JP2003517704A

JP2003517704A - プラズマ銃及びその使用方法

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Publication number: JP2003517704A
Application number: JP2000608400A
Authority: JP
Inventors: バークス，ダニエル
Original assignee: サイエンス・リサーチ・ラボラトリー・インコーポレーテッド
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2003-05-27
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: KR100637816B1; HK1041556A1; EP1173874A1; JP3564396B2; KR20030015117A; EP1173874A4; JP4223989B2; CA2362890C; WO2000058989A8; JP2004335479A; WO2000058989A1; CA2362890A1

Abstract

(57)【要約】高パルス反復周波数（ＰＲＦ）プラズマ銃が提供され、その銃は中央電極（１２）と同軸の外側電極（１４）との間に形成されたコラム（１６）内へ選択された推進ガスを導入し（７４）、電極（１２、１４）を横切る電圧を提供するためにソリッドステート高反復率パルスドライバ（１３０）を利用し、ドライバが完全に充電されたときに通常作動できるプラズマ始動器（８２）をコラム（１６）のベースにおいて提供する。好ましい実施の形態に対しては、始動器（８２）はソリッドステートシミュレートＲＦドライバ（１３０）を含み、出力は、絶縁体（７２）に取り付けられ、コラム（１６）のベース端部の一部を形成する絶縁体（７２）の表面で高電圧場を生じさせる電極（９１）へ供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明はプラズマ銃に関し、特に、宇宙スラスタとして使用するのに適し、即
ち、高パルス反復周波数帯域での極紫外（ＥＵＶ）、真空紫外（ＶＵＶ）及び（
又は）軟Ｘ線放射を含む選択可能な波長において放射線を生じさせるのに適した
改善されたプラズマ銃に関する。本発明はまた、このようなプラズマ銃を利用す
る方法を含む。

【０００２】

【従来の技術】

米国特許第５，８６６，８７１号明細書（特許）に開示された改善されたプラ
ズマ銃は、従来実施できなかった、従来十分に実施できなかった、または、比較
的大きく高価な設備でしか実施できなかった機能を遂行するための種々の環境内
での応用を見い出している。これらの機能は、用途を維持し、遂行する衛星又は
他の宇宙ステーションのためのスラスタ、及び、一般に極紫外（ＥＵＶ）帯域内
における選択された周波数での放射線の制御された発生を含む。このような用途
のために開示されたプラズマ銃は、高い信頼性及びパルス反復周波数（ＰＲＦ）
を提供する点で特に有利であり、宇宙用途に対してほぼ１００Ｈｚを越えるＰＲ
Ｆ、好ましくは５，０００Ｈｚを越えるＰＲＦを有し、放射線発生を必要とする
リソグラフィー又は他の応用に対して少なくとも５００Ｈｚ、好ましくは１，０
００ＨｚのＰＲＦを有するプラズマ銃は特にそうであった。

【０００３】これらの目的を達成するため、上記特許のプラズマ銃は２つの一般的な実施の
形態を有しており、そのうちの一方は宇宙用途又は他のスラスト用途のためのも
のであり、他方即ち第２の実施の形態は放射線発生器用途のためのものであった
。両者の場合、プラズマ銃は中央電極と、この中央電極と実質上同軸の外側電極
とを有し、これらの電極間に同軸のコラムが形成されていた。選択されたガスが
入口機構を介してコラム内に導入され、プラズマ始動器がコラムのベース端部に
設けられた。最後に、コラムのベースでのパルス始動時に電極を横切って高電圧
パルスを送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバが
設けられ、プラズマはコラムのベース端部から拡張し、その端部から出る。スラ
スタの実施の形態に対しては、各パルスの電圧はパルスの期間にわたって減少し
、パルス電圧及び電極長さは、プラズマがコラムから出るときに、電極を横切る
電圧が実質上ゼロ値に達するように、選択された。この実施の形態に対しては、
入口機構は好ましくはコラムのベース端部において中央電極から半径方向にガス
を導入し、コラムを横切るプラズマ速度の均一性を向上させ、この実施の形態に
対しては、プラズマは、一般に毎秒ほぼ１０，０００ないし１００，０００メー
トルの範囲である排出速度でコラムから出現し、排出速度は応用によって多少変
化する。

【０００４】本発明の放射線源の実施の形態に対しては、パルス電圧及び電極長さは、プラ
ズマがコラムから出るときに、各電圧パルスについての電流が実質上その最大値
となるように、選択される。本発明のこの実施の形態における外側電極は好まし
くは陰極電極であり、中実とすることができ、または、円となって配置された複
数の実質上等間隔のロッドの形をとることができる。本発明のこの実施の形態に
おける入口機構はコラム内への実質上均一のガス充填を提供し、その結果、プラ
ズマは最初に中央電極から放出され、プラズマは、コラムから出るときに、磁気
的に締め付けられて、中央電極の端部で極めて高い温度を発生させる。中央電極
を通して又は他の方法でガスの一部として締め付け部へ送られた選択されたガス
／元素は締め付け部での高温によりイオン化され、所望の波長での放射線を提供
する。波長は、締め付け部へ送られる選択されたガス／元素、パルスドライバか
らの電流、締め付け部の領域でのプラズマ温度及びコラム内のガス圧力を含むプ
ラズマ銃の種々のパラメータの注意深い選定により達成される。上記特許は、例
えば、締め付け部へ送られるガスとして例えばリチウム蒸気を使用してほぼ１３
ｎｍの波長で放射線を発生させるためのパラメータの組み合わせを示す。

【０００５】本発明にとって、上述の用途のいずれかを有効に機能させるためには、始動器
によるガスの予備イオン化がガスの絶対的に均一な予備イオン化を提供すること
が重要である。上記特許においては、これは、コラムのまわりで等間隔に離間し
た穴を形成し、穴を通してガスを導入するか又は穴でガスを導くことにより、達
成していた。電極が設けられ、これらは好ましくは穴内に装着されるか、または
、好ましくはコラムの外側又はコラムに近接してコラムのベースで装着され、こ
れらの電極はプラズマを始動させるように付勢された。トリガ電極は好ましくは
コラムのベース端部のまわりにおいて等間隔で位置し、ベース端部でプラズマの
均一な始動を提供するように実質上同時に付勢され、電極を付勢するためにＤＣ
信号が使用された。この機構は任意の従来の構成で可能なものよりも一層均一な
プラズマ始動を提供し、大半の用途にとって適するが、特にプラズマ銃を放射線
源として使用する場合に、更に一層均一なプラズマ始動が望ましいような応用が
存在する。この一層均一なプラズマ始動は電極を付勢するためにＲＦ信号を使用
することにより提供できる。しかし、マグネトロン、クライストロン又はＲＦ増
幅器のような現在入手できるＲＦ電力源は作動が比較的高価で、ピーク電力ワッ
ト当りほぼ１ドルの費用がかかり、また、比較的大型で、例えば８メガワットで
２０キロボルトを発生させるためにキャビネット寸法の囲いを必要とする。それ
故、一層低いコストで電力を発生させ、また、安いコスト及び実質上一層小さな
寸法に加えて、装置に対する大幅に低い熱除去負担をも与える小型のソリッドス
テート回路を利用してＲＦ電力を発生させることのできるような方法で、電極を
付勢するために使用されるＲＦ信号を発生させるのが望ましかった。上述の型式
のシミュレートＲＦ発生器は本発明のプラズマ銃応用にとって特に有用であるが
、当業界で現在存在しないこのようなシミュレートＲＦ電力源はまた、他の応用
にとっても有用である。

【０００６】また、プラズマ始動のために使用される電極が電極間でコラムのベースにおい
て出来る限り大きな面積にわたって高電圧場を提供するのが望ましく、また、コ
ラムの真空環境内へワイヤを持ち込む必要なく、コラムのベースで必要な高電圧
場を生じさせるように電極を付勢できるようにするのが望ましい。このようなワ
イヤのまわりでの真空の維持がプラズマ銃のコストを増大させるからである。

【０００７】プラズマ銃における別の問題は所望の放射線を生じさせるために材料をイオン
化すべき締め付け部へ必要なガス／材料を与えることである。それ故、このよう
な材料を保持し、これを締め付け部へのコラム内に解放する改善された技術が望
ましい。

【０００８】更に、上述の型式のプラズマ銃は放射線源として作用することができ、所望の
波長での有用な放射線を提供できるが、コラムを下り中央電極から出るように駆
動されている高速のプラズマはこのような源の有用性を大幅に制限する問題を生
じさせることがある。特に、締め付け部での１００ｅＶ（即ち、約１１，０００
℃）ないし１０００ｅＶの範囲の温度は、放射線の所望の周波数に応じて、マイ
クロ秒当り数センチメートルの速度にプラズマを駆動するのに十分な磁気圧縮場
を必要とする。このような速度で中央導体を下り、締め付け部を形成する端部か
ら出るように移動するプラズマは中央導体の端部から離れた空間内へ移動し続け
る傾向を有し、プラズマシースは最終的に締め付け部への電気的接続を失う。こ
れは、１００ナノ秒ほどの短い期間後に早期に終了し、また、数千ボルトの範囲
で大きな電圧遷移を生じさせ、電極をひどく損傷させることのある再打撃を引き
起こす。

【０００９】放電は数マイクロ秒ほど続くことがあるので、プラズマシースと電極との間の
電気接続の早期の喪失を排除できた場合は、締め付け部の寿命が大幅に拡大し、
可能性のある損傷性再打撃を排除できる。この結果、プラズマ源のための出力効
率が大幅に増大し、源の電極寿命が大幅に拡大し、例えばリソグラフィー応用に
おいて高価となることのある源の休止時間及びメンテナンスを減少させる。従っ
て、低いコストでの極めて良好な性能を得ることができる。

【００１０】最後に、破壊(breakdown) を出来るだけ均一に達成するのが望ましく、特に向
上した駆動信号を使用して破壊のこのような均一性を向上させる技術が望ましい
。

【００１１】それ故、従来の装置で可能なものよりも一層低いコストで一層均一なプラズマ
始動を提供し、締め付け部でイオン化されるべき材料のコラム内への導入を容易
にし、締め付け部の早期終了及び（又は）再打撃を阻止し、主電極を横切って高
電圧を供給した場合に一層均一な破壊を提供する改善されたプラズマ銃及びその
使用方法の要求が存在する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

上述に従えば、本出願は、中央電極と、中央電極に対して実質上同軸の外側電
極であって、電極間に同軸のコラムを形成し、閉じたベース端部及び開いた出口
端部を有する外側電極と、選択されたガスをコラム内へ導入するための入口機構
と、コラムのベース端部におけるプラズマ始動器と、プラズマ始動器を駆動する
ように選択的に接続されるソリッドステートシミュレートＲＦ源と、コラムのベ
ースでのプラズマ始動時に電極を横切って高電圧パルスを送給するように作動で
きるソリッドステート高反復率パルスドライバとを有し、プラズマがコラムのベ
ース端部から拡張し、コラムの出口端部から出るようになった高ＰＲＦプラズマ
銃を提供する。ＲＦ源は、例えば、１０ＭＨＺないし１，０００ＭＨＺの範囲内
の周波数で作動することができ、単独で又はＤＣ源と組み合わせて使用すること
ができる。

