WO2008074443A2 - Verfahren und vorrichtungen zum erzeugen von röntgenstrahlung - Google Patents

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WO2008074443A2
WO2008074443A2 PCT/EP2007/011041 EP2007011041W WO2008074443A2 WO 2008074443 A2 WO2008074443 A2 WO 2008074443A2 EP 2007011041 W EP2007011041 W EP 2007011041W WO 2008074443 A2 WO2008074443 A2 WO 2008074443A2
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plasma
light
axis
collapsing
radiation
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PCT/EP2007/011041
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Wolfgang Viöl
Klaus Mann
Stephan Wieneke
Christian Peth
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Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen
Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S4/00—Devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in wave ranges other than those covered by groups H01S1/00, H01S3/00 or H01S5/00, e.g. phonon masers, X-ray lasers or gamma-ray lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma

Definitions

  • the invention relates to a method for providing X-radiation with the features of the preamble of independent claim 1 and to an apparatus for providing X-radiation having the features of the preamble of independent claim 8.
  • X-radiation electromagnetic radiation having a wavelength of about 60 nm and shorter.
  • This definition includes not only hard and soft X-rays but also extreme ultraviolet (EUV) light, which is also referred to as EUVL in one of its main applications, photolithography.
  • EUV extreme ultraviolet
  • the present invention is concerned with the provision of coherent X-radiation.
  • a method having the features of independent claim 1 and a device having the features of independent claim 8 are known from KA Janulewicz et al .: "Collisionally pumped hybrid soft X-ray laser in Ne-like sulfur" in CR Acad. Be. Paris, t.1, Series IV, pp. 1083-1092 (2000).
  • a plasma generated by capillary discharge is pumped with light from a laser irradiated on the axis of the capillary.
  • the plasma contracted towards the axis of the capillary has the necessary density and a suitable temperature profile to absorb the light from the laser. With the light, the plasma can therefore be further stimulated, ie pumped, to that of the plasma To intensify outgoing laser radiation or to stimulate the plasma at all beyond the laser threshold to produce narrow-band X-rays with high coherence.
  • Devices are of complex construction and have due to wear by burning of the capillary only a relatively short service life.
  • WO 2005/004555 A1 discloses a method and a device for providing extreme ultraviolet radiation and soft x-ray radiation.
  • a plasma is excited by the combination of laser radiation and gas discharge for the emission of EUV light.
  • the plasma can first be generated by the laser radiation and then brought to a higher energy by the gas discharge.
  • it is also described to first generate a discharge plasma by a gas discharge, wherein the plasma is sufficiently dense by the pinch process to locally pump it additionally with laser light. This increases the EUV radiation.
  • the electrodes z-pinch, hollow cathode pinch, star-pinch or Kapillarentladungskonfigurationen be addressed.
  • the direction from which the laser radiation is directed to a target or plasma already generated by gas discharge is orthogonal to the direction of the axis predetermined by the direction of the discharge current to which the plasma collapses due to the magnetic field caused by the discharge current.
  • the resulting EUV or soft X-ray radiation is emitted over a large solid angle.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for providing X-radiation, with which the mentioned disadvantages of the prior art are avoided, in particular the contamination of the plasma by the material of the capillary and the wear by burning.
  • the object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and a device having the features of independent claim 8.
  • the dependent claims 2 to 7 relate to preferred embodiments of the new method, while the dependent claims 9 to 16 relate to preferred embodiments of the new device.
  • light in addition to the generation of a plasma by gas discharge, light is used.
  • This light is usually narrow band, d. H. in particular to laser light.
  • the wavelength of the light may be in the visible range, but also infrared radiation and ultraviolet radiation may be used as the light.
  • the light - at the same time or in succession - have different wavelengths.
  • the plasma is generated by a gas discharge in a discharge space open from the axis to which the plasma collapses. That is, the area of the plasma is not limited in the radial direction away from the axis by any solid material that could contaminate the plasma.
  • the infinity of the plasma applies from the beginning, d. H. not only when it contracts towards the axis due to the discharge current flowing through it and the magnetic field it causes, but over the entire period in which it "burns".
  • the plasma generated in the radially open discharge space is typically pumped with laser light in the novel method having the features of independent claim 1,
  • coherent X-radiation for example in the form of individual pulses.
  • the plasma in the new method unlike a plasma due to a capillary discharge, has a comparatively shorter extent in the direction of the axis towards which it collapses. Despite this shorter extension in the direction of the axis narrow-band X-rays with high coherence is generated when pumping the plasma up to above the laser threshold.
