JP3577518B2 - 冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極 - Google Patents

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用陰極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、電子線加速器および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の陰極先端部の冷却効率をより高め、より多量の電子がより長時間安定的に放出される冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極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、電子線加速器および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、とく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、現在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っていた。また、その輝度には限界があり、良質のホログラムを得る上でも限界があった。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比べてもたかだか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。そのため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。たとえば、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Ｃｓ_３Ｓｂに照射した場合、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を有している。
【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ことにより、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ことが期待できる。また、輝度が高くかつ収差がほとんどなく、さらにエネルギー幅が原理的に小さ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を有している。
【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Ｃｓ_３Ｓｂ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おり、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。このため、高量子効率物質を用いたフォトカソード型電子線源からより多量の電子をより長時間安定的に放出させるためには、陰極先端部をより効果的に冷却しなければならない。
【０００８】
そこでこの出願の発明の発明者は、２００１年９月１７日付けで出願済みの「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」（特願２００１−２８２０３８、発明者：木本高義）において、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源における高量子効率物質の被覆方法、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源における陰極の冷却方法およびレーザ照射方法を提案した。
【０００９】
この特願２００１−２８２０３８においては、図４に示しているように陰極先端部を冷却するために、陰極ユニット（４０）において、ペルチェ冷却効率の高いｎ型半導体とｐ型半導体（図４ではｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４１）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４２））を直接接合して陰極（４３）を構成し、この陰極（４３）が熱伝導率および電気伝導率の高い陰極基盤（４４）と接合されている。そしてｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４１）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４２）の接合面が吸熱面となるように陰極ユニット（４０）のコンタクト部（４５）および陰極基盤（４４）を介して電流を流し、陰極先端部（４６）の局所冷却を行っている。これは、熱伝導のみで陰極先端部を冷却するよりは遥かに冷却効率が高く、レーザー照射される陰極先端部の入熱をより効果的に除ける方法であった。
【００１０】
なお、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４１）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４２）の接合面ではドーピング量が最適であれば、吸熱量は電流１Ａ当たり０．１１２Ｗであり、１０Ａの電流を流せば１．１２Ｗの吸熱量となる。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定まる。また、陰極先端部（４６）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４（ｂ）に示すように補強用絶縁物（４７）をｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４１）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４２）に接着させておき、また陰極の先端は図４（ｃ）に示しているように僅かに凹状にする。光電効果によって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、陰極の先端を凹面にすることにより、レーザー光を極端に細く絞らなくても、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十分に細くすることができるのである。
