(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に電子線源を有し多段に電極を直列配置して下部から排気する加速管の真空圧力を演算し表示する電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置であって、
前記排気系で圧力を測定する圧力測定手段と、
前記電子線源がオンかオフかに応じた所定の係数を用いて前記圧力測定手段により測定した圧力から前記加速管内の圧力を算出する圧力演算手段と、
前記圧力演算手段により算出された圧力を表示する表示手段と
を備え、前記排気系で圧力を測定して前記加速管内の圧力を表示するように構成したことを特徴とする電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置。
【請求項２】
前記圧力演算手段は、前記加速管内の圧力として前記頂部の圧力を算出することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置。
【請求項３】
前記圧力測定手段は、スパッタイオンポンプのポンプ電流より圧力を測定するものであることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置。
【請求項４】
前記圧力測定手段は、排気管に取り付けられた真空ゲージの指示圧力を測定するものであることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、頂部に電子線源を有し多段に電極を直列配置して下部から排気する加速管の真空圧力を演算し表示する電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は電子顕微鏡の多段加速管の構成概要を示す図であり、１１は電子線源、１２は電極、１３は緻密質アルミナ碍子、１４は接続端子、１５は中心軸を示す。電子顕微鏡の多段加速管の電極は、１例として図５に示すように、頂部に電子線源１１が配置され、その下方に多段に緻密質アルミナ碍子１３にステンレス鋼製電極１２がロウ付けされて構成され、各段の電極１２の構成は同一になっている。そして、電極１２には、電子線が加速されて通過するように中心軸１５上に開口がある。このように多段加速管では、電極１２が多段に直列につながっている。通常、１段当たりの電極／インシュレータユニットの耐電圧は約４０ｋＶであり、例えば２００ｋＶ加速管では５段の電極系が、１０００ｋＶ加速管では約３０段の電極系が用いられる。
【０００３】
上記のような多段加速管を有する電子顕微鏡においては、真空ゲージを電子線源１１を配置した加速管頂部に取り付けることができないため、加速管頂部の圧力測定はできなかった。そこで、実際には、▲１▼加速管を排気するイオンポンプの指示圧力を目安として用いたり、▲２▼加速管用排気管部に真空ゲージを取り付け、その計測値を加速管部圧力として用いたりしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、加速管を排気するイオンポンプの指示圧力を目安として用いる▲１▼の方式では、多数段の加速管電極と碍子を有する高電圧電子顕微鏡の場合に、加速管頂部において、ＷフィラメントエミッターやＬａＢ6 エミッターを加熱して使用する真空条件が達成されているかが電子顕微鏡ユーザに不明であった。その結果、加速管頂部の圧力が十分に低くなっていない時点でエミッターを点火したりして、エミッターの寿命を短くする不都合があった。特に、（ａ）エミッターを点火して脱ガスエージング処理をしているときや、（ｂ）電子線を引き出している時の頂部の圧力が不明であり、ＷフィラメントエミッターやＬａＢ6 エミッターの寿命を短くしていた。また、加速管用排気管部に真空ゲージを取り付ける▲２▼の方式でも、多段加速管頂部の圧力が不明であるため、▲１▼の方式と状況は同じであった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、イオンポンプ指示圧力等から直接測定できない加速管内の圧力を計算し表示できるようにするものである。
【０００６】
