JP4528562B2 - Ｘ線イメージ管 - Google Patents
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Description
本発明は、真空外囲器内の電極などの電位傾度を有する部位に酸化クロム膜が形成されたＸ線イメージ管に関する。
一般に、Ｘ線イメージ管を用いた医用のＸ線診断装置や産業用の非破壊検査装置などでは、被検体を透過したＸ線像を、Ｘ線イメージ管で可視光像に変換し、この可視光像を撮像カメラで撮影し、この撮影映像をモニタで表示して観察を可能としている。
従来のＸ線イメージ管の構成について、図５を参照して説明する。１は真空外囲器で、この真空外囲器１のＸ線２の入射側には入力窓３が形成され、入力窓３に対して反対側には出力窓４が形成されている。真空外囲器１内には、入力窓３の内側にＸ線２を電子ビーム５に変換して放出する入力面６が設けられ、出力窓４の内側に電子ビーム５を可視光像に変換して出力する出力面７が設けられている。入力面６から出力面７に向かって進行する電子ビーム５の進路に沿って、電子ビーム５を加速したり集束する電子レンズが形成され、この電子レンズは、入力面６に負の電圧を加えるカソード電極Ｋ、出力面７に高い正の電圧を加えるアノード電極Ａ、これらカソード電極Ｋとアノード電極Ａとの間の複数のグリッド電極G1，G2，G3などの複数の電極で構成されている。
このようなＸ線イメージ管に管駆動の高電圧を印加することにより、例えばグリッド電極G3とアノード電極Ａとの間の電位差は６ｋＶ／ｍｍ以上にも達する部位があり、このような電界強度が強く、電位傾度が高い部位では、グリッド電極G3から電子が電界放出され易くなり、このグリッド電極G3上に金属異物が位置した場合には電界放出の確率がさらに高まる。また、電子放出に伴う熱でグリッド電極G3からガスが発生し、このガスが電子で電離、イオン化されてグリッド電極G3に衝突し、二次電子放出が発生する。このことで局所異常放電は持続され、その放電が入力面６に達し、光電層より不正光電子を発生し、この不正光電子が出力面７を蛍光させ、Ｘ線イメージ管のいわゆる不正発光の主因となる。また、不正光電子は各種電極の電位を変化させ、Ｘ線イメージ管の動作をも不安定にする。
その対策としては、二次電子放出係数が低い反面ある程度の導電性をも持つ物質でグリッド電極G3などの電位傾度を有する部位を被覆することが有効であり、代表的物質としては、酸化クロム膜がある（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭５８−５３１９号公報（第１−２頁、第１図）
しかしながら、従来の酸化クロム膜は、電極などとの付着力および粒子間結着力に乏しく、製造工程や実使用時の振動や衝撃、または環境の急激な変化によって剥がれ落ち易い。この酸化クロム膜が剥がれ落ちた場合には、剥がれ落ちた部位より二次電子放出が発生し、上述した不正発光や動作の不安定性を招くばかりか、剥がれた膜片は管内異物となるために不良となり、製造歩留りの低下や品質の低下を招く。
また、付着力および粒子間結着力を高めるためには、例えば水ガラスなどをバインダー材として含有することが知られているが、酸化クロム膜の導電性が損なわれ易く、二次電子放出性は低くても電気絶縁性で帯電し、塵誘引の原因となったり、管内電位分布が不安定になる問題がある。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、酸化クロム膜の組成比率を見出すことにより、塵誘引や不正発光などを防止できるうえに、膜剥がれを防止できるＸ線イメージ管を提供することを目的とする。
本発明は、Ｘ線の入射側に入力窓が形成されるとともに入力窓に対して反対側に出力窓が形成された真空外囲器と、この真空外囲器内で入力窓側に設けられ入射するＸ線に対応する電子ビームを放出する入力面と、前記真空外囲器内で出力窓側に設けられ前記電子ビームを可視光像に変換する出力面と、前記入力面と出力面との間で前記電子ビームの進路上に電子レンズを構成する複数の電極とを具備し、前記真空外囲器内の電位傾度を有する部位に酸化クロム膜が形成されたＸ線イメージ管であって、前記酸化クロム膜の組成比率が、クロム２５〜４０原子％、珪素１〜８原子％、アルカリ金属０．７〜５原子％、残部が実質的に酸素で構成され、この組成比率の酸化クロム膜が、少なくとも０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度になる部位に形成されているものである。
そして、このような酸化クロム膜の組成比率とすることにより、適度な導電性と低い二次電子放出性とを得て、塵誘引や不正発光などが防止されるうえに、膜形成部位との付着力や粒子間結着力を得て、膜剥がれが防止され、この膜剥がれに伴う二次電子放出や管内異物による不良が防止される。
