DE10200349A1

DE10200349A1 - Method and arrangement for foreign gas detection in the beam path of optical imaging and / or beam guidance systems

Info

Publication number: DE10200349A1
Application number: DE10200349A
Authority: DE
Inventors: Gerhart Schroff; Michael Stetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2003-07-17
Also published as: EP1463929A1; WO2003058213A1; AU2002367326A1

Abstract

The invention relates to a method and an array for detecting foreign substances in the beam path of optical imaging or beam control systems (10), in which the housing enclosing the beam path and the optical components (10') is filled or flushed with a protective gas. Said protective gas is exposed to an intensity-modulated electromagnetic analytical wavefield (4') in a test volume (3). A photoacoustic signal (5) is generated for detecting impurities or foreign gases by means of the photoacoustic effect created when frequency components of the analytical wavefield (4') are absorbed by said foreign gases and/or impurities.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen im Strahlengang optischer Abbildungs- oder Strahlführungssysteme, bei welchen das den Strahlengang und die optischen Komponenten umschließende Gehäuse mit einem Schutzgas befüllt oder durchspült wird und Fremdgase oder Verunreinigungen im Schutzgas sich störend auf die optischen Abbildungseigenschaften dieser optischen Systeme auswirken können. The invention relates to a method and an arrangement for the detection of Foreign gases in the beam path of optical imaging or beam guidance systems, at which enclose the beam path and the optical components Housing is filled or flushed with a protective gas and foreign gases or Impurities in the protective gas interfere with the optical imaging properties of these optical systems can impact.

Bei den bekannten Verfahren wird der gesamte Strahlengang von optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystemen mit einem extrem reinen Gas, welches das verwendete Laserlicht -oder allgemeiner die verwendeten elektromagnetischen Wellen- nicht absorbiert, gefüllt. Hierdurch wird erreicht, daß die störenden Einflüsse von Fremdgasen oder anderen Verunreinigungen wie etwa sehr feinen Aerosolen oder feinen Rauch- oder Staubpartikeln auf die Abbildungseigenschaften von optischen Systemen, wie sie etwa in der Halbleiterindustrie zum Belichten von Wafern, oder bei leistungsstarken Laserschneid- oder Laserschweißanlagen eingesetzt werden, ausgeschlossen werden können. Kann das optische System nicht hinreichend dicht aufgebaut werden, so wird der gesamte Strahlengang mit einem extrem reinen Gas langsam durchspült. Ein Durchspülen des Strahlenganges kann aber auch dann notwendig werden, wenn einige der beim Aufbau des optischen Systems verwendeten Komponenten ausgasen und somit -meist sehr langsam und schwer vorhersehbar- Fremdgase in den Strahlengang gelangen. Die extreme Reinheit des Spülgases soll hierbei sicherstellen, daß keine störenden Einflüsse, bedingt durch Fremdgase oder Verunreinigungen auftreten können. Der Einsatz sehr reiner Gase löst zwar das Problem, erzeugt allerdings sehr hohe Kosten. In the known methods, the entire beam path is optical Imaging or beam guidance systems with an extremely pure gas, which the Laser light used - or more generally the electromagnetic one used Waves - not absorbed, filled. This ensures that the disruptive influences foreign gases or other contaminants such as very fine aerosols or fine smoke or dust particles on the imaging properties of optical systems, such as those used in the semiconductor industry for exposing wafers, or used in high-performance laser cutting or laser welding systems can be excluded. The optical system can not be sufficient be built up densely, so the entire beam path is extremely clean Gas is flushed out slowly. Rinsing the beam path can also then become necessary when some of the build the optical system outgass the components used and are therefore very slow and difficult predictable - foreign gases get into the beam path. The extreme purity of the purge gas should ensure that there are no disturbing influences caused by foreign gases or contamination can occur. The use of very pure gases does solve the problem, however, creates very high costs.

