JP4268471B2

JP4268471B2 - 冷陰極の製造方法、及び冷陰極を用いた装置

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Publication number: JP4268471B2
Application number: JP2003272129A
Authority: JP
Inventors: 貴裕松本; 秀典三村
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: JP2005032638A

Description

本発明は、冷陰極の製造方法、及び冷陰極を用いた装置に関し、特に冷陰極の表面に電界を発生させて、その電界により冷陰極から電子を放出させる冷陰極の製造方法、冷陰極装置、冷陰極を用いた放射線源及び照明装置に関する。

真空中に置かれた金属の表面に閾値以上の電界を発生させると、金属中の電子が、表面近傍のポテンシャル障壁を量子トンネル効果によって通過し、室温でも真空中に放出される。この現象を、冷陰極電界放出、または単に電界放出（フィールドエミッション）と呼ぶ。近年、冷陰極電界放出を利用した平面型の画像表示装置（フィールドエミッションディスプレイ：ＦＥＤ）が提案され、陰極線管（ＣＲＴ）に代わる表示装置として期待されている。

電界放出型冷陰極装置の代表的な例として、スピント（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）らの提案によるスピント型冷陰極装置が挙げられる。スピント型冷陰極装置においては、モリブデン等からなる微小な円錐状の突起を冷陰極として用いる。ところが、微小な円錐状の突起を、形状の再現性良く作製することが困難であり、製造歩留まりが低い。

特許文献１〜特許文献４に、カーボンナノチューブ等を用いた冷陰極装置が開示されている。これらの冷陰極装置では、支持基板上に形成されたカーボンナノチューブが冷陰極として作用する。また、特許文献１の従来の技術の欄に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）薄膜やダイヤモンド薄膜を支持基板上に堆積させ、この薄膜を冷陰極として用いる技術が開示されている。

特開２００３−８６０８０号公報特開２００３−８６０７９号公報特開平１１−３２９３１２号公報特開平１０−１４９７６０号公報

支持基板上にカーボンナノチューブ等を形成した構造では、カーボンナノチューブ等と支持基板との間で充分な密着性が得られない。また、支持基板上に形成されたカソード電極と冷陰極との界面での電圧降下が、電子放出特性の劣化（電流飽和）の原因になる。また、界面に電流が集中することにより、冷陰極の破壊等が生じやすくなる。

本発明の目的は、冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず、良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、上記冷陰極装置を利用した放射線源及び照明装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
（ａ）グラファイト製の基板またはグラファイト製の線状部材を準備する工程と、
（ｂ）前記基板または線状部材の表面をプラズマに晒す処理、前記基板または線状部材の表面の機械的研磨を行う処理、及び前記基板または線状部材の表面にレーザビームを照射する処理からなる群より選択された少なくとも１つの処理を行うことにより、該基板または線状部材の表面に、高さがうねりをもった尾根状の凹凸を形成する工程と
を有する冷陰極の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
（ａ）グラファイト製の基板またはグラファイト製の線状部材を準備する工程と、
（ｂ）前記基板または線状部材の表面を水素プラズマに晒すことにより、該基板または線状部材の表面に、高さがうねりをもった尾根状の凹凸を形成する工程と
を有する冷陰極の製造方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置された電子引出電極と、
前記冷陰極と前記電子引出電極とに、該冷陰極から電子が放出される大きさの電圧を印加する第１の電源と、
前記冷陰極から放出された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって放射線を放射するターゲットと、
前記ターゲットに、前記電子引出電極に対して正の電圧を印加する第２の電源と
を有し、前記ターゲットが、尖った先端を有する導電性材料で形成されており、前記冷陰極の表面の任意の点を中心として前記ターゲットの先端を通過する仮想的な球面を描いた時、該ターゲットが前記仮想的な球面の内側に入らないように配置されている放射線源が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
表面に、母材と一体のであって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される電子引出電極と、
前記冷陰極から放出された電子を加速する電界を発生させる陽極と、
前記陽極により加速された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって光を放射する蛍光材料からなる蛍光部材と
を有する照明装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される電子引出電極と、
相互に異なる電圧が印加され、前記冷陰極から放出された電子を加速する電界を発生させる第１及び第２の陽極と、
前記第１及び第２の陽極により加速された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって可視光を放射する蛍光材料からなる蛍光部材と、
前記第１の陽極によって加速された電子の衝突する位置から放射された第１の可視光を前方に集光させる第１の集光器と、
前記第２の陽極によって加速された電子の衝突する位置から放射された第２の可視光が、前記第１の可視光の照射領域からずれた領域に照射されるように、該第２の可視光を集光させる第２の集光器と
を有する照明装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極の周囲を取り囲むように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される金属層と、
前記金属層に印加された電圧によって前記冷陰極から放出された電子が入射し、電子の入射によって蛍光を放射する蛍光体層と
を有する照明装置が提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置されたアノード電極と、
前記冷陰極と前記アノード電極とに、該冷陰極から電子が放出される大きさの電圧を印加する第１の電源と
を有する冷陰極装置が提供される。

