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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf Vorrichtungen zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 5.
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Insbesondere geht es bei der vorliegenden Erfindung um das Bereitstellen von kohärenter Röntgenstrahlung.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5 sind aus K. A. Janulewicz et al.: ”Collisionally pumped hybrid soff X-ray laser in Ne-like sulphur” in C. R. Acad. Sci. Paris, t. 1, Serie IV, S. 1083 bis 1092 (2000) bekannt. Hier wird ein durch Kapillarentladung erzeugtes Plasma mit Licht von einem Laser, das auf der Achse der Kapillare eingestrahlt wird, gepumpt. Das zur Achse der Kapillare hin zusammengezogene Plasma weist die notwendige Dichte und einen geeigneten Temperaturverlauf auf, um das Licht des Lasers zu absorbieren. Mit dem Licht kann das Plasma daher weiter angeregt, d. h. gepumpt werden, um die von dem Plasma ausgehende Laserstrahlung zu intensivieren bzw. das Plasma überhaupt über die Laserschwelle hinaus anzuregen, um schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz zu erzeugen.
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Als Nachteil des bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung tritt eine Verunreinigung des Plasmas durch das Material der Kapillare auf, die sich negativ auf die Lasereffizienz bei der Bereitstellung der Röntgenstrahlung und auch auf die Kohärenz der erzeugten Röntgenstrahlung auswirkt. Mit dem bekannten Verfahren sind auch nur begrenzte Repetitionsraten der kohärenten Röntgenstrahlung zu erreichen; und die bekannte Vorrichtung ist von komplexem Aufbau und weist aufgrund von Verschleiß durch Abbrand der Kapillare nur eine vergleichsweise kurze Standzeit auf.
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Aus der
WO 2005/004555 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von extrem ultravioletter Strahlung und weicher Röntgenstrahlung bekannt. Dabei wird ein Plasma durch die Kombination von Laserstrahlung und Gasentladung zur Emission von EUV-Licht angeregt. Das Plasma kann zunächst durch die Laserstrahlung erzeugt und dann durch die Gasentladung auf eine höhere Energie gebracht werden. Es wird auch beschrieben, zunächst ein Entladungsplasma durch eine Gasentladung zu erzeugen, wobei das Plasma durch den Pinch-Prozess hinreichend dicht wird, um es dann lokal zusätzlich mit Laserlicht zu pumpen. Hierdurch wird die EUV-Strahlung gesteigert. Für die Anordnung der Elektroden werden z-Pinch-, Hohlkathoden-Pinch-, Stern-Pinch- oder Kapillarentladungskonfigurationen angesprochen. Die Richtung, aus der die Laserstrahlung auf ein Target oder ein bereits durch Gasentladung erzeugtes Plasma gerichtet wird, verläuft orthogonal zu der Richtung der von der Richtung des Entladungsstroms vorgegebenen Achse, zu der das Plasma aufgrund des von dem Entladungsstrom hervorgerufenen Magnetfelds hin kollabiert. Die resultierende EUV- oder weiche Röntgenstrahlung wird über einen großen Raumwinkel hinweg verteilt abgestrahlt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung aufzuzeigen, mit denen die genannten Nachteile des Stands der Technik vermieden werden, insbesondere die Verunreinigung des Plasmas durch das Material der Kapillare und den Verschleiß durch Abbrand.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 4 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen Verfahren. Während sich die abhängigen Patentansprüche 6 bis 9 auf bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung beziehen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der vorliegenden Erfindung wird neben der Erzeugung eines Plasmas durch Gasentladung Licht eingesetzt. Bei diesem Licht handelt es sich in der Regel um schmalbandiges, d. h. insbesondere um Laserlicht. Die Wellenlänge des Lichts kann im sichtbaren Bereich liegen, als Licht kann aber auch Infrarotstrahlung und ultraviolette Strahlung eingesetzt werden. Das Licht kann auch – gleichzeitig oder hintereinander – unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
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Gemäß dem neuen Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 wird das Plasma durch eine Gasentladung in einem von der Achse, zu der das Plasma hin kollabiert, weg offenen Entladungsraum erzeugt. D. h., der Bereich des Plasmas ist in radialer Richtung von der Achse weg nicht durch irgendein festes Material begrenzt, dass das Plasma verunreinigen könnte. Die Unbegrenztheit des Plasmas gilt dabei von Anfang an, d. h. nicht erst, wenn es sich aufgrund des durch ihn fließenden Entladungsstroms und des hiervon hervorgerufenen Magnetfelds zu der Achse hin zusammenzieht, sondern über den gesamten Zeitraum, in dem es ”brennt”.
