WO2010001953A1

WO2010001953A1 - 電子源装置、イオン源装置、及び荷電粒子源装置

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Publication number: WO2010001953A1
Application number: PCT/JP2009/062101
Authority: WO
Inventors: 崇大西
Original assignee: 株式会社日立ハイテクノロジーズ
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2010-01-07
Also published as: JP2010015818A

Abstract

本発明の目的は、加速管の構造を簡潔とし、且つ加速管の電圧分布を滑らかにすることに関する。本発明は、電子源装置やイオン装置の加速管を半導電性材料で構成し、加速管の両端に電圧を印加することに関する。本発明によれば、構造が簡単で且つ電圧分布が滑らかな加速管を得ることができる。

Description

電子源装置、イオン源装置、及び荷電粒子源装置

　本発明は、電子線を生成する電子源装置、又はイオンビームを生成するイオン源装置に関する。

　電子顕微鏡では、電子ビームを発生させる電子源が用いられる。イオンビーム加工装置、重イオン加速器等では、イオンビームを発生させるイオン源が用いられる。電子源及びイオン源は、高電圧によって発生した電子又はイオンを、陽極（電子線、陰イオンビームの場合）または陰極（陽イオンビームの場合）に向けて、加速することにより、電子線又はイオンビームを得る。陽極または陰極は、地上電位（接地電位）又はゼロに近い電位を有する。従って、電子線及びイオンビームは、電子源及びイオン源と地上電位との間の高電位差によって、それぞれ加速される。

　例えば、電子顕微鏡で用いられる電子銃の場合、電子線のエネルギーは、数百ボルトから数十万電子ボルトまで加速される。電子線は、初期加速の後段にて、高周波電位によってさらに加速される場合もあるが、通常の電子顕微鏡では、電子源にて発生した電子線は、そのままのエネルギーで利用される。

　また、コッククロフト・ウォルトン型ないしバンデグラフ型と呼ばれる粒子（イオン）加速器においても、高い電位差を使って、イオンの全エネルギーが付与される。

　電子源またはイオン源では、高電位差の両端の間に、電子線又はイオンビームの通路となる「加速管」と呼ばれる管を設けることがある。加速管内は真空であり、多くの場合、真空容器を兼ねている。典型的な電子銃では、第一陽極（引き出し電極）との電位差によって電子源から引き出され、放出された電子線は、第二陽極（集束電極）との間のレンズ作用によって収束され、陽極（アノード電極）との間を加速される。第二陽極と陽極の間に加速管が設けられる。

　一般に、加速管には、多数の中間電極が設けられる。中間電極は、第二陽極（収束電極）と陽極（アノード電極）の間に位置しており、第二陽極（収束電極）と陽極（アノード電極）の電位差を補間する電位を持たされる。たとえば、第二陽極（収束電極）の電位が－150kV、陽極（アノード電極）の電位が0kVで、この間に４つの中間電極が設けられる場合、それぞれの中間電極の電位は、第二陽極（収束電極）に近い側から、－120kV, －90kV, －60kV, －30kV　のようにとる場合が多い。この電位は、それぞれの中間電極に電源を接続し発生することもできるが、ほとんどの場合、ブリーダー抵抗と呼ばれる抵抗器を用いて電位を分割する構造をとっている。これは、第二陽極（収束電極）、中間電極、陽極（アノード電極）の隣り合う電極同士を抵抗器でつなぐもので、第二陽極（収束電極）と陽極（アノード電極）の電位差によって抵抗器に流れる電流により、中間電極のもつ電位が上のように分割されるものである。

　加速管に中間電極を設ける理由としては、以下のようなものがある。

１．第二陽極と陽極（地上電位）の間には、高電位差が存在する。従って、両者間に電位差が急激に変化する部分が現れ、そこに、電界集中が起きる。この電界集中の領域では、絶縁破壊が起きたり、フィールドエミッションが発生することがある。そこで、中間電極を設ければ、第二陽極と陽極（地上電位）の間に比較的滑らかな電圧分布が生成され、このような危険が回避される。

