WO2023089912A1 - 電界放射装置 - Google Patents

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WO2023089912A1
WO2023089912A1 PCT/JP2022/032997 JP2022032997W WO2023089912A1 WO 2023089912 A1 WO2023089912 A1 WO 2023089912A1 JP 2022032997 W JP2022032997 W JP 2022032997W WO 2023089912 A1 WO2023089912 A1 WO 2023089912A1
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WO
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emitter
electric field
guard electrode
emission device
field emission
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/032997
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English (en)
French (fr)
Inventor
隼人 越智
怜那 ▲高▼橋
優 野田
浩太郎 安井
恒志 杉目
Original Assignee
株式会社明電舎
学校法人早稲田大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a field emission device applied to various devices such as X-ray devices, electron tubes, and lighting devices.
  • a field emission apparatus has an emitter (electron source of carbon or the like) and a target which are arranged opposite to each other at a predetermined distance in a vacuum chamber of a vacuum vessel.
  • a field emission device emits an electron beam from an emitter by applying a voltage between the emitter and the target (field emission). By colliding with the target, the electron beam exhibits a desired function such as fluoroscopy resolution due to external emission of X-rays.
  • the emitter in the field emission device shown in Patent Document 1 discloses a configuration in which a voltage is applied to the guard electrode in a state in which both the electron generating section of the emitter and the guard electrode are separated from each other by operating the support section.
  • a voltage is applied to the guard electrode in a state in which both the electron generating section of the emitter and the guard electrode are separated from each other by operating the support section.
  • at least the guard electrode in the vacuum chamber can be modified, and a desired withstand voltage can be obtained in the field emission device.
  • the field emission device disclosed in Patent Document 1 is configured so that the electron generator and the guard electrode are separated from each other by operating the supporting portion as described above, thereby making it possible to reduce the size of the field emission device.
  • One aspect of the present invention is a field emission apparatus comprising: a vacuum container having a vacuum chamber; , a target located on the other side of the vacuum chamber and facing the emitter, and a cylindrical body provided on the outer peripheral side of the emitter, one side of which is fixed to the vacuum chamber and the other side of which is open. a guard electrode having a portion; a support for axially moving the emitter inside the guard electrode; The electric field shield is arranged to partially overlap the opening on the axial projection plane, and is formed in a shape that partitions the opening into a plurality of regions.
  • the electric field shield may be composed of one or more linear members fixed to the edge of the opening.
  • the electric field shield may be formed of linear members arranged in a grid.
  • the electric field shield may be formed in a plate shape having a plurality of through holes.
  • the electric field shield may partition the electron generating section to form an edge section when the emitter moves to the other side and contacts the guard electrode.
  • at least one surface of the emitter or the support may be electrically insulating at the contact between the emitter and the support.
  • the axial height of the electric field shield may be lower than the axial height of the electron generating section.
  • the field shield may be formed integrally with the guard electrode.
  • a predetermined withstand voltage can be obtained even when the amount of pull-in of the emitter is small.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the electric field shielding structure of the field emission device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the electric field shielding structure of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the electric field shielding structure of Embodiment 1 at the time of emitter pull-in;
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the electric field shielding structure of Embodiment 1 when the emitter is pushed out;
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a field emission device according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a test specimen assuming that there is no electric field shielding structure of Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a diagram showing a test specimen assuming the presence of the electric field shielding structure of Embodiment 1; FIG. 6 and a diagram showing the results of electronic analysis using the specimen of FIG. 7;
  • FIG. 8 is a schematic plan view of an electric field shielding structure of a field emission device according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a schematic plan view of an electric field shielding structure of a field emission device according to Embodiment 3; 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional emitter unit;
  • FIG. 12 is a schematic plan view of the emitter unit of FIG. 11;
  • FIG. 1 is an enlarged sectional view of the electric field shielding structure of the field emission device 10 according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic plan view of the electric field shielding structure of Embodiment 1 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the field emission device 10 of Embodiment 1.
  • the electric field shielding structure of one aspect of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, etc. is applied to field emission devices 10 including, for example, X-ray devices, electron tubes, lighting devices, and the like.
  • a field emission device 10 according to Embodiment 1 includes a vacuum vessel 2 , an emitter unit 3 and a target unit 4 .
  • the side of the emitter unit 3 shown in FIG. 5 is defined as one side, and the side of the target unit 4 is defined as the other side.
  • the direction which goes to the said other side from the said one side be an axial direction.
  • a direction perpendicular to (crossing) the axial direction is defined as a radial direction (transverse direction).
  • the vacuum vessel 2 has a tubular insulator 21 extending in the axial direction.
  • the insulator 21 insulates the emitter unit 3 and the target unit 4 from each other, and forms the vacuum chamber 20 inside the vacuum container 2 (inner wall side).
  • the insulator 21 is made of an insulating material such as ceramic, and may be any material that can insulate the emitter unit 3 and the target unit 4 from each other as described above and form the vacuum chamber 20 therein.
  • the vacuum vessel 2 includes cylindrical insulating members 21a and 21b arranged in series. Furthermore, the vacuum vessel 2 may be constructed by assembling the insulating members 21a and 21b with the grid electrode 22 interposed therebetween by brazing or the like.
  • a grid electrode 22 extending in the radial direction of the vacuum chamber 20 is provided between the emitter unit 3 and the target unit 4 .
  • the grid electrode 22 is interposed between the emitter unit 3 and the target unit 4, and various configurations can be applied as long as the electron beam L1 passing through the grid electrode 22 can be appropriately controlled.
  • the grid electrode 22 has, for example, an electrode portion 24 and a lead terminal 25 .
  • the electrode part 24 is, for example, a mesh electrode and extends in the radial direction of the vacuum chamber 20 .
  • a passage hole 23 through which the electron beam L1 passes is formed in the electrode portion 24 .
  • the lead terminal 25 is connected to the electrode portion 24 through the insulator 21 in the radial direction.
  • the emitter unit 3 comprises an emitter 30 , an emitter support (support) 31 and a guard electrode 32 .
  • the emitter 30 has an electron generator 33 at a position (part) facing the target 41 of the target unit 4 in the axial direction.
  • the electron generator 33 generates electrons by voltage application and emits an electron beam L1.
  • the electron generator 33 can be of various forms as long as it can emit an electron beam L1 (radiator).
  • the electron generator 33 can be made of a material such as carbon nanotube or carbon fiber.
  • the electron generator 33 may be composed of the emitter 30 formed by molding a material such as carbon into a mass or vapor-depositing it into a thin film.
  • the surface of the target unit 4 facing the target 41 is concave or curved to facilitate the focusing of the electron beam L1.
  • the emitter supporting portion 31 is axially movable (movable) inside the guard electrode 32 and supports the emitter 30 with the electron generating portion 33 facing the target 41 .
  • the base end side of the emitter 30 (opposite side to the electron generating section 33) is joined to the emitter supporting section 31 by brazing or the like.
  • An operating portion 35 for operating the emitter support portion 31 is connected (attached) to the emitter support portion 31 via a bellows 34 that can expand and contract in the axial direction.
  • the bellows 34 expands and contracts, and as a result, the emitter support portion 31 moves in the axial direction, and the emitter 30 also moves in the same direction as the emitter support portion 31 in conjunction.
  • the operation portion 35 has a shape that partially extends from the opposite side of the emitter 30 and is configured integrally with the emitter support portion 31. may be configured as possible.
