JPH0452588B2

JPH0452588B2 -

Info

Publication number: JPH0452588B2
Application number: JP59188282A
Authority: JP
Inventors: Herutsuigaa Geruto; Nefu Uiri
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1983-09-10
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1992-08-24
Also published as: DE3475258D1; EP0140005A2; EP0140005B1; CA1229683A; JPS6084749A; US4596030A; DE3332711A1; EP0140005A3

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する装置に関する。

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

この装置においては、エネルギ蓄積手段から発
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つて運動する。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300μｍの直径を有するほ
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、個々の火花チヤンネルもしくは通
路、謂ゆる線条（フイラメント）が形成される。
したがつて、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。これら線状の各々は磁界
により取り囲まれるが、焦点部においては、これ
ら線状は閉結した磁界による最大限の圧縮を妨害
する。したがつて、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
焦点の位置は或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を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線限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
大きい均質性をもつ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、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を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10¹⁰／cm³の値の充
分に高い電子密度を発生する。電子は放出空間内
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
20KVの値を有する電圧により、走程ｄを移動し
た後に、高い運動エネルギ（＞500eV）に達し、
したがつ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
よつ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を特徴としてお
り、均質な放電の発生が実現される。このように
して形成されるプラズマ層は均質であり、線条
（フイラメント）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ツチの特殊
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つて妨害なく高い粒
子密度およびエネルギ密度に圧縮される。本発明
の装置によつてプラズマ焦点に達成することがで
きる粒子密度（＞10²⁰cm^-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３だけ下回る。

したがつて、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線リトグラフイ装置のよう
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、非コヒーレントなＸ線放
射ならびにコヒーレントなＸ線放射が発生され
る。非コヒーレントな放射の波長は、放電空間に
用いられるガスまたは混合物によつて定まる。こ
の波長は例えば、12Åないし20Åまたは24Åない
し40Å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Ｌ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＝Ｌ／2γ² 上式中、Ｌは上述のパターンの間隔であり、そ
してγは電子の相対論的エネルギである。

コヒーレントで単色の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、非コヒーレ
ント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１３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３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
ツ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１３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は鑽孔材
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、単結晶のサフアイアまたは商品名
「Pyrex」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＝３内にある高い２
次電子放出係数ηを有するように選択される。

電極１および２によつて形成される放電空間は
右に向つて開いており、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／r₀＝
10⁷V／cmを満すように選択されており、この式
でＶ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（１，２）には、直接、インダクタン
スの小さい高電力スイツチ（開閉器）が接続され
ており、このスイツ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。このスイツチは参
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
（＞100KA）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ツチもしくは開閉器
は、トリガされる形式の低インダクタンスの多チ
ヤンネル火花ギヤツプとして構成されている。

高電力スイツチは、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７を有
する。該スイツ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１０を備えており、こ
れら電極１０は外側のリング７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
によつて囲繞されており、これら絶縁体は閉じた
小さい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、トリガ電極１２が配設さ
れており、このトリガ電極は電極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
面放電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１３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
時間およびジツ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
500ps内に同時に点弧される。この場合、エネル
ギ源１４から、火花ギヤツプ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
10¹⁷／cm²ｓの高い立上り速度を有する例えば
10⁸W／cm²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ツチの代りに、例え
ば飽和可能な磁気スイツチのような他の低インダ
クタンスの高電力スイツ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３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の形態とは若干異なる。

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
電されている。しかしながら、このガスは、水素
と電荷数ｚ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。

Ｒ＝（μ₀・I²／8π²ρ₀U²）^1/2 上式中、ρ₀は放電空間内のガス濃度であり、Ｉ
は飽和状態における電流であり、Ｕはプラズマデ
イ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
イツチを介して電極１および２には、充分な密度
の自由電子が放出電極２０のエツジに発生するよ
うに高い電圧（約20KV）が印加される。この電
子密度は、例えば10¹⁰cm^-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、（＞
500eV）、したがつて、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E_rおよびE_zで示されている。これら電界は斜め
に延びしたがつて放出電極２０のエツジから現わ
れる電子を斜めの軌跡を仙つて絶縁体３の表面に
達し同時に放電室の開放端に向つて運動せしめる
ような合成電界を形成する。自由電子が絶縁体３
の表面に衝突すると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、該前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
ギ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
で示してある。ここで電子は、ガスと電子との電
離衝突に対して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。ガ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、その結果個々のチヤンネル（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
極を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
から構成されており、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に埋設された
炭素繊維から形成することができる。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３の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
域においては絶縁対表面は軸線３１および内部電
極１と鈍角を形成する。第５図に示してある角度
αは、20°と40°との間の範囲内に存るようにする
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から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
斜した斜域においては、放出された電子の運動は
主に放電空間の開放端に向うからである。第５図
に示す絶縁体の長さL₁およびL₂は次式を満足す
る必要がある。

L₁＜L₂且つL₁＋L₂＝Ｕ・ｔ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、そしてナノ秒で測定した時間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
の移行部が常に或る臨界領域を形成する。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Ｄ
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。

ｐ・Ｄ＜U_Znio 上式中、ｐは放電空間内のガスの圧力であり、
U_Znioはこのガ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２８の全長
を越える外部電極２９の距離Ｄ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つて、間隔Ｄ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１
図に示したトリガされる低インダクタンスの複チ
ヤンネル火花ギヤツプのような高電力スイツチを
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20KVの高電圧を印加する。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
を仙り絶縁体２８の表面に沿つて運動する。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500eV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等に分布し、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３５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３７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３７
は極めて小さく、近似的に点条放射源として用い
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はコヒーレントな成分および非コヒーレント
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線リトグラフイ装置のような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３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階を示
す図である。１……内部電極、２，２９，３２……外部電
極、３，５，１１，２８……絶縁体、４，２０，
３０……電界放出電極、６……エネルギ蓄積装
置、７，９……構成部材、８，１０……電極、１
２……トリガ電極、１３……室、１４……エネル
ギ源。

Claims

【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Ｄ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
続するための開閉器を備えているＸ線領域の高い
放射強度を有するプ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工程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次電子放出係数を有すように選択
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
い高電力スイツチを前記放電空間の電極１，２
と直接接続し、該高電力スイツチを高い立上り
速度で高い電力流を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。３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３０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の軸線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Ｌ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Ｌが次式Ｌ＝Ｕ・ｔ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はナノ秒で測定して
200と500の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。７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Ｄが、次式ｐ・Ｄ＜U_Znio を満たし、上記中ｐは前記放電空間内のガス圧力
であり、U_Znio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Ｄ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つて、間隔Ｄ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スイツチが、トリガされる低インダクタン
ス複チヤンネル火花ギヤツ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トリガ電極１２が等間隔で担持リング１１
上に取付けられて、火花ギヤツプの関連の電極
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トリガ電源１２に、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ｚ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１３項記載のプラズマ源の発生装置。１５コヒーレントな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非コヒーレントな多色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。１７Ｘ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。１８リトグラフイ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。