JP2007280958A - マイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システム - Google Patents

Abstract

【課題】高真空を保持しながら容易に炭素ナノチューブ陰極を入れ替えることが可能な放射線管システムを提供すること。
【解決手段】真空空間を提供するハウジングと；ハウジングの内部に設置される陽極と；陽極に対応し、表面に炭素ナノチューブが成長されている炭素ナノチューブ基板と；炭素ナノチューブ基板に電圧を印加する陰極板と；炭素ナノチューブ基板と結合されハウジングに脱着自在に設置されるサンプルプローブと；炭素ナノチューブ基板から電子を円滑に抽出するためのグリッド電極と；グリッド電極をパスした電子を集束する電子集束レンズと；サンプルプローブの周りに複数設置されるフィードスルーと；ハウジング内部の真空状態を保持するためにハウジングの内部と外部を遮断させる真空バルブと；を含むことを特徴とする、マイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムが提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は炭素ナノチューブ基板の放射線管システムに関するもので、より詳しくは、電子が放出される量子力学的電界放出（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）原理を利用し、電子放出源として炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）を陰極で使い、炭素ナノチューブ陰極に問題が発生した場合に、高真空を保持しながら使用者が容易に炭素ナノチューブ陰極を入れ替えられることができる、マイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムに関するものである。

従来使われている放射線管（Ｘ−ｒａｙ ｔｕｂｅ）システムにおけるタングステンフィラメント陰極はフィラメント自体の加熱を通して発生する熱電子によってＸ線光源を放出する。しかし、このようにタングステンフィラメント陰極を使う放射線管システムは、その規模が巨大であるために相対的に多くの製作費用が必要であり、また場所が限定されていて利用者の使用に限界がある。また、フィラメントの加熱によって発生する熱電子は放出される方向が一定でないため放射線の質が落ち、低い熱電子密度によってターゲットから発生する放射線の発生効率が低く、フィラメント及び集束部から発生するガスによって真空度が顕著に落ち内部放電が発生して使用できなくなる場合がある。

さらに、熱によるターゲットの寿命短縮が一つの問題点として指摘されて来た。なお、タングステンフィラメントの使用が長くなる場合、フィラメントの表面でタングステンが蒸発しその外径が減っていきながら熱電子放出特性が変わっていく。この時蒸発したタングステンはガラスバルブの内壁に蒸着し高圧縁切りを低下させ、透過放射線量が減るという問題点がある。このような問題点を解決するために、フィラメント陰極を利用した分離型の放射線管が提示されているが、光源がフィラメントであるため、言及した多くの問題点に対する根本的な解決策ではない。

