JP2008084734A

JP2008084734A - 電子線発生装置とレーザー光の陰極先端部への照射方法

Info

Publication number: JP2008084734A
Application number: JP2006264545A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Kimoto; 高義木本
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP4915786B2

Abstract

【課題】陰極先端部に傾斜することなくレーザー光を照射して電子線を発生させて引き出すことを第１の目的とし、そのための光学部品の構成を利用して陰極先端部の拡大観察を容易に行えるようにすることを第２の目的とし、陰極に照射されるレーザー光の強度変化をリアルタイムで計測し、その結果をフィードバックさせて照射レーザー光強度を一定にすることを第３の目的とする。
【解決手段】電子線発生装置は、陰極先端部に対向する位置に反射鏡２４を配置し、反射鏡に、陰極先端部から発生した電子線を通過させる穿孔３９が形成してあり、所定の位置に配したレーザー照射器からのレーザー光２２を反射して、陰極先端部に向かうように反射鏡をレーザー照射器からのレーザー光に対し所定角度傾斜させてある。
【選択図】図６

Description

発明の属する技術分野

この出願の発明は、レーザー光を陰極先端部に照射して外部光電効果によって光電子を発生させるフォトカソード型電子線源及びレーザー光を陰極先端部に照射して加熱することによって熱電子を発生させる方式の電子線源を有する電子線発生装置に関し、より詳しくは、その陰極先端部へのレーザー照射に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、電子顕微鏡、電子線加速器及びＸ線発生装置用の電子線源として有用な、電子線源の陰極先端へのレーザー照射による光電子あるいは熱電子発生における陰極先端部へのレーザー照射に関するものである。

従来の技術とその課題

電子顕微鏡等の電子線源として最初に使用されていたのは、陰極を加熱して熱電子を発生させる方式のものであった。これに対して、陰極先端部を非常に細くしこれに負電圧を印加することにより陰極先端部に強電界を生じさせ、陰極先端が低温であっても量子力学的なトンネル効果によって電子を発生させる電界放射型電子線源が最近実用的に使用されるようになった。ところで、電子線源の輝度Φは、陰極からの放出全電流Ｉに比例し、クロスオーバーと呼ばれる電子線が陰極近くの収束用電界によって収束される位置における電子線束の面積Ｓと電子線束の開き立体角ωに反比例する（図１）。すなわち、Φ＝Ｉ／（Ｓω）である。電界放射型電子線源では、放出される電子の量は熱電子放出型と同程度の約１μＡ程度であるが、曲率半径の極めて小さな陰極先端部から電子が放出されるため、熱電子放出型に比べるとＳとωを小さくできる。このため、電界放出型電子線源の輝度は熱電子放出型に比べて１０〜１００倍も高く、現在もっとも輝度の高い電子線源として使用されており、電子線ホログラフィーへの応用の道が拓かれ、これを用いた電子顕微鏡の性能は飛躍的に向上した。ところで、Ｃｓ_３Ｓｂに代表される量子効率（外部光電効果によって発生する光電子の割合（％））の高い物質を陰極先端部に被覆し、これにレーザー光を照射すると極めて多量の光電子が放出される。例えば、波長が４８８ｎｍの可視光レーザーをわずか１Ｗの強さで陰極先端部に被覆したＣｓ_３Ｓｂ（波長４８８ｎｍでは量子効率：７〜８％）に照射すると、２８〜３２ｍＡ（従来型の約３万倍）もの極めて多量の光電子が放出される。また、図１に示すように、従来型の熱電子放出型や電界放出型電子線源では、陰極から放出された電子は最初あらゆる方向に進行し、その後に陰極近傍のウェネルト円筒（図４）や第１陽極（図５）が形成する電場の作用でクロスオーバー位置である程度の細さに収束されるが、電子線束の開き立体角ωは大きくなる。これに対して、図１に示すように、レーザー照射による外部光電効果によって電子を発生させるフォトカソード型電子線源では、高量子効率物質（可視光に対しては通常物質に比べてその量子効率は通常約１００万倍以上も高い）を被覆した領域でかつレーザーを照射した領域からのみ光電子が陰極先端面に垂直方向に放出される（図２）ため、前記電場の作用でクロスオーバー位置で極めて細く収束され、かつ電子線束の開き立体角ωも小さくできる。従って、フォトカソード型電子線源では原理的に電流値Ｉ、面積Ｓ及び立体角ωのすべての要素が輝度Φを高めることに働いている。このために、フォトカソード型電子線源はその実用化に伴う諸問題が解決されれば、将来、従来型の電子線源に比べて、遙かに桁違いに輝度の高い電子線源となることが期待され、これを用いた電子顕微鏡、電子線加速器、Ｘ線発生装置等の桁違いに飛躍的な性能向上をもたらすことが予想できる。

