CN1430865A - 通过中性流束的碰撞产生超紫外线的光源 - Google Patents

Abstract

本文涉及光子源，光子源包括放射室、处于放射室中的多个离子束源以及中和机制。每个离子束源通过静电作用对流向等离子放射区域的工作气体离子束进行加速。中和机制在工作气体离子束进入等离子放射区域之前至少部分将其中和。中和后的离子束进入等离子放射区，并且形成辐射出光子的热等离子体。辐射出的光子可以是软性X射线，或者是超紫外线波长范围内的光线。在某一实施方案中，所产生光子的波长在10～15纳米之间。

Description

通过中性流束的碰撞产生超紫外线的光源

相关申请

本申请拥有60/206,130号临时申请的权益，该临时申请于2000年5月22日提交，在此通过引证被并入本文。

发明领域

本发明与等离子体X射线源有关。具体而言，本发明与软性X射线或超紫外线光源有关。流向等离子放射区的离子通过静电作用被加速，然后在接近放射区域过程中被中和，这样可避免空间电荷排斥作用，经过上述过程可以产生出高能光子。

发明背景

使用环形区域扫描摄像机或其他成像系统的光学平版印刷过程需要使用高能超紫外线或软性X射线光源。例如，1994年5月24日授予Jewell等人的5,315,629号美国专利对环形区域平版印刷术进行了说明。波长在12.5～14.5纳米范围内的光线尤其适合上述用途，因为在这一波段中，可以使用由硅和钼形成的具有相对较高反射率的多层镜。邻近的11.4纳米波长也令人感兴趣，因为在此波长可使用硅铍多层镜。

氙波段光线的波长为10～15纳米，人们曾建议用这一波段的光线来产生平版印刷工艺所用波长的光线；通过将脉冲激光聚焦在膨胀的氙气束上可产生等离子体，并由此产生平版印刷工艺所用波长的光线。例如，1996年11月19日授予Kubiak等人的5,577,092号美国专利对此有所描述。为了得到能辐射出所需波段光线的高度离子化氙气，所生成的氙等离子体必须要达到20电子伏特以上的温度。由于激光能量转化成13.5纳米可用光子能量的效率小于1％，其结果是需要能量极高的激光。产生这样的激光需要很高的基本投资费用以及很高的操作费用。这种等离子体产生激光的方法还有另外二处缺陷：(a)为了收集到较大立体角度内所发生的辐射，集光元件必须靠近等离子体，其结果是等离子体中的氙离子通过溅蚀作用而损坏了集光表面；(b)为了使这一过程有效操作，产生线束膨胀的喷嘴必须距等离子体约在2毫米之内。这会造成喷嘴被侵蚀并导致材料在集光元件上的沉积，并由此导致集光元件对超紫外线反射率的降低。

产生10～15纳米氙波段辐射的更直接方法是利用磁场对流向柱状脉冲放射轴的氙离子进行加速，柱状脉冲放射被称为Z-等离子线柱放射。例如，在1996年4月2日授予McGeoch的5,504,795号美国专利以及McGeoch在1998年第37期《应用光学)》所发表的题为“超紫外线平版印刷术所用的射频预离子化氙Z-等离子线柱源”的文章中对该项技术进行了说明。该等离子线柱源包括腔室、射频电源以及等离子线柱阳极和等离子线柱阴极；腔室定义了一个等离子线柱区域，该区域有一个中心轴；射频电极位于等离子线柱区域的周围，其作用是对等离子线柱区域内的气体进行预离子化以生成等离子体层，在射频能量施加到射频电极上时，在中心轴的周围形成对称的等离子体层；等离子线柱阳极和阴极分别位于等离子线柱区域相对的两端。辐射出X射线的气体通常在0.1乇至10乇的压力下被引入腔室。当向等离子线柱阳极和等离子线阴极施加高能电脉冲时，等离子线柱阳极和等离子线阴极产生的电流在轴向上穿过等离子体层并在等离子线柱区域形成水平磁场。该水平磁场导致等离子层向中心轴坍塌并产生出X射线。

