以下、本発明の好ましい実施例について説� ��する。図1は、本発明の1実施例による異極� �結晶を用いたX線発生装置の概略構成を示す� ��であり、(A)は縦断面図であり、(B)は(A)のX-X� ��に沿った断面図である。図1を参照して、本 発明によれば、内部に低圧ガス雰囲気を維持 する真空容器1が備えられる。真空容器1は、� ��密性に優れた、例えばステンレス等のX線遮 蔽材料から形成され、一端開口が閉じた円筒 形状を有している。真空容器1は、他端開口� �下向きになるようにして、ペルチェ素子7が� ��み込まれた加熱・冷却用ステージ3の上面に 気密シールされた状態で接合される。
 真空容器1の内部は、1~10 ^-4 Pa程度の低真空雰囲気に維持され、あるいは� ��空気または炭化水素系ガスまたは窒素また� ��不活性ガスまたはそれらの2種以上の混合ガ スを含む1~10 ^-4 Pa程度の低圧雰囲気に維持される。

 ペルチェ素子7には、電源8からスイッチ� �グ回路9を介して電圧が印加される。ペルチ� ��素子7に対する印加電圧は、スイッチング回 路9によって、極性が交互に反転せしめられ� �る。ペルチェ素子7を作動させるための電源8 としては、市販の乾電池を使用すれば十分で ある。

 真空容器1の内部であって、加熱・冷却用ス テージ3の上面には、異極像結晶2が載置され� ��。異極像結晶2は焦電結晶とも呼ばれる。本 発明では、ニオブ酸リチウム(LiNbO ₃ )、タンタル酸リチウム(LiTaO ₃ )、硫酸グリシン(TGS)及びチタン酸バリウム(Ba TiO ₃ )等のすべての公知の異極像結晶を使用する� �とができる。この実施例では、ニオブ酸リ� �ウム(LiNbO ₃ )が使用される。
 この実施例では、異極像結晶2は、負の電気 面が上向きとなるように加熱・冷却用ステー ジ3の上面に置かれるが、異極像結晶2を、そ� ��正の電気面が上向きになるように置いても� ��い。

 異極像結晶2の形状は特に限定されず、直 方体形状や円柱形状等の任意の形状のものを 用いることができるが、異極像結晶2を直方� �形状とすれば、その角の部分に電荷が貯ま� �やすく、円柱形状とした場合よりも放電が� �じやすい。よって、安定化のために、放電� �抑制する必要がある場合には、円柱形状の� �極像結晶を用いることが好ましい。

 ペルチェ素子7が組み込まれた加熱・冷却 用ステージ3と、ペルチェ素子7に対する電源8 と、スイッチング回路9とから、異極像結晶2� ��温度を昇降させるための温度昇降手段が構� ��される。そして、スイッチング回路9を切り 替えることで、加熱・冷却用ステージ3の上� �を交互に発熱面又は吸熱面として機能させ� �異極像結晶2の温度を、種々の温度勾配で、� ��々の周期であるいは非周期的に昇降させる� ��とができる。この場合、各温度昇降過程毎� ��、温度の上昇時間と下降時間は同じである� ��とが好ましく、また、室温と、異極像結晶� ��キューリー点以下の適当な高温度との間で� ��度昇降が繰り返されることが好ましい。

 この実施例では、加熱・冷却用ステージ3 を真空容器1の外側に設けたが、真空容器1の� ��部の低圧ガス雰囲気中に適当な気密維持構� ��を介して配置することもできる。また、こ� ��実施例では、異極像結晶2に対する温度昇降 手段としてペルチェ素子7が使用されている� �、本発明の構成はこれに限定されるもので� �なく、発熱及び吸熱作用を繰り返し奏しう� �適当な公知の手段を、温度昇降手段として� �用することができる。

 異極像結晶2は、定常状態においても分極 していて、その電荷量と等量で異符号の電荷 が結晶表面に吸着しているため、常時は電気 的に中性である。そして、異極像結晶2が加� �及び冷却を繰り返されると、その温度変化� �伴って結晶内部の自発分極が増減し、表面� �着電荷がその変化に追従できなくなって、� �気的な中和が破られ、結晶の周囲に強い電� �を生じさせる。この場合、通常、電界の強� �は、異極像結晶2の厚みに比例して大きくな� ��。

 そして、真空容器1の上端側の壁には、加熱 ・冷却用ステージ3によって熱励起された異� �像結晶2から生じる電界の到達範囲内に開口� ��設けられ、この開口に、板状又は箔状のX線 発生用金属ターゲット6が気密シールされた� �態で取付けられている。金属ターゲット6と� ��ては、発生させるべきX線の性質、用途に応 じて適当な材料を選択することができる。例 えば、本発明のX線発生装置をX線分析装置に� ��用する場合には、分析目的に適合するAl、Mg 、Cu等の金属箔又は金属薄板を使用すること� ��できる。
 また、金属ターゲット6の外側には、例えば 、Be又はX線透過性プラスチックから形成され たX線透過窓10が備えられている。X線透過窓10 にも気密シールがなされている。

