JP5959326B2

JP5959326B2 - 荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子線装置、高電圧発生装置、および高電位装置

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Publication number: JP5959326B2
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Description

本発明は、高電圧装置を絶縁する技術に関し、詳細には、この技術を応用した荷電粒子ビーム発生装置、荷電粒子線装置、高電圧発生装置、および高電位装置に関する。

荷電粒子線装置は、電子や陽イオンなどの電荷をもつ粒子（荷電粒子）を電界で加速し、試料に照射する装置である。荷電粒子線装置は、試料と荷電粒子との相互作用を利用して、試料の観察、分析、加工などを行う。荷電粒子線装置の例として、電子顕微鏡、電子線描画装置、イオン加工装置、イオン顕微鏡などが挙げられる。これら荷電粒子線装置の中において、電子顕微鏡は、電子を試料に照射し、電子と試料との相互作用を信号として検出することで微細構造の観察や構成元素の分析を行う装置である。以下、電子顕微鏡について述べる。

電子顕微鏡は、マイナスの高圧電位を用いた電子加速機構を備えることが多い。電子顕微鏡は、真空中に遊離電子を発生させる電子源を備える。電子顕微鏡は、電子源からの遊離電子を電位差により加速することで、一定の運動エネルギーをもった多数の電子の束（電子線）を生成する。多くの電子顕微鏡では電子線を得るために、電子源をマイナスの高圧電位をもつ陰極に置き、陽極を接地電位とする構造を採用している。陰極と陽極との間にある電位差により、電子は所望のエネルギーに加速され電子線となる。電子顕微鏡の中で、この電子線を発生する部分を電子銃と呼んでいる。多くの電子顕微鏡において、電子銃が発生する電子線のエネルギーは、電子銃の電子源部分の高圧電位に一致する。

電子顕微鏡としては、走査型電子顕微鏡や走査透過型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡などがある。走査型電子顕微鏡は、試料表面からの二次電子ないし反射電子等を利用する装置であり、必要な電子線のエネルギーは最大でおよそ３０ｋＶである。

これに対して、走査透過型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡は、試料を透過しあるいは試料内で散乱された電子を観測する装置であり、必要とする電子線のエネルギーは主に１００ｋＶ以上である。上で述べたとおり、多くの電子顕微鏡では、電子線のエネルギーを電子源部の高圧電位によって与える構造をとる。そのため、より高い電子線エネルギーを必要とする電子顕微鏡では、電子源部の高圧電位を周囲の接地電位部から絶縁し、安定に維持する構造が必要となる。

そこで、１００ｋＶを越える加速電圧を持つ電子銃においては、多くの場合、加速管構造が採用されている。加速管構造では、マイナスの高圧電位に保たれる電子源部（陰極）と、電子線の出口であり接地電位をとる陽極との間に、絶縁物の管と金属の環を交互に積層した構造（加速管）を組み込んでいる。ここで、一本の絶縁物管で直接、電子源部と陽極とをつなぐのではなく、加速管構造をとるのは以下の理由による。長い絶縁物の両端に電位差がある場合、等電位線が両端の電極の間、絶縁物上になめらかに分布するのではなく、長い絶縁物のどちらかの端に近い部分に等電位線の間隔のせまい部分（電界集中部）ができる。高電圧を印加したとき、この電界集中部分で絶縁破壊を起こすことがある。そこで、加速管構造では絶縁物管と中間電極との積層構造とし、さらに、中間電極にはブリーダー抵抗を用いて強制的に電子源と接地電位の中間の電位を持たせる。結果として、絶縁物管は、絶縁物管両端の電極間を絶縁する機能を果たせばよくなり、高電位部を安定に維持することができる。

次に、加速管構造の絶縁について考える。例えば、加速管は、周囲の接地電位部分との間に、例えば、最大２００ｋＶの電位差が存在する。この電位差によって、加速管の高電位部と容器の接地電位部分との間の空間に放電が起きるおそれがあり、電子銃には、この電位差を安定に維持する機能（絶縁部）が求められている。

特許文献１は、加速管の周囲を金属製の容器で囲む構造を開示している。特許文献１では、加速管周辺に金属製の容器を設け、これを接地電位としている。特許文献１では、加速管の高電位部と容器の接地電位部分との間の空間に放電が起きることを防ぐために、容器内に絶縁性ガスまたは絶縁性液体を充填する。これにより、電位差のある電極間で放電が生じるのを防いでいる。

