JPH0439849A - 電子銃装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、電子線描画装置および、類似装置において用
いられる電子銃に関し、特に、放電防止を考慮した電子
銃構造に関する。

【従来の技術】

電子銃室内の、真空中の放電のタイプには二つの種類が
ある。一つは高電圧を印加するとただちに生じるもので
あり、他の一つは高圧を印加し、連続的に電子線を引出
中、長い潜伏期間の後、突然に発生するものである。前
者は、電極を注意深くクリーニングすることにより、殆
どの場合防げるし、もし生じた場合でも、電子源（チッ
プ）を保護した状態で数回放電（高圧コンディショニン
グ）させると以降安定になることが多い。 後者は、原因が不明確であるが、現在有力なのは、たと
えばｒ３００万Ｖ超高電圧電子顕微鏡の加速系の改良：
電子ビーム研究第３巻、大阪大学工学部電子ビーム研究
施設、昭和５６年１２月」に記載されているように、碍
子表面に正電荷が蓄積し、電界を高める。このような電
子増殖によって絶縁破壊を起こす、という説ｆ７である
。具体的には、真空雰囲気中に置かれた電極と、絶縁碍
子との接触面（いわゆる三重接合部）の微小な凹凸部に
は電界が集中し、ここから電界放射電子が発生する。こ
の電子が絶縁物表面に衝突する毎に二次電子雪崩を起こ
して、表面に正電荷が蓄積すると言うものである。実際
、放電事故後分解し、電子銃の構成部品を観察すると、
殆どの場合、放電の痕跡が絶縁碍子と接している近傍に
多く確認される。この事実から、電極近傍の絶縁物が放
電になんらかの寄与をしているものと推察できる。 上記理由から明らかなように、三重接合部近傍の電界強
度の低減は、放電を防止するという点で、極めて重要な
課題である。たとえば、「エム・ジェイ・コホイド：エ
フクト　オブ　メタル−ダイエレクトリック　ジャンク
ション　フェノメナオン　ハイーボルティジ　ブレイク
ダウン　オーバ　インシュレータズ　イン　バキューム
、エイ・アイ・イ・イ　　トランス、、ｐｐ、９９９−
１００４」ｒＭ、Ｊ、　　にｏｆｏｉｄ　　：　　Ｅｆ
ｆｅｃｔ　　ｏｆ　　ａ＋ｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒ
ｉｃｊｕｎｎｃｔｉｏｎ　　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　　ｏ
ｎ　　ｈｉｇｈ−ｖｏｌｔａｇｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ　
　ｏｖｅｒ　　１ｎｓｕｌａｔｏｒｓ　　ｉｎ　　ｖａ
ｃｕｕｍ、　　ＡＩＥＥＴｒａｎｓ、＋　ｐｐ、　９９
９−１００イ一セ１♂隼面に対する電極の角度を６０’
にすると耐圧が上がったという報告をしているが詳細な
検討はされていない。従来においては、殆どの場合、電
極形状は、円弧を書くように、すなわち丸みのある外形
形状となっていた。 そこで、従来構造における三重接合部近傍の電界強度を
シミュレーションによって求めた。第２図はシミュレー
ションに用いたほぼ従来構造に近い電子銃構造の１部の
概略図を示している。同図にて、３は高圧が印加される
電極、４は絶縁碍子、５は電極３に一５０ｋＶを印加し
たときの２ｋＶごとの等電位線をそれぞれ示している。 第４図−（ａ）（従来碍子）は、この様な構造において
。 絶縁碍子４の厚さｔを変化させたときの、電極３の表面
の最大電界強度を示している。なお、電界強度の測定範
囲は三重接合部近傍とし、具体的には、碍子と電極との
接合点ａ点からｂ点迄の表面距離約１ｍｍの範囲を三重
接合部近傍とした。この結果より、絶縁碍子４の厚さ（
１）が薄くなるほど電界強度は弱くなる傾向を示すこと
が分かる。 従来の一例として、この部分の厚さを６ｍｍとすると、
６．５ｋＶ／ｍｍもの強い電界が電極３の表面にかかる
ことがわかる。第５図−（ａ）（従来碍子・電極）は、
第２図の構成における。電極と碍子との接触点ａ点から
離れるに従って、電極３の表面電界強度がどの様に変わ
るのかをシミュレーションした結果を示している。同図
から、３ｍｍ程度離れると、約３．２ｋＶ／ｍｍに減じ
られるが、それにしても未だ大きな電界強度を示すこと
が分かる。しかも、実際にはこれら値よりもっと大きく
なることが予想される。なぜならば、電極表面の微小な
凹凸の影響がシミュレーションでは反映されていないた
めである。したがって、前述したごとく現実問題として
、はとんどの場合、放電の痕跡が、絶縁碍子と接してい