２．高電圧に保たれている第二陽極付近と地上電位との間を絶縁するために、セラミックやアクリルなど絶縁物製の加速管が、真空ダクトの壁として用いられる。この加速管に、反射又は散乱により電子が衝突すると、局所的な電位分布を形成される。このような電位分布は、電子を加速させるための加速電位に悪影響を与えるとともに放電の原因となる。そこで、加速管内壁が電子線通路に露出しないような形状の中間電極を設ければ、このような電子が、加速管に衝突することを防止できる。

３．特に電子線の場合、外部磁場の変動に伴って電子ビームの変動が生じる。このため、電子銃を磁気シールド構造とする必要がある。この磁気シールドの役割を果たすように、中空の中間電極が作られることもある。

　これらの理由から、加速管に中間電極を設けることは、高圧電子銃やバンデグラフ型加速器等で一般的なものとなっている。
特開２００１－３１９６１３号公報（米国特許７０６０９７８）特開平９－１７３６９号公報（米国特許５６７７５３０）特開平８－２６４１４９号公報ＷＯ２００３／１０７３８３（米国特許７１９３２２１）

　電子源又はイオン源の加速管に中間電極を設けることによって、電位差が急激に変化する領域が現れるのを回避することができる。

　しかしながら、従来の加速管では、滑らかな電圧分布を得るには、多数の中間電極を設ける必要があり構造が複雑化する。更に、多数の中間電極を設けると、電子源又はイオン源の軸線方向の寸法が大きくなる。更に、多数の中間電極を設けると、構成要素の軸合わせを正確に行うことが困難となり、収差が大きくなる可能性がある。

　本発明の目的は、加速管の構造を簡潔とし、且つ加速管の電圧分布を滑らかにすることに関する。

　本発明は、電子源装置やイオン装置の加速管を半導電性材料で構成し、加速管の両端に電圧を印加することに関する。

　本発明によれば、構造が簡単で且つ電圧分布が滑らかな加速管を得ることができる。

本発明による電子銃の第１の例の構成を示す図である。電子銃の比較例の構成を示す図である。図１の本発明による電子銃の第１の例と図２の比較例の電圧分布の例を示す図である。本発明による電子銃の第２の例の構成を示す図である。

１１…チップ、１３…引き出し電極、１５…集束電極、１７…アノード電極、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ…中間電極、２１、２１Ａ～２１Ｅ、２２…碍子、２３…加速管、１３ａ、１５ａ、１７ａ…電極端子

　実施例では、電子を放出するチップと、該チップから電子を引き出す引き出し電極と、引き出された電子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁されたアノード電極と、電子が通過する加速管と、前記チップと接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有し、前記加速管の一端が、前記アノード電極に接続され、前記加速管の他端が、前記集束電極又は前記引き出し電極に接続されており、前記加速管が、前記チップから前記アノード電極を経由して放出される電子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように構成されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、半導体材料によって形成されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、導電性セラミックスによって形成されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、絶縁性材料によって形成された部材の内面に、半導体材料の膜又は層を形成することによって形成されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管の抵抗値が、数ギガΩである電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管の両端に数キロボルトから数メガボルトの直流電圧が印加されるとき、前記加速管には数マイクロアンペアの電流が流れる電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管がアノード電極と集束電極の間に配置され、引き出し電極と集束電極の間に配置された碍子と、加速管が直列に接続されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、引き出し電極と集束電極の間に配置された碍子と、加速管が一体構造を有する電子源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管と碍子が絶縁性材料によって形成された単一の円筒によって形成され、該円筒の内側には、加速管を構成する部分に、半導体材料の膜又は層が形成されている電子源装置を開示する。