特開２００６−２１６３９６号公報

特許文献１では、絶縁性ガスや絶縁性液体（以下、「絶縁物質」と記す）を用いているが、絶縁物質は、電子銃装置の小型化、軽量化、価格の低廉化のために、できるだけ絶縁性能が高いものがよい。絶縁性ガスとしては、例えば、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）が用いられることがある。また、絶縁性液体としては、なたね油、フッ素系不活性液体などが用いられることがある。これらの絶縁物質は、優れた絶縁性能を持つが、その一方で、ＳＦ_６は地球温暖化ガスであり、使用量の制限が求められている。しかしながら、ＳＦ_６よりも環境にやさしく、かつ優れた絶縁性能を持つ絶縁性ガスはほとんど存在しない。したがって、絶縁性ガスを使用しない、または絶縁性ガスの使用量を減らすことができる構造が必要となる。

なたね油などの絶縁性液体の場合、気泡が存在すると絶縁性能が低下するため、装置を開閉することが難しくなる。したがって、電子銃のような、定期的に分解メンテナンスが必要となる装置での使用は困難である。また、絶縁性液体の代替として、加速管周辺に樹脂のような絶縁性固体を充填する方法がある。絶縁性固体は、一般的に、絶縁性ガスや絶縁性液体よりも絶縁性能がよいが、絶縁性固体は一度充填して固化すると、分解、メンテナンスはほとんど不可能である。

なお、電子銃以外にも、高電圧装置の中には、装置の高電位となる部分と、接地電位となる部分との間に多段の積層された電極列を備え、電極列に順次中間の電位が持たされている装置が数多く存在する。この構造をとる装置の例としては、コッククロフト・ウォルトン型、バンデグラフ型などの高電圧発生装置、粒子加速器の静電加速管などがある。これら高電圧装置についても、高電位になる部分全体を周囲の接地電位の容器から絶縁するという技術的課題は共通している。したがって、これらの高電圧装置についても、絶縁性ガスや絶縁性液体を使用する場合には、上述の課題が生じる。

本発明は、高電圧装置において気体または液体の絶縁物質を使用しない、またはこれらの使用量を減らしつつ、メンテナンス性も向上させることができる技術を提供する。

本発明によれば、荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷電粒子の照射方向に沿って配置された複数の第１の電極と、前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、を備え、前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、前記複数の第２の電極の少なくとも１つが、前記複数の第１の電極の少なくとも１つに電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になる荷電粒子ビーム発生装置が提供される。さらに、本発明によれば、上述した荷電粒子ビーム発生装置を備える荷電粒子線装置が提供される。

また、本発明によれば、接地電位面上に積層された複数の第１の電極と、前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、を備え、前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、前記複数の第２の電極の少なくとも１つが、前記複数の第１の電極の少なくとも１つに電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になる高電圧発生装置が提供される。さらに、本発明によれば、上述した高電圧発生装置を備える荷電粒子線装置が提供される。

また、本発明によれば、高電位が生じる高電位部と、前記高電位部と接地電位面との間に配置された少なくとも１つの第１の電極と、前記高電位部および前記第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、を備え、前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、前記ハウジングが、前記接地電位面から前記高電位部に至るまでの所定の電位間隔に対応して配置された複数の第２の電極を備え、前記複数の電極の少なくとも１つが、前記第１の電極に電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、前記所定の電位間隔における各電位と同じ電位になる高電位装置が提供される。

本発明によれば、高電圧装置において、気体または液体の絶縁物質を使用しないか、または使用量を減らすことが可能となり、メンテナンス性も向上する。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態による電子銃を備える電子顕微鏡の概念図である。本発明の第１実施形態による加速管構造を備えた電子銃の横断面図である。本発明の第１実施形態による加速管構造の等電位面図である。従来構造である金属製ハウジングを採用した加速管構造の等電位面図である。本発明の第２実施形態による電子銃を備える電子顕微鏡の概念図である。本発明の第３実施形態による高電圧発生装置の横断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、荷電粒子線装置の例として、本発明の第１実施形態である電子銃を備える電子顕微鏡の概念図を示す。なお、本発明は、電子顕微鏡に限らず、荷電粒子源から放出された電子や陽イオンなどの電荷をもつ粒子（荷電粒子）を電界で加速し、試料に照射する他の荷電粒子線装置に適用することが可能である。例えば、電子線描画装置、イオン加工装置、イオン顕微鏡などである。

