![]() Tube a rayons x plasmique, en particulier pour la preionisation par rayons x de lasers de gaz, proce
专利摘要:
公开号:WO1989010004A1 申请号:PCT/EP1989/000383 申请日:1989-04-10 公开日:1989-10-19 发明作者:Dirk Friede;Hans-Jürgen CIRKEL;Rudolf Baumgartl;Matthias Schmutzler 申请人:Siemens Aktiengesellschaft; IPC主号:H01S3-00
专利说明:
[0001] Plasma-Röntgenröhre, insbesondere zur Röntgen-Vorionisierung von Gaslasern, Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer solchen Röntgenröhre und Verwendung letzterer [0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasma-Röntgenröhre mit hohen Elektronenstromdichten, insbesondere zur Röntgen-Vorionisierung von Gaslasern. [0003] Es ist bekannt, Elektronenkanonen als eine Baueinheit auszubilden, welche an eine durch elektrische Hochspannungsentladung gepumpte Laserkammer angebaut bzw. angeflanscht werden kann, wobei der Elektronenstrahl auf eine Folie trifft, welche das Volumen der Baueinheit der Elektronenkanone von demjenigen der Laserkammer abtrennt und wobei die durch Auftreffen der Elektronen auf die dünne Metallfolie ausgelöste Bremsstrahlung zur Vorionisierung des Entladungsvolumens der Laserkammer dient, siehe Applied Physics Letter 34 (8), 15. April 1979, Seiten 505 - 508 (S. Lin und 3. 1. Levatter: "X-Ray Preionisation for Electric Discharge Lasers"). [0004] Die Erfindung geht von der folgenden Problemstellung aus: Bei der Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung zur Vorionisierung von gepulsten Gasentladungen, z.B. im speziellen Fall eines Hochseistungslasers mit einem großen Entladungsvolumen von z.B. 450 x 40 x 56 mm3, kommt es auf eine sehr große Betriebszuverlässigkeit an. Es müssen auf einem großflächigen Strahlquerschnitt hohe Elektronenstromdichten erzeugt werden, um einen entsprechenden großflächigen Strahlquerschnitt bei der Bremsbzw. Röntgenstrahlung hervorzurufen. Die Röntgenvorionisierungseinheit muß bei hoher Zuverlässigkeit einen Betrieb mit hohen Wiederholraten gewährleisten, und die Intensität der vom Target emittierten Röntgenstrahlung muß ausreichen, um die erforderlich hohe Startelektronendichte für eine homogene Hochdruckglimmentladung im Lasergas zwischen αen Elektroden bereitzustellen. Die Bereitstellung dieser Startelektronendichte muß in einem engen zeitlichen Fenster vor Zündung der Laser-Hauptentladung erfolgen. Feldemissionsröhren erfüllen diese Anforderungen insofern nicht, als ihre Lebensdauer bei Dauerbetrieb und hohen Wiederholraten begrenzt ist (Verrundung der schneidenförmigen Elektrode, dadurch stark schwankende Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung). Die thermische Belastung der FeldemissionsKathode führt zu Sputterprozessen, die, wie gesagt, eine Verrunderung der Schneide zur Folge gaben. [0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasma-Röntgenröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine im Vergleich zu Feldemissionsröhren wesentlich vergrößerte Lebensdauer aufweist und mit welcher hohe Elektronenstromdichten bei großflächigem Strahlquerschnitt insbesondere zur Röntgenvorionisierung von Gaslasern bereitgestellt werden können, und dies insbesondere für den Pulsbetrieb, wobei in kürzester Zeit ausreichend hohe Ladungsträgerdichten im Entladungsvolumen der Plasma-Röntgenröhre vorhanden sein müssen. Insbesondere soll die Plasma-Röntgenröhre für den Pulsbetrieb bei TE-Lasern (Transversally excited) und hier vor allem für Excimer-Laser geeignet sein. [0006] Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer PlasmaRöntgenröhre der eingangs definierten Art durch die im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination a - d gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben. [0007] Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, insbesondere zur Röntgen-Vorionisierung von Gaslasern, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 9 charakterisiert ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 10 angegeben. Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Verwendung der PlasmaRÖntgenröhre nach den Patentansprüchen 1 bis 8 als Elektronenkanone bei entsprechend elektronendurchlässigerer Gestaltung des Röntgentargets in Form eines Austrittsfensters. [0008] Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem in einer hohen Intensität der Röntgenbremsstrahlung und in einer guten Homogenität der Strahlungsverteilung - auch unter Berücksichtigung der Absorptionsverhältnisse im Röntgenfenster und im Lasergas - zu sehen, so daß eine ausreichende Vorionisierungsdichte erreicht werden kann. Diese Werte können gemäß dem Patentanspruch 9 optimiert werden. Beim Pulsbetrieb nach Patentanspruch 10 beträgt die Dauer eines Rδntgenpulses etwa 50 ns FWHM (FWHM = Zeitdauer bei halbem Maximum). Die Stromdichte des gepulsten Elektronenstrahls, dessen Abbremsung in einem Material hoher Ordnungszahl zur Emission von Röntgenbremsstrahlung führt, beträgt beispielsweise 5 bis 10 A/cm2 bei einer Beschleunigungsspannung von 60 bis 120 kV im Maximum und diese Daten sind im wesentlichen durch die Eigenschaften des Hochspannungsgenerators gegeben, der die Röhre versorgt. Im Gegensatz zur Feldemmission ist beim Erfindungsgegenstand die thermische Belastung der Kathodenoberfläche viel geringer und hat kaum einen die Lebensdauer begrenzenden Einfluß auf das physikalische Prinzip der Elektronenerzeugung. Zudem bieten sich, wie gesagt, über Gasdruck und Plasmadichte Möglichkeiten an, Einfluß auf das Röhrenverhalten zu nehmen. [0009] Durch die US-PS 3 970 892 ist zwar eine Ionenplasma-Elektronenkanone bekannt, welche zur Erzeugung von Ladungsträgern in der Plasmakammer mit einem Zünddraht und einer Hohlkathodenentladung arbeitet. Hierbei ist jedoch die Hohlkathodenanode als isoliert montiertes Gitter ausgebildet, welches zusätzlich zum Beschleunigungsanodengitter den Querschnitt des Elektronenstrahls überdeckt. Dieses Anordnung ist hinsichtlich der Elektronenstromdichte durch die Doppelgitteranordπung ungünstiger. Außerdem ist aas isoliert angeordnete Hohlkathodenanodengitter elektrisch und mechanisch aufwendiger. [0010] Im folgenden werden eine Plasma-Röntgenröhre nach der Erfindung, ihre Wirkungsweise und das Verfahren zur Erzeugung von RöntgenStrahlung mit einer solchen Röntgenröhre anhand eines in der [0011] Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Darin zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung: [0012] FIG 1 einen Querschnitt durch die Plasma-Röntgenröhre, welche z.B. eine Länge von einem halben Meter (senkrecht zur [0013] Papierebene) haben kann; FIG 2 ein Diagramm, in welchem der Verlauf der Spannung UZ am Zünddraht und des Hohlkathodenstromes IHK über der Zeitachse t aufgetragen ist, wobei zwei Ordinatenachsen, die eine mit der Spannung U in kV und die andere mit dem Strom I in kA, verwendet sind; FIG 3 in einem entsprechenden Diagramm in einem Zeitausschnitt den Verlauf des Hohlkathodenstromes IHK und der Beschleunigungsspannung UB und FIG 4 den Verlauf der Beschleunigungsspannung UB und der [0014] Röntgenamplitude Uχ über der Zeitachse, wobei für beide Größen UB und UX die Dimension U in kV gilt. [0015] In ihrem prinzipiellen, geometrischen Aufbau besteht die Röntgenröhre R, dargestellt in Figur 1, aus zwei durch ein hochtransparentes Gitter 9 voneinander getrennten Kammern: Plasmaraum 1 und Beschleunigungsraum 2. [0016] In der ersten Kammer, dem Plasmaraum 1, wird bei niedrigem Partialdruck eine Gasentladung gezündet, durch welche sich ein Plasma ausbildet. Die Entladungsform der Hohlkathodenentladung läßt eine hohe Stromverstärkung zu und ermöglicht damit die Bereitstellung großer Ladungsträgerdichten im Niederdruckbereich. Hohlkathode 1' ist die gesamte Innenfläche 1.1 bis 1.4 und der größte Teil von 1.5 der ersten Kammer 1 mit Ausnahme anodennaher Bereiche von 1.5; sie umschließt damit annähernd den gesamten Raumwinkel. Die Anode 3 ist seitlich in αen Kathodenraum 1 eingebracht. Sie wird über eine Isolierdurchführung 4 in der Kathodenwand 5 elektrisch versorgt. Ihr Abstand zur umgebenden Wand 5 ist so bemessen, daß in diesem Bereich kein Überschlag stattfindet. Diese spezielle Anordnung der Anode 3 stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zur bekannten Anordnung nach der US-PS 3 970 892 dar, bei welcher die Anode als Gitter dem Beschleunigungsgitter vorgelagert ist, siehe dort Figur 2. Durch die seitliche Anordnung der Anode 3 innerhalb Hohlkathode l' und ihre massive Ausführung ergeben sich die Vorteile [0017] - eines höheren Wirkungsgrades, da eine Schwächung des sekundär erzeugten Elektronenstrahls unter dem Einfluß des Anodengitters vermieden wird, - eine höhere thermische Belastbarkeit der massiven Anode und [0018] - eine einfachere mechanische Ausführung. [0019] Um bei der vorgegebenen Geometrie eine sichere Zündung der Hohlkathodenentladung und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Stromdichte auf der gesamten Kathodenoberfläche zu gewährleisten, ist eine Anfangskonzentration an Ladungsträgern notwendig. Dieses Startplasma wird durch die Entladung eines dünnen Drahtes 6 bereitgestellt, der innerhalb der Hohlkathode 1 aufgespannt ist und über eine isolierte Durchführung (nicht dargestellt) elektrisch versorgt wird. Sowohl diese Zünddrahtentladung als auch die Hohlkathodenentladung werden gepulst betrieben. [0020] In der zweiten Kammer, dem Beschleunigungsraum 2, führen Beschleunigungsvorgänge von Ladungsträgern zur Erzeugung eines hochenergetischen Elektronenstrahls. An eine langgestreckte Elektrode 7 wird über eine durch die Wand 5a geführte hochspannungsisolierte Durchführung 8 ein hohes negatives Potential gelegt. Vorgegeben durch die Erfordernisse, die an die Vorionisierung eines entladungsgepumpten Excimerlasers gestellt sind, erfolgt die Beschleunigung der Ladungsträger gepulst (im Gegensatz zur genannten US-PS). Der Abstand zwischen Beschleunigungskathode 7 und gitter 9 ist so gewählt, daß bei dem niedrigen Betriebsdruck der Röhre kein Überschlag erfolgt. Im Feld der Beschleunigungskathode 7 gelangen Ionen 10 aus dem Niederdruckplasma der ersten Kammer durch das hochtransparente Gitter 9 und werden gegen die Kathodenoberfläche beschleunigt. Entsprechend ihrer kinetischen Energie lösen sie beim Aufprall auf die Kathode Sekundärelektronen 11 aus. Die sekundär erzeugten Elektronen werden nun ihrerseits gegen das Gitter 9 beschleunigt und gelangen durch den Plasmaraum 1 auf das Röntgentarget 12. [0021] Ihre mittlere freie Weglänge ist größer als die Gehäuseabmessungen, so daß Intensitäts- und Energieverluste durch etwaige Stoßprozesse sehr gering sind. Das im Querschnitt rechteckige, langgestreckte Gehäuse 5 weist die Seitenwände 5c, 5d, die Targetwand 5b und die die Kathode 7 halternde Wand 5a auf. Die Schichtdicken von Target- und Röntgenfenster 12 sind so bemessen, daß Verluste an Röntgenintensität durch Absorption klein gehalten werden und der Druckdifferenz gegenüber Atmosphäre bzw. dem Druck im Laser Rechnung getragen wird. Mit 5e, 5f sind noch von den Seitenwänden 5c bzw. 5d sich nach innen erstreckende Schirmwände bezeichnet, welche den Plasmaraum 1 vom Beschleunigungsraum 2 bis auf den Flächeπbereich des Gitters 9, entsprechend der Grundfläche des Kopfes der Kathode 7, abschirmen, 5bl, 5b2 sind Teilwände. Versuche haben gezeigt, daß Röntgenröhren nach dem dargestellten Funktionsprinzip zur Vorionisierung von Excimerlasern sich bewähren. Die räumliche Ausdehnung der Röhren ist den Dimensionen der zu ionisierenden Volumina angepaßt. Intensität und spektrale Energieverteilung der Röntgenbremsstrahlung sind mit dem Ziel einer ausreichenden Vorionisierungsdichte im Lasergas gewählt. Die Intensitätsverteilung über die Targetfläche genügt dem Erfordernis einer homogenen Vorionisierung des aktiven Laservolumens. [0022] Die Darstellung von Strom- und Spannungsverläufen (FIG 2 - 4) in zeitlicher Folge verdeutlicht die Funktionsweisen der Röhre: Figur 2 zeigt in einem Diagramm mit den Ordinatenachsen U in kV und I in kA die Spannung UZ am Zünddraht sowie den Entladungsstrom IHK(kA) der Hohlkathodenentladung über der Zeitachse t. Bei Anlegen einer positiven Spannung bildet sich um den Draht ein elektrisches Feld aus. Unter dessen Einfluß werden aufgrund