WO2015025218A1 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung von strahlungsquellen auf basis eines plasmas - Google Patents

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WO2015025218A1
WO2015025218A1 PCT/IB2014/002055 IB2014002055W WO2015025218A1 WO 2015025218 A1 WO2015025218 A1 WO 2015025218A1 IB 2014002055 W IB2014002055 W IB 2014002055W WO 2015025218 A1 WO2015025218 A1 WO 2015025218A1
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WO
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coolant
cooling
temperature
vessel
closed vessel
Prior art date
Application number
PCT/IB2014/002055
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rutger Wevers
Job BECKERS
Jeroen Jonkers
Ralf Gordon CONRADS
Original Assignee
Ushio Denki Kabushiki Kaisha
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Filing date
Publication date
Application filed by Ushio Denki Kabushiki Kaisha filed Critical Ushio Denki Kabushiki Kaisha
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas
    • H05G2/005—X-ray radiation generated from plasma being produced from a liquid or gas containing a metal as principal radiation generating component

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a radiation source based on a plasma, wherein involved in the plasma generation to be cooled circumferential component coated by circulating movement and successively used progressively at another location for plasma generation. It is used in particular for radiation sources in the extreme ultraviolet spectral range. From the prior art it is known that heat can be dissipated highly effectively by means of so-called heat pipes (heat pipes), wherein a heat pipe (also often called “heat pipe” in German) has a heat transfer rate up to 1000 times higher than that of copper.
  • heat pipes heat pipes
  • Such a heat pipe is described in US 2004/0004422 A1 for cooling an excimer source and consists of a vacuum-tight envelope in which a wick-like structure and a working fluid are present. After evacuating the heat pipe, just as much working fluid is filled in to saturate the wick structure and to adjust the atmosphere in the heat pipe to a balance between liquid and vapor. If heat enters the heat pipe on the evaporator side, the liquid-vapor equilibrium is disturbed, an increased vapor pressure causes the steam to move to the colder side of the condenser and condense there, giving off its latent heat of vaporization. The condensed liquid is then pumped back to the evaporator side by capillary forces.
  • the evaporator end of the heat pipe is connected either directly to one of the source electrodes, while the condenser side is guided within the source to a, for example, air-cooled cooling point of the excimer source, or the evaporator is externally attached to the excimer source, while the capacitor side can be cooled arbitrarily.
  • a disadvantage of both aforementioned cooling methods is that they do not operate unregulated stably and effectively with fluctuating heat input, as occurs in a pulsed and / or cyclical (eg in a burst regime) operated radiation source.
  • the latter is the case with plasma-based radiation sources, in particular gas-discharge-based (DPP) radiation sources, such as EUV radiation sources, in which rotating electrodes are coated with liquid metal (eg tin), around the electrodes in the event of pulsed release of large discharge currents from erosion protect and at the same time to provide for electrode cooling, especially disadvantageous.
  • DPP gas-discharge-based
  • the problem lies in system-endangering solidification of the metal, which can not be safely excluded in a conventional temperature control because a fluctuating heat input reduces the conventional cooling to an effective value, which can not be throttled fast enough at a discharge interruption (exposure pause the radiation source).
  • the device for generating EUV or soft X-radiation described therein with an electrical discharge generated between rotating electrodes discloses a heating or cooling device with a heat exchanger to control the temperature of a metallic coolant (tin) in a pump-operated cooling circuit at an operating temperature above the melting temperature to keep.
  • Cooling systems from other technical fields such as e.g. are known from DE 198 26 733 A1 or DE 699 24 505 T2, come alone for the sake of substantially lower designed energy inputs and operating temperatures and the control used is out of the question.
  • the invention has for its object to find a new way to improve the robustness of the cooling of radiation sources based on a plasma, in which a complex process-controlled temperature control is avoided without the risk of undesirable system failure of the cooling at strongly changing heat input at any time (eg by solidification of a metallic coolant).
  • this object is achieved by a method for cooling radiation sources based on a plasma, in which a circulating component involved in the plasma generation is coated by circulating movement and successively used at a different location for plasma generation, achieved by the sequence of steps:
  • the vessel is only filled to a part in which the separated vessel part of the first coolant is arranged, filled with a liquid phase of the second or further coolant and above the liquid phase, a vapor space of a gaseous phase of the second or further coolant is formed, and;
  • a coolant liquid is used as the second or further coolant whose boiling point is adjustable above the melting temperature of the first coolant
  • the circulating component of the radiation source to be cooled is designed as a rotating disk for providing a layer of an emitter material to be converted into a plasma and is moved through part of its peripheral edge region through a molten bath of the emitter material, wherein the emitter material at the same time first coolant is used.
  • the circulating component to be cooled is configured as a circulating electrode and is moved with a part of its circulating material through a molten bath of the first coolant, wherein separate molten baths are used for circulating electrodes with different potential.
  • the first coolant can also at the same time be used as to be converted into plasma emitter material of the radiation source.
  • a cooling liquid is selected whose boiling temperature under operating conditions in the vessel exceeds the melting temperature of the first coolant by an amount between 1 K and 250 K.
  • GALDEN® having a boiling temperature at normal pressure of 1 K or more above the melting temperature of the first coolant is used as the cooling liquid and kept in the vessel under atmospheric pressure.
  • GALDEN® with a boiling point at normal pressure of a few Kelvin below the melting temperature as the cooling liquid and to adjust it in the vessel under elevated pressure to a boiling temperature of 1 K or more above the melting temperature.
  • DOWTHERM® A with a boiling point at normal pressure of 257.1 ° C. can be used as the cooling liquid and kept in the vessel under normal pressure.
  • the first coolant is conveniently circulated in a hermetically separated vessel portion disposed within a portion of the closed vessel in which the second or further refrigerant is in liquid phase for effective heat transfer or circulated therethrough.
  • a cooling pipe through which a third coolant flows which is operated in a closed cooling circuit, is advantageously used.
  • the object is achieved in a device for generating short-wave radiation from a plasma, in which a peripheral component for plasma generation and a molten bath of a first coolant in the form of a molten metal for a partial immersion of the component for component cooling, according to the invention, in that a closed vessel with a second or further coolant, which has a boiling temperature above a melting temperature of the first coolant, matched to the first coolant, is only partially filled, and above a liquid phase a vapor space for a gaseous phase of the coolant and in the liquid phase Heating for controlling the temperature of the second or further coolant at a temperature above the melting temperature of the first coolant, that a vessel portion of the molten bath of the first coolant in the closed vessel in the liquid Pha is immersed in the second or further coolant and that a capacitor having a temperature below the boiling temperature of the second coolant is disposed in the vapor space with the gaseous phase of the second coolant.
  • the vessel part of the molten bath of the first coolant is formed in the closed vessel as a hermetically separated cooling tube with an enlarged surface for better heat transfer and arranged the cooling tube so that it is completely covered in an initial state of the second or further coolant.
  • the vessel part of the molten bath of the first coolant is preferably arranged in the closed vessel as a cooling tube parallel to the surface of the liquid phase of the second or further coolant.
  • the cooling tube within the liquid phase of the second or further coolant may also have a meandering meander, flat spiral, spatial spiral or helix, or be formed as a branched parallel tube arrangement with reduced tube cross-sections.
  • the cooling tube is formed within the liquid phase of the second or further coolant with laterally projecting fin or lattice structures.
  • the cooling tube may also suitably have a deviating from the circular tube cross-section.
  • the capacitor has an enlarged surface for the heat transfer surface of a material with high thermal conductivity.
  • the condenser is expediently designed as a hermetically separated cooling tube for the flow of a third coolant and integrated outside the vessel of the second coolant in a cooling circuit.
  • the condenser is preferably designed as a meander-shaped cooling tube and integrated outside the vessel of the second coolant into a cooling circuit filled with water.
  • the capacitor is composed of a plurality of meandering shaped cooling tubes.
  • a structured intermediate bottom for separating a further vapor space of a further coolant from the subsequent second cooling liquid in the vessel is present, whereby a lower vessel part is divided as additional evaporation and condensation volume, wherein the intermediate bottom forms another capacitor, the second Coolant is set to a temperature below the boiling temperature of the other coolant.
  • the further condenser has an enlarged surface as a structured intermediate bottom and is provided within the vessel of the second coolant for subdividing two successive evaporation and condensation volumes between the second coolant and the further coolant.
  • the structured intermediate bottom is formed as an embossed profiled sheet, which is a two-dimensional juxtaposition of at least one structure from the group: - curved spherical or aspherical partial surfaces, - lateral surfaces of cones or truncated cones,
  • a magnetically drivable agitator within the liquid phase of the second coolant in order to improve the circulation of the second coolant around the heater and the vessel part of the first coolant. It also proves to be advantageous if the vessel part of the first coolant is passed through a series of vessels in each case by liquid phases of second coolant, wherein the second coolant in successive vessels have a graded in the flow direction of the first coolant temperature level.
  • the invention is based on the basic idea that the robustness of the cooling of components in the area of plasma generation, such as the electrodes of a discharge plasma-based radiation source or the emitter material supply of a laser plasma-based radiation source, can increase the life of the plasma-near components, if in the components involved in the plasma generation highly effective cooling is used. Due to their non-continuous operating regime, however, plasma cooling-based radiation sources have to take into account a special cooling control requirement resulting from the pulsed excitation during plasma generation (eg in burst mode) and short and / or longer temporary interruptions of the excitation (eg in burst operation with different lengths of excitation pauses) and thus results from a strongly changing heat input into the rotating components.
