JP4940053B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に電子顕微鏡に用いられる電子銃に関する。

電子ビーム装置のように高い到達真空度と良質な真空が要求される装置の電子銃においては、本体の真空度を良好にするために電子銃の真空脱ガス（ベーキング）が行われる。このとき電子銃の熱的耐力や電子銃のメンテナンスなどの関係から、高電圧ケーブ部と本体である真空容器とは分離した構造をなし、両者を組立てて高電圧部を接続し一体化した構造とする。このような電子銃においては電源側と本体側とを電気的に接続する部分の絶縁耐力が重要となる。

絶縁耐力を高めるための従来技術として、例えば電源側と本体側を電気的に接続する空間を設けて沿面距離を大きくする方法がとられる。また、他の従来技術として、特許文献１に記載されているように、電源側と本体側を電気的に接続する空間にフッ素を主成分とする絶縁性液体を充填することが提案されている。さらに、一般の透過型電子顕微鏡の電子銃の耐圧向上のために、電子銃と電子銃を覆うハウジングの間にＳＦ₆ガスやフロンガスなどの絶縁性ガスを充填することも知られている。

特開２００２−２７０１２５号公報

従来技術において、高電圧接続部付近に空間を設けて沿面距離を大きくする方法は、所定の絶縁耐力を保持するのに十分な間隙寸法と沿面距離を必要とすることになり電子銃全体を小型化する上で障害となる。また、特許文献１の電源側と本体側を電気的に接続する空間にフッ素を主成分とする絶縁性液体を充填する方法は、フッ素を主成分とした絶縁性液体が揮発すると温室効果ガスとなるため、高電圧ケーブ部と本体である真空容器とを分離した際に、温室効果ガスが大気に放出され、自然環境に悪影響を与える可能性がある。そのため、フッ素を主成分とする絶縁性液体やＳＦ₆，フロンガスなどの絶縁性ガスは使用しない方がよい。

本発明は、超高真空容器を備える電子銃において、高電圧接続部の絶縁不良を抑制し、小型で信頼性の高い電子銃を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電源側と本体側を電気的に接続する接続空間に電界が集中しない様、高電圧ケーブルブッシングに円筒上のアース電位の金属プレートを挿入する構成とした。

本発明によれば、温室効果ガスのもととなるフッ素を主成分とする絶縁性液体や絶縁性ガスを使用しない場合でも、高電圧接続部の絶縁不良を抑制し、小型で信頼性の高い電子銃を得る事ができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

なお、一実施例として、電子線装置を用いて説明するが、他の荷電粒子線装置、例えば、イオン源が搭載されるイオン銃にも適用することができる。

従来の接続ブッシングと受電部を接続して高電圧に印加した状態における電位分布を図３に示す。接続ブッシング１１は高電圧ケーブル５−３を絶縁性樹脂２５で囲んだ円筒形状であり、受電部端子へ高電圧を供給する。受電部１２は、受電部碍子部と受電部金属部より構成される。受電部金属部２３はアース電位に接地され、受電部端子と受電部金属部２３の間を受電部碍子部２４で絶縁している。接続ブッシング１１の絶縁性樹脂２５と受電部金属部２３には１mm前後の間隙があり、空気あるいは絶縁性ガスで満たされている。一般に絶縁性樹脂の空気に対する比誘電率は例えば４以上あるので、等電位線２９は間隙部分に集中する。特に、受電部金属部２３と受電部碍子部２４の受電部接合部２６近傍の電界強度が最大になる場合が多い。

そこで本発明では、図４に示すように、接続ブッシング１１の絶縁性樹脂２５の外側に密着して、例えば円筒形状の導体シールド２７を設けることによって、電界集中を緩和することができる。この導体シールド２７により、受電部金属部２３と接続ブッシング１１との電位を等しくすることができる。さらに、この導体シールド２７を受電部接合部２６より受電部端子部側、すなわち受電部碍子部２４に対向する位置まで伸ばすことにより、受電部接合部の電界集中を著しく緩和することができる。

