DE112021007263T5

DE112021007263T5 - Struktur zur teilchenbeschleunigung und ladungsträgerstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE112021007263T5
Application number: DE112021007263.3T
Authority: DE
Inventors: Ryo Sugiyama; Kenji Tanimoto; Shuhei Ishikawa
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2022244268A1; JPWO2022244268A1

Abstract

Es werden eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung geschaffen, die die Unterdrückung der Konzentration des elektrischen Feldes ermöglichen, die in der Nähe eines negativen Elektrodenteils auftritt. Die Struktur zur Teilchenbeschleunigung umfasst: einen Keramikkörper 1 mit einem Durchgangsloch 10, das durch eine Innenwandfläche ausgebildet ist; und eine negative Elektrode 2 und eine positive Elektrode 3, die an einem Ende bzw. dem anderen Ende des Durchgangslochs 10 in dem Keramikkörper angeordnet sind. Die Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 ist so ausgelegt, dass ein erster Bereich 22, der mit der negativen Elektrode 2 elektrisch verbunden ist, und ein zweiter Bereich 23, der mit der positiven Elektrode 3 elektrisch verbunden ist, elektrisch miteinander verbunden sind. Der Oberflächenwiderstand des ersten Bereichs 22 ist niedriger als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs 23.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung.
Stand der Technik
Beispielsweise verwendet ein als Elektronenkanone oder lonenkanone bekannte Ladungsträgerstrahlvorrichtung im Allgemeinen einen Isolator mit einer Widerstandsschicht auf der Oberfläche (Innenwandfläche) eines hohlen Keramikkörpers als Komponente einer Beschleunigungseinheit zum Beschleunigen von Ladungsträgern (Elektronenstrahl oder lonenstrahl), die in einem Unterdruckraum emittiert werden. Ein solcher Isolator kann ein Elektrodenpaar, das eine Kathode und eine Anode umfasst, mit einem Keramikkörper verbinden und eine vorgegebene Spannung an das Elektrodenpaar anlegen, um eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung zu bilden, die Ladungsträger beschleunigt und ausgibt, die im Inneren (in einem Unterdruckraum) des Keramikkörpers erzeugt werden.
Indes besteht das Problem, dass die Innenwandfläche des oben beschriebenen Isolators eine lokale Entladung, die durch die Ansammlung (Aufladung) von thermischen Elektronen und Reflexionselektronen verursacht wird, die von in dem Unterdruckraum angeordneten Strukturen emittiert werden, und dadurch verringerten Isolationswiderstand aufweist. Um dieses Problem zu beheben, wird beispielsweise in der in PTL 1 offenbarten verwandten Technik ein Keramikkörper mit einer Widerstandsschicht verwendet, um einen geringen Stromfluss durch die Widerstandsschicht zuzulassen und so die Aufladung zu verhindern. Der Oberflächenwiderstand der Widerstandsschicht wird so angepasst, dass eine Aufladung verhindert wird.
Entgegenhaltungsliste
Patentdokument(e)
PTL 1: JP5787902B
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In einem Isolator für eine Ladungsträgervorrichtung, beispielsweise eine Elektronenkanone, das heißt, in dem Isolator für eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung, die Ladungsträger durch Anlegen einer Hochspannung an ein Elektrodenpaar beschleunigt, kann selbst die durch das Anlegen einer Hochspannung auftretende Konzentration des elektrischen Feldes auch eine Entladung verursachen, die zu einer Verschlechterung des Isolationswiderstands führen kann. Daher versteht es sich, dass es schwierig ist, die Konzentration des elektrischen Feldes wie im Stand der Technik allein durch Anpassen des Oberflächenwiderstands zu reduzieren.
Insbesondere wird ein Übergang zwischen der Elektrode und dem Isolator als „Dreifachübergang“ bezeichnet, bei dem es sich um einen Abschnitt handelt, an dem die drei Elemente einschließlich des Unterdruckraums verbunden sind und insbesondere die in der Nähe der Kathode auftretende Konzentration des elektrischen Feldes zu einer erheblichen Verschlechterung des Isolationswiderstands führt. Daher ist der Dreifachübergang und insbesondere der Dreifachübergang auf der Kathodenseite ein Ort, an dem eine Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes erforderlich ist.
Wenn der Isolator andere Strukturen im Inneren aufweist, also wenn der Isolator beispielsweise andere Strukturen als die oben beschriebenen Elektrodenpaare aufweist, wie etwa Elektroden und Elektronenquellen zum Erzeugen und Steuern von Ladungsträgerstrahlen, kommt es zwangsläufig zu einer Konzentration des elektrischen Feldes in einem Bereich in der Nähe der Strukturen. Um die Konzentration des elektrischen Feldes zu reduzieren, sind beispielsweise Maßnahmen wie eine Formänderung des gesamten Isolators oder eine Trennung der Innenwand des Keramikkörpers von der Struktur erforderlich. Allerdings führen solche Maßnahmen zu einer Vergrößerung des Isolators, und selbst die Maßnahme zur Trennung der Innenwand des Keramikkörpers von der Struktur hat eine Grenze (z. B. Abstandsgrenze) und es ist tatsächlich schwierig, solche Maßnahmen anzuwenden.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, besteht daher ein Bedarf an einer Struktur und einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die die Reduzierung der Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe der Kathode und der Oberfläche in der Nähe der Struktur ermöglichen und gleichzeitig die Form des Isolators beibehalten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, die die Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes ermöglichen, die in der Nähe des Kathodenteils auftritt.
Lösung für das Problem
Im Folgenden wird kurz eine Übersicht über ein repräsentatives Beispiel der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Erfindung erläutert.
Eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst

einen Keramikkörper mit einem Durchgangsloch, das durch eine Innenwandfläche ausgebildet ist,
eine Kathode, die an einem Ende des Durchgangslochs in Kontakt mit dem Keramikkörper bereitgestellt ist, und
eine Anode, die an dem anderen Ende des Durchgangslochs in Kontakt mit dem Keramikkörper bereitgestellt ist, wobei
die Innenwandfläche des Keramikkörpers mit einem ersten Bereich, der mit der Kathode elektrisch verbunden ist, und einem zweiten Bereich, der mit der Anode elektrisch verbunden ist, elektrisch verbunden ist, und
der Oberflächenwiderstand des ersten Bereichs niedriger ist als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die durch ein repräsentatives Beispiel der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Erfindung erzielte Wirkung wird im Folgenden kurz beschrieben.
Das heißt, gemäß der repräsentativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Konzentration des elektrischen Feldes, die eine Entladung verursacht, minimiert werden. Daher ist es möglich, eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, die die Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes ermöglichen, die in der Nähe des Kathodenteils auftritt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[1] 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur eines Isolators gemäß dem Stand der Technik zeigt und zur Erläuterung der durch die Konzentration eines elektrischen Feldes verursachten Entladung dient.
[2] 2 ist eine Querschnittsansicht, die ein spezifisches Beispiel eines Isolators als Struktur zur Teilchenbeschleunigung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
[3] 3 ist eine Ansicht, die einen Überblick über eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
[4A] 4A ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung einer detaillierten Konfiguration einer in 3 gezeigten Elektronenkanone.
