JPS6084749A - Ｘ線領域の高い放射強度を有するプラズマ源を発生するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、特許請求の範囲第１項の謂ゆる上位概念に記
載のＸ線領域における高い放射強度を有するプラズマ源
を発生ずる装置に関する。

従来技術 上述の型の装置は、プラズマ焦点発生装置（Ｐｌａｓｍ
ａｆｏｃｕｓ　）の名称で数年前から知られている。

この装置においては、エネルギ蓄積手段がら発生される
各パルスで、放電空間もしくは放電室のガス中で電離プ
ロセスが発生する。その結果、薄いプラズマ層が発生し
、このプラズマ層は高い速度で放電空間の開放端に向っ
て運動する。この開放端に達した後に、プラズマは磁力
で内部電極の軸線上に圧縮される。即ち、プラズマ焦点
と称されるプラズマの高密度化が行なわれる。このプラ
ズマ焦点は、１００ないし６００μｍの直径な有するほ
ぼ円筒形状の形態にある。このプラズマ焦点内では、特
に、Ｘ線が発生される。。

公知の装置においては、電離プロセスは放電空間の閉じ
た方の端で制御不可能な仕方で発生し、そのために、個
々の火花チャンネルもしくは通路、謂ゆる線条（フィラ
メント）が形成される。したがって、プラズマ層は均質
ではなく多数のこのような線条からなる。これら線条の
各々は磁界により取り囲まれるが、焦点部においては、
これら線条は閉結した磁界による最大限の圧縮を妨害す
る。したがって、プラズマ焦点は、特に放電毎に異なる
。言い換えるならば、再現性がない減少不可能な焦点直
径を有することになる。

ガス充填空間における電離プロセスの制御されない仕方
での生起により、発生する線条の分布は再現不可能であ
る。その結果、発生するプラズマ焦点の位置は成る程度
変動するのを免れない。

上述のように、公知の装置においては、プラズマ焦点の
位置ならびに直径な再現することができないので、この
ような焦点は例えば、Ｘ線光学装置において画定された
Ｘ線源として使用することはできない。

発明の目的 本発明の課題は、プラズマを再現可能な仕方で大きい均
質性をもって妨害を伴なうことなく高い粒子密度および
エネルギ密度に圧縮し、それにより再現可能な直径およ
び再現可能な位置を有するほぼ点状のＸ線源として使用
することができるＸ線領域に高い放射強度を有するプラ
ズマ源を発生するための装置を提供することにある。

発明の構成２作用および効果 上記の課題は、特許請求の範囲第１項の謂ゆる特徴部分
に記載の構成な有する装置により解決される。

本発明の装置において設けられる電界放出電極は、正確
に画定された個所に約１０１°／ｃｗＬ３の値の充分に
高い電子密度を発生する。電子は放電空間内の電界によ
り内部電極の絶縁体に向い且つ同時に放電空間の開放端
に向う方向に運動する。電子は、内部電極と外部電極と
の間に印加されて約２０　ＫＶの値を有する電圧により
、麦稈ｄを移動した後に、高い運動エネルギ（〉５００
　ｅＶ　）　ｉＣ達し、したがってガス空間内で衝突す
ることなく直接絶縁体表面に衝突する。

それにより該絶縁体表面から２次電子が放出される。こ
れら２次電子は、放電空間内の電位ならびに絶縁体表面
の残留電荷によって該絶縁体表面へと逆方向に加速され
新たに２次電子を発生する。この過程は、反復的に行な
われ、それにより電子の運動エネルギは定常的に減少し
最終的には、絶縁体表面の直ぐ近傍でガス空間内に最大
の電離確率が生ずる値にまで減少する。

言い換えるならば、本発明による装置においては、放出
電極から放出される電子数は増倍され、その場合同時に
その運動エネルギは減少し、この運動エネルギの減少は
、放電空間内の電子とガスとの電離衝突に対し最大の作
用断面が達成されるまで続く。このようにして、上述の
ような作用メカニズムにより電子は非常に高い密度で均
質に絶縁体表面上に分布される。