【００１１】
なお特願２００１−２８２０３８においては、図４（ｃ）において、陰極先端部（４６）にニッケル（４８）および金（４９）の順でメッキし、さらにその上に高量子効率物質であるＣｓ_３Ｓｂ（５０）を被覆している。この陰極（４３）を使用して量子効率が低下した場合、金メッキ処理が行われているため、陰極先端部（４６）を酸で洗っても陰極先端部（４６）を傷つけることなくＣｓ_３Ｓｂ（５０）を除去でき、何度もＣｓ_３Ｓｂ（５０）の被覆と除去を行って陰極（４３）のリサイクルを行うことができる。
【００１２】
また、陰極先端部（４６）にＣｓ_３Ｓｂ（５０）を被覆する際に陰極先端部（４６）の温度を制御する必要があるため、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４１）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４２）の接合面に細い熱電対（直径０．０２５４ｍｍφ以下のなるべく細い線）（５１）が挿入してある。さらに、熱電対用コンタクト（５２）も被覆装置に着いている温度測定用の熱電対コンタクト（５３）に着脱できるように陰極ユニット（４０）に合計４本取り付けてある。
【００１３】
しかしながら、図４に示している陰極ではＢｉ_２Ｔｅ_３のようなペルチェ冷却効率の高い物質自体を陰極先端部としているため次のような問題を有していた。
【００１４】
まず、空間電荷効果による電子の放出量低下を防ぐために陰極先端部の先鋭化が必要であるが、ペルチェ冷却効率の高い物質は多くの場合脆いため陰極先端部の先鋭化が困難な場合が多く、また陰極先端部に外力が働くと破壊に至ることもあった。
【００１５】
また、ｎ型半導体とｐ型半導体同士の半田付けによる接合に際して、無視し得ない接触抵抗が生じ、これに電流を流すとその接触抵抗分のジュール熱が発生するため陰極先端部の冷却効果を低下させるといった欠点も有していた。
【００１６】
さらに、陰極先端部に高量子効率物質を被覆する際に陰極先端部の温度を制御する必要があるため、ｎ型半導体とｐ型半導体の接合面に細い熱電対を挿入したままで両者の半田付けを行うのであるが、接合後の陰極に対してＣｓ_３Ｓｂの再被覆前の酸洗い除去に必要な金メッキを行う際に熱電対にも金メッキが施されるため、金メッキを行った後に熱電対から金メッキを除去しなければならないという煩雑さがあった。
【００１７】
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、上記３つの欠点を解消し、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源をより実用的に使用可能なものとする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極を提供することを課題としている。
【００１８】
【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、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源に用いられる陰極であって、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極基盤と接合され、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を有し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間のペルチェ効果により陰極先端部が局所冷却される陰極において、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部が、一端が先鋭化された状態でペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に配置され、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと接合されてい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用陰極を提供する。
【００１９】
第２には、第１の発明において、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が一部のｎ型半導体とｐ型半導体の組み合わせに代表される熱電半導体の組み合わせ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用陰極を提供する。
【００２０】
第３には、第２の発明において、ペルチェ冷却効率の高い熱電半導体がｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３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用陰極を提供する。
【００２１】
第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、熱伝導率および電気伝導率の高い物質が、銅、銀または金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用陰極を提供する。
【００２２】
第５には、第１ないし４のいずれかの発明において、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部が、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと半田付けにて接合されてい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用陰極を提供する。
