特許 7478907 高電圧絶縁構造体、荷電粒子銃および荷電粒子ビーム装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-24

(45)【発行日】2024-05-07

(54)【発明の名称】高電圧絶縁構造体、荷電粒子銃および荷電粒子ビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/065 20060101AFI20240425BHJP

   H01J 37/248 20060101ALI20240425BHJP

【ＦＩ】

H01J37/065

H01J37/248 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023522003

(86)(22)【出願日】2021-05-17

(86)【国際出願番号】 JP2021018601

(87)【国際公開番号】W WO2022244054

(87)【国際公開日】2022-11-24

【審査請求日】2023-09-15

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 泰周

(72)【発明者】

【氏名】加藤 慎一

(72)【発明者】

【氏名】大西 崇

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 俊一

【審査官】後藤 大思

(56)【参考文献】

【文献】特開昭４９－１１５２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２７０１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－３９３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５９－１７５５２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電圧が印加され軸方向に伸びる導電部を絶縁体で取り囲む高電圧絶縁構造体であって、
前記絶縁体は、第１の絶縁体と、前記軸方向において前記第１の絶縁体とは反対側に位置する第２の絶縁体と、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体との間に位置する第３の絶縁体と、を備え、
前記第３の絶縁体の電気抵抗率は、前記第１および第２の絶縁体の電気抵抗率よりも小さく、
前記第３の絶縁体における前記軸方向の厚みは、前記導電部から遠い外側の第１肉厚が、前記導電部に近い内側の第２肉厚よりも薄い、高電圧絶縁構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３の絶縁体は、前記第２肉厚の部位から前記第１肉厚の部位にかけての肉厚が、径方向に連続的または段階的に薄くなっている、高電圧絶縁構造体。

【請求項3】

請求項２に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３の絶縁体の径方向における中腹部の沿面の電界値が、前記第１肉厚の部位における電界値および前記第２肉厚の部位における電界値よりも低い、高電圧絶縁構造体。

【請求項4】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３の絶縁体は、さらに、前記第１肉厚の部位および第２肉厚の部位の間に、前記第１肉厚よりもさらに薄い第３肉厚の部位を有する、高電圧絶縁構造体。

【請求項5】

請求項４に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３肉厚の部位から前記第１肉厚の部位にかけての肉厚と、前記第３肉厚の部位から前記第２肉厚の部位にかけての肉厚が、径方向に連続的または段階的に変化する、高電圧絶縁構造体。

【請求項6】

請求項５に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３肉厚の部位における沿面の電界値が、前記第１肉厚の部位における電界値および前記第２肉厚の部位における電界値よりも高い、高電圧絶縁構造体。

【請求項7】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３の絶縁体に接触する前記第１の絶縁体および前記第２の絶縁体の面は、各々、前記第３の絶縁体の肉厚の変化に応じた面形状を有している、高電圧絶縁構造体。

【請求項8】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第３の絶縁体は、平面リング形の弾性体であって、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体とによって押圧保持されている、高電圧絶縁構造体。

【請求項9】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体において、
前記第１および第２の絶縁体の間に、前記第３の絶縁体よりも電気抵抗率が大きい第４の絶縁体を有する、高電圧絶縁構造体。

【請求項10】

請求項１に記載の高電圧絶縁構造体を備える荷電粒子銃であって、
前記導電部は、荷電粒子源に前記高電圧を印加するための導電体である、荷電粒子銃。

【請求項11】

請求項１０に記載の荷電粒子銃を備えた荷電粒子ビーム装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高電圧絶縁構造体、荷電粒子銃および荷電粒子ビーム装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、電子顕微鏡やＸ線装置などの荷電粒子を用いて対象物の観察や分析等を行う装置では、電子をビーム状に発生させる荷電粒子銃（一般には電子銃と呼ばれる）が備えられている。そして、これらの装置では、電子銃の内部に配置されたカソードに、数ｋＶから数百ｋＶの非常に高い電圧を印加することで、電子ビーム（荷電粒子ビーム）を加速させながらアノードの方向に放出する。

【0003】

このような高電圧（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ、以下、「ＨＶ」と略称する）をＨＶ電源からカソードに供給するためには、典型的に、ＨＶ電力ケーブルが使用される。ここで、ＨＶ電力ケーブルの両端には、各々、ＨＶコネクタアセンブリが取り付けられる。そして、ＨＶコネクタアセンブリの一方はＨＶ電源に接続され、他の一方は、電子銃のハウジングのコネクタ部に接続されるのが一般的である。