 さらに、真空容器1の内部には、加熱・冷却 用ステージ3によって熱励起された異極像結� �2から生じる電界の到達範囲内に、電界放出� ��より電子を放出する冷陰極電子源4が備えら れる。
 冷陰極電子源4は、仕事関数が小さく、電界 放出によって電子を放出し易い物質それ自体 、又は、少なくとも1つの細い尖った突起部� �有する表面形状とされた物質から構成する� �とができる。あるいは、冷陰極電子源4を、� ��なくとも一方の面に、マイクロメートルオ� ��ダー又はそれ以下の大きさのファイバー又� ��先端が尖った突起を多数備えた基板の単体� ��又は組合せ体から構成してもよい。この場� ��、ファイバー又は先端が尖った突起を、炭� ��又は窒化硼素又は金属又は半導体形成材料� ��はそれらを少なくとも構成元素の1つとして 含む化合物から形成し、ファイバーを、筒状 又はコイル状又はリボン状又は先端が尖った 突起を有する針状とすることが好ましい。フ ァイバーとしては、例えば、カーボンナノチ ューブ又はカーボンナノコイル、先端が尖っ た突起としては、例えば、ウィスカーが挙げ られる。また、基板は、金属又は半導体又は ガラス又はセラミック等を形成材料として、 平板状又は湾曲した板状に形成される。

 冷陰極電子源4は、異極像結晶2から生じ� �電界の到達範囲内であれば、真空容器内の� �意の場所に配置可能であり、冷陰極電子源4� ��、例えば、真空容器1の壁と異極像結晶2と� �間のスペース内、又は加熱・冷却用ステー� �3の上面又は真空容器1の周壁内面、又は金属 ターゲット6の真空容器1内に露出した面、又� ��異極像結晶2の表面に配置することができる 。

 この実施例では、冷陰極電子源4は、ガラス 板の一方の面上にITO(酸化インジウムスズ)を� ��層し、ITOの表面上にカーボンナノチューブ( CNT)5bを塗布することによって形成された基板 5aからなっている。この場合、CNT5bは異極像� �晶が作る電界のパターンに適した任意のパ� �ーン、例えば、円状パターン(図2(A)参照)又� �基板5aの全面にわたる四角形状パターン(図2( B)参照)で塗布される。なお、CNTの代わりにカ ーボンナノコイルを塗布してもよい。
 そして、この実施例では、一枚の基板5aが� �異極像結晶2の周囲であって、異極像結晶2か ら生じる電界の到達範囲内に、CNT5bを備えた� ��を異極像結晶2側に向けて配置される。

 図5は、異極像結晶の温度上昇時における X線発生装置の動作を説明した図であり、図6� ��、異極像結晶の温度下降時におけるX線発生 装置の動作を説明した図である。図5を参照� �て、異極像結晶2は、定常状態においても分� ��していて、その電荷量と等量で異符号の電� ��が結晶表面に吸着しているため、常時は電� ��的に中性である(図5(A)参照)。異極像結晶2の 温度が上昇せしめられると、負の電気面2aで� ��、自発分極が小さくなり、よって、負の電� ��の表面電荷密度が減少するが、負の電気面2 aに吸着している正の電荷量はすぐには減少� �ない。その結果、表面2aは正に帯電し、異極 像結晶2から金属ターゲット6に向かう強い電� ��が生じる(図5(B)参照)。

 この電界により、真空容器中の残留ガス� ��のガス原子・分子が電離されて、正イオン� ��電子が生成される。それと同時に、電界に� ��り、CNT5bから電子が放出される。これらの� �子は、異極像結晶2の負の電気面2aに衝突す� �か、あるいは、負の電気面2aに吸着している 正イオン(外部から見ると、自発分極の負極� �吸着しているので電気的に中性になってい� �)に吸着される。電子が異極像結晶2の負の電 気面2aに衝突すると、制動輻射によって、異� ��像結晶2の特性X線及び連続X線が発生する(図 5(C)参照)。

 一方、電子が正イオンに吸着すると、異� ��像結晶2の負の電気面2aに吸着していた正イ� ��ンが電気的に中和されて、異極像結晶2が生 じさせる電界が弱くなる。電子が吸着した正 イオンは全体として電気的に中性であるから 、異極像結晶2の負の電気面2aに引き寄せられ にくくなり、負の電気面2aから離れるか、も� ��くは、残留ガス原子・分子と衝突すること� ��よって負の電気面2aから弾き飛ばされる(図5 (D)参照)。

