JP3569747B2 - Cooled high-quantum-efficiency photocathode-type electron beam source, its fabrication method, laser beam irradiation method - Google Patents

Cooled high-quantum-efficiency photocathode-type electron beam source, its fabrication method, laser beam irradiation method Download PDF

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    • H01J2237/06308Thermionic sources
    • H01J2237/06316Schottky emission

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法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、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、電子顕微鏡、電子線加速器及びX線発生装置用等の電子線源として、電界放射型電子線源や熱電子放出型電子線源が一般的に使用されており、特に電界放射型電子線源は今日最高輝度の電子線源として様々な分野に利用されている。しかしながら、最高輝度の電子線源とされる電界放射型電子線源を搭載した電子顕微鏡でさえも、実用的に放出される電子の総電流はわずか1μA程度となっている。
【0003】
また、電子線源を電子顕微鏡に用いるに際して、1948年にD.Gaborが考案した「電子線ホログラフィーを利用した「凸レンズしか使えない電子顕微鏡」の分解能の向上」の効果が発揮されるためには収差を生じさせないようにすることが重要であるが、電界放射型電子線源の場合、放出される電子の個数が少なく、しかも電子が陰極先端部の表面に垂直なあらゆる方向に放出されるため、高い輝度を得るためにはクロスオーバー位置での電子線の太さをなるべく細くするために静電加速レンズで電子線を絞らなくてはならず、その際に収差が生じてしまうのである。したがって、電子顕微鏡用の電子線源に電界放射型電子線源を用いたのでは上記のようなD.Gaborが考案した電子線ホログラフィーによる分解能向上の効果には限界があり、実際電界放射型電子線源が実用化された当初から、たかだか2倍程度にしか向上していないのが現状である。さらに、電界放射型電子線源では放出される電子の総電流が1μA程度しかないため、今後その輝度を飛躍的に高くすることは望めない。したがって、電界放射型電子線源に取って代わる、極めて高い輝度で収差のほとんどない新しい電子線源が要望されている。
【0004】
そこで、新しい電子線源としてフォトカソード型電子線源が挙げられている。フォトカソード型電子線源は光電効果を利用しており、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対してレーザ等の光を照射し、光電子を放出させることによって電子線源として使用することができる。例えば、波長が488nmで出力が1Wの連続(CW)発振のレーザを、488nmで量子効率(100個の光子により物質表面から放出される電子の個数(%で表示))が7〜8%と高いCsSbに照射すると、28〜32mAもの電子が放出される。
【0005】
これは、電界放射型電子線源よりも約3万倍も多い電子放出量であり、フォトカソード型電子線源は電界放射型電子線源よりも格段に輝度が高く、また収差がほとんどない電子線源となる可能性がある。
【0006】
したがってフォトカソード型電子線源を電子顕微鏡に用いると、電子線の輝度が向上し、その分解能が飛躍的に向上するだけでなく、コヒーレント電子線回折、元素分析の位置精度の向上、磁束の観察精度の向上等をもたらす。また、輝度の高く収差のほとんどない、さらにエネルギー幅が原理的に少ないフォトカソード型電子線源は、電子線加速器やX線発生装置の諸性能も飛躍的に向上させる可能性がある。また電子線の輝度が格段に高くなることにより思いがけない科学的進歩がもたらされる可能性がある。
【0007】
しかしながら、フォトカソード型電子線源で最も重要な要素であるCsSbに代表される量子効率の高い物質は化学的に極めて活性であり、微量の酸素と反応するとその量子効率が時間とともに減少することが知られている。この傾向は高量子効率物質の温度が高くなるほど加速されてしまうのである。
【0008】
このため、これまでCsSb、NaKSb、RbSb、CsI等の可視光に対して高い量子効率を有する物質は、ガラス管中に真空封入し、温度が上がらないように弱い光を照射して使用されてきており、量子効率の高い物質を被覆した従来のフォトカソード型電子線源では放出される電子の総電流が不十分で、その輝度も抑えられ、さらにガラス管の中でしか使用できなかった。
【0009】
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、高輝度で収差がほとんどなく、実用的に使用できる冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供することを課題としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第1には、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を接合して作製した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【0011】
第2には、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が、n型半導体とp型半導体であることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【0012】
第3には、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填され、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【0013】
第4には、この出願の発明は、ペルチェ冷却モジュールの発熱面が、電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【0014】
さらに、第5には、鋭く尖らせた陰極の先端部であって、放出される電子が収束されることによってより輝度が高まるように先端部が凹状に加工された面を含む部分に対して、酸洗いに強い金属によるメッキが行われ、さらにその上に高量子効率物質が被覆されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【0015】
また、第6には、レーザ光が、光ファイバーによって陰極に照射され、光ファイバーの先端部が先球加工されて、その光ファイバーの先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法をも提供する。
【0016】
また、第7には、陰極先端部をXYZ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、TVモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたXYZ精密ステージを遠隔操作して、レーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させるようになしたことを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法を提供する。
【0017】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源では、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットを有する冷却式フォトカソード型電子線源において、冷却式フォトカソード型電子線源本体と、雰囲気が超高純度不活性ガスとされた陰極ユニットが閉じ込められた密閉容器から、この密閉容器内と同一の雰囲気中で陰極ユニットを取り出し、電子線源本体に装填するグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーとが取り外し可能に連結一体化していることから、高量子効率物質を酸素に晒すことなく、陰極ユニットを電子線源本体に装填することができる。尚、上記の不活性ガス中作業用カバーは、その使用に際して、これによって封じ込められる超高純度不活性ガスの本来の純度が損なわれない程度にまで高い気密性を有している。
【0018】
また、上記と同様のグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーが取り付けてある被覆装置内において、真空状態で陰極ユニットの陰極先端部に高量子効率物質を被覆させた後に、バルブ操作で真空排気を停止させ、被覆装置内および予め真空排気してあった不活性ガス中作業用カバー内を超高純度の不活性ガスで充満させ、不活性ガス中作業用カバーのグローブが使用できる状態にした後に、陰極ユニット全体を、グローブを用いて密閉性容器に超高純度不活性ガスとともに閉じ込め、密閉容器を被覆装置から取り出すことで、高量子効率物質を酸素に晒すことなく被覆装置から取り出すことができ、さらに続いて、電子線源本体を有する真空装置に取り付けてある、グローブ付きの不活性ガス中作業用カバーの内部に、陰極ユニットと超高純度不活性ガスとを閉じ込めた密閉性容器をその出し入れ口から入れてから出し入れ口を密閉させ、真空装置内および不活性ガス中作業用カバー内を真空排気した後に超高純度の不活性ガスで充満させ、陰極ユニット全体を、グローブを用いて密閉性容器から取り出し、さらにグローブを用いて陰極ユニット全体を真空装置内の電子線源本体に装填することにより、高量子効率物質を酸素に晒すことなく電子線源に装填できる。
【0019】
