DE3844814A1

DE3844814A1 - Teilchenbeschleuniger zur erzeugung einer durchstimmbaren punktfoermigen hochleistungs-pseudofunken-roentgenquelle

Info

Publication number: DE3844814A1
Application number: DE3844814A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Schultheiss; Walter Schimassek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-03-19
Filing date: 1988-03-19
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DE3844814C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenbeschleuniger zur Erzeu gung einer durchstimmbaren punktförmigen Hochleistungs- Pseudofunken-Röntgenquelle nach dem Oberbegriff von An spruch 1.

Die Kriterien, die an eine ideale Röntgenquelle gestellt wer den, sind: monoenergetische Strahlung, einstellbare Strah lungsenergie, 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, Synchro trons und radioaktiven Präparaten hergestellt. Eine Röntgen quelle, die die obengenannten Bedingungen beinahe erfüllt, ist das Elektronensynchrotron, das aber wegen der hohen Geste hungskosten nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Elektronensynchrotrons liefern hauptsächlich nie derenergetische Röntgenstrahlung.

Der Energiebereich zwischen 10 und 120 keV wird durch die klassische Röntgenröhre abgedeckt. Dabei emittiert die Brems anode nahezu isotrop Röntgenstrahlung mit breiter Energiever teilung bis hin zur Bremskante (hmax=eUmax). Durch Filte rung läßt sich ein in der Leistung stark reduzierter spektra ler Anteil gewinnen. Sind Strahlungsenergien über 120 keV ge wünscht, nimmt man radioaktive Präparate, die ein oder mehrere diskrete Linienstrahlung abgeben. Für einige spezielle Anwen dungen werden dafür auch Elektronenlinearbeschleuniger einge setzt.

Hauptnachteil der Röntgenröhre ist die große Quellfläche und das breite Frequenzspektrum der Strahlung. Da das Hauptanwen dungsgebiet der Röntgenstrahlung die Schattenphotographie ist, wirkt sich hier ein großflächiges Emissionszentrum besonders nachteilig aus. Der daraus resultierenden Unschärfe begegnet man durch eine Vergrößerung des Abstandes Quelle - Objekt, was jedoch zu einer quadratischen Abnahme der wirksamen Intensität führt. Elektronensynchrotrons sind teure Großforschungsein richtungen. Eine punktförmige radioaktive Quelle hoher Inten sität besteht notwendigerweise aus einem Material geringer Halbwertzeit (geringe Standzeit) und stellt ein großes Gefah renpotential dar (Transport und Handhabung).

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

Darin wird auch die Anwendung des Verfahrens und des Teilchen beschleunigers zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels des durch die Anodenöffnung austretenden oder auf die Anode auf treffenden Elektronenstroms erwähnt. Dabei handelt es sich um eine Bremsstrahlung, die aufgrund des mit einer Bremsanode wechselwirkenden Elektronenstrahls entsteht.

In der EP-01 40 005 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer nahezu punktförmigen Plasmaquelle mit hoher Strahlungsintensi tät im Röntgenbereich beschrieben. Dabei wird ein Plasmafokus erzeugt, der beispielsweise bei einer primären Energiespeisung von 1 kJ kohärente 2 keV Röntgenstrahlung axial mit einem Raumwinkel von 9° abstrahlt. Die angegebene Verwendung dieser Quelle in einem Röntgenmikroskop bzw. Röntgenstrahl-Lithogra phie-Gerät läßt auf kleine Strahlungsleistung dieser Vorrich tung schließen.

Der Plasmafokus besteht aus zwei koaxialen Röhren, die auf der einen Seite auf einer Isolatorfläche aufliegen und auf der an deren Seite offen sind. Bei einer großen Potentialdifferenz zwischen den beiden Röhren wird auf der Isolatorfläche zwi schen den Röhren eine Plasmahaut gebildet, die von J·B Kräf ten zur offenen Seite getrieben wird. Am offenen Ende kolla biert das Plasma zur Achse hin und bildet dort einen Pinch. Im Augenblick des Pinches kommt es zur Teilchen- und Röntgen emission.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenbe schleuniger zum Erzeugen einer Röntgenquelle mit Eigenschaf ten, die denen einer idealen durchstimmbaren punktförmigen Röntgenquelle nahekommen, anzugeben, wobei die Strahlungs energie einstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird mittels der im kennzeichnenden Teil des An spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Teilchenbeschleunigers an.

Mit dem erfindungsgemäßen Teilchenbeschleuniger wird ein ex trem energiedichtes kleinvolumiges Plasma hergestellt, das durch ein Magnetfeld eingeschlossen ist. Das heiße einge schlossene Plasma kühlt dann über die Emission von Röntgen strahlung ab. Die geringen Abmessungen des Plasmas implizieren eine kleine Quellfläche der Strahlung. Die so erzeugte Hoch leistungs-Pseudofunkten-Röntgenquelle kommt der geforderten idealen Röntgenquelle in allen in der Einleitung der Beschrei bung genannten Kriterien sehr nahe.

