DE3702966A1

DE3702966A1 - Verfahren zum erzeugen einer durchstimmbaren punktfoermigen roentgenquelle

Info

Publication number: DE3702966A1
Application number: DE19873702966
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Schultheiss; Walter Schimassek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1987-02-02
Filing date: 1987-02-02
Publication date: 1988-08-11
Also published as: NL8800059A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer durchstimmbaren punktförmigen Röntgenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Teilchenbe schleuniger zur Durchführung des Verfahrens.

Die Kriterien, die an eine ideale Röntgenquelle gestellt werden, sind monoenergetische Strahlung, einstellbare Strahlungsenergie, hohe Leistung, punktförmige Quelle und technisch möglichst einfache Lösung. Eine gepulste Abgabe der Strahlung ist in den meisten Fällen von Vorteil.

Röntgenstrahlung wird überwiegend mit Röntgenröhren, Synchrotrons und radioaktiven Präparaten hergestellt. Eine Röntgenquelle, die die oben genannten Bedingungen beinahe erfüllt, ist das Elektronensynchrotron, das aber wegen der hohen Gestehungskosten nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Elektronensynchro trons liefern hauptsächlich niederenergetische Röntgen strahlung.

Der Energiebereich zwischen 10 und 120 keV wird durch die klassische Röntgenröhre abgedeckt. Dabei emittiert die Bremsanode nahezu isotrop Röntgenstrahlung mit breiter Energieverteilung bis hin zur Bremskante (h ν max = eUmax). Durch Filterung läßt sich ein in der Leistung stark reduzierter spektraler Anteil gewinnen. Sind Strahlungs energien über 120 keV gewünscht, nimmt man radioaktive Präparate, die ein oder mehrere diskrete Linienstrahlung abgeben. Für einige spezielle Anwendungen werden dafür auch Elektronenlinearbeschleuniger eingesetzt.

Hauptnachteil der Röntgenröhre ist die große Quellfläche und das breite Frequenzspektrum der Strahlung. Da das Hauptanwendungsgebiet der Röntgenstrahlung die Schatten photographie ist, wirkt sich hier ein großflächiges Emissionszentrum besonders nachteilig aus. Der daraus resultierenden Unschärfe begegnet man durch eine Ver größerung des Abstandes Quelle - Objekt, was jedoch zu einer quadratischen Abnahme der wirksamen Intensität führt. Elektronensychrotrons sind teure Großforschungseinrich tungen. Eine punktförmige radioaktive Quelle hoher In tensität besteht notwendigerweise aus einem Material ge ringer Halbwertzeit (geringe Standzeit) und stellt ein großes Gefahrenpotential dar (Transport und Handhabung).

Aus der DE-PS 28 04 393 ist ein Verfahren zum Erzeugen und Beschleunigen von Elektronen bzw. Ionen in einem Ent ladungsgefäß durch einen Pseudofunken bekannt. Darin wird ein Teilchenbeschleuniger beschrieben, der aus zwischen Anode und Kathode im Abstand voneinander angeordneten Elektroden besteht, die durch eine umgebende Isolierwand gehalten sind und ein Gasentladungskanal aus fluchtenden Öffnungen der Elektroden gebildet wird.

Darin wird auch die Anwendung des Verfahrens und des Teilchenbeschleunigers zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels des durch die Anodenöffnung austretenden oder auf die Anode auftreffenden Elektronenstroms erwähnt. Dabei handelt es sich um eine Bremsstrahlung, die auf grund des mit einer Bremsanode wechselwirkendem Elektronen strahls entsteht.

In der EP-O 1 40 005 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer nahezu punktförmigen Plasmaquelle mit hoher Strah lungsintensität im Röntgenbereich beschrieben. Dabei wird ein Plasmafokus erzeugt, der beispielsweise bei einer primären Energiespeisung von 1 kJ kohärente 2 KeV Röntgen strahlung axial mit einem Raumwinkel von 9° abstrahlt. Die angegebene Verwendung dieser Quelle in einem Röntgen mikroskop bzw. Röntgenstrahl-Lithographie-Gerät läßt auf kleine Strahlungsleistung dieser Vorrichtung schließen.

Der Plasmafokus besteht aus zwei koaxialen Röhren, die auf der einen Seite auf einer Isolatorfläche aufliegen und auf der anderen Seite offen sind. Bei einer großen Potentialdifferenz zwischen den beiden Röhren wird auf der Isolatorfläche zwischen den Röhren eine Plasmahaut gebildet, die von J × B Kräften zur offenen Seite ge trieben wird. Am offenen Ende kollabiert das Plasma zur Achse hin und bildet dort einen Pinch. Im Augenblick des Pinches kommt es zur Teilchen- und Röntgenemission.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer Röntgenquelle mit Eigenschaften, die denen einer idealen punktförmigen Röntgenquelle nahe kommen, anzugeben, wobei die Strahlungsenergie einstell bar sein soll.

