JPH0419663B2 - - Google Patents

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JPH0419663B2
JPH0419663B2 JP57029606A JP2960682A JPH0419663B2 JP H0419663 B2 JPH0419663 B2 JP H0419663B2 JP 57029606 A JP57029606 A JP 57029606A JP 2960682 A JP2960682 A JP 2960682A JP H0419663 B2 JPH0419663 B2 JP H0419663B2
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JP
Japan
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cathode
temperature
layered graphite
electron gun
resistance
Prior art date
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JP57029606A
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JPS58147945A (ja
Inventor
Isao Sasaki
Tadahiro Takigawa
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP2960682A priority Critical patent/JPS58147945A/ja
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Publication of JPH0419663B2 publication Critical patent/JPH0419663B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06Electron sources; Electron guns

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、硼化物カソードを用いた電子銃に関
する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、電子ビーム描画技術の発展に伴い各種の
電子銃が開発されているが、これらの代表的なも
のとしてカソードを硼化物、特にランタン・ヘキ
サ・ボライド(LaB6)で形成した電子銃が注目
されている。LaB6カソードを用いた電子銃は高
輝度を得ることができるが、LaB6が高温で他の
物質と反応し易いため、その加熱には特別な工夫
が要求される。そこで、通常層状グラフアイトに
直接通電して加熱する方法が採用されている。
ところで、電子ビーム描画装置に用いられる電
子銃では、装置稼動率を上げるためにカソードの
長寿命化が要求される。これは、カソードを新し
いものと交換する場合、交換後電子銃室を高真空
にするまで2〜3時間を要し、さらにカソード点
火後電子銃が熱的に安定するまで約2日もかか
り、この期間は上記装置を稼動することができな
いためである。
LaB6カソードの寿命を左右する因子には種々
あるが、その中でもカソード温度が最も重要なも
のである。その理由は次の(1)〜(3)に示す通りであ
る。
(1) カソードの蒸発によりカソードの形状および
カソード・ウエネルト間距離が変わり、エミツ
シヨン特性が変化する。このエミツシヨン特性
変化はカソード温度に対し指数函数的に早くな
る。
(2) 蒸発物がウエネルト内面に付着し、カソー
ド・ウエネルト間でマイクロ放電が生じる。こ
のトラブルの発生頻度はカソード温度が高いと
飛躍的に増加する。
(3) 加熱材料である層状グラフアイトとLaB6
の反応は、高温で進み、それにつれて電子放射
が不安定となる。
このようにカソード温度を必要以上に高くする
と、トラブルが発生し寿命が短くなる。
一方、レジスタパターンの線幅制御や電子ビー
ム描画装置の高速化等にあつては、電子銃の輝度
が高い方が有利である。輝度は、一般にカソード
温度が上昇する程高くなる。このため、できるだ
け高温でカソードを動作させたいと云う要望があ
る。このように高輝度を得るための条件と長寿命
化をはかるための条件とは相反する関係にある。
したがつて、電気銃のカソード温度は、必要な輝
度が得られる範囲でできるだけ低くしなければな
らない。つまり、長寿命で高輝度の特性を得るに
は、カソード温度を最適な温度領域に保持する必
要がある。
ところで、電子ビーム描画装置等では、電子銃
が金属製の真空容器内に取り付けられており、カ
ソード温度を外部から測温することはできない。
そこで従来は、電子銃の放射特性からカソードの
使用温度条件を求めていた。しかしながら、この
方法では使用温度設定に熟練を必要とし、特性の
異なる電子銃に対しては設定温度を誤まる等の欠
点がある。また、層状グラフアイトの抵抗が経時
的に変化し、これに起因して設定温度が変化する
等の欠点がある。以上の理由で、従来のカソード
寿命は100〜2000時間の範囲にばらつき、さらに
LaB6カソードを最適温度で使用していくことは
