JP5921153B2 - 放射線発生管および放射線発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線発生管、および、それを備えた放射線発生装置に関するものである。

従来より放射線発生装置の小型化や、放出される放射線の高エネルギー化に際して、放射線発生管の耐電圧特性（以下耐圧）向上が求められている。放射線発生管において耐圧が懸念される部位の１つとして、絶縁管と陰極との接合部が挙げられる。特に前記接合部が放射線発生管の外部からみて露出した場合については、露出部の近傍が電界集中しやすく、放電を起こしやすい。特許文献１には、ガラス製の真空外囲器と陰極との融着部を覆うようにコロナリングを設け、融着部近傍の電界集中を緩和し、局所的な放電の衝撃に起因する真空外囲器の破損を防ぐことが開示されている。

また、特許文献２には、コロナリングと真空外囲器との間の電界の乱れから発生する放電を防ぐことを目的として、放射線出射窓側に位置する導電部と、電圧印加部側に位置する電気絶縁部とを固定し、この電気絶縁部の外面に、電気抵抗膜を配置した構造を開示している。

特開平０７−２９６７５４号公報 特開２００９−２４５８０６号公報

従来の高耐圧化の対策を施した場合においても、放射線の出力変動や微小な放電が生じる場合があった。これらの微小放電は、動作時のターゲットへ照射される電子の電流密度や入射エネルギーを変動させる原因と成り、結果的に放射線の出力強度が変動する。また、前述の微小放電の頻度が高い状態となれば、持続的にターゲットと電子放出素子間に加速電圧を印加できない。

本発明は、陰極や陽極と絶縁管との接合部に発生する電界集中を生じにくくして、放電を抑制し、放射線出力安定性の高い、信頼性の高い放射線発生管および放射線発生装置を提供することを目的とする。

本発明の第１は、少なくとも二つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管において、前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方と前記外囲器とは、導電性の接合材を介して接合されており、前記接合材を介して接合されている接合部は、誘電体層により被覆されており、前記誘電体層は、前記接合材の少なくとも一部と、該接合材に隣接する前記絶縁管の少なくとも一部とを被覆している事を特徴とする放射線発生管である。
さらに、本発明の第２は、少なくとも２つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管の製造方法であって、
陰極と陽極のうちの少なくともいずれか一方と、絶縁管が備える開口端とを、導電性の接合材を介して接合する工程と、
前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方の一部と前記絶縁管の一部とを橋渡しするように誘電体層を前記接合部に被覆する工程と、
前記陰極と前記陽極と前記絶縁管と気密封止することにより内部空間を規定して外囲器を形成する工程と、
前記外囲器の内部空間を外部空間に対して相対的に負圧とする減圧工程とを備えるとともに、
前記減圧工程は、前記誘電体層を前記接合部に被覆する工程の後に行う事を特徴とする放射線発生管の製造方法である。
さらに、本発明の第３は、少なくとも二つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管において、前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方と前記絶縁管とは、導電性の接合材を介して接合されており、前記接合材を介して接合されている接合部は、誘電体層により被覆されており、前記誘電体層は、前記絶縁管の比誘電率より小さい比誘電率を有している事を特徴とする放射線発生管である。

本発明によれば、長期間に渡り高い耐圧特性を維持した信頼性の高い放射線発生装置を提供することを可能とする。

本発明における放射線発生装置の断面図 本発明における放射線発生管の断面図 本発明における放射線発生管の断面図 本発明における放射線発生管の断面図 本発明における実験装置のブロック図 本発明における実験装置のブロック図 本発明の作用を説明するための模式図 本発明の他の作用を説明するための模式図 本発明の放射線発生管の他の実施形態を示す断面図 本発明の放射線発生管における誘電体層の接合部の被覆形態を示す断面

図１および図２を用いて本発明の放射線発生管および放射線放出装置の構成例について説明する。

図２は、本発明の放射線発生管の実施形態を示す断面図であり、図１は本発明の放射線発生管を内部に収納した放射線発生装置の実施形態を示す断面図である。

放射線発生管１は、陰極１９と、陰極１９に接続された電子放出源３と、陽極２０と、陽極２０に接続されたターゲット８と、絶縁管２１とを備え、陰極１９と陽極２０とは、互いに離れた位置で絶縁管２１が備える二つの開口にそれぞれ接続されている。陰極１９と陽極２０と絶縁管２１とからなり内部空間１２を規定している容器６を、本発明において外囲器６と称する。外囲器６の内部空間１２に配置された電子放出源３が備える電子放出部２から放出された電子が、電子線５としてターゲット８に照射可能な程度に、外囲器６の内部空間１２は減圧（真空排気）されている。内部空間１２の真空度は、使用する電子放出源３の種類や、駆動条件等を考慮して適宜選択する事が可能であるが、例えば、１Ｅ−４〜１Ｅ−８ Ｐａの真空度とすることが可能である。Ｓｐｉｎｄｔ型、ＭＩＭ等の冷陰極型電子放出源を使用した場合には、１Ｅ−６ Ｐａ以下の真空度とする事が、電子放出特性の安定性の点でより好ましい。真空度の維持の為に、不図示のゲッタを内部空間１２、若しくは、内部空間１２に連通している不図示の補助スペースに設置する事も可能である。

電子放出源３としては、外囲器６の外部より放出電子量を制御可能な電子放出源であれば良く、前述の冷陰極型電子放出源の他、熱陰極型電子放出源を適宜適用する事が可能である。大電流の電子線５を安定に取り出せる点で、含浸型カソードの熱陰極電子放出源を好適に使用することができる。

電子放出源３は、陰極１９に設けた電流導入端子４を介して、電子放出量および電子放出のオン・オフタイミングを制御可能なように、外囲器６の外部に設置した駆動回路１４に電気的に接続される。駆動回路１４は、これに限らず、外囲器６の内部に設置することも可能である。

