DE10209642A1

DE10209642A1 - Lichtquelle

Info

Publication number: DE10209642A1
Application number: DE10209642A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Kraus
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-18
Also published as: CN100405528C; AU2003206061A1; JP2005519437A; WO2003075313A1; CN1639835A; US20050117621A1; US7397193B2; EP1483776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle (1) mit einem Entladungsgefäß (12), das mit einem Füllgas gefüllt ist und mit einer im Vakuum oder in einem Bereich niedrigen Druckes befindlichen Elektronenstrahlquelle (2) die Elektronen erzeugt und diese durch eine Eintrittsfolie (10) in das Entladungsgefäß (12) einschießt. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Entladungsgefäßes (12) ein elektrisches Feld erzeugbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit einem Entladungsgefäß, das mit einem Füllgas gefüllt ist und mit einer in einem Vakuum oder in einem Bereich niedrigen Druckes befindlichen Elektronenstrahlquelle, die Elektronen erzeugt und diese durch eine Eintrittsfolie in das Entladungsgefäß einschießt.

Eine solche Lichtquelle ist aus der US-PS 6,052,401 bekannt. In dem Entladungsgefäß befindet sich ein Edelgas. Die in das Gefäß eingeschossenen Elektronen, im folgenden auch Primärelektronen genannt, weisen eine hohe kinetische Energie auf und schießen zweite Elektronen, im folgenden auch Sekundärelektronen genannt, die sich auf äußeren Schalen von Atomen befinden, aus den Atomen heraus. Ein durch die Folie eingeschossenes Primärelektron kann kaskadenartig nacheinander Sekundärelektronen aus mehreren Atomen herausschießen, ehe es seine kinetische Energie verloren hat. Die Edelgasionen gehen nach mehreren Reaktionsschritten in ein angeregtes Edelgasmolekül, englisch excited state dimer oder kurz Excimer, über. Dieses Excimer zerfällt spontan und sendet dabei ultraviolettes Licht, im folgenden auch UV Licht genannt, aus. Mittels der eingeschossenen Elektronen werden also Atome des Gases ionisiert, deren Ionisationsenergie letztlich in ein UV-Photon umgesetzt wird. Der Wirkungsgrad der Elektronenstrahlquelle und der Lichtquelle ist gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lichtquelle anzugeben. Insbesondere soll die Effizienz, das bedeutet das Verhältnis von erzeugtem Licht zu der aufgenommenen elektrischen Leistung, verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gemäss der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Entladungsgefäßes ein elektrisches Feld erzeugbar. Neben dem bereits oben geschilderten Prozess laufen weitere Prozesse innerhalb des Entladungsgefäßes ab.

Sekundärelektronen sind freie Elektronen, die untereinander und mit den Atomen des Füllgases elastische Stöße ausführen. Dabei stellt sich in sehr kurzer Zeit selbstständig eine Energieverteilung der Elektronen ein, die annähernd durch eine Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung beschrieben werden kann. Die Elektronentemperatur T_e bezeichnet hierbei die mittlere kinetische Energie der Elektronen. Ein Teil dieser freien Elektronen besitzt eine kinetische Energie, die ausreicht, um Atome anzuregen. Dabei prallen freie Elektronen auf sich auf Schalen befindliche Elektronen von Atomen und geben ihre kinetische Energie ab, die sie im weiteren durch eine Beschleunigung im elektrischen Feld wieder aufbauen. Die Elektronen der Atome nehmen die Energie auf und springen auf eine äußere Schale mit einem höheren Energieniveau. Die Schalen sind innen beginnend nach außen fortlaufend durchnumeriert. Beim Zurückfallen auf ein niedrigeres Energieniveau wird Energie in Form von Strahlung abgegeben.

Mittels der eingeschossenen Elektronen werden also im wesentlichen zwei physikalisch unterschiedliche Prozesse initiiert. Einerseits werden Atome ionisiert, andererseits werden Atome angeregt. Beide Prozesse benötigen unterschiedliche Energiemengen. Die Elektronentemperatur T_e stellt sich durch die Ionisation selbstständig ein. Diese Temperatur ist jedoch nicht optimal für eine effiziente Anregung der Atome. Da für die Ionisation eine wesentlich höhere Energie als für die Anregung erforderlich ist, so ist die Elektronentemperatur zu hoch für eine effiziente Anregung und damit eine effiziente Erzeugung einer UV-Strahlung. Wird das Gas innerhalb des Entladungsgefäßes, im folgenden auch Gasvolumen genannt, dem elektrischen Feld ausgesetzt, so ist die für eine effziente Anregung erforderliche Elektronentemperatur T_e über das elektrische Feld frei wählbar. Der Elektronenstrahl dient im wesentlichen der Erzeugung der Ladungsträger in dem Gasvolumen und der Vorkonfiguration eines ionisierten Gases, im folgenden auch Plasma genannt. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes über das Gasvolumen ist zusätzlich eine Glimmentladung induziert. Licht wird im wesentlichen aufgrund des elektrischen Feldes emittiert. Die Leistung zur Erzeugung des Elektronenstrahles ist verringert.