このような構成にすることによって、高電圧接続部の空間への電界集中を防ぎ、放電を抑制することができるため、沿面を広げたり、フッ素を主成分とする絶縁性液体や絶縁性ガスを充填しない場合でも、絶縁耐力を保持することができる。

図１は、本発明による電子銃の一実施例である電子線装置の概略構成図である。本例の電子線装置１は、電子銃２，真空容器３，真空排気装置４，高電圧電源部５を備える。真空容器３と真空排気装置４の間にはゲートバルブ７が設置されている。電子銃２は、電子源２−１，引出電極２−２，加速電極２−３を備える。電子源２−１は、高性能電子線装置には高輝度の電界放出電子源あるいはショットキー電子源が搭載されている。電子源２−１近傍を１０^-8Ｐａオーダの真空度に維持するため、電子銃２はイオンポンプ９によって排気されている。高電圧電源部５は、電子線加速用の高電圧発生装置５−１及び加速電圧制御部５−２を有し、高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂを介して電子源２−１に負の高電圧を給電し、高電圧ケーブル５−３ｃを介して引出電極２−２に正の高電圧を給電している。また、電界放出電子源に対しては、表面正常化のためのフラッシング処理，ショットキー電子源には常時加熱を行う必要から、５−３ａ，５−３ｂ間で電流を流せる構成となっている。したがって、電界放出電子源およびショットキー電子源搭載時には、一般には３芯以上の高圧ケーブルを導入する必要がある。

電子源２−１には加速電圧Ｖ０が印加され、加速電極２−３は接地されている。電子源２−１と引出電極２−２には引出電圧Ｖ１が印加され、引き出し電圧Ｖ１によって電子源２−１から引き出された電子線６は加速電極２−３で加速電圧Ｖ０まで加速され、下流に照射される。この電子線装置１に、電子線照射試料からの信号を検出する信号検出系と照射電子線をレンズで細く絞り、電子線を偏向制御して試料に照射する機能を付加すると、電子線装置を構成することができる。

図２は本発明による電子銃の高電圧接続部の断面図を示した図である。

真空容器３には、図示しない真空脱ガス用のヒータが設けられ、ヒータによって真空容器３を加熱しながら真空排気することにより１０^-8Ｐａオーダの真空度を達成する。なお、真空容器３にヒータを設けず、他の手段で真空容器３を加熱しながら真空排気してもよい。高電圧発生装置５−１から発生された高電圧は、高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂを介して送電側の接続ブッシング１１のブッシング端子２１に印加され、さらに密着接続される受電部１２の受電側フランジ端子２２に印加され、図１の電子源２−１および引出電極２−２へと導かれる。受電部１２の上部は受電部金属部２３からなり、接地電位にある。受電部金属部２３はベローズ１４を介して電子銃フランジ１５と接続されており、受電部全体が横方向に可動な構造となっており、アラインメント機構１６により、受電部１２に接続されている電子源２−１の軸調整が可能となっている。

受電部１２の下部は受電部碍子部２４からなり、受電部金属部２３の接地電位とブッシング端子２１ないし受電側フランジ端子２２の印加高電圧を絶縁する。高電圧はブッシング端子２１ないし受電側フランジ端子２２と受電部金属部２３との間に印加される。

送電側の接続ブッシング１１と受電部１２間には１mm前後の間隙部がある。その間隙部を密閉構造にして絶縁性物質を充填しても良いが、本実施例では、密閉構造とせず空気が満たされていても十分高電圧に耐えうる構造となっている。

受電装置に高電圧を供給する高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂ，５−３ｃは、接続ブッシング１１内の絶縁性樹脂２５により保持されている。接続ブッシング１１外の高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂ，５−３ｃは、また絶縁性物質で覆われたシールドケーブルに包まれており、シールドケーブルのシールド部分は受電部金属部２３と接続させることでアース電位に接地されている。

