電子線源の製造方法
【課題】電子放射効率が高く且つ長寿命な電子線源を得ることが可能な電子線源の製造方法を提供する。
【解決手段】タンタルを含む合金からなる線材５９Ｐを、タングステンを含む合金からなる基材５８Ｐに当該基材５８Ｐが覆われるように巻き回し、複合構造体５３Ｐを形成する。そして、複合構造体５３Ｐの線材５９Ｐに炭化処理を施すことで、基材５８Ｐを給電部材５８として形成すると共に線材５９Ｐを電子放出部材５９として形成する。従って、炭化タンタルを含む線材５９Ｐを、基材５８Ｐに巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンを含む基材５８Ｐに、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材５９Ｐを安定して固定することができる。
【解決手段】タンタルを含む合金からなる線材５９Ｐを、タングステンを含む合金からなる基材５８Ｐに当該基材５８Ｐが覆われるように巻き回し、複合構造体５３Ｐを形成する。そして、複合構造体５３Ｐの線材５９Ｐに炭化処理を施すことで、基材５８Ｐを給電部材５８として形成すると共に線材５９Ｐを電子放出部材５９として形成する。従って、炭化タンタルを含む線材５９Ｐを、基材５８Ｐに巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンを含む基材５８Ｐに、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材５９Ｐを安定して固定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電子線照射装置やＸ線照射装置や電子顕微鏡等の線源として用いられる電子線源を製造するための電子線源の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子線源の製造方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、電位が供給される給電部材と、給電部材に設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造するものが知られている。このような電子線源の製造方法では、高温耐性の優れたタングステンからなる基材に、仕事関数の小さい炭化タンタルの皮膜を形成することで、基材を給電部材として形成すると共に皮膜を電子放出部材として形成する。これにより、電子線源の電子放射効率の向上及び長寿命化が図られている。
【特許文献１】特開平８−６４１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような電子線の製造方法では、炭化タンタルが高融点化合物であることから、炭化タンタルの付着強度が不足し易いため、皮膜が基材から剥離するおそれがある。ここで、炭化タンタルの付着強度不足による悪影響を抑制するため、炭化タンタルを含む線材を基材に巻き回すことが考えられる。しかし、この場合、炭化タンタルの硬度が高いことから、基材に線材を巻き回すのが困難である。従って、上述したような電子線の製造方法では、電子線源の電子放射効率及び長寿命化を実現できないおそれがある。
【０００４】
そこで、電子放射効率を向上すると共に長寿命化を実現することができる電子線源の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る電子線源の製造方法は、電位が供給される給電部材と、給電部材の少なくとも一部を覆うように設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造する製造方法であって、タングステンを含む基材に、タンタルを含む線材を巻き回す工程と、線材を巻き回した後、線材に炭化処理を施すことで、基材を給電部材として形成すると共に線材を電子放出部材として形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
この電子線源の製造方法では、タンタルを含む線材を基材に巻き回した後、この線材に炭化処理を施している。よって、炭化タンタルが含まれた線材を、基材に巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンを含む基材に、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材を安定して固定することが可能となる。従って、電子放射効率が高く且つ長寿命な電子線源を得ることができる。
【０００７】
ここで、線材を巻き回した後であって炭化処理を施す前に、線材が巻き回された基材を所定の形状に成型する工程をさらに含むことが好ましい。この場合、線材が巻き回された基材を成型する際、硬度が高く加工が困難な炭化タンタルが線材に含まれていないため、かかる成型を容易に行なうことができる。
【０００８】
また、電子放出部材は、隣接する電子放出部材の外面が互いに接触するように給電部材に巻き回されていることが好ましい。この場合、電子放出部材においては、巻き回される巻回方向に沿って電流が流れるだけでなく、巻き進む方向に沿っても電流が流れることになる。よって、電子放出部材の通電性を向上することができる。
【０００９】
また、電子放出部材は、隣接する電子放出部材の外面の間に隙間が形成されるように給電部材に巻き回されていることが好ましい。この場合、電子放出部材を給電部材に容易に巻き回すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子放射効率が高く且つ長寿命な電子線源を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
まず、本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置の断面図である。図１に示すように、電子線照射装置１は、いわゆるバッチ式のものであり、例えば被照射物Ｍの乾燥、殺菌又は表面改質等を行なうものである。この電子線照射装置１は、チャンバ１０、収容容器２０、電子銃３０及び制御部４０を備えている。
【００１３】
チャンバ１０は、電子銃３０が取り付けられる第１チャンバ部１１と、収容容器２０が取り付けられる第２チャンバ部１２と、を有している。第１チャンバ部１１は、金属により円柱状に形成されている。この第１チャンバ部１１には、その軸線方向（図示上下方向；以下「Ｚ方向」という）に沿って延在する断面円形状の電子線通過孔１３が設けられている。この電子線通過孔１３は、小径部１３ａと大径部１３ｂとが連続された形状とされている。
【００１４】
第２チャンバ部１２は、金属により台形板状に形成され、第１チャンバ部１１の小径部１３ａ側にボルトで固定されている。この第２チャンバ部１２には、電子線通過孔１３に連通すると共に、Ｚ方向視において断面矩形状の電子線通過孔１４が設けられている。また、この電子線通過孔１４は、外側（図示下側）に向かって末広がりの形状とされている。このチャンバ１０の電子線通過孔１３，１４には、当該電子線通過孔１３，１４内を真空引きするための真空ポンプ（不図示）が連結されている。
【００１５】
収容容器２０は、その内部に被照射物Ｍを収容する。この収容容器２０は、その外壁２０ａに設けられた連結口２１に第２チャンバ部１２が気密に連結されている。これにより、収容容器２０の内部は、電子線通過孔１４に連通するように構成されている。また、収容容器２０には、当該収容容器２０内を真空引きするための真空ポンプ（不図示）が連結されている。
【００１６】
電子銃３０は、電子線ＥＢをＺ方向に出射するものであり、ケース３１、基部３２及びコネクタ３３を有している。ケース３１は、金属により直方体状に形成され、第１チャンバ部１１に気密に連結されている。基部３２は、ケース３１内に収容され、電子線通過孔１３の大径部１３ｂ内に突出している。また、この基部３２は、その先端部が電子線通過孔１３の小径部１３ａに対向するように配設されている。
【００１７】
コネクタ３３は、外部の電源装置（不図示）からカソード５３（後述）に高電圧を供給するためのものである。このコネクタ３３は、ケース３１の外壁３１ａにおいてＺ方向に交差する方向（図示左右方向；以下「Ｘ方向」という）側から差し込まれ、基部３２中に埋没されて固定されている。コネクタ３３の先端には、一対の内部配線３４，３４が接続されている。
【００１８】
内部配線３４，３４は、コネクタ３３の先端から基部３２の中心に向かってＸ方向に延在すると共に、基部３２の中心で折り曲げられて先端部まで延在している。この内部配線３４，３４には、基部３２の先端部に埋設されたソケット３５，３５を介して、電子線放出ユニット５０に連結されている。
【００１９】
図２は、電子線放出ユニットを示す断面図である。図２に示すように、電子線放出ユニット５０は基部３２の先端部に対して着脱自在に設けられたものであり、各部材の消耗等に伴って交換が可能となっている。この電子線放出ユニット５０は、絶縁基体５１と、給電導体５２，５２と、カソード（電子線源）５３と、包囲部材５６と、蓋部材５７と、を備えている。
【００２０】
