CN204191014U - 一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，用于将氢气裂解得到氢原子，其包括氢原子发生组件，该氢原子发生组件包括多个相互平行且紧密相邻的金属毛细管，缠绕在所述多根金属毛细管外周的金属加热线圈，所述金属加热线圈接通外界高频交流电，所述高频交流电使金属加热线圈周围产生高速变化的交变磁场，位于磁场内的金属毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，该涡流使毛细管快速发热而温度升高，高温使从金属毛细管一端通入的氢气裂解为氢原子，氢原子从金属毛细管另一端喷出。本实用新型中采用电感加热多根毛细管，并采用隔热套对发热部件进行隔热，无需额外的冷却设备，得到的氢原子流分布均匀。

Description

一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置

技术领域

本实用新型属于氢原子发生装置领域，更具体地，涉及一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置。 

背景技术

在下一代光刻机技术中，极紫外光被看作是最有前途的光源，极紫外光光学表面的污染是制约极紫外光刻技术大规模应用的障碍之一，极紫外光光学表面被污染后，会降低光学元件的反射率，影响光学系统的波像差，还会造成对准误差以及造成焦深减小，最终导致光学系统的寿命和曝光性能下降。 

极紫外光光学表面的污染控制主要包括污染预防技术和污染清洁技术，其中，污染清洁技术分为射频清洁技术、氧气清洁技术、UV清洁技术和氢原子清洁技术等。氢原子器的清洁原理为：原子态的氢与光学表面沉积的碳反应生成挥发性的碳氢化合物，或与光学表面的氧化物发生还原反应生成水分子。现有清洁技术中氢原子清洁技术具有清洁多种污染的功能，如碳沉积、表面氧化或者表面碳沉积等，其对光学表面的损伤较小，是前景较好的一种清洁技术。 

氢原子清洁技术中关键的部件为氢原子发生装置，其用于产生得到氢原子。对于理想的氢原子发生装置主要要求有以下几个要求：(1)在满足所要求功能的前提下，氢原子发生装置结构尽量简单；(2)氢原子发生装置的裂解率高且产物单一，产物只有氢原子；(3)氢原子发生装置的散射角可以得到良好的控制。 

公开号为US005693173的美国专利公开了一种氢原子发生装置，该装 置在高真空环境下利用高温电阻钨丝加热氢气得到裂解后的氢原子来清洁光学表面，其氢原子发生装置的需要冷却装置，采用液氮作为冷却液冷却其发生装置。美国专利US006191416B1中通过电阻丝缠绕在进气管上的办法利用热辐射加热氢气得到裂解后的氢原子来清洁光学表面，其也需要冷却装置，采用水冷系统冷却整个装置。以上两项专利均采用电阻丝辐射加热，该加热方式效率低，且会产生强烈的热辐射，导致其他部件温度升高而需要冷却装置，额外的冷却装置也使得氢原子发生装置的结构变得复杂。此外，以上专利公开的装置均采用单毛细管加热，得到氢原子呈高斯分布。 

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其目的在于采用电感加热多根毛细管而热裂解得到氢原子，其加热效率高，无强烈热辐射，无需额外的冷却装置，且最终得到的氢原子分布均匀，由此解决传统氢原子发生装置需要冷却装置且氢原子分布不均匀的技术问题。 

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，用于将氢气裂解得到氢原子，其包括氢原子发生组件，其中，该氢原子发生组件包括2～5根相互平行且紧密相邻均匀排列的金属毛细管，缠绕在所述金属毛细管外周的金属加热线圈，所述金属加热线圈接通外界高频交流电，该高频交流电使金属加热线圈周围产生交变磁场，位于该磁场内的金属毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，而使金属毛细管快速发热而温度升高，高温使从金属毛细管一端通入的氢气裂解为氢原子，氢原子从所述金属毛细管另一端喷出，获得均匀分布的氢原子。 

进一步的，还包括隔热套，至少一个该隔热套套装所述氢原子发生组件，以用于阻隔氢原子发生组件产生的热量，所述隔热套的一个端部具有 通孔，该通孔与金属毛细管的喷出氢原子的端部相邻，用于裂解产生的氢原子直接通过该通孔喷出到外界。 

进一步的，还包括热电偶，该热电偶与多个所述金属毛细管的供氢气进入的端部紧密相邻，以用于测量多个所述金属毛细管的温度。 

进一步的，还包括交流电源，该交流电源用于给所述氢原子发生组件的金属加热线圈提供高频交流电，该交流电源与所述金属加热线圈间的电路上安装有外接电位器，用于调节所述交流电源的功率以实现对金属加热线圈加热能力的调节。 