[4B] 4B ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Beispiels, bei dem die Konfiguration der zweiten Ausführungsform auf eine lonenkanone angewendet wird.
[5A] 5A ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Elektronenkanone gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, die mit einem konvexen Isolator ausgestattet ist.
[5B] 5B ist eine Querschnittsansicht der Elektronenkanone, die mit dem umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist.
[6A] 6A ist eine Querschnittsansicht einer Ionenkanone, die mit einem konvexen Isolator ausgestattet ist.
[6B] 6B ist eine Querschnittsansicht einer Ionenkanone, die mit dem umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Jede der unten beschriebenen Ausführungsformen ist ein Beispiel für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung und darf nicht als Einschränkung des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden. In den Abwandlungen der zweiten Ausführungsform und nachfolgender Ausführungsformen werden die Elemente mit den gleichen Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf deren wiederholte Beschreibung wird verzichtet, es sei denn, dies ist speziell erforderlich.
(Erste Ausführungsform)
In der ersten Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, bei dem eine Widerstandsschicht auf einen in einer Elektronenkanone enthaltenen Isolator aufgebracht ist. Es ist zu beachten, dass eine nachstehend beschriebene Konfiguration auf die gleiche Weise auf die in lonenkanonen verwendeten Isolatoren angewendet werden kann, aber im Allgemeinen emittieren die lonenkanonen positiv geladene lonenteilchen, sodass die Anordnung des Elektrodenpaars (Kathode und Anode) zu der Elektronenkanone umgekehrt ist. Eine spezifische Konfiguration bei Anwendung auf die lonenkanone wird an anderer Stelle weiter unten unter Bezugnahme auf 4B und dergleichen beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 der Grund dafür beschrieben, dass die Konzentration des elektrischen Feldes eine Entladung verursacht. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur eines Isolators gemäß dem Stand der Technik zeigt und zur Erläuterung der durch die Konzentration eines elektrischen Feldes verursachten Entladung dient.
Der Isolator, der auf der in 1 gezeigten zugehörigen Konfiguration basiert, dient als Struktur zur Teilchenbeschleunigung, die auf der Elektronenkanone montiert ist. Insbesondere umfasst die bekannte Struktur zur Teilchenbeschleunigung einen Keramikkörper 1, eine Kathode 2 und eine Anode 3, die an einem oberen und unteren Ende des Keramikkörpers 1 angeordnet sind, sowie eine Widerstandsschicht 4, die an einer Innenwand des Keramikkörpers 1 bereitgestellt ist.
Der Keramikkörper 1 hat eine Hohlzylinderstruktur und weist in der Draufsicht eine Ringform auf. Die Struktur zur Teilchenbeschleunigung weist ein Durchgangsloch 10 auf, das durch eine Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 und Innenflächen der Kathode 2 und der Anode 3 definiert (gebildet) ist, und wird in einem Zustand verwendet, in dem der Raum des Durchgangslochs 10 sich im Wesentlichen in einem Unterdruckzustand befindet (siehe 3 oder dergleichen).
Die Widerstandsschicht 4 ist auf der Oberfläche (Innenwandfläche) des Keramikkörpers 1 ausgebildet, wobei die Kathode 2 mit dem oberen Ende und die Anode 3 mit dem unteren Ende verbunden ist. Eine Leistungsversorgung 5 legt eine Hochspannung zwischen den Elektroden (Kathode 2, Anode 3) an.
Hier hat die Widerstandsschicht 4 die Funktion, eine Aufladung zu verhindern und die Äquipotentiallinien zu entzerren und die Funktion verbessert den Isolationswiderstand des Isolators und der Struktur zur Teilchenbeschleunigung. Bezüglich eines Paars Elektroden 2 und 3 kann die Kathode 2 als „negative Elektrode“ und die Anode 3 als „positive Elektrode“ bezeichnet werden, wenn beim Anlegen einer Spannung zwischen hoher und niedriger Spannung unterschieden wird.
Indes kommt es beim Anlegen einer hohen Spannung häufig zu einer Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe des Kathodenteils, der einen Dreifachübergang 6 aufweist, der durch den Unterdruckraum des Kathodenteils 2, die Widerstandsschicht 4 und das Durchgangsloch 10 gebildet wird, wodurch ein Bereich mit starkem elektrischen Feld 7 in einem in 1 mit dicker Linie dargestellten Bereich entsteht. Infolgedessen besteht das Problem, dass Elektronenemission 8 aus dem Bereich mit starkem elektrischen Feld 7 induziert wird und der Isolationswiderstand durch die Kriechentladung 9 verschlechtert wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Studien zu den oben beschriebenen Problemen und Lösungen durchgeführt und sind als Ergebnis zu den folgenden Erkenntnissen gekommen.
Wenn die Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 als Widerstandsschicht 4 ausgebildet ist, kann beim Anlegen einer hohen Spannung an das Paar Elektroden 2 und 3 die Wirkung erzielt werden, dass eine Aufladung verhindert wird und Äquipotentiallinien entzerrt werden. Indes ist gemäß dem Verfahren der Standes der Technik der Oberflächenwiderstand der Widerstandsschicht 4 fix (Einzelwert) und mit einer solchen Konfiguration ist es schwierig, die lokale Konzentration des elektrischen Feldes, insbesondere die lokale Konzentration des elektrischen Feldes, die in der Umgebung 21 des Kathodenteils auftritt, zu reduzieren.
Genauer ist es schwierig, einen Verbindungsabschnitt zwischen einer unteren Endseite der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 und der Anode 3 und einen Verbindungsabschnitt zwischen einer oberen Endseite der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 und der Kathode 2 auf derselben Ebene zu konfigurieren (zu positionieren und dergleichen), und es wurde festgestellt, dass es wahrscheinlich zu einer lokalen Konzentration des elektrischen Feldes kommt, wenn ein solcher Verbindungsabschnitt einen Eckabschnitt (z. B. eine Stufe oder Unebenheit) aufweist.
Selbst wenn die Verbindungsabschnitte vollständig bündig miteinander sind, wurde festgestellt, dass aufgrund der Tatsache, dass der Kontaktzustand zwischen dem Paar Elektroden 2 und 3 und der Widerstandsschicht 4 aufgrund thermischer Verformung, Abplatzen der Widerstandsschicht 4 und dergleichen tendenziell ungleichmäßig ist, zwangsläufig eine lokale Konzentration des elektrischen Feldes auftritt.
Andererseits wurde festgestellt, dass sich der Oberflächenwiderstand der Widerstandsschicht 4 je nach Position der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 ändert, insbesondere ist es je nach Abstand von dem Paar Elektroden 2 und 3 und insbesondere von der Kathode 2 möglich, die lokale Konzentration des elektrischen Feldes zu verringern und auch die lokale Konzentration des elektrischen Feldes, die in der Umgebung 21 des Kathodenteils auftritt, selbst dann zu verringern, wenn der Köntaktzustand zwischen dem Paar Elektroden 2 und 3 und der Widerstandsschicht 4 nicht gleichmäßig ist, wie es oben beschrieben ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur des Isolators (Struktur zur Teilchenbeschleunigung) gemäß der ersten Ausführungsform: Die Struktur zur Teilchenbeschleunigung der ersten Ausführungsform gleicht der in 1 insofern, als die Struktur den Keramikkörper 1 mit dem durch die Innenwandfläche gebildeten Durchgangsloch 10 umfasst und die Kathode 2 und die Anode 3 an dem oberen Ende (einem Ende) bzw. an dem unteren Ende (anderen Ende) des Durchgangslochs 10 in dem Keramikkörper 1 angeordnet sind.