本発明における陰極１９は、電子放出源３の周辺の静電場の空間的な非対称性を緩和するとともに局所的な電界集中が生じないように、外囲器６に対する電子放出源３の取り付け部周辺の静電場を規定している。電子放出源３は、電子放出部２を有し、電子放出部２は、放出電子電流を供給する２極の電極をエミッタ電極対として備える（不図示）。電子ビーム収束、非点収差補正等の電子光学的な機能を付加する場合は、さらに数極の補助電極（不図示）を備える。前述のエミッタ電極対と補助電極とからなる電極群は、陰極１９側から、放射線発生管１の外部の駆動回路１４と、電流導入端子４を介して接続する事が可能である。前述の静電場の非対称性緩和の観点からは、陰極１９は、陽極２０の電極電位に対して充分低い定電位に規定されることが好まく、電子放出部２に電位を供給するエミッタ電極対のいずれか一方と同電位に規定するか、もしくは、エミッタ電極対のそれぞれの電位の中間電位により電位規定することも可能である。

陽極２０は、不図示の電圧源によりターゲット８を電位規定し、ターゲット８に流れる陽極電流を、前記電圧源を介して接地端子１６に通電する機能を有する。さらに、陽極２０は、陰極１９と同様にして、放射線発生管１のターゲット８周辺の静電場を規定する機能を有する電極である。従って、陰極１９および陽極２０は、電子放出源３およびターゲット８のそれぞれの近傍の静電場において局所的に電界集中が生じないようにするため、及び、陰極１９と陽極２０間の電界分布を平行電場になるべく近づけるため、前記陰極１９および前記陽極２０のそれぞれは、所定の面積の範囲を電位規定することが好ましく、誘電性の絶縁管２１の開口断面積に一致させることがより好ましい。陽極２０は、放射線１５の照射範囲を規定可能な不図示の遮蔽体を別途備えることも可能であり、陽極２０とターゲット８とは、前記遮蔽体を介して接続することも可能である。

陰極１９と陽極２０の材料は、導電性、気密性、強度、及び絶縁管２１との線膨張係数整合によって決めることが可能であり、コバールやタングステン等を適用することが可能である。

ターゲット８は、電子放出部２から放出された電子の照射を受けることが可能なように、放射線発生管１の内部に配置される。陰極１９と陽極２０間の電場の対称性の観点からは、ターゲット８が電子放出部２と対向して配置される事が好ましい。

ターゲット８には、電子放出部２に対して１０ｋＶ〜２００ｋＶの正電位が印加されており、電子放出部２から放出された電子が電子線５として、１０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの入射エネルギーを有してターゲット８に入射し、ターゲット８で放射線を発生する。従って、陰極１９と陽極２０間の電界分布の非対称性を抑制する観点から、陽極２０には陰極１９に対して、電子放出部２に対するターゲット８の電位と同程度の正電位が印加されることが好ましい。ターゲット８は、電子の衝突によって放射線を発生する重元素を含有したターゲット材を備えている。ターゲット８は、ターゲット材のみからなる自立型の形態とすることが可能であり、自立型の形態としては、ダイアフラム状の金属薄膜が陽極２０に接続されている形態を含む。またターゲット８は、放射線を透過するま材料中にターゲット材料を分散した状態で含有した分散型形態とすることや、ターゲット材料を含む金属薄膜を放射線を透過する材料からなる基板上に積層させた積層型の形態とすることも可能である。放射線を透過する基板としては、ベリリウムやダイアモンドのような低原子番号材料からなる基板をターゲット８は、ターゲット層と前記ターゲット層を支持する支持基板とからなる積層形態とすることも可能であり、支持された形態として、基板上に数μｍの厚さの金属薄膜として支持されている形態が、放射線の減衰を抑制する点、ターゲット８の熱変形によるデフォーカスを抑制する点で好ましい。この金属薄膜は、放射線量／入射電子量の変換効率の観点から、原子番号２６以上の重金属材料を用いることが好ましく、具体的には、タングステン、モリブデン、クロム、銅、コバルト、鉄、ロジウム、レニウム等、あるいはこれらの合金材料とすることが可能である。ターゲット８のターゲット材料として金属薄膜を支持基板上に形成する場合は、支持基板との密着性が確保されれば、特定の製法には限定されず、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着等の各種成膜方法が利用可能である。

絶縁管２１は誘電性を有し、陰極１９と陽極２０のそれぞれを接続する少なくとも２つの開口を備えている。絶縁管２１は、２つの開口が外囲器６の内部で、電子放出部２から放出された電子がターゲット８に照射されるように、連通している。すなわち、図１のように陰極１９と陽極２０が互いに露出して対向している形態だけでなく、図９（Ｄ）のように、絶縁管２１の内部空間が仕切りにより隔てられていて、電子放出源３が仕切を貫通しているような形態も含まれる。また、図９（Ａ）および、図９（Ａ）に示す放射線発生管１のＨ−Ｈ’面における断面図９（Ｂ）に示すように、陽極２０（陰極１９でもよい）が、絶縁管２１の側面に接続された形態としても良い。さらには、図９（Ｃ）に示すように、陰極１９と陽極２０が互いに対向せずに、非平行な位置関係とすることも可能である。絶縁管２１は、図１のようにその断面が円管状の形態に限らず、その断面の外周形状や内周形状が多角形であってもよい。絶縁管２１の材料は、電気絶縁性、気密性、低ガス放出性、耐熱性、および、陰極１９や陽極２０との線膨張係数整合の観点で選ばれるが、ボロンナイトライド、アルミナ等の絶縁性セラミック、ホウケイ酸ガラス等の絶縁性の無機ガラスが適用可能である。

