DE69107513T2 - Halogenverträgliche Hochfrequenzentladungsvorrichtung. - Google Patents
Halogenverträgliche Hochfrequenzentladungsvorrichtung.Info
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Description
- Diese Erfindung betrifft eine Hochfrequenzentladungsvorrichtung umfassend eine Entladungsröhre, die chemisch reaktive Halogene enthält. Verschiedene Gasmischungen, die fähig sind, Laser- und Fluoreszenzlicht im ultravioletten Teil des Spektrums effizient zu emittieren, enthalten chemisch reaktive Halogene wie Fluor oder Chlor. Hochfrequenzanregung dieser halogenhaltigen Gase ist wünschenswert, da die Verwendung chemisch reaktiver Metallelektroden in der Entladungsröhre nicht erforderlich ist. Es ist jedoch notwendig, die Entladungsröhre selbst aus halogenverträglichen Materialien herzustellen, um eine lange Betriebsdauer dieser Vorrichtungen zu erreichen.
- Gasentladungsröhren, in denen optisch emittierende Gase durch elektromagnetische Hochfrequenzfelder (10 MHz bis 10 GHz) angeregt werden, werden in vielen Arten von Lasern und Lampen verwendet. Christensen (U.S.-Patente 4,631,732; 4,789,909; 4,796,271) und Harris und Young (U.S.-Patent 4,802,183) offenbarten Hochfrequenzentladungsvorrichtungen, die zur Anregung von Edelgashalogenid-Excimerlasersystemen geeignet sind. Kumagai und obara (Applied Physics Letters, 54,2619 (1939)) beschrieben hocheffiziente Lampen unter Verwendung von Edelgas/Halogenmischungen. In diesem Stand der Technik sind die Gasmischungen in einer dielektrischen Entladungsröhre enthalten, die aus Borsilicatglas- und Quarzglasmaterialien oder Aluminiumoxid hergestellt ist. Obwohl Glas- und Quarzglasmaterialien nach üblichen Glasbearbeitungstechniken bearbeitet und geformt werden können, werden sie durch die Halogenentladungsplasmen, insbesondere die fluorhaltigen, angeätzt und korrodiert. Aluminiumoxid ist chemisch beständiger gegen Halogenentladungsplasma, aber es ist wegen seiner extremen Härte und des hohen Schmelzpunktes schwierig zu bearbeiten und zu formen.
- Die vorliegende Erfindung verwendet nach Anspruch 1 Glasmaterialien, die aus glasartigen Metallfluoridverbindungen zusammengesetzt sind, welche nachfolgend als Metallfluoridglas bezeichnet werden, in Verbindung mit einer elektromagnetischen Hochfrequenzstruktur in der Konstruktion einer Gasentladungsröhre, die mit einer Halogenentladungsatmosphäre chemisch verträglich ist. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung.
- Figur 1a stellt eine Seitenaufrißansicht einer Hochfrequenzentladungsröhre gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar.
- Figur 1b stellt eine Querschnittansicht der ersten bevorzugten Ausführungsform dar.
- Figur 2 stellt eine Querschnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dar, die die Verwendung eines Umhüllungsmaterials zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit der Röhre und zur Unterstützung des Ableitung von Wärme von der Entladungsregion zeigt.
- Figur 3a stellt eine Querschnittansicht einer Hochfrequenzentladungsröhre gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar, die die Metallfluoridglasröhre in einem elektromagnetischen Hochfrequenzwellenleiter angeordnet zeigt.
- Figur 3b stellt eine Perspektivansicht einer Hochfrequenzentladungsröhre gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar, die die Metallfluoridglasröhre in einem elektromagnetischen Hohlraumresonator angeordnet zeigt.
- Figur 4a stellt eine Querschnittansicht einer alternativen Geometrie für die Metallfluoridglasröhre dar, in der die Röhrenbohrung rechtwinklig ist.