そのために本発明は、頂部に電子線源を有し多段に電極を直列配置して下部から排気する加速管の真空圧力を演算し表示する電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置であって、前記排気系で圧力を測定する圧力測定手段と、前記電子線源がオンかオフかに応じた所定の係数を用いて前記圧力測定手段により測定した圧力から前記加速管内の圧力を算出する圧力演算手段と、前記圧力演算手段により算出された圧力を表示する表示手段とを備え、前記排気系で圧力を測定して前記加速管内の圧力を表示するように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記圧力演算手段は、前記加速管内の圧力として前記頂部の圧力を算出し、前記圧力測定手段は、スパッタイオンポンプのポンプ電流より圧力や排気管に取り付けられた真空ゲージの指示圧力を測定するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置の実施の形態を示す図、図２は圧力演算表示制御部による圧力の演算・表示制御処理を説明するための図である。図１中、１は圧力ゲージ、２は電子線源、３は圧力演算表示制御部、４は入力設定部、５は記憶部、６は圧力表示部を示す。
【０００９】
図１において、圧力ゲージ１は、例えば加速管を排気しているスパッターイオンポンプＳＩＰのポンプ電流により圧力を計測するものであり、電子線源２は、フィラメントのオン／オフ信号を出力するものである。圧力演算表示制御部３は、圧力ゲージ１により計測された圧力、電子線源２のフィラメントのオン／オフ及び記憶部５に記憶された設定情報に基づき圧力の演算、表示制御を行うものであり、演算に必要なデータを記憶しておくのが記憶部５、演算した圧力の表示を行うディスプレイ等の表示手段が圧力表示部６である。入力設定部４は、記憶部５に記憶しておく演算に必要なデータの設定入力を行うキーボード等の入力手段である。
【００１０】
圧力演算表示制御部３では、圧力ゲージ１により計測される圧力ＰSIP をスパッターイオンポンプＳＩＰの排気口における圧力として適宜圧力表示部６に表示する。さらに、フィラメントがオフのときには、その指示圧力ＰSIP-OFF に所定の係数ｋ１を乗じて、その値（＝ＰSIP-OFF ×ｋ１）を加速管頂部の圧力ＰTOP-OFF として圧力表示部６に表示する。また、フィラメントがオンのときには、その指示圧力ＰSIP-ONとフィラメントがオフのときの指示圧力ＰSIP-OFF との差ΔＰに所定の係数ｋ２を乗じた値（＝ｋ２×ΔＰ）をフィラメントがオフのときの指示圧力ＰSIP-OFF に加算してその値（＝ＰSIP-OFF ＋ｋ２×ΔＰ）を加速管頂部の圧力ＰTOP-ONとして圧力表示部６に表示する。これら所定の係数ｋ１、ｋ２は、加速管の構造に依存し、入力設定部４よりユーザが設定することにより記憶部５に記憶されるものである。したがって、記憶部５には、少なくともこれら所定の係数ｋ１及びｋ２が記憶され、加えてフィラメントがオフのときの指示圧力ＰSIP-OFF が記憶される。
【００１１】
次に、圧力演算表示制御部３による圧力の演算・表示制御処理を説明する。この処理では、例えば図２に示すようにクロックにより所定のタイミングで起動されてまず、圧力ゲージ１からゲージ圧を読み込み（ステップＳ１１）、さらに電子線源２からその動作情報としてフィラメントのオン／オフ信号を読み込み（ステップＳ１２）、フィラメントがオフか否かを判定する（ステップＳ１３）。
【００１２】
ステップＳ１３の判定処理で、フィラメントがオフの場合には、スパッターイオンポンプＳＩＰの排気口における圧力ＰSIP-OFF として記憶部５に記憶して圧力表示部６に表示する（ステップＳ１４）。しかる後、フィラメントオフ時の加速管頂部の圧力ＰTOP-OFF の計算（ＰTOP-OFF ＝ＰSIP-OFF ×ｋ１）を行い（ステップＳ１５）、算出した加速管頂部の圧力ＰTOP-OFF を圧力表示部６に表示する（ステップＳ１６）。
【００１３】
また、ステップＳ１３の判定処理で、フィラメントがオフでない（オンの）場合には、スパッターイオンポンプＳＩＰの排気口における圧力ＰSIP-ONを圧力表示部６に表示する（ステップＳ１７）。しかる後、記憶部５からフィラメントがオフのときの指示圧力ＰSIP-OFF を読み出して圧力差ΔＰ（＝ＰSIP-ON−ＰSIP-OFF ）を求め（ステップＳ１８）、フィラメントオン時の加速管頂部の圧力ＰTOP-ONの計算（＝ＰSIP-OFF ＋ｋ２×ΔＰ）を行い（ステップＳ１９）、算出した加速管頂部の圧力ＰTOP-ONを圧力表示部６に表示する（ステップＳ２０）。
