(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を接合して作製した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。
【請求項２】
ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が、ｎ型半導体とｐ型半導体であることを特徴とする請求項１の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。
【請求項３】
陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填され、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却されることを特徴とする請求項１または２の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。
【請求項４】
ペルチェ冷却モジュールの発熱面が、電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることを特徴とする請求項３の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。
【請求項５】
鋭く尖らせた陰極の先端部であって、放出される電子が収束されることによってより輝度が高まるように先端部が凹状に加工された面を含む部分に対して、酸洗いに強い金属によるメッキが行われ、さらにその上に高量子効率物質が被覆されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源。
【請求項６】
レーザ光が、光ファイバーによって陰極に照射され、光ファイバーの先端部が先球加工されて、その光ファイバーの先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことを特徴とする請求項１ないし５いずれかの冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法。
【請求項７】
陰極先端部をＸＹＺ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、ＴＶモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたＸＹＺ精密ステージを遠隔操作して、レーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させるようになしたことを特徴
とする請求項６の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、電子顕微鏡、電子線加速器及びＸ線発生装置用の電子線源として有用な、冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法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、電子線加速器及びＸ線発生装置用等の電子線源として、電界放射型電子線源や熱電子放出型電子線源が一般的に使用されており、特に電界放射型電子線源は今日最高輝度の電子線源として様々な分野に利用されている。しかしながら、最高輝度の電子線源とされる電界放射型電子線源を搭載した電子顕微鏡でさえも、実用的に放出される電子の総電流はわずか１μＡ程度となっている。
【０００３】
また、電子線源を電子顕微鏡に用いるに際して、１９４８年にＤ．Ｇａｂｏｒが考案した「電子線ホログラフィーを利用した「凸レンズしか使えない電子顕微鏡」の分解能の向上」の効果が発揮されるためには収差を生じさせないようにすることが重要であるが、電界放射型電子線源の場合、放出される電子の個数が少なく、しかも電子が陰極先端部の表面に垂直なあらゆる方向に放出されるため、高い輝度を得るためにはクロスオーバー位置での電子線の太さをなるべく細くするために静電加速レンズで電子線を絞らなくてはならず、その際に収差が生じてしまうのである。したがって、電子顕微鏡用の電子線源に電界放射型電子線源を用いたのでは上記のようなＤ．Ｇａｂｏｒが考案した電子線ホログラフィーによる分解能向上の効果には限界があり、実際電界放射型電子線源が実用化された当初から、たかだか２倍程度にしか向上していないのが現状である。さらに、電界放射型電子線源では放出される電子の総電流が１μＡ程度しかないため、今後その輝度を飛躍的に高くすることは望めない。したがって、電界放射型電子線源に取って代わる、極めて高い輝度で収差のほとんどない新しい電子線源が要望されている。
