JP4223989B2 - Plasma gun - Google Patents

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Abstract

A high pulse repetition frequency (PRF) plasma gun is provided, which gun inlets (74) a selected propellant gas into a column (16) formed between a center electrode (12) and a coaxial outer electrode (14), utilizes a solid state high repetition rate pulse driver (130) to provide a voltage across the electrodes (12, 14) and provides a plasma initiator (82) at the base of the column (16), which is normally operative when the driver is fully charged. For preferred embodiments, the initiator (82) includes a solid state simulated RF driver (130), the output is applied to the electrodes (91) affixed in an insulator (72) and producing a high voltage field at a surface of the insulator (72) which forms part of the base end of the column (16).

Description

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。   The present invention relates to a plasma gun, particularly suitable for use as a space thruster, ie selectable including extreme ultraviolet (EUV), vacuum ultraviolet (VUV) and / or soft x-ray radiation in the high pulse repetition frequency band The present invention relates to an improved plasma gun suitable for producing radiation at various wavelengths. The present invention also includes a method utilizing such a plasma gun.

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PRF、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1,000HzのPRFを有するプラズマ銃は特にそうであった。   The improved plasma gun disclosed in U.S. Pat. No. 5,866,871 (patent) has only been implemented with relatively large and expensive equipment that could not be implemented in the past, could not be implemented sufficiently It finds applications in various environments to perform functions that were not possible. These functions include thrusters for satellites or other space stations that maintain and perform applications, and controlled generation of radiation at selected frequencies, typically within the extreme ultraviolet (EUV) band. The plasma gun disclosed for such applications is particularly advantageous in that it provides high reliability and pulse repetition frequency (PRF), and PRF above about 100 Hz, preferably 5,000 Hz, for space applications. This was especially the case with plasma guns having a PRF of more than 10 and a PRF of at least 500 Hz, preferably 1,000 Hz, for lithography or other applications requiring radiation generation.

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。
To achieve these objectives, the plasma gun of the above patent has two general embodiments, one of which is for space applications or other thrust applications, while the other or second. This embodiment was for radiation generator applications. In both cases, the plasma gun has a central electrode and an outer electrode substantially coaxial with the central electrode, and a coaxial column is formed between these electrodes. The selected gas was introduced into the column via the inlet mechanism and a plasma starter was provided at the base end of the column. Finally, a solid-state high repetition rate pulse driver is provided that can be operated to deliver a high voltage pulse across the electrode at the start of a pulse at the base of the column, and the plasma expands from the base end of the column and its end. Get out of the department. For the thruster embodiment, the voltage of each pulse decreases over the duration of the pulse, and the pulse voltage and electrode length are such that when the plasma exits the column, the voltage across the electrode reaches a substantially zero value. Selected. For this embodiment, the inlet mechanism preferably introduces gas radially from the central electrode at the base end of the column to improve the uniformity of the plasma velocity across the column, relative to this embodiment. The plasma emerges from the column at a discharge rate that is generally in the range of approximately 10,000 to 100,000 meters per second, and the discharge rate varies somewhat depending on the application.

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13nm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。   For the radiation source embodiment of the present invention, the pulse voltage and electrode length are selected such that the current for each voltage pulse is substantially at its maximum as the plasma exits the column. . The outer electrode in this embodiment of the invention is preferably a cathode electrode and may be solid or may take the form of a plurality of substantially equally spaced rods arranged in a circle. . The inlet mechanism in this embodiment of the present invention provides a substantially uniform gas filling into the column so that the plasma is first emitted from the central electrode and the plasma magnetically as it exits the column. When tightened, an extremely high temperature is generated at the end of the central electrode. Selected gases / elements sent to the clamp through the central electrode or otherwise as part of the gas are ionized by the high temperature at the clamp to provide radiation at the desired wavelength. The wavelength is achieved by careful selection of various parameters of the plasma gun including the selected gas / element delivered to the clamp, the current from the pulse driver, the plasma temperature in the region of the clamp and the gas pressure in the column. . The patent shows a combination of parameters for generating radiation at a wavelength of approximately 13 nm, for example using lithium vapor as the gas sent to the clamping part.

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。トリガ電極が設けられ、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、これらのトリガ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、トリガ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トリガ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信号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信号を発生させることのできるような方法で、トリガ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R信号源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R信号源はまた、他の応用にとっても有用である。 For the present invention, in order for any of the above applications to function effectively, it is important that the pre-ionization of the gas by the starter provides an absolutely uniform pre-ionization of the gas. In the above patents, this has been accomplished by forming equally spaced holes around the column and introducing gas through or directing gas through the holes. Trigger electrodes are provided, which are preferably mounted in the holes, or preferably mounted at the base of the column outside or close to the column, these trigger electrodes being energized to start the plasma It was done. The trigger electrodes are preferably equally spaced around the base end of the column and are energized substantially simultaneously to provide uniform starting of the plasma at the base end, and a DC signal to energize the trigger electrode. Was used. This mechanism provides a more uniform plasma start than is possible with any conventional configuration and is suitable for most applications, but a more uniform plasma start is desirable, especially when using a plasma gun as a radiation source. There are such applications. This more uniform plasma start can be provided by using an RF signal to energize the trigger electrode. However, currently available RF signal sources such as magnetrons, klystrons or RF amplifiers are relatively expensive to operate, cost approximately $ 1 per peak power watt, and are relatively large, for example 20 kilovolts at 8 megawatts To generate cabinet dimensions. Therefore, it generates power at a lower cost and uses a small solid-state circuit that provides a much lower heat removal burden on the device in addition to lower cost and substantially smaller dimensions, and generates RF signals . It was desirable to generate an RF signal that was used to energize the trigger electrode in such a way that it could be made. Although R F signal source of the type described above are particularly useful for plasma gun applications of the present invention, such R F signal source does not exist currently in the art it is also useful for other applications.

また、プラズマ始動のために使用されるトリガ電極が中央電極及び外側電極の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トリガ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。 It is also desirable that the trigger electrode used for plasma start provides a high voltage field over as large an area as possible at the base of the column between the center electrode and the outer electrode , and the wires are routed into the vacuum environment of the column. It is desirable to be able to energize the trigger electrode to produce the required high voltage field at the base of the column without having to bring it in. This is because maintaining a vacuum around the wire increases the cost of the plasma gun.

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。
Another problem with plasma guns is providing the necessary gas / material to the clamp where the material should be ionized to produce the desired radiation. So hold such material,
An improved technique for releasing this into the column to the clamp is desirable.

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放射線として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電極を下り、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電極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。 In addition, a plasma gun of the type described above can act as a radiation source and provide useful radiation at the desired wavelength, but this is the case with a fast plasma driven down the column and out of the central electrode. Can cause problems that significantly limit their usefulness as a useful radiation source. In particular, a temperature in the range of 100 eV (ie about 11,000 ° C.) to 1000 eV at the clamp is sufficient to drive the plasma to a speed of a few centimeters per microsecond, depending on the desired frequency of radiation. Requires a magnetic compression field. Plasma moving down the central electrode at such a speed and exiting from the end forming the clamp has a tendency to continue to move into the space away from the end of the central electrode , and the plasma sheath eventually Loss of electrical connection to the clamp. This ends early after a period as short as 100 nanoseconds, and causes a large voltage transition in the thousands of volts range, causing a reblow that can severely damage the electrode.

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、プラズマのための出力効率が大幅に増大し、プラズマ銃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プラズマ銃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。 Since the discharge can last for a few microseconds, if the early loss of electrical connection between the plasma sheath and the electrode can be eliminated, the life of the clamp can be greatly extended and possible damage The blow can be eliminated. As a result, the output efficiency for the plasma gun is greatly increased, the plasma gun electrode life is greatly expanded, for example, reduce downtime and maintenance of the plasma gun which may be expensive in lithography applications. Therefore, very good performance can be obtained at a low cost.

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。   Finally, it is desirable to achieve breakdown as uniformly as possible, and in particular techniques to improve such uniformity of breakdown using improved drive signals.

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、中央電極及び外側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。
米国特許第5,866,871号明細書
Therefore, it provides a more uniform plasma start at a lower cost than is possible with conventional devices, facilitates the introduction of the material to be ionized at the clamping part into the column, Or) There is a need for an improved plasma gun and method of use that prevents re-striking and provides more uniform destruction when a high voltage is applied across the central and outer electrodes .
US Pat. No. 5,866,871

上述に従えば、本出願は、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、同軸のコラム(16)が上記中央電極と上記外側電極との間に形成され、上記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);上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記中央電極及び外側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、プラズマが上記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;上記コラム(16)の上記ベース端部の、少なくとも一つのトリガ電極(82);及び上記少なくとも一つのトリガ電極(82)に接続されて、上記少なくとも一つのトリガ電極(82)にRF信号を選択的に提供する無線周波数(RF)信号源(130)であって、上記トリガ電極が上記ソリッドステート高反復率パルスドライバ(32、34、36)により上記中央電極及び外側電極を横切って供給される各高電圧パルスに対して少なくとも2振動サイクルを受けるようになっている、RF信号源;を有するプラズマ銃を提供する。 In accordance with the foregoing , the present application relates to a high PRF plasma gun (10, 10 ', 90) comprising a central electrode (12); an outer electrode (14) substantially coaxial with respect to the central electrode, An outer electrode in which a column (16) is formed between the central electrode and the outer electrode, the column having a closed base end and an open outlet end; a selected gas into the column Inlet mechanism for introduction (70, 72, 74); a solid state high repetition rate pulse driver operable to deliver high voltage pulses across the central and outer electrodes during plasma start-up at the base of the column (32, 34, 36) a solid state high repetition rate pulse driver in which plasma expands from the base end of the column and exits from the exit end of the column Connected to the at least one trigger electrode (82) at the base end of the column (16); and the at least one trigger electrode (82) to select an RF signal to the at least one trigger electrode (82) Providing a radio frequency (RF) signal source (130), wherein the trigger electrode is fed across the central and outer electrodes by the solid state high repetition rate pulse driver (32, 34, 36). A plasma gun having an RF signal source adapted to undergo at least two oscillation cycles for each high voltage pulse .

RF信号源は、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信号源と組み合わせて使用することができる。The RF signal source can operate at a frequency in the range of 10 MHz to 1,000 MHz, for example, and can be used alone or in combination with a DC signal source.

本発明のプラズマ銃はまた、ソリッドステートRF信号源に加えて、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トリガ電極を有することができ、これらのトリガ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、トリガ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、トリガ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、トリガ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。 The plasma gun of the present invention also has a plurality of trigger electrodes attached to an insulator and spaced substantially uniformly around the column in addition to or instead of having a solid state RF signal source These trigger electrodes create a high voltage field at the surface of the insulator at the base end of the column. For at least one embodiment of the present invention, the insulator surrounds the central electrode at the base end of the central electrode, and the trigger electrode is attached to the insulator near the base end of the column. For another embodiment, the insulator forms the base of the column, and the trigger electrode is mounted in the insulator on the side of the insulator outside the column, separated by a small distance from the column by the insulator, and the trigger The biasing of the electrodes creates a high voltage field on the side of the insulator in the column.