  • At least one surface of the emitter 30 or the emitter support 31 may be electrically insulating at the contact portion between the emitter support 31 and the emitter 30 .
  • the electron generating section 33 is made of carbon nanotubes, by forming the base end side of the emitter 30 with an insulator, the carbon nanotubes can be efficiently grown on the insulator as a base.
  • the distance between the electron generating part 33 of the emitter 30 and the target 41 can be changed by appropriately operating the emitter supporting part 31 .
  • the guard electrode 32, the target 41, the grid electrode 22, and the like are in a desired state. can be modified. Examples of modification processing include melting and smoothing the surface of the guard electrode 32 .
  • the field emission device 10 provided with the operation unit 35 can be easily miniaturized compared to a conventional device capable of field emission provided with a large-diameter exhaust pipe, thereby reducing manufacturing man-hours and product costs. is also possible.
  • the operating portion 35 of the emitter support portion 31 is operated to move the emitter 30 toward one side in the axial direction (the side of the emitter unit 3, the right side in FIG. 5).
  • the emitter 30 moves to a non-discharge position away from the guard electrode 32, and the electric field emission of the electron generating section 33 is suppressed.
  • the electron generating portion 33 of the emitter 30 and the edge portion 36 of the guard electrode 32 are not in contact with each other. In this state, for example, by appropriately applying a desired voltage between the guard electrode 32 and the grid electrode 22, discharge is repeated in the guard electrode 32, and the guard electrode 32 is reformed.
  • the operating portion 35 of the emitter support portion 31 is operated again to move the emitter 30 from the non-discharge position toward the other side in the axial direction (the target unit 4 side, the left side in FIG. 5). , contact the guard electrode 32 to bring the electron generating portion 33 into a discharge position where electric field emission is possible.
  • the electron generating portion 33 of the emitter 30 and the edge portion 36 of the guard electrode 32 at the discharge position are in contact with each other (for example, by the vacuum pressure of the vacuum vessel 2) as shown in FIGS. 4 and 5, for example.
  • the electron generating portion 33 of the emitter 30 and the guard electrode 32 are at the same potential.
  • Electron beams L1 are emitted from projections present on the surface of the guard electrode 32, and the projections are heated, melted, and smoothed, thereby reforming the surface of the guard electrode 32.
  • the emitter supporting portion 31 can be configured by applying various materials, and although not particularly limited, for example, a conductive metal material such as stainless steel (SUS material, etc.), copper, silver, or the like. can be used.
  • a conductive metal material such as stainless steel (SUS material, etc.), copper, silver, or the like.
  • the bellows 34 as long as it can expand and contract in the axial direction as described above, various forms can be applied. Also, the bellows 34 may be configured in a bellows shape extending in the axial direction so as to surround the outer peripheral side of the emitter support portion 31 or the operating portion 35, for example.
  • the guard electrode 32 is arranged at a position facing the target 41 on one side of the vacuum chamber 20 .
  • the guard electrode 32 is a cylindrical electrode (cylindrical body) made of a metal material such as stainless steel (SUS material or the like), and is arranged on the outer peripheral side of the electron generating portion 33 of the emitter 30 .
  • the guard electrode 32 has a flange-shaped edge 36 projecting toward the inner periphery.
  • the guard electrode 32 also has an opening 310 inside the flange-like edge 36 .
  • the guard electrode 32 has a first accommodation portion 37 and a second accommodation portion 38 communicating therewith.
  • the first accommodation portion 37 accommodates the emitter 30 and the emitter support portion 31 .
  • the second accommodation portion 38 is positioned on one side of the first accommodation portion 37 and accommodates the bellows 34 and the operation portion 35 . Also, the second housing portion 38 is fixed to the edge portion of the insulating member 21 b of the vacuum vessel 2 via the flange portion 39 .
  • the guard electrode 32 comprises an electric field shield 1 arranged in the opening 310 of the edge 36 .
  • the electric field shield 1 in Embodiment 1 is formed of a conductor, and weakens the electric field applied to the emitter 30 when a high voltage is applied between the guard electrode 32 and the target 41 for modification processing. function to suppress electron emission.
  • the electric field shield 1 is connected to the guard electrode 32 and has the same potential as the guard electrode 32 . Further, as shown in FIG. 2, the electric field shield 1 is arranged so as to partially overlap the opening 310 of the guard electrode 32 on the projection plane in the axial direction, and is composed of a linear member such as a wire or a wire. be. Also, the electric field shield 1 is formed in a shape that partitions (divides) the opening 310 of the guard electrode 32 in the radial direction.
  • the electric field shield 1 may be made of a conductive metal material, such as iron, stainless steel (SUS material, etc.), copper, silver, etc., but not limited to these materials. can be applied.
  • the materials of the guard electrode 32 and the electric field shielding body 1 are preferably the same, but different conductive metal materials may be used.
  • one electric field shield 1 is used, and the opening 310 of the guard electrode 32 is divided into two regions.
  • the present invention is not limited to this, and one or more electric field shields 1 may be fixed to the opening 310 of the guard electrode 32 to partition the opening 310 into two or more regions.
  • the electric field shielding body 1 is not limited to existing members such as element wires or wires, and the electric field shielding body 1 is made of a conductive metal material processed into a cylindrical shape, an elliptical shape, a flattened shape, or a substantially rectangular cross-sectional shape. may be used as In this case, the electric field shielding body 1 is made of a conductive metal material like the wire or wire.
  • the electric field shield 1 is fixed (connected) to the edge (opening edge) of the opening 310 of the guard electrode 32 . As shown in FIGS. 1 and 3, the electric field shield 1 is arranged on one side of the edge 36 of the guard electrode 32 (the emitter 30 side, the lower side in FIGS. 1 and 3). In Embodiment 1, as shown in FIG. 2, the electric field shield 1 is fixed with one end of the electric field shield 1 in contact with the edge of the opening, and the other end of the electric field shield 1 is the electric field shield. It is fixed in a state of contact with the edge of the opening located opposite to one end of 1. As a result, the opening 310 of the guard electrode 32 is radially partitioned by the electric field shield 1, dividing the area of the opening 310 into two.
  • the method of fixing the electric field shield 1 to the edge of the opening of the guard electrode 32 may be any fixing method that does not allow the electric field shield 1 to come off.
  • the electric field shield 1 and the guard electrode 32 may be mechanically connected or joined, fixed by caulking or welding, or fixed by welding.
  • the electric field shielding body 1 When fixing one end and the other end of the electric field shielding body 1 to the edge of the opening, it is preferable to fix them with a predetermined tension applied when wires or wires are used. If the electric field shield 1 is fixed in a loose state, the electron generating section 33 cannot be evenly pressed when it comes into contact with the electron generating section 33, which will be described later. The electron emission from 30 may not be sufficiently enhanced. Also, although the electric field shield 1 is fixed to the opening edge of the guard electrode 32 as described above, the electric field shield 1 and the guard electrode 32 may be integrally formed.
  • the target unit 4 includes a target 41 and a flange portion 42, as shown in FIG.
  • the target 41 is arranged on the other side of the vacuum chamber 20 at a position facing the electron generating portion 33 of the emitter 30 .
  • the target 41 has an inclined surface 40 formed at a predetermined angle with respect to the axial direction at a portion facing the electron generating portion 33 of the emitter 30 .
  • X-rays L2 are emitted.
  • the X-ray L2 is irradiated in a direction bent from the irradiation direction of the electron beam L1 (for example, the cross-sectional direction of the vacuum chamber 20 shown in FIG. 5).
