(57)【要約】【課題】熱電界放出電子銃と冷陰極電界放出型電子銃の電源装置を共通化する。【解決手段】本発明の一態様の高圧タンクに収納されるフィラメント回路は、直流のフィラメント電源が供給され、駆動信号に基づいて電流のオン又はオフを制御する制御素子と、制御素子に取り付けられた第２の放熱素子と、フィラメントと制御素子の間に接続された第１の放熱素子と、他端が負の高電圧電位に接続されるフィラメントの一端と制御素子との間に電気的に接続された抵抗と、高圧タンクの外部に設けられたスイッチの操作位置に応じて、第１の放熱素子に電流が流れる導通状態と、第１の放熱素子を迂回して電流が流れる非導通状態とが切り替えられる、第１の放熱素子に並列に接続された導通切替回路と、を備える。【選択図】図４
2020030944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃のフィラメントに流す電流を制御する、高圧タンク内に収納されたフィラメント回路であって、
直流のフィラメント電源が供給され、駆動信号に基づいて前記電流のオン又はオフを制御する制御素子と、
前記制御素子に取り付けられた第２の放熱素子と、
前記フィラメント電源と前記制御素子の間に接続された第１の放熱素子と、
他端が負の高電圧電位に接続される前記フィラメントの一端と前記制御素子との間に、電気的に接続された抵抗と、
前記高圧タンクの外部に設けられたスイッチの操作位置に応じて、前記第１の放熱素子に電流が流れる導通状態と、前記第１の放熱素子を迂回して電流が流れる非導通状態とが切り替えられる、前記第１の放熱素子に並列に接続された導通切替回路と、を備える
フィラメント回路。
【請求項２】
前記導通切替回路は、前記スイッチの操作位置に応じて、内蔵するコイル部の励磁及び非励磁が切り替わる第１のリレー、を有し、
前記第１のリレーの接点部が前記第１の放熱素子に並列に接続されており、前記スイッチの操作位置に応じて、前記コイル部の励磁及び非励磁が切り替わることにより、前記接点部がオン又はオフする
請求項１に記載のフィラメント回路。
【請求項３】
前記スイッチの操作位置が熱電界放出型電子銃モードの位置であるとき、前記コイル部は非励磁状態となり前記接点部がオフし、
前記スイッチの操作位置が冷陰極電界放出型電子銃モードの位置であるとき、前記コイル部は励磁状態となり前記接点部がオンする
請求項２に記載のフィラメント回路。
【請求項４】
前記電子銃は、
負の電位がかけられるサプレッサと、正の電位がかけられる引き出し電極及び加速電極と、
前記サプレッサに供給する負の電圧を出力する第１の電源と、
前記引き出し電極に供給する正の電圧を出力する第２の電源と、
前記加速電極に供給する正の電圧を出力する第３の電源と、を備え、
前記フィラメント回路は、
前記スイッチの操作位置に応じて、前記第１の電源の出力電圧を分割した分割電圧を監視可能な第１の監視状態と、前記分割電圧と異なる所定の電圧の電源に接続して前記所定の電圧を監視可能な第２の監視状態とを切り替える監視切替回路と、
前記スイッチの実際の操作位置に基づく電子銃モードと、前記監視切替回路により切り替えられた監視状態で得られる電圧に基づいて推定した推定電子銃モードとを比較し、比較結果を出力するモード比較部と、を備える
請求項１に記載のフィラメント回路。
【請求項５】
フィラメントを収納した電子銃と、前記フィラメントに流す電流を制御するフィラメント回路を収納した高圧タンクとを備える電子顕微鏡であって、
前記フィラメント回路は、
直流のフィラメント電源が供給され、駆動信号に基づいて前記電流のオン又はオフを制御する制御素子と、
前記制御素子に取り付けられた第２の放熱素子と、
前記フィラメント電源と前記制御素子の間に接続された第１の放熱素子と、
他端が負の高電圧電位に接続される前記フィラメントの一端と前記制御素子との間に、電気的に接続された抵抗と、
前記高圧タンクの外部に設けられたスイッチの操作位置に応じて、前記第１の放熱素子に電流が流れる導通状態と、前記第１の放熱素子を迂回して電流が流れる非導通状態とが切り替えられる、前記第１の放熱素子に並列に接続された導通切替回路と、を備える
電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃に用いられるフィラメントに供給する電流を制御するフィラメント回路及び電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡は、光学顕微鏡の光源に相当する電子銃（電子線発生装置）を備える。電子銃は、フィラメントから電子線を引き出す方法によって、熱電子放出型と電界放出型に大別され、さらに、電界放出型電子銃は、熱電界放出型電子銃(T-FEG: Thermal field-emission electron gun)と冷陰極電界放出型電子銃(C-FEG: Cold field-emission electron gun)に分けられる。
【０００３】
ここで、図１を参照して、一般的な熱電界放出電子銃（Ｔ−ＦＥＧ）と冷陰極電界放出型電子銃（Ｃ−ＦＥＧ）との違いを説明する。図１Ａに一般的なＴ−ＦＥＧの構成例を示す。フィラメント１ｔの両端には加熱電源６ｔが接続されるとともに、フィラメント１ｔの加熱電源６ｔの負極が接続された端部とサプレッサ３との間に、直流電源７が接続される。また、フィラメント１ｔの加熱電源６ｔの正極が接続された端部と引き出し電極４との間に、引き出し電源８が接続される。さらに、フィラメント１ｔの加熱電源６ｔの正極が接続された端部と加速電極５との間に、加速電源９が接続される。
