JP3952279B2 - 検出システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロビーム装置内に配置された試料からのＸ線放射を検出するための検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロビーム装置には、Ｘ線を放射する試料が内部に配置される空所が備えられており、該装置は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭｓ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭｓ）、走査・透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭｓ）、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡｓ）及び欠陥解析ツール（ＤＲＴｓ）を含む。
このような検出システムにおいては、典型的にはセンサを９０Ｋあたりの温度まで冷却することが必要である。過去には、典型的には、一連の銅要素により液体窒素の大型リザーバをセンサに接続することによって、このことが達成されてきた。そして、銅要素は、センサから液体窒素へ熱を伝達するように働き、よって該センサを作動温度に保持する。
【０００３】
しかしながら、近年、設計における変化が起こり、液体窒素のリザーバは電気によって駆動される冷却器に取って代わられてきた。現行の商業用ペルティエ冷却技術ではそのような低温は達成されない。従って、典型的には、候補となる冷却器は、圧縮機と熱力学サイクル配列を使用し、低温を達成するものである。
そのような一つの設計がＧＢ−Ａ−２３２５０４５に示されている。これは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のようなシステムに摺動可能に取り付けられた低温保持装置が内部に取り付けられたエネルギー分散型半導体（ＥＤＳ）検出器について説明している。低温保持装置は、パルス管冷凍機から形成され、センサを冷却するために必要とされる低温を作り出すように働く。パルス管冷凍機は、低温保持装置の一端に配置され、コールドフィンガーによって該低温保持装置の他の一端に配置されたセンサに連結される。熱は検出器に沿ってセンサからパルス管冷却器に伝達され、該センサを所望の温度に保持する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これは、コールドフィンガーによってセンサが冷却され、冷却効率において大きな損失に至るという重大な欠点をもつ。特に、熱がコールドフィンガーのほぼ全長に沿って吸収され、従って、パルス管冷却器は、センサが作動温度に保持されることを保証するために、非常に多くの冷却力を備えなければならない。このことは２つの重大な影響を有する。
【０００５】
第１に、システムを作動させるために、より多くのエネルギーを必要とする。第２に、パルス管冷却器を駆動する圧縮機は、冷却力を得るため十分に大きな寸法で作られていなければならない。結果として、圧縮機を別々にパルス管ジェネレータに取り付けなければならない。これを達成するためには、圧縮機をパルス管に連結するのに、少なくとも１つの回転弁を必要とし、そのことは、効率において更なる損失をもたらすことになる。
パルス管ジェネレータを実施するためのシステムについての第２の例が日本国特開平６ー１０９３３９号公報に説明されている。この例においても、冷却されるセンサにパルス管冷凍機を連結するためにコールドフィンガーが用いられている。従って、ここでも、ＧＢ−Ａ−２３２５０４５に説明されているシステムに関して上述したものと同様の問題をもつことになる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、マイクロビーム装置内に配置された試料からのＸ線放射を検出するための検出システムが提供され、該検出システムは、
ａ．パルス管冷却器と、
ｂ．パルス管冷却器に連結された圧縮機と、
ｃ．パルス管冷却器に連結されたセンサと、
ｄ．パルス管冷却器センサを収めるハウジングと、
を備え、
パルス管冷却器と、センサと、ハウジングの少なくとも一部分とが、使用中にマイクロビーム装置内部に配置されるように十分に小さく、よって試料からのＸ線放射がセンサによって検出されることが可能となる。
【０００７】
本発明は、多くの利点を提供する。第１に、パルス管冷却器をハウジング内に配置することによって、該パルス管冷却器をマイクロビーム装置内に、典型的にはマイクロビーム装置の真空囲い内に挿入することができる。
第２に、センサ及びパルス管冷却器を互いにハウジング内に配置することは、該センサを所望の温度に保つため、該パルス管冷却器により必要とされる冷却効果を減少させる。このことは、システムの効率を向上させ、より小さい圧縮機を用られることを可能にする。そして、圧縮機を、該装置に、或いはハウジングにさえも取り付けることができ、よって圧縮機が床上に取り付けられた従来の配置とは完全に対照的に、冷却システムの効率が更に向上する。