フォトカソード型電子線源の実用化のためには、いくつか解決すべき課題があった。ひとつは、Ｃｓ_３Ｓｂ、Ｎａ_２ＫＳｂ、Ｒｂ_３Ｓｂ等のアルカリハライドに代表される高量子効率物質が化学的に極めて活性であり、わずかな酸素にさらしてもその量子効率が急速に低下してしまう。このため、特許文献１及び特許文献２に示すように、高量子効率物質を陰極先端部に被覆し、陰極ユニットを酸素に晒すことなく電子線源に装填することが考案された。また、高真空中であっても陰極先端に被覆した高量子効率物質の温度が高いとその量子効率が急速に低下してしまうため、特許文献３に示すように、陰極先端部を局所冷却する方法も考案され、フォトカソード型電子線源の実用化は格段に進んだ。さらに、特許文献４に示すように、陰極先端部の微小領域に高量子効率物質を被覆するための方法についても考案され、その高輝度化に向けた技術開発が進展している。

前記のフォトカソード型電子線源以外にも、陰極先端にレーザー光を照射する電子線源が存在する。これは、強度の極めて強いパルスレーザー光を陰極先端に照射して陰極先端を短時間加熱して、陰極先端からパルス的に熱電子を放出させる電子線源である。これは、例えば電子顕微鏡の場合には、電子線の進行方向を変化させる偏向磁石にパルスレーザーのパルス幅に合わせてパルス電圧を印加させることにより、短時間現象を観察する用途に使用される。ちなみにフォトカソード型電子線源においては、目的に応じて陰極先端に照射されるレーザー光は連続的かパルス的かの選択があるが、レーザー照射加熱による熱電子放出型の場合には、パルスレーザーの使用が経済的理由から一般的である。いずれの電子線源においても、特許文献１に示されるように、従来は陰極へのレーザー照射は陰極から放出される電子の進行方向に対して斜めの方向から行われていた。図３には、陰極先端に斜め下方からレーザーを照射した場合を示す。斜めからのレーザー照射に対応して、レーザー照射位置の調整（アラインメント）に使用する陰極先端部観察用の工業用内視鏡も斜めから行っている。このため、陰極から放出された光電子を収束するためのウェネルト円筒底の中央部に開けられた電子線通過用の孔及び光電子を加速するための陽極板に開けられた孔を大きくする必要がある。ところで、従来熱電子放出型の電子線源においては、陰極から放出される電子線を収束させるための陰極近くの収束用電界を形成するために、図４に示すようなウェネルト円筒が用いられている。ウェネルト円筒の底には小さな孔が開けられており、陰極から放出される電子はその孔を通過する。ウェネルト円筒には陰極に対して負のバイアス電圧が印加され、これによって電子線がクロスオーバー位置で収束されている。ウェネルト円筒の底に開けられた孔の大きさはこの収束作用に大きな影響を与えており、実験結果に基づいて選ばれた最適値の大きさになっている。また、電子を加速するための陽極板の中央にも小さな孔が開けられており、そこを電子が通過するが、その孔の大きさも収束作用に影響を与えるため、あまり大きくすると収束性が低下する。他方、電界放射型電子線源においては、図５に示すように、陰極に相当するエミッタと第１陽極との間に加えられた数ｋＶの電圧により生じた強い電界によって電界放出された電子を第２陽極で所定の速度まで加速するようになっている。この場合にも、第１陽極と第２陽極の金属板中央には収束のために最適な大きさの孔が開けられており、これらを電子線が収束されながら加速される。フォトカソード型においては、陰極周辺に強い電界を発生させる必要がなく、陰極近くの収束用電界を形成するためには熱電子放出型電子線源で使用されているウェネルト円筒を選ぶことになる。しかし、前述のとおり、フォトカソード型電子線源において、電子線の進行方向に対して斜めからレーザーを陰極先端部に照射する従来の構造ではウェネルト円筒の底の中央に開ける孔や陽極板中央に開ける孔を大きくする必要があったため、クロスオーバー位置で光電子を最適に収束できなかった。このことは、フォトカソード型電子線源の高輝度化を実現させる上での大きな障害のひとつである。このことは、パルスレーザーを陰極先端部に照射加熱して、パルス的に熱電子を放出させるタイプの電子線源の高輝度化を実現するためにおいても同様の障害となっている。

