CN113678224A - 电子枪装置 - Google Patents

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Abstract

电子枪装置在真空中加热至高温而发射电子线。发射电子线的材料(108、125)的表面为高温工作时融解为液体的氢化金属，液体的氢化金属，作为氢化后的液体金属或未氢化的液体金属容纳于在高温工作时为固体的中空的套管容器(102、124)，与套管容器(102、124)一同加热至高温，氢化后的液体金属从套管容器(102、124)露出，形成重力、电场以及液面的表面张力相互平衡的液面，从该露出的氢化后的液体金属表面发射电子线。

Description

电子枪装置
技术领域
本发明涉及一种用于电子束描绘装置、X射线生成器、电子束焊接机、电子显微镜等的电子枪装置。
背景技术
电子枪为产生电子束的源，用于以下用途。
1)电子束描绘装置
用于在半导体制造工厂或光曝光装置的掩模制造工厂中在玻璃干板上形成图案。由于没有其他能够产生图案的技术，因此产生电子束的电子枪是必要的。在世界市场上每年约有20台。
2)研究开发用的电子束图案直接描绘装置
用于各种用途下的电子束直接描绘。用于半导体试制和微型MEMS试制。每年约有几百台。在此，MEMS是意为“微电子机械系统”的“Micro Electro Mechanical Systems”这一英文的简称，是指半导体的硅基板、玻璃基板、有机材料等具备将机械要素部件的传感器、致动器、电路等集成在一起的具有微米级结构的设备。
3)X射线生成装置
医疗用·工业用的各种X射线生成装置中电子枪是必要的。X射线装置在医院的人体透射成像、CT装置、工业用途中为设备内部构造的实验、行李等的检查等多种领域中使用。
4)电子束焊接机或三维造型装置
在真空内部将材料各异的不同金属接合等用途的精密焊接中使用。另外，近年来，三维造型装置等中使用了电子束。
5)电子显微镜。
用作半导体検査观察用、各种研究开发用的各种电子显微镜的电子枪。装置整体有数千亿日元的市场。不过，认为有可能数百万日元以下的廉价装置无法应用本公开的电子枪装置。
作为电子发射材料(＝电子枪材料)使用了各种物质，常用物质被淘汰至2种：热电子发射钨电子枪和热电子发射LaB6电子枪。这里，以下将“LaB6”表述为“LaB6”。
钨电子枪价格便宜每支约1000日元，可以轻松使用，但寿命为1000小时，亮度较低，50kV下为104A/cm2球面度(steradian)。另外，使用温度为约2500℃左右。
LaB6电子枪价格高至每支20万日元至50万日元，亮度较高，50kV下为106A/cm2球面度。然而，该材料根据使用温度不同而蒸发速度不同，在1550℃至1600℃中，1000小时存在几十μm的蒸发损耗，因此，具有越处于高亮度而寿命越短的重大缺点。
在此，作为电子发射材料的LaB6晶体通过使用而被损耗。然后，在已被损耗的情况下，形状变化而无法进行预期的电子线发射。另外，还存在下述问题：如果LaB6晶体成为高温，则LaB6材料的蒸发物堆积于加热用的加热器表面上，加热器的电阻值降低，如果流过相同的加热电流，则LaB6晶体的温度降低。
另外，为了抑制LaB6晶体的侧面产生的蒸发，还提出了利用碳膜或高熔点金属膜形成罩的方法。利用碳膜或高熔点金属膜制成的罩，在电子枪长时间使用后形状也不发生变化而残存，但LaB6晶体的上表面大量损耗而进入罩的内表面。因此，使用开始时从LaB6晶体的前端发射的电子束强度分布的强度较强且中心部的照射均匀性良好，与此相对，长时间使用后LaB6晶体上表面产生的电子线发射分布整体电流变小，电子发射分布的均匀性也由于幅度变窄而劣化。
这一情况如在专利文献1(日本专利第5595199号公报)中已示出，通过使用数百小时，电子枪的前端LaB6晶体损耗，前端面从平面变成如圆形小山的形状。由于从这样损耗后的电子枪的前端不能发出相同的电子线发射强度的电子线，因此，不仅不能用作稳定的电子枪，而且被指出最大的问题在于所照射的电子束的均匀性分布发生变化。本发明人也在30多年中面对了同样课题。即，如果试图增加亮度则需要高温，从而LaB6晶体表面的损耗导致电子枪形状在短时间内变化，寿命变短。如果不克服这个问题，电子枪的未来就看不到前景。
专利文献1：日本专利第5595199号公报
发明内容
如上所述，期待电子枪的高亮度化、加热器温度稳定化以及电子枪的寿命变长同时实现。特别地，对于寿命，期望能够实现一年以上的长寿命。
本发明所涉及的电子枪为在真空中加热至高温而发射电子线的电子枪装置，发射电子线的材料表面为在高温工作时融解为液体的氢化金属，液体的氢化金属作为以氢化后的液体金属或氢化之前的液体金属容纳于高温工作时为固体的中空的套管容器，与套管容器一同被加热至高温，氢化后的液体金属从套管容器露出，形成重力、电场以及液面的表面张力相互平衡的液体表面，从该露出的氢化后的液体金属表面发射电子线。
本发明所涉及的电子枪优选具有如下结构。
在真空中加热至1000℃以上而1600℃以下的高温而发射电子线的电子枪中，
1)用于发射电子线的材料在高温工作时为融解的液体，为氢化金属，未氢化状态的金属材料本体的功函数通过氢化而降低，提高电子发射强度并且抑制在暴露于空气或氧气时材料的氧化，
2)液体氢化金属容纳于高温工作时为固体的中空的套管容器中，与容器一同被加热至高温，
中空的套管容器由在该高温状态下与电子线发射材料的液体氢化金属不会进行化学反应而溶解的材料构成，中空的套管容器具有导电性，
3)液体金属原子通过结合氢原子，能够降低液体金属原子原本具备的功函数，能够增加电子发射效率，高温工作温度下的液体金属至真空的蒸汽压为10-6帕斯卡至1帕斯卡，
4)氢化后的液体金属的表面的法向量与重力方向一致，通过重力和电场形成大致水平的静态平面。
5)朝向重力方向、或朝向与重力相反的方向，进行热电子发射或电场施加型热电子发射。
发明的效果
根据本发明，电子枪的高亮度化、加热器温度稳定化以及电子枪的寿命变长能够同时实现。
附图说明
图1A为对本发明的实施方式进行说明的图，是电子发射面朝向与重力相反的方向的情况的图。
图1B为对本发明的实施方式进行说明的图，是电子发射面朝向重力方向的情况的图。
图2为说明对比例的固体LaB6单晶电子枪在高温下进行电子发射而LaB6晶体蒸发、电子枪的形状变化的情况的图。
图3示出实施方式中的电子发射面朝向重力方向的情况下由于液体电子枪电子发射材料的蒸发而导致液体总量减少的图。
图4为对表面张力和毛细现象进行说明的图。
图5A为对液体电子枪的电子发射材料进行说明的图，是对例如使用镧液体的情况进行说明的图。
图5B为对液体电子枪的电子发射材料进行说明的图，是对例如使用氢化后的镧液体的情况进行说明的图。
图6为对电子枪加热温度与产生电流值的关系进行说明的图。
图7A是对为了液体电子发射材料的内部含有的碳原子的清洁化而设置必需的光催化剂进行说明的图，是在液体材料中混入光催化剂粉末的情况的说明图。
图7B是对为了液体电子发射材料的内部含有的碳原子的清洁化而设置必需的光催化剂进行说明的图，是在套管的内表面附着有光催化剂覆膜的情况的说明图。
图8为对使氢气流入液体电子枪所设置的真空电子枪腔体内部的方式进行说明的图。
图9为对在中空的套管容器内部填充液体的电子发射材料的第一方法进行说明的图。
图10为对在中空的套管容器内部填充液体的电子发射材料的第二方法进行说明的图。
图11示出以粉末混入液体的电子发射材料内部的储氢合金供给氢的情况的图。
图12A为对在一个套管的电子发射面设置薄膜具有多个开口的部件、进行多个电子发射而形成多光束的电子枪进行说明的图，为电子枪的整体图。
图12B为对在一个套管的电子发射面设置薄膜具有多个开口的部件、进行多个电子发射而形成多光束的电子枪进行说明的图，为多电子源的前端部的放大图。
