JP3748741B2

JP3748741B2 - Ｘ線管の熱陰極

Info

Publication number: JP3748741B2
Application number: JP25924599A
Authority: JP
Inventors: 勝栗林
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: JP2001084931A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＸ線管の熱陰極に関し、特に、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造の熱陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線管の熱陰極として代表的なものはタングステン製のコイルフィラメントであるが、近年、Ｘ線発生装置の大電流化に伴い、この種のコイルフィラメントよりも熱陰極の性能を向上させることが求められている。そこで、Ｘ線管の熱電子エミッタとして、タングステンよりも熱電子放射性能の優れた六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）を使うようになってきている。この六ホウ化ランタンを使う場合には、これをそのままフィラメント形状に加工してこれに直接電流を流して熱陰極とする場合もあるし（特開平１０−３２１１１９号公報の図１や図１４を参照）、カーボン等の発熱体にこれを取り付けて熱陰極とする場合もある（特開平１０−３２１１１９号公報の図９と図１０を参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
六ホウ化ランタンをフィラメント形状に加工した場合や、六ホウ化ランタンを発熱体に取り付けた場合のいずれにおいても、六ホウ化ランタンの表面のうち、Ｘ線管のターゲットに対向した正面部分から熱電子が放射されることはもちろんであるが、側面（ターゲットに対向していない表面）からも熱電子が放射されることになる。このような側面からの熱電子放射があると、ターゲット上の焦点がぼやける（例えば、副焦点が生じて輝度むらが生じる）という問題が生じる。また、側面からの熱電子放射まで考慮して所望の焦点サイズに電子流を集束させるためには、ウェーネルト電極の形状を複雑に工夫する必要がある。
【０００４】
さらには、ターゲット上で正確な焦点形状を作るためには、ウェーネルト電極と熱陰極の熱電子放射面との相対的な位置関係を設計通りに正確に位置決めする必要がある。したがって、ウェーネルト電極と熱陰極とを組み立てる際に高い精度が要求され、その組立誤差が焦点形状や焦点サイズのばらつきの原因になる。
【０００５】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のＸ線管の熱陰極において、ターゲット上で設計通りの焦点形状及び焦点サイズを実現できるような熱陰極を提供することにある。この発明の別の目的は、熱電子エミッタからの横方向への熱電子放射をなくしてターゲット上の焦点の輝度むらを少なくできる熱陰極を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の熱陰極は、発熱体に凹部を形成して、この凹部の底面の一部分に熱電子エミッタの表面を露出させたものである。そして、熱電子エミッタの露出面が凹部の底面から実質的に突き出ないようにしたものである。このようにすることで、凹部の側壁によって電子流を集束させるようにして、ウェーネルト電極で電子流を集束させる従来技術と比較して、ターゲット上で設計通りの焦点形状及び焦点サイズを実現できる。また、熱電子エミッタの側面が露出していないので、熱電子エミッタから横方向への熱電子放射がなくなり、Ｘ線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【０００７】
