CN108701574A - 低压线离子等离子体放电源以及具有二次发射的电子源的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压线离子等离子体放电源，其包括细长的电离室(1)，所述电离室(1)容纳在电离室内纵向延伸的至少两个平行的阳极线(2，3)。根据本发明，所述至少两个阳极线中的第一(2)阳极线连接到DC电压源(4)，并且所述至少两个阳极线中的第二(3)阳极线连接到脉冲电压源(5)。

Description

低压线离子等离子体放电源以及具有二次发射的电子源的 应用
技术领域
本发明涉及一种低压线离子等离子体(wire ion plasma)放电源，特别是用作二次发射电子束的离子源，特别是用于脉冲X射线源。该类型的脉冲X射线发生器通常用作高能量准分子激光器的预电离源。
背景技术
这种X射线源的原理例如在Friede等人的美国专利n°4,955,045中描述。通常，参考图1，其示意性地表示在二次电子发射X射线发生器中使用的线离子等离子体(WIP)放电源，从脉冲高压+U源向在具有低气压(通常是氦气)的电离室中纵向延伸的一个或若干个平行线10(形成装置的阳极)施加正脉冲电压(1-5kV)。脉冲正电压的施加产生沿着线形成的正离子(例如He+)等离子体。在产生离子(He+)等离子体之后，将负高压脉冲(通常约100kV)施加到位于同一外壳中的阴极20。正离子被吸引朝向阴极20，并且在与阴极20碰撞时，产生二次电子，该二次电子形成远离阴极20传播的电子束。金属靶30可以位于电子束路径中，从而通过减慢电子束来产生X射线发射。
为了获得可靠的X射线发生器的离子源，特别是用于高能量准分子激光器，WIP放电必须满足以下若干要求：
-必须产生高密度的正离子以随后产生高密度的二次电子，从而产生足够高的X射线剂量。这通常需要至少1A/cm或更高(通常为2A/cm)的放电电流，用于WIP放电。
-可靠的触发(低脉冲到脉冲抖动)和良好的脉冲到脉冲稳定性，用于可靠和稳定的X射线发射。
-所产生的等离子体的良好空间均匀性，特别是在用于高能准分子激光器的X射线源的情况下可以长于1米的线的方向中。
经验表明，完全满足这些要求是相当困难的。
通过施加高压脉冲在诸如氦的低压气体中产生离子等离子体导致与引发气体击穿所需的自由电子的存在相关的大的统计不确定性。这在脉冲电压施加到线的时间和等离子体的开始之间引起大的抖动。这种抖动可以取决于外部条件，诸如施加的电压，电离室壁表面的变化条件，以及施加的电压脉冲和先前放电之间的时间(参见“氦记忆效应”，Kurdle等人的J.Phys.D：Appl.Phys.32(1999),2049-2055)。
EP-2.079.092中的Makarov提出了解决该问题的方法，其中在向阴极施加负脉冲之前，向线施加若干连续放电(以高重复率，通常为100Hz)而不是单脉冲WIP放电。由于低压气体(通常是氦)放电的“记忆”效应，每次连续放电都会降低抖动，从而改善由最后一个正脉冲产生的等离子体的稳定性(在时间和强度上)。然而，这种解决方案具有若干缺点：
-它强制为每个电子束脉冲生成若干WIP放电，这降低了装置的可靠性和寿命。
-已经观察到，在长的WIP源(≥1m长)中的连续放电往往会引起不希望的等离子体纵向限制，从而降低离子源的均匀性(见图2)。
在该情况下，稳定性和低抖动是以均匀性为代价的。
另一方面，从Gueroult等人Journal of Physics D：Appl.Phys.Vol.43,N°36的“观察到的DC线放电模式的单元建模中的粒子”中也可知WIP放电可以在低(DC)电流(通常<1m A/cm)下连续维持。Gueroult等人还示出(见图3，表示通过侧窗观察的放电曲线)，在特定的电流和压力条件下，DC WIP放电可以在所谓的“低压约束模式”下维持(图3(a)收缩模式-p＝1.10-2mbar,I＝1mA)，其中等离子体径向限制在线周围并沿线均匀伸长；或在“扩散(diffuse)模式”下维持，用于更高的压力(3(b)、3(c)、3(d)扩散模式p＝2,8.10-2mbar纵向膨胀，电流为I＝1，1.5和2mA，其中等离子体径向扩散但在纵向方向中(即沿着线)呈现不均匀性。在任何情况下，对于两种操作模式，DC WIP放电都不能产生足够的离子密度以直接用于X射线发生器。
日本专利申请JP-4-255654A公开了一种脉冲电子枪，其包括低压气体电离室，该低压气体电离室容纳阳极线，用于通过气体的脉冲电离生成正离子。预先将DC电压施加到阳极线，并且将脉冲电压进一步施加到阳极线。因此，电离室内的等离子体密度增加，并且从等离子体提取并到达阴极表面的正离子的数量也增加。然而，将DC电压和脉冲电压二者施加到相同的阳极线具有以下缺点：
·在线上施加高压/高电流脉冲可使连续等离子体不稳定；