Z-等离子线柱源以相对较高的效率将电能直接转化成等离子能量。所施加电能的约10％以氙波段光线的形式被辐射出来。然而，由于这种辐射等离子体比激光聚焦所产生的等离子体大好几倍，所以收集辐射的立体角更小，且导向平版印刷光学器件的辐射量也更少，这就限制了其效率。因此，净效率放大系数更低，其范围在2～4倍。但Z-等离子线柱源收集角较小的一个优点是集光表面距等离子线柱区域足够远，从而不会受氙离子的侵蚀。光束收集角度的变小还可在等离子体和集光元件之间插入一条金属箔或其他装置来消除杂质和各种粒子，由此来保护集光元件，使之具有更长的工作寿命。

在Z-等离子线束源中，离子的加速是通过作用在放射性等离子体中电子上的力而实现的，这造成了Z-等离子线束源的缺陷。电子流过处于放射阴极和放射阳极之间的柱状层，返回的电流流过柱体的导电外层。在柱形电流层之间，一个强磁场将向等离子体层施加压力使其加速向Z-等离子线柱轴心运动。然而，产生等离子体层的代价是Z-等离子线束电极必须要释放出电子，而这一过程会造成电极的侵蚀，这种侵蚀是由放电产生的氙离子造成的，这一侵蚀虽然很小但却不可避免。

在被称为融合器的装置中，为了发生融合反应，离子在去往球心的过程中被加速。例如，1966年6月授予Farnsworth的3,258,402号美国专利以及1970年9月22日授予Hirsch等人的3,530,497号美国专利对这类装置进行了说明。

所有这些以前的装置都有一个或多个缺陷。因此,产生X射线或超紫外线需要改进的方法和设备。

发明概述

根据本发明的第一方面，光源由放射室和中和机制组成，放射室中有多个离子束源。每个离子束源通过静电作用对流向等离子放射区域的工作气体离子束进行加速。中和机制在工作气体离子束进入等离子放射区域之前至少部分将其中和。中和后的离子束进入等离子体放射区，并且形成辐射出光子的热等离子体。

光子可以是软性X射线，或者是超紫外线波长范围内的光线。在某一实施方案中，辐射出光子的波长在10～15纳米之间。

离子束源可以是脉冲性的，也可以是连续性的。在某一实施方案中，等离子体放射区域是球形区域，离子束源分布在球形等离子体放射区域的周围。在另一实施方案中，等离子体放射区域为柱体形状的区域，离子束源分布在柱形等离子体放射区域的周围。

这些离子束源包括同心电极板、电源以及气源；其中同心电极板有多组通道，每组通道沿同一轴线排列，并与等离子体放射区域相通；电源在电极板之间施加电压，气源向电极板中间的通道提供工作气体。电极板在阴极板和阳极板之间还有一个或多个中间电极板。电极板的结构和排列可以产生虚闪放电，更具体言，就是可以产生串级虚闪放电。

在某一实施方案中，中和是通过每个离子束中的共谐电荷交换实现的。在另一实施方案中，离子束由电子进行中和。

工作气体可选自氙气、锂蒸汽、氦气、氖气、氩气和氪气。但工作气体并不局限于这些气体。在优选情况下，放射室中的工作气体压力约在1～100毫乇之间。

根据本发明的另一方面，光源由放射室、电源以及中和机制组成。放射室中含有工作气体以及同心电极板；电源在电极板之间提供电压。电极板有多组通道，这些通道沿同一轴心排列，并与等离子体放射区域相通。工作气体的离子束沿轴向被导入等离子体放射区域。在进入等离子体放射区域之前，中和机制至少部分地将离子束中和。中和后的离子束进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体。

本发明的另一方面提供产生光子的系统，该系统由定义放射室的腔体、电源、气源、中和机制以及真空系统组成。其中放射室内有同心电极板，电源在电极板之间提供电压，气源向放射室提供工作气体，真空系统控制放射室中工作气体的压力。电极板有多组通道，每组通道沿同一轴线排列，并与等离子体放射区域相通。工作气体离子束沿轴线方向被导入等离子体放射区域。在离子束进入等离子体放射区域之前，中和机制至少部分地将离子束中和，中和后的离子束进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体。