一方、最近研究されているレーザー基盤の放射線放出光源技術及び巨大な放射光を利用した光源技術は莫大な設置費と空間的体積及び移動性などの制約によって機械及び半導体産業での適用が難しく、多くの商業的制約が伴うので純正科学分野のような特定の研究分野に限定して利用されているのが実情である。また、炭素ナノチューブ基板のＸ線発生装置の研究が韓国内及び国外の一部研究機関で進行されてはいるが、Ｘ線チューブの構造が従来のタングステンフィラメントを利用したチューブのような形態の封入型の構造であったり、分解組立ての可能な構造であったりしたとしても分解組立の方法が非常に複雑であって、特に分解組立の際、高真空が破壊するという問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電子が放出される量子力学的電界放出原理を利用して電子放出源として炭素ナノチューブを陰極で使い、炭素ナノチューブ陰極に問題が発生する場合、高真空を保持しながら使用者が容易に炭素ナノチューブ陰極を入れ替えることが可能な、新規かつ改良されたマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、陰極から放出された電子が陽極に衝突し放射線を放出する放射線管システムにおいて：陰極から放出された電子が陽極に衝突し放射線を放出するための真空の空間を提供するハウジングと；ハウジングの内部の一側に設置され外部から印加された電圧によって電界を形成して陰極から放出された電子を加速して自らに到逹するようにする陽極と；陽極に対応する陰極としてハウジング内部の陽極から一定距離離隔された位置に設置され、表面には電圧印加によって電子を放出する炭素ナノチューブが成長されている炭素ナノチューブ基板と；炭素ナノチューブ基板を支持及び固定し、炭素ナノチューブ基板に電圧を印加するための陰極板と；炭素ナノチューブ基板に異常がある時、異常のある炭素ナノチューブ基板だけを入れ替えるように炭素ナノチューブ基板と結合され一体化されたセットになってハウジングに脱着自在に設置されるサンプルプローブと；炭素ナノチューブ基板の前方に設置され、炭素ナノチューブ基板から電子を円滑に抽出するためのグリッド電極と；グリッド電極の前方に設置され、グリッド電極をパスした電子を集束して陽極にマイクロレベルの焦点が形成できるようにする電子集束レンズと；サンプルプローブの周りに複数設置され、陰極、グリッド電極及び電子集束レンズに電圧を印加するためのフィードスルーと；ハウジングの一側に脱着自在に設置され、炭素ナノチューブ基板を入れ替える際にハウジング内部の真空状態を保持するための真空ポンプ及びサンプルプローブをハウジングに挿入及びハウジングから分離する際に、ハウジングの内部と外部を遮断させる真空バルブと；を含むことを特徴とする、マイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムが提供される。

電子集束レンズは漏斗形管（截頭円錐体）の形態に形成されていてもよい。

ハウジングの外周面には、ハウジングを電気的に加熱してハウジングの内壁及びハウジングを成している材質を脱気体化することによって、さらにハウジングの真空度を増大させる熱線を備えていてもよい。

熱線が設置されたハウジングの周りには熱線の外部露出を防止し、熱線から発生された熱の外部への損失を遮断するための断熱材を備えていてもよい。

以上説明したように本発明によれば、第一、基本的な三極構造の陰極とグリッド電極及び陽極からなり、製作が容易で、改良された電子ビーム集束レンズによって陽極にマイクロ単位の電子ビームの集束が可能である。第二、電子集束レンズの形象を漏斗形態(tapered-type)に作れることによって、電子が集束される面積を相当量狭めてくれることができる。第三、炭素ナノチューブが成長されている基板がプローブ形態のサンプルホルダーに装着していて放射線管で真空を保持しながら炭素ナノチューブ基板を容易に分離することができる。

したがって、以上のような長所及び効果を有する本発明の放射線管システムは、既存の放射線管システムとの市場競争で優位を占めることができることと期待される。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１及び図２は本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムを示すものであって、図１は放射線管の概略的な構成を示す説明図であり、図２は放射線管システムの全体的な構成を示す説明図である。

図１及び図２に示したように、本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムは、ハウジング１０１と、陽極１０２と、炭素ナノチューブ基板１０３と、陰極板１０４と、サンプルプローブ１０５と、グリッド電極１０６と、電子集束レンズ１０７と、フィードスルー１０８と、真空ポンプ１０９と、真空バルブ１１０と、を包んで構成される。

ハウジング１０１は、陰極から放出された電子が陽極に衝突して放射線を放出するための真空の空間を提供する。このようなハウジング１０１の材質では真空の保持が可能で、必要時にハウジング内部のガス（電子が陽極１０２のターゲットに衝突して放射線が発生する際、放射線の発生とともに発生したガス）を無くすため電気的に加熱することができる材質、例えばパイレックス（Ｐｙｒｅｘ；登録商標）、ガラス、セラミックス、ステンレススチールなどを使うことができる。

陽極１０２は、ハウジング１０１の内部の一側に設置され、外部から印加された電圧によって電界を形成し、陰極から放出された電子を加速して自らに到逹するようにする。このような陽極１０２の材質には、放射線放出が容易な伝導性物質、例えばタングステンなどを使うことができる。

