TWI446395B - Pulse electron source and pulsed electron source control method - Google Patents
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Description
本發明係有關於脈衝電子源及實施該源的裝置。脈衝電子源可以使用在電子激發氣體雷射中或電磁流體動力產生器中。
專利文獻FR 2 204 882描述了一種電子源,其包括:一填充低壓的氣體雨具有電子的輸出視窗的殼體;一相對於輸出視窗的用於二次電子發射之負高電壓之冷陰極;一氣體離子室設置有用於離子流向陰極以及用於二次電子流向輸出視窗之通道;以及一遮罩或柵極安裝在陰極與離子室之間,並且可達到接近視窗的電位,以便在柵極與視窗之間並且在離子室內形成一基本上是等電位的空間,以及在柵極與陰極之間形成一個高電位梯度空間。
本申請人發現柵極引起特殊的困難。實際上,一方面柵極應該使所述兩個室隔離絕緣,與此同時在離子化過程中使離子室多餘的一次離子洩漏到加速室。另一方面,柵極應該盡可能的透射,以在加速期間使加速室內所形成的電子束以最小的損耗移動。當離子室中產生的一部分離子穿透到加速室中並影響其工作時,隔離可能只是局部的。
專利文獻FR 2 591 035提出使用一特殊形式的柵極以便使所述兩個室之間的隔離更有效。不過,一次電漿進入加速室中並圍繞陰極。其結果擾亂陰極上的脈衝高電壓供電的操作,延長電子束之電流脈衝並且損害對比度。
使用第二輔助柵極就必需使用一補充電源,並且使得脈衝電子源的系統型式更複雜,該第二輔助柵極可施加負電位,以便把自由電子排斥推向離子室內,或者柵極施加正電位,以便排斥所述兩個室之間隔離邊緣的正離子。在加速室中所形成的電子束被迫通過柵極,一方面衰減電子束而另一方面又損壞柵極。柵極的損壞導致限定電子束之電流並明顯地降低柵極的使用壽命,因而也就減少了電子源的使用壽命。
本發明的目的特別是克服上述現有技術的缺點。
本發明的目的尤其是提供一種使用壽命長的電子源、低功率之高電壓供電、該陰極與該源之輸出間的高產率電子以及電子束之電流的高對比度。
脈衝電子源包括:一離子室;一加速室,配備有用於提取和加速一次離子並且形成二次電子束之一電極;一供電電源,組態成施加一正電壓於電極,以便使一次電漿排斥在加速室之外部,以及施加一負電壓脈衝,以便提取和加速一次離子並形成二次電子束。施加到電極上的正電壓可以使正離子離開加速室。
在一實施方式中,電極通常具有凸面圓柱之形狀。電極可以設置位於離子室和加速室間的縫隙之一平面或凹面的中心部分。因此有利於朝縫隙方向所聚焦之電子束的發射。
在一實施方式中,藉由一開口縫隙來連接離子室和加速室。能夠節省柵極的存在。簡化電子源的結構。降低電子束的衰減。電子源的使用壽命也不再受限於柵極的使用期限。
在一實施方式中,藉由一縫隙連接離子室和加速室,此縫隙配置在電極的中心部分與離子室之輸出口之間。該縫隙配置在電極與離子室之輸出口之間電子束的行經路徑上。
離子室的輸出口可以是開放的。另一形式,離子室的輸出口亦可設置至少一柵極。離子室的輸出口可以藉由含有金屬層的板片來封閉,以便使電子轉變成X射線。該金屬層可包含至少一種原子量大於50的金屬。
在一實施方式中,供電電源包括一脈衝變壓器,其初級線圈經由電容器連接到一連續電壓源。開關可配置在地線與相對於初級線圈之側上的電容器之一端之間。脈衝變壓器的次級線圈連接到電極。安裝一輔助電壓源以便使該正電壓施加到該電極上。該輔助電壓源還可以安裝在地線與電極之間。輔助電壓源可以與變壓器次級線圈串聯。使用與電壓源並聯之一電容。因此供電電源能保證電極的正偏壓之產生和產生一個施加到該電極的負脈衝。該供電電源的結構係簡單且經濟。
在一實施方式中,供電電源包括一與輔助電壓源串聯的保護裝置。該保護裝置可包括至少一二極體、一電容器和/或一電感。
輔助電壓源具有在100-500伏特之間的電壓,較佳的是在200-400伏特之間。
