JP2011034734A

JP2011034734A - 電界放出型電子源

Info

Publication number: JP2011034734A
Application number: JP2009178302A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 貴裕松本; Yoshihiro Onizuka; 好弘鬼塚; Tomonobu Nakamura; 智宣中村; Atsuo Sadatsuka; 淳生定塚
Original assignee: ONIZUKA GLASS KK; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: ONIZUKA GLASS KK; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】電界放出型電子源における電子放出部の劣化を抑えることによって長寿命化を実現する。
【解決手段】電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源において、ターゲット３に対し電子流を放出するエミッタ１の周囲に導電性材料４を、ターゲット３とエミッタ１との間の距離よりもターゲット３と導電性材料４との間の距離が短くなるように配置し、ターゲット３と導電性材料４との間に、ターゲット３とエミッタ１との間に印加する電圧と略同じ電圧を印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源に関する。

従来、電子顕微鏡、電子線管、Ｘ線管等に用いられ、電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源が知られている。電界放出型電子源の冷陰極（エミッタ）から放出される電子の流れ（放出電流）Ｊは、電界の強さをＦ、仕事関数をφ、定数をＡ、Ｂとしたとき、次式（１）で表される。

Ｊ＝Ａ（Ｆ^２／φ）exp[−Ｂφ^３／２／Ｆ] ・・・(１)
式（１）によれば、仕事関数φを低くすることにより大きな放出電流Ｊを得ることができる。

上記の電界放出型電子源の使用例として、電界放出型Ｘ線管がある。これは、電界放出型電子材料からなるエミッタに強電界を印加して電子を放出させ、電子をＸ線発生ターゲットに照射することによってＸ線を発生させるものである。かかるＸ線管において、エミッタから電子を放出させるためには、Ｘ線発生ターゲットとエミッタとの間に高電圧を印加し、エミッタ先端から電子放出をさせるのに十分な電界強度を与えなければならない。

このタイプのＸ線管は、図８に模式的に示すように、エミッタ１及び電圧源２を備えた電子源とＸ線ターゲット３とをガラス管内に封入し、その内部を高真空状態に保持するように構成される。このＸ線ターゲット３とエミッタ１との間に電圧源２から高電圧Ｖ_ＥＴを印加すると共にエミッタ１の先端に強電界を印加することにより、エミッタ１から放出された電子がターゲット３に照射され、ターゲット３からＸ線が発生する。このとき、放出された電子がターゲット３に衝突すると、ターゲット３に付着したガスがイオン化し、イオン化ガスがエミッタ１に向かってくる。

従来の電界放出型Ｘ線管では、その構成部材のうちエミッタに最も強い電界が印加されると共に、上記のように発生したイオンが高電圧で加速されてエミッタに衝突することによりエミッタの電子放出部が消失し、その電子放出能力が失われる。従って、エミッタの寿命を延ばすためには、イオンの衝突を回避することが必要である。

すなわち、上記のような電界放出型Ｘ線管の寿命は、イオンの衝突による電子放出部の消失の度合に依存する。図９に示すように、イオンは電気力線に沿って移行し、電気力線はエミッタ１の先端に集中するので、強電界が印加された電子放出部材に対するイオンの衝突頻度は、低電界が印加された部材よりも高くなる。このため、従来の電界放出部を形成する電子材料の寿命は短く、これがＸ線管などの長寿命化の障害となっていた。

本発明は、上記のような電界放出型電子源における電子放出部の劣化を抑えることによって長寿命化を実現できる電界放出型電子源を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様（第１発明）は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源において、ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を、ターゲットとエミッタとの間の距離よりもターゲットと導電性材料との間の距離が短くなるように配置し、ターゲットと導電性材料との間に、ターゲットとエミッタとの間に印加するのと同じ電圧を印加することを特徴とする。

