JP2012164427A

JP2012164427A - ウェネルト電極、電子銃並びにｘ線管

Info

Publication number: JP2012164427A
Application number: JP2011021602A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fujita; 真藤田; Hiroki Maeda; 裕樹前田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: JP5625965B2

Abstract

【課題】電極への密着性に優れ、電極の耐電圧を簡易に向上させることができるウェネルト電極、電子銃並びにＸ線管を提供することを目的とする。
【解決手段】ＤＬＣ膜Ｆをウェネルト電極（ここではフォーカスカップ電極１３）の表面に成膜することで、放電エネルギにも耐えることができる密着性の優れた絶縁膜でフォーカスカップ電極１３を覆う。このように、ＤＬＣ膜Ｆをフォーカスカップ電極１３に成膜すると電極間の絶縁特性が改善され耐電圧を簡易に向上させることができるので、例えば、コンディショニング時の放電が減りコンディショニングを短時間で終わらせることができ、装置使用前の準備時間が短く済む。また、放電が減ると高電圧電源へのダメージも軽減されるので、損傷事故の防止にもなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、工業分野、医療分野などに用いられるウェネルト電極、電子銃並びにＸ線管に係り、特に、電極の耐電圧の技術に関する。

Ｘ線管や電子銃においては、電子源（エミッタ）を囲むウェネルト電極（Ｘ線管では「フォーカスカップ電極」とも呼ばれている）と、陽極との間に１０ｋＶを越えるような高電圧を印加する必要がある。電極間の電圧を徐々に上げながら放電を故意に誘発することによって電極間の耐電圧を向上させる手法（コンディショニング）が一般的に行われている。

図５にマイクロフォーカスＸ線管の従来のコンディショニングの様子を示す。図５の横軸は時間を、図５の上段の縦軸はコンディショニング電圧（管電圧）を、図５の下段の縦軸は放電による放電電流（管電流）をそれぞれ示す。コンディショニング中では、電圧をコンディショニング用の閾値（絶縁電圧）まで徐々に上げるまでに、放電が起こることで電圧がその都度降下する。特に、放電電流が高電圧電源の保護回路の閾値を上回ると、電圧印加が中断するように、通常はプログラミングされている。図５に示すように、電圧を上げながら放電を何度も起こすことで耐電圧が徐々に改善され、コンディショニング用の閾値（絶縁電圧）まで電圧が達すると一連のコンディショニングを終了する。

これは、電子源上に存在する微小な突起から電界電子放出（FE: field emission）が生じて陽極に当たり、電子ビームが陽極を加熱したり、あるいは吸着残留ガスを脱ガスすることで放電が誘起されると考えられている。そして、放電のエネルギによって微小突起が次々とつぶれていくので、電極間の耐電圧特性（耐圧特性）は改善される。

一般に、高圧印加を行う電子管（電子銃、それを用いたＸ線管）においては、コンディショニング操作を繰り返し（例えば毎朝）行う必要がある。これは、電極間の電圧をＯＦＦしてから、しばらく放置すると耐電圧（耐圧）がまた下がってしまうからである。

コンディショニング操作は、高圧印加を行う電子管（Ｘ線管や電子銃）では必須のプロセスとみなされている。しかし、特に大気解放した後の真空引き（すなわち大気圧から減圧して真空化した）後のコンディショニングでは、所望の電極間の電圧（絶縁電圧）に達するまでに多くの放電を伴い時間がかかる。ひいては、高電圧電源の損傷事故につながることも少なくない。また、可能であればコンディショニングなし、あるいは短時間のコンディショニング操作で所望の絶縁電圧が得られるようになることが望ましい。また、到達できる絶縁電圧を上げることも強く望まれている。

