DE4438407C2 - VUV-Lampe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine VUV-Lampe, bei der in einem zumindest teilweise lichtdurchlässigen, gasgefüllten Emissionsraum durch Elektronenstrahlanregung eine Excimerstrahlung erzeugt wird und die von einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen durch eine dünne Folie in den Emissionsraum eintreten.

Im vakuumultravioletten Spektralbereich benötigt man für Laboranwendungen, wie beispielsweise zur Kalibrierung der Empfindlichkeit von Detektoren, sowie zur Messung der Transmission bzw. Reflexion von Materialien geeignete Lichtquellen. Hierbei sind für diesen Spektralbereich bislang kommerziell praktisch nur Deuteriumbogenlampen erhältlich.

Die Lichtintensität der Kontinuumstrahlung derartiger Deuteriumlampen fällt jedoch zu kurzen Wellenlängen hin stark ab, wobei die Strahlung von schmalbandiger Linienstrahlung überlagert wird. Eine derartige Linienstrahlung wirkt sich jedoch bei Kalibrier- und Transmissionsmessungen aufgrund des dadurch erforderlichen hohen dynamischen Bereiches der Detektorempfindlichkeit sehr störend aus. Zudem brennen Lichtbögen nie ausreichend stabil und führen durch die großen in der Lampe umgesetzten Leistungen zu Alterungseffekten in diesen Lichtquellen.

Aus der GB-Zeitschrift J. Phys. B 17 (1984) 2057-2074 ist ein Versuchsaufbau mit einem Hochleistungslaser bekannt, der zur Grundlagenforschung mit Excimerstrahlung dient. Hierbei ist eine Strahlenergie von 1,75 MeV angesprochen.

Aus der JP 63-16546 (A) in Patents abstracts of Japan E-625 June 23, 1988 Vol. 12/No. 221 ist eine Lichtquelle bekannt, die eine Auslaßöffnung für einen Elektronenstrahl und ein lichtemittierendes Element aufweist. Zur Kühlung sind eine Kühlrippe und ein thermoelektrisches Kühlelement mit der Elektronenstrahlquelle verbunden.

Aus der US 4,494,036 ist eine dünne auf Siliziumbasis hergestellte Folie bekannt, die als Elektronenstrahlfenster dient. Dieses Elektronenstrahlfenster wird bevorzugt bei thermischen Tintenstrahldruckern eingesetzt.

Schließlich ist aus der JP 60-136157 (A) in Patents abstracts of Japan E-360 November 21, 1985 Vol. 9/No. 295 eine Lumineszenzelektronenröhre bekannt, bei der die Innenfläche des Außenrohres mit einem Leuchtstoff beschichtet ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine VUV-Lampe der eingangs genannten Art mit zeitlich stabiler Excimerstrahlung und stabiler Emissionscharakteristik zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Mit einer derartigen Vorrichtung ist eine Lichtquelle geschaffen, bei der mit Hilfe von niederenergetischen Elektronen eine breitbandige Lichtemission im vakuumultravioletten Spektralbereich (VUV) erzeugt werden kann. Hierbei werden Elektronen mit einer Energie im Bereich von 5 keV-40 keV erzeugt, die auf einfache Weise und mit einer zeitlich stabilen Stromstärke erzeugt werden können. Die Lichtemission beruht dabei auf der Excimeremission von Edelgasen, die bei der Abbremsung der Elektronen in dichtem Gas entsteht. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene dünne Folie, die auf Siliziumbasis hergestellt ist, kann der Emissionsraum von der Elektronenquelle räumlich getrennt werden, wobei der Energieverlust der Elektronen (10 keV) in der Folie nur ca. 1% der Gesamtenergie der Elektronen beträgt.