図１に示すように、電子顕微鏡は、電子銃１と、電子光学系２と、試料ホルダ３と、検出器４と、電源部５と、計測部６と、制御装置７とを備える。電子銃１は、電子源１１と、ハウジング１３と、加速管１４と、真空排気装置１５と、電源５１とを備える。電源５１は、電子源１１に高圧電位を供給するものである。加速管１４は、電子銃１からの電子の照射方向に沿って設けられている。また、加速管１４の周囲には、ハウジング１３が設けられており、ハウジング１３は、電子源１１の持つ高圧電位と周囲とを絶縁している。また、真空排気装置１５は、電子銃１の内部を真空に排気するものである。このような構成により、電子銃１は、電子源１１から電子を放出し、加速管１４を通じて電子を加速することによって電子線１０を発生させる。

電子光学系２は、電子線１０を収束、偏向させ、試料３１に照射する。また、試料ホルダ３は、試料３１を保持するものであり、必要に応じて移動、傾斜、および試料の交換などを行うためのものである。検出器４は、試料３１から発生した二次電子、反射電子、透過電子、散乱電子、Ｘ線等を検出する。電源部５は、電子光学系２、試料ホルダ３、検出器４に電源を供給する。例えば、電源部５は、電子光学系２に電源を供給するとともに、出力を調整し、電子線１０をオペレーターが要求する状態に制御する。なお、電子光学系２は、真空排気装置２１を備えており、電子光学系２の内部を真空に排気している。

また、計測部６は、検出器４からの情報をデジタル信号に変換する。制御装置７は、コンピュータなどの情報処理装置によって構成されている。制御装置７は、ＣＰＵ（図示せず：演算部またはプロセッサともいう）と、メモリやＨＤＤ、ＲＯＭなどの記憶装置（図示せず）と、キーボードやディスプレイなどの入出力装置（図示せず）と、電子顕微鏡の各構成要素と通信する通信部（図示せず）とを有する。制御装置７は、電源部５を通して電子銃１および電子光学系２を制御するとともに、計測部６からの情報を処理し、オペレーターに見える形で入出力装置に表示し、または記憶装置に記録する。

図２は、本発明の実施形態による加速管を備えた電子銃の横断面図を示す。図２では、図１と同じ要素は同じ番号で表示されている。電子銃１は、電子線１０を軸とする概略軸対称の構造を有する。電子銃１は、電子源１１からの電子の照射方向に沿って配置された複数の電極（１２１、１２２、１２３、１２４）と、複数の電極の間に配置された複数の絶縁物管（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）とを備える。複数の電極（１２１、１２２、１２３、１２４）と複数の絶縁物管（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）とは、電子源１１と、接地電位を持つ陽極１２５との間に交互に積層されている。この積層された構造全体を加速管構造と呼ぶ。この加速管構造の両端は、電子源１１と概略同電位を持つ陰極１２０と、陽極１２５である。

陰極１２０と陽極１２５との間に積層された電極（１２１、１２２、１２３、１２４）は、それぞれ、中間電極と呼ばれている。陰極１２０、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）、および陽極１２５は、互いに抵抗器（１３０、１３１、１３２、１３３、１３４）によって接続されている。抵抗器（１３０、１３１、１３２、１３３、１３４）には、陰極１２０と陽極１２５との電位に応じた電流が常時流れる。そのため、抵抗器（１３０、１３１、１３２、１３３、１３４）が、ブリーダー抵抗として機能し、中間電極である電極（１２１、１２２、１２３、１２４）の電位を等間隔に分割して維持する。例えば、電子線加速電圧が２００ｋＶの電子銃において、４個の中間電極（１２１、１２２、１２３、１２４）を持つ構造を考えると、両端の陰極１２０および陽極１２５を含めて６つの電極に与えられる電位は、それぞれ、−２００ｋＶ、−１６０ｋＶ、−１２０ｋＶ、−８０ｋＶ、−４０ｋＶ、０ｋＶとなる。

電子銃１において、加速管構造の内部は、真空排気装置１５によって真空に保たれ、電子源１１から発生した電子線１０の通路となる。積層された電極（１２１、１２２、１２３、１２４）は、通過する電子線１０に電位差によるエネルギーを与える中間電極として機能する。電子源１１から発生した電子線１０は、中間電極の持つ電位により、陽極１２５まで順次加速管構造内を加速されることになる。

