CN106469641A - 一种高效高亮度真空紫外光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效高亮度真空紫外光源装置，包括等离子保持器、射频电场聚焦器和密封固定装置。本发明装置利用等离子局域场原理在局部空间形成高密度的射频电场(电场强度可以达到10⁷V/m)，可以直接电离激发等离子，不需要传统的点火装置，简化了系统，提高了实用和稳定性；通过对射频电场聚焦器、等离子保持器尺寸参数、进气参数进行合理配置，可以实现10¹⁸photons/(Sr*S)以上级别的紫外光发光强度；本发明装置不受传统的工作气体限制，可以使用多种不同的工作气体，发出的紫外光能量可以覆盖6～50eV；另外本发明的装置可有10000小时以上的超长使用寿命。

Description

一种高效高亮度真空紫外光源装置

技术领域

本发明涉及紫外光源设备领域，特别涉及一种高效高亮度真空紫外光源装置。

背景技术

真空紫外光源在科研方面的光电子能谱、质谱研究；微电子与光电子技术的紫外光刻；化学工业中的光合成、光固化、光氧化；食品医疗方面的杀菌、消毒、治疗皮肤病以及公安侦查的鉴别等领域具有广泛的应用。

现有的真空紫外光源装置按紫外光产生的机理，一般分为高压电极放电、微波波导谐振腔耦合、电感线圈耦合等几种类型，但目前上述装置都有着各自的缺陷：

1、利用高压电极放电产生等离子发光，该类装置的电极因受等离子腐蚀，其寿命一般在1000小时以内。同时电极之间电场能量密度小(一般在10⁵V/m以下)，导致发光效率不高，一般在不超过10¹⁵photons/(Sr*S)；

2、波导型谐振腔微波耦合，由于该类装置的电场能量密度分布在整个谐振腔内，因而能量分布空间大，发光效率一般不超过10¹⁶photons/(Sr*S)；在波导型谐振腔微波耦合的基础上，增加一段与微波频率匹配的永磁体，使产生的等离子体发生回旋共振(ECR)，采用电子回旋共振的方式激发产生等离子体是更先进的低温等离子体技术，发光效率有一定的提高，但是其发光效率仍达不到10¹⁷photons/(Sr*S)；更重要的一点这种波导型谐振腔的尺寸需要和微波的波长匹配。为了减小谐振腔的尺寸，通常需要使用高频的微波(代表性的如：德国SPECS公司采用的是2.45GHz微波源，瑞典的SCIENTA公司更是使用了10GHz超高频微波源)作为激励源，这类大功率的高频微波源及配套设备体积庞大、价格昂贵；

3、电感线圈耦合方式，线圈激发的频率较低(一般小于100MHz)，其发光效率不超过10¹⁶photons/(Sr*S)。

另外现有的真空紫外光源装置，多数需要点火装置，导致系统较为复杂，制造和维护成本高。另一方面，对于较重的气体，由于等离子腐蚀比较严重，现有的真空紫外光源装置只能激励1-2种工作气体发光。我们的特殊结构设计有效的避免了等离子对装置的腐蚀，拓展了工作气体的种类。

发明内容

为了解决现有真空紫外光源装置普遍存在发光效率低，强度弱的问题，本发明披露了一种高效高亮度真空紫外光源装置，本发明的技术方案是这样实施的：

一种高效高亮度真空紫外光源装置，包括等离子保持器、射频电场聚焦器和密封固定装置；所述密封固定装置包括真空接口；所述射频电场聚焦器为等离子局域场型电场聚焦器，包括射频源、天线、内导体和外导体；所述天线第一端与所述射频源电性连接，所述天线第二端与所述外导体电性连接；所述等离子保持器包括光传导部和进气口；所述等离子保持器至少一部分位于所述射频电场聚焦器的能量聚焦范围内。

优选地，所述内导体包括柱状的内电极面，所述外导体包括阶梯形柱状的外电极面，所述内电极面与所述外电极面电性连接，所述外电极面包括上极面和下极面；所述外电极面与所述内电极面同轴；所述上极面与所述内电极面的径向距离L₁在1～15mm之间；所述下极面与所述内电极面的径向距离L₂大于L₁；所述上极面的截面长度H₁与下极面的截面长度H₂之和在10～150mm之间；所述天线设置于所述下极面与所述内电极面之间；所述射频源输入的射频频率在100MHz～10GHz之间。

