JPH0665018B2

JPH0665018B2 - 荷電粒子加速電圧制御方法および装置

Info

Publication number: JPH0665018B2
Application number: JP60106924A
Authority: JP
Inventors: 俊男小内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-05-21
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPS61267243A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の利用分野）本発明は荷電粒子加速電圧制御方法および装置に関し、
特に、高絶縁体を使用した荷電粒子加速管を備えた電子
銃を負荷とする加速用電圧の制御方法および装置に関す
る。

（発明の背景）電子顕微鏡、荷電粒子加速器、荷電粒子加工機などの荷
電粒子加速管において、セラミックスのような高絶縁体
で気密封止された、真空室中に対向配置された２つの電
極間に高電圧を印加しようとする場合には、内部放電を
起し易いという問題がある。

特に、電圧印加の初期に、前記絶縁体表面の充電時定数
よりも早い速度で高電圧を立上げると、絶縁体表面の電
位傾度が局部的に過大となって放電を起し、加速管を汚
損したり、著しい場合には破損したりし易い問題があ
る。

このような問題の対策として、例えば、特公昭４９−22
371号公報に示されるように、加速管内部に放電検知電
極（例えば、ファラデーゲージなど）を配置することが
提案されている。そして、この提案では、放電が検知さ
れたならば、加速電圧の昇圧を中断するか、逆に電圧を
低下させるように制御することにより、加速管内部の放
電を防止している。

しかし、このような構成では、真空状態にある加速管内
部に放電検知電極を組み込むことが必要であり、このた
めに構造が複雑化して、コスト高や信頼性低下をもたら
すという別の欠点を生ずるようになる。

以上に述べたような欠点を改善するものとして、第５図
に示したような荷電粒子加速電圧制御方法および装置も
提案されている。

第５図において、１は基準電圧源４５を含む基準電圧回
路部で、この基準電圧源４５の電圧が、出力電圧（加速
電圧）の設定や安定化の基準となるものである。２，
３，４は抵抗器で、高電圧用検出抵抗器５と共に出力電
圧の分圧器を構成し、出力電圧を検出する働きをする。

前述のようにして検出された出力電圧信号と基準電圧回
路部１の電圧値との差電圧を増幅器８で増幅しインバー
タ回路９の出力を制御する。

すなわち、図示の例では、昇圧整流回路１２の出力電圧
が設定値になる様に、基準電圧回路部１、抵抗器２〜
５、および増幅器８よりなる帰還ループが働き、出力電
圧の安定化を行なっている。

なお、同図において、１０は、荷電粒子発生源となるフ
ィラメント１１Ｆを加熱するためのインバータ回路、１
１はフィラメント加熱電流を直流にするための整流回
路、１３は、ビーム電流を制御するバイアス電圧を作る
ためのバイアス抵抗器である。

出力電圧（すなわち、昇圧整流回路１２の出力電圧−
E₀）を上昇させるには、後述するように、スイッチ６，
７を開閉制御し、高電圧検出用抵抗器５と共に分圧器を
構成する抵抗器２，３，４を切換えて分圧比を変え、出
力電圧値を階段状に上昇させる。

すなわち、高電圧上昇の初期には、スイッチ７および６
を共に開とする。これにより、抵抗器２〜５よりなる分
圧器の分圧比が最大となり、昇圧整流回路１２の出力電
圧−E₀は、第６図のE₁で示される値にまで上昇される。

そして、絶縁体を含む装置の充電時定数よりも長い時間
が経過した後に、スイッチ７を閉にし、スイッチ６を開
にすると、前記分圧器の分圧比が小となり、出力電圧−
E₀は第６図にE₂で示した値まで上昇する。

さらに、スイッチ６を閉にすると、出力電圧−E₀は第６
図にE₃で示した値まで上昇する。

このようにして、第５図の構成によれば、出力電圧（す
なわち、電子銃にかかる加速電圧）を階段状に上昇させ
ることができ、電圧上昇率の過大による放電発生を防止
することができる。

しかしながら、セラミックスやエポキシ樹脂系のような
高絶縁材を用いた荷電粒子銃においては、前述のように
階段状に出力電圧（加速電圧）を変化させると、出力電
圧が階段状に上昇した瞬間に高絶縁材表面の電位傾度が
大となり、放電を発生して表面汚損を生じ易いという欠
点が生ずる。