 次に図6を参照して、異極像結晶の温度が 下降せしめられると、負の電気面では、自発 分極が大きくなり、よって負の電荷の表面電 荷密度が増加するが、負の電気面に吸着して いる正の電荷量はすぐには増加しない。その 結果、表面は負に帯電し、金属ターゲットか ら異極像結晶に向かう強い電界が生じる(図6( A)、(B)参照)。

 このとき、電界は、異極像結晶2の温度上 昇時の電界と逆向きなので、CNTから電子は放 出されない。一方、この電界により、ガス原 子・分子が電離して電子が生成される。また 、電子が吸着した正イオンが電界によって再 び電離して、正イオンと電子の状態に戻る。 これらの電子が金属ターゲットに向けて加速 され、金属ターゲットに衝突し、制動輻射に よって、金属ターゲットを形成する物質に固 有の特性X線及び連続X線が発生する(図6(C)参� �)。異極像結晶2の温度がさらに下降すると、 異極像結晶2は、再び定常状態に戻り、分極� �電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に� �着し、電気的に中和状態となる(図6(D)参照)� �

 図7は、異極像結晶の温度昇降を一定周期 で繰り返しながら、真空容器内のガス圧を変 化させたときの、真空容器内に生じる電子の 個数、異極像結晶から生じる電界の強度、発 生するX線の強度の変化の様子を定性的に説� �するグラフであり、実線は真空容器内にCNT� �備えた場合のグラフを、破線は真空容器内� �CNTが備えられない場合のグラフをそれぞれ� �している。図7からわかるように、CNTを備え� ��場合には、CNTを備えない場合と比べて、常� ��、真空容器内に生じる電子の個数が多く、� ��のため、異極像結晶から生じる電界の強度� ��小さくなる。ところが、発生する度を比較� ��ると、CNTを備えない場合には、かなり狭い� ��力範囲内でしか安定した強いX線が得られな いのに対し、CNTを備えた場合には、より広い 圧力範囲内で強いX線強度が安定して得られ� �。

 次に、この実施例によるX線発生装置の作用 効果を確認すべく実験を行った。実験では、 異極像結晶として、縦10mm、横10mm、厚さ5mmの� ��方体形状のニオブ酸リチウム単結晶(不定比 結晶)を使用し、15mm角のペルチェ素子を備え� ��加熱・冷却用ステージ上に載置した。また� ��冷陰極電子源として、ガラス板の一方の面� ��ITO(酸化インジウムスズ)を積層し、その上� �、CNTを、1cm ² 当たり約3億本(各チューブの径は約20nm)の表� �密度で直径5mmの円形パターンに塗布した基� �を準備した。そして、この基板をCNTの塗布� �を結晶側に向けてかつ結晶の分極軸に平行� �配置し、結晶及び冷陰極電子源を内径31mmの� ��製の真空容器内に配置した。さらに、厚さ1 0μmの銅箔からなる金属ターゲットを使用し� �金属ターゲットと結晶上端面との距離を16mm� ��した。また、比較例として、冷陰極電子源� ��取り外した点以外は、同じ構成を有する装� ��を準備した。なお、この実験では、真空容� ��内のガス圧を連続的に変化させるため、真� ��容器に真空ポンプを接続して排気を行える� ��うにした。

(実験1)
 実施例の装置及び比較例の装置のそれぞれ� ��ついて、真空容器内のガス圧を10 ^-4 Paに維持し、ペルチェ素子に対して2V‐1Aの電 力を供給することによって、異極像結晶の温 度を5~80℃の範囲で昇降させ、発生するX線の� ��ネルギー(keV)と強度(cps)を測定した。図8(A)� �、それらの測定値をプロットしたグラフで� �る。図8(A)中、Yは実施例のグラフを、Zは比� �例のグラフをそれぞれ示している。図8(A)の� ��ラフから、実施例の装置では、比較例の装� ��と比べて、広いエネルギー範囲にわたって� ��いX線が発生することがわかった。

(実験2)
 実施例の装置及び比較例の装置のそれぞれ� ��ついて、ペルチェ素子に対して2V‐1Aの電力 を供給することによって、異極像結晶の温度 を5~80℃の範囲で昇降させながら、真空容器� �のガス圧を10~10 ^-4 Paの範囲で変化させ、発生するX線の強度(cps)� ��測定した。図8(B)は、それらの測定値をプロ ットしたグラフである。図8(B)中、Yは実施例� ��グラフを、Zは比較例のグラフをそれぞれ示 している。図8(B)のグラフから、実施例の装� �では、1~10 ^-4 Paの広いガス圧の範囲内で安定した強いX線を 発生するのに対し、比較例の装置では、非常 に狭いガス圧の範囲内でしか安定した強いX� �が発生しないことがわかった。

