(57)【要約】安定集束された電子ビームの形成用の、ガス放電を介してトリガされるビーム通路火線源が提案されており、この火線源は、中空陰極と通路出口側との間の１０−４パスカルの圧力差でガス供給することによって特徴付けられ、その結果、外部磁場によって支持されて、トリガプラズマ中の荷電坦体を増量することによって、中空陰極ガス放電を高い信頼度で点火して、内部通路の不安定性、接触乃至損傷の傾向なしにシステムから出ることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定集束電子ビーム形成用ビーム通路火線源であって、
誘電管（７）、
誘電中空陰極（１）、
誘電ビーム通路火線体（１１）、
誘電管部材（５）
との同軸配列から構成されており、
前記誘電管（７）内で、トリガプラズマが形成され、
前記誘電中空陰極（１）は、端面側が前記誘電管（７）に接続されており、
前記誘電ビーム通路火線体（１１）は、前記誘電中空陰極（１）に接続されており、前記誘電ビーム通路火線体（１１）は、中央に貫通路がある陽極（１７）に端が位置しており、
前記誘電管部材（５）は、前記陽極（１７）に装着されており、前記誘電管部材（５）は、前記誘電ビーム通路火線体（１１）と一直線に並んでおり、
コンデンサ（６）が、電気エネルギ蓄積器として前記陽極（１７）及び前記誘電中空陰極（１）に接続されており、
電極（１８）が、前記誘電中空陰極（１）とは反対側の端面から前記誘電管（７）内のトリガプラズマ容積内に突出しており、
前記電極（１８）は、火線区間（１９）を介して基準電位に接続されており、
電気抵抗（２０）は、前記電極（１８）及び前記誘電中空陰極（１）を橋絡している
通路火線源において、
誘電中空陰極（１）内にトリガプラズマ側から、円錐状に陽極（１７）の方に開いた内法の幅を持った、前記誘電中空陰極（１）の構成部品である被覆体（２１）が突出しており、
前記被覆体（２１）は、前記誘電中空陰極（１）の壁部と共に環状間隙（１３）を形成し、前記環状間隙（１３）の端面は、誘電管（７）の方に閉じており、前記環状間隙（１３）の端面は、誘電ビーム通路火線体（１１）の方には開かれており、
前記被覆体（２１）は、前記誘電中空陰極（１）の、陽極（１７）側の端の手前に端が位置しているように構成されており、該構成により、前記誘電中空陰極（１）の内法の幅を持った残留容積部が形成され、該残留容積部内に前記環状間隙（１３）が通じており、前記誘電中空陰極（１）の容器壁を貫通して、又は、前記誘電中空陰極（１）の容器壁にガス案内部が内側に形成されており、前記ガス案内部を通って、調量されたガスが前記誘電中空陰極（１）の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部材（５）の出口との間での所定の圧力降下を調整するために流入することができ、又は、
トリガプラズマ側の真空密閉装置内の前記中空陰極（１）に漏れ構造部が前記環状間隙（１３）の方に向かって形成され、該漏れ構造部を介して、ガス流入によって同様に前記所定の圧力降下を調整することができ、
永久磁石（１２）又は電磁石（１２）の磁場は、トリガ源の前記誘電管（７）を部分により完全に透過し、前記永久磁石（１２）又は前記電磁石（１２）は、前記誘電管の長手方向軸線に対して摺動可能であり、磁場の軸は、前記長手方向軸線に対して回転可能である
ことを特徴とするビーム通路火線源。
【請求項２】
誘電管（７）への結合個所での被覆体（２１）の円錐状通路は、数平方ミリメートル面積の孔を有していて、誘電ビーム通路火線体（１１）の入口（１０）の方向で同じ内法の幅で開いており、前記被覆体（２１）の長さは、ビーム通路火線管（９）の直径の少なくとも４倍〜高々１０倍の大きさである
請求項１記載のビーム通路火線源。
【請求項３】
