JP2000268754A - 高輝度電界放射型電子銃 - Google Patents

高輝度電界放射型電子銃

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JP2000268754A
JP2000268754A JP7189499A JP7189499A JP2000268754A JP 2000268754 A JP2000268754 A JP 2000268754A JP 7189499 A JP7189499 A JP 7189499A JP 7189499 A JP7189499 A JP 7189499A JP 2000268754 A JP2000268754 A JP 2000268754A
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Atsushi Matsumoto
温 松本
Nobuo Iida
飯田信雄
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Jeol Ltd
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Jeol Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全ての加速電圧に対して同じ先端径のものを
使用し続けるものに比べ、高い平均輝度を確保できるよ
うにする。 【解決手段】 陰極に通電するためのフラッシュ電源
(2)と、引出し電極(3)に電圧を印加する引出し電
圧源(4)と、加速電極(5)に電圧を印加する加速電
圧源(6)と、エミッション電流を測定する電流計
(7)と、使用する加速電圧と引出し電圧の比に応じ
て、引出し電圧とフラッシュ電源(2)を制御して陰極
の先端径を調節する制御装置(11)とを備えたもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は全ての加速電圧にお
いて高輝度が得られるようにした電界放射型電子銃に関
するものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】電界
放射型電子銃とそれを構成するガンレンズは、陰極と引
出し電極、および加速電極で構成され、バトラーレンズ
が一般的であるが、レンズの特性から加速電圧値により
像位置が移動し、これが陰極先端からの焦点距離として
長くなる程、軸上収差の影響を受けてビーム径が拡が
り、輝度が著しく劣化する。
【0003】ところで、従来では電子銃として、陰極先
端径の小さなチップをいかに長く使用し続けるかという
ことで高輝度電子銃の設計をしてきた。これは先端径を
より小さくすることにより、軸電流値が大きくなるとい
うことに依存している。しかし、引出し電圧よりも加速
電圧が高くなる加速領域においては、先端径が小さいチ
ップは、先端径がより大きいチップに比べて、レンズの
焦点距離が長くなる傾向がある。そのため、同じ陰極チ
ップを同じ径に整形(先端径の小さい状態に維持)して
使用したとしても、全ての加速電圧で高輝度が得られる
とは限らず、平均輝度としてみると必ずしも高輝度が得
られない。
【0004】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、全ての加速電圧に対して同じ先端径のものを使用し
続けるものに比べ、高い平均輝度を確保できるようにす
ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の高輝度電界放射
型電子銃は、陰極に通電するためのフラッシュ電源と、
引出し電極に電圧を印加する引出し電圧源と、加速電極
に電圧を印加する加速電圧源と、エミッション電流を測
定する電流計と、使用する加速電圧と引出し電圧の比に
応じて、引出し電圧とフラッシュ電源を制御して陰極の
先端径を調節する制御装置とを備えたことを特徴とす
る。また、本発明は、制御装置が引出し電圧の逆数と引
出し電圧の2乗に対するエミッション電流の比から陰極
の先端径を検出し、検出結果に基づいて引出し電圧とフ
ラッシュ電源を制御することを特徴とする。また、本発
明は、制御装置が加速電圧と引出し電圧の比が1より小
さい減速電界領域では陰極の先端径を0.05μm〜
0.07μm、加速電圧と引出し電圧の比が1より大き
い加速電界領域では陰極の先端径を0.07μm〜0.
1μmとなるように引出し電圧とフラッシュ電源を制御
することを特徴とする。また、本発明は、加速電圧が
0.5kV以下の時、陰極の先端径を0.05μm以下
とするように引出し電圧とフラッシュ電源を制御するこ
とを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。まず、本発明の基本的概念について説明す
る。図1は本発明が適用される電界放射型電子銃の例を
説明する図である。図示したものは陰極とバトラー型レ
ンズの構成図であり、以下の例では、引出し電極3の孔
径Aを0.5mmφ、加速電極5の孔径Bを2mmφの
ものを使用する。
【0007】図2は図1のバトラー型レンズを用いて測
定した平均輝度を示す図で、横軸にVacc (加速電圧)
/Vext (引出し電圧)、縦軸に平均輝度Bをとったグ
ラフである。このデータは、引出し電極の孔径Aを0.