グラファイトからなる部材の表面に凹凸を形成することにより、冷陰極として用いることが可能になる。この冷陰極の表面の凸部は、本来グラファイト基板と一体であったものであるため、基板と凸部との密着性が問題になることはない。また、両者の間に明確な界面は存在しないため、基板と凸部との接触抵抗に起因する電子放出特性の劣化もない。

本発明の第１の実施例による冷陰極の製造方法について説明する。表面が鏡面状のグラファイト製の基板を準備する。この基板の表面を水素プラズマに晒す。この水素プラズマ処理は、例えば、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。

図１（Ａ）に、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示し、図１（Ｂ）に、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の表面のＳＥＭ写真を示す。図１（Ｂ）に示したグラファイト基板は、マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、入力ＲＦパワー８００Ｗ、圧力約１３３０Ｐａ（約１０Ｔｏｒｒ）、水素流量８０ｓｃｃｍの条件で３０分間の水素プラズマ処理を行ったものである。

図１（Ａ）に示されるように、水素プラズマ処理前の基板表面は、ほぼ平坦である。水素プラズマ処理を行うと、図１（Ｂ）に示されているように、面内の寸法が約０．５μｍ程度の微細な凹凸が形成される。一つの窪みと、それに隣接する窪みとの境界に尾根状の凸部が形成されていると考えられる。この尾根状の凸部の高さは一定ではなく、うねりをもっていると考えられる。このため、尾根状の凸部に沿って、先の尖った突起部が離散的に分布していると考えられる。

凹凸の形成されたグラファイト基板の表面に電界を発生させると、突起部の先端に電界が集中する。このため、表面が鏡面状である場合に比べて、グラファイト基板から電子が放出されやすいと考えられる。

図２に、グラファイト基板の電子放出特性の測定結果を示す。横軸はグラファイト基板の表面に発生する電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、グラファイト基板から放出された電子による電流を単位「Ａ」で表す。図中の破線は、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の測定結果を示し、実線は、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の測定結果を示す。

水素プラズマ処理前の、表面が鏡面状のグラファイト基板からは、ほとんど電子が放出されないことがわかる。水素プラズマ処理により表面に凹凸を形成したグラファイト基板からは、表面の電界が１０Ｖ／μｍを超えた領域で電子が放出されていることがわかる。このため、水素プラズマ処理したグラファイト基板は、冷陰極として用いることが可能である。電子放出の閾値は、約１０Ｖ／μｍと考えられる。

上記実施例では、表面を水素プラズマに晒すことにより、突起が形成される。このため、支持基板上に多数の突起を成長させるスピント型冷陰極に比べて、製造工程を簡略化することができる。水素プラズマ処理で形成された突起は、本来グラファイト基板と一体であったため、突起と下地との密着性に起因する問題は生じない。また、グラファイト基板自体がカソード電極となるため、突起とカソード電極との接触抵抗に起因する問題も生じない。このように、上記実施例による方法により、低価格、長寿命、かつ安定な冷陰極を作製することができる。

水素プラズマ処理は、入力ＲＦパワー１００〜１０００Ｗ、圧力１．３３×１０^２〜１．３３×１０^４Ｐａ（１〜１００Ｔｏｒｒ）、水素流量５〜１００ｓｃｃｍ、処理時間１〜１００分の範囲内の条件で行ってもよい。この範囲内の条件で水素プラズマ処理を行っても、良好な電子放出特性を得ることができる。また、水素プラズマとグラファイト基板との間に適当な電位差を設けると、表面に形成される凹凸の高低差がより大きくなる場合がある。凹凸の高低差が大きくなると、より良好な電子放出特性を得ることができる。

