DE3806901C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas hoher Strahlungsintensität im Röntgenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas hoher Strahlungsintensität im Röntgenbereich, wobei zwischen konzentrisch angeordneten zylindrischen Elektroden zwischen diesen ein entlang derselben zu deren freien Ende laufendes Plasma erzeugt und am freien Ende der Elektroden zu einem Plasmafokus (Pinch) komprimiert wird und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas hoher Strahlungs­ intensität im Röntgenbereich, mit einer Plasmaquelle bil­ denden konzentrischen zylindrischen Elektroden mit einem einen Entladungsraum bildenden freien Ende und mit einer mit den Elektroden über eine Leitung und einen Schalter verbindbaren Energiequelle.

Ein gattungsgemäßer Gegenstand ist beispielsweise aus der EP 140 005 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine Plasmaquelle mit einer zylindrischen Innenelektrode auf, die an einem Ende ringförmig von einem Isolator umgeben ist und die zusammen mit einer sie konzentrisch in vorge­ gebenem Abstand umgebenden Außenelektrode ein mit Gas geringen Drucks gefüllten zum anderen Ende der Innenelek­ trode hin offenen Entladungsraum bildet. Es ist weiterhin ein Schalter zum kurzzeitigen Verbinden der an der ge­ schlossenen Seite des Entladungsraum gelegenen Enden der Elektroden mit einem elektrischen Energiespeicher in Form eines Kondensators vorgesehen. Um in reproduzierbarer Weise gute Homogenität des Plasmas zwischen Innen- und Außenelek­ trode zu schaffen sieht dieser Stand der Technik vor, daß auf der geschlossenen Seite des Entladungsraumes einer auf dem Potential der Außenelektrode liegenden Feld­ emissionselektrode den Isolator konzentrisch in einem Abstand zwischen Elektrodenspitze und Isolatoroberfläche umgibt, der kleiner ist als die freie Weglänge der Elek­ troden im Gas des Entladungsraums, wobei der Isolator einen hohen Sekundärelektrodenkoeffizienten haben soll und die Elektroden durch einen induktivitätsarmen Hochleistungs­ schalter, wie einen Schalter mit einer getriggerten Fun­ kenstrecke mit dem Kondensator verbindbar sein sollen. Die bekannte Vorrichtung arbeitet weitgehend zufriedenstellend. Das im Bereich des Isolators erzeugte Plasma läuft entlang der Elektroden der Plasmaquelle auf deren freies Ende zu, wobei an der Stirnseite der Innenelektrode das dieser nahe Plasma radial in den Querschnitt der Innenelektrode hinein­ läuft und derart komprimiert wird, daß ein Plasmafokus hoher Energiedichte entsteht, im dem Röntgenstrahlen durch Stöße erzeugt werden.

Es wurde festgestellt, daß zu diesem Pinch-Zeitpunkt ein stufenartiger Abfall des durch den Plasma fließenden Stro­ mes erfolgt, so daß gerade zu diesem Zeitpunkt, in dem die Röntgenstrahlen erzeugt werden, die Ausbeute geringer ist als sie ohne den Stromabfall sein könnte.

Aus der EP 195 495 A2 ist ein Röntgengenerator bekannt, bei dem zur Verbesserung der Röntgenwellenerzeugung nach der gleichzeitigen Zurverfügungstellung eines kurzen Gas­ stromes aus einem Ventil und eines Spannungsimpulses einer Spannungsquelle eine starke Stromentladung ein Plasma und ein intensives magnetisches Feld erzeugt, das das Plasma radial komprimiert, so daß ein dichtes Hochtemperatur­ plasma als starke Röntgenquelle entsteht. Vorrichtung und Verfahren sind aufwendig, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Synchronisation.

In J. Eberle et al., Plasma Focus As A Radiation Source For X-Ray Lithography, Microelectronic Engineering 3 (1985), 611-613, ist eine modifizierte Plasmafokusiereinrichtung zur Erzeugung weicher Röntgenstrahlen beschrieben, die mit einer Neongasfüllung arbeiten kann. Gegenüber dem Betrieb mit Wasserstoff oder Deuterium wird durch den Betrieb mit Neongas eine Erhöhung der ausgesandten Röntgen­ energie um mehr als zwei Größenordnungen erreicht.