このように、ガス空間内の電離プロセスは高い電子密度
および均質な電子分布な特徴としており、均質な放゛亀
の発生が実現される。このようにして形成されろプラズ
マ層は均質であり、線条（フィラメント）の形成は回避
される。

エネルギ源と放電空間との間のスイッチの特殊な構成に
より、放電開始に際して充分なエネルギが利用可能なば
かりではなく、他方、放電過程中エネルギが補充的に供
給されて放電が途絶えることはない。

発生する均質なプラズマ層は、焦点部で再現可能な仕方
で大きな均質性をもって妨害なく高い粒子密度およびエ
ネルギ密度に圧縮される。

本発明の装置によってプラズマ焦点に達成することがで
きる粒子密度（＞　１０２°ｃｍ−３）は、公知の装置
で達成可能な値よりも少なくとも１０％は大きい。達成
される焦点の直径は、従来法で達成された値を係数２な
いし乙だけ下回る。

したがって、本発明−の装置は、特許請求の範囲第１項
に記載の構成により、放電が均質であるために位置およ
び直径が再現可能であるプラズマ源が発生され、しかも
このプラズマ源は、例えば、Ｘ線顕微鏡あるいはＸ線Ｉ
Ｊ　）グラフィ装置のようなＸ線光学装置で殆んど点状
のＸ線源として使用することができるほどに小さい直径
を有する。

プラズマ焦点内には、非コーヒレンスなＸ線放射ならび
にコーヒレンスなＸ線放射が発生される。非コーヒレン
スな放射の波長は、放電空間に用いられるがスまたは混
合物によって定まる。この波長は例えば、１２Ａないし
２ＯＡまたは２４Ａないし４０Ａの領域にある。

驚くべきことに、本発明によれば、プラズマ塊は、従来
観察されたものよりもさらに小さい直径に圧縮され、し
かもこのプラズマ内にはパターン長りを有する電子密度
の周期的なパターンが現われ、このパターンはやはりプ
ラズマ内に現われる相対論的電子と交互作用して強い単
色Ｘ線放射を放出することが判明した。該Ｘ線放射の波
長λは次式で与えられる。

λ二Ｌ　／　’２γ２ 上式中、Ｌは上述のパターンの間隔であり、そしてｒは
電子の相対論的エネルギである。

゛コーヒレントで単色のＸ線放射は、例えば０．１６ラ
ジアンの小さい空間角度で現われ、非フーヒレンスな放
射は比較的大きい空間角度で現われる。

特許請求の範囲第２項ないし第１６項に記載の構成は、
特許請求の範囲第１項に記載の装置の有利な実施態様で
ある。なお特許請求の範囲第２項および第６項には放出
電極の構成が記述されており、特許請求の範囲第４項な
いし第６項には絶縁体の構成が記述されており、そして
特許請求の範囲第７項ないし第９項には、絶縁体の端部
における火花放電を確実に避けるための外部電極の構成
が記述されている。

特許請求の範囲第１０項ないし第１２項はスイッチもし
くは開閉器の構成に関するものであり、特許請求の範囲
第１６項は使用されるガス、特許請求の範囲第１４項は
内部電極、そして特許請求の範囲第１５項ないし第１８
項は本発明による装置の有利な使用もしくは適用に関し
記述したものである。

実施例の説明 以下、添付図面を参照し本発明を実施例と関連して詳細
に説明する。

第１図に示した本発明の装置の実施例において、管形状
の内部電極は参照数字１で、そして該内部電極を同心的
に囲繞する円筒形状の外部電極は参照数字２で示されて
いる。これら２つの電極は良好な導電性の材料、例えば
、銀あるいは銅から形成されており、その場合外部電極
２は讃孔材料から製作するのが好ましい。内部電極１は
管状の絶縁体３により囲繞されている。

該絶縁体３は、例えば、均質な多結晶形態にある酸化ア
ルミニウム、単結晶のサファイアまたは商品名ｇ　Ｐｙ
ｒｅＸ　Ｊで市販されているガラスから形成されている
。絶縁体３の材料ならびにその表面粗度は、絶縁体表面
が、例えばη＝６内にある高い２次電子放出係数ηな有
するように選択される。