調量されたガス供給のために、バルブ（１６）がガス供給部に装着されており、前記バルブ（１６）は、ダイアフラムから構成されており、前記ダイアフラムにより、中空陰極（１）の内部空間が比較的高圧のガス空間から分離され、前記高圧により、前記ガスは、ダイアフラム構造、圧力低下及び環境温度に相応して調量されて、内部を通って外に出る
請求項２記載のビーム通路火線源。
【請求項４】
ダイアフラムは、熱安定材料製、例えば、ポリエステル、ポリビニール塩化物、シリコンゴム、テフロン製ののプラスチック薄板である請求項３記載のビーム通路火線源。
【請求項５】
パッキン装置は、中空陰極（１）の容器の両端面の少なくとも一方に前記中空陰極（１）の内部の粗面化通路（Ｍｉｋｒｏｕｎｅｂｅｎｈｅｉｔｅｎ／−ｋａｎａｅｌｅｎ）の形式での漏れ構造部を有しており、該漏れ構造部を通して、相応に調量されたガスが外側から内側に流入する請求項２記載のビーム通路火線源。
【請求項６】
粗面化通路は、中空陰極の容器の一方又は両端面内に装着される請求項５記載のビーム通路火線源。
【請求項７】
粗面化通路は、中空陰極（１）の単数又は複数のＯ−リング内に入れられている請求項５記載のビーム通路火線源。
【請求項８】
ガス供給部での調量されたガス供給のために、内法の幅が横断面で狭くされた部分が、中空陰極（１）の内部に所定の漏れレートが生じるように装着される請求項２記載のビーム通路火線源。
【請求項９】
ガス供給部での調量されたガス供給のために、バルブが装着されており、該バルブにより、中空陰極（１）の内部で所定の漏れレートを調整することができる請求項２記載のビーム通路火線源。
【請求項１０】
永久磁石（１２）はリングマグネットである請求項１から９迄の何れか１記載のビーム通路火線源。
【請求項１１】
永久磁石（１２）は、相互に対向し合った極片を有しており、該各極片は、少なくとも、誘電管（７）の直径の間隔で対向し合っている請求項１から９迄の何れか１記載のビーム通路火線源。
【請求項１２】
電磁石は、円筒状巻線から構成されている請求項１から９迄の何れか１記載のビーム通路火線源。
【請求項１３】
電磁石は、平坦な螺旋巻線から構成されている請求項１から９迄の何れか１記載のビーム通路火線源。
【請求項１４】
電磁石は、間隙を形成している鉄心の周囲に巻回された巻線から構成されている請求項１から９迄の何れか１記載のビーム通路火線源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定集束電子ビーム形成用ビーム通路火線源（Ｋａｎａｌｆｕｎｋｅｎｑｕｅｌｌｅ）に関する。火線源は、同軸配列から構成されており、内部にトリガプラズマが形成される誘電管から構成されている。誘電管の端面側に中空陰極が接続されており、誘電中空陰極に誘電ビーム通路火線体が装着されている。この誘電ビーム通路火線体の終端に、中央に貫通路がある陽極が装着されており、その結果、誘電管部材が、全ビーム通路火線管の陽極端を形成している。
【０００２】
コンデンサが、電気エネルギ蓄積器として陽極及び誘電中空陰極に接続されている。誘電中空陰極とは反対側の位置で、誘電管の底部内に溶着された電極が、トリガプラズマ空間内に突出している。電極は、火線区間を介して基準電位に接続されている。チャージ抵抗は、電極及び中空陰極を橋絡している。これは、ドイツ連邦共和国特許公開第４２０８７６４号公報に記載されているような構成に原理的に相応している。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９８４９８９４号公報に記載されているビーム通路火線管の寿命は、約１００万回の発射にすぎない。その際、ビームは、管の被覆部を通る経路を穿孔する。更に、欠点は、熱が生じることである。約５０Ｈｚのパルス周波数から、ビーム通路火線管の領域内が、真っ赤に焼けた状態となる。１００Ｈｚパルス周波数では、損失エネルギのために、管が白熱する。
【０００４】