絶縁基体５１は、例えばセラミック等の絶縁性材料で形成されており、給電導体５２，５２と、カソード５３と、包囲部材５６と、蓋部材５７とを支持している。給電導体５２，５２は、例えばコバール金属からなる略円柱状の給電用ピンであり、電子放出方向であるＺ方向に突出するように絶縁基体５１に貫通されて保持されている。これらの給電導体５２，５２の一端部は、ソケット３５，３５を介して内部配線３４，３４に電気的に連結されている。給電導体５２の他端部（先端部）は、その一部が切り欠かれたような半円柱状を呈している。さらに、給電導体５２の他端部には、カソード５３を連結するためのものとして、カソード５３の支持部５８ａ（後述）の軸線に沿った面である平坦面５２ａが形成されている（図４参照）。換言すると、支持部５８ａと線接触又は面接触するように、平坦面５２ａが給電導体５２の他端部に形成されている。
【００２１】
カソード５３は、電子線ＥＢとなる電子を発生させて放出するものである。カソード５３は、給電導体５２，５２の先端部に掛け渡されるように形成されている。このカソード５３の周囲には、いわゆるグリッドである中間電極５４が設けられている。中間電極５４は、その中心側の開口に向かって傾斜した凹構造によって、電子が集束するような電界を発生させ、さらに、バイアス抵抗で誘起される所定バイアス電圧を印加することで、所望の電界を形成することができると共に、電子線放出ユニット５０を基部３２に押さえ付けるように固定する。また、必要に応じて、カソード５３と電気的に接続してカソード５３と同電位にしてもよい。
【００２２】
また、絶縁基体５１上には、給電導体５２，５２の前端部を包囲する導電体からなる包囲部材５６が固定されている。包囲部材５６の前端面には、包囲部材５６の開口を覆い塞ぐ導電体からなる薄板状の蓋部材５７が配置されている。蓋部材５７には、円形状のアパーチャ５７ａ（図３参照）が設けられている。このアパーチャ５７ａは、Ｚ軸方向から見て、カソード５３を含むように構成されている。包囲部材５６及び蓋部材５７は、中間電極５４と接触され、中間電極５４と同電位とされている。
【００２３】
図１に戻り、制御部４０は、電子線照射装置１の全体を制御するためのものであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成されている。
【００２４】
次に、上述したカソード５３について詳細に説明する。図３はカソードを示す一部断面図、図４はカソードの接続部分を示す拡大図である。図３に示すように、カソード５３は、いわゆるヘアピン型のものであり、尖頭部５３ｘを有する略逆Ｖ字のピン形状を呈している。このカソード５３は、図４に示すように、給電導体５２の平坦面５２ａにカソード５３の端部が接合部Ｇを介して接合され保持されている。このカソード５３は、電位が供給される給電部材５８と、この給電部材５８に隙間なく巻き回され（密巻きされ）電子を放出する電子放出部材５９と、を備えている。
【００２５】
給電部材５８は、タングステンで形成され、円形断面の線状を呈している。ここでは、給電部材５８の径は、１５０μｍとしている。この給電部材５８は、略逆Ｖ字に屈曲されて（曲げられて）形成されている。具体的には、給電部材５８は、二つ折りされるようにして尖った尖部５８ｂと、この尖部５８ｂの両端に連続され裾拡がりの裾部５８ａと、を含んで構成されている。
【００２６】
電子放出部材５９は、タンタルで形成されており、円形断面の線状を呈している。ここでは、電子放出部材５９の径は、１００μｍとしており、給電部材５８の径よりも小さくなっている（給電部材５８の径が電子放出部材５９の径よりも大きくなっている）。この電子放出部材５９は、給電部材５８の少なくとも一部を覆うように当該給電部材５８に巻き回されている。また、電子放出部材５９は、炭化処理が施されており、炭化タンタルをさらに含んでいる（詳しくは、後述）。そして、尖部５８ｂを覆う電子放出部材５９が、電子放出源の主要部として機能する。
【００２７】
この電子線照射装置１を用いて電子線ＥＢを被照射物Ｍに照射する場合、被照射物Ｍが配置された収容容器２０内及び電子線通過孔１３，１４内を真空とした状態で、内部配線３４，３４、ソケット３５，３５及び給電導体５２，５２を介してカソード５３に電圧を印加する。これにより、給電部材５８が通電加熱され、この熱が電子放出部材５９に伝わり、電子を放出可能な所定温度まで電子放出部材５９が加熱される。
【００２８】
続いて、内部配線３４，３４の何れか一方に高電圧を印加することで、給電導体５２，５２を介して電子放出部材５９に電流が流れると共に、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面を介して電子放出部材５９に電流が流れる。これにより、電子放出部材５９の外周面Ｓのうち露出する外周面Ｓ２から電子が放出されることになる。そして、放出された電子が電子線ＥＢとして電子銃３０から出射され、出射された電子線ＥＢが電子線通過孔１３，１４を順次通過して被照射物Ｍに照射される。
【００２９】
次に、上述したカソード５３の製造方法について、図５に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
まず、図５（ａ）に示すように、タンタルからなり線状を呈する線材５９Ｐを、タングステンからなり線状を呈する基材５８Ｐに当該基材５８Ｐが覆われるように巻き回す。具体的には、隣接する線材５９Ｐの外周面が互いに接触するように、基材５８Ｐの一端から他端に向かって線材５９Ｐを隙間なく巻き回す。ここでは、基材５８Ｐの径を０．１５ｍｍとし、線材５９Ｐの径を０．１０ｍｍとしている。また、線材５９Ｐを基材５８Ｐに密着するように巻き回している。
【００３１】
続いて、図５（ｂ）に示すように、所定の長さ（例えば１８ｍｍ）に切断し、基材５８Ｐに線材５９Ｐが巻きまわされてなる棹状の複合構造体５３Ｐを形成する。
【００３２】
続いて、図５（ｃ）に示すように、複合構造体５３Ｐを屈曲させ、当該複合構造体５３Ｐを所定の形状（ここでは略逆Ｖ字状）に成型する（成形工程）。このとき、その屈曲部において、主な電子放出部となる尖頭部５３ｘの先端部分にまで確実に通電可能にすべく、複合構造体５３Ｐの対向する部分同士が互いに接触しないように成型する。
【００３３】
その後、図５（ｄ）に示すように、無酸素雰囲気中（窒素雰囲気）にて、絶縁基体５１に固定した給電導体５２の複合構造体５３Ｐの端部を、平坦面５２ａと対向する部分全体が接合部Ｇとなるように平坦面５２ａに当接し、この当接した部分に例えば抵抗溶接やレーザ等による電気溶接を施す。これにより、平坦面５２ａにおける接合部Ｇ領域が溶融され、カソード５３が埋入するように溶接されて接合される。その結果、面状の接合部Ｇを介して複合構造体５３Ｐが給電導体５２に電気的に接合される。このように複合構造体５３Ｐと給電導体５２とを接合することで、複合構造体５３Ｐを給電導体５２に電気的にも強度的にも安定して接続でき、複合構造体５３Ｐを給電導体５２で好適に保持できる。さらに、接合部Ｇが小さい場合、通電時に接合部Ｇの抵抗（接触抵抗）が大きくなることにより熱を発生し、接合部Ｇが溶融して給電導体５２と複合構造体５３Ｐ（カソード５３）とが離れてしまうおそれがあるが、本実施形態においては接合部Ｇを十分に大きく取れるため、安定な保持が可能となる。
【００３４】
続いて、複合構造体５３Ｐの線材５９Ｐに炭化処理を施す（炭化工程）。すなわち、まず、複合構造体５３Ｐを保持した絶縁基体５１を真空装置３内に収容する。具体的には、給電導体５２において複合構造体５３Ｐが連結された側と反対側の先端５２ｂが、真空装置３外の大気中に露出するように、複合構造体５３Ｐを保持した絶縁基体５１を真空装置３内に収容する。そして、この先端５２ｂに通電加熱用電源５を電気的に接続する。
【００３５】
その後、真空装置３内と大気系とをバルブにて遮断し、真空装置３内を真空ポンプ４で真空にした後、この真空装置３内に炭化水素系のガス（例えば、エチレンガス等）を導入する。なお、この炭化水素系ガスに加えて、複合構造体５３Ｐの表面を還元させる還元剤としての水素ガス、金属素材蒸発を抑制するための希ガス（例えば、アルゴン等）を導入してもよい。
【００３６】
これと共に、通電加熱用電源５で複合構造体５３Ｐを所定の時間だけ通電加熱し、複合構造体５３Ｐの動作温度を例えば２，０００℃以上とする。その結果、線材５９Ｐが炭化される（炭化反応領域が形成される）。ここでは、線材５９Ｐにおいて露出する外周面を含む所定領域を、炭化タンタルに炭化させている。これにより、炭化処理の施された線材５９Ｐが電子放出部材５９として形成され、基材５８Ｐを給電部材５８とする複合構造体５３Ｐがカソード５３として形成されることとなる。
【００３７】
なお、通電加熱用電源５で通電加熱された複合構造体５３Ｐの温度は、２０００℃から２５００℃の間が好ましく、２２００℃程度がより好ましい。これは、通常、２０００℃から複合構造体５３Ｐの炭化反応が生じ、温度を上げる程に炭化反応の生成速度が速まるということが一般的であるが、高温（２５００℃以上）すぎると基材５８Ｐのタングステンの再結晶化が促進され、脆くなるためである。また、本実施形態では、所望な炭化反応領域の深さを得るべく、通電加熱用電源５における通電時間の長さが適宜調整されている。
【００３８】
