WO2021015039A1 - 電子銃装置 - Google Patents

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electron gun
electron
cover tube
gun device
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安田　洋
義久 大饗
達哉 柴岡
英一 村田
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株式会社Ｐａｒａｍ
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Definitions

  • the present invention relates to an electron gun device used in an electron beam drawing device, an X-ray generator, an electron beam welder, an electron microscope, and the like.
  • An electron gun is a source that generates an electron beam and is used for the following purposes.
  • Electron beam drawing equipment Used for pattern formation on glass dry plates in semiconductor manufacturing factories or mask manufacturing factories of light exposure equipment. Since there is no other technology that can generate patterns, an electron gun that generates an electron beam is indispensable. The world market is about 20 units a year.
  • Electron beam pattern direct drawing device for research and development Electron beam direct drawing is used for various purposes. Used for semiconductor trials and fine MEMS prototypes. It is about several hundred units a year.
  • MEMS is an abbreviation for the English word “Micro Electrical Mechanical Systems,” which means “micro electromechanical system,” and is used for semiconductor silicon substrates, glass substrates, organic materials, and sensors and actuators for mechanical element parts.
  • Electron guns are indispensable for various medical and industrial X-ray generators.
  • X-ray equipment is used in many fields such as human body transmission photography in hospitals, CT equipment, testing of the internal structure of devices for industrial use, and inspection of baggage.
  • Electron beam welder or three-dimensional molding equipment Used in precision welding for applications such as joining metals of different materials inside a vacuum. In recent years, electron beams have been used in three-dimensional molding devices and the like.
  • Electron microscope It is used as an electron gun for various electron microscopes for semiconductor inspection and observation and for various research and development. There is a market of hundreds of billions of yen for the entire equipment. However, it is considered that the electron gun device of the present disclosure may not be applicable to an inexpensive device of several million yen or less.
  • Tungsten electron guns are inexpensive (about 1000 yen each) and can be used easily, but they have a lifespan of 1000 hours, and the brightness is as low as 104 A / cm 2 steradian at 50 kV.
  • the operating temperature is around 2500 ° C.
  • the LaB6 electron gun is expensive at 200,000-500,000 yen per piece, but the brightness is as high as 106 A / cm 2 steradian at 50 kV.
  • the evaporation rate of this material varies depending on the operating temperature, and since there is evaporation consumption of several tens of ⁇ m in 1000 hours at 1550 ° C to 1600 ° C, it is important that the higher the brightness, the shorter the life. Had a lot of drawbacks.
  • the LaB6 crystal which is an electron emitting material
  • the temperature of the LaB6 crystal becomes high the evaporation of the LaB6 material accumulates on the surface of the heater for heating, and the resistance value of the heater decreases.
  • the temperature of the LaB6 crystal decreases. There is also the problem of doing.
  • Patent Document 1 Patent No. 5595199
  • the LaB6 crystal at the tip of the electron gun is consumed and the tip surface changes from a flat surface to a round mound-like shape.
  • the uniformity distribution of the irradiated electron beam changes. It has been pointed out that doing so is the biggest problem.
  • the present inventors have had the same problem for more than 30 years.
  • the electron gun according to the present invention is an electron gun device that emits an electron beam by heating it to a high temperature in a vacuum, and the surface of the material that emits the electron beam is a hydride metal of a liquid that is melted during high temperature operation.
  • the liquid hydride is stored as a hydride or pre-hydrogenated liquid metal in a hollow cover tube container that is solid during high temperature operation, and is heated to a high temperature together with the cover tube container to produce hydrogen.
  • the liquefied liquid metal is exposed from the cover tube container, forms a liquid surface in which gravity, electric field, and surface tension of the liquid surface are balanced, and emits electron beams from the exposed hydride liquid metal surface.
  • the electron gun according to the present invention preferably has the following configuration.
  • the material for emitting the electron beam is a liquid that is melted during high-temperature operation and is a metal hydride.
  • the electron emission intensity is increased, and the oxidation of the material when exposed to the atmosphere or oxygen gas is suppressed.
  • Liquid metal hydride is stored in a hollow cover tube container that is solid during high-temperature operation, and is heated to a high temperature together with the container.
  • the hollow cover tube container is made of a material that does not dissolve by chemically reacting with the liquid hydride of the electron beam emitting material at the same high temperature, and the hollow cover tube container has conductivity.
  • 3) Liquid metal By binding hydrogen atoms, atoms reduce the inherent work function of liquid metal atoms and increase electron radioactivity.
  • the vapor pressure of the liquid metal to vacuum at high operating temperatures ranges from 10-6 pascal to 1 pascal.
  • the surface of the hydride liquid metal has a normal vector that coincides with the direction of gravity, and is approximately by gravity and electric field. A horizontal static plane is formed and 5) thermion or field-applied thermion emission is performed in the direction of gravity or in the direction opposite to gravity.
  • the present invention it is possible to increase the brightness of the electron gun, stabilize the heater temperature, and extend the life of the electron gun at the same time.
  • It is a substantially plane of the liquid of the liquid electron emission material when the electron gun in the downward direction of gravity is tilted at an angle of about 45 degrees, and is a diagram showing that there is almost no change from the vertical state, and is an enlarged view of a main part. ..
  • the reason for using gas is that it is easy to control from the outside by the pressure and flow rate of the gas.
  • the type of gas is methane gas CH4. This is the simplest hydrocarbon gas.
  • the LaB6 single crystal usually requires a high temperature of 1500 ° C. or higher, but if the LaB6 crystal is left at 1200 ° C. and methane gas is allowed to flow at 10 -4 pascal so as to fill the inside of the vacuum chamber of the electron gun, it takes 5 hours. Later, it became possible to realize an electron generation intensity of about 1500 ° C. for a LaB6 single crystal.
  • the work function of LaB6 usually drops significantly from 2.1 to 2.0 eV when left at 1200 ° C., so that the electron generation efficiency increases 100 to 1000 times. It means that the temperature can be lowered by 300 ° C.
  • lanthanum Since lanthanum is easily oxidized, when taken out into the atmosphere, the thin hydrogenated lanthanum layer on the LaB6 crystal easily reacts with oxygen in the atmosphere to become lanthanum oxide. Since the work function of lanthanum oxide is as large as 3.5 eV, the efficiency of electron generation is poor even if it is evacuated again.
  • the present inventors have a low work function of the lantern solution due to the steady flow of methane at 1200 ° C. It was determined that it was due to the hydrogenated lantern LaHx by dissolving the lanthanum hydrogen reagent in a hollow cover tube container and confirming that the work functions match.
  • LaHx as used herein refers to one having 1 to 3 hydrogens per lantern. X means that the value cannot be determined.
  • the present inventors heated the ingot mass of the lantern in a vacuum in a tungsten boat and placed it in a hollow cover tube container to liquefy the lantern. Even if this was operated in an electron gun chamber in which hydrogen gas was passed, the same work function 2.1 to 2.0 eV as that of a hydrogenated lantern could be obtained.
  • the liquid level does not change the shape of the liquid surface as the electron emitting substance evaporates, only the total amount of liquid changes.
  • the upper liquid level is controlled to be constant so as to compensate for the decrease in the total amount of evaporating liquid. If a mechanism is provided, the liquid surface can be made a horizontal plane and its height can be kept unchanged.
  • the liquid hydrogenated lantern is stored inside a solid hollow cover tube container. There are holes on the tip electron emission surface of the cover tube container.
  • the cover tube has a substantially cylindrical shape or a trapezoidal cylindrical shape with a tapered tip.
  • the liquid metal material adheres to the side surface of the hollow cover tube container by capillarity when heated at a high temperature, so that the liquid flows downward even though the lowermost surface of the tip of the cover tube is open. It never comes.
  • a lantern liquid as an electron gun
  • the total amount of liquid metal that balances gravity is determined, and a liquid surface due to surface tension, which is a static approximate plane, is created in the open opening on the lowermost surface of the cover tube. ..
  • a voltage can be applied to the electrodes, a voltage can be applied to the liquid surface, and electron emission can be emitted from the liquid surface by heating.
  • the present inventors have no means for preventing the evaporation of the LaB6 crystal at the operating temperature, and cannot escape from the change in the shape of the surface of the solid electron gun, and are finite. Focusing on the unavoidable life of the electron gun, I came up with the idea of liquefying the electron emission surface of the electron gun. If liquefied, it can maintain a constant shape against evaporation of the electron gun surface. The life is usable until the total amount of liquid is exhausted.
  • FIG. 1A and 1B are views showing the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A describes a liquid electron emission plane electron gun (the liquid surface of the liquid electron emission material 108 is perpendicular to the gravity direction (gravity vector)) that emits an electron beam in the direction opposite to gravity (opposite gravity direction).
  • the liquid electron emitting material 108 is heated by the gripping tool 103 through which an electric current flows and the PG heater 110, and is liquefied at a high temperature of 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the liquid electron gun material is installed by the hollow cover tube container 102 so as not to leak to the outside.
  • Thermoelectrons or thermofield emission currents are emitted as electron beams 107 from the exposed surface above the liquid electron emitting material.
  • the emission current passes through the Wenert electrode 104, which controls the amount of electron emission, and is accelerated by the anode 101 to become the electron beam 107.
  • the liquid electron emitting material evaporates, so that the total amount of liquid decreases.
  • the gear 105 rotates periodically and pushes up the spur gear 113 that meshes with the 105 to move the 111 piston up and down. As a result, the support component 112 of the piston of 111 is pushed up.
  • the potential of the Wenert electrode may be positive or negative. However, the potential of the anode is plus 1 kV to 100 kV or more in order to accelerate the electrons.
  • Reference numeral 114 is a ceramic disk of an electric insulator for fixing the gripping tool 103, 106 is the lower part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission, and 109 is the direction of gravity.
  • FIG. 1B describes a liquid electron emission plane electron gun that emits an electron beam in the forward direction of gravity (the liquid surface of the liquid electron emission material 108 is perpendicular to the gravity direction (gravity vector)).
  • the liquid electron emitting material 125 is heated by a gripper 117 through which an electric current flows and a PG heater 118, and is liquefied at a high operating temperature of 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the liquid electron gun material is installed by the hollow cover tube container 124 so as not to leak to the outside.
  • Thermoelectrons or thermofield emission currents are emitted as electron beams 120 from the exposed surface below the liquid electron emitting material.
  • the emission current passes through the lower part 116 of the Wenert electrode that controls the amount of electron emission, and is accelerated by the anode 119 to become the electron beam 120.
  • the hollow cover tube container is made of a refractory material having a contact angle with liquid metal of 90 degrees or less when heated at high temperature, and the hollow cover tube is a side surface of an electron beam emitting material whose shape is oriented in the direction of the axis of gravity.
  • the outer shape is a square pillar, a cylinder, or a conical trapezoidal shape with the direction of gravity as the central axis
  • the inner shape is a square pillar, or a cylinder, or an elliptical pillar, or a long cylinder with the direction of gravity as the central axis.
  • the total amount of liquid decreases as the liquid electron emitting material evaporates over time.
  • the shape of the lower surface of the liquid does not change.
  • the statically balanced liquid metal liquid level is formed by the gravity applied to the liquid metal, the electrostatic electric force generated by the surface electric force of the electrode for extracting electrons, and the surface tension of the cover tube container and the liquid metal for a long period of time. A constant electron emitting surface is maintained.
  • the total amount of the liquid electron emitting material 125 has a lower limit and an upper limit.
  • Minimum limit value of the volume of liquid metal when the average radius of the cylindrical or prismatic constituting the bottom of the inner surface of the hollow of the cover tube and R, 4 ⁇ R 3/3, i.e. have a sphere or a capacity that can be attached to the inner surface
  • the amount of liquid is determined so that liquid does not drip from the opening of the bottom cover tube container.
  • the upper limit is that when the maximum radius of the innermost cross section of the inner cross section of the cover tube container is r (cm), the contact angle between the cover tube material and the liquid metal material for electron emission is ⁇ (degrees), and the liquid metal
  • the surface tension is ⁇ LG (dyne / cm)
  • the liquid metal density is ⁇ (5 to 10 with water as 1)
  • the acceleration is 980 (g ⁇ cm / s 2 : cgs unit system), the capacity of the liquid metal.
  • the innermost diameter portion of the cover tube container has a radius of 0.1 mm to 1 mm.
  • the upper surface of the liquid metal is oriented in the direction of gravity, and the liquid surface is perpendicular to gravity.
  • the lower surface of the liquid metal has a plane along the tip cross section of the hollow cover tube, i.e. the cover tube shaft, because the surface tension is dominant in this case as a result of the balance of gravity, electric field and surface force at that position. It becomes a vertical plane. This is true until the cover tube is tilted plus or minus 60 degrees with respect to gravity.
  • a solid high melting point material is used as a bulk material.
  • the bulk material indicates that it is not a thin film of 5 ⁇ m or less.
  • Bulk materials must not chemically react with liquid electron emitting materials such as hydrogenated lanthanum liquids.
  • the lantern liquid forms a compound with the cover tube container material and changes in quality, which changes the work function and significantly reduces the electron emission capacity.
  • the thickness of the hollow cover tube container becomes thinner and thinner, and at the end there is a hole, and the hydrogenated lanthanum liquid leaks to an unexpected surface, forming droplets, and also from these droplets.
  • electrons are emitted, it becomes an electron gun that emits a veryly large amount of electrons.
  • the electrons emitted from the hydrogenated lantern solution that came out of this unexpected hole are electron streams that cannot be used in normal applications.
  • the material of the hollow cover tube container should not be cracked.
  • a material having a high melting point of 2000 ° C. or higher is required.
  • the tensile strength, bending strength, etc. are as high as 500 MPacal or more at high temperatures up to 2000 ° C, and the hardness is 6 or more in Mohs hardness. Hardness is desirable.
  • Materials having such a high melting point that can be used include tungsten, rhenium, tantalum, molybdenum, titanium diboronized, zirconium diboronized, and tungsten boborated.
  • a mixed sintered product of titanium diboride (TiB 2 ), boron nitride (BN) and aluminum nitride (AlN) may be used.
  • borides (borones), nitrides, and oxides (excluding Al 2 O 3 alumina) of metals or transition metals can be used as cover tube container materials. Therefore, these substances can be mainly composed.
