專利名稱：通過中性流束的碰撞產(chǎn)生超紫外線的光源的制作方法
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氙波段光線的波長為10～15納米，人們曾建議用這一波段的光線來產(chǎn)生平版印刷工藝所用波長的光線；通過將脈沖激光聚焦在膨脹的氙氣束上可產(chǎn)生等離子體，并由此產(chǎn)生平版印刷工藝所用波長的光線。例如，1996年11月19日授予Kubiak等人的5,577,092號美國專利對此有所描述。為了得到能輻射出所需波段光線的高度離子化氙氣，所生成的氙等離子體必須要達到20電子伏特以上的溫度。由于激光能量轉(zhuǎn)化成13.5納米可用光子能量的效率小于1％，其結(jié)果是需要能量極高的激光。產(chǎn)生這樣的激光需要很高的基本投資費用以及很高的操作費用。這種等離子體產(chǎn)生激光的方法還有另外二處缺陷(a)為了收集到較大立體角度內(nèi)所發(fā)生的輻射，集光元件必須靠近等離子體，其結(jié)果是等離子體中的氙離子通過濺蝕作用而損壞了集光表面；(b)為了使這一過程有效操作，產(chǎn)生線束膨脹的噴嘴必須距等離子體約在2毫米之內(nèi)。這會造成噴嘴被侵蝕并導(dǎo)致材料在集光元件上的沉積，并由此導(dǎo)致集光元件對超紫外線反射率的降低。
產(chǎn)生10～15納米氙波段輻射的更直接方法是利用磁場對流向柱狀脈沖放射軸的氙離子進行加速，柱狀脈沖放射被稱為Z-等離子線柱放射。例如，在1996年4月2日授予McGeoch的5,504,795號美國專利以及McGeoch在1998年第37期《應(yīng)用光學(xué))》所發(fā)表的題為“超紫外線平版印刷術(shù)所用的射頻預(yù)離子化氙Z-等離子線柱源”的文章中對該項技術(shù)進行了說明。該等離子線柱源包括腔室、射頻電源以及等離子線柱陽極和等離子線柱陰極；腔室定義了一個等離子線柱區(qū)域，該區(qū)域有一個中心軸；射頻電極位于等離子線柱區(qū)域的周圍，其作用是對等離子線柱區(qū)域內(nèi)的氣體進行預(yù)離子化以生成等離子體層，在射頻能量施加到射頻電極上時，在中心軸的周圍形成對稱的等離子體層；等離子線柱陽極和陰極分別位于等離子線柱區(qū)域相對的兩端。輻射出X射線的氣體通常在0.1乇至10乇的壓力下被引入腔室。當(dāng)向等離子線柱陽極和等離子線陰極施加高能電脈沖時，等離子線柱陽極和等離子線陰極產(chǎn)生的電流在軸向上穿過等離子體層并在等離子線柱區(qū)域形成水平磁場。該水平磁場導(dǎo)致等離子層向中心軸坍塌并產(chǎn)生出X射線。
Z-等離子線柱源以相對較高的效率將電能直接轉(zhuǎn)化成等離子能量。所施加電能的約10％以氙波段光線的形式被輻射出來。然而，由于這種輻射等離子體比激光聚焦所產(chǎn)生的等離子體大好幾倍，所以收集輻射的立體角更小，且導(dǎo)向平版印刷光學(xué)器件的輻射量也更少，這就限制了其效率。因此，凈效率放大系數(shù)更低，其范圍在2～4倍。但Z-等離子線柱源收集角較小的一個優(yōu)點是集光表面距等離子線柱區(qū)域足夠遠，從而不會受氙離子的侵蝕。光束收集角度的變小還可在等離子體和集光元件之間插入一條金屬箔或其他裝置來消除雜質(zhì)和各種粒子，由此來保護集光元件，使之具有更長的工作壽命。
在Z-等離子線束源中，離子的加速是通過作用在放射性等離子體中電子上的力而實現(xiàn)的，這造成了Z-等離子線束源的缺陷。電子流過處于放射陰極和放射陽極之間的柱狀層，返回的電流流過柱體的導(dǎo)電外層。在柱形電流層之間，一個強磁場將向等離子體層施加壓力使其加速向Z-等離子線柱軸心運動。然而，產(chǎn)生等離子體層的代價是Z-等離子線束電極必須要釋放出電子，而這一過程會造成電極的侵蝕，這種侵蝕是由放電產(chǎn)生的氙離子造成的，這一侵蝕雖然很小但卻不可避免。
在被稱為融合器的裝置中，為了發(fā)生融合反應(yīng)，離子在去往球心的過程中被加速。例如，1966年6月授予Farnsworth的3,258,402號美國專利以及1970年9月22日授予Hirsch等人的3,530,497號美國專利對這類裝置進行了說明。
所有這些以前的裝置都有一個或多個缺陷。因此,產(chǎn)生X射線或超紫外線需要改進的方法和設(shè)備。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，光源由放射室和中和機制組成，放射室中有多個離子束源。每個離子束源通過靜電作用對流向等離子放射區(qū)域的工作氣體離子束進行加速。中和機制在工作氣體離子束進入等離子放射區(qū)域之前至少部分將其中和。中和后的離子束進入等離子體放射區(qū)，并且形成輻射出光子的熱等離子體。