以上、本実施形態では、タンタルの線材５９Ｐを基材５８Ｐに巻き回した後、この線材５９Ｐに炭化処理を施している。よって、炭化タンタルが含まれた線材５９Ｐを、基材５８Ｐに巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンの基材５８Ｐに、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材５９Ｐを安定して固定することが可能となる。従って、本実施形態によれば、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード５３を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、上述したように、線材５９Ｐを巻き回した後であって炭化処理を施す前に、線材５９Ｐが巻き回された基材５８Ｐ（複合構造体５３Ｐ）を所定の形状に成型している。よって、複合構造体５３Ｐの成型の際に、硬度が高く加工が困難な炭化タンタルが線材５９Ｐに含まれていないため、複合構造体５３Ｐの成型を容易に行なうことができる。
【００４０】
また、上述したように、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面を介して電子放出部材５９に電流が流れることから、この接触面に炭化物が存在すると、電気抵抗値が増加してエミッション量が低下するという問題がある。この点、本実施形態では、線材５９Ｐを基材５８Ｐに巻き回した後に線材５９Ｐに炭化処理を施すことで、給電部材５８及び電子放出部材５９を形成する。よって、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面に炭化物が付着することを抑制でき、かかる問題を防止することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、上述したように、電子放出部材５９が給電部材５８に巻き回されていることから、以下の効果を奏する。すなわち、電子放出部材５９の一部が破断したとしても、電子放出部材５９が給電部材５８に保持されるため、電子放出部材５９が脱落するのを防止することができる。給電部材５８に電子放出部材５９が巻き回されているだけなので、低コスト化が実現できる。
【００４２】
また、本実施形態では、上述したように、基材５８Ｐ及び線材５９Ｐが円形断面を呈し、基材５８Ｐの径が線材５９Ｐの径よりも大きくなっているため、線材５９Ｐを基材５８Ｐに容易に巻き回すことができる。さらに、線材５９Ｐを基材５８Ｐに密着するように巻き回していることから、電子放出部材５９の全体を給電部材５８で均一に加熱することができ、電子放出部材５９から均一に電子を放出することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、線材５９Ｐにタンタルひいては炭化タンタルを含むため、次の効果を奏する。すなわち、下表１に示すように、従来のカソードの電子放出部材に使用されていたタングステンに比較して、電子放出部材５９の仕事関数が低下されるため、動作温度を低下させることが可能となる。よって、同じ動作温度でもエミッション量を増加することでき、エミッション特性を向上することが可能となる。また、同じエミッション量を得るための動作温度が低下され、電子放出部材５９の再結晶化が抑制され、カソード５３の長寿命化が可能となる。動作温度が高い程、電子放出部材５９の硬度が低下し脆くなる点からも、動作温度が低下される上記効果は特に有効である。さらに、電子放出部材５９の融点が上昇するため（下表１参照）、電子放出部材５９の消耗を抑制することができ、このことからも、カソード５３の長寿命化が可能となる。さらに、炭化タンタルは、ガス被毒特性が高いため、真空度の低い環境下においてもカソード５３を好適に使用することができる。よって、被照射物の交換の度に真空排気を行なうような場合に特に好ましいといえる。
【００４４】
［表１］
物性値 Ｗ（タングステン） Ｔａ（タンタル） ＴａＣ（炭化タンタル）
仕事関数（ｅＶ） ４．５５ ４．１０ ３．６１
融点（℃） ３４２０ ３０２０ ３９８０
【００４５】
次に、本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置について説明する。
【００４６】
図６は、本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置のカソードを示す一部断面図である。図６に示すように、本実施形態の電子線照射装置７０が上記第１実施形態の電子線照射装置１と異なる点は、カソード５３を有する電子線放出ユニット５０（図３参照）に代えて、コの字状のピン形状のカソード７３を有する電子線放出ユニット７１を備えている点である。
【００４７】
カソード７３は、給電部材７８と、この給電部材７８に隙間なく巻き回された電子放出部材７９とを備えている。
【００４８】
給電部材７８は、電位が供給されるものであり、タングステンで形成されている。また、給電部材７８は、円形断面の線状を呈している。この給電部材７８は、コの字状に屈曲されて（曲げられて）形成されている。具体的には、給電部材７８は、Ｚ方向に延在し且つ給電導体５２に接続される支持部７８ａ，７８ａと、Ｚ方向に直交する方向（つまり、電子線放出ユニット７１では蓋部材５７の前面に沿う方向）に延在する延在部７８ｂと、を有し、給電部材７８の略直角な角部である曲部７８ｃ，７８ｃを介して、支持部７８ａ，７８ａ及び延在部７８ｂが連続している。
【００４９】
電子放出部材７９は、電子を放出するものあり、タンタルで形成されている。また、電子放出部材７９は、円形断面の線状を呈している。この電子放出部材７９は、給電部材７８（支持部７８ａ，７８ａ及び延在部７８ｂ）を覆うように当該給電部材７８に巻き回されている。具体的には、図８に示すように、電子放出部材７９は、その外周面Ｓのうち隣接する外周面（外面）Ｓ１が互いに接触するように、給電部材７８の一端から他端に向かって順次に巻き回されている。そして、延在部７８ｂを覆う電子放出部材７９が、電子放出源の主要部として機能する。
【００５０】
また、電子放出部材７９は、炭化処理が施されており、炭化タンタルをさらに含んでいる。ここでは、電子放出部材７９において外周面Ｓのうち露出する外周面Ｓ２を含む所定領域が、炭化タンタルになっている（詳しくは、後述）。
【００５１】
次に、上述したカソード７３の製造方法について、図７に基づいて詳細に説明する。
【００５２】
まず、上記第１実施形態と同様に、タングステンからなる線状の基材に、タンタルからなる線状の線材を巻き回す。具体的には、隣接する線材の外周面が互いに接触するように、基材の一端から他端に向かって線材を隙間なく巻き回す。これにより、所定の長さ（例えば２０ｍｍ）以上の長さを有する長尺棹状の複合構造体を形成する。なお、タンタルは、柔軟性があるため、隙間無く巻き回すことが比較的容易であるのに加え、タングステンは、その融点温度が非常に高く、熱変形を起こしにくいため、隙間無く巻き回した状態を安定に保持することができる。
【００５３】
続いて、図７（ａ）に示すように、複合構造体７３Ｐにおける線材に対し炭化処理を施す（炭化工程）。すなわち、複合構造体７３Ｐを真空装置３内に収容し、この複合構造体７３Ｐの両端部をクリップ等の保持手段６で保持し、そして、保持手段６に通電加熱用電源５を電気的に接続する。その後、真空装置３内と大気系とをバルブにて遮断し、真空装置３内を真空ポンプ４で真空にした後、この真空装置３内に炭化水素系のガスを導入する。これと共に、通電加熱用電源５により保持手段６を介して複合構造体７３Ｐを通電加熱する。その結果、線材が炭化される。
【００５４】
続いて、図７（ｂ）に示すように、複合構造体７３Ｐを切断して屈曲し、複合構造体７３Ｐを所定の形状（ここでは略コの字状）に成型する（成型工程）。そして、この成型した複合構造体７３Ｐを、接合部Ｇを介して電子線放出ユニット５０の給電導体５２に電気溶接する。これにより、複合構造体７３Ｐがカソード７３として形成されることになる。
【００５５】
以上、本実施形態においても、上記効果と同様な効果、すなわち、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード７３を得ることができるという効果を奏する。
【００５６】
また、上述したように、電子放出部材７９は、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに接触するように給電部材７８に巻き回されている。そのため、以下の効果を奏する。すなわち、電子放出部材７９においては、電子放出部材７９が巻き回される巻回方向（電子放出部材７９の軸線方向）に沿って電流が流れるだけでなく、図８に示すように、電子放出部材７９が巻き進む方向（図示Ａ方向）に沿っても電流が流れることになる。よって、電子放出部材７９の通電性を向上することができる。
【００５７】
さらに、電子放出部材７９の露出する外周面Ｓ２が電子放出面として機能することから、電子放出部材７９が線材であるため、電子放出面Ｓ２が凹凸の連続するような波状曲面を呈することになる。よって、従来のカソードや電子放出面が平面で構成されたカソードに比べて、一定の平面面積に占める電子放出面Ｓ２の面積を増加することが可能となる。これらにより、エミッション量ひいてはエミッション特性（電子放出能）を向上することができる。
【００５８】
