JP2013235656A

JP2013235656A - 電界放射装置及び携帯型非破壊検査装置

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Publication number: JP2013235656A
Application number: JP2012105576A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Ishiguro; 義久石黒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-11-21

Abstract

【課題】破損しにくく製作が楽な電界放射装置を提供する。
【解決手段】携帯型非破壊検査装置１００は、Ｘ線発生装置を収納する本体部１０２と電源部１０３からなり、これら本体部１０２と電源部１０３は分離可能とされ、本体部１０２と電源部１０３の分離結合はメカニカルキーによって行う。前記電源部１０３はトランス１０４と電池収納部１０５を一体化しており、トランス１０４からは端子１０６が突出し、電池収納部１０５には把持部１０７が取り付けられ、この把持部１０７にスイッチ１０８を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子管、照明装置、Ｘ線装置などの種々の機器に適用される電子放出体を備えた電界放射装置及び携帯型非破壊検査装置に関する。

電界放射は電界集中により電子が真空に放出される現象であり、この電界放射を行うための電子放出体として例えばカーボンナノチューブが注目されている。このカーボンナノチューブは、極めて細長く高アスペクト比のために電界放射特性に優れたもので電界電子放出素子を得ることができるとされ、電子管、照明装置等の種々の電界放射装置に適用することが検討されてきた。

電界放射特性（ＩＶ特性）とは、陽極(ターゲット）と冷陰極との間に電圧Ｖを印加して冷陰極から電界放射する際の、電圧Ｖと電界放射電流(エミッション電流）Ｉとの関係を示す曲線により示される特性であり、電界放射を開始する電圧(閾値）や、上記曲線の傾きや形状で特徴づけられる。

電界放射装置の具体例としては、前記のような冷陰極に蛍光体付きの陽極を対向配置し、冷陰極と陽極間に電圧（陽陰極電圧）を印加して冷陰極から電界放射により電子線を放出させ、この放出した電子を蛍光体に加速衝突させて蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプがある。この蛍光体の発光には所定量の電子放出が必要である。この電子放出量を示すエミッション電流を縦軸に、陽陰極管電圧を横軸にして示す電流電圧（ＩＶ）特性曲線は、冷陰極の電子放出性能を示すことになる。カーボンナノチューブの場合、上記ＩＶ特性曲線の傾きが緩やかに立ち上がってくる。そのため、カーボンナノチューブの場合、蛍光体に発光を開始させるためのエミッション電流を得るのに必要な電圧Ｖは、高くなる。

しかし、所望のエミッション電流を得るための印加電圧Ｖの値が大きいことは、カーボンナノチューブ自体の特性変化（劣化）を生じることと、一定電流を得るのに必要な電圧が高電圧化するため、その電源設備が要求されたり、上記冷陰極蛍光ランプの製作に影響したりするなどの課題がある。
そこで、より低い印加電圧Ｖで蛍光体を発光開始させることができるエミッション電流を得られるＩＶ特性を提供する冷陰極用の炭素膜の実現が望まれてきた。

近年、カーボンナノチューブ等の代わりとして、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散（基板表面に無数分散）して形成された炭素膜構造が、本願発明者等により開発されている。
この炭素膜構造としては、基板上に複数の炭素膜集合単位が形成されてなり、これら炭素膜集合単位は、幹状炭素膜と、この幹状炭素膜の膜中途から膜下部にかけて当該幹状炭素膜を囲むように成膜されている枝状炭素膜群とを備えると共に、該幹状炭素膜は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状を備えていることを特徴とするものである（例えば、特許文献１〜３）。
このような炭素膜構造の放出体によれば、半径が先端に向かうにつれて針状に小さくなる尖頭形状を備えたことにより、カーボンナノチューブ等と比較して、より低い印加電圧で所望するエミッション電流を得ることができ、ＩＶ特性に優れた電界放射装置を提供することができるとされている。

非破壊検査装置などに組み込まれるＸ線発生装置は、３極管構造をしており、１本のガラス管内に電子源（エミッタ）、ターゲット及び集束電極（格子電極）を配置し、電子源と集束電極との間に電圧を印加して電子を発生せしめ、また集束電極とターゲットとの間に電圧を印加して発生した電子をターゲットに衝突させている。

特許文献４には、第１の導電体と複数個の第２の導電体によって絶縁体を長手方向に挟持し、第１の導電体には負極性高電圧パルスを印加し、第２の導電体はコンデンサまたは抵抗を介して接地することで、絶縁体の陽極対向面で沿面放電により線状の電子ビームを発する内容が開示されている。