图13A为所需的电子发射面积大的情况下通过捆束多个中空的套管容器作为多个毛细管而形成所需的大面积的电子发射面的情况的说明图，为电子枪的整体图。
图13B为所需的电子发射面积大的情况下通过捆束多个中空的套管容器作为多个毛细管而形成所需的大面积的电子发射面的情况的说明图，为前端部的放大图。
图14示出为了填补液体电子枪的电子发射材料的损耗而使固体的电子发射材料定期地下落至中空的套管容器的方法的图。
图15A示出重力为向下方向时将电子枪斜向倾斜约45度时的液体电子发射材料的液体的大致平面与垂直时几乎没有变化的图，为整体图。
图15B示出重力为向下方向时将电子枪斜向倾斜约45度时的液体电子发射材料的液体的大致平面与垂直时几乎没有变化的图，为要部放大图。
具体实施方式
(发明的经过)
首先，本发明人发现下述现象：在高温加热LaB6单晶的电子枪的情况下，如果使用碳化氢(CH2)的链较长的烃类粘接剂，则电子枪在LaB6的正常运转温度1500℃下处于明显不同的高亮度，而在低温化300℃至1200℃下进行工作亮度也不变化。然而，粘接剂很难获得稳定性和控制性。
因此，替换为通过气体供给烃的方法。使用气体的原因在于能够容易地从外部通过气体的压力和流量进行控制。气体的种类为甲烷气体CH4。这是最简单的碳化氢气体。LaB6单晶通常需要1500℃以上的高温，但如果将LaB6晶体放置于1200℃，将甲烷气体以10-4帕斯卡以填充电子枪的真空腔体内部的方式流动，则5小时后，能够实现LaB6单晶的约1500℃的电子产生强度。其原因在于，甲烷气体进行作用而破坏LaB6的硼元素boron(B)，形成乙硼烷(B2H6)这一气体并被真空泵不断抽出。其结果，可知镧原子以液体残留在LaB6表面，并作为镧液体产生电子。还发现能够利用甲烷气体产生的镧液体和甲烷中的氢而形成氢化镧。甲烷气体的碳用于破坏硼元素B的晶格。在形成镧液体的状态下，在1200℃放置时，通常LaB6的功函数从2.6eV显著下降至2.1eV～2.0eV，因此，电子生成效率为100倍至1000倍，因此温度降低300℃也能够使用。
由于镧容易被氧化，当将其取出到空气中时，LaB6晶体上的薄氢化镧层容易与空气中的氧反应而成为氧化镧。由于氧化镧的功函数为较大的3.5eV，因此即使再次吸真空，电子的产生效率也很差。
本发明人确认到，在1200℃下的甲烷稳定流引起的镧溶液的低功函数是氢化后的镧LaHx所导致的，与将镧氢试剂放入中空的套管容器中溶解而得到的功函数一致。
在此所说的LaHx是指针对1个镧存在1至3个氢的物质。X是指其值无法确定的情况。
同时，本发明人利用钨舟在真空中加热镧的铸块并放入中空的套管容器，使镧液化。将其在流过氢气的电子枪腔体中运转，也能够得到与氢化镧相同的功函数2.1eV～2.0eV。
因此，发现如果使用氢化镧则能够制作出在液面处高亮度且低温工作的电子枪。由于在LaB6的固体表面中，在1500℃以上LaB6蒸发而固体表面的形状变化，因此，电子发射量、电子发射分布在短时间内变化，从而由于可使用条件较短而被成位寿命短。在1550℃下约为1000小时。
液体电子枪中，液面相对于电子发射物质的蒸发，液面的形状不会改变，只有液体总量变化。
因此，当朝向与重力方向相反的方向、即朝向上方的液体电子枪表面发射电子线的情况下，如果设置将上部液面控制恒定的机构以补偿蒸发的液体的总量不断减少的情况，则能够将液体面作为水平面而使其高度保持不变。
针对朝向重力方向相同的方向、即朝向下方发射电子线的情况进行记述。大多数电子线照射装置大多向相对于重力向下方照射电子线。在这种情况下，如何保持作为液体电子枪材料的氢化镧。液体的氢化镧容纳于固体的中空的套管容器的内部。在套管容器的前端电子发射面开设有空孔。套管形成大致圆柱形或前端变细的梯形圆柱的形状。
液体金属材料在高温加热时由于毛细现象附着于中空的套管容器的侧面，因此，即使套管的前端部的最下方敞开，液体也不会向下方流出而滴落。当镧液体作为电子枪使用的情况下，能够确定与重力平衡的量的液体金属总量，在套管的最下方的敞开的开口形成因表面张力而静止的大致平面即由于表面张力形成的液面。对电极施加电压而对液面施加电压，能够通过加热从液体表面发射电子。
如上所述，本发明人着眼于仅使用固体的LaB6就不存在在使用温度下防止LaB6晶体蒸发的方法，无法避免作为固体的电子枪表面的形状变化而避免有限的寿命，从而研究出对电子枪的电子发射面液化的方案。如果进行液化，则相对于电子枪表面的蒸发也能够持续维持恒定的形状。其寿命能够使用至液体总量枯竭为止。
以下，参照附图说明实施本发明的方式(实施方式)。
图1A、图1B示出本发明的实施方式之一的图。图1A描述了在与重力相反的方向(与重力相反的方向)发射电子束的液体电子发射平面电子枪(液体电子发射材料108的液体表面为垂直于重力方向(重力矢量)的方向)。液体电子发射材料108通过电流流过其间的握持具103和PG加热器110被加热，在1000℃到1600℃的高温下液化。液体电子枪材料设置为利用中空的套管容器102而不会泄漏到外部。从液体电子发射材料的上部的露出表面，热电子或热电场发射电流以电子束107被发射。发射电流经过控制电子发射量的文纳尔电极104，被阳极101加速而成为电子束107。随着时间的推移，液体电子发射材料蒸发，从而液体总量减少。然而，液体上表面的形状没有变化，但如果就此放置，则液面会随着时间推移而下降，从而电子枪源的高度变化。为了防止这种情况，齿轮105定期地旋转，将与齿轮105啮合而使活塞111上下移动的齿条113向上方推升。由此，活塞111的支承件112被推升。由此，因活塞111被推升，所以液体电子发射材料的上表面的形状和高度方向的位置保持不变。由此，同时实现高亮度和长寿命化。文纳尔电极的电位可以是正也可以为负。然而，为了加速电子而阳极的电位为正1kV至100kV以上。另外，114表示用于固定握持具103的电绝缘体的陶瓷圆板，106表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部，109表示重力的方向。
图1B描述了在与重力相同的方向上发射电子束的液体电子发射平面电子枪(液体电子发射材料125的液面为垂直于重力方向(重力矢量)的方向)。液体电子发射材料125通过电流流过期间的握持具117和PG加热器118被加热，在1000℃至1600℃的高温动作温度下液化。液体电子枪材料设置为利用中空的套管容器124而不会泄漏到外部。从液体电子发射材料的下部的露出面，热电子或热电场发射电流作为电子束120被发射。发射电流经由控制电子发射量的文纳尔电极下部116，被阳极119加速而成为电子束120。中空的套管容器由相对于高温加热时的液体金属的接触角在90度以下的高熔点材料形成，中空的套管的形状形成为覆盖朝向重力轴方向的电子线发射材料的侧面，外形为以重力方向为中心轴的棱柱、圆柱、或圆锥台形状，内部形状为以重力方向为中心轴的棱柱、圆柱、椭圆柱、长圆柱或圆锥台形状，由于随着时间的推移而液体电子发射材料蒸发，从而液体总量减少。但是，液体的下表面的形状不变。通过施加于液体金属的重力、用于取出电子的电极的表面电场的静电力、套管容器和液体金属的表面张力，形成静态平衡的液体金属液面，在长时间内维持恒定的电子发射面。然而，此时液体电子发射材料125的总量有下限和上限。当构成中空的套管的最下部内表面的圆柱或棱柱的平均半径为R时，液体金属容量的最小极限值为4πR3/3、即具有能够附着在内表面的球体以上的容量，确定为不会从下部套管容器的开口产生液体下垂的液体量。当套管容器内部的截面的内径最大的截面的最大半径设为r(cm)时，将套管材料与电子发射用液体金属材料的接触角设为θ(度)、将液体金属的表面张力设为γLG(dyne/cm)，液体金属密度设为ρ(将水设为1而为5～10)，加速度设为980(g·cm/s2：cgs单位制)时，液体金属容量的最大极限值设定为，小于液体金属的重力方向的高度h＝2γLG×cos(θ(度))/(r×ρ×980)(cm)的5分之4，确定为不会从套管容器的最下方产生液体下垂。