産業上の標準規格を充足するために、例えば、エキシマレーザでの標準規格では、１０９パルスの寿命が要求される。実際の状況では、ビーム通路火線システムの電力は、５０Ｈｚパルス周波数で約１５０Ｗに制限され、ビームパワーは約６０Ｗに制限される。
【０００５】
１ｋＷ領域内の電力の他のレーザ乃至粒子加速器（電子銃）は、加工エネルギ用のソースとしてのビーム通路火線システムの現在のパワー性能では小さすぎる。
【０００６】
ビーム通路火線システムでのビームの無秩序な動きの原因は、殊に、陽極側ビーム通路火線管の領域内、及び、当該領域を出た後でのビームの無秩序な動きの原因は、ｚ−ピンチでの所謂Ｈｏｓｅ不安定性と同様の不安定性に基づいている。比較的長い駆動期間の後初めて、この不安定性を調整する（約１００００回の発射）ビーム通路火線装置の駆動装置が公知であるが、システムが加熱した後、完全にガスが抜けてからであることは明らかである。
【０００７】
本発明の課題は、既存のビーム通路火線区間／源を改善して、その都度一定のビーム品質で非常に高い発射回数を達成すること、及び、その用に改善されたビーム通路火線源を産業上利用される装置内の構成要素にすることができるようにすることにある。
【０００８】
この課題は、誘電中空陰極内にトリガプラズマ側から、円錐状に陽極の方に開いた内法の幅を持った、誘電中空陰極の構成部品である被覆体が突出しており、被覆体は、誘電中空陰極の壁部と共に環状間隙を形成し、環状間隙の端面は、誘電管の方に閉じており、環状間隙の端面は、誘電ビーム通路火線体の方には開かれており、被覆体は、誘電中空陰極の、陽極側の端の手前に端が位置しているように構成されており、該構成により、誘電中空陰極の内法の幅を持った残留容積部が形成され、該残留容積部内に環状間隙が通じており、誘電中空陰極の容器壁を貫通して、又は、誘電中空陰極の容器壁にガス案内部が内側に形成されており、ガス案内部を通って、調量されたガスが誘電中空陰極の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部材の出口との間での所定の圧力降下を調整するために流入することができ、又は、トリガプラズマ側の真空密閉装置内の中空陰極に漏れ構造部が環状間隙の方に向かって形成され、該漏れ構造部を介して、ガス流入によって同様に前記所定の圧力降下を調整することができ、永久磁石又は電磁石の磁場は、トリガ源の誘電管を部分により完全に透過し、永久磁石又は電磁石は、誘電管の長手方向軸線に対して摺動可能であり、磁場の軸は、前記長手方向軸線に対して回転可能であるように構成することによって解決され、つまり、この特徴要件に記載された付加的な新規事項によって解決される。
【０００９】
本発明の要点は、ビーム通路火線管５の内壁３、中空陰極及び接続されているトリガシステム７でのガスの充満状態にあり、時間に連れてガスが消費されるガス蓄積部乃至内部ガス漏れ部のように作用する。この時間中、不安定性は生じない。何れにせよ、ビームのエネルギ保存量、乃至、この相でのパワー密度は、有効にアブレーションを行うためには十分ではない。全ビームパワー密度は、不安定性が生起する直前に観測される。
【００１０】
ビーム通路火線システムの中空カソード１の領域内にガス供給部を設置し、そこでガス圧を調整して、不安定性がもう生起しないが、ビームがコーティングプロセスに必要なエネルギ保存量を有しているようにすることができる。
【００１１】
このために、中空陰極１内にトリガプラズマ側から被覆体２１が突入しており、この被覆体は、中空陰極１の構成要素であり、陽極１７側に向かって円錐状に開いた内法の幅で環状間隙１３を形成しており、中空陰極１の陽極側の終端部の前で終わっている。そのようにして、環状間隙１３が結合された中空陰極１の内法の幅で残留容量が残り続ける。
【００１２】
中空陰極１の容器壁を貫通して、又は、該容器壁に、内部へのガス部が設けられ、このガス供給部を通して、又は、このガス供給部を介して、調量されたガスが、中空陰極１の中空空間内に、中空陰極の出口と誘電管部５の出口との間に所定の圧力降下を調整するために流入することができる。この人工的なガス漏れは、ビーム通路火線管内に異なったポンプに対する通常のポンプコストが、付加的な技術的なコストを必要としないように弱い。