光子可以是軟性X射線，或者是超紫外線波長范圍內(nèi)的光線。在某一實施方案中，輻射出光子的波長在10～15納米之間。
離子束源可以是脈沖性的，也可以是連續(xù)性的。在某一實施方案中，等離子體放射區(qū)域是球形區(qū)域，離子束源分布在球形等離子體放射區(qū)域的周圍。在另一實施方案中，等離子體放射區(qū)域為柱體形狀的區(qū)域，離子束源分布在柱形等離子體放射區(qū)域的周圍。
這些離子束源包括同心電極板、電源以及氣源；其中同心電極板有多組通道，每組通道沿同一軸線排列，并與等離子體放射區(qū)域相通；電源在電極板之間施加電壓，氣源向電極板中間的通道提供工作氣體。電極板在陰極板和陽極板之間還有一個或多個中間電極板。電極板的結(jié)構(gòu)和排列可以產(chǎn)生虛閃放電，更具體言，就是可以產(chǎn)生串級虛閃放電。
在某一實施方案中，中和是通過每個離子束中的共諧電荷交換實現(xiàn)的。在另一實施方案中，離子束由電子進行中和。
工作氣體可選自氙氣、鋰蒸汽、氦氣、氖氣、氬氣和氪氣。但工作氣體并不局限于這些氣體。在優(yōu)選情況下，放射室中的工作氣體壓力約在1～100毫乇之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，光源由放射室、電源以及中和機制組成。放射室中含有工作氣體以及同心電極板；電源在電極板之間提供電壓。電極板有多組通道，這些通道沿同一軸心排列，并與等離子體放射區(qū)域相通。工作氣體的離子束沿軸向被導(dǎo)入等離子體放射區(qū)域。在進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少部分地將離子束中和。中和后的離子束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體。
本發(fā)明的另一方面提供產(chǎn)生光子的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由定義放射室的腔體、電源、氣源、中和機制以及真空系統(tǒng)組成。其中放射室內(nèi)有同心電極板，電源在電極板之間提供電壓，氣源向放射室提供工作氣體，真空系統(tǒng)控制放射室中工作氣體的壓力。電極板有多組通道，每組通道沿同一軸線排列，并與等離子體放射區(qū)域相通。工作氣體離子束沿軸線方向被導(dǎo)入等離子體放射區(qū)域。在離子束進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少部分地將離子束中和，中和后的離子束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體。
氣源和真空系統(tǒng)可以連接起來以便向放射室提供氣流。
該系統(tǒng)還包括反饋控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)根據(jù)輻射光子波譜的測量值來控制進入放射室的工作氣體流量。反饋控制系統(tǒng)包括光子檢測儀和流量控制器；其中光子檢測儀檢測輻射出的光子的波譜，流量控制器根據(jù)光子波譜的檢測值來控制進入放射室的工作氣體流量。
腔體可以包括使光子進入集光區(qū)的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)由蜂窩狀篩網(wǎng)組成，篩網(wǎng)上有許多孔，這些孔的方向與光子的輻射方向相同。
本發(fā)明的另一方面提供產(chǎn)生光子的方法。該方法包括以步驟通過靜電作用對流向等離子體放射區(qū)域的多股離子束進行加速；在離子束進入等離子體放射區(qū)域之前至少將部分離子束中和，其中中和后的離子束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體。圖示簡介為了更好地理解本發(fā)明，本文所附圖形中帶有參考文字，這些附圖通過引證被并入本文。


圖1A是單級虛閃放電裝置的示意圖。
圖1B是串級虛閃放電裝置的示意圖。
圖2A是本發(fā)明中某一超紫外線源實施方案的剖面?zhèn)纫晥D。
圖2B是圖2A所示超紫外線源的剖面頂視圖。
圖3A是本發(fā)明第二實施方案中超紫外線源的剖面?zhèn)纫晥D。
圖3B是圖3A所示超紫外線源的剖面頂視圖。
圖4A是本發(fā)明第二實施方案中超紫外線源的剖面?zhèn)纫晥D。
圖4B是圖4A所示超紫外線源的剖面頂視圖。
圖5是本發(fā)明產(chǎn)生超紫外線光子系統(tǒng)某一實施方案的示意圖。