　また、加速管が、アノード電極と引き出し電極の間に配置され、引き出し電極と集束電極の間に配置された碍子が、加速管の内側に配置されている電子源装置を開示する。

　また、実施例では、イオンビームを放出するチップと、該チップからイオンを引き出す引き出し電極と、引き出されたイオンを集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された陽極又は陰極と、イオンが通過する加速管と、前記チップと接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有し、前記加速管の一端が、前記陽極又は陰極に接続され、前記加速管の他端が、前記集束電極又は前記引き出し電極に接続されており、前記加速管が、前記チップから前記陽極又は陰極を経由して放出されるイオンビームの電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように構成されているイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、半導体材料によって形成されているイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、導電性セラミックスによって形成されているイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管が、絶縁性材料によって形成された部材の内面に、半導体材料の膜又は層を形成することによって形成されているイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、引き出し電極と集束電極の間に配置された碍子と、加速管が一体構造を有するイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、加速管と碍子が絶縁性材料によって形成された単一の円筒によって形成され、円筒の内側には、加速管を構成する部分に、半導体材料の膜又は層が形成されているイオン源装置を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出するチップと、該チップから荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極からの荷電粒子を引き入れる接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を用い、前記チップと前記接地電極の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加し、前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加し、前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加し、前記引き出し電極又は前記集束電極に一端が接続され、前記接地電極に他端が接続された前記加速管に、前記チップから前記接地電極を経由して放出される荷電粒子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流を流す、荷電粒子線の生成方法を開示する。

　また、実施例では、加速管の両端に数キロボルトから数メガボルトの直流電圧が印加されるとき、前記加速管に数マイクロアンペアの電流が流れる荷電粒子線の生成方法を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有し、前記加速管が、導電性碍子材料からなり、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されている荷電粒子源装置を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有し、前記加速管が、導電性セラミックスからなり、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されている荷電粒子源装置を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有し、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続され、前記加速管の抵抗値が、数ギガΩである荷電粒子源装置を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、前記荷電粒子源と接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有し、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されており、前記加速管の中間に設けられた金属部分である中間電極にブリーダー抵抗が接続されておらず、該中間電極の電位が、加速管の電気抵抗によって定められる荷電粒子源装置を開示する。

　また、実施例では、荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、前記荷電粒子源と接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有し、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されており、前記加速管の中間に金属部分が設けられておらず、前記荷電粒子源から前記接地電極を経由して放出される荷電粒子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように加速管の電気抵抗が設計されており、この電気抵抗によって加速管内の電位が定められる荷電粒子源装置を開示する。

　以下、上記及びその他の、従来技術にはない新規な構成と、その作用効果について、図面を参酌して説明する。

　図１を参照して、本発明による電子銃の第１の例を説明する。本例の電子銃は、チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、アノード電極１７、円筒状の碍子２１、及び、円筒状の加速管２３を有する。引き出し電極１３は、底に中心孔を有する円筒容器の形状を有する。集束電極１５は、チップ１１側の第１の円筒部とアノード電極１７側の第２の円筒部を有する。第１の円筒部の内径及び外径は、第２の円筒部の内径及び外径より、それぞれ大きい。図示のように、引き出し電極１３の一部が、集束電極１５の第１の円筒部内に挿入されている。アノード電極１７は、底に中心孔を有する円筒容器の形状を有する。チップ１１、引き出し電極１３の中心孔、集束電極１５の中心軸線、及び、アノード電極１７の中心孔は、電子銃の中心軸線に沿って配置されている。

　引き出し電極１３には、第１の電極端子１３ａが接続されている。集束電極１５には、第２の電極端子１５ａが接続されている。アノード電極１７には、第３の電極１７ａが接続されている。第１の電極端子１３ａは、引き出し電極１３から碍子２１の端（図１にて上端）まで延びている。更に、その先端は、碍子２１の円筒外面より外方に突出している。第２の電極端子１５ａは、集束電極１５から、碍子２１と加速管２３の間の接続部まで延びている。更に、その先端は、碍子２１及び加速管２３の円筒外面より外方に突出している。第３の電極１７ａは、アノード電極１７から加速管２３の端（図１にて下端）まで延びている。更に、その先端は、加速管２３の円筒外面より外方に突出している。

　碍子２１と加速管２３の内側は真空排気されている。碍子２１と加速管２３の外側は、大気であってよいが、樹脂等の不導体、又は、ＳＦ_６などのガスであってよい。

　チップ１１と接地電位の間に第１の高圧電源４１が接続されている。従って、チップ１１に、第１の高圧電源４１からの直流電圧Ｖ０が印加される。チップ１１と第１の電極端子１３ａの間に第２の高圧電源４２が接続されている。従って、チップ１１と引き出し電極１３の間に、第２の高圧電源４２からの直流電圧Ｖ１が印加される。チップ１１と第２の電極端子１５ａの間に第３の高圧電源４３が接続されている。従って、チップ１１と集束電極１５の間に、第３の高圧電源４３からの直流電圧Ｖ２が印加される。第３の電極１７ａは接地されている。従って、アノード電極１７の電位は接地電位に等しい。

