(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出する陰極(1) と、この陰極(1) からの放出電子流を制御する制御電極(2) と、陽極(3) と、前記陽極(3) と前記陰極(1) との間に配設された高電圧源(4) と、トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)と抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)との並列回路とを備え、前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のエミッタ又はドレイン及び前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の一端を前記陰極(1) と同電位に接続するとともに前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のコレクタ又はソース及び前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の他端を前記制御電極(2) と同電位に接続して電子流の電子制御回路が構成され、かつ前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)への電圧供給が前記陰極(1) と制御電極(2) との間の電位差によって行われ、その電位差が放出電子流に起因して前記抵抗器(6a, 6b, 6c)及び前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)における電圧降下によって発生するよう構成されている、電子源において、前記放出電子流を制御する方法であって、
前記高電圧源(4)の陽極（３）側に直列に接続した測定抵抗器(5)によって前記放出電子流の測定信号を発生させ、その測定信号に基づき低電圧電位側で生成された制御信号を、前記高電圧源(4) の高電圧電位側にある前記電子制御回路に光学的に供給する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記制御信号は前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のベース又はゲートに光ファイバ(17)又は光導波路を介して供給される請求項１記載の方法。
【請求項３】
電子を放出する陰極(1) と、この陰極(1)からの放出電子流を制御する制御電極(2)と、陽極(3)と、前記陽極(3)と前記陰極(1)との間にあって、測定抵抗器(5)が直列に接続された高電圧源(4)と、トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c) と抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)との並列回路とを備え、
前記並列回路は前記高電圧源(4)の高電圧電位側にあり、前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のエミッタ又はドレインおよび前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の一端を前記陰極(1)と同電位に接続するとともに前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のコレクタ又はソースおよび前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の他端を前記制御電極(2)と同電位に接続して電子流の電子制御回路が構成され、
前記測定抵抗器(5)を前記高電圧源(4)の陽極（３）側に直列に配設して前記放出電子流の測定信号を低電圧電位側で発生させ、その測定信号に基づき低電圧電位側で生成された制御信号を、高電圧電位側の前記電子制御回路に光学的に供給し、
前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)への電圧供給が、前記陰極(1)と制御電極(2)との間の電位差によって行われ、その電位差は前記放出電子流に起因して前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)および前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)における電圧降下によって発生することを特徴とする電子源。
【請求項４】