  • light is additionally used to vaporize a solid target to thereby provide the gas in which the gas discharge is then caused.
  • this is typically laser light.
  • this laser light does not necessarily have to be used for pumping the plasma.
  • the light can already lead to ionization of the target material, so that the ignition of the gas discharge and thus of the plasma with the aid of the light is facilitated.
  • the collapsing plasma is pumped with the light to raise the plasma above the laser threshold to provide coherent X-ray radiation.
  • the light on the axis towards which the plasma collapses is directed to the plasma.
  • the axis toward which the plasma collapses is an axis of symmetry of the structure with which the process is performed. It makes sense to maintain this symmetry.
  • the X-ray radiation provided according to the invention is also radiated by the collapsing plasma primarily in the direction of the axis toward which it collapses. This applies not only to the case where the plasma is raised with the light above the laser threshold, but already for X-ray radiation which is already emitted below the laser threshold of the plasma pumped with the light.
  • X-ray irradiation, d. H. Coherent X-radiation concentrates on a particularly small solid angle around the said axis and accordingly also exhibits spatial coherence.
  • the light is preferably directed onto the plasma in pulses.
  • Each pulse can lift the plasma above the laser threshold and thus provide a pulse of coherent X-radiation.
  • the light can also be in Form of several successive pulses are directed to the plasma.
  • a first pulse in particular in the new method with the features of claim 2, create or improve the conditions for the ignition of the plasma.
  • the first pulse or another pulse can also serve to condition an already ignited plasma.
  • a first or further pulse may also be used to provide a first pulse of coherent X-radiation.
  • a second or further pulse of light then serves to provide another pulse of coherent X-radiation.
  • two or more pulses of coherent X-radiation can be provided very closely following each other.
  • the triggering pulses of light can be realized by two differently long running distances for two parts of a single pulse of a pulse laser.
  • the plasma ignited in the new process is characterized by a very short regeneration after every single pulse of x-ray radiation provided.
  • very high repetition rates are possible with the pulses of the X-radiation. This also applies if the plasma is not excited with the pulses of the light up to above the laser threshold, but nevertheless into a region in which it emits (noncoherent) X-radiation.
  • the novel device with the features of claim 8 corresponds to the method with the features of claim 1.
  • the features of the new device in the claims 9 to 14 correspond to the features of the new method in the claims 2 to 7.
  • the preferred Embodiments of the novel devices have already been described indirectly by way of explanation of the preferred embodiments of the new methods.
  • the light source that provides the light for pumping the plasma and / or for evaporating the solid-state target is generally a laser.
  • it is a pulse laser.
  • the new device whose structure can correspond to the known structure of devices for generating a plasma focus or a hollow-cathode-triggered z-pinch plasma except for the additional light source and a window for coupling the light into the collapsing plasma in Compared to known devices in which the plasma is ignited in a capillary, have an extremely long life, even if coherent high repetition rate X-ray radiation is generated. With regard to the generation of non-coherent X-radiation, the new device has Service life advantages in comparison with such devices in which the plasma is generated purely electrically, because the energy input into the plasma according to the invention is not only electrically and the remaining portion of the electrical energy coupling is associated with a significantly reduced erosion of the electrodes. In any case, the plasma produced according to the invention also exhibits a reduced tendency to self-contamination by material of the electrodes or other material of the new device upon emission of X-radiation.
  • Fig. 1 shows the ideal temperature and density profile in a plasma in the
  • Flg. 2 shows the basic structure of an embodiment of a first new one
  • Fig. 3 shows the basic structure of another embodiment of the first new
  • HCT z-pinch Device for carrying out another embodiment of the first novel method, in which the collapsing plasma is referred to as so-called HCT z-pinch
  • Plasma is generated.
  • Fig. 4 shows a modification of the embodiment of the first novel device of Fig. 3 for pumping the collapsing plasma with light in the form of two successive pulses;
  • Fig. 5 shows an embodiment of the second novel device to a
  • hot plasmas are produced by a combination of two methods known per se. On the one hand, this involves the generation of a laser-induced plasma and, on the other hand, the generation of a collapsing plasma by gas discharge. Hot plasmas normally emit in a wide frequency spectrum. Only the clever combination of the two partial methods of the present invention makes it possible to produce narrow-band X-radiation with high coherence, ie laser light in the X-ray range. The prerequisite for efficient coupling of light into a plasma in order to pump it is that the plasma has a specific temperature and density profile.
  • the ideal density profile 1 and the ideal temperature profile 2 relative to the axis 3, to which the respective plasma collapses are plotted over the location with a solid line.