【0004】

また、ＨＶ電位となるＨＶ導電体が、ＨＶコネクタアセンブリとハウジングコネクタ部との各々の中心部に備え付けられ、そのＨＶ導電体の周囲は、ＨＶ導電体と接地部位とを電気的に遮蔽するため、絶縁物で充填される。ＨＶコネクタアセンブリとハウジングコネクタ部を連結することで、それぞれのＨＶ導電体部同士が電気的に接触し、カソードに電力を供給することができる。

【0005】

さらに、ＨＶコネクタアセンブリとハウジングコネクタ部との連結部には、かかる連結部の密着性の確保ないし増加を図るために、絶縁ガスケットが挟み込まれる。空気の絶縁破壊電圧は固体絶縁材料に比べ低いことから、連結部間の空気層での放電が問題になる。そこで、絶縁ガスケットを入れることにより、この空気層を無くし、高耐電圧化が実現できる。さらに、一般的にはガスケットの表面にグリースを塗布することで、密着性をさらに増加させる。

【0006】

上述のようにして、ＨＶ電位であるＨＶ導電体部と、接地電位である筐体部とを電気的に絶縁することで、電子銃を破壊するような放電の発生を抑制している。加えて、電子銃は、その性能に不具合をもたらすような微小な放電の発生を抑制する必要もある。そのため、電子銃には、電界を低減するための種々の施策がなされている。

【0007】

典型的には、ＨＶケーブルの内部やコネクタの連結部などのＨＶ導電体の周辺は、ＨＶ導電体を軸中心とした軸対称の形状となっている。このような軸対称空間における径方向の電界Ｅは、下記の式（１）に示すガウスの法則に従う。

【0008】

【数1】

【0009】

ここで、Ｖ_０はＨＶ導電体に印加するＨＶ電圧、ｒは中心軸からの距離（Ｒ_１≦ｒ≦Ｒ_２）、Ｒ_１は内周部のＨＶ導電体（ＨＶ電位）の径、Ｒ_２は外周部の筐体（接地電位）の径である。式（１）より、電界Ｅは中心軸からの距離rに反比例し、即ち中心部に近いほど電界が高くなる。その結果、電界が最大となる箇所はＨＶ導電体の表面（ｒ＝Ｒ_１）に位置する。このようにして電界が高くなる中心部近傍は、特に放電が発生する可能性が高い部位である。式（１）によると、外周部の半径Ｒ_２-や内周部の半径Ｒ_１を大きくすることで、電界Ｅは小さくなる。

【0010】

電界を低減するための施策として、例えば筐体を大型化すれば半径Ｒ_２を大きくすることができる。また半径Ｒ_１を大きくするために、例えば、特許文献１に記載のＨＶコネクタシステムにおいては、ＨＶコネクタアセンブリはＨＶ導電体を囲うように配置されたファラデーカップを有する。特許文献１によると、「本発明の１つの利点は、ファラデーカップがＨＶ配線結合部近傍における局所的な電界の実質的解除をもたらし、そのことによって部分放電活動を低下させることである。」との記述がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２００４－１６５１６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

特許文献１に記載のＨＶコネクタシステムでは、例えばＨＶ導電体を覆うようにしてファラデーカップを配置することで、ＨＶ電位である内周部の径を拡大し、電界の集中を一定程度軽減している。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、依然として、軸中心に近いほど電界の値が大きくなるという望ましくない性質を有している。

【0013】

本発明の目的は、高電圧が印加される導電部の周辺における電界を低減することが可能な高電圧絶縁構造体、荷電粒子銃および荷電粒子ビーム装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

【0015】

本発明の代表的な実施の形態による高電圧絶縁構造体は、
高電圧が印加され軸方向に伸びる導電部を絶縁体で取り囲む高電圧絶縁構造体であって、
前記絶縁体は、第１の絶縁体と、前記軸方向において前記第１の絶縁体とは反対側に位置する第２の絶縁体と、前記第１の絶縁体と前記第２の絶縁体との間に位置する第３の絶縁体とを備え、
前記第３の絶縁体の電気抵抗率は、前記第１および第２の絶縁体の電気抵抗率よりも小さく、
前記第３の絶縁体における前記軸方向の厚みは、前記導電部から遠い外側の第１肉厚が、前記導電部に近い内側領域の第２肉厚よりも薄い。