- Figur 4b stellt eine Querschnittansicht einer alternativen Geometrie für die Metallfluoridglasröhre dar, in der die Röhre zahlreiche Bohrungen aufweist.
- Figur 4c stellt eine Querschnittansicht einer alternativen Geometrie für die Entladungsröhre dar, in der drei Wände der Röhre aus einer Keramik oder einem halogenverträglichen Metall hergestellt sind und eine vierte Wand aus Metallfluoridglas hergestellt ist.
- Halogenverträglichkeit einer Gasentladungsvorrichtung erfordert, daß alle Flächen der Konstruktion, die dem halogenhaltigen Gas ausgesetzt sind, gegen das nicht angeregte Gas chemisch inert sind. Interessante halogentragende Moleküle können beispielsweise Fluor, Chlor, Chlorwasserstoff oder ähnliche korrosive Verbindungen sein. Einem Entladungsplasma ausgesetzte Flächen müssen also Erosion durch Bombardierung mit energetischen Ionen und chemischem Angriff durch die sehr reaktiven Halogenatome, -ionen und -radikale, die bei der Entladung erzeugt werden, widerstehen.
- Verschiedene übliche Werkstoffe können für die Teile der Entladungsröhre verwendet werden, die nicht mit dem Plasma in Kontakt sind. Beispielsweise reagiert Siliciumdioxid, in Abwesenheit von Wasser, nur sehr langsam mit Fluor. Außerdem bilden verschiedene Metalle wie Kupfer und Nickel einen Metallhalogenidoberflächenfilm, der zum Passivieren der Oberfläche dient und weitere chemische Reaktion verhindert. Vom Entladungsplasma erzeugte Fluoratome und -ionen greifen jedoch oft diese Materialien an. Verbindungen, die dem Fluorplasma widerstehen, sind häufig die vollständig fluorierten. Kristalline Metallhalogenide zeigen die erforderliche chemische Inertheit, sind aber teuer und schwer in viele der Formen zu bringen, die für Hochfrequenzentladungsanwendungen nötig sind.
- Einige Metallhalogenide und verschiedene Metallhalogenidmischungen können in einem glasartigen Zustand hergestellt werden, der viele der gewünschten chemischen Eigenschaften zeigt und leicht geformt werden kann. Eine Übersicht über die Technologie der glasartigen Halogenide geben Baldwin et al. (Journal of Noncrystalline Solids 43, 309 (1981)) und die Verwendung von Schwermetallfluoridglas zur Herstellung von optischen Fasern wurde ausführlich von France et al. ("Fluoride Glass Optical Fibers" (CRC Press, Boca Raton, Florida, 1989)) beschrieben. Üblicherweise erhältliche Fluoridgläser sind zusammengesetzt aus einer Mischung von Fluoriden von Zirconium, Barium, Natrium, Aluminium und Lanthan, jedoch können eine Reihe von anderen Metallfluoriden zur Glassynthese verwendet werden. Diese Metallfluoridgläser sind gekennzeichnet durch Schmelztemperaturen im Bereich von 250 bis 500 Grad Celsius und können nach üblichen Glasbearbeitungstechniken wie Ziehen und Preßformen bearbeitet und geformt werden. Sie wurden zur Herstellung von optischen Fasern, optischen Übertragungsfenstern und als Feststoffgrundmaterial für Infrarotlaservorrichtungen verwendet, wie es von France et al. beschrieben ist.
- Metallfluoridgläser wurden als besonders interessant für das Gebiet der optischen Fasern als Materialien für ultraverlustarme Fasern betrachtet. Jedoch zeigen eine Reihe von Metallfluoridglassystemen Lichtstreuung bedingt durch im Glas gebildete Kristallite, was ihre Tauglichkeit als Fasermaterialien einschränkt. Dieser Nachteil ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung nicht so bedeutend; daher können Metallfluoridgläser, die zur Verwendung in Fasern als nicht geeignet gefunden wurden, in der vorliegenden Erfindung von Nutzen sein. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein spezielles Glas beschränkt, sondern ist mit einer breiten Palette von Metallfluoridgläsern verwendbar.