  • This temperature profile 2 and density profile 1 are present for a limited period of time in both a plasma focus and in an HCT z-pinch plasma.
  • the light is coupled into the plasma, it is absorbed at a high rate of absorption and can be used to pump the plasma over Raise laser threshold to stimulate it to emit a pulse of narrow-band X-rays with high coherence.
  • Fig. 2 shows a device 4 for generating a so-called plasma focus, which is known from DE 33 32 711 A1 so far and here is supplemented by a laser 5, a focusing optics 6 and an entrance window 7 for the light 8 of the laser 5.
  • the device 4 has an electrode assembly 9 with a tubular outer electrode 10 of a coaxially arranged, also tubular but shorter electrode 11 and a radially projecting from the outer electrode 10 to the inner electrode 11 trigger electrode 12. Between the outer electrode 10 and the inner electrode 11, an insulator 13 is arranged. In the region adjacent thereto, a dielectric 14 is arranged on the outside of the inner electrode 11.
  • the material of the dielectric 14 is selected so that when a high voltage is applied between the outer electrode 10 and the inner electrode 11, the electrons emerging from the trigger electrode 12 release as many secondary electrons from the dielectric 14 as possible.
  • the secondary electrons travel to the free end 15 of the inner electrode 11 and ignite a plasma 16, which contracts due to the flowing discharge current and the magnetic field caused thereby to the axis 3, which is the axis of symmetry of the electrode assembly 9.
  • the plasma 16 thus collapsing towards the axis 3, which is in a radially open, i. the plasma 16 is not present in the discharge space 17 delimiting the material to the outside, has the ideal temperature and density distribution shown in FIG. 1 for the coupling of the light 8 from the laser 5.
  • a pulse 18 of the light 8 can be effectively coupled into the plasma 16 to trigger the emission of a pulse of narrow band and coherent X-ray radiation from the plasma 16.
  • the electrode arrangement 9 has a hollow cathode 19, in which the insulator 13 is connected between a front electrode 20 and a rear electrode
  • the collapsing plasma 16 is also present here in a radially open discharge space 17 and has the temperature and density profile of FIG. In this state, it is with a pulse 18 of the light 8 from the laser. 5 raised above the laser threshold to emit a pulse of narrow band and coherent X-rays.
  • Fig. 4 outlines a modification of the device 4 ', in which with two beam splitters 22 and 23 and two deflecting mirrors 24 and 25, by means of which the pulse 18 of the light 8 is divided by the laser 5 and two different lengths to the plasma 16 arrived.
  • Portion 18 'of the pulse 18 takes the shorter direct path through the beam splitters 22 and 23, while the portion 18 "takes a detour via the deflecting mirrors 24 and 25 and accordingly strikes the plasma 16 with a time offset
  • Partial pulses 18 'and 18 can be used to condition the plasma 16 on the one hand and to excite the emission of a pulse of coherent X-ray radiation on the other hand or to trigger two consecutive pulses of coherent X-ray radiation.
  • Fig. 5 shows a further device 26, which largely corresponds in its construction of the device 4 'according to FIG. 3, but has a slightly different function.
  • the light 8 from the laser 5 does not primarily serve to excite the plasma 16 which collapses toward the axis 3. Rather, the light 8 is provided to vaporize and at least partially ionize a solid state plasma 27 to form the plasma 16 based on ions of the material of the solid state target 27.
  • Another pulse 18 of the light 8 can then be used as in the other devices 4 and 4 'to excite the plasma 16 with the light 8 to trigger a pulse of narrow-band and coherent X-rays.
  • Electrode arrangement 19 hollow cathode

Abstract

Zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung wird ein Plasma (16) durch eine Gasentladung in einem von einer Achse (3) weg offenen Entladungsraum (17) erzeugt, wobei das Plasma (16) in einem vom Entladungsstrom hervorgerufenen Magnetfeld zu der von der Richtung des Entladungsstroms vorgegebenen Achse (3) hin kollabiert, und das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) gepumpt wird, das auf der Achse (3), auf die hin das Plasma (16) kollabiert, auf das Plasma (16) gerichtet wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNGEN ZUM ERZEUGEN VON RÖNTGENSTRAHLUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 8.