炭素ナノチューブ基板１０３は、陽極１０２に対応する陰極として、ハウジング１０１内部の陽極１０２から一定距離で離隔された位置に設置され、その表面には電圧印加によって電子を放出する炭素ナノチューブが成長されている。

陰極板１０４は、炭素ナノチューブ基板１０３を支持及び固定し、炭素ナノチューブ基板１０３に電圧を印加するためのものである。このような陰極板１０４の材質には、電圧の印加が容易な伝導性物質、例えばステンレススチールなどを使うことができる。

サンプルプローブ１０５は、炭素ナノチューブ基板１０３に異常がある時に、炭素ナノチューブ基板１０３だけを入れ替えるように炭素ナノチューブ基板１０３と結合され一体化されたセットを成して、ハウジング１０１に脱着自在に設置される。このようなサンプルプローブ１０５は、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、適用される炭素ナノチューブ基板１０３の形態によって多様な構造で形成することができる。

グリッド電極１０６は、炭素ナノチューブ基板１０３の前方に設置され、炭素ナノチューブ基板１０３から電子を円滑に抽出するためのものである。このようなグリッド電極１０６は電子の抽出が容易になるよう、網の太さは細く、各々のホールの大きさは大きいものが使われ、材質には電圧印加が容易な伝導性物質、例えばタングステンやステンレススチールなどを使うことができる。

電子集束レンズ１０７は、グリッド電極１０６の前方に設置され、グリッド電極１０６をパスした電子を集束して陽極１０２にマイクロレベルの焦点が形成されることができるようにする。このような電子集束レンズ１０７は図４の（Ａ）のように漏斗形の管（截頭円錐体）や（Ｂ）の円形の管の形で製作することができる。しかし、好ましくは電子の高密度集束のために前記（Ａ）と同じ漏斗形の管（截頭円錐）の形で製作される。

そして、このような電子集束レンズ１０７の材質には、電圧の印加が容易な伝導性物質、例えばステンレススチールを用いることができる。また、電子集束レンズ１０７の長さと内径は、最適の電子ビーム高密度集束のために多様に変更することができる。

フィードスルー１０８は、図５に示したように、サンプルプローブ１０５の周辺に複数設置され、陰極（炭素ナノチューブ基板）１０３、グリッド電極１０６及び電子集束レンズ１０７に電圧を印加するためのものである。

真空ポンプ１０９は、ハウジング１０１の一側に脱着自在に設置され、炭素ナノチューブ基板１０３を入れ替える際、ハウジング１０１内部の真空状態を保持するためのものである。ここで、真空ポンプ１０９はこのように炭素ナノチューブ基板１０３を入れ替える時に、ハウジング１０１の内部の真空状態を保持するためのものでもあるが、そのような炭素ナノチューブ基板１０３の入れ替えとは関係なく、放射線管（ハウジング）の真空度が設定された基準値以下に低下した時、その真空度をさらに高めるために使うことができるということは当然のことである。

真空バルブ１１０は、サンプルプローブ１０５をハウジング１０１に挿入及びハウジング１０１から分離する時、ハウジング１０１の内部と外部を遮断させるためのものである。

図１及び図２における符号１１５は、炭素ナノチューブ基板１０３から放出された電子を、符号１２１は放射線の放出時にノイズ放射線を減らして要求される放射線を透過させるためのベリリウム窓を、符号１２２は電子集束レンズ１０７とグリッド電極１０６との間およびグリッド電極１０６と陰極（炭素ナノチューブ基板）１０３との間を遮断するための遮断層を、符号１２３はサンプルプローブ１０５のハウジング１０１への結合時に真空保持ができるようにし、サンプルプローブ１０５のハウジング１０１への結合及び分離を容易にするためのオーリングを、符号１２４は電子集束レンズ１０７とグリッド電極１０６及び陰極（炭素ナノチューブ基板）１０３とフィードスルー１０８との電気的な連結のための電線をそれぞれ示す。

