(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高ＰＲＦプラズマ銃（１０、１０′、９０）において、
中央電極（１２）；
上記中央電極に対して実質上同軸の外側電極（１４）であって、同軸コラム（１６）が上記中央電極と外側電極との間に形成され、同コラムが閉じたベース端部と、開いた出口端部とを有するような外側電極；
選択されたガスを上記コラム内へ導入するための入口機構（７０、７２、７４）；
上記コラムのベースでのプラズマ始動時に上記中央電極及び外側電極を横切って高電圧パルスを送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバ（３２、３４、３６）であって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラムの上記出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバ；
上記コラム（１６）の上記ベース端部の複数のトリガ電極（８２）；及び
上記複数のトリガ電極（８２）に接続されて上記複数のトリガ電極（８２）にＲＦ信号を選択的に提供する無線周波数（ＲＦ）信号源（１３０）；
を有し、
上記ＲＦ信号源（１３０）が、
１に等しいか又はそれより大きな整数であるＮ個の段を持つ非線形磁気パルス圧縮回路（１３６）と；
コンデンサ（１３２）を上記非線形磁気パルス圧縮回路の第１段の入力に接続するように選択的に作動できるソリッドステートスイッチ（１３４）と；
コンデンサ（ＣR）と飽和可能な誘導子（ＬR）とを備えた共振周波数（Ｆ）の共振回路を有する出力セクション（１３８）であって、上記非線形磁気パルス圧縮回路の最終段がキャパシタンス（ＣN）を有し、コンデンサ（ＣR）及び誘導子（ＬR）のうちの少なくとも一方は、コンデンサ（ＣR）が完全に充電される前にコンデンサ（ＣN）での逆電圧が生じるように、選択され、誘導子（ＬR）が引き続いて飽和し、周波数（Ｆ）でのコンデンサ（ＣR）の振動を生じさせるようになった出力セクションと；
上記複数のトリガ電極（８２）を駆動するためにコンデンサ（ＣR）からのエネルギを結合するための出力結合回路（１４０）と；
を有することを特徴とするプラズマ銃。
【請求項２】
上記ソリッドステートスイッチ（１３４）がＳＣＲ、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項３】
コンデンサ（ＣN）のキャパシタンスがコンデンサ（ＣR）よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項４】
上記誘導子（ＬR）は、コンデンサ（ＣN）からコンデンサ（ＣR）へのチャージの移送が完了する前に、飽和するように、選択されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項５】
上記出力セクション（１３８）が接地のための飽和可能な共振分路であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項６】
上記出力結合回路（１４０）は、コンデンサ（ＣR）に貯蔵されたエネルギの一部がコンデンサ（ＣR）の各振動サイクル中に上記複数のトリガ電極に結合されるようなインピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【請求項７】
上記誘導子（ＬR）及びコンデンサ（ＣR）は、上記出力セクション（１３８）の３ないし４振動サイクルのみが生じるように、選択されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ銃。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ銃に関し、特に、宇宙スラスタとして使用するのに適し、即ち、高パルス反復周波数帯域での極紫外（ＥＵＶ）、真空紫外（ＶＵＶ）及び（又は）軟Ｘ線放射を含む選択可能な波長において放射線を生じさせるのに適した改善されたプラズマ銃に関する。本発明はまた、このようなプラズマ銃を利用する方法を含む。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５，８６６，８７１号明細書（特許）に開示された改善されたプラズマ銃は、従来実施できなかった、従来十分に実施できなかった、または、比較的大きく高価な設備でしか実施できなかった機能を遂行するための種々の環境内での応用を見い出している。これらの機能は、用途を維持し、遂行する衛星又は他の宇宙ステーションのためのスラスタ、及び、一般に極紫外（ＥＵＶ）帯域内における選択された周波数での放射線の制御された発生を含む。このような用途のために開示されたプラズマ銃は、高い信頼性及びパルス反復周波数（ＰＲＦ）を提供する点で特に有利であり、宇宙用途に対してほぼ１００Ｈｚを越えるＰＲＦ、好ましくは５，０００Ｈｚを越えるＰＲＦを有し、放射線発生を必要とするリソグラフィー又は他の応用に対して少なくとも５００Ｈｚ、好ましくは１，０００ＨｚのＰＲＦを有するプラズマ銃は特にそうであった。
【０００３】
これらの目的を達成するため、上記特許のプラズマ銃は２つの一般的な実施の形態を有しており、そのうちの一方は宇宙用途又は他のスラスト用途のためのものであり、他方即ち第２の実施の形態は放射線発生器用途のためのものであった。両者の場合、プラズマ銃は中央電極と、この中央電極と実質上同軸の外側電極とを有し、これらの電極間に同軸のコラムが形成されていた。選択されたガスが入口機構を介してコラム内に導入され、プラズマ始動器がコラムのベース端部に設けられた。最後に、コラムのベースでのパルス始動時に電極を横切って高電圧パルスを送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバが設けられ、プラズマはコラムのベース端部から拡張し、その端部から出る。スラスタの実施の形態に対しては、各パルスの電圧はパルスの期間にわたって減少し、パルス電圧及び電極長さは、プラズマがコラムから出るときに、電極を横切る電圧が実質上ゼロ値に達するように、選択された。この実施の形態に対しては、入口機構は好ましくはコラムのベース端部において中央電極から半径方向にガスを導入し、コラムを横切るプラズマ速度の均一性を向上させ、この実施の形態に対しては、プラズマは、一般に毎秒ほぼ１０，０００ないし１００，０００メートルの範囲である排出速度でコラムから出現し、排出速度は応用によって多少変化する。
【０００４】
本発明の放射線源の実施の形態に対しては、パルス電圧及び電極長さは、プラズマがコラムから出るときに、各電圧パルスについての電流が実質上その最大値となるように、選択される。本発明のこの実施の形態における外側電極は好ましくは陰極電極であり、中実とすることができ、または、円となって配置された複数の実質上等間隔のロッドの形をとることができる。本発明のこの実施の形態における入口機構はコラム内への実質上均一のガス充填を提供し、その結果、プラズマは最初に中央電極から放出され、プラズマは、コラムから出るときに、磁気的に締め付けられて、中央電極の端部で極めて高い温度を発生させる。中央電極を通して又は他の方法でガスの一部として締め付け部へ送られた選択されたガス／元素は締め付け部での高温によりイオン化され、所望の波長での放射線を提供する。波長は、締め付け部へ送られる選択されたガス／元素、パルスドライバからの電流、締め付け部の領域でのプラズマ温度及びコラム内のガス圧力を含むプラズマ銃の種々のパラメータの注意深い選定により達成される。上記特許は、例えば、締め付け部へ送られるガスとして例えばリチウム蒸気を使用してほぼ１３ｎｍの波長で放射線を発生させるためのパラメータの組み合わせを示す。
【０００５】