上記実施例では、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて水素プラズマ処理を行ったが、その他のプラズマエッチング装置、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置等を用いてもよい。また、グラファイトを化学的にエッチングするためのガスとして、水素以外に、酸素、ＣＦ_４等を用いることも可能である。なお、処理条件によっては、化学的なエッチング作用に物理的なスパッタリング作用が共存して、グラファイト基板の表面に凹凸が形成される。

上記実施例では、主として化学的なエッチング作用を利用して、グラファイト基板に凹凸を形成したが、主として物理的なスパッタリング作用を利用してもよい。例えば、スパッタリングガスとしてアルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ_２）を用いることができる。また、サンドブラスト等の機械的な表面処理により、グラファイト基板の表面に凹凸を形成してもよい。また、パルスレーザビームをグラファイト基板の表面に照射して損傷を与えることにより、凹凸を形成してもよい。

上述の表面処理を組み合わせてもよい。例えば、機械的な表面処理によって凹凸を形成し、その後化学的なエッチングまたは物理的なスパッタリングを行ってもよい。

グラファイト表面に凹凸を形成した後、表面にＣＯ_２レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザビームを照射することにより、電子放出特性を向上させることができるであろう。カーボンナノチューブを用いた冷陰極にレーザビームを照射すると電子放出特性が向上することが報告されている（例えば、J. S. Kim et. al., "Ultraviolet laser treatment of multiwall carbon nanotubes grown at room temperature" Appl. Phys. Lett. 82, 1607 (2003)）。

図３に、上記実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極の電子放出特性を、従来の冷陰極の電子放出特性と比較して示す。横軸は、冷陰極の表面の電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、電子放出に起因する電流を単位「Ａ」で表す。図中の実線ａ、ｂ、及びｃは、それぞれ上記実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、ＦｅＮｉ合金基板上に熱ＣＶＤで形成したグラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）を用いた冷陰極、及びＦｅＮｉ合金基板上にプラズマＣＶＤにより形成したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた冷陰極の電子放出特性を示す。

実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極のグラフの傾きが、他の２つの冷陰極のグラフの傾きよりも急峻である。これは、抵抗成分が小さいことを表している。

図４に、第２の実施例によるＸ線発生装置の概略断面図を示す。ガラスチューブ１内に、冷陰極２、グリッド（電子引出電極）３、及び陽極（ターゲット）４が配置されている。ガラスチューブ１内は、圧力１．３３×１０^−３〜１．３３×１０^−６Ｐａ（１×１０^−５〜１×１０^−８Ｔｏｒｒ）まで真空排気されている。ガラスチューブ１内にチタン等のゲッター材を封入しておくことが好ましい。冷陰極２は、上記第１の実施例による方法で作製したグラファイト製の基板である。グリッド３は、冷陰極２の凹凸が形成された面に対向するように配置され、両者の間隔は例えば５０μｍに設定される。

陽極４は、グリッド３を介して冷陰極２に対向するように配置されている。陽極４は尖った先端を有し、その先端が冷陰極２の方を向くように配置されている。

グリッド３が接地され、冷陰極２に電源５が負電圧を印加する。グリッド３と冷陰極２との電位差は、冷陰極２から電子が放出されるのに充分な大きさとする。冷陰極２から電子が放出される閾値が約１０Ｖ／μｍである。このため、冷陰極２に印加する電圧を−５００Ｖ以下（冷陰極２とグリッド３との電位差が５００Ｖ以上）にすれば、電子を放出させることができる。

電源６が陽極４に正電圧を印加する。冷陰極２から放出された電子が、グリッド３を通り抜けて、陽極４に到達する。陽極４に到達した電子のエネルギが陽極材料の特性Ｘ線のエネルギよりも大きい場合には、電子の入射位置からＸ線が放射される。陽極材料が銅（Ｃｕ）である場合、特性Ｘ線（ＣｕＫα）のエネルギは８．０４ｋｅＶである。このため、電源６の電圧を８．０４ｋＶよりも大きくすることにより、Ｘ線を発生させることができる。