Bei Laserbearbeitungsmaschinen wird es zunehmend wichtiger den Strahlengang mit weit weniger reinen Gasen sicher spülen zu können, da hier der Gasverbrauch aufgrund der nur bedingt möglichen Dichtheit eines solchen Strahlführungssystems, hervorgerufen durch die sehr komplexen Komponenten und auch teils sehr lange Strahlführung, naturgemäß hoch ist. Hieraus ergibt sich dann die Notwendigkeit, die verwendeten Gase genauer analysieren zu können, um die Abbildungseigenschaften solcher Systeme nicht durch zu stark verunreinigte Schutzgase zu beeinflussen. Es ist zwar im Prinzip möglich, eine Gasanalyse mittels Massenspektrometer durchzuführen, doch ist diese Art der Analytik ausschließlich für den Laborbereich, nicht aber für die kontinuierliche Überwachung geeignet, da sowohl die Kosten für solch eine Messtechnik, als auch der personelle Aufwand sehr hoch sind. With laser processing machines, the beam path is becoming increasingly important to be able to rinse safely with far less pure gases, because here the gas consumption due to the limited tightness of such a beam guidance system, caused by the very complex components and sometimes very long Beam guidance is naturally high. This then results in the need for be able to analyze the gases used more precisely in order to Imaging properties of such systems cannot be influenced by excessively contaminated protective gases. In principle, it is possible to carry out a gas analysis using a mass spectrometer to perform, but this type of analysis is only for the laboratory area, not but suitable for continuous monitoring since both the cost of such a measurement technique, as well as the personnel expenditure are very high.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Bewertung der Einflüsse der im Schutzgas befindlichen Fremdgase oder Verunreinigungen auf die optischen Abbildungseigenschaften optischer Strahlführungs- oder Abbildungssysteme für praktische Anwendungsfälle schneller, sicherer und vor allem automatisierbar unter rauhen Industriebedingungen zu bezahlbaren Preisen durchgeführt werden kann. Proceeding from this, the object of the invention is a method and to improve an arrangement of the type mentioned in that the Evaluation of the influences of the foreign gases in the protective gas or Impurities on the optical imaging properties of optical beam guidance or Imaging systems for practical applications faster, safer and above all automatable under harsh industrial conditions at affordable prices can be carried out.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, dem Grundgedanken nach, sowie in Ausführungsvarianten und Ausgestaltungen derselben durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 11 und hinsichtlich der Anordnung durch die Merkmale des Anspruchs 12 und in Ausgestaltungen durch die weiteren Unteransprüche 13 bis 16 gelöst. With regard to the method, this task is characterized by the Features of claim 1, the basic idea, and in Design variants and refinements of the same through the features of subclaims 2 to 11 and with regard to the arrangement by the features of claim 12 and in Embodiments solved by the further subclaims 13 to 16.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei optischen Systemen, die zwischen den einzelnen optischen Komponenten (wie etwa Spiegeln, Strahlteilern, Linsen, optischen Gittern oder Prismen) Gase enthalten, die optischen Eigenschaften vom Brechungsindex des verwendeten Gases abhängen. Der wesentliche Einfluss von Fremdgasen oder anderen Verunreinigungen, welche diese, das optische System durchstrahlenden, elektromagnetischen Nutzwellenfelder absorbieren, ist dann darin zu sehen, daß diese Fremdgase oder Verunreinigungen lokal oder auch im gesamten Strahlengang des Nutzwellenfeldes zu einer Erwärmung des verwendeten Schutzgases führen und damit den Brechungsindex des Gases und somit die Abbildungseigenschaften verändern. The invention is based on the knowledge that in optical systems, the between the individual optical components (such as mirrors, beam splitters, Lenses, optical gratings or prisms) contain gases that have optical properties depend on the refractive index of the gas used. The main influence of foreign gases or other impurities, which these, the optical Absorb system radiating electromagnetic useful wave fields is then to be seen in the fact that these foreign gases or impurities locally or in entire beam path of the useful wave field to heat the used Lead protective gas and thus the refractive index of the gas and thus the Change imaging properties.