本発明にとって、上述の用途のいずれかを有効に機能させるためには、始動器によるガスの予備イオン化がガスの絶対的に均一な予備イオン化を提供することが重要である。上記特許においては、これは、コラムのまわりで等間隔に離間した穴を形成し、穴を通してガスを導入するか又は穴でガスを導くことにより、達成していた。トリガ電極が設けられ、これらは好ましくは穴内に装着されるか、または、好ましくはコラムの外側又はコラムに近接してコラムのベースで装着され、これらのトリガ電極はプラズマを始動させるように付勢された。トリガ電極は好ましくはコラムのベース端部のまわりにおいて等間隔で位置し、ベース端部でプラズマの均一な始動を提供するように実質上同時に付勢され、トリガ電極を付勢するためにＤＣ信号が使用された。この機構は任意の従来の構成で可能なものよりも一層均一なプラズマ始動を提供し、大半の用途にとって適するが、特にプラズマ銃を放射線源として使用する場合に、更に一層均一なプラズマ始動が望ましいような応用が存在する。この一層均一なプラズマ始動はトリガ電極を付勢するためにＲＦ信号を使用することにより提供できる。しかし、マグネトロン、クライストロン又はＲＦ増幅器のような現在入手できるＲＦ信号作動が比較的高価で、ピーク電力ワット当りほぼ１ドルの費用がかかり、また、比較的大型で、例えば８メガワットで２０キロボルトを発生させるためにキャビネット寸法の囲いを必要とする。それ故、一層低いコストで電力を発生させ、また、安いコスト及び実質上一層小さな寸法に加えて、装置に対する大幅に低い熱除去負担をも与える小型のソリッドステート回路を利用してＲＦ信号を発生させることのできるような方法で、トリガ電極を付勢するために使用されるＲＦ信号を発生させるのが望ましかった。上述の型式のＲＦ信号源は本発明のプラズマ銃応用にとって特に有用であるが、当業界で現在存在しないこのようなＲＦ信号源はまた、他の応用にとっても有用である。
【０００６】
また、プラズマ始動のために使用されるトリガ電極が中央電極及び外側電極の間のコラムのベースにおいて出来る限り大きな面積にわたって高電圧場を提供するのが望ましく、また、コラムの真空環境内へワイヤを持ち込む必要なく、コラムのベースで必要な高電圧場を生じさせるようにトリガ電極を付勢できるようにするのが望ましい。このようなワイヤのまわりでの真空の維持がプラズマ銃のコストを増大させるからである。
【０００７】
プラズマ銃における別の問題は所望の放射線を生じさせるために材料をイオン化すべき締め付け部へ必要なガス／材料を与えることである。それ故、このような材料を保持し、これを締め付け部へのコラム内に解放する改善された技術が望ましい。
【０００８】
更に、上述の型式のプラズマ銃は放射線源として作用することができ、所望の波長での有用な放射線を提供できるが、コラムを下り中央電極から出るように駆動されている高速のプラズマはこのような放射線源としての有用性を大幅に制限する問題を生じさせることがある。特に、締め付け部での１００ｅＶ（即ち、約１１，０００℃）ないし１０００ｅＶの範囲の温度は、放射線の所望の周波数に応じて、マイクロ秒当り数センチメートルの速度にプラズマを駆動するのに十分な磁気圧縮場を必要とする。このような速度で中央電極を下り、締め付け部を形成する端部から出るように移動するプラズマは中央電極の端部から離れた空間内へ移動し続ける傾向を有し、プラズマシースは最終的に締め付け部への電気的接続を失う。これは、１００ナノ秒ほどの短い期間後に早期に終了し、また、数千ボルトの範囲で大きな電圧遷移を生じさせ、電極をひどく損傷させることのある再打撃を引き起こす。
【０００９】
放電は数マイクロ秒ほど続くことがあるので、プラズマシースと電極との間の電気接続の早期の喪失を排除できた場合は、締め付け部の寿命が大幅に拡大し、可能性のある損傷性再打撃を排除できる。この結果、プラズマ銃のための出力効率が大幅に増大し、プラズマ銃の電極寿命が大幅に拡大し、例えばリソグラフィー応用において高価となることのあるプラズマ銃の休止時間及びメンテナンスを減少させる。従って、低いコストでの極めて良好な性能を得ることができる。
【００１０】
最後に、破壊(breakdown) を出来るだけ均一に達成するのが望ましく、特に向上した駆動信号を使用して破壊のこのような均一性を向上させる技術が望ましい。
【００１１】
それ故、従来の装置で可能なものよりも一層低いコストで一層均一なプラズマ始動を提供し、締め付け部でイオン化されるべき材料のコラム内への導入を容易にし、締め付け部の早期終了及び（又は）再打撃を阻止し、中央電極及び外側電極を横切って高電圧を供給した場合に一層均一な破壊を提供する改善されたプラズマ銃及びその使用方法の要求が存在する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述に従えば、本出願は、中央電極と、中央電極に対して実質上同軸の外側電極であって、中央電極と外側電極との間に同軸のコラムを形成し、コラムが閉じたベース端部及び開いた出口端部を有する外側電極と、選択されたガスをコラム内へ導入するための入口機構と、コラムのベースでのプラズマ始動時に中央電極及び外側電極を横切って高電圧パルスを送給するように作動できるソリッドステート高反復率パルスドライバであって、プラズマが当該コラムの上記ベース端部から拡張し、該コラムの出口端部から出るようになったソリッドステート高反復率パルスドライバと、コラムの上記ベース端部の複数のトリガ電極と、上記複数のトリガ電極に接続されて上記複数のトリガ電極にＲＦ信号を選択的に提供する無線周波数（ＲＦ）信号源とを有し、該ＲＦ信号源が、１に等しいか又はそれより大きな整数であるＮ個の段を持つ非線形磁気パルス圧縮回路と、コンデンサを上記非線形磁気パルス圧縮回路の第１段の入力に接続するように選択的に作動できるソリッドステートスイッチと、コンデンサ（ＣR）と飽和可能な誘導子（ＬR）とを備えた共振周波数（Ｆ）の共振回路を有する出力セクションであって、上記非線形磁気パルス圧縮回路の最終段がキャパシタンス（ＣN）を有し、コンデンサ（ＣR）及び誘導子（ＬR）のうちの少なくとも一方は、コンデンサ（ＣR）が完全に充電される前にコンデンサ（ＣN）での逆電圧が生じるように、選択され、誘導子（ＬR）が引き続いて飽和し、周波数（Ｆ）でのコンデンサ（ＣR）の振動を生じさせるようになった出力セクションと、上記複数のトリガ電極を駆動するためにコンデンサ（ＣR）からのエネルギを結合するための出力結合回路（１４０）とを有するように構成されたプラズマ銃を提供する。ＲＦ信号源は、例えば、１０ＭＨＺないし１，０００ＭＨＺの範囲内の周波数で作動することができ、単独で又はＤＣ信号源と組み合わせて使用することができる。
【００１３】
好ましい実施の形態に対しては、ソリッドステートスイッチはＳＣＲ、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴである。コンデンサ（ＣN）のキャパシタンスがコンデンサ（ＣR）よりも小さくすることができ、または、上記誘導子（ＬR）は、コンデンサ（ＣN）からコンデンサ（ＣR）へのチャージの移送が完了する前に、飽和するように、選択することができる。出力セクションは好ましくは接地のための飽和可能な共振分路であり、出力結合回路は好ましくは、コンデンサ（ＣR）に貯蔵されたエネルギの一部がコンデンサ（ＣR）の各振動サイクル中に複数のトリガ電極に結合されるようなインピーダンスを有する。好ましい実施の形態に対しては、誘導子（ＬR）及びコンデンサ（ＣR）は、出力セクションの３ないし４振動サイクルのみが生じるように、選択される。上述のＲＦ信号源はまた、高ＰＲＦプラズマ銃応用とは独立に利用することができる。
【００１８】
本発明の上述及び他の目的、特徴並びに利点は添付図面に示し、さもなければここで検討されるような本発明の好ましい実施の形態の以下の一層特定の説明から明らかとなろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、図１を参照すると、スラスタとしてのプラズマ銃１０（以下、「スラスタ１０」という）は、この実施の形態においては正電極即ち陽極電極である中央電極１２と、同心の陰極、接地即ち帰還電極である外側電極１４と、２つの電極１２、１４間に形成されたほぼ円筒形状を有するコラム１６とを有する。コラム１６はそのベース端部を絶縁体１８により画定され、この絶縁体１８内に中央電極１２が装着される。外側電極１４は導電性のハウジング部材２２を介して接地部に接続された導電性のハウジング部材２０に装着される。中央電極１２はそのベース端部で絶縁体２４内に装着され、この絶縁体２４は絶縁体２６内に装着される。円筒状の外側のハウジング２８は外側電極１４を取り囲み、中央電極１２、外側電極１４の前端即ち出口端部を越えた領域である開拡端部３０となって開拡する。中央電極１２、外側電極１４は、例えば、トリアタングステン、チタン又はステンレス鋼で形成できる。
【００２０】
正電圧はｄｃ−ｄｃ（直流／直流）インバータ３４、非線形磁気コンプレッサ３６、及び、中央電極１２に接続する端子３８を介して、直流電圧源３２から中央電極１２へ供給することができる。直流／直流インバータ３４は、単一の大型コンデンサ又はコンデンサ列とすることのできる貯蔵コンデンサ４２と、制御トランジスタ４４と、一対のダイオード４６、４８と、エネルギ回復誘導子５０とを有する。制御トランジスタ４４は好ましくは絶縁ゲート双極トランジスタである。直流／直流インバータ３４は直流電圧源３２から非線形磁気コンプレッサ３６へ電力を伝達するために当業界において既知の方法で利用される。後に説明するが、直流／直流インバータ３４はまた、不適切負荷から、特に中央電極１２、外側電極１４から生じた浪費エネルギを回復し、パルス発生効率を改善するように機能する。
