RU2310947C1

RU2310947C1 - Gaseous-discharge radiation source

Info

Publication number: RU2310947C1
Application number: RU2006109969/09A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Ломаев (RU); Михаил Иванович Ломаев; Виктор Федотович Тарасенко (RU); Виктор Федотович Тарасенко; Дмитрий Владимирович Шитц (RU); Дмитрий Владимирович Шитц; Виктор Семенович Скакун (RU); Виктор Семенович Скакун
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-11-20

Abstract

FIELD: lighting engineering; spontaneous gaseous-discharge vacuum and vacuum ultraviolet radiation sources used in microelectronics for treating and cleaning surfaces by irradiating them.

SUBSTANCE: proposed device has power supply, bulb filled with working medium and formed by two coaxially mounted tubes made of dielectric material transparent for radiation, as well as two electrodes disposed on inner surface of internal tube and on outer surface of external tube. Internal tube of bulb accommodates metal heat-transfer apparatus that functions at the same time as high-voltage electrode. Heat-transfer apparatus is cooled down by forcing cooling gas through internal tube interior.

EFFECT: simplified design, reduced cost.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании газоразрядных источников спонтанного излучения.The invention relates to lighting engineering and can be used to create gas-discharge sources of spontaneous emission.

Газоразрядный источник излучения представляет собой устройство, обеспечивающее получение спонтанного излучения в оптическом диапазоне длин волн. Принцип работы источника излучения основан на протекании электрического тока в газе или парогазовой смеси, в результате чего в газоразрядной плазме формируются возбужденные атомы или молекулы, излучающие в определенном диапазоне длин волн.A gas-discharge radiation source is a device that provides spontaneous emission in the optical wavelength range. The principle of operation of the radiation source is based on the flow of electric current in a gas or gas-vapor mixture, as a result of which excited atoms or molecules are formed in a gas-discharge plasma, emitting in a certain wavelength range.

При возбуждении данных источников излучения используются различные типы электрического разряда - дуговой, тлеющий, индукционный, емкостной, барьерный и другие. Рабочая среда источника излучения, как правило, заключена в отпаянной колбе, изолированной от внешней среды. В ряде случаев одним из факторов, снижающих удельную мощность излучения и эффективность работы, является повышение температуры колбы источника излучения. Выделение тепла в газоразрядных источниках излучения имеет место вследствие омических потерь при протекании тока разряда. Температура рабочей среды может влиять как на состав, так и скорость плазмохимических реакций в газоразрядной плазме.When these radiation sources are excited, various types of electric discharge are used - arc, glow, induction, capacitive, barrier, and others. The working medium of the radiation source, as a rule, is enclosed in a sealed flask isolated from the external environment. In some cases, one of the factors that reduce the specific radiation power and operational efficiency is an increase in the temperature of the flask of the radiation source. Heat generation in gas-discharge radiation sources occurs due to ohmic losses during the discharge current. The temperature of the working medium can affect both the composition and the rate of plasma-chemical reactions in a gas-discharge plasma.

Известны источники излучения, в которых повышение температуры рабочей среды приводит к существенному снижению мощности излучения и эффективности работы источника в целом. Охлаждение может осуществляться конвективным потоком окружающего газа (воздуха) и (или) за счет теплового излучения [1, 2]. Основным недостатком источников данного типа является низкий уровень удельной мощности излучения.Radiation sources are known in which an increase in the temperature of the working medium leads to a significant decrease in the radiation power and the overall source efficiency. Cooling can be carried out by convective flow of the surrounding gas (air) and (or) due to thermal radiation [1, 2]. The main disadvantage of sources of this type is the low level of specific radiation power.

Известны источники излучения, в которых для охлаждения рабочей среды в колбе при большой удельной мощности возбуждения используется поток жидкости (воды), охлаждающей колбу источника излучения [3 и др.]. При этом электроды располагаются как на внешней открытой, так и на закрытой части колбы. В то же время технически оправдано подавать высокое напряжение на электрод, находящийся на закрытой части колбы. Эффективное охлаждение колбы предполагает в том числе охлаждение закрытой ее части и, соответственно, подачу охлаждающей жидкости в зону расположения высоковольтного электрода. Поэтому для исключения гальванической связи высоковольтного электрода с потоком жидкости в качестве теплоносителя используется жидкость с большим удельным сопротивлением (деионизованная вода), а, в свою очередь, для ее охлаждения применяется внешний теплообменник. Необходимость использования деионизованной воды, систем ее восстановления и охлаждения является основным недостатком данных источников излучения. В случае отсутствия охлаждающего потока жидкости допустимая погонная мощность возбуждения и, соответственно, мощность излучения снижаются.Radiation sources are known in which a fluid (water) stream is used to cool the working medium in a flask with a high specific excitation power, which cools the flask of a radiation source [3, etc.]. In this case, the electrodes are located both on the external open and on the closed part of the bulb. At the same time, it is technically justified to apply a high voltage to the electrode located on the closed part of the bulb. Effective cooling of the flask involves, among other things, cooling of its closed part and, accordingly, the supply of coolant to the zone of location of the high-voltage electrode. Therefore, to eliminate the galvanic connection of the high-voltage electrode with the fluid flow, a fluid with a high specific resistance (deionized water) is used as a heat carrier, and, in turn, an external heat exchanger is used to cool it. The need to use deionized water, systems for its recovery and cooling is the main disadvantage of these radiation sources. In the absence of a cooling fluid flow, the permissible linear excitation power and, accordingly, the radiation power are reduced.