【００１３】
付加的に、永久磁石１２又は電磁石１２の磁場が、トリガ源の誘電管７を部分的に完全に透過する。磁場の形成用の装置１２は、誘電管７に沿って摺動可能であり、しかも、磁場の軸は回転することができる。そうすることによって、荷電坦体は、トリガプラズマ中の電子ドリフトによって強化され、トリガプラズマの点火後、ビーム通路の火花放電が一緒に点火するのを助長することができる。
【００１４】
従属請求項２〜１３には、陰極火線源の許容可能な長時間駆動を持続してサポートすることができる別の手段が特定されている（以下の通り）：
請求項２では、中空陰極１内への入口から中空陰極１からの出口までの長さは、トリガ源側の入口での被覆体２１の内法の幅に対して少なくとも４倍〜高々１０倍の大きさである。ビーム出口側での被覆体２１の内法の幅２１は、少なくとも、ビーム通路火線管１１の内法の幅と等しい。
【００１５】
調量されるガス供給のために、特別に構成されたバルブ１６がガス供給部内に装着される。ダイアフラムが設けられており（請求項３）、このダイアフラムにより、中空陰極１の内部空間が比較的高圧のガス空間から分離され、この高圧により、ガスは、ダイアフラム構造、圧力低下及び調整された環境温度に相応して調量されて外に出る。ダイアフラムは、例えば、熱安定材料、例えば、ポリエステル、ポリビニール塩化物、シリコンゴム、テフロン製のプラスチック薄板である（請求項４）。
【００１６】
調量されたガス供給用の他の形式の手段は、パッキン装置が、中空陰極１の容器の両端面の少なくとも一方に、又は、両方に、中空陰極１の内部の粗面化通路（Ｍｉｋｒｏｕｎｅｂｅｎｈｅｉｔｅｎ／−ｋａｎａｅｌｅｎ）の形式での漏れ構造部を有しており、該漏れ構造部を通して、相応に調量されたガスが外側から内側に流入する／漏れる（請求項５）。粗面化通路は、請求項６によると、中空陰極の容器の一方又は両端面内に装着される。
【００１７】
粗面化通路は、一方又は両方のパッキン装置内に装着することができるので、そのような粗面化通路の漏れ構造は、その都度当接しているパッキン面のＯ−リング内に入れてもよい（請求項７）。
【００１８】
ガス供給部での調量されたガス供給のためには、内法の幅での流量横断面が規定的であるので（請求項８）、毛細管の押し潰された形状の横断面を漏れガス供給部内に設けるようにしてもよい。そのような障害物を中空陰極のケーシング壁内に設ける際、例えば、その端を押し潰した金属管又は非常に細いガラス毛細管を用いてもよい。
【００１９】
漏れガス流の調量を変えるために、漏れレートがダイアフラムのレート以上であることがある場合、ダイアフラムでなく、微細な調整バルブを用いることが可能である（請求項９）。
【００２０】
所要のガス供給時に、例えば、空気を非常に僅かしか必要としないことが実験で判明し、ほぼ１０−７ｍｂａｒ・ｌ／ｓのｐＶ流量である。中空陰極１の領域内にガス供給部が設けられている場合、全通路構造９に沿って、例えば、５ｍｍ直径の場合に、圧力差は１０−４パスカルである。
【００２１】
全システム内に形成される低い残留ガス圧が、中空陰極１の領域内でトリガ源７の方向に一定にファクタ１０−４だけ上昇し、他方、通路管５内の陽極側の出口の方向に圧力低下が生じるようにすると、良好な結果が達成される。
【００２２】
この極端に僅かなガス供給は、５０％の限界内に保持される必要があり、さもないと、ビームの不安定性又はパワー密度によって、エネルギ損失を生じるか、又は、ビームのパワー密度が低減する。
【００２３】
トリガプラズマの誘電管７の領域内の磁場は、上述のような物理的な意義を有している。そのような磁場は、リングマグネットである永久磁石１２を用いて形成することがある（請求項１０）。永久磁石に、少なくとも、誘電管７の直径の間隔で対向し合っている各極片を設けてもよい（請求項１１）。
