工業用Ｘ線管
【課題】小型であり、軽量であり、Ｘ線放出量が多い工業用Ｘ線管を提供する。
【解決手段】内部が真空である容器２のその内部に陰極４Ａ及び陽極６を収納して成り、陰極４Ａで発生した電子を陽極６に当ててこの陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管１において、陰極４Ａの電子放出面４ａの周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材８と、陰極４Ａと陽極６との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズ１３とを有しており、陰極４Ａ〜４Ｆは炭素又は炭素化合物によって形成されており、陰極４Ａ〜４Ｆの電子放出面４ａは平らな面であることを特徴とする。
【解決手段】内部が真空である容器２のその内部に陰極４Ａ及び陽極６を収納して成り、陰極４Ａで発生した電子を陽極６に当ててこの陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管１において、陰極４Ａの電子放出面４ａの周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材８と、陰極４Ａと陽極６との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズ１３とを有しており、陰極４Ａ〜４Ｆは炭素又は炭素化合物によって形成されており、陰極４Ａ〜４Ｆの電子放出面４ａは平らな面であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラントの配管パイプ等といった構造物の非破壊検査を行う際に用いられる工業用Ｘ線管であって、陰極から放出された電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の工業用Ｘ線管として、従来、フィラメントによって陰極を形成し、通電によりそのフィラメントから熱電子を放出させ、その熱電子を陽極に当てることによりその陽極からＸ線を発生する構成の工業用Ｘ線管が知られている。このＸ線管は熱陰極を用いたＸ線管である。このＸ線管は、高圧電源に加えてフィラメント電源が必要であるので大型で重いという問題点を有している。
【０００３】
Ｘ線管の分野ではないが、例えばディスプレイ、すなわち画像表示の分野において、カーボンナノチューブを用いて電界放出（Field Emission）に基づいて電子を放出する電子放出素子が知られている（例えば、非特許文献１、特許文献１）。また、Ｘ線管の分野でも、カーボンナノチューブを用いて電子放出素子を形成することが知られている（例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７）。この電子放出素子を用いたＸ線管は冷陰極型のＸ線管である。電界放出は、物質表面に強い電位を印加したときにその物質の表面から電子が放出される現象である。カーボンナノチューブは、六炭素環で構成される針状、すなわちアスペクト比（粒子長／粒子径）が非常に大きい状態、で管状の粒子である。
【０００４】
やはりディスプレイの分野において、グラファイト粒子を用いて電界放出に基づいて電子を放出する電子放出素子が知られている（例えば、特許文献２）。グラファイトとは、炭素六角網面（複数の六炭素環が連なって１つの層を構成している面）が複数個層状に積層されて成る層状構造物質である。
【０００５】
また、黒鉛ブロック、炭素棒、炭素フィルム又は炭素繊維の炭素六角網面の層方向に対して垂直にカットした端面を電子放出面とする電子放出素子が知られている（例えば、特許文献３）。
【０００６】
また、Ｘ線管ではないが、蛍光表示装置において、電子を放出する部分であるカソード構造体のエミッタ部分（電子放出部分）を柱状グラファイトによって構成したものが知られている（例えば、特許文献４）。柱状グラファイト、すなわちグラファイト構造が柱状に丸まって成る柱状構造、が複数個、ほぼ同一方向を向いて集合した構造がカーボンナノチューブである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−０９０８１３号公報（［００８２］〜［００９７］段落、図１０，１１，１２，１３，１４）
【特許文献２】特開２０００−０９０８１３号公報（［００６３］〜［００７６］段落、図２，７，８）
【特許文献３】特開２０００−１５６１４８号公報（第２〜３頁、図１，２）
【特許文献４】特開平１１−１３５０４２号公報（［００１９］〜［００２３］段落、図１）
【特許文献５】特開２００１−２５０４９６号公報（第３頁、図１）
【特許文献６】特開２００１−２６６７８０号公報（第３頁、図１）
【特許文献７】米国特許第６，４５６，６９１号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】斎藤弥八、「カーボンナノチューブフィールドエミッタ」、表面科学，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１，ｐｐ．３８−４３，２００２、三重大学工学部
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１及び特許文献１にはカーボンナノチューブによって電子放出素子を形成することが開示されている。また、特許文献２には、グラファイト粒子を用いて電界放出に基づいて電子を放出する電子放出素子が開示されている。また、特許文献３には、黒鉛ブロック、炭素棒、炭素フィルム又は炭素繊維等といった物質を、それらの構成要素である炭素六角網面の層方向に対して垂直にカットした後の端面を電子放出面とする電子放出素子が開示されている。
【００１０】
特許文献４には、柱状グラファイトによって電子放出素子を形成することが開示されている。ここで、柱状グラファイトとは、複数のカーボンナノチューブが同一方向を向いて集合した構造体とされている。さらに、カーボンナノチューブとは、グラファイトの単層（すなわちグラフェン）が円筒状に閉じた形状か、又は複数のグラファイトの層（すなわち複数のグラフェン）が入れ子構造的に積層し、それぞれのグラファイト層が円筒状に閉じた同軸多層構造とされている。
【００１１】
しかしながら、上記の各文献には、電子放出素子をＸ線発生装置の構成要素として用いることの記載は認められない。従って、当然のことながら、電子放出素子から放出された電子を陽極の微小領域に集束させることに関する記載はなく、さらには、電子放出素子の電子放出面の形状を工夫することによって陽極に対する電子の集束性を向上させるということについての記載も認められない。
【００１２】
特許文献５及びその対応米国特許である特許文献７の各文献には、陰極のエミッタをカーボンナノチューブで形成し、その陰極から放出された電子を陽極に衝突させ、その衝突領域からＸ線を発生させる構成を有したＸ線発生装置が開示されている。さらに、エミッタから放出された電子をウエネルトによって陽極の表面の微小領域に集束させることが開示されている。
【００１３】
しかしながら、これらの文献に開示されたＸ線発生装置においては、エミッタの広い領域から出た電子の全てを陽極の表面の微小領域へ正確に集束させることが難しかった。本発明者によれば、これは、エミッタから出てウエネルトを通過する電子の進行方向にバラツキがあるためではないかと思われる。
【００１４】
また、特許文献５及び特許文献７の各文献には、陰極のエミッタの電子放出面の形状を平面、凹面又は凸面にすることができることが開示されている。そして、エミッタの表面を凹面や凸面といった曲面にすれば、電子ビームの集束性を改善できることが記載されている。しかしながら、本発明者によれば、エミッタの電子放出面を曲面に設定した場合であっても、希望通りの集束性の改善が得られないことが分かった。その原因は、曲面を成しているエミッタの電子放出面から出た電子に関しては球面収差が生じるためだと考えられる。
【００１５】
また、特許文献５及び特許文献７の各文献に開示されたＸ線発生装置においては、陰極のエミッタの表面を平面に設定し、そのエミッタから放出された電子をウエネルトによって陽極上に集束するようにした構成が開示されている。しかしながら、本発明の検討によれば、その構成を採用した場合でも、期待通りに高い電子の集束性は得られなかった。その原因は、ウエネルトに入る前の電子の進行方向にバラツキがあるためと考えられる。
【００１６】
本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、小型であり、軽量であり、しかも電子を陽極上へ正確に集束させることにより輝度の高いＸ線を発生することができる工業用Ｘ線管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】
【００１７】
本発明に係る工業用Ｘ線管は、内部が真空である容器のその内部に陰極及び陽極を収納して成り、陰極で発生した電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管において、前記陰極の電子放出面の周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材と、前記陰極と前記陽極との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズとを有しており、前記陰極は炭素又は炭素化合物によって形成されており、前記陰極の電子放出面は平らな面であることを特徴とする。
【００１８】
上記構成において「平らな面」は、大きな凹面や凸面を除く意味であり、誤差なく完全に平らな面という意味ではない。わずかに傾斜していたり、わずかに凹凸を有するような面であっても、マグネティックレンズによって所望の電子の集束性が得られるような平行性を有する電子束を形成できるような面でありさえすれば、そのような面も平らな面に属するものである。
【００１９】
本発明に係る工業用Ｘ線管によれば、フィラメントによって陰極を形成し、そのフィラメントを加熱することによってそのフィラメントから電子を放出するのではなく、炭素又は炭素化合物によって陰極を形成し、その陰極に所定の電圧を印加することによって電子を放出するようにした。このため、フィラメント電源が不要となり、小型で軽量のＸ線管を製造できるようになった。
【００２０】
また、フィラメントを用いた場合には太くて剛性の高い電源ケーブルをＸ線発生部につなげる必要があり、可搬性（持ち運び性）やパイプライン中での自走性（自身で移動する性質）が損なわれていた。これに対し、本発明の工業用Ｘ線管は、高い可搬性及び高い自走性の両方を達成できる。
【００２１】
また、本発明の工業用Ｘ線管では、陰極の電子放出面を平らな面とし、さらにその電子放出面の周囲に電子進行調整部材を設けたので、電子の進行状態をマグネティックレンズが効果的に機能できる状態に合わせることが可能となった。マグネティックレンズが効果的に機能すれば電子束の集束性を高めることができ、電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。輝度の高いＸ線を用いれば、分解能の高い測定結果を得ることができる。
【００２２】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は、前記陰極の平らな電子放出面から放出される電子の進行方向が当該電子放出面に対する直角方向に近づくように電子の進行を調整することができ、前記マグネティックレンズは、前記電子進行調整部材によって進行が調整された電子を集束させることができる。
【００２３】
この発明態様によれば、電子進行調整部材の作用によって平行性が向上した電子束をマグネティックレンズへ入れるようにしたので、マグネティックレンズによって電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。
【００２４】
本発明に係る工業用Ｘ線管においては、前記陰極と前記マグネティックレンズとの間の電子の進行路の周囲に、引出し電極を設けるか、静電レンズを設けるか、又は引出し電極及び静電レンズの両方を設けることができる。ここで、引出し電極には前記陰極から電子を引き出すことができる電圧が印加される。また、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させるための電圧が印加される。引出し電極と静電レンズの両方を設ける場合は、引出し電極とマグネティックレンズとの間に静電レンズを設けることが望ましい。
