JP4553701B2 - 荷電粒子ビーム装置の高電圧発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を加速するための加速電圧を発生させる高電圧発生装置に係わり、特にそのノイズを低減させる改良技術に関する。

試料に加速された電子線を照射して観察や分析を行う電子光学機器として、透形電子顕微鏡や走査形電子顕微鏡が有るが、とりわけ透過形電子顕微鏡（以下電子顕微鏡）は極めて高い空間分解能を持つことから、極微小領域の材料評価に広く利用されている。電子顕微鏡は薄膜化した試料を透過する電子のコントラスト像を観察したり回折図形を取得するため、試料に照射する電子ビームの加速電圧は通常100ｋＶ以上の高電圧となっている。このような電子顕微鏡に使用する電子銃の電源の構成例を図１に示す。

図１において、電子銃11は電子源となるフィラメント12とフィラメント12から電子を引き出す引出電極13と電子を加速する加速電極14で構成されている。フィラメントに与える高電圧は、コッククロフトウォルトン回路（以下CCW回路）2を中心とする加速電圧発生回路１により発生させられる。交流電源4からの交流電圧は昇圧トランス３により昇圧され、多段の整流素子とコンデンサよりなるCCW回路2により昇圧整流される。CCW回路2より発生する高電圧は、フィルタ抵抗５を介してフィルタコンデンサC1〜C3及びこれらと並列接続された抵抗などからなるフィルタ回路に送られる。フィルタ回路により平滑化された出力は、電力伝送回路7中の高耐圧伝送用トランスT1〜T5と整流/平滑直流電源回路9を介して、電子銃制御用回路へ高電圧が伝送される。

伝送される高電圧に対する伝送ノイズの影響を小さくするためのシールド板Ｓが加速電圧発生回路１と電力伝送回路7との間に配置されている。また、電子銃制御用回路8と整流/平滑直流電源回路9もノイズの影響を軽減するためにシールドケース10でシールドされ、シールドケース10はシールドポイントＳで高電位に接続されている。

ところで、高耐圧伝送用トランスT1〜T5とシールド板Ｓとの間には図2に示すような結合容量電流が生じる。ただし、図２ではあたかも交流電源とコンデンサを持つ回路を結合容量電流が流れるように示しているが、これは仮想的な回路に置き換えたものであって実在するわけではない。この結合容量電流の流れを等価回路に置き換えて表したものが図３である。加速電圧発生回路１に相当する部分を、抵抗Roと電源HTに置き換えている。抵抗Roは加速電圧発生回路１の総合的な出力インピーダンスである。抵抗RFはフィルタ抵抗5に相当している。抵抗R1〜R3は加速電圧発生回路１と接地されていない高耐圧伝送用トランスとの間の総合的な抵抗を表している。

上記したように、電子銃制御回路8と整流/平滑直流電源回路9は、シールドケース10のシールドポイントＳが加速電圧と同電位になっているため、図2に示されるような容量結合電流が生じても加速電圧に影響は与えない。しかし電力伝送回路7は接地されているため、高耐圧伝送用トランスT1〜T5とシールド板6との間との間に発生した容量結合電流は、図３の等価回路に示されるようにキルヒホフの法則に従い、トランスを囲んで配置されている電気回路やその他の構造物を経由して、発生源すなわち接地されていない高耐圧伝送用トランスに必ず戻ってくる。このため、交流電源を平滑化することにより生ずるリップルの他に、容量結合電流と加速電源の出力インピーダンスとの関係で発生する変動やノイズが加速電源の出力に現われることになる。

加速電圧の安定性は電子顕微鏡の分解能を左右する大きな要因の一つであり、特に高分解能化が進んだ近年の電子顕微鏡ではより高い安定度が求められている。そのため、上述した加速電源の変動やノイズの要因を除去ないしはできる限り低減することが求められている。