- Beispiele für geeignete Metallfluoridglassysteme, die für die vorliegende Erfindung verwendbar sind, umfassen Gläser, die vorwiegend aus Zirconiumfluorid (ungefähr 40 - 70 Gew.-%) und Bariumfluorid (ungefähr 15 - 40 Gew.-%) mit geringeren Mengen (bis zu jeweils 10 Gew.-%) anderer Metallfluoride wie Fluoriden der Gruppe IA (z. B. Natrium-, Cäsium- und/oder Lithiumfluoride), Fluoriden der Gruppe IIA (z. B. Beryllium- und/oder Magnesiumfluoride), Fluoriden der Gruppe IVB (z. B. Hafniumfluorid), Lanthanidenfluoriden (z. B. Lanthan- und/oder Gadoliniumfluoride), Aluminiumfluorid, Bismutfluorid, Bleifluorid und Yttriumfluorid gebildet sind. Geringe Mengen an Verunreinigungen, wie Halogenverunreinigungen, können toleriert werden. Eine Familie von Gläsern, die für die vorliegende Erfindung verwendbar sind, sind die "ZBLAN"-Gläser, die Fluoride von Zirconium, Barium, Lanthan, Aluminium und Natrium umfassen. Ein anderes verwendbares Glas ist primär aus Zirconiumfluorid gebildet mit geringeren Mengen an Barium- und Natriumfluoriden. Die in dieser Erfindung verwendbaren Metallfluoridgläser können aus geeigneten Fluorid- und Oxidausgangsmaterialien nach üblichen Verfahren gebildet werden.
- Diese Erfindung verwendet Metallfluoridglasbauteile in Verbindung mit Hochfrequenzentladungstechniken, um eine halogenverträgliche Entladungsstruktur herzustellen. Die Figuren 1a und 1b stellen eine erste bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung dar. In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet. Eine Metallfluoridglasröhre 1 ist zwischen Elektroden 2 und 3 angeordnet. Während des Betriebs bringt ein Generator 4 eine Hochfrequenzspannung (10 MHz bis 10 GHz) auf die Elektroden 2 und 3 auf, so daß sich eine Hochfrequenzentladungsglasröhre 1 ausbildet. In der Röhre enthaltene halogentragende Gasmischungen werden durch das Hochfrequenzfeld ionisiert und elektrisch entladen, so daß sich eine Fluoreszenz und/oder eine optische Ausbeute bildet.
- Wenn die Frequenz des elektromagnetischen Feldes so ist, daß die Länge der Elektroden 2 und 3 ein Viertel der elektromagnetischen Wellenlänge übersteigt, wirken die Elektroden 2 und 3 als elektromagnetische Wellenleiterstruktur, ähnlich der von Christensen in U.S.-Patent 4,631,732 offenbarten. Wellenleiter dieses Typs sind im Bereich der Mikrowellentechnik bekannt als Mikrostripwellenleiter.
- Da viele Metallfluoridgläser durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sind, ist es manchmal wünschenswert, die Metallfluoridglasröhre mit dünnen Wänden herzustellen und einen oder mehr Überzüge oder Beschichtungen aus Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, um Wärme schneller von der Entladungsregion wegzuleiten. Die erhaltene Röhrenverbundstruktur zeigt die chemische Inertheit des Metallfluoridglasmaterials, mit einer thermischen Leitfähigkeit vergleichbar zu der des Überzugs. Es können auch ähnliche Verbundkonfigurationen verwendet werden, um die mechanische Festigkeit und Steifigkeit der Entladungsstruktur zu verbessern.