进一步的，还包括氢气进气管，该进气管一端连通金属毛细管的供氢气进入的端部，一端连通氢气源，以将氢气从氢气源输送至所述金属毛细管。 

进一步的，所述氢气进气管通过陶瓷卡套与所述金属毛细管的供氢气进入的端部连接，该陶瓷卡套与所述氢气进气管形成密封以防止氢气或者氢原子泄漏。 

进一步的，所述氢气进气管在连接氢气源的端部上安装有真空微调阀，以用于调节来自氢气源的氢气流量。 

进一步的，在金属毛细管的喷出氢原子的端部套装有套圈，该套圈外周具有支撑架，该支撑架与隔热套的内壁抵接，以通过所述隔热套和支撑架固定被所述套圈套装的金属毛细管的端部，以使多根金属毛细管紧密相邻且被牢固固定。 

进一步的，在金属毛细管的喷出氢原子的端部套装有汇聚管，该汇聚管中间具有通孔，所述汇聚管一端抵接隔热套端部的通孔以被该通孔支撑，所述汇聚管另一端即容置金属毛细管的喷出氢原子的端部，以实现对所述金属毛细管的支撑固定。 

进一步的，其特征在于，所述隔热套优选为陶瓷材料，陶瓷不导电，不会因电磁感应而升温，无额外的热量产生，且陶瓷不导热，隔热性能优 良。 

进一步的，所述金属毛细管的材料优选为钨，金属钨可耐2000℃以上的高温，可耐受裂解氢气的高温，金属毛细管的内径范围:1.2mm～2.0mm，长度范围为:40mm～72mm，长径比范围:20～60。 

进一步的，所述金属加热线圈的材料优选为钨，金属钨可耐2000℃以上的高温，可耐受金属毛细管的高温，金属加热圈形状为螺旋状，缠绕直径范围:6.0mm～9.0mm，导程范围:3.5mm～10.5mm。 

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果： 

1、本实用新型装置加热方式为电感加热，这使得整个氢原子发生装置中非金属部分不会发热，只有金属加热线圈和金属毛细管被加热，这种加热方式提高了加热效率，同时减小了装置的热负荷，且本实用新型装置中的高温部分套装有隔热套，其有效隔绝了热辐射，因此本实用新型装置无需采用额外的冷却设备。 

2、本实用新型氢原子发生装置的氢原子发生组件中采用多根金属毛细管紧密相邻的结构，而非单根金属毛细管的结构，该设计避免了氢气裂解后产生的氢原子的高斯分布现象，使得氢原子分布更加均匀，均匀分布的氢原子用于清洁光学元件表面时其清洁效率高，效果好。 

附图说明

图1是本实施例中氢原子发生装置结构示意图； 

图2是本实施例中氢原子发生装置的隔热套结构示意图； 

图3是本实施例中氢原子发生装置的电感加热结构示意图； 

图4(a)是本实施例中金属毛细管的第一种支撑方式结构示意图； 

图4(b)是本实施例中金属毛细管的第一种支撑方式结构的剖视图； 

图5(a)是本实施例中金属毛细管的第二种支撑方式结构示意图； 

图5(b)是本实施例中金属毛细管的第二种支撑方式结构的剖视图。 

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 

1-氢气进气管         2-热电偶接口        3-多口支撑管 

4-热电偶导线         5-热电偶            6-金属毛细管 

7-金属加热线圈       8-第一隔热套        9-电源导线 

10-第二隔热套        11-RF电源           12-支撑架 

13-套圈              14-外接电位器       15-真空微调阀 

16-汇聚管            17-陶瓷卡套 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 

图1是本实施例中氢原子发生装置结构示意图，氢原子发生组件包括多个相互平行且紧密相邻均匀排列的金属毛细管6和金属加热线圈7，本实用新型实施例中金属毛细管6的数量为三根，但本实用新型不对金属毛细管的数量进行具体限定，还可以设置为二根、四根或者五根。三根金属毛细管外周的缠绕金属加热线圈7，金属加热线圈7通过电源导线9接通外界高频交流电源，也即RF电源11(RF即radio frequency)，在RF电源11与金属加热线圈之间的电路上安装有外接电位器14，该外接电位器14用于根据金属毛细管的温度调节RF电源的功率，从而调节金属加热线圈的加热能力，最终实现对金属毛细管温度的调节。从金属毛细管6一端通入氢气，该端为供氢气进入的端部，氢气在三根金属毛细管中因为高温而裂解为氢原子，该氢原子从金属毛细管6另一端喷出，该端为喷出氢原子的端部。 在金属毛细管6的氢气进气端，也即供氢气进入的端部，紧密相邻安装有热电偶5，热电偶5通过热电偶导线4与热电偶接口2连通，热电偶5用于测量金属毛细管的温度，以根据该温度通过外接电位器14调节RF电源11的功率。本实用新型实施例中，金属毛细管的材料均为金属钨，金属加热线圈材料也为金属钨，但本实用新型不对金属毛细管材质以及金属加热线圈的材质进行具体限定。本实用新型实施例中金属毛细管的内径为1.5mm，长度为60mm，虽然本实用新型实施例没有对金属毛细管的内径尺寸以及长度进行其他具体例证，但是，只要其落在权利要求书的范围内，即毛细管内径为1.2mm～2.0mm，长度为40～70mm，均属于本实用新型的保护范围。因为毛细管壁厚较薄，当其内径为1.2mm～2.0mm，长度为40mm～70mm时，容易固定，使氢原子发生组件结构简单，牢固稳定。本实用新型实施例中金属加热线圈7直径优选为0.3mm，其缠绕直径为6mm，导程范围为3.5mm，虽然本实用新型实施例不对金属加热线圈的直径、缠绕直径以及导程范围进行其他具体例证，但是只要其落在权利要求书的范围内，即金属加热线圈缠绕直径为6.0～9.0mm，导程范围为3.5～10.5mm范围内，均属于本实用新型的保护范围。当金属加热线圈缠绕直径为6.0～9.0mm，导程范围为3.5～10.5mm时，加热线圈与金属毛细管相配合后的加热效率较高。本实用新型实施例中RF电源的频率优选为13.56MHz，电压优选为交流180-250V，电流优选为2A，但本实用新型不对RF电源的频率值、电压值以及电流值进行具体限定。 

