JP2017510052A - Ｘ線管用の電子エミッタ - Google Patents

Abstract

本願で与えられる例示的な実施形態は、Ｘ線管用の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）を対象としている。電子エミッタは、導電性基体（２３）と、ナノ構造物質（２４）とを備える。ナノ構造物質は、導電性基体の少なくとも一部の上に設けられる。ナノ構造物質は、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物又はテルル化物製である。このような電子エミッタは、ショットキー放出や電界放出等のハイブリッド放出用に使用可能である。

Description

本願で与えられる例示的な実施形態は、Ｘ線管用の電子エミッタを対象としている。電子エミッタは、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製のナノ構造コーティングを備える。例示的な実施形態は、Ｘ線管を更に対象としている。

導体の表面からの電子の放出は、導体を高温に加熱すること（熱電子放出）、導体を鋭い先端部に成形して負電圧を印加すること（電界放出）、又は、適度な中程度の加熱で電界放出をアシストすること（例えば、ショットキー放出）によって生じる（勿論、光電子放出、気体イオン衝突放出等の多くの放出機構が知られている）。電子エミッタは一般的に陰極と称される。各放出モードで機能する陰極は、熱陰極、冷陰極、ショットキー陰極と称される。電子ビームを提供するデバイスは、電子源又は電子銃と称される。電子は二次ビームを引き起こすものとしておそらく最も一般的である。

Ｘ線は、金属表面に高エネルギー電子を衝突させることによって生じる。この設定では、Ｘ線源は、（１）陰極と、（２）ターゲット又は陽極として知られる電子レシーバとを備えるデバイスである。陽極はＸ線エミッタである。陰極及び陽極は特定の構成で配置されて、真空筐体内に入れられる。更に、Ｘ線システムは、以下の構成要素を備える：（１）Ｘ線源、（２）コンピュータ制御された操作及び取扱デバイス、（３）検出器、及び（４）電源。他の技術と組み合わせて、Ｘ線は、医療用イメージング、セキュリティ検査、産業用非破壊検査に応用される。コンピュータ技術が、現在社会におけるＸ線の使用に革命をもたらしていて、例えばＸ線ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，コンピュータトモグラフィ）スキャナが挙げられる。検出器技術の発展により、改善されたエネルギー分解能、デジタルイメージ、増大し続ける走査速度及び面積が実現されている。ところが、Ｘ線を発生させるための電子源の技術は、ウィリアム・クーリッジがガス充填管を熱タングステンフィラメントを収容する真空管筐体に置き換えて熱電子放出を利用することによってＸ線発生方法に革命をもたらした略１００年前のクーリッジ管の誕生以来、本質的には同じままである。

Ｘ線イメージングで使用されるおそらく全てのＸ線管は、熱電子放出に基づいたタングステンフィラメントの熱陰極を利用している。過去十年ほどにわたって、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ，ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）を電界放出によってＸ線を発生させる冷陰極として用いることが試みられてきた。その電子放出は、加熱を用いず高電場によって誘起される。ＣＮＴは理想的な電子エミッタとして考えられている。しかしながら、ＣＮＴをＸ線源で使用するには、製造プロセス及び動作条件が、その物質特性に困難な課題を課している。現状の結果は、実際の応用レベルには全然至っていない。従って、本願で与えられる例示的な実施形態の少なくとも一つの目的は、熱陰極及びＣＮＴに基づいた冷陰極に固有の物質及び動作の欠点を克服するのと同時にＸ線源の性能を改善する電子放出の代替手段を提供することができる代替電子エミッタを提供することである。