【０００４】
そこで、新しい電子線源としてフォトカソード型電子線源が挙げられている。フォトカソード型電子線源は光電効果を利用しており、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対してレーザ等の光を照射し、光電子を放出させることによって電子線源として使用することができる。例えば、波長が４８８ｎｍで出力が１Ｗの連続（ＣＷ）発振のレーザを、４８８ｎｍで量子効率（１００個の光子により物質表面から放出される電子の個数（％で表示））が７〜８％と高いＣｓ３Ｓｂに照射すると、２８〜３２ｍＡもの電子が放出される。
【０００５】
これは、電界放射型電子線源よりも約３万倍も多い電子放出量であり、フォトカソード型電子線源は電界放射型電子線源よりも格段に輝度が高く、また収差がほとんどない電子線源となる可能性がある。
【０００６】
したがってフォトカソード型電子線源を電子顕微鏡に用いると、電子線の輝度が向上し、その分解能が飛躍的に向上するだけでなく、コヒーレント電子線回折、元素分析の位置精度の向上、磁束の観察精度の向上等をもたらす。また、輝度の高く収差のほとんどない、さらにエネルギー幅が原理的に少ないフォトカソード型電子線源は、電子線加速器やＸ線発生装置の諸性能も飛躍的に向上させる可能性がある。また電子線の輝度が格段に高くなることにより思いがけない科学的進歩がもたらされる可能性がある。
【０００７】
しかしながら、フォトカソード型電子線源で最も重要な要素であるＣｓ３Ｓｂに代表される量子効率の高い物質は化学的に極めて活性であり、微量の酸素と反応するとその量子効率が時間とともに減少することが知られている。この傾向は高量子効率物質の温度が高くなるほど加速されてしまうのである。
【０００８】
このため、これまでＣｓ３Ｓｂ、Ｎａ２ＫＳｂ、Ｒｂ３Ｓｂ、ＣｓＩ等の可視光に対して高い量子効率を有する物質は、ガラス管中に真空封入し、温度が上がらないように弱い光を照射して使用されてきており、量子効率の高い物質を被覆した従来のフォトカソード型電子線源では放出される電子の総電流が不十分で、その輝度も抑えられ、さらにガラス管の中でしか使用できなかった。
【０００９】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、高輝度で収差がほとんどなく、実用的に使用できる冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を接合して作製した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【００１１】
第２には、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質が、ｎ型半導体とｐ型半導体であることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【００１２】
第３には、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填され、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【００１３】
第４には、この出願の発明は、ペルチェ冷却モジュールの発熱面が、電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【００１４】
さらに、第５には、鋭く尖らせた陰極の先端部であって、放出される電子が収束されることによってより輝度が高まるように先端部が凹状に加工された面を含む部分に対して、酸洗いに強い金属によるメッキが行われ、さらにその上に高量子効率物質が被覆されることを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を提供する。
【００１５】
また、第６には、レーザ光が、光ファイバーによって陰極に照射され、光ファイバーの先端部が先球加工されて、その光ファイバーの先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法をも提供する。
【００１６】