本実施形態において、加速管構造の周囲は、ハウジング１３によって囲われている。本実施形態の特徴として、ハウジング１３は、絶縁性の固体材料、例えば、絶縁性能の高い樹脂で形成されている。なお、樹脂としては、エポキシなど一般的な樹脂を用いることができる。ハウジング１３の外側表面１６には、導電性ペイントが塗布され、接地電位となっている。ここで、樹脂製のハウジング１３の内側面には、ハウジング内陰極１１０、および複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）が設けられている。ハウジング内陰極１１０は、電子線１０の直交方向において、陰極１２０と対向する位置に設けられている。また、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）は、それぞれ、電子線１０の直交方向において、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）と対向する位置に設けられている。

本実施形態では、ハウジング内陰極１１０が、陰極１２０に対応しており、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）は、それぞれ、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）に対応している。ここで、対応する電極同士は、ハウジング１３を加速管構造の周囲に取付けた状態で、金属製バネなどの接続手段（１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）によって互いに接続される。すなわち、ハウジング１３を加速管構造の周囲に取り付けると、陰極１２０とハウジング内陰極１１０が、互いに電気的に接続され、同電位となる。また、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）とハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）が、互いに電気的に接続され、対応する電極同士が同電位となる。また、この構成によれば、樹脂製のハウジング１３の部分が、等電位線の間隔のせまい部分（電界集中部）になり、空間１２で低電界となる。したがって、絶縁破壊電界特性が高い樹脂によって、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位面との間で放電が起きることを防ぐことができる。しかも、樹脂は、真空やガスや液体に比べ、一般に絶縁破壊電界の高い物質である。したがって、真空や絶縁性ガス、絶縁性液体で絶縁を行う場合と比べ、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位面との間の距離を短くして、全体の構造を小さくすることができる。

なお、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位面との間で放電が起きることを防ぐという点においては、ハウジング１３の接地電位面（この実施形態では、ハウジング１３の外側表面１６）とハウジング内陰極および電極（１１０、１１１、１１２、１１３、１１４）との間の空間が樹脂で満たされていればよい。すなわち、ハウジング内陰極および電極（１１０、１１１、１１２、１１３、１１４）は、ハウジング１３内に完全に埋め込まれる必要はなく、一部露出していてもよい。例えば、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）における接続手段（１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）との接続箇所などは露出していてもよい。

また、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）は、それぞれ、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）と対向する位置に設けられているが、この構成に限定されない。電極（１１１、１１２、１１３、１１４）を必ずしも対向する位置に設ける必要はなく、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）が、それぞれ、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）に近接する位置に配置されていればよい。

図３は、本実施形態で電子銃に高電圧を印加したときの等電位線を示す。図３の例では、陰極１２０を２００ｋＶ、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）、すなわち、中間電極を１６０ｋＶ、１２０ｋＶ、８０ｋＶ、４０ｋＶに固定して、１０ｋＶ毎の等電位線位置を計算により求めたものである。
陰極１２０とハウジング内陰極１１０を同電位とし、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）とハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）の対応する電極同士を同電位にすると、図３に示すように、等電位線は、ハウジング１３の樹脂部内で幅が狭く、ハウジング１３と加速管構造との間の空間１２の部分で間隔が広くなる。すなわち、ハウジング１３内に電極（ハウジング内電極およびハウジング内陰極）を有する構造をとると、ハウジング１３の樹脂部分で高電界となり、空間１２で低電界となる。ハウジング１３と加速管構造との間の空間１２は、真空とするか、または大気、絶縁性ガスなどを封入する。

本実施形態では、図３に示すように、ハウジング１３と加速管構造との間の空間１２には弱い電界が存在するだけなので、この空間１２には絶縁性ガス等の絶縁物質を使用しなくてもよい。または、絶縁性ガス等を使用する場合も、その量を減らすことができる。さらに、空間１２は、樹脂製のハウジング１３と加速管構造との間の隙間であるので、この隙間を利用して、ハウジング１３の取り外しや、再取り付け、電子銃内部のメンテナンスなどを容易に行うことが可能となる。

