TWI651748B - 低壓佈線離子電漿放電源，及其用於具有二次發射之電子源的應用 - Google Patents

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本發明關於一種低壓佈線離子電漿放電源，包含狹長形電離室(1)，且在該電離室內容置縱向地延伸的至少二平行陽極佈線(2，3)。根據本發明，所述至少二陽極佈線之第一者(2)係連接至DC電壓供應器(4)且所述至少二陽極佈線之第二者(3)係連接至脈衝電壓供應器(5)。

Description

低壓佈線離子電漿放電源，及其用於具有二次發射之電子源的應用
本發明關於低壓佈線離子電漿放電源，尤其是對於使用作為用於二次發射電子束之離子源，特別是用於脈衝X射線源。此類型的脈衝X射線產生器一般作為用於高能準分子雷射之預離子化源。
此X射線源之原理被描述於例如美國專利第4,955,045號(發明人為Friede等人)。典型地，參照第1圖(其概要地描繪使用於二次電子發射X射線產生器之佈線離子電漿(WIP)放電源)，將正脈衝電壓(1-5kV)從脈衝高電壓+U source施加至在具有低氣體壓力(典型為氦)之電離室中縱向地延伸的一或數個平行佈線10(形成裝置之陽極)。脈衝正電壓的施加產生沿佈線形成之正離子(例如He +)的電漿。在產生離子(He +)電漿後， 負高電壓脈衝(典型約100kV)被施加至被設置於相同機殼內之陰極20。正離子被吸引朝向陰極20，且，一旦與陰極20碰撞，則產生二次電子，其形成遠離陰極20傳送之電子束。金屬靶30可被設置於電子束路徑中，因此藉由使電子束慢下來而產生X射線發射。
為了對於X射線產生器獲得可靠的離子源，尤其是使用於高能準分子雷射，WIP放電必須滿足數個要求：
-必須產生高密度的正離子以便隨後產生高密度的二次電子(導致足夠高的X射線劑量)。對於WIP放電，其典型地需要至少1A/cm或更多(典型地2A/cm)的高放電電流。
-可靠的觸發(低脈衝至脈衝抖動(pulse-to-pulse jitter))及良好的脈衝至脈衝穩定性(對於可靠的及穩定的X射線發射)。
-產生的電漿之良好的空間均勻性，尤其在佈線的方向，其在用於高能準分子雷射之X射線源的情形中可長於1公尺。
經驗顯示其反而難以完全符合這些需求。
藉由施加高電壓脈衝而在低壓氣體(例如氦)中產生離子電漿會導致連結啟動氣體解離所需之自由電子的存在之大的統計上的不確定性。其在脈衝電壓被施加至佈線及電漿之開始的時間之間造成大的抖動。此抖動可依靠外部條件，例如施加的電壓、改變電離室壁之表面 及在所施加的電壓脈衝與之前的放電之間的時間的條件(見“Helium memory effect”,Kurdle and al.,J.Phys.D：Appl.Phys.32(1999),2049-2055)。
Makarov於EP-2.079.092對此問題提出解法，取代單一脈衝WIP放電，數個連續放電(以高重複率，典型地，100Hz)在施加負脈衝至陰極之前被施加至佈線。由於低壓氣體(典型地，氦)放電之「記憶」效應，對於各連續的放電，抖動被減少，其改善由最後正脈衝所產生的電漿之穩定性(在時間與密度上)。然而，此解法有幾個缺點：
-其對於各電子束脈衝強迫產生數個WIP放電，其減少裝置的可靠性與壽命。
-已觀察到，長WIP源(1m長)中之連續放電傾向造成電漿之不想要的縱向限制，因此劣化離子源的均勻性(見第2圖)。
於此情形中，為了穩定性與低抖動，而必須付出均勻性的代價。