【０００４】
Ｔ−ＦＥＧの場合、フィラメント１ｔを高温で加熱したときに電子が放出される現象を利用するため、常にフィラメント１ｔを加熱する。電子線を引き出す手順としては、まず、フィラメント１ｔの先端部２ｔを１６００Ｋ程度に加熱する（２．３Ａ程度の電流が流れる）。その状態で引き出し電極４（第１のアノードＡ１）に電圧を印加すると、強電界により先端部２ｔから電子が放出される。負の電圧（約−３００Ｖ）が印加されるサプレッサ３（ＢＩＡＳ）は、先端部２ｔから様々な方向に放出される電子を収束させる。その後、先端部２ｔから放出した電子は、加速電源９（第２のアノードＡ２）によって加速される。Ｔ−ＦＥＧの特徴としては、電子を収束させるサプレッサ３があることと、フィラメント１ｔの先端部２ｔが常に加熱されていることが挙げられる。
【０００５】
一方、Ｃ−ＦＥＧは、電界放出現象を利用するため、観察時にフィラメントを加熱する必要がない。図１Ｂに一般的なＣ−ＦＥＧの構成例を示す。フィラメント１ｃの両端にはフラッシュ電源６ｃが接続される。また、フィラメント１ｃのフラッシュ電源６ｃの正極が接続された端部と引き出し電極４との間に、引き出し電源８が接続される。さらに、フィラメント１ｃのフラッシュ電源６ｃの正極が接続された端部と加速電極５との間に、加速電源９が接続される。
【０００６】
Ｃ−ＦＥＧでは、フィラメント１ｃの先端部２ｃがＴ−ＦＥＧよりも細く尖らせた構造になっており、引き出し電極４に高い電圧を印加し強い電界をかけて電子を放出させる。サプレッサ３（直流電源７）は存在しない。Ｃ−ＦＥＧは、室温で動作するためフィラメント１ｃの先端部２ｃにガス（気体分子）が吸着して、放出電流が不安定になる場合がある。それを防ぐために、フラッシングというフィラメントを瞬間的に加熱する作業を行う必要がある。そのとき流す電流量は、Ｔ−ＦＥＧよりも多く流す場合もある（例えば３．０Ａで１秒程度）。以下、フィラメント１ｔ及び１ｃを特に区別しない場合には、「フィラメント１」と記す。
【０００７】
図２に、従来のフィラメント回路部の要部を示す。図２において、高圧タンク１０内に、フィラメント１に供給する電流を制御するフィラメント回路部１１が設けられている。図２では、＋５Ｖのフィラメント電源とフィラメント１から放射される電子を加速させるための負極性の高電圧電位（−ＨＴ）との間に、抵抗Ｒ１、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ２、フィラメント１が直列に接続されている。フィラメント１は電子銃２０内に設けられ、高圧ケーブルを介してフィラメント回路部１１と接続している。トランジスタＴｒのベース端子には、駆動信号Ｖｃｏｎｔが供給される。また、トランジスタＴｒ１には、ヒートシンクＨＳが取り付けられる。図２では、フィラメント回路部１１及びフィラメント１を流れるフィラメント電流Ｉの経路を破線で示している。
【０００８】
抵抗Ｒ２の両端の電圧（Ｖｍｏｎｉ）とフィラメント１の両端の電圧（Ｖｆｉｌ）は、フィラメント１に流す電流量で決まってくるため、残りの電圧はトランジスタＴｒ１（Ｖｃｅ）で賄うことになる。トランジスタＴｒ１の発熱量を抑えるために、図２に示すように、高圧タンク１０内のＴ−ＦＥＧのフィラメント回路部１１では、トランジスタＴｒ１と直流電源（＋５Ｖ）との間に抵抗Ｒ１を設けて、発熱を分散している。しかし、Ｃ−ＦＥＧでは、抵抗Ｒ１があることでフィラメント回路部１１の最大電流値が下がることを危惧し、抵抗Ｒ１を短絡して使用している。フィラメント回路部１１を実装するフィラメント回路基板は、容易に取り替えることができない箇所（高圧タンク１０内）にあるため、Ｔ−ＦＥＧ、Ｃ−ＦＥＧのそれぞれに専用の電源装置を作製する必要があった。
【０００９】
例えば、特許文献１に、フラッシングを行う電界放出型電子銃について記載されている。特許文献１では、引き出し電圧を設定した時間制御することで、引き出し電流を安定させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１４４６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、熱電界放出電子銃（Ｔ−ＦＥＧ）と冷陰極電界放出型電子銃（Ｃ−ＦＥＧ）の電源装置を共通化することはできない。
【００１２】
上記の状況から、熱電界放出電子銃と冷陰極電界放出型電子銃の電源装置を共通化することが要望されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様のフィラメント回路は、電子銃のフィラメントに流す電流を制御する、高圧タンク内に収納されたフィラメント回路であって、直流のフィラメント電源が供給され、駆動信号に基づいて前記電流のオン又はオフを制御する制御素子と、その制御素子に取り付けられた第２の放熱素子と、フィラメント電源と制御素子の間に接続された第１の放熱素子と、他端が負の高電圧電位に接続されるフィラメントの一端と前記制御素子との間に、電気的に接続された抵抗と、を備える。さらに、高圧タンクの外部に設けられたスイッチの操作位置に応じて、第１の放熱素子に電流が流れる導通状態と、第１の放熱素子を迂回して電流が流れる非導通状態とが切り替えられる、第１の放熱素子に並列に接続された導通切替回路を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の少なくとも一態様によれば、熱電界放出電子銃と冷陰極電界放出型電子銃の電源装置を共通化することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は電子銃の種類を説明するための図であり、図１Ａは、一般的なＴ−ＦＥＧの構成例を示し、図１Ｂは、一般的なＣ−ＦＥＧの構成例を示す。