【発明の効果】

【0016】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

【0017】

すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、高電圧に対する絶縁特性が良好な構造体が得られる。かかる高電圧絶縁構造体によれば、軸中心部に位置する導電部の周辺における電界を低減し、部分放電が発生する可能性を最小化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施の形態１に係る電子銃の構成を示す図である。

【図2】ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。

【図3】ガスケット周辺の電位分布を示した断面図である。

【図4】従来例として、テーパー部分を排除して円盤状にしたガスケット周辺の電位分布を示した断面図である。

【図5】ガスケットと第２絶縁体の接合面における電位分布のグラフである。

【図6】ガスケットと第２絶縁体の接合面における電界分布のグラフである。

【図7】実施の形態２に係る電子銃における、ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。

【図8】実施の形態３に係る電子銃における、ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。

【図9】実施の形態３におけるガスケットと第２絶縁体の接合面における電界分布のグラフである。

【図10】荷電粒子ビーム装置の一例としての透過電子顕微鏡の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する各実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明の技術範囲を限定するものではない。なお、実施例において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、特に必要な場合を除き省略する。

【0020】

最初に、図１０を参照して、各実施形態に共通して適用される荷電粒子ビーム装置の一例を説明する。ここで、図１０は、荷電粒子ビーム装置の一例としての透過電子顕微鏡の構成を示す図である。

【0021】

図１０に示すように、本開示に係る透過電子顕微鏡は、電子ビーム１０９を出力する電子銃１０１と、電子ビーム１０９が照射される対象物である試料１００１を支持する試料ホルダ１００２と、電子ビーム１０９を試料１００１に照射するための照射レンズ１００３と、試料１００１に焦点を合わせ、かつ試料１００１を透過した電子ビームを拡大するための対物レンズ１００４と、電子顕微鏡像を結像する結像レンズ１００５と、前記電子顕微鏡像を検出する検出器１００６と、加速電圧を発生する高圧電源１００７と、上記の各レンズおよび高圧電源１００７を制御する制御部１００８と、種々の演算制御を行うコンピュータ１００９を備える。なお、透過電子顕微鏡を構成する各部のうち、電子銃１０１以外の構成は、公知であるため、その詳細な説明を割愛する。

【0022】

透過電子顕微鏡において、電子銃１０１は、金属製の筐体部である金属ハウジング１０４、金属ハウジング１０４内に備えられた第１絶縁体１０５、カソード１０６、電子源１０７、およびアノード１０８を有する。また、電子銃１０１は、高圧電源１００７から出力される高電圧（ＨＶ）を金属ハウジング１０４内に導入して電子源（この例ではカソード１０６および電子源１０７）に印加するためのＨＶケーブル１０３およびＨＶコネクタ１０２を有する。

【0023】

上記のうち、カソード１０６および電子源１０７は、電子銃１０１の軸中心部に位置する導電体の一部をなし、接地電位をなす金属ハウジング１０４とは電気的に絶縁されている。また、カソード１０６は、ＨＶケーブル１０３およびＨＶコネクタ１０２と電気的に接続され、高圧電源１００７で発生した高電圧（ＨＶ）が加えられることにより、高温の電子源１０７から放出される電子ビーム（荷電粒子ビーム）を、アノード１０８の方向に加速させる役割を担う。なお、電子銃１０１を構成する他の構成および特徴部分については、図１以下の説明で後述する。

【0024】

図１０に示す透過電子顕微鏡において、電子銃１０１の電子源１０７から放出され加速しながらアノード１０８の位置を通過した電子ビーム１０９は、照射レンズ１００３を通過した後に試料１００１に照射される。また、試料１００１を通過（透過）した電子ビームは、対物レンズ１００４および結像レンズ１００５を通過して拡大および結像された後に検出器１００６に到達することで、試料１００１の電子顕微鏡像として検出することができる。

【0025】

このような透過電子顕微鏡（荷電粒子ビーム装置）では、電子銃１０１を破壊するような放電の発生の防止のみならず、その性能に不具合をもたらすような微小な放電を抑制することも重要な課題となる。具体的には、例えば金属ハウジング１０４内で微小な放電が発生した場合、電子銃１０１から出力された電子ビーム１０９、ひいては検出器１００６で検出される試料１００１の電子顕微鏡像の画像の乱れや解像度の劣化などが発生するおそれがある。