特許文献５には、電子源と集束電極との間にかける電子発生電圧と、グリット電極とターゲットとの間にかける加速電圧を制御部によって可変制御することで、軟Ｘ線の発生量と軟Ｘ線のエネルギーを個別に制御可能とした汎用性を重視した光除電装置が開示されている。

特許文献６には、カソード電極が形成された基板表面にカーボンナノチューブからなる電子放出層が形成され、この電子放出層の外周側に、電子放出層と同電位の導電層を設け、更に電子放出層の上方にゲート電極を設けた構造が開示されている。

特開２００８−１５０２５３号公報特開２００８−１５０６８２号公報特開２０１０−５６０６２号公報特開平５−７４３９４号公報特開２００６−０６６０７５号公報特開２００２−０９３３０７号公報

以上示したようなことから、炭素膜構造を有する電子放出体を備えた電界放射装置において、所望の機能を発現(例えばＩＶ特性に優れた電子線源として発現）する場合には、冷陰極と陽極との間の距離や当該陽極の電子線放射方向の長さが長くなり過ぎないように、真空容器の放熱性（冷陰極から放出される電子線に起因して発生する熱の放熱性）を高めるとともに、沿面距離を確保する必要があることを読み取れる。

また電界放射装置の１つであるＸ線発生装置においては、従来からエミッタ、ターゲット及び集束電極を１つのガラス容器内に配置しており、破損しやすい、製作に手間がかかる、冷却が困難などの問題がある。

本発明は、前記課題の解決を図ることが可能な電界放射装置に関するものであって、本発明に係る電界放射装置は３分割された部材を連結して構成される。

本発明に係る電界放射装置は、電子放出体から成る冷陰極とターゲットと集束電極からなり、前記冷陰極とターゲットは個別の容器内に設けられ、これら容器は集束電極を備える連結部材で結合されている。

前記冷陰極とターゲットはセラミック製容器に収納され、前記集束電極は前記セラミック製容器が連結される金属製連結部材に一体的に形成してもよい。
また、絶縁破壊を防ぐため、前記セラミック製容器の外側を樹脂モールドで覆うことが好ましい。更に、前記金属製連結部材を筒状とし、内部に前記エミッタまたはターゲットが臨み、エミッタに近い側の端部に集束電極が一体的に形成された構成が好ましい。

また、本発明に係る携帯型の非破壊検査装置は、前記Ｘ線発生装置を収納する本体部と電源部とが分離可能とされている。

本発明によれば、冷陰極（エミッタ）、ターゲット及び集束電極を個別の容器に収納若しくは容器と一体として形成しており、個々の部材を小型化でき、更に冷陰極及びターゲットについてはセラミック容器内に入れているので、絶縁破壊されにくく、従来のように絶縁オイル内に浸漬する必要がなく、軽量・小型化できる。

本発明に係る電界放射装置（Ｘ線発生装置）を組み込んだ携帯型ＣＴ装置の断面図携帯型非破壊検査装置の本体部分と電源部分を分離した状態の図本発明に係る電界放射装置（Ｘ線発生装置）の断面図図３のＡ方向から見た一部断面図電界放射装置（Ｘ線発生装置）の分解図同電界放射装置（Ｘ線発生装置）の概略構成図冷陰極の先端部分の拡大断面図回路の別実施例とＩＶ曲線を示すグラフ別実施例を示す図別実施例に係る電界放射装置（Ｘ線発生装置）断面図同電界放射装置（Ｘ線発生装置）の分解図集束電極を備える連結部材を図１１とは異なる方向から見た断面図別実施例に係る電界放射装置（Ｘ線発生装置）断面図同電界放射装置（Ｘ線発生装置）の分解図

以下、本発明における電界放射装置の実施形態を図面等に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る電界放射装置としてのＸ線発生装置を組み込んだ携帯型非破壊検査装置を示す。この携帯型非破壊検査装置１００は、Ｘ線発生装置を収納する本体部１０２と電源部１０３からなり、これら本体部１０２と電源部１０３は分離可能とされ、本体部１０２と電源部１０３の分離結合はメカニカルキーによって行う。

前記電源部１０３はトランス１０４と電池収納部１０５を一体化しており、トランス１０４からは端子１０６が突出し、電池収納部１０５には把持部１０７が取り付けられ、この把持部１０７にスイッチ１０８を設けている。