【００２５】
上記構成の工業用Ｘ線管において、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させると共に電子束の平行度を高めるための電圧を印加することができる。これにより、マグネティックレンズに向かう電子の束をより一層平行に形成することができる。
【００２６】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記炭素又は炭素化合物は、カーボンナノ構造体、グラファイト、グラッシーカーボン、及びカーボンファイバーから選択される任意の一つであることが望ましい。この構成により、陰極を熱陰極ではない冷陰極として機能させることができ、工業用Ｘ線管を小型且つ軽量に形成できる。
【００２７】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は導電性物質によって形成することができる。これにより、陰極の電子放出面から放出される電子の進行の調整を効果的に行うことができる。
【００２８】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記陰極の電子放出面と前記電子進行調整部材の表面は、互いに隙間無く且つ互いに段差を生じること無く連続する構成とすることができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００２９】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は前記陰極の電子放出面の前方へ突出する突出面を有することができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００３０】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記突出面は滑らかな湾曲面とすることができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００３１】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記突出面は異なった曲率の複数の湾曲面が連続している面であるとすることができる。これにより、陰極の電子放出面から出る電子の進行方向を希望する方向へ正確に矯正できるようになる。
【００３２】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記陰極を１０００℃以上に加熱するヒータを設けることができる。これにより、陰極のための清浄化処理であるフラッシング処理を実行できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る工業用Ｘ線管によれば、フィラメントによって陰極を形成し、そのフィラメントを加熱することによってそのフィラメントから電子を放出するのではなく、炭素又は炭素化合物によって陰極を形成し、その陰極に所定の電圧を印加することによって電子を放出するようにした。このため、フィラメント電源が不要となり、小型で軽量のＸ線管を製造できるようになった。
【００３４】
また、フィラメントを用いた場合には太くて剛性の高い電源ケーブルをＸ線発生部につなげる必要があり、可搬性（持ち運び性）やパイプライン中での自走性（自身で移動する性質）が損なわれていた。これに対し、本発明の工業用Ｘ線管は、高い可搬性及び高い自走性の両方を達成できる。
【００３５】
また、本発明の工業用Ｘ線管では、陰極の電子放出面を平らな面とし、さらにその電子放出面の周囲に電子進行調整部材を設けたので、電子の進行状態をマグネティックレンズが効果的に機能できる状態に合わせることが可能となった。マグネティックレンズが効果的に機能すれば電子束の集束性を高めることができ、電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る工業用Ｘ線管の一実施形態の断面図である。
【図２】図１のＸ線管の主要部である陰極及びその周辺の構成を示す断面図である。
【図３】陰極の変形例を示す図である。
【図４】陰極と陽極との間の電圧−電流特性のグラフを示す図である。
【図５】陰極の構成物質であるグラファイトの電子顕微鏡写真を示す図である。
【図６】グラファイトの層成長過程を模式的に示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】本発明に係る工業用Ｘ線管の他の実施形態の断面図である。
【図８】陰極の変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態の断面図である。
【図１１】図１０の構造の主要部を示す斜視図である。
【図１２】図１０の構造の他の主要部を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る工業用Ｘ線管を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
【００３８】
（工業用Ｘ線管の第１の実施形態）
図１は、本発明に係る工業用Ｘ線管の一実施形態の断面図を示している。本実施形態のＸ線管１はセラミック（例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３））製又はガラス製の封入容器２を有している。封入容器２は円筒形状であり、その内部は真空に維持されている。封入容器２は、固体モールド、絶縁油含侵、高圧絶縁ガス封入、等の方法により電気絶縁を行った上で、可搬型の容器（図示せず）に収納される。封入容器２は、測定対象物３、例えば建築構造物のフレーム等、の所まで測定者によって持ち運ばれる。
【００３９】
封入容器２の内部の一端側（図１の下端側）に陰極４Ａが設けられ、他端側（図１の上端側）に陽極６が設けられている。一般に、高電圧に晒される構造体においては、空気、絶縁体、金属の３重点から沿面放電を発することが知られている。本実施形態では、その沿面放電を防止するために、セラミック製の封入容器２の端部を窪ませて陰極４Ａや陽極６を設けている。
【００４０】
本実施形態のＸ線管では、例えば２００ｋＶの高電圧が陰極４Ａと陽極６との間に印加され、最高で２００ｋｅＶのエネルギのＸ線が陽極６から発生し、厚さ５０ｍｍ以上の鉄製パイプのＸ線透過像が撮影される。このような高エネルギのＸ線はセラミック製の容器を容易に透過するため、本実施形態では、Ｘ線を封入容器２の外部へ取り出すための特別なＸ線窓は、封入容器２には設けられていない。
【００４１】
但し、食品等の透過撮影のように２０ｋｅＶ以下の低エネルギ領域を使用する際には、例えば陽極６の近傍であって符号７で示す部分に、例えばＢｅ（ベリリウム）によってＸ線透過用の窓を設ける。
【００４２】
陰極４Ａは、図２に示すように、導電性及び熱伝導性を有する支持枠８によって支持されている。支持枠８は、例えばステンレス鋼によって形成されている。支持枠８の周囲には加熱手段としてのヒータ９が設けられている。
【００４３】
支持枠８は、例えば図３（ｂ）に示すように、円筒形状に形成されている。陰極４Ａは、支持枠８の先端に設けた断面円形状の凹部空間内に収容されており、円柱形状に形成されている。陰極４Ａは、その長さは例えば１００μｍ以上であり、その直径は例えば１．０〜２０ｍｍの範囲内の適宜の値である。この寸法の円柱形状の陰極４Ａは大電流を流すことを目標とする場合に好適である。
【００４４】
陰極４Ａは、後で詳しく説明するように、炭素六角網面（すなわち、グラフェン）から成る層を複数枚積層して成る物質であるグラファイトによって形成されている。そして、それら複数枚の炭素六角網面を積層方向と平行の方向で切断してできた端面４ａ（図２参照）が電子放出面となっている。
【００４５】
なお、グラファイトは炭素又は炭素化合物として括られる物質に含まれる１つの物質であるが、陰極４Ａはグラファイト以外の炭素又は炭素化合物によって形成することもできる。そのような炭素又は炭素化合物は、例えばカーボンナノ構造体、グラッシーカーボン、カーボンファイバー等である。また、カーボンナノ構造体は、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nanotube）、カーボンナノウォール（ＣＮＷ：Carbon nanowall）である。ここで、カーボンナノチューブは、炭素六角網面（グラフェン）のシートが単層の管状又は多層の同軸管状になった物質である。また、カーボンナノウォールは、多層のグラフェンシートの個々が基板から垂直に成長して存在しており、それらのグラフェンシートが基板表面に沿って連なって成る物質である。
【００４６】
電子放出面４ａは湾曲していない平らな面（以下、平面ということがある）となっている。また、導電性の金属によって形成されている支持枠８の先端部分は、電子放出面４ａの周囲の環状領域の全域に位置していて、電子放出面４ａから放出される電子の進行を調整する機能を果たす部材、すなわち電子進行調整部材として機能する。
【００４７】
一般に、平面である電子放出面４ａからは、概ね電子放出面４ａに対して直角の方向に進行する電子が発生するが、この電子はその性質上、わずかに発散している。金属によって形成された支持枠８の先端部分は、平面である電子放出面４ａからわずかに発散しながら進行する電子の進行方向を電子放出面４ａに対して直角の方向へ矯正する。この結果、電子放出面４ａから放出される電子の束（すなわち電子ビーム）は、電子放出面４ａに対して直角方向へ平行状態で進行する電子の束となっている。なお、電子の束を形成する個々の電子線はそれ自身はわずかな発散成分を含んでいるので、上記の電子の束は完全な平行状態ではないが、機能的には平行な電子の束（すなわち電子ビーム）と考えて差し支えない。
【００４８】
図１において、陰極４Ａから陽極６に至る電子の進行経路に沿って、陰極４Ａ側から順に、引出し電極（すなわち、グリッド）１１、静電レンズ１２、マグネティックレンズ（すなわち磁気レンズ）１３が、それぞれ、設けられている。引出し電極１１及び静電レンズ１２は封入容器２の内部に設けられ、マグネティックレンズ１３は封入容器２の電子輸送管２ａの外部に設けられている。
【００４９】
本実施形態のＸ線管は、陽極６が電気的に設置されていて、いわゆるユニポーラ方式のＸ線管となっている。電圧印加回路１４はコントローラ１６からの指令に従って、陰極４Ａへ所定の電圧を印加し、引出し電極１１の陰極４Ａに対する電圧Ｖｇを制御し、結果的に陽極６の陰極４Ａに対する電圧Ｖａを制御する。電圧印加回路１４は、また、静電レンズ１２へ所定の電圧を印加する。マグネティックレンズ１３は本実施形態では永久磁石である。マグネティックレンズ１３は電磁石とすることもできる。電圧印加回路１４とコントローラ１６は協働して、陰極−陽極間の電圧を制御するための電圧制御手段を構成している。
【００５０】
陰極４Ａに所定の電圧が印加され、さらに引出し電極１１に引出し電圧Ｖｇが印加されると、陰極４Ａの電子放出面４ａから電界放出（Field Emission）に基づいて電子が放出される。この電子は陰極４Ａと陽極６との間の電圧Ｖａによって加速されて、陽極６へ衝突し、その部分からＸ線Ｒが発生し、Ｘ線窓７から外部へ取り出される。このＸ線Ｒを測定対象物３に照射し、測定対象物３を透過したＸ線によって２次元Ｘ線検出器１７を露光する。このＸ線露光により、２次元Ｘ線検出器１７の受光面にＸ線像が形成され、このＸ線像を観察することにより、測定対象物３の特性、例えば傷や欠陥があるか否か等、を検査することができる。
【００５１】
２次元Ｘ線検出器は、例えばＸ線フィルムや、イメージングプレートや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）検出器や、半導体ピクセル検出器等によって構成される。静電レンズ１２及びマグネティックレンズ１３は、それぞれ、電子の軌道を適宜に修正する。
【００５２】
具体的には、静電レンズ１２は、導電性の金属材料によって形成されており、その形状を適宜に調整すると共に印加電圧を適宜に調整することにより、陰極４Ａの電子放出面４ａから放出された平行な電子の束をより一層正確に平行に形成すると共に、電子の飛翔速度をより一層加速する。なお、電子放出面４ａの平面性及び電子進行調整部材としての支持枠８の先端部分の協働によって正確な平行Ｘ線束が形成される場合には、静電レンズ１２によって電子束を平行にする機能は実行しなくても良い場合がある。
