JP2019501510A - 低圧ワイヤイオンプラズマ放電源、及び二次放出を伴う電子源への応用 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電子放出電子ビームのためのイオン源として使用するための低圧ワイヤイオンプラズマ（ＷＩＰ）放電源を提供する。
【解決手段】本発明は、細長いイオン化室（１）であって、イオン化室内に長手方向に延びる少なくとも２つの平行なアノードワイヤ（２、３）を収容する細長いイオン化室（１）を含む低圧ワイヤイオンプラズマ放電源に関する。本発明によれば、前記少なくとも２つのアノードワイヤの第１のワイヤ（２）は、ＤＣ電圧源（４）に接続され、及び前記少なくとも２つのアノードワイヤの第２のワイヤ（３）は、パルス電圧源（５）に接続される。
【選択図】図４

Description

本発明は、特に二次電子放出電子ビーム、とりわけパルスＸ線源のためのイオン源として使用するための低圧ワイヤイオンプラズマ放電源に関する。このタイプのパルスＸ線発生器は、典型的には、高エネルギーのエキシマレーザーのための予備電離源として使用される。

そのようなＸ線源の原理は、例えば、Ｆｒｉｅｄｅらの米国特許第４，９５５，０４５号明細書に記載されている。二次電子放出Ｘ線発生器において使用されるワイヤイオンプラズマ（ＷＩＰ）放電源を概略的に表す図１を参照すると、通常、パルス高電圧＋Ｕソースから、低ガス圧、典型的にはヘリウムを有するイオン化室において長手方向に延びる１つ又はいくつかの平行ワイヤ１０（装置のアノードを形成する）に正のパルス電圧（１〜５ｋＶ）が印加される。パルス状の正の電圧を印加することにより、ワイヤに沿って形成される正イオン（例えば、Ｈｅ^＋）のプラズマが生成される。イオン（Ｈｅ^＋）プラズマの生成に続いて、負の高電圧パルス（通常、約１００ｋＶ）が、同じ筐体内に配置されたカソード２０に印加される。正イオンはカソード２０に向かって引き寄せられ、カソード２０と衝突すると、カソード２０から離れる方向に伝搬する電子ビームを形成する二次電子を生成する。金属ターゲット３０を電子ビーム経路内に配置し、従って電子ビームを減速させることによりＸ線放射を生成することができる。

とりわけ高エネルギーのエキシマレーザーで使用するためのＸ線発生器用の信頼性の高いイオン源を得るために、ＷＩＰ放電は、いくかの要件を満足しなければならない。
− 高密度の正イオンを生成して、その後に高密度の二次電子を生成し、十分に高いＸ線量をもたらさなければならない。これは、通常、ＷＩＰ放電のために少なくとも１Ａ／ｃｍ以上、典型的には２Ａ／ｃｍの高い放電電流を必要とする。
− 信頼性が高く安定したＸ線放射のための信頼性の高いトリガー（低パルス間ジッター）及び良好なパルス間安定性。
− とりわけ、高エネルギーのエキシマレーザー用のＸ線源の場合には１メートルよりも長いことがあるワイヤの方向における、生成されたプラズマの良好な空間的均一性。

経験では、これらの要件を全て満足させるのは相当に困難であることが示されている。

高電圧パルスを印加することにより、ヘリウムなどの低圧ガス内にイオンプラズマを生成すると、ガス絶縁破壊を開始するのに必要な自由電子の存在に関連した統計的不確実性が大きくなることにつながる。これにより、パルス電圧がワイヤに印加された時間とプラズマの開始との間に大きいジッターが生じる。そのようなジッターは、印加電圧などの外部条件、イオン化室の壁の表面の状態の変化、及び電圧パルスの印加と過去の放電との間の時間に依存することがある（“Ｈｅｌｉｕｍ ｍｅｍｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ”，Ｋｕｒｄｌｅ ａｎｄ ａｌ．，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３２（１９９９），２０４９−２０５５を参照）。

