JP6112232B2 - Ｘ線管 - Google Patents

Description

この発明は、真空中で用いられるＸ線管に関する。

電子銃やＸ線管などでは、真空内の電極間（例えば、フィラメントを囲むフォーカスカップと陽極との間）に電圧差を与えて動作させている。通常、電極表面の電界が10kV/mm以下となるように設計し、表面を研磨した電極を用い、ゴミなどが付着しないように洗浄している。これらは、電極表面を均一になめらかにして、局所的な電界集中が発生しないようにして電極の放電を防止していると言える。ゴミ以外にも、研磨面に微小なピンホールなどがあると、微小な角部分で高電界となり放電する原因となる。研磨には、機械的な研磨や電気化学的な研磨など多種類ある。

しかし、電極表面の電界が10kV/mmを超える高電圧を連続印加しなければならない場合が多い。このため、電極には高い耐電圧特性（すなわち放電しない電極）が必要とされる。高い耐電圧特性を得るために、以下のような方法が知られている。

Ａ．研磨した電極を用い徹底した洗浄を実施する手法が知られている。最近では、電極表面を粗さ１ｎｍ（Ｒａ）程度の高精度に研磨する超精密鏡面加工が行われている場合もある。この研磨した金属表面には、酸化膜が自然に形成される（自然酸化膜）。例えば、鉄に約10.5%以上のクロムを含有した合金である「ステンレス鋼」の場合、ステンレス鋼の表面には、「不動態皮膜」あるいは「不動態膜」と呼ばれる厚さが１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍとされる自然酸化膜が生成される。この膜は、主にクロムに酸素と水酸基とが結合した緻密で密着性の高い膜で、金属表面を覆う。この皮膜は引っかき疵等で一部除去されても酸素があればすぐに再生される性質を持っており、この皮膜が腐食環境からステンレス鋼を保護している。ステンレス鋼は上記の不動態皮膜により、優れた耐食性を有しているが、置かれた環境によってこれが破壊されて腐食が発生する。つまり、通常の不動態皮膜は極めて薄いので、不均一で、微小なピットやピンホールが残存している。腐食のしやすさは、孔食試験（JIS GO578）で判定される（http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q8/を参照）。一般的にはメッキ厚が増加するとピンホールは減少するといわれている。

Ｂ．電極に絶縁膜（例えばエポキシフィルム）を成膜する手法が知られている。

Ｃ．ウェネルト電極（Ｘ線管に使用される場合にはフォーカスカップ電極）に、プラズマ・イオン注入によりＤＬＣ(diamond like carbon)膜を成膜する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１６４４２７号公報

しかしながら、このようなＡ〜Ｃの手法の場合には、次のような問題がある。

すなわち、Ａの手法では、高額な精密加工機が必要で、またそのための微細均一砥粒が必要である。また、電極形状は平坦でない場合がほとんどで、多くの電極を１回にまとめて加工することができない。その結果、高コストとなる。さらに、Ａの手法では、表面の不動態膜は薄く不均一であるので、数ｎｍオーダで見ると局所的な電界集中が起こっており、高電界になると放電する。

また、Ｂの手法では、製造ムラなどにより、絶縁膜の電極への密着性が不十分となりやすく、絶縁膜が金属から剥離する。さらに、耐熱温度が低く、高温ベーキング（脱ガス処理）などができないので、真空度が低下しやすい。

また、Ｃの手法では、成膜装置が高価であり、真空中成膜を行わなければならないのでスループットが低い（真空チャンバサイズによるが１回に数個のみしか処理することができない、成膜時間が長い）という問題がある。その結果、高コストとなる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、表面が均一で密着性に優れ、耐電圧性能を向上させることができるＸ線管を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、この発明に係るＸ線管は、真空容器と、前記真空容器内に収容され、電子ビームを発生するエミッタ電極と、前記真空容器内に収容され、前記エミッタ電極を取り囲むように形成されたフォーカスカップ電極と、前記真空容器内に収容され、前記フォーカスカップ電極と対向するように配置され、前記エミッタ電極からの電子ビームを加速させる陽極と、前記真空容器内に収容され、前記陽極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生するターゲットとを備え、前記フォーカスカップ電極の前記陽極に対向する面に厚みが１０ｎｍ以上である不動態膜が形成されているものである。

［作用・効果］この発明に係るＸ線管によれば、厚みが１０ｎｍ以上である不動態膜（すなわち、自然酸化膜より厚い不動態膜）が陽極に対向する面に形成されたフォーカスカップ電極をＸ線管に組み込んで用いる。不動態膜の厚みが１０ｎｍ以上であるので、自然酸化膜より表面が均一で密着性に優れ、微細なピンホールも少ないので、耐電圧性能を向上させることができる。