本発明によれば、酸化クロム膜の組成比率を、クロム２５〜４０原子％、珪素１〜８原子％、アルカリ金属０．７〜５原子％、残部が実質的に酸素で構成したので、適度な導電性と低い二次電子放出性とを得て、塵誘引や不正発光などを防止できるうえに、膜形成部位との付着力や粒子間結着力を得て、膜剥がれを防止でき、この膜剥がれに伴う二次電子放出や管内異物による不良を防止できる。さらに、この組成比率の酸化クロム膜を少なくとも０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度になる部位に形成することにより、管内に金属異物が混入し、排除しきれなくても、不正持続放電というＸ線イメージ管にとっての致命的な問題は抑止され、高い品質を備えたＸ線イメージ管を提供できる。
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
Ｘ線イメージ管の基本構成は、背景技術で説明した図４に示す構成と同様であり、同一符号を用いて説明する。すなわち、Ｘ線イメージ管の基本構成では、１は真空外囲器で、この真空外囲器１のＸ線２の入射側には入力窓３が形成され、入力窓３に対して反対側には出力窓４が形成されている。真空外囲器１内には、入力窓３の内側にＸ線２を電子ビーム５に変換して放出する入力面６が設けられ、出力窓４の内側に電子ビーム５を可視光像に変換して出力する出力面７が設けられている。入力面６から出力面７に向かって進行する電子ビーム５の進路に沿って、電子ビーム５を加速したり集束する電子レンズが形成され、この電子レンズは、入力面６に負の電圧を加えるカソード電極Ｋや出力面７に高い正の電圧を加えるアノード電極Ａ、これらカソード電極Ｋとアノード電極Ａとの間の複数のグリッド電極G1，G2，G3などの複数の電極で構成されている。
図１には、Ｘ線イメージ管の一部、すなわちアノード電極Ａおよびグリッド電極G3の近傍のみを示している。グリッド電極G3は、アノード電極Ａの最も近くかつ対向しているため、最も電界強度が高く、最も電位傾度が高い部位である。このグリッド電極G3の最も電界強度が高くなるアノード電極Ａに近い先端部とその近傍の表面であって少なくとも０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の最大値となる表面を覆って、酸化クロム膜11が形成されている。なお、図１に示す酸化クロム膜11は模式図的に示している。
酸化クロム膜11の組成比率は、クロム２５〜４０原子％、珪素１〜８原子％、アルカリ金属としてカリウム０．７〜５原子％、残部が実質的に酸素で構成されている。この組成比率は酸化クロム膜11として形成後の組成比率である。また、酸化クロム膜11中の酸化クロム粒子の平均粒径は、０．５〜１．５μｍで構成されている。酸化クロム膜11の膜厚は、５〜１００μｍで形成されている。
そして、この酸化クロム膜11の形成方法の一例について説明する。まず、平均粒径０．９μｍのＣｒ２Ｏ３粉末とＳｉＯ２／Ｋ２Ｏとが３モル比となる水ガラス水溶液を、上述した酸化クロム膜11の組成比率の範囲になるよう計量、混合する。この際、分散促進剤としてアンモニアを添加してもよい。次いで、スプレー法、筆塗り法などで目的の部位に塗布する。次いで、４００〜５５０℃の温度で焼成を施す。この際、雰囲気は真空、空気、水素などのいずれを用いても構わないが、真空雰囲気が最も安定した導電率を得ることができる。
この焼成後は、必要に応じて表面抵抗値や膜厚、外観検査を行い、他の部品と組み立て、入力面６および出力面７を封止し、排気して光電面を形成し、Ｘ線イメ−ジ管を形成する。
そして、酸化クロム膜11の組成比率について評価試験を実施し、その結果を図２に示す。
この評価試験では、酸化クロム粒子の平均粒径および膜厚を一定とし、クロム（Ｃｒ）と珪素（Ｓｉ）とカリウム（Ｋ）との組成比率を異ならせた酸化クロム膜11をそれぞれ形成したグリッド電極G3の試料を用意し、各試料について、耐剥離試験、表面抵抗測定、製品振動通電寿命試験を実施した。
耐剥離試験では、グリッド電極G3の部品状態で、テープ試験、また、Ｘ線イメージ管の製品状態で、タッピング試験、乾式ＵＳ試験、冷熱衝撃試験を実施したもので、図２には各試料毎に１０個ずつ供試した中での剥離が起きた数を示す。
テープ試験は、酸化クロム膜11の塗布部位に汎用の接着テープを貼り付けた後に引き剥がし、酸化クロム膜11が剥離したか否かを評する。
タッピング試験は、真空外囲器１の管に入力面６および出力面７を取り付ける前の電極類を組み込んだ状態において、管に数百回打撃を与えることで、酸化クロム膜11が剥離したか否かを評する。
乾式ＵＳ試験は、タッピング試験後に、管に空気中で超音波振動子を直接当てることで、酸化クロム膜11が剥離したか否かを評する。
冷熱衝撃試験は、乾式ＵＳ試験後に、実使用環境の上下限温度を交互に数十回晒すことで、酸化クロム膜11が剥離したか否かを評する。