これらの目的（コンディショニングなし、短時間のコンディショニング操作あるいは絶縁電圧の向上）のために古くから知られているひとつの方法は、電極の表面に絶縁膜を成膜することである（例えば、非特許文献１参照）。アルミニウムで形成された電極にエポキシフィルムを成膜したときには、アルミニウムのみの電極の耐圧と比べて２倍近く向上することが確認されている。また、放電電流についても、エポキシフィルムを成膜したときには、アルミニウムのみの電極と比べて低減されている。

電極への絶縁膜の成膜が効果をもつのは、ＦＥを誘起する電極上にできた微小突起や付着微粒子を平らにならして、いわゆる「埋め込んで」しまうからだと考えられている。数μｍ以上の絶縁膜で覆うことによってＦＥによる電子放出が抑制されるので、コンディショニングにおいて耐圧改善が速やかになされるものと推測される。

しかしながら、効果が長続きしないという理由で、上述した電極への絶縁膜成膜はこれまでのところ実用となっていない。成膜当初は大きな効果が認められるが、何回かの放電によって膜が破壊されると絶縁特性が劣化して回復できなくなるからである。絶縁膜の電極への密着性が不十分で、静電力によって膜が破壊し、膜が剥がれてしまうためと考えられる。

このため、電極に絶縁膜を成膜するのではなく、電極自身を半導電性（体積抵抗率ρ＝１０^６〜１０^１０Ωｃｍ）を有したセラミックで形成するという試みもなされている（例えば、特許文献１参照）。なお、高圧印加を行う電子管にセラミックを用いる場合、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のような抵抗率の高いセラミックではチャージアップが生じてしまうので、ある程度の導電性は必要である。

特開２００２−３３０６６号公報（第１−３頁、図１，２）

[1] L. Jedynak, Vacuum Insulation of High Voltages Utilizing Dielectric Coated Electrodes, J. Appl. Phys. 35, 1727 (1964);

しかしながら、このような材料は高価で、かつ加工性も悪く、金属電極への絶縁膜の成膜手法よりも生産性で劣る。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電極への密着性に優れ、電極の耐電圧を簡易に向上させることができるウェネルト電極、電子銃並びにＸ線管を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、この発明に係るウェネルト電極は、電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極であって、ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とするものである。

［作用・効果］硬質や耐摩耗性等の用途に用いられているＤＬＣ(diamond like carbon)に着目して、このＤＬＣをウェネルト電極への成膜に適用する。すなわち、この発明に係るウェネルト電極によれば、ＤＬＣをウェネルト電極の表面に成膜することで、放電エネルギにも耐えることができる密着性の優れた絶縁膜でウェネルト電極を覆う。これにより、絶縁膜による電極間の絶縁特性の改善手法をＤＬＣにより実用に供することが可能となる。このように、ＤＬＣをウェネルト電極に成膜すると電極間の絶縁特性が改善され耐電圧を簡易に向上させることができるので、例えば、コンディショニング時の放電が減りコンディショニングを短時間で終わらせることができ、装置使用前の準備時間が短く済む。また、放電が減ると高電圧電源へのダメージも軽減されるので、損傷事故の防止にもなる。

また、この発明に係る電子銃は、電子ビームを出射させる電子銃であって、電子ビームを発生させる電子源と、その電子源からの電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極と、そのウェネルト電極からの電子ビームを加速させる陽極とを備え、ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とするものである。

［作用・効果］この発明に係る電子銃によれば、ＤＬＣをウェネルト電極の表面に成膜することで、この発明に係るウェネルト電極でも述べたように、電極への密着性に優れ、陽極・ウェネルト電極の電極間の耐電圧を簡易に向上させることができる。

また、この発明に係るＸ線管は、Ｘ線を発生させるＸ線管であって、電子ビームを発生させる電子源と、その電子源からの電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極と、そのウェネルト電極からの電子ビームを加速させる陽極と、その陽極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させるターゲットと、前記電子源、前記ウェネルト電極、前記陽極および前記ターゲットを収容する容器とを備え、ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とするものである。