このような欠点を除去するためには、該当部分の寸法を
大きくすることが必要であり、装置が大型化してしまう
という新たな欠点が生ずる。

（発明の目的）本発明は、前述の欠点を除去するためになされたもので
あり、その目的は高絶縁材を用いた荷電粒子銃の加速電
圧制御、特にその昇圧制御を、予め定められた実質上一
定の割合で自動的に行なうようにすることにより、加速
電圧の上昇速度が絶縁材表面の充電時定数を超えないよ
うにし、加速管内での放電を防止できるような荷電粒子
加速電圧制御方法および装置を提供することにある。

（発明の概要）前記の目的を達成するために、本発明は、加速管電圧制
御の基準となる電圧を、零から実質上連続的に上昇させ
ることによって、前記加速電圧の階段的変化を実質上無
くすると共に、前記基準電圧の上昇率を当該基準電圧、
したがって加速電圧が高いほど小となるように制御する
点に特徴がある。

（発明の実施例）以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の要部ブロック図である。

同図において、１Ａは、第５図中の１に相当する部分
で、電源回路の基準電圧を発生する部分である。基準電
圧源４５の電圧は、それに接続されている可変抵抗器４
４によって分圧され、その摺動子にあらわれる分圧出力
は、増幅器（インピーダンス変換器）４３を介して出力
され、基準電圧源として用いられる。

可変抵抗器４４の摺動子は、直流モータ３８によって動
かされる。なお、ここに示す直流モータ３８は、発電機
３８Ｇを備えたもので、直流モータの回転数に比例した
直流電圧を発生するものであることが望ましい。

直流モータ３８はモータ駆動用増幅器３７の出力によっ
て駆動され、一方、前記発電機３８Ｇの出力電圧は直流
モータ駆動用増幅器３７の反転入力端子に負帰還され、
駆動信号と比較される。このような負帰還制御により、
直流モータ３８が低速度回転になっても、前記直流モー
タ３８の出力トルクが低下しないようにしている。

直流モータ３８の回転速度は駆動信号電圧値に比例し、
基準電圧の昇圧して行く速度は、モータ駆動増幅器３７
に供給される信号電圧によって制御することが出来る。

基準電圧の昇圧速度を決める信号電圧（すなわち、直流
モータ駆動用増幅器３７の非反転端子入力）は、固定の
電圧値と、基準電圧すなわち高圧電源出力電圧（第５図
−E₀）が高くなるにつれて小さくなって行く電圧とに分
けられる。

固定電圧分は、基準電圧源２０Ａ及び半固定可変抵抗器
２２と抵抗器２４で与えられ、半固定可変抵抗器２２の
設定値によって、その値を調整出来る。

可変電圧分は、電圧昇圧用に用いられている直流モータ
３８の回転と連動して動くようになっている可変抵抗器
２１、基準電圧源２０Ｂ、増幅器（インピーダンス変換
器）２５及び抵抗器２３で与えられる。

そして、前記固定電圧分および可変電圧分は、増幅器２
９、及び抵抗器２８によって加算され、昇圧速度を決め
る電圧が、増幅器２９の出力に発生される。なお、可変
抵抗器２１の出力電圧は、増幅器４３の出力、すなわち
基準電圧が高くなるにつれて、可変抵抗器２１の出力電
圧が小さくなる様に方向付けされている。

３１は昇圧（UP）およびリセット（RESET、降圧）モー
ド切換用スイッチで、リセット側にした場合は、直流モ
ータ３８に供給される電圧の極性が昇圧時とは逆極性と
なる。この逆極性電圧は、基準電圧源２６から抵抗器２
７，３０を介して増幅器２９に供給される。

なおリセットモード時の直流モータ３８の回転速度、す
なわち高圧出力−E₀の零復帰速度は、半固定可変抵抗器
２７と抵抗器３０で設定される。

スイッチ４２は昇圧時に閉、リセット時に開となる。ま
た一方、スイッチ４１は昇圧時に開、リセット時に閉と
なる。スイッチ４０、及び３９、３９Ａは可変抵抗器の
両端の位置検出で、昇圧の終了又はリセット動作の終了
を検知するものである。

昇圧時には、スイッチ４２および３９は閉であるが、可
変抵抗器２１の出力電圧が“０”になった時、あるいは
その後、スイッチ３９が動作して閉から開に変化する。
これにより、リレー３２Ｒが消勢されてリレー接点３２
が開放になる。したがって、直流モータ駆動信号電圧が
“０”になり直流モータは停止する。

又、リセット時は、スイッチ４１および４０が閉である
が、可変抵抗器２１の出力が最大になった時（可変抵抗
器４４の出力が“０”になる位置で）、スイッチ４０が
動作して閉から開に変り、同様に直流モータ３８が停止
する。