【００２１】
非線形磁気コンプレッサ３６は２つの段を有するものとして示され、第１段は貯蔵コンデンサ５２と、ケイ素制御の整流器５４と、誘導子又は飽和可能な誘導子５６とを含む。非線形磁気コンプレッサ３６の第２段は貯蔵コンデンサ５８と、飽和可能な誘導子６０とを含む。必要なら、一層短く一層迅速に上昇するパルス及び一層高い電圧を得るために付加的な圧縮段を設けることができる。この型式の回路内で非線形磁気圧縮を達成させる方法は米国特許第５，１４２，１６６号明細書に開示されている。基本的には、非線形磁気コンプレッサ３６の回路は、共振回路において飽和可能なコアを誘導子として使用する。各段のコアは、先の段のコンデンサに貯蔵されたエネルギのかなりの部分が移送される前に、飽和する。非線形飽和現象は、コアが飽和するときに、透過率の減少の平方根だけ回路の共振周波数を増大させる。エネルギは１つの段から次の段へますます迅速に結合される。非線形磁気コンプレッサ３６が両方向における電力の移送において有効であることに留意すべきである。その理由は、この回路が前方方向において周波数をアップシフトさせるように作用するのみならず、電圧パルスが反射されるときに、周波数をダウンシフトして、チェーン（鎖）のバックアップのために縦続するからである。不適切な負荷／電極から生じるエネルギは、貯蔵コンデンサ４２内に貯蔵される逆電圧として現れ次のパルスに付加されるように、チェーンのバックアップのために縦続できる。特に、反射されたチャージが初期のエネルギ貯蔵コンデンサ４２へ再切替えされたとき、電流はエネルギ回復誘導子５０内へ流れ始める。貯蔵コンデンサ４２とエネルギ回復誘導子（コイル）５０との組み合わせは共振回路を形成する。半地点［ここでは、ｔ＝π／（Ｌ50Ｃ42）1/2］後、貯蔵コンデンサ４２上の電圧の極性が逆転し、このエネルギは直流電圧源３２からのこのコンデンサを再充電するのに必要なエネルギを減少させる。
【００２２】
図１に示す駆動回路はまた、極めて低いインピーダンスの負荷と調和するようにでき、必要なら複雑なパルス形状を生じさせることができる。この駆動回路はまた極めて高いＰＲＦで作動するようになっており、１ｋVを越える電圧を提供するように調整できる。
【００２３】
推進ガスは、ライン６４から、ライン６８上の信号の制御の下に弁６６を通って、ハウジング２８内の多数の入口ポート７２にガス供給するマニホルド７０へ送給されるものとして、図１に示されている。例えば、ハウジングのベース部の近傍においてハウジング２８の周辺のまわりで実質上等間隔で離間した４ないし８個の入口ポート７２を設けることができる。入口ポート７２は外側電極１４に形成した穴７４内にガス供給し、これらの穴７４は中央電極１２の近傍でコラム１６のベースの方に半径方向及び内方へ推進ガスを導くように角度づけられる。推進ガスはまたコラム１６の後部から供給することができる。
【００２４】
スラスタ１０は、宇宙内又は真空環境に近いある他の低圧力内で、特にパッシェン曲線の低圧力側で破壊が生じるような圧力において、作動するように設計される。これを事実とする圧力曲線は使用されているガス及びスラスタの他のパラメータに応じて幾分変化するが、この圧力は典型的には０．０１ないし１０Ｔｏｒｒの範囲にあり、好ましい実施の形態に対してはほぼ１Ｔｏｒｒである。この範囲の圧力に対して、領域内の圧力が増大すると、その領域内での破壊電位が減少し、そのため、このような領域内で破壊が生じる可能性を向上させる。そのため、理論的には、コラム１６のベースで推進ガスを導入し、それ故、この地点で圧力を増大させるだけで、この地点で所望通りに破壊／プラズマ始動を生じさせることができる。しかし、実際問題として、予測できる破壊を生じさせるのに十分なほどガス圧力を制御すること、及び、コラム１６の選択された区分内ではなく、コラム１６内で均一に破壊を生じさせるためにコラム１６の周辺のまわりで圧力を十分に均一にすることは困難である。
【００２５】
プラズマ始動がコラム１６のベースで均一に生じ、このような破壊が所望の時間に生じるのを保証するために、少なくとも２つの事項を行うことができる。このような破壊向上がどのようにして達成されるかを理解するためには、本発明のプラズマ銃が典型的には０．０１Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの間の圧力で作動すること、特に、パッシェン曲線の低圧力側で破壊が生じるような圧力で作動することを理解すべきである。好ましい実施の形態に対しては、コラム１６内の圧力はほぼ１Ｔｏｒｒである。このような低圧力放電においては、ガス破壊又は始動を決定する２つの重要な基準が存在する：
１．  ガス内の電場は使用するガス及びガス圧力に依存するガス用の破壊場を越えなければならない。破壊場はパッシェン基準として知られる陰極すなわち外側電極１４での電子源となる。プラズマ銃が作動する低圧力領域においては、この装置の寸法に対して、破壊電場は（パッシェン曲線の低圧力側で生じる）圧力の増大に従って減少する。このため、破壊は、ガス圧力が最大となる地点において、コラム１６内で生じる。
【００２６】
２．  第２に、電子源を設けねばならない。平均電場が破壊場を越えた場合、負の表面が電子の放出を開始するまで、何も起こらない。表面から電子を抽出するために、２つの条件のうちの１つを生じさせなければならない。第１の条件としては、陰極降下又は陰極電位を越える電位差を表面の近傍で発生させなければならない。陰極降下／陰極電位はガス圧力の関数であり、表面の組成及び幾何学形状の関数である。局部ガス圧力が高いほど、必要な電圧は小さくなる。穴の如き内側に向かっている幾何学形状は容積に対して大幅に向上したレベルの表面積を提供し、また、陰極降下を減少させる。穴が隣接する表面に関して電子源として優先的に作用するようなこの効果は、ホロー陰極効果と呼ばれる。第２の条件では、電子源が表面閃光トリガ源により形成できる。これらの条件は個々に満たすことができ、または、両者を使用することができる。しかし、疑似の始動を阻止するために、電極を横切る電圧はガス破壊電位と陰極降下電位との合計よりも小さくすべきである。
【００２７】
従って、図１において、複数の穴７４が陰極である外側電極１４内に形成され、これらの穴７４を通してガスがコラム１６のベースへ導かれ、穴７４はコラム１６のベースの近傍で終端する。好ましい実施の形態に対しては、複数のこのような穴７４はコラム１６の周辺のまわりにおいて等間隔で離間している。これらの穴７４を通って進入し、これらの穴７４の存在に由来するホロー陰極効果と結合されたガスは、コラム１６のベースの近傍でこれらの穴７４の領域において圧力を大幅に増大させ、従って、コラム１６内のこの場所においてプラズマ始動を生じさせる。プラズマ始動のこの方法はある応用におけるプラズマ始動にとっては十分であるが、本発明のプラズマ銃の大半の応用、特に高ＰＲＦ応用にとっては、次の実施の形態について述べる方法でトリガ電極を設けて、プラズマ始動の均一性及び適時性の双方を保証するように両方の条件を満たすのが好ましい。
【００２８】
スラスタ１０を利用すべき場合、弁６６を最初に開いて、ガス源からの推進ガスがマニホルド７０を通ってコラム１６に通じる穴７４内へ流入できるようにする。弁６６は装置の他のコンポーネントに比べて比較的ゆっくり作動するので、弁６６は、複数のプラズマ始動にわたって所望のスラストを展開させるのに十分な量の推進ガスがコラム１６内へ流れるのに十分な長さだけ、開いたままとなる。例えば、弁６６として利用できるソレノイド弁のサイクル時間は１ミリ秒又はそれ以上である。プラズマ燃焼が２ないし３マイクロ秒で生じることができるため、及び、ガスが典型的には約１／４０００秒で好ましい実施の形態のスラスタに使用される５ないし１０ｃｍの電極の長さを下って流れることができるので、各弁サイクルに対してたった１つのパルスが存在する場合、推進ガスのほんの約１／１０が利用されることとなる。そのため、高推進効率を達成するためには、弁の１回の開弁中に、複数（例えば、少なくとも１０個）のバースト又はパルスを生じさせる。パルスの各個々のバースト中、ピーク電力は所要の力を生じさせるように数百キロワット程度になる。ピークＰＲＦは２つの基準により決定される。インパルス時間は、先のパルスに由来するプラズマがスラスタの出口を離れてしまうか又は再結合してしまうのに十分なほど長くしなければならない。その上、インパルス時間は冷えた推進ガスが電極の長さを運行するのに必要な時間よりも短くしなければならない。後者の基準は利用するガスにより決定される。アルゴンについては、５ｃｍのコラム１６の典型的な長さに対して、推進ガスがスラスタ１０の電極表面にわたって広がる時間期間はほんの０．１ミリ秒であり、一方、キセノンのような一層重いガスについては、時間はほぼ０．２ミリ秒に増大する。そのため、高スラスタパルス反復率（即ち、約５，０００ｐｐｓ又はそれ以上）は、プラズマ銃が９０％に近い高推進効率を達成するのを可能にする。流体の１回の弁操作中のパルスのバースト長さは数パルスから数ミリオンまで変化することができ、その間ある燃料が消費され、それ故、短いバースト長さに対して一層低い推進効率が達成されてしまう。そのため、可能なら、バーストサイクルは弁６６の最小時間サイクル中に提供される推進ガスの少なくとも完全使用を許容するのに十分なほど長くすべきである。