従って、本願で与えられる例示的な実施形態は、Ｘ線デバイス用の電子エミッタを対象としている。電子エミッタは、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製のナノ構造物質を備える。このようなナノ構造物質は、電子エミッタを電界放出、特にショットキー放出に適したものにする。熱アシスト電子放出の使用は、熱陰極及び冷陰極の特性を補う。例示的な実施形態の利点は、ショットキー放出と、熱電子放出と、電界放出との間の比較から明らかになる。周知のように、冷陰極は、管内の残留ガス種として存在するＳ、Ｃｌ等の電気陰性元素の吸着によって汚染され得る。吸着が顕著であると、陰極は電子を放出しなくなる。電界放出Ｘ線管の場合、筐体から管を取り出して、管全体をオーブンで焼成して、管を再び取り付けて、焼成の効果を調べるという面倒なプロセスによって、冷陰極を再生させることができる。他方、ショットキー放出管の場合、陰極に適度な中程度の温度上昇をもたらす加熱が、電子の放出をアシストするのと同時に、陰極に汚染ガス原子又は分子が吸着することを防止する。汚染が生じている場合、管を管筐体から取り出さずに、直接陰極を加熱することによってその再生を行うことができる。低電力消費は、より小型の電源を利用可能にして、Ｘ線デバイスを更にポータブルにする。更に、このような電子放出モードの使用は、熱フィラメントベースのシステムには一般的な冷却システムや長期間のクールダウン及びウォームアップの必要性をなくす。

例示的な実施形態は、Ｘ線管用の電子エミッタを対象としている。電子エミッタは導電性基体と、ナノ構造物質とを備える。ナノ構造物質は導電性基体の少なくとも一部の上に設けられる。ナノ構造物質は酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製である。

上記実施形態の例示的な利点は、そのようなナノ構造物質の使用が、ショットキー放出等の熱アシスト電子放出を可能にする点である。従って、熱電子放出と比較して、より小型のＸ線デバイスを得ることができる。

一部の例示的な実施形態によると、導電性基体は、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金、鉄、又は鉄系合金製である。

一部の例示的な実施形態によると、導電性基体は、円形、多角形、又は星型の断面を有する中実シリンダー状である。

上記実施形態の例示的な利点は、電子エミッタの形状を変更することによって電子放出の方向、密度、他の特性を制御することを可能にする点である。

一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造物質は、元素周期表のＩＡ、ＩＩＡ、ＩＢ、ＩＩＩＡ、ＶＩＡ、又はＶＩＩＡ族のドーパント元素でドーピング又は共添加される。

一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造物質はＺｎＯ製である。ナノ構造物質が、酸化鉄、窒化ガリウム、他の関係する合金、又はそれらの化合物製にもなり得る点は理解されたい。

このような実施形態の例示的な利点は、ＣＮＴに基づいた電子エミッタの代替物を提供できる点である。このような代替物の使用は、ショットキー放出により適した電子エミッタを提供できるという例示的な利点を与える。カーボンベースの電子エミッタは、典型的な管製造プロセスの温度及び反応性ガス環境において損傷し易い。他方、ＺｎＯ及び関連物質はその融点が高く、化学的に安定であると共に、ＣＮＴに等しい魅力的な電界放出性能を有する。

一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造物質を備えていない導電性基体の部分は、誘電体層を更に備える。一部の例示的な実施形態によると、誘電体層はＳｉＯ_２である。

このような実施形態の例示的な利点は、電子放出を制御することができる点である。その制御は、電子放出の方向や密度の制御となり得る。

一部の例示的な実施形態によると、導電性基体は、加熱素子に取り付け可能である。このような実施形態の例示的な利点は、多様な電子放出モード、例えばショットキー放出を提供することができる点である。

例示的な実施形態によると、電子エミッタは、加熱素子がオン状態であり且つ電子エミッタに負のバイアスがかけられている際のショットキー放出用に構成される。一部の例示的な実施形態によると、電子エミッタは、加熱素子がオフ状態であり且つ電子エミッタに負のバイアスがかけられている際の電界放出用に構成される。

このような実施形態の例示的な利点は、電子エミッタが電界放出及びショットキー放出の両方を可能にするデュアル動作モード用に構成可能な点である。更に、熱フィラメントも配置可能である。このような実施形態は、必要に応じて、多様な分解能及びコントラストレベルでＸ線イメージを生成し得る三種類全ての電子放出モードを利用する汎用性デバイスを提供するという例示的な利点を有する。

