JP2012033297A - 電子銃 - Google Patents

Abstract

【課題】引出電極との電位差によって電子線を放出させる電子源を備えた電子銃において、引出電極と絶縁碍子の接合部に生じる電界集中に起因して発生する微小放電を抑制し、絶縁耐力を向上する。
【解決手段】絶縁碍子４の固定ねじの通し穴の面と、絶縁碍子４の引出電極３と金属リング１６が接触する面に、導電性の金属被膜を形成するメタライズ部１３を施すことによって、固定ねじ５の周囲を均一な等電位の領域を形成し、微小放電の原因となる異物や、固定ねじのねじ山の先端部に強電界がかからない構造とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子顕微鏡などに用いられる電子銃に係り、特に、高電圧を印加して電子を放出し加速する電界放出型の電子銃に関する。

電子顕微鏡などの電子線装置における電子銃は、電子を安定に供給するため、高真空領域において高電圧を印加する必要がある。特に電子銃の内部に配置される引出電極においては、電子銃内部を真空に保つための真空容器との間に、高い絶縁耐力が要求される。これが不十分であると、動作中に放電が生じ、電子顕微鏡による観察中の像障害や、電子源の破損の原因となる。

図１に、電界放出型電子銃の構造の一例を示す。電界放出型電子銃は、電子銃内部を高真空に保つための真空容器１、電子の供給源である電子源２、電子源から電子を放出するための引出電極３、真空容器と引出電極を電気的に絶縁するための絶縁碍子４、引出電極と絶縁碍子を接続するための固定ねじ５、電子源と引出電極に高電圧を印加するための高電圧導入部６から構成される。電子銃に動作電圧を供給する高電圧電源は、電子源から引出す電子の量を決めるための電圧を供給する引出電圧電源７と、電子線の速度を決めるための電圧を供給する加速電圧電源８があり、真空容器を０Ｖの電位として、電子源２には加速電圧が、引出電極３には加速電圧から引出電圧を差し引いた電圧が加わる仕組みになっている。また、引出電極３にはベーキングを行うためのヒータ９が配置されており、引出電極をヒータにより数百度程度まで加熱して脱ガスを行うことができる。これにより、動作時に放出ガスが低減され、電子源２の周辺を超高真空状態に保つことが可能となる。

印加される高電圧に対して、電子銃の絶縁耐力を向上するための一般的な方法として、絶縁碍子の沿面長すなわち絶縁碍子と引出電極との接合面の長さを長くしたり、電極間の空間距離を長くしたりする方法が採用される。しかし、これらの方法では、絶縁碍子のサイズが大きくなり、価格も向上するという欠点がある。また、電界放出型電子銃においては、引出電極が高温に加熱されること、電子源周りを超高真空にたもつための電極位置の配置などの制約上、真空容器と引出電極間の絶縁耐力を向上させることは難しい。

特許文献１（特開２００２−３１３２６９号公報）においては、絶縁碍子と引出電極の接合面に曲面の溝を設けて、溝の内部にメタライズ処理（金属被膜を形成する処理）を施すことにより、絶縁耐力を向上させた発明が開示されている。当該文献によれば、メタライズ処理により絶縁碍子と引出電極の接合面に引出電極と同電位の部位が形成され、高電圧印加時の沿面部への電界集中が緩和され、これにより放電が発生しにくくなる。

しかし、この方法では電界緩和のために碍子形状を複雑に形成もしくは加工しなければならない。また、特許文献１に開示される電子銃は、真空容器と引出電極を絶縁するために引出電極を高電圧導入部分の碍子に直接固定している。本構造の場合、エミッタチップの周囲が引出電極によって囲まれるため、チップ周りを真空排気するための排気経路を設けることが困難である（引出電極か絶縁碍子に穴を開けなければならない）。

特許文献２（特開２００６−１７３０３３号公報）においては、高圧導入端子の上部（大気側）にメタライズ電極を設けることにより、高圧導入端子の付け根部分への電界集中を防止する発明が開示されている。しかしながら、ウェネルト電極が高電圧導入部の絶縁碍子に直接取り付けられているため特許文献１と同様の問題が発生する。

特開２００２−３１３２６９号公報 特開２００６−１７３０３３号公報

高電圧導入端子部分の碍子に引出電極を取り付ける方式は、真空容器と引出電極の絶縁性確保あるいはチップ周りの高真空維持の点でデメリットが多い。よって、電界放出型電子銃における引出電極は、図１に示すように、真空容器側に引出電極を支持するための絶縁部材を設けた方が、碍子の形状も単純で、かつ電子源周りの超高真空を維持し易い構造となる。しかし、真空容器から絶縁物により引出電極を支持する構造の場合には、上記絶縁性の支持部材と引出電極との間に電界集中しやすい領域が形成されるという問題となる。