陰極１９または陽極２０と、絶縁管２１との接続部は、放射線発生管１の動作時に電界集中領域となり、放電の発生確率が高い領域で、放射線発生管１の耐圧特性を制限する。特に陰極１９と絶縁管２１との接続部は、３重点と呼ばれ、陰極１９側から、電界電子放出が発生しやすい。従って、放電抑制の観点から特に陰極側の接合部２３近傍の電界分布の不均一性を抑制することが対策の一つとなる。接続部を導電性の接合材２２を介した接合部２３とすることで、３重点の電界分布を、接合部２３の周方向（以下、環方向と称する。）に沿った均一化を図る事が可能となる。接合材２２としては、導電性を有し、耐熱性と金属―絶縁体の異種材料間の接合性が良好な銀ろう、銅ろう等の硬ろう（ろう付け用合金）が好ましく適用できる。絶縁管２１と、陰極１９又は陽極２０との接合部２３の環方向の電界の均一性の観点からは、図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、接合材２２は環状であって、接合部２３を環状に気密接合している事が好ましい。図２（Ａ）、（Ｃ）は、それぞれ図２（Ｂ）に示す放射線発生管１のＰ−Ｐ‘面及びＱ−Ｑ’面の断面図である。

放射線発生管１の陰極１９または陽極２０の少なくともいずれか一方は接合材２２を介して接合されており、接合材２２を介した接合部２３は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化ボロン等の誘電体材料からなる誘電体層２４により被覆されている。

誘電体層２４は、放射線発生管１の実施態様により、放射線発生管１の耐圧特性を向上させる複数の作用を発現する。

誘電体層２４は、接合材２２に生じる電界集中が、接合材２２が面している空間の静電場にまで、直接及びにくくする作用を備える。この作用について以下に具体的に述べる
接合材２２は、陰極１９と実質的に同電位に規定される。但し、微視的なスケールにおいて、導電性を有する接合材２２と誘電性を有する絶縁管２１と真空の内部空間１２との境界は３重点となり、電界集中が発生する。一方で、実際の製造プロセスを経て製造された放射線発生管では、接合材２２の表面が完全な平滑面で形成されない場合や、絶縁管２１との境界が完全に平滑な環状となるように形成されない場合がある。例えば、接合材２２は、接合工程において、陰極１９および絶縁管２１よりも軟化変形しやすい性質を備えるとともに、被接合部材に濡れる性質を有することで、被接合部材に密着して接合面を確保する材料である。接合の結果として、接合材２２に局所的に生じる突起形状の変形や、局所的な濡れ広がりが生じて、接合材２２の形状分布が生じる観察事実も認められた。このような接合材２２の形状分布は、３重点の電界集中を一層助長する。図１０（Ａ）〜（Ｆ）の各図に示す接合部２３において、誘電体層２４は、いずれも、少なくとも、接合材２２と絶縁管２１との境界を被覆している。このように誘電体層２４で、接合部２３を被覆することにより、接合材２２の表面や絶縁管２１との境界に生じる電界集中を緩和することが可能である。また、接合部２３近傍の空間におよぼす電界集中の緩和効果は、誘電体層２４の比誘電率、形状、および、被覆範囲に依存する。誘電体層２４の比誘電率は、絶縁管２１の比誘電率より小さいことが好ましい。誘電体層２４の形状としては、その層厚が１００μｍ以上であるか、絶縁管２１の側壁の壁厚の１０％以上の層厚を有することにより効果的に電界集中を抑制可能である。また、層厚を、絶縁管２１の側壁の壁厚の１００％以下とすることにより、電界集中領域が、陰極１９の電流導入端子４又は電極群に近づきすぎることが抑制され、耐圧低下を防ぐことが可能となる。誘電体層２４の被覆範囲は、被覆のアライメント交差を考慮して、接合材２２と絶縁管２１との境界に隣接する絶縁管２１の少なくとも一部の領域を連続的に被覆することが好ましい。また、接合材２２の厚さ方向（陰極１９と絶縁管２１との間隙距離）を含めて接合部２３を被覆することがより望ましい。すなわち、図１０（Ｂ）より同図（Ｃ）の方が、同図（Ｃ）よりも同図（Ａ）の方が、電界集中の緩和効果としてより好ましい形態となる。また、本発明における誘電体層２４の被覆とは、図１０（Ｄ）（Ｆ）に示すように、接合材２２と誘電体層２４とが、必ずしも密着している必要はなく、誘電体層２４と接合材２２との間に間隙が存在していることも、本発明の態様として含まれる。また、図３および図１０（Ａ）〜（Ｄ）、（Ｆ）に示すように、前記接合材２２の前記外囲器６の内部空間１２に面する側と、前記接合材２２の前記外囲器６の外部空間に面する側のいずれか一方を前記誘電体層２４により被覆している形態を本発明の態様として含まれる。さらには、図１０（Ｅ）に示すように、前記接合材２２の前記外囲器６の内部空間１２に面する側と、前記接合材２２の前記外囲器６の外部空間に面する側の双方を、接合材２２を挟むように被覆している形態も、本発明の態様として含まれる。接合部２３の環方向の電界の均一性の観点からは、図２（Ａ）（Ｃ）に示すように、誘電体層２４は環状であって、接合部２３を環状に被覆している事が好ましい。

以上のように、誘電体層２４は、接合部２３近傍の電界集中を、直接的に抑制する作用効果を奏する。さらに、図１０（Ｅ）、図１０（Ａ）（Ｄ）（Ｅ）に示すように、誘電体層２４の被覆形態によっては、接合部２３近傍の電界集中を間接的に抑制する作用効果を奏する場合を含む。このことについて、以下に説明する。