発熱体の材料としてはカーボンが適しており、特にガラス状カーボンが好ましいが、グラファイトを使うこともできる。熱電子エミッタを構成する熱電子放射材料の材質は特に制限されないが、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、各種のホウ化物などを使うことができる。その中でも特に六ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）が適している。Ｘ線管のターゲットの材質に応じて熱電子放射材料の材質を選択することもできる。例えば、ＥＸＡＦＳ測定におけるコンタミネーション対策としては、ターゲットと熱電子放射材料との組み合わせとして、タングステンのターゲットに対して、熱電子放射材料としてタングステンやＴａＢ₂を使うことができ、モリブデンのターゲットに対して、熱電子放射材料としてモリブデンや六ホウ化ランタンを使うことができる。
【０００８】
この熱陰極は、次のようにして作ることができる。まず、発熱体に凹部を形成する。次に、その凹部の底面に熱電子放射材料を埋め込むための埋め込み用凹部を形成する。それから、（１）埋め込み用凹部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結するか、あるいは、（２）埋め込み用凹部に、所定の形状に加工した熱電子放射材料を接着固定する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の熱陰極の第１の実施形態の斜視図であり、図２はその正面図である。図１において、この熱陰極は発熱体１０と熱電子エミッタ２４とで構成されている。発熱体１０はガラス状カーボン（glassy carbon）でできている。ガラス状カーボンは電気抵抗が黒鉛よりも非常に大きく、通電経路を長くしなくても（形状を複雑にしなくても）、タングステンコイルを使う場合と同程度の電力で熱電子放射材料を十分な温度に加熱できる。また、ガラス状カーボンは、グラファイトに比べて、溝を加工する際にエッジをシャープに加工できるので、加工精度が高い。この発熱体１０は、１対の通電用の端子１２、１４と、１対の脚部１６、１８と、エミッタ支持部２０とからなる。エミッタ支持部２０の上面には溝２２（凹部）が形成されている。
【００１０】
図３は図２のＡ−Ａ線で切断した切断面の拡大図である。エミッタ支持部２０の上面に形成された溝２２（凹部）は、１対の側壁２６、２８と平坦な底面３０とを備えている。底面３０の埋め込み用凹部３２には熱電子エミッタ２４が埋め込まれている。熱電子エミッタ２４の表面は、底面３０の一部分に露出していて、その露出面は底面３０と同一平面上にある。具体的な寸法例を示すと、溝２２の両側にある突出部３４の幅ａは０．２ｍｍであり、熱電子エミッタ２４の露出面の外縁から側壁２６、２８までの距離ｂは０．２ｍｍであり、熱電子エミッタ２４の露出面（図１に示すように細長い矩形である）の幅ｃは０．８ｍｍである。側壁２６、２８の高さｄは０．２ｍｍであり、熱電子エミッタ２４の厚さｅは０．２ｍｍであり、エミッタ支持部２０の厚さｆ（底面３０のところにおける厚さ）は０．６ｍｍである。熱電子エミッタ２４の長さＬ（図１を参照）は１２ｍｍである。したがって、熱電子エミッタ２４の露出面のサイズは０．８ｍｍ×１２ｍｍである。
【００１１】
この実施形態では、側壁２６、２８は底面３０に対して垂直になっているが、側壁２６、２８を底面３０に対して９０度以外の角度をなすようにしてもよい。例えば、後述する図８の等電位線に沿うように、図３の上方に行くにしたがって側壁２６、２８が外側に広がるように傾斜させてもよい。さらに、その場合に、側壁２６、２８の断面形状を放物線などの湾曲形状にしてもよい。
【００１２】
熱電子エミッタ２４は、埋め込み用凹部３２の内部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結固着したものである。熱電子放射材料の粉末としては六ホウ化ランタンを使用した。粉末の粒径としては０．１μｍ〜５０μｍの範囲内のものを使用でき、好ましくは０．１μｍ〜１０μｍの範囲内ものを使用する。この粉末を埋め込み用凹部３２の内部に充填するのに、次の３種類の方法を試した。いずれの方法も使うことができる。
【００１３】
第１の充填方法では、埋め込み用凹部３２の内部に六ホウ化ランタンの粉末をそのまま充填して、上から平板で押さえつけた。そのとき、粉末の表面が底面３０と同じ高さになるようにした。
【００１４】
第２の充填方法では、六ホウ化ランタンの粉末を酢酸ブチル（液体）に懸濁させて粘土状にしてから、これを「へら」を用いて埋め込み用凹部３２の内部に塗り込んだ。そのとき、この粘土状の混合物が底面３０と同じ高さになるようにした。酢酸ブチルは六ホウ化ランタンを加熱させれば蒸発することになる。
【００１５】