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作動中に中央電極及び外側電極のうちの少なくとも一方の電極に液体リチウムを提供する機構を含む。 Another feature of the present invention that can be utilized in connection with or independently of the previous features is that at least one of the central electrode and the outer electrode is formed of a sintered powder refractory metal, and for preferred embodiments, Both electrodes are made of such a sintered powder refractory metal. When the plasma gun operates as a radiation source at selected wavelengths, at least one of the electrodes can be saturated with a fluid (ie, liquid or gas) material suitable for generating radiation at such wavelengths. For certain embodiments of the invention, the fluid is liquid lithium. A preferred embodiment of the present invention includes a mechanism for providing liquid lithium to at least one of the center electrode and the outer electrode during operation .

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、ソリッドステート高反復率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、高電圧スパイクより低い電圧で且つ高電圧スパイクより長い期間の持続信号が高電圧スパイクに続き、ドライバエネルギの大半は持続信号により提供される。ソリッドステート高反復率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圧縮回路と、持続信号を発生させるための第2の非線形磁気パルス圧縮回路とを有することができる。第2の非線形磁気パルス圧縮回路は少なくとも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の非線形磁気パルス圧縮回路から第2の非線形磁気パルス圧縮回路への高電圧スパイクの進入を阻止するように通常バイアスがかけられており、高電圧スパイクは、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の非線形磁気パルス圧縮回路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。 Another feature of the invention that can also be used alone or in combination with one or more of the previous features is that the solid state high repetition rate pulse driver provides a high voltage spike, at a lower voltage than the high voltage spike and A duration signal longer than the high voltage spike is followed by the high voltage spike, and most of the driver energy is provided by the duration signal. Solid-state high repetition rate pulse driver may have a first non-linear magnetic pulse compression circuit for generating a high voltage spike, and a second nonlinear magnetic pulse compression circuit for generating a persistent signal. The second nonlinear magnetic pulse compression circuit has at least two stages, and the last of these stages is a saturable reactor from the first nonlinear magnetic pulse compression circuit to the second nonlinear magnetic pulse compression circuit. Normally biased to prevent the entry of high voltage spikes, the high voltage spikes will reduce the initial flow from the second nonlinear magnetic pulse compression circuit until the reactor is re-saturated to pass the sustained signal. The reactor is partially desaturated to inhibit.

本発明のプラズマ銃は、RF信号源と上記少なくとも一つのトリガ電極との間に接続される直流遮断コンデンサを更に含むこともできる。RF信号源が、臨界周波数以上の周波数で上記RF信号を発生するように構成できる。臨界周波数は、これよりも低い周波数では、上記選択されたガス内の電子が、上記RF信号の各半サイクルにおいて、上記少なくとも一つのトリガ電極の対向する導電体間の全ギャップを横切って払拭されるような時間を有する周波数である。ソリッドステート高反復率パルスドライバは、少なくとも毎秒5000パルスの割合で上記中央電極及び長期外側電極を横切って高電圧パルスを発生する。RF信号源が、エネルギが移送されたときに上記RF信号源により発生する上記RF信号の周波数に対応する共振周波数で発振する共振回路と;エネルギ源から上記共振回路へ多くのエネルギが移送され、これにより上記共振回路が上記共振周波数で発振するように、上記エネルギ源へ上記共振回路を選択的に接続するスイッチと;上記共振回路から上記少なくとも一つのトリガ電極へ振動信号を供給するように上記共振回路と上記少なくとも一つのトリガ電極との間に接続される出力結合回路であって、上記共振回路の各振動サイクルに対して、上記共振回路から移送されるエネルギのほんの少量を上記少なくとも一つのトリガ電極に結合する出力結合回路と;を備えることができる。The plasma gun of the present invention may further include a DC blocking capacitor connected between the RF signal source and the at least one trigger electrode. An RF signal source can be configured to generate the RF signal at a frequency above the critical frequency. At lower critical frequencies, electrons in the selected gas are swept across the entire gap between opposing conductors of the at least one trigger electrode in each half cycle of the RF signal. This frequency has such a time. A solid state high repetition rate pulse driver generates high voltage pulses across the central electrode and long term outer electrode at a rate of at least 5000 pulses per second. A resonant circuit that oscillates at a resonant frequency corresponding to the frequency of the RF signal generated by the RF signal source when energy is transferred; a large amount of energy is transferred from the energy source to the resonant circuit; A switch for selectively connecting the resonance circuit to the energy source so that the resonance circuit oscillates at the resonance frequency; and a vibration signal from the resonance circuit to the at least one trigger electrode. An output coupling circuit connected between a resonant circuit and the at least one trigger electrode, wherein for each vibration cycle of the resonant circuit, only a small amount of energy transferred from the resonant circuit is transferred to the at least one trigger electrode; And an output coupling circuit coupled to the trigger electrode.

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。   The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following more particular description of the preferred embodiment of the invention as illustrated in the accompanying drawings and otherwise discussed herein.

まず、図1を参照すると、スラスタとしてのプラズマ銃10(以下、「スラスタ10」という)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、接地即ち帰還電極である外側電極14と、2つの電極12、14間に形成されたほぼ円筒形状を有するコラム16とを有する。コラム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18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24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、中央電極12、外側電極14の前端即ち出口端部を越えた領域である開拡端部30となって開拡する。中央電極12、外側電極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。 First, referring to FIG. 1, a plasma gun 10 as a thruster (hereinafter referred to as “thruster 10”) has a central electrode 12 which is a positive electrode or anode electrode in this embodiment, a concentric cathode, and ground or feedback. It has the outer electrode 14 which is an electrode, and the column 16 which has the substantially cylindrical shape formed between the two electrodes 12 and 14 . The column 16 is defined at its base end by an insulator 18 in which the central electrode 12 is mounted. The outer electrode 14 is attached to a conductive housing member 20 connected to a grounding portion via a conductive housing member 22. The center electrode 12 is mounted in an insulator 24 at its base end, and this insulator 24 is mounted in an insulator 26. Cylindrical outer housing 28 surrounds the outer electrode 14, central electrode 12, in the open拡端portion 30 is a region beyond the front or exit end of the outer electrode 14 expansively opened. The center electrode 12 and the outer electrode 14 can be made of, for example, tria tungsten, titanium, or stainless steel.

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12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。制御トランジスタ44は好ましくは絶縁ゲート双極トランジスタである。直流/直流インバータ34は直流電圧源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、直流/直流インバータ34はまた、不適切負荷から、特に中央電極12、外側電極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。 Positive voltage dc-dc (direct current / direct current) inverter 34, a nonlinear magnetic compressor 36 and can be through a terminal 38 to be connected to the central electrode 12, it is supplied from the DC voltage source 32 to the central electrode 12. The DC / DC inverter 34 includes a storage capacitor 42, which can be a single large capacitor or capacitor string, a control transistor 44, a pair of diodes 46, 48, and an energy recovery inductor 50. The control transistor 44 is preferably an insulated gate bipolar transistor. A DC / DC inverter 34 is utilized in a manner known in the art to transfer power from the DC voltage source 32 to the non-linear magnetic compressor 36. As will be described later, the DC / DC inverter 34 also functions to recover wasted energy generated from improper loads, particularly from the center electrode 12 and the outer electrode 14, and to improve pulse generation efficiency.

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。非線形磁気コンプレッサ36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、非線形磁気コンプレッサ36の回路は、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。非線形磁気コンプレッサ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、貯蔵コンデンサ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。貯蔵コンデンサ42とエネルギ回復誘導子(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/(L50421/2]後、
貯蔵コンデンサ42上の電圧の極性が逆転し、このエネルギは直流電圧源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。
Nonlinear magnetic compressor 36 is shown as having two stages, with the first stage including a storage capacitor 52, a silicon controlled rectifier 54, and an inductor or saturable inductor 56. The second stage of the non-linear magnetic compressor 36 includes a storage capacitor 58 and a saturable inductor 60. If necessary, additional compression stages can be provided to obtain shorter and faster rising pulses and higher voltages. A method for achieving non-linear magnetic compression in this type of circuit is disclosed in US Pat. No. 5,142,166. Basically, the circuit of the non-linear magnetic compressor 36 uses a core that can be saturated in the resonant circuit as an inductor. Each stage core saturates before a significant portion of the energy stored in the previous stage capacitor is transferred. Nonlinear saturation increases the resonant frequency of the circuit by the square root of the decrease in transmittance when the core is saturated. Energy is combined more and more rapidly from one stage to the next. It should be noted that the non-linear magnetic compressor 36 is effective in transferring power in both directions. The reason is that this circuit not only acts to upshift the frequency in the forward direction but also downshifts the frequency and cascades for chain backup when the voltage pulse is reflected. Because. The energy resulting from the improper load / electrode can be cascaded for chain backup so that it appears as a reverse voltage stored in the storage capacitor 42 and is added to the next pulse. In particular, current begins to flow into the energy recovery inductor 50 when the reflected charge is switched back to the initial energy storage capacitor 42. The combination of the storage capacitor 42 and the energy recovery inductor (coil) 50 forms a resonant circuit. After a half-point [here, t = π / (L 50 C 42 ) 1/2 ],
The polarity of the voltage on the storage capacitor 42 is reversed and this energy reduces the energy required to recharge this capacitor from the DC voltage source 32.

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。この駆動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。 The drive circuit shown in FIG. 1 can also be tuned to a very low impedance load and can produce complex pulse shapes if necessary. The drive circuit is also designed to operate at a very high PRF and can be adjusted to provide a voltage in excess of 1 kV .

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個の入口ポート72を設けることができる。入口ポート72は外側電極14に形成した穴74内にガス供給し、これらの穴74は中央電極12の近傍でコラム16のベースの方に半径方向及び内方へ推進ガスを導くように角度づけられる。推進ガスはまたコラム16の後部から供給することができる。 The propellant gas is delivered from line 64 through valve 66 under control of the signal on line 68 to manifold 70 that supplies a number of inlet ports 72 in housing 28 as shown in FIG. It is shown. For example, four to eight inlet ports 72 can be provided that are substantially equally spaced around the periphery of the housing 28 near the base of the housing. Inlet port 72 is a gas supply into the hole 74 formed in the outer electrode 14, the angle pickled to guide the radial and propellant gas inward toward the base of the column 16 in the vicinity of these holes 74 is a central electrode 12 It is done. Propulsion gas can also be supplied from the rear of the column 16.