第１発明によれば、導電性材料が、ターゲットとエミッタとの間の距離よりもターゲットと導電性材料との間の距離が短くなるように配置されるので、エミッタよりもそれを囲む導電性材料の電界強度が強く、Ｘ線発生ターゲットで発生したイオンは、エミッタに向かうより導電性材料に向かっていく。このため、エミッタの先端部におけるイオン衝撃頻度は従来の電界放出型電子源に比して圧倒的に小さくなる。これにより、電界放出型電子源の寿命を延ばし、実用に供し得る寿命を有するＸ線管等が得られる。

本発明の第２の態様（第２発明）は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源において、ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を、ターゲットとエミッタとの間の距離よりもターゲットと導電性材料との間の距離が短くなるように配置して、エミッタに印加される電界よりも導電性材料に印加される電界の強度が大きくなるように構成すると共に、エミッタと導電性材料との間に、前記電界の強度の関係が反転しない範囲で電圧を印加する調節用電源を備えたことを特徴とする。

第２発明によれば、導電性材料が、ターゲットとエミッタとの間の距離よりもターゲットと導電性材料との間の距離が短くなるように配置されるので、エミッタよりもそれを囲む導電性材料の電界強度が強く、Ｘ線発生ターゲットで発生したイオンは、エミッタに向かうより導電性材料に向かっていく。このため、エミッタの先端部におけるイオン衝撃頻度は従来の電界放出型電子源に比して圧倒的に小さくなる。

また、エミッタと導電性材料との間に、前記電界の強度の関係が反転しない範囲で電圧を印加する調節用電源を備えたことにより、エミッタと導電性材料との電位差を微調整することができる、すなわち導電性材料の電位をエミッタの電位より低くする程度を調整することで、導電性材料へのイオンの引き込み量を調整することができ、ひいてはエミッタへのイオンの衝突を更に減少又は微調整することができる。これにより、電界放出型電子源の寿命を延ばし、実用に供し得る寿命を有するＸ線管等が得られる。

上記第１、第２発明の電界放出型電子源において、前記導電性材料はエミッタに比べて仕事関数の高い材料であることが好ましい。

本発明によれば、導電性材料の電界強度がエミッタに比して強いので、導電性材料の仕事関数が低いと、導電性材料からの電子放出がエミッタからの電子放出より優勢となる可能性があるが、前記導電性材料にエミッタに比べて仕事関数の高い材料を用いることで、導電性材料からの電子放出がエミッタからの電子放出より優勢となるのを防止できる。

また、上記導電性材料は、イオン衝突によるスパッタを生じない材料が好適であり、原子番号の大きい材料或いは共有結合性の強い材料が好ましい。なぜなら、電界放出型電子源で生じるイオンは、数１０ｋｅＶのエネルギーを有しているため、スパッタが生じると更なるイオンの発生が起こり得るからである。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の縦断面図、（Ｂ）はその平面図。図１の電界放出型電子源でエミッタ及び導電性材料とターゲットとの間に高電圧を印加する回路構成を示す図。図２の電界放出型電子源でエミッタと導電性材料に向かう電気力線によるイオンの流れを示す図。別実施形態のエミッタ及び導電性材料とターゲットとの間に高電圧を印加する回路構成を示す図。図２の電界放出型電子源でエミッタと導電性材料との間に調節用電源を設けた実施形態の回路構成を示す図。（Ａ）は本発明の実施例として図２に示された電子源を用いたＸ線管の構成を示し、（Ｂ）は（Ａ）と同形のＸ線管で導電性材料がない構成を示す図。図６（Ａ）（Ｂ）に示した各Ｘ線管におけるターゲットからの放出電流の時間変化を示すグラフ。従来の電界放出型Ｘ線管の概略構成図。図８の構造でエミッタに向かう電気力線によるイオンの流れを示す図。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の構造を示す。これは、棒状のエミッタ１の上方に、円筒状の導電性材料４をエミッタ１と心合せして配置した構造である。すなわち、エミッタ１は、導電性材料４の中心部の円孔５の下方で同心位置に配置されている。そして、図２に示すように、導電性材料４は、ターゲット３とエミッタ１との間の距離よりもターゲット３と当該導電性材料４との間の距離が短くなるように配置されている。