ここで、カソード７３に電圧が印加され、給電部材７８及び電子放出部材７９が高温化されたとき、タンタルの熱膨張率がタングステンの熱膨張率よりも大きいことから、電子放出部材７９がその巻き進む方向に移動してしまう（ズレてしまう）おそれがある。これに対し、本実施形態では、上述したように、曲部７８ｃが延在部７８ｂの両端に形成されるように給電部材７８が屈曲されている。よって、熱膨張した電子放出部材７９は、その巻き進む方向に沿う方向に、両端の曲部７８ｃで挟み込まれるように係止されることになる。そのため、熱膨張した電子放出部材７９の移動を曲部７８ｃで規制することができ、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに確実に接触する状態を好適に維持することができる。そのため、曲部７８ｃは、電子放出部材７９の巻き進む方向に沿う方向に当該電子放出部材７９が移動するのを規制する規制部として機能するといえる。
【００５９】
なお、電子放出部材７９の巻き回し程度が経年変化や使用頻度等により緩く（甘く）なることがあるため、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに確実に接触するように巻き回された状態を維持するという上記効果は特に有効である。さらに、曲部７８ｃの形成に際しては、給電部材７８を曲げることで足り、別部材によって規制部を設ける必要がない。よって、かかる効果を、高温環境下でも規制部の破損や脱落のおそれなく安定に実現することができると共に、低廉且つ簡易に実現することが可能である。
【００６０】
次に、本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置について説明する。
【００６１】
図９は、本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置のカソードを示す一部断面図である。図９に示すように、本実施形態の電子線照射装置９０が上記第２実施形態の電子線照射装置７０と異なる点は、電子放出部材７９が給電部材７８に隙間なく巻き回されたカソード７３を有する電子線放出ユニット７１（図６参照）に代えて、電子放出部材７９が給電部材７８に隙間Ｂを空けて巻き回された（疎巻きされた）カソード９３を有する電子線放出ユニット９１を備えている点である。
【００６２】
具体的には、図９に示すように、電子放出部材７９は、その外周面Ｓのうち隣接する外周面（外面）Ｓ１の間に隙間Ｂが形成されるように、給電部材７８の一端から他端に向かって順次に巻き回されている。換言すると、電子放出部材７９は、給電部材７８の少なくとも一部を覆うように当該給電部材７８に設けられている。
【００６３】
このカソード９３においても、上記第２実施形態のカソード７３と同様な製造方法により製造される。すなわち、カソード９３を製造する場合、タングステンからなる線状の基材に、タンタルからなる線状の線材を巻き回すことで長尺棹状の複合構造体を形成し、この複合構造体に炭化処理を施し、その後、複合構造体を所定の形状に成型する。
【００６４】
以上、本実施形態では、上記効果と同様な効果、すなわち、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード９３を得ることができるという効果を奏する。また、この場合、電子放出部材７９を給電部材７８に容易に巻き回すことができる。
【００６５】
また、本実施形態では、炭化処理により、タンタルと共にタングステンも炭化されるが、炭化タングステンの硬度が炭化タンタルの硬度に比べて低いことから、炭化タンタルが疎巻きされてなる本実施形態の複合構造体にあっては、炭化タンタルが密巻きされたものに比べ、屈曲等の加工部における炭化タンタルの占める割合が小さく、また、加工自由度が高いものとなる。そのため、本実施形態によれば、成型時の加工性を向上することができる。特に、小形のカソードを大量に作成する場合には、複合構造体を一つ一つ成型した後に炭化するよりも、長尺の複合構造体を炭化した後に個別に成型するほうが好ましい。よって、この場合には、加工性の高い本実施形態は、特に有効である。
【００６６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、カソード５３，７３，９３を電子線照射装置１に用いたが、Ｘ線管（Ｘ線照射装置）に用いてもよい。
【００６７】
図９は、本発明の他の実施形態に係るＸ線管の断面図である。図９に示すように、Ｘ線管６０は、印加電圧が１０ｋｅＶ程度の低電力用のものであり、円筒状のバルブ６１を有している。このバルブ６１の基端には、ステム６２が形成されている一方、バルブ６１の開放端には、出力窓６３が形成されている。出力窓６３には、Ｘ線を発生させるためのターゲット６４が蒸着されている。ステム６２には２本の給電導体５２，５２が固定され、これらの給電導体５２，５２の先端部にはカソード５３が掛け渡されている。カソード５３は、給電導体５２に抵抗溶接されている。
【００６８】
このＸ線管６０によれば、電子放射の影響でカソード５３の径が細くなりカソード５３が破断してしまうということを防止できる。
【００６９】
また、上記第１実施形態では、成型工程の後に炭化工程を実施したが、炭化工程の後に成形工程を実施してもよく、上記第２，３実施形態では、炭化工程の後に成型工程を実施したが、成形工程の後に炭化工程を実施してもよい。なお、炭化処理としては、炭素を付着（浸炭）させた後に真空中にて通電させる場合もある。
【００７０】
また、上記実施形態では、基材及び線材の断面を円形としたが、これらの断面は、楕円形であってもよく、多角形であってもよい。また、上記実施形態では、基材を線状としたが、薄板状であってもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、給電部材５８，７８をタングステンで、電子放出部材５９，７９をタンタルで形成したが、給電部材をタングステンを含む合金（材料）で形成してもよく、また、電子放出部材をタンタルを含む合金で形成してもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、カソード５３，７３，９３の端部において平坦面５２ａと対向する部分が接合部Ｇとなるように、カソード５３と給電導体５２とを溶接によって直接接合したが、金属パイプを用いてカソード５３，７３，９３と給電導体５２と接合してもよい。例えば、上記第２実施形態にて例示すると、図１１及び図１２に示すように、パイプ８１を用いてカソード７３と給電導体５２と接合する場合がある。具体的には、パイプ８１は、円筒状の導電材料からなり、カソード７３の端部と電気的に接続されるように当該カソード７３の端部を覆っている。パイプ８１を構成する導電材料は、ニッケルやコバール等のカソード７３を構成する材料よりも融点の低い金属としている。そして、接合の際、給電導体５２と同様にパイプ８１が溶融されている。これにより、給電導体５２とカソード７３とを一層強く接合させることができる。
【００７３】
また、上記第１実施形態におけるヘアピン型のカソード５３において、主な電子放出部となる尖頭部５３ｘの形状を鋭利にすれば、輝度（所定単位領域あたりの電子放出量）が更に上がるため、尖頭部５３ｘに電界研磨等の研磨処理を施して当該尖頭部５３ｘの形状を鋭利にした後、炭化処理を施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置の断面図である。
【図２】図１の電子線照射装置における電子線放出ユニットを示す断面図である。
【図３】図１の電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図４】図１の電子線照射装置におけるカソードの接続部分を示す拡大図である。
【図５】図１の電子線照射装置におけるカソードの製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図７】図６の電子線照射装置におけるカソードの製造方法を説明する図である。
【図８】図６の電子線照射装置におけるカソードの電流の流れを説明する図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るＸ線管の断面図である。
【図１１】カソードの接続部分の他の例を示す拡大図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿う一部断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
５３，７３，９３…カソード（電子線源）、５８，７８…給電部材、５８Ｐ…基材、５９，７９…電子放出部材、Ｓ１…外周面（外面）、５９Ｐ…線材、Ｂ…隙間。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電子線照射装置やＸ線照射装置や電子顕微鏡等の線源として用いられる電子線源を製造するための電子線源の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子線源の製造方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、電位が供給される給電部材と、給電部材に設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造するものが知られている。このような電子線源の製造方法では、高温耐性の優れたタングステンからなる基材に、仕事関数の小さい炭化タンタルの皮膜を形成することで、基材を給電部材として形成すると共に皮膜を電子放出部材として形成する。これにより、電子線源の電子放射効率の向上及び長寿命化が図られている。