【0026】

次に、上述の課題を解決するための電子銃１０１の具体的な構成例について、図１以下を参照して説明する。

【0027】

（実施の形態１）

【0028】

図１は、実施形態１に係る電子銃の構成を示す図である。図１０および図１に示すように、電子銃１０１は、ＨＶコネクタ１０２と、ＨＶケーブル１０３と、金属ハウジング１０４と、カソード１０６と、カソード１０６を支持し金属ハウジング１０４とカソード１０６を電気的に絶縁する第１絶縁体１０５と、電子源１０７と、アノード１０８を備える。

【0029】

この電子銃１０１では、カソード１０６および電子源１０７に数ｋＶ～数百ｋＶの負の高電圧（ＨＶ電圧）を印加することで、接地電位であるアノード１０８との間にＨＶ電圧分の電位差を生じさせる。電子銃１０１の内部は真空となっており、電子源１０７から放出される電子ビーム１０９は、空間中の気体分子と衝突することなく、上記の電位差により加速されながら、アノード１０８の方向に放射される。ＨＶ電圧は、ＨＶケーブル１０３、ＨＶコネクタ１０２および第１絶縁体１０５の内部に埋め込まれている導電体を通じて、カソード１０６および電子源１０７に供給される。電子源１０７の交換時や、電子銃１０１の内部の圧力の低減のために行うベーキング時における作業性を向上するため、ＨＶコネクタ１０２と金属ハウジング１０４は分割できる構造となっていることが一般的である。

【0030】

図２は、ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。図２に示すように、ＨＶコネクタ１０２は、導電体２０１と、ファラデーカップ２０２と、導電体２０１とファラデーカップ２０２の周囲に充填された第２絶縁体２０３と、を備える。第１絶縁体１０５の内部には、カソード１０６および電子源１０７と電気的に接続された導電体２０４が包埋されている。金属ハウジング１０４とＨＶコネクタ１０２の接合部、即ち、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３の間には、ファラデーカップ２０２を収容するための開口を中央に有する、ガスケット２０５が配置される。ガスケット２０５は、平面視でリング形の外形を有する弾性体であり、ＨＶコネクタ１０２と金属ハウジング１０４を固定具２０６（例えばネジ）によって締結することで、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３の間で押圧保持される。この例では、ガスケット２０５の内周面がファラデーカップ２０２の外面と接触し、ガスケット２０５の外周面（外縁）は、金属ハウジング１０４の内面と接触するように配置されている。さらに、ガスケット２０５の接合面に沿って各々の絶縁体１０５，２０３と密接に接触させ、かつ絶縁体１０５，２０３等との間の空隙を排除して電気的な絶縁性能の強化および向上を図るべく、ガスケット２０５の接合面にグリースの薄い層を施してもよい。

【0031】

導電体２０１および２０４は、例えば片方は凸形状もう片方は凹形状であり、ＨＶコネクタ１０２と金属ハウジング１０４を連結したとき、前記凸部が前記凹部に差し込まれることで、導電体２０１および２０４は安定的に接触して電気的に接続される。また、図２には示していないが、これらの導電体は、一般的に複数の導電部材で構成され、それぞれに印加されるＨＶ電圧は数Ｖ～数ｋＶ程度ずつ異なる。ファラデーカップ２０２は、これらの導電部材のうちの１つと電気的に接続されている。ファラデーカップ２０２によって中央部の導電体２０１を囲うことで、導電体２０１の近傍に対する電界の遮蔽をもたらし、そのことによって導電体２０１の近傍における望ましくない放電の発生を減少させる。ファラデーカップ２０２の内部は、この例では第２絶縁体２０３が充填されているが、他の例として空気層が存在していてもよい。

【0032】

上記のＨＶ電位となる部位と接地電位となる部位は、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３およびガスケット２０５により、電気的に絶縁される。第１絶縁体１０５および第２絶縁体２０３は、例えばエポキシ樹脂やセラミックなどで構成され、電気抵抗率が１０^１４～１０^１８Ωｃｍ程度の高い電気的絶縁性能を有する。また、ガスケット２０５も電気的な絶縁性能を有する物質であり、接合部分における密着性の確保および増加を図るため、例えばゴムなどの弾性を有する絶縁物質が使用される。