【０００８】
序論において上述したように、センサを冷却するための従来の構成は、典型的には冷却器に約２ワットの熱負荷をかける。しかしながら、本発明は、パルス管冷却器をセンサと共にハウジング内に取り付けることにより、冷却力の要求を２ワットから約３００ミリワットまで減少させることが可能である。
ハウジングは、センサ及びパルス管冷却器を周囲から熱的に絶縁するようにされていることが好ましい。従って、センサ及び冷却器にかかる熱負荷を更に減少させるのを助けるため、研磨されたステンレス鋼のような銀メッキされた絶縁材料から、ハウジングを形成することができる。
【０００９】
しかしながら、典型的には、これは、パルス管冷却器とセンサをハウジング内部の真空中に保持することによって達成される。真空レベルは、典型的には、約１０^-6ミリバールの圧力において得られ、それによってセンサとパルス管から、ハウジングへの熱伝達が減少される。
【００１０】
検出システムにおいて許容可能なカウントレートを達成するため、センサを可能な限り試料に近づけて設置することが、通常は必要である。従って、検出システムがＳＥＭ上に取り付けられるときは、多量の熱を発生させる圧縮機をＳＥＭハウジングの外に配置し、ハウジングがＳＥＭに貫入するような構成にしなければならない。従って、ハウジングは、第１の端部と第２の端部を有する細長い外管を備え、センサが、窓に隣接する該第１の端部に配置されることが好ましい。このことにより、センサが許容可能なカウントレートを達成することが可能になる。
この状況において、パルス管冷却器もまた、センサに直接連結することができるように、第１の端部に通常は配置される。
【００１１】
パルス管冷却器は、通常は、センサが短い熱伝導性の継手を介して取り付けられた低温熱交換器を含む。センサを低温熱交換器に連結するために熱伝導性要素の長さを最小限にすることは、システムの冷却効率を増加させる。
パルス管冷却器は、典型的には、センサを１５０Ｋより下の温度まで、好ましくは１００Ｋより下の温度まで冷却するようにされており、もし多段式のパルス段冷却器として実行するならば、１Ｋより下の温度までセンサを冷却することができるであろう。
センサは超伝導のトンネル型センサ又はその他同種のものであってもよい。このように、この冷却システムは、ジョゼフソン接合及びジェーバー接合センサのようなセンサ、及び遷移縁部センサのようなマイクロ熱量計を用いることを可能にする。
【００１２】
手短に上述したように、この検出システムの重要な用途は、ＳＥＭと共に使用するものである。この場合において、ＳＥＭは、使用中に画像形成される試料が配置される試料チャンバを含む。この場合、ハウジングの第２の端部が、ＳＥＭ上に取り付けられた検出器に連結され、ハウジングは試料チャンバ内に延び、使用中に第1の端部が試料に隣接して配置される。別の場合には、試料は、例えば薄く被覆されたポリマの薄壁「テント」により、試料チャンバの残り部分から切り離すことができる。この「テント」は、試料及び入射する電子ビームの近傍の「きれいな」真空を、周辺検出器が挿入されるこの領域より外側の潜在的に「汚れた」真空から分離する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による検出システムの例を、添付の図面を参照して説明する。
図１に示すように、検出システムは、パルス管冷却器２に連結された従来形式のＸ線センサ１を含み、該パルス管冷却器２は、連続的連絡管４を介して圧縮機３に連結される。
【００１４】
パルス管冷却器２は、典型的には、オリフィス式パルス管冷却器であり、低温端熱交換器１２を介して互いに連結された再熱器１０及びパルス管１１を含む。パルス管は、高温端熱交換器１３に連結され、この熱交換器１３は、オリフィス１４に連結される。オリフィスは高温端熱交換器１３をリザーバ１６に連結するために用いられる。
パルス管冷却器２の動作は、低温部分に可動部を有しないスターリングサイクル冷却器におおよそ匹敵する。このことは、摩擦による磨耗がないために低温部分の寿命が無限であることを意味する。本質的に、低温部には振動が生じない。
【００１５】
使用中、圧縮機３はヘリウムのような作動気体を圧縮するために用いられる。圧縮された作動気体は、連続する連絡管４に沿って圧縮機３から圧縮機用熱交換器１７へ流れる。圧縮機用熱交換器１７は、パルス管冷却器がより効率的に作動できるように、圧縮機３内で作動気体を圧縮することによって生じる熱を矢印１８で図示されるように取り除く。
次いで、作動気体は、再熱器１０を通って流れ、この再熱器は、可能な限り高い潜在的冷却力をもってパルス管冷却器２の低温領域に気体を導く道を提供する熱交換器として働く。従って、再熱器１０は、熱をシステムに又はシステムから伝達するように作動するのではなく、代わりに圧縮サイクルの一部分において気体から熱を吸収し、後に続く部分で気体に熱を戻すものである。