  • a special cooling control requirement resulting from the pulsed excitation during plasma generation (eg in burst mode) and short and / or longer temporary interruptions of the excitation (eg in burst operation with different lengths of excitation pauses) and thus results from a strongly changing heat input into the rotating
  • the second cooling stage includes a robust self-regulating function in which the temperature of the molten metal used for cooling (first coolant) is kept moderately above its melting temperature by means of a selected cooling liquid (second or further coolant).
  • first coolant the temperature of the molten metal used for cooling
  • second or further coolant a selected cooling liquid
  • This is done by using the second coolant under operating conditions Boiling temperature above the melting temperature of the molten metal, for effective cooling of the high-temperature molten metal "in the evaporation mode" and near the solidification temperature of the metal is operated in the convection cooling mode, resulting in a "self-regulated” cooling with reduced cooling capacity, and by an additional (unregulated ) Basic heating of the second coolant, which reliably prevents the solidification of the molten metal.
  • the second coolant (or another coolant) is selected so that it i) above its boiling temperature (due to a latent heat of vaporization) absorbs a lot of energy as long as the temperature of the metal (first coolant) causes the evaporation of the coolant, and
  • ii) dissipates substantially less energy below its boiling temperature (due to normal convection) when the metal near its solidification temperature no longer completely vaporizes the second coolant, but utilizes it only as a common heat exchange partner below its boiling point.
  • a cooling mechanism which - without control - at high temperatures of the components (eg in the plasma generation in burst mode with some 10,000 discharge pulses at about 50 kHz repetition frequency) achieved a very effective heat dissipation from the first coolant (molten metal) and At lower temperatures (eg in discharge pauses - as the temperature approaches the solidification temperature of the first coolant), the heat transfer from the first coolant to the second coolant (cooling fluid) "self-regulating" throttles.
  • Fig. 1 shows a basic structure of the device according to the invention with three
  • Cooling stages wherein a first coolant (molten metal) with greatly varying heat input within the liquid phase of a second system disposed in a closed second coolant for evaporation of the second coolant and a third coolant in the gaseous phase of the second coolant for condensing the second coolant, 2 shows the definition of a work area based on physical properties of the second coolant,
  • Fig. 3 shows a first embodiment of the invention, in which a rotating disc, the
  • Provision of EUV emitter material is immersed in a molten metal to convert the on-disk emitter material with a laser excitation in EUV-emitting plasma, with a first cooling stage in which the molten metal acts as a first coolant, a second cooling stage with a second coolant (coolant GALDEN ®), which as an evaporation-condensation is present circuit within a closed vessel and the molten metal of the first cooling stage is passed through the liquid phase, and a third cooling stage, as a condenser in the gaseous phase Fig.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the invention in which two rotating disk electrodes are immersed in respective separate molten metals (tin), wherein two first molten metal cooling circuits act as a first cooling stage in a common evaporative-condensation circuit end second Cooling stage are passed through the liquid phase, and a condenser condensed as a third cooling stage, the second coolant,
  • Fig. 5 shows a third embodiment of the invention, in which two rotating
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of the invention, in which the first cooling stage string-shaped circumferential, partially immersed in a first coolant (molten metal of lithium) immersed wire electrodes, in the second cooling stage (evaporation-condensation circuit) part of the molten bath of the first cooling stage in the liquid phase of a second coolant is embedded and the third cooling stage ei has a condenser with a water circuit,
  • FIGS. 3, 4, 5 or 6 shows a fifth embodiment of the invention in which, in a first cooling stage according to one of FIGS. 3, 4, 5 or 6, the circulating component used for plasma generation is immersed in a high-melting-point molten metal (over 1200) as the first coolant Cooling stage by a
  • Pre-stage of the second cooling stage is passed with a molten metal from a low-melting metal (below 300 "C), wherein the precursor of the second cooling stage is formed as a further metallic evaporation condensation cycle.
  • a device for implementing the method according to the invention consists in its basic structure of a first coolant 1 1, which circulates in a molten bath 15 with a cooling to be cooled
  • Component 1 2 of a plasma-based radiation source 1 is in thermal contact
  • a second coolant 21 which is located in a closed vessel 2 and is in thermal contact with the first coolant 1 1
  • a third coolant 31 the - acting as a capacitor 3 - is in thermal contact with the second coolant 21 to extract heat from the second coolant 21.
  • the circulating component 1 2 is involved directly in a plasma generation for the emission of radiation 1 6 (eg EUV).
  • a circumferential coating 1 21 is generated, on which at a predetermined location, a laser 13 is focused to pulsed energy supply to generate a radiation 1 6 emitting plasma 14.
  • the strongly heated by the plasma 14 circumferential component 1 2 transmits the heat in the first coolant 1 1, which forms a cooling circuit with a cooling tube 1 8 of the molten bath 1 5 via circulation pipes 1 7.
  • the cooling tube 18 is guided through a closed vessel 2, which encloses an evaporation-condensation volume, in a liquid phase 21 .1 of a second coolant 21.
  • the second coolant 21 is also present in a gaseous phase 21 .2, which forms a vapor space 22 in the closed vessel 2 and contains a condenser 3 as a third cooling stage.
  • the first coolant 1 1 is due to its special purpose for the radiation source 1, which in addition to the component cooling additionally at least in an erosion protection (by cyclically regenerating coating) of the rotating component 1 2, a molten metal.
  • the first coolant 1 1 has a low melting temperature of ⁇ 400 ° C. But there are also metals with higher melting temperature ( ⁇ 1 .500 ° C) used as the first coolant 1 1, if the first coolant 1 1 below another coolant 25 (only in Fig. 8) with the lower melting temperature ( ⁇ 400 ° C), as an adaptive cooling intermediate stage or as a precursor for the second coolant 21, is used.
  • a cooling liquid is used whose boiling temperature TBC2 (at the selected process conditions) above the melting temperature T M ci of the first coolant 1 1 (TMCI ⁇ TBC2 ⁇ TMCI + 1 00 K).
  • the second coolant 21 is accommodated in the closed vessel 2 and is therefore present simultaneously in a liquid phase 21 .1 and in a gaseous phase 21 .2.
  • a hermetically separated from the second coolant 21 and with the first coolant 1 1 filled vessel part here: stylized cooling tube 18).
  • the second coolant 21 is in the gaseous phase 21 .2 and is in thermal contact with the third coolant 31, which also hermetically separates from the second coolant as a capacitor 3 acts ,
  • This capacitor 3 is kept at a temperature level (T C 3) well below the boiling temperature TBC 2 of the second coolant 21 (Tc 3 ⁇ TBC 2 - 30 K).
  • T C temperature level
  • Tc 3 ⁇ TBC 2 - 30 K the temperature level
  • the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 is condensed and drips back into the liquid phase 21 .1.
  • the heated first coolant 1 1 is brought to its cooling with the second coolant 21 in thermal contact by being embedded in the closed vessel 2 within the liquid phase 21 .1 of the second coolant 21, preferably passed.
  • the cooling of the latter is not only particularly effective if it is withdrawn above the boiling temperature T B C2 additional heat of evaporation, but it is additionally at a lower heat input of the circulating component 12 in the first coolant 1 1, ie in the vicinity of the melting temperature T m ci , a reduction in cooling performance achieved by that without (ie, strictly reduced) evaporation of the second coolant 21 significantly less heat from the first coolant 1 1 is discharged.
  • the latter reduces the cooling of the first coolant 1 1 quite drastically, but would not reliably prevent solidification of the molten metal (first coolant 1 1).
  • an (unregulated) heater 23 is used, which introduces a quantity of coolant of the first and second coolant 1 1 and 21 adapted constant amount of heat, so that the melting temperature T M ci of the first coolant 1 1 is consistently exceeded, even if no heat input by the rotating component 12 takes place.
  • heat transfer rates of a cooling liquid used as second coolant 21 in the vicinity of the boiling point can change considerably.
  • the heat transfer coefficient initially increases steadily with increasing temperature. There is a relatively slow heat transfer by convection. In a further increase in temperature convection is in a bubble boiling over. This transition manifests itself in a steep increase in the heat transfer coefficient compared to the temperature. With a continued increase in temperature, the heat transfer coefficient reaches a maximum before it drops sharply as the temperature increases further. After a maximum, a transition region begins in which the bubble boiling transitions to a film boiling. In this area, the heat transfer is disturbed by the resulting vapor, so that the heat transfer coefficient deteriorates.
  • An optimum operating range of the second coolant 21 is therefore in the range of the bubble boiling, below the temperature of the maximum and above the starting point of the boiling.
  • a cooling liquid whose boiling point TBC2 is above the melting temperature TMCI of the first coolant 11 is therefore to be selected as the second coolant 21.
  • this effect is useful for keeping the temperature of the first coolant 1 1 in the molten bath 1 5 above the melting temperature TMCI of tin 1 1 1, when the heat input through the rotating component 12 is low.