この構造によれば、電界が図の矢印方向に印加されると、導電性材料４の電界強度はエミッタ１のそれよりも強くなる。すなわち、図１の電界放出型電子源においては、エミッタ１を導電性材料４で取り囲み、導電性材料４は、これに印加される電界強度がエミッタ１よりも強くなるように配置される。

図２は、図１の電界放出型電子源において、エミッタ１及び導電性材料４とターゲット３との間に高電圧Ｖ_ＥＴを印加するための回路構成を示す。ここで、エミッタ１と導電性材料４が同電位の状態でエミッタ‐ターゲット間に高電圧Ｖ_ＥＴを印加すると、図３に示すように、電気力線がエミッタ１の先端部へ集中するのが緩和される。そして、より高い電界強度が印加された導電性部材４へイオンが流れるため、エミッタ１へのイオン流入量が少なくなる。

なお、電気力線の数は、ターゲット・エミッタ間の距離、印加電圧、エミッタ１と導電性材料４の幾何学的位置関係等によって変動する。

本発明にかかる電界放出型電子源では、エミッタを囲む導電性材料は、エミッタに比べて前記仕事関数φの高い材料が好ましい。本発明によれば、導電性材料の電界強度がエミッタに比して強いので、導電性材料の仕事関数が低いと、エミッタからの電子放出よりも導電性材料からの電子放出が優勢となる可能性があるが、導電性材料として、エミッタに比べて仕事関数の高い材料を用いることで、そのような可能性をなくすことができる。

また、導電性材料は、イオン衝突によるスパッタを生じない材料が好適であり、原子番号の大きい材料或いは共有結合性の強い材料が好ましい。なぜなら、イオンは数１０ｋｅＶのエネルギーを有しているため、スパッタにより更なるイオンの発生が起こり得るからである。

本発明の電界放出型電子源は、図１の構造に限らず、図４に示すように、エミッタ１の上方周囲に針状の導電性材料４を複数配置した構造でもよい。この場合、エミッタ１は、その上方円周上に配置した導電性材料４からなる円の中心位置に配置されている。そして、導電性材料４は、ターゲット３とエミッタ１との間の距離よりもターゲット３と当該導電性材料４との間の距離が短くなるように配置されている。

従って、この構造の電界放出型電子源においても、電界が図の矢印方向に印加されると、導電性材料４の電界強度はエミッタ１のそれよりも強くなる。このため、より高い電界強度を印加された導電性材料４へイオンが流れるので、エミッタ１へのイオン流入量が少なくなり、エミッタ１における電子放出部の消滅が抑えられる。

以上のように、図２及び図４の電界放出型電子源においては、エミッタ１を導電性材料４で取り囲み、導電性材料４は、ターゲット３とエミッタ１との間の距離よりもターゲット３と導電性材料４との間の距離が短くなるように配置されることで、導電性材料４に印加される電界強度がエミッタ１に印加される電界よりも強くなる。このため、Ｘ線発生ターゲットで発生したイオンは、エミッタ１に向かうよりも多く導電性材料４に向かうので、エミッタ１の先端部におけるイオン衝撃頻度は従来の電界放出型Ｘ線管に比して圧倒的に小さくなる。これにより、実用に供し得る寿命を有する電界放出型Ｘ線管が得られる。

また、別の実施形態として、図２又は図４の電界放出型電子源において、エミッタへのイオン衝突の頻度に応じて、導電性材料へのイオンの引き込み量を調節可能とする。図５は、その構成例を示す。

これは、図２及び図４のようにエミッタ１と導電性材料４を同電位とする構成においても、エミッタへのイオン衝突が問題となる場合に対処するものである。具体的には、例えば図２の電界放出型電子源において、エミッタ１と導電性材料４との間に、図５に示すようにエミッタ１と導電性材料４の間に電位差を設ける調節用可変電源６が接続される。