  • the bulk material is a conductor, but if it is an insulating substance, it is necessary to attach a conductive film to the outer surface, the bottom surface, the upper surface, and the inner surface of the cover tube.
  • the thickness of the conductive film is 1 ⁇ m to 5 ⁇ m. Since the film on the inner surface comes into contact with the lantern liquid, it may break. Therefore, the lantern liquid must be a bulk (thick and having a constant volume) of a hollow cover tube container to prevent liquid leakage.
  • a single crystal of titanium diboron, zirconium diboron, or hafnium diboron, or tantalum boride or yttrium diboron has the best performance when used as a cover tube. Demonstrated.
  • the life can be extended by 25 times or more and the life can be extended by 5 years or more.
  • 122 is a ceramic disk of an electric insulator that fixes the grip 117, 115 is the upper part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission, and 121 is the direction of gravity.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the lifetime of the solid LaB6 crystal of the comparative example.
  • the LaB6 crystal 207 before use in FIG. 2 has an irradiation distribution 208 of uniform intensity when heated and an acceleration voltage is applied to emit electrons.
  • the electron gun material evaporates and is consumed, the plane area of the tip portion becomes small, and the outer cylindrical portion becomes a thin LaB6 crystal 215.
  • the irradiation distribution 219 of the electron gun emission has a high intensity only in the center, but the area of the uniform irradiation distribution becomes very small.
  • the electron gun emission distribution changes in this way, it must be said that this electron gun has reached the end of its life.
  • 201 is the upper part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 202 is the lower part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 203 is a metal gripper through which a heating current flows
  • 204 is a PG (pyrolic graphite) heater
  • 205 is an anode.
  • 206 is a ceramic disk of an electrical insulator that fixes 203
  • 207 is a LaB6 single crystal at the start of use
  • 208 is an electron emission distribution at the start of use
  • 209 is the upper part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 210 is an electron emission.
  • the lower part of the Wenert electrode for quantity control, 211 is a metal gripper through which a heating current flows, 212 is a PG (pyroritic graphite) heater, 213 is an anode, 214 is a ceramic disk of an electrical insulator that fixes 211, and 215 is.
  • the LaB6 crystal part sandwiched between the heaters, 216 is the evaporation of the LaB6 crystal that accumulates on the PG heater and reduces the heater resistance value and causes the temperature to drop, 217 is the shape of the LaB6 single crystal that is sublimated and depleted due to high temperature, and 218 is.
  • the shape of the LaB6 single crystal without consumption at the start of use, 219 indicates the electron emission distribution after the electron emission distribution at the start of use changes due to the depletion of the LaB6 single crystal, and 220 indicates the electron emission distribution at the start of use.
  • FIG. 3 is a diagram showing a decrease in the total amount of liquid due to evaporation of the liquid electron gun electron emitting material when the electron emitting surface of the present embodiment faces the direction of gravity.
  • the hydrogenated lantern surface which is a liquid electron emission material, emits electrons from a substantially plane determined by gravity, an electric field, and surface tension. Since the shape of the liquid surface is kept completely unchanged, high brightness and long life are maintained. This is a very good point of this embodiment.
  • the liquid electron emitting material hydrogenated lanthanum 308 at the start of use evaporates into a vacuum at a constant vapor pressure. After a lapse of a certain period of time, the liquid level of the liquid electron emitting material 319 in the upper direction 318 is lowered. Eventually, the total amount of liquid will be exhausted in about 3 months. This is the true life of a liquid electron gun.
  • the life can be extended by 25 times or more. The life can be extended by 5 years or more.
  • 301 is the upper part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 302 is the lower part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 303 is a metal gripper through which a heating current flows
  • 304 is a PG (pyrolic graphite) heater
  • 305 is hollow.
  • Cover tube container 306 is the electrode
  • 307 is the ceramic disk of the electrical insulator that fixes 303
  • 308 is the direction in which the liquid electron emitting material evaporates from the back surface of the cover tube container
  • 309 is the liquid electron emitting material
  • 310 is the gravity
  • 311 is the upper part of the Wehnelt electrode for controlling the amount of electron emission
  • 312 is the lower part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 313 is a metal gripper through which a heating current flows
  • 314 is PG (pyrolic graphite).
  • Heater 315 is a hollow cover tube container, 316 is an electrode, 317 is a ceramic disk of an electrical insulator that fixes 313, 318 is the direction in which the liquid electron emitting material evaporates from the back surface of the cover tube container, and 319 evaporates over time.
  • the liquid electron emitting material in which the total amount of liquid is reduced, 320 indicates an electron beam emitted in the direction of gravity.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the capillary phenomenon and surface tension.
  • surface tension acts in the direction of the angle ⁇ , ⁇ is 90 degrees or less, and water 402 adheres to the glass substrate 401 in the form of droplets.
  • ⁇ is called a contact angle, and when the contact angle is 90 degrees or less, the wettability is good, and when the contact angle is 90 degrees or more, the wettability is poor and the water repellency is said.
  • the contact angle is 90 degrees or more, and the wettability is poor.
  • the mercury surface 416 in the glass tube is lower than the mercury surface 412 of the mercury container 413.
  • the glass tube 415 when the glass tube 415 is raised, the glass tube that is emptied when pulled away from the mercury container, such as 417, the glass tube with a tactile angle of more than 90 degrees and mercury become wet.
  • Mercury does not remain in the tube in the glass capillarity.
  • the liquid electron emitting material adheres to the side surface of the inner wall inside the cover tube container, and the liquid electron emitting material is the cover tube even if there is an opening on the lowermost surface. It does not leak from the container and forms a stable, substantially flat liquid surface suspended by gravity, electric field, and surface tension. It is important to be able to stably emit electrons in the direction of gravity from the liquid surface on a substantially flat surface of this liquid.
  • 407 is the water surface other than the glass tube of the water container
  • 408 is the glass tube
  • 409 is the capillary phenomenon
  • 410 Indicates a glass substrate
  • 412 indicates a mercury liquid surface other than the glass tube
  • 414 indicates mercury.
  • Table 1 is a table explaining the limit value of the liquid height of the liquid electron gun due to the capillary phenomenon, that is, "the limit height of the lantern liquid".
  • the limit height of the lantern liquid is the height of the liquid allowed for the diameter of the opening of the cover member, which indicates the height of the liquid of water, lantern and cerium that can adhere to the inside of the cylindrical capillary due to the capillary phenomenon.
  • the surface tension of water is calculated as 72.75 dyn / cm.
  • lantern and cerium are also divided by the amount of high density when they become liquid with the same surface tension as water. In fact, both lantern and cerium are said to have a surface tension of 10 times or more at 1,000 ° C or higher.
  • the inner diameter of the cover tube is 0.5 mm, the liquid level of water is 56 mm, and when the lantern density is 6, it is 9.3 mm. Height is acceptable. This is always a satisfying condition as it is longer than the actual electron gun cover tube container length of 3 mm. It is known that the average inner diameter of the thickest part of the cover tube container and the limit height are inversely proportional to each other. Therefore, unless the cover tube container is made thicker than this, the lantern liquid will not drip in the direction of gravity by itself from the cover tube opening. Since the density of cerium is 6.5, this condition hardly changes. Further, according to the experiments of the present inventors, the surface tension of the refractory metal and the metal boride with the lantern is sufficiently strong, and especially at 1000 ° C.
  • the wettability has never been a problem experimentally. It was. If the actual required operating temperature of 1000 ° C to 1600 ° C, the brightness, and the required value of the life can be determined, the inner diameter of the hollow cover tube container can be determined by design.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams illustrating an electron emitting material of a liquid electron gun.
  • An electron beam 605 is emitted from the hydrogenated lantern through the opening at the tip of the cover tube container shown in FIG. 5B.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a case where a lantern liquid is used.
  • it is necessary to flow hydrogen gas into the electron gun chamber to hydrogenate it to reduce the work function.
  • it oxidizes in the atmosphere in about 10 minutes, reacts with moisture, and starts hydroxylating. Since it is difficult to use this as an electron gun again, it is necessary to react the lantern atom 603 with the hydrogen atom 606 to prepare a hydrogenated lantern as shown in FIG. 5B.
  • 601 is a diagram of the entire liquid electron gun
  • 602 is an electron beam emitted in the direction of gravity
  • 603 is a lantern atom which is a liquid emitting material
  • 604 is a diagram of the entire liquid electron gun
  • 605 is an electron emitted in the direction of gravity.
  • the beam, 606, indicates a hydrogen atom that has penetrated into the lantern atom liquid.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the electron gun heating temperature and the generated current value.
  • the horizontal axis is the temperature of the electron gun (° C), and the vertical axis is the intensity of the emitted current (current ( ⁇ A)).
  • 703 represents the emission current of the hydrogenated lanthanum.
  • 704 represents the electron emission current of the solid LaB6 single crystal. From this, it can be seen that at the same temperature, the emission current intensity of the hydrogenated lanthanum is 100 to 1000 times higher than the emission current intensity of the LaB6 single crystal. That is, the hydrogenated lanthanum can obtain the same strength at a temperature 300 ° C. lower than the operating temperature of the LaB6 single crystal.
  • the hydrogenated lanthanum is a liquid, the liquid level is stably determined by gravity, an electric field, and surface tension, and the lanthanum can be used until the amount of the liquid is exhausted, so that the actual life is 10 to 100 times longer.
  • 705 indicates the electron emission intensity of the tungsten electron gun. Tungsten is used at a temperature exceeding 2000 ° C., and a filament of 100 ⁇ m ⁇ evaporates and cuts in about 100 hours, so that the life is very short.
  • Table 2 is a table for examining the types of elements that are candidates for liquid electron emitting materials, and examines the suitability of various elements and substances as liquid electron emitting materials. It shows the name of the material suitable for use, the melting point, the boiling point, and the vapor pressure indicating the degree of liquefaction at 1000 ° C to 1500 ° C or the degree of evaporation in that temperature range.
  • the one that has been widely used in the past is LaB6 single crystal, which has been used at 1500 ° C to 1600 ° C.
  • lanthanum and cerium were 10-3 pascal at 1300 ° C., which were the most suitable elements.
  • gadolinium has 10 -1 pasccal at 1300 ° C
  • praseodymium has 1 pasccal at 1500 ° C
  • terbium has 1 pascal at 1516 ° C. , Not at all unusable. From such an examination, lanthanum and cerium can be proposed as the optimum elements.
  • FIGS. 7A and 7B are explanatory views for the installation of a photocatalyst necessary for cleaning carbon atoms contained inside a liquid electron emitting material (reference numerals 901 and 906 indicate a diagram of the entire liquid electron gun). .. Carbon atoms have been shown to significantly reduce the electron emission efficiency of hydrogenated lanthanum. Therefore, there is a possibility of forming a compound with an electron emitting material by a carbon atom contained in the material of a hollow cover tube container, for example, a lanthanum or a lanthanum atom of a hydrogenated lanthanum.
  • Titanium dioxide which is a photocatalyst by ultraviolet light, which is well known to activate residual oxygen in lantern liquid or residual oxygen in an electron gun chamber
  • tungsten trioxide which is a photocatalyst by visible light, are used to prevent this. It is used for the purpose of removing carbon components in lantern liquid by carbon monoxide formation.
  • Powder 902 of titanium dioxide TiO 2 and tungsten trioxide WO 3 is mixed into 903 in a hydrogenated lanthanum solution.
  • an oxide film 907 of titanium dioxide or tungsten trioxide is adhered and formed on the inner surface of the hollow cover tube container as a photocatalyst. Since the electron gun emits at least visible light or more at 1000 ° C. or higher by the PG heater, it is possible to remove carbon impurities by oxidation using the light energy emitted by itself.
  • Reference numerals 904 and 909 are the back covers of the cover tube container for preventing the hydrogenated lanthanum from evaporating from the back surface of the electron gun emitting surface.
  • Reference numerals 905 and 910 are hollow cover tube containers.
  • the powder 903 and 908 are hydrogenated lanterns. According to the explanation in this figure, it is possible to keep the emission current of the liquid electron gun constant even when the hollow cover tube container contains a very small amount of carbon component of 0.1% or less. However, if the carbon impurities in the cover tube container can be reduced, the photocatalyst may be unnecessary, but carbon contamination from the inside of the electron gun chamber is considered, so it is desirable to use the photocatalyst for safety. Since titanium dioxide may use a natural oxide film of metallic titanium and tungsten trioxide may use a natural oxide film of metallic tungsten, the powder 902 or oxide film 907 used is metallic titanium or metallic tungsten. You may.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a mode in which hydrogen gas flows into a vacuum electron gun chamber in which a liquid electron gun is installed.
  • the hydrogen gas flows from the hydrogen gas cylinder 1020 into the electron gun chamber 1022 through the hydrogen gas adjusting mass flow controller 1021.
  • the turbo molecular pump 1011a opens the valve 1010 to evacuate the inside of the electron gun chamber.
  • the load on the turbo molecular pump 1011a is not so much, but for example, when you want to hydrogenate the lantern in a short time, the hydrogen gas partial pressure May be tempted to flow into the electron gun chamber for more than 10 -3 gascal.
  • the valve 1010 is closed and the second stage column 1019 is evacuated by the turbo molecular pump 1011b. By doing so, the hydrogen partial pressure of the electron gun chamber is maintained high, and the load on the turbo molecular pump is reduced.
  • the circular hole of the vacuum partition 1012 between the second stage column and the third stage column is small, so that a difference in hydrogen gas partial pressure can be generated between the electron gun chamber and the second stage column.
  • the electron beam 1008 passes through the vacuum partition wall 1013, and the electron beam inside the third stage column 1016 in which the electron beam irradiation work is performed using the electron beam deflection electrode 1017 and the electron beam convergence magnetic field lens 1018 is irradiated.
  • the work substrate is 1015, which is subjected to electron beam observation, electron beam drawing, or electron beam welding, and is irradiated with an electron beam to perform a required work.
  • the hydrogen gas partial pressure is highest in the electron gun chamber, followed by the second-stage column and the third-stage column in that order.
  • 1002 is a hollow cover tube container
  • 1003 is a liquid surface of the opening at the tip of the open cover tube container of the liquid electron gun material (a part of a substantially flat surface or a spherical surface having a large radius is formed by surface tension).
