JP6571907B1 - 電子銃、ｘ線発生装置およびｘ線撮像装置 - Google Patents

Abstract

電子銃は、電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を収束させる収束電極とを備える。前記収束電極は、管形状を有する外側電極と、前記外側電極の内側に配置された内側電極とを含み、前記内側電極は、柱状の第１空間を規定し、前記カソードの側の第１面と前記第１面の反対側の第２面とを有し、前記外側電極の内側面および前記内側電極の前記第２面は、第２空間を規定する。前記内側電極は、電子を通過させる電子通過孔と、前記第１空間と前記第２空間とを連通させる連通部とを有する。

Description

本発明は、電子銃、Ｘ線発生装置およびＸ線撮像装置に関するものである。

電子銃は、例えば、Ｘ線を発生するＸ線発生装置において利用されている。電子銃は、例えば、電子を引き出す引出電極と、引出電極によって引き出された電子を収束させる収束電極とを備えうる。特許文献１には、電子銃が組み込まれたＸ線管が記載されている。特許文献１に記載されたＸ線管は、カソードと、ターゲットと、カソードとターゲットとの間に配置された第１制御グリッドと、第１制御グリッドとターゲットとの間に配置された第２制御グリッドとを含む。カソード、第１制御グリッドおよび第２制御グリッドは、電子銃の構成要素として理解される。第２制御グリッドは、開口制限素子を有する。開口制限素子を設けることによって微小なビーム寸法を得ることができる。

特開２００７−２６５９１７号公報

しかしながら、開口制限素子を設けると、開口制限素子とカソードとの間には、ガスの移動が制限される空間が形成される。開口制限素子に電子が衝突すると、開口制限素子からガスが放出されうる。ガスは、開口制限素子とカソードとの間の空間に長時間にわたって滞留しうる。カソードからの電子がガスと衝突するとガスがイオン化される。このようにして発生するイオンは、カソードに向かって加速され、カソードに衝突しうる。これによってカソードが劣化しうる。

本発明は、カソードの劣化を抑制するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、電子銃に係り、前記電子銃は、電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を収束させる収束電極とを備える。前記収束電極は、管形状を有する外側電極と、前記外側電極の内側に配置された内側電極とを含み、前記内側電極は、柱状の第１空間を規定し、前記カソードの側の第１面と前記第１面の反対側の第２面とを有し、前記外側電極の内側面および前記内側電極の前記第２面は、第２空間を規定する。前記内側電極は、電子を通過させる電子通過孔と、前記第１空間と前記第２空間とを連通させる連通部とを有する。

本発明の第２の側面は、Ｘ線発生装置に係り、前記Ｘ線発生装置は、本発明の第１の側面に係る電子銃と、前記電子銃からの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲットを有するアノードと、を備える。

本発明の第３の側面は、Ｘ線撮像装置に係り、前記Ｘ線撮像装置は、本発明の第２の側面に係るＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放射され物体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、を備える。

本発明によれば、カソードの劣化を抑制するために有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 図１におけるＢ−Ｂ’断面の第１の例を示す図。 図１におけるＡ−Ａ’断面の第２の例を示す図。 図１におけるＡ−Ａ’断面の第３の例を示す図。 図１におけるＡ−Ａ’断面を例示する図。 本発明の第１実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第２実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第３実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第４実施形態の電子銃の構成を模式的に示す断面図。 本発明の第１実施形態の電子銃の変形例の構成を模式的に示す断面図。 本発明の一実施形態のＸ線発生装置の構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態のＸ線発生装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態のＸ線撮像装置の構成を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は請求の範囲に係る発明を限定するものでない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

図１には、本発明の第１実施形態の電子銃ＥＧの構成が模式的に示されている。図２には、図１におけるＢ−Ｂ’断面が例示されている。図３には、図１におけるＡ−Ａ’断面の第１の例が例示されている。図４には、図１におけるＡ−Ａ’断面の第２の例が例示されている。図５には、図１におけるＡ−Ａ’断面の第３の例が例示されている。電子銃ＥＧは、不図示の真空容器の中に配置されて使用されうる。電子銃ＥＧは、特定の用途に限定されないが、後述のＸ線発生装置の部品として使用されうる他、電子顕微鏡、電子線描画装置等の他の電子線応用装置において使用されうる。