　集束電極１５とアノード電極１７の電位差は、チップ１１の電位Ｖ０から、チップ１１と集束電極１５の間の電位差Ｖ２を減算することにより得られる。従って、集束電極１５とアノード電極１７の電位差は、Ｖ０－Ｖ２である。加速管２３には、電位差Ｖ０－Ｖ２（数百キロボルト）に相当する電圧分布が生成される。加速管２３における電圧分布は、図３を参照して説明する。

　チップ１１に高圧電源４１、４２から電圧が印加されると、電界効果または熱電子放出等の原理によってチップ１１から電子が放出される。放出された電子は、引き出し電極１３によって初期加速される。加速された電子は、引き出し電極１３と集束電極１５との間に形成される静電レンズ作用によって加速され且つ収束され、電子線となる。電子線は、さらに加速管２３の中を通過して、アノード電極１７に向けて加速され、所定のエネルギーを付与される。本発明によると、好ましくは、加速管２３を流れる電流値は、電子ビームの電流値に等しい。加速管を流れる電流量は、大きすぎる加速管のジュール熱による発熱の原因となり、小さすぎると反射電子が加速管に到達することによる追加の電流の効果により、加速管内部の電位分布が変化する原因となる。このため、加速管を流れる電流値は、電子ビームの電流値の多くとも10倍、小さくとも1/10とすることが望ましい。

　碍子２１は絶縁体である。碍子２１によって、引き出し電極１３と集束電極１５の間は電気的に絶縁される。尚、チップ１１と引き出し電極１３の間も絶縁体によって絶縁されている。加速管２３は半導電体である。加速管２３は高抵抗の半導体（または半導電材料）によって形成されている。従って、集束電極１５とアノード電極１７の間は、完全には絶縁されていない。集束電極１５とアノード電極１７の間は、僅かであるが電流が流れる。即ち、加速管２３には数マイクロアンペアの電流が流れる。加速管２３の両端に数キロボルトから数メガボルトの直流電圧が印加される。従って、加速管２３の抵抗値は、数ギガΩとなる。

　加速管２３の製造方法を説明する。碍子２１は絶縁体であるが、加速管２３は半導電体である。加速管２３は、半導電性材料によって円筒部材を形成することによって製造してよい。しかしながら、加速管２３は、絶縁性材料によって円筒部材を形成し、その内面に半導電性材料の膜又は層を形成することによって、製造してもよい。半導電性材料として、様々な材料が既知である。例えば、導電性セラミックスがある。

　碍子２１と加速管２３を別部材として製造し、両者を接合してもよいが、両者を一体的な円筒部材として製造してもよい。例えば、絶縁性材料によって円筒部材を形成し、その一部分にのみ、半導電性材料の膜又は層を形成する。半導電性材料が塗布された部分は、加速管２３となり、半導電性材料が塗布されない部分は、碍子２１となる。

　図２を参照して、電子銃の比較例を説明する。比較例の電子銃は、チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、アノード電極１７、第１～第３の中間電極１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、及び、第１～第５の碍子２１Ａ～２１Ｅを有する。チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、及び、アノード電極１７の形状は、図１に示した第１の例の場合と同様であってよい。第１～第５の碍子２１Ａ～２１Ｅは、図１に示した第１の例の碍子２１と同様であってよい。

　中間電極１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃは、それぞれ、チップ１１側の第１の円筒部とアノード電極１７側の第２の円筒部を有する。中間電極１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの第１の円筒部の内径及び外径は、第２の円筒部の内径及び外径より、それぞれ大きい。図示のように、引き出し電極１３の一部が、集束電極１５の第１の円筒部内に挿入されている。集束電極１５の第２の円筒部の一部が、第１の中間電極１９Ａの第１の円筒部内に挿入されている。第１の中間電極１９Ａの第２の円筒部の一部が、第２の中間電極１９Ｂの第１の円筒部内に挿入されている。第２の中間電極１９Ｂの第２の円筒部の一部が、第３の中間電極１９Ｃの第１の円筒部内に挿入されている。第３の中間電極１９Ｃの第２の円筒部の一部が、アノード電極１７内に挿入されている。