Mit Röntgenstrahlung ist hier elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ungefähr 60 nm und kürzer gemeint. Diese Definition schließt neben harter und weicher Röntgenstrahlung auch extrem ultraviolettes (EUV) Licht ein, das in einem seiner Haupteinsatzgebiete, der Photolithographie, auch als EUVL bezeichnet wird.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, geht es bei der vorliegenden Erfindung um das Bereitstellen von kohärenter Röntgenstrahlung.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 sind aus K. A. Janulewicz et al.: "Collisionally pumped hybrid soft X-ray laser in Ne-like sulphur" in C. R. Acad. Sei. Paris, t.1 , Serie IV, S. 1083 bis 1092 (2000) bekannt. Hier wird ein durch Kapillarentladung erzeugtes Plasma mit Licht von einem Laser, das auf der Achse der Kapillare eingestrahlt wird, gepumpt. Das zur Achse der Kapillare hin zusammengezogene Plasma weist die notwendige Dichte und einen geeigneten Temperaturverlauf auf, um das Licht des Lasers zu absorbieren. Mit dem Licht kann das Plasma daher weiter angeregt, d. h. gepumpt werden, um die von dem Plasma ausgehende Laserstrahlung zu intensivieren bzw. das Plasma überhaupt über die Laserschwelle hinaus anzuregen, um schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz zu erzeugen.
Als Nachteil der bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtungen tritt eine Verunreinigung des Plasmas durch das Material der Kapillare auf, die sich negativ auf die
Lasereffizienz bei der Bereitstellung der Röntgenstrahlung und auch auf die Kohärenz der erzeugten Röntgenstrahlung auswirkt. Mit dem bekannten Verfahren sind auch nur begrenzte
Repetitionsraten der kohärenten Röntgenstrahlung zu erreichen; und die bekannten
Vorrichtungen sind von komplexem Aufbau und weisen aufgrund von Verschleiß durch Abbrand der Kapillare nur eine vergleichsweise kurze Standzeit auf.
Aus der WO 2005/004555 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von extrem ultravioletter Strahlung und weicher Röntgenstrahlung bekannt. Dabei wird ein Plasma durch die Kombination von Laserstrahlung und Gasentladung zur Emission von EUV-Licht angeregt. Das Plasma kann zunächst durch die Laserstrahlung erzeugt und dann durch die Gasentladung auf eine höhere Energie gebracht werden. Es wird aber auch beschrieben, zunächst ein Entladungsplasma durch eine Gasentladung zu erzeugen, wobei das Plasma durch den Pinch-Prozess hinreichend dicht wird, um es lokal zusätzlich mit Laserlicht zu pumpen. Hierdurch wird die EUV-Strahlung gesteigert. Für die Anordnung der Elektroden werden z-Pinch-, Hohlkathoden-Pinch-, Stern-Pinch- oder Kapillarentladungskonfigurationen angesprochen. Die Richtung, aus der die Laserstrahlung auf ein Target oder ein bereits durch Gasentladung erzeugtes Plasma gerichtet wird, verläuft orthogonal zu der Richtung der von der Richtung des Entladungsstroms vorgegebenen Achse, zu der das Plasma aufgrund des von dem Entladungsstrom hervorgerufenen Magnetfelds hin kollabiert. Die resultierende EUV- oder weiche Röntgenstrahlung wird über einen großen Raumwinkel hinweg verteilt abgestrahlt.
Verfahren, bei denen ein kollabierendes Plasma in einem radial offenen Entladungsraum erzeugt wird, sind grundsätzlich bekannt. Hierzu zählt der so genannte Plasmafokus, wie er in der DE 33 32 711 A1 beschrieben ist. Weiterhin gehört hierzu das hohlkathodengetriggerte (HCT) z-Pinch-Plasma. AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung aufzuzeigen, mit denen die genannten Nachteile des Stands der Technik vermieden werden, insbesondere die Verunreinigung des Plasmas durch das Material der Kapillare und der Verschleiß durch Abbrand.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 7 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens, während sich die abhängigen Patentansprüche 9 bis 16 auf bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung beziehen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung wird neben der Erzeugung eines Plasmas durch Gasentladung Licht eingesetzt. Bei diesem Licht handelt es sich in der Regel um schmalbandiges, d. h. insbesondere um Laserlicht. Die Wellenlänge des Lichts kann im sichtbaren Bereich liegen, als Licht kann aber auch Infrarotstrahlung und ultraviolette Strahlung eingesetzt werden. Zudem kann das Licht - gleichzeitig oder hintereinander - unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
Gemäß dem neuen Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 wird das Plasma durch eine Gasentladung in einem von der Achse, zu der das Plasma hin kollabiert, weg offenen Entladungsraum erzeugt. D. h., der Bereich des Plasmas ist in radialer Richtung von der Achse weg nicht durch irgendein festes Material begrenzt, dass das Plasma verunreinigen könnte. Die Unbegrenztheit des Plasmas gilt dabei von Anfang an, d. h. nicht erst, wenn es sich aufgrund des durch ihn fließenden Entladungsstroms und des hiervon hervorgerufenen Magnetfelds zu der Achse hin zusammenzieht, sondern über den gesamten Zeitraum, in dem es "brennt".