欧州特許第２，０７９，０９２号明細書において、Ｍａｋａｒｏｖは、この問題に対する解決策を提案しており、そこでは、単一のパルスＷＩＰ放電の代わりに、負のパルスをカソードに印加する前に数回の連続的な放電（典型的には１００Ｈｚの高繰り返し率で）をワイヤに印加する。低圧ガス（典型的にはヘリウム）放電の「メモリー」効果のために、ジッターは、連続的放電ごとに低減され、直前の正のパルスによって生成されるプラズマの（時間及び強度の）安定性を向上させる。しかしながら、この解決策にはいくつかの欠点がある。
− この解決策は、電子ビームパルスごとに数回のＷＩＰ放電を発生させることを強制し、これにより装置の信頼性及び寿命が低減される。
− 長いＷＩＰ源（≧長さ１ｍ）での連続的な放電は、プラズマの望ましくない長手方向の閉じ込めを引き起こし、従ってイオン源の均一性を低下させる傾向があることが観察された（図２を参照）。

この場合、安定性及び低ジッターは、均一性を犠牲にして実現される。

他方では、Ｇｕｅｒｏｕｌｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａ ＤＣ ｗｉｒｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４３，Ｎ°３６から、ＷＩＰ放電は、低（ＤＣ）電流（典型的には＜１ｍＡ／ｃｍ）で継続的に維持され得ることも知られている。Ｇｕｅｒｏｕｌｔらは（横方向の窓を通じて見た放電プロファイルを表す図３を参照）、電流及び圧力の特定の条件の下では、ＤＣ ＷＩＰ放電は、いわゆる「低圧に対する圧縮モード」（図３（ａ）圧縮モード−ｐ＝１＊１０^−２ｍｂａｒ、Ｉ＝１ｍＡ）で維持され得、その場合、プラズマは、ワイヤの周りに放射状に閉じ込められ且つワイヤに沿って均一的に伸びるか、又は高圧に対する「拡散モード」（図３（ｂ）、３（ｃ）、３（ｄ）拡散モード、ｐ＝２．８＊１０^−２ｍｂａｒ、Ｉ＝１、１．５、及び２ｍＡの電流に伴う長手方向の拡張）で維持され得、その場合、プラズマは、放射状に費やすが、長手方向に（即ちワイヤに沿って）不均一性を示すことも示されている。いずれの場合にも、両方の動作モードについて、ＤＣ ＷＩＰ放電は、Ｘ線発生器に直接的に使用されることになるイオン密度を十分に生成することができない。

特開平４−２５５６５４Ａ号公報は、ガスのパルス状イオン化によって正イオンを発生させるためのアノードワイヤを収容する低圧ガスイオン化室を含むパルス電子銃について開示している。アノードワイヤにはＤＣ電圧が予め印加されており、更にアノードワイヤにパルス電圧が印加される。従って、イオン化室内のプラズマ密度が増加し、また、プラズマから抽出され且つカソードの表面に到達する正イオンの数も増加する。しかしながら、同じアノードワイヤにＤＣ電圧とパルス電圧の両方を印加することには、以下の欠点が存在する。
・ワイヤに高電圧／高電流パルスを印加すると、連続的なプラズマを不安定にすることがある。
・特開平４−２５５６５４Ａ号公報では、ワイヤに印加される連続的な高電圧は、パルス高電圧のかなりの部分であり、連続的なプラズマが不安定になるのを回避するための対策が取られていない。
・ＤＣプラズマ放電は負の抵抗を示し、従って安定させるには抵抗的に安定させなければならない。その結果、パルス供給及びＤＣ供給を重ね合わせることは、満足のいくものではなくなる。なぜなら、任意の浮遊容量（ケーブル及びダイオードの浮遊容量）がＤＣ放電の発振を誘起するからである。

従って、本発明の目的は、特に、従来技術の欠点を克服する、二次電子放出電子ビーム、とりわけパルスＸ線源のためのイオン源として使用するための低圧ワイヤイオンプラズマ（ＷＩＰ）放電源を提供することである。

特に、本発明の目的は、低ジッターで良好な安定性及び均一性（圧縮段階）を有するプラズマの容易な確立を確実にする低圧ワイヤイオンプラズマ放電源を提供することである。

上記の目的は、本発明に従って低圧ワイヤイオンプラズマ（ＷＩＰ）放電源を提供することによって達成され、この低圧ワイヤイオンプラズマ（ＷＩＰ）放電源は、細長いイオン化室及び少なくとも２つのアノードワイヤを含み、少なくとも２つのアノードワイヤは、好ましくは平行であり、且つイオン化室内で長手方向に延びており、前記少なくとも２つのアノードワイヤの第１のワイヤは、直流（ＤＣ）電圧源に接続され、及び前記少なくとも２つのアノードワイヤの第２のワイヤは、パルス電圧源に接続される。