【００１３】シミュレートＲＦ源は、Ｎ（整数；Ｎ≧１）個の段を持つ非線形磁気パルスコ
ンプレッサと；エネルギ貯蔵装置をコンプレッサの第１段の入力に接続するよう
に選択的に作動できるソリッドステートスイッチと；ＲＦ周波数Ｆでシミュレー
トされ、コンデンサＣ_Ｒと飽和可能なリアクタＬ_Ｒとを備えた共振回路を有する
出力段であって、コンプレッサの最終段がキャパシタンスＣ_Ｎを有し、Ｃ_Ｒ及び
ＬＲのうちの少なくとも一方は、Ｃ_Ｒが完全に充電される前にＣ_Ｎでの逆電圧が
生じるように、選択され、Ｌ_Ｒが引き続いて飽和し、周波数ＦでのＣ_Ｒの振動を
生じさせるようになった出力段と；プラズマ始動器を駆動するためにＣ_Ｒからの
エネルギを結合するための結合回路と；を有することができる。好ましい実施の
形態に対しては、ソリッドステートスイッチはＳＣＲ、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥ
Ｔである。Ｃ_ＲはＣ_Ｒ＞Ｃ_Ｎとなるように選択することができ、または、Ｌ_Ｒは
、Ｃ_ＮからＣ_Ｒへのチャージの移送が完了する前に、飽和するように、選択する
ことができる。出力段は好ましくは接地のための飽和可能な共振分路であり、結
合回路は好ましくは、Ｃ_Ｒに貯蔵されたエネルギのほんの少量がＣ_Ｒの各振動サ
イクル中にプラズマ始動器に結合されるようなインピーダンスを有する。好まし
い実施の形態に対しては、Ｌ_Ｒ及びＣ_Ｒは、出力段の３ないし４振動サイクルの
みが生じるように、選択される。上述のソリッドステートシミュレートＲＦ源は
また、高ＰＲＦプラズマ銃応用とは独立に利用することができる。

【００１４】本発明のプラズマ銃はまた、ソリッドステートシミュレートＲＦ源に加えて、
または、それを有する代わりに、絶縁体に取り付けられ、かつ、コラムのまわり
で実質上均一に離間した複数の電極を有することができ、これらの電極はコラム
のベース端部における絶縁体の表面で高電圧場を生じさせる。本発明の少なくと
も１つの実施の形態に対しては、絶縁体は中央電極のベース端部において中央電
極を取り囲み、電極はコラムのベース端部の近傍で絶縁体に装着される。別の実
施の形態に対しては、絶縁体はコラムのベースを形成し、電極はコラムの外側の
絶縁体の側で絶縁体内に装着され、絶縁体によりコラムから小距離だけ離間され
、電極の付勢がコラム内で絶縁体の側部において高電圧場を生じさせる。

【００１５】先の特徴に関連して又はそれとは独立に利用できる本発明の別の特徴は、中央
電極及び外側電極の少なくとも一方を焼結粉末耐火金属で形成することであり、
好ましい実施の形態については、両方の電極がこのような焼結粉末耐火金属で形
成される。プラズマ銃が選択された波長での放射線源として作動する場合、少な
くとも一方の電極はこのような波長で放射線を発生させるのに適した流体（即ち
、液体又は気体）材料で飽和することができる。本発明のある実施の形態に対し
ては、流体は液体リチウムである。本発明の好ましい実施の形態は実質上連続的
な態様で少なくとも一方の電極に流体材料を提供する機構を含む。

【００１６】これまた単独で又は１以上の先の特徴と組み合わせて利用できる本発明の別の
特徴は、パルスドライバが高電圧スパイクを提供することであり、一層低い電圧
で一層長い期間の持続信号がスパイクに続き、ドライバエネルギの大半は持続信
号により提供される。パルスドライバは高電圧スパイクを発生させるための第１
の非線形磁気パルスドライバと、持続信号を発生させるための第２の非線形磁気
パルスドライバとを有することができる。第２のドライバは少なくとも２つの段
を有し、これらの段のうちの最終段の飽和可能なリアクタは第１のドライバから
第２のドライバへのスパイクの進入を阻止するように通常偏倚されており、スパ
イクは、リアクタが持続信号を通すように再飽和されるまで、第２のドライバか
らの初期流れを禁止するようにリアクタを部分的に脱飽和させる。

【００１７】これまた単独で又は１以上の先の特徴と組み合わせて利用できる本発明の更に
別の特徴は、選択された波長での高ＰＲＦ放射線源を提供することであり、その
源は、中央電極と；中央電極に対して実質上同軸の外側電極であって、同軸コラ
ムが電極間に形成され、コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有す
るような外側電極と；選択されたガスをコラム内へ導入するための入口機構と；
コラムのベース端部でのプラズマ始動器と；コラムのベースでのプラズマ始動時
に電極を横切って高電圧パルスを送給するように作動できるソリッドステート高
反復率パルスドライバであって、プラズマがコラムのベース端部から拡張し、コ
ラムの出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ
と；を有し、パルス電圧及び電極長さは、プラズマがコラムから出るときに各パ
ルスのための電流が実質上その最大値となるようなものであり、入口機構はコラ
ム内への実質上均一なガス充填を提供して、プラズマを最初に中央電極から放出
させ、プラズマは、コラムから出るときに、磁気的に締め付けられて、中央電極
の端部での温度を、選択された波長で放射線を生じさせるために中央電極の端部
でイオン化可能な元素を出現させるのに十分なほど上昇させ；源は、放射線の通
過に実質上影響を及ぼすことなく、中央電極から放出されたプラズマを中央電極
の方へ戻るように再指向させるコンポーネントを更に有する。好ましい実施の形
態に対しては、再指向させるコンポーネントは、中央電極の出口端部から選択さ
れた距離だけ離れて位置し、かつ、その上に衝突するプラズマを中央電極の方へ
戻るように反射させるように形状づけられた高温で非導電性の材料のシールドで
あり、シールドは放射線の通過を許容するように位置する開口を有する。好まし
い実施の形態に対しては、シールドを中央電極から離間させる選択された距離は
、中央電極の半径Ｒのほぼ２倍（２Ｒ）よりも大きくなく、ほぼＲよりも小さく
ない。シールドの形状は、例えば、ほぼ球状形状、ほぼ円錐形状又はほぼ放物線
形状とすることができる。放射線の通過を許容する開口は、好ましくは、実質上
円形で、シールドの実質上中心に位置する。特に、開口は、中央電極の軸線から
ほぼ±１５゜の角度で中央電極から出る放射線が開口を通過するように、寸法決
めされ、位置決めされる。シールドのための材料は、好ましくは、高温セラミッ
ク、ガラス、石英及び（又は）サファイアのうちの少なくとも１つであり、好ま
しい例示的な実施の形態における材料はＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）である
。

【００１８】本発明の上述及び他の目的、特徴並びに利点は添付図面に示し、さもなければ
ここで検討されるような本発明の好ましい実施の形態の以下の一層特定の説明か
ら明らかとなろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】

まず、図１を参照すると、スラスタ１０は、この実施の形態においては正電極
即ち陽極電極である中央電極１２と、同心の陰極、接地即ち帰還電極１４と、２
つの電極間に形成されたほぼ円筒形状を有するチャンネル１６とを有する。チャ
ンネル１６はそのベース端部を絶縁体１８により画定され、この絶縁体内に中央
電極１２が装着される。外側電極１４は導電性のハウジング部材２２を介して接
地部に接続された導電性のハウジング部材２０に装着される。中央電極１２はそ
のベース端部で絶縁体２４内に装着され、この絶縁体は絶縁体２６内に装着され
る。円筒状の外側ハウジング２８は外側電極１４を取り囲み、電極の前端即ち出
口端部を越えた領域３０となって開拡する。電極１２、１４は、例えば、トリア
タングステン、チタン又はステンレス鋼で形成できる。

【００２０】正電圧はｄｃ−ｄｃ（直流／直流）インバータ３４、非線形磁気コンプレッサ
３６、及び、中央電極に接続する端子３８を介して、直流電圧源３２から中央電
極１２へ供給することができる。直流／直流インバータ３４は、単一の大型コン
デンサ又はコンデンサ列とすることのできる貯蔵コンデンサ４２と、制御トラン
ジスタ４４と、一対のダイオード４６、４８と、エネルギ回復誘導子５０とを有
する。トランジスタ４４は好ましくは絶縁ゲート双極トランジスタである。イン
バータ３４は直流源３２から非線形磁気コンプレッサ３６へ電力を伝達するため
に当業界において既知の方法で利用される。後に説明するが、インバータ３４は
また、不適切負荷から、特に電極１２、１４から生じた浪費エネルギを回復し、
パルス発生効率を改善するように機能する。

【００２１】非線形磁気コンプレッサ３６は２つの段を有するものとして示され、第１段は
貯蔵コンデンサ５２と、ケイ素制御の整流器５４と、誘導子又は飽和可能な誘導
子５６とを含む。コンプレッサの第２段は貯蔵コンデンサ５８と、飽和可能な誘
導子６０とを含む。必要なら、一層短く一層迅速に上昇するパルス及び一層高い
電圧を得るために付加的な圧縮段を設けることができる。この型式の回路内で非
線形磁気圧縮を達成させる方法は米国特許第５，１４２，１６６号明細書に開示
されている。基本的には、回路３６は、共振回路において飽和可能なコアを誘導
子として使用する。各段のコアは、先の段のコンデンサに貯蔵されたエネルギの
かなりの部分が移送される前に、飽和する。非線形飽和現象は、コアが飽和する
ときに、透過率の減少の平方根だけ回路の共振周波数を増大させる。エネルギは
１つの段から次の段へますます迅速に結合される。圧縮回路３６が両方向におけ
る電力の移送において有効であることに留意すべきである。その理由は、この回
路が前方方向において周波数をアップシフトさせるように作用するのみならず、
電圧パルスが反射されるときに、周波数をダウンシフトして、チェーン（鎖）の
バックアップのために縦続するからである。不適切な負荷／電極から生じるエネ
ルギは、コンデンサ４２内に貯蔵される逆電圧として現れ次のパルスに付加され
るように、チェーンのバックアップのために縦続できる。特に、反射されたチャ
ージが初期のエネルギ貯蔵コンデンサ４２へ再切替えされたとき、電流はエネル
ギ回復誘導子５０内へ流れ始める。コンデンサ４２とコイル５０との組み合わせ
は共振回路を形成する。半地点［ここでは、ｔ＝π／（Ｌ_５０Ｃ_４２）^１／２］
後、コンデンサ４２上の電圧の極性が逆転し、このエネルギは電圧源３２からの
このコンデンサを再充電するのに必要なエネルギを減少させる。

