JP5544598B2

JP5544598B2 - 光陰極高周波電子銃、および光陰極高周波電子銃を備えた電子線装置

Info

Publication number: JP5544598B2
Application number: JP2010140546A
Authority: JP
Inventors: 和之坂上; 方一鷲尾
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-06-21
Also published as: JP2012004069A

Description

本発明は、光陰極高周波電子銃、および光陰極高周波電子銃を備えた電子線装置に関するものである。

光陰極高周波電子銃(以下「電子銃」という)は電子生成時の電子ビームの時間幅をレーザーによって制御することが出来るため、短パルス・高電荷・高品質、つまり高輝度な電子ビームを生成することが可能な装置として広く用いられている。1ps(rms)を切るような時間幅の電子ビームを生成することは非常に有用性が認められており、例えばテラヘルツ電磁波発生装置への利用が期待されている（例えば特許文献１）。すなわち、上記時間幅はテラヘルツ光の周期よりも電子ビーム幅が短いため、生成された光がコヒーレントに重なりあい、強めあうためである。その生成方法としては、軌道放射光のみならず、遷移放射光や回折放射光なども挙げられる。

従来の電子銃は、陰極(カソード)と加速空胴が一体に形成されており、生成した電子を即座に加速することにより、高輝度な電子ビームを得ることができる。

特開２００６−１９０８８６号公報

加速空胴から得られる電子ビームは高輝度ではあるが、電子が十分に加速されるまでの空間電荷効果(電子同士の斥力)によって電子の時間幅は広がってしまい、生成された電子ビームの時間幅は、3ps(rms)程度となってしまう、という問題があった。

そこで、本発明は、電子ビームの時間幅を容易に変更することができる電子銃、および、当該電子銃を備えた電子線装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る電子銃は、カソード部と、前記カソード部にレーザー光を照射するレーザー照射口と、前記カソード部から放出された電子を加速する加速空胴部と、前記加速空胴部の内部に高周波を導入する高周波導入部とを備える光陰極高周波電子銃において、前記加速空胴部は、二以上の基本セルと、前記基本セル同士の間に設けられる基本アイリスと、前記基本セルの出口に最終アイリスを挟んで連通された最終セルとを有し、前記基本アイリスは、前記基本セルのうち終端に設けられた出口セルと、当該出口セルと隣り合う他の基本セルの間に配置された、後方アイリスを含み、前記最終アイリスの厚さは、前記後方アイリスの厚さと異なり、前記後方アイリスの厚さより薄く形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る電子線装置は、前記高周波の波長をλとした場合、前記最終アイリスの厚さをλ／８〜λ／１０としたことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る電子線装置は、請求項１または２に係る電子銃を備えることを特徴とする。

本発明に係る電子銃によれば、最終アイリスの厚さを変更し、前記後方アイリスの厚さより薄く形成することにより、電子ビームの時間幅を容易に変更することができる。

本実施形態に係る電子銃の加速空胴本体の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る加速空胴部の電磁場計算の結果を示す図である。本実施形態に係る電子銃で生成された電子ビームの位相空間分布を示すグラフである。本実施形態に係る電子銃で生成された電子ビームの位相空間分布を示すグラフである。本実施形態に係る電子銃で生成された電子ビームの位相空間分布を示すグラフである。比較例に係る電子銃で生成された電子ビームの位相空間分布を示すグラフである。変形例に係る加速空胴部の電磁場計算の結果を示す図である。上記変形例に係る電子銃で生成された電子ビームの位相空間分布を示すグラフである。本実施形態に係る電子銃を備えた透過型電子顕微鏡の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（全体構成）
図1に示すように、本実施形態に係る電子銃１は加速空胴本体２を備える。加速空胴本体２は、真空中でのガス放出量が少なく、熱伝導性および電気伝導性を有する材料、例えば無酸素銅で形成され、カソード部３と、レーザー照射口４と、加速空胴部５とが設けられている。この電子銃１は、レーザー照射口４からレーザー光８をカソード部３へ照射して放出された電子９を加速空胴部５で加速して電子９Ａを生成し、当該電子９Ａを加速空胴本体２の中心軸７を通って電子ビーム出射ポート６から照射する。