困難であつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、硼化物カソードを常に最適温
度条件で使用することができ、電子銃の高輝度化
および長寿命化をはかり得る電子銃を提供するこ
とにある。
〔発明の概要〕
本発明の骨子は、硼化物カソードを用いた新規
な電子銃を最初に使用する前に、予めエージング
処理して層状グラフアイトの抵抗の経時変化をな
くすことにある。すなわち、例えば電子ビーム描
画装置であれば新規な電子銃を装置に組み込む前
に、エージング処理を施すのである。エージング
処理したのちは層状グラフアイトへの通電電流と
カソード温度との間に一定の関係が成立する。し
たがつて、層状グラフアイトへの通電電流を定電
流制御することで、カソード温度を一定に制御す
ることができる。なお、本発明者の実験によれ
ば、上記エージング処理時の温度を1550〔℃〕以
下とした場合層状グラフアイトの抵抗が安定する
までに長時間を要し実用的でなかつた。さらに、
上記温度を1650〔℃〕以上とした場合、硼化物カ
ソードと層状グラフアイトとの反応が短時間で生
じ、カソードの劣化を招き好ましくなかつた。
本発明はこのような点に着目し、硼化物カソー
ドを用いた新規な電子銃を装置に組み込む前に予
め、グラフアイトとカソードを1550〜1650〔℃〕
の温度でエージング処理したのち、カソードの温
度が最適温度となるよう層状グラフアイトを定電
流駆動するようにした電子銃を提供する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、予めエージング処理を施すこ
とにより層状グラフアイトの抵抗の経時変化を無
視できるほど小さくすることができる。その結
果、定電流駆動であつても、カソード温度を長時
間最適温度に保持することができ、電子銃の高輝
度化および長寿命化をはかり得る。このため、電
子ビーム描画装置の稼動率向上をはかり得る等の
効果を奏する。
〔発明の実施例〕
第1図は本発明の一実施例に係わる電子銃およ
びその駆動系を示す概略構成図である。図中1は
LaB6カソード、2は層状グラフアイト、3はウ
エネルト電極、4はアノードであり、これらから
電子銃が構成されている。層状グラフアイト2は
直流電源5、DC/ACコンバータ6、絶縁トラン
ス7およびAC/DCコンバータ8からなる高圧回
路により通電されるものとなつている。なお図中
9は上記高圧回路の1次側を流れる電流の大きさ
を検出する電流計、10はバイアス抵抗、11は
直流電源(20KV程度)を示している。
さて、LaB6カソード1は層状グラフアイト2
に挾み込まれて取り付けられている。LaB6自身
は殆んど金属的でその抵抗が低いので、カソード
1は層状グラフアイト2の抵抗によるジユール熱
にて昇温される。したがつて、カソード1の温度
を一定に保つには層状グラフアイト2の抵抗およ
び通電電流を一定にしなければならない。しか
し、通電電流は定電流源を用いることにより一定
にできるが、層状グラフアイト2の抵抗が経時的
に変化するため、通電電流を一定にしておいても
カソード1の温度は経時的に変化する。第2図は
カソード温度の経時変化を示す特性図である。曲
線Pは初期設定温度を1550〔℃〕とした場合であ
り、温度が安定し一定値になるまで約100時間を
要したこの時間程度は、電子銃の寿命の1000〜
4000時間から考えて、実際上許容できる限度と言
える。なお、1550〔℃〕以下の温度では一定値に
なるまでさらに長時間を要する。また、曲線Qは
初期設定温度を1600〔℃〕とした場合であり、こ
の場合には1時間で一定値に落ち着いた。カソー
ド温度の経時変化の理由は、蒸発したLaB6が層
状グラフアイト2に付着し、それが層状グラフア
イト2内に図中矢印方向へ拡散し、結果として層
状グラフアイト2の抵抗が低くなるためである。
したがつて、新規な電子銃を装置に組み込む前に
予めエージング処理しておくことにより、層状グ
ラフアイト2の抵抗の経時変化を極めて小さくで
きる。ここで、ケージング処理時の温度を1650
〔℃〕以上とした場合、LaB6とグラフアイトとの
間で反応が短時間に進み、カソード1の劣化を招
き好ましくない。また、エージング処理時の温度
を1550〔℃〕以下とした場合、100時間以上もの処
理時間が必要となり現実的でない。したがつて、
現実的な時間内でエージングを行う温度は1550〜
1650〔℃〕が適当である。
そこで本実施例では、新規の電子銃を装置に組
み込む前に第1図に示したLaB6カソード1を挟
み込んだ層状グラフアイトに対し、予め1600〔℃〕
で1時間のエージング処理を行つた。このエージ
ング処理後は層状グラフアイト2の抵抗の経時変
化は殆んど無視できるほど小さくなる。したがつ
て、層状グラフアイト2への通電電流を適当な値
に保つことにより、カソード1の温度を最適温度
に、かつ長時間安定に保持できることになる。
次に、電子ビーム描画装置に取り付けた電子銃
のLaB6カソードを最適温度に設定する方法を説
明する。前記第1図において高圧回路の内部抵抗
はカソード抵抗(層状グラフアイト2の抵抗)に
比して無視できない大きさとなるので、1次電流
と2次電流との比は2次側の負荷抵抗であるカソ
ード抵抗によつて変化する。カソード抵抗はカソ
ードによつて変わり一定でない。
したがつて、まず始めに実際の装置にて高圧回
路の2次側にカソード抵抗値付近の種々の抵抗と
電流計とを入れ、1次側電流Iとこのときの2次
側消費電力Wとの関係を測定し、この測定結果を
