JP5340309B2 - 電子源に電力を供給する装置および方法、ならびにイオン照射が誘導される二次放出電子源 - Google Patents

Description

本発明は、特に電子励起またはＸ線パルス予備イオン化を伴うガスレーザなどの電子源を利用するパルス電子源および装置の分野に関する。パルス電子源は、イオン照射の影響下で電子ビームを放出する。

引用文献は、フランス特許第２２０４８８２号明細書またはフランス特許第２５９１０３５号明細書により構成される。装置は、イオン化チャンバと、グリッドを介してイオン化チャンバと通じる加速チャンバとを備えている。予備放電がイオン化チャンバ内で起こる。これにより生じた陽イオンの一部が、加速チャンバに位置する負極（ｃａｔｈｏｄｅ）の方へ加速する。加速されたイオンは負極を照射するとともに、電子の二次放出を引き起こす。加速された二次電子は、負極により加えられた負電圧により反発し、次いで２つのチャンバ間のグリッドを介して抽出される電子ビームを形成する。

実際には、装置の使用を続けると、イオン化チャンバにおける放電を誘発することが次第に困難になる傾向がある。これにより、開始される放電が次第に遅れるとともに、負極に加えられる負電圧インパルスと同時に生じるであろう危険性がある。イオン化チャンバにおける正電圧と加速チャンバにおける負電圧との同時付加は、装置および装置が使用されるシステムの故障または破壊すらも生じさせる危険性がある。放電の遅延誘発は、何らかの場合に、電子源を出る際に得られる電子ビームの特性において劣化を引き起こす。自然発生的な制御されていないイオン化チャンバにおける放電の誘発の遅延は満足なものではない。

本発明は、上述した欠点を除去することについて説明する。

フランス特許第２２０４８８２号明細書 フランス特許第２５９１０３５号明細書

本発明の目的は、特に、電子源のエイジングなどの作動条件に比較的左右されない電子源の安定した誘発を得ることにある。

低圧チャンバにおいてイオン照射が誘導される二次放出電子源用の電気供給装置は、制御入力、２つの高電圧出力、一方の高電圧出力における複数の正のパルス発生用手段および少なくとも複数の前記正のパルス後の他方の高電圧出力における負のパルス発生用手段を備える。イオン化チャンバの電極に加えることができる複数の正のパルス発生は、放電の誘発を容易にする。

一態様において、電気供給装置は、複数の正のパルス発生用手段の作動終了と負のパルス発生用手段の作動開始との間の遅延発生用手段を備える。遅延は、作動パラメータ、特にガスの圧力、分子量などに適応させるために一定または調整可能であり得る。

一態様において、複数の正のパルス発生用手段は、最初のパルスが後続のパルスよりも高い電圧となるように構成される。たとえイオン化チャンバにおける最初の放電が遅延したとしても、初期遅延は急速に安定する。次いで、負のパルスを最後の正のパルスを初期化するコマンドから経過した時間Ｄ１の後に制御しつつ、最後の正のパルスの作動とイオン化チャンバにおける最後の放電の誘発との間の時間Ｄ２を正確に知り得る。イオン化チャンバにおける最後の放電の誘発と負のパルスの作動との間の時間Ｄ３の長さは、式Ｄ３＝Ｄ１−Ｄ２を用いて決定し得る。本発明のおかげで、時間Ｄ２の長さについての不確かさを実質的に減少させ得る。

低圧チャンバにおけるイオン照射が誘導される二次放出電子源への電気供給方法は、一方の高電圧出力で複数の正のパルスを発生させる工程と、少なくとも複数の正のパルス後に他方の高電圧出力で負のパルスを発生させる工程とを含む。

一態様において、０以外の遅延は、一連の正のパルスの最後の正のパルスの終了を負のパルスの開始と分ける。このことは装置の安全性を確保する。

一態様において、最初の正のパルスのピーク電圧は、後続の正のパルスのピーク電圧よりも大きい。最初の放電は、最初の高電圧パルスによって、より容易に作成される。放電は、低電圧による後続のパルスの際に容易に得ることができる。エネルギー消費が減少するとともに電気供給のエイジングが少なくなる。

一態様において、後続の正のパルスのピーク電圧は実質的に等しい。

電子源は、加速チャンバと、加速チャンバ内に位置する負極（ｃａｔｈｏｄｅ）と、低圧チャンバ内に位置する正極（ａｎｏｄｅ）と、２つの高電圧出力が提供される電力供給装置とを備え、一方が正極に接続されるとともに他方が負極に接続される。電気供給装置は、複数の正のパルス発生用手段および正のパルス後の負のパルス発生用手段を備える。

