JP2024015761A

JP2024015761A - 真空管

Info

Publication number: JP2024015761A
Application number: JP2022118051A
Authority: JP
Inventors: 渉松山; Wataru Matsuyama; 則幸薄井; Noriyuki Usui
Original assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2024-02-06

Abstract

【課題】感度の回復が可能な真空管を提供する。【解決手段】管軸に沿って筒状に延在している本体部と前記管軸に沿った方向における前記本体部の一端に設けられている入力窓とを有し、内部が減圧されている外囲器と、前記外囲器の内部に設けられ、前記入力窓側から入射される光を電子に変換する光電陰極と、前記外囲器の内部に設けられ、前記電子を加速させる陽極と、前記本体部を加熱可能な加熱器と、を備えている、真空管。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、真空管に関する。

光電陰極を備える真空管として、光電子増倍管やイメージインテンシファイア（Image Intensifier）などがある。上記真空管は、光電陰極の他に、外囲器や陽極などを備えている。真空管を長期間使用すると、光電陰極が劣化する。これにより、真空管の感度が低下することが知られている。

特表２００１－５２３３８３号公報特開２０１５－８８４０３号公報特公平７－５４６７６号公報

本実施形態は、感度の回復が可能な真空管を提供する。

一実施形態に係る真空管は、管軸に沿って筒状に延在している本体部と前記管軸に沿った方向における前記本体部の一端に設けられている入力窓とを有し、内部が減圧されている外囲器と、前記外囲器の内部に設けられ、前記入力窓側から入射される光を電子に変換する光電陰極と、前記外囲器の内部に設けられ、前記電子を加速させる陽極と、前記本体部を加熱可能な加熱器と、を備えている。

図１は、一実施形態に係るイメージ管を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ－Ａに沿った加熱器及び絶縁体の断面図である。図３は、上記実施形態に係るイメージ管の光電陰極３３を形成する方法を示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の趣旨を保っての適宣変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面や説明をより明確にするため、実際の様態に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宣省略することがある。

初めに、本発明の実施形態の基本構想について説明する。
光を電子に変換する光電陰極を備える真空管として、光電子増倍管やイメージインテンシファイアなどがある。光電子増倍管は、光電陰極の他に、内部が減圧されている外囲器や電子を加速させる陽極などを備えている。光電子増倍管は、入射した光を光電陰極で電子に変換する。その後、電子は、加速されて二次電子放出面に当たり、増倍した二次電子流を発生させる。これが繰り返されることで、電子は、数百万倍に増幅される。つまり、光電子増倍管は、電子の数を増やすことで、弱い光を強い信号として取り出すことができる。

イメージインテンシファイアとしてのイメージ管は、光電陰極の他に、内部が減圧されている外囲器、電子を加速させる陽極、入射した放射線を光（暗い可視光）に変換する蛍光膜、電子を集束する集束電極、電子を光に変換する出力部などを備えている。Ｘ線イメージ管は、放射線が入射すると、蛍光膜で放射線を光に変換する。その後、光は、光電陰極で電子に変換される。電子は、陽極によって加速され、集束電極によって集束される。このように加速及び集束された電子は、出力部で明るい可視光に変換されてイメージ管の外に出力される。このとき、出力された可視光の明るさは、蛍光膜で変換された可視光の明るさの数千から数万倍になる。

真空管の光電陰極は、長期間の使用によって劣化する。光電陰極が劣化すると、真空管の感度は低下する。
光電子増倍管の感度が低下すると、例えば、１の光を１０００として出力する状態から、１の光を５００として出力する状態になる。このとき、例えば、０．０００１の光を１として出力させる使い方をしていた場合、感度が低下した状態では検出できなくなる。なお、上記の数字は、感度のイメージを理解しやすくするために適当に記載した数字であり、具体的な光子の数や光電子の数を示す値ではない。

イメージ管の感度が低下すると、出力された画像は暗くなり見えにくくなる。つまり、少ないＸ線の量で明るい画像を得ていたイメージ管は、長期間の使用によって感度が低下すると、同じ明るさの画像を得るためにより多くのＸ線の量を必要とする。また、医療用においては、人体への被ばく線量を抑制することが求められており、少ないＸ線の量で明るい画像を得ることができるイメージ管が求められている。

