JP2008047498A - 電子エミッタ材料および電子放出応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れ、かつ大電流の電界電子放出が可能な電子エミッタ材料、およびこのような電子エミッタ材料を用いた電子放出応用装置を提供することを目的とする。
【解決手段】炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させた電子エミッタ材料。また、前記ダイヤモンド粉末が、ナノダイヤ粉末である電子エミッタ材料。そして、前記電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置した電子放出応用装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、耐久性に優れ、かつ大電流の電界電子放出が可能な電子エミッタ材料および電子放出応用装置に関するものである。

電子の電界放出を応用した製品として、Ｘ線分析装置を例にとって以下説明する。高電圧で加速された電子を金属ターゲットに衝突させることによりＸ線が発生するが、Ｘ線分析装置の電子放出源としては、タングステン（Ｗ）フィラメントを１８００〜２０００℃に加熱して発生する熱電子を利用する方式が最も簡易である。しかしながら、この方式ではフィラメントの加熱に大きな電力を要し、熱電子発生効率が低い上、フィラメント周辺部を冷却する必要があるため、装置構成が大きくならざるを得ないという問題点がある。

このような問題点を回避するために、酸化タングステン等のように比較的低い温度で熱電子を発生する材料を直接フィラメントにコーティングして発熱させる直熱型や、このような材料を別のフィラメントで加熱する傍熱型の方式として用いることによって、使用温度を約８００℃と低くすることが出来るが、長期間の使用において材料の劣化が問題となる。

これに対し、タングステン（Ｗ）やランタンボライド（ＬａＢ_６）等の先鋭なフィラメントを用いた方式においては、このフィラメントに数ｋＶの電圧を印加すると、その先端に１０^７Ｖ・ｃｍ程度の強電界が発生し、電子の電界放出が起こる。しかし、この方式では、残留ガスの吸着による特性劣化を防ぐために１０^−８ Pa以上の超高真空を維持する必要があり、更に、１００ｍＡ以下の電流しか電子の安定的な放出を得られないという問題点がある。

以下、従来例に係る電子放出技術を、図９〜１１を参照しながら説明する。図９は従来技術１を示す模式図、図１０は従来技術２を示す模式図、図１１は従来技術３を示す模式図である。先ず、図９は、電子源より放出された電子をターゲットに照射する方式の一例を示したものである（従来技術１）。

この従来技術１によれば、フィラメント型の電子源２１から発生する電子２２をウエネルト型の電極２３で引出し、ターゲット２４に照射する。電子エネルギーの制御には加速電圧Ｅ_ａを変え、また放出電流を制御するためにはフィラメント電圧Ｅ_ｆによりフィラメント温度を変える。ウエネルト型の電極電位は通常はフィラメントと同じに設定するが、負電位を印加することにより、ある程度は電子ビーム２２を絞ることが出来る（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、従来技術２を示し、ウエネルト型の電極２３とターゲット２４の間にグリッド２５を設け、グリッド電位Ｅ_ｇを変えることにより電流制御を行なう例である（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、前記従来技術１や従来技術２の方式では、電流がせいぜい１００μＡ程度しか得られないという問題がある。

また、タングステン（Ｗ）やランタンボライド（ＬａＢ_６）のフィラメント表面が酸化されたりガスが吸着するなどして、電界電子放出効率が低下するという問題がある。更に、前記電子源材料自体の寿命が短かいため、頻繁にクリーニングしたり、電子源材料を交換しなければならないという問題もある。

さて、ダイヤモンドは「負の電子親和力（Negative Electron Affinity:ＮＥＡ）」という電子特性を有しており、金属などと比較して低電界で電子放出が起こることが知られており、多くの研究開発がなされている。

図１１は、このようなダイヤモンドを用いた微小電子源の一例を示したものである（従来技術３）。この従来技術３によれば、カソードである突起加工したダイヤモンド膜２７に、電源３０により負電圧Ｕを印加すると電子放出が生じ、アノード金属２６に衝突してＸ線が発生する（非特許文献１参照）。このような構造では、微小な電子放出は得られるが、電圧Ｕを高くすると電流がダイヤモンド突起先端に集中し、発熱のため突起先端が破壊され電子放出効率が低下する。
特開２００３−３６８０５号公報 P. Rangsten et al, "Field-emitting structures intended for a miniature X-ray source", Sensors and Actuators, Vol. 82, pp. 24-29 (2000)