［作用・効果］この発明に係るＸ線管によれば、ＤＬＣをウェネルト電極の表面に成膜することで、この発明に係るウェネルト電極および電子銃でも述べたように、電極への密着性に優れ、陽極・ウェネルト電極の電極間の耐電圧を簡易に向上させることができる。もし、従来の耐電圧と同性能にするのであれば、電子源、ウェネルト電極、陽極およびターゲットを収容する容器のサイズを小さくしても放電が起こりにくく、Ｘ線管をコンパクトにすることができる。また、従来の容器と同じサイズ（同じ形状）にするのであれば、耐電圧を向上させることができる結果、高性能のＸ線管を実現することができる。

これらの発明（ウェネルト電極、電子銃並びにＸ線管）において、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣが成膜されるのが好ましい。プラズマ・イオン注入の場合には、処理室（真空チャンバ）全体にプラズマによりカーボンイオンが拡散されるので、ウェネルト電極の表裏面にわたってＤＬＣを全体に成膜することができる。なお、成膜して欲しくない箇所（例えば電子源に対向したウェネルト電極の面）については、当該箇所に金属等を接触させて覆うことで、成膜して欲しい箇所に対してのみＤＬＣをウェネルト電極の表面全体に成膜することができる。

また、通常は、ウェネルト電極は、複数の部品から組み立てられて構成されるので、これらの部品を先に組み立てた状態で、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜する方が好ましい。もし、各部品をプラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜した後で組み立てると、組み立て箇所にまでＤＬＣが成膜される結果、組み立てにくくなる可能性がある。また、これらの部品を先に組み立てた状態で、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜して、電子銃やＸ線管を組み立てる際に電子源をウェネルト電極内に収容するために、成膜後の各部品に分解しても成膜後のＤＬＣが分解によって剥がれることなく、分解することができることが確認されている。

この発明に係るウェネルト電極、電子銃並びにＸ線管によれば、ＤＬＣをウェネルト電極の表面に成膜することで、電極への密着性に優れ、電極間の耐電圧を簡易に向上させることができる。

実施例に係るマイクロフォーカスＸ線管の構成を示す概略断面図である。ＤＬＣが表面に成膜されたフォーカスカップ電極（ウェネルト電極）の概略断面図である。プラズマ・イオン注入によるＤＬＣのフォーカスカップ電極（ウェネルト電極）への成膜の概略図である。ＤＬＣを成膜したマイクロフォーカスＸ線管のコンディショニングの様子である。マイクロフォーカスＸ線管の従来のコンディショニングの様子である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係るマイクロフォーカスＸ線管の構成を示す概略断面図である。

図１に示す（マイクロフォーカス）Ｘ線管１は、電子銃１０と偏向コイル２０とフォーカスコイル３０とターゲット４０とを備えるとともに、これらを収容した容器５０を備えている。電子銃１０は、支持体１１と電子源（エミッタ）１２とフォーカスカップ電極１３と陽極１４とを備えている。電子銃１０の箇所では、容器５０は真空容器となっており、真空引きされる構造となっている。Ｘ線管１は、この発明におけるＸ線管に相当し、電子銃１０は、この発明における電子銃に相当し、電子源１２は、この発明における電子源に相当し、フォーカスカップ電極１３は、この発明におけるウェネルト電極に相当し、陽極１４は、この発明における陽極に相当し、ターゲット４０は、この発明におけるターゲットに相当し、容器５０は、この発明における容器に相当する。

電子銃１０は、電子ビームＢを出射させる構造である。具体的には、支持体１１は容器５０に支持されて、電子源１２を支持する。本実施例では、支持体１１は、ガラスで形成されているが、電子源１２を支持する構造物であって、絶縁物であれば、支持体を形成する物質については、特に限定されない。