この発明に係るＸ線管によれば、厚みが１０ｎｍ以上である不動態膜が陽極に対向する面に形成されたフォーカスカップ電極をＸ線管に組み込んで用い、耐電圧性能を向上させることができる。

（ａ）は実施例に係るＸ線管の構成を示す概略断面図、（ｂ）は（ａ）のフォーカスカップ電極３３を拡大した概略断面図である。 （ａ）はフォーカスカップ電極３３付近の電位分布、（ｂ）はフォーカスカップ電極３３付近の電位分布および電子ビーム軌道例である。 （ａ）は（厚みが３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である）不動態膜を有したときの耐電圧実験（電界および真空度）の結果、（ｂ）は比較のための自然酸化による不動態膜を有するときの耐電圧実験（電界および真空度）の結果である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１（ａ）は、実施例に係るＸ線管の構成を示す概略断面図。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のフォーカスカップ電極３３を拡大した本発明の概略断面図である。

図１（ａ）に示すＸ線管１は、真空容器２と陰極３と陽極４とターゲット５とを備えている。陰極３，陽極４およびターゲット５は真空容器２内に収容されている。

陰極３は、電子ビームＢを発生する。陰極３は、エミッタ電極３１とエミッタ部３２とフォーカスカップ電極３３とホルダー部３４とを備えている。真空容器２の底部は絶縁体７で封止されているが、絶縁体７は、エミッタ電極３１およびホルダー部３４が貫通しており、電気的な接続が可能に構成されている。

エミッタ電極３１は通常の２端子のフィラメントを簡略化して図示したもので、２端子間に電流を流して加熱することで、先端エミッタ部３２から熱電子（電子ビームＢ）を放出する。その電位は、ほぼフォーカスカップ電極３３の電位に近い。

フォーカスカップ電極３３は、エミッタ電極３１およびエミッタ部３２を囲む形状となっており、エミッタ部３２からの電子ビームＢの引き出しを制御する働きを持つ。フォーカスカップ電極３３は、所望の性能が得られる電界分布を発生する形状にステンレス鋼（ＳＵＳ）から削り出して形成されている。フォーカスカップ電極３３の具体的な構成（ステンレス鋼の不動態膜３３ａ）については後述する。

ホルダー部３４は、フォーカスカップ電極３３を保持するのが目的で、容器２に対して表面が低電界となるように設計されており、フォーカスカップ電極３３と同様にステンレス鋼で形成されている。ただし、後述するようにフォーカスカップ電極３３におけるステンレス鋼の不動態膜３３ａの厚みが１０ｎｍよりも厚いのに対して、ホルダー部３４におけるステンレス鋼の不動態膜３４ａの厚みは１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍ程度である。

陽極４は、陰極３に比べ＋の電位にあり、エミッタ電極３１のエミッタ部３２から放射される電子ビームＢを引き出す。この時、フォーカスカップ電極３３・陽極４間に電圧差を与えて、電子ビームBを制御する。電子ビームＢは陽極４に向かって加速し陽極４の中央の穴から取り出される。高エネルギーのＸ線を発生させるために、加速電圧が高くなってくると、陰極３の表面の最高電界は10kV/mm以上になる。電極の形状と電位によって電子ビームＢの形状は設計されるが、細く絞ったりするためには電極間距離を短くする必要があるので、陰極表面の最高電界を10kV/mmより低くすることが出来ないのが通例である。

陽極４は、フォーカスカップ電極３３と同じステンレス鋼，もしくはタングステンあるいはモリブデンで形成されている。ステンレス鋼で陽極４を形成する場合には、ホルダー部３４と同様に、陽極４におけるステンレス鋼の不動態膜４ａの厚みは１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍ程度である。

ターゲット５は、電子ビームＢの衝突によりＸ線（図１（ａ）では「Ｘｒａｙ」で表記）を発生する。発生したＸ線は、真空容器２のＸ線出射窓２１を通して外部に出射する。電子ビームＢに対してＸ線をほぼ直交に出射するため、ターゲット５の表面は電子ビームＢに対して傾斜面となっている。ターゲット５は、タングステンあるいはモリブデンなどで形成されている。

Ｘ線（Ｘｒａｙ）を外部に出射するために、真空容器２にはＸ線出射窓２１が設けられている。本実施例では、陽極４は真空容器２の一部として図示されており、真空容器２と一体化されている。もちろん、真空容器２と陽極４とを別体でそれぞれ構成してもよい。なお、陰極３および陽極４で電子銃６を構成する。電子銃６は、この発明における電子銃の一例である。