Die auftretende Excimeremission tritt bei Elektronenstrahlanregung von Edelgasen auf, die unter einem Druck von 0,2 bar und mehr stehen. Hierbei tritt eine Intensive Lichtemission im vakuumultravioletten Spektralbereich (Wellenlänge kleiner 200 nm) durch Emission der Excimerkontinua auf. Bei höheren Drücken, ab ca. 1 bar, wird die Emission vom sogenannten 2. Kontinuum dominiert, bei dem die Lichtausbeute bis zu 40% betragen kann. Bisherige Methoden zur Produktion von Excimeremission, wie Anregung mit hochenergetischen Elektronenstrahlen (vgl. z. B. R. Sauerbrey, F. Emmert, H. Langhoff, "Fluorescence and absorption in electron-beam excited argon" J. Phys. B 17 (1984) 2057-2074), hochenergetischen Schwerionenstrahlen (vgl. z. B. A. Ulrich, H.J. Körner, W. Krötz, G. Ribitzki, "Heavy ion excitation of rare gas excimers", J. Appl. Phys. 62 (1987) 357-361), Röntgenstrahlanregung (vgl. z. B. Proceedings XXI International Conference on Phenomena in Ionized Gases, vol. III, Bochum, 19-24 September 1993, hierin besonders S. 237-244: J.M. Pouvesle et al., Energetic High Repetition Rate Flash X-Ray Source: Application to UV-VUV Fluorescence Studies in High Pressure Gases) oder nuclear gepumpte Plasmen (vgl. z. B. M.G. Anuchin, K.F. Crebenkin, V.A. Kryzhanovskii, E.P. Magda, Sov. Tech. Phys. Lett. (USA) 18 (1992) 164-165) sind nur unter hohem experimentellen Aufwand realisierbar. Andere Methoden, wie stille Entladungen (vgl. z. B. U. Kogelschatz, Silent-discharge driven excimer UV sources and their applications, Appl. Surf. Sci. 54 (1992) 410-423) oder Excimeremission aus einer Düsenentladung (vgl. z. B. P. Dube, T. Eftimiopoulos, M.J. Kiik, B.P. Stoicheff, Supersonic cooling of rare gas excimers excited in dc discarges, Opt. Lett. 16 (1991) 1887-1889) sind aufgrund ihrer zeitlichen und räumlichen Emissionscharakteristik speziell für Kalibrierzwecke ungeeignet.

Bei Excimern handelt es sich um zweiatomare Moleküle, die nur im angeregten Zustand existieren. Wenn diese wieder zerfallen, ist dies mit Lichtemission verbunden. Als geeignete Gase kommen beispielsweise Edelgase in Frage. Bei einer Mischung von Gasen können Excimerkontinua aller Komponenten auftreten, wobei die Intensität aufgrund von Energietransferprozessen von dem Mischungsverhältnis der Gase abhängt. Durch Zugabe von kleinen Mengen eines schwereren Edelgases kann eine intensive Emission der Kontinua dieser Beimengung erzielt werden. Gerade durch eine Trennung von Elektronenerzeugung und Lichtemission sind beliebige Gasmischungen ohne die Probleme möglich, die eine elektrische Gasentladung in diesem Fall aufweisen würde, wie z. B. veränderte Zündeigenschaften. Bei der hier vorgeschlagenen Elektronenstrahlanregung ist eine stabile Emissionscharakteristik in jedem Fall gewährleistet.

Die mit der erfindungsgemäßen Lichtquelle erzeugte Strahlung stellt eine breitbandige Lichtemission dar, bei der aufgrund der Excimeremissionsbänder auch bei kurzen Wellenlängen noch eine hohe Lichtintensität vorhanden ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Nach einer Ausbildung der Erfindung kann die Folie aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Polysilizium hergestellt sein. Eine solche Folie läßt sich mit mikromechanischen Methoden, beispielsweise durch chemical vapor deposition (CVD) und selektives Ätzen oder ähnliches herstellen und ist grundsätzlich bekannt (vgl. hierzu "Thin film processes", J.L. Vossen and W. Kern, New York, Academic Press, 1978, und hierin insbesondere den Beitrag "Chemical vapor deposition of inorganic thin films" von W. Kern und V.S. Ban).