光電陰極の劣化によって真空管の感度が低下した場合、感度を回復させることは難しい。感度の低下により真空管を使用することができなくなった場合、新しい真空管に交換することが一般的である。
そこで、本発明の実施形態においては、係る問題を改善するものであり、感度の回復が可能な真空管を得ることができるものである。

以下、図面を参照しながら一実施形態に係る真空管についてイメージ管を例に詳細に説明する。
図１は、一実施形態に係るイメージ管１を示す断面図である。なお、図１は、外囲器２の管軸２ａ及び導入部７４の中心線７４ａを含む断面を示している。図１に示すように、イメージ管１は、外囲器２、入力部３、電極４、陽極５、出力部６、加熱器９、管容器１０、及び温度検知部２４を備えている。

外囲器２は、管軸２ａに沿って筒状に延在している本体部２１と、管軸２ａに沿った方向における本体部２１の一端に設けられている入力窓２２とを有している。本体部２１の管軸１ａに沿った方向における他端は出力部６によって気密に密閉されている。外囲器２の内部は、減圧されている。外囲器２の内部の圧力は、例えば、１０^―４Ｐａである。

本体部２１は、筒部２３と、絶縁部７と、固定部８とを有している。筒部２３は、管軸２ａに沿って筒状に延在している。筒部２３の材料は、例えば、金属である。絶縁部７は、筒部２３の管軸２ａに沿った方向における入力窓２２と反対側の一端に設けられている。絶縁部７は、電気的絶縁性を有し、筒部２３と固定部８とを電気的に絶縁している。絶縁部７の材料は、例えば、ガラスである。

絶縁部７は、内筒部７１、外筒部７２、連結部７３及び導入部７４を有している。内筒部７１及び外筒部７２は、筒状に形成されている。連結部７３は、外囲器２の外部に面している外側面７３ａを有し、板状に形成されている。連結部７３は、内筒部７１と外筒部７２とを連結している。

導入部７４は、連結部７３の外側面７３ａから外囲器２の外部に向かって中心線７４ａに沿って突出している。導入部７４は、中心線７４ａに沿って延在して筒状に形成されている。導入部７４の孔は、外囲器２の内部に連通している。言い換えると、導入部７４の孔は、外囲器２の内部に連続的に繋がっている。導入部７４の連結部７３と反対側の端部は、閉鎖されている。導入部７４は、管軸２ａに直交する方向において後述する第１遮蔽部４３ｄ及び第２遮蔽部４３ｅの間に位置している。

固定部８は、平面視円環状である。固定部８の内周に、出力部６（詳細には出力窓６１）が融着されている。
入力窓２２は、例えば、金属で形成されている。入力窓２２は、放射線を透過する。より詳細には、入力窓２２は、Ｘ線を透過する。

入力部３は、外囲器２の内部に入力窓２２と対向して設けられ、管軸２ａに沿った方向において入力窓２２と電極４との間に位置している。入力部３は、入射基板３１と、入射側蛍光膜３２と、光電陰極３３とを有している。入力部３の各構成要素は、管軸２ａに沿った方向において入力窓２２側から、入射基板３１、入射側蛍光膜３２、光電陰極３３の順に位置している。

入射基板３１は、入力窓２２を透過した放射線であるＸ線が入射される。入射基板３１の材料は、例えば、アルミニウムである。入射基板の厚みは、例えば、１ｍｍ程度とすることができる。
入射側蛍光膜３２は、入射基板３１を介して入射されたＸ線を蛍光に変換する。上記蛍光は、可視光を含んでいる。入射側蛍光膜３２は、例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を含むものとすることができる。

光電陰極３３は、入射側蛍光膜３２により変換された蛍光が入射される。光電陰極３３は、入射した蛍光を電子に変換する。つまり、光電陰極３３は、外囲器２の内部に設けられ、入力窓２２側から入射される光（一例では、入射側蛍光膜で変換された蛍光）を電子に変換する。
光電陰極３３は、酸素と結合して簡単に劣化してしまうため、イメージ管１の内部で形成される。光電陰極３３は、真空中において、アンチモン（Ｓｂ）を含む膜に、光電陰極材料１００としてセシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）などのアルカリ金属の蒸気を反応させることで形成される。光電陰極３３の厚みは、５乃至１０ｎｍ程度である。光電陰極３３の形成方法については、図３の説明で後述する。