詳細說明本發(fā)明中的光源通過對流向放射區(qū)域的離子束進行加速使之形成輻射出光子的熱等離子體。離子由靜電力加速，而不是由磁力加速。為了將離子導(dǎo)入很小的放射空間，離子是在幾何尺寸精確的通道中被加速，該通道的軸線與放射區(qū)域形成交叉。離子可以從離子源提供給加速通道，也可直接在通道中產(chǎn)生。為了輻射出超紫外線光子，放射區(qū)域中的等離子體必須達到20電子伏特或以上的溫度，但在這一溫度下輻射非常強烈，這樣要對等離子體進行迅速冷卻。通過釋放脈沖離子束可很容易達到所需的溫度。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)也可以使用連續(xù)離子束。為了達到高度離子化狀態(tài)，釋放給中央等離子體的單位粒子能級通常為幾千伏特，離子束重新組合并輻射出超紫外線或軟性X射線。此外，離子帶有正電荷，在進入放射區(qū)域之前，這些離子相互排斥，除非有中和機制對這些離子進行中和。在某一實施方案中，被加速的離子在離開加速通道時進行共諧電荷交換，并作為中性原子被輸送到中央位置區(qū)域。在另一實施方案中，離子束由一股電子流所中和。所得到的中性流束在不發(fā)生偏斜的情況下進入放射區(qū)域。如果發(fā)生共諧電荷交換，則要調(diào)整氣體的壓力，以便在幾厘米的距離內(nèi)基本上實現(xiàn)電荷的完全交換，這意味著氣體的壓力要在1～100毫乇之間。
光源中的離子束可以在虛閃放射裝置中產(chǎn)生，圖1A所示的就是一個實例。虛閃放射裝置10包括相互隔開的電極板12、14和16，這三塊電極板上分別帶有排成一線的孔20、22和24。在圖1A中，虛閃放射裝置10含有兩組通道。一般而言，虛閃放射裝置在兩端電極之間可包括一個到多個通道，兩端的電極是虛閃放射的陽極和陰極。孔20、22和24是圓形孔，并且有共同的軸心。壓力通常為1～100毫乇的工作氣體被提供給放射裝置。當(dāng)脈沖電壓施加到電極上時開始產(chǎn)生等離子體，粒子束從兩個方面離開通道。當(dāng)向電極16施加正脈沖時，電子束30經(jīng)陽極16上的孔24離去，離子束32經(jīng)陰極12上的孔20離開。中間電極，如電極14可處于中間電位，或者被加以偏壓來幫助所產(chǎn)生的離子束取焦。當(dāng)使用脈沖電壓時，中間電極的存在可使工作氣體的密度更低，這樣可以降低超紫外線的吸收。
在本發(fā)明光源的第一種實施方案如圖2A和2B所示。圖2A和圖2B中的實施方案有兩個離子加速通道結(jié)構(gòu)100。加速結(jié)構(gòu)100包括同心球形電極板112、113和114。電極板112、113和114帶有多組孔，這些孔呈軸對齊，并與等離子體中央放射區(qū)域120相通。例如電極板112、113和114中的孔122、123和124分別與軸126相對齊，并與等離子體中央放射區(qū)域120相通。每組孔，例如孔122、123和124構(gòu)成了加速通道128。電極板112、113和114之間的距離構(gòu)成了離子束的靜電加速通道。因此，圖2A和2B中實施方案包括36個加速通道128，通道分三層排列，每層有12個通道。因此，加速結(jié)構(gòu)100將36股離子束引向等離子體放射區(qū)域120。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以使用不同數(shù)量的離子束。
電極板112、113、和114可由絕緣隔離物130支撐。舉例而言，最內(nèi)層的電極板112的半徑可以是50毫米，電極板間的距離可在5～10毫米之間。電極板上排成一線的孔122、123、和124的半徑可為3毫米。應(yīng)該理解的是，這些尺寸只是實例性的，并不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。加速結(jié)構(gòu)100可以不含中間電極113，也可以含有兩個或多個中間電極板。
外殼132上帶有開口134，外殼包裹住加速裝置100。工作氣體通過外殼132上的開口134被引入，這樣可從距等離子體放射區(qū)域120最遠端向每個加速通道128提供工作氣體；要產(chǎn)生10～15納米波長的輻射，工作氣體可以選用氙氣。真空泵通過加速結(jié)構(gòu)100的頂部孔隙140和/或底部孔隙142使結(jié)構(gòu)的中央部位保持一定的真空度。
在優(yōu)選情況下，加速裝置100中央部分的工作氣體壓力維持在1～100毫乇。如前面所述，氙氣是一種合適的工作氣體。其他適用的工作氣體包括鋰蒸汽、氦氣、氖氣、氬氣以及氪氣，但工作氣體并不局限于這些氣體。