【特許文献１】特開平８−６４１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような電子線の製造方法では、炭化タンタルが高融点化合物であることから、炭化タンタルの付着強度が不足し易いため、皮膜が基材から剥離するおそれがある。ここで、炭化タンタルの付着強度不足による悪影響を抑制するため、炭化タンタルを含む線材を基材に巻き回すことが考えられる。しかし、この場合、炭化タンタルの硬度が高いことから、基材に線材を巻き回すのが困難である。従って、上述したような電子線の製造方法では、電子線源の電子放射効率及び長寿命化を実現できないおそれがある。
【０００４】
そこで、電子放射効率を向上すると共に長寿命化を実現することができる電子線源の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る電子線源の製造方法は、電位が供給される給電部材と、給電部材の少なくとも一部を覆うように設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造する製造方法であって、タングステンを含む基材に、タンタルを含む線材を巻き回す工程と、線材を巻き回した後、線材に炭化処理を施すことで、基材を給電部材として形成すると共に線材を電子放出部材として形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
この電子線源の製造方法では、タンタルを含む線材を基材に巻き回した後、この線材に炭化処理を施している。よって、炭化タンタルが含まれた線材を、基材に巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンを含む基材に、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材を安定して固定することが可能となる。従って、電子放射効率が高く且つ長寿命な電子線源を得ることができる。
【０００７】
ここで、線材を巻き回した後であって炭化処理を施す前に、線材が巻き回された基材を所定の形状に成型する工程をさらに含むことが好ましい。この場合、線材が巻き回された基材を成型する際、硬度が高く加工が困難な炭化タンタルが線材に含まれていないため、かかる成型を容易に行なうことができる。
【０００８】
また、電子放出部材は、隣接する電子放出部材の外面が互いに接触するように給電部材に巻き回されていることが好ましい。この場合、電子放出部材においては、巻き回される巻回方向に沿って電流が流れるだけでなく、巻き進む方向に沿っても電流が流れることになる。よって、電子放出部材の通電性を向上することができる。
【０００９】
また、電子放出部材は、隣接する電子放出部材の外面の間に隙間が形成されるように給電部材に巻き回されていることが好ましい。この場合、電子放出部材を給電部材に容易に巻き回すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子放射効率が高く且つ長寿命な電子線源を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
まず、本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置の断面図である。図１に示すように、電子線照射装置１は、いわゆるバッチ式のものであり、例えば被照射物Ｍの乾燥、殺菌又は表面改質等を行なうものである。この電子線照射装置１は、チャンバ１０、収容容器２０、電子銃３０及び制御部４０を備えている。
【００１３】
チャンバ１０は、電子銃３０が取り付けられる第１チャンバ部１１と、収容容器２０が取り付けられる第２チャンバ部１２と、を有している。第１チャンバ部１１は、金属により円柱状に形成されている。この第１チャンバ部１１には、その軸線方向（図示上下方向；以下「Ｚ方向」という）に沿って延在する断面円形状の電子線通過孔１３が設けられている。この電子線通過孔１３は、小径部１３ａと大径部１３ｂとが連続された形状とされている。
【００１４】
第２チャンバ部１２は、金属により台形板状に形成され、第１チャンバ部１１の小径部１３ａ側にボルトで固定されている。この第２チャンバ部１２には、電子線通過孔１３に連通すると共に、Ｚ方向視において断面矩形状の電子線通過孔１４が設けられている。また、この電子線通過孔１４は、外側（図示下側）に向かって末広がりの形状とされている。このチャンバ１０の電子線通過孔１３，１４には、当該電子線通過孔１３，１４内を真空引きするための真空ポンプ（不図示）が連結されている。
【００１５】
収容容器２０は、その内部に被照射物Ｍを収容する。この収容容器２０は、その外壁２０ａに設けられた連結口２１に第２チャンバ部１２が気密に連結されている。これにより、収容容器２０の内部は、電子線通過孔１４に連通するように構成されている。また、収容容器２０には、当該収容容器２０内を真空引きするための真空ポンプ（不図示）が連結されている。
【００１６】
電子銃３０は、電子線ＥＢをＺ方向に出射するものであり、ケース３１、基部３２及びコネクタ３３を有している。ケース３１は、金属により直方体状に形成され、第１チャンバ部１１に気密に連結されている。基部３２は、ケース３１内に収容され、電子線通過孔１３の大径部１３ｂ内に突出している。また、この基部３２は、その先端部が電子線通過孔１３の小径部１３ａに対向するように配設されている。
【００１７】
コネクタ３３は、外部の電源装置（不図示）からカソード５３（後述）に高電圧を供給するためのものである。このコネクタ３３は、ケース３１の外壁３１ａにおいてＺ方向に交差する方向（図示左右方向；以下「Ｘ方向」という）側から差し込まれ、基部３２中に埋没されて固定されている。コネクタ３３の先端には、一対の内部配線３４，３４が接続されている。
【００１８】
内部配線３４，３４は、コネクタ３３の先端から基部３２の中心に向かってＸ方向に延在すると共に、基部３２の中心で折り曲げられて先端部まで延在している。この内部配線３４，３４には、基部３２の先端部に埋設されたソケット３５，３５を介して、電子線放出ユニット５０に連結されている。
【００１９】
図２は、電子線放出ユニットを示す断面図である。図２に示すように、電子線放出ユニット５０は基部３２の先端部に対して着脱自在に設けられたものであり、各部材の消耗等に伴って交換が可能となっている。この電子線放出ユニット５０は、絶縁基体５１と、給電導体５２，５２と、カソード（電子線源）５３と、包囲部材５６と、蓋部材５７と、を備えている。
【００２０】
絶縁基体５１は、例えばセラミック等の絶縁性材料で形成されており、給電導体５２，５２と、カソード５３と、包囲部材５６と、蓋部材５７とを支持している。給電導体５２，５２は、例えばコバール金属からなる略円柱状の給電用ピンであり、電子放出方向であるＺ方向に突出するように絶縁基体５１に貫通されて保持されている。これらの給電導体５２，５２の一端部は、ソケット３５，３５を介して内部配線３４，３４に電気的に連結されている。給電導体５２の他端部（先端部）は、その一部が切り欠かれたような半円柱状を呈している。さらに、給電導体５２の他端部には、カソード５３を連結するためのものとして、カソード５３の支持部５８ａ（後述）の軸線に沿った面である平坦面５２ａが形成されている（図４参照）。換言すると、支持部５８ａと線接触又は面接触するように、平坦面５２ａが給電導体５２の他端部に形成されている。
【００２１】
カソード５３は、電子線ＥＢとなる電子を発生させて放出するものである。カソード５３は、給電導体５２，５２の先端部に掛け渡されるように形成されている。このカソード５３の周囲には、いわゆるグリッドである中間電極５４が設けられている。中間電極５４は、その中心側の開口に向かって傾斜した凹構造によって、電子が集束するような電界を発生させ、さらに、バイアス抵抗で誘起される所定バイアス電圧を印加することで、所望の電界を形成することができると共に、電子線放出ユニット５０を基部３２に押さえ付けるように固定する。また、必要に応じて、カソード５３と電気的に接続してカソード５３と同電位にしてもよい。
【００２２】
また、絶縁基体５１上には、給電導体５２，５２の前端部を包囲する導電体からなる包囲部材５６が固定されている。包囲部材５６の前端面には、包囲部材５６の開口を覆い塞ぐ導電体からなる薄板状の蓋部材５７が配置されている。蓋部材５７には、円形状のアパーチャ５７ａ（図３参照）が設けられている。このアパーチャ５７ａは、Ｚ軸方向から見て、カソード５３を含むように構成されている。包囲部材５６及び蓋部材５７は、中間電極５４と接触され、中間電極５４と同電位とされている。
【００２３】
図１に戻り、制御部４０は、電子線照射装置１の全体を制御するためのものであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成されている。
【００２４】
