JPS6138575B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＸ線管内で純静電的集束により平形電
子ビームを発生させるための装置に関する。この
ような装置はたとえば米国特許第3454806号明細
書から公知である。この明細書には、Ｅ形管特に
進行波管用として純静電的集束により平形電子ビ
ームを発生させるための装置が記載されている。

たとえば米国特許第3885179号明細書に記載さ
れているような現在通常のＸ線管では、融点の高
い金属たとえばタングステン製の加熱可能なエイ
ルを含む公知の陰極が用いられる。この陰極は、
Ｘ線発生のために融点の高いターゲツトに導か
れ、そこでＸ線学的目的に使用可能な制動放射を
生ずる電子の発生源として用いられる。しかしこ
のＸ線管は、特にμｓの範囲の短時間パルスを発
生しなければならない用途には欠点を有する。そ
の理由は、一方では所要の切換電圧が高くまたヴ
エーネルト、陰極静電容量が比較的大きいために
切換が容易でないこと、他方ではコイルの放射電
子流密度が制限されておりまたコイルと結合され
た陰極の表面構造が高い電子流密度を阻むため
に、小さな焦点面に何アンペアもの所望の陽極電
流を得るのが容易でないことである。

本発明の目的は、Ｘ線管用として何アンペアも
の電子流を ａ 発生させること ｂ 集束すること ｃ わずかな静電容量で切換えること のできる電子ビーム発生装置を提供することにあ
る。

この目的は本発明によれば、特許請求の範囲第
１項に記載されている対策により達成される。

Ｘ線管用として純静電的集束により平形電子ビ
ームを発生させるための装置であつて、ビーム圧
縮が陰極面からの電子ビームの90゜の偏向によつ
て主として達成され、そのために引込み陽極が陰
極面と90゜の角度をなしてその側方に配置されて
おり、また一方では陰極と引込み陽極との間、他
方では陰極とそれと向かい合う偏向電極との間の
範囲にビーム整形電極が設けられている本発明に
よる電子ビーム発生装置を用いれば、次の特性を
有するＸ線管が得られる。

ａ 静電的な偏向集束により、通常Ｘ線管用とし
て必要とされる平形電子ビームが発生される。

ｂ 平形電子ビームは純静電的に集束されている
ので、その寸法は広範囲に電流に無関係であ
る。

ｃ 電流強度は酸化物あるいは金属毛細管陰極の
使用と陽極電位のほぼ完全な遮蔽とにより電子
銃陽極電圧について零から限界電流たとえば
6Aまで調節可能である。

ｄ 電極の適当な形態（後述のたとえば第２図の
２６，２９，３０のようなビーム整形電極の配
置および陰極表面の湾曲）により、Ｘ線管に使
用するため焦点内に特定の電子流密度分布を得
る意味での最適化、すなわち陽極にかけ得る負
荷を最大にするため、あるいは最適な結像特性
を得るための電子流密度分布の形成が可能であ
る。特に後述の電極２９および３０（第２図）
に印加する電圧の変更により、ビーム断面をた
とえばほぼ１：３の比率で変更することができ
る。

ｅ 陰極としては、バルス作動時に通常の金属コ
イルに比較して仕事関数が小さいために非常に
高い電子流密度を可能にする酸化物あるいはＬ
陰極を用いることができる。その際、それに必
要な陰極温度がタングステン・コイルの場合よ
りも約1000℃低いことは特に有利である。酸化
物陰極としては、ニツケルの上にバリウム・ス
トロンチウム酸化物（Ba―Sr―Ｏ）の層を設
けた公知のものを使用することができる。他
方、Ｌ陰極の使用は作動中の堅牢性および再生
可能性の点で有利である。

ｆ 偏向集束によつて高いビーム圧縮（約10：
１）が達成可能である。個々の陰極は、電子ビ
ームが出口間隙に収束し得るように配置されて
いることが目的にかなつている。そのような配
置になつていなければ、空間電荷力によるビー
ムの広がりによつて焦点に望ましくない広がり
を惹起するという欠点が生じるであろう。

ｇ 偏向集束によつて、Ｘ線管内で特に問題とな
るイオン逆流から陰極をほぼ完全に保護するこ
とができる。

ｈ 電子銃の閉じた構造により、陰極材料の蒸発
を限界的な高電圧範囲、すなわち出口面―電子
銃（第２図の３３）―陽極（第１図の９）、か
らほぼ完全に隔てることができる。

