(57)【要約】      （修正有）【課題】フィラメント電力供給用絶縁トランスを小型化するとともに、低ノイズで高効率の動作を実現した荷電粒子発生装置を提供する。【解決手段】加速電圧発生回路Ｃと、加速電圧が印加されるフィラメント１０と、複数の抵抗２６ａ〜２６ｄからなる加速電圧分圧器と、前記フィラメントに接地電位から電力を供給するパワー伝送回路とを備え、前記パワー伝送回路は、加速電圧を均等に分担するように多段縦続接続された複数の絶縁トランス１５、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを有し、その各段間に、接地電位側絶縁トランスの二次巻き線からの交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換回路２７、２８，２９と、該交流直流変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換して次段の絶縁トランスの一次側巻き線へ供給する直流交流変換回路Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を配置する。【選択図】図３
2010135103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を昇圧整流し荷電粒子を加速する加速電圧を発生する昇圧整流回路と、
加速電圧が印加される荷電粒子源と、
前記昇圧整流回路の出力と接地間に接続される直列接続された複数の抵抗からなる加速電圧分圧器と、
前記荷電粒子源に接地電位から荷電粒子源に電力を供給するパワー伝送回路とを備え、
前記パワー伝送回路は、多段縦続接続された複数の絶縁トランスから構成されると共に、前記加速電圧分圧器の前記絶縁トランスそれぞれが電圧分担する電圧を均等にする電位点にそれぞれの前記絶縁トランスの縦続接続点を接続するようにした荷電粒子線発生装置において、
前記多段縦続接続された複数の絶縁トランスの各段間に、接地電位側絶縁トランスの二次巻き線からの交流電圧を直流電圧に変換する交直流変換回路と、
該交直流変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換して荷電粒子源側絶縁トランスの一次側巻き線へ供給する直交流変換回路を配置した事を特徴とする荷電粒子線発生装置。
【請求項２】
前記、直交流変換回路はハーフブリッジ回路から成る請求項１記載の荷電粒子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子顕微鏡等の荷電粒子発生装置使用される電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子源は熱電子放出させたり、電界放出させたりすることにより荷電粒子を発生させる。その発生した荷電粒子を加速させ、照射物に照射する機器は、電子顕微鏡、Ｘ線管、電子ビーム加熱装置、電子ビーム露光装置等多数あり、微少領域の観察、分析、加工、加熱、Ｘ線装置など幅広い分野で使われている。
【０００３】
この様な荷電粒子応用装置の構成例を図１に示す。図中１は基準電圧源１４からの基準電圧で制御される演算増幅器である。その演算増幅器１からの出力はスイッチング素子３，４によりスイッチングされ、昇圧トランス６の一次側巻き線に供給される。発振器２から出力されるパルスは、スイッチング素子３のスイッチング制御端子にそのまま入力し、また発振器２からの出力を極性反転器５で１８０度位相を変えてスイッチング素子４のスイッチング制御端子に入力する。それによりスイッチング素子３，４は交互にオンオフされ、演算増幅器１からの直流出力をスイッチングする事により交流化した電圧が昇圧トランス６の一次側に供給される。
【０００４】
７はダイオードとコンデンサから構成されるコッククロフト・ウォルトン回路である。昇圧トランス６の二次側交流出力電圧はコッククロフト・ウォルトン回路７により昇圧・整流される。
【０００５】
コッククロフト・ウォルトン回路７の出力は、出力抵抗８と出力コンデンサ９で構成されるフィルタ回路によりリップル分（変動分）が除去される。このリップルを除去した高電圧出力をフィラメント１０とターゲット１１間に印加する。このフィラメント１０とターゲット１１間に印加した高電圧を加速電圧ＡｃｃＶと言う。これにより、フィラメントから発生した電子は加速電圧により加速されターゲット１１に当たる。