動作時、ＤＣ電圧を供給される第１のアノードワイヤは、励起又はイオン化された種を提供する補助源として作用する。これらの種は、第２のアノードワイヤが高パルス電圧を供給されたときにパルス高電流プラズマを確立するための種として作用し、従って最終的な主プラズマの低ジッター、安定性、及び均一性を保証する。

第１のアノードワイヤに印加される直流は、均一モード（圧縮段階）で最終的な主プラズマを取得及び維持するために、低電流（典型的には≦１ｍＡ／ｃｍ）であることが好ましい。

本発明の低圧ＷＩＰ放電源は、３つ以上のアノードワイヤを含むこともできる。ＤＣ電圧源か又はパルス電圧源のいずれかを２つ以上の平行なアノードワイヤに接続することができる。

典型的な構成は、ＤＣ電圧源に接続された単一のアノードワイヤと、パルス電圧源に接続された２つの平行なアノードワイヤとを含む。アノードワイヤは、一方若しくは両方の端部でパルス電圧源に接続され得、又は複数のアノードワイヤの場合、アノードワイヤの互い違いの対向する端部で接続され得る。

好ましい実施形態では、イオン化室は、細長い主室及び細長い補助室を含み、これらの室は、スリットを介してそれらの長さに沿って、好ましくはそれらの全長に沿って流体連通している。ＤＣ電圧源に接続された、少なくとも１つの長手方向に延びるアノードワイヤが補助室内に収容され、及びパルス電圧源に接続された、少なくとも１つの長手方向に延びるアノードワイヤが、イオン化室の主室内に収容される。このような配置により、主高電流パルスを印加している間のクロストーク又は短絡が回避される。

ここで、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。

ワイヤイオンプラズマ放電を使用した従来の二次電子放出Ｘ線発生器の機能の概略図である。 単一パルスＷＩＰ放電又は複数パルスＷＩＰ放電を使用したイオンプラズマ閉じ込めの概略図である。 ＤＣ電流値及びガス圧に応じたＤＣワイヤプラズマ放電の構成である。 本発明によるイオン化室の概略図である。 ＤＣ電圧源及びパルス電圧源の概略図である。 主イオン化室及び補助イオン化室を含む、本発明によるイオン化室の一実施形態の概略図である。 本発明によるイオン化室の動作についてのシーケンス及び波形の図である。 本発明に従ってＤＣ電流を印加した場合（７Ａ）及びＤＣ電流なしの場合（７Ｂ）の、パルスアノードワイヤ上の電圧及び電流曲線である。 本発明に従ってＤＣ電流を印加した場合（７Ａ）及びＤＣ電流なしの場合（７Ｂ）の、パルスアノードワイヤ上の電圧及び電流曲線である。

図４では、本発明によるイオン化室１が概略的に表わされている。イオン化室１は、細長い形状（典型的には１ｍ以上の長さ）であり、またイオン化室１内に長手方向に延びている２つの平行なアノードワイヤ２、３を収容する。

第１のアノードワイヤは、高ＤＣ電圧（典型的には０．５〜１ｋＶ）及び低ＤＣ電流（典型的には≦１ｍＡ／ｃｍ）をワイヤに印加するように意図されたＤＣ電圧源４に接続されている。

第２のアノードワイヤは、単一の高電圧（典型的には１〜５ｋＶ）及び高電流（典型的には≧１Ａ／ｃｍ、＜１０μｓ）パルスを印加するように意図されたパルス電圧源５に接続されている。

一方のアノードワイヤに高電圧を連続的に印加し、従って前記ワイヤを通る連続的な電流を生成することにより、これに続いて他方のワイヤに高ＤＣ電圧を印加すると、ほぼジッターなしの安定したＷＩＰ放電が安全に得られる。当然ながら、各タイプ（ＤＣ及びパルス）のアノードワイヤの数及び配置は、イオン密度及び均一性を最適化するように選択することができる。また、パルス高電圧を供給されるいくつかのアノードワイヤが使用される場合、パルス高電圧をそれらのワイヤの同じ単一の端部、ワイヤの両方の端部、又は各ワイヤの対向する端部に供給することができる。