In der Struktur zur Teilchenbeschleunigung der ersten Ausführungsform wird der Oberflächenwiderstand (Ω/□) der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 je nach Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Konzentration des elektrischen Feldes (Abstand von der Kathode 2 und dergleichen) auf unterschiedliche Werte eingestellt. Genauer weist die Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 eine Konfiguration auf, bei der ein erster Bereich (oberer Bereich), der mit der Kathode 2 elektrisch verbunden ist, und ein zweiter Bereich (unterer Bereich), der mit der Anode 3 elektrisch verbunden ist, durch eine Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 unter Verwendung eines bekannten Elements zum Abbau des elektrischen Feldes elektrisch verbunden sind. Dabei ist der Oberflächenwiderstand des ersten Bereichs (oberen Bereichs) an der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 geringer als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs (unteren Bereichs). In dem in 2 gezeigten Beispiel ist in dem oberen Bereich eine Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und in dem unteren Bereich der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 eine Schicht mit hohem Widerstand 23 ausgebildet.
In einem spezifischen Beispiel beträgt der Oberflächenwiderstand (Ω/□) der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 10⁹ bis 1 × 10¹² für die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und mehr als 1 × 10⁶ und weniger als 1 × 10⁹ für die Schicht mit hohem Widerstand 23. Der Oberflächenwiderstand (Ω/□) des Bereichs der Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24, der zwischen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 angeschlossen ist, ändert sich durch die Wirkung des Elements zum Abbau des elektrischen Feldes kontinuierlich von dem Oberflächenwiderstandswert der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (des ersten Bereichs) zu dem Oberflächenwiderstandswert der Schicht mit hohem Widerstand 23 (des zweiten Bereichs).
Da die Innenwand des Keramikkörpers 1 so ausgebildet ist, dass die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in der Nähe 21 des Kathodenteils ausgebildet ist, wo wahrscheinlich eine Konzentration des elektrischen Feldes auftritt, die Schicht mit hohem Widerstand 23 in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die Konzentration des elektrischen Feldes relativ selten auftritt, und die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und die Schicht mit hohem Widerstand 23 elektrisch miteinander verbunden sind, können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
Das heißt, bei der oben beschriebenen Konfiguration fließt beim Anlegen einer hohen Spannung aus der Leistungsversorgung 5 an das Paar Elektroden 2 und 3 ein schwacher Strom durch die Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 von der Anode 3 zu der Schicht mit hohem Widerstand 23, der Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24, der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Kathode 2 in dieser Reihenfolge (es ist zu beachten, dass der Elektronenfluss in die entgegengesetzte Richtung erfolgt). Dabei ist die Verteilung der an der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 anliegenden Spannung ungleichmäßig und in Bereichen mit geringem Oberflächenwiderstand ist die Spannung geringer (Ohmsches Gesetz).
In dem Beispiel ist die Stromstärke (die Menge an Elektronen), die in die obere Schicht mit niedrigem Widerstand 22 fließt, am größten, so dass die an den oberen Innenflächenbereich (d. h. den Bereich der Schicht mit niedrigem Widerstand 22) angelegte Spannung des Keramikkörpers 1 kleiner ist als die an die untere Schicht mit hohem Widerstand 23 angelegte Spannung. Somit kann durch Bereitstellen eines Bereichs mit einem geringeren Oberflächenwiderstand als im Stand der Technik an einer Endseite (in dem Beispiel an der oberen Seite) des Keramikkörpers 1, der den Dreifachübergang der Kathode 2 umfasst, ein Anteil mit relativ kleinerer (niedrigerer) Spannung gewährleistet werden und die Spannungsverteilung des Anteils mit hohem elektrischen Feld kann über die gesamte Innenwandfläche des Konzentration des elektrischen Feldes Feldkonzentration in dem oberen Bereich, der den Dreifach Übergang der Kathode 2 in dem Keramikkörper 1 umfasst, zu reduzieren.
Als Abwandlung können die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und die Schicht mit hohem Widerstand 23 direkt elektrisch miteinander verbunden sein, ohne dass die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 bereitgestellt ist. Indes können hier gemäß den eingestellten Werten der Oberflächenwiderstände der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 Probleme aufgrund einer stufenförmigen Änderung des Oberflächenwiderstands in einem Grenzbereich zwischen den Schichten 22 und 23, also aufgrund einer abrupten Änderung der elektrischen Eigenschaften, auftreten. Angesichts der Möglichkeit eines solchen Problems, wie es oben beschrieben ist, ist es wünschenswert, eine Konfiguration einzusetzen, bei der die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und die Schicht mit hohem Widerstand 23 durch die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 als Bereich zum Abbau des elektrischen Feldes elektrisch verbunden sind und der Oberflächenwiderstand des Grenzbereichs zwischen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 sich allmählich ändert (die elektrischen Eigenschaften ändern sich sanft).
Gemäß der ersten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Konfiguration wird eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung erhalten, bei der die Konzentration des elektrischen Feldes in der Umgebung 21 des Kathodenteils bei Anlegen einer hohen Spannung an das Paar Elektroden 2 und 3 verringert ist. Durch Versehen der Struktur zur Teilchenbeschleunigung mit einem Strahlemitter, der einen Ladungsträgerstrahl emittiert, ist es möglich, eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung (Elektronenkanone, lonenkanone und dergleichen) mit hohem Isolationswiderstand zu erhalten, die unnötige Entladungen während des Betriebs vermeiden kann.
(Zweite Ausführungsform)
Als Nächstes wird die Konfiguration gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. In der zweiten Ausführungsform wird ein Konfigurationsbeispiel beschrieben, bei dem eine Struktur, die eine Elektronenkanone oder eine lonenkanone bildet, innerhalb eines Isolators (einem Raum innerhalb des Durchgangslochs des Keramikkörpers) angeordnet ist, der in der Ladungsträgerstrahlvorrichtung montiert ist.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 3 ein spezifisches Beispiel der Struktur der Elektronenkanone als Ladungsträgerstrahlvorrichtung beschrieben. Die Elektronenkanone umfasst einen Isolator 100 aus einem Keramikkörper 101 (die Struktur der Innenwandfläche wird hier nicht erwähnt), ein Paar Elektroden einschließlich der Kathode 2 und der Anode 3, die an einem oberen Ende und einem unteren Ende eines Durchgangslochs 101a in dem Keramikkörper 101 angeordnet sind, und eine Struktur (einen Strahlemitter), der verschiedene an der Kathode 2 angebrachte Elektroden aufweist.