次に、フォーカスカップ電極３３におけるステンレス鋼の不動態膜３３ａの成膜について、上述した図１と併せて図２を参照して説明する。図２（ａ）は、フォーカスカップ電極付近の電位分布であり、図２（ｂ）は、フォーカスカップ電極付近の電位分布および電子ビーム軌道例である。図２では、不動態膜については図示を省略している。図２の符号Ｌは等電位線であり、等電位線Ｌの間隔が狭いところが、電界が強くなる箇所を示す。

図２に示すように、フォーカスカップ電極３３と陽極４との間は狭く、等電位線Ｌの間隔が狭くなり、電界が集中して高電界となるので、電極の放電が起こりやすい。そこで、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、陽極４に対向したフォーカスカップ電極３３の少なくとも外側の不動態膜３３ａの厚みを１０ｎｍよりも厚く形成したのが、本発明である。

好ましくは、不動態膜３３ａの厚みは自然酸化膜より厚い、すなわち不動態膜３３ａの厚みが１０ｎｍ以上である。好ましくは、不動態膜３３ａの厚みは、１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。より好ましくは、不動態膜３３ａの厚みは、３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。不動態膜３３ａの厚みが大きい方が耐電圧特性の向上に有利であるが、６００ｎｍよりも大きいと成膜が困難となるからである。このような厚さの時、酸化被膜自体は無色透明であるが、光の干渉により着色したように見える特徴があり、不動態膜３３ａの厚みを色で判断することができる。また、不動態膜３３ａの厚みが増すほど、フォーカスカップ電極３３の表面がより均一で、（フォーカスカップ電極３３と不動態膜３３ａとの）密着性がより一層増し、微細なピンホールも減少するので、耐電圧性能をより一層向上させることができる。

「背景技術」の欄でも述べたように、ステンレス鋼はクロムを含有しており、ステンレス鋼の表面には、クロム酸化物からなる不動態膜が自然に形成されている。その不動態膜の厚さは１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍである。ホルダー部３４や陽極４をステンレス鋼で形成する場合には、ホルダー部３４の表面に形成される不動態膜３４ａや陽極４の表面に形成される不動態膜４ａは自然に形成されており、それらの厚さは１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍである。

前記のような自然酸化膜に対して、陽極４に対向したフォーカスカップ電極３３の外側での不動態膜３３ａの厚さを、１０ｎｍ以上に形成している。不動態膜を厚みが１０ｎｍ以上となるように形成するには、ステンレス鋼を処理液中に浸漬して皮膜処理（不動態化処理）を行う。ステンレス鋼を処理液中に浸漬して処理するので、低コストであるという効果をも奏する。また、好ましくは、フォーカスカップ電極３３の外側の表面に対して電解研磨を行った後に、不動態膜３３ａを形成する皮膜処理を行う。電解研磨を行った後に皮膜処理を行うので、フォーカスカップ電極３３の表面がより一層均一で、（フォーカスカップ電極３３と不動態膜３３ａとの）密着性がより増し、耐電圧性能をより向上させることができる。

従来、ステンレス鋼を処理液中に浸漬する皮膜処理（不動態化処理）は、塩害防止やステンレス鋼の色付けの目的で行われていた。本発明では、真空中で用いられる金属電極（本実施例ではフォーカスカップ電極３３）の耐電圧性能を向上させるために、上述した皮膜処理に着目した。その結果、耐電圧性能が向上し、さらに金属電極（フォーカスカップ電極３３）の表面が均一になり、金属電極（フォーカスカップ電極３３）・不動態膜との密着性が向上したことが、耐電圧実験から確認された。耐電圧実験については後述する。

ステンレス鋼を処理液中に浸漬する皮膜処理（不動態化処理）には、化学的方法および電気化学的方法がある。化学的方法では硝酸などの酸化性の酸にステンレス鋼を浸漬して不動態膜を形成する。電気化学的方法ではステンレス鋼に処理液中に電流を流して不動態膜を形成する。近年、フッ素系不動態膜なども開発されている（http://www.chemical-y.co.jp/pickup/2009/08/post-6.htmlを参照）。

このように形成された不動態膜３３ａの上に、フォーカスカップ電極３３の不動態膜３３ａとは異なる他種の絶縁膜を形成するのも好ましい。この絶縁膜が保護膜として機能し、不動態膜３３ａの保護性をより向上させることができる。

