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JP3561664B2 - X-ray tube hot cathode and method of manufacturing the same - Google Patents
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JP3561664B2 - X-ray tube hot cathode and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はX線管の熱陰極に関し、特に、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造の熱陰極に関する。
【0002】
【従来の技術】
X線管の熱陰極の熱電子エミッタの材料として六ホウ化ランタン(LaB)を使うことが知られている(例えば、特開平10−321119号公報)。この六ホウ化ランタンは、この材料だけで熱陰極を構成する場合もあるし(特開平10−321119号公報の図1や図14を参照)、カーボン等の発熱体に取り付けて熱陰極とする場合もある(特開平10−321119号公報の図9と図10を参照)。この発明は、後者のような使い方(熱電子エミッタを発熱体に取り付けたもの)に適用できるものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
特開平10−321119号公報の図9と図10の例では、カーボン製の発熱体に六ホウ化ランタン製の薄板を貼り付けている。このように薄板を貼り付けるためには、市販のカーボン接着剤に炭化ホウ素を加えて、これをカーボン製の発熱体と六ホウ化ランタン製の薄板の接合面及びその周囲に塗って、焼き固めていた。この場合、カーボンは六ホウ化ランタンに比べて柔軟で外力により変形できるのに対して、六ホウ化ランタンは硬いので、カーボンが変形した際に六ホウ化ランタンはこれに追従できず、接着部が破壊して六ホウ化ランタンが脱落するという問題が生じている。また、六ホウ化ランタンはカーボンに比べて電気抵抗が極めて小さいので、電気が通る断面積を小さくする必要があり、そのためには、六ホウ化ランタンを薄く作る必要があるが、そのように加工するのは大変である。さらに、薄板製の六ホウ化ランタンは、その厚さ分だけカーボンの表面から突き出ることになるので、六ホウ化ランタンの側面(厚さ部分)からも熱電子が放射されて、これがX線管のターゲット上の焦点の輝度むらを引き起こす原因になる。
【0004】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のX線管の熱陰極において、熱電子エミッタを任意の形状に容易に製造できてかつ熱電子エミッタが脱落しないような熱陰極を提供することにある。この発明の別の目的は、横方向への熱電子放射をなくして、ターゲット上の焦点の輝度むらを少なくできる熱陰極を提供することにある。この発明のさらに別の目的は、このような熱陰極を製造するための簡便な方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明のX線管の熱陰極は、発熱体に凹部を形成して、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結固着したものである。この焼結した熱電子放射材料が熱電子エミッタになる。このようにすると、比較的薄い熱電子エミッタを任意の形状に容易に製造できる。そして、この熱電子エミッタは発熱体にしっかりと固着して脱落がしにくい。さらに、熱電子エミッタの正面(ターゲットに対向する面)だけが露出していて側面が露出していないので、熱電子エミッタの側面からの熱電子放射がなくなり、X線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【0006】
発熱体の材料としてはカーボンが適しており、特にガラス状カーボンが好ましいが、グラファイトを使うこともできる。熱電子放射材料の粉末の材質は特に制限されないが、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、各種のホウ化物等を使うことができる。その中でも特に六ホウ化ランタン(LaB)が適している。X線管のターゲットの材質に応じて熱電子放射材料の粉末の材質を選択することもできる。例えば、EXAFS測定におけるコンタミネーション対策としては、ターゲットと熱電子放射材料の粉末との組み合わせとして、タングステンのターゲットに対して、熱電子放射材料の粉末としてタングステンやTaBを使うことができ、モリブデンのターゲットに対して、熱電子放射材料の粉末としてモリブデンや六ホウ化ランタンを使うことができる。
【0007】
熱電子放射材料の粉末の粒径は0.1μm〜50μmの範囲内のものが使用でき、その中でも、比較的細かい10μm以下のものが好ましい。上述の粒径の最小値0.1μmは現在製造可能な下限値付近である。
【0008】
