特開 2022-129983 保護膜付き光陰極

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022129983

(43)【公開日】2022-09-06

(54)【発明の名称】保護膜付き光陰極

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/073 20060101AFI20220830BHJP

   H01J 1/34 20060101ALI20220830BHJP

【ＦＩ】

H01J37/073

H01J1/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021028896

(22)【出願日】2021-02-25

(71)【出願人】

【識別番号】504151365

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

(71)【出願人】

【識別番号】504261077

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構

(72)【発明者】

【氏名】山本 将博

(72)【発明者】

【氏名】郭 磊

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101CC12

5C101DD05

5C101DD25

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本発明は、比較的容易に得られる高真空環境（例えば１０^－５Ｐａ以上）においても、高輝度で長寿命な保護膜付き光陰極（フォトカソード）、その製造方法などを提供する。
【解決手段】アルカリ系金属薄膜の光陰極２と、光陰極２の表面に備えられた単原子層又は電子が透過可能な薄膜である保護膜４と、光陰極２及び保護膜４を内包し気密的にパッケージするシール材３と、からなることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の構成とした。また、真空環境下で第一基板２ａ上に成膜された光陰極２に、メッシュ状の第二基板４ａに備えられた保護膜４を光陰極２に向けたうえで、第一基板２ａと第二基板４ａを気密的にシールすることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の製造方法の構成とした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルカリ系金属薄膜の光陰極と、
前記光陰極の表面に備えられた単原子層又は電子が透過可能な薄膜である保護膜と、
前記光陰極及び前記保護膜を内包し気密的にパッケージするシール材と、
からなることを特徴とする保護膜付き膜光陰極。

【請求項2】

前記光陰極を、第一基板上に成膜された光陰極とし、前記保護膜を、メッシュ部を備える第二基板に前記メッシュ部を覆い密着した保護膜としたことを特徴とする請求項１に記載の保護膜付き光陰極。

【請求項3】

前記シールが、インジウムの線材の低融点・低アウトガス性の熱溶融圧着物であることを特徴とする請求項２に記載の保護膜付き光陰極。

【請求項4】

請求項１に記載の保護膜付き光陰極を、１０^－５Ｐａ以上の真空環境で使用できることを特徴とする保護膜付き光陰極の使用方法。

【請求項5】

請求項１に記載の保護膜付き膜光陰極の製造方法であって、
真空環境下で第一基板上に成膜された前記光陰極に、メッシュ状の第二基板に備えられた前記保護膜を前記光陰極に向けたうえで、前記第一基板と前記第二基板を気密的にシールすることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載の保護膜付き膜光陰極の製造方法に用いる保護膜付き膜光陰極の製造装置であって、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内で前記第一基板を固定する第一ステージと、
前記真空チャンバー内で前記第二基板を保持しヒータを備える第二ステージとからなり、
前記第一ステージと前記第二ステージの何れか或いは両方を移動させ近づけ押し当てたうえで、
前記第一基板に載置した熱溶解性シール材を前記ヒータで加熱溶解させ、前記第一基板と前記第二基板を気密的にシールすることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の製造装置。

【請求項7】

前記熱溶解性シール材が環状シールで、前記ヒータが前記環状シール部を環状に加熱するヒータであることを特徴とする請求項６に記載の保護膜付き膜光陰極の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、比較的容易に得られる高真空環境（例えば１０^－５Ｐａ以上）においても、高輝度で長寿命な保護膜付き光陰極（フォトカソード）、その製造方法及び製造装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

負の電子親和性（ＮＥＡ）の半導体、或いはアルカリ金属薄膜のフォトカソードなどの光陰極では、短パルス（ピコ秒～ナノ秒のオーダー）で数～１０数％の非常に高い量子効率（ＱＥ）が得られる。したがって、自由電子レーザー等の近年の先端的な電子加速器、その他、電子顕微鏡、電子線リソグラフィー、高輝度の電子線が必要となるごく一部の電子源、装置に利用されている。