第１図の様な構成にした場合、直流モータ３８の回転速
度は増幅器２９の出力に依存（比例）することになる。

以上の説明から明らかなように、前記増幅器２９の出力
は、直流モータ３８の回転位置（角度）に応じて、第２
図(a)中の波形(ハ)のように変化する。第２図(a)におい
て、横軸は前記回転位置（角度）θであり、縦軸は増幅
器２９の出力Ｅである。

また、波形(イ)は半固定可変抵抗器２２によって決まる
一定出力電圧、波形(ロ)は増幅器２５（または可変抵抗
器２１）による可変出力電圧をあらわしている。そし
て、前記波形(ハ)は、直流成分である波形(イ)と、出力電
圧（−E₀）の値、すなわち可変抵抗器４４の摺動子の位
置によって変る成分(ロ)との和である。

直流モータ３８は前記波形(ハ)に示す様な回転速度で昇
圧可変抵抗器４４の摺動子を動かし、基準電圧値したが
って電源出力電圧値（−E₀）を上昇させる。その結果、
基準電圧発生部１Ａの出力電圧、すなわち電源出力電圧
（−E₀）の時間的（または、モータ３８の回転位置に対
する）変化は、第２図(b)に示す様になり、従来例に示
した様な、階段的電圧変化は生じなくなる。

以上の説明から明らかなように、第１図の実施例によれ
ば、基準電圧発生部１Ａの出力である基準電圧の昇圧変
化が連続的となり、これにつれて第５図の加速電圧-E₀
も連続的に上昇するので、前記波形(ハ)の傾度を適切に
設定しておけば、加速管に用いられた高絶縁材の表面の
充電時定数に起因する電位傾度の過度の増大や、これに
よる放電を防止することができる。

これにより装置の小型化、保守の簡略化、信頼性の向上
などを実現することができる。

以上では、本発明をハードロジックによって実現した例
について述べたが、本発明はマイクロコンピュータを用
いてソフト的にも実施することができる。前述の様な昇
圧操作をマイクロコンピュータとディジタル−アナログ
変換器を用いて行う場合の、基準電圧発生部の構成例を
第３図に示す。

第３図において、１Ｄは第５図の基準電圧発生部１に相
当する基準電圧発生部である。また、５０はマイクロコ
ンピュータ（CPU）で、ここから加速電圧の昇圧・降圧
などの制御指示信号が出力される。

５１Ａ，５１Ｂはマイクロコンピュータ５０からのデー
タを一時記憶保持するラッチ部、５２はラッチ部５１Ａ
に保持されたディジタルデータをアナログ量に変換する
ディジタル−アナログ変換器（以下DACと略する）、５
３，５４は増幅器、５５はラッチ部５１Ｂに保持された
制御指示信号にしたがって表示器（LED）５９を点灯制
御するドライバー回路である。表示器５９によって昇圧
中、昇圧完了等の状態が表示される。また、５６，５
７，５８は、抵抗器である。

適当な制御ボード（図示せず）から、CPU50に昇圧信号
が入力されると、この信号はラッチ回路５１Ｂに一時保
持され、これによって表示器５９が点灯され、昇圧中で
あることを表示する。

一方、基準電圧ディジタル信号がラッチ回路５１Ａを介
してDAC52に供給される。DAC52は、前記基準電圧ディジ
タル信号を基準電圧アナログ信号に変換する。また、増
幅器５３は基準電源４５の電圧を入力され、一定電圧の
出力電圧を、抵抗器５６を介して前記DAC52に供給す
る。

前記DAC52の出力である基準電圧アナログ信号は、増幅
器５４の入力に供給されるので、前記増幅器５４の出力
には、前記基準電圧ディジタル信号に対応する基準電圧
が発生される。

したがって、前記基準電圧ディジタル信号を、例えば第
４図に示すように、時間（横軸）の関数として変化させ
れば、加速高圧（−E₀）も同様に変化する。

このように、DAC52を用いた場合、１ステップ当りの昇
圧量と昇圧ステップの時間々隔の両者を任意に制御出来
るので、第１図に示した方式の動作をさせる方法として
は、次の２つが考えられる。

1)ステップアップして行く、時間々隔は最初から昇圧が
完了するまで一定間隔で行ない、１ステップ当りの昇圧
量を、出力電圧値に応じて変える。

すなわち、１ステップ当りの昇圧量を、最初は、大き
く、電源の出力電圧が高くなるにつれて小さくして行き
最終近くでは、DACの最小ステップ量で昇圧して行く。

2)１ステップ当りの昇圧量は、一定にし、ステップアッ
プして行く時間々隔を、出力電圧の状態に応じて変化さ
せる。すなわち、最初は、時間々隔を短く、出力電圧が
高くなるにつれて時間々隔を長くする。