Vorzugsweise kann die Folie eine Dicke von 100 bis 300 nm, insbesondere 200 nm aufweisen. Hierdurch ist der Energieverlust der durchtretenden Elektronen außerordentlich gering.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung herrscht in dem Emissionsraum vorzugsweise ein Druck von 2 bar. Durch einen solchen relativ hohen Gasdruck wird die Lichtausbeute groß, da die Bildungsrate der Excimermoleküle quadratisch mit dem Druck ansteigt.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann der Emissionsraum zumindest teilweise mit einem Szintillator versehen sein. Hierdurch kann eine Emission bei längeren Wellenlängen außerhalb des VUV-Bereiches erreicht werden, so daß die erfindungsgemäße Lichtquelle auch auf vorteilhafte Weise im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise als herkömmliche Haushaltslampe, eingesetzt werden kann.

Als Elektronenquelle können herkömmliche Glühemissionskathoden und auch Feldemissionskathoden verwendet werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Folie Stützstrukturen aufweisen, die beispielsweise die Form von Stegen besitzen, so daß in der Folie einzelne Fenster gebildet sind. Hierdurch läßt sich insgesamt ein großer Durchtrittsbereich für die Elektronen erzeugen, ohne daß die Stabilität dieses Folienbereiches leidet. Die gesamte Lichtausgangsleistung wird somit proportional zur Fläche gesteigert. Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann vorzugsweise als Eichlampe eingesetzt werden, da die erzeugten Spektralbereiche keine Linienstrahlung aufweisen.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Lichtquelle gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 ein beispielhaftes Spektrum der Lichtquelle von Fig. 1, wobei Argongas angeregt wurde.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der Lichtquelle gemäß der Erfindung. Die Lichtquelle besteht aus einem gasgefüllten Gefäß 10, das ein optisches Fenster 12 aufweist, welches lichtdurchlässig ist. Für Anwendungen der Lichtquelle im vakuumvioletten Spektralbereich ist das Fenstermaterial vorzugsweise Magnesiumfluorid (MgF₂), Lithiumfluorid (LiF), oder Quarz. Die Rückseite des optischen Fensters 12 kann gegebenenfalls mit einem Szintillator 14 beschichtet sein. Durch jeweils einen Einlaßstutzen 16 und einen Auslaßstutzen 18 kann der Emissionsraum 10 mit Gas gefüllt werden, welches unter Druck steht.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß der Emissionsraum selbstverständlich auch die Form herkömmlicher Leuchtstofflampen oder Glühbirnen o. ä. annehmen kann.

Ein Bereich des Emissionsraumes ist mit einer dünnen Folie 20 verschlossen, die einen Eintritt von Elektronen in das Entladungsgefäß 10 ermöglicht. Hierbei weist die Folie 20, die stark vergrößert dargestellt ist, mehrere Stützstrukturen 22 auf, die zur erhöhten Stabilität beitragen.

Eine nicht dargestellte Elektronenquelle erzeugt Elektronen einer Energie von ca. 10 keV unter einem Vakuum von ca. 10^-7 mbar.

Hierbei ist die Elektronenquelle derart angeordnet, daß die erzeugten Elektronen, die in Fig. 1 mit Pfeilen 24 angedeutet sind, durch die Folie 20 in den Emissionsraum 10 eintreten können. Hierdurch wird in dem Emissionsraum 10 ein leuchtendes Gasvolumen 26 erzeugt.

Die verwendete Folie 20 ist ca. 300 nm dick und besteht aus Siliziumnitrid. Die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete Folie ist quadratisch und besitzt eine Kantenlänge von 2 mm. Hierbei ist die Folie Bestandteil einer ca. 5 × 5 mm großen Siliziumscheibe. Als Anregungsgas eignen sich die folgenden Edelgase, wobei die entsprechenden Wellenlängenbereiche in nm angegeben sind:
Helium 60-100
Neon 80-100
Argon 105-280 (incl. 3. Kontinuum)
Krypton 125-155
Xenon 150-190.