  • the target 41 can be of various forms as long as the electron beam L1 emitted from the electron generator 33 of the emitter 30 collides with the target 41 and emits X-rays L2.
  • the flange portion 42 is fixed to the edge portion of the insulating member 21a of the vacuum vessel 2 as shown in FIG.
  • the size of the field emission device 10 can be reduced.
  • the retraction amount of the emitter 30 may be insufficient.
  • the emitter 30 is drawn in to the maximum extent due to insufficient drawing amount of the emitter 30, if a sufficient voltage is applied to modify the field emission device 10, excessive electrons are emitted from the emitter 30 and the emitter 30 is destroyed. If the voltage is set low in order to suppress the damage to the emitter 30, the modification of the field emission device 10 may be insufficient and the desired withstand voltage may not be obtained.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the electric field shielding structure of Embodiment 1 when the emitter 30 is pulled in (non-discharge position).
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the emitter 30 of the electric field shielding structure of Embodiment 1 at the time of extrusion (discharge position).
  • the electric field shield 1 is preferably fixed at substantially the center of the opening 310 of the guard electrode 32 (on a line passing through the radial center point of the opening 310), but the fixing position is arbitrary. It doesn't matter if it is. Also, as described above, the electric field shield 1 is arranged on one side of the edge 36 of the guard electrode 32 (on the emitter 30 side, on the lower side in FIG. 3). Specifically, as shown in FIG. 3, the electric field shield 1 is closer to the surface 36b facing one side of the edge 36 of the guard electrode 32 than the surface 36a facing the other side (upper side in FIG. 3) of the edge 36 of the guard electrode 32. It is preferable to fix to the opening edge of the guard electrode 32 so that .
  • h1 represents the height (length) of the electric field shield 1 in the axial direction
  • h2 represents the height of the electron generating section 33 in the axial direction.
  • h1 is the size of the diameter.
  • part of the electron generating portion 33 contacts the surface 36b facing one side (lower side in FIG. 4) of the edge portion 36 of the guard electrode 32 to generate electrons.
  • the contact point of the portion 33 is crushed.
  • the electron generator 33 also contacts the electric field shield 1, and the contact portion of the electron generator 33 that is in contact with the electric field shield 1 is also crushed.
  • a part of the electron generating portion 33 is partitioned off, and the electron generating portion 33 is formed with an edge portion 33a.
  • the height h1 of the electric field shielding body 1 lower (smaller) than the height h2 of the electron generating portion 33 . That is, the heights of the electric field shield 1 and the electron generator 33 are set so that h2>h1.
  • each height is set so that a part of the electric field shield 1 does not protrude from one end side (edge portion 33a side) of the electron generating portion 33 when the emitter 30 is pushed out ( It is desirable to set the respective heights so that the electric field shield 1 is buried in the electron generating section 33 .
  • the heights of h1 and h2 are set such that h2>h1 and that the electric field shield 1 is hidden (buried) in the electron generating portion 33 when the emitter 30 is pushed. do. This makes it possible to avoid the influence of the electric field shielding structure including the electric field shield 1 on the emitted electron trajectories.
  • FIG. 6 is a diagram showing a test model assuming a case without the electric field shielding structure of Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing a test model assuming the presence of the electric field shielding structure of Embodiment 1.
  • FIG. 8 shows the results of an electronic analysis performed by test model 5 shown in FIGS.
  • the vertical axis in FIG. 8 indicates the electric field strength E (V/m), and the horizontal axis in FIG. 8 indicates the horizontal position (mm) of the analysis plane X.
  • “without shield” indicates the analysis results of the test model 5 of FIG. 6, and "with shield” indicates the analysis results of the test model 5 of FIG.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view around the opening of the guard electrode of the conventional emitter unit.
  • 12 is a schematic plan view of the vicinity of the opening of the guard electrode of the emitter unit of FIG. 11.
  • FIG. A test model 5 in FIG. 6 simulates the vicinity of the opening of the guard electrode of the emitter unit shown in FIGS.
  • the test model 5 in FIG. 7 simulates the vicinity of the opening 310 of the guard electrode 32 of the emitter unit 3 of the first embodiment shown in FIGS. 1, 2, and the like.
  • an electric field shield 50 is arranged as a conductor imitating the electric field shield 1 similar to that of the first embodiment, and has an electric field shielding structure similar to that of the first embodiment.
  • the analysis plane X was arranged at a position recessed by 4 mm from the cathode surface (a position 4 mm lower than the cathode surface) as a simulation of the pull-in of the emitter 30 . Under the conditions described above, the results of analyzing the electric field intensity in each test model 5 under the same conditions will be described below.
  • the electric field strength near the center of the X plane where the electric field strength is the strongest is compared with the analysis result when there is no electric field shielding structure. 1/3 or less. Therefore, the electric field shielding effect of the electric field shielding structure of Embodiment 1 can be confirmed.
  • the electric field applied to the emitter 30 is weakened during modification processing, and damage to the emitter 30 due to electron emission from the emitter 30 is suppressed. .
  • the emitter surface electric field can be shielded, and a sufficiently high voltage can be applied between the target 41 and the guard electrode 32 .
  • a predetermined withstand voltage can be obtained by applying the voltage and performing a modification treatment.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of the electric field shielding structure in the field emission device 10 of Embodiment 2.
  • FIG. Embodiment 2 has the same configuration as the field emission device 10 of Embodiment 1 except that the electric field shield 1 is formed of wires or wires arranged in a lattice (mesh). will be described by omitting the detailed description as appropriate.
  • the electric field shielding body 1 in Embodiment 2 is formed by weaving (braiding) linear members such as conductors or wires at predetermined intervals so as to form a lattice. Any method for forming the electric field shield 1 may be used as long as the electric field shield 1 is woven in a grid pattern.
  • the predetermined interval may be an arbitrary interval, and for example, the strands or wires may be woven so as to have equal intervals or irregular intervals.
  • the electric field shielding body 1 of Embodiment 2 can be arbitrarily configured with respect to the diameter, number, and positional intervals of the strands or wires used to form a grid.
  • the electric field shield 1 can be formed according to the required output of the field emission device 10.
  • the electric field shielding body 1 of the second embodiment when the electric field shielding body 1 of the second embodiment is fixed to the opening edge of the guard electrode 32, it may be configured to be detachable. In this case, a plurality of electric field shielding bodies 1 having different diameters, numbers, and positional intervals of the strands or wires used to form the lattice are prepared, and the electric field shielding is adjusted according to the required output of the field emission device 10. Body 1 can be exchanged. This also makes it possible to control the output of the field emission device 10 .
  • the material of the electric field shield 1 and the method of fixing the guard electrode 32 to the edge of the opening in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the electric field shielding body 1 of the second embodiment has a lattice shape, more edge portions 33a are formed by crushing the electron generating portion 33 due to the drawing of the emitter 30 than in the first embodiment. Therefore, when the electron generator 33 generates electrons by voltage application and emits the electron beam L1, the electric field concentration at the edge portion 33a can improve the electron emission efficiency compared to the first embodiment.
  • the strength of the electric field shield 1 is increased, and the electron emission efficiency is improved by the electric field concentration of the plurality of edge portions 33a. It can be improved from the first embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of the electric field shielding structure in the field emission device 10 of Embodiment 3.
  • FIG. The third embodiment has the same configuration as the field emission device 10 of the first embodiment except that the electric field shield 1 is formed in a plate-like shape having a plurality of through holes. The description will be omitted as appropriate.
