JPS6030054B2 - 熱陰極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子ビーム応用機器に有用な熱電子放射型陰極
に関するものである。

最近、電子ビーム応用機器において、大電子電流容量の
電子ビームや高輝度の電子線娘の要求が高くなってきて
いる。

従来、電子放射の陰極材料としては、蒸気圧が低く、強
度が高く、加性の優れたＷがもっぱら使用されていた。
しかしながら、熱電子放射はリチャードソン・ダッシュ
マン（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎ）の式に
よれば、放射電流密度を高くするためには、まずＷより
も仕事関数の小さい陰極材料の選ぶ必要がある。

つぎに仕事関数の小さい材料でも強度の弱い材料では静
電的な力によって陰極が破壊されたり、あるいは高温で
軟化するので、実用に適さない。また、蒸気圧の高い材
料で‘ま陰極の寿命が短くなってしまうことになる。六
棚化カルシウム（Ｃａ＆）型結晶構造の六棚化物は空間
群の○吉一Ｐｍ３ｍに属し、単純立方格子である。

この六棚化物は、アルカリ士属、希士類化合物の中に見
出される。その多くは融点が高く、蒸気圧が低く、欧度
が高く、かつイオン衝撃に強く、しかもＷより低い仕事
関数を示すものが多い。これらの優れた利点を有する六
棚化物は最近電子ビーム応用機器の魅力的な熱陰極材料
としてとりあげられており、例えばＬａＫは走査型電子
顕微鏡の電子線源として実用化が行なわれつつある。六
棚化物は高融点化合物であり溶融体もしくは単結晶の育
成が困難な材料であり、従来は焼綾体から針状陰極を製
造していた。

しかし、焼結体には気孔があり、このため滑らかな表面
を持った鋭い針状陰極を得ることができない。高輝度で
一様な電子ビームを得るためには、鋭くて表面が滑らか
な針状陰極を製造する必要があり、このためには素材と
して単結晶を使用する方が望ましい。最近、例えばＥ．
Ｄ．Ｃｉ広ｏｎら（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅ．８（１９７５）
１００３）やＴ．Ｔａ脇ｋａら（Ｊ．Ｃｒ＄ｔ．Ｇｒｏ
ｗｔｈ．３０（１９７５）１９３）の論文に見られるよ
うに帯熔融法によって六棚化物単結晶の育成が行なわれ
つつあり、暁結体針状陰極は単結晶針状陰極にとって代
られるものと考えられる。熱陰極として、従来はヘアピ
ン状のＷが用いられていたが、この場合は専ら多結晶の
Ｗ線が使用されていた。

これはＷ熱陰極の場合、電子ビーム放射特性に強い影響
を与える程に、結晶面の仕事関数の異方性などの効果が
大きくないためである。今までに実用化されているＬａ
＆は王に焼結体を用いたＬａＢ６陰極であり、結晶方位
は問題とはならない。六棚化物陰極の高性能化のために
は、単結晶を使用することが望ましい。本発明者らは高
輝度で高安定な性能を持たせるためのＣａＫ型結晶構造
を持つ六棚化物の単結晶陰極の望ましい結晶方位につい
て詳細な検討を行った。針状陰極を用いた熱陰極の場合
、通常針状陰極の先端部から放射される熱電子を利用す
る。針状陰極先端の開き角６０〜１８００の比較的広範
囲な領域から放射された電子をレンズ作用によって絞り
込んで利用することが多い。高輝度で安定な電子放射を
得るためには、上記針状陰極の開き角の範囲の表面に露
出した結晶面の仕事関数が低くて電子が放射され易いこ
と、針状陰極の軸に対して対称性の良い電子放射が可能
であること、針状陰極の先端部の形状が陰極の動作時間
の増加につれて大きく変化しないこと、などが必要と考
えられる。具体的に望ましい結晶方位は、この他に電子
放射特性の再現性、陰極の製造の難易度、などを考慮し
て決定される。このためには各種の方位の単結晶陰極を
作って、その性能を比較することが必要である。高輝度
の電子ビームを得るためには針状陰極の頃面に最も仕事
関数の低い結晶面がくるように選ぶことが望ましいが、
下記に示すように本発明者らの実験によれば、たとえ項
面が仕事関数の比較的高い結晶面であっても前述の開き
角の範囲に電子を出し易い仕事関数の低い結晶面があれ
ば、その開き角の範囲から放射された電子レンズ作用を
利用して絞り込むことによって高輝度の電子ビームを得
ることができるので、電子ビームとしての輝度の差は頂
面の仕事関数の差から予測されるほどには大きくないこ
とがわかった。