上記従来技術１〜３で説明したように、これまでは、ダイヤモンドを用いて微細加工により先鋭なチップを作製し、低電界で電子放出を生じさせる研究開発が殆どであった。しかしながら、工業的な観点からは、１０ｋＶ程度の電源は低価格であり、低電界で電子放出させる格段の理由はない。むしろ、高電圧を印加して、大電流が引出せ、しかも電子源の耐久性が優れていることが要求される。

従って、上述したようなダイヤモンドの特異な物性を活用しつつ、新たな電子源の材料を見出すことが当面の最大の課題である。本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、耐久性に優れ、かつ大電流の電界電子放出が可能な電子エミッタ材料、およびこのような電子エミッタ材料を用いた電子放出応用装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る電子エミッタ材料が採用した手段は、炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させたことを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る電子エミッタ材料が採用した手段は、請求項１に記載の電子エミッタ材料において、前記ダイヤモンド粉末がナノダイヤ粉末であることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る電子エミッタ材料が採用した手段は、請求項１または２に記載の電子エミッタ材料において、前記ダイヤモンドが、連続的なダイヤモンド膜、不連続的なダイヤモンド膜乃至はダイヤモンド粒子として前記炭素発泡体上に固定されていることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る電子エミッタ材料が採用した手段は、請求項３に記載のエミッタ材料において、前記ダイヤモンドの膜厚乃至は粒子径が０．１〜５μｍであることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る電子エミッタ材料が採用した手段は、請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の電子エミッタ材料において、前記ダイヤモンドが、アンドープ、ホウ素（Ｂ）ドープ、燐（Ｐ）ドープ乃至は硫黄（Ｓ）ドープされていることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係る電子放出応用装置が採用した手段は、前記請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置したことを特徴とするものである。

本発明の請求項７に係る電子放出応用装置が採用した手段は、請求項６に記載の電子放出応用装置において、前記電子引き出し用グリッド電極が、平面状、凹状および凸状の何れか乃至はこれらを組み合わせた形状を有することを特徴とするものである。

本発明の請求項８に係る電子放出応用装置が採用した手段は、請求項６または７に記載の電子放出応用装置において、前記電子エミッタ材料から放出された電子を金属に衝突させ、Ｘ線を発生させるＸ線源となしたことを特徴とするものである。

本発明の請求項９に係る電子放出応用装置が採用した手段は、請求項６または７に記載の電子放出応用装置において、前記電子エミッタ材料から放出された電子を蛍光体に衝突させ、光を発生させる光源となしたことを特徴とするものである。

本発明の請求項１０に係る電子放出応用装置が採用した手段は、請求項６または７に記載の電子放出応用装置において、前記電子エミッタ材料から放出された電子を、隔壁を透過して外部の材料表面に照射し、表面改質を行なう電子照射装置となしたことを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る電子エミッタ材料によれば、炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させたものであるから、このダイヤモンドの持つ負の電子親和力（ＮＥＡ）特性によって、高電圧を印加して大電流が引出せ、しかも電子源としての耐久性が優れた特性が得られる。

また、本発明の請求項２に係る電子エミッタ材料によれば、前記ダイヤモンドがナノダイヤ粉末であるので、前記炭素発泡体への吸着時に表面の凹凸に固定され易く、かつ剥がれ難くなるため、電子放出効率と耐久性に優れた電子エミッタ材料が得られる。

更に、本発明の請求項３に係る電子エミッタ材料によれば、前記ダイヤモンドが、連続的なダイヤモンド膜、不連続的なダイヤモンド膜乃至はダイヤモンド粒子として前記炭素発泡体上に固定されているので、電子放出効率に優れた電子エミッタ材料が得られる。

更にまた、本発明の請求項４に係る電子エミッタ材料によれば、前記ダイヤモンドの膜厚乃至は粒子径が０．１〜５μｍであるので、耐久性や電子放出効率に優れ、かつ前記炭素発泡体との熱膨張率差による剥離を回避することが出来る。

本発明の請求項５に係る電子エミッタ材料によれば、前記ダイヤモンドが、アンドープ、ホウ素（Ｂ）ドープ、燐（Ｐ）ドープ乃至は硫黄（Ｓ）ドープされているので、前記炭素発泡体からダイヤモンド膜乃至は粒子への電子が移動し易くなる。