電極４は、外囲器２の内部に複数設けられ、入力部３と陽極５との間に位置している。電極４は、管軸２ａに沿った方向に並べられた第１集束電極４０、第２集束電極４１、及び第３集束電極４３を有している。第２集束電極４１及び第３集束電極４２は、入力部３から放射された電子を集束させる。なお、一例において電極４は、第１集束電極４０、第２集束電極４１、及び第３集束電極４２の３個の集束電極で構成されているが、集束電極の数は適宜変更することができる。

第３集束電極４３は、連結部４３ａ、第１板状体４３ｂ、第２板状体４３ｃ、第１遮蔽部４３ｄ、及び第２遮蔽部４３ｅを有している。連結部４３ａは、第１板状体４３ｂと、第２板状体４３ｃとを連結している。第１板状体４３ｂ及び第２板状体４３ｃは、円環状に形成されている。第１遮蔽部４３ｄ及び第２遮蔽部４３ｅは、筒状に形成され、第１板状体４３ｂに固定されている。第３集束電極４３は、電気的絶縁性を有する絶縁部材２ｂを介して本体部２１に接続されている。なお、第３集束電極４３の構成は上記の構成に限られない。

陽極５は、外囲器２の内部に設けられ、管軸２ａに沿った方向において電極４と出力部６との間に位置している。陽極５は、管軸２ａに沿って筒状に形成されている。陽極５は、電極４によって集束された電子を加速させる。

出力部６は、出射側蛍光膜６２と、メタルバック膜６３と、出力窓６１とを有している。出力部６の各構成要素は、管軸２ａに沿った方向において入力窓２２側から、メタルバック膜６３、出射側蛍光膜６２、出力窓６１の順に位置している。出射側蛍光膜６２は、メタルバック膜６３を介して入射した電子を蛍光に変換し、出力窓６１に射出する。出射側蛍光膜６２は、例えば、アルミニウム賦活硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ａｌ）、銅賦活硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｃｕ）などの蛍光体を含むものとすることができる。

メタルバック膜６３は、出射側蛍光膜６２を覆っている。メタルバック膜６３は、固定部８を介して出射側蛍光膜６２に残る余剰な電子を放出する。すなわち、メタルバック膜６３は、出射側蛍光膜６２の帯電を防止する。メタルバック膜６３の材料は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などである。メタルバック膜６３の厚みは、例えば、２００乃至３５０ｎｍとすることができる。
出力窓６１の形状は、板状である。出力窓６１は、光透過性を有する材料によって形成されることができる。出力窓６１の材料は、例えば、ガラスである。出力窓６１は、出射側蛍光膜で変換された蛍光を可視光像としてイメージ管１の外部に出射する。

加熱器９は、本体部２１を加熱可能に設けられている。加熱器９は、本体部２１の温度を５５度から９０度までの範囲に維持するように、本体部２１を加熱可能である。なお、加熱器９が維持可能な温度範囲は上記の範囲に限られず、加熱器９は、例えば、７０度から９０度までの範囲に維持するように本体部２１を加熱することも可能である。
一例において、加熱器９は、外囲器２の外部に位置している。なお、加熱器９は、電子の軌道に影響を与えない位置であれば外囲器２の内部に位置してもよい。加熱器９は、外囲器２に固定されている。より具体的には、加熱器９は、本体部２１の絶縁部７に固定されている。なお、加熱器９は、筒部２３に固定されてもよい。更に、加熱器９は、外囲器２に固定されることに限定されず、例えば、管容器１０に固定されてもよい。

図２は、図１の線Ａ－Ａに沿った加熱器及び絶縁体の断面図である。図２に示すように、加熱器９は、本体部２１を部分的に加熱可能に設けられている。加熱器９は、本体部２１の一部のみを加熱可能に設けられてもよい。加熱器９は、絶縁部７の導入部４７の周辺を加熱している。つまり、加熱器９は、本体部２１全体を加熱できなくともよい。なお、加熱器９は、本体部２１全体を加熱してもよく、例えば、本体部２１の全周を囲って位置してもよい。加熱器は、例えば、バンドヒータである。また、加熱器９の個数は適宜変更可能であり、例えば、２つ以上であってもよい。