【0003】

しかし、これらの光陰極は化学的に活性なため、具体的には装置内の残留ガスとの反応性の高さから、使用に際しては超高真空環境が不可欠で、ビーム加速における電子源としては１０^－７Ｐａ以下の良好な真空環境が必要であり、寿命も短い欠点があった。また、光陰極の使用に際しては、定期的なメンテナンスが必要であり、用途が限られているのが現状である。

【0004】

近年の先端的な電子加速器および将来計画では大電流かつ高輝度の電子ビームが長時間安定に生成できる光陰極が求められており、特許文献１のように、保護膜として、グラフェン膜を備える光陰極が提案され、従来よりも数桁長い寿命を達成できる可能性があることを見いだした。

【0005】

しかしながら、実用に際しては、一定の大きさの保護膜を気密的に光陰極に備える必要があるが、非特許文献１ではその点を解決できていなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許８，８２３，２５９公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、本発明は、比較的容易に得られる高真空環境（例えば１０^－５Ｐａ以上）においても、高輝度で長寿命な保護膜付き光陰極（フォトカソード）、その製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本願発明は、
（１）
アルカリ系金属薄膜の光陰極と、
前記光陰極の表面に備えられた単原子層又は電子が透過可能な薄膜である保護膜と、
前記光陰極及び前記保護膜を内包し気密的にパッケージするシール材と、
からなることを特徴とする保護膜付き膜光陰極。
（２）
前記光陰極を、第一基板上に成膜された光陰極とし、前記保護膜を、メッシュ部を備える第二基板に前記メッシュ部を覆い密着した保護膜としたことを特徴とする（１）に記載の保護膜付き光陰極。
（３）
前記シールが、インジウムの線材の低融点・低アウトガス性の熱溶融圧着物であることを特徴とする（２）に記載の保護膜付き光陰極。
（４）
（１）に記載の保護膜付き光陰極を、１０^－５Ｐａ以上の真空環境で使用できることを特徴とする保護膜付き光陰極の使用方法。
（５）
（１）に記載の保護膜付き膜光陰極の製造方法であって、
真空環境下で第一基板上に成膜された前記光陰極に、メッシュ状の第二基板に備えられた前記保護膜を前記光陰極に向けたうえで、前記第一基板と前記第二基板を気密的にシールすることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の製造方法。
（６）
（１）に記載の保護膜付き膜光陰極の製造方法に用いる保護膜付き膜光陰極の製造装置であって、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内で前記第一基板を固定する第一ステージと、
前記真空チャンバー内で前記第二基板を保持しヒータを備える第二ステージとからなり、
前記第一ステージと前記第二ステージの何れか或いは両方を移動させ近づけ押し当てたうえで、
前記第一基板に載置した熱溶解性シール材を前記ヒータで加熱溶解させ、前記第一基板と前記第二基板を気密的にシールすることを特徴とする保護膜付き膜光陰極の製造装置。
（７）
前記熱溶解性シール材が環状シールで、前記ヒータが前記環状シール部を環状に加熱するヒータであることを特徴とする（６）に記載の保護膜付き膜光陰極の製造装置。
とした。

【0009】

ここで、光陰極は、従来の光陰極が採用できる。

【0010】

保護膜は、グラフェン、シリセン、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）など単原子層、あるいは光、電子を透過させることがき、一方、ガス不透過性である十分薄い薄膜から構成され、光陰極に対して不活性（悪影響を与えず）、かつ一般的な残留ガス（水素、メタン、水、一酸化炭素、窒素、酸素、二酸化炭素等）に対しても化学的に安定（反応及びイオン衝突に耐性がある）な１辺数ｍｍ相当以上の均一な、化学的・物理的に強固に結合した膜である。

【0011】

シールは、ガス透過性の低く、かつガス放出も低い物質を用いる。例えば、インジウム線のリングが例示でき、第一基板と第二基板の接合時に接合部を短時間加熱し、インジウムを溶融させることで気密性を確保する。加熱時は光陰極が高温にならないように接合部のみ局所的に加熱する装置を利用するとよい。アルカリ金属系薄膜の光陰極であるＫ_２ＣｓＳｂは７０℃程度までは安定であるので、周囲にインジウム線を置き、瞬時に加熱・融解させて基板同士を気密的に接合させることが可能である。

