JP3906207B2 - 安定集束電子ビーム形成用電子ビーム源 - Google Patents

Description

本発明は、安定集束電子ビーム形成用電子ビーム源に関する。ビーム源は、同軸配列から構成されており、内部にトリガプラズマが形成される第1の誘電管から構成されている。誘電管の端面側に中空陰極が接続されており、中空陰極の端面側に別の第２の誘電管（通路火花体（Ｋａｎａｌｆｕｎｋｅｎｋｏｅｒｐｅｒ）とも呼ばれる）が装着されている。この第２の誘電管の終端に、中央に貫通路がある陽極が装着されている。そこから経路がつながった誘電管部材（通路火花管（Ｋａｎａｌｆｕｎｋｅｎｒｏｅｈｒｅ）とも呼ばれる）の陽極は、電子ビーム源全体の陽極端を形成している。

コンデンサが、電気エネルギ蓄積器として陽極及び中空陰極に接続されている。中空陰極とは反対側の位置で、第1の誘電管の底部内に溶着された電極が、トリガプラズマ空間内に突出している。電極は、火花ギャップを介して基準電位、たいていはアース電位に接続されている。チャージ抵抗は、電極及び中空陰極を橋絡している。これは、ドイツ連邦共和国特許公開第４２０８７６４号公報に記載されているような構成に原理的に相応している。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９８４９８９４号公報に記載されている誘電管部材の寿命は、約１００万回の発射にすぎない。その際、電子ビームは、管の被覆部を通る経路を穿孔する。更に、欠点は、熱が生じることである。約５０Ｈｚのパルス周波数から、誘電管部材の領域内が、真っ赤に焼けた状態となる。１００Ｈｚパルス周波数では、損失エネルギのために、管が白熱する。

産業上の標準規格を充足するために、例えば、エキシマレーザでの標準規格では、１０^９パルスの寿命が要求される。実際の状況では、ビーム通路火花装置の電力は、５０Ｈｚパルス周波数で約１５０Ｗに制限され、ビームパワーは約６０Ｗに制限される。

１ｋＷ領域内の電力の他のレーザ乃至粒子加速器（電子銃）は、加工源としての、この電子ビーム装置（通路火花装置とも呼ばれる）の現在のパワー性能では小さすぎる。

電子ビーム装置（通路火花装置）でのビームの無秩序な動きの原因は、殊に、陽極側誘電管部材の領域内、及び、当該領域を出た後でのビームの無秩序な動きの原因は、ｚ−ピンチでの所謂Ｈｏｓｅ不安定性と同様の不安定性に基づいている。比較的長い駆動期間の後初めて、この不安定性を調整する（約１００００回の発射）電子ビーム源の駆動装置が公知であるが、装置が加熱した後、完全にガスが抜けてからであることは明らかである。

本発明の課題は、既存の、通路火花ギャップ／源の形式の電子ビーム源を改善して、その都度一定のビーム品質で非常に高い発射回数を達成すること、及び、その用に改善された電子ビーム源を産業上利用される装置内の構成要素にすることができるようにすることにある。

この課題は、中空陰極内にトリガプラズマ側から、円錐状に陽極の方に開いた内径幅を持った、中空陰極の構成部品である被覆体が突出しており、被覆体は、中空陰極の壁部と共に環状間隙を形成し、環状間隙の端面は、誘電管の方に閉じており、環状間隙の端面は、誘電管の方には開かれており、被覆体は、中空陰極の、陽極側の端の手前に端が位置しているように構成されており、該構成により、中空陰極の内径幅を持った残留容積部が形成され、該残留容積部内に環状間隙が通じており、中空陰極の容器壁を貫通して、又は、中空陰極の容器壁にガス案内部が内側に形成されており、ガス案内部を通って、調量されたガスが中空陰極の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部材の出口との間での所定の圧力降下を調整するために流入することができ、又は、トリガプラズマ側の真空密閉装置内の前記中空陰極に漏れ構造部が環状間隙の方に向かって形成され、該漏れ構造部を介して、ガス流入によって同様に所定の圧力降下を調整することができ、永久磁石又は電磁石は、トリガ源の誘電管を部分長に亘って取り囲んで、当該部分長の個所に磁場を形成し、永久磁石又は電磁石は、誘電管の長手方向軸に沿ってシフト可能であり、当該長手方向軸に対して回転可能であるように構成することによって解決され、つまり、この特徴要件に記載された付加的な新規事項によって解決される。

