JP4576437B2

JP4576437B2 - 荷電粒子加速装置

Info

Publication number: JP4576437B2
Application number: JP2008035441A
Authority: JP
Inventors: 裕森田; 良三武内; 俊之横須賀
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2009193896A; US20120025741A1; US8067907B2; US20090224701A1; US8659243B2

Description

本発明は、放電を防止した荷電粒子加速装置に関する。

加速管は、多段の電極（加速電極）が積層された構造を有し、加速電極の間には数十ｋＶの電圧が印加される。従って、塵埃，残留ガス，帯電等を原因として、積層された電極間に放電が発生する場合がある。放電が発生すると電圧が一時的に低下し、印加電圧が不安定となる。また、特に真空条件下では、低電位の電極から電子放出がされ、高電位の電極に電子が衝突することにより、電極の金属が真空中に蒸発し、電極間の絶縁性が悪くなり、大規模な放電にいたる場合がある。放電が発生すると、加速管に電圧を印加することが不可能となり、システム全体が停止する。特開平６−２０３９９６号公報（特許文献１）には、加速電極を磁石として電極の周囲に磁力線を発生させ、加速管全体の放電を防止することが開示されている。

特開平６−２０３９９６号公報

加速電極を磁石として電極の周囲に磁力線を発生させると、その磁場により加速粒子の軌道に影響がある。従って、本発明の目的は、加速粒子の軌道に影響を与えることなく、電極間の放電を防止し、荷電粒子加速装置を有するシステム全体の信頼性を向上させることにある。

本発明は上記の課題を解決するものであり、その手段を以下に記述する。本発明の特徴は、加速電極の一部または全部を、金属と比較して融点が高いセラミックスまたは合金よりなる放電抑制層で被覆した荷電粒子加速装置にある。セラミックスまたは合金の放電抑制層により、不純物の微粒子が電界により加速され、電極に衝突した際にも電極から金属蒸気が発生しにくく、電離プラズマとなりにくいため、電極間の放電を抑制することができる。

特に、真空中に保持され電圧を印加された複数の加速電極により電界を発生し荷電粒子を加速する荷電粒子加速装置であって、前記加速電極は金属または合金よりなる電極の外部を質量比８０％以上のＡｌ₂Ｏ₃を含んだセラミックスよりなる放電抑制層で一部または全部を包囲したことを特徴とする荷電粒子加速装置にある。電極の一部または全部を金属と比較して融点が高いセラミックスよりなる放電抑制層で包囲することにより、不純物の微粒子（クランプ）が電極に衝突した際に電極から蒸気が発生しにくく、放電を抑制することができる。

前記セラミックスには質量比１％以上２０％以下のＴｉＯ₂またはＴｉＣを含むことが好ましい。電極を包囲するセラミックスにＴｉＯ₂またはＴｉＣを混入することによりセラミックスの抵抗率を下げることができるため、セラミックスの表面に付着したクランプの周囲の電界が下がる。その結果、放電のきっかけとなるクランプを加速する静電力が小さくなり、クランプの離脱を抑制することができる。

他の本発明の特徴は、真空中に保持され電圧を印加された複数の加速電極により電界を発生し荷電粒子を加速する荷電粒子加速装置であって、前記加速電極は、電極の一部または全部を質量比８５％以上のＴｉを含んだ合金よりなる放電抑制層で包囲したことを特徴とする。電極の一部または全部を一般の金属と比較して融点が高いＴｉを含んだ合金で包囲することにより、クランプが電極に衝突した際に電極から蒸気が発生しにくく、放電を抑制することができる。なお、電極そのものとして質量比８５％以上のＴｉを含んだ合金を使用し、放電抑制層と電極とを一体化することもできる。

放電抑制層の電気抵抗率は１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下であることが好ましい。放電抑制層の電気抵抗率を１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下にすることにより、充分に放電抑制層の表面に付着したクランプの周囲の電界が下がる。その結果、放電のきっかけとなるクランプを加速する静電力が小さくなり、クランプの離脱を抑制することができる。

荷電粒子加速装置としては、加速管，サイクロトロン，シンクロトロン，ベータトロン等があり、本発明はいずれの装置にも有効である。これらの荷電粒子加速装置は、電子顕微鏡，核物理学実験用設備，ガン治療設備，放射光設備等に使用される。