Wie es im Vergleich mit den oben beschriebenen Beispielen von 1 und 2 zu sehen ist, ist in dem in 3 gezeigten Isolator 100 die Kathode 2 mit einer Struktur versehen, die einen Teil der Elektronenkanone bildet, und dementsprechend ist der Durchmesser der in der Kathode 2 bereitgestellten Öffnung kleiner als der Durchmesser des Durchgangslochs 101a des Keramikkörpers 101. Da eine Anodenelektrode 112 auf der Anode 3 angeordnet ist, ist der Durchmesser der Öffnung in der Anode 3 ebenfalls kleiner als der Durchmesser des Durchgangslochs 101a des Keramikkörpers 101.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Kathode 2 von außen in 3 mit einer Steuerelektrode 104 und einer Extraktionselektrode 103 versehen, die so angeordnet sind, dass sie sich jeweils innerhalb des Durchgangslochs 101a des Keramikkörpers 101 nach unten erstrecken. Die Spitzenseite sowohl der Steuerelektrode 104 als auch der Extraktionselektrode 103 weist eine sich verjüngende Form auf und ist in der Draufsicht in Richtung zu der Mitte des Isolators 100 gebogen.
Die Steuerelektrode 104 steuert das elektrische Feld um eine Elektronenquelle 102 herum, die weiter unten beschrieben ist, ist auf der unteren Oberfläche der Kathode 2 angeordnet (elektrisch mit dieser verbunden) und wird durch von einer Extraktionsspannungs-Leistungsversorgung 108 und einer Beschleunigungsspannungs-Leistungsversorgung 111 gelieferten Leistung mit einer hohen Spannung versehen.
Indes ist die Extraktionselektrode 103 mit der Kathode 2 elektrisch verbunden, indem sie beispielsweise in eine Öffnung der Kathode 2 eingepasst ist. Ein oberes Ende (Basisende) der Extraktionselektrode 103 ist an einem Hochspannungs-Einführungsteil 105 angebracht, der aus einem Isolator besteht, um von einem Hochspannungs-Einführungsanschluss 106 getrennt zu werden, der unten beschrieben wird.
Die Elektronenquelle 102, ein Heizdraht 107 und der Hochspannungs-Einführungsanschluss 106 sind elektrisch miteinander verbunden und innerhalb der Extraktionselektrode 103 angeordnet. Dabei ist das obere Ende (Basisende) des Hochspannungs-Einführungsanschlusses 106 an dem Hochspannungs-Einführungsteil 105 angebracht und mit einer Heizspannungs-Leistungsversorgung 110 und der Beschleunigungsspannungs-Leistungsversorgung 111 elektrisch verbunden. Die Elektronenquelle 102 emittiert einen Elektronenstrahl 109 durch Anlegen einer Spannung zwischen der Elektronenquelle 102 und der Extraktionselektrode 103 durch die Extraktionsspannungs-Leistungsversorgung 108 (siehe 3). Dabei ist die Spannung (dritte Spannung), die zwischen der Elektronenquelle 102 und der Extraktionselektrode 103 angelegt wird, kleiner oder gleich der Spannung, die an das Paar Elektroden 2 und 3 durch die Leistungsversorgung 5 angelegt wird, die oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ist. Genauer ist die oben beschriebene dritte Spannung kleiner oder gleich der Spannung (ersten Spannung), die an der Kathode 2 gemessen wird, wenn die Spannung der Leistungsversorgung 5 angelegt wird, und ist auch kleiner als die Spannung (zweite Spannung), die an der Anode 3 gemessen wird.
Die Elektronenquelle 102 ist über den Hochspannungs-Einführungsanschluss 106 an den Heizdraht 107 angeschlossen. Der Heizdraht 107 ist über den Hochspannungs-Einführungsanschluss 106 und Kabel oder dergleichen mit der Heizspannungs-Leistungsversorgung 110 verbunden und erzeugt mit Leistung aus der Heizspannungs-Leistungsversorgung 110 Wärme, um die Elektronenquelle 102 zu reinigen.
Indes sind die Anodenelektrode 112, die mit der Anode 3 elektrisch verbunden ist und eine Öffnung mit einem Durchmesser aufweist, der den Durchtritt des Elektronenstrahls 109 ermöglicht, und ein Unterdruckbehälter 113, der den durch die Anodenelektrode 112 hindurchtretenden Elektronenstrahl 109 einführt, auf der Seite der unteren Oberfläche der Anode 3 bereitgestellt. Ein Probentisch 114 ist in dem Unterdruckbehälter 113 bereitgestellt und eine Probe 115, die mit dem Elektronenstrahl 109 bestrahlt werden soll, ist auf dem Probentisch 114 platziert.
Somit wird die Elektronenkanone als Ladungsträgerstrahlvorrichtung in einem Zustand betrieben, in dem sich der Innenraum in einem Ultrahochvakuum von 1 × 10^-8 (Pa) oder weniger befindet. Dann wird der von der Elektronenquelle 102 emittierte Elektronenstrahl 109 durch die Anodenelektrode 112, an die durch die Beschleunigungsspannungs-Leistungsversorgung 111 die hohe Spannung angelegt wird, beschleunigt und zum Bearbeiten der Probe 115 auf die Probe 115 auf dem Probentisch 114 in dem Unterdruckbehälter 113 gestrahlt. Dabei wird das elektrische Feld um die Elektronenquelle 102 gesteuert, indem durch die Extraktionsspannungs-Leistungsversorgung 108 eine Spannung an die Steuerelektrode 104 angelegt wird, so dass die Bewegungsrichtung des Elektronenstrahls 109 und damit die Bestrahlungsposition auf der Probe 115 angepasst werden kann.
Als Nächstes wird die Konfiguration der Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben. 4A ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung der detaillierten Konfiguration der in 3 gezeigten Elektronenkanone.
Wie bei der ersten Ausführungsform sind bei der zweiten Ausführungsform die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und die Schicht mit hohem Widerstand 23 auf der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 bereitgestellt und die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 ist zwischen den Widerstandsschichten 22 und 23 zur elektrischen Verbindung angeordnet. Andere Konfigurationen sind die gleichen wie die unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen und der oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Unterdruckbehälter 113 kann verwendet werden.
Wie es oben beschrieben ist, sind bei der Elektronenkanone als Ladungsträgerstrahlvorrichtung leitende Strukturen, die die Hauptteile der Elektronenkanone bilden, wie etwa die Elektronenquelle 102, die Extraktionselektrode 103 und die Steuerelektrode 104 innerhalb des Isolators (innerhalb eines Durchgangslochs 1a, das durch die Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 definiert ist) angeordnet.
Da die Spannung auch an die oben erwähnte Struktur angelegt wird, wenn die Elektronenkanone in Betrieb ist, besteht das Problem, dass wahrscheinlich eine Konzentration des elektrischen Feldes an der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 und insbesondere in einem Bereich 31 (siehe 4A) in der Nähe der Struktur auftritt. Unter einem anderen Gesichtspunkt kann man sagen, dass der Bereich 31 in der Nähe der Struktur der Bereich der Innenwand des Keramikkörpers 1 von einer Position in Kontakt mit der Kathode 2 zu einer Position, in der der Abstand von der Struktur (in dem Beispiel der Steuerelektrode 104) innerhalb eines bestimmten Wertes liegt, ist.
