CN106941073B - 一种同轴气体放电真空紫外光源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明采用射频气体放电方式激发惰性气体等离子体，提供一种用于产生真空紫外光源的装置。该装置由中心柱形相互作用腔、同轴环形放电光源腔、射频螺旋共振激发腔与超高真空法兰连接件四部分组成。该装置采用氟化镁晶体材料制成的圆管作为光学窗，真空紫外光在氟化镁圆管外壁的同轴环形放电光源腔产生，穿过氟化镁圆管照射到内部中心柱形相互作用腔，直接作用于目标物质，缩短光线传播距离，增加光源有效面积，减小光束发散角，提高光源利用率；该装置采用无极射频放电方式激发气体等离子体，并通过填充不同惰性气体产生特定波长真空紫外光子，通过调节气体气压和射频频率、功率等参数，可以调节真空紫外光输出功率，满足不同应用对光源的需求。

Description

一种同轴气体放电真空紫外光源装置
技术领域
本发明涉及一种同轴气体放电真空紫外光源装置，用于真空紫外光谱学测量、真空紫外光化学分析、真空紫外光谱分析等领域。
背景技术
真空紫外光是一种高能光子，它能引起物质中原子和分子在电离能附近的能级跃迁和化学反应，具有其他波长光源无法比拟的优势，由此开辟和发展了许多具有实际应用价值的研究领域，例如真空紫外光谱学、真空紫外光化学、真空紫外光谱分析等。如何设计和研制工作寿命长、发光效率高、稳定度高的真空紫外光源是这些研究中需要解决的首要问题。
真空紫外光源根据结构和工作原理不同，可分为直流驱动气体放电真空紫外灯、射频驱动气体放电真空紫外灯和无窗气体放电真空紫外灯三类。直流放电真空紫外灯工作时，金属电极遭受离子轰击，会引起阴极溅射,溅射出的金属往往沉积在晶体窗口表面，减少了窗口透明度，从而降低了使用寿命。为了避免这种溅射效应的影响，直流放电真空紫外灯的结构通常设计得比较复杂，光源实际利用率不高，是一种点光源。射频放电真空紫外灯，灯内没有电极，因此不存在溅射和阴极压降问题。工作时射频信号通过绕于灯管外部的螺线管耦合进入灯内，作用于工作气体，放电管中的工作气体是在整个管子的横截面上激发的，在垂直于辐射光传递方向的面上，光的辐射强度是均匀的，因此射频放电真空紫外灯是一种面光源。无窗型真空紫外气体放电灯可以发射出波长更短的极紫外光，但是其结构复杂、操作不变，工作时消耗高纯度稀有气体，并需要配备真空系统，运行费用高等缺点突出，目前只是处在实验室研究阶段。
上述直流或者射频驱动的气体放电真空紫外灯，由于结构设计的限制，其有效发光区域比较小，为点光源或者面光源，单个真空紫外光源的发光功率比较低，不能满足特定应用对真空紫外光功率的需要。为了解决这一难题，文献All-optical production andtrapping of metastable noble-gas atoms down to the single-atom regime(EPL2014-13001)公布了一种利用多个真空紫外灯阵列提高工作区域真空紫外光功率的结构。这种结构所采用的多个真空紫外灯分别使用独立的激发源，气体管道和电子信号的连接结构复杂。如果工作时部分器件出现故障，检修难度较大，整体结构的稳定性和可靠性也比较低。特别需要指出的是，这种将多个真空紫外灯简单地组合在一起提高光功率的结构，是针对特定应用而设计的，并没有解决单个真空紫外灯发光效率低的问题，不适用于大多数应用场合。
发明内容