In einfacher Weise weist das Entladungsgefäß elektrisch leitfähige Elektroden auf. Die Elektroden erzeugen das elektrische Feld kapazitiv. Innerhalb des Entladungsgefäßes angeordnete Elektroden können mit Wechsel- oder Gleichspannung betrieben werden, außerhalb des Entladungsgefäßes angeordnete werden mit Wechselspannung betrieben.

In vorteilhafter Weise weisen die Elektroden ein Dielektrikum auf. Auf Grund des Dielektrikums kann eine Frequenz der Wechselspannung verringert sein.

In einfacher Weise weist das Entladungsgefäß eine Spule auf. Die Spule erzeugt ein induktives Wechselfeld.

In vorteilhafter Weise weist das Entladungsgefäß einen Mikrowellenresonator auf. Der Mikrowellenresonator erzeugt ein Wirbelfeld, das Elektronen auf Kreisbahnen rotieren lässt.

In vorteilhafter Weise weist die Elektronenstrahlquelle einen Feldemitter auf Verwendet werden kann ein Feldemitter-Array, ein Surface Emitter Array oder ein Array von Nanotubes. Damit sind kleinste Baueinheiten erzielbar. Die Arrays weisen eine gitterförmige Struktur oder eine pyramiden- oder tentakelartige Oberfläche auf, von deren Spitzen sich Elektronen lösen.

Zur Erzeugung des Elektronenstrahles ist auch eine konventionelle Elektronenkanone verwendbar, wie sie in Fernsehröhren eingesetzt wird. Die Elektronenkanone muss im Hochvakuum betrieben werden, um eine Zerstörung der Kathode durch ionisiertes Restgas zu vermeiden.

In vorteilhafter Weise enthält das Füllgas mindestens eines der Edelgase He, Ne, Ar, Kr, Xe. Edelgase dienen zur Erzeugung von Licht im UV-Bereich und als Buffergas zur Erzeugung von Ladungsträgern, da es ionisierbar ist.

In vorteilhafter Weise enthält das Füllgas mindestens eines der Gase H₂, N₂, O₂, F₂, oder Cl₂.

In vorteilhafter Weise enthält das Füllgas mindestens eines der bei Betriebsbedingungen ganz oder teilweise verdampften Elemente Br, I, S, Se, T_e, Po, P, As, Sb, Zn, Cd, Hg, In, Tl, Li, Na, K, Rb, Cs, Sr, oder Ba in atomarer oder molekularer Form. Als Füllgase sind insbesondere reine Edelgase oder ein Gemisch aus einem Edelgas und einem Leuchtgas geeignet. Verwendet man reine Edelgase, so lässt sich beispielsweise sehr effzient UV-Licht als Excimerstrahlung erzeugen. Verwendet man ein Leuchtgas- Edelgas Gemisch, z. B. Argon/Quecksilber, so erhält man eine Lampe mit einer hohen Leuchtdichte. Als Leuchtgas bieten sich jedoch auch Molekülstrahler an, die aufgrund des Nichtvorhandenseins von inneren Elektroden chemisch sehr aggressiv sein können. Die Gase emittieren sichtbares Licht, UV-Licht oder infrarotes Licht. Ein enormer Vorteil bietet sich durch die Möglichkeit, dass die durch den Elektronenstrahl erzeugten Zustände zur weiteren Anregung im elektrischen Feld benutzt werden können. Beispielsweise können die im Elektronenstrahl erzeugten Ionen zur weiteren Anregung im elektrischen Feld genutzt werden. Es gibt eine Vielzahl von Ionen, z. B. Ba+, Rb+ oder Cs+, die starke Übergänge im sichtbaren Wellenlängenbereich besitzen. Dasselbe Prinzip funktioniert auch mit der Anregung aus langlebigen angeregten Zuständen, die in großer Zahl durch den Elektronenstrahl erzeugt werden. Ein einfaches Beispiel ist das erwähnte reine Neongas, dessen erstes angeregtes Niveau auf der dritten Schale, im folgenden auch 3s genannt, mit Hilfe des Elektronenstrahles besetzt wird. Aus diesem Niveau heraus, welches eine sehr lange effektive Lebensdauer besitzt, da der Zerfall in den Grundzustand durch Reabsorption im dichten Neongas stark behindert ist, können dann durch das elektrische Feld eine Vielzahl höher gelegener Niveaus angeregt werden, welche in der Folge Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren. Eine Möglichkeit, das 3s-Niveau des Neon noch stärker zu besetzen, bietet sich in einem Gemisch aus Helium und Neon. Hier kann, ausgehend von dem durch den Elektronenstrahl in großer Zahl erzeugten Helium-Ion über eine Reihe von Prozessen schließlich der 3s-Zustand des Neon bevölkert werden. Ein System, das auf dem Elektronenstrahl und dem angelegtem Feld basiert, lässt sich leicht so auslegen, dass nur ein geringer Anteil der von außen zugeführten elektrischen Energie für den Elektronenstrahl verwendet wird, das sind zum Beispiel 10%, während der Großteil der Energie, in diesem Falle 90%, für die effiziente Strahlungserzeugung im elektrischen Feld genutzt wird.