換句話說,脈衝電子源包括:一離子室;一加速室,配備有用於提取和加速一次離子並形成二次電子束之一電極;一縫隙,位在離子室與加速室之間;一手段,用以電氣密封該縫隙;以及一脈衝供電電源,用於對電極施加可形成電子束的負高電壓。
在一實施方式中,離子室包括一電極,用以在該電極與形成空心陰極的離子室的內壁之間電氣放電。離子室之電極可呈現單個或多個燈絲的形式。該電極可以藉由提供一正電壓、脈衝或連續、例如為1-10kV之間之數kV等級的供電電源。脈衝電源可提供1-10微秒期間、峰值電流為100-1000A、和/或電壓為5-10kV的脈衝。
在操作中,藉由保持形成空心陰極的離子室之內壁至接地可得到在離子室內的離子化,使離子室的電極具有在1-10kV之間的正電壓,以及使加速室的電極具有在100-500伏特之間的正電位。因此保護加速室防止來自離子室經由兩個室之間的開口的一次電漿的正離子穿透。對於該源特定的操作狀態來說,施加到加速室之電極上的電壓可以根據氣體的性質來進行計算,特別是根據其原子量、氣體壓力、離子室之電極的電壓、及電流、該兩個室之間之縫隙的開口及深度等等進行計算。一旦在離子室中產生初次放電,將施加約-50至-200kV的負脈衝電壓於加速室之電極上。存在於離子室中的一次正離子被加速通過縫隙而流向加速室的電極。該加速室的電極處於正離子的撞擊狀態。該撞擊產生藉由負電位經由該縫隙至該源之輸出口所加速的二次電子。
脈衝電子源所用的供電電源裝置包括一手段,可以給該源之加速室的一電極施加正電壓,然後施加一個負電壓脈衝以便提取和加速一次離子並形成二次電子束。正電壓可以減少在負電壓脈衝之前存在於加速室中的正離子數量。該供電電源裝置可包括一連接離子室之電極的輔助電源。該裝置可包括一升壓脈衝變壓器。該變壓器之次級線圈可連接離子室之電極,以便施加該負電壓脈衝。
包含離子室和加速室之用來提取和加速一次離子並形成二次電子束的脈衝電子源的控制方法,其包括一對該電極施加由供電電源所提供的正電壓,以便使一次電漿排斥到加速室的外部之步驟,以及一對該電極施加由供電電源提供的負電壓脈衝,以便提取和加速一次離子並形成二次電子束之步驟。
在對加速室之電極施加負高電壓時,電極附近基本上不存在正離子的電漿。換句話說,電漿基本上只限於在離子室中。加速室基本上沒有電漿。其結果是,在電極與電漿之間的寄生電容與加速室中存在電漿之情況下的寄生電容相比是非常小的。要得到所希望的加速電壓可以藉由明顯比較低的電極所供電的充電電壓來實現。加速電極的高電壓供電功率能降低,這顯然非常經濟。電子束的衰減也比較少。電子束之電流脈衝具有令人滿意的對比度。
在閱讀了作為非限制性實例並利用附圖加以描述的幾種實施方式的詳細說明後,可更佳地理解本發明。
如圖1所示,脈衝電子源1包括一個其中安裝有電極3的加速室2,以及一其中安裝有電極5的離子室4。一縫隙6使加速室2與離子室4相通。加速室2和離子室4係由殼體7所構成,此殼體包括用以限定加速室2和離子室4之外壁8和內壁9。換句話說,加速室2是由數個外壁8和內壁9所限定的。離子室4也是由數個外壁8和內壁9限定的。內壁9是加速室2和離子室4所共用。該等壁8和9是金屬的,例如是以不銹鋼為基質的或者以黃銅為基質的金屬,也可能從內部覆蓋以鋁或鎳為基質的金屬層。電極5可包括一個或幾個沿著室4之主要方向延長的導線。在該導線的兩端可以供電以便提高電場的均勻性。
在圖1的剖面圖中,加速室2和離子室4係基本上可以是矩形,該源可呈現平行長方形體狀或者管狀。在稍後的情況下,內壁9可以是圓形的。該源1設有一在外壁8中之一備用孔洞之形式的出口10,此外壁限定離子室4之相對於內壁9之側上。出口10、縫隙6和加速室2的電極3係對齊的。
更確切地說,加速之電極3可呈現例如整體管形的圓柱狀部件。
電極3藉由電纜12連接到供電電源11(參見圖2),該電纜藉由密封絕緣體13穿過外壁8。離子室4的電極5可呈現單個或多個燈絲形式並且利用穿過密封絕緣體15的電纜14連接到圖中未示出的外部供電電源。密封絕緣體13和15可由陶瓷構成。密封絕緣體13和15確保氣體的密封性及電氣跨接的功能。
