JPH0233842A - 超伝導電子レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子顕微鏡や電子ビーム装置等における電子レ
ンズに係り、特に小型、短焦点距離化を図った超伝導電
子レンズに関する。

３、発明の詳細な説明 （概　要〕 電子顕微鏡や電子ビーム装置等における電子レンズに関
し、 〔従来の技術〕 第３図は従来の超伝導電子レンズの一例を示す図であり
、（八）は主要部構成図を（ＩＩ）は磁界の状況を説明
する図である。

図（Ａ）で、１は超伝導体材料よりなる例えば外径が２
００ｍｍ程度の大きさを持つリング状のコイルであり、
２は強磁性体よりなり上記コイル１を中心軸を合わせて
同芯状に内蔵保持する厚肉円筒状の磁気ヨークである。

なお該磁気ヨーク２の内径側の壁の一部は、同じ厚さの
リング状の例えば銅（Ｃｕ）または銅合金の如き非磁性
体２８″？：置換されている。

マタ上記コイル１に通電した際に該コイル１の加熱によ
って発生する不純物ガスの影吉を避けるため、上記磁気
ヨーク２と非磁性体２ａのそれぞれの両端面（図面上下
面）の中心孔周囲にリング状の真空シール３を装着し該
真空シール３を真空隔壁４および５とそれぞれ密着させ
ることによって電子ビーム６の通路および試料７の設置
領域をコイル１から隔離すると共に所要の真空状態を保
つように構成している。

図（Ｂ）で、（イ）は磁力線の状態を示しく口）は光軸
上における磁束密度の分布状態を表わしたものである。

一般に、強磁性体よりなる磁気ヨークで取り囲まれたコ
イルに通電すると；亥コイルから磁束が発生するが、そ
の多くが該磁気ヨーク内に集中する。

特にその局所的な磁束密度が該磁気ヨークが保有する飽
和磁束密度の範囲内の場合には該磁気ヨーク内を流れる
のみで外部にもれ出ることがないが、該磁束密度が磁気
ヨークの飽和磁束密度を越えるような場合には磁束の一
部が該磁気ヨークの外部にもれ出て全体的な磁束密度分
布が定まる。

ここで磁気ヨークの一部を非磁性体で形成すると、磁力
線は非磁性体部分には集中しないため、該磁気ヨーク内
に集中している磁束が上記非磁性体部分で円筒中心軸上
にもれ出ることになる。

図（イ）はこの状態を示したもので、図（＾）の場合と
同等の磁気ヨーク２の一部が非磁性体２ａで形成されて
いる。

ここでコイル１で発生し該磁気ヨーク２内に集中した磁
束の密度が該磁気ヨーク２の飽和磁束密度以内である場
合には、該磁力線は破線で示す１ａの如く非磁性体２ａ
部分で中心軸Ｓを含む電子ビームの方にもれ出る形をと
りながら該磁気ヨーク２内を周回する。

この場合、該磁束１ａの中心軸Ｓ」二における磁束密度
は図（ロ）の破線で示すカーブ■の如く、非磁性体２ａ
の存在領域で最大のピーク値りを示す幅の狭いカーブと
なる。

一方、コイル１による磁束密度が該磁気ヨーク２の飽和
磁束密度を越える場合には、実線で示す１８′の如く非
磁性体２ａの存在領域以外でも電子ビーム方向にもれ出
る形をとりながら該磁気ヨーク２内を周回する。

この場合の該磁束１ａ“の中心軸Ｓ上における磁束密度
は図（ロ）の実線で示すカーブ■の如く、非磁性体２ａ
の存在領域で示す最大のピーク値ｈ“が上記りより低く
且つ裾野の広がったカーブとなる。

通常中心軸すなわち光軸Ｓ上を通る電子ビームは、磁束
密度が大きい領域を通過する間に凸レンズと同様の作用
を受けて図（＾）に示す如く試料７の所定点Ｐに集束す
るが、この場合の焦点距離は大凡磁束密度の二乗の積分
値に反比例するので、該磁束１ａ“による電子レンズの
焦点距離は磁束１ａによる焦点距離よりも長くなってし
まう。