【００２２】図１に示す駆動回路はまた、極めて低いインピーダンスの負荷と調和するよう
にでき、必要なら複雑なパルス形状を生じさせることができる。この回路はまた
極めて高いＰＲＦで作動するようになっており、１Ｋｖを越える電圧を提供する
ように調整できる。

【００２３】推進ガスは、ライン６４から、ライン６８上の信号の制御の下に弁６６を通っ
て、ハウジング２８内の多数の入口ポート７２にガス供給するマニホルド７０へ
送給されるものとして、図１に示されている。例えば、ハウジングのベース部の
近傍においてハウジング２８の周辺のまわりで実質上等間隔で離間した４ないし
８個のポート７２を設けることができる。ポート７２は電極１４に形成した穴７
４内にガス供給し、これらの穴は中央電極１２の近傍でチャンネル１６のベース
の方に半径方向及び内方へ推進剤を導くように角度づけられる。推進ガスはまた
チャンネル１６の後部から供給することができる。

【００２４】スラスタ１０は、宇宙内又は真空環境に近いある他の低圧力内で、特にパッシ
ェン曲線の低圧力側で破壊が生じるような圧力において、作動するように設計さ
れる。これを事実とする圧力曲線は使用されているガス及びスラスタの他のパラ
メータに応じて幾分変化するが、この圧力は典型的には０．０１ないし１０Ｔｏ
ｒｒの範囲にあり、好ましい実施の形態に対してはほぼ１Ｔｏｒｒである。この
範囲の圧力に対して、領域内の圧力が増大すると、その領域内での破壊電位が減
少し、そのため、このような領域内で破壊が生じる可能性を向上させる。そのた
め、理論的には、コラム１６のベースで推進ガスを導入し、それ故、この地点で
圧力を増大させるだけで、この地点で所望通りに破壊／プラズマ始動を生じさせ
ることができる。しかし、実際問題として、予測できる破壊を生じさせるのに十
分なほどガス圧力を制御すること、及び、コラムの選択された区分内ではなく、
コラム内で均一に破壊を生じさせるためにコラム１６の周辺のまわりで圧力を十
分に均一にすることは困難である。

【００２５】プラズマ始動がコラム１６のベースで均一に生じ、このような破壊が所望の時
間に生じるのを保証するために、少なくとも２つの事項を行うことができる。こ
のような破壊向上がどのようにして達成されるかを理解するためには、本発明の
プラズマ銃が典型的には０．０１Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの間の圧力で作動す
ること、特に、パッシェン曲線の低圧力側で破壊が生じるような圧力で作動する
ことを理解すべきである。好ましい実施の形態に対しては、コラム１６内の圧力
はほぼ１Ｔｏｒｒである。このような低圧力放電においては、ガス破壊又は始動
を決定する２つの重要な基準が存在する：１．ガス内の電場は使用するガス及びガス圧力に依存するガス用の破壊場を
越えなければならない。破壊場はパッシェン基準として知られる陰極１４での電
子源となる。銃が作動する低圧力領域においては、この装置の寸法に対して、破
壊電場は（パッシェン曲線の低圧力側で生じる）圧力の増大に従って減少する。
このため、破壊は、ガス圧力が最大となる地点において、コラム１６内で生じる
。

【００２６】２．第２に、電子源を設けねばならない。平均電場が破壊場を越えた場合、
負の表面が電子の放出を開始するまで、何も起こらない。表面から電子を抽出す
るために、２つの条件のうちの１つを生じさせなければならない。第１の条件と
しては、陰極降下又は陰極電位を越える電位差を表面の近傍で発生させなければ
ならない。陰極降下／陰極電位はガス圧力の関数であり、表面の組成及び幾何学
形状の関数である。局部ガス圧力が高いほど、必要な電圧は小さくなる。穴の如
き再進入幾何学形状は容積に対して大幅に向上したレベルの表面積を提供し、ま
た、陰極降下を減少させる。穴が隣接する表面に関して電子源として優先的に作
用するようなこの効果は、ホロー陰極効果と呼ばれる。第２の条件では、電子源
が表面閃光トリガ源により形成できる。これらの条件は個々に満たすことができ
、または、両者を使用することができる。しかし、疑似の始動を阻止するために
、電極を横切る電圧はガス破壊電位と陰極降下電位との合計よりも小さくすべき
である。

【００２７】従って、図１において、複数の穴７４が陰極１４内に形成され、これらの穴を
通してガスがコラム１６のベースへ導かれ、穴はコラムのベースの近傍で終端す
る。好ましい実施の形態に対しては、複数のこのような穴はコラム１６の周辺の
まわりにおいて等間隔で離間している。これらの穴を通って進入し、これらの穴
の存在に由来するホロー陰極効果と結合されたガスは、コラム１６のベースの近
傍でこれらの穴の領域において圧力を大幅に増大させ、従って、コラム内のこの
場所においてプラズマ始動を生じさせる。プラズマ始動のこの方法はある応用に
おけるプラズマ始動にとっては十分であるが、本発明のプラズマ銃の大半の応用
、特に高ＰＲＦ応用にとっては、次の実施の形態について述べる方法でトリガ電
極を設けて、プラズマ始動の均一性及び適時性の双方を保証するように両方の条
件を満たすのが好ましい。

【００２８】スラスタ１０を利用すべき場合、弁６６を最初に開いて、ガス源からのガスが
マニホルド７０を通ってチャンネル１６に通じる穴７４内へ流入できるようにす
る。弁６６は装置の他のコンポーネントに比べて比較的ゆっくり作動するので、
弁６６は、複数のプラズマ始動にわたって所望のスラストを展開させるのに十分
な量のガスがチャンネル１６内へ流れるのに十分な長さだけ、開いたままとなる
。例えば、弁６６として利用できるソレノイド弁のサイクル時間は１ミリ秒又は
それ以上である。プラズマ燃焼が２ないし３マイクロ秒で生じることができるた
め、及び、ガスが典型的には約１／４０００秒で好ましい実施の形態のスラスタ
に使用される５ないし１０ｃｍの電極の長さを下って流れることができるので、
各弁サイクルに対してたった１つのパルスが存在する場合、推進ガスのほんの約
１／１０が利用されることとなる。そのため、高推進効率を達成するためには、
弁の１回の開弁中に、複数（例えば、少なくとも１０個）の破裂又はパルスを生
じさせる。パルスの各個々の破裂中、ピーク電力は所要の力を生じさせるように
数百キロワット程度になる。ピークＰＲＦは２つの基準により決定される。イン
パルス時間は、先のパルスに由来するプラズマがスラスタの出口を離れてしまう
か又は再結合してしまうのに十分なほど長くしなければならない。その上、イン
パルス時間は冷えた推進剤が電極の長さを運行するのに必要な時間よりも短くし
なければならない。後者の基準は利用するガスにより決定される。アルゴンにつ
いては、５ｃｍのコラム１６の典型的な長さに対して、推進剤がスラスタ電極表
面にわたって広がる時間期間はほんの０．１ミリ秒であり、一方、キセノンのよ
うな一層重いガスについては、時間はほぼ０．２ミリ秒に増大する。そのため、
高スラスタパルス反復率（即ち、約５，０００ｐｐｓ又はそれ以上）は、プラズ
マ銃が９０％に近い高推進効率を達成するのを可能にする。流体の１回の弁操作
中のパルスの破裂長さは数パルスから数ミリオンまで変化することができ、その
間ある燃料が消費され、それ故、短い破裂長さに対して一層低い推進効率が達成
されてしまう。そのため、可能なら、破裂サイクルは弁６６の最小時間サイクル
中に提供される推進剤の少なくとも完全使用を許容するのに十分なほど長くすべ
きである。

【００２９】推進剤がコラム１６の端部に達する前に、ゲートトランジスタ４４がイネーブ
リングされ即ち開かれ、コンデンサ５８が十分に充電されて、電極を横切る高電
圧（好ましい実施の形態に対しては４００ないし８００ボルト）を提供し、この
電圧は、単独で又は後述する方法でトリガ電極の付勢と組み合わされて、コラム
１６のベースにおいてプラズマ始動を生じさせる。その結果、内側及び外側導体
を接続するプラズマシースにおいて、プラズマシースを通って電極間で電流が半
径方向に流れ、磁場を発生させる。生じた磁気圧力はプラズマシースを軸方向に
押し、電極に沿って移動するときにプラズマ質量を加速するＪ×Ｂローレンツ力
を提供する。これが極めて速いプラズマ速度を生じさせ、電極長さ及び初期チャ
ージは、最初に時間と共に増大し次いでゼロに減少する電極を横切るｒｍｓ電流
、及び、コンデンサ５８の放電時に減少する電圧の双方が、電極の先端からのプ
ラズマの放出時に丁度ゼロとなるように、選定される。プラズマが同軸構造体の
端部に達したとき、実質上すべてのガスがプラズマ内へ随伴又は吸引されてしま
っており、電極の端部から放出される。これが、最大ガス質量、従って各パルス
に対する最大運動量／スラストを生じさせる。プラズマが電極を出るときにコン
デンサが完全に放電されるように、構造体の長さが選択された場合、電流及び電
圧はゼロとなり、ガスのイオン化されたスラグは高速でスラスタを去る。この方
法でスラスタを作動させ、利用する排出速度を一定のスラスタ応用に対して最適
にすることにより、例えば毎秒１０，０００ないし１００，０００メートルの範
囲の排出速度を達成できる。スラスタの開拡端部３０は、退出ガスの制御された
拡張を容易にすることにより、等エントロピー熱力学膨張を介して残留熱エネル
ギの一部をスラストに変換することを可能にするが、この効果はかなり無視でき
ることが判明しており、テーパした端部３０は一般的に使用されない。事実、宇
宙では一般に必要でない電極１２の保護を除いて、ハウジング２８を完全に排除
することによりスラスタ１０の重量を減少させることができる。ゲートトランジ
スタ４４を無能にするか、又は、さもなければ源３２を回路３６から切り離すこ
とにより、パルス破裂を終了させることができる。

【００３０】図２は図１に示すものとは幾つかの点で異なる別の実施の形態のスラスタ１０
′を示す。第１に、非線形磁気コンプレッサ３６の代わりに単一の貯蔵コンデン
サ８０を用い、このコンデンサは、実践的な応用においては、典型的には、ほぼ
１００マイクロファラッドのキャパシタンスを達成するコンデンサ列である。第
２に、陰極１４はその出口端に向かって僅かにテーパする。第３に、スパークプ
ラグ様のトリガ電極８２はトリガ電極のための対応する駆動回路８６を伴って各
穴７４内で位置決めされた状態で示され、ハウジング部材７７により形成された
内部ガスマニホルド７２′が推進ガスを穴７４へ送るために設けられ、ガス入口
穴（図示せず）が部材７７内に設けられ、ガス出口穴８４は絶縁体２４内及び中
央電極１２内に形成されたものとして示してある。図１の実施の形態に関しては
、典型的には、陰極１４の周辺のまわりにおいて等間隔で離間した例えば４ない
し８個の複数の穴７４があり、トリガ電極８２が各穴７４内に位置し、ガス出口
８４（単数又は複数）は好ましくは各穴７４に対向し、そこへガスを導く。後述
する理由のため、室１６への入口の大半のガスは、マニホルド７２′及び穴７４
のためのものと同じ源とすることのできる適当な源から、出口８４を通って中央
電極１２の近傍の室内へ流れ、穴７４を通って流れるガスは主としてトリガ電極
による始動を容易にする。

