JPWO2019151248A1

JPWO2019151248A1 - 冷カソード形ｘ線管及びその制御方法

Info

Publication number: JPWO2019151248A1
Application number: JP2019569133A
Authority: JP
Inventors: 秀憲監物
Original assignee: NANOX IMAGING LTD.; NANOX IMAGING, INC.
Current assignee: NANOX IMAGING LTD.; NANOX IMAGING, INC.
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-01-28
Also published as: EP3734637A4; CN111670484A; US20200357597A1; EP3734637A1; IL276415A; WO2019151248A1

Abstract

アノード電流の経時的な低下を防止することにより、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供する。冷カソード形Ｘ線管（１）は、冷カソードを用いた電子放出素子を含む電子放出部（１０）と、電子放出部（１０）と対向して配置されるアノード部（１１）と、アノード部（１１）の表面の一部に配置されたターゲット（１２）と、内部に電子放出部（１０）、アノード部（１１）、及びターゲット（１２）が配置された筐体（１５）と、電子が衝突すると水素を発生させる材料によって構成され、かつ、筐体（１５）の内部に存在する表面のうちターゲット（１２）の表面以外の部分に配置された水素発生部（１４）と、を備える。

Description

本発明は、冷カソード形Ｘ線管及びその制御方法に関する。

従来のＸ線管は電子放出素子としてフィラメントを用いており、このフィラメントから出る熱電子を電子源としている。これに対し、近年では、電子放出素子として冷カソードを用いるＸ線管（冷カソード形Ｘ線管）もいくつか提案されてきている（例えば、特許文献１〜３）。

冷カソード形Ｘ線管には、電子放出素子としてフィラメントを用いるＸ線管と比較して、電子放出量がカソード表面状態の影響を受けやすいという性質がある。そのため、従来の冷カソード形Ｘ線管には、例えばＸ線管の動作中に発生するガスによって真空度が低下し、その結果としてカソードの表面状態が変化することにより、アノード電流が経時的に低下する場合があるという問題があった。この問題に対応するための方法として、引き出し電圧を徐々に上げていくという方法が知られている（例えば、非特許文献１，２）。

なお、フィールドエミッションディスプレイの例であるが、非特許文献３には、スピント型のＭｏ材料を使った冷カソードアレイを用いる場合に動作中の真空管内で酸化性ガスが発生し、その結果としてアノード電流の経時的な低下が発生することが記載されている。また、非特許文献４には、このようなアノード電流の低下を防止するために水素ガスが有効であることが記載されている。非特許文献４に記載の技術では、カソードからアノードに向かう電子（一次電子）の流れの中にメタルハイドライドが配置され、電子がメタルハイドライドに衝突する際に発生する水素ガスが利用される。

米国特許第７７７８３９１号明細書米国特許第７８０９１１４号明細書米国特許第７８２６５９５号明細書

IVNC2013 P15 Stable, High Current Density Carbon Nanotube Field Emission Devices (D.Smith et.al)、Proc. Of SPIE Vol.7622 76225M-1 Distributed source X-ray technology for Tomosynthesis imaging (F.Sprenger, et.al) Proc. Of SPIE Vol.7622 76225M-1 Distributed source X-ray technology for Tomosynthesis imaging (F.Sprenger, et.al) J. Vac. Sci. Technol. B 16, 2859 (1998) Effect of O2 on the electron emission characteristics of active molybdenum field emission cathode arrays (B. Chalamala, et.al) J. Vac. Sci. Technol. B 21, 1187 (2003) Gas-induced current decay of molybdenum field emitter arrays (R.Reuss, et.al)

しかしながら、上記従来の技術では、冷カソード形Ｘ線管で発生するアノード電流の経時的な低下を十分に抑止することは困難である。すなわち、まず引き出し電圧を徐々に上げていくという方法については、引き出し電圧が大きくなりすぎると放電が発生してしまうため、アノード電流の経時的な低下を十分にカバーすることができない。また水素ガスを利用する方法については、カソードからアノードに向かう電子（一次電子）の流れの中にメタルハイドライドを配置するためには、ターゲットにメタルハイドライドをコーティングする必要がある、という点がネックとなり、そのままでは冷カソード形Ｘ線管に適用できない。以下、この点について、詳しく説明する。