Наиболее близким по техническому решению, выбранному в качестве прототипа, является источник излучения, описанный в [4]. Конструктивно он представляет собой источник питания, герметичную колбу и систему охлаждения. Колба изготовлена из двух коаксиально установленных и спаянных по торцам кварцевых трубок. Пространство между трубками, являющееся колбой, заполнено рабочей средой - газовой. Электроды размещены на внешней поверхности внешней трубки и на внутренней поверхности внутренней трубки. При этом внешний электрод заземлен, а на электрод, находящийся внутри внутренней трубки, подается высокое напряжение. Для охлаждения внутренней трубки используется двойной контур охлаждения. Первый из них образует поток деионизованной воды, охлаждающейся во внешнем теплообменнике. Второй контур образует внешний поток теплоносителя, охлаждающего теплообменник.Closest to the technical solution, selected as a prototype, is the radiation source described in [4]. Structurally, it is a power source, a sealed flask and a cooling system. The flask is made of two quartz tubes coaxially mounted and welded along the ends. The space between the tubes, which is a flask, is filled with a working medium - gas. The electrodes are located on the outer surface of the outer tube and on the inner surface of the inner tube. In this case, the external electrode is grounded, and a high voltage is applied to the electrode inside the inner tube. A double cooling circuit is used to cool the inner tube. The first of these forms a stream of deionized water, which is cooled in an external heat exchanger. The second circuit forms an external flow of coolant cooling the heat exchanger.

Основным недостатком данного источника излучения является техническая сложность конструкции и необходимость использования в качестве теплоносителя в первом контуре охлаждения жидкости с большим удельным сопротивлением.The main disadvantage of this radiation source is the technical complexity of the design and the need to use a liquid with a large resistivity as a coolant in the first cooling circuit.

Задачей изобретения является упрощение конструкции источника излучения при эффективном охлаждении внутренней трубки источника излучения.The objective of the invention is to simplify the design of the radiation source while effectively cooling the inner tube of the radiation source.

Технический эффект достигается тем, что в газоразрядном источнике излучения, содержащем источник питания, колбу с рабочей средой, образованной двумя коаксиально установленными кварцевыми трубками, и два электрода, размещенных на внутренней поверхности внутренней трубки и на внешней поверхности внешней трубки, согласно изобретению во внутренней трубке установлен металлический теплообменник, являющийся одновременно высоковольтным электродом.The technical effect is achieved by the fact that in a gas-discharge radiation source containing a power source, a flask with a working medium formed by two coaxially mounted quartz tubes, and two electrodes placed on the inner surface of the inner tube and on the outer surface of the outer tube, according to the invention, is installed in the inner tube metal heat exchanger, which is simultaneously a high-voltage electrode.

Кроме того, в источнике излучения для охлаждения теплообменника используется поток газа, проходящий через внутреннюю полость внутренней трубки.In addition, a gas stream passing through the inner cavity of the inner tube is used in the radiation source to cool the heat exchanger.

В качестве теплоносителя в контуре охлаждения используется электрически непроводящая среда - газ (воздух). При этом возможен забор и сброс газа (воздуха) непосредственно в атмосферу. Для улучшения теплообмена между охлаждаемой внутренней поверхностью внутренней трубки и потоком газа используется теплообменник с развитой поверхностью, находящийся внутри данной трубки. При этом теплообменник должен иметь хороший тепловой контакт с поверхностью кварцевой трубки. Все это упрощает и удешевляет конструкцию источника излучения и одновременно обеспечивает возможность эффективно охлаждать внутреннюю трубку колбы и подавать высокое напряжение на внутренний электрод. В совокупности с использованием традиционных способов охлаждения внешней поверхности внешней трубки в источнике излучения предлагаемой конструкции оказывается возможным возбуждение рабочей среды с удельной мощностью ≥1 Вт/см³ при отсутствии перегрева рабочей среды и приемлемом уровне эффективности источника излучения.An electrically non-conducting medium, gas (air), is used as a coolant in the cooling circuit. In this case, the intake and discharge of gas (air) directly into the atmosphere is possible. To improve heat transfer between the cooled inner surface of the inner tube and the gas flow, a heat exchanger with a developed surface inside the tube is used. In this case, the heat exchanger must have good thermal contact with the surface of the quartz tube. All this simplifies and cheapens the design of the radiation source and at the same time provides the ability to effectively cool the inner tube of the bulb and apply a high voltage to the inner electrode. Together with traditional methods of cooling the outer surface of the outer tube in the radiation source of the proposed design, it is possible to excite a working medium with a specific power of ≥1 W / cm ³ in the absence of overheating of the working medium and an acceptable level of efficiency of the radiation source.