在第一步驟時,殼體7連接地線。離子室4的電極5達到正電壓為1-10kV。該電壓可以是脈衝的或連續的。離子室4在低壓下(約為1-20帕斯卡(Pa))預先填充例如一稀有氣體(特別是氦或者是氦與氖的混合物)的氣體。
如果該源1的外部氣體條件接近於離子室4和加速室2中氣體條件,則該源1的出口10可以是開放的或者設有一電子束控制柵極。如有必要,出口10可設有一快門式遮光器16。此遮光器16可包括一個金屬片或者具有薄重金屬層的小厚度的合成材料。該重金屬層的厚度約為1-10μ。此重金屬層還可包含一種或數種原子量大於50的金屬,例如金、鉭、鎢等等。該重金屬層可以使電子束轉變成X射線束。
施加用到電極5上的電壓可引起在該電極5與離子室4的壁之間的放電。該放電可在離子室4中產生電漿17。縫隙6可產生電場的輕微不連續性,電漿17可能傾向於溢流到加速室2中。不過,施加到加速之電極3上的正偏壓Ubias
可以重新建立相當有規律的電場線,這可防止或者至少限制電漿17的擴散。電漿17包括例如由最低電位所吸引的正離子He+
並且該加速之電極3的正偏壓Ubias
可對這些離子產生排斥作用。因此就能夠在所說的第一離子化步驟時大大減少電漿17的正離子進入到加速室2中。
換句話說,具有縫隙6之電氣快門的優點。電氣快門的縫隙6之特別的有點在於:有害成分的迴圈係大大的抑制,使所要在縫隙6中迴圈的成分明顯地比存在柵極時所受的約束更小。
接著可進行第二加速步驟。然後對加速之電極3施加負高電壓-Ugun
。電漿17的正離子則受加速之電極3的吸引,因此可實現加速之電極3的離子撞擊。離子撞擊發生在該電極3之位於靠近縫隙6之平面3a的絕大部分上。加速之電極3(特別是平面3a)的離子撞擊引起電子發射。電子由於負高電壓-Ugun
而受到加速之電極3的排斥作用,並且從縫隙6以及從該源1的出口10逸出。平面3a、縫隙6和出口10係對齊的,受加速之電極3所加速的電子在損耗很低時穿過縫隙6以及出口10(如有必要),由於存在快門而遭受損耗。
當把負高電壓-Ugun
施加到加速之電極3上時,加速室2基本上沒有電漿。在加速之電極3與殼體7之間的寄生電容係非常低。結果,需要較少的能量以在電極3上獲得電壓-Ugun
。供電電源11的尺寸可以再減少以顯得特別經濟。由於開口縫隙6也降低了電子束的衰減。此外,縫隙6可以設有圓形外廓邊緣。如圖2所示,供電電源11包括一配備有初級線圈19和次級線圈20的脈衝變壓器18。脈衝變壓器18的初級線圈19的一端連接地線另一端連接電容器21。相對於初級線圈19,電容器21連接電壓源U0
和開關22。此開關22亦連接地線,以便能夠使電容器21和初級線圈19短接。次級線圈20的一端連接電源地線而另端連接電子源1的加速之電極3。
供電電源11還包括一個與次級線圈20並聯的輔助電壓源23,其可提供偏壓Ubias
並且其一端連接電源地線而另一端連接到次級線圈20與電極3之間的共用點。一保護裝置24可以有利地與輔助電壓源23串聯安裝,以便限制電流的流通。保護裝置24能包括至少一二極體、一電容器和/或一電感。另外,在供電電源11的輸出端可以設置一電流感測器25,用於測量離子室2中所消耗的電流。
在第一步驟,開關22形成開路。電容器21充電到電壓U0
。
輔助電壓源23使加速之電極3保持在正偏壓Ubias
。為了限制次級線圈20中的損耗,在次級線圈20與保護裝置24及加速之電極3的共用點之間可安裝一圖中未示出的二極體。開關22閉合以後可使電容器21與變壓器18之初級線圈19短接,由變壓器18之次級線圈20提供負高電壓-Ugun
脈衝並且施加到加速之電極3。
在圖2上,電子源1以寄生電容Cgun
之等效電路的形式來表示。由於在第一離子化步驟期間在加速室2之電漿中係不存在或者降到非常少的量,該寄生電容Cgun
明顯地減少了。在加速室2中存在電漿的情況下,電漿之極化可產生較大的寄生電容。由於施加正偏壓Ubias
之電壓,可避免在第一步驟期間使電漿17的正離子進入加速室2中,在加速之電極3上施加負高電壓-Ugun
時,加速室2基本上沒有電漿。因此寄生電容Cgun