In vorteilhafter Weise weist das Entladungsgefäß Phosphor auf, der das genannte UV- Licht in sichtbares Licht konvertiert.

In vorteilhafter Weise weist das Entladungsgefäß zwei sich diametral gegenüberstehende Spiegel auf. Die Spiegel bilden optische Resonanzkörper mit paralleler oder leicht konkaver Oberfläche und dienen zur Erzeugung von kohärentem Licht für einen Laser.

In vorteilhafter Weise wird die Elektronenstrahlquelle gepulst betrieben. Der Pulsbetrieb dient zur Erzeugung von kohärentem Licht für einen Laser.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Lichtquelle mit äußeren Elektroden in Schnittdarstellung,
Fig. 2 eine zweite Lichtquelle mit einem Mikrowellenresonator in Schnittdarstellung und
Fig. 3 eine dritte Lichtquelle mit inneren Elektroden in Schnittdarstellung.
Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 1, im folgenden auch Gasentladungslampe genannt, mit einer Elektronenstrahlquelle 2 und einer Elektrodenanordnung 3 für eine Glimmentladung. Elektronen 4 werden aus einer geheizten Kathode 5 emittiert und treten durch eine Ausnehmung 6 eines Wehneltzylinders 7 in den Beschleunigungsbereich 8. Hier werden die Elektronen 4 zu einer Ringanode 9 beschleunigt, die sie mit einer Energie von 20 keV passieren. Anschließend treten sie durch ein 300 nm dünnes Eintrittsfenster 10 aus SiN in einen Gasraum 11 des Entladungsgefäßes 12, im folgenden auch Gasbehälter genannt, ein. Beim Durchtritt durch das SiN-Fenster 10 verlieren die Elektronen 4 lediglich 10% ihrer Energie, den Rest deponieren sie lokal stark begrenzt in dem Gasraum 11, welcher mit 200 mbar reinem Neon gefüllt ist. Ein Strahlstrom beträgt etwa 0,1 mA. Jedes Strahlelektron erzeugt im Gasraum 11 eine Vielzahl von Sekundärelektronen und Ionen, das sind cirka 500, und daneben eine ganze Reihe von hoch angeregten Zuständen. Außerhalb des Gasbehälters 12 sind zwei flächenhafte Elektroden 13 und 14 angebracht, zwischen denen ein radiofrequentes Wechselfeld mit einer Frequenz von 13,6 MHz und einer mittleren Spannung von 500 V anliegt. Im radiofrequenten Wechselfeld oszillieren im wesentlichen die Sekundärelektronen und tragen einen Entladungsstrom, der folglich etwa 500 mal höher ist als der Strahlstrom eines Elektronenstrahls 15, also etwa 50 mA beträgt. Kapazitiv werden folglich etwa 25 W in das Plasma eingekoppelt, während der Elektronenstrahl 15 zwei Watt einbringt. Die oszillierenden Elektronen stellen über elastische Stöße eine einheitliche Elektronentemperatur ein, die sich aufgrund der hohen Frequenz kaum über eine Periode ändert. Die Elektronentemperatur der Sekundärelektronen ist dabei durch das geringe Verhältnis zwischen elektrischer Wechselfeldstärke und Neondruck so klein, dass diese nicht zur Ionisation, sondern lediglich zur effizienten Anregung aus den langlebigen angeregten Neonzuständen und damit zur effizienten Lichterzeugung beitragen. Da der Elektronenstrahl 15 negative Ladung in das Entladungsgefäß 12 einbringt, muss diese über einen geerdeten Draht 16, der in das Gefäß 12 eingeschmolzen wird, wieder abgezogen werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieses Systems könnte wie folgt aussehen: Ein würfelförmiges Entladungsgefäß 12 mit einer Kantenlänge von 5 cm ist mit 500 mbar Helium und 50 mbar Neon gefüllt. Ein Elektronenstrahl 15 arbeitet mit 0,1 mA und 20 kV, das entspricht einer Leistung von 2 W. Jedes Primärelektron 4 erzeugt etwa 500 Sekundärelektronen und Sekundärionen, das heißt, der Entladungsstrom in der Glimmentladung beträgt etwa das 500fache des Strahlstromes, das heißt, etwa 50 mA. Die Glimmentladung arbeitet mit einem mittleren Strom von 50 mA und einer mittleren Spannung von 500 V, das entspricht einer Leistung von 25 W. Bei diesem sehr kleinen Verhältnis zwischen elektrischem Feld und Gasdruck von 0,25 V/(cm Torr) findet kaum eine Ionisation durch die Glimmentladung statt, die Glimmentladung besitzt eine stabile positive Charakteristik.