本発明の要点は、誘電管部材５の内壁、中空陰極、及び、永久磁石又は電磁石が設けられているか、又は、設けられていない第1の誘電管からなる、接続されているトリガシステムでのガスの充満状態にあり、時間に連れてガスが消費されるガス蓄積部乃至内部ガス漏れ部のように作用する。この時間中、不安定性は生じない。何れにせよ、ビームのエネルギ保存量、乃至、この相でのパワー密度は、有効にアブレーションを行うためには十分ではない。全ビームパワー密度は、不安定性が生起する直前に観測される。

電子ビーム源の中空カソード１の領域内にガス供給部を設置し、そこでガス圧を調整して、不安定性がもう生起しないが、ビームがコーティングプロセスに必要なエネルギ保存量を有しているようにすることができる。

このために、中空陰極１内にトリガプラズマ側から被覆体２１が突入しており、この被覆体は、中空陰極１の構成要素であり、陽極１７側に向かって円錐状に開いた内径幅で環状間隙１３を形成しており、中空陰極１の陽極側の終端部の前で終わっている。そのようにして、環状間隙１３が結合された中空陰極１の内径幅で残留容量が残り続ける。

中空陰極１の容器壁を貫通して、又は、該容器壁に、内部へのガス部が設けられ、このガス供給部を通して、又は、このガス供給部を介して、調量されたガスが、中空陰極１の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部材５の出口との間に所定の圧力降下を調整するために流入することができる。この人工的なガス漏れは、誘電管部材内に異なったポンプに対する通常のポンプコストが、付加的な技術的なコストを必要としないように弱い。

付加的に、磁石１２の磁場が、トリガ源の第1の誘電管７を部分的に完全に透過する。磁場を形成する磁石１２は、誘電管７に沿って摺動可能であり、しかも、磁場の軸は第1の誘電管７の長手方向軸に対して回転することができる。そうすることによって、荷電坦体は、トリガプラズマ中の電子ドリフトによって強化され、トリガプラズマの点火後、ビーム通路の火花放電が一緒に点火するのを助長することができる。

従属請求項２〜１３には、電子源の許容可能な長時間駆動を持続してサポートすることができる別の手段が特定されている（以下の通り）：
請求項２では、中空陰極１内への入口から中空陰極１からの出口までの長さは、トリガ源側の入口での被覆体２１の内径幅に対して少なくとも４倍〜高々１０倍の大きさである。ビーム出口側での被覆体２１の内径幅２１は、少なくとも、第2の誘電管１１の内径幅と等しい。

調量されるガス供給のために、特別に構成されたバルブ１６がガス供給部内に装着される。ダイアフラムが設けられており（請求項３）、このダイアフラムにより、中空陰極１の内部空間が比較的高圧のガス空間から分離され、この高圧により、ガスは、ダイアフラム構造、圧力低下及び調整された環境温度に相応して調量されて外に出る。ダイアフラム１６は、熱安定プラスチック、例えば、ポリエステル、ポリビニール塩化物、シリコンゴム、テフロン製のプラスチック薄板である（請求項４）。

調量されたガス供給用の他の形式の手段は、パッキン装置が、中空陰極１の容器の両端面の少なくとも一方に、又は、両方に、中空陰極１の内部の粗面化通路（Ｍｉｋｒｏｕｎｅｂｅｎｈｅｉｔｅｎ／−ｋａｎａｅｌｅｎ）の形式での半径方向の漏れ構造部を有しており、該半径方向の漏れ構造部を通して、僅かなガス量が外側から内側に流入する（請求項５）。粗面化通路は、請求項６によると、中空陰極の容器の一方又は両端面内に装着される。

粗面化通路は、一方又は両方のパッキン装置内に装着することができるので、そのような粗面化通路の漏れ構造は、その都度当接しているパッキン面のＯ−リング内に入れてもよい。

ガス供給部での調量されたガス供給のためには、内径幅での流量横断面が規定的であるので、毛細管の押し潰された形状の横断面を漏れガス供給部内に設けるようにしてもよい。そのような障害物を中空陰極のケーシング壁内に設ける際、例えば、その端を押し潰した金属管又は非常に細いガラス毛細管を用いてもよい。

漏れガス流の調量を変えるために、漏れレートがダイアフラムのレート以上であることがある場合、ダイアフラムでなく、微細な調整バルブを用いることも可能である（請求項８）。

所要のガス供給時に、例えば、空気を非常に僅かしか必要としないことが実験で判明し、例えば、ほぼ１０^−７ｍｂａｒ・ｌ／ｓのｐＶ流量である。中空陰極１の領域内にガス供給部が設けられている場合、全通路構造９に沿って、例えば、５ｍｍ直径の場合に、圧力差は１０^−４パスカルである。