  • 1004 is a Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 1005a and 1005b are metal grippers through which a heating current flows
  • 1006a and 1006b are PG (pyrolic graphite) heaters
  • 1009 is a ceramic circle of an electrical insulator that fixes the gripper.
  • Plates 1011a, 1011b, 1011c indicate turbo molecular pumps
  • 1014 indicates roughing dry pumps.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a first method of filling a hollow cover tube container with a liquid electron emitting material.
  • the hollow cover tube container 1102 is lifted by a mechanical device 1101 for holding the hollow cover tube container and moving it in the lateral and vertical directions.
  • the lantern liquid 1107 which is a liquid metal
  • the lantern liquid 1107 is heated to a high temperature by the liquid metal melting heater 1111 and liquefied in the pot or the boat 1103 for containing the liquid metal.
  • the hollow cover tube container 1102 mechanically descends until it comes into contact with the lantern liquid 1107, and the lantern liquid 1107 is sucked up inside the hollow cover tube container 1102 by capillarity.
  • the inside of the cover tube container 1102 is evacuated, and the entire cover tube container is filled with the lantern liquid 1107.
  • 1104 is a power supply for a heater for melting liquid metal
  • 1105 is a transmission line from a power supply for a heater for melting liquid metal to a heater
  • 1108 is a vacuum pump
  • 1109 is a mass flow controller for adjusting the flow rate of hydrogen gas
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a second method of filling a hollow cover tube container with a liquid electron emitting material.
  • the hollow cover tube container 1207 faces downward 1204 with respect to gravity.
  • Hydrogenated lantern powder is stored in the container 1205 that stores hydrogenated lantern powder from the back side of the cover tube container, and by tilting it diagonally, the hydrogenated lantern powder is filled from the back side of the hollow cover tube container.
  • the filled hydrogenated lantern powder 1208 is heated to a high temperature by heating the heater 1203 in the vacuum chamber 1213 to become a liquid hydrogenated lantern 1212.
  • the vacuum chamber 1213 is evacuated by the vacuum pump 1214, and if necessary, hydrogen gas flows from the hydrogen gas cylinder 1215 from the flow rate control mass flow controller 1216 in a timely or continuous manner. As a result, the inside of the hollow cover tube container is filled with the hydrogenated lantern.
  • 1201 is a ceramic disk of an electric insulator for fixing the gripping tool
  • 1202 is a metal gripping tool through which a heating current flows
  • 1206 is a lantern hydride powder stored in a hollow cover tube container
  • 1209 is gravity
  • 1210 is a transmission line from the heater power supply for melting the liquid metal to the heater
  • 1211 is the heater power supply for melting the liquid metal
  • 1217 is the direction of gravity.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state in which a hydrogen storage alloy containing a large amount of hydrogen, which is mixed in a powder inside a liquid electron emitting material, supplies hydrogen.
  • Hydrogen storage encloses royal gold in the cover tube container together with the liquid metal material.
  • the hydrogen storage alloy 1301 mixed in the hydrogenated lanthanum liquid stores a large amount of hydrogen molecules 1302. When the pressure is reduced and heated in the vacuum chamber, the hydrogen storage alloy releases hydrogen molecules 1303, and hydrogen atoms increase in the hydrogenated lanthanum liquid. In this way, the amount of hydrogen atoms in the hydrogenated lanthanum liquid can be controlled.
  • the hydrogen storage alloy 1301 is a hydrogen storage alloy containing palladium, titanium, zirconium, vanadium, or nickel as a main component.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining an electron gun in which a member having a large number of openings of a thin film is installed on an electron emitting surface of one cover tube to emit a large number of electrons to form a multi-beam.
  • FIG. 12A is an overall view of the electron gun.
  • FIG. 12B is an enlarged view of the tip of the multi-electron source.
  • the electron gun for multi-beam is a hollow cover tube container 1410 provided with a plate-shaped member 1411 formed of a thin refractory conductive material having a large number of round or square holes on the open end surface. ..
  • the liquid of the hydrogenated lanthanum is exposed on the surface of all the multiple round or square holes. Electrons are emitted in parallel into a vacuum from the exposed hydrogenated lanthanum liquid.
  • a plurality of electron beams 1406 accelerated by the anode 1405 are emitted through the Wenert electrode 1404.
  • 1401 is the upper part of the Wenert electrode for controlling the amount of electron emission
  • 1402 is a metal gripper through which a heating current flows
  • 1403 is a PG (pyrolic graphite) heater
  • 1407 is a ceramic disk of an electrical insulator that fixes the gripper.
  • 1408 represent the back cover of a hollow cover tube container for preventing unnecessary evaporation of the liquid electron emitting material
  • 1409 represents the hydride lantern which is the liquid electron emitting material.
  • FIG. 13A and 13B are explanatory views for forming a required large-area electron-emission surface by bundling a plurality of hollow cover tube containers as a large number of capillaries when the required electron-emission area is large.
  • FIG. 13A is an overall view of the electron gun.
  • FIG. 13B is an enlarged view of the tip portion.
  • An electron beam 1506 is emitted from each exposed surface of the hydrogenated lanthanum liquid.
  • the reason why a plurality of fine cover tube containers are bundled without using a cover tube container having a large area in this way is that the amount of liquid that can be held in the capillaries is limited to a certain amount due to the capillary phenomenon. That is, since the height of the liquid level of the liquid capillary phenomenon is inversely proportional to the circumferential distance of the inner diameter of the capillary tube, a smaller capillary tube can form a higher liquid level.
  • a multi-beam can also be formed by this method.
  • 1501 is the upper part of the field electron emission control Wenelt electrode
  • 1502 is a metal gripper through which a heating current flows
  • 1503 is a PG (pyrolic graphite) heater
  • 1504 is the lower part of the field electron emission control Wenelt electrode
  • 1505 is an anode.
  • 1507 indicate a ceramic disk of electrical insulation that secures the grip
  • 1510 indicates the back cover of a hollow cover tube container for preventing unwanted field emission of liquid electron emitting material.
  • FIG. 14 is a diagram showing a method of periodically dropping a solid electron emitting material into a hollow cover tube container in order to compensate for the consumption of the electron emitting material of the liquid electron gun.
  • the liquid hydrogenated lantern 1613 evaporates and the liquid level becomes low. Therefore, it is necessary to supplement the new solid hydrogenated lantern 1601.
  • a plurality of solid hydrogenated lanterns 1601 are dropped one by one on the upper surface of the sheath by the periodic rotation of the belt conveyor of the periodic solid supply mechanism 1603. It shows a solid hydrogenated lantern on which 1605a, 1605b, 1605c fall.
  • the dropped solid hydrogenated lantern is dissolved by contacting with the liquid hydrogenated lantern 1613 heated above the melting point by the PG (pyrolytic graphite) heater 1608. In this way, the amount of consumption of the liquid hydrogenated lantern can be compensated.
  • FIG. 14 supplements by supplying a solid hydrogenated lantern to the cover tube container.
  • the hydrogenated liquid metal material is filled in the form of powder, solid, or liquid from the side of the hollow cover tube container facing the electron beam emitting side.
  • the liquid hydrogenated lantern may be supplemented from the back surface of the cover tube container through a pipe that does not come into electrical contact.
  • the direction of gravity 1602 is the direction in which the solid falls.
  • the solid hydrogenated lantern may be a powder.
  • 1604 is a ceramic disk of an electric insulator for fixing a gripping tool
  • 1606 is an upper part of a Wenelt electrode for controlling an electron emission amount
  • 1607 is a metal gripping tool through which a heating current flows
  • 1609 is a lower part of a Wenert electrode for controlling an electron emission amount.
  • 1610 is an anode
  • 1611 is an electron beam emitted in the direction of gravity
  • 1612 is a hollow cover tube container.
  • the exposed surface of the liquid of the liquid electron emitting material when the electron gun in the downward direction of gravity (direction of the gravity vector) is tilted at an angle of about 45 degrees is a substantially flat surface 1702. Even if this surface is tilted by 45 degrees, it is almost unchanged from the vertical direction. That is, the surface perpendicular to the central axis of the cover tube is maintained by the surface attached to the opening on the side surface of the cover tube by surface tension.
  • the upper surface of the liquid metal is oriented in the direction of gravity, and the liquid surface is perpendicular to gravity.
  • the lower surface of the liquid metal is plane along the tip cross section of the hollow cover tube, or perpendicular to the cover tube axis, as a result of the balance of gravity, electric field and surface tension at that position, in this case surface tension dominates. It becomes a flat surface. This is true until the cover tube is tilted plus or minus 60 degrees with respect to gravity.
  • the present inventors have confirmed that the function of the liquid electron gun is almost normally satisfied if the emission direction of the electron beam is within the range of plus or minus 60 degrees from the direction of gravity 1701 (inside the cone). Therefore, an electron gun using a liquid electron emitting material can be used downward at plus or minus 60 degrees.
  • the liquid when the liquid is directed in the direction perpendicular to the direction of gravity, the liquid moves laterally in the capillary tube, so that the exposed surface of the liquid hydrogenated lantern is not formed at the tip of the cover tube container. In order to prevent this, it is considered necessary to apply horizontal pressure to the liquid hydrogenated lantern.
  • the metal material to be hydrogenated is limited to several kinds of elements such as lanthanum and cerium, but other elements can be used as long as they can be used as a liquid electron emitting material that can be used as a liquid electron emitting material that can be hydrogenated and the electron generation efficiency is remarkably increased. Needless to say.
  • the liquid metal of the hydride liquid metal may be a lanthanoid series metal, such as lanthanum, or cerium, or gadolinium, or terbium, or placeodium. Hydrogenation of these metals can be realized by flowing hydrogen gas inside the vacuum chamber.
  • the liquid electron gun there is a conventional one that uses a zirconium liquid as a tailor cone on the sharp tip of tungsten and uses it as an electron emission surface. With this electron gun, zirconium evaporates and disappears after a certain period of time, and it is necessary to liquefy the zirconium again. That is, in this embodiment, a plane perpendicular to the direction of gravity of a stable liquid is used as a high-intensity electron gun that is stable over time, whereas a zirconium liquid electron gun that uses a Taylor cone has a form as well. The purpose and operating principle are completely different.
  • a pressure is applied from the rear of the hollow cover tube container to apply an electric field to the tip to release a liquid or gas, which is then sprayed using a spray nozzle to form a film or solid, or to carve a target work object.
  • the spray nozzle is similar in shape to the hollow cover tube container of this embodiment. However, in this embodiment, the fluid under pressure is not constantly flowed through the hollow cover tube container.
  • This embodiment statically holds hydrogenated lanthanum, which is a liquid electron emitting material that does not flow at all, emits high-intensity electrons from the electron emitting surface, and realizes long-term stability. It's completely different. Therefore, there is no reason to be pointed out that the spray nozzle could be easily constructed by those skilled in the art.
  • the electron gun of the present embodiment is far superior to the conventional electron gun, has high brightness and long life, and can be usually used for an electron beam drawing device in order to stably emit electrons.
  • liquid electron gun is used in this embodiment, even if the evaporation material on the electron radiation surface at the tip evaporates, the height and shape of the electron gun plane do not change at all, so that the electrons are ultra-stable and highly accurate. A gun can be formed. This point completely overcomes the drawbacks of conventional electron guns. For this reason, we have achieved an innovative extension of the life of conventional electron guns.
  • an electron gun suitable for a multi-electron beam drawing device can be realized. It can also be used for X-ray source electron guns. Further, if the diameter of the tip opening of the cover tube container is manufactured to be 10 ⁇ m or less, it can be used as an electron gun of a scanning electron microscope or a transmission electron microscope having high brightness and long life. When hydrogen gas is flowed, it can be used even at a low vacuum degree, so that it can be used as an electron gun even in a three-dimensional electron beam welding molding machine using an electron beam.
  • the tip of the electron gun cover tube container is sharpened and the opening is a minute opening, it is also suitable for use in an ultrafine pattern drawing device or an electron microscope for observation.
  • the electron gun since the electron gun achieves high brightness and long life, the electron gun according to the present embodiment includes an electron beam drawing device, an electron beam microscope, an electron beam inspection device, an X-ray generator, and the like, and is based on the electron gun. Makes a great contribution to the overall field of electron beam application equipment industry.
  • the electron beam drawing apparatus it is required to increase the brightness from one electron gun to 10 times or more that of the conventional LaB6 or CeB6 electron gun. It is required brightness of 10 7 A / cm 2 steradian at 50 kV. For this reason, it is necessary to raise the normal operating temperature of the conventional LaB6 or CeB6 electron gun from 1500 ° C. to 1600 ° C. before use. In this way, the life of the electron gun is shortened, and it is sublimated and consumed by about 70 ⁇ m in one month. For this reason, the vacuum chamber leaked to the atmosphere about once a month, and it was necessary to replace the electron gun.
  • the electron gun of the present embodiment can be operated for one year or more without maintenance, and can achieve an electron beam intensity 10 times or more that of the conventional one. Since the electron gun of the present embodiment can have a maintenance time of one day a year, the maintenance cost can be reduced.
  • the electron gun of this embodiment can also be used as an X-ray emitting device, and exhibits great power as all X-ray electron guns as a high-brightness, large-current, long-life electron gun.
  • X-ray emission devices have a huge market for dangerous goods detection devices in transportation and for medical examinations for diagnosing cancer, cerebral hemorrhage, cerebral infarction, etc.
  • the electron gun of this embodiment contributes as the core of a huge industry of 5 trillion yen or more.
  • Glass substrate 411 For example, mercury 412 Mercury liquid level other than glass tube 413 Mercury container 414 Mercury 415 Glass tube 416 Lowered upper surface of mercury inside the glass tube 417 Empty glass tube when separated from the mercury container. A glass tube with a contact angle of more than 90 degrees and mercury are not wettable, and mercury does not remain in the tube due to capillarity.