【００５３】
また、マグネティックレンズ１３は、具体的には、陰極４Ａの電子放出面４ａから放出された平行な電子束、場合によっては静電レンズ１２によってさらに平行度を高められた平行電子束を、陽極６の電子受光面の微小領域に集束させる。そして、電子が衝突したこの微小領域からＸ線Ｒが発生する。マグネティックレンズ１３に入る電子束が正確に平行に設定されていれば、マグネティックレンズ１３はその電子束を微小領域に正確に集束させることができる。
【００５４】
陰極４Ａと陽極６とを結ぶ回路中に電流計１８が設けられている。電流計１８は、例えば抵抗及び電圧計測回路で構成されている。電流計１８の出力信号はコントローラ１６に伝送される。コントローラ１６は、マイクロプロセッサ及びメモリを含んで構成されている。メモリの内部には、陽極電圧Ｖａと陽極を流れる電流Ｉとの関係を示すグラフである図４の電圧−電流特性を記憶する領域が設定されている。
【００５５】
コントローラ１６は、測定を行っている間の任意の１回又は複数回のタイミングで電圧−電流特性を測定し、メモリ内の所定の記憶領域にその特性データを記憶する。Ｘ線測定が継続して行われると、陰極４Ａの放電特性が経時変化することが考えられる。陰極４Ａの放電特性が経時変化すると、陽極６を流れる電流値に変化が生じることがあるが、コントローラ１６は電圧−電流特性に従って最適な電圧を選定できる。
【００５６】
なお、陰極４Ａの放電特性が経時変化することの原因の１つとして、陰極４Ａを構成するグラファイトの形状が変化することが考えられる。また、Ｘ線管を繰り返して使用すること、及び陰極の清浄化処理であるフラッシング処理を繰り返して行うこと、等により陰極の表面汚染の度合いや陰極の長さが変化していくことも考えられる。
【００５７】
図５は、図２の陰極４Ａの電子放出面４ａを走査型電子顕微鏡で矢印Ａ方向から撮影した写真、いわゆるＳＥＭ写真である。図５（ａ）から明らかなように、シート状のグラフェン、すなわち炭素六角網面が多数枚、電子放出方向（図５（ａ）の紙面垂直方向すなわち紙面を貫通する方向）と平行に並んでいる。図５（ｂ）は切断された後の電子放出面４ａを示しており、先端部分が斜め方向へ傾いている状態が示されている。この場合でも、多数枚の炭素六角網面が電子放出方向（図５（ｂ）の紙面垂直方向）と平行に並んでいることが視認できる。
【００５８】
本実施形態の陰極４Ａ、すなわちグラファイトは、図６（ａ）に模式的に示すように層状結晶であり、層成長方向Ｂは結晶軸のｃ軸方向である。すなわち、各炭素六角網面の層のｃ軸方向は一致している。一方、互いに積層されている各炭素六角網面の層内の結晶軸であるａ軸及びｂ軸は、図６（ｂ）に模式的に示すように、各層の（００１）面内で互いに角度的にランダムに（すなわち無秩序に）ずれている。
【００５９】
そして、結晶軸がずれている状態で積層している複数の炭素六角網面がｃ軸方向（すなわち炭素六角網面の積層方向：図６（ｂ）の紙面を透過する方向）に平行な面Ｐ１で切断され、その切断面が電子放出面として用いられる。このように、陰極４Ａであるグラファイトを構成する多層の炭素六角網面のａ軸及びｂ軸が各層間でランダムにずれていることにより、それらを切断して得られた電子放出面から効率良く多量の電子を放出することが可能となった。
【００６０】
グラファイトを原子レベルで見ると、グラファイトは厚さ１０〜数１００ｎｍの炭素六角網面（すなわち、グラフェンシート）の積層構造体であり、シート面内はπ電子による電気伝導により、電気抵抗が小さく、仕事関数も小さく、電子放出体として最適である。
【００６１】
陰極４Ａ、すなわちグラファイトの製造方法としては、例えば、テフロン（登録商標）のようなグラファイト前駆体を例えば１１００℃で成型し、真空中で加熱して結晶化させ、成型後に４００℃〜６００℃で１時間以上の真空中アニール処理を行って脱ガスするという方法が考えられる。結晶化は、各層の結晶軸のａ軸及びｂ軸が互いにランダムにずれるように行われる。
【００６２】
あるいは、グラファイト単結晶を切断してグラファイトを製造することもできる。この場合、端面に機械的な力を加えると炭素六角網面が折れるおそれがあるので、表面形状を整えるためにＡｒ（アルゴン）イオンエッチング、酸素プラズマ等を用いることができる。成型後に４００℃〜６００℃で１時間以上の真空中アニール処理を行って脱ガスする。グラファイトの製造の際には、炭素六角網面の各層の結晶軸のａ軸及びｂ軸がランダムにずれるように行われる。
【００６３】
Ｘ線測定を繰返して行うと、陰極４Ａの端面である電子放出面４ａから陰極物質が昇華して行く。また、不純物による汚染や、陽極６からの金属イオンの衝撃による欠陥発生等により、陰極４Ａの表面の特性は劣化する。特性劣化が生じたと判断された場合には、コントローラ１６は、Ｘ線測定が行われていない適宜のタイミングでヒータ９に通電してこれを発熱させ、陰極４Ａを例えば１０００℃以上に加熱する。この加熱により、陰極４Ａの表面が真空中で昇華し、劣化等した表面が除去され、当該陰極４Ａの表面が清浄化される。この清浄化により、陰極における電界放出特性の劣化を防ぎ、長寿命化を達成できる。この清浄化処理は、フラッシング処理と呼ばれることがあり、必要に応じて適時に複数回実行される。
【００６４】
なお、ヒータ９を用いて陰極４Ａを加熱することに代えて、陰極４Ａそれ自身、すなわちグラファイトそれ自身に電流を流すことにより当該陰極４Ａを加熱することもできる。
【００６５】
（工業用Ｘ線管の第２の実施形態）
図７は、本発明に係る工業用Ｘ線管の他の実施形態の断面図を示している。図７において、図１に示した構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して示すものとして、その説明は省略する。
【００６６】
図１に示したＸ線管１においては、陰極４Ａから放出された電子を陽極６に衝突させ、当該陽極６の前方側へＸ線を放射させた。これに対し、図７に示すＸ線管２１では、陽極２６として透過型ターゲットを用いている。陰極４Ａから放出された電子が陽極２６に衝突すると、当該陽極２６の後方側へＸ線が出射する。
【００６７】
透過型ターゲットとしては、例えばＷ（タングステン）とＢｅ（ベリリウム）とを積層して成るシートを用いる。Ｘ線管の内側にＷを配置すると、加速された電子はＷシートに衝突して白色Ｘ線及び蛍光Ｘ線を発生し、それらのＸ線がＢｅシートを透過する。減速した電子は導電性であるターゲットを通じて電源に回収される。Ｗ及びＢｅシートの厚さは、Ｘ線管から取り出すＸ線エネルギに応じてＸ線吸収を計算し、それに基づいて最適値に設定される。
【００６８】
（工業用Ｘ線管の第３の実施形態）
図９は本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態を示している。この実施形態に係るＸ線管は図１に示したＸ線管１である。もちろん、このＸ線管１を図７に示したＸ線管２１又はその他近似の構成を有したＸ線管とすることもできる。
【００６９】
Ｘ線管１は、バッテリ２４、電源回路３０及び電気制御系２７と共に、固体モールド、絶縁油含侵、高圧絶縁ガス封入、等の方法により電気絶縁を行った上で、可搬型の容器２５に収納されている。そして、その容器２５が台車２２上に固定されている。台車２２は車輪２３ａ，２３ｂを有している。車輪２３ａ，２３ｂの少なくとも１つは動力源によって駆動される駆動輪である。動力源を含んだ駆動系の図示は省略している。なお、容器２５を台車２２に載せることに代えて、容器２５に直接、車輪２３ａ，２３ｂを設けても良い。電気制御系２７は、例えば、図１に示した電圧印加回路１４及びコントローラ１６を含んでいる。
【００７０】
電気制御系２７から容器２５の外部へ通信用ケーブル２８が延びており、その通信用ケーブル２８の先端に操作入力ユニット２９が接続されている。操作入力ユニット２９はボタンスイッチ、入力量調整スイッチ等といった各種のスイッチを備えており、測定者によって操作される。通信用ケーブル２８は、可撓性、柔軟性を備えた軽い線材であり、台車２２の動きに良好に追従する。
【００７１】
台車２２は、Ｘ線管１、バッテリ２４、電源回路３０及び電気制御系２７を載せた状態で、測定対象であるパイプ３１の中に配置される。パイプ３１は、例えばプラント内の配管である。台車２２は、測定者による操作入力ユニット２９の操作により、パイプ３１の内部を走行して任意の測定個所に配置される。台車２２従ってＸ線管１が所定個所に配置されると、測定者の指示に応じてＸ線管１からＸ線Ｒが放射され、パイプ３１の外部に設置されたＸ線検出器１７にパイプ３１のＸ線撮影像が結像される。
【００７２】
従来の工業用Ｘ線管は陰極としてフィラメントを用い、このフィラメントを通電によって発熱させて熱電子を放出させ、この熱電子からＸ線を得ていた。この場合には、フィラメントに高電圧を印加して大電流を供給する必要があった。高電圧及び大電流の供給にあたっては、太くて剛性の高い電源ケーブルが必要であった。このため、従来の工業用Ｘ線管を測定対象であるパイプの中で走行させて測定を行うことには困難が伴っていた。特に、パイプが曲がっている場合には測定が非常に困難であった。
【００７３】
本実施形態に係る工業用Ｘ線管１においては陰極がグラファイトによって形成され、電界放出に基づいて電子を発生させるので、フィラメントを用いた場合のような大電流を供給する必要がない。従って、本実施形態で用いるバッテリ２４は小型であり、太くて剛性の高い電源ケーブルも不要である。容器２５の外部へ延び出る線状部材としては電気信号を伝送するための細くて柔軟性のある通信用ケーブルだけで済む。そのため、Ｘ線管１及び小型のバッテリ２４を搭載した台車２２は大きな負荷を受けることなく、パイプ３１の中を自由に走行でき、Ｘ線管１はＸ線測定を支障なく行うことができる。
【００７４】
なお、電気制御系２７と操作入力ユニット２９とは、通信用ケーブル２８に代えて、無線ＬＡＮを用いることできる。こうすれば、台車２２のパイプ３１内での走行が、さらに、自由になる。また、自走機能を持ったＸ線管１は、人が到達できない高所の配管や、複雑に入り組んだ配管密集部等に対する測定を容易に実行できる。
【００７５】
グラフェン各層間で結晶軸をランダムにずらせてあるグラファイトを用いた本実施形態のＸ線管１は、消費電力が非常に低い。このため、例えば、８０Ｗｈのリチウム・イオンバッテリを搭載し、５０ＷのＸ線管を１時間以上駆動可能である。
【００７６】
（工業用Ｘ線管の第４の実施形態）
図１０は本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態を示している。この実施形態は、陰極及び陽極以外の部分が接地され、陰極及び陽極の両極に電圧が印加される方式、いわゆるバイポーラ方式のＸ線管に本発明を適用した場合の実施形態である。
【００７７】
本実施形態の工業用Ｘ線管４１は、陰極ユニット４２と、マグネティックレンズユニット４３と、中央管４４と、陽極ユニット４５とを有している。陰極ユニット４２とマグネティックレンズユニット４３は引出し電極４６を挟んで互いに気密に連結されている。マグネティックレンズユニット４３と中央管４４は互いに気密に連結されている。中央管４４と陽極ユニット４５は互いに気密に連結されている。
【００７８】
（陰極ユニット４２）
陰極ユニット４２は、金属製、例えばステンレス製で中心線Ｘ０を中心とした円筒形状のケーシング４９と、ケーシング４９に支持されてその内部に延出している支持体５０と、支持体５０の先端に設けられており中心線Ｘ０を中心とした円板状又は円柱状（以下、円板状を含めて円柱状という）の陰極４Ｆと、陰極４Ｆの周囲に設けられており中心線Ｘ０を中心とした円筒形状の電子進行調整部材５１とを有している。電子進行調整部材５１は導電性の金属物質によって形成されている。
【００７９】
引出し電極４６は導電性を有した金属、例えばステンレス鋼によって、中心線Ｘ０を中心とした円板形状に形成されている。引出し電極４６は電気的に接地されている。引出し電極４６の中心部には、マグネティックレンズユニット４３の内部へ延出する円筒形状の電子導管５３が設けられている。
【００８０】
（マグネティックレンズユニット４３）