在此，优选套管容器的内径最大的部分的半径为0.1mm至1mm。
另外，当中空的套管相对于重力倾斜时，液体金属的表面的上表面朝向重力方向，液面垂直于重力。
液体金属的下表面，由于在该位置处的重力、电场以及表面张力的相互平衡的结果，在该情况下表面张力处于支配性的，因此成为沿中空的套管的前端截面的平面即与套管轴垂直的平面。这一情况在套管相对于重力倾斜至正负60度为止是成立的。
中空的套管容器使用固体的高熔点材料作为基体材料。所谓基体材料表示并非5μm以下的薄膜。基体材料不得与液体电子发射材料例如氢化镧液体发生化学反应。如果发生化学反应而融解，则由于镧液体生成与套管容器材料反应的化合物而改性，因此，功函数变化，电子发射能力显著降低。不仅如此，中空的套管容器的厚度越来越薄，最后开孔，氢化镧液体泄漏至意料之外的面，形成液滴，如果从该液滴中也发射电子，则变成发射量远超正常的电子枪。
然而，从该意料之外的孔漏出的氢化镧液体中发射的电子是不能用于通常用途的电子流。中空的套管容器的材料不能有裂缝。为此目的，需要材料熔点为2000℃以上的高熔点材料。为了保持高熔点和电子枪在高温下维持恒定形状，优选在2000℃为止的高温下拉伸强度、弯曲强度等为500M帕斯卡以上的高强度，且硬度为摩氏硬度6以上的硬度。
另外，为了不与镧液进行化学反应，不能使用碳、硅、碳化硅、氮化硅碳化硼(B4C)。
能够作为上述高熔点的材料使用的有钨、铼、钽、钼、二硼化钛、二硼化锆、硼化钨等。也能够使用二硼化钛(TiB2)、氮化硼(BN)和氮化铝(AlN)的混合煅烧物。不限于上述，另外还存在能够用作为套管容器材料的金属或过渡金属的硼化物、氮化物、氧化物(除Al2O3氧化铝之外)。因此，能够将这些物质构成为主体。可以将导电体用作基体材料，在绝缘性物质的情况下，需要在套管的外表面、底面、上表面、内表面设置导电膜。导电膜的厚度为1μm至5μm。由于内表面的膜与镧液接触有可能破裂，因此需要防止镧液在中空的套管容器的基体(具有厚度且具有一定体积的材料)漏液。
根据实验试制，二硼化钛、二硼化锆、二硼化铪、二硼化钽或二硼化铵钇的单晶在用作套管时发挥了最佳性能。
另外，通过使用用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的、中空的套管容器的后盖123，能够实现25倍以上的长寿命，能够实现5年以上的长寿命。
另外，122表示用于固定握持具117的电绝缘体的陶瓷圆板；115表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；121表示重力方向。
图2是对对比例的固体LaB6晶体的寿命进行说明的图。图2的使用前的LaB6晶体207在加热并施加加速电压以进行电子发射的情况下，具有强度均匀的照射分布208。然而，电子枪材料蒸发而损耗后，前端部的平面面积变小，成为外形圆柱部变细的LaB6晶体215。在这种情况下，电子枪发射的照射分布219仅在中心处具有强度变高，照射分布均匀的面积变得非常小。如果电子枪发射分布以这种方式变化，则不得不说该电子枪已经达到寿命。通常，在1550℃至1600℃下使用LaB6晶体的电子枪，则在500小时至1000小时左右寿命到达尽头。当前端平坦部为50μmΦ时，寿命经过1000小时后，前端变为10μmΦ以下。以上是寿命的问题。
除了电子枪的寿命以外，还有其他问题。如图2所示，当LaB6晶体成为高温后，LaB6晶体207被损耗并变细，同时LaB6材料的蒸发物216堆积在热解石墨加热器212的表面上，加热器的电阻值下降，如果施加相同的加热电流，则LaB6晶体的温度会降低。
另外，201表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；202表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；203表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；204表示PG(热解石墨)加热器；205表示阳极；206表示用于固定203的电绝缘的陶瓷圆板；207表示开始使用时的LaB6单晶；208表示开始使用时的电子发射分布；209表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；210表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；211表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；212表示PG(热解石墨)加热器；213表示阳极；214表示固定211的电绝缘体的陶瓷圆板；215表示被加热器夹持的LaB6晶体部分；216表示堆积在PG加热器上、降低加热器电阻值、导致温度降低的原因的LaB6晶体的蒸发物；217表示因高温升华而损耗的LaB6单晶的形状；218表示开始使用时的、无损耗的LaB6单晶的形状；219表示开始使用时的电子发射分布随着LaB6单晶的损耗而变化后的电子发射分布；220表示开始使用时的电子发射分布。
图3是示出了本实施方式的电子发射面朝向重力方向的情况下由于液体电子枪电子发射材料的蒸发使液体总量减少的图。在本图中，针对为了显示氢化镧的蒸发而除去套管容器的后盖的情况进行了说明。由于电子发射面是作为液体电子发射材料的氢化镧面从由重力、电场和表面张力确定的大致平面进行电子发射的，因此，即使时间经过，电子发射面的朝向重力方向的高度和液面的形状都完全保持不变，从而能够保持高亮度和长寿命。这一点是本实施方式的非常好的优点。然而，经过长时间后，开始使用时的液体电子发射材料的氢化镧308以恒定的蒸汽压在真空中不断蒸发。经过一定时间后的液体电子发射材料319的上部方向318的液面降低。最终在3个月左右而总液量枯竭。作为液体电子枪，这是达到了原本寿命极限。然而，通过如图1B所示使用用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的、中空的套管容器的后盖123，能够实现25倍以上的长寿命，能够实现5年以上的长寿命化。
另外，301表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；302表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；303表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；304表示PG(热解石墨)加热器；305表示中空的套管容器；306表示阳极；307表示用于固定303的电绝缘的陶瓷圆板；308表示液体电子发射材料从套管容器背面蒸发的方向；309表示液体电子发射材料；310表示朝向重力方向发射的电子束；311表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；312表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；313表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；314表示PG(热解石墨)加热器；315表示中空的套管容器；316表示阳极；317表示用于固定313的电绝缘体的陶瓷圆板；318表示液体电子发射材料从套管容器背面蒸发的方向；319表示随着时间经过蒸发而总液体量减少后的液体电子发射材料；320表示朝向重力方向发射的电子束。
