JPH08212952A - レーザー照射型電子銃 - Google Patents
レーザー照射型電子銃Info
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- JPH08212952A JPH08212952A JP7018258A JP1825895A JPH08212952A JP H08212952 A JPH08212952 A JP H08212952A JP 7018258 A JP7018258 A JP 7018258A JP 1825895 A JP1825895 A JP 1825895A JP H08212952 A JPH08212952 A JP H08212952A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
- H01J37/06—Electron sources; Electron guns
- H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/06—Sources
- H01J2237/063—Electron sources
- H01J2237/06325—Cold-cathode sources
- H01J2237/06333—Photo emission
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 極めて高い輝度を有する電子ビームを発生さ
せることができるレーザー照射型電子銃を提供する。 【構成】 加熱式電界放射型電子銃、または熱電子放出
型電子銃において、そのフィラメントの先端部にレーザ
ー光を照射するレーザー光照射機構を配設する。
せることができるレーザー照射型電子銃を提供する。 【構成】 加熱式電界放射型電子銃、または熱電子放出
型電子銃において、そのフィラメントの先端部にレーザ
ー光を照射するレーザー光照射機構を配設する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザー照射型電子
銃に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、
極めて高い輝度を有する電子ビームを発生させることが
でき、透過型電子顕微鏡（極低温専用高分解能電子顕微
鏡を含む）、走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡、また
は電子線ホログラフィー技術等の高輝度の電子ビームを
必要とする技術分野に好適に用いることのできる、新し
いレーザー照射型電子銃に関するものである。
銃に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、
極めて高い輝度を有する電子ビームを発生させることが
でき、透過型電子顕微鏡（極低温専用高分解能電子顕微
鏡を含む）、走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡、また
は電子線ホログラフィー技術等の高輝度の電子ビームを
必要とする技術分野に好適に用いることのできる、新し
いレーザー照射型電子銃に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、電子顕微鏡に用い
られている電子銃には、熱電子放出型電子銃と電界放射
型電子銃が知られている。このうちの熱電子放出型電子
銃は、高融点金属を高温に加熱することにより金属表面
から飛び出す熱電子を引出し、この熱電子を加速するこ
とを特徴としている。一方、電界放射型電子銃は、電子
銃のフィラメントの先端部を鋭く、曲率半径を小さくす
ることにより生じる強電界により電子ビームを発生・加
速させるものであり、フィラメントを加熱する加熱式電
界放射型電子銃と、フィラメントを全く加熱しない冷陰
極式電界放射型電子銃がある。これらの電界放射型電子