  • the heat input into the tin 1 1 1 is high, is removed by the immediate evaporation of the liquid phase 21 .1 of the second coolant 21 in the closed vessel 2 the heated tin 1 1 1 additional heat of evaporation, which is responsible for the transition of the second coolant 21 in the gaseous phase 21 .2 is required, so that the heat transfer rate from the first coolant 1 1 in the second coolant 21 increases disproportionately and the cooling of the tin 1 1 1 takes place more efficiently.
  • the temperature of the tin used as the first coolant 1 1 1 1 1 in the molten bath 15 is subject to strong fluctuations. These fluctuations, the special property of the second coolant 21 counteracts self-regulating by it - has a strong cooling effect - above its boiling temperature TBC2 - and below the boiling temperature T B C2, the cooling effect decreases significantly.
  • the second coolant 21 is permanently heated to this temperature (T C 2> T M ci) independently of the generation of the plasma 14 between the circulating components 12 by means of the embedded heater 23. This can be done - by adjusting the heating power to the amount of the first coolant to be heated 1 1 - unregulated.
  • FIG. 3 there is shown a preferred embodiment of the invention in which the rotating component 12 to be cooled is in the form of a rotating disk 122 for providing laser-produced plasma (LPP) emitter material.
  • LPP laser-produced plasma
  • the laser plasma 141 is generated in this case by a double pulse excitation by means of an evaporation laser 131 and a Hauptionisationslasers 132, wherein the continuously coated on the rotating disk 122 emitter material in the form of a coating 121 of tin 1 1 1, which is also used as the first coolant 1 1 , first evaporated (evaporation laser 131) and then heated to the extent (main ionization laser 132) that it is converted into the EUV radiation emitting laser plasma 141.
  • the rotating disk 1 22 heats up very strongly with the coating 1 21 of tin 1 1 1 and heated by their immersion in the molten bath 1 5 there tin 1 1 1 also strong , wherein the disk 1 22 transfers its heat energy very effectively in the tin reservoir in the molten bath 1 5.
  • the heat removal from the molten bath 1 5 is carried out in this first cooling stage with a guided by circulation pipes 1 7 circuit which engages in a second cooling stage by the molten tin 1 1 1 of the first cooling stage in hermetically separated cooling tubes 1 8 through the closed vessel 2 of second cooling stage is passed.
  • the special cooling liquid 21 1 GALDEN®
  • the closed vessel 2 as a second coolant 21 the special cooling liquid 21 1 (GALDEN®) is used, which is tuned to the melting temperature TMCI of the tin 1 1 1 such that the boiling temperature TBC2 of the second coolant 21 just above the melting temperature T M ci of the tin 1 1 lies.
  • cooling liquid 21 1 for GALDEN® HS 240 is suitable, which compared to the melting temperature TMCI of the tin 1 1 1 (232 ° C) by eight Kelvin (K) has a higher boiling temperature (240 ° C).
  • a necessary basic temperature of the liquid phase 21. 1 of the second coolant 21 is - as already mentioned above - achieved by the electric heater 23, the unregulated ensures that the cooling liquid 21 1 is always above the melting temperature TMCI of the tin 1 1, even if the rotating disk 1 22 (z B. in the laser excitation breaks) no heat input in the molten bath 1 5 of the first cooling stage brings.
  • GALDEN® LS 230 it is also possible to use GALDEN® LS 230 as a suitable cooling liquid 21 1, because in the closed vessel 2 liquid phase 21.
  • the second coolant 21 1 and gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 are present simultaneously and an operating pressure in the closed vessel 2 can be selected, which raises the atmospheric boiling point (230 ° C) of GALDEN® LS 230 by a few Kelvin.
  • the boiling point is above the equilibrium of liquid phase 21. 1 and gaseous phase 21 .2 of the cooling liquid 21 1 and the vapor pressure as desired (above the melting temperature T M ci of the tin 1 1 1) adjustable.
  • the second cooling stage runs within the closed vessel 2. Since the closed vessel 2 is not completely filled with the second coolant 21, the second coolant 21 is always present in liquid phase 21 .1 and gaseous phase 21 .2 at the same time (thermal equilibrium).
  • the cooling liquid 21 1 in this example: GALDEN ® HS 240
  • the cooling liquid 21 1 is not increasingly and predominantly in the gaseous phase 21 .2 transferred, whereby the pressure in the closed Vessel 2 would rise significantly, the gaseous phase 21 .2 must be sufficiently condensed.
  • the second coolant 21 its gaseous phase 21 .2 is brought into thermal contact with a third cooling stage in the form of a capacitor 3.
  • the condenser 3 is arranged in the vapor space 22 of the closed vessel 2 and is surrounded by the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21.
  • the condenser 3 in this example flows through the third coolant 31 (third cooling stage) and is maintained at a temperature Tc3 which is below the boiling temperature TBC2 of the second coolant 21.
  • Tc3 which is below the boiling temperature TBC2 of the second coolant 21.
  • the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 condenses on the surfaces of the condenser 3, discharges its heat of condensation to the third coolant 31 and drips back into the liquid phase 21 .1 in the closed vessel 2.
  • the condenser 3 is preferably designed as a cooling circuit with water 31 1 as a third coolant 31 which circulates through cooling tubes 312, it being ensured that the temperature T C 3 of the capacitor 3 (with about 30-50 ° C operating temperature of the water 31 1 ) is significantly below the predetermined by the choice of the cooling liquid 21 1 boiling temperature (here: 240 ° C for GALDEN ® HS240) of the second coolant 21.
  • the sufficiently low temperature T C 3 of the capacitor 3 in the vapor space 22 of the closed vessel 2 can be easily adjusted by the choice of the flow rate of the water 31 1 and thus secures - even without temperature control - a reliable condensation of the second coolant 21 within the closed vessel. 2 so that it is kept in a thermodynamic equilibrium and no safety-threatening overpressure arises.
  • FIG. 4 In an alternative second embodiment of the invention for the discharge plasma-based radiation source 1 (DPP), as shown in FIG. 4, as rotating components 12 to be cooled, two rotating disk electrodes 123 are used to generate a discharge plasma 142, as shown in FIG in the prior art (eg DE 10 2010 050947 A1, US 2012/01 12101 A1).
  • DPP discharge plasma-based radiation source 1
  • the disk electrodes 123 are cooled by a first coolant 11 in the form of a metallic melt.
  • a first coolant 11 in the form of a metallic melt.
  • 1 1 tin 1 1 1 is used as the first coolant, which - tempered above its melting point of 232 ° C - in each case a molten bath 15 is present.
  • the disk electrodes 123 Via the molten baths 15, the disk electrodes 123, which due to their rotation continuously immerse themselves in the molten bath 15 with another part of their peripheral edge region, are permanently in contact with the molten tin 11.
  • the tin 1 1 1 also fulfills the function of protection against electrode erosion and the electrical contact.
  • the tin 1 1 1 is also used here as a suitable emitter material for the generation of radiation in the EUV region by 13.5 nm and is provided in the form of the coating 121 as an emitter material for the discharge plasma 142 between the disc electrodes 123.
  • an evaporation laser 131 is focused on one of the disk electrodes 123 to prepare the tin 11 by evaporation for gas discharge between the two disk electrodes 123.
  • a pulsed high voltage is provided by a pulse current source 4, which is in electrical contact with the disc electrodes 123 via the separate melt baths 15 and the tin 1 1 1 melted therein.
  • the disk electrodes 123 heat up very strongly and heat by immersing them in the respective molten bath 15, the tin there located 1 1 1 also strong, the Disk electrodes 123 very effectively transfer heat to the tin reservoir in the separated molten baths 15.
  • the liquid and heated by the disk electrodes 123 tin 1 1 1 is passed from the two molten baths 15 in separate circuits through circulation pipes 17 to the closed vessel 2 and there by insulated feedthroughs 19 in spatially separated and suitably shaped cooling tubes 18 in the form of two heat exchangers with the liquid Phase 21 .1 of the second coolant 21 used here brought into thermal contact.
  • the second coolant 21 is a special cooling liquid 212 (DOWTHERM® A) which (with the given boiling point of 257.1 ° C.) has a boiling point which is 25 K higher than the melting temperature of the tin 1 1 (232 ° C.). TBC2).
  • the material of the circulation pipes 17 and the cooling tubes 18 is chemically resistant to the tin 1 1 1, so that in the circuit, the corrosion and erosion by the tin 1 1 1 are minimized.
  • materials for the tubes 17 and 18 molybdenum, tungsten, carbon in the form of graphite, quartz glass or titanium nitride coated refractory metals such as stainless steel, or similar resistant materials or coatings may be used.
  • the second process step proceeds - as already described in the first example - by the hot tin 1 1 1 evaporates the cooling liquid 212 and the tin 1 1 1 thereby effectively removes large amounts of heat.
  • a heater 23 within the liquid phase 21 .1 that the temperature Tc2 of the cooling liquid 212 is always above the melting temperature TMCI of the tin 1 1 1, when in the vapor space 22 of the closed vessel 2, the gaseous phase 21 .2 is condensed and the liquid phase 21 .1 thus produced drips back onto the cooling tubes 18 of the two cooling circuits of the first cooling stage and the liquid phase 21 .1 of the cooling liquid 212 located there.