一態様において、電子源は、複数の正のパルス発生用手段についておよび負のパルス発生用手段についてのコマンドモジュールを備える。コマンドモジュールは、正のパルスおよび負のパルスの同時発生を防ぐであろう遅延を計算するように構成され得る。

このようにして、電子源の不調あるいは故障ですら、相当に減少する。また、電子源の耐用期間も電気供給およびイオン化チャンバのエイジングの減少により長くなる。これにより、電子源の使用コストが最適化される。

また、この手法は、エイジングの際に放電を発生させる電圧を次第に高くすることが可能である。

また、この手法は、任意に電子の磁気閉じ込め用システムにつなげて、負極において補助電子源を使用することも可能である。しかしながら、その場合には、電子源の耐用期間は、電子源の機能劣化を引き起こす、熱陰極（ｈｏｔ ｃａｔｈｏｄｅ）の気化およびイオン化チャンバの壁部上に形成される気化物質の付着により制限される。

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

図１は、電子源の概略図である。 図２は、コマンドモジュールの出力の展開を示す曲線である。 図３は、供給電圧の経時展開を示す曲線である。 図４は、イオン化チャンバの電極の端子における電圧の経時展開を示す曲線である。 図５は、電気供給の概略図である。

図１において観ることができるように、電子源１は、エンクロージャ４により画定される加速チャンバ２とイオン化チャンバ３とを備えている。イオン化チャンバ３は、主方向に伸び得る。

エンクロージャ４は、チャンバ２、３を分ける外ケース５と内壁４とを備えている。エンクロージャ４は、例えば、真鍮またはステンレス鋼からなり得る。一方の加速チャンバ２と他方のイオン化チャンバ３とを画定する内壁は、特にエンクロージャ４に加えられる電圧とガスとの観点から、とりわけガスの性質および圧力の観点から、意図される使用にふさわしい、金属または金属合金により覆われている。例えば、アルミニウムまたはニッケルをベースとしたコーティングは、加速チャンバ２の壁部および／またはイオン化チャンバ３の壁部を覆うことに使用され得る。

加速チャンバ２とイオン化チャンバ３は、内壁６に形成された貫通孔の形態の経路７を介して接続されている。経路７は、通常は金属からなるグリッド８が設けられ得る。出口９は、特に、エンクロージャ４内およびエンクロージャ４周囲に同様の性質かつ同様の圧力のガスが存在するならば、開いているかグリッド８を備え付け得る。もしガスの圧力および／または性質の状態が異なるならば、出口９は、例えば、電子源１において発生した電子フラックスを逃すことを許容するようにガス不透過性でかつ少なくとも一部が電子透過性である合成物質からなる部材の形態で、通常シール（図示せず）が設けられている。また、シールは、イオン照射の影響下でＸ線を発生させる意図で、特に、例えば、５０より大きい高原子質量の金属をベースとした、金属の層により覆われている。

電子源１は、加速チャンバ２に取り付けられた負極１０を備えている。負極１０は、ステンレス鋼またはアルミニウム合金をベースとした物質からなる。負極１０は、経路７またはシリンダと対向する平坦面１０ａが存在する円盤の形状を取る。経路７、９と負極１０の平坦面１０ａとが位置合わせされている。負極１０は、ケーシング５の外壁に形成された孔に固定された、ガスタイト絶縁体１１により支持されている。また、絶縁体１１は、開口７、９と位置合わせされている。絶縁体１１は、ケーシング５の外側から負極１０に電気の供給を許容する電気経路を形成している。

電子源１は、イオン化チャンバ３に配置された正極１２を備えている。正極１２は、チャンバ３の主方向に伸びる１または２以上のワイヤ形状を取る。ワイヤは、電場の均質性を高める意図で両端に電力が供給され得る。

正極１２は、ガスタイトシールを形成するとともに電気経路を提供する、ケーシング５の側壁に固定されたリークタイト絶縁体１３により支持されている。正極１２は、開口７、９の位置合わせに対してずらされている。

電子源１は、負極１０用供給モジュール１５と、正極１２用供給モジュール１６と、コマンドモジュール１７とを備えた電気供給１４を含んでいる。供給モジュール１５および供給モジュール１６は、図５に示すタイプであり得る。コマンドモジュール１７は、供給モジュール１６に送られる信号と供給モジュール１５に送られる信号との間の時間においてずれたパルス制御信号を発生させるように構成されている。この時差は、加速チャンバ２およびイオン化チャンバ３におけるガス圧の作用と、特に原子質量などのガスまたはガス状混合物の性質とにより調整され得る。