Ｘ線管の場合、アノード表面のうち、カソードからアノードに向かう電子（一次電子）の流れが直接衝突する部分には、Ｘ線の発生源であるターゲットが配置される。したがって、カソードからアノードに向かう電子（一次電子）の流れの中にメタルハイドライドを配置するためには、ターゲットにメタルハイドライドのコーティングを施す必要がある。

しかしながら、ターゲットには高温のベーキング処理をする必要があり、そのようなベーキング処理を行うとメタルハイドライドから水素が脱離してしまうことから、水素ガスを発生させる目的でターゲットにメタルハイドライドのコーティングを施すことは困難である。また、ターゲットはＸ線管の動作時にも高温になるため、仮にメタルハイドライドでコーティングできたとしても、動作中の高温によってメタルハイドライドに膜剥がれやクラックが発生し、水素ガス供給源としての役割を果たせなくなってしまう。

したがって、本発明の目的は、アノード電流の経時的な低下を防止することにより、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供することにある。

本発明による冷カソード形Ｘ線管は、冷カソードを用いた電子放出素子を含む電子放出部と、前記電子放出部と対向して配置されるアノード部と、前記アノード部の表面の一部に配置されたターゲットと、内部に前記電子放出部、前記アノード部、及び前記ターゲットが配置された筐体と、電子が衝突すると水素を発生させる材料によって構成され、かつ、前記筐体の内部に存在する表面のうち前記ターゲットの表面以外の部分に配置された水素発生部と、を備える。

冷カソード形Ｘ線管においては、アノード表面のうちカソードからアノードに向かう電子の流れが直接衝突する部分以外（筐体の内部に存在するその他の表面を含む）にも、散乱した電子が衝突するので、本発明によれば、ターゲットの表面以外の部分に水素発生部を配置しているにもかかわらず、Ｘ線管の動作中に水素ガスを発生させることができる。したがって、アノード電流の経時的な低下が防止されるので、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供することが可能になる。

（ａ）は、本発明の実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図であり、（ｂ）は、電子放出部１０の模式的な断面図である。冷カソード形Ｘ線管のアノード電流の時間変化を模式的に示す図である。本発明の実施の形態の第１の変形例による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図である。本発明の実施の形態の第２の変形例による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図である。同図に示すように、Ｘ線管１は、電子放出部１０と、アノード部１１と、ターゲット１２と、フォーカス構造１３と、水素発生部１４とが筐体１５の内部に配置された構造を有している。同図には、Ｘ線管１の制御装置２についても図示している。

筐体１５は、ガラス、セラミックス、及びステンレスのいずれかにより構成される密閉部材である。図示していないが筐体１５にはバルブが設けられており、必要に応じ、このバルブを通じて筐体１５の内部の排気及び筐体１５の内部へのガス注入が行われる。例えば、制御装置２の制御によって冷カソード形Ｘ線管１を動作させる前には、真空ポンプを用いて筐体１５の内部を排気することによって真空状態を作り、一方で、水素ガス又は水素ガスと窒素ガスの混合ガスを筐体１５の内部に注入することによって、水素ガスを水素発生部１４に吸着させる。これは、水素発生部１４から好適に水素ガスが発生するようにするための処理である。

図１（ｂ）は、電子放出部１０の模式的な断面図である。同図に示すように、電子放出部１０は、カソード部２０と、カソード部２０の上面に配置される複数の電子放出素子２１と、マトリクス状に配置された複数の開口部２２ｈを有するゲート電極２２とを備えて構成される。複数の電子放出素子２１はそれぞれスピント型の冷カソードであり、開口部２２ｈ内に１つずつ配置される。各電子放出素子２１の上端は、開口部２２ｈ内に位置している。カソード部２０には制御装置２からグランド電位ＧＮＤが供給され、ゲート電極２２には制御装置２からゲート電圧Ｖｇが供給される。

アノード部１１は、電子放出部１０と対向して配置されたアノード面１１ａを有する金属部材であり、具体的には銅（Ｃｕ）によって構成される。アノード部１１には電源Ｐのプラス側端子が接続されており、したがって、図１（ｂ）に示したゲート電極２２がオンとなっている場合、電源Ｐからアノード部１１、電子放出部１０、カソード部２０を通って電流（アノード電流）が流れることになる。このとき、図１（ｂ）に示した各電子放出素子２１から複数の電子（一次電子）が放出される。これらの電子はアノード面１１ａに衝突し、アノード部１１内を通って電源Ｐに吸収される。アノード面１１ａは、図１（ａ）に示すように、電子の移動方向（図面上では、左から右に向かう方向）に対して傾斜して形成されている。