优选地，所述密封固定装置还包括固定部件；所述固定部件用于限定所述等离子保持器和所述内导体的相对位置；所述真空接口紧套在所述光传导部外壁上。

优选地，所述光传导部包括窄通道，所述窄通道内径D₁为0.5～6mm；所述等离子保持器位于所述能量聚焦范围内的部分，其厚度为0.2～4mm。

优选地，所述固定部件为可容纳所述外导体、所述内导体、所述天线及所述等离子保持器的管状容器，所述固定部件顶部固定所述光传导部。

优选地，所述等离子保持器还包括与所述光传导部连接的封闭部，所述封闭部位于所述射频电场聚焦器的能量聚焦范围内。

优选地，所述封闭部呈椭球形，其短轴方向内径D₂为2～20mm，长轴方向内径D₃为5～30mm。

优选地，所述进气口设置于所述光传导部一侧，进气口气压为10^-3～10mbar，进气口的气体流量为0.05～20sccm。

优选地，所述等离子保持器贯穿所述内导体，所述进气口设置于所述等离子保持器的尾部。

优选地，所述等离子保持器与所述内导体的间距为0.1～5mm，所述等离子保持器内径为0.5～6mm，厚度为0.2～4mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明的装置在局部空间形成高密度的射频电场(电场强度可以达到10⁷V/m)，可以直接电离激发等离子，不需要传统的点火装置，简化了系统，提高了实用和稳定性；

2、本发明的主要部件(射频电场聚焦器和等离子保持器)尺寸小，使得整个紫外光源装置的体积可以控制在1L之内，大大优于现有的紫外光源装置(3L)；

3、本发明所述紫外光源装置可采用24V的低电压驱动射频输出，相比于传统方式的高压(>1000V)极大地降低了使用过程中的安全隐患；

4、通过对射频电场聚焦器、等离子保持器尺寸参数、进气参数进行合理配置，高频场激励可以实现10¹⁸photons/(Sr*S)以上级别的紫外光发光效率，发出的紫外光能量可以达到6～50eV；

5、另外本发明使用无极激发的方式可以实现10000小时以上的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为射频电场聚焦器原理图；

图2射频电场聚焦器等效电路图；

图3为内导体和外导体尺寸参数示意图；

图4为天线横置的截面示意图；

图5为内导体顶端凹陷的截面结构示意图；

图6为内导体为中空形态的截面结构示意图；

图7为外导体截面为三级阶梯状的示意图；

图8为等离子保持器贯穿内导体的截面结构示意图；

图9为密封固定装置与等离子保持器以及外导体之间的位置关系结构截面示意图；

图10为等离子保持器的一种截面结构示意图；

图11为等离子保持器的另一种截面结构示意图；

图12为本文列举的等离子保持器的第三种截面结构示意图；

图13为本文列举的等离子保持器的第四种截面结构示意图；

图14为本文列举的等离子保持器的第五种截面结构示意图；

图15为本文列举的等离子保持器的第六种截面结构示意图；

图16为顶端封闭的等离子保持器的一种截面结构示意图；

图17为等离子保持器顶端设置有遮光片时的局部截面示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

等离子保持器1，光传导部11，窄通道111，遮光片112，进气口12，封闭部13；

射频电场聚焦器2，射频源21，天线22，内导体23，内电极面231，内导体上端232，外导体24，外电极面241，上极面242，下极面243，能量聚焦范围25，绝缘体26；

密封固定装置3，真空接口31，固定部件32；真空腔体4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种高效高亮度真空紫外光源装置，其在真空环境中发出的紫外光能量主要在6～50eV之间。

本文使用上、下、顶部、底部等词语，是为了方便结合附图进行各部件结构，以及各部件之间的连接关系、位置关系的描述，以及使本领域技术人员更好地理解本发明，这一类的词语仅表示相对的位置关系或者方向。

在本发明的一种具体实施方式中，如图1、图9、图11所示，一种高效高亮度真空紫外光源装置，包括等离子保持器1、射频电场聚焦器2和密封固定装置3；所述密封固定装置3包括真空接口31；所述射频电场聚焦器2为等离子局域场型电场聚焦器，包括射频源21、天线22、内导体23和外导体24；所述天线22第一端与所述射频源21电性连接，所述天线22第二端与所述外导体24电性连接；所述等离子保持器1包括光传导部11和进气口12；所述等离子保持器1至少一部分位于所述射频电场聚焦器2的能量聚焦范围25内。

本发明中，紫外光产生及发射的原理是：通过射频电场聚焦器2将射频电场能量高度聚焦，实施者对聚焦范围内至少一个高电场密度的局部空间进行抽真空的处理，随后将发光气体源源不断输送到该局部空间，高密度的电场将使发光气体电离成等离子体，等离子体对外辐射发出紫外光，由于该局部空间为非封闭状态，因此随着发光气体不断更新，可以实现长时间的紫外光输出；另外该局部空间内气体的更新，使得造就该局部空间的容器(即等离子保持器)本身在高温高压下产生的杂质气体被带走，保证了等离子发光环境中发光气体的纯度。