【０００６】
図中１２は加速電圧ＡｃｃＶに接続された帰還抵抗であり、１３は演算増幅器１の反転入力端子入力とアース間に接続された入力抵抗、１４は演算増幅器１の非反転入力端子とアース間に接続された加速電圧設定電圧源である。
帰還抵抗１２により演算増幅器１に負帰還がかかる。この様な負帰還回路により、加速電圧設定電源１４で設定された電圧を、入力抵抗１３と帰還抵抗１２で決まる増幅度倍した電圧が加速電圧ＡｃｃＶとなるように動作する。
フィラメント１０は加速電圧ＡｃｃＶ上の電位に位置する。そのため、フィラメント１０に電流を流し加熱するには、加速電圧ＡｃｃＶ上の電位に電力供給する必要がある。そのため、トランスにより加速電圧ＡｃｃＶを絶縁し電力供給を行う。このような加速電圧上への電力供給をパワー伝送と呼ぶ。
そのパワー伝送回路の説明をする。
まず、発振器２１から出力されるパルスをスイッチング素子１９の制御端子に入力し、また発振器２１からの出力を極性反転器２２で１８０度位相を変えてスイッチング素子２０の制御端子に入力する。それによりスイッチング素子１９，２０は交互にオンオフする。スイッチング素子１９、２０は、オンすると通電、オフすると遮断となる動作をする。２３、２４はコンデンサであり、１８はフィラメント加熱電流供給用直流電源である。今、発振器２１がＨＩを出力し、スイッチング素子１９オン、２０がオフすると、フィラメント電流設定直流電源１８からスイッチング素子１９、加速電圧絶縁トランス１５の一次側巻き線、コンデンサ２４、グランドと電流が流れる。次に、発振器２１がＬＯを出力し、スイッチング素子１９オフ、２０がオンすると、フィラメント電流設定直流電源１８からコンデンサ２３、加速電圧絶縁トランス１５の一次側巻き線、スイッチング素子２０、グランドと電流が流れる。よって、スイッチング素子１９オン、２０がオフする時と、スイッチング素子１９オフ、２０がオンする時では、加速電圧絶縁トランス１５の一次側巻き線に正方向と逆方向に電流が流れる。すると、加速電圧絶縁トランス１５の二次側に交流電圧が発生する。
【０００７】
インダクタンス(誘導)成分とキャパシタンス(容量)成分を組み合わせると特周波数でインピーダンスにピークを持つ共振現象が起きる。このピークの周波数を共振周波数と呼ぶ。この共振現象は、加速電圧絶縁トランス１５の漏れ磁束による自己インダクタンスと、コンデンサ２３、２４のキャパシタンスによっても起きる。ここで、加速電圧絶縁トランス１５の自己インダクタンスと、コンデンサ２３、２４のキャパシタンスよって決まる共振周波数に、発振器２１の周波数を合わせ、スイッチング素子１９、２０を動作させる。するとトランス１５の自己インダクタンスと、コンデンサ２３、２４のキャパシタンスにより電流共振が起こり、これを利用する事により高効率、低ノイズで加速電圧絶縁トランス１５の二次側に供給できる。この様な回路をハーフブリッジ回路と言う。ハーフブリッジ回路によって、加速電圧絶縁トランス１５の一次側を動作させると、二次側に交流電圧が発生する。その発生した交流電圧を整流回路１６によって全波整流し、平滑用コンデンサ１７により、平滑化し、フィラメント１０の両端に印加する。そして、フィラメント電流設定電源１８の出力する電圧に基づいた電流をフィラメント１７に流し、フィラメント１７が加熱され、熱電子を放出する。
【０００８】
さて、電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置で、荷電粒子ビームの加速する電圧は数ｋＶ以上の高電圧であり、時には１０００ｋＶ以上の場合もある。そのため、加速電圧絶縁トランス１５の一次側巻き線と二次側巻き線間の絶縁耐圧はそれに耐えるよう高くする必要がある。しかし、そのためには二次側巻き線と、その他のグランド電位の部分との沿面距離、空間距離を長く取る必要があり、加速電圧絶縁トランス自体が大型化する。その様なトランスを備えた荷電粒子線発生装置は大変大きなものとなってしまう。その結果、荷電粒子ビーム発生装置の小型化に大きな障害となるだけでなく、コストも莫大なものとなる。
【０００９】