ターゲット８は、電子線５の照射を受けて放射線１５を発生するが、その変換効率は、１に対して極めて小さく、ターゲット８に投入された電子線の運動エネルギーの大部分が熱に変換され、放射線発生に寄与しない。従って、放射線発生管１の接合部２３には、非動作時の保管温度（環境温度または室温）から動作温度（数百℃程度）の温度変化履歴にさらされることとなる。また、放射線発生管内外の圧力差（大気圧）に起因して接合部２３には、持続的に圧縮応力が発生する。また、放射線発生管１は、前述の温度変化により、陰極１９や陽極２０と絶縁管２１との間の線膨張係数差や温度分布に起因した線膨張量差が各部材間に生ずる。これらの線膨張係数および線膨張量の不整合は接合部２３に断続的かつ変動した応力を発生させる。

銀ろう等の金属を含有した接合材２２を適用した場合において、前述の動作温度変化、温度変化由来の線膨張差に起因して接合部に生ずる応力、放射線発生管内外の圧力差に起因して接合部２３に生ずる応力のいずれもが、接合材２２が粘弾性変形等の歪（変形）を発生することで、放射線発生管１の他の部材に亀裂、破断等が生じることを緩和する作用を有している。しかしながら、前述の接合部２３に対する応力の長期間にわたる発生および、その繰り返しは、接合材２２からウィスカと呼ばれる針状結晶を成長させる駆動力となる。具体的には、銀ろう等の硬ろうからなる接合材２２は合金であって、応力特に圧縮応力を受け続けると応力を緩和する作用として、その合金組成のうちの銀、銅、金、亜鉛、錫等を選択的に合金組織の表面から外部に向かって、針状結晶を発生させて、該合金に生じた圧縮応力を緩和する性質を備えている。本発明者等は、接合材２２の表面から突出した針状結晶により耐圧特性が低下する場合があることを知見するに至った。図７（Ａ）は、絶縁管２１と、陰極１９および陽極２０との接合部に誘電体層を被覆していない放射線発生管１の初期状態を示す。図７（Ｂ）は、同じ放射線発生管１を１０００時間動作させた後の状態を模式的に示したものである。針状結晶２８は、導電性でありかつ、高アスペクト比な形状（成長方向長さ／断面幅）を有するので、接合部２３近傍の電界集中をさらに助長させる原因となっていた。

誘電体層２４は、接合部２３を覆うことで接合材２２の表面から接合部２３近傍の空間に針状結晶２８が突出することを物理的に防ぐ作用を備える。従って、誘電体層２４を接合部２３に被覆する事は、導電性の接合材２２に、銀、錫、亜鉛、金の中から選ばれるいずれかの金属元素を単体金属として、又は合金の成分として、もしくは金属混合物の成分として含有している場合に、特に効果的である。

さらに、図１０（Ａ）（Ｄ）（Ｆ）のように、誘電体層２４は、陰極１９と絶縁管２１とを接続するように、陰極１９の一部と絶縁管２１の一部との両方を被覆している形態をとる事が可能である。言い換えると、接合部２３に関わる被接合部材間を橋渡すように被接合部材のそれぞれの一部を誘電体層２４により被覆する形態とすることができる。このような形態をとることにより、接合材部２３に生ずる応力の一部を、誘電体層２４が分担して受け持つことになり、接合材２２に生ずる応力を減少させて、針状結晶２８の発生を抑制することができる。さらに、図１０（Ｅ）のように、接合材２２を挟むように、接合材２２の外囲器６の内部空間１２に面する側と、接合材２２の外囲器６の外部空間に面する側の双方を被覆する形態と、被接合部材である陰極１９と絶縁管２１とを橋渡すように被覆する形態とを同時に備えることにより、より一層、前述の接合部２３に生ずる応力の一部を負担する作用を強めることが可能となる。図１０の各図は、陰極１９側の接合部２３について説明しているが、陽極側２０の接合部２３についても、陰極１９側と同様な形態を採用することにより、陰極１９側と同様な作用効果もたらす。

さらには、の放射線発生装置１を製造する段階において、陰極１９と陽極２０のうちの少なくともいずれか一方と、絶縁管２１が備える開口端とを、導電性の接合材２２を介して接合する工程と、前記陰極１９と前記陽極２０のうちの少なくともいずれか一方の一部と前記絶縁管２１の一部とを橋渡しするように誘電体層２４を前記接合部２３に被覆する工程と、前記陰極１９と前記陽極２０と前記絶縁管２１とを気密封止することにより内部空間１２を規定して外囲器６を形成する工程と、前記外囲器６の内部空間１２を外部空間に対して相対的に負圧とする減圧工程とを備えるとともに、前記減圧工程を、前記誘電体層２４を前記接合部２３に被覆する工程の後に行う事により、外囲器６の内部空間が負圧であることに起因して接合部２３に、とりわけ接合材２２に生じる圧縮応力が発生する前に、誘電体層２４を形成することにより、前記外囲器６の内部空間１２が負圧であることに起因した接合部２３に生ずる圧縮応力をより一層効果的に低減することが可能となる。
放射線発生管１は、収納容器１１に収納して放射線発生装置１３とする態様をとることが可能である。放射線発生管１と収納容器１１との間の内部空間１７には、放射線発生装置１３の耐圧特性と駆動時の動作特性の安定化の観点から、絶縁性の流体（絶縁性液体１８）を配置する事が好ましい。絶縁性液体１８を導入することにより、放射線発生管１の陰極１９と陽極２０の間の絶縁性を確保した上で、放射線発生管１の動作時の放熱性を向上することが可能となる。絶縁性液体１８は、電気絶縁性が高く、冷却能力の高く、熱による変質の少ないものが好ましく、例えば、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイル等の電気絶縁油、ハイドロフルオロエーテル等のフッ素系の絶縁性液体等が使用可能である。しかしながら、絶縁性液体１８を放射線発生管１の周囲に配置した場合においては、図８（Ａ）に示すように、絶縁性液体１８中に、異物３１が混入したり、異物３０が発生する場合があった。混入異物３１の由来としては、放射線発生装置を構成する部材のうちのいずれかの一部が、動作時の発熱による変性や動作時の振動によって脱離する事や、製造時に不可避的に絶縁性液１８中に混入する事が考えられる。また、発生する異物３０の由来としては、放射線発生装置の動作にともなう絶縁性液体の温度上昇や電磁波吸収等によって絶縁性液体１８自体が変性して固形物となることが考えられる（以下、混入異物３１と発生異物３０を総じて異物と称する）。