【0033】

図２に参照されるように、電子銃１０１において、上述した導電体２０１、導電体２０１に電気的に接続されたファラデーカップ２０２、およびファラデーカップ２０２のほぼ下端の高さ位置で導電体２０１に接続された導電体２０４は、各々、軸方向（図１および図２では上下方向）に伸びるように配置されることで、本開示の導電部を形成する。そして、電子銃１０１では、この導電部を種々の絶縁体で取り囲むことで、導電部に印加される高電圧と金属ハウジング１０４とを絶縁する絶縁構造体が構成される。

【0034】

図２に示す実施形態１では、導電部を取り囲む絶縁体として、下側（この例では金属ハウジング１０４内）に位置する第１絶縁体１０５と、第１絶縁体１０５の上方（この例ではＨＶコネクタ１０２内）に位置する第２絶縁体２０３と、第１および第２絶縁体１０５，２０３の間に位置するガスケット２０５と、を備える。

【0035】

言い換えると、第２絶縁体２０３は、軸方向すなわち導電部の伸びる方向において、第１絶縁体１０５とは反対側に対抗するように位置する。また、ガスケット２０５は、軸方向（上下方向）において、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３との間に挟み込まれるように設けられる。

【0036】

本開示の実施の形態１において、ガスケット２０５は、第３の絶縁体としての役割を担うものであり、周囲の絶縁体、即ち第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３よりも、電気抵抗率が小さい物質で構成される。例えば、第１および第２絶縁体１０５，２０３の電気抵抗率が１０^１４～１０^１８Ωｃｍ程度であった場合、ガスケット２０５は、その電気抵抗率が１０^１４Ωｃｍよりも小さい物質で構成される。このような物質の例としては、電気抵抗率１０^１０～１０^１２Ωｃｍを有するクロロプレン（ネオプレン）ゴムが挙げられる。

【0037】

一般に、従来の技術では、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３との連結部に介在されるガスケットは、高耐電圧化の観点から、できるだけ電気抵抗率が大きい物質で構成されるべきと考えられており、実際そのような構成が用いられてきた。

【0038】

一方で、上述した従来構成では、電子銃を破壊するような大電流による放電を防止することはできるが、電子銃の性能に影響を与え得る他の放電、すなわち局所的ないし部分的な放電（以下、「部分放電」という）まで抑制することは難しいものと考えられる。

【0039】

本発明者らは、電子銃の構造について種々の研究および実験を行った結果、大電流による放電を防止しつつ部分放電をも抑制するためには、従来とは逆の発想、すなわち、ガスケットの電気抵抗率を周囲の絶縁体（１０５,２０３）よりも小さくした方がよいことを見出した。また、かかる効果を得るためには、ガスケットの厚みを内径側と外径側とで以下のように異ならせることが必要であることを見出した。

【0040】

本開示において、ガスケット２０５は、外径側の第１肉厚（厚み）が、内径側の第２肉厚よりも薄い構成とされる。より詳細には、実施の形態１のガスケット２０５は、第２肉厚の部位から第１肉厚の部位にかけて肉厚が径方向に連続的に薄くなる形状、例えばテーパー形状となっている。図示しないが、他の例として、第２肉厚の部位から第１肉厚の部位にかけて、肉厚が径方向に段階的に（例えば、階段状、波状などの断面形状で）薄くなる構成としてもよい。あるいは、第２肉厚の部位から第１肉厚の部位にかけて、肉厚が曲線状に変化してもよい。さらに、第１肉厚と第２肉厚の間は、肉厚の変化しない平らな領域が存在してもよい。

【0041】

本発明者らは、上述のような構成とすることにより、金属ハウジング１０４の内部で導電体２０１またはファラデーカップ２０２から発生する部分放電を、ガスケット２０５の作用（第３の絶縁体の電気的特性）によって顕著に抑制できることが分かった。

【0042】

なお、上記のように、ガスケット２０５の外径側と内径側とで厚みを異ならせる構成としたことに伴い、ガスケット２０５と接触する第１絶縁体１０５および第２絶縁体２０３の面は、ガスケット２０５の形状に沿った形状に加工されることが望ましい。例えば、図２に示す例では、ガスケット２０５の下面をテーパー状の斜面としたことから、第１絶縁体１０５の上面にテーパー加工が施されている。図示しない他の例として、ガスケット２０５の上面をテーパー状の斜面としてもよく、この場合は、第２絶縁体２０３の下面にテーパー加工を施せばよい。さらに他の例として、ガスケット２０５の上面および下面の両方をテーパー状の斜面としてもよく、この場合、第１絶縁体１０５の上面および第２絶縁体２０３の下面に各々、テーパー加工を施せばよい。