そこで、図２に示す様な回路構成のものが提案されている。図２中、図１で使用した記号と同一記号のものは同一構成要素である。図１との相違点は、加速電圧絶縁トランスを複数個縦続接続したトランスに変えた点と、そのトランスのドライバ回路をプッシュプル型にした点である。
図２の回路の動作は、発振器２１から出力されるパルスをスイッチング素子１９に入力し、また発振器２１からの出力を極性反転器２２で１８０度位相を変えてスイッチング素子２０に入力する。それによりスイッチング素子１９，２０は交互にオンオフする。そして、一段目の（初段の）加速電圧絶縁トランス２５ａのセンタータップを接地した一次側巻き線Ａｎ１の両端に、交互に加熱電流設定電源１８からの電圧を与える。それにより、加速電圧絶縁トランス２５ａの二次側巻き線の両端に交流電圧が発生する。初段の加速電圧絶縁トランス２５ａの二次側巻き線Ａｎ２と、二段目の加速電圧絶縁トランス２５ｂの一次側巻き線Ｂｎ１とを接続する。また、二段目の加速電圧絶縁トランス２５ｂの二次側巻き線Ｂｎ２と三段目の加速電圧絶縁トランス２５ｃの一次側巻き線Ｃｎ１と接続する。そして、三段目の加速電圧絶縁トランス２５ｃの二次側巻き線Ｃｎ２と四段目の（最終段の）加速電圧絶縁トランス２５ｄの一次側巻き線Ｄｎ１とを接続し、最終段の加速電圧絶縁トランス２２ｄの二次側巻き線Ｄｎ２を整流器１６の入力端に接続する。それにより、前記プッシュブル型ドライブ回路とＡｃｃＶ上の整流ブリッジ１６との間に四個の加速電圧絶縁トランスを縦続接続した構成になる。
【００１０】
また、分割抵抗２６ｄ，２６ｃ，２６ｂ，２６ａを直列接続して加速電圧AｃｃVとグランド間に接続する。そして、分割抵抗２６ｄと２６ｃの接続点と、前記加速電圧絶縁トランス２５ｄの一次側巻き線Ｄｎ１と加速電圧絶縁トランス２５ｃの二次側巻き線Ｃｎ２との接続点に接続する。次に分割抵抗２６ｃと２６ｂの接続点と、前記加速電圧絶縁トランス２５ｃの一次側巻き線Ｃｎ１と加速電圧絶縁トランス２５ｂの二次側巻き線Ｂｎ２との接続点に接続する。同様に分割抵抗２６ｂと２６ａの接続点と前記加速電圧絶縁トランス２５ｂの一次側巻き線Ｂｎ１と加速電圧絶縁トランス２５ａの二次側巻き線Ａｎ２との接続点をそれぞれ接続する。これにより、加速電圧が前記分割抵抗で平等に分割され、各加速電圧絶縁トランス２５ｄ，２５ｃ，２５ｂ，２５ａの耐圧が１個の加速電圧絶縁トランスに比べ、四分の一程度で済む事になる。
【００１１】
この様に各加速電圧絶縁トランスの一次側巻き線と二次側巻き線の耐圧が著しく小さくて済むと、加速電圧絶縁トランスを構成する一次側巻き線、二次側巻き線、トランスコア間のそれぞれの絶縁に必要な沿面距離、空間距離を小さくする事が出来る。それにより、加速電圧絶縁トランスの数が複数個になっても、耐圧が著しく大きな１段の加速電圧絶縁トランスの場合に比べ、非常に小型になり、コストも大幅に低減出来る。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−２３１９３５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
さて、前記縦属接続させた各加速電圧絶縁トランスを含むプッシュプル回路を前記ハーフブリッジ回路に置き換え、高効率、低ノイズのフィラメント加熱電源を実現しようとした場合、次の様な問題が発生する。
【００１４】
前記図２の提案例の様に複数の加速電圧絶縁トランスを縦属接続した場合、初段加速電圧絶縁トランスの一次側から見たトランス全体の自己インダクタンスは縦属接続した個々の加速電圧絶縁トランスの自己インダクタンスを直列に接続したものと等価となる。それにより、加速電圧絶縁トランス１個の時に比べ、縦続接続された加速電圧絶縁トランスの自己インダクタンスは数倍に増加する。前述した様に、ハーフブリッジ回路は、加速電圧絶縁トランスの自己インダクタンスによって蓄積する電荷と、共振用コンデンサ２３、２４に蓄積する電荷を共振させる。しかし上記の様に、自己インダクタンスが大きくなりすぎると、蓄積する電荷量が増えすぎて共振させること自体が困難となる。従って、縦属接続させた加速電圧絶縁トランスを含むパワー伝送をハーフブリッジ回路で実現することは難しい。そのために、高効率、低ノイズのハーフブリッジ回路とコンパクトかつローコストの絶縁トランスの縦続接続を両立させ、加速電圧ＡｃｃＶ上にパワー伝送することができなかった。
【００１５】
