JP3564396B2 - Plasma gun and method of using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【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(C R )と飽和可能な誘導子(L R )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(C N )を有し、コンデンサ(C R )及び誘導子(L R )のうちの少なくとも一方は、コンデンサ(C R )が完全に充電される前にコンデンサ(C N )での逆電圧が生じるように、選択され、誘導子(L R )が引き続いて飽和し、周波数(F)でのコンデンサ(C R )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(C R )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(C N )のキャパシタンスがコンデンサ(C R )よりも小さくすることができ、または、上記誘導子(L R )は、コンデンサ(C N )からコンデンサ(C R )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(C R )に貯蔵されたエネルギの一部がコンデンサ(C R )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(L R )及びコンデンサ(C R )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、1k V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】
【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】
【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】
【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】
【0057】
【数3】
【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 [0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to plasma guns and, in particular, selectable for use as space thrusters, ie including extreme ultraviolet (EUV), vacuum ultraviolet (VUV) and / or soft X-ray radiation in the high pulse repetition frequency band. Improved plasma gun suitable for producing radiation at various wavelengths. The present invention also includes a method utilizing such a plasma gun.
[0002]
[Prior art]
The improved plasma gun disclosed in U.S. Pat. No. 5,866,871 (patent) can only be implemented in previously unsatisfactory, poorly implemented, or relatively large and expensive facilities. It finds application in a variety of environments to perform functions that have not been possible. These functions include thrusters for satellites or other space stations that maintain and perform applications, and controlled generation of radiation at selected frequencies, generally in the extreme ultraviolet (EUV) band. The plasma gun disclosed for such an application is particularly advantageous in that it provides high reliability and pulse repetition frequency (PRF), and for space applications a PRF greater than nearly 100 Hz, preferably 5,000 Hz Especially for plasma guns having a PRF of at least 500 Hz, preferably 1,000 Hz for lithography or other applications requiring radiation generation.
[0003]
To achieve these objectives, the plasma gun of the above patent has two general embodiments, one of which is for space applications or other thrust applications, and the other or second The embodiments described above were for radiation generator applications. In both cases, the plasma gun had a central electrode and an outer electrode substantially coaxial with the central electrode, with a coaxial column formed between the electrodes. The selected gas was introduced into the column via an inlet mechanism, and a plasma starter was provided at the base end of the column. Finally, there is provided a solid state high repetition rate pulse driver operable to deliver a high voltage pulse across the electrode at the start of the pulse at the base of the column, with the plasma extending from the base end of the column, Get out of the department. For the thruster embodiment, the voltage of each pulse decreases over the duration of the pulse, and the pulse voltage and electrode length are such that the voltage across the electrodes reaches a substantially zero value as the plasma exits the column. Was selected. For this embodiment, the inlet mechanism preferably introduces gas radially from the center electrode at the base end of the column to improve uniformity of plasma velocity across the column, The plasma emerges from the column at a discharge rate generally ranging from approximately 10,000 to 100,000 meters per second, with the discharge rate varying somewhat depending on the application.
[0004]
For the radiation source embodiment of the present invention, the pulse voltage and electrode length are selected such that the current for each voltage pulse is substantially at its maximum as the plasma exits the column. . The outer electrode in this embodiment of the invention is preferably a cathode electrode and may be solid or may take the form of a plurality of substantially equally spaced rods arranged in a circle. . The inlet mechanism in this embodiment of the present invention provides a substantially uniform gas filling into the column, so that the plasma is first released from the center electrode, and the plasma is magnetically generated as it exits the column. Tightened to generate a very high temperature at the end of the center electrode. The selected gas / element sent to the clamp through the central electrode or otherwise as part of the gas is ionized by the high temperature at the clamp to provide radiation at the desired wavelength. The wavelength is achieved by careful selection of various parameters of the plasma gun, including the selected gas / element delivered to the clamp, the current from the pulse driver, the plasma temperature in the region of the clamp and the gas pressure in the column. . The above patent shows, for example, a combination of parameters for generating radiation at a wavelength of approximately 13 nm using, for example, lithium vapor as the gas sent to the clamp.