- Figur 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform, in der die Metallfluoridglasentladungsröhre 1 in ein zweites dielektrisches Material 5 mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebettet ist, so daß sich eine Verbundstruktur ausbildet, die zu verbesserter Wärmeübertragung von der Entladungsregion 6 zu den Elektroden 2 und 3 fähig ist. Verbundkonfigurationen wie die in Figur 2 gezeigte können durch Einbetten einer Metallfluoridröhre in eine gießbare Keramik, Glas oder organisches Material oder durch Aufbringen einer Fluoridglasbeschichtung auf der Innenseite einer aus geeigneten Materialien wie Aluminiumoxid oder Berylliumoxid hergestellten Röhre hergestellt werden.
- Es können andere Mittel als die in den Figuren 1 und 2 gezeigten verwendet werden, um ein Hochfrequenzfeld auf Gase aufzubringen, die in der Entladungsröhre enthalten sind. Figur 3a zeigt eine dritte Ausführungsform, in der die Entladungsröhre 1 in einem hohlen Metallwellenleiter 7, von dem Typ wie er üblicherweise in der Mikrowellentechnik verwendet wird, angeordnet ist. Der Wellenleiter begrenzt die elektromagnetischen Hochfrequenzwellen und kann so geformt sein, daß ihre Amplitude in einer Region 8 erhöht wird, die die Entladungsröhre enthält. Während des Betriebs werden durch den Wellenleiter unter Verwendung bekannter Techniken aus der Mikrowellentechnik Hochfrequenzfelder erzeugt und weitergeleitet. Die geleiteten Hochfrequenzfelder dringen in die Entladungsröhre 1 ein und regen die in der Plasmaregion 6 enthaltenen Gase an.
- Figur 3b zeigt die Verwendung eines elektromagnetischen Hohlraums zum Begrenzen und Verstärken des elektromagnetischen Feldes in der von der Entladungsröhre besetzten Region. Wenn die Entladungsröhre 1 von allen Seiten durch elektrisch leitende Wände 10 eingeschlossen ist und elektromagnetische Energie in die leitende Struktur durch eine Öffnung 11 eingeführt wird, zeigt die Struktur elektromagnetische Resonanzen bei spezifischen Frequenzen, die durch ihre Größe und Form bestimmt sind, wie es aus der Mikrowellentechnik bekannt ist. Bei Resonanz erhöht sich die Amplitude der elektromagnetischen Felder in der Struktur wesentlich und ermöglicht elektrische Entladung des in der Fluoridglasentladungsröhre 1 enthaltenen Gases. Obwohl ein rechtwinkliger elektromagnetischer Hohlraum in Figur 3b gezeigt ist, können offensichtlich andere Formen verwendet werden, die die Effizienz oder die räumlichen Eigenschaften der optischen Emission von der Entladungsröhre 1 verstärken.
- Die Entladungsröhre 1 kann im Rahmen der Erfindung in einer Reihe von geometrischen Gestaltungen hergestellt werden. Figur 4a ist eine Querschnittansicht einer Entladungsstruktur, in der die Entladungsröhre 1 einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist. Viele andere geometrische Gestaltungen können für verschiedene Anwendungen als verwendbar gefunden werden. Zum Beispiel kann eine kugelförmige Geometrie in Lampen verwendbar sein. Figur 4b zeigt einen Querschnitt einer Entladungsröhre 1, die durch zahlreiche innere Bohrungen 12 gekennzeichnet ist. Außerdem müssen nicht alle Entladungsröhren aus Metallfluoridglas konstruiert sein. In Laseranwendungen kann es beispielsweise wünschenswert sein, die Entladungsröhre so zu konstruieren, daß zwei gegenüberstehende Endwände, die nicht in direktem Kontakt mit dem Entladungsplasma sind, aus einem geeigneten optisch durchlässigen Material wie Quarz hergestellt sind. Alternativ kann es wünschenswert sein, halogenverträgliche Keramik oder Metalle zur Konstruktion von Teilen der Entladungsröhre zu verwenden. Figur 4c zeigt eine Querschnittansicht einer Entladungsröhre, in der eine der Röhrenwände 13 aus Metallfluoridglas hergestellt ist und die übrigen Wände 14 aus einem halogenverträglichen Material wie Aluminiumoxid hergestellt sind.