つまり、高量子効率物質を陰極先端部に被覆する工程から陰極ユニットを電子線源に装填する工程まで一貫して高量子効率物質を酸素に晒すことがないため、高量子効率物質の量子効率の低下を防止できるのである。
【0020】
また、この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源は、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を半田付けで接合して作成した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されるため、陰極に被覆される高量子効率物質の量子効率が時間とともに低下するのを防止することができる。このとき、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質として、n型半導体とp型半導体を用いることができる。
【0021】
また、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填される、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却され、さらにペルチェ冷却モジュールの発熱面が電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることによって、さらに量子効率の低下を防止できる。
【0022】
また、陰極先端部を空間電荷効果による電子の放出量の低下を防ぐために鋭く尖らせ、その陰極先端部に凹状の面を形成することによって放出される電子が収束され、その輝度がより高まるようにする。さらに、陰極先端部には酸洗いに強い金属によるメッキを行い、さらにその上に高量子効率物質を被覆することで、陰極を使用して高量子効率物質の量子効率が低下した際に、陰極先端部を酸で洗うことにより陰極先端部を傷付けることなく高量子効率物質を除去することができるため、何度でも高量子効率物質の除去と被覆を繰り返すことができ、陰極のリサイクルが可能となる。
【0023】
酸洗いに強い金属として、例えば金が挙げられる。ただし、金を直接陰極先端部にメッキするのは難しいため、ニッケルをメッキした後に金をメッキするのが好ましい。
【0024】
また、光ファイバーによってレーザ光を陰極に照射するようにしたことで、高出力レーザによる失明の危険を回避することができ、さらにまた、1台のレーザ発生装置から出射するレーザ光を、ビームスプリッタによって複数のレーザ光に分岐することで、複数のフォトカソード型電子線源にレーザ光を照射することができる。
【0025】
また、2枚の偏光板の偏光面の角度を遠隔操作で変化させることで、陰極に照射されるレーザ光の強度をゼロから連続的に変化させることもできる。
【0026】
陰極先端部をXYZ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、TVモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたXYZ精密ステージを遠隔操作してレーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させることができる。また、このレーザ光の照射位置の設定の後に、工業用内視鏡を電子放出時の放電の原因とならない位置にまで待避させることができる。
【0027】
また、光ファイバー先端部を先球加工してからその先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことにより、より遠方でレーザ光をより小さく収束することが可能となり、光電効果で放出される電子ビームの径をより小さくしてその輝度をより高くすることができる。
【0028】
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。
【0029】
【実施例】
図1に示しているように、この例の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源では、冷却式フォトカソード電子線源本体を有する真空装置(1)と、雰囲気が超高純度アルゴンガスとされ、図3に示すような陰極ユニット(2)が閉じ込められた陰極ユニット密閉容器(3)から、この陰極ユニット密閉容器(3)内と同一の超高純度アルゴンガスの雰囲気中で陰極ユニット(2)を取り出し、電子線源本体に装填するグローブ(4)付きの不活性ガス中作業用カバー(5)とが取り外し可能に連結一体化されている。
【0030】
この冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源および上記と同様の不活性ガス中作業用カバー(5)が取り付けられている被覆装置(6)により、陰極先端部にCsSbを被覆する工程から陰極ユニット(2)を電子線源本体に装填する工程の間に高量子効率物質であるCsSbが酸素に晒されないための方法を述べる。
【0031】
図1(A)に示しているように、高量子効率物質CsSbを陰極先端部に被覆するための被覆装置(6)には、予め不活性ガス中作業用カバー(5)を取り外し可能な状態で取り付けておき、その中を、油拡散ポンプ等を用いて1×10−2Pa程度の真空にしておく。
【0032】
ここで、不活性ガス中作業用カバー(5)は、塩化ビニールで作製した丈夫なものであり、ビニール間の接合には溶着、THF(テトラヒドラフラン)での接着、市販の特殊接着材(スーパーX)を用いた。また不活性ガス中作業用カバー(5)には、図2に詳しく示しているようにグローブ(4)が設けてあり、このグローブ(4)には細かな作業が出来るように指にフィットした市販の作業用手袋を使用した。また、塩化ビニール製の柔らかいOリングを特別に作製し、これをTHFを用いてビニールシートに接着した。現在、油拡散ポンプと油回転ポンプで不活性ガス中作業用カバー(5)の中を2段引きで真空排気すると、カバー内の真空度は約5×10−3Pa(〜3.8×10−5Torr)にすることができるほど、不活性ガス中作業用カバー(5)は気密性がある。
【0033】
これは作製した不活性ガス中作業用カバー(5)が、その使用に際して、これによって封じ込められる超高純度アルゴンガス(市販では純度99.9999%)の本来の純度が損なわれることがない程度にまで高い気密性を保証する真空度である。
【0034】
この不活性ガス中作業用カバー(5)は高量子効率物質を陰極先端部に真空蒸着により被覆するための「特殊被覆装置」用の物、「フォトカソード型電子線源試験装置」用の物および「フォトカソード型電子線源を搭載した120kVの電子顕微鏡」用のものの3つを作製した。
【0035】
さらに、真空蒸着により陰極先端部にCsSbを被覆した後、被覆装置(6)内の真空排気バルブ(7)を閉じてから超高純度アルゴンガスを大気圧になるまで入れる。同時に不活性ガス中作業用カバー(5)内の真空排気を止めて、バルブ操作により超高純度アルゴンガスを大気圧まで入れる。
【0036】
その後図1(B)の状態になるように、フランジ巻上げ下しハンドル(8)を用いて真空フランジ(9)を上げて、不活性ガス中作業用カバー(5)を広げる。その後、不活性ガス中作業用カバー(5)に取り付けてあるグローブ(4)に手を入れて、図3に示しているように陰極先端部をCsSbで被覆した陰極ユニット(2)を予め被覆装置(6)内に置いてあった陰極ユニット密閉容器(3)内に入れ、密閉用Oリング(10)を蝶ねじ(11)で締める。このようにして陰極ユニット(2)を超高純度アルゴンガスとともに閉じ込めた陰極ユニット密閉容器(3)を、内側ポケット(12)に入れる。
【0037】
その後、陰極ユニット密閉容器出し入れ口(13)を開けて陰極ユニット密閉容器(3)を取り出す。次に、この陰極ユニット(2)を内包した陰極ユニット密閉容器(3)を、図1(A)の状態にある電子線源を有する真空装置(1)に取り外し可能な状態で取り付けてある不活性ガス中作業用カバー(5)の内側ポケット(12)に、陰極ユニット密閉容器出し入れ口(13)から入れる。
【0038】
その陰極ユニット密閉容器出し入れ口(13)の蓋(14)を図2に示しているようにOリング締めした後、不活性ガス中作業用カバー(5)内を、油拡散ポンプ等を用いて真空排気する。1×10−2Pa以下の高い真空度が得られた後、不活性ガス中作業用カバー(5)内に超高純度アルゴンガスを大気圧になるまで入れる。同時にそれまで高真空に真空排気していた電子線源を有する真空装置(1)の真空排気バルブ(7)を閉じて、超高純度アルゴンガスを大気圧まで入れる。
【0039】
その後、図1(B)の状態になるように真空フランジ(9)を上げて不活性ガス中作業用カバー(5)を広げ、グローブ(4)を用いて陰極ユニット密閉容器(3)から陰極ユニット(2)を取り出す。空になった陰極ユニット密閉容器(3)を内側ポケット(12)に入れたままで陰極ユニット(2)を電子線源に装填する。装填後、徐々に超高純度アルゴンガスを排気させながら真空フランジ(9)を下げてゆき、再度図1(A)のような状態にする。その後電子線源を有する真空装置(1)の真空排気を本格的に行う。また、陰極ユニット密閉容器出し入れ口(13)を開けて、空になった密閉容器(3)を取り出しておく。
【0040】
このようにすることにより、CsSbを陰極先端部に真空中で被覆した後、酸素に晒すことなく被覆装置(6)から取り出して、さらに電子線源を有する真空装置(1)に装填することができ、CsSbが酸素と反応することがないため、CsSbの量子効率の低下を防止することができる。
【0041】
その後、陰極先端部を冷却しながら波長488nmのレーザ光を照射して、装置内にあるファラデーカップを、用いて電子線量を測定し、ほぼ予想される量の光電子の放出を確認した。
【0042】
尚、不活性ガス中作業用カバー(5)は、図2に示しているように、上下の真空フランジ(9)の円周方向にOリング用の溝を掘り、同カバー(5)に溶着させた上下のOリングを入れ、外側からリング状のOリング締め付け具(9’)を用いて密閉性を保持させている。
【0043】
図4(A)にアルゴンイオンレーザ光(15)が陰極(16)に照射される様子が示してある。陰極(16)は図5に示しているように、陰極ユニット(2)として電子線源中に置かれている。