銃は、強電界による量子力学的トンネル効果を利用する
ことにより電子ビームの電流密度、つまり輝度が熱電子
放出型電子銃よりも約２桁程高い高輝度収束電子ビーム
を発生させることができるという特徴がある。この高輝
度収束電子ビームの特徴である高輝度性および電子波の
高干渉性により電子顕微鏡において極微小領域の元素分
析を高い位置精度で行うことができるようになり、短時
間撮影による画質および分解能が向上された。また、電
子線ホログラフィ−ができるようになった。
られている電子銃には、熱電子放出型電子銃と電界放射
型電子銃が知られている。このうちの熱電子放出型電子
銃は、高融点金属を高温に加熱することにより金属表面
から飛び出す熱電子を引出し、この熱電子を加速するこ
とを特徴としている。一方、電界放射型電子銃は、電子
銃のフィラメントの先端部を鋭く、曲率半径を小さくす
ることにより生じる強電界により電子ビームを発生・加
速させるものであり、フィラメントを加熱する加熱式電
界放射型電子銃と、フィラメントを全く加熱しない冷陰
極式電界放射型電子銃がある。これらの電界放射型電子
銃は、強電界による量子力学的トンネル効果を利用する
ことにより電子ビームの電流密度、つまり輝度が熱電子
放出型電子銃よりも約２桁程高い高輝度収束電子ビーム
を発生させることができるという特徴がある。この高輝
度収束電子ビームの特徴である高輝度性および電子波の
高干渉性により電子顕微鏡において極微小領域の元素分
析を高い位置精度で行うことができるようになり、短時
間撮影による画質および分解能が向上された。また、電
子線ホログラフィ−ができるようになった。
【０００３】しかしながら、従来の熱電子放出型電子
銃、電界放射型電子銃では、発生される電子ビームの輝
度に限界があった。
銃、電界放射型電子銃では、発生される電子ビームの輝
度に限界があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】そこでこの発明は、上記
の課題を解決するものとして、加熱式電界放射型電子
銃、または熱電子放出型電子銃において、そのフィラメ
ントの先端部にレーザーを照射するレーザー光照射機構
が配設されていることを特徴とするレーザー照射型電子
銃を提供する。
の課題を解決するものとして、加熱式電界放射型電子
銃、または熱電子放出型電子銃において、そのフィラメ
ントの先端部にレーザーを照射するレーザー光照射機構
が配設されていることを特徴とするレーザー照射型電子
銃を提供する。
【０００５】
【作用】この発明では、上記の構成の通り、電子銃のフ
ィラメント先端部にレーザー光を照射するようにしてい
るが、この特徴をさらに原理的に説明すると、たとえば
図１に例示したように、電子銃のフィラメントの先端部
（１）の表面にレーザー光の振動数νの光子（３）が照
射されると、光電効果によりフィラメントの表面近傍の
自由電子（２）はｈν（ｈはプランク定数）のエネルギ
ーを得る。このエネルギーと、フィラメントのレーザー
照射による加熱と通電による加熱とにより自由電子
（２）に与えられる熱エネルギーとの和のエネルギー
が、自由電子（２）が表面から飛び出すために必要なエ
ネルギーである仕事関数Ｗを越えた場合、フィラメント
の表面近傍から電子（４）が放出される。つまり、表面
から飛び出す電子（４）の運動エネルギーには、
ィラメント先端部にレーザー光を照射するようにしてい
るが、この特徴をさらに原理的に説明すると、たとえば
図１に例示したように、電子銃のフィラメントの先端部
（１）の表面にレーザー光の振動数νの光子（３）が照
射されると、光電効果によりフィラメントの表面近傍の
自由電子（２）はｈν（ｈはプランク定数）のエネルギ
ーを得る。このエネルギーと、フィラメントのレーザー
照射による加熱と通電による加熱とにより自由電子
（２）に与えられる熱エネルギーとの和のエネルギー
が、自由電子（２）が表面から飛び出すために必要なエ