图4为对毛细现象和表面张力进行说明的图。当水402附着于玻璃基板401上时，表面张力在角度θ的方向上起作用，θ为90度以下，并且水402以液滴的形式附着于玻璃基板401上。将θ称为接触角，当接触角为90度以下时，认为润湿性良好，当接触角在90度以上时，润湿性差，称为具有拨水性。尤其，在汞411的情况下，接触角在90度以上且润湿性不好。如果玻璃管403浸入水的容器404的水405中，则由于毛细现象而水被吸入玻璃管，玻璃管内部的由于毛细现象而上升的水面的上表面406的高度h，在作用于液体的表面张力为γLG(单位：dyn/cm；水的情况下为72dyn/cm)、液体密度为ρ(水的情况下为1，镧的情况下为6)、重力加速度为g(980cm/s2)、玻璃管的半径为r时，高度h＝(2γLGcosθ)/(rρg)。如果玻璃管半径为0.5mm，则液面的上升为28mm。对于接触角为90度以上的汞，玻璃管内的汞面416低于汞的容器413的汞面412。因此，在汞的情况下，如果玻璃管415上升，则如417所示，从汞容器中拉出时变成空的玻璃管、接触角度大于90度的玻璃管与汞的润湿性较差，管内不残留毛细现象下的汞。如果将以上的毛细现象应用于液体电子枪的中空的套管容器，则液体电子发射材料附着于套管容器内部的内壁侧面，即使在最下方具有开口，液体电子发射材料也不会从套管容器中漏出，形成由重力、电场和表面张力相互平衡的、稳定的大致平面的液面。重要的是，能够从该液体的大致平面的液面朝向重力方向稳定地发射电子。
407表示水容器的玻璃管以外的水面；408表示玻璃管；409表示通过毛细现象从水容器分离时的玻璃管内部的水(最下面由于表面张力而成为大致平面)；410表示玻璃基板；412表示玻璃管以外的汞液面；414表示汞。
表1是用于说明由于毛细现象导致的液体电子枪的液体高度的极限值、即“关于镧液体的极限高度”的表。另外，关于镧液体的极限高度，作为针对由于毛细现象而能附着于圆柱形毛细管内部的水、镧以及铈的液体的高度示出的对于盖部件的开口的直径被允许的液体的高度，以水的表面张力为72.75dyn/cm而进行计算。另外，针对镧和铈，也基于以与水相同的表面张力成为液体时的密度较大的值进行除法运算。实际上，可以认为镧和铈也在1000℃以上具有10倍以上的表面张力。
[表1]
关于镧液体的极限高度
Figure BDA0003240240270000101
作为针对由于毛细现象而能附着于圆柱形毛细管内部的水、镧以及铈的液体的高度示出的、对于盖部件的开口的直径被允许的液体的高度，以水的表面张力为72.75dyn/cm而进行计算。另外，针对镧和铈，也基于以与水相同的表面张力成为液体时的密度较大的值进行除法运算。实际上，可以认为镧和铈也在1000℃以上具有10倍以上的表面张力。这相当于约1000dyn/cm，因此可能比表1的值高10倍以上。表1是以水在室温下的表面张力为72dyn/cm的情况下计算出的，当套管内直径为0.5mm时，水的液面高度为56mm，当镧密度为6时，容许高度为9.3mm。该值比实际的电子枪套管容器的长度3mm更长，是能够始终被满足的条件。已知套管容器的最粗部分的平均内径和极限高度是反比关系。因此，只要不将套管容器设置为比常规情况更粗，镧液体就不会从套管开口自身向重力方向滴落。由于铈的密度为6.5，因此这个条件几乎不变。另外，根据本发明人的实验，高熔点金属和金属硼化物的镧之间的表面张力非常强，尤其是在1000℃以上时，在实验中从未出现润湿性的问题。如果能够确定实际所需的运转温度1000℃～1600℃、亮度和寿命要求值，则能够在设计上确定中空的套管容器的内径。
图5A和5B为对液体电子枪的电子发射材料进行说明的图。从图5B的套管容器前端部的开口，由氢化镧发射出电子束605。图5A为对使用镧液体的情况进行说明的图。在这种情况下，需要向电子枪腔体流过氢气进行氢化，降低功函数来使用。特别是在未氢化的情况下，在空气中大约10分钟就被氧化，与水分反应而开始氢氧化。由于难以将其再次作为电子枪使用，因此需要如图5B所示使氢原子606与镧原子603反应而形成氢化镧。即，氢化不仅是保持电子发射效率所必需的，而且在防止被取出至空气中时的氧化也是必要的。如果氢化达到一定程度以上，则在电子发射面上会形成氢化镧LaHx的黄色晶体，因此能够保护氧化。如果充分地进行氢化，则在使氢化镧电子枪工作时，无需使氢气在电子枪腔体真空内始终流动。
另外，601是表示液体电子枪整体的图；602表示朝向重力方向发射的电子束；603表示作为电子发射材料的镧原子；604是表示液体电子枪整体的图，605表示朝向重力方向发射的电子束；606表示进入镧原子液体中的氢原子。
图6为对电子枪加热温度与产生电流值的关系进行说明的图。横轴为电子枪的温度(℃)，纵轴为发射电流的强度(电流(μA))。703表示氢化镧的发射电流。704表示固体LaB6单晶的电子发射电流。由此可知，在相同温度下，氢化镧的发射电流强度比LaB6单晶的发射电流强度高100倍至1000倍。即，氢化镧能够在比LaB6单晶的动作温度低300℃的温度中获得相同的强度。此外，由于LaB6单晶为固体，因此通过蒸发引起的形状变化而在短时间内就无法满足使用条件。氢化镧为液体，液面由重力、电场和表面张力而被稳定地确定，能够使用到液体量枯竭，因此实际寿命为10倍至100倍。705为表示钨电子枪的电子发射强度。如果在超过2000℃的温度下使用钨，则100μmΦ的钨丝在约100小时左右蒸发而切断，因此寿命非常短。
表2为对用作液体电子发射材料的候选的元素种类进行研究的表，研究作为液体电子发射材料的各种元素和物质的适用性。示出了适用性、材料名称、熔点、沸点、在1000℃至1500℃温度中是否液化、示出在该温度区域中蒸发程度的蒸汽压。
[表2]
Figure BDA0003240240270000121
*1CPD：根据接触电势差方法
*2PE：根据光电效应方法
以前常用的材料为LaB6单晶，在1500℃至1600℃的温度下使用。为了找到更好的材料，需要寻找能够在1000℃至1600℃之间长时间液化的金属原子。即，需要寻找在1200℃至1400℃附近具有10-3帕斯卡至10-1帕斯卡的低蒸汽压的元素。即，需要熔点为1300℃左右、沸点超过3000℃。即，需要熔点和沸点之差较大的材料。另外，需要寻找元素的功函数在3eV以下、且在氢化的情况下降低至相对较小的1eV左右的元素。例如，钡和钙的熔点低至700℃至800℃，但沸点约在1500℃，在动作时马上蒸发，因此这种元素是不合适的。根据本发明人的研究，镧和铈在1300℃下的蒸汽压为10-3帕斯卡，是最合适的元素。除此之外，钆在1300℃下为10-1帕斯卡，镨在1500℃下为1帕斯卡，铽在1516℃下为1帕斯卡，与镧和铈相比，预测后3种的寿命会非常短，但并不是完全不能使用。从这样的研究出发，能够提出镧和铈作为最适合的元素的方案。
图7A和图7B为对为了清洁液体电子发射材料内部所含有的碳原子而设置必需的光催化剂进行说明的图(标号901和906表示液体电子枪整体的图)。已知碳原子会使氢化镧的电子发射效率显著恶化。因此，能够通过中空的套管容器的材料中所含的碳原子生成与电子发射材料、例如镧、氢化镧的镧原子的化合物。为了阻止这一情况，目的在于以使用为了使镧液体中残留的氧或电子枪腔体内残留的氧活化而公知的利用紫外光的光催化剂的二氧化钛、和利用可见光的光催化剂的三氧化钨，通过使镧液体中的碳成分一氧化碳化而除去碳元素。
将二氧化钛TiO2粉末和三氧化钨WO3的粉末902混入氢化镧液体903中。或，在图7B中，二氧化钛或三氧化钨的氧化膜907作为光催化剂附着形成于中空的套管容器的内表面。由于电子枪通过PG加热器而在1000℃以上的温度下至少发射可见光以上的光，因此能够利用其自身发出的光能而通过氧化除去碳杂质。904、909为套管容器的后盖，用于阻止氢化镧从电子枪发射面的背面蒸发。905、910为中空的套管容器。903、908为氢化镧。根据本图的说明，即使在中空的套管容器中存在0.1％以下的极少量的碳成分的情况下，也能够使液体电子枪的发射电流保持恒定。然而，如果能够降低套管容器的碳杂质，则有可能不需要光催化剂，但是考虑到来自电子枪腔体内的碳污染，为了安全而优选使用光催化剂。另外，由于二氧化钛能够使用金属钛的自然氧化膜，三氧化钨能够使用金属钨的自然氧化膜，因此所使用的粉末902或氧化膜907也可以是金属钛或金属钨。