る近傍に多く確認されると言う事実から察すると、三重
接合部近傍の電界強度６．５ｋＶ／ｍｍを更に小さくす
ることは、耐圧をもたすという点で、必要条件の一つで
、あると言えよう。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、電極形状や、碍子形状を変
えたときの三重接合部の電界強度をシミュレーションに
よって求めた。 第３図は、電極は従来と同様すなわち、電極の外周全面
に丸みを付けた形状とする。そして、碍子４の電極取付
は部分に工夫をし、最良の結果が得られた一例を示して
いる。具体的には、電極３の取り付は部分の厚さｔは従
来と同じであるが、図に示しているように電極が取付け
られない部分の厚さを薄くした、すなわち、０．５ｍｍ
程度の段差（Δｔ）を付けた。第４図−（ｂ）および第
５図−（ｂ）は、そのシミュレーション結果を示してい
る。それぞれの条件は従来例の場合と同じである。第４
図−（ｂ）から明らかなように、電極取り付は部分に０
．５ｍｍ程度の段差（Δｔ）を付けると、電極表面の電
界強度は碍子の厚さと無関係でほぼ一定で、しかも２ｋ
Ｖ／ｍｍ以下と、従来の約１／３になることが分かる。 また、第５図−（ｂ）より、碍子と電極との接合点ａ点
からｂ点に向かう全ての点において、従来の場合と比べ
著しく弱められることが分かる。 第６図は、碍子に段差を付けたことに加え、電極形状に
工夫をし、最良の結果が得られた一例を示している。具
体的には、電極の断面形状を同図に示すごとく台形とし
た。台形の碍子面に対する角度はこの場合、３０度であ
り、台形の斜面の長さ線ａｃは約５ｍｍである。第５図
−（ｃ）はこの時のシミュレーション結果を示している
。この図から分かるように、電極表面の全ての点に於い
て電界強度が著しく弱められ、しかも、目的の三重接合
部近傍では１ｋＶ／ｍｍ程度となることが分かる。 ところで、図示は省略しているが第６図において、台形
の角度は小さくなるほどａ点に向かう電界の入り込みが
少なくなるため、ａ点近傍の電界強度はこれに従い弱め
られるが、電極の外形寸法ｄを一定とすると、台形電極
の斜面の終了点近傍（同図の０点）の電界強度が強くな
る。したがって。 この角度は５度以上であることが必要である。逆に、角
度が大きくなりすぎるとａ点近傍での電界強度が強くな
るため、４５度以下とすることが必要である。また、斜
面の長さａｃは、最低２ｍｍ以上とすることが必要であ
る。この理由も上記同様である。これらをまとめると、
以下のようになる。 １）碍子にサンドイッチ構造で取り付けられる電極は、
その断面形状を台形とする。 ２）台形の斜面部の長さは２　ｍ　ｍ以上とする。 ３）斜面の碍子に対する角度は５度以上４５度以下とす
る。 ４）碍子の電極取付は部分には第３図に示すごとく、Δ
ｔの段さをつける。

【作用１ 以上詳述したような手段を講じることにより、三重接合
部近傍の電界強度を著しく弱めることが可能になる。す
なわち、この部分から碍子面に向かって、電界放出電子
が生じるチャンスが減じられる作用が生じる。 【実施例】 第１図は、本発明を適用した５０ｋＶ電子銃の略図を示
している。同図にて１は高電圧を導入するためのブッシ
ング部、７は真空筒の内壁、８は大気側で放電が生じな
いようにフレオンガス等が充填される不活性ガス充填部
。２は大気と真空とを気密封じし、電子源（図示省略）
が取り付けられる陰極電極６を電気的に絶縁し、保持す
るための第１の絶縁碍子。３ａ、３ｂは本発明の断面形
状を有する電子ビーム引き出しのための引出し電極、４
は引き出し電極３を電気的に絶縁し保持する機能を持つ
、本発明の形状を有する第２の絶縁碍子である。 第１の絶縁碍子２の片端はベローズ１１を有する金具９
につながれ、ベローズ１１を通して真空筒７に固定され
ている。更に金具９は、ネジ１０を回すことによって、
水平方向に移動できる構造になっている。こうすること
によって１図示は省略しているが、陰極電極６に取り付
けられてし）る電子源の軸調整を行なうことができる。 なお同図に示している如く、第２の絶縁碍子の断面形状
をすり林状とした。この理由は、碍子面に対して、等電
位線５が直角に近い角度で入射すると、入射した等電位
線は乱れが生じないでそのまま碍子を通過する。したが
って、碍子の断面形状をすり林状にすれば、沿面の長さ
を長くとれるために、碍子の耐圧マージンが大きくとれ
るという効果を保ちながら、等電位線分布の乱れを最小
に押さえることが出来るという効果も生じる。例えば、
もし、第２の絶縁碍子の形状が真空筒の内壁７に平行で