【００１４】
次に、本発明による圧力演算を行う係数ｋ１、ｋ２について説明する。図３は加速管真空系の等価真空回路を示す図、図４は図３に示す等価真空回路を分割した回路を示す図である。先に図５により説明した電子顕微鏡の多段加速管の電極系には以下の特徴がある。▲１▼各段の開口のコンダクタンスは同一である。▲２▼各段の電極／碍子のガス放出量は殆ど同じである。▲３▼各段において緻密質アルミナ碍子部のガス放出量は非常に小さく、ステンレス鋼製電極部のガス放出量に比べて無視できる。▲４▼加速管はステンレス鋼製導管を介してスパッターイオンポンプで排気されるが、ステンレス鋼製導管部の単位面積当たりのガス放出量はステンレス鋼製電極部の単位面積当たりのガス放出量とほぼ同じである。▲５▼加速管の頂部に、電子線源（フィラメントエミッターなど）があり、フィラメント点火時に付加的なガス放出を示す。電子線源は、Ｗフィラメントであったり、ＬａＢ6 エミッターであったり、最近ではフィールドエミッション（ＦＥ）エミッターである。
【００１５】
このような系における各位置の圧力は、以下の図３、図４に示す等価真空回路による解析からわかるように、フィラメントが点火されていないときの１点での測定圧力とフィラメントが点火されているときの１点の測定圧力から求めることができる。
【００１６】
真空回路による圧力分布解析を図３に示すモデルを用いて説明すると、以下のようになる。図３に示す５段の電極／碍子をもつ加速管の高真空系の等価真空回路において、電極開孔の流れ抵抗０．０２ｓ／ｌは開孔のコンダクタンス５０ｌ／ｓの逆数、０．００５ｓ／ｌの流れ抵抗は排気管の流れコンダクタンス２００ｌ／ｓの逆数、０．００６７ｓ／ｌの流れ抵抗は真空ポンプの排気速度１５０ｌ／ｓの逆数である。排気管部のガス負荷は、電極１段のガス放出量ＱELECの１５倍の放出ガス量（１５×ＱELEC）に設定されている。この等価真空回路は、図４（Ａ）、（Ｂ）の２つの回路が重畳されたものと考えることができる。
【００１７】
ステンレス鋼とアルミナ絶縁体からなる各段の電極系のガス放出量ＱELECは、排気条件などにより時々刻々異なったガス放出量を示すが、各段のＱELECは等しい、と仮定できる。緻密質アルミナ碍子のガス放出量はステンレス鋼と比較して十分小さいので、各段の電極系のガス放出量は、ステンレス鋼の表面で支配されていると考えることができる。排気管部は、ステンレス鋼のパイプと銅ガスケットからなるが、ステンレス鋼表面がほとんどである。排気管部のガス放出量は、電極１段のステンレス鋼表面積の１５倍あるので、パイプのガス放出量を１５×ＱELECと設定している。ここでは、ＱELECそして頂部のガス放出量ＱTOP が未知のパラメータとなる。
【００１８】
そこで、はじめに、フィラメントエミッターがオフの場合について考察する。この場合には、図４（Ａ）に示す回路のようにＱTOP は無視でき、真空回路に含まれている未知パラメータはＱELECのみとなるので、各位置の圧力Ｐ0 、Ｐ1 、……、Ｐ6 は全てＱELECの値に定数を乗じた値になる。したがって、例えばＰ0 を基準にした圧力比（Ｐ1 ／Ｐ0 ）、（Ｐ2 ／Ｐ1 ）、……、（Ｐ6 ／Ｐ0 ）は全て定数になる。図４（Ａ）におけるこれらの比は、電子回路解析により以下のように求められる。
【００１９】
〔数１〕
（Ｐ3 ／Ｐ0 ）＝４．１４／１．３４≒３．１
（Ｐ6 ／Ｐ0 ）＝５．３４／１．３４≒４．０
したがって、Ｐ0-OFF ＝ＰPUMP-OFFが測定されると、加速管中央部（３段目）と加速管頂部（６段目）の圧力は以下のように求められる。
【００２０】
〔数２〕
ＰCENTER-OFF＝３．１×Ｐ0-OFF 
ＰTOP-OFF ＝４．０×Ｐ0-OFF 
次に、フィラメントエミッターがオン、あるいはエミッターから電子を引き出している場合について考察する。この場合、フィラメントを点火することによって頂部でＱTOP が発生し、その結果、Ｐ0-ON＝ＰPUMP-ON の圧力がΔＰ0 上昇したとすると、図４（Ｂ）からわかるように、頂部の圧力の上昇分ΔＰTOP-ONは、直列抵抗による分圧比から、