【００２３】
第６には、第１ないし５のいずれかの発明において、陰極先端部の先鋭化された側の端部の先端面が凹面もしくは平面に加工されてい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用陰極を提供する。
【００２４】
また、第７には、第１ないし６のいずれかの発明において、陰極先端部の先鋭化されていない部分に平面部が形成され、その平面部がペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合されてい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用陰極を提供する。
【００２５】
さらに第８には、第１ないし６のいずれかの発明において、陰極先端部が、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に挟み込まれた状態でそれらペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合されてい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用陰極を提供する。
【００２６】
また、第９には、第１ないし６のいずれかの発明において、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が複数組配列されて形成されたサーモモジュールの吸熱面に、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部の先鋭化されていない部分に形成された平面部が接合されてい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用陰極をも提供する。
【００２７】
また、第１０には、第９の発明において、サーモモジュールの吸熱面と陰極先端部との接触面およびサーモモジュールの発熱面と陰極基盤との接触面に、熱接触を良くするグリースを塗布す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用陰極を提供する。
【００２８】
第１１には、第９または１０の発明において、陰極先端部と陰極基盤が同電位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用陰極を提供する。
【００２９】
第１２には、第９ないし１１のいずれかの発明において、サーモモジュールの吸熱面を陰極先端部の平面部にネジ止めによって機械的に接触させ、これに電流を流して陰極先端部を冷却す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用陰極を提供する。
【００３０】
第１３には、第１２の発明において、ネジが微小絶縁性ネジか、金属製ネジが絶縁性物質を介して陰極先端部と陰極基盤に直接接触していない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陰極を提供する。
【００３１】
第１４には、第１ないし１３のいずれかの発明において、熱電対が陰極先端部もしくは陰極先端部と陰極基盤に半田付けもしくはネジ止めによって取り付けられてい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用陰極を提供する。
【００３２】
【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用陰極は、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極基盤と接合され、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を有し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間のペルチェ効果により陰極先端部が局所冷却される陰極であるが、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用陰極の最も大きな特徴は、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部が、一端が先鋭化された状態でペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に配置され、それぞれのペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合されていることである。
【００３３】
ペルチェ冷却効率の高い物質は、熱電半導体を含めて数多く見つかっているが、一般的に半導体は金属に比べて機械的に脆いことが知られている。金属は金属結合で原子が結びついており、結合の強さにほとんど方向性がないため劈開現象が見られないのに対し、半導体や絶縁体では劈開現象が多く見られるのである。
【００３４】
現在ペルチェ冷却効率の高い物質としては、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系、シリコン・ゲルマニウム系が知られているが、その中ではビスマス・テルル（ＢｉＴｅ）系が０℃近辺で冷却効率が最も高く、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_２Ｓｅ_３、Ｓｂ_２Ｓｅについてそれぞれｎ型とｐ型の半導体の組み合わせの系である。これらの半導体はＶｂ−ＶＩｂのカルコゲン化合物であり、ｃ軸方向に沿って結合の切れやすいファンデルワールス結合があるため、劈開性があり、機械的強度が弱く、引っ張り強さは１．４ｋｇ／ｍｍ^２以下である。
【００３５】
また、鉛・テルル（ＰｂＴｅ）系は、８００Ｋまでの中温領域で冷却効率が高いが真空中での性能劣化に問題があり、ＰｂＴｅに添加するｎ型不純物としてはＩＶ族ハロゲン化物（ＰｂＩ_２、ＰｂＢｒ_２など）やＩＶ族テルル箇物（Ｇｅ_２Ｔｅ_３など）が、ｐ型不純物としてはＮａ_２ＴｅやＫ_２Ｔｅが使用される。なお、引っ張り強さは１．４ｋｇ／ｍｍ^２以下である。