一部の例示的な実施形態は、上記電子エミッタを備えるＸ線デバイスを対象としている。このようなＸ線デバイスを有することの例示的な利点は、ショットキー放出モードで動作可能な汎用性デバイスを有することができる点である。従って、デバイスは上述のようなポータブルなものになり得る。

一部の例示的な実施形態によると、Ｘ線デバイスは、電子受け取り素子に向けて電子を放出するように配置された複数の電子エミッタを更に備える。一部の例示的な実施形態によると、複数の電子エミッタを、個別に、同時に、又は逐次的に作動させる。

このような実施形態は、異なる電子エミッタを作動させることで異なる電子放出を提供することができるより汎用性のデバイスを提供するという例示的な利点を有する。従って、多様なイメージ分解能等を得ることができる。

上記電子エミッタは陽極と共に、所謂二極Ｘ線管を構成する。以下において、電子源は、上記のような陰極とグリッド電極とで構成され得る。この種の電子源及び陽極で構成されるＸ線源は三極管と称される。

例示的な実施形態は、Ｘ線管用の電子源を対象としている。電子源は、上記のような陰極とグリッドとを備え、それらは、セラミックスペーサによって固定間隔で配置されて固定される。グリッドは、直径が等しい導電性ワイヤ製である。更に、ワイヤは、高融点低蒸気圧導電性物質、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ、ステンレス鋼、又はニッケル系合金製である。ワイヤの直径は３０μｍから１５０μｍの間である。グリッドの開口部比は、５０％から８０％の間である。更に、グリッドのワイヤの表面は、顕著な二次電子放出特性を有する物質の薄層又は多重層でコーティングされる。代わりに、コーティングはＵＶ放出物質でもある。従って、コーティングは、電子源からの電子の出力密度を増大させる。グリッドを陰極の前方に配置することは、真空管及び電界放出デバイスにおいて一般的に実践されていることであるが、本実施形態は、陰極物質、放出機構、及び増強効果という観点において従来技術と明確に区別される。従って、三極Ｘ線管において明らかになるようなこの種の電子源の全体的な利点は、陽極に対する電子ビームの独立性と、電流出力の増強とである。

以上の点は、添付図面に示されるような例示的な実施形態の以下のより具体的な説明から明らかになるものであり、図面においては、同じ符号が同じ部分を指称している。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、実施形態を例示することに重点を置いている。

熱電子放出に基づいたＸ線デバイスの概略図である。 本願に記載される例示的な実施形態に係るＸ線デバイスの概略図である。 本願に記載される一部の例示的な実施形態に係るグリッドを備える電子エミッタの例示的な例である。 本願に記載される一部の例示的実施形態に係る電子エミッタが有し得る多様な形状の例示的な例である。 本願に記載される一部の例示的な実施形態に係る複数の電子エミッタを備えるＸ線デバイスの概略図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、本願に記載される一部の例示的な実施形態に係る図５の電子エミッタのＩ‐Ｖ特性を示すグラフである。

以下の説明目的であって限定的なものではない説明では、具体的な詳細、例えば、特定の構成要素、要素、方法等が、例示的な実施形態の完全な理解を提供するために与えられる。しかしながら、例示的な実施形態がそれら具体的な詳細から逸脱する他の方法でも実施可能であることは当業者に明らかである。場合によっては、例示的な実施形態の説明を曖昧にしないため、周知の方法及び要素の詳細な説明を省略する。本願で用いられている用語は、例示的な実施形態を説明する目的のものであり、本願に与えられる実施形態を限定するものではない。

