JP2011511999A - パルス電子源、パルス電子源への電力供給方法およびパルス電子源制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、イオン化チャンバ（４）と、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための電極（３）を伴う加速チャンバ（２）とを備えるパルス電子（１）に関し、前記ポンプ電子イオン（１）は、加速チャンバ（２）外部の一次プラズマ（１７）を推進するための正電圧と、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための負電圧パルスと、を前記電極（３）に加えるために適合される電源（１１）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス電子源および当該電子源を使用する装置の分野に関する。パルス化電子源は、電子的に励起されたガスレーザまたは磁気流体力学的発電機において使用され得る。

特許文献１には、電子用出口窓が設けられて低圧ガスで充填されたエンクロージャと、二次電子源放出用窓に対して高い負電圧の冷陰極と、正極へのイオン循環および窓への二次電子循環用経路を画定するガス用イオン化チャンバと、正極とイオン化チャンバとの間に配置されるとともに、グリッドと窓との間でかつイオン化チャンバ内に実質的に等電位な空間を、グリッドと正極との間に高電位勾配を伴う空間を、作り出すために窓の電位に近い電位がもたらされるスクリーンまたはグリッドと、を備える電子源が記載されている。

本出願人は、グリッドに特殊な問題が存在することに気付いていた。実際に、一方で、グリッドは、イオン化中にイオン化チャンバから加速チャンバへの一次イオンの寄生漏れを防ぐことにより２つのチャンバを隔離しなければならない。他方で、グリッドは、加速中に電子ビームが最小損失で通過することを許容するのが可能な程度に透明に加速チャンバ内に形成されなければならない。イオン化チャンバにおいて作り出されたイオンの一部が加速チャンバに浸透するとともに、その作動に影響を及ぼす際に、分離は部分的にできるにすぎない。

特許文献２には、２つのチャンバ間のより効果的な分離を提供する特殊な形状のグリッドを使用することが提案されている。しかしながら、一次プラズマは、加速チャンバに浸透するとともに正極を覆う。このことは、正極へのパルス高圧電力の作動の停止、電子ビームの電流パルスの伸張およびコントラストにおける劣化をもたらす。

イオン化チャンバに自由電子を駆動させることを負電位にもたらすか、２つのチャンバ間の分離境界から離れる陽イオンを駆動させることを正電位にもたらす第２の補助グリッドの使用は、追加電源の使用を必要とし、パルス電子源の全体を複雑にする。加速チャンバに形成された電子ビームはグリッドを強制的に通過させられ、一方で電子ビームを減衰させ、他方でグリッドを損傷させる。グリッドへの損傷は、電子ビームの電流内に制限をもたらすとともに、実質的にグリッドつまり電子源の耐用期間を短くする。

本発明は、特に上述した先行技術の欠点を改善することについて述べる。

フランス特許第２２０４８８２号明細書 フランス特許第２５９１０３５号明細書

本発明の目的は、特に、耐用期間が長く、低い電力で高い電圧源を供給し、電子源の正極と出口との間で高い電子収率を伴いかつ電子ビームの電流の高いコントラストを伴う電子源を提供することにある。

パルス電子源は、イオン化チャンバと、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための電極が設けられた加速チャンバと、加速チャンバ外の一次プラズマと一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための負電圧パルスとを駆動させるために電極に正電圧を加える構成とされる電源と、を備える。電極に加えられた正電圧は、加速チャンバから離れる陽イオンを移動させることを可能とする。

一態様において、電極は概して凸形円柱形状である。電極は、イオン化チャンバと加速チャンバとを接続するスロットと対向位置にある平坦または凹形の中央部が設けられ得る。このことは、スロット方向への集中した電子ビームの放出を支援する。

一態様において、イオン化チャンバと加速チャンバはオープンスロットにより接続される。グリッドの設備を取り除くことが可能である。電子源の構造が簡素化される。電子源の減衰が少なくなる。電子源の耐用期間は、最早グリッドの耐用期間により制限されなくなる。

一態様において、イオン化チャンバと加速チャンバは、電極の中央部とイオン化チャンバの出口との間に設けられるスロットにより接続される。スロットは、電極とイオン化チャンバの出口との間の電子ビームの経路に配置される。