[0005]
It is important to the present invention that the pre-ionization of the gas by the starter provides an absolutely uniform pre-ionization of the gas in order for any of the above applications to work effectively. In the above patents, this was accomplished by forming equally spaced holes around the column and introducing or guiding gas through the holes.TriggerElectrodes are provided, which are preferably mounted in holes or preferably mounted on the base of the column outside or close to the column, theseTriggerThe electrodes were energized to start the plasma. The trigger electrodes are preferably equally spaced around the base end of the column and are energized at substantially the same time to provide a uniform start of the plasma at the base end,TriggerA DC signal was used to energize the electrodes. This mechanism provides a more uniform plasma start than is possible with any conventional configuration, and is suitable for most applications, but an even more uniform plasma start is desirable, especially when using a plasma gun as the radiation source. Such applications exist. This more uniform plasma startTriggerThis can be provided by using an RF signal to energize the electrodes. However, currently available RF such as magnetrons, klystrons or RF amplifierssignalThe operation is relatively expensive, costing almost $ 1 per watt of peak power, and is relatively large, requiring cabinet sized enclosures to produce, for example, 20 kilovolts at 8 megawatts. Therefore, RF is generated using small solid-state circuits that generate power at lower cost and that, in addition to lower cost and substantially smaller dimensions, also provide a significantly lower heat removal burden on the device.signalIn such a way thatTriggerIt was desirable to generate an RF signal that was used to energize the electrodes. The above modelRFSignal sourceAre particularly useful for the plasma gun applications of the present invention, but are not currently available in the art.Na rFsignalSources are also useful for other applications.
[0006]
Also used for plasma startTriggerElectrodeCenterElectrodes andOuter electrodewhileofIt is desirable to provide the high voltage field over as large an area as possible at the base of the column, and to produce the required high voltage field at the base of the column without having to bring wires into the vacuum environment of the column.TriggerIt is desirable to be able to energize the electrodes. Maintaining a vacuum around such wires increases the cost of the plasma gun.
[0007]
Another problem with plasma guns is providing the necessary gas / material to the clamp where the material is to be ionized to produce the desired radiation. Therefore, an improved technique for retaining such material and releasing it into the column to the clamp is desirable.
[0008]
In addition, while plasma guns of the type described above can act as a radiation source and provide useful radiation at the desired wavelength, high-speed plasmas driven down the column and out of the central electrode do so. WhatradiationsourceAsCan cause problems that severely limit the usefulness of In particular, temperatures in the range of 100 eV (ie, about 11,000 ° C.) to 1000 eV at the clamp are sufficient to drive the plasma to speeds of a few centimeters per microsecond, depending on the desired frequency of radiation. Requires a magnetic compression field. Central at such speedelectrodeDown the plasma moving out of the edge forming the clampelectrodeThe plasma sheath will eventually lose its electrical connection to the clamp, with the tendency to continue to move into the space away from the end of the clamp. This terminates prematurely after periods as short as 100 nanoseconds, and causes large voltage transitions in the range of thousands of volts, causing re-hits that can severely damage the electrodes.
[0009]
Since the discharge can last for a few microseconds, if the early loss of the electrical connection between the plasma sheath and the electrode could be eliminated, the life of the clamp would be greatly extended and the possible damage re-established You can eliminate the blow. As a result, the plasmagunThe output efficiency forPlasma gunElectrode life can be greatly extended, for example, can be expensive in lithography applicationsPlasma gunReduce downtime and maintenance. Therefore, very good performance can be obtained at low cost.
[0010]
Finally, it is desirable to achieve the breakdown as uniformly as possible, and in particular, a technique that uses improved drive signals to enhance such uniformity of the breakdown.