【００１６】
再熱器１０を出た後の作動気体は、システムの最も低温部分を形成する低温熱交換器１２に入る。ここで、矢印１９に図示されるようにセンサ１から熱が吸収される。
その後、熱された作動気体は、パルス管１１に導かれ、該パルス管は、パルス管内の作動気体の圧力と流れとの間の位相関係を利用して、熱が低温端から中温端へ運ばれることを保証する。その後、運ばれた熱は、矢印２０に図示されるように、高温熱交換器１３によってシステムから取り除かれる。
オリフィス１４とリザーバ１６とパルス管１１とは共に作動して、パルス管１１の低温端において所望の位相変位が与えられることを保証し、よって低温熱交換器１２から高温熱交換器１３への熱伝達が可能になる。
【００１７】
図２に、センサ・システムの物理的配列の例がより詳細に図示される。
図示されるように、センサ１及びパルス管冷却器２は、約２５ｍｍの直径を有する支持外管５と、支持内管６とから形成されるハウジング内に取り付けられる。図示されるように、支持内管６は、支持外管５に対しほぼ同軸に取り付けられ、キャビティ７を定め、該キャビティは、使用中約１０^-6ミリバールのような真空レベルに近い圧力に保たれる。
【００１８】
外管５は、取り付け目的のための成形部分５ａを含む。
使用中、パルス管冷却器２及びセンサ１は、図示されるように、ハウジングの第１の端部において、キャビティ７内に配置される。センサ１は、該センサに衝突しかつ内管又は外管の材料に吸収されないＸ線の機会を増すように、窓８に隣接して位置決めされる。同じく図示されるように、十分な冷却を保証するため、センサ１もまた短い熱継手１Ａによってパルス管冷却器置２の低温熱交換器１２に連結される。
【００１９】
図２に図示されるように、支持内管６は領域９を形成し、該領域は、周囲空気に対して開かれ、パルス管冷却器２からハウジングの第２の端部まで延びる。使用中、連続する連絡管４は、パルス管冷却器２を圧縮機３に連結するため、支持内管６の内部を長さ方向に沿って位置する。
当業者には分かることであるが、支持内管６及び支持外管５は、周囲からの熱吸収を減少させるように、研磨したステンレス鋼のような熱的絶縁材料から形成される。パルス管冷却器２によって生成されるいかなる熱も、パルス管の熱継手３７（例えば、ヒートパイプ）に沿って運び出され、後に続くヒートシンク又はそれに代わる水冷却器のような熱交換器３８を介して周囲へ放熱される。
【００２０】
継手１Ａの長さを最小にすることによって、センサ１を所望の作動温度に保持するために必要とされる熱伝達量が減少される。このことは、この装置の効率を向上させ、より小さいパルス管冷却器２の使用を可能にし、ついで、より小さい圧縮機３の使用を可能にする。この結果、この検出システムは、走査電子顕微鏡などに取り付けるためにより適切なものとなる。
ハウジングは一部品として示されているが、複数の部分で作られてもよく、ＵＳ−Ａ−４８５１６８４において図示される配置と同様の方法で、一方の部分がパルス管冷却器を保持し、他方がセンサを保持するようにすることができる。
【００２１】
ＳＥＭに取り付けたときの検出システムの例が図３に図示される。図示されるように、ＳＥＭは、顕微鏡チャンバ３１内に取り付けられた電子コラム３０を含む。また、顕微鏡チャンバ３１内には、試料３２が取り付けられる。顕微鏡チャンバは必要に応じて真空状態に保たれる。
検出システムを所定位置に保つため、顕微鏡チャンバは、開口部３３内に配置された取付部３４を含む。取付部３４は、接手片３６によって検出器シャシ３５に連結される。取付部３４、接手片３６、及び検出器シャシ３５は、図示されるように配置されて検出システムを支持する。
【００２２】
従って、センサのハウジング（外管５は可視）は、取付部３４及び検出器シャシ３５に挿入され、窓８が顕微鏡チャンバ内部の試料３２に隣接する領域に配置されて、外管５が取付部３４によって支持される。図示されるように、試料３２から放出される追加のＸ線カウントレートを検出できるようにするため、窓８は該試料の方向へ向けられる。
【００２３】
支持外管５及び成形部分５ａは、検出器シャシ３５と協働して、検出システムを所定位置に固定する。
図示されるように、圧縮機３の寸法の減少により、圧縮機３を検出器シャシ３５へ取り付けることが可能となり、よって装置が内臓式のままであることが保証される。
圧縮機への入力の能動的電子制御、及び該圧縮機と検出器シャシ３５との間の可撓性のある取付体３９の組合せによって、圧縮機からの振動抑制を達成することができる。
【００２４】
更に別の構成において、マイクロビーム装置がＸ線分析に使用されていないとき、振動を減らし、マイクロビーム装置の画像処理性能を向上させるために、冷却器を低い出力で作動させることができる。この低出力の「待機」モードで作動することによって、再び全出力が適用されるとき、必要とされる作動温度まで検出器を冷却する時間が、全出力が取り除かれた場合に比べて大幅に少ないものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】検出システムの要素の概念図である。