在操作過程中，工作氣體或以脈沖方式或以連續(xù)方式經(jīng)開口134進入最外層電極板114后面的空間144。其中一些工作氣體流過加速通道128。當(dāng)加速通道中的氣體達到適當(dāng)?shù)拿芏葧r，一個脈沖電壓被施加到電極板112和114之間。電極板114相對電極板112而言是正極。在圖2A和2B所示的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)達到適當(dāng)?shù)臍怏w密度以及施加了足夠的電壓時，則在每個加速通道128中同進發(fā)生虛閃放電。虛閃放電的特點是產(chǎn)生極高強度的且方向相反的電子束和離子束。離子束從加速通道128的負(fù)極端即電極板112這一端離開，電子束從加速通道的正極端即電極板114這一端離開。中間電極板113可處于選定的中間電勢。通過調(diào)節(jié)中間電勢可以幫助改善離子束在等離子體放射區(qū)域120的聚焦情況。
在優(yōu)選情況下，施加在電極板112和114之間的電壓是脈沖形式的電壓。做為另外一種選擇，也可以使用連續(xù)電壓。在優(yōu)選情況下，脈沖電壓幅度為5～50千伏，脈沖寬度為10～1000毫微秒，或者以1～100千赫茲的頻率發(fā)生。對離子束進行加速的脈沖具有100～10千電子伏特的能量。應(yīng)該理解的是，這些參數(shù)值只是實例性的，并不對本發(fā)明范圍構(gòu)成任何限制。所施加的電壓取決于加速裝置的各種參數(shù)、工作氣體的參數(shù)以及輻射出光子的參數(shù)。
在加速通道128中產(chǎn)生的離子束被靜電力加速到等離子體放射區(qū)域120，以便離子束在放射區(qū)發(fā)生有效的碰撞，并將離子束中不斷到達的工作氣體原子的增殖等離子體迅速加熱。通過對加速通道128中逸出區(qū)146內(nèi)的工作氣體密度進行正確的調(diào)節(jié)，大部分離子可通過共諧電荷交換被中和，這樣可以形成中性流束，中性流束在不發(fā)生偏斜的情況下傳輸?shù)降入x子體放射區(qū)120處的等離子體中。為了促進共諧電荷交換，工作氣體的優(yōu)選壓力位于1～100毫乇之間。那些沒有被中和的離子使離子束帶有過量的正電荷，這樣可以將電子從附近電極板112的表面上吸引過來，電極板112由于虛閃放電的關(guān)系已經(jīng)淪為負(fù)極。因此，中性原子旁邊伴隨有電荷基本上處于平衡的等離子束，其中包括未被中和的離子和電子，等離子束向等離子體放射區(qū)域120中所生成的熱等離子體提供額外的能量。等離子體放射區(qū)域120的體積約在0.001～0.1立方厘米之間。
當(dāng)?shù)入x子體達到20電子伏特的溫度或更高溫度時，便形成輻射出超紫外線的負(fù)荷狀態(tài)，并且開始成為中央等離子體的主要成份。在能量增長期和等離子冷卻期都會有超紫外線光子輻射出來；能量增長期可以持續(xù)10～100毫微秒，等離子體冷卻期始于中性流束能量降低之時，冷卻期可以持續(xù)10～100毫微秒。從惰性的Z-等離子線柱源類推，等離子體放射區(qū)域120處等離子體的輻射由重組轉(zhuǎn)換所支配，在膨脹期內(nèi)由迅速冷卻的電子提供能量。超紫外線輻射束150通過加速裝置100上的開口140和142離開光源，但通常以一個方向離開。
以幾十千赫茲的頻率重復(fù)使用圖2A和2B的光源可以向平版印刷工藝過程中的環(huán)形掃描攝像機提供準(zhǔn)確的暴光量。虛閃放電裝置可以以超過100千赫茲的頻率重復(fù)操作。此外，幾何形狀相似的電極會表現(xiàn)出多虛閃通道的同步性，它不僅可做為光子源，還可以做為高通電子開關(guān)。1996年5月26日授予McGeoch的5,502,356號美國專利對此進行了說明。在超過幾千赫茲的高重復(fù)頻率下，在封閉空間內(nèi)會存在永久性等離子體。等離子體由部分離子化的氣體組成，氣體從各個方向離開等離子體放射區(qū)域120。等離子體物流到達電極板112的表面時會釋放出第二級電子，當(dāng)施加電壓脈沖時，第二級電子會引發(fā)每個通道同步進行放電。
圖3A和3B所示的是本發(fā)明中光源的第二種實施方案。與圖2A和2B相似，圖3A和3B中使用相同參考數(shù)字。在圖3A和3B所示的實施方案中，離子束是通過引入共同傳輸?shù)碾娮恿鱽碇泻偷?。離子束和電子束由背對背虛閃裝置同時產(chǎn)生，背對背虛閃裝置被稱為串級虛閃裝置。
圖1B是串級虛閃放電裝置200的示意圖。串級虛閃放電裝置200含有平板電極202、204、206、208、和210；這些電極上的開孔212沿同一軸線排列。中間電極板206相對于兩端的電極202和210而言是一個脈沖性陽極，這樣就構(gòu)成了背對背結(jié)構(gòu)。電子束和離子束在圖1所示的裝置中產(chǎn)生。然而，在圖1B所示的背對背結(jié)構(gòu)中，電子束和離子束是相互疊加的，這樣離子束被低能級電子所伴隨。所產(chǎn)生的中性等離子束在傳播過程中不會出現(xiàn)由于空間電荷排斥作用所造成的重大偏移，而且在靠近光源的放射區(qū)域時不會產(chǎn)生正電勢，否則所產(chǎn)生的正電勢會排斥離子。