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Verfahren, bei denen ein kollabierendes Plasma in einem radial offenen Entladungsraum erzeugt wird, sind grundsätzlich bekannt. Hierzu zählt der so genannte Plasmafokus, wie er in der
DE 33 32 711 A1 beschrieben ist. Weiterhin gehört hierzu das hohlkathodengetriggerte (HCT) z-Pinch-Plasma.
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Das in dem radial offenen Entladungsraum erzeugte Plasma wird bei dem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 typischerweise mit Laserlicht gepumpt, um kohärente Röntenstrahlung beispielsweise in Form einzelner Pulse zu erzeugen. Dabei stellt es sich als im Wesentlichen unkritisch heraus, dass das Plasma bei den neuen Verfahren anders als ein Plasma aufgrund einer Kapillarentladung eine vergleichsweise kürzere Erstreckung in Richtung der Achse aufweist, auf die hin es kollabiert. Trotz dieser kürzeren Erstreckung in Richtung der Achse wird schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz erzeugt.
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Bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 dient das Laserlicht auch dazu, ein Festkörpertarget zu verdampfen, um auf diese Weise das Gas bereitzustellen, in dem dann die Gasentladung hervorgerufen wird. Dabei kann das Licht bereits zu einer Ionisierung des Targetmaterials führen, so dass auch das Zünden der Gasentladung und damit des Plasmas mit Hilfe des Lichts erleichtert wird. Zusätzlich wird das kollabierende Plasma mit dem Licht gepumpt, um das Plasma über die Laserschwelle anzuheben, um kohärente Röntgenstrahlung bereitzustellen.
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Bei dem neuen Verfahren wird das Licht auf der Achse, auf die hin das Plasma kollabiert, auf das Plasma gerichtet. Typischerweise ist die Achse, auf die hin das Plasma kollabiert, eine Symmetrieachse des Aufbaus, mit dem das Verfahren durchgeführt wird. Es ist sinnvoll, diese Symmetrie beizubehalten. Typischerweise wird die bereitgestellte kohärente Röntgenstrahlung von dem kollabierten Plasma entsprechend auch in Richtung der Achse, auf die hin es kollabiert, abgestrahlt.
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Grundsätzlich ist es bei dem neuen Verfahren aber auch möglich, das Licht unter einem Winkel und damit auch senkrecht zu der Achse, auf dem das Plasma kollabiert, auf das Plasma zu richten. Dies entspricht dann einer radialen oder lateralen Pumpgeometrie.
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Wie bereits angedeutet wurde, wird das Licht bei den neuen Verfahren vorzugsweise in Pulsen auf das Plasma gerichtet. Dabei kann jeder Puls das Plasma über die Laserschwelle heben und damit einen Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitstellen. Das Licht kann aber auch in Form mehrerer aufeinanderfolgender Pulse auf das Plasma gerichtet werden. Dabei kann ein erster Puls, insbesondere bei dem neuen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, die Voraussetzungen für das Zünden des Plasmas schaffen bzw. verbessern. Der erste Puls oder ein weiterer Puls kann auch dazu dienen, ein bereits gezündetes Plasma zu konditionieren. Ein erster oder weiterer Puls kann ebenso dazu verwendet werden, einen ersten Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitzustellen. Ein zweiter oder weiterer Puls des Lichts dient dann dazu, einen weiteren Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitzustellen. Insbesondere können mit dem neuen Verfahren zwei oder mehrere sehr dicht aufeinander folgende Pulse aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitgestellt werden. Die diese auslösenden Pulse des Lichts können durch zwei unterschiedlich lange Laufstrecken für zwei Teile eines einzigen Pulses eines Pulslasers realisiert werden. Das Plasma, das bei dem neuen Verfahren gezündet wird, zeichnet sich durch eine sehr kurze Regeneration nach jedem einzelnen Puls der bereitgestellten Röntgenstrahlung aus. So sind sehr hohe Repetitionsraten bei den Pulsen der Röntgenstrahlung möglich.
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Die neue Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 entspricht dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Analog entspricht die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2. Aus diesem Grund sind die bevorzugten Ausführungsformen der neuen Vorrichtungen bereits mittelbar im Rahmen der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen der neuen Verfahren beschrieben worden. Dort wurde auch bereits erwähnt, dass die Lichtquelle, die das Licht zum Pumpen des Plasmas und/oder zum Verdampfen des Festkörpertargets bereitstellt, in aller Regel ein Laser ist. Vorzugsweise handelt es sich um einen Pulslaser.