 これらの実験の結果から、冷陰極電子源� ��備えることによって、広いエネルギー範囲� ��わたって一定レベル以上の強いX線を得るこ とができるとともに、真空容器内への大気の リークが生じて真空容器内のガス圧が徐徐に 高くなっても、比較的長時間にわたって強い X線を安定的に発生させることができること� �わかった。しかも、この場合、冷陰極電子� �の作動電力を必要とせず、ペルチェ素子を� �動させるための高々1W程度の小電力のみでX� �を発生させることができ、非常に経済的で� �る。また、冷陰極電子源の作動中に異極像� �晶の表面が加熱されることがないので、異� �像結晶の温度昇降は妨げられず、また、異� �像結晶から余計な蒸発物が生じることがな� �、よって異極像結晶の分極作用による電界� �発生が妨げられることはない。

 本発明の構成は、上述の実施例に限定さ� ��るものではなく、種々の変形例が可能であ� ��。例えば、上述の実施例では、CNT5bを備え� �基板5aを1枚だけ、異極像結晶2の周囲に配置� ��たが、図3(A)に示されるように、異極像結晶 2を間に挟んでその両側に、2枚の基板5aを互� �に対向させて配置してもよいし、図3(B)に示� ��れるように、異極像結晶2の周囲に、2枚の� �板5aを互いに隣接させて配置してもよい。ま た、図3(C)に示されるように、3枚の基板5aを� �極像結晶2の周囲に隣接配置してもよい。そ� ��て、図3(A)~(C)のいずれの構成においても、� �べての基板5aを、CNT5bの備えられた面が異極� ��結晶2側に向くように配置してもよいし、異 極像結晶2と反対側に向くように配置しても� �いし、あるいは、CNT5bの備えられた面が異極 像結晶2側に向く基板5aと、それと反対側に向 く基板5aを組み合わせて配置してもよい。

 また、冷陰極電子源4を接地すれば、電界 放出によって冷陰極電子源4から放出された� �子数が、アースから供給される電子数で補� �れるため、冷陰極電子源4からの電子の放出� ��安定的に継続させることができ、それによ� ��てX線の発生量が増大する。

 また、上述の実施例では、CNT5bを備えた� �板5aを、異極像結晶2の分極軸に平行に配置� �ているが、図4に示されるように、基板5aを� �極像結晶2の分極軸に対して傾斜させて配置� ��てもよい。

 また、図9(A)に示されるように、冷陰極電 子源4’を、内側面及び外側面の少なくとも� �方に、マイクロメートルオーダー又はそれ� �下の大きさのファイバー11b又は先端が尖っ� �突起を多数、例えば、CNTやカーボンナノコ� �ル等を多数備えた円筒11aから構成し、この� �筒11aを異極像結晶2の周囲を取り巻くように� ��置してもよい。この場合、ファイバー11bは� ��異極像結晶2が作る電界のパターンに適合し た任意のパターン、例えば、互いに対向する 一対の半円筒状のパターン(図9(B)参照)、又は 一定長さの円筒状のパターン(図9(C)参照)、又 は周方向に一定の間隔をあけて配列された多 数の円形パッチからなるパターン(図9(D)参照) で、円筒11aに塗布される。

 本発明によるX線発生装置は、非常にコン パクトであり、小電力で作動する。したがっ て、従来の蛍光X線分析装置、X線回折装置、� ��療用X線診断装置、及び非破壊検査装置等に おいて、X線管球の代わりに本発明のX線発生� ��置をX線源として使用することによって、こ れらの装置をコンパクト化、省電力化するこ とができる。

 図10は、本発明のX線発生装置を使用した� ��光X線分析装置の一例の原理図であり、(A)は 平面図であり、(B)は側面図である。図10にお� ��て、20は、試料が置かれる試料台であり、� �料台20を中心とする円周上には、本発明によ るX線発生装置21が複数個互いに等しい間隔を あけて配置される。また、試料台20の上方に� ��、その中心軸上に、例えば半導体検出器か� ��なるX線検出器22が(図示されない)支持ユニ� �トによって支持されている。さらに、各X線� ��生装置21は、(図示されない)駆動機構によっ て支持されていて、試料台20の中心と当該X線 発生装置22とを結ぶ線を半径として、試料台2 0の中心軸に対し、同時に同じ角度だけ回動� �能になっている。こうして、各X線発生装置2 1から試料に対してX線が照射され、試料から� ��射される蛍光X線がX線検出器22で測定され、 得られたデータに基づいて元素の定性・定量 分析がなされる。