Das in dem radial offenen Entladungsraum erzeugte Plasma wird bei dem neuen Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 typischerweise mit Laserlicht gepumpt, um beispielsweise kohärente Röntgenstrahlung beispielsweise in Form einzelner Pulse zu erzeugen. Dabei stellt es sich als im Wesentlichen unkritisch heraus, dass das Plasma bei den neuen Verfahren anders als ein Plasma aufgrund einer Kapillarentladung eine vergleichsweise kürzere Erstreckung in Richtung der Achse aufweist, auf die hin es kollabiert. Trotz dieser kürzeren Erstreckung in Richtung der Achse wird bei Pumpen des Plasmas bis über die Laserschwelle schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz erzeugt.
Bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 wird zusätzlich zu der Erzeugung eines Plasmas durch Gasentladung in einem radial offenen Entladungsraum Licht zusätzlich dazu eingesetzt, ein Festkörpertarget zu verdampfen, um auf diese Weise das Gas bereitzustellen, in dem dann die Gasentladung hervorgerufen wird. Auch hierbei handelt es sich typischerweise um Laserlicht. Dieses Laserlicht muss aber nicht unbedingt zum Pumpen des Plasmas verwendet werden. Das Licht kann aber bereits zu einer Ionisierung des Targetmaterials führen, so dass auch das Zünden der Gasentladung und damit des Plasmas mit Hilfe des Lichts erleichtert wird. Zusätzlich ist es aber auch bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 möglich, dass das kollabierende Plasma mit dem Licht gepumpt wird, um das Plasma über die Laserschwelle anzuheben, um kohärente Röntgenstrahlung bereitzustellen.
Bei dem neuen Verfahren wird das Licht auf der Achse, auf die hin das Plasma kollabiert, auf das Plasma gerichtet. Typischerweise ist die Achse, auf die hin das Plasma kollabiert, eine Symmetrieachse des Aufbaus, mit dem das Verfahren durchgeführt wird. Es ist sinnvoll, diese Symmetrie beizubehalten. Die erfindungsgemäß bereitgestellte Röntgenstrahlung wird von dem kollabierenden Plasma entsprechend auch vornehmlich in Richtung der Achse, auf die hin es kollabiert, abgestrahlt. Dies gilt nicht nur für den Fall, dass das Plasma mit dem Licht bis über die Laserschwelle angehoben wird, sondern bereits für Röntgenstrahlung die schon unterhalb der Laserschwelle von dem mit dem Licht gepumpten Plasma emittiert wird. Röntgenbestrahlung, d. h. kohärente Röntgenstrahlung konzentriert sich auf einen besonders kleinen Raumwinkel um die genannte Achse und weist entsprechend auch räumliche Kohärenz auf.
Wie bereits angedeutet wurde, wird das Licht bei den neuen Verfahren vorzugsweise in Pulsen auf das Plasma gerichtet. Dabei kann jeder Puls das Plasma über die Laserschwelle heben und damit einen Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitstellen. Das Licht kann aber auch in Form mehrerer aufeinanderfolgender Pulse auf das Plasma gerichtet werden. Dabei kann ein erster Puls, insbesondere bei dem neuen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, die Voraussetzungen für das Zünden des Plasmas schaffen bzw. verbessern. Der erste Puls oder ein weiterer Puls kann auch dazu dienen, ein bereits gezündetes Plasma zu konditionieren. Ein erster oder weiterer Puls kann ebenso dazu verwendet werden, einen ersten Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitzustellen. Ein zweiter oder weiterer Puls des Lichts dient dann dazu, einen weiteren Puls aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitzustellen. Insbesondere können mit dem neuen Verfahren zwei oder mehrere sehr dicht aufeinander folgende Pulse aus kohärenter Röntgenstrahlung bereitgestellt werden. Die diese auslösenden Pulse des Lichts können durch zwei unterschiedlich lange Laufstrecken für zwei Teile eines einzigen Pulses eines Pulslasers realisiert werden. Das Plasma, das bei dem neuen Verfahren gezündet wird, zeichnet sich durch eine sehr kurze Regeneration nach jedem einzelnen Puls der bereitgestellten Röntgenstrahlung aus. So sind sehr hohe Repetitionsraten bei den Pulsen der Röntgenstrahlung möglich. Dies gilt auch dann, wenn das Plasma mit den Pulsen des Lichts nicht bis über die Laserschwelle, aber doch bis in einen Bereich hinein angeregt wird, in dem es (nicht kohärente) Röntgenstrahlung emittiert.
