JP4984234B2 - X線発生装置 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明はつぎの1〜8の構成を採用するものである。
1.密閉可能な真空ハウジング内に、炭素繊維の円周面に放射状に酸化亜鉛系ウィスカーを成長させた電極材料により構成された冷陰極と、陽極を間隔を空けて対向配置したことを特徴とするX線発生装置。
2.各平面状に構成した冷陰極と陽極を、スペーサーを介して対向配置したことを特徴とする1に記載のX線発生装置。
3.冷陰極と陽極の間にメッシュ状の引出し電極を配置したことを特徴とする1または2に記載のX線発生装置。
4.管状のハウジングの中心部に線状の冷陰極をハウジングの長手方向に平行に配置し、ハウジングの内壁面に陽極を、そして冷陰極と陽極との間に引出し電極を配置したことを特徴とする1に記載のX線発生装置。
5.ハウジングの一部にX線透過性材料からなる窓を設けたことを特徴とする1〜4のいずれかに記載のX線発生装置。
6.X線透過性材料からなる窓をハウジングの陽極側に設けたことを特徴とする5に記載のX線発生装置。
7.X線透過性材料からなる窓をハウジングの冷陰極側に設けたことを特徴とする5に記載のX線発生装置。
8.酸化亜鉛系ウィスカーがアルミニウム添加酸化亜鉛ウィスカーであることを特徴とする1〜7のいずれかに記載のX線発生装置。
図1は、本発明のX線発生装置の1例を示す模式図である。
このX線発生装置1−1は、ベリリウム等のX線透過材料からなる窓3を設けた密閉可能な真空ハウジング2内に、導電性繊維の円周面に放射状に酸化亜鉛ウィスカーを成長させた電極材料101により構成された冷陰極4と、陽極5をスペーサー6、6を介して間隔を空けて対向配置したものである。
陽極5は、タングステン、銅等の金属材料により構成されたターゲット極で、冷陰極4から放出された電子を衝突させてX線を発生させるものである。冷陰極4と陽極5は、導線7により電極間に電圧を印加する高電圧電源8に接続されている。
この電極材料101は、炭素繊維102の円周面において、放射状に酸化亜鉛系ウィスカー103を成長させたものである。この電極材料101では、ウイスカー103の先端部104における数密度が、根元部105における数密度に比較して大幅に減少したものとなる。したがって、この電極材料101を冷陰極4とし、これに対向する陽極5を設けた本発明のX線発生装置では、ウイスカー103の先端部104に集中する電界が大幅に増加するので、陽極5からX線を効率よく発生させることができる。
大気開放型CVD法は、気化させた金属化合物を加熱された基材表面に吹付けて、基材表面で酸素、水等の大気中に含まれる化合物と反応させて、基材表面にウィスカー等を成長させる方法として広く知られている。原料となる金属化合物としては、例えば、金属又は金属類似元素の原子にアルコールの水酸基の水素が金属で置換されたアルコキシド類、金属または金属類似元素の原子にアセチルアセトン、エチレンジアミン、ビピペリジン、ビピラジン、シクロヘキサンジアミン、テトラアザシクロテトラデカン、エチレンジアミンテトラ酢酸、エチレンビス(グアニド)、エチレンビス(サリチルアミン)、テトラエチレングリコール、アミノエタノール、グリシン、トリグリシン、ナフチリジン、フェナントロニン、ペンタンジアミン、ピリジン、サリチルアルデヒド、サリチリデンアミン、ポルフィリン、チオ尿素などから選ばれる配位子を1種あるいは2種以上有する各種の錯体等を使用することができる。この中でも、金属アセチルアセトナート化合物、金属アルコキシド化合物等がより好ましく用いられる。
キャリアガスとしては、使用する金属化合物と反応するものでなければ、特に限定はされない。具体例として、窒素ガスやヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガス、炭酸ガス、有機弗素ガス、あるいはヘプタン、ヘキサン等の有機物質等が挙げられる。これらのうちで安全性、経済性の上から不活性ガスが好ましい。窒素ガスが経済性の面より最も好ましい。
また、酸化亜鉛系ウィスカーの密度(根元部の密度)は、104〜107本/mm2程度とすることが好ましい。
酸化亜鉛系ウィスカーの先端部には、所望により金属酸化物膜又はアモルファス炭素系膜から選択されたトップコートを設けることによって、電界集中係数をさらに向上させることができる。トップコートを構_成する好ましい材料としては、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、アモルファス水素化窒化炭素、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
