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1. WO2020136912 - ELECTRON GUN, X-RAY GENERATION DEVICE, AND X-RAY IMAGING DEVICE

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明 細 書

発明の名称 電子銃、X線発生装置およびX線撮像装置

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

明 細 書

発明の名称 : 電子銃、X線発生装置およびX線撮像装置

技術分野

[0001]
 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。

背景技術

[0002]
 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。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2007-265917号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 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。
[0005]
 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。

課題を解決するための手段

[0006]
 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。
[0007]
 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。
[0008]
 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。

発明の効果

[0009]
 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。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 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2] 図1におけるB-B’断面の第1の例を示す図。
[図3] 図1におけるA-A’断面の第2の例を示す図。
[図4] 図1におけるA-A’断面の第3の例を示す図。
[図5] 図1におけるA-A’断面を例示する図。
[図6] 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7] 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。
[図8] 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。
[図9] 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。
[図10] 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。
[図11] 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。
[図12] 本発明の一実施形態のX線発生装置の構成を示す図。
[図13] 本発明の一実施形態のX線撮像装置の構成を示す図。

発明を実施するための形態

[0011]
 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。
[0012]
 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。
[0013]
 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。
[0014]
 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。
[0015]
 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。
[0016]
 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。
[0017]
 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。
[0018]
 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。
[0019]
 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。
[0020]
 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。
[0021]
 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。
[0022]
 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。
[0023]
 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。
[0024]
 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。
[0025]
 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。
[0026]
 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。
[0027]
 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。
[0028]
 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。
[0029]
 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。
[0030]
 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。
[0031]
 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。
[0032]
 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。
[0033]
 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。
[0034]
 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。
[0035]
 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。

請求の範囲

[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]