　引き出し電極１３には、第１の電極端子１３ａが接続され、集束電極１５には、第２の電極端子１５ａが接続され、アノード電極１７には、第６の電極端子１７ａが接続されている。また、中間電極１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃには、それぞれ第３～第５の電極端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃが接続されている。第６の電極１７ａは接地されている。

　第２の電極端子１５ａと第３の電極端子１９ａの間に第１の抵抗（ブリーダー抵抗）４４が接続され、第３の電極端子１９ａと第４の電極端子１９ｂの間に第２の抵抗４５が接続され、第４の電極端子１９ｂと第５の電極端子１９ｃの間に第３の抵抗４６が接続され、第５の電極端子１９ｃと第６の電極端子１７ａの間に第４の抵抗４７が接続されている。

　チップ１１と接地電位の間に第１の高圧電源４１が接続され、チップ１１と第１の電極端子１３ａの間に第２の高圧電源４２が接続され、チップ１１と第３の電極端子１５ａの間に第３の高圧電源４３が接続されている。従って、図１の第１の例の場合と同様に、チップ１１に、第１の高圧電源４１からの直流電圧Ｖ０が印加される。チップ１１と引き出し電極１３の間に、第２の高圧電源４２からの直流電圧Ｖ１が印加される。チップ１１と集束電極１５の間に、第３の高圧電源４３からの直流電圧Ｖ２が印加される。また、集束電極１５とアノード電極１７の電位差は、Ｖ０－Ｖ２である。

　集束電極１５とアノード電極１７の間には、電位差Ｖ０－Ｖ２（数百キロボルト）に相当する電圧分布が生成される。集束電極１５、中間電極１９Ａ～１９Ｃ、及び、アノード電極１７における電圧分布は、図３を参照して説明する。高圧電源４３及び抵抗４４から４７を流れる電流値は、電子ビームの電流値にほぼ等しい。具体的には、電子ビームの電流値に加え、抵抗４４から４７を流れる電流値になる。抵抗４４から４７を流れる電流は、電位差Ｖ０－Ｖ２（数百キロボルト）を、抵抗４４から４７の抵抗値を加算した全抵抗値（十ギガΩ程度）で除算したものに等しく、数十マイクロアンペア程度である。

　図３では、図１に示した本例の電子銃と、図２に示した比較例の電子銃の電位分布を比較している。図示のように、電子銃の中心軸線方向に位置座標軸ｘをとり、それに垂直に電位座標軸Ｖをとる。図１に示した本例の電子銃では、アノード電極１７は接地されており、その電位は接地電位に等しい。接地電位に対するチップ１１の電位をＶ０とする。チップ１１とアノード電極１７の間の電位差もＶ０である。チップ１１と引き出し電極１３の間の電位差をＶ１とする。接地電位に対する引き出し電極１３の電位は、Ｖ０－Ｖ１となる。引き出し電極１３とアノード電極１７の間の電位差もＶ０－Ｖ１となる。チップ１１と集束電極１５の間の電位差をＶ２とする。接地電位に対する集束電極１５の電位は、Ｖ０－Ｖ２となる。集束電極１５とアノード電極１７の間の電位差もＶ０－Ｖ２（数百キロボルト）となる。

　従って、加速管２３の両端には、電圧Ｖ０－Ｖ２が印加される。加速管２３の抵抗をＲとする。加速管２３を流れる電流をＩとすると、Ｉ＝（Ｖ０－Ｖ２）／Ｒである。この電流Ｉの値は、数マイクロアンペアである。加速管２３を流れる電流値は、好ましくは、電子ビームの電流値に等しい。

　このように、加速管２３を微小電流が流れることによって、加速管２３の内部における電位は、滑らかに分布する。集束電極１５とアノード電極１７との間に、ほぼ距離に比例する電位分布が発生する。電子線は、このような電界の中を飛ぶ。そのため、集束電極１５からアノード電極１７まで、電子線は、収差が少なく加速される。尚、アノード電極１７に衝突した電子は、一部が反射電子（または二次電子）として加速管２３の内部に到達するが、それらの総量は加速管２３を流れる電流よりも少ないため、加速管２３の電位勾配に影響を与えない。