На фиг.1 приведена конструкция системы охлаждения внутренней трубки источника излучения. На кварцевую колбу 1, состоящую из двух коаксиально расположенных кварцевых трубок, образующих замкнутую полость между собой, установлены высоковольтный электрод 2, размещенный на внутренней поверхности внутренней трубки, и внешний заземленный перфорированный электрод 3. Область между внешней и внутренней трубками 4 образует газоразрядное пространство. Высоковольтный электрод, имеющий развитую поверхность, выполняет одновременно функцию теплообменника и установлен таким образом, чтобы иметь хороший тепловой контакт с внутренней поверхностью внутренней трубки. Охлаждающий газ подается к теплообменнику через вход 5 и выход 6 потока газа. Продувка газа обеспечивается внешним устройством. В качестве охлаждающего газа можно использовать любой безопасный газ, включая воздух, с возможностью его забора и сброса непосредственно в атмосферу. Необходимая скорость прокачки газа определяется несколькими факторами: мощностью возбуждения источника излучения, геометрическими размерами колбы и теплообменника, а также температурой охлаждающего газа, подаваемого по трубопроводу 7.Figure 1 shows the design of the cooling system of the inner tube of the radiation source. A high-voltage electrode 2, located on the inner surface of the inner tube, and an external grounded perforated electrode 3, are installed on the quartz flask 1, which consists of two coaxially located quartz tubes that form a closed cavity between themselves. The region between the outer and inner tubes 4 forms a gas discharge space. A high voltage electrode having a developed surface, simultaneously performs the function of a heat exchanger and is installed in such a way as to have good thermal contact with the inner surface of the inner tube. The cooling gas is supplied to the heat exchanger through the inlet 5 and the outlet 6 of the gas stream. Gas purge is provided by an external device. As a cooling gas, you can use any safe gas, including air, with the possibility of its intake and discharge directly into the atmosphere. The necessary gas pumping speed is determined by several factors: the excitation power of the radiation source, the geometric dimensions of the bulb and heat exchanger, as well as the temperature of the cooling gas supplied through the pipeline 7.

Пример исследования функциональной способности предлагаемой конструкции источника излучения.An example of a study of the functional ability of the proposed design of the radiation source.

В качестве рабочей среды был выбран ксенон (Xe), позволяющий получать излучение в вакуумной ультрафиолетовой области спектра на В-X переходе димера ксенона Хе₂ ^* с длиной волны 172 нм. Возбуждение осуществлялось при подаче на внутренний электрод двухполярных импульсов высокого напряжения (до нескольких киловольт) длительностью ~2 мкс от источника питания. Частота следования импульсов напряжения варьировалась от 50 до 150 кГц. Мощность возбуждения изменялась как варьированием частоты, так и изменением напряжения импульсов возбуждения и достигала ~400 Вт. Внешний диаметр внешней трубки составлял 35 мм. Величина газоразрядного промежутка и длина боковой излучающей поверхности составляли соответственно 5 мм и 25 см.Xenon (Xe) was selected as the working medium, which allows one to receive radiation in the vacuum ultraviolet region of the spectrum at the B – X junction of the Xenon dimer Xe ₂ ^* with a wavelength of 172 nm. The excitation was carried out by applying bipolar high voltage pulses (up to several kilovolts) to the internal electrode with a duration of ~ 2 μs from the power source. The pulse repetition rate varied from 50 to 150 kHz. The excitation power varied both by varying the frequency and by changing the voltage of the excitation pulses and reached ~ 400 W. The outer diameter of the outer tube was 35 mm. The size of the gas discharge gap and the length of the side radiating surface were 5 mm and 25 cm, respectively.

Двухбарьерный разряд в Хе зажигался в широком диапазоне экспериментальных условий: давление газа - от десятков до сотен торр, напряжение - от единиц до нескольких киловольт, частота следования импульсов напряжения - от 50 до 150 кГц.A double-barrier discharge in Xe was ignited in a wide range of experimental conditions: gas pressure — from tens to hundreds of torr, voltage — from units to several kilovolts, and pulse repetition rate — from 50 to 150 kHz.