電極１および２によって形成される放電空間は右に向っ
て開いており、そして左側は絶縁体５および外部電極２
の電位が加えられる電界放出電極４により閉ざされてい
る。電極４は、図示の実施例においては環状の刃もしく
はエツジとして形成されている。この電極４の半径ｒ０
は式ｖ　／　ｒｏ：＝　１０”ｖ　／　ｃｍを満す、Ｊ
：５に選＃１れており、この式で■は電極１および２間
に印加される電圧を表わす。

放電空間（１２）には、直接、インダクタンスの小さい
高電力スイッチ（開閉器）が接続されており、このスイ
ッチは高い立上り時間で高い電力を開閉するのに用いら
れる。このスイッチは参照数字６で表わしたエネルギ蓄
積装置を上記放電空間と接続する。エネルギ蓄積装置は
、インダクタンスの小さい容量性エネルギ蓄積装置とし
て実現することができるが、しかしながらまた高電流（
＞　１００　ＫＡ　）を有する誘導性の蓄積要素を用い
ることも可能である。

第１図に示した高電力スイッチもしくは開閉器は、トリ
ガされる形式の低インダクタンスの多チヤンネル火花ギ
ャップとして構成されている。

高電力スイッチは、等間隔で配設された電極８を有する
環状もしくはリング状の構成部材γを有する。該スイッ
チの他方の構成部材９も等間隔でリング上に配設された
′電極１ｏを備えており、これら電極１０は外側のリン
グ１の電極８−に対置している。電極対８，１０は、絶
縁体５および１１によって囲繞されており、これら絶縁
体は閉じた小さくミ容積の空間もしくは室１３を形成し
ている。絶縁体１１上には、トリが電極１２が配設され
ており、このトリが電極は電極８と１０との間に位置す
る。絶縁体５および１１はそれぞれ、沿面放゛亀その他
の有害な作用が阻止されるように形成されている。室１
３には、例えばガスを充填し、その場合、ガス種および
ガス濃度は、立上り時間およびジッタ時間が最小となる
ように最適化される。

トリガ電極１２は固有のエネルギ源１４に接続されてい
る。このエネルギ源も、例えば、インダクタンスの小さ
い容量性エネルギ蓄積装置として実現することができる
。

高電圧パルスの印加後に、トリガ電極１２は５００　ｐ
ｓ内に同時に点弧される。この場合、エネルギ源１４か
も、火花ギャップ８，１０ならびに放電空間１，２にエ
ネルギが供給され、例えば１Ｑ１７Ｗ％ｍ　ｓの高い立
上り速度を有する例えばＩ　Ｑ”Ｗ、＆２の高い電力量
が達成される。

合成インダクタンスが５ないし１０ｎＨの範にある第１
図に示した高電力スイッチの代りに、例えば飽和可能な
磁気スイッチのような他の低インダクタンスの高電力ス
イッチを用いることも可能であるが、但しその前提条件
として高い立上り時間で高電力量を開閉できることが要
件である。

第２図および第６図に示した実施例による電極１および
２から形成された放電空間には、リング形状のエツジの
形態を有する電界放出電極２０が設けられている。この
電極の形態は、第１図に示した電界放出電極４の形態と
は若干具なる。

放電空間（１，２）は、例えば、純粋の水素または純粋
のヘリウムとすることができるガスで充填されている。

しかしながら、このガスは、水素と電荷数２が大きいガ
ス、例えば希ガスあるいは酸素との混合物とすることも
できる。

内部電極１の直径Ｒは、次式を満すようにして用いられ
るガスもしくはガス混合物に適合される。

上式中、ρ０は放電空間内のガス濃度であり、■は飽和
状態における電流であり、Ｕはプラズマディスクの所望
の速度を表わし、μ０は磁界定数である。

放出電極２０のエツジと絶縁体３の表面との間の間隔ｄ
は、電極２０のエツジから生ずる電子が絶縁体表面３に
到る走路で放電空間（１゜２）内のガスと衝突しないよ
うに選択される。