　図２に示した比較例の電子銃では、アノード電極１７は接地されており、その電位は接地電位に等しい。接地電位に対するチップ１１の電位をＶ０とする。チップ１１とアノード電極１７の間の電位差もＶ０である。チップ１１と引き出し電極１３の間の電位差をＶ１とする。接地電位に対する引き出し電極１３の電位は、Ｖ０－Ｖ１となる。引き出し電極１３とアノード電極１７の間の電位差もＶ０－Ｖ１となる。チップ１１と集束電極１５の間の電位差をＶ２とする。接地電位に対する集束電極１５の電位は、Ｖ０－Ｖ２となる。集束電極１５とアノード電極１７の間の電位差もＶ０－Ｖ２となる。即ち、チップ１１から集束電極１５までの電位分布は、図１に示した本例の電子銃の場合と同様である。

　しかしながら、集束電極１５とアノード電極１７との間の電位分布は、図１に示した本例の電子銃の場合と異なる。

　図２に示したように、第２から第５の碍子２１Ｂ～２１Ｅの各々に、抵抗４４から４７が、それぞれ並列に接続されている。また、第３の高圧電源４３に直列に、４つの抵抗４４～４７が接続されている。第３の高圧電源４３を流れる電流をＩとする。第３の高圧電源４３を流れる電流値は、電子ビームの電流値に等しいものとする。集束電極１５と第１の中間電極１９Ａの間の電位差はＩ×Ｒ１、第１の中間電極１９Ａと第２の中間電極１９Ｂの間の電位差はＩ×Ｒ２、第２の中間電極１９Ｂと第３の中間電極１９Ｃの間の電位差はＩ×Ｒ３、第３の中間電極１９Ｃとアノード電極１７の間の電位差はＩ×Ｒ４、となる。

　４つの抵抗４４～４７の抵抗値を同一とすることにより、集束電極１５とアノード電極１７の間の電位差Ｖ０－Ｖ２を４等分することができる。この場合、集束電極１５、第１の中間電極１９Ａ、第２の中間電極１９Ｂ、第３の中間電極１９Ｃ、及び、アノード電極１７の電位は、それぞれ、（Ｖ０－Ｖ２）、3/4（Ｖ０－Ｖ２）、1/2（Ｖ０－Ｖ２）、1/4（Ｖ０－Ｖ２）、０（接地電位）となる。従って、集束電極１５とアノード電極１７の間の電圧分布は、折れ線状となるが、滑らかに分布する。

　尚、アノード電極１７に衝突した電子は、一部が反射電子（または二次電子）として中間電極内に戻ってくる。しかしながら、図２に示した比較例の電子銃では、中間電極１９Ａ～１９Ｃは、互いに重なり合う形状を有する。従って、反射電子が、中間電極を越えて碍子に到達することはない。もし、反射電子が、碍子に到達すると、そこで残留し蓄積する。このような電子は、集束電極１５とアノード電極１７の間の電圧分布に影響を与える。しかしながら、図２に示すように、中間電極１９Ａ～１９Ｃを、互いに重なり合うように配置することによって、反射電子が、碍子に到達することが防止される。

　図１の本例による電子銃と、図２の電子銃を比較する。図１の電子銃では、加速管を半導電体とすることにより、集束電極１５とアノード電極１７の間の電位分布を滑らかにすることができる。一方、図２の電子銃では、加速管に絶縁性の碍子を用いるが、中間電極を用いることにより、集束電極１５とアノード電極１７の間の電位分布を滑らかにする。従って、図１の電子銃では、図２の電子銃で必要な中間電極、抵抗器を削減または全廃することができる。そのため、本例の電子銃では、部品点数が少なくなるので製造原価が低減できる。また、本例の電子銃では、構造が単純になるので製造、調整が容易になる。本例の電子銃では、特に、集束電極１５及びアノード電極１７と中間電極を同一軸線上に配置するための装置及び保持するための装置の単純化が可能となり、又は、不要となる。また、本例の電子銃の全長は、比較例の全長より短くすることができる。そのため、本例の電子銃では、洗浄が容易となる。そのため、本例の電子銃では、真空ポンプによる真空引きのコンダクタンスが向上する。以上の二つの理由から、本例の電子銃では、加速管内部の真空度を向上させることができる。また本例の電子銃は、全長を短くすることができるため、温度変動や外部磁場変動など環境変動に対しても性能が変化しにくくなる。

