JP2013225490A - アレイ型粒子線照射装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透過窓フレームに粒子ビームが衝突することによるビーム損失を低減し、発熱を抑制し高いビーム照射効率を実現する。
【解決手段】アレイ状に多数配置されたカソード群１０とアノード１２よりなる、引出し電極のない２極型構造であって、前記カソード群１０と電気的に接続されたウェネルト１４を有し、該カソード群１０とアノード１２とウェネルト１４の内少なくとも２つを進退させる位置調整機構１６、１８を有するアレイ型粒子線照射装置であって、前記カソード群１０の各カソードから放出された粒子ビームが収束あるいは直進するように設定すると共に、前記カソード群１０の各カソードと同形状の透過窓２０を相対配置する。
【選択図】図５

Description

本発明は、アレイ型粒子線照射装置及びその制御方法に係り、特に、カーボンナノチューブをエミッタとするアレイ状に多数配置されたカソード群を有するアレイ型粒子線照射装置及びその制御方法に関する。

電子線照射装置の電子源（エミッタとも称する）が配置された真空チャンバと試料チャンバを隔てる電子線透過窓において、隣り合う電子線透過窓間のフレーム部分が発熱するのを抑制するものとして、特許文献１には、カソードの電子放出部の形状と、電子線透過窓の形状を互いに略相似の関係とすることが記載されている。

又、特許文献２には、電子線透過窓に電子線（電子ビームとも称する）が照射される時間より、隣り合う電子線透過窓間のフレーム部分に電子線が照射される時間が短くなるように電子ビームを偏向することが記載されている。

又、特許文献３には、面状の電子ビームを放出する電子源アレイと、該電子源アレイと直接対向する試料台とを、共に真空容器中に配置することにより、仕切り用の窓材を無くし、面状の電子源から放出され、エネルギーの揃った低速電子線を一括して試料に照射可能とすることが記載されている。

特開２００８−１２８９７３号公報 特開２００８−１２８９７７号公報 特開２００９−２６４８６９号公報 特開２００８−３１１１７４号公報

しかしながら、特許文献１や２に記載の技術では、例えば３００ｋｅＶ以下の低エネルギーで大面積照射する場合は、透過箔膜の厚みは１０μｍ程度以下になって、透過箔膜の破損防止のためのフレームが必須となり、そのフレーム部照射によるビーム損失が避けられない。

フレームでの損失を無くすには、特許文献３のように真空中での試料への照射が唯一の手法であるが、電子源と試料を共に真空容器中に配置するのでは、気体、液体、粉末固体の試料は使用不可であり、粒状又は塊状の固体であっても試料の出し入れ時に一々真空を破壊しなければならず、扱う試料が制限され、非常に使い勝手が悪いという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、試料を真空中に配置することなく、透過窓フレームに粒子ビームが衝突することによるビーム損失を低減し、発熱を抑制し高いビーム照射効率を実現することを課題とする。

ブラウン管や電子顕微鏡など、熱陰極からの電子ビームを走査する方式では、フレーム損失を無くすことは不可能である。

一方、出願人は特許文献４で、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴ）をエミッタとするカソードとアノードからなる、放電や劣化の原因である引出し電極の無い２極型構造であって、カソードと電気的に接続された、電界整形用のウェネルトを有し、該カソードとアノードとウェネルトのうち少なくとも２つを進退させる機構を有する、長寿命で信頼性の高い電子線発生装置を提案している。この特許文献４で提案した電子線発生装置によれば、カソードとウェネルトとアノードとの相対的位置を変えることにより、カソードから放出された電子ビームを収束あるいはほぼ直進するように設定・制御することが可能である。

本発明は、このような知見を通じてなされたもので、アレイ状に多数配置されたカソード群とアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、前記カソード群と電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソード群とアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる位置調整機構を有するアレイ型粒子線照射装置であって、前記カソード群の各カソードから放出された粒子ビームが収束あるいは直進するように設定すると共に、前記カソード群の各カソードと同形状の透過窓を相対配置することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記カソード群が配設されるカソード体の粒子線放出面を、全体として凹面型とすることができる。

又、前記凹面型粒子線放出面を、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として台形となるよう形成することができる。

又、前記凹面型粒子線放出面を、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として２次曲線あるいは円錐曲線となるよう形成することができる。