Diese Aufgabe wird mittels der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und einen Teilchenbeschleuniger zur Durch führung des Verfahrens an.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein extrem energiedichtes kleinvolumiges Plasma hergestellt, das durch ein Magnetfeld eingeschlossen ist. Das heiße ein geschlossene Plasma kühlt dann über die Emission von Röntgenstrahlung ab. Die geringen Abmessungen des Plasmas implizieren eine kleine Quellfläche der Strahlung. Die so erzeugte Hochleistungs-Pseudofunken-Röntgenquelle kommt der geforderten idealen Röntgenquelle in allen in der Einleitung der Beschreibung genannten Kriterien sehr nahe.

Bei einer nun möglichen zumindest, teilweisen Substitution von radioaktiven Quellen kann in vorteilhafterweise das Gefährdungspotential beträchtlich reduziert und die Verfügbarkeit aufgrund der nicht vorhandenen Halb wertszeit wesentlich erhöht werden.

Bei gleicher Energiebeladung liegt die Energie der Röntgenstrahlung der erfindungsgemäßen Quelle bei etwa 400 keV, also bis zu 200 mal höher als beim Plasmafokus nach dem zitierten Stand der Technik. In dem für die Lithographie notwendigen Energiebereich ist der Pseudo funke im Gegensatz zum Plasmafokus für Wiederholfrequenzen im Hertzbereich geeignet.

Die Röntgenquelle kann bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Maskentechnik; einige 100 eV), in der Medizintechnik (20-100 keV) und der zerstörungsfreien Werkstoffuntersuchung (bis 5000 keV und mehr) eingesetzt werden (Durchleuchtung extrem dicker Wände mit Strahlung größer 500 keV, verbunden mit photographischen Nachweis). Weitere Anwendungsgebiete sind: Vorionisierung von Glaslasern (speziell EXIMER-Laser); Triggerung von groß volumigen Schaltstrecken durch Vorionisierung und Röntgenstroboskopie.

Im Verlauf einer Hochleistungs-Pseudofunkenentladung wird das Füllgas ionisiert und aus dem Volumen zur Achse des Entladungssystems durch elektrische Felder transportiert und dort komprimiert. Dieser Transportmechanismus tritt erfindungsgemäß erst bei hohen axialen Strömen und hohen axialen Spannungen auf, die längere Zeit (einige 10 ns) aufrechterhalten werden. Dieser Vorgang ist mit einer hohen Energieauf nahme der Ionen verbunden (20 keV), so daß die Energie dichte des Plasmas in der Kompressionsphase extrem hoch ist.

Der entscheidende Parameter für das Auftreten von Röntgen strahlung ist die in die Plasmasäule elektrisch einge speiste Energie. Das Gelingen der Energieeinspeisung hängt in entscheidender Weise von der Güte der Entladungs geometrie ab. Sie ist im Verlauf einer Entwicklung in der Weise gehärtet worden, daß für das Ausbilden des axialen Pinches schädliche Nebenentladungen unterdrückt werden.

Die Emission der Röntgenstrahlung wird am kathodischen Ende der Plasmasäule beobachtet. Die Emissionsfläche ist mit 1 mm² nahezu punktförmig. Die Röntgenstrahlung wird mit einem Halbwinkel von 20° zur Achse kegelförmig (ge bündelt) abgestrahlt. Die Intensitätsverteilung der Strah lung über die Kegelfläche erscheint konstant. Messungen mit unterschiedlich dicken Absorbern ergeben, daß die Röntgenstrahlung eine schmale Energieverteilung haben muß.

Durch Änderung der Bedingungen kann die Energie der Strah lung in einem weiten Bereich geregelt werden. Je mehr Energie in die Plasmasäule elektrisch eingespeist wird, desto höherfrequenter ist die Röntgenstrahlung. Durch die Variation der Primärenergie kann die Energie der Röntgenstrahlung zwischen 80 keV und 400 keV eingestellt werden. Im Falle einer ungenügend an den elektrischen Generator angepaßten Pseudofunkenentladung sinkt die Röntgenenergie auf 300 keV ab.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungs beispiels mittels der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 im Schnitt ein Entladungsgefäß mit zwischen Anode und Kathode angeordneten inneren Elektroden,

Fig. 2 im Schnitt eine Elektrodenanordnung mit einer die elektrische Feldverteilung ungünstig beein flussenden Geometrie,

Fig. 3 im Schnitt eine Elektrodenanordnung mit einer die elektrische Feldverteilung begünstigenden Geometrie und

Fig. 4 eine Darstellung der an einer erfindungsgemäßen Röntgenquelle gemessenen Intensität.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Entladungs gefäßes bestehend aus einer Anode 1 und einer Kathode 2 mit dazwischen angeordneten inneren Elektroden 4, deren Abstände untereinander mittels elektrisch isolierender Körper 2 festgelegt sind. Die fluchtend angeordneten Öffnungen 6 der elektrisch isolierenden Körper 3 bilden den Gasentladungskanal 7, der kathodenseitig im Extrak tionsrohr 9 mündet.