气源和真空系统可以连接起来以便向放射室提供气流。

该系统还包括反馈控制系统，反馈控制系统根据辐射光子波谱的测量值来控制进入放射室的工作气体流量。反馈控制系统包括光子检测仪和流量控制器；其中光子检测仪检测辐射出的光子的波谱，流量控制器根据光子波谱的检测值来控制进入放射室的工作气体流量。

腔体可以包括使光子进入集光区的结构。这一结构由蜂窝状筛网组成，筛网上有许多孔，这些孔的方向与光子的辐射方向相同。

本发明的另一方面提供产生光子的方法。该方法包括以步骤：通过静电作用对流向等离子体放射区域的多股离子束进行加速；在离子束进入等离子体放射区域之前至少将部分离子束中和，其中中和后的离子束进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体。图示简介

为了更好地理解本发明，本文所附图形中带有参考文字，这些附图通过引证被并入本文。

图1A是单级虚闪放电装置的示意图。

图1B是串级虚闪放电装置的示意图。

图2A是本发明中某一超紫外线源实施方案的剖面侧视图。

图2B是图2A所示超紫外线源的剖面顶视图。

图3A是本发明第二实施方案中超紫外线源的剖面侧视图。

图3B是图3A所示超紫外线源的剖面顶视图。

图4A是本发明第二实施方案中超紫外线源的剖面侧视图。

图4B是图4A所示超紫外线源的剖面顶视图。

图5是本发明产生超紫外线光子系统某一实施方案的示意图。

详细说明

本发明中的光源通过对流向放射区域的离子束进行加速使之形成辐射出光子的热等离子体。离子由静电力加速，而不是由磁力加速。为了将离子导入很小的放射空间，离子是在几何尺寸精确的通道中被加速，该通道的轴线与放射区域形成交叉。离子可以从离子源提供给加速通道，也可直接在通道中产生。为了辐射出超紫外线光子，放射区域中的等离子体必须达到20电子伏特或以上的温度，但在这一温度下辐射非常强烈，这样要对等离子体进行迅速冷却。通过释放脉冲离子束可很容易达到所需的温度。然而，在本发明的范围内也可以使用连续离子束。为了达到高度离子化状态，释放给中央等离子体的单位粒子能级通常为几千伏特，离子束重新组合并辐射出超紫外线或软性X射线。此外，离子带有正电荷，在进入放射区域之前，这些离子相互排斥，除非有中和机制对这些离子进行中和。在某一实施方案中，被加速的离子在离开加速通道时进行共谐电荷交换，并作为中性原子被输送到中央位置区域。在另一实施方案中，离子束由一股电子流所中和。所得到的中性流束在不发生偏斜的情况下进入放射区域。如果发生共谐电荷交换，则要调整气体的压力，以便在几厘米的距离内基本上实现电荷的完全交换，这意味着气体的压力要在1～100毫乇之间。

光源中的离子束可以在虚闪放射装置中产生，图1A所示的就是一个实例。虚闪放射装置10包括相互隔开的电极板12、14和16，这三块电极板上分别带有排成一线的孔20、22和24。在图1A中，虚闪放射装置10含有两组通道。一般而言，虚闪放射装置在两端电极之间可包括一个到多个通道，两端的电极是虚闪放射的阳极和阴极。孔20、22和24是圆形孔，并且有共同的轴心。压力通常为1～100毫乇的工作气体被提供给放射装置。当脉冲电压施加到电极上时开始产生等离子体，粒子束从两个方面离开通道。当向电极16施加正脉冲时，电子束30经阳极16上的孔24离去，离子束32经阴极12上的孔20离开。中间电极，如电极14可处于中间电位，或者被加以偏压来帮助所产生的离子束取焦。当使用脉冲电压时，中间电极的存在可使工作气体的密度更低，这样可以降低超紫外线的吸收。