陽極４から発生したＸ線８は、ガラスチューブ１に設けられたＸ線透過窓７から外部に放射される。Ｘ線透過窓７は、Ｘ線の吸収係数の低い材料、例えばベリリウム、グラファイト、ポリイミド、アルミニウム、窒化ボロン等の薄膜で形成されている。Ｘ線透過膜７にポリイミド膜を使用する場合、８．０４ｋｅＶのエネルギにおける吸収係数αが６．６８ｃｍ^−１であるため、ポリイミド膜の厚さを３３０μｍにすることにより８０％程度の透過率を得ることができる。

冷陰極２とグリッド３とにパルス電圧を印加することにより、冷陰極２から電子をパルス的に放出させることができる。これにより、高輝度短パルスのＸ線を得ることができる。

図５を参照して、陽極４の形状及び配置について説明する。冷陰極２の表面上の点Ｐ_１を中心として、陽極４の先端の点Ｐ_２を通過する仮想的な球面Ｓを考える。陽極４が仮想的な球面Ｓの内側に入らない場合、点Ｐ_１から放出された電子は、陽極４までの最短経路を通り、その先端の点Ｐ_２に到達する。従って、冷陰極２の表面上の任意の点について、上記条件が満たされる場合、冷陰極２から放出された電子の大部分が、陽極４の先端に到達することになる。このとき、Ｘ線光源を点光源と考えることができる。点光源から放射されたＸ線は、微小な領域に集光させることができる。

冷陰極２が円盤状であり、陽極４の先端が円錐状である場合を考える。両者は、円盤状の冷陰極２の中心軸と、円錐状の陽極４の中心軸とが一致するような位置関係にされている。冷陰極２の表面の外周線上の点Ｐ_１と陽極４の先端の点Ｐ_２とを結ぶ直線と、冷陰極２の表面とのなす角度をθ_２とする。陽極４の先端部をその中心軸を含む平面で切断した断面において、頂角に対応する角度の１／２をθ_１とする。下記の式が満たされる時、Ｘ線源を点光源と考えることができる。

（数１）
θ_１＜θ_２＝ａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ）
ここでは、陽極４の形状及び配置を、数式（１）に従って規定することによりＸ線源を点光源とみなすための条件を示した。一般的に用いられているように、陽極４の先端を先鋭化する代わりに、収束電子レンズ等を用いて電子線を陽極４上に集束させることによっても、Ｘ線点光源を得ることができる。

図６に、第３の実施例による照明装置の断面図を示す。一端が閉じ他端が開放された円筒状のガラスバルブ１０の開放端に、フェースガラス１１が低融点フリットガラスにより接着され、外壁が構成されている。外壁の内部の空間は、圧力が１．３３×１０^−３Ｐａ（１×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下になるように真空排気されている。ガラスバルブ１０内に、その閉じられた端部からフェースガラス１１の方に向かって、冷陰極１２、グリッド（電子引出電極）１３、及び陽極１４が順番に配置されている。

冷陰極１２は、上記第１の実施例による方法で作製されたグラファイト基板であり、その凹凸を付された面がフェースガラス１１に対向している。冷陰極１２の凹凸が形成された面に対向するように、グリッド１３が配置されている。冷陰極１２とグリッド１３との間隔は、０．５〜１ｍｍ程度に設定される。グリッド１３は平面に沿った形状にしてもよいが、冷陰極１２から遠ざかる方向に膨らんだ球面に沿う形状にしてもよい。冷陰極１２とグリッド１３とに電圧を印加すると、両者が近づく向きの静電気力が発生する。グリッド１３を球面に沿う形状にすることにより、グリッド１３と冷陰極１２との接触を生じにくくすることができる。

陽極１４は円環状の導体で構成されている。なお、陽極１４をメッシュ状にしてもよい。フェースガラス１１の内面に厚さ約２０μｍの蛍光体層１６が密着し、その表面にアルミニウムからなる厚さ１００〜２００ｎｍのメタルバック膜１５が形成されている。白色ランプを作製する場合には、白色蛍光体、例えばＹ_２Ｏ_３Ｓ：ＴｂとＹ_２Ｏ_３：Ｅｕとを混合した蛍光体を溶媒に溶かしてフェースガラス１１の内面に塗布し、乾燥させることにより、蛍光体層１６が形成される。