以上の説明においては、フィラメントから発生した熱電子を加速するためのパワー伝送を例に上げたが、電界放出型電子銃（ＦＥＧ）を搭載した荷電粒子ビーム装置にあっては、引き出し電極、サプレッサの電源にもパワー伝送が必要であり同様な問題がある。
【００１６】
本発明はこの様な問題を解決するために成されたもので、高電圧上への新規なパワー伝送回路を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の荷電粒子線発生装置は、交流電圧を昇圧整流し荷電粒子を加速する加速電圧を発生する昇圧整流回路Ｃと、加速電圧が印加される荷電粒子源と、前記昇圧整流回路Ｃの出力と接地間に接続される直列接続された複数の抵抗からなる加速電圧分圧器と、前記荷電粒子源に接地電位から荷電粒子源に電力を供給するパワー伝送回路とを備え、
前記パワー伝送回路は、多段縦続接続された複数の絶縁トランス１５、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄから構成されると共に、前記加速電圧分圧器の前記絶縁トランスそれぞれが電圧分担する電圧を均等にする電位点にそれぞれの前記絶縁トランスの縦続接続点を接続するようにした荷電粒子線発生装置において、
前記多段縦続接続された複数の絶縁トランス１５、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各段間に、接地電位側絶縁トランスの二次巻き線からの交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換回路２７、２８，２９と、該交流直流変換回路からの直流電圧を交流電圧に変換して荷電粒子源側絶縁トランスの一次側巻き線へ供給する直流交流変換回路Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を配置した事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、荷電粒子発生装置の加速電圧上の電力供給を、加速電圧絶縁トランスを複数個用いて巻き線間の耐圧を下げ小型化しても、高効率、低ノイズで動作させ、かつ低コスト化できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施するための最良の形態を説明する。
【００２０】
図３はこの様な原理に基づいて構成された荷電粒子発生装置の一概略例を示す。また、図１で使用した記号と同一記号としたものは同一構成要素である。
加速電圧発生回路Ｃは従来技術と同様であり、抵抗１２，１３で帰還のかかった演算増幅器１の出力を、スイッチング素子３，４でスイッチングし昇圧トランス６の一次側に交流電圧を供給する。昇圧トランス６の二次側巻き線の交流出力はコッククロフト・ウォルトン回路７に接続される。そして、コッククロフト・ウォルトン回路７により昇圧・整流する。そのコッククロフト・ウォルトン回路７出力を、出力抵抗８とフィルタコンデンサ９でリップルを除去し加速電圧ＡｃｃＶとして使用する。
次に、加速電圧上へ電力を供給するパワー伝送部分を説明する。
図中Ｂ１は発振器２１、スイッチング素子１９，２０、共振用コンデンサ２３，２４、加速電圧絶縁トランス１５で構成される１段目ハーフブリッジ回路である。この１段目ハーフブリッジ回路Ｂ１は、前記図１のハーフブリッジ回路と同じ動作をする。1段目ハーフブリッジ回路Ｂ１の加速電圧絶縁トランス１５の二次側出力は、ダイオードで構成される整流回路に並列接続した平滑コンデンサで構成された交直流変換回路２７によって直流電圧に変換される。その直流電圧が供給される２段目ハーフブリッジ回路Ｂ２は、１段目ハーフブリッジ回路Ｂ１と同じ動作をする回路である。そして２段目ハーフブリッジ回路Ｂ２は加速電圧絶縁トランス１５の二次側出力を交直流変換回路２７で直流化した電圧を電源として動作する。その２段目ハーフブリッジ回路Ｂ２の加速電圧絶縁トランス１５ｂの二次側出力は、交直流変換回路２８に接続され、直流化される。その直流化された出力を電源として、３段目ハーフブリッジ回路Ｂ３は動作する。同様に、加速電圧絶縁トランス１５ｃの二次側出力を直流化した出力を電源として４段目ハーフブリッジ回路Ｂ４は動作する。この様に加速電圧絶縁トランスの二次側出力を直流化し、直流化された出力を電源として動作するハーフブリッジ回路を接続する。つまり、縦続接続した加速電圧絶縁トランス毎に交直流変換回路とその直流化された出力を電源としたハーフブリッジ回路を挿入した物となる。