電子源１２は電子ビームＢを発生させる。本実施例では、電子源１２として６ほう化ランタン（ＬａＢ_６）や６ほう化セリウム（ＣｅＢ_６）などで形成された単結晶あるいは焼結体のチップを加熱することで電子ビームＢを発生させる熱電子放出型を採用している。あるいは電子源１２として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）をコーティングした単結晶の細いタングステンワイヤに強電界をかけることで電子ビームＢを発生させる電界放出型を採用することも可能である。

フォーカスカップ電極１３は電子源１２を囲む形状となっており、電子源１２からの電子ビームＢの引き出しを制御する働きを持つ。フォーカスカップ電極１３と陽極１４との間に１０ｋＶを越える高電圧が印加されている。電子ビームＢは陽極１４に向かって加速される。つまり、フォーカスカップ電極１３は電子銃１０でのウェネルト電極の機能を有している。本実施例のようにＸ線管１に用いられる場合にはウェネルト電極は「フォーカスカップ電極」と呼ばれている。また、フォーカスカップ電極１３の表面にはＤＬＣが成膜されている。ＤＬＣの成膜については後述する。

偏向コイル２０は、２つのコイルを１組として、Ｘ方向（水平面内の横方向）およびＹ方向（水平面内の縦方向）に２組存在する。そして、Ｘ方向に２つのコイルを向かい合わせて電子ビームＢを挟んだ構造となっており、同様にＹ方向にも２つのコイルを向かい合わせて電子ビームＢを挟んだ構造となっている（図１では１組のみ図示）。フォーカスコイル３０は円環状に構成されている。偏向コイル２０は電子ビームＢを偏向し、フォーカスコイル３０は電子ビームＢを集束させる。これらのコイル２０，３０に電流を流すことで磁界を発生させて、光学系のレンズと同様に電子ビームＢの偏向や集束を行う。

ターゲット４０は、陽極１４からコイル２０，３０を経由した電子ビームＢの衝突によりＸ線Ｒを発生させる。本実施例では、ターゲット４０としてタングステンを用いている。もちろん、タングステン以外のＸ線発生物質によってターゲット４０を形成してもよい。容器５０は金属で形成されており、接地されている。

次に、ＤＬＣの成膜について、図２および図３を参照して説明する。図２は、ＤＬＣが表面に成膜されたフォーカスカップ電極（ウェネルト電極）の概略断面図であり、図３は、プラズマ・イオン注入によるＤＬＣのフォーカスカップ電極（ウェネルト電極）への成膜の概略図である。

図２に示すように、裏面も含めてフォーカスカップ電極１３の表面にＤＬＣ膜Ｆが形成されている。図２では、表裏面にわたって成膜されたＤＬＣ膜Ｆを図示しているが、成膜して欲しくない箇所（例えば電子源１２に対向したフォーカスカップ電極１３の裏面）については、ＤＬＣ膜Ｆは成膜されない。

近年、各種工具等の特性改善（硬質や耐摩耗性等）にＤＬＣ表面処理が行われるようになってきた。その目的上、ＤＬＣ膜Ｆを金属などの基板に密着性よく成膜する必要があり、密着性の優れた成膜法が開発されている。膜の厚みｔについても、微小突起の埋め込みなどに必要なｔ≧１μｍの成膜が実現されている。

例えば、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣ膜Ｆをフォーカスカップ電極１３の表面に形成する場合には、図３に示すように、接地された処理室（真空チャンバ）Ｃ内にフォーカスカップ電極１３の試料Ｓを収容する。なお、真空チャンバＣのサイズに応じて、複数個の試料Ｓを収容して、ＤＬＣ膜Ｆが表面に成膜された複数のフォーカスカップ電極１３を同時に製作することが可能である。

真空チャンバＣを真空ポンプＰにより真空引きして、試料Ｓを真空チャンバＣ内に収容した状態で、炭化水素などのように炭素を含んだガスをガス供給ラインＬから真空チャンバＣ内に導入する。そして、図示を省略するＲＦ高周波電源(RF: Radio Frequency)により真空チャンバＣ内にプラズマＰＭをプラズマ発生器Ｇは生成する。その後、試料Ｓに負の高電圧パルスを印加して周辺にあるプラズマＰＭのカーボンイオンを加速させて、試料Ｓに引き込んで注入・成膜することができる。