イオン化チャンバの出口は開き得る。あるいは、イオン化チャンバの出口は、少なくとも１つのグリッドが設けられ得る。イオン化チャンバの出口は、電子をＸ線に変換するための金属層を備えるシートにより塞がれ得る。金属層は、原子質量が５０より大きい少なくとも１つの金属を含み得る。

一態様において、電源は、キャパシタを介して直流電圧源が接続されたプライマリが設けられるパルス変換器を備える。スイッチは、アースとプライマリの反対側におけるキャパシタの端子との間に配置され得る。パルス変換器は、電極に接続されるプライマリが設けられる。補助電圧源は、前記電極に前記正電圧を加えるように配置され得る。補助電圧源は、アースと電極との間に配置され得る。補助電圧源は、変換器のセカンダリに連続して配置され得る。キャパシタが、電圧源と平行に配置され得る。つまり、電源は、電極用正バイアス電圧と、前記電極に加えられる負電圧パルスとの発生を確実にする。電源は、単純で経済的な構造を有する。

一態様において、電源は、補助電圧源に連続して保護装置を備える。

保護装置は、少なくとも１つのダイオード、キャパシタおよび／またはインダクタを備え得る。

補助電圧源は、１００〜５００Ｖ、好ましくは２００〜４００Ｖの電圧を有し得る。

換言すれば、パルス電子源は、イオン化チャンバと、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための電極が設けられる加速チャンバと、イオン化チャンバと加速チャンバとの間の開口と、前記開口を電気的に封鎖するための手段と、電子ビーム形成用電極に高い負電圧を加えるためのパルス電源とを備える。

一態様において、イオン化チャンバは、電極と中空正極を形成するイオン化チャンバの内壁との間に電気放電を得ることの目的のために電極を備える。イオン化チャンバの電極は、１または２以上のフィラメントの形態を採り得る。この電極は、数ｋＶオーダ、例えば１〜１０ｋＶでパルスまたは直流のいずれかの正電圧を供給可能な電源により供給され得る。パルス電源は、１〜１０μ秒の持続時間、１００〜１０００Ａのピーク電流および／または５〜１０ｋＶの電圧を伴うパルスを提供し得る。

作動中、イオン化チャンバ内部のイオン化は、アースに接続された中空正極を形成するイオン化チャンバの内壁を保つこと、イオン化チャンバの電極に１〜１０ｋＶの正電圧をもたらすことおよび加速チャンバの電極に１００〜５００Ｖの正電位をもたらすことにより得ることができ得る。このようにして、加速チャンバは、チャンバ間の開口を介してイオン化チャンバから生ずる一次プラズマからの陽イオンの浸透から保護する。イオン源の特殊な作動状況のために、加速チャンバの電極に加えられる電圧は、特にガスの原子質量、ガスの圧力、イオン化チャンバの電極の電圧および電流、前記チャンバ間のスロットの開口および深さ、などのガスの性質の関数として算出される。イオン化チャンバ内で一次放電がひとたび発生すると、−５０〜−２００ｋＶのオーダで負のパルス電圧が加速チャンバの電極に加えられる。次いで、一次陽イオンの存在は、スロットを介して加速チャンバの電極の方向へ加速される。加速チャンバの前記電極は、陽イオンにより照射される。照射は、前記スロットを通り抜けてイオン源の出口の方向へ前記負電位により加速される二次電子を生成する。

パルス電子源用電源供給装置は、一次イオンを抽出および加速するとともに二次電子のビームを形成するために、正電圧、次いで負電圧パルスを電極に加えるための手段を備える。正電圧は、負電圧パルスに先立って加速チャンバ内に存在する陽イオンの量を少なくすることを可能にする。装置は、イオン化チャンバの電極に接続される補助電源を備え得る。装置は、増圧パルス変換器（ｖｏｌｔａｇｅ−ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｐｕｌｓｅｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を備え得る。変換器のセカンダリは、前記負電圧パルスを加えるためにイオン化チャンバの電極に接続される。

イオン化チャンバと、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための加速チャンバとを備えるパルス電子源制御プロセスは、加速チャンバ外の一次プラズマを駆動させる電源により供給される正電圧を電極に加えるステップと、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するために前記電源により供給される負電圧パルスを前記電極に加えるステップとを含む。