ターゲット１２は、電子を受けてＸ線を発生する材料によって構成された部材であり、アノード面１１ａのうち各電子放出素子２１から放出された電子が直接衝突する部分を覆うように配置される。ターゲット１２がアノード面１１ａ上に配置されていることから、アノード面１１ａに衝突する複数の電子の一部又は全部はターゲット１２を通過し、通過の際に、ターゲット１２内でＸ線が発生する。こうして発生したＸ線の放射方向は、アノード面１１ａの傾斜のために図面下向きとなる。

フォーカス構造１３は、電子放出部１０から放出された電子の軌道を修正する機能を有する構造物であり、電子放出部１０と、アノード面１１ａに配置されるターゲット１２との間に配置される。フォーカス構造１３は窓１３ｈを有しており、電子放出部１０から放出された電子は、この窓１３ｈを通ってターゲット１２に向かう。フォーカス構造１３には、制御装置２からフォーカス電圧Ｖｆが供給される。このフォーカス電圧Ｖｆは、フォーカス構造１３による電子軌道の修正量を制御する役割を果たす。なお、フォーカス構造１３は２つ以上の領域に分かれていてもよく、その場合、各領域に異なるフォーカス電圧Ｖｆを印加することで、アノード面１１ａにおける電子線の焦点位置を調整することが可能になる。

制御装置２は、予め書き込まれたプログラム又は外部からの指示に従って動作する処理装置であり、カソード部２０にグランド電位ＧＮＤを供給する機能、ゲート電極２２にゲート電圧Ｖｇを供給する機能、及び、フォーカス構造１３に対してフォーカス電圧Ｖｆを供給する機能を有する。Ｘ線管１は、制御装置２の制御によってゲート電極２２へのゲート電圧Ｖｇの供給が開始された場合に動作中となり、Ｘ線の放射を開始する。

水素発生部１４は、電子が衝突すると水素を発生させる材料によって構成される部材である。そのような材料として具体的には、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン炭化膜（ＳｉＣ）、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ）、アモルファス炭素膜（ａ−Ｃ）、又は、ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ）が挙げられる。

水素発生部１４は、筐体１５の内部に存在する表面のうちターゲット１２の表面以外の部分に配置される。具体的には、図１（ａ）に示すように、アノード部１１を構成する金属の表面のうちターゲット１２が配置されていない部分に配置される。なお、アノード部１１を構成する金属の表面のうち電子放出部１０から放出された一次電子が直接衝突する部分を避けて、水素発生部１４を配置することとしてもよい。

水素発生部１４の形成は、例えばプラズマＣＶＤ(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)によって行うことが好適である。プラズマＣＶＤを用いることによって、対象の表面を覆う薄膜により水素発生部１４を構成することが可能になる。一例を挙げると、例えば水素発生部１４をダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ）によって構成する場合であれば、メタン（ＣＨ_４）をソースガスとしたプラズマＣＶＤを用い、１Ｐａ、２００℃の条件で１μｍの薄膜を形成することにより、水素発生部１４を形成することが好ましい。

電子放出部１０から放出された一次電子がアノード面１１ａ上に形成されたターゲット１２に衝突すると、ターゲット１２からはＸ線の他に二次電子が放出される。この二次電子の少なくとも一部は、ターゲット１２の後方に回り込み、アノード部１１の表面に衝突する。そこには水素発生部１４が配置されているので、衝突した電子により水素ガスが発生することになる。これにより筐体１５内のガス雰囲気（分圧）が調整され、その結果として、アノード電流の経時的な低下が防止される。

以上説明したように、本実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１によれば、アノード電流の経時的な低下が防止されるので、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供することが可能になる。また、本実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１によれば、ターゲット１２の表面に水素発生部１４を形成しているわけではないので、水素発生部１４に膜剥がれやクラックが発生し、水素ガス供給源としての役割を果たせなくなってしまうことも回避できる。

図２は、冷カソード形Ｘ線管のアノード電流の時間変化を模式的に示す図である。同図では、横軸を時間とし、縦軸をアノード電流としている。同図に示す曲線Ｃ１は本実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１におけるアノード電流の変化を示し、曲線Ｃ２は本実施の形態による冷カソード形Ｘ線管１から水素発生部１４を取り除いた状態の冷カソード形Ｘ線管におけるアノード電流の変化を示している。

