TWI470919B - An electron source and a secondary emission electron source under an ion impact - Google Patents

Description

電子源及在離子撞擊下的二次發射電子源的供電電源裝置和方法

本發明是有關於一種脈衝電子源和使用該電子源的裝置，特別是在X射線中以脈衝式電子激發或預離子化的氣體雷射。脈衝電子源在離子撞擊的結果發射一電子束。

人們可以參考專利文獻FR 2 204 882或FR 2 591 035。使用電子源的裝置包括一離子室和一藉由柵極與離子室相連通的加速室，在離子室中發生預放電，如此所產生的一部分正離子朝向位於加速室中的陰極被加速，被加速的離子撞擊該陰極並且引起二次電子發射，被加速的二次發射的電子藉由施加到陰極的負電壓再次被加速，在那種情況下形成了由兩個腔室之間的柵極所引出的電子束。

然而，在離子室中觸發放電隨著該裝置的使用可能會變得越來越困難。因而放電的觸發會越來越落後並且發生同時負電壓脈衝施加到陰極上的危險。在離子室中的正電壓和在加速室中的負電壓同時施加會有出現故障的危險，甚至對於實施該裝置的該裝置及系統的毀壞。不管情況如何，延遲觸發放電會引起電子源的輸出端所得到的電子束特性降低。離子室中觸發放電的延遲性質及因此不可控制的係不能令人滿意的。

本發明的目的是克服上述提到的缺點。

特別是本發明的目的是獲得與操作狀態(比如電子源老化等)相對無關的穩定觸發電子源。

低壓室中在離子撞擊下之二次發射電子源的供電裝置包括一控制輸入端，兩個高電壓輸出端，在高電壓輸出端上可產生複數個正脈衝的手段以及至少在一部分正脈衝以後可在另一高電壓輸出端上產生負脈衝的手段。可施加到離子室之電極上的該等正脈衝的產生使得觸發放電更容易了。

在一實施方式中，該供電裝置包括一可在產生正脈衝的手段工作結束與產生負脈衝的手段工作開始之間發生延遲的手段。該延遲可以是固定不變的或者是可調整的，以便適合於各種操作參數，特別是壓力、氣體分子量等等。

在一實施方式中，產生該複數個正脈衝的手段係組態成使得第一脈衝的電壓大於後面脈衝的電壓。雖然離子室中延遲第一次放電，但是觸發的延時係很快地穩定。從最後正脈衝觸發的控制在延時D1流逝以後可控制負脈衝，在最後正脈衝的控制與離子室中最後放電的觸發之間延時D2可以精確地區分。離子室中最後放電的觸發與負脈衝的控制之間延時D3可以根據公式D3=D1-D2所確定。由於本發明，有關延時D2的不精確性大大地減少。

低壓室中在離子撞擊下二次發射電子源的供電方法包括一在高電壓輸出端上產生複數個正脈衝的步驟和一至少在一部分正脈衝之後在另一個高電壓輸出端上產生一負脈衝的步驟。

在一實施方式中，非零延時可使一序列正脈衝之最後正脈衝的結束與負脈衝的開始分隔開，因此保證該裝置的安全性。

在一實施方式中，第一個正脈衝的峰值電壓大於隨後的正脈衝的峰值電壓。此便於藉由較高電壓的第一個脈衝實現第一次放電。當隨後的脈衝具有較低電壓時也可容易地達到放電。降低能量耗費並且供電電源的老化現象更少。

在一實施方式中，隨後的正脈衝的峰值電壓實質上是相等的。

在一實施方式中，隨後的正脈衝持續時間基本上是固定的。降低有關延時D2的不準確可以提高延時D3的精確度。

在裝置老化過程中，至少一脈衝的電壓可以增大。

電子源包括一低壓室，一加速室，一安裝在加速室中的陰極，一安裝在低壓室中的陽極和一配備有兩個高電壓輸出端的供電電源裝置，一高電壓輸出端連接陽極而另一則連接陰極。供電電源裝置包括一產生複數個正脈衝的手段和一在該等正脈衝之後產生負脈衝的手段。