本体部１０２と電源部１０３とを切り離し可能としたことで、使用しないときには別々に保管して他人が使用できないようにしているが、更にセキュリティー性を高めるべく前記スイッチ１０８に指紋認証部などのバイオメトリクスによって本人認証を行う部分を設け、仮に認証されていない人間の場合はスイッチが入らないようにしたり、逆に大電流を流してＸ線発生装置を破壊することが考えられる。

本体部１０２はステンレス製ケース内にＸ線発生装置１１０が収納されている。Ｘ線発生装置１１０はエミッタユニット１２０、ターゲットユニット１３０及びこれらをつなぐ連結ユニット１４０からなる。

エミッタユニット１２０はセラミック製の容器１２１内にエミッタ１２２が設けられ、このエミッタ１２２の先端は連結ユニット１４０内に臨み、また容器１２１の外側はシリコーンやエポキシなどの樹脂でモールド１２３されている。また樹脂モールド１２３内には導線１２４が埋設され、この導線は受け端子１２５に接続されている。

ターゲットユニット１３０はセラミック製の容器１３１内にタングステンなどのターゲット１３２が設けられ、容器１３１の外側はシリコーンやエポキシなどの樹脂でモールド１３３され、モールド１３３から露出するターゲット１３２の後端にはアルミナ製の放熱部材１３４が接触し、更に樹脂モールド１３３内には導線１３５が埋設され、この導線は受け端子１３６に接続されている。

また、前記放熱部材１３４に近接する本体部１０２内には放熱部材１３４を冷却するファン１３７が配置されている。

連結ユニット１４０はステンレスなどの金属製とし、筒状をなしている。そして、前記エミッタ１２２に近い箇所に一体的に集束電極１４１を形成し、エミッタ１２２から発生した電子線を絞って前記ターゲット１３２に当てるようにしている。

また、連結ユニット１４０の一側にはゲッター１４２を配置し、このゲッター１４２と対向する側面にはエミッタユニット１２０、ターゲットユニット１３０及び連結ユニット１４０を連結してＸ線発生装置１１０を組み立てた後にＸ線発生装置１１０内を真空状態にする排気管１４３を接続している。この排気管１４３は吸引後に封着される。

図６に示すように、エミッタ１２２と集束電極１４１との間には電子発生回路１５１が設けられ、前記集束電極１４１とターゲット１３２との間には電子加速回路１５２が設けられ、集束電極１４１を基準としてエミッタ１２２には例えば−４０ｋＶが印加され、ターゲット３２には＋４０ｋＶが印加される。

前記電子発生回路１５１では検出器１５３で電流値を検出し、この検出値を制御部１５４に送り当該検出電流値が一定範囲に収まるようにフィードバック制御を行う。また、前記電子加速回路１５２では、検出器１５５で電圧値を検出し、この検出値を制御部１５４に送り当該検出電圧値が一定範囲に収まるようにフィードバック制御を行う。

前記電子発生回路１５１での一定電圧となるように制御された印加電圧によってＸ線の発生量（管電流）が決まり、前記電子加速回路１５２での印加電圧によってＸ線のエネルギー（管電圧＝陰極側電圧＋陽極側電圧）が決まる。

前記エミッタ１２２はステンレスなどを材料とする基板１６０、炭素膜１６１および前記基板１６０の周囲を囲むように設けられたガード電極１６２から構成される。

基板１６０は長尺状をなすとともに電子発生回路１５１の陰極側に接続され、電子加速回路１５２の陽極側に接続されたターゲット１３２に対向する面を電子放出面１６３とし、この電子放出面１６３の表面に前記炭素膜６１を形成している。

前記電子放出面１６３は電子の出射方向を基準として前記ガード電極１６２の先端よりも後退した位置に設けられている。電子放出面１６３のガード電極１６２の先端からの後退量に比例して電子放出面にかかる電圧が低下する。したがって、ガード電極の先端からの後退量を調整することで発生する電子線の強度をコントロールできる。電子放出面６３は凹球面とされ、この凹面は一定の曲率半径を有し、平行な光線が入射したと仮定すると収束する焦点Ｆが存在する。