図４は、本実施形態との比較として、樹脂を使用していない金属製のハウジングを備える電子銃に高電圧を印加したときの等電位線を示す。図４の電子銃では、等電位線は、金属製のハウジング４０と、陰極１２０や電極１２１、１２２、１２３、１２４との間の空間に比較的一様に分布する。加速管構造とハウジング４０との間の空間４１には、図３と比べて等電位線の間隔が狭くなっている。これは、空間４１に強い電界が存在することを意味する。強い電界による絶縁破壊に抗するため、空間４１には絶縁性ガスや絶縁性液体等の絶縁物質を封入する必要がある。ここで、加速管構造の高電位部とハウジング４０の接地電位との間の空間に放電が起きることを防ぐためには、空間４１を広くとりつつ、絶縁性ガスや絶縁性液体等の絶縁物質を封入する必要がある。したがって、図４の従来の金属製のハウジングの構造では、空間４１を広くとるために電子銃の全体のサイズも大きくなり、絶縁性ガスや絶縁性液体等の絶縁物質の量も多くなるという課題がある。
これに対して、本発明によれば、上述したように、絶縁性ガスまたは絶縁性液体を使用しない、または絶縁性ガスの使用量を減らすことができる。しかも、樹脂は、真空や絶縁性ガス、絶縁性液体に比べて、一般に絶縁破壊電界の高い物質である。したがって、ハウジングの接地電位面と加速管構造との間の空間を狭く設計しつつ、その空間に樹脂製のハウジングを設けることによって、放電を防ぐとともに、電子銃の全体の構造を小さくすることができる。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態による加速管構造を備えた電子銃の横断面図を示す。図５においては、図２と同じ要素には同じ番号を付して、説明を省略する。

図５に示すように、樹脂製のハウジング１３の内側面には、ハウジング内陰極１１０、および複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）が設けられている。図２の実施形態との違いは、ハウジング内陰極１１０と、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）とが、それぞれ、抵抗器（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４）によって接続されている点である。図５の実施形態では、接地電位に対して最も電位差が大きい位置にあるハウジング内陰極１１０が、金属製バネなどの接続手段１５０によって陰極１２０に接続されている。

ここで、抵抗器（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４）の抵抗は、互いに対向する電極同士が同電位になるように設定する。例えば、図５の例において、陰極１２０、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）、および陽極１２５に与えられる電位を、それぞれ、−２００ｋＶ、−１６０ｋＶ、−１２０ｋＶ、−８０ｋＶ、−４０ｋＶ、０ｋＶとする。抵抗器１４０の抵抗は、ハウジング内電極１１１の電位が、対向する電極１２１の電位（−１６０ｋＶ）と同じとなるように設定する。同様に、残りの抵抗器（１４１、１４２、１４３、１４４）の抵抗に関しても、各ハウジング内電極（１１２、１１３、１１４）の電位が、対向する電極（１２２、１２３、１２４）の電位と同じになるように設定する。

この構成によれば、陰極１２０とハウジング内陰極１１０が同電位となり、電極（１２１、１２２、１２３、１２４）とハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）の対応する電極同士が同電位になる。したがって、図３で示したのと同様に、樹脂製のハウジング１３の部分が、等電位線の間隔のせまい部分（電界集中部）になり、空間１２で低電界となる。したがって、絶縁破壊電界特性が高い樹脂によって、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位との間の空間に放電が起きることを防ぐことができる。しかも、樹脂は、真空やガスや液体に比べ、一般に絶縁破壊電界の高い物質であるから、絶縁性ガスや絶縁性液体で絶縁を行う場合と比べ、全体の構造を小さくすることができる。

なお、本実施例では、接地電位に対して最も電位差が大きい位置にあるハウジング内陰極１１０が、接続手段１５０によって対向する陰極１２０に接続されているが、この構成に限定されない。例えば、ハウジング内陰極１１０および複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）のうちのいくつかの電極（すなわち、複数の電極）を、それぞれ、陰極１２０および電極（１２１、１２２、１２３、１２４）のうち対向する電極に接続し、対向する電極と接続されていない複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）間が抵抗器で接続されてもよい。
例えば、ハウジング内陰極１１０を、対向する陰極１２０に電気的に接続し、ハウジング内電極１１１を電極１２１に電気的に接続し、残りのハウジング内電極（１１２、１１３、１１４）間が、複数の抵抗器で接続されるようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態である高電圧発生装置の横断面図を示す。本発明は、電子銃以外の高電圧装置においても同様に利用することができ、同じ効果を発揮することができる。高電圧装置の例として、図６には、コッククロフト・ウォルトン型の高電圧発生装置８の断面図が示されている。高電圧発生装置８は、電子顕微鏡における図１の電源５１に含まれる高圧電源発生装置である。