【００３１】ある応用においては、電圧を蓄積して高電圧駆動パルスを提供するために、非
線形磁気コンプレッサ回路３６の代わりにコンデンサ８０を利用することができ
るが、このような構成は典型的には一層低いＰＲＦ及び／又は一層低い電圧を必
要とするような応用に使用される。その理由は、コンプレッサ３６が一層短い電
圧パルス及び一層高い電圧パルスの双方を提供するのに適するからである。回路
３６はまた、コンデンサ５８を横切る電圧及び非線形コイル６０の飽和により決
定される時間でパルスを提供し、この時間は、コラム１６のベースで破壊が生じ
てコンデンサの放電を許容するまで基本的に充電を行うコンデンサ８０により達
成できるものよりも一層容易に予測できる時間である。

【００３２】トリガ電極８２は源３２から電圧を受け取る分離された駆動回路８６により付
勢されるが、他の面では、インバータ３４及びコンプレッサ３６又はコンデンサ
８０とは独立している。駆動回路８６は２つの非線形圧縮段を有し、トリガ電極
の付勢を開始させるためにＳＣＲ８７への入力信号に応答して付勢することがで
きる。ＳＣＲ８７への信号は例えばコンデンサ８０を横切る電圧即ちチャージの
検出及びこの電圧が所定の値に達したときの付勢の開始に応答することができ、
または、コンデンサ８０の充電が始まるときに開始されるタイマに応答すること
ができ、コンデンサに対して所望の値に達するのに十分な時間が経過したときに
、付勢が生じる。コンプレッサ３６により、誘導子６０が飽和したときに付勢が
生じるようにタイミングをとることができる。コラム８４のベースでの制御され
た始動は、穴７４の再進入幾何学形状により、及び、チャンネル１６がそのベー
ス端部で一層狭く、この領域内で圧力を更に増大させ、従って、先に述べた理由
により、この領域内での破壊の開始を保証するという事実により、向上する。

【００３３】各トリガ電極８２は、ハウジング７７の開口８９に嵌合し、電極を適所で固定
するために開口内へ螺入されるスクリュー区分を有するスパークプラグ様の構造
体である。電極８２の前端は開口の直径よりも狭い直径を有し、そのため、推進
ガスはトリガ電極のまわりの穴７４を通って流れることができる。例えば、穴は
０．４４インチ（約１１．１８ｍｍ）の直径とすることができ、一方、トリガ電
極はその最下方点で０．４０インチ（約１０．１６ｍｍ）である。トリガ電極の
トリガ素子９１はコラム１６に隣接する穴７４の端部の近傍へ延びるが、好まし
くは、コラム１６内で発展するプラズマ力に対して電極を保護するためにコラム
１６内へは延びない。電極の端部は、例えば、穴の直径（７／１６インチ（約１
１．１ｍｍ））におよそ等しい距離だけ、穴７４の端部から離れることができる
。

【００３４】トリガ電極８２及びプラズマ電極１２、１４の双方は共通の電圧源３２から付
勢されるが、２つの電極のための駆動回路は独立しており、実質上同時に作動す
る間、異なる電圧及び電力を発生させる。例えば、プラズマ電極は典型的には４
００ないし８００ボルトで作動するが、トリガ電極はこれを横切る５Ｋｖの電圧
を有することができる。しかし、この電圧は例えば１００ｎｓ（ナノ秒）のよう
な非常に短い時間期間だけ存在し、そのため、エネルギは例えば１／２０ジュー
ルのように非常に小さい。

【００３５】図１、２に示す型式のスラスタに関する別の可能性のある問題は、コラム１６
を横切るローレンツ力が均一化されず、中央電極１２の近傍で最大となり、そこ
から外方に陰極外側電極１４に向かって多少均一に減少することである。その結
果、ガスプラズマは角度の付いた前方に沿って流出し、ガスは最初に中央電極か
ら出て、後に外側電極の方へ延び出す。そのため、スラスタを横切ってガスがス
ラスタから均一に出るのを容易にするために、外側電極１４を一層短くすること
ができるが、これは、好ましい実施の形態に対して行われていない。この外側電
極のテーパはハウジング２８の区域３０におけるテーパと同じ理由で設けられ、
このテーパに関連して述べたのと同じ理由で随意である。

【００３６】コラム１６内での不均一速度の問題はまた、大半のガスが穴８９を通って中央
電極から及び（又は）その近傍でコラム１６へ入るようにして、外側電極でのガ
ス質量よりも中央電極でのガス質量を一層大きくすることにより、図２において
取り扱われる。中央電極の近傍の一層大なる質量がそこでの一層大なる加速力を
相殺するように注意深くこれを行う場合、一層均一な速度がコラム１６を横切っ
て半径方向で達成でき、そのため、ガス／プラズマはスラスタの端部から均一に
（即ち、前面が電極に垂直となって）流出する。この修正は、一層短い外側電極
が実質上必要でない１つの理由である。

【００３７】上述の差異を除き、図２のスラスタは図１のスラスタと同じ方法で作動する。
更に、図には単一のスラスタを示すが、宇宙又は他の応用においては、例えば１
２個のスラスタのような複数のスラスタを利用することができ、各スラスタはパ
ルス当り１ジュール以下で作動し、１ｋｇ以下の重量を有する。すべてのスラス
タは中央電源により作動され、中央制御装置を有し、共通の源から推進剤を受け
取る。後者は、スラスタを利用する宇宙船の操縦寿命が同じ固形燃料のスラスタ
の場合のように最も頻繁に使用されるスラスタのための燃料供給により左右され
ず、宇宙船に搭載した総推進剤によってのみ左右されるという点で、本発明のス
ラスタにとって特に有利である。

【００３８】図３は本発明の教示に従うプラズマ銃の別の実施の形態を示し、この銃はスラ
スタとしてよりも放射線源として使用するのに適する。本発明のこの実施の形態
は直流／直流インバータ３４及び非線形磁気コンプレッサ３６を備えた図１に示
すものに似たドライバを使用し、また、陰極の穴７４を通してトリガ電極８２の
まわりにガスを供給するマニホルド７２′を有する。しかし、この実施の形態に
対しては、推進ガスは中央電極１２から入力されない。陰極電極はまたテーパし
ておらず、中央電極１２とほぼ同じ長さのものである。本発明のこの実施の形態
に対しては、電極１２、１４の長さはまた、スラスタの実施の形態に対するもの
よりも一層短く、放電電流が最大であるときに、ガス／プラズマが電極／コラム
の端部に達する。典型的には、コンデンサはこの時点で１／２電圧点に近づく。
更に、放射線源の応用に対しては、外側電極１４は中実でも孔明きでもよい。最
良の結果は典型的には円を形成するように均等に離間したロッドの集合体からな
る外側電極により達成されることが判明した。上述の形状によれば、プラズマが
中央電極の端部から放出されるときに、磁場はプラズマを締め付け部内へ駆動し
てその温度を著しく増大させるような力を発生させる。電流それ故磁場が高いほ
ど、最終のプラズマ温度が一層高くなる。また、コラム１６を横切る一層均一な
速度を達成するようなガス濃度をプロファイルする努力を行わなくて済み、静的
で均一なガス充填が典型的に使用される。そのため、コラム１６のベース端部で
ガスを導入する必要はなく、これは更に好ましい。プロファイルされないガスは
外側導体１４での速度よりも一層速い速度を中央導体１２で生じさせる。ドライ
バでのキャパシタンス、ガス濃度及び電極長さは、電流がその最大値の近くにな
ったときに、プラズマ表面が中央電極の端部から放出されるのを保証するように
、調整される。

【００３９】プラズマが中央導体の端部から放出されると、プラズマ表面は内方へ押される
。プラズマは傘又は噴水形状を形成する。中央導体の先端部にじかに隣接してプ
ラズマコラムを通って流れる電流の磁場は内向きの圧力を提供し、この圧力は、
ガス圧力が内向きの磁気圧力との平衡に達するまで、プラズマコラムを内方へ締
め付ける。

【００４０】この技術を使用して、太陽の表面よりも１００倍以上高い温度を締め付け部に
おいて達成することができる。所望の波長の放射線は、締め付け部においてその
波長でのスペクトルラインを有する一般にガス状態の元素を導入することにより
、プラズマ銃から得られる。これは元素として機能するプラズマ銃により又はあ
る他の方法で締め付け部に導入される元素により達成することができるが、好ま
しい実施の形態に対しては、元素は電極１２に形成された中央チャンネル９２を
通して導入される。中央電極１２は好ましくは、ハウジングの部分にわたってこ
れと接触する冷却水、ガス又は他の物質の流れにより、そのベース端部で冷却さ
れる。これが、陰極の先端部との大きな温度勾配を提供し、この温度勾配は、プ
ラズマの締め付けが生じたときに、ほぼ１，２００℃の温度になることができる
。特に、高温において、放射線強度は波長の４乗に反比例する（即ち、強度≒１
／λ^４＝（ｆ／ｃ）^４；ここに、λは所望の放射線の波長、ｆは所望の放射線の
周波数、ｃは光速である）。従って、チャンネル９２を通して締め付け部へ送ら
れるか又は他の方法で締め付け部へ送給される一定のガス／元素については、最
大強度は２Ｐ→１Ｓ状態からの崩壊中に元素から放射される最短波長信号に対し
て得られ、この信号は単一電子状態での元素の原子（即ち、ほとんどの原子が分
子から除去されてしまったような高エネルギ状態に上昇してしまった原子）に対
して得られる。単一電子状態における原子に対しては、波長λはλ＝１２１．５
ｎｍ／Ｎ^２（ここに、Ｎは蒸発している室９２内の元素の原子番号である）によ
り与えられる。この式を使用すると、周期律表の最初の６個の元素に対して最高
エネルギを有する波長は次の表１に示される。