陰極先端部を真横あるいは斜めから観察する従来の方法では、レーザー光に陰極先端の中央部に照射するための位置調節作業（アラインメント）に支障が生じていた。すなわち、工業用内視鏡や他の望遠用光学レンズを用いる場合には観察対象物と同じ方向に対象物の照明のための光を照射するが、斜め照射のために照明方向と逆方向に陰極先端部で反射する光はごくわずかであるため、受光の強度が極めて低く陰極先端部の拡大観察は困難であった。このために、より細く収束したレーザー光を陰極先端の中心に常に正確に照射するためのアラインメントには大きな支障があった。このことは、フォトカソード型電子線源において、陰極先端部の局所領域に高量子効率物質を被覆し、それに収束したレーザー光を照射する場合にも支障となるため、その高輝度化の障害となっていた。

一般的に、レーザー発生装置においては、発生するレーザー光の強度は時間的に変動する。これは数分という短い時間幅でも生じる。このため、フォトカソード型電子線から発生する光電子の電流値あるいは輝度もこれに連動して時間的に変動してしまう。これは電子顕微鏡のような装置のための電子線源としては大きな欠点であった。このことは、陰極先端にパルスレーザーを照射して、パルス的に熱電子を放出させる電子線源においても同じく解決すべき欠点であった。
特開２００３−９２００７７号公報特開２００４−２２１０７７号公報特開２００３−３４６６９１号公報特開２００６−１３４６６４公報（特願２００４−３２１１０３）

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、陰極先端部にレーザー照射を行って光電子または熱電子を発生させる電子線源の高輝度化を実現するために、陰極先端部に傾斜することなくレーザー光を照射して電子線を発生させて引き出すことを第１の目的とし、そのための光学部品の構成を利用して陰極先端部の拡大観察を容易に行えるようにすることを第２の目的とし、さらに、陰極に照射されるレーザー光の強度変化をリアルタイムで計測すること、及びその結果をフィードバックさせて照射レーザー光強度を一定にすることを第３の目的とし、これらレーザー照射に関する３つの目的をすべて満足させるレーザー照射方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、発明１の電子線発生装置は、前記陰極先端部に対向する位置に反射鏡を配置し、当該反射鏡に、陰極先端部から発生した電子線を通過させる穿孔が形成してあるとともに、所定の位置に配したレーザー照射器からのレーザー光を反射して、前記陰極先端部に向かうように前記反射鏡を前記レーザー照射器からのレーザー光に対し所定角度傾斜させてあることを特徴とする。

発明２の電子線発生装置は、発明１の電子線発生装置において、前記反射鏡の穿孔周辺の裏面を、当該穿孔を中心として、所定の曲率半径を有する凹面形状または所定の開き角を有するすり鉢の形状に薄くしてあることを特徴とする。

発明３の電子線発生装置は、発明１又は２の電子線発生装置において、前記反射鏡の表面及び前記穿孔の内面に金属膜を形成して、当該金属膜をアースに接続してあることを特徴とする。

発明４の電子線発生装置は、発明１から３のいずれかの電子線発生装置におけるレーザー光の陰極先端部への照射方法であって、集光用凸レンズを含む光学部品を用いて、前記反射鏡で反射された後は電子線が進行するのと正反対の方向にレーザー光を進行させて陰極先端部に収束照射することを特徴とする。

発明５の電子線発生装置は、発明１から３のいずれかの電子線発生装置において、前記反射鏡にて前記陰極先端部に至る光路を使用して前記電子線源陰極先端部を観察する先端観察機構が前記光路に対し退避可能に設けてあることを特徴とする。

発明６の電子線発生装置は、発明５の電子線発生装置において、その先端観察機構は、前記反射鏡に対し、レーザー光照射側において対向する小型の第二反射鏡と、第二反射鏡からの光を受けるＣＣＤカメラとからなることを特徴とする。

発明７の電子線発生装置は、発明６の電子線発生装置において、その先端観察機構には、前記両反射鏡により陰極先端部に至る照明光を発する照明器が設けられ、陰極先端で反射された前記照明光が前記ＣＣＤカメラに到達することを特徴とする。

発明８の電子線発生装置は、発明１から７のいずれの電子線発生装置において、前記反射鏡の穿孔がレーザー照射器からのレーザー光の一部を通すように形成されていると共に、通過したレーザー光の強さを測定する光強度測定器が設けてあることを特徴とする。