次に、上述したカソード５３について詳細に説明する。図３はカソードを示す一部断面図、図４はカソードの接続部分を示す拡大図である。図３に示すように、カソード５３は、いわゆるヘアピン型のものであり、尖頭部５３ｘを有する略逆Ｖ字のピン形状を呈している。このカソード５３は、図４に示すように、給電導体５２の平坦面５２ａにカソード５３の端部が接合部Ｇを介して接合され保持されている。このカソード５３は、電位が供給される給電部材５８と、この給電部材５８に隙間なく巻き回され（密巻きされ）電子を放出する電子放出部材５９と、を備えている。
【００２５】
給電部材５８は、タングステンで形成され、円形断面の線状を呈している。ここでは、給電部材５８の径は、１５０μｍとしている。この給電部材５８は、略逆Ｖ字に屈曲されて（曲げられて）形成されている。具体的には、給電部材５８は、二つ折りされるようにして尖った尖部５８ｂと、この尖部５８ｂの両端に連続され裾拡がりの裾部５８ａと、を含んで構成されている。
【００２６】
電子放出部材５９は、タンタルで形成されており、円形断面の線状を呈している。ここでは、電子放出部材５９の径は、１００μｍとしており、給電部材５８の径よりも小さくなっている（給電部材５８の径が電子放出部材５９の径よりも大きくなっている）。この電子放出部材５９は、給電部材５８の少なくとも一部を覆うように当該給電部材５８に巻き回されている。また、電子放出部材５９は、炭化処理が施されており、炭化タンタルをさらに含んでいる（詳しくは、後述）。そして、尖部５８ｂを覆う電子放出部材５９が、電子放出源の主要部として機能する。
【００２７】
この電子線照射装置１を用いて電子線ＥＢを被照射物Ｍに照射する場合、被照射物Ｍが配置された収容容器２０内及び電子線通過孔１３，１４内を真空とした状態で、内部配線３４，３４、ソケット３５，３５及び給電導体５２，５２を介してカソード５３に電圧を印加する。これにより、給電部材５８が通電加熱され、この熱が電子放出部材５９に伝わり、電子を放出可能な所定温度まで電子放出部材５９が加熱される。
【００２８】
続いて、内部配線３４，３４の何れか一方に高電圧を印加することで、給電導体５２，５２を介して電子放出部材５９に電流が流れると共に、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面を介して電子放出部材５９に電流が流れる。これにより、電子放出部材５９の外周面Ｓのうち露出する外周面Ｓ２から電子が放出されることになる。そして、放出された電子が電子線ＥＢとして電子銃３０から出射され、出射された電子線ＥＢが電子線通過孔１３，１４を順次通過して被照射物Ｍに照射される。
【００２９】
次に、上述したカソード５３の製造方法について、図５に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
まず、図５（ａ）に示すように、タンタルからなり線状を呈する線材５９Ｐを、タングステンからなり線状を呈する基材５８Ｐに当該基材５８Ｐが覆われるように巻き回す。具体的には、隣接する線材５９Ｐの外周面が互いに接触するように、基材５８Ｐの一端から他端に向かって線材５９Ｐを隙間なく巻き回す。ここでは、基材５８Ｐの径を０．１５ｍｍとし、線材５９Ｐの径を０．１０ｍｍとしている。また、線材５９Ｐを基材５８Ｐに密着するように巻き回している。
【００３１】
続いて、図５（ｂ）に示すように、所定の長さ（例えば１８ｍｍ）に切断し、基材５８Ｐに線材５９Ｐが巻きまわされてなる棹状の複合構造体５３Ｐを形成する。
【００３２】
続いて、図５（ｃ）に示すように、複合構造体５３Ｐを屈曲させ、当該複合構造体５３Ｐを所定の形状（ここでは略逆Ｖ字状）に成型する（成形工程）。このとき、その屈曲部において、主な電子放出部となる尖頭部５３ｘの先端部分にまで確実に通電可能にすべく、複合構造体５３Ｐの対向する部分同士が互いに接触しないように成型する。
【００３３】
その後、図５（ｄ）に示すように、無酸素雰囲気中（窒素雰囲気）にて、絶縁基体５１に固定した給電導体５２の複合構造体５３Ｐの端部を、平坦面５２ａと対向する部分全体が接合部Ｇとなるように平坦面５２ａに当接し、この当接した部分に例えば抵抗溶接やレーザ等による電気溶接を施す。これにより、平坦面５２ａにおける接合部Ｇ領域が溶融され、カソード５３が埋入するように溶接されて接合される。その結果、面状の接合部Ｇを介して複合構造体５３Ｐが給電導体５２に電気的に接合される。このように複合構造体５３Ｐと給電導体５２とを接合することで、複合構造体５３Ｐを給電導体５２に電気的にも強度的にも安定して接続でき、複合構造体５３Ｐを給電導体５２で好適に保持できる。さらに、接合部Ｇが小さい場合、通電時に接合部Ｇの抵抗（接触抵抗）が大きくなることにより熱を発生し、接合部Ｇが溶融して給電導体５２と複合構造体５３Ｐ（カソード５３）とが離れてしまうおそれがあるが、本実施形態においては接合部Ｇを十分に大きく取れるため、安定な保持が可能となる。
【００３４】
続いて、複合構造体５３Ｐの線材５９Ｐに炭化処理を施す（炭化工程）。すなわち、まず、複合構造体５３Ｐを保持した絶縁基体５１を真空装置３内に収容する。具体的には、給電導体５２において複合構造体５３Ｐが連結された側と反対側の先端５２ｂが、真空装置３外の大気中に露出するように、複合構造体５３Ｐを保持した絶縁基体５１を真空装置３内に収容する。そして、この先端５２ｂに通電加熱用電源５を電気的に接続する。
【００３５】
その後、真空装置３内と大気系とをバルブにて遮断し、真空装置３内を真空ポンプ４で真空にした後、この真空装置３内に炭化水素系のガス（例えば、エチレンガス等）を導入する。なお、この炭化水素系ガスに加えて、複合構造体５３Ｐの表面を還元させる還元剤としての水素ガス、金属素材蒸発を抑制するための希ガス（例えば、アルゴン等）を導入してもよい。
【００３６】
これと共に、通電加熱用電源５で複合構造体５３Ｐを所定の時間だけ通電加熱し、複合構造体５３Ｐの動作温度を例えば２，０００℃以上とする。その結果、線材５９Ｐが炭化される（炭化反応領域が形成される）。ここでは、線材５９Ｐにおいて露出する外周面を含む所定領域を、炭化タンタルに炭化させている。これにより、炭化処理の施された線材５９Ｐが電子放出部材５９として形成され、基材５８Ｐを給電部材５８とする複合構造体５３Ｐがカソード５３として形成されることとなる。
【００３７】
なお、通電加熱用電源５で通電加熱された複合構造体５３Ｐの温度は、２０００℃から２５００℃の間が好ましく、２２００℃程度がより好ましい。これは、通常、２０００℃から複合構造体５３Ｐの炭化反応が生じ、温度を上げる程に炭化反応の生成速度が速まるということが一般的であるが、高温（２５００℃以上）すぎると基材５８Ｐのタングステンの再結晶化が促進され、脆くなるためである。また、本実施形態では、所望な炭化反応領域の深さを得るべく、通電加熱用電源５における通電時間の長さが適宜調整されている。
【００３８】
以上、本実施形態では、タンタルの線材５９Ｐを基材５８Ｐに巻き回した後、この線材５９Ｐに炭化処理を施している。よって、炭化タンタルが含まれた線材５９Ｐを、基材５８Ｐに巻き回すように設けることが可能となる。すなわち、高温耐性に優れたタングステンの基材５８Ｐに、仕事関数の小さい炭化タンタルを含む線材５９Ｐを安定して固定することが可能となる。従って、本実施形態によれば、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード５３を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、上述したように、線材５９Ｐを巻き回した後であって炭化処理を施す前に、線材５９Ｐが巻き回された基材５８Ｐ（複合構造体５３Ｐ）を所定の形状に成型している。よって、複合構造体５３Ｐの成型の際に、硬度が高く加工が困難な炭化タンタルが線材５９Ｐに含まれていないため、複合構造体５３Ｐの成型を容易に行なうことができる。
【００４０】
また、上述したように、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面を介して電子放出部材５９に電流が流れることから、この接触面に炭化物が存在すると、電気抵抗値が増加してエミッション量が低下するという問題がある。この点、本実施形態では、線材５９Ｐを基材５８Ｐに巻き回した後に線材５９Ｐに炭化処理を施すことで、給電部材５８及び電子放出部材５９を形成する。よって、給電部材５８と電子放出部材５９との接触面に炭化物が付着することを抑制でき、かかる問題を防止することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、上述したように、電子放出部材５９が給電部材５８に巻き回されていることから、以下の効果を奏する。すなわち、電子放出部材５９の一部が破断したとしても、電子放出部材５９が給電部材５８に保持されるため、電子放出部材５９が脱落するのを防止することができる。給電部材５８に電子放出部材５９が巻き回されているだけなので、低コスト化が実現できる。
【００４２】