一方、以上のような構成を有する本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおいて、好ましくは図６に示したように、ハウジング１０１の外周面には、必要となる時にハウジング１０１を電気的に加熱してハウジング１０１の内壁及びハウジング１０１を成している材質から脱気体（ｏｕｔｇａｓ）化することによって、さらにハウジング１０１（放射線管）の真空度を増大させるための熱線１３０が設置される。そして、その熱線１３０が設置されたハウジング１０１の周りには熱線１３０の外部露出を防止し、また熱線１３０から発生された熱の外部への損失を遮断するための断熱材が設置される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおける放射線管の概略的な構成を示す図面である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムの全体的な構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおいて、炭素ナノチューブ基板及びサンプルプローブの多様な実施例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおいて、電子集束レンズの実施例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおいて、サンプルプローブ及びフィードスルーの設置関係を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システムにおいて、真空度の増大のためハウジングの外周面に設置された熱線を示す説明図である。

符号の説明

１０１ ハウジング
１０２ 陽極
１０３ 炭素ナノチューブ基板(陰極)
１０４ 陰極板
１０５ サンプルプローブ
１０６ グリッド電極
１０７ 電子集束レンズ
１０８ フィードスルー
１０９ 真空ポンプ
１１０ 真空バルブ
１１５ 電子
１２１ ベリリウム窓
１２２ 縁切り層
１２３ オーリング
１２４ 電線
１３０ 熱線

Claims (4)

1. 陰極から放出された電子が陽極に衝突し放射線を放出する放射線管システムにおいて：
   前記陰極から放出された電子が陽極に衝突し放射線を放出するための真空の空間を提供するハウジングと；
   前記ハウジングの内部の一側に設置され外部から印加された電圧によって電界を形成して陰極から放出された電子を加速して自らに到逹するようにする陽極と；
   前記陽極に対応する陰極として前記ハウジング内部の陽極から一定距離離隔された位置に設置され、表面には電圧印加によって電子を放出する炭素ナノチューブが成長されている炭素ナノチューブ基板と；
   前記炭素ナノチューブ基板を支持及び固定し、前記炭素ナノチューブ基板に電圧を印加するための陰極板と；
   前記炭素ナノチューブ基板に異常がある時、異常のある炭素ナノチューブ基板だけを入れ替えるように前記炭素ナノチューブ基板と結合され一体化されたセットになって前記ハウジングに脱着自在に設置されるサンプルプローブと；
   前記炭素ナノチューブ基板の前方に設置され、前記炭素ナノチューブ基板から電子を円滑に抽出するためのグリッド電極と；
   前記グリッド電極の前方に設置され、前記グリッド電極をパスした電子を集束して前記陽極にマイクロレベルの焦点が形成できるようにする電子集束レンズと；
   前記サンプルプローブの周りに複数設置され、前記陰極、前記グリッド電極及び前記電子集束レンズに電圧を印加するためのフィードスルーと；
   前記ハウジングの一側に脱着自在に設置され、前記炭素ナノチューブ基板を入れ替える際に前記ハウジング内部の真空状態を保持するための真空ポンプ及び前記サンプルプローブを前記ハウジングに挿入及び前記ハウジングから分離する際に、前記ハウジングの内部と外部を遮断させる真空バルブと；
   を含むことを特徴とする、マイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システム。
2. 前記電子集束レンズは漏斗形の管（截頭円錐体）の形態に形成されていることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システム。
3. 前記ハウジングの外周面には、前記ハウジングを電気的に加熱して前記ハウジングの内壁及び前記ハウジングを成している材質を脱気体化することによって、さらに前記ハウジングの真空度を増大させる熱線を備えていることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システム。
4. 前記熱線が設置された前記ハウジングの周りには前記熱線の外部露出を防止し、前記熱線から発生された熱の外部への損失を遮断するための断熱材を備えていることを特徴とする、請求項３記載のマイクロ集束レベルの電子ビーム発生用炭素ナノチューブ基板分離型の放射線管システム。