マグネティックレンズユニット４３は、図１１（ａ）に示すように、２個の円板フレーム５４ａ及び５４ｂによって磁石体５６を挟持した構造となっている。円板フレーム５４ａ，５４ｂの中心部には、図１０の電子導管５３が貫通する孔５５が設けられている。磁石体５６は、外側リング部材５７と、可動板５８とを有している。可動板５８は、磁性体によって形成された内側リング部材５９と、内側リング部材５９に接着された磁石６０とを有している。内側リング部材５９は電子導管５３が貫通できる孔５９ａを有している。
【００８１】
磁石６０は複数、設けられている。具体的には、４個の磁石６０が中心線Ｘ０を中心とした円周方向に９０°の等角度間隔で設けられている。可動板５８は、図１０において矢印Ｄで示すように、中心線Ｘ０に沿って平行移動でき、そのように移動した後の任意の位置で外側リング部材５７に固定できるようになっている。
【００８２】
図１０及び図１１から明らかなように、引出し電極４６から延びている電子導管５３は、円板フレーム５４ａの孔５５、磁石体５６の内側リング部材５９の孔５９ａ、及び円板フレーム５４ｂの孔５５を貫通して中央管４４の管壁に達している。マグネティックレンズユニット４３内の可動板５８が図１０の矢印Ｄで示すように中心線Ｘ０に沿って平行移動すると、可動板５８内の磁石６０の電子導管５３に対する位置を変化させることができる。
【００８３】
４個の磁石６０はそれぞれ、自身のＮ極から出て電子導管５３を通って自身のＳ極へ入る磁力線を形成し、この磁力線によって電子導管５３内に磁界が形成され、電子導管５３内を飛翔する電子にこの磁界が作用する。この磁界の強さ、すなわち磁束密度は、電子導管５３に対する磁石６０の位置に応じて変化する。例えば、図１０においてマグネティックレンズユニット４３の軸方向の長さをＬとした場合、磁石６０が長さＬの中央位置Ｐ２にあるとき、電子導管５３内の磁束密度は図１１（ｂ）のグラフの曲線Ｍ１に示すように高い値を示す。一方、磁石６０が長さＬの端位置Ｐ３にあるとき、電子導管５３内の磁束密度は曲線Ｍ２に示すように低い値を示す。このように、電子導管５３に対する磁石６０の位置を変化させることにより、電子導管５３内の磁界の強さを変化させることができる。
【００８４】
（中央管４４）
図１０において、中央管４４の管壁は導電性且つ非磁性体の金属、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼によって形成されている。この管壁の適所には気体搬送管６３が連結されている。この気体搬送管６３を通して排気を行うことにより、陰極ユニット４２、マグネティックレンズユニット４３、中央管４４、及び陽極ユニット４５の各部の内部を真空又は真空に近い排気状態に設定できる。本実施形態では中央管４４は電気的に接地されている。
【００８５】
（陽極ユニット４５）
陽極ユニット４５は、中心線Ｘ０を中心として円筒形状のケーシング６４を有している。ケーシング６４は円柱形状の陽極６６を支持している。陽極６６は希望する波長のＸ線を出射できる金属材料によって形成されている。陽極６６はケーシング６４によって支持された状態で中央管４４の内部まで延出している。
【００８６】
（全体的な構成）
以上から明らかな通り、本実施形態の工業用Ｘ線管４１においては、陰極ユニット４２のケーシング４９、マグネティックレンズユニット４３の管壁、中央管４４の管壁、及び陽極ユニット４５のケーシング６４の各部材により、内部に空間を有した容器が形成されており、その容器の内部に陰極４Ｆ及び陽極６６が収納されている。
【００８７】
引出し電極４６及び中央管４４が接地されていることは既述した通りである。陰極４Ｆには、電界放電に基づいて電子を放出させるための所定の大きさの電圧Ｅ１が印加される。他方、陽極６６には、陰極４Ｆに対して所定の電位差を形成するように所定の電圧Ｅ２が印加される。陰極電圧Ｅ１及び陽極電圧Ｅ２は、いずれも、可変電圧となっている。
【００８８】
陰極電圧Ｅ１の印加により、引出し電極４６との間に好ましい引出し電位差が生じ、陰極４Ｆから電界放電に基づいて電子が放出される。放出された電子は電子導管５３の内部空間を飛翔し、マグネティックレンズユニット４３内で磁石６０によって形成された磁界によって図１２に示すように集束されて陽極６６の電子受光面、従ってＸ線放出面６６ａの微小領域に衝突する。陽極６６のＸ線放出面６６ａは電子が飛来してくる方向に対して傾斜している。そして、傾斜しているこのＸ線放出面６６ａの先方に図１０のＸ線取出し窓６７が設けられている。このＸ線取出し窓６７を通してＸ線が外部へ取り出される。
【００８９】
陰極ユニット４２内の陰極４Ｆ及び電子進行調整部材５１の先端部分は、図１２に示すような形状になっている。具体的には、陰極４Ｆは中心線Ｘ０を中心とした円柱形状であり、電子進行調整部材５１は陰極４Ｆを取り囲むリング形状、すなわち環形状、すなわち円筒形状である。陰極４Ｆの電子放出面４ａと電子進行調整部材５１の端面は、隙間無く且つ互いに段差を生じること無く滑らかに連続している。
【００９０】
電子進行調整部材５１は、平面である陰極４Ｆの電子放出面４ａに連続している平坦面６８と、その平坦面６８に連続していて電子放出面４ａの前方へ突出する突出面６９とを有している。平坦面６８及び突出面６９は、いずれも、中心線Ｘ０を中心としたリング形状である。平面である電子放出面４ａの個々の微小量域から放出される複数の電子は、概ね電子放出面４ａに対して直角の方向へ進行し、結果として略平行な電子束となって進行する。しかしながら、その電子束を形成する個々の電子線はそれ自体が発散成分を含んでおり、そのため電子束はある程度の発散を持っている。
【００９１】
本実施形態では、金属によって形成された電子進行調整部材５１に突出面６９を設けることにより、平面である電子放出面４ａから放出された略平行な電子束をより正確に平行に矯正することができた。そして、このように高精度に平行とされた電子束を磁石６０によるマグネティックレンズに供給するようにしたので、電子束は陽極６６の受光面６６ａ内の微小領域に高精度に収差無く集束できるようになった。このため、陽極６６から輝度の高いＸ線を放出することが可能となった。
【００９２】
突出面６９の形状は特定の形状に限定されるものではない。しかしながら、突出面６９の形状は滑らかな湾曲面であることが望ましい。また、本実施形態では突出面６９と陰極４Ｆとの間に平坦面６８を設けたが、平坦面６８を設けることなく、陰極４Ｆの端縁から直接に突出面６９を設けても良い。
【００９３】
本実施形態では、曲率がｒ１である断面円形の湾曲面と、曲率ｒ１とは異なる曲率である曲率ｒ２の断面円形の湾曲面とを連続させて突出面６９を形成した。より具体的には、外側の曲率ｒ１を内側の曲率ｒ２よりも小さくした（ｒ１＜ｒ２）。つまり、外側を緩やかな湾曲面とし、内側を急峻な湾曲面とした。しかしながら、突出面６９は、１種類の湾曲面によって形成しても良いし、あるいは３種類以上の湾曲面の連続によって形成することもできる。
【００９４】
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、図１又は図７に示した実施形態では、陰極４Ａを図３（ｂ）に示すような円柱形状の構成とした。しかしながら、陰極は図３（ａ）に示すような直径０．５〜１．０ｍｍの針形状の陰極４Ｂとすることができる。この陰極４ＢはマイクロフォーカスのＸ線ビームを形成する際に好適である。
【００９５】
また、陰極は図３（ｃ）に示すような幅０．５〜１．０ｍｍで長さが５．０〜２０ｍｍの線状の陰極４Ｃとすることができる。この陰極４ＣはラインフォーカスのＸ線ビームを形成する際に好適である。さらに、陰極は図３（ｄ）に示すような円筒形状の陰極４Ｄとすることができる。この陰極４Ｄは透過型ターゲットに対して好適に用いられる。
【００９６】
上記の実施形態では、図６（ａ）に示したように、矢印Ｂで示す１方向に結晶層を成長させることによって概ね平板状のグラファイトを形成した。しかしながら結晶層を成長させる方向は１方向に限られることはなく、複数方向とすることもできる。例えば、図８に示すように、放射状に延びる３方向Ｃ１〜Ｃ３に結晶層を成長させることによって、いわゆる花弁状のグラファイトを形成し、これを陰極４Ｅとして用いることもできる。
【符号の説明】
【００９７】
１．Ｘ線管、 ２．封入容器、 ２ａ．電子輸送管、 ３．測定対象物、 ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ．４Ｆ．陰極、 ４ａ．電子放出面、 ６．陽極、 ７．Ｘ線窓、 ８．支持枠（電子進行調整部材）、 ９．ヒータ、 １１．引出し電極、 １２．静電レンズ、 １３．マグネティックレンズ（磁気レンズ）、 １４．電圧印加回路（電圧制御手段）、 １６．コントローラ（電圧制御手段）、 １７．２次元Ｘ線検出器、 １８．電流計、 ２１．Ｘ線管、 ２２．台車、 ２３ａ，２３ｂ．車輪、 ２４．バッテリ、 ２５．容器、 ２６．陽極（透過型ターゲット）、 ２７．電気制御系、 ２８．通信用ケーブル、 ２９．操作入力ユニット、 ３０．電源回路、 ３１．パイプ、 ４１．工業用Ｘ線管、 ４２．陰極ユニット、 ４３．マグネティックレンズユニット、 ４４．中央管、 ４５．陽極ユニット、 ４６．引出し電極、 ４９．ケーシング、 ５０．支持体、 ５１．電子進行調整部材、 ５３．電子導管、 ５４ａ，５４ｂ．円板フレーム、 ５５．孔、 ５６．磁石体、 ５７．外側リング部材、 ５８．可動板、 ５９．内側リング部材、 ５９ａ．孔、 ６０．磁石、 ６３．管、 ６４．ケーシング、 ６６．陽極、 ６７．Ｘ線取出し窓、 ６８．平坦面、 ６９．突出面、 Ｂ．層成長方向、 Ｐ２．中央位置、 Ｐ３．端位置、 Ｒ．Ｘ線、 Ｖａ．陽極の電圧、 Ｖｇ．引出し電極の電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラントの配管パイプ等といった構造物の非破壊検査を行う際に用いられる工業用Ｘ線管であって、陰極から放出された電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の工業用Ｘ線管として、従来、フィラメントによって陰極を形成し、通電によりそのフィラメントから熱電子を放出させ、その熱電子を陽極に当てることによりその陽極からＸ線を発生する構成の工業用Ｘ線管が知られている。このＸ線管は熱陰極を用いたＸ線管である。このＸ線管は、高圧電源に加えてフィラメント電源が必要であるので大型で重いという問題点を有している。
【０００３】
Ｘ線管の分野ではないが、例えばディスプレイ、すなわち画像表示の分野において、カーボンナノチューブを用いて電界放出（Field Emission）に基づいて電子を放出する電子放出素子が知られている（例えば、非特許文献１、特許文献１）。また、Ｘ線管の分野でも、カーボンナノチューブを用いて電子放出素子を形成することが知られている（例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７）。この電子放出素子を用いたＸ線管は冷陰極型のＸ線管である。電界放出は、物質表面に強い電位を印加したときにその物質の表面から電子が放出される現象である。カーボンナノチューブは、六炭素環で構成される針状、すなわちアスペクト比（粒子長／粒子径）が非常に大きい状態、で管状の粒子である。
【０００４】
やはりディスプレイの分野において、グラファイト粒子を用いて電界放出に基づいて電子を放出する電子放出素子が知られている（例えば、特許文献２）。グラファイトとは、炭素六角網面（複数の六炭素環が連なって１つの層を構成している面）が複数個層状に積層されて成る層状構造物質である。
【０００５】
また、黒鉛ブロック、炭素棒、炭素フィルム又は炭素繊維の炭素六角網面の層方向に対して垂直にカットした端面を電子放出面とする電子放出素子が知られている（例えば、特許文献３）。
【０００６】
また、Ｘ線管ではないが、蛍光表示装置において、電子を放出する部分であるカソード構造体のエミッタ部分（電子放出部分）を柱状グラファイトによって構成したものが知られている（例えば、特許文献４）。柱状グラファイト、すなわちグラファイト構造が柱状に丸まって成る柱状構造、が複数個、ほぼ同一方向を向いて集合した構造がカーボンナノチューブである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−０９０８１３号公報（［００８２］〜［００９７］段落、図１０，１１，１２，１３，１４）
