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JP7736627B2 - Electron gun, 3D additive manufacturing device and electron microscope - Google Patents

Electron gun, 3D additive manufacturing device and electron microscope

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JP7736627B2
JP7736627B2 JP2022082712A JP2022082712A JP7736627B2 JP 7736627 B2 JP7736627 B2 JP 7736627B2 JP 2022082712 A JP2022082712 A JP 2022082712A JP 2022082712 A JP2022082712 A JP 2022082712A JP 7736627 B2 JP7736627 B2 JP 7736627B2
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ion reflector
cathode
power supply
electron
voltage power
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崇 佐藤
淳 木村
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Jeol Ltd
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Description

本発明は、電子銃、3次元積層造形装置及び電子顕微鏡に関する。 The present invention relates to an electron gun, a three-dimensional additive manufacturing device, and an electron microscope.

熱電子等の電子源を光源とした電子顕微鏡装置や3次元積層造形装置には、電子ビームカラムが搭載されている。電子顕微鏡では、電子ビームを試料に照射し、試料の表面から発生する2次電子や透過電子から画像を得ている。3次元積層造形装置では、mAオーダーの電流をパウダーベッドに敷き詰められた金属粉末(粉末試料)に照射して、金属粉末を溶融した層を重ねることで造形物を造形している。 Electron microscopes and 3D additive manufacturing devices that use electron sources such as thermionic electrons as their light source are equipped with electron beam columns. In an electron microscope, an electron beam is irradiated onto a sample, and an image is obtained from the secondary electrons and transmitted electrons generated from the sample's surface. In a 3D additive manufacturing device, a current on the order of mA is irradiated onto metal powder (powder sample) spread across a powder bed, and an object is created by stacking layers of molten metal powder.

従来、電子ビームを出射する電子銃を用いた各種の装置においては、電子ビームの放出により、電子ビームの下部のチャンバー内の金属粉体や残留ガスがイオン化されるが、そのイオンのほとんどが正イオンである。これらの正イオンはカソードに衝突してイオンボンバードが発生し、イオンボンバードによりカソードが損傷する。そこで、イオンボンバードを防ぐ技術が開示されている(特許文献1を参照)。 In various conventional devices using electron guns that emit electron beams, the emission of the electron beam ionizes metal powder and residual gas in the chamber below the electron beam, with most of the ions being positive ions. These positive ions collide with the cathode, causing ion bombardment, which in turn damages the cathode. Therefore, technology to prevent ion bombardment has been disclosed (see Patent Document 1).

特許文献1に開示される技術では、正イオンの上昇を防止するため、イオンリフレクタ(アノード)にイオンリフレクタ用電圧電源で正電圧を印加する。正電圧が印加されたイオンリフレクタのポテンシャル障壁により、正イオンはイオンリフレクタより上に到達しない。 In the technology disclosed in Patent Document 1, a positive voltage is applied to the ion reflector (anode) by an ion reflector voltage power supply to prevent positive ions from rising. The potential barrier of the ion reflector to which a positive voltage is applied prevents positive ions from reaching above the ion reflector.

特開2021-61153号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-61153

ところで、電子銃では、カソードに負電位を印加する加速電圧電源による放電が起こったり、カソードから広がった電子ビームがイオンリフレクタ(アノード)に当たったりすることがある。この場合、加速電圧電源の放電、イオンリフレクタ(アノード)に当たった電子ビーム等により発生した電流がイオンリフレクタ用電圧電源に流れ込み、イオンリフレクタ用電圧電源が故障することが発生する。イオンリフレクタ用電圧電源を保護するため、流れ込む電流を遮断する保護回路を利用することがある。しかしながら、保護回路が遮断する電流が大きければ保護回路の構成が複雑になり、保護回路の設置面積が大きくなる問題がある。 In electron guns, discharges can occur due to the accelerating voltage power supply applying a negative potential to the cathode, or the electron beam spreading from the cathode can hit the ion reflector (anode). In these cases, current generated by the discharge of the accelerating voltage power supply or the electron beam hitting the ion reflector (anode) can flow into the ion reflector voltage power supply, causing the ion reflector voltage power supply to malfunction. To protect the ion reflector voltage power supply, a protection circuit is sometimes used to block the flowing current. However, if the current that the protection circuit blocks is large, the protection circuit configuration becomes complex, and the installation area for the protection circuit becomes large.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、イオンリフレクタ用電圧電源の保護回路を簡易化することである。 The present invention was made to solve the above problems, and its object is to simplify the protection circuit for the voltage power supply for the ion reflector.

本発明は、加熱されて熱電子を放出するカソードと、カソードの先端の中心軸に沿って第1開口が形成され、カソードより低い電位で印加される引出し電圧により、第1開口を通過する熱電子を集束するウェネルトと、中心軸に沿って第2開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソードから引き出した熱電子を電子ビームとして第2開口に通過させるイオンリフレクタと、イオンリフレクタにイオンリフレクタ電圧を印加するイオンリフレクタ用電圧電源と、イオンリフレクタに設置される放電装置とを備える。 The present invention comprises a cathode that emits thermoelectrons when heated; a Wehnelt having a first opening formed along the central axis of the tip of the cathode and focusing the thermoelectrons passing through the first opening by an extraction voltage applied at a potential lower than that of the cathode; an ion reflector having a second opening formed along the central axis and causing the thermoelectrons extracted from the cathode to pass through the second opening as an electron beam by an applied ion reflector voltage; an ion reflector voltage power supply that applies the ion reflector voltage to the ion reflector; and a discharge device installed in the ion reflector.

上記構成の本発明によれば、イオンリフレクタ用電圧電源の保護回路を簡易化することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention having the above configuration, the protection circuit for the voltage power supply for the ion reflector can be simplified.
Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of the embodiments.

従来の電子銃の構成例を示す拡大図である。FIG. 1 is an enlarged view showing an example of the configuration of a conventional electron gun. 電子顕微鏡の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an electron beam column of an electron microscope. 3次元積層造形装置の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of an electron beam column of a three-dimensional additive manufacturing apparatus. 電子銃の制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a control unit of the electron gun. 従来の電界放射型電子銃の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional field emission electron gun. 本発明の第1実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the configuration of a field emission electron gun according to a first embodiment of the present invention; 本発明の第1実施形態に係る電界放射型電子銃の効果を説明するための図である。5A and 5B are diagrams for explaining the effect of the field emission electron gun according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of a field emission electron gun according to a second embodiment of the present invention. 本発明の変形例に係る電界放射型電子銃の構成例を説明するための図である。10A and 10B are diagrams for explaining an example of the configuration of a field emission electron gun according to a modified example of the present invention.

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものである。以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this specification and drawings, components having substantially the same function or configuration are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

<従来の電子銃の構成例>
まず、従来の電子銃の構成例について、図1を参照して説明する。図1は、熱電子タイプの電子銃11の構成例を示す拡大図である。
<Example of a conventional electron gun configuration>
First, an example of the configuration of a conventional electron gun will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is an enlarged view showing an example of the configuration of a thermionic type electron gun 11.