発明９の電子線発生装置は、発明８の電子線発生装置において、前記測定器による測定結果に基づき、レーザー照射器のレーザー光量調整器を制御する自動制御機構が設けてあることを特徴とする。

発明１０の電子線発生装置は、発明８の電子線発生装置において、前記光強度測定器と電子線の強度を測定する電子線強度測定器とを同期処理して、陰極先端部にコーティングした高量子効率物質の量子効率の低下を随時モニターする陰極モニター機構を設けてあることを特徴とする。

発明１により、電子線の進行方向とは正反対の方向からレーザーを陰極先端部へ照射することができるようになったため、構成光学部品の特性（例えば、集光用凸レンズの焦点距離等）や幾何学的配置を適正に行えば、陰極から放出される光電子あるいはレーザー照射加熱による熱電子を収束するためのウェネルト円筒の底や陽極板の中央部に開ける孔を大きくする必要がなくなり、これらの孔の大きさを電子線収束のための最適値にすることができるようになった。この結果、フォトカソード型電子線源の輝度をこの発明が実施される前に比べて格段に向上させることができるようになった。また、パルスレーザー光を陰極先端に照射してパルス的に熱電子を発生させる電子線源においても、同様にパルス的な電子線の輝度を格段に向上させることができるようになった。

発明２により、陰極先端から放出されたすべての電子を通すに当たり、反射鏡の肉厚を無視することが出来るので、穿孔の大きさを最小限にすることができた。それと共に、元来ある程度の厚みがなければ反射鏡の反射率が低下して陰極先端部へのレーザー光の収束径を理想的に小さくできないが、高い反射率を保持できる程度のガラスの厚みを有する面積が確保されているために、反射鏡としての高い性能が保持できた。

発明３により、レーザー光を収束させながら陰極先端に正確に照射するように関連光学部品の位置調整を行う際等に発生電子の一部が前記穿孔を通過できない場合においても電荷蓄積による絶縁破壊によって当該反射鏡を破損するようなことはなくなった。

発明４、５又は６により、今までは不可能とされていた陰極先端部を真下から観察でき、先端部の様子を的確に把握できるようになった。また、この先端観察機構をレーザー照射光路から退避させることが出来るので、レーザー照射そのものを阻害するおそれはない。
さらに、発明７により、電子線の進行方向とは正反対の方向から照明ランプからの可視光を陰極先端部に照射して当該先端部を照明することができ、当該方向から陰極先端部を観察がより容易に行えるようになった。これにより、照明ランプからの光の大部分は陰極先端部で反射され、陰極観察用の工業用内視鏡又は拡大望遠鏡を用いて陰極先端部の拡大像が鮮明に観察できるようになった。この結果、フォトカソード型電子線源においては陰極先端部に局所被覆した高量子効率物質の中心に集光したレーザー光の中心を正確に合わせる作業が可能となり、当該電子線源の輝度向上や電子線の質的向上が格段に進展した。また、パルスレーザー光を陰極先端に照射してパルス的に熱電子を発生させる電子線源においても同様な性能向上の進展が得られるようになる。

発明８によりレーザーを分岐するようなことなしに、レーザー光の強度をダイレクトに測定できるようになった。よって、レーザー光強度の損失を最小限にしながら陰極先端部に照射されるレーザー光の強度変化をリアルタイムで測定できるようになった。これにより、発明９に示すように、コンピュータ等を使用した自動制御によって、レーザー発生装置から出射されるレーザー光の強度が時間的に変動しても、陰極先端部に照射されるレーザー光の強度を所定に保てるようになった。例えば、フォトカソード型電子線源及びパルスレーザー光を陰極先端に照射してパルス的に熱電子を発生させる電子線源において、電子線の強度を時間的に一定にできるようになり、電子線源としの性能も格段と向上させることができるようになった。さらに、発明９に示すようにすることで、電子線源から発生する電子線の強度を随時ファラデーカップ等の電子線強度測定器で測定し、前記測定のレーザー光の強度と比較することによって、フォトカソード型電子線源の陰極先端に被覆した高量子効率物質の量子効率の低下をモニターして、陰極の交換時期を予想することもできるようになった。