【図２】従来のフィラメント回路部の要部を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る電子顕微鏡の全体構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る電子顕微鏡の高圧タンクに格納されるフィラメント回路部の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る電子顕微鏡の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るフィラメント回路部の構成例を示す回路図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るモード検出処理の手順例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）の例について、添付図面を参照しながら説明する。本明細書及び添付図面において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１７】
＜１．第１の実施形態＞
［電子顕微鏡の全体構成］
まず、本発明の第１の実施形態に係る電子顕微鏡の全体構成例について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る電子顕微鏡の全体構成例を示す回路図である。
【００１８】
図３に示す電子顕微鏡２００は、高圧タンク１００、電源制御ユニット５０、高圧ケーブル１１０、電子銃１２０、鏡筒１３０、観察部１４０、及び架台１５０から構成される。電子銃１２０、鏡筒１３０、及び観察部１４０は、架台１５０の上に配置される。
【００１９】
高圧タンク１００は、電子銃１２０のフィラメント１から放出される電子を加速するための高電圧を発生させる高電圧発生装置である。高圧タンク１００内は、不活性ガス（例えばＳＦ６）やオイルが封入されている。高圧タンク１００の内部構成については後述する。高圧タンク１００と電子銃１２０とは、高圧ケーブル１１０を介して接続される。本実施形態では、２００ｋＶ耐圧ケーブルが用いられている。
【００２０】
電源制御ユニット５０は、高電圧を発生するための電力を高圧タンク１００に供給するとともに、高電圧発生時の動作を制御する。
【００２１】
電子銃１２０は、光学顕微鏡の光源に相当する電子線発生装置である。電子銃１２０の種類は、熱電子放出型と電界放出型に大別され、さらに、電界放出型電子銃は、熱電界放出型電子銃（Ｔ−ＦＥＧ）と冷陰極電界放出型電子銃（Ｃ−ＦＥＧ）に分けられる。電子銃１２０の内部構成については後述する。
【００２２】
電子銃１２０は、電子を放出するフィラメント１（陰極）が内包された真空チャンバー１２１を有し、真空チャンバー１２１の下側に加速管１２３が設けられている。
【００２３】
真空チャンバー１２１内には、フィラメント１、サプレッサ３、引き出し電極４、及び加速電極５が配置されている。フィラメント１は、電子顕微鏡２００の光源（陰極）であり、フィラメント回路部３０から供給されるフィラメント電流Ｉに応じて、先端部（図１の先端部２ｔ又は２ｃ）から電子を放出する。
【００２４】
サプレッサ３は、フィラメント１の先端部２（陰極）と引き出し電極４の間に置かれた電極で、フィラメント１（陰極）に対して数百ボルトの負の電位が与えられている。サプレッサ３は、フィラメント１から発生する様々な方向へ放出する電子を収束させるために用いられる。このサプレッサ３は、電子銃１２０がＴ−ＦＥＧである場合に設けられる。
【００２５】
引き出し電極４は、第１アノードとも呼ばれ、正の電位がかけられフィラメント１から電子を引き出すための電極である。加速電極５（第２のアノード）は、第２アノードとも呼ばれ、正の電位がかけられフィラメント１から引き出された電子を加速させるための電極である。フィラメント１から放出されて、サプレッサ３、引き出し電極４及び加速電極５の各々の間を通過した電子は、加速管１２３に入射する。
【００２６】
加速管１２３は、フィラメント１から放出された電子を加速させる。図３では、加速管１２３は複数段の加速管で構成される。真空チャンバー１２１及び加速管１２３の内部は、真空に保たれており、内部と外部（真空チャンバー１２１と電子銃１２０との間の空間）は、不活性のＳＦ６ガスで絶縁されている。
【００２７】
鏡筒１３０は、電子銃１２０から放出及び加速され、加速管１２３を通過して試料に照射される電子線の調整を行う部分である。例えば、走査型電子顕微鏡の場合には、鏡筒１３０に、図示しない集束レンズ、Ｘ方向走査用偏向器、Ｙ方向走査用偏向器、及び対物レンズなどが配置される。
【００２８】
観察部１４０は、内部にフィラメント１で発生した電子線が照射された試料から飛来する電子を検出する検出器１４１（後述する図５参照）を備える。例えば、この検出器１４１は、試料を透過した電子線、又は、試料に照射された電子線が試料表面の原子を励起して放出される二次電子を検出する。検出器１４１は、検出した電子の量に応じたレベルの検出信号をコンピューター１６０へ出力する。