本実施形態に係る電子銃１は、加速位相を最適に選ぶことによってさらに磁気圧縮(磁場による軌道差を用いた圧縮)、もしくは速度圧縮(バンチ内速度差を用いた圧縮)を行える電子９Ａを生成する等の縦方向の位相空間を制御することができる。

加速空胴本体２は、円筒形状であって、内部には、一端表面に前記カソード部３が設けられており、内周面に前記加速空胴部５が形成されている。

加速空胴部５は、カソード部３側から中心軸７方向に基本セル１０、最終セル１１の順に設けられている。基本セル１０は、第１セル１０Ａと出口セルとしての第２セル１０Ｂとからなり、いわゆる1+0.6cellで構成されている。本実施形態の場合、第１セル１０Ａが0.6cell、第２セル１０Ｂが1cellで構成されている。

第１セル１０Ａと第２セル１０Ｂとの間には基本アイリス１２が設けられている。なお、本実施形態の場合、基本セル１０が２個で構成されているので、前記基本アイリス１２は後方アイリスともいう。

最終セル１１と第２セル１０Ｂとの間には最終アイリス１３が設けられている。第１セル１０Ａ、基本アイリス１２、第２セル１０Ｂ、最終アイリス１３、最終セル１１は、中心軸７に対して対称に形成されている。

第１セル１０Ａには、レーザー照射口４が設けられている。レーザー照射口４は、図示しないレーザー光源から出射されたレーザー光８を前記カソード部３に照射する。

最終セル１１は、軸方向長さが第２セル１０Ｂと同じ長さとなるように形成されている。最終セル１１には、高周波導入部１５と、真空吸引部１６とが設けられている。高周波導入部１５は、図示しない高周波電源から供給された高周波電力を加速空胴部５内へ導入する。これにより、加速空胴部５内には、内部構造に適合した共振周波数を有する定在波が発生する。真空吸引部１６は、図示しない真空装置に連通されており、これにより加速空胴本体２内は真空引きされる。なお、加速空胴部５には、図示しないがアイリスを冷却する冷却機構が設けられている。

本実施形態の場合、最終アイリス１３は、厚さ、すなわち軸方向長さが前記基本アイリス１２より短く形成されている。この最終アイリス１３の軸方向長さは、利用例に因って異なるが、高周波位相で線形部分を選ぶ場合(速度差バンチングに用いる場合)には高周波波長の1/8〜1/10程度で選択することが好ましい。例えば、高周波電力を1周期105mm程度とすると、基本アイリスの軸方向長さとしては21mm程度、最終アイリスの軸方向長さとしては13mm程度とすることができる。また、最終アイリス１３の軸方向長さは、アイリス冷却機構に干渉しない範囲で選択するのが好ましい。

なお、通常の電子銃１が備えている構成のうち上記した構成以外の構成については、公知の構成を適用することができる。

（作用および効果）
レーザー照射口４からカソード部３へ２０度〜３０度(加速の高周波位相を０度として)の位相でレーザー光８を照射する。そうすると、カソード部３表面が励起され、当該カソード部３表面から電子９が放出される。

同時に、加速空胴部５内には、高周波導入部１５から高周波電力が導入されることにより通常１００ＭＶ/ｍ程度の電場が発生している。

カソード部３表面から放出された電子９は、第１セル１０Ａ、基本アイリス１２、第２セル１０Ｂ、最終アイリス１３、最終セル１１の順に伝播しながら上記電場によって加速され、中心軸７を通って電子ビーム出射ポート６から電子９Ａとして照射される。

通常、電子銃１としては、十分なエネルギーに達するため1+0.6cellと呼ばれる構造が用いられる。高周波の1/2波長と空胴の長さを一致させることによってどのセル（空胴）においてもほぼ同じ位相でビームを加速し、最大の加速電圧を得る。

これに対し、本実施形態に係る加速空胴部５は、基本セルの電子ビーム出射ポート６側に、さらに第２セル１０Ｂと軸方向の長さが同じ最終セル１１が設けられており、第２セル１０Ｂと最終セル１１との間に設けられた最終アイリス１３の軸方向長さを基本アイリス１２より短くした。これにより、本実施形態に係る電子銃１は、最終セル１１における加速位相を変調し、バンチングを行うことができる。