電子銃11は、後述の図2に示す制御部10、及び、後述の図3に示す制御部30と同じ機能を有する制御部(図1では不図示)、カソード20、グリッド(ウェネルト)21及びアノード(イオンリフレクタ)22に加えて、ガンチャンバー51、真空引きパイプ52、ガイシ53,54、ライナーチューブ55、グリッド電圧電源(引出し電圧電源)23、加速電圧電源24、アノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)25及びカソード加熱用電源27を備える。 The electron gun 11 includes a control unit (not shown in FIG. 1) with the same functions as the control unit 10 shown in FIG. 2 and the control unit 30 shown in FIG. 3, as well as a cathode 20, a grid (Wehnelt) 21, and an anode (ion reflector) 22. In addition, the electron gun 11 also includes a gun chamber 51, a vacuum pipe 52, insulators 53 and 54, a liner tube 55, a grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 23, an acceleration voltage power supply 24, an anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 25, and a cathode heating power supply 27.

ガンチャンバー51は、カソード20、グリッド21及びアノード22を内部に備えて形成される。真空引きパイプ52は、ガンチャンバー51の一側面に取り付けられ、不図示の真空ポンプに接続される。真空ポンプが稼働すると、ガンチャンバー51内の空気が真空引きパイプ52を通って排出され、ガンチャンバー51内がほぼ真空状態となる。ただし、ガンチャンバー51内には、わずかなガスが残留する。 The gun chamber 51 is formed with a cathode 20, a grid 21, and an anode 22 inside. A vacuum pipe 52 is attached to one side of the gun chamber 51 and connected to a vacuum pump (not shown). When the vacuum pump is operated, the air inside the gun chamber 51 is exhausted through the vacuum pipe 52, creating a nearly vacuum state inside the gun chamber 51. However, a small amount of gas remains inside the gun chamber 51.

ガイシ53,54は、いずれも非導電材料で形成され、絶縁性を有する。ガイシ53には、カソード20に接続された2本の電流導入端子20a、グリッド21に接続された1本の電流導入端子21bが貫通され、カソード20とグリッド21がガンチャンバー51と接触しないように構成される。カソード20に接続された2本の電流導入端子20aは、それぞれガンチャンバー51の外部にある導線を通じてカソード加熱用電源27の正極又は負極に接続される。2本の電流導入端子20aにより通電されたPGヒータ20bは、カソード20を加熱する。グリッド21に接続された電流導入端子21bは、ガンチャンバー51の外部にある導線を通じてグリッド電圧電源23の負極に接続される。カソード20及びグリッド21には、加速電圧電源24により共通して負電圧が印加される。 The insulators 53 and 54 are both made of a non-conductive material and are insulating. Two current introduction terminals 20a connected to the cathode 20 and one current introduction terminal 21b connected to the grid 21 pass through the insulator 53, preventing the cathode 20 and grid 21 from coming into contact with the gun chamber 51. The two current introduction terminals 20a connected to the cathode 20 are connected to the positive and negative poles of the cathode heating power supply 27 via conductors outside the gun chamber 51. The PG heater 20b, energized by the two current introduction terminals 20a, heats the cathode 20. The current introduction terminal 21b connected to the grid 21 is connected to the negative pole of the grid voltage power supply 23 via conductors outside the gun chamber 51. A negative voltage is commonly applied to the cathode 20 and grid 21 by the acceleration voltage power supply 24.

ガイシ54は、アノード22がガンチャンバー51と接触しないように、アノード22を保持する。アノード22は、ガンチャンバー51内に入り込んだ導線を通じて外部のアノード電圧電源25の正極に接続される。 The insulator 54 holds the anode 22 so that it does not come into contact with the gun chamber 51. The anode 22 is connected to the positive terminal of the external anode voltage power supply 25 via a conductor that extends into the gun chamber 51.

ライナーチューブ55は、カソード20から放出される電子ビームB(後述する図2、図3を参照)の通路に設けられた筒である。ライナーチューブ55は、例えば、後述する図2に示すガンアライメント13、集束レンズ14及び対物レンズ15を備える電子光学系12を真空外に置くための真空隔壁として機能する。ライナーチューブ55は、例えば、基準電位(接地電位)に保たれている。そして、ライナーチューブ55とアノード22は、互いに接触していないため、アノード電圧電源25によりアノード22が正電位に保たれる。そして、カソード20から放出される電子ビームBは、ライナーチューブ55を通ってステージ16に載置された試料に照射される。 The liner tube 55 is a cylinder provided in the path of the electron beam B (see Figures 2 and 3 described below) emitted from the cathode 20. The liner tube 55 functions as a vacuum partition for placing the electron optical system 12, which includes the gun alignment 13, focusing lens 14, and objective lens 15 shown in Figure 2 described below, outside the vacuum. The liner tube 55 is maintained at, for example, a reference potential (ground potential). Since the liner tube 55 and the anode 22 are not in contact with each other, the anode 22 is maintained at a positive potential by the anode voltage power supply 25. The electron beam B emitted from the cathode 20 passes through the liner tube 55 and is irradiated onto the sample placed on the stage 16.

このように電子ビームカラムが構成されるため、ガンチャンバー51や電子ビームカラム内で発生した正イオンは、接地電位であるライナーチューブ55に引き付けられる。また、正イオンのエネルギーが最大でも100eV程度であるので、60V~1kV程度の正電圧がアノード22に印加されていると、ほとんどの正イオンがアノード22のポテンシャル障壁を越えられず、アノード22に取り込まれる。このため、アノード22より上にあるカソード20との加速電場に正イオンが到達しない。 Because the electron beam column is configured in this way, positive ions generated in the gun chamber 51 and the electron beam column are attracted to the liner tube 55, which is at ground potential. Furthermore, because the maximum energy of positive ions is approximately 100 eV, when a positive voltage of approximately 60 V to 1 kV is applied to the anode 22, most positive ions are unable to overcome the potential barrier of the anode 22 and are instead captured by the anode 22. As a result, positive ions do not reach the accelerating electric field with the cathode 20, which is located above the anode 22.

また、カソード20から広がって放出される電子ビームBの一部がアノード22に当たっても、アノード22から発生する2次電子が少なくなる。また、アノード22から発生した低いエネルギーの2次電子は、正電圧が印加されたアノード22に取り込まれ、アノード22の上方に放出されにくい。このためカソード20とアノード22との間に生成されるイオンの生成量が少なくなり、カソード20へのイオンボンバードが抑制できる。 In addition, even if part of the electron beam B emitted from the cathode 20 hits the anode 22, fewer secondary electrons are generated from the anode 22. Low-energy secondary electrons generated from the anode 22 are captured by the anode 22 to which a positive voltage is applied, and are less likely to be emitted above the anode 22. This reduces the amount of ions generated between the cathode 20 and anode 22, suppressing ion bombardment of the cathode 20.

<電子顕微鏡の構成例>
次に、電子顕微鏡の構成例について、図2を参照して説明する。図2は、電子顕微鏡1の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。電子顕微鏡1は、図1に示す電子銃11、電子光学系12及びステージ16を備える。また、電子光学系12は、ガンアライメント13、集束レンズ14及び対物レンズ15を備える。その他、図示していないが、電子顕微鏡1には、電子ビームBを走査する偏向コイルや非点補正するためのスティグマコイル等が構成されている。
<Configuration example of an electron microscope>
Next, an example of the configuration of an electron microscope will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an electron beam column of an electron microscope 1. The electron microscope 1 includes the electron gun 11, electron optical system 12, and stage 16 shown in Fig. 1. The electron optical system 12 also includes a gun alignment 13, a focusing lens 14, and an objective lens 15. Although not shown, the electron microscope 1 also includes a deflection coil for scanning the electron beam B, a stigma coil for astigmatism correction, and the like.