従って、該電子レンズを強い、換言すれば焦点距離の短
い凸レンズとして作用させるためには、磁気ヨークから
もれ出る磁束密度をカーブ■の如くピーク値が大きく且
つ幅を狭く形成することが望ましい。

一方、電子顕微鏡等において倍率を高めるためには、高
エネルギを持つ電子ビームを出来るだけ短い焦点距離の
電子レンズで集束させなければならず、そのためコイル
１に流す電流密度を上げて非磁性体２８部でもれ出る磁
界すなわち磁束密度を大きくする必要がある。

しかし、上述の如く強磁性体からなる磁気ヨークを使用
しているため非磁性体２８部の光軸Ｓ上の磁束密度のピ
ーク値に限界が生じ、短焦点距離の電子レンズを構成す
るのに困難を伴っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の構成になる超伝導電子レンズでは、強磁性体磁気
ヨークの材質や構造１寸法等で決定される以上に焦点距
離を短くすることができないと云う問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点は、超伝導コイルを用いた電子レンズであっ
て、 光軸方向の磁界を発生する円筒状の超伝導コイルと、該
超伝導コイルの全表面を隙間をもってカバーできる円筒
状空間領域を内部に備えた厚肉円筒状の超伝導シールド
体とで構成し、 該超伝導シールド体の内径側側壁の一部をリング状の非
磁性体で置き換えると共に、上記超伝導コイルを該超伝
導磁気シールド体の内部空間領域所定位置に空間保持し
てなる超伝導電子レンズによって解決される。

〔作　用〕

超伝導コイルの全表面を適当な空間を保って超伝導体よ
りなる磁気シールド体でカバーすれば、超伝導シールド
体の完全反磁性効果によって磁束を該空間内に閉じ込め
ることができる。

本発明では、円筒状の超伏４コイルを、該円筒状コイル
が適当な空間を持って保持し得る空間領域を備えた厚肉
円筒状の超伝導磁気シールド体の内部空間領域に空間保
持すると共に、該超伝導磁気シールド体の内径側側壁の
一部をリング状の非磁性体で置き換えている。

従って、コイルとシールド体間の空間に完全に閉じ込め
られた磁束が上記の非磁性体部分から集中して光軸上に
もれ出るため、強い磁束による短焦点距離化が可能な電
子レンズを容易に形成することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明を説明する原理図であり、第２図は本発
明の構成例を示す図である。

第１図で、（Ａ）は磁力線の状態を示しくＲ）は光軸上
における磁束密度の状態を表わしたものである。

図（Ａ）で、１０は超伝導体よりなる第３図同様の円筒
状のコイル、である。

また１１は、該コイル１０がその全表面で多少の空間を
もって保持できるような円筒状空間領域を内部に備えた
超伝導体よりなる中空の厚肉円筒状シールド体であり、
内径側側壁の一部は銅（Ｃｕ）または銅合金よりなるリ
ング状の非磁性体１１ａで置き換えられている。

この場合、超伝導状態にあるシールド体１１は完全反磁
性を呈することから、通電するコイル１０から発生する
磁束が総てコイル１０とシールド体１１の間の空間領域
Ａに閉じ込められて破線で示す磁力、腺１．Ｏａの如く
該領域Ａ内を周回する。

しかし非磁性体１１ａの部分のみは反磁性効果を示さな
いため、ＡｊＪ域に閉じ込められている磁力線１０ａが
該非磁性体１１８部分からは図示１０ａ“の如く光軸Ｓ
を含む電子ビームの方向にもれ出て光軸Ｓに磁界を肩す
ことになる。

特に該シールド体１１は上述の如く完全反磁性を呈する
ため、光軸Ｓに作用させる磁界すなわち磁束密度はコイ
ル１０に負荷する電流によって自由に変えることができ
る。

この場合、光軸Ｓ上における該磁力線１０ａの磁束密度
は図（Ｂ）に示すカーブ■の如く、非磁性体１１ａの存
在領域で最大のピーク値を示す幅の狭いカーブとなるた
め、電子ビームに効率的なレンズ効果を与えることがで
きる。