高電力スイッチな介して電極１および２には、充分な密
度の自由電子が放出電極２ｏのエツジに発生するように
高い電圧（約２　Ｑ　ＫＶ　）が印加される。この電子
密度は、例えば１ｏ１０ｃｒｆＬ−３になり得る。印加
電圧により、電子の運動エネルギは高くなり、（＞　５
００　ｅＶ　）、したがって、放出電極２０のエツジか
ら生ずる電子はガス充填空間内で衝突することなく直接
絶縁体３の表面に達する。

放電空間（１，２）内に存在する電界は第２図に町およ
びＥ２で示されている。これら電界は斜めに延びしたが
って、放出電極２０のエツジから現われる電子を斜めの
軌跡を辿って絶縁体３の表面に達し同時に放電室の開放
端に向って運動せしめるような合成電界を形成する。自
由電子が絶縁体３０表面に衝突すると２次′電子が発生
され、これら２次電子は放電空間内の電位ならびに絶縁
体表面の残留電荷の作用下で、該絶縁体表面に向けて逆
方向に加速されてさらに新しい２次電子を発生する。こ
のプロセスは、第２図に電子の軌跡２１で示すように、
定常的に減少する電子の運動エネルヤで反復的に行なわ
れる。電子は最終的には均等に絶縁体表面３上に分布さ
れる。このことは２２で示しである。

ここで電子は、ガスと電子との電離衝突に対し最大の有
効断面に達する。このようにして、電極１と２との間に
、放電空間１の開放端に向い非常に高速度で運動するプ
ラズマ層が形成される。がス空間内でこのプラズマ層を
形成するための電離は、非常に高い電子密度で実現され
、その結果個々のチャンネル（線条）の発生は抑圧され
均質な放電状態が形成される。

第２図に示したリング形状のエツジ電極２０の代りに、
第４図の実施例に見られるような放出電極な使用するこ
ともできる。この実施例による電界放出電極は環から等
間隔で配設された尖端２５かも構成されており、これら
尖端は例えば個別に形成することもできるし、また１つ
の組織から取出すことができる例えば担体媒質内、埋設
、れた炭門繊維ヵ、う形成するこよができる。第４図に
示すように、尖端２５は、互いに、発生する電子が絶縁
体３０表面上に均質に分布されるように離間されている
。

第５図に示した実施例においては、絶縁体２８は、長さ
Ｌ２の範囲に亘り内部電極１内に、その外径が内部電極
の直径に対応するようにして嵌め込まれている。背部の
電界放出電極３０側の領域で、絶縁体２８の直径は直線
的に増大し、この領域においては絶縁体表面は軸線３１
および内部電極１と鈍角を形成する。第５図に示しであ
る角度αは、２０°と４０°との間の範囲内に在るよう
にするのが合目的的である。

絶縁体２８のこの構成により、第２図と関連して述べた
電極３０かも放出される電子の軌跡は好ましい形態とな
る。と言うのは、絶縁体２８の傾斜した領域においては
、放出された電子の運動は主に放電空間の解放端に向う
からである。

第５図に示す絶縁体の長さＬｌおよびＬ２は次式を満足
する必要がある。

Ｌ□〈Ｌ２且つＬよ＋Ｌ２二Ｕ−ｊ。

上式中Ｕは、放電空間内のプラズマ層の所望の速度であ
り、そして＋７秒で測定した時間ｔは２００と５００の
間にある。

絶縁体２８もしくは３の端と内端電極１との間の移行部
は常に成る臨界領域な形成する。この理由から、外部電
極は上記絶縁体の端における火花発生が確実に回避され
るように形成するのが合目的的である。この要件は第５
図の実施例の場合、外部電極２９と絶縁体２８の表面と
の間の間隔りが次式を満すように選択することにより実
現されている。