【００２９】
［高圧タンク内の構成］
高圧タンク１００には、フィラメント回路部３０、電界放出電子銃回路部（以下「ＦＥＧ回路部」と記す）４０、ＣＷＣ（Cockcroft-Walton high-voltage circuit）回路７０、パワー伝送回路８０、及び光／アナログ変換回路１０４が収納される。
【００３０】
電源制御ユニット５０は、高圧タンク１００のＣＷＣ回路７０とパワー伝送回路８０に直流電源を供給するとともに、直流電源に対するトランジスタ（スイッチング素子）のスイッチング動作（スイッチング周波数）を制御する。図３では、電源制御ユニット５０は、直流電源をオペアンプ５１で増幅し、コネクタ１０２を介して、増幅した直流電源を高圧タンク１００のＣＷＣ回路７０に供給する。また、電源制御ユニット５０は、コネクタ１０３を介して、直流電源（PS）を高圧タンク１００のパワー伝送回路８０に供給する。
【００３１】
また、電源制御ユニット５０は、電界放出電子銃制御回路部（以下「ＦＥＧ制御回路部」と記す）６０を備える。ＦＥＧ制御回路部６０は、ＦＥＧ回路部４０の出力電圧をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）６１で制御する。また、ＦＰＧＡ６１には、直流電源、抵抗６３、及びスイッチ６２が接続され、スイッチの位置（もしくはオン／オフ）に基づいて、フィラメント回路部３０におけるＴ−ＦＥＧモードとＣ−ＦＥＧモードを切り替えるモード切替信号（アナログ信号）を出力する。ＦＰＧＡ６１の代わりに、他の集積回路（演算処理装置）を用いてもよい。
【００３２】
ＣＷＣ回路７０は、整流器とコンデンサを組み合わせた回路を多段に積み重ねた回路であり、交流電圧から安定した直流高電圧（例えば−２００ｋＶ（−ＨＴ電位））を発生させる。ＣＷＣ回路７０は、高圧電源（高圧タンク１００）の電圧変動を低減するための回路として使われる。図３では、電源制御ユニット５０のトランジスタ５２，５３によりオンオフ制御された直流電源が、ＣＷＣ回路７０に供給される。トランジスタ５２，５３は、例えばバイポーラトランジスタが用いられる。
【００３３】
このＣＷＣ回路７０の出力端（−ＨＴ電位）は、ＦＥＧ回路部４０のシャーシ（骨組み）に接続される。またＣＷＣ回路７０の出力端は、パワー伝送回路８０と直流電源生成部４７との間に設けられた変圧器の１次巻き線に接続されるとともに、高圧ケーブル１１０を介して加速管１２３に接続される。なお、ＣＷＣ回路７０の出力電圧は、抵抗を介して電源制御ユニット５０のオペアンプ５１にフィードバックされる。
【００３４】
パワー伝送回路８０は、直流高電圧（例えば−２００ｋＶ（−ＨＴ電位））に重畳する電源を伝送するための回路である。図３では、電源制御ユニット５０のトランジスタ５４，５５によりオンオフ制御された直流電源が、パワー伝送回路８０に供給される。トランジスタ５４，５５は、例えばバイポーラトランジスタが用いられる。パワー伝送回路８０は、２つの変圧器を有し、２つの変圧器により電圧変換した交流電圧を、ＦＥＧ回路部４０の直流電源生成部４７に供給する。
【００３５】
ＦＥＧ回路部４０は、電子銃１２０のサプレッサ３、引き出し電極４、及び加速電極５のそれぞれに印加する電圧を制御するための回路である。ＦＥＧ制御回路部６０のＦＰＧＡ６１から出力されたアナログの制御信号は、コネクタ１０１を介して高圧タンク１００内の光／アナログ変換回路１０４に入力されて光信号に変換される。そして、その光信号は光／アナログ変換回路１０４から光ケーブル（光通信）により光信号出力部１０５に伝送され、光信号出力部１０５からＦＥＧ回路部４０の光信号入力部４１に入力（照射）される。同様に、ＦＥＧ制御回路部６０のＦＰＧＡ６１から出力されたモード切替信号は、コネクタ１０１を介して高圧タンク１００内の光／アナログ変換回路１０４に入力されて光信号に変換される。そして、その光信号は光／アナログ変換回路１０４から光ケーブルにより光信号出力部１０７に伝送され、光信号出力部１０７からフィラメント回路部３０の光信号入力部３４（図４参照）に入力（照射）される。
【００３６】
ＦＥＧ回路部４０の光信号入力部４１は、オペアンプとバイポーラトランジスタに並列回路として構成される。オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子間にはフォトダイオードが接続されている。オペアンプの電源には、直流電源と高電圧電源（−ＨＴ電位）が供給されている。光信号入力部４１は、光信号出力部１０５から入力された光信号をフォトダイオードで受信すると、光信号に応じた信号をＦＰＧＡ４２に出力する。ＦＰＧＡ４２は、光信号入力部４１から受信した信号に基づくデジタルの制御信号をアナログ信号に変換し、各電極用に設けられた３個のＤ／Ａコンバーターに分配する。また、ＦＰＧＡ４２は、このアナログ信号をフィラメント回路部３０のＤ／Ａコンバーター３１（図４参照）にも分配する。
【００３７】