また、図6の冷陰極51では、支持基板42に設けた左右の電極43,43間に、同様の炭素繊維2を1本配置することによって冷陰極を構成したものである。そして、図7の冷陰極61では、支持基板42に設けた左右の電極43,43間に、複数の炭素繊維2を網目状に配置することによって、冷陰極を構成したものである。
この例では、図5の支持基板42に代えて支持枠体44,44を使用し、その左右両側に設けた銅等の導電性金属により構成された電極43,43間に、繊維の円周面に酸化亜鉛系ウィスカーを成長させた複数の炭素繊維2を配置することによって冷陰極71を構成したものである。したがって、隣接する炭素繊維2は空間を空けて平行に配置されたものとなる。
このX線発生装置1−2は、図1のX線発生装置1−1において、冷陰極4として図8に示した冷陰極71のように、陽極から発生したX線が通過可能な空間を有する冷陰極を使用すると共に、密閉可能なハウジング2に設けるベリリウム等のX線透過材料からなる窓3の位置を、冷陰極4側に設けたものである。装置1−2の他の構成は、図1の装置1−1と同様である。
このX線発生装置1−3は、図1のX線発生装置1−1において、冷陰極4と陽極5の間に、例えばステンレス鋼等の金属材料により構成されたメッシュ状の引出し電極(ゲート電極)9を設けると共に、冷陰極4と引出し電極9を導線7’により電極間に電圧を印加する高電圧電源10に接続したものである。装置1−3の他の構成は、図1の装置1−1と同様である。この装置1−3では、冷陰極4のウィスカー先端から放出された電子は引出し電極9により加速されるので、陽極5から発生するX線の量が著しく増加する。
この引出し電極9は、図9に示した、ハウジング2にX線透過材料からなる窓3を冷陰極4側に設けたX線発生装置1−2に設けることもできる。
このX線発生装置1−4は、側面がベリリウム等のX線透過材料により構成された管状の真空ハウジング2の中心部に、導電性繊維の円周面に放射状に酸化亜鉛系ウィスカーを成長させた電極材料101により構成された線状の冷陰極4をハウジング2の長手方向に平行に配置し、ハウジング2の内壁面に陽極5を配置したものである。そして、冷陰極4と陽極5の間には、メッシュ状の筒状体からなる引出し電極9を同心円状に設置してある。冷陰極4と陽極5、及び冷陰極4と引き出し電極9はそれぞれ導線により電極間に電圧を印加する高電圧電源(図示せず)に接続されている。
この装置1−4を真空状態にして冷陰極4と陽極5間に電源8により電圧を印加すると、冷陰極4のウィスカー先端から放出された電子は引出し電極9により加速され、陽極5に衝突してX線を発生させる。陽極5から発生したX線は、管状のハウジング2の側面全面から外部に向けて放射される。ハウジング2をX線不透過材料により構成し、ハウジング2の一部にX線透過材料からなる窓を設け、この窓からX線を放射するようにしてもよい。
(製造例1)
図4の大気開放型CVD装置21を使用し、直径7μmの炭素繊維上にアルミニウム添加酸化亜鉛ウイスカー(ZnO:Alウイスカー)を次の手順で成長させて、本発明のX線発生装置の冷陰極を構成する電極材料を製造した。
原料となる金属錯体ビスアセチルアセトナト亜鉛Zn(C5H7O2)28.0gをボート32に、金属錯体トリスアセチルアセトナトアルミニウムAl(C5H7O2)30.5gをボート33に入れて、ボート33がノズル28側になるように気化器25内にセットした。キャリアガスとして窒素供給源22から窒素を流量1.2L/minで流しながら、気化器25を加熱して115℃で原料を気化させた。気化された原料はキャリアガスによってノズル28に輸送され、スリット27から加熱電源29により直接通電加熱された炭素繊維2上に吹付けられ、炭素繊維2上で熱分解して、繊維の円周面に放射状にZnO:Alウイスカーを成長させた。得られた電極材料を電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)で観察した映像を、図12(b)に示す。ZnO:Alウイスカーのウィスカー長は10−40μm、ウィスカー径は1−2μm、先端曲率半径は約20nmであった。
製造例1において、炭素繊維に代えてシリコン単結晶Si(100)基板を使用し、この単結晶基板を加熱装置により加熱しながら、実施例1と同様の手順で、基板上にZnO:Alウイスカーを成長させて電極材料を製造した。得られた電極材料をFE−SEM で観察した映像を、図12(a)に示す。ZnO:Alウイスカーのウィスカー長は2−10μm、ウィスカー径は0.3〜1.0μm、先端曲率半径は約20nmであった。