[0011]
It therefore provides a more uniform plasma start at a lower cost than is possible with conventional devices, facilitates the introduction of the material to be ionized at the clamp into the column, premature termination of the clamp and ( Or) stop re-strike,CenterelectrodeAnd outer electrodeThere is a need for an improved plasma gun and method of use that provides more uniform breakdown when a high voltage is applied across the plasma gun.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the foregoing, the present application provides a center electrode and an outer electrode substantially coaxial with the center electrode,Between the center electrode and the outer electrodeForming a coaxial column between them,ColumnAn outer electrode having a closed base end and an open outlet end, and an inlet mechanism for introducing a selected gas into the column;,When starting the plasma at the base of the ramCentral electrode and outerSolid state high repetition rate pulse driver operable to deliver high voltage pulses across electrodesAndPlasma expands from the base end of the column and exits at the outlet end of the columnSolid state high repetition rate pulse driverWhen,A plurality of trigger electrodes at the base end of the column, and a radio frequency (RF) signal source connected to the plurality of trigger electrodes for selectively providing an RF signal to the plurality of trigger electrodes; A non-linear magnetic pulse compression circuit having a number N of signal sources equal to or greater than one and optionally a capacitor connected to an input of a first stage of the non-linear magnetic pulse compression circuit; Operable solid state switch and capacitor (C R ) And a saturable inductor (L R ), Wherein the final stage of the non-linear magnetic pulse compression circuit has a capacitance (C). N ) And a capacitor (C R ) And inductor (L R ) Is a capacitor (C R ) Is fully charged before the capacitor (C N ) Is selected such that a reverse voltage at the inductor (L R ) Continues to saturate and the capacitor (C R ), And a capacitor (C) for driving the plurality of trigger electrodes. R And an output coupling circuit (140) for coupling the energy fromProvide a plasma gun. RFsignalThe source can operate at a frequency in the range of, for example, 10 MHZ to 1,000 MHZ, alone or at DCsignalIt can be used in combination with a source.
[0013]
For the preferred embodiment, the solid state switch is an SCR, IGBT or MOSFET.Capacitor (C N ) Is a capacitor (C R ) Smaller thanCan orThe inductor (L R ) Is a capacitor (C N ) To the capacitor (C R )It can be selected to saturate before the transfer of charge to is completed. outputsectionIs preferably a saturable resonant shunt for ground,outputThe coupling circuit is preferablyCapacitor (C R )Of energy stored inpartButCapacitor (C R )During each vibration cycle ofMultiple trigger electrodesHas an impedance that is coupled to For the preferred embodiment,Inductor (L R ) And a capacitor (C R )Is the outputsectionAre selected so that only three to four oscillation cycles of RF mentioned abovesignalThe source can also be utilized independently of the high PRF plasma gun application.
[0018]
The foregoing and other objects, features and advantages of the invention will be apparent from the following more particular description of preferred embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings or otherwise discussed herein.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, referring to FIG.Plasma gun as10(Hereinafter referred to as "
[0020]
The positive voltage is applied to a dc-dc (DC / DC)
[0021]
The non-linear
[0022]
The drive circuit shown in FIG. 1 can also be matched to very low impedance loads and can produce complex pulse shapes if needed. thisDriveThe circuit is also designed to operate at very high PRF,k VCan be adjusted to provide voltages in excess of
[0023]
Propellant gas is fed from
[0024]
The
[0025]
To ensure that the plasma start occurs uniformly at the base of the
1. The electric field in the gas must exceed the breakdown field for the gas, which depends on the gas used and the gas pressure. Breakdown field is cathode known as Paschen criterionIe outer electrode14 is the electron source.plasmaIn the low pressure region where the gun operates, for a device size, the breakdown field decreases with increasing pressure (occurring on the low pressure side of the Paschen curve). Thus, breakdown occurs in the
[0026]
2. Second, an electron source must be provided. If the average electric field exceeds the breakdown field, nothing happens until the negative surface starts emitting electrons. In order to extract electrons from the surface, one of two conditions must occur. The first condition is that a cathode drop or a potential difference exceeding the cathode potential must be generated near the surface. Cathode drop / cathode potential is a function of gas pressure and is a function of surface composition and geometry. The higher the local gas pressure, the lower the required voltage. Like a holeLooking inwardThe geometry provides a significantly improved level of surface area to volume and also reduces cathode drop. This effect, in which the hole acts preferentially as an electron source with respect to the adjacent surface, is called the hollow cathode effect. In the second condition, the electron source can be formed by a surface flash trigger source. These conditions can be met individually, or both can be used. However, to prevent spurious starting, the voltage across the electrodes should be less than the sum of the gas breakdown potential and the cathode fall potential.