これらの異物が、図８（Ｂ）に示すように、絶縁性液体１８の流動に伴い陰極１９や陽極２０と絶縁管２３との接合部２３に接触することがあった。接合部２３と異物との接触は、異物が導電性であっても、誘電性であったとしても、接合部２３近傍の電界分布が局所的に乱されて、新たに電界集中領域が発生する可能性があることを意味する。

誘電体層２４は、このような絶縁性液体１８中の異物と接合部２３との接触自体を阻止することによって、絶縁性液体１８中の異物と接合部２３との接触に起因する電界集中領域の発生を抑制する効果も備えるものである。従って、図１に示すように、誘電体層２４によって絶縁性液体１８と接合部２３を分離するように、絶縁管６の外表面の少なくとも一部と接合材２２とを連続的に被覆する態様とすることが好ましい。

さらに、誘電体層２４の比誘電率よりも、絶縁性液体１８の比誘電率を小さくすることにより、接合部２３近傍の電界集中をより一層緩和することが可能である。

放射線発生管１を駆動する為の駆動回路１４は、収納容器１１の内外のいずれに配置することも可能である。

収納容器１１は、放射線発生装置１３の動作安定性や安全性の観点から、所定の電位に規定する事が好ましく、好適な所定の規定電位としては、接地端子１６を介して規定した接地電位である。収納容器１１の材料としては、各種の材料を選択することが可能であるが、放射線遮蔽性、強度、表面電位規定性能の観点から、鉄、ステンレス、鉛、真鍮、銅等の金属が使用可能である。

補助電極は、放射線放出管１の外部に配置した不図示の補正回路と接続することが可能である。前記補正回路および前記電圧源は、いずれも、駆動回路１４が備えるようにすることも可能である。

（第１の実施例）
本実施例は上記実施形態で例示された構成の例であり、以下、図４および、図５を用いて詳細に説明する。図２は、本実施例の放射線発生管１の断面であり、図５は、本実施例の放射線発生管の動作特性を確認する実験装置のブロック図である。

本実施例の放射線発生管を以下のようにして作成した。

まず、住友電気工業株式会社製の高圧合成ダイアモンドを支持基板して用意した。前記支持基板は、直径５ｍｍ、厚さ１ｍｍのディスク状（円柱状）の形状である。用意した支持基板を、ＵＶ−オゾンアッシャにより支持基板の表面にある有機物を除去した。

この支持基板の直径１ｍｍの円形の２面のうちの一方の面上に、スパッタ法により、Ａｒをキャリアガスとして、チタンからなる密着層を１０ｎｍの厚さで形成した。チタンの成膜時の支持基板は、２６０℃となるようにステージ加熱により加熱した。次に、成膜装置の雰囲気をベントする事なしに、連続成膜により、密着層の上に、Ａｒをキャリアガスとして、スパッタにより、タングステンからなるターゲット層を７μｍの厚さに形成した。タングステンの成膜時のダイアモンドからなる支持基板は、チタンの成膜時と同様に、２６０℃となるようにステージ加熱により加熱した。

チタンからなる密着層およびタングステンからなるターゲット層の各層の厚さは、積層成膜する前に、予め、単層膜で成膜した膜厚と成膜時間との検量線データを取得し、成膜時間により指定の膜厚となるようにして調整した。検量線データを取得する為の膜厚の測定は、株式会社 堀場製作所製の分光エリプソメータＵＶＩＳＥＬ ＥＲを用いた。このようにして、ダイアモンドからなる支持基板、チタンからなる密着層、タングステンからなるターゲット層がこの順に積層したターゲット８を得た。

次に、直径６０ｍｍΦで厚さ３ｍｍのディスク状のコバールからなる金属板の中心部に、直径１．１ｍｍΦの円柱状の開口を形成するように加工して陽極２０とした。陽極２０に対して、有機溶媒洗浄、リンス、ＵＶ−オゾンアッシャ処理によって、陽極２０の表面にある有機物を除去した。

次に、陽極２０の開口と、ディスク状のターゲット８の外周部との間に、銀ろうを接合材として付与し、ろう付けを行い、ターゲット８が接続された陽極２０を得た。

次に、直径６０ｍｍΦで厚さ３ｍｍのディスク状のコバールからなる金属板の中心部に、予め、電流導入端子４を備え付けて陰極１９とした。陰極１９に対して、陽極２０にした洗浄と同様の洗浄を行い、有機溶媒洗浄、リンス、ＵＶ−オゾンアッシャ処理によって、陽極２０の表面にある有機物を除去した。

次に、電流導入端子４と含浸型電子銃を電気的および機械的に接続して、電子放出源３と接続された陰極１９を得た。

次に、長さ７０ｍｍ、外径６０ｍｍ、内径５０ｍｍの円管状で、アルミナからなる絶縁管２１を用意した。絶縁管２１に対しても、陰極１９や陽極２０にしたのと同様の洗浄を行い、表面の有機物を除去した。