各Ｄ／Ａコンバーターにおいてデジタルデータからアナログ信号に変換された制御データはそれぞれ、増幅器を経てＢＩＡＳ電源回路（第１の電源）、Ａ１電源回路（第２の電源）、及びＡ２電源回路（第３の電源）へ供給される。ＢＩＡＳ電源回路は、制御信号を参照信号（ＲＥＦ）として、サプレッサ３に印加する直流電源（ＢＩＡＳ電源）を設定する。また、Ａ１電源回路及びＡ２電源回路も同様に、制御信号を参照信号（ＲＥＦ）として、引き出し電極４及び加速電極５に印加する直流電源（Ａ１電源、Ａ２電源）をそれぞれ設定する。ＢＩＡＳ電源、Ａ１電源、及びＡ２電源はそれぞれ、高圧ケーブル１１０を介して、電子銃１２０のサプレッサ３、引き出し電極４及び加速電極５に供給される。
【００３８】
また、ＢＩＡＳ電源回路、Ａ１電源回路、及びＡ２電源回路の出力端は、抵抗４３，４４を介して、−ＨＴ電位に接続される。そして、抵抗４３，４４によりＢＩＡＳ電源回路、Ａ１電源回路、及びＡ２電源回路の出力電圧を分割した電圧が、Ｖ／Ｆ回路４５（モニター回路の一例）に入力される。また、Ｖ／Ｆ回路４５には、フィラメント回路部３０からモニター電圧（ＦＩＬ＿ＭＯＮＩ）が入力される。Ｖ／Ｆ回路４５は、入力電圧に応じた周波数の信号を生成し、バッファ部（ＡＮＤ回路）を介して光信号出力部４６に供給する。バッファ部（ＡＮＤ回路）では、信号の周波数に応じて“０”又は“１”に相当する信号（例えばＬ信号、Ｈ信号）を出力する。
【００３９】
光信号出力部４６は、例えばバイポーラトランジスタと発光ダイオードの並列回路として構成される。発光ダイオードの一端は抵抗を介して直流電源に接続され、発光ダイオードの他端は−ＨＴ電位に接続されている。例えば、光信号出力部４６のバイポーラトランジスタにＬ信号が入力されると、発光ダイオードが導通して発光する。この発光ダイオードの光を光信号入力部１０６で受信し、この光が光ケーブルを介して光信号入力部１０６から光／アナログ変換回路１０４に入力される。光／アナログ変換回路１０４は、受信した光（光信号）をアナログの電気信号に変換し、コネクタ１０１を介して、その電気信号をＦＥＧ制御回路部のＦＰＧＡ６１に入力する。
【００４０】
なお、図３（後述する図４及び図６）では、バッファ部を挟んでＶ／Ｆ回路４５から光信号出力部４６までの配線は１本であるが、実際には、Ｖ／Ｆ回路４５から光信号出力部４６の間は、Ｖ／Ｆ回路４５に対する入力信号数と同じ配線数、すなわち４本の配線で接続されている。
【００４１】
また、直流電源生成部４７は、パワー伝送回路８０から供給される交流電源（オンオフ制御された直流電源）を変圧器で変圧する。そして、直流電源生成部４７は、変圧器の２次巻き線の交流電圧を整流器で整流し、ＤＣ／ＤＣコンバーターで目的の電圧の直流電源（例えば＋５Ｖ，＋１５Ｖ）に変換する。生成した直流電源は、ＤＣ／ＤＣコンバーターからフィラメント回路部３０内の各回路に供給される。
【００４２】
［フィラメント回路部の構成］
次に、電子顕微鏡２００の高圧タンク１００に格納されるフィラメント回路部３０の一例について説明する。図４は、電子顕微鏡２００の高圧タンク１００に格納されるフィラメント回路部３０の一例を示す。フィラメント回路部３０は、フィラメント１に流す電流を制御する回路である。
【００４３】
フィラメント回路部３０は、Ｄ／Ａコンバーター３１、駆動制御回路３２、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、ヒートシンクＨＳ、モニター回路３３、光信号入力部３４、及びリレーＲＹ１（第１のリレーの一例）を備える。フィラメント回路部３０は、図２に示したフィラメント回路部１１の抵抗Ｒ１の両端に、リレーＲＹ１（及び接点部）を追加した構成となっている。
【００４４】
ＦＥＧ回路部４０のＦＰＧＡ４２がＤ／Ａコンバーター３１にデジタル信号を出力すると、Ｄ／Ａコンバーター３１は、デジタル信号をアナログ信号に変換して駆動制御回路３２に供給する。図３の駆動制御回路３２は、オペアンプと抵抗を組み合わせた定電流回路で構成されている。駆動制御回路３２のオペアンプの出力は、トランジスタＴｒ２を介してトランジスタＴｒ１（制御素子の一例）に供給される。トランジスタＴｒ２がトランジスタＴｒ１に出力する駆動信号は、図２に示したフィラメント回路部１１の駆動信号Ｖｃｏｎｔに相当する。
【００４５】
フィラメント回路部３０は、直流電源生成部４７からフィラメント電源（＋５Ｖ）が供給され、トランジスタＴｒ２が出力する駆動信号に基づいてフィラメント電流のオン及びオフを制御するトランジスタＴｒ１を有する。ヒートシンクＨＳは、トランジスタＴｒ１のコレクタ側に取り付けられる放熱素子（第２の放熱素子の一例）である。また、フィラメント電源とトランジスタＴｒ１のコレクタの間には、抵抗Ｒ１（第１の放熱素子の一例）が接続されている。抵抗Ｒ１の形状は、高圧タンク１００内の限られたスペースを考慮すると、棒状であることが望ましい。また、トランジスタＴｒ１のエミッタは、モニター用の抵抗Ｒ２の一端に接続し、さらに抵抗Ｒ２の他端が高圧ケーブル１１０を介して、電子銃１２０のフィラメント１の一端と電気的に接続される。フィラメント１の他端は、高圧ケーブル１１０を介して、負の高電圧電位（−ＨＴ電位）に接続される。
【００４６】
図３では、トランジスタＴｒ１のコレクタ−エミッタ間の電圧をＶｃｅ、抵抗Ｒ２の両端にかかる電圧をＶｍｏｎｉ、そしてフィラメント１の両端にかかる電圧をＶｆｉｌで表している。モニター回路３３を構成するオペアンプの非反転入力端子は、任意の抵抗を介して抵抗Ｒ２の一端と接続し、反転入力端子は、任意の抵抗を介して抵抗Ｒ２の他端と接続している。つまり、このオペアンプは、抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｍｏｎｉを増幅してモニター信号ＦＩＬ＿ＭＯＮＩとして出力する。このモニター信号ＦＩＬ＿ＭＯＮＩは、Ｖ／Ｆ回路４５に入力されるとともに、駆動制御回路３２のオペアンプの反転入力端子にフィードバックされる。