また、第７には、陰極先端部をＸＹＺ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、ＴＶモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたＸＹＺ精密ステージを遠隔操作して、レーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させるようになしたことを特徴とする冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用レーザ光照射法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源では、先端部に量子効率の高い物質を被覆させた陰極に対し、レーザ光が照射される冷却式フォトカソード型電子線源であって、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットを有する冷却式フォトカソード型電子線源において、冷却式フォトカソード型電子線源本体と、雰囲気が超高純度不活性ガスとされた陰極ユニットが閉じ込められた密閉容器から、この密閉容器内と同一の雰囲気中で陰極ユニットを取り出し、電子線源本体に装填するグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーとが取り外し可能に連結一体化していることから、高量子効率物質を酸素に晒すことなく、陰極ユニットを電子線源本体に装填することができる。尚、上記の不活性ガス中作業用カバーは、その使用に際して、これによって封じ込められる超高純度不活性ガスの本来の純度が損なわれない程度にまで高い気密性を有している。
【００１８】
また、上記と同様のグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーが取り付けてある被覆装置内において、真空状態で陰極ユニットの陰極先端部に高量子効率物質を被覆させた後に、バルブ操作で真空排気を停止させ、被覆装置内および予め真空排気してあった不活性ガス中作業用カバー内を超高純度の不活性ガスで充満させ、不活性ガス中作業用カバーのグローブが使用できる状態にした後に、陰極ユニット全体を、グローブを用いて密閉性容器に超高純度不活性ガスとともに閉じ込め、密閉容器を被覆装置から取り出すことで、高量子効率物質を酸素に晒すことなく被覆装置から取り出すことができ、さらに続いて、電子線源本体を有する真空装置に取り付けてある、グローブ付きの不活性ガス中作業用カバーの内部に、陰極ユニットと超高純度不活性ガスとを閉じ込めた密閉性容器をその出し入れ口から入れてから出し入れ口を密閉させ、真空装置内および不活性ガス中作業用カバー内を真空排気した後に超高純度の不活性ガスで充満させ、陰極ユニット全体を、グローブを用いて密閉性容器から取り出し、さらにグローブを用いて陰極ユニット全体を真空装置内の電子線源本体に装填することにより、高量子効率物質を酸素に晒すことなく電子線源に装填できる。
【００１９】
つまり、高量子効率物質を陰極先端部に被覆する工程から陰極ユニットを電子線源に装填する工程まで一貫して高量子効率物質を酸素に晒すことがないため、高量子効率物質の量子効率の低下を防止できるのである。
【００２０】
また、この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源は、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質を半田付けで接合して作成した陰極を有し、この陰極に電流を流すことでペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質の界面が冷却され、陰極先端部が局所冷却されるため、陰極に被覆される高量子効率物質の量子効率が時間とともに低下するのを防止することができる。このとき、ペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質として、ｎ型半導体とｐ型半導体を用いることができる。
【００２１】
また、陰極と電気伝導率および熱伝導率の高い陰極基盤とを接合した陰極ユニットが機械的に装填される、電気伝導率および熱伝導率の高いブロックが、それが接するペルチェ冷却モジュールの吸熱面によって冷却され、さらにペルチェ冷却モジュールの発熱面が電気絶縁性の高い液体を内部に循環させる金属板によって冷却されることによって、さらに量子効率の低下を防止できる。
【００２２】
また、陰極先端部を空間電荷効果による電子の放出量の低下を防ぐために鋭く尖らせ、その陰極先端部に凹状の面を形成することによって放出される電子が収束され、その輝度がより高まるようにする。さらに、陰極先端部には酸洗いに強い金属によるメッキを行い、さらにその上に高量子効率物質を被覆することで、陰極を使用して高量子効率物質の量子効率が低下した際に、陰極先端部を酸で洗うことにより陰極先端部を傷付けることなく高量子効率物質を除去することができるため、何度でも高量子効率物質の除去と被覆を繰り返すことができ、陰極のリサイクルが可能となる。