Die neue Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 entspricht dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Analog entsprechen die Merkmale der neuen Vorrichtung in den Patentansprüchen 9 bis 14 den Merkmalen des neuen Verfahrens in den Patentansprüchen 2 bis 7. Aus diesem Grund sind die bevorzugten Ausführungsformen der neuen Vorrichtungen bereits mittelbar im Rahmen der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen der neuen Verfahren beschrieben worden. Dort wurde auch bereits erwähnt, dass die Lichtquelle, die das Licht zum Pumpen des Plasmas und/oder zum Verdampfen des Festkörpertargets bereitstellt, in aller Regel ein Laser ist. Vorzugsweise handelt es sich um einen Pulslaser.
Zu ergänzen ist, dass die neue Vorrichtung, deren Aufbau bis auf die zusätzliche Lichtquelle und ein Fenster zum Einkoppeln des Lichts in das kollabierende Plasma dem bekannten Aufbau von Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmafokus oder eines hohlkathoden- getriggerten z-Pinch-Plasmas entsprechen kann, im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, bei denen das Plasma in einer Kapillare gezündet wird, eine außerordentlich hohe Standzeit aufweisen, selbst wenn kohärente Röntgenstrahlung mit hoher Repetitionsrate erzeugt wird. Im Hinblick auf die Erzeugung nicht kohärenter Röntgenstrahlung weist die neue Vorrichtung Standzeitvorteile im Vergleich mit solchen Vorrichtungen auf, bei denen das Plasma rein elektrisch erzeugt wird, weil der Energieeintrag in das Plasma erfindungsgemäß nicht nur elektrisch erfolgt und der verbleibende Anteil der elektrischen Energieeinkopplung mit einem deutlich reduzierten Abbrand der Elektroden verbunden ist. In jedem Fall weist das erfindungsgemäß erzeugte Plasma bei der Emission von Röntgenstrahlung auch eine reduzierte Neigung zur Selbstverunreinigung durch Material der Elektroden oder anderes Material der neuen Vorrichtung auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt den idealen Temperatur- und Dichteverlauf in einem Plasma bei der
Durchführung des neuen Verfahrens.
Flg. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform einer ersten neuen
Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des ersten neuen Verfahrens, bei der ein kollabierendes Plasma in Form eines so genannten Plasmafokus erzeugt wird.
Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer anderen Ausführungsform der ersten neuen
Vorrichtung zur Durchführung einer anderen Ausführungsform des ersten neuen Verfahrens, bei der das kollabierende Plasma als so genanntes HCT z-Pinch-
Plasma erzeugt wird.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der ersten neuen Vorrichtung gemäß Fig. 3, um das kollabierende Plasma mit Licht in Form von zwei aufeinander folgenden Pulsen zu pumpen; und
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der zweiten neuen Vorrichtung, um eine
Ausführungsform des zweiten neuen Verfahrens zu illustrieren, bei der mit Licht primär ein Festkörpertarget verdampft wird.
FIGURENBESCHREIBUNG
Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden heiße Plasmen durch eine Kombination zweier an sich bekannter Verfahren erzeugt. Einerseits handelt es sich dabei um die Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas und andererseits um das Erzeugen eines kollabierenden Plasmas durch Gasentladung. Heiße Plasmen strahlen normalerweise in einem weiten Frequenzspektrum. Erst die geschickte Kombination der beiden Teilverfahren zu der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, schmalbandige Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz, d. h. Laserlicht im Röntgenbereich, zu erzeugen. Voraussetzung für eine effiziente Einkopplung von Licht in ein Plasma, um dieses zu pumpen, ist, dass das Plasma ein bestimmtes Temperatur- und Dichteprofil besitzt. Für eine gute Absorption des Lichts benötigt man eine hohe Elektronendichte (ca. 10 % der cut-off-Dichte) und eine relativ geringe Temperatur im Plasma, wie sie in Fig. 1 skizziert sind. Dort sind mit durchgezogener Linie der ideale Dichteverlauf 1 und der ideale Temperaturverlauf 2 relativ zu der Achse 3, zu der das jeweilige Plasma hin kollabiert, über dem Ort aufgetragen. Dieser Temperaturverlauf 2 und Dichteverlauf 1 liegen für einen begrenzten Zeitraum sowohl bei einem Plasmafokus als auch bei einem HCT z-Pinch-Plasma vor. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Licht in das Plasma eingekoppelt wird, wird es mit hoher Absorptionsrate absorbiert und kann dazu benutzt werden, das Plasma über die Laserschwelle anzuheben, um es zur Emission eines Pulses aus schmalbandiger Röntgenstrahlung mit hoher Kohärenz anzuregen.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 4 zur Erzeugung eines sogenannten Plasmafokus, die insoweit aus der DE 33 32 711 A1 bekannt ist und die hier um einen Laser 5, eine Fokussieroptik 6 und ein Eintrittsfenster 7 für das Licht 8 des Lasers 5 ergänzt ist. Zur Erzeugung des Plasmafokus weist die Vorrichtung 4 eine Elektrodenanordnung 9 mit einer rohrförmigen Außenelektrode 10 einer darin koaxial angeordneten, ebenfalls rohrförmigen, aber kürzeren Elektrode 11 und einer von der Außenelektrode 10 zur Innenelektrode 11 radial nach innen vorspringenden Triggerelektrode 12 auf. Zwischen der Außenelektrode 10 und der Innenelektrode 11 ist ein Isolator 13 angeordnet. In dem hieran angrenzenden Bereich ist außen auf der Innenelektrode 11 ein Dielektrikum 14 angeordnet. Über diesem endet die Triggerelektrode 12. Das Material des Dielektrikums 14 ist so ausgewählt, dass beim Anlegen einer Hochspannung zwischen der Außenelektrode 10 und der Innenelektrode 11 die aus der Triggerelektrode 12 austretenden Elektronen möglichst viele Sekundärelektronen aus dem Dielektrikum 14 freisetzen. Die Sekundärelektronen wandern zum freien Ende 15 der Innenelektrode 11 und zünden dabei ein Plasma 16, das sich durch den fließenden Entladungsstrom und das hierdurch hervorgerufene Magnetfeld zu der Achse 3 hin zusammenzieht, die die Symmetrieachse der Elektrodenanordnung 9 ist. Das derart zu der Achse 3 hin kollabierende Plasma 16, das in einem radial offenen, d.h. das Plasma 16 nicht durch festes Material nach außen hin begrenzenden Entladungsraum 17 vorliegt, weist die in Fig. 1 dargestellte ideale Temperatur- und Dichteverteilung für das Einkoppeln des Lichts 8 von dem Laser 5 auf. So kann ein Puls 18 des Lichts 8 effektiv in das Plasma 16 eingekoppelt werden, um die Emission eines Pulses von schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung aus dem Plasma 16 auszulösen.
Bei der Vorrichtung 4' gemäß Fig. 3 weist die Elektrodenanordnung 9 eine Hohlkathode 19 auf, bei der sich der Isolator 13 zwischen einer vorderen Elektrode 20 und einer hinteren Elektrode
21 befindet. Die aus der Hohlkathode 19 in Folge einer zwischen den Elektroden anliegenden
Hochspannung austretenden Elektronen zünden eine Gasentladung um die Achse 3. Das resultierende Plasma 16 kollabiert in Folge des Entladungsstroms und des hiermit hervorgerufenen Magnetfelds zu der Achse 3 hin. Das kollabierende Plasma 16 liegt auch hier in einem radial offenen Entladungsraum 17 vor und weist den Temperatur- und Dichteverlauf gemäß Fig. 1 auf. In diesem Zustand wird es mit einem Puls 18 des Lichts 8 von dem Laser 5 über die Laserschwelle angehoben, um einen Puls aus schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung auszusenden.
Fig. 4 skizziert eine Abwandlung der Vorrichtung 4', bei der mit zwei Strahlteilern 22 und 23 sowie zwei Umlenkspiegeln 24 und 25, mit deren Hilfe der Puls 18 des Lichts 8 von dem Laser 5 aufgeteilt wird und über zwei unterschiedlich lange Strecken zu dem Plasma 16 gelangt. Der
Anteil 18' des Pulses 18 nimmt den kürzeren direkten Weg durch die Strahlteiler 22 und 23, während der Anteil 18" einen Umweg über die Umlenkspiegel 24 und 25 nimmt und entsprechend mit zeitlichem Versatz auf das Plasma 16 trifft. Die beiden zeitlich versetzten
Teilpulse 18' und 18" können genutzt werden, um das Plasma 16 zum einen zu konditionieren und zum anderen zum Aussenden eines Pulses aus kohärenter Röntgenstrahlung anzuregen oder auch um zwei aufeinanderfolgende Pulse von kohärenter Röntgenstrahlung auszulösen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Vorrichtung 26, die in ihrem Aufbau der Vorrichtung 4' gemäß Fig. 3 weitgehend entspricht, aber eine etwas andere Funktion hat. Hier dient das Licht 8 von dem Laser 5 primär nicht dazu, das Plasma 16 anzuregen, das zu der Achse 3 hin kollabiert. Vielmehr ist das Licht 8 vorgesehen, ein Festkörperplasma 27 zu verdampfen und zumindest teilweise zu ionisieren, um das Plasma 16 auf der Basis von Ionen des Materials des Festkörpertargets 27 auszubilden. Ein weiterer Puls 18 des Lichts 8 kann dann wie bei den anderen Vorrichtungen 4 und 4' dazu genutzt werden, das Plasma 16 mit dem Licht 8 anzuregen, um einen Puls aus schmalbandiger und kohärenter Röntgenstrahlung auszulösen.