前記ガード電極１６２の先端部は図７に示すように凸曲面とされ、この凸曲面の外周側の曲率半径（Ｒ１）を炭素膜を囲む内周側の曲率半径（Ｒ２）以上（Ｒ１≧Ｒ２）とすることで、炭素膜１６１の表面での局部的な電界集中を抑制し、熱劣化に伴う電流劣化や放電現象を防止している。

また、ターゲット１３２と集束電極１４１との距離をｄ、印加電圧をＶとすると、電界の強さＥは、Ｅ＝Ｖ／ｄとなる。そして、ガード電極１６２の先端部から電子放出面１６３を後退させることで、電子放出面１６３にかかる電圧が小さくなる。後退量は０．５〜２．０ｍｍが好ましい。
この結果、冷陰極の場合、放出電子は方向性なく出射するが、ガード電極により集束し、中間極のアパチャー（穴）に向かって進む。アパチャーを抜けた電子はターゲットに焦点を結ぶ。

前記電子放出面１６３の表面に形成された炭素膜１６１は数μｍ〜数十μｍの厚さで、多数の突起が面状に展開して構成され、更に突起は電子放出面１６３の表面に形成される隆起部とこの隆起部から伸びる針状部からなる。

図８は認証されていない人間がスイッチを押した場合に大電流を流してＸ線発生装置を破壊する構造の一例を示す図であり、この図に示すように、エミッタ１２２とガード電極１６２との間に絶縁体１６４を介在させて離し、ガード電極１６２は電子発生回路１５１とグランドとを切替え可能となっている。

そして、認証されていない人間がスイッチを押すとガード電極１６２がグランド側に切り替わる。すると、エミッタ１２２とガード電極１６２とが分離しているため集束電極１４１よりもガード電極１６２に電流が流れ、これによってＸ線の発生が抑制される。更に、ターゲット１３２（陽極）と集束電極１４１間には数１０ＫＶの負電圧が印加されているので、ターゲット１３２には行かず、集束電極１４１よりも近いガード電極１６２に放電電流が流れ、それによりエミッタ１２２が破壊される。

図９は別実施例を示す図１と同様の図であり、この実施例にあってはターゲット１３２を金属製の連結部材１４０の内部に臨ませ、この連結部材１４０に窓部１４４を形成し、この窓部１４４をベリリウムの薄板１４５で覆うことで、Ｘ線の減衰を抑え効率よくＸ線を外部に放出できる構造にしている。

図１０に示すＸ線発生装置２００はエミッタ２０２を収納するセラミック製容器２０３とターゲット金属２０４を収納するセラミック製容器２０５とを集束電極２０６を備える連結部材２０７で結合している。

前記エミッタ２０２はステンレスなどの導電性材料からなる本体の先部に一定の極率の凹面が形成され、この凹面に電子放出用の炭素膜が数μｍ〜数十μｍの厚さで形成されている。炭素膜からなるエミッタ２０２は従来の熱フィラメントに比べ、低い温度で電子を放出する。

また、ターゲット金属２０４にはタングステンなどによって構成され、前記エミッタ２０２からの電子が当る先端面は傾斜面とされ、電子が衝突することで傾斜面からＸ線が放射され、この放射されたＸ線を外部に取出すための窓部２０８が前記連結部材２０７に形成されている。尚、Ｘ線発生装置２００内の真空度を維持するため、窓部２０８はベリリウムからなる薄膜２０９で気密に閉じられている。

また前記エミッタ２０２と集束電極２０６との間には電子発生回路２１０が設けられ、前記集束電極２０６とターゲット金属２０４との間には電子加速回路２１１が設けられ、集束電極２０６を基準としてエミッタ２０２には例えば−４０ｋＶが印加され、ターゲット金属２０４には＋４０ｋＶが印加される。

セラミック製容器２０３、２０５の製法としては、例えば先ず緻密層２１４を形成し、この緻密層２１４の上にスポンジなどをセットし、このスポンジにセラミックの泥漿を含浸せしめた後に焼成し、スポンジを気化して連続気孔とするか、焼結を途中で止めるなどの方法を採用する。また、連結部材２０７に当接する開放端についてはメタライズを施し、気密性を高めるようにしてもよい。

また図１２に示すように、連結部材２０７には真空引き用の開口２１２およびゲッター２１３の収納部が設けられている。尚、ゲッター２１３についてはエミッタ２０２の本体部分に設けてもよい。
セラミック製容器２０３、２０５は同一構造であるので、ターゲット金属２０４を収納するセラミック製容器２０５について説明する。セラミック製容器２０５は一端が開放されたカップ状をなし、開放端が前記連結部材２０７に気密に連結され、基端部にターゲット金属２０４、エミッタ２０２がそれぞれ保持されている。