3)1),2)の手法を併用する。すなわち、１ステップ当り
の昇圧量と、ステップアップの時間々隔を出力電圧に応
じて変化させる。

実用上は、前記３種の手法を使用条件によって使い分け
れば良い。また前記(1)〜(3)のいずれの場合において
も、１ステップの昇圧量と時間周期を適当に設定すれ
ば、基準電圧および出力電圧の変化は、実質上連続的で
あると見なすことができる。

（発明の効果）前述した様に、加速電圧が高い程昇圧率が小さくなるよ
うな昇圧制御方法を用いれば、負荷である電子銃におい
て、電圧変化（上昇）過渡期に於ける電位傾度が不必要
に大きくなることが防止され、電圧印加時の放電要因を
低減出来る効果がある。

又、過渡期の電位傾度を定常時の電位傾度に近づけるこ
とが出来るので、負荷側の絶縁設計の裕度（機械的寸
法）も小さくとることが出来、電子銃部の小形化にも寄
与することができる。

さらに、加速管内での放電現象がなくなるので、管内の
汚損が低減され、保守の簡略化、信頼性の向上を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部ブロック図である。第２図は第１図に於ける直流モータの速度変化、ならび
に高圧電源の基準電圧及び出力電圧の変化状態を示すグ
ラフである。第３図は本発明をソフト的に実施した実施例の要部ブロ
ック図である。第４図は第３図の方式による高圧電源の基準電圧および
出力電圧の変化例を示すグラフである。第５図は従来方式による高圧電源の電圧可変方法を示す
ためのブロック図である。第６図は第５図の方式による出力電圧の階段的変化を示
すグラフである。１，１′……基準電圧発生部、９，１０……インバー
タ、１１……整流回路、１２……昇圧整流回路、３８…
…直流モータ、３８Ｇ……発電機、５０……マイクロコ
ンピュータ（CPU）、５１Ａ，５１Ｂ……ラッチ回路、
５２……ディジタル−アナログ変換器（DAC）、５９…
…発光ダイオード（LED）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子の実際の加速電圧を代表する電圧
信号および目標加速電圧の基準電圧をそれぞれ発生さ
せ、前記電圧信号の基準電圧に対する偏差に基づいて、
前記偏差が零となるように前記加速電圧を制御する荷電
粒子加速電圧制御方法であって、前記加速電圧の上昇時には前記基準電圧を徐々に上昇さ
せ、その際、基準電圧の上昇速度を、加速電圧が高いほ
ど小さくなるように制御し、一方、前記加速電圧の降下
時には前記基準電圧を徐々に降下させ、その際、基準電
圧の降下速度を予定の値に制御することを特徴とする荷
電粒子加速電圧制御方法。
【請求項２】基準電圧を一定時間経過ごとに上昇させ、
その上昇量を加速電圧が高いほど小さくすることを特徴
とする前記特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子加速電
圧制御方法。
【請求項３】基準電圧を一定量ずつに上昇させ、その上
昇の時間周期を加速電圧が高いほど長くすることを特徴
とする前記特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子加速電
圧制御方法。
【請求項４】荷電粒子の実際の加速電圧を代表する電圧
信号および目標加速電圧の基準電圧をそれぞれ発生させ
る手段と、前記電圧信号の基準電圧に対する偏差に基づ
いて、前記偏差が零となるように前記加速電圧を制御す
る手段とを有する荷電粒子加速電圧制御装置であって、前記基準電圧を実質上連続的に変化させる手段と、基準電圧の上昇速度を、加速電圧が高いほど小さくなる
ように制御する手段と、基準電圧の降下速度を、予定の値に制御する手段とを具
備したことを特徴とする荷電粒子加速電圧制御装置。
【請求項５】前記基準電圧を実質上連続的に変化させる
手段は、基準電圧源の電圧を印加され、その摺動子から基準電圧
を出力する可変抵抗器と、前記摺動子を駆動して基準電圧を制御する駆動手段とよ
り成り、駆動手段への入力が、前記摺動子の位置に応じて変化す
る可変成分、および前記摺動子の位置に拘わらず一定値
である固定成分の和であることを特徴とする前記特許請
求の範囲第４項記載の荷電粒子加速電圧制御装置。
【請求項６】駆動手段が直流モータであることを特徴と
する前記特許請求の範囲第５項記載の荷電粒子加速電圧
制御装置。