第３の充填方法では、埋め込み用凹部３２の内面に市販のカーボン接着剤を塗ってから、その上に六ホウ化ランタンの粉末を充填した。そのとき、粉末の表面が底面３０と同じ高さになるようにした。カーボン接着剤には、六ホウ化ランタンとの密着性を向上させるために炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）を混ぜておいてもよい。
【００１６】
上述のようにして埋め込み用凹部３２の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填したら、この発熱体１０を通電して粉末を焼結する。具体的には、六ホウ化ランタン粉末を充填した発熱体１０を開放型のＸ線管に取りつける。そして、Ｘ線管の内部を真空に排気しながら、この発熱体に通電する。その際、発熱体の両端に印加する電圧を徐々に増加させて、温度上昇を緩やかにする。例えば、１〜２時間をかけて１０００℃程度まで温度上昇させる。これによって、まず、六ホウ化ランタンの粉末のガス出しを実行する。それと同時に、発熱体による加熱と自己の発熱とによる温度上昇によって、粉末が焼結する。ここで、焼結とは、粉末材料がその融点以下の温度で熱処理されて粉末が互いに結合して一体化することを意味する。六ホウ化ランタンの融点は２７２０℃と高温であるから、それよりもかなり低い温度に加熱して、この粉末を焼結している。この熱陰極を使用して電子流を発生させるときは、熱電子エミッタが１４００〜１５００℃の温度になるように発熱体に電流を流している。
【００１７】
粉末を充填する際は、上述のように粉末の表面が底面と同じ高さにするのが一般的であるが、粉末の表面が底面よりもわずかに下がっていても構わない。すなわち、熱電子エミッタの表面が、底面よりも突き出さなければよいのであって、底面と同じ高さか、それよりもわずかに下がっていればよい。
【００１８】
なお、六ホウ化ランタンの粉末を埋め込み用凹部３２に充填して焼結固着させる代わりに、単結晶体または焼結体のブロック状の六ホウ化ランタンを埋め込み用凹部３２とほぼ同じ大きさに加工して、これを埋め込み用凹部３２の内部に接着固定してもよい。
【００１９】
図４は図１の熱陰極からＸ線管のターゲット３４に向けて熱電子を放射させた様子を示す正面図である。図４のように、熱電子エミッタの細長い露出面の長手方向と電子流とを含む平面に対して垂直な方向から見ると、熱電子エミッタから放射された熱電子は互いにほぼ平行な電子流３６となってターゲット３４に向かう。したがって、ターゲット３４上の焦点の長手方向のサイズは、熱電子エミッタの長手方向のサイズＬとほぼ同じ１２ｍｍとなる。すなわち、図４の方向から見ると、電子流３６はほとんど集束されない。図１を見ると分かるように、熱電子エミッタ２４の長手方向の両側には溝２２の側壁が存在しないので、熱電子エミッタの長手方向と電子流とを含む平面内では、電子流は溝２２の側壁による電子レンズの作用を受けることがなく、ほとんど集束しない。
【００２０】
ウェーネルト電極３８は熱陰極４０の周囲に設けられているが、このウェーネルト電極３８は熱陰極４０の周囲の電界を安定させる働きをするものであって、電子流を集束するための電子レンズとしての機能は果たしていない。この点で従来のウェーネルト電極とは異なる。ウェーネルト電極３８の電位は例えば熱陰極４０の電位（例えばマイナス６０ｋＶ）と同じである。
【００２１】
図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。すなわち、熱電子エミッタの細長い露出面の幅方向と電子流とを含む平面に対して垂直な方向から見ている。この方向から見ると、熱電子エミッタから放射された電子流３６はターゲット３４に向かって集束していく。図６は図５の熱電子エミッタ付近の拡大図である。熱電子エミッタ２４から放射された電子流３６は、溝の側壁２６、２８によって形成された電界によって集束されながら、ターゲットに向かう。この場合、発熱体に形成された凹部の側壁２６、２８が電子レンズを作る機能を果たしている。ターゲットと熱電子エミッタ２４との距離を１２．５ｍｍに設定した場合、幅が０．８ｍｍの熱電子エミッタ２４から放射された電子流３６は、ターゲット上では幅が０．１ｍｍに集束する。したがって、この実施形態では、０．８ｍｍ×１２ｍｍのサイズの熱電子放射面から放射された電子流がターゲット上では０．１ｍｍ×１２ｍｍのサイズの焦点に集束することになる。このように、熱電子エミッタ２４の熱電子放射面のサイズを焦点サイズよりも大きくして、熱電子エミッタからの電子流を絞って焦点を作るのが好ましい。こうすると、電子流の電流（Ｘ線管の管電流に等しい）を大きくとることができて、高出力のＸ線を発生することができる。なお、熱電子エミッタ２４の熱電子放射面のサイズは、焦点サイズと同程度までは小さくすることができる。図６の方向から見た場合でも、この実施形態におけるウェーネルト電極３８は電子レンズを作る機能は果たしていない。