【００２１】
〔数３〕
ΔＰTOP-ON＝１７×ΔＰ0-ON
と求められる。したがって、頂部の圧力は、
【００２２】
〔数４〕
ＰTOP-ON＝ＰTOP-OFF ＋ΔＰTOP-ON＝４．０×Ｐ0-OFF ＋１７×ΔＰ0-ONと求められる。なお、〔数３〕でΔＰTOP-ONを求める場合、フィラメントがオンになった後に時々刻々測定されるＰ0-ONの測定値とフィラメントをオンにする直前のＰ0-OFF の測定圧力との差をΔＰTOP-ONとしている。すなわち、
【００２３】
〔数５〕
ΔＰTOP-ON＝Ｐ0-ON−Ｐ0-OFF 
したがって、長時間フィラメントをオンにしていると、時間経過のために〔数４〕による算出圧力の誤差が大きくなる。そして、条件によって〔数５〕によるΔＰ0 が負値となることもある。しかしながら現実には、電子顕微鏡において観察時以外はフィラメントをオフにし、また、フィールドエミッションエミッターの場合には、エミッションの引出しを停止する。そのため、Ｐ0-OFF の取込み値は、十分な頻度で更新される。また、〔数５〕によるΔＰ0 が負値になる場合も、実際に圧力が低下しているのであるから、〔数４〕に基づいてＰTOP-ONを求めることが合理的である。
【００２４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、加速管を排気しているスパッターイオンポンプＳＩＰのポンプ電流による指示圧力を用いたが、排気管部にＢ−Ａゲージなどの高真空ゲージを取り付けて、その真空ゲージの指示圧力ＰG を使用し、これをＰSIP の代わりに用いても同様の頂部圧力表示システムが構築できることはいうまでもない。また、測定したゲージ圧を表示した後、頂部圧力を演算して表示したが、ゲージ圧は測定しなくてもよいし、頂部圧力の演算では、ルックアップテーブルのような演算テーブルを用いて、測定された圧力に基づき演算テーブルから演算された頂部圧力を読み出すようにしてもよい。さらに、同様にして加速管の各部の圧力を求め、加速管の圧力分布を表示してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、頂部に電子線源を有し多段に電極を直列配置して下部から排気する加速管の真空圧力を演算し表示する電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置であって、排気系で圧力を測定する圧力測定手段と、電子線源がオンかオフかに応じた所定の係数を用いて圧力測定手段により測定した圧力から加速管内の圧力を算出する圧力演算手段と、圧力演算手段により算出された圧力を表示する表示手段とを備え、排気系で圧力を測定して加速管内の圧力を表示するので、直接測定できない加速管内の圧力を排気系の測定圧力から正確に求めて表示することができる。
【００２６】
また、圧力演算手段は、加速管内の圧力として頂部の圧力を算出し、圧力測定手段は、スパッタイオンポンプのポンプ電流より圧力や排気管に取り付けられた真空ゲージの指示圧力を測定するので、フィラメントオフ時の加速管頂部の圧力を表示することができ、加速管に高電圧を印加するタイミングを誤ることがなくなり、真空圧力が原因となる高電圧放電を防止することができる。さらに、フィラメントオン後の頂部の圧力を表示することができ、その表示圧力から直接頂部の正確な圧力を知りフィラメントの点火を中断させることができるので、エミッター寿命を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電子顕微鏡加速管の真空圧力表示装置の実施の形態を示す図である。
【図２】  圧力演算表示制御部による圧力の演算・表示制御処理を説明するための図である。
【図３】  加速管真空系の等価真空回路を示す図である。
【図４】  図３に示す等価真空回路を分割した回路を示す図である。
【図５】  電子顕微鏡の多段加速管の構成概要を示す図である。
【符号の説明】
１…圧力ゲージ、２…電子線源、３…圧力演算表示制御部、４…入力設定部、５…記憶部、６…圧力表示部
【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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