图8为对使氢气流入液体电子枪所设置的真空电子枪腔体内部的方式进行说明的图。当液体电子发射材料的氢化镧1001的氢气量不足时，需要使氢气分子1007流入到电子枪腔体内以控制气体分压，补充适当的氢气量。使氢气从氢气瓶1020经由氢气调节用质量流控制器1021流入到电子枪腔体1022内。通常，涡轮分子泵1011a打开阀1010将电子枪腔体内部抽成真空。然而，如果电子枪腔体中的氢气为1×10-4帕斯卡，则不会对涡轮分子泵1011a施加很大的负荷，但是，如果想在短时间内对镧进行氢化，则需要向电子枪腔体流入10-3帕斯卡以上的氢气分压。在这种情况下，由于涡轮分子泵1011a被施加负荷并散发相当高的热量，因此关闭阀1010并利用涡轮分子泵1011b将第二级柱1019抽成真空。这样做，能够维持电子枪腔体中的氢分压较高，并且减少涡轮分子泵所施加的负荷。这是因为，第二级柱和第三级柱之间的真空分隔壁1012上的圆孔小，所以在电子枪腔体和第二级柱之间能够产生氢气体分压差。顺便提及，电子束1008经由真空分隔壁1013，使用电子束偏转电极1017和电子束会聚用磁场透镜1018，向进行电子束照射工作的第三级柱1016内部照射电子束的工作用基板、即进行电子线观察或电子线描绘或电子线焊接的1015照射电子束，施行必需的作业。此时，电子枪腔体中的氢分压最高，其次按照第二级柱、第三级柱的顺序氢分压变低。
另外，1002表示中空的套管容器；1003表示液体电子枪材料的、开放的套管容器前端的开口的液面(通过表面张力形成大致平面或半径较大的球面的一部分)；1004表示电子发射量控制用的文纳尔电极；1005a、1005b表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；1006a、1006b表示PG(热解石墨)加热器；1009表示用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板；1011a、1011b、1011c表示涡轮分子泵；1004表示粗抽干式泵。
图9为对在中空的套管容器内部填充液体的电子发射材料的第一方法进行说明的图。中空的套管容器1102由机械装置1101吊起，所述机械装置1101用于保持中空的套管容器并使其沿横向和上下方向移动。另外，为了填入液体金属的、坩埚或舟1103中作为液体金属的镧液体1107通过液体金属融解用加热器1111加热至高温而被液化。该中空的套管容器1102机械地下降直到与镧液体1107接触为止，利用毛细现象而镧液体1107被吸如中空的套管容器1102的内部。套管容器1102内部为真空，套管容器整体被镧液体1107填充。将套管容器拉起而套管容器1102的内部的镧液体填充完成。在该工作中，真空装置1106内被真空泵1108抽真空，并且氢气从氢气瓶1110经由氢气流量调节用质量流控制器1109导入真空腔体1106内部。由此，真空腔体内部的镧液体被氢化。中空的套管容器内的镧液体也被氢化。由此，氢化镧的重点完成。
另外，1104表示液体金属融解用加热器用电源；1105表示液体金属融解用加热器用电源到加热器的传输线；1108表示真空泵；1109表示氢气流量调节用质量流控制器；1110表示氢气瓶。
图10为对在中空的套管容器内部填充液体的电子发射材料的第二方法进行说明的图。中空的套管容器1207朝向相对于重力的下方1204。在中空的套管容器的背面在容纳氢化镧粉的容器1205中预先容纳氢化镧粉，通过倾斜而从中空的套管容器的背面侧填充氢化镧粉。被填充的氢化镧粉1208在真空腔体1213内通过加热器1203的加热而高温化，成为液体氢化镧1212。真空腔体1213通过真空泵1214被抽成真空，并且根据需要从氢气瓶1215将氢气从氢气流量调节用质量流控制器1216适时或连续地流入。由此，在中空的套管容器的内部填充氢化镧。
另外，1201表示用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板；1202表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；1206表示容纳于中空的套管容器内的氢化镧粉末；1209表示重力方向；1210表示液体金属融解用加热器用电源到加热器的传输线；1211表示液体金属融解用加热器用电源；1217表示重力方向。
图11是示出了以粉末形式混入液体的电子发射材料的内部、大量吸储有氢的储氢合金提供氢的情况的图。套管容器内将储氢合金与液体金属材料一同内包。混入氢化镧液体中的储氢合金1301吸储有大量的氢分子1302。如果在真空腔体内被减压、被加热，则储氢合金释放氢分子1303，氢原子在氢化镧液体中增加。这样，能够控制氢化镧液体中的氢原子量。储氢合金1301是作为主要成分含有钯、钛、锆、钒或镍的储氢合金。
图12A、图12B为对在一个套管的电子发射面设置薄膜具有多个开口的部件、进行多个电子发射而形成多光束的电子枪进行说明的图。图12A为电子枪的整体图。图12B为多电子源的前端部的放大图。
作为多光束电子枪，使用在中空的套管容器1410的前端开放面上具有由开设有多个圆孔或方孔的、薄的高熔点导电材料形成的板状部件1411的部件。氢化镧的液体露出于所有多个圆形或方形孔的面。电子从露出的氢化镧液体并行发射到真空中。通过文纳尔电极1404，由阳极1405被加速后的多个电子束1406被发射。
另外，1401表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；1402表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；1403表示PG(热解石墨)加热器；1407表示用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板；1408表示用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的中空的套管容器的后盖；1409表示液体电子发射材料即氢化镧。
图13A、图13B为所需的电子发射面积大的情况下通过捆束多个中空的套管容器作为多个毛细管而形成所需的大面积的电子发射面的情况的说明图。图13A为电子枪的整体图。图13B为前端部的放大图。
将多个(在此为7个)中空的套管容器捆束(形成多根束)的大面积的套管容器1509，在各个单独的中空的套管容器中具有被填充的氢化镧电子发射液体材料1508。电子束1506分别从氢化镧液体的露出的面被发射。这种不使用大面积的套管容器而将多个细小的套管容器捆束的原因在于，能够通过毛细现象在毛细管内保持的液体的量被限定为固定的量。即，由于液体的毛细现象的液面高度与毛细管内径的圆周距离成反比，因此毛细管越小就能够形成越高的液面。这种方法也能够形成多光束。
另外，1501表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；1502表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；1503表示PG(热解石墨)加热器；1504表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；1505表示阳极；1507表示用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板；1510表示用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的中空的套管容器的后盖。