加速電圧絶縁トランス１５ｄの二次側出力はダイオードによって構成された整流回路１６に接続し、整流回路１６の出力は平滑コンデンサ１７によって直流化しフィラメント１０に電流を流す。それにより、フィラメント１７が加熱され、熱電子を放出する。
また、分割抵抗２６ｄ，２６ｃ，２６ｂ，２６ａを直列接続して加速電圧AｃｃVとグランド間に接続する。そして、分割抵抗２６ａと２６ｂの接続点と、ハーフブリッジＢ２の基準となる電圧である交直流変換回路のマイナス側出力Ｅを接続する。また、分割抵抗２６ｂと２６ｃの接続点と、ハーフブリッジＢ３の基準となる電圧である交直流変換回路２８のマイナス側出力Ｆを接続する。同様に、分割抵抗２６ｃと２６ｄの接続点と、ハーフブリッジＢ３の基準となる電圧である交直流変換回路２８のマイナス側出力Ｇを接続する。これにより、加速電圧が前記分割抵抗で平等に分割され、各加速電圧絶縁トランス２５ｄ，２５ｃ，２５ｂ，２５ａの一次側巻き線、二次側巻き線の耐圧は１個の加速電圧絶縁トランスに比べ、四分の一程度で済む事になる。
この様に、ハーフブリッジ回路のトランス二次側出力を直流化し、その直流化した出力を電源として動作するハーフブリッジ回路で作られた直交流変換回路を縦続接続させる事により、トランスのみを縦続接続した場合のようにトランスの自己インダクタンスが縦続接続した分だけ増加する事はなくなる。そのため、各ハーフブリッジ回路は、共振用コンデンサとトランスの自己インダクタンスで正常に電流共振し、プッシュプル回路に比べ著しく効率良く、また、低ノイズでパワー伝送が行う事ができる。
また、トランスの耐圧を複数個のトランスを用い分散させているため、高価で大型である耐圧の高い加速電圧絶縁トランスを使用せず、小型で安価な耐電圧の小さいトランスが使用できる。
さらに、設計上の理由もしくは製造上のばらつきによって、個々の加速電圧絶縁トランスの自己インダクタンスが異なる事がある。そのために、各段の共振周波数に違いが発生しても、ハーフブリッジ回路毎に発振器を持っているため、各ハーフブリッジのスイッチング周波数を最適な周波数に設定することができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、加速電圧ＡｃｃＶ上電位にあるフィラメントに電力供給する荷電粒子発生装置を例に上げたが、加速電圧上の荷電粒子源に電力供給するものであれば応用可能である（例えば、電界放出型電子銃を備えた荷電粒子ビーム装置における引き出し電極電源、或いはサプレッサ電極電源、荷電粒子源を制御する制御回路）。
なお、本実施の形態では、電子線発生装置を例に上げたが、加速電圧を逆電位(正の電位)に変えてイオン発生装置に応用できる事も言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の荷電粒子発生装置の構成例を示している。
【図２】提案された複数の加速電圧絶縁トランスを縦続接続した荷電粒子発生装置の構成例を示している。
【図３】本発明の荷電粒子発生装置の構成例を示している。
【符号の説明】
【００２３】
１…演算増幅器、２…発振器、３，４…スイッチング素子、５…極性反転器、６…昇圧トランス、７…コッククロフト・ウォルトン回路、８…出力抵抗、９…フィルタコンデンサ、１０…フィラメント、１１…ターゲット、１２…帰還抵抗、１３…入力抵抗、１４…加速電圧設定電源、１５…加速電圧絶縁トランス、１６…整流器、１７…平滑用コンデンサ、１８…直流電源、１９，２０…スイッチング素子、２１…発振器、２２…極性反転器、２３，２４…コンデンサ、２５ａ，２５ｂ．２５ｃ，２５ｄ…加速電圧絶縁トランス、２６ａ，２６ｂ．２６ｃ，２６ｄ…分割抵抗、２７，２８，２９…交直流変換回路、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４…ハーフブリッジ回路、Ｃ…加速電圧発生回路
【図１】
2010135103.tif 000003
【図２】
2010135103.tif 000004
【図３】
2010135103.tif 000005