Ein drittes Ausführungsbeispiel arbeitet mit 100 mbar Argon und 5 mg Quecksilber in dem Gasraum 11, der ein Volumen von 3 × 3 × 3 cm³ aufweist. Im stationären Zustand erwärmt sich das Entladungsgefäß 12 so stark, das der Quecksilberdampfdruck etwa 1 mbar beträgt. Jedes Strahlelektron erzeugt im Gasraum 11 hauptsächlich eine Vielzahl von mehr als 500 Argonionen und Sekundärelektronen. Außerhalb des Gefäßes 12 sind zwei flächenhafte durchsichtige Elektroden 13 und 14 aus Indiumzinnoxid angebracht, zwischen denen ein radiofrequentes Wechselfeld mit einer Frequenz von 27 MHz anliegt. Im radiofrequenten Wechselfeld oszillieren im wesentlichen die Sekundärlektronen und tragen den Entladungsstrom, der in diesem Falle etwa 400 mA beträgt. Die mittlere Spannung über der Entladung beträgt etwa 50 V. Kapazitiv werden folglich etwa 20 W in das Plasma eingekoppelt, während der Elektronenstrahl 15 zwei Watt einbringt. Die oszillierenden Elektronen stellen über elastische Stöße eine einheitliche Elektronentemperatur ein, die sich aufgrund der hohen Frequenz kaum über eine Periode ändert. Die Elektronentemperatur der Sekundärelektronen ist dabei aufgrund des geringen Verhältnisses zwischen elektrischer Wechselfeldstärke und Argondruck so klein, dass diese nicht zur Ionisation, sondern zur Anregung des Quecksilbers und damit zur effizienten Erzeugung der UV-Strahlung bei 254 nm beitragen. Die Konversionseffizienz zwischen der Leistung der Glimmentladung und der UV-Strahlung beträgt 70%. Aufgrund kleiner Baueinheiten ist eine hohe Leuchtdichte erzielbar. Falls sichtbares Licht gewünscht wird, kann an der Innenseite des Entladungsgefäßes ein Phosphor zur Konversion der UV-Strahlung angebracht werden. Der Elektronenstrahl erzeugt die Ladungsträger im Gasvolumen, hält die Glimmentladung homogen und führt zu einer direkten Zündung der Entladung. Anstatt des Quecksilbers kann auch ein anderes Leuchtgas verwendet werden, dessen Dampfdruck im stationären Zustand mindestens einige mTorr beträgt. Besonders interessant sind ist dieser Hinsicht z. B. Natrium, Strontium oder Barium, da diese Atome starke Linien im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen, und daneben vor allem Molekülstrahler wie Indiumbromid, dessen Resonanzstrahlung im oder nahe dem sichtbaren Wellenlängenbereich liegt.
Fig. 2 zeigt eine zweite Lichtquelle 20 mit der Elektronenstrahlquelle 2, dem Gasraum 11 und mit einem Mikrowellenresonator 21, der eine Glimmentladung bei einer Frequenz von 2,45 GHz von außen induziert. Das induzierte elektrische Feld ist ein Wirbelfeld, die Elektronen oszillieren auf Kreisbahnsegmenten.
Fig. 3 zeigt eine dritte Lichtquelle 30 mit der Elektronenstrahlquelle 2, einer Elektrodenanordnung 31 und einem Entladungsgefäß 32. Elektroden 33 und 34 der Elektrodenanordnung 31 sind als Kathode 33 und Anode 34 ausgebildet, die in das Entladungsgefäß 32 eingebracht sind. Die Kathode 33 weist eine Wolframwendel 35 auf, die Anode 34 ein flächenhaftes Metallplättchen 36. Zuführungsdrähte 37, 38 und 39 zu den Elektroden 33 und 34 sind in das Entladungsgefäß 32 eingeschmolzen. Zwischen der Kathode 33 und der Anode 34 liegt eine Gleichspannung von 500 V. Die Kathode 33 wird durch einen Beiheizstrom zum Glühen gebracht. Die Sekundärelektronen tragen zum großen Teil den Glimmentladungsstrom, der folglich etwa 500 mal größer ist als der Strahlstrom, also etwa 50 mA beträgt. Die Sekundärelektronen driften im elektrischen Feld zu der Anode 34 und stellen dabei eine sehr niedrige Elektronentemperatur ein. Da im Entladungsvolumen die Elektronendichte in etwa gleich der Ionendichte sein muss, der Elektronenstrom durch die höhere Mobilität der Elektronen im elektrischen Feld jedoch sehr viel größer als der Ionenstrom ist, müssen Elektronen aus der Kathode 33 nachgeführt werden. Dies geschieht durch die Beiheizung der Kathode 33. Ein zusätzlicher geerdeter Draht ist nicht notwendig, da die Anode 34 bereits dessen Funktion übernimmt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Lichtquelle
2 Elektronenstrahlquelle
3 Elektrodenanordnung
4 Elektronen
5 Kathode
6 Ausnehmung
7 Wehneltzylinder
8 Beschleunigungsbereich
9 Ringanode
10 Eintrittsfenster
11 Gasraum
12 Entladungsgefäß
13 Elektrode
14 Elektrode
15 Elektronenstrahl
16 Draht
20 Lichtquelle
21 Mikrowellenresonator
30 Lichtquelle
31 Elektrodenanordnung
32 Entladungsgefäß
33 Kathode
34 Anode
35 Wolframwendel
36 flächenhaftes Metallplättchen
37 Zuführungsdraht
38 Zuführungsdraht
39 Zuführungsdraht