【００２３】
酸洗いに強い金属として、例えば金が挙げられる。ただし、金を直接陰極先端部にメッキするのは難しいため、ニッケルをメッキした後に金をメッキするのが好ましい。
【００２４】
また、光ファイバーによってレーザ光を陰極に照射するようにしたことで、高出力レーザによる失明の危険を回避することができ、さらにまた、１台のレーザ発生装置から出射するレーザ光を、ビームスプリッタによって複数のレーザ光に分岐することで、複数のフォトカソード型電子線源にレーザ光を照射することができる。
【００２５】
また、２枚の偏光板の偏光面の角度を遠隔操作で変化させることで、陰極に照射されるレーザ光の強度をゼロから連続的に変化させることもできる。
【００２６】
陰極先端部をＸＹＺ精密ステージでその位置を遠隔操作できる工業用内視鏡で観察し、ＴＶモニターで見ながら光ファイバーを取り付けたＸＹＺ精密ステージを遠隔操作してレーザ光を陰極先端部の位置に正確に照射させることができる。また、このレーザ光の照射位置の設定の後に、工業用内視鏡を電子放出時の放電の原因とならない位置にまで待避させることができる。
【００２７】
また、光ファイバー先端部を先球加工してからその先にミニ凸レンズを取り付けるようにしたことにより、より遠方でレーザ光をより小さく収束することが可能となり、光電効果で放出される電子ビームの径をより小さくしてその輝度をより高くすることができる。
【００２８】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【実施例】
図１に示しているように、この例の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源では、冷却式フォトカソード電子線源本体を有する真空装置（１）と、雰囲気が超高純度アルゴンガスとされ、図３に示すような陰極ユニット（２）が閉じ込められた陰極ユニット密閉容器（３）から、この陰極ユニット密閉容器（３）内と同一の超高純度アルゴンガスの雰囲気中で陰極ユニット（２）を取り出し、電子線源本体に装填するグローブ（４）付きの不活性ガス中作業用カバー（５）とが取り外し可能に連結一体化されている。
【００３０】
この冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源および上記と同様の不活性ガス中作業用カバー（５）が取り付けられている被覆装置（６）により、陰極先端部にＣｓ３Ｓｂを被覆する工程から陰極ユニット（２）を電子線源本体に装填する工程の間に高量子効率物質であるＣｓ３Ｓｂが酸素に晒されないための方法を述べる。
【００３１】
図１（Ａ）に示しているように、高量子効率物質Ｃｓ３Ｓｂを陰極先端部に被覆するための被覆装置（６）には、予め不活性ガス中作業用カバー（５）を取り外し可能な状態で取り付けておき、その中を、油拡散ポンプ等を用いて１×１０−２Ｐａ程度の真空にしておく。
【００３２】
ここで、不活性ガス中作業用カバー（５）は、塩化ビニールで作製した丈夫なものであり、ビニール間の接合には溶着、ＴＨＦ（テトラヒドラフラン）での接着、市販の特殊接着材（スーパーＸ）を用いた。また不活性ガス中作業用カバー（５）には、図２に詳しく示しているようにグローブ（４）が設けてあり、このグローブ（４）には細かな作業が出来るように指にフィットした市販の作業用手袋を使用した。また、塩化ビニール製の柔らかいＯリングを特別に作製し、これをＴＨＦを用いてビニールシートに接着した。現在、油拡散ポンプと油回転ポンプで不活性ガス中作業用カバー（５）の中を２段引きで真空排気すると、カバー内の真空度は約５×１０−３Ｐａ（〜３．８×１０−５Ｔｏｒｒ）にすることができるほど、不活性ガス中作業用カバー（５）は気密性がある。
【００３３】
これは作製した不活性ガス中作業用カバー（５）が、その使用に際して、これによって封じ込められる超高純度アルゴンガス（市販では純度９９．９９９９％）の本来の純度が損なわれることがない程度にまで高い気密性を保証する真空度である。
【００３４】
この不活性ガス中作業用カバー（５）は高量子効率物質を陰極先端部に真空蒸着により被覆するための「特殊被覆装置」用の物、「フォトカソード型電子線源試験装置」用の物および「フォトカソード型電子線源を搭載した１２０ｋＶの電子顕微鏡」用のものの３つを作製した。