発明者らが行なった実験の範囲で、頂面に仕事関数の最
も小さい面を持った陰極と、逆に最も大きい面を持った
陰極の輝度の差はせし、ぜし、倍半分程度であり、１桁
も差が生ずることはなかった。一連の実験によ・り、陰
極として最も重要な点は電子をレンズで絞ったときに電
子ビーム断面の電子流強度（クロスオーバー像）がガウ
ス分布を持つ理想的な電子ビームを再現性よく形成でき
るかという点であることがわかった。電子ビームの分布
がガウス分布から大きくずれると、高輝度の微４・スポ
ットに絞り難くなった。電子ビームの分布は、陰極表面
に露出した結晶面の仕事関数の値と、陰極先端の幾何学
的形状によって主に決まる。Ｃａ＆型結晶構造を持つ六
棚化物の場合は、実験の結果、陰極の動作期間中に陰極
の形状が変化するという問題があるために陰極が蒸発等
によって消耗してもその形状が相似的に大きく変化しな
い結晶方位を選ぶことが重要であることがわかった。表
１は、各種の方位を持つＬａＢ６単結晶陰極を作製し、
仕事関数、クロスオーバー像、輝度、および放射電流の
変動率を比較した結果である。

クロスオーバー像の評価は、電子ビームを絞ったときに
ガウス分布を持つスポット状のビームが得られ易い順に
◎、０、△、×で対称的に示した。放射電流の変動率は
実験開始直後に放射電流値に対して１０餌時間経過した
ときの放射電流の変化の割合で示した。また、陰極の加
熱温度１５５０００、加速電圧２０ｋＶ、真空度２×１
０‐７Ｔｏｍ、陰極の設定条件などは全て同一にした。
表１より明らかなように、クロスオーバー像と電流変動
率の点で、〈００１〉、〈０１１〉、〈１１１〉の３つ
の方位を軸に持つ針状の仏Ｂ６陰極が優れていることが
わかる。

く１１５）、〈１０５＞、く２４７＞のように上記３方
位よりも陰極の輝度を高くできる結晶方位も存在するが
、この場合は電流変動が大きいという問題があることが
わかる。また同種の方位を持った陰極多数の間の輝度、
クロスオーバー像などの電子放出特性の再現性も〈０１
１〉、〈００１＞、〈１１１＞が極めて優れていた。こ
のような傾向はいＢ６に限らずＣｅ馬など同種の結晶構
造をもつ六棚化物陰極に共適していた。本発明者らの実
験によれば、単結晶六棚化物の針状陰極を陰極の動作温
度範囲（１４００〜１７００ｏｏ）に加熱すると、｛０
０１｝、｛０１１｝面などの低指数面の発達が起こり、
針状陰極はこれらの結晶面に囲まれた多面体状に変化す
ることが明らかになった。

一度安定な多面体状に変化すれば、その形状は陰極材料
が蒸発等によって消耗してもほぼ相似形に保たれること
がわかった。このことは、針状陰極の軸方位として〈０
０１）、〈０１１〉、〈１１１〉方位を選んでおけば、
針状陰極の加熱による変形の効果を少なくできることを
示すものである。く２４７〉などの高指数の軸方位を選
べば陰極形状の変化の影響度も大きく、従って表１に示
したように電流変動率も大きくなったものと解釈される
。すなわち、熱陰極は使用に際して高温に加熱されるた
め針状陰極先端の形状は表面原子の移動再配列、あるい
は蒸発等のため変化し、先端は特殊な形状になる。

この現象は先端曲率の小さい針状陰極の場合とくに著し
く単結晶製の鋭い針状陰極の場合問題となる。すなわち
、針状陰極先端の形状は電子ビームの分布に影響するか
らである。先端形状が針状陰極の軸に関して非対称にな
ったりすると得られる電子ビーム発生源がヲＥ対称にな
り、その結果収差が大きくなり電子ビームを細く絞れな
い等の問題が生じる。これを避けるためには、加熱によ
って針状陰極先端が変形した場合でも、対称性の良い方
位を選ぶ必要がある。前述の如く、単結晶六柵化物の針
状陰極を高温に加熱すると｛００１｝、｛０１１｝面な
どの発達が起こり、針状陰極先端はこれらの結晶面で囲
まれた多面体状になった。

したがって、対称性の良い針状チップの方位は〈００１
〉、〈０１１〉、もしくは〈１１１〉である。なお、こ
こで結晶面および結晶軸の表記法について例えば、Ｂ．
Ｄ．Ｃ山ｌｉｔｙ者、松村源大朗訳の「Ｘ線回析要論」
■アグネ、昭和４３年発行第６版、ｐ３８〜４３に述べ
られている。

結晶面を表わす記号、例えば｛００１｝は立方晶の場合
（１００）と等価な結晶面の（０１０）、（００１）、
（１００）、（０１０）、（００１）など全てを代表す
る。また結晶方位を表わす記号例えば〈００１）は結晶
学的に等価な〔００１〕、〔０１０〕、〔１００〕、〔
００１〕、〔０１０〕、〔１００〕を代表し示す方位記
号である。これらの蛇方位を持つ単結晶から製造された
針状チップは加熱の結果変形しても対称性が良いため得
られる電子ビームはより均一なものとなり、電子ビーム
応用機器の性能が向上する効果がある。