【００２４】
直流磁場は、直流電流によって励磁される電磁石を用いても形成することができる（請求項１２）。ローブストで簡単な装置では、常伝導でもよいが、特殊な用途のためには、超伝導にしてもよい。後者の場合、クライオスタットが必要であり、そのような技術コストは、何れにせよ適切である必要がある。この際、電磁石は、円筒状巻線から構成されているか（請求項１２）、又は、平坦な螺旋巻線から構成することができる（請求項１３）。
【００２５】
通路軸９に対して垂直方向に交差する多数の磁場のために、間隙を形成している鉄心の周囲に巻回された巻線から構成されている電磁石が使用される（請求項１４）。
【００２６】
ビーム通路火線管からのセルフフォーカシング電子ビームの安定性の基準は、ビーム通路火線管を出た後のビームの到達距離である。ビームの到達距離乃至離隔したターゲット４をアブレーションする性能が高くなればなる程、ビームの品質を一層安定して評価することができる。ガス供給によって安定化されたビームが、従来技術では約５−１０ｍｍしか進まなかったのが、今や９０ｍｍまで、自由空間を通ってターゲットに進むことができることがわかる。
【００２７】
そのような最適なビーム伝搬条件を達成するために、何れにせよ、通路は、中空陰極１内でその入口８のところから円錐状に拡がった形状で開始する必要がある。中空陰極１内にトリガプラズマ源から入るプラズマから、電子ビームが、陽極１７と中空陰極１との間の電場を透過して引き出される。利用可能な電子ビーム形成のために、以下のように幾何学的に適合させる必要がある：
誘電管７への結合個所での被覆体２１の円錐状の通路が、ビーム通路火線体１１の入口に向かう方向に、この通路の内法の幅が拡がり、その際、被覆体の長さは、ビーム通路火線管９の直径の少なくとも４倍〜高々１０倍に相応している。更にファクタを高くすると、トリガプラズマとビーム通路での火花放電との間の不所望な減結合が生じる。
【００２８】
本発明は、中空陰極の領域内を変形実施例つまり、この領域内に形成される電子ビームが、通路の内壁にまれにしか接しないか、もはや接しないようにして、そこから飛び出した材料が周囲に積層されないようにすることにも関している。このことは、一方では、電子ビームが、そのパワーを低減せずにビーム通路火線システムから出て、続いて、ターゲットと交互作用することができる。他方では、従って、ビーム通路火線システムの寿命が相応に延びる。
【００２９】
次に、集束電子ビームの形成用のビーム通路火線源について、図１〜３の図示の実施例を用いて詳細に説明する。この際：
図１は、ビーム通路火線源の構造を示す図、
図２は、中空陰極内への入口領域を示す図、
図３は、ダイアフラムを通ってのガス供給部を有する中空陰極の一部分を示す図
である。
【００３０】
図１のビーム通路火線源の構成は、一定尺度で長手方向軸を通った断面で示されている。
【００３１】
トリガプラズマ用の容器７は、試験管状であって、水晶ガラス製である。容器７は、ガス密に、中空陰極１に、支持及びゴムリングを介してフランジ結合されている。中空陰極内に、この結合個所から円錐状に拡がった被覆体２１が同心状に中空陰極１の内部に突入している。中空陰極１と被覆体２１との間に、リング状の間隙が形成される。中空陰極１と被覆体２１は、金属製である。被覆体は、中空陰極の内部で終端し、つまり、中空陰極１の内法の幅の内部空間部品が形成される。
【００３２】
そこの出口側に、ビーム通路火線体１１が装着されており、このビーム通路火線体は、ビーム通路火線管９の一部分を構成し、トリガプラズマ用の容器７と同様にフランジ結合されている。ビーム通路火線体は、誘電材料製である。ビーム通路火線体１１の他方の端面側には、リング状の陽極が装着されており、この陽極の中に、ビーム通路火線管９の終端部５が差し込まれており、ビーム通路火線体１１に当接されている。