【図２】図１に示される検出システムの概略側面図である。
【図３】図２の検出システムをＳＥＭに取り付けた状態の例である。
【符号の説明】
１ センサ
２ パルス管冷却器
３ 圧縮機
５、６ ハウジング
８ 窓
３１ 試料チャンバ
３２ 試料
３５ 検出器シャシ

Claims (17)

1. マイクロビーム装置内に配置された試料からのＸ線放射を検出するための検出システムであって、
   ａ．パルス管冷却器と、
   ｂ．前記パルス管冷却器に連結された圧縮機と、
   ｃ．前記パルス管冷却器に連結されたセンサと、
   ｄ．前記パルス管冷却器及び前記センサを収めるハウジングと、
   を備え、
   前記圧縮機が前記ハウジングに取り付けられており、
   前記パルス管冷却器と、前記センサと、前記ハウジングの少なくとも一部分とが、使用中にマイクロビーム装置内に配置されるように十分に小さく、前記センサによって試料からのＸ線放射を検出することが可能であることを特徴とする検出システム。
2. 前記圧縮機が、可撓性のある取り付け体によって前記ハウジングに取り付けられている特徴とする請求項１に記載の検出システム。
3. 前記ハウジングが第１及び第２の端部を有する細長い外管を備え、前記センサが、窓に隣接して該第１の端部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の検出システム。
4. 前記パルス管冷却器が前記第１の端部に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の検出システム。
5. 前記検出システムが、前記パルス管冷却器から熱エネルギーを放散させるために、パルス管熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の検出システム。
6. 前記パルス管熱交換器が、熱伝導コネクタによって前記パルス管冷却器に連結されており、使用中に前記パルス管熱交換器がマイクロビーム装置の外に配置されることを特徴とする請求項５に記載の検出システム。
7. 使用中マイクロビーム装置内に配置される前記ハウジングの部分の最大外径が３５ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の検出システム。
8. 使用中マイクロビーム装置内に配置される前記ハウジングの部分の最大外径が２５ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の検出システム。
9. 前記ハウジングが、前記センサ及び前記パルス管冷却器を周囲から熱的に絶縁するようにされていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の検出システム。
10. 前記パルス管冷却器及び前記センサが、前記ハウジング内で真空中に保持されることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の検出システム。
11. 前記パルス管冷却器が低温熱交換器を含み、前記センサが該低温熱交換器に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の検出システム。
12. 前記ハウジングが２つの部分から形成されており、一方が前記センサを含み、他方が前記パルス管冷却器を含むことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の検出システム。
13. 前記パルス管冷却器が、前記センサを１５０Ｋより下の温度まで冷却するようにされていることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の検出システム。
14. 前記パルス管冷却器が、前記センサを１１０Ｋより下の温度まで冷却するようにされていることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の検出システム。
15. 前記センサが、超伝導トンネル接合型センサ又はＴＥＳ（遷移縁部センサ）であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の検出システム。
16. 請求項１から請求項１５までのいずれか1項に記載の検出システムにおける前記ハウジングが内部に挿入される真空ポートを有するマイクロビーム装置。
17. 前記マイクロビーム装置が、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）及び欠陥解析ツール（ＤＲＴｓ）のうちの一つであることを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の検出システム。

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