本願に与えられる例示的な実施形態は、Ｘ線デバイス用の電子エミッタを対象としていて、その電子エミッタは、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製のナノ構造物質を備える。このような電子エミッタは、ショットキー放出動作モードのＸ線デバイスを実現するのに有用である。例示的な実施形態を分かり易く説明するため、まず、課題を特定して議論する。図１は、従来のＸ線管を示す。図１のＸ線管は、耐火金属／合金製の熱フィラメント陰極１２及び陽極１４を備える真空ガラス管１０を特徴としている。陽極１４の表面は所定の傾斜角で陰極１２と向き合う。電源１３によって提供される電流は、フィラメント陰極１２を通り、フィラメント１２の温度を、そのフィラメントから電子ビーム１６を放出するレベルにまで上昇させる。そして、電子ビーム１６が電場内で陽極１４に向けて加速される。これは、窓２０を介してデバイスの外に向けられるＸ線ビーム１８を生じさせる。陽極と陰極との間の電圧差がＸ線ビームのエネルギーを決定する。

Ｘ線イメージングで使用されるおそらく全てのＸ線管は、熱電子放出に基づいたタングステンフィラメントの熱陰極を用いている。過去１０年ほどにおいて、電界放出によってＸ線を発生させる冷陰極としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ，ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）を使用する試みが行われてきた。その電子放出は加熱なしで高電場によって誘起される。ＣＮＴは理想的な電子エミッタであると考えられている。しかしながら、ＣＮＴをＸ線源において使用するためには、製造プロセス及び動作条件が、その物質特性に困難な課題を課している。現状の結果は、実際の応用レベルには全然至っていない。従って、本願に与えられる例示的な実施形態の少なくとも一つの目的は、熱陰極及びＣＮＴに基づいた冷陰極に固有の物質及び動作の欠点を克服する電子放出の代替手段を提供し得る代替電子エミッタを提供し、性能の改善されたポータブルＸ線源をもたらすことである。

従って、本願で与えられる例示的な実施形態は、Ｘ線デバイス用の電子エミッタを対象としている。電子エミッタは、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製のナノ構造物質を備える。このようなナノ構造物質は、電子エミッタを電界放出、特にショットキー放出に適したものにする。熱アシスト電子放出の使用は、熱陰極及び冷陰極の特性を補う。例示的な実施形態の利点は、ショットキー放出と、熱電子放出と、電界放出との間の比較から明らかになる。周知のように、冷陰極は、管内の残留ガス種として存在するＳ、Ｃｌ等の電気陰性元素の吸着によって汚染され得る。吸着が顕著であると、陰極は電子を放出しなくなる。電界放出Ｘ線管の場合、筐体から管を取り出して、管全体をオーブンで焼成して、管を再び取り付けて、焼成の効果を調べるという面倒なプロセスによって、冷陰極を再生させることができる。他方、ショットキー放出管の場合、陰極に適度な中程度の温度上昇をもたらす加熱が、電子の放出をアシストするのと同時に、陰極に汚染ガス原子又は分子が吸着することを防止する。汚染が生じている場合、管を管筐体から取り出さずに、直接陰極を加熱することによってその再生を行うことができる。低電力消費は、より小型の電源を利用可能にして、Ｘ線デバイスを更にポータブルにする。更に、このような電子放出モードの使用は、熱フィラメントベースのシステムには一般的な冷却システムや長期間のクールダウン及びウォームアップの必要性をなくす。

図２は、例示的な実施形態に係るＸ線デバイスを示す。図２のＸ線デバイスは、電子エミッタ（つまり陰極）２２と電子受け取り素子１４とを備える真空ガラス管１０を備える。電子受け取り素子１４の表面は所定の傾斜角で電子エミッタ２２と向き合う。エミッタの平面は、電子受け取り素子と平行にも配置可能である。電源２８によって提供される電流は、加熱素子２１を通り、電子エミッタ２２の温度を、陰極が負にバイアスされている際に電子エミッタ２２からの電子ビーム２５の放出をアシストするレベルに上昇させる。このような放出はショットキー放出として知られている。加熱による高温のみによって誘起される図１の電子放出とは異なり、図２の放出は、適度な中程度の加熱のアシストの下での電場によって誘起される。

電子ビーム２５の電子は、電場によって電子受け取り素子１４に向けて加速される。これは、窓２０を介してデバイスの外に向けられるＸ線ビーム２６を生じさせる。電子エミッタと電子受け取り素子との間の電圧差がＸ線ビームのエネルギーを決定する。