また、本実施形態では、上述したように、基材５８Ｐ及び線材５９Ｐが円形断面を呈し、基材５８Ｐの径が線材５９Ｐの径よりも大きくなっているため、線材５９Ｐを基材５８Ｐに容易に巻き回すことができる。さらに、線材５９Ｐを基材５８Ｐに密着するように巻き回していることから、電子放出部材５９の全体を給電部材５８で均一に加熱することができ、電子放出部材５９から均一に電子を放出することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、線材５９Ｐにタンタルひいては炭化タンタルを含むため、次の効果を奏する。すなわち、下表１に示すように、従来のカソードの電子放出部材に使用されていたタングステンに比較して、電子放出部材５９の仕事関数が低下されるため、動作温度を低下させることが可能となる。よって、同じ動作温度でもエミッション量を増加することでき、エミッション特性を向上することが可能となる。また、同じエミッション量を得るための動作温度が低下され、電子放出部材５９の再結晶化が抑制され、カソード５３の長寿命化が可能となる。動作温度が高い程、電子放出部材５９の硬度が低下し脆くなる点からも、動作温度が低下される上記効果は特に有効である。さらに、電子放出部材５９の融点が上昇するため（下表１参照）、電子放出部材５９の消耗を抑制することができ、このことからも、カソード５３の長寿命化が可能となる。さらに、炭化タンタルは、ガス被毒特性が高いため、真空度の低い環境下においてもカソード５３を好適に使用することができる。よって、被照射物の交換の度に真空排気を行なうような場合に特に好ましいといえる。
【００４４】
［表１］
物性値 Ｗ（タングステン） Ｔａ（タンタル） ＴａＣ（炭化タンタル）
仕事関数（ｅＶ） ４．５５ ４．１０ ３．６１
融点（℃） ３４２０ ３０２０ ３９８０
【００４５】
次に、本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置について説明する。
【００４６】
図６は、本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置のカソードを示す一部断面図である。図６に示すように、本実施形態の電子線照射装置７０が上記第１実施形態の電子線照射装置１と異なる点は、カソード５３を有する電子線放出ユニット５０（図３参照）に代えて、コの字状のピン形状のカソード７３を有する電子線放出ユニット７１を備えている点である。
【００４７】
カソード７３は、給電部材７８と、この給電部材７８に隙間なく巻き回された電子放出部材７９とを備えている。
【００４８】
給電部材７８は、電位が供給されるものであり、タングステンで形成されている。また、給電部材７８は、円形断面の線状を呈している。この給電部材７８は、コの字状に屈曲されて（曲げられて）形成されている。具体的には、給電部材７８は、Ｚ方向に延在し且つ給電導体５２に接続される支持部７８ａ，７８ａと、Ｚ方向に直交する方向（つまり、電子線放出ユニット７１では蓋部材５７の前面に沿う方向）に延在する延在部７８ｂと、を有し、給電部材７８の略直角な角部である曲部７８ｃ，７８ｃを介して、支持部７８ａ，７８ａ及び延在部７８ｂが連続している。
【００４９】
電子放出部材７９は、電子を放出するものあり、タンタルで形成されている。また、電子放出部材７９は、円形断面の線状を呈している。この電子放出部材７９は、給電部材７８（支持部７８ａ，７８ａ及び延在部７８ｂ）を覆うように当該給電部材７８に巻き回されている。具体的には、図８に示すように、電子放出部材７９は、その外周面Ｓのうち隣接する外周面（外面）Ｓ１が互いに接触するように、給電部材７８の一端から他端に向かって順次に巻き回されている。そして、延在部７８ｂを覆う電子放出部材７９が、電子放出源の主要部として機能する。
【００５０】
また、電子放出部材７９は、炭化処理が施されており、炭化タンタルをさらに含んでいる。ここでは、電子放出部材７９において外周面Ｓのうち露出する外周面Ｓ２を含む所定領域が、炭化タンタルになっている（詳しくは、後述）。
【００５１】
次に、上述したカソード７３の製造方法について、図７に基づいて詳細に説明する。
【００５２】
まず、上記第１実施形態と同様に、タングステンからなる線状の基材に、タンタルからなる線状の線材を巻き回す。具体的には、隣接する線材の外周面が互いに接触するように、基材の一端から他端に向かって線材を隙間なく巻き回す。これにより、所定の長さ（例えば２０ｍｍ）以上の長さを有する長尺棹状の複合構造体を形成する。なお、タンタルは、柔軟性があるため、隙間無く巻き回すことが比較的容易であるのに加え、タングステンは、その融点温度が非常に高く、熱変形を起こしにくいため、隙間無く巻き回した状態を安定に保持することができる。
【００５３】
続いて、図７（ａ）に示すように、複合構造体７３Ｐにおける線材に対し炭化処理を施す（炭化工程）。すなわち、複合構造体７３Ｐを真空装置３内に収容し、この複合構造体７３Ｐの両端部をクリップ等の保持手段６で保持し、そして、保持手段６に通電加熱用電源５を電気的に接続する。その後、真空装置３内と大気系とをバルブにて遮断し、真空装置３内を真空ポンプ４で真空にした後、この真空装置３内に炭化水素系のガスを導入する。これと共に、通電加熱用電源５により保持手段６を介して複合構造体７３Ｐを通電加熱する。その結果、線材が炭化される。
【００５４】
続いて、図７（ｂ）に示すように、複合構造体７３Ｐを切断して屈曲し、複合構造体７３Ｐを所定の形状（ここでは略コの字状）に成型する（成型工程）。そして、この成型した複合構造体７３Ｐを、接合部Ｇを介して電子線放出ユニット５０の給電導体５２に電気溶接する。これにより、複合構造体７３Ｐがカソード７３として形成されることになる。
【００５５】
以上、本実施形態においても、上記効果と同様な効果、すなわち、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード７３を得ることができるという効果を奏する。
【００５６】
また、上述したように、電子放出部材７９は、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに接触するように給電部材７８に巻き回されている。そのため、以下の効果を奏する。すなわち、電子放出部材７９においては、電子放出部材７９が巻き回される巻回方向（電子放出部材７９の軸線方向）に沿って電流が流れるだけでなく、図８に示すように、電子放出部材７９が巻き進む方向（図示Ａ方向）に沿っても電流が流れることになる。よって、電子放出部材７９の通電性を向上することができる。
【００５７】
さらに、電子放出部材７９の露出する外周面Ｓ２が電子放出面として機能することから、電子放出部材７９が線材であるため、電子放出面Ｓ２が凹凸の連続するような波状曲面を呈することになる。よって、従来のカソードや電子放出面が平面で構成されたカソードに比べて、一定の平面面積に占める電子放出面Ｓ２の面積を増加することが可能となる。これらにより、エミッション量ひいてはエミッション特性（電子放出能）を向上することができる。
【００５８】
ここで、カソード７３に電圧が印加され、給電部材７８及び電子放出部材７９が高温化されたとき、タンタルの熱膨張率がタングステンの熱膨張率よりも大きいことから、電子放出部材７９がその巻き進む方向に移動してしまう（ズレてしまう）おそれがある。これに対し、本実施形態では、上述したように、曲部７８ｃが延在部７８ｂの両端に形成されるように給電部材７８が屈曲されている。よって、熱膨張した電子放出部材７９は、その巻き進む方向に沿う方向に、両端の曲部７８ｃで挟み込まれるように係止されることになる。そのため、熱膨張した電子放出部材７９の移動を曲部７８ｃで規制することができ、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに確実に接触する状態を好適に維持することができる。そのため、曲部７８ｃは、電子放出部材７９の巻き進む方向に沿う方向に当該電子放出部材７９が移動するのを規制する規制部として機能するといえる。
【００５９】
なお、電子放出部材７９の巻き回し程度が経年変化や使用頻度等により緩く（甘く）なることがあるため、隣接する電子放出部材７９の外周面Ｓ１が互いに確実に接触するように巻き回された状態を維持するという上記効果は特に有効である。さらに、曲部７８ｃの形成に際しては、給電部材７８を曲げることで足り、別部材によって規制部を設ける必要がない。よって、かかる効果を、高温環境下でも規制部の破損や脱落のおそれなく安定に実現することができると共に、低廉且つ簡易に実現することが可能である。
【００６０】
次に、本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置について説明する。
【００６１】
図９は、本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置のカソードを示す一部断面図である。図９に示すように、本実施形態の電子線照射装置９０が上記第２実施形態の電子線照射装置７０と異なる点は、電子放出部材７９が給電部材７８に隙間なく巻き回されたカソード７３を有する電子線放出ユニット７１（図６参照）に代えて、電子放出部材７９が給電部材７８に隙間Ｂを空けて巻き回された（疎巻きされた）カソード９３を有する電子線放出ユニット９１を備えている点である。
【００６２】
具体的には、図９に示すように、電子放出部材７９は、その外周面Ｓのうち隣接する外周面（外面）Ｓ１の間に隙間Ｂが形成されるように、給電部材７８の一端から他端に向かって順次に巻き回されている。換言すると、電子放出部材７９は、給電部材７８の少なくとも一部を覆うように当該給電部材７８に設けられている。
【００６３】