ｉ 電子流の切換は、電子銃陽極電圧が低いため
に、１〜2KVの電圧によりヴエーネルト電極を
適当に断続することによつて可能である。現在
Ｘ線診断に通常用いられている、電子線源とし
て加熱された回転コイルを備えまた150keVま
での加速電圧を印加されたＸ線管では、約6kV
の切換電圧が必要である。本発明によれば、こ
の切換電圧を１ないし2kVに低下させることが
できる。このことは、はるかに小さな制御電力
でマイクロ秒範囲の長方形パルスを発生させ得
るという利点をもたらす。

本発明による電子ビーム発生装置では、有効な
陰極表面が引込み陽極に対して90゜の角度をなし
てその側方に配置されており、引込み電極が円筒
コンデンサの電界内への電子ビームの入射個所に
おいてら旋状の電子ビーム軌道に対して垂直に延
びており、電子ビーム発生装置の空間内に存在す
る静電界が円筒コンデンサの電界から分離されて
おり、他方、陰極表面と向かい合う装置側部には
近似的に陰極電位を加えられた偏向電極が配置さ
れており、また陰極の側方に一方では陰棄極と引
込み陽極との間、他方では陰極と偏向電極との間
の範囲にビーム整形電極が配置されており、ビー
ム整形電極には、陰極から出発した電子流が引込
み陽極の絞り孔への方向に90゜だけ偏向されるよ
うに、陰極電位と引込み陽極電位との間にある電
位が加えられている。

上記のように構成された装置によれば、比較的
わずかな陰極負荷において非常に高い電子流密度
を電子ビーム内に得ることができる。たとえば約
1A／cm²の陰極負荷において約10A／cm²の電子流
密度を有する平形ビームを得ることができる。さ
らに電子ビームは、個々の電極特に２９および３
０（第２図）の印加電圧の調節により、たとえば
ビーム出口３３における開口角を調整可能であ
り、したがつて焦点幅が変更される。その際に装
置内部に存在する電界（電子銃電界）は引込み陽
極２５（第２図）とＸ線陽極９（第１図）との間
の加速電界に対して絞り状の引込み陽極により遮
蔽されているので、装置における電圧調節はＸ線
管の本来の走行空間内におけるビームの案内に擾
乱を与えない。必要のに応じて、引込み電極の後
でも、たとえば小さな板状コンデンサによりビー
ムの形状および方向に補正を加えることができ
る。このことは特にＸ線管において関心事であ
る。なぜならば、たとえば高周波電圧の印加によ
りビームの広がりが生じ得るからである。

本発明の他の細部および利点を以下に図面に示
されている実施例により説明する。

第１図には１でＸ線管が示されており、そのガ
ラス製バルブ２のなかに一端では陰極装置３が、
また他端では陽極装置４が取付けられている。陰
極装置は電子ビーム源５と、電子ビーム７と回転
陽極９の焦点８に向けて偏向させる偏向装置６と
を含んでいる。回転陽極９はタングステン板１０
から成り、その下面はグラフアイト製の板１１で
おおわれている。陽極９は軸１２を介して回転子
１３と結合されているので、この回転子と図示さ
れていない固定子との共同作用により自体は周知
のようにして回転可能である。

Ｘ線管を始動させるためには、一方では導線１
５ないし１９を経て電子ビーム７の発生およびそ
の集束に必要な電圧が加えられる。他方では、さ
らに導線１９および陽極装置４の端子２０を経
て、電子ビーム７にＸ線の発生のために必要な速
度を与えるための加速電圧が加えられる。