又、前記凹面型粒子線放出面を、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として三角関数曲線型となるよう形成することができる。

又、前記粒子線放出面における粒子線発生領域を、前記凹面型の中央部のみとすることができる。

又、前記カソード群が粒子ビーム照射方向と直角に複数に分割され、該分割された各群ごとに前記位置調整機構を設けることができる。

本発明は、又、アレイ状に多数配置されたカソード群とアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、前記カソード群と電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソード群とアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる位置調整機構と、前記カソード群と相対配置された、該カソード群の各カソードと同形状の透過窓を有するアレイ型粒子線照射装置の制御方法であって、前記カソード群の各カソードから放出された粒子ビームを収束あるいは直進するように制御することを特徴とするアレイ型粒子線照射装置の制御方法を提供するものである。

ここで、粒子ビーム照射方向と直角に複数に分割された前記カソード群を、該分割された各群ごとに位置調整することができる。

本発明によれば、カソード群の各カソードと同形状の透過窓を相対配置し、各カソードから放出された粒子ビームが収束あるいは直進するように設定・制御することで、フレームに衝突する粒子ビームを無くして、フレームによる損失を解消し、フレームの発熱を防止するとともに試料へのビームエネルギーの照射効率を非常に高くすることが可能となる。

本発明が利用する２極型構造の原理的な構成を模式的に示す概略図 本発明の第１実施形態の基本的な構成を示す断面図 図２のIII部を拡大して横向きに示した拡大断面図 第１実施形態のカソード群の配置を示す平面図及び横断面図 同じく透過窓の配置を示す平面図及び横断面図 同じくカソード群の蛍光体によるエミッションを観察した写真 ７セルのカソード群アレイ状配置を示す平面図 同じく透過窓の配置を示す平面図 同じく透過窓フランジを示す平面図及び横断面図 本発明の原理を説明するための電子ビーム軌道のシミュレーション結果を示す図 カソード群、ウェネルト及びアノードの位置関係を説明する図 カソード群、ウェネルト及びアノードの位置調整範囲を示す図 カソード直径による位置調整範囲を示す図 等価シミュレーション結果及び実測結果を示す図 本発明の第２実施形態の基本的な構成を示す断面図 前記実施形態の問題点を模式的に示す断面図 本発明の第３実施形態の要部構成を模式的に示す断面図 第３実施形態の変形例の要部構成を模式的に示す断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図１に２極型構造の原理的な構成を模式的に示し、図２に第１実施形態の基本的な構成を示し、図３に図２に拡大断面図を横向きで示す如く、アレイ状に多数配置されたカソード群１０を備えたカソード体８（図２、図３参照）とアノード１２よりなる、引出し電極の無い２極型構造であって、前記カソード群１０と電気的に接続されたウェネルト１４を有し、前記ウェネルト１４を電子ビーム１１の照射方向（図１、図２の上下方向、以下Ｚ軸方向と称する）にＺｐ進退させるウェネルト位置調整機構１６と、前記カソード群１０を同じくＺ軸方向にＺｃ進退させるカソード位置調整機構１８とを有する電子線照射装置であって、前記カソード群１０の各カソードから放出された電子ビーム１１が収束あるいは直進するように設定すると共に、前記カソード群１０の各カソードと同形状の透過窓２０を相対配置するようにしたものである。

図２において、２２は、カソード群１０等を、図の下方の試料チャンバと遮断するための、透過窓２０が多数形成された透過窓フランジ２４が配設された真空チャンバ、３０は、電子ビーム１１を発生させるための直流（ＤＣ）電源、３２、３４は電流計、３６は、電流計３２で検出されたアノード１２に流れる電流や、電流計３４で検出されたカソード群１０に流れる電流等に応じて、ウェネルト位置調整機構１６のモータ１７やカソード位置調整機構１８のモータ１９を制御するための制御装置である。