前記電子制御回路は、トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7a, 7b, 7c)と、抵抗器(6a, 6b, 6c)とから成る並列回路を複数直列に接続した構成を有しており、一端側にある並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のエミッタ又はドレイン及びその一端側の抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の一端を前記電子を放出する陰極(1) と同電位に接続するとともに他端側にある並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のコレクタ又はソース及びその他端側の抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の他端を前記制御電極(2) と同電位に接続した構成を有した請求項３記載の電子源。
【請求項５】
前記制御信号を光学的に伝送するために、光ファイバ(17)又は光導波路が設けられている請求項３から４のいずれか１項に記載の電子源。
【請求項６】
前記制御信号を光学的に伝送するため、前記測定信号を発生する前記測定抵抗器(5)を有する回路は光源(16)を有し且つ前記電子制御回路はトランジスタのベース回路又は電界効果トランジスタのゲート回路の中に光検出器(13)を有する請求項３から５のいずれか１項に記載の電子源。
【請求項７】
電子放出陰極(1)と、
この電子放出陰極(1)の放出電子流を制御する制御電極(2)と、
陽極(3)と、
前記陽極と電子放出陰極との間に接続された高電圧源(4)と、
前記電子放出陰極と制御電極との間の高電圧回路側にあって、トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)と抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)とを有する並列回路を備え、前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のエミッタ又はドレイン及び前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の一端を前記電子放出陰極(1) と同電位に接続するとともに前記並列回路のトランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のコレクタ又はソース及び前記抵抗器(6; 6a, 6b, 6c)の他端を前記制御電極(2) と同電位に接続した構成を有し、前記制御電極と電子放出陰極との電位差を前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のベース又はゲートに付与する制御信号によって調整可能である回路と、
前記高電圧源(4)と陽極(3)との間の測定抵抗器(5)と、
この測定抵抗器(5)で測定された放出電流を基準量と比較する調整器と、
該調整器(15)の出力側にある発光素子(16)と、
前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)のベース回路又はゲート回路にある感光素子(13)と、
前記発光素子(16)から放出された光を前記感光素子(13)へ伝送する光ファイバ又は光導波管とを有し、
前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)への電圧供給は、前記電子放出陰極(1)と制御電極(2)との間の電位差によって行われ、その電位差は放出電子流に起因して前記抵抗器(6a, 6b, 6c)及び前記トランジスタ又は電界効果トランジスタ(7; 7a, 7b, 7c)によって降下する電圧により発生する
ことを特徴とする電子源。
【請求項８】
請求項３から７のいずれか１項に記載の電子源を有する電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧電位にある電子源の放出電流を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡で使用されている電子源は原則としてトライオード構造を有する。そのようなトライオード構造は３つの電極、すなわち、電子を放出する陰極と、電子流を制御する制御電極と、放出された電子が加速されて行く陽極と、から構成されている。通常、陰極と制御電極はラスタ電子顕微鏡の場合は１０〜３０ｋＶ、透過電子顕微鏡の場合には８０〜３００ｋＶの高電圧電位になる。制御電極は、陰極と陽極との間の加速電圧及び陰極の加熱電流とは関係なく、電子流を制御する働きをする。陰極と制御電圧は通常は高い負電位にあり、陽極は接地電位にあって、電子顕微鏡で検査すべきプレパラートも同様に接地電位に置くことができるようになっている。この場合、制御電極の電位は陰極の電位より幾分大きい。従って、通常、陰極と制御電極は高電圧源の負の高電圧出力端子に接続されている。
