(57)【要約】【課題】本発明は、小型化と、放電の可能性を抑制の両立を実現する高電圧発生装置、及び荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために本発明では、昇圧回路が設けられた基板が複数積層配置された高電圧発生装置において、前記基板は円板状であって、当該円板の円中心を通過する直線を対称軸として、コッククロフト・ウォルトン回路を構成するコンデンサとダイオードが対称に配置される高電圧発生装置、及び荷電粒子線装置を提案する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇圧回路が設けられた基板が複数積層配置された高電圧発生装置において、
前記基板は円板状であって、当該円板の円中心を通過する直線を対称軸として、コッククロフト・ウォルトン回路を構成するコンデンサとダイオードが対称に配置されることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記基板上に設置された高電圧発生回路と、当該高電圧発生回路を密封する密封容器と、前記高電圧発生回路を収容する抵抗体カバーを有し、当該抵抗体カバーは円筒状であることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記抵抗体カバーと前記密封容器は同心円筒形であることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記抵抗体カバーの半径が一定であることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記抵抗体カバーは高さの変化に従って、半径が変化することを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項６】
請求項２において、
前記密封容器の半径が一定であることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項７】
請求項２において、
前記密封容器は、は高さの変化に従って、半径が変化することを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項８】
請求項２において、
前記抵抗体カバーに電圧を印加し、高電圧部と低電圧部又はグランド電位との間で電流が流れることを特徴とする高電圧発生装置。
【請求項９】
荷電粒子源と、
当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを加速させる加速筒を備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子ビームを加速させるための加速電圧を発生する高電圧発生装置を備え、当該高電圧発生装置は、昇圧回路が設けられた基板が複数積層配置され、前記基板は円板状であって、当該円板の円中心を通過する直線を対称軸として、コッククロフト・ウォルトン回路を構成するコンデンサとダイオードが対称に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡やイオン加速装置等の荷電粒子を加速する高電圧電源、及び荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡やイオン加速装置等の荷電粒子を加速する高電圧電源は、安全上グランド電位のケース内に絶縁して納められている。この絶縁性向上には電源を大型化し電界強度を緩和する方法と、絶縁性の高い物質を充填する方法がある。ここで装置の大型化を避けるためには、空気などよりも絶縁性能が高い六フッ化硫黄、油、樹脂などで内部を充填することにより絶縁性を高める方法がとられる（特許文献１、２参照）。また、構造上の工夫として、ケースに対して高電位となる部品への電界集中によるコロナ放電を防ぐために、金属製のコロナシールドを用いる。
【０００３】
当該装置の高電圧発生には一般的にコッククロフト・ウォルトン回路（ＣＷ回路）が用いられるが、安定度向上のために分割抵抗からの信号を用いてフィードバック制御と、抵抗とコンデンサによるフィルタ回路を併用している。極安定の電圧出力を得るために、ＣＷ回路と分割抵抗の間にシールド板を設け、ＣＷ回路のリップルノイズ影響を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２６５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に開示されているような六フッ化硫黄は京都議定書にて削減対象に指定されたガスである。油はメンテナンス性と廃棄の点で使用し難く、樹脂モールドはわずかな気泡や異物でそこに電界が集中し絶縁破壊を起こす危険性がある。さらには電源の安定度を高めていくと、油と樹脂ともにリーク電流が発生する可能性がある。
【０００６】