本発明によれば放電が発生しにくく、高い信頼性を有する加速管を実現できる。

以下、本発明についてさらに詳細を説明する。

図１に加速管の構造例を示す。加速管はリング状の内側電極１と外側電極２から構成される加速電極と絶縁管３を複数段積み重ねた構造である。内側電極１と外側電極２は、導体で接続されており、両電極は同電位に保持されている。最上段の加速電極には、陰極から電子を引き出す引き出し電源８と、加速電源５とが接続され、直流高電圧が印加される。加速電極間は分割抵抗４を介して接続され、最終段の加速電極は接地電位である。このように加速電極を配置することにより、リング状の加速管の中央部には加速電極と垂直の方向（加速電極の積層される方向）に電界が発生する。

加速管の最上段には電子銃が設置される。図１には熱電子放出型電子銃を示すが、他の型の電子銃でもかまわない。電子銃は陰極９と陽極１０から構成され、陰極９には加熱電源６が接続され、加熱電源６の電流により陰極９が加熱される。陰極９が加熱された状態で引出電圧発生電源７により陰極９と陽極１０の間に電圧が印加されると陰極９から電子線が放射される。

加速電極の最上段と最下段の間では、例えば２００ｋＶの電圧が印加され、加速電極間には数十ｋＶの電圧が分担されることになる。上記のような構成により、電子銃から放射された電子線は加速される。

外側電極２はＳＦ₆等の絶縁ガスで周囲を充填することにより絶縁耐圧を確保することができるのに対し、内側電極１は真空中に保持されるため、内側電極１の間では外側電極２と比較して真空放電が発生しやすい。

真空中での放電のメカニズムは諸説あり、そのひとつとしてクランプ説がある。電極表面に付着しているクランプ（不純物の微粒子）は静電力により電極から離脱することがある。この際、クランプは電極間電圧により加速され、その後対向電極に衝突すると、運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、対向電極またはクランプは金属蒸気を放出する。この金属蒸気は電子衝撃により電離プラズマ化して電極間の放電を発生させる。クランプ説の説明としては「放電ハンドブック」（電気学会編）が詳しい。本発明のように、電極に放電抑制層を設けたり、Ｔｉ合金を電極として使用することにより、このようなクランプによる放電を防止できる。

図２に、荷電粒子加速装置（ここでは加速管とする）を有する透過型電子顕微鏡の概略構造例を示す。電子銃１０１は、陰極から放出された電子を陽極で加速して電子線を放出する。電子銃には熱電子放出型電子銃，ショットキー型電子銃，冷陰極電界放出型電子銃，熱陰極電界放出型電子銃等がある。加速管１０２は電子銃から出た電子線を必要なエネルギーにまで順次加速する。例えば２００ｋＶの電子顕微鏡では加速電極を６段〜７段積み重ねて加速する。収束レンズ１０３では、磁界を発生させ、電子ビーム１００を絞って試料に照射する。電子ビーム１００は試料１０４を透過すると回折を起こす。回折した電子は対物レンズ１０５で結像される。中間レンズ１０６は励磁電流を調整して中間レンズの焦点距離を変えて、対物レンズによって作られる回折図形に焦点を合わせる。さらに、それらを拡大し投影レンズ１０７の物面にそれらの像を作る。投影レンズ１０７は結像レンズ系の最終レンズであり、中間レンズ１０６で拡大された像をさらに拡大し、蛍光板１０８上に結像する。この像は観察窓１０９から観察することができる。また、カメラ室１１０に設置されたカメラで像を撮影することができる。

第一の実施例では、図３を用い、アルミナを含むセラミックスで電極を被覆した加速管の例について説明する。本実施例では、内側電極１の周囲全部を８０重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃を含んだセラミックス１２で覆う構造を有する。電極としては、鉄，ステンレス，銅，アルミ等の金属が例示される。このように、電極の一部または全部を金属と比較して融点が高いセラミックス１２で包囲することにより、クランプが電極に衝突した際に電極から蒸気が発生しにくく、放電を抑制することができる。また、本実施例では、内側電極１の周囲全部をアルミナを含むセラミックス層で覆う構成としたが、一部を覆う構成としてもよい。その場合、少なくとも隣接する電極と対向する面を覆うようにセラミックス層を形成することが望ましい。

第二の実施例では、セラミックス層としてチタニア（ＴｉＯ₂）を含むアルミナを用い、実施例１と同様に電極を被覆した加速管の例について説明する。本実施例の加速管の構成は図３とほぼ同様であり、セラミックス１２の層として、１重量％以上２０重量％以下のＴｉＯ₂を含むアルミナを使用した。