保持很小。供電電源11的充電電壓U0
可以降低。另一方面,變壓器18的轉換比也可降低。
如圖3所示,例如在地線與次級線圈20之間串聯輔助電壓源23與次級線圈20。保護裝置24可包括一與輔助電壓源23並聯的電容器。
人們擁有了一種減少供電功率及因此較經濟的脈衝電子源。電子束在加速室2與離子室4之間通過時損耗較低。開口縫隙6的結構明顯比柵極結構更經濟。在不受兩個室之間之柵極的使用壽命限制之同時該源的使用壽命也延長了。
1...脈衝電子源
2...加速室
3...電極
3a...平面(中心部分)
4...離子室
5...電極
6...縫隙
7...殼體
8...外壁
9...內壁
10...出口
11...供電電源
12...電纜
13...絕緣體
14...電纜
15...絕緣體
16...遮光器(板片)
17...電漿
18...脈衝變壓器
19...初級線圈
20...次級線圈
21...電容器
22...開關
23...輔助電壓源
24...保護裝置
25...電流感測器
圖1是一脈衝電子源的剖面示意圖;以及
圖2和3是加速室之電極的供電電路圖。
1‧‧‧脈衝電子源
2‧‧‧加速室
3‧‧‧電極
3a‧‧‧平面(中心部分)
4‧‧‧離子室
5‧‧‧電極
6‧‧‧縫隙
7‧‧‧殼體
8‧‧‧外壁
9‧‧‧內壁
10‧‧‧出口
12‧‧‧電纜
13‧‧‧絕緣體
14‧‧‧電纜
15‧‧‧絕緣體
16‧‧‧遮光器(板片)
17‧‧‧電漿
Claims (12)
- 一種脈衝電子源(1),包括:一離子室(4);一加速室(2),配備有用於提取和加速一次離子並形成二次電子束之電極(3),其特徵在於:包括一供電電源(11),組態成用於施加一正電壓於該電極(3),以便把一次電漿(17)排斥到加速室(2)之外部,以及施加一負電壓脈衝,以便提取和加速一次離子並形成二次電子束。
- 如申請專利範圍第1項之脈衝電子源,其中,電極(3)通常具有凸面圓柱之形狀,並設置位於離子室(4)和加速室(2)之間的縫隙(6)之一平面或凹面的中心部分(3a)。
- 如申請專利範圍第1或2項之脈衝電子源,其中,藉由一開口縫隙(6)來連接離子室(4)和加速室(2)。
- 如申請專利範圍第1或2項之脈衝電子源,其中,藉由一縫隙(6)連接離子室(4)和加速室(2),此縫隙配置在電極(3)之中心部分(3a)與離子室(4)之出口(10)之間。
- 如申請專利範圍第4項之脈衝電子源,其中,該出口(10)係開放的。
- 如申請專利範圍第4項之脈衝電子源,其中,該出口(10)配備有至少一柵極。
- 如申請專利範圍第4項之脈衝電子源,其中,該出口(10)是由包含一金屬層之一板片(16)來封閉,用於把電子轉換成X射線。
- 如申請專利範圍第1項之脈衝電子源,其中,供電電源(11)包括:一脈衝變壓器(18),其配置一初級線圈(19)及一次級線圈(20),初級線圈(19)藉由一電容器(21)連接一連續電壓源,開關(22)配置在地線與相對於初級線圈之側上的電容器之一端之間,次級線圈(20)連接到電極;及一輔助電壓源(23),安裝在地線與電極之間,以便對該電極施加該正電壓。
- 如申請專利範圍第8項之脈衝電子源,其中,供電電源包括一與輔助電壓源(23)串聯的保護裝置(24)。
- 如申請專利範圍第8或9項之脈衝電子源,其中,輔助電壓源(23)與變壓器之次級線圈串聯。
- 如申請專利範圍第10項之脈衝電子源,其中,電容器與輔助電壓源並聯。
- 一種脈衝電子源(1)的控制方法,該電子源(1)包括一離子室(4),一加速室(2),其配備有可用於提取和加速一次離子並且形成二次電子束之電極(3),該控制方法包括一對一電極(3)施加由供電電源(11)所提供的正電壓,以便使一次電漿排斥在加速室的外部之步驟,以及包括一對該電極(3)施加一由供電電源(11)所提供的負電壓脈衝,以便提取和加速一次離子並形成二次電子束之步驟。
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