電子銃ＥＧは、電子を放出する電子放出部を有するカソード１０と、該電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極３０と、引出電極３０によって引き出された電子を収束させる収束電極４０とを備えうる。カソード１０は、電子放出部として、例えば、フィラメントを有しうる。フィラメントの加熱によって電子が放出されうる。引出電極３０は、電子を通過させる通過孔３２を有する。電子銃ＥＧは、カソード１０と引出電極３０との間にゲート電極２０を備えてもよい。ゲート電極２０は、電子を通過させる通過孔２２を有する。

収束電極４０は、管形状を有する外側電極４１と、外側電極４１の内側に配置された内側電極４２とを含みうる。内側電極４２は、カソード１０の側に位置する内側面と、該内側面と反対側の外側面とを有しうる。内側電極４２の内側面は、第１内側面ＬＷ１（第１面）と、第１内側面ＬＷ１と角度を有する第２内側面ＬＷ２とを有しうる。内側電極４２の外側面は、第１内側面ＬＷ１（第１面）の反対側の第１外側面ＵＰ１（第２面）と、第２内側面ＬＷ２の反対側であって第１外側面ＵＰ１と角度を有する第２外側面ＵＰ２とを有しうる。

内側電極４２の内側面ＬＷ１、ＬＷ２によって、第１空間ＳＰ１が規定されうる。他の観点において、内側電極４２の第１内側面ＬＷ１または第２内側面ＬＷ２によって、第１空間ＳＰ１の一部が規定されうる。他の観点において、内側電極４２（の内側面ＬＷ１、ＬＷ２）は、内側電極４２の内側に柱状（例えば、円柱状）の第１空間ＳＰ１を規定しうる。

また、内側電極４２の第１外側面ＵＰ１と外側電極４１の内側面ＩＳ１とによって、第２空間ＳＰ２が規定されうる。また、内側電極４２の第２外側面ＵＰ２と外側電極４１の内側面ＩＳ１とによって、第３空間ＳＰ３が規定されうる。内側電極４２は、電子を通過させる電子通過孔４２２と、第１空間ＳＰ１と第３空間ＳＰ３とを連通させる連通部４３１とを有しうる。他の観点において、連通部４３１は、内側電極４３の内側空間（第１空間ＳＰ１）と、内側電極４３の外側面ＵＰ１、ＵＰ２と外側電極４１の内側面ＩＳ１とによって形成される外側空間（第２空間ＳＰ２および第３空間ＳＰ３）とを連通させる。

内側電極４２は、電子通過孔４２２を有する板部４２１と、管形状を有する管形状部４３とを有しうる。他の観点において、管形状部４３の一端は、板部４２１に接続されうる。収束電極４０は、管形状部４３の他端と外側電極４１とを接続する接続部４４を更に含みうる。接続部４４は、導電部材で構成されてもよいし、絶縁体で構成されてもよい。内側電極４２の連通部４３１は、第３空間ＳＰ３を介して第１空間ＳＰ１と第２空間ＳＰ２とを連通させうる。連通部４３１は、管形状部４３に設けられうる。

外側電極４１および内側電極４２は、軸ＡＸに関して同軸構造を有するように構成されうる。外側電極４１は、軸ＡＸを中心軸とする円筒部を含みうる。内側電極４２は、軸ＡＸを中心軸とする円筒部を含みうる。外側電極４１は、内側電極４２の側方を全周にわたって取り囲むように配置されうる。あるいは、外側電極４１は、内側電極４２を切断するように軸ＡＸに直交する断面のいずれにおいても、内側電極４２を全周にわたって取り囲むように配置されうる。他の観点において、外側電極４１は、内側電極４２の連通部４３１を取り囲むように配置されうる。あるいは、外側電極４１は、内側電極４２の連通部４３１を切断するように軸ＡＸに直交する断面のいずれにおいても、内側電極４２の連通部４３１を取り囲むように配置されうる。以上のような構成は、収束電極４０の内側電極４２と、収束電極４０の外側に配置されうる不図示の部材との間における放電を抑制するために効果的である。これは、内側電極４２が、放電を誘発しうるような曲率半径が小さい部分（曲率が大きい部分）を有する場合に特に有利に作用する。

一例において、第１空間ＳＰ１は、内側電極４２の他、引出電極３０によって規定されうる。第１空間ＳＰ１は、密閉空間ではなく、電子通過孔４２２および連通部４３１を介して第２空間ＳＰ２に連通する。また、第１空間ＳＰ１は、通過孔３２を介して、カソード１０の側の空間と連通する。