一方、本発明の請求項６に係る電子放出応用装置によれば、前記請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置したので、前記ダイヤモンド膜乃至は粒子からの電子の放出が促進される。

また、本発明の請求項７に係る電子放出応用装置によれば、前記電子引き出し用グリッド電極が、平面状、凹状および凸状の何れか乃至はこれらを組み合わせた形状を有するので、電子放出を均一にさせたり、収束あるいは拡散させたり自由に制御可能となる。

更に、本発明の請求項８に係る電子放出応用装置によれば、前記電子エミッタ材料から放出された電子を金属に衝突させ、Ｘ線を発生させるＸ線源となしたので、高電流が得られることにより高強度のＸ線を発生させることが可能となる。

更にまた、本発明の請求項９に係る電子放出応用装置によれば、前記電子エミッタ材料から放出された電子を蛍光体に衝突させ、光を発生させる光源となしたので、前記蛍光体に応じた光を発生させることが可能となり、照明、蛍光管、ディスプレー等の光源として利用可能である。

本発明の請求項１０に係る電子放出応用装置によれば、前記電子エミッタ材料から放出された電子を隔壁を透過して外部の材料表面に照射し、表面改質を行なう電子照射装置となしたので、大電流の電子ビームが取り出せるため、材料表面の処理速度が速くなり生産性が向上する。

次に、本発明の実施の形態に係る電子エミッタ材料およびそれを用いた電子放出応用装置について、以下添付図を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係る炭素発泡体の図面代用電子顕微鏡写真、図２は本発明の実施の形態に係る電子エミッタ材料の
図面代用電子顕微鏡写真、図３は図２に示す電子エミッタ材料表面を拡大した図面代用電子顕微鏡写真である。

本発明の実施の形態に係る炭素発泡体（炭素フォーム）は、図１に示す如く、炭素の骨格（スケルトン）から構成され、製造法によりポアのサイズをミクロンオーダーまで制御できる。図１に示す炭素発泡体のポアサイズは約７００μｍである。

図２は本発明の実施の形態に係る電子エミッタ材料を示し、図１に示した炭素発泡体表面にナノダイヤモンド粉末を吸着させ、ダイヤモンドＣＶＤ装置で化学気相蒸着処理して、前記ナノダイヤモンド粉末を成長させて得られたものである。図３に示す如く、炭素発泡体表面上に、ナノダイヤモンドが連続膜乃至は粒子として固定されていることが分かる。

炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を均一に吸着させるには、ダイヤモンド粉末を溶液中に分散させ、当該溶液を炭素発泡体の表面に接触させる手法が好ましい。前記接触状態を所定時間保持した後、溶液中から炭素発泡体を取り出し、乾燥後真空中にてＣＶＤ処理を行なう。

前記ダイヤモンド粉末は一般には平均粒径０．１μｍ程度以上である。これに対し、ナノダイヤモンド粉末は平均粒径５ｎｍに達するものも市販されている。図３に見られるように、前記炭素発泡体表面に、ダイヤモンドが連続的なダイヤモンド膜、不連続的なダイヤモンド膜乃至はダイヤモンド粒子の形態としてコーティングされ、何れの場合でも電子エミッタ材料として機能する。

特に、連続的なダイヤモンド膜よりも、図３に示される程度に不連続なダイヤモンド膜の方が、基材である炭素発泡体との熱膨張率の差による剥離を防げるので有利である。ナノダイヤモンド粉末は、その平均粒径が０．１μｍより小さいものであれば使用可能であるが、平均粒径が５ｎｍ〜１０ｎｍ程度のものが好ましい。

また、前記ダイヤモンドの膜厚乃至は粒子径は、０．１〜５μｍの範囲であるのが望ましい。前記膜厚または粒径が０．１μｍ未満では、耐久性や電子放出効率の点で、ダイヤモンドコーティングの効果が小さく、前記膜厚または粒径が５μｍを超える場合は、基材である炭素発泡体との熱膨張率差による剥離が著しくなるからである。