、　Ｉ”Ｄ＜ＵＺｍｉｎ 上式中、ｐは放電空間内のガスの圧力であり、ＵＺｍｉ
ｎはこのがスの最小火花電圧である。

第５図の実施例においては、絶縁体２Ｂの全長を越える
外部電極２９の距離りが上記の要件を満す。前部の領域
において始めて外部電極２６の直径は増大している。

第６図は、外部電極３２が絶縁体２８の前端部領域での
み内向きに湾曲されておって、間隔わが上述の関係を満
している別の実施例を示す。

次に第７図に示す実施例を参照し、本来のプラズマ焦点
の発生について説明する。例えば、第コ図に示したトリ
ガされる低インダクタンスの複チャンネル火花ギャップ
のような高′亀カスイッチを用いてガスが充填された放
電室の電極１および２に例えば２　Ｑ　ＫＶＯ高電圧を
印加する。それにより電界放出電極３０の尖端で非常に
高い電子密度で電子が放出され、これら電子は略示した
軌跡２１を辿り絶縁体２８の表面に沿って運動する。こ
の運動において、絶縁体表面２８に対する最初の衝突時
には５００　ｅｖもしくはそれ以上にもなる電子の運動
エネルギは減少し、同時に電子の数は、絶縁体２８の表
面からの２次電子放出により増倍する。電子は絶縁体表
面上に均韓に分布し、電子と放電空間のガスとの電離衝
突に対する最大作用断面に達すると直ちに、第７図に３
５で略示したプラズマ層を発生する均質な放電が生ずる
。

このプラズマ層３５は、放電室（１，２）の開放端に向
う方向に高い速度Ｕで運動する。この開放端に達した後
に、プラズマは磁界により内部電極１の前で圧縮されて
、最終的には参照数字３６で示す形態となる。この形態
においては、プラズマが再生可能な仕方で高い粒子密度
およびエネルギ密度に圧縮される本来のプラズマ焦゛点
３１が生ずる。このプラズマ焦点３７内で、３８で略示
したレントゲン線が発生する。