【００３６】
また、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）系は、６００Ｋから１３００Ｋまでの中・高温領域で冷却効率が高く、高温用熱電材料として使用されており、引っ張り強さは２．１〜３．５ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００３７】
一方、この出願の発明において陰極先端部に用いられる銅、銀または金のような熱伝導率および電気伝導率の高い物質の引っ張り強さは、銅が７．８ｋｇ／ｍｍ^２、銀が７．５ｋｇ／ｍｍ^２金が１１ｋｇ／ｍｍ^２であり、上記のようなペルチェ冷却効率の高い物質に比べて大きな強度を有しており加工しやすいため、陰極先端部の先鋭化は機械工作により容易に行うことができ、破損する可能性もペルチェ冷却効率の高い物質に比べて遥かに小さい。なお、熱伝導の観点では銀が最適であり、価格では銅が最適であり、耐食性からは金が最適である。
【００３８】
図４中に示された冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極は、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が先鋭化された端部で接合されかつ反対側の端部でそれらが２つの陰極基盤のそれぞれに接合されており、その陰極基盤との接合面では発熱が生じるが、陰極基盤はコンタクト部を通じて熱伝導によって冷却され、流した電流が一方の陰極基盤を通り、陰極基盤に接合されたペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の一方の物質からもう一方の物質へ流れる際にペルチェ効果によりそれらの間の界面が冷却されることにより、陰極先端部が局所冷却されるように構成されているが、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用陰極の場合、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質がその陰極基盤のそれぞれに接合されている点は、図４中に示された冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極と同じであるが、熱伝導率および電気伝導率の高い物質がペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質それぞれと接合されているため、熱伝導率および電気伝導率の高い物質中を電流および熱が伝導し、熱伝導率および電気伝導率の高い物質とペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間の界面で吸熱反応が起こり、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる先鋭化された陰極先端部を局所冷却することが可能となる。また、このような構成の陰極における２箇所の接合面で生ずる吸熱量の合計は、ペルチェ冷却効率の高い物質同士を接合した場合（図４）に接合面で生ずる吸熱量に等しい。
【００３９】
特願２００１−２８２０３８中に示されているようにペルチェ冷却効率の高い物質としてｎ型半導体とｐ型半導体を直接接合した陰極の場合は、ペルチェ冷却効率の高い物質の接合面の接触抵抗を１０ｍΩ以下にすることは極めて難しくそのため冷却効率は著しく低下していたのに対し、この出願の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極はペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に熱伝導率および電気伝導率の高い物質が陰極先端部として配置されているため、特願２００１−２８２０３８中の陰極と比べて冷却効率を高くすることができ、多量の電子をより長時間安定的に放出することが可能となる。
【００４０】
なお、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用陰極では、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質同士の間に接触はなく、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと接合されている熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部を介してペルチェ効果が働く。
【００４１】
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、一部のｎ型半導体とｐ型半導体の組み合わせに代表される熱電半導体の組み合わせを用いることができ、とくにｎ型半導体であるｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３とｐ型半導体であるｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３を用いることによって局所冷却効率の高い陰極とすることができる。
【００４２】
また、熱伝導率および電気伝導率の高い物質としては、銅、銀または金を好適に用いることができる。なお、陰極先端部および陰極基盤に銅または銀を使用する場合には、それらの表面に金メッキを施して表面酸化による熱接触や電気抵抗の発生を無くすようにし、またとくに陰極先端に金メッキを施すことによってＣｓ_３Ｓｂ等の高量子効率物質の再被覆を行う際に、古い高量子効率物質を酸洗いで簡単に除去できるようにしておくことが大切である。
【００４３】
また、この出願の発明においては、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部を、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと半田付けにて接合させることも可能である。
【００４４】