ダイヤモンドをコーティングした炭素発泡体からなるこのような電子エミッタ材料による電子放出は、下記のような理由から高電流が得られる。即ち、最初は、スケルトン構造で電界集中が強く起こっている複数のサイトから電子放出を生じるが、万一、これらのサイトの幾つかがダメージを受けて電子放出しなくなっても、別のサイトに電界が集中して新たなサイトから電子放出が始まる。このような点で、ランダムな構造を有する炭素発泡体が有利となる。尚、単位面積当たりの電流量を大きくするには、ポアサイズが１０〜１０００μｍ、ｐｏｒｏｓｉｔｙ（多孔度）が９０〜９７％のものが好ましい。

また、炭素発泡体を構成するスケルトン構造では、後で詳しく説明するように、電圧を上げるとスケルトン内部からも電子放出が生じるので、電子放出電流は大きくなるのである。ところが、スケルトン構造を有していない通常の炭素板表面に、上記と同様に、ダイヤモンド粉末乃至はナノダイヤモンド粉末を吸着させ、ダイヤモンドＣＶＤ装置で化学気相蒸着処理して、前記ナノダイヤモンド粉末を成長させて電子エミッタ材料としても、基板が平面構造であると電界集中が起こらず、電子放出時の大電流は得られない。

上記において、ダイヤモンド粉末吸着後ＣＶＤによるダイヤモンドコーティングが必要な理由は、電子放出効率がダイヤモンド粉末よりもダイヤモンド膜からの方が高効率であるため、ダイヤモンド粉末を核として前記ダイヤモンド膜を形成させるのである。ダイヤモンド粉末やナノダイヤモンド粉末の吸着のみでは、電子放出電流が小さくなる。また、ダイヤモンド粉末やナノダイヤモンド粉末を吸着しておかないと、炭素発泡体上に直接ダイヤモンドが成長しないため、前記炭素発泡体上に事前にダイヤモンド粉末を吸着させておくことが必要となる。

本発明に係る電子エミッタ材料は、前記炭素発泡体表面にコーティングされた前記ダイヤモンドが、アンドープ、ホウ素（Ｂ）ドープ、燐（Ｐ）ドープ乃至は硫黄（Ｓ）ドープするのが好ましい。ホウ素（Ｂ）ドープダイヤモンドはｐ形半導体または金属的な電気伝導を示す。そして、燐（Ｐ）および硫黄（Ｓ）ドープダイヤモンドはｎ形半導体の電気伝導を示す。従って、ドープされたダイヤモンドの方が、炭素発泡体からダイヤモンド膜表面に電子が移動しやすい。しかし、印加電界が５０ ｋＶ／ｃｍ程度の高電界である場合には、アンドープ・ダイヤモンドとの差は小さい。

次に、上述したような電子エミッタ材料を用いた本発明の実施の形態に係る電子放出応用装置について、以下説明する。
ダイヤモンドをコーティングした炭素発泡体からなる電子エミッタ材料を用いた本発明の実施の形態に係る電子放出応用装置は、前記電子エミッタ材料の前面に電子引出し用グリッド電極を設置して、電子放出させるよう構成したものである。必要であれば、公知の電子ビーム収束用のレンズ機構を用いることが出来る。電子引出し用グリッド電極は、必要な放出電子密度分布に応じて、平面状、凹状、凸状の何れか乃至はこれらを組合せた形状とする。

また、本発明に係る電子エミッタ材料（ダイヤモンドをコーティングした炭素発泡体）の前面に電子引出し用グリッド電極を設置し、電子材料から放出された電子を金属に衝突させれば、金属から特性Ｘ線を発生させる電子放出応用装置を構成することが出来る。特に、本発明に係る電子エミッタ材料からなる電界電子放出材料を用いれば、高電流を得ることが出来るので、高強度のＸ線発生が可能である。

また、前記電子エミッタ材料の前面に電子引出し用グリッド電極を設置し、電子材料から放出された電子を蛍光体に衝突させれば、蛍光体に応じた光を発生させる電子放出応用装置を構成することが可能であり、照明、蛍光管、ディスプレーなどの光源として利用できる。

更に、前記電子エミッタ材料の前面に電子引出し用グリッド電極を設置し、電子材料から放出された電子を、隔壁を透過して外部の材料表面に照射し、表面改質を行なう電子照射装置が可能となる。この場合、本発明に係る電子エミッタ材料からなる電界電子放出材料を用いることにより、大電流の電子ビームが取り出せるので、材料表面の処理速度が速くなり、生産性が向上する。