高い負電圧が加速チャンバの電圧に加えられる際の瞬間に、電極周囲のエリアは実質的に陽イオンプラズマから解放された状態にある。換言すれば、プラズマは、実質的にイオン化チャンバ内部に閉じ込められる。この結果は、電極とプラズマとの間の寄生容量が、加速チャンバ内のプラズマ存在下における寄生容量と比べて極めて弱いということである。所望の加速電圧は、電極への電源の著しく低い帯電圧から開始することができる。加速電極への高い電圧電源を小さくすることができ、特に経済対策になる。電子ビームは少ない減衰ですむ。電子ビームの電流パルスは、十分なコントラストを有する。

本発明は、非制限的な例として参照されるとともに添付図面により図示される複数の実施の形態の詳細な説明の知見からより良好に理解されるであろう。

図１は、パルス電子源の概略断面図である。 図２は、加速チャンバの電極への電源の配線図である。 図３は、加速チャンバの電極への電源の配線図である。

図１からわかるように、パルス電子源１は、電極３が配置される加速チャンバ２と、電極５が配置されるイオン化チャンバ４とを備えている。スロット６は、加速チャンバ２とイオン化チャンバ４との間に連通路を提供している。エンクロージャ７により形成される加速チャンバ２およびイオン化チャンバ４は、加速チャンバ２とイオン化チャンバ４とを画定する外壁８と内壁９とを備えている。換言すれば、加速チャンバ２は、複数の外壁８と内壁９とにより画定されている。イオン化チャンバ４は、複数の外壁８と内壁９とにより画定されている。内壁９は、加速チャンバ２とイオン化チャンバ４とにより共有されている。壁８、９は、例えばステンレス鋼または真鍮をベースとした金属からなり、任意にアルミニウムまたはニッケルをベースとした層により内部が覆われている。電極５は、チャンバ４の主方向に伸びる１または２以上のワイヤを備えている。ワイヤは、電場の均一性を高くすることを意図して両端で電力が供給される。

図１の断面の平面において、加速チャンバ２およびイオン化チャンバ４は実質的に矩形状であり得つつ、イオン源は直方体または管状の形態であり得る。後者の場合において、内壁９は円形であり得る。イオン源は、内壁９の反対側におけるイオン化チャンバ４の境界を画定する外壁８に形成される孔の形態で出口１０が設けられている。出口１０、スロット６および加速チャンバ２の電極３は位置合わせされている。

より正確には、加速電極３は、例えば概して管状の円柱部の形態を採り得る。

電極３は、リークタイト絶縁体１３を介して外壁８を通り抜ける電気ケーブル１２により、電源１１に接続されている（図２参照）。イオン化チャンバ４の電極５は、１または２以上のフィラメントを採り得るとともに、リークタイト絶縁体１５を通り抜ける電気ケーブル１４により外部電源（図示せず）に接続されている。リークタイト絶縁体１３、１５は、セラミックを含み得る。リークタイト絶縁体１３、１５は、ガスタイトシールと電気経路を提供する。

第１のステップ中、エンクロージャ７はアースに接続されている。イオン化チャンバ４の電極５は、１〜１０ｋＶの電圧がもたらされる。電圧は、パルスまたは直流であり得る。イオン化チャンバ４は、例えば希ガス、特にヘリウムまたはヘリウムとネオンとの混合物のガスにより１〜２０Ｐａのオーダの低圧で予め充填されている。

イオン源１の出口１０は、開いているか、あるいは、電子源１の外部のガス状態がイオン化チャンバ４および加速チャンバ２内で支配的なガスの状態と同様であれば、ビーム用制御グリッドが設けられ得る。必要があれば、出口１０には、シール１６が設けられ得る。シール１６は、金属のシートまたは重金属の微細層による薄い合成材料を含み得る。重金属の層は、１〜１０μのオーダの厚さを有し得る。重金属の層は、例えば、金、タンタル、タングステン、などの５０より大きい原子質量による１または２以上の金属を含み得る。重金属の層は、電子ビームをＸ線ビームに変換することを可能にする。