·在JP-4-255654A中，施加到线的连续高压是脉冲高压的很大一部分，并且没有规定避免连续等离子体变得不稳定；
·直流等离子体放电呈现负电阻，并且因此必须进行电阻镇流以便保持稳定。因此，叠加脉冲源和DC源并不令人满意，因为任何杂散电容(电缆和二极管的杂散电容)都会引起DC放电的振荡。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种低压线离子等离子体(WIP)放电源，特别是用作二次发射电子束的离子源，特别是用于脉冲X射线源，克服了现有技术的缺点。
特别地，本发明的目的是提供一种低压线离子等离子体放电源，其确保便利的等离子体建立，具有低抖动、良好的稳定性和均匀性(约束(constricted)相)。
根据本发明，通过提供低压线离子等离子体(WIP)放电源来实现上述目标，该低压线离子等离子体(WIP)放电源包括细长电离室和在电离室内纵向延伸的优选平行的至少两个阳极线，其中所述至少两个阳极线中的至少第一阳极线连接到直流(DC)电压源，并且所述至少两个阳极线中的第二阳极线连接到脉冲电压源。
在操作中，提供有DC电压的第一阳极线用作提供激发或电离物质的辅助源。当第二阳极线被提供高脉冲电压时，这些物质用作建立脉冲高电流等离子体的种子，从而确保最终主等离子体的低抖动、稳定性和均匀性。
优选地，施加到第一阳极线的直流电流是低电流(通常≤1mA/cm)，以获得并保持处于均匀模式(约束相)的最终主等离子体。
本发明的低压WIP放电源可包括两个以上的阳极线。DC电压源或脉冲电压源可以连接到两个或多个平行的阳极线。
典型配置包括连接到DC电压源的单个阳极线和连接到脉冲电压源的两个平行阳极线。阳极线可以通过一端或两端连接到脉冲电压源，或者在多个阳极线的情况下通过交替阳极线的相对端连接。
在优选实施例中，电离室包括主细长室和辅助细长室，它们沿着它们的长度(优选地通过狭缝的其整个长度)流体连通。连接到DC电压源的至少一个纵向延伸的阳极线容纳在辅助室内，并且连接到脉冲电压源的至少一个纵向延伸的阳极线容纳在电离室的主室内。采用这种布置，避免了在施加主高电流脉冲期间的串扰或短路。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明，附图表示：
-图1，使用线离子等离子体放电的经典二次电子发射X射线发生器的功能的示意图；
-图2，使用单脉冲WIP放电或多脉冲WIP放电的离子等离子体限制的示意图；
-图3，DC线等离子体放电的配置，其取决于DC电流值和气体压力；
-图4，根据本发明的电离室的示意图；
-图5，DC电压源和脉冲电压源的示意图；
-图6，根据本发明的包括主电离室和辅助电离室的电离室的实施例的示意图；
-图7，根据本发明的电离室的操作的序列和波形；以及
-图8A和图8B，根据本发明的施加DC电流(7A)和没有DC电流(7B)的脉冲阳极线上的电压和电流曲线。
具体实施方式
在图4中，示意性地表示根据本发明的电离室1。电离室1具有细长的形状(通常为1米或更长的长度)并且容纳在电离室1内纵向延伸的两个平行的阳极线2、3。
第一阳极线连接到DC电压源4，用于向线施加高DC电压(通常为0.5到1kV)和低DC电流(通常≤1mA/cm)。
第二阳极线连接到脉冲电压源5，用于施加单个高电压(通常为1-5kV)和高电流(通常≥1A/cm；<10μs)脉冲。
通过向一个阳极线连续施加高电压，从而产生通过所述线的连续电流，当随后向另一个线施加高DC电压时，安全地获得几乎没有抖动的稳定的WIP放电。当然，可以选择每种类型(DC和脉冲)的阳极线的数量和定位以优化离子密度和均匀性。此外，当使用提供有脉冲高压的若干阳极线时，可以将脉冲高压提供给线的相同单端、线的两端或每个线的相对端。
在一个具体实施例中，如图6中所示，电离室10包括主细长室11和细长辅助室12，辅助室12通过沿长度方向(优选地，主室和辅助室的整个长度)纵向延伸的细长狭缝13与主室11流体连通。
主室11容纳在室内纵向延伸的两个平行阳极线14a、14b(当然，也可以仅使用一个阳极或多于两个的阳极线)。
辅助室12容纳在其中纵向延伸的阳极线15(当然，多于一个的阳极线可以设置在辅助室12内)。
位于辅助室12内的阳极线15连接到高压/低电流DC源(如图4中所示)。位于主室11内的阳极线14a、14b连接到脉冲高电压/高电流源(例如，如图5中所示)。在图6的实施例中，阳极线14a、14b通过相对的端连接到脉冲高压/高电流源。当然，它们也可以通过其相同的侧端或两端连接。
细长的主室和辅助室可以具有任何合适的形状，诸如平行六面体或圆柱形。主室和辅助室的总纵向长度通常为1米或更长。
参考图7，现在将描述当用于产生二次电子发射束时根据本发明的电离室的典型操作序列。
1.电离室特性
-电离室：室具有平行六面体形状，具有以下典型尺寸：长度130cm，宽度4cm，高度4cm。