在本发明光源的第一种实施方案如图2A和2B所示。图2A和图2B中的实施方案有两个离子加速通道结构100。加速结构100包括同心球形电极板112、113和114。电极板112、113和114带有多组孔，这些孔呈轴对齐，并与等离子体中央放射区域120相通。例如电极板112、113和114中的孔122、123和124分别与轴126相对齐，并与等离子体中央放射区域120相通。每组孔，例如孔122、123和124构成了加速通道128。电极板112、113和114之间的距离构成了离子束的静电加速通道。因此，图2A和2B中实施方案包括36个加速通道128，通道分三层排列，每层有12个通道。因此，加速结构100将36股离子束引向等离子体放射区域120。然而，在本发明的范围内可以使用不同数量的离子束。

电极板112、113、和114可由绝缘隔离物130支撑。举例而言，最内层的电极板112的半径可以是50毫米，电极板间的距离可在5～10毫米之间。电极板上排成一线的孔122、123、和124的半径可为3毫米。应该理解的是，这些尺寸只是实例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。加速结构100可以不含中间电极113，也可以含有两个或多个中间电极板。

外壳132上带有开口134，外壳包裹住加速装置100。工作气体通过外壳132上的开口134被引入，这样可从距等离子体放射区域120最远端向每个加速通道128提供工作气体；要产生10～15纳米波长的辐射，工作气体可以选用氙气。真空泵通过加速结构100的顶部孔隙140和/或底部孔隙142使结构的中央部位保持一定的真空度。

在优选情况下，加速装置100中央部分的工作气体压力维持在1～100毫乇。如前面所述，氙气是一种合适的工作气体。其他适用的工作气体包括锂蒸汽、氦气、氖气、氩气以及氪气，但工作气体并不局限于这些气体。

在操作过程中，工作气体或以脉冲方式或以连续方式经开口134进入最外层电极板114后面的空间144。其中一些工作气体流过加速通道128。当加速通道中的气体达到适当的密度时，一个脉冲电压被施加到电极板112和114之间。电极板114相对电极板112而言是正极。在图2A和2B所示的结构中，当达到适当的气体密度以及施加了足够的电压时，则在每个加速通道128中同进发生虚闪放电。虚闪放电的特点是产生极高强度的且方向相反的电子束和离子束。离子束从加速通道128的负极端即电极板112这一端离开，电子束从加速通道的正极端即电极板114这一端离开。中间电极板113可处于选定的中间电势。通过调节中间电势可以帮助改善离子束在等离子体放射区域120的聚焦情况。

在优选情况下，施加在电极板112和114之间的电压是脉冲形式的电压。做为另外一种选择，也可以使用连续电压。在优选情况下，脉冲电压幅度为5～50千伏，脉冲宽度为10～1000毫微秒，或者以1～100千赫兹的频率发生。对离子束进行加速的脉冲具有100～10千电子伏特的能量。应该理解的是，这些参数值只是实例性的，并不对本发明范围构成任何限制。所施加的电压取决于加速装置的各种参数、工作气体的参数以及辐射出光子的参数。

在加速通道128中产生的离子束被静电力加速到等离子体放射区域120，以便离子束在放射区发生有效的碰撞，并将离子束中不断到达的工作气体原子的增殖等离子体迅速加热。通过对加速通道128中逸出区146内的工作气体密度进行正确的调节，大部分离子可通过共谐电荷交换被中和，这样可以形成中性流束，中性流束在不发生偏斜的情况下传输到等离子体放射区120处的等离子体中。为了促进共谐电荷交换，工作气体的优选压力位于1～100毫乇之间。那些没有被中和的离子使离子束带有过量的正电荷，这样可以将电子从附近电极板112的表面上吸引过来，电极板112由于虚闪放电的关系已经沦为负极。因此，中性原子旁边伴随有电荷基本上处于平衡的等离子束，其中包括未被中和的离子和电子，等离子束向等离子体放射区域120中所生成的热等离子体提供额外的能量。等离子体放射区域120的体积约在0.001～0.1立方厘米之间。