Um diese Einflüsse von Fremdgasen oder Verunreinigungen auf die optischen Eigenschaften optischer Systeme sicher erkennen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das den Strahlengang und meist auch die optischen Komponenten umgebende Schutzgas mittels des photoakustischen Effektes auf solche Fremdgase oder Verunreinigungen hin untersucht wird. Hierbei wird das zu untersuchende Schutzgas in einem Untersuchungsvolumen einem von einer Strahlquelle (beispielsweise von einem Laser) emittierten, intensitätsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeld ausgesetzt. Wird dieses Wellenfeld so gewählt, daß zumindest Frequenzanteile dieser Wellen von den Fremdgasen oder Verunreinigungen absorbiert werden können, so wird ein Teil der Moleküle und/oder Atome der Fremdgase oder Verunreinigungen durch Absorption der elektromagnetischen Wellen in einen energetisch angeregten Zustand gebracht. Durch Stöße mit anderen Molekülen oder Atomen in dem Untersuchungsvolumen können die angeregten Moleküle oder Atome ihre Anregungsenergie ganz oder teilweise abgeben und beispielsweise in Translations-, Rotations-, und Schwingungsenergie der Stoßpartner umwandeln. Die Erhöhung der Translationsenergie der im Untersuchungsvolumen vorhandenen Moleküle oder Atome bedeutet eine Temperaturerhöhung und damit einen Druckanstieg (photoakustischer Effekt). Durch das in das Untersuchungsvolumen eingestrahlte, periodisch in der Intensität veränderte Wellenfeld, ergeben sich periodische Druckschwankungen, die mittels eines Drucksensors oder eines Schallsensors nachgewiesen werden können. Das mittels des Drucksensors oder Schallsensors erzeugte und der Erkennung der Fremdgase oder Verunreinigungen dienende photoakustische Signal kann dann als Maß für die veränderten Abbildungseigenschaften des optischen Systems herangezogen werden. Die spektrale Zusammensetzung kann hierzu so gewält werden, daß das Analysewellenfeld alle oder zumindest einige Frequenzanteile des Nutzwellenfeldes enthält und/oder das Nutzwellenfeld alle und/oder einige Frequenzanteile des intensitätsmodulierten Analysewellenfeldes enthält. To avoid these influences of foreign gases or impurities on the optical According to the., The ability to reliably recognize properties of optical systems Invention proposed that the beam path and mostly the optical Shielding gas surrounding components by means of the photoacoustic effect on them Foreign gases or impurities are examined. This becomes investigating shielding gas in a test volume from a radiation source intensity modulated (for example by a laser) electromagnetic wave field exposed. Is this wave field chosen so that at least frequency components of these waves from the foreign gases or Impurities can be absorbed, so some of the molecules and / or atoms of the Foreign gases or impurities due to absorption of the electromagnetic Waves brought into an energetically excited state. By bumping into others Molecules or atoms in the test volume can be the excited ones Molecules or atoms release all or part of their excitation energy and for example in translation, rotational, and vibrational energy of the collision partners convert. The increase in the translation energy in the study volume existing molecules or atoms means an increase in temperature and thus a pressure increase (photoacoustic effect). By that in that Examination volume radiated in, periodically changed wave field result periodic pressure fluctuations, which are determined by means of a pressure sensor or a Sound sensor can be detected. That by means of the pressure sensor or Sound sensor generated and the detection of foreign gases or contaminants Serving photoacoustic signal can then be used as a measure of the changed Mapping properties of the optical system can be used. The spectral Composition can be chosen so that the analysis wave field all or contains at least some frequency components of the useful wave field and / or that Useful wave field all and / or some frequency components of the intensity-modulated Contains analysis wave field.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die spektrale Zusammensetzung des Nutzwellenfeldes und des intensitätsmodulierten Analysewellenfeldes übereinstimmen. A preferred embodiment of the invention provides that the spectral Composition of the useful wave field and the intensity-modulated Analysis wave field match.

Wird beispielsweise bei einer Laserschneidanlage ein CO₂-Laser eingesetzt und der Laser im 10,6 µm Bereich so betrieben, daß das emittierte Laserlicht nur die P(16), P(18), P(20), P(22), P(24) und P(30) Linien enthält, so kann zur Abschätzung des Einflusses von Fremdgasen oder Verunreinigungen auf die Abbildungseigenschaften der Laserschneidanlage (und damit auf die Schneidqualität) ein Analyselaserstrahl verwendet werden, der vorzugsweise nur eine, mehrere oder alle dieser Laserlinien oder noch weitere zusätzliche Laserlinien enthält. Enthält der Analyselaserstrahl alle Laserlinien des Nutzlaserstrahls, aber keine weiteren, so kann vorteilhafterweise die Intensitätsverteilung der einzelnen Linien des Analyselaserstrahls gleich der Intensitätsverteilung der Linien des Nutzlaserstrahls (mit welchem geschnitten wird) gewählt werden. Analog kann natürlich auch bei Abbildungssystemen von Belichtungssystemen die Lichtquellen im UV-Bereich einsetzen, oder auch bei Laserfusionsanordnungen usw. verfahren werden. If, for example, a CO ₂ laser is used in a laser cutting system and the laser is operated in the 10.6 μm range in such a way that the emitted laser light only the P ( 16 ), P ( 18 ), P ( 20 ), P ( 22 ), P ( 24 ) and P ( 30 ) lines, an analysis laser beam can be used to estimate the influence of foreign gases or impurities on the imaging properties of the laser cutting system (and thus on the cutting quality), which preferably only one, several or all of these laser lines or still contains additional laser lines. If the analysis laser beam contains all laser lines of the useful laser beam, but no further ones, then the intensity distribution of the individual lines of the analysis laser beam can advantageously be selected to be equal to the intensity distribution of the lines of the useful laser beam (with which the cut is made). Analogously, of course, the light sources in the UV range can also be used in imaging systems of exposure systems, or the procedure can also be used in laser fusion arrangements, etc.