本发明所述的射频电场聚焦器2，其等效电路原理如图1、图2所示。天线22将射频源21提供的射频能量耦合至内导体23和外导体之间24，天线22的放置形式本领域常规技术，例如可以如图1、图4所示形式放置，并由绝缘体26固定；天线22的材质一般有铜、银等金属良导体，天线22的形状一般有直线型、L型等。

射频源用于提供射频信号，本发明所述射频定义为频率在100MHz～10GHz之间，射频源又可称为微波源、微波发生器、固态射频源、高频射频源等。

射频电场聚焦器2的能量聚焦范围如图1中的虚线框所示，该范围处于内导体顶端232上下30mm范围内。所述等离子保持器1至少一部分位于射频电场能量聚焦范围25内，使得等离子保持器1内的至少一部分发光气体能在高密度电场被电离。

本发明所述的发光气体，其种类的选择属于本领域技术人员的常识范围，一般选用单种的惰性气体，如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氘气等，当然也可以是这些种类气体之间的组合，或者这些气体与其他气体的组合，或者仅由其他种类气体组成，在此不作特别限制。

本发明所述密封固定装置3的作用主要是用于直接或者间接支撑或固定等离子保持器1以及射频电场聚焦器2的内导体23和外导体24。

本发明所述真空紫外光源装置通过真空接口31(如图8或图9所示)对接各种外部的科研仪器，对接端形成的真空腔体4(如图8或图9所示)也要求具有一定的真空度(最好是小于10^-3mbar)，以实现紫外光在一定距离内低损耗的传播和使用；常见地，所述真空接口31可对接硅光电二极管、分析器等科研仪器，或者对接样品、金膜等样品反应容器，从而实现无损原位表面分析等测试或者工作。真空接口31既可以套在等离子保持器上1(此时真空接口设置在等离子保持器1外侧，起到固定以及支撑等离子保持器1的作用)，也可以设置在光传导部11的出口端(此时真空接口31连接光传导部11的出口端以及科研仪器的对接端，如质谱仪、摄谱仪、光电子能谱等)，也可以设置在其他部位上，只要能起到将等离子保持器1和外部科研仪器的紫外光输入端口密封连通的作用即可。在本具体实施方式中，真空接口31主要包括真空法兰。

本发明所述的等离子保持器1，其主要作用是保证发光气体流经射频电场能量高度聚焦的局部空间，保证该局部空间内气压符合等离子发光的条件，并引导紫外光的传输。等离子保持器1一般采用石英材质，当然也可以是常见的用于作为等离子反应容器的其他材质，如蓝宝石、陶瓷或其他非金属耐高温的材质。出于耐高温、高压，以及轻便小巧的考虑，等离子保持器1的厚度最好选取在0.2～6mm之内。等离子保持器1的形状一般为管状，当其为管状时，可以是顶部敞开尾部封闭的形态(如图10～13及图15所示)，也可以是顶部和尾部都敞开的形态(如图14所示)，也可以是顶部和尾部都封闭的形态(如图16所示)。在一些情况下，由于等离子保持器1(图11～图15)输出端(即顶部)为非封闭状态，相比于现有的封闭式的等离子发生容器或者等离子灯泡，可让紫外光无介质损耗地输出，更耐腐蚀所述等离子保持器1的散热效果更好，可以承受等离子散发的更高热量，输出更高能量的紫外光。在另一些情况下，为控制输出紫外光的能量，可以将等离子保持器1做成如图16所示的形状，其顶部封闭；当然，也可以在本来敞开的顶部上放置一遮光片112(如图17所示，光传导部11两侧分别设置有进气口12以及抽气口)，遮光片112一般采用氟化物作为材料，如氟化钙、氟化锂或氟化镁，这样通常可以将输出的紫外光能量控制在11eV以下。