【００２９】
推進ガスがコラム１６の端部に達する前に、ゲートトランジスタ４４がイネーブリングされ即ち開かれ、コンデンサ５８が十分に充電されて、電極を横切る高電圧（好ましい実施の形態に対しては４００ないし８００ボルト）を提供し、この電圧は、単独で又は後述する方法でトリガ電極の付勢と組み合わされて、コラム１６のベースにおいてプラズマ始動を生じさせる。その結果、中央電極１２及び外側電極１４を接続するプラズマシースにおいて、プラズマシースを通って中央電極１２と外側電極１４との間で電流が半径方向に流れ、磁場を発生させる。生じた磁気圧力はプラズマシースを軸方向に押し、中央電極１２及び外側電極１４に沿って移動するときにプラズマ質量を加速するＪ×Ｂローレンツ力を提供する。これが極めて速いプラズマ速度を生じさせ、電極長さ及び初期チャージは、最初に時間と共に増大し次いでゼロに減少する中央電極１２及び外側電極１４間を横切るｒｍｓ電流、及び、貯蔵コンデンサ５８の放電時に減少する電圧の双方が、電極の先端からのプラズマの放出時に丁度ゼロとなるように、選定される。プラズマが同軸構造体の端部に達したとき、実質上すべてのガスがプラズマ内へ随伴又は吸引されてしまっており、電極の端部から放出される。これが、最大ガス質量、従って各パルスに対する最大運動量／スラストを生じさせる。プラズマが電極を出るときにコンデンサが完全に放電されるように、構造体の長さが選択された場合、電流及び電圧はゼロとなり、ガスのイオン化されたスラグは高速でスラスタを去る。この方法でスラスタを作動させ、利用する排出速度を一定のスラスタ応用に対して最適にすることにより、例えば毎秒１０，０００ないし１００，０００メートルの範囲の排出速度を達成できる。スラスタ１０の開拡端部３０は、退出するガスの制御された拡張を容易にすることにより、等エントロピー熱力学膨張を介して残留熱エネルギの一部をスラストに変換することを可能にするが、この効果はかなり無視できることが判明しており、テーパした開拡端部３０は一般的に使用されない。事実、宇宙では一般に必要でない中央電極１２の保護を除いて、ハウジング２８を完全に排除することによりスラスタ１０の重量を減少させることができる。制御トランジスタ４４を無能にするか、又は、さもなければ直流電圧源３２を非線形磁気コンプレッサ３６の回路から切り離すことにより、パルスの破裂を終了させることができる。
【００３０】
図２は図１に示すものとは幾つかの点で異なる別の実施の形態のプラズマ銃であるスラスタ１０′を示す。第１に、非線形磁気コンプレッサ３６の代わりに単一の貯蔵コンデンサ８０を用い、このコンデンサは、実践的な応用においては、典型的には、ほぼ１００マイクロファラッドのキャパシタンスを達成するコンデンサ列である。第２に、陰極である外側電極１４はその出口端に向かって僅かにテーパする。第３に、スパークプラグ様のトリガ電極８２はトリガ電極のための対応する駆動回路８６を伴って各穴７４内で位置決めされた状態で示され、ハウジング部材７７により形成された内部ガスマニホルド７２′が推進ガスを穴７４へ送るために設けられ、ガス入口穴（図示せず）がハウジング部材７７内に設けられ、ガス出口穴８４は絶縁体２４内及び中央電極１２内に形成されたものとして示してある。図１の実施の形態に関しては、典型的には、外側電極１４の周辺のまわりにおいて等間隔で離間した例えば４ないし８個の複数の穴７４があり、トリガ電極８２が各穴７４内に位置し、ガス出口８４（単数又は複数）は好ましくは各穴７４に対向し、そこへガスを導く。後述する理由のため、コラム１６への入口の大半のガスは、マニホルド７２′及び穴７４のためのものと同じ源とすることのできる適当な源から、ガス出口８４を通って中央電極１２の近傍の室内へ流れ、穴７４を通って流れるガスは主としてトリガ電極８２による始動を容易にする。
【００３１】
ある応用においては、電圧を蓄積して高電圧駆動パルスを提供するために、非線形磁気コンプレッサ回路３６の代わりに貯蔵コンデンサ８０を利用することができるが、このような構成は典型的には一層低いＰＲＦ及び／又は一層低い電圧を必要とするような応用に使用される。その理由は、非線形磁気コンプレッサ３６が一層短い電圧パルス及び一層高い電圧パルスの双方を提供するのに適するからである。非線形磁気コンプレッサ３６はまた、貯蔵コンデンサ５８を横切る電圧及び非線形コイルとしての誘導子６０の飽和により決定される時間でパルスを提供し、この時間は、コラム１６のベースで破壊が生じてコンデンサの放電を許容するまで基本的に充電を行う貯蔵コンデンサ８０により達成できるものよりも一層容易に予測できる時間である。
【００３２】
トリガ電極８２は直流電圧源３２から電圧を受け取る分離された駆動回路８６により付勢されるが、他の面では、直流／直流インバータ３４及び非線形磁気コンプレッサ３６又は貯蔵コンデンサ８０とは独立している。駆動回路８６は２つの非線形圧縮段を有し、トリガ電極８２の付勢を開始させるためにＳＣＲ８７への入力信号に応答して付勢することができる。ＳＣＲ８７への信号は例えば貯蔵コンデンサ８０を横切る電圧即ちチャージの検出及びこの電圧が所定の値に達したときの付勢の開始に応答することができ、または、貯蔵コンデンサ８０の充電が始まるときに開始されるタイマに応答することができ、コンデンサが所望の値に達するのに十分な時間が経過したときに、付勢が生じる。非線形磁気コンプレッサ３６により、誘導子６０が飽和したときに付勢が生じるようにタイミングをとることができる。コラム１６のベースでの制御された始動は、穴７４の内側に向かっている幾何学形状により、及び、コラム１６がそのベース端部で一層狭く、この領域内で圧力を更に増大させ、従って、先に述べた理由により、この領域内での破壊の開始を保証するという事実により、向上する。
【００３３】
各トリガ電極８２は、ハウジング７７の開口８９に嵌合し、トリガ電極８２を適所で固定するために開口８９内へ螺入されるスクリュー区分を有するスパークプラグ様の構造体である。トリガ電極８２の前端は開口８９の直径よりも狭い直径を有し、そのため、推進ガスはトリガ電極８２のまわりの穴７４を通って流れることができる。例えば、穴７４は０．４４インチ（約１１．１８ｍｍ）の直径とすることができ、一方、トリガ電極８２はその最下方点で０．４０インチ（約１０．１６ｍｍ）である。トリガ電極８２のトリガ素子９１はコラム１６に隣接する穴７４の端部の近傍へ延びるが、好ましくは、コラム１６内で発展するプラズマ力に対してトリガ電極８２を保護するためにコラム１６内へは延びない。トリガ電極８２の端部は、例えば、穴７４の直径（７／１６インチ（約１１．１ｍｍ））におよそ等しい距離だけ、穴７４の端部から離れることができる。
【００３４】
トリガ電極８２及び、中央電極及び外側電極１２、１４の双方は、共通の直流電圧源３２から付勢されるが、中央電極１２及び外側電極１４のための駆動回路は独立しており、実質上同時に作動する間、異なる電圧及び電力を発生させる。例えば、中央電極及び外側電極１２、１４は典型的には４００ないし８００ボルトで作動するが、トリガ電極８２はこれを横切る５Ｋｖの電圧を有することができる。しかし、この電圧は例えば１００ｎｓ（ナノ秒）のような非常に短い時間期間だけ存在し、そのため、エネルギは例えば１／２０ジュールのように非常に小さい。
【００３５】
図１、２に示す型式のスラスタに関する別の可能性のある問題は、コラム１６を横切るローレンツ力が均一化されず、中央電極１２の近傍で最大となり、そこから外方に陰極である外側電極１４に向かって多少均一に減少することである。その結果、ガスプラズマは角度を付けて前方に流出し、ガスは最初に中央電極１２から出て、後に外側電極１４の方へ延び出す。そのため、スラスタを横切ってガスがスラスタから均一に出るのを容易にするために、外側電極１４を一層短くすることができるが、これは、好ましい実施の形態に対して行われていない。この外側電極１４のテーパはハウジング２８の開拡端部３０におけるテーパと同じ理由で設けられ、このテーパに関連して述べたのと同じ理由で随意である。
【００３６】