  • the electric field shield 1 in Embodiment 3 uses a flat conductor plate. A plurality of through holes are formed in the conductor plate in the third embodiment. Moreover, a conductor foil may be used as the electric field shield 1 in Embodiment 3 instead of the conductor plate.
  • the flat plate-like electric field shield 1 in this manner, the emitter surface electric field becomes more uniform than in the first embodiment when the electric field shield 1 crushes the electron generating portion 33 due to the drawing of the emitter 30 . Since the emitter surface electric field becomes uniform, the electron emission generated from the electron generating section 33 is more stable than in the first embodiment. That is, it becomes possible to reduce variations in the output of the electron generator 33 .
  • the electric field shielding body 1 in the third embodiment has a plurality of through holes, more edge portions 33a are formed than in the first embodiment. Therefore, when the electron generator 33 generates electrons by voltage application and emits the electron beam L1, the electric field concentration at the edge portion 33a can improve the electron emission efficiency compared to the first embodiment.
  • the plurality of through-holes in the electric field shielding body 1 of Embodiment 3 can be formed at arbitrary intervals.
  • the intervals may be equal or irregular.
  • the size of the diameter of the through-hole in the electric field shield 1 can be set arbitrarily.
  • all the holes may have the same diameter, or may have different diameters.
  • the shape of the through hole of the electric field shield 1 is circular in the third embodiment, the shape of the through hole is not limited to this, and may be substantially rectangular or polygonal.
  • the number of through-holes to be processed is determined according to the size of the opening 310 of the guard electrode 32 and the diameter of the through-holes. That is, the number of through-holes in the electric field shield 1 can also be set arbitrarily.
  • the electric field shield 1 can be formed according to the required output of the field emission device 10.
  • the size of the outer circumference of the electric field shield 1 of Embodiment 3 is formed so as to be smaller than the outer circumference (outer diameter) of the opening 310 of the guard electrode 32 .
  • the guard electrode 32 can be inserted into the opening 310 of the guard electrode 32, and the guard electrode 32 can be inserted closer to the surface 36b facing one side than the surface 36a facing the other side of the edge 36 of the guard electrode 32. It becomes possible to fix the electric field shield 1 to the edge of the opening.
  • the material of the electric field shield 1 and the method of fixing the guard electrode 32 to the opening edge portion in the third embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the strength of the electric field shield 1 is increased, and the emitter surface electric field is uniform, making electrons Variation in the output of the generator 33 can be reduced. Furthermore, the electron emission efficiency can be improved compared to the first embodiment due to the electric field concentration of the plurality of edge portions 33a.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
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Abstract

エミッタの引き込み量が少ない場合であっても、所定の耐電圧を得ることができる電界放射装置を提供する。 電界放射装置であって、真空室２０を備える真空容器２と、真空室２０の軸方向の一方側に位置し、真空室２０の軸方向の他方側に対向する電子発生部３３を有するエミッタ３０と、真空室２０の他方側に位置し、エミッタ３０に対向して設けられたターゲット４１と、エミッタ３０の外周側に設けられた筒状体であり、一方側が真空容器２に対して固定され、他方側に開口部３１０を有するガード電極３２と、ガード電極３２の内側でエミッタ３０を軸方向に可動させる支持体３１と、ガード電極３２に接続された導体で構成され、ガード電極縁部３６の一方側に配置された電界遮へい体１と、を備え、電界遮へい体１は、軸方向の投影面上で開口部３１０と部分的に重なって配置され、開口部３１０を複数の領域に仕切る形状に形成されている。