一部の例示的な実施形態によると、図３に示されるように、グリッド３０が、電子エミッタのナノ構造２４を備える表面２３と、引き出し電極として機能する電子受け取り素子１４との間に配置される。一部の例示的な実施形態によると、スペーサ３１が電子エミッタとグリッド３０との間に配置される。グリッドは、スペーサを介して固定された１００μｍから１０００μｍまでの間の間隔で配置され得る。円形カバーがグリッドの頂部に取り付けられて、グリッド３２に電圧を印加するグリッド電極として機能する。一部の例示的な実施形態によると、スペーサはセラミックスペーサであり得る。

グリッドは、直径が等しい導電性ワイヤ製である。更に、ワイヤは、高融点低蒸気圧導電性物質（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ、ステンレス鋼、ニッケル系合金等）製である。ワイヤの直径は、３０μｍから１５０μｍまでの間である。グリッドの線形開口部比は５０％から８０％までの間である。更に、グリッドのワイヤの表面は、顕著な二次電子放出特性を有する物質（ＭｇＯやその関連物質等）の薄層又は多重層でコーティングされる。代わりに、コーティングは、ＧａＮやその関連物質等のＵＶ放出物質でもある。

従って、コーティングは、電子エミッタからの電子の出力強度を増大させる。図５に示されるような三極Ｘ線管において明らかになるこの種の電子エミッタの全体としての利点は、陽極に対する電子ビームの独立性と、電流出力の増強とである。更に、電子エミッタとグリッドとの間の場が電子ビームの強度を決定する。この場合も、電子エミッタと電子受け取り素子１４との間の電圧差が、Ｘ線ビームのエネルギーを決定する。図３のグリッド及びスペーサは、本願で与えられるいずれの例示的な実施形態に係る電子エミッタにも適用可能である点は理解されたい。

電子エミッタ２２は、ナノ構造２４のコーティングを備える導電性基体２３を備える。加熱素子２１が、管の陰極端において二つの電気フィードスルーを介して導電性基体２３に取り付け可能である。ナノ構造２４のコーティングは、導電性基体２３上に成長可能である。ナノ構造コーティングは、ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノテトラポッド、又はナノチューブの形状であり得る。基体の物質は、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金、鉄、又は鉄系合金であり得る。一部の例示的な実施形態によると、基体は多様な形状に予め成形されている。

図４は、電子エミッタの成形可能な例示的な形状を示す。電子エミッタ２２ａは、導電性基体２３ａ及びナノ構造２４ａのコーティングを備える丸みを帯びたピラミッド型である。更なる例の電子エミッタ２２ｂは、導電性基体２３ｂ及びナノ構造２４ｂのコーティングを備える中実シリンダー状である。図４には、導電性基体２３ｃ及びナノ構造２４ｃのコーティングを備える中空シリンダー状の電子エミッタ２２ｃの更なる例も与えられている。更なる例の電子エミッタ２２ｄは、導電性基体２３ｄ及びナノ構造２４ｄのコーティングを備える中空星型である。このような形状は放出電子の方向に影響を与えることができるものであるので、Ｘ線の多様な使用に適合し得る点は理解されたい。また、他の形状も例示的な実施形態に係るＸ線デバイスにおいて使用可能である点も理解されたい。

図４に示される基体は、所定の空間内で平行にまとめられ得る。基体の上端に形成される表面は、平面状、凹状、又は凸状で、電子ビームの集束スポットを形成し得る。

一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造コーティングは、固相‐液相‐気相法、化学気相堆積（ＣＶＤ，ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、又は化学溶液法によって成長可能である。一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造コーティングの形態は、成長プロセスの間又は後に化学的、電気化学的、又は光学的手段によって、電子放出を更に促進するように変更されるようになっている。

一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造コーティングは、酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製であり得る。一部の例示的な実施形態によると、ナノ構造コーティングは、酸化物半導体、例えばＺｎＯ製であり得る。ＺｎＯは、ｎ型ワイドバンドギャップ半導体である。その導電性は、成長プロセス中に発生する酸素空孔に関係している。