図１〜図３に示すように、フォーカスカップ電極１３に関して凹凸のある複雑な形状に対してもＤＬＣ成膜を難なく行うことが可能である。また、複数の部品を組み立てた状態で成膜することで、絶縁特性の改善が必要な表面全体にわたってＤＬＣ膜Ｆを形成することができる。

次に、ＤＬＣの成膜後のコンディショニングについて、図４を参照して説明する。図４は、ＤＬＣを成膜したマイクロフォーカスＸ線管のコンディショニングの様子である。従来の図５と同様に、図４の横軸は時間を、図４の上段の縦軸はコンディショニング電圧（管電圧）を、図４の下段の縦軸は放電による放電電流（管電流）をそれぞれ示す。従来の図５では、放電電流が高電圧電源の保護回路の閾値を上回ってしまい、電圧印加が何度か中断されているが、図４に示すようにＤＬＣの成膜後では電圧印加の中断が一切起こらず、所望の絶縁電圧にまで速やかに達していることが確認されている。また、放電が起こってもＤＬＣ膜へのダメージは、数１０μｍの穴があく程度であり、絶縁特性の悪化はほとんど見られない。

硬質や耐摩耗性等の用途に用いられているＤＬＣ(diamond like carbon)に着目して、本実施例ではこのＤＬＣをウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）への成膜に適用する。すなわち、以上のように構成されたフォーカスカップ電極１３によれば、ＤＬＣ（図２ではＤＬＣ膜Ｆ）をフォーカスカップ電極１３の表面に成膜することで、放電エネルギにも耐えることができる密着性の優れた絶縁膜でフォーカスカップ電極１３を覆う。これにより、絶縁膜による電極間の絶縁特性の改善手法をＤＬＣにより実用に供することが可能となる。このように、ＤＬＣをフォーカスカップ電極１３に成膜すると電極間の絶縁特性が改善され耐電圧を簡易に向上させることができるので、例えば、コンディショニング時の放電が減りコンディショニングを短時間で終わらせることができ、装置使用前の準備時間が短く済む。また、放電が減ると高電圧電源へのダメージも軽減されるので、損傷事故の防止にもなる。

以上のように構成された電子銃１０によれば、ＤＬＣ（図２ではＤＬＣ膜Ｆ）をウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）の表面に成膜することで、本実施例に係るフォーカスカップ電極１３でも述べたように、電極への密着性に優れ、陽極１４・ウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）の電極間の耐電圧を簡易に向上させることができる。

以上のように構成されたＸ線管１によれば、ＤＬＣ（図２ではＤＬＣ膜Ｆ）をウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）の表面に成膜することで、本実施例に係るフォーカスカップ電極１３および電子銃１０でも述べたように、電極への密着性に優れ、陽極１４・ウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）の電極間の耐電圧を簡易に向上させることができる。もし、従来の耐電圧と同性能にするのであれば、電子源１２、フォーカスカップ電極１３、陽極１４およびターゲット４０を収容する容器５０のサイズを小さくしても放電が起こりにくく、Ｘ線管１をコンパクトにすることができる。また、従来の容器５０と同じサイズ（同じ形状）にするのであれば、耐電圧を向上させることができる結果、高性能のＸ線管１を実現することができる。

本実施例では、好ましくは、本実施例に係るウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）、電子銃１０並びにＸ線管１において、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣが成膜されている。プラズマ・イオン注入の場合には、処理室（真空チャンバ）Ｃがプラズマによりカーボンイオンが拡散されるので、フォーカスカップ電極１３の表裏面にわたってＤＬＣを全体に成膜することができる。なお、成膜して欲しくない箇所（例えば電子源１２に対向したウェネルト電極の面：本実施例ではフォーカスカップ電極１３の裏面）については、当該箇所に金属等を接触させて覆うことで、成膜して欲しい箇所に対してのみＤＬＣをフォーカスカップ電極１３の表面全体に成膜することができる。