カソード20は、カソード加熱用電源27(図1を参照)がカソード20を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。 The cathode 20 is heated by the cathode current supplied by the cathode heating power supply 27 (see Figure 1) to heat the cathode 20, causing it to emit thermoelectrons.

グリッド21には、カソード20の先端の中心軸Cに沿って第1開口21aが形成される。そして、グリッド21は、カソード20より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第1開口21aを通過する熱電子を集束する。 A first opening 21a is formed in the grid 21 along the central axis C of the tip of the cathode 20. The grid 21 focuses the thermoelectrons passing through the first opening 21a by applying a grid voltage with a lower potential than the cathode 20.

アノード22には、中心軸Cに沿って第2開口22aが形成される。そして、アノード22は、アノード電圧電源25から印加されたアノード電圧により、カソード20から熱電子を引き出して、電子ビームBとして第2開口22aに通過させる。 A second opening 22a is formed in the anode 22 along the central axis C. The anode 22 extracts thermoelectrons from the cathode 20 using the anode voltage applied from the anode voltage power supply 25, and passes them through the second opening 22a as an electron beam B.

そして、制御部10は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源25からアノード22に印加させる。また、制御部10は、電子顕微鏡1におけるグリッド電圧電源(引出し電圧電源)23、加速電圧電源24、アノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)25、及び電子光学系12の動作を制御する。そして、電子光学系12は、ステージ16に載置された試料に対して電子ビームBを走査する。 The control unit 10 then applies a positive anode voltage from the anode voltage power supply 25 to the anode 22. The control unit 10 also controls the operation of the grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 23, acceleration voltage power supply 24, anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 25, and electron optical system 12 in the electron microscope 1. The electron optical system 12 then scans the electron beam B over the sample placed on the stage 16.

そこで、ガンアライメント13は、電子ビームBを集束レンズ14及び対物レンズ15のレンズ中心を通るように、装置内の機械的な軸ずれ等を補正する。集束レンズ14は、電子ビームBをクロスオーバーして、電子ビームBの照射範囲を規制する。電子顕微鏡1では、不図示のアパーチャで電子ビームBの形状や開き角を調整する。対物レンズ15は、試料に電子ビームBを集束させる。 The gun alignment 13 corrects mechanical axial misalignment within the device so that the electron beam B passes through the center of the focusing lens 14 and the objective lens 15. The focusing lens 14 crosses over the electron beam B to restrict the irradiation range of the electron beam B. In the electron microscope 1, an aperture (not shown) adjusts the shape and opening angle of the electron beam B. The objective lens 15 focuses the electron beam B on the sample.

カソード20から放出される熱電子の一部は、アノード22に当たることがある。アノード22に熱電子が当たると、アノード22から2次電子が発生する。2次電子の大半は約100eV以下のエネルギーを持っているので、その周辺の残留ガスが容易にイオン化して、そのイオンがカソード20に衝突するイオンボンバードが発生する。 Some of the thermions emitted from the cathode 20 may strike the anode 22. When the thermions strike the anode 22, secondary electrons are generated from the anode 22. Most of the secondary electrons have an energy of approximately 100 eV or less, so the residual gas in the vicinity is easily ionized, and these ions collide with the cathode 20, causing ion bombardment.

<3次元積層造形装置の構成例>
次に、従来の3次元積層造形装置の構成例について、図3を参照して説明する。図3は、3次元積層造形装置2の電子ビームカラムの構成例を示す概要図である。3次元積層造形装置2は、電子銃31、電子光学系32及び粉末供給系33を備える。粉末供給系33は、粉末試料をパウダーベッド37に敷き詰める。電子銃31は、電子ビームBを発生し、電子光学系32がパウダーベッド37に敷き詰められた粉末試料に対して電子ビームBを走査する。
<Configuration example of a 3D additive manufacturing device>
Next, an example of the configuration of a conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an electron beam column of a three-dimensional additive manufacturing apparatus 2. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 2 includes an electron gun 31, an electron optical system 32, and a powder supply system 33. The powder supply system 33 spreads a powder sample on a powder bed 37. The electron gun 31 generates an electron beam B, and the electron optical system 32 scans the electron beam B over the powder sample spread on the powder bed 37.

この電子銃31は、制御部30、カソード40、グリッド(ウェネルト)41、アノード(イオンリフレクタ)42、グリッド電圧電源(引出し電圧電源)43、加速電圧電源44及びアノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)45を備える。電子光学系32は、ガンアライメント34、集束レンズ35及び対物レンズ36を備える。粉末供給系33は、パウダーベッド37を備える。 The electron gun 31 includes a control unit 30, a cathode 40, a grid (Wehnelt) 41, an anode (ion reflector) 42, a grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 43, an acceleration voltage power supply 44, and an anode voltage power supply (voltage power supply for ion reflector) 45. The electron optical system 32 includes a gun alignment 34, a focusing lens 35, and an objective lens 36. The powder supply system 33 includes a powder bed 37.

カソード40は、カソード加熱用電源27(図1を参照)がカソード40を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。 The cathode 40 is heated by the cathode current supplied by the cathode heating power supply 27 (see Figure 1) to heat the cathode 40, causing it to emit thermoelectrons.

グリッド41には、カソード40の先端の中心軸Cに沿って第1開口41aが形成される。そして、グリッド41は、カソード40より低い電位で印加されるグリッド電圧により、第1開口41aを通過する熱電子を集束する。 A first opening 41a is formed in the grid 41 along the central axis C of the tip of the cathode 40. The grid 41 focuses the thermoelectrons passing through the first opening 41a by applying a grid voltage that is lower in potential than the cathode 40.

アノード42には、中心軸Cに沿って第2開口42aが形成される。そして、アノード42は、アノード電圧電源45から印加されたアノード電圧により、カソード40から引き出した熱電子を電子ビームBとして第2開口42aに通過させる。 A second opening 42a is formed in the anode 42 along the central axis C. The anode 42 then passes the thermoelectrons extracted from the cathode 40 as an electron beam B through the second opening 42a due to the anode voltage applied from the anode voltage power supply 45.

制御部30は、正電位としたアノード電圧をアノード電圧電源45からアノード42に印加させる。制御部30は、3次元積層造形装置2におけるグリッド電圧電源(引出し電圧電源)43、加速電圧電源44、アノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)45、及び電子光学系32及び粉末供給系33の動作を制御する。 The control unit 30 applies a positive anode voltage from the anode voltage power supply 45 to the anode 42. The control unit 30 controls the operation of the grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 43, acceleration voltage power supply 44, anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 45, electron optical system 32, and powder supply system 33 in the 3D additive manufacturing device 2.