  • the condensation of the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 takes place as the last process step in a third (tertiary) cooling stage for cooling the circulating component 12, wherein the gaseous phase 21 .2 is permanently condensed on a condenser 3 with a third coolant 31.
  • the third coolant 31 is preferably formed as a circuit with water 31 1 and is in thermal contact with the second coolant 21 by flowing through the hermetically separated capacitor 3 in the interior of the closed vessel 2.
  • the condenser 3 is arranged for this purpose in the volume of the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 (ie in the vapor space 22 of the closed vessel 2).
  • the second cooling stage has a heat exchanger in the form of a closed vessel 2.
  • the closed vessel 2 is filled with the second coolant 21, which in the liquid phase 21 .1 at least partially covers the cooling tubes 18 of the first cooling stage and fills the vapor space 22 with gaseous phase 21 .2 in the remaining part of the closed vessel 2.
  • the closed vessel 2 In the lower part of the closed vessel 2, d. H.
  • the closed vessel 2 In the region of the liquid phase 21 .1, the closed vessel 2 is penetrated in this example by two cooling tubes 18, whose terminals are electrically isolated from each other outside the closed vessel 2. Through the cooling tubes 18, the heat input for the realized in the closed vessel 2 evaporation-condensation cycle takes place. To each of these a molten bath 15 of the first cooling stage is connected.
  • the condenser 3 of the third cooling stage is arranged in the upper part of the closed vessel 2 in which the vapor space 22 of the second coolant 21, in which the gaseous phase 21 .2 is present and in which the condenser 3 of the third cooling stage is arranged.
  • the condenser 3 is integrated in this example via a cooling tube 312 in a circuit with circulating water 31 1 and forms the heat sink in the evaporation-condensation cycle of the closed vessel. 2
  • a further embodiment of the invention shown in FIG. 5 is basically the same construction of the cooling system, according to the first and the second example, using the molten bath 15 with the first coolant 1 1, the closed vessel 2 with the second coolant 21 and the capacitor. 3 shown.
  • the first cooling stage as in FIG. 4 is provided for cooling the disk electrodes 123 used to generate the discharge plasma 142 be used.
  • lithium 1 1 2 is used as the first coolant 1 1 for the separated melt baths 15 into which the disk electrodes 123 are partially and directly immersed.
  • the electrical and thermal contact with the lithium 1 1 2 is prepared, through which the disk electrodes 123 release their heat in the molten baths 1 5.
  • the heat input is transported with the lithium 1 1 2 through the circulation pipes 1 7 in the cooling tubes 1 8.
  • the cooling tubes 18 are embedded in separate closed vessels 2 (only one shown in FIG. 5). Thus, all three cooling stages for the individual disk electrodes 123 are each present separately and completely separated from each other.
  • the second coolant 21 present in the closed vessel 2 is in this example again the cooling liquid 21 1 (GALDEN®).
  • the GALDEN® LS200 adapted specifically to the lithium 1 12 used as the first coolant 1 1 has a boiling temperature T B C2 of almost 20 K above the melting temperature T M ci of the lithium 1 1 2.
  • the liquid phase 21 .1 of the selected cooling liquid 21 1 is again in thermal contact with the cooling tube 1 8 through which lithium 11 2 flows, which in this case is completely covered by the liquid phase 21 .1 and parallel to the liquid level of the liquid phase 21. 1 oriented.
  • the most effective cooling achieved by utilizing heat of vaporization of the GALDEN® LS200 above 200 ° C and on the other hand ensures that the cooling passes into a convection cooling when through the disc electrode 1 23 (z. B. in case of interruptions in the generation of discharge plasma 142) is not the high heat input and the temperature drops below 200 ° C.
  • a magnetic agitator 27 may be arranged, with which the circulation of the liquid Phase 21 .1 to the heater 23 and the cooling tube 18 can improve.
  • the drive of the magnetic agitator 27 can be advantageously arranged outside of the closed vessel 2.
  • a cooling pipe 312 in accordance with Fig. 4 may alternatively be replaced by a "passive" cooling, here being the use of a heat pipe cooler mentioned, which can be used on one side as a condenser 3 in the vapor space 22 of the closed vessel 2 and the other side is cooled outside the closed vessel 2 by air convection.
  • the diameters and / or the wall thicknesses of the cooling tubes 312 within the vapor space 22 of the closed vessel 2 can be changed or a changed arrangement or number of the cooling tubes 312 - based on the following FIG. be used.
  • FIG. 6 A particularly compact embodiment of the closed vessel 2 with only one continuous cooling tube 18 of the first cooling circuit with the metallic first coolant 11 and a meandering cooling tube 312 formed capacitor 3 of the third cooling stage is shown in Fig. 6.
  • the closed vessel 2 is formed almost cube-shaped and has the cooling tubes 18 and 312 as each offset by 90 ° meandering heat exchanger.
  • the cooling tube 18 is at least partially immersed in the liquid phase 21 .1 of the second coolant 21. It has an oval shaped cross section to increase the evaporation surface for the second coolant 21.
  • the oval cross-sectional shape can vary from elliptical to teardrop-shaped, with an inverted "drop shape", as shown in Fig. 6, is preferred to favor the nucleate boiling and evaporation of the second coolant 21. Derived from, but equivalent cross sections, such. B. rhombic or triangular cross-sections are also possible.
  • the cooling tube 312 of the condenser 3 is arranged in the upper part of the closed vessel 2, the vapor space 22. It also has an oval cross-sectional shape or one of the above-mentioned cross-sectional variations, which is preferably aligned in the same way as in the cooling tube 1 8 in order to improve the condensation and dripping of the second coolant 21.
  • the circulating components 12 to be cooled in the example according to FIG. 7 are designed as endlessly circulating cord-shaped metal electrodes, hereinafter referred to as wire electrodes 1 24 for short.
  • the generation of the discharge plasma 142 according to this principle is described in US Pat. No. 7,649,187 B2, the content of which is expressly incorporated herein by reference.
  • the molten bath 15 is embedded in the liquid phase 21 .1 of the second coolant 21, while the heated by the discharge plasma 142 portion of the wire electrode 1 24 is transported via pulleys in the molten bath 1 5 and gives off its heat there.
  • the heat transfer from the first coolant 1 1 to the second coolant 21 takes place - as described in the first example - by convection, as long as the boiling temperature T B C2 is exceeded.
  • the minimum temperature for maintaining the molten metal is ensured by the (unregulated) heater 23 within the second coolant 21. If the temperature Tci of the molten bath 15 exceeds the boiling temperature TBC2 of the second coolant 21, the more efficient cooling by evaporation of the second coolant 21 starts.
  • the temperature T C 3 significantly below the boiling temperature T BC 2 of the cooling liquid 212 (DOWTHERM ® J) or the cooling liquid 21 1 (GALDEN ® LS200) (eg water at room temperature).
  • the preferably cross-arranged cooling tubes 312 and 313 are realized as a meander. However, it is also possible to arrange lattice structures or lamella or ribbed cooling tubes 312 and 313 in the vapor space 22 of the closed vessel 2.
  • both the complete illustration of the first cooling stage with the circulating metallic first coolant 11 and the complete illustration of the third cooling stage with a condenser 3 which is preferably operated as a water cooling circuit have been dispensed with.
  • the object of the modification with respect to all previous designs lies in the realization of the effective heat exchange in the closed vessel 2 in two further examples of combinations of coolants.
  • the peculiarity of the arrangement is that four coolants are used from the first cooling stage to the third cooling stage, wherein between the first metallic coolant 1 1 and the second coolant 21 an intermediate stage with a further coolant 25 is inserted as the same precursor of the second cooling stage.
  • the heat transfer from the first coolant 1 1 (gadolinium) to the further coolant 25 (bismuth) takes place in the liquid phase 25.1 (bismuth melt 251) in the lower vessel part 24 of the closed vessel 2, in which the cooling tube 18 of the first cooling stage is embedded.
  • the heater 23 is arranged, which in this case is very powerful and electrically insulated.
  • the heat is released from the further coolant 25 in the lower vessel part 24 in a further vapor space 26, which is in thermal contact with a further capacitor 5.
  • the further condenser 5 is arranged as an intermediate bottom 51 in the closed vessel 2, which separates the further vapor space 26 with the gaseous phase 25.2 of the bismuth and thus the lower vessel part 24 (the precursor) from the liquid phase 21 .1 of the second coolant 21.
  • the second coolant 21, the coolants 21 1 or 212 (GALDEN ® or DOWTHERM ®) used, as in the first and second embodiments preferably GALDEN ® HS240 is used. Alternatively, GALDEN ® HS260 or DOWTHERM ® A can be used.
  • the intermediate bottom 51 is made of good heat conducting metal.
  • atrenverierernden structure which consists of an embossed sheet, similar to a washboard, from linear structures or, similar to an egg package, juxtaposed vaulted faces of spheres or aspheres or lined outer surfaces of cones or truncated cones, pyramids or truncated pyramids, etc. or a Having a plurality of alternating finger-shaped or wave-shaped protuberances and depressions.
  • the intermediate bottom 51 may have any imaginable type of protuberances and depressions, the maximum fineness of which is limited by the possible capillary action of the wells, because it is not to clog the wells by condensing on the structured sheet gaseous phase 25.2 of the other coolant 25 and not to obstruct the bubble boiling of the second coolant 21 located above may occur.