Um die Konzentration des elektrischen Feldes zu reduzieren, ist in der Elektronenkanone gemäß der zweiten Ausführungsform, wie es in 4a gezeigt ist, auf der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in dem Bereich 31 nahe einer Struktur nahe einer Struktur ausgebildet und die Schicht mit hohem Widerstand 23 ist in dem anderen Bereich ausgebildet, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 dazwischen angeordnet ist. Mit der Elektronenkanone mit der obigen Konfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform ist es möglich, das Auftreten einer Konzentration des elektrischen Feldes in dem Bereich 31 nahe der Struktur und auch auf der gesamten Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 während des Betriebs maßgeblich zu verhindern.
4B ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung einer detaillierten Konfiguration einer lonenkanone, die lonenstrahlen emittiert. Da die lonenkanone, wie es oben beschrieben ist, einen Strahl positiver Ionen aussendet, ist die Anordnung der Elektroden entgegengesetzt zu der der Elektronenkanone. Das heißt, in der Zeichnung, in der die Struktur angeordnet ist, ist die Anode 3 auf der oberen Seite und die Kathode 2 auf der unteren Seite angeordnet. Da die anderen Grundstrukturen der lonenkanone mit denen der Elektronenkanone identisch sind, werden gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf deren Beschreibung wird gegebenenfalls verzichtet.
Indes weist die lonenkanone technische Herausforderungen sowohl hinsichtlich der Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes in dem Bereich 31 in der Nähe der Struktur als auch der Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe 21 des Kathodenteils (siehe 4B) auf. Das heißt, für die lonenkanone, bei der die Elektrodenanordnung umgekehrt ist, sind, da sich der Bereich 31 in der Nähe der Struktur auf der oberen Seite des Isolators (der Seite der Anode 3) befindet und eine Umgebung 21 des Kathodenteils, in der die Konzentration des elektrischen Feldes wahrscheinlich auftritt, auf der unteren Seite des Isolators liegt, Abschnitte, in denen eine Konzentration des elektrischen Feldes wahrscheinlich auftritt, sowohl auf der oberen Seite als auch auf der unteren Seite der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 vorhanden.
Für die lonenkanone kann gesagt werden, dass der Bereich 31 in der Nähe der Struktur der Bereich der Innenwand des Keramikkörpers 1 von einer Position in Kontakt mit der Anode 3 zu einer Position in einer vorgegebenen Höhe oder zu einer Position, die von der Struktur (der Steuerelektrode 104) um einen vorgegebenen Abstand getrennt ist, ist.
Um dieses Problem zu lösen, ist bei der Ionenkanone gemäß der zweiten Ausführungsform, wie es in 4B gezeigt ist, auf der Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in dem Bereich 31 nahe einer Struktur nahe einer Struktur ausgebildet und die Schicht mit hohem Widerstand 23 in dem anderen Bereich ausgebildet, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 dazwischen angeordnet ist. Mit der lonenkanone mit der obigen Konfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform ist es möglich, das Auftreten einer Konzentration des elektrischen Feldes sowohl in dem Bereich 31 in der Nähe der Struktur und in der Nähe 21 des Kathodenteils als auch auf der gesamten Innenwandfläche des Keramikkörpers 1 im Betrieb maßgeblich zu verhindern.
Wie es oben beschriebe ist, ist es mit der Struktur der zweiten Ausführungsform möglich, eine Elektronenkanone und eine lonenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu implementieren, die eine Entladung selbst dann verhindern, wenn interne Strukturen nahe beieinander liegen.
(Dritte Ausführungsform)
Als Nächstes wird die Konfiguration gemäß einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5A bis 6B beschrieben. Dabei ist 5A eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Elektronenkanone gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, die mit einem konvexen Isolator ausgestattet ist.
Indes ist 5B eine Querschnittsansicht der Elektronenkanone, die mit einem umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist. 6A ist eine Querschnittsansicht einer lonenkanone, die mit einem konvexen Isolator ausgestattet ist, und 6B ist eine Querschnittsansicht der lonenkanone, die mit einem umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist.
Es ist bekannt, dass der Isolationswiderstand des Isolators durch Verlängern der Kriechstrecke der Innenwandfläche verbessert wird, um die Konzentration des elektrischen Feldes zu verringern. Der in der dritten Ausführungsform beschriebene Isolator (Keramikkörper) nimmt eine Form mit einer längeren Kriechstrecke an als der unter Bezugnahme auf 1 bis 4B beschriebene Isolator (Keramikkörper). Eine zusätzliche Wirkung einer solchen Form besteht darin, dass sie zur Miniaturisierung der Elektronenkanone oder der lonenkanone beitragen kann.
Es ist zu beachten, dass in der dritten Ausführungsform wie in der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 zur elektrischen Verbindung zwischen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 angeordnet ist. In der dritten Ausführungsform ist aus demselben Grund wie in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der Durchmesser der in dem Paar Elektroden (Kathode 2 und Anode 3) bereitgestellten Öffnung kleiner als der Durchmesser der entsprechenden Endseite des Keramikkörpers 101.
Wie es aus einem Vergleich mit den oben beschriebenen Konfigurationen von 4A und 4B ersichtlich ist, ist die in 5A bis 6B gezeigte dritte Ausführungsform ein Konfigurationsbeispiel, bei dem die Form des Isolators (hauptsächlich des Keramikkörpers) zu einer konvexen Form mit einer breiten unteren Seite oder einer umgekehrten konvexen Form mit einer breiten oberen Seite für die Ladungsträgerstrahlvorrichtung geändert ist. Daher weist die Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörpers) der dritten Ausführungsform eine hohle Struktur auf, die einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 mit einem relativ kleineren Durchmesser, einen Abschnitt mit großem Durchmesser 52 mit einem relativ größeren Durchmesser und einen Verbindungsabschnitt 53, der den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 und den Abschnitt mit großem Durchmesser 52 verbindet, umfasst.
Die mit dem konvexen Isolator ausgestattete Elektronenkanone, die in 5A gezeigt ist, ist so ausgelegt, dass die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in einem Bereich des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 51 bereitgestellt ist, die Schicht mit hohem Widerstand 23 in einem Bereich des Abschnitts mit großem Durchmesser 52 und des Verbindungsabschnitts 53 bereitgestellt ist und die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 in einem Grenzabschnitt zwischen den Widerstandsschichten 22 und 23 angeordnet ist. Genauer ist die Innenwand des Isolators (Keramikkörpers) gemäß der dritten Ausführungsform ein Abschnitt, in dem der Verbindungsabschnitt zwischen dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 und dem Verbindungsabschnitt 53 in einer konvexen Form gebogen ist, und die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 ist in dem Verbindungsabschnitt angeordnet, um die elektrischen Eigenschaften an dem gebogenen Abschnitt beim Anlegen einer hohen Spannung zu stabilisieren (siehe gegebenenfalls auch 5B, 6A und 6B).