このように電極を包囲するセラミックス１２にＴｉＯ₂を混入することによりセラミックス１２の抵抗率を下げることができる。アルミナにチタニアを混合することにより、最大で１／１００程度に抵抗率を低下させることができる。セラミックス１２の抵抗率が下がると、セラミックスの表面にクランプが付着した場合、その周囲の電界を下げることができる。その結果、放電のきっかけとなるクランプを加速する静電力が小さくなり、クランプの離脱による放電を抑制することができる。特に、セラミックス１２の電気抵抗率を１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下とすることが好ましい。本実施例以外のセラミックスであっても、電気抵抗率を１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下とすることで、アルミナにチタニアを混合したセラミックス同様の高い効果が期待できる。

セラミックス１２を設ける部位は電極の一部でもよく、特に隣接する電極と対向する部分に設けることが有効である。

第三の実施例では、セラミックス層としてＴｉＣを含むアルミナを用い、実施例１と同様に電極を被覆した加速管の例について説明する。本実施例の加速管の構成は図３とほぼ同様であり、セラミックス１２の層として、１重量％以上２０重量％以下のＴｉＣを含むアルミナを使用した。

このように電極を包囲するセラミックス１２にＴｉＣを混入することによりセラミックス１２の抵抗率を下げることができる。セラミックス１２の抵抗率が下がると、セラミックスの表面にクランプが付着した場合、その周囲の電界を下げることができる。その結果、放電のきっかけとなるクランプを加速する静電力が小さくなり、クランプの離脱による放電を抑制することができる。特に、セラミックス１２の電気抵抗率を１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下とすることが好ましい。本実施例以外のセラミックスであっても、電気抵抗率を１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下とすることで、アルミナにチタニアを混合したセラミックス同様の高い効果が期待できる。

実施例４では、図４を用いて、内側電極にＴｉを含む合金を用いた加速管の例を説明する。装置構成は、図１とほぼ同様であり、内側電極１にＴｉを含む合金を用いたことを特徴とする。Ｔｉを含んだ合金は一般の金属よりなる電極（鉄，銅，アルミ，ステンレス等よりなる電極）よりも融点が高いため、このような電極を用いたことにより、クランプが電極に衝突した際に電極から蒸気が発生しにくく、放電を抑制することができる。チタン合金としては、例えばアルミ６％，バナジウム４％，チタニウム９０％の合金（通称６−４チタン）が挙げられる。

また、電極の一部または全部の表面をＴｉを含んだ合金で覆うことによっても同様の効果が得られる。

加速管の構造例を示す図。荷電粒子加速装置例を示す図。第一の実施例のセラミックスで被覆された加速電極を用いた加速管を示す図。第四の実施例のＴｉを含む合金で加速電極を構成した加速管を示す図。

符号の説明

１内側電極
２外側電極
３絶縁管
４分割抵抗
５加速電源
６加熱電源
７引出電圧発生電源
８引き出し電源
９陰極
１０陽極
１１電子軌跡
１２セラミックス
１００電子ビーム
１０１電子銃
１０２加速管
１０３収束レンズ
１０４試料
１０５対物レンズ
１０６中間レンズ
１０７投影レンズ
１０８蛍光板
１０９観察窓
１１０カメラ室

Claims

荷電粒子を加速させる荷電粒子加速装置であって、
電圧を印加され、電界を発生させる複数の加速電極を有し、前記加速電極は金属または合金よりなり、前記加速電極の少なくとも一部が放電抑制層により被覆されており、
前記放電抑制層は、８０重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃と、当該Ａｌ ₂ Ｏ ₃に混入された１重量％以上２０重量％以下のＴｉＯ₂またはＴｉＣとを含有するセラミックスであることを特徴とする荷電粒子加速装置。
荷電粒子を加速させる荷電粒子加速装置であって、
電圧を印加され、電界を発生させる複数の加速電極を有し、前記加速電極は金属または合金よりなり、前記加速電極の少なくとも一部が放電抑制層により被覆されており、
前記放電抑制層は、８０重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃を含有するセラミックスであり、
前記放電抑制層の電気抵抗率は、１０⁸Ω＊cm以上１０¹⁵Ω＊cm以下であることを特徴とする荷電粒子加速装置。
請求項１ないし２のいずれかに記載された荷電粒子加速装置であって、
前記加速電極は真空中に配置されていることを特徴とする荷電粒子加速装置。