【0044】
陰極(16)として用いるペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質として、不純物量が0.2appmのn型のBiTeとp型のBiTeとを溶融法で作製し、粉末に砕いた後に石英管に入れ、太い石英管に真空封入して直径2mmの円柱状に溶融鋳型取りした。
【0045】
図6は陰極の先端部を示しており、図6(B)に示しているように、陰極(16)はn型半導体BiTe(17)とp型半導体BiTe(18)を融点215〜221℃の半田によって接触抵抗を小さくするように接合させ、空間電荷効果によって陰極先端部(19)からの電子の放出量が低下することを防止するために陰極先端部(19)を鋭く尖らせるように作製してある。
【0046】
さらに、陰極(16)を銅製の陰極基盤(20)に接合するため半田付け(融点177〜183℃)を行った。
【0047】
図6(B)中の矢印で示している方向に、つまりn型半導体BiTe(17)からp型半導体BiTe(18)に向かって電流を流すと、ペルチェ効果により接合面で吸熱が生ずる。またn型半導体BiTe(17)とp型半導体BiTe(18)を半田付けで接触抵抗を小さくするように接合した、熱伝導率および電気伝導率の大きな銅製の陰極基盤(20)の接合面では発熱が生じる。
【0048】
この吸熱量は、n型半導体BiTe(17)とp型半導体BiTe(18)の場合には、ドーピング量が最適であれば、電流1A当たり0.112Wであり、10Aの電流を流せば、1.12Wの吸熱量である(半田付けした接合部の接触抵抗と半導体そのものの電気抵抗に起因するジュール熱との競合の関係で最も冷却効率の高い電流値が決まる)。
【0049】
半田付けによる両者の接合面の接触抵抗が十分に小さければ、接合面の面積が小さいほど陰極先端部(19)の温度は低くなる。陰極先端部(19)が接合面に一致するように接合後の陰極先端部(19)の研磨を行う。半田付けによる接合面の強度を補い、陰極先端部(19)の研磨の際の接合面の破損や接触抵抗の増加を防止するために、図6(B)に示しているように補強用絶縁物(21)を接着させる。
【0050】
また図6(C)に示しているように、陰極(16)の先端をわずかに凹状にする。こうすることにより、光電効果によって陰極(16)の先端表面から放出される光電子は電場に垂直に進行するので、レーザ光を極端に小さく絞らなくても電子のクロスオーバー位置(陰極から少し陽極側に離れた位置)での電子線の太さを、収差の影響を受けずに充分に細くすることができる。
【0051】
陰極先端部(19)には、陰極先端部(19)に直接高量子効率物質であるCsSb(22)を被覆しても良いが、この例ではニッケル(23)、金(24)の順で無電界メッキし、さらにその上にCsSb(22)を被覆している。こうすることにより、陰極先端部(19)を酸で洗うことで陰極先端部(19)を傷付けることなくCsSb(22)を除去することが可能となり、何度でもCsSb(22)の被覆および除去を繰り返すことができ、陰極(16)のリサイクルが可能となる。
【0052】
図5に示しているように、陰極ユニット(2)における、表面に金メッキされたコンタクト部(25)を、電子線源の銅製の電極ブロック(26)の筒部(27)に装着する。尚、筒部(27)の表面は金メッキされており、また筒部(27)はばね性のある切込み入りになっている。
【0053】
銅製の電極ブロック(26)は電流を流せるようになっており、また2枚の市販のペルチェ冷却モジュール(28)の冷却面を接触させて冷却できるようになっている。さらに市販のペルチェ冷却モジュール(28)の発熱面を、電気的絶縁性オイル(29)を循環させるようにして冷却される金属板(30)(この場合アルミ板)に接触させて冷却させる。電気的絶縁性オイル(29)を使用する理由は、陰極(16)とアース間に高い電圧が印加されているためである。電気的絶縁性オイル(29)は市販の液体冷却循環装置(図示省略)により冷却されるとともに循環される。また、この電気的絶縁性オイル(29)を流す配管の大部分もまた電気絶縁物〔テフロン(登録商標)〕等で作られている。
【0054】
このように、陰極ユニット(2)を取り付けている電極そのものを冷却して陰極(16)を冷却するとともに、陰極先端部(19)の局所冷却を行った。今回、「フォトカソード型電子線源試験装置」と「非真空中陰極冷却実験装置」を用いて冷却実験を行った。真空中のほうが非真空中よりも熱の拡散が少ないため、より冷却することが可能であり、その結果陰極先端部(19)の温度をマイナス10〜30℃に冷却することができた。
【0055】
ペルチェ冷却は熱の伝達の担い手が電流であるので熱伝導よりも熱除去のスピードが比較できないくらい速く、レーザ照射により陰極先端部(19)に入る熱がほとんど瞬間的に除去され、冷却効率が良く高量子効率物質の量子効率の低下を防ぐことができる。実際に陰極先端部(19)に直径0.3mmに絞った0.1Wの強度のレーザ光を照射しても温度上昇は5℃以下であった。
【0056】
冷却温度は、電気絶縁性オイルの温度や循環速度、市販のペルチェ冷却モジュールの冷却パワー、陰極取付けブロックの熱容量、n型半導体とp型半導体ペアーのペルチェ冷却能力により依存するので、より効果的な選択を行えばさらにレーザ照射される陰極先端部の温度を低下させることができる。
【0057】
次にレーザ光を電子線源に照射する際の改良点を詳しく述べる。
【0058】
図7に、1台のCW(連続)発振するアルゴンイオンレーザ発振装置(31)(波長488nmでの最大出力:約5W)から出射されるアルゴンイオンレーザ光(32)を、レーザ分岐集光器(33)および光ファイバー(34)を通して、電子線加速器(35)、X線発生装置(36)および電子顕微鏡(37)等の複数の電子線源に導かれる様子を示している。
【0059】
図8はレーザ分岐集光器(33)の内部を示しており、アルゴンイオンレーザ光(32)は、同図に示しているようにレーザ光が通過すると2つに分岐できるビームスプリッタ(38)と反射ミラー(39)を複数用いて、必要な本数(図中8本)のレーザビームに分岐できる。したがって1台のアルゴンイオンレーザ発振装置(31)を複数の電子線源で共有することが出来る。市販のCWレーザ発振のアルゴンイオンレーザ発振装置(31)の発振は10W程度であるので、レーザ光を1/8に分岐して使用しても、電子線源には十分な強度のレーザ光を照射できるため、ひとつの事業所で高価なレーザ発振装置を共有することが出来るので極めて経済的である。
【0060】
分岐したレーザ光は各電子線源の設置部屋にある遠隔制御装置により必要に応じて各ストッパー(40)で開閉される。各分岐レーザ光は凸レンズ(41)により各光ファイバー(34)の中に導かれる。
【0061】
また図9に示しているように、分岐させたレーザ光を、市販の耐熱性の2枚の偏光板(42)を通過させ、そのうちの1つの偏光板(42)の偏光面を電動で回転させるステージを用いて遠隔操作で回転させることにより、各分岐レーザ光の強度を0からほとんど連続的に変化させることができる。強度を変化させた後のレーザ光を、凸レンズ(41)を用いて光ファイバーホルダ(43)に固定した光ファイバー(34)(コア部の直径:50μm)に入射させた。間に光ファイバーコネクター(44)を設け、光ファイバー(34)で「フォトカソード型電子線源試験装置(最大7kVの電圧で光電子を加速)」、「フォトカソード型電子線源を搭載した120kVの電子顕微鏡」および「非真空中陰極冷却実験装置」の陰極先端部(19)に同時にレーザ照射できるようにした。
【0062】
「フォトカソード型電子線源試験装置」と「フォトカソード型電子線源を搭載した120kVの電子顕微鏡」では、図4に示しているように、光ファイバー(34)を固定した金属製パイプ(45)と工業用内視鏡(46)を電動のXYZ精密ステージ(47)に取り付け、その軸調整を、TVモニター(図示省略)を見ながら遠隔操作でできるようにした。
【0063】
前者の装置(試験装置)では電動XYZ精密ステージ(47)を真空装置内に入れ、後者の装置(電子顕微鏡)では、電動XYZ精密ステージ(47)を真空装置の外に出した。
【0064】
電動XYZ精密ステージ(47)を真空装置内に入れる場合には、光ファイバー(34)と金属製パイプ(45)と工業用内視鏡(46)のケーブルを微小Oリングによるウルトラシールで真空シールする。また、同電動XYZ精密ステージ(47)を真空装置の外に出す場合には、光ファイバー(34)内包の金属製パイプ(45)(ステンレス管)と硬性工業用内視鏡(46)にウルトラシールを行い、高真空を保持する。
【0065】
いずれもウルトラトールシールによる真空のシールは完全で、高い真空度を得ている。電子顕微鏡では放電がないように光ファイバーの先端は陰極先端からある程度の距離(現120kV電子顕微鏡では50mm)離す必要がある。光ファイバーの先端面を平滑にしてその先に直径が3mm以下のミニ凸レンズを金属製パイプに接着して集光する場合と比べて、図2(B)に示しているように、光ファイバー(34)の先端をマイクロバーナーを用いて適切な曲率半径で丸く先球加工してからミニ凸レンズ(48)で集光した場合の方が、レーザ光をより小さく集光することができる。
【0066】
例えば、焦点距離が1.6mmのミニ凸レンズを用いた場合の50mm先の距離でのレーザ光の最小ビーム径は、光ファイバー(コア部の直径50μm)の先端が平滑な場合には1.48mmであるの対し、曲率半径R=60μmに先球加工した場合には、1.1mmであった。また焦点距離が2.5mmのミニ凸レンズを用いた場合の50mm先の距離でのレーザ光の最小ビーム径は、光ファイバー先端が平滑な場合は1.05mmであるのに対して、曲率半径R=60μmに先球加工した場合には0.825mmであった。
【0067】
光ファイバーを用いない場合、レーザ光を直接目に当てて失明する危険が伴いやすいが、上記のように光ファイバーを用いてフォトカソード型電子線源へのレーザ照射を行うことによって、レーザ光を直接目に当てて失明するということを防止でき安全面が確保される。またフォトカソード型電子線源をより安価に作製することができることも大きな利点である。