【特許文献２】特開２０００−０９０８１３号公報（［００６３］〜［００７６］段落、図２，７，８）
【特許文献３】特開２０００−１５６１４８号公報（第２〜３頁、図１，２）
【特許文献４】特開平１１−１３５０４２号公報（［００１９］〜［００２３］段落、図１）
【特許文献５】特開２００１−２５０４９６号公報（第３頁、図１）
【特許文献６】特開２００１−２６６７８０号公報（第３頁、図１）
【特許文献７】米国特許第６，４５６，６９１号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】斎藤弥八、「カーボンナノチューブフィールドエミッタ」、表面科学，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１，ｐｐ．３８−４３，２００２、三重大学工学部
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１及び特許文献１にはカーボンナノチューブによって電子放出素子を形成することが開示されている。また、特許文献２には、グラファイト粒子を用いて電界放出に基づいて電子を放出する電子放出素子が開示されている。また、特許文献３には、黒鉛ブロック、炭素棒、炭素フィルム又は炭素繊維等といった物質を、それらの構成要素である炭素六角網面の層方向に対して垂直にカットした後の端面を電子放出面とする電子放出素子が開示されている。
【００１０】
特許文献４には、柱状グラファイトによって電子放出素子を形成することが開示されている。ここで、柱状グラファイトとは、複数のカーボンナノチューブが同一方向を向いて集合した構造体とされている。さらに、カーボンナノチューブとは、グラファイトの単層（すなわちグラフェン）が円筒状に閉じた形状か、又は複数のグラファイトの層（すなわち複数のグラフェン）が入れ子構造的に積層し、それぞれのグラファイト層が円筒状に閉じた同軸多層構造とされている。
【００１１】
しかしながら、上記の各文献には、電子放出素子をＸ線発生装置の構成要素として用いることの記載は認められない。従って、当然のことながら、電子放出素子から放出された電子を陽極の微小領域に集束させることに関する記載はなく、さらには、電子放出素子の電子放出面の形状を工夫することによって陽極に対する電子の集束性を向上させるということについての記載も認められない。
【００１２】
特許文献５及びその対応米国特許である特許文献７の各文献には、陰極のエミッタをカーボンナノチューブで形成し、その陰極から放出された電子を陽極に衝突させ、その衝突領域からＸ線を発生させる構成を有したＸ線発生装置が開示されている。さらに、エミッタから放出された電子をウエネルトによって陽極の表面の微小領域に集束させることが開示されている。
【００１３】
しかしながら、これらの文献に開示されたＸ線発生装置においては、エミッタの広い領域から出た電子の全てを陽極の表面の微小領域へ正確に集束させることが難しかった。本発明者によれば、これは、エミッタから出てウエネルトを通過する電子の進行方向にバラツキがあるためではないかと思われる。
【００１４】
また、特許文献５及び特許文献７の各文献には、陰極のエミッタの電子放出面の形状を平面、凹面又は凸面にすることができることが開示されている。そして、エミッタの表面を凹面や凸面といった曲面にすれば、電子ビームの集束性を改善できることが記載されている。しかしながら、本発明者によれば、エミッタの電子放出面を曲面に設定した場合であっても、希望通りの集束性の改善が得られないことが分かった。その原因は、曲面を成しているエミッタの電子放出面から出た電子に関しては球面収差が生じるためだと考えられる。
【００１５】
また、特許文献５及び特許文献７の各文献に開示されたＸ線発生装置においては、陰極のエミッタの表面を平面に設定し、そのエミッタから放出された電子をウエネルトによって陽極上に集束するようにした構成が開示されている。しかしながら、本発明の検討によれば、その構成を採用した場合でも、期待通りに高い電子の集束性は得られなかった。その原因は、ウエネルトに入る前の電子の進行方向にバラツキがあるためと考えられる。
【００１６】
本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、小型であり、軽量であり、しかも電子を陽極上へ正確に集束させることにより輝度の高いＸ線を発生することができる工業用Ｘ線管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】
【００１７】
本発明に係る工業用Ｘ線管は、内部が真空である容器のその内部に陰極及び陽極を収納して成り、陰極で発生した電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管において、前記陰極の電子放出面の周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材と、前記陰極と前記陽極との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズとを有しており、前記陰極は炭素又は炭素化合物によって形成されており、前記陰極の電子放出面は平らな面であることを特徴とする。
【００１８】
上記構成において「平らな面」は、大きな凹面や凸面を除く意味であり、誤差なく完全に平らな面という意味ではない。わずかに傾斜していたり、わずかに凹凸を有するような面であっても、マグネティックレンズによって所望の電子の集束性が得られるような平行性を有する電子束を形成できるような面でありさえすれば、そのような面も平らな面に属するものである。
【００１９】
本発明に係る工業用Ｘ線管によれば、フィラメントによって陰極を形成し、そのフィラメントを加熱することによってそのフィラメントから電子を放出するのではなく、炭素又は炭素化合物によって陰極を形成し、その陰極に所定の電圧を印加することによって電子を放出するようにした。このため、フィラメント電源が不要となり、小型で軽量のＸ線管を製造できるようになった。
【００２０】
また、フィラメントを用いた場合には太くて剛性の高い電源ケーブルをＸ線発生部につなげる必要があり、可搬性（持ち運び性）やパイプライン中での自走性（自身で移動する性質）が損なわれていた。これに対し、本発明の工業用Ｘ線管は、高い可搬性及び高い自走性の両方を達成できる。
【００２１】
また、本発明の工業用Ｘ線管では、陰極の電子放出面を平らな面とし、さらにその電子放出面の周囲に電子進行調整部材を設けたので、電子の進行状態をマグネティックレンズが効果的に機能できる状態に合わせることが可能となった。マグネティックレンズが効果的に機能すれば電子束の集束性を高めることができ、電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。輝度の高いＸ線を用いれば、分解能の高い測定結果を得ることができる。
【００２２】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は、前記陰極の平らな電子放出面から放出される電子の進行方向が当該電子放出面に対する直角方向に近づくように電子の進行を調整することができ、前記マグネティックレンズは、前記電子進行調整部材によって進行が調整された電子を集束させることができる。
【００２３】
この発明態様によれば、電子進行調整部材の作用によって平行性が向上した電子束をマグネティックレンズへ入れるようにしたので、マグネティックレンズによって電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。
【００２４】
本発明に係る工業用Ｘ線管においては、前記陰極と前記マグネティックレンズとの間の電子の進行路の周囲に、引出し電極を設けるか、静電レンズを設けるか、又は引出し電極及び静電レンズの両方を設けることができる。ここで、引出し電極には前記陰極から電子を引き出すことができる電圧が印加される。また、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させるための電圧が印加される。引出し電極と静電レンズの両方を設ける場合は、引出し電極とマグネティックレンズとの間に静電レンズを設けることが望ましい。
【００２５】
上記構成の工業用Ｘ線管において、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させると共に電子束の平行度を高めるための電圧を印加することができる。これにより、マグネティックレンズに向かう電子の束をより一層平行に形成することができる。
【００２６】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記炭素又は炭素化合物は、カーボンナノ構造体、グラファイト、グラッシーカーボン、及びカーボンファイバーから選択される任意の一つであることが望ましい。この構成により、陰極を熱陰極ではない冷陰極として機能させることができ、工業用Ｘ線管を小型且つ軽量に形成できる。
【００２７】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は導電性物質によって形成することができる。これにより、陰極の電子放出面から放出される電子の進行の調整を効果的に行うことができる。
【００２８】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記陰極の電子放出面と前記電子進行調整部材の表面は、互いに隙間無く且つ互いに段差を生じること無く連続する構成とすることができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００２９】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記電子進行調整部材は前記陰極の電子放出面の前方へ突出する突出面を有することができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００３０】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記突出面は滑らかな湾曲面とすることができる。これにより、電子進行調整部材によって電子の進行を矯正する機能を一層効果的に実現することが可能となる。
【００３１】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記突出面は異なった曲率の複数の湾曲面が連続している面であるとすることができる。これにより、陰極の電子放出面から出る電子の進行方向を希望する方向へ正確に矯正できるようになる。
【００３２】
本発明に係る工業用Ｘ線管において、前記陰極を１０００℃以上に加熱するヒータを設けることができる。これにより、陰極のための清浄化処理であるフラッシング処理を実行できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る工業用Ｘ線管によれば、フィラメントによって陰極を形成し、そのフィラメントを加熱することによってそのフィラメントから電子を放出するのではなく、炭素又は炭素化合物によって陰極を形成し、その陰極に所定の電圧を印加することによって電子を放出するようにした。このため、フィラメント電源が不要となり、小型で軽量のＸ線管を製造できるようになった。
【００３４】
また、フィラメントを用いた場合には太くて剛性の高い電源ケーブルをＸ線発生部につなげる必要があり、可搬性（持ち運び性）やパイプライン中での自走性（自身で移動する性質）が損なわれていた。これに対し、本発明の工業用Ｘ線管は、高い可搬性及び高い自走性の両方を達成できる。
【００３５】
また、本発明の工業用Ｘ線管では、陰極の電子放出面を平らな面とし、さらにその電子放出面の周囲に電子進行調整部材を設けたので、電子の進行状態をマグネティックレンズが効果的に機能できる状態に合わせることが可能となった。マグネティックレンズが効果的に機能すれば電子束の集束性を高めることができ、電子を陽極上の特定領域にボケを生じさせること無く正確に集束させることができるようになった。そして、これにより、陽極から輝度の高いＸ線を発生させることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る工業用Ｘ線管の一実施形態の断面図である。