この熱陰極は、次のようにして作ることができる。まず、発熱体に凹部を形成する。次に、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填する。それから、粉末を充填した状態の発熱体を通電して粉末の温度を上昇させることにより、粉末を焼結させる。このように、発熱体に通電するだけで粉末を焼結できるので、焼結のための加熱炉等を必要としない。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明の熱陰極の第1の実施形態における発熱体の斜視図である。この発熱体10はガラス状カーボン(glassy carbon)でできている。ガラス状カーボンは電気抵抗が黒鉛よりも非常に大きく、通電経路を長くしなくても(形状を複雑にしなくても)、タングステンコイルを使う場合と同程度の電力で熱電子放射材料を十分な温度に加熱できる。また、ガラス状カーボンは、グラファイトに比べて、溝を加工する際にエッジをシャープに加工できるので、加工精度が高い。この発熱体10は、1対の通電用の端子12、14と、1対の脚部16、18と、エミッタ支持部20とからなる。エミッタ支持部20の上面には溝22(凹部)が形成されている。この溝22の長さLは12mm、幅Wは2mm、深さDは0.2mmである。この溝22の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填することになる。
【0010】
六ホウ化ランタンの粉末は粒径が0.1μm〜50μmの範囲内のものを使用でき、好ましくは0.1μm〜10μmの範囲内ものを使用する。この粉末を上述の溝22の内部に充填するのに、次の3種類の方法を試した。いずれの方法もこの発明に使うことができる。
【0011】
第1の充填方法では、溝22の内部に六ホウ化ランタンの粉末をそのまま充填して、上から平板で押さえつけた。そのとき、粉末の表面がエミッタ支持部20の上面と同じ高さになるようにした。
【0012】
第2の充填方法では、六ホウ化ランタンの粉末を酢酸ブチル(液体)に懸濁させて粘土状にしてから、これを「へら」を用いて溝22の内部に塗り込んだ。そのとき、この粘土状の混合物がエミッタ支持部20の上面と同じ高さになるようにした。酢酸ブチルは六ホウ化ランタンを加熱させれば蒸発することになる。
【0013】
第3の充填方法では、溝22の内面に市販のカーボン接着剤を塗ってから、その上に六ホウ化ランタンの粉末を充填した。そのとき、粉末の表面がエミッタ支持部20の上面と同じ高さになるようにした。カーボン接着剤には、六ホウ化ランタンとの密着性を向上させるために炭化ホウ素(BC)を混ぜておいてもよい。
【0014】
上述のようにして溝22の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填したら、この発熱体10を通電して粉末を焼結する。具体的には、六ホウ化ランタン粉末を充填した発熱体10を開放型のX線管に取りつける。そして、X線管の内部を真空に排気しながら、この発熱体に通電する。その際、発熱体の両端に印加する電圧を徐々に増加させて、温度上昇を緩やかにする。例えば、1〜2時間をかけて1000℃程度まで温度上昇させる。これによって、まず、六ホウ化ランタンの粉末のガス出しを実行する。それと同時に、発熱体による加熱と自己の発熱とによる温度上昇によって、粉末が焼結する。ここで、焼結とは、粉末材料がその融点以下の温度で熱処理されて粉末が互いに結合して一体化することを意味する。六ホウ化ランタンの融点は2720℃と高温であるから、それよりもかなり低い温度に加熱して、この粉末を焼結している。
【0015】
粉末を充填する際は、上述のように粉末の表面がエミッタ支持部の上面と同じ高さにするのが一般的であるが、粉末の表面がエミッタ支持部の上面よりもわずかに下がっていても構わない。すなわち、熱電子エミッタの表面が、エミッタ支持部の上面よりも突き出さなければよいのであって、エミッタ支持部と同じ高さか、それよりもわずかに下がっていればよい。
【0016】
図2は完成した熱陰極の斜視図である。図1の溝22の内部に充填された粉末が焼結して固着した状態にあり、これが熱電子エミッタ24を形成している。この熱電子エミッタ24はサイズが2mm×12mmの矩形の熱電子放射面を備えていて、X線管のターゲット上にサイズが0.5mm×12mmの焦点(ノーマルフォーカス)を作るのに使うことができる。熱電子エミッタ24から図2の上方に向かって熱電子が放射されることになる。この熱陰極を使用して電子流を発生させるときは、熱電子エミッタが1400〜1500℃の温度になるように発熱体10に電流を流している。例えば、この熱陰極の1対の端子12、14間に約9Vの電圧を印加すると、熱陰極に約6Aの電流が流れ、熱電子エミッタ24が約1500℃に加熱される。
【0017】
一般に粉末材料を焼結させるためには、粉末材料を加圧成形してから、これを加熱炉などの加熱手段を用いて所望の温度まで加熱する必要がある。これに対して、この発明の熱陰極では、発熱体に粉末を充填してあるので、この発熱体に通電することで粉末を加熱することができ、別個の加熱手段を何ら必要としない。さらに、この発熱体を実際に開放型のX線管の熱陰極用の端子に取り付ければ、X線管の熱陰極加熱制御装置をそのまま使用して熱陰極電流を制御することにより、発熱体の温度制御が可能になる。したがって、粉末を焼結するに当たって、専用の加熱手段も、専用の温度制御装置もすべて不要になる。
【0018】
