JP2015517181A - プラズマを安定させる方法および改善された電離箱 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマを安定させる方法であって、ａ．多数の高電圧ワイヤ、およびプラズマを形成するのに好適であるガスを電離箱内に提供するステップと、ｂ．ガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するステップと、を含み、着火時にプラズマに所定量の光が当てられることを特徴とする方法に関する。また本発明は、Ｘ線を生成する際のそのような方法の使用に関する。さらに本発明は、電離箱であって、ａ．プラズマを形成するのに好適であるガスと、ｂ．ガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するための多数の高電圧ワイヤと、を備え、電離箱が、着火時にプラズマに所定量の光を当てるための手段を備えることを特徴とする電離箱に関する。さらに本発明は、そのような電離箱を備えるＸ線発生器、およびそのようなＸ線発生器を備えるレーザ装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧誘導プラズマを安定させる方法に関する。

また本発明は、Ｘ線を生成する際のそのような方法の使用に関する。

さらに本発明は、高電圧誘導プラズマを形成するための電離箱に関する。

また本発明は、そのような電離箱を備えるＸ線発生器、およびそのようなＸ線発生器を備えるレーザ装置にさらに関する。

ガス状媒体に予備電離放射線を供給することにより、パルスガスレーザの放電安定性が大幅に高められることが知られている。予備電離を得るための実行可能な手段の１つにＸ線発生器を使用することがある。その一例が、国際公開第８９１０００３号パンフレットに記載されている。

一般に、Ｘ線発生器の動作は以下の原理に基づいている。
− プラズマがプラスイオン源として生成される。
− このプラスイオンはマイナス極性の電極の方へと加速され、この電極との衝突時に二次電子を生成する。
− 生じた電子ビームは、前述の電極から離れる方向に加速して送られ、金属板と衝突する。
− 金属板上での電子ビームの衝突時にＸ線が生成される。

粒子タイプのＸ線発生器では、１本または複数のワイヤがヘリウムなどの低圧ガスを充満させた電離箱の内部に配置される。高電圧パルスをワイヤに印加するにつれて、高密度プラスイオンを生成するプラズマが電離箱内に形成されることになる。このタイプのプラスイオン源は非常に高い反復率で動作が可能である。

しかしながら、一般的によく知られている性能限界は、プラズマをある一定の時間（通常１分を超える時間）にわたる着火が行われないと、プラズマの安定性が揺らぐ、いわゆるジッター効果が起こるおそれがあり、すなわちプラズマは通常より低密度のイオンを生成する場合がある、ということである。このことは、おそらく着火時にプラズマを維持するのに必要な電荷の量が十分ではないことに関連すると思われる。

Ｘ線発生器によって生成されるＸ線予備電離ビームの、主レーザ放電に対するタイミングが、レーザの出力エネルギーおよび安定性に大きく影響することが、さらに一般的に認められているので、不安定なプラズマは主レーザ放電の最適性能を大きく損なう場合がある。

上記の問題を解決する試みにおいては、ワイヤに印加される高電圧を増加させることにより、あるいは第１の高電圧パルスに続いて、多数の低電圧パルスを印加することにより、着火時にプラズマを維持するための電荷の量を増加することが可能である。しかしながら、この試みの欠点は、高電圧ワイヤにかかるストレスが増加して、電離箱内のアークの発生に起因する故障の危険性が高まることである。

したがって、本発明の目的は、着火時に、特にある一定の時間にわたる着火が行われなかった後にプラズマの安定性改善を可能にする方法を提供することである。

本発明の別の目的は、安定的であり、さらには改善されたイオン密度を生成する方法を提供することである。

また本発明の目的は、着火時に、特にある一定の時間にわたる着火が行われなかった後にプラズマの安定性を改善した電離箱を提供することである。

本発明のさらなる目的は、改善されたＸ線発生器を提供することである。

本発明のさらなる別の目的は、改善されたレーザ装置を提供することである。

本発明は、着火時にプラズマに所定量の光を当てることにより、上記目的を達成する。

本発明は、プラズマを安定させる方法であって、
ａ．多数の高電圧ワイヤ、およびプラズマを形成するのに好適であるガスを電離箱内に提供するステップと、
ｂ．ガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するステップと、を含み、
着火時にプラズマに所定量の光が当てられることを特徴とする方法に関する。

また本発明は、Ｘ線を生成する際のそのような方法の使用に関する。

さらに本発明は、電離箱であって、
ａ．プラズマを形成するのに好適であるガスと、
ｂ．ガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するための多数の高電圧ワイヤと、を備え、
電離箱が、着火時にプラズマに所定量の光を当てるための手段を備えることを特徴とする電離箱に関する。

