KR20150010941A - 플라즈마를 안정화하기 위한 방법 및 개선된 이온화 챔버 - Google Patents

플라즈마를 안정화하기 위한 방법 및 개선된 이온화 챔버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 a. 이온화 챔버에 다수의 고전압 와이어 및 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스를 제공하는 단계, b. 상기 가스를 고전압에 노출함으로써 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는 플라즈마를 안정화하기 위한 방법에 관한 것으로, 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 된 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 X-선의 발생시 이러한 방법의 용도에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 a. 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스, 및 b. 상기 가스를 고전압에 노출시켜 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 다수의 고전압 와이어를 포함하는 이온화 챔버에 관한 것으로, 상기 이온화 챔버는 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 추가로, 본 발명은 그러한 이온화 챔버를 포함하는 X-선 발생기 및 그러한 X-선 발생기를 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마를 안정화하기 위한 방법 및 개선된 이온화 챔버{A Method for stabilizing a plasma and an improved ionization chamber}
본 발명은 고전압 유도 플라즈마를 안정화하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 발명은 X-선 발생시 이러한 방법의 용도에 관한 것이다.
그리고 본 발명은 고전압 유도 플라즈마를 형성하기 위한 이온화 챔버에 관한 것이다.
또, 발명은 그러한 이온화 챔버를 포함하는 X-선 발생기에 관한 것이고, 그러한 X-선 발생기를 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다.
펄스형(pulsed) 가스 레이저의 방출 안정성은 가스상 매체에 예비 전리 (pre-ionizing) 방사선을 공급함으로써 크게 향상되는 것으로 알려져 있다. 예비 전리를 얻기 위한 가능성 중의 하나는 X-선 발생기를 사용하는 것이다. 이에 대한 예가 특허 문헌 WO 8910003에 기재되어 있다.
일반적으로, X-선 발생기의 성능은 다음의 원리에 기초한다:
- 플라즈마는 양이온 소스로서 생성된다.
- 양이온은 음으로 분극된(polarized) 전극을 향하여 가속되고 이러한 전극과 충돌하면 2차 전자를 생성한다.
- 얻어진 전자 빔은 동일 전극으로부터 멀어지게 가속되고 금속판과 충돌하도록 이송된다.
- 금속판에 전자빔이 충돌하면, X-선이 발생한다.
X-선 발생기의 입자 형태로서, 헬륨과 같은 저압 가스로 충전된 이온화 챔버 내부에 하나 또는 복수의 와이어가 배치된다. 고전압 펄스가 와이어(들)에 인가됨에 따라, 고밀도의 양이온을 생성하는 이온화 챔버에서 플라즈마가 형성된다. 이러한 형태의 양이온 소스는 매우 큰 반복률(repetition rate)로 작동될 수 있다.
그러나, 일반적이고 통상적으로 알려진 성능 제한은, 플라즈마가 특정 시간(일반적으로 1분 넘게) 동안 점화되지 않을 때, 그 안정성이 일정하지 않거나(소위 지터 효과(jitter-effect)), 또는 플라즈마가 평소보다 더 낮은 이온 밀도를 생성할 수 있다는 점이다. 이는 아마 점화시 플라즈마를 유지하기 위하여 필요한 전하의 불충분한 양과 관련된다.
주 레이저 방출에 대하여 X-선 발생기에 의해 발생된 X-선 예비 전리 빔의 시점이 레이저 출력 에너지 및 안정성에 큰 영향을 준다는 것이 또한 통상적으로 인식되어 있기 때문에, 불안정한 플라즈마는 주 레이저 방출의 최적 성능을 심하게 손상할 수 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 시도로서, 점화시 플라즈마를 유지하기 위한 전하의 양은, 와이어(들)에 인가된 고전압을 증가하거나, 또는 첫 번째 고전압 펄스에 이어 저전압을 갖는 다수의 펄스를 인가함으로써 증가할 수 있다. 그러나, 이방식의 결점은 고전압 와이어에 대한 응력이 증가한다는 것과 또 이온화 챔버에서 아크 방전으로 인해 더 큰 실패 위험이 존재한다는 것이다.
그러므로 본 발명의 목적은 점화시, 특히 특정 시간 동안 점화되지 않은 후에 플라즈마의 안정성을 개선할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 안정되고 심지어는 개선된 이온 밀도를 발생시키는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 점화시, 특히 특정 시간 동안 점화되지 않은 후에 개선된 플라즈마의 안정성을 갖는 이온화 챔버를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 개선된 X-선 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개선된 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 함으로써 상기 목적을 달성한다.
본 발명은,
a. 이온화 챔버에 다수의 고전압 와이어 및 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스를 제공하는 단계,
b. 상기 가스를 고전압에 노출함으로써 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는 플라즈마를 안정화하기 위한 방법에 관한 것으로, 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받게 되는 것을 특징으로 한다.
게다가, 본 발명은 X-선 발생시 그러한 방법의 용도에 관한 것이다.