現(xiàn)在再參見圖3A和3B，加速裝置300包括同心球性電極板312、314、316和318和320。電極板312、314、316、318和320有多組開孔324，每組開孔都沿軸線330排列，這些孔并且與等離子體放射區(qū)域120相通。排列成一直線的開孔324構(gòu)成了加速通道128。
在操作過程中，氙氣或其他工作氣體通過開孔134被引入空間144以及電極板312、314、316、318和320之間。相對于最內(nèi)層電極312和最外層電極320而言，中間電極板316是一個脈沖性陽極。虛閃放電在電極316和312之間以及電極板316和320同時發(fā)生，虛閃放電沿軸線330產(chǎn)生中性流束。方和向內(nèi)的流束匯聚于等離子體放射區(qū)域120，在該區(qū)域發(fā)生碰撞并生成熱等離子體；熱等離子體的溫度通常為20～50電子伏特。當(dāng)?shù)入x子體的膨脹和加熱作用停止時，等離子體冷卻下來，并且發(fā)生重新組合，同時輻射出超紫外線光子。例如，工作氣體可以是壓力為幾毫乇的氙氣。在放射區(qū)域120中的等離子體輻射出波長為100埃至150埃的氙波段光子。這里的電極板結(jié)構(gòu)、工作氣體參數(shù)以及所施加的脈沖電壓參數(shù)可以與2A和2B所示實施方案中的情況相類似。
圖2A、2B、3A和3B中實施方案的等離子體放射區(qū)域120是球形區(qū)域。然而，由中性流束碰撞所形成的等離子體放射區(qū)域不必一定是球形的，這一區(qū)域可以是圓柱形的、橢圓形的或任何其他任意的形狀。
本發(fā)明光子源的第三個實施方案如圖4A和4B所示，其中等離子體放射區(qū)域是圓柱形的。與圖2A和2B相似，圖4A和4B帶有同樣的參考數(shù)字。在圖4A和4B所示的實施方案中，加速裝置400包括電極板412、414和416。電極板412、414和416有多組開孔420，這些開孔沿軸線420排列，并且與圓柱形等離子體放射區(qū)域430相通。開孔420構(gòu)成了加速通道128。在圖4A和4B所示的實施方案中，工作氣體通過開孔134被引入加速裝置400，這樣可以在空間144以及在電極板412、414和416之間形成基本上均勻的分布。脈沖電壓施加在電極板412和416之間，電極板414處于中間電勢。電極板412、414和416的幾何形狀可以使加速通道128中所產(chǎn)生的離子束匯聚到等離子體放射區(qū)域430中。與圖2A、2B、3A和3B中的實施方案相同，離子束通過共諧電荷交換進行中和，并且包括由中和電子伴隨的離子。離子束所攜帶的能量堆積到放射區(qū)430中的等離子體上，以便產(chǎn)生輻射出軟性X射線或超紫外線波長的高度離子化原子核。輻射出的光子以光束450離開光源，而熱等離子體通過縫隙142離開光源。
圖4A和4B中的光子源在結(jié)構(gòu)上可以不帶有中間電極板414，也可以帶有兩個或多個中間多極板。光子源的結(jié)構(gòu)可以含有圖1A、3A和3B以及前面所述的串級虛閃放射裝置。
放射區(qū)域430中的圓柱形等離子體發(fā)出的軸向超紫外線強度高于徑向上的輻射強度。當(dāng)細長形狀的等離子體發(fā)出重組輻射時，所產(chǎn)生的輻射是定向輻射。輻射以窄束光線的形式射出，這對于集光表面很有利。集光表面通常是鏡面，且距等離子體較遠，這樣做的目的是降低等離子體對集光表面的加熱作用，同時還可以使輻射以較小的入射角射到鏡面上。等離子體的形狀可以是球形或圓柱形；例如，使用適當(dāng)?shù)闹行粤魇帕蟹绞娇梢援a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的橢球形等離子體。
圖5是示意圖，它表明的是本發(fā)明中產(chǎn)生光子系統(tǒng)的實施方案。加速裝置500與圖2A和2B所示的加速裝置100、圖3A和3B所示的加速裝置300、圖4A和4B所示的加速裝置400或在本發(fā)明范圍內(nèi)的任何其他加速裝置相一致。在圖5所示的實施方案中，加速裝置500與圖2A和2B所示的加速裝置100相一致。與圖2A和2B一樣，圖5中使用了相同的參考數(shù)字。在腔體502內(nèi)有加速裝置500和外殼132。腔體502限定了放射區(qū)域504的范圍。加速裝置500的頂部縫隙140通過篩網(wǎng)510與集光區(qū)514相通；集光區(qū)514被封閉殼516所包圍。封閉殼516中含有集光元件518，該集光元件將光子束送往遠處的光束應(yīng)用地點。正如下面所述的，篩網(wǎng)510可以使來自放射室504的光子束到達集光區(qū)514，但卻阻止了放射區(qū)504的氣體流入集光區(qū)514。與腔體502相通的氣源520通過外殼132上的開口134向加速裝置500提供工作氣體。加速裝置500的底部開孔142與真空泵524相通。真空泵524的出口526又與氣源520相連，這樣便形成了氣體循環(huán)系統(tǒng)。氣源520和真空泵524與腔體502形成閉環(huán)連接，這樣可使工作氣體通過放射室504進行循環(huán)。氣源520中可含有從工作氣體中除去雜質(zhì)和顆粒的元件。