von Umgebungsstrahlung vorhandene Elektronen auf lange Wege gezwungen, die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung von Gasatomen steigt an; Elektronenlawinen bilden sich aus und führen zur Zündung der Drahtentladung. Die Zündverzugszeit ist im wesentlichen abhängig von Feldstärke und Gasdruck. [0023] Der Zeitpunkt für die elektrische Ansteuerung der Hohlkathodenentladung ist mittels einer elektronischen Steuereinheit so gewählt, daß die Zünddrahtentladung in jedem Fall bereits erfolgt ist. Die Entladungsstromstärken der Hohlkathodenentladung sind weit größer als die der Zünddrahtentladung. [0024] Figur 3 zeigt in einem entsprechenden Diagramm Hohlkathodenstrom IHK und Beschleunigungsspannung UB. Der Zeitpunkt für den Einsatz der Beschleunigungsspannung kann ebenfalls über eine elektronische Steuerung vorgegeben werden. Er steht in engem Zusammenhang mit dem Zündzeitpunkt der Laserentladung. Die Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl liegt typisch zwischen 60 und 120 kV bei einer Stromdichte von ca. 5 bis 10 A/cm2. Die Halbwertsbreite des Röntgenpulses beträgt 50 bis 100 ns, vgl. Figur 4, wo der Verlauf von UB und der Röntgenamplitude Uχ über der Zeitachse t aufgetragen sind. [0025] Die Plasma-Röntgenröhre liefert vergleichbare Röntgenintensitäten wie Feldemissionsröhren, weist jedoch wesentlich konstantere Betriebsbedingunen bei viel höheren Standzeiten auf. [0026] Die Wirkungsweise ergibt sich zusammengefaßt wie folgt: Nach Anlegen eines positiven Spannungsimpulses an den Zünddraht 6 fliegen freie Elektronen, die sich im Gasvolumen befinden, in Spiralbahnen 13 auf den dünnen Draht zu. Auf seiner aufgerollten Flugbahn legt das Elektron eine größere als die mittlere freie Weglänge für Stoßionisation zurück und erzeugt so zusätzliche Ladungsträger. Ein Hochspannungsimpuls, der an die Hohlkathodenanode 3 angelegt wird, erhöht in Wechselwirkung mit den metallischen Wandungen 1.1 - 1.5 des Entladungsgefäßes bzw. Gehäuses 5 die Ladungsträgerdichte im Plasma des Hohlkathodenraumes bzw. Plasmaraumes 1. Der negative Hochspannungsimpuls auf die massive, ausgedehnte Beschleunigungskathode 7 saugt durch das Gitter 9 positive Ionen 10 aus dem Hohlkathodenraum 1 ab, die bei ihrem Auftreffen auf die Kathode 7 Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Die Elektronen werden von der Kathode 7 emittiert, zum Gitter 9 hin beschleunigt und durch den Driftraum 1 auf das Röntgentarget 12 hin geschossen. Der Gasdruck in der Röntgenröhre R ist so eingestellt, daß die beschleunigten Elektronen auf ihrer geradlinigen Bahn keine zusätzlichen Stoßprozesse erleiden und bei ihrem Auftreffen auf das Röntgentarget 12 die für die Beschleunigungsspannung charakteristische Bremsstrahlung emittieren. [0027] Es sei noch erwähnt, daß die Beschleunigung der Ladungsträger innerhalb des Beschleunigungsraumes 2 nur in dem Teilraum zwischen dem Kopf der Beschleunigungskathode 7 und dem Gitter 9 erfolgt; der Einfachheit halber ist jedoch der gesamte, die Beschleunigungskathode 7 umgebende Raum innerhalb der Wandteile 5a, 5c, 5e, 5f, 5d und des Gitters 9 als Beschleunigungsraum bezeichnet. Das Gitter 9 ist ein feinmaschiges Drahtgitter mit einer Durchlässigkeit von z.B. 75 % . Es kann aus Molybdän bestehen. Geeignete Metalle für die Hohlkathode l' sind Nickel oder Aluminium. Generell können die Wände der Hohlkathode l' und auch des Beschleunigungsraumes 2 aus Aluminium bestehen, welches auf den Wandinnenflächen mit einer Beschichtung aus Nickel versehen ist. Für die Beschleunigungskathode 7 kommen die folgenden Metalle oder Metallegierungen in Betracht: Aluminium und/oder Nickel und/oder CuBe. Ein günstiger Abstand zwischen dem Kopf der Beschleunigungskathode 7 und dem Gitter 9 ist 2 - 3 cm. Ein bevorzugter Druckbereich für den Plasmaraum 1 und den damit kommunizierenden Beschleunigungsraum ist etwa 2 bis 10 Pa (entsprechend etwa 20 - 80 mTorr). Bei diesem Unterdruck wird mit einer Gasfüllung aus Helium gearbeitet. Auch andere Gase, wie Ne oder H2 können als Arbeitsgas verwendet werden.