-阳极线
DC电压阳极线：一个DC线，直径通常为200μm
脉冲电压阳极线：两个脉冲线，直径通常为300μm
-具有以下特性的DC源(HVPS-1)：
-输出高压通常为2kV；
-可控输出电流，对于1.30m线长度通常可以限制在0.3mA(因此≤0.3mA/m)，从而使DC等离子体保持在收缩模式；
-具有以下特性的脉冲电源(见图5)：
-高压电源(HVPS-2)，HV输出通常为5kV；
-电容器C，通常为30nF，用于存储电能并随后将其输送到脉冲线；
-开关S，其能够快速闭合并处理高达5kV的电压和高达500A的电流，以便向脉冲线提供高压脉冲。开关可以由一个或若干个IGBT形成。可替代地，可以使用MosFET晶体管。可替代地，也可以使用闸流管(应注意，在闸流管的情况下，必须使用变压器)
2.操作
·启动(T0)时，高DC电压(通常为2kV)施加到一个线。
·经过一段时间(T1)后，在线周围产生等离子体，并且电流流动。电源电流限制设置为足够低的值以将DC等离子体保持在约束模式并且足够高以生成足够的电荷以稳定形成脉冲WIP。典型的电流设定值可取决于线直径和室几何形状(线-壁距离，线之间的距离)。对于位于室壁～1cm处直径为200μm、长度为1.5m的直流线，电流设定值为0.1mA。一旦建立了所述等离子体，电源电压就下降到取决于等离子体阻抗的值，通常为1kV。该DC等离子体在装置操作期间持续维持。
·在T2，HVPS-1将电容器C充电至设定的高压，通常为5kV。
·一旦电容器C充电，在T3，开关S闭合，并且随后，脉冲线承受相同的高压。电压上升时间取决于电路物理特性，设计为快速(通常<1μs)。
·在T4，脉冲线上出现的高电压形成脉冲WIP等离子体，并且高电流开始在电离室中流动，在一段时间内产生高离子密度，这取决于脉冲电源设计(通常为几μs)。
·在T5，存储在电容器C中的电能已完全转移到等离子体，并且脉冲电流停止。
·在T6，在经过精确控制的时间延迟后，将负高压脉冲(通常为-100kV)施加到阴极，加速离子等离子体，产生二次电子和随后的X射线发射。
·在T7，取决于所需的X射线源重复率进行控制，重复循环(从T2开始)。
典型延迟：
·DC等离子体起始(T1-T0)：非临界(仅在启动时)，通常<1s。
·电容器C的充电时间(T3-T2)：必须短于连续X射线脉冲之间的所需时间，对于10Hz操作通常<100ms。
·横跨脉冲线的电压的上升时间(T4-T3)：必须足够快以有效地形成脉冲等离子体。取决于电路参数(开关闭合时间，电感)，通常<1μs。
·WIP等离子体的持续时间(T5-T4)：通常为2μs。
·延迟脉冲WIP等离子体-电子束(T5-T6)：通常为5μs。
·重复率(T7-T2)：通常为1-100Hz(0.01-1s)。
操作的序列和波形如图7中所示。
图8A和图8B示出当DC电流施加到另一个线(100次注射(shot))(图8A)和没有施加DC电流时(图8B)，脉冲阳极线上的离子源电压和电流。没有直流电流，存在大的抖动和WIP放电的差稳定性。

Claims (6)

1.一种低压线离子等离子体放电源，其包括细长的电离室(1)，所述电离室(1)容纳在所述电离室内纵向延伸的至少两个阳极线(2，3)、DC电压源(4)和脉冲电压源(5)，
所述低压线离子等离子体放电源特征在于，所述至少两个阳极线中的第一(2)阳极线连接到所述DC电压源(4)，并且所述至少两个阳极线中的第二(3)阳极线连接到所述脉冲电压源(5)。
2.根据权利要求1所述的低压线离子等离子体放电源，其特征在于，它包括连接到所述DC电压源(4)的若干阳极线和/或连接到所述脉冲电压源(5)的若干阳极线。
3.根据权利要求1或2所述的低压线离子等离子体放电源，其特征在于，由所述DC电压源(4)生成的直流电流等于或小于1mA/cm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低压线离子等离子体放电源，其特征在于，所述脉冲电压源(5)生成1至5A/cm或更大的脉冲大电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低压线离子等离子体放电源，其特征在于，所述电离室(10)包括通过狭缝(13)沿其整个长度流体连通的主细长室(11)和细长辅助室(12)，在所述主室(11)中纵向延伸的至少一个脉冲电压供应的阳极线(14a，14b)，和在所述辅助室(12)中纵向延伸的至少一个DC电压供应的阳极线(15)。
6.一种在低压室中在离子轰击下具有二次发射的电子源，其特征在于，它包括如权利要求1至5中任一项所述的低压线离子等离子体放电源。
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