ネルギーである仕事関数Ｗを越えた場合、フィラメント
の表面近傍から電子（４）が放出される。つまり、表面
から飛び出す電子（４）の運動エネルギーには、
【０００６】
【数１】
【０００７】のような関係が成り立つ。すなわち、この
関係がフィラメントからの電子の放出条件であり、この
放出条件を満たすようにレーザー光の照射とフィラメン
トの通電加熱、及びフィラメントの先端部の曲率半径
（Ｒ）を調整する。仕事関数Ｗは、フィラメントの先端
部の曲率半径（Ｒ）の関数であり、曲率半径（Ｒ）が小
さくなると、表面から放出された電子（４）を引き出す
ための引出し電極との電位差により生じるフィラメント
先端部（１）周辺の電界強度が大きくなるためにＷは小
さくなり、より多量の電子（４）が放出される。加熱式
電界放射型電子銃を用いる場合、曲率半径（Ｒ）が約１
００ｎｍの極微小値となるためにトンネル効果が発生し
て、これによりさらに多量の電子（４）が放出される。
関係がフィラメントからの電子の放出条件であり、この
放出条件を満たすようにレーザー光の照射とフィラメン
トの通電加熱、及びフィラメントの先端部の曲率半径
（Ｒ）を調整する。仕事関数Ｗは、フィラメントの先端
部の曲率半径（Ｒ）の関数であり、曲率半径（Ｒ）が小
さくなると、表面から放出された電子（４）を引き出す
ための引出し電極との電位差により生じるフィラメント
先端部（１）周辺の電界強度が大きくなるためにＷは小
さくなり、より多量の電子（４）が放出される。加熱式
電界放射型電子銃を用いる場合、曲率半径（Ｒ）が約１
００ｎｍの極微小値となるためにトンネル効果が発生し
て、これによりさらに多量の電子（４）が放出される。
【０００８】このように、レーザー光照射による光電効
果、及び加熱による熱的効果、及び極微小曲率半径によ
る量子力学的トンネル効果との相乗効果により極めて高
い輝度を有する電子ビームを発生させることができる。
レーザー光の波長については、これが短いほど、光電効
果により電子に与えるエネルギーが大きくなる。しか
し、波長が３００ｎｍ以下より短くなると、一般に量子
効率（入射光子数に対する発生電子数の割合（％））が
低下することも考慮する必要がある。このため、フィラ
メントの仕事関数、形状、印加電圧等に応じた最も電子
が放出される最適条件の波長を選択する。たとえば、仕
事関数が４．５４ｅＶのタングステンフィラメント（古
くから、熱電子放出型電子銃に使用。また電界放射型電
子銃でも使用されている。）では、波長２７３ｎｍ以下
の短波長の光により、光電効果のみで電子が放出され
る。仕事関数がさらに小さい物質（たとえば、熱電子放
出型電子銃として最も輝度が高いＬａＢ6 フィラメント
の仕事関数は、２．６６ｅＶと小さい。）では、必ずし
も可視光以下の短波長である必要はない。ただ、上記の
量子効率が低下しない範囲では、波長が短いほど有利で
あると考えられる。
果、及び加熱による熱的効果、及び極微小曲率半径によ
る量子力学的トンネル効果との相乗効果により極めて高
い輝度を有する電子ビームを発生させることができる。
レーザー光の波長については、これが短いほど、光電効
果により電子に与えるエネルギーが大きくなる。しか
し、波長が３００ｎｍ以下より短くなると、一般に量子
効率（入射光子数に対する発生電子数の割合（％））が
低下することも考慮する必要がある。このため、フィラ
メントの仕事関数、形状、印加電圧等に応じた最も電子
が放出される最適条件の波長を選択する。たとえば、仕
事関数が４．５４ｅＶのタングステンフィラメント（古
くから、熱電子放出型電子銃に使用。また電界放射型電
子銃でも使用されている。）では、波長２７３ｎｍ以下
の短波長の光により、光電効果のみで電子が放出され
る。仕事関数がさらに小さい物質（たとえば、熱電子放
出型電子銃として最も輝度が高いＬａＢ6 フィラメント
の仕事関数は、２．６６ｅＶと小さい。）では、必ずし
も可視光以下の短波長である必要はない。ただ、上記の