当等离子体达到20电子伏特的温度或更高温度时，便形成辐射出超紫外线的负荷状态，并且开始成为中央等离子体的主要成份。在能量增长期和等离子冷却期都会有超紫外线光子辐射出来；能量增长期可以持续10～100毫微秒，等离子体冷却期始于中性流束能量降低之时，冷却期可以持续10～100毫微秒。从惰性的Z-等离子线柱源类推，等离子体放射区域120处等离子体的辐射由重组转换所支配，在膨胀期内由迅速冷却的电子提供能量。超紫外线辐射束150通过加速装置100上的开口140和142离开光源，但通常以一个方向离开。

以几十千赫兹的频率重复使用图2A和2B的光源可以向平版印刷工艺过程中的环形扫描摄像机提供准确的暴光量。虚闪放电装置可以以超过100千赫兹的频率重复操作。此外，几何形状相似的电极会表现出多虚闪通道的同步性，它不仅可做为光子源，还可以做为高通电子开关。1996年5月26日授予McGeoch的5,502,356号美国专利对此进行了说明。在超过几千赫兹的高重复频率下，在封闭空间内会存在永久性等离子体。等离子体由部分离子化的气体组成，气体从各个方向离开等离子体放射区域120。等离子体物流到达电极板112的表面时会释放出第二级电子，当施加电压脉冲时，第二级电子会引发每个通道同步进行放电。

图3A和3B所示的是本发明中光源的第二种实施方案。与图2A和2B相似，图3A和3B中使用相同参考数字。在图3A和3B所示的实施方案中，离子束是通过引入共同传输的电子流来中和的。离子束和电子束由背对背虚闪装置同时产生，背对背虚闪装置被称为串级虚闪装置。

图1B是串级虚闪放电装置200的示意图。串级虚闪放电装置200含有平板电极202、204、206、208、和210；这些电极上的开孔212沿同一轴线排列。中间电极板206相对于两端的电极202和210而言是一个脉冲性阳极，这样就构成了背对背结构。电子束和离子束在图1所示的装置中产生。然而，在图1B所示的背对背结构中，电子束和离子束是相互叠加的，这样离子束被低能级电子所伴随。所产生的中性等离子束在传播过程中不会出现由于空间电荷排斥作用所造成的重大偏移，而且在靠近光源的放射区域时不会产生正电势，否则所产生的正电势会排斥离子。

现在再参见图3A和3B，加速装置300包括同心球性电极板312、314、316和318和320。电极板312、314、316、318和320有多组开孔324，每组开孔都沿轴线330排列，这些孔并且与等离子体放射区域120相通。排列成一直线的开孔324构成了加速通道128。

在操作过程中，氙气或其他工作气体通过开孔134被引入空间144以及电极板312、314、316、318和320之间。相对于最内层电极312和最外层电极320而言，中间电极板316是一个脉冲性阳极。虚闪放电在电极316和312之间以及电极板316和320同时发生，虚闪放电沿轴线330产生中性流束。方和向内的流束汇聚于等离子体放射区域120，在该区域发生碰撞并生成热等离子体；热等离子体的温度通常为20～50电子伏特。当等离子体的膨胀和加热作用停止时，等离子体冷却下来，并且发生重新组合，同时辐射出超紫外线光子。例如，工作气体可以是压力为几毫乇的氙气。在放射区域120中的等离子体辐射出波长为100埃至150埃的氙波段光子。这里的电极板结构、工作气体参数以及所施加的脉冲电压参数可以与2A和2B所示实施方案中的情况相类似。

图2A、2B、3A和3B中实施方案的等离子体放射区域120是球形区域。然而，由中性流束碰撞所形成的等离子体放射区域不必一定是球形的，这一区域可以是圆柱形的、椭圆形的或任何其他任意的形状。