另一方面，從Gueroult et al.,“Particle in cell modelling of the observed modes of a DC wire discharge”,Journal of Physics D：Appl.Phys.,Vol.43,N° 36亦已知，WIP放電可在低(直流，DC)電流(典型地，<1m A/cm)下連續地持續。Gueroult等人亦顯示(見第3圖，其描繪透過側視窗所見的放電剖面)，在電流與電壓的特定情況下，DC WIP放電可在所謂的「用於低壓之緊縮模 式(constricted mode for low pressure)」中被持續(第3圖(a)緊縮模式-p=1.10-2mbar,I=1mA)，其中電漿在佈線周圍被徑向地限制且沿佈線被均勻地拉長，或「擴散模式(diffuse mode)」，用於較高壓(3(b)、3(c)、3(d)擴散模式p=2,8.10-2mbar(以電流(I=1、1,5及2mA)縱向擴展))，其中電漿徑向地消耗但在縱向方向中(亦即，沿佈線)展現非均勻性。於任何情形中，對於兩操作之模式，DC WIP放電皆無法產生足夠的離子密度已被X射線產生器直接使用。
日本專利申請案JP-4-255654A揭露一種脈衝電子槍，其包含低壓氣體電離室，其容置陽極佈線以藉由氣體的脈衝離子化來產生正離子。DC電壓被預先施加至陽極佈線且脈衝電壓被進一步施加至陽極佈線。因此，電離室內部之電漿密度被增加且從電漿提取及到達陰極之表面的正離子之數量亦被增加。然而，同時施加DC電壓與脈衝電壓至相同陽極佈線會有以下缺點：●將高電壓/高電流脈衝施加於佈線上會使連續電漿不穩定；●於JP-4-255654A中，施加至佈線的連續高電壓為脈衝高電壓之有效部份(significant fraction)且沒有做出任何準備以避免連續電漿變得不穩定；●DC電漿放電展現負電阻，且因此為了穩定，必須被電阻地壓載(resistively ballasted)。因此，脈衝供應與DC供應疊加沒有令人滿意，因為任何雜散電容(電線與 二極體的雜散電容)將招致DC放電的變動。
因此，本發明的目標在於提供低壓佈線離子電漿(WIP)放電源，尤其是對於使用作為用於二次發射電子束之離子源，特別是用於脈衝X射線源，克服先前技術的缺點。
具體言之，本發明的目標在於提供低壓佈線離子電漿放電源。確保容易的低抖動、良好穩定性與均勻性(緊縮階段)之電漿建立。
以上目標藉由根據本發明之提供低壓佈線離子電漿(WIP)放電源被達成，其包含狹長形電離室及在電離室內縱向地延伸的較佳平行的至少二陽極佈線，其中，所述至少二陽極佈線之第一者係連接至直流電(DC)電壓供應器且所述至少二陽極佈線之第二者係連接至脈衝電壓供應器。
操作中，以DC電壓供應的第一陽極佈線作為輔助源，其提供激發的或離子化的種類(species)。當第二陽極佈線被供應高脈衝電壓時，這些種類作為脈衝高電流電漿之建立的種子，因此確保最終主電漿之低抖動、穩定性及均勻性。
較佳地，被施加至第一陽極佈線之直流電為低電流(典型地，1mA/cm)以獲得及維持最終主電漿於統一模式(緊縮階段)。
本發明之低壓WIP放電源可包含兩個以上的陽極佈線。DC電壓供應器或脈衝電壓供應器可被連接至兩個或更多平行的陽極佈線。
典型的組態包含連接至DC電壓供應器之單一陽極佈線及連接至脈衝電壓供應器之兩個平行陽極佈線。陽極佈線可藉由一或兩終端而被連接至脈衝電壓供應器，或在多個陽極佈線的情形中，藉由陽極佈線之替代的相對終端。
於較佳實施例中，電離室包含較佳沿其整個長度透過狹縫而射流溝通之主狹長形室及狹長形輔助室。連接至DC電壓供應器之至少一縱向地延伸的陽極佈線被容置於輔助室內且連接至脈衝電壓供應器之至少一縱向地延伸的陽極佈線被容置於電離室之主狹長形室內。利用此配置，串擾或短電路在主高電流脈衝的施加期間被避免。
1‧‧‧電離室
2‧‧‧陽極佈線
3‧‧‧陽極佈線
4‧‧‧DC電壓供應器
5‧‧‧脈衝電壓供應器
10‧‧‧佈線
10‧‧‧電離室
11‧‧‧主狹長形室
12‧‧‧狹長形輔助室
13‧‧‧狹長形狹縫
14a‧‧‧陽極佈線
14b‧‧‧陽極佈線
15‧‧‧陽極佈線
20‧‧‧陰極
30‧‧‧金屬靶