【０００３】
放出電流の制御方法の１つは、制御電極と陰極との間の高電圧回路に調整可能な抵抗器を設けるというものである。陰極から放出された電子流は、高電圧制御の帰還抵抗による帰還電流と共にこの制御抵抗器における電圧降下を発生させ、その結果、分圧器回路という意味合いをもって陰極と、制御電極との電圧差が発生する。抵抗を変えることにより、放出電流も変化する。放出電流を所定の目標値と比較するために、放出電流を高電圧源の低電圧側で測定抵抗器を介して測定し、それを目標値と比較することも既に知られている。そのような放出電流制御は、たとえば、ＪＯＥＬ社の商品名「ＪＥＭ−１２００ＥＸ」をもつ電子顕微鏡から知られている。
【０００４】
この構造では、低電圧電位で発生した制御信号を高電圧電位側の可変抵抗器へ伝送しなければならないことが欠点である。そのため、調整可能な抵抗器の駆動モータと、調整可能な抵抗器それ自体とを高電圧絶縁する必要がある。特に１００ｋＶを越える高電圧の場合には、非常に長い絶縁経路が必要であるので、電子源をコンパクトな構造にする妨げとなる。
【０００５】
さらに、米国特許第５、１８５、５５９号及び欧州特許第０１５９２１４号からは、放出電流を制御するためのトランジスタ回路が知られている。この場合、放出電流の測定は高電圧電位で行われ、制御電極と陰極との電圧差を発生させるために、高電圧電位の調整可能な追加の電圧源が必要である。それらの電圧源のエネルギー供給のためには、いわゆる絶縁変圧器が必要である。１００ｋＶを越える高電圧の場合に絶縁変圧器が非常に高価になるということを別として、このような構造における問題は、実際の放出電流を目標放出電流と比較するために、低電圧電位の形態をとる関連基準量を高電圧電位にある制御回路へ伝送しなければならないということである。この点に関して、欧州特許第０１５９２１４号においては、制御回路の一部を高電圧源の低電圧側に設け、この制御回路の信号をガラス繊維を介して光学的に高電圧側制御回路に供給することが既に提案されている。ところが、この構造でも、グリッド電圧を発生するために絶縁変圧器が必要である。
【０００６】
また、米国特許第５、３５７、１７２号からは、電界放出ディスプレイにおいて低電圧電位の電界効果トランジスタによって放出電流を制御することが知られている。総じて、この場合、１００ボルト未満のごく低い電圧を適用すべきであることを別として、放出電流の制御は、陰極と陽極との電位差を変化させることによって実行される。しかしながら、この種の制御を、たとえば、電子顕微鏡のように規定された電子エネルギーが望まれる用途に利用することは考慮されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子的、機械的な負担がわずかで済み且つ適切な放出電流制御を伴うコンパクトな構成の電子源を可能にするような、高電圧電位にある電子源の放出電流を制御する方法を提供することである。本発明の別の目的は、適切に単純な放出電流制御を伴う電子源を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する方法並びに請求項３及び１０の特徴を有する電子源によって達成される。本発明の有利な構成は従属特許請求の範囲の特徴から明白である。
【０００９】
本発明による方法においては、放出電流の測定信号を高電圧源の低電圧側で発生させ、その測定信号に基づいて発生された調整信号を光学的手段により高電圧電位の調整手段に供給する。この場合、調整信号の光学的供給は光ファイバ又は光導波管によって実行可能である。
【００１０】
それに相応して、本発明による電子源は電子を放出する陰極と、制御電極と、陽極と、陰極と陽極との間の高電圧源とを有する。高電圧源の高電圧回路側には電子流の電子制御回路が設けられ、高電圧源の低電圧回路側には、電子流を測定し、その測定信号から制御信号を発生する回路が設けられている。低電圧回路側から高電圧回路側への制御信号の伝送は電気絶縁光導波路又は電気絶縁光ファイバを介して光学的に行われる。
【００１１】
電子流の測定を低電圧電位で行うことによって、絶縁のための負担なく、測定信号を目標値を提示する低電圧電位の基準量と比較することが可能になる。
【００１２】
高電圧回路側にある電子制御回路は、陰極と制御回路との間に接続された、トランジスタ又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、抵抗器の並列回路から構成されていると有利である。このため、陰極と制御電極との電位差は、冒頭に述べた従来の技術においては調整抵抗器により発生されていたように、いわゆる分圧器回路で発生する。従って、制御電極と陰極との電位差を発生するために、高電圧電位へ絶縁変圧器を介してエネルギー供給が行われるような追加の電圧源は必要ない。全ての能動電子素子、すなわち、トランジスタ又は電界効果トランジスタは高電圧回路の中に配置されており、また、それらの素子への給電のための追加電源は設けられていないので、高電圧フラッシュオーバの場合でも、構造全体は高い動作信頼性を示す。