特定の実施形態では、図６に示すように、イオン化室１０は、細長い主室１１及び細長い補助室１２を含み、補助室１２は、主室及び補助室の長さ、好ましくは全長に沿って長手方向に延びる細長いスリット１３を介して主室１１と流体連通している。

主室１１は、室内で長手方向に延びる２つの平行なアノードワイヤ１４ａ、１４ｂを収容する（当然ながら、１つのみのアノード又は３つ以上のアノードワイヤを使用することもできる）。

補助室１２は、室内で長手方向に延びるアノードワイヤ１５を収容する（当然ながら、補助室１２内に２つ以上のアノードワイヤを配置することもできる。

補助室１２内に配置されたアノードワイヤ１５は、（図４に示すように）高電圧／低電流ＤＣ電源に接続される。主室１１内に配置されたアノードワイヤ１４ａ、１４ｂは、（例えば、図５に示すように）パルス高電圧／高電流電源に接続される。図６の実施形態では、アノードワイヤ１４ａ、１４ｂは、対向する端部を介してパルス高電圧／高電流電源に接続される。当然ながら、それらのアノードワイヤは、それらの同じ側の端部又は両端を介しても接続され得る。

細長い主室及び補助室は、平行六面体又は円筒形の形状などの任意の適切な形状を有することがある。主室及び補助室の全体的な長手方向の長さは、通常、１ｍ以上である。

図７を参照して、ここで、本発明によるイオン化室の典型的な動作シーケンスを、二次電子放出ビームを生成するために使用される場合について説明する。

１．イオン化室の特性
− イオン化室：室は、以下の典型的な寸法を有する平行六面体の形状を有する：長さ１３０ｃｍ、幅４ｃｍ、及び高さ４ｃｍ。
− アノードワイヤ
ＤＣ電圧アノードワイヤ：１つのＤＣワイヤ、典型的には直径２００μｍ。
パルス電圧アノードワイヤ：２つのパルスワイヤ、典型的には直径３００μｍ。
− 以下の特性を有するＤＣ電源（ＨＶＰＳ−１）：
− 典型的に２ｋＶの高電圧を出力する
− １．３０ｍのワイヤ長に対して典型的には０．３ｍＡ（従って≦０．３ｍＡ／ｍ）に制限することができ、従って圧縮モードでＤＣプラズマを維持することができる、制御可能な出力電流
− 以下の特性を有するパルス電源（図５を参照）
− 典型的に５ｋＶのＨＶ出力を有する高電圧電源（ＨＶＰＳ−２）
− 電気エネルギーを蓄え、その後、その電気エネルギーをパルスワイヤに供給するための、典型的には３０ｎＦのコンデンサＣ
− パルスワイヤに高電圧パルスを供給するために、最大５ｋＶの電圧及び最大で典型的に５００Ａの電流を扱うことができ、迅速に閉じることができるスイッチＳ。スイッチは、１つ又は複数のＩＧＢＴから形成することができる。或いは、ＭｏｓＦＥＴトランジスタを使用することができる。或いは、サイラトロンを使用することもできる（なお、サイラトロンの場合、トランスを使用しなければならない）。
２．動作
・開始時（Ｔ０）、高ＤＣ電圧（典型的には２ｋＶ）が１つのワイヤに印加される。
・しばらくした後（Ｔ１）、ワイヤの周りにプラズマが生成され、電流が流れる。電源電流の限界は、圧縮モードでＤＣプラズマを維持するように十分低く、且つパルスＷＩＰを安定して形成するために十分な電荷を発生させるように十分に高い値に設定される。典型的な電流設定値は、ワイヤ直径と、室の幾何形状（ワイヤ−壁の距離、ワイヤ間の距離）とに依存することがある。直径２００μｍ、長さ１．５ｍ、室の壁の約１ｃｍに配置されたＤＣワイヤの場合、電流設定値は０．１ｍＡである。前記プラズマが確立されると、電源電圧は、プラズマインピーダンスに依存する値、典型的には１ｋＶに降下する。このＤＣプラズマは、装置の動作中、常に維持される。
・Ｔ２において、ＨＶＰＳ−１は、コンデンサＣを設定高電圧、典型的には５ｋＶまで充電する。
・コンデンサＣが充電されると、Ｔ３でスイッチＳが閉じられ、その後、パルスワイヤが同じ高電圧にされる。電圧上昇時間は、高速（典型的には＜１μｓ）であるように設計された回路の物理的特性に依存する。
・Ｔ４において、パルスワイヤに現れる高電圧がパルスＷＩＰプラズマを形成し、高電流がイオン化室内で流れ始め、パルス電源設計に応じた時間（典型的には数μｓ）にわたり高イオン密度を生成する。
・Ｔ５において、コンデンサＣに蓄積された電気エネルギーがプラズマに完全に移され、パルス電流が停止する。
・Ｔ６において、正確に制御された時間遅延後、負の高電圧パルス（典型的には−１００ｋＶ）がカソードに印加され、イオンプラズマを加速させ、二次電子とこれに続くＸ線放射とを生成する。
・Ｔ７において、Ｘ線源の所望の繰り返し率に応じて制御されて、サイクル（Ｔ２で開始する）が繰り返される。
典型的な遅延：
・ＤＣプラズマ開始（Ｔ１〜Ｔ０）：重大ではない（開始時のみである）、典型的には＜１ｓ。
・コンデンサＣの充電時間（Ｔ３〜Ｔ２）：連続的なＸ線パルス間の所望の時間よりも短くなければならず、典型的には１０Ｈｚの動作に対して＜１００ｍｓでなければならない。
・パルスワイヤに渡る電圧の上昇時間（Ｔ４〜Ｔ３）：パルスプラズマを効率的に形成するように十分に速くなければならない。回路パラメータ（スイッチ閉路時間、インダクタンス）に依存し、典型的には＜１μｓである。
・ＷＩＰプラズマの持続時間（Ｔ５〜Ｔ４）：典型的には２μｓである。
・パルスＷＩＰプラズマ−電子ビームの遅延（Ｔ５〜Ｔ６）：典型的には５μｓである。
・繰り返し率（Ｔ７〜Ｔ２）：典型的には１〜１００Ｈｚ（０．０１〜１ｓ）である。