量子効率が低下しない範囲では、波長が短いほど有利で
あると考えられる。
【０００９】また、フィラメント先端部から放出される
電子は、フィラメントに照射されるレーザー光が強くな
るほど多くなる。パルス波では、フィラメントから放出
される電子の個数もパルス的に変化する。これは、少な
くとも短時間の撮影を行う場合には好ましくない。しか
し、パルス幅よりも十分長い露出時間では、それほど問
題にならないかもしれない。ただ、パルス的に電流値が
変化すると電子線が照射される試料の温度もパルス的に
変化する等の問題が生じる。この意味で、連続レーザー
照射の方がパルスレーザ照射よりも好ましい。
電子は、フィラメントに照射されるレーザー光が強くな
るほど多くなる。パルス波では、フィラメントから放出
される電子の個数もパルス的に変化する。これは、少な
くとも短時間の撮影を行う場合には好ましくない。しか
し、パルス幅よりも十分長い露出時間では、それほど問
題にならないかもしれない。ただ、パルス的に電流値が
変化すると電子線が照射される試料の温度もパルス的に
変化する等の問題が生じる。この意味で、連続レーザー
照射の方がパルスレーザ照射よりも好ましい。
【００１０】いずれの場合でも、最も多く電子を放出す
るレーザー光の波長は、フィラメントの材質（仕事関
数、融点）、形状、印加電圧、温度および量子効率のパ
ラメータから求められる。個々の材質（電子顕微鏡の材
質）としては、従来よりＷ（タングステン）とＬａＢ6
（ランタンボライドヘキサゴナル）が最も多く使用され
ている。最近、電界放射型電子銃のオプション的なフィ
ラメントとして、ＺｒＯ／Ｗも使用されている。これら
の現存の個々のレーザーの特性を考慮し、フィラメント
の選定と組み合わせて、最適な波長を選ぶこととなる。
るレーザー光の波長は、フィラメントの材質（仕事関
数、融点）、形状、印加電圧、温度および量子効率のパ
ラメータから求められる。個々の材質（電子顕微鏡の材
質）としては、従来よりＷ（タングステン）とＬａＢ6
（ランタンボライドヘキサゴナル）が最も多く使用され
ている。最近、電界放射型電子銃のオプション的なフィ
ラメントとして、ＺｒＯ／Ｗも使用されている。これら
の現存の個々のレーザーの特性を考慮し、フィラメント
の選定と組み合わせて、最適な波長を選ぶこととなる。
【００１１】フィラメントの素材としては、従来よりの
使用実績のあるＷ、ＬａＢ6 およびＺｒＯ／Ｗをはじめ
適宜なものが使用される。これらの素材において重要な
ことは、融点が高いこと、仕事関数が小さいこと、鋭利
な先端を得るための加工（あるいは電解研磨）が可能な
こと、長時間真空中・高温で安定（寿命が長い）なこと
等である。
使用実績のあるＷ、ＬａＢ6 およびＺｒＯ／Ｗをはじめ
適宜なものが使用される。これらの素材において重要な
ことは、融点が高いこと、仕事関数が小さいこと、鋭利
な先端を得るための加工（あるいは電解研磨）が可能な
こと、長時間真空中・高温で安定（寿命が長い）なこと
等である。
【００１２】この発明は、上記の通り、加熱式電界放射
型電子銃のフィラメントの先端部にレーザー光を照射す
ることにより生じる光電効果と、加熱式電界放射型電子
銃の量子力学的トンネル効果および熱的効果との相乗効
果により極めて高い輝度を有する電子ビームを発生させ
ることができる。また、熱電子放出型電子銃のフィラメ
ント先端部にレ−ザ−光を照射することによって高い輝
度を有する電子ビ−ムを案価に発生させることができ
る。
型電子銃のフィラメントの先端部にレーザー光を照射す
ることにより生じる光電効果と、加熱式電界放射型電子
銃の量子力学的トンネル効果および熱的効果との相乗効
果により極めて高い輝度を有する電子ビームを発生させ
ることができる。また、熱電子放出型電子銃のフィラメ
ント先端部にレ−ザ−光を照射することによって高い輝
度を有する電子ビ−ムを案価に発生させることができ
る。
【００１３】電子顕微鏡用の電子ビ−ムとしてより輝度