接続ブッシング１１は、真空容器３に設けられる受電部１２に取り外し自在に嵌め込まれる。接続ブッシング１１に設けられ、高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂ，５−３ｃに接続されているブッシング端子２１と、受電部１２に設けられ受電装置に電気を導く受電側フランジ端子２２は、脱着自在に接続される。この脱着自在なる接続は、接続ブッシング１１の受電装置への取り外しに際して行われる。

本発明では、図４にて説明したように、接続ブッシング１１の絶縁性樹脂２５の外側に密着して、接地された導体シールド２７を設けることによって、電子銃内の電界集中を緩和することができる。ここで、この絶縁性樹脂２５と導体シールド２７の間に間隙ができると間隙部に電界が集中してしまうので、導体シールド２７に絶縁性樹脂２５を隙間なく流し込むことが必要である。

導体シールド２７の接地は、シールドケーブルのシールド部分に接触させるか、受電部金属部に直接、あるいは他の金属部品を介して間接接触するかして、行うことができる。

この接地された導体シールド２７により、接地された受電部金属部２３と接続ブッシング１１との電位差を等しくすることができる。さらに、この導体シールド２７を受電部接合部２６より受電側フランジ端子２２側、すなわち受電部碍子部２４に対向する位置まで伸ばすことにより、受電部接合部２６の電界集中を著しく緩和することができる。

この導体シールド２７の下面の最適な位置は絶縁性樹脂２５で固定された高電圧ケーブルの実装状態に依存するので一義的には決定できないが、事前の高電圧ケーブル配置を考慮に入れた電界計算により最大電界強度が小さくなるように、受電部接合部２６の高さと受電側フランジ端子２２の高さの間で、最適になるように配置される。

以上のような構成の電子銃を実現することにより、従来安定な電圧印加が困難であった加速電圧３０ｋＶを越える電子銃でも安定に動作させることが可能になる。

本発明による一実施例である電子線装置の概略構成図。 本発明による電子線装置の高電圧接続部の断面図。 従来の接続ブッシングと受電部近傍の電位分布を示す図。 本発明の接続ブッシングと受電部近傍の電位分布を示す図。

符号の説明

１ 電子線装置
２ 電子銃
２−１ 電子源
２−２ 引出電極
２−３ 加速電極
３ 真空容器
４ 真空排気装置
５ 高圧電源部
５−１ 高電圧発生装置
５−２ 加速電圧制御部
５−３，５−３ａ，５−３ｂ，５−３ｃ 高電圧ケーブル
６ 電子線
７ ゲートバルブ
９ イオンポンプ
１０ ヒータ
１１ 接続ブッシング
１２ 受電部
１４ ベローズ
１５ 電子銃フランジ
１６ アラインメント機構
２１ ブッシング端子
２２ 受電側フランジ端子
２３ 受電部金属部
２４ 受電部碍子部
２５ 絶縁性樹脂
２６ 受電部接合部
２７ 導体シールド
２８ シールドケーブル
２９ 等電位線

Claims (1)

1. 電子銃が内置される真空容器と、
   前記電子銃に電圧を給電するケーブルを絶縁性樹脂で囲んだ、接続ブッシングと、
   前記真空容器に設けられ、前記接続ブッシングが接続される受電部を有する電子線装置において、
   前記接続ブッシングの前記絶縁性樹脂の外周部であって、前記受電部を構成する金属部に対向するように、接地された導体を設け、
   前記受電部は、接地電位にある金属部と、前記ケーブルが接続される受電端子と前記金属部とを絶縁する碍子部と、を有し、
   前記導体は、前記ケーブルのうち、前記碍子部と前記金属部との接触部に対向する部分より前記受電端子側まで及ぶように配置されることを特徴とする電子線装置。

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