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10Torr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16の選択された区分内ではなく、コラム16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。 Thruster 10 is designed to operate in space or some other low pressure close to a vacuum environment, particularly at pressures where breakdown occurs on the low pressure side of the Paschen curve. This factual pressure curve varies somewhat depending on the gas used and other parameters of the thruster, but this pressure is typically in the range of 0.01 to 10 Torr, which is the preferred embodiment. On the other hand, it is about 1 Torr. When the pressure in the region increases with respect to the pressure in this range, the breakdown potential in the region decreases, and therefore the possibility that breakdown occurs in such a region is improved. Thus, theoretically, a propellant gas can be introduced at the base of the column 16 and, therefore, simply increasing the pressure at this point can cause destruction / plasma starting as desired at this point. However, in practice, to control the gas pressure sufficiently to cause destruction predictable, and, not in the segment which is selected in column 16, the column in order to produce a uniformly disrupted within column 16 It is difficult to make the pressure sufficiently uniform around the periphery of 16.

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すなわち外側電極14での電子源となる。プラズマ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。
In order to ensure that the plasma start occurs uniformly at the base of the column 16 and such breakdown occurs at the desired time, at least two things can be done. In order to understand how such destruction enhancement is achieved, the plasma gun of the present invention typically operates at a pressure between 0.01 Torr and 10 Torr, in particular the Paschen curve. It should be understood that it operates at such a pressure that failure occurs on the low pressure side. For the preferred embodiment, the pressure in column 16 is approximately 1 Torr. In such a low pressure discharge, there are two important criteria that determine gas breakdown or starting:
1. The electric field in the gas must exceed the gas breakdown field depending on the gas used and the gas pressure. The breakdown field is the electron source at the cathode or outer electrode 14 known as the Paschen reference. In the low pressure region where the plasma gun operates, the breakdown electric field decreases with increasing pressure (which occurs on the low pressure side of the Paschen curve) relative to the size of the device. For this reason, destruction occurs in the column 16 at the point where the gas pressure is maximum.

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。穴の如き内側に向かっている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。   2. Second, an electron source must be provided. If the average electric field exceeds the breakdown field, nothing happens until the negative surface starts emitting electrons. In order to extract electrons from the surface, one of two conditions must occur. As a first condition, a cathode drop or a potential difference exceeding the cathode potential must be generated in the vicinity of the surface. Cathode fall / cathode potential is a function of gas pressure and is a function of surface composition and geometry. The higher the local gas pressure, the smaller the required voltage. Inwardly facing geometries, such as holes, provide a significantly improved level of surface area relative to volume and reduce cathode fall. This effect, in which the hole preferentially acts as an electron source with respect to the adjacent surface, is called the hollow cathode effect. Under the second condition, the electron source can be formed by a surface flash trigger source. These conditions can be met individually or both can be used. However, to prevent spurious starting, the voltage across the electrode should be less than the sum of the gas breakdown potential and the cathode fall potential.

従って、図1において、複数の穴74が陰極である外側電極14内に形成され、これらの穴74を通してガスがコラム16のベースへ導かれ、穴74はコラム16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74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74を通って進入し、これらの穴74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74の領域において圧力を大幅に増大させ、従って、コラム16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。 Thus, in FIG. 1, a plurality of holes 74 are formed in the outer electrode 14 is a cathode, the gas through the holes 74 is guided to the base of the column 16, the hole 74 terminates at the base near the column 16. For the preferred embodiment, a plurality of such holes 74 are equally spaced around the periphery of the column 16. Enters through these holes 74, the gas is combined with hollow cathode effect from the presence of these holes 74, greatly increasing the pressure in the region of these holes 74 at the base near the column 16, Thus, a plasma start occurs at this location in the column 16 . Although this method of plasma starting is sufficient for plasma starting in certain applications, for most applications of the plasma gun of the present invention, especially for high PRF applications, a trigger electrode is provided in the manner described in the following embodiment, Both conditions are preferably met to ensure both uniformity and timeliness of plasma start.

スラスタ10を利用すべき場合、弁66を最初に開いて、ガス源からの推進ガスがマニホルド70を通ってコラム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推進ガスがコラム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)のバースト又はパルスを生じさせる。パルスの各個々のバースト中、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ガス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、推進ガスがスラスタ10の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バースト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、短いバースト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、バーストサイクルは弁66の最小時間サイクル中に提供される推進
ガス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。
If thruster 10 is to be utilized, valve 66 is first opened to allow propellant gas from the gas source to flow through manifold 70 into hole 74 leading to column 16. Since the valve 66 operates relatively slowly compared to the other components of the apparatus, the valve 66 is sufficient to allow a sufficient amount of propellant gas to flow into the column 16 to deploy the desired thrust over multiple plasma starts. It will remain open for a certain length. For example, the solenoid valve cycle time available as valve 66 is 1 millisecond or more. Because plasma combustion can occur in 2 to 3 microseconds and the gas is typically about 1/4000 seconds down the length of the 5 to 10 cm electrode used in the preferred embodiment thruster. Since it can flow, if there is only one pulse for each valve cycle, only about 1/10 of the propellant gas will be utilized. Thus, to achieve high propulsion efficiency, multiple (eg, at least 10) bursts or pulses are generated during a single valve opening. During each individual burst of pulses, the peak power is on the order of a few hundred kilowatts to produce the required force. The peak PRF is determined by two criteria. The impulse time must be long enough for the plasma from the previous pulse to leave the thruster exit or recombine. Moreover, the impulse time must be shorter than the time required for the cold propellant gas to travel the length of the electrode. The latter criterion is determined by the gas used. For argon, for a typical length of 5 cm column 16, the time period for the propellant gas to spread across the electrode surface of thruster 10 is only 0.1 milliseconds, while for heavier gases such as xenon. The time increases to approximately 0.2 milliseconds. As such, a high thruster pulse repetition rate (ie, about 5,000 pps or more) allows the plasma gun to achieve a high propulsion efficiency approaching 90%. The burst length of a pulse during a single valve operation of the fluid can vary from a few pulses to a few million, during which time some fuel is consumed, thus achieving lower propulsion efficiency for short burst lengths It will be. Therefore, if possible, the burst cycle is provided during the minimum time cycle of valve 66.
It should be long enough to allow at least full use of the gas .

推進ガスがコラム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、中央電極12及び外側電極14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中央電極12と外側電極14との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、中央電極12及び外側電極14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中央電極12及び外側電極14間を横切るrms電流、及び、貯蔵コンデンサ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10の開拡端部30は、退出する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、テーパした開拡端部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中央電極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。制御トランジスタ44を無能にするか、又は、さもなければ直流電圧源32を非線形磁気コンプレッサ36の回路から切り離すことにより、パルスバーストを終了させることができる。 Before the propellant gas reaches the end of the column 16, the gate transistor 44 is enabled or opened and the capacitor 58 is fully charged to provide a high voltage across the electrodes (400 to 800 volts for the preferred embodiment). This voltage, alone or in combination with the trigger electrode energization in the manner described below, causes a plasma start at the base of the column 16. As a result, the plasma sheath which connects the center electrode 12 and outer electrode 14, a current flows radially between the center electrode 12 and outer electrode 14 through the plasma sheath, to generate a magnetic field. The resulting magnetic pressure axially pushes the plasma sheath and provides a J × B Lorentz force that accelerates the plasma mass as it moves along the central electrode 12 and the outer electrode 14 . This results in a very fast plasma velocity, and the electrode length and initial charge first decrease with time across the central electrode 12 and the outer electrode 14 which increases with time and then decreases to zero, and decreases when the storage capacitor 58 is discharged. Both voltages are selected so that they are just zero when the plasma is emitted from the tip of the electrode. When the plasma reaches the end of the coaxial structure, substantially all of the gas has been entrained or drawn into the plasma and is released from the end of the electrode. This produces the maximum gas mass and hence the maximum momentum / thrust for each pulse. If the length of the structure is chosen so that the capacitor is fully discharged as the plasma exits the electrode, the current and voltage will be zero and the ionized slug of gas will leave the thruster at high speed. By operating the thruster in this manner and optimizing the discharge speed utilized for a given thruster application, discharge speeds in the range of 10,000 to 100,000 meters per second can be achieved, for example. Open拡端portion 30 of the thruster 10, by facilitating the expansion of controlled exit gases, but some of the residual thermal energy through the isentropic thermodynamic expansion to be converted to thrust this effect has been found to considerably negligible, diverging end 30 tapering is not commonly used. In fact, the weight of the thruster 10 can be reduced by completely eliminating the housing 28, except for the protection of the central electrode 12, which is not generally required in space. The burst of pulses can be terminated by disabling the control transistor 44 or otherwise disconnecting the DC voltage source 32 from the circuit of the nonlinear magnetic compressor 36.

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プラズマ銃であるスラスタ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、陰極である外側電極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)がハウジング部材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、外側電極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、コラム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、ガス出口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82による始動を容易にする。 FIG. 2 shows a thruster 10 ', which is another embodiment of a plasma gun that differs from that shown in FIG. First, instead of the non-linear magnetic compressor 36, a single storage capacitor 80 is used, which in practical applications is typically a capacitor string that achieves a capacitance of approximately 100 microfarads. Second , the outer electrode 14, which is the cathode , tapers slightly toward its exit end. Third, a spark plug-like trigger electrode 82 is shown positioned within each hole 74 with a corresponding drive circuit 86 for the trigger electrode, and an internal gas manifold 72 ′ formed by the housing member 77. Are provided for delivering propulsion gas to the holes 74, gas inlet holes (not shown) are provided in the housing member 77, and gas outlet holes 84 are formed in the insulator 24 and the central electrode 12. It is shown. With respect to the embodiment of FIG. 1, there are typically a plurality of, for example, four to eight holes 74 spaced equally around the periphery of the outer electrode 14 and a trigger electrode 82 is located within each hole 74. However, the gas outlet (s) 84 preferably faces each hole 74 and directs gas therethrough. For reasons discussed below, most of the gas at the inlet to the column 16 is from a suitable source that can be the same source as that for the manifold 72 ′ and the hole 74, through the gas outlet 84, and the central electrode 12. The gas flowing into the nearby chamber and flowing through the hole 74 primarily facilitates triggering by the trigger electrode 82 .

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の代わりに貯蔵コンデンサ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、非線形磁気コンプレッサ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。非線形磁気コンプレッサ36はまた、貯蔵コンデンサ58を横切る電圧及び非線形コイルとしての誘導子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貯蔵コンデンサ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。
In some applications, a storage capacitor 80 can be used in place of the non-linear magnetic compressor circuit 36 to store voltage and provide a high voltage drive pulse, but such a configuration is typically much lower. Used for applications that require PRF and / or lower voltage. The reason is that the non-linear magnetic compressor 36 is suitable for providing both shorter and higher voltage pulses. The non-linear magnetic compressor 36 also provides a pulse at a time determined by the voltage across the storage capacitor 58 and the saturation of the inductor 60 as a non-linear coil , which breaks at the base of the column 16 and discharges the capacitor. This is a time that can be predicted more easily than can be achieved with a storage capacitor 80 that is basically charged until it is allowed.