動作のシーケンス及び波形を図７に示す。

図８Ａ及び図８Ｂは、ＤＣ電流が他方のワイヤに印加される（１００ショット）場合（図８Ａ）及びＤＣ電流が印加されない場合（図８Ｂ）の、パルスアノードワイヤ上のイオン源電圧及び電流を示す。ＤＣ電流なしでは、ジッターが大きくなり、ＷＩＰ放電の安定性が不十分になる。

Claims (6)

1. 細長いイオン化室（１）であって、前記イオン化室内に長手方向に延びる少なくとも２つのアノードワイヤ（２、３）を収容する細長いイオン化室（１）と、ＤＣ電圧源（４）と、パルス電圧源（５）とを含む低圧ワイヤイオンプラズマ放電源において、
   前記少なくとも２つのアノードワイヤの第１のワイヤ（２）は、前記ＤＣ電圧源（４）に接続され、及び前記少なくとも２つのアノードワイヤの第２のワイヤ（３）は、前記パルス電圧源（５）に接続されることを特徴とする、低圧ワイヤイオンプラズマ放電源。
2. 前記ＤＣ電圧源（４）に接続された幾つかのアノードワイヤ及び／又は前記パルス電圧源（５）に接続された幾つかのアノードワイヤを含むことを特徴とする、請求項１に記載の低圧ワイヤイオンプラズマ放電源。
3. 前記ＤＣ電圧源（４）によって生成される直流は、１ｍＡ／ｃｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の低圧ワイヤイオンプラズマ放電源。
4. 前記パルス電圧源（５）は、１〜５Ａ／ｃｍ以上のパルス大電流を生成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の低圧ワイヤイオンプラズマ放電源。
5. 前記イオン化室（１０）は、スリット（１３）を介してそれらの全長に沿って流体連通している細長い主室（１１）及び細長い補助室（１２）を含み、少なくとも１つのパルス電圧供給されるアノードワイヤ（１４ａ、１４ｂ）は、主室（１１）内に長手方向に延び、及び少なくとも１つのＤＣ電圧供給されるアノードワイヤ（１５）は、前記補助室（１２）内に長手方向に延びることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の低圧ワイヤイオンプラズマ放電源。
6. 低圧室内においてイオン衝撃下で二次電子放出を伴う電子源において、請求項１〜５のいずれか一項に記載の低圧ワイヤイオンプラズマ放電源を含むことを特徴とする電子源。