グリッド電圧電源(引出し電圧電源)43は、カソード40より低い電位のグリッド電圧をグリッド41に印加し、熱電子をカソード40からグリッド41までに引き込む。加速電圧電源44は、カソード40及びグリッド41に共通して負電圧を印加し、カソード40から出された熱電子を加速する。アノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)45は、アノード42に正電圧を印加する。 The grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 43 applies a grid voltage to the grid 41 that is lower in potential than the cathode 40, drawing the thermoelectrons from the cathode 40 to the grid 41. The acceleration voltage power supply 44 applies a negative voltage to both the cathode 40 and the grid 41, accelerating the thermoelectrons emitted from the cathode 40. The anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 45 applies a positive voltage to the anode 42.

また、3次元積層造形装置2が備える電子銃31についても、図1に示した電子顕微鏡1が備える電子銃11と同様の構成である。このため、3次元積層造形装置2の電子銃31及び電子ビームカラムの構成例については、詳細な説明を省略する。 The electron gun 31 provided in the 3D additive manufacturing device 2 also has a configuration similar to the electron gun 11 provided in the electron microscope 1 shown in FIG. 1. Therefore, detailed explanations of exemplary configurations of the electron gun 31 and electron beam column of the 3D additive manufacturing device 2 will be omitted.

次に、図2に示す電子銃11の制御部10、及び、図3に示す電子銃31の制御部30のハードウェア構成例について、図4を参照して説明する。図4は、電子銃11及び電子銃31の制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。なお、電子銃11が備える制御部10は、電子銃31における制御部30と同様に動作するため、以下では、制御部30の構成を例として説明し、制御部10について重複説明を省略する。 Next, an example of the hardware configuration of the control unit 10 of the electron gun 11 shown in FIG. 2 and the control unit 30 of the electron gun 31 shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. 4. FIG. 4 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the control units of the electron gun 11 and electron gun 31. Note that the control unit 10 provided in the electron gun 11 operates in the same way as the control unit 30 in the electron gun 31, so the following description will use the configuration of the control unit 30 as an example, and redundant description of the control unit 10 will be omitted.

制御部30は、情報処理装置の一例となり、バス64にそれぞれ接続されたCPU(Central Processing Unit)61、ROM(Read Only Memory)62、RAM(Random Access Memory)63及びバス64を備える。さらに、制御部30は、表示装置65、入力装置66、不揮発性ストレージ67及びネットワークインターフェイス68を備える。 The control unit 30 is an example of an information processing device, and includes a CPU (Central Processing Unit) 61, a ROM (Read Only Memory) 62, a RAM (Random Access Memory) 63, and a bus 64, all of which are connected to the bus 64. Furthermore, the control unit 30 includes a display device 65, an input device 66, non-volatile storage 67, and a network interface 68.

CPU61は、本実施の形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをROM62から読み出してRAM63にロードし、実行する。RAM63には、CPU61の演算処理の途中で発生した変数やパラメーター等が一時的に書き込まれ、これらの変数やパラメーター等がCPU61によって適宜読み出される。ただし、CPU61に代えてMPU(Micro Processing Unit)を用いてもよい。そして、CPU61は、図1に示したグリッド電圧電源(引出し電圧電源)23、加速電圧電源24、アノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)25、又は、図3に示したグリッド電圧電源(引出し電圧電源)43、加速電圧電源44及びアノード電圧電源(イオンリフレクタ用電圧電源)45の動作を制御して所望の電子ビームBを得る。 The CPU 61 reads from the ROM 62 the program code of the software that realizes each function of this embodiment, loads it into the RAM 63, and executes it. Variables and parameters generated during the CPU 61's calculation processing are temporarily written to the RAM 63, and these variables and parameters are read by the CPU 61 as appropriate. However, an MPU (Micro Processing Unit) may be used instead of the CPU 61. The CPU 61 then controls the operation of the grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 23, acceleration voltage power supply 24, and anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 25 shown in FIG. 1, or the grid voltage power supply (extraction voltage power supply) 43, acceleration voltage power supply 44, and anode voltage power supply (ion reflector voltage power supply) 45 shown in FIG. 3, to obtain the desired electron beam B.

表示装置65は、例えば、液晶ディスプレイモニターであり、制御部30で行われる処理の結果等をユーザーに表示する。例えば、電子顕微鏡1に設けられる表示装置65には、試料の測定結果や画像が表示され、3次元積層造形装置2に設けられる表示装置65には、積層造形された各層における造形結果等が表示される。入力装置66には、例えば、キーボード、マウス等が用いられ、ユーザーが所定の操作入力、指示を行うことが可能である。 The display device 65 is, for example, an LCD monitor, and displays to the user the results of processing performed by the control unit 30. For example, the display device 65 provided in the electron microscope 1 displays measurement results and images of the sample, while the display device 65 provided in the 3D additive manufacturing device 2 displays the manufacturing results of each additively manufactured layer. The input device 66 is, for example, a keyboard, mouse, etc., and allows the user to input predetermined operations and give instructions.

不揮発性ストレージ67としては、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、CD-R、磁気テープ又は不揮発性のメモリ等が用いられる。この不揮発性ストレージ67には、OS(Operating System)、各種のパラメーターの他に、制御部30を機能させるためのプログラムが記録されている。ROM62及び不揮発性ストレージ67は、CPU61が動作するために必要なプログラムやデータ等を永続的に記録しており、制御部30によって実行されるプログラムを格納したコンピューター読取可能な非一過性の記録媒体の一例として用いられる。 The non-volatile storage 67 may be, for example, a hard disk drive (HDD), solid state drive (SSD), flexible disk, optical disk, magneto-optical disk, CD-ROM, CD-R, magnetic tape, or non-volatile memory. This non-volatile storage 67 stores the OS (operating system), various parameters, and programs for running the control unit 30. The ROM 62 and non-volatile storage 67 permanently store programs and data necessary for the CPU 61 to operate, and are used as examples of computer-readable, non-transitory recording media that store programs executed by the control unit 30.

ネットワークインターフェイス68には、例えば、NIC(Network Interface Card)等が用いられる。NICの端子に接続されたLAN(Local Area Network)、専用線等を介して、例えば、3次元積層造形装置2と制御部30と間で各種のデータを送受信することが可能である。 The network interface 68 may be, for example, a network interface card (NIC). Various types of data can be sent and received between the 3D additive manufacturing device 2 and the control unit 30 via a local area network (LAN) or dedicated line connected to the NIC terminal.

以上説明した電子銃31が備える制御部30は、アノード電圧電源45を制御して、アノード42に正電圧を印加する。このため、アノード42は、2次電子を取り込む。また、アノード42は、アノード42より下方で残留ガスがイオン化されて生成された正イオンをアノード電位で跳ね返し、カソード40まで正イオンを向かわせないので従来のイオンリフレクタのように機能する。アノード42についても、2次電子の生成を抑制するチタン(Ti)によって形成される。このため、アノード42は、カソード40とアノード42間でのイオン化を促進する2次電子の生成を抑制でき、イオンボンバードによるカソード40へのダメージを軽減することができる。 The control unit 30 included in the electron gun 31 described above controls the anode voltage power supply 45 to apply a positive voltage to the anode 42. This allows the anode 42 to capture secondary electrons. Furthermore, the anode 42 functions like a conventional ion reflector by using the anode potential to repel positive ions generated by ionization of residual gas below the anode 42 and preventing the positive ions from reaching the cathode 40. The anode 42 is also made of titanium (Ti), which suppresses the generation of secondary electrons. This allows the anode 42 to suppress the generation of secondary electrons that promote ionization between the cathode 40 and anode 42, thereby reducing damage to the cathode 40 caused by ion bombardment.