BEZUGSZEICHENLISTE
Dichteverlauf 11 Innenelektrode
Temperaturverlauf 12 Triggerelektrode
Achse 13 Isolator
Vorrichtung 14 Dielektrikum
Laser 15 freies Ende
Fokussieroptik 16 Plasma
Einkoppelfenster 17 Entladungsraum
Licht 18 Puls
Elektrodenanordnung 19 Hohlkathode
Elektrode 20 Vorderelektrode
Hinterelektrode
Strahlteiler
Strahlteiler
Umlenkspiegel
Umlenkspiegel
Vorrichtung
Festkörpertarget

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung, wobei ein Plasma durch eine Gasentladung erzeugt wird, wobei das Plasma in einem vom Entladungsstrom hervorgerufenen Magnetfeld zu einer von der Richtung des Entladungsstroms vorgegebenen Achse hin kollabiert, und wobei das kollabierende Plasma mit Licht gepumpt wird, das auf der Achse, auf die hin das Plasma kollabiert, auf das Plasma gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (16) in einem von der Achse (3) weg offenen Entladungsraum (17) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörpertarget (27) mit Licht (8) in dem von der Achse (3) weg offenen Entladungsraum (17) verdampft wird und dass die Gasentladung in dem Dampf des Festkörpertargets (27) hervorgerufen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) zur Emission von Röntgenstrahlung angeregt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) bis über seine Laserschwelle hinaus angeregt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das über seine Laserschwelle hinaus angeregte kollabierende Plasma (16) räumlich kohärente Röntgenstrahlung längs der der Achse (3) emittiert, auf die hin das Plasma (16) kollabiert.
6. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (8) in mehreren aufeinander folgenden Pulsen (18) auf das Plasma (16) gerichtet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kollabierende Plasma (16) als Plasmafokus oder als hohlkathodengetriggertes z-Pinch-Plasma erzeugt wird.
8. Vorrichtung zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung, mit einer Hochspannungsquelle und einer Elektrodenanordnung, um ein Plasma durch eine Gasentladung zu erzeugen, wobei das Plasma in einem vom Entladungsstrom hervorgerufenen Magnetfeld zu einer von der Elektrodenanordnung vorgegebenen Achse hin kollabiert, und mit einer Lichtquelle, die das Licht auf der Achse auf das Plasma richtet, auf die hin das Plasma kollabiert, um das kollabierende Plasma mit Licht zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entladungsraum (17), in dem das Plasma (16) entsteht, von der Achse (3) weg offen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle weiterhin vorgesehen ist, um ein Festkörpertarget (27) mit Licht (8) in dem von der Achse (3) weg offenen Entladungsraum (17), in dem das Plasma (16) entsteht, zu verdampfen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle dazu vorgesehen ist, das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) zur Emission von Röntgenstrahlung anzuregen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle dazu vorgesehen ist, das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) bis über seine Laserschwelle hinaus anzuregen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das über seine Laserschwelle hinaus angeregte kollabierende Plasma (16) räumlich kohärente Röntgenstrahlung längs der der Achse (3) emittiert, auf die hin das Plasma (16) kollabiert.
13. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle dazu vorgesehen ist, das kollabierende Plasma (16) mit Licht (8) bis über seine Laserschwelle hinaus anzuregen.
14. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle dazu vorgesehen ist, das Licht (8) in mehreren aufeinander folgenden Pulsen (18) auf das Plasma (16) zu richten.
15. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser (5) ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (9) das kollabierende Plasma (16) als Plasmafokus erzeugt oder eine Hohlkathode (19) aufweist, um das Plasma (16) als hohlkathodengetriggertes z-Pinch- Plasma zu erzeugen.
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