DE102013014675A1

DE102013014675A1 - Ultraviolettlichtquelle

Info

Publication number: DE102013014675A1
Application number: DE102013014675.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und eine Verfahren zum Erzeugen von kurz gepulstem, brillantem Ultraviolettlicht vorgeschlagen. Die Vorrichtung verfügt über ein abgeschlossenes, örtlich begrenztes Volumen (1), in dem sich ein Excimer (excimer = excited dimer = angeregtes zweiatomiges Molekül) bildendes Gas befindet. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Ionisationsquelle (2), vorzugsweise eine Elektronenkanone bei der aus einer Kathode (3) über Steuergitter (4) Elektronen emittiert, zu einem Elektronenstrahl (5) geformt und in einem Niederdruckbereich, vorzugsweise Hochvakuum, auf eine für Elektronen durchlässige Membran (6) beschleunigt werden, wobei die Ionisationsquelle (2) im Bereich des Emissionsgebietes (7) eine ausreichende Menge freier Elektronen-Ionenpaare erzeugt. Das Emissionsgebiet befindet sich ferner in einem Bereich, wo es mit Hilfe einer Mikrowellenquelle (8) über eine Mikrowellenzuleitung (17) mit einem gepulsten Mikrowellenfeld (9) ausreichend hoher Frequenz beaufschlagt werden kann, wobei die Leistung des Mikrowellenfeldes ausreicht, bei ausreichender Elektronendichte eine Volumenentladung (10) zu zünden, welche im Emissionsgebiet das ultraviolette Licht (13) emittiert. Ferner verfügt die Vorrichtung über ein optisches Fenster (12), durch welches die gepulste ultraviolette Strahlung das Emissionsvolumen verlassen kann. An das Emissionsvolumen (1) sind vorteilhaft eine Gaszuleitung (14), eine Gasabfuhr (15), sowie ein Gasreiniger (16) angeschlossen.

