JP3810395B2 - 荷電粒子放射源 - Google Patents
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Description
本発明は、電子顕微鏡、電子測長機、電子線露光機などに用いられるランタンヘキサボライド単結晶熱電子陰極や熱電界放射陰極を始めとする荷電粒子放射源に関する。
従来から、ランタンヘキサボライド（ＬａＢ６）単結晶熱電子陰極が１０5Ａ/ｃｍ2・ｓｒ程度の高輝度熱電子エミッターとして用いられている。その構造に関しては、図１に例示されている通りに、熱電子放射するチップ（陰極）５が、当該チップ（陰極）５をジュール加熱するためのカーボンヒーター４ａ、４ｂにより挟持されながら、更に、支柱３ａ、３ｂによって挟持されており、前記支柱３ａ、３ｂが碍子２に取り付けられ固定されている。そして、前記カーボンヒーター４ａ、４ｂに電流を供給するために端子１ａ、１ｂが、前記碍子２の裏面に設けられているが、部品点数の減少等を期して、前記支柱３ａ、３ｂと前記端子１ａ、１ｂとは一体化したものを用いている。
また、図２に示す通りに、端子１ａ、１ｂに異種材料からなる支柱３ａ、３ｂをネジ止めし固定した構造を有しているものもある（特許文献１参照）。固定の仕方としては溶接、ロウ付けなどが用いられている。
従来の荷電粒子放射源は、上述の構造を採用しているので、当該電子放射源を実際に電子銃等の装置に組み込む際に、端子１ａ、１ｂに負荷がかかる場合があり、酷いときには端子１ａ、１ｂと一体に接合されている支柱３ａ、３ｂに変位が生じ、その結果として、カーボンヒーター４ａ、４ｂやチップ５が位置ずれを生じ、最悪の場合には当該構造から外れ破損してしまうことがある。また、チップ５のずれは電子ビームの光軸ずれにつながり、所望の特性の電子ビームが得られなくなるし、チップと支柱との接触抵抗を変化させて熱電子陰極の電子放射特性に変化を生じるという問題点もある。
更に、従来の荷電粒子放射源を組み立てる際には、例えば図１に示す構造においては、支柱３ａ、３ｂをペンチ等で曲げ、先端部を削って平面化するので、先端同士の平行度や平面の精度を出すのが難しい問題がある。
また、図２の構造においては、碍子２の一平面上に支柱３ａ、３ｂをろう付けし固定するのが一般的であるが、ここでは、まず碍子２の一平面上にろう材を焼き付け、そして前記ろう付けした部分を削った面に支柱３ａ、３ｂを固定する手順が採用されている。この場合に於いても、平面精度を出すのが難しい、面積が小さいがために一つのろう付け部しか一回で加工できないために、手間がかかるという問題があることもあって、チップ位置に十分な精度を持たせることが容易でないという問題がある。
本発明者は、前記問題を解決するために、いろいろ実験的な検討を行った結果、荷電粒子放射源を支える支柱と、それを加熱するために碍子裏面に設けられる端子とを、電気的には接続しながらも、機械的には切り離すことにより、電子ビーム利用装置などへの搭載時に、支柱に力や変位が生ずることによる、カーボンヒーターやチップの位置ずれ、それに伴うチップと支柱との接触抵抗の変化、更に前記の事由に由来する電子放射特性の変化を低減させることができるという知見を得て、本発明に至ったものである。
即ち、本発明は、荷電粒子放射能を有する物質と、碍子と、前記荷電粒子放射能を有する物質を把持し前記碍子に固定するための一対の支柱と、前記支柱を介して前記荷電粒子放射能を有する物質に電流を供給するための一対の端子とからなる構造体において、支柱と端子とが金属線又は金属箔を介して電気的に接合されていることを特徴とする荷電粒子放射源であり、好ましくは、荷電粒子放射能を有する物質が、希土類元素の六硼化物の単結晶からなることを特徴とする前記の荷電粒子放射源である。
本発明の荷電粒子放射源は、前記構成を採用しているので、当該荷電粒子放射源を利用する装置などへの搭載時に、カーボンヒーターやチップの位置ずれ、それに伴うチップと支柱との接触抵抗の変化、更に前記の事由に由来する電子放射特性の変化が低減させることができる特徴を有している。更に、本発明は荷電粒子放射能を有する物質が希土類元素の六硼化物の単結晶からなる荷電粒子放射源に適用することが好ましい。前記荷電粒子放射する物質は高融点のセラミックスで、難加工性の材料であること、更に、実使用時に於いてジュール熱により高温に熱されて使用されることから、前記効果が顕著に発揮されるからである。
本発明の荷電粒子放射源は、荷電粒子放射能を有する物質と、碍子と、前記荷電粒子放射能を有する物質を把持し前記碍子に固定するための一対の支柱と、前記支柱を介して前記荷電粒子放射能を有する物質に電流を供給するための一対の端子とからなる構造体において、支柱と端子とが金属線又は金属箔を介して電気的に接合されていることを特徴とするものであり、その一例を図３に示した。