コラム１６内での不均一速度の問題はまた、大半のガスが穴８９を通って中央電極１２から及び（又は）その近傍でコラム１６へ入るようにして、外側電極１４でのガス質量よりも中央電極１２でのガス質量を一層大きくすることにより、図２において取り扱われる。中央電極１２の近傍の一層大なる質量がそこでの一層大なる加速力を相殺するように注意深くこれを行う場合、一層均一な速度がコラム１６を横切って半径方向で達成でき、そのため、ガス／プラズマはスラスタの端部から均一に（即ち、前面が電極に垂直となって）流出する。この修正は、一層短い外側電極１４が実質上必要でない１つの理由である。
【００３７】
上述の差異を除き、図２のスラスタ１０´は図１のスラスタ１０と同じ方法で作動する。更に、図には単一のスラスタを示すが、宇宙又は他の応用においては、例えば１２個のスラスタのような複数のスラスタを利用することができ、各スラスタはパルス当り１ジュール以下で作動し、１ｋｇ以下の重量を有する。すべてのスラスタは、中央電源により作動され、中央制御装置を有し、共通の源から推進ガスを受け取る。後者は、スラスタを利用する宇宙船の操縦寿命が同じ固形燃料のスラスタの場合のように最も頻繁に使用されるスラスタのための燃料供給により左右されず、宇宙船に搭載した総推進ガスによってのみ左右されるという点で、本発明のスラスタにとって特に有利である。
【００３８】
図３は本発明の教示に従うプラズマ銃の別の実施の形態を示し、このプラズマ銃９０はスラスタとしてよりも放射線源として使用するのに適する。本発明のこの実施の形態は直流／直流インバータ３４及び非線形磁気コンプレッサ３６を備えた図１に示すものに似たドライバを使用し、また、外側電極１４の穴７４を通してトリガ電極８２のまわりにガスを供給するマニホルド７２′を有する。しかし、この実施の形態に対しては、推進ガスは中央電極１２から入力されない。外側電極１４はまたテーパしておらず、中央電極１２とほぼ同じ長さのものである。本発明のこの実施の形態に対しては、中央電極１２、外側電極１４の長さはまた、スラスタの実施の形態に対するものよりも一層短く、放電電流が最大であるときに、ガス／プラズマが電極／コラムの端部に達する。典型的には、コンデンサはこの時点で１／２電圧点に近づく。更に、放射線源の応用に対しては、外側電極１４は中実でも孔明きでもよい。最良の結果は典型的には円を形成するように均等に離間したロッドの集合体からなる外側電極１４により達成されることが判明した。上述の形状によれば、プラズマが中央電極１２の端部から放出されるときに、磁場はプラズマを締め付け部内へ駆動してその温度を著しく増大させるような力を発生させる。電流それ故磁場が高いほど、最終のプラズマ温度が一層高くなる。また、コラム１６を横切る一層均一な速度を達成するようにガスをプロファイルする努力を行わなくて済み、静的で均一なガス充填が典型的に使用される。そのため、コラム１６のベース端部でガスを導入する必要はなく、これは更に好ましい。プロファイルされないガスは外側電極１４での速度よりも一層速い速度を中央電極１２で生じさせる。ドライバでのキャパシタンス、ガス濃度及び電極長さは、電流がその最大値の近くになったときに、プラズマ表面が中央電極１２の端部から放出されるのを保証するように、調整される。
【００３９】
プラズマが中央電極１２の端部から放出されると、プラズマ表面は内方へ押される。プラズマは傘又は噴水形状を形成する。中央電極１２の先端部にじかに隣接してプラズマコラムを通って流れる電流の磁場は内向きの圧力を提供し、この圧力は、ガス圧力が内向きの磁気圧力との平衡に達するまで、プラズマコラムを内方へ締め付ける。
【００４０】
この技術を使用して、太陽の表面よりも１００倍以上高い温度を締め付け部において達成することができる。所望の波長の放射線は、締め付け部においてその波長でのスペクトルラインを有する一般にガス状態の元素を導入することにより、プラズマ銃から得られる。これは元素として機能するプラズマガスにより又はある他の方法で締め付け部に導入される元素により達成することができるが、好ましい実施の形態に対しては、元素は中央電極１２に形成された中央チャンネル９２を通して導入される。中央電極１２は、好ましくは、ハウジングの部分にわたってこれと接触する冷却水、ガス又は他の物質の流れにより、そのベース端部で冷却される。これが、陰極すなわち外側電極１４の先端部との大きな温度勾配を提供し、この温度勾配は、プラズマの締め付けが生じたときに、ほぼ１，２００℃の温度になることができる。特に、高温において、放射線強度は波長の４乗に反比例する（即ち、強度≒１／λ4＝（ｆ／ｃ）4；ここに、λは所望の放射線の波長、ｆは所望の放射線の周波数、ｃは光速である）。従って、中央チャンネル９２を通して締め付け部へ送られるか又は他の方法で締め付け部へ送給される一定のガス／元素については、最大強度は２Ｐ→１Ｓ状態からの崩壊中に元素から放射される最短波長信号に対して得られ、この信号は単一電子状態での元素の原子（即ち、ほとんどの原子が分子から除去されてしまったような高エネルギ状態に上昇してしまった原子）に対して得られる。単一電子状態における原子に対しては、波長λはλ＝１２１．５ｎｍ／Ｎ2（ここに、Ｎは蒸発している中央チャンネル９２内の元素の原子番号である）により与えられる。この式を使用すると、周期律表の最初の６個の元素に対して最高エネルギを有する波長は次の表１に示される。
【００４１】
【表１】
0003564396.tif 000002
【００４２】
中央チャンネル９２を通して供給されたガスがその単一電子状態に完全に変換されていない程度で、しかも、締め付け部において存在する温度で、大半のガスがこの状態に実質上イオン化されていない場合でさえ、放射線はまた、その元素の他のスペクトル波長で出力される。しかし、上述の式から明らかなように、これらの放射線は非常に低い強度を有し、その強度は単一電子状態の強度のほんの一部である。従って、例えば、原子番号５４のキセノンは小さな値の０．０４ｎｍの単一電子波長を有するが、また、略述するように、有用な１３ｎｍの波長でのエネルギを有する。しかし、１３ｎｍでのエネルギは、単一電子状態にとって最適な締め付け部での温度の単一電子波長でのエネルギの１／１０10であり、実質的に、レーザー締め付け温度がより低いとさらに低いオーダーの大きさとなる。その理由は、相対ラインの大きさを決定することに依存する黒体放射曲線の形のため、１３ｎｍにおいてエネルギの少量（≦１／４）以上を単独で強制的に発出させることが不可能であり、温度が大幅に変化するからである。
【００４３】
そのため、元素の最適な単一電子波長以外の波長で放射線を使用するためには、その元素のために放射されている一層高い強度の一層短い波長を濾波する必要がある。図３はこれを行う１つの方法を示し、ここでは、プラズマ銃９０から発出されている放射線９４は所望の標的の方へ反射される所望の波長を除いた放射線のすべての波長を吸収するように構成された当業界で既知の型式の鏡９６に供給される。所望の波長及びそれ以上の波長のための少なくともハイパスフィルタである他のフィルタも使用することができる。
【００４４】
従って、可能なら、ガスのための元素又は最大エネルギの単一電子状態における所望の波長で放射線を発生させる中央チャンネル９２へ供給される他の元素を使用するのが望ましい。しかし、単一電子状態における所望の波長で放射線を発出するいかなる元素もが存在しない場合、及び、表１から、約７．６ｎｍ以上の極めて少ない波長が最大エネルギ状態で元素のために実際利用できることが分かった場合は、所望の波長で放射線を発出する元素及び所望の波長での放射線を得るために利用されるフィルタとしての鏡９６の如き適当なフィルタを見つけ出さなければならない。この放射線は単一電子状態の波長での放射線よりも一層弱い強度なので、一層弱い強度で十分なエネルギを得るためには一層大型で実質上一層高価な装置すなわちプラズマ銃９０が一般に必要となる。一定の波長での放射線の強度はワット／（メートル）2／ヘルツの単位で与えられ、放射線の周波数又は波長、温度及び放射率の関数として変化する。放射率は１の最大値を有する関数であり、所望の出力周波数／波長で最大放射率を有するガスを選択するのが重要である。一定の波長λに対する最適な締め付け温度（ＴOPT）はウィーンの変位則ＴOPT＝０．２８９８ｃｍ×Ｋ゜／λ（ここに、Ｋ゜はケルビンにおけるプラズマの温度である）から決定できる。極めて少量のガスのみが各締め付け中に放射線を発生させるようにイオン化されるので、キセノンは１３ｎｍの放射線を得るために中央チャンネル９２を通って比較的遅い速度で流れることができる。しかし、先に述べたように、キセノンを使用した場合、１３ｎｍでの出力放射線は比較的弱い強度となり、この波長で有用な放射線を得るためには鏡９６のようなフィルタが必要となる。この理由のため、表１から実質上所望の波長で（即ち、１３．５ｎｍで）最大強度の波長を有することが分かるリチウムが、この波長での放射線にとって好ましい元素である。