또한, 본 발명은,
a. 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스, 및
b. 가스를 고전압에 노출시켜 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 다수의 고전압 와이어를 포함하는 이온화 챔버에 관한 것으로, 상기 이온화 챔버는 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 그러한 이온화 챔버를 포함하는 X-선 발생기 및 그러한 X-선 발생기를 포함하는 레이저장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한다.
본 발명에 따른 제1 실시예에서, 플라즈마를 안정화하기 위한 방법은,
a. 이온화 챔버에 다수의 고전압 와이어 및 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스를 제공하는 단계,
b. 상기 가스를 고전압에 노출함으로써 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하고, 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받게 되는 것을 특징으로 한다.
출원인은, 플라즈마의 점화시 이온화 챔버 내로 광학적 방사선(빛)을 제공하는 것이 특히 비교적 장시간 동안 점화되지 않은 후의 불안정성(소위 지터(jitter))을 억제하는 효과를 갖는다는 것을 의외로 발견하고 실험적으로 확인하였다.
임의의 이론에 얽매이지 않고, 플라즈마가 빛을 받도록 하는 것은 점화시 플라즈마를 유지하기 위하여 필요한 이온화 챔버의 체적 내 또는 표면 상에서 전하가 발생하도록 하는 것을 도울 수 있다. 빛을 받도록 하는 것은 플라즈마에서 이온의 여기 (excitation)를 일어나게 함으로써 플라즈마의 안정성을 향상한다고 여겨진다.
플라즈마는 바람직하게는 헬륨(H), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 이들의 혼합물과 같은 불활성 가스의 그룹으로부터 선택된 임의 종류의 이온화 가능한 가스로부터 점화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온화 챔버 내에서 이온화 가능한 가스는 바람직하게는 1 Pa 내지 100 Pa범위의 중간 진공의 범위에서 압력을 받는다.
빛은 플라즈마의 불안정성을 억제하기에 적절한 임의의 파장을 가질 수 있다. 더 상세하게는, 파장은 10 나노미터와 1100 나노미터 사이, 100 나노미터와 800 나노미터 사이, 400 나노미터와 800 나노미터 사이(가시광선 범위), 또는 100나노미터와 400 나노미터 사이(UV 범위)일 수 있다.
빛은 1mW 내지 5000mW, 1mW 내지 3000mW, 바람직하게는 100mW 내지 1500mW의 방사선 에너지를 가질 수 있다.
빛은 펄스형이거나 연속적일 수 있다. 연속적인 빛은 펄스형 빛에 비해 광 펄스와 이온화 방전 사이에 정확한 동기화가 필요하지 않는 이점을 가질 수 있다.
빛은 이온화 챔버 내에서 고전압 와이어 중 하나 이상에 또는 점화된 플라즈마 "중심"에 집속될 수 있다. 바람직하게는, 빛은 이온화 챔버 내부 전체로 실질적으로 안내된다. 이온화 챔버의 단지 일부(또는 플라즈마의 일부) 대신에 실질적으로 이온화 챔버 전체를 빛에 노출하는 것이 유리할 수 있는데, 왜냐하면 점화시 더욱 효율적으로 플라즈마를 안정화시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 실시예에서, 본 발명은,
a. 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스, 및
b. 상기 가스를 고전압에 노출시켜 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 다수의 고전압 와이어(2)를 포함하는 이온화 챔버(1)를 제공하고, 상기 이온화 챔버가 점화시 플라즈마를 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단(3, 3', 4, 4')을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이온화 챔버에서, 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스(이온화 가능한 가스라고도 불림)는 중간 진공 조건에서 존재한다. 고전압 와이어 중 하나 또는 다수는 바람직하게는 이온화 챔버의 중심에 위치되며 고전압원에 연결된다.
고전압을 인가함으로써 이온화 가능한 가스를 점화하면, 형성된 플라즈마는 이 플라즈마의 안정화를 위하여 소정량의 빛에 노출된다.
본 발명에 따르면, 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 10 나노미터와 1100 나노미터 사이, 100 나노미터와 800 나노미터 사이, 400 나노미터와 800 나노미터 사이(가시광선 범위), 또는 100 나노미터와 400 나노미터 사이(UV 범위)의 파장을 갖는 빛을 제공하기에 적절한 임의의 광원 및/또는 광학 시스템을 포함할 수 있고, 광학 시스템은 아마 더 높은 양자 에너지로 인하여 더 좋은 효율을 가져올 것이다.
광원은 1mW 내지 5000mW, 1mW 내지 3000mW, 바람직하게는 100mW 내지 1500mW의 방사선 에너지를 가질 수 있고, 연속적이거나 펄스형일 수 있다. 후자의 경우, 플라즈마의 점화시 빛의 펄스를 제공하기 위하여 와이어에 인가된 고전압 펄스에 광원이 동기화될 수 있다.
