マイクロメータ以上の厚みが必要であり、通常はこの２倍程度の厚みとすることが望ましい。ターゲットの材料は、タングステン以外にも、例えば、銅（Ｃｕ）やモリブデン（Ｍｏ）など、必要とされるＸ線の波長に応じて適宜選択することができる。
【００４２】
なお、図１に表した具体例の場合、排気管２２が下蓋部２１と一体に設けられているが、セラミック胴体部１７、１８にとりつけると、管を短くできて、装置の小型化に有利である。
【００４３】
図７は、排気管２２をセラミック胴体部１７にとりつけたＸ線管の具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、図１（ｂ）に対応する断面図である。
【００４４】
本具体例においては、排気管２２は、セラミック胴体部１７の周側壁に、例えばロー付けなどの手段によって取り付けられている。両者の材質に応じて、例えば接合部にコバールなどを適宜用いてもよい。
【００４５】
このＸ線管の組み立て工程においても、管を加熱しながら、排気管２２を介してＸ線管の内部を十分に排気した後、排気管２２を圧着封止することにより、真空封止されたＸ線管を製造できる。そして、排気管２２をセラミック胴体部１７に取り付けることにより、管の高さＨ（管の軸長）を大幅に短くすることができる。その結果として、静電除去装置や各種の医療用装置などに対する取り付け自由度を拡大させ、これら応用装置をコンパクトにすることができる。
【００４６】
なお、排気管２２を取り付ける位置は、図７に表した具体例には限定されず、その他にも、例えば、セラミック胴体部１８に取り付けてもよく、または、これら胴体部１７、１８の接合部に取り付けてもよい。排気管２２を胴体部１７、１８の接合部に取り付ける場合には、電極１９と接続して引き出し電極を兼ねるようにすることもできる。
【００４７】
図８は、本実施形態のＸ線管の変形例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４８】
本変型例においては、胴体部１７の内壁に沿って、略円筒状の集束電極４９が設けられている。集束電極４９は、シリコン電子源１４から放出される電子をターゲット２３に集束させる役割を有する。このために、集束電極４９には、シリコン電子源１４の一対の電極のいずれかと同電位を印加すればよい。または、これらとは異なる電位を独立に印加可能としてもよい。
【００４９】
このような集束電極４９を設けることにより、電子源１４から放出された電子を効率よくターゲット２３に衝突させ、Ｘ線の発生効率を上げることができる。また、Ｘ線のフォーカスサイズを調節することも可能となる。
【００５０】
図９は、胴体部１７の上部開口を封止する上蓋部の変型例を表す模式断面図である。すなわち、本変型例においても、コレクタ電極を兼ねた上蓋部７１の中央付近に開口が設けられ、ベリリウム板（Ｘ線透過窓）７２により封止されている。ベリリウム板７２の内側には、ターゲット７４が接着されている。
【００５１】
そしてさらに、上蓋部７１の封止空間側には、凹部７５が設けられ、そこに金属製ゲッタ材７６（７７）が抵抗溶接などにより接着固定されている。
【００５２】
一般の電子管は、真空封止後に高真空を維持するため、通常は５００℃以上でベーキングをしながら真空排気を行う。このベーキングによって、電子管内部に設けられた金属製ゲッタ材は活性化され、真空封止された後の放出ガス（たとえば酸素や炭素を含有したガス）に対してもゲッタ（吸着）効果を有して高真空度を維持する。これに対して、本実施形態のＸ線管の場合には、シリコン電子源１４の金属薄膜電極１２が変質したり、半田材が溶融するため、５００℃以上に加熱することができない。したがって通常のベーキング／排気工程を採用できない。
【００５３】
そこで、本変型例においては、上蓋部７１の内壁面にゲッタ材７６（７７）を埋め込む。ゲッタ材は、ワイヤ状のゲッタ材７６でもチップ状のゲッタ材７７でもよい。Ｘ線管の内部を真空排気しながら、上蓋部７１を除く電子管の部分は５００℃以下、望ましくは３００〜４００℃の範囲においてベーキングし、上蓋部７１は例えばキセノンランプなどで外部から部分的に加熱する。ゲッタ材７６、７７を４００℃以上、望ましくは４５０℃以上に加熱することによってゲッタの活性化を行う。こうすることにより、シリコン電子源１４の温度上昇を抑えつつ、ゲッタ材７６、７７を活性化させて、封止後にも高真空状態を維持することが可能となる。また、上蓋部７１の凹部７５の中にゲッタ材７６、７７を収容することによって、シリコン電子源１４からの電子ビームがゲッタ材に直接あたることを抑制できる。なお、図９ではゲッタ材７６と７７とが同一の上蓋部に接着固定されているが、いずれか一方のみを設けてもよい。