[0027]
Accordingly, in FIG.Is the outer electrode14 formed in these holes74Through the gas to the base of column 1674Is a column16Terminate near the base of. For the preferred embodiment, multiple such holes74Are equally spaced around the periphery of the
[0028]
If a
[0029]
PromotiongasBefore the gate reaches the end of the
[0030]
FIG. 2 shows another embodiment which differs in some respects from that shown in FIG.Plasma gunShows a thruster 10 '. First, a
[0031]
In some applications, instead of the non-linear
[0032]
The trigger electrode 82DC voltageActivated by a
[0033]
Each
[0034]
[0035]
Another potential problem with the thrusters of the type shown in FIGS. 1 and 2 is that the Lorentz force across the
[0036]
The problem of non-uniform velocities in
[0037]
Except for the differences described above, the thruster of FIG.10 'Is the thruster in Figure 110Works in the same way as. Further, while the figure shows a single thruster, in space or other applications, multiple thrusters, such as twelve thrusters, may be utilized, with each thruster operating at less than one joule per pulse. Have a weight of 1 kg or less. All thrusters are powered by a central power source, have a central controller and are propelled from a common sourcegasReceive. In the latter case, the operating life of the thruster-based spacecraft is not affected by the fuel supply for the most frequently used thrusters, as in the case of the same solid fuel thrusters, and the totalgasIt is particularly advantageous for the thruster of the invention in that it is only affected by the thruster.
[0038]
FIG. 3 illustrates another embodiment of a plasma gun in accordance with the teachings of the present invention.plasmagun90Are more suitable for use as a radiation source than as a thruster. This embodiment of the invention uses a driver similar to that shown in FIG. 1 with a DC /
[0039]
Plasma is centerElectrode 12The plasma surface is pushed inward when emitted from the end of the plasma. The plasma forms an umbrella or fountain shape. CenterElectrode 12The magnetic field of the current flowing through the plasma column immediately adjacent to the tip of the fin provides an inward pressure, which forces the plasma column inward until the gas pressure reaches equilibrium with the inward magnetic pressure. Tighten to
[0040]
Using this technique, temperatures in the clamp that are more than 100 times higher than the surface of the sun can be achieved. Radiation at the desired wavelength is obtained from the plasma gun by introducing a generally gaseous element having a spectral line at that wavelength at the clamp. This is a plasma that functions as an elementgasOr by an element introduced into the clamp in some other way, but for the preferred embodiment, the element isCenterIt is introduced through a
[0041]
[Table 1]
[0042]
CenterThe gas supplied through the
[0043]
Therefore, the elementofIn order to use radiation at wavelengths other than the optimal single electron wavelength, it is necessary to filter out the higher intensity shorter wavelengths being emitted for that element. FIG. 3 shows one way to do this, in which the
[0044]
Thus, if possible, generate radiation at the desired wavelength in the elemental or maximum energy single electron state for the gasCenterIt is desirable to use other elements provided to the
[0045]
FIG. 4 shows a
[0046]
Another method of providing lithium or other suitable material to the clamp is a sintered powdered refractory metal saturated with liquid lithium or other suitable material in a fluid (ie, liquid or gaseous) state, with a
[0047]
If xenon is used to obtain 13 nm radiation, xenon must be confined in the immediate vicinity of the clamp because xenon has considerable absorption at that wavelength. As with xenon, the radiation used isCentral channelIf at a wavelength other than the single electron wavelength for the element / gas in 92, a small amount of the element is ionized into its single electron state, resulting in a large amount of radiation at longer wavelengths and a small amount at shorter wavelengths. The temperature at the clamp can be controlled to provide more radiation (but higher intensity radiation).
