JP2001160499A - 金属プラズマ放電型x線発生装置 - Google Patents

金属プラズマ放電型x線発生装置

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JP2001160499A
JP2001160499A JP34457499A JP34457499A JP2001160499A JP 2001160499 A JP2001160499 A JP 2001160499A JP 34457499 A JP34457499 A JP 34457499A JP 34457499 A JP34457499 A JP 34457499A JP 2001160499 A JP2001160499 A JP 2001160499A
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Japan
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plasma
ray
electrode
discharge
pinch
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Akira Ozu
章 大図
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Japan Atomic Energy Agency
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Japan Atomic Energy Research Institute
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体リソグラフィー、ラジオグラフィー、
医療診断、X線顕微鏡、X線蛍光分析、材料表面改質及
び透過画像計測等を行うX線応用の産業技術、医療診断
技術分野で利用できる、X線パルスの輝度、ピーク出力
が高く、かつ指向性の良いX線または軟X線を形成す
る。 【解決手段】 真空容器内の対向金属電極の片側にレー
ザー光を照射して金属蒸気プラズマを生成させ、それを
予備電離プラズマとして大電流ピンチ放電を行いプラズ
マを圧縮して高密度、高温にし、プラズマから特性X
線、または制動放射X線パルスを発生させることを可能
とする金属プラズマ放電型X線発生装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、X線パルスの輝
度、ピーク出力が高く、かつ指向性の良いX線または軟
X線を必要とする半導体リソグラフィー、ラジオグラフ
ィー、医療診断、X線顕微鏡、X線蛍光分析、材料表面
改質及び透過画像計測等を行うX線応用の産業技術、医
療診断技術分野で利用できる。
【0002】
【従来の技術】従来技術では、金属蒸気プラズマを用い
てピンチ放電によるX線発生を行う方法として、電極間
に金属化合物製または金属製の細管を用いるものがあ
る。これらは、細管中にバッファーガス等を介して放電
を行い、その放電衝撃、放電熱等で細管を形成する金属
化合物または金属を蒸発させて金属プラズマを生成させ
る。さらにこの金属蒸気生成のための放電と同時にピン
チ放電によりX線を発生させるものである。
【0003】一方、セラミックまたはプラスティック等
の絶縁物の細管中に金属化合物または金属を少量設置し
て、同様の放電を行って金属ピンチプラズマからX線を
発生させる場合がある。
【0004】または、特開平6−325708号公報の
ように真空中の対向電極間にレーザー光照射専用の金属
ターゲットを設置して、このターゲットからレーザー光
照射により金属蒸気プラズマを蒸発させ電極間に横方向
から金属プラズマを送り込む方法がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】金属蒸気プラズマを用
いたピンチ放電型X線発生装置において、ピンチ放電に
よるピンチプラズマからの高いX線発生効率を得るため
には、安定なピンチ放電が必要である。そのためには、
ピンチ放電に移行する直前の電極間のプラズマ密度分布
が軸に対してより対称であることが要求される。
【0006】細管を使用する方法では細管中にある程度
密度の高い金属プラズマを生成させることは可能である
が、細管中の放電を均一に行うことは難しくまた細管に
できる温度分布が一様でないために、軸方向及び径方向
に均一で軸対称な密度分布を作ることは困難となる。さ
らには、金属蒸気が細管内面に付着し空間的な放電イン
ピーダンスの不均一性が原因となり放電の再現性が悪化
する。これによって、この金属プラズマ密度の軸に対す
る不均一、非対称性が、ピンチ放電の不安定性を招いて
X線発生効率を低下させるという問題点がある。
【0007】一方、金属ターゲットからレーザー光照射
により金属蒸気プラズマを電極間に送りこむ方法は、電
極間に十分な密度の金属プラズマを送り込むことができ
るが、対向電極の軸上に横方向からプラズマを入射させ
るために軸対称な密度分布を持つ予備電離金属プラズマ
を電極間に生成させることは困難となる。同様に、ピン
チ放電に移行する直前の予備電離プラズマの軸に対する
密度分布の非対称性が問題となり、ピンチ放電が不安定