【図２】図１のＸ線管の主要部である陰極及びその周辺の構成を示す断面図である。
【図３】陰極の変形例を示す図である。
【図４】陰極と陽極との間の電圧−電流特性のグラフを示す図である。
【図５】陰極の構成物質であるグラファイトの電子顕微鏡写真を示す図である。
【図６】グラファイトの層成長過程を模式的に示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】本発明に係る工業用Ｘ線管の他の実施形態の断面図である。
【図８】陰極の変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態の断面図である。
【図１１】図１０の構造の主要部を示す斜視図である。
【図１２】図１０の構造の他の主要部を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係る工業用Ｘ線管を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
【００３８】
（工業用Ｘ線管の第１の実施形態）
図１は、本発明に係る工業用Ｘ線管の一実施形態の断面図を示している。本実施形態のＸ線管１はセラミック（例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３））製又はガラス製の封入容器２を有している。封入容器２は円筒形状であり、その内部は真空に維持されている。封入容器２は、固体モールド、絶縁油含侵、高圧絶縁ガス封入、等の方法により電気絶縁を行った上で、可搬型の容器（図示せず）に収納される。封入容器２は、測定対象物３、例えば建築構造物のフレーム等、の所まで測定者によって持ち運ばれる。
【００３９】
封入容器２の内部の一端側（図１の下端側）に陰極４Ａが設けられ、他端側（図１の上端側）に陽極６が設けられている。一般に、高電圧に晒される構造体においては、空気、絶縁体、金属の３重点から沿面放電を発することが知られている。本実施形態では、その沿面放電を防止するために、セラミック製の封入容器２の端部を窪ませて陰極４Ａや陽極６を設けている。
【００４０】
本実施形態のＸ線管では、例えば２００ｋＶの高電圧が陰極４Ａと陽極６との間に印加され、最高で２００ｋｅＶのエネルギのＸ線が陽極６から発生し、厚さ５０ｍｍ以上の鉄製パイプのＸ線透過像が撮影される。このような高エネルギのＸ線はセラミック製の容器を容易に透過するため、本実施形態では、Ｘ線を封入容器２の外部へ取り出すための特別なＸ線窓は、封入容器２には設けられていない。
【００４１】
但し、食品等の透過撮影のように２０ｋｅＶ以下の低エネルギ領域を使用する際には、例えば陽極６の近傍であって符号７で示す部分に、例えばＢｅ（ベリリウム）によってＸ線透過用の窓を設ける。
【００４２】
陰極４Ａは、図２に示すように、導電性及び熱伝導性を有する支持枠８によって支持されている。支持枠８は、例えばステンレス鋼によって形成されている。支持枠８の周囲には加熱手段としてのヒータ９が設けられている。
【００４３】
支持枠８は、例えば図３（ｂ）に示すように、円筒形状に形成されている。陰極４Ａは、支持枠８の先端に設けた断面円形状の凹部空間内に収容されており、円柱形状に形成されている。陰極４Ａは、その長さは例えば１００μｍ以上であり、その直径は例えば１．０〜２０ｍｍの範囲内の適宜の値である。この寸法の円柱形状の陰極４Ａは大電流を流すことを目標とする場合に好適である。
【００４４】
陰極４Ａは、後で詳しく説明するように、炭素六角網面（すなわち、グラフェン）から成る層を複数枚積層して成る物質であるグラファイトによって形成されている。そして、それら複数枚の炭素六角網面を積層方向と平行の方向で切断してできた端面４ａ（図２参照）が電子放出面となっている。
【００４５】
なお、グラファイトは炭素又は炭素化合物として括られる物質に含まれる１つの物質であるが、陰極４Ａはグラファイト以外の炭素又は炭素化合物によって形成することもできる。そのような炭素又は炭素化合物は、例えばカーボンナノ構造体、グラッシーカーボン、カーボンファイバー等である。また、カーボンナノ構造体は、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nanotube）、カーボンナノウォール（ＣＮＷ：Carbon nanowall）である。ここで、カーボンナノチューブは、炭素六角網面（グラフェン）のシートが単層の管状又は多層の同軸管状になった物質である。また、カーボンナノウォールは、多層のグラフェンシートの個々が基板から垂直に成長して存在しており、それらのグラフェンシートが基板表面に沿って連なって成る物質である。
【００４６】
電子放出面４ａは湾曲していない平らな面（以下、平面ということがある）となっている。また、導電性の金属によって形成されている支持枠８の先端部分は、電子放出面４ａの周囲の環状領域の全域に位置していて、電子放出面４ａから放出される電子の進行を調整する機能を果たす部材、すなわち電子進行調整部材として機能する。
【００４７】
一般に、平面である電子放出面４ａからは、概ね電子放出面４ａに対して直角の方向に進行する電子が発生するが、この電子はその性質上、わずかに発散している。金属によって形成された支持枠８の先端部分は、平面である電子放出面４ａからわずかに発散しながら進行する電子の進行方向を電子放出面４ａに対して直角の方向へ矯正する。この結果、電子放出面４ａから放出される電子の束（すなわち電子ビーム）は、電子放出面４ａに対して直角方向へ平行状態で進行する電子の束となっている。なお、電子の束を形成する個々の電子線はそれ自身はわずかな発散成分を含んでいるので、上記の電子の束は完全な平行状態ではないが、機能的には平行な電子の束（すなわち電子ビーム）と考えて差し支えない。
【００４８】
図１において、陰極４Ａから陽極６に至る電子の進行経路に沿って、陰極４Ａ側から順に、引出し電極（すなわち、グリッド）１１、静電レンズ１２、マグネティックレンズ（すなわち磁気レンズ）１３が、それぞれ、設けられている。引出し電極１１及び静電レンズ１２は封入容器２の内部に設けられ、マグネティックレンズ１３は封入容器２の電子輸送管２ａの外部に設けられている。
【００４９】
本実施形態のＸ線管は、陽極６が電気的に設置されていて、いわゆるユニポーラ方式のＸ線管となっている。電圧印加回路１４はコントローラ１６からの指令に従って、陰極４Ａへ所定の電圧を印加し、引出し電極１１の陰極４Ａに対する電圧Ｖｇを制御し、結果的に陽極６の陰極４Ａに対する電圧Ｖａを制御する。電圧印加回路１４は、また、静電レンズ１２へ所定の電圧を印加する。マグネティックレンズ１３は本実施形態では永久磁石である。マグネティックレンズ１３は電磁石とすることもできる。電圧印加回路１４とコントローラ１６は協働して、陰極−陽極間の電圧を制御するための電圧制御手段を構成している。
【００５０】
陰極４Ａに所定の電圧が印加され、さらに引出し電極１１に引出し電圧Ｖｇが印加されると、陰極４Ａの電子放出面４ａから電界放出（Field Emission）に基づいて電子が放出される。この電子は陰極４Ａと陽極６との間の電圧Ｖａによって加速されて、陽極６へ衝突し、その部分からＸ線Ｒが発生し、Ｘ線窓７から外部へ取り出される。このＸ線Ｒを測定対象物３に照射し、測定対象物３を透過したＸ線によって２次元Ｘ線検出器１７を露光する。このＸ線露光により、２次元Ｘ線検出器１７の受光面にＸ線像が形成され、このＸ線像を観察することにより、測定対象物３の特性、例えば傷や欠陥があるか否か等、を検査することができる。
【００５１】
２次元Ｘ線検出器は、例えばＸ線フィルムや、イメージングプレートや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）検出器や、半導体ピクセル検出器等によって構成される。静電レンズ１２及びマグネティックレンズ１３は、それぞれ、電子の軌道を適宜に修正する。
【００５２】
具体的には、静電レンズ１２は、導電性の金属材料によって形成されており、その形状を適宜に調整すると共に印加電圧を適宜に調整することにより、陰極４Ａの電子放出面４ａから放出された平行な電子の束をより一層正確に平行に形成すると共に、電子の飛翔速度をより一層加速する。なお、電子放出面４ａの平面性及び電子進行調整部材としての支持枠８の先端部分の協働によって正確な平行Ｘ線束が形成される場合には、静電レンズ１２によって電子束を平行にする機能は実行しなくても良い場合がある。
【００５３】
また、マグネティックレンズ１３は、具体的には、陰極４Ａの電子放出面４ａから放出された平行な電子束、場合によっては静電レンズ１２によってさらに平行度を高められた平行電子束を、陽極６の電子受光面の微小領域に集束させる。そして、電子が衝突したこの微小領域からＸ線Ｒが発生する。マグネティックレンズ１３に入る電子束が正確に平行に設定されていれば、マグネティックレンズ１３はその電子束を微小領域に正確に集束させることができる。
【００５４】
陰極４Ａと陽極６とを結ぶ回路中に電流計１８が設けられている。電流計１８は、例えば抵抗及び電圧計測回路で構成されている。電流計１８の出力信号はコントローラ１６に伝送される。コントローラ１６は、マイクロプロセッサ及びメモリを含んで構成されている。メモリの内部には、陽極電圧Ｖａと陽極を流れる電流Ｉとの関係を示すグラフである図４の電圧−電流特性を記憶する領域が設定されている。
【００５５】
コントローラ１６は、測定を行っている間の任意の１回又は複数回のタイミングで電圧−電流特性を測定し、メモリ内の所定の記憶領域にその特性データを記憶する。Ｘ線測定が継続して行われると、陰極４Ａの放電特性が経時変化することが考えられる。陰極４Ａの放電特性が経時変化すると、陽極６を流れる電流値に変化が生じることがあるが、コントローラ１６は電圧−電流特性に従って最適な電圧を選定できる。
【００５６】
なお、陰極４Ａの放電特性が経時変化することの原因の１つとして、陰極４Ａを構成するグラファイトの形状が変化することが考えられる。また、Ｘ線管を繰り返して使用すること、及び陰極の清浄化処理であるフラッシング処理を繰り返して行うこと、等により陰極の表面汚染の度合いや陰極の長さが変化していくことも考えられる。
【００５７】
図５は、図２の陰極４Ａの電子放出面４ａを走査型電子顕微鏡で矢印Ａ方向から撮影した写真、いわゆるＳＥＭ写真である。図５（ａ）から明らかなように、シート状のグラフェン、すなわち炭素六角網面が多数枚、電子放出方向（図５（ａ）の紙面垂直方向すなわち紙面を貫通する方向）と平行に並んでいる。図５（ｂ）は切断された後の電子放出面４ａを示しており、先端部分が斜め方向へ傾いている状態が示されている。この場合でも、多数枚の炭素六角網面が電子放出方向（図５（ｂ）の紙面垂直方向）と平行に並んでいることが視認できる。
【００５８】
本実施形態の陰極４Ａ、すなわちグラファイトは、図６（ａ）に模式的に示すように層状結晶であり、層成長方向Ｂは結晶軸のｃ軸方向である。すなわち、各炭素六角網面の層のｃ軸方向は一致している。一方、互いに積層されている各炭素六角網面の層内の結晶軸であるａ軸及びｂ軸は、図６（ｂ）に模式的に示すように、各層の（００１）面内で互いに角度的にランダムに（すなわち無秩序に）ずれている。
【００５９】
そして、結晶軸がずれている状態で積層している複数の炭素六角網面がｃ軸方向（すなわち炭素六角網面の積層方向：図６（ｂ）の紙面を透過する方向）に平行な面Ｐ１で切断され、その切断面が電子放出面として用いられる。このように、陰極４Ａであるグラファイトを構成する多層の炭素六角網面のａ軸及びｂ軸が各層間でランダムにずれていることにより、それらを切断して得られた電子放出面から効率良く多量の電子を放出することが可能となった。
【００６０】
グラファイトを原子レベルで見ると、グラファイトは厚さ１０〜数１００ｎｍの炭素六角網面（すなわち、グラフェンシート）の積層構造体であり、シート面内はπ電子による電気伝導により、電気抵抗が小さく、仕事関数も小さく、電子放出体として最適である。
【００６１】
陰極４Ａ、すなわちグラファイトの製造方法としては、例えば、テフロン（登録商標）のようなグラファイト前駆体を例えば１１００℃で成型し、真空中で加熱して結晶化させ、成型後に４００℃〜６００℃で１時間以上の真空中アニール処理を行って脱ガスするという方法が考えられる。結晶化は、各層の結晶軸のａ軸及びｂ軸が互いにランダムにずれるように行われる。
