JPH0817371A - レーザープラズマｘ線源のデブリス除去方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザープラズマＸ線源でターゲット物質表
面のプラズマからＸ線と同時に発生する中性微粒子（デ
ブリス）を完全に除去する。 【構成】 レーザー光３を集光照射してターゲット物質
５の表面に生成されるプラズマＰｓから発生するＸ線と
同時に生じる中性微粒子（デブリス）を除去するため、
取出窓６との間に紫外線ランプ１１と、メッシュ状の電
極１５、１５と、電磁石１８とを設ける。紫外線ランプ
１１により中性微粒子に電荷を与え、その荷電微粒子の
飛行する軌道を、電極１５、１５による電界（Ｅ）と電
磁石１８の電極１８ａ、１８ｂによる磁界（Ｂ）を直交
するように設けた電磁場の作用で曲げることによりＸ線
の経路外へ除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属ターゲットにレ
ーザー光を照射して生じるプラズマからＸ線を発生させ
るレーザープラズマＸ線源のデブリス除去方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザプラズマＸ線源は、短パルスの高
出力レーザーを金属ターゲット物質に照射して高温、高
密度プラズマを生成し、このプラズマからＸ線を発生さ
せるものであり、Ｘ線ホログラフィーやＸ線顕微鏡など
種々の用途に利用される。

【０００３】かかるレーザプラズマＸ線を発生させる装
置は、例えば特開昭６４−６３４９号公報、特開平１−
１０９６４６号公報などに開示されている。第一の公報
は、液体又は固体状態のターゲット物質を集光点に連続
的に供給、移送する方法について開示している。第二の
公報は、ターゲット物質である液体金属をプラズマ発生
容器注で滴下させ供給する方法について開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年出力エ
ネルギ１Ｊ／１ｎｓ、繰返し周期１ＫＨｚの固体レーザ
ー、ガスレーザーが開発され、これらの高繰返し周期を
持つレーザーを用いたＸ線源の活用が課題となってきて
いる。上記レーザーを用いたＸ線発生装置では、レーザ
ー光は直径１００μｍ〜５００μｍ程度にレンズで集光
され、通常は固体レーザーに照射されて固体表面にプラ
ズマがピコ秒の時間スケールで生成される。

【０００５】上記高温（〜１００ｅＶ）、高密度（１０
²¹cm^-3）のプラズマから放出されるＸ線源は、他の方式
によるＸ線源、例えば真空の放電管内に置かれた電極の
片側から気体を高速開閉バルブを介して超音速で吹き出
させ、管内に気体が広く拡散する前にＺピンチを行なう
ガスパフＺピンチ（放電プラズマ）による方式のもの、
あるいは電子線をターゲットにあててＸ線を発生する方
式のものに比べ桁違いに高い輝度を有し、上記高繰返し
周期のレーザーと結びついて平均パワー１０Ｗ程度のＸ
線源が得られる。

【０００６】しかしながら、上記レーザープラズマＸ線
源では、プラズマからＸ線が発生すると同時に、固定表
面からはデブリスと呼ばれる微粒子が飛散し、これがＸ
線源を構成する部材のフィルタ、Ｘ線多層膜ミラー、あ
るいはその他のＸ線光学素子に付着し、場合によっては
これら素子を傷付けることがある。

【０００７】従って、レーザープラズマＸ線源にとって
は、このデブリスは極めて有害であり、デブリスの根本
的除去は、Ｘ線源の本格的活用にとって極めて重要な意
味を持つ。

【０００８】このような観点から、上述した第一の公報
では、レーザー加熱によって発生する金属蒸気（デブリ
ス）の蒸着を根本的に除去する方法として、Ａｒ（アル
ゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）などの
不活性ガスをクライオ装置によるガス冷却技術によって
低温固化させクライオターゲットとし、これを高出力高
繰返しパルスレーザーで照射する方法を提案している。
不活性ガスは、常温では気体であり、化学的に安定で、
他の物質表面には室温で堆積しない点に着目しているの
である。

【０００９】しかしながら、実際には金属蒸気の微粒子
の蒸発時間、残留ガスによるＸ線吸収の効果、超低温冷
却装置や過大な真空排気等を必要とし装置が大がかりと
なり、コストアップの要因になるなど必ずしも全ての条
件を満足できるものではない。又、固体ターゲット材料
の種類も常温で気体に限られるなどの問題もある。