図４に、カソード群１０の配置の一例を示す。３７個の正六角形カソードがハニカム状に配置され、各カソード間の周囲のウェネルト１４に対し進退する機構となっている。

図５に、図４に対応する透過窓２０の配置の一例を示す。図４のカソード群１０と全く同一形状のものを相対配置する。横断面図に示したように透過箔膜２０ａをハニカムフレーム２０ｂで挟み込み補強する構造となっており、フレーム形状はウェネルト１４と同一で完全に相対する配置となる。図２で示したような電子線照射装置に−数１０ｋＶの電圧を印加し、透過窓２０の代わりに蛍光体ガラスを配置して大気側から観察した写真が図６である。図６よりカソード全体からほぼ均一にエミッションし、その分布もカソード形状と同一であることからビームがほぼ収束あるいは直進しており、透過窓２０のハニカムフレーム２０ｂ部に衝突することなく電子線が透過することがわかる。このように、カソード群の各カソードの形状と、透過窓の形状を互いに略相似ではなく完全に相対配置することがより好ましい。

図７に、前記カソード群１０を構成するものを１セルとし、７個のセルをアレイ状に配置した一例を示し、図７に対応した前記透過窓フランジ２４における透過窓２０の配置の一例を図８に示す。このように任意の面積及び形状に対応した、ビーム損失の低い電子線照射装置が可能となる。

前記透過窓フランジ２４は、図９に詳細に示す如く、例えばチタン製の１セル分の薄膜窓２１を上下から押えるための枠部２４ａ及び真空側押えフレーム２６を有し、前記透過窓フランジ（本体）２４には、更に、冷却用の冷却水流路２４ｂとシールドガス通路２４ｃが形成されている。なお、発熱が少ない場合、冷却水流路２４ｂは省略可能である。

前記ウェネルト１４の位置及びカソード群１０の位置は、各カソードから放出された電子ビーム１１が収束あるいは直進するように設定・制御されている。カソード直径が２.
５〜５０ｍｍ、加速電圧が３０〜２００ｋＶの範囲において、収束あるいは直進性を保つカソード群１０とウェネルト１４の位置関係を電子ビーム軌道の２次元軸対称シミュレーションにより求めた。

図１０に、カソード直径５ｍｍ、加速電圧１００ｋＶの条件におけるシミュレーション結果を示す。同図の（ａ）〜（ｄ）は、図１１に示したようにカソード群１０とウェネルト１４との間のギャップ（以下、ｇａｐ１と称する）及びウェネルト１４とアノード１２との間のギャップ（以下、ｇａｐ２と称する）を変化させることにより得られたものである。

図１０（ａ）は、カソードをウェネルト１４から最も引き込んだｇａｐ１＝−３ｍｍの場合のシミュレーション結果であり、電子ビームの多くは収束されて透過窓２０に到達しており、少し途中から発散するものもあるがカソード外径以下で透過窓２０に到達している。

図１０（ｂ）は、ｇａｐ１＝−２ｍｍの場合のシミュレーション結果であり、（ａ）と同様の傾向がある。

図１０（ｃ）は、ｇａｐ１＝−１ｍｍの場合のシミュレーション結果であり、（ａ）及び（ｂ）と同様の傾向にあるが全体的にやや収束する軌道となっている。

図１０（ｄ）は、ｇａｐ１＝−０.５ｍｍの場合のシミュレーション結果であり、ほぼ直進に近い電子ビーム軌道となっている。

図１０の（ａ）〜（ｄ）のいずれの位置関係においても、収束あるいはほぼ直進に近い電子ビーム軌道でアノード１２（透過窓位置）においてカソード径以内のビームサイズとなっておりフレームへの衝突がなく、装置構成、制御の条件範囲や自由度が高く安定性にも優れていることがわかる。

図１２に、カソード直径５ｍｍ、加速電圧１５０ｋＶの条件において、ｇａｐ１及びｇａｐ２の位置調整範囲をグラフ化したものを示す。図中のαはＣＮＴカソードのエミッション特性を示す数値であり、高いほどエミッション特性が良く劣化するにつれて数値は低下する。α＝１１７３が初期性能値であり劣化に伴って減少し、最終的には０となる。αの適用範囲が広いほどカソード寿命を長くすることができる。図１２より、α＝３００〜１１７３の広い範囲で対応可能であり、ｇａｐ１及びｇａｐ２の位置調整範囲も広いことがわかる。

制御について、αの変化に対応して、図１２の横軸方向すなわちｇａｐ１（Ｚｃ）を一定にしてｇａｐ２（Ｚｐ）を調整する方法、図１２の縦軸方向すなわちｇａｐ２（Ｚｐ）を一定にしてｇａｐ１（Ｚｃ）を調整する方法、あるいはそれらを併用（図１２の斜め方向）した方法がある。