Der große Vorteil dieser Art der Ermittlung der Einflüsse von Fremdgasen oder Verunreinigungen auf die Eigenschaften dieser Abbildungssysteme ist in dem direkten Zusammenhang zwischen Erwärmung des Schutzgases und dem der Erkennung dieser Einflüsse dienenden photoakustischen Signale zu sehen. Wollte man mit Massenspektrometern arbeiten, müßten hierzu erst alle in Betracht kommenden Fremdgase oder Verunreinigungen erkannt und eindeutig identifiziert werden, deren Konzentration ermittelt werden und über ein umfangreiches Tabellenwerk die daraus zu erwartenden thermischen Einflüsse errechnet werden. The big advantage of this type of determination of the influences of foreign gases or Impurities on the properties of these imaging systems is in the direct Relationship between the heating of the protective gas and that of the detection of these influencing photoacoustic signals. Did you want to Mass spectrometers work, all would have to be considered Foreign gases or impurities are recognized and clearly identified, their Concentration can be determined and the resulting from a comprehensive table expected thermal influences can be calculated.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß durch ein Pulsen der Anregungsleistung der Strahlquelle das von dieser emittierte Nutzwellenfeld in der Intensität moduliert wird. Wird das Analysewellenfeld beispielsweise mittels eines Strahlteilers oder eines teildurchlässigen Spiegels oder eines mit einer Bohrung versehenen Spiegels oder durch einen Streukörper, wie etwa ein dünner Draht aus dem Nutzwellenfeld ausgekoppelt, so ist das so gewonnene Analysewellenfeld wie das Nutzwellenfeld in der Intensität moduliert. Another advantageous embodiment of the invention provides that by a Pulsing the excitation power of the beam source emits the useful wave field emitted by it is modulated in intensity. For example, if the analysis wave field is a beam splitter or a semi-transparent mirror or one with a Bore provided mirror or by a diffuser, such as a thin wire decoupled from the useful wave field is the analysis wave field thus obtained how the useful wave field modulates in intensity.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das intensitätsmodulierte Analysewellenfeld dadurch erzeugt wird, daß vorzugsweise mittels eines Strahlteilers ein geringer Intensitätsanteil aus dem Nutzwellenfeld ausgekoppelt wird und durch periodisches Ausblenden vorzugsweise mittels eines mechanischen Unterbrecherrades in der Intensität moduliert wird. A preferred embodiment of the invention provides that intensity-modulated analysis wave field is generated by preferably using a Beam splitter a low intensity component is coupled out of the useful wave field and by periodic fading out, preferably by means of a mechanical one Breaker wheel is modulated in intensity.

Bei einigen Lasern, insbesondere bei vielen Eximerlasern, die im UV-Bereich emittieren, kann auch ein zweiter Laserstrahl sehr einfach aus dem Laser ausgekoppelt werden, indem man nicht nur an dem Auskoppelfenster, an welchem der Nutzlaserstrahl aus dem Laser austritt, Laserleistung aus dem Laserresonator auskoppelt, sondern auch an einem Resonatorspiegel oder einem anderen im Resonator befindlichen Bauteil, wie etwa einem Etalon, einen weiteren Laserstrahl mit geringer Laserleistung auskoppelt. Dies geht allerdings nur bei Laserquellen, die eine hinreichend hohe interne Verstärkung im Lasermedium zeigen. With some lasers, especially with many Eximer lasers, those in the UV range emit, a second laser beam can be coupled out of the laser very easily by not only looking at the decoupling window on which the Useful laser beam emerges from the laser, laser power is coupled out of the laser resonator, but also on a resonator mirror or another in the resonator located component, such as an etalon, another laser beam with less Laser power decouples. However, this only works with laser sources, the one show sufficiently high internal gain in the laser medium.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Untersuchungsvolumen innerhalb des Gehäuses des Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems angebracht wird, wobei das Untersuchungsvolumen so im Inneren des Abbildungssystems angebracht wird, daß in das Untersuchungsvolumen ohne große zeitliche Verzögerungen, beispielsweise hervorgerufen durch lange und/oder enge Diffusionswege, das momentan in dem Abbildungssystem vorhandene Gas gelangen kann. Another advantageous embodiment of the invention provides that the Examination volume within the housing of the imaging and / or Beam guidance system is attached, the examination volume so inside the Imaging system is attached that in the examination volume without large time delays caused, for example, by long and / or narrow Diffusion paths, the gas currently present in the imaging system can reach.