脈沖電源530分別通過導(dǎo)電體532和534與電極板114和112相連。脈沖電源530位于腔體502的外部，導(dǎo)體532和534分別通過絕緣引線536和53 8進入加速裝置500。電源530的陽極與外層電極板114相連，陰極與內(nèi)層電極板112相連。脈沖電源530可以是固態(tài)開關(guān)的磁力調(diào)諧脈沖發(fā)生器。
篩網(wǎng)510將等離子體放射區(qū)域120與封閉層512隔開，篩網(wǎng)具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中有許多小孔，這些孔的方向與此處光束150的傳播方向是一致的。篩網(wǎng)510可阻止放射室504的氣體進入集光區(qū)514，同時可允許光子在幾乎不出現(xiàn)衰減的情況穿過篩網(wǎng)。因此，篩網(wǎng)510允許放射室504和集光區(qū)514之間存在壓差，高限壓差足以使放射室504發(fā)生電荷交換，低限壓差可使光子束有效地傳輸?shù)郊鈪^(qū)514。篩網(wǎng)510可用高導(dǎo)熱性材料制成，這樣可以減少等離子體的熱量并保護集光區(qū)514中的集光元件。篩網(wǎng)510可由電絕緣材料制成，如用碳化硅制成；篩網(wǎng)510也可用導(dǎo)電材料制成，如用銅制成。
該系統(tǒng)還包括反饋控制系統(tǒng)548，反饋控制系統(tǒng)根據(jù)輻射出光子波譜的測量值來控制進入放射室504的工作氣體流量。反饋控制系統(tǒng)548包括檢測器550、控制電器552和流量控制器554；其中檢測器550位于集光區(qū)514之內(nèi)。檢測器550通過控制電器552與流量控制器554相連。流量控制器控制進入放射室504的工作氣體流量。在某一實施方案中，檢測器550在兩個具有明顯光譜特征的波長重合點對輻射出光子的超紫外線光譜進行采樣。例如，在氙波范圍內(nèi)，第一臺檢測器在13.4納米處對光密度進行采樣，第二臺檢測器在11.4納米處對光密度進行采樣。每臺測檢器都帶有多層鏡，該多層鏡將一小束輻射出的光束反射到另一個硅二極管上。13.4納米波長的光束由鉬、硅多層鏡反射，11.4納米波長的光束由硅、鈹多層鏡反射?？刂齐娖?52確定出13.4納米的信號與11.4納米的信號之比，并根據(jù)這一比值計算出提供給流量控制器554的控制信號。如果這一比值高于設(shè)計值，則等離子體溫度太低，需要稍稍降低氣體壓力。如果這一比值低于設(shè)計值，則需要稍稍增加氣體壓力。照此方式，反饋控制系統(tǒng)548保持超紫外線輻射光譜的穩(wěn)定。
本發(fā)明是結(jié)合產(chǎn)生超紫外線及軟性X射線波長范圍內(nèi)的光子進行說明的。超紫外線波長范圍一般被認(rèn)為是在10納米～100納米之間，軟性X射線波長范圍一般被認(rèn)為是在0.1納米～10納米之間。但本發(fā)明并不局限于用于這些波長范圍，本發(fā)明還可用于產(chǎn)生位于其他波長范圍的光子。
在某一實施方案中，氬氣被用作工作氣體，所產(chǎn)生的超紫外線輻射位于40～120納米波長范圍內(nèi)。陰極板、陽極板和中間電極板帶有多組排列成一線的孔，這些孔的直徑為3毫米，并構(gòu)成64個加速通道，這些加速通道與穿過球心的軸線相對齊。在球心處所形成的等離子體從直徑不到3毫米的空間向外放出輻射，最內(nèi)層電級板的內(nèi)徑為50毫米。在該實施方案中，所施加的能量為6焦耳，氬氣的壓力為40毫乇，光譜儀距等離子體150厘米。所輻射出的超紫外線足夠強，在一次脈沖中可以采集到整個波譜。在測試該裝置的高重復(fù)速率操作能力時，該裝置以300赫茲的頻率進行脈沖操作。
雖然目前所說明和表明的是本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但很明顯，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員在不脫離由本文所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明范圍的條件下可以對本發(fā)明進行各種改變和修正。
權(quán)利要求