になりX線発生効率を悪化させるという問題点がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めには、同じ軸上にある円筒状または円柱状の対向電極
間で安定なピンチ放電を行うためには、空間対称性に優
れ、かつ軸に対して対称な密度分布を有する金属予備電
離プラズマを生成させる必要がある。これを行うため
に、本発明は、対向電極の先端に軸に対して浅い角度で
もう片方の電極側からレーザー光を照射し、電極に金属
レーザープラズマを生成させ、電極間に軸の径方向に対
して対称な密度分布を有する予備電離プラズマを生成す
るものである。
【0009】本発明においては、斜め入射したレーザー
光によって発生した金属蒸気プラズマは、生成された対
向電極の先端から軸に対して径方向の密度分布を空間的
に対称に維持した状態でもう片方の電極方向に膨張す
る。これにより電極間に、安定なピンチ放電に必要な軸
に対して対称な密度分布を有する予備電離金属蒸気プラ
ズマを生成させることができる。
【0010】本発明により、予備電離プラズマの径方向
密度分布が軸に対して対称となるため、従来の方法と比
して安定なピンチプラズマを生成できる。これにより、
高い効率でX線を発生させることが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】図1に示されるように、本発明の
金属プラズマ放電型X線発生装置は、マルクスジェネレ
ータ1(パルス電圧発生装置)、ピンチ放電電極が内蔵
されている円筒形真空容器2、YAGレーザー装置10
及び同期制御装置12から構成される。円筒形真空容器
2は、容器内を高真空に保持する排気装置とレーザー光
8を高圧電極先端3に導くためのYAGレーザー光入射
窓7を備えている。ピンチ放電が行われる電極は、高圧
電極(陽極)3と陰極5に分かれ、先端が約2mmφ、
長さ1cmのピン状対向電極である。高圧電極(陽極)
3の先端ピンは、金蒸気レーザープラズマ生成のため材
質は金が使用されている。陰極はステンレス製である。
【0012】同期制御装置12より、最初にYAGレー
ザー装置10にYAGレーザー用同期制御トリガーパル
ス11が投入され、4倍波(波長266nm)、レーザ
ーエネルギー約60mJのYAGレーザーパルス光8が
発生する。YAGレーザーパルス光8は、レーザー反射
ミラー9により高真空に保持されている円筒形真空容器
2内の高圧電極先端3にYAGレーザー光入射窓7をと
うして電極軸に対して浅い角度で照射される。高圧電極
先端3で生成されたレーザープラズマ4は、対向電極の
軸を中心に対称に膨張し、また陰極方向に拡散してい
く。このレーザー生成プラズマ4が陰極に達する時間を
見越して同期制御装置12よりマルクスジェネレータ1
にマルクスジェネレータ用同期制御トリガーパルス13
が投入されピンチ高圧電極(陽極)3に高圧パルスが印
加される。このときピンチ高圧電極3と陰極5間でレー
ザー生成プラズマ4をもとにピンチ放電が行われ、ピン
チプラズマ4が生成される。ピンチ放電により高温、高
密度となったピンチプラズマ4からは陰極5の穴をとう
してX線パルス6が放出される。
【0013】レーザー光が電極3に照射される浅い角度
とは、具体的に電極3の電極軸に対して0〜45°の角
度内であり、この角度以外では電極3、5間にその径方
向に対して対称な密度分布の予備電離プラズマを発生さ
せることができない。又この角度は、効率の良いプラズ
マ発生の観点から好ましくは0〜30°であり、最も好
ましくは0〜15°でありできる限り小さい方が良い。
【0014】図2に、本発明による典型的なX線パルス
波形、並びにレーザーパルス光、放電電圧及び放電電流
の波形が示される。グラフ上部の波形より、レーザーパ
ルス光1、放電電圧2、放電電流3及びX線パルス4を
示す。レーザーパルス光1が入射された後、約1.7μ
s後にピンチ放電が実施されピンチ電極間のレーザー生
成プラズマに放電電圧2が印加され、放電電流3が流れ
る。この放電によってレーザープラズマが高温高密度の
ピンチプラズマになりパルス幅約250nsのX線パル
ス4を発生する。
【0015】図3に、X線パルスエネルギーのマルクス
ジェネレータの充電電圧依存性を示す。X線のパルスエ
ネルギーは、放電エネルギーの増大に伴って増加した。
これにより、本発明では安定なピンチ放電を容易に行う
ことができ、さらに放電エネルギーを上昇させることで
より大きなX線パルスのエネルギーを取り出せることが
わかる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【0016】
【実施例】本発明の金属蒸気プラズマ放電型ピンチX線
発生装置は、図1に示されるように、コンデンサー容
量:3.4nFのピンチ放電用マルクスジェネレータ
(パルス電圧発生装置)、レーザープラズマ生成用のY
AGレーザー装置(4倍波:266nm、パルスエネル
ギー;60mJ、パルス幅:50ns)及び真空排気装
置を含めたX線発生用真空容器から構成される。
【0017】ピンチ放電用ピン状対向電極は、円筒形真
空容器内の軸上に設置されている。陽極はマルクスジェ
ネレータ側に接続され、高圧パルスが印加される。陰極
は、中空の管状の電極構造を有しグランド側の真空容器
に接続されている。また、装置にはYAGレーザー装置
とマルクスジェネレータの同期を制御する同期制御シス