また陰極の構成として、陰極先端部の先鋭化されていない部分に平面部を形成し、その平面部をペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合させるようになすことも可能であり、また、陰極先端部を１組のペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間には挟み込むことも可能である。このようにすることによって、陰極先端部を、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に、それらとの接触面積が十分得られしかも陰極先端部の体積をより小さくする形で容易に固定することができ、冷却効率をより高めることができる。
【００４５】
なお、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質は直方体を初めとする様々な形状とすることが可能である。また陰極先端部の冷却効率を高めるためには、陰極先端をできるだけ細くし、先端部と吸熱面との距離をできるだけ短くするのが望ましい。また陰極先端面に量子効率の高い物質を被覆する際に、陰極先端の温度をある程度の温度（Ｃｓ_３Ｓｂの場合には１３０〜１５０℃）に保持する必要があるため、先端部の温度を測定するために熱電対を半田付けもしくはネジ止めによって取り付けることが好ましい。このとき取り扱いを容易にするため、熱電対をネジ止めすることがより好ましく、熱電対を陰極への金メッキを行った後にネジ止めすることで、今までのように金メッキを行った後に熱電対からの金メッキの除去作業を行うといった必要がなくなる。
【００４６】
また、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を陰極先端部あるいは陰極基盤に半田付けする際にはなるべく融点の高い半田を用い、接触抵抗がほとんどゼロに成るように半田付けを行う。なお高量子効率物質を被覆する際に、陰極基盤側の半田が溶けることのないように温度をモニターするために、陰極基盤側にも熱電対をネジ止めしておくのが望ましい。また取り付けた熱電対について合計４本（たとえばアルメル用２本とクロメル用２本）の熱電対用コンタクト（高量子効率物質被覆装置の温度測定用熱電対のコンタクトへの着脱が可能）を取り付けておくことが好ましい。
【００４７】
また陰極の構成として、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が複数組配列されて形成されたサーモモジュールの吸熱面に、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部の先鋭化されていない部分に形成された平面部を接合させることもできる。
【００４８】
この場合、たとえば、サーモモジュールの吸熱面を陰極先端部の平面部にネジ止めによって機械的に接触させ、これに電流を流して陰極先端部を冷却させることができる。ネジとしては、熱伝導率および電気伝導率がほとんどゼロに近いセラミックスやポリカーボネイドなどのような絶縁物質からなる微小絶縁性ネジを好適に用いることができる。もしくは、金属ネジを円筒状のセラミックス等で一部を覆って熱伝導および電気伝導を遮断するように工夫を施して使用することも可能である。
【００４９】
また、陰極先端の反対側には銅などの熱伝導率および電気伝導率の高い物質で作製した２個の陰極基盤があり、小型サーモモジュールの吸熱面と陰極先端部の接触面およびその発熱面と陰極基盤との接触面には、熱接触を良くする専用のグリースを塗布するとともに、光電効果での電子放出を行うために微小絶縁性ネジ等を利用して細い導線を１本だけ取り付けて陰極先端と陰極基盤と同電位にする。
【００５０】
なおこの場合にも、陰極先端部もしくは陰極先端部と陰極基盤に熱電対をネジ止めによって取り付けることによって、高量子効率物質を被覆する際などの温度制御が容易になる。
【００５１】
また、陰極先端部の一端は空間電荷効果で多量の電子の放出が抑制されることのないようになるべく細くなるように尖らせ、陰極先端部の先端面は凹面もしくは平面に加工されることによって、電子線を細く収束しやすくなり、電子線の輝度を容易に高くすることができる。なお、陰極先端部の先端面を凸面にした場合、陰極から表面に垂直に電子が放出されるため、熱電子放出型や電界放出型電子線源と同じく、放出電子ビームは一度大きく膨らんでから、収束用電極でクロスオーバー位置に収束されるため、より細く収束させることはできず、電子線の輝度の低下をもたらす。熱電子放出型や電界放出型の電子線源の陰極では、電子は陰極先端部の全ての部分からあらゆる方向に放出されるため、放出後の電子ビームの膨らみは原理的に除去できず、輝度低下の原因となっている。
【００５２】
しかし、フォトカソード型電子線源の大きな特長として、高量子効率物質を被覆した領域でかつレーザー光を照射した場所のみから電子が放出されるため、陰極先端を凹面または平面にしておけばこのような放出電子の膨らみによるクロスオーバー位置での収束の困難性ひいては電子線の輝度低下は著しく軽減される。このような理由から陰極の先端は通常０．４ｍｍφ以下とし、先端面をわずかに凹面にするか平面とすることにより輝度の向上が図れる。なお、陰極ユニットに設けたウェネルトキャップの電位が陰極先端に対してマイナスの電位となるようにバイアスを印加することにより、陰極先端部の先端面が平面であっても放出されるビーム径を細く収束させることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
【実施例】
＜実施例１＞
熱伝導率および電気伝導率の高い物質から成る陰極先端部を１対のｎ型とｐ型のペルチェ冷却効率の高い半導体のペルチェ効果により冷却する方式の陰極の一例を以下に示す。
【００５５】