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

図６に、本実施例のフォトカソード型電子線源試験装置と、その陰極先端部へのレーザー照射方法の全体を模式図的に示す。
アルゴンイオンレーザー発生装置から出射された連続レーザー光は各種光学部品により光ファイバーに導入され、この図の左方に示すようにその光ファイバー（２０）の最終端のコアー部から開き角約２３°で水平右方向に放出される。凹レンズ（２１）でさらに拡大されたレーザー光（２２）は、レーザー集光用凸レンズ（２３）で収束されながら、反射鏡（２４）に照射される。この反射鏡（２４）は水平方向に対して４５°傾斜して設置してあるので、照射されたレーザー光の大部分が鉛直上方に反射され、陰極先端部（１９）に集光照射される。
前記反射鏡（２４）と陰極先端部（１９）との間には中央部に孔を有する陽極板（３）が水平方向に配置され、陰極先端部から外部光電効果によって放出された光電子（３４）が、陰極に対して負のバイアス電圧を印加されたウェネルト円筒（２）によって収束作用を受けながら、ウェネルト円筒の底に開けられた微小孔を通過し、陽極板（３）によって加速されながら前記反射鏡（２４）に向かって照射される。前記反射鏡（２４）には、前記光電子（３４）が向かう箇所には穿孔（３９）が形成してあり、この穿孔（３９）を通過し、電子線ビーム（３４）として取り出される。
光ファイバー（２０）、凹レンズ（２１）、レーザー集光用凸レンズ（２３）及び穴開き反射鏡（２４）によって構成されるレーザー集光機構（３５）は同一の支持用機械部品に固定されており、当該部品はフォトカソード型電子線源試験装置の真空容器内に内蔵された遠隔操作が可能な精密ＸＹＺステージに連結されており、遠隔操作によって当該系全体は３次元的に精密な位置調整ができるようになっている。

図７は陰極先端部中央にレーザー光の収束照射を正確に行うための位置調整の際に使用する陰極先端部を拡大観察するための陰極先端部観察機構（３６）が作動している場合の模式図である。照明ランプ（３０）から水平方向に発せられた可視光は、照明光集光用凸レンズ（２９）によって集光されながら、水平方向に対して４５°傾斜した微小反射鏡（２７）で反射されて鉛直方向上方に進路を変える。途中で陰極先端部拡大観察用凸レンズ（２６）で再度の集光作用を受けた後、レーザー集光用凸レンズ（２３）と穴開き反射鏡（２４）の間に、その光軸を一致させるようにして水平方向に４５°傾斜した小型反射鏡（２５）により水平方向へ進行方向を変え、最後に穴開き反射鏡（２４）で大部分の可視光は反射されて、電子線の進行方向とは正反対の方向に向きを変え、最終的に陰極先端部に収束照射される。陰極先端面で反射された大部分の可視光は、穴開き反射鏡、小型反射鏡の順に各反射鏡で進路を変え、陰極先端部拡大観察用凸レンズ（２６）で集光された後、大部分の可視光はＣＣＤカメラ（２８）の受光面に到達し、陰極先端部の拡大像を結像する。ＣＣＤカメラで結像した陰極先端の拡大像はＴＶモニターに映し出される。この陰極先端部観察機構も同一の支持用機械部品に固定されており、当該部品はフォトカソード型電子線源試験装置の真空容器内に内蔵された遠隔操作が可能な精密ＸＹＺステージに連結されており、遠隔操作によって当該機構全体は３次元的に精密な位置調整ができるようになっている。また、レーザー光の陰極先端部への収束照射の位置調整作業が終了したら、図６に示されるように、小型反射鏡がレーザー集光用凸レンズと穴開き反射鏡の間のレーザー光の光路から完全に外れるほどに、当該機構全体が鉛直方向下方に容易に移動する。

陰極先端部観察機構が下方に移動した状態（図６）では、レーザー光の一部は穴開き反射鏡（２４）の穿孔（３９）を通過し、レーザー光拡大用凹レンズ（３２）で拡大された後にフォトダイオード（３３）でその強度がリアルタイムで測定される。このレーザー光強度測定機構（３７）も前記レーザー集光機構（３５）と同一の支持用機械部品に固定されており、この部品はレーザー集光機構の支持用機械部品に連結してあり、レーザー集光機構と一体となって遠隔操作によって３次元的な精密位置調整ができるようになっている。