ところで、X線管に限定しなければ、熱陰極の技術分野において、発熱体に形成した凹部に粉末を充填してこれを焼結した公知例が存在する。例えば、特開昭58−66235号公報の第6図の例では帯状のヒータに形成した孔に高融点金属粉末を充填してこれを焼結している。この焼結体に熱電子放射材料を含浸することになる。また、特開昭56−35347号公報ではニッケル製の支持体に形成した孔にニッケル粉末を充填してこれを焼結している。この焼結体に熱電子放射材料を含浸している。これらの公知技術は、発熱体に形成した凹部に「熱電子放射材料を含浸する基体となる多孔質体を作るための粉末」を充填してこれを焼結したものである。これに対して、この発明の熱陰極は、熱電子放射材料の粉末をそのまま発熱体の凹部に充填して焼結したことに特徴がある。X線管の熱陰極にとっては、熱電子放射材料を含浸するタイプの熱陰極は好ましくない。なぜならば、熱電子放射材料を含浸する基体となる多孔質体(焼結体)を構成する元素が、X線管のターゲットのコンタミネーションとなる恐れがあるからである。それゆえに、X線管にとっては、熱電子放射材料だけから熱電子エミッタを作ることが重要である。さらに、X線管では、比較的小さな熱電子放射面から均一かつ大量の電子放射を得ることが必要であり、そのような観点からも、含浸型ではなくて熱電子放射材料だけで作った熱電子エミッタが必要である。含浸型では大量の電子放射を得るのは難しい。
【0019】
図3〜図6は熱電子エミッタの寸法及び形状を変更した別の実施形態の熱陰極を示す斜視図である。いずれも、図2の熱陰極と同じ方法で作られている。図3の熱陰極(第2の実施形態)は、小さな寸法のエミッタ支持部20a(上面のサイズが例えば1mm×1mmの正方形)の上面に内径0.5mm、深さ0.2mmの穴(凹部)をあけて、この穴の内部に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結したものである。この熱電子エミッタ24aは直径0.5mmの円形の熱電子放射面を備えていて、X線管のターゲット上に0.01mm×0.01mmの焦点を作るのに使うことができる。
【0020】
図4の熱陰極(第3の実施形態)は、エミッタ支持部20bの側面に熱電子放射面をもってきて、図の手前の方向に熱電子を放射させるものである。この熱陰極は、ターゲットの焦点30bに対向する位置に熱電子放射面が存在しないようにしている。この種の熱陰極(ターゲットの焦点に対向する位置に熱電子放射面が存在しないタイプ)については特開平10−302688号公報に開示されている。この熱陰極では、概略環状のエミッタ支持部20bの上部と下部のそれぞれの側面に溝を形成して、この溝に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結し、熱電子エミッタ24bを得た。上部と下部の熱電子放射面のサイズはそれぞれ1mm×12mmであり、これらの熱電子放射面の間隔は0.5〜2mm程度である。熱電子エミッタ24bから図の手前方向に放射された熱電子は、ウェーネルト電極26bに形成された開口部28bによって絞られて、ターゲット上に(0.5mm〜1mm)×12mmの焦点30bとして集束する。
【0021】
図5の熱陰極(第4の実施形態)は、図4とほぼ同様であるが、熱電子エミッタ24cの形状がほぼ円環状になっている。この熱電子エミッタ24cもエミッタ支持部20cに形成した溝に六ホウ化ランタンの粉末を充填して焼結することで作ることができる。熱電子エミッタ24cの熱電子放射面のサイズは内径が1〜1.5mmで、半径方向の幅が0.5mmである。ほぼ円環状の熱電子エミッタ24cから図の手前方向に放射された熱電子は、ウェーネルト電極26cに形成された開口部28cによって絞られて、ターゲット上に直径0.3mmの点状の焦点30cを形成する。
【0022】
図6の熱陰極(第5の実施形態)は図2の熱陰極に類似しており、熱電子エミッタ24dの形状は矩形である。ただし、その熱電子放射面の寸法は、0.5mm×1mmであり、ターゲット上の焦点サイズは、0.1mm×1mmである。
【0023】
図7はウェーネルト電極を通して図2の熱陰極の熱電子放射面(図2の上面)を見た平面図である。ウェーネルト電極26には細長い開口部28が形成されており、この開口部28から、熱陰極のエミッタ支持部20と、その上の熱電子エミッタ24とが見えている。
【0024】
図8は図7のA−A線で切断した切断端面図である。熱電子エミッタ24から放射された熱電子は電子流32となり、この電子流32はウェーネルト電極26の開口部28で絞られて、ターゲット34上に焦点30を形成する。この実施形態では、ウェーネルト電極26の電位は熱陰極の電位(例えばマイナス60kV)と同じにできる。あるいは、ウェーネルト電極26にバイアス電圧(例えば、熱陰極の電位よりもマイナス側に1kV程度まで)を印加することもできる。熱電子エミッタ24の幅Wは2mmであるが、焦点30の幅FWは0.5mmである。紙面に垂直な方向の長さLは、熱電子エミッタ24も焦点30も、ほぼ12mmである。熱電子エミッタ24の熱電子放射面のサイズは、このように焦点サイズよりも大きくして、熱電子エミッタからの電子流を絞って焦点を作るのが好ましい。こうすると、電子流の電流(X線管の電流)を大きくとることができて、高出力のX線を発生することができる。なお、熱電子エミッタ24の熱電子放射面のサイズは、焦点サイズと同程度までは小さくすることができる。
【0025】