外側電極４１および内側電極４２は、互いに電気的に接続され、同一電位が与えられうる。あるいは、外側電極４１、内側電極４２および接続部４４は、互いに電気的に接続され、同一電位が与えられうる。引出電極３０は、内側電極４２に電気的に接続されてもよいし、内側電極４２に対して電気的に絶縁され、内側電極４２に与えられる電位とは異なる電位が与えられてもよい。一例において、引出電極３０は、収束電極４０に固定されている。図１０には、第１実施形態の変形例が記載されている。図１０に示された例では、引出電極３０は、絶縁体３９を介して収束電極４０（外側電極４１）によって支持されている。

収束電極４０の内側電極４２に設けられた板部４２１は、第２空間ＳＰ２に至る電子線の径を制限する。板部４２１に設けられた電子通過孔４２２を通過した電子のみが第２空間ＳＰ２に至る電子線を構成する。他の電子は、板部４２１に衝突し、板部４２１によって吸収される。電子通過孔４２２を有する板部４２１を内側電極４２に設けることによって、電子銃ＥＧから放射される電子線をより小さい領域に収束させることができる。

カソード１０からの電子が板部４２１に衝突することによって板部４２１からガスが放出されうる。ガスが第１空間ＳＰ１に長時間にわたって滞留すると、カソード１０からの電子がガスと衝突する確率が高まる。電子とガスとの衝突によってガスがイオン化されうる。このようにして発生するイオンは、カソード１０に向かって加速され、カソード１０に衝突しうる。これによってカソード１０が劣化しうる。そこで、第１実施形態の電子銃ＥＧでは、第１空間ＳＰ１と第２空間ＳＰ２とを連通させる連通部４３１が内側電極４２に設けられている。連通部４３１は、それに対して電子が入射しない位置、あるいは、それに対して電子が入射する可能性が低い位置に配置されうる。他の観点において、連通部４３１は、電子を通過させない位置に配置されうる。連通部４３１は、第１空間ＳＰ１において発生しうるガスが速やかに第１空間ＳＰ１から第２空間ＳＰ２に排出されることを可能にし、これは、カソード１０の劣化を抑制するように機能する。

収束電極４０は、板部４２１のうち電子が衝突しうる領域と外側電極４１の内側面ＩＳ１との間に連通部４３１を介した直線経路が存在するように構成されてもよい。あるいは、収束電極４０は、板部４２１に設けられた電子通過孔４２２と外側電極４１の内側面ＩＳ１との間に連通部４３１を介した直線経路が存在するように構成されてもよい。このような構成は、板部４２１に対する電子の衝突によって発生しうるがガスが速やかに第２空間ＳＰ２（あるいは第３空間ＳＰ３）に排出されることを可能にする。

図３、図４、図５に例示されるように、複数の連通部４３１が内側電極４２に設けられうるが、単一の連通部４３１のみが内側電極４２に設けられてもよい。連通部４３１を切断するように軸ＡＸに直交する断面（Ａ−Ａ’断面）において、連通部４３１の面積と内側電極４２（連通部４３１以外の部分）の面積との比は、任意に定められうる。しかし、外側電極４１と内側電極４２とが同一電位にされる構造においては、連通部４３１の存在がカソード１０からの電子を収束させる機能に与える影響は小さい。よって、このような構造においては、連通部４３１を切断するように軸ＡＸに直交する断面（Ａ−Ａ’断面）において、連通部４３１の面積は、内側電極４２（連通部４３１以外の部分）の面積より大きくされうる。これは、第１空間ＳＰ１から第２空間ＳＰ２へのガスの速やかな排出に有利である。

外側電極４１は、カソード１０の電子放出部の側の第１端部Ｅ１と、第１端部Ｅ１の反対側の第２端部Ｅ２とを有し、第２端部Ｅ２は、[01]角部を有しないように構成されうる。このような構成は、外側電極４１とその外側に配置されうる部材との間における放電を抑制するために効果的である。

図６には、本発明の第２実施形態の電子銃ＥＧの構成が模式的に示されている。第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態では、第１空間ＳＰ１と第２空間ＳＰ２とが連通部４３１によって直接に連通している。また、第２実施形態では、軸ＡＸに平行な断面において、連通部４３１は、曲線状の排気経路を構成する。他の観点において、第２実施形態では、軸ＡＸに平行な断面において、連通部４３１は、軸ＡＸに対して平行でも垂直でもない排気経路を構成する。