本发明光子源的第三个实施方案如图4A和4B所示，其中等离子体放射区域是圆柱形的。与图2A和2B相似，图4A和4B带有同样的参考数字。在图4A和4B所示的实施方案中，加速装置400包括电极板412、414和416。电极板412、414和416有多组开孔420，这些开孔沿轴线420排列，并且与圆柱形等离子体放射区域430相通。开孔420构成了加速通道128。在图4A和4B所示的实施方案中，工作气体通过开孔134被引入加速装置400，这样可以在空间144以及在电极板412、414和416之间形成基本上均匀的分布。脉冲电压施加在电极板412和416之间，电极板414处于中间电势。电极板412、414和416的几何形状可以使加速通道128中所产生的离子束汇聚到等离子体放射区域430中。与图2A、2B、3A和3B中的实施方案相同，离子束通过共谐电荷交换进行中和，并且包括由中和电子伴随的离子。离子束所携带的能量堆积到放射区430中的等离子体上，以便产生辐射出软性X射线或超紫外线波长的高度离子化原子核。辐射出的光子以光束450离开光源，而热等离子体通过缝隙142离开光源。

图4A和4B中的光子源在结构上可以不带有中间电极板414，也可以带有两个或多个中间多极板。光子源的结构可以含有图1A、3A和3B以及前面所述的串级虚闪放射装置。

放射区域430中的圆柱形等离子体发出的轴向超紫外线强度高于径向上的辐射强度。当细长形状的等离子体发出重组辐射时，所产生的辐射是定向辐射。辐射以窄束光线的形式射出，这对于集光表面很有利。集光表面通常是镜面，且距等离子体较远，这样做的目的是降低等离子体对集光表面的加热作用，同时还可以使辐射以较小的入射角射到镜面上。等离子体的形状可以是球形或圆柱形；例如，使用适当的中性流束排列方式可以产生旋转的椭球形等离子体。

图5是示意图，它表明的是本发明中产生光子系统的实施方案。加速装置500与图2A和2B所示的加速装置100、图3A和3B所示的加速装置300、图4A和4B所示的加速装置400或在本发明范围内的任何其他加速装置相一致。在图5所示的实施方案中，加速装置500与图2A和2B所示的加速装置100相一致。与图2A和2B一样，图5中使用了相同的参考数字。在腔体502内有加速装置500和外壳132。腔体502限定了放射区域504的范围。加速装置500的顶部缝隙140通过筛网510与集光区514相通；集光区514被封闭壳516所包围。封闭壳516中含有集光元件518，该集光元件将光子束送往远处的光束应用地点。正如下面所述的，筛网510可以使来自放射室504的光子束到达集光区514，但却阻止了放射区504的气体流入集光区514。与腔体502相通的气源520通过外壳132上的开口134向加速装置500提供工作气体。加速装置500的底部开孔142与真空泵524相通。真空泵524的出口526又与气源520相连，这样便形成了气体循环系统。气源520和真空泵524与腔体502形成闭环连接，这样可使工作气体通过放射室504进行循环。气源520中可含有从工作气体中除去杂质和颗粒的元件。

脉冲电源530分别通过导电体532和534与电极板114和112相连。脉冲电源530位于腔体502的外部，导体532和534分别通过绝缘引线536和53 8进入加速装置500。电源530的阳极与外层电极板114相连，阴极与内层电极板112相连。脉冲电源530可以是固态开关的磁力调谐脉冲发生器。

筛网510将等离子体放射区域120与封闭层512隔开，筛网具有蜂窝状结构，该结构中有许多小孔，这些孔的方向与此处光束150的传播方向是一致的。筛网510可阻止放射室504的气体进入集光区514，同时可允许光子在几乎不出现衰减的情况穿过筛网。因此，筛网510允许放射室504和集光区514之间存在压差，高限压差足以使放射室504发生电荷交换，低限压差可使光子束有效地传输到集光区514。筛网510可用高导热性材料制成，这样可以减少等离子体的热量并保护集光区514中的集光元件。筛网510可由电绝缘材料制成，如用碳化硅制成；筛网510也可用导电材料制成，如用铜制成。