Hagerman und Osher, Two High Velocity Plasma Guns, The Review Of Scientific Instruments, Volume 34, (1963) Number 1, Seiten 56 ff., beschreiben die Ausgestaltung und Be­ triebsparameter zweier koaxialer Plasmaerzeuger. Es wer­ den Ventile in der Nähe der zentralen Elektrode vorge­ sehen, die Gasverzögerungszeit optimiert und mit einer kleinen Gasinjektion gearbeitet. Hierdurch soll die Lei­ stung verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in der Kompressionsphase des Plasmas einen höchst­ möglichen Stromfluß gewährleisten und demgemäß bei gegebe­ ner Quellenenergie eine größere Strahlenausbeute erzielen lassen als dies bisher der Fall war.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Ver­ fahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß durch mindestens eine Reflexion in der Zuführleitung zu den Elektroden zum Zeitpunkt der Kompression des Plasmas eine Stromerhöhung erfolgt. Eine erfindungsgemäße Vorrich­ tung sieht vor, daß zwischen Energiequelle und Plasmaquelle mindestens ein Wellenreflektor angeordnet ist. Durch die Erfindung wird das Verhältnis von Strahlenenergie zu Quel­ lenenergie gegenüber dem Stand der Technik erhöht, die Effektivität verbessert.

Die zusätzliche Reflexion zurücklaufender Wellen kann dadurch in aktiver oder passiver Weise erreicht werden. Im letztgenannten Falle werden eine oder mehrere permanent vorhandene Reflektionsstelle(n) vorgesehen, was dadurch geschehen kann, daß der Wellenreflektor als eine koaxiale Pulsleitung gebildet ist, zwischen deren Einzelleitern in einem Teilbereich ein zusätzliche(r) oder mehrere zusätz­ liche Zylinderabschnitt(e) mit abweichenden Abmessungen vorgesehen ist bzw. sind. Hierdurch werden teilweise Refle­ xionen an zwei verschiedenen Stellen derart ermöglicht, daß sie sich addieren und die reflektierte, nach vorne in Richtung auf die Plasmaquelle hinlaufende Welle dort genau zum Pinch-Zeitpunkt auftreffen kann.

In aktiver Weise kann die Reflexion dadurch erzeugt werden, daß die Reflexion mittels eines aktiven Bauteils bewirkt wird, wobei insbesondere nach Entladen der Energiequelle ein hinter derselben zwischen dieser und einer Leitung zu den Elektroden angeordneter Schalter geschlossen wird, so daß die Reflexion zurücklaufender Wellen an diesem Schalter erfolgt. In konstruktiver Ausgestaltung ist hierzu vorge­ sehen, daß zwischen Pulsleitung und der Energiequelle ein weiterer nach Entladen der Energiequelle in Schließstellung schaltbarer Schalter angeordnet ist. Durch die aktive Reflexion mittels eines Schalters, der nach Abgabe der Energie vom Energiespeicher geschlossen wird und diesen von der Plasmaquelle trennt, wird verhindert, daß eine von der Plasmaquelle zurücklaufende Welle in den Energie­ speicher gelangt und dort ihre Energie abgibt. Durch An­ passung in der Ausgestaltung der Leiterlänge und des Schaltzeitpunktes wird gegebenenfalls die erwünschte Stromerhöhung im Pinch-Zeitpunkt erzielt.

Während die passive Ausgestaltung den Vorteil bietet, daß keine Schaltvorgange durchzuführen sind, ist die aktive Ausgestaltung insofern preiswerter, als konzentrische Pulsleitungen relativ teuer sind und bei der aktiven Ausgestaltung mit einem Schalter keine langen derartigen Pulsleitungen vorgesehen werden müssen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer ersten Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine die erfindungsgemaße Verbesserung grundsätz­ lich zeigendes Diagramm;

Fig. 4 eine Ausgestaltung mit mehreren passiven Refle­ xionsstellen;