この熱陰極では、熱電子エミッタ24は、エミッタ支持部20の凹部の内部に埋め込まれた状態になっているので、エミッタ支持部20の表面から突き出していない。したがって、熱電子エミッタ24の幅Wの外側の側面36は露出しておらず、この側面36から熱電子が放射されることはない。側面36から熱電子が放出されてしまうと、ウェーネルト電極26による電子レンズの作用で電子流を絞る場合に、その電子レンズの収差が大きくなって、ターゲット34上に所望のサイズにまで電子流を絞ることが非常に難しくなり、輝度むらが生じてしまう。これに対して、この実施形態では側面36から熱電子が放出されないので、焦点30の輝度むらが少なくなる。また、ウェーネルト電極26にバイアス電圧を印加しなくても(熱陰極と同電位であっても)、輝度むらの少ない焦点30を得ることができる。
【0026】
ところで、図2を見ると分かるように、熱電子エミッタ24の長手方向の両端部では、熱電子エミッタ24の側面44が露出している。理想的には、この長手方向の両端部でも熱電子エミッタ24の側面44が露出しない方が好ましい。しかし、この長手方向については、ウェーネルト電極で電子流を絞っていないので(すなわち、熱電子エミッタ24の長手方向のサイズとターゲット上の焦点30の長手方向のサイズはどちらも12mmである)、電子レンズの収差を考える必要がなくて、長手方向の両端部の側面44から放出される熱電子の影響で焦点30がぼやけたり輝度むらが生じたりすることはない。結局、熱電子エミッタの側面のうち、少なくとも電子レンズで絞る方向の側面が露出していないことが大切である。
【0027】
図9はこの発明の熱陰極の第6の実施形態の斜視図である。図2の熱陰極と異なるところは、エミッタ支持部20eの上面に電子流集束用の段差38が形成されていることである。この熱陰極は次のようにして作ることができる。エミッタ支持部20eの上面に、まず第1の溝40(第1の凹部)を形成し、この第1の溝40の底部に第2の溝42(第2の凹部)を形成する。第2の溝42の内部には六ホウ化ランタンの粉末を充填して、発熱体に通電することで粉末を焼結して、熱電子エミッタ24eが完成する。第1の溝40の両側の側壁は段差38となっている。この段差38は電子流を集束させる役割を果たしている。この点を図10を参照して以下に説明する。
【0028】
図10は図9の熱陰極についての図8と同様の切断端面図である。熱電子エミッタ24eから放射された熱電子は電子流32eとなり、この電子流32eはエミッタ支持部20eに形成された段差38によって絞られて、ターゲット34上に焦点30eを形成する。ウェーネルト電極26eの開口部28eはエミッタ支持部20eよりも外側にある。この実施形態では、段差38が電子流32eを集束する電子レンズの役割(図8におけるウェーネルト電極26の開口部28が果たしている役割)を果たしている。段差38と熱電子エミッタ24eとの距離は、エミッタ支持体20eに第1の溝と第2の溝とを形成したときの加工精度で定まり、精度がきちんと出る。したがって、ターゲット34上に集束する焦点30eのサイズが設計通りに正確に定まる。これに対して、図8のように、ウェーネルト電極26の開口部28によって電子流32を集束させる場合には、開口部28の幅方向の中心と熱電子エミッタ24の幅方向の中心とは必ずしも一致せず、その誤差は、ウェーネルト電極26や熱陰極を組み立てるときの組立精度に依存する。したがって、図8の場合は焦点30のサイズが設計値からずれるおそれがある。
【0029】
【発明の効果】
この発明のX線管の熱陰極は、発熱体の凹部に熱電子放射材料の粉末を充填してこれを焼結したので、比較的薄い熱電子エミッタを容易に製造でき、かつ、この熱電子エミッタが発熱体にしっかりと固着して脱落がしにくい。さらに、熱電子エミッタの正面だけが露出していて側面が露出していないので、側面からの熱電子放射がなくなり、X線管の焦点の輝度むらが少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の熱陰極の第1の実施形態における発熱体の斜視図である。
【図2】図1の発熱体を用いて完成した熱陰極の斜視図である。
【図3】この発明の熱陰極の第2の実施形態の斜視図である。
【図4】この発明の熱陰極の第3の実施形態の斜視図である。
【図5】この発明の熱陰極の第4の実施形態の斜視図である。
【図6】この発明の熱陰極の第5の実施形態の斜視図である。
【図7】ウェーネルト電極を通して図2の熱陰極の熱電子放射面を見た平面図である。
【図8】図7のA−A線で切断した切断端面図である。
【図9】この発明の熱陰極の第6の実施形態の斜視図である。
【図10】図9の熱陰極についての図8と同様の切断端面図である。
【符号の説明】
10 発熱体
12、14 端子
16、18 脚部
20 エミッタ支持部
22 溝
24 熱電子エミッタ
26 ウェーネルト電極
28 開口部
30 焦点
34 ターゲット
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hot cathode of an X-ray tube, and more particularly to a hot cathode having a structure in which a thermionic emitter is supported by a heating element.