ところで、電子エミッタ材料の温度を上げると、電子放出量が増大する傾向にあるが、本発明に係る電子エミッタ材料は炭素であるので耐熱性に優れ、外部加熱や自己発熱により温度上昇させることが可能である。また温度制御することにより、電子ビームの電流を効果的に制御することも可能である。

更に、本発明に係る電子エミッタ材料では、炭素発泡体の厚さとして数ｍｍ〜数ｃｍの寸法を取ることが出来るので、電子引出し用グリッド電極との間の電圧が高くなるにつれて、炭素発泡体の深い位置からの電子放出が始まり、高電圧を印加するほど、面状の電子エミッタ材料より急激に電子放出量が増大する。

このような状況を図４に模式的に示した。即ち、図４におけるグラフは、支持台２に取り付けられた本発明に係る電子エミッタ材料１の前面に、電子引き出し用グリッド電極３を設け、負の印加電圧４を印加した時、前記電子引き出し用グリッド電極３から電子エミッタ材料１方向への位置に対する印加電圧の分布を示している。図中、直線が高電圧印加時、一点鎖線が低電圧印加時の電圧分布を示し、前記直線および一点鎖線の傾きが各々の電界強度を表している。

一般に、電子エミッタ材料からの電子放出は、印加電圧によって形成される電界強度がある一定値、即ち、電子放出臨界電界以上にならないと発現されない。図４において、低電圧印加時の電子放出臨界電界が電圧Ｖ１の時の電界強度であるとすれば、前記電子エミッタ材料１からの電子放出は、位置１ａより電界強度が強い部分、即ち、位置１ａより前方からのみ放出し得ない。

一方、高電圧印加時においては、電圧Ｖ１の時の低電圧印加時の電圧分布の傾き（電子放出臨界電界）と同一の傾きとなる電圧Ｖ２の時、電子放出臨界電界となる。従って、高電圧印加時の電子エミッタ材料１からの電子放出は、位置１ｂより前方から放出することになる。つまり、電子引出し用グリッド電極３との間の電圧が高くなるにつれて、炭素発泡体の深い位置からの電子放出が始まり、高電圧を印加するほど前記電子エミッタ材料１からの電子放出量が急激に増大するのである。

以上、本発明に係る電子エミッタ材料は、炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させたものであるから、高電圧を印加して大電流が引出せ、しかも電子源としての耐久性が優れている。

また、本発明に係る電子放出応用装置によれば、前記電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置したので、前記ダイヤモンド膜乃至は粒子からの電子の放出が促進される。

＜実施例１＞
表面が約４ｍｍ角、厚さが約３ｍｍの長方体形状を有し、ｐｏｒｏｓｉｔｙ（多孔度）９６．５％、ポアサイズ５００μｍ程度、密度０．０５ｇ／ｃｍ^３である図１に示した炭素発泡体を、平均粒径５ｎｍ程度のナノダイヤモンド粉末１ｇを５ｍｌの水に懸濁した水溶液に一昼夜浸した。この試料を取り出し、乾燥後マイクロ波ＣＶＤ装置の基板支持台に置き、以下のＣＶＤ条件で１時間、ダイヤモンドの合成を行なった。この結果、図２および図３に示したように、炭素発泡体の外部、内部ともに、ほぼ均一にダイヤモンドでコーティングされた電子エミッタ材料が得られた。ダイヤモンドの粒子径は炭素発泡体の場所により異なっていたが、概ね０．５〜３μｍであった。

ＣＶＤ条件
原料ガス：メタン０.5体積％，水素９９.５体積％
ガス圧 ：５３３２Ｐａ
ガス流量：１００ｃｃ/分
基材温度：８００℃
マイクロ波入力：約４００Ｗ

＜実施例２＞
実施例１で作製したダイヤモンドがコーティングされた炭素発泡体（電子エミッタ材料）を、カーボンテープでアルミ支持台に固定し、真空容器中に設置して、負電圧を印加出来るよう構成した。前記電子エミッタ材料より約２ｍｍ離れた位置に、金属メッシュを配置し、アース電位とした。また、前記電子エミッタ材料より約５０ｃｍ離れた位置には、電子進行方向から４５度傾けて蛍光板を置き、放出された電子が衝突した場合に発光するようにした。

