DE4009850C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Laser­ gas, insbesondere für Excimer- und F₂-Laser, unter Verwendung von in einem Behälter angeordneten flüssigem Stickstoff zum Ausfrieren von Verunreinigungen aus dem Lasergas, wobei die Ausfriertemperatur einstellbar ist.

Gepulste Gaslaser, wie Excimer- und F₂-Laser, werden durch Gas­ entladungen angeregt. Das Lasergas wird durch die Gasentladun­ gen verunreinigt, insbesondere durch Abbrand an den Gasentla­ dungselektroden, chemische Reaktionen und Desorptionen von den Wänden, insbesondere den Fenstern des Lasers. Solche Verunrei­ nigungen beeinträchtigen die Leistung und Lebensdauer des Lasers. Auch das eingefüllte Gas ist in aller Regel von vornhe­ rein schon verunreinigt.

Es ist im Stand der Technik bekannt, das Lasergas aus dem Gas­ entladungsraum heraus zu einer Reinigungseinrichtung zu führen und danach wieder in den Gasentladungsraum zu zirkulieren. Es ist auch bekannt, diese Gasreinigung durch Ausfrierung bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffes durchzuführen.

Tieftemperaturexperimente z. B. bei F₂-Lasern haben gezeigt, da8 eine erhebliche Steigerung der Laserleistung möglich ist, wenn die Betriebstemperatur des Ausfrierbereiches des cryogenischen Gasreinigers deutlich unterhalb von 77 K (typische Temperatur flüssigen Stickstoffes bei Atmosphärendruck) liegt.

Gasentladungslaser können je nach der verwendeten Gasmischung bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Dabei wird in der Regel nur das Gas ausgetauscht, um einen Laser zu erhalten, der Strahlung anderer Wellenlänge emittiert. Wird die Gasent­ ladung nicht mit F₂-Gas durchgeführt, sondern werden beim Be­ trieb als Excimer-Laser, Edelgase wie Kr und Xe beigemischt (außer ArF), so darf die Reinigung des Lasergases durch cryogenisches Ausfrieren nur bei Temperaturen erfolgen, die höher sind als 77 K.

Die DE 36 32 995 A1 beschreibt die Verwendung einer Kältefalle unter Verwendung von insbesondere flüssigem Stickstoff, wobei die Kältefalle dazu dient, im Vergleich mit dem Hauptedelgas eines Excimerlasers bei tieferen Temperaturen siedende Verun­ reinigungen auszufrieren.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, eine Vorrichtung zum Reini­ gen von Lasergas zu schaffen, die in einfacher und kostengün­ stiger Weise ein Ausfrieren von Verunreinigungen aus dem Laser­ gas bei unterschiedlichen Temperaturen unter- und oberhalb von 77 K ermöglicht.

Es wäre denkbar, diese Aufgabe dadurch zu lösen, daß im Aus­ frierbereich der Vorrichtung eine Heizeinrichtung vorgesehen wird, mit der wahlweise eine bestimmte Temperatur einstellbar ist. Eine solche Lösung ermöglicht aber keine Temperaturen unterhalb von 77 K und hat überdies den Nachteil, daß ein er­ höhter Verbrauch von flüssigem Stickstoff erfolgt.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht hingegen vor, daß die Aus­ friertemperatur mittels des Druckes über dem flüssigen (ggf. auch festen) Stickstoff eingestellt wird.

Bei Unterdruckbetrieb (Unterdruck in bezug auf die Atmosphäre) wird eine Temperatur im Ausfrierbereich erreicht, die tiefer liegt als 77 K, während bei Überdruckbetrieb (in bezug auf die Atmosphäre) Temperaturen im Ausfrierbereich eingestellt werden können, die oberhalb von 77 K liegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also ohne wesent­ liche Umbauten die Einstellung gewünschter Temperaturen zum Ausfrieren von Verunreinigungen aus Lasergas, je nach der ver­ wendeten Gasart. Der mit flüssigem Stickstoff erreichbare Tem­ peraturbereich wird auf Werte tiefer als die Temperatur des flüssigen Stickstoffs bei Atmosphärendruck ausgeweitet, so daß die Laserleistung bei bestimmten Gasen erhöht werden kann. Es ist keine Heizung erforderlich und der Verbrauch an flüssigem Stickstoff bei Temperaturen oberhalb von 77 K ist relativ ge­ ring.