【００４７】
（導通切替回路）
ここで、リレーＲＹ１を含む回路（導通切替回路の一例）について説明する。
リレーＲＹ１の駆動は、高圧タンク１００の外部（例えば高圧タンクの横など）に設置したスイッチ６２から、ＦＥＧ制御回路部６０のＦＰＧＡ６１を通してコントロールすることができる。スイッチ６２の操作位置に応じて、リレーＲＹ１に内蔵されたコイル部の励磁及び非励磁が切り替わる。既述のとおり、リレーＲＹ１の誤動作を防止するため、ＦＥＧ回路部４０に入出力される他の信号データ（光信号）とは分けて、専用の光ケーブルを用いて伝送を行うことが望ましい。
【００４８】
フィラメント回路部３０の光信号入力部３４は、ＦＥＧ回路部４０の光信号入力部４１と同様に、オペアンプとトランジスタ（この例ではバイポーラトランジスタ）に並列回路として構成される。オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子間にはフォトダイオードが接続されている。オペアンプの電源には、直流電源と高電圧電源（−ＨＴ電位）が接続されている。
【００４９】
（Ｔ−ＦＥＧモード）
本実施形態においては、スイッチ６２（操作子）の操作位置がＴ−ＦＥＧモードの位置にあるとき、スイッチ６２がオフし、抵抗６３を介して制御電源による電流がＦＰＧＡ６１に流れないものとする。この場合、ＦＥＧ制御回路部６０のＦＰＧＡ６１から制御信号が出力されないため、光信号出力部１０７の信号出力がなく、リレーＲＹ１はオフのままである。つまり、抵抗Ｒ１の両端に接続された接点部ａはオフであり（開放状態）、フィラメント電流Ｉは、抵抗Ｒ１を通ってフィラメント１に流れる。このため、抵抗Ｒ１において発熱量が多くなり、トランジスタＴｒ１及びヒートシンクＨＳでの発熱量が抑えられる。
【００５０】
（Ｃ−ＦＥＧモード）
一方、スイッチ６２（操作子）の操作位置がＣ−ＦＥＧモードの位置にあるとき、スイッチ６２がオンし、抵抗６３を介して制御電源による電流がＦＰＧＡ６１に流れるものとする。この場合、ＦＥＧ制御回路部６０のＦＰＧＡ６１から光信号出力部１０７に向けて制御信号（モード切替信号）が出力される。光信号入力部３４は、光信号出力部１０７から入力された光信号をフォトダイオードで受信すると、オペアンプからトランジスタに駆動信号を供給してトランジスタをオン（コレクタ−エミッタ間を導通）する。それにより、制御電源（＋５Ｖ）が供給されるリレーＲＹ１のコイル部が励磁され、接点部ａがオンする（短絡状態）。それにより、フィラメント電流Ｉは、抵抗Ｒ１を流れずに（迂回）、接点部ａを通ってフィラメント１に流れる。このため、回路内の全抵抗が減ることで、フィラメント電流の最大電流を増やすことができる。
【００５１】
［電子顕微鏡の制御系］
図５は、電子顕微鏡２００の制御系の構成例を示すブロック図である。図５では、電子顕微鏡の制御系として、電子顕微鏡２００が備えるコンピューター１６０のハードウェア構成例を示している。
【００５２】
電子顕微鏡２００が備えるコンピューター１６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１６１ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１６１ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１６１ｃ、表示部１６２、操作部１６３、不揮発性ストレージ１６４、及び通信インターフェース１６５を備える。各部は、システムバス１６６を介して相互にデータの送受信が可能に接続されている。
【００５３】
ＣＰＵ１６１ａ、ＲＯＭ１６１ｂ、及びＲＡＭ１６１ｃは、制御部１６１を構成する。この制御部１６１は、電子顕微鏡２００内の各部の動作を制御するコンピューターの一例として用いられる。ＣＰＵ１６１ａは、本実施形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ１６１ｂから読み出して実行し、各部の制御や各種の演算を行う。なお、ＣＰＵ１６１ａに代えて、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の他の演算処理装置を演算部として用いてもよい。
【００５４】
ＲＯＭ１６１ｂは、不揮発性メモリ（記録媒体）の一例として用いられ、ＣＰＵ１６１ａが動作するために必要なプログラムやデータ等を記憶している。ＲＡＭ１６１ｃは、揮発性メモリの一例として用いられ、ＣＰＵ１６１ａによる演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等を一時的に記憶する。
【００５５】
表示部１６２は、例えば液晶ディスプレイモニタであり、ＧＵＩ画面やＣＰＵ１６１ａで行われた処理の結果等を表示する。操作部１６３には、例えば、マウスやタッチパネル等のポインティングデバイス、キーボードなどが用いられ、ユーザーは操作部１６３に所定の操作を行い、指示を入力することが可能である。
【００５６】