電子ビーム発生装置の構成は第２図に断面図で
示されている。５で示されている陰極は保持板２
１と、たとえば２×５mm²の長方形断面を有する層
２２たとえばBa―Sr―Ｏ層とから成る。この陰
極はヴエーネルト電極２３で包囲されている。ヴ
エーネルト電極はたとえば幅1.8mm、高さ５mmの
スリツト２４を有する。それにより、陰極５の層
２２から放射された電子の流れが幅1.8mm、高さ
５mmの電子ビーム７に絞られる。有効陰極表面に
対して90゜の角度をなして絞り状の引込み陽極
（プルアノード）２５が配置されており、この引
込み陽極は電子ビーム方向に対して垂直に電子ビ
ーム７の入口のところで、引込み陽極に続く加速
電界のなかに延びている。引込み電極２５はその
陰極５に隣接する端部に突出部２６を設けられて
おり、この突出部は有効陰極表面に対して大体平
行に延び、陰極５上の電子ビームの付近まで突出
している。陰極表面と対向する側には板状の偏向
電極２７が設けられており、この偏向電極には陰
極電位に近い電位を加えておくものとする。この
偏向電極２７はその引込み陽極側の端部に、引込
み陽極２５に設けられた突出部２６のほうに延び
る突出部２８を有する。このようなアングル状の
偏向電極は、電子ビーム７の上縁が偏向時にその
下縁よりも著しく湾曲されていなければならない
場合に必要である。引込み陽極２５の突出部２６
とヴエーネルト電極２３との間の空間には第１の
ビーム整形電極２９が設けられており、この電極
には陰極電位と引込み陽極電位との間にある電圧
を加えておくものとする。電子ビーム７の他方の
側にはヴエーネルト電極２３および偏向電極２７
からほぼ同一の距離のところに円筒状の第２のビ
ーム整形電極３０が配置されており、この電極に
は第１のビーム整形電極２９とほぼ等しい電位を
加えておくものとする。さらに円筒状のビーム整
形電極３０の下側には、板状に構成されたもう１
つのビーム整形電極３１が配置されており、この
電極は側方へ電子の行路から陰極平面に対してほ
ぼ垂直に延びている。ビーム整形電極３１にはヴ
エーネルト電極２３の印加電圧とほぼ等しい電圧
を加えておくものとする。この電極装置に対して
垂直に（第３図にのみ示されている）板状の電極
３４が設けられており、これらの電極３４は陰極
電位を加えられていて、電子ビームの側方への広
がりを防止する。

第２図に示されており前記の電位を有する電極
装置は、第２図に電位線３２で示されているよう
な電位分布を生ずる。この電位分布によつて陰極
５から出発した電子の流れは引込み陽極２５の絞
り孔３３に向う方向に偏向され、かつ同時に圧縮
される。その際に個々の電極の影響は互いに切り
離し得ないけれども、その主要な意義については
次のように言うことができる。ヴエーネルトスリ
ツト２４を有するヴエーネルト電極２３は第一に
ビーム断面積を制限する役割をする。この電極は
さらに周知のように空間電荷力による電子ビーム
の広がりを防止する。ヴエーネルト電極２３の電
位は陰極電位と引込み陽極電位のマイナス1/10電
位との間にある。両ビーム整形電極２９および３
０における電圧は引込み陽極電位の1/10ないし4/
１０であるものとする。この電圧の大きさは主とし
て放射電子流の強度および平形電子ビーム４の焦
点の位置を定める。その際にビーム整形電極３０
の形状は必ずしも円筒状である必要はなく、線３
２で示される電界分布が実質的に得られるような
形状であればよい。追加的な板状のビーム整形用
電極３１は陰極電位とそれから引込み陽極電位の
1/10を差し引いた電位との間にあり、ビーム整形
用電極２９および引込み陽極２５の部分２６と共
同作用してビーム経路の精密補正を可能にする。
特に、板状のビーム整形用電極３１の印加電圧を
調節することによつて、ビーム縁取りの交叉回避
することができる。なぜならば、電極３１により
主としてビーム上縁が制御可能であり、他方ビー
ム下縁の経過はビーム整形用電極２９と引込み陽
極２５に存在する突出部２６とにより決定される
からである。ほぼ陰極電位にある偏向電極２７は
主として電子ビームの偏向を司る。この電極によ
つて引込み陽極２５の絞り開口３３からの電子ビ
ーム７の出射角度に影響を与えることもでき、そ
の際に電子ビームはほぼ側方にも移動され得る。
引込み陽極２５の形状は一方では、電子銃電界と
本来の走行空間の電界との相互作用を避けるため
前者が後者から厳密に分離されているべきことに
より決定されている。他方では、２つの主要なビ
ーム整形用電極２９および３０と共同して所望の
ビーム形状を得るため、屈出した突出部２６が必
要である。ここで付記すべきこととして、引込み
電極はもちろん２つの分離した部材、すなわち絞
り開口３３を有する板とそれに対して垂直で突出
部２６に相当する板とから成つてよい。