次に、電子放出源３と接続された陰極１９の電子放出源３が供えられた面と、絶縁管２１の一方の開口端との間に、環状に成形した日本工業規格ＢＡｇ―８（Ａｇ７２−Ｃｕ２８、融点７８０℃）の銀ろうを挿入して８２０℃でろう付けを行い、環状に気密接合した接合材２２を備える接合部２３を形成した。以上のようにして、陰極１９と接合された絶縁管２１を得た。

次に、陰極１９と絶縁管２１との接合部２３に対して、図４に示すように、接合部２３のうち、絶縁管２１の管内部方向に露出している側と、絶縁管２１の管外部方向に露出している側とに、２液混合型のエポキシ系接着剤を塗布し硬化させた。このようにして、エポキシ系接着剤の硬化により得られたエポキシ樹脂からなる誘電体層２４により、接合部２３を挟むようにして接合部２３に被覆した。絶縁管２１の内側と外側のいずれの側においても、誘電体層２４の被覆範囲は、陰極１９と接合材２２の境界から陰極側に１ｍｍの位置から、絶縁管２１と接合材２２の境界から陽極側に向かって５ｍｍの位置までの範囲とした。誘電体層２４の層厚は、１ｍｍとした。使用した絶縁管２１のアルミナの比誘電率は、９．５（室温、１ＭＨｚ）で、あり、使用したエポキシ樹脂の比誘電率は、４．０（室温、１ＭＨｚ）であった。また、絶縁管２１のアルミナの融点は、２０２０℃であった。

次に、絶縁管２１の他方の開口端と、ターゲット８のタングステンを露出している側の面と同じ側を露出している陽極２０の面とを、陰極１９側の接合と同様にして、環状に成形した日本工業規格ＢＡｇ―８（Ａｇ７２−Ｃｕ２８、融点７８０℃）の銀ろうを挿入してろう付けを行い、環状に気密接合した接合材２２を備える接合部２３を形成した。

以上によって、陰極１９と陽極２０とのそれぞれと、絶縁管２１とを、絶縁管２１の二つの開口端においてそれぞれに気密接合により接続した外囲器６を作成した。

次に、不図示の排気管と排気装置により、外囲器６の内部を１Ｅ−５Ｐａの真空度となるように排気した後、排気管を封止することにより、放射線発生管１を作成した。

上記のような方法で、図４に示す放射線発生管１を５個作製した。

図５に示すように、作成した放射線発生管１を大気雰囲気中に配置し、前記放射線発生管１のそれぞれの陰極１９と、陽極２０と、電流導入端子４とを、駆動回路１４に予め設けられた、−１／２Ｖａを出力するカソード端子、＋１／２Ｖａを出力するアノード端子、および、電子銃３の放出電子線５の電子量を制御する端子群とに接続した。ここで、Ｖａは、電子放出部２とターゲット８との間の加速電圧である。

次に、放射線発生装置１のターゲット８の中心鉛直上で、すなわち、放射線の照射中心軸上となる位置で、ターゲット８から１００ｃｍの位置に、半導体検出器を備える放射線強度検出器２６を配置した。放射線強度検出器２６による出力安定性評価は、加速電圧Ｖａを６０ｋＶとして、電子放出源３を１秒間の照射期間と３秒間の休止期間を、１００回繰り返す毎に、５秒間の放射線照射を行い、前後の１秒間を除いた３秒間の放射線出力を観測して、放射線発生管１の時間変動を測定した。さらに、なおいずれの電子照射も、ターゲット８上の焦点が予めターゲット８内に充分おさまるように電子線５の照射軸をアライメントしておき、電子線５のスポット半径は、０．５ｍｍとなるようにし、陽極２０と接地電極との径路に流れる電流を不図示の負帰還回路によりモニタリングして、陽極２０に流れる電流密度を１％以内の変動値とするよう制御した。

放電カウンタ２５は、陰極１９から駆動回路１４への接続配線、陽極２０から駆動回路１４への接続配線、および、電流導入端子から駆動回路１４への接続配線群のそれぞれを、誘導プローブを配置して放電の有無を観測した。電子放出部への電流供給を停止しながら、加速電圧Ｖａを徐々に増大することによって、放電耐圧特性試験を行った。

本実施例の放射線発生管１の出力変動の平均値は、１．９％で良好な結果であった。

さらに、本実施例の放射線発生管１の最初に放電した電圧の平均が９１ｋＶ、１００ｋＶ印加までの累積放電回数は平均１．３回であって良好な結果である事を確認した。

なお、図５に示す通り、上記実験において、放電カウンタ２５、駆動回路１４、放射線強度検出器２６のいずれも接地端子１６を介して接地しておいた。

本実施例に使用した放射線発生管を、さらに５個作成し、実施例１と同様にして、環境試験装置にて、室温から３００℃の範囲を１００回くり返す１０００時間の温度履歴を与える試験を行い、それぞれの接合部２３を観測したところ、陰極側の接合部２３にも、陽極側の接合部２３にも、針状結晶は認められなかった。

（第１の比較例）
実施例１で作成した放射線発生管１の作成工程から、誘電体層２４を被覆する工程のみ行わずに、そのほかの作成工程は、実施例１と同様にして行い、図７（Ａ）に示す放射線発生管を５個作成した。

本比較例１で作成した放射線発生管を、実施例１と同様に、図５に示す実験装置で、放射線強度の出力安定性と、放電耐圧特性試験を行った。

本比較例の放射線発生管１の出力変動の平均値は、３．９％であり、実施例１に対して、劣る結果であった。

さらに、本実施例の放射線発生管１の最初に放電した電圧の平均が６５ｋＶ、１００ｋＶ印加までの累積放電回数は平均１２．３回であって、実施例１に対して、劣る結果である事を確認した。