【００５４】
なお、図８に表した具体例の場合、排気管２２が設けられているが、ゲッタ材７６（７７）を設け、且つ真空容器中でＸ線管の組み立てを行えば、通常のベーキング排気工程を省略できる。つまり、排気管２２は不要となり、さらに短いＸ線管が実現できる。
【００５５】
図１０は、下蓋部の変型例を表す模式断面図である。
すなわち、本変型例においては、下蓋部８２はセラミックにより形成されている。この場合、セラミック製の下蓋部８２の表面にメタライズ８９を施し、この上にシリコン電子源１４を高融点金属共晶半田で接着する。このメタライズ８９はセラミックの胴体部１８との境界にものびているので、電極取り出しリード（たとえばＫＯＶ製）９０と接続することができる。
【００５６】
図１１は、胴体部１８に２個の金属電極を設けた変型例を表す模式断面図である。
金属電極１９とは別に、胴体部１８を貫通する金属電極８４が設けられている。セラミック製の下蓋部８２の表面にはメタライズ８８が施され、シリコン電子源１４は、この上に半田付けされている。そして、このメタライズ８８と金属電極８４とがワイヤ８６により接続されている。すなわち、本変型例においては、金属電極１９はシリコン電子源１４の金属薄膜電極１２と接続され、金属電極８４はシリコン電子源１４のオーミック電極８と接続されている。
【００５７】
図１２は、ガラスを主体として形成されたＸ線管の具体例を表す模式断面図である。
すなわち、本発明におけるＸ線管の真空容器としては、セラミックと金属を主体としたものの代わりに、ガラスを主体としたものを用いることもできる。
【００５８】
ガラス製の真空容器５６を貫通する金属製のリード５０、５５が設けられ、リード５０に金属製の基台５１が接続されている。基台５１の上にはセラミック板５２が実装され、その上に、シリコン電子源５３が図２に関して前述したものと同様の方法により固定されている。
【００５９】
一方、シリコン電子源５３と対向してベリリウム製のＸ線透過窓５９が設けられ、この内側にターゲット５８が接着されている。また、シリコン電子源５３とターゲット５８との間には、真空容器５６の周壁に沿って集束電極５４が設けられている。集束電極５４は、シリコン電子源５３のいずれかの電極と同電位とされ、電子源５４から放出された電子ビームをターゲット５８に集束させる役割を有する。
【００６０】
このように、ガラス封止技術を用いて形成したガラス容器のＸ線管は、軽量コンパクトに形成することができ、一方で比較的大型のＸ線管を低コストに実現することも容易である。
【００６１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、電子源を構成するシリコン電子源の具体的な構造や材質などについては、当業者が公知の範囲から適宜選択し、または設計変更を加えたものも、本発明の要旨を含む限り、本発明範囲に包含される。
【００６２】
また、セラミックあるいはガラス容器、電極、ターゲット、ワイヤなどの具体的な形状や材質、サイズなどについても、当業者が各種の変形加えたものも、本発明の要旨を含む限り本発明の範囲に包含される。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、電子源として半導体素子を用いることにより、従来の電子管カソードに比べて寿命を大幅に改善できる。また、陰極ヒータ用の電力も不要となり、消費電力を低減できる。半導体チップは小さく、Ｘ線管の小型化が図れる。
【００６４】
また、本発明によれば、シリコン電子源を固定するために高融点金属共晶半田を用いることにより、エポキシ系接着剤とは異なり真空中でのガス放出を防止できる。また、セラミック板を介してシリコン電子源を金属製の下部基台に接着することにより、組み立て工程における熱膨張率差によるシリコンチップの「割れ」などを防止することができる。この時、セラミック板に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いれば放熱が改善できて高信頼性が保てる。
【００６５】
