光電効果を利用した新しい電子線源の高輝度化に関する研究

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光学顕微鏡では凹凸レンズを組み合わせて球面収差が除去できるため、像分解能は原理的分解能である光の波長程度である。他方、透過型電子顕微鏡(TEM)では実用的な磁気凹レンズの作製が不可能なため球面収差が除去できず、像分解能は電子の波長に比べて約100倍も低く、光学顕微鏡に対する"虫眼鏡程度"だと言われる。将来、超高輝度・高干渉性の電子線源をTEMに用いて充分良質なホログラムが得られれば、その像再生過程で光学凹レンズによる収差の除去ができ(D.Gaborの方法)、"虫眼鏡程度"からの脱却が可能となる。陰極先端に量子効率(光電効果で放出される電子の割合)の高い物質を被覆し可視レーザーを照射すれば、既存の熱電子放出や電界放出型電子線源よりも数万倍の多量な電子が放出される。また、既存の電子線源では電子が全方位に放出されるが、光電効果型電子線源では同一方向に低速の電子が放出され、電子を細く集束できるため、超高輝度電子線源となることが期待できる。加速器やX線発生装置への応用も可能である。超高輝度の光電効果型電子線源を開発するには基本的な諸課題を解決する必要があった。一般的にCs_3Sb等の高量子効率物質は僅かな酸素に晒しても量子効率が低下する。そこで、陰極先端に高量子効率物質を被覆した後、酸素に晒すことなく陰極ユニットを被覆装置から取り出して電子線源に装着できる装置を開発し、その有効性を実験で確認した。高真空中でもCs_3Sb等の量子効率は高温ほど速く低下する。そこで、ペルチェ冷却により陰極先端部を局所冷却できるようにn型とp型のBi_2Te_3を組み込んだ陰極を開発した。周辺部も冷却して陰極先端を-42℃にまで局所冷却し、連続可視レーザーの収束照射をしても低温が保持されることも実証し、実用化への道を開いた。また、陰極先端と蒸着ボートの間に小さな穴を開けた絞りを置くことにより、Cs_3Sbを陰極先端の微小領域に蒸着することにも成功した。