Die in dem Untersuchungsvolumen photoakustisch erzeugten Signale werden vorteilhafterweise in einem beispielsweise als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor in elektrische Ausganssignale umgewandelt und unter Bestimmung ihrer Intensität ausgewertet. The signals generated photoacoustically in the examination volume advantageously in a sound sensor in the form of a microphone, for example electrical output signals converted and determining their intensity evaluated.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen oder Verunreinigungen im Strahlengang optischer Abbildungs- oder Strahlführungssysteme nach dem photoakustischen Prinzip. Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement for detecting foreign gases or contaminants in the beam path of optical imaging or beam guidance systems according to the photoacoustic principle.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient der Erkennung von Fremdgasen oder Verunreinigungen innerhalb des Strahlenganges von mit einem Schutzgas gefüllten oder durchspülten Abbildungs- oder Strahlführungssystemen mittels des photoakustischen Prinzips. The arrangement shown in FIG. 1 serves for the detection of foreign gases or impurities within the beam path of imaging or beam guidance systems filled or flushed with a protective gas by means of the photoacoustic principle.

Die Strahlquelle (11), welche in vielen Anwendungsfällen als Laser ausgebildet sein wird, emittiert den Nutzwellenstrahl (1'), welcher meist als kollimierter, leicht divergenter Laserstrahl ausgebildet ist. Im Strahlengang des Nutzwellenfeldes (1') befindet sich hintereinander ein Strahlteiler (6) und danach die eigentlichen optischen Komponenten (10') des optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystems (10), welche das Nutzwellenfeld (1') auf die zu belichtende oder zu bearbeitende oder zu verdampfende Oberfläche (16), beispielsweise von Wafern, zu schneidenden Blechen oder bei der Laserfusion aufzuheizenden Targets geeignet abbilden sollen. Mittels des Strahlteilers (6) wird aus dem Nutzwellenfeld (1') das Analysewellenfeld (4) ausgekoppelt. Im Strahlengang des Analysewellenfeldes (4) befindet sich nacheinander ein Auskoppelfenster (19) und eine Modulationseinheit (12). Durch das Auskoppelfenster (19) kann das Analysewellenfeld (4) aus dem Gehäuse des Abbildungs- oder Strahlführungssystems (10) austreten. Mittels der Modulationseinrichtung (12), welche vorzugsweise als mechanisches Unterbrecherrad ausgebildet wird, kann der Analysestrahl (4) in der Intensität moduliert werden. Im Strahlengang des so modulierten Analysewellenfeldes (4') befindet sich die Nachweiskammer (3). Sie weist ein Ein- und Auslaßfenster (18), (18'), einen mit Gas befüllbaren Innenraum (17) und einen im Innenraum angeordneten, vorzugsweise als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor (7) auf. The beam source ( 11 ), which will be designed as a laser in many applications, emits the useful wave beam ( 1 '), which is usually designed as a collimated, slightly divergent laser beam. In the beam path of the Nutzwellenfeldes (1 ') one behind the other is a beam splitter (6) and then the actual optical components (10') of the optical imaging or beam delivery system (10) connecting the Nutzwellenfeld (1 ') to be exposed or to be processed or should suitably image the surface ( 16 ) to be evaporated, for example of wafers, sheets to be cut or targets to be heated in the case of laser fusion. The analysis wave field ( 4 ) is coupled out of the useful wave field ( 1 ') by means of the beam splitter ( 6 ). A decoupling window ( 19 ) and a modulation unit ( 12 ) are located one after the other in the beam path of the analysis wave field ( 4 ). The analysis wave field ( 4 ) can emerge from the housing of the imaging or beam guidance system ( 10 ) through the decoupling window ( 19 ). The intensity of the analysis beam ( 4 ) can be modulated by means of the modulation device ( 12 ), which is preferably designed as a mechanical interrupter wheel. The detection chamber ( 3 ) is located in the beam path of the analysis wave field ( 4 ') thus modulated. It has an inlet and outlet window ( 18 ), ( 18 '), an interior ( 17 ) which can be filled with gas, and a sound sensor ( 7 ) arranged in the interior, preferably in the form of a microphone.