等离子保持器1设置有进气口12，外部的进气装置(进气装置为科研领域常用设备)对接进气口12，从而将发光气体按一定流速和流量输送到等离子保持器1内。

等离子保持器1包括光传导部11，光传导部11用以引导紫外光的输出，以及为发光气体提供流出的通道。光传导部11常见的形状如图11、图14所示。

在一种优选实施方式中，结合图1和图3，所述内导体23包括柱状的内电极面231，所述外导体24包括阶梯形柱状的外电极面241，所述内电极面231与所述外电极面241电性连接，所述外电极面241包括上极面242和下极面243；所述外电极面241与所述内电极面231同轴；所述上极面242与所述内电极面231的径向距离L₁在1～15mm之间；所述下极面243与所述内电极面231的径向距离L₂大于L₁；所述上极面242的截面长度H₁与下极面243的截面长度H₂之和在10～150mm之间；所述天线22设置于所述下极面234与所述内电极面231之间；所述射频源21输入的射频频率在100MHz～10GHz之间。

从电路结构方面而言，内电极面231与外电极面241相当于是电容的两个电极，而射频电场就在内电极面231以及外电极面241之间产生；内电极面231以及外电极面241之间可以是真空、空气或者是耐高温的非导电介质，本实施方式优选空气。所述外电极面241与所述内电极面231既可以同轴也可以不同轴，但这两种情况均落入本发明的保护范围。外导体24的外电极面241可以是如图3所示的二级阶梯形柱状金属面，也可以是如图7所示的三级阶梯形柱状金属面，当然也可以是在上极面242和下极面243相连的基础上，作出的其他变形；外导体24可以是由金属组成，也可以是由本领域技术人员按照常识，选用金属和非金属材料搭配组成，只要满足外电极面241为良导体金属面即可；同理，内导体23也只需要满足内电极面231为良导体金属面即可，内导体23可以是实心的(如图3所示)，也可以是中空的(如图6所示)，也可以是顶端凹陷的形状(如图5所示)，当然，以上仅是常见的一些实施方式。另外，要在内导体顶端232(如图1所示)上下30mm内形成高密度电场，L₁、L₂、H₁、H₂几个参数的选取较为困难，本优选实施方式中列举的参数范围已经包括了最优的组合，在此基础上可以实现局部空间的电场密度达到10⁷V/m以上，理论上可以达到10⁸V/m，这是实现提高紫外光发光效率的主要因素，也是发明人作出主要的创造性贡献之一。

在一种优选实施方式中，H₁在10～30mm之间，H₂在15～100mm之间。

在一种优选实施方式中，L2在15～100mm之间，保证了装置具有较小体积。

在一种优选实施方式中，L1＝L2，使得外导体易于制造。

在一种优选实施方式中，H1＜H2，使得被聚焦的电场的密度进一步得到提高。

在一种优选实施方式中，如图8或图9所示，所述密封固定装置还包括固定部件32；所述固定部件32用于限定所述等离子保持器1和所述内导体23的相对位置；所述真空接口31紧套在所述光传导部11外壁上。固定部件32可以与内导体32一体成型，也可以是活动连接，在此不作特别限制。固定部件32可以和等离子保持器1直接接触也可以是通过真空接口31间接接触，固定部件32和内导体23的接触方式也不作特别限制。固定部件32本身既可以是一体成型的，也可以是分开的。固定部件32可以是各种常见的形态，如支架、支柱、容器等，只要能起到固定等离子保持器1以及内导体23，并使等离子保持器1至少一部分落入射频电场聚焦范围25内的作用即可。

在一种优选实施方式中，所述固定部件32为可容纳所述外导体24、所述内导体23、所述天线22及所述等离子保持器1的管状容器(如图8或图9所示)，所述固定部件32顶部固定所述光传导部11。管状容器的设计，使得外导体24、内导体23、等离子保持器1得到更好的保护，避免了外界对这些敏感部件的污染、腐蚀以及干扰。

在一种优选实施方式中，结合图9和图11，所述光传导部11包括窄通道111，所述窄通道111内径D₁为0.5～6mm；所述等离子保持器1位于所述能量聚焦范围25内的部分，其厚度为0.2～4mm。窄通道内径D₁较小，使得流经窄通道111的气体流量和流速易于控制，从而形成并保持等离子产生的气压条件，而窄通道111和真空腔体4之间由于气压差较大，使得真空腔体4内气体参数不符合等离子产生的条件，避免了等离子对外部科研仪器端口的腐蚀，当然也避免了大量等离子体进入真空腔体4的情况的发生。

在一种优选实施方式中，所述等离子保持器1还包括与所述光传导部11连接的封闭部13，所述封闭部13位于所述射频电场聚焦器2的能量聚焦范围25内。在该优选实施方式中，等离子主要产生在封闭部13内，封闭部13的设计是出于气压稳定性的考虑，使得等离子的产生所需要的气压更加稳定而且容易控制。封闭部13可以按需求做成各种容积，大容积的情况下可以容纳更多发光气体，有助于提高光通量。封闭部13的形状不作特别限制，可以是球体状(如图11所示)、柱体状(如图13所示)、多边体状(如图12所示)等。封闭部13可以伸进内导体23内部(如图5所示)，也可以位于内导体23外(如图9所示)，当然也可以穿过内导体23(如图8所示)。