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Zu ergänzen ist, dass die neuen Vorrichtungen, deren Aufbau bis auf die zusätzliche Lichtquelle und ein Fenster zum Einkoppeln des Lichts in das kollabierende Plasma dem bekannten Aufbau von Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmafokus oder eines hohlkathodengetriggerten z-Pinch-Plasmas entsprechen kann, im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, bei denen das Plasma in einer Kapillare gezündet wird, eine außerordentlich hohe Standzeit aufweisen, auch wenn kohärente Röntgenstrahlung mit hoher Repetitionsrate erzeugt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt den idealen Temperatur- und Dichteverlauf in einem Plasma bei der Durchführung des neuen Verfahrens.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform einer ersten neuen Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des ersten neuen Verfahrens, bei der ein kollabierendes Plasma in Form eines so genannten Plasmafokus erzeugt wird.
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3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer anderen Ausführungsform der ersten neuen Vorrichtung zur Durchführung einer anderen Ausführungsform des ersten neuen Verfahrens, bei der das kollabierende Plasma als so genanntes HCT z-Pinch-Plasma erzeugt wird.
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4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der ersten neuen Vorrichtung gemäß 3, um das kollabierende Plasma mit Licht in Form von zwei aufeinander folgenden Pulsen zu pumpen; und
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5 zeigt eine Ausführungsform der zweiten neuen Vorrichtung, um eine Ausführungsform des zweiten neuen Verfahrens zu illustrieren, bei der mit Licht primär ein Festkörpertarget verdampft wird.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden heiße Plasmen durch eine Kombination zweier an sich bekannter Verfahren erzeugt. Einerseits handelt es sich dabei um die Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas und andererseits um das Erzeugen eines kollabierenden Plasmas durch Gasentladung. Heiße Plasmen strahlen normalerweise in einem weiten Frequenzspektrum. Erst die geschickte Kombination der beiden Teilverfahren zu der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz, d. h. Laserlicht im Röntgenbereich, zu erzeugen. Voraussetzung für eine effiziente Einkopplung von Licht in ein Plasma, um dieses zu pumpen, ist, dass das Plasma ein bestimmtes Temperatur- und Dichteprofil besitzt. Für eine gute Absorption des Lichts benötigt man eine hohe Elektronendichte (ca. 10% der cut-off-Dichte) und eine relativ geringe Temperatur im Plasma, wie sie in 1 skizziert sind. Dort sind mit durchgezogener Linie der ideale Dichteverlauf 1 und der ideale Temperaturverlauf 2 relativ zu der Achse 3, zu der das jeweilige Plasma hin kollabiert, über dem Ort aufgetragen. Dieser Temperaturverlauf 2 und Dichteverlauf 1 liegen für einen begrenzten Zeitraum sowohl bei einem Plasmafokus als auch bei einem HCT z-Pinch-Plasma vor. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Licht in das Plasma eingekoppelt wird, wird es mit hoher Absorptionsrate absorbiert und kann dazu benutzt werden, das Plasma über die Laserschwelle anzuheben, um es zur Emission eines Pulses aus schmalbandiger Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz anzuregen.
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2 zeigt eine Vorrichtung
4 zur Erzeugung eines sogenannten Plasmafokus, die insoweit aus der
DE 33 32 711 A1 bekannt ist und die hier um einen Laser
5, eine Fokussieroptik
6 und ein Eintrittsfenster
7 für das Licht
8 des Lasers
5 ergänzt ist. Zur Erzeugung des Plasmafokus weist die Vorrichtung
4 eine Elektrodenanordnung
9 mit einer rohrförmigen Außenelektrode
10 einer darin koaxial angeordneten, ebenfalls rohrförmigen, aber kürzeren Elektrode
11 und einer von der Außenelektrode
10 zur Innenelektrode
11 radial nach innen vorspringenden Triggerelektrode
12 auf. Zwischen der Außenelektrode
10 und der Innenelektrode
11 ist ein Isolator
13 angeordnet. In dem hieran angrenzenden Bereich ist außen auf der Innenelektrode
11 ein Dielektrikum
14 angeordnet. Über diesem endet die Triggerelektrode
12. Das Material des Dielektrikums
14 ist so ausgewählt, dass beim Anlegen einer Hochspannung zwischen der Außenelektrode
10 und der Innenelektrode
11 die aus der Triggerelektrode
12 austretenden Elektronen möglichst viele Sekundärelektronen aus dem Dielektrikum
14 freisetzen. Die Sekundärelektronen wandern zum freien Ende
15 der Innenelektrode
11 und zünden dabei ein Plasma
16, das sich durch den fließenden Entladungsstrom und das hierdurch hervorgerufene Magnetfeld zu der Achse
3 hin zusammenzieht, die die Symmetrieachse der Elektrodenanordnung
9 ist. Das derart zu der Achse
3 hin kollabierende Plasma
16, das in einem radial offenen, d. h. das Plasma
16 nicht durch festes Material nach außen hin begrenzenden Entladungsraum
17 vorliegt, weist die in
1 dargestellte ideale Temperatur- und Dichteverteilung für das Einkoppeln des Lichts
8 von dem Laser
5 auf. So kann ein Puls
18 des Lichts
8 effektiv in das Plasma
16 eingekoppelt werden, um die Emission eines Pulses von schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung aus dem Plasma
16 auszulösen.