なお、上述したようにフォーカスカップ電極３３・陽極４間が、電界が集中して高電界となるので、陽極４に対向したフォーカスカップ電極３３の少なくとも外側での不動態膜３３ａの厚みを厚く形成するだけでよい。したがって、フォーカスカップ電極３３の他の面での不動態膜３３ｃの厚さは、ホルダー部３４の不動態膜３４ａや陽極４の不動態膜４ａと同様に、１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍでもよい。このように、フォーカスカップ電極３３の他の面については皮膜処理を行わなくてもよいので、皮膜処理に用いられる処理液の使用量を抑えることができるという利点がある。もちろん、フォーカスカップ電極３３の他の面での不動態膜３３ｃの厚さも、フォーカスカップ電極３３の外側での不動態膜３３ａの厚みと同様に形成してもよい。この場合は、内面のマスク処理が不要となるので工程を省略することができる。

なお、フォーカスカップ電極３３の外側での不動態膜３３ａの厚みを、フォーカスカップ電極３３の他の面での不動態膜３３ｃよりも厚く形成するには、フォーカスカップ電極３３の他の面をマスキングした状態で処理液中に浸漬して皮膜処理を行えばよい。浸漬中においてはマスキングした面のみ不動態膜が形成されず、浸漬の前後でフォーカスカップ電極３３の他の面（すなわちマスキングした面）において不動態膜が自然に形成される。

以上のように構成された金属電極（本実施例ではフォーカスカップ電極３３）によれば、厚みが１０ｎｍ以上である不動態膜、すなわち自然酸化膜より厚い不動態膜（本実施例では不動態膜３３ａ）を備えた金属を、真空中で電界を発生するための金属電極としてフォーカスカップ電極３３に使用する。不動態膜３３ａの厚みが１０ｎｍ以上であるので、表面が均一で密着性に優れ、耐電圧性能を向上させることができる。

本実施例では、ステンレス鋼を処理液中に浸漬する皮膜処理（不動態化処理）を採用することにより、ステンレス鋼を処理液中に浸漬して処理するだけで済み、低コストであるという効果をも奏する。

また、本実施例の場合には、処理液中に浸漬して処理するので、電極（本実施例ではフォーカスカップ電極３３）形状が平坦でなくとも、１０ｎｍよりも厚い不動態膜３３ａを形成することができる。したがって、従来のＡの手法と比較しても高価な精密加工機や微細均一砥粒が不要である。また、Ａの手法と相違して電極（フォーカスカップ電極３３）を平坦にする必要がない。さらに、Ａの手法と比較しても、本実施例の場合には表面が均一になるので、局所的な電界集中が起こらず、高電界でも放電しないことが耐電圧実験（図３（ａ）を参照）からも確認されている。

また、本実施例の場合には、不動態膜３３ａの厚みが１０ｎｍ以上であるので従来のＢの手法と比較して絶縁膜（ここでは不動態膜）の電極（フォーカスカップ電極３３）への密着性が十分高く、耐熱性もある。その結果、絶縁膜（不動態膜）が電極（フォーカスカップ電極３３）から剥離することもない。

また、本実施例の場合には、ステンレス鋼を処理液中に浸漬する処理することにより不動態膜３３ａが形成される。したがって、従来のＣの手法と比較しても真空中成膜装置が不要になる。また、Ｃの手法と相違してステンレス鋼を処理液中にまとめて浸漬することができ、スループットが向上する。

また、本実施例の場合には、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極（フォーカスカップ電極３３）をＸ線管１に組み込んで用いることで、電極表面の電界が10kV/mmを超える高電圧を連続印加したとしても、高電界でも放電しないことが耐電圧実験（図３（ａ）を参照）からも確認されている。

［耐電圧実験］
次に、耐電圧実験の結果について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、（厚みが３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である）不動態膜を有したときの耐電圧実験（電界および真空度）の結果であり、図３（ｂ）は、比較のための自然酸化による不動態膜を有するときの耐電圧実験（電界および真空度）の結果である。大きな放電が起こると電子衝突により真空度(圧力)が上昇するので、真空度で放電の様子を観察している。