作動中、コマンドモジュール１７は、信号１８（図２参照）を供給モジュール１６に送る。信号１８は、複数の矩形信号、特に５個の信号の形態である。パルス数は、電子源１のエイジングを相殺するために経時で増加し得る。次いで、コマンドモジュール１７が、信号１９を供給モジュール１５に送り正極１０に高い負電圧を加える。信号１９は、信号１８の終了と、任意に遅延（図示せず）と同期するか、信号１８の終了前かつ開始後に送られる。

図３において、太線は供給モジュール１６により正極１２に供給される電圧の波形を、細線はその電流の波形を示す。Ｎの値は加えられた電圧パルスのランクを表す。１番目（最初）の電圧パルスにおいて、電流放電は、最大電圧が相対的に長時間加えられた後まで起こらない。次いで、１番目のパルスから４番目のパルスまでの放電に先立つこの期間は減り、５番目のパルスでは実質的に一定のままである。図３において、各パルスに関する時間規模は、描画の目的のために縦方向に合わせられていることが理解されるであろう。ランクＮのパルスがランクＮ−１のパルスの後に生じることは言うまでもない。最後のパルス、この場合には５番目のパルスの後、コマンドモジュール１７は、曲線２０の形態で負極１０に加える高い負電圧を引き起こす、信号１９を供給モジュール１５に送る。負極１０に加える負電圧パルス２０は、正極１２上の正電圧パルスの最大値の終了後の時間Ｄ４の長さ経過後、または換言すれば供給モジュール１６により受けた信号１８の最後のコマンドパルスの終了後に開始する。正極１２上の正電圧パルスの持続時間がｎ番目、この場合はＮ＝５のパルスで実質的に一定である限り、前記持続時間は、電圧値、ガス圧、ガスの性質、正極１２とイオン化チャンバ３の壁部との間の距離などの作動条件により決定することができる。ｎ番目の正電圧パルスの持続時間は、概算または実験的に測定することができる。コマンドモジュール１７は、正電圧パルスの時間Ｄ４の長さとコマンドパルス１８の終了後に経過した持続時間との合計に等しい時間の期間後に、コマンドパルス１９を単純かつ経済的に発生させる構成とすることができる。

一実施の形態では、図４に示すように、コマンドモジュール１７は信号１８の他のパルスの持続時間よりも長い持続時間の１番目のパルスを含む正電圧コマンド信号を発生させ、ランク２以降よりも、供給モジュール１６の長い充電時間と電極１２に加えられた１番目の正電圧パルスに対する高い正電圧とをもたらす。実際に、本出願人は、１番目の放電を得ることが特に難しいこと、および、より高い電圧により、より迅速かつ容易に得ることができることに気付いていた。ランク２以降の正電圧パルスはより低電圧により得ることができ、この場合には少ない摩耗を受ける供給モジュール１６上で少ない応力をもたらす。最適電圧は最初の放電を誘発するための１番目のパルスについて選択されることができ、後続のパルスについての最適電圧は放電の安定性のために選択されることができる。後続のパルスの電圧は最初のパルスの電圧の８０〜１００％であり得る。この目的のために選ばれ得るパルス型の供給モジュール１６は、充電時間Ｔ−供給がパルスＴの周期より長いことを特徴とする。

本発明のおかげで、マルチパルス誘発による電子源は、エイジングの減少を伴う安定した電子ビームを供給しつつ、持続要因および使用条件により大きな影響を受けない。また、エイジングを相殺するために、最初のパルスや後続のパルスの経時電圧および／または後続のパルスの数を増加させることも可能である。調節ノブまたは調節器がこの目的のために設けられ得る。メンテナンスは極めて容易である。

作動中、加速チャンバ２およびイオン化チャンバ３は、例えば、１〜２０パスカルの低圧のガス（例えばヘリウム）で充たされている。エンクロージャ４をアースに接続しつつ、正極１２に正電圧を加えると、電圧パルス放電を引き起こす。ガスを含むイオン化チャンバ３における電気放電は陽イオンの放出を引き起こす。次いで、正極１２における電圧パルスが止まるとともに、負極１０における負電圧パルスが生じる。次いで、陽イオンが、負極１０に引き付けられるとともに、経路７を介して進んで矢印２１により示された軌道に沿って負極１０の平坦面１０ａに照射される。負極１０のイオン照射は電子の放出を引き起こし、電子は供給モジュール１５により加えられた高い負電圧の結果としての反発効果（ｒｅｐｅｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を受ける。電子は矢印２２により示される軌道に沿って加速し、経路７を介した後に出口９を介して進み、これにより電子ビームを提供する。