该系统还包括反馈控制系统548，反馈控制系统根据辐射出光子波谱的测量值来控制进入放射室504的工作气体流量。反馈控制系统548包括检测器550、控制电器552和流量控制器554；其中检测器550位于集光区514之内。检测器550通过控制电器552与流量控制器554相连。流量控制器控制进入放射室504的工作气体流量。在某一实施方案中，检测器550在两个具有明显光谱特征的波长重合点对辐射出光子的超紫外线光谱进行采样。例如，在氙波范围内，第一台检测器在13.4纳米处对光密度进行采样，第二台检测器在11.4纳米处对光密度进行采样。每台测检器都带有多层镜，该多层镜将一小束辐射出的光束反射到另一个硅二极管上。13.4纳米波长的光束由钼、硅多层镜反射，11.4纳米波长的光束由硅、铍多层镜反射。控制电器552确定出13.4纳米的信号与11.4纳米的信号之比，并根据这一比值计算出提供给流量控制器554的控制信号。如果这一比值高于设计值，则等离子体温度太低，需要稍稍降低气体压力。如果这一比值低于设计值，则需要稍稍增加气体压力。照此方式，反馈控制系统548保持超紫外线辐射光谱的稳定。

本发明是结合产生超紫外线及软性X射线波长范围内的光子进行说明的。超紫外线波长范围一般被认为是在10纳米～100纳米之间，软性X射线波长范围一般被认为是在0.1纳米～10纳米之间。但本发明并不局限于用于这些波长范围，本发明还可用于产生位于其他波长范围的光子。

在某一实施方案中，氩气被用作工作气体，所产生的超紫外线辐射位于40～120纳米波长范围内。阴极板、阳极板和中间电极板带有多组排列成一线的孔，这些孔的直径为3毫米，并构成64个加速通道，这些加速通道与穿过球心的轴线相对齐。在球心处所形成的等离子体从直径不到3毫米的空间向外放出辐射，最内层电级板的内径为50毫米。在该实施方案中，所施加的能量为6焦耳，氩气的压力为40毫乇，光谱仪距等离子体150厘米。所辐射出的超紫外线足够强，在一次脉冲中可以采集到整个波谱。在测试该装置的高重复速率操作能力时，该装置以300赫兹的频率进行脉冲操作。

虽然目前所说明和表明的是本发明的优选实施方案，但很明显，本技术领域内的技术人员在不脱离由本文所附权利要求定义的本发明范围的条件下可以对本发明进行各种改变和修正。

Claims (37)

1.一种光子源，其组成如下：

    放射室；

    多个离子束源，这些离子束源位于放射室之内，每个离

子束源通过静电作用对流向等离子体放射区域的离子束进

行加速；

    中和机制，在所述的离子束进入等离子体放射区域之

前，中和机制至少将部分离子束中和，其中中和后的离子

束进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子热等离子体。

2.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的离子束源由脉冲离子束源构成。

3.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的离子束源由连续离子束源构成。

4.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的等离子体放射区域是球形区域，所述的离子束源分布在球形等离子体放射区域周围。

5.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的等离子体放射区域是圆柱形区域，所述的离子束源分布在圆柱形等离子体放射区域周围。

6.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的多个离子束源由同心电极板、电源以及气源构成。这些电极板上带有多组孔隙，各组孔隙都沿某一轴线排列，并与等离子体放射区域相通。电源在所述的电极板之间施加电压；气源向所述电极板的各组孔隙提供工作气体。