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Bei der Vorrichtung 4' gemäß 3 weist die Elektrodenanordnung 9 eine Hohlkathode 19 auf, bei der sich der Isolator 13 zwischen einer vorderen Elektrode 20 und einer hinteren Elektrode 21 befindet. Die aus der Hohlkathode 19 in Folge einer zwischen den Elektroden anliegenden Hochspannung austretenden Elektronen zünden eine Gasentladung um die Achse 3. Das resultierende Plasma 16 kollabiert in Folge des Entladungsstroms und des hiermit hervorgerufenen Magnetfelds zu der Achse 3 hin. Das kollabierende Plasma 16 liegt auch hier in einem radial offenen Entladungsraum 17 vor und weist den Temperatur- und Dichteverlauf gemäß 1 auf. In diesem Zustand wird es mit einem Puls 18 des Lichts 8 von dem Laser 5 über die Laserschwelle angehoben, um einen Puls aus schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung auszusenden.
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4 skizziert eine Abwandlung der Vorrichtung 4, bei der mit zwei Strahlteilern 22 und 23 sowie zwei Umlenkspiegeln 24 und 25, mit deren Hilfe der Puls 18 des Lichts 8 von dem Laser 5 aufgeteilt wird und über zwei unterschiedlich lange Strecken zu dem Plasma 16 gelangt. Der Anteil 18' des Pulses 18 nimmt den kürzeren direkten Weg durch die Strahlteiler 22 und 23, während der Anteil 18'' einen Umweg über die Umlenkspiegel 24 und 25 nimmt und entsprechend mit zeitlichem Versatz auf das Plasma 16 trifft. Die beiden zeitlich versetzten Teilpulse 18' und 18'' können genutzt werden, um das Plasma 16 zum einen zu konditionieren und zum anderen zum Aussenden eines Pulses aus kohärenter Röntgenstrahlung anzuregen oder auch um zwei aufeinanderfolgende Pulse von kohärenter Röntgenstrahlung auszulösen.
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5 zeigt eine weitere Vorrichtung 26, die in ihrem Aufbau der Vorrichtung 4' gemäß 3 weitgehend entspricht, aber eine etwas andere Funktion hat. Hier dient das Licht 8 von dem Laser 5 primär nicht dazu, das Plasma 16 anzuregen, das zu der Achse 3 hin kollabiert. Vielmehr ist das Licht 8 vorgesehen, ein Festkörperplasma 27 zu verdampfen und zumindest teilweise zu ionisieren, um das Plasma 16 auf der Basis von Ionen des Materials des Festkörpertargets 27 auszubilden. Ein weiterer Puls 18 des Lichts 8 kann dann wie bei den anderen Vorrichtungen 4 und 4' dazu genutzt werden, das Plasma 16 mit dem Licht 8 anzuregen, um einen Puls aus schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung auszulösen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichteverlauf
- 2
- Temperaturverlauf
- 3
- Achse
- 4, 4'
- Vorrichtung
- 5
- Laser
- 6
- Fokussieroptik
- 7
- Einkoppelfenster
- 8
- Licht
- 9
- Elektrodenanordnung
- 10
- Elektrode
- 21
- Hinterelektrode
- 22
- Strahlteiler
- 23
- Strahlteiler
- 24
- Umlenkspiegel
- 25
- Umlenkspiegel
- 26
- Vorrichtung
- 27
- Festkörpertarget
- 11
- Innenelektrode
- 12
- Triggerelektrode
- 13
- Isolator
- 14
- Dielektrikum
- 15
- freies Ende
- 16
- Plasma
- 17
- Entladungsraum
- 18
- Puls
- 19
- Hohlkathode
- 20
- Vorderelektrode