本發明將參考圖式加以詳細說明，其中：- 第1圖，使用佈線離子電漿放電之典型的二次電子發射X射線產生器的運行之概要表示；- 第2圖，使用單一脈衝WIP放電或多脈衝WIP放電之離子電漿限制的概要表示；- 第3圖，依據DC電流值與氣體壓力之DC佈線電漿放電的組態；- 第4圖，根據本發明之電離室的概要表示； - 第5圖，DC電壓供應器與脈衝電壓供應器之概要表示；- 第6圖，根據本發明之電離室的實施例之概要表示，包含主狹長形室及狹長形輔助室；- 第7圖，對於根據本發明之電離室的操作之序列與波形之概要表示；及- 第8A與8B圖，在脈衝陽極佈線上之電壓與電流曲線，根據本發明之DC電流的施加(7A)及沒有DC電流的施加(7B)。
於第4圖中，其概要表示根據本發明之電離室1。電離室1為狹長形(典型地為1m或更長)且容置縱向地延伸於電離室1內之兩個平行陽極佈線2、3。
第一陽極佈線連接至DC電壓供應器4，其係用以施加高DC電壓(典型地，0.5至1kV)及低DC電流(典型地，1mA/cm)至佈線。
第二陽極佈線連接至脈衝電壓供應器5，其係用以施加單一高電壓(典型地，1-5kV)與高電流(典型地，1A/cm；<10μs)脈衝。
藉由連續地施加高電壓至一個陽極佈線，從而透過所述佈線而產生連續的電流，當隨後施加高DC電壓至另一佈線時，穩定的WIP放電(幾乎沒有抖動)被安全地獲得。當然，各類型(DC與脈衝)的陽極佈線之數 量與位置可被選擇以最佳化離子密度與均勻性。同樣的，當以脈衝高電壓供應的數個陽極佈線被使用時，脈衝高電壓可被供應至佈線之相同單一終端、佈線之兩終端或各佈線之相對終端。
於特定實施例中，如第6圖所示，電離室10包含主狹長形室11與狹長形輔助室12，輔助室12透過狹長形狹縫13沿著長度(較佳為主及輔助室之整個長度)而與主狹長形室11射流溝通。
主狹長形室11容置縱向地延伸於室內之兩個平行陽極佈線14a、14b(當然，僅一個陽極或多於兩個陽極佈線亦可被使用)。
輔助室12容置縱向地延伸於其中之陽極佈線15(當然，多於一個陽極佈線可被設置於輔助室12內)。
位於輔助室12內之陽極佈線15係連接至高電壓/低電流DC供應(如第4圖所示)。位於主狹長形室11內陽極佈線14a、14b連接至脈衝高電壓/高電流供應(舉例來說，如第5圖所示)。於第6圖之實施例中，陽極佈線14a、14b係透過相對終端而連接至脈衝高電壓/高電流供應。當然，其亦可透過其相同側終端或兩終端而被連接。
狹長形主及輔助室可具有任何適合的形狀，例如平行六面體的或圓柱的形狀。主及輔助室之整個縱向長度典型地為1m或更多。
參照第7圖，根據本發明之電離室的典型操作序列現在將被描述(當被使用於產生二次電子發射束 時)。
1．電離室特性
-電離室：該室具有平行六面體的形狀，具有以下典型尺寸：長130cm、寬4cm及高4cm。
-陽極佈線
DC電壓陽極佈線：一個DC佈線，直徑典型為200μm
脈衝電壓陽極佈線：兩個脈衝佈線，直徑典型為300μm
-DC供應(HVPS-1)，具有以下特性：-輸出高電壓，典型為2kV；-可控制的輸出電流，其可被限制為對於1.30m佈線長度為典型地0.3mA(因此，0.3mA/m)，從而保持DC電漿於緊縮模式中；-脈衝電源供應，具有以下特性(見第5圖)：-高電壓電源供應(HVPS-2)...具有典型為5kV之HV輸出；-電容器C，典型為30nF，以儲存電能且隨後將其傳送至脈衝佈線；-開關S，能迅速地關閉及運用高達之5kV電壓及高達典型為500A之電流，以將高電壓脈衝傳送至脈衝佈線。開關可由一或數個IGBT來形成。替代地，MosFET電晶體可被使用。替代地，閘流管亦可被使用(應注意的是，在閘流管的情形中，變壓器必須被使用)。
2．操作
●一旦啟動(T0)，高DC電壓(典型地，2kV)被施加至一個佈線。
●在一段時間之後(T1)，電漿被產生在佈線與電流周圍。電源供應電流限制被設定至一值，其夠低以維持DC電漿於緊縮模式中及夠高以產生對於脈衝WIP之穩定形成的足夠電荷。典型的電流設定點可依據佈線直徑與室幾何(佈線至壁的距離、佈線之間的距離)。對於具有直徑200μm、長1.5m、位於室壁約1cm之DC佈線，電流設定點為0.1mA。一旦所述電漿被產生，則電源供應電壓依據電漿阻抗而下降至一值，典型為1kV。此DC電漿在裝置之操作期間被連續地持續。