トリガ電極82は直流電圧源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、直流/直流インバータ34及び非線形磁気コンプレッサ36又は貯蔵コンデンサ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82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への信号は例えば貯蔵コンデンサ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、貯蔵コンデンサ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。非線形磁気コンプレッサ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16のベースでの制御された始動は、穴74の内側に向かっている幾何学形状により、及び、コラム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。 The trigger electrode 82 is energized by a separate drive circuit 86 that receives a voltage from the DC voltage source 32, but is otherwise independent of the DC / DC inverter 34 and the nonlinear magnetic compressor 36 or storage capacitor 80. . The drive circuit 86 has two non-linear compression stages and can be energized in response to an input signal to the SCR 87 to initiate energization of the trigger electrode 82 . The signal to the SCR 87 can respond, for example, to the detection of a voltage or charge across the storage capacitor 80 and the start of energization when this voltage reaches a predetermined value, or when the storage capacitor 80 begins to charge. It can respond to the timer that is started when the capacitor has allowed enough time to reach the desired value, biasing occurs. The nonlinear magnetic compressor 36 can be timed so that energization occurs when the inductor 60 is saturated. Controlled starting at the base of column 16, the geometry that is towards the inside of the hole 74, and, more narrow in the column 16 is the base end portion, further increasing the pressure in this area, therefore, For the reasons mentioned above, this is improved by the fact that it guarantees the onset of destruction in this area.

各トリガ電極82は、ハウジング77の開口89に嵌合し、トリガ電極82を適所で固定するために開口89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。トリガ電極82の前端は開口89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82のまわりの穴74を通って流れることができる。例えば、穴74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82はその最下方点で0.40インチ(約10.16mm)である。トリガ電極82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トリガ電極82を保護するためにコラム16内へは延びない。トリガ電極82の端部は、例えば、穴74の直径(7/16インチ(約11.1mm))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。 Each trigger electrode 82 is a spark plug-like structure having a screw section that fits into an opening 89 in the housing 77 and is screwed into the opening 89 to secure the trigger electrode 82 in place. The front end of the trigger electrode 82 has a diameter that is narrower than the diameter of the opening 89 , so that propellant gas can flow through the hole 74 around the trigger electrode 82 . For example, the hole 74 can be 0.44 inches (about 11.18 mm) in diameter, while the trigger electrode 82 is 0.40 inches (about 10.16 mm) at its lowest point. The trigger element 91 of the trigger electrode 82 extends near the end of the hole 74 adjacent to the column 16, but preferably into the column 16 to protect the trigger electrode 82 against plasma forces that develop in the column 16. Does not extend. The end of the trigger electrode 82 can be separated from the end of the hole 74 by a distance approximately equal to the diameter of the hole 74 (7/16 inch), for example.

トリガ電極82及び、中央電極及び外側電極12、14の双方は共通の直流電圧源32から付勢されるが、中央電極12及び外側電極14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、中央電極及び外側電極12、14は典型的には400ないし800ボルトで作動するが、トリガ電極82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。 Both the trigger electrode 82 and the central and outer electrodes 12, 14 are powered from a common DC voltage source 32, but the drive circuitry for the central electrode 12 and the outer electrode 14 is independent and substantially Generate different voltages and power while operating simultaneously. For example, the center and outer electrodes 12, 14 typically operate from 400 to 800 volts, while the trigger electrode 82 can have a voltage of 5 Kv across it. However, this voltage exists for a very short period of time, for example 100 ns (nanoseconds), so that the energy is very small, for example 1/20 Joule.

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である外側電極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を付けて前方に流出し、ガスは最初に中央電極12から出て、後に外側電極14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14のテーパはハウジング28の開拡端部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。 Another possible problem with the type of thruster shown in FIGS. 1 and 2 is that the Lorentz force across the column 16 is not equalized and is maximized in the vicinity of the central electrode 12, from which the outer electrode is the cathode outward. 14 to decrease somewhat uniformly. As a result, the gas plasma flows out at an angle and the gas first exits the central electrode 12 and later extends towards the outer electrode 14 . Thus, the outer electrode 14 can be made shorter in order to facilitate the uniform exit of gas across the thruster from the thruster, but this is not done for the preferred embodiment. The taper of the outer electrode 14 is provided for the same reason as the taper at the widened end 30 of the housing 28 and is optional for the same reason as described in connection with this taper.

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12
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14でのガス質量よりも中央電極12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12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14が実質上必要でない1つの理由である。
The problem of non-uniform velocity within the column 16 is also that most of the gas passes through the hole 89 to the central electrode 12.
2 and / or in the vicinity thereof is handled in FIG. 2 by making the gas mass at the central electrode 12 greater than the gas mass at the outer electrode 14 so as to enter the column 16. If this is done carefully so that the greater mass in the vicinity of the central electrode 12 cancels out the greater acceleration force there, a more uniform velocity can be achieved radially across the column 16, so that the gas / plasma Flows out uniformly from the end of the thruster (ie, the front surface is perpendicular to the electrode). This modification is one reason why a shorter outer electrode 14 is virtually unnecessary.

上述の差異を除き、図2のスラスタ10´は図1のスラスタ10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12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、共通の源から推進ガスを受け取る。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ガス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。 Except for the above-mentioned differences, the thruster 10 'of FIG. 2 operates in the same manner as the thruster 10 of FIG. Furthermore, although the figure shows a single thruster, in space or other applications, multiple thrusters can be used, such as 12 thrusters, each thruster operating at less than 1 joule per pulse. 1 kg or less. All thrusters are operated by a central power source, have a central controller, and receive propellant gas from a common source. The latter does not depend on the fuel supply for the most frequently used thrusters, as in the case of solid fuel thrusters where the operational life of the spacecraft utilizing the thrusters is the same, but only by the total propulsion gas onboard the spacecraft. It is particularly advantageous for the thrusters of the present invention in that it depends on

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、このプラズマ90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、外側電極14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。外側電極14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、中央電極12、外側電極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14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12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ス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電極14での速度よりも一層速い速度を中央電極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12の端部から放出されるのを保証するように、調整される。 Figure 3 shows another embodiment of the plasma gun in accordance with the teachings of the present invention, the plasma gun 90 is suitable for use as a radiation source rather than as a thruster. This embodiment of the invention uses a driver similar to that shown in FIG. 1 with a DC / DC inverter 34 and a non-linear magnetic compressor 36, and gas around the trigger electrode 82 through a hole 74 in the outer electrode 14. Has a manifold 72 '. However, for this embodiment, no propellant gas is input from the central electrode 12. The outer electrode 14 is also not tapered and has approximately the same length as the central electrode 12. For this embodiment of the invention, the length of the central electrode 12, the outer electrode 14 is also shorter than that for the thruster embodiment, and when the discharge current is maximum, the gas / plasma is Reach the end of the electrode / column. Typically, the capacitor approaches the half voltage point at this point. Further, for radiation source applications, the outer electrode 14 may be solid or perforated. It has been found that the best results are achieved with the outer electrode 14 consisting of a collection of rods that are typically evenly spaced to form a circle. According to the shape described above, when the plasma is emitted from the end of the central electrode 12 , the magnetic field generates a force that drives the plasma into the clamp and significantly increases its temperature. The higher the current and hence the magnetic field, the higher the final plasma temperature. Moreover, you are not necessary to perform the effort to profile the gas to achieve a more uniform velocity across column 16, static, uniform gas fill is typically used. Therefore, it is not necessary to introduce gas at the base end of the column 16, which is more preferable. The unprofiled gas produces a velocity at the central electrode 12 that is faster than that at the outer electrode 14. The capacitance, gas concentration and electrode length at the driver are adjusted to ensure that the plasma surface is emitted from the end of the central electrode 12 when the current is near its maximum value.

プラズマが中央電極12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。中央電極12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。 When the plasma is emitted from the end of the central electrode 12 , the plasma surface is pushed inward. The plasma forms an umbrella or fountain shape. The magnetic field of current flowing through the plasma column directly adjacent to the tip of the central electrode 12 provides an inward pressure that is maintained until the gas pressure reaches equilibrium with the inward magnetic pressure. Tighten inward.

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ガス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、元素は中央電極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、陰極すなわち外側電極14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/λ4=(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、中央チャンネル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=121.5nm/N2(ここに、Nは蒸発してい
中央チャンネル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。
Using this technique, temperatures at least 100 times higher than the surface of the sun can be achieved in the clamp. Radiation of the desired wavelength is obtained from the plasma gun by introducing a generally gaseous element having a spectral line at that wavelength at the clamp. This can be achieved by a plasma gas functioning as an element or by an element introduced into the clamp in some other way, but for the preferred embodiment the element is a central channel formed in the central electrode 12. 92. The central electrode 12 is preferably cooled at its base end by a flow of cooling water, gas or other material in contact with it over a portion of the housing. This provides a large temperature gradient with the cathode or tip of the outer electrode 14 , which can be approximately 1200 ° C. when plasma tightening occurs. In particular, at high temperatures, the radiation intensity is inversely proportional to the fourth power of the wavelength (ie, intensity≈1 / λ 4 = (f / c) 4 ; where λ is the desired radiation wavelength and f is the desired radiation frequency. , C is the speed of light). Thus, for certain gases / elements that are sent through the central channel 92 to the clamp or otherwise delivered to the clamp, the maximum intensity is the shortest emitted from the element during the decay from the 2P → 1S state. Obtained for a wavelength signal, this signal is for an elemental atom in a single electronic state (ie, an atom that has risen to a high energy state such that most of the atoms have been removed from the molecule). can get. For atoms in the single electronic state, the wavelength λ is given by λ = 121.5 nm / N 2, where N is the atomic number of the element in the evaporating central channel 92. Using this equation, the wavelength with the highest energy for the first six elements of the periodic table is shown in Table 1 below.

Figure 0004223989
Figure 0004223989

中央チャンネル92を通して供給されたガスがその単一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、その元素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単一電子波長でのエネルギの1/1010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。 To the extent that the supplied gas is not completely converted to its single electron state through the central channel 92, moreover, at a temperature that is present in the clamping unit, in case the majority of the gas is not substantially ionized in this state Even radiation is also output at other spectral wavelengths of the element. However, as is apparent from the above equation, these radiations have very low intensity, which is only a fraction of the intensity of the single electronic state. Thus, for example, atomic number 54 xenon has a small value of 0.04 nm single electron wavelength, but also has energy at a useful 13 nm wavelength, as outlined. However, the energy at 13 nm is 1/10 10 of the energy at the single-electron wavelength of the temperature at the optimum clamp for the single-electron state, and substantially lower orders at lower laser clamping temperatures. It becomes the size of. The reason is that it is impossible to forcibly emit a small amount of energy (≤1 / 4) or more alone at 13 nm because of the shape of the black body radiation curve that depends on determining the relative line size. This is because the temperature changes greatly.

そのため、元素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、その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。   Thus, in order to use radiation at a wavelength other than the optimum single electron wavelength of an element, it is necessary to filter the shorter wavelength of higher intensity being emitted for that element. FIG. 3 shows one way of doing this, in which the radiation 94 emitted from the plasma gun 90 absorbs all wavelengths of radiation except the desired wavelength that is reflected towards the desired target. Is supplied to a mirror 96 of a type known in the art. Other filters that are at least high-pass filters for the desired and higher wavelengths can also be used.