【００６２】
あるいは、グラファイト単結晶を切断してグラファイトを製造することもできる。この場合、端面に機械的な力を加えると炭素六角網面が折れるおそれがあるので、表面形状を整えるためにＡｒ（アルゴン）イオンエッチング、酸素プラズマ等を用いることができる。成型後に４００℃〜６００℃で１時間以上の真空中アニール処理を行って脱ガスする。グラファイトの製造の際には、炭素六角網面の各層の結晶軸のａ軸及びｂ軸がランダムにずれるように行われる。
【００６３】
Ｘ線測定を繰返して行うと、陰極４Ａの端面である電子放出面４ａから陰極物質が昇華して行く。また、不純物による汚染や、陽極６からの金属イオンの衝撃による欠陥発生等により、陰極４Ａの表面の特性は劣化する。特性劣化が生じたと判断された場合には、コントローラ１６は、Ｘ線測定が行われていない適宜のタイミングでヒータ９に通電してこれを発熱させ、陰極４Ａを例えば１０００℃以上に加熱する。この加熱により、陰極４Ａの表面が真空中で昇華し、劣化等した表面が除去され、当該陰極４Ａの表面が清浄化される。この清浄化により、陰極における電界放出特性の劣化を防ぎ、長寿命化を達成できる。この清浄化処理は、フラッシング処理と呼ばれることがあり、必要に応じて適時に複数回実行される。
【００６４】
なお、ヒータ９を用いて陰極４Ａを加熱することに代えて、陰極４Ａそれ自身、すなわちグラファイトそれ自身に電流を流すことにより当該陰極４Ａを加熱することもできる。
【００６５】
（工業用Ｘ線管の第２の実施形態）
図７は、本発明に係る工業用Ｘ線管の他の実施形態の断面図を示している。図７において、図１に示した構成要素と同じ構成要素は同じ符号を付して示すものとして、その説明は省略する。
【００６６】
図１に示したＸ線管１においては、陰極４Ａから放出された電子を陽極６に衝突させ、当該陽極６の前方側へＸ線を放射させた。これに対し、図７に示すＸ線管２１では、陽極２６として透過型ターゲットを用いている。陰極４Ａから放出された電子が陽極２６に衝突すると、当該陽極２６の後方側へＸ線が出射する。
【００６７】
透過型ターゲットとしては、例えばＷ（タングステン）とＢｅ（ベリリウム）とを積層して成るシートを用いる。Ｘ線管の内側にＷを配置すると、加速された電子はＷシートに衝突して白色Ｘ線及び蛍光Ｘ線を発生し、それらのＸ線がＢｅシートを透過する。減速した電子は導電性であるターゲットを通じて電源に回収される。Ｗ及びＢｅシートの厚さは、Ｘ線管から取り出すＸ線エネルギに応じてＸ線吸収を計算し、それに基づいて最適値に設定される。
【００６８】
（工業用Ｘ線管の第３の実施形態）
図９は本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態を示している。この実施形態に係るＸ線管は図１に示したＸ線管１である。もちろん、このＸ線管１を図７に示したＸ線管２１又はその他近似の構成を有したＸ線管とすることもできる。
【００６９】
Ｘ線管１は、バッテリ２４、電源回路３０及び電気制御系２７と共に、固体モールド、絶縁油含侵、高圧絶縁ガス封入、等の方法により電気絶縁を行った上で、可搬型の容器２５に収納されている。そして、その容器２５が台車２２上に固定されている。台車２２は車輪２３ａ，２３ｂを有している。車輪２３ａ，２３ｂの少なくとも１つは動力源によって駆動される駆動輪である。動力源を含んだ駆動系の図示は省略している。なお、容器２５を台車２２に載せることに代えて、容器２５に直接、車輪２３ａ，２３ｂを設けても良い。電気制御系２７は、例えば、図１に示した電圧印加回路１４及びコントローラ１６を含んでいる。
【００７０】
電気制御系２７から容器２５の外部へ通信用ケーブル２８が延びており、その通信用ケーブル２８の先端に操作入力ユニット２９が接続されている。操作入力ユニット２９はボタンスイッチ、入力量調整スイッチ等といった各種のスイッチを備えており、測定者によって操作される。通信用ケーブル２８は、可撓性、柔軟性を備えた軽い線材であり、台車２２の動きに良好に追従する。
【００７１】
台車２２は、Ｘ線管１、バッテリ２４、電源回路３０及び電気制御系２７を載せた状態で、測定対象であるパイプ３１の中に配置される。パイプ３１は、例えばプラント内の配管である。台車２２は、測定者による操作入力ユニット２９の操作により、パイプ３１の内部を走行して任意の測定個所に配置される。台車２２従ってＸ線管１が所定個所に配置されると、測定者の指示に応じてＸ線管１からＸ線Ｒが放射され、パイプ３１の外部に設置されたＸ線検出器１７にパイプ３１のＸ線撮影像が結像される。
【００７２】
従来の工業用Ｘ線管は陰極としてフィラメントを用い、このフィラメントを通電によって発熱させて熱電子を放出させ、この熱電子からＸ線を得ていた。この場合には、フィラメントに高電圧を印加して大電流を供給する必要があった。高電圧及び大電流の供給にあたっては、太くて剛性の高い電源ケーブルが必要であった。このため、従来の工業用Ｘ線管を測定対象であるパイプの中で走行させて測定を行うことには困難が伴っていた。特に、パイプが曲がっている場合には測定が非常に困難であった。
【００７３】
本実施形態に係る工業用Ｘ線管１においては陰極がグラファイトによって形成され、電界放出に基づいて電子を発生させるので、フィラメントを用いた場合のような大電流を供給する必要がない。従って、本実施形態で用いるバッテリ２４は小型であり、太くて剛性の高い電源ケーブルも不要である。容器２５の外部へ延び出る線状部材としては電気信号を伝送するための細くて柔軟性のある通信用ケーブルだけで済む。そのため、Ｘ線管１及び小型のバッテリ２４を搭載した台車２２は大きな負荷を受けることなく、パイプ３１の中を自由に走行でき、Ｘ線管１はＸ線測定を支障なく行うことができる。
【００７４】
なお、電気制御系２７と操作入力ユニット２９とは、通信用ケーブル２８に代えて、無線ＬＡＮを用いることできる。こうすれば、台車２２のパイプ３１内での走行が、さらに、自由になる。また、自走機能を持ったＸ線管１は、人が到達できない高所の配管や、複雑に入り組んだ配管密集部等に対する測定を容易に実行できる。
【００７５】
グラフェン各層間で結晶軸をランダムにずらせてあるグラファイトを用いた本実施形態のＸ線管１は、消費電力が非常に低い。このため、例えば、８０Ｗｈのリチウム・イオンバッテリを搭載し、５０ＷのＸ線管を１時間以上駆動可能である。
【００７６】
（工業用Ｘ線管の第４の実施形態）
図１０は本発明に係る工業用Ｘ線管のさらに他の実施形態を示している。この実施形態は、陰極及び陽極以外の部分が接地され、陰極及び陽極の両極に電圧が印加される方式、いわゆるバイポーラ方式のＸ線管に本発明を適用した場合の実施形態である。
【００７７】
本実施形態の工業用Ｘ線管４１は、陰極ユニット４２と、マグネティックレンズユニット４３と、中央管４４と、陽極ユニット４５とを有している。陰極ユニット４２とマグネティックレンズユニット４３は引出し電極４６を挟んで互いに気密に連結されている。マグネティックレンズユニット４３と中央管４４は互いに気密に連結されている。中央管４４と陽極ユニット４５は互いに気密に連結されている。
【００７８】
（陰極ユニット４２）
陰極ユニット４２は、金属製、例えばステンレス製で中心線Ｘ０を中心とした円筒形状のケーシング４９と、ケーシング４９に支持されてその内部に延出している支持体５０と、支持体５０の先端に設けられており中心線Ｘ０を中心とした円板状又は円柱状（以下、円板状を含めて円柱状という）の陰極４Ｆと、陰極４Ｆの周囲に設けられており中心線Ｘ０を中心とした円筒形状の電子進行調整部材５１とを有している。電子進行調整部材５１は導電性の金属物質によって形成されている。
【００７９】
引出し電極４６は導電性を有した金属、例えばステンレス鋼によって、中心線Ｘ０を中心とした円板形状に形成されている。引出し電極４６は電気的に接地されている。引出し電極４６の中心部には、マグネティックレンズユニット４３の内部へ延出する円筒形状の電子導管５３が設けられている。
【００８０】
（マグネティックレンズユニット４３）
マグネティックレンズユニット４３は、図１１（ａ）に示すように、２個の円板フレーム５４ａ及び５４ｂによって磁石体５６を挟持した構造となっている。円板フレーム５４ａ，５４ｂの中心部には、図１０の電子導管５３が貫通する孔５５が設けられている。磁石体５６は、外側リング部材５７と、可動板５８とを有している。可動板５８は、磁性体によって形成された内側リング部材５９と、内側リング部材５９に接着された磁石６０とを有している。内側リング部材５９は電子導管５３が貫通できる孔５９ａを有している。
【００８１】
磁石６０は複数、設けられている。具体的には、４個の磁石６０が中心線Ｘ０を中心とした円周方向に９０°の等角度間隔で設けられている。可動板５８は、図１０において矢印Ｄで示すように、中心線Ｘ０に沿って平行移動でき、そのように移動した後の任意の位置で外側リング部材５７に固定できるようになっている。
【００８２】
図１０及び図１１から明らかなように、引出し電極４６から延びている電子導管５３は、円板フレーム５４ａの孔５５、磁石体５６の内側リング部材５９の孔５９ａ、及び円板フレーム５４ｂの孔５５を貫通して中央管４４の管壁に達している。マグネティックレンズユニット４３内の可動板５８が図１０の矢印Ｄで示すように中心線Ｘ０に沿って平行移動すると、可動板５８内の磁石６０の電子導管５３に対する位置を変化させることができる。
【００８３】
４個の磁石６０はそれぞれ、自身のＮ極から出て電子導管５３を通って自身のＳ極へ入る磁力線を形成し、この磁力線によって電子導管５３内に磁界が形成され、電子導管５３内を飛翔する電子にこの磁界が作用する。この磁界の強さ、すなわち磁束密度は、電子導管５３に対する磁石６０の位置に応じて変化する。例えば、図１０においてマグネティックレンズユニット４３の軸方向の長さをＬとした場合、磁石６０が長さＬの中央位置Ｐ２にあるとき、電子導管５３内の磁束密度は図１１（ｂ）のグラフの曲線Ｍ１に示すように高い値を示す。一方、磁石６０が長さＬの端位置Ｐ３にあるとき、電子導管５３内の磁束密度は曲線Ｍ２に示すように低い値を示す。このように、電子導管５３に対する磁石６０の位置を変化させることにより、電子導管５３内の磁界の強さを変化させることができる。
【００８４】
（中央管４４）
図１０において、中央管４４の管壁は導電性且つ非磁性体の金属、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼によって形成されている。この管壁の適所には気体搬送管６３が連結されている。この気体搬送管６３を通して排気を行うことにより、陰極ユニット４２、マグネティックレンズユニット４３、中央管４４、及び陽極ユニット４５の各部の内部を真空又は真空に近い排気状態に設定できる。本実施形態では中央管４４は電気的に接地されている。
【００８５】
（陽極ユニット４５）
陽極ユニット４５は、中心線Ｘ０を中心として円筒形状のケーシング６４を有している。ケーシング６４は円柱形状の陽極６６を支持している。陽極６６は希望する波長のＸ線を出射できる金属材料によって形成されている。陽極６６はケーシング６４によって支持された状態で中央管４４の内部まで延出している。
【００８６】
（全体的な構成）
以上から明らかな通り、本実施形態の工業用Ｘ線管４１においては、陰極ユニット４２のケーシング４９、マグネティックレンズユニット４３の管壁、中央管４４の管壁、及び陽極ユニット４５のケーシング６４の各部材により、内部に空間を有した容器が形成されており、その容器の内部に陰極４Ｆ及び陽極６６が収納されている。
【００８７】
引出し電極４６及び中央管４４が接地されていることは既述した通りである。陰極４Ｆには、電界放電に基づいて電子を放出させるための所定の大きさの電圧Ｅ１が印加される。他方、陽極６６には、陰極４Ｆに対して所定の電位差を形成するように所定の電圧Ｅ２が印加される。陰極電圧Ｅ１及び陽極電圧Ｅ２は、いずれも、可変電圧となっている。
【００８８】
陰極電圧Ｅ１の印加により、引出し電極４６との間に好ましい引出し電位差が生じ、陰極４Ｆから電界放電に基づいて電子が放出される。放出された電子は電子導管５３の内部空間を飛翔し、マグネティックレンズユニット４３内で磁石６０によって形成された磁界によって図１２に示すように集束されて陽極６６の電子受光面、従ってＸ線放出面６６ａの微小領域に衝突する。陽極６６のＸ線放出面６６ａは電子が飛来してくる方向に対して傾斜している。そして、傾斜しているこのＸ線放出面６６ａの先方に図１０のＸ線取出し窓６７が設けられている。このＸ線取出し窓６７を通してＸ線が外部へ取り出される。