不揮発性ストレージ１６４は、記録媒体の一例であり、ＣＰＵ１６１ａが各部を制御するためのプログラムやＯＳ（Operating System）等のプログラム、及びデータ等を記憶する。不揮発性ストレージ１６４としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、メモリカード等が用いられる。なお、プログラムは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供されてもよい。
【００５７】
通信インターフェース１６５には、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）やモデム等が用いられ、端子が接続されたＬＡＮ等のネットワークＮ又は専用線等を介して、通信相手装置との間で各種のデータを送受信することが可能である。
【００５８】
制御部１６１は、観察部１４０の検出器１４１で検出したデータを処理し、その結果（画像データ、テキストデータ等）を表示部１６２に表示したり、不揮発性ストレージ１６４に記憶したりする。
【００５９】
また、コンピューター１６０は、専用線などの通信線によりＦＥＧ制御回路部６０と接続されており、制御部１６１とＦＰＧＡ６１との間でデータの送受信が可能である。ＦＰＧＡ６１は、メモリ６１ｍに記録されたプログラムを読み出して実行することにより、フィラメント回路部３０におけるＴ−ＦＥＧモードとＣ−ＦＥＧモードの切替処理を実現する。メモリ６１ｍは、ＦＰＧＡ６１の外部でもよい。なお、このモード切替処理は、制御部１６１により実行する構成としてもよい。
【００６０】
上述のように構成された第１の実施形態によれば、フィラメント回路部３０内の抵抗Ｒ１に流す電流を、外部のスイッチ６２から切り替えることによって、Ｔ−ＦＥＧモードにおいてフィラメント回路部３０の発熱量を抑えることができる。また、Ｔ−ＦＥＧモードとＣ−ＦＥＧモードとで、フィラメント回路部の最大電流値を変更することができる。
【００６１】
また、Ｔ−ＦＥＧとＣ−ＦＥＧの電源装置（フィラメント回路部３０、高圧タンク１００）の共通化が可能となる。従来、高圧タンク１００の修理を行う際に、一時的に代替の高圧タンクが必要になった場合には、電子銃の型がＴ−ＦＥＧ型及びＣ−ＦＥＧ型のいずれであるかを確認して利用者に提供する必要がある。しかし、本実施形態では、電子銃の型を確認することなく利用者に提供することが可能になり、確認に要する手間を削減するとともに、高圧タンクの在庫管理の作業負担や在庫スペースを減少させることができる。
【００６２】
また、高圧タンク１００を共通化できるため、コネクタ１０１〜１０３，１１１の形状や位置等も共通化することが可能である。それゆえ、高圧タンク１００を電子顕微鏡２００から取り外す際に、取り外し手順等を共通化することができ、作業負荷が減る。
【００６３】
また、試料を精細に観察したい場合に、電子顕微鏡２００の電子銃１２０にＣ−ＦＥＧを設置して、高圧タンク１００側においてより細い電子線が放出できるＣ−ＦＥＧモードに切り替える等の使用方法が可能となる。
【００６４】
＜２．第２の実施形態＞
第１の実施形態では、外部から高圧タンク１００内部にあるリレーＲＹ１を駆動させてＣ−ＦＥＧモードとＴ−ＦＥＧモードの切り替えを行ったが、現状の高圧タンク１００内部の状態を判断することはできない。仮に誤ってリレーＲＹ１がオン（Ｃ−ＦＥＧモード）の状態のまま、Ｔ−ＦＥＧの一般的な使い方であるフィラメントの長時間過熱を行った場合、ヒートシンクＨＳの発熱量が増えてしまう。そのため、第２の実施形態では、高圧タンク１００内部の状態を外部に送信し、モード切り替えを安全に行うことができる構成を提供する。
【００６５】
［フィラメント回路部の構成］
図６は、第２の実施形態に係るフィラメント回路部の構成例を示す回路図である。図６に示すフィラメント回路部３０Ａは、図４のサプレッサ３（ＢＩＡＳ）のモニター回路部分にリレーＲＹ２の接点を追加した構成を備える。
【００６６】
図６に示すように、リレーＲＹ１と並列にリレーＲＹ２（第２のリレー）を接続する。ここでは、制御電源（＋５Ｖ）を共通にしているが、別系統の電源を用意してもよい。リレーＲＹ２の仕様は、リレーＲＹ１と同じものを使用できる。ＢＩＡＳ電源回路と接続した抵抗４３と抵抗４４の接続中点とＶ／Ｆ回路４５との間に、リレーＲＹ２の接点部ｂを接続する。リレーＲＹ２のコイル部が非励磁のとき、接点部ｂは、抵抗４３と抵抗４４の接続中点側に接続したままである。一方、リレーＲＹ２のコイル部が励磁されると、接点部ｂは、抵抗４３と抵抗４４による分割電圧と異なる所定の電圧の制御電源（例えば−５Ｖ）に接続するように切替わる。
【００６７】
本実施形態では、Ｔ−ＦＥＧを使用時、リレーＲＹ２をオフにする。この場合、ＢＩＡＳ電源回路の電圧の出力を分割した電圧が、ＢＩＡＳ電源のモニター電圧となる。例えばＢＩＡＳ電圧が最大時（−３００Ｖ）のモニター電圧は、−３Ｖに設定されている。
【００６８】
次に、Ｃ−ＦＥＧを使用時には、リレーＲＹ２をオンにする。それにより、リレーＲＹ２の接点部ｂが−５Ｖの制御電源に接続され、ＢＩＡＳ電源のモニター電圧は−５Ｖとなる。モニター電圧が−５Ｖとなることは通常使用時（Ｔ−ＦＥＧモード）ではあり得ない値である。そのため、外部制御回路（例えばＦＰＧＡ６１）で−３Ｖより大きい値を閾値として監視すれば、Ｃ−ＦＥＧモードと判断することができる。そのため、外部のスイッチ６２と高圧タンク１００内部の状態に不一致が起きた場合には、エラーとして検出することができる。また、リレーＲＹ２のオン／オフは、リレーＲＹ１と同期しているため、フィラメント回路部３０とモニター回路は同時に動作する。
