向电子源供电的设备和方法以及离子轰击致二次发射电子源

摘要

一种用于低压室中的离子轰击致二次发射电子源的电源设备(14)，包括：控制输入端；两个高电压输出端；用于在一个高电压输出端产生多个正脉冲的装置；以及用于在所述正脉冲中的至少一些脉冲之后在另一个高压输出端产生负脉冲的装置。

说明书

本发明涉及脉冲电子源以及使用这种电子源的设备，该设备尤其是具有电子激发或X射线脉冲预电离的气体激光器。在离子轰击的作用下，脉冲电子源发射电子束。

可以参考公开文件FR 2 204 882或FR 2 591 035。设备包括电离室和通过格栅与电离室连通的加速室。在电离室中发生初级放电。由此产生的一些正离子被加速朝向位于加速室中的阴极。这些被加速的离子轰击阴极并且导致二次发射电子。随后，加速的二次电子受到施加于阴极的负电压排斥，然后通过上述两室之间的格栅引出后形成电子束。

实际上，当持续使用该设备时，激发电离室中的放电变得越来越困难。由此，越来越延缓放电的激发，并且在向阴极施加负电压脉冲的同时将会出现危险。在电离室内施加正电压和在加速室中施加负电压的同时进行使该设备和使用该设备的系统面临出现故障或者甚至毁坏的危险。不论如何，放电的延迟激发将会导致当电子束离开电子源时所获得的电子束的特性变差。电离室中的放电的激发的自然延迟并因而不受控制的延迟是不能满足要求的。

本发明旨在克服上述的缺点。

具体来说，本发明的目的在于获得电子源的稳定激发，该稳定激发相对而言不受诸如电子源老化的操作条件的影响。

一种用于低压室中的离子轰击致二次发射电子源的电源设备，包括：控制输入端；两个高电压输出端；用于在一个高电压输出端产生多个正脉冲的装置；以及用于在所述多个正脉冲中的至少一些脉冲之后在另一个高压输出端产生负脉冲的装置。产生能施加到电离室的电极上的多个正脉冲使得放电的激发变得更容易。

在一个实施例中，所述电源设备包括用于在所述用于产生多个正脉冲的装置的操作结束和所述用于产生负脉冲的装置的操作开始之间产生延迟的装置。所述延迟可以是恒定的或者可调的，以便适应于操作参数尤其是气体的压强和分子量等操作参数。

在一个实施例中，所述用于产生多个正脉冲的装置配置为使得第一脉冲处于比后续脉冲的电压更高的电压。即使电离室中的第一放电被延迟，但是这种激发延迟很快稳定。随后，从用于激发最后的正脉冲的命令开始，经过时间长度D1之后，可以控制所述负脉冲，同时最后的正脉冲的启动和电离室中最后的放电的激发之间的时间长度D2是可以准确获知的。所述电离室中最后的放电的激发和所述负脉冲的启动之间的时间长度D3可以通过公式D3＝D1-D2来确定。根据本发明，基本上降低时间长度D2的不确定性。

一种用于向低压室中的离子轰击致二次发射的电子源供电的方法，包括：在一个高电压输出端产生多个正脉冲的步骤；以及在所述多个正脉冲中的至少一些正脉冲之后在另一个高电压输出端产生负脉冲的步骤。

在一个实施例中，不等于零的延迟使所述一系列正脉冲中的最后的正脉冲的末尾与所述负脉冲的起点分离开。这保证了设备的安全性。

在一个实施例中，第一正脉冲的峰值电压大于后续正脉冲的峰值电压。通过第一高电压脉冲更加容易地进行第一放电。在具有较低电压的后续正脉冲期间，可以容易地获得放电。因此，降低了能耗，并减缓所述电源的老化。

在一个实施中，所述后续正脉冲的峰值电压基本上相等。

在一个实施例中，所述后续正脉冲的持续时间基本上恒定。时间长度D2的不确定性的降低使得可以增加时间长度D3的准确度。

在老化的过程中可以增加至少一个脉冲的电压。

一种电子源，包括：低压室；加速室；位于所述加速室中的阴极；位于所述低压室中的阳极；以及设置有两个高电压输出端的电源设备，所述电源设备的一个高电压输出端连接到所述阳极，另一个高电压输出端连接到所述阴极。所述电源设备包括用于产生多个正脉冲的装置和用于在所述多个正脉冲之后产生负脉冲的装置。

在一个实施例中，所述电子源包括：供所述用于产生多个正脉冲的装置和所述用于产生负脉冲的装置使用的命令模块。所述命令模块可以配置为计算延迟，该延迟将防止正脉冲和负脉冲同时出现。