全システム内に形成される低い残留ガス圧が、中空陰極１の領域内でトリガ源である第1の誘電管７の方向に一定にファクタ１０^−４だけ上昇し、他方、誘電管部材５内の陽極側の出口の方向に圧力低下が生じるようにすると、良好な結果が達成される。

この極端に僅かなガス供給は、５０％の限界内に保持される必要があり、さもないと、ビームの不安定性又はパワー密度によって、エネルギ損失を生じるか、又は、ビームのパワー密度が低減する。

トリガプラズマの第１の誘電管７の領域内の磁場は、上述のような物理的な意義を有している。そのような磁場は、リングマグネットである永久磁石１２を用いて形成することがある（請求項９）。永久磁石に、間隙を形成して、少なくとも、第１の誘電管７の直径の間隔で対向し合っている各極片を設けてもよい（請求項１０）。

直流磁場は、直流電流によって励磁される電磁石を用いても形成することができる（請求項１１）。ローブストで簡単な装置では、常伝導でもよいが、特殊な用途のためには、超伝導にしてもよい。後者の場合、クライオスタットが必要であり、そのような技術コストは、適切である必要がある。この際、電磁石は、円筒状巻線から構成されているか（請求項１１）、又は、平坦な螺旋巻線から構成することができる（請求項１２）。

通路軸９に対して垂直方向に交差する多数の磁場のために、c又はｕ状の鉄心の周囲に巻回された巻線から構成されている電磁石が使用される（請求項１３）。

セルフフォーカシング電子ビーム２の安定性の基準は、誘電管部材５を出た後のビーム２の到達距離である。ビームの到達距離乃至離隔したターゲット４をアブレーションする性能が高くなればなる程、ビームの品質を一層安定して評価することができる。ガス供給によって安定化された電子ビーム２が、従来技術では約５−１０ｍｍしか進まなかったのが、今や９０ｍｍまで、自由空間を通ってターゲットに進むことができることがわかる。

そのような最適なビーム伝搬条件を達成するために、何れにせよ、通路は、中空陰極１内でその入口８のところから円錐状に拡がった形状で開始する必要がある。中空陰極１内にトリガプラズマ源から入るプラズマから、電子ビーム２が、陽極１７と中空陰極１との間の電場を透過して引き出される。利用可能な電子ビーム形成のために、以下のように幾何学的に適合させる必要がある：
誘電管７への結合個所での被覆体２１の円錐状の通路が数ｍｍ^２の面積を有しており、第2の誘電管１１の入口１０に向かう方向に、この通路の内径幅が拡がり、その際、被覆体の長さは、第2の誘電管１１の内径の少なくとも４倍〜高々１０倍に相応している。更に高くすると、第2の誘電管と誘電管部材５内に、トリガプラズマとビーム通路での火花放電との間の不所望な減結合が生じる。

本発明は、中空陰極の領域内を変形実施例つまり、この領域内に形成される電子ビーム２が、第2の誘電管１１及び誘電管部材５の内壁にまれにしか接しないか、もはや接しないようにして、そこから飛び出した材料が周囲に積層されないようにすることにも関している。このことは、一方では、電子ビーム２が、そのパワーを低減せずに電子ビーム源から+出て、続いて、ターゲット４と交互作用することができる。他方では、従って、電子ビーム源の寿命が相応に延びる。

次に、集束電子ビームの形成用の電子ビーム源について、図１〜３の図示の実施例を用いて詳細に説明する。この際：
図１は、電子ビーム源の構造を示す図、
図２は、中空陰極内への入口領域を示す図、
図３は、ダイアフラムを通ってのガス供給部を有する中空陰極の一部分を示す図
である。

図１の電子ビーム源の構成は、一定尺度で長手方向軸を通った断面で示されている。

トリガプラズマ用の誘電管７は、試験管状であって、水晶ガラス製である。誘電管７は、ガス密に、中空陰極１に、支持及びゴムリングを介してフランジ結合されている。中空陰極１内に、この結合個所から円錐状に拡がった被覆体２１が同心状に中空陰極１の内部に突入している。中空陰極１と被覆体２１との間に、リング状の間隙１３が形成される。中空陰極１と被覆体２１は、金属製である。被覆体は、中空陰極１の内部で終端し、つまり、中空陰極１の内径幅の内部空間部品が形成される。

そこの出口側に、第2の誘電管１１が装着されており、この第2の誘電管は、誘電管部材９の一部分を構成し、第1の誘電管７と同様にフランジ結合されている。第2の誘電管１１の他方の端面側には、リング状の陽極１７が装着されており、この陽極の中に、誘電管部材９の誘電管部材５が差し込まれて、当接されている。