高電圧発生装置８は、接地した接地電極８６８の上に、電極（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）と絶縁物（８７８、８７７、８７６、８７５、８７４、８７３、８７２、８７１）が交互に積層された構造となっている。電極（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）同士は、コッククロフト・ウォルトン回路８８によって電気的に接続されている。コッククロフト・ウォルトン回路８８は、高耐圧のコンデンサ８８１とダイオード８８２を所定の順序で繰り返して接続した回路である。高電圧発生装置８では、図示されていない交流電源によって接地電極８６８に交流電圧を印加され、これにより、各電極（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）が順次昇圧し、電極８６０および内部の回路部分８９に高電圧を発生させることができる。

電極８６０および内部の回路部分８９は、コネクタ８２を介して高圧ケーブル８１に接続されている。電極８６０および内部の回路部分（高電圧発生部分）８９で発生した高電圧は、コネクタ８２と高圧ケーブル８１によって、高電圧発生装置８から電子銃１などの装置に伝達される。これら電極列（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）の周囲は、樹脂製のハウジング８３によって囲われている。ハウジング８３の外側表面８４には、導電性ペイントが塗布され、接地電位となっている。また、ハウジング８３の内側面には、ハウジング内電極（８５０、８５１、８５２、８５３、８５４、８５５、８５６、８５７）が設けられている。ハウジング内電極（８５０、８５１、８５２、８５３、８５４、８５５、８５６、８５７）は、それぞれ、電極（８６０〜８６７）の積層方向に対して直交方向に、電極（８６０、８６１、８６２、８６３、８６４、８６５、８６６、８６７）と対向する位置に配置されている。

ハウジング内電極（８５０〜８５７）と電極（８６７〜８６０）は、対向する電極同士が、金属製バネなどの接続手段（８９０、８９１、８９２、８９３、８９４、８９５、８９６、８９７）によって互いに接続されている。これにより、対向する電極同士が、電気的に接続され、同電位となる。この構成によれば、図２や図３の電子銃１場合と同様に、発生する高電圧による高電界は樹脂製のハウジング８３内に発生するので、高電圧発生装置８に関して、絶縁性ガス等を使用しない、または使用量を減らすことができる構造を得ることができる。また、従来では、高電圧発生装置では、絶縁性ガスや絶縁性液体などを使用しているために、故障などした場合には高電圧発生装置を処分していたが、樹脂性のハウジング８３を設ける構造にすることによって、高電圧発生装置の分解や内部のメンテナンスが可能になる。
なお、本実施形態では、コッククロフト・ウォルトン型高電圧発生装置について、本発明の応用例を示したが、本発明の応用例はこれらに限るものではない。例えば、本発明は、バンデグラフ型などの他の高電圧発生装置にも適用することができる。

＜まとめ＞
第１実施形態によれば、電子銃１は、電子を放出する電子源１１と、陰極１２０および陽極１２５と、複数の電極（１２１、１２２、１２３、１２４）と、複数の絶縁物管（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）と、複数の電極（１２１、１２２、１２３、１２４）の周囲に設けられたハウジング１３とを備える。ハウジング１３は、絶縁性の樹脂で形成され、ハウジング１３が、陰極１２０に対して対向する位置に配置されたハウジング内陰極１１０と、複数の電極（１２１、１２２、１２３、１２４）に対して対向する位置に配置された複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）とを備える。ハウジング内陰極および電極（１１０、１１１、１１２、１１３、１１４）が、それぞれ、金属製バネなどの接続手段（１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）によって、対向する電極（１２０、１２１、１２２、１２３、１２４）に接続される。これにより、対向する電極同士が同じ電位になる。
この構成によれば、樹脂製のハウジング１３の部分が、等電位線の間隔のせまい部分（電界集中部）になり、空間１２で低電界となる。したがって、高い絶縁破壊電界特性を有する樹脂によって、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位との間の空間に放電が起きることを防ぐことができる。しかも、樹脂は、真空やガスや液体に比べ、一般に絶縁破壊電界の高い物質であるから、真空や絶縁性ガス、絶縁性液体で絶縁を行う場合と比べ、ハウジング１３と加速管構造との間の距離を短くしつつ、大きな電位差を安定に保持することができる。このように、ハウジング１３と加速管構造との間の距離を短くできるため、電子銃１のさらなる小型化、軽量化、価格の低廉化が可能となる。また、ハウジング１３は、加速管構造の周囲から容易に取り外すことができ、また再度、加速管構造の周囲に取り付けることも可能である。したがって、電子銃内部のメンテナンスなどを容易に行うことが可能となる。