以此方式，大大降低了所述电子源出现故障或者甚至失效的危险。还可以通过降低所述电源和所述电离室的老化来延长所述电子源的工作寿命。因此，所述电子源的成本得到优化。

在老化的过程中逐渐增加用于产生放电的电压也是可能的。

还可能在阴极上使用辅助源，可选地，所述辅助源与电子磁约束系统耦合。然而，由于热阳极的蒸发以及在电离室的壁上形成的蒸发物的沉积，导致所述电子源的功能变差，因此所述电子源的工作寿命是有限的。

通过一些实施例的详细描述将能更好地理解本发明，这些实施例作为非限制性实例并且以附图来图示，其中：

图1是电子源的示意图；

图2是示出命令模块的输出的变化的曲线；

图3是示出电源电压和电流随时间变化的曲线；

图4是示出电离室的电极端子上的电压随时间变化的曲线；以及

图5是电源的示意图。

从图1可见，电子源1包括由封闭装置4限定的加速室2和电离室3。电离室3可以沿主方向延伸。

封闭装置4包括外部壳体5和用于将加速室2和电离室3隔离开的内壁6。封闭装置4可以由金属制成，例如基于黄铜或不锈钢的金属制成。将加速室2限定在一侧而将电离室3限定在另一侧的内壁可以覆盖有金属或合金，就尤其是所施加的电压以及封闭装置4中的气体特别是该气体的性质和压强而言，上述金属或合金适于预期应用。例如，可以用基于铝或镍的涂层来覆盖加速室2的壁和/或电离室3的壁。

加速室2和电离室3经由形成在内壁6中的通孔形式的通道7连接。通道7可以设置有通常由金属制成的格栅8。在电离室3的与内壁6相对的外壁中设置有出口9。出口9可以是敞开的或填充有格栅，尤其如果在封闭装置4中和在封闭装置4周围出现相似性质和相似压强的气体。如果气体的压强和/或性质的条件不同，则出口9一般设置有未示出的密封件，例如形式为由合成材料制成的部件的密封件，其不能透过气体并且能够至少部分透过电子以便允许电子源1中产生的电子通量逸出。为了在电子轰击的作用下产生X射线，该密封件还可以覆盖有金属层，尤其是基于具有高原子量例如高于50的原子量的金属的金属层。

电子源1包括安装在加速室2中的阴极10。阴极10可以是固定的或者可转动的。阴极10可以由基于不锈钢或铝合金的材料制成。阴极10可以采用圆盘或者圆柱体的形式，该圆盘的平整表面10a面向通道7。通道7和9以及阴极10的平整表面10a是对准的。阴极10由气密的绝缘件11支撑，该绝缘件11固定于形成在壳体5的外壁上的孔中。绝缘件11也可以与开口7和9对准。绝缘件11形成电通道，该电通道允许从壳体5的外部向阴极10供电。

电子源1包括布置在电离室3中的阳极12。阳极12可以采用沿电离室3的主方向延伸的一条或多条金属丝的形式。为了增加电场的均匀性，可以在金属丝的两端供电。

阳极12由固定到外部壳体5的侧壁的密封绝缘件13支撑，形成气密式密封件并且提供电通道。阳极12相对于开口7和9的对准偏离。

电子源1包括电源14，电源14包括用于阴极10的电源模块15、命令模块17和用于阳极12的电源模块16。电源模块15和电源模块16可以是图5所示的类型。命令模块17配置为产生脉冲控制信号，脉冲控制信号在发送给电源模块15的信号和发送给电源模块16的信号之间存在时间偏差。可以根据加速室2和电离室3中的气体压强以及气体或气体混合物的性质尤其是原子量，来调节该时间偏差。

参见图2，在操作时，命令模块17发送信号18到电源模块16。信号18是多个矩形信号的形式，尤其是5个这样的信号。可以随时间增加脉冲的数量以对电子源1的老化进行补偿。随后，命令模块17发送信号19到电源模块15，以施加高的负电压到阴极10。信号19可以与信号18的末尾同步，可选地，信号19具有延迟(未示出)，或者在信号18的起点之后且在信号18的末尾之前发送信号19。

在图3中，粗线表示电源模块16提供给阳极12的电压的波形，而细线表示电源模块16提供给阳极12的电流。数字N表示施加的电压脉冲的序号。在第一电压脉冲，直至在已施加高电压较长时间段之后才发生电流放电。随后，从第一脉冲到第四脉冲，在放电之前施加高电压的时间段递减，而在第五脉冲，在放电之前施加高电压的时间段基本上保持恒定。可以理解的是，在图3中，为了图示的目的，已经在竖直方向上将对应于每个脉冲的时标对准。自然地，序号为N的脉冲在序号为N-1的脉冲之后出现。在最后的脉冲之后，在此情形中，即在第五脉冲之后，命令模块17发送信号19到电源模块15，以将曲线20形式的高负电压施加到阴极10。在阳极12上的正电压脉冲的最大值结束之后，换言之基本上在电源模块16接收的信号18的最后命令脉冲结束之后，再经过时间长度D4，施加到阴极10的负电压脉冲20开始出现。在第N个脉冲，在此情形中N＝5，阳极12上的正电压脉冲的持续时间基本上保持恒定，所述持续时间可以由诸如电压值、气体压强、气体性质、阳极12与电离室3的壁之间的距离等的操作条件来确定。可以通过实验估算或测量第N个正电压脉冲的持续时间。可以简单并经济地配置命令模块17，以在命令脉冲18结束之后，经过一段等于时间长度D4和正电压脉冲的持续时间的总和的时间段之后，产生命令脉冲19。