- Es ist oft auch wünschenswert, eine Art von Vorionisierungstechnik anzuwenden, die vor Anwendung des Hochfrequenzfeldes ein geringes Maß an Ionisierung in der Entladungsregion erzeugt. Dies stellt sicher, daß das Gas sich in vorhersagbarer Weise und zuverlässig entlädt. Eine geeignete Vorionisierungstechnik ist schwache Wechselstromentladung. Andere in diesem Bereich angewendete Vorionisierungstechniken sind bei der vorliegenden Erfindung auch verwendbar.
- Unter Verwendung einer Entladungskonfiguration ähnlich der in Figur 1 gezeigten, wurde eine Fluoreszenzemission von 248 nm aus dem Kryptonfluorid-Excimermolekül erzeugt durch gepulste Entladungsanregung von 3 GHz einer Mischung von Helium, Krypton und Fluorgasen, die langsam durch eine zylindrische Metallfluoridglasentladungsröhre strömen. Die Seitenwände der Entladungsröhre sind aus einem Metallfluoridglas hergestellt, das primär aus Zirconiumfluorid gebildet ist mit geringeren Mengen an Barium- und Natriumfluoriden. Die beiden Endwände sind aus Siliciumdioxid konstruiert. Die Entladungsröhre ist 20 cm lang mit einer 0,5 mm Bohrung mit Zufuhröffnungen nahe den Endwänden zur Verbindung mit einer Gaszufuhr. Eine schwache Wechselstromentladung von 300 kHz wurde in einem kurzen Teil nahe einem Ende der Entladungsröhre zur Vorionisierung verwendet. Wiederholtes Pulsen der Entladung bei 1000 Pulsen pro Sekunde über Zeiträume über 100 Stunden erzeugten geringe Anzeichen von Korrosion der Entladungsröhre durch die Entladungsgase oder Plasma. Wenn die Außenfläche der Siliciumdioxidendwände für hohes Reflexionsvermögen bei 248 nm dielektrisch beschichtet ist, wird Kryptonfluoridlaseremission bei 248 nm durch die Siliciumdioxidendwände emittiert.
- Diese Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen dient nur zur Erläuterung. Es können Modifikationen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.
Claims (19)
1. Hochfrequenzentladungsvorrichtung umfassend: eine
Entladungsröhre, die chemisch reaktive Halogene enthält, in
der mindestens eine Wandfläche aus einem
Metallfluoridglas gebildet ist; und
Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen
Hochfrequenzfeldes in der Entladungsröhre.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Entladungsröhre
in ein zweites dielektrisches Material eingebettet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch q, in der die Wandfläche der
Entladungsröhre durch Aufbringen einer Beschichtung aus
Metallfluoridglas auf ein elektrisch leitendes oder
nichtleitendes Material ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Entladungsröhre
zahlreiche innere Bohrungen aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenz feldes
zwei Metallelektroden umfaßt, die außerhalb der
Entladungsröhre sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
zwei Metallelektroden umfaßt, die außerhalb der
Entladungsröhre sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
zwei Metallelektroden umfaßt, die außerhalb der
Entladungsröhre sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenz feldes
zwei Metallelektroden umfaßt, die außerhalb der
Entladungsröhre sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen hohlen Metallwellenleiter umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen hohlen Metallwellenleiter umfaßt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen hohlen Metallwellenleiter umfaßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen hohlen Metallwellenleiter umfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen elektromagnetischen Hohlraumresonator umfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen elektromagnetischen Hohlraumresonator umfaßt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen elektromagnetischen Hohlraumresonator umfaßt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der das Mittel zum
Aufbringen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes
einen elektromagnetischen Hohlraumresonator umfaßt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Hochfrequenz im
Bereich von 10 MHz bis 10 GHz liegt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Mittel umfaßt
zum Zuführen eines Gases in die Entladungsröhre, das
halogentragende Moleküle enthält.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Metallfluoridglas
Zirconiumfluorid und Bariumfluorid umfaßt.
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