図７には、本発明の第３実施形態の電子銃ＥＧの構成が模式的に示されている。第３実施形態として言及しない事項は、第１又は第２実施形態に従いうる。第３実施形態では、引出電極３０は、第１空間ＳＰ１の一部を規定する。引出電極３０は、第１空間ＳＰ１と、カソード１０の側の第４空間ＳＰ４とを分離する。引出電極３０は、電子を通過させる通過孔３２の他に、通過孔３２から離隔して配置された貫通孔３３を有する。貫通孔３３は、板部４２１に対する電子の衝突によって発生しうるガスが第４空間ＳＰ４に排出されることを可能にする。

貫通孔３３がカソード１０からの電子の軌道に与える影響を低減する観点、および、第１空間ＳＰ１から貫通孔３３を通して排出されるガスの経路をカソード１０から遠ざけて該ガスのイオン化によるカソード１０の劣化を防止する観点において、通過孔３２と貫通孔３３との最短距離は、貫通孔３３の半径の５倍以上であることが好ましい。また、電子銃ＥＧの小型化の観点において、通過孔３２と貫通孔３３との最短距離は、貫通孔３３の半径の５０倍以下であることが好ましい。よって、通過孔３２と貫通孔３３との最短距離は、貫通孔３３の半径の５倍以上かつ５０倍以下であることが好ましい。引出電極３０は、複数の貫通孔３３を有することができる。該複数の貫通孔３３は、軸ＡＸに関して回転対称に配置されうる。

図８には、本発明の第４実施形態の電子銃ＥＧの構成が模式的に示されている。第４実施形態として言及しない事項は、第１乃至第３実施形態のそれぞれ、又は、それらのうちの２つの組み合わせに従いうる。第４実施形態では、第１空間ＳＰ１は、第１部分ＳＰ１１と、第１部分ＳＰ１１と引出電極３０の間の第２部分ＳＰ１２とを含む。第１部分ＳＰ１１と第２部分ＳＰ１２とは、収束電極４０の軸ＡＸに直交する方向の寸法によって相互に区別されうる。収束電極４０の軸ＡＸに直交する方向における第２部分ＳＰ１２の寸法は、軸ＡＸに直交する方向における第１部分ＳＰ１１の寸法より大きい。尚、図８では、第２部分ＳＰ１２を規定する内側電極４２の部分は、外側電極４１と離間しているが、外側電極４１と接していてもよい。このような構成は、貫通孔３３と通過孔３２との距離を大きくするために有利である。

図９には、本発明の第５実施形態の電子銃ＥＧの構成が模式的に示されている。第５実施形態として言及しない事項は、第１乃至第４実施形態のそれぞれ、又は、それらのうちの２つ以上の組み合わせに従いうる。第５実施形態では、第１空間ＳＰ１は、第１部分ＳＰ１１と、第１部分ＳＰ１１と引出電極３０の間の第２部分ＳＰ１２とを含む。第１部分ＳＰ１１と第２部分ＳＰ１２とは、収束電極４０の軸ＡＸに直交する方向に寸法によって相互に区別されうる。収束電極４０の軸ＡＸに直交する方向における第２部分ＳＰ１２の寸法は、軸ＡＸに直交する方向における第１部分ＳＰ１１の寸法より大きい。第５実施形態では、収束電極４０の軸ＡＸに直交する方向における第２部分ＳＰ１２の寸法は、カソード１０の側に向かって大きくなる、このような構成は、貫通孔３３と通過孔３２との距離を大きくするために有利である。

図１１には、本発明の一実施形態のＸ線発生管１の構成が模式的に示されている。Ｘ線発生管１は、第１乃至第５実施形態の電子銃ＥＧと、電子銃ＥＧからの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲット９３３を有するアノード９３とを備えうる。Ｘ線発生管１は、カソード９１を備え、カソード９１は、電子銃ＥＧのカソード１０と電気的に接続されうる。Ｘ線発生管１は、絶縁管９２を備え、絶縁管９２の２つの開口端の一方を閉塞するようにアノード９３が配置され、絶縁管９２の２つの開口端の他方を閉塞するようにカソード９１が配置されうる。