また、通常は、フォーカスカップ電極１３は、複数の部品から組み立てられて構成されるので、これらの部品を先に組み立てた状態で、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜する方が好ましい。もし、各部品をプラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜した後で組み立てると、組み立て箇所にまでＤＬＣが成膜される結果、組み立てにくくなる可能性がある。また、これらの部品を先に組み立てた状態で、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣを成膜して、電子銃１０やＸ線管１を組み立てる際に電子源１２をウェネルト電極（本実施例ではフォーカスカップ電極１３）内に収容するために、成膜後の各部品に分解しても成膜後のＤＬＣが分解によって剥がれることなく、分解することができることが確認されている。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、電子銃１０はＸ線管１に用いられていたが、電子源とウェネルト電極と陽極とを備え、ＤＬＣがウェネルト電極の表面に成膜された電子銃であれば、当該電子銃をＸ線管以外の装置（例えば走査電子顕微鏡や電子線マイクロアナライザーや透過電子顕微鏡や電子ビームリソグラフィーや検査機器など）に適用してもよい。また、電子銃単体に使用してもよい。

（２）上述した実施例では、ウェネルト電極（実施例ではフォーカスカップ電極１３）は電子銃１０に用いられていたが、ＤＬＣがウェネルト電極の表面に成膜された構造であれば、ウェネルト電極単体に使用してもよい。

（３）上述した実施例では、プラズマ・イオン注入によってＤＬＣをウェネルト電極（実施例ではフォーカスカップ電極１３）の表面に成膜したが、プラズマ・イオン注入に限定されない。スパッタ法に例示されるように、通常において用いられる成膜法であればよい。なお、スパッタ法の場合には、成膜できる面が限られてしまうので、ウェネルト電極を回転させるあるいは移動させるなどして成膜できる面が全面になるように、成膜中にウェネルト電極に対して回転・移動制御すればよい。

（４）上述した実施例では、Ｘ線管１は、偏向コイル２０やフォーカスコイル３０をそれぞれ備えたが、コイルが不要の場合には必ずしもこれらのコイルを備える必要はない。

１ … Ｘ線管
１０ … 電子銃
１２ … 電子源（エミッタ）
１３ … フォーカスカップ電極
１４ … 陽極
４０ … ターゲット
５０ … 容器
Ｂ … 電子ビーム
Ｆ … ＤＬＣ膜
Ｒ … Ｘ線

Claims

電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極であって、
ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とするウェネルト電極。
請求項１に記載のウェネルト電極において、
プラズマ・イオン注入によって前記ＤＬＣが成膜されていることを特徴とするウェネルト電極。
電子ビームを出射させる電子銃であって、
電子ビームを発生させる電子源と、
その電子源からの電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極と、
そのウェネルト電極からの電子ビームを加速させる陽極と
を備え、
ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とする電子銃。
請求項３に記載の電子銃において、
プラズマ・イオン注入によって前記ＤＬＣが成膜されていることを特徴とする電子銃。
Ｘ線を発生させるＸ線管であって、
電子ビームを発生させる電子源と、
その電子源からの電子ビームの引き出しを制御するウェネルト電極と、
そのウェネルト電極からの電子ビームを加速させる陽極と、
その陽極からの電子ビームの衝突によりＸ線を発生させるターゲットと、
前記電子源、前記ウェネルト電極、前記陽極および前記ターゲットを収容する容器と
を備え、
ＤＬＣが前記ウェネルト電極の表面に成膜されたことを特徴とするＸ線管。
請求項５に記載のＸ線管において、
プラズマ・イオン注入によって前記ＤＬＣが成膜されていることを特徴とするＸ線管。