第3図aに示す。次に、別の真空装置にて実際の
カソード温度Tと消費電力と、このときのカソー
ド抵抗とを測定し、その測定結果を第3図bに示
す。LaB6カソードの場合抵抗加熱体にグラフア
イトを用いているので、第3図bに示すように温
度上昇と共にカソード抵抗は減少する。そして、
第3図a,bから1次側電流Iとカソード温度T
との関係は以下のようにして求められる。まず、
第3図aのカソード抵抗R1,R2,R3,R4におけ
るカソード温度Tとカソード電力Wとを同図bよ
り求め各々をT1,T2,T3,T4およびW1,W2
W3,W4とする。次に、第3図aによりR1,R2
R3,R4の各々の曲線のW1,W2,W3,W4におけ
る1次電流をI1,I2,I3,I4とすれば、1次電流
I1,I2,I3,I4におけるカソード温度は各々T1
T2,T3,T4となる。この関係をグラフにする
と、第4図に示す如く1次電流に対してのカソー
ド温度の関係が得られ、1次電流の測定からカソ
ード温度を知ることができる。したがつて、1次
電流を適当な値に設定することにより、カソード
温度を最適温度に制御することができる。なお、
LaB6カソード1の使用温度を1570〔℃〕以上とす
るとトラブルが発生し易く、1470〔℃〕以下では
必要な輝度が得られない。したがつて、上記の方
法でLaB6カソード1の使用温度を1470〜1570
〔℃〕に保持すればよい。
かくして本実施例によれば、層状グラフアイト
2の抵抗の経時変化を無視できるほど小さくで
き、グラフアイトへの通電として最も簡単な定電
流制御であつても、カソード温度を最適温度に設
定し、その温度を長時間維持できるようになつ
た。その結果、輝度1×106〔A/cm2sr〕(加速電
圧20KV)で寿命1000〜4000時間を達成すること
ができた。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。例えば、前記カ
ソードはLaB6に限るものではなく、YB6
EuB6,HfB6等の6硼化物であればよい。また、
カソード温度検出を前記高圧回路の1次電流に基
づいて行う必要はなく、例えばパイロメータを用
いてカソード温度の検出を行うようにしてもよ
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係わる電子銃およ
びその駆動回路を示す概略構成図、第2図乃至第
4図はそれぞれ上記実施例の作用を説明するため
のもので第2図はカソード温度の経時変化を示す
特性図、第3図aは1次側電流と2次側電力との
関係を示す特性図、第3図bはカソード温度とカ
ソード電力およびカソード抵抗の関係を示す特性
図、第4図は1次側電流とカソード温度との関係
を示す特性図である。 1……LaB6カソード、2……層状グラフアイ
ト、3……ウエネル電極、4……アノード、5…
…直流電源、6……DC/ACコンバータ、7……
絶縁トランス、8……AC/DCコンバータ、9…
…電流計、10……バイアス抵抗、11……直流
電源。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 硼化物カソード、ウエネルト電極、アノード
    および通電されて上記カソードを加熱する層状グ
    ラフアイトからなる熱電子放射型の電子銃におい
    て、前記層状グラフアイトは予め1550〜1650℃で
    エージング処理済みとされ、かつ前記カソードの
    温度が1470〜1570℃となるように前記層状グラフ
    アイトを定電流駆動して使用することを特徴とす
    る電子銃。 2 前記層状グラフアイトの駆動定電流を決定す
    る手段として、絶縁トランスを介して前記層状グ
    ラフアイトに通電する高圧回路の1次側電流とカ
    ソード温度との関係を予め求めておき、前記1470
    〜1570℃に対応する通電電流を選択することを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の電子銃。 3 前記カソードとして、ランタン・ヘキサ・ボ
    ライドを用いたことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の電子銃。
JP2960682A 1982-02-25 1982-02-25 電子銃の使用方法 Granted JPS58147945A (ja)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5416431B2 (ja) * 2009-02-20 2014-02-12 株式会社ニューフレアテクノロジー 電子ビーム描画装置、その電子ビーム描画装置の電子銃のカソード加熱用の電力制御装置及び電力制御方法

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JPS5562639A (en) * 1978-11-01 1980-05-12 Denki Kagaku Kogyo Kk Thermionic cathode device

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JPS5475647U (ja) * 1977-11-07 1979-05-29
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