アノード９３は、ターゲット９３３と、ターゲット９３３を保持するターゲット保持板９３２と、ターゲット保持板９３２を保持する電極９３１とを含みうる。電極９３１は、ターゲット９３３に電気的に接続されていて、ターゲット９３３に電位を与える。ターゲット９３３は、電子銃ＥＧからの電子がターゲット９３３に衝突することによってＸ線を発生する。発生したＸ線は、ターゲット保持板９３２を透過してＸ線発生管１の外部に放射される。アノード９３は、例えば、接地電位に維持されうるが、他の電位に維持されてもよい。ターゲット９３３は、融点が高く、Ｘ線の発生効率が高い材料、例えば、タングステン、タンタルまたはモリブデンで構成されうる。ターゲット保持板９３２は、例えば、Ｘ線を透過する導電性材料、例えば、ベリリウム、ダイヤモンド等で構成されうる。

図１２には、本発明の一実施形態のＸ線発生装置１００の構成が示されている。Ｘ線発生装置１００は、上記のＸ線発生管１と、Ｘ線発生管１を駆動する駆動回路３とを備えうる。Ｘ線発生装置１００は、駆動回路３に昇圧された電圧を供給する昇圧回路２を更に備えうる。Ｘ線発生装置１００は、Ｘ線発生管１、駆動回路３および昇圧回路２を収納する収納容器４を更に備えうる。収納容器４の中には、絶縁油が充填されうる。

図１３には、本発明の一実施形態のＸ線撮像装置２００の構成が示されている。Ｘ線撮像装置２００は、Ｘ線発生装置１００と、Ｘ線発生装置１００から放射され物体１０６を透過したＸ線１０４を検出するＸ線検出装置１１０を備えうる。Ｘ線撮像装置２００は、制御装置１２０および表示装置１３０を更に備えてもよい。Ｘ線検出装置１１０は、Ｘ線検出器１１２と、信号処理部１１４とを含みうる。制御装置１２０は、Ｘ線発生装置１００およびＸ線検出装置１１０を制御しうる。Ｘ線検出器１１２は、Ｘ線発生装置１００から放射され物体１０６を透過したＸ線１０４を検出あるいは撮像する。信号処理部１１４は、Ｘ線検出器１１２から出力される信号を処理して、処理された信号を制御装置１２０に供給しうる。制御装置１２０は、信号処理部１１４から供給される信号に基づいて、表示装置１３０に画像を表示させる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

Claims (12)

1. 電子放出部を有するカソードと、前記電子放出部から放出された電子を引き出す引出電極と、前記引出電極によって引き出された電子を収束させる収束電極とを備える電子銃であって、
   前記収束電極は、管形状を有する外側電極と、前記外側電極の内側に配置された内側電極とを含み、前記内側電極は、柱状の第１空間を規定し、前記カソードの側の第１面と前記第１面の反対側の第２面とを有し、前記外側電極の内側面および前記内側電極の前記第２面は、第２空間を規定し、
   前記内側電極は、電子を通過させる電子通過孔と、前記第１空間と前記第２空間とを連通させる連通部とを有する、
   ことを特徴とする電子銃。
2. 前記外側電極は、前記連通部を取り囲んでいる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 前記内側電極は、前記電子通過孔を有する板部と、管形状を有する管形状部とを有し、前記管形状部の一端が前記板部に接続され、
   前記連通部は、前記管形状部に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子銃。
4. 前記管形状部の外側面と前記外側電極の前記内側面との間に第３空間が規定され、前記内側電極の前記連通部は、前記第３空間を介して前記第１空間と前記第２空間とを連通させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電子銃。
5. 前記引出電極は、電子を通過させる通過孔と、前記通過孔から離隔して配置された貫通孔とを有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子銃。
6. 前記第１空間は、第１部分と、前記第１部分と前記引出電極の間の第２部分とを含み、前記収束電極の軸に直交する方向における前記第２部分の寸法は、前記収束電極の軸に直交する方向における前記第１部分の寸法より大きい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電子銃。
7. 前記第２部分の前記寸法は、前記カソードの側に向かって大きくなる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の電子銃。
8. 前記通過孔と前記貫通孔との最短距離は、前記貫通孔の半径の５倍以上かつ５０倍以下である、
   ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の電子銃。
9. 前記引出電極は、前記収束電極に固定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子銃。
10. 前記引出電極は、前記収束電極に電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子銃。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電子銃と、
    前記電子銃からの電子が衝突することによってＸ線を発生するターゲットを有するアノードと、
    を備えることを特徴とするＸ線発生装置。
12. 請求項１１に記載のＸ線発生装置と、前記Ｘ線発生装置から放射され物体を透過したＸ線を検出するＸ線検出装置と、を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。

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