【００２２】
図３において、この熱陰極では、熱電子エミッタ２４は、エミッタ支持部２０の凹部２２の底面３０に埋め込まれていて、底面３０から突き出していない。したがって、熱電子エミッタ２４の幅ｃの外側の側面２５は露出しておらず、この側面２５から熱電子が放射されることはない。側面２５から熱電子が放出されてしまうと、側壁２６、２８の作る電子レンズの作用で電子流を絞る場合に、その電子レンズの収差が大きくなって、ターゲット上の焦点に輝度むらが生じる恐れがある。これに対して、この実施形態では側面２５から熱電子が放出されないので、焦点の輝度むらが少なくなる。
【００２３】
ところで、図１を見ると分かるように、熱電子エミッタ２４の長手方向の両端部では、熱電子エミッタ２４の側面２７が露出している。理想的には、この長手方向の両端部でも熱電子エミッタ２４の側面２７が露出しない方が好ましい。しかし、この長手方向については、凹部の側壁で電子流を絞っていないので（すなわち、熱電子エミッタ２４の長手方向のサイズとターゲット上の焦点の長手方向のサイズはどちらも１２ｍｍである）、この方向では電子レンズの収差を考える必要がなくて、長手方向の両端部の側面２７から放出される熱電子の影響で焦点がぼやけたり輝度むらが生じたりすることはない。結局、熱電子エミッタの側面のうち、少なくとも電子レンズで絞る方向の側面が露出していないことが大切である。
【００２４】
図３において、熱電子エミッタ２４の露出面の外縁と側壁２６、２８との距離ｂは、熱陰極を製造するときの加工精度によって一定に定まり、熱陰極の組立精度には影響しない。したがって、ターゲット上に集束する焦点のサイズは設計通りに正確に定まることになる。これに対して、従来のようにウェーネルト電極によって電子流を集束させる場合には、焦点サイズは、ウェーネルト電極と熱陰極とを組み立てるときの組立精度に依存し、所望の設計サイズからずれる恐れがある。
【００２５】
図３において、熱陰極の各部の寸法を、上述の数値から、ａ＝０．３ｍｍ、ｂ＝０．３ｍｍ、ｃ＝０．４ｍｍに変更すると、ターゲットと熱陰極の距離を１２．５ｍｍにしたままで、ターゲット上の焦点サイズは０．２ｍｍ×１２ｍｍとなる。
【００２６】
次に、熱陰極の周辺の電界について、従来技術と本発明とを比較して説明する。図７は従来の熱陰極の周辺の電界を示した模式図である。この熱陰極はタングステン製のコイルフィラメント４２である。このコイルフィラメント４２を取り囲むようにウェーネルト電極４４が設けられている。このウェーネルト電極４４によって、コイルフィラメント４２の周囲には図示したような電界４６（Ｘ線管の管電圧による等電位線を表わしている）が形成されている。等電位線のカーブが電子レンズの役割を果たす。コイルフィラメント４２からは熱電子がいろいろな方向に放射されるが、電子流４８は電界４６で絞られてターゲット３４上に集束する。電子流４８をターゲット３４上で所望のサイズに集束させるためにはウェーネルト電極４４の形状を複雑に工夫する必要がある。この例では、円形のコイルフィラメント４２から放射される熱電子を集束させるために、ウェーネルト電極の溝４５を非常に深くしている。また、このようにウェーネルト電極４４の形状を工夫しても、ターゲット３４上の焦点に輝度むらが生じやすい。
【００２７】
図８は本発明の熱陰極の周辺の電界を示した模式図である。発熱体５０とウェーネルト電極５８とによって図示したような電界５２が形成されている。熱電子エミッタ５４から放射される熱電子は、熱電子エミッタ５４の表面に垂直な方向に放出され、その電子流５６は電界５２によって絞られてターゲット３４上に集束する。熱電子エミッタ５４の周辺における電界５２のカーブは発熱体５０に形成された凹部によって作られている。
【００２８】