導電性の改善は、元素周期表のＩＡ、ＩＩＡ，ＩＢ、ＩＩＩＡ、ＶＩＡ、又はＶＩＩＡ族の化学元素をドーピングすることによって達成される。成長後熱処理を適用して、ドーパントを均一化するか、又は、表面に対してドーパントを部分的に分離する。ナノ構造の形態は、局所的電場増強を得るように化学的又は電気化学的手段によって変更可能である。また、ＵＶ処理を適用して、表面特性を改善することもできる。表面コーティングをナノ構造に適用して、エミッタの表面の仕事関数を減少させることによって、電子放出プロセスを更に増強させ得る。

一部の例示的な実施形態によると、誘電体層、例えばＳｉＯ_２を、ナノ構造コーティングが存在していない箇所において、導電性基体の上に追加し得る。このような誘電体コーティングは、電子放出を方向付けるのに有用となり得る。

加熱素子２１を介して適度な中程度の加熱を行いながら、電子エミッタに負のバイアスをかけると、電子がショットキー放出によって放出される。加熱をオフにして、陰極に負のバイアスをかけると、電子が電界放出によって放出される。従来技術の電界放出Ｘ線源には存在していない加熱という追加機能は、陰極汚染の場合におけるエミッタの表面から望ましくない吸着化学種を除去することによって、電子エミッタを再生させるようにも適用可能である。

一部の例示的な実施形態によると、複数の電子エミッタがＸ線デバイスにおいて使用され得る。図５は、複数の電子エミッタを備えるＸ線管を示す。この実施形態では、三つの電子エミッタ２２＿１、２２＿２及び２２＿３が、密閉チューブ１０内において、電子受け取り素子１４に向き合うエミッタへと組み立てられている。電子エミッタの数及び間隔は変更可能である。

例示的な実施形態に係るＸ線デバイスにおいては任意の数の電子エミッタが使用可能である点は理解されたい。また、図５の電子エミッタは、図２から図４のいずれかの特徴を有する電子エミッタ、又は他の形状の電子エミッタとなり得る点も理解されたい。また、複数の電子エミッタは互いに同一である必要はなく、異なる形状及び／又は特徴を有し得る点も理解されたい。

電子エミッタの配置パターンは、線形、円形、矩形、正方形、又は他の多角形となり得るがこれらに限定されるものではない。電子受け取り素子１４との関係において、電子エミッタ２２＿１、２２＿２及び２２＿３は、これら全てが、電子受け取り素子１４上の一つの集束スポットに向けられた電子２５ａ〜２５ｃを放出するように配置され得るか、又は、電子受け取り素子１４上に放出パターンの拡大又は縮小イメージを投影するように配置され得る。

これら全ての変形例は、Ｘ線ビーム２６の寸法及び形状の要求に合致するものである。電子エミッタ２２＿１、２２＿２及び２２＿３は、まとめて若しくは個別に、同時に若しくは逐次的に作動可能である。このような柔軟な作動方法は、電源の出力周波数の設定によってＸ線発生用の高周波数パルス化モードを可能にし、また、作動させる電子エミッタ２２＿１、２２＿２及び２２＿３の数を選択することによって広範な放射線量の選択を可能にする。電子エミッタ２２＿１、２２＿２、２２＿３の作動は、電源２８によって制御され得る。

本願に与えられる例示的な実施形態は、電子エミッタ２２＿１、２２＿２、２２＿３の個別作動を可能にすることによって、現状のＸ線システムでは利用することができない放出電流を安定化させるための機構を提供する。放出の不均一性は、大面積陰極や多重陰極における深刻な問題である点は理解されたい。この問題は、エミッタの幾何学的及び物理的不均一性に起因する。

つまり、上記エミッタの問題は、物質及びプロセスの問題に起因する。従って、一部の例示的な実施形態は、基体上のエミッタ物質の成長の改善を対象としている。

一部の例示的な実施形態によると、エミッタ間の不均一性の存在は、構成要素レベルにおいて解決される。そのような例示的な実施形態について、図５の三陰極構成を例にとって、説明する。

