JP2013080587A - パルス電子ビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストのパルス電子ビーム発生装置を提供する。
【解決手段】パルス電圧が印加される一次コイル、及び、この一次コイルとコアを共有する二次コイルを備え、樹脂モールドされ、大気側に設置された高圧パルス電圧発生部と、前記高圧パルス電圧発生部の前記二次コイルに電気的に接続されたエミッターと、前記エミッターから電子ビームを引き出すアノードと、前記エミッターと前記アノードとの間に位置し、前記エミッターに電気的に接続されるとともに前記エミッターから引き出した電子ビームを収束するウエネルトと、前記エミッター、前記ウエネルト、及び、前記アノードを真空状態の内部に収容する真空容器と、を備えたことを特徴とするパルス電子ビーム発生装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空中あるいは大気中にパルス電子ビームを放出可能な電界放射型のパルス電子ビーム発生装置に関するものである。

冷陰極の表面に発生させた電界により、冷陰極から電子を放出される技術においては、冷陰極に対して大きな電圧を印加する必要がある。このため、高圧フローティング絶縁トランスや高圧ケーブルなど高価な部品が必要となる。

特開２００６−２１０１６２号公報

本発明の目的は、低コストのパルス電子ビーム発生装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
パルス電圧が印加される一次コイル、及び、この一次コイルとコアを共有する二次コイルを備え、樹脂モールドされ、大気側に設置された高圧パルス電圧発生部と、前記高圧パルス電圧発生部の前記二次コイルに電気的に接続されたエミッターと、前記エミッターから電子ビームを引き出すアノードと、前記エミッターと前記アノードとの間に位置し、前記エミッターに電気的に接続されるとともに前記エミッターから引き出した電子ビームを収束するウエネルトと、前記エミッター、前記ウエネルト、及び、前記アノードを真空状態の内部に収容する真空容器と、を備えたことを特徴とするパルス電子ビーム発生装置が提供される。

本発明によれば、低コストのパルス電子ビーム発生装置を提供することができる。

図１は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置の主要部を概略的に示す図である。 図２は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置に適用可能なオプション例を説明するための概略断面図である。 図３は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置におけるエミッターに印加される電圧の一例を示す図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１の主要部を概略的に示す図である。

すなわち、パルス電子ビーム発生装置１は、高圧パルス電圧発生部１０と、電子銃構成部２０と、を備えている。

高圧パルス電圧発生部１０は、パルス電圧が印加される一次コイル１１と、高電圧を発生する二次コイル１２とを備え、樹脂モールドされている。このような一次コイル１１及び二次コイル１２は、コア（磁心）１３を共有している。つまり、一次コイル１１及び二次コイル１２は、ドーナツ状に形成されたコア１３にそれぞれ巻き付けられている。一次コイル１１を含む回路と二次コイル１２を含む回路とは、相互インダクタンスで結合されている。つまり、相互誘導により、一次コイル１１に印加されたパルス電圧が二次コイル１２によって昇圧される。

このような高圧パルス電圧発生部１０は、大気側に設置され、ケース１４に収容されている。一次コイル１１の両端は、ケース１４の端子Ｔにそれぞれ接続されている。なお、一方の端子Ｔは、接地されている。これらの端子Ｔには、パルス電圧コントローラ３０が接続されている。パルス電圧コントローラ３０は、比較的低電圧のパルス電圧を発生する。

一例として、一次コイル１１と二次コイル１２との巻数比が１：２０００〜１：３０００である場合、パルス電圧コントローラ３０から一次コイル１１に＋１５Ｖ程度のパルス電圧を印加すると、二次コイル１２には、接地電位に対して−３０ｋＶ乃至−６０ｋＶもの高圧パルス電圧が発生する。

電子銃構成部２０は、エミッター２１、ウエネルト２２、アノード２３、真空容器２４などを備えている。

エミッター２１は、高圧パルス電圧発生部１０の二次コイル１２に電気的に接続されている。このエミッター２１は、例えば、カーボンやタングステンなどの電子放出材料によって形成可能であるが、本実施形態においては、特に、カーボンによって形成されることが望ましい。カーボン製のエミッター２１は、例えば、カーボン粉末とバインダーとを混合し、円柱形状に固め、高真空中にて２０００℃以上の高温で焼成することによって製造可能である。

このようなエミッター２１は、エミッターホルダ２５によって保持されている。エミッターホルダ２５は、例えば、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。このようなエミッターホルダ２５は、絶縁碍子２６の一端部に取り付けられている。この絶縁碍子２６は、例えば、セラミックやガラスによって形成されている。