[0048]
It is desirable that the cone angle of the emitted radiation is as small as possible. If the stimulated emission of radiation from the radiant gas at the clamp is greater than the spontaneous emission, a small cone angle is achieved and the spontaneous emission is more dispersive. In particular, assuming the Boltzmann constant k × the temperature at the tightening part is greater than the radiation frequency f × Planck constant h, the ratio of the natural radiation B to the stimulated radiation A is given by (B / A = kT / hf). For example, if this ratio is equal to 20 (ie, the plasma temperature is 20 times the photon energy of interest), the half cone angle will be about 25 °. The higher the plasma temperature, the smaller the cone angle. However, the shorter the wavelength of the radiation, the more difficult it is to achieve a small cone angle. However, the cone angle is one of the factors to consider when selecting current and other parameters to achieve the desired temperature at the clamp.
[0049]
FIG. 5 shows a book that can be used as a thruster, a radiation source or other feature utilizing a plasma gun, depending on factors such as electrode length and whether the radiation emitting element / gas is introduced through the
[0050]
In FIG.columnAlthough only two trigger electrodes or
[0051]
FIG. 6, for example, shows two 90 °Triggerelectrode(Spark plug)RF to 82, 82 'signalsource112Shows the connection. In the plasma gun there are two additionalTriggerElectricPoleExists, the
[0052]
[Table 2]
[0053]
RFsignalsource112Only or RFsignalsource112And the RF frequency and voltage from both the
[0054]
(Equation 1)
[0055]
Where νcIs the collision frequency, ω = 2πf (where f is the frequency of the radiation), q is the electron charge, E is the electric field, and m is the electron mass. Therefore, the time to transition the gas is
[0056]
(Equation 2)
[0057]
(Equation 3)
[0058]
Given by Here, d is the distance between the electrodes.
For the thruster embodiment,Plasma gunIt is necessary to maintain 90 in a near-vacuum environment (approximately gas pressure ≦ 10 Torr), which is further necessary because radiation in the EUV band is easily absorbed and performs useful work outside of the near-vacuum environment Because it cannot be used for Since propulsion efficiency is not as important for this embodiment, a single radiation for each valve operation or valve operation periodburstTo provide radiation for a desired period of time.burstCan be selected.
[0059]
Standard high voltage such as magnetron, klystron or
[0060]
Referring to FIG. 7A,RF signal source130 is a voltage source, for example,
[0061]
RF signalAre two possible problems in delivering the plasma to the plasma gun: a high voltage field is created over a relatively large uniform area at the base of the
[0062]
Referring first to FIG. 8A, a
[0063]
The device of FIG. 8B differs from that of FIG. 8A in that the
[0064]
Also, the initial high voltage spikes after startingCentral electrode12, And outer electrodeIt has been found that more uniform destruction can be achieved in the plasma gun by feeding to. FIG. 9A shows a circuit for achieving the desired waveform shown in FIG. 9B. In particular, this waveformofspikesignal160, followed by a
[0065]
Referring to FIG. 9A, the circuit includes a first nonlinear magnetic compression circuit 164 (only the last stage is shown in FIG. 9A) and a second nonlinear magnetic compression circuit 166 (only the last stage is also shown in the figure). Have.Second nonlinear
[0066]
For example, a plasma of the type shown in FIG.gunOne problem with is that enough Tesla to drive the plasma to a speed of several centimeters per microsecond to achieve the desired clamping temperature in the range of 100 eV to 1000 eV depending on the desired frequency of radiation. That is, a certain degree of magnetic compression field is required. Due to these high velocities, the plasma is centeredelectrodeDriven down 12, centerElectrode 12From the end of the plasma sheathElectrode 12Continue to move into the space away from the end of the. As a result, the plasma sheath eventually loses its electrical connection to the clamp, terminating the clamp and causing a large voltage transition. This voltage transition isCenterelectrode12Can cause high voltage respikes that can severely damage the device. Loss of electrical contact with the plasma sheath alsoPlasma gunCausing a substantial reduction in power efficiency from the squeeze, and the clamping lasts only about 100 nanoseconds, rather than a substantially longer duration of the electrical discharge, which can be several microseconds (eg, 2-4 microseconds). .