また、表面抵抗測定では、膜表面の抵抗値を測定したもので、抵抗値が１Ｅ１２以上だと導電性が欠如し、帯電し易く、不良となる。
製品振動通電寿命試験では、製品に振動を与えながら通電し、所定の寿命までに異物欠点不良、不正発光不良の発生を試験したもので、図２には各試料毎に１０本ずつ供試した中での不良本数を示す。
図２に示すように、評価試験の結果、クロムが２５原子％未満であると、導電性の欠如ばかりか、二次電子放出抑制機能が損なわれ、不正発光不良が増加する。また、クロムが４０原子％を超えると、膜形成部位との付着力や粒子間結着力が欠乏し、膜剥離が起き易く、膜剥離に伴う異物欠点不良や不正発光不良が増加する。そのため、クロムは、２５〜４０原子％の範囲が好ましく、導電性と低い二次電子放出性と耐剥離性とが確実に得られるより好ましい範囲は３２〜３６原子％である。
珪素が１原子％未満であると、膜形成部位との付着力や粒子間結着力が損なわれ、膜剥離が起き易く、膜剥離に伴う異物欠点不良や不正発光不良が増加する。また、珪素が８原子％を超えると、膜の導電性が不十分になる。そのため、珪素は、１〜８原子％の範囲が好ましく、導電性と低い二次電子放出性と耐剥離性とが確実に得られるより好ましい範囲は３〜６原子％である。
カリウムが０．７原子％未満であると、膜形成部位との付着力や粒子間結着力が損なわれ、膜剥離が起き易く、膜剥離に伴う異物欠点不良や不正発光不良が増加する。また、カリウムが５原子％を超えると、膜の導電性が不十分になる。そのため、カリウムは、０．７〜５原子％の範囲が好ましく、導電性と低い二次電子放出性と耐剥離性とが確実に得られるより好ましい範囲は２〜４原子％である。また、珪素に対するカリウムの原子存在比率は０．６〜０．７％の範囲が好ましい。
このように、酸化クロム膜11の組成比率を見出し、酸化クロム膜11の組成比率を、クロム２５〜４０原子％、珪素１〜８原子％、アルカリ金属０．７〜５原子％、残部が実質的に酸素で構成することにより、適度な導電性と低い二次電子放出性とが得られ、不正発光や動作の不安定性を防止できるうえに、膜形成部位との付着力や粒子間結着力を得て、膜剥がれを防止でき、この膜剥がれに伴う二次電子放出や管内異物による不良を防止できる。
また、以上の酸化クロム膜11の組成比率を前提として、酸化クロム粒子の平均粒径は、０．５〜１．５μｍの範囲が好ましい。０．５μｍより細かいと、塗布時に凝集しやすいうえ、導電性が高くなり過ぎるし、また、１．５μｍより粗いと、導電性が損なわれ、絶縁膜に近くなる。
さらに、酸化クロム膜11の膜厚は、５〜１００μｍの範囲が好ましい。５μｍより薄いと、二次放電放出抑制機能が損なわれ、不正発光不良が増加し、また、１００μｍより厚いと、膜が割れ易くなる。そのため、５〜１００μｍの範囲が好ましく、低い二次電子放出性が確実に得られて割れにくくできるより好ましくは１０〜１５μｍである。
次に、真空外囲器１内における酸化クロム膜11を形成する範囲の部位に関して説明する。
管内に金属異物が介在した場合、例えばグリッド電極G3とアノード電極Ａとの間の電位差が６ｋＶ／ｍｍに遥かに及ばない箇所においても放電源になりうることが諸実験で明らかになった。すなわち、金属異物とは、電極加工時に生成するバリや、電極類を管内に組み込む際の擦れおよび溶接時など、さまざまな要因によって産出されるものであり、バリ除去処理や組み込み法の改善、溶接条件の改正により管内への持ち込みを低減し、さらにはタッピングや管内洗浄によりある程度排出することは可能だが、万全ではなく、管内の金属異物を完全に撲滅することは困難である。この金属異物の材質は、ＳＵＳや、ＡＬ、Ｃｕなどの材質で、５０〜２００ミクロンの針状を呈している場合が多く、この程度のサイズだと、０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度下において、クーロン力が作用して金属異物が動き回るようになる。Ｘ線イメ−ジ管の実稼動時の動作中、管内に潜んでいた金属異物がグリッド電極G3上に載ると、金属異物にクーロン力が作用してアノード電極Ａに向かい起立浮上し、この起立浮上した金属異物に電界が集中して放電が発生し、放電電流が流れて金属異物がグリッド電極G3に溶着されてしまい、溶着された金属異物からの放電が持続するといったプロセスにより、Ｘ線イメージ管は使用に耐えなくなってしまうことが多いことが、諸実験で明らかになった。
図３には、Ｘ線イメージ管の一部、すなわちアノード電極Ａとこのアノード電極Ａに対向するグリッド電極G3との間での電界強度解析の結果の一例を示している。この電界強度解析とは、実際の電極形状と印加電圧値とを基に有限要素法などを用いて解析し、電極各部の電界強度を求めるものである。図３に示す矢印は、電界強度が０．５ｋＶ／ｍｍ以上となる電界を示し、矢印の長さが長くかつ濃淡が濃いほど電界強度が高いことを示している。