  • the intermediate bottom 51 may also have a global level profile in addition to the small surface enlarging structures described above.
  • This level profile can - depending on the shape of the closed vessel 2 (cylindrical or cuboid) - form one or more center or edge subsidences in which the second coolant 21 finds a reservoir, when in full load otherwise only condensed liquid phase 21 .1 of the second Coolant 21 would drip back onto the intermediate bottom 51.
  • terbium Tb
  • TMCI 1356 ° C
  • the first cooling circuit is guided inside the circulation tubes 17 and inside the cooling tube 18 through the closed vessel 2, wherein the cooling tube 18 for cooling the terbium with the liquid phase 25.1 of the further coolant 25, which is here as in the previous example bismuth, in the lower part of the vessel 24 of the closed vessel 2 is in contact.
  • the liquid phase 25.1 of the bismuth - as described in the fifth example - vaporized in the lower vessel portion 24 of the closed vessel 2 in the further vapor space 26 and condenses on the upper end forming intermediate bottom 51, which forms the further capacitor 5 as a surface-maximized profile sheet.
  • the intermediate bottom 51 which - as indicated in the previous example - can have a very wide variety of shapes to increase the surface area, is then in thermal contact with the second coolant 21 and causes it to boil.
  • the further cooling means 25 bismuth
  • the next closed steam space 22 is formed by the closed vessel 2, in which - as in all previous examples - the condenser 3 is arranged, on which the gaseous phase 21 .2 of the second coolant 21 is condensed, in order to drop back onto the structured intermediate bottom 51 in this case.
  • the third coolant 31 in turn, preferably water is used in a cooling circuit.
  • TMCI 1356 ° C
  • the very complex control and design of the cooling solutions with spray cooling known from the prior art can be replaced by a simple and very robust solution for which no regulatory effort is required by the use of Bruh method and apparatuses. Due to the lower temperature differences between the cooling stages and by the adapted to the first cooling stage behavior of the second and third cooling stage compared to the spray cooling both the risk of solidification of the metallic melt of the first coolant 1 1 is greatly reduced and achieved a less time-critical reaction of the cooling efficiency. The metal solidification is prevented by the unregulated heater 23.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas. Die Aufgabe der Erfindung, eine robuste und effektive Kühlung von plasmabasierten Strahlungsquellen auch bei stark wechselndem Wärmeeintrag ohne aufwändige Temperaturregelung und ohne Gefahr des Erstarrens eines metallischen Kühlmittels zu realisieren, wird erfindungsgemäß gelöst, indem die umlaufende Komponente (12) bei deren Bewegung durch partielles Eintauchen in ein erschmolzenes Metall als erstes Kühlmittel (11) gekühlt wird, eine sekundäre Kühlung durch thermischen Kontakt des ersten Kühlmittels (11) mit einem zweiten Kühlmittel (21) in einem geschlossenen Gefäß (2) erfolgt, wobei ein hermetisch separierter Gefäßteil (15; 18) des ersten Kühlmittels (11) das zweite Kühlmittel (21), das eine Siedetemperatur (TBC2) oberhalb der Schmelztemperatur (TMC1) des ersten Kühlmittels (11) aufweist, verdampft und in einen Dampfraum (22) des geschlossenen Gefäßes (2) überführt, die flüssige Phase (21.1) des zweiten Kühlmittels (21) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur (TMC1) des ersten Kühlmittels (11) temperiert wird, und eine tertiäre Kühlung durch einen Kondensator (3) im Dampfraum (22) des geschlossenen Gefäßes (2) des zweiten Kühlmittels (21) erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer Strahlungsquelle auf Basis eines Plasmas, wobei eine an der Plasmaerzeugung beteiligte zu kühlende umlaufende Komponente durch umlaufende Bewegung beschichtet und sukzessive fortschreitend an einer anderen Stelle zur Plasmaerzeugung benutzt wird. Sie findet insbesondere bei Strahlungsquellen im extrem ultravioletten Spektralbereich Anwendung. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Wärme hocheffektiv mittels so genannter Wärmerohre (engl.: heat pipes) abgeführt werden kann, wobei ein Wärmerohr (auch im Deutschen häufig„Heat-Pipe" genannt) eine Wärmeübertragungsrate aufweist, die bis zu 1000fach höher als die von Kupfer ist.
Ein solches Wärmerohr ist in der US 2004/0004422 A1 zur Kühlung einer Excimerquelle beschrieben und besteht aus einer vakuumdichten Hülle, in der eine dochtähnliche Struktur sowie eine Arbeitsflüssigkeit vorhanden sind. Nach dem Evakuieren des Wärmerohres wird genau soviel Arbeitsflüssigkeit eingefüllt, um die Dochtstruktur zu sättigen und die Atmosphäre im Wärmerohr auf ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf einzustellen. Wirkt Wärme an der Verdampferseite auf das Wärmerohr ein, wird das Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht gestört, ein erhöhter Dampfdruck sorgt dafür, dass sich der Dampf zur etwas kälteren Kondensatorseite des Wärmerohres bewegt und dort kondensiert, indem er seine latente Verdampfungswärme abgibt. Die kondensierte Flüssigkeit wird dann durch Kapillarkräfte zur Verdampferseite zurückgepumpt.
Für die Kühlung der Excimerquelle ist gemäß US 2004/0004422 A1 das Verdampferende des Wärmerohres entweder direkt mit einer der Quellenelektroden verbunden, während die Kondensatorseite innerhalb der Quelle an einen beispielsweise luftgekühlten Kühlungspunkt der Excimerquelle geführt ist, oder der Verdampfer ist außen an der Excimerquelle angebracht, während die Kondensatorseite beliebig gekühlt werden kann.
Eine weitere sehr effektive Methode ist als so genannte Sprühkühlung (engl, spray cooling) zur Kühlung von elektronischen Baugruppen und Schaltungen in einem Artikel von Jungho Kim: Spray cooling heat transfer: The State of the art (in: Int. J. Heat and Fluid Flow 28 (2007), 753-767) beschrieben. Dabei wird über spezielle kleine Düsen eine Kühlflüssigkeit auf eine zu kühlende heiße Fläche gesprüht und durch Verdampfung der Tröpfchen der Kühlflüssigkeit werden große Energiebeträge in Form von latenter Verdampfungswärme von der heißen Fläche abgeführt.
Nachteilig bei beiden vorgenannten Kühlmethoden ist jedoch, dass diese bei schwankendem Wärmeeintrag, wie er bei einer gepulst und/oder zyklisch (z. B. in einem Burst-Regime) betriebenen Strahlungsquelle auftritt, nicht ungeregelt stabil und effektiv arbeiten. Letzteres ist bei plasmabasierten Strahlungsquellen, insbesondere gasentladungsbasierten (DPP-) Strahlungsquellen, wie beispielsweise EUV-Strahlungs- quellen, bei denen rotierende Elektroden mit flüssigem Metall (z. B. Zinn) beschichtet werden, um die Elektroden bei gepulster Auslösung großer Entladungsströme vor Erosion zu schützen und zugleich für eine Elektrodenkühlung zu sorgen, ganz besonders nachteilig. Das Problem liegt dabei im systemgefährdenden Erstarren des Metalls, das bei einer herkömmlichen Temperaturregelung deshalb nicht sicher ausgeschlossen werden kann, da ein schwankender Wärmeeintrag die herkömmliche Kühlung auf eine Effektivwertregelung reduziert, die bei einer Entladungsunterbrechung (Belichtungspause der Strahlungsquelle) nicht schnell genug gedrosselt werden kann.
Dem vorstehend umrissenen Problem wird in der gattungsgemäßen Offenlegungsschrift DE 103 42 239 A1 nur oberflächliche Bedeutung beigemessen. Die darin mit einer zwischen rotierenden Elektroden erzeugten elektrischen Entladung beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung von EUV- bzw. weicher Röntgenstrahlung offenbart eine Heiz- oder Kühleinrichtung mit einem Wärmetauscher, um die Temperatur eines metallischen Kühlmittels (Zinn) in einem pumpenbetriebenen Kühlkreislauf auf einer Betriebstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur zu halten.
In einer für Gasentladungsquellen beschriebenen Anordnung mit rotierenden Elektroden, die aus der US 201 1/0133621 A1 bekannt ist, wird ebenfalls nur ein nicht näher spezifizierter externer Wärmetauscher offenbart, durch den das metallische Kühlmittel aktiv in einem Kreislauf hindurchgepumpt wird, ohne dass spezielle Maßnahmen zur Berücksichtigung von stark wechselnden Wärmeeinträge an den Entladungselektroden erwähnt sind.
Ferner ist in der US 8 416 391 B2 eine Strahlungsquelle mit rotierenden Elektroden beschrieben, für deren Kühlung ein dem Fachmann geläufiges Temperierungssystem erwähnt wird, das - ohne nähere Erklärung von Besonderheiten - als Kälteerzeugeroder Kreislaufsystem mit Kühlmedien bezeichnet wird.
Nachteilig an den drei vorgenannten Lösungen sind deren unspezifiziert erwähnte Kühlsysteme für die metallische Kühlung der Entladungselektroden, ohne dass die je nach Betriebsregime der Elektroden stark wechselnden Energieeinträge in das metallische Kühlmittel irgendeine Berücksichtigung finden.