Bei einer nun möglichen, zumindest teilweisen Substitution von radioaktiven Quellen kann in vorteilhafter Weise das Gefähr dungspotential beträchtlich reduziert und die Verfügbarkeit aufgrund der nicht vorhandenen Halbwertszeit wesentlich erhöht werden.

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

Die Röntgenquelle kann bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Maskentechnik; einige 100 eV), in der Medizin technik (20-100 keV) und der zerstörungsfreien Werkstoff untersuchung (bis 5000 keV und mehr) eingesetzt werden (Durch leuchtung extrem dicker Wände mit Strahlung größer 500 keV, verbunden mit photographischem Nachweis). Weitere Anwendungsge biete sind: Vorionisierung von Gaslasern (speziell EXIMER-La ser); Triggerung von großvolumigen Schaltstrecken durch Vor ionisierung und Röntgenstroboskopie.

Im Verlauf einer Hochleistungs-Pseudofunkenentladung wird das Füllgas ionisiert und aus dem Volumen zur Achse des Entla dungssystems 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 Energieaufnahme der Ionen verbunden (20 keV), so daß die Energiedichte des Plasmas in der Kompressionsphase extrem hoch ist.

Der entscheidende Parameter für das Auftreten von Röntgen strahlung ist die in die Plasmasäule elektrisch eingespeiste Energie. Das Gelingen der Energieeinspeisung hängt in ent scheidender Weise von der Güte der Entladungsgeometrie ab. Sie ist im Verlauf einer Entwicklung in der Weise gehärtet worden, daß für das Ausbilden des axialen Pinches schädliche Neben entladungen 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 Halb winkel von 20° zur Achse kegelförmig (gebündelt) abgestrahlt. Die Intensitätsverteilung der Strahlung über die Kegelfläche erscheint konstant. Messungen mit unterschiedlich dicken Ab sorbern ergeben, daß die Röntgenstrahlung eine schmale Ener gieverteilung haben muß.

Durch Änderung der Bedingungen kann die Energie der Strahlung in einem weiten Bereich geregelt werden. Je mehr Energie in die Plasmasäule elektrisch eingespeist wird, desto höherfre quenter ist die Röntgenstrahlung. Durch die Variation der Pri märenergie kann die Energie der Röntgenstrahlung zwischen 80 keV und 400 keV eingestellt werden. Im Falle einer ungenü gend an den elektrischen Generator angepaßten Pseudofunken entladung sinkt die Röntgenenergie auf 300 keV ab.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels 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 beeinflussenden Geometrie,

Fig. 3 im Schnitt eine Elektrodenanordnung mit der erfin dungsgemäßen, die elektrische Feldverteilung begünsti genden Geometrie und

Fig. 4 eine Darstellung der an einer erfindungsgemäßen Rönt genquelle gemessenen Intensität.

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

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

Die Öffnungen 6 der inneren Elektroden 3 sind jeweils von ei ner Sicke 8 umgeben.

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

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

Die Sicken 8 verhindern eine direkte Bestrahlung weiter Berei che der Oberflächen der elektrisch isolierenden Körper 4.

Die 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-Ab sorbers. Die Ergebnisse zeigen, daß es sich nicht um eine Bremsstrah lung handelt. Bei einer Bremsstrahlung würde man einen Kurven verlauf erwarten, wie ihn die gestrichelte Linie andeutet.

Bezugszeichen

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

Claims

1. Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung einer durchstimmbaren punktförmigen Hochleistungs-Pseudofunken-Röntgenquelle, be stehend aus einer Anode (1) und einer Kathode (2) und meh reren dazwischen liegenden, ringförmigen inneren Elektroden (3), die jeweils durch ringförmige elektrisch isolierende Körper (4) voneinander getrennt sind, wobei die Öffnungen der inneren Elektroden einen Gasentladungskanal bilden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Durchmesser der den Gasentladungskanal (7) bildenden Öffnungen (6) der inneren Elektroden ist kleiner als der Durchmesser der Öffnungen (5) der elektrisch isolieren den Körper;
b) die inneren Elektroden bilden mindestens eine um die Öffnung (6) umlaufende Sicke (8);
c) die Oberflächen der elektrisch isolierenden Körper bil den mit den Oberflächen der benachbarten inneren Elek troden einen spitzen Winkel α;
d) die elektrisch isolierenden Körper weisen im Bereich der Öffnungen (5) einen spitzen Winkel β auf.

2. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Winkel α so gewählt wird, daß die zur Oberflä che des elektrisch isolierenden Körpers parallele Kompo nente des elektrischen Feldes so klein wie möglich, in etwa dreimal schwächer wird als dessen senkrechte Komponente.

3. Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Sicken (8) der inneren Elektroden die Oberflä che des elektrisch isolierenden Körpers vor exzessiver Teilchen- und Lichtbestrahlung aus der axialen Entladung schützen.