图14示出了将固体的电子发射材料定期地下落至中空的套管容器中以填补液体电子枪的电子发射材料的损耗的方法的图。
当长时间使用氢化镧液体电子枪时，液体氢化镧1613蒸发而液面变低。由此，需要填补新的固态氢化镧1601。通过固体供给机构1603的定期的带式输送机的旋转，多个固体氢化镧1601定期地一粒粒地下落于外壳的上表面。1605a、1605b、1605c表示落下的固体氢化镧。落下的固体氢化镧与被PG(热解石墨)加热器1608加热至熔点以上的温度的液体氢化镧1613接触而被融解。这样，能够填补液体氢化镧的损耗量。
图14为通过向套管容器提供固体氢化镧来填补的图。在该例子中，从中空的套管容器与电子线发射侧的面的相对侧，以粉末、固体或液体的形态填充氢化后的液体金属材料。另外，也能够通过不与套管容器的内表面电接触的管填充液体氢化镧。在图14中，重力方向1602朝向固体落下方向。此外，固体氢化镧也可以是粉末。
另外，1604表示用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板；1606表示电子发射量控制用的文纳尔电极上部；1607表示加热电流流动于其间的金属制的握持具；1609表示电子发射量控制用的文纳尔电极下部；1610表示阳极；1611表示朝向重力方向发射的电子束；1612表示中空的套管容器。
图15A、图15B示出了重力为朝向下方(重力矢量的方向)的电子枪倾斜约45度时的液体电子发射材料的液体露出面为大致平面1702。即使该面倾斜了45度，与垂直方向的时候相比几乎没有变化。即，在套管侧面的开口处以表面张力附着的面处维持有与套管的中心轴垂直的面。
另外，当中空的套管相对于重力倾斜时，液体金属的表面的上表面朝向重力方向，液面垂直于重力。
液体金属的下表面，由于在该位置处的重力、电场以及表面张力的相互平衡的结果，在该情况下表面张力处于支配性的，因此成为沿中空的套管的前端截面的平面即与套管轴垂直的平面。这一情况在套管相对于重力倾斜至正负60度为止是成立的。
本发明人已经证实，如果电子束的发射方向在重力方向1701起正负60度以内的范围(圆锥的内部)，则液体电子枪的功能基本上能够被正常满足。因此，使用液体电子发射材料的电子枪能够在朝向下方正负60度使用。然而，当朝向与重力方向垂直的方向时，液体会在毛细管中横向移动，因此在套管容器的前端部不会形成液体氢化镧的露出面。为了防止这种情况，考虑需要对液体氢化镧施加水平方向的压力。
【关于变形例等】
在本实施方式中，将氢化的金属材料限定为镧和铈等几种元素，但如果其他元素也能够作为氢化后电子产生效率显著提高的液体电子发射材料，则当然也可以用于本发明。
另外，由于氢化降低材料物质的功函数、电子束发射量增加这一情况，由于针对的元素不同而程度存在差异，但可以认为是大致共通的。至此为止的说明主要描述了氢化镧，但是氢化后的液体金属也可以是镧族金属，为镧、铈、钆、铽或镨。这些金属的氢化可以通过在真空腔体内部流过氢气来实现。
对于电子枪取出到空气中，在将氢化镧等液体金属氢化物作为电子枪工作后从真空腔体取出到空气中时，由于空气中的氧气而液体金属材料可能被氧化。在将其放入真空中再次作为电子枪工作的情况下，优选将氢气流过电子枪腔体。然而，由于装置设计的复杂化，在氢化镧的情况下，通过在一定的条件下在套管容器的电子发射面由固体氢化镧(LaHx:x＝2.8的黄色固体)以固体覆盖表面，从而能够防止自然氧化。
【对于锆的泰勒锥电子枪】
对于液体电子枪，当前存在下述方法：在钨的尖锐的前端使用将锆的液体形成称为泰勒锥的前端的尖锐的液体表面而用作电子发射面。在这种电子枪中，锆经过一定时间后蒸发而消失，需要再次使锆液化。即，与在本实施方式中将稳定的液体的与重力方向垂直的平面作为随时间经过也处于稳定的高亮度电子枪使用相对，使用泰勒锥的锆液体的电子枪的方式、目的以及动作原理完全不同。
【关于施加压力的流体雾化器技术】
还有一种技术，其从中空的套管容器的后方施加压力，向前端施加电场，释放液体、气体，然后使用喷嘴进行喷涂以形成膜、固体，或对作为对象的作业物体进行雕刻、研磨。该技术与本实施方式有相似之处。喷嘴的形状与本实施方式的中空的套管容器相似。然而，在该实施方式中，并不始终流过向中空的套管容器施加压力的流体。本实施方式将完全不流动的液体电子发射材料即氢化镧静态地保持，从电子发射面发射高亮度电子，实现长期稳定性，使用领域和构成完全不同。因此，没有理由收到本发明是本领域技术人员根据喷嘴能够容易地构成的指责。
【关于应用领域】
本实施方式的电子枪远远优于现有的电子枪，具有高亮度和长寿命，能够稳定地发射电子，能够用于通常的电子束描绘装置。
另外，由于在本实施方式中使用了液体电子枪，因此即使前端的电子发射面的蒸发材料蒸发，电子枪平面的高度和形状也完全没有变化，因此，能够形成超高稳定且高精度的电子枪。这一点完全克服了现有电子枪的缺点。由此，对于现有电子枪的寿命实现了创新性的长寿命化。
另外，由于不更换电子枪就能够实现一年以上的寿命，因此能够实现适用于多电子束描绘装置的电子枪。另外，也能够用于X射线源电子枪。另外，如果将套管容器的前端开口的直径制造为10μm以下，则能够用作高亮度且长寿命的扫描型电子显微镜、透射型电子显微镜的电子枪。另外，在流过氢气的情况下，即使在低真空度下也能够使用，因此也能够在使用电子束的三维电子束焊接造型机中用作电子枪使用。
另外，如果电子枪套管容器的前端部形成为尖锐的，将开口部形成为微小的开口，则还能够适用于超精细图案的描绘装置或观察用电子显微镜。
如上，由于作为电子枪实现了高亮度和长寿命，因此本实施方式所涉及的的电子枪对于包括电子束描绘装置、电子线显微镜、电子束检查装置、X射线生成器等在内的、以电子枪为基础的电子束应用装置产业领域整体做出了巨大的贡献。
工业实用性
在电子束描绘装置中，从一支电子枪需要为现有的LaB6或CeB6电子枪的10倍以上的高亮度化。在50kV下需要107A/cm2球面度的亮度。因此，对于现有的LaB6或CeB6电子枪的通常使用温度1500℃，需要高温化至1600℃进行使用。这样，电子枪的寿命变短，在一个月左右就会升华损耗约70μm。因此，需要以每月一次的频率将真空腔体暴露于空气中而进行电子枪的更换。然而，在本实施方式的电子枪中，无需保养就能够工作一年以上，能够实现现有的10倍以上的电子束强度。由于本实施方式的电子枪中能够在一年只需要一天的保养时间，因此能够降低保养成本。
通过将其制成多列化、多光束化，能够实现10nm至5nm的半导体制造精细化。通过进一步提高集成度，能够用于构筑基于具有精细模式的人工智能以及模仿神经元的脑型计算机产业和自动驾驶汽车、各种机器人、危险场所作业用机器人、护理用机器人、交互式共存机器人、大规模建筑物和大规模工程的快速作业机器人、上传人类的意识并复制当时的人类记忆意识和思维过程后通过继承人类的思维方法和记忆来有意识地拥有无限生命的永存的人工脑等、将来成为巨大的人工智能产业的半导体产业。
另外，本实施方式的电子枪也能够用于X射线发射装置，作为高亮度、大电流、长寿命的电子枪，作为所有的X射线电子枪发挥很大的力量。X射线发射装置在交通机构中的危险品检测装置以及诊断癌症、脑出血、脑梗塞等的健康诊断的用途上具有巨大的市场。如上所述，本实施方式的电子枪作为形成5兆日元以上巨大产业的核心而做出贡献。
另外，在上述的记载中，有时对相同的部件附加不同的标号而省略说明，对此在标号的说明中进行了说明。
标号的说明
101：阳极
102：中空的套管容器
103：加热电流流动于其间的金属制的握持具
104：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
105：齿轮