図１（ａ）は冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源に用いる陰極ユニット（１）の全体図であり、図１（ｂ）はその陰極ユニット（１）の陰極（２）および陰極基盤（３）の要部拡大図である。図１（ｂ）に示しているように、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（幅４ｍｍ×奥行２ｍｍ×高さ１．５ｍｍの直方体）（４）およびｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（幅４ｍｍ×奥行２ｍｍ×高さ１．５ｍｍの直方体）（５）を、それぞれ無酸素銅製で表面にＮｉメッキ後に金メッキした２つの陰極基盤（３）に融点が２２１℃と高い半田を用いて接合し、さらにｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）のそれぞれに熱伝導率および電気伝導率の高い物質である銅からなる陰極先端部（６）を融点が２２１℃の半田を用いて接合した。ｎ型とｐ型のＢｉ_２Ｔｅ_３を選んだ理由は、０℃近傍の温度範囲でのペルチェ冷却効率が高いためである。なおこれらの接合に高融点半田を使用するのは、たとえば陰極先端にＣｓ_３Ｓｂ（７）を被覆する場合には陰極先端の温度を１３０〜１５０℃とするので、その際に陰極先端部（６）とｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）（ｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５））の間およびｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）（ｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５））と陰極基盤（３）の間の半田が溶けないようにするためである。またこの例では、図１（ｄ）に示しているように陰極先端部（６）の先端面は僅かに凹面であり、金メッキを施した後にＣｓ_３Ｓｂ（７）の被覆を行っている。
【００５６】
なお、陰極先端部（６）および陰極基盤（３）にネジ止めにより取り付けた２対の熱電対（８）を取り付けておくことによって温度測定を可能とした。この２対の熱電対（８）について合計４本（アルメル用２本とクロメル用２本）の高量子効率物質の被覆装置の温度制御用熱電対のコンタクト（９）への着脱が可能な熱電対用コンタクト（１０）を取り付けている。
【００５７】
半田付け後に２つの陰極基盤（３）の間の電気抵抗を測定すると６〜７ｍΩであり、これはほとんどｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）そのものの電気抵抗値に等しく、半田付けした接合面での接触抵抗をほとんどゼロに近くすることができたといえる。
【００５８】
図４に示したようにｎ型とｐ型のＢｉ_２Ｔｅ_３を直接半田付けで接合した場合には、接合面の接触抵抗を１０ｍΩ以下にすることは極めて困難であったため冷却効率は著しく低下したが、この出願の発明による方法ではその問題は解決された。
【００５９】
また銅製の陰極先端部（６）は機械加工だけでも直径０．２ｍｍ程度にまで陰極先端を先鋭化することができた。
【００６０】
次に上記のように作製した陰極（２）および陰極基盤（３）を陰極ユニット（１）に取り付け、これを図２に示すような陰極（２）の周辺部を冷却できる陰極周辺部冷却ユニット（１１）に取り付けて冷却実験を行った。
【００６１】
まず図２に示しているように、陰極ユニット（１）のコンタクト部（１２）（表面は金メッキ）を、電子線源の電極ブロック（１３）（電気伝導と熱伝導の高い銅製）のバネ性のある切り込み入りの筒部（内側表面は金メッキ）（１４）に装着する。銅製の電極ブロック（１３）には電流を流せるようにするとともに２枚の市販のペルチェ冷却用モジュール（１５）の冷却面を接触させて、冷却できるようになっている。さらにこのペルチェ冷却モジュール（１５）の発熱面を電気的絶縁性オイル（１６）を循環できるようにして冷却される金属板（１７）に接触させて冷却させる。電気的絶縁性オイル（１６）を使用する理由は、陰極とアース間に高い電圧が印加されているためである。絶縁性オイル（１６）は市販の液体冷却循環装置により冷却されるとともに循環される。このようにして、陰極ユニット（１）を取り付けている電極そのものを冷却して陰極先端部（６）を熱伝導によって冷却する。その上で、図１（ｂ）の陰極に電流を流して、陰極先端を局所冷却する。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、レーザー照射により陰極先端部（６）に入る熱がほとんど瞬間的に除去されるという利点がある。
【００６２】
まず、陰極周辺部冷却ユニット（１１）だけを用いた場合の陰極先端部（６）の温度は約−１５〜−１０℃であった。そして図１（ｂ）に示しているように陰極先端部（６）に接合したｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）からｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）の向きに電流を流すと、電流の増加と共に陰極先端部（６）の温度は徐々に低下し、約１２Ａの電流で約−４１〜−３５℃の温度にまで低下した。１２Ａよりさらに電流を上げると、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）内部で発生するジュール熱がペルチェ効果による冷却熱を上回るため、陰極（２）の先端部の温度は上昇し始めた。なお、実験は非真空中と真空中とで別々に行ったが、真空中の方が非真空中よりも約５℃低かった。
【００６３】
上記の実験結果は図４に示した陰極のようなｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）を直接接合して陰極先端部を作製した場合の通常の冷却温度に比べて、２０〜３０℃も低い温度であり、陰極（２）における冷却効率がｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）を直接接合した陰極よりも十分良好であることを示す。
【００６４】
さらに、機械加工で陰極先端部（６）の直径を約０．４ｍｍφにした陰極先端面に約０．３ｍｍφに絞った波長４８８ｎｍのレーザを照射し、先端部の温度を測定した。その結果照射されるレーザの出力の増加とともに、ほぼ直線的に先端部の温度は上昇し、照射されるレーザの出力が１０ｍＷ増加するごとに陰極先端部（６）の先端周辺の温度は約０．４６℃ずつ増加した。