在一實施方式中，電子源包括一控制模組，可控制產生該複數個正脈衝的手段及產生該負脈衝的手段。該控制模組可以配置成能計算延時，此能夠避免同時產生正脈衝和負脈衝。

因此能夠大大減少出現機能性障礙的危險，甚至大大地減少電子源的故障。由於降低了電源及離子室的老化現象，電子源的使用壽命也提高了。因此電子源的使用成本很理想。

人們還可以逐漸提高電壓以便在老化過程中仍能產生該放電。

人們也可使用一可與電磁約束系統相耦合的陰極輔助源。不過，在那種情況下，由於受熱陽極的蒸發以及蒸發的金屬沉積，而使該源的使用壽命受到了限制，是由蒸發金屬的沉積是在離子室之壁上所形成的，與此同時可引起電子源操作性能的降低。

在閱讀了作為非限制性實例並利用附圖加以描述的幾種實施方式的詳細說明後，可更佳地理解本發明。

正如人們在圖1上可觀看的，電子源1包括一加速室2和一由殼體4所界定的離子室3。離子室3可以依主要方向延長。

殼體4包括外殼5和可以分隔開加速室2與離子室3的內壁6。殼體4可以用金屬製成，例如使用以黃銅為基質的金屬或者用不銹鋼製成。一面界定加速室2而另一面界定離子室3的內壁係可以覆蓋用以適合於所考慮的應用之一金屬或金屬合金，特別是要依據所使用的電壓及殼體4中的氣體(尤其是氣體性質與氣壓)所考慮的應用。如實施例所述，以鋁或鎳為基質的覆蓋層可以覆蓋加速室2的壁和/或離子室3的壁。

加速室2和離子室3藉由設置在內壁6中的橫向穿孔形狀的通道7以互相連通。該通道7配備一通常是金屬的柵極8。出口9設計在與內壁6相對的離子室3之外壁中。出口9可以是開放的或者配備一柵極，特別是，在殼體4中並且圍繞殼體4四周存在一種類似性質又是相同壓力的氣體情況下，就更是如此。在氣體的壓力和/或性質的條件都不相同的情況下，出口9係一般配備有一密封件(未圖示)，例如其形狀是一種合成材料零件，不透氣但至少可使部分地電子穿透，以便能夠輸出電子源1中所產生的電子束。密封件也可以是包覆金屬層，特別是以高原子量金屬為基質的金屬層(例如原子量大於50)，目的是為了在電子撞擊操作下產生X射線。

電子源1包括一安裝在加速室2中的陰極10。該陰極10可以是固定的或者是可旋轉的。此陰極10能夠以不銹鋼為基質或者以鋁合金為基質的材料製成。陰極10可提供一正對著通道7之呈圓盤狀或圓筒的平坦表面10a。通道7和出口9以及陰極10的平坦表面10a係對齊成直線。陰極10是由氣密絕緣體11所支撐，此絕緣體固定在外殼5外壁的孔中。絕緣體11也可以與通道7和出口9對齊成直線。絕緣體11形成一可以從外殼5外部對陰極10供電之電氣貫穿件。

電子源1包括一安裝在離子室3中的陽極12。該陽極12可以呈現沿著離子室3之主要方向延長的一條或多條導線形狀。該導線可在其兩端供電以便提高電場的均勻性。

陽極12是由固定在外殼5之側壁上的密封絕緣體13所支撐的並且確保氣密性以及電氣貫穿。相對於通道7和出口9的對齊以移位陽極12。

電子源1包括一供電電源14，其包括包含有陰極10的供電模組15、包含有陽極12的供電模組16以及控制模組17。供電模組15和供電模組16可以是圖5上所示的態樣。控制模組17的配置用於產生脈衝控制信號，這些信號是在傳輸到供電模組16的信號與傳輸到供電模組15的信號之間暫態延遲的。可以調整該延遲，這要依據加速室2及離子室3中的氣體壓力和依據氣體性質或氣體混合物性質(特別是原子量)而定。

依操作情況來說，控制模組17把信號18傳輸到供電模組16，參見圖2。信號18呈現多個矩形信號形式(特別是五個矩形信號)。脈衝數可以適時增加以便補償電子源1的老化。然後，控制模組17把信號19傳輸到供電模組15以便使負高電壓施加到陰極10上。信號19可以是信號18之結束而同步，可能會有未示出的延遲，或者在信號18開始之前被傳輸。