Description

電界放射装置
　本発明は、Ｘ線装置、電子管、照明装置等の種々の機器に適用される電界放射装置に関する。
　従来の電界放射装置はＸ線装置、電子管、照明装置等の種々の機器に適用されている。電界放射装置は、真空容器の真空室において所定距離を隔てて互いに対向配置されたエミッタ（炭素等の電子源）とターゲットを有している。電界放射装置は、エミッタとターゲットの間の電圧印加によりエミッタから電子線を放出させる（電界放射）。そして、この電子線は当該ターゲットに衝突することで、例えば、Ｘ線の外部放出による透視分解能などの所望の機能を発揮する。
　特許文献１に示す電界放射装置におけるエミッタは、支持部の操作によりエミッタの電子発生部とガード電極との両者を互いに離間した状態で、ガード電極に電圧を印加する構成を開示する。これにより、特許文献１では、真空室内の少なくともガード電極を改質処理でき、当該電界放射装置において所望の耐電圧を得ることが可能となる。さらに、特許文献１に示す電界放射装置は、上記したように支持部の操作で電子発生部とガード電極が互いに離間する構成とすることで、電界放射装置の小型化を可能としている。
特許第６１３５８２７号公報
　しかしながら、当該電界放射装置の小型化として装置の長手方向の寸法を短くする場合、ベローズや支持体（エミッタの支持部）が短小化した結果、エミッタの引き込み量が不足する。これによりエミッタを最大限引き込んだにもかかわらず、当該電界放射装置の改質処理中に十分な電圧を印加するとエミッタから過剰に電子が放出されてエミッタが損傷してしまい、エミッタの損傷を抑えるために電圧を低く設定すると電界放射装置の改質が不十分で所望の耐電圧を得ることができない恐れがある。
　そこで本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、エミッタの引き込み量が少ない場合であっても、所定の耐電圧を得ることが可能な電界放射装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、電界放射装置あって、真空室を備える真空容器と、真空室の軸方向の一方側に位置し、真空室の軸方向の他方側に対向する電子発生部を有するエミッタと、真空室の他方側に位置し、エミッタに対向して設けられたターゲットと、エミッタの外周側に設けられた筒状体であり、一方側が真空容器に対して固定され、他方側に開口部を有するガード電極と、ガード電極の内側でエミッタを軸方向に可動させる支持体と、ガード電極に接続された導体で構成され、ガード電極縁部の一方側に配置された電界遮へい体と、を備え、電界遮へい体は、軸方向の投影面上で開口部と部分的に重なって配置され、開口部を複数の領域に仕切る形状に形成されている。
　上記の電界放射装置において、電界遮へい体は、開口部の縁部に固定された一本以上の線状部材で構成されてもよい。上記の電界放射装置において、電界遮へい体は、格子状に配置された線状部材で形成されてもよい。上記の電界放射装置において、電界遮へい体は、複数の貫通孔を有する板状に形成されてもよい。
　上記の電界放射装置において、電界遮へい体は、エミッタが他方側に移動してガード電極と接触したときに、電子発生部を仕切ってエッジ部を形成してもよい。上記の電界放射装置において、エミッタと支持体の接触部において、エミッタまたは支持体の少なくとも一方の面は電気絶縁性であってもよい。
　上記の電界放射装置において、電界遮へい体の軸方向高さは、電子発生部の軸方向高さより低く形成されてもよい。上記の電界放射装置において、電界遮へい体は、ガード電極と一体で形成されてもよい。
　本発明によれば、エミッタの引き込み量が少ない場合であっても、所定の耐電圧を得ることができる。
実施形態１に係る電界放射装置の電界遮へい構造の拡大断面図である。 図１の電界遮へい構造の概略平面図である。 実施形態１の電界遮へい構造のエミッタ引き込み時における概略断面図である。 実施形態１の電界遮へい構造のエミッタ押し出し時における概略断面図である。 実施形態１の電界放射装置の一例を示した概略断面図である。 実施形態１の電界遮へい構造がない場合を想定した試験体を示す図である。 実施形態１の電界遮へい構造がある場合を想定した試験体を示す図である。 図６と、図７の試験体を用いた電子解析の結果を示す図である。 実施形態２に係る電界放射装置の電界遮へい構造の概略平面図である。 実施形態３に係る電界放射装置の電界遮へい構造の概略平面図である。 従来のエミッタユニットの概略断面図である。 図１１のエミッタユニットの概略平面図である。
　以下に、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について実施形態や図を用いて説明する。尚、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略ないし簡略化する。
［実施形態１］
　図１は、実施形態１に係る電界放射装置１０の電界遮へい構造の拡大断面図である。図２は、図１で示した実施形態１の電界遮へい構造の概略平面図である。また図５は、実施形態１の電界放射装置１０の一例を示した概略断面図である。図１及び図２等に示された本発明の一態様の電界遮へい構造は、例えば、Ｘ線装置、電子管、照明装置等を含む電界放射装置１０に適用される。
　以下、実施形態１の電界放射装置１０について、図５で示している電界放射装置１０を参照して説明する。実施形態１における電界放射装置１０は、真空容器２、エミッタユニット３及びターゲットユニット４を備える。なお、図５に示されたエミッタユニット３側を一方側、ターゲットユニット４側を他方側とする。また、当該一方側から当該他方側へ向かう方向を軸方向とする。また、軸方向に対し直交（交差）する方向を径方向（横断方向）とする。
（真空容器２）
　真空容器２は、軸方向に延びる筒状の絶縁体２１を有する。絶縁体２１は、エミッタユニット３とターゲットユニット４とを互いに絶縁し、真空容器２の内部（内側壁側）に真空室２０を形成する。また、絶縁体２１は、例えばセラミック等の絶縁材料で形成され、上記のようにエミッタユニット３とターゲットユニット４とを互いに絶縁し、内部に真空室２０を形成できるものであればよい。真空容器２は、直列に配置される円筒状の絶縁部材２１ａ及び絶縁部材２１ｂを含む。さらに真空容器２は、当該絶縁部材２１ａ、２１ｂ間にグリッド電極２２を介在させた状態で、当該両者をろう付け等により互いに組み付けて構成されてもよい。
　エミッタユニット３とターゲットユニット４との間には、真空室２０の径方向に延在するグリッド電極２２が設けられている。グリッド電極２２は、エミッタユニット３とターゲットユニット４との間に介在し、グリッド電極２２を通過する電子線Ｌ１を適宜制御できる構成であれば、種々の形態のものを適用できる。グリッド電極２２は、例えば、電極部２４と引出端子２５とを備える。電極部２４は、例えばメッシュ状の電極であり、真空室２０の径方向に延在する。電極部２４には電子線Ｌ１が通過する通過孔２３が形成されている。また、引出端子２５は、絶縁体２１を径方向に貫通して電極部２４に接続されている。
（エミッタユニット３）
　エミッタユニット３は、エミッタ３０、エミッタ支持部（支持体）３１、及びガード電極３２を備える。
　エミッタ３０は、ターゲットユニット４のターゲット４１に軸方向で対向する位置（部位）に電子発生部３３を備える。電子発生部３３は、電圧印加により電子を発生させ、電子線Ｌ１を放出する。なお、電子発生部３３は、図５に示すように電子線Ｌ１を放出できるもの（放射体）であれば、種々の形態を適用することが可能である。例えば、電子発生部３３には、カーボンナノチューブや炭素繊維によって形成される材料等を用いることができる。また、例えば電子発生部３３は、炭素等の材料を塊状に成形または薄膜状に蒸着させたエミッタ３０で構成されていてもよい。さらに、電子発生部３３においては、ターゲットユニット４のターゲット４１に対向する側の表面を凹状または曲面状にして、電子線Ｌ１を集束し易くすることが好ましい。
　エミッタ支持部３１は、ガード電極３２の内側において軸方向に移動可能（可動）であり、電子発生部３３をターゲット４１に対向させた状態でエミッタ３０を支持する。エミッタ支持部３１には、例えば、エミッタ３０の基端側（電子発生部３３の反対側）がろう付け等により接合されている。