Kühlsysteme aus anderen technischen Gebieten, wie sie z.B. aus DE 198 26 733 A1 oder DE 699 24 505 T2 bekannt sind, kommen allein aus Gründen der wesentlich niedriger konzipierten Energieeinträge und Betriebstemperaturen und der verwendeten Regelung nicht in Betracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Verbesserung der Robustheit der Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas zu finden, bei der eine aufwändige prozessgesteuerte Temperaturregelung vermieden wird, ohne dass bei stark wechselndem Wärmeeintrag zu irgendeinem Zeitpunkt die Gefahr eines unerwünschten Systemausfalls der Kühlung (z. B. durch Erstarren eines metallischen Kühlmittels) besteht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas, bei dem eine an der Plasmaerzeugung beteiligte zu kühlende umlaufende Komponente durch umlaufende Bewegung beschichtet und sukzessive fortschreitend an einer anderen Stelle zur Plasmaerzeugung benutzt wird, gelöst durch die Schrittfolge:
- primäres Kühlen der umlaufenden Komponente durch deren umlaufende Bewegung und partielles Eintauchen in ein erstes Kühlmittel, das in Form eines Schmelzbades eines Metalls ausgebildet ist; - sekundäres Kühlen der umlaufenden Komponente durch thermischen Kontakt des ersten Kühlmittels mit einem zweiten oder weiteren Kühlmittel über wenigstens einen hermetisch separierten Gefäßteil in einem geschlossenen Gefäß, wobei
* das Gefäß lediglich zu einem Teil, in dem der separierte Gefäßteil des ersten Kühlmittels angeordnet ist, mit einer flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels gefüllt und oberhalb der flüssigen Phase ein Dampfraum aus einer gasförmigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels gebildet wird, und;
* als zweites oder weiteres Kühlmittel eine Kühlflüssigkeit verwendet wird, deren Siedepunkt oberhalb der Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels einstellbar ist,
- Temperieren der flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels, die den separierten Gefäßteil des ersten Kühlmittels mindestens teilweise umgibt, auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels liegt; sodass das erste Kühlmittel durch thermischen Kontakt zum Kühlmittel in einem definierten Temperaturintervall oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten wird, und
- tertiäres Kühlen der umlaufenden Komponente durch einen Kondensator, der im Dampfraum des Gefäßes in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels steht, wobei eine die Siedetemperatur des zweiten Kühlmittels unterschreitende Temperatur des Kondensators eingestellt wird.
In einer ersten vorteilhaften Anwendung des Verfahrens ist die zu kühlende umlaufende Komponente der Strahlungsquelle als rotierende Scheibe zum Bereitstellen einer Schicht eines in ein Plasma zu konvertierenden Emittermaterials ausgebildet und wird mit einem Teil ihres peripheren Randbereichs durch ein Schmelzbad des Emittermaterials hindurchbewegt, wobei das Emittermaterial zugleich als erstes Kühlmittel verwendet wird.
In einer zweiten vorteilhaften Anwendung des Verfahrens ist die zu kühlende umlaufende Komponente als umlaufende Elektrode ausgebildet und wird mit einem Teil ihres umlaufenden Materials durch ein Schmelzbad aus dem ersten Kühlmittel hindurchbewegt, wobei für umlaufende Elektroden mit unterschiedlichem Potential separate Schmelzbäder verwendet werden. Dabei kann das erste Kühlmittel auch zugleich als in Plasma zu konvertierendes Emittermaterial der Strahlungsquelle verwendet werden.
Vorteilhaft wird als zweites Kühlmittel eine Kühlflüssigkeit ausgewählt, deren Siedetemperatur unter Betriebsbedingungen im Gefäß die Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels um einen Betrag zwischen 1 K und 250 K übersteigt.
Vorzugsweise wird als Kühlflüssigkeit GALDEN® mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von 1 K oder mehr über der Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels verwendet und im Gefäß unter Normaldruck gehalten.
Es ist aber auch möglich, als Kühlflüssigkeit GALDEN® mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von wenigen Kelvin unter der Schmelztemperatur zu verwenden und im Gefäß unter erhöhtem Druck auf eine Siedetemperatur von 1 K oder mehr über der Schmelztemperatur einzustellen.
Als Kühlflüssigkeit kann des Weiteren DOWTHERM® A mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von 257,1 °C verwendet und im Gefäß unter Normaldruck gehalten werden.
Das erste Kühlmittel wird zweckmäßig in einem hermetisch separierten Gefäßteil, der innerhalb eines Teils des geschlossenen Gefäßes angeordnet ist, in dem sich das zweite oder weitere Kühlmittel in flüssiger Phase befindet, zur effektiven Wärmeabgabe umgewälzt oder in einem Kreislauf hindurchbewegt.
Als Kondensator wird vorteilhaft ein mit einem dritten Kühlmittel durchflossenes Kühlrohr verwendet, das in einem geschlossenen Kühlkreislauf betrieben wird.
Vorzugsweise erfolgen die Wärmeübergänge vom ersten Kühlmittel zum zweiten oder weiteren Kühlmittel und vom zweiten Kühlmittel zum dritten Kühlmittel jeweils über mäanderförmige Kühlrohre in einem Teil des Gefäßes des zweiten oder des weiteren Kühlmittels, wobei das mäanderförmige Kühlrohr des ersten Kühlmittels innerhalb des Teils des Gefäßes mit der flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels und das mäanderförmige Kühlrohr des dritten Kühlmittels innerhalb des Dampfraums mit der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels den Wärmeübergang realisieren. Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der eine umlaufende Komponente zur Plasmaerzeugung und ein Schmelzbad eines ersten Kühlmittels in Form eines erschmolzenen Metalls für ein partielles Eintauchen der Komponente zur Komponentenkühlung vorhanden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein geschlossenes Gefäß mit einem zweiten oder weiteren Kühlmittel, das eine auf das erste Kühlmittel abgestimmte Siedetemperatur oberhalb einer Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels aufweist, lediglich teilweise befüllt ist und oberhalb einer flüssigen Phase einen Dampfraum für eine gasförmige Phase des Kühlmittels sowie in der flüssigen Phase eine Heizung zur Temperierung des zweiten oder weiteren Kühlmittels auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels aufweist, dass ein Gefäßteil des Schmelzbades des ersten Kühlmittels in dem geschlossenen Gefäß in die flüssige Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels eingetaucht ist und dass ein Kondensator, der eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des zweiten Kühlmittels aufweist, im Dampfraum mit der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels angeordnet ist.
Vorteilhaft ist der Gefäßteil des Schmelzbades des ersten Kühlmittels in dem geschlossenen Gefäß als hermetisch separiertes Kühlrohr mit einer zum besseren Wärmeübergang vergrößerten Oberfläche ausgebildet und das Kühlrohr so angeordnet, dass es in einem Ausgangszustand vollständig vom zweiten oder weiteren Kühlmittel bedeckt ist.
Der Gefäßteil des Schmelzbades des ersten Kühlmittels ist dabei vorzugsweise in dem geschlossenen Gefäß als Kühlrohr parallel zur Oberfläche der flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels angeordnet. Das Kühlrohr innerhalb der flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels kann auch eine gewundene Form aus der Gruppe Mäander, flächige Spirale, räumliche Spirale oder Schraubenlinie aufweisen oder aber als verzweigte parallele Rohranordnung mit verringerten Rohrquerschnitten ausgebildet sein. Zusätzlich ist es möglich, dass das Kühlrohr innerhalb der flüssigen Phase des zweiten oder weiteren Kühlmittels mit lateral auskragenden Finnen- oder Gitterstrukturen ausgebildet ist. Das Kühlrohr kann außerdem zweckmäßig einen von der Kreisform abweichenden Rohrquerschnitt aufweisen.
Vorteilhaft weist auch der Kondensator eine für den Wärmeübergang vergrößerte Oberfläche aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf.
Der Kondensator ist zweckmäßig als hermetisch separiertes Kühlrohr zum Durchfluss eines dritten Kühlmittels ausgebildet und außerhalb des Gefäßes des zweiten Kühlmittels in einen Kühlkreislauf eingebunden. Vorzugsweise ist der Kondensator dabei als mäanderförmig geformtes Kühlrohr ausgebildet und außerhalb des Gefäßes des zweiten Kühlmittels in einen mit Wasser befüllten Kühlkreislauf eingebunden.
Es erweist sich ferner als vorteilhaft, wenn der Kondensator aus mehreren mäanderförmig geformten Kühlrohren zusammengesetzt ist.
In einer weiteren modifizierten Ausführung ist ein strukturierter Zwischenboden zur Trennung eines weiteren Dampfraumes eines weiteren Kühlmittels von der nachfolgenden zweiten Kühlflüssigkeit im Gefäß vorhanden, wodurch ein unterer Gefäßteil als zusätzliches Verdampfungs- und Kondensationsvolumen abgeteilt ist, wobei der Zwischenboden einen weiteren Kondensator bildet, der vom zweiten Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des weiteren Kühlmittels eingestellt ist.