【発明の効果】

【0012】

本発明は、上記構成であるので、次の効果を奏する。図５に示すように、光陰極の表面に気密的に保護膜を備えることにより、電子源内において、光陰極に対して活性な残留ガス（水素、水、一酸化炭素、酸素、二酸化炭素など）に直接触れることがなく、光照射（ｈｖ）により光陰極で発生した電子（ｅ^－）は保護膜を通過し、取り出される。

【0013】

この保護膜を気密的に備えることによってこれまで光陰極の使用が困難であった高真空環境（１０^－５Ｐａより高い圧力）で高量子効率を維持したまま光陰極を長時間利用できる。一般的な粗びき排気系（ロータリーポンプとターボ分子ポンプの組合せ等）で容易に得られる高真空（１０^－５Ｐａ程度）で効率的に光電子を取り出すことができる。
したがって、超高真空生成が困難な機器の電子源として利用が可能となる。さらに、半導体、或いはアルカリ金属薄膜のフォトカソードから発生する電子ビームは一般的に使用されている熱電子源より高輝度であり、そして短パルス電子線を利用することで時間分解能を付与した計測も可能となる。
また、超高真空が得られる環境においても従来の光陰極と比べて寿命がはるかに長くなるため、これまで光陰極の定期的な管理が不要となるメンテナンスフリーの電子源として利用できる可能性がある。
よって、本発明の光陰極を、大電流電子ビームを必要とする先端電子加速器の他、電子顕微鏡や電子線リソグラフィーなどの電子源に対して広く利用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明である保護膜付き光陰極の製造方法の一部断面による説明模式図である。

【図2】図２は、図１の光陰極部及び保護膜部付近の拡大図である。

【図3】図３は、図１において、第一ステージをロッドで移動させ、第二ステージに押し当てて、気密シールする状態を示す断面模式図である

【図4】図４は、図３において、気密シールした後の保護膜付き光陰極の部分拡大断面模式図である。

【図5】図５は、保護膜付きを光陰極による電子発生の説明模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は下記形態例に限定されるものではない。

【実施例0016】

図１－４を参照して、本発明である保護膜付き光陰極、その製造方法及び製造装置について、説明する。

【0017】

＜保護膜付き光陰極＞
図４，５に示すように、保護膜付き光陰極１は、アルカリ系金属薄膜の光陰極２と、光陰極２の表面に備えられた単原子層又は電子が透過可能な薄膜である保護膜４と、光陰極２及び保護膜４を内包し気密的にパッケージするシール材３と、からなる。

【0018】

より詳しくは、図４に示すように、光陰極２は、真空環境下で、第一基板２ａ上に真空蒸着など光陰極薄膜の素材に適した成膜装置（図示省略）で成膜される。第一基板２ａは、金属、半導体などで、光陰極２を成膜する成膜エリア２ｃと、成膜エリア２ｃを囲む凹部２ｂの両サイドの壁からなる。凹部２ｂには、環状のシール材３を載置する。

【0019】

保護膜４は、メッシュ部４ｂを備える第二基板４ａにメッシュ部４ｂを覆い密着４ｃする、例えばファンデルワールス力で密着する。第二基板４ａは、金属などで、光照射で生成された電子をメッシュ部４ｂ通し放出する。

【0020】

保護膜４は、例えば、その成膜装置（図示省略）で一端、保護膜成長に適した基板で成長させる。成膜後、保護膜４を成膜した基板から保護膜の種類に適した手法で第二基板４ａに写し取って（転写）、保護膜４付き第二基板４ａとして、パッケージングに使用する。

【0021】

シール材３は、例えば、インジウムの線材の低融点・低アウトガス性の熱溶融圧着物であり、第一基板２ａと第二基板４ａの光陰極２及び保護膜４で覆われていない部分同士を接合部３ａで密着させる。