权利要求:
ClaimsPatentansprüche 1. Plasma-Röntgenröhre mit hohen Elektronenstromdichten, insbesondere zur Röntgen-Vorionisierung von Gaslasern, bestehend aus a) einem Plasmaraum (1), gebildet durch eine vorzugsweise auf Massepotential liegende metallische Hohlkathode (l') mit zwei einander mit Abstand gegenüberliegenden inneren und äußeren Begrenzungswänden (5e, 5f; 5b), von denen die äußere (5b) eine dünne metallische Folie oder eine aufgedampfte Schicht als Röntgentarget (12) und von denen die innere (5e, 5f) wenigstens ein für Elektronen- und Ionenstrahlung hochtransparentes metallisches Beschleunigungsgitter (9) aufweist, welches in Flucht mit dem Röntgentarget (12) liegt; b) wenigstens einer in den Plasmaraum (1) ragenden Zündelektrode in Form eines dünnen Drahtes (6), der relativ zur Hohlkathode (l') auf positivem Potential liegt; c) wenigstens einer z.B. in einer Seitenwand (5c) der Hohlkathode (1>) seitlich zur Flucht Röntgentarget (12) - Beschleunigungsgitter (9) isoliert und gasdicht gehaltenen Anode (3), welche relativ zur Hohlkathode (l') ebenfalls auf positivem Potential liegt; d) und einem an den Plasmaraum (1) anschließenden, über das Beschleunigungsgitter (9) mit diesem kommunizierenden Beschleunigungsraum (2), umgeben von metallischen Wänden (5a, 5c-5f), die mit den Begrenzungswänden der Hohlkathode (l') gasdicht und elektrisch verbunden sind, wobei in Flucht mit der Strecke Röntgentarget (12) - Beschleunigungsgitter (9) und mit Abstand zu letzterem der Kopf einer Beschleunigungskathode (7) angeordnet ist, deren Schaft mittels einer isolierenden gasdichtenDurchführung (8) z.B. in einer dem Beschleunigungsgitter (9) gegenüberliegenden Wand (5a) gehalten ist und wobei die Beschleunigungskathode (7) relativ zum Gitter (9) auf hohem Negativpotential liegt. 2. Plasma-Röntgenröhre nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Plasmaraum (1) und Beschleunigungsraum (2) von einem allseitig metallischen, geerdeten Gehäuse (5) gebildet sind. 3. Plasma-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hohlkathode (l') aus Nickel besteht. 4. Plasma-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hohlkathode (l') aus Aluminium besteht. 5. Plasma-Röntgenröhre nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hohlkathode (l') aus Nickel und Aluminium besteht, insbesondere aus Aluminiumwänden, die auf ihren Innenseiten mit Nickel beschichtet sind. 6. Plasma-Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Material für die Beschleunigungskathode (7) ein solches aus der Gruppe AI und/oder Ni und/oder Cu Be ausgewählt ist. 7. Plasma-Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einem Gasdruck im Bereich von ca. 2 bis 10 Pa außer Helium auch andere Gase, wie z.B. Neon und/oder H2 als Arbeitsgaskomponenten gewählt sind. 8. Plasma-Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Röntgentarget (12) aus einer dünnen Schicht oder Folie aus einem Material hoher Ordnungszahl, z.B. Gold oder Uran, besteht. 9. Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, insbesondere zur Rontgenvorionisierung von Gaslasern, mit einer Plasma-Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Variation von Hohlkathodenstrom und Gasdruck Beschleunigungsspannnung und -ström verändert werden, ohne deren elektrische Anregungsdaten zu ändern. 10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl die Niederdruckgasentladungen (Zünddrahtentladung, Hohlkathodenentladung) als auch die Beschleunigung der Ladungsträger im Pulsbetrieb erfolgen. 11. Verwendung der Plasma-Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Elektronenkanone bei entsprechend elektronendurchlässigerer Gestaltung des Austrittsfensters (12).
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引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1989-10-19| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP |
优先权:
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