【００１０】この発明は、上述した従来のレーザープラ
ズマＸ線源のデブリス除去の問題点に留意して、固体タ
ーゲットから生じるデブリスを比較的簡単な方法で根本
的に除去することのできるデブリス除去方法及び装置を
提案することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
としてこの発明は、レーザー光をターゲット物質に集光
照射してプラズマ化し、そのプラズマからＸ線と共に発
生する微粒子に対しＸ線が所定方向に導かれる経路の任
意の位置で上記微粒子に紫外線を照射して電荷を付与
し、この荷電微粒子を一対の電位の異なる電極による電
界と一対の極性の異なる磁極による磁場とが直交する電
磁場を通過させてＸ線の経路外に導くようにしたことか
ら成るレーザープラズマＸ線源のデブリス除去方法とし
たのである。

【００１２】又、上記方法を実施する手段として、レー
ザー光を集光照射して真空チャンバ内に設けたターゲッ
ト物質の表面に生成されるプラズマから発生されるＸ線
を取出窓から取り出す経路に沿って紫外線源から成る電
荷付与手段と、一対の電極と一対の磁極を有する電磁石
とから成る電磁場形成手段とを設け、電磁場形成手段は
一対の電極による電界と一対の磁極による磁界とが互い
に直交するように形成し、さらに電磁場形成手段により
Ｘ線の経路から外れた微粒子を排除する排除手段を備え
て成るデブリス除去装置を採用することができる。

【００１３】この場合、前記Ｘ線の取出窓の直前にＸ線
を通過させ他の微粒子の通過を遮断するための機械的シ
ャッタ機構を設けるのが好ましい。

【００１４】又、少なくとも前記紫外線源と電磁石のそ
れぞれの電源をプラズマからの微粒子の発生タイミング
に同調して高速でオン、オフ自在とすることができる。

【００１５】

【作用】上記の方法とした第一の発明のデブリス除去方
法によると、プラズマからＸ線と同時に発生する中性微
粒子に紫外線を照射することによって電荷が与えられ
る。この中性微粒子はプラズマが完全プラズマ状態でな
い場合は、プラズマ中に中性粒子が含まれ、これがＸ線
の発生と共にプラズマ外へ飛散することによって生じ
る。

【００１６】紫外線は光子エネルギが１０ｅＶ（電子ボ
ルト）程度あり、物質に照射すると電子を放出し物質が
イオン化又は電荷を帯びて荷電微粒子となる。紫外線を
選んだのは光子エネルギと波長が微粒子の照射に最も適
する帯域にあるからである。

【００１７】上記荷電微粒子が直交電磁場に入ると電磁
場による作用でＸ線の進行方向と直角な方向の力を受け
て軌道が曲げられ、Ｘ線の経路外へ排出されるのであ
る。これによって、Ｘ線の経路に設けられるフィルタ、
取出窓、Ｘ線多層膜ミラー等のＸ線光学素子の保護が図
られる。

【００１８】第二の発明は上記方法を実施するための除
去装置であり、紫外線源により電荷が中性微粒子に与え
られ、荷電微粒子が電磁場形成手段による電磁場に突入
すると、電磁場の作用で軌道が曲げられＸ線の経路外へ
排出される。

【００１９】このとき、電磁場形成手段から荷電微粒子
が排出される方向に排除手段を設けてこれを捕集あるい
は排気することにより微粒子を除去する。捕集は、例え
ば排出方向に捕集板を設けてこれに付着させて行ない、
一定時間毎に真空チャンバ内から取り出せばよい。又、
排気方法を用いる場合は排出方向に沿って設けた排気管
により外部へ排出することができる。

【００２０】第三の発明では、取出窓の直前に機械的シ
ャッタを設けて微粒子を取り除くようにしている。

【００２１】プラズマから発生する中性微粒子には６〜
１０×１０³ cm／ｓ以上の軽くて高速で飛行するもの
と、上記速度以下の低速で飛行し粒径が大きいものとが
含まれている。

【００２２】上記高速のものは第二の発明によるデブリ
ス除去装置により完全に取り除かれるが、紫外線照射し
ても粒径の大きいものは電荷／質量比が小さく電磁場形
成手段による電磁力では軌道を十分に曲げることができ
ない。