また、金属半田として、ＡｕＳｉ，ＡｕＧｅ，ＡｕＳｎなどの融点が２８０から３８０℃程度のものを用いることにより、真空容器の封止前に行うアニール及び排気時の高温に耐えることができる。
また、ターゲットとしてタングステンなどを用いることにより、効率よくＸ線を放射できる。また、セラミック胴体部とコレクタ電極との間に接着用金属部を設けることにより、シーム溶接による封止が可能となり、温度上昇を抑えて気密構造が実現できる。
【００６６】
また、集束電極を設けることにより、コレクタ電極への電子到達率を高めることができる。一方、セラミック胴体部の代わりに、ガラス容器を用いれば、シンプルで形状やサイズを柔軟に変えることができるＸ線管が得られる。
【００６７】
また、コレクタ電極の真空側に凹部を設けてゲッタ材を埋設すれば、５００℃以上ではアニール・真空排気困難なシリコン電子源であっても真空を維持するためのゲッタ材の活性化が可能となり、電子源などからの放出ガスを吸着して高真空度を維持できる。
【００６８】
またさらに、ベーキングや真空排気工程を不要にできるため、排気管が省略できる。この結果として、短い（低い）Ｘ線管を実現でき、各種のＸ線応用装置の大幅な小型化が達成できる。
【００６９】
以上説明したように、本発明によれば、長寿命で小型のＸ線管が実現でき、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるＸ線管の要部構成を例示する模式図である。
【図２】（ａ）は、下蓋部の積層構造を表す組み立て図であり、（ｂ）はシリコン電子源の斜視図であり、（ｃ）は、シリコン電子源１４の断面構造を表す模式図である。
【図３】シリコン電子源１４の要部拡大断面図である。
【図４】（ａ）は、シリコン電子源１４のバンド構造を表す模式図であり、（ｂ）は、その動作を説明するための概念図である。
【図５】シリコン電子源の電流・電圧特性を表すグラフ図である。
【図６】シリコン電子源１４を真空中で連続動作させた時の素子電流（Ｉｐｓ）と放出電流（Ｉｅ）の経時変化を表すグラフ図である。
【図７】排気管２２をセラミック胴体部１７にとりつけた具体例を表す模式図である。
【図８】本発明の実施形態のＸ線管の変形例を表す模式断面図である。
【図９】胴体部１７の上部開口を封止する上蓋部の変型例を表す模式断面図である。
【図１０】下蓋部の変型例を表す模式断面図である。
【図１１】胴体部１８に２個の金属電極を設けた変型例を表す模式断面図である。
【図１２】ガラスを主体として形成されたＸ線管の具体例を表す模式断面図である。
【符号の説明】
９ シリコン基板
１０ シリコンナノ粒子層
１０Ａ コア
１０Ｂ 絶縁層
１２ 金属薄膜電極
１４ シリコン電子源
１５ コレクタ電極
１５Ｈ 開口
１６ 接着用金属部
１７、１８ セラミック胴体部
１９ 金属電極
２０ 下部基台
２１ 下蓋部
２２ 排気管
２３ ターゲット
２４ ベリリウム板
２５ オーバーコート
２６ セラミック板
２７、２８、２９、３０ メタライズ
３１、３２ 共晶半田
３３、３４ ワイヤ
５０、５５ リード
５１ 基台
５２ セラミックス板
５３ シリコン電子源
５４ 集束電極
５６ ガラス真空容器
５８ ターゲット
５９ Ｘ線透過窓
７１ 上蓋部
７２ ベリリウム板
７４ ターゲット
７５ 凹部
７６ ゲッタ材
７７ ゲッタ材
８０ セラミック胴体部
８２ 下蓋部
８４ 金属電極
８６ ワイヤ
８８、８９ メタライズ

Claims (13)

1. 上部開口及び下部開口を有し、側壁を貫通する金属電極を有するセラミック胴体部と、
   前記セラミック胴体部の前記下部開口を封止する下蓋部と、
   前記下蓋部の上に設けられ、シリコン基板と、シリコンを構成元素のひとつとする絶縁層と、金属薄膜電極と、を有し、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に電界を印加することにより電子を放出するシリコン電子源と、
   前記セラミック胴体部の前記上部開口を封止し、開口を有するコレクタ電極と、
   前記コレクタ電極の前記開口を封止するベリリウム板と、
   前記ベリリウム板の前記シリコン電子源に対向する側に被着され前記シリコン電子源から放出された電子が衝突することによりＸ線を発生させるターゲットと、
   を備えたことを特徴とするＸ線管。
2. 金属製の下部基台と、