ウエネルト２２は、エミッター２１とアノード２３との間に位置している。このウエネルト２２は、例えば、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。また、このウエネルト２２は、カップ状に形成され、その底部におけるエミッター２１と同軸上の位置に電子ビーム通過孔２２Ｈを有している。このようなウエネルト２２は、エミッター２１に電気的に接続されている。図示した例では、ウエネルト２２は、ネジ止めなどの手法によりエミッターホルダ２５に固定されている。つまり、ウエネルト２２は、エミッター２１と同電位となる。

アノード２３は、ウエネルト２２に対向している。このアノード２３は、板状に形成され、エミッター２１と同軸上の位置に電子ビーム通過孔２３Ｈを有している。このようなアノード２３は、真空容器２４に電気的に接続されている。図示した例では、アノード２３は、溶接、ロウ付けなどの手法により真空容器２４の内壁に固定されている。つまり、アノード２３は、真空容器２４と同電位となる。図示した例では、アノード２３の先方にオリフィス２７が固定されている。

真空容器２４は、例えば、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。この真空容器２４は、円筒状に形成されている。この真空容器２４は、真空状態の内部に、エミッター２１、ウエネルト２２、アノード２３、オリフィス２７などを収容している。このような真空容器２４は、接地されている。このため、アノード２３も接地電位となる。

絶縁碍子２６は、真空容器２４を貫通しており、真空容器２４の内部から外部に亘って設置されている。エミッターホルダ２５が取り付けられた絶縁碍子２６の一端部は、真空容器２４の内部（真空中）に位置している。真空容器２４の外部（大気側）に位置する絶縁碍子２６の他端部には、高圧パルス電圧発生部１０を接続するためのジョイント部材２８が取り付けられている。二次コイル１２は、絶縁碍子２６及びジョイント部材２８の内部を貫通するリード線を介して、エミッター２１と電気的に接続されている。

なお、本実施形態での真空状態とは、１０^−１Ｐａ以下の真空度、より望ましくは１０^−５Ｐａ以下の真空度にある状態を言い、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などの不活性ガスがわずかに含まれている状態も本実施形態の真空状態に相当するものとする。

このような構成のパルス電子ビーム発生装置１において、パルス電圧コントローラ３０から高圧パルス電圧発生部１０の一次コイル１１に対してパルス電圧が印加されると、二次コイル１２に接続されたエミッター２１には、昇圧された高圧パルス電圧が印加される。これにより、エミッター２１内の自由電子に高エネルギーが印加され、エミッター表面の電子エネルギー障壁を透過した電子がパルス状の電子ビームとなってエミッター表面から真空中に放射される。このとき、アノード２３はエミッター２１から電子を引き出し、ウエネルト２２は電子ビーム通過孔２２Ｈの形状に応じて生じる収束電界（あるいは収束レンズ）により電子ビームを加速・収束する。

このような本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１によれば、エミッター２１に高電圧を印加するための高圧パルス電圧発生部１０を、パルス電圧が印加される一次コイル１１、及び、この一次コイル１１とコア１３を共有し高圧パルス電圧を発生する二次コイル１２を備えた構成としたことにより、高圧フローティング絶縁トランスが不要であり、しかも、一次コイル１１に印加すべき電圧は比較的低電圧であるため、高圧ケーブルが不要となる。したがって、低コストのパルス電子ビーム発生装置１を提供することが可能となる。

また、本実施形態によれば、高圧パルス電圧発生部１０は、ジョイント部材２８を介して電子銃構成部２０にセットされるため、高圧ケーブルの引き回しが不要となり、コンパクトであり、しかも、安全性を向上することが可能となる。

また、本実施形態によれば、高圧パルス電圧発生部１０及び電子銃構成部２０の双方ともに、構成がシンプルナイズされるため、部品点数を削減することができ、コスト面のみならず信頼性の面でも極めて有利である。

また、本実施形態によれば、樹脂モールドされた高圧パルス電圧発生部１０を絶縁碍子２６の大気側に設置したため、真空中に設置した場合よりもモールド樹脂の揮発を抑制することが可能となる。したがって、真空中へのガスの発生や真空度の低下を抑制することが可能となる。

図２は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１に適用可能なオプション例を説明するための概略断面図である。

本実施形態のオプションとして、真空容器２４の外側に、収束コイル４０を設置しても良い。このような収束コイル４０は、アノード２３を通過した電子ビームを収束する収束レンズを形成する。このような収束コイル４０を設けることにより、ビーム径が数十ミクロン以下であり且つ高輝度なパルス電子ビームを発生することが可能となる。

また、真空容器２４の外側に、偏向コイル５０を設置しても良い。このような偏向コイル５０は、アノード２３を通過した電子ビームを偏向するための偏向磁界を形成する。このような偏向コイル５０を設けることにより、パルス電子ビームを所望の照射エリアに向けて偏向することが可能となる。