Vorzugsweise weist der weitere Kondensator als strukturierter Zwischenboden eine vergrößerte Oberfläche auf und ist innerhalb des Gefäßes des zweiten Kühlmittels zur Unterteilung von zwei aufeinanderfolgenden Verdampfungs- und Kondensations- volumina zwischen dem zweiten Kühlmittel und dem weiteren Kühlmittel vorgesehen. Vorzugsweise ist der strukturierte Zwischenboden als geprägtes Profilblech ausgebildet, das eine zweidimensionale Aneinanderreihung mindestens einer Struktur aus der Gruppe: - gewölbte sphärische oder asphärische Teilflächen, - Mantelflächen von Kegeln oder Kegelstümpfen,
- Mantelflächen von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen,
- fingerförmige oder wellenförmige Aufwölbungen oder Vertiefungen und
- Faltenstrukturen
aufweist.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, ein magnetisch antreibbares Rührwerk innerhalb der flüssigen Phase des zweiten Kühlmittels anzuordnen, um die Zirkulation des zweiten Kühlmittels um die Heizung und den Gefäßteil des ersten Kühlmittels zu verbessern. Es erweist sich außerdem als vorteilhaft, wenn der Gefäßteil des ersten Kühlmittels durch eine Aneinanderreihung von Gefäßen jeweils durch flüssige Phasen von zweiten Kühlmitteln hindurchgeführt ist, wobei die zweiten Kühlmittel in aufeinanderfolgenden Gefäßen ein in Durchflussrichtung des ersten Kühlmittels abgestuftes Temperaturniveau aufweisen.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass die Robustheit der Kühlung von Komponenten im Bereich der Plasmaerzeugung, wie beispielsweise die Elektroden einer entladungsplasmabasierten Strahlungsquelle oder die Emittermaterialzuführung einer laserplasmabasierten Strahlungsquelle, die Lebensdauer der plasmanahen Komponenten steigern kann, wenn bei den an der Plasmaerzeugung beteiligten Komponenten eine hocheffektive Kühlung verwendet wird. Dabei ist jedoch bei plasmabasierten Strahlungsquellen aufgrund ihres nicht kontinuierlichen Betriebsregimes ein besonderer Regelungsbedarf der Kühlung zu berücksichtigen, der aus der gepulsten Anregung bei der Plasmaerzeugung (z. B. im Burstbetrieb) sowie aus kurzen und/oder längeren zeitweiligen Unterbrechungen der Anregung (z. B. im Burstbetrieb mit unterschiedlich langen Anregungspausen) und damit aus einem sich stark ändernden Wärmeeintrag in die umlaufenden Komponenten resultiert.
Die Erfindung löst dieses Problem, indem die Kühlung der umlaufenden Komponenten dreistufig erfolgt. Dabei beinhaltet die zweite Kühlstufe eine robuste selbstregelnde Funktion, bei der mittels einer ausgewählten Kühlflüssigkeit (zweites oder weiteres Kühlmittel) die Temperatur des zur Kühlung verwendeten erschmolzenen Metalls (erstes Kühlmittel) moderat oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten wird. Das geschieht, indem das zweite Kühlmittel, das unter Betriebsbedingungen eine Siedetemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des erschmolzenen Metalls aufweist, zur effektiven Kühlung der hochtemperierten Metallschmelze„im Verdampfungsmodus" und nahe der Erstarrungstemperatur des Metalls„im Konvektionskühlmodus" betrieben wird, was zu einer„selbstregulierten" Kühlung mit reduzierter Kühlleistung führt, sowie durch eine zusätzliche (ungeregelte) Grundheizung des zweiten Kühlmittels, die das Erstarren des erschmolzenen Metalls zuverlässig verhindert.
Dazu wird das zweite Kühlmittel (oder ein weiteres Kühlmittel) so ausgewählt, dass es i) oberhalb seiner Siedetemperatur (infolge einer latenten Verdampfungswärme) sehr viel Energie aufnimmt, solange die Temperatur des Metalls (ersten Kühlmittels) die Verdampfung des Kühlmittels bewirkt, und
ii) unterhalb seiner Siedetemperatur (infolge einer normalen Konvektion) wesentlich weniger Energie abführt, wenn das Metall nahe seiner Erstarrungstemperatur das zweite Kühlmittel nicht mehr vollständig verdampft, sondern dieses lediglich als gewöhnlichen Wärmetauschpartner unterhalb seines Siedepunktes ausnutzt.
Somit wird ein Kühlmechanismus realisiert, der - ohne Regelung - bei hohen Temperaturen der Komponenten (z. B. bei der Plasmaerzeugung im Burstbetrieb mit einigen 10.000 Entladungsimpulsen bei ca. 50 kHz Wiederholfrequenz) eine sehr effektive Wärmeabfuhr aus dem ersten Kühlmittel (Metallschmelze) erreicht und bei niedrigeren Temperaturen (z. B. in Entladungspausen - wenn sich die Temperatur der Erstarrungstemperatur des ersten Kühlmittels nähert) die Wärmeübertragung vom ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel (Kühlflüssigkeit)„selbstregulierend" drosselt.
In einem hermetisch abgeschlossenen Gefäß, in dem das zweite Kühlmittel gleichzeitig in flüssiger und in gasförmiger Phase vorliegt, ist es zudem möglich, durch das dritte Kühlmittel einen moderaten (nahezu konstanten) Dampfdruck des zweiten Kühlmittels oberhalb dessen flüssiger Phase einzustellen und zu halten, indem eine Kondensation der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels mittels eines Kondensators erfolgt, der deutlich unterhalb der Siedetemperatur des zweiten Kühlmittels gehalten wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, die Robustheit der Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas zu verbessern, wobei eine aufwändige prozessgesteuerte Temperaturregelung vermieden wird, ohne dass bei stark wechselnden Wärmeeinträgen zu irgendeinem Zeitpunkt die Gefahr eines unerwünschten Systemausfalls der Kühlung (Erstarren des metallischen ersten Kühlmittels) besteht.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei
Kühlstufen, wobei ein erstes Kühlmittel (erschmolzenes Metall) mit stark variierendem Wärmeeintrag innerhalb der flüssigen Phase eines in einem geschlossenen System befindlichen zweiten Kühlmittels zur Verdampfung des zweiten Kühlmittels und ein drittes Kühlmittel in der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels zum Kondensieren des zweiten Kühlmittels vorhanden sind, Fig. 2 die Festlegung eines Arbeitsbereichs anhand physikalischer Eigenschaften des zweiten Kühlmittels,
Fig. 3 eine erste Ausführung der Erfindung, in der eine rotierende Scheibe, die zur
Bereitstellung von EUV-Emittermaterial (Zinn) vorgesehen ist, in eine Metall- schmelze eintaucht, um das auf der Scheibe befindliche Emittermaterial mit einer Laseranregung in EUV-emittierendes Plasma zu konvertieren, mit einer ersten Kühlstufe, in der die Metallschmelze als erstes Kühlmittel fungiert, einer zweiten Kühlstufe mit einem zweiten Kühlmittel (Kühlflüssigkeit GALDEN®), das innerhalb eines geschlossenen Gefäßes als Verdampfungs-Kondensations- Kreislauf vorliegt und durch dessen flüssige Phase die Metallschmelze der ersten Kühlstufe hindurchgeleitet wird, sowie einer dritten Kühlstufe, die als Kondensator innerhalb der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels angeordnet ist, Fig. 4 eine zweite Ausführung der Erfindung, bei der zwei rotierende Scheibenelektroden in jeweils separate Metallschmelzen (Zinn) eintauchen, wobei zwei erste Kühlkreisläufe mit Metallschmelze als eine erste Kühlstufe in einer gemeinsamen als Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf wirkenden zweiten Kühlstufe durch deren flüssige Phase geführt sind, und ein Kondensator als dritte Kühlstufe das zweite Kühlmittel kondensiert,
Fig. 5 eine dritte Ausführung der Erfindung, bei der zwei rotierende
Scheibenelektroden in jeweils separate Metallschmelzen (Lithium) eintauchen, wobei - in Modifikation zu Fig. 4 - die zwei ersten Kühlkreisläufe in der zweiten Kühlstufe jeweils durch einen separaten zweiten Kühlkreislauf hindurchgeführt sind, und je ein dritter Kühlkreislauf als Kondensator angeordnet ist, Fig. 6 eine Ausführungsform des geschlossenen Gefäßes der zweiten Kühlstufe mit einem Durchfluss des ersten Kühlmittels in Form der Metallschmelze und einem Durchfluss eines dritten Kühlmittels als Kondensator in der gasförmigen Phase des zweiten Kühlmittels, Fig. 7 eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die erste Kühlstufe schnurförmige umlaufende, partiell in ein erstes Kühlmittel (Metallschmelze von Lithium) eintauchende Drahtelektroden aufweist, in der zweiten Kühlstufe (Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf) ein Teil des Schmelzbades der ersten Kühlstufe in der flüssigen Phase eines zweiten Kühlmittels eingebettet ist und die dritte Kühlstufe einen Kondensator mit Wasserkreislauf aufweist,
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der in einer ersten Kühlstufe gemäß einer der Figuren 3, 4, 5 oder 6 die zur Plasmaerzeugung angewendete umlaufende Komponente in eine Metallschmelze mit hohem Schmelzpunkt (über 1200 ^) als erstes Kühlmittel eintaucht, die erste Kühlstufe durch eine
Vorstufe der zweiten Kühlstufe mit einer Metallschmelze aus einem niedrigschmelzenden Metall (unter 300 "C) hindurchgeleitet wird, wobei die Vorstufe der zweiten Kühlstufe als weiterer metallischer Verdampfungs- Kondensations-Kreislauf ausgebildet ist.