図９はこの発明の熱陰極の第２の実施形態の一部を示した斜視図である。熱電子エミッタの周辺だけを拡大して図示している。発熱体６０の上端面は１ｍｍ×１ｍｍの正方形であり、ここに、内径が０．５ｍｍの円形の凹部６２が形成されている。そして、この凹部６２の底面の中央に直径が０．３ｍｍの熱電子エミッタ６４（露出面は円形である）が埋め込まれている。凹部６２の円環状の側壁６６が電子流を集束させる役割を果たしている。この熱陰極を用いるとターゲット上に直径０．０２ｍｍの焦点を作ることができる。
【００２９】
図１０はこの発明の熱陰極の第３の実施形態の斜視図であり、図１１はその正面図である。概略円環状の発熱体６８には概略円環状の熱電子エミッタ７０が埋め込まれている。そして、この熱電子エミッタ７０を取り囲むように、概略円環状の突出部７２が発熱体６８に形成されている。この突出部７２の内側が凹部となる。円環状の熱電子エミッタ７０の内径は３ｍｍであり、外径は４ｍｍである。また、突出部７２の内径は５ｍｍである。突出部７２の内壁７４（円環状の側壁）が電子流を集束させる役割を果たしている。この熱陰極を用いるとターゲット上に直径０．１ｍｍの焦点７６を作ることができる。ところで、この熱陰極は、ターゲットの焦点７６に対向する位置に熱電子放射面が存在しないようにしたものであり、この種の熱陰極（ターゲットの焦点に対向する位置に熱電子放射面が存在しないタイプ）の詳細については特開平１０−３０２６８８号公報に開示されている。
【００３０】
図１２は図１１のＣ−Ｃ線断面図である。概略円環状の熱電子エミッタ７０から放射された電子流７８は、突出部７２の内壁７４によって作られた電界で集束されて、ターゲットに向かうことになる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明のＸ線管の熱陰極は、発熱体の凹部の底面に熱電子エミッタを設けて、凹部の側壁によって電子流を集束させるようにしたので、ウェーネルト電極で電子流を集束させる従来技術と比較して、ターゲット上で設計通りの焦点形状及び焦点サイズを実現できる。また、熱電子エミッタの側面が露出していないので、熱電子エミッタから横方向への熱電子放射がなくなり、Ｘ線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の熱陰極の第１の実施形態の斜視図である。
【図２】図１の熱陰極の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線で切断した切断面の拡大図である。
【図４】図１の熱陰極からＸ線管のターゲットに向けて熱電子を放射させた様子を示す正面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】図５の熱電子エミッタ付近の拡大図である。
【図７】従来の熱陰極の周辺の電界を示した模式図である。
【図８】本発明の熱陰極の周辺の電界を示した模式図である。
【図９】本発明の熱陰極の第２の実施形態の一部を示した斜視図である。
【図１０】本発明の熱陰極の第２の実施形態の斜視図である。
【図１１】図１０の熱陰極の正面図である。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
１０発熱体
２０エミッタ支持部
２２溝（凹部）
２４熱電子エミッタ
２６、２８側壁
３０底面
３４ターゲット
３６電子流
３８ウェーネルト電極

Claims

熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のＸ線管の熱陰極において、次の（イ）から（ニ）までの特徴を備える熱陰極。
（イ）前記発熱体に凹部が形成されている。
（ロ）前記凹部は、側壁と平坦な底面とを備えている。
（ハ）前記底面の一部分に前記熱電子エミッタの表面が露出しており、この露出面は前記底面から実質的に突き出していない。
（ニ）前記露出面の外縁は前記側壁から所定距離だけ離れている。
請求項１に記載の熱陰極において、前記凹部が、１対の側壁を有する矩形の溝からなり、前記熱電子エミッタの露出面の形状は矩形であることを特徴とする熱陰極。
請求項１に記載の熱陰極において、前記凹部が、円環状の側壁を有する円形であり、前記熱電子エミッタの露出面の形状も円形であることを特徴とする熱陰極。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱陰極において、前記発熱体の材料がガラス状カーボンであり、前記熱電子エミッタの材料が六ホウ化ランタンであることを特徴とする熱陰極。