前記電子エミッタ材料に電圧を４ｋＶ印加した時、電子放出により蛍光板が緑色に発光する様子が、真空容器のウインドウから観察された。印加電圧が４ｋＶ程度では、前記蛍光板に炭素発泡体の骨格と思われる像が見られるが、印加電圧を約５ｋＶ以上とすると、放出電子量が急激に増大し、蛍光板はほぼ均一に発光する。

図５は、印加電圧に対する放出電流密度の測定データである。印加電圧３．５ｋＶから電子の放出が始まり、電流密度の立ち上がりが認められる。電流は、グリッドに衝突した電子、真空容器壁に衝突した電子、蛍光板に衝突した電子による総電流量である。

＜実施例３＞
実施例１と同様の方法で炭素発泡体にダイヤモンドを合成する際に、原料ガス中に、水素で５００ｐｐｍに希釈したジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を１ｃｃ／分、水素で５００ｐｐｍに希釈したフォスフィン（ＰＨ_３）を１ｃｃ／分および水素で５００ｐｐｍに希釈した硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を１ｃｃ／分夫々導入して、ホウ素（Ｂ）ドープ、燐（Ｐ）ドープおよび硫黄（Ｓ）ドープダイヤモンドを合成した。これらの試料について実施例２と同様な実験を行い、電子放出を確認した。

＜実施例４＞
電子引出し用グリッド電極の形状を、図６（ａ）に示すような凹形グリッド電極３ａ、図６（ｂ）に示すような凸形グリッド電極３ｂに変えて、実施例２と同様の電子放出実験を行なった。同一の電圧を印加した場合、前記グリッド電極が凹形グリッド電極３ａの場合の方が、凸形グリッド電極３ｂの場合より、蛍光板の発光輝度が強かった。これは、グリッド電極が凹形の場合には、図６（ａ）に示すように、電界分布の影響により放出された電子ビーム５が収束する傾向を示すのに対し、グリッド電極が凸形の場合には、図６（ｂ）に示すように、電子ビーム５が発散する傾向を示すことによると考えられる。

＜実施例５＞
真空容器内において、電子源より放出された電子をターゲットに照射させる図７に示す装置を用いて、電子ビーム衝突によるＸ線発生の確認を行なった。直流電源６によってグリッド電極３に１５ｋＶの負電位を印加し、本発明に係る電子エミッタ材料１から電子ビーム５を放出させ、ターゲット金属（Ｃｕ）７に照射した。この結果、ターゲット金属７よりＸ線８が放出されていることを、ガイガーカウンタおよび放射線バッジで確認した。

＜実施例６＞
本発明に係る電子エミッタ材料の前面に、電子引出し用グリッド電極と蛍光板を設置し、電子引出し用グリッドに約３．５ｋＶ以上の電圧を印加すると、蛍光板が緑色に発光した。蛍光板の材質を変えれば、自由に色を変えることも可能であり、また複数の領域に異なる蛍光材を塗布すれば、ディスプレーとしても使用可能である。また電圧を変えれば、輝度の制御も出来ることを確認した。

＜実施例７＞
図８に模式的に示したように、本発明に係る電子エミッタ材料１を真空容器１０内に真空封止し、電子エミッタ材料１前面に薄膜からなる電子透過窓１０ａを設けた。真空容器１０をアース１１した上、前記電子エミッタ材料１に負電位を印加した。電子引出し用グリッド電極３に５ｋＶを印加すると、隔壁から大気中に電子５が放出されることを確認した。

＜比較例１＞
炭素発泡体をダイヤモンド粉末の懸濁水に浸さないこと以外は、前記実施例１と全く同様なＣＶＤ処理を行い、前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させようとしたが、炭素発泡体上に直接ダイヤモンドを合成することは出来なかった。前記処理を行なった炭素発泡体を用いて、前記実施例２と全く同様な方法により電子放出を確認したが、電子放出性能は低レベルなものであった。

以上、本発明に係る電子エミッタ材料は、炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させたものであるから、高電圧を印加して大電流が引出せ、しかも電子源としての耐久性が優れている。また、前記ダイヤモンドが、ナノダイヤ粉末、連続的なダイヤモンド膜、不連続的なダイヤモンド膜乃至はダイヤモンド粒子として前記炭素発泡体上に固定されているので、電子放出効率に優れた電子エミッタ材料が得られる。