Description

In vielen Bereichen der Forschung und industriellen Anwendung, hier vor allem in der Photoionisations-Massenspektrometrie, werden intensive, brillante, kurz gepulste Ultraviolettlichtquellen benötigt. Insbesondere sind Pulsdauern im Bereich unter 1 μs (10^–6s) und Emissionsvolumina im Bereich weniger Kubik-Millimeter interessant. Solch kleine Emissionsvolumina lassen sich durch Linsen- oder Spiegeloptiken auf das Akzeptanzvolumen der Ionenquellen eines Massenspektrometers abbilden, ohne dass durch Auftreffen der Ultraviolettphotonen an Wänden unerwünschte Sekundärelektronen erzeugt werden. Weiterhin soll die Photonenenergie des emittierten Lichtes ausreichen, organische Moleküle zu ionisieren, was bedeutet, dass die Strahlung im sogenannten vakuumultravioletten (VUV) Spektralbereich emittiert werden muss. Als vakuumultravioletter Spektralbereich wird im allgemeinen Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 110 nm bis 190 nm bezeichnet. Für Grundlagenforschung kann hierbei Synchrotronstrahlung verwendet werden; jedoch ist die Verwendung von Synchrotronstrahlung mit einem Messplatz und genehmigten Experiment an einem großen Beschleuniger verbunden und somit für praktische, insbesondere industrielle Anwendungen ausgeschlossen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, frequenzvervielfachte Laser zu verwenden. Es sei darauf hingewiesen, dass Kurzpulslaser aufgrund von Multiphotonenanregung in einigen Fällen denselben Effekt aufweisen können, wie Einzelphotonen hoher Energie, dies ist jedoch nicht prinzipiell immer gegeben, weshalb Kurzpulslaser in vielen Anwendungen ausscheiden. Auch kann frequenzvervielfachtes Licht eines längerwelligen, gepulsten Lasers zur Photoionsation verwendet werden. Als Frequenzvervielfachung sei hier insbesondere auf die Verdreifachung der dritten Harmonischen eines NdYAG Lasers in einer Hochdruck Xenonzelle hingewiesen, welche Photonen bei 118 nm erzeugt. Die Erzeugung hoher Harmonischer ist jedoch immer mit sehr präziser Ausrichtung des gesamten Laseraufbaus verbunden und damit extrem anfällig gegenüber mechanischen und thermischen Störungen. Sie ist somit ungeeignet für industrielle Anwendungen in rauer Umgebung. Weitere kurz gepulste Strahlungsquellen im VUV sind sogenannte Excimerlaser. Die kurzwelligsten, kommerziell erhältlichen Excimerlaser sind hierbei die F₂-Laser, welche bei 157 nm emittieren und somit eine Photonenenergie von 7.89 eV aufweisen. Für viele Anwendungen ist dies jedoch eine zu geringe Einzelphotonenenergie; meist wird eine Energie im Bereich 10 eV, und somit 124 nm benötigt (z. B. beträgt das Ionisationspotential von Benzol 9.24 eV).
Prinzipiell sind an eine solche Strahlungsquelle mehrere Anforderungen zu stellen: Die Strahlungsanregung sollte möglichst kurz gepulst sein, typischerweise deutlich unter 1 μs, also im Nanosekundenbereich. Weiterhin müssen die physikalischen Prozesse, die zur Strahlungsemission führen, ausreichend schnell sein. Abgesehen von Synchrotronstrahlung und der Erzeugung höherer Harmonischer in Lasern, basieren die meisten Ultraviolettlichtquellen auf Entladungen in Gasen mit hoher Anregungsenergie, meist Edelgase oder Wasserstoff. Als hinderlich für kurze Emissionszeiten spielen hier insbesondere Resonanztrapping und Rekombination der freien Elektronen eine Rolle. Bekannte Vakuumultraviolettlichtquellen sind hier Deuteriumlampen (z. B. EP2412001 A1 ), oder Hohlkathodenlampen mit Edelgasfüllung, wie sie in PH) (photo ionisation detector)-Geräten zum Einsatz kommen. Insbesondere bei den PID-Hohlkathodenlampen wird mit relativ niedrigem Druck gearbeitet, um die Resonanzlinien der eingesetzten Edelgase als Lichtquelle verwenden zu können. Obwohl Niederdruck-Lichtquellen relativ schnell gezündet werden können – bekannt ist dies z. B. aus sogenannten ”Nulloden” (Hochfrequenz-Sperrröhre zum Schutz von Radar-Empfangsverstärkern), welche im Nanosekundenbereich zünden – ist die Emissionsdauer aufgrund der langsamen Rekombination, sowie der Photonendiffusion im Bereich der Resonanzlinien auf mehrere Mikrosekunden ausgedehnt, was typischerweise als ”Sperrzeit” in den Nullodendatenblättern angegeben ist. Abgesehen von Entladungslampen ist aus DE 4438407 C2 auch eine Edelgas-Excimerlampe bekannt, bei der die Gasanregung durch einen Elektronenstrahl stattfindet. Elektronenanregung kann ebenfalls im Nanosekundenbereich erfolgen. Ebenso kann bei dieser Lichtquelle der Druck so hoch gewählt werden, dass eine schnelle Molekülbildung die Resonanzabsorbtion verhindert. Die Elektronenrekombinationszeit, und somit die Lichtemissionsdauer, ist jedoch aufgrund der relativ geringen möglichen Elektronendichte auf über eine Mikrosekunde ausgeweitet. Zudem ist aus DE 10 2010 060 661 A1 eine Lichtquelle bekannt, bei der die aus DE 4438407 C2 bekannte Lichtquelle zusätzlich mit HF-Leistung angeregt wird und somit das Emissionsmaximum aufgrund von Temperaturerhöhung zu kürzeren Wellenlängen geschoben wird. Eine Temperaturerhöhung verlängert jedoch die Rekombinationszeit, womit Pulsdauern unter 1 μs mit der in DE 10 2010 060 661 A1 vorgestellten Lichtquelle nicht erreicht werden können. Weiterhin ist aus DE 10 2010 060 661 A1 bekannt, dass die Dichte der angeregten Atome, (welche vergleichbar mit der Elektronendichte ist), aufgrund der vorliegenden physikalischen Parameter einen Wert von 10¹¹ cm^–3 annimmt. Aus [Ribitzki] ist bekannt, dass bei einer Elektronendichte von < 10¹² cm^–3 die Elektronen-Rekombinationszeit in den schweren Edelgasen, (hier Xenon), mehr als 1 μs beträgt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von kurz gepulstem Licht im fernen Vakuum-Ultraviolett-Bereich mit Pulsdauern deutlich unter 1 μs zur Verfügung zu stellen.