　図４を参照して本発明による電子銃の第２の例を説明する。本例の電子銃は、チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、アノード電極１７、円筒状の碍子２２、及び、円筒状の加速管２３を有する。チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、及び、アノード電極１７の形状は、図１に示した第１の例の場合と同様であってよい。

　本例の加速管２３は、図１に示した第１の例で用いられている加速管と同一構造且つ同一材料によって構成されてよいが、長さが異なる。本例では、加速管は、引き出し電極１３からアノード電極１７まで延びている。碍子２２は、引き出し電極１３から集束電極１５まで延びている。碍子２２は、加速管２３の内側に配置されている。

　引き出し電極１３には、第１の電極端子１３ａが接続されている。集束電極１５には、第２の電極端子１５ａが接続されている。アノード電極１７には、第３の電極１７ａが接続されている。第１の電極端子１３ａは、引き出し電極１３から碍子２１及び加速管２３の端（図４にて上端）まで延びている。その先端は、加速管２３の円筒外面より外方に突出している。第２の電極端子１５ａは、集束電極１５から碍子２１の端（図４にて下端）まで延びている。その先端は、碍子２１の円筒外面まで延びているが、それより外方に突出していない。第３の電極端子１７ａは、引き出し電極１３から加速管２３の端（図４にて下端）まで延びている。その先端は、加速管２３の円筒外面より外方に突出している。

　本例の電子銃では、チップ１１とアノード電極１７の間の電位差Ｖ０は、滑らかに分布する。即ち、チップ１１から集束電極１５までの電位分布は、滑らかに変化し、折れ線状にならない。

　本例の電子銃では、図１に示した第１の例と比較して、碍子の部分だけ、電子銃の軸線方向の寸法を短くすることができる。そのため、チップ１１、引き出し電極１３、集束電極１５、及び、アノード電極１７を、容易に、電子銃の中心軸線に沿って、配置することができる。即ち、同軸性を得ること及びその維持が容易である。

　また、電子銃の構造は、第１の例の場合より簡単化することができる。従って、本例の電子銃は、低価格化と高精度化を図ることができる。

むすび

　図１及び図４では、電子銃を例に説明した。しかしながら、本発明は電子銃のような電子源装置に限定されるものではなく、イオンビームを生成するイオン源装置も含まれる。本発明によるイオン源装置は、基本的には、図１及び図４の電子銃と同様な構造を有する。イオン源装置の場合、陰イオンビームを生成する場合には、電子銃の場合と同様にアノード電極を用いるが、陽イオンビームを生成する場合には、アノード電極の代わりにカソード電極を用いる。