【００４５】
図４は所望の放射線を生じさせるためにリチウム蒸気を利用する実施の形態のための中央電極１２を示す。この図を参照すると、中実のリチウムコア９８がステンレス鋼のような材料のチューブ１００内に保持され、チューブ１００の先端は中央電極１２に沿った先端近傍で、プラズマ締め付け中、約９００℃の温度になり、リチウムコア９８の端部から約１Ｔｏｒｒの圧力でリチウム蒸気を発生させる。このリチウム蒸気は、先端でアルゴン又は他のプラズマガスと置換するような流量で、中央電極１２の端部の開口１０２から流出し、この必要な流量は、図示の実施の形態に対しては、年間約１−１０グラムの範囲である。チューブ１００は適当な位置にリチウムコア９８の前端を保持するために適当な方法でゆっくり前進することができる。リチウムコア９８を使い切ったとき、これを交換することができる。少量のヘリウムガスが好ましくはチューブ１００のまわりに供給され、開口１０２から流出し、リチウム及びヘリウムのみが締め付け区域に存在するのを保証する。その理由は、少量ではあるがアルゴンは高エネルギで短い波長のラインを生じさせ、これが、濾波しなければ、所望の標的での１３ｎｍの放射線と干渉してしまうからである。
【００４６】
締め付け部にリチウム又は他の適当な材料を与える別の方法は、液体リチウム又は流体（即ち液体又は気体）状態のある他の適当な材料で飽和した焼結粉末耐火金属で、中央電極１２及び外側電極１４の少なくとも一方を形成することである。適当な結合剤と共にタングステンの如き粉末耐火材料をプレスし、次いで、出来上がった質量体を高温で焼結することにより、タングステン又はモリブデンの如き金属を所望の電極形状に製造できる。出来上がった多孔性の耐火金属母体を液体リチウム又は他の所望の材料で含漬して、改善された寿命及びリチウム／材料を放電部へ導入する別の手段を提供することができる。放射線発生材料を交換する必要なしに、プロセスの実質上無限の寿命を提供するように、所望なら、作動中に液体リチウムを電極の金属母体へ常に供給することができる。粉末耐火金属を選択する際の１つの制約は、金属が中で燃えている放射線発生材料内に溶けないことを保証することである。
【００４７】
１３ｎｍの放射線を得るためにキセノンを使用する場合は、キセノンはその波長でかなりの吸収性を有するため締め付け部のすぐ近傍にキセノンを閉じ込めなければならない。キセノンの場合のように、使用される放射線が中央チャンネル９２内の元素／ガスのための単一電子波長以外の波長である場合は、元素の少量をその単一電子状態へイオン化して、一層長い波長での多量の放射線及び一層短い波長での少量の放射線（ただし、一層強い強度の放射線）を提供するように、締め付け部での温度を制御することができる。
【００４８】
また、発出される放射線の円錐角は出来る限り小さい方が望ましい。締め付け部での放射ガスからの放射線の誘導放射が自然放射よりも一層大きい場合に、小さな円錐角が達成され、自然放射は一層分散的である。特に、ボルツマン定数ｋ×締め付け部での温度が放射線の周波数ｆ×プランク定数ｈよりも大きいと仮定すると、誘導放射Ａに対する自然放射Ｂの比率は（Ｂ／Ａ＝ｋＴ／ｈｆ）で与えられる。例えば、この比率が２０に等しい（即ち、プラズマ温度が問題の光子エネルギの２０倍である）場合、半円錐角は約２５゜となる。プラズマ温度が高いほど、円錐角は一層小さくなる。しかし、放射線の波長が短いほど、小さい円錐角を達成するのが一層困難になる。しかし、円錐角は締め付け部での所望の温度を達成するために電流及び他のパラメータを選択する際に考慮すべき因子の１つである。
【００４９】
図５は、電極長さの如き因子、及び、放射線発出元素／ガスが中央電極１２を通して導入されるか否かに応じて、スラスタ、放射線源又はプラズマ銃を利用する他の機能として使用できる本発明の別の実施の形態を示す。プラズマ銃は主ソリッドステートドライバ１１０により駆動されるものとして示され、好ましい実施の形態に対しては、この主ソリッドステートドライバ１１０は直流電圧源３２と、直流／直流コンバータ３４と、非線形磁気コンプレッサ（ＮＭＣ）３６とを含む。しかし、この実施の形態はプラズマ始動のために穴７４内のトリガ電極８２を利用するが、これは、トリガ電極又は他の電極が直流遮断コンデンサ１１４及び整合変圧器として機能する共振同軸ライン１１６を介してパルスＲＦ信号源１１２から駆動されるという点で、先の実施の形態とは異なる。好ましい実施の形態に対しては、ＲＦ信号は１０ＭＨＺないし１，０００ＭＨＺの周波数であり、主ソリッドステートドライバ１１０の付勢前に約１ないし１０マイクロ秒だけ付勢される。図５はまた交流フィルタコイル１２０を介して中央電極１２に接続された随意の直流バイアス源１１８を示す。直流バイアス源１１８は、駆動回路８６の如き整形及び制御回路を介して実質上給電される直流電圧源３２とすることができ、または、用途に応じて別の電圧源とすることができる。
【００５０】
図５において、コラム１６の両側に位置する２つのみのトリガ電極即ちスパークプラグ８２、９１を示すが、プラズマ銃は好ましくはコラム１６の周辺のまわりにおいて等間隔で離間した少なくとも４個のトリガ電極を有し、そして、６個又は８個（又は可能ならそれ以上）のトリガ電極を有することができる。４個のトリガ電極の場合、図示のトリガ電極に供給されたＲＦ信号は第１相となり、図示のものに対して９０゜の位置にあるトリガ電極に供給されたＲＦ信号は第１相に対して９０゜位相ずれした第２相となる。６個のトリガ電極を有するプラズマ銃に対しては、３相ＲＦ信号が使用され、各相はコラム１６の両側で一対のトリガ電極に供給される。８個のトリガ電極の場合、２相信号が好適には利用され、１つの相は１つおきの電極に供給され、第２の相はこれらトリガ電極間のトリガ電極に供給され、４相信号も使用できる。プラズマ始動のために直流信号ではなくＲＦ信号を使用する理由は、トリガ電極に供給されたＲＦ信号が一層均一及びほぼ完全に均一な容積的イオン化即ち始動をコラム１６内で生じさせるからである。好ましくはライン（単数又は複数）１２２上の制御信号に応答してＲＦ信号源１１２からのＲＦ信号と同時に供給される直流バイアス源１１８からの直流バイアスは更に、特に中央電極１２の近傍での均一なイオン化に寄与し、ＲＦ信号源１１２での必要電力を減少させる。直流バイアスは、図示のように中央電極１２へ供給することができ、または、例えば、ＲＦ信号が直流バイアスを変調するようにＲＦ信号と直列又は並列に中央電極１２へ供給することができる。
【００５１】
図６は、例えば互いに９０゜の角度で位置する２つのトリガ電極（スパークプラグ）８２、８２′へのＲＦ信号源１１２の接続を示す。プラズマ銃内には２つの付加的なトリガ電極が存在し、第２のトリガ電極８２は図示のトリガ電極８２に対して１８０゜の角度で位置し、トリガ電極８２のための図示の方法で接続され、第２のトリガ電極８２′は図示のトリガ電極８２′から１８０゜の角度で位置し、この電極と同じ方法で接続される。ＲＦ信号源１１２は四分の一導波路同軸ライン１２４、１２４′を介して同軸ライン１２６、１２６′の短くなった端部の近傍の地点に接続されるが、短くなった端部からそれぞれ距離Ｌ１、Ｌ２だけ離れている。同軸ライン１２６は四分の一波長長さであり、その短くなっていない端部でトリガ電極８２を有し、一方、同軸ライン１２６′は半波長長さであり、その短くなっていない端部でトリガ電極８２′を有する。四分の一波長長さの同軸ライン１２６及び半波長長さの同軸ライン１２６′では、トリガ電極８２、８２′でＲＦ信号のための所望の位相差が達成される。同軸ラインはまた大きな電圧逓昇を提供し、結合位置／距離Ｌ１、Ｌ２が正しく選択された場合は、破壊が達成されるまで、ＲＦ信号源を整合負荷として頼る。良質の同軸ラインを使用すると、１０−２０：１程度の電圧逓昇比率を容易に達成できる。破壊が達成されると、ラインは位置Ｌ１で短絡回路のようになる。位置Ｌ１からλ／４離れたＲＦ信号源１１２へ結合する入力において、見掛けのインピーダンスは開回路のようになる。更に、位置Ｌ２が正しく選択された場合、このラインは、破壊が開始された後に、整合負荷のようになる。同軸ライン１２６、１２６′を出来る限り短く保つのが望ましいが、所望の位相及びインピーダンス整合は（２Ｍ−１）λ／４、Ｍλ／２のそれぞれの長さでラインに対して実質上達成できる。それ故、ＲＦ信号源１１２は常に整合負荷を監視し、最初に一対のトリガ電極において電圧逓昇を生じさせ、次いで、プラズマが始動されたのち、第２の対のトリガ電極８２′において電圧逓降を提供するが、電流逓昇を提供する。次の表２は図示の実施の形態に対する図６のＲＦ信号源１１２のためのパラメータを与える。
【００５２】
【表２】
0003564396.tif 000003