また、出力を一定に保つためには、ビーム電流をモニタして電流が低下すればｇａｐ１をプラス方向、もしくはｇａｐ２をマイナス方向へ移動させればよい。

さらに、透過エネルギーを一定に保つためには、透過窓への損失電流をモニタして電流が増加すればｇａｐ１をマイナス方向へ移動させて収束させることにより損失電流を減少させることができ、これによって出力電流が低下した場合にはｇａｐ２をマイナス側へ移動させることにより電流値を一定に保つことができる。このｇａｐ１とｇａｐ２の制御順序は逆でもよく、作用は同じである。

カソード直径を横軸にプロットして、加速電圧１５０ｋＶ、α＝７５０の条件におけるｇａｐ２の位置調整範囲を示したものが図１３である。カソード直径が２５ｍｍ以上になればｇａｐ１による調整範囲が非常に小さく、カソード直径は２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下が良いことがわかる。

以上のように、位置関係をカソード条件と加速電圧に対し適切に設定することにより、カソードから放出された電子ビーム１１がフレームに衝突せず１００％透過窓に到達するように設定・制御することが可能である。

図１４に、厚さ２μｍのチタン膜を透過窓として用いたときの等価シミュレーション結果と、図５に示した１セル透過窓を透過したビームエネルギーをカロリーメータにより実測した結果を示す。加速エネルギー３０ｋｅＶから電子ビーム１１が透過し始め、１００ｋｅＶでは両者ともにエネルギー透過率はほぼ１００％となっており、フレームへの損失がほとんどないことがわかる。

このようにして、簡素で収束性の良い電子ビーム１１と、最適構造により、実用的にもビーム損失を低減し、更に、アレイ状に多数配置されたカソード群により、照射均一性も確保することができる。

本発明が適用される加速エネルギーの条件としては、３０〜３００ｋｅＶの範囲であり、特に１００〜２００ｋｅＶの範囲がより好ましい。

なお、カソード群はＣＮＴが好適であるが、これに限定されない。

次に、照射均一性を更に高めた本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態は、図５に例示したような透過窓２０に対応する７セルのカソード群１０を、図１５に示したような調整・制御機構により、各セル毎に位置調整可能としたものである。

図において、４０は絶縁体、４２は、各セル毎に設けられた、出力バランス、電流モニタ及び電流制限用の抵抗、４４は、同じく各セル毎に設けられた加速電源と制御装置である。加速電源と制御装置４４は、各セル毎に必要ではなく複数セルで１台あるいは全セルで１台でも構わない。セル間のバランスは電流モニタと調整を抵抗４２で行うことができる。

制御について、前記第１実施形態で述べた方法を用い、各々のビーム電流をモニタしてα変化に応じて、図１２のＹ軸方向すなわちｇａｐ２（Ｚｐ）を一定にしてｇａｐ１（Ｚｃ）を微調整して各電流を同値に保つことにより均一な照射が得られる。

また、透過エネルギーを一定に保つためには、前記第１実施形態で述べた方法と同様に、透過窓への損失電流をモニタして電流が増加すればｇａｐ１をマイナス方向へ移動させて収束させることにより損失電流を減少させることができ、これによって出力電流が低下した場合にはｇａｐ２をマイナス側へ移動させて電流値を一定に保つことができる。但し、これにより他のカソードの電流値が増加するため、一定に保つためのｇａｐ１の調整が同時に必要となる。このｇａｐ１とｇａｐ２の制御順序は逆でもよく、作用は同じである。

本実施形態によれば、カソード群を電子ビーム照射方向と直角に複数に分割し、該分割された各群毎に位置調整機構を設けて、各群毎に位置調整するようにしたので、大面積のカソードにおける照射均一性を確実に確保することができる。

なお、前記実施形態においては、いずれも、ビームシミュレーション計算上は、透過窓２０に１００％到達し、透過窓２０周辺の押えフレーム２６へのビーム損失は生じないが、実際は、カソード群１０を構成するＣＮＴからの電子放出が横方向への広がりを持つため、図１６に示すように押えフレーム２６への損失が大きく、実測した結果は３０％以上の損失になることがわかった。