本发明克服传统真空紫外灯光源光子利用率低，输出光功率不高的缺点，采用螺旋共振腔激发气体等离子体的方式，提供一种用于产生真空紫外光的射频放电灯结构，采用同轴心型放电结构设计，充分利用氟化镁晶体对真空紫外光透射率高的特点，通过优化结构以提高真空紫外光源的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：真空紫外光源装置由中心柱形相互作用腔、同轴环形放电光源腔、射频螺旋共振激发腔与超高真空法兰连接件四部分组成。相互作用腔采用氟化镁晶体圆管作为光学窗，真空紫外光在氟化镁圆管外壁的同轴环形放电光源腔产生，穿过氟化镁圆管照射到内部中心柱形相互作用腔，直接作用于目标物质；氟化镁圆管前后端利用密封压板和密封圈固定在法兰连接件上；放电气体通过气体导管流入/流出由氟化镁圆管和石英管组成的同轴环形放电光源腔；共振激发腔由螺线圈和铜制屏蔽层组成，射频信号使用同轴线缆耦合，激发光源腔中的气体放电产生等离子体和真空紫外光；法兰连接件作为固定件，利用密封压板和密封圈实现相互作用腔和共振激发腔之间的密封隔离，由于采用标准的CF刀口法兰接口，也便于安装连接在各种应用系统上。
所述的一种同轴气体放电真空紫外光源装置，通过填充不同放电气体产生特定波长真空紫外光子，可满足不同应用对光源的需求。根据工作需要，该真空紫外光源装置还可以不同工作状态的切换。
本发明的原理是：放电气体按一定的比例经过充分混合均匀后，进入装有非蒸散型吸气剂的纯化部件内提高气体纯度，再经过气体导管进入放电光源腔，通过气体导管上的气压表监测气体压强；射频信号通过螺线圈和屏蔽层构成的共振激发腔耦合进放电光源腔，激发气体放电等离子体，产生真空紫外光；真空紫外光穿过放电光源腔内部的氟化镁圆管光学窗进入相互作用腔，激发相互作用腔内的目标物质。在氟化镁圆管内壁以内的整个柱形区域内，真空紫外光都能够参与激发过程。如果与真空紫外光作用的目标物质为气体或液体，待激发原子或分子通过法兰连接件提供的CF接口进入氟化镁圆管作用腔内部，激发完成后以原子或分子束流的形式从作用腔后端流出。如果与真空紫外光作用的目标物质是固体，可预先将目标物质放入作用腔内，再利用CF法兰将系统密封，最后在真空环境下经真空紫外光处理之后将其取出。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
本发明采用氟化镁晶体圆管作为光学窗，真空紫外光在氟化镁圆管外壁的同轴环形放电光源腔产生，穿过氟化镁圆管照射到内部中心柱形相互作用腔，直接作用于目标物质，缩短光线传播距离，增加光源有效面积，减小光束发散角，提高光源利用率；
本发明采用灵活的气流控制结构，根据工作需要，通过控制前后两个法兰连接件上的气体导管不同的开关状态，该真空紫外光源装置可以切换不同的工作状态；
本发明所述的真空紫外光源装置，通过填充不同放电气体产生特定波长真空紫外光子，可满足不同应用对光源的需求。
本发明的放电气体通过预混的方式进入放电光源腔，经过吸气剂前处理后，放电气体纯度提高，真空紫外光的吸收与散射损失降低，可以获得更高的有效真空紫外光功率；
附图说明
图1为同轴气体放电真空紫外光源装置组成结构示意图；
图2为同轴气体放电真空紫外光源装置结构剖视图；
其中：1是氟化镁晶体圆管，用作中心柱形相互作用腔和同轴环形放电光源腔之间的隔离层，同时也是真空紫外光的光学窗，2是石英玻璃管，与氟化镁圆管一起组成放电光源腔，3-1是由紫铜导线绕制的螺线圈，3-2是螺线圈射频信号接入端口，3-3是螺线圈接地端口，用于耦合射频信号进入放电光源腔，4是黄铜制成的屏蔽层，与螺线圈一起组成射频共振腔，5是超高真空法兰连接件，为整个装置提供真空密封、电气接口等，6-1、6-2、6-3和6-4是气体导管，是放电光源腔工作气体状态控制与测试端口，7是密封压板，8是密封圈，7与8一起用于放电光源腔与法兰连接件之间的真空密封，9是标准的CF刀口法兰，用做整个真空紫外光源装置与其它系统之间的连接接口。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的同轴气体放电真空紫外光源装置总体结构包括中心柱形相互作用腔、同轴环形放电光源腔、射频螺旋共振激发腔与超高真空法兰连接件四部分。