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中央チャンネル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としての鏡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すなわちプラズマ銃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(TOPT)はウィーンの変位則TOPT=0.2898cm×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中央チャンネル92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。
Thus, if possible, it is desirable to use elements for the gas or other elements supplied to the central channel 92 that generate radiation at the desired wavelength in the single-electron state of maximum energy. However, in the absence of any element that emits radiation at the desired wavelength in a single electronic state, and from Table 1, a very low wavelength of about 7.6 nm or more is actually available for the element in the maximum energy state. Is found, an appropriate filter must be found, such as the element that emits radiation at the desired wavelength and the mirror 96 as a filter used to obtain radiation at the desired wavelength. Since this radiation is much less intense than radiation at a wavelength in the single electronic state, a larger, substantially more expensive device or plasma gun 90 is generally required to obtain sufficient energy at the lower intensity. The intensity of radiation at a given wavelength is given in units of watts / (meters) 2 / hertz and varies as a function of the frequency or wavelength of radiation, temperature and emissivity. The emissivity is a function having a maximum value of 1, and it is important to select the gas having the maximum emissivity at the desired output frequency / wavelength. The optimum clamping temperature (T OPT ) for a given wavelength λ can be determined from the Wien displacement law T OPT = 0.2898 cm × K ° / λ (where K ° is the temperature of the plasma in Kelvin). Since only a very small amount of gas is ionized to generate radiation during each clamp, xenon can flow through the central channel 92 at a relatively slow rate to obtain 13 nm radiation. However, as described above, when xenon is used, the output radiation at 13 nm has a relatively weak intensity, and a filter such as a mirror 96 is required to obtain useful radiation at this wavelength. For this reason, lithium, which is known from Table 1 to have a wavelength of maximum intensity at substantially the desired wavelength (ie at 13.5 nm), is the preferred element for radiation at this wavelength.

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12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98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、中央電極12の端部の開口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。リチウムコア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。 FIG. 4 shows the central electrode 12 for an embodiment that utilizes lithium vapor to produce the desired radiation. Referring to this figure, a solid lithium core 98 is held in a tube 100 of material such as stainless steel, the tip of the tube 100 being near the tip along the central electrode 12 and about 900 ° C. during plasma clamping. The temperature reaches a temperature, and lithium vapor is generated from the end of the lithium core 98 at a pressure of about 1 Torr. The lithium vapor flows out of the opening 102 at the end of the central electrode 12 at a flow rate that replaces argon or other plasma gas at the tip, and this required flow rate is, for the illustrated embodiment, The range is about 1-10 grams per year. Tube 100 can be slowly advanced in any suitable manner to hold the front end of lithium core 98 in place. When the lithium core 98 is used up, it can be replaced. A small amount of helium gas is preferably supplied around the tube 100 and flows out of the opening 102 to ensure that only lithium and helium are present in the clamping area. The reason is that argon, although a small amount, produces a high energy, short wavelength line that, if not filtered, will interfere with 13 nm radiation at the desired target.

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14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。 Another method of providing the clamp with lithium or other suitable material is a sintered powder refractory metal saturated with liquid lithium or other suitable material in a fluid (ie, liquid or gas) state, with the central electrode 12 and the outer It is to form at least one of the electrodes 14 . By pressing a powdered refractory material such as tungsten with a suitable binder and then sintering the resulting mass at high temperature, a metal such as tungsten or molybdenum can be produced in the desired electrode shape. The resulting porous refractory metal matrix can be impregnated with liquid lithium or other desired material to provide another means of introducing improved lifetime and lithium / material into the discharge. If desired, liquid lithium can always be supplied to the metal matrix of the electrode during operation so as to provide a virtually infinite life of the process without having to replace the radiation generating material. One limitation in selecting powdered refractory metals is to ensure that the metal does not dissolve in the radiation-generating material that is burning in it.

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中央チャンネル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。 If xenon is used to obtain 13 nm radiation, xenon must be confined in the immediate vicinity of the clamp because xenon has significant absorption at that wavelength. If the radiation used is at a wavelength other than the single electron wavelength for the element / gas in the central channel 92, as in xenon, a small amount of the element is ionized to its single electronic state and further The temperature at the clamp can be controlled to provide a large amount of radiation at a long wavelength and a small amount of radiation at a shorter wavelength (but stronger radiation).

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。   In addition, it is desirable that the cone angle of the emitted radiation is as small as possible. A small cone angle is achieved when the stimulated emission of radiation from the radiating gas at the clamping part is greater than the spontaneous emission, and the natural emission is more dispersive. In particular, assuming that the Boltzmann constant k × temperature at the tightening portion is higher than the radiation frequency f × Planck's constant h, the ratio of spontaneous radiation B to stimulated radiation A is given by (B / A = kT / hf). For example, if this ratio is equal to 20 (ie, the plasma temperature is 20 times the photon energy in question), the half cone angle will be about 25 °. The higher the plasma temperature, the smaller the cone angle. However, the shorter the wavelength of radiation, the more difficult it is to achieve a small cone angle. However, cone angle is one of the factors to consider when choosing current and other parameters to achieve the desired temperature at the clamp.

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、この主ソリッドステートドライバ110は直流電圧源32と、直流/直流コンバータ34と、非線形磁気コンプレッサ(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74内のトリガ電極82を利用するが、これは、トリガ電極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信号源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、主ソリッドステートドライバ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。直流バイアス源118は、駆動回路86の如き整形及び制御回路を介して実質上給電される直流電圧源32とすることができ、または、用途に応じて別の電圧源とすることができる。 FIG. 5 shows a book that can be used as a thruster, radiation source or other function utilizing a plasma gun, depending on factors such as electrode length and whether or not a radiation emitting element / gas is introduced through the central electrode 12. Another embodiment of the invention is shown. The plasma gun is shown as being driven by a main solid state driver 110. For the preferred embodiment, the main solid state driver 110 includes a DC voltage source 32, a DC / DC converter 34, a non-linear magnetic compressor ( NMC ) 36. However, this embodiment utilizes a trigger electrode 82 in hole 74 for plasma starting, which includes a resonant coaxial line 116 where the trigger electrode or other electrode functions as a DC blocking capacitor 114 and a matching transformer. Via the pulse RF signal source 112, and is different from the previous embodiment. For the preferred embodiment, the RF signal is at a frequency between 10 MHZ and 1,000 MHZ and is activated for about 1 to 10 microseconds prior to activation of the main solid state driver 110. FIG. 5 also shows an optional DC bias source 118 connected to the center electrode 12 via an AC filter coil 120. DC bias source 118, Ki out to a DC voltage source 32 which is substantially powered via such shaping and control circuit of the driver circuit 86, or may be a different voltage source depending on the application.

図5において、コラム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コラム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個のトリガ電極を有し、そして、6個又は8個(又は可能ならそれ以上)のトリガ電極を有することができる。4個のトリガ電極の場合、図示のトリガ電極に供給されたRF信号は第1相となり、図示のものに対して90゜の位置にあるトリガ電極に供給された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、各相はコラム16の両側で一対のトリガ電極に供給される。8個のトリガ電極の場合、2相信号が好適には利用され、1つの相は1つおきの電極に供給され、第2の相はこれらトリガ電極間のトリガ電極に供給され、4相信号も使用できる。プラズマ始動のために直流信号ではなくRF信号を使用する理由は、トリガ電極に供給されたRF信号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コラム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RF信号源112からのRF信号と同時に供給される直流バイアス源118からの直流バイアスは更に、特に中央電極12の近傍での均一なイオン化に寄与し、RF信号源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12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中央電極12へ供給することができる。
In FIG. 5, only two trigger electrodes or spark plugs 82, 91 located on either side of the column 16 are shown, but the plasma gun is preferably at least four trigger electrodes spaced equidistantly around the periphery of the column 16. And can have 6 or 8 (or more if possible) trigger electrodes. For four trigger electrodes, RF signals supplied to the trigger electrode of the shown next to the first phase, RF signals supplied to the trigger electrode in the position of 90 ° with respect to those illustrated with respect to the first phase The second phase is 90 ° out of phase. For a plasma gun having six trigger electrodes, a three-phase RF signal is used and each phase is fed to a pair of trigger electrodes on both sides of the column 16. For eight trigger electrode, suitable 2-phase signal is available, the one phase is supplied to every other electrode, the second phase is supplied to the trigger electrode between these trigger electrode, four-phase signal Can also be used. The reason for using an RF signal rather than a DC signal for plasma start is that the RF signal applied to the trigger electrode causes more uniform and almost completely uniform volumetric ionization or start in column 16. Preferably the line (s) 1 DC bias from DC bias source 118 to the RF signal to be simultaneously supplied from an RF signal source 112 in response to control signals on 22 may further especially in the vicinity of the center electrode 12 This contributes to uniform ionization and reduces the required power at the RF signal source 112. DC bias may be supplied to the central electrode 12 as shown, or, for example, can be RF signal is supplied to the RF signal series or central electrode 12 in parallel to modulate the DC bias.

図6は、例えば互いに90゜の角度で位置する2つのトリガ電極スパークプラグ82、82′へのRF信号112の接続を示す。プラズマ銃内には2つの付加的なトリガ極が存在し、第2のトリガ電極82は図示のトリガ電極82に対して180゜の角度で位置し、トリガ電極82のための図示の方法で接続され、第2のトリガ電極82′は図示のトリガ電極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。RF信号源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126、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トリガ電極82を有し、一方、同軸ライン126′は半波長長さであり、その短くなっていない端部でトリガ電極82′を有する。四分の一波長長さの同軸ライン126及び半波長長さの同軸ライン126′では、トリガ電極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、RF信号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。位置L1からλ/4離れたRF信号112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L2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。同軸ライン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信号112は常に整合負荷を監視し、最初に一対のトリガ電極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の対のトリガ電極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信号112のためのパラメータを与える。 FIG. 6 shows the connection of the RF signal source 112 to, for example, two trigger electrodes ( spark plugs ) 82, 82 ′ located at an angle of 90 ° to each other. In in the plasma gun there are two additional trigger electrodes, the second trigger electrode 82 is located at an angle of 180 ° with respect to the trigger electrodes 82 shown, the illustrated for the trigger electrodes 82 METHOD Connected, the second trigger electrode 82 'is located at an angle of 180 ° from the illustrated trigger electrode 82' and is connected in the same manner as this electrode. The RF signal source 112 is connected to a point near the shortened ends of the coaxial lines 126, 126 'via the quarter-waveguide coaxial lines 124, 124', but at a distance from the shortened ends, respectively. They are separated by L1 and L2. Coaxial line 126 has a quarter wavelength length and has a trigger electrode 82 at its non-shortened end, while coaxial line 126 'has a half-wavelength and its non-shortened end. And a trigger electrode 82 '. For quarter-wavelength coaxial line 126 and half-wavelength coaxial line 126 ′, the desired phase difference for the RF signal is achieved at trigger electrodes 82, 82 ′. The coaxial line also provides a large voltage boost and, if the coupling positions / distances L1, L2 are correctly selected, rely on the RF signal source as a matched load until breakdown is achieved. If a good quality coaxial line is used, a voltage step-up ratio of about 10-20: 1 can be easily achieved. When breakdown is achieved, the line becomes like a short circuit at position L1. At the input coupled to the RF signal source 112 λ / 4 away from the position L1, the apparent impedance looks like an open circuit. Furthermore, if the position L2 is correctly selected, this line will look like a matching load after the break has begun. Although it is desirable to keep the coaxial lines 126, 126 'as short as possible, the desired phase and impedance matching can be substantially achieved for the lines at respective lengths of (2M-1) λ / 4, Mλ / 2. Therefore, the RF signal source 112 always monitors the matched load and first causes a voltage boost at the pair of trigger electrodes , then the voltage is started at the second pair of trigger electrodes 82 'after the plasma is started. Provides a fall, but provides a current ramp. The following Table 2 provides parameters for the RF signal source 112 of FIG. 6 for the illustrated embodiment.