図６Ａ及び図６Ｂは、図５の電子エミッタ構成の電流‐電圧特性を示す。各グラフにおいて、三角、四角、丸の記号でそれぞれプロットされている点は、図５の電子エミッタ２２＿１、２２＿２、２２＿３それぞれの電圧及び電流を表す。

図６Ａは、電子エミッタと電子受け取り素子との間の距離を同じに保ったままでの電圧Ｖの印加を示す。各電子エミッタ２２＿１、２２＿２、２２＿３はそれぞれ電流ｉ１、ｉ２、ｉ３を放出する。図６Ａのグラフに示されるように、各電子エミッタの電子放出によって提供される電流量は異なる。対象としている全てのエミッタの測定電流値の平均二乗誤差又は二乗平均平方根偏差（標準偏差）を正式に定めることによって、不均一性を定量的に記述することができるが、図６Ａに示されるグラフの差でも十分にこの点は示されている。

三つ全ての電子エミッタが同じ電流を放出しなければならない場合、図６Ｂに示されるように、異なる電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を電子エミッタ２２＿１、２２＿２、２２＿３それぞれに提供する必要がある。その有利な結果は、複数の電子エミッタが異なる集束スポットに向けられて、特定の形状のＸ線ビームを形成する場合に明らかとなる。その機構は、全ての集束スポットにおいて一定の電流を提供することによってＸ線ビームの空間均一性を与える。更なる利点は、電子エミッタが一つの集束スポットに向けられ、逐次的にバイアスがかけられる場合、エミッタが経時的に一定の電流での時間一様性を有する電子放出を与えるという点である。また、Ｘ線放出の安定性及び均一性を保証するため、フィードバック監視回路を用いて、電子放出プロセスを制御し得る。

一部の例示的な実施形態によると、電源２８は、二極管用の少なくとも一つの電子発生素子と電子受け取り素子との間の電位差を、以下の三つのバイアスモードで提供するように構成される：（−，０：陰極を負，陽極を接地）、（−，＋：陰極を負，陽極を正）、及び、（０，＋：陰極を接地、陽極を正）。このようなバイアスモードの使用は、ショットキー放出又は電界放出を誘起する。従って、このような低加熱パワー要求の実施形態の例示的な利点は、例えば、熱フィラメントに基づいたシステムにとって一般的な冷却システムや長期間のクールダウン及びウォームアップをなくすことである。従って、よりポータブルなＸ線デバイスを得ることができる。

一部の例示的な実施形態によると、電源は、ＤＣ（直流）モード（つまり、一定の（−，０）、（−，＋）、（０，＋））；パルスモード（つまり、陽極接地又は陰極接地での方形波）；又は、ＡＣ（交流）モード（つまり、正弦波）で動作するように構成される。多様な動作モードの電源を提供することの例示的な利点は、より汎用性のあるデバイスを提供できることである。例えば、パルスモード及びＡＣモードでは、波形の明確な立ち上がり時間、周波数、デューティサイクル、及びパルス形状を得ることができる。

本願で説明されるＸ線デバイスは多数の分野において使用可能である点は理解されたい。例えば、Ｘ線デバイスをセキュリティ走査装置（例えば、空港のセキュリティチェックにあるようなもの）において使用可能である。加熱素子及びショットキー放出の使用がよりポータブルなデバイスを可能にするので、Ｘ線デバイスはそのようなセキュリティシステムにおいてより簡単に実現可能である。

本願で説明されるＸ線デバイスの更なる例示的な使用は、医療用走査デバイス、例えば、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）走査装置や、Ｃアーム型走査装置（小型Ｃアーム装置を含み得る）等におけるものである。本願で説明されるＸ線デバイスの更なる例示的な使用は、地質調査装置におけるものである。

本願で説明されるＸ線デバイスはあらゆる非破壊検査装置において使用可能である点は理解されたい。Ｘ線デバイスのいくつかの例示的な応用として、マンモグラフィ、獣医学的イメージング、Ｘ線蛍光分光法が挙げられる。