【0068】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、電子顕微鏡、電子線加速器およびX線発生装置用の電子線源等の電子線源として有用であり、高輝度で収差がほとんどなく且つ安全性の高い冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法が提供され、電子顕微鏡、電子線加速器、X線発生装置等の性能向上により、材料研究、物性研究、基礎物理等の研究が進展すれば、光におけるレーザの発明にも匹敵し得る経済的効果も期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を作製する工程を示した図である。
【図2】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の作製に使用する不活性ガス中作業用カバーを詳しく示した図である。
【図3】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極ユニットを密閉容器に閉じ込める工程を示した図である。
【図4】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源にレーザ光が照射される様子を例示した図である。
【図5】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極部分の冷却機構を示した図である。
【図6】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極先端部を示した図である。
【図7】レーザ発振装置から複数の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源にレーザ光が照射される様子を例示した図である。
【図8】レーザ発振装置からのレーザ光がビームスプリッタによって複数のレーザ光に分岐される様子を例示した図である。
【図9】2枚の偏光板を用いてレーザ光の強度を調整する様子を例示した図である。
【符号の説明】
1 真空装置
2 陰極ユニット
3 陰極ユニット密閉容器
4 グローブ
5 不活性ガス中作業用カバー
6 被覆装置
7 真空排気バルブ
8 フランジ巻上げ下しハンドル
9 真空フランジ
9’ Oリング締め付け具
10 密閉用Oリング
11 蝶ねじ
12 内側ポケット
13 陰極ユニット密閉容器出し入れ口
14 蓋
15 アルゴンイオンレーザ光
16 陰極
17 n型半導体BiTe
18 p型半導体BiTe
19 陰極先端部
20 陰極基盤
21 補強用絶縁物
22 CsSb
23 ニッケル
24 金
25 コンタクト部
26 電極ブロック
27 筒部
28 ペルチェ冷却モジュール
29 電気的絶縁性オイル
30 金属板
31 アルゴンイオンレーザ発振装置
32 アルゴンイオンレーザ光
33 レーザ分岐集光器
34 光ファイバー
35 電子線加速器
36 X線発生装置
37 電子顕微鏡
38 ビームスプリッタ
39 反射ミラー
40 ストッパー
41 凸レンズ
42 偏光板
43 光ファイバーホルダ
44 光ファイバーコネクター
45 金属製パイプ
46 工業用内視鏡
47 電動XYZ精密ステージ
48 ミニ凸レンズ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source and a method for manufacturing the same. More specifically, the invention of this application relates to a cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source useful as an electron beam source for an electron microscope, an electron beam accelerator, and an X-ray generator, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, a field emission type electron beam source and a thermionic emission type electron beam source have been generally used as an electron beam source for an electron microscope, an electron beam accelerator, an X-ray generator, etc. Radiation sources are used today in various fields as the brightest electron beam sources. However, even in an electron microscope equipped with a field emission type electron beam source which is the highest brightness electron beam source, the total current of electrons actually emitted is only about 1 μA.
[0003]
When using an electron beam source for an electron microscope, D.E. In order to achieve the effect of "improving the resolution of electron microscopes that can only use a convex lens using electron beam holography" devised by Gabor, it is important to avoid aberrations. In the case of an electron beam source, the number of emitted electrons is small, and the electrons are emitted in all directions perpendicular to the surface of the tip of the cathode. In order to make the electron beam as thin as possible, it is necessary to stop down the electron beam with an electrostatic acceleration lens, and at that time, aberration occurs. Therefore, if a field emission type electron beam source is used as the electron beam source for the electron microscope, the above-mentioned D.E. There is a limit to the effect of improving the resolution by electron beam holography devised by Gabor, and at present, the field emission type electron beam source has been improved only up to about twice since the beginning of practical use. Furthermore, in the field emission type electron beam source, since the total current of the emitted electrons is only about 1 μA, it cannot be expected that the brightness thereof will be dramatically increased in the future. Therefore, there is a need for a new electron beam source that replaces the field emission electron beam source and has extremely high brightness and almost no aberration.
[0004]
Therefore, a photocathode type electron beam source is mentioned as a new electron beam source. The photocathode electron beam source utilizes the photoelectric effect, and is used as an electron beam source by irradiating laser or other light to the cathode whose tip is coated with a material with high quantum efficiency and emitting photoelectrons. can do. For example, a continuous-wave (CW) laser having a wavelength of 488 nm and an output of 1 W is considered to have a quantum efficiency (number of electrons emitted from a material surface by 100 photons (expressed in%)) of 7 to 8% at 488 nm. High Cs3When Sb is irradiated, as many as 28 to 32 mA of electrons are emitted.