●於T2，HVPS-1將電容器C充電至設定高電壓，典型為5kV。
●一旦電容器C被充電，於T3，則開關S被關閉且隨後，脈衝佈線被送至相同高電壓。此電壓上升時間依據電路物理特性，其被設計為快速度的(典型地<1μs)。
●於T4，於脈衝佈線上顯現的高電壓正形成脈衝WIP電漿且高電流開始在電離室中流動，在一時間期間(依據脈衝電源供應設計，典型為幾μs)產生高離子密度。
●於T5，儲存於電容器C中之電能已被完全轉換至電漿且脈衝電流停止
●於T6，在精密控制的時間延遲之後，負高電壓脈衝(典型地，-100kV)被施加至陰極，其將離子電漿加 速、產生二次電子及隨後的X射線發射。
●於T7，依據期望的X射線源之重複率來控制，週期(開始於T2)被重複
典型的延遲：
●DC電漿開始(T1-T0)：非關鍵的(僅在啟動)，典型地，<1s
●電容器C(T3-T2)之充電時間：必須短於連續的X射線脈衝之間的期望之時間，典型地<100ms(對於10Hz操作)。
●越過脈衝佈線之電壓的上升時間(T4-T3)：必須夠快以有效地形成脈衝電漿。依據電路參數(開關關閉時間、電感)，典型地，<1μs。
●WIP電漿之持續時間(T5-T4)：典型地，2μs
●延遲脈衝WIP電漿-電子束(T5-T6)：典型地，5μs
●重複率(T7-T2)：典型地，1-100Hz(0.01-1s)
對於操作之序列與波形係顯示於第7圖。
第8A與8B圖顯示當DC電流被施加至另一佈線時(發射100次)(第8A圖)及當沒有DC電流被施加時(第8B圖)，在脈衝陽極佈線上之離子源電壓與電流。沒有DC電流，WIP放電會有大的抖動及差的穩定性。

Claims (8)

  1. 一種低壓佈線離子電漿放電源，包含狹長形電離室(1)、DC電壓供應器(4)及脈衝電壓供應器(5)，且在該電離室內容置縱向地延伸的至少二陽極佈線(2，3)，其特徵在於：所述至少二陽極佈線之第一者(2)係連接至該DC電壓供應器(4)且所述至少二陽極佈線之第二者(3)係連接至該脈衝電壓供應器(5)。
  2. 如申請專利範圍第1項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，其包含連接至該DC電壓供應器(4)之數個陽極佈線及/或連接至該脈衝電壓供應器(5)之數個陽極佈線。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，由該DC電壓供應器(4)所產生的直流電係被限制以將該電漿維持於統一模式(緊縮階段)中。
  4. 如申請專利範圍第3項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，由該DC電壓供應器(4)所產生的該直流電等於或低於1mA/cm。
  5. 如申請專利範圍第1項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，該脈衝電壓供應器(5)產生1至5A/cm或更多之脈衝大電流。
  6. 如申請專利範圍第1項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，在將負脈衝施加至陰極之前，該脈衝電壓供應器(5)產生單一脈衝佈線離子電漿放電。
  7. 如申請專利範圍第1項之低壓佈線離子電漿放電源，其中，該狹長形電離室(10)包含沿其整個長度透過狹縫(13)而射流溝通之主狹長形室(11)及狹長形輔助室(12)，該至少一脈衝電壓供應的陽極佈線(14a，14b)於該主狹長形室(11)中縱向地延伸且該至少一DC電壓供應的陽極佈線(15)於該輔助室(12)中縱向地延伸。
  8. 一種二次電子發射X射線產生器，其特徵在於：其包含如申請專利範圍第1項所述之低壓佈線離子電漿放電源。
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