【００２３】そこで、残る粒径が大きい低速のものは機
械的シャッタによる取り除くのである。この粒子の速度
は１０³ cm／ｓ程度であるから、Ｘ線の飛行間隔に合せ
てシャッタを開きＸ線の通過後直ちにシャッタを閉じれ
ば粒子の大部分をシャッタにより遮断できる。

【００２４】第四の発明では、駆動電源をプラズマから
の微粒子の発生タイミングに同調して高速度でオン、オ
フする。この駆動電源は、少なくとも紫外線源用と電磁
石用のものをオン、オフするのが好ましく、電極につい
ては静電界としてもよいし、あるいはこれも同調するよ
うにオン、オフしてもよい。

【００２５】いずれの場合も、駆動電源をオン、オフす
ることにより同一コストでより大きな磁界、電界が得ら
れ、高いピーク強度の作用を与えることができるのであ
る。

【００２６】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１はデブリス除去方法を実施するための
装置の全体概略図である。１は真空チャンバであり、図
示省略しているが、吸引装置が別途設置され、その接続
管によって内部は真空状態に維持されている。この真空
チャンバ１内に、短波長高繰返しパルスのレーザー光を
発生するレーザー装置２からパルスレーザー光３が透過
窓４を介してターゲット物質５に集光照射され、ターゲ
ット物質５の表面にプラズマＰｓを生成する。そしてこ
のプラズマＰｓで発生したＸ線は取出し窓６を通り外部
へ取出される。

【００２７】なお、上記レーザープラズマＸ線源の構成
は、代表的な例を図示しているが、その構成については
他にも種々のものがありレーザープラズマによりＸ線を
発生する構成のものであればいずれの形式のものでもよ
い。例えばターゲット物質５は液体金属を連続的に供給
する形式のものなどがある。

【００２８】上記レーザープラズマＸ線源のターゲット
物質５とＸ線の取出し窓６との間に、実施例のデブリス
除去装置を設けている。

【００２９】ターゲット物質５の表面のプラズマから発
生するＸ線の経路には、Ｘ線と同時に発生する中性微粒
子（デブリス）に対し、まず紫外線照射により微粒子を
イオン化又は電荷を付与するための紫外線ランプ１１が
図示の例では左右一対設けられ、それぞれ集光レンズ１
２を介して照射する。紫外線ランプ１１は、最小限１組
あればよく、２組以上いくら設けてもよい。又、紫外線
ランプ１１は電源１３からスイッチ１４を介してパルス
電源を加える。スイッチ１４は高速トランジスタ等を用
いて超高速に開閉できる形式のものである。

【００３０】次に、Ｘ線の経路に沿って一対のメッシュ
状の電極１５、１５を設け、電源１６、スイッチ１７を
介して＋、−に印加し電界をＸ線の進行方向に所定領域
に形成する。メッシュ状の電極１５、１５はＸ線を透過
させかつ電界を断面積内で平均化して形成するのに有利
である。

【００３１】なお、上記電界はスイッチ１７により断続
的に形成するものとしているが、必ずしも断続的とする
必要はなく、所定電位差に連続して保持するようにして
もよい。

【００３２】さらに、上記一対の電極１５と１５の間に
は電磁石１８がその磁極１８ａと１８ｂ間の磁場の向き
が上記電界の向きと直交するように設けられ、電源１
９、スイッチ２０、２１を介して高速繰返しで開閉され
て磁場が形成される。上記電界、磁界用のスイッチ１
７、２０、２１は互いに連動して開閉するのが好まし
い。

【００３３】以上の構成とした実施例のデブリス除去装
置によりＸ線の光学経路上に飛散する微粒子が次のよう
にして除去される。

【００３４】ターゲット物質５の表面にレーザー光の照
射により生成される高温、高密度プラズマからＸ線が発
生すると同時に中性微粒子が発生し、紫外線ランプ１１
により紫外線を照射してこの中性微粒子に電荷を与え
る。

【００３５】イオン化又は電荷を帯びた荷電微粒子はメ
ッシュ電極１５に突入すると、一対の電極１５、１５に
よる電界（Ｅ）と電磁石１８の磁極１８ａと１８ｂ間の
磁界（Ｂ）が直交する（Ｅ×Ｂ）電磁場内に入り、図２
に示すように、Ｆ＝ｑ（Ｅ＋Ｖ×Ｂ）で表わされる力を
受けて微粒子はその進行方向が直角に曲げられＸ線の経
路外へ除去される。