【００４１】

【表１】

【００４２】チャンネル９２を通して供給されたガスがその単一の電子状態に完全に変換さ
れていない程度で、しかも、締め付け部において存在する温度で、大半のガスが
この状態に実質上イオン化されていない場合でさえ、放射線はまた、元素のため
の他のスペクトル波長で出力される。しかし、上述の式から明らかなように、こ
れらの放射線は非常に低い強度を有し、その強度は単一電子状態のための強度の
ほんの一部である。従って、例えば、原子番号５４のキセノンは小さな値の０．
０４ｎｍの単一電子波長を有するが、また、略述するように、有用な１３ｎｍの
波長でのエネルギを有する。しかし、１３ｎｍでのエネルギは単一電子状態にと
って最適な締め付け部での温度のための単一電子波長でのエネルギの１／１０^１ ^０であり、実質的に、レーザー締め付け温度がより低いとさらに低いオーダーの
大きさとなる。その理由は、相対ラインの大きさを決定することに依存する黒体
放射曲線の形のため、１３ｎｍにおいてエネルギの少量（≦１／４）以上を単独
で強制的に発出させることが不可能であり、温度が大幅に変化するからである。

【００４３】そのため、元素のための最適な単一電子波長以外の波長で放射線を使用するた
めには、元素のために放射されている一層高い強度の一層短い波長を濾波する必
要がある。図３はこれを行う１つの方法を示し、ここでは、プラズマ銃９０から
発出されている放射線９４は所望の標的の方へ反射される所望の波長を除いた放
射線のすべての波長を吸収するように構成された当業界で既知の型式の鏡９６に
供給される。所望の波長及びそれ以上の波長のための少なくともハイパスフィル
タである他のフィルタも使用することができる。

【００４４】従って、可能なら、ガスのための元素又は最大エネルギの単一電子状態におけ
る所望の波長で放射線を発生させるチャンネル９２へ供給される他の元素を使用
するのが望ましい。しかし、単一電子状態における所望の波長で放射線を発出す
るいかなる元素もが存在しない場合、及び、表１から、約７．６ｎｍ以上の極め
て少ない波長が最大エネルギ状態で元素のために実際利用できることが分かった
場合は、所望の波長で放射線を発出する元素及び所望の波長での放射線を得るた
めに利用されるフィルタ鏡９６の如き適当なフィルタを見つけ出さなければなら
ない。この放射線は単一電子状態の波長での放射線よりも一層弱い強度なので、
一層弱い強度で十分なエネルギを得るためには一層大型で実質上一層高価な装置
９０が一般に必要となる。一定の波長での放射線の強度はワット／（メートル） ^２／ヘルツの単位で与えられ、放射線の周波数又は波長、温度及び放射率の関数
として変化する。放射率は１の最大値を有する関数であり、所望の出力周波数／
波長で最大放射率を有するガスを選択するのが重要である。一定の波長λに対す
る最適な締め付け温度（Ｔ_ＯＰＴ）はウィーンの変位則Ｔ_ＯＰＴ＝０．２８９８
ｃｍ×Ｋ゜／λ（ここに、Ｋ゜はケルビンにおけるプラズマの温度である）から
決定できる。極めて少量のガスのみが各締め付け中に放射線を発生させるように
イオン化されるので、キセノンは１３ｎｍの放射線を得るためにチャンネル９０
を通って比較的遅い速度で流れることができる。しかし、先に述べたように、キ
セノンを使用した場合、１３ｎｍでの出力放射線は比較的弱い強度となり、この
波長で有用な放射線を得るためにはフィルタ９６のようなフィルタが必要となる
。この理由のため、表１から実質上所望の波長で（即ち、１３．５ｎｍで）最大
強度の波長を有することが分かるリチウムが、この波長での放射線にとって好ま
しい元素である。

【００４５】図４は所望の放射線を生じさせるためにリチウム蒸気を利用する実施の形態の
ための中央電極１２を示す。この図を参照すると、中実のリチウムコア９８がス
テンレス鋼のような材料のチューブ１００内に保持され、チューブ１００の先端
は中央電極に沿った先端近傍で、プラズマ締め付け中、約９００℃の温度になり
、リチウムコアの端部から約１Ｔｏｒｒの圧力でリチウム蒸気を発生させる。こ
のリチウム蒸気は、先端でアルゴン又は他のプラズマガスと置換するような流量
で、電極１２の端部の穴１０２から流出し、この必要な流量は、図示の実施の形
態に対しては、年間約１−１０グラムの範囲である。チューブ１００は適当な位
置にリチウムコア９８の前端を保持するために適当な方法でゆっくり前進するこ
とができる。コア９８を使い切ったとき、これを交換することができる。少量の
ヘリウムガスが好ましくはチューブ１００のまわりに供給され、開口１０２から
流出し、リチウム及びヘリウムのみが締め付け区域に存在するのを保証する。そ
の理由は、少量ではあるがアルゴンは高エネルギで短い波長のラインを生じさせ
、これが、濾波しなければ、所望の標的での１３ｎｍの放射線と干渉してしまう
からである。

【００４６】締め付け部にリチウム又は他の適当な材料を与える別の方法は、液体リチウム
又は流体（即ち液体又は気体）状態のある他の適当な材料で飽和した焼結粉末耐
火金属で、中央電極１２及び外側電極の少なくとも一方を形成することである。
適当な結合剤と共にタングステンの如き粉末耐火材料をプレスし、次いで、出来
上がった質量体を高温で焼結することにより、タングステン又はモリブデンの如
き金属を所望の電極形状に製造できる。出来上がった多孔性の耐火金属母体を液
体リチウム又は他の所望の材料で含漬して、改善された寿命及びリチウム／材料
を放電部へ導入する別の手段を提供することができる。放射線発生材料を交換す
る必要なしに、プロセスの実質上無限の寿命を提供するように、所望なら、作動
中に液体リチウムを電極の金属母体へ常に供給することができる。粉末耐火金属
を選択する際の１つの制約は、金属が中で燃えている放射線発生材料内に溶けな
いことを保証することである。

【００４７】１３ｎｍの放射線を得るためにキセノンを使用する場合は、キセノンはその波
長でかなりの吸収性を有するため締め付け部のすぐ近傍にキセノンを閉じ込めな
ければならない。キセノンの場合のように、使用される放射線がコラム９２内の
元素／ガスのための単一電子波長以外の波長である場合は、元素の少量をその単
一電子状態へイオン化して、一層長い波長での多量の放射線及び一層短い波長で
の少量の放射線（ただし、一層強い強度の放射線）を提供するように、締め付け
部での温度を制御することができる。

【００４８】また、発出される放射線の円錐角は出来る限り小さい方が望ましい。締め付け
部での放射ガスからの放射線の誘導放射が自然放射よりも一層大きい場合に、小
さな円錐角が達成され、自然放射は一層分散的である。特に、ボルツマン定数ｋ
×締め付け部での温度が放射線の周波数ｆ×プランク定数ｈよりも大きいと仮定
すると、誘導放射Ａに対する自然放射Ｂの比率は（Ｂ／Ａ＝ｋＴ／ｈｆ）で与え
られる。例えば、この比率が２０に等しい（即ち、プラズマ温度が問題の光子エ
ネルギの２０倍である）場合、半円錐角は約２５゜となる。プラズマ温度が高い
ほど、円錐角は一層小さくなる。しかし、放射線の波長が短いほど、小さい円錐
角を達成するのが一層困難になる。しかし、円錐角は締め付け部での所望の温度
を達成するために電流及び他のパラメータを選択する際に考慮すべき因子の１つ
である。

【００４９】図５は、電極長さの如き因子、及び、放射線発出元素／ガスが中央電極１２を
通して導入されるか否かに応じて、スラスタ、放射線源又はプラズマ銃を利用す
る他の機能として使用できる本発明の別の実施の形態を示す。プラズマ銃は主ソ
リッドステートドライバ１１０により駆動されるものとして示され、好ましい実
施の形態に対しては、このドライバは電圧源３２と、直流／直流コンバータ３４
と、ＮＭＣ３６とを含む。しかし、この実施の形態はプラズマ始動のために穴７
４内にスパークプラグ８２セットを利用するが、これは、スパークプラグ又は他
の電極が直流遮断コンデンサ１１４及び整合変圧器として機能する共振同軸ライ
ン１１６を介してパルスＲＦ源１１２から駆動されるという点で、先の実施の形
態とは異なる。好ましい実施の形態に対しては、ＲＦ信号は１０ＭＨＺないし１
，０００ＭＨＺの周波数であり、主ドライバ１１０の付勢前に約１ないし１０マ
イクロ秒だけ付勢される。図５はまた交流フィルタコイル１２０を介して中央電
極１２に接続された随意の直流バイアス源１１８を示す。源１１８は回路８６の
如き整形及び制御回路を介して実質上給電される電圧源とすることができるか、
または、用途に応じて別の源とすることができる。

【００５０】図５において、空洞１６の両側に位置する２つのみのトリガ電極即ちスパーク
プラグ８２、９１を示すが、プラズマ銃は好ましくはチャンネル１６の周辺のま
わりにおいて等間隔で離間した少なくとも４個の電極を有し、そして、６個又は
８個（又は可能ならそれ以上）の電極を有することができる。４個の電極の場合
、図示の電極に供給されたＲＦ信号は第１相となり、図示のものに対して９０゜
で電極に供給されたＲＦ信号は第１相に対して９０゜位相ずれした第２相となる
。６個のトリガ電極を有するプラズマ銃に対しては、３相ＲＦ信号が使用され、
各相は室１６の両側で一対の電極に供給される。８個の電極の場合、２相信号が
好適には利用され、１つの相は１つ置きの電極に供給され、第２の相はこれら電
極間の電極に供給され、４相信号も使用できる。プラズマ始動のための直流信号
以外のＲＦを使用する理由は、始動器電極に供給されたＲＦが一層均一及びほぼ
完全に均一な容積的イオン化即ち始動を室１６内で生じさせるからである。好ま
しくはライン（単数又は複数）２２上の制御信号に応答して源１１２からのＲＦ
信号と同時に供給される源１１８からの直流バイアスは更に、特に中央電極の近
傍での均一なイオン化に寄与し、ＲＦ源１１２での必要電力を減少させる。直流
バイアスは図示のように中央電極へ供給することができ、または、例えば、ＲＦ
信号が直流バイアスを変調するようにＲＦ信号と直列又は並列に電極８４へ供給
することができる。