具体实施步骤为：首先将螺线圈套接在石英玻璃管2外面，利用能在超高真空环境下使用的胶粘剂粘接在法兰连接件5的安装槽里，实现放电光源腔外侧壁与大气的真空密封，石英玻璃管的长度决定了整个装置的总体长度基准；其次将铜屏蔽层4以同轴心的方式装在螺线圈外面，前后两端分别通过螺钉固定在法兰连接件上，将螺线圈的信号接线端3-2锡焊上射频同轴接头并与射频源相连，将螺线圈的接地接线端3-3与屏蔽层直接短接；再次将氟化镁圆管1利用屏蔽压板7和密封圈8通过螺钉固定在法兰连接件5上，实现放电光源腔内侧壁与工作的真空密封；最后将气体导管相关管路与气源、压力表等连接，装置总体利用标准CF法兰安装在相应的真空系统和工作平台上。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的同轴气体放电真空紫外光源装置的进一步限定，结合图1说明本实施方式。本实施方式中，法兰连接件5上的气体导管可根据需要进行增减，通过调节气体导管的开关方式，可以实现流气与非流气不同工作状态之间的切换：流气状态工作气体有入口，也有出口，真空紫外灯工作时气体在放电光源腔内处于动态平衡；按照进气出气方式也可分为顺流(气体从6-1流入，从6-3流出)和逆流(气体从6-1流入，从6-2流出)两种状态。非流动状态工作时气体密封在放电光源腔内部，处于静止状态。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的同轴气体放电真空紫外光源装置的进一步限定，本实施方式中，根据实际应用的需要可以通过气体导管向放电光源腔中充入氦、氖、氩、氪、氙等不同的工作气体或者混合其气体，以用于产生不同波长的真空紫外光；通过调节放电光源腔中气体气压和螺旋共振腔射频信号频率、功率等参数，可以调节真空紫外光的输出功率，满足不同应用对光源的需求。

Claims (4)

1.一种同轴气体放电真空紫外光源装置，其特征在于：该装置由中心柱形相互作用腔、同轴环形放电光源腔、射频螺旋共振激发腔与超高真空法兰连接件四部分组成：相互作用腔为氟化镁圆管(1)中心区域，前后端面利用密封压板(7)和密封圈(8)固定在法兰连接件(5)上；放电光源腔由氟化镁圆管(1)和石英管(2)组成，工作气体通过气体导管(6-1,6-2,6-3)流入或流出同轴环形放电光源腔；共振激发腔由螺线圈(3-1)和铜制屏蔽层(4)组成，射频信号使用同轴线缆耦合进入共振腔；法兰连接件(5)作为固定件，可将螺线圈(3-1)和铜制屏蔽层(4)组成的共振激发腔通过螺钉固定，利用密封压板(7)和密封圈(8)实现相互作用腔和共振激发腔之间的密封隔离，采用标准的CF刀口法兰接口(9)。
2.根据权利要求1所述的一种同轴气体放电真空紫外光源装置，其特征在于：采用氟化镁晶体圆管(1)作为光学窗，真空紫外光在氟化镁圆管外壁的同轴环形放电光源腔产生，穿过氟化镁圆管照射到内部中心柱形相互作用腔，直接作用于目标物质。
3.根据权利要求1所述的一种同轴气体放电真空紫外光源装置，其特征在于：气体导管(6-4)上装接气压表对放电光源腔中压力进行测试，通过控制前后两个法兰连接件(5)上的气体导管(6-1、6-2、6-3)不同的开关状态，该真空紫外光源装置可以实现流气和非流气两种工作状态。
4.根据权利要求1所述的一种同轴气体放电真空紫外光源装置，其特征在于：该装置采用螺线圈(3-1)和铜屏蔽层(4)组成的共振激发腔激发放电光源腔中气体产生等离子体，并通过填充不同惰性气体产生所需特定波长真空紫外光子；通过调节放电光源腔中气体气压和螺旋共振腔射频信号频率与射频信号功率，可以调节真空紫外光的功率。
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