図１に示すように、管容器１０は、管軸２ａに沿って筒状に延在し、本体部２１の外周面を囲んで位置している。管容器１０は、管軸２ａに沿って筒状に延在する中央部１１と、中央部１１の管軸２ａに沿った方向における一端部１２と、管軸２ａに沿った方向における一端部１２と反対側に位置する他端部１３とから構成されている。中央部１１は、本体部２１の外周面を囲んで位置している。一端部１２は、放射線が入力窓２２に入射するための第１開口１２ａを有している。なお、一端部１２は、第１開口１２ａを有していなくともよい。他端部１３は、可視光像をイメージ管１の外部に出力するための第２開口１３ａを有している。他端部１３は、固定部８に固定されている。

管容器１０は、外囲器２を収納している。管容器１０は、例えば、アルミニウム、鉛、磁気シールドなどから構成されている。管容器１０は、イメージ管１の構造を維持し、外囲器２が破損した際に破片が飛散、Ｘ線の漏洩、及び外部の磁気のイメージ管１内部への侵入を防止している。加熱器９は、管軸２ａに直交する方向において、外囲器２と管容器１０との間に位置している。

温度検知部２４は、本体部２１の温度を検知可能である。本体部２１は、管軸２ａに直交する方向において加熱器９と対向する位置に設けられている。温度検知部２４は、絶縁部７に設けられている。なお、温度検知部２４は、加熱器９によって加熱されている領域の温度を検知できればよく、加熱器９が筒部２３を加熱している場合、筒部２３に設けられてもよい。

上記のように構成されたイメージ管１は、５５度以下の環境下で輸送されなければならないことが知られている。また、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｚ４７２１：２０００において、ＩＥＣ（国際電気標準会議）６０６０１にイメージインテンシファイアの輸送及び保管環境における周囲温度を－４０度から７０度の間にしなければならないとする規定がある旨が記載されている。

ここで、光電陰極３３の形成方法を説明する。図３は、上記実施形態に係るイメージ管１の光電陰極３３を形成する方法を示す断面図である。なお、図３は、外囲器２の管軸２ａ及び導入部７４の中心線７４ａを含む断面を示している。
図３に示すように、まず、外囲器２と、入力部３と、電極４と、出力部６と、加熱器９と、アンチモンを含む蒸気と、光電陰極材料１００とを用意する。次に、外囲器２の内部に、入力部３と、電極４と、出力部６とを収容する。

続いて、外囲器２の内部を減圧する。その後、アンチモンを含む蒸気を導入部７４から導入し、入射側蛍光膜３２に蒸着させる。これにより、入射側蛍光膜３２にアンチモンを含む膜が形成された後、光電陰極材料１００を導入部７４から導入する。すると、光電陰極材料１００は、外囲器２内の電極４などによって適度に分散され、入力部３の入射側蛍光膜３２のアンチモンを含む膜にほぼ均等に蒸着され、光電陰極３３が形成される。光電陰極が形成された後、導入部７４の端部を閉鎖する。

光電陰極材料１００を入射側蛍光膜３２のアンチモンを含む膜にほぼ均等になるよう蒸着させることは、出力画像にしみなどを発生させないために必要なことである。つまり、光電陰極材料１００を分散させることは必須であり、光電陰極材料１００は、光電陰極３３以外の箇所、例えば、外囲器２の内周面や電極４などに必ず付着している。

本実施形態の効果について説明する。
上記のように構成された本実施形態に係る真空管によれば、真空管は、本体部２１と入力窓２２とを有している外囲器２と、光電陰極３３と、陽極５と、加熱器９とを備えている。加熱器９は、本体部２１を加熱可能である。
加熱器９は、本体部２１の温度を５５度から９０度までの範囲に維持するように、本体部２１を加熱可能である。更に、加熱器９は、本体部２１の温度を７０度から９０度までの範囲に維持するように、本体部２１を加熱可能である。
これにより、真空管の感度が低下した場合、光電陰極３３以外の箇所に蒸着している光電陰極材料１００は、加熱器９で本体部２１を加熱することで揮発する。このため、揮発した光電陰極材料１００が光電陰極３３に蒸着し、真空管の感度を向上させることができる。さらに、真空管を新しい真空管に交換する必要がなくなり、資源を有効活用することができる。