图2是本实施例中氢原子发生装置的隔热套结构示意图，该隔热套套装住氢原子发生组件，以用于阻隔氢原子发生组件产生的热量，本实施例中隔热套具有两个，但本实用新型中对隔热套的数量不进行限定。其分别为第一隔热套8和同轴套装在第一隔热套8的第二隔热套10，两个隔热套均为陶瓷材料，但本实用新型中对隔热套的材料不进行具体限定，由于陶瓷材料不导热且采用两个隔热套，可有效防止金属毛细管6的热辐射，且 由于陶瓷是绝缘材料，不会因电磁感应而加热，固不会产生额外的多余热量。同轴套装的第一隔热套8和第二隔热套10在同一端部开设有通孔，该通孔与金属毛细管的喷出氢原子的端部相邻，用于裂解产生的氢原子直接通过该通孔喷出到外界。 

结合图1和图2可知，氢气进气管1一端通过陶瓷卡套17与多根金属毛细管6的供氢气进入的端部连接，该氢气进气管1另一端连通氢气源，以将氢气从氢气源输送至所述金属毛细管。陶瓷卡套17与氢气进气管形成密封以防止氢气或者氢原子泄漏，且该陶瓷卡套17由于自身材料为具有隔热功能的陶瓷，可用于阻隔金属毛细管6的热量传输至氢气进气管1，防止氢气进气管因为高温而损坏。氢气进气管1连通氢气源的端部上安装有真空微调阀15，以用于调节来自氢气源的氢气流量。 

图3是本实施例中氢原子发生装置的电感加热结构示意图，RF电源提供高速变化的高频电流，该电流流过金属加热线圈7会产生高速变化的交变磁场，当磁场内的磁力线通过金属毛细管6时会在金属体内产生无数的小涡流，使金属毛细管自行高速发热而温度快速升高。 

图4(a)是本实施例中金属毛细管的第一种支撑方式结构示意图，图4(b)是本实施例中金属毛细管的第一种支撑方式结构的端部的剖视图，图中，金属毛细管喷出氢原子的端部套装有套圈13，以被该套圈聚拢，该套圈呈圆筒状，其外周具有支撑架12，该支撑架数量为五个，采用奇数根的支撑架可以减小对毛细管在高温下变形的影响，但本实用新型对支撑架的数量不进行具体限定，且五个支撑架均与第一隔热套8上的内壁抵接，第一隔热套8和支撑架12用于固定被套圈13套装的多根金属毛细管6，以使多根金属毛细管6紧密相邻且被牢固支撑和固定。即多根金属毛细管6的氢气进气端被陶瓷卡套17支撑，氢原子喷出端由套圈13和支撑架12通过第一隔热套支撑，最终实现对多根金属毛细管的支撑固定。 

图5(a)是本实施例中金属毛细管的第二种支撑方式结构示意图，图 5(b)是本实施例中金属毛细管的第二种支撑方式结构的剖视图，图中，金属毛细管喷出氢原子的端部套装有汇聚管16，该汇聚管16中间具有通孔，该汇聚管16将多根毛细管一端聚拢在一起，汇聚管16一端抵接第一隔热套8的通孔以被该通孔支撑，汇聚管16另一端的孔内即容置金属毛细管的氢气流喷出端，即，多根金属毛细管的氢气进气端被陶瓷卡套17支撑，氢原子喷出端由汇聚管16捆扎在一起，且被第一隔热套8端部的通孔支撑，最终实现对多根金属毛细管的支撑固定。 