図８には穴開き反射鏡（２４）の断面図（図Ａ）と矢印Ｘで示した方向から見た平面図（図Ｂ）とを示す。反射面が平滑にされた厚さが５ｍｍで幅が３０ｍｍの正方形状のガラス（ＢＫ７製）（３８）の中心に直径約２ｍｍの穿孔（３９）を開けた後、反射面とは反対方向に凹面状に機械的に研磨して穴周辺を薄くした。穿孔の縁の厚さは０．５ｍｍであり、凹面の曲率半径は１２ｍｍ、凹面状の円状の領域の直径は１８ｍｍであった。凹面状の窪みを掘った後、図Ａに示すように、反射面全体、５ｍｍの側面及び穿孔の縁にはＡｌとＭｇＦ_２（いずれも電気的導通性あり）をコーティングした。反射率の指標となる反射面の面精度は、窪みのない厚さ５ｍｍの領域ではλ／６（可視光の波長（λ＝６３２．８ｎｍ）の６分の１）であったが、微小孔周辺ではλと約６倍も低下していた。ちなみに、λ／６の面精度は光学部品としの用途には支障はないが、λの面精度では光学部品としての用途には支障がある。

図９に穴開き反射鏡（２４）の支持部品を含む周辺断面図を示す。当該反射鏡は水平方向に対して４５°傾斜するようにして、ＡｌとＭｇＦ_２をコーティングした側面が接するように上部支持用金属製部品（４６）と下部支持用金属製部品（４７）に支持・固定されており、両部品はレーザー集光機構の保持用金属製正方型筒（４５）に固定されている。

図１０は図９に示した穴開き反射鏡の改良型である。穿孔（３９）周辺の薄い領域の面積をなるべく少なくするために、穿孔周辺に、凹面状の窪みではなく、すり鉢状の窪み（４８、５０）を掘ったものである。図Ｃはこのすり鉢状に掘った穴開き反射鏡を水平方向からα＝４５°傾斜させた模式図であるが、電子がすべて穿孔を通過し、穿孔に進入したレーザー光がすべて穿孔を通過するためには、すり鉢の角度θが９０°（α＝４５°の２倍）以上の鈍角型すり鉢状窪み（４８）を掘らなければならない。角度θを９０°以下にして、さらに穿孔周辺の薄い領域の相対面積を小さくするためには、図Ｄのように反射面と水平方向とのなす角度を４５°より小さくすれば良い。この場合、電子の進行方向と逆方向にレーザー光を収束照射させるため、補助的なレーザー進行方向調節用反射鏡（４９）を図Ｄのように設ける必要がある。図Ｄでは当該反射鏡と水平方向とのなす角度が３０°なので、鋭角型すり鉢状窪み（５０）の開き角θは６０°（＝２×３０°）以上となる。

図１１は特許文献１で示された１台のレーザー光で複数のフォトカソード型電子線源の陰極先端部へ照射できることを示す模式図である。以下の説明の都合上これを引用する。レーザー発生装置（５１）から出射されたレーザー光（５２）はレーザー光分岐装置（５３）で分岐された後、光ファイバー（５５）に導かれ、それぞれレーザー光強度調節装置（５４）でその強度を調節された後に各装置（５６，５７，５８）のフォトカソード型電子線源の陰極先端部に照射される。図１２も特許文献１で示されたものであり、図Ｅには前記レーザー光分岐装置（５３）の実施例が示されている。レーザー発生装置（５１）から出射したレーザー光（５２）はビームスプリッター（５９）により分岐され、レーザー光進路精密調整用反射鏡（６０）で進行を変えた後、光ファイバーへの集光用凸レンズ（６２）で集光されて光ファイバー（５５）に導入される。光ファイバーで各電子線源の近傍まで導かれたレーザー光は、図Ｆに示すように、一旦光ファイバーから解放されてから角度固定偏向板（６６）と角度可変偏向板（６７）を通過する際に、その強度が変化する。２枚の偏向板の偏向面のなす角度が９０°の倍には強度はゼロに減少し、角度が０°ならば偏向板での反射による損失がなければ強度は変化しない。角度可変偏向板の偏向面の角度は専用の電源ケーブル（６８）を用いて、電気信号による遠隔操作によって変えることができる。２枚の偏向板を通過した後には、再度集光用凸レンズ（６２）を用いて光ファイバー（５５）へと導入される。

図１３に、フォトダイオードを用いてリアルタイムで陰極先端に照射されるレーザー光の強度変化を測定できたレーザー光強度測定機構の利用例を示す。すなわち、フォトダイオードで得たレーザー光強度に関する情報をコンピュータに入力・処理・制御することにより、レーザー発生装置から出射されるレーザー光の強度が時間的に変化しても、陰極先端部に照射されるレーザー光の強度を時間的に一定にできたことを示す例である。
前記穴開け反射鏡の穿孔を通過したレーザー光の強度はフォトダイオード（３３）で電流値として測定され、その電気信号をアナログからデジタルへの変換器（７２）を経て制御用コンピュータ（７３）に入力・処理される。コンピュータは陰極先端部に照射されるレーザー光の強度が一定になるようにデジタル信号を発する。当該信号は、デジタルからアナログへの変換器（７４）を経た後、角度可変偏向板用電源（７５）に作用して、角度可変偏向板の角度を制御する。
なお、電子線ビームの電流値をファラデーカップ（７６）によって随時測定して当該コンピュータ（７３）にその情報を入力し、これをフォトダイオード（３３）で測定したレーザー光の強度と比較することにより、フォトカソード型電子線源の陰極先端に被覆した高量子効率物質の量子効率の低下をモニターでき、陰極の交換時期を予測することができる。