電極５に加える電圧は、イオン化チャンバ４の前記電極５と壁との間に電気放電をもたらす。放電は、イオン化チャンバ４においてプラズマ１７を発生させる。スロット６が電場内にわずかに不連続性を作り出すので、プラズマ１７は加速チャンバ２内に拡がる傾向を有することができた。しかしながら、加速電極３に加えられる正バイアスＵ_ｂｉａｓは、プラズマ１７の拡散を防ぐか少なくとも制限する、相対的に規則性のある電場線を再構築することを可能にする。プラズマ１７は、最も弱い電場により引き付けられるとともに、その加速電極３の正バイアスＵ_ｂｉａｓが反発効果を生み出す、陽イオン、例えばＨｅ^＋を含む。このようにして、極めて大きなリダクションが、イオン化段階として知られる第１段階中にプラズマ１７から加速チャンバ２への陽イオンの経路で達成される。

換言すれば、そのプロセスは、スロット６の電気的シールを得る。電気的にシールされたスロット６が、有害要素の循環を実質的に制動することができることゆえに特に有利であるのに対し、通り抜けるために望ましい要素のスロット６への混入がグリッドの存在する際よりも著しく少なく制限されることを明らかにしている。

次いで、加速ステップとして知られる第２のステップを引き起こす。高い負電圧−Ｕ_ｇｕｎが加速電極３に加えられる。プラズマ１７の陽イオンは、加速電極３により引き付けられると、加速電極３のイオン照射を作り出す。イオン照射は、スロット６の対向位置にある前記電極３の平坦エリア３ａの大部分に亘って起こる。加速電極３、特に平坦エリア３ａのイオン照射は電子の放出をもたらす。電子は、高い負電圧−Ｕ_ｇｕｎに起因する加速電極３の反発効果を受けるとともに、スロット６とイオン源の出口１０を介して脱出する。平坦エリア３ａ、スロット６および出口１０は、全て位置合わせされており、加速電極３により加速される電子は、極めてわずかな損失と必要に応じてシールの存在による損失を受けるだけでスロット６および出口１０を通り抜けることができる。

加速電極３への高い負電圧−Ｕ_ｇｕｎの印加中に、プラズマは実質的に解放される。加速電極３とエンクロージャ７との間の寄生容量は極めて低い。この結果は、電極３上の電圧−Ｕ_ｇｕｎを得るために必要とされるエネルギーが極めて低いということである。電源１１のサイズを小さくすることができ、特に経済的である。オープンスロット６のおかげで電子ビームの減衰を少なくすることができる。また、スロット６は、角取りがされた縁部を有し得る。図２に示すように、電源１１は、プライマリ１９およびセカンダリ２０が設けられるパルス変換器１８を備えている。パルス変換器１８のプライマリ１９は、一方がアースに接続されるとともに、他方がキャパシタ２１に接続されている。プライマリ１９の反対側で、キャパシタ２１は、電圧源Ｕ_０およびスイッチ２２に接続されている。また、スイッチ２２は、キャパシタ２１とプライマリ１９とを短絡することができるようにアースに接続されている。セカンダリ２０は、一方が電源のアースに接続されるとともに、他方が電子源１の加速電極３に接続されている。

また、電源１１は、セカンダリ２０に平行に取り付けられる、バイアス電圧Ｕ_ｂｉａｓを供給するとともに、一方が電源のアースに接続されかつ他方がセカンダリ２０と電極３との間の共通点で接続される補助電圧源２３を備えている。保護装置２４は、循環電流を制限する意図で補助電源２３に連続して有利に配置され得る。保護装置２４は、少なくとも１つのダイオード、キャパシタおよび／またはインダクタを備え得る。また、電流センサ２５は、イオン化チャンバ２における消費電流を測定するために電源１１の出口に設けられている。

第１段階中、スイッチ２２は開回路を形成する。キャパシタ２１は電圧Ｕ_０に帯電される。

補助電源２３は、加速電極３を正バイアス電圧Ｕ_ｂｉａｓで維持する。セカンダリ２０における損失を制限するダイオード（図示せず）が、セカンダリ２０と保護装置２４および加速電極３に共通のポイントとの間に配置される。スイッチ２２を閉じた後、キャパシタ２１とプライマリ１９との間を短絡し、高い負電圧パルス−Ｕ_ｇｕｎが変換器１８のセカンダリ２０により供給されるとともに加速電極３に加えられる。