セラミック製容器２０５は三次元的に連続した気孔が形成されたアルミナなどの多孔質セラミックからなり、この多孔質セラミックの内側面には緻密層１４が設けられ、前記連続気孔内には絶縁油が充填されている。

セラミック製容器２０５の製法としては、例えば先ず緻密層２１４を形成し、この緻密層２１４の上にスポンジなどをセットし、このスポンジにセラミックの泥漿を含浸せしめた後に焼成し、スポンジを気化して連続気孔とするか、焼結を途中で止めるなどの方法を採用する。また、連結部材２０７に当接する開放端についてはメタライズを施し、気密性を高めるようにしてもよい。

また、セラミック製容器２０５の外側には金属製カバー２１５が取付けられ、この金属製カバー２１５の内側とセラミック製容器２０５の外側との間に絶縁油溜りとなる隙間２１６が形成されている。

図１０に示した実施例ではエミッタ２０２を収納するセラミック製容器２０３とターゲット金属２０４を収納するセラミック製容器２０５とが、カップ部が向き合いように連結部材２０７に連結しているが、図１３及び図１４に示すＸ線発生装置３００にあっては、エミッタ３０２を収納するセラミック製容器３０３とターゲット金属３０４を収納するセラミック製容器３０５とが、カップ部が互いに反対方向を向くように連結部材３０７に連結している。
このようにすることで、Ｘ線発生装置３００の長さ寸法を短くすることができる。
また、図１３及び図１４に示すＸ線発生装置３００にあっては、セラミック製容器３０３、３０５の外周に放熱フィン３０６を形成している。

以上は、実施の一例を示したものであり、本願発明は上記に限定されない。例えば、第１発明に係る電界放射装置では、冷陰極側容器のフランジ部と陽極側容器のフランジ部を突き合わせ、これらフランジ部間に空間が形成されるようにしたが、冷陰極側容器及び陽極側容器にフランジを設けず、２枚のフランジ部を合わせた形状の連結部材を用意し、前記冷陰極側容器及び陽極側容器を間に連結部材を入れて連結してもよい。

１００…非破壊検査装置、１０２…本体部、１０３…電源部、１０４…トランス、１０５…電池収納部、１０６…端子、１０７…把持部、１０８…スイッチ、１１０…Ｘ線発生装置、１２０…エミッタユニット、１３０…ターゲットユニット、１４０…連結ユニット、１２１…容器、１２２…エミッタ、１２３…樹脂モールド、１２４…導線、１２５…受け端子、１３１…容器、１３２…ターゲット、１３３…樹脂モールド、１３４…放熱部材、１３５…導線、１３６…受け端子、１４１…集束電極、１４２…ゲッター、１４３…排気管、１４４…窓部、１４５…ベリリウム薄膜、１５１…電子発生回路、１５２…電子加速回路、１５３…検出器、１５４…制御部、１５５…検出器、１６０…基板、１６１…炭素膜、１６２…ガード電極、１６３…電子放出面、１６４…絶縁体、
２００…Ｘ線発生装置、２０２…エミッタ、２０４…ターゲット金属、２０３，２０５…セラミック製容器２０６…集束電極、２０７…連結部材、２０８…窓部、２０９…薄膜、２１０…電子発生回路、２１１…電子加速回路、２１２…真空引き用の開口、２１３…ゲッター、２１４…緻密層、２１６…絶縁油溜りとなる隙間
３００…Ｘ線発生装置、３０２…エミッタ、３０３，３０５…セラミック製容器、３０６…フィン、３０７…連結部材。

Claims

冷陰極とターゲットと集束電極を備えた電界放射装置において、前記冷陰極とターゲットは個別の容器内に設けられ、これら容器は集束電極を備える連結部材で結合されることを特徴とする電界放射装置。
請求項１に記載の電界放射装置において、前記冷陰極とターゲットはセラミック製容器に収納され、前記集束電極は前記セラミック製容器が連結される金属製連結部材に一体的に形成されていることを特徴とする電界放射装置。
請求項１または２に記載の電界放射装置を組み込んだ携帯型非破壊検査装置において、この携帯型非破壊検査装置は前記電界放射装置を収納する本体部と電源部とが分離可能とされていることを特徴とする携帯型非破壊検査装置。