【００１３】
従来のトランジスタを選択するか、電界効果トランジスタを選択するかは、放出電流の大きさによって決まる。放出電流が大きいときは従来の半導体トランジスタを使用できるが、放出電流が１ｍＡ未満と小さい電子顕微鏡においては、入力エネルギーの小さい電界効果トランジスタを選ぶべきである。
【００１４】
有利な一実施態様では、制御信号を発生する回路は発光ダイオードを有し、電子制御回路は、トランジスタのベース回路又は電界効果トランジスタのゲート回路に、フォトダイオード又はフォトトランジスタを有する。発光ダイオードから発射された光は光ファイバ又は導波路に入射し、光ファイバ又は導波路から射出した光はフォトダイオード又はフォトトランジスタを介して、トランジスタのベース回路又は電界効果トランジスタのゲート回路の電圧を制御し、その結果、トランジスタ又は電界効果トランジスタに、量の多少はあっても、電流が流れ、そのため、トランジスタ又は電界効果トランジスタのコレクタ−エミッタ回路又はドレイン−ソース回路の電圧降下が変化する。
【００１５】
電子流を測定するために、高電圧源と陽極との間に簡単な測定抵抗器を設けることができ、測定抵抗器を経て降下する電圧を測定増幅器によって検出する。
【００１６】
陽極と制御電極との電位差の最大限の大きさをどの程度にすべきであるか及びそれに対応して電子流の制御範囲をどのような大きさにするかに従って、トランジスタ又は電界効果トランジスタと、抵抗器とから成る複数の並列回路を陰極と、陽極との間に直列に設けることが有利である。
以下に、本発明の個々の点を図に示されている実施形態に基づいてさらに詳細に説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１の実施形態において、１は電子放出陰極を示し、２は制御電極（ウェーネル電極）を示し、３は陽極を示す。陽極３は、電子顕微鏡の電子源で通常見られるように、接地されている。陰極１と、制御電極、すなわち、ウェーネル電極２は、調整自在の高電圧源４の負極４ｎに接続している。高電圧源４の正極４ｐは測定抵抗器５を介して接地されるか、あるいは測定抵抗器５を介して別の経路をとって陽極３と接続されるかのいずれかである。
陰極１は帰還抵抗器１９を介して高電圧源４の調整部にさらに接続している。これにより、陰極電位ＵK は一定の値に調整される。
【００１８】
ウェーネル電極２は前置抵抗器なしに高電圧源４の負極４ｎに接続し、陰極１は抵抗器６と、電界効果トランジスタ７のドレイン−ソース回路とから成る並列回路を介して高電圧源４の負極４ｎと接続している。
【００１９】
図示されている実施形態においては、陰極からの射出動作は陰極の加熱により減少する。そこで問題となるのは熱放出又は熱電界放出である。陰極１を加熱するために、高電圧に絶縁変圧器８を介してさらに加熱電圧を重畳する。加熱電圧の変動は、その変動が陰極電位ＵK に影響を及ぼさないように、対称抵抗器９及び１０によって抑制される。言うまでもなく熱電子源又は熱電界放出源の場合にのみ必要であるこの絶縁変圧器８の他には、図１に示す放出電流の制御のために付加的な電圧源は全く不要である。電界効果トランジスタ７の全ての端子が電圧源を間に挟まずに高電圧回路側に接続されているためである。この場合、電界効果トランジスタ７のドレイン端子は直接に陰極電位ＵK にあり、電界効果トランジスタ７のソース端子は、同時に高電圧源４の出力電圧Ｕb にも対応するウェーネル電極２の電位を直接に有する。同様に、電界効果トランジスタ７のゲート端子は高電圧回路側、しかも、同様に陰極１とウェーネル電極２との間に接続されている抵抗器１１及びフォトトランジスタ１３から成る分圧回路に接続されている。フォトトランジスタ１３と並列にフォトトランジスタ１３を保護する働きをするツェナーダイオード１２がさらに設けられている。
【００２０】