一方、本発明に係る電子放出応用装置は、前記電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置したので、前記ダイヤモンド膜乃至は粒子からの電子の放出が促進される。また、前記電子引き出し用グリッド電極が、平面状、凹状および凸状の何れか乃至はこれらを組み合わせた形状を有するので、電子放出を均一にさせたり、収束あるいは拡散させたり自由に制御可能となる。

更に、本発明に係る電子放出応用装置は、前記電子エミッタ材料から放出された電子を金属や蛍光体に衝突させ、Ｘ線や光を発生させるＸ線源または光源となしたので、高強度のＸ線や蛍光体に応じた光を発生させることが可能となり、特に後者においては、照明、蛍光管、ディスプレー等の光源として利用可能である。

本発明の実施の形態に係る炭素発泡体の図面代用電子顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係る電子エミッタ材料の図面代用電子顕微鏡写真である。 図２に示す電子エミッタ材料表面を拡大した図面代用電子顕微鏡写真である。 本発明に係る電子エミッタ材料の前面に電子引き出し用グリッド電極を設け、負の印加電圧を印加した時、前記電子引き出し用グリッド電極から電子エミッタ材料方向への位置に対する印加電圧の分布を模式的に示した図である。 実施例２における印加電圧に対する放出電流密度の測定データである。 電子引出し用グリッド電極の形状を変更して、電子放出実験を行なった実施例４を説明するための模式図であり、図６（ａ）は凹形グリッド電極３ａの場合、図６（ｂ）は凸形グリッド電極３ｂの場合を夫々示す。 真空容器内において、電子源より放出された電子をターゲットに照射させる実施例５を説明するための模式図である。 真空容器内において、電子源より放出された電子を電子透過窓から放出させる実施例７を説明するための模式図である。 従来技術１を示す模式図である。 従来技術２を示す模式図である。 従来技術３を示す模式図である。

符号の説明

Ｖ１，Ｖ２：電子放出臨界電界相当の電圧
１：電子エミッタ材料， １ａ，１ｂ：電子放出限界
２：支持台
３：電子引き出し用グリッド電極，３ａ：凹状グリッド電極，３ｂ：凸状グリッド電極
４：負電位， ５：電子ビーム， ６：直流電源
７：ターゲット， ８：Ｘ線，
１０：真空容器， １０ａ：電子透過窓
１１：アース

Claims (10)

1. 炭素発泡体の表面にダイヤモンド粉末を吸着させた後、化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理により前記炭素発泡体上にダイヤモンドを成長させたことを特徴とする電子エミッタ材料。
2. 前記ダイヤモンド粉末が、ナノダイヤ粉末であることを特徴とする請求項１に記載の電子エミッタ材料。
3. 前記ダイヤモンドが、連続的なダイヤモンド膜、不連続的なダイヤモンド膜乃至はダイヤモンド粒子として前記炭素発泡体上に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子エミッタ材料。
4. 前記ダイヤモンドの膜厚乃至は粒子径が０．１〜５μｍであることを特徴とする請求項３に記載の電子エミッタ材料。
5. 前記ダイヤモンドが、アンドープ、ホウ素（Ｂ）ドープ、燐（Ｐ）ドープ乃至は硫黄（Ｓ）ドープされていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の電子エミッタ材料。
6. 前記請求項１乃至５の何れか一つの項に記載の電子エミッタ材料の前面に、電子引き出し用グリッド電極を設置したことを特徴とする電子放出応用装置。
7. 前記電子引き出し用グリッド電極が、平面状、凹状および凸状の何れか乃至はこれらを組み合わせた形状を有することを特徴とする請求項６に記載の電子放出応用装置。
8. 前記電子エミッタ材料から放出された電子を金属に衝突させ、Ｘ線を発生させるＸ線源となしたことを特徴とする請求項６または７に記載の電子放出応用装置。
9. 前記電子エミッタ材料から放出された電子を蛍光体に衝突させ、光を発生させる光源となしたことを特徴とする請求項６または７に記載の電子放出応用装置。
10. 前記電子エミッタ材料から放出された電子を、隔壁を透過して外部の材料表面に照射し、表面改質を行なう電子照射装置となしたことを特徴とする請求項６または７に記載の電子放出応用装置。

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