Weiterhin liegt einer Variante der Erfindung auch die Erkennt­ nis zugrunde, daß bei insbesondere einem F₂-Laser (mit den Betriebsgasen F₂ und He) die Laserleistung auch bei einer frischen Gasfüllung deutlich gesteigert werden kann, wenn das Gas vor dem Laserbetrieb cryogenisch gereinigt wird. Beste Ergebnisse werden dabei bei einer Temperatur von 63 K beobach­ tet, einer Temperatur, bei der eine Kondensation von F₂ gerade einsetzt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas.

In einem Behälter 10 ist flüssiger Stickstoff 12 enthalten. Die Oberfläche der flüssigen bzw. festen Phase des Stickstoffes 12 ist mit 14 bezeichnet.

Der Behälter 10 ist thermisch isoliert, beim dargestellten Aus­ führungsbeispiel durch evakuierte Räume 16 in seinen Wänden. Statt der Evakuierung kann auch Isolationsmaterial vorgesehen sein.

Über eine Leitung 18 und ein Ventil 20 kann flüssiger Stick­ stoff in den Behälter 10 nachgefüllt werden.

Mittels einer als solche bekannten Füllstands-Meßeinrichtung 22 wird der Füllstand des flüssigen Stickstoffs 12 in dem Behälter 10, also die Position der Oberfläche 14 der flüssigen Phase er­ mittelt. Das Ergebnis wird an einem Meßgerät 24 angezeigt. In die Füllstands-Meßeinrichtung 22 ist auch eine Temperatur-Meß­ einrichtung integriert, deren Meßergebnis ebenfalls am Gerät 24 angezeigt wird.

Der Behälter 10 ist nach außen dicht abgeschlossen. Über der Oberfläche 14 des flüssigen (oder ggf. festen) Stickstoffes 12 liegt eine Gasphase 26 vor, wobei der Druck in der Gasphase aufgrund des dichten Abschlusses des Behälters 10 gegenüber der äußeren Atmosphäre verschieden vom Atmospärendruck sein kann.

Der Behälter 10 ist oben durch einen Deckel 28 abgeschlossen. Außer der bereits genannten Leitung 18 und der Füllstands-Meß­ einrichtung 22 ragt auch eine Leitung 30 durch den Deckel 28 in das Innere des Behälters 10. Alle Durchführungen bzw. Leitungen sind vakuumdicht und Überdrucksicher durch den Deckel 28 ge­ führt. Die Leitung 30 führt über ein Ventil 36 zu einer Vakuum­ pumpe 34, die bei Betrieb und geöffnetem Ventil 36 Gase (im wesentlichen flüssiger Stickstoff) aus dem Freiraum oberhalb der Oberfläche 14 über eine Leitung 32 in die äußere Atmosphäre fördert.

Weiterhin ist an die Leitung 30 ein Druckmeß- und Anzeigegerät 40 angeschlossen, das über eine weitere Leitung 38 mit einem regel- und/oder einstellbaren Ventil 42 mit einer Leitung 44 verbunden ist, die ebenfalls zur äußeren Atmosphäre führt.

Der Behälter 10 weist einen Boden 46 auf, der zwecks einer gu­ ten Wärmeleitung beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kupfer gefertigt ist. Unter dem Boden 46 ist mittels Schrauben 50, 52 eine Platte 48 montiert, die eine spiralförmige Leitung 54 gegen den Boden 46 klemmt. Durch die spiralförmige Leitung 54 strömt das zu reinigende Lasergas. Mittels eines Tempera­ tursensors 56 ist die Temperatur im Ausfrierbereich an der Un­ terseite des Bodens 46 meßbar und in eine zentrale Steuerung eingebbar, mit der auch das Meßgerät 24 sowie alle Steuerein­ richtungen für die gezeigten Ventile und Pumpen verbunden sind.

Durch Leitungen 58, 60 strömt Lasergas in die spiralförmige Leitung 54 im Ausfrierbereich bzw. wieder heraus. Die Leitungen 58, 60 sind mit einem Wärmetauscher 62 verbunden. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher 62 durch koaxial angeordnete Rohre ge­ bildet.