本発明は、電界放出型電子銃の引出電極と絶縁碍子の接合部における絶縁耐力を向上することによって、接合部で生じる微小放電を抑制し、より安定で信頼性の高い電界放出型電子銃を提供することである。

本発明は、引出電極と絶縁碍子との接合部の少なくとも一部をメタライズ処理することにより、上記の課題を解決する。引出電極と絶縁碍子の接合部のうち、締結部材と絶縁碍子との接合面は特に微小放電が発生しやすい。従って、メタライズ処理を施す接合部としては、少なくとも絶縁碍子の締結部材に対する対抗面が含まれることが望ましい。

本発明によれば、引出電極と絶縁碍子との締結部材が設けられる締結部において、絶縁碍子と締結部材の隙間への電界集中が抑制され、微小放電が抑制される。その結果、絶縁耐力が向上し、高電圧を印加しても、より安定して動作する信頼性の高い電子銃を得ることが可能となる。

電界放出型電子銃の説明図。 引出電極と絶縁碍子の接合部の説明図。 実施例１の電界放出型電子銃の全体図。 実施例１の電界放出型電子銃における引出電極と絶縁碍子の接合部の説明図。 実施例２の電界放出型電子銃の全体図。 実施例２の電界放出型電子銃における引出電極と絶縁碍子の接合部の説明図。

（実施例１）
本実施例では、引出電極と絶縁碍子の締結部材に対する絶縁碍子の対抗面にメタライズ処理を施した電界放出型電子銃の実施例について説明する。初めに、締結部材と絶縁碍子の対向部に微小放電が発生しやすい理由について、図２を用いて説明する。なお、以下の説明では、締結部材としてねじを用いた例について説明するが、ボルトやナットといった他の締結部材を用いた場合であっても状況は同じである。

図２は絶縁碍子と引出電極の接合部の拡大図である。接合部の構造は、引出電極３に雌ねじ、絶縁碍子４に固定ねじ５の通し穴がそれぞれ設けられており、固定ねじ５を締め付けることによって、引出電極３と固定ねじ５の座面で絶縁碍子４を締結している。この様な接続方法であると、固定ねじ５を締める際や緩めるとき、絶縁碍子４と固定ねじ５の座面や、引出電極３と固定ねじ５のねじ山１１が擦れることにより、微小な異物１０が発生し、固定ねじ付近に散らばる。この様な状態で、電子銃に高電圧が印加されると、物理的に絶縁碍子よりも導電率の低い空間に電界が集中することから、絶縁碍子４と固定ねじ５の隙間の真空領域に電界が集中し、強電界領域１２をつくる。この強電界によって、散らばった異物１０や、固定ねじのねじ山１１の先端の鋭角部から微小放電を生じる。

図３に、本実施例の電子銃の構成を示す模式図を示す。真空容器１の内部には引出電極３が配置され、絶縁碍子４で支持されている。絶縁碍子４は、ねじに、電子線の放出源である電子源２は、高電圧導入部６の高電圧導入端子の先端に取り付けられており、高電圧電源１７によって電子源２と引出電極３の間に電圧を印加することによって、電子線を放出する。引出電極３は、電子線が多く照射されることによってガスを放出するため、電子源周辺の真空度を悪化させる。このガス放出を抑制するためには引出電極３をあらかじめ高真空中で数百度の高温熱処理（ベーキング）を行う必要があるため、ヒータ９が引出電極３と隣接する位置に配置される。真空容器１の壁面の絶縁碍子４よりも上部側（電子源側）にはイオンポンプが接続される真空フィードスルーが設けられており、ベーキングにより発生したガスは、フィードスルーを介して真空排気される。

ヒータ９には、ヒータ用導入端子１５を介して電力が供給される。引出電極３と絶縁碍子４は固定ねじ５によって固定される。絶縁碍子４と金属リング１６には、ねじの通し穴が設けられており、絶縁碍子４については、通し穴の内側、すなわち固定ねじ５との対抗面にメタライズ部１３が設けられている。

図４は、締結部材である固定ねじ５と絶縁碍子４との接合部の拡大図である。絶縁碍子４が引出電極３と固定ねじ５によって締結されている絶縁碍子と引出電極の接合部において、絶縁碍子４の通し穴の内面と固定ねじ５の座面（すなわち締結部材との対抗面）に導電性の金属被膜の形成処理が施されたメタライズ部１３を設けている。図４では、固定ねじ５および絶縁碍子４の断面の左側（すなわち真空容器側）しか示していないが、右側（電子ビーム光軸側）にも同様のメタライズ部１３が形成されている。ここで、電子銃に高電圧を印加すると、メタライズ部１３は引出電極３および固定ねじ５に印加された電圧と同じ電圧となり電位差が無くなるため、絶縁碍子４と固定ねじ５の隙間には無電界領域１４が形成される。この結果、固定ねじ５の周囲に散らばる異物１０や固定ねじのねじ山１１の先端部に電界集中が生じないため、微小放電を抑制することができる。