以下実施例にしたがって詳細に説明する。

フラックス法で育成したく００１〉を軸万位に持つ０．
１５肋口ｘ数側の長さのＬａＢの棒状結晶を０．２肋少
のＴａヘアピンの先端に点溶接し、いＢ６結晶を電解研
摩によって先端曲率的１０００Ａの針状チップに加工し
た。真空中でＴａヘアピンに通電加熱して、各温度に加
熱処理したＬａＢ針状チップ先端を電界イオン顕微鏡で
観察した。ＬａＢ６針状チップ先端の加熱による形状変
化の様子を第１図を参照しながら説明する。電解研摩に
よって滑らかな表面（第１図、ａ）に加工された針状チ
ップを８００００に加熱した場合、｛００１｝がまず発
達し、針状チップ先端は平らになる傾向を示し、さらに
加熱温度を上げていくと｛００１｝の他に｛０１１｝、
｛１１１｝および｛０１２｝面の発達が起こり、第１図
ｂに示すごとき形状になった。とくに、ＬａＢ６熱陰極
の動作温度である１４００ｏｏ以上に加熱した場合、｛
００１｝、｛０１１｝面が顕著に発達する。１５００ｏ
ｏで数秒加熱処理したいＢ６針状チップ先端はまず｛０
０１｝、｛０１１｝面に相当する部分が平らになり、さ
らに長時間加熱することによって、針状チップは｛００
１｝、｛０１１｝等の低指数結晶面で完全に囲まれた多
面体状（第１図ｃ）に変化した。

加熱処理の間〈００ｉ〉針状チップは４回軸対称を保っ
て変化した。これにより、く００１＞、（０１１〉、く
１１１）以外の方位を持つ針状チップを加熱した場合は
、先端の形状が軸に対して非対称になることがわかる。
とくにこれらの方位の中でも対称性の良い軸万位はく０
０１＞であり、この方位が最も望ましい。多面体状に変
化したく００１）方位の針状チップから得られる電子ビ
ームの分布は、針状チップの形状に対応して４回事由対
称を示したが、電子ビームを静電レンズによって絞り込
むことによってほぼ均一なスポットを得ることができた
。また、フローティングゾーン法で育成したく０１１＞
、および〈１１１）方位のＬａＢ６単結晶の針状チップ
を加熱したときの先端形状変化をそれぞれ、第２図およ
び第３図に示す。

〈０１１〉方位のいＢ６状チップの場合、加熱すること
によって｛００１｝、｛０１１｝、｛１１１｝面の発達
が起こり（第２図ｂ）、長時間加熱することによって第
２図ｃに示すような多面形状に変化した。〈１１１＞方
位のいＢ６針状チップでは加熱によって ｛１１１｝、
｛０１１｝、｛００１｝が発達した第３図ｂの状態を経
た後、同図ｃに示すような多面体状に変わった。〈０１
１＞方位およびく１１１＞方位の山Ｂ６針状チップ先端
は加熱の処理の間、それぞれ２回軸、３回軸対称を保っ
て変化した。電子ビームの分布もそれぞれのチップ形状
の対称性に対応して２回軸、３回軸対称を示した。これ
らの針状陰極から得られる電子ビームも絞り込むことに
よってほぼ均一なスポットを得ることができた。これに
対し、上誌３つの方位以外の軸方位を持つ針状チップは
、先端が軸に関して非対称で、方位によってチップの軸
万位に有効に電子が放射されないだけでなく、電子ビー
ムの分布も非対称でビームを絞っても均一なスポットは
得難い等の欠点があった。

以上述べた傾向はいＢ６に限らず、同一の結晶構造を持
つ六棚化物（Ｓｒ馬、Ｂａ馬、ＣｅＢ６、ＰｒＢ２６、
Ｎ曲６、Ｓｍ＆、Ｅ雌６あるいはこれら六棚化物の混晶
など）でも起こる。

したがって、針状チップ先端の対称性が良く、均一な電
子ビームを得るためにはく００１）、く０１１〉もしく
は〈１１１＞の方位の軸を持つ六棚化物陰極が望ましい
。これらの方位の単結晶から製造した針状陰極を用いる
ことによって、均一な電子ビームを得ることができるの
で、電子ビーム応用機器において輝度、分解能の向上な
どの効果が生ずる。故に本発明は実用上有用なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図は、本発明を説明するための
陰極の先端の形状を示す図である。 弟ｊ図多ノ図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 六硼化カルシウム型結晶構造を有する六硼化物を用
   いた熱陰極において、軸方位が〈０１１〉、〈１１１〉
   又は〈００１〉でありその先端形状がそれぞれ２、３又
   は４回軸対称性を持つ実質的な多面体である六硼化物単
   結晶であることを特徴とする熱陰極。 ２ 上記軸方位が〈０１１〉であり先端形状が２回転対
   称性をもつ実質的に多面体である特許請求の範囲第１項
   記載の熱陰極。 ３ 上記軸方位が〈１１１〉であり先端形状が３回軸対
   称性をもつ実質的に多面体である特許請求の範囲第１項
   記載の熱陰極。 ４ 上記軸方位が〈００１〉であり先端形状が４回軸対
   称性をもつ実質的に多面体である特許請求の範囲第１項
   記載の熱陰極。 ５ 上記六硼化物がＬａＢ＿６である特許請求の範囲第
   １項から第４項までのいずれかに記載の熱陰極。