【００５１】図６は、例えば互いに９０゜の角度で位置する２つの電極／スパークプラグ８
２、８２′へのＲＦ源の接続を示す。プラズマ銃内には２つの付加的な電極／ス
パークプラグが存在し、第２の電極８２は図示の電極８２に対して１８０゜の角
度で位置し、電極８２のための図示の方法で接続され、第２の電極８２′は図示
の電極８２′から１８０゜の角度で位置し、この電極と同じ方法で接続される。
源１１２は四分の一導波路同軸ライン１２４、１２４′を介して同軸ライン１２
６、１２６′の短くなった端部の近傍の地点に接続されるが、短くなった端部か
らそれぞれ距離Ｌ１、Ｌ２だけ離れている。同軸ライン１２６は四分の一波長長
さであり、その短くなっていない端部で電極８２を有し、一方、同軸ライン１２
６′は半波長長さであり、その短くなっていない端部で電極８２′を有する。四
分の一波長長さのライン１２６及び半波長長さのライン１２６′では、電極８２
、８２′でＲＦ信号のための所望の位相差が達成される。同軸ラインはまた大き
な電圧逓昇を提供し、結合位置／距離Ｌ１、Ｌ２が正しく選択された場合は、破
壊が達成されるまで、源を整合負荷として頼る。良質の同軸ラインを使用すると
、１０−２０：１程度の電圧逓昇比率を容易に達成できる。破壊が達成されると
、ラインは位置Ｌ１で短絡回路のようになる。Ｌ１から離れた源λ／４へ結合す
る入力において、見掛けのインピーダンスは開回路のようになる。更に、位置Ｌ
２が正しく選択された場合、このラインは、破壊が開始された後に、整合負荷の
ようになる。ライン１２６、１２６′を出来る限り短く保つのが望ましいが、所
望の位相及びインピーダンス整合は（２Ｍ−１）λ／４、Ｍλ／２のそれぞれの
長さでラインに対して実質上達成できる。それ故、ＲＦ源は常に整合負荷を監視
し、最初に一対のスパークプラグにおいて電圧逓昇を生じさせ、次いで、プラズ
マが始動されたのち、第２の対のスパークプラグ８２′において電圧逓降を提供
するが、電流逓昇を提供する。次の表２は図示の実施の形態に対する図６のＲＦ
源のためのパラメータを与える。

【００５２】

【表２】

【００５３】ＲＦ源のみから又はＲＦ源及び直流バイアス源１１８の双方からのＲＦ周波数
及び電圧は、最大均一性を与えるように寸法及び作動圧力から決定される。一般
に、ＲＦ周波数は臨界周波数以上となるように選択しなければならず、臨界周波
数は、これよりも低い周波数では、ガス内の電子が各半サイクルにおいて全体の
電極ギャップを横切って払拭されるような時間を有し、それ故消失するような周
波数である。臨界周波数以上では、電子は電極間で前後に振動し、ガスのイオン
化を容易にする。一定のプラズマ銃設計のための臨界周波数は、流動性を最初に
計算することにより決定される。

【００５４】

【数１】

【００５５】ここに、ν_ｃは衝突周波数、ω＝２πｆ（ここに、ｆは放射線の周波数）、ｑは
電子チャージ、Ｅは電場、ｍは電子質量である。それ故、ガスを遷移させる時間
は、

【００５６】

【数２】

【００５７】

【数３】

【００５８】で与えられる。ここに、ｄは電極間の距離である。スラスタの実施の形態に関しては、全体の放射線源９０を近真空環境（ほぼ、
ガス圧力≦１０Ｔｏｒｒ）内に維持する必要があり、これが更に必要な理由は、
ＥＵＶ帯域内の放射線が容易に吸収され、近真空環境以外では有用な仕事を行う
ために使用できないからである。この実施の形態に対しては推進効率はさほど重
要でないので、各弁操作即ち弁操作期間に対して単一の放射線破裂でよく、所望
の期間だけ放射線を提供するために多数のパルス／破裂を選択することができる
。

【００５９】マグネトロン、クライストロン又はＲＦ増幅器の如き標準の高電圧ＲＦ源１１
２は、前述のように、先の実施の形態に対してＲＦ源として利用することができ
るが、このような標準のＲＦ源は購買及び使用にとって高価であり、大型であり
、利用する装置の熱管理負担を増やすかなりの熱を発生させる。それ故、このよ
うな源を、購買及び作動にとって大幅に安価であり、大幅に少ない熱を発生する
一層小型の源と交換できることが好ましい。図７Ａはこれらの要求を満たすソリ
ドステートシミュレートＲＦ発生器を示す。特に、回路１３０は標準のＲＦ電力
源におけるコストの約１％のコストでＲＦ電力を生じさせ、大きなキャビネット
ではなく、例えば「６」又は「８」倍だけ小さい回路板の空間を占めることが判
明した。

【００６０】図７Ａを参照すると、回路１３０は電圧源、例えば前述の電圧源３２から標準
の様式で充電されるコンデンサ１３２を含む。例えばＳＣＲ、ＩＧＢＴ又はＭＯ
ＳＦＥＴとすることのできるソリッドステートスイッチ１３４は、閉じたとき即
ち通電したときに、コンデンサ１３２が前述の型式の多段非線形磁気パルス圧縮
回路１３６の入力へ放電を行うのを許容する。回路１３６は多段及び（又は）変
圧器を含むことができ、このような形状の一例が示され、特殊化された出力セク
ション１３８で終端する。出力セクション１３８は接地部に対する飽和可能な共
振分路を形成し、このセクションの共振回路はコンデンサＣ_Ｒ及び飽和可能な誘
導子Ｌ_Ｒを含む。コンデンサＣ_Ｒは非線形磁気パルスコンプレッサ１３０の第ｎ
段のコンデンサＣ_Ｎから共振的に充電される。Ｃ_ＮはキャパシタンスがＣ_Ｒより
も一層小さくなるように選定され、そのため、Ｃ_ＲはＣ_Ｎの充電中に反転する。
代わりに、Ｌ_Ｒは、Ｃ_ＮからＣ_Ｒへのチャージの移送が完了する前に飽和するよ
うに選定することができる。これらの条件の一方又は双方が満たされると、Ｌ_Ｒが飽和しＣ_Ｒがそのピークチャージに達する前に、Ｃ_Ｎに対して逆電圧が生じる
。これらの条件下で、Ｌ_Ｒの順次の飽和により、Ｌ_Ｒが図７Ｃに示すようにＣ_Ｒを振動させる。本発明のプラズマ始動応用に対しては、源の３又は４回のみのサ
イクルが図７Ｃに示すように必要であるが、回路のパラメータは、応用に応じて
、所望数のサイクルを提供するように選択することができる。出力セクション１
３２の共振周波数ＦはＣ_Ｒ、Ｌ_Ｒの値により決定され、これらの値のいずれか一
方は回路のチューニングを許容するように調整可能にすることができる。抵抗性
素子Ｒ_Ｏと容量性素子Ｃ_Ｏとからなる出力結合回路１４０が設けられ、これらの
各々は適当に相互接続された多数の素子で形成することができる。出力結合回路
１４０はコンデンサＣ_Ｒからのエネルギの一部を出力端子１４２に結合し、結合
回路のインピーダンスは各サイクルに対してＣ_Ｒ内に貯蔵されたエネルギの一部
のみ（例えば、サイクル当り２０％）を除去するように選定される。更に、図７
Ａに示す回路は本発明のプラズマ銃に使用するのに特に適するが、図７Ａに示す
回路の性能特性を有するソリッドステートシミュレートＲＦ発生器は現在存在せ
ず、それ故、このような回路はまた他の応用における使用を見出すことができる
。それ故、この回路はまた本発明の一部となる。

【００６１】ＲＦ始動器信号をプラズマ銃へ送給する際の２つの可能性のある問題は、コラ
ム１６のベースで比較的大きな均一領域にわたって高電圧場が生じて、この領域
で破壊が生じること、及び、室１６内で必要な真空に対する中断を最小にした状
態で、ＲＦ場をこの地点で得ることである。後者は宇宙応用では問題にならない
が、放射線源としてのプラズマ銃の一層普通の応用では問題となる可能性がある
。図８Ａは両方の目的を達成する１つの方法を示し、一方、図８Ｂは第２の目的
のみを達成する方法を示す。

【００６２】まず、図８Ａを参照すると、セラミック誘電体１５０がコラム１６のベースに
おいて電極１２、１４間に設けられる。複数の電極１５２はチャンネル１６の外
側の誘電セパレータ１５０の表面に装着され、セラミック誘電体によりコラム１
６内部の誘電体の表面１５４から小距離だけ離間される。電極１５２と表面１５
４との間の誘電体の厚さは典型的には１／８インチ（約３．１８ｍｍ）以下とす
ることができ、セラミック誘電体が割れたり破壊したりしないことを保証しなが
ら、出来る限り薄くなるように選択される。ＲＦ及び（又は）直流信号が電極１
５２に供給されたとき、高電圧場が表面１５４上に現れ、所望のプラズマ破壊を
開始させる。

【００６３】図８Ｂの装置は、セラミック誘電体１５０′が中央電極１２の底部分にわたっ
てカラーとして形成され、コラム１６内へ小距離延びているという点で、図８Ａ
のものとは異なる。電極１５２は誘電体の外表面１５４′に装着され、ＲＦ及び
（又は）直流信号を電極に供給したときに、高電圧場が表面１５４′に形成され
る。全体のプラズマ銃が真空環境ではないような応用に対しては、電気リード線
を真空コラム１６内へもたらす必要がないという点で、図８Ａの形状が好ましく
、図８Ｂの実施の形態に対しては、リード線１５６がコラム内へもたらされる。

【００６４】また、始動後に初期の高電圧スパイクを主電極１２、１４へ供給することによ
り、一層均一な破壊をプラズマ銃内で達成できることが判明した。図９Ａは図９
Ｂに示す所望の波形を達成するための回路を示す。特に、この波形は初期スパイ
ク１６０を有し、持続信号１６２がこれに続く。初期スパイクは持続信号１６２
の電圧の１０倍ほどの大きさとすることができるが、一層短い期間のもので、電
極１２、１４へ供給されるエネルギの１／１０ほどの少ないエネルギを送給する
。

【００６５】図９Ａを参照すると、回路は第１の非線形磁気圧縮回路１６４（その最終段の
みを図９Ａに示す）と、第２の非線形磁気圧縮回路１６６（その最終段のみをも
図に示す）とを有する。回路１６６は高電圧短期間のスパイク信号１６０を発生
させ、一方、回路１６４はスパイク１６０の端部で生じる一層長い期間の低電圧
信号である持続信号１６２を発生させる。回路１６４の最終段のためのリアクタ
１６８は、持続回路１６４からの信号の流れを許容するような方向に飽和される
が、スパイク回路１６６から逆方向への信号の流れを遮断するように、バイアス
巻線１７０を介して供給されるバイアス信号により、通常偏倚される。従って、
この信号は回路１６４、特にその最終段のコンデンサ１７２へ供給されず、電圧
スパイクから回路１６４を保護し、この信号のすべてが電極１２、１４へ供給さ
れるのを保証する。スパイク１６０は、そこへ供給されるバイアスに部分的に打
ち勝って飽和可能なリアクタ１６８のバイアスを反転させ始め、同時に、電極に
おいて雪崩破壊を生じさせる。これが、破壊電圧を越える懸念なしに、主放電チ
ェーンのための最適な電圧及び駆動インピーダンスレベルの選定を許容する。飽
和可能なリアクタ１６８の反転バイアスは、リアクタが再飽和するまで回路１６
４からの持続信号に対して遅延を提供し、２つの信号間に円滑な遷移を提供する
。