特許第３３１０５０４号公報 公技２００３−５０１３８６号技報 公技９２−９２４０号技報

電子顕微鏡の分解能を左右する加速電圧の安定性に影響を及ぼす主な原因は、
（１）高圧電源自体の持つ揺らぎ、整流に起因するリップル。
（２）高電圧上で動作する回路への、電力伝送用トランスが発生するノイズ。
の２点である。

加速電圧発生回路1の出力インピーダンスを小さくすれば、加速電圧に現われる変動やノイズを原理的には小さくできるが、そのためには回路に使用するコンデンサ容量を10〜100倍程度大きくする必要がある。しかし、この要求に答える大きな容量を単体で持つ高電圧用コンデンサは存在しない。また、複数個のコンデンサを組み合わせて必要な容量を得ようとすると、多くのコンデンサが必要となり高電圧発生回路全体が極めて大きくなりすぎて実用的ではない。

加速電源の出力に現われる変動やノイズを低減する工夫は、例えば、特許文献１の特許第３３１０５０４号公報、非特許文献１の公技２００３−５０１３８６号技報、非特許文献２の公技９２−９２４０号技報において公開されている。

特許第３３１０５０４号公報においは、加速電源の高電圧に重畳する高周波から低周波までの変動成分を格段に除去する方法が開示されているが、電力伝送用トランスが発生するノイズの除去方法について言及したものではない。また、公技２００３−５０１３８６号技報において、電力伝送用トランスのシールドを強化する方法が提案されている。しかし、いくらトランスのシールドを強化しても電源供給にトランスを使用する限り、上記した容量結合電流を完全に無くすことはできない。また、シールドを強化しようとすると、物理的に大きなスペースを必要とするため電源ユニットが大きくなってしまうという問題がある。

また公技９２−９２４０号技報においては、加速電源に電力伝送用トランスを用いる替わりに太陽電池を利用する方法が提案されている。しかし、太陽電池は光によって起電力を生じる電池であるため、光源を用意して充分に光が当たるように太陽電池の取り付け位置や取り付け方法を決めなくてはならず、装置の設計にあたって面倒であるという問題がある。本発明は、これらの問題を解決して、容量結合電流による変動やノイズの影響を受けない直流電源を得ることのできる高電圧発生装置の提供を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明は、
加速電圧発生回路と、フィルタ抵抗及びコンデンサ及び高耐圧トランスを介して電力を伝送する電力伝送回路と、整流／平滑直流電源回路と、電子銃制御回路と、シールド板とから構成されている電子銃の電源であって、
充放電を行う電気素子と、前記充放電を行う電気素子の充電回路と、前記直流電源回路と前記充放電を行う電気素子との切替用リレーを高電圧上に備え、さらに伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチを接地電位の回路上に備え、
前記伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＮにしている時は、前記切替用リレーは前記電子銃制御回路と前記整流／平滑直流電源回路とが接続されるようになされ、前記整流／平滑直流電源回路から電子銃に電力が伝送され、前記充放電を行う電気素子が充電され、
前記伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＦＦにした時、前記切替用リレーは、前記電子銃制御回路と前記充放電を行う電気素子とが接続されるように切り替えられ、前記整流／平滑直流電源回路からの伝送を停止し、前記充放電を行う電気素子から前記電子銃に電力が供給されるように構成されている、ことを特徴とする。

また本発明は、前記充放電を行う電気素子は二次電池であることを特徴とする。
また本発明は、前記充放電を行う電気素子は電気二重層キャパシタであることを特徴とする。

本発明によれば、高電圧電源の供給のためのトランスを使用する従来回路の他に、二次電池または電気二重層キャパシタを使用する直流電源回路を付加し、前記従来回路と付加した直流電源回路との切替えを高電圧上に備えた切替用リレーで行うことにより、結合容量電流による変動やノイズの影響の無い加速電圧を得ることができるため、電子顕微鏡像の分解能を向上させることができる。