　エミッタ支持部３１には、軸方向に伸縮可能なベローズ３４を介してエミッタ支持部３１を操作する操作部３５が接続（取付）される。操作部３５の操作により、ベローズ３４が伸縮し、結果、エミッタ支持部３１が軸方向に移動し、エミッタ３０も連動してエミッタ支持部３１と同一の方向に移動する。なお、実施形態１では操作部３５は、エミッタ３０の反対側から一部延出する形状であって、エミッタ支持部３１と一体として構成しているが、これに限らず、それぞれ別体として取り外し可能に構成してもよい。なお、エミッタ支持部３１とエミッタ３０との接触部において、エミッタ３０またはエミッタ支持部３１の少なくとも一方の面は電気絶縁性であってもよい。例えば、電子発生部３３をカーボンナノチューブで形成する場合、エミッタ３０の基端側を絶縁体で形成することで、絶縁体を下地としてカーボンナノチューブを効率よく成長させることができる。
　エミッタ支持部３１を適宜操作することにより、エミッタ３０の電子発生部３３とターゲット４１との間の距離を変化させることができる。例えば、図１に示したように電子発生部３３がガード電極３２から離間した無放電位置にあり、電界放射が抑制された状態であれば、ガード電極３２、ターゲット４１、グリッド電極２２等において所望の改質処理が可能となる。改質処理として、例えばガード電極３２の表面を融解平滑化すること等が挙げられる。また、例えば操作部３５を備える電界放射装置１０は大口径排気管を設けた従来の電界放射が可能な装置等と比較すると小型化が容易であり、製造工数の低減や製品コストの低減を図ることも可能となる。
　ここで、電界放射装置１０のガード電極３２の改質処理を以下に説明する。まず、エミッタ支持部３１の操作部３５を操作して、エミッタ３０を軸方向の一方側（エミッタユニット３側、図５の右側）に向けて移動させる。これにより、エミッタ３０はガード電極３２から離間した無放電位置に移動し、電子発生部３３の電界放射が抑制された状態にする。このとき、エミッタ３０の電子発生部３３とガード電極３２の縁部３６との両者は、互いに非接触の状態となる。この状態において、例えばガード電極３２とグリッド電極２２との間に所望の電圧を適宜印加することにより、ガード電極３２において放電が繰り返され、当該ガード電極３２が改質処理される。
　上記の改質処理の後は、再びエミッタ支持部３１の操作部３５を操作し、エミッタ３０を無放電位置から軸方向の他方側（ターゲットユニット４側、図５の左側）に向けて移動させ、ガード電極３２と接触させて電子発生部３３の電界放射が可能な放電位置にする。放電位置におけるエミッタ３０の電子発生部３３とガード電極３２の縁部３６は、例えば図４や図５に示すように互いに接触（例えば真空容器２の真空圧力で接触）した状態となる。放電位置では、エミッタ３０の電子発生部３３とガード電極３２とが互いに同電位となる。放電位置において例えばエミッタ３０とターゲット４１との間に所望の電圧を印加すると、エミッタ３０の電子発生部３３から電子が発生して電子線Ｌ１が放出される。ガード電極３２の表面に存在する突起から電子線Ｌ１が放出されることで突起が加熱されて融解して平滑化されることにより、ガード電極３２の表面が改質される。
　以上示したような改質処理により、電界放射装置１０においてガード電極３２からの閃絡現象（電子の発生）等の事象を抑制することができ、電界放射装置１０の電子発生量を安定させることができる。また、電子線Ｌ１を集束形電子束とすることができ、Ｘ線Ｌ２の焦点も収束し易くなり、高い透視分解能を得ることが可能となる。
　なお、エミッタ支持部３１は、前述のようにエミッタ３０を軸方向に対して移動可能に支持できるものであれば、種々の形態を適用することが可能である。また、エミッタ支持部３１は、種々の材料を適用して構成することができ、特に限定されるものではないが、例えばステンレス（ＳＵＳ材等）や銅、銀等のように導電性の金属材料を用いることができる。
　ベローズ３４は、前述のように軸方向に伸縮可能であれば、種々の形態を適用することが可能であり、例えば薄板状金属材料等を適宜加工した成形品を用いることができる。また、ベローズ３４は、例えば、エミッタ支持部３１または操作部３５の外周側を包囲するように軸方向に延在する蛇腹形状に構成されたものでもよい。
　ガード電極３２は、真空室２０の一方側にてターゲット４１に対向する位置に配置される。ガード電極３２は、ステンレス（ＳＵＳ材等）等の金属材料の筒状電極（筒状体）であり、エミッタ３０の電子発生部３３の外周側に配置される。さらに、ガード電極３２は、内周に向けて張り出すフランジ状の縁部３６を備える。また、ガード電極３２はフランジ状の縁部３６の内側に開口部３１０を有する。また、ガード電極３２は、第一収容部３７とこれと連通する第二収容部３８とを有する。第一収容部３７はエミッタ３０及びエミッタ支持部３１を収容する。第二収容部３８は、第一収容部３７の一方側に位置しており、ベローズ３４及び操作部３５を収容する。また、この第二収容部３８は、フランジ部３９を介して真空容器２の絶縁部材２１ｂの縁部に固定される。
　さらにガード電極３２は、縁部３６の開口部３１０に配置された電界遮へい体１を備える。実施形態１における電界遮へい体１は導体で形成され、改質処理のためにガード電極３２とターゲット４１の間に高電圧を印加した際に、エミッタ３０にかかる電界を弱めることで、エミッタ３０からの電子放出を抑制する機能を担う。
　電界遮へい体１は、ガード電極３２と接続され、ガード電極３２と同電位である。また、図２に示すように電界遮へい体１は、軸方向の投影面上でガード電極３２の開口部３１０と部分的に重なって配置され、例えば素線やワイヤーなどの線状部材で構成される。また、電界遮へい体１は、ガード電極３２の開口部３１０を径方向に仕切る（分割する）形状に形成される。
　開口部３１０を径方向に仕切ることで、開口部３１０を複数の領域に分割することができる。また、電界遮へい体１は、導電性の金属材料を用いていればよく、例えば、鉄、ステンレス（ＳＵＳ材等）、銅、銀等の材料で形成されるが、これに限らず種々の材料を適用することが可能である。ガード電極３２と電界遮へい体１とは材質を合わせることが好ましいが、異なる導電性の金属材料を用いてもよい。実施形態１においては電界遮へい体１を一本（一個）として、ガード電極３２の開口部３１０を２つの領域に仕切っている。しかし、これに限らず一本以上の複数の電界遮へい体１をガード電極３２の開口部３１０に固定して、開口部３１０を２つ以上の領域に仕切ってもよい。
　また、電界遮へい体１は、素線またはワイヤー等の既存の部材に限られず、断面形状を円柱形状、楕円形状、扁平形状、または略矩形状に加工した導電性の金属材料を電界遮へい体１として使用してもよい。そして、この場合は素線やワイヤー等と同様に導電性の金属材料で電界遮へい体１を形成する。
　電界遮へい体１はガード電極３２の開口部３１０の縁（開口縁部）に固定（接続）される。図１、図３に示すように、電界遮へい体１は、ガード電極３２の縁部３６の一方側（エミッタ３０側、図１及び図３の下側）に配置されている。実施形態１では電界遮へい体１は、図２に示しているように、電界遮へい体１の一端を開口縁部に当接させた状態で固定し、電界遮へい体１の他端は電界遮へい体１の一端と対向する位置にある開口縁部に当接させた状態で固定する。これにより、ガード電極３２の開口部３１０は電界遮へい体１により径方向で仕切られ、開口部３１０の領域を２つに分割する。電界遮へい体１をガード電極３２の開口縁部に固定する方法は電界遮へい体１が外れない固定方法であればよい。例えば、電界遮へい体１とガード電極３２は機械的に接続若しくは接合されてもよいし、かしめや溶着等により固着されてもよく、または溶接等により固定されてもよい。
　電界遮へい体１は、一端と他端を開口縁部に固定する際に、素線またはワイヤー等を使用する場合は所定のテンションが掛かった状態で固定することが好ましい。電界遮へい体１が緩んだ状態で固定されてしまうと、後述する電子発生部３３と接触した際に、電子発生部３３を均等に押し付けられずにエッジ部３３ａの形成が不十分になり、エミッタ３０からの電子放出を十分に向上できない恐れがある。また、電界遮へい体１は上記のようにガード電極３２の開口縁部に固定されるが、電界遮へい体１とガード電極３２とを一体で形成するようにしてもよい。
（ターゲットユニット４）
　ターゲットユニット４は、図５に示したように、ターゲット４１及びフランジ部４２を備える。ターゲット４１は、真空室２０の他方側にてエミッタ３０の電子発生部３３に対向する位置に配置される。