【００３５】
さらに、真空蒸着により陰極先端部にＣｓ３Ｓｂを被覆した後、被覆装置（６）内の真空排気バルブ（７）を閉じてから超高純度アルゴンガスを大気圧になるまで入れる。同時に不活性ガス中作業用カバー（５）内の真空排気を止めて、バルブ操作により超高純度アルゴンガスを大気圧まで入れる。
【００３６】
その後図１（Ｂ）の状態になるように、フランジ巻上げ下しハンドル（８）を用いて真空フランジ（９）を上げて、不活性ガス中作業用カバー（５）を広げる。その後、不活性ガス中作業用カバー（５）に取り付けてあるグローブ（４）に手を入れて、図３に示しているように陰極先端部をＣｓ３Ｓｂで被覆した陰極ユニット（２）を予め被覆装置（６）内に置いてあった陰極ユニット密閉容器（３）内に入れ、密閉用Ｏリング（１０）を蝶ねじ（１１）で締める。このようにして陰極ユニット（２）を超高純度アルゴンガスとともに閉じ込めた陰極ユニット密閉容器（３）を、内側ポケット（１２）に入れる。
【００３７】
その後、陰極ユニット密閉容器出し入れ口（１３）を開けて陰極ユニット密閉容器（３）を取り出す。次に、この陰極ユニット（２）を内包した陰極ユニット密閉容器（３）を、図１（Ａ）の状態にある電子線源を有する真空装置（１）に取り外し可能な状態で取り付けてある不活性ガス中作業用カバー（５）の内側ポケット（１２）に、陰極ユニット密閉容器出し入れ口（１３）から入れる。
【００３８】
その陰極ユニット密閉容器出し入れ口（１３）の蓋（１４）を図２に示しているようにＯリング締めした後、不活性ガス中作業用カバー（５）内を、油拡散ポンプ等を用いて真空排気する。１×１０−２Ｐａ以下の高い真空度が得られた後、不活性ガス中作業用カバー（５）内に超高純度アルゴンガスを大気圧になるまで入れる。同時にそれまで高真空に真空排気していた電子線源を有する真空装置（１）の真空排気バルブ（７）を閉じて、超高純度アルゴンガスを大気圧まで入れる。
【００３９】
その後、図１（Ｂ）の状態になるように真空フランジ（９）を上げて不活性ガス中作業用カバー（５）を広げ、グローブ（４）を用いて陰極ユニット密閉容器（３）から陰極ユニット（２）を取り出す。空になった陰極ユニット密閉容器（３）を内側ポケット（１２）に入れたままで陰極ユニット（２）を電子線源に装填する。装填後、徐々に超高純度アルゴンガスを排気させながら真空フランジ（９）を下げてゆき、再度図１（Ａ）のような状態にする。その後電子線源を有する真空装置（１）の真空排気を本格的に行う。また、陰極ユニット密閉容器出し入れ口（１３）を開けて、空になった密閉容器（３）を取り出しておく。
【００４０】
このようにすることにより、Ｃｓ３Ｓｂを陰極先端部に真空中で被覆した後、酸素に晒すことなく被覆装置（６）から取り出して、さらに電子線源を有する真空装置（１）に装填することができ、Ｃｓ３Ｓｂが酸素と反応することがないため、Ｃｓ３Ｓｂの量子効率の低下を防止することができる。
【００４１】
その後、陰極先端部を冷却しながら波長４８８ｎｍのレーザ光を照射して、装置内にあるファラデーカップを、用いて電子線量を測定し、ほぼ予想される量の光電子の放出を確認した。
【００４２】
尚、不活性ガス中作業用カバー（５）は、図２に示しているように、上下の真空フランジ（９）の円周方向にＯリング用の溝を掘り、同カバー（５）に溶着させた上下のＯリングを入れ、外側からリング状のＯリング締め付け具（９’）を用いて密閉性を保持させている。
【００４３】
図４（Ａ）にアルゴンイオンレーザ光（１５）が陰極（１６）に照射される様子が示してある。陰極（１６）は図５に示しているように、陰極ユニット（２）として電子線源中に置かれている。
【００４４】
陰極（１６）として用いるペルチェ冷却効率の高い組み合わせの物質として、不純物量が０．２ａｐｐｍのｎ型のＢｉ２Ｔｅ３とｐ型のＢｉ２Ｔｅ３とを溶融法で作製し、粉末に砕いた後に石英管に入れ、太い石英管に真空封入して直径２ｍｍの円柱状に溶融鋳型取りした。
【００４５】
図６は陰極の先端部を示しており、図６（Ｂ）に示しているように、陰極（１６）はｎ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１７）とｐ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１８）を融点２１５〜２２１℃の半田によって接触抵抗を小さくするように接合させ、空間電荷効果によって陰極先端部（１９）からの電子の放出量が低下することを防止するために陰極先端部（１９）を鋭く尖らせるように作製してある。
【００４６】