Die Nachweiskammer (3) ist mit einem Befüllanschluß (8) und einem Evakuieranschluß (9) versehen. Sie kann mittels dieser Anschlüsse mit dem auf Fremdgase oder Verunreinigungen hin zu untersuchenden Schutzgas befüllt werden und nach einer Analyse wieder geleert, evakuiert oder auch gespült werden. Da das intensitätsmodulierte Analysewellenfeld (4') zu jedem Zeitpunkt dieselbe spektrale Zusammensetzung hat, wie das, das Abbildungs- oder Strahlführungssystem durchstrahlende Nutzwellenfeld (1'), wird von den im Schutzgas enthaltenen Fremdgasen oder Verunreinigungen bei einer Bestrahlung mit diesen Strahlen genau dann Energie aus dem intensitätsmodulierten Analysewellenfeld (4') absorbiert, wenn auch Energie aus dem Nutzwellenfeld (1') absorbiert wird. Die beim Durchstrahlen der Nachweiskammer (3) durch die in dem Schutzgas enthaltenen Fremdgase oder Verunreinigungen absorbierte Strahlenergie führt nach dem photoakustischen Effekt zu Temperaturänderungen und damit zu Druckschwankungen mit der durch die Modulationsfrequenz aufgeprägten Frequenz, die an dem Schallsensor (7) in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden können. Da die erzeugten Temperaturänderungen unter geeignet gewählten Randbedingungen, wie etwa eine auf den Strahldurchmesser, die Dimensionen der Nachweiskammer, das verwendete Schutzgas, den in der Nachweiskammer eingestellten Druck und die zu detektierenden Fremdgase abgestimmte Modulationsfrequenz, zu den erzeugten Druckschwankungen direkt proportional sind, bildet ein so erzeugtes photoakustisches Signal (5) ein eindeutiges Merkmal zur Beurteilung der Strahleigenschaften des optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystems. The detection chamber ( 3 ) is provided with a filling connection ( 8 ) and an evacuation connection ( 9 ). It can be filled with the protective gas to be examined for foreign gases or impurities by means of these connections and, after an analysis, emptied, evacuated or also flushed. Since the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') has the same spectral composition at all times as the useful wave field ( 1 ') radiating through the imaging or beam guidance system, energy is then emitted from the foreign gases or impurities contained in the protective gas when irradiated with these rays the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') is absorbed if energy from the useful wave field ( 1 ') is also absorbed. The radiation energy absorbed when the detection chamber ( 3 ) is irradiated by the foreign gases or impurities contained in the protective gas leads to temperature changes due to the photoacoustic effect and thus to pressure fluctuations with the frequency impressed by the modulation frequency, which are converted at the sound sensor ( 7 ) into electrical output signals can. As the temperature changes generated are directly proportional to the pressure fluctuations generated under suitably chosen boundary conditions, such as a beam diameter, the dimensions of the detection chamber, the shielding gas used, the pressure set in the detection chamber and the modulation frequency to be detected, this creates a pressure fluctuation generated photoacoustic signal ( 5 ) a unique feature for assessing the beam properties of the optical imaging or beam guidance system.

Der Befüllanschluß (8) der Nachweiskammer (3) ist über die Leitung (22) mit der Ablassöffnung (21) des Strahlführungssystems (10) verbunden und mit einem Befüllventil (22') versehen. Über die Ablassöffnung (21) kann dann eine Probe des in dem Strahlführungssystem (10) befindlichen Schutzgases für eine Analyse entnommen werden. Das Abbildungs- oder Strahlführungssystem (10) kann über die Einlassöffnung (20) mit Schutzgas befüllt und/oder durch kontinuierliches Einleiten von Schutzgas gespült werden. Das Schutzgas tritt dann an undichten Stellen oder sonstigen Öffnungen aus dem Strahlführungssystem wieder aus. The filling connection ( 8 ) of the detection chamber ( 3 ) is connected via the line ( 22 ) to the drain opening ( 21 ) of the beam guidance system ( 10 ) and provided with a filling valve ( 22 '). A sample of the shielding gas located in the beam guiding system ( 10 ) can then be removed via the discharge opening ( 21 ) for analysis. The imaging or beam guidance system ( 10 ) can be filled with protective gas via the inlet opening ( 20 ) and / or flushed through the continuous introduction of protective gas. The protective gas then emerges from the beam guidance system at leaks or other openings.