[0002]
[Prior art]
It is known to use lanthanum hexaboride (LaB 6 ) as a material for a hot electron emitter of a hot cathode of an X-ray tube (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-32119). This lanthanum hexaboride may constitute a hot cathode only with this material (see FIGS. 1 and 14 of JP-A-10-32119), or is attached to a heating element such as carbon to form a hot cathode. In some cases (see FIGS. 9 and 10 of JP-A-10-32119). The present invention can be applied to the latter usage (where a thermionic emitter is attached to a heating element).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the examples of FIGS. 9 and 10 of JP-A-10-32119, a thin plate made of lanthanum hexaboride is attached to a heating element made of carbon. In order to attach the thin plate in this way, boron carbide is added to a commercially available carbon adhesive, and this is applied to the bonding surface of the carbon heating element and the thin plate made of lanthanum hexaboride and its surroundings, and then baked and hardened. I was In this case, carbon is softer than lanthanum hexaboride and can be deformed by external force, whereas lanthanum hexaboride is hard, so when carbon is deformed, lanthanum hexaboride cannot follow this, Lanthanum hexaboride falls off. Also, since lanthanum hexaboride has an extremely low electrical resistance compared to carbon, it is necessary to reduce the cross-sectional area through which electricity passes, and in order to do so, it is necessary to make lanthanum hexaboride thin. It is hard to do. Furthermore, since lanthanum hexaboride made of a thin plate protrudes from the surface of carbon by the thickness of the lanthanum hexaboride, thermions are also emitted from the side surface (thickness portion) of the lanthanum hexaboride and this is an X-ray tube. Causes uneven brightness of the focus on the target.
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to easily form a thermionic emitter into an arbitrary shape in a hot cathode of an X-ray tube having a structure in which the thermionic emitter is supported by a heating element. Another object of the present invention is to provide a hot cathode which can be manufactured in such a manner that the hot electron emitter does not fall off. Another object of the present invention is to provide a hot cathode capable of reducing the uneven brightness of a focus on a target by eliminating thermionic emission in a lateral direction. Still another object of the present invention is to provide a simple method for manufacturing such a hot cathode.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The hot cathode of the X-ray tube according to the present invention is obtained by forming a concave portion in a heating element, filling the inside of the concave portion with a powder of a thermoelectron emitting material, and sintering and fixing the powder. The sintered thermionic emission material becomes a thermionic emitter. In this way, a relatively thin thermionic emitter can be easily manufactured into an arbitrary shape. Then, the thermoelectron emitter is firmly fixed to the heating element and hardly falls off. Furthermore, since only the front surface (the surface facing the target) of the thermionic emitter is exposed and the side surface is not exposed, thermionic emission from the side surface of the thermionic emitter is eliminated, and uneven brightness of the focal point of the X-ray tube is reduced. Less.
[0006]
Carbon is suitable as the material of the heating element, and glassy carbon is particularly preferable, but graphite can also be used. The material of the powder of thermionic emission material is not particularly limited, but for example, tungsten, molybdenum, tantalum, various borides, and the like can be used. Among them, lanthanum hexaboride (LaB 6 ) is particularly suitable. The material of the powder of thermionic emission material can be selected according to the material of the target of the X-ray tube. For example, as a countermeasure for contamination in EXAFS measurement, as a combination of a target and a powder of thermionic emission material, tungsten or TaB 2 can be used as a powder of thermionic emission material for a tungsten target. For the target, molybdenum or lanthanum hexaboride can be used as the powder of thermionic emission material.
[0007]
The particle diameter of the thermionic emission material powder can be in the range of 0.1 μm to 50 μm, and among them, relatively fine particles having a particle size of 10 μm or less are preferable. The above-mentioned minimum value of the particle size of 0.1 μm is near the lower limit value that can be currently manufactured.
[0008]
This hot cathode can be made as follows. First, a concave portion is formed in the heating element. Next, the inside of the recess is filled with a powder of thermionic emission material. Then, the powder is sintered by energizing the heating element filled with the powder to raise the temperature of the powder. As described above, since the powder can be sintered only by supplying a current to the heating element, a heating furnace or the like for sintering is not required.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view of a heating element according to a first embodiment of the hot cathode of the present invention. The heating element 10 is made of glassy carbon. Glassy carbon has a much higher electrical resistance than graphite, and without having to lengthen the current path (without complicating its shape), it is sufficient to use thermionic emission material with the same power as when using a tungsten coil. Can be heated to temperature. In addition, glass-like carbon has a higher processing accuracy than graphite, because edges can be sharpened when processing grooves. The heating element 10 includes a pair of terminals 12 and 14 for conducting electricity, a pair of legs 16 and 18, and an emitter support 20. A groove 22 (recess) is formed on the upper surface of the emitter support 20. The length L of the groove 22 is 12 mm, the width W is 2 mm, and the depth D is 0.2 mm. The inside of the groove 22 is filled with lanthanum hexaboride powder.
[0010]
Lanthanum hexaboride powder having a particle size in the range of 0.1 μm to 50 μm can be used, and preferably one having a particle size in the range of 0.1 μm to 10 μm. The following three methods were tried to fill the inside of the groove 22 with the powder. Either method can be used in the present invention.
[0011]
In the first filling method, the powder of lanthanum hexaboride was directly filled into the groove 22 and pressed with a flat plate from above. At this time, the surface of the powder was made to be at the same height as the upper surface of the emitter support 20.
[0012]
In the second filling method, lanthanum hexaboride powder was suspended in butyl acetate (liquid) to form a clay, which was then applied to the inside of the groove 22 using a spatula. At this time, the clay-like mixture was made to be at the same height as the upper surface of the emitter support 20. Butyl acetate will evaporate when lanthanum hexaboride is heated.