Gemäß der Struktur und der Ladungsträgerstrahlvörrichtung mit den oben beschriebenen Konfigurationen kann das an der Innenwandfläche des Isolators gebildete elektrische Feld zerstreut und die Konzentration des elektrischen Feldes verringert werden. Wie es aus dem Vergleich mit 4A ersichtlich ist, ist es selbst dann, wenn die Struktur näher an der Innenfläche des Isolators liegt, möglich, eine Elektronenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu implementieren, die eine Entladung vermeidet, und die Größe der oberen Seite und die Höhe des Isolators zu reduzieren.
Bei der Elektronenkanone, die mit dem in 5B gezeigten umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist, besteht, wie es aus dem Vergleich mit 4A ersichtlich ist, da der Bereich des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 51 an der Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörpers) näher an der Spitzenseite der Struktur liegt, die Sorge, dass in dem Bereich mit kleinem Durchmesser 51 in der Konfiguration gemäß dem Stand der Technik eine Konzentration des elektrischen Feldes auftreten könnte. Obwohl der Abschnitt mit großem Durchmesser 52 an der Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörper) einen Abstand von der Struktur sicherstellt, besteht die Sorge, dass je nach Zustand des Dreifachübergangs auf der Seite des Kathodenteils, wie es oben beschrieben ist, eine Konzentration des elektrischen Feldes in dem Bereich in der Nähe 21 des Kathodenteils auftreten kann. Mit anderen Worten gibt es bei der Elektronenkanone, die mit dem in 5B gezeigten umgekehrten konvexen Isolator ausgestattet ist, mehrere Bereiche (im Beispiel zwei obere und untere Bereiche), in denen eine Konzentration des elektrischen Feldes auftreten kann.
Hier ist, wie es in 5B gezeigt ist, die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in den Bereichen der Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörpers) ausgebildet, in denen eine Konzentration des elektrischen Feldes auftreten kann, d. h. im jeweiligen Bereich des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 51 in der Nähe der Struktur und der Umgebung 21 des Kathodenteils in dem Beispiel, und die Schicht mit hohem Widerstand 23 ist in den anderen Bereichen ausgebildet, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 dazwischen angeordnet ist.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet ist in dem Beispiel, das in 5B gezeigt ist, die Schicht mit niedrigem Widerstand (der erste Bereich) 22 von einer Position in Kontakt mit der Kathode 2 zu einer Position auf halber Höhe des Abschnitts mit großem Durchmesser 52 bereitgestellt und die Schicht mit hohem Widerstand 23 (der zweite Bereich) in dem verbleibenden Bereich des Abschnitts mit großem Durchmesser 52 und des Verbindungsabschnitts 53 bereitgestellt, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 (der fünfte Bereich) dazwischen angeordnet ist. Die Schicht mit niedrigem Widerstand (der vierte Bereich) 22 ist in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 22 bereitgestellt, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 (der fünfte Bereich) dazwischen angeordnet ist. Hier können die oberseitige (Seite der Kathode 2) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (der erste Bereich) und die unterseitige (Seite der Anode 3) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (der vierte Bereich) den gleichen oder unterschiedliche Oberflächenwiderstände (Ω/□) aufweisen. Der Einstellungsbereich des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (des ersten Bereich, vierten Bereichs) beträgt mehr als 1 × 10⁶ und weniger als 1 × 10⁹. Der Einstellungsbereich des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit hohem Widerstand 23 (des zweiten Bereichs) beträgt 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹².
Gemäß der Struktur und der Ladungsträgerstrahlvorrichtung mit den oben beschriebenen Konfigurationen kann das an der Innenwandfläche des Isolators gebildete elektrische Feld zerstreut und die Konzentration des elektrischen Feldes verringert werden. Wie es aus dem Vergleich mit 4A ersichtlich ist, ist es selbst dann, wenn die Spitzenseite der Struktur näher an der Innenfläche des Isolators liegt, möglich, eine Elektronenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu implementieren, die eine Entladung vermeidet, und die Größe des unteren Abschnitts und die Höhe des Isolators zu reduzieren.
Die in 6A gezeigte lonenkanone, die mit einem konvexen Isolator ausgestattet ist. unterscheidet sich von der in 5A gezeigten Elektronenkanone darin, dass die Positionen der Kathode 2 und der Anode 3 entgegengesetzt sind, ähnelt ihr jedoch darin, dass die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 bereitgestellt ist, der ein Bereich in der Nähe des Strukturabschnitts ist, und dass die Schicht mit hohem Widerstand 23 in dem Verbindungsabschnitt 53 bereitgestellt ist. Wie es oben unter Bezugnahme auf 4B gezeigt ist, ist es indes für die lonenkanone erforderlich, die Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe 21 des Kathodenteils auf der unteren Seite des Isolators (Keramikkörpers) zu reduzieren. Daher ist in dem in 6A gezeigten Beispiel die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 auch in dem Bereich in der Umgebung 21 des Kathodenteils auf der unteren Seite der Innenwandfläche des Keramikkörpers bereitgestellt. Im Ergebnis gibt es zwei Verbindungsbereiche zwischen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 und in dem Abschnitt mit großem Durchmesser 52 und in den beiden Verbindungsbereichen sind die Schichten zum Abbau des elektrischen Feldes 24 bereitgestellt.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet ist in dem Beispiel, das in 6A gezeigt ist, die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 von einer Position in Kontakt mit der Kathode 2 zu einer Position auf halber Höhe des Abschnitts mit großem Durchmesser 52 angeordnet (als erster Bereich festgelegt) und die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 ist in dem Rest des Abschnitts mit großem Durchmesser 52 angeordnet (als zweiter Bereich festgelegt), wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 (der fünfte Bereich) dazwischen angeordnet ist, und die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 ist in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 angeordnet (als dritter Bereich festgelegt). Die unterseitige (auf der Seite der Kathode 2) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (der erste Bereich) und die oberseitige (auf der Seite der Anode 3) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (der dritte Bereich) können den gleichen oder unterschiedliche Oberflächenwiderstände (Ω/□) aufweisen. Der Einstellungsbereich des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (des ersten Bereich, vierten Bereichs) beträgt mehr als 1 × 10⁶ und weniger als 1 × 10⁹. Der Einstellungsbereich des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit hohem Widerstand 23 (des zweiten Bereichs) beträgt 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹².
Mit einer solchen Konfiguration kann das an der Innenwandfläche des Isolators gebildete elektrische Feld zerstreut und die Konzentration des elektrischen Feldes verringert werden. Wie es aus dem Vergleich mit 4B ersichtlich ist, ist es auch dann, wenn die Struktur näher an der Innenfläche des Isolators liegt, möglich, eine lonenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu implementieren, die eine Entladung vermeidet, und die Größe der oberen Seite und die Höhe des Isolators zu reduzieren.