【００８９】
陰極ユニット４２内の陰極４Ｆ及び電子進行調整部材５１の先端部分は、図１２に示すような形状になっている。具体的には、陰極４Ｆは中心線Ｘ０を中心とした円柱形状であり、電子進行調整部材５１は陰極４Ｆを取り囲むリング形状、すなわち環形状、すなわち円筒形状である。陰極４Ｆの電子放出面４ａと電子進行調整部材５１の端面は、隙間無く且つ互いに段差を生じること無く滑らかに連続している。
【００９０】
電子進行調整部材５１は、平面である陰極４Ｆの電子放出面４ａに連続している平坦面６８と、その平坦面６８に連続していて電子放出面４ａの前方へ突出する突出面６９とを有している。平坦面６８及び突出面６９は、いずれも、中心線Ｘ０を中心としたリング形状である。平面である電子放出面４ａの個々の微小量域から放出される複数の電子は、概ね電子放出面４ａに対して直角の方向へ進行し、結果として略平行な電子束となって進行する。しかしながら、その電子束を形成する個々の電子線はそれ自体が発散成分を含んでおり、そのため電子束はある程度の発散を持っている。
【００９１】
本実施形態では、金属によって形成された電子進行調整部材５１に突出面６９を設けることにより、平面である電子放出面４ａから放出された略平行な電子束をより正確に平行に矯正することができた。そして、このように高精度に平行とされた電子束を磁石６０によるマグネティックレンズに供給するようにしたので、電子束は陽極６６の受光面６６ａ内の微小領域に高精度に収差無く集束できるようになった。このため、陽極６６から輝度の高いＸ線を放出することが可能となった。
【００９２】
突出面６９の形状は特定の形状に限定されるものではない。しかしながら、突出面６９の形状は滑らかな湾曲面であることが望ましい。また、本実施形態では突出面６９と陰極４Ｆとの間に平坦面６８を設けたが、平坦面６８を設けることなく、陰極４Ｆの端縁から直接に突出面６９を設けても良い。
【００９３】
本実施形態では、曲率がｒ１である断面円形の湾曲面と、曲率ｒ１とは異なる曲率である曲率ｒ２の断面円形の湾曲面とを連続させて突出面６９を形成した。より具体的には、外側の曲率ｒ１を内側の曲率ｒ２よりも小さくした（ｒ１＜ｒ２）。つまり、外側を緩やかな湾曲面とし、内側を急峻な湾曲面とした。しかしながら、突出面６９は、１種類の湾曲面によって形成しても良いし、あるいは３種類以上の湾曲面の連続によって形成することもできる。
【００９４】
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、図１又は図７に示した実施形態では、陰極４Ａを図３（ｂ）に示すような円柱形状の構成とした。しかしながら、陰極は図３（ａ）に示すような直径０．５〜１．０ｍｍの針形状の陰極４Ｂとすることができる。この陰極４ＢはマイクロフォーカスのＸ線ビームを形成する際に好適である。
【００９５】
また、陰極は図３（ｃ）に示すような幅０．５〜１．０ｍｍで長さが５．０〜２０ｍｍの線状の陰極４Ｃとすることができる。この陰極４ＣはラインフォーカスのＸ線ビームを形成する際に好適である。さらに、陰極は図３（ｄ）に示すような円筒形状の陰極４Ｄとすることができる。この陰極４Ｄは透過型ターゲットに対して好適に用いられる。
【００９６】
上記の実施形態では、図６（ａ）に示したように、矢印Ｂで示す１方向に結晶層を成長させることによって概ね平板状のグラファイトを形成した。しかしながら結晶層を成長させる方向は１方向に限られることはなく、複数方向とすることもできる。例えば、図８に示すように、放射状に延びる３方向Ｃ１〜Ｃ３に結晶層を成長させることによって、いわゆる花弁状のグラファイトを形成し、これを陰極４Ｅとして用いることもできる。
【符号の説明】
【００９７】
１．Ｘ線管、 ２．封入容器、 ２ａ．電子輸送管、 ３．測定対象物、 ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ．４Ｆ．陰極、 ４ａ．電子放出面、 ６．陽極、 ７．Ｘ線窓、 ８．支持枠（電子進行調整部材）、 ９．ヒータ、 １１．引出し電極、 １２．静電レンズ、 １３．マグネティックレンズ（磁気レンズ）、 １４．電圧印加回路（電圧制御手段）、 １６．コントローラ（電圧制御手段）、 １７．２次元Ｘ線検出器、 １８．電流計、 ２１．Ｘ線管、 ２２．台車、 ２３ａ，２３ｂ．車輪、 ２４．バッテリ、 ２５．容器、 ２６．陽極（透過型ターゲット）、 ２７．電気制御系、 ２８．通信用ケーブル、 ２９．操作入力ユニット、 ３０．電源回路、 ３１．パイプ、 ４１．工業用Ｘ線管、 ４２．陰極ユニット、 ４３．マグネティックレンズユニット、 ４４．中央管、 ４５．陽極ユニット、 ４６．引出し電極、 ４９．ケーシング、 ５０．支持体、 ５１．電子進行調整部材、 ５３．電子導管、 ５４ａ，５４ｂ．円板フレーム、 ５５．孔、 ５６．磁石体、 ５７．外側リング部材、 ５８．可動板、 ５９．内側リング部材、 ５９ａ．孔、 ６０．磁石、 ６３．管、 ６４．ケーシング、 ６６．陽極、 ６７．Ｘ線取出し窓、 ６８．平坦面、 ６９．突出面、 Ｂ．層成長方向、 Ｐ２．中央位置、 Ｐ３．端位置、 Ｒ．Ｘ線、 Ｖａ．陽極の電圧、 Ｖｇ．引出し電極の電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が真空である容器のその内部に陰極及び陽極を収納して成り、陰極で発生した電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管において、
前記陰極の電子放出面の周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材と、
前記陰極と前記陽極との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズとを有しており、
前記陰極は炭素又は炭素化合物によって形成されており、
前記陰極の電子放出面は平らな面である
ことを特徴とする工業用Ｘ線管。
【請求項２】
前記電子進行調整部材は、前記陰極の平らな電子放出面から放出される電子の進行方向が当該電子放出面に対する直角方向に近づくように電子の進行を調整し、
前記マグネティックレンズは、前記電子進行調整部材によって進行が調整された電子を集束させる
ことを特徴とする請求項１記載の工業用Ｘ線管。
【請求項３】
前記陰極と前記マグネティックレンズとの間の電子の進行路の周囲に引出し電極又は／及び静電レンズを設け、前記引出し電極には前記陰極から電子を引き出すことができる電圧が印加され、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させるための電圧が印加されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の工業用Ｘ線管。
【請求項４】
前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させると共に電子束の平行度を高めるための電圧が印加されることを特徴とする請求項３記載の工業用Ｘ線管。
【請求項５】
前記炭素又は炭素化合物は、カーボンナノ構造体、グラファイト、グラッシーカーボン、及びカーボンファイバーから選択される任意の一つであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項６】
前記電子進行調整部材は導電性物質によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項７】
前記陰極の電子放出面と前記電子進行調整部材の表面は互いに隙間無く且つ互いに段差を生じること無く連続していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項８】
前記電子進行調整部材は前記陰極の電子放出面の前方へ突出する突出面を有することを特徴とする請求項６又は請求項７記載の工業用Ｘ線管。
【請求項９】
前記突出面は滑らかな湾曲面であることを特徴とする請求項８記載の工業用Ｘ線管。
【請求項１０】
前記突出面は異なった曲率の複数の湾曲面が連続している面であることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の工業用Ｘ線管。
【請求項１１】
前記陰極を１０００℃以上に加熱するヒータを有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項１】
内部が真空である容器のその内部に陰極及び陽極を収納して成り、陰極で発生した電子を陽極に当てて当該陽極からＸ線を発生する工業用Ｘ線管において、
前記陰極の電子放出面の周囲に設けられており電子の進行を調整する電子進行調整部材と、
前記陰極と前記陽極との間に設けられており電子を集束させるマグネティックレンズとを有しており、
前記陰極は炭素又は炭素化合物によって形成されており、
前記陰極の電子放出面は平らな面である
ことを特徴とする工業用Ｘ線管。
【請求項２】
前記電子進行調整部材は、前記陰極の平らな電子放出面から放出される電子の進行方向が当該電子放出面に対する直角方向に近づくように電子の進行を調整し、
前記マグネティックレンズは、前記電子進行調整部材によって進行が調整された電子を集束させる
ことを特徴とする請求項１記載の工業用Ｘ線管。
【請求項３】
前記陰極と前記マグネティックレンズとの間の電子の進行路の周囲に引出し電極又は／及び静電レンズを設け、前記引出し電極には前記陰極から電子を引き出すことができる電圧が印加され、前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させるための電圧が印加されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の工業用Ｘ線管。
【請求項４】
前記静電レンズには電子の飛翔速度を加速させると共に電子束の平行度を高めるための電圧が印加されることを特徴とする請求項３記載の工業用Ｘ線管。
【請求項５】
前記炭素又は炭素化合物は、カーボンナノ構造体、グラファイト、グラッシーカーボン、及びカーボンファイバーから選択される任意の一つであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項６】
前記電子進行調整部材は導電性物質によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項７】
前記陰極の電子放出面と前記電子進行調整部材の表面は互いに隙間無く且つ互いに段差を生じること無く連続していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【請求項８】
前記電子進行調整部材は前記陰極の電子放出面の前方へ突出する突出面を有することを特徴とする請求項６又は請求項７記載の工業用Ｘ線管。
【請求項９】
前記突出面は滑らかな湾曲面であることを特徴とする請求項８記載の工業用Ｘ線管。
【請求項１０】
前記突出面は異なった曲率の複数の湾曲面が連続している面であることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の工業用Ｘ線管。
【請求項１１】
前記陰極を１０００℃以上に加熱するヒータを有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の工業用Ｘ線管。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−４９１２１（Ｐ２０１２−４９１２１Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６７２８２（Ｐ２０１１−１６７２８２）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００２５０３３９）株式会社リガク (206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（０００２５０３３９）株式会社リガク (206)
【Ｆターム（参考）】
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