また、接地電位の回路上に配置した伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＮ／ＯＦＦさせ、電力伝送回路の出力をＯＮ／ＯＦＦするとともに、高電圧上に備えた切替用リレーを切り替えるようにしたので、前記従来回路と付加した直流電源回路との切り替えを簡単に行えるようになった。

次に、電子顕微鏡に使われる電子銃電源を例にとった本発明の実施の形態を、図４に基づいて説明する。
図４において、従来から有るトランスを使用した高電圧上の直流電源回路の他に、二次電池16、充電回路19、切替スイッチ17、切替用リレー18が追加されている。さらに接地電位の回路上に、伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチ15が追加されている。図４の例では二次電池を用いているが、替わりに例えば電気二重層キャパシタ等の充放電を行う電気素子を用いることができる。

通常の電子顕微鏡使用時は、伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチ15はＯＮ状態で使用する。この時、切替用リレー18により切替スイッチ17は、電子銃制御用回路8と整流／平滑直流電源回路9とが接続されるようになっている。そして整流／平滑直流電源回路9から電子銃に電力が伝送され、二次電池16は充電回路19によって充電される。

高分解能を必要とするデータの取得を行う場合に、操作者が伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＦＦすると、整流／平滑直流電源回路9からの伝送が停止され、同時に切替用リレー18により切替スイッチ17は、電子銃制御用回路8と二次電池16が接続するように切り替えられ、二次電池16から電子銃11に電力が供給されるようになる。

二次電池または電気二重層キャパシタ等の容量は目的に応じて選ぶ必要があるが、例えば電子顕微鏡において、高分解能電子顕微鏡像やエネルギーロススペクトルなどの高分解を必要とするデータの取得を行う場合に、必要とされる一回の測定時間は数分間なので、少なくともこれを満足する容量の二次電池または電気二重層キャパシタ等を選べばよい。

電子顕微鏡に使われている電子銃電源を例にとった従来構成例を示す図。 電子銃電源に生じる容量結合電流について説明するための図。 容量結合電流の等価回路について説明するための図。 本発明に係わる構成を示す電子銃電源の例を示す図。

符号の説明

各図において同一または同様の動作をするものには同じ番号を付す。
Ｓ：シールドポイント
C1〜C3：フィルタコンデンサ
T1〜T5：高耐圧伝送用トランス
１：加速電圧発生回路 11：電子銃
２：コッククロフトウォルトン回路 12：フィラメント
３：昇圧トランス 13：引出電極
４：交流電源 14：加速電極
５：フィルタ抵抗 15：伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
６：シールド板 16：二次電池
７：電力伝送回路 17：切替スイッチ
８：電子銃制御用回路 18：切替用リレー
９：整流／平滑直流電源回路 19：充電回路
10：シールドケース

Claims (3)

1. 加速電圧発生回路と、フィルタ抵抗及びコンデンサ及び高耐圧トランスを介して電力を伝送する電力伝送回路と、整流／平滑直流電源回路と、電子銃制御回路と、シールド板とから構成されている電子銃の電源であって、
   充放電を行う電気素子と、前記充放電を行う電気素子の充電回路と、前記直流電源回路と前記充放電を行う電気素子との切替用リレーを高電圧上に備え、さらに伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチを接地電位の回路上に備え、
   前記伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＮにしている時は、前記切替用リレーは前記電子銃制御回路と前記整流／平滑直流電源回路とが接続されるようになされ、前記整流／平滑直流電源回路から電子銃に電力が伝送され、前記充放電を行う電気素子が充電され、
   前記伝送ＯＮ／ＯＦＦスイッチをＯＦＦにした時、前記切替用リレーは、前記電子銃制御回路と前記充放電を行う電気素子とが接続されるように切り替えられ、前記整流／平滑直流電源回路からの伝送を停止し、前記充放電を行う電気素子から前記電子銃に電力が供給されるように構成されている、ことを特徴とする高電圧発生装置。
2. 前記充放電を行う電気素子は二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生装置。
3. 前記充放電を行う電気素子は電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生装置。
   

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