各種電子線源の比較を示す図である。電子線の輝度はＩ／（Ｓω）に比例する。フォトカソード型電子線源先端部の様子を示す図である。高量子効率物質（Ｃｓ_３Ｓｂ）を被覆したレーザー照射部のみから外部光電効果により光電子が放出される。フォトカソード型電子線源における斜めからのレーザー照射の方法を示す図である。従来型の熱電子型電子線源においてウェネルト円筒（底の中心に最適径を有する穴が開いている。）によって電子線ビームが収束される様子を示す図である。従来型の電界放射型電子線源において第１と第２陽極板を設けることで電子線ビームの収束と加速を行っていることを示す図である。陰極先端部に真下からレーザー光を照射できるようにし、アラインメントのための陰極先端部の観察機構とレーザー光強度を電気信号に変換する強度測定機構を有する本件発明の全体を説明する図である。この図では、前記陰極先端部観察機構が下方に移動され、レーザー光が陰極先端部に照射されている。図６において、陰極先端部観察機構を上方に移動させ、当該機構を作動させて陰極先端部を観察している状態を示す図である。本件発明の鍵となる穴あけ反射鏡の断面（図Ａ）及び片側（Ｘ方向）から見た平面（図Ｂ）の図である。中心に穿孔が開けられているが、光電子とレーザーが穿孔を貫通するようにその周辺を凹面状に薄くしている。穴開き反射鏡が固定される様子を具体的に示す図である。アラインメント中にすべての電子線が穿孔を貫通できない場合にも、金属のコーティング面と導通性の金属製の固定部品を伝って電流がアースに流れ、絶縁破壊を防止している。穴開き反射鏡において、穿孔の周辺を、凹面状ではなく、すり鉢状にしたより改善された場合の図である。図Ｃではレーザー光と反射面とのなす角度がα＝４５°の場合が示され、図Ｄではそれがα＝３０°の場合が示されている。フォトカソード型電子線源を搭載した各種装置がひとつのレーザー発生装置を共有することを示す図である。ひとつのレーザー発生装置から出射されるレーザー光を分岐させる光学機構（図Ｅ）及び分岐されたレーザー光の強度を電気信号による偏向板の角度の遠隔操作で調節するための光学機構（図Ｆ）本件発明において、フォトダイオードで検出されたレーザー光強度を電気信号に変換し、コンピュータ制御により偏向板の回転角を調節することによって、陰極先端部に照射されるレーザー光強度及び電子線強度の調節を行う方法を示す図。