【0043】

図２に示すように、ガスケット２０５の片側（この例では下面側）のみをテーパー形状とする構成の場合、かかる絶縁構造体を製造する工程が比較的単純となる利点がある。

【0044】

上述のように、ガスケット２０５を保持する第１絶縁体１０５および第２絶縁体２０３の面（ガスケット２０５に接触する上面および下面）を、対応するガスケット２０５の接触面（下面および上面）の形状に対応した面形状とすることにより、ガスケット２０５は、押圧保持された状態においても元々の形状が保たれる。したがって、ガスケット２０５と絶縁体１０５，２０３とを密接に接触させて、電気的な絶縁性能の向上を図ることができる。

【0045】

図３は、ガスケット周辺の電位分布を示した断面図である。本発明者らは、図２に示す電子銃１０１におけるガスケット２０５の周辺の電位分布、言い換えると、電子銃１０１の稼働時に絶縁構造体において不可避的に発生する微小なリーク電流の電位分布を、シミュレーションにより求めた。シミュレーション結果の電位分布を示す図３において、ガスケット２０５の内径側の端部はＨＶ電位（－１００ｋＶ）、外径側の端部は接地電位（０ｋＶ）である。－１００ｋＶと０ｋＶの間には、１０ｋＶ間隔の等電位線を示す。ガスケット２０５の内周部と外周部の半径はそれぞれ、１２．５ｍｍと３５ｍｍであり、内周部から外周部までの距離は２２．５ｍｍである。また、ガスケット２０５の第１肉厚と第２肉厚は、それぞれ、１．６ｍｍと４．７ｍｍである。第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３の電気抵抗率は、１０^１６Ωｃｍに設定し、ガスケット２０５の電気抵抗率はより低い値である１０^１２Ωｃｍに設定して計算を行った。

【0046】

図４は、従来例として、テーパー部分を排除して円盤状にしたガスケット周辺の電位分布を示した断面図である。本発明者らは、上述したガスケット２０５の代わりに、ガスケット２０５の内径側から外径側に亘って厚みが均一な円盤状にしたガスケット４０１を配置し、ガスケット４０１の周辺の電位分布をシミュレーションにより同様に求めた。ガスケット４０１の肉厚は４．７ｍｍである。その他の条件は図３と同様である。

【0047】

図３と図４とを比較して分かるように、実施の形態１のガスケット２０５を用いた絶縁構造体によれば、従来構成のガスケット４０１を用いた絶縁構造体と比較して、内径側（高電圧側）の等電位線の間隔が広くなり、逆に、外径側（低電圧側）の等電位線の間隔が狭くなっていることが分かる。このように、高電圧側の等電位線の間隔を従来よりも広くすることにより、電子銃を破壊するような大電流による放電を防止するとともに、電子銃の性能に影響を与え得る部分放電を顕著に抑制することができる。

【0048】

図５は、ガスケットと第２絶縁体の接合面における電位分布のグラフである。すなわち、図５に示すグラフは、図３および図４中に点線で示した評価線上、すなわち、ガスケットと絶縁体（この例では第２絶縁体２０３）とが接合する沿面上の電位分布を表している。このグラフにおいて、縦軸は電位（単位ｋＶ）である。また、横軸は、評価線上の距離（単位ｍｍ）であり、評価線の左側の端点（ガスケットの内径側の端点）が０ｍｍである。グラフ内の実線（テーパー）および破線（円盤）は、それぞれ、図３に示したテーパー付きのガスケット２０５、および図４に示した円盤状のガスケット４０１、に対応するプロットである。

【0049】

図６は、ガスケットと第２絶縁体の接合面における電界分布のグラフである。すなわち、図６に示すグラフは、図５に示した電位プロットの変化率、即ち沿面の電界分布のプロットである。縦軸は電界（単位ｋＶ／ｍｍ）であり、横軸は図５と同様である。