В отсутствии прокачки через внутреннюю трубку охлаждающего газа (в эксперименте использовался воздух комнатной температуры) мощность излучения, измеряемая на внешней поверхности внешней трубки измерителем мощности вакуумного ультрафиолетового излучения С8026 (Hamamatsu Photonics), быстро уменьшалась. Одновременно наблюдался рост температуры, измеряемой термопарой на излучающей внешней поверхности внешней трубки источника излучения. Учитывая низкую теплопроводность ксенона и кварца, можно заключить, что температура рабочей среды в рабочем режиме существенно превышает температуру внешней поверхности излучателя. Это приводит к наблюдаемому в эксперименте снижению мощности излучения. На фиг.2 приведены графики зависимостей мощности излучения (фиг.2а) и температуры внешней поверхности трубки (фиг.2б) от времени после включения источника излучения для различных скоростей прокачки воздуха через внутреннюю трубку. Кривые 1, 2, 3 на фиг.2 соответствуют расходу воздуха при его прокачке соответственно 10, 35, 70 литров/мин. Как видно из чертежа, после включения источника излучения наблюдается быстрый (в течение 1-6 минут) спад мощности излучения и рост температуры. При этом за 6 минут работы при скорости газа, соответствующей расходу 10 литров/минуту, происходит перегрев рабочей среды, вызывающий необходимость выключения источника излучения. В то же время при более интенсивной прокачке газа (35 и более литров/мин) удается стабилизировать температурный режим и мощность излучения источника, что обеспечивает возможность долговременной работы источника излучения при данном уровне мощности возбуждения (≥1 Вт/см³).In the absence of pumping cooling gas through the inner tube (room temperature air was used in the experiment), the radiation power measured on the outer surface of the outer tube with a C8026 vacuum ultraviolet radiation power meter (Hamamatsu Photonics) rapidly decreased. At the same time, an increase was observed in the temperature measured by a thermocouple on the radiating external surface of the external tube of the radiation source. Given the low thermal conductivity of xenon and quartz, we can conclude that the temperature of the working medium in the operating mode significantly exceeds the temperature of the external surface of the emitter. This leads to a decrease in the radiation power observed in the experiment. Figure 2 shows graphs of the dependences of the radiation power (Fig.2A) and the temperature of the outer surface of the tube (Fig.2b) versus time after switching on the radiation source for different rates of pumping air through the inner tube. Curves 1, 2, 3 in figure 2 correspond to the air flow when it is pumped, respectively 10, 35, 70 liters / min. As can be seen from the drawing, after switching on the radiation source, a rapid (within 1-6 minutes) decrease in the radiation power and an increase in temperature are observed. At the same time, over 6 minutes of operation at a gas speed corresponding to a flow rate of 10 liters / minute, the working medium overheats, causing the need to turn off the radiation source. At the same time, with more intensive pumping of gas (35 or more liters / min), it is possible to stabilize the temperature regime and radiation power of the source, which allows long-term operation of the radiation source at a given level of excitation power (≥1 W / cm ³ ).

Источники информацииInformation sources

1. F.Vollkommer, L.Hitzschke. The 8th Internatinal Symposium on the Science and Technology of LIGHT SOURCIES LS-8. Greifswald. Germany, 30 Aug. - 3 Sept. 1998, p.51-60. 1998 Dielectric Barrier Discharge.1. F. Wallkommer, L. Hitzschke. The 8th Internatinal Symposium on the Science and Technology of LIGHT SOURCIES LS-8. Greifswald. Germany, 30 Aug. - 3 Sept. 1998, p. 51-60. 1998 Dielectric Barrier Discharge.

2. F.Vollkommer, L.Hittzschke. US Patent No.5604410.2. F. Wallkommer, L. Hittzschke. US Patent No.5604410.

3. E.Arnold, R.Dreiskemper and S.Reber Proceedings of the 8th Int. Symp. on Science and Technology of Light Sources (LS-8) (Greifswald, Germany) IL12., 90-98. 1998 High-Power Excimer Sources.3. E. Arnold, R. Dreiskemper and S. Reber Proceedings of the 8th Int. Symp on Science and Technology of Light Sources (LS-8) (Greifswald, Germany) IL12., 90-98. 1998 High-Power Excimer Sources.

4. U.Kogelschatz, V.A.Christoph. US Patent No.5198717.4. U. Kogelschatz, V. A. Christoph. US Patent No.5198717.

Claims

1. A gas-discharge radiation source containing a power source, a flask with a working medium formed by two coaxially mounted tubes of radiation-transparent dielectric material, two electrodes placed on the inner surface of the inner tube and on the outer surface of the outer tube, characterized in that in the inner tube a metal heat exchanger is installed, which is simultaneously a high-voltage electrode.

2. The gas-discharge radiation source according to claim 1, characterized in that a gas stream passing through the internal cavity of the inner tube is used to cool the heat exchanger.