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Abstract

電子銃装置は、真空中で高温に加熱をして電子線を放出する。電子線を放出する材料（１０８，１２５）の表面は、高温動作時には溶けた液体の水素化した金属であり、液体の水素化した金属は、高温動作時に固体である中空のカバーチューブ容器（１０２，１２４）に、水素化した液体金属または水素化前の液体金属として格納され、カバーチューブ容器（１０２，１２４）とともに高温に加熱され、水素化した液体金属が、カバーチューブ容器（１０２，１２４）から露出し、重力と電界と液体面の表面張力が釣り合った液体表面を形成し、その露出した水素化した液体金属表面から電子線を放出する。

Description

電子銃装置
　本発明は、電子ビーム描画装置・Ｘ線発生器・電子ビーム溶接器・電子顕微鏡などに用いられる電子銃装置に関する。
　電子銃は、電子ビームを発生する源であり、以下のような用途で使用されている。
　１）電子ビーム描画装置
　半導体製造工場または光露光装置のマスク製造工場でガラス乾板上のパターン形成に使用されている。パターンを発生できる技術は他にないため、電子ビームを発生する電子銃が必須となっている。世界市場は、年間２０台程度である。
　２）研究開発用、電子ビームパターン直接描画装置
　様々な用途で電子ビーム直接描画が使用されている。半導体製試作・微細ＭＥＭＳ試作に使用される。年間数百台程度である。ここで、ＭＥＭＳ（メムス）とは「微小な電気機械システム」という意味の英語「Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ」の略称で、半導体のシリコン基板・ガラス基板・有機材料などに、機械要素部品のセンサ・アクチュエータ・電子回路などをひとまとめにしたミクロンレベル構造を持つデバイスを指す。
　３）Ｘ線発生装置
　医療用・産業用の各種Ｘ線発生装置には電子銃が必須である。Ｘ線装置は病院での人体透過写真撮影、ＣＴ装置や、産業用にはデバイスの内部構造の試験、手荷物などの検査など多くの分野で使用される。
　４）電子ビーム溶接器または３次元造型装置
　真空内部で材料の異なる金属同士を接合するなどの用途で精密な溶接で使用される。また近年３次元造型装置などで、電子ビームが使用される。
　５）電子顕微鏡。半導体検査観察用、各種研究開発用の種々の電子顕微鏡用の電子銃として使用される。装置全体では数千億円の市場がある。ただし、装置として数百万円以下の廉価な装置には、本開示の電子銃装置を適用できない場合もあると考えられる。
　電子放出材料（＝電子銃材料）として、多種のものが使用されてきたが、一般的なものは２種類に淘汰されてきた。熱電子放射タングステン電子銃と熱電子放射ＬａＢ６電子銃である。ここで、以下においては、「ＬａＢ６」について「ＬａＢ６」と表記する。
　タングステン電子銃は、安価（１個１０００円程度）で、手軽に使用できるが寿命が１０００時間であり、輝度が５０ｋＶで１０４Ａ／ｃｍ２ｓｔｅｒａｄｉａｎ程度と低い。また、使用温度は約２５００℃付近である。
　ＬａＢ６電子銃は、１個２０－５０万円と高価であるが、輝度は５０ｋＶで１０６Ａ／ｃｍ２ｓｔｅｒａｄｉａｎと高い。しかし、この材料は使用温度によって、蒸発速度がことなり、１５５０℃から１６００℃では１０００時間で数十μｍの蒸発消耗があるために、高輝度にすればするほど寿命が短時間になるという重大な欠点を抱えていた。
　ここで、電子放出材料である、ＬａＢ６結晶は、使用によって消耗する。そして、消耗した場合には、形状が変化して所期の電子線放出が行えなくなる。また、ＬａＢ６結晶が高温になると、ＬａＢ６材料の蒸発物が、加熱用のヒータの表面上に降り積もり、ヒータの抵抗値が下がってしまい、同じ加熱電流を流していると、ＬａＢ６結晶の温度が低下するという問題もある。
　また、ＬａＢ６結晶の側面からの蒸発を抑制するために、炭素膜または高融点金属膜によるカバーを形成することも提案されている。炭素膜または高融点金属膜によるカバーは電子銃の長時間使用後も形状変化せずに残るがＬａＢ６結晶の上面は大いに消耗してカバーの内面に引っ込んでしまう。そのために使用開始時のＬａＢ６結晶の先端から放出する電子ビーム強度分布が強度も強く中心部の照射均一性が良好であったのに対して、長時間使用後のＬａＢ６結晶上面による電子線放射分布は全電流も小さくなり、電子放射分布の均一性も幅が狭くなり劣化する。
　このことは、特許文献１（特許第５５９５１９９号公報）に、数百時間の使用により、電子銃の先端ＬａＢ６結晶が消耗し、先端面が平面から、丸い小山のような形状になることが示されている。このように消耗した電子銃の先端からは、同じ電子線放出強度電子線が出なくなるために、安定な電子銃として使用することができないばかりでなく、照射される電子ビームの均一性分布が変化することが最大の問題点であると指摘されている。本発明者らも３０年以上にわたって同じ課題を抱えていた。すなわち輝度を上げようとすると高い温度が必要でＬａＢ６結晶の表面の消耗によって短時間で電子銃形状が変化するので、寿命が短くなる。これを克服しなくては電子銃の将来は展望が見えない。
特許第５５９５１９９号公報
　上述のように、電子銃の高輝度化とヒータ温度安定化と電子銃の長寿命化を同時に成立させることが要望されている。特に、寿命に関しては、１年以上の長寿命化が達成できることが望まれる。
　本発明にかかる電子銃は、真空中で高温に加熱をして電子線を放出する電子銃装置であって、電子線を放出する材料の表面は、高温動作時には溶けた液体の水素化した金属であり、液体の水素化した金属は、高温動作時に固体である中空のカバーチューブ容器に、水素化した液体金属または水素化前の液体金属として格納され、カバーチューブ容器とともに高温に加熱され、水素化した液体金属が、カバーチューブ容器から露出し、重力と電界と液体面の表面張力が釣り合った液体表面を形成し、その露出した水素化した液体金属表面から電子線を放出する。
　本発明にかかる電子銃は、下記のような構成とすることが好適である。
　真空中で１０００℃以上１６００℃以下の高温に加熱をして電子線を放出する電子銃において
１）電子線を放出するための材料は、高温動作時には溶けた液体であり、水素化金属であり、水素化しない状態の金属材料本体の仕事関数を水素化することによって低減し電子放射強度を高めるとともに、大気または酸素ガス暴露時の材料の酸化を抑制するとともに、
２）液体水素化金属は高温動作時には固体である中空のカバーチューブ容器に格納されて、容器とともに高温度に加熱され、
中空のカバーチューブ容器は、同高温状態で、電子線放出材料の液体水素化金属と化学反応して溶解することのない材料からなり、中空のカバーチューブ容器は導電性を具備し
３）液体金属原子は水素原子を結合させることにより、液体金属原子の本来具備する仕事関数を低減せしめ、電子放射能率を増加せしめるようにし、
高温動作温度での液体金属の真空への蒸気圧は１０‐６ｐａｓｃａｌから１ｐａｓｃａｌであり
４）水素化した液体金属の表面は法線ベクトルが重力方向と一致しており、重力と電界によって、略水平な静的平面を形成して
５）重力方向に向かうか、重力反対方向に向かって、熱電子または電界印加型熱電子放射を行う。
　本発明によれば、電子銃の高輝度化とヒータ温度安定化と電子銃の長寿命化を同時に成立させることができる。
本発明の実施形態について説明する図であり、電子放出面が重力に対して逆方向に向いている場合の図である。 本発明の実施形態について説明する図であり、電子放出面が重力の方向を向いている場合の図である。 比較例の固体のＬａＢ６単結晶電子銃の高温での電子放出を行ってＬａＢ６結晶が蒸発し、電子銃形状が変化することを説明する図である。 実施形態における電子放出面が重力の方向を向いている場合の液体電子銃電子放出材料の蒸発による液体総量の減少について示す図である。 表面張力と毛細管現象について説明する図である。 液体電子銃の電子放出材料について説明する図であり、例えばランタン液体が使用されている場合について説明する図である。 液体電子銃の電子放出材料について説明する図であり、例えば水素化されたランタン液体が使用されている場合について説明する図である。 電子銃加熱温度と発生電流値との関係について説明する図である。 液体電子放出材料の内部に含まれる炭素原子の清浄化のために必要な光触媒の設置に対する説明の図であり、液体材料中に光触媒の粉体を混入した場合の説明図である。 液体電子放出材料の内部に含まれる炭素原子の清浄化のために必要な光触媒の設置に対する説明の図であり、カバーチューブの内面に光触媒の被膜を付着した場合の説明図である。 液体電子銃の設置された真空の電子銃チャンバー内部に水素ガスを流入させる形態を説明する図である。 中空のカバーチューブ容器の内部に液体の電子放出材料を充填する第一の方法について説明する図である。 中空のカバーチューブ容器の内部に液体の電子放出材料を充填する第二の方法について説明する図である。 液体の電子放出材料の内部に粉体で混入された水素吸蔵合金が水素を供給する様子を示した図である。 一本のカバーチューブの電子放出面に薄膜の多数の開口を有する部材を設置し、多数の電子放出を行い、マルチビームを形成する電子銃について説明する図であり、電子銃の全体図である。 一本のカバーチューブの電子放出面に薄膜の多数の開口を有する部材を設置し、多数の電子放出を行い、マルチビームを形成する電子銃について説明する図であり、マルチ電子源の先端部の拡大図である。 必要とされる電子放出面積が大きい場合に多数の毛細管として中空のカバーチューブ容器を複数個束ねることにより所要の大面積の電子放出面を形成することの説明図であり、電子銃の全体図である。 必要とされる電子放出面積が大きい場合に多数の毛細管として中空のカバーチューブ容器を複数個束ねることにより所要の大面積の電子放出面を形成することの説明図であり、先端部の拡大図である。 液体電子銃の電子放出材料の消耗を補填するために固体の電子放出材料を定期的に中空のカバーチューブ容器に落下させる方法について示す図である。 重力の下向き方向の電子銃を斜めに約４５度程度傾けたときの液体電子放出材料の液体の略平面であって、垂直時とほとんど変化しないことを示す図であり、全体図である。 重力の下向き方向の電子銃を斜めに約４５度程度傾けたときの液体電子放出材料の液体の略平面であって、垂直時とほとんど変化しないことを示す図であり、要部拡大図である。
「発明の経緯」
　まず、本発明者らは、ＬａＢ６単結晶の電子銃を高温加熱する場合に、炭化水素（ＣＨ２）の鎖が長い炭化水素系接着剤を使用していると、突然電子銃がＬａＢ６の通常運転温度１５００℃が、桁違いに高輝度になり、１２００℃まで、３００℃の低温化で動作させても輝度が変わらないという現象を発見していた。ただし、接着剤は安定性と制御性を得ることが難しかった。
　そこで、炭化水素をガスで供給する方法に切り替えた。ガスにしたのはガスの圧力と流量で外部から制御しやすくなるためである。ガスの種類はメタンガスＣＨ４である。これが最も簡単な炭化水素ガスである。ＬａＢ６単結晶は通常１５００℃以上の高温が必要であるが、ＬａＢ６結晶を１２００℃に放置して、メタンガスを１０－４ｐａｓｃａｌで電子銃の真空チャンバー内部を満たすように流しておくと、５時間後にＬａＢ６単結晶の１５００℃程度の電子発生強度を実現できるようになった。この理由はメタンガスが作用してＬａＢ６の硼素ボロン（Ｂ）を破壊して、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）という気体ガスとして真空ポンプに引かれて出ていく。その結果ランタン原子がＬａＢ６表面に液体として残り、ランタン液体として、電子を発生することがわかった。メタンガスによるランタン液発生とメタン中の水素によって水素化ランタンの形成ができていることもわかった。メタンガスの炭素は硼素Ｂの格子を破壊するためには有用である。ランタン液が出来ている状態では１２００℃放置では通常ＬａＢ６の仕事関数が、２．６ｅＶが２．１から２．０ｅＶと著しく低下するために、電子発生効率が１００倍から１０００倍になるので、温度を３００℃低くして使用できるということである。
　ランタンは酸化しやすいので、大気中に取り出すとＬａＢ６結晶上の薄い水素化ランタン層は大気中の酸素と容易に反応し、酸化ランタンとなる。酸化ランタンの仕事関数は３．５ｅＶと大きいので、再度真空に引いても、電子の発生効率が悪い。
　本発明者らは、１２００℃でのメタン定常流によるランタン液の低い仕事関数は、
水素化したランタンＬａＨｘによるものであることを、ランタン水素試薬を、中空のカバーチューブ容器に入れて溶かして、仕事関数が一致することを確認して突き止めた。
ここでいうＬａＨｘとはランタン１個につき水素が１から３個のものをいう。Ｘは値が確定できないことを指す。
　本発明者らは同時にランタンのインゴット塊をタングステンボートで真空中で加熱して中空のカバーチューブ容器に入れて、ランタンを液体化した。これを水素ガスを流した
電子銃チャンバーで運転しても、水素化ランタンと同じ仕事関数２．１から２．０ｅＶを得ることができた。
　そこで水素化ランタンを用いれば、高輝度低温度動作の電子銃を液体面で製作できることに気が付いた。ＬａＢ６の固体表面では、１５００℃以上にして、ＬａＢ６が蒸発して固体表面の形状が変化していくので、これによって短時間で、電子放出量や電子放出分布が変化するために、使用可能条件が短いことから寿命が短いといわれていた。１５５０℃で１０００時間程度であった。
　液体電子銃では、液面は電子放出物質の蒸発に対して、液面の形状を変化せず、液体の総量が変化するのみである。
　そのために、重力方向と逆方向すなわち上方向に向いた液体電子銃面から電子線を出す場合には、蒸発する液体の総量が減っていくことを補償するように、上部液面を一定に制御する機構を設ければ、液体面を水平面として、その高さを変化しないようにできる。
　重力方向と順方向にすなわち下方向に電子線を出射する場合について述べる。電子線照射装置の大半が、重力に対して下方向に電子線を照射することが多い。この場合に、液体電子銃材料である水素化ランタンはどのように、保持されるか。液体の水素化ランタンは、固体の中空のカバーチューブ容器の内部に格納する。カバーチューブ容器の先端電子放出面には、空孔が開いている。カバーチューブは略円筒型乃至は先端の細くなった台形円柱の形状をしている。
　液体金属材料は、高温加熱時に中空のカバーチューブ容器の側面に毛細管現象で付着することによって、カバーチューブの先端部の最下面が開放されているにも関わらず、液体が下方に流れ出してたれてくることはない。ランタン液体を電子銃として使用する場合に重力と釣り合う量の液体金属総量を決めて、カバーチューブの最下面の解放された開口に表面張力で静的な略平面である表面張力による液体面ができる。電極に電圧印加を行って、液体面に電圧を印加し、加熱により電子放出を液体表面から出すことができる。
　このように、本発明者らは、固体のＬａＢ６を使用する限り、使用温度でのＬａＢ６結晶の蒸発を防ぐ手段がなく、固体である電子銃表面の形状が変化することから逃れられず、有限の寿命を避けがたいことに着目し、電子銃の電子放出面を液体化することを着想するに至った。液体化すれば、電子銃表面の蒸発に対しても一定の形状を維持し続けることができる。寿命は液体の総量が、枯渇するまで使用可能である。
　以下、本発明を実施する形態（実施形態）について、図を参照しながら説明する。