5mmφ、加速電極の孔径Bを2mmφとし、電界放射
型電子銃の陰極の先端径を0.05μm、0.07μ
m、0.1μm、0.13μmとしたときのエミッショ
ン電流を140mmの位置で測定して計算された平均輝
度を表している。平均輝度Bは、 B=ip/παid0 2 ………(1) で表される。ここに、ipはエミッション電流、αiは
光軸に対する電子ビームの角度、d0 は像面でのビーム
径である。
【0008】図2において、加速電圧と引出し電圧の比
が1のとき、引出し電極と加速電極は同電位でその間に
電界が存在せず、陰極から引き出された電子は引き出さ
れた角度でそのまま進む。加速電圧と引出し電圧の比が
1より大きい領域では加速電界が作用し、加速電圧と引
出し電圧の比が1より小さい領域では減速電界が作用す
る。図示するように、減速電界領域においては、陰極の
先端径が0.05μm、0.07μmと小さいもので平
均輝度が大きく、先端径が0.1μm、0.13μmと
大きいものでは平均輝度が低下している。これは減速電
界においては、ビーム径d0 が陰極先端径が大きいもの
ほど大きくなるためで、(1)式から分かるように平均
輝度Bは小さくなる。また、加速電圧が0.5kV以下
になると、より先端径の小さいものほど平均輝度が向上
するので、先端径を0.05μmより小さくするのが望
ましい。加速電界領域に移ると、特に加速電圧と引出し
電圧の比が大きくなったとき、陰極先端径が0.05μ
m、0.07μmと小さいものでは平均輝度が低下し、
逆に先端径が0.1μm、0.13μmと大きいもので
は平均輝度が大きくなっている。これは加速電界では先
端径の小さいものほどビーム径d0 が広がるためであ
る。
【0009】これらの結果から、加速電圧と引出し電圧
の比に応じて、減速電界領域では陰極の先端径を小さく
し、加速電界領域では陰極の先端径を大きくするように
フラッシュすれば、どのような領域においても平均輝度
を高く維持できることが分かる。より具体的には、加速
電圧と引出し電圧の比が1.0より小さ減速電界領域で
は陰極の先端径は0.05μm〜0.07μmとし、特
に、加速電圧が0.5kV以下では、先端径0.05μ
m以下とするのが望ましい。加速電圧と引出し電圧の比
が1より大きい加速電界領域では、陰極の先端径は0.
07μm〜0.1μmの範囲にすることが望ましい。こ
のように、常時加速電圧と引出し電圧の比、あるいは加
速電圧を観察し、それに応じてフラッシュして陰極先端
径を調節することにより高輝度の電子銃を実現すること
ができる。
【0010】次に、以上のような原理に基づいた本発明
の電界放射型電子銃について説明する。図3は本発明の
電界放射型電子銃を説明するブロック構成図であり、加
速電圧と引き出し電圧の比に応じて陰極の先端径を調節
するようにしたものである。電子を放出する陰極1はタ
ングステンワイヤWに接続され、フラッシュ電源2より
ワイヤWを通して通電加熱される。陰極1には引出し電
極3を通して引き出し電圧源4より引出し電圧が印加さ
れて電子が放出される。放出された電子は、加速電圧源
6より加速電極5に加えられる加速電圧によって加速さ
れ、対物レンズ9を通して試料台10上の試料に照射さ
れる。陰極から放出される電流(エミッショッン電流)
は、モニタ端子付の微小電流計7により検出され、増幅
器8を通してデータ表示装置13に送られる。制御装置
11はパソコン等からなり、引き出し電圧を制御し、ま
た、使用する加速電圧と引き出し電圧の比に応じて、引
出し電圧とフラッシュ電源2の通電を制御して陰極の先
端径を調節して高い平均輝度が得られるようにするため
のものである。データ表示装置13では、制御装置11
から送られる引出し電圧値とエミッション電流とから、
ファウラー・ノルドハイム・プロット(Fowler
Nordheim plot、以下F.N.plot)
を表示する。
【0011】図4はF.N.plotを説明する図であ
る。F.N.plotは横軸に引出し電圧の逆数(1/
V)、縦軸に引出し電圧の2乗に対するエミッション電
流の比(I/V2 )(対数)をとったもので、 log(I/V2 )=k(1/V) ……(2) となり、kは定数で、F.N.plotの傾きを表し、
陰極の先端径をr、Cを定数、φをエミッタ材料の仕事