[0005]
This is an electron emission amount that is about 30,000 times larger than that of the field emission type electron beam source, and the photocathode type electron beam source has much higher brightness than the field emission type electron beam source and has almost no aberration. May be a source.
[0006]
Therefore, using a photocathode-type electron beam source in an electron microscope not only improves the brightness of the electron beam and dramatically improves its resolution, but also improves the coherent electron beam diffraction, the positional accuracy of elemental analysis, and the observation of magnetic flux. This leads to improved accuracy and the like. In addition, a photocathode electron beam source having high luminance, having almost no aberration, and having a small energy width in principle may significantly improve various performances of an electron beam accelerator and an X-ray generator. Also, the much higher brightness of the electron beam can lead to unexpected scientific progress.
[0007]
However, the most important element in the photocathode type electron beam source is Cs3It is known that a substance having high quantum efficiency represented by Sb is chemically very active, and its quantum efficiency decreases with time when it reacts with a trace amount of oxygen. This tendency is accelerated as the temperature of the high quantum efficiency material increases.
[0008]
For this reason, Cs3Sb, Na2KSb, Rb3Materials having high quantum efficiency with respect to visible light, such as Sb and CsI, have been used by vacuum-encapsulating them in glass tubes and irradiating with weak light so that the temperature does not rise. The conventional photocathode-type electron beam source coated does not have a sufficient total current of emitted electrons, has a reduced brightness, and can be used only in a glass tube.
[0009]
Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the prior art, has high luminance, has little aberration, and can be used practically with a cooling type high quantum efficiency photo-sensor. It is an object to provide a cathode-type electron beam source.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application solves the above-mentioned problems. First, a cooled photocathode-type electron beam in which laser light is irradiated on a cathode having a tip coated with a substance having high quantum efficiency. SourceIt has a cathode made by joining a combination of materials with high Peltier cooling efficiency, and by passing current through this cathode, the interface of the combination of materials with high Peltier cooling efficiency is cooled and the tip of the cathode is locally cooled.A cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source characterized by the above features.
[0011]
Second,N-type semiconductor and p-type semiconductor are the materials of the combination with high Peltier cooling efficiencyA cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source characterized by the above features.
[0012]
Third,A cathode unit that joins the cathode with a cathode substrate having high electrical and thermal conductivity is mechanically loaded, and the block with high electrical and thermal conductivity is cooled by the heat absorbing surface of the Peltier cooling module with which it contacts. Characterized byProvided is a cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source.
[0013]
Fourth, the invention of this application is:The heating surface of the Peltier cooling module is cooled by a metal plate that circulates a highly electrically insulating liquid inside.Provided is a cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source.
[0014]
Fifth,The tip of the sharply pointed cathode, which includes a surface that has been processed to have a concave shape so that the emitted electrons are converged to enhance brightness by converging the emitted electrons, is made of a metal that is resistant to pickling. It is characterized by being plated and further coated with a high quantum efficiency materialProvided is a cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source.
[0015]
Sixth, a laser beam is applied to the cathode by an optical fiber, the tip of the optical fiber is rounded, and a mini convex lens is attached to the tip of the optical fiber. Efficient photocathode electron beam sourceLaser irradiation methodAlso provide.
[0016]
Seventh, the tip of the cathode is observed with an industrial endoscope that can remotely control the position of the cathode with an XYZ precision stage. Cooled high quantum efficiency photocathode-type electron beam source that accurately irradiates the position of the cathode tipLaser irradiation methodI will provide a.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source according to the invention of this application is a cooled photocathode electron beam source in which laser light is irradiated to a cathode having a tip coated with a material having high quantum efficiency. Thus, in a cooled photocathode electron beam source having a cathode unit in which a cathode is joined to a cathode substrate having high electric conductivity and high heat conductivity, the cooling photocathode electron beam source main body and the atmosphere are of ultra-high purity. The cathode unit is removed from the sealed container in which the cathode unit, which has been turned into an active gas, is enclosed in the same atmosphere as the inside of the sealed container, and the work cover in the inert gas with the glove to be loaded into the electron beam source body is removed. The cathode unit can be loaded into the electron beam source main body without exposing the high quantum efficiency substance to oxygen because it is connected and integrated as much as possible. In addition, the above-mentioned cover for working in an inert gas has a high air-tightness to the extent that the original purity of the ultra-high-purity inert gas enclosed by the cover during use is not impaired.
[0018]
In addition, in a coating apparatus in which a working cover in an inert gas with gloves as described above is attached, a high quantum efficiency material is coated on the cathode tip of the cathode unit in a vacuum state, and then evacuated by a valve operation. Was stopped, and the inside of the coating apparatus and the inside of the inert gas working cover which had been evacuated in advance were filled with an ultra-high purity inert gas so that the gloves of the inert gas working cover could be used. Later, the entire cathode unit is confined in an airtight container using a glove together with ultra-high-purity inert gas, and the airtight container is taken out of the coating device, whereby the high quantum efficiency material can be taken out of the coating device without being exposed to oxygen. Then, the cathode unit and the ultra-high height are installed inside the gloved working cover in inert gas attached to the vacuum device having the electron beam source body. After inserting the hermetically sealed container containing the inert gas through the inlet and outlet, the outlet is closed, and the inside of the vacuum device and the working cover in the inert gas is evacuated, and then the ultra-high purity inert gas is used. Expose the high quantum efficiency material to oxygen by filling, removing the entire cathode unit from the sealed container using gloves, and further loading the entire cathode unit into the electron beam source body inside the vacuum device using gloves. And can be loaded into an electron beam source.
[0019]
In other words, since the high quantum efficiency material is not exposed to oxygen consistently from the process of coating the high quantum efficiency material on the cathode tip to the process of loading the cathode unit into the electron beam source, the quantum efficiency of the high quantum efficiency material is reduced. It can prevent the drop.
[0020]
Further, the cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source of the present invention has a cathode formed by bonding a combination of materials having high Peltier cooling efficiency by soldering, and applying a current to the cathode to perform Peltier cooling. Since the interface of the highly efficient combination of materials is cooled and the tip of the cathode is locally cooled, it is possible to prevent the quantum efficiency of the high quantum efficiency material coated on the cathode from decreasing with time. At this time, an n-type semiconductor and a p-type semiconductor can be used as a combination of substances having high Peltier cooling efficiency.
[0021]
In addition, a block having high electric conductivity and heat conductivity, in which a cathode unit in which a cathode is joined to a cathode base having high electric conductivity and heat conductivity is mechanically mounted, is a heat absorbing surface of a Peltier cooling module with which the block contacts. In addition, the heat generation surface of the Peltier cooling module is further cooled by a metal plate that circulates a liquid having high electrical insulation inside, thereby further preventing a decrease in quantum efficiency.
[0022]
Also, the tip of the cathode is sharpened sharply to prevent a decrease in the amount of emitted electrons due to the space charge effect, and the emitted electrons are converged by forming a concave surface at the tip of the cathode so that the brightness is further increased. To In addition, the tip of the cathode is plated with a metal that is resistant to pickling, and then coated with a high quantum efficiency material, so that when the quantum efficiency of the high quantum efficiency material decreases using the cathode, the cathode By washing the tip with acid, it is possible to remove the high quantum efficiency material without damaging the cathode tip, so that the removal and coating of the high quantum efficiency material can be repeated as many times as possible, and the cathode can be recycled. Become.
[0023]
Gold is an example of a metal that is resistant to pickling. However, since it is difficult to plate gold directly on the tip of the cathode, it is preferable to plate gold after plating nickel.