1.一種光子源，其組成如下放射室；多個離子束源，這些離子束源位于放射室之內(nèi)，每個離子束源通過靜電作用對流向等離子體放射區(qū)域的離子束進行加速；中和機制，在所述的離子束進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少將部分離子束中和，其中中和后的離子束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子熱等離子體。
2.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的離子束源由脈沖離子束源構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的離子束源由連續(xù)離子束源構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的等離子體放射區(qū)域是球形區(qū)域，所述的離子束源分布在球形等離子體放射區(qū)域周圍。
5.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的等離子體放射區(qū)域是圓柱形區(qū)域，所述的離子束源分布在圓柱形等離子體放射區(qū)域周圍。
6.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的多個離子束源由同心電極板、電源以及氣源構(gòu)成。這些電極板上帶有多組孔隙，各組孔隙都沿某一軸線排列，并與等離子體放射區(qū)域相通。電源在所述的電極板之間施加電壓；氣源向所述電極板的各組孔隙提供工作氣體。
7.如權(quán)利要求6中所定義的光源，其中所述的電極板由陰極板和陽極板構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求7中所定義的光源，其中所述的電極板在所述的陰極板和陽極板之間還包括一個或多個中間電極板。
9.如權(quán)利要求6中所定義的光源，其中電極板的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生虛閃放電。
10.如權(quán)利要求6中所定義的光源，其中所述的電極板被設(shè)計為串級虛閃放電結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的中和方式包括每組離子束中的共諧電荷交換。
12.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中所述的光子位于軟性X射線或超紫外線波長范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中工作氣體為氙氣，所輻射出的光子波長在10～15納米之間。
14.如權(quán)利要求1中所定義的光源，其中工作氣體選自以下氣體鋰蒸汽、氦氣、氖氣、氬氣和氪氣。
15.一種光子源，其組成如下含有工作氣體的放射室；同心電極板；同心電極板位于放射室之內(nèi)，所述的電極板帶有多組孔隙，這些孔隙沿某些軸線排列，并且與等離子體放射區(qū)域相通；電源；電源向所述的電極板施加電壓，其中工作氣體產(chǎn)生的離子束沿所述的軸線被導(dǎo)入等離子體放射區(qū)域；中和機制，在所述的離子束進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少將部分離子束中和，其中中和后的流束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體。
16.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中所述的電源是脈沖電源。
17.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中所述的電源產(chǎn)生脈沖寬度在10～1000毫微秒之間的脈沖。
18.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中所述的電源是連續(xù)電源。
19.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中施加在所述電極板之間的電壓約在5～50千伏之間。
20.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中工作氣體由氙氣構(gòu)成，所輻射出的光子的波長約在10～15納米之間。
21.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中工作氣體選自鋰蒸汽、氦氣、氖氣、氬氣和氪氣。