さらに本発明は、そのような電離箱を備えるＸ線発生器、およびそのようなＸ線発生器を備えるレーザ装置に関する。

図１は、本発明に係る１つの実施形態を示す。 図２は、本発明に係る別の実施形態を示す。

本発明に係る第１の実施形態では、プラズマを安定させる方法であって、
ａ．多数の高電圧ワイヤ、およびプラズマを形成するのに好適であるガスを電離箱内に提供するステップと、
ｂ．ガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するステップと、を含み、
着火時にプラズマに所定量の光が当てられることを特徴とする方法である。

驚くべきことに本出願人は、プラズマの着火時に、特に比較的長い時間にわたる着火が行われなかった後に電離箱内に光学的放射（光）を提供することによって、不安定性、いわゆるジッターを抑制する効果があることを発見し、実験によって確認した。

いずれの理論に縛られることなく、プラズマに光を当てることで、電離箱の表面上または電離箱の容積内に、着火時にプラズマを維持するのに必要な十分な電荷を生成しやすくなる。光に当てることによりプラズマ中のイオン励起を強化することで、プラズマの安定性が改善されると考えられている。

好ましくはヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）またはこれらの混合物などの貴ガスからなる群から選択される任意のタイプのイオン性ガスからプラズマに着火してもよい。

本発明によれば、電離箱内部では、イオン性ガスは、中真空の範囲の圧力、好ましくは１Ｐａから１００Ｐａの範囲の圧力下にある。

光は、プラズマの不安定性を抑制するのに好適である任意の波長を有してもよい。より具体的には、波長は、１０〜１１００ナノメートル、１００〜８００ナノメートル、４００〜８００ナノメートル（可視光領域）、１００〜４００ナノメートル（紫外光領域）であってもよい。

光は、１ｍＷから５０００ｍＷ、１ｍＷから３０００ｍＷ、好ましくは１００ｍＷから１５００ｍＷの放射エネルギーを有してもよい。

光は、パルス光または連続光であってもよい。連続光は、光パルスと電離放電との間を正確に同期させる必要がないという点で、パルス光よりも有利な場合がある。

光を、電離箱内の１本または複数の高電圧ワイヤに集束させてもよいし、着火されたプラズマ「中心」に集束させてもよい。好ましくは、光は、実質的に電離箱に全体として向けられる。電離箱の一部分だけ（すなわちプラズマの一部分だけ）ではなく、実質的にその全体を光に露出することは有利な場合がある。このようにする方が、着火時にプラズマが効率よく安定化するからである。

本発明に係る１つの実施形態では、本発明は、電離箱（１）であって、
ａ．プラズマを形成するのに好適であるガスと、
ｂ．このガスを高電圧に露出することにより、ガスに着火してプラズマを形成するための多数の高電圧ワイヤ（２）と、を備え、
電離箱が、着火時にプラズマに所定量の光を当てるための手段（３、３’、４、４’）を備えることを特徴とする電離箱（１）を提供する。

電離箱内では、イオン性ガスとも呼ばれる、プラズマを形成するのに好適であるガスが、中真空状態で存在している。１本または多数の高電圧ワイヤが、好ましくは電離箱の中心に配置され、高電圧源に接続される。

高電圧を印加することによりイオン性ガスが着火されると、形成されたプラズマは、プラズマを安定させるために所定量の光に露出される。

本発明によれば、プラズマに所定量の光を当てるための手段は、１０〜１１００ナノメートル、１００〜８００ナノメートル、４００〜８００ナノメートル（可視光領域）、１００〜４００（紫外線スペクトル領域）の波長を有する、光を提供するのに好適である任意の光源および／または光学系を備えてもよい。おそらく光学系の方が、光子エネルギーが大きいので、効率がよくなるであろう。

光源は、１ｍＷから５０００ｍＷ、１ｍＷから３０００ｍＷ、好ましくは１００ｍＷから１５００ｍＷの放射エネルギーを有してもよい。また光源は、連続光源またはパルス光源であってもよい。パルス光源の場合には、プラズマの着火時に光のパルスを提供するために、光学源をワイヤに印加された高電圧パルスと同期させることができる。

プラズマに所定量の光を当てるための手段は、１本または複数の高電圧ワイヤに、あるいは着火されたプラズマ「中心」に光が集束されるようになっていてもよい。好ましくは、この手段は、実質的に電離箱に全体として光が向けられるようになっていてもよい。すなわち電離箱の一部分に光を集束するのではなく、電離箱にまったく光を集束しないのでもない。

本発明に係る１つの実施形態では、プラズマに所定量の光を当てるための手段は、１つまたは複数の内部光源、すなわち電離箱の内部に設置された光源、あるいは１つまたは複数の外部光源（３、３’）、すなわち電離箱の外部に設置された光源を備えてもよい。