製造例1で得られた直径7μmの炭素繊維にウィスカー成長させた電極材料を使用して、図5に示す冷陰極41を製造した。この冷陰極41では、2枚の銅電極43、43間に実施例1で得られた電極材料15本を平行に配置したものである。
この冷陰極41(20×20mm)を用いて、図1に示す2極型のX線発生装置1−1を製造した。陽極5としては銅電極(20×30mm)を使用し、石英からなるスペーサー6、6により冷陰極4と1mmの間隔を空けて平行に対向させて配置するとともに、両電極を電源8に接続した。
この装置1−1を5×10−4Pa以下の真空にし、電極間に電圧を印加して発生するX線の量を、ベリリウム製の窓3の外側で東洋メディック製、5000型サーベイメータを使用して測定した結果を図13に示す。
冷陰極として製造例2で得られたSi(100)基板にウィスカーを成長させた基板(20×20mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして図1に示す2極型のX線発生装置1−1を製造した。この装置を使用して、実施例1と同様にして発生するX線の量を測定した結果を図13に示す。
実施例1では、放射線量1μSv/hを得た電圧が4kVであったのに対し、参考例1では6.5kVであった。
実施例1と同様の冷陰極41を用いて、図10に示す3極型のX線発生装置1−3を製造した。ステンレス鋼からなるメッシュ状の引出し電極9(20×30mm)を使用し、石英からなるスペーサーにより冷陰極4と350μmの間隔を空けて平行に対向させて配置し、両電極を電源10に接続した。また、陽極5としては銅電極(20×30mm)を使用し、引出し電極9と7mmの間隔を空けて平行に対向させて配置し、両電極を電源8に接続した。
この装置を5×10−4Pa以下の真空にし、冷陰極−引出し電極間及び引出し電極−陽極間にそれぞれ電圧を印加して発生するX線の量を、ベリリウム製の窓3の外側で東洋メディック製、5000型サーベイメータを使用して測定した結果を図14に示す。
図15にみられるように、3極型のX線発生装置1−3のベリリウム製の窓3の外側に、厚さ0.1mmの木の葉13とX線フイルム(富士写真フイルム製、SUPER HR−S30)12を平行に配置した。加速電圧8kV、引出し電圧0.6kV、放射電流0.1mAの条件下で、10分間X線を照射して撮影し、現像した結果を図16に示す。図16の左側は木の葉、右側はそのX線映像である。
X線が透過し難い葉脈部で白く写り、濃淡の差が確認された。
2 真空ハウジング
3 窓
4 冷陰極
5 陽極
6 スペーサー
7,7’ 導線
8,10 電源
9 引出し電極
21 大気開放型CVD装置
22 ガス供給源
23 フローメーター
24,26 配管
25 気化器
27 スリット
28 ノズル
30 扉
31 チャンバー
32、33 ボート
41,51,61,71 冷陰極
42 支持基板
43 電極
44 支持枠体
102 炭素繊維
103,113 ウィスカー
104,114 先端部
105,115 根元部
112 基板
Claims (8)
- 密閉可能な真空ハウジング内に、炭素繊維の円周面に放射状に酸化亜鉛系ウィスカーを成長させた電極材料により構成された冷陰極と、陽極を間隔を空けて対向配置したことを特徴とするX線発生装置。
- 各平面状に構成した冷陰極と陽極を、スペーサーを介して対向配置したことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
- 冷陰極と陽極の間にメッシュ状の引出し電極を配置したことを特徴とする請求項1または2に記載のX線発生装置。
- 管状のハウジングの中心部に線状の冷陰極をハウジングの長手方向に平行に配置し、ハウジングの内壁面に陽極を、そして冷陰極と陽極との間に引出し電極を配置したことを特徴とする請求項1に記載のX線発生装置。
- ハウジングの一部にX線透過性材料からなる窓を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のX線発生装置。
- X線透過性材料からなる窓をハウジングの陽極側に設けたことを特徴とする請求項5に記載のX線発生装置。
- X線透過性材料からなる窓をハウジングの冷陰極側に設けたことを特徴とする請求項5に記載のX線発生装置。
- 酸化亜鉛系ウィスカーがアルミニウム添加酸化亜鉛ウィスカーであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のX線発生装置。
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