106：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
107：以与重力相反的方向发射的电子束
108：液体电子发射材料
109：重力方向
110：PG(热解石墨)加热器
111：为了保持向上的液体电子发射面的高度恒定而上下动作的活塞
112：活塞111的支撑部件
113：与105啮合而使活塞111上下移动的齿条
114：用于固定103的电绝缘体的陶瓷圆板
115：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
116：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
117：加热电流流动于其间的金属制的握持具
118：PG(热解石墨)加热器
119：阳极
120：向重力方向发射的电子束
121：重力方向
122：用于固定117的电绝缘体的陶瓷圆板
123：用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的、中空的套管容器的后盖
124：中空的套管容器
125：液体电子发射材料
201：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
202：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
203：加热电流流动于其间的金属制的握持具
204：PG(热解石墨)加热器
205：阳极
206：用于固定203的电绝缘体的陶瓷圆板
207：开始使用时的LaB6单晶
208：开始使用时的电子发射分布
209：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
210：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
211：加热电流流动于其间的金属制的握持具
212：PG(热解石墨)加热器
213：阳极
214：用于固定211的电绝缘体的陶瓷圆板
215：被加热器夹持的LaB6晶体部分
216：堆积在PG加热器上、降低加热器电阻值、导致温度降低的原因的LaB6晶体的蒸发物
217：因高温升华而损耗的LaB6单晶的形状
218：开始使用时的、无损耗的LaB6单晶的形状
219：开始使用时的电子发射分布随着LaB6单晶的损耗而变化后的电子发射分布
220：开始使用时的电子发射分布
301：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
302：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
303：加热电流流动于其间的金属制的握持具
304：PG(热解石墨)加热器
305：中空的套管容器
306：阳极
307：用于固定303的电绝缘体的陶瓷圆板
308：液体电子发射材料从套管容器的背面蒸发的方向
309：液体电子发射材料
310：朝向重力方向发射的电子束
311：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
312：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
313：加热电流流动于其间的金属制的握持具
314：PG(热解石墨)加热器
315：中空的套管容器
316：阳极
317：用于固定313的电绝缘体的陶瓷圆板
318：液体电子发射材料从套管容器的背面蒸发的方向
319：随着时间经过蒸发而总液体量减少后的液体电子发射材料
320：朝向重力方向发射的电子束
401：玻璃基板
402：水
403：玻璃管
404：水的容器
405：水
406：由于毛细现象而上升的水面的上表面
407：水容器的玻璃管以外的水面
408：玻璃管
409：通过毛细现象从水容器分离时的玻璃管内部的水最下面由于表面张力而成为大致平面。
410：玻璃基板
411：例如汞
412：玻璃管以外的汞液面
413：汞的容器
414：汞
415：玻璃管
416：玻璃管内部变低的汞的上表面
417：从汞容器中拉出时变成空的玻璃管、接触角度大于90度的玻璃管与汞的润湿性较差，管内不残留毛细现象下的汞
601：液体电子枪整体的图
602：向重力方向发射的电子束
603：作为电子发射材料的镧原子
604：液体电子枪整体的图
605：向重力方向发射的电子束
606：进入镧原子液体中的氢原子
703：氢化镧的发射电流特性
704：LaB6单晶的发射电流特性
705：钨的发射电流特性
901：液体电子枪整体的图
902：用于清洁镧溶液内部的碳污染的高温光催化剂粉，TiO2或WO3
903：作为液体电子发射材料的氢化镧
904：用于阻止氢化镧从电子枪发射面的背面蒸发的、套管容器的后盖
905：中空的套管容器
906：液体电子枪整体的图
907：用于清洁镧溶液内部的碳污染的高温光催化剂的膜，TiO2或WO3
908：作为液体电子发射材料的氢化镧
909：用于阻止氢化镧从电子枪发射面的背面蒸发的、套管容器的后盖
910：中空的套管容器
1001：作为液体电子发射材料的氢化镧
1002：中空的套管容器
1003：液体电子枪材料的、开放的套管容器前端的开口的液面，通过表面张力形成大致平面或半径较大的球面的一部分
1004：电子发射量控制用的文纳尔电极
1005a、1005b：加热电流流动于其间的金属制的握持具
1006a、1006b：PG(热解石墨)加热器
1007：流入电子枪腔体的氢气
1008：向重力方向发射的电子束
1009：用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板
1010：置于电子枪腔体和涡轮分子泵之间的阀
1011a、1011b、1011c：涡轮分子泵
1012：阳极兼电子枪腔体与下游的第二级柱之间的真空分隔壁
1013：第二级柱与第三级柱之间的真空分隔壁
1014：粗抽干式泵
1015：被照射电子束的工作用基板，进行电子线观察、电子线描绘或电子线焊接
1016：进行电子束照射工作的第三级柱
1017：电子束偏转电极
1018：电子束会聚用磁场透镜
1019：第二级柱
1020：氢气瓶
1021：氢气流量调节用质量流控制器
1101：用于保持中空的套管容器并沿横向和上下方向运动的机械装置
1102：中空的套管容器
1103：用于放入液体金属的坩埚或舟
1104：用于融解液体金属的加热器用电源
1105：用于融解液体金属的加热器用电源到加热器的传输线
1106：用于融解液体金属的真空腔体
1107：作为液体金属的镧溶液
1108：真空泵
1109：氢气流量调节用质量流控制器
1110：氢气瓶
1111：液体金属融解用加热器
1201：用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板
1202：加热电流流动于其间的金属制的握持具
1203：PG(热解石墨)加热器
1204：重力方向
1205：容纳氢化镧粉的容器
1206：容纳于中空的套管容器内的氢化镧粉
1207：中空的套管容器
1208：容纳于中空的套管容器内的氢化镧粉
1209：重力方向
1210：用于融解液体金属的加热器用电源到加热器的传输线
1211：用于融解液体金属的加热器用电源
1212：融解后的液体金属材料即氢化镧
1213：用于融解液体金属的真空腔体
1214：真空泵
1215：氢气瓶
1216：氢气流量调节用质量流控制器
1217：重力方向
1301：用于向作为液体金属材料的氢化镧中进一步供给氢的储氢合金原子
1302：吸储于1301的氢分子
1303：从储氢合金释放的氢分子