Claims

1. Lichtquelle (1, 20, 30) mit einem Entladungsgefäß (12, 32), das mit einem Füllgas gefüllt ist und mit einer in einem Vakuum oder in einem Bereich niedrigen Druckes befindlichen Elektronenstrahlquelle (2), die Elektronen (4) erzeugt und diese durch eine Eintrittsfolie (10) in das Entladungsgefäß (12, 32) einschießt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Entladungsgefäßes (12, 32) ein elektrisches Feld erzeugbar ist.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (12, 32) elektrisch leitfähige Elektroden (13, 14, 33, 34) aufweist.

3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13, 14, 33, 34) ein Dielektrikum aufweisen.

4. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (12, 32) eine Spule aufweist.

5. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (12, 32) einen Mikrowellenresonator (21) aufweist.

6. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlquelle (2) einen Feldemitter aufweist.

7. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas mindestens eines der Edelgase He, Ne, Ar, Kr, Xe enthält.

8. Lichtquelle nach Anspruch 1 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas mindestens eines der Gase H₂, N₂, O₂, F₂, oder Cl₂ enthält.

9. Lichtquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas mindestens eines der bei Betriebsbedingungen ganz oder teilweise verdampften Elemente Br, I, S, Se, T_e, Po, P, As, Sb, Zn, Cd, Hg, In, Tl, Li, Na, K, Rb, Cs, Sr oder Ba in atomarer oder molekularer Form enthält.

10. Lichtquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 7, 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß Phosphor aufweist.

11. Lichtquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (12, 32) zwei sich diametral gegenüberstehende Spiegel aufweist.

12. Lichtquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenstrahlquelle (2) gepulst betrieben wird.