が高いものが得られることが以下の観点から重要であ
る。 １）短時間撮影の画質（Ｓ／Ｎ比）の向上（→例えば、
極低温観察における試料の微動・振動による分解能低下
が、短時間の撮影により克服できる。この場合輝度が弱
いと、短時間の撮影では画質が低下する。短時間撮影と
高輝度電子線を組み合わせると、極低温観察での分解能
が向上する。） ２）輝度が高くなると必然的に、電子波の干渉性が向上
し、電子線ホログラフィーが可能となる。電子線ホログ
ラフィーの応用例としては、物質中の磁場の直接観察が
ある。このため、酸化物高温超電導体中の超電導状態に
おける磁束量子の観察が可能になる。また、電子線ホロ
グラフィーにより、電子顕微鏡の高分解能化が可能であ
る。輝度が高いほど電子線ホログラフィーの高性能化が
期待できる。
が高いものが得られることが以下の観点から重要であ
る。 １）短時間撮影の画質（Ｓ／Ｎ比）の向上（→例えば、
極低温観察における試料の微動・振動による分解能低下
が、短時間の撮影により克服できる。この場合輝度が弱
いと、短時間の撮影では画質が低下する。短時間撮影と
高輝度電子線を組み合わせると、極低温観察での分解能
が向上する。） ２）輝度が高くなると必然的に、電子波の干渉性が向上
し、電子線ホログラフィーが可能となる。電子線ホログ
ラフィーの応用例としては、物質中の磁場の直接観察が
ある。このため、酸化物高温超電導体中の超電導状態に
おける磁束量子の観察が可能になる。また、電子線ホロ
グラフィーにより、電子顕微鏡の高分解能化が可能であ
る。輝度が高いほど電子線ホログラフィーの高性能化が
期待できる。
【００１４】３）干渉性が向上すると、電子顕微鏡の分
解能が向上する。いわゆるインフォメーションリミット
とよばれる特殊条件下での分解能の向上である。 ４）分析電顕としては、分析時間の短縮化により、分析
時の試料の微動量が短くなり、分析位置の精度が向上す
る。（分析では放出される特性Ｘ線の積算検出線量が分
析精度向上のためにある一定量以上必要とされる。） そしてまた、輝度が高いこと以外にもこの発明による電
子顕微鏡用の電子ビームでは、次の通りの優れた性能を
有している。
解能が向上する。いわゆるインフォメーションリミット
とよばれる特殊条件下での分解能の向上である。 ４）分析電顕としては、分析時間の短縮化により、分析
時の試料の微動量が短くなり、分析位置の精度が向上す
る。（分析では放出される特性Ｘ線の積算検出線量が分
析精度向上のためにある一定量以上必要とされる。） そしてまた、輝度が高いこと以外にもこの発明による電
子顕微鏡用の電子ビームでは、次の通りの優れた性能を
有している。
【００１５】 運動エネルギーの幅が小さいこと。 運動エネルギー（加速電圧）が時間的に安定してい
ること。 輝度が時間的に安定していること。（これは秒単位
以上の時間変動の意味） 収束性が良いこと。
ること。 輝度が時間的に安定していること。（これは秒単位
以上の時間変動の意味） 収束性が良いこと。
【００１６】
【実施例】以下、実施例を示しさらに詳しくこの発明に
ついて説明する。もちろんこの発明は以下の例によって
限定されるものではない。図は、この発明の一実施例と
してのレーザー照射型電子銃の構造を例示したものであ
る。レーザー発生器（６）より発生されたレーザーは、
レンズ（７ａ）とレンズ（７ｂ）により調整された後、
反射鏡（８ａ）と反射鏡（８ｂ）によりその進行方向が
変えられて、レンズ（１０）と透明ガラス（１１）で構
成されるレーザー透過用窓（９）を通り、電子銃（１
８）内に入射される。入射されたレーザーは反射鏡（１
６）、もしくは凹面鏡によりフィラメント（１２）の先
端部に収束照射される。レーザーの収束照射の調整は、
観察用窓（１４）を通して、カメラ（１５）によりフィ
ラメント（１２）の先端部を拡大観察しながら、レンズ
（７ａ）、レンズ（７ｂ）、レンズ（１０）、及び反射
鏡（８ａ）、反射鏡（８ｂ）、反射鏡（１６）により調