Die Oberflächen der elektrisch isolierenden Körper 3 bilden mit den Oberflächen der benachbarten inneren Elek troden 4 einen spitzen Winkel α. Die inneren Elektroden 4 weisen im Bereich der Öffnungen 5 einen spitzen Winkel β auf.

Die Öffnungen 6 der elektrisch isolierenden Körper 3 sind jeweils von einer Sicke 8 umgeben.

In Fig. 2 ist eine konventionelle Anordnung der inneren Elektroden 4 mit den zugehörigen elektrisch isolierenden Körpern 3 dargestellt. Ein vergrößerter Ausschnitt zeigt deutlich das Herausspringen der elektrischen Feldlinien aus der Oberfläche der Elektrode 4 und die dadurch be wirkte ungünstige Feldverteilung zwischen Elektrode 4 und dem elektrisch isolierenden Körper 3.

In Fig. 3 ist eine Anordnung der inneren Elektroden 4 mit den zugehörigen elektrisch isolierenden Körpern 3 dar gestellt. Die jeweils spitzen Winkel α und β begünstigen den elektrischen Feldverlauf. Der vergrößerte Ausschnitt zeigt das sanfte Wegführen der Oberfläche der Elektrode 4 von der Oberfläche des elektrisch isolierenden Körpers 3 und das dadurch erzielte homogene Feld.

Die Sicken 8 verhindern eine direkte Bestrahlung weiter Bereiche der Oberflächen der elektrisch isolierenden Körper 3.

Fig. 4 zeigt die durch Extinktionsmessungen ermittelte Energieverteilung der Röntgenstrahlung. Als Abschwächer material diente Eisen. Auf der Y-Achse ist die auf 1 normierte Intensität aufgetragen, auf der X-Achse die Dicke des Fe-Absorbers.

Die Ergebnisse zeigen, daß es sich nicht um eine Brems strahlung handelt. Bei einer Bremsstrahlung würde man einen Kurvenverlauf erwarten, wie ihn die gestrichelte Linie andeutet.

Bezugszeichen 1 Anode
2 Kathode
3 elektrisch isolierender Körper
4 innere Elektrode
5 Öffnung der inneren Elektrode 4
6 Öffnung des elektrisch isolierenden Körpers 3
7 Gasentladungskanal
8 Sicke
9 Extraktionsrohr
α spitzer Winkel zwischen 3 und 4
b spitzer Winkel von 5

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer durchstimmbaren punkt förmigen Röntgenquelle in einem mit ionsierendem Gas gefüllten Entladungsgefäß, dessen Gasentladungs kanal aus fluchtenden Öffnungen in im Abstand von einander in einem elektrisch isolierendem Körper zwischen Anode und Kathode angeordneten Metallelek troden besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Oberfläche des elektrisch isolierenden Körpers (3) parallele Komponente des elektrischen Feldes so klein wie möglich, in etwa 3mal schwächer eingestellt wird als dessen senkrechte Komponente,
die Oberfläche des elektrisch isolierenden Körpers (3) vor exzessiver Teilchen- und Lichtbestrahlung aus der axialen Entladung geschützt wird und
die Durchstimmung mittels Variation des Leistungsum satzes erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck (p) bei einem Abstand (d) der Elektroden im Bereich der Öffnung so eingestellt wird, daß das Produkt (p × d) aus Gasdruck (p) und Abstand (d) in der Größenordnung unter 133 Pa mm liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung im Anodenbereich ausgelöst wird.

4. Teilchenbeschleuniger zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit den zwischen Anode (1) und Kathode (2) durch elektrisch isolierende Körper (3) untereinander getrennt elektrisch floratend ange ordneten inneren Elektroden (4), die ringförmig ausge bildet sind, wobei die Öffnungen (5) der Elektroden (4) mit den fluchtend angeordneten Öffnungen (6) der elektrisch isolierenden Körper (3) den Gasentladungs kanal (7) bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchmesser der den Gasentladungskanal (7) bil denden Öffnungen (6) der elektrisch isolierenden Körper (3) kleiner ist als der Durchmesser der Öff nungen (5) der inneren Elektroden (4), wobei die elektrisch isolierenden Körper (3) mindestens eine um die Öffnung (6) umlaufende Sicke (8) aufweisen und
die Elektroden (4) mit den elektrisch isolierenden Körpern (3) einen spitzen Winkel (α) bilden und/oder zum Gasentladungskanal (7) hin einen spitzen Winkel (β) aufweisen.

5. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Kombination von elektrisch isolierenden Körpern (3) mit und ohne Sicke (8) verwendet wird.