<電界放射型の電子銃の構成例>
次に、従来の電界放射型SEM(FE-SEM:Field-Emission Scanning Electron Microscope)の電子銃の構成例について、図5を参照して説明する。図5は、電界放射型の電子銃の構成例を示す図である。電子銃100は、図5に示すように、カソード101、ウェネルト(グリッド)102、イオンリフレクタ(アノード)103、カラムフレーム(ライナーチューブ)104、カソード加熱用電源105、引出し電圧電源106、加速電圧電源107及びイオンリフレクタ用電圧電源108を備える。また、電子銃100は、不図示の制御部を備える。
<Configuration example of a field emission electron gun>
Next, an example of the configuration of an electron gun of a conventional field-emission SEM (FE-SEM: Field-Emission Scanning Electron Microscope) will be described with reference to FIG. 5 . FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of a field-emission electron gun. As shown in FIG. 5 , the electron gun 100 includes a cathode 101, a Wehnelt (grid) 102, an ion reflector (anode) 103, a column frame (liner tube) 104, a cathode heating power supply 105, an extraction voltage power supply 106, an acceleration voltage power supply 107, and an ion reflector voltage power supply 108. The electron gun 100 also includes a control unit (not shown).

制御部(不図示)は、カソード加熱用電源105、引出し電圧電源106、加速電圧電源107及びイオンリフレクタ用電圧電源108の動作を制御する。この制御部は、図4で説明した制御部30と同じ構成及び機能を有する。 A control unit (not shown) controls the operation of the cathode heating power supply 105, extraction voltage power supply 106, acceleration voltage power supply 107, and ion reflector voltage power supply 108. This control unit has the same configuration and functions as the control unit 30 described in Figure 4.

カソード101は、カソード加熱用電源105がカソード101を加熱するために供給するカソード電流によって加熱されて熱電子を放出する。カソード101は、タングステン等の単結晶線材を電解研磨等で先鋭化した部品である。そして、カソード101に対して、ウェネルト102が配置される。ウェネルト102は、カソード101の先端の中心軸に沿って第1開口が形成され、カソード101より低い電位で印加される引出し電圧により、第1開口を通過する熱電子を集束する。また、イオンリフレクタ103についても、カソード101の先端の中心軸に沿って第2開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソード101から引き出した熱電子を電子ビームとして第2開口に通過させる。 The cathode 101 is heated by a cathode current supplied by the cathode heating power supply 105 to heat the cathode 101, emitting thermoelectrons. The cathode 101 is a component made of a single-crystal wire such as tungsten that has been sharpened by electrolytic polishing or other techniques. A Wehnelt 102 is positioned relative to the cathode 101. The Wehnelt 102 has a first opening formed along the central axis of the tip of the cathode 101, and focuses thermoelectrons passing through the first opening by applying an extraction voltage with a lower potential than the cathode 101. The ion reflector 103 also has a second opening formed along the central axis of the tip of the cathode 101, and the applied ion reflector voltage causes thermoelectrons extracted from the cathode 101 to pass through the second opening as an electron beam.

ウェネルト102には、引出し電圧電源106により数kVプラスの電圧(引出し電圧)が印加されてカソード101から電子を引き出して集束する。 A voltage of several kV (extraction voltage) is applied to the Wehnelt 102 by the extraction voltage power supply 106, extracting and focusing electrons from the cathode 101.

イオンリフレクタ103は、ウェネルト102の下方に配置される。上述したようにイオンリフレクタ103には、カソード101の先端の中心軸に沿って第2開口が形成される。イオンリフレクタ103は、印加されたイオンリフレクタ電圧により、カソード101から引き出した電子を電子ビームとして第2開口に通過させる。また、イオンリフレクタ103には、イオンリフレクタ用電圧電源108によりプラスのイオンリフレクタ電圧(60V~100V程度)が印加されるので、イオンリフレクタ103のポテンシャル障壁により、正イオンをイオンリフレクタ103より上に到達させない。 The ion reflector 103 is positioned below the Wehnelt 102. As described above, the ion reflector 103 has a second opening formed along the central axis of the tip of the cathode 101. The ion reflector 103 causes electrons extracted from the cathode 101 to pass through the second opening as an electron beam due to the applied ion reflector voltage. In addition, a positive ion reflector voltage (approximately 60 V to 100 V) is applied to the ion reflector 103 by the ion reflector voltage power supply 108, so the potential barrier of the ion reflector 103 prevents positive ions from reaching above the ion reflector 103.

カラムフレーム104は、ライナーチューブ(図1のライナーチューブ55参照)であり、基準電位(接地電位)に保たれて、イオンリフレクタ103との間で、放電誘発及び流入電流を誘引する。 The column frame 104 is a liner tube (see liner tube 55 in Figure 1) that is maintained at a reference potential (ground potential) and induces discharge and inflow current between it and the ion reflector 103.

電界放射型SEMでは、カソード101の先端に吸着するガス等により、電子のエミッションが不安定になった際に、カソード101を加熱して、カソード101に対してフラッシング処理を行うことで、カソード101の先端を清浄化する。 In a field emission SEM, when electron emission becomes unstable due to gas or other substances adsorbed to the tip of the cathode 101, the tip of the cathode 101 is cleaned by heating the cathode 101 and performing a flushing process on the cathode 101.

ここで、フラッシング処理とは、カソード加熱用電源105がカソード101の先端を加熱する工程である。この際、制御部(不図示)は、正電位としたアノード電圧をイオンリフレクタ用電圧電源108からイオンリフレクタ103に印加させ、カソード加熱用電源105にカソード101を通電させてフラッシング処理を行う。フラッシング処理により、カソード101の先端から吸着ガスが脱離し、カソード101が清浄化される。 Here, the flushing process is a process in which the cathode heating power supply 105 heats the tip of the cathode 101. At this time, the control unit (not shown) applies a positive anode voltage from the ion reflector voltage power supply 108 to the ion reflector 103, and energizes the cathode 101 with the cathode heating power supply 105 to perform the flushing process. The flushing process causes adsorbed gas to desorb from the tip of the cathode 101, cleaning the cathode 101.

なお、フラッシング処理ではカソード101の先端が加熱されるので、処理時の温度によっては原子レベルでカソード101の先端形状が変化し、図5に示すように、カソード101から放出される電子ビームBの電子エミッションの開き角が増加する場合がある。このような場合には、広がった電子ビームBがイオンリフレクタ103に当たって、広がった電子ビームBによる電流がイオンリフレクタ用電圧電源108側に流れ込んで、イオンリフレクタ用電圧電源108の故障を起こす可能性がある。また、加速電圧電源107による放電電流がイオンリフレクタ用電圧電源108側に流れ込むことも発生する。 In addition, since the tip of the cathode 101 is heated during the flashing process, the shape of the tip of the cathode 101 may change at the atomic level depending on the temperature during the process, and as shown in Figure 5, the opening angle of the electron emission of the electron beam B emitted from the cathode 101 may increase. In such a case, the expanded electron beam B may hit the ion reflector 103, causing the current from the expanded electron beam B to flow into the ion reflector voltage power supply 108, potentially causing a malfunction of the ion reflector voltage power supply 108. In addition, the discharge current from the acceleration voltage power supply 107 may flow into the ion reflector voltage power supply 108.