【００６６】例えば図３に示す型式のプラズマ源についての１つの問題は、放射線の所望の
周波数に応じて１００ｅＶないし１０００ｅＶの範囲にある所望の締め付け温度
を達成するために、プラズマをマイクロ秒当り数センチメートルの速度に駆動す
るのに十分なテスラ程度の磁気圧縮場が必要となることである。これらの高速度
により、プラズマは中央導体１２を下って駆動され、中央導体の端部から放出さ
れ、プラズマシースは中央導体の端部から離れた空間内へ移動し続ける。この結
果、プラズマシースは最終的に締め付け部への電気的接続を失い、締め付けを終
了させ、大きな電圧遷移を生じさせる。この電圧遷移は電極を激しく損傷させる
ことのある高電圧再スパイクを生じさせることがある。プラズマシースとの電気
接触の喪失はまた、源からの出力効率の実質的な減少を生じさせ、締め付けは、
数マイクロ秒（例えば、２−４マイクロ秒）となることがある電気放電の実質上
一層長い期間ではなく、ほんの約１００ナノ秒続く。

【００６７】本発明の教示に従えば、プラズマ分離のこの問題はプラズマシースを中央電極
の方へ戻るように再度導くために中央電極１２の出口端に隣接してブラストシー
ルド即ち合焦装置１９４を設けることにより克服される。図１０Ａ−１０Ｃは、
それぞれ合焦空洞１９６Ａ、１９６Ｂ、１０６Ｃの形状が主として異なるこのよ
うなシールド即ち合焦装置（以下、シールドとして総称する）１９４Ａ、１９４
Ｂ、１９４Ｃの３つの可能な実施の形態を示す。特に、空洞１９６Ａはほぼ球状
形状を有し、空洞は適当な装着コンポーネント（図示せず）により外側電極１４
又は源の適当なハウジングコンポーネントに装着されて、空洞１９６Ａの壁が中
央電極１２の先端からある距離だけ離れるようにする。このある距離とは、シー
ルドと中央電極との間に接触を生じさせないのに十分なものであるが、プラズマ
分離の前に中央電極へ戻るプラズマの放射線が生じるのに十分な短さのものであ
る。これらの目的は、中央電極１２の半径をＲとした場合に、ほぼＲないし２Ｒ
の範囲内の間隔により達成される。しかし、このような距離は源１０の他のパラ
メータに応じてある程度変えることができる。空洞１９６Ｂは円錐形状を有し、
空洞１９６Ｃは放物線形状を有する。中央電極１２の端部からの空洞の距離につ
いて上述したパラメータはすべての３つの空洞形状に適用される。

【００６８】プラズマシースの分離を阻止し、シースをシールド１９４内に収容するのが望
ましいが、シールド１９４が源１０からの所望の放射線の流出と抵触しないこと
が重要である。従って、各シールド１９４は、対応する空洞の頂部に形成され、
中央電極の中心線と同軸の中心を備えた中央開口１９８Ａ、１９８Ｂ、１９８Ｃ
を有する。開口１９８は好ましくは円形であり、中央電極の先端で締め付け部か
ら±１５゜の角度（ほぼ発出放射線の角度）で発出される放射線が邪魔されずに
開口を通るのに十分な直径を有する。各開口１９８の上方部分は外方へテーパし
ていて、プラズマシースのいかなる逃避をも実質上制限しながら、放射線の流出
を容易にする。

【００６９】シールド１９４の材料はほぼ１０００℃及びそれ以上の範囲の温度に耐えるこ
とのできる高温非導電性材料でなければならない。種々の高温セラミックは所望
の特性を有し、図示の実施の形態に対しては、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）
が利用される。種々のガラス、石英及びサファイアもシールド１９４の材料とし
て役立つ所望の特性を有する。

【００７０】上述の説明において、プラズマ再指向シールド１９４は特定の形状の放射線源
と一緒に使用するものとして示したが、このシールドは、プラズマ分離が可能性
のある問題となるような任意の放射線源と一緒に使用するのに適し、それ故、本
発明は図３の特定の放射線源形状により決して限定されない。同様に、陰極へ放
射線を再指向するための３つの空洞形状を図１０Ａ−１０Ｃに示したが、この機
能を遂行するのに適した他の空洞形状も利用できる。上述の特定の材料はまた単
なる例示である。

【００７１】更に、１３ｎｍでの放射線を発生させるためのパラメータを上述したが、放射
線源９０の種々のパラメータを制御することにより、そして、特に、利用される
元素／ガス、高電圧源からの最大電流、締め付け領域におけるプラズマ温度、コ
ラム内のガス圧力、及び、ある場合は利用される放射線フィルタを注意深く選択
することにより、ＥＵＶ帯域内における、又は、ある場合はこの帯域外における
他の波長での放射線を得ることができる。

【００７２】多くの種類のガスを上述のプラズマ銃のためのプラズマガスとして使用できる
が、アルゴン及びキセノンの如き不活性ガスがしばしば好ましい。使用できる他
のガスは窒素、ヒドラジン、ヘリウム、水素及びネオンを含む。上述のように、
図３の実施の形態のようにプラズマ銃を放射線源として使用した場合、選択され
たＥＵＶ又は他の波長を達成するために種々の元素／ガスを使用することもでき
、ある場合は、プラズマ及び放射線ガスは同じガスである。例えば、ＶＵＶ帯域
内で１２１．５ｎｍでの放射線を有効に得るために水素ガスを選択することがで
きる。更に、種々の実施の形態を上述したが、これらの実施の形態は単なる例示
であり、本発明を限定するものではないことは明らかである。例えば、図示のド
ライバは種々の応用にとって有利であるが、適当な電圧及び上昇時間を有し、高
電圧切り換えを必要としない他の高ＲＦドライバも利用できる。同様に、種々の
プラズマ始動機構を説明したが、シミュレートソリッドステートＲＦドライバ電
極トリガが好ましい場合は、プラズマ破壊を開始させるための他の方法も適当な
応用に利用できる。電極の形状及びプラズマ銃のために与えられた用途も例示で
ある。従って、好ましい実施の形態について本発明を特に示し、説明したが、当
業者なら、本発明の精神及び要旨内に留めたまま、詳細を構成する上述及び他の
変更を行うことができ、本発明は特許請求の範囲によってのみ規定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の例示的なスラスタの実施の形態の半概略半切断側面図である。

【図２】本発明の別のスラスタの実施の形態の半概略半切断側面図である。

【図３】本発明の放射線源の実施の形態の半概略半切断側面図である。

【図４】本発明の１つの実施の形態についての図３の中央電極の拡大（実寸ではない）
切断図である。

【図５】相対寸法に応じて、他の因子をスラスタ又は放射線源として使用でき、本発明
の教示に従ったＲＦ始動器を有する本発明の実施の形態の半概略側切断図である
。

【図６】本発明のプラズマ銃におけるＲＦ始動器を得るための別の実施を概略的に示す
図である。

【図７】図７Ａはプラズマ始動器を駆動するためにＲＦ源として使用するのに適したソ
リッドステートシミューレートＲＦ源の概略図であり、図７Ｂ及び図７Ｃは図７
Ａの回路内におけるあるコンデンサを横切る電圧を示す線図である。

【図８】図８Ａ及び図８Ｂはプラズマ銃へ始動電圧を供給するのに適した２つの異なる
始動器電極形状を示す、プラズマ銃の一部の切断部分側面図である。

【図９】図９Ａは別の実施の形態に従った本発明のプラズマ銃を駆動するために使用す
るのに適したパルスドライバ回路の概略線図であり、図９Ｂは図９Ａの回路から
の出力信号を示す線図である。