플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 하나 이상의 고전압 와이어 상에 또는 점화된 플라즈마 "중심"에 빛을 집속하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수단은 빛이 실질적으로 이온화 챔버 내부 전체로 안내되도록, 즉 이온화 챔버의 일부에 집속되지 않도록 또는 전혀 집속되지 않도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 하나 또는 복수의 내부 광원, 즉 이온화 챔버 내에 설치된 광원, 또는 하나 또는 복수의 외부 광원(3, 3'), 즉 이온화 챔버 외부에 설치된 광원을 포함할 수 있다.
후자의 경우, 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 이온화 챔버(1)의 벽에 통합된 하나 또는 다수의 투명한 창(4')을 추가로 포함하거나, 대신에 외부 광원(들)(3, 3')으로부터의 빛(4)을 이온화 챔버 내부로 안내하기 위한 전용 광학기기를 포함할 수 있다.
광원은 연속적인 또는 플래시 램프, 레이저, 발광 다이오드(LED) 등과 같은 상기에서 표시된 범위의 파장 및 방사선 에너지를 갖는 빛을 발생시키기에 적절한 임의의 광원일 수 있다.
외부 광원(들)으로부터 이온화 챔버 내부로 빛을 안내하기 위한 광학기기는, 예컨대, 거울, 렌즈, 빔 분할기, 프리즘, 광섬유와 같이 광 도파관 등과 같은 빛을 안내하기에 적절한 임의 종류의 광학 기구를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 특정 실시예에서, 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 가시 스펙트럼 영역(400nm 내지 800 nm)에서 발광하는 몇몇 발광 다이오드(LED)(3)를 포함할 수 있고, 각 LED 출력은 광섬유(4)에 결합된다. 각 광섬유 출력은 밀봉된 피드스루(feedthrough)로 이온화 챔버 내에 삽입된다. 광섬유는 이온화 챔버의 하나 이상의 측면에, 또는 대향하는 측면에 삽입될 수 있다.
대안적으로 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 UV 스펙트럼 영역에서 발광하는 플래시 램프(3') 및 이온화 챔버의 벽에 통합된 하나 이상의 창(4')을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서, 상기 기재된 바와 같은 플라즈마를 안정화하기 위한 방법은 X-선을 발생시키기 위하여 사용될 수 있다. X-선을 발생시키는 것은 이하의 원리에 기초한다:
1. 소정량의 빛을 받도록 함으로써 점화시 안정화된 저압 와이어 플라즈마는 양이온을 생성한다.
2. 양이온은 음으로 분극된 전극을 향하여 가속되고 이러한 전극과 충돌하면 2차 전자를 생성한다.
3. 얻어진 전자 빔은 동일 전극으로부터 멀어지며 가속되고 금속판과 충돌하도록 이송된다.
4. 금속판에 전자빔이 충돌하면, X-선이 발생된다.
또, 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 상기 기재된 바와 같은 이온화 챔버는 X-선 발생기에 사용될 수 있고, 통합된 그러한 이온화 챔버를 갖는 X-선 발생기는 레이저 장치에 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. a. 이온화 챔버에 다수의 고전압 와이어 및 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스를 제공하는 단계,
    b. 상기 가스를 고전압에 노출함으로써 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하는 플라즈마를 안정화하기 위한 방법에 있어서,
    점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 안정화하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빛은 10 나노미터와 1100 나노미터 사이의 파장을 갖는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빛은 100mW 내지 1500mW의 방사선 에너지를 갖는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    상기 빛은 연속적인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빛은 이온화 챔버 내부 전체로 실질적으로 안내되는, 방법.
  6. X선 발생시 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.
  7. a. 플라즈마를 형성하기에 적절한 가스, 및
    b. 상기 가스를 고전압에 노출시켜 가스를 점화하여 플라즈마를 형성하는 다수의 고전압 와이어(2)를 포함하는 이온화 챔버(1)에 있어서, 상기 이온화 챔버는 점화시 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단(3, 3', 4, 4')을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이온화 챔버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 10 나노미터와 1100 나노미터 사이의 파장을 갖는 광원을 포함하는, 이온화 챔버.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 연속적인 광원을 포함하는, 이온화 챔버.
  10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 100mW 내지 1500mW의 방사선 에너지를 갖는 광원을 포함하는, 이온화 챔버.
  11. 제7항 내지 제10항에 있어서,
    상기 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 빛을 이온화 챔버 내부 전체로 실질적으로 안내하도록 구성된, 이온화 챔버.
  12. 제7항 내지 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마가 소정량의 빛을 받도록 하기 위한 수단은 하나 또는 복수의 외부 광원 및 이온화 챔버 내부로 빛을 안내하기 위한 광 도파관을 포함하는, 이온화 챔버.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광 도파관은 광섬유를 포함하는, 이온화 챔버.
  14. 제7항 내지 제13항에 따른 이온화 챔버를 포함하는 레이저 장치.
  15. 제14항에 따른 X-선 발생기를 포함하는 레이저 장치.
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