Fig. 5 eine passive und aktive Reflexionsstellen kombi­ nierende Ausgestaltung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas weist eine Energiequelle 2 in Form einer kapazitiven oder induktiven Energiequelle, insbesondere in Form einer Mehrzahl aneinandergereihter Kondensatoren eines sogenannten Marx-Gene­ rators auf. An die Energiequelle 2 schließt sich ein Leiter 3 zu einem Schalter 4 an. Der Leiter 3 ist vorzugsweise als wasserisolierter Koaxialleiter ausgebildet. Beim Schalter 4 handelt es sich vorzugsweise um einen induktivitätsarmen Hoch­ leistungsschalter wie einen Schalter mit einer getriggerten nieder induktiven Funkenstrecke, wobei die Schaltung derart ausgestaltet sein kann, wie dies beispielsweise in der EP-A-140 005 ausgeführt ist. An den Schalter 4 schließt sich die eigent­ liche Plasmaquelle 6 an, die koaxial zueinander angeordnet eine Außenelektrode 7 und eine Innenelektrode 8 aufweist, die an ihrem einen vorderen Ende mit einer Isolierschicht 9 beispiels­ weise aus Aluminiumoxid in homogen-polykristalliner Form, aus geeignetem Glas oder dergleichen hochtemperaturbeständigen Isolatormaterial besteht. Diese Isolierschicht 9 abgewandten Enden der Elektroden 7, 8 enden frei und bilden einen offenen Entladungsraum. Sie sind, was im einzelnen nicht dargestellt ist, in einer Gasatmosphäre angeordnet. Bei 11 ist das erzeugte Plasma nahe dem Einschnürung- bzw. Pinch-Zeitpunkt entsprechend dem Bereich P der Fig. 3 dargestellt.

Der koaxiale Hohlleiter 3 weist eine Außenelektrode 12 und eine Innenelektrode 13 auf, in deren Zwischenraum 14 beispiels­ weise Wasser als Isolator vorgesehen ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung weist der koaxiale Leiter 3 über einen Teil der Länge des Innenleiters 13 einen erweiterten Zylinderbereich 16 auf. Dieser wird durch einen mittels Distanz­ ringen 17 auf der Innenelektrode 13 angeordneten Zylindermantel 18 gebildet.

Hierdurch kann das Reflektionsverhalten des Hohlleiters 3 derart verändert werden, daß im Pinch-Zeitpunkt P die Plasmaquelle einen zusätzlichen Stromstoß erhält, der in der Fig. 3 ge­ strichelt dargestellt ist, wodurch bei gegebener Quellenenergie eine hohe Röntgenstrahlenausbeute aus dem Pinch, d. h. der Ein­ schnürung des Plasmas erzielt wird.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 2 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie zur Erläuterung der Fig. 1 bezeich­ net. Zwischen Energiequelle 2 und Pulsleiter 3 ist ein weiterer Schalter 21 angeordnet. Der Schalter 21 ist ein Kurzschluß­ schalter zwischen Innenleiter 13 und Außenleiter 12 des Leiters 3.

Der Kurzschlußschalter 21 wird in dem Zeitpunkt geschlossen, in dem ihn die vom Schalter 4 ausgelöste Welle erreicht, so daß zurückschwingende Energieanteile nicht mehr zur Energie­ quelle 2, wie der Kondensatorreihe, gelangen kann und ihre Energie dort verbraucht wird. Es wird vielmehr durch den ge­ schlossenen Schalter eine geeignete Reflexionsstelle der Puls­ leitung 3 geschaffen wird, die durch phasentreue Stromwellenre­ flektion, wodurch eine Stromwelle doppelter Amplitude in den Fokus läuft, wiederum zur Stromerhöhung im Pinch-Zeitpunkt P (Fig. 3) beiträgt.

Die Funktion ist folgende: Die Energiequelle wird durch Schlie­ ßen des Schalters 2a mit der Pulsleitung 3 verbunden. Nachdem die Energie in die Pulsleitung geflossen ist, schließt der Schal­ ter 4 die Energie an die Plasmafokusanordnung 6 an, dadurch bildet sich zwischen den Elektroden 7 und 8 ein Plasma, das aufgrund der elektromagnetischen Kräfte des fließenden Stromes sich zum freien Ende der Elektroden 7, 8 bewegt, dort zu hohen Teilchen- und Energiedichten komprimiert wird, den sogenannten Pinch bildet, in dem Röntgenstrahlung ausgelost wird, so daß der Pinch oder Plasmafokus eine nahezu punktformige Röntgenstrahlungsquelle bildet. Reflektierte und zurückwandernde Energieanteile werden an den durch die Zylindervergrößerung 16 oder den Schalter 21 gebildeten Reflexionsstellen derart refl­ ektiert, daß im Pinch-Zeitpunkt die genannte Stromerhöhung erfolgt, die die Teilchen- und Energiedichte im Plasmafokus erhöht, so daß eine größere Röntgenstrahlenausbeute bei gleicher zur Verfügung stehender Ausgangsenergie erzeugt wird.