テムが装備されている。X線パルスは、レーザー光が照
射されない側の陰極側の管状ピン電極(穴径:1.5m
mφ)をとうしてピンチプラズマから放出される。
【0018】図2には、本発明によって発生したX線パ
ルス波形、並びに入射したレーザーパルス光、ピンチ放
電時の放電電流及び放電電圧のパルス波形が示される。
レーザープラズマは陽極先端上で生成されると同時に陰
極方向に膨張し始める。プラズマが十分陰極に到達した
ところで、レーザーパルス入射から放電が開始されるま
での時間間隔の後、図に示すようなパルス放電を行っ
た。このときにピンチプラズマが生成され、図2のよう
なX線パルスが発生した。
【0019】陽極のピン電極材質に金を用いたところ、
実効平均光子エネルギー約1keVのX線パルスが得ら
れた。また、円筒形真空容器内壁であるピン電極軸の径
方向においてもピンチプラズマから同様の光子エネルギ
ーのX線を観測することができた。陰極の中空の管より
放電エネルギー約38Jで約1μJ程度(光子数10 9
〜1010個)のX線パルスを取り出すことができた。
【0020】図3には、X線パルスエネルギーのマルク
スジェネレータの充電電圧依存性が示される。X線のパ
ルスエネルギーは、放電エネルギーの増大に伴って増加
した。これにより、本発明では安定なピンチ放電を容易
に行うことができ、さらに放電エネルギーを上昇させる
ことでより大きなX線パルスのエネルギーを取り出せる
ことがわかる。
【0021】
【発明の効果】本発明により、従来の方法に比して蒸気
発生が困難である金属蒸気プラズマから効率良くX線を
発生させることが可能となる。このため、放電型X線装
置の小規模化及び高出力化に貢献することができる。ま
た放電型X線発生装置を利用するX線応用の技術開発分
野においても、システム効率を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を実施した金属プラズマ放電型X線発
生装置を示す図である。
【図2】 本発明による典型的なX線パルス波形及びレ
ーザーパルス、放電電圧及び電流波形を示す図である。
【図3】 本発明によるX線パルス強度のマルクスジェ
ネレータの充電電圧依存性を示す図である。
【符号の説明】
1 マルクスジェネレータ(パルス電圧発生装置) 2 円筒形真空容器 3 高圧電極(陽極) 4 レーザー生成プラズマ及びピンチプラズマ 5 陰極(グランド) 6 X線パルス 7 YAGレーザー光入射窓 8 YAGレーザー光 9 レーザー反射ミラー 10 YAGレーザー装置 11 YAGレーザー用同期制御トリガーパルス 12 同期制御装置 13 マルクスジェネレータ用同期制御トリガーパルス

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器内の対向金属電極の片側にレー
    ザー光を照射して金属蒸気プラズマを生成させ、それを
    予備電離プラズマとして大電流ピンチ放電を行いプラズ
    マを圧縮して高密度、高温にし、プラズマから特性X
    線、または制動放射X線パルスを発生させることを可能
    とする金属プラズマ放電型X線発生装置。
  2. 【請求項2】 ピンチ放電を行う対向電極は、円筒形ま
    たは円柱状のピン電極構造を有し、それらの軸は陰極、
    陽極とも同一軸上にあることを特徴とする請求項1記載
    の放電型X線発生装置。
  3. 【請求項3】 対向電極の片側にパイプ状の電極または
    穴を有する電極を用い、その穴から対向電極間のピンチ
    プラズマから電極軸方向に発生、増幅されるX線を取り
    出すことを特徴とする請求項1記載の放電型X線発生装
    置。
  4. 【請求項4】 レーザー光により金属表面に生成される
    金属蒸気プラズマは、円柱または円筒状電極の軸に対し
    て径方向に対称に膨張することを特徴とする請求項1記
    載の放電型X線発生装置。
  5. 【請求項5】 発生するX線の光子エネルギーは、金属
    電極の材質を変えることによって変化させることが可能
    であることを特徴とする請求項1記載の放電型X線発生
    装置。
  6. 【請求項6】 ピンチ放電は、レーザー照射により金属
    蒸気プラズマが片方の電極上に生成された後、ある一定
    時間経過後プラズマの膨張によりプラズマがもう片方の
    電極に到達したところで開始されることを特徴とする請
    求項1の放電型X線発生装置。
  7. 【請求項7】 X線パルス発生の繰り返し数は、金属蒸
    気プラズマを生成するレーザー光とピンチ放電の繰り返
    し数に依存することを特徴とする請求項1記載の放電型
    X線発生装置。
  8. 【請求項8】 X線パルスの輝度、強度及びエネルギー
    等は、ピンチ放電における放電電流及びレーザー光のパ
    ルスエネルギーに依存することを特徴とする請求項1の
    放電型X線発生装置。
  9. 【請求項9】 金属電極上に生成されるレーザープラズ
    マの温度、密度及び膨張速度は、レーザー光強度及びレ
    ーザー光の電極面への集光状態に依存することを特徴と
    する請求項1の放電型X線発生装置。
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