Figure 0004223989
Figure 0004223989

RF信号112のみから又はRF信号112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。 The RF frequency and voltage from the RF signal source 112 alone or from both the RF signal source 112 and the DC bias source 118 are determined from dimensions and operating pressure to provide maximum uniformity. In general, the RF frequency must be selected to be above the critical frequency, at which point the electrons in the gas are swept across the entire electrode gap in each half cycle at lower frequencies. The frequency has a long time and therefore disappears. Above the critical frequency, the electrons oscillate back and forth between the electrodes, facilitating gas ionization. The critical frequency for a given plasma gun design is determined by first calculating the fluidity.

Figure 0004223989
Figure 0004223989

ここに、νc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、
Here, ν c is a collision frequency, ω = 2πf (where f is a frequency of radiation), q is an electron charge, E is an electric field, and m is an electron mass. Therefore, the time for gas transition is

Figure 0004223989
Figure 0004223989

Figure 0004223989
Figure 0004223989

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、全体のプラズマ銃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バースト(burst)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/バーストを選択することができる。
Given in. Here, d is the distance between the electrodes.
For the thruster embodiment, the entire plasma gun 90 needs to be maintained in a near-vacuum environment (approximately gas pressure ≦ 10 Torr), which is further necessary because the radiation in the EUV band is easily absorbed. This is because it cannot be used to perform useful work except in a near vacuum environment. Propulsion efficiency is not very important for this embodiment, so there may be a single burst of radiation for each valve operation or valve operation period, and multiple pulses to provide radiation only for the desired period. / Burst can be selected.

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信号源112は、前述のように、先の実施の形態に対してRF信号源として利用することができるが、このような標準のRF信号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RF信号源を、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RF信号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ッドステートRF信号源を示す。特に、RF信号源130の回路は標準のRF信号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。 Magnetron, RF signal source 112, such as a standard high voltage klystron or RF amplifiers, as described above, can be utilized as an RF signal source with respect to the previous embodiment, such a standard RF signal Sources are expensive to purchase and use, are large and generate significant heat that increases the thermal management burden of the equipment used. Therefore, such a RF signal source is significantly cheaper to purchase and operation, it is preferable to be replaced with a more compact RF signal source generates significantly less heat. Figure 7A shows the RF signal source solid state to meet these requirements. In particular, the circuit of the RF signal source 130 generates RF power at a cost of about 1% of the cost of a standard RF signal source, not a large cabinet, but a circuit board space that is, for example, “6” or “8” times smaller. It turned out to occupy.

図7Aを参照すると、RF信号源130は電圧源、例えば前述の直流電圧源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MOSFET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。多段非線形磁気パルス圧縮回路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、この出力セクション138の共振回路はコンデンサCR及び飽和可能な誘導子LRを含む。コンデンサCR多段非線形磁気パルス圧縮回路136の第n段のコンデンサCNから共振的に充電される。コンデンサNはキャパシタンスがコンデンサRよりも一層小さくなるように選定され、そのため、コンデンサRコンデンサNの充電中に反転する。代わりに、誘導子Rは、コンデンサNからコンデンサ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、誘導子Rが飽和しコンデンサRがそのピークチャージに達する前に、コンデンサNに対して逆
電圧が生じる。これらの条件下で、誘導子Rの順次の飽和により、誘導子Rが図7Cに示すようにコンデンサRを振動させる。本発明のプラズマ始動応用に対しては、RF信
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、RF信号源130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138の共振周波数FはコンデンサR誘導子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ROと容量性素子CO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CRからのエネルギの一部を出力端子142に結合し、出力結合回路
140のインピーダンスは各サイクルに対してコンデンサ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7Aに示すRF信号源130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RF信号源130の回路の性能特性を有するソリッドステートのRF信号源は現在存在せず、それ故、このようなRF信号源130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RF信号源130もまた本発明の一部となる。
Referring to FIG. 7A, the RF signal source 130 includes a capacitor 132 that is charged in a standard fashion from a voltage source, such as the DC voltage source 32 described above. Solid state switch 134, which can be, for example, an SCR, IGBT, or MOSFET, allows capacitor 132 to discharge to the input of a multistage nonlinear magnetic pulse compression circuit 136 of the type described above when closed or energized. . The multi-stage nonlinear magnetic pulse compression circuit 136 can include multi-stages and / or transformers, an example of such a shape is shown and terminates in a specialized output section 138. The output section 138 forms a saturable resonant shunt for ground, and the resonant circuit of the output section 138 includes a capacitor C R and a saturable inductor L R. Capacitor C R is resonantly charged from n-th stage capacitor C N of multistage nonlinear magnetic pulse compression circuit 136 . Capacitor C N is selected such that the capacitance is much smaller than capacitor C R , so that capacitor C R is inverted during charging of capacitor C N. Alternatively, inductor L R can be selected to saturate before the transfer of charge from capacitor C N to capacitor C R is complete. When one or both of these conditions are met, a reverse voltage is created across capacitor C N before inductor L R saturates and capacitor C R reaches its peak charge. Under these conditions, the sequential saturation of the inductor L R, inductor L R vibrates the capacitor C R as shown in FIG. 7C. For plasma start-up applications of the present invention, the RF signal
Although only three or four cycles of the signal source are required as shown in FIG. 7C, the parameters of the RF signal source 130 can be selected to provide the desired number of cycles, depending on the application. The resonant frequency F of the output section 138 is determined by the values of the capacitor C R and the inductor L R , and either one of these values can be made adjustable to allow circuit tuning. An output coupling circuit 140 comprising a resistive element R O and a capacitive element C O is provided, each of which can be formed from a number of appropriately interconnected elements. Output coupling circuit 140 is coupled to the output terminal 142 a portion of the energy from the capacitor C R, the output coupling circuit
Impedance 140 only part of the energy stored in the capacitor C R for each cycle (e.g., 20% per cycle) is selected to remove. Furthermore, although particularly suitable for use in the plasma gun of the RF signal source 130 present invention shown in FIG. 7A, RF signal source solid state with the performance characteristics of the circuit of the RF signal source 130 shown in FIG. 7A is not currently present Thus, such an RF signal source 130 can also find use in other applications. Therefore, this RF signal source 130 is also part of the present invention.

RF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、コラム16内で必要な真空に対する破壊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。 Two possible problems in delivering the RF signal to the plasma gun are that a high voltage field occurs over a relatively large uniform area at the base of the column 16 and breakdown occurs in this area, and the column 16 The RF field is obtained at this point with minimal vacuum breakdown required. The latter is not a problem in space applications, but can be a problem in more common applications of plasma guns as radiation sources. FIG. 8A shows one way to achieve both objectives, while FIG. 8B shows a way to achieve only the second objective.

まず、図8Aを参照すると、セラミック誘電体150がコラム16のベースにおいて中心電極12及び外側電極14の間に設けられる。複数のトリガ電極152は、コラム16の外側のセラミック誘電体150の表面に装着され、セラミック誘電体150によりコラム16内のセラミック誘電体150の表面154から小距離だけ離間される。電極152と表面154との間のセラミック誘電体150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、セラミックの誘電体150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信号及び(又は)直流信号がトリガ電極152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。 First, referring to FIG. 8A, a ceramic dielectric 150 is provided between the center electrode 12 and the outer electrode 14 at the base of the column 16. The plurality of trigger electrodes 152 are mounted on the surface of the ceramic dielectric 150 outside the column 16 and are separated from the surface 154 of the ceramic dielectric 150 in the column 16 by a small distance by the ceramic dielectric 150. The thickness of the ceramic dielectric 150 between the electrode 152 and the surface 154 can typically be 1/8 inch or less so that the ceramic dielectric 150 does not crack or break. It is chosen to be as thin as possible while guaranteeing that. When an RF signal and / or a DC signal is applied to the trigger electrode 152, a high voltage field appears on the surface 154 to initiate the desired plasma breakdown.

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。トリガ電極152はセラミック誘電体150の外表面154′に装着され、RF信号及び(又は)直流信号をトリガ電極152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のコラム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16内へもたらされる。 The device of FIG. 8B differs from that of FIG. 8A in that the ceramic dielectric 150 ′ is formed as a collar over the bottom portion of the central electrode 12 and extends a small distance into the column 16. The trigger electrode 152 is mounted on the outer surface 154 ′ of the ceramic dielectric 150 and a high voltage field is formed on the surface 154 ′ when an RF signal and / or a DC signal is supplied to the trigger electrode 152. For applications where the entire plasma gun is not in a vacuum environment, the shape of FIG. 8A is preferred in that it is not necessary to bring electrical leads into the vacuum column 16, which is in contrast to the embodiment of FIG. 8B. Lead 156 is brought into the column 16.

また、始動後に初期の高電圧スパイクを中央電極12、及び外側電極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9B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信号160を有し、持続信号162がこれに続く。初期スパイク信号160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、中央電極12、外側電極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。 It has also been found that more uniform destruction can be achieved in the plasma gun by supplying an initial high voltage spike to the central electrode 12 and the outer electrode 14 after startup. FIG. 9A shows a circuit for achieving the desired waveform shown in FIG. 9B. In particular, the waveform has an initial spike signal 160, duration signal 162 follow. The initial spike signal 160 may be an about 10 times the magnitude of the voltage of the sustaining signals 162, but those of shorter duration, the central electrode 12, a small enough 1/10 of energy supplied to the outer electrodes 14 Deliver energy.