　図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施形態の１について示す図である。図１Ａは重力と反対方向（重力反対方向）に電子ビームを放出する液体電子放出平面電子銃（液体電子放出材料１０８の液体表面は重力方向（重力ベクトル）に対して垂直方向）について述べる。液体電子放出材料１０８は電流が流れる把持具１０３とＰＧヒータ１１０によって加熱され、１０００℃から１６００℃の高温で液体化する。液体電子銃材料は中空のカバーチューブ容器１０２によって外部へ漏れないように設置される。液体電子放出材料の上部の露出面から熱電子または熱電界放出電流が電子ビーム１０７として放出される。放出電流は電子放出量を制御するウェーネルト電極１０４を通過し、陽極１０１によって加速され、電子ビーム１０７となる。時間経過とともに、液体電子放出材料が蒸発するので、液体総量は減少する。しかし、液体の上面の形状は変化しないが、そのまま放置すれば、液面が時間経過とともに下がっていくので、電子銃源の高さが変化することになる。これを防ぐために歯車１０５が定期的に回転し、１０５と噛み合って１１１ピストンを上下する平歯車１１３を上方向に押し上げる。これにより、１１１のピストンの支持部品１１２が押しあがる。これにより、ピストン１１１が押し上げられるので、液体電子放出材料の上面は形状と高さ方向の位置が不変に保たれる。これにより、高輝度と長寿命化が同時に達成される。ウェーネルト電極の電位はプラスでもマイナスでもよい。ただし、陽極の電位は電子を加速するためにプラス１ｋＶから１００ｋＶ以上である。なお、１１４は把持具１０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１０６は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、１０９は重力の方向を示す。
　図１Ｂは重力順方向に電子ビームを放出する液体電子放出平面電子銃（液体電子放出材料１０８の液体表面は重力方向（重力ベクトル）に対して垂直方向）について述べる。液体電子放出材料１２５は電流が流れる把持具１１７とＰＧヒータ１１８によって加熱され、１０００℃から１６００℃の高温動作温度で液体化する。液体電子銃材料は中空のカバーチューブ容器１２４によって外部へ漏れないように設置される。液体電子放出材料の下部の露出面から熱電子または熱電界放出電流が電子ビーム１２０として放出される。放出電流は電子放出量を制御するウェーネルト電極下部１１６を通過し、陽極１１９によって加速され、電子ビーム１２０となる。中空のカバーチューブ容器は、高温加熱時の液体金属に対する接触角が９０度以下である高融点材料で形成され、中空のカバーチューブは、形状は重力軸の方向に向いた電子線放出材料の側面を覆うようにして、外形は重力方向を中心軸とする角柱、または円柱、または円錐台形の形状であり、内形は重力方向を中心軸とする角柱、または円柱、または楕円柱、または長円柱、または円錐台形である中空のカバーチューブである、時間経過とともに、液体電子放出材料が蒸発するので、液体総量は減少する。しかし、液体の下面の形状は変化しない。液体金属にかかる重力と、電子をひき出すための電極による表面電界による静電電気力と、カバーチューブ容器と液体金属の表面張力とによって、静的に釣り合う液体金属液面を形成し長期間にわたって、一定の電子放出面が維持される。ただし、このとき液体電子放出材料１２５の総量には下限と上限がある。液体金属の容量の最小限界値は、中空のカバーチューブの最下部の内面を構成する円柱または角柱の平均半径をＲとするとき、４πＲ３／３、すなわち内面に付着できる球体以上の容量を有し、下面カバーチューブ容器の開口から液垂れが起きないように液体量が決定されている。上限はカバーチューブ容器の内部の断面の内径の一番大きな断面の最大半径をｒ（ｃｍ）とするとき、カバーチューブ材料と電子放出用液体金属材料の接触角度をθ（度）、液体金属の表面張力をγＬＧ（ｄｙｎｅ／ｃｍ）として、液体金属密度をρ（水を１として５～１０）、加速度を９８０（ｇ・ｃｍ／ｓ２：ｃｇｓ単位系）とするときに、液体金属の容量の最大限界値は液体金属の重力方向の高さｈがｈ＝２γＬＧ×ｃｏｓ（θ（度））／（ｒ×ρ×９８０）（ｃｍ）の５分の４よりも小さく設定されて、カバーチューブの最下面から液垂れが起きないように決定されている。
　ここで、カバーチューブ容器の内径の最も太い部分は、半径が０．１ｍｍから１ｍｍであることが好適である。
　なお、中空のカバーチューブを重力に対して傾けた時には、液体金属の表面は、上面は、重力の方向に向き、液面は重力と垂直になる。
　液体金属の下面は、その位置での重力と電界と表面良力のつり合いの結果、この場合は表面張力が支配的なために、中空のカバーチューブの先端断面に沿った平面すなわちカバーチューブ軸と垂直な平面となる。これはカバーチューブを重力に対してプラスマイナス６０度傾けたときまでは正しく成り立つ。
　中空のカバーチューブ容器は固体の高融点材料がバルク材料として使用されている。バルク材料というのは、５μｍ以下の薄膜ではないことを示している。バルク材料は、液体電子放出材料たとえば水素化ランタン液体と化学反応してはいけない。化学反応して溶解すると、ランタン液体がカバーチューブ容器材料との化合物をつくり、変質するために、仕事関数が変化し、電子放出能力が著しく低下する。のみならず、中空のカバーチューブ容器の厚さがどんどん薄くなり、最後には穴があいて、水素化ランタン液が予期せぬ面に漏れ出してきて、液滴を作り、この液滴からも電子が放出されるようになると、とんでもなく放出量の多い電子銃となる。
　しかし、この予期せぬ穴から出た水素化ランタン液から放出する電子は、通常の用途では使用できない電子流である。中空のカバーチューブ容器の材料にはヒビが入ってもいけない。このような目的のために、融点が２０００℃以上の高融点の材料である材料が必要である。高融点であることと、電子銃を高温で一定形状を維持するために、２０００℃までの高温で引張強度、曲げ強度などが５００Ｍｐａｓｃａｌ以上と高強度であって、硬度がモース硬度で６以上の硬度が望ましい。
　また、ランタン液と化学反応しないためには、炭素、珪素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化硼素（Ｂ４Ｃ）は使用できない。
　このような高融点の材料として使用できるものには、タングステン、レニウム、タンタル、モリブデン、二硼化チタン、二硼化ジルコニウム、硼化タングステン、などがある。二硼素化チタン（ＴｉＢ２）とボロンナイトライド（ＢＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混合焼結物を使用することもある。上記に限らず金属または遷移金属の硼化物（硼素化物）、窒化物、酸化物（Ａｌ２Ｏ３アルミナを除く）はカバーチューブ容器材料として使用できるものが他にも存在する。このため、これらの物質を主体として構成することができる。バルク材料が導電体である場合はよいが、絶縁性の物質である場合には、カバーチューブの外面と底面、上面、内面に導電膜をつける必要がある。導電膜の厚さは１μｍから５μｍである。内面の膜はランタン液に接触するので、破断する可能性があるので、ランタン液は中空のカバーチューブ容器のバルク（厚みがあって一定体積を有するもの）で、液漏れを防ぐ必要がある。
　実験試作によれば、二硼化チタンまたは、二硼化ジルコニウムまたは、二硼化ハフニウムまたは、二硼化タンタルまたは二硼化イットリウムの単結晶が、カバーチューブとして使用する際に最も優れた性能を発揮した。
　また、液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋１２３を使用することで２５倍以上の長寿命化が図れ５年以上の長寿命化ができる。
　なお、１２２は把持具１１７を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１１５は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、１２１は重力の方向を示す。
　図２は、比較例の固体のＬａＢ６結晶の寿命について説明する図である。図２の使用前のＬａＢ６結晶２０７は加熱し加速電圧を印加して電子放出をする場合、均一な強度の照射分布２０８を持つ。しかし、電子銃材料が蒸発し、消耗すると先端部の平面面積が小さくなり、外形円柱部がやせ細ったＬａＢ６結晶２１５になる。この場合の電子銃放出の照射分布２１９は中心のみが強度が強くなるが、均一照射分布の面積が非常に小さくなる。このように電子銃放出分布が変化するとこの電子銃は寿命が来たと言わざるを得ない。通常ＬａＢ６結晶の電子銃を１５５０℃から１６００℃で使用すると５００時間から１０００時間程度で寿命が来る。先端平坦部が５０μｍΦのとき、寿命が１０００時間経過で先端は１０μｍΦ以下になる。以上が寿命の問題である。
　電子銃による寿命の他にも問題点がある。図２にしめされるように、ＬａＢ６結晶が高温になると、ＬａＢ６結晶２０７が消耗してやせ細ると同時に、パイロリティックグラファイトヒータ２１２の表面上にＬａＢ６材料の蒸発物２１６が降り積もり、ヒータの抵抗値が下がり、同じ加熱電流を流していると、ＬａＢ６結晶の温度が低下する。
　なお、２０１は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、２０２は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、２０３は加熱電流が流れる金属製の把持具、２０４はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、２０５は陽極、２０６は２０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板、２０７は使用開始時のＬａＢ６単結晶、２０８は使用開始時における電子放出分布、２０９は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、２１０は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、２１１は加熱電流が流れる金属製の把持具、２１２はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、２１３は陽極、２１４は２１１を固定する電気絶縁体のセラミック円板、２１５はヒータで挟まれたＬａＢ６結晶部分、２１６はＰＧヒータ上に降り積もりヒータ抵抗値を減らし温度低下の元となるＬａＢ６結晶の蒸発物、２１７は高温により昇華して減耗したＬａＢ６単結晶の形状、２１８は使用開始時の消耗のないＬａＢ６単結晶の形状、２１９は使用開始時の電子放出分布がＬａＢ６単結晶の減耗により変化した後の電子放出分布、２２０は使用開始時の電子放出分布を示す。
　図３は、本実施形態である電子放出面が重力の方向を向いている場合の液体電子銃電子放出材料の蒸発による液体総量の減少について示す図である。本図では水素化ランタンの蒸発を示すためにカバーチューブ容器の裏蓋を除去した場合について説明する。電子放出面は液体電子放出材料である水素化ランタン面が重力と電界と表面張力によって決まる略平面から電子放出が行われるので、時刻が経過しても電子放出面の重力方向への高さと、液面の形状が全く不変に保たれるので、高輝度と長寿命が保たれる。この点が、本実施形態の大変優れ点である。しかし、長時間経過すると、使用開始時の液体電子放出材料水素化ランタン３０８は一定の蒸気圧で真空中に蒸発していく。一定時間経過後の液体電子放出材料３１９の上部方向３１８の液面は低下している。最終的には３か月程度で総液量が枯渇する。液体電子銃ではこれが本当の寿命となる。しかし、図１（Ｂ）の実施例に示すように液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋１２３を使用することで２５倍以上の長寿命化が図れ５年以上の長寿命化ができる。
　なお、３０１は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、３０２は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、３０３は加熱電流が流れる金属製の把持具、３０４はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、３０５は中空のカバーチューブ容器、３０６は陽極、３０７は３０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板、３０８はカバーチューブ容器裏面から液体電子放出材料が蒸発する方向、３０９は液体電子放出材料、３１０は重力の方向に射出する電子ビーム、３１１は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、３１２は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、３１３は加熱電流が流れる金属製の把持具、３１４はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、３１５は中空のカバーチューブ容器、３１６は陽極、３１７は３１３を固定する電気絶縁体のセラミック円板、３１８はカバーチューブ容器裏面から液体電子放出材料が蒸発する方向、３１９は時間経過により蒸発して総液量が減少した液体電子放出材料、３２０は重力の方向に射出する電子ビームを示す。
　図４は、毛細管現象と表面張力について説明する図である。ガラス基板４０１の上に水４０２が付着する場合、角度θの方向に表面張力が働き、θは９０度以下で水４０２は液滴の形でガラス基板４０１に付着する。θを接触角と呼び、接触角が９０度以下である場合に濡れ性がよいといい、９０度以上の場合に濡れ性が悪く、撥水性であるという。特に水銀４１１の場合は接触角が９０度以上であり、濡れ性が悪い。ガラス管４０３を水の容器４０４の水４０５に浸けると毛細管現象でガラス管に水が吸いあがりガラス管内部の毛細管現象で上がった水面の上面４０６の高さ：ｈは、液体にはたらく表面張力：γＬＧ（単位：ｄｙｎ／ｃｍ：水の場合７２ｄｙｎ／ｃｍ）、液体密度：ρ（水の場合は１、ランタンの場合は６）、重力加速度：ｇ（９８０ｃｍ／ｓ2）、ガラス管の半径：ｒであるとき、高さ：ｈ＝（２γＬＧｃｏｓθ）÷（ｒρｇ）となる。ガラス管の半径が０．５ｍｍであれば液面の上昇は２８ｍｍとなる。接触角が９０度以上の水銀では、ガラス管内の水銀面４１６は水銀の容器４１３の水銀面４１２より低い。このために、水銀の場合は、ガラス管４１５上げると、４１７のように、水銀容器から引き離した時の空になったガラス管、触角度が９０度よりも大きなガラス管と水銀は濡れ性がわるく毛細管現象では管内には水銀が残ることはない。以上の毛細管現象を液体電子銃の中空のカバーチューブ容器に適用すると、カバーチューブ容器の内部の内壁側面に液体電子放出材料が付着し、最下面に開口があっても液体電子放出材料はカバーチューブ容器から漏れ出ることが無く、重力と電界と表面張力で吊り合った安定した略平面の液体面を形成する。この液体の略平面の液体表面から電子を重力方向に放出することが安定にできることが重要な主眼となる。
　４０７は水容器のガラス管以外の水面、４０８はガラス管、４０９は毛細管現象で、水容器から引き離した時のガラス管内部の水（最下面は表面張力によって略平面になっている）、４１０はガラス基板、４１２はガラス管以外の水銀液面、４１４は水銀を示す。