コンデンサ６、電気エネルギ蓄積器は、中空陰極１と陽極１７とを橋絡している。トリガプラズマ、第1の誘電管７用の容器の底を通って、電極１８が容器の内部に突入している。この電極１８は、一方では、チャージ抵抗２０を介して中空陰極１と結合されており、他方では、火花ギャップ１９を介して基準電位、ここではアース電位と接続されている。

トリガプラズマ用の容器は、有利に簡単に空気で充填される。充填圧力は、２Ｐａであり、駆動中一定に保持される。プラズマ中の電子の局所的な経路延長のために、電子ドリフト、従って、荷電坦体を増やすために、磁石１２がリング状永久磁石として、容器、つまり、第1の誘電管７上で摺動し、誘電管７の出口８の直ぐ直前に固定される。このリング状永久磁石は、電子ビーム２の品質調節のために同軸状に摺動可能である。

中空陰極1内に形成されるパルス状の電子ビーム２は、ターゲット４に照射され、ターゲット４上で、電子ビームは、指数関数的にターゲット材料を叩きだし／蒸発させ、それから、このターゲット材料は、部分的に基板２２上に堆積される。

電子ビームを長時間に亘ってビーム品質保持するために、中空陰極1内部への調量されたガス供給は決定的な意味がある。両図２及び３には、この微細調量を行うことができる２つのやり方について図示されている：
僅かなガス供給は、中空陰極１と第1の誘電管７との間で、中空陰極１の始端での小さなフランジを用いて配向される。中空陰極に向かって配向される側面上のパッキンＯリング１４が、粒度９μｍの紙ヤスリで研磨され、それにより、所期のように密でないようにされ、そうすることによって、リング状の間隙１３を介しての、中空陰極内への僅かなガス流が調整される。

Ｏリングを、中空陰極１と第2の誘電管１１との間の、中空陰極側上が研磨され、従って、所期のように密でないようにされ、その結果、そこに設けられた間隙を介して、ガスが中空陰極１の内部に浸入する。

陰極領域内への僅かなガス供給を達成する別の手段が、図３に示されている。調量されたガス供給は、空気／ガスが、プラスチック薄板１６を通って管結合部１５を介して中空陰極１１の壁を通して浸透することによって達成される。薄板を通って出る空気／ガスの量は、一方では、調量された差圧に依存し、また、薄板の形式、ダイアフラム１６の面、薄板の厚み、及び、駆動乃至周囲環境温度にも依存している。ここでは、薄板材料として、例えば、ポリエステルが使われる。

電子ビーム源の構造を示す図 中空陰極内への入口領域を示す図 ダイアフラムを通ってのガス供給部を有する中空陰極の一部分を示す図

符号の説明

１ 中空陰極
２ 電子ビーム
３ 内壁
４ ターゲット
５ 誘電管部材
６ コンデンサ、エネルギ蓄積器
７ 第1の誘電管
８ 入口
９ 通路軸線
１０ 入口
１１ 第２の誘電管
１２ 磁石、永久磁石、電磁石
１３ 環状間隙
１４ Ｏ−リング
１５ 管結合部
１６ プラスチック薄板、ダイアフラム
１７ 陽極
１８ 電極
１９ 火花ギャップ
２０ 抵抗、チャージ抵抗
２１ 被覆部
２２ 基板

Claims (13)