外部光源の場合には、プラズマに所定量の光を当てるための手段は、電離箱（１）の壁に組み込まれた１つまたは複数の透明窓部（４’）をさらに備えてもよいし、あるいはこの代わりに、外部光源（３、３’）から電離箱へと光（４）をガイドするための専用の光学部品を備えてもよい。

光源は、連続ランプまたは閃光ランプ、レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのような、上記の範囲の波長および放射エネルギーを有する光を生成するのに好適である任意の光源であってもよい。

光を外部光源から電離箱へとガイドするためのそのような光学部品は、例えば鏡、レンズ、ビームスプリッタ、プリズム、光ファイバーのような光導波路などのような、光をガイドするのに好適である任意の種類の光学機器を備えてもよい。

図１に示されるような本発明の特定の実施形態では、プラズマに所定量の光を当てるための手段は、可視スペクトル領域（４００〜８００ｎｍ）で放射する数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）（３）を備えてもよい。ここでは、それぞれのＬＥＤ出力は、光ファイバー（４）に結合される。それぞれの光ファイバー出力は、密封シールされたフィードスルーを有する電離箱に挿入される。光ファイバーは、１つまたは複数の側で、あるいは電離箱の両側で挿入されてもよい。

あるいはこの代わりに、図２に示されるように、プラズマに所定量の光を当てるための手段は、ＵＶスペクトル領域で放射する閃光ランプ（３’）および電離箱の壁に組み込まれた１つまたは複数の窓部（４’）を備えてもよい。

さらに本発明による１つの実施形態では、上記のプラズマを安定させる方法を、Ｘ線を生成するために使用してもよい。そしてＸ線の生成は以下の原理に基づいている。
１．低圧ワイヤプラズマは、所定量の光を当てることで着火時に安定化し、プラスイオンを生成する。
２．プラスイオンはマイナス極性の電極の方へと加速され、この電極との衝突時に二次電子を生成する。
３．生じた電子ビームは、前述の電極から離れる方向に加速して送られ、金属板と衝突する。
４．金属板上での電子ビームの衝突時にＸ線が生成される。

さらに、本発明による別の実施形態では、上記の電離箱をＸ線発生器で使用してもよい。また、そのような電離箱が組み込まれたＸ線発生器をレーザ装置で使用してもよい。

Claims (15)

1. プラズマを安定させる方法であって、
   ａ．多数の高電圧ワイヤ、およびプラズマを形成するのに好適であるガスを電離箱内に提供するステップと、
   ｂ．前記ガスを高電圧に露出することにより、前記ガスに着火して前記プラズマを形成するステップと、を含み、
   着火時に前記プラズマに所定量の光が当てられることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記光が、１０〜１１００ナノメートルの波長を有することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記光が、１００ｍＷから１５００ｍＷの放射エネルギーを有することを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法において、前記光が、連続光であることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法において、前記光が、実質的に前記電離箱に全体として向けられることを特徴とする方法。
6. Ｘ線を生成する際の請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法の使用。
7. 電離箱（１）であって、
   ａ．プラズマを形成するのに好適であるガスと、
   ｂ．前記ガスを高電圧に露出することにより、前記ガスに着火して前記プラズマを形成するための多数の高電圧ワイヤ（２）と、を備え、
   前記電離箱が、着火時に前記プラズマに所定量の光を当てるための手段（３、３’、４、４’）を備えることを特徴とする電離箱（１）。
8. 請求項７に記載の電離箱において、前記プラズマに所定量の光を当てるための前記手段が、１０〜１１００ナノメートルの波長を有する光源を備えることを特徴とする電離箱。
9. 請求項７または８に記載の電離箱において、前記プラズマに所定量の光を当てるための前記手段が、連続光源を備えることを特徴とする電離箱。
10. 請求項７または９に記載の電離箱において、前記プラズマに所定量の光を当てるための前記手段が、１００ｍＷから１５００ｍＷの放射エネルギーを有する光源を備えることを特徴とする電離箱。
11. 請求項７乃至１０の何れか１項に記載の電離箱において、前記プラズマに所定量の光を当てるための前記手段が、実質的に前記電離箱に全体として光を向けられるようになっていることを特徴とする電離箱。
12. 請求項７乃至１１の何れか１項に記載の電離箱において、前記プラズマに所定量の光を当てるための前記手段が、１つまたは複数の外部光源と、前記光を前記電離箱へとガイドするための光導波路と、を備えることを特徴とする電離箱。
13. 請求項１２に記載の電離箱において、前記光導波路が光ファイバーを備えることを特徴とする電離箱。
14. 請求項７乃至１３の何れか１項に記載の電離箱を備えるレーザ装置。
15. 請求項１４に記載のＸ線発生器を備えるレーザ装置。

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