   上面に互いに絶縁された第１及び第２のメタライズ部を有し、側面に前記第１のメタライズ部と接続された第３のメタライズ部を有し、裏面に前記第３のメタライズ部と接続された第４のメタライズ部を有するセラミック板と、
   をさらに備え、
   前記下蓋部は、金属からなり、
   前記シリコン基板の裏面にはオーミック電極が形成され、
   前記下蓋部の上に前記下部基台が接合され、
   前記下部基台の上に、金属共晶半田により前記セラミック板の前記第４のメタライズ部が接合され、
   前記セラミック板の前記第１のメタライズ部の上に金属共晶半田により前記シリコン電子源の前記オーミック電極が接合され、
   前記シリコン電子源の前記金属薄膜電極は、前記第２のメタライズ部と接続され、
   前記第２のメタライズ部は、前記セラミック胴体部を貫通する前記金属電極と接続されたことを特徴とする請求項１記載のＸ線管
3. 前記下蓋部は、メタライズが施されたセラミックからなり、
   前記シリコン基板の裏面にはオーミック電極が形成され、
   前記メタライズの上に金属共晶半田により前記シリコン電子源の前記オーミック電極が接合され、
   前記シリコン電子源の前記金属薄膜電極は、記セラミック胴体部を貫通する前記金属電極と接続されたことを特徴とする請求項１記載のＸ線管
4. 前記金属共晶半田は、ＡｕＳｉ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ及びＡｇＳｎよりなる群から選択されたいずれかであることを特徴とする請求項２または３に記載のＸ線管。
5. 前記セラミック胴体部と前記コレクタ電極との間に、接着用金属部が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のＸ線管。
6. 前記コレクタ電極の前記シリコン電子源に対向する側には凹部が設けられ、
   前記凹部に金属ゲッタ材が埋設されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のＸ線管。
7. 前記ゲッタ材は、５００℃以下で活性化が可能であることを特徴とする請求項６記載のＸ線管。
8. 前記セラミック胴体部の前記側壁に接続され、前記封止されたセラミック胴体部の内部空間を排気する排気管をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずか１つに記載のＸ線管。
9. 開口を有するガラス容器と、
   前記ガラス容器の中に収容され、シリコン基板と、シリコンを構成元素のひとつとする絶縁層と、金属薄膜電極と、を有し、前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に電界を印加することにより電子を放出するシリコン電子源と、
   前記シリコン基板と前記金属薄膜電極にそれぞれ接続され、前記ガラス容器の外側に引き出された一対の引き出し電極と、
   前記ガラス容器の前記開口を封止し、少なくも一部がベリリウム板からなるコレクタ電極と、
   前記ベリリウム板の前記シリコン電子源に対向する側に被着され前記シリコン電子源から放出された電子が衝突することによりＸ線を発生させるターゲットと、
   を備えたことを特徴とするＸ線管。
10. 前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に多孔質状のシリコン層が形成され、前記多孔質状のシリコン層の一部が酸化されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のＸ線管。
11. 前記シリコン基板と前記金属薄膜電極との間に多孔質状のシリコン層が形成され、前記多孔質状のシリコン層の一部が窒化されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のＸ線管。
12. 前記シリコン電子源と前記コレクタ電極との間に、前記シリコン電子源から放出された電子を集束する集束電極が設けられたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載のＸ線管。
13. 前記ターゲットは、タングステンからなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載のＸ線管。

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