本比較例に使用した放射線発生管を、さらに５個作成し、実施例１と同様にして、環境試験装置にて、室温から３００℃の範囲を１００回くり返す１０００時間の温度履歴を与える試験を行い、それぞれの接合部２３を観測したところ、陰極側２箇所、陽極側に３個の針状結晶を確認した。

（第２の実施例）
実施例１で作成した放射線発生管１の作成工程における、陰極側の接合部２３への誘電体層２４を形成する工程において、絶縁管の内側からのみ誘電体層２４を形成し、そのほかの作成工程は、実施例１と同様にして行い、図７（Ａ）に示す放射線発生管を５個作成した。

本実施例１で作成した放射線発生管を、実施例１と同様に、図５に示す実験装置で、放射線強度の出力安定性と、放電耐圧特性試験を行った。

本実施例の放射線発生管１の出力変動の平均値は、２．３％で良好な結果であった。

さらに、本実施例の放射線発生管１の最初に放電した電圧の平均が８４ｋＶ、１００ｋＶ印加までの累積放電回数は平均１．６回であって良好な結果である事を確認した。

本実施例に使用した放射線発生管を、さらに５個作成し、実施例１と同様にして、環境試験装置にて、室温から３００℃の範囲を１００回くり返す１０００時間の温度履歴を与える試験を行い、それぞれの接合部２３を観測したところ、陰極側の接合部２３にも、陽極側の接合部２３にも、針状結晶は認められなかった。

（第３の実施例）
本実施例においては、実施例１と同様の作成方法のうち、接合部２３への誘電体層２４を形成する工程において、外囲器６の外側からのみ、但し、陰極１９側と、陽極２０側の接合部２３の双方に対して、誘電体層で被覆した事以外は、実施例１と同様にして行い、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す放射線発生管１を５個作成した。次に、図６に示すように、得られた放射線発生管１を、真鍮製の収納容器１１に、駆動回路１４とともに収納した。次に、実施例１と同様にして、駆動回路１４と放射線発生管１とを電気的に接続した。次に、実施例１と同様にして、収納容器１１の外部に設置した放電カウンタ２５の誘電プローブを、駆動回路１４と放射線発生管との接続配線に配置した後、収納容器１１内に、比誘電率電率２．８（室温、１ＭＨｚ）のシリコーン油を充填して満たした後に、真鍮製の蓋で外機器を閉じた。このようにして、出力変動測定が可能な放射線発生装置１３を作成した。

次に、得られた放射線発生装置１３に対して、実施例１と同様にして、収納容器１１の放射線取出し部１０を臨み、放射線の照射中心軸２７上であって、ターゲット８から１００ｃｍの位置に、半導体検出器を備える放射線強度検出器２６を配置した。

本実施例の放射線発生管１の出力変動の平均値は、２．０％で良好な結果であった。

さらに、本実施例の放射線発生管１の最初に放電した電圧の平均が９４ｋＶ、１００ｋＶ印加までの累積放電回数は平均１．３回であって良好な結果である事を確認した。

本実施例の出力安定性評価試験を経た放射線発生装置１３の５台を分解して、それぞれの放射線発生管１の接合部２３を観察したところ、陰極１９側の誘電体層２４の上には、３．３個、陽極側の誘電体層２４上には、７．２個の異物が認められた。

（第２の比較例）
実施例３で作成した放射線発生管１の作成工程から、誘電体層２４を被覆する工程のみ行わずに、そのほかの作成工程は、実施例１と同様にして行い、図７（Ａ）に示す放射線発生管を５個作成した。得られた放射線発生装置を実施例３と同様にして、収納容器１１内に収納し、シリコーン油からなる絶縁性液体１８を充填し、前記放射線発生管を、駆動回路１４、放電カウンタ２５、および、放射線強度検出器２６と接続した。

本比較例１で作成した放射線発生管を、実施例３と同様に、図６に示す実験装置で、放射線強度の出力安定性と、放電耐圧特性試験を行った。

本比較例の放射線発生管１の出力変動の平均値は、３．８％であり、実施例１に対して、劣る結果であった。

さらに、本実施例の放射線発生管１の最初に放電した電圧の平均が６２ｋＶ、１００ｋＶ印加までの累積放電回数は平均１１．１回であって、実施例１に対して、劣る結果である事を確認した。

本比較例の出力安定性評価試験を経た放射線発生装置１３の５台を分解して、それぞれの放射線発生管１の接合部２３を観察したところ、陰極側の接合部２３と、陽極側の接合部２３のそれぞれに、異物の付着が平均して３．２個、７．６個で認められた。

１ 放射線発生管
３ 電子放出源
６ 外囲器
８ ターゲット
１９ 陰極
２０ 陽極
２１ 絶縁管
２２ 接合材
２３ 接合部
２４ 誘電体層

Claims (32)