さらに、陰極（１６）を銅製の陰極基盤（２０）に接合するため半田付け（融点１７７〜１８３℃）を行った。
【００４７】
図６（Ｂ）中の矢印で示している方向に、つまりｎ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１７）からｐ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１８）に向かって電流を流すと、ペルチェ効果により接合面で吸熱が生ずる。またｎ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１７）とｐ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１８）を半田付けで接触抵抗を小さくするように接合した、熱伝導率および電気伝導率の大きな銅製の陰極基盤（２０）の接合面では発熱が生じる。
【００４８】
この吸熱量は、ｎ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１７）とｐ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３（１８）の場合には、ドーピング量が最適であれば、電流１Ａ当たり０．１１２Ｗであり、１０Ａの電流を流せば、１．１２Ｗの吸熱量である（半田付けした接合部の接触抵抗と半導体そのものの電気抵抗に起因するジュール熱との競合の関係で最も冷却効率の高い電流値が決まる）。
【００４９】
半田付けによる両者の接合面の接触抵抗が十分に小さければ、接合面の面積が小さいほど陰極先端部（１９）の温度は低くなる。陰極先端部（１９）が接合面に一致するように接合後の陰極先端部（１９）の研磨を行う。半田付けによる接合面の強度を補い、陰極先端部（１９）の研磨の際の接合面の破損や接触抵抗の増加を防止するために、図６（Ｂ）に示しているように補強用絶縁物（２１）を接着させる。
【００５０】
また図６（Ｃ）に示しているように、陰極（１６）の先端をわずかに凹状にする。こうすることにより、光電効果によって陰極（１６）の先端表面から放出される光電子は電場に垂直に進行するので、レーザ光を極端に小さく絞らなくても電子のクロスオーバー位置（陰極から少し陽極側に離れた位置）での電子線の太さを、収差の影響を受けずに充分に細くすることができる。
【００５１】
陰極先端部（１９）には、陰極先端部（１９）に直接高量子効率物質であるＣｓ３Ｓｂ（２２）を被覆しても良いが、この例ではニッケル（２３）、金（２４）の順で無電界メッキし、さらにその上にＣｓ３Ｓｂ（２２）を被覆している。こうすることにより、陰極先端部（１９）を酸で洗うことで陰極先端部（１９）を傷付けることなくＣｓ３Ｓｂ（２２）を除去することが可能となり、何度でもＣｓ３Ｓｂ（２２）の被覆および除去を繰り返すことができ、陰極（１６）のリサイクルが可能となる。
【００５２】
図５に示しているように、陰極ユニット（２）における、表面に金メッキされたコンタクト部（２５）を、電子線源の銅製の電極ブロック（２６）の筒部（２７）に装着する。尚、筒部（２７）の表面は金メッキされており、また筒部（２７）はばね性のある切込み入りになっている。
【００５３】
銅製の電極ブロック（２６）は電流を流せるようになっており、また２枚の市販のペルチェ冷却モジュール（２８）の冷却面を接触させて冷却できるようになっている。さらに市販のペルチェ冷却モジュール（２８）の発熱面を、電気的絶縁性オイル（２９）を循環させるようにして冷却される金属板（３０）（この場合アルミ板）に接触させて冷却させる。電気的絶縁性オイル（２９）を使用する理由は、陰極（１６）とアース間に高い電圧が印加されているためである。電気的絶縁性オイル（２９）は市販の液体冷却循環装置（図示省略）により冷却されるとともに循環される。また、この電気的絶縁性オイル（２９）を流す配管の大部分もまた電気絶縁物〔テフロン（登録商標）〕等で作られている。
【００５４】
このように、陰極ユニット（２）を取り付けている電極そのものを冷却して陰極（１６）を冷却するとともに、陰極先端部（１９）の局所冷却を行った。今回、「フォトカソード型電子線源試験装置」と「非真空中陰極冷却実験装置」を用いて冷却実験を行った。真空中のほうが非真空中よりも熱の拡散が少ないため、より冷却することが可能であり、その結果陰極先端部（１９）の温度をマイナス１０〜３０℃に冷却することができた。
【００５５】