冷陰極１２、グリッド１３、及び陽極１４は、それぞれリードピン１７、１８、及び１９により、ガラスバルブ１０内に支持されている。リードピン１７、１８、及び１９は、ガラスバルブ１０の閉じられた端部を貫通して外部まで導出されている。ガラスバルブ１０内のリードピン１９の先端が、接触片２０を介してメタルバック膜１５に電気的に接続されている。リードピン１７を介して冷陰極１２に所定の電圧が印加され、リードピン１８を介してグリッド１３に所定の電圧が印加され、リードピン１９を介して陽極１４に所定の電圧が印加される。さらに、接続片２０を介してメタルバック膜１５に、陽極１４に印加されている電圧と同じ電圧が印加される。

陽極１４の一部に、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）等のゲッター材が溶接等により固定されている。ゲッター材は、ガラスバルブ１０内を高真空に保つ役割を果たす。

冷陰極１２とグリッド１３との間に、冷陰極１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。陽極１４には、グリッド１３に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極１２から放出された電子が、グリッド１３を通過し、陽極１４に印加されている電圧によって加速され、メタルバック膜１５に入射する。メタルバック膜１５に入射した電子は、メタルバック膜１５を貫通し、蛍光体層１６まで到達する。これにより、蛍光体層１６から蛍光が発生し、フェースガラス１１を透過して外部に放射される。フェースガラス１１に凸レンズの機能を持たせることにより、放射される蛍光を集光することができる。

例えば、グリッド１３と冷陰極１２との間隔が０．５ｍｍの場合、グリッド１３を接地し、冷陰極１２に−１０ｋＶの電圧を印加することにより、電流密度１ｍＡ／ｃｍ^２の電流を得ることができる。陽極１４には、３０ｋＶ程度の正電圧を印加する。これにより、エネルギ３０ｋｅＶの電子がメタルバック膜１５に衝突し、白色蛍光体を効率よく発光させることができる。

メタルバック膜１５を薄くしすぎると、ピンホール等が発生し、蛍光体層１６で発光した蛍光の反射効率が低下してしまう。また、厚くしすぎると、メタルバック膜１５に衝突した電子がメタルバック膜１５内で吸収されてしまい、蛍光体層１６まで到達しなくなってしまう。このため、メタルバック膜１５の厚さを、上述のように１００〜２００ｎｍとすることが好ましい。

上記第３の実施例では、蛍光体層１６を白色蛍光体で形成した場合を説明したが、その他の波長の蛍光を発生する蛍光材料で形成してもよい。例えば、波長２５０ｎｍ以下の紫外線を発生させたい場合には、蛍光体層１６を、結晶性のよいダイヤモンド薄膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜、窒化ボロン（ＢＮ）膜等で構成すればよい。この場合、フェースガラス１１を、紫外線を透過させる材料で形成する必要がある。

図７に、第４の実施例による照明装置の断面図を示す。図６に示した第３の実施例では、陽極１４が１つだけ配置されていたが、第４の実施例では、２つの陽極１４Ａ及び１４Ｂが配置されている。以下、第３の実施例による照明装置の構成と異なる点について説明する。

２つの陽極１４Ａ及び１４Ｂが、ガラスバルブ１０の中心軸を含む仮想平面に関して面対象になる位置に配置されている。ガラスバルブ１０の中心軸に平行な視線で見たとき、陽極１４Ａ及び１４Ｂの各々は、半円周部分と、その両端を接続する直径部分とで構成される。陽極１４Ａ及び１４Ｂは、それぞれリードピン１９Ａ及び１９Ｂで支持されている。

陽極１４Ａに対応して蛍光体層１６Ａ及びメタルバック膜１５Ａが配置され、陽極１４Ｂに対応して蛍光体層１６Ｂ及びメタルバック膜１５Ｂが配置されている。冷陰極１２から放出され、陽極１４Ａで加速された電子が、メタルバック膜１５Ａに衝突する。メタルバック膜１５Ａに電子が衝突すると、蛍光体層１６Ａで発光が生じる。同様に、冷陰極１２から放出され、陽極１４Ｂで加速された電子が、メタルバック膜１５Ｂに衝突し、蛍光体層１６Ｂで発光が生じる。