図２において、電子源１が寄生容量Ｃ_ｇｕｎに等価の電気回路（ｆｏｒｍ）であることを示している。寄生容量Ｃ_ｇｕｎは、第１のイオン化段階中に加速チャンバ２においてプラズマが存在しないか極めて少量に消耗するために相当少なくされる。プラズマが加速チャンバ２に存在する際には、プラズマの分極が強い寄生容量を発生させる。第１のステップ中にプラズマ１７からの陽イオンが加速チャンバ２に入ることを防ぐ正バイアス電圧Ｕ_ｂｉａｓのおかげで、高い負電圧−Ｕ_ｇｕｎが加速電極３に加えられる際の瞬間に加速チャンバ２がプラズマから実質的に解放される。したがって、寄生容量Ｃ_ｇｕｎは低いままである。電源１１の帯電電圧Ｕ_０は低くなり得る。あるいは、変換器１８の変圧比が小さくなり得る。

図３に示すように、補助電源２３は、例えばアースとセカンダリ２０との間でセカンダリ２０と連続している。保護装置２４は、補助電源２３と平行に取り付けられるキャパシタを備えている。

パルス電源は、少ない電力の電気供給を有し、それゆえに一層経済的に提供される。電子ビームは、加速チャンバ２とイオン化チャンバ４との間を通過するので、低い損失で済む。オープンスロット６の構成がグリッドより経済的であることを明らかにしている。電子源の耐用期間は、チャンバ間のグリッドの耐用期間により制限されないので、延ばすことができる。

Claims (12)

1. イオン化チャンバ（４）と、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための電極（３）が設けられた加速チャンバ（２）とを備えるパルス電子源（１）であって、前記加速チャンバ（２）外の一次プラズマ（１７）を駆動させるための正電圧と、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための負電圧パルスと、を該電極（３）に加えるように構成される電源（１１）を備えることを特徴とする、電子源。
2. 前記電極（３）は、概して凸形円柱形状であるとともに、イオン化チャンバ（４）と加速チャンバ（２）とを接続するスロット（６）と対向位置にある平坦または凹形の中央部（３ａ）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の電子源。
3. 前記イオン化チャンバ（４）と前記加速チャンバ（２）はオープンスロット（６）により接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子源。
4. 前記イオン化チャンバ（４）と前記加速チャンバ（２）は、前記電極（３）の前記中央部（３ａ）と前記イオン化チャンバ（４）の出口（１０）との間に配置されるスロット（６）により接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子源。
5. 前記出口（１０）は開いていることを特徴とする、請求項４に記載の電子源。
6. 前記出口（１０）は、少なくとも１つのグリッドが設けられることを特徴とする、請求項４に記載の電子源。
7. 前記出口（１０）は、電子をＸ線に変換する金属層を備えるシート（１６）により塞がれることを特徴とする、請求項４に記載の電子源。
8. 前記電源（１１）は、キャパシタ（２１）を介して直流電圧源に接続されるプライマリ（１９）と、アースと前記プライマリの反対側におけるキャパシタの端子との間に配置されるスイッチ（２２）と、前記電極に接続されるセカンダリ（２０）とが設けられるパルス変換器（１８）と；該電極に前記正電圧を加えるためにアースと前記電極との間に配置される補助電圧源（２３）と；を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子源。
9. 前記電源は、前記補助電圧源（２３）に連続して保護装置（２４）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の電子源。
10. 前記補助電圧源（２３）は、前記変換器の前記セカンダリに連続して取り付けられることを特徴とする、請求項８または９に記載の電子源。
11. キャパシタが、前記補助電源に平行に取り付けられることを特徴とする、請求項１０に記載の電子源。
12. イオン化チャンバ（４）と、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するための電極（３）が設けられた加速チャンバ（２）とを備えるパルス化電子源の制御方法であって、前記加速チャンバ外の一次プラズマを駆動させるための電源（１１）により供給される正電圧を該電極（３）に加えるステップと、一次イオンを抽出および加速させるとともに二次電子のビームを形成するために前記電源（１１）により供給される負電圧パルスを該電極に加えるステップとを含む、方法。

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