[0013]
In the third filling method, a commercially available carbon adhesive was applied to the inner surface of the groove 22, and then lanthanum hexaboride powder was filled thereon. At this time, the surface of the powder was made to be at the same height as the upper surface of the emitter support 20. Boron carbide (B 4 C) may be mixed in the carbon adhesive in order to improve the adhesion with lanthanum hexaboride.
[0014]
When the lanthanum hexaboride powder is filled into the groove 22 as described above, the heating element 10 is energized to sinter the powder. Specifically, the heating element 10 filled with lanthanum hexaboride powder is attached to an open X-ray tube. Then, while evacuating the inside of the X-ray tube to a vacuum, the heating element is energized. At this time, the voltage applied to both ends of the heating element is gradually increased, so that the temperature rise is moderated. For example, the temperature is raised to about 1000 ° C. over 1 to 2 hours. Thus, first, degassing of the lanthanum hexaboride powder is performed. At the same time, the powder sinters due to the temperature rise due to the heating by the heating element and the self-generated heat. Here, sintering means that the powder material is heat-treated at a temperature equal to or lower than its melting point, and the powders are combined with each other to be integrated. Since the melting point of lanthanum hexaboride is as high as 2720 ° C., the powder is heated to a considerably lower temperature to sinter the powder.
[0015]
When filling the powder, it is common that the surface of the powder is flush with the upper surface of the emitter support as described above, but the surface of the powder is slightly lower than the upper surface of the emitter support. No problem. That is, the surface of the thermionic emitter does not have to protrude from the upper surface of the emitter support, and only needs to be at the same height as or slightly lower than the emitter support.
[0016]
FIG. 2 is a perspective view of the completed hot cathode. The powder filled in the groove 22 of FIG. 1 is in a state of being sintered and fixed, and this forms the thermionic emitter 24. The thermionic emitter 24 has a rectangular thermionic emission surface with a size of 2 mm x 12 mm and can be used to create a 0.5 mm x 12 mm focus (normal focus) on the target of the X-ray tube. it can. Thermionic electrons will be emitted upward from FIG. When an electron current is generated using the hot cathode, a current is supplied to the heating element 10 so that the temperature of the thermionic emitter is 1400 to 1500 ° C. For example, when a voltage of about 9 V is applied between the pair of terminals 12 and 14 of the hot cathode, a current of about 6 A flows through the hot cathode, and the thermionic emitter 24 is heated to about 1500 ° C.
[0017]
Generally, to sinter a powder material, it is necessary to press-mold the powder material and then heat it to a desired temperature using a heating means such as a heating furnace. On the other hand, in the hot cathode of the present invention, since the heating element is filled with the powder, the powder can be heated by energizing the heating element, and no separate heating means is required. Furthermore, if this heating element is actually attached to the hot cathode terminal of the open type X-ray tube, the hot cathode current can be controlled using the hot cathode heating control device of the X-ray tube as it is, so that the heating element is heated. Temperature control becomes possible. Therefore, in sintering the powder, neither a dedicated heating means nor a dedicated temperature control device is required.
[0018]
By the way, if not limited to the X-ray tube, in the technical field of the hot cathode, there is a known example in which a recess formed in a heating element is filled with powder and sintered. For example, in the example of FIG. 6 of JP-A-58-66235, a high-melting metal powder is filled in a hole formed in a belt-shaped heater and sintered. The sintered body is impregnated with a thermionic emission material. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-35347, a nickel powder is filled in a hole formed in a nickel support and sintered. The sintered body is impregnated with a thermionic emission material. In these known techniques, a recess formed in a heating element is filled with "powder for producing a porous body serving as a substrate impregnated with a thermionic emission material" and sintered. On the other hand, the hot cathode of the present invention is characterized in that the powder of the thermionic emission material is directly filled in the recess of the heating element and sintered. For a hot cathode of an X-ray tube, a hot cathode impregnated with a thermionic emission material is not preferable. This is because elements constituting the porous body (sintered body) serving as the base body impregnated with the thermionic emission material may cause contamination of the target of the X-ray tube. Therefore, it is important for X-ray tubes to make a thermionic emitter from only thermionic emitting materials. Furthermore, in an X-ray tube, it is necessary to obtain a uniform and large amount of electron emission from a relatively small surface of thermionic emission. An electron emitter is required. It is difficult to obtain a large amount of electron emission with the impregnated type.
[0019]
3 to 6 are perspective views showing another embodiment of the hot cathode in which the size and shape of the thermionic emitter are changed. Both are made in the same manner as the hot cathode of FIG. A hot cathode (second embodiment) shown in FIG. 3 has a hole (concave portion) having an inner diameter of 0.5 mm and a depth of 0.2 mm on the upper surface of an emitter supporting portion 20a (a square having an upper surface size of, for example, 1 mm × 1 mm) having a small dimension. ), Lanthanum hexaboride powder is filled into the hole, and sintered. This thermionic emitter 24a has a circular thermionic emission surface with a diameter of 0.5 mm and can be used to create a focus of 0.01 mm × 0.01 mm on the target of the X-ray tube.