電子銃１は、最終セル１１での電場強度を加速空胴部５の共振周波数によって調整することや初期の電子９Ａの生成位相の調整によって、縦方向の位相空間を自由に制御し、バンチングに最適な位相空間分布を生成したり、エネルギー広がりの最小な電子９Ａを生成したりすることができる。

また、電子銃１は、加速空胴部５の構成を最適化するのみで電子９Ａの時間幅を短くすることができるので、構成を簡素化することができ、実際上2m×2m程度の大きさに構成することができる。したがって、さまざまな電子線装置に適用することができる。

また、電子銃１は、電子９Ａの時間幅を短くすることができるので、電子９Ａの時間幅を変えて重ね合わせが成り立つ周波数を制御できるテラヘルツ光源を生成することができる。

また、時間分解電子線回折顕微鏡など最先端の技術からも1psを切るような電子９Ａの生成が要求されており、応用のみならず加速器を構築する場合の電子源として用いることで、発生当初からすでに極短パルスとなっている電子９Ａを輸送・加速することができる。

電子銃１は、3〜8MeV程度(※高周波の電力量を変えることで低いエネルギーはさらに実現可能)のエネルギーを有する電子９Ａを生成することができるので、例えば、テラヘルツ光源として用いることができ、かつコヒーレントな電子９Ａを生成することができる。

本実施形態に係る電子銃１をモデルとして、最終アイリス長を短くした場合についてシミュレーションを行った。当該シミュレーションには、第１セルが内径41.85mm、軸方向長さ(7λ/30)mm、第２セルが内径42.04mm、軸方向長さ(3λ/10)mm、最終セルが内径41.85mm、軸方向長さ(3λ/10)、基本アイリスの軸方向長さ(2λ/10)mm、最終アイリスの軸方向長さ(λ/10)mmの加速空胴部を用いた。なお、λ=105mm(2856MHzの波長)である。

なお、比較例としていわゆる1+0.6cell構造の加速空胴部を用いてシミュレーションを行った。比較例に用いた加速空洞部は、第１セルが内径41.565mm、軸方向長さ(7λ/30)mm、第２セルが内径42.0595mm、軸方向長さ(3λ/10)mm、基本アイリスの軸方向長さ(2λ/10)mmであるものを用いた。本シミュレーションは、レーザー光に代え、レーザー形状と同様の電子分布をカソード部上で生成して行った。因みにアイリスの内径は12.5mm程度である。

上記実施例および比較例におけるシミュレーションの条件は、表１の通りである。

表１における条件１でシミュレーションを行った結果を図3に示す。本図の結果から、前方の電子のエネルギーが低く、後方の電子のエネルギーが高い状態の電子９Ａを生成できることが確認できた。したがって、本実施形態に係る電子銃１では、速度差に基づいて生成された電子９Ａをバンチングすることができる。

また、図4に最終セルをバンチングに使用した場合の得られる位相空間分布を示す。本図では、横軸に対する電子の分布が狭いことから、生成された電子ビームの軸方向長さ(0.5psec程度)が短いことがわかる。本図の結果から、最初の加速位相などを調整することにより、0.5psec程度の時間幅は速度差によるバンチングなしでも、時間幅の短い電子９Ａを生成できることが確認できた。

表１における条件２でシミュレーションを行った結果を図5に示す。本シミュレーションは、エネルギー差を最小にした場合の例である。本図から、縦軸に対する電子の分布が狭いため、エネルギーの広がりが小さいことがわかる。上記結果から明らかなように、電子銃１は、生成された電子９Ａの時間幅を短くするだけでなくエネルギーの差を少なくすることができる。

また、比較例の結果を図6に示す。本図では、縦軸に対する電子の分布が広く、生成された電子ビームの軸方向長さが長いことがわかる。

上記シミュレーションは、本実施形態の一例に過ぎず、これに限定されるものではない。またシミュレーションは、表２に示す条件でも、同様の結果が得られる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することができる。