図３において、支柱３ａ、３ｂと端子１ａ、１ｂとは異なる部材として構成されているが、両者は金属線６ａ、６ｂにより電気的に接合されている。本発明の荷電粒子放射源は、この構造を採用しているので、電気的には従来のそれと変わりない特性を有するが、装置への搭載時や実使用条件下で端子１ａ、１ｂに何らかの力や変位が加わっても、支柱３ａ、３ｂそしてカーボンヒーター４ａ、４ｂ更にチップ５が影響されることがない。また、金属線６ａ、６ｂに関しては、機械的には可撓性を有する導電性の物質であれば良いが、同時に、支柱３ａ、３ｂと端子１ａ、１ｂとに接合しやすい物質である必要があり、本発明に於いては、金属線又は金属箔を選択した。
なお、本発明に於いて、金属線又は金属箔の材質に関しては、一般に、支柱や端子にステンレス（ＳＵＳ）、Ｍｏ−Ｒｅ、コバール（Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金）等が用いられることから、接合が容易なステンレス（ＳＵＳ）、Ｔａ、Ｒｅ等が選択される。
なお、本発明の荷電粒子放射源は、前記の図３に例示されている通りに、ＬａＢ６単結晶熱電子陰極を含むが、これに限定されるものでなく、希土類元素の六硼化物の単結晶からなる熱電子陰極、熱電界放射陰極、液体金属イオン源も含むものである。このうち、ＬａＢ６を初めとする希土類元素の六硼化物の単結晶からなる熱電子陰極に本発明を適用することが、希土類元素の六硼化物は高融点のセラミックスで、難加工性の材料であること、更に、実使用時に於いてジュール熱により高温に熱されて使用されることから、前記効果が顕著に発揮されることから、特に、好ましい。
図３に示す構造のＬａＢ6単結晶熱電子陰極を従来公知の方法で組み立て、電子銃に組み込む前に、正面方向及び９０度回転させた側面方向から、グリッド穴の中心軸からのチップのずれ値を測定し、正面方向の値をa、９０度回転させた側面方向の値をbとした場合、２×√（ａ２＋ｂ２）で定義されるチップのグリッド穴に対する同軸度を測定したところ、０．１２ｍｍであった。
次に図４のように電子銃に組み込んで、チップ温度１０００℃、真空度１.３３×１０-7 Ｔｏｒｒとして、チップに負の電圧５．０ｋＶを印加したところ、電流計１２で測定される軸上電流が３０ｎＡであった。
電子銃より取り外して、端子を碍子表面と平行方向にピストン運動する機械に取り付け、運動方向に置いた金属に端子が運動中にぶつかるようにした。端子にかかる負荷は約９８Ｎとなるように前記金属の位置を調整し、端子と金属との衝突回数を毎秒２回に設定した。２４時間衝突させた後、図４に示す装置において、チップ温度１０００℃、真空度１.３３×１０-７ Ｔｏｒｒとして、チップに負の電圧５．０ｋＶを印加したところ、軸上電流は２９ｎＡであった。負荷をかけた後のチップ同軸度は０．１４ｍｍと変化していなかった。
（比較例１）図1に示す構造のＬａＢ６単結晶熱電子陰極を準備し、電子銃に組み込む前に同軸度を０．１５ｍｍになるように調整して、実施例１と同様の測定をした結果、軸上電流は負荷をかける前が３０ｎＡ、負荷をかけた後が８ｎＡであった。また、同軸度は０．３５ｍｍと大きくなっていた。
本発明の荷電粒子放射源は、当該荷電粒子放射源を利用する装置などへの搭載時並びにその稼働時において、電流を導入する端子にかかる力や変位を荷電粒子放射するチップ並びにそれを挟持する支柱に伝えることがないように工夫されているので、高度に安定な荷電粒子ビームを提供できるので、いろいろな用途、例えば、電子顕微鏡、電子測長機、電子線露光機、集束イオンビーム装置等に好適な荷電粒子放射源であり、産業上非常に有用である。
１ａ、１ｂ ： 端子
２ａ、２ｂ ： 碍子
３ａ、３ｂ ： 支柱
４ａ、４ｂ ： カーボンヒーター
５ ： チップ（陰極）
６ａ、６ｂ ： 金属線
７ ： ろう付けした金属
８ ： グリッド
９ ： 引出し電極
１０ ： 電子ビーム
１１ ： スクリーン電極
１２ ： 電流計
１３ ： 高圧（加速）電源
１４ ： 加熱用電源
１５ ： バイアス用電源
２ａ、２ｂ ： 碍子
３ａ、３ｂ ： 支柱
４ａ、４ｂ ： カーボンヒーター
５ ： チップ（陰極）
６ａ、６ｂ ： 金属線
７ ： ろう付けした金属
８ ： グリッド
９ ： 引出し電極
１０ ： 電子ビーム
１１ ： スクリーン電極
１２ ： 電流計
１３ ： 高圧（加速）電源
１４ ： 加熱用電源
１５ ： バイアス用電源
Claims (2)
- 荷電粒子放射能を有する物質と、一つの碍子と、前記荷電粒子放射能を有する物質を把持し前記碍子に固定するための一対の支柱と、前記支柱を介して前記荷電粒子放射能を有する物質に電流を供給するための一対の端子とからなる構造体において、支柱と端子が共に機械的に切り離されながら前記碍子に設けられ、しかも支柱と端子とが金属線又は金属箔を介して電気的に接合されていることを特徴とする荷電粒子放射源。
- 荷電粒子放射能を有する物質が、希土類元素の六硼化物の単結晶からなることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子放射源。
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