[0024]
In addition, by irradiating the laser beam to the cathode with an optical fiber, it is possible to avoid the danger of blindness due to a high-power laser, and furthermore, the laser beam emitted from one laser generator is separated by a beam splitter. By splitting into a plurality of laser beams, a plurality of photocathode-type electron beam sources can be irradiated with the laser beams.
[0025]
In addition, by changing the angle of the polarization plane of the two polarizing plates by remote control, the intensity of the laser beam applied to the cathode can be continuously changed from zero.
[0026]
Observe the cathode tip with an industrial endoscope that can remotely control its position with an XYZ precision stage, and remotely control the XYZ precision stage equipped with an optical fiber while watching the TV monitor to accurately position the laser beam at the position of the cathode tip. Can be irradiated. After the setting of the irradiation position of the laser beam, the industrial endoscope can be evacuated to a position that does not cause a discharge when emitting electrons.
[0027]
In addition, the mini-convex lens is attached to the tip of the optical fiber after processing the tip of the optical fiber, so that it is possible to converge the laser light more distantly, and the diameter of the electron beam emitted by the photoelectric effect. Can be made smaller and its brightness can be made higher.
[0028]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0029]
【Example】
As shown in FIG. 1, in the cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source of this example, a vacuum device (1) having a cooled photocathode electron beam source body, an atmosphere of ultra-high purity argon gas and Then, the cathode unit (3) in which the cathode unit (2) is confined as shown in FIG. 3 is removed from the cathode unit (3) in the same ultra-high purity argon gas atmosphere as in the cathode unit (3). 2) A work cover (5) with a glove (4) and an inert gas working space to be taken out and loaded into the electron beam source body is detachably connected and integrated.
[0030]
This cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source and a coating device (6) equipped with a work cover (5) in an inert gas similar to the above are used to attach Cs to the tip of the cathode.3Between the step of coating Sb and the step of loading the cathode unit (2) into the body of the electron beam source, Cs which is a high quantum efficiency material is used.3A method for preventing Sb from being exposed to oxygen will be described.
[0031]
As shown in FIG. 1A, the high quantum efficiency material Cs3An inert gas working cover (5) is detachably attached to the coating device (6) for coating the Sb on the cathode tip in advance, and the inside of the cover is detached using an oil diffusion pump or the like. 1 × 10-2A vacuum of about Pa is kept.
[0032]
Here, the cover (5) for working in an inert gas is a durable one made of vinyl chloride, and is welded for bonding between vinyls, bonded with THF (tetrahydrafuran), and a commercially available special adhesive ( Super X) was used. The cover (5) for working in an inert gas is provided with a glove (4) as shown in detail in FIG. 2, and the glove (4) is fitted to a finger so that fine work can be performed. Commercial work gloves were used. Further, a soft O-ring made of vinyl chloride was specially prepared, and this was bonded to a vinyl sheet using THF. At present, when the inside of the cover (5) for working in an inert gas is evacuated by two steps using an oil diffusion pump and an oil rotary pump, the degree of vacuum in the cover is about 5 × 10-3Pa (~ 3.8 × 10-5(Torr), the working cover (5) in inert gas is airtight.
[0033]
This is to such an extent that the produced work cover in inert gas (5) does not impair the original purity of the ultra-high-purity argon gas (purity 99.9999% in the market) enclosed by the use of the cover in use. It is a degree of vacuum that guarantees high airtightness.
[0034]
The cover (5) for working in an inert gas is for a "special coating device" for coating a high quantum efficiency material on the tip of the cathode by vacuum deposition, and for a "photocathode type electron beam source test device". And "for a 120 kV electron microscope equipped with a photocathode-type electron beam source".
[0035]
Furthermore, Cs is applied to the cathode tip by vacuum evaporation.3After coating with Sb, the vacuum exhaust valve (7) in the coating device (6) is closed, and then ultra-high purity argon gas is supplied until the pressure reaches atmospheric pressure. At the same time, the evacuation of the working cover (5) in the inert gas is stopped, and the ultrahigh-purity argon gas is supplied to atmospheric pressure by operating the valve.
[0036]
After that, the vacuum flange (9) is raised using the handle (8) and the cover (5) for working in an inert gas is expanded so that the state shown in FIG. Thereafter, the user puts his hand into the glove (4) attached to the working cover (5) in an inert gas, and as shown in FIG.3The cathode unit (2) coated with Sb is put in the cathode unit closed container (3) which has been placed in the coating device (6) in advance, and the sealing O-ring (10) is tightened with the thumb screw (11). Thus, the cathode unit closed container (3) in which the cathode unit (2) is confined with the ultra-high purity argon gas is put into the inner pocket (12).
[0037]
Thereafter, the cathode unit closed container access port (13) is opened to take out the cathode unit closed container (3). Next, the cathode unit closed container (3) containing the cathode unit (2) is detachably attached to the vacuum apparatus (1) having the electron beam source in the state of FIG. 1 (A). The cathode unit is inserted into the inside pocket (12) of the active gas working cover (5) through the inlet / outlet (13) of the closed casing of the cathode unit.
[0038]
After the cover (14) of the cathode unit closed container inlet / outlet (13) is tightened with an O-ring as shown in FIG. 2, the inside of the cover (5) for working in an inert gas is opened using an oil diffusion pump or the like. Evacuate. 1 × 10-2After a high degree of vacuum of Pa or less is obtained, an ultrahigh-purity argon gas is introduced into the working cover (5) in an inert gas until the atmospheric pressure is reached. At the same time, the vacuum evacuation valve (7) of the vacuum apparatus (1) having the electron beam source which has been evacuated to a high vacuum is closed, and ultra-high purity argon gas is introduced to atmospheric pressure.
[0039]
Thereafter, the vacuum flange (9) is raised so that the state shown in FIG. 1 (B) is reached, the work cover (5) in the inert gas is spread, and the cathode is closed from the cathode unit closed container (3) using the glove (4). Take out the unit (2). The cathode unit (2) is loaded into the electron beam source with the empty cathode unit closed container (3) kept in the inner pocket (12). After the charging, the vacuum flange (9) is lowered while gradually evacuating the ultra-high purity argon gas, and the state shown in FIG. Thereafter, the vacuum device (1) having an electron beam source is evacuated in earnest. In addition, the cathode unit closed container inlet / outlet (13) is opened, and the empty closed container (3) is taken out.
[0040]
By doing so, Cs3After Sb is coated on the cathode tip in a vacuum, it can be taken out of the coating device (6) without exposure to oxygen, and can be further loaded into a vacuum device (1) having an electron beam source.3Since Sb does not react with oxygen, Cs3A decrease in the quantum efficiency of Sb can be prevented.
[0041]
Thereafter, a laser beam having a wavelength of 488 nm was irradiated while cooling the tip of the cathode, and an electron dose was measured using a Faraday cup in the apparatus, and emission of almost expected amount of photoelectrons was confirmed.
[0042]
As shown in FIG. 2, the cover for work in inert gas (5) is formed by digging a groove for an O-ring in the circumferential direction of the upper and lower vacuum flanges (9) and welding to the cover (5). The upper and lower O-rings are inserted and the hermeticity is maintained by using a ring-shaped O-ring fastening tool (9 ') from the outside.
[0043]
FIG. 4A shows a state in which the cathode (16) is irradiated with the argon ion laser beam (15). The cathode (16) is placed in the electron beam source as a cathode unit (2) as shown in FIG.