　表１は、毛細管現象による液体電子銃の液体の高さの限界値、すなわち「ランタン液体の限界高さについて」説明する表である。なお、ランタン液体の限界高さについては毛細管現象によって円筒型毛細管の内部に付着できる水とランタンとセリウムの液体の高さについて示すカバー部材の開口の直径に対して許容される液体の高さとし、水の表面張力は７２．７５ｄｙｎ／ｃｍとして計算してある。また、ランタンとセリウムも水と同じ表面張力で液体になったときの密度が大きい分について、割り算をしている。実際のところランタンもセリウムも１，０００℃以上では１０倍以上の表面張力を持つといわれている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　毛細管現象によって円筒型毛細管の内部に付着できる水とランタンとセリウムの液体の高さについて示すカバー部材の開口の直径に対して許容される液体の高さ、水の表面張力は７２．７５ｄｙｎ／ｃｍとして計算してある。ランタンとセリウムも水と同じ表面張力で液体になったときの密度が大きい分、割り算をしている。実際のところランタンもセリウムも１，０００℃以上では１０倍以上の表面張力を持つといわれている。これは約１０００ｄｙｎ／ｃｍに相当するので、この、表１の値よりも１０倍以上高い可能性がある。表１は水の常温での表面張力７２ｄｙｎ／ｃｍで計算したものであるが、カバーチューブ内直径０．５ｍｍの場合、水の液面高さは５６ｍｍとなり、ランタン密度６では、９．３ｍｍの高さが許容される。これは実際の電子銃カバーチューブ容器の長さ３ｍｍよりも長いので、常に満足される条件である。カバーチューブ容器の最も太い箇所の平均内径と限界高さは反比例の関係であることがわかっている。したがって、カバーチューブ容器をこれ以上太くすることが無ければ、ランタン液体がカバーチューブ開口から自分で重力方向に滴ることはない。セリウムについても密度が６．５のために、この条件は、ほとんど変化しない。また、本発明者らの実験によれば、高融点金属及び金属硼化物のランタンとの表面張力は、十分に強く特に１０００℃以上では、濡れ性が問題となることは実験的に一度もなかった。実際の必要な運転温度１０００℃～１６００℃と輝度と、寿命の要求値が決定できれば中空のカバーチューブ容器の内径が設計上決定できる。
　図５Ａ、図５Ｂは、液体電子銃の電子放出材料について説明する図である。図５Ｂのカバーチューブ容器先端部の開口から水素化ランタンから電子ビーム６０５が射出されている。図５Ａはランタン液体が使用されている場合について説明する図である。この場合は、電子銃チャンバーへ水素ガスを流して水素化し、仕事関数を低減して使用する必要がある。特に水素化しない場合は大気中において１０分程度で酸化し、水分と反応し、水酸化が始まる。これを再度電子銃として使用することは難しいので、図５Ｂのように、ランタン原子６０３に水素原子６０６を反応させ、水素化ランタンとしておく必要がある。すなわち水素化は電子放出効率を維持するために必要であるのみならず、大気中に取り出した場合に酸化を防ぐために必要である。水素化が一定以上できていれば、電子放出面に水素化ランタンＬａＨｘの黄色い結晶ができるので、酸化を守ることができる。水素化が十分なされていれば、水素化ランタン電子銃を稼働させる場合に電子銃チャンバー真空内に水素ガスを常時流すという必要は必ずしもない。
　なお、６０１は液体電子銃全体の図、６０２は重力の方向に放出する電子ビーム、６０３は液体放出材料であるランタン原子、６０４は液体電子銃全体の図、６０５は重力の方向に放出する電子ビーム、６０６はランタン原子液体中に侵入した水素原子を示す。
　図６は電子銃加熱温度と発生電流値との関係について説明する図である。横軸は電子銃の温度（°C）であり、縦軸は放出電流の強度（電流（μA））である。７０３は水素化ランタンの放出電流を表している。７０４は固体ＬａＢ６単結晶の電子放出電流を表している。このことから、同じ温度では、水素化ランタンの放出電流強度がＬａＢ６単結晶の放出電流強度の１００倍から１０００倍高いことがわかる。すなわち、水素化ランタンは、ＬａＢ６単結晶の動作温度よりも、３００℃低い温度で同じ強度を得ることができる。さらにＬａＢ６単結晶は固体であるので、表面が蒸発による形状変化によって短時間で使用条件を満足することができなくなる。水素化ランタンは、液体であり、液面が重力と電界と表面張力によって安定に決まり、液体量が枯渇するまで使用できるために実際上の寿命は１０倍から１００倍となる。７０５はタングステン電子銃の電子放出強度を示したものである。タングステンでは２０００℃を超える温度で使用し、１００μｍΦのフィラメントが１００時間程度で蒸発し、切断するので、大変に短寿命である。
　表２は、液体電子放出材料の候補となる元素の種類について検討する表であり、各種元素及び物質の液体電子放出材料としての適性を検討する。使用適正材料名、融点、沸点と１０００℃から１５００℃で液体化するか、その温度帯域での蒸発の程度を示す蒸気圧について示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　従来多用されていたものが、ＬａＢ６単結晶であり、１５００℃から１６００℃での使用が行われていた。これに勝る材料を見つけるために、１０００℃から１６００℃の間で長寿命の液体化できる金属原子を探す必要があった。すなわち、１２００℃から１４００℃付近で１０－３ｐａｓｃａｌから１０－１ｐａｓｃａｌの低い蒸気圧の元素を探す必要があった。すなわちこれは融点が１３００℃程度で、沸点が３０００℃を超えるものが必要であった。すなわち融点と沸点の差が大きなものが必要であった。また、元素との仕事関数が３ｅＶ以下で、比較的小さく水素化した場合に約１ｅＶ程度低下する元素を探す必要があった。例えば、バリウムやカルシウムは融点は７００℃から８００℃と低いが、沸点が１５００℃前後となっていて動作中にすぐに蒸発してしまうので、このような元素は不適切であった。本発明者らの検討によれば、ランタンとセリウムは１３００℃で１０－３ｐａｓｃａｌであり、最も適切な元素であった。他にはガドリニウムは１３００℃で１０－１ｐａｓｃｃａｌ、プラセオジウムは１５００℃で１ｐａｓｃｃａｌ、テルビウムが１５１６℃で１ｐａｓｃａｌであり、ランタンとセリウムに比べて後３者は大変寿命が短くなることが予測されるが、全く使用できないわけではない。このような検討から、ランタンとセリウムを最適の元素として提案できる。
　図７Ａ，図７Ｂは、液体電子放出材料の内部に含まれる炭素原子の清浄化のために必要な光触媒の設置に対する説明の図である（符号９０１，９０６は液体電子銃全体の図を示す）。炭素原子は水素化ランタンの電子放出効率を著しく悪化させることがわかっている。このため、中空のカバーチューブ容器の材料に含まれる炭素原子による電子放出材料、例えばランタン、水素化ランタンのランタン原子との化合物を作る可能性がある。これを阻止し、ランタン液体中の残留酸素若しくは電子銃チャンバー内の残留酸素を活性化するためによく知られている紫外光による光触媒である二酸化チタンと、可視光による光触媒である三酸化タングステンを使用してランタン液体中の炭素成分の一酸化炭素化による除去を目的とする。
　二酸化チタンＴｉＯ２と三酸化タングステンＷＯ３の粉体９０２を水素化ランタン液中９０３に混入する。または、９Ｂでは中空のカバーチューブ容器の内面に二酸化チタンまたは三酸化タングステンの酸化被膜９０７を光触媒として付着形成する。電子銃がＰＧヒータによって１０００℃以上では少なくとも可視光以上の光を発光するので、自己の出す光エネルギーを利用して、炭素不純物の酸化による除去が可能となる。９０４，９０９は電子銃放出面の裏面から水素化ランタンが蒸発するのを防ぐためのカバーチューブ容器の裏蓋である。９０５、９１０は中空のカバーチューブ容器である。９０３、９０８は水素化ランタンである。本図の説明により、中空のカバーチューブ容器に０．１％以下のごくわずかな炭素成分があった場合でも液体電子銃の放出電流を一定に保つことが可能となる。ただし、カバーチューブ容器の炭素不純物が低減できれば、光触媒は不要になる可能性はあるが、電子銃チャンバー内からの炭素汚染が考えられるので、安全のためには光触媒は使用することが望ましい。なお、二酸化チタンは金属チタンの自然酸化膜を利用し、三酸化タングステンは金属タングステンの自然酸化膜を利用してもよいので、使用する粉体９０２または酸化被膜９０７は金属チタンまたは金属タングステンであってもよい。
　図８は、液体電子銃の設置された真空の電子銃チャンバー内部に水素ガスを流入させる形態を説明する図である。液体電子放出材料の水素化ランタン１００１の水素量が不足している場合には、電子銃チャンバー内に水素ガス分子１００７を流入させてガス分圧を制御し、適切な水素量を補給する必要がある。水素ガスは水素ガスボンベ１０２０から水素ガス調整用マスフローコントローラ１０２１を通して電子銃チャンバー内１０２２に水素ガスを流入させる。通常は、ターボ分子ポンプ１０１１ａはバルブ１０１０を開放して、電子銃チャンバー内を真空引きしている。しかし、電子銃チャンバーに水素ガスを１×１０－４ｐａｓｃａｌであれば、それほどターボ分子ポンプ１０１１ａには負荷がかからないが、例えば短時間で、ランタンを水素化したいと考える場合に、水素ガス分圧を１０－３ｐａｓｃａｌ以上電子銃チャンバーに流したくなることがある。この場合、ターボ分子ポンプ１０１１ａは負荷がかかり高熱を発するようになるので、バルブ１０１０を閉じて第２段コラム１０１９をターボ分子ポンプ１０１１ｂで真空引きを行う。そのようにすると、電子銃チャンバーの水素分圧を高く維持し、ターボ分子ポンプに負荷をかけることが少なくなる。これは、第２段目コラムと第３段目コラムの間の真空隔壁１０１２の円孔が小さいことで電子銃チャンバーと第二段目コラムとの間に水素ガス分圧の差が発生できるためである。ちなみに、電子ビーム１００８は真空隔壁１０１３を通過し、電子ビーム偏向用電極１０１７と電子ビーム収束用磁界レンズ１０１８を用いて電子ビーム照射作業が行われる第３段目コラム１０１６内部の電子ビームが照射される作業用基板であり、電子線観察または電子線描画または電子線溶接が行われる１０１５に電子ビームが照射され、所要の作業が遂行される。この場合、水素ガス分圧は電子銃チャンバーが一番大きく、次に第２段目コラム、第３段目コラムの順で水素分圧が低くなる。
　なお、１００２は中空のカバーチューブ容器、１００３は液体電子銃材料の解放されたカバーチューブ容器先端の開口の液体表面（表面張力で略平面または半径の大きな球面の一部を形成している）、１００４は電子放出量制御用ウェーネルト電極、１００５ａ、１００５ｂは加熱電流が流れる金属製の把持具、１００６ａ、１００６ｂはＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、１００９は把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃはターボ分子ポンプ、１０１４は粗引き用ドライポンプを示す。
　図９は中空のカバーチューブ容器の内部に液体の電子放出材料を充填する第一の方法について説明する図である。中空のカバーチューブ容器１１０２は中空のカバーチューブ容器を保持して横方向と上下方向に動かすための機械装置１１０１によって吊り上げられている。一方液体金属を入れるための、るつぼ、またはボート１１０３中に液体金属であるランタン液１１０７が液体金属溶解用ヒータ１１１１により、高温加熱され液体化している。この中空のカバーチューブ容器１１０２はランタン液体１１０７に接触するまで機械的に下降し中空のカバーチューブ容器１１０２内部にランタン液体１１０７が毛細管現象で吸い上げられる。カバーチューブ容器１１０２内部は真空でありカバーチューブ容器全体がランタン液体１１０７で充填される。これを引き上げてカバーチューブ容器１１０２内部のランタン液体充填が完了する。この作業中に真空装置１１０６内が真空ポンプ１１０８で真空引きされるとともに、水素ガスボンベ１１１０から水素ガスが１１０９水素ガス流量調整用マスフローコントローラ１１０９によって真空チャンバー１１０６内部に水素ガスが導入される。これにより、真空チャンバー内部のランタン液体が水素化される。中空のカバーチューブ容器内のランタン液体も水素化される。これにより、水素化ランタンの重点が完了する。
　なお、１１０４は液体金属を溶解するためのヒータ用電源、１１０５は液体金属を溶解するためのヒータ用電源からヒータまでの伝送線、１１０８は真空ポンプ、１１０９は水素ガス流量調整用マスフローコントローラ、１１１０は水素ガスボンベを示す。
　図１０は中空のカバーチューブ容器の内部に液体の電子放出材料を充填する第二の方法について説明する図である。中空のカバーチューブ容器１２０７は重力に対して下向き１２０４に向いている。カバーチューブ容器の裏面から水素化ランタン粉を格納する容器１２０５に水素化ランタン粉を格納しておき、斜めに傾けることで、水素化ランタン粉が中空のカバーチューブ容器の裏面側から粉が充填される。充填された水素化ランタン粉１２０８は真空チャンバー１２１３内でヒータ１２０３の加熱により、高温化し、液体水素化ランタン１２１２になる。真空チャンバー１２１３は真空ポンプ１２１４で真空引きされており、必要に応じて水素ガスボンベ１２１５から水素ガスが流量制御用マスフローコントローラ１２１６から適時的または連続的に水素ガスが流入される。これにより、中空のカバーチューブ容器内部に水素化ランタンが充填される。
　なお、１２０１は把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１２０２は加熱電流が流れる金属製の把持具、１２０６は中空のカバーチューブ容器内に格納された水素化ランタンの粉、１２０９は重力の方向、１２１０は液体金属を溶解するためのヒータ用電源からヒータまでの伝送線、１２１１は液体金属を溶解するためのヒータ用電源、１２１７は重力の方向を示す。
　図１１は液体の電子放出材料の内部に粉体で混入された、水素を多量に吸蔵した水素吸蔵合金が水素を供給する様子を示した図である。カバーチューブ容器内に水素吸蔵が王金を液体金属材料とともに内包する。水素化ランタン液体の中に混入された水素吸蔵合金１３０１は大量の水素分子１３０２を吸蔵している。真空チャンバー内で減圧され、加熱されると水素吸蔵合金は水素分子１３０３を放出し、水素化ランタン液体中に水素原子が増加する。このようにして、水素化ランタン液体中の水素原子量が制御できる。水素吸蔵合金１３０１は主成分として、パラジウム、またはチタン、またはジルコニウム、またはバナジウム、またはニッケルを含んだ水素吸蔵合金である。
　図１２Ａ，図１２Ｂは一本のカバーチューブの電子放出面に薄膜の多数の開口を有する部材を設置し、多数の電子放出を行い、マルチビームを形成する電子銃について説明する図である。図１２Ａは電子銃の全体図である。図１２Ｂはマルチ電子源の先端部の拡大図である。
　マルチビーム用電子銃は中空のカバーチューブ容器１４１０の先端開放面に複数の丸または四角の多数個の穴が開いた薄い高融点導電性材料から形成された板状部材１４１１を具備したものを用いる。水素化ランタンの液体は全ての複数の丸または四角い穴の面に露出する。露出した水素化ランタン液体から真空中に電子が並列的に放出される。ウェーネルト電極１４０４を通過し、陽極１４０５によって加速された複数の電子ビーム１４０６が射出される。
　なお、１４０１は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、１４０２は加熱電流が流れる金属製の把持具、１４０３はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、１４０７は把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１４０８は液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋、１４０９は液体電子放出材料である水素化ランタンを示す。
　図１３Ａ，図１３Ｂは必要とされる電子放出面積が大きい場合に多数の毛細管として中空のカバーチューブ容器を複数個束ねることにより所要の大面積の電子放出面を形成することの説明図である。図１３Ａは電子銃の全体図である。図１３Ｂは先端部の拡大図である。
多数本（ここでは７本）の中空のカバーチューブ容器を束ねた（多数本束とした）大面積のカバーチューブ容器１５０９のそれぞれの個別の中空のカバーチューブ容器に充填された水素化ランタン電子放出液体材料１５０８を具備する。水素化ランタン液体の露出した面からそれぞれ電子ビーム１５０６が放出される。このように大面積のカバーチューブ容器を使用せず、微細なカバーチューブ容器を複数個束ねるのは毛細管現象で毛細管内に保持できる液体の量が一定量に限定されるからである。すなわち液体の毛細管現象の液面の高さは毛細管の内径の円周距離に反比例するので、小さい毛細管のほうが高い液面を形成できる。この方法においてもマルチビームを形成できる。