1. 少なくとも二つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管において、
   前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方と前記絶縁管とは、導電性の接合材を介して接合されており、前記接合材を介して接合されている接合部は、誘電体層により被覆されており、前記誘電体層は、前記接合材の少なくとも一部と、該接合材に隣接する前記絶縁管の少なくとも一部とを被覆している事を特徴とする放射線発生管。
2. 前記誘電体層は、前記絶縁管の外表面の少なくとも一部を被覆している事と特徴とする請求項１に記載の放射線発生管。
3. 前記誘電体層は、前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方の一部と前記絶縁管の一部とを橋渡しするように前記接合部を被覆している事と特徴とする請求項１または２に記載の放射線発生管。
4. 前記誘電体層は、前記接合材を間に挟むように、前記接合材の前記外囲器の内部空間に面する側と、前記接合材の前記外囲器の外部空間に面する側を被覆している事と特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線発生管。
5. 前記誘電体層は、前記絶縁管の比誘電率より小さい比誘電率を有している事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線発生管。
6. 前記誘電体層は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、酸化珪素、酸化アルミニウム、および、窒化ボロンの中から少なくとも１つ選択された誘電体材料からなる事を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線発生管。
7. 前記誘電体層は、前記接合部に位置する前記外囲器の壁厚の１０％以上１００％以下の層厚を有する事を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射線発生管。
8. 前記接合材は、前記陰極および前記陽極の融点より、低い融点を有する事を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線発生管。
9. 前記接合材は、銀、錫、亜鉛、金の中から選ばれるいずれかの金属元素を単体金属として、もしくは合金の成分として含有する事を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線発生管。
10. 前記接合材は、銀ろうである事を特徴とする請求項９に記載の放射線発生管。
11. 前記接合材は、環状であり、前記接合部を環状に気密接合している事を特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放射線発生管。
12. 前記誘電体層は、環状であり、前記接合部を環状に被覆している事を特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の放射線発生管。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載された放射線発生管と、該放射線発生管を内部に収納する収納容器と、該収納容器と前記放射線発生管との間を占める空間に絶縁性液体とを備えたことを特徴とする放射線発生装置。
14. 前記絶縁性液体は、前記誘電体層の比誘電率より小さい比誘電率を有している事を特徴とする請求項１３に記載の放射線発生装置。
15. 前記絶縁性液体は、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイルである事を特徴とする請求項１３または１４に記載の放射線発生装置。
16. 少なくとも２つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管の製造方法であって、
    陰極と陽極のうちの少なくともいずれか一方と、絶縁管が備える開口端とを、導電性の接合材を介して接合する工程と、
    前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方の一部と前記絶縁管の一部とを橋渡しするように誘電体層を前記接合部に被覆する工程と、
    前記陰極と前記陽極と前記絶縁管と気密封止することにより内部空間を規定して外囲器を形成する工程と、
    前記外囲器の内部空間を外部空間に対して相対的に負圧とする減圧工程とを備えるとともに、
    前記減圧工程は、前記誘電体層を前記接合部に被覆する工程の後に行う事を特徴とする放射線発生管の製造方法。
17. 前記誘電体層を被覆する工程において、前記絶縁管の管内部方向に露出している前記接合部と、前記絶縁管の管外部方向に露出している前記接合部とを、前記誘電体層により被覆することにより、前記誘電体層により前記接合部を挟むように被覆する事を特徴とする請求項１６に記載の放射線発生管の製造方法。
18. 少なくとも二つの開口端を備えた絶縁管と、前記絶縁管の一方の開口端に接続された陰極と、前記絶縁管の他方の開口端に接続された陽極とを備えた外囲器と、前記陰極に接続された電子放出源と、前記陽極に接続されたターゲットとを備え、前記外囲器の内部空間が外部空間に対して負圧である放射線発生管において、
    前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方と前記絶縁管とは、導電性の接合材を介して接合されており、前記接合材を介して接合されている接合部は、誘電体層により被覆されており、前記誘電体層は、前記絶縁管の比誘電率より小さい比誘電率を有している事を特徴とする放射線発生管。
19. 前記誘電体層は、前記接合材の少なくとも一部と、該接合材に隣接する前記絶縁管の少なくとも一部とを被覆している事を特徴とする請求項１８に記載の放射線発生管。
20. 前記誘電体層は、前記絶縁管の外表面の少なくとも一部を被覆している事と特徴とする請求項１８または１９に記載の放射線発生管。
21. 前記誘電体層は、前記陰極と前記陽極のうちの少なくともいずれか一方の一部と前記絶縁管の一部とを橋渡しするように前記接合部を被覆している事と特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の放射線発生管。
22. 前記誘電体層は、前記接合材を間に挟むように、前記接合材の前記外囲器の内部空間に面する側と、前記接合材の前記外囲器の外部空間に面する側を被覆している事と特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の放射線発生管。
23. 前記誘電体層は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、酸化珪素、酸化アルミニウム、および、窒化ボロンの中から少なくとも１つ選択された誘電体材料からなる事を特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の放射線発生管。
24. 前記誘電体層は、前記接合部に位置する前記外囲器の壁厚の１０％以上１００％以下の層厚を有する事を特徴とする請求項１８乃至２３のいずれか１項に記載の放射線発生管。
25. 前記接合材は、前記陰極および前記陽極の融点より、低い融点を有する事を特徴とする請求項１８乃至２４のいずれか１項に記載の放射線発生管。
26. 前記接合材は、銀、錫、亜鉛、金の中から選ばれるいずれかの金属元素を単体金属として、もしくは合金の成分として含有する事を特徴とする請求項１８乃至２５のいずれか１項に記載の放射線発生管。
27. 前記接合材は、銀ろうである事を特徴とする請求項２６に記載の放射線発生管。
28. 前記接合材は、環状であり、前記接合部を環状に気密接合している事を特徴とする請求項１８乃至２７のいずれか１項に記載の放射線発生管。
29. 前記誘電体層は、環状であり、前記接合部を環状に被覆している事を特徴とする請求項１８乃至２８のいずれか１項に記載の放射線発生管。
30. 請求項１８乃至２９のいずれか１項に記載された放射線発生管と、該放射線発生管を内部に収納する収納容器と、該収納容器と前記放射線発生管との間を占める空間に絶縁性液体とを備えたことを特徴とする放射線発生装置。
31. 前記絶縁性液体は、前記誘電体層の比誘電率より小さい比誘電率を有している事を特徴とする請求項３０に記載の放射線発生装置。
32. 前記絶縁性液体は、シリコーン油、トランス油、フッ素系オイルである事を特徴とする請求項３０または３１に記載の放射線発生装置。

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