【００５３】
ＲＦ信号源１１２のみから又はＲＦ信号源１１２及び直流バイアス源１１８の双方からのＲＦ周波数及び電圧は、最大均一性を与えるように寸法及び作動圧力から決定される。一般に、ＲＦ周波数は臨界周波数以上となるように選択しなければならず、臨界周波数は、これよりも低い周波数では、ガス内の電子が各半サイクルにおいて全体の電極ギャップを横切って払拭されるような時間を有し、それ故消失するような周波数である。臨界周波数以上では、電子は電極間で前後に振動し、ガスのイオン化を容易にする。一定のプラズマ銃設計のための臨界周波数は、流動性を最初に計算することにより決定される。
【００５４】
【数１】
0003564396.tif 000004
【００５５】
ここに、νcは衝突周波数、ω＝２πｆ（ここに、ｆは放射線の周波数）、ｑは電子チャージ、Ｅは電場、ｍは電子質量である。それ故、ガスを遷移させる時間は、
【００５６】
【数２】
0003564396.tif 000005
【００５７】
【数３】
0003564396.tif 000006
【００５８】
で与えられる。ここに、ｄは電極間の距離である。
スラスタの実施の形態に関しては、全体のプラズマ銃９０を近真空環境（ほぼ、ガス圧力≦１０Ｔｏｒｒ）内に維持する必要があり、これが更に必要な理由は、ＥＵＶ帯域内の放射線が容易に吸収され、近真空環境以外では有用な仕事を行うために使用できないからである。この実施の形態に対しては推進効率はさほど重要でないので、各弁操作即ち弁操作期間に対して単一の放射線バーストでよく、所望の期間だけ放射線を提供するために多数のパルス／バーストを選択することができる。
【００５９】
マグネトロン、クライストロン又はＲＦ増幅器の如き標準の高電圧のＲＦ信号源１１２は、前述のように、先の実施の形態に対してＲＦ信号源として利用することができるが、このような標準のＲＦ信号源は購買及び使用にとって高価であり、大型であり、利用する装置の熱管理負担を増やすかなりの熱を発生させる。それ故、このようなＲＦ信号源を、購買及び作動にとって大幅に安価であり、大幅に少ない熱を発生する一層小型のＲＦ信号源と交換できることが好ましい。図７Ａはこれらの要求を満たすソリッドステートのＲＦ信号源を示す。特に、ＲＦ信号源１３０の回路は標準のＲＦ信号源におけるコストの約１％のコストでＲＦ電力を生じさせ、大きなキャビネットではなく、例えば「６」又は「８」倍だけ小さい回路板の空間を占めることが判明した。
【００６０】
図７Ａを参照すると、ＲＦ信号源１３０は電圧源、例えば前述の直流電圧源３２から標準の様式で充電されるコンデンサ１３２を含む。例えばＳＣＲ、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴとすることのできるソリッドステートスイッチ１３４は、閉じたとき即ち通電したときに、コンデンサ１３２が前述の型式の多段非線形磁気パルス圧縮回路１３６の入力へ放電を行うのを許容する。多段非線形磁気パルス圧縮回路１３６は多段及び（又は）変圧器を含むことができ、このような形状の一例が示され、特殊化された出力セクション１３８で終端する。出力セクション１３８は接地部に対する飽和可能な共振分路を形成し、この出力セクション１３８の共振回路はコンデンサＣR及び飽和可能な誘導子ＬRを含む。コンデンサＣRは多段非線形磁気パルス圧縮回路１３６の第ｎ段のコンデンサＣNから共振的に充電される。コンデンサＣNはキャパシタンスがコンデンサＣRよりも一層小さくなるように選定され、そのため、コンデンサＣRはコンデンサＣNの充電中に反転する。代わりに、誘導子ＬRは、コンデンサＣNからコンデンサＣRへのチャージの移送が完了する前に飽和するように選定することができる。これらの条件の一方又は双方が満たされると、誘導子ＬRが飽和しコンデンサＣRがそのピークチャージに達する前に、コンデンサＣNに対して逆電圧が生じる。これらの条件下で、誘導子ＬRの順次の飽和により、誘導子ＬRが図７Ｃに示すようにコンデンサＣRを振動させる。本発明のプラズマ始動応用に対しては、ＲＦ信号源の３又は４回のみのサイクルが図７Ｃに示すように必要であるが、ＲＦ信号源１３０のパラメータは、応用に応じて、所望数のサイクルを提供するように選択することができる。出力セクション１３８の共振周波数ＦはコンデンサＣR、誘導子ＬRの値により決定され、これらの値のいずれか一方は回路のチューニングを許容するように調整可能にすることができる。抵抗性素子ＲOと容量性素子ＣOとからなる出力結合回路１４０が設けられ、これらの各々は適当に相互接続された多数の素子で形成することができる。出力結合回路１４０はコンデンサＣRからのエネルギの一部を出力端子１４２に結合し、出力結合回路１４０のインピーダンスは各サイクルに対してコンデンサＣR内に貯蔵されたエネルギの一部のみ（例えば、サイクル当り２０％）を除去するように選定される。更に、図７Ａに示すＲＦ信号源１３０は本発明のプラズマ銃に使用するのに特に適するが、図７Ａに示すＲＦ信号源１３０の回路の性能特性を有するソリッドステートのＲＦ信号源は現在存在せず、それ故、このようなＲＦ信号源１３０はまた他の応用における使用を見出すことができる。それ故、このＲＦ信号源１３０もまた本発明の一部となる。
【００６１】
ＲＦ信号をプラズマ銃へ送給する際の２つの可能性のある問題は、コラム１６のベースで比較的大きな均一領域にわたって高電圧場が生じて、この領域で破壊が生じること、及び、コラム１６内で必要な真空に対する破壊を最小にした状態で、ＲＦ場をこの地点で得ることである。後者は宇宙応用では問題にならないが、放射線源としてのプラズマ銃の一層普通の応用では問題となる可能性がある。図８Ａは両方の目的を達成する１つの方法を示し、一方、図８Ｂは第２の目的のみを達成する方法を示す。
【００６２】
まず、図８Ａを参照すると、セラミック誘電体１５０がコラム１６のベースにおいて中心電極１２及び外側電極１４の間に設けられる。複数の電極１５２は、コラム１６の外側のセラミック誘電体１５０の表面に装着され、セラミック誘電体１５０によりコラム１６内のセラミック誘電体１５０の表面１５４から小距離だけ離間される。電極１５２と表面１５４との間のセラミック誘電体１５０の厚さは典型的には１／８インチ（約３．１８ｍｍ）以下とすることができ、セラミックの誘電体１５０が割れたり破壊したりしないことを保証しながら、出来る限り薄くなるように選択される。ＲＦ信号及び（又は）直流信号が電極１５２に供給されたとき、高電圧場が表面１５４上に現れ、所望のプラズマ破壊を開始させる。
【００６３】
図８Ｂの装置は、セラミック誘電体１５０′が中央電極１２の底部分にわたってカラーとして形成され、コラム１６内へ小距離延びているという点で、図８Ａのものとは異なる。電極１５２はセラミック誘電体１５０の外表面１５４′に装着され、ＲＦ信号及び（又は）直流信号を電極１５２に供給したときに、高電圧場が表面１５４′に形成される。全体のプラズマ銃が真空環境ではないような応用に対しては、電気リード線を真空のコラム１６内へもたらす必要がないという点で、図８Ａの形状が好ましく、図８Ｂの実施の形態に対しては、リード線１５６がコラム１６内へもたらされる。
【００６４】
また、始動後に初期の高電圧スパイクを中央電極１２、及び外側電極１４へ供給することにより、一層均一な破壊をプラズマ銃内で達成できることが判明した。図９Ａは図９Ｂに示す所望の波形を達成するための回路を示す。特に、この波形は初期のスパイク信号１６０を有し、持続信号１６２がこれに続く。初期のスパイク信号１６０は持続信号１６２の電圧の１０倍ほどの大きさとすることができるが、一層短い期間のもので、中央電極１２、外側電極１４へ供給されるエネルギの１／１０ほどの少ないエネルギを送給する。
【００６５】
図９Ａを参照すると、回路は第１の非線形磁気圧縮回路１６４（その最終段のみを図９Ａに示す）と、第２の非線形磁気圧縮回路１６６（その最終段のみをも図に示す）とを有する。第２の非線形磁気圧縮回路１６６は高電圧短期間のスパイク信号１６０を発生させ、一方、第１の非線形磁気圧縮回路１６４はスパイク信号１６０の端部で生じる一層長い期間の低電圧信号である持続信号１６２を発生させる。第１の非線形磁気圧縮回路１６４の最終段のためのリアクタ１６８は、第１の非線形磁気圧縮回路１６４からの信号の流れを許容するような方向に飽和されるが、第２の非線形磁気圧縮回路１６６から逆方向への信号の流れを遮断するように、バイアス巻線１７０を介して供給されるバイアス信号により、通常バイアスをかけられる。従って、この信号は第１の非線形磁気圧縮回路１６４、特にその最終段のコンデンサ１７２へ供給されず、電圧スパイクから第１の非線形磁気圧縮回路１６４を保護し、この信号のすべてが中央電極１２、外側電極１４へ供給されるのを保証する。スパイク信号１６０は、そこへ供給されるバイアスに部分的に打ち勝って飽和可能なリアクタ１６８のバイアスを反転させ始め、同時に、中央電極１２、外側電極１４において雪崩破壊を生じさせる。これが、破壊電圧を越える懸念なしに、主放電チェーンのための最適な電圧及び駆動インピーダンスレベルの選定を許容する。飽和可能なリアクタ１６８の反転バイアスは、リアクタ１６８が再飽和するまで第１の非線形磁気圧縮回路１６４からの持続信号１６２に対して遅延を提供し、２つの信号間に円滑な遷移を提供する。