上述の金属コロナシールドを昇電圧部に用いる場合は電位差が発生するために不連続に用いる必要があるが、その切れ目部分を滑らかな曲面にしても電界が集中し、絶縁破壊の要因となる。さらに、シールド板を用いると必然的にＣＷ回路部とフィルタおよび分割抵抗部を分けたツインカラム構造になり電源が大型化してしまう。
【０００７】
以下に、フッ化硫黄等を用いることなく、小型化と放電抑制の両立を目的とする高電圧発生回路、及び荷電粒子線装置について説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための一態様として、昇圧回路が設けられた基板が複数積層配置された高電圧発生装置において、前記基板は円板状であって、当該円板の円中心を通過する直線を対称軸として、コッククロフト・ウォルトン回路を構成するコンデンサとダイオードが対称に配置される高電圧発生装置、及び荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、小型の実現と、放電の可能性を抑制の両立を実現し得る高電圧発生装置、及び荷電粒子線装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】高圧電源発生装置の一例を示す図。
【図２】コッククロフト・ウォルトン回路が形成された円形基板の一例を示す図。
【図３】高電圧発生装置の外観の一例を示す図。
【図４】高電圧発生装置の外観の一例を示す図。
【図５】高電圧発生装置を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、昇圧回路が設けられた基板が複数積層配置された高電圧電源において、前記基板は円板状であって、当該円板の円中心を通過する直線を対称軸として、コッククロフト・ウォルトン回路（以下、ＣＷ回路と称する場合がある）を構成するコンデンサとダイオードが対称に配置される高電圧発生装置を説明する。具体的には、シールド板を用いずにノイズを低減する手段として、対称型ＣＷ回路を用いて面対称に回路部品を配置した構造とした。特に、以下の実施例では、真円、或いはそれに類する面を持つ円板状の基板の円の中心を、円板面に沿って仮想的な直線を引いたときに、当該直線を対称軸としてコンデンサやダイオード等のＣＷ回路を構成する複数の素子が対称に配置される回路基板とする例について説明する。また、電源については、トランス・ＣＷ昇圧回路・ＦＥ電源およびコネクター部をおおむね直線的に直列につないだ構成とする。例えば、下から上に向かって、トランス、ＣＷ回路基板、ＦＬ回路基板が積層配置されるような構成とした。ＣＷ昇圧回部に抵抗体のカバーを用いて電位分布を持たせることにより切れ目をなくした構造とした。
【００１２】
また、高電圧発生装置の本体内部形状を、電界強度を解析的に求めることのできる同心円筒形とする。電界強度の計算を容易かつ高信頼にして、環境負荷が非常に少なくメンテナンス性を損なわない空気又は窒素ガスにて絶縁性を確保できる構造とした。また、円筒状の抵抗体カバーを用いることによって、カバー内部の構造物への電界集中部とグランドレベルにあるケースとの放電の抑制が可能となる。
【００１３】
上述のような構成によれば、環境に配慮し、小型でありながら絶縁性を確保し、メンテナンス性も高い高電圧電源を提供することができる。
【００１４】
図１は高電圧発生装置の断面図である。密封ケース１の中に、数ｋＶに昇圧を行う高電圧トランス２、モジュラー化したＣＷ回路などを搭載した基板３、フィラメント電流回路や各種電極電源を加速電圧にフローティングする形で配置されたフローティング回路（ＦＬ回路）部４、昇圧回路部の抵抗体カバー５、フローティング回路部のカバー６、高電圧ケーブルを接続するためのレセプタクル７、ガス入出力部８、電気信号の入出力部９、絶縁光ファイバ入出部１０、コンデンサ１１、コンタクト１２が設置されている。
【００１５】
コンデンサ１１はＣＷ回路の一部であり、他にも多数の電気回路部品がある。図１は基板３が５段の例である。
【００１６】
密封ケース１、抵抗体カバー５は同心円筒形をしている。抵抗カバー５内を含めた密封ケース１内には気体の絶縁物質が充填されているが、環境負荷のほとんどない例としてドライ窒素ガスなどを充填する。抵抗体カバー５はＣＷ回路にて昇圧した電圧を上部に印加し、下部を電気的グランドと導通をとることによって電流を流す構造としている。また、抵抗体カバー５と基板３の各段と接する部分にコンタクト１２を設けて、抵抗体カバーの各段と接点部での電位を確定させている。
【００１７】
コンタクト１２は基板３にある電位が確定される金属部と抵抗体カバー５をケーブルなどでつなぐ形も可能であるし、基板３の外周と抵抗体カバー５が電気的に接するように隙間を空けない構造とするゴムなどでもよい。ここでゴムは絶縁体としてではなく、有限の抵抗をもった抵抗体として用いる。もしくは、抵抗体カバー５を流れる電流によって滑らかに電位分布が形成される場合は、コンタクト１２を省略することも可能である。
【００１８】