例えば、２７０ｍｍの直径と３２０ｍｍの管軸２ａに沿った方向の長さとを有している外囲器２を備えているイメージ管１の本体部２１を９０度で４時間維持した場合、イメージ管１の感度は３００（Ｃｄ／ｍ^２）／（ｍＲ／Ｓ）から３８０（Ｃｄ／ｍ^２）／（ｍＲ／Ｓ）になり、２５％以上回復することが確認されている。なお、Ｒは放射線量を示す単位であり、「ｍＲ／Ｓ」は放射線量率を示している。つまり、イメージ管における感度とは、放射線量率に対する輝度の大きさを表している。感度は、Ｘ線変換係数と呼ばれる場合もある。
本体部２１の加熱時間については、外囲器２の大きさや温度に応じて適宜変更可能である。例えば、直径が７０ｍｍの外囲器で構成されている光電子増倍管では、上記したイメージ管１よりも短い加熱時間で感度を回復させることができる。真空管の感度を回復させるためには、本体部２１が５５度から９０度の間のいずれかの温度に達してから、少なくとも３０分間維持される必要がある。
また、イメージ管１の本体部２１を１２０度で７分間維持した場合、得られた画像において明るさにむらがあることが確認されている。これは、イメージ管１を１２０度で加熱することで光電陰極材料１００に与えられるエネルギーが大きくなり、光電陰極材料１００が光電陰極３３に到達するまでの経路に偏りが生じ、光電陰極３３に均等に光電陰極材料１００を蒸着することができないことが原因であると予想される。つまり、イメージ管１を９０度以上で加熱した場合、ほぼ均等に光電陰極材料１００を蒸着させることができないため、９０度以内で加熱する必要がある。

加熱器９は、本体部２１を部分的に加熱可能である。外囲器２内部における光電陰極材料１００の蒸着量にはむらがある。例えば、本体部２１の導入部７４の周辺には、光電陰極材料１００が多く蒸着している。そのため、本体部２１全体を加熱するよりも、本体部２１を部分的に加熱する方が、光電陰極材料１００を光電陰極３３に蒸着させる際のむらを抑制することができる。

加熱器９は、外囲器２の外部に位置している。これにより、内部に加熱器９が位置している場合よりも、真空管の製造が容易になる。
本体部２１の温度を検知可能な温度検知部２４を更に備えている。これにより、本体部２１の温度を正確に確認することができる。
本体部２１を囲んで位置する管容器１０を更に備え、加熱器９は、外囲器２と管容器１０との間に位置している。これにより、加熱器９によって加熱された本体部２１をむき出しにすることなく、安全性の高い真空管を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…イメージ管、２…外囲器、２ａ…管軸、３…入力部、４…電極、５…陽極、６…出力部、７…絶縁部、８…固定部、９…加熱器、１０…管容器、２１…本体部、２２…入力窓、２３…筒部、２４…温度検知部、３１…入射基板、３２…入射側蛍光膜、３３…光電陰極、４７…導入部、６１…出力窓、７１…内筒部、７２…外筒部、７３…連結部、７３ａ…外側面、７４…導入部、７４ａ…中心線、１００…光電陰極材料。

Claims

管軸に沿って筒状に延在している本体部と前記管軸に沿った方向における前記本体部の一端に設けられている入力窓とを有し、内部が減圧されている外囲器と、
前記外囲器の内部に設けられ、前記入力窓側から入射される光を電子に変換する光電陰極と、
前記外囲器の内部に設けられ、前記電子を加速させる陽極と、
前記本体部を加熱可能な加熱器と、を備えている、
真空管。
前記加熱器は、前記外囲器の外部に位置している、
請求項１に記載の真空管。
前記加熱器は、前記本体部を部分的に加熱可能である、
請求項１に記載の真空管。
前記加熱器は、前記本体部の温度を５５度から９０度までの範囲に維持するように、前記本体部を加熱可能である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空管。
前記加熱器は、前記本体部の温度を７０度から９０度までの範囲に維持するように、前記本体部を加熱可能である、
請求項４に記載の真空管。
前記本体部の温度を検知可能な温度検知部を更に備えている、
請求項４に記載の真空管。
前記管軸に沿って筒状に延在し、前記本体部の外周面を囲んで位置している管容器を更に備え、
前記加熱器は、前記外囲器と前記管容器との間に位置している、
請求項１に記載の真空管。