Bei den weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Fig. 4 und 5 werden gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen wie bei den vorher erläuterten Ausgestaltungen beschrieben. Inso­ fern wird auf die vorstehenden Erläuterungen Bezug genommen.

Die Ausgestaltung der Fig. 4 weist mehrere passive Reflexions­ stellen durch Querschnittsveränderung des Innenleiters 18 bei 18a, 18b und 18c auf, während bei der Ausgestaltung der Fig. 5 passive Reflexionsstellen durch die Innenleiter Querschnitts­ veränderungen 18d, 18e mit einer aktiven Reflexionsstelle durch den Schalter 21 entsprechend der unter Bezug auf Fig. 2 be­ schriebenen Ausführungsform kombiniert sind.

Bei Untersuchungen wurde die erfindungsgemäße Verbesserung der Effektivität festgestellt. So ergab sich bei einer Puls­ leitung nach dem Stand der Technik mit einer Impedanz (Wellen­ widerstand) von 2,9 Ohm und einer Länge entsprechend einer Puls­ laufzeit von t = 130 ns am Ende eines Pulses von 270 ns eine Stromspitze (Maximum) von 135 kA. Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Fig. 1 mit Werten für die Wellenleiter von Z = 1,3 Ohm, t = 40 ns (Abschnitt nächst der Quelle 2) und Z = 3,2 Ohm, t = 90 ns eine Stromspitze von 143 kA bei einer deutlichen Ausbildung des Pulses entsprechend Fig. 3. Bei einer Ausgestaltung nach der Fig. 4 und Wellenleiterwerten (von der Quelle aus gesehen) von Z = 45 Ohm/t = 20 ns, Z = 1,5 Ohm/t = 20 ns, Z = 12 Ohm/t = 70 ns, Z = 2,5 Ohm/t = 20 ns ein Doppelimpuls mit einem zwischen zwei maximal befindlichen Mini­ mum und einer maximalen Stromspitze im zweiten Maximum von 159 kA.

Bei einer Ausgestaltung mit einer aktiven Reflexionsstelle gemäß Fig. 2 und Reitzleiterwerten von Z = 2,9 Ohm/t = 60 ns ergab sich ein Spitzenwert von 217 kA.

Bei einer Ausgestaltung nach der Fig. 5 mit Wellenleiterwerten Z = 7,3 Ohm/t = 4 ns, Z = 4 Ohm/t = 20 ns, Z = 1,5 Ohm/t = 20 ns und einer aktiven Reflexionsstelle durch einen Kurz­ schlußschalter ergaben sich wiederum zwei, diesmal etwa gleich hohe Spitzen mit Funkspitzen von 235 kA.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas hoher Strahlungsin­ tensität im Röntgenbereich, wobei zwischen konzentrisch angeordneten zylindrischen Elektroden zwischen diesen ein entlang derselben zu deren freien Ende laufendes Plasma erzeugt und am freien Ende der Elektroden zu einem Plasmafokus komprimiert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch mindestens eine Reflexion in der Zuführleitung zu den Elektroden zum Zeitpunkt der Kompression des Plasmas eine Stromerhöhung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerhöhung durch Reflexionen an passiven Bau­ teilen der Leitung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion mittels eines aktiven Bauteils bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entladen der Energiequelle ein zwischen Innen- und Außenleiter derselben angeordneter Schalter durch Schließen einen Kurzschluß erzeugt, so daß die Refle­ xion zurücklaufender Wellen an diesem Schalter erfolgt.

5. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas hoher Strah­ lungsintensität im Röntgenbereich, mit einer Plasma­ quelle bildenden konzentrischen zylindrischen Elektro­ den mit einem einen Entladungsraum bildenden freien Ende und mit einer mit den Elektroden über eine Leitung und einen Schalter verbindbaren Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Energiequelle (2) und Plasmaquelle (6) mindestens ein Wellenreflektor (16, 21) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenreflektor als eine koaxiale Pulsleitung (3) gebildet ist, zwischen deren Einzelleitern (12, 13) in Teilbereichen zusätzliche Zylinderabschnitte (18, 18a, 18b) mit abweichenden Abmessungen vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (12, 13) durch Wasser voneinander isoliert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pulsleitung (3) und der Energiequelle (2) ein weiterer nach Entladen der Energiequelle (2) in Schließ­ stellung schaltbarer Schalter (21) angeordnet ist.