1. 安定集束電子ビーム形成用電子ビーム源であって、
   第１の誘電管（７）、
   中空陰極（１）、
   第２の誘電管（１１）、
   誘電管部材（５）
   との同軸配列から構成されており、
   前記第１の誘電管（７）内で、トリガプラズマが形成され、
   前記中空陰極（１）は、端面側が前記第１の誘電管（７）に接続されており、
   前記第２の誘電管（１１）は、前記中空陰極（１）に接続されており、前記第２の誘電管（１１）は、中央に貫通路がある陽極（１７）に端が位置しており、
   前記誘電管部材（５）は、前記陽極（１７）に装着されており、前記誘電管部材（５）は、前記第２の誘電管（１１）と一直線に並んでおり、
   コンデンサ（６）が、電気エネルギ蓄積器として前記陽極（１７）及び前記中空陰極（１）に接続されており、
   電極（１８）が、前記第１の誘電管（７）の自由端面からトリガプラズマ容積内に突出しており、
   前記電極（１８）は、火花ギャップ（１９）を介して基準電位に接続されており、
   電気抵抗（２０）は、前記電極（１８）を前記中空陰極（１）に接続している
   電子ビーム源において、
   中空陰極（１）内にトリガプラズマ側から、円錐状に陽極（１７）の方に開いた内径幅を持った、前記中空陰極（１）の構成部品である被覆体（２１）が突出しており、
   前記被覆体（２１）は、前記中空陰極（１）の壁部と共に環状間隙（１３）を形成し、前記環状間隙（１３）の端面は、第１の誘電管（７）の方に閉じており、前記環状間隙（１３）の端面は、第２の誘電管（１１）の方には開かれており、
   前記被覆体（２１）は、前記中空陰極（１）の、陽極（１７）側の端の手前に端が位置しているように構成されており、該構成により、前記中空陰極（１）の内径幅を持った残留容積部が形成され、該残留容積部内に前記環状間隙（１３）が通じており、前記中空陰極（１）の容器壁を貫通して、又は、前記中空陰極（１）の容器壁にガス案内部が内側に形成されており、前記ガス案内部を通って、調量されたガスが前記中空陰極（１）の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部材（５）の出口との間での所定の圧力降下を調整するために流入することができ、又は、
   トリガプラズマ側の真空密閉装置内の前記中空陰極（１）に漏れ構造部が前記環状間隙（１３）の方に向かって形成され、該漏れ構造部を介して、ガス流入によって同様に前記所定の圧力降下を調整することができ、
   磁石（１２）は、トリガ源の前記第１の誘電管（７）を部分長に亘って装着され、当該部分長の個所に磁場を形成し、前記磁石（１２）は、前記第１の誘電管（７）の長手方向軸に沿ってシフト可能であり、当該長手方向軸に対して回転可能である
   ことを特徴とする電子ビーム源。
2. 被覆体（２１）の円錐状通路は、当該被覆体（２１）の内径横断面で第２の誘電管（１１）に向かって、当該第２の誘電管（１１）の内径横断面に至るまで拡開されており、前記被覆体（２１）の長さは、前記第２の誘電管（１１）の内径の少なくとも４倍〜高々１０倍の大きさである
   請求項１記載の電子ビーム源。
3. 調量されたガス供給のために、バルブ（１６）がガス供給部に装着されており、前記バルブ（１６）は、ダイアフラムから構成されており、前記ダイアフラムにより、中空陰極（１）の内部が比較的高圧のガス空間から分離され、前記調量されたガス供給は、前記バルブ（１６）により、中空陰極（１）の壁を通って行われるか、又は、前記中空陰極（１）の両端のうちの一方又は両端での、粗面化通路（Ｍｉｋｒｏｕｎｅｂｅｎｈｅｉｔｅｎ／−ｋａｎａｅｌｅｎ）の形式で前記中空陰極（１）の内部に形成された半径方向の漏れ構造によって行われるように構成されている請求項２記載の電子ビーム源。
4. ダイアフラムは、熱安定プラスチック製である請求項３記載の電子ビーム源。
5. パッキン装置は、中空陰極（１）の両端面の一方又は両方に半径方向の粗面化通路（Ｍｉｋｒｏｕｎｅｂｅｎｈｅｉｔｅｎ／−ｋａｎａｅｌｅｎ）を有しており、該半径方向の粗面化通路を通して、ガスが外側から内側に流入することができる請求項２記載の電子ビーム源。
6. 粗面化通路は、中空陰極（１）の一方又は両端面内に設けられている請求項５記載の電子ビーム源。
7. ガス供給部での調量されたガス供給のために、狭くされた内径横断面を有する部分が、中空陰極（１）の内部に所定の漏れレートが生じるように装着される請求項２記載の電子ビーム源。
8. ガス供給部での調量されたガス供給のために、バルブが装着されており、該バルブにより、中空陰極（１）の内部で所定の漏れレートを調整することができる請求項２記載の電子ビーム源。
9. 磁石（１２）はリング状の永久磁石である請求項１記載の電子ビーム源。
10. 磁石（１２）は永久磁石（１２）であり、相互に対向し合った極片を有しており、該各極片は、少なくとも、第１の誘電管（７）の直径の間隔で対向し合っている請求項１記載の電子ビーム源。
11. 磁石（１２）は電磁石であり、円筒状巻線から構成されている請求項１記載の電子ビーム源。
12. 磁石（１２）は電磁石であり、平坦な螺旋巻線から構成されている請求項１記載の電子ビーム源。
13. 磁石（１２）は電磁石であり、巻線を有するｃ又はｕ状鉄心から構成されており、該鉄心の両極間を第１の誘電管（７）が貫通している請求項１記載の電子ビーム源。

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