JP2005166565A

JP2005166565A - 陰極、ｘ線発生装置及びｘ線発生方法

Info

Publication number: JP2005166565A
Application number: JP2003406649A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Sato; 睦佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】コンパクト化が容易に実現できる陰極、Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法を提供する。
【解決手段】多層カーボンナノチューブ１２からなるエミッタ５を有する陰極２と、該陰極２のエミッタ５から放出された電子６が衝突するとＸ線７を発生するＣｕターゲット３とを設けた。陰極２及びＣｕターゲット３に電源４を接続し、該電源４によってＣｕターゲット３の陰極２に対する電位を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンパクトな陰極、Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法に関するものである。

従来、Ｘ線発生装置は、加熱が必要な熱陰極の代わりに、カーボンナノチューブでエミッタ材料を構成した陰極を使用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。この技術によると、熱陰極を使用することに伴うさまざまな問題点、例えば陰極を高温加熱するために高出力の加熱源が必要になり、熱対策が必要になるなどの問題点を解消することができる。
特開２００１−２５０４９６号

しかし、上記の技術では、陰極のエミッタから放出された電子を絞るために、ウェネルトと該ウェネルト及び陰極に接続する電極とを備えており、装置をコンパクトにするのが困難であった。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、コンパクト化が容易に実現できる陰極、Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法を提供することを目的とする。

本発明は、ターゲットに電子を放出するエミッタを有し、該エミッタが多層カーボンナノチューブからなることを特徴とする陰極である。前記多層カーボンナノチューブの先端部が切断されているのが好ましい。

また、本発明は、陰極と該陰極に対向するターゲットとを備え、前記陰極及び前記ターゲットに電源を接続し、該電源によって前記ターゲットの前記陰極に対する電位を制御するＸ線発生装置において、前記陰極のエミッタが多層カーボンナノチューブからなることを特徴とするＸ線発生装置である。前記多層カーボンナノチューブの先端部が切断されているのが好ましい。

また、本発明は、多層カーボンナノチューブからなるエミッタを有する陰極と、該陰極のエミッタから放出された電子が衝突するとＸ線を発生するターゲットとを設け、前記陰極及び前記ターゲットに電源を接続して行うＸ線発生方法であって、前記電源によって前記ターゲットの前記陰極に対する電位を制御して、前記ターゲットに向かう前記エミッタからの電子放出量を制御することを特徴とするＸ線発生方法である。前記多層カーボンナノチューブの電子放出端部が切断されているのが好ましい。

本発明に係る陰極は、エミッタが多層カーボンナノチューブからなるので、単位面積当たりの電子放出量を増加することができ、コンパクトに構成することができるという効果を有する。また、多層カーボンナノチューブの先端部が切断されていると、ターゲットへの電子放出量が増加するので、同陰極のさらなるコンパクト化を実現することができる。
本発明に係るＸ線発生装置は、陰極のエミッタを微細な多層カーボンナノチューブで構成しているので、コンパクトで低消費電力を実現することができるという効果を有する。また、多層カーボンナノチューブの先端部が切断されていると、ターゲットへの電子放出量が増加するので、さらなるコンパクト化及び省電力化を実現できる。
本発明に係るＸ線発生方法は、上記Ｘ線発生装置と同様の効果を有する。

次に、本発明に係る陰極、Ｘ線発生装置及びＸ線発生方法の実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明をＸ線源に適用した場合の構成を図１に示す。このＸ線源は、例えばＸ線回折装置用Ｘ線源や、手荷物検査あるいは食品異物検査用Ｘ線源などに用いることができる。

Ｘ線封入管ないしは真空管１内には、陰極２と該陰極２に対向するＣｕターゲット（陽極）３とが配設されており、陰極２及びＣｕターゲット３に電源４が接続されている。この電源４によってＣｕターゲット３の陰極２に対する電位を制御し、Ｃｕターゲット３に向かってエミッタ５から放出される電子６の量を制御している。なお、Ｘ線封入管１内は、１×１０^-3Ｐａの真空度に保たれている。

陰極２のエミッタ５から放出された電子６は、Ｃｕターゲット３の表面３ａに衝突し、Ｘ線７を発生させる。発生したＸ線７は、Ｘ線封入管１外に配置されたモノクロメータないしは分光器（図示省略）及びスリット８で絞られ、検査対象物９に照射される。検査対象物９の後方には、検出用のシンチレータ１０とＣＣＤセンサないしはＣＭＯＳセンサ１１が配設されている。なお、Ｃｕターゲット３の代わりにＷターゲットを用いても良い。

Ｘ線源に用いる陰極２のエミッタ５は、図２に示すような多層カーボンナノチューブ１２からなる。例えばＸ線封入管１の電圧が１ｋＶのときには、多層カーボンナノチューブ１２の断面積１ｍｍ²から１０ｍＡ相当の電子を放出させることが可能である。

陰極２のエミッタ５は、次のようにして製造することができる。すなわち、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属微粒子を生成触媒として埋め込んだＳｉ基板１３上に、メタンガスを原料にしてプラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）で多層カーボンナノチューブ１２を例えば直径１０μｍまで成長させる。さらに成長中にＳｉ基板１３付近に電場を垂直に印加し、これにより、Ｓｉ基板１３上に多層カーボンナノチューブ１２が垂直に形成され、カソードすなわちエミッタ５とする。図１に示すように、多層カーボンナノチューブ１２の先端部ないしは電子放出端部１２ａが、電子ビームなどで切断されている。この切断をすることによって、いわゆるフラットエンドよりも電子放出量が増加する。なお、Ｓｉ基板１３の代わりにアルミナ基板を用いても良い。