1401：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
1402：加热电流流动于其间的金属制的握持具
1403：PG(热解石墨)加热器
1404：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
1405：阳极
1406：并行发射的多个电子束
1407：用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板
1408：用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的、中空的套管容器的后盖
1409：作为液体电子发射材料的氢化镧
1410：中空的套管容器
1411：前端开放面设置有由开设有多个圆孔或方孔的、薄的高熔点导电材料形成的部件
1501：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
1502：加热电流流动于其间的金属制的握持具
1503：PG(热解石墨)加热器
1504：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
1505：阳极
1506：从多个中空的套管容器的液体电子发射材料发射的多个电子束
1507：用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板
1508：作为液体电子发射材料的氢化镧
1509：将多个中空的套管容器捆束而成的部件
1510：用于阻止液体电子发射材料的不必要的蒸发的、中空的套管容器的后盖
1601：用于定期补充液体金属电子枪的固体氢化镧
1602：重力方向
1603：用于定期补充液体金属电子枪的机构
1604：用于固定握持具的电绝缘体的陶瓷圆板
1605a、1605b、1605c：从中空的套管容器的背面开口部的正上方落下的固体氢化镧
1606：电子发射量控制用的文纳尔电极上部
1607：加热电流流动于其间的金属制的握持具
1608：PG(热解石墨)加热器
1609：电子发射量控制用的文纳尔电极下部
1610：阳极
1611：向重力方向发射的电子束
1612：中空的套管容器
1613：作为液体电子发射材料的氢化镧
1701：重力方向
1702：当重力为朝向下方的电子枪倾斜约45度时的液体电子发射材料的液体的大致平面。与垂直时相比几乎不变。

Claims (18)

1.一种电子枪装置，其在真空中加热至高温而发射电子线，
发射电子线的材料的表面为高温工作时融解的液态的氢化金属，
液态的氢化金属以氢化后的液体金属或氢化之前的液体金属容纳于高温工作时为固体的中空的套管容器，与套管容器一同被加热至高温，氢化后的液体金属从套管容器露出，形成重力、电场以及液面的表面张力相互平衡的液体表面，
从该露出的氢化后的液体金属表面发射电子线。
2.根据权利要求1所述的电子枪装置，其中，
氢化后的液体金属的表面，在其法向量相对于重力方向朝向重力方向的情况下，朝向正负60度以内的范围或朝向与重力相反的方向发射电子线。
3.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
所述高温为1000℃以上而1600℃以下，在高温动作温度下液体金属至真空的蒸汽压为10-6帕斯卡至1帕斯卡。
4.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
当发射电子线的方向为与重力相反的方向的情况下，在上部具有开口的中空的套管容器中容纳液体金属，液体金属的表面形成相对于重力相同的方向垂直的方向的液面，从液体表面发射电子线。
5.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
当发射电子线的方向为与重力相同的方向的情况下，在下部具有开口的中空的套管容器中容纳液体金属，液体金属的表面形成垂直于套管容器的轴的方向的液面，从液体表面发射电子线。
6.根据权利要求5所述的电子枪装置，其中，
发射电子线的液体材料以毛细现象附着于中空的套管容器内部的内壁侧面，电子发射面为朝向重力方向的最下面，通过施加于液体金属的重力、用于取出电子的电极的表面电场产生的静电力、套管容器与液体金属之间的表面张力，形成静态地、相互平衡的液体金属表面，
套管容器的内径的最大部分的半径为0.1mm至1mm。
7.根据权利要求6所述的电子枪装置，其中，
中空的套管容器由相对于高温加热时的液体金属的接触角为90度以下的高熔点材料形成，
中空的套管的形状为覆盖朝向重力轴的方向的电子线放出材料的侧面，
外形为以重力方向为中心轴的棱柱、圆柱、圆锥台形的形状，
内部形状为以重力方向为中心轴的棱柱、圆柱、椭圆柱、長圆柱、圆锥台形。
8.根据权利要求7所述的电子枪装置，其中，
当构成中空的套管的最下部内表面的圆柱或棱柱的平均半径为R时，液体金属容量的最小极限值为4πR3/3、即具有能够附着在内表面的球体以上的容量，确定为不会从下部套管容器的开口产生液体下垂的液体量，
当套管容器内部的截面的内径最大的截面的最大半径设为r(cm)时，将套管材料与电子发射用液体金属材料的接触角设为θ(度)、将液体金属的表面张力设为γLG(dyne/cm)，液体金属密度设为ρ(将水设为1而为5～10)，加速度设为980(g·cm/s2：cgs单位制)时，
液体金属容量的最大极限值设定为，小于液体金属的重力方向的高度h＝2γLG×cos(θ(度))/(r×ρ×980)(cm)的5分之4，确定为不会从套管容器的最下方产生液体下垂。
9.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
氢化后的液体金属的液体金属为镧族金属，为镧、铈、钆、铽或镨。
10.根据权利要求9所述的电子枪装置，其中，
中空的套管容器的基体材料为高熔点金属、钨、铼、钼、钽，或者以金属硼化物或过渡金属的硼化物为主体形成。
11.根据权利要求10所述的电子枪装置，其中，
在中空的套管容器的内表面，附着形成有钛或氧化钛、钨或钨的氧化膜，或者在液体金属的内部混入由钛或氧化钛、钨或钨的氧化物组成的粉末。
12.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
向用于维持真空的真空腔体内适时或连续地流过氢气。
13.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
在中空的套管容器的氢化后的液体金属的表面相对侧的面设置盖。
14.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
在中空的套管容器的内部，与液体金属材料一起内包有作为固体的储氢合金的、吸收大量氢的钯、钛、锆、钒或镍的储氢合金，该固体的储氢合金与液体金属材料一起内包于中空的套管中。
15.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
在中空的套管的电子线发射侧的表面设置开有多个孔的板状部件，氢化后的液体金属停留在孔的内部而形成发射电子线的液面，同时并行发射多个电子线。
16.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
将多个中空的套管容器捆束。
17.根据权利要求1或2所述的电子枪装置，其中，
从中空的套管容器的电子线发射侧的面相对的一侧，以粉末、固体或液体的形态填充氢化后的液体金属的材料。
18.根据权利要求9所述的电子枪装置，其中，
中空的套管容器的基体材料以二硼化钛、二硼化锆、二硼化铪、二硼化钽或二硼化钇的单晶为主体形成。
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