第７図から明らかなように、プラズマ焦点３Ｔは極めて
小さく、近似的に点状放射源として用いることができる
。

既に述べたように、発生されるレントゲン放射３８はコ
ーヒレンスな成分おヨヒ非：＋−ヒレンスな成分を含む
。

プラズマ焦点３７は、例えばＸ線顕微鏡またはＸ線ＩＪ
　）グラフィ装置のようなＸ線光学装置で放射源として
有利に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による装置全体の簡略断面
図、第２図は、本発明の第２の実施例による放電空間を
示す図、第６図は、第２図の線■−■における断面図、
第４図は、放出電極の一実施例を示す部分側面図、第５
図は、放電空間もしくは放電室の別の実施例の部分断面
図、第６図は、放電空間の別の実施例の部分断面図、そ
して第７図は、本発明による装置の一実施例におけるプ
ラズマ焦点の形成におけるいろいろな段＠な示す図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一端がリング状に絶縁体により囲繞されている円筒
   状の内部電極と、該内部電極を同心的に間隔りを置いて
   囲繞する外部電極とを備え、該内部電極および外部電極
   は、前記内部電極の他端で開放している低圧力でガスが
   充填された放電空間を形成し、さらに前記放電空間の閉
   鎖した側に位置する電極の端を電気エネルギ蓄積手段と
   短時間接新するだめの開閉器を備えているＸ線領域の高
   い放射強度を有するフ０ラズマ源を発生するための装置
   において、 ａ）前記放電空間の閉鎖された側で、前記外部電極（２
   ）の電位が印加される電界放出電極（４）で前記絶縁体
   （３）を、電極尖端と前記絶縁体表面との間に、前記放
   電空間のガス中の電子の自由長程表λより小さい間隔（
   ｄ）をあけて同心的に囲繞し、 ｂ）前記絶縁体（３）の材料および表面性質を、その表
   面が高い２欧電子放出係数（η炎ろ）を有するように選
   択し、 Ｃ）前記放電空間の閉鎖された側で、エネルギ蓄積手段
   （６）と接続しているインダクタンスの小さい高電力ス
   イッチを前記放電空間の電極（１，２’）と直接接続し
   、該高電力スイッチを高い立上り速度（１０１’　Ｗ／
   ｍ２ｓ　）で高い電力流（約Ｉ　Ｑ８　Ｗ／ｍ”　）ン
   開閉するのに使用することを特徴とする高い放射強度を
   有するプラズマ源の発生装置。 ２　電界放出電極をリング形状の刃（４，２０）として
   形成した特許請求の範囲第１項記載のプラズマ源の発生
   装置。 ろ、　電界放出電極を等間隔の尖端（２５）から構成し
   た特許請求の範囲第１項記載のプラズマ源の発生装置。 ４、絶縁体（２８）の直径を、その後方の電界放出電極
   （３ｏ）に面した領域で直線的に増加して該領域におけ
   る絶縁体表面が内部電極（１）の軸ｓｌｊ！（３１）と
   鈍角を成すようにした特許請求の範囲第１項記載のプラ
   ズマ源の発生装置。 ５、内部電極（１）を囲繞する絶縁体（３，２８）を、
   該絶縁体の外部直径が少なくとも絶縁体の長さしの一部
   分に亘り内部電極（１）の直径に対応するように前記内
   部電極に嵌め込んだ特許請求の範囲第１項記載のプラズ
   マ源の発生装置。 ６、絶縁体の全長りが次式 ％式％ を満し、上式中、Ｕは放電空間内におけるプラズマ層の
   所望の速度であり、ｔは十ノ秒で測定して２００と５０
   ０値の間にある特許請求の範囲第４項または第５項記載
   のプラズマ源の発生装置。 Ｚ　絶縁体の前端部領域における外部電極（２）の絶縁
   体からの間隔りが、次式 ％式％ を満し、上記中ｐは前記放電空間内のガス圧力であり”
   Ｚｍｉｎは該ガスの最小点弧電圧を表わす特許請求の範
   囲第１項記載のプラズマ源の発生装置。 ８、　外部電極（２９）の間隔りが絶縁体（２８）の全
   長に亘り特許請求の範囲第７項記載の式を満し、そして
   該間隔が前記外部電極の前部領域で拡張されている特許
   請求の範囲第７項記載のプラズマ源の発生装置。 ９　外部電極（３２）が絶縁体の前端領域において内向
   きに湾曲されておって、間隔りが該領域において特許請
   求の範囲第７項記載の式を満す特許請求の範囲第７項記
   載のプラズマ源の発生装置。 １０、スイッチ力、トリガされる低インダクタンスの複
   チャンネル火花ギャップとして構成されている特許請求
   の範囲第１項記載のプラズマ源の発生装置（第１図）。 １１、）ＩＪが電極（１２）が等間隔で相持リング（１
   １）上に取付けられて、火花ギャップの関連の電極（８
   ，９）と共にガスまたは流体で充填された小容積の空間
   （１３）内に配設されている特許請求の範囲第１０項記
   載のプラズマ源の発生装置。 １２、トリガ電極（１２）ＶＣ，直接、付加的なエネル
   ギ蓄積手段（１４）が接続されている特許請求の範囲第
   １１項記載のプラズマ源の発生装置。 １３、内部電極および外部電極（１，２）間の空間を、
   水素と高い電荷数２のガスとからなる混合物で充填した
   特許請求の範囲第１項記載のプラズマ源の発生装置。 １４、内部電極（１）の直径Ｒが用いられるガス混合物
   に対応して選択される特許請求の範囲第１項または第１
   ６項記載のプラズマ源の発生装置。 １５、コーヒレンスなＸ線放射源として用いられる特許
   請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに記載のプ
   ラズマ源の発生装置。 １６、非コーヒレンスな多色Ｘ線放射源として用いられ
   る特許請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに記
   載のプラズマ源の発生装置。 １７、Ｘ線顕微鏡における放射源として用いられる特許
   請求の範囲第１５項または第１６項に記載のプラズマ源
   の発生装置。 １Ｂ、ｌＪ）グラフィ装置で放射源として用いられる特
   許請求の範囲第１５項または第１６°項記載のプラズマ
   源の発生装置。