ペルチェ冷却は熱の伝達の担い手が電流であるので熱伝導よりも熱除去のスピードが比較できないくらい速く、レーザ照射により陰極先端部（１９）に入る熱がほとんど瞬間的に除去され、冷却効率が良く高量子効率物質の量子効率の低下を防ぐことができる。実際に陰極先端部（１９）に直径０．３ｍｍに絞った０．１Ｗの強度のレーザ光を照射しても温度上昇は５℃以下であった。
【００５６】
冷却温度は、電気絶縁性オイルの温度や循環速度、市販のペルチェ冷却モジュールの冷却パワー、陰極取付けブロックの熱容量、ｎ型半導体とｐ型半導体ペアーのペルチェ冷却能力により依存するので、より効果的な選択を行えばさらにレーザ照射される陰極先端部の温度を低下させることができる。
【００５７】
次にレーザ光を電子線源に照射する際の改良点を詳しく述べる。
【００５８】
図７に、１台のＣＷ（連続）発振するアルゴンイオンレーザ発振装置（３１）（波長４８８ｎｍでの最大出力：約５Ｗ）から出射されるアルゴンイオンレーザ光（３２）を、レーザ分岐集光器（３３）および光ファイバー（３４）を通して、電子線加速器（３５）、Ｘ線発生装置（３６）および電子顕微鏡（３７）等の複数の電子線源に導かれる様子を示している。
【００５９】
図８はレーザ分岐集光器（３３）の内部を示しており、アルゴンイオンレーザ光（３２）は、同図に示しているようにレーザ光が通過すると２つに分岐できるビームスプリッタ（３８）と反射ミラー（３９）を複数用いて、必要な本数（図中８本）のレーザビームに分岐できる。したがって１台のアルゴンイオンレーザ発振装置（３１）を複数の電子線源で共有することが出来る。市販のＣＷレーザ発振のアルゴンイオンレーザ発振装置（３１）の発振は１０Ｗ程度であるので、レーザ光を１／８に分岐して使用しても、電子線源には十分な強度のレーザ光を照射できるため、ひとつの事業所で高価なレーザ発振装置を共有することが出来るので極めて経済的である。
【００６０】
分岐したレーザ光は各電子線源の設置部屋にある遠隔制御装置により必要に応じて各ストッパー（４０）で開閉される。各分岐レーザ光は凸レンズ（４１）により各光ファイバー（３４）の中に導かれる。
【００６１】
また図９に示しているように、分岐させたレーザ光を、市販の耐熱性の２枚の偏光板（４２）を通過させ、そのうちの１つの偏光板（４２）の偏光面を電動で回転させるステージを用いて遠隔操作で回転させることにより、各分岐レーザ光の強度を０からほとんど連続的に変化させることができる。強度を変化させた後のレーザ光を、凸レンズ（４１）を用いて光ファイバーホルダ（４３）に固定した光ファイバー（３４）（コア部の直径：５０μｍ）に入射させた。間に光ファイバーコネクター（４４）を設け、光ファイバー（３４）で「フォトカソード型電子線源試験装置（最大７ｋＶの電圧で光電子を加速）」、「フォトカソード型電子線源を搭載した１２０ｋＶの電子顕微鏡」および「非真空中陰極冷却実験装置」の陰極先端部（１９）に同時にレーザ照射できるようにした。
【００６２】
「フォトカソード型電子線源試験装置」と「フォトカソード型電子線源を搭載した１２０ｋＶの電子顕微鏡」では、図４に示しているように、光ファイバー（３４）を固定した金属製パイプ（４５）と工業用内視鏡（４６）を電動のＸＹＺ精密ステージ（４７）に取り付け、その軸調整を、ＴＶモニター（図示省略）を見ながら遠隔操作でできるようにした。
【００６３】
前者の装置（試験装置）では電動ＸＹＺ精密ステージ（４７）を真空装置内に入れ、後者の装置（電子顕微鏡）では、電動ＸＹＺ精密ステージ（４７）を真空装置の外に出した。
【００６４】
電動ＸＹＺ精密ステージ（４７）を真空装置内に入れる場合には、光ファイバー（３４）と金属製パイプ（４５）と工業用内視鏡（４６）のケーブルを微小Ｏリングによるウルトラシールで真空シールする。また、同電動ＸＹＺ精密ステージ（４７）を真空装置の外に出す場合には、光ファイバー（３４）内包の金属製パイプ（４５）（ステンレス管）と硬性工業用内視鏡（４６）にウルトラシールを行い、高真空を保持する。
【００６５】
いずれもウルトラトールシールによる真空のシールは完全で、高い真空度を得ている。電子顕微鏡では放電がないように光ファイバーの先端は陰極先端からある程度の距離（現１２０ｋＶ電子顕微鏡では５０ｍｍ）離す必要がある。光ファイバーの先端面を平滑にしてその先に直径が３ｍｍ以下のミニ凸レンズを金属製パイプに接着して集光する場合と比べて、図２（Ｂ）に示しているように、光ファイバー（３４）の先端をマイクロバーナーを用いて適切な曲率半径で丸く先球加工してからミニ凸レンズ（４８）で集光した場合の方が、レーザ光をより小さく集光することができる。
【００６６】