　なお、１５０１は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、１５０２は加熱電流が流れる金属製の把持具、１５０３はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ、１５０４は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、１５０５は陽極、１５０７は把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１５１０は液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋を示す。
　図１４は液体電子銃の電子放出材料の消耗を補填するために固体の電子放出材料を定期的に中空のカバーチューブ容器に落下させる方法について示す図である。
　水素化ランタン液体電子銃を長時間使用すると液体水素化ランタン１６１３が蒸発して液面が低くなってくる。そこで、新しい固体水素化ランタン１６０１を補填する必要がある。複数の固体水素化ランタン１６０１が定期的固体供給機構１６０３の定期的なベルトコンベアの回転により、一粒ずつシースの上面で落下する。１６０５ａ、１６０５ｂ、１６０５ｃが落下する固体水素化ランタンを示している。落下した固体水素化ランタンは、ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ１６０８で融点以上に加熱されている液体水素化ランタン１６１３と触れることで溶解する。このようにして液体水素化ランタンの消耗量を補填することができる。
　図１４はカバーチューブ容器へ固体水素化ランタンを供給することで補填するものである。この例では、中空のカバーチューブ容器の電子線放出側の面と対向する側から、粉体、固体、または液体の形で、水素化した液体金属の材料を補填する。なお、カバーチューブ容器の裏面から電気的に接触しないパイプを通じて、液体水素化ランタンを補填してもよい。図１４で重力の方向１６０２は固体の落下方向を向いている。また、固体水素化ランタンは、粉体であってもよい。
　なお、１６０４は把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板、１６０６は電子放出量制御用ウェーネルト電極上部、１６０７は加熱電流が流れる金属製の把持具、１６０９は電子放出量制御用ウェーネルト電極下部、１６１０は陽極、１６１１は重力方向に放出する電子ビーム、１６１２は中空のカバーチューブ容器を示す。
　図１５Ａ、図１５Ｂは、重力の下向き方向（重力ベクトルの方向）の電子銃を斜めに約４５度程度傾けたときの液体電子放出材料の液体の露出面は略平面１７０２となっている。この面は４５度傾いていても垂直方向の時とほとんど変化していない。すなわちカバーチューブ側面の開口に表面張力で付着した面でカバーチューブの中心軸と垂直な面を維持している。
　一方、中空のカバーチューブを重力に対して傾けた時には、液体金属の表面は、上面は、重力の方向に向き、液面は重力と垂直になる。
　液体金属の下面は、その位置での重力と電界と表面張力のつり合いの結果、この場合は表面張力が支配的なために、中空のカバーチューブの先端断面に沿った平面すなわちカバーチューブ軸と垂直な平面となる。これはカバーチューブを重力に対してプラスマイナス６０度傾けたときまでは正しく成り立つ。
　本発明者らは電子ビームの射出方向が重力の方向１７０１からプラスマイナス６０度以内の範囲（円錐の内部）であれば液体電子銃の機能はほぼ正常に満足されることを確認した。したがって液体電子放出材料を用いた電子銃は下向きでプラスマイナス６０度で使用できる。ただし、重力の方向と垂直な方向に向けたときには毛細管のなかを液体が横方向に動いてしまうので、カバーチューブ容器の先端部に液体水素化ランタンの露出面が形成されない。これを防ぐためには液体水素化ランタンに水平方向の圧力をかける必要があると考えられる。
「変形例等について」
　本実施形態では水素化する金属材料をランタンとセリウムなど数種類の元素に限定したが、その他の元素でも水素化して電子発生効率が著しく上がる液体電子放出材料として使用できるものであれば、使用ができることは言うまでもない。
　なお、水素化により、素材物質の仕事関数が低減し、電子ビーム放出量が増加することは相手の元素によって程度の差はあるが、ほぼ共通することであると考えられる。これまでの説明は主に水素化ランタンについて述べたが、水素化された液体金属の液体金属がランタノイド系列の金属で、ランタン、またはセリウム、またはガドリニウム、またはテルビウム、または、プラセオジウムであってよい。これらの金属の水素化は真空チャンバー内部では水素ガスを流すことによって実現できる。
　電子銃の大気中への取り出しについて水素化ランタンなどの、液体金属水素化物を電子銃として稼働せしめたのち真空チャンバーから大気中に取り出す場合には大気中の酸素により、液体金属材料が酸化する可能性がある。これを真空中に入れ、再度電子銃として稼働させる場合は、電子銃チャンバーに水素ガスを流すことが望ましい。しかし、装置のデザインを複雑化するために水素化ランタンの場合には一定の条件でカバーチューブ容器の電子放出面に固体の水素化ランタン（ＬａＨｘ：ｘ＝２．８で黄色い固体）固体で表面を覆うことで自然酸化を防ぐことができる。
＜ジルコニウムのテイラーコーン電子銃に対して＞
　液体電子銃について、従来でもタングステンの先鋭な先端にジルコニウムの液体をテイラーコーンと呼ぶ先端のとがった液体表面を使用して、電子放出面として使用するものがある。この電子銃では一定時間経過するとジルコニウムが蒸発して、消滅して、再度ジルコニウムを液化させる必要があった。すなわち本実施系では安定な液体の重力方向に垂直な平面を、時間経過的に安定である高輝度電子銃として使用するのに対して、テイラーコーンを使用するジルコニウム液体の電子銃は、形態も目的と動作原理が全く異なる。
＜圧力をかけた流体噴霧器技術について＞
　中空のカバーチューブ容器の後方から圧力をかけて、先端に電界をかけて、液体や気体を放出し、噴霧ノズルを用いて吹き付けて膜や固体を形成したり、対象となる作業物体を彫りこんだり、研磨する技術がある。この技術と本実施形態には似ている点がある。噴霧ノズルが本実施形態の中空のカバーチューブ容器と形状が似ている。しかし、本実施形態は中空のカバーチューブ容器に圧力をかけた流体を常時流すことをしない。本形態はまったく流動しない液体電子放出材料である水素化ランタンを静的に保持して、電子放出面から高輝度電子を放出し、長期安定性を実現するものであって、使用分野と構成が全く異なる。そのために、噴霧ノズルから当業者が容易に構成できたものであるという指摘を受ける理由はない。
「利用分野について」
　本実施形態の電子銃は、従来の電子銃と比較してはるかに優れて高輝度かつ長寿命で、安定に電子放出を行うために、通常電子ビーム描画装置に使用できる。
　また、本実施形態では液体電子銃を使用するので、先端の電子放射面の蒸発材料が蒸発しても、電子銃平面の高さも形状も全く変化しないために、超高安定で高精度の電子銃が形成できる。この点は従来電子銃の欠点を完全に克服する。そのために従来電子銃の寿命に関して革新的な長寿命化を達成している。
　また、電子銃交換をしないで寿命１年以上を達成できるために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。また、エックス線源電子銃にも使用できる。また、カバーチューブ容器先端開口の直径を１０μｍ以下で製作すれば、高輝度長寿命の走査型電子顕微鏡または、透過型電子顕微鏡の電子銃として使用できる。なお、水素ガスを流す場合、低真空度でも使用できるので、電子ビームを用いた三次元電子ビーム溶接造形機でも電子銃として使用できる。
　また、電子銃カバーチューブ容器先端部は先鋭にとがらせて、開口部を微小な開口とすれば超微細パターンの描画装置や観察用電子顕微鏡に使用することも好適である。
　以上により、電子銃として高輝度かつ長寿命を達成するので、本実施形態による電子銃は、電子ビーム描画装置、電子線顕微鏡、電子ビーム検査装置、エックス線発生機などを含んで、電子銃を元にした電子ビーム応用装置産業分野全般において多大な貢献をなす。
　電子ビーム描画装置では１本の電子銃から従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃の１０倍以上の高輝度化が必要とされている。５０ｋＶで１０７Ａ／ｃｍ2ｓｔｅｒａｄｉａｎの輝度が必要である。このために、従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃の通常使用温度１５００℃であったものを、１６００℃まで高温化して使用する必要がある。このようにすると電子銃の寿命は短くなり、１ヶ月で７０μｍ程度昇華し消耗してしまう。このために１ヶ月に一度程度の頻度で真空チャンバーを大気リークし電子銃の交換を必要としていた。しかし、本実施形態の電子銃では、無保守で１年以上稼働させ、従来の１０倍以上の電子ビーム強度を達成できる。本実施形態の電子銃では１年に１日の保守時間とできるため、保守費用を安く済ませることができる。
　これをマルチコラム化し、マルチビーム化することによって、１０ｎｍから５ｎｍの半導体製造の微細化が可能となる。さらに集積度が上がる事で微細パターンを持つ人工知能およびニューロン模倣に基づいた脳型コンピューター産業と自動運転車、各種ロボット、危険箇所作業用ロボット、介護用ロボット、対話型共存ロボット、大規模建築物と大規模工事を迅速に作業するロボット、人間の意識をアップロードしてその時点における人間の記憶意識、思考過程を写し取り、それ以降はその人間の思考方法と記憶を引き継いで生きる意識的に無限の生命を有する不老不死の人工脳など、将来の人工知能の巨大産業となる半導体産業を構築するために使用できる。
　また、本実施形態の電子銃はエックス線放出装置にも使用でき、高輝度大電流長寿命の電子銃として全てのＸ線用電子銃として大きな力を発揮する。エックス線放出装置は交通機関における危険物発見用装置ならびに癌、脳出血、脳梗塞などを診断する健康診断用の用途で非常に巨大な市場を有している。以上を見たように本実施形態の電子銃は五兆円以上の巨大産業の中核を成すものとして貢献する。
　なお、上述の記載において、同一の部材について、異なる符号を付し説明を省略している場合があるが、これについては符号の説明において説明した。
１０１　　陽極
１０２　　中空のカバーチューブ容器
１０３　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１０４　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
１０５　　歯車
１０６　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
１０７　　重力と逆方向に射出する電子ビーム
１０８　　液体電子放出材料
１０９　　重力の方向
１１０　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１１１　　上向きの液体電子放出面の高さを一定に保つために上下に稼働するピストン
１１２　　１１１のピストンの支持部品
１１３　　１０５と噛み合って１１１ピストンを上下する平歯車
１１４　　１０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１１５　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
１１６　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
１１７　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１１８　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１１９　　陽極
１２０　　重力の方向に射出する電子ビーム
１２１　　重力の方向
１２２　　１１７を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１２３　　液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋
１２４　　中空のカバーチューブ容器
１２５　　液体電子放出材料
２０１　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
２０２　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
２０３　　加熱電流が流れる金属製の把持具
２０４　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
２０５　　陽極
２０６　　２０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板
２０７　　使用開始時のＬａＢ６単結晶
２０８　　使用開始時における電子放出分布
２０９　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
２１０　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
２１１　　加熱電流が流れる金属製の把持具
２１２　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
２１３　　陽極
２１４　　２１１を固定する電気絶縁体のセラミック円板
２１５　　ヒータで挟まれたＬａＢ６結晶部分
２１６　　ＰＧヒータ上に降り積もりヒータ抵抗値を減らし温度低下の元となるＬａＢ６結晶の蒸発物
２１７　　高温により昇華して減耗したＬａＢ６単結晶の形状
２１８　　使用開始時の消耗のないＬａＢ６単結晶の形状
２１９　　使用開始時の電子放出分布がＬａＢ６単結晶の減耗により変化した後の電子放出分布
２２０　　使用開始時の電子放出分布
３０１　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
３０２　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
３０３　　加熱電流が流れる金属製の把持具
３０４　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
３０５　　中空のカバーチューブ容器
３０６　　陽極
３０７　　３０３を固定する電気絶縁体のセラミック円板
３０８　　カバーチューブ容器裏面から液体電子放出材料が蒸発する方向
３０９　　液体電子放出材料
３１０　　重力の方向に射出する電子ビーム
３１１　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
３１２　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
３１３　　加熱電流が流れる金属製の把持具
３１４　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
３１５　　中空のカバーチューブ容器
３１６　　陽極
３１７　　３１３を固定する電気絶縁体のセラミック円板
３１８　　カバーチューブ容器裏面から液体電子放出材料が蒸発する方向
３１９　　時間経過により蒸発して総液量が減少した液体電子放出材料
３２０　　重力の方向に射出する電子ビーム
４０１　　ガラス基板
４０２　　水
４０３　　ガラス管
４０４　　水の容器