在如图4所示的一个本发明实施例中，命令模块17产生正电压命令信号，该正电压命令信号包括的第一脉冲的持续时间比信号18的其他脉冲的持续时间长，导致电源模块16的充电时间更长，并且导致施加到电极12的第一正电压脉冲的电压比序号为2或序号更大的正电压脉冲的电压高。事实上，申请人注意到第一放电尤其难以实现，而使用较高电压可以更快且更容易地获得第一放电。利用较低电压可以获得序号为2或者序号更大的正电压脉冲，这导致在此情形中承受较少损耗的电源模块16上的应力较小。为了激发第一放电，可以为第一脉冲选择最佳电压，以及为了放电的稳定，可以为后续的脉冲选择最佳电压。这些后续脉冲的电压可以是第一脉冲的电压的80％至100％。为此目的，可以选择这样的脉冲式电源模块16，即其中的充电时间T_alim大于脉冲的周期T。相比于其他放电，第一放电由较高的电压来激发。

根据本发明，具有多脉冲激发的电子源提供老化减缓的稳定的电子束，而且很大程度上不受使用时间和使用条件的因素的影响。为了补偿老化，还可以随时间而增加第一脉冲的电压、后续脉冲的电压和/或后续脉冲数量。为此目的，可以提供调节旋钮或自动调节器。维护非常容易。

在操作期间，加速室2和电离室3填充有气体，例如处于1至20帕斯卡的低压强下的氦气。向阳极12施加正电压同时封闭装置4接地，导致电压脉冲放电。在容纳有气体的电离室3中的放电导致发射出正离子。随后，阳极12上的电压脉冲停止，而阴极10上产生负电压脉冲。随后，正离子被阴极10吸引并且沿着箭头21指示的轨迹穿过通道7以轰击电极10的平整表面10a。阴极10上的离子轰击导致发射出电子，由于电源模块15施加高负电压，发射出的电子受到阴极10的排斥作用。电子沿着箭头22指示的轨迹被加速，穿过通道7，然后穿过出口9，从而提供电子束。

如图5所示，电源模块15包括设置有初级绕组29和次级绕组30的脉冲变压器28。脉冲变压器28的初级绕组29一端接地，另一端连接到电容器31。在背向初级绕组29的一侧，电容器31连接到电压源U_o和开关32。开关32也接地，以便能使电容器31和初级绕组29短路。次级绕组30一端连接到电源的接地端，另一端连接到电子源1的阴极10。

电源模块15还可以包括与次级绕组30并联的辅助电压源，该辅助电压源提供偏置电压，并且所述辅助电压源一端连接到电源的接地端，另一端连接到次级绕组30和电极3之间的公共点。可以布置与该辅助电压源串联的保护设备，以便对电流进行限流。保护设备可以包括至少一个二极管、电容器和/或电感器。另外，可以在电源模块15的输出端设置电流传感器，用于测量电离室2中消耗的电流。

在第一阶段期间，开关32形成开路。电容器31被充电到电压U_o。

辅助电压源可以将阴极10保持在正偏置电压。为了限制次级绕组30中的损耗，可以在保护设备和电极10之间的公共点与次级绕组30之间布置二极管，该二极管未示出。在开关32闭合后，变压器28的电容器31和初级绕组29短路，变压器28的次级绕组30供应高的负电压脉冲-U_gun，并且将该负电压脉冲-U_gun施加到阴极10。

电子源1可以通过寄生电容C_gun来电力建模。在第一电离步骤期间，考虑到加速室2中没有等离子体，或者如果做不到这样的话加速室2中有非常少量的等离子体，寄生电容C_gun可以大大降低。当加速室2中出现等离子体时，等离子体的极化产生很强的寄生电容。由于施加了正偏置电压，该正偏置电压在第一步骤期间防止来自等离子体中的正离子进入加速室2，因此，在高的负电压-U_gun施加到阴极10的时候，加速室2基本上没有等离子体。因此，寄生电容C_gun保持低值。可以降低电源模块15的充电电压U_o。可替换地，可以降低变压器28的变压比。