図３（ｂ）に示すように、自然酸化による不動態膜を有する（厚さは１ｎｍ〜３数ｎｍで厚くても６ｎｍ程度）ときには電界が10kV/mmでは放電しない（真空度が変化しない）が、11kV/mmを超えると大きな放電が発生したことがわかる。つまり、放電すると、放出された電子が容器壁などに衝突し、吸着分子を離脱するので、真空度が上昇する。これに対して、図３（ａ）に示すように、（厚さが３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である）不動態膜を有したときには、電界が10kV/mmの２倍以上である23kV/mmであるにもかかわらず、ほとんど放電していない（真空度がほとんど変化していない）ことがわかる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極（実施例ではフォーカスカップ電極３３）をＸ線管１に組み込んで用いたが、Ｘ線管１に限定されない。真空中で用いられる金属電極であって、１０ｎｍよりも厚い不動態膜を備えた構造であれば、金属電極単体であってもよいし、当該金属電極を用いた電子銃であってもよいし、当該金属電極を用いた電子管であってもよい。図１に示すように電子銃６は、電子ビームＢを発生する陰極３と、当該陰極２からの電子ビームＢを加速させる陽極４とを備えており、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極としては、陰極３のみ、陽極４のみ、あるいは陰極３および陽極４の両方に適用してもよい。また、電子管は、図１のＸ線管１におけるターゲット５以外の構造（真空容器２，陰極３および陽極４）を備えているので、その説明を省略する。

（２）上述した実施例では、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極（実施例ではフォーカスカップ電極３３）はステンレス鋼で形成され、不動態膜はクロム酸化物であったが、金属電極の材料はステンレス鋼に限定されないし、不動態膜もクロム酸化物に限定されない。イオン化傾向の大きい金属であれば、非酸化性の酸（例えば塩酸）には金属自体が溶けるが、酸化性の酸（例えば硝酸）により厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜が形成されるので、イオン化傾向の大きい金属で金属電極を形成すればよい。特に、耐電圧性能を有する金属として、クロム単体やニッケルなどが例示される。ニッケルで金属電極を形成する場合には、不動態膜はニッケル酸化物（酸化ニッケル）となる。

（３）上述した実施例では、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極（実施例ではフォーカスカップ電極３３）に対して電解研磨を行った後に、クロム酸化物からなる不動態膜（図１では不動態膜３３ａ）を形成する皮膜処理を行ったが、必ずしも電解研磨を行う必要はない。

（４）上述した実施例では、図１に示すように、不動態膜３３ａの上に、金属電極（実施例ではフォーカスカップ電極３３）の不動態膜３３ａとは異なる他種の絶縁膜を備えたが、必ずしも絶縁膜を備える必要はない。

（５）上述した実施例では、厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を備えた金属電極を陰極３（特に陰極３のフォーカスカップ電極３３）として用いたが、陰極以外の電極において電界集中が起こる可能性がある、あるいは高電界中で使用する可能性がある電極であれば、陰極以外の電極に適用してもよい。例えば陽極に適用する場合には、陽極に厚みが１０ｎｍ以上の不動態膜を形成する。

（６）上述した実施例では、陽極とターゲットとが別体でそれぞれ構成されていたが、陽極とターゲットとが一体化された構造であってもよい。

以上のように、この発明は、真空中で用いられるＸ線管に適している。

１ … Ｘ線管
２ … 真空容器
３ … 陰極
３３ … フォーカスカップ電極
３３ａ … （自然酸化膜よりも厚い）不動態膜
４ … 陽極
５ … ターゲット
６ … 電子銃
Ｂ … 電子ビーム

Claims (6)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に収容され、電子ビームを発生するエミッタ電極と、
   前記真空容器内に収容され、前記エミッタ電極を取り囲むように形成されたフォーカスカップ電極と、
   前記真空容器内に収容され、前記フォーカスカップ電極と対向するように配置され、前記エミッタ電極からの電子ビームを加速させる陽極と、
   前記真空容器内に収容され、前記陽極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生するターゲットとを備え、
   前記フォーカスカップ電極の前記陽極に対向する面に厚みが１０ｎｍ以上である不動態膜が形成されている、Ｘ線管。
2. 請求項１に記載のＸ線管において、
   前記フォーカスカップ電極と前記陽極との間には電界が集中し、前記不動態膜は耐電圧の機能を果たす、Ｘ線管。
3. 請求項１または請求項２に記載のＸ線管において、
   前記フォーカスカップ電極は、ステンレス鋼、クロムまたはニッケルで形成され、前記不動態膜はクロム酸化物である、あるいは前記不動態膜はニッケル酸化物である、Ｘ線管。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のＸ線管において、
   前記不動態膜の厚みが、１０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である、Ｘ線管。
5. 請求項４に記載のＸ線管において、
   前記不動態膜の厚みが、３００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である、Ｘ線管。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のＸ線管において、
   前記不動態膜の上に、前記フォーカスカップ電極の不動態膜とは異なる絶縁膜を備えた、Ｘ線管。

Images