【００６５】
たとえば、真空中でレーザが照射されていない場合に−３５．７℃であった陰極先端部（６）の温度は、４８０ｍＷのレーザ照射では約−１４．８℃であり、７８０ｍＷのレーザ照射では０℃にまで温度上昇した。このことから、この出願の発明の陰極（２）を用い、Ｃｓ_３Ｓｂを被覆した場合には、４８８ｎｍの波長で約０．５Ｗのレーザを照射すると、約１５ｍＡもの多量の電子が安定的に放出されることになる。
【００６６】
これは、従来の熱電対放出型や電界放出型電子線源を搭載した電子顕微鏡で実用的に放出される電子の総電流がわずかに１μＡであることに比べて、約１５万倍の電子放出量である。これは、この出願の発明による陰極が高い冷却効率を有するために実現したことである。なお、陰極先端部の温度測定は、先端面の中央に半田付けした太さ０．０２５４ｍｍφのアルメルとクロメルを用いて行った。
＜実施例２＞
次に、図３に示しているように陰極先端を複数組のペルチェ冷却効率の高いｎ型とｐ型半導体で形成するサーモモジュールを用いて冷却する方式の陰極の場合を示す。
【００６７】
幅０．７ｍｍ、奥行き０．７ｍｍ、高さ１．１ｍｍの直方体のｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）を３１組、図３（ｂ）に示すように、幅８．８ｍｍ、奥行き８．８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの電気絶縁板（セラミック板）（１８）に配置・固定して作製した小型のサーモモジュール（１９）（各Ｂｉ_２Ｔｅ_３の導通板（２０）への半田付けには実施例１と同様の理由により融点が２２１℃の高融点半田を使用）を用いて、陰極先端部（６）を冷却できる陰極（２）を作製した。サーモモジュール（１９）は図３（ｂ）に示しているように、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）を複数組配列したものであって、ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）からｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）に電流が流れる側で吸熱があり、その反対側で発熱がある。また、陰極基盤（３）と陰極先端部（６）は、熱伝導率および電気伝導率の高い銅で作製し、表面酸化による熱接触の低下や半田付けにおける接触電気抵抗の増加を防止するため、表面に金メッキ処理を施した。
【００６８】
陰極基盤（３）と陰極先端部（６）の間に挟み込んだ小型サーモモジュール（１９）が落下しないように、かつ熱的密着性が良いように、接触面に熱接触を良くする特殊グリース（商品名：ヒートシンカー）を塗り、ポリカーボネイド製の絶縁性ネジ（２１）で締め付けた。この陰極（２）を陰極ユニット（１）に取り付け、さらに陰極ユニット（１）を図２の陰極周辺部冷却ユニット（１１）に取り付けて冷却実験を行った。
【００６９】
なお、陰極ユニット（１）に設けたウェネルトキャップ（２２）の電位が陰極先端部（６）に対してマイナスの電位となるようにバイアスを印加することにより、陰極先端部の先端面が図３（ｄ）に示すように平面であっても、放出されるビーム径を細く収束させることができる。
【００７０】
まず、陰極周辺部冷却ユニット（１１）だけを用いた場合の陰極先端部（６）の温度は約−７〜−４℃であった。次に、陰極先端部（６）に密着した小型サーモモジュール（１９）に電流を流すと、陰極先端部（６）の温度は電流の増加と共に急激に低下し、わずか約０．７Ａの電流で約−２３〜−２６℃にまで低下した。しかし、０．７Ａを超えて電流を増加させると、逆に温度は上昇し出し、１．５Ａの電流値では陰極先端部（６）の温度は約−７〜−６℃となった。このように、極めて弱い電流で最低温度に到達するのがこの陰極（２）の特徴である。現在使用されている透過型電子顕微鏡においては、熱電子放出型の電子線源を搭載している機種が大部分であるが、フィラメントの加熱のために通常流せる直流電流の最大値は３Ａ程度である。したがって、この陰極（２）は、現用の透過型電子顕微鏡の電気回路を変更しなくてもそのまま使用できるという利点がある。この陰極（２）は、特願２００１−２８２０３８のｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（４）とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３（５）を直接接合して陰極先端を作製した場合の通常の冷却温度に比べて、約１５℃低い温度であり、この陰極（２）の方が冷却効率は高い。小型サーモモジュール（１９）と陰極先端部（６）および小型サーモモジュール（１８）と陰極基盤（３）との熱的密着性が高まれば、冷却温度はさらに低下できることが期待される。本陰極（２）についても、レーザ照射による温度上昇試験を行ったが、上記の＜実施例１＞で得られた結果とほぼ同じ温度上昇の結果が得られた。
【００７１】
【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か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における冷却効率の高い陰極が提供され、その陰極を用いた冷却式高量子効率フォトカソード型電子線により電子顕微鏡、電子線加速器、Ｘ線発生装置等の性能が向上し、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の陰極ユニットの構成の一例を示した図である。
【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陰極周辺の冷却機構を示した図およびである。
【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の構成の他の例を示した図である。