そこで、本発明の第３実施形態では、図１７に示す如く、カソード体８の粒子線放出面の表面の形状を全体として凹面型にすることで、ビームの収束性を向上させて、カソード群１０を構成するＣＮＴから電界放出されたビームの発散を抑制すると共に、粒子線発生領域であるＣＮＴ成膜領域（カソード群１０に対応）を、前記凹面型表面形状の底部（中央部）のみとして、やや発散するビームの拡がりを更に抑制することにより、ビームの押えフレーム２６への衝突を抑えて、フレーム損失を低減させている。

このようにして、ウェネルト１４ではなくカソード体８に収束形状を持たせることで、カソード進退による電流調整と収束を両立することができる。

前記凹面型表面形状の具体例としては、前記凹面型表面の中央部を通る粒子線放出方向の切断面において、図１８（Ａ）に示す台形、図１８（Ｂ）に示す２次曲線型もしくは円錐曲線型（例えば楕円状断面、放物線状断面等）や三角関数曲線型、図１８（Ｃ）に示す円弧型等の形状が挙げられる。ここで、カソード体８の直径Φｃに対するカソード体８の表面外周からの後退量Ｄの比Ｄ／Φｃは０．１程度、カソード体８の直径Φｃに対するＣＮＴ成膜領域（１０）の直径Φｅの比Φｅ／Φｃは０．５程度とすることができる。

なお、ＣＮＴ成膜領域（１０）を凹面型表面形状の中央部のみでなく、凹面型としたカソード体８の表面全体に設けることもできる。

前記実施形態は、いずれも、本発明を電子線照射装置に適用していたが、本発明の適用対象は、これに限定されず、イオンビームなどの荷電粒子線や、Ｘ線、ガンマ線などを照射する装置であっても良い。

８…カソード体
１０…カソード群（ＣＮＴ成膜領域）
１２…アノード
１４…ウェネルト
１６…ウェネルト位置調整機構
１８…カソード位置調整機構
２０…透過窓
２１…薄膜窓
２４…透過窓フランジ
２６…押えフレーム
３０…直流（ＤＣ）電源
３６…制御装置

Claims (14)

1. アレイ状に多数配置されたカソード群とアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、前記カソード群と電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソード群とアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる位置調整機構を有するアレイ型粒子線照射装置であって、
   前記カソード群の各カソードから放出された粒子ビームが収束あるいは直進するように設定されると共に、
   前記カソード群の各カソードと同形状の透過窓が相対配置されていることを特徴とするアレイ型粒子線照射装置。
2. 前記カソード群が配設されるカソード体の粒子線放出面が、全体として凹面型とされていることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型粒子線照射装置。
3. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として台形となるよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載のアレイ型粒子線照射装置。
4. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として２次曲線あるいは円錐曲線となるよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載のアレイ型粒子線照射装置。
5. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として三角関数曲線型となるよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載のアレイ型粒子線照射装置。
6. 前記粒子線放出面における粒子線発生領域が、前記凹面型の中央部のみとされていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載のアレイ型粒子線照射装置。
7. 前記カソード群が粒子ビーム照射方向と直角に複数に分割され、該分割された各群ごとに前記位置調整機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のアレイ型粒子線照射装置。
8. アレイ状に多数配置されたカソード群とアノードよりなる、引出し電極のない２極型構造であって、前記カソード群と電気的に接続されたウェネルトを有し、該カソード群とアノードとウェネルトの内少なくとも２つを進退させる位置調整機構と、前記カソード群と相対配置された、該カソード群の各カソードと同形状の透過窓を有するアレイ型粒子線照射装置の制御方法であって、
   前記カソード群の各カソードから放出された粒子ビームを収束あるいは直進するように制御することを特徴とするアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
9. 前記カソード群が配設されるカソード体の粒子線放出面が、全体として凹面型とされていることを特徴とする請求項８に記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
10. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として台形となるよう形成されていることを特徴とする請求項９に記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
11. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として２次曲線あるいは円錐曲線型となるよう形成されていることを特徴とする請求項９に記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
12. 前記凹面型粒子線放出面が、前記カソード体の前記凹面型の中央部を通る粒子線放出方向切断面において、全体として三角関数曲線型となるよう形成されていることを特徴とする請求項９に記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
13. 前記粒子線放出面における粒子線発生領域が、前記凹面型の中央部のみとされていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。
14. 粒子ビーム照射方向と直角に複数に分割された前記カソード群を、該分割された各群ごとに位置調整することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載のアレイ型粒子線照射装置の制御方法。