第２図の電子銃により発せられている平形電子
ビームの密度分布は５mmの高さで10分の数mm（約
0.3mm）のビーム断面の幅ｄを示す。測定は各電
極に下記の電圧を印加して行われた。陰極５、ヴ
エーネルト電極２３、偏向電極２７および付加的
ビーム整形電極３１の印加電圧はそれぞれ0Vと
した。ビーム整形電極２９には53Vの電位、また
円筒状ビーム整形電極２９には41Vを電位を印加
し、他方引込み陽極２５には410Vの電位を印加
した。ビームは0.7×10^-6A／Ｖ3/2のパービアン
スにおいて10：１の比率に圧縮されており、その
開き角は引込み陽極から出口に向かつて約５゜で
ある。

コンピユータ・トモグラフイ用のＸ線管におい
て望まれる作動特性を得るためには、Ｘ線陽極の
ところの電子ビーム断面は6Aまでのパルス電流
密度においてたとえば１×16mm²であることが必要
である。その場合、陰極に対しては５：１ないし
20：１、特に10：１の圧縮比において、12A／cm²
ないし3A／cm²、特に6A／cm²の電流密度において
５×10mm²ないし20×10mm²、特に10×10mm²の平面が
陰極表面のとこころに生ずる。この電流密度は酸
化物陰極によつてもＬ陰極によつても問題なく得
ることができる。現在通常の白熱陰極、すなわち
金属（タングステン）コイル、とくらべての主な
相違点は、このような放射電子流密度に対して必
要とされる温度が700℃ないし1300℃の範囲のみ
にあり、また全陰極表面が均等に放射することで
ある。

上記の偏向集束は磁気的手段でも実現し得る。
しかし荷電体の軌道円半径がその速度に関係する
ために利点は失われる。これは特に焦点寸法を一
定に保つ状態で電流調整を行う方法である。

第４図および第５図には、磁石３５を有する装
置が示されており、その磁極３６および３７が側
部ビーム整形電極３４（第３図）に対応する位置
にある。この場合、磁界線３８が電子ビーム７を
偏向させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成された陰極が断面で
示されているＸ線管の概要図、第２図は平形電子
ビーム発生用の本発明により構成された装置の断
面図、第３図は第１図の―線の方向に見た概
略図、第４図および第５図は磁界により偏向を行
うように変形した例の概略図である。 １……Ｘ線管、２……ガラス製バルブ、３……
陰極装置、４……陽極装置、５……電子ビーム、
６……偏向装置、７……電子ビーム、８……焦
点、９……回転陰極、１０……タングステン板、
１１……グラフアイト板、１２……軸、１３……
回転子、２１……陰極保持版、２２……陰極層、
２３……ヴエーネルト電極、２４……スリツト、
２５……引込み陽極、、２６……突出部、２７…
…偏向電極、２８……突出部、２９，３０，３１
……ビーム整形用電極、３２……電位線、３３…
…絞り孔、３４……板状電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｘ線管内で純静電的集束により平形電子ビー
   ムを発生させるための装置において、互いに共同
   作用して平形横断面の電子ビームを発生させるた
   めの陰極と絞り状引込み陽極と少なくとも１つの
   ビーム整形電極とを含んでおり、有効な陰極表面
   が引込み陽極に対して90゜の角度をなしてその側
   方に配置されており、引込み電極がＸ線管の加速
   電界内への電子ビームの入射個所において電子ビ
   ーム軌道に対して垂直に延びており、電子ビーム
   発生装置の空間内に存在する静電界がＸ線管の加
   速電界から分離されており、他方、陰極表面と向
   かい合う装置側部には近似的に陰極電位を加えら
   れた偏向電極が配置されており、また陰極の側方
   に一方では陰極と引込み陽極との間、他方では陰
   極と偏向電極との間の範囲にビーム整形電極が配
   置されており、ビーム整形電極には、陰極から出
   発した電子流が引込み陽極の絞り孔への方向に90
   ゜だけ偏向されるように、陰極電位と引込み陽極
   電位との間にある電圧が加えられており、電子流
   が前記偏向に引き続き焦点に向けて加速されるこ
   とを特徴とする電子ビーム発生装置。 ２ 静電的集束が磁気的集束によつて置換されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の装置。