ここで、陰極２（Ｓｉ基板１３＋多層カーボンナノチューブ１２群）の寸法は、横が１ｍｍ、縦が１ｍｍ、高さが５１０μｍであり、陽極であるＣｕターゲット３の寸法は横が２ｍｍ、縦が２ｍｍ、奥行きが２ｍｍである。

Ｘ線回折装置用Ｘ線源の場合、真空管１全体の寸法は縦が１cｍ、横が５ｍｍ、奥行きが５ｍｍであり、多層カーボンナノチューブ１２の先端部１２ａから陽極（Ｃｕターゲット３またはＷターゲット）までは４ｍｍである（１０ｋＶ／ｍｍの電場を印加）。また、Ｘ線管電圧４０ｋＶ、Ｘ線管電流２０ｍＡが典型的な値である。

また、手荷物検査あるいは食品異物検査用Ｘ線源の場合、真空管１全体の寸法は縦が２cｍ、横が５ｍｍ、奥行き５ｍｍであり、多層カーボンナノチューブ１２の先端部１２ａから陽極（Ｃｕターゲット３またはＷターゲット）までは、１４ｍｍである（１０ｋＶ／ｍｍの電場を印加）。また、Ｘ線管電圧１４０ｋＶ、Ｘ線管電流０．２ｍＡが典型的な値である。

多層カーボンナノチューブ１２を利用したＸ線源には次のような特長がある。
（１）従来の電子源であるタングステンワイヤなどは、電流を流し加熱して熱電子を放出させるとともに、１０ｋＶ以上の電圧を印加し、ターゲットに照射させなければならない。すなわち、従来法のタングステンワイヤによる熱電子発生法では、例えば１０ｍＡ／ｍｍ²相当の熱電子発生量を得るには、タングステンワイヤを２６００ｋの温度に加熱しなければならず、この時１ｇ当たり５００Ｊ程度の電力が必要となる。また、タングステンの仕事関数は４．５４Ｖで、１０ｍＡ相当の電子放出に必要な電力は単位時間当たり０．０４５４Ｗとなり、１時間照射すると、１６３Ｊの電力が別途必要となる。これに対し、多層カーボンナノチューブを用いると、上記加熱電力が不要であり、また、仕事関数も小さいため、低消費電力を実現できる。ディスプレイの電子源としての利用を想定した場合、多層カーボンナノチューブ１２は比較的低印加電圧（５００Ｖ弱）で電子を放出し、加熱の必要もないため、低消費電力の電子源であるといえる。
（２）多層カーボンナノチューブ１２は直径が数ｎｍ〜数十ｎｍ、長さが数μｍ〜数十μｍと微細であり、従来のＸ線源装置よりコンパクト化が図れる。
（３）陽極（金属ターゲット）の電子照射面が小さいため、陽極を従来よりもコンパクト化でき、ラジエーター（冷却水）による冷却の必要性も小さい。
（４）ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ１１を併用することにより、検査対象物９の透過画像をデジタルに記録・観察できる。
（５）多層カーボンナノチューブ１２は高強度材料であり、高寿命である。
（６）多層カーボンナノチューブ１２からの放出電子６は、収束性が高く、放出電子量の確保が、従来の電子源より高い。

このように、多層カーボンナノチューブ材はコンパクトで低消費電力のＸ線源としてのポテンシャルを有している。したがって、電子を放出しやすい多層カーボンナノチューブの利用により陰極２を従来よりもコンパクト化でき、同時に電子照射面が小さく陽極もコンパクト化できるため、装置全体のコンパクト化が可能となる。

本発明の一実施形態に係るＸ線発生装置の概略構成図である。図１のＸ線発生装置に用いる多層カーボンナノチューブの斜視図である。

符号の説明

１Ｘ線封入管
２陰極
３Ｃｕターゲット
３ａ表面
４電源
５エミッタ
６電子
７Ｘ線
８スリット
９検査対象物
１０シンチレータ
１１センサ
１２多層カーボンナノチューブ
１２ａ先端部
１３Ｓｉ基板

Claims

ターゲットに電子を放出するエミッタを有し、該エミッタが多層カーボンナノチューブからなることを特徴とする陰極。
前記多層カーボンナノチューブの先端部が切断されていることを特徴とする請求項１に記載の陰極。
陰極と該陰極に対向するターゲットとを備え、前記陰極及び前記ターゲットに電源を接続し、該電源によって前記ターゲットの前記陰極に対する電位を制御するＸ線発生装置において、
前記陰極のエミッタが多層カーボンナノチューブからなることを特徴とするＸ線発生装置。
前記多層カーボンナノチューブの先端部が切断されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線発生装置。
多層カーボンナノチューブからなるエミッタを有する陰極と、該陰極のエミッタから放出された電子が衝突するとＸ線を発生するターゲットとを設け、前記陰極及び前記ターゲットに電源を接続して行うＸ線発生方法であって、
前記電源によって前記ターゲットの前記陰極に対する電位を制御して、前記ターゲットに向かう前記エミッタからの電子放出量を制御することを特徴とするＸ線発生方法。
前記多層カーボンナノチューブの電子放出端部が切断されていることを特徴とする請求項５に記載のＸ線発生方法。