整する。フィラメント（１２）はレーザー照射により加
熱されるが、さらに通電加熱を行うことによりフィラメ
ント（１２）の温度調整を行う。このフィラメントの温
度調整は観察用窓（１４）を通して、パイロスコープ
（１５）により測定及び調整を行う。レーザー照射され
たフィラメント（１２）の先端部の表面からは多量の電
子が放出され、この電子はプラスの電位を有する引出し
電極（１３）により引き出される。引き出された電子は
電子線収束用電磁石（１７）により収束された後、加速
管等を通って、電子顕微鏡の試料室に入射される。
ついて説明する。もちろんこの発明は以下の例によって
限定されるものではない。図は、この発明の一実施例と
してのレーザー照射型電子銃の構造を例示したものであ
る。レーザー発生器（６）より発生されたレーザーは、
レンズ（７ａ）とレンズ（７ｂ）により調整された後、
反射鏡（８ａ）と反射鏡（８ｂ）によりその進行方向が
変えられて、レンズ（１０）と透明ガラス（１１）で構
成されるレーザー透過用窓（９）を通り、電子銃（１
８）内に入射される。入射されたレーザーは反射鏡（１
６）、もしくは凹面鏡によりフィラメント（１２）の先
端部に収束照射される。レーザーの収束照射の調整は、
観察用窓（１４）を通して、カメラ（１５）によりフィ
ラメント（１２）の先端部を拡大観察しながら、レンズ
（７ａ）、レンズ（７ｂ）、レンズ（１０）、及び反射
鏡（８ａ）、反射鏡（８ｂ）、反射鏡（１６）により調
整する。フィラメント（１２）はレーザー照射により加
熱されるが、さらに通電加熱を行うことによりフィラメ
ント（１２）の温度調整を行う。このフィラメントの温
度調整は観察用窓（１４）を通して、パイロスコープ
（１５）により測定及び調整を行う。レーザー照射され
たフィラメント（１２）の先端部の表面からは多量の電
子が放出され、この電子はプラスの電位を有する引出し
電極（１３）により引き出される。引き出された電子は
電子線収束用電磁石（１７）により収束された後、加速
管等を通って、電子顕微鏡の試料室に入射される。
【００１７】なお、以上の実施例では電子顕微鏡への利
用を例示しているが、電子線ホログラフィー等の高輝度
電子銃を必要とする技術分野への利用も行うことができ
る。
用を例示しているが、電子線ホログラフィー等の高輝度
電子銃を必要とする技術分野への利用も行うことができ
る。
【００１８】
【発明の効果】この発明は、以上詳しく説明したように
構成されているので、極めて高い輝度を有する電子ビー
ムを発生させることができる。
構成されているので、極めて高い輝度を有する電子ビー
ムを発生させることができる。
【図１】この発明の原理をレーザー照射型電子銃のフィ
ラメントの先端部の状態として示した模式図である。
ラメントの先端部の状態として示した模式図である。
【図２】この発明の一実施例としてのレーザー照射型電
子銃を例示した断面構成図である。
子銃を例示した断面構成図である。
【符号の説明】 １ フィラメント先端部 ２ 自由電子 ３ 光子 ４ 電子 ６ レーザー発生器 ７ａ，７ｂ レンズ ８ａ，８ｂ 反射鏡 ９ 窓 １０ レンズ １１ 透明ガラス １２ フィラメント １３ 引出し電極 １４ 観察用窓 １５ カメラまたはパイロスコープ １６ 反射鏡 １７ 収束用電磁石 １８ 電子銃
Claims (1)
- 【請求項１】 加熱式電界放射型電子銃、または熱電子
放出型電子銃において、そのフィラメントの先端部にレ
ーザー光を照射するレーザー光照射機構が配設されてい
ることを特徴とするレーザー照射型電子銃。
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|---|---|---|---|
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Family
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