【００３６】Ｖ_E ＝（Ｅ×Ｂ）／Ｂ² はこの電磁場で受
ける横方向の速度である。大文字は全てベクトル、小文
字はスカラー量である。

【００３７】こうして、荷電微粒子は電荷の正負に関係
なく一方向に軌道を曲げられて飛行する。従って、電磁
場を一定領域に設置し、そこから軌道を曲げられて排除
される微粒子を捕集する、あるいは排気して真空チャン
バ１から排出するようにすれば２枚目のメッシュ電極１
５には微粒子は殆んど到達しなくなる。

【００３８】上記捕集による方法では、例えば真空チャ
ンバ１内に捕集板を設けこれに微粒子を付着させて一定
時間毎にチャンバ内から取り出すようにすればよい。排
気方法による場合は排気ダクトをチャンバに接続して直
接微粒子を外部へ排出する。

【００３９】ところで、上記デブリス除去装置で微粒子
をＸ線の経路から除去する際に、各構成部の動作タイミ
ングが問題となる。

【００４０】使用されるレーザー光は、例えば１ナノ秒
程度の超短パルス幅であるが、プラズマはピコ秒の時間
スケールで、従ってＸ線についても同じ時間スケールで
生成される。そして、このとき微粒子がターゲット物質
から飛散し続ける時間は、衝撃波、熱波の伝播、減衰時
間により決まり、一般的には数μｓ（マイクロ秒）であ
る。

【００４１】従って、紫外線ランプ１１、電磁石１８、
電極１５の立上がり時間、接続時間はｍｓ（ミリ秒）程
度とし、レーザー照射タイミングの少なくとも約１ｍｓ
前にこれらのスイッチをＯＮにすればよい。

【００４２】さて以上は、主として発生した微粒子の中
で軽くて高速のもの（６〜１０×１０³ cm／ｓ以上）に
ついて除去する方法であるが、微粒子の中には粒径が大
きく（例えば直径＞５０μｍ）、飛行速度も低いものが
あり、この場合は紫外線ランプ１１により電荷を与えて
も電荷（ｑ）と質量（ｍ）の比ｑ／ｍが小さく電磁力の
効果が及び難いため軌道を曲げることができない。

【００４３】上記微粒子の軽くて高速のものと粒径大で
低速のものとの割合は、ターゲット物質の種類によって
異なるが、例えば前者が９０％程度の割合（質量比）と
いう場合もあり、いずれの割合であれ後者のものを取り
除くことができればデブリスの除去はほぼ完全に除去で
きることになる。

【００４４】そこで、例えば図３に示すような機械的な
シャッタ（チョッパ）機構を図１のＸ線の取出窓６の直
前に設けることができる。このシャッタ機構は、回転円
板３１に取出窓６に対応する口径の開口３２を設け、こ
れをモータ３３により高速回転して取出窓６を開閉する
方法であり、開口３２が取出窓６に一致するとＸ線が透
過され、それ以外の回転位相では微粒子などの通過が遮
断される。

【００４５】この場合も、その動作タイミングが問題と
なるが、次のように処理される。

【００４６】Ｘ線は光速Ｃ＝３×１０¹⁰cm／ｓの速度で
取出窓６へ飛来するが、微粒子は速いものでも１０³ cm
／ｓ程度の速度で飛行する。この速度では微粒子は１cm
移動するのに１ｍｓ（ミリ秒）かかる。従って、Ｘ線の
飛来間隔に合せてシャッタを開き、Ｘ線通過後は数１０
０μｓ（マイクロ秒）の時間でシャッタを閉じるように
すると、Ｘ線のみが支障なく通過し、遅れて到達する速
度の低い微粒子の大部分はシャッタ板に付着し、取出窓
６やその後方の光学系素子に達することはなくなる。

【００４７】なお、回転円板３１の開口３２は、複数個
設ければモータの回転を遅くできる。又、シャッタ機構
は回転円板方式だけでなく、シャッタ板が左右に往復動
できるものやその他種々の形式のものを採用できること
は明らかであろう。