第２実施形態によれば、ハウジング１３の内側面には、ハウジング内陰極１１０、および複数のハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）が設けられている。ここで、ハウジング内陰極１１０が、金属製バネなどの接続手段１５０によって陰極１２０に接続され、ハウジング内陰極１１０と、ハウジング内電極（１１１、１１２、１１３、１１４）とが、それぞれ、抵抗器（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４）によって接続され、抵抗器（１４０、１４１、１４２、１４３、１４４）の抵抗は、互いに対向する電極同士が同電位になるように設定する。
この構成によれば、対向する全ての電極同士を接続手段などで電気的に接続することなく、互いに対向する電極同士が同電位になる。これにより、樹脂製のハウジング１３の部分が、等電位線の間隔のせまい部分（電界集中部）になり、空間１２で低電界となる。したがって、高い絶縁破壊電界特性を有する樹脂によって、加速管構造の高電位部とハウジング１３の接地電位との間の空間に放電が起きることを防ぐことができる。しかも、樹脂は、真空やガスや液体に比べ、一般に絶縁破壊電界の高い物質であるから、絶縁性ガスや絶縁性液体で絶縁を行う場合と比べ、全体の構造を小さくすることができる。

第３実施形態によれば、コッククロフト・ウォルトン型の高電圧発生装置８が、接地した接地電極８６８の上に、複数の電極（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）と複数の絶縁物（８７８、８７７、８７６、８７５、８７４、８７３、８７２、８７１）とを積層した構造を有し、この積層した構造の周囲が、ハウジング８３によって囲われている。ハウジング８３は、複数の電極列（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）に対向する位置に複数のハウジング内電極（８５０、８５１、８５２、８５３、８５４、８５５、８５６、８５７）を備える。複数のハウジング内電極（８５０、８５１、８５２、８５３、８５４、８５５、８５６、８５７）は、それぞれ、接続手段（８９０、８９１、８９２、８９３、８９４、８９５、８９６、８９７）によって、対向する電極（８６７、８６６、８６５、８６４、８６３、８６２、８６１、８６０）に接続される。これにより、対向する電極同士が、電気的に接続されて、同電位となる。
この構成によれば、発生する高電圧による高電界が、樹脂製のハウジング８３内に発生するので、高電圧発生装置８における高電位部とハウジング８３の接地電位との間の空間に放電が起きることを防ぐことができる。また、樹脂は、真空やガスや液体に比べ、一般に絶縁破壊電界の高い物質であるから、絶縁性ガスや絶縁性液体で絶縁を行う場合と比べ、全体の構造を小さくすることができる。さらに、従来では、高電圧発生装置では、絶縁性ガスや絶縁性液体などを使用しているために、故障などした場合には高電圧発生装置を処分していたが、樹脂性のハウジング８３を設けることによって、高電圧発生装置の分解や内部のメンテナンスが可能になる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることがあり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、全ての電極に関して、各電極に対向する位置にハウジング内電極を設けているが、この構成に限定されない。例えば、ハウジング内電極の数を減らしてもよい。例えば、複数の電極に対して１つおきにハウジング内電極を設けてもよい。これにより、高電位部とハウジングの接地電位との間の空間に放電が起きるのを防ぎつつ、装置の製造コストを抑えることが可能となる。

また、上述の第１乃至第３実施形態では、加速管構造を備えた電子銃およびコッククロフト・ウォルトン型高電圧発生装置について、本発明の応用例を示したが、本発明の応用例はこれらに限るものではない。例えば、本発明は、内部に高電位となる部分が存在する一般的な高電位装置であって、高電位部の周囲にハウジングが設けられたものにも適用することができる。例としては、シンクロトロン加速器の加速部などが挙げられる。この場合、高電位装置は、高電位が生じる高電位部と、高電位部と接地電位面との間に配置された少なくとも１つの第１の電極と、高電位部および第１の電極の周囲に設けられたハウジングとを備える。ここで、ハウジングが、樹脂などの絶縁性の固体材料で形成され、ハウジングが、接地電位面から高電位部に至るまでの所定の電位間隔に対応して配置された複数の第２の電極を備え、複数の第２の電極の少なくとも１つが、第１の電極に電気的に接続されて、複数の第２の電極の各々が、前記所定の電位間隔における各電位と同じ電位になるようにしてもよい。
また、本発明は、高電位部分と接地電位となる部分との間に電極と絶縁部材からなる積層構造を備える高電位装置にも適用することができる。それら積層構造となった中間電極が、装置の高電位部と接地電位との中間の電位を持つような装置に対して、上述したハウジング内電極を備えた樹脂ハウジングと同様の構造を適用することができる。これにより、絶縁性ガス等を使用しない、または使用量を減らすことができる高電位装置を得ることができる。