符号の説明

１陰極
２ウェネルト円筒
３陽極板
４レーザー光
５レーザー斜め照射用部品
６レーザー斜め照射部品導入用光ファイバー
７ＣＣＤカメラを搭載した陰極先端部斜め観察用光学部品
８ＣＣＤカメラ用ケーブル
９遠隔操作式ＸＹＺ方向精密移動ステージ
１０熱電子放出型電子線源用の陰極（フィラメント）の先端部
１１クロスオーバー
１２フィラメント加熱用電源
１３電子加速用高圧電源
１４極微曲率半径の先端を有する電界放射型電子線用陰極（エミッタ）
１５第１陽極板
１６第２陽極板
１７エミッタと第１陽極板間に印加する高電圧電源
１８第１と第２陽極板間に印加する高電圧電源
１９陰極の先端部
２０光ファイバー
２１凹レンズ
２２レーザー光の光路
２３レーザー集光用凸レンズ
２４穴開き反射鏡
２５小型反射鏡
２６陰極先端部拡大観察用凸レンズ
２７微小反射鏡
２８ＣＣＤカメラ
２９照明光集光用凸レンズ
３０照明用ランプ
３１照明光および反射レーザー光の光路
３２レーザー光拡大用凹レンズ
３３フォトダイオード
３４電子線ビーム
３５レーザー集光機構
３６陰極先端部観察機構
３７レーザー光強度測定機構
３８ガラス（ＢＫ７製）
３９穿孔
４０凹面状窪み
４１金属（Ａｌ＋ＭｇＦ_２）のコーティング面
４２電子の進行方向
４３レーザー光の進行方向
４４平面図（図Ｂ）が見える方向
４５レーザー集光機構の保持用金属製正方型筒
４６上部支持用金属製部品
４７下部支持用金属製部品
４８鈍角型すり鉢状窪み
４９レーザー進行方向調節用反射鏡
５０鋭角型すり鉢状窪み
５１レーザー発生装置
５２出射レーザー光
５３レーザー光分岐装置
５４レーザー光強度調節装置
５５光ファイバー
５６フォトカソード型電子線源を搭載した電子顕微鏡
５７フォトカソード型電子線源を搭載したＸ線発生装置
５８フォトカソード型電子線源を搭載した電子線加速器
５９ビームスプリッター
６０レーザー光進路精密調節用反射鏡
６１レーザー光のストッパー
６２光ファイバーへの集光用凸レンズ
６３レーザー光導入用光ファイバー位置制御ホルダー
６４光ファイバーコネクター
６５レーザー光出射用光ファイバー位置制御ホルダー
６６角度固定偏向板
６７角度可変偏向板
６８偏向板角度変更用電源ケーブル
６９フォトダイオード用電流伝達用電線
７０電流計
７１電気器具間用ケーブル
７２ＡＤ変換器
７３制御用コンピュータ
７４ＤＡ変換器
７５角度可変偏向板用電源
７６ファラデーカップ
７７ファラデーカップ用導通性単線

Claims

電子線源陰極先端部にレーザー光を照射して、当該陰極先端部から電子線を発生させる電子線発生装置であって、前記陰極先端部に対向する位置に反射鏡を配置し、当該反射鏡に、陰極先端部から発生した電子線を通過させる穿孔が形成してあるとともに、所定の位置に配したレーザー照射器からのレーザー光を反射して、前記陰極先端部に向かうように前記反射鏡を前記レーザー照射器からのレーザー光に対し所定角度傾斜させてあることを特徴とする電子線発生装置
請求項１に記載の電子線発生装置において、前記反射鏡の穿孔周辺の裏面を、当該穿孔を中心として、所定の曲率半径を有する凹面形状または所定の開き角を有するすり鉢の形状に薄くしてあることを特徴とする電子線発生装置。
請求項１又は２に記載の電子線発生装置において、前記反射鏡の表面及び前記穿孔の内面に金属膜を形成して、当該金属膜をアースに接続してあることを特徴とする電子線発生装置。
請求項１から３のいずれかに記載の電子線発生装置におけるレーザー光の陰極先端部への照射方法であって、集光用凸レンズを含む光学部品を用いて、前記反射鏡で反射された後は電子線が進行するのと正反対の方向にレーザー光を進行させて陰極先端部に収束照射することを特徴とするレーザー光の陰極先端部への照射方法。
請求項１から３のいずれかに記載の電子線発生装置において、前記反射鏡にて前記陰極先端部に至る光路を使用して前記電子線源陰極先端部を観察する先端観察機構が前記光路に対し退避可能に設けてあることを特徴とする電子線発生装置。
請求項５に記載の電子線発生装置において、その先端観察機構は、前記反射鏡に対し、レーザー光照射側において対向する小型の第二反射鏡と、第二反射鏡からの光を受けるＣＣＤカメラとからなることを特徴とする電子線発生装置。
請求項６に記載の電子線発生装置において、その先端観察機構には、前記両反射鏡により陰極先端部に至る照明光を発する照明ランプが設けられ、陰極先端で反射された前記照明光が前記ＣＣＤカメラに到達することを特徴とする電子線発生装置。
請求項１から７のいずれかに記載の電子線発生装置において、前記反射鏡の穿孔がレーザー照射器からのレーザー光の一部を通すように形成されていると共に、通過したレーザー光の強さを測定する光強度測定器が設けてあることを特徴とする電子線発生装置。
請求項８に記載の電子線発生装置において、前記測定器による測定結果に基づき、レーザー照射器のレーザー光量調整器を制御する自動制御機構が設けてあることを特徴とする電子線発生装置。
請求項８に記載の電子線発生装置において、前記光強度測定器と電子線の強度を測定する電子線強度測定器とを同期処理して、陰極先端部にコーティングした高量子効率物質の量子効率の低下を随時モニターする陰極モニター機構を設けてあることを特徴とする電子線発生装置。