【００６６】
例えば図３に示す型式のプラズマ銃についての１つの問題は、放射線の所望の周波数に応じて１００ｅＶないし１０００ｅＶの範囲にある所望の締め付け温度を達成するために、プラズマをマイクロ秒当り数センチメートルの速度に駆動するのに十分なテスラ程度の磁気圧縮場が必要となることである。これらの高速度により、プラズマは中央電極１２を下って駆動され、中央電極１２の端部から放出され、プラズマシースは中央電極１２の端部から離れた空間内へ移動し続ける。この結果、プラズマシースは最終的に締め付け部への電気的接続を失い、締め付けを終了させ、大きな電圧遷移を生じさせる。この電圧遷移は中央電極１２を激しく損傷させることのある高電圧再スパイクを生じさせることがある。プラズマシースとの電気接触の喪失はまた、プラズマ銃からの出力効率の実質的な減少を生じさせ、締め付けは、数マイクロ秒（例えば、２−４マイクロ秒）となることがある電気放電の実質上一層長い期間ではなく、ほんの約１００ナノ秒続く。
【００６７】
本発明の教示に従えば、プラズマ分離のこの問題はプラズマシースを中央電極１２の方へ戻るように再度導くために中央電極１２の出口端に隣接してブラストシールド即ち合焦装置１９４を設けることにより克服される。図１０Ａ−図１０Ｃは、それぞれ合焦空洞１９６Ａ、１９６Ｂ、１０６Ｃの形状が主として異なるこのようなシールド即ち合焦装置（以下、シールドとして総称する）１９４Ａ、１９４Ｂ、１９４Ｃの３つの可能な実施の形態を示す。特に、空洞１９６Ａはほぼ球状形状を有し、空洞は適当な装着コンポーネント（図示せず）により外側電極１４又はプラズマ銃の適当なハウジングコンポーネントに装着されて、空洞１９６Ａの壁が中央電極１２の先端からある距離だけ離れるようにする。このある距離とは、シールドと中央電極１２との間に接触を生じさせないのに十分なものであるが、プラズマ分離の前に中央電極１２へ戻るプラズマの放射線が生じるのに十分な短さのものである。これらの目的は、中央電極１２の半径をＲとした場合に、ほぼＲないし２Ｒの範囲内の間隔により達成される。しかし、このような距離はプラズマ銃１０の他のパラメータに応じてある程度変えることができる。空洞１９６Ｂは円錐形状を有し、空洞１９６Ｃは放物線形状を有する。中央電極１２の端部からの空洞の距離について上述したパラメータはすべての３つの空洞形状に適用される。
【００６８】
プラズマシースの分離を阻止し、プラズマシースをシールド１９４内に収容するのが望ましいが、シールド１９４がプラズマ銃１０からの所望の放射線の流出と抵触しないことが重要である。従って、各シールド１９４は、対応する空洞の頂部に形成され、中央電極１２の中心線と同軸の中心を備えた中央開口１９８Ａ、１９８Ｂ、１９８Ｃを有する。開口１９８は好ましくは円形であり、中央電極１２の先端で締め付け部から±１５゜の角度（ほぼ発出放射線の角度）で発出される放射線が邪魔されずに開口１９８を通るのに十分な直径を有する。各開口１９８の上方部分は外方へテーパしていて、プラズマシースのいかなる逃避をも実質上制限しながら、放射線の流出を容易にする。
【００６９】
シールド１９４の材料はほぼ１０００℃及びそれ以上の範囲の温度に耐えることのできる高温非導電性材料でなければならない。種々の高温セラミックは所望の特性を有し、図示の実施の形態に対しては、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）が利用される。種々のガラス、石英及びサファイアもシールド１９４の材料として役立つ所望の特性を有する。
【００７０】
上述の説明において、プラズマを再指向させるためのシールド１９４は特定の形状の放射線源と一緒に使用するものとして示したが、このシールド１９４は、プラズマ分離が可能性のある問題となるような任意の放射線源と一緒に使用するのに適し、それ故、本発明は図３の特定の放射線源形状により決して限定されない。同様に、陰極すなわち外側電極１４へ放射線を再指向するための３つの空洞形状を図１０Ａ−１０Ｃに示したが、この機能を遂行するのに適した他の空洞形状も利用できる。上述の特定の材料はまた単なる例示である。
【００７１】
更に、１３ｎｍでの放射線を発生させるためのパラメータを上述したが、放射線源としてのプラズマ銃９０の種々のパラメータを制御することにより、そして、特に、利用される元素／ガス、高電圧源からの最大電流、締め付け領域におけるプラズマ温度、コラム１６内のガス圧力、及び、ある場合は利用される放射線フィルタを注意深く選択することにより、ＥＵＶ帯域内における、又は、ある場合はこの帯域外における他の波長での放射線を得ることができる。
【００７２】
多くの種類のガスを上述のプラズマ銃のためのプラズマガスとして使用できるが、アルゴン及びキセノンの如き不活性ガスがしばしば好ましい。使用できる他のガスは窒素、ヒドラジン、ヘリウム、水素及びネオンを含む。上述のように、図３の実施の形態のようにプラズマ銃を放射線源として使用した場合、選択されたＥＵＶ又は他の波長を達成するために種々の元素／ガスを使用することもでき、ある場合は、プラズマ及び放射線ガスは同じガスである。例えば、ＶＵＶ帯域内で１２１．５ｎｍでの放射線を有効に得るために水素ガスを選択することができる。更に、種々の実施の形態を上述したが、これらの実施の形態は単なる例示であり、本発明を限定するものではないことは明らかである。例えば、図示のドライバは種々の応用にとって有利であるが、適当な電圧及び上昇時間を有し、高電圧切り換えを必要としない他の高ＰＲＦドライバも利用できる。同様に、好ましいソリッドステートのＲＦ信号源により駆動する電極トリガを用いた種々のプラズマ始動機構を説明したが、プラズマ破壊を開始させるための他の方法も適当な応用に利用できる。電極の形状及びプラズマ銃のために与えられた用途も例示である。従って、好ましい実施の形態について本発明を特に示し、説明したが、当業者なら、本発明の精神及び要旨内に留めたまま、詳細を構成する上述及び他の変更を行うことができ、本発明は特許請求の範囲によってのみ規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ銃の第１の例示的なスラスタの実施の形態の半概略半切断側面図である。
【図２】本発明のプラズマ銃の別のスラスタの実施の形態の半概略半切断側面図である。
【図３】本発明のプラズマ銃の放射線源の実施の形態の半概略半切断側面図である。
【図４】本発明のプラズマ銃の１つの実施の形態についての図３の中央電極の拡大（実寸ではない）切断図である。
【図５】相対寸法に応じて、他の因子をスラスタ又は放射線源として使用でき、本発明の教示に従ったＲＦ信号で駆動するトリガ電極を有する、本発明のプラズマ銃の実施の形態の半概略側切断図である。
【図６】本発明のプラズマ銃におけるＲＦ信号源を得るための別の実施を概略的に示す図である。
【図７】図７Ａはトリガ電極を駆動するためのＲＦ信号源として使用するのに適したソリッドステートのＲＦ信号源の概略図であり、図７Ｂ及び図７Ｃは図７Ａの回路内におけるあるコンデンサを横切る電圧を示す線図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂはプラズマ銃へ始動電圧を供給するのに適した２つの異なる始動器電極形状を示す、プラズマ銃の一部の切断部分側面図である。
【図９】図９Ａは別の実施の形態に従った本発明のプラズマ銃を駆動するために使用するのに適したパルスドライバ回路の概略線図であり、図９Ｂは図９Ａの回路からの出力信号を示す線図である。
【図１０】図１０Ａないし図１０Ｃは、本発明のそれぞれ球状、円錐状及び放物線状の実施の形態のための、中央電極の端部及びシールドを示す拡大側断面図である。
【符号の説明】
１０  プラズマ銃
１２  中央電極
１４  外側電極
１６  コラム
８２  トリガ電極
１３０  回路
１３２  コンデンサ
１３４  ソリッドステートスイッチ
１３６  多段非線形磁気パルス圧縮回路
１３８  出力セクション
１４０  出力結合回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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