また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。

１電子銃
２電子光学系
３試料ホルダ
４検出器
５電源部
６計測部
７制御装置
８高電圧発生装置
１０電子線
１１電子源
１３ハウジング
１４加速管
１５真空排気装置
２１真空排気装置
３１試料
５１電源
１１０ハウジング内陰極（第２の電極）
１１１〜１１４ハウジング内電極（第２の電極）
１２０陰極（第１の電極）
１２１〜１２４電極（第１の電極）
１２５陽極（第１の電極）
１４０〜１４４抵抗器
１５０〜１５４接続手段
８１高圧ケーブル
８２コネクタ
８３ハウジング
８８コッククロフト・ウォルトン回路
８９回路部分
８６０電極
８６８接地電極
８８１コンデンサ
８８２ダイオード

Claims

荷電粒子源と、
前記荷電粒子源からの荷電粒子の照射方向に沿って配置された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極に電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源からの荷電粒子の照射方向に沿って配置された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
接地電位に対して最も電位差が大きい位置にある第１の電極と、当該第１の電極に近接する第２の電極とが、電気的に接続され、前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源からの荷電粒子の照射方向に沿って配置された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第１の電極のいくつかと、当該第１の電極に近接する第２の電極のいくつかとが、各々、電気的に接続され、前記第１の電極と接続されていない前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記ハウジングの接地電位面と前記第２の電極との間が、前記絶縁性の固体材料によって満たされていることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム発生装置において、
前記複数の第２の電極の各々は、前記荷電粒子の照射方向に対して直交方向に、前記第１の電極と対向する位置に設けられていることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム発生装置を備える荷電粒子線装置。
接地電位面上に積層された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極に電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする高電圧発生装置。
接地電位面上に積層された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
前記接地電位面に対して最も電位差が大きい位置にある第１の電極と、当該第１の電極に近接する第２の電極とが、電気的に接続され、前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする高電圧発生装置。
接地電位面上に積層された複数の第１の電極と、
前記第１の電極間に配置された複数の絶縁部材と、
前記複数の第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記複数の第１の電極に対して近接した位置に配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第１の電極のいくつかと、当該第１の電極に近接する第２の電極のいくつかとが、各々、電気的に接続され、前記第１の電極と接続されていない前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする高電圧発生装置。
請求項７から９のいずれか一項に記載の高電圧発生装置において、
前記ハウジングの接地電位面と前記第２の電極との間が、前記絶縁性の固体材料によって満たされていることを特徴とする高電圧発生装置。
請求項７から１０のいずれか一項に記載の高電圧発生装置において、
前記複数の第２の電極の各々は、前記第１の電極の積層方向に対して直交方向に、前記第１の電極と対向する位置に設けられていることを特徴とする高電圧発生装置。
請求項７から１１のいずれか一項に記載の高電圧発生装置を備える荷電粒子線装置。
高電位が生じる高電位部と、
前記高電位部と接地電位面との間に配置された少なくとも１つの第１の電極と、
前記高電位部および前記第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記接地電位面から前記高電位部に至るまでの所定の電位間隔に対応して配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極に電気的に接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、前記所定の電位間隔における各電位と同じ電位になることを特徴とする高電位装置。
高電位が生じる高電位部と、
前記高電位部と接地電位面との間に配置された少なくとも１つの第１の電極と、
前記高電位部および前記第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記接地電位面から前記高電位部に至るまでの所定の電位間隔に対応して配置された複数の第２の電極を備え、
前記接地電位面に対して最も電位差が大きい位置にある第１の電極と、当該第１の電極に近接する第２の電極とが、電気的に接続され、前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする高電位装置。
高電位が生じる高電位部と、
前記高電位部と接地電位面との間に配置された少なくとも１つの第１の電極と、
前記高電位部および前記第１の電極の周囲に設けられたハウジングと、
を備え、
前記ハウジングが、絶縁性の固体材料で形成され、
前記ハウジングが、前記接地電位面から前記高電位部に至るまでの所定の電位間隔に対応して配置された複数の第２の電極を備え、
前記複数の第１の電極のいくつかと、当該第１の電極に近接する第２の電極のいくつかとが、各々、電気的に接続され、前記第１の電極と接続されていない前記複数の第２の電極間が、複数の抵抗器によって接続されて、前記複数の第２の電極の各々が、近接する前記第１の電極の電位と同じ電位になることを特徴とする高電位装置。