[0020]
The hot cathode (third embodiment) shown in FIG. 4 has a thermoelectron emission surface on the side surface of the emitter support portion 20b and emits thermoelectrons in a direction toward the front of the figure. The hot cathode is configured such that a thermionic emission surface does not exist at a position facing the focal point 30b of the target. This type of hot cathode (type in which a thermionic emission surface does not exist at a position facing the focal point of the target) is disclosed in JP-A-10-302688. In this hot cathode, grooves are formed on the upper and lower side surfaces of the generally annular emitter support portion 20b, and the grooves are filled with lanthanum hexaboride powder and sintered to obtain thermionic electron emitters 24b. Was. The size of the upper and lower thermionic emission surfaces is 1 mm × 12 mm, respectively, and the interval between these thermionic emission surfaces is about 0.5 to 2 mm. Thermions emitted from the thermionic emitter 24b in the forward direction in the figure are focused by an opening 28b formed in the Wehnelt electrode 26b and focused on a target as a focal point 30b of (0.5 mm to 1 mm) × 12 mm. .
[0021]
The hot cathode of FIG. 5 (fourth embodiment) is almost the same as that of FIG. 4, but the shape of the thermionic emitter 24c is substantially annular. The thermoelectron emitter 24c can also be made by filling a groove formed in the emitter support 20c with lanthanum hexaboride powder and sintering it. The thermoelectron emission surface of the thermoelectron emitter 24c has an inner diameter of 1 to 1.5 mm and a radial width of 0.5 mm. The thermoelectrons emitted from the substantially annular thermoelectron emitter 24c in the forward direction of the figure are converged by an opening 28c formed in the Wehnelt electrode 26c to form a point-like focal point 30c having a diameter of 0.3 mm on the target. Form.
[0022]
The hot cathode of FIG. 6 (fifth embodiment) is similar to the hot cathode of FIG. 2, and the shape of the thermionic emitter 24d is rectangular. However, the size of the thermionic emission surface is 0.5 mm × 1 mm, and the focal point size on the target is 0.1 mm × 1 mm.
[0023]
FIG. 7 is a plan view of the hot electron emission surface (the upper surface in FIG. 2) of the hot cathode of FIG. 2 viewed through a Wehnelt electrode. An elongated opening 28 is formed in the Wehnelt electrode 26. From this opening 28, the emitter supporting portion 20 of the hot cathode and the thermionic emitter 24 thereon can be seen.
[0024]
FIG. 8 is a sectional end view taken along line AA of FIG. Thermionic electrons emitted from the thermionic emitter 24 become an electron stream 32, which is converged at the opening 28 of the Wehnelt electrode 26 and forms a focal point 30 on the target 34. In this embodiment, the potential of the Wehnelt electrode 26 can be the same as the potential of the hot cathode (for example, minus 60 kV). Alternatively, a bias voltage (for example, up to about 1 kV on the negative side with respect to the potential of the hot cathode) can be applied to the Wehnelt electrode 26. The width W of the thermionic emitter 24 is 2 mm, while the width FW of the focal point 30 is 0.5 mm. The length L in the direction perpendicular to the paper is approximately 12 mm for both thermionic emitter 24 and the focal point 30. It is preferable that the size of the thermionic emission surface of the thermionic emitter 24 is made larger than the focal size in this way, and the electron flow from the thermionic emitter is narrowed to form the focal point. In this case, the current of the electron current (the current of the X-ray tube) can be increased, and high-output X-rays can be generated. Note that the size of the thermionic emission surface of the thermionic emitter 24 can be reduced to about the same size as the focal size.
[0025]
In this hot cathode, the thermoelectron emitter 24 is embedded in the recess of the emitter support 20 and does not protrude from the surface of the emitter support 20. Therefore, the side surface 36 outside the width W of the thermoelectron emitter 24 is not exposed, and no thermoelectrons are emitted from the side surface 36. When the thermoelectrons are emitted from the side surface 36, when the electron flow is reduced by the action of the electron lens by the Wehnelt electrode 26, the aberration of the electron lens increases, and the electron flow is reduced to a desired size on the target 34. It becomes very difficult to stop down, resulting in uneven brightness. On the other hand, in this embodiment, since the thermoelectrons are not emitted from the side surface 36, the uneven brightness of the focal point 30 is reduced. In addition, even without applying a bias voltage to the Wehnelt electrode 26 (even if the potential is the same as that of the hot cathode), it is possible to obtain the focus 30 with less uneven brightness.
[0026]
By the way, as can be seen from FIG. 2, the side surfaces 44 of the thermionic emitter 24 are exposed at both longitudinal ends of the thermionic emitter 24. Ideally, it is preferable that the side surfaces 44 of the thermionic emitter 24 are not exposed at both ends in the longitudinal direction. However, in this longitudinal direction, since the electron flow is not restricted by the Wehnelt electrode (ie, the longitudinal size of the thermionic emitter 24 and the longitudinal size of the focal point 30 on the target are both 12 mm), There is no need to consider the aberration of the lens, and the focus 30 is not blurred or the brightness is not uneven due to the effect of thermions emitted from the side surfaces 44 at both ends in the longitudinal direction. After all, it is important that at least the side surface of the thermionic emitter in the direction in which the electron lens is narrowed is not exposed.