<第1実施形態に係る電子銃の構成例>
次に、本実施形態に係る電子銃の構成例について、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態に係る電子銃200の構成例を示す図である。図6に示す電子銃200は、図5に示す電子銃100の構成に加え、さらに、保護回路109及び放電装置110を備える。
<Configuration example of electron gun according to first embodiment>
Next, an example of the configuration of the electron gun according to this embodiment will be described with reference to Fig. 6. Fig. 6 is a diagram showing an example of the configuration of an electron gun 200 according to this embodiment. The electron gun 200 shown in Fig. 6 further includes a protection circuit 109 and a discharge device 110 in addition to the configuration of the electron gun 100 shown in Fig. 5.

保護回路109は、イオンリフレクタ103とイオンリフレクタ用電圧電源108との間に設けられ、コンデンサー109a及びバリスタダイオード109bにより構成されるローパスフィルタ回路である。コンデンサー109aとバリスタダイオード109bとは並列に接続され、一端側がイオンリフレクタ用電圧電源108のプラス極とイオンリフレクタ103との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源108のマイナス極に接続される。保護回路109は、イオンリフレクタ103からイオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流、すなわち、上述の広がった電子ビームBによる電流及び加速電圧電源107による放電電流を遮断する。具体的には、イオンリフレクタ103からイオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流が、所定閾値を超える場合に、保護回路109により遮断される。この所定閾値は、保護回路109(ローパスフィルタ回路)の減衰係数により決められるものである。すなわち、保護回路109は、許容される電流量(所定閾値)を超える電流(過剰な電流)が流れた場合に、この電流を遮断する。 The protection circuit 109 is a low-pass filter circuit arranged between the ion reflector 103 and the ion reflector voltage power supply 108, and is composed of a capacitor 109a and a varistor diode 109b. The capacitor 109a and the varistor diode 109b are connected in parallel, with one end connected between the ion reflector 103 and the positive terminal of the ion reflector voltage power supply 108, and the other end connected to the negative terminal of the ion reflector voltage power supply 108. The protection circuit 109 blocks current flowing from the ion reflector 103 to the ion reflector voltage power supply 108, i.e., the current due to the above-mentioned expanded electron beam B and the discharge current due to the acceleration voltage power supply 107. Specifically, the protection circuit 109 blocks the current flowing from the ion reflector 103 to the ion reflector voltage power supply 108 when it exceeds a predetermined threshold. This predetermined threshold is determined by the attenuation coefficient of the protection circuit 109 (low-pass filter circuit). In other words, the protection circuit 109 cuts off current when a current (excessive current) that exceeds the allowable current amount (predetermined threshold) flows.

放電装置110は、電流を誘発できる金属等で構成され、イオンリフレクタ103とカラムフレーム104との間に、イオンリフレクタ103に連結して配置される。この放電装置110は、イオンリフレクタ103とカラムフレーム104との間の放電を誘発し、流入電流をカラムフレーム104へ誘引する。放電装置110を設けることにより、イオンリフレクタ103に流れ込む電流の大部分はカラムフレーム104へ誘引されるので、イオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流が大幅に低減され、ほとんど流れなくなる。このため、保護回路109は、コンデンサー109aとバリスタダイオード109bとで簡易に構成される。なお、電子銃200の効果について、図7を参照して詳しく説明する。 The discharge device 110 is made of a metal or other material capable of inducing a current, and is connected to the ion reflector 103 and disposed between the ion reflector 103 and the column frame 104. This discharge device 110 induces a discharge between the ion reflector 103 and the column frame 104, and attracts the inflowing current to the column frame 104. By providing the discharge device 110, most of the current flowing into the ion reflector 103 is attracted to the column frame 104, significantly reducing the current flowing into the ion reflector voltage power supply 108 and almost eliminating it. For this reason, the protection circuit 109 is simply configured with a capacitor 109a and a varistor diode 109b. The effects of the electron gun 200 will be explained in detail with reference to Figure 7.

図7は、電子銃200の効果を説明するための図である。図7に示す電子銃300は、放電装置を備えない構成である。また、保護回路以外の各構成部は図6に示す電子銃200のこれらの構成部と同じである。 Figure 7 is a diagram illustrating the effects of the electron gun 200. The electron gun 300 shown in Figure 7 does not include a discharge device. Furthermore, the components other than the protection circuit are the same as those of the electron gun 200 shown in Figure 6.

電子銃300の保護回路111は、図7に示すように、イオンリフレクタ103とイオンリフレクタ用電圧電源108との間に設けられ、インダクタ111a、ダイオード111b、抵抗111c、コンデンサー111d及びコンデンサー111eで構成されるローパスフィルタ回路である。コンデンサー111dとダイオード111bとは並列に接続され、一端側がイオンリフレクタ用電圧電源108のプラス極とインダクタ111aの一端側との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源108のマイナス極に接続される。抵抗111cとコンデンサー111eとは並列に接続され、一端側がインダクタ111aの他端側とイオンリフレクタ103との間に接続され、他端側がイオンリフレクタ用電圧電源108のマイナス極に接続される。保護回路111は、保護回路109と同様に、イオンリフレクタ103からイオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流を遮断する。 As shown in Figure 7, the protection circuit 111 of the electron gun 300 is a low-pass filter circuit provided between the ion reflector 103 and the ion reflector voltage power supply 108, and is composed of an inductor 111a, a diode 111b, a resistor 111c, a capacitor 111d, and a capacitor 111e. Capacitor 111d and diode 111b are connected in parallel, with one end connected between the positive pole of the ion reflector voltage power supply 108 and one end of inductor 111a, and the other end connected to the negative pole of the ion reflector voltage power supply 108. Resistor 111c and capacitor 111e are connected in parallel, with one end connected between the other end of inductor 111a and the ion reflector 103, and the other end connected to the negative pole of the ion reflector voltage power supply 108. Like the protection circuit 109, the protection circuit 111 cuts off the current flowing from the ion reflector 103 to the ion reflector voltage power supply 108.

電子銃300では、放電装置が設けられていないため、イオンリフレクタ103からイオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流は、電子銃200におけるイオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流より多くなる。このため、保護回路111は、より高い電流を遮断するため、図6に示す保護回路109より複雑な構成を有し、保護回路111の設置面積も保護回路109より大きくなる。 Since the electron gun 300 does not have a discharge device, the current flowing from the ion reflector 103 to the ion reflector voltage power supply 108 is greater than the current flowing to the ion reflector voltage power supply 108 in the electron gun 200. Therefore, in order to block a higher current, the protection circuit 111 has a more complex configuration than the protection circuit 109 shown in FIG. 6, and the installation area of the protection circuit 111 is also larger than that of the protection circuit 109.

なお、上述した本実施形態の電子銃200は、電子顕微鏡(図2参照)及び3次元積層造形装置(図3参照)に適用可能である。 The electron gun 200 of this embodiment described above can be applied to electron microscopes (see Figure 2) and three-dimensional additive manufacturing devices (see Figure 3).