Die Emissionsdauer wird in allen gasgefüllten Lichtquellen durch physikalische Prozesse wir Resonanztrapping, Molekülbildungszeit und Rekombination freier Elektronen bestimmt. Insbesondere die Rekombination der gebildeten Elektronen-Ionenpaare verhindert Pulsdauern unter 1 μs bei niedrigen Elektronendichten (im Bereich 10¹¹ Elektronen/cm³) und hohen Elektronentemperaturen (wie insbesondere in DE 10 2010 060 661 A1 ). Es muss also eine Entladung erreicht werden, bei der die Elektronendichte den Bereich 10¹¹ Elektronen/cm³ deutlich übersteigt (z. B. > 10¹² Elektronen/cm³). Niedrige Drucke (deutlich unter 1 bar) ermöglichen zwar kurze Zündzeiten (wie in Nulloden), bewirken jedoch insbesondere durch sog. Resonanztrapping der auf den Resonanzlinien emittierten Photonen eine lange Emissionsdauer der ultravioletten Strahlung. Optimal ist also ein hoher Gasdruck, hohe Elektronendichte und niedrige Temperatur des Gases und der Elektronen. Durch die hier vorgestellte Erfindung werden die Anforderungen an eine kurz gepulste Entladung, insbesondere eine kurze Zündphase, eine schnelle Molekülbildung, sowie eine ausreichend hohe Elektronendichte für eine schnelle Rekombination im Bereich von deutlich unter 1 μs erreicht.
Die Erfindung betrifft eine kurz gepulste Vakuumultraviolettlichtquelle mit einem örtlich begrenzten Emissionsgebiet für das ultraviolette Licht. In dem Emissionsgebiet befindet sich ein Excimere bildendes Gas unter erhöhtem Druck. Dieses Gas wird durch eine Ionisationsquelle, welche im Bereich des Emissionsgebietes freie Elektronen-Ionen-Paare erzeugt, zu einem relativ homogenen, relativ stark vorionisiertem Plasma mit Elektronendichten im Bereich > 10¹⁰ cm^–3 geformt, und mittels einer Mikrowellenquelle, welche den Bereich des Emissionsgebietes mit leistungsstarker, kurz gepulster Mikrowellenleistung ausreichend hoher Frequenz beaufschlägt, weiter angeregt. Mikrowellenanregung eines Plasmas kann im Wesentlichen bis zur Plasmafrequenz erfolgen, danach wirkt das Plasma wie ein Spiegel auf die Mikrowelle, ein Effekt, der insbesondere bei der Nullode angewandt wird. Die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie wird also so gewählt, dass die durch Plasmaoszillationen gegeben Reflexion der Mikrowelle erst bei Elektronendichten von größer 10¹¹ cm^–3 auftritt. Dies ist insbesondere bei Frequenzen größer 2.45 GHz der Fall. Zudem besitzt die Lichtquelle ein optisches Fenster, welches für das Ultraviolettlicht transparent ist.
Eine mögliche Ausführung ist im Folgenden beschrieben:
Die Vakuumultraviolettlichtquelle verfügt über ein abgeschlossenes, örtlich begrenztes Volumen, vorzugsweise ein Hohlleiter (1), in dem sich ein Excimer bildendes Gas befindet. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Ionisationsquelle (2), vorzugsweise eine Elektronenkanone, bei der aus einer Kathode (3) über Steuergitter (4) Elektronen emittiert, zu einem Elektronenstrahl (5) geformt und in einem Niederdruckbereich, vorzugsweise Hochvakuum, auf eine für Elektronen durchlässige, jedoch gasdichte Membran (6) beschleunigt werden, wobei die Ionisationsquelle im Bereich des Emissionsgebietes (7) eine ausreichende Menge freier Elektronen-Ionenpaare erzeugt. Das Emissionsgebiet befindet sich ferner in einem Bereich, wo es mit Hilfe einer Mikrowellenquelle (8) über eine Mikrowellenzuleitung, vorzugsweise einem Hohlleiter (17), mit einem gepulsten Mikrowellenfeld (9) ausreichend hoher Frequenz beaufschlagt werden kann. Die Leistung und Frequenz des Mikrowellenfeldes ist so anzupassen, dass bei ausreichender Vorionisation, und somit ausreichender Elektronendichte, kurzzeitig eine Volumenentladung (10) gezündet wird, welche im Emissionsgebiet das ultraviolette Licht emittiert. Als vorteilhafte Mikrowellenquelle kann hier ein 25 kW X-Band Radar-Magnetron eingesetzt werden. Die Radarleistung kann über ein gasdichtes, jedoch für Radarwellen transparentes Fenster (11), z. B. Kapton oder Saphir, in den Hohlleiter eingekoppelt werden. Ferner verfügt die Vorrichtung über ein optisches Fenster (12), vorzugsweise aus MgF₂ oder LiF, durch welches die gepulste ultraviolette Strahlung (13) das Emissionsvolumen verlassen kann. Eine vorteilhafte Ausführung besitzt zudem eine gasdicht abschließbare Gaszu- (14) und Abführung (15) zum Evakuieren und Befüllen des Volumens sowie eine Vorrichtung zur Gasreinigung (16).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in einem kalten Edelgas mit einer gepulsten Anregung eine ausreichende Dichte freier Elektronen zu erzeugen, um Lichtemissionszeiten im vakuumultravioletten Spektralbereich bei einer Wellenlänge unter 157 nm von deutlich unter 1 μs zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Referenzen