　ターゲット４１は、エミッタ３０の電子発生部３３に対向する部位に、軸方向に対して所定角度傾斜して形成された傾斜面４０を有している。そして、この傾斜面４０に電子線Ｌ１が衝突することにより、Ｘ線Ｌ２が放出される。Ｘ線Ｌ２は、電子線Ｌ１の照射方向から折曲した方向（例えば図５に示している真空室２０の横断面方向）に照射される。さらに、ターゲット４１は、エミッタ３０の電子発生部３３から放出された電子線Ｌ１が衝突し、Ｘ線Ｌ２を放出できるものであれば、種々の形態を適用できる。フランジ部４２は図５に示したように真空容器２の絶縁部材２１ａの縁部に固定される。
（本実施形態の作用効果）
　上記したように、実施形態１の電界放射装置１０は、操作部３５によるエミッタ支持部３１の操作により電子発生部３３とガード電極３２が互いに離間した状態で、ガード電極３２に電圧が印加される。これにより、真空室２０内の少なくともガード電極３２を改質処理できると共に、電界放射装置１０において所望の耐電圧が得られる。
　ここで、上記したように操作部３５によるエミッタ支持部３１の操作により電子発生部３３とガード電極３２が互いに離間する構成とした場合、電界放射装置１０の小型化が可能となる。小型化をする上で、電界放射装置１０の軸方向（長手方向）の寸法を短くし、ベローズ３４やエミッタ支持部３１を短小化させることが考えられる。しかしベローズ３４やエミッタ支持部３１を短小化した結果、エミッタ３０の引き込み量が不足する可能性がある。エミッタ３０の引き込み量が不足することでエミッタ３０を最大限引き込んだにもかかわらず、電界放射装置１０の改質処理に十分な電圧を印加するとエミッタ３０から過剰に電子が放出されてエミッタ３０が損傷してしまい、エミッタ３０の損傷を抑えるために電圧を低く設定すると電界放射装置１０の改質が不十分で所望の耐電圧を得ることができない恐れがある。
　これに対し、図１や図２等に示したように、ガード電極３２の開口部３１０に電界遮へい体１を配置した電界遮へい構造によれば、エミッタ表面の電界が緩和され、エミッタ３０からの電子放出が防止される。そのため、電界放射装置１０を小型化するために電界放射装置１０の軸方向の寸法を短くし、エミッタ３０の引き込み量が少なくなる場合であっても、エミッタ表面電界の遮へいをすることが可能となる。以下に、実施形態１における電界遮へい構造について図３及び図４を参照して説明する。
　図３は、実施形態１の電界遮へい構造のエミッタ３０の引き込み時（無放電位置）における概略断面図である。図４は、実施形態１の電界遮へい構造のエミッタ３０の押し出し時（放電位置）における概略断面図である。
　電界遮へい体１は、図３に示すように、ガード電極３２の開口部３１０の略中央（開口部３１０の径方向中心点を通る線上）に固定されることが好ましいが、固定する位置は任意であって構わない。また、上記したように電界遮へい体１は、ガード電極３２の縁部３６の一方側（エミッタ３０側、図３の下側）に配置される。具体的には、図３に示すように電界遮へい体１は、ガード電極３２の縁部３６の他方側（図３の上側）に臨む面３６ａよりも縁部３６の一方側に臨む面３６ｂ側となるようにガード電極３２の開口縁部に固定されることが好ましい。なお、ｈ１は、軸方向における電界遮へい体１の高さ（長さ）を表しており、ｈ２は、軸方向における電子発生部３３の高さを表している。なお、電界遮へい体１に断面形状が丸形状の素線またはワイヤーを使用する場合は、ｈ１は径の大きさである。
　エミッタ３０の押し出し時には、図４に示しているように、電子発生部３３の一部はガード電極３２の縁部３６の一方側（図４の下側）に臨む面３６ｂに接触し、電子発生部３３の当該接触箇所は押しつぶされる。この際に、電界遮へい体１にも電子発生部３３は接触し、電界遮へい体１に接触している電子発生部３３の接触箇所も押しつぶされる。電界遮へい体１により押しつぶされた際、電子発生部３３の一部が仕切られ、電子発生部３３にはエッジ部３３ａが形成される。電子発生部３３にエッジ部３３ａが形成されることで、電子発生部３３が電圧印加により電子を発生させて、電子線Ｌ１を放出する際に、エッジ部３３ａの電界集中により電子放出効率を向上することが可能となる。
　さらに、実施形態１においては、電子発生部３３の高さｈ２より電界遮へい体１の高さｈ１を低く（小さく）することが好ましい。即ち、ｈ２＞ｈ１となるように、電界遮へい体１及び電子発生部３３の高さを設定する。ここで、それぞれの高さについて、図４に示しているように、エミッタ３０の押し出し時に電界遮へい体１の一部が電子発生部３３の一端側（エッジ部３３ａ側）より突出しないように（電界遮へい体１が電子発生部３３に埋もれるように）それぞれの高さを設定することが望ましい。以上のように、実施形態１では、ｈ２＞ｈ１として、さらに、エミッタ３０の押し込み時に電界遮へい体１が電子発生部３３の中に隠れる（埋もれる）ようにｈ１とｈ２のそれぞれの高さを設定する。これにより、電界遮へい体１を備える電界遮へい構造が与える放出電子軌道への影響を避けることが可能となる。
　以下に、実施形態１における電界遮へい構造の効果について図６、図７、図８、図１１、図１２を参照して説明する。実施形態１における電界遮へい構造の効果を確認するため、図６、図７に示す実験モデル（試験体）５において解析面Ｘを電子放出部と仮定して電子解析を行った。
　図６は、実施形態１の電界遮へい構造がない場合を想定した試験モデルを示す図である。図７は、実施形態１の電界遮へい構造がある場合を想定した試験モデルを示す図である。図８は、図６及び図７に示した試験モデル５によって実施した電子解析の結果を示す図である。図８の縦軸は電界強度Ｅ（Ｖ／ｍ）を示しており、図８の横軸は解析面Ｘの水平方向位置（ｍｍ）を示している。また、図８中の、「ｗｉｔｈｏｕｔ　ｓｈｉｅｌｄ」は、図６の試験モデル５における解析結果を示しており、「ｗｉｔｈ　ｓｈｉｅｌｄ」は、図７の試験モデル５における解析結果を示している。
　図１１は、従来のエミッタユニットのガード電極の開口部周辺の概略断面図である。図１２は、図１１のエミッタユニットのガード電極の開口部周辺の概略平面図である。図６の試験モデル５は、図１１、図１２に示すエミッタユニットのガード電極の開口部周辺を模している。そして、図７の試験モデル５は、図１、図２等に示す実施形態１のエミッタユニット３のガード電極３２の開口部３１０周辺を模している。
　上記した図６及び図７の試験モデル５を用いた電子解析では、スペーサー５３によって２ｍｍの間隔を空けた陽極５１と陰極５２の間に真空中で５ｋＶ印加した時の解析面の電界強度を解析している。また、開口部５４は、ガード電極３２の開口部３１０を模している。また、図７における試験モデル５では、実施形態１と同様の電界遮へい体１を模した導体として電界遮へい体５０を配置しており、実施形態１と同様の電界遮へい構造としている。なお、解析面Ｘはエミッタ３０の引き込み時の模擬として、陰極表面から４ｍｍくぼんだ位置（陰極表面から４ｍｍ低くなる位置）に配置した。前述した条件の下、それぞれの試験モデル５において同条件で電界強度の解析を行った結果を以下に説明する。
　実施形態１と同様の電界遮へい構造を有する図７の試験モデル５での解析結果では、最も電界強度の強いＸ面中央部付近の電界強度が電界遮へい構造を有しない場合の解析結果と比べ、１／３以下となっている。したがって、実施形態１の電界遮へい構造による電界遮へい効果が確認できる。
　以上のように、電界放射装置に実施形態１の電界遮へい構造を用いることで、改質処理のときにエミッタ３０にかかる電界を弱め、エミッタ３０からの電子放出によるエミッタ３０の損傷が抑制される。これにより、所望のエミッタ３０の引き込み量とならない（エミッタ３０の引き込み量が少なくなる）場合でも、エミッタ表面電界を遮へいすることが可能となり、充分に高い電圧をターゲット４１とガード電極３２の間に印加して改質処理を施すことにより所定の耐電圧を得ることができる。
［実施形態２］
　図９は、実施形態２の電界放射装置１０における電界遮へい構造の概略平面図である。実施形態２では、電界遮へい体１が格子状（メッシュ状）に配置された素線またはワイヤーで形成される以外は、実施形態１の電界放射装置１０と同様の構成であるため、同様の点については詳細説明を適宜省略して説明する。
　実施形態２における電界遮へい体１は、導体であって素線またはワイヤーなどの線状部材を格子状となるように所定の間隔で織り込む（編み込む）ように形成する。電界遮へい体１が格子状に織り込まれていれば電界遮へい体１の形成方法はいずれでもよい。また、当該所定の間隔は任意の間隔であってよく、例えばそれぞれの素線又はワイヤーが等間隔若しくは不揃いの間隔となるように織り込んでもよい。また、素線とワイヤーをそれぞれ使用する場合は、それぞれを組み合わせて格子状に織り込んでもよい。このように、電界遮へい体１を格子状とすることで、電界遮へい構造を構成する電界遮へい体１の強度（物理的強度）を向上させることができる。