7.如权利要求6中所定义的光源，其中所述的电极板由阴极板和阳极板构成。

8.如权利要求7中所定义的光源，其中所述的电极板在所述的阴极板和阳极板之间还包括一个或多个中间电极板。

9.如权利要求6中所定义的光源，其中电极板的结构可以产生虚闪放电。

10.如权利要求6中所定义的光源，其中所述的电极板被设计为串级虚闪放电结构。

11.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的中和方式包括每组离子束中的共谐电荷交换。

12.如权利要求1中所定义的光源，其中所述的光子位于软性X射线或超紫外线波长范围内。

13.如权利要求1中所定义的光源，其中工作气体为氙气，所辐射出的光子波长在10～15纳米之间。

14.如权利要求1中所定义的光源，其中工作气体选自以下气体：锂蒸汽、氦气、氖气、氩气和氪气。

15.一种光子源，其组成如下：

    含有工作气体的放射室；

    同心电极板；同心电极板位于放射室之内，所述的电极

板带有多组孔隙，这些孔隙沿某些轴线排列，并且与等离

子体放射区域相通；

    电源；电源向所述的电极板施加电压，其中工作气体产

生的离子束沿所述的轴线被导入等离子体放射区域；

    中和机制，在所述的离子束进入等离子体放射区域之

前，中和机制至少将部分离子束中和，其中中和后的流束

进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体。

16.如权利要求15中所定义的光子源，其中所述的电源是脉冲电源。

17.如权利要求15中所定义的光子源，其中所述的电源产生脉冲宽度在10～1000毫微秒之间的脉冲。

18.如权利要求15中所定义的光子源，其中所述的电源是连续电源。

19.如权利要求15中所定义的光子源，其中施加在所述电极板之间的电压约在5～50千伏之间。

20.如权利要求15中所定义的光子源，其中工作气体由氙气构成，所辐射出的光子的波长约在10～15纳米之间。

21.如权利要求15中所定义的光子源，其中工作气体选自：锂蒸汽、氦气、氖气、氩气和氪气。

22.如权利要求15中所定义的光子源，其中工作气体的压力在1～100毫乇之间。

23.如权利要求15中所定义的光子源，其中所述的电极板基本上是球形电极板。

24.一种光子源，其组成如下：

    含有放射室的腔体；

    同心电极板；同心电极板位于放射室之内，所述的电极

板带有多组孔隙，这些孔隙沿某些轴线排列，并且与等离

子体放射区域相通；

    电源；电源向所述的电极板施加电压，其中工作气体产

生的离子束沿所述的轴线被导入等离子体放射区域；

    中和机制，在所述的离子束进入等离子体放射区域之

前，中和机制至少将部分离子束中和，其中中和后的流束

进入等离子体放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体；

    真空系统；真空系统控制放射室中工作气体的压力。

25.如权利要求24中所定义的系统，其中等离子体放射区域是球形区域。

26.如权利要求24中所定义的系统，其中等离子体放射区域是圆柱形区域。

27.如权利要求24中所定义的系统，其中所述的气源与所述的真空系统是相连的，并通过放射室形成工作气体的循环回路。

28.权利要求24中所定义的系统还包括反馈控制系统，该反馈控制系统根据辐射出光子波谱的测量值来控制进入放射室的工作气体流量。

29.如权利要求28中所定义的系统，其中所述的反馈控制系统包括光子检测器和流量控制器；光子控制器检测辐射出的光子的波谱，流量控制器根据光子波谱的测量值来控制进入放射室的工作气体流量。

30.如权利要求24中所定义的系统，其中所述的腔体中包括蜂窝状筛网结构，该筛网结构可透过光子，筛网结构中带有许多开孔，这些孔的方向与辐射出的光子的传播方向相同。

31.如权利要求24中所定义的系统，其中放射区域的体积约在0.001～0.1立方厘米之间。

32.如权利要求24中所定义的系统，其中离子束的能量约在100电子伏特～10千电子伏特之间。

33.一种产生光子的方法，该方法组成如下：

    通过静电作用对流向等离子体放射区域的多股离子束进

行加速；

    在所述的离子束进入等离子体放射区域之前，中和机制

至少将部分离子束中和，其中中和后的流束进入等离子体

放射区域，并形成辐射出光子的热等离子体。

34.如权利要求33中所定义的方法，其中对多股离子束进电加速的过程包括将多股脉冲离子束导向等离子体放射区域。

35.如权利要求33中所定义的方法，其中至少将部分离子束中和的过程包括向去往等离子体放射区域的离子束输送电子。

36.如权利要求33中所定义的方法，其中至少将部分离子束中和的过程包括促进每股离子束中的共谐电荷交换。

37.权利要求33中所定义的方法还包括一个控制步骤，该控制步骤根据辐射出光子的波谱测量值来控制进入含有等离子体放射区域的放射室的工作气体流量。

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