[0067]
According to the teachings of the present invention, this problem of plasma12This can be overcome by providing a blast shield or focusing device 194 adjacent to the exit end of the
[0068]
Prevents plasma sheath separation,plasmaIt is desirable to house the sheath in the shield 194, but the shield 194Plasma gunIt is important not to conflict with the outflow of the desired radiation from 10. Thus, each shield 194 is formed at the top of the corresponding cavity and has a central electrode12Has a
[0069]
The material of the shield 194 must be a high temperature non-conductive material capable of withstanding temperatures in the range of approximately 1000 ° C. and higher. Various high temperature ceramics have desired properties, and for the illustrated embodiment, AlTwoOThree(Aluminum oxide) is used. Various glasses, quartz and sapphire also have desirable properties that serve as materials for the shield 194.
[0070]
In the above description, the plasmaToReorientationTo makeAlthough shield 194 has been shown for use with a particular shaped radiation source, this shield194Is suitable for use with any radiation source where plasma separation is a potential problem, and therefore the invention is in no way limited by the particular radiation source configuration of FIG. Similarly, the cathode orOuter electrode 14Although three cavity shapes for redirecting radiation to are illustrated in FIGS. 10A-10C, other cavity shapes suitable for performing this function may be utilized. The specific materials described above are also merely exemplary.
[0071]
In addition, the parameters for generating radiation at 13 nm have been described above,Plasma gun asBy controlling the various parameters of the 90, and among others, the elements / gases used, the maximum current from the high voltage source, the plasma temperature in the clamping area, the column16By carefully selecting the gas pressure within and, in some cases, the radiation filter utilized, radiation at other wavelengths within the EUV band, or in some cases, outside this band can be obtained.
[0072]
Many types of gases can be used as the plasma gas for the plasma gun described above, but inert gases such as argon and xenon are often preferred. Other gases that can be used include nitrogen, hydrazine, helium, hydrogen and neon. As described above, when using a plasma gun as the radiation source, as in the embodiment of FIG. 3, various elements / gases may be used to achieve selected EUV or other wavelengths. In the case, the plasma and the radiation gas are the same gas. For example, hydrogen gas can be selected to effectively obtain radiation at 121.5 nm in the VUV band. Furthermore, while various embodiments have been described above, it is clear that these embodiments are merely illustrative and do not limit the invention. For example, the driver shown is advantageous for various applications, but has other voltages that have adequate voltage and rise times and do not require high voltage switching.PRF drivers are also available. Similarly,Electrodes driven by preferred solid-state RF signal sourcesVarious plasma starting mechanisms using triggers have been described.,Other methods for initiating plasma destruction can be utilized for appropriate applications. The shape of the electrodes and the applications given for the plasma gun are also examples. Thus, while the present invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will be able to make the above and other changes which constitute the details while remaining within the spirit and spirit of the invention. Is defined only by the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present invention.Plasma gunFIG. 4 is a semi-schematic half-cut side view of a first exemplary thruster embodiment.
FIG. 2 of the present invention.Plasma gunFIG. 7 is a semi-schematic half-cut side view of another thruster embodiment.
FIG. 3 of the present invention.Plasma gunFIG. 4 is a semi-schematic half-cut side view of an embodiment of a radiation source.