本願に与えられる例示的な実施形態の説明は、例示目的で与えられているものである。説明は、完全なものではなく、例示的な実施形態を開示されている正確な形態に限定するものでもなく、修正例及び変更例が、上記教示から可能なものであるか、提供されている実施形態の多様な代替例の実現から得られ得る。本願に記載されている例は、多様な例示的な実施形態の原理及び特性並びのその実際の応用を説明するために選択され記載されていて、当業者が、想定される特定の使用に適するような多様な方法及び多様な修正で例示的な実施形態を利用することができるようにする。本願で説明されている実施形態の特徴は、方法、装置、モジュール、システム及びコンピュータプログラム製品の全ての可能な組み合わせにおいて組み合わせ可能である。本願に与えられている複数の例示的な実施形態は互いにあらゆる組み合わせで実現可能である点は理解されたい。

“備える”との用語は、列挙されているもの以外の他の要素又はステップの存在を必ずしも排除するものではなく、単数形での要素の表記は、その要素が複数存在することを排除するものではない。更に、参照符号は特許請求の範囲を限定するものではなく、例示的な実施形態は、ハードウェア及びソフトウェア両者の使用によって少なくとも部分的に実施可能であり、複数の“手段”、“ユニット”又は“デバイス”がハードウェアとの同じ用語によって表され得る。

図面及び明細書において、例示的な実施形態を開示してきた。しかしながら、これらの実施形態には多様な変更及び修正が行われ得るものである。従って、特定の用語を使用しているが、それらは一般的な記載感覚においてのみ使用されているものであり、限定目的のものではなく、実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるものである。

１０ 真空ガラス管
１４ 電子受け取り素子
２０ 窓
２１ 加熱素子
２２ 電子エミッタ
２３ 導電性基体
２４ ナノ構造
２５ 電子ビーム
２６ エックス線ビーム
２８ 電源

Claims (14)

1. Ｘ線管用の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）であって、
   導電性基体（２３）と、
   前記導電性基体の少なくとも一部の上に設けられた酸化物、窒化物、珪化物、セレン化物、又はテルル化物製のナノ構造物質（２４）とを備える電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
2. スペーサ（３１）を介して前記導電性基体（２３）から１００μｍから１０００μｍまでの間の固定距離に位置するグリッド（３０）を更に備える請求項１に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
3. 前記導電性基体（２３）がステンレス鋼、ニッケル、ニッケル系合金、鉄、又は鉄系合金製である、請求項１又は２に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
4. 前記導電性基体（２３）が、円形、多角形、又は星型の断面を有する中実シリンダー状である、請求項３に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
5. 前記ナノ構造物質（２４）が、元素周期表のＩＡ、ＩＩＡ、ＩＢ、ＩＩＩＡ、ＶＩＡ、又はＶＩＩＡ族のドーパント元素でドーピング又は共添加されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
6. 前記ナノ構造物質（２４）がＺｎＯ製である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
7. 前記ナノ構造物質（２４）を備えていない前記導電性基体（２３）の部分が、誘電体層を更に備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
8. 前記誘電体層がＳｉＯ_２である、請求項７に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
9. 前記導電性基体（２３）が加熱素子（２１）に取り付け可能である、請求項１から８のいずれか一項に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
10. 前記電子エミッタが、前記加熱素子（２１）がオン状態であり且つ前記電子エミッタが負にバイアスされている際のショットキー放出用に構成されている、請求項９に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
11. 前記電子エミッタが、前記加熱素子（２１）がオフ状態であり且つ前記電子エミッタが負にバイアスされている際の電界放出用に構成されている、請求項９又は１０に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）を備えるＸ線デバイス。
13. 電子受け取り素子（１４）に向けて電子を放出するように配置された複数の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）を更に備える請求項１２に記載のＸ線デバイス。
14. 前記複数の電子エミッタ（２２、２２＿１、２２＿２、２２＿３）が、個別に、同時に、又は逐次的に作動する、請求項１３に記載のＸ線デバイス。

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