【図１０】図１０Ａないし図１０Ｃは、本発明のそれぞれ球状、円錐状及び放物線状の実
施の形態のための中央電極の端部及びシールドを示す拡大側断面図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年６月４日（２００２．６．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項２０】上記第２のドライバが少なくとも２つの段を有し、同段の
うちの最終段の飽和可能なリアクタ（１６８）が上記第１のドライバから当該第
２のドライバへのスパイクの進入を阻止するように通常偏倚されており、上記ス
パイクは、上記リアクタが上記持続信号を通すように再飽和されるまで、該第２
のドライバからの初期流れを禁止するように当該リアクタを部分的に脱飽和させ
ることを特徴とする請求項１９に記載のプラズマ銃。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１１月１５日（２００２．１１．１５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高ＰＲＦプラズマ銃１０、１０′、９０において、中央電極１２；上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極１４であって、同軸コラム１６が
上記電極間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有
するような外側電極；選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構７０、７２、７４；上記コラム１６の上記ベース端部でのプラズマ始動器８２；上記プラズマ始動器８２を駆動するように選択的に接続されるソリッドステー
トシミュレートＲＦ源１３０；及び上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記電極を横切って高電圧パルスを
送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ３２、３４
、３６であって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラム
の上記出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ
；を有することを特徴とするプラズマ銃。
【請求項２】上記ＲＦ源１１２、１３０が１０ＭＨＺないし１０００ＭＨ
Ｚの範囲の周波数で作動することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項３】上記シミュレートＲＦ源１３０が、１に等しいか又はそれより大きな整数であるＮ個の段を持つ非線形磁気パルス
コンプレッサ１３６と；エネルギ貯蔵装置１３２を上記コンプレッサの第１段の入力に接続するように
選択的に作動できるソリッドステートスイッチ１３４と；ＲＦ周波数Ｆでシミュレートされ、コンデンサＣ_Ｒと飽和可能なリアクタＬ_Ｒとを備えた共振回路を有する出力段１３８であって、上記コンプレッサの最終段
がキャパシタンスＣ_Ｎを有し、Ｃ_Ｒ及びＬ_Ｒのうちの少なくとも一方は、Ｃ_Ｒが
完全に充電される前にＣ_Ｎでの逆電圧が生じるように、選択され、Ｌ_Ｒが引き続
いて飽和し、周波数ＦでのＣ_Ｒの振動を生じさせるようになった出力段と；上記プラズマ始動器を駆動するためにＣ_Ｒからのエネルギを結合するための結
合回路１４０と；を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項４】上記ソリッドステートスイッチ１３４がＳＣＲ、ＩＧＢＴ及
びＭＯＳＦＥＴのうちの１つであることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ
銃。
【請求項５】Ｃ_ＲがＣ_Ｒ＞Ｃ_Ｎとなるように選択されることを特徴とする
請求項３に記載のプラズマ銃。
【請求項６】Ｌ_Ｒは、Ｃ_ＮからＣ_Ｒへのチャージの移送が完了する前に、
飽和するように、選択されることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ銃。
【請求項７】上記出力段１３８が接地のための飽和可能な共振分路である
ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ銃。
【請求項８】上記結合回路１４０は、Ｃ_Ｒに貯蔵されたエネルギのほんの
少量がＣ_Ｒの各振動サイクル中に上記プラズマ始動器に結合されるようなインピ
ーダンスを有することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ銃。
【請求項９】Ｌ_Ｒ及びＣ_Ｒは、上記出力段１３８の３ないし４振動サイク
ルのみが生じるように、選択されることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ
銃。
【請求項１０】上記プラズマ始動器８２が、絶縁体２４に取り付けられ、
かつ、上記コラム１６のまわりで実質上均一に離間した複数の電極であり、同電
極が当該コラムの上記ベース端部における上記絶縁体の表面で高電圧場を生じさ
せることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項１１】上記絶縁体２４が上記中央電極のベース端部において同中
央電極を取り囲み、上記電極８２が上記コラムの上記ベース端部の近傍で当該絶
縁体に装着されることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ銃。
【請求項１２】上記絶縁体２４が上記コラム１６のベースを形成し、上記
電極８２が当該コラムとは反対側の当該絶縁体の側から同絶縁体内に装着され、
同絶縁体により該コラムから小距離だけ離間され、当該電極８２の付勢が該コラ
ム内で該絶縁体の側部において高電圧場を生じさせることを特徴とする請求項１
０に記載のプラズマ銃。
【請求項１３】上記中央電極１２及び上記外側電極１４のうちの少なくと
も一方が焼結粉末耐火金属で形成されることを特徴とする請求項１に記載のプラ
ズマ銃。
【請求項１４】上記プラズマ銃が選択された波長での放射線源として作動
し、上記少なくとも一方の電極が上記選択された波長で放射線を発生させるのに
適した流体材料で飽和されることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ銃。
【請求項１５】上記流体が液体リチウムであることを特徴とする請求項１
４に記載のプラズマ銃。
【請求項１６】実質上連続的な態様で上記少なくとも一方の電極に上記流
体材料を提供する機構を含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ銃。
【請求項１７】上記中央電極及び上記外側電極の双方が上記焼結粉末耐火
金属で形成されることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ銃。
【請求項１８】上記パルスドライバ３２、３４、３６が高電圧スパイク１
６０を提供し、一層低い電圧で一層長い期間の持続信号１６２が上記スパイクに
続き、ドライバエネルギの大半が上記持続信号により提供されることを特徴とす
る請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項１９】上記パルスドライバが上記高電圧スパイク１６０のための
第１の非線形磁気パルスドライバ１６６と、上記持続信号１６２を発生させるた
めの第２の非線形磁気パルスドライバ１６４とを有することを特徴とする請求項
１８に記載のプラズマ銃。
【請求項２０】上記第２のドライバが少なくとも２つの段を有し、同段の
うちの最終段の飽和可能なリアクタ１６８が上記第１のドライバから当該第２の
ドライバへのスパイクの進入を阻止するように通常偏倚されており、上記スパイ
クは、上記リアクタが上記持続信号を通すように再飽和されるまで、該第２のド
ライバからの初期流れを禁止するように当該リアクタを部分的に脱飽和させるこ
とを特徴とする請求項１９に記載のプラズマ銃。
【請求項２１】高ＰＲＦプラズマ銃１０、９０において、中央電極１２；上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極１４であって、同軸コラム１６が
上記電極間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有
するような外側電極；選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構７０、７２、７４；上記コラム１６の上記ベース端部でのプラズマ始動器８２であって、絶縁体２
４に取り付けられ、かつ、上記コラム１６のまわりで実質上均一に離間した複数
の電極８２を有し、同電極８２が、駆動されたときに、当該コラム１６の上記ベ
ース端部における上記絶縁体の表面で高電圧場を生じさせるようなプラズマ始動
器；及び上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記電極を横切って高電圧パルスを
送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ１１２、１
３０であって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラムの
上記出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ；
を有することを特徴とするプラズマ銃。
【請求項２２】上記絶縁体２４が上記中央電極のベース端部において同中
央電極１２を取り囲み、上記電極８２が上記コラム１６の上記ベース端部の近傍
で当該絶縁体に装着されることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ銃。
【請求項２３】上記絶縁体２４が上記コラム１６のベースを形成し、上記
電極８２が当該コラムとは反対側の当該絶縁体の側から同絶縁体２４内に装着さ
れ、同絶縁体により該コラムから小距離だけ離間され、当該電極８２の付勢が該
コラム内で該絶縁体の側部において高電圧場を生じさせることを特徴とする請求
項１０に記載のプラズマ銃。
【請求項２４】シミュレートＲＦ源１３０において、１に等しいか又はそれより大きな整数であるＮ個の段を持つ非線形磁気パルス
コンプレッサ１３６と；エネルギ貯蔵装置１３２を上記コンプレッサ１３６の第１段の入力に接続する
ように選択的に作動できるソリッドステートスイッチ１３４と；ＲＦ周波数Ｆ１でシミュレートされ、コンデンサＣ_Ｒと飽和可能なリアクタＬ _Ｒとを備えた共振回路を有する出力段１３８であって、上記コンプレッサの最終
段がキャパシタンスＣ_Ｎを有し、Ｃ_Ｒ及びＬ_Ｒのうちの少なくとも一方は、Ｃ_Ｒが完全に充電される前にＣ_Ｎでの逆電圧が生じるように、選択され、Ｌ_Ｒが引き
続いて飽和して、周波数ＦでのＣ_Ｒの振動を生じさせるようになった出力段と；Ｃ_Ｒからのエネルギを結合解除するための結合回路１４０と；を有することを特徴とするシミュレートＲＦ源。
【請求項２５】高ＰＲＦプラズマ銃１０、９０において、中央電極１２；上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極１４であって、同軸コラム１６が
上記電極間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有
し、上記中央電極及び上記外側電極のうちの少なくとも一方が焼結粉末耐火金属
で形成されるような外側電極；選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構７０、７２、７４；上記コラムの上記ベース端部で選択的に駆動されるプラズマ始動器８２；及び上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記電極を横切って高電圧パルスを
送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ３２、３４
、３６であって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラム
の上記出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ
；を有することを特徴とするプラズマ銃。
【請求項２６】上記プラズマ銃が選択された波長での放射線源として作動
し、上記少なくとも一方の電極が上記選択された波長で放射線を発生させるのに
適した流体材料で飽和されることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマ銃。
【請求項２７】上記流体が液体リチウムであることを特徴とする請求項２
６に記載のプラズマ銃。
【請求項２８】実質上連続的な態様で上記少なくとも一方の電極に上記流
体材料を提供する機構を含むことを特徴とする請求項２６に記載のプラズマ銃。
【請求項２９】上記中央電極及び上記外側電極の双方が上記焼結粉末耐火
金属で形成されることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマ銃。
【請求項３０】高ＰＲＦプラズマ銃１０、９０において、中央電極１２；上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極１４であって、同軸コラム１６が
上記電極間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有
するような外側電極；選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構７０、７２、７４；上記コラムの上記ベース端部で選択的に駆動されるプラズマ始動器８２；及び上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記電極を横切って高電圧パルスを
送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ３２、３４
、３６であって、同パルスドライバが高電圧スパイク１６０を提供し、一層低い
電圧で一層長い期間の持続信号１６２が上記スパイクに続き、ドライバエネルギ
の大半が上記持続信号により提供され、プラズマが当該コラムの上記ベース端部
から拡張し、該コラムの上記出口端部から出るようになったソリッドステート高
反復率パルスドライバ；を有することを特徴とするプラズマ銃。
【請求項３１】上記パルスドライバが上記高電圧スパイクを発生させるた
めの第１の非線形磁気パルスドライバ１６６と、上記持続信号を発生させるため
の第２の非線形磁気パルスドライバ１６４とを有することを特徴とする請求項３
０に記載のプラズマ銃。
【請求項３２】上記第２のドライバが少なくとも２つの段を有し、同段の
うちの最終段の飽和可能なリアクタ１６８が上記第１のドライバ１６６から当該
第２のドライバ１６４へのスパイクの進入を阻止するように通常偏倚されており
、上記スパイクは、上記リアクタが上記持続信号を通すように再飽和されるまで
、該第２のドライバからの初期流れを禁止するように当該リアクタ１６８を部分
的に脱飽和させることを特徴とする請求項３１に記載のプラズマ銃。
【請求項３３】選択された波長での高ＰＲＦ放射線源９０において、中央電極１２；上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極１４であって、同軸コラム１６が
上記電極間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有
するような外側電極；選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構７０、７２、７４；上記コラムの上記ベース端部でのプラズマ始動器８２；及び上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記電極を横切って高電圧パルスを
送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ３２、３４
、３６であって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラム
の上記出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ
；を有し、パルス電圧及び電極長さは、プラズマが上記コラムから出るときに各パルスの
ための電流が実質上その最大値となるようなものであり、上記入口機構が当該コ
ラム内への実質上均一なガス充填を提供して、プラズマを最初に上記中央電極か
ら放出させ、プラズマは、コラムから出るときに、磁気的に締め付けられて、当
該中央電極の端部での温度を、上記選択された波長で放射線を生じさせるために
該中央電極の上記端部でイオン化可能な元素を出現させるのに十分なほど上昇さ
せ；上記放射線の通過に実質上影響を及ぼすことなく、上記中央電極１２から放出
されたプラズマを当該中央電極の方へ戻るように再指向させるコンポーネント９
４を更に有する；ことを特徴とする源。
【請求項３４】再指向させる上記コンポーネント９４が、上記中央電極１
２の上記出口端部から選択された距離だけ離れて位置し、かつ、その上に衝突す
るプラズマを当該中央電極の方へ戻るように反射させるように形状づけられた高
温で非導電性の材料のシールドであり、同シールドが上記放射線の通過を許容す
るように位置する開口９８を有することを特徴とする請求項３３に記載の源。
【請求項３５】上記シールドを上記中央電極から離間させる上記選択され
た距離が、当該中央電極の半径Ｒのほぼ２倍（２Ｒ）よりも大きくないことを特
徴とする請求項３４に記載の源。
【請求項３６】上記選択された距離がほぼＲよりも小さくないことを特徴
とする請求項３５記載の源。
【請求項３７】上記シールド９４Ａがほぼ球状形状を有することを特徴と
する請求項３４に記載の源。
【請求項３８】上記シールド９４Ｂがほぼ円錐形状を有することを特徴と
する請求項３４に記載の源。
【請求項３９】上記シールド９４Ｃがほぼ放物線形状を有することを特徴
とする請求項３４に記載の源。
【請求項４０】上記開口９８が上記シールド９４の実質上中心に位置する
実質上円形の開口であることを特徴とする請求項３４に記載の源。
【請求項４１】上記開口９８は、上記中央電極の軸線からほぼ±１５゜の
角度で当該中央電極１２から出る放射線が当該開口を通過するように、寸法決め
され、位置決めされることを特徴とする請求項４０に記載の源。
【請求項４２】上記材料が高温セラミック、ガラス、石英及びサファイア
のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項３３に記載の源。
【請求項４３】上記材料がＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項４２
に記載の源。
【請求項４４】上記プラズマ始動器８２を駆動するように選択的に接続さ
れるソリッドステートシミュレートＲＦ源１３０を含むことを特徴とする請求項
３３に記載の源。