このカソード９３においても、上記第２実施形態のカソード７３と同様な製造方法により製造される。すなわち、カソード９３を製造する場合、タングステンからなる線状の基材に、タンタルからなる線状の線材を巻き回すことで長尺棹状の複合構造体を形成し、この複合構造体に炭化処理を施し、その後、複合構造体を所定の形状に成型する。
【００６４】
以上、本実施形態では、上記効果と同様な効果、すなわち、電子放射効率が高く且つ長寿命なカソード９３を得ることができるという効果を奏する。また、この場合、電子放出部材７９を給電部材７８に容易に巻き回すことができる。
【００６５】
また、本実施形態では、炭化処理により、タンタルと共にタングステンも炭化されるが、炭化タングステンの硬度が炭化タンタルの硬度に比べて低いことから、炭化タンタルが疎巻きされてなる本実施形態の複合構造体にあっては、炭化タンタルが密巻きされたものに比べ、屈曲等の加工部における炭化タンタルの占める割合が小さく、また、加工自由度が高いものとなる。そのため、本実施形態によれば、成型時の加工性を向上することができる。特に、小形のカソードを大量に作成する場合には、複合構造体を一つ一つ成型した後に炭化するよりも、長尺の複合構造体を炭化した後に個別に成型するほうが好ましい。よって、この場合には、加工性の高い本実施形態は、特に有効である。
【００６６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、カソード５３，７３，９３を電子線照射装置１に用いたが、Ｘ線管（Ｘ線照射装置）に用いてもよい。
【００６７】
図９は、本発明の他の実施形態に係るＸ線管の断面図である。図９に示すように、Ｘ線管６０は、印加電圧が１０ｋｅＶ程度の低電力用のものであり、円筒状のバルブ６１を有している。このバルブ６１の基端には、ステム６２が形成されている一方、バルブ６１の開放端には、出力窓６３が形成されている。出力窓６３には、Ｘ線を発生させるためのターゲット６４が蒸着されている。ステム６２には２本の給電導体５２，５２が固定され、これらの給電導体５２，５２の先端部にはカソード５３が掛け渡されている。カソード５３は、給電導体５２に抵抗溶接されている。
【００６８】
このＸ線管６０によれば、電子放射の影響でカソード５３の径が細くなりカソード５３が破断してしまうということを防止できる。
【００６９】
また、上記第１実施形態では、成型工程の後に炭化工程を実施したが、炭化工程の後に成形工程を実施してもよく、上記第２，３実施形態では、炭化工程の後に成型工程を実施したが、成形工程の後に炭化工程を実施してもよい。なお、炭化処理としては、炭素を付着（浸炭）させた後に真空中にて通電させる場合もある。
【００７０】
また、上記実施形態では、基材及び線材の断面を円形としたが、これらの断面は、楕円形であってもよく、多角形であってもよい。また、上記実施形態では、基材を線状としたが、薄板状であってもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、給電部材５８，７８をタングステンで、電子放出部材５９，７９をタンタルで形成したが、給電部材をタングステンを含む合金（材料）で形成してもよく、また、電子放出部材をタンタルを含む合金で形成してもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、カソード５３，７３，９３の端部において平坦面５２ａと対向する部分が接合部Ｇとなるように、カソード５３と給電導体５２とを溶接によって直接接合したが、金属パイプを用いてカソード５３，７３，９３と給電導体５２と接合してもよい。例えば、上記第２実施形態にて例示すると、図１１及び図１２に示すように、パイプ８１を用いてカソード７３と給電導体５２と接合する場合がある。具体的には、パイプ８１は、円筒状の導電材料からなり、カソード７３の端部と電気的に接続されるように当該カソード７３の端部を覆っている。パイプ８１を構成する導電材料は、ニッケルやコバール等のカソード７３を構成する材料よりも融点の低い金属としている。そして、接合の際、給電導体５２と同様にパイプ８１が溶融されている。これにより、給電導体５２とカソード７３とを一層強く接合させることができる。
【００７３】
また、上記第１実施形態におけるヘアピン型のカソード５３において、主な電子放出部となる尖頭部５３ｘの形状を鋭利にすれば、輝度（所定単位領域あたりの電子放出量）が更に上がるため、尖頭部５３ｘに電界研磨等の研磨処理を施して当該尖頭部５３ｘの形状を鋭利にした後、炭化処理を施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置の断面図である。
【図２】図１の電子線照射装置における電子線放出ユニットを示す断面図である。
【図３】図１の電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図４】図１の電子線照射装置におけるカソードの接続部分を示す拡大図である。
【図５】図１の電子線照射装置におけるカソードの製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図７】図６の電子線照射装置におけるカソードの製造方法を説明する図である。
【図８】図６の電子線照射装置におけるカソードの電流の流れを説明する図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る電子線照射装置におけるカソードを示す一部断面拡大図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るＸ線管の断面図である。
【図１１】カソードの接続部分の他の例を示す拡大図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿う一部断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
５３，７３，９３…カソード（電子線源）、５８，７８…給電部材、５８Ｐ…基材、５９，７９…電子放出部材、Ｓ１…外周面（外面）、５９Ｐ…線材、Ｂ…隙間。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電位が供給される給電部材と、前記給電部材の少なくとも一部を覆うように設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造する製造方法であって、
タングステンを含む基材に、タンタルを含む線材を巻き回す工程と、
前記線材を巻き回した後、前記線材に炭化処理を施すことで、前記基材を前記給電部材として形成すると共に前記線材を前記電子放出部材として形成する工程と、
を含むことを特徴とする電子線源の製造方法。
【請求項２】
前記線材を巻き回した後であって前記炭化処理を施す前に、前記線材を巻き回した前記基材を所定の形状に成型する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電子線源の製造方法。
【請求項３】
前記電子放出部材は、隣接する前記電子放出部材の外面が互いに接触するように前記給電部材に巻き回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電子線源の製造方法。
【請求項４】
前記電子放出部材は、隣接する前記電子放出部材の外面の間に隙間が形成されるように前記給電部材に巻き回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電子線源の製造方法。
【請求項１】
電位が供給される給電部材と、前記給電部材の少なくとも一部を覆うように設けられ電子を放出する電子放出部材と、を備えた電子線源を製造する製造方法であって、
タングステンを含む基材に、タンタルを含む線材を巻き回す工程と、
前記線材を巻き回した後、前記線材に炭化処理を施すことで、前記基材を前記給電部材として形成すると共に前記線材を前記電子放出部材として形成する工程と、
を含むことを特徴とする電子線源の製造方法。
【請求項２】
前記線材を巻き回した後であって前記炭化処理を施す前に、前記線材を巻き回した前記基材を所定の形状に成型する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電子線源の製造方法。
【請求項３】
前記電子放出部材は、隣接する前記電子放出部材の外面が互いに接触するように前記給電部材に巻き回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電子線源の製造方法。
【請求項４】
前記電子放出部材は、隣接する前記電子放出部材の外面の間に隙間が形成されるように前記給電部材に巻き回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電子線源の製造方法。
【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２００９−１１７１３４（Ｐ２００９−１１７１３４Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８７６７８（Ｐ２００７−２８７６７８）
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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