FIG. 4 of the present invention.Plasma gunFIG. 4 is an enlarged (not to scale) cutaway view of the center electrode of FIG. 3 for one embodiment.
FIG. 5 shows that other factors can be used as thrusters or radiation sources, depending on the relative dimensions, and that RF in accordance with the teachings of the present invention.Trigger electrode driven by signalHaving,Of the present inventionPlasma gunIt is a semi-schematic side cutaway view of an embodiment.
FIG. 6 shows RF in the plasma gun of the present invention.Signal sourceFig. 3 schematically shows another implementation for obtaining
FIG. 7A isTrigger electrodeTo driveofRFsignalSolid state suitable for use as a sourceofRFsignalFIG. 7B is a schematic diagram of a source, and FIGS. 7B and 7C are diagrams illustrating voltages across certain capacitors in the circuit of FIG. 7A.
FIGS. 8A and 8B are cut-away partial side views of a portion of a plasma gun showing two different starter electrode configurations suitable for providing a firing voltage to the plasma gun.
FIG. 9A is a schematic diagram of a pulse driver circuit suitable for use in driving the plasma gun of the present invention according to another embodiment, and FIG. 9B is a schematic diagram of a pulse driver circuit from the circuit of FIG. 9A. FIG. 4 is a diagram illustrating an output signal.
FIGS. 10A to 10C are enlarged side cross-sectional views illustrating the end and shield of a central electrode for spherical, conical and parabolic embodiments, respectively, of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Plasma gun
12 Central electrode
14 Outer electrode
16 columns
82 trigger electrode
130 circuits
132 capacitor
134 solid state switch
136 Multi-stage nonlinear magnetic pulse compression circuit
138 output section
140 output coupling circuit
Claims (7)
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(C R )と飽和可能な誘導子(L R )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(C N )を有し、コンデンサ(C R )及び誘導子(L R )のうちの少なくとも一方は、コンデンサ(C R )が完全に充電される前にコンデンサ(C N )での逆電圧が生じるように、選択され、誘導子(L R )が引き続いて飽和し、周波数(F)でのコンデンサ(C R )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(C R )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。In high PRF plasma guns (10, 10 ', 90)
Central electrode (12);
An outer electrode (14) substantially coaxial to the center electrode, wherein a coaxial column (16) is formed between the center electrode and the outer electrode , wherein the column is closed and the base is open; An outer electrode having an outlet end;
An inlet mechanism (70, 72, 74) for introducing the selected gas into the column ;
A solid state high repetition rate pulse driver (32, 34, 36) operable to deliver a high voltage pulse across the center electrode and the outer electrode during plasma initiation at the base of the column, wherein the plasma is A solid state high repetition rate pulse driver extending from the base end of the column and adapted to exit from the outlet end of the column;
A plurality of trigger electrodes (82) at the base end of the column (16);
A radio frequency (RF) signal source (130) connected to the plurality of trigger electrodes (82) for selectively providing an RF signal to the plurality of trigger electrodes (82);
Has,
The RF signal source (130) comprises:
A non-linear magnetic pulse compression circuit (136) having N stages that is an integer equal to or greater than 1;
A solid state switch (134) selectively operable to connect a capacitor (132) to an input of a first stage of the non-linear magnetic pulse compression circuit;
An output section (138) having a resonance circuit with a resonance frequency (F) including a capacitor (C R ) and a saturable inductor (L R ), wherein the last stage of the nonlinear magnetic pulse compression circuit has a capacitance ( C N ) and at least one of the capacitor (C R ) and the inductor (L R ) develops a reverse voltage across the capacitor (C N ) before the capacitor (C R ) is fully charged. An output section selected so that the inductor (L R ) is subsequently saturated, causing oscillation of the capacitor (C R ) at frequency (F) ;
An output coupling circuit (140) for coupling energy from a capacitor (C R ) to drive the plurality of trigger electrodes (82) ;
A plasma gun comprising:
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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