Der Evakuieranschluß (9) der Nachweiskammer wird über Leitung (23) mit einer Vakuumpumpe (24) verbunden und ist mit einem Evakuierventil (23') versehen. The evacuation connection ( 9 ) of the detection chamber is connected to a vacuum pump ( 24 ) via line ( 23 ) and is provided with an evacuation valve ( 23 ').

Die Analyse des Schutzgases auf Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin wird wie folgt durchgeführt:
Evakuierventil (23') wird geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vakuum in der Nachweiskammer (3) einstellt und/oder unterschritten wird. Das Vakuum kann vorzugsweise mittels eines in der Leitung (23) zwischen Evakuierventil (23') und Nachweiskammer (3) angebrachten Drucksensors gemessen werden;
sodann wird das Befüllventil (22') in der Leitung (22) geöffnet, um eine Probe des in dem Strahlführungssystem vorhandenen Schutzgases entnehmen zu können;
sodann wird nach einer kurzen Wartezeit, vorzugseise ein bis zwei Sekunden, in denen die Leitungen (22), (23) und die Nachweiskammer durchspült werden, das Evakuierventil (23') geschlossen und sobald der in der Leitung (23) zwischen Evakuierventil (23') und Nachweiskammer (3) angebrachte Drucksensor den gewünschten Druck, vorzugsweise Atmosphärendruck anzeigt, das Befüllventil (22') geschlossen und danach das Schutzgas auf eventuell enthaltene Fremdgase oder Verunreinigungen hin analysiert. The analysis of the shielding gas for foreign gases and / or impurities is carried out as follows:
The evacuation valve ( 23 ') is opened until a sufficiently deep vacuum is established in the detection chamber ( 3 ) and / or falls below. The vacuum can preferably be measured by means of a pressure sensor installed in the line ( 23 ) between the evacuation valve ( 23 ') and the detection chamber ( 3 );
the filling valve ( 22 ') in the line ( 22 ) is then opened in order to be able to take a sample of the protective gas present in the beam guiding system;
then after a short waiting time, preferably one to two seconds, in which the lines ( 22 ), ( 23 ) and the detection chamber are flushed, the evacuation valve ( 23 ') is closed and as soon as the line ( 23 ) between the evacuation valve ( 23 ') and detection chamber ( 3 ) attached pressure sensor indicates the desired pressure, preferably atmospheric pressure, the filling valve ( 22 ') is closed and then the protective gas is analyzed for any foreign gases or impurities that may be present.

Die Reinigung der Nachweiskammer (3) kann dann durch ein hinreichend tiefes Evakuieren mittels des Evakuierventils (23') und anschließendem Schließen des Evakuierventils (23') erfolgen. The detection chamber ( 3 ) can then be cleaned by a sufficiently deep evacuation by means of the evacuation valve ( 23 ') and subsequent closing of the evacuation valve ( 23 ').

Alternativ hierzu kann durch Anbringen einer Drossel in der Leitung zwischen Vakuumpumpe (24) und Evakuierventil (23') bei offenem Evakuierventil und offenem Befüllventil ein dann konstanter Volumenstrom durch die Nachweiskammer gesaugt werden und so eine kontinuierliche Analyse des Schutzgases durchgeführt werden. As an alternative to this, a constant volume flow can be drawn through the detection chamber by attaching a throttle in the line between the vacuum pump ( 24 ) and the evacuation valve ( 23 ') with the evacuation valve and the filling valve open, so that a continuous analysis of the protective gas can be carried out.

Claims

1. Method for foreign gas detection in optical imaging and / or beam guidance systems ( 10 ), in which the volume ( 2 ) of the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) irradiated by the electromagnetic useful wave field ( 1 ') with a protective gas, which the frequency components of the Nutzwellenfeldes (1 ') can not absorb, is filled and / or flushed, characterized in that the protective gas used in an examination volume (3) an intensity-modulated electromagnetic analysis wave field (4' is exposed) which frequency components of the Nutzwellenfeldes (1 ' ) contains and that when the frequency components of the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') are absorbed by foreign gases and / or contaminants by means of the photoacoustic effect, a photoacoustic signal ( 5 ) serving to detect contaminants and / or foreign gases is generated and / or that the photoacoustic signal ( 5 ) as a measure of r the changed imaging properties of the optical system is evaluated and / or evaluated as a measure of the concentration of the foreign gases and / or impurities.