また、電子ビームの光路が光軸Ｓに対して多少変化する
と、該電子ビームによる磁界の変化を打ち消す力が該シ
ールド体１１から発生して電子ビームに作用するため、
該電子ビームは常に安定した状態に保持される。

構成例を示す第２図で、１２は超伝導体材料よりなる外
径が２００ｍｍ程度の大きさを持つ円筒状のコイルであ
り、その内部には両端に冷却用液体ヘリウム（ｌｌｅ）
の注入ボートと排出ボートを備えた径が２〜３ｍｍ程度
のパイプ１２ａが連通した状態で埋設されて−いる。

また１３は上記コイル１２が所定の空間を持って配置で
きる空間領域Ａを内部に備えた例えばニオブ３錫（Ｎｂ
３Ｓｎ）よりなる中空の厚肉円筒状シールド体であり、
内径側壁部分の一部は銅（Ｃｕ）または銅合金よりなる
リング状の非磁性体１３ａに置換されていると共に該非
磁性体１３ａ部分を除く内部には、両端に冷却用液体ヘ
リウム（Ｉｌｅ）の注入ボートと排出ボートを備えた径
が２〜３１程度のパイプ１３ｂが連通した状態で埋設さ
れている。

また、１４および１５は真空シールであり、第３図（Ａ
）同様に真空隔壁１６．１７とそれぞれ密着して光軸Ｓ
を含む電子ビーム領域および図示されない試料の配置領
域をコイル１２から隔離すると共に所要の真空状態を保
つように構成している。

なおコイル１２の周囲を被覆している１２ｂおよびシー
ルド体１３の内外面を覆っている１３ｃ、　１３ｄは、
いずれもコイル１２およびシールド体１３の超伝導状態
を保持するだめの断熱材であり、１８はコイル１２をシ
ールド体１３の内部所定位置に保持するための支持具で
ある。

かかる構成になる超伝導電子レンズでは、パイプ１２ａ
、１３ｂにそれぞれ冷却用の液体ヘリウムを循環させて
コイル１２およびシールド体１３を超伝導状態に保ち、
コイル１２に所定の電流を負荷する。

この際該コイル１２から発生する磁界は、第１図で説明
し７た如く非磁性体１３ａ部分からのみ光軸Ｓの方向に
もれ出るため、コイル１２に負荷する電流密度を適当に
設定することによって所要の磁界すなわち磁束密度を電
子ビームにＷらし所定の焦点距離を形成させることがで
きる電子レンズを構成することができる。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明により、平行な電子ビームを所要の焦
点距離で集束させることができると共に、該電子ビーム
が光軸から多少ずれた場合でも自動的に修正が可能な超
伝導電子レンズを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明する原理図、 第２図は本発明の構成例を示す図、 第３図は従来の超伝導電子レンズの一例を示す図、 である。図において、 １０はコイル、 １１はシールド体、 １２はコイル、 １２ｂは断熱材、 １３ａは非磁性体、 １３ｃ、　１３ｄは断熱材、 １４．１５は真空シール、 １８は支持具、 をそれぞれ表わす。 １０ａ、ｌＯａ　　’　ｔｔ［１ｊＥＬ’Ａ、１１ａ、
は非磁性体、 １２ａはパイプ、 １３はシールド体、 １３ｂ　はパイプ、 １６、１７は真空隔壁、 木登ｅ月のオ露べ秒りΣホＴ図 第　　　２　　　βろ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超伝導コイルを用いた電子レンズであって、光軸方向の
   磁界を発生する円筒状の超伝導コイル（１２）と、該超
   伝導コイル（１２）の全表面を隙間をもってカバーでき
   る円筒状空間領域を内部に備えた厚肉円筒状の超伝導シ
   ールド体（１３）とで構成し、該超伝導シールド体（１
   ３）の内径側側壁の一部をリング状の非磁性体（１３ａ
   ）で置き換えると共に、上記超伝導コイル（１２）を該
   超伝導磁気シールド体（１３）の内部空間領域所定位置
   に空間保持してなることを特徴とする超伝導電子レンズ
   。