フェースガラス１１に、凸レンズ１２Ａ及び１２Ｂが組み込まれている。蛍光体層１６Ａで発光した蛍光は、凸レンズ１２Ａで集光され、前方に放射される。蛍光体層１６Ｂで発光した蛍光は、凸レンズ１２Ｂで集光され、前方に放射される。一方の凸レンズ１２Ａの光軸と他方の凸レンズ１２Ｂの光軸とは、平行ではなく、その向きが相互にずれている。このため、凸レンズ１２Ａで集光された光線束で照射される被照射領域と、凸レンズ１２Ｂで集光された光線束で照射される被照射領域とは一致せず、相互にずれることになる。

陽極１４Ａ及び１４Ｂの一方に選択的に加速用電圧を印加することにより、蛍光体層１６Ａ及び１６Ｂのうち一方を選択的に発光させることができる。また、陽極１４Ａ及び１４Ｂの双方に電圧を印加することにより、蛍光体層１６Ａ及び１６Ｂの双方を発光させることができる。このように、発光部分の面積及び形状を変化させることができる。

蛍光体層１６Ａ及び１６Ｂのうち一方を選択的に発光させることにより、相互にずれた２つの被照射領域のうち、一方の被照射領域を選択的に照らすことができる。蛍光体層１６Ａ及び１６Ｂの双方を発光させることにより、２つの被照射領域を同時に照らすこともできる。

また、陽極１４Ａ及び１４Ｂに印加する加速電圧を異ならせることにより、蛍光体層１６Ａ及び１６Ｂからの発光強度を異ならせることができる。これにより、２つの被照射領域の明るさを異ならせることができる。

凸レンズ１２Ａで集光された光線束がほぼ水平方向に伝搬し、凸レンズ１２Ｂで集光された光線束が水平よりもやや下向きに伝搬するように照明装置の姿勢を調節しておき、第４の実施例による照明装置を、自動車用ヘッドライトとして使用することができる。１つの照明装置で、ハイビーム及びロービームの両方を放射することができる。

図８に、第５の実施例による照明装置の断面図を示す。両端が塞がれた円筒状のガラスチューブ３０の中心軸に沿って、線状の冷陰極３１が配置されている。冷陰極３１は、グラファイト製の線状部材を、上記第１の実施例による方法で表面処理し、表面に微細な凹凸を形成したものである。冷陰極３１は、その両端においてリードピン３４により支持されている。リードピン３４は、ガラスチューブ３０の端面を貫通して外部まで導出されている。リードピン３４を介して、冷陰極３１に所定の電圧が印加される。

ガラスチューブ３０の内周面に蛍光体層３３が密着している。蛍光体層３３の内周面上にメタルバック膜３２が形成されている。メタルバック膜３２は、ガラスチューブ３０の端面を貫通するリードピン３５に接続されている。リードピン３５を介して、メタルバック膜３２に、冷陰極３１に対して正の電圧が印加される。

冷陰極３１の表面の電界が、電子放出の閾値を超えると、冷陰極３１から電子が放出される。冷陰極３１から放出された電子は、メタルバック膜３２に衝突し、メタルバック膜３２を通り抜けて蛍光体層３３まで到達する。蛍光体層３３で発光が生じ、ガラスチューブ３０の側面を通って、光が外部に放射される。

この際、ガラスチューブ３０が長いと、その中央部で電圧降下が生じ、中央部の輝度が低下する場合がある。印加する電圧を直流ではなく交流にすることにより、電圧降下に起因する中央部の輝度低下を抑制することができる。印加する交流電圧の周波数は、例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚとすればよいであろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等により、大型表示素子、平面型画像表示装置等の作製が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例の冷陰極は、放射線発生装置や照明装置の電子ビーム源として使用することができる。放射線発生装置は、レントゲン装置、Ｘ線投影画像装置、時間分解Ｘ線分光装置、Ｘ線非破壊検査装置、Ｘ線リソグラフィ装置、Ｘ線殺菌装置、Ｘ線分光装置、Ｘ線樹脂硬化装置等のＸ線光源に利用することができる。また、照明装置は、蛍光表示管、高輝度ランプ、自動車用ヘッドライト、紫外または赤外光源等に適用することができる。