在一种优选实施方式中，如图10所示，所述封闭部13呈椭球形，其短轴方向内径D₂为2～20mm，长轴方向内径D₃为5～30mm。

在一种优选实施方式中，所述封闭部13的厚度为0.2～4mm，较小的厚度降低了射频电场能量从外进入封闭部13时的损耗。

在一种优选实施方式中，如图11所示，所述进气口12设置于所述光传导部11一侧，进气口气压为10^-3～10mbar，进气口的气体流量为0.05～20sccm；该优选实施方式配合等离子保持器封闭部13的设计，使得紫外光发光效率处于较高的级别，可以达到10¹⁸photons/(Sr*S)以上。

在一种优选实施方式中，如图8所示，所述等离子保持器1贯穿所述内导体23，所述进气口12设置于所述等离子保持器1的尾部。这样的设计使得等离子保持器1易于制造，而且使得进气口12更容易对接进气装置，相比于进气口12设置于光传导部11一侧的情况，避免了密封不严的情况。

在一种优选实施方式中，如图8所示结构，所述等离子保持器1与所述内导体23的间距为0.1～5mm，所述等离子保持器1内径为0.5～6mm，厚度为0.2～4mm。

在一种优选实施方式中，L₁取值为4mm，L₂取值为45mm，H₁取值为12mm，H₂取值为50mm，射频源21输入频率为650MHz，结合图9的结构，等离子保持器1与内导体23顶部的距离为5mm，可以实现10¹⁸photons/(Sr*S)级别紫外光输出。

上述列举的各种实施方式，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施。

上述各种实施方式列举的关于射频电场聚焦器、等离子保持器的尺寸参数，仅从实用、小巧、轻质的方面综合考虑进行选取，当然本发明所述的真空紫外光源装置的各部件也可以根据实际需要而选取其他尺寸。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：

包括等离子保持器、射频电场聚焦器和密封固定装置；

所述密封固定装置包括真空接口；

所述射频电场聚焦器为等离子局域场型电场聚焦器，包括射频源、天线、内导体和外导体；所述天线第一端与所述射频源电性连接，所述天线第二端与所述外导体电性连接；

所述等离子保持器包括光传导部和进气口；

所述等离子保持器至少一部分位于所述射频电场聚焦器的能量聚焦范围内。

2.如权利要求1所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：

所述内导体包括柱状的内电极面，所述外导体包括阶梯形柱状的外电极面，所述内电极面与所述外电极面电性连接；

所述外电极面包括上极面和下极面；所述外电极面与所述内电极面同轴；所述上极面与所述内电极面的径向距离L₁在1～15mm之间；所述下极面与所述内电极面的径向距离L₂大于L₁；所述上极面的截面长度H₁与下极面的截面长度H₂之和在10～150mm之间；所述天线设置于所述下极面与所述内电极面之间；所述射频源输入的射频频率在100MHz～10GHz之间。

3.如权利要求2所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述密封固定装置还包括固定部件；所述固定部件用于限定所述等离子保持器和所述内导体的相对位置；所述真空接口紧套在所述光传导部外壁上。

4.如权利要求3所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述光传导部包括窄通道，所述窄通道内径D₁为0.5～6mm；

所述等离子保持器位于所述能量聚焦范围内的部分，其厚度为0.2～4mm。

5.如权利要求4所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述固定部件为可容纳所述外导体、所述内导体、所述天线及所述等离子保持器的管状容器，所述固定部件的顶部固定所述光传导部。

6.如权利要求1～5任一项所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述等离子保持器还包括与所述光传导部连接的封闭部，所述封闭部位于所述射频电场聚焦器的能量聚焦范围内。

7.如权利要求6所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述封闭部呈椭球形，其短轴方向内径D₂为2～20mm，长轴方向内径D₃为5～30mm。

8.如权利要求7所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述进气口设置于所述光传导部一侧，进气口气压为10^-3～10mbar，进气口的气体流量为0.05～20sccm。

9.如权利要求1-5所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述等离子保持器贯穿所述内导体，所述进气口设置于所述等离子保持器的尾部。

10.如权利要求9所述的一种高效高亮度真空紫外光源装置，其特征在于：所述等离子保持器与所述内导体的间距为0.1～5mm，所述等离子保持器内径为0.5～6mm，厚度为0.2～4mm。