22.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中工作氣體的壓力在1～100毫乇之間。
23.如權(quán)利要求15中所定義的光子源，其中所述的電極板基本上是球形電極板。
24.一種光子源，其組成如下含有放射室的腔體；同心電極板；同心電極板位于放射室之內(nèi)，所述的電極板帶有多組孔隙，這些孔隙沿某些軸線排列，并且與等離子體放射區(qū)域相通；電源；電源向所述的電極板施加電壓，其中工作氣體產(chǎn)生的離子束沿所述的軸線被導(dǎo)入等離子體放射區(qū)域；中和機制，在所述的離子束進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少將部分離子束中和，其中中和后的流束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體；真空系統(tǒng)；真空系統(tǒng)控制放射室中工作氣體的壓力。
25.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中等離子體放射區(qū)域是球形區(qū)域。
26.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中等離子體放射區(qū)域是圓柱形區(qū)域。
27.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中所述的氣源與所述的真空系統(tǒng)是相連的，并通過放射室形成工作氣體的循環(huán)回路。
28.權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)還包括反饋控制系統(tǒng)，該反饋控制系統(tǒng)根據(jù)輻射出光子波譜的測量值來控制進入放射室的工作氣體流量。
29.如權(quán)利要求28中所定義的系統(tǒng)，其中所述的反饋控制系統(tǒng)包括光子檢測器和流量控制器；光子控制器檢測輻射出的光子的波譜，流量控制器根據(jù)光子波譜的測量值來控制進入放射室的工作氣體流量。
30.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中所述的腔體中包括蜂窩狀篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)可透過光子，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中帶有許多開孔，這些孔的方向與輻射出的光子的傳播方向相同。
31.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中放射區(qū)域的體積約在0.001～0.1立方厘米之間。
32.如權(quán)利要求24中所定義的系統(tǒng)，其中離子束的能量約在100電子伏特～10千電子伏特之間。
33.一種產(chǎn)生光子的方法，該方法組成如下通過靜電作用對流向等離子體放射區(qū)域的多股離子束進行加速；在所述的離子束進入等離子體放射區(qū)域之前，中和機制至少將部分離子束中和，其中中和后的流束進入等離子體放射區(qū)域，并形成輻射出光子的熱等離子體。
34.如權(quán)利要求33中所定義的方法，其中對多股離子束進電加速的過程包括將多股脈沖離子束導(dǎo)向等離子體放射區(qū)域。
35.如權(quán)利要求33中所定義的方法，其中至少將部分離子束中和的過程包括向去往等離子體放射區(qū)域的離子束輸送電子。
36.如權(quán)利要求33中所定義的方法，其中至少將部分離子束中和的過程包括促進每股離子束中的共諧電荷交換。
37.權(quán)利要求33中所定義的方法還包括一個控制步驟，該控制步驟根據(jù)輻射出光子的波譜測量值來控制進入含有等離子體放射區(qū)域的放射室的工作氣體流量。
全文摘要
本文涉及光子源，光子源包括放射室、處于放射室中的多個離子束源以及中和機制。每個離子束源通過靜電作用對流向等離子放射區(qū)域的工作氣體離子束進行加速。中和機制在工作氣體離子束進入等離子放射區(qū)域之前至少部分將其中和。中和后的離子束進入等離子放射區(qū)，并且形成輻射出光子的熱等離子體。輻射出的光子可以是軟性X射線，或者是超紫外線波長范圍內(nèi)的光線。在某一實施方案中，所產(chǎn)生光子的波長在10～15納米之間。
文檔編號B01J19/12GK1430865SQ01809937
公開日2003年7月16日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月22日
發(fā)明者馬爾科姆·W·麥杰奧奇 申請人:普萊克斯有限責(zé)任公司