【0022】

このようにパッケージングされた保護膜付き光陰極１は、光陰極に対して活性な残留ガスに直接触れることがなく、光照射（ｈｖ）により光陰極２で発生した電子（ｅ^－）は保護膜４を通過して放出する。そして、超高真空ではない真空環境（１０^－５Ｐａより高い圧力）下でも、高量子効率を維持したまま光陰極２を長時間利用することができる。

【0023】

＜保護膜付き光陰極の製造方法及び製造装置＞
図１－４に示すように、保護膜付き光陰極の製造装置１０は、第一基板２ａを載置する第一ステージ１１と、第二基板４ａを保持する第二ステージ１４とかなる。

【0024】

この例では、保護膜付き光陰極の製造装置１０に、さらに第一基板２ａを第一ステージ１１に固定する押さえ１２と、第一ステージ１１を第二ステージ１４方向に対して前後動して移動させるロッド１３とを備える。

【0025】

ここでは、第一ステージ１１を移動させ、第二ステージ１４に押し当てているが、第二ステージ１４を移動させても、第一、第二ステージ１１、１４の両方を移動させてもよい。第一ステージ１１は、光陰極２の成膜装置から、真空チャンバー１５に移動させる際も使用することができる。

【0026】

それらは、真空チャンバー１５の中で、気密的なパッケージングに利用される。すなわち第一基板２ａ及び第二基板４ａで光陰極２及び保護膜４を挟持し、シール材３により第一基板２ａ及び第二基板４ａを接合し、光陰極２及び保護膜４を内包する。

【0027】

第一ステージ１１は、内部窪みにロッド１３を嵌め、上面には第一基板２ａを載置する窪んだ載置部１１ａを備え、端部にはフランジ１１ｂを形成し、真空チャンバー１５内で第一基板２ａを固定する。

【0028】

フランジ１１ｂは、第一ステージを光陰極２の成膜装置、保護膜付き光陰極１を電子銃などの設置先に固定する際に使用するが、固定、設置先に合わせ、フランジ１１ｂの有無、形状、他の固定、設置手段は適宜選択すればよい。

【0029】

第二ステージ１４は、内部空洞１４ｄの内枠１４ａと外枠１４ｂの間の環状の溝１４ｃに環状のヒータ１４ｅを備え、真空チャンバー１５内で第二基板４ａを保持し、図３の状態でシール材３を環状に加熱する。

【0030】

なお、第二ステージ１４は、図示省略の移動ロッドに固定され、真空チャンバー１５内に挿抜できるよう構成されている。また、第二ステージ１４は、パッケージング後、真空チャンバー１５から引き抜かれるが、その際、第二基板４ａは、第一基板２ａに融着しているため、第二ステージ１４と第二基板４ａは分離する。

【0031】

その結果、真空環境下で、第一基板２ａと第二基板４ａで、光陰極２及び保護膜４を挟持したうえで、内包して気密的にシールすることができる。

【0032】

このようにして、第一、第二基板２ａ、４ａ、保護膜４、シール材３によって、環境雰囲気を遮断するようパッケージングした光陰極２は、パッケージングされたまま、各種装置に取り付け、電子源として利用される。より安定を図るため、真空環境下の装置に装着するまで、真空下で移動、輸送することが望ましい。

【符号の説明】

【0033】

１ 保護膜付き光陰極
２ 光陰極
２ａ 第一基板
２ｂ 凹部
２ｃ 成膜エリア
３ シール材
３ａ 接合部
４ 保護膜
４ａ 第二基板
４ｂ メッシュ部
４ｃ 密着
１０ 保護膜付き光陰極の製造装置
１１ 第一ステージ
１１ａ 載置部
１１ｂ フランジ
１２ 押さえ
１３ ロッド
１４ 第二ステージ
１４ａ 内枠
１４ｂ 外枠
１４ｃ 溝
１４ｄ 空洞
１４ｅ ヒータ
１５ 真空チャンバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】