在圖3上表示出一些粗實線的電壓波形和細實線的電流波形，這是由供電模組16在陽極12上輸出的。符號N表示所用電壓脈衝的次序。在第一個電壓脈衝，只是在相對稍長的持續時間內施加高電壓以後才發生電流放電。繼而從第一個脈衝到第四個脈衝減少該預先放電的高電壓持續時間而在第五個脈衝則幾乎保持不變。人們可理解到，在圖3上，每個脈衝的相對時間標示都為了附圖的需要而垂直排成直線了。當然，第N個脈衝是在第N-1個脈衝之後產生的。在該後者的脈衝之後，此處就是第五個脈衝之後，控制模組17把信號19傳輸到供電模組15，這就可以使曲線20形式的負高電壓施加到陰極10。施加到陰極10的負高電壓脈衝20是從持續時間D4以後開始的，此持續時間亦從陽極12上正電壓脈衝的最大值結束而開始的，或者換句話說，基本上是從供電模組16所接收的信號18的最後控制脈衝結束而開始的。在陽極12上正電壓脈衝持續時間在第n個脈衝基本上是在固定不變的範圍內，在此取N=5，該持續時間可以由一些操作條件界定，例如電壓值、氣體壓力、氣體性質、陽極12與離子室3的壁之間的距離等等。第n個正電壓脈衝的持續時間可以估算或者經由實驗測量。控制模組17可以簡單且經濟的配置成能產生控制脈衝的信號19，在控制脈衝的信號18結束後的持續時間等於持續時間D4與正電壓脈衝持續時間之和。

在圖4所示的一實施方式中，控制模組17產生正電壓控制信號，其包括持續時間大於其他脈衝的信號18之持續時間的第一個脈衝，從而供電模組16的充電時間較長並且施加到電極12上的第一個正電壓脈衝的電壓比第2個及後隨的脈衝電壓都高。申請人實際上已發覺，特別是第一次放電較難達到而採用更高的電壓就能比較容易又比較快速地達到。第2個及第2個以上的正電壓脈衝都可用較低電壓而達到，從而供電模組16的負載更小，這就使得其耗損降低了。人們能夠選擇最佳的第一脈衝電壓觸發第一次放電，以及選擇後續脈衝的放電穩定性的最佳電壓。後續脈衝的電壓可以是第一脈衝電壓的80與100%之間。為此我們可選擇脈衝型供電模組16，其充電時間T-alim大於脈衝週期T。第一次放電是藉由比其他次放電更高的電壓所觸發的。

藉助於本發明，多脈衝觸發式電子源可輸出穩定的電子束，在擺脫其使用條件及使用期限等大部分因素束縛的同時又降低老化現象。為了補償老化現象，人們可以另外隨時提高第一脈衝電壓、後續脈衝電壓和/或後續脈衝數。為此而設置了調整按鈕或自動調整機構。很容易維修。

依操作情況，加速室2和離子室3係充滿氣體(例如低壓氦，比如氣壓在1-20Pa(帕斯卡)之間)。在陽極12上使用正電壓，殼體4保持接地，利用電壓脈衝產生放電。在充有氣體的離子室3中放電而引起正離子發射。然後中止陽極12上的電壓脈衝並且在陰極10上產生負電壓脈衝。此時，由陰極10所吸引的正離子穿過通道7用來依箭頭21的軌跡撞擊電極10的平坦表面(10a)。陰極10的離子撞擊而引起電子發射，這些電子由於供電模組15所施加的負高電壓而受到陰極10的互斥作用。電子依箭頭22的軌跡被加速而穿過通道7，然後通過出口9並因此而輸出一電子束。

如圖5所示，供電電源15包括一配備初級線圈29和次級線圈30的脈衝變壓器28。該脈衝變壓器28的初級線圈29的一端接地而另一端連接電容器31。電容器31連接與初級線圈29相對的電壓源U₀ 並且連接開關32。開關32亦連接至地線，以便能夠使電容器31與初級線圈29短接。次級線圈30的一端連接電源的地線而另一端連接到電子源1的陰極10。

電源15還可包括一與次級線圈30並聯的輔助電壓源，其可輸出偏壓並且一端連接電源地線而另一端連接到次級線圈30與電極3之間的共用點。保護性裝置可以與輔助電源串聯安裝以便限制電流的流通。該保護性裝置可包括至少一二極體、一電容器和/或一電感器。此外，在電源15的輸出端可設置一電流感測器，其用於測量離子室2中的耗電電流。