また、真空容器２４の端面、つまり、アノード２３に対向する出射側の端面に、チタン（Ｔｉ）薄膜６０を設置しても良い。真空容器２４内で発生したパルス電子ビームは、チタン薄膜６０を透過し、大気中に放射される。例えば、チタン薄膜６０の厚さが５μｍ程度である場合、７５ｋｅＶの加速電圧にて７５％のパルス電子ビームが大気中に放射可能である。また、上記の収束コイル４０や偏向コイル５０を組み合わせることにより、大気中に放射されたパルス電子ビームを収束したり、所望の照射エリアに向けてパルス電子ビームを偏向したりすることも可能である。

図３は、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１におけるエミッターに印加される電圧の一例を示す図である。

図示したように、高圧パルス電圧発生部１０からエミッター２１に印加される電圧は、接地電位（ＧＮＤ）に対して負極性（−）となるオン期間（ＯＮ）と、接地電位に対して正極性（＋）となる期間を含むオフ期間（ＯＦＦ）とを有していることが望ましい。図示した例では、オフ期間は、オン期間よりも長く設定されている。なお、オフ期間の間、常に接地電位に対して正極性となっていなくても良い。

このようなパルス電圧がエミッター２１に印加されることにより、電子銃構成部２０からパルス電子ビームが出力される。

本実施形態で説明したように、エミッター２１がカーボンによって形成されている場合、このエミッター２１に対して高圧パルス電圧発生部１０から上記のようなパルス電圧を印加することにより、真空容器２４内の残留ガス（陽イオンなど）がオン期間にエミッター２１に付着したとしても、オフ期間に印加される正極性の電圧により付着した残留ガスがエミッター２１から離脱する。つまり、外部にヒーターなどのフラッシング機構を必要とせず、自己脱ガス作用を実現することが可能となる。このため、エミッター２１がカーボンによって形成されている場合には、エミッター２１に対して直流電圧を印加するよりも、上記のようなパルス電圧を印加した方がより安定的な出力を得ることが可能となる。

なお、エミッター２１をタングステンで形成した場合には、脱ガスのためにヒーターなどで２０００℃乃至２５００℃程度の高温でフラッシングする必要があり、部品点数が増えてしまうし、メンテナンスに手間がかかる。これに対して、本実施形態で説明したように、エミッター２１をカーボンで形成した場合には、上記のような自己脱ガス作用により、部品点数を増やしたりメンテナンスに時間を要したりすることなく、エミッター２１への残留ガスの付着を抑制し、安定した出力を得ることが可能となる。

また、エミッター２１をタングステンで形成した場合には、真空容器２４内を１０^−８Ｐａ程度の真空度とする必要がある。これに対して、本実施形態で説明したように、エミッター２１をカーボンで形成した場合には、真空容器２４内の真空度が１０^−４Ｐａ程度であっても安定した十分な出力を得ることが可能である。

本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１は、安定したパルス電子ビームを放射することが可能であるため、ＲＨＥＥＤ（反射高エネルギー電子回折）などの表面構造分析の電子ビーム源として適用した際に、分析対象物へのダメージを小さく抑えることが可能である。また、本実施形態のパルス電子ビーム発生装置１は、オプションとして説明したチタン薄膜６０を適用することにより、大気中に電子ビームを放射することが可能となり、滅菌装置として利用することも可能である。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…パルス電子ビーム発生装置
１０…高圧パルス電圧発生部
１１…一次コイル １２…二次コイル １３…コア
２０…電子銃構成部
２１…エミッター ２２…ウエネルト ２３…アノード ２４…真空容器

Claims (3)

1. パルス電圧が印加される一次コイル、及び、この一次コイルとコアを共有する二次コイルを備え、樹脂モールドされ、大気側に設置された高圧パルス電圧発生部と、
   前記高圧パルス電圧発生部の前記二次コイルに電気的に接続されたエミッターと、
   前記エミッターから電子ビームを引き出すアノードと、
   前記エミッターと前記アノードとの間に位置し、前記エミッターに電気的に接続されるとともに前記エミッターから引き出した電子ビームを収束するウエネルトと、
   前記エミッター、前記ウエネルト、及び、前記アノードを真空状態の内部に収容する真空容器と、
   を備えたことを特徴とするパルス電子ビーム発生装置。
2. 前記エミッターは、カーボンによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のパルス電子ビーム発生装置。
3. 前記高圧パルス電圧発生部から前記エミッターに印加される電圧は、接地電位に対して負極性となるオン期間と、接地電位に対して正極性となる期間を含むオフ期間とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のパルス電子ビーム発生装置。

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