[0027]
FIG. 9 is a perspective view of a hot cathode according to a sixth embodiment of the present invention. The difference from the hot cathode of FIG. 2 is that a step 38 for electron current focusing is formed on the upper surface of the emitter supporting portion 20e. This hot cathode can be made as follows. First, a first groove 40 (first concave portion) is formed on the upper surface of the emitter supporting portion 20e, and a second groove 42 (second concave portion) is formed at the bottom of the first groove 40. The inside of the second groove 42 is filled with lanthanum hexaboride powder, and the power is supplied to the heating element to sinter the powder, thereby completing the thermionic emitter 24e. Side walls on both sides of the first groove 40 are steps 38. The step 38 serves to focus the electron flow. This will be described below with reference to FIG.
[0028]
FIG. 10 is a cut end view similar to FIG. 8 for the hot cathode of FIG. Thermions emitted from the thermionic emitter 24e become an electron stream 32e, which is narrowed by a step 38 formed on the emitter support 20e to form a focal point 30e on the target 34. The opening 28e of the Wehnelt electrode 26e is located outside the emitter support 20e. In this embodiment, the step 38 plays the role of an electron lens that focuses the electron flow 32e (the role played by the opening 28 of the Wehnelt electrode 26 in FIG. 8). The distance between the step 38 and the thermionic emitter 24e is determined by the processing accuracy when the first groove and the second groove are formed in the emitter support 20e, and the accuracy is properly obtained. Therefore, the size of the focal point 30e focused on the target 34 is accurately determined as designed. On the other hand, as shown in FIG. 8, when the electron flow 32 is focused by the opening 28 of the Wehnelt electrode 26, the center of the opening 28 in the width direction and the center of the thermionic emitter 24 in the width direction are not necessarily required. If they do not match, the error depends on the assembly accuracy when assembling the Wehnelt electrode 26 and the hot cathode. Therefore, in the case of FIG. 8, the size of the focal point 30 may deviate from the design value.
[0029]
【The invention's effect】
In the hot cathode of the X-ray tube according to the present invention, the recesses of the heating element are filled with the powder of thermionic emission material and sintered, so that a relatively thin thermoelectron emitter can be easily manufactured. The emitter is firmly fixed to the heating element and hardly falls off. Further, since only the front surface of the thermionic emitter is exposed and the side surface is not exposed, thermionic emission from the side surface is eliminated, and uneven brightness at the focal point of the X-ray tube is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a heating element in a first embodiment of a hot cathode according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a hot cathode completed using the heating element of FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a second embodiment of the hot cathode according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of a third embodiment of the hot cathode according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a fourth embodiment of the hot cathode according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of a hot cathode according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a hot electron emission surface of the hot cathode of FIG. 2 viewed through a Wehnelt electrode.
FIG. 8 is a sectional end view taken along line AA of FIG. 7;
FIG. 9 is a perspective view of a hot cathode according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cut end view similar to FIG. 8 for the hot cathode of FIG. 9;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Heating element 12, 14 Terminal 16, 18 Leg 20 Emitter support 22 Groove 24 Thermoelectron emitter 26 Wehnelt electrode 28 Opening 30 Focus 34 Target

Claims (4)

熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のX線管の熱陰極において、
前記発熱体に凹部が形成されていて、その凹部の内部に熱電子放射材料の粉末が焼結状態で固着していることを特徴とする熱陰極。
In a hot cathode of an X-ray tube having a structure in which a thermoelectron emitter is supported by a heating element,
A hot cathode, wherein a recess is formed in the heating element, and a powder of thermionic emission material is fixed in the recess in a sintered state.
請求項1に記載の熱陰極において、前記発熱体の材料がガラス状カーボンであり、前記熱電子放射材料が六ホウ化ランタンであることを特徴とする熱陰極。2. The hot cathode according to claim 1, wherein the material of the heating element is glassy carbon, and the thermionic emission material is lanthanum hexaboride. 請求項1または2に記載の熱陰極において、前記発熱体に第1の凹部が形成され、この第1の凹部の底部にさらに第2の凹部が形成されていて、前記第2の凹部の内部に熱電子放射材料の粉末が焼結状態で固着していることを特徴とする熱陰極。3. The hot cathode according to claim 1, wherein a first concave portion is formed in the heating element, and a second concave portion is further formed at a bottom of the first concave portion. A hot-electron emitting material powder fixed in a sintered state to the hot cathode. 熱電子エミッタを発熱体で支持する構造のX線管の熱陰極を製造する方法において、次の(イ)〜(ハ)の段階を有する製造方法。
(イ)発熱体に凹部を形成する段階。
(ロ)前記凹部の内部に熱電子放射材料の粉末を充填する段階。
(ハ)前記粉末を充填した状態の発熱体を通電して前記粉末の温度を上昇させることにより、前記粉末を焼結させる段階。
A method for manufacturing a hot cathode of an X-ray tube having a structure in which a thermoelectron emitter is supported by a heating element, comprising the following steps (a) to (c).
(B) forming a recess in the heating element;
(B) filling the inside of the recess with powder of thermionic emission material;
(C) sintering the powder by energizing a heating element filled with the powder to increase the temperature of the powder.
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