【００４８】

【効果】以上詳細に説明したように、第一の発明のデブ
リス除去方法では、ターゲット物質表面のプラズマから
Ｘ線と共に発生する中性微粒子に紫外線により電荷を与
え、この荷電微粒子を電界と磁界が直交する電磁場を通
過させるようにしたから、中性微粒子は結局直交電磁場
により軌道を曲げられてＸ線の経路外に排除され、これ
によりＸ線の経路上に設けられるフィルタ、取出窓、Ｘ
線多層膜ミラー等のＸ線光学素子を保護することができ
るという利点が得られる。

【００４９】第二の発明は、上記方法を実施するための
装置であり、紫外線源と電磁場形成手段と微粒子の排除
手段とを備え、第一の発明の方法により軌道を曲げられ
た微粒子が排除手段により経路外に集められ又は装置か
ら排出される。従って、比較的簡易な手段により微粒子
がＸ線光学素子に付着するのを大部分除去でき、根本的
に微粒子を除去できる経済的で簡易な手段が得られＸ線
光学素子を保護すると共にその機能を高効率に発揮させ
ることができるという種々の利点が得られる。

【００５０】第三の発明では機械的シャッタを取出窓の
直前に設けて微粒子のうち粒径が大きく飛行速度の低い
ものを取り除くことができ、第二の発明の電磁場形成手
段では取り除くことができずこれを通過するものがあっ
ても機械的シャッタによりＸ線のみを通過させ微粒子は
遮断するから、これにより微粒子を完全に除去できると
いう利点が得られる。

【００５１】第四の発明では、駆動電源を高速度で微粒
子の発生タイミングに同調してオン、オフ自在とし、こ
れにより経済的なコストでより大きな電界、磁界を形成
し高いピーク作用を与えて高効率に微粒子除去を行なう
ことができるという利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザープラズマＸ線源にデブリス除去装置を
設けた実施例の全体概略図

【図２】同上の作用の説明図

【図３】シャッタ機構の概略図

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ レーザー発生装置 ３ レーザー光 ４ 透過窓 ５ ターゲット物質 ６ 取出窓 １１ 紫外線ランプ １２ 集光レンズ １３、１６、１９ 電源 １４、１７、２０、２１ スイッチ １５ 電極 １８ 電磁石 １８ａ、１８ｂ 磁極

フロントページの続き (72)発明者 北田 俊信 大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電 力株式会社内 (72)発明者 山中 千代衛 大阪市西区靭本町１丁目８番４号 財団法 人レーザー技術総合研究所内 (72)発明者 中井 貞雄 大阪府茨木市北春日丘３丁目６番45号 (72)発明者 大道 博行 高槻市日吉台１番町10番41号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光をターゲット物質に集光照射
   してプラズマ化し、そのプラズマからＸ線と共に発生す
   る微粒子に対しＸ線が所定方向に導かれる経路の任意の
   位置で上記微粒子に紫外線を照射して電荷を付与し、こ
   の荷電微粒子を一対の電位の異なる電極による電界と一
   対の極性の異なる磁極による磁場とが直交する電磁場を
   通過させてＸ線の経路外に導くようにしたことから成る
   レーザープラズマＸ線源のデブリス除去方法。
2. 【請求項２】 レーザー光を集光照射して真空チャンバ
   内に設けたターゲット物質の表面に生成されるプラズマ
   から発生されるＸ線を取出窓から取り出す経路に沿って
   紫外線源から成る電荷付与手段と、一対の電極と一対の
   磁極を有する電磁石とから成る電磁場形成手段とを設
   け、電磁場形成手段は一対の電極による電界と一対の磁
   極による磁界とが互いに直交するように形成し、さらに
   電磁場形成手段によりＸ線の経路から外れた微粒子を排
   除する排除手段を備えて成るデブリス除去装置。
3. 【請求項３】 前記Ｘ線の取出窓の直前にＸ線を通過さ
   せ他の微粒子の通過を遮断するための機械的シャッタ機
   構を設けたことを特徴とする請求項２に記載のレーザー
   プラズマＸ線源のデブリス除去装置。
4. 【請求項４】 少なくとも前記紫外線源と電磁石のそれ
   ぞれの電源をプラズマからの微粒子の発生タイミングに
   同調して高速でオン、オフ自在としたことを特徴とする
   請求項２又は３に記載のレーザープラズマＸ線源のデブ
   リス除去装置。