【0050】

ここで、再び図３と図４とを参照して、実施の形態１と従来構成との違いをより詳細に説明する。図４に示すように、円盤状のガスケット４０１を使用した場合では、ガスケットの内径側ほど（特に、－６０ｋＶ以下の電位において）、等電位線の間隔が狭くなっている。これは、ガスケットの内径側ほど電界が高くなっていることを表す。一方で、図３に示すように、テーパーを付与したガスケット２０５を使用した場合では、等電位線の間隔は概ね等しく、内径側の電界が低減されている。

【0051】

この効果の違いは、図６に示した電界のグラフにおいてより顕著に示される。従来構成による円盤状のガスケット４０１（以下、円盤型と称する場合がある）のプロット（破線）では、式（１）に示したガウスの法則に従い、ガスケットの内径側（０ｍｍ）に近付くほど電界の値が高くなり、０ｍｍにおいて最大値７．８ｋＶ／ｍｍとなっている。これに対して、テーパーを付与したガスケット２０５のプロット（実線）では、電界の値は、径方向距離１２ｍｍ以下においては円盤型よりも低く、１２ｍｍ以上では円盤型よりも高い。その結果、ガスケットの両端部（０ｍｍと２２．５ｍｍ）の電界値がほぼ等しく、それらよりも電界値が低い領域が中央部に存在している。このように、実施の形態１の構成では、電界の最大値と最小値の差を小さくすること、即ちガスケットの径方向の電界分布を均すことによって、０ｍｍ地点における電界の最大値は、５．４ｋＶ／ｍｍにまで低減されている。

【0052】

以上に述べた電界の集中を低減する効果は、本開示における以下の特徴によって達成することができる。
特徴１：周囲の絶縁体よりも電気抵抗率が低い物質を第３の絶縁体（この例ではガスケット）として使用することで、電子銃の稼働時に導電部から不可避的に漏れ出る微小な電流（リーク電流）が、第３の絶縁体（ガスケット）に優先的に流れるようになる。
特徴２：；第３の絶縁体（ガスケット）の外径側の肉厚を内径側の肉厚よりも薄くすることで、第３の絶縁体（ガスケット）の径方向の単位距離当たりの抵抗値を制御し、図３等に示すリーク電流の電流密度を均一化している。

【0053】

以上のように、本開示の電子銃１０１および透過電子顕微鏡によれば、第３の絶縁体（ガスケット）の径方向にわたって発生する電界の分布を均すことで、局所的な電界の集中を低減させることがき、これによって望ましくない部分放電の発生を低減することができる。これに付随する効果として、第３の絶縁体（ガスケット）の表面の電界が低減されることによって、耐電圧性能を改善するために塗布していたグリースを除去することができ、これによってグリース塗布の組立工程が削除され、メンテナンス性の改善も期待できる。

【0054】

（実施の形態２）
本開示の実施の形態２では、電子銃１０１が備える各部に関する変形例を説明する。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下は主として実施の形態１との差異点について説明する。

【0055】

図７は、実施の形態２に係る電子銃における、ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。上述した実施の形態１においては、第１絶縁体１０５および第２絶縁体２０３が、ガスケット２０５（第３の絶縁体）と接触していたが、ガスケット２０５に接触する絶縁体（１０５，２０３）の片方または両方を、第２のガスケット（第４の絶縁体）に置き換えてもよい。

【0056】

例えば、図７に示す実施の形態２の構成例では、第１絶縁体１０５とガスケット２０５の間に、第４の絶縁体としての第２ガスケット７０１を配置している。この場合においても、ガスケット２０５は周囲の絶縁体（ここでは第２ガスケット７０１と第２絶縁体２０３）よりも電気抵抗率は低くなっている。例えば、第２ガスケット７０１は、１０^１４－１０^１８Ωｃｍ程度の電気抵抗率を有するシリコンゴムである。

【0057】

このように追加のガスケットを配置することで、実施形態１と同等の効果を維持しながら、ＨＶコネクタ１０２もしくは金属ハウジング１０４を構成する絶縁体に対して、テーパー形状等の加工を施す必要が無くなるという利点が生じる。したがって、電子銃１０１の製造工程におけるコスト低減を図ることができる。

【0058】

〔実施の形態３〕
本開示の実施形態３では、電子銃１０１が備える各部に関する変形例を説明する。その他構成は実施形態１と同様であるので、以下では主として実施形態１との差異点について説明する。