【００６９】
このように、スイッチ６２の操作位置に応じて、ＢＩＡＳ電源回路の出力電圧を分割した分割電圧を監視可能な第１の監視状態と、分割電圧と異なる所定の電圧の制御電源に接続して所定の電圧を監視可能な第２の監視状態とを切り替える監視切替回路、を構成する。また、スイッチ６２の実際の操作位置に基づく電子銃モードと、監視切替回路により切り替えられた監視状態で得られる電圧に基づいて推定した推定電子銃モードとを比較し、比較結果を出力するモード比較部（例えばＦＰＧＡ６１）を構成する。
【００７０】
［モード検出処理］
次に、第２の実施形態に係るモード検出処理の手順例について説明する。図７は、第２の実施形態に係るモード検出処理の手順例を示すフローチャートである。
【００７１】
ＦＰＧＡ６１は、スイッチ６２の操作位置を検出する（Ｓ１）。次に、ＦＰＧＡ６１は、スイッチ６２の操作位置がＴ−ＦＥＧモード側及びＣ−ＦＥＧモード側のいずれであるかを判断する（Ｓ２）。スイッチ６２の操作位置がＴ−ＦＥＧモード側の場合には、ＦＰＧＡ６１は、リレーＲＹ１，ＲＹ２をオフする（Ｓ３）。また、スイッチ６２の操作位置がＣ−ＦＥＧモード側の場合には、ＦＰＧＡ６１は、リレーＲＹ１，ＲＹ２をオンする（Ｓ４）。
【００７２】
次に、ＦＰＧＡ６１は、Ｖ／Ｆ回路４５を介して得られるモニター電圧の絶対値が、閾値（例えば−３Ｖ）以下であるかどうかを判断する（Ｓ５）。ここで、モニター電圧の絶対値が３Ｖ以下である場合（Ｓ５のＹＥＳ）、ＦＰＧＡ６１は、高圧タンク１００内部の状態がＴ−ＦＥＧモードであると判断する（Ｓ６）。また、モニター電圧の絶対値が３Ｖを超える場合（Ｓ５のＮＯ）、ＦＰＧＡ６１は、高圧タンク１００内部の状態がＣ−ＦＥＧモードであると判断する（Ｓ７）。
【００７３】
次に、ＦＰＧＡ６１は、スイッチ６２の操作位置と高圧タンク１００内部の状態が一致しているかどうかを判断し、両者の状態が一致する場合には（Ｓ８のＹＥＳ）、一連の処理を終了する。
【００７４】
一方、スイッチ６２の操作位置と高圧タンク１００内部の状態が一致しない場合には（Ｓ８のＹＥＳ）、ＦＰＧＡ６１は、エラー出力を行い（Ｓ９）、一連の処理を終了する。例えば、ＦＰＧＡ６１は、コンピューター１６０の制御部１６１にエラー情報を出力し、制御部１６１に対し表示部１６２の画面にエラー出力を行うよう指示する。なお、エラー出力として、不図示のスピーカーより警告音を出力する構成としてもよい。
【００７５】
上述のように構成された第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて次の効果がある。つまり、第２の実施形態によれば、外部のスイッチ６２の操作位置と高圧タンク１００内部の状態を監視することで、Ｔ−ＦＥＧモードとＣ−ＦＥＧモードの切り替えを確実及び安全に行うことが可能となる。
【００７６】
＜３．変形例＞
なお、上述した第１の実施形態の導通切替回路、及び第２の実施形態の監視切替回路を、リレー回路で組んだ構成を説明したが、この例に限定されない。例えばリレー回路の代わりに、ナイフ状の電極を刃受け電極に挿し込むような形状をした開閉器の一種であるナイフスイッチや、カバー付きナイフスイッチ（カバースイッチ）等の機械的なスイッチのみを用いて構成することも可能である。
【００７７】
さらに、本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
【００７８】
例えば、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成要素に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成要素を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成要素の追加、削除、置換をすることも可能である。
【００７９】
また、上記の各構成要素、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路の設計などによりハードウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１…フィラメント、  ３…サプレッサ、  ４…引き出し電極、  ５…加速電極、  ３０…フィラメント回路部、  ３２…定電流回路、  ３４…光信号入力部、  ４０…電解放出電子銃回路部（ＦＥＧ回路部）、  ４３，４４…抵抗、  ４５…Ｖ／Ｆ回路、  ４６…光信号出力部、  ５０…電源制御ユニット、  ６０…電子銃制御回路部（ＦＥＧ制御回路部）、  ６１…ＦＰＧＡ、  ６１ｍ…メモリ、  ６２…スイッチ、  ６３…抵抗、  １００…高圧タンク、  １０７…光信号出力部、  １１０…高圧ケーブル、  １２０…電子銃、  １２１…真空チャンバー、  ２００…電子顕微鏡、  ＨＳ…ヒートシンク、  Ｒ１…抵抗（放熱用）、  Ｒ２…抵抗（検出用）、  ＲＹ１，ＲＹ２…リレー
【図１】
2020030944.tif 000003
【図２】
2020030944.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020030944.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020030944.tif 000009