本实施例中金属毛细管的数量为三根，三根金属毛细管6相互平行，呈等边三角形分布，该分布可以最好的避免氢气裂解后产生的氢原子的高斯分布现象，使得氢原子分布更加均匀，有利于高效清洁光学元件表面的碳沉积或者氧化。 

本实用新型中，当金属毛细管的数量为二根时，其排列方式为紧密相邻排列；当金属毛细管为四根时，其排列方式为四根紧密相邻排列成两排，每排均为两根，且两排的毛细管的圆心位于一个正方形的四个角；当金属毛细管为五根时，其排列方式为四根毛细管分别位于正方形的四个角，一根毛细管位于该正方形中心，且该五根毛细管紧密接触。 

本实用新型中，汇聚管16的通孔可对氢原子进行约束，使其沿自身的通孔喷出，可以改变最后出口处的氢原子的分布，使之分布更加均匀。 

本实施例中，通过一个多口支撑管3将氢原子发生组件以及RF电源、热电偶接入口、氢气进气管以及隔热套等部件固定连接在一起，氢气进气管从中心端口通入以与氢原子发生组件相连，RF电源和热电偶接入口分别通过两个不同的周边端口联接氢原子发生组件，但本实用新型中对以上各个部件的固定方式和结构不进行具体限定。 

本实用新型装置的工作原理为：RF电源提供高速变化的高频电流，该电流流过线圈7会产生高速变化的交变磁场，当磁场内的磁力线通过钨毛细管时会在金属体内产生无数的小涡流，使钨毛细管自行高速发热而温度 升高。氢气通过氢气进气管通入到金属毛细管之中，其中在向金属毛细管中通入氢气前，须保证其为真空状态，以防止发生爆炸，氢气分子通过与高温的金属毛细管壁碰撞而受热，裂解成氢原子喷出。 

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，用于将氢气裂解得到氢原子，其特征在于，包括氢原子发生组件，该氢原子发生组件包括2～5根相互平行且紧密相邻均匀排列的金属毛细管，缠绕在所述金属毛细管外周的金属加热线圈，所述金属加热线圈接通外界高频交流电，该高频交流电使金属加热线圈周围产生交变磁场，位于该磁场内的金属毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，而使金属毛细管快速发热而温度升高，高温使从金属毛细管一端通入的氢气裂解为氢原子，氢原子从所述金属毛细管另一端喷出，获得均匀分布的氢原子。 

2.如权利要求1所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，还包括隔热套，至少一个该隔热套套装所述氢原子发生组件，以用于阻隔氢原子发生组件产生的热量，所述隔热套的一个端部具有通孔，该通孔与金属毛细管的喷出氢原子的端部相邻，用于裂解产生的氢原子直接通过该通孔喷出到外界。 

3.如权利要求2所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，还包括热电偶，该热电偶与多个所述金属毛细管的供氢气进入的端部紧密相邻，以用于测量多个所述金属毛细管的温度。 

4.如权利要求3所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，还包括交流电源，该交流电源用于给所述氢原子发生组件的金属加热线圈提供高频交流电，该交流电源与所述金属加热线圈间的电路上安装有外接电位器，用于调节所述交流电源的功率以实现对金属加热线圈加热能力的调节。 

5.如权利要求4所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，还包括氢气进气管，该氢气进气管一端连通金属毛细管的供氢气进入的端部，一端连通氢气源，以将氢气从氢气源输送至所述金属毛细 管。 

6.如权利要求5所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，所述氢气进气管通过陶瓷卡套与所述金属毛细管的供氢气进入的端部连接，该陶瓷卡套与所述氢气进气管形成密封以防止氢气或者氢原子泄漏。 

7.如权利要求6所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，所述氢气进气管在连接氢气源的端部上安装有真空微调阀，以用于调节来自氢气源的氢气流量。 

8.如权利要求7所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，在金属毛细管的喷出氢原子的端部套装有套圈，该套圈外周具有支撑架，该支撑架与所述隔热套内壁抵接，以通过所述隔热套和支撑架固定被所述套圈套装的金属毛细管的端部，以使多根金属毛细管紧密相邻且被牢固固定。 

9.如权利要求7所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，在金属毛细管的喷出氢原子的端部套装有汇聚管，该汇聚管中间具有通孔，所述汇聚管一端抵接隔热套端部的所述通孔以被该通孔支撑，所述汇聚管另一端即容置金属毛细管的喷出氢原子的端部，以实现对所述金属毛细管的支撑固定。 

10.如权利要求9所述的一种基于加热的多毛细管氢原子发生装置，其特征在于，所述金属毛细管的内径范围为1.2mm～2.0mm，长度范围为40mm～72mm； 

所述金属加热圈形状为螺旋状，缠绕直径范围为6.0mm～9.0mm，导程范围为3.5mm～10.5mm。