図２に示すように、水素発生部１４がないと時間の経過とともにアノード電流が減少してしまうが、水素発生部１４があると、時間を経ても一定のアノード電流が流れ続ける。このように、本実施の形態によれば、水素発生部１４を設けたことによって、アノード電流の経時的な低下を防止することが可能になる。

図３は、本発明の実施の形態の第１の変形例による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図である。本変形例では、アノード部１１の表面ではなくフォーカス構造１３の表面に水素発生部１４が配置される。なお、図３にも示すように、フォーカス構造１３の表面の全体ではなく、電子放出部１０と対向する面の反対側の面のみに水素発生部１４を配置することが好ましい。水素発生部１４の構成材料及び形成方法は、アノード部１１の表面に形成する場合と同様でよい。

本変形例によれば、電子放出部１０から放出された電子のうち、横方向に散乱したもの（後方散乱電子）が水素発生部１４に衝突することになる。したがって、上記実施の形態の場合と同様に水素ガスが発生するので、本変形例によっても、アノード電流の経時的な低下を防止することができ、その結果として、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供することが可能になる。また、水素発生部１４に膜剥がれやクラックが発生し、水素ガス供給源としての役割を果たせなくなってしまうことも回避できる。

図４は、本発明の実施の形態の第２の変形例による冷カソード形Ｘ線管１の模式的な断面図である。本変形例では、アノード部１１の表面やフォーカス構造１３の表面ではなく、筐体１５の内壁の一部に水素発生部１４が配置される。具体的には、図４に示すように、筐体１５中央の円筒形部分の内壁の全周にわたって、水素発生部１４が形成される。水素発生部１４の構成材料及び形成方法は、アノード部１１の表面に形成する場合と同様でよい。

本変形例によっても、電子放出部１０から放出された電子のうち、横方向に散乱したもの（後方散乱電子）が水素発生部１４に衝突することになる。したがって、上記実施の形態や第１の変形例の場合と同様に水素ガスが発生するので、本変形例によっても、アノード電流の経時的な低下を防止することができ、その結果として、長時間にわたって安定駆動させることのできる冷カソード形Ｘ線管を提供することが可能になる。また、水素発生部１４に膜剥がれやクラックが発生し、水素ガス供給源としての役割を果たせなくなってしまうことも回避できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

１冷カソード形Ｘ線管
２制御装置
１０電子放出部
１１アノード部
１１ａアノード面
１２ターゲット
１３フォーカス構造
１３ｈ窓
１４水素発生部
１５筐体
２０カソード部
２１電子放出素子
２２ゲート電極
２２ｈ開口部
Ｐ電源
Ｔトランジスタ

Claims

冷カソードを用いた電子放出素子を含む電子放出部と、
前記電子放出部と対向して配置されるアノード部と、
前記アノード部の表面の一部に配置されたターゲットと、
内部に前記電子放出部、前記アノード部、及び前記ターゲットが配置された筐体と、
電子が衝突すると水素を発生させる材料によって構成され、かつ、前記筐体の内部に存在する表面のうち前記ターゲットの表面以外の部分に配置された水素発生部と、
を備える冷カソード形Ｘ線管。
前記電子放出部と前記ターゲットの間にフォーカス構造をさらに備え、
前記水素発生部は、前記フォーカス構造の表面に配置される、
請求項１に記載の冷カソード形Ｘ線管。
前記アノード部は金属によって構成され、
前記水素発生部は、前記金属の表面のうち前記ターゲットが配置されていない部分に配置される、
請求項１に記載の冷カソード形Ｘ線管。
前記筐体の内壁の少なくとも一部は、ガラス、セラミックス、及びステンレスのいずれかにより構成され、
前記水素発生部は、前記筐体の内壁の前記少なくとも一部に配置される、
請求項１に記載の冷カソード形Ｘ線管。
前記水素発生部は、プラズマＣＶＤによって形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン炭化膜（ＳｉＣ）、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ）、アモルファス炭素膜（ａ−Ｃ）、又は、ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ）によって構成される、
請求項１に記載の冷カソード形Ｘ線管。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷カソード形Ｘ線管の制御方法であって、
前記冷カソード形Ｘ線管が動作中でないときに、水素ガス又は水素ガスと窒素ガスの混合ガスを前記冷カソード形Ｘ線管の内部に注入することにより、前記水素発生部に水素を吸着させる、
冷カソード形Ｘ線管の制御方法。