放出電流を測定するために、高電圧源４の正極４ｐと接地端子との間の測定抵抗器５で降下する電圧を測定抵抗器の両端で測定し、測定増幅器１４の２つの入力端子に供給する。その後、測定増幅器１４の出力は次に接続された調整器１５の一方の入力端子に供給される。この調整器１５の第２の入力端子には、目標電流に対応する基準量が供給され、調整器１５は基準量を測定増幅器１４の出力と比較する。調整器１５の出力端子に接続する発光ダイオード１６は、基準量と測定増幅器１４の出力との差に対応する光信号を発生し、その光信号はフォトトランジスタ１３の感光面に供給される。放出電流が目標値からどれほど大きくはずれているか、測定増幅器１４の出力信号が事前に設定された基準量にどれほど対応しているかに従って、発光ダイオード１６が発する光の量が決まる。それに従って、高電圧回路のフォトトランジスタ１３を流れる電圧の多少も決まり、その結果、再び抵抗器１１と、フォトトランジスタ１３とから成る分圧器回路によって、電界効果トランジスタ７のゲート回路を流れる電圧の多少が決まり、そのため、電界効果トランジスタ７の抵抗値に応じて、陰極１とウェーネル電極２との電位差ＵW は変化する。
【００２１】
図１に示す実施形態の場合、陰極１とウェーネル電極２との間で達成しうる最大の電位差は電界効果トランジスタ７の通過電圧によって制限され、約１ｋＶに達する。この電位差は、たとえば、高電圧ＵK が−１２０ｋＶであり、ゲート回路の抵抗器１１の抵抗が１２０Ｍオームであり且つ電界効果トランジスタ７と並列の抵抗器６の抵抗は２０Ｍオームであるときに得られる。陰極１とウェーネル電極２との電位差をさらに大きくする必要がある場合には、抵抗器６及びトランジスタ７から成る複数の並列回路を互いに直列に陰極１と、ウェーネル電極２との間に設けることができる。
【００２２】
図２に示す実施形態は図１の実施形態に非常に良く似ている。従って、図２において、図１と同じ素子は同じ図中符号によって指示されている。図１の実施形態との本質的な相違点は、図２に示す実施形態の場合には、陰極１とウェーネル電極２との間に３つの同一の抵抗器６ａ、６ｂ、６ｃが直列に接続されていることと、それら３つの抵抗器６ａ、６ｂ、６ｃと並列に３つの同じ電界効果トランジスタ７ａ、７ｂ、７ｃが互いに直列に接続されており、１つの電界効果トランジスタのドレイン端子は別の電界効果トランジスタのソース端子とそれぞれ接続していることである。さらに、電界効果トランジスタ７ａ、７ｂ、７ｃのゲート回路には、３つの同じ抵抗器１１ａ、１１ｂ、１１ｃが分圧器として設けられている。図１のソース−ドレイン間抵抗器６と、電界効果トランジスタ７と、ゲート−ドレイン間抵抗器１１とからそれぞれ構成されている３つの回路構造を互いに直列に接続することにより、図２に示す構成においては、陰極１とウェーネル電極２との電位差を３倍の大きさにすることができる。さらに大きな電位差が必要である場合には、抵抗器６、１１と、電界効果トランジスタ７とから成る別の並列回路を互いに直列に接続しても、全く問題はない。
【００２３】
図２には、図を明瞭にするために、一点鎖線により高電圧部分すなわち高電圧回路側（Ｂ）と、低電圧部分すなわち低電圧回路側（Ａ）とが記入されている。低電圧部分（Ａ）は通常接地電位にある。低電圧部分（Ａ）と、高電圧部分（Ｂ）との唯一の電気的接続は高電圧源４と、ウェーネル電極２と陽極３との間の電子の加速経路である。高電圧に対して接地電位へ発生される放出電流の制御信号は、電気的絶縁光ファイバ又は電気的絶縁光導波路１７を介して高電圧部分（Ｂ）に供給される。この場合、光ファイバ１７は低電圧部分（Ａ）と高電圧部分（Ｂ）との間の分離手段として作用する。放出電流の基準量は制御コンピュータからインタフェース（図示せず）を介し、低電圧部分（Ａ）にあるＡ／Ｄ変換器１８を介して供給される。
【００２４】
本発明による放出電流制御の重大な利点は、電子素子並びにガラス繊維１７が大量生産品であることと、絶縁調整器も、絶縁変圧器も不要であることである。これにより、高電圧が１００ｋＶを越える場合であっても、電子制御回路を２つの小さな白金板に配置でき、その一方は電子源の高電圧部分に配置され、第２の白金板は電子源の低電圧部分に配置されている。そのため、本発明においては、高い電圧の場合であってもコンパクトな構造が得られる。別の利点としては、陰極とウェーネル電極との電位差を様々な大きさに変化させることが必要になった場合でも、並列に接続される電界効果トランジスタ７と抵抗器６、１１の数を必要なウェーネル電圧に適合させるだけで良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の単純実施形態の回路図。
【図２】  陽極と陰極との電位差をさらに大きくするための本発明の第２の実施形態の回路図。
【符号の説明】
１…電子放出陰極、２…ウェーネル電極、３…陽極、４…高電圧源、５…測定抵抗器、６、６ａ、６ｂ、６ｃ…抵抗器、７、７ａ、７ｂ、７ｃ…電界効果トランジスタ、８…絶縁変圧器、１１…抵抗器、１２…ツェナーダイオード、１３…フォトトランジスタ、１４…測定増幅器、１５…調整器、１６…発光ダイオード、１７…光導波管（光ファイバ）、Ａ…低電圧部分、Ｂ…高電圧部分。
【図１】
0003782516.tif 000002
【図２】
0003782516.tif 000003