例えば、焦点距離が１．６ｍｍのミニ凸レンズを用いた場合の５０ｍｍ先の距離でのレーザ光の最小ビーム径は、光ファイバー（コア部の直径５０μｍ）の先端が平滑な場合には１．４８ｍｍであるの対し、曲率半径Ｒ＝６０μｍに先球加工した場合には、１．１ｍｍであった。また焦点距離が２．５ｍｍのミニ凸レンズを用いた場合の５０ｍｍ先の距離でのレーザ光の最小ビーム径は、光ファイバー先端が平滑な場合は１．０５ｍｍであるのに対して、曲率半径Ｒ＝６０μｍに先球加工した場合には０．８２５ｍｍであった。
【００６７】
光ファイバーを用いない場合、レーザ光を直接目に当てて失明する危険が伴いやすいが、上記のように光ファイバーを用いてフォトカソード型電子線源へのレーザ照射を行うことによって、レーザ光を直接目に当てて失明するということを防止でき安全面が確保される。またフォトカソード型電子線源をより安価に作製することができることも大きな利点である。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、電子顕微鏡、電子線加速器およびＸ線発生装置用の電子線源等の電子線源として有用であり、高輝度で収差がほとんどなく且つ安全性の高い冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源およびその作製方法が提供され、電子顕微鏡、電子線加速器、Ｘ線発生装置等の性能向上により、材料研究、物性研究、基礎物理等の研究が進展すれば、光におけるレーザの発明にも匹敵し得る経済的効果も期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源を作製する工程を示した図である。
【図２】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の作製に使用する不活性ガス中作業用カバーを詳しく示した図である。
【図３】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極ユニットを密閉容器に閉じ込める工程を示した図である。
【図４】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源にレーザ光が照射される様子を例示した図である。
【図５】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極部分の冷却機構を示した図である。
【図６】この発明の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源の陰極先端部を示した図である。
【図７】レーザ発振装置から複数の冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源にレーザ光が照射される様子を例示した図である。
【図８】レーザ発振装置からのレーザ光がビームスプリッタによって複数のレーザ光に分岐される様子を例示した図である。
【図９】２枚の偏光板を用いてレーザ光の強度を調整する様子を例示した図である。
【符号の説明】
１  真空装置
２  陰極ユニット
３  陰極ユニット密閉容器
４  グローブ
５  不活性ガス中作業用カバー
６  被覆装置
７  真空排気バルブ
８  フランジ巻上げ下しハンドル
９  真空フランジ
９’    Ｏリング締め付け具
１０  密閉用Ｏリング
１１  蝶ねじ
１２  内側ポケット
１３  陰極ユニット密閉容器出し入れ口
１４  蓋
１５  アルゴンイオンレーザ光
１６  陰極
１７  ｎ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３
１８  ｐ型半導体Ｂｉ２Ｔｅ３
１９  陰極先端部
２０  陰極基盤
２１  補強用絶縁物
２２  Ｃｓ３Ｓｂ
２３  ニッケル
２４  金
２５  コンタクト部
２６  電極ブロック
２７  筒部
２８  ペルチェ冷却モジュール
２９  電気的絶縁性オイル
３０  金属板
３１  アルゴンイオンレーザ発振装置
３２  アルゴンイオンレーザ光
３３  レーザ分岐集光器
３４  光ファイバー
３５  電子線加速器
３６  Ｘ線発生装置
３７  電子顕微鏡
３８  ビームスプリッタ
３９  反射ミラー
４０  ストッパー
４１  凸レンズ
４２  偏光板
４３  光ファイバーホルダ
４４  光ファイバーコネクター
４５  金属製パイプ
４６  工業用内視鏡
４７  電動ＸＹＺ精密ステージ
４８  ミニ凸レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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