　また、実施形態２の電界遮へい体１は、格子状にするために使用する素線またはワイヤーの径、数、それぞれの位置間隔は任意に構成することができる。これにより電界放射装置１０の必要な出力に応じて、電界遮へい体１を形成することができる。
　また、実施形態２の電界遮へい体１をガード電極３２の開口縁部に固定する際に、取り外し可能に構成するようにしてもよい。この場合、格子状にするために使用する素線またはワイヤーの径、数、それぞれの位置間隔が異なる複数の電界遮へい体１を用意し、電界放射装置１０の必要な出力に応じて、電界遮へい体１を交換することができる。これにより、電界放射装置１０の出力を制御することも可能となる。なお、実施形態２における電界遮へい体１の材料及びガード電極３２の開口縁部への固定方法は実施形態１と同様である。
　また実施形態２の電界遮へい体１は格子状であるため、エミッタ３０の引き込みにより電子発生部３３を押しつぶして形成されるエッジ部３３ａは実施形態１より多く形成される。そのため、電子発生部３３が電圧印加により電子を発生させて、電子線Ｌ１を放出する際に、エッジ部３３ａの電界集中により電子放出効率を実施形態１より向上させることができる。
　以上のように、電界遮へい体１を格子状に構成することで、実施形態１の効果に加えて、電界遮へい体１の強度が高まり、さらに複数のエッジ部３３ａの電界集中により電子放出効率を実施形態１より向上させることができる。
［実施形態３］
　図１０は、実施形態３の電界放射装置１０における電界遮へい構造の概略平面図である。実施形態３では、電界遮へい体１が複数の貫通孔を備えた板状に形成される以外は、実施形態１の電界放射装置１０と同様の構成であるため、同様の点については詳細説明を適宜省略して説明する。
　実施形態３における電界遮へい体１は、平坦な板状に形成された導体板を使用する。そして実施形態３における導体板には、複数の貫通孔が形成される。また、実施形態３における電界遮へい体１として導体板以外に導体箔を用いてもよい。このように平坦な板状の電界遮へい体１を用いることで、エミッタ３０の引き込みにより電界遮へい体１が電子発生部３３を押しつぶした際にエミッタ表面電界が実施形態１より均一となる。エミッタ表面電界が均一となることで、電子発生部３３から発生される電子放出が実施形態１より安定する。即ち、電子発生部３３の出力のばらつきを低減することが可能となる。
　また、実施形態３における電界遮へい体１は複数の貫通孔を備えているため、形成されるエッジ部３３ａは、実施形態１より多く形成される。そのため、電子発生部３３が電圧印加により電子を発生させて、電子線Ｌ１を放出する際に、エッジ部３３ａの電界集中により電子放出効率を実施形態１より向上させることができる。
　また、実施形態３の電界遮へい体１における複数の貫通孔は任意の間隔で形成することが可能であり、例えば、等間隔や不揃いの間隔であってもよい。また、電界遮へい体１における貫通孔の径の大きさも任意とすることができる。例えば、それぞれの孔の径を全て同じ径にしてもよいし、それぞれ孔の径を異なる径としてもよい。また、電界遮へい体１の貫通孔の形状も実施形態３では丸形状としているが、これに限らず、貫通孔の形状を略矩形状としてもよいし、多角形状としてもよい。また、貫通孔の数はガード電極３２の開口部３１０のサイズと貫通孔の径に応じて加工する数を決める。即ち、電界遮へい体１の貫通孔の数も任意とすることができる。
　このように、電界遮へい体１の貫通孔の径、間隔、形状、数を任意に構成することができる。これにより電界放射装置１０の必要な出力に応じて、電界遮へい体１を形成することができる。また、実施形態３の電界遮へい体１をガード電極３２の開口縁部に固定する際に、取り外し可能に構成するようにしてもよい。この場合、電界遮へい体１の貫通孔の径、間隔、形状、数が、それぞれまたは一部異なる複数の電界遮へい体１を用意し、電界放射装置１０の必要な出力に応じて、電界遮へい体１を交換することができる。これにより、電界放射装置１０の出力を制御することも可能となる。
　なお、実施形態３の電界遮へい体１の外周の大きさは、ガード電極３２の開口部３１０の外周寸法（外径）より小さい外周寸法となるように形成する。これにより、ガード電極３２の開口部３１０の内部側に挿入することができ、ガード電極３２の縁部３６における他方側に臨む面３６ａよりも一方側に臨む面３６ｂに近接するようにガード電極３２の開口縁部に電界遮へい体１を固定することが可能となる。なお、実施形態３における電界遮へい体１の材料及びガード電極３２の開口縁部への固定方法は実施形態１と同様である。
　以上のように、電界遮へい体１を板状に構成し複数の貫通孔を形成することで、実施形態１の効果に加えて電界遮へい体１の強度が高まり、さらにエミッタ表面電界が均一となり電子発生部３３の出力のばらつきを低減することができる。さらに複数のエッジ部３３ａの電界集中により電子放出効率を実施形態１より向上させることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。
　本出願は、２０２１年１１月１７日に出願された日本特許出願である特願２０２１－１８７４３１号に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載されたすべての記載内容を援用する。
１　　　　電界遮へい体
３０　　　エミッタ
３１　　　エミッタ支持部
３２　　　ガード電極
３３　　　電子発生部
３６　　　縁部
３６ａ　　縁部の他方側に臨む面
３６ｂ　　縁部の一方側に臨む面
３１０　　開口部

 

Claims (8)

  1. 　真空室を備える真空容器と、
    　前記真空室の軸方向の一方側に位置し、前記真空室の軸方向の他方側に対向する電子発生部を有するエミッタと、
    　前記真空室の前記他方側に位置し、前記エミッタに対向して設けられたターゲットと、
    　前記エミッタの外周側に設けられた筒状体であり、前記一方側が前記真空容器に対して固定され、前記他方側に開口部を有するガード電極と、
    　前記ガード電極の内側で前記エミッタを前記軸方向に可動させる支持体と、
    　前記ガード電極に接続された導体で構成され、前記ガード電極縁部の一方側に配置された電界遮へい体と、を備え、
    　前記電界遮へい体は、前記軸方向の投影面上で前記開口部と部分的に重なって配置され、前記開口部を複数の領域に仕切る形状に形成されている、
    ことを特徴とする電界放射装置。
  2. 　前記電界遮へい体は、前記開口部の縁部に固定された一本以上の線状部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界放射装置。
  3. 　前記電界遮へい体は、格子状に配置された前記線状部材で形成されることを特徴とする請求項２に記載の電界放射装置。
  4. 　前記電界遮へい体は、複数の貫通孔を有する板状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電界放射装置。
  5. 　前記電界遮へい体は、前記エミッタが前記他方側に移動して前記ガード電極と接触したときに、前記電子発生部を仕切ってエッジ部を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電界放射装置。
  6. 　前記エミッタと前記支持体の接触部において、前記エミッタまたは前記支持体の少なくとも一方の面は電気絶縁性であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電界放射装置。
  7. 　前記電界遮へい体の軸方向高さは、前記電子発生部の軸方向高さより低く形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電界放射装置。
  8. 　前記電界遮へい体は、前記ガード電極と一体で形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電界放射装置。

     
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JP2016539483A (ja) * 2013-09-18 2016-12-15 清華大学Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｘ線装置及び該ｘ線装置を有するｃｔデバイス
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