Die mit dem umgekehrten konvexen Isolator ausgestattete lonenkanone, die in 6B gezeigt ist, unterscheidet sich von der in 5B gezeigten Elektronenkanone dadurch, dass die Positionen der Kathode 2 und der Anode 3 entgegengesetzt sind, ähnelt ihr jedoch darin, dass die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 51 bereitgestellt ist, der ein Bereich nahe der Spitzenseite des Strukturabschnitts ist, und dass die Schicht mit hohem Widerstand 23 in dem Verbindungsabschnitt 53 bereitgestellt ist. Die lonenkanone unterscheidet sich von der in 5B gezeigten Elektronenkanone dadurch, dass die Anode 3 an der oberen Endseite der Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörpers) angeordnet ist, und in dem in 6B gezeigten Beispiel ist es nicht notwendig, die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 bereitzustellen, da die obere Endseite der Innenwandfläche der Abschnitt mit großem Durchmesser 52 ist und der Abstand von der Struktur sichergestellt ist.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet ist in dem Beispiel, das in 6B gezeigt ist, die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (der erste Bereich) in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 22 angeordnet, die Schicht mit hohem Widerstand 23 (der zweite Bereich) in dem Abschnitt mit großem Durchmesser 52 und dem Verbindungsabschnitt 53 angeordnet und die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 (der fünfte Bereich) in dem Verbindungsbereich zwischen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 bereitgestellt. Wie es oben beschrieben ist, kann der eingestellte Wert des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 (des ersten Bereichs) in dem Bereich von mehr als 1 × 10⁶ und weniger als 1 × 10⁹ liegen und der Einstellungsbereich des Oberflächenwiderstands (Ω/□) der Schicht mit hohem Widerstand 23 (des zweiten Bereichs) kann 1 × 10⁹ bis 1 x 10¹² betragen:
Somit kann mit der in 6B gezeigten Konfiguration das an der Innenwandfläche des Isolators gebildete elektrische Feld zerstreut und die Konzentration des elektrischen Felds verringert werden. Wie es aus dem Vergleich mit 4B ersichtlich ist, ist es auch dann, wenn die Spitzenseite der Struktur näher an der Innenfläche des Isolators liegt, möglich, eine lonenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu implementieren, die eine Entladung vermeidet, und die Größe des unteren Abschnitts und die Höhe des Isolators zu reduzieren.
Wie es oben beschrieben ist, ist es gemäß der Konfiguration der dritten Ausführungsform auch möglich, eine Elektronenkanone und eine lonenkanone mit hohem Isolationswiderstand zu erhalten, indem der Isolator (Keramikkörper) mit einer konvexen Form und einer umgekehrten konvexen Form verwendet wird, eine Struktur im Inneren aufweist und eine Kriechstrecke sicherstellt.
Als Abwandlung der dritten Ausführungsform können die Innenwandfläche des Isolators (Keramikkörpers) und das Durchgangsloch eine Kegelstumpfform (oder eine umgekehrte Kegelstumpfform) haben. Eine solche Form beseitigt den oben beschriebenen konvex gebogenen Abschnitt (Verbindungsabschnitt zwischen dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser und dem Verbindungsabschnitt), wodurch der Freiheitsgrad beim Anordnen der Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 und damit wiederum beim Anordnen der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 erhöht wird, Wenn hier angenommen wird, dass der maximale Durchmesser und der minimale Durchmesser der Innenwandfläche (des Durchgangslochs) des Isolators (Keramikkörpers) die gleichen sind wie in den Beispielen von 5A bis 6B, ist es denkbar, die Höhenabmessung der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und dergleichen wie folgt festzulegen, um die gleiche Wirkung wie oben beschrieben zu erzielen.
Wenn die Struktur von 5A als Basis verwendet wird, ist die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 auf der Innenwandfläche der Kegelstumpfform des Keramikkörpers von einer Kontaktposition mit der Kathode 2 zu einer Höhenposition, die etwas von der Struktur des Elektronenkanone entfernt ist (die etwas kürzer als im Beispiel von 5A eingestellt sein kann), bereitgestellt und die Schicht mit hohem Widerstand 23 kann auf dem Rest der Innenwandfläche bereitgestellt sein, wobei die Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes 24 dazwischen angeordnet ist. Wenn die Elektronenkanone auf der Konfiguration von 5B basiert, kann die oberseitige (auf der Seite der Kathode 2) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 etwas länger eingestellt sein als in dem Beispiel in 5B und die unterseitige (auf der Seite der Anode 3) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 kann etwas kürzer eingestellt sein als in dem Beispiel in 5B. Wenn die lonenkanone auf der Konfiguration von 6A basiert, kann hauptsächlich die oberseitige (auf der Seite der Anode 3) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 etwas kürzer eingestellt sein als in dem Beispiel von 6A. Wenn die lonenkanone auf der Konfiguration von 6B basiert, kann hauptsächlich die Höhe der unterseitigen (auf der Seite der Kathode 3) Schicht mit niedrigem Widerstand 22 etwas niedriger eingestellt sein als in dem Beispiel von 6B.
Da die geeigneten Abmessungen in Fläche oder Höhenrichtung der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und der Schicht mit hohem Widerstand 23 je nach einzustellendem Oberflächenwiderstand (Ω/□), dem zu verwendenden Material und der Dicke der Schicht usw. variieren können, sind die Abmessungen nicht zwingend auf die oben beschriebenen Einstellungsrichtlinien beschränkt. Im Allgemeinen ist es in einer Umgebung, in der eine hohe Spannung angelegt wird, wünschenswert, die Höhenabmessung der Schicht mit hohem Widerstand 23 in dem Ausmaß sicherzustellen, dass kein großer Leckstrom (sogenannter Kurzschluss) in dem Unterdruckraum auftritt, und die Höhenabmessung der Schicht mit niedrigem Widerstand 22 wird auf eine Abmessung eingestellt, die das Auftreten einer Konzentration des elektrischen Feldes so weit wie möglich verhindert.
Wie es oben beschrieben ist, wurde in der vorliegenden Offenbarung durch Einsatz einer Konfiguration, bei der zwei oder mehr Bereiche mit unterschiedlichen Oberflächenwiderständen auf der Innenwand des Isolators (Keramikkörpers) ausgebildet sind und insbesondere die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 In der Nähe des Kathodenteils, zu dem auch der Dreifachübergang gehört, an dem das Risiko eines dielektrischen Durchschlags hoch ist, eingeführt ist, eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung erzielt, die die Konzentration des elektrischen Feldes, die beim Anlegen der Hochspannung auftreten kann, wirksam reduzieren kann.
In Bezug auf die Konzentration des elektrischen Feldes oder das starke elektrische Feld, das auftritt, wenn die Struktur zur Teilchenbeschleunigung eine Struktur wie eine Elektrode aufweist, die Bestandteil einer Elektronenkanone oder einer lonenkanone ist, oder wenn die Größe der Struktur zur Teilchenbeschleunigung verringert werden soll, wurde durch Aufteilen des Bereichs in die Schicht mit niedrigem Widerstand 22 und die Schicht mit hohem Widerstand 23 eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung erzielt, die die Reduzierung der Konzentration des elektrischen Feldes auf der gesamten Innenwandfläche ermöglicht und unnötige Entladungen vermeidet.