水素プラズマ処理前のグラファイト基板のＳＥＭ写真である。実施例による方法で水素プラズマ処理を行ったグラファイト基板のＳＥＭ写真である。水素プラズマ処理前後のグラファイト基板の電子放出特性を示すグラフである。実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、従来のカーボンナノチューブおよびグラファイトナノファイバを使用した冷陰極の電子放出特性を示すグラフである。第２の実施例によるＸ線発生装置の概略断面図である。第２の実施例によるＸ線発生装置の主要部の断面図である。第３の実施例による照明装置の断面図である。第４の実施例による照明装置の断面図である。第５の実施例による照明装置の断面図である。

符号の説明

１、３０ガラスチューブ
２、１２、３１冷陰極
３、１３グリッド
４、１４陽極
５、６電源
７Ｘ線透過窓
８Ｘ線
１０ガラスバルブ
１１フェースガラス
１５、３２メタルバック膜
１６、３３蛍光体層
１７、１８、１９、３４、３５リードピン
２０接触片

Claims

（ａ）グラファイト製の基板またはグラファイト製の線状部材を準備する工程と、
（ｂ）前記基板または線状部材の表面をプラズマに晒す処理、前記基板または線状部材の表面の機械的研磨を行う処理、及び前記基板または線状部材の表面にレーザビームを照射する処理からなる群より選択された少なくとも１つの処理を行うことにより、該基板または線状部材の表面に、高さがうねりをもった尾根状の凹凸を形成する工程と
を有する冷陰極の製造方法。
（ａ）グラファイト製の基板またはグラファイト製の線状部材を準備する工程と、
（ｂ）前記基板または線状部材の表面を水素プラズマに晒すことにより、該基板または線状部材の表面に、高さがうねりをもった尾根状の凹凸を形成する工程と
を有する冷陰極の製造方法。
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置された電子引出電極と、
前記冷陰極と前記電子引出電極とに、該冷陰極から電子が放出される大きさの電圧を印加する第１の電源と、
前記冷陰極から放出された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって放射線を放射するターゲットと、
前記ターゲットに、前記電子引出電極に対して正の電圧を印加する第２の電源と
を有し、前記ターゲットが、尖った先端を有する導電性材料で形成されており、前記冷陰極の表面の任意の点を中心として前記ターゲットの先端を通過する仮想的な球面を描いた時、該ターゲットが前記仮想的な球面の内側に入らないように配置されている放射線源。
表面に、母材と一体のであって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される電子引出電極と、
前記冷陰極から放出された電子を加速する電界を発生させる陽極と、
前記陽極により加速された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって光を放射する蛍光材料からなる蛍光部材と
を有する照明装置。
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される電子引出電極と、
相互に異なる電圧が印加され、前記冷陰極から放出された電子を加速する電界を発生させる第１及び第２の陽極と、
前記第１及び第２の陽極により加速された電子が衝突する位置に配置され、電子の衝突によって可視光を放射する蛍光材料からなる蛍光部材と、
前記第１の陽極によって加速された電子の衝突する位置から放射された第１の可視光を前方に集光させる第１の集光器と、
前記第２の陽極によって加速された電子の衝突する位置から放射された第２の可視光が、前記第１の可視光の照射領域からずれた領域に照射されるように、該第２の可視光を集光させる第２の集光器と
を有する照明装置。
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極の周囲を取り囲むように配置され、該冷陰極から電子を放出させる電圧が印加される金属層と、
前記金属層に印加された電圧によって前記冷陰極から放出された電子が入射し、電子の入射によって蛍光を放射する蛍光体層と
を有する照明装置。
表面に、母材と一体の微細な突起であって、高さがうねりを持った尾根状の凹凸が形成されたグラファイトからなる冷陰極と、
前記冷陰極に対向するように配置されたアノード電極と、
前記冷陰極と前記アノード電極とに、該冷陰極から電子が放出される大きさの電圧を印加する第１の電源と
を有する冷陰極装置。