[Ribitzki] G. Ribitzki et al., Phys. Rev. E 50, 3973 (1994)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2412001 A1 [0002]
DE 4438407 C2 [0002, 0002]
DE 102010060661 A1 [0002, 0002, 0002, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ribitzki [0002]

Claims

Eine gepulste Vakuumultraviolettlichtquelle mit einem geschlossenen Emissionsvolumen (1), welches mit einem Gas oder Gasgemisch, wobei mindestens eine Komponente ein gereinigtes Edelgas aus der Gruppe Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon ist, unter erhöhtem Druck gefüllt ist, an mindestens einer Seite ein für Vakuumultraviolettstrahlung transparentes optisches Fenster (12) aufweist und an mindestens einer Seite eine Ionisationsquelle (2) aufweist, die in dem Gas ein vorionisiertes Volumen (7) erzeugt, wobei das Emissionsvolumen über eine Mikrowellenzuleitung (17) an einen Mikrowellengenerator (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator (8) ein kurz gepulstes, elektromagnetisches Feld (9) an das vorionisierte Volumen (7) anlegt, dergestalt, dass eine kurz gepulste Hochfrequenz-Volumenentladung (10) gezündet wird, welche das Gas im Emissionsvolumen (1) zur Aussendung von kurz gepulstem vakuumultraviolettem Licht veranlasst.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung (9) eine Frequenz im Bereich 2,45 GHz–100 Ghz, vorzugsweise 9–36 GHz aufweist.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Mikrowellenpulses 10 ns–500 ns, vorzugsweise 150 ns beträgt.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenzuführung (17) und das geschlossene Emissionsvolumen (1) in Form eines Hohlleiters für die Mikrowellenleistung ausgeführt ist.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelgas einen erhöhten Druck im Bereich 500 mbar bis 10 bar, vorzugsweise 2 bar aufweist.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung eine Leistung von 1 kW–100 kW, vorzugsweise 25 kW aufweist.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisationsquelle (2) in Form einer Elektronenkanone (3)(4) ausgeführt ist, welche Elektronen im Vakuum beschleunigt, zu einem Strahl (5) formt und durch ein für Elektronen transparentes, vakuumdichtes Fenster (6) in das Emissionsvolumen (1) injiziert, wodurch ein vorionisiertes Volumen (7) entsteht.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (5) zeitlich zur HF-Leistung synchronisiert mit hoher Momentanleistung gepulst appliziert wird.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszuführung (14), eine Gasableitung (15), sowie ein Gasreinigungssystem (16) installiert ist, wobei die Gaszuführung und Gasableitung als eine Einheit ausgeführt werden kann.
Eine Vakuumultraviolettlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisation durch Photoionisation, Spitzenentladung oder Koronaentladung ausgeführt wird.