Daher ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, eine Struktur zur Teilchenbeschleunigung und eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung zu schaffen, die die Verringerung der Konzentration des elektrischen Feldes ermöglichen, die in der Nähe des Kathodenteils auftritt.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene erste, zweite und dritte Ausführungsform beschränkt ist und verschiedene Abwandlungen umfasst. Beispielsweise wurden die oben beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf die Konfigurationen beschrieben, die speziell an Elektronenkanonen oder lonenkanonen angepasst sind, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht zwingend auf diejenigen beschränkt, die alle oben beschriebenen Konfigurationen aufweisen. Ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform kann durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden und die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zu der Konfiguration einer Ausführungsform hinzugefügt werden.
Bezugszeichenliste

1: Keramikkörper
2: Elektrode (Kathode)
3: Elektrode (Anode)
4: Widerstandsschicht
5: Leistungsversorgung
6: Dreifach Übergang
7: Bereich mit starkem elektrischen Feld
8: Elektronenemission
9: Kriechentladung
10: Durchgangsloch
21: Umgebung des Kathodenteils
22: Schicht mit niedrigem Widerstand (erster Bereich)
23: Schicht mit hohem Widerstand (zweiter Bereich)
24: Schicht zum Abbau des elektrischen Feldes (fünfter Bereich)
31: Bereich in der Nähe der Struktur
51: Abschnitt mit kleinem Durchmesser
52: Abschnitt mit großem Durchmesser
53: Verbindungsabschnitt
102: Elektronenquelle
103: Extraktionselektrode
104: Steuerelektrode
105: Hochspannungs-Einführungsteil
106: Hochspannungs-Einführungsanschluss
107: Heizdraht
108: Extraktionsspannungs-Leistungsversorgung
109: Elektronenstrahl
110: Heizspannungs-Leistungsversorgung
111: Beschleunigungsspannungs-Leistungsversorgung
112: Anodenelektrode
113: Unterdruckbehälter
114: Probentisch
115: Probe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5787902 B [0004]

Claims

Struktur zur Teilchenbeschleunigung, die umfasst: einen Keramikkörper mit einem Durchgangsloch, das durch eine Innenwandfläche ausgebildet ist, eine Kathode, die an einem Ende des Durchgangslochs in Kontakt mit dem Keramikkörper bereitgestellt ist, und eine Anode, die an dem anderen Ende des Durchgangslochs in Kontakt mit dem Keramikkörper bereitgestellt ist, wobei die Innenwandfläche des Keramikkörpers mit einem ersten Bereich, der mit der Kathode elektrisch verbunden ist, und einem zweiten Bereich, der mit der Anode elektrisch verbunden ist, elektrisch verbunden ist, und der Oberflächenwiderstand des ersten Bereichs niedriger ist als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die die Struktur zur Teilchenbeschleunigung nach Anspruch 1 umfasst.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein Strahlemitter in einem Raum innerhalb des Durchgangslochs des Keramikkörpers bereitgestellt ist, und der Strahlemitter einen Ladungsträgerstrahl emittiert, indem er eine Spannung anlegt, die niedriger ist als die an der Anode angelegte Spannung und kleiner oder gleich einer an der Kathode angelegten Spannung ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Strahlemitter eine Elektronenkanonenstruktur ist, die einen Elektronenstrahl emittiert, und der erste Bereich an einer Innenwand des Keramikkörpers von einer Position in Kontakt mit der Kathode bis zu einer Position, die um einen vorgegebenen Wert von der Struktur beabstandet ist, festgelegt ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Strahlemitter eine lonenkanonenstruktur ist, die einen lonenstrahl emittiert, ein Bereich auf der Innenwand des Keramikkörpers von einer Position in Kontakt mit der Anode bis zu einer vorgegebenen Höhenposition oder zu einer Position, die um einen vorgegebenen Abstand von der Struktur entfernt ist, einen dritten Bereich bildet, und ein Oberflächenwiderstand des dritten Bereichs kleiner ist als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Innenwand des Keramikkörpers einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser mit einem relativ kleineren Innendurchmesser und einen Abschnitt mit großem Durchmesser mit einem relativ größeren Innendurchmesser umfasst, und der erste Bereich in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser angeordnet ist und der zweite Bereich in dem Abschnitt mit großem Durchmesser angeordnet ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Innenwand des Keramikkörpers einen Abschnitt mit großem Durchmesser mit einem relativ größeren Innendurchmesser und einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser mit einem relativ kleineren Innendurchmesser umfasst, der erste Bereich von einer Position in Kontakt mit der Kathode bis zu einer Mittelposition des Abschnitts mit großem Durchmesser festgelegt ist, ein Bereich im Abschnitt mit kleinem Durchmesser, der von einer Position in Kontakt mit der Anode bis zu einer Position, die von der Struktur um einen vorgegebenen Wert beabstandet ist, ausgebildet ist, einen vierten Bereich bildet, und ein Oberflächenwiderstand des vierten Bereichs kleiner ist als der Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Innenwand des Keramikkörpers einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser mit einem relativ kleineren Innendurchmesser und einen Abschnitt mit großem Durchmesser mit einem relativ größeren Innendurchmesser umfasst, und ein Abschnitt von einer Position in Kontakt mit der Kathode bis zu einer Position auf halber Höhe des Abschnitts mit großem Durchmesser in dem ersten Bereich festgelegt ist, der Rest des Abschnitts mit großem Durchmesser in dem zweiten Bereich festgelegt ist und der Abschnitt mit kleinem Durchmesser in dem dritten Bereich festgelegt ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Innenwand des Keramikkörpers einen Abschnitt mit großem Durchmesser mit einem relativ größeren Innendurchmesser und einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser mit einem relativ kleineren Innendurchmesser umfasst, und der erste Bereich in dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser angeordnet ist und der zweite Bereich in dem Abschnitt mit großem Durchmesser angeordnet ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der zweite Bereich einen Oberflächenwiderstand (Ω/□) von 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹² aufweist und der erste Bereich einen Oberflächenwiderstand (Ω/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ aufweist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Innenwand des Keramikkörpers einen fünften Bereich umfasst, der den ersten Bereich und den zweiten Bereich elektrisch verbindet, und der fünfte Bereich ein Bereich zum Abbau des elektrischen Feldes ist, der einen Oberflächenwiderstand kontinuierlich von dem Oberflächenwiderstand des ersten Bereichs zu dem Oberflächenwiderstand des zweiten Bereichs ändert.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Bereich zum Abbau des elektrischen Feldes an einer Position festgelegt ist, an der die Innenwand des Keramikkörpers in einer konvexen Form gebogen ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Oberflächenwiderstand (Ω/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ ist, der zweite Oberflächenwiderstand (Ω/□) 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹² beträgt und der dritte Oberflächenwiderstand (Ω/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ ist.
Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Oberflächenwiderstand (Ώ/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ ist, der zweite Oberflächenwiderstand (Ω/□) 1 × 10⁹ bis 1 × 10¹² beträgt, der dritte Oberflächenwiderstand (Ω/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ ist und der vierte Oberflächenwiderstand (Ω/□) größer oder gleich 1 × 10⁶ und kleiner als 1 × 10⁹ ist.