2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency components contained in the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') are also contained in the useful wave field ( 1 ').

3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the frequency components contained in the useful wave field ( 1 ') are also contained in the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ').

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spectral composition of the frequency components contained in the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') matches the spectral composition of the frequency components contained in the useful wave field ( 1 ').

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') is generated in that from the beam source ( 11 ) emitted and the beam guidance system ( 10 ) penetrating useful wave field ( 1 ') preferably by means a beam splitter ( 6 ) an analysis wave field is coupled out and the analysis wave field is intensity-modulated by preferably periodically pulsing the excitation power of the beam source ( 11 ).

6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the intensity-modulated analysis wave field ( 4 ') is generated in that from the beam source ( 11 ) emitted and the beam guidance system ( 10 ) penetrating useful wave field ( 1 ') preferably by means of a beam splitter ( 6 ) an analysis wave field is coupled out and the analysis wave field is intensity-modulated by preferably periodic blanking.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the examination volume ( 3 ) within the volume of the useful wave field ( 1 ') irradiated ( 2 ) of the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) is attached so that a gas exchange between the two volumes is quick and easy.

8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that when the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) is flushed out of the latter at the outlet opening ( 21 ), protective gas escaping into the examination volume ( 3 ) is passed.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the volume irradiated by the useful wave field ( 1 ') ( 2 ) is flushed with the protective gas so that foreign gases and / or impurities are homogeneously distributed in this volume.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the photoacoustic signal ( 5 ) preferably as an electrical output signal, so by means of a preferably designed as a microphone sound sensor ( 7 ) is generated that it by means of the photoacoustic effect in the Examination volume ( 3 ) generated pressure changes is proportional and evaluated while determining the intensity.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that N ₂ and / or O ₂ and / or He and / or H ₂ and / or Ar is used as the protective gas.

12. Arrangement for foreign gas detection in optical imaging and / or beam guidance systems ( 10 ), in which the electromagnetic useful wave field ( 1 ') emitted by a beam source ( 11 ) and penetrating the beam guidance system ( 10 ), preferably by means of a beam splitter ( 6 ), an analysis wave field ( 4 ) is coupled out, with a volume ( 2 ) which can be filled and / or flushed with protective gas and surrounds the beam path of the useful wave field ( 1 ') and which is preferably defined by the housing of the beam guidance system ( 10 ), with a modulation device ( 12 ) a preferably the detection chamber for producing modulated by a periodic hiding the analysis wave field (4), (3) passing through the intensity-modulated analysis wave field (4 '), having disposed in the detection chamber (3) sound sensor (7) for measuring by the photoacoustic effect in Detection chamber ( 3 ) generated pressure fluctuations and z To generate a photoacoustic signal ( 5 ), which is preferably proportional to these photoacoustically generated pressure fluctuations, which is then evaluated as a measure of the changed optical imaging properties of the beam guidance system ( 10 ).

13. The arrangement according to claim 12, characterized in that the modulation device ( 12 ) is realized by means of a mechanical interrupter wheel.

14. Arrangement according to one of claims 12 to 13, characterized in that the detection chamber ( 3 ) with a filling connection ( 8 ) and an evacuation connection ( 9 ) is provided to the detection chamber ( 3 ) with which to analyze for foreign gases or impurities To be able to fill protective gas and to be able to remove the protective gas again after an analysis.

15. Arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that at the drain opening ( 21 ) from the beam guidance system ( 10 ) emerging protective gas by means of a line ( 22 ) which connects the drain opening ( 21 ) with the filling connection ( 8 ) of the detection chamber ( 3 ) connects, is brought into the detection chamber ( 3 ).

16. Arrangement according to one of claims 12 to 15, characterized in that in the line ( 22 ) between the drain opening ( 21 ) and filling connection ( 8 ), a filling valve ( 22 ') for opening and closing the filling connection is attached and that the evacuation connection ( 9 ) via the evacuation valve ( 23 ') to the vacuum pump ( 24 ) for evacuating and / or rinsing the detection chamber ( 3 ) by means of a line ( 23 ).