[効果]
上述したように、本実施形態の電子銃200では、イオンリフレクタ103とカラムフレーム104との間に、イオンリフレクタ103に連結する放電装置110が設けられている。それゆえ、イオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流の大部分は、放電装置110によりカラムフレーム104へ誘引されるので、保護回路109は簡易に構成されることができる。
[effect]
As described above, in the electron gun 200 of this embodiment, the discharge device 110 connected to the ion reflector 103 is provided between the ion reflector 103 and the column frame 104. Therefore, most of the current flowing into the ion reflector voltage power supply 108 is attracted to the column frame 104 by the discharge device 110, and therefore the protection circuit 109 can be simply configured.

<第2実施形態に係る電子銃の構成例>
次に、本発明の第2実施形態に係る電界放射型電子銃の構成について、図8を参照しながら説明する。図8は、第2実施形態に係る電界放射型電子銃の構成例を示す図である。図8に示す電子銃400と図6に示す電子銃200との構成を比較して分かるように、電子銃400は、電子銃200の構成に加え、さらに電流検出部112を備える。
<Configuration example of electron gun according to the second embodiment>
Next, the configuration of a field emission electron gun according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 8. Fig. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a field emission electron gun according to the second embodiment. As can be seen by comparing the configuration of an electron gun 400 shown in Fig. 8 with that of the electron gun 200 shown in Fig. 6, the electron gun 400 further includes a current detection unit 112 in addition to the configuration of the electron gun 200.

電流検出部112は、例えば電流計で構成され、イオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流を検出する。電流検出部112は、電流を検出した場合に、電流を検出した情報を制御部(不図示)に出力する。そして、制御部は、カソード加熱用電源105をパワーオフして、電子ビームBを安全に停止させる。電流検出部112が、電流を検出していない場合に何も動作しない。 The current detection unit 112 is composed of, for example, an ammeter, and detects the current flowing into the ion reflector voltage power supply 108. When the current detection unit 112 detects a current, it outputs information about the detected current to a control unit (not shown). The control unit then powers off the cathode heating power supply 105 to safely stop the electron beam B. If the current detection unit 112 does not detect a current, it does not take any action.

通常、保護回路109及び放電装置110を設けることにより、イオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流はほとんどないが、例えば、イオンリフレクタ用電圧電源108の保護への要求が極めて高い場合や、保護回路109又は放電装置110が故障して動作しない場合などには、電流検出部112はバックアップ保護手段として用いられる。 Normally, by providing the protection circuit 109 and discharge device 110, almost no current flows into the ion reflector voltage power supply 108. However, for example, in cases where there is a high demand for protection of the ion reflector voltage power supply 108, or when the protection circuit 109 or discharge device 110 fails and does not operate, the current detection unit 112 is used as a backup protection means.

また、例えば、電子銃400において、保護回路109を設けず、放電装置110及び電流検出部112のみをイオンリフレクタ用電圧電源108を保護する手段としてもよい。 Also, for example, in the electron gun 400, the protection circuit 109 may not be provided, and only the discharge device 110 and the current detection unit 112 may serve as means for protecting the ion reflector voltage power supply 108.

なお、上述した本実施形態の電子銃400は、電子顕微鏡1(図2参照)及び3次元積層造形装置2(図3参照)に適用可能である。 The electron gun 400 of this embodiment described above can be applied to the electron microscope 1 (see Figure 2) and the three-dimensional additive manufacturing device 2 (see Figure 3).

[効果]
上述したように、本実施形態の電子銃400では、イオンリフレクタ用電圧電源108に流れ込む電流を検出する電流検出部112が設けられる。このため、イオンリフレクタ用電圧電源108の保護への要求が極めて高い場合や、保護回路109又は放電装置110が故障して動作しない場合などには、電子ビームBを安全に停止させることができ、イオンリフレクタ用電圧電源の保護の安全性を向上することができる。
[effect]
As described above, the electron gun 400 of this embodiment is provided with the current detection unit 112 that detects the current flowing into the ion reflector voltage power supply 108. Therefore, when there is an extremely high demand for protection of the ion reflector voltage power supply 108 or when the protection circuit 109 or the discharge device 110 fails and does not operate, the electron beam B can be safely stopped, and the safety of the protection of the ion reflector voltage power supply can be improved.

<変形例>
以上、本発明の各実施形態に係る電子銃の構成について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、その他種々の変形例の態様を取ることができる。
<Modification>
The configurations of the electron gun according to each embodiment of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these, and various other modified embodiments can be adopted as long as they do not deviate from the gist of the present invention as set forth in the claims.

上記各実施形態の電子銃では、イオンリフレクタ103とカラムフレーム104との間に、イオンリフレクタ103に連結する1つの放電装置110(図6,図8参照)を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、イオンリフレクタ103上の電流を完全にカラムフレーム104へ誘引するため、イオンリフレクタ103に複数の放電装置を設けてもよい。 In the electron guns of the above embodiments, an example has been described in which a single discharge device 110 (see Figures 6 and 8) connected to the ion reflector 103 is provided between the ion reflector 103 and the column frame 104, but the present invention is not limited to this. For example, in order to completely draw the current on the ion reflector 103 to the column frame 104, multiple discharge devices may be provided on the ion reflector 103.

図9は、本変形例に係る電界放射型電子銃の構成例を説明するための図である。なお、図9には、図6に示す電子ビームBの照射方向に沿ってイオンリフレクタ103を見るときのイオンリフレクタ103と、イオンリフレクタ103に設置された放電装置とイオンリフレクタ用電圧電源108とのイメージを示す図である。図9(A)は、1つの放電装置110が設置された場合のイメージを示す図である。図9(B)は、3つの放電装置が設置された場合のイメージを示す図である。 Figure 9 is a diagram illustrating an example configuration of a field emission electron gun according to this modified example. Figure 9 also illustrates an image of the ion reflector 103, the discharge device installed on the ion reflector 103, and the voltage power supply 108 for the ion reflector when the ion reflector 103 is viewed along the irradiation direction of the electron beam B shown in Figure 6. Figure 9(A) illustrates an image when one discharge device 110 is installed. Figure 9(B) illustrates an image when three discharge devices are installed.

図9に示すように、イオンリフレクタ103は丸形であり、イオンリフレクタ103の真ん中の穴は電子ビームBが通過する第2開口である。イオンリフレクタ103にイオンリフレクタ用電圧電源108が接続されている。イオンリフレクタ103に1つの放電装置110のみを設置する場合、図9(A)に示すように、イオンリフレクタ103上の任意位置に設置してもよい。イオンリフレクタ103に複数(例えば3つ)の放電装置110a~110cを設置する場合、図9(B)に示すように、イオンリフレクタ103において、複数(例えば3つ)の放電装置110a~110cを分散して設置する。分散配置の一例として、イオンリフレクタ103の中心点に対する角度を120度のように等角度とする。このようにすれば、イオンリフレクタ103上に分散した電流を完全にイオンリフレクタ103に誘引し易い。また、一つの放電装置(例えば、放電装置110a)が破損しても、他の放電装置(例えば、放電装置110b,110c)がカラムフレーム104に放電可能である。 As shown in FIG. 9, the ion reflector 103 is round, and the hole in the center of the ion reflector 103 is a second opening through which the electron beam B passes. An ion reflector voltage power supply 108 is connected to the ion reflector 103. When only one discharge device 110 is installed on the ion reflector 103, it may be installed at any position on the ion reflector 103, as shown in FIG. 9(A). When multiple (e.g., three) discharge devices 110a-110c are installed on the ion reflector 103, the multiple (e.g., three) discharge devices 110a-110c are installed in a dispersed manner on the ion reflector 103, as shown in FIG. 9(B). As an example of a dispersed arrangement, the angles with respect to the center point of the ion reflector 103 are set to equal angles, such as 120 degrees. This makes it easier to completely attract the current dispersed on the ion reflector 103 to the ion reflector 103. Furthermore, even if one discharge device (e.g., discharge device 110a) is damaged, other discharge devices (e.g., discharge devices 110b and 110c) can still discharge to the column frame 104.