抵抗体カバーは樹脂やセラミックなどの高抵抗体であるが、上記のように電流を流すことによって電位を均一に分布させ、電界集中部分が発生しないようにしている。流す電流の値は電源の能力にもよるが、適度な電流が流れるように抵抗体カバーの材質を変えるか、抵抗値の異なる材質にてカバーをコーティングすることによってカバーの抵抗値を最適化する。
【００１９】
カバー６内部のＦＬ回路部４は、ＣＷ回路の出力電圧にフローティングされた回路であるので、カバー６内部は電位差が小さい。このため、カバー６は抵抗体でも良いし、金属などの導体でも良い。さらには、カバー５と６は別のものとしたが、例えばカバー５と６を一体化した形状の抵抗体カバーを作成し、カバー６に当たる部分の表面に導電性塗料を塗布しても電気的には同等とできる。さらに、カバー表面の微小突起によるフィールドエミッションによる絶縁破壊モードを低減するために、金属又は導電性塗料の表面に抵抗値の大きい塗料でコーティングをすると絶縁耐性向上に効果的である。
【００２０】
次に回路素子配置の実施例を、図２を用いて説明する。図２は基板３である。コンデンサ１１、ダイオード１３、フィルタ抵抗１４、コンデンサ１５、分割抵抗１６、ダミー抵抗１７、絶縁電力伝送トランス用穴１８、光ファイバ用穴１９から構成されている。コンデンサ１１は図１のコンデンサ１１に対応する。図２のように部品は断面ａａに対して面体対称に配置されている。対称型ＣＷ回路を構成可能な配置になっており、その対称型ＣＷ回路の回路的な対称面と断面ａａを一致させることによって浮遊容量由来のノイズを低減する構造としている。ここで、抵抗１６のように部品実装上断面ａａに対して面対称に配置できない場合は、ダミー抵抗１７を配置して、浮遊容量としての対称性を理想型に近づけてノイズの低減を図る構成としている。さらに、この基板３を積み上げていく際は、抵抗１６とダミー抵抗１７の位置を交互に入れ替える構造として、全体的な対称性を保つ。換言すれば、真円の円形基板の円中心を通過する仮想直線を対称軸とし、当該対象軸を中心して対称に複数の素子が配置されている。
【００２１】
次の実施例として、ＣＷ昇圧回路部を構成する基板３と抵抗体カバー５の半径を、電圧が高い部分で小さくする例を、図３を用いて示す。電圧を昇圧するにしたがって密封ケース１との間の電界強度が強まり、絶縁破壊の可能性が高くなるが、電圧がある程度より高くなる場合に基板３の半径を小さくし、抵抗体カバー５の半径を滑らかに小さくすることによって、密封ケース１との距離を保ち、電界強度の緩和を行う。即ち、高さ（重力場の向かう方向）の変化に従って、半径を変化させる。
【００２２】
この場合に、基板３の半径を小さくするので、１枚の基板に収めていた電気回路を２枚の基板に分けるなどの工夫を行う。
【００２３】
以上、本実施例によれば、環境に配慮し、小型でありながら絶縁性を確保し、メンテナンス性も高い高電圧電源を提供することができる。
【００２４】
図５は、荷電粒子線装置５０１のビームを加速させるための加速電源として上述の高電圧発生装置を適用した例を示す図である。ＣＷ回路を含む高電圧発生装置５０１は、加速管５０４に電子源５０２からウェーネルト電極５０３によって引き出された電子ビーム５０５を加速させる加速筒５０４の加速電圧として、当該加速筒５０４に印加される。電子ビーム５０５は、コンデンサレンズ５０６によって収束され、走査偏向器５０７によって走査されて、試料５０９に到達する。試料５０９に到達する電子ビーム５０５は対物レンズ５０８によって集束された上で試料５０９に照射される。
【００２５】
試料５０９から放出された電子等は、検出器５１０によって捕捉され、図示しない画像形成装置によって画像化される。上記高電圧発生装置は、図５に例示するような走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）以外に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、或いは試料にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置のような他の荷電粒子線装置への適用が可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１  密封ケース
２  高電圧トランス
３  基板
４  ＦＬ回路部
５  抵抗体カバー
６  ＦＬ回路部のカバー
７  レセプタクル
８  ガス入出力部
９  電気信号の入出力部
１０  光ファイバ入出部
１１  コンデンサ
１２  コンタクト
１３  ダイオード
１４  フィルタ抵抗
１５  コンデンサ
１６  分割抵抗
１７  ダミー抵抗
１８  絶縁電力伝送トランス用穴
１９  光ファイバ用穴
【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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