４０５　　水
４０６　　毛細管現象で上がった水面の上面
４０７　　水容器のガラス管以外の水面
４０８　　ガラス管
４０９　　毛細管現象で、水容器から引き離した時のガラス管内部の水
　　　　　最下面は表面張力によって略平面になっている。
４１０　　ガラス基板
４１１　　例えば水銀
４１２　　ガラス管以外の水銀液面
４１３　　水銀の容器
４１４　　水銀
４１５　　ガラス管
４１６　　ガラス管内部の低くなった水銀の上面
４１７　　水銀容器から引き離した時の空になったガラス管。接触角度が９０度よりも大きなガラス管と水銀は濡れ性がわるく毛細管現象では管内には水銀が残ることはない
６０１　　液体電子銃全体の図
６０２　　重力の方向に放出する電子ビーム
６０３　　液体放出材料であるランタン原子
６０４　　液体電子銃全体の図
６０５　　重力の方向に放出する電子ビーム
６０６　　ランタン原子液体中に侵入した水素原子
７０３　　水素化ランタンの放出電流特性
７０４　　ＬａＢ６単結晶の放出電流特性
７０５　　タングステンの放出電流特性
９０１　　液体電子銃全体の図
９０２　　ランタン液の内部のカーボン汚染を清浄化するための高温光触媒の粉で、ＴｉＯ２またはＷＯ３
９０３　　液体電子放出材料の水素化ランタン
９０４　　電子銃放出面の裏面から水素化ランタンが蒸発するのを防ぐためのカバーチューブ容器の裏蓋
９０５　　中空のカバーチューブ容器
９０６　　液体電子銃全体の図
９０７　　ランタン液の内部のカーボン汚染を清浄化するための高温光触媒の膜で、ＴｉＯ２またはＷＯ３
９０８　　液体電子放出材料の水素化ランタン
９０９　　電子銃放出面の裏面から水素化ランタンが蒸発するのを防ぐためのカバーチューブ容器の裏蓋
９１０　　中空のカバーチューブ容器
１００１　　液体電子放出材料の水素化ランタン
１００２　　中空のカバーチューブ容器
１００３　　液体電子銃材料の解放されたカバーチューブ容器先端の開口の液体表面であり、表面張力で略平面または半径の大きな球面の一部を形成している。
１００４　　電子放出量制御用ウェーネルト電極
１００５ａ、１００５ｂ　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１００６ａ、１００６ｂ　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１００７　　電子銃チャンバーに流入させる水素ガス
１００８　　重力の方向に放出する電子ビーム
１００９　　把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１０１０　　電子銃チャンバーとターボ分子ポンプの間に入れたバルブ
１０１１ａ、１０１１ｂ、１０１１ｃ　　ターボ分子ポンプ
１０１２　　陽極兼電子銃チャンバーと下流の第２段目コラムとの真空隔壁
１０１３　　第２段目コラムと第３段目コラムの間の真空隔壁
１０１４　　粗引き用ドライポンプ
１０１５　　電子ビームが照射される作業用基板であり、電子線観察または電子線描画または電子線溶接が行われる
１０１６　　電子ビーム照射作業が行われる第３段目コラム
１０１７　　電子ビーム偏向用電極
１０１８　　電子ビーム収束用磁界レンズ
１０１９　　第２段目コラム
１０２０　　水素ガスボンベ
１０２１　　水素ガス流量調整用マスフローコントローラ
１１０１　　中空のカバーチューブ容器を保持して横方向と上下方向に動かすための機械装置
１１０２　　中空のカバーチューブ容器
１１０３　　液体金属を入れるための、るつぼ、またはボート
１１０４　　液体金属を溶解するためのヒータ用電源
１１０５　　液体金属を溶解するためのヒータ用電源からヒータまでの伝送線
１１０６　　液体金属溶解用の真空チャンバー
１１０７　　液体金属であるランタン液
１１０８　　真空ポンプ
１１０９　　水素ガス流量調整用マスフローコントローラ
１１１０　　水素ガスボンベ
１１１１　　液体金属溶解用ヒータ
１２０１　　把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１２０２　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１２０３　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１２０４　　重力の方向
１２０５　　水素化ランタン粉を格納する容器
１２０６　　中空のカバーチューブ容器内に格納された水素化ランタンの粉
１２０７　　中空のカバーチューブ容器
１２０８　　中空のカバーチューブ容器内に格納された水素化ランタンの粉
１２０９　　重力の方向
１２１０　　液体金属を溶解するためのヒータ用電源からヒータまでの伝送線
１２１１　　液体金属を溶解するためのヒータ用電源
１２１２　　溶解した液体金属材料である水素化ランタン
１２１３　　液体金属溶解用の真空チャンバー
１２１４　　真空ポンプ
１２１５　　水素ガスボンベ
１２１６　　水素ガス流量調整用マスフローコントローラ
１２１７　　重力の方向
１３０１　　液体金属材料である水素化ランタンに、さらに水素を供給するための水素吸蔵合金原子
１３０２　　１３０１に吸蔵された水素分子
１３０３　　水素吸蔵合金から放出された水素分子
１４０１　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
１４０２　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１４０３　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１４０４　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
１４０５　　陽極
１４０６　　並列に放出される複数の電子ビーム
１４０７　　把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１４０８　　液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋
１４０９　　液体電子放出材料である水素化ランタン
１４１０　　中空のカバーチューブ容器
１４１１　　先端開放面に複数の丸または四角の穴が開いた薄い高融点導電性材料から形成された部材を設置したもの
１５０１　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
１５０２　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１５０３　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１５０４　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
１５０５　　陽極
１５０６　　複数の中空のカバーチューブ容器の液体電子放出材料から放出する複数の電子ビーム
１５０７　　把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１５０８　　液体電子放出材料である水素化ランタン
１５０９　　複数の中空のカバーチューブ容器を束にしたもの
１５１０　　液体電子放出材料の不要の蒸発を阻止するための中空のカバーチューブ容器の裏蓋
１６０１　　液体金属電子銃に定期的に補充するための固体水素化ランタン
１６０２　　重力の方向
１６０３　　液体金属電子銃に定期的に補充するための機構
１６０４　　把持具を固定する電気絶縁体のセラミック円板
１６０５ａ、１６０５ｂ、１６０５ｃ　　中空のカバーチューブ容器の裏面開口部の真上から落下する固体水素化ランタン
１６０６　　電子放出量制御用ウェーネルト電極上部
１６０７　　加熱電流が流れる金属製の把持具
１６０８　　ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１６０９　　電子放出量制御用ウェーネルト電極下部
１６１０　　陽極
１６１１　　重力方向に放出する電子ビーム
１６１２　　中空のカバーチューブ容器
１６１３　　液体電子放出材料である水素化ランタン
１７０１　　重力の方向
１７０２　　重力の下向き方向の電子銃を斜めに４５度程度傾けたときの液体電子放出材料の液体の略平面。垂直時とほとんど変化しない。
 

Claims (18)

  1. 　真空中で高温に加熱をして電子線を放出する電子銃装置であって、
    　電子線を放出する材料の表面は、高温動作時には溶けた液体の水素化した金属であり、
    　液体の水素化した金属は、高温動作時に固体である中空のカバーチューブ容器に、水素化した液体金属または水素化前の液体金属として格納され、カバーチューブ容器とともに高温に加熱され、水素化した液体金属が、カバーチューブ容器から露出し、重力と電界と液体面の表面張力が釣り合った液体表面を形成し、
    　その露出した水素化した液体金属表面から電子線を放出する、
    　電子銃装置。
  2. 　請求項１に記載の電子銃装置であって、水素化した液体金属の表面は、その法線ベクトルが重力方向に対して重力方向に向かう場合にはプラスマイナス６０度以内の範囲に向き、または重力と反対方向に向かって、電子線を放出する、電子銃装置。
  3. 　請求項１または２に記載の電子銃装置であって、
    　前記高温は、１０００℃以上１６００℃以下であり、高温動作温度での液体金属の真空への蒸気圧は１０－６ｐａｓｃａｌから１ｐａｓｃａｌである、電子銃装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　電子線を放出する方向が、重力に対して逆方向である場合には、上部に開口を有する、中空のカバーチューブ容器に、液体金属を格納し、液体金属の表面は、重力順方向に対し垂直方向の液面を形成し、液体表面から電子線を放出する、
    　電子銃装置。
  5. 　請求項１～３のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　電子線を放出する方向が、重力に対して順方向である場合には、下部に開口を有する、中空のカバーチューブ容器に、液体金属を格納し、液体金属の表面は、カバーチューブ容器の軸に垂直方向の液面を形成し、液体表面から電子線を放出する、
    　電子銃装置。
  6. 　請求項５に記載の電子銃装置であって、
    　電子線を放出する液体材料は、中空のカバーチューブ容器の内部の内壁側面に毛細管現象で付着し、電子放出面は重力の方向を向いて最下面であり、液体金属にかかる重力と、電子をひき出すための電極による表面電界による静電電気力と、カバーチューブ容器と液体金属の表面張力とによって、静的に釣り合う液体金属表面を形成し、
    　カバーチューブ容器の内径の最も太い部分は、半径が０．１ｍｍから１ｍｍである、
    　電子銃装置。
  7. 　請求項６に記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器は、高温加熱時の液体金属に対する接触角が９０度以下である高融点材料で形成され、
    　中空のカバーチューブは、形状は重力軸の方向に向いた電子線放出材料の側面を覆うようにして、
    　外形は重力方向を中心軸とする角柱、または円柱、または円錐台形の形状であり、
    　内形は重力方向を中心軸とする角柱、または円柱、または楕円柱、または長円柱、または円錐台形である中空のカバーチューブである、
    　電子銃装置。
  8. 　請求項７に記載の電子銃装置であって、
    　液体金属の容量の最小限界値は、中空のカバーチューブの最下部の内面を構成する円柱または角柱の平均半径をＲとするとき、４πＲ3／３、すなわち内面に付着できる球体以上の容量を有し、下面カバーチューブ容器の開口から液垂れが起きないように液体量が決定され、
    　カバーチューブ容器の内部の断面の内径の一番大きな断面の最大半径をｒ（ｃｍ）とするとき、カバーチューブ材料と電子放出用液体金属材料の接触角度をθ（度）、液体金属の表面張力をγＬＧ（ｄｙｎｅ／ｃｍ）として、液体金属密度をρ（水を１として５～１０）、加速度を９８０（ｇ・ｃｍ／ｓ２：　ｃｇｓ単位系）とするときに、液体金属の容量の最大限界値は
    液体金属の重力方向の高さｈがｈ＝２γＬＧ×ｃｏｓ（θ（度））／（ｒ×ρ×９８０）（ｃｍ）の５分の４よりも小さく設定されて、カバーチューブの最下面から液垂れが起きないように決定されている、
    　電子銃装置。
  9. 　請求項１～８のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　水素化された液体金属の液体金属がランタノイド系列の金属で、ランタン、またはセリウム、またはガドリニウム、またはテルビウム、または、プラセオジウムである、
    　電子銃装置。
  10. 　請求項９に記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器のバルク材料が、高融点金属、タングステンまたは、レニウムまたは、モリブデン、またはタンタルであるか、または金属の硼化物または遷移金属の硼化物を主体として形成されている、
    　電子銃装置。
  11. 　請求項１０に記載の電子銃装置おいて、
    　中空のカバーチューブ容器の内面には、
    　チタンまたは酸化チタンまたは、タングステンまたはタングステンの酸化被膜が付着形成されているか、または液体金属の内部にチタンまたは酸化チタンまたはタングステンまたはタングステンの酸化物からなる粉体が混入している、
    　電子銃装置。
  12. 　請求項１～１１のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　真空を維持するための真空チャンバー内に、適時的または連続的に、水素ガスを流す、
    　電子銃装置。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器の水素化した液体金属の表面と反対側の面に蓋をする、
    　電子銃装置。
  14. 　請求項１～１３のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器の内部に、液体金属材料とともに、固体の水素吸蔵合金として、水素を多量に吸蔵した、パラジウム、またはチタン、またはジルコニウム、またはバナジウム、またはニッケルの水素吸蔵合金を中空のカバーチューブの中に液体金属材料とともに内包する、
    　電子銃装置。
  15. 　請求項１～１４のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブの電子線放出側の面に、多数個の穴をあけた板状部材を設け、水素化した液体金属が穴の内部にとどまって電子線を放出する液体面を形成し、多数の電子線を同時に並列的に放出する、
    　電子銃装置。
  16. 　請求項１～１５のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器を多数本束ねたことを特徴とする電子銃装置。
  17. 　請求項１～１６のいずれか１つに記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器の電子線放出側の面と対向する側から、粉体、固体、または液体の形で、水素化した液体金属の材料を補填する、
    　電子銃装置。
  18. 　請求項９に記載の電子銃装置であって、
    　中空のカバーチューブ容器のバルク材料が、二硼化チタンまたは、二硼化ジルコニウムまたは、二硼化ハフニウムまたは、二硼化タンタルまたは二硼化イットリウムの単結晶を主体として形成されている、
    　電子銃装置。
     
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