イオンリフレクタ103に2つの放電装置110を分散配置する場合、イオンリフレクタ103の中心点に対する角度を180度のように等角度とする。このようにイオンリフレクタ103に設置する放電装置110の数に合わせて等角度で複数の放電装置110を配置すればよい。 When two discharge devices 110 are distributed on the ion reflector 103, the angles relative to the center point of the ion reflector 103 should be equal, such as 180 degrees. In this way, multiple discharge devices 110 can be arranged at equal angles according to the number of discharge devices 110 to be installed on the ion reflector 103.

1…電子顕微鏡、2…3次元積層造形装置、11,31,100,200,300,400…電子銃、12,32…電子光学系、13,34…ガンアライメント、14,35…集束レンズ、15,36…対物レンズ、16…ステージ、18,108…イオンリフレクタ用電圧電源、19,103…イオンリフレクタ、20,40,101…カソード、20a,21b…電流導入端子、20b…PGヒータ、21,41…グリッド、21a,41a…第1開口、22,42…アノード、22a,42a…第2開口、23,43…グリッド電圧電源、24,44,107…加速電圧電源、25,45…アノード電圧電源、27,105…カソード加熱用電源、30…制御部、33…粉末供給系、37…パウダーベッド、51…ガンチャンバー、52…真空引きパイプ、53,54…ガイシ、55…ライナーチューブ、61…CPU、62…ROM、63…RAM、64…バス、65…表示装置、66…入力装置、67…不揮発性ストレージ、68…ネットワークインターフェイス、102…ウェネルト、104…カラムフレーム、106…引出し電圧電源、109,110、111…保護回路、109a,111d,111e…コンデンサー、109b…バリスタダイオード、110…放電装置、111a…インダクタ、111b…ダイオード、111c…抵抗、112…電流検出部 1...electron microscope, 2...three-dimensional additive manufacturing device, 11, 31, 100, 200, 300, 400...electron gun, 12, 32...electron optical system, 13, 34...gun alignment, 14, 35...focusing lens, 15, 36...objective lens, 16...stage, 18, 108...voltage power supply for ion reflector, 19, 103...ion reflector, 20, 40, 101...cathode, 20a, 21b...current introduction terminal, 20b...PG heater, 21, 41...grid, 21a, 41a...first opening, 22, 42...anode, 22a, 42a...second opening, 23, 43...grid voltage power supply, 24, 44, 107...accelerating voltage power supply, 25, 45...anode voltage power supply, 27, 105...cathode Heating power supply, 30...controller, 33...powder supply system, 37...powder bed, 51...gun chamber, 52...vacuum pipe, 53, 54...insulator, 55...liner tube, 61...CPU, 62...ROM, 63...RAM, 64...bus, 65...display device, 66...input device, 67...non-volatile storage, 68...network interface, 102...Wehnelt, 104...column frame, 106...extraction voltage power supply, 109, 110, 111...protection circuit, 109a, 111d, 111e...capacitor, 109b...varistor diode, 110...discharge device, 111a...inductor, 111b...diode, 111c...resistor, 112...current detection unit

Claims (7)

加熱されて熱電子を放出するカソードと、
前記カソードの先端の中心軸に沿って第1開口が形成され、前記カソードより低い電位で印加される引出し電圧により、前記第1開口を通過する前記熱電子を集束するウェネルトと、
前記中心軸に沿って第2開口が形成され、印加されたイオンリフレクタ電圧により、前記カソードから引き出した前記熱電子を電子ビームとして前記第2開口に通過させるイオンリフレクタと、
前記イオンリフレクタに前記イオンリフレクタ電圧を印加するイオンリフレクタ用電圧電源と、
前記イオンリフレクタに設置される放電装置と、を備える
電子銃。
a cathode that is heated to emit thermions;
a Wehnelt, a first opening formed along a central axis of the tip of the cathode, which focuses the thermoelectrons passing through the first opening by an extraction voltage applied at a potential lower than that of the cathode;
an ion reflector having a second opening formed along the central axis, the ion reflector allowing the thermoelectrons extracted from the cathode to pass through the second opening as an electron beam in response to an applied ion reflector voltage;
an ion reflector voltage power supply that applies the ion reflector voltage to the ion reflector;
a discharge device disposed on the ion reflector.
前記イオンリフレクタには、一又は複数の前記放電装置が設置され、一又は複数の前記放電装置が、接地電位に保たれるカラムフレームに放電する
請求項1に記載の電子銃。
2. The electron gun according to claim 1, wherein one or more discharge devices are provided in the ion reflector, and the one or more discharge devices discharge to a column frame maintained at a ground potential.
前記イオンリフレクタに流れ込む過剰な電流を遮断する保護回路を備える
請求項1に記載の電子銃。
The electron gun according to claim 1 , further comprising a protection circuit that blocks excessive current flowing into the ion reflector.
前記保護回路は、コンデンサー及びバリスタダイオードにより構成されるローパスフィルタ回路である
請求項3に記載の電子銃。
4. The electron gun according to claim 3, wherein the protection circuit is a low-pass filter circuit configured by a capacitor and a varistor diode.
前記イオンリフレクタに流れ込む電流を検出する電流検出部を備え、
前記電流検出部が前記電流を検出した場合、前記カソードを加熱する電源がパワーオフされる
請求項1に記載の電子銃。
a current detection unit that detects a current flowing into the ion reflector;
2. The electron gun according to claim 1, wherein a power source for heating the cathode is turned off when the current detection unit detects the current.
請求項1~5のいずれか一項に記載の電子銃と、
粉末試料が敷き詰められるパウダーベッドと、
前記粉末試料を前記パウダーベッドに敷き詰める粉末供給系と、
前記パウダーベッドに敷き詰められた前記粉末試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
3次元積層造形装置。
an electron gun according to any one of claims 1 to 5;
A powder bed on which powder samples are spread,
a powder supply system for spreading the powder sample on the powder bed;
an electron optical system that scans the powder sample spread on the powder bed with the electron beam.
請求項1~5のいずれか一項に記載の電子銃と、
試料が載置されるステージと、
前記ステージに載置された前記試料に対して前記電子ビームを走査する電子光学系と、を備える
電子顕微鏡。
an electron gun according to any one of claims 1 to 5;
a stage on which a sample is placed;
an electron optical system that scans the sample placed on the stage with the electron beam.
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