なお、本実施例では電界放出型電子銃の実施例について説明したが、ショットキー型電子銃や他の形式の電子銃であっても本実施例に包含されることは言うまでもない。

（実施例２）
本実施例では、引出電極と絶縁碍子の接合部の上面側に金属リングを配置することにより、実施例１よりもより絶縁耐力を向上させた電子銃の構成例について説明する。

図５に本実施例による電界放出型電子銃の構成図を示す。おおよその構成は実施例１の図３と同じなので、以下の説明では共通部分の説明は省略する。

本実施例の電子銃においては、固定ねじ５の座面と絶縁碍子４の間には、ねじ締結時の応力集中によって絶縁碍子４が破損しない様に金属リング１６が配置されている。絶縁碍子４と金属リング１６には、ねじの通し穴が設けられており、絶縁碍子４については、通し穴の内側、引出電極３との接触面（すなわち絶縁碍子４と引出電極３の接合部における絶縁碍子の下面側）、金属リング１６との接触面（すなわち絶縁碍子４と金属リング１６の接合部における絶縁碍子の上面側）にメタライズ部１３が設けられている。

図６は、本実施例の電子銃における絶縁碍子４と引出電極および金属リング１６の接合部の拡大図を示す。絶縁碍子４に施されたメタライズ部１３は引出電極３と接しているため、引出電極３に高電圧が印加されると、メタライズ部１３も引出電極３と同じ電位となる。同様に固定ねじ５と金属リング１６も同じ電位となるため、固定ねじ５とねじの通し穴との隙間は、無電界領域１４となる。ねじの締結時や、ヒータ９による加熱時には、絶縁碍子４と金属リング１６、固定ねじ５の座面と金属リング１６、引出電極３と絶縁碍子４の間で、部品同士が擦れるため異物が発生し、図２に示したようにその異物が固定ねじ５の周囲に散らばる。それらの異物が強電界中に置かれると微小放電の要因となるが、固定ねじ５の周囲は無電界領域１４となっているため、微小放電が生じない。また、固定ねじ５のねじ山の先端も強電界中では、電界集中により微小放電を起こすが、同じく固定ねじ５の周囲は無電界領域１４となっているため微小放電が生じない。さらにまた、引出電極３や金属リング１６といった導体材料との接触面全てをメタライズ処理しているため、図１の従来技術や図３に示した実施例と比較して、電界集中が発生しにくく、沿面放電が発生しにくいという効果がある。

よって、本実施例の構造を用いることによって、微小放電を抑制した絶縁耐力の高い電界放出型電子銃を得ることができる。

１ 真空容器
２ 電子源
３ 引出電極
４ 絶縁碍子
５ 固定ねじ
６ 高電圧導入部
７ 引出電圧電源
８ 加速電圧電源
９ ヒータ
１０ 異物
１１ ねじ山
１２ 強電界領域
１３ メタライズ部
１４ 無電界領域
１５ ヒータ用導入端子
１６ 金属リング
１７ 高電圧電源
１９ 真空フィードスルー

Claims (3)

1. 真空容器と、当該真空容器内に配置された電子源と、前記真空容器の内部に取り付けられた絶縁碍子と、当該絶縁碍子により支持された引出電極と、当該真空容器の内部を真空排気するための真空フィードスルーとを備えた電子銃において、
   前記絶縁碍子と前記引出電極を締結する締結部材と、
   当該締結部材を保持するために前記絶縁碍子および前記引出電極に設けられた凹部ないし貫通孔を備え、
   当該凹部ないし貫通孔の前記締結部材に対する対抗面にメタライズ処理が施されたことを特徴とする電子銃。
2. 請求項１に記載の電子銃において、
   前記引出電極と前記絶縁碍子の接合部の上面に配置され、かつ前記締結部材を保持する凹部ないし貫通孔を有する金属部材を更に備え、
   前記絶縁碍子の前記金属部材に対する接合面にメタライズ処理が施されたことを特徴とする電子銃。
3. 請求項１に記載の電子銃において、
   前記締結部材がねじであり、当該ねじの前記絶縁碍子に対する座面に前記メタライズ処理が施されたことを特徴とする電子銃。

Images