[0044]
As a combination of materials having high Peltier cooling efficiency used as the cathode (16), n-type Bi having an impurity amount of 0.2 appm is used.2Te3And p-type Bi2Te3Were prepared by a melting method, crushed into powder, placed in a quartz tube, vacuum-sealed in a thick quartz tube, and melt-molded into a cylindrical shape having a diameter of 2 mm.
[0045]
FIG. 6 shows the tip of the cathode, and as shown in FIG. 6B, the cathode (16) is an n-type semiconductor Bi.2Te3(17) and p-type semiconductor Bi2Te3(18) is joined by solder having a melting point of 215 to 221 ° C. so as to reduce the contact resistance, and the cathode tip is used to prevent a reduction in the amount of electrons emitted from the cathode tip (19) due to the space charge effect. It is manufactured so that (19) is sharply pointed.
[0046]
Further, soldering (melting point: 177 to 183 ° C.) was performed to join the cathode (16) to the copper cathode base (20).
[0047]
6B, that is, the n-type semiconductor Bi.2Te3(17) From p-type semiconductor Bi2Te3When an electric current is caused to flow toward (18), heat absorption occurs at the joint surface due to the Peltier effect. N-type semiconductor Bi2Te3(17) and p-type semiconductor Bi2Te3Heat is generated at the joint surface of the copper cathode substrate (20) having high thermal conductivity and high electrical conductivity, which is joined by soldering (18) to reduce the contact resistance.
[0048]
The amount of heat absorbed is determined by the n-type semiconductor Bi.2Te3(17) and p-type semiconductor Bi2Te3In the case of (18), if the doping amount is optimal, the current is 0.112 W per 1 A, and if a current of 10 A flows, the heat absorption is 1.12 W (the contact resistance of the soldered joint and the contact resistance). The current value with the highest cooling efficiency is determined by the competition with Joule heat caused by the electric resistance of the semiconductor itself).
[0049]
If the contact resistance between the two joining surfaces by soldering is sufficiently small, the smaller the area of the joining surface, the lower the temperature of the cathode tip portion (19). Polishing of the cathode tip (19) after bonding is performed so that the cathode tip (19) coincides with the bonding surface. As shown in FIG. 6B, in order to supplement the strength of the bonding surface by soldering and to prevent damage to the bonding surface and increase in contact resistance when the cathode tip (19) is polished, as shown in FIG. The object (21) is adhered.
[0050]
Further, as shown in FIG. 6C, the tip of the cathode (16) is slightly concave. By doing so, the photoelectrons emitted from the tip surface of the cathode (16) by the photoelectric effect travel perpendicular to the electric field, so that the crossover position of the electrons (a little from the cathode to the anode side) can be achieved even if the laser light is not extremely small. (A position distant from) can be made sufficiently thin without being affected by aberration.
[0051]
At the cathode tip (19), a high quantum efficiency material, Cs, is directly applied to the cathode tip (19).3Although Sb (22) may be coated, in this example, electroless plating is performed in the order of nickel (23) and gold (24), and Cs is further formed thereon.3It is coated with Sb (22). By doing so, the cathode tip (19) can be washed with acid to prevent the cathode tip (19) from being damaged.3Sb (22) can be removed, and Cs can be removed many times.3The coating and removal of Sb (22) can be repeated, and the cathode (16) can be recycled.
[0052]
As shown in FIG. 5, the contact portion (25) of the cathode unit (2), the surface of which is plated with gold, is mounted on the cylindrical portion (27) of the copper electrode block (26) of the electron beam source. The surface of the cylindrical portion (27) is plated with gold, and the cylindrical portion (27) is cut with a spring.
[0053]
The copper electrode block (26) is adapted to allow current to flow, and can be cooled by contacting the cooling surfaces of two commercially available Peltier cooling modules (28). Further, the heating surface of the commercially available Peltier cooling module (28) is cooled by contacting the metal plate (30) (in this case, an aluminum plate) to be cooled by circulating the electrically insulating oil (29). The reason for using the electrically insulating oil (29) is that a high voltage is applied between the cathode (16) and the ground. The electrically insulating oil (29) is cooled and circulated by a commercially available liquid cooling / circulating device (not shown). Most of the piping through which the electrically insulating oil (29) flows is also made of an electrical insulator [Teflon (registered trademark)] or the like.
[0054]
As described above, the electrode itself to which the cathode unit (2) was attached was cooled to cool the cathode (16), and the cathode tip (19) was locally cooled. This time, cooling experiments were performed using a "photocathode-type electron beam source test device" and a "non-vacuum cathode cooling test device". Since the diffusion of heat is smaller in a vacuum than in a non-vacuum, it is possible to cool more. As a result, the temperature of the cathode tip (19) can be cooled to -10 to 30 ° C.
[0055]
In Peltier cooling, heat is transferred by electric current, and the speed of heat removal is much faster than that of heat conduction. The heat entering the cathode tip (19) is almost instantaneously removed by laser irradiation, and cooling efficiency is improved. It is possible to prevent a decrease in quantum efficiency of a high quantum efficiency material. Even when the tip of the cathode (19) was actually irradiated with 0.1 W of laser light focused to 0.3 mm in diameter, the temperature rise was 5 ° C. or less.
[0056]
The cooling temperature depends on the temperature and circulation speed of the electrically insulating oil, the cooling power of the commercially available Peltier cooling module, the heat capacity of the cathode mounting block, and the Peltier cooling capacity of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor pair. If the selection is made, the temperature of the tip of the cathode irradiated with the laser can be further reduced.
[0057]
Next, the improvement in irradiating the laser beam to the electron beam source will be described in detail.
[0058]
FIG. 7 shows a case where an argon ion laser beam (32) emitted from one CW (continuously) oscillating argon ion laser oscillator (31) (maximum output at a wavelength of 488 nm: about 5 W) is converted into a laser branch concentrator. (33) and an optical fiber (34) are shown leading to a plurality of electron beam sources such as an electron beam accelerator (35), an X-ray generator (36), and an electron microscope (37).
[0059]
FIG. 8 shows the inside of the laser splitter / condenser (33). The argon ion laser beam (32) can be split into two when the laser beam passes, as shown in FIG. And a plurality of reflection mirrors (39), the beam can be branched into a required number (eight in the figure) of laser beams. Therefore, one argon ion laser oscillation device (31) can be shared by a plurality of electron beam sources. Since the oscillation of the commercially available CW laser oscillation argon ion laser oscillation device (31) is about 10 W, even if the laser light is divided into に and used, the laser beam of sufficient intensity is used for the electron beam source. Since irradiation can be performed, one office can share an expensive laser oscillation device, which is extremely economical.
[0060]
The split laser light is opened and closed by each stopper (40) as needed by a remote control device in a room where each electron beam source is installed. Each branched laser beam is guided into each optical fiber (34) by a convex lens (41).
[0061]
As shown in FIG. 9, the branched laser light is passed through two commercially available heat-resistant polarizing plates (42), and one of the polarizing plates (42) is electrically rotated. The intensity of each branched laser beam can be changed almost continuously from 0 by rotating it by remote control using a stage to be made. The laser light whose intensity was changed was made incident on an optical fiber (34) (core diameter: 50 μm) fixed to an optical fiber holder (43) using a convex lens (41). An optical fiber connector (44) is provided between them, and a photocathode electron beam source test device (accelerates photoelectrons at a voltage of 7 kV at maximum) using an optical fiber (34), and a 120 kV electron microscope equipped with a photocathode electron beam source , And the cathode tip (19) of the "non-vacuum cathode cooling experimental device" can be simultaneously irradiated with laser.