そして、グリッド電極G3に対する酸化クロム11の塗布範囲を、３ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲と、１ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲と、０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲との３種類のＸ線イメ−ジ管の試料をそれぞれ試作し、これらについて評価試験を実施し、その結果を図４に示す。評価試験では、各管内に予め一定量の金属異物を故意に混入させ、通電回転試験を実施した。この通電回転試験は、各電極に製品駆動電圧を印加させながら、Ｃアーム動作を繰返し行うもので、加速寿命試験として好適なものである。
図４に示すように、評価試験の結果、３ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲に酸化クロム膜11を形成した場合には、５本の試料の全数に金属異物起因の不正持続放電が発生した。また、１ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲に広げて酸化クロム膜11を形成した場合には、１０本の試料中の２本に金属異物起因の不正持続放電が発生した。さらに、０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度の範囲に広げて酸化クロム膜11を形成した場合には、１００本の試料中に金属異物起因の不正持続放電が発生した本数は０本であった。
そのため、上述した所定の組成、粒径、膜厚の酸化クロム膜11を、特にアノード電極Ａに対向するグリッド電極G3で、少なくとも０．５ｋＶ/ｍｍ以上の電界強度になる範囲の部位に形成することにより、管内に金属異物が混入し、排除しきれなくても、不正持続放電というＸ線イメ−ジ管にとっての致命的な問題は抑止され、高い品質を備えたＸ線イメ−ジ管を提供できる。
なお、酸化クロム11は、グリッド電極G3の０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度になる範囲の部位には漏れなく形成するが、０．５ｋＶ／ｍｍに至らずとも、金属異物による不正放電防止のマージンを考慮して、組立作業に支障を与えない範囲でその酸化クロム11の形成範囲を適度に拡張することが好ましい。
また、酸化クロム膜11は、電位傾度を有する部位としてグリッド電極G3に形成したが、これに限定されず、真空外囲器１内の他の電極や真空外囲器１内に配置されるガラスやセラミック部なども電位傾度を有する部位であり、これら部位に形成してもよい。
また、酸化クロム膜11の組成中のアルカリ金属としては、カリウムが好ましいが、ナトリウムに置き換えることもでき、あるいはカリウムとナトリウムとの両方を用いることもできる。
１ 真空外囲器
２ Ｘ線
３ 入力窓
４ 出力窓
５ 電子ビーム
６ 入力面
７ 出力面
11 酸化クロム膜
Ａ アノード電極
G3 グリッド電極
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Claims (5)
- Ｘ線の入射側に入力窓が形成されるとともに入力窓に対して反対側に出力窓が形成された真空外囲器と、この真空外囲器内で入力窓側に設けられ入射するＸ線に対応する電子ビームを放出する入力面と、前記真空外囲器内で出力窓側に設けられ前記電子ビームを可視光像に変換する出力面と、前記入力面と出力面との間で前記電子ビームの進路上に電子レンズを構成する複数の電極とを具備し、前記真空外囲器内の電位傾度を有する部位に酸化クロム膜が形成されたＸ線イメージ管であって、
前記酸化クロム膜の組成比率が、クロム２５〜４０原子％、珪素１〜８原子％、アルカリ金属０．７〜５原子％、残部が実質的に酸素で構成され、
この組成比率の酸化クロム膜が、少なくとも０．５ｋＶ／ｍｍ以上の電界強度になる部位に形成されている
ことを特徴とするＸ線イメージ管。 - 電極としてアノード電極およびこのアノード電極に対向するグリッド電極を有し、このアノード電極に対向するグリッド電極に酸化クロム膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のＸ線イメージ管。
- アルカリ金属が、カリウムであることを特徴とする請求項１または２記載のＸ線イメージ管。
- 酸化クロム膜中の酸化クロム粒子の平均粒径が、０．５〜１．５μｍであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載のＸ線イメージ管。
- 酸化クロム膜の膜厚が、５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載のＸ線イメージ管。
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