【0059】

図８は、本実施の形態３に係る電子銃１０１における、ＨＶコネクタと金属ハウジングとの接合部を詳細に示した断面図である。図８に示す実施の形態３では、図２で上述した実施の形態１と同様に、第１絶縁体１０５と第２絶縁体２０３との接合部に第３の絶縁体としてのガスケットが配置される。

【0060】

一方、実施の形態３で用いられるガスケット８０１は、図８に示すように、内径側の第２肉厚と、第２肉厚よりも薄い外径側の第１肉厚の間に、第１肉厚よりもさらに薄い第３肉厚を有している。

【0061】

ガスケット８０１における第１肉厚と第３肉厚との間、および第２肉厚と第３肉厚との間にかけての肉厚は、径方向に連続的に変化している。図示しない他の例として、第１肉厚と第３肉厚との間、および第２肉厚と第３肉厚との間にかけての肉厚は、径方向に段階的に（例えば、階段状、波状などの断面形状で）変化する構成としてもよい。また、肉厚の変化の態様については、実施の形態１で説明したような種々の変形例を採用することができる。

【0062】

また、図８に示す例では、ガスケット８０１の下面を曲面状（径方向における中腹部を凹状）としたことから、第１絶縁体１０５の上面が、対応する曲面状（径方向における中腹部を凸状）となるように加工が施されている。他の例として、実施の形態１で説明したような種々の変形例を採用することができ、あるいは実施の形態２で説明したように、第４の絶縁体（第２のガスケット）を追加する構成としてもよい。

【0063】

図９は、実施の形態３におけるガスケットと第２絶縁体の接合面における電界分布のグラフである。すなわち、図９に示すグラフは、上述した図６と同様にしてプロットした、ガスケット８０１と第２絶縁体２０３との接合部沿面における電位の変化率、すなわち沿面の電界分布のグラフである。ガスケット８０１の第１肉厚、第２肉厚および第３肉厚は、それぞれ、１．７ｍｍ、４．７ｍｍおよび０．９ｍｍである。その他の計算条件は、図６と同様である。電界の値は、ガスケット８０１の内径側の端部（０ｍｍ）で３．５ｋＶ／ｍｍ、外径側の端部（２２．５ｍｍ）で２．６ｋＶ／ｍｍ、中間部（１０ｍｍ近傍）で５．４ｋＶ／ｍｍである。図９を参照すると、ガスケット８０１の径方向における内外の両端部よりも、中腹部の方に、電界値が高い領域が存在していることが分かる。

【0064】

このようにして、実施の形態３によれば、一般に部分放電が発生しにくいガスケットの中腹部に電界を偏らせることで、相対的に部分放電が発生しやすい領域となるガスケットの両端部の電界をさらに低減することが可能となる。なお、実施の形態３では、ガスケット（第３の絶縁体）の肉厚の変化の極点が３つ存在する例としたが、他の例として、肉厚の変化の極点が４つ以上存在する構成としてもよい。

【0065】

なお、本発明は上述した実施形態１、２および３に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、電子顕微鏡の分野に特化するように適用した電子銃に関して詳細に説明したものである。したがって、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。

【0066】

また、上述した実施形態における第３の絶縁体の構成は、Ｘ線装置の電子銃に適用できることは勿論のこと、例えば特開２００７－１４０７０号公報に記載されているようなガス絶縁装置にも適用することができる。具体的には、上述した第３の絶縁体の構成は、ガス絶縁電気機器において、絶縁性ガスを充填した密閉容器内で高電圧導体に取り付けられる「絶縁スペーサ」に適用することができる。この場合、上述した第１の絶縁体および第２の絶縁体は、いずれも絶縁性ガスが対応し、また、第３の絶縁体は、板状部材あるいは弾性部材である必要はない。他の側面からは、第１の絶縁体および第２の絶縁体の相（phase）は、特に限定されるものではなく、固体、気体、液体のいずれであってもよい。また、第３の絶縁体の相も必ずしも固体である必要はない。例えば、第１の絶縁体および第２の絶縁体が固体である場合、第３の絶縁体は、固体のみならず、液体または気体であってもかまわない。

【符号の説明】

【0067】

１０１：電子銃（荷電粒子銃）、１０２：ＨＶコネクタ、１０４：金属ハウジング、１０５：第１絶縁体、２０１：導電体、２０２：ファラデーカップ、２０３：第２絶縁体、２０５，８０１：ガスケット（第３の絶縁体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】