例えば、上記実施形態では、最終アイリス１３の軸方向長さは、高周波波長の1/8〜1/10程度で選択する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、後方アイリスより小さければ、高周波波長の1/8より大きくしてもよいし、1/10より小さくしてもよい。

上記実施形態では、最終アイリス１３の軸方向長さを後方アイリスである基本アイリス１２の軸方向長さより短くした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、最終アイリス１３の軸方向長さを後方アイリスである基本アイリス１２の軸方向長さより長くしてもよい。すなわち、図7に示すように、本変形例に係る加速空胴部２０は、最終アイリスの軸方向長さ２１が前記基本アイリス１２より長く形成されている。この最終アイリス１３の軸方向長さは、セル間の結合が保持される範囲で選択することが好ましい。これにより、電子銃は、意図的に時間幅の長い電子ビームを照射することができる。本変形例に係る電子銃をモデルとして、シミュレーションを行った。当該シミュレーションには、第１セルが内径41.555mm、軸方向長さ(7λ/30)mm、第２セルが内径42.0495mm、軸方向長さ(3λ/10)mm、最終セルが内径41.043mm、軸方向長さ(3λ/10)mm、基本アイリスの軸方向長さ(2λ/10)mm、最終アイリスの軸方向長さ(3λ/10)mmの加速空胴部を用いた。なお、λ=105mm(2856MHzの波長)である。当該シミュレーションの条件は、表３に示す。

図8の結果から、前方の電子のエネルギーが高く、後方の電子のエネルギーが低い状態を生成できることが確認できた。したがって、本変形例に係る電子銃は、速度差によって電子ビームの時間幅を長くすることができる。なお、本変形例に係るシミュレーションは、上記表３の条件に限定されるものではなく、表４に示す条件でも同様の結果が得られる。

上記実施形態に係る電子銃を備えた電子線装置の例としては、透過型電子顕微鏡、テラヘルツ光源、非破壊検査装置などがある。また、透過型電子顕微鏡などにおける電子線回折に適用することも可能である。

透過型電子顕微鏡３０は、図9に示すように、電子銃１から照射される電子ビーム９Ａに沿って、照射レンズ３１、試料ステージ３２、対物レンズ３３、拡大レンズ系３４が配置されている。電子銃１より放出された電子ビーム９Ａは、照射レンズ３１によって、試料ステージ３２に保持されている試料３５に照射されるようになっている。そして、試料３５を透過した電子ビーム９Ａは、対物レンズ３３と拡大レンズ系３４により拡大され、ＣＣＤカメラ等の撮像装置３６に投影される。本実施形態に係る電子銃１を透過型電子顕微鏡３０に適用することにより、加速電圧を１００ｋＶ以上とした超高圧電子顕微鏡を得ることができる。

１光陰極高周波電子銃
３カソード部
４レーザー照射口
５加速空胴部
８レーザー光
９電子
１０基本セル
１１最終セル
１２基本アイリス
１３最終アイリス
１５高周波導入部

Claims

カソード部と、
前記カソード部にレーザー光を照射するレーザー照射口と、
前記カソード部から放出された電子を加速する加速空胴部と、
前記加速空胴部の内部に高周波を導入する高周波導入部と
を備える光陰極高周波電子銃において、
前記加速空胴部は、
二以上の基本セルと、
前記基本セル同士の間に設けられる基本アイリスと、
前記基本セルの出口に最終アイリスを挟んで連通された最終セルと
を有し、
前記基本アイリスは、前記基本セルのうち終端に設けられた出口セルと、当該出口セルと隣り合う他の基本セルの間に配置された、後方アイリスを含み、
前記最終アイリスの厚さは、前記後方アイリスの厚さと異なり、前記後方アイリスの厚さより薄く形成されていることを特徴とする光陰極高周波電子銃。
前記高周波の波長をλとした場合、前記最終アイリスの厚さをλ／８〜λ／１０としたことを特徴とする請求項１記載の光陰極高周波電子銃。
請求項１または２記載の光陰極高周波電子銃を備えたことを特徴とする電子線装置。