Gereinigtes Lasergas strömt durch eine Leitung 68, ein Ventil 66 und eine Leitung 64 zum Laser (nicht gezeigt), während zu reinigendes Lasergas über eine Leitung 70, eine Gaszirkula­ tionspumpe 72, ein Ventil 74 und eine Leitung 76 in den Wärme­ tauscher 62 eintritt.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Zu reinigendes Lasergas strömt bei geöffnetem Ventil 74 über den Wärmetauscher 62, d. h. eines der dort vorgesehenen konzen­ trisch angeordneten Rohre und über das Rohr 58 zur spiralförmi­ gen Leitung 54 im Ausfrierbereich unter dem Boden 56 des Behäl­ ters 10. Dort wird das Lasergas auf die gerade am Boden 46 herrschende und mittels des Temperatursensors 56 gemessene Temperatur abgekühlt, wobei Verunreinigungen ausgefroren wer­ den. Der Ausfriervorgang und insbesondere die Art und Menge der dabei ausgefrorenen Bestandteile aus dem Lasergas hängen empfindlich von der Temperatur im Ausfrierbereich ab. Die Ein­ stellung dieser Temperatur wird weiter unten näher beschrieben. Das so abgekühlte und durch Ausfrierung (Kondensation) von un­ erwünschten Bestandteilen gereinigte Lasergas strömt durch das andere Rohr 60 zurück zum Wärmetauscher 62 und kühlt dort das über die Leitung 70 vom Laser kommende warme Gas vor, bevor dieses in die Leitung 54 des Ausfrierbereichs eintritt. Das ge­ reinigte Lasergas strömt dann weiter über die Leitung 68, das Ventil 66 und die Leitung 64 zum Entladungsraum des Lasers.

Die Temperatur am Boden 46 des Behälters 10 wird erfindungsge­ mäß dadurch wahlweise variiert, daß der Druck der Gasphase 26 über der Oberfläche 14 so eingestellt wird, daß die Temperatur des flüssigen Stickstoffs 12 den gewünschten Wert annimmt. Die­ ser Wert kann oberhalb oder unterhalb von 77°K liegen. Hierzu wird mittels der Vakuumpumpe 34 (bei geschlossenen Ventilen 20, 42 und geöffneten Ventil 36) der Freiraum über der Oberfläche 14 des flüssigen Stickstoffs (der ggf. auch fest sein kann) so­ weit evakuiert, daß sich der flüssige Stickstoff auf den ge­ wünschten Wert abkühlt, was der Temperatursensor 56 am Boden 46 mißt und der zentralen Steuerung anzeigt. Bei Unterdruckbetrieb (Unterdruck im Raum über der Oberfläche 14 im Vergleich zum äußeren Atmosphärendruck) können Temperaturen im Ausfrierbe­ reich erreicht werden, die tiefer liegen als 77 K.

Sollen hingegen Temperaturen gleich oder größer als 77 K er­ reicht werden, wird das Ventil 36 abgesperrt bzw. die Vakuum­ pumpe 34 außer Betrieb gesetzt und es wird mittels des regel­ baren bzw. einstellbaren Ventils 42 ein Überdruck im Raum über der Oberfläche 14 eingestellt, bei dem sich der flüssige Stick­ stoff 12 auf die gewünschte Temperatur bei oder oberhalb von 77 K einstellt. Hierzu übermittelt das Druckmeßgerät 40 ein Druckmeßsignal an die zentrale Steuerung, die das Ventil 42 so einstellt, daß ein gewünschter Soll-Druckwert erreicht wird, bei dem die mittels des Temperatursensors 56 gemessene Tempe­ ratur den gewünschten Wert hat, bei der das Lasergas optimal durch Ausfrierung gereinigt wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas, insbesondere für Excimer- und F₂-Laser, unter Verwendung von in einem Behälter (10) angeordneten flüssigem Stickstoff zum Ausfrieren von Verunreinigungen aus dem Lasergas, wobei die Ausfriertemperatur einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfriertem­ peratur mittels des Druckes über der Oberfläche (14) des flüs­ sigen Stickstoffes (12) im abgeschlossenen Behälter (10) einge­ stellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff (12) in einem Behälter (10) angeordnet ist, unter dessen Boden (46) eine das Lasergas führende Leitung (54) zum Ausfrieren der Verunreinigungen in gutem Wärmekontakt mit dem Boden befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff (12) in einem Behälter (10) angeordnet ist, aus dem eine Leitung (90) zu einer Ausfriereinrichtung (84) führt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den flüssigen Stickstoff (12) enthaltenden Behälter (10) eine Leitung (30) mündet, die an eine Vakuumpumpe (34) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Überdruckventils (42) im den flüssigen Stickstoff (12) enthal­ tenden Behälter (10) ein Druck einstellbar ist, der über dem Atmosphärendruck liegt.

6. Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas, insbesondere für einen F₂-Laser, unter Verwendung von flüssigem Stickstoff zum Ausfrieren von Verunreinigungen aus dem Lasergas, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasergas durch Ausfrierung bei einer Temperatur von nicht mehr als 70 K gereinigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasergas bei einer Ausfriertemperatur von nicht mehr als 66 K, vorzugsweise nicht mehr als 63 K, gereinigt wird.