　以上本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者によって容易に理解されよう。

Claims

　電子を放出するチップと、該チップから電子を引き出す引き出し電極と、引き出された電子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁されたアノード電極と、電子が通過する加速管と、前記チップと接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有する電子源装置において、
　前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記アノード電極に接続されており、前記加速管が、前記チップから前記アノード電極を経由して放出される電子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように構成されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管が、半導体材料によって形成されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管が、導電性セラミックスによって形成されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管が、絶縁性材料によって形成された部材の内面に、半導体材料の膜又は層を形成することによって形成されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管の抵抗値が、数ギガΩであることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管の両端に数キロボルトから数メガボルトの直流電圧が印加されるとき、前記加速管には数マイクロアンペアの電流が流れることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管が前記集束電極と前記アノード電極の間に配置され、前記引き出し電極と前記集束電極の間に配置された碍子と、前記加速管が直列に接続されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項６記載の電子源装置において、前記引き出し電極と前記集束電極の間に配置された碍子と、前記加速管が一体構造を有することを特徴とする電子源装置。
　請求項８記載の電子源装置において、前記加速管と前記碍子が絶縁性材料によって形成された単一の円筒によって形成され、該円筒の内側には、前記加速管を構成する部分に、半導体材料の膜又は層が形成されていることを特徴とする電子源装置。
　請求項１記載の電子源装置において、前記加速管が、前記引き出し電極と前記アノード電極の間に配置され、前記引き出し電極と前記集束電極の間に配置された碍子が、前記加速管の内側に配置されていることを特徴とする電子源装置。
　イオンビームを放出するチップと、該チップからイオンを引き出す引き出し電極と、引き出されたイオンを集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された陽極又は陰極と、イオンが通過する加速管と、前記チップと接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有するイオン源装置において、
　前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記陽極又は陰極に接続されており、前記加速管が、前記チップから前記陽極又は陰極を経由して放出されるイオンビームの電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように構成されていることを特徴とするイオン源装置。
　請求項１１記載のイオン源装置において、前記加速管が、半導体材料によって形成されていることを特徴とするイオン源装置。
　請求項１１記載のイオン源装置において、前記加速管が、導電性セラミックスによって形成されていることを特徴とするイオン源装置。
　請求項１１記載のイオン源装置において、前記加速管が、絶縁性材料によって形成された部材の内面に、半導体材料の膜又は層を形成することによって形成されていることを特徴とするイオン源装置。
　請求項１１記載のイオン源装置において、前記引き出し電極と前記集束電極の間に配置された碍子と、前記加速管が一体構造を有することを特徴とするイオン源装置。
　請求項１１記載のイオン源装置において、前記加速管と前記碍子が絶縁性材料によって形成された単一の円筒によって形成され、前記円筒の内側には、前記加速管を構成する部分に、半導体材料の膜又は層が形成されていることを特徴とするイオン源装置。
　荷電粒子を放出するチップと、該チップから荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極からの荷電粒子を引き入れる接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を用いた荷電粒子線の生成方法において、
　前記チップと前記接地電極の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加し、
　前記チップと前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加し、
　前記チップと前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加し、
　前記引き出し電極又は前記集束電極に一端が接続され、前記接地電極に他端が接続された前記加速管に、前記チップから前記接地電極を経由して放出される荷電粒子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流を流すことを特徴とする荷電粒子線の生成方法。
　請求項１７記載の荷電粒子線の生成方法において、前記加速管の両端に数キロボルトから数メガボルトの直流電圧が印加されるとき、前記加速管に数マイクロアンペアの電流が流れることを特徴とする荷電粒子線の生成方法。
　荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有する荷電粒子源装置において、
　前記加速管が、導電性碍子材料からなり、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されていることを特徴とする荷電粒子源装置。
　荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有する荷電粒子源装置において、
　前記加速管が、導電性セラミックスからなり、前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されていることを特徴とする荷電粒子源装置。
　荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、を有する荷電粒子源装置において、
　前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続され、前記加速管の抵抗値が、数ギガΩであることを特徴とする荷電粒子源装置。
　荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、前記荷電粒子源と接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有する荷電粒子源装置において、
　前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されており、前記加速管の中間に設けられた金属部分である中間電極にブリーダー抵抗が接続されておらず、該中間電極の電位が、加速管の電気抵抗によって定められることを特徴とする荷電粒子源装置。
　荷電粒子を放出する荷電粒子源と、該荷電粒子源から荷電粒子を引き出す引き出し電極と、引き出された荷電粒子を集束させる集束電極と、該集束電極に対して電気的に絶縁された接地電極と、荷電粒子が通過する加速管と、前記荷電粒子源と接地電位の間に第１の直流電圧Ｖ０を印加する第１の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記引き出し電極の間に第２の直流電圧Ｖ１を印加する第２の高圧電源と、前記荷電粒子源と前記集束電極の間に第３の直流電圧Ｖ２を印加する第３の高圧電源と、を有する荷電粒子源装置において、
　前記加速管の一端が、前記引き出し電極又は前記集束電極に接続され、前記加速管の他端が、前記接地電極に接続されており、前記加速管の中間に金属部分が設けられておらず、前記荷電粒子源から前記接地電極を経由して放出される荷電粒子線の電流値の０．１～１０倍の電流値の電流が流れるように加速管の電気抵抗が設計されており、この電気抵抗によって加速管内の電位が定められることを特徴とする荷電粒子源装置。