図５に示すように、電気供給１５はプライマリ２９とセカンダリ３０とが設けられたパルス変換器２８を備えている。パルス変換器２８のプライマリ２９は、一方側がアースに、他方側がキャパシタ３１に接続されている。プライマリ２９の反対側において、キャパシタ３１は電圧源Ｕ_０とスイッチ３２に接続されている。また、スイッチ３２はキャパシタ３１とプライマリ２９を短絡できるようにアースに接続されている。セカンダリ３０は、一方側が電源のアースに、他方側が電子源１の負極１０に接続されている。

また、電源１５は、セカンダリ３０に平行に取り付けられ、バイアス電圧を供給するとともに一方側が電源のアースに他方側がセカンダリ３０と電極３との間の共通ポイントに接続された補助電圧源も備えている。保護装置は、並列回路を制限するように補助電圧源に連続して配置され得る。保護装置は、少なくとも１つのダイオード、キャパシタおよび／またはインダクタを備え得る。さらに、電流センサは、イオン化チャンバ２において消費された電流を測定するために電源１５からの出力に設けられる。

最初のフェイズでスイッチ３２は開回路を形成する。キャパシタ３１は電圧Ｕ_０がかけられる。

補助電圧源は、負極１０を正のバイアス電圧に維持し得る。セカンダリ３０において損失を制限するために、ダイオード（図示せず）が、セカンダリ３０と保護装置および負極１０の間の共通するポイントとの間に配置され得る。キャパシタ３１と変換器２８のプライマリ２９とを短絡させスイッチ３２を閉じた後、高い負圧パルス−Ｕ_ｇｕｎが変換器２８のセカンダリ３０により供給されるとともに負極１０にかけられる。

電子源１は、寄生容量Ｃ_ｇｕｎにより電気的にモデル化され得る。寄生容量Ｃ_ｇｕｎは、最初のイオン化工程中に加速チャンバ２におけるプラズマの不存在または極めて少量の欠如のために相当に減少し得る。プラズマが加速チャンバ２において存在する際には、プラズマの分極が強い寄生容量を発生させる。最初の工程中でイオンが加速チャンバ２に入ることを防ぐ正のバイアス電圧のおかげで、加速チャンバ２は高い負電圧−Ｕ_ｇｕｎが負極１０に加えられるまさにその際にプラズマ２が実質的になくなる。したがって、寄生容量Ｃ_ｇｕｎは低いままである。電源１５の充電電圧Ｕ_０は減少し得る。あるいは、変換器の変換率が減少し得る。

Claims (12)

1. 制御入力および２つの高電圧出力を含み、低圧チャンバにおいてイオン照射が誘導される二次放出電子源用の電気供給装置（１４）であって、一方の高電圧出力における複数の正のパルス発生用手段と、少なくとも複数の前記正のパルス後の他方の高電圧出力における負のパルス発生用手段と、を備えることを特徴とする、装置。
2. 前記複数の正のパルス発生用手段の作動終了と前記負のパルス発生用手段の作動開始との間の遅延発生用手段を備える、請求項１に記載の装置。
3. 複数の正のパルス発生用手段は、最初のパルスが後続のパルスよりも高い電圧となるように構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 低圧チャンバ（３）においてイオン照射が誘導される二次放出電子源（１）への電気供給方法であって、一方の高電圧出力で複数の正のパルス（１８）を発生させるとともに、少なくとも複数の正のパルス後に他方の高電圧出力で負のパルス（１９）を発生させることを特徴とする、方法。
5. ０以外の遅延が、前記正のパルスの終了を前記負のパルスの開始と分けることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 最初の正のパルスのピーク電圧が、後続の正のパルスのピーク電圧よりも大きいことを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記後続の正のパルスの前記ピーク電圧は、実質的に等しいことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記後続の正のパルスの持続時間は、実質的に一定であることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
9. 少なくとも１つのパルスの電圧をエイジングの過程で増加させることを特徴とする、請求項４から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 低圧チャンバ（３）と、加速チャンバ（２）と、前記加速チャンバ内に位置する負極（１０）と、前記低圧チャンバ内に位置する正極（１２）と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１４）と、を備え、前記一方の高電圧出力が前記正極（１２）と接続されるとともに前記他方の高電圧出力が前記正極（１０）と接続される、電子源（１）。
11. 複数の正のパルス発生用手段および負のパルス発生用手段についてのコマンドモジュール（１７）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の電子源。
12. 前記正極（１２）は、両端で電力が供給されるワイヤを備え、前記低圧チャンバが前記ワイヤ方向へ伸びることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の電子源。

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