Durch die Excimerkontinua der genannten Gase wird der Spektralbereich von 120 nm bis 200 nm praktisch vollständig abgedeckt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Spektrum von Argon, das bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gemessen wurde, wobei der Gasdruck in dem Entladungsgefäß 1 bar beträgt.

Durch die Verwendung von fluoreszierenden Materialien als Szintillator 14 läßt sich die erzeugte Strahlung in sichtbares Licht umwandeln. Hierbei kann der Emissionsraum beispielsweise wie eine herkömmliche Leuchtstofflampe ausgebildet sein, die einen mit der dünnen Folie verschlossenen Eintrittsbereich für die Elektronen aufweist.

Die Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die Wahl der Gase, deren Druck, beziehungsweise Mischung, so eingestellt werden, daß über weite Bereiche des Spektrums nur geringe Intensitätsunterschiede der Lichtemission auftreten. Durch die externe Erzeugung des Elektronenstrahls niedriger Leistung können zeitlich sehr stabile Lichtausgangsleistungen erzeugt werden.

Selbstverständlich kann die Lampe durch Pulsen des Elektronenstrahles zeitlich gepulst betrieben werden, wobei die Leistung im Puls entsprechend dem Tastverhältnis im Bereich der technischen Grenzen (spontane Zerstörungsschwelle der Folie) erhöht werden kann.

Auch wenn die beschriebene Ausführungsform nur eine relativ kleine Folienfläche aufweist, können bei höheren benötigten Leistungen wesentlich größere Folienflächen hergestellt werden, wobei das Ausgangsmaterial des Siliziumwafers als Stützstruktur 22 dienen kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Spektrum wurde Argon unter einem Druck von 1 bar mit 10 keV Elektronen unter einer Stromdichte von 1 nA/mm² angeregt. Wie Fig. 2 deutlich zeigt, wird ein sehr breiter spektraler Bereich der Lichtemission erzeugt, wobei bei 128 nm das sog. 2. Excimerkontinuum und bei 155 nm der sog. linke Umkehrpunkt liegt. Oberhalb von 190 nm überlagert sich das sog. 3. Excimerkontinuum mit einer Fluoreszenz der verwendeten Siliziumnitridfolie in der Lichtquelle.

Claims (12)

1. VUV-Lampe, bei der in einem zumindest teilweise lichtdurchlässigen, gasgefüllten Emissionsraum durch Elektronenstrahlanregung eine Excimerstrahlung erzeugt wird und die von einer Elektronenquelle erzeugten Elektronen durch eine dünne Folie in den Emissionsraum eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle eine Elektronenenergie von 5 bis 40 keV erzeugt und die dünne Folie (20) aus Silizium oder einer Siliziumverbindung besteht.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (20) aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Polysilizium hergestellt ist.

3. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Emissionsraum (10) ein Druck von 0,5 bis 30 bar, vorzugsweise 2 bar, vorhanden ist.

4. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsraum (10) zumindest teilweise mit einem Szintillator (14) versehen ist.

5. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (20) eine Dicke von 100-300 nm, vorzugsweise 200 nm, aufweist.

6. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der erzeugten Elektronen (24) 20 keV beträgt.

7. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Emissionsraum (10) befindliche Gas zumindest eines aus der Gruppe Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon ist.

8. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elektronenquelle ein Druck von ca. 10^-7 mbar vorhanden ist.

9. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte des Elektronenstrahles in der Elektronenquelle ca. 5 nA/mm² beträgt.

10. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (20) Stützstrukturen (22) aufweist.

11. Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen durch Feldemission erzeugbar sind.

12. Verwendung einer Lampe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche als Eichlampe.