在第一個步驟中，開關32成為開路。電容器31充電到電壓U₀ 。

輔助電壓源可以使陰極10保持正偏壓。為了限制次級線圈30中的損耗，可以在次級線圈30與共用點之間設計一未示出的二極體，此共用點連接保護裝置且連接陰極10。可以使電容器31與變壓器28之初級線圈29短接的開關32在閉合以後，由變壓器28次級線圈30輸出負高電壓脈衝-U_gun 並且被施加到陰極10。

電子源1可以藉由寄生電容C_gun 來實現電性模型化。在第一個離子化步驟時，由於在加速室2中不存在或很少量的等離子體，該寄生電容C_gun 可能大大減小了。在加速室2中存在等離子體的情況下，等離子體的極化可產生強寄生電容。在第一個步驟時，由於施加可避免等離子體的正離子進入到加速室2中的正偏壓，該加速室2在陰極10上使用負高電壓-U_gun 時基本上沒有等離子體。因而寄生電容C_gun 係相當小。電源15的充電電壓U₀ 可能降低。相對地是，變壓器28的轉換比可減小。

1．．．電子源

2．．．加速室

3．．．離子室

4．．．殼體

5．．．外殼

6．．．內壁

7．．．通道

8．．．柵極

9．．．出口

10．．．陰極

10a．．．平坦表面

11．．．絕緣體

12．．．陽極

13．．．絕緣體

14．．．供電電源

15．．．電源；供電模組

16．．．供電模組

17．．．控制模組

18．．．信號

19．．．信號

20．．．負高電壓脈衝

21．．．箭頭

22．．．箭頭

28．．．變壓器

29．．．初級線圈

30．．．次級線圈

31．．．電容器

32．．．開關

圖1是一電子源的示意圖；

圖2是表示控制模組輸出變化的曲線；

圖3是表示電源電壓及電流隨時間變化的曲線；

圖4是表示離子室之電極端子的電壓隨時間變化的曲線；以及

圖5是供電電源的示意圖。

1．．．電子源

2．．．加速室

3．．．離子室

4．．．殼體

5．．．外殼

6．．．內壁

7．．．通道

8．．．柵極

9．．．出口

10．．．陰極

10a．．．平坦表面

11．．．絕緣體

12．．．陽極

13．．．絕緣體

14．．．供電電源

15．．．電源；供電模組

16．．．供電模組

17．．．控制模組

21．．．箭頭

22．．．箭頭

Claims (12)

1. 一種在低壓室中在離子撞擊下的二次發射電子源的供電電源裝置(14)，其包含一控制輸入端和兩個高電壓輸出端，其特徵在於：供電電源裝置(14)包括一可在高電壓輸出端上產生複數個正脈衝的手段，以及一可在至少一部分正脈衝之後於另一高電壓輸出端上產生一負脈衝的手段。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一可在產生該複數個正脈衝的手段工作結束與產生負脈衝的手段工作開始之間產生延遲之手段。
3. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中，產生該複數個正脈衝的手段之配置係使第一個脈衝電壓大於後續脈衝電壓。
4. 一種在低壓室(3)中在離子撞擊下的二次發射電子源(1)的供電電源方法，該方法為：在一高電壓輸出端上產生複數個正脈衝(18)，而在至少一部分正脈衝之後，於另一高電壓輸出端上產生一負脈衝(19)。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，一非零延時使正脈衝的結束與負脈衝的開始分隔開。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中，第一個正脈衝的峰值電壓大於後續正脈衝的峰值電壓。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，該等後續正脈衝的峰值電壓基本上是相等的。
8. 如申請專利範圍第6或7項之方法，其中，該等後續正脈衝的持續時間基本上是固定不變的。
9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中，在老化過程中提高至少一個脈衝的電壓。
10. 一種電子源(1)，其包括一低壓室(3)、一加速室(2)、一安裝在加速室中的陰極(10)、一安裝在低壓室中的陽極以及一申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置(14)，該高電壓輸出端連接陽極(12)而另一高電壓輸出端則連接陰極(10)。
11. 如申請專利範圍第10項之電子源，進一步包括一用於控制產生該複數個正脈衝的手段及產生負脈衝的手段之控制模組(17)。
12. 如申請專利範圍第10或11項之電子源，其中，陽極(12)包括一在兩端供電的導線，低壓室依導線方向延長。