この電源６は、前述した導電性材料４に印加される電界強度がエミッタ１に印加される電界強度よりも強いという電界強度の関係が反転しない（すなわち、エミッタ１に印加される電界強度が、導電性材料４に印加される電界強度よりも強くならない）範囲で、電圧を印加するように調節される。こうして導電性材料４の電位をエミッタ１の電位より低くする程度を調整することで、導電性材料４へのイオンの引き込み量を調整することができ、ひいてはエミッタへのイオンの衝突を更に減少又は微調整することができる。

図６（Ａ）に示すように、図２の電界放出型電子源を用いたＸ線管でエミッタ１にカーボンナノ構造の電子放出素子を用い、導電体材料４としてステンレス鋼を用いた。筒状の導電体材料４の開口径は８ｍｍ、その上面からターゲット３、エミッタ１の先端までの距離はそれぞれ１ｍｍとした。これらはガラス管６内に封入され、内部は高真空状態に保持された。また、比較のため、図６（Ｂ）に示すように導電性材料４を設置しないＸ線管も用意した。

図６（Ａ）（Ｂ）の各Ｘ線管において、エミッタ１とターゲット３の間に１０ｋＶの電圧を印加して、各Ｘ線管におけるターゲットからの放出電流を測定した。その結果を図７に示す。

図７のグラフにおいて、放出電流が０．６から０．７［ｍＡ］の間でほぼ一定であるのは、図６（Ａ）のＸ線管であり、放出電流がこれより小さい０．５［ｍＡ］から低下していくのは、図６（Ｂ）のＸ線管である。このグラフに示されるように、図６（Ａ）の導電性材料４を配置したＸ線管の寿命は100時間を超えた（実際は2000時間以上可能である）のに対し、図６（Ｂ）に示したＸ線管（導電性材料を含まない）の寿命は、40〜50時間程度であった。

従って、図６（Ａ）（Ｂ）のＸ線管における劣化の顕著な違いがわかる。すなわち、図６（Ａ）のＸ線管では、導電性材料４を備えたことにより、図６（Ｂ）のＸ線管と比較して寿命が大幅に向上することが実証された。

以上のように、実施形態としてＸ線管に用いた場合を説明したが、本発明は、電界放出電子源を利用する全ての装置、例えば、Ｘ線管のほかに電子線管の電子線源部、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡の電子源部、電子線励起型蛍光灯の電子源部、電子線マイクロプローブアナライザの電子線源部、カソードルミネッセンス装置の電子線源部等に、好適に用いられる。

１…エミッタ、２…電圧源、３…ターゲット、４…導電性材料、５…孔、６…調節電源、７…ガラス管。

Claims

電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源において、
ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を、前記ターゲットと前記エミッタとの間の距離よりも前記ターゲットと前記導電性材料との間の距離が短くなるように配置し、前記ターゲットと前記導電性材料との間に、前記ターゲットと前記エミッタとの間に印加するのと同じ電圧を印加することを特徴とする電界放出型電子源。
電界が印加されることにより電子を放出する電界放出型電子源において、
ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を、前記ターゲットと前記エミッタとの間の距離よりも前記ターゲットと前記導電性材料との間の距離が短くなるように配置して、前記エミッタに印加される電界よりも前記導電性材料に印加される電界の強度が大きくなるように構成すると共に、前記エミッタと前記導電性材料との間に、前記電界の強度の関係が反転しない範囲で電圧を印加する調節用電源を備えたことを特徴とする電界放出型電子源。
請求項１又は２に記載の電界放出型電子源において、前記導電性材料は、前記エミッタに比べて仕事関数の高い材料であることを特徴とする電界放出型電子源。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界放出型電子源において、前記導電性材料は、イオン衝突によるスパッタを生じない材料であることを特徴とする電界放出型電子源。