関数とすると、 r=k/(−Cφ) ……(3) の関係があり、図示するように、先端径rが大きい程傾
きは大きく、先端径rが小さい程傾きは小さい。従っ
て、傾きkが求まると先端径rを概算で求めることがで
きる。
【0012】図1において、テーブル12には所定のエ
ミッタ先端径を得るための制御データが与えられてい
る。制御データとしては、例えば、フラッシュ電流I
f、引出し電圧V、フラッシュ継続時間T、フラッシュ
回数N等である。制御装置11はこれらのデータをテー
ブル12から読み出し、使用する加速電圧と引き出し電
圧の比に応じて引出し電圧とフラッシュ電源2を制御し
陰極先端径を調節する。
【0013】陰極先端径を細くしたい場合には、引出し
電圧をかけながらフラッシュする。例えば、タングステ
ン・エミッタであれば、引出し電圧を3〜5kV、フラ
ッシュ電流Ifを1.8〜2.2A、フラッシュ継続時
間Tを0.5〜2sec、フラッシュ回数Nを1〜5回
程度行う。先端径を現状より太くしたい場合には、引出
し電圧をかけないか、または弱い電圧に押さえ、強めの
フラッシュ電流でフラッシュする。フラッシュした結果
のエミッタ先端径はF.N.plotから傾きを求めて
(3)式により計算し、これが所望の値になるまでフラ
ッシュを繰り返す。こうして、使用する加速電圧と引き
出し電圧の比に応じた最適の陰極先端径のものが得ら
れ、あらゆる電圧範囲に応じて平均輝度の高い電子銃を
得ることができる。
【0014】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、F.
N.plotで陰極の径を検出して加速電圧と引き出し
電圧の比に応じて陰極の先端径を調節するようにし、減
速電界領域では、先端径の小さい陰極を使用し、加速電
界領域では先端径の大きい陰極を使用することで、全て
の加速電圧に対して同じ先端径のものを使用し続ける場
合に比して、高い平均輝度を確保することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 陰極とバトラー型レンズの構成図である。
【図2】 平均輝度を示す図である。
【図3】 本発明の電界放射型電子銃を説明するブロッ
ク構成図である。
【図4】 F.N.plotを示す図である。
【符号の説明】
1…陰極、2…フラッシュ電源、3…引出し電極、4…
引出し電圧源、5…加速電極、6…加速電圧源、7…微
小電流計、8…増幅器、9…対物レンズ、10…試料
台、11…制御装置、12…テーブル、13…データ表
示装置。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 陰極に通電するためのフラッシュ電源
    と、引出し電極に電圧を印加する引出し電圧源と、加速
    電極に電圧を印加する加速電圧源と、エミッション電流
    を測定する電流計と、使用する加速電圧と引出し電圧の
    比に応じて、引出し電圧とフラッシュ電源を制御して陰
    極の先端径を調節する制御装置とを備えた高輝度電界放
    射型電子銃。
  2. 【請求項2】 前記制御装置は、引出し電圧の逆数と引
    出し電圧の2乗に対するエミッション電流の比から陰極
    の先端径を検出し、検出結果に基づいて引出し電圧とフ
    ラッシュ電源を制御することを特徴とする請求項1記載
    の高輝度電界放射型電子銃。
  3. 【請求項3】 前記制御装置は、加速電圧と引出し電圧
    の比が1より小さい減速電界領域では陰極の先端径を
    0.05μm〜0.07μm、加速電圧と引出し電圧の
    比が1より大きい加速電界領域では陰極の先端径を0.
    07μm〜0.1μmとなるように引出し電圧とフラッ
    シュ電源を制御することを特徴とする電界放射型電子
    銃。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の電子銃において、前記制
    御装置は、加速電圧が0.5kV以下の時、陰極の先端
    径を0.05μm以下とするように引出し電圧とフラッ
    シュ電源を制御することを特徴とする電界放射型電子
    銃。
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