あると仮定すると、真空の誘電率よりも碍子の誘電率の
方が、大きいため、碍子内部の等電位線分布が粗になり
、この分、碍子の存在しない部分の等電位分布が密にな
る。すなわち。 電界強度が強められることになる。限られた内径寸法の
真空容器内で碍子の耐圧を維持するために必要な沿面長
を確保し、更に等電位線分布に乱れを生じさせないよう
にするために、すり林状の断面形状とした。 絶縁碍子２と４は電極を取り付ける面および、絶縁碍子
４においては真空筒７の内壁に取り付ける面を研磨した
。この理由は、取り付は面を研磨することによって、電
子銃としての電子光学特性を損なわないように、機構的
な精度を維持するためである。一方、これらの面を除く
残りの全ての面には、ガラス質の釉薬（Ｓｉ０２他）を
塗布した。表面が滑らかなガラス質で覆うことにより。 絶縁碍子の取扱が容易になるという利点が生じるからで
ある。 電極３．６の材料はステンレスあるいはチタン合金が望
ましい。ステンレスは加工性の良い公表面仕上げが容易
になる利点を持つ。また、チタン合金は加工性は悪いが
、電子銃室を例えば１０−ｇＴｏｒｒ以下程度の超高真
空を必要とする場合には１０００℃に近い温度での脱ガ
ス処理の可能なチタン合金が適している。 絶縁碍子２．４の材質はアルミナ（Ａｌ□Ｏａ）を使っ
た。アルミナは電気的絶縁特性が良好でかつ９機械的強
度が強く、緻密質であるため、超高真空の雰囲気で使用
するのに適しているからである。 【発明の効果］ 本発明によれば、高電圧が印加される電極と、真空と、
電極を絶縁して保持するための絶縁碍子との、いわゆる
三重接合部の電界強度を著しく弱めることが可能になる
。これにより、電極からの電界放出電子が発生しなくな
る結果、放電の生じない電子銃とすることが可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は従来構造
の一例を示す図、第３図、第６図はそれぞれ本発明の１
！極・碍子形状を示す図、第４図、第５図は、それぞれ
電界強度のシミュレーション結果を示す図である。 符号の説明 １・・・・高圧導入ブッシング、２，４・・・絶縁碍子
、３・・・・陽極電極、　　　　　　５・・・・・・等
電位線６・・・・陰極電極。 ９・・・・金具、 ７・・・・・・真空筒内壁 １１・・・・ベローズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子源を有する第１の絶縁碍子と、中心部に電極を
   有する第２の絶縁碍子とで構成される電子銃であって、
   上記電極の断面形状は、台形であることを特徴とする電
   子銃装置。 ２、真空の外即ち、大気側から水平軸方向に移動可能な
   機構を持つ第１の絶縁碍子と、真空雰囲気中に配置され
   、中心部に電極を有する第２の絶縁碍子とで構成される
   電子銃であって、上記電極の断面形状は、台形であるこ
   とを特徴とする電子銃装置。 ３、前記電極の断面形状は、第２の絶縁碍子面に対する
   斜辺の角度が４５度以下の回転対称の台形であることを
   特徴とする特許請求の範囲第一項記載の電子銃装置。 ４、前記電極は、第２の絶縁碍子の取付け面を挾み込む
   ようなサンドイッチ構造であることを特徴とする特許請
   求の範囲第一項記載の電子銃装置。 ５、前記絶縁碍子は、電極が取り付けられる部分の厚さ
   が、他の部分と比べ、厚くなるように段差が設けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第一項記載の電子
   銃装置。 ６、前記第２の絶縁碍子は、断面形状がすり鉢状である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第一項記載の電子銃装
   置。 ７、絶縁碍子は、該絶縁碍子を真空筒の内壁に固定する
   ための面及び、電極を取付ける面を除く全ての面に、ガ
   ラス質の釉薬を塗布することを特徴とする絶縁碍子の製
   造方法。 ８、電極材料は、ステンレスあるいはチタン合金材であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第一項記載の電子銃
   装置。 ９、絶縁碍子の材料は、アルミナであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第一項記載の電子銃装置。 １０、特許請求の範囲第１項記載の電子銃装置を用いた
   電子線描画装置等荷電粒子線装置。