【００３３】
コンデンサ６、電気エネルギ蓄積器は、ビーム通路火線体１１を介して相互に電気的に分離された中空陰極と陽極とを橋絡している。トリガプラズマ源用の容器７の底を通って、電極１８が容器の内部に突入している。この電極１８は、一方では、チャージ抵抗２０を介して中空陰極１と結合されており、他方では、火線区間１９を介して基準電位、ここではアースと接続されている。
【００３４】
トリガプラズマ用の容器７は、有利に簡単に空気で充填される。充填圧力は、２Ｐａであり、駆動中一定に保持される。プラズマ中の電子の局所的な経路延長のために、電子ドリフト、従って、荷電坦体を増やすために、リング状永久磁石が容器７上で摺動し、容器７の出口８の直ぐ直前に固定される。このリング状永久磁石は、電子ビーム２の品質調節のために同軸状に摺動可能である。
【００３５】
中空陰極内に形成されるパルス状の電子ビーム２は、ターゲット４に照射され、ターゲット４上で、電子ビームは、指数関数的にターゲット材料を叩きだし／蒸発させ、それから、このターゲット材料は、部分的に基板２２上に堆積される。
【００３６】
電子ビームを長時間に亘ってビーム品質保持するために、中空陰極内部への調量されたガス供給は決定的な意味がある。両図２及び３には、２つの経路が図示されており、この微細調量について以下説明する：
僅かなガス供給は、中空陰極１と容器７との間で、中空陰極１の始端での小さなフランジを用いて配向される。中空陰極に向かって配向される側面上のパッキンＯリング１４が、粒度９μｍの紙ヤスリで研磨され、それにより、所期のように密でないようにされ、そうすることによって、リング状の間隙１３を介しての、中空陰極内への僅かなガス流が調整される。
【００３７】
Ｏリングを、中空陰極１とビーム通路火線体１１との間の、中空陰極側上が研磨され、従って、所期のように密でないようにされ、その結果、そこに設けられた間隙を介して、ガスが中空陰極１の内部に浸入する。
【００３８】
陰極領域内への僅かなガス供給を達成する別の手段が、図３に示されている。調量されたガス供給は、空気／所望のガスが、プラスチック薄板１６を通って管結合部１５を介して中空陰極１１に浸透することによって達成される。薄板を通って出る空気／ガスの量は、一方では、調量された差圧に依存し、また、薄板の形式、ダイアフラム１６の面、薄板の厚み、及び、駆動乃至周囲環境温度にも依存している。ここでは、薄板材料として、例えば、ポリエステルが使われる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ビーム通路火線源の構造を示す図
【図２】中空陰極内への入口領域を示す図
【図３】ダイアフラムを通ってのガス供給部を有する中空陰極の一部分を示す図
【符号の説明】
【００４０】
１  ビーム通路火線体、中空陰極
２  電子ビーム
３  ビーム通路火線管の内壁
４  ターゲット
５  終端部
６  コンデンサ、エネルギ蓄積器
７  容器
８  中空陰極のトリガ側の入口
９  ビーム通路火線管
１０  ビーム通路火線管の中空陰極側の入口
１１  ビーム通路火線体
１２  永久磁石
１３  環状間隙
１４  Ｏ−リング
１５  ガス供給部
１６  ダイアフラム
１７  陽極
１８  電極
１９  火線区間
２０  チャージ抵抗
２１  被覆部
２２  基板
【図１】
2005518637.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005518637.tif 000005
【国際調査報告】
2005518637.tif 000006
2005518637.tif 000007
2005518637.tif 000008
2005518637.tif 000009
2005518637.tif 000010
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