図9Aを参照すると、回路は第1の非線形磁気パルス圧縮回路164(その最終段のみを図9Aに示す)と、第2の非線形磁気パルス圧縮回路166(その最終段のみをも図に示す)とを有する。第2の非線形磁気パルス圧縮回路166は高電圧短期間のスパイク信号160を発生させ、一方、第1の非線形磁気パルス圧縮回路164はスパイク信号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。第1の非線形磁気パルス圧縮回路164の最終段のためのリアクタ168は、第1の非線形磁気パルス圧縮回路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、第2の非線形磁気パルス圧縮回路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、通常バイアスをかけられる。従って、この信号は第1の非線形磁気パルス圧縮回路164、特にその最終段のコンデンサ172へ供給されず、電圧スパイクから第1の非線形磁気パルス圧縮回路164を保護し、この信号のすべてが中央電極12、外側電極14へ供給されるのを保証する。スパイク信号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、中央電極12、外側電極14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168が再飽和するまで第1の非線形磁気パルス圧縮回路164からの持続信号162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。
Referring to FIG. 9A, the circuit includes a first nonlinear magnetic pulse compression circuit 164 (only its final stage is shown in FIG. 9A) and a second nonlinear magnetic pulse compression circuit 166 (only its final stage is also shown in the figure). And have. The second non-linear magnetic pulse compression circuit 166 generates a high voltage short duration spike signal 160, while the first non-linear magnetic pulse compression circuit 164 is a longer period low voltage signal that occurs at the end of the spike signal 160. A continuous signal 162 is generated. Reactor 168 for the last stage of the first linear magnetic pulse compression circuit 164 is being saturated in a direction so as to permit the flow of signals from the first non-linear magnetic pulse compression circuit 164, the second linear magnetic A normal bias is applied by a bias signal supplied via the bias winding 170 to block the reverse signal flow from the pulse compression circuit 166. Therefore, this signal is not supplied to the first non-linear magnetic pulse compression circuit 164, particularly to the capacitor 172 in its final stage, and protects the first non-linear magnetic pulse compression circuit 164 from voltage spikes, all of this signal being center electrode. 12, to be supplied to the outer electrode 14. The spike signal 160 begins to reverse the bias of the saturable reactor 168, partially overcoming the bias supplied thereto, and at the same time causes avalanche breakdown at the central electrode 12 and the outer electrode 14. This allows the selection of the optimum voltage and drive impedance level for the main discharge chain without concern over the breakdown voltage. The reversible bias of the saturable reactor 168 provides a delay for the sustained signal 162 from the first nonlinear magnetic pulse compression circuit 164 until the reactor 168 resaturates and provides a smooth transition between the two signals. .

例えば図3に示す型式のプラズマについての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、プラズマは中央電極12を下って駆動され、中央電極12の端部から放出され、プラズマシースは中央電極12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、プラズマ銃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。 For example, one problem with the type of plasma gun shown in FIG. 3 is that the plasma can be centimeters per microsecond to achieve a desired clamping temperature in the range of 100 eV to 1000 eV, depending on the desired frequency of radiation. A magnetic compression field on the order of Tesla sufficient to drive at speed is required. Due to these high velocities, the plasma is driven down the central electrode 12 and emitted from the end of the central electrode 12 , and the plasma sheath continues to move into the space away from the end of the central electrode 12 . As a result, the plasma sheath eventually loses its electrical connection to the clamping part, terminating the clamping and causing a large voltage transition. This voltage transition can cause a high voltage respike that can severely damage the electrode. The loss of electrical contact with the plasma sheath also results in a substantial decrease in power efficiency from the plasma gun , and the tightening can be several microseconds (eg, 2-4 microseconds). It lasts only about 100 nanoseconds, not a much longer period.

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12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、194B、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又はプラズマ銃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12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12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、このような距離はプラズマ銃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。 In accordance with the teachings of the present invention, this problem of plasma separation by providing a blast shield i.e. focusing device 194 adjacent the outlet end of the central electrode 12 to guide again back the plasma sheath towards the central electrode 12 Overcome by FIGS. 10A-10C show three possible embodiments of such shields or focusing devices (hereinafter collectively referred to as shields) 194A, 194B, 194C, which differ mainly in the shape of the focusing cavities 196A, 196B, 106C, respectively . Indicates. In particular, the cavity 196A has a generally spherical shape, and the cavity is mounted to the outer electrode 14 or a suitable housing component of the plasma gun by a suitable mounting component (not shown) so that the wall of the cavity 196A is the tip of the central electrode 12. Away from it by a certain distance. This certain distance is sufficient to prevent contact between the shield and the central electrode 12 , but short enough to produce plasma radiation returning to the central electrode 12 prior to plasma separation. Is. These objects are achieved by a distance in the range of approximately R to 2R, where R is the radius of the central electrode 12. However, such a distance can vary to some extent depending on other parameters of the plasma gun 10. The cavity 196B has a conical shape, and the cavity 196C has a parabolic shape. The parameters described above for the distance of the cavity from the end of the central electrode 12 apply to all three cavity shapes.

プラズマシースの分離を阻止し、プラズマシースをシールド194内に収容するのが望ましいが、シールド194がプラズマ銃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12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12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198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。 While it is desirable to prevent separation of the plasma sheath and contain the plasma sheath within the shield 194, it is important that the shield 194 does not conflict with the desired radiation outflow from the plasma gun 10. Thus, each shield 194 has a central opening 198A, 198B, 198C formed at the top of the corresponding cavity and having a center coaxial with the centerline of the central electrode 12 . The aperture 198 is preferably circular and has a diameter sufficient to allow radiation emitted at the tip of the central electrode 12 at an angle of ± 15 ° (approximately the angle of the emitted radiation) from the clamp to pass through the aperture 198 unobstructed. Have. The upper portion of each opening 198 tapers outward to facilitate radiation outflow while substantially limiting any escape of the plasma sheath.

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、Al23(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。 The material of the shield 194 must be a high temperature non-conductive material that can withstand temperatures in the range of approximately 1000 ° C. and above. Various high temperature ceramics have desirable properties, and for the illustrated embodiment, Al 2 O 3 (aluminum oxide) is utilized. Various glasses, quartz and sapphire also have desirable properties that serve as the material for the shield 194.

上述の説明において、プラズマ再指向させるためのシールド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194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、陰極すなわち外側電極14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。
In the above description, the shield 194 for redirecting the plasma has been shown to be used with a particular shaped radiation source, but this shield 194 may be any arbitrary where plasma separation may be a problem. Suitable for use with any radiation source, and therefore the invention is in no way limited by the particular radiation source shape of FIG. Similarly, although three cavity shapes for redirecting radiation to the cathode or outer electrode 14 are shown in FIGS. 10A-10C, other cavity shapes suitable for performing this function may be utilized. The specific materials described above are also merely exemplary.

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、放射線源としてのプラズマ銃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16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。 Furthermore, while the parameters for generating radiation at 13 nm have been described above, by controlling various parameters of the plasma gun 90 as a radiation source, and in particular from the element / gas utilized, the high voltage source. By carefully selecting the maximum current, the plasma temperature in the clamping region, the gas pressure in the column 16 and, in some cases, the radiation filter utilized, other wavelengths within the EUV band or in some cases outside this band. The radiation at can be obtained.

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PRFドライバも利用できる。同様に、好ましいソリッドステートRF信号源により駆動する電極トリガを用いた種々のプラズマ始動機構を説明したが、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。 Many types of gases can be used as the plasma gas for the plasma gun described above, but inert gases such as argon and xenon are often preferred. Other gases that can be used include nitrogen, hydrazine, helium, hydrogen and neon. As described above, when using a plasma gun as a radiation source as in the embodiment of FIG. 3, various elements / gases may be used to achieve a selected EUV or other wavelength, In the case, the plasma and the radiation gas are the same gas. For example, hydrogen gas can be selected to effectively obtain radiation at 121.5 nm within the VUV band. Furthermore, although various embodiments have been described above, it is obvious that these embodiments are merely illustrative and do not limit the present invention. For example, although the driver shown is advantageous for various applications, other high PRF drivers that have the appropriate voltage and rise time and do not require high voltage switching can also be used. Similarly, although description of various plasma starting mechanism using the electrode trigger being driven by an RF signal source preferably iso lid state, other methods for initiating plasma breakdown can also be used in appropriate applications. The shape of the electrodes and the applications given for the plasma gun are also exemplary. Thus, while the invention has been particularly shown and described in terms of preferred embodiments, those skilled in the art can make the above and other modifications which constitute details, while remaining within the spirit and spirit of the invention. Is defined only by the claims.

本発明のプラズマ銃の第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。1 is a semi-schematic, semi-cut side view of a first exemplary thruster embodiment of a plasma gun of the present invention. FIG. 本発明のプラズマ銃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。FIG. 5 is a semi-schematic half cut side view of another thruster embodiment of the plasma gun of the present invention. 本発明のプラズマ銃の放射線源の実施の形態の半概略半切断側面図である。It is a semi-schematic half cut side view of the embodiment of the radiation source of the plasma gun of the present invention. 本発明のプラズマ銃の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。4 is an enlarged (not to scale) cutaway view of the center electrode of FIG. 3 for one embodiment of the plasma gun of the present invention. FIG. 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信号で駆動するトリガ電極を有する本発明のプラズマ銃の実施の形態の半概略側切断図である。Depending on the relative dimensions, other factors can be used as a thruster or radiation source, and a semi-schematic side cutaway view of an embodiment of the plasma gun of the present invention having a trigger electrode driven with an RF signal according to the teachings of the present invention It is. 本発明のプラズマ銃におけるRF信号源を得るための別の実施を概略的に示す図である。FIG. 6 schematically illustrates another implementation for obtaining an RF signal source in the plasma gun of the present invention. 図7Aはトリガ電極を駆動するためRF信号源として使用するのに適したソリッドステートRF信号源の概略図であり、図7B及び図7Cは図7A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。7A is a schematic diagram of an RF signal source solid state suitable for use as an RF signal source for driving the trigger electrode, 7B and 7C a voltage across a certain capacitors in the circuit of Figure 7A FIG. 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。8A and 8B are cut-away partial side views of a portion of the plasma gun showing two different starter electrode shapes suitable for supplying a starting voltage to the plasma gun. 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。FIG. 9A is a schematic diagram of a pulse driver circuit suitable for use to drive a plasma gun of the present invention according to another embodiment, and FIG. 9B shows an output signal from the circuit of FIG. 9A. FIG. 本発明の球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。FIG. 6 is an enlarged side cross-sectional view showing the end of the central electrode and the shield for a spherical embodiment of the present invention. 本発明の円錐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。FIG. 6 is an enlarged side cross-sectional view showing the end of the central electrode and the shield for the conical embodiment of the present invention. 本発明の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。FIG. 6 is an enlarged side cross-sectional view showing the end of the central electrode and the shield for the parabolic embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 プラズマ銃
12 中央電極
14 外側電極
16 コラム
82 トリガ電極
130 回路
132 コンデンサ
134 ソリッドステートスイッチ
136 多段非線形磁気パルス圧縮回路
138 出力セクション
140 出力結合回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma gun 12 Center electrode 14 Outer electrode 16 Column 82 Trigger electrode 130 Circuit 132 Capacitor 134 Solid state switch 136 Multistage nonlinear magnetic pulse compression circuit 138 Output section 140 Output coupling circuit

Claims (16)