[0062]
In the "photocathode electron beam source test apparatus" and the "120 kV electron microscope equipped with a photocathode electron beam source", as shown in FIG. 4, a metal pipe (45) to which an optical fiber (34) is fixed is used. And an industrial endoscope (46) were mounted on a motorized XYZ precision stage (47), so that its axis could be adjusted remotely by watching a TV monitor (not shown).
[0063]
In the former device (test device), the motorized XYZ precision stage (47) was put in a vacuum device, and in the latter device (electron microscope), the motorized XYZ precision stage (47) was put out of the vacuum device.
[0064]
When the electric XYZ precision stage (47) is placed in a vacuum device, the optical fiber (34), the metal pipe (45), and the cable of the industrial endoscope (46) are vacuum-sealed with an ultra seal using a small O-ring. . When the electric XYZ precision stage (47) is taken out of the vacuum apparatus, an ultra-seal is attached to the metal pipe (45) (stainless steel pipe) containing the optical fiber (34) and the hard industrial endoscope (46). And maintain a high vacuum.
[0065]
In each case, the vacuum seal by the Ultra Tall seal is perfect, and a high degree of vacuum is obtained. In an electron microscope, the tip of the optical fiber needs to be separated from the tip of the cathode by a certain distance (currently, 50 mm in the case of a 120 kV electron microscope) so that no discharge occurs. As shown in FIG. 2 (B), as compared with the case where the tip of the optical fiber is flattened and a mini-convex lens having a diameter of 3 mm or less is adhered to a metal pipe to condense light, as shown in FIG. The laser light can be condensed smaller if the tip of the lens is rounded to a suitable radius of curvature using a micro burner and then condensed by the mini convex lens (48).
[0066]
For example, when a mini convex lens having a focal length of 1.6 mm is used, the minimum beam diameter of the laser beam at a distance of 50 mm ahead is 1.48 mm when the tip of the optical fiber (the diameter of the core portion is 50 μm) is smooth. On the other hand, when the radius of curvature R was rounded to 60 μm, the radius was 1.1 mm. The minimum beam diameter of the laser beam at a distance of 50 mm ahead using a mini convex lens having a focal length of 2.5 mm is 1.05 mm when the tip of the optical fiber is smooth, whereas the radius of curvature R = It was 0.825 mm when the spherical tip was processed to 60 μm.
[0067]
When an optical fiber is not used, the risk of blindness caused by direct exposure to the laser light is likely to occur.However, by irradiating the laser to the photocathode electron beam source using the optical fiber as described above, the laser light can be directly observed. Can be prevented from being blinded, and safety is ensured. Another great advantage is that the photocathode type electron beam source can be manufactured at lower cost.
[0068]
【The invention's effect】
As described above in detail, the invention of this application is useful as an electron beam source such as an electron microscope, an electron beam accelerator, and an electron beam source for an X-ray generator, and has high luminance, little aberration, and high safety. A cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source and its fabrication method are provided, and the research on materials, physical properties, basic physics, etc. is progressing by improving the performance of electron microscopes, electron beam accelerators, X-ray generators, etc. For example, an economic effect comparable to the invention of laser in light is expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a process for producing a cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a work cover in an inert gas used for producing a cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source of the present invention in detail.
FIG. 3 is a view showing a step of confining a cathode unit of the cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source of the present invention in an airtight container.
FIG. 4 is a diagram exemplifying a state in which a cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source of the present invention is irradiated with laser light.
FIG. 5 is a view showing a cooling mechanism of a cathode portion of the cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a cathode tip portion of a cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which a plurality of cooled high quantum efficiency photocathode electron beam sources are irradiated with laser light from a laser oscillation device.
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which a laser beam from a laser oscillation device is split into a plurality of laser beams by a beam splitter.
FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which the intensity of laser light is adjusted using two polarizing plates.
[Explanation of symbols]
1 vacuum equipment
2 Cathode unit
3 Cathode unit sealed container
4 gloves
5 Work cover in inert gas
6 Coating equipment
7 Evacuation valve
8 Flange hoisting handle
9 Vacuum flange
9 'O-ring fastening tool
10 O-ring for sealing
11 Thumbscrews
12 inside pockets
13 Cathode unit closed container access
14 Lid
15 Argon ion laser light
16 Cathode
17 n-type semiconductor Bi2Te3
18 p-type semiconductor Bi2Te3
19 Cathode tip
20 Cathode base
21 Insulation for reinforcement
22 Cs3Sb
23 Nickel
24 Fri
25 Contact part
26 electrode block
27 cylinder
28 Peltier cooling module
29 Electrically insulating oil
30 metal plate
31 Argon ion laser oscillator
32 Argon ion laser light
33 Laser Branch Concentrator
34 Optical Fiber
35 electron beam accelerator
36 X-ray generator
37 Electron microscope
38 Beam splitter
39 Reflection mirror
40 Stopper
41 convex lens
42 Polarizing plate
43 Optical fiber holder
44 Optical fiber connector
45 metal pipe
46 Industrial endoscope
47 Electric XYZ precision stage
48 mini convex lens

Claims (7)

先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を接合して作製した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。A cooled photocathode-type electron beam source irradiated with laser light to a cathode coated with a material with a high quantum efficiency at the tip, and a cathode made by bonding a combination of materials with high Peltier cooling efficiency A cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source characterized in that a current flows through the cathode to cool the interface of a combination of materials having high Peltier cooling efficiency and locally cool the tip of the cathode. ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が、n型半導体とp型半導体であることを特徴とする請求項1の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。2. The cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source according to claim 1, wherein the combination of materials having high Peltier cooling efficiency is an n-type semiconductor and a p-type semiconductor. 陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填され、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却されることを特徴とする請求項1または2の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。A cathode unit that joins the cathode with a cathode substrate having high electrical and thermal conductivity is mechanically loaded, and the block with high electrical and thermal conductivity is cooled by the heat absorbing surface of the Peltier cooling module with which it contacts. 3. The cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source according to claim 1, wherein: ペルチェ冷却モジュールの発熱面が、電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることを特徴とする請求項3の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。4. The cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source according to claim 3, wherein the heat generating surface of the Peltier cooling module is cooled by a metal plate for circulating a liquid having a high electrical insulation property. 鋭く尖らせた陰極の先端部であって、放出される電子が収束されることによってより輝度が高まるように先端部が凹状に加工された面を含む部分に対して、酸洗いに強い金属によるメッキが行われ、さらにその上に高量子効率物質が被覆されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかの冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。The tip of the sharply pointed cathode, which includes a surface that has been processed to have a concave shape so that the emitted electrons are converged to enhance brightness by converging the emitted electrons, is made of a metal that is resistant to pickling. 5. The cooled high quantum efficiency photocathode type electron beam source according to claim 1, wherein plating is performed, and a high quantum efficiency material is coated thereon. レーザ光が、光ファイバーによって陰極に照射され、光ファイバーの先端部が先球加工されて、その光ファイバーの先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことを特徴とする請求項1ないし5いずれかの冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法6. A cooling height according to any one of claims 1 to 5, wherein a laser beam is applied to the cathode by an optical fiber, a tip of the optical fiber is rounded, and a mini convex lens is attached to the tip of the optical fiber. Laser irradiation method for quantum efficiency photocathode electron beam source. 陰極先端部をXYZ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、TVモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたXYZ精密ステージを遠隔操作して、レーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させるようになしたことを特徴
とする請求項6の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法
Observe the tip of the cathode with an industrial endoscope that can remotely control its position with an XYZ precision stage, and remotely control the XYZ precision stage with the attached optical fiber while watching the TV monitor, and place the laser beam at the position of the cathode tip. 7. The laser beam irradiation method for a cooled high quantum efficiency photocathode electron beam source according to claim 6, wherein the irradiation is performed accurately.
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