【図４】特願２００１−２８２０３８における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の構成の一例を示した図である。
【符号の説明】
１ 陰極ユニット
２ 陰極
３ 陰極基盤
４ ｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３
５ ｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３
６ 陰極先端部
７ Ｃｓ_３Ｓｂ
８ 熱電対
９ メス型熱電対用コンタクト
１０ オス型熱電対用コンタクト
１１ 陰極周辺部冷却ユニット
１２ コンタクト部
１３ 電極ブロック
１４ 筒部
１５ ペルチェ冷却モジュール
１６ 電気的絶縁性オイル
１７ 金属板
１８ 電気絶縁板（セラミック板）
１９ 小型サーモモジュール
２０ 導通板
２１ 絶縁性ネジ
２２ ウェネルトキャップ

Claims (14)

1. 冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源に用いられる陰極であって、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極基盤と接合され、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を有し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間のペルチェ効果により陰極先端部が局所冷却される陰極において、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部が、一端が先鋭化された状態でペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に配置され、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと接合されてい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用陰極。
2. ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が一部のｎ型半導体とｐ型半導体の組み合わせに代表される熱電半導体の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
3. ペルチェ冷却効率の高い熱電半導体がｎ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３とｐ型Ｂｉ_２Ｔｅ_３であることを特徴とする請求項２に記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
4. 熱伝導率および電気伝導率の高い物質が、銅、銀または金であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
5. 熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部が、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質のそれぞれと半田付けにて接合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
6. 陰極先端部の先鋭化された側の端部の先端面が凹面もしくは平面に加工されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
7. 陰極先端部の先鋭化されていない部分に平面部が形成され、その平面部がペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
8. 陰極先端部が、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の間に挟み込まれた状態でそれらペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質と接合されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
9. ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が複数組配列されて形成されたサーモモジュールの吸熱面に、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部の先鋭化されていない部分に形成された平面部が接合されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
10. サーモモジュールと陰極先端部との接触面およびサーモモジュールと陰極基盤との接触面に、熱接触を良くするグリースを塗布することを特徴とする請求項９に記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
11. 陰極先端部と陰極基盤が同電位であることを特徴とする請求項９または１０に記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
12. サーモモジュールの吸熱面を陰極先端部の平面部にネジ止めによって機械的に接触させ、これに電流を流して陰極先端部を冷却することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
13. ネジが微小絶縁性ネジであるか、金属製ネジが絶縁性物質を介して陰極先端部と陰極基盤に直接接触していないことを特徴とする請求項１２に記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。
14. 熱電対が陰極先端部もしくは陰極先端部と陰極基盤に半田付けもしくはネジ止めによって取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極。

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