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、同軸のコラム(16)が上記中央電極と上記外側電極との間に形成され、上記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);
上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記中央電極及び外側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;110;164、166)であって、プラズマが上記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;
上記コラム(16)の上記ベース端部の、複数のトリガ電極(82;152);及び
上記複数のトリガ電極(82;152)に接続されて、上記複数のトリガ電極(82;152)にRF信号を選択的に提供する無線周波数(RF)信号源(112、130)であって、上記トリガ電極が上記ソリッドステート高反復率パルスドライバ(32、34、36;110;164、166)により上記中央電極及び外側電極を横切って供給される各高電圧パルスに対して3または4振動サイクルを受けるようになっている、RF信号源;
を有することを特徴とするプラズマ銃。
In the high PRF plasma gun (10, 10 ', 90)
Central electrode (12);
An outer electrode (14) substantially coaxial with the central electrode, wherein a coaxial column (16) is formed between the central electrode and the outer electrode, the column being closed and open with a base end; An outer electrode having an outlet end;
An inlet mechanism (70, 72, 74) for introducing the selected gas into the column;
With a solid state high repetition rate pulse driver (32, 34, 36 ; 110; 164 , 166 ) operable to deliver a high voltage pulse across the center and outer electrodes during plasma start-up at the base of the column A solid-state high repetition rate pulse driver in which plasma expands from the base end of the column and exits from the exit end of the column;
The plurality of trigger electrodes (82 ; 152 ); and the plurality of trigger electrodes (82 ; 152 ) at the base end of the column (16) are connected to the plurality of trigger electrodes (82 ; 152 ). A radio frequency (RF) signal source (112, 130) that selectively provides a signal, wherein the trigger electrode is driven by the solid state high repetition rate pulse driver (32, 34, 36 ; 110; 164, 166 ). An RF signal source adapted to undergo 3 or 4 oscillation cycles for each high voltage pulse delivered across the central and outer electrodes;
A plasma gun characterized by comprising:
上記RF信号源(112、130)が10MHzないし1000MHzの範囲の周波数でRF信号を発生することを特徴とする、上記請求項1記載のプラズマ銃。   The plasma gun of any preceding claim, wherein the RF signal source (112, 130) generates an RF signal at a frequency in the range of 10 MHz to 1000 MHz. 上記複数のトリガ電極が、セラミック誘電体(150;150´)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トリガ電極(152)からなり、上記複数のトリガ電極が、上記コラムの上記ベース端部における上記セラミック誘電体の表面で、高電圧場を生じさせることを特徴とする、請求項1記載のプラズマ銃。 The plurality of trigger electrodes comprises a plurality of trigger electrodes (152) attached to a ceramic dielectric (150; 150 ') and spaced substantially uniformly around the column (16), the plurality of triggers The plasma gun of claim 1, wherein the electrode produces a high voltage field at the surface of the ceramic dielectric at the base end of the column. 上記セラミック誘電体(150´)が上記中央電極のベース端部において上記中央電極を取り囲み、上記複数のトリガ電極(152)が上セラミック誘電体(150´)に取り付けられることを特徴とする請求項3記載のプラズマ銃。 Claims the ceramic dielectric (150 ') surrounds the central electrode at the base end portion of the center electrode, the plurality of trigger electrodes (152) is characterized in that it is attached to the upper Symbol ceramic dielectric (150') Item 4. The plasma gun according to Item 3. 上記セラミック誘電体(150)が上記コラム(16)のベースを形成し、上記複数のトリガ電極(152)、上記セラミック誘電体(150)の、上記コラムとは反対側から該セラミック誘電体に取付けられ、上記セラミック誘電体(150)により上記コラムから離間され、上記複数のトリガ電極(152)に上記RF信号を供給することで上記セラミック誘電体(150)の上記コラム側の表面(154)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3記載のプラズマ銃。 The ceramic dielectric (150) forms the base of the column (16), the plurality of trigger electrodes (152) is, the ceramic dielectric (150), said ceramic dielectric from the opposite side to the said column attached to, the ceramic dielectric by (150) is between one et away the column, the column-side surface of the ceramic dielectric by supplying the RF signal to the plurality of trigger electrodes 152 150 The plasma gun of claim 3, wherein a high voltage field is generated in (154) . 上記中央電極(12)及び上記外側電極(14)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記載のプラズマ銃。   The plasma gun according to claim 1, wherein at least one of the central electrode (12) and the outer electrode (14) is formed of a sintered powder refractory metal. 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可能であり、
上記中央電極(12)及び上記外側電極(14)の焼結粉末耐火金属で形成された上記少なくとも一方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、
上記流体材料が液体リチウムである
ことを特徴とする請求項6記載のプラズマ銃。
The plasma gun is operable as a radiation source at a selected wavelength;
The at least one formed of sintered powder refractory metal of the central electrode (12) and the outer electrode (14) is saturated with a fluid material suitable for generating radiation at the selected wavelength;
7. The plasma gun according to claim 6, wherein the fluid material is liquid lithium.
作動中に上記中央電極(12)及び上記外側電極(14)の少なくとも一方へ追加のリチウムが供給されることを特徴とする請求項7記載のプラズマ銃。 Plasma gun according to claim 7, wherein the at least additional lithium into one of the upper Symbol central electrode during operation (12) and the outer electrode (14) is characterized in that it is supplied. 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6記載のプラズマ銃。 7. The plasma gun according to claim 6, wherein both the central electrode and the outer electrode are formed of the sintered powder refractory metal. 上記ソリッドステート高反復率パルスドライバ(164、166)が、高電圧スパイク(160)を提供し、上記高電圧スパイク(160)より低い電圧で且つ上記高電圧スパイクより長い期間の持続信号(162)が上記高電圧スパイク(160)に続き、上記ソリッドステート高反復率パルスドライバ(164、166)内に貯蔵された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記載のプラズマ銃。 The solid state high repetition rate pulse driver ( 164 , 166) provides a high voltage spike (160), a duration signal (162) at a voltage lower than the high voltage spike (160) and longer than the high voltage spike. 2. The method of claim 1, wherein following the high voltage spike (160), most of the energy stored in the solid state high repetition rate pulse driver (164, 166) is provided by the sustain signal. Plasma gun. 上記ソリッドステート高反復率パルスドライバが、上記高電圧スパイク(160)を発生するための第1の非線形磁気パルス圧縮回路(166)と、上記持続信号(162)を発生するための第2の非線形磁気パルス圧縮回路(164)とを有することを特徴とする請求項10記載のプラズマ銃。 The solid state high repetition rate pulse driver has a first non-linear magnetic pulse compression circuit (166) for generating the high voltage spike (160) and a second non-linear for generating the sustain signal (162). 11. A plasma gun according to claim 10, comprising a magnetic pulse compression circuit (164). 上記第2の非線形磁気パルス圧縮回路(164)が少なくとも2つの段を有し、
上記段のうちの最終段の飽和可能なリアクタ(168)が、上記第1の非線形磁気パルス圧縮回路(166)からの上記高電圧スパイクが第2の非線形磁気パルス圧縮回路(164)へ進入することを阻止するように、通常、バイアスがかけられており、
上記リアクタ(168)が上記持続信号を通すように再び飽和されるまで上記第2の非線形磁気パルス圧縮回路(164)からの初期流れを禁止するように、上記高電圧スパイクが、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11記載のプラズマ銃。
The second nonlinear magnetic pulse compression circuit (164) has at least two stages;
The saturable reactor (168) in the last of the stages causes the high voltage spike from the first nonlinear magnetic pulse compression circuit (166) to enter the second nonlinear magnetic pulse compression circuit (164). Usually biased to prevent that,
The high voltage spike is applied to the reactor (168) to inhibit initial flow from the second non-linear magnetic pulse compression circuit (164) until the reactor (168) is saturated again to pass the sustained signal. The plasma gun according to claim 11, wherein the plasma gun is partially desaturated.
上記RF信号源(112、130)と上記複数のトリガ電極(82)との間に接続される直流遮断コンデンサ(114)を更に含むことを特徴とする請求項1記載のプラズマ銃。   The plasma gun according to claim 1, further comprising a DC blocking capacitor (114) connected between the RF signal source (112, 130) and the plurality of trigger electrodes (82). 上記RF信号源(112、130)が、臨界周波数以上の周波数で上記RF信号を発生し、
上記臨界周波数は、これよりも低い周波数では、上記選択されたガス内の電子が、上記RF信号の各半サイクルにおいて、対向する上記中央電極(12)および外側電極(14)の間の全ギャップを横切って払拭されるような時間を有する周波数である、請求項1記載のプラズマ銃。
The RF signal source (112, 130) generates the RF signal at a frequency above a critical frequency;
The critical frequency is lower than that at which the electrons in the selected gas have a full gap between the opposing central electrode (12) and outer electrode (14) in each half cycle of the RF signal. The plasma gun of claim 1, wherein the plasma gun has a frequency that has a time such that it is wiped across.
上記ソリッドステート高反復率パルスドライバ(32、34、36;110;164、166)が、上記中央電極及び上記外側電極を横切って高電圧パルスを発生することを特徴とする請求項2記載のプラズマ銃。 The plasma of claim 2, wherein the solid state high repetition rate pulse driver (32, 34, 36 ; 110; 164, 166 ) generates a high voltage pulse across the central electrode and the outer electrode. gun. 上記RF信号源(130)が、
エネルギが移送されたときに上記RF信号源(130)により発生する上記RF信号の周波数に対応する共振周波数で発振する共振回路(138)と;
エネルギ源(32、132)から上記共振回路(138)へ多くのエネルギが移送され、これにより上記共振回路(138)が上記共振周波数で発振するように、上記エネルギ源(32、132)へ上記共振回路(138)を選択的に接続するスイッチ(134)と;
上記共振回路(138)から上記複数のトリガ電極(82)へ振動信号を供給するように上記共振回路(138)と上記複数のトリガ電極(82)との間に接続される出力結合回路(140)であって、上記共振回路(138)の振動サイクルあたり、上記共振回路(138)から移送されるエネルギの一部を上記複数のトリガ電極(82)に結合する出力結合回路(140)と;
を備えることを特徴とする請求項1記載のプラズマ銃。
The RF signal source (130) is
A resonant circuit (138) that oscillates at a resonant frequency corresponding to the frequency of the RF signal generated by the RF signal source (130) when energy is transferred;
A large amount of energy is transferred from the energy source (32, 132) to the resonant circuit (138), thereby causing the resonant circuit (138) to oscillate at the resonant frequency to the energy source (32, 132). A switch (134) for selectively connecting a resonant circuit (138);
An output coupling circuit (140) connected between the resonance circuit (138) and the plurality of trigger electrodes (82) so as to supply a vibration signal from the resonance circuit (138) to the plurality of trigger electrodes (82). ) comprising first vibration cycle per the resonant circuit (138), an output coupling circuit part of the energy is transferred from the resonant circuit (138) is coupled to the plurality of trigger electrodes (82) and (140) ;
The plasma gun according to claim 1, further comprising:
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