Eine Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, besteht in ihrem Grundaufbau aus einem ersten Kühlmittel 1 1 , das in einem Schmelzbad 15 mit einer zu kühlenden umlaufenden Komponente 1 2 einer plasmabasierten Strahlungsquelle 1 in thermischem Kontakt steht, einem zweiten Kühlmittel 21 , das sich in einem geschlossenen Gefäß 2 befindet und mit dem ersten Kühlmittels 1 1 in thermischen Kontakt steht, sowie einem dritten Kühlmittel 31 , das - als Kondensator 3 wirkend - mit dem zweiten Kühlmittel 21 in thermischem Kontakt steht, um dem zweiten Kühlmittel 21 Wärme zu entziehen. Die umlaufende Komponente 1 2 ist dabei direkt an einer Plasmaerzeugung zur Emission einer Strahlung 1 6 (z. B. EUV) beteiligt. Durch Eintauchen eines Teils der umlaufenden Komponente 1 2 in die erste Kühlflüssigkeit 1 1 , die zugleich ein Emittermaterial für die emittierte Strahlung 1 6 ist, wird eine umlaufende Beschichtung 1 21 erzeugt, auf die an einer vorbestimmten Stelle ein Laser 13 fokussiert ist, um durch gepulste Energiezufuhr ein Strahlung 1 6 emittierendes Plasma 14 zu erzeugen. Die durch das Plasma 14 stark erhitzte umlaufende Komponente 1 2 überträgt die Wärme in das erste Kühlmittel 1 1 , das von dem Schmelzbad 1 5 über Umlaufrohre 1 7 einen Kühlkreis mit einem Kühlrohr 1 8 bildet. Dabei ist das Kühlrohr 1 8 durch ein geschlossenes Gefäß 2, das ein Verdampfungs-Kondensations-Volumen umschließt, in einer flüssigen Phase 21 .1 eines zweiten Kühlmittels 21 geführt. Das zweite Kühlmittel 21 liegt zugleich auch in einer gasförmigen Phase 21 .2 vor, die einen Dampfraum 22 im geschlossenen Gefäß 2 bildet und einen Kondensator 3 als dritte Kühlstufe enthält. Das erste Kühlmittel 1 1 ist aufgrund seines für die Strahlungsquelle 1 besonderen Zwecks, der neben der Komponentenkühlung zusätzlich mindestens in einem Erosionsschutz (durch zyklisch regenerierendes Beschichten) der umlaufenden Komponente 1 2 besteht, ein erschmolzenes Metall. Insofern der Stand der Technik keine anderen Kühlmittel als die hier beschriebenen bietet, weist das erste Kühlmittel 1 1 eine niedrige Schmelztemperatur von < 400 °C auf. Es sind aber auch Metalle mit höherer Schmelztemperatur (< 1 .500 °C) als erstes Kühlmittel 1 1 einsetzbar, wenn dem ersten Kühlmittel 1 1 nachfolgend ein weiteres Kühlmittel 25 (nur in Fig. 8 enthalten) mit der niedrigeren Schmelztemperatur (< 400 °C), als eine anpassende Kühlzwischenstufe bzw. als Vorstufe für das zweite Kühlmittel 21 , eingesetzt wird.
Als zweites Kühlmittel 21 wird eine Kühlflüssigkeit verwendet, deren Siedetemperatur TBC2 (bei den gewählten Prozessbedingungen) oberhalb der Schmelztemperatur TMci des ersten Kühlmittels 1 1 (TMCI < TBC2 < TMCI+1 00 K) liegt. Das zweite Kühlmittel 21 ist in dem geschlossenen Gefäß 2 aufgenommen und liegt deshalb gleichzeitig in einer flüssigen Phase 21 .1 und in einer gasförmigen Phase 21 .2 vor. In einem Teilvolumen des geschlossenen Gefäßes 2, in dem das zweite Kühlmittel 21 in der flüssigen Phase 21 .1 vorliegt, befindet sich ein hermetisch vom zweiten Kühlmittel 21 separierter und mit dem ersten Kühlmittel 1 1 befüllter Gefäßteil (hier: stilisiertes Kühlrohr 18). Im verbleibenden Teil des geschlossenen Gefäßes 2, das einen Dampfraum 22 bildet, befindet sich das zweite Kühlmittel 21 in der gasförmigen Phase 21 .2 und steht in thermischem Kontakt mit dem dritten Kühlmittel 31 , das ebenfalls hermetisch vom zweiten Kühlmittel separiert als ein Kondensator 3 fungiert. Dieser Kondensator 3 wird auf einem Temperaturniveau (TC3) deutlich unterhalb der Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 (Tc3 ^ TBC2 - 30 K) gehalten. An den Oberflächen des Kondensators 3 wird die gasförmige Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 kondensiert und tropft in die flüssige Phase 21 .1 zurück. Das erhitzte erste Kühlmittel 1 1 wird zu dessen Abkühlung mit dem zweiten Kühlmittel 21 in thermischen Kontakt gebracht, indem es im geschlossenen Gefäß 2 innerhalb der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 eingebettet, vorzugsweise hindurchgeleitet, wird.
Für das dritte Kühlmittel 31 zeigt Fig. 1 - ohne Beschränkung der Allgemeinheit -, dass dieses z. B. in Rohren, hohlen Platten, Körpern (mit oder ohne Rippen) als Kondensator 3 im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 angeordnet ist. Dadurch wird das zweite Kühlmittel 21 in einem Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf, der innerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 abläuft und von dem das dritte Kühlmittel 31 hermetisch abgeteilt ist, durch Entzug von Kondensationswärme besonders effektiv gekühlt.
Infolge der Auswahl des zweiten Kühlmittels 21 mit einer Siedetemperatur TBC2 oberhalb der Schmelztemperatur TMci des ersten Kühlmittels 1 1 wird die Kühlung des letzteren nicht nur besonders effektiv, wenn ihm oberhalb der Siedetemperatur TBC2 zusätzliche Verdampfungswärme entzogen wird, sondern es wird zusätzlich bei einem geringeren Wärmeeintrag der umlaufenden Komponente 12 in das erste Kühlmittel 1 1 , d. h. in der Nähe der Schmelztemperatur TMci, eine Verringerung der Kühlleistung dadurch erreicht, dass ohne (d. h. genau genommen stark verminderte) Verdampfung des zweiten Kühlmittels 21 deutlich weniger Wärme aus dem ersten Kühlmittel 1 1 abgeführt wird. Letzteres verringert die Kühlung des ersten Kühlmittels 1 1 zwar recht drastisch, würde aber nicht zuverlässig ein Erstarren des erschmolzenen Metalls (erstes Kühlmittel 1 1 ) verhindern. Deshalb ist in der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 zusätzlich eine (ungeregelte) Heizung 23 eingesetzt, die eine den Kühlmittelmengen des ersten und zweiten Kühlmittels 1 1 bzw. 21 angepasste konstante Wärmemenge einbringt, sodass die Schmelztemperatur TMci des ersten Kühlmittels 1 1 durchgängig überschritten ist, auch wenn kein Wärmeeintrag durch die umlaufenden Komponente 12 erfolgt.
Wie in Fig. 2 anhand temperaturabhängiger Werte eines Wärmeübergangskoeffizienten einer beliebigen Kühlflüssigkeit qualitativ erkennbar, können sich Wärmeübertragungsraten einer als zweites Kühlmittel 21 verwendeten Kühlflüssigkeit in der Nähe des Siedepunktes erheblich ändern.
Gemäß Fig. 2 nimmt der Wärmeübergangskoeffizient mit steigender Temperatur zunächst stetig zu. Es erfolgt ein relativ langsamer Wärmeübergang durch Konvektion. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung geht die Konvektion in ein Bläschensieden über. Dieser Übergang äußert sich in einem steilen Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten gegenüber der Temperatur. Bei einer fortgesetzten Temperaturerhöhung erreicht der Wärmeübergangskoeffizient ein Maximum, bevor er bei weiterer Temperaturerhöhung stark abfällt. Nach einem Maximum beginnt ein Übergangsbereich, in dem das Bläschensieden in ein Filmsieden übergeht. In diesem Bereich ist der Wärmeübergang durch entstehenden Dampf gestört, sodass sich der Wärmeübergangskoeffizient verschlechtert.
Ein optimaler Arbeitsbereich des zweiten Kühlmittels 21 liegt deshalb in dem Bereich des Bläschensiedens, unterhalb der Temperatur des Maximums und oberhalb des Einsatzpunktes des Siedens. Um diesen Arbeitsbereich optimal auszunutzen, ist also als zweites Kühlmittel 21 eine Kühlflüssigkeit auszuwählen, deren Siedetemperatur TBC2 oberhalb der Schmelztemperatur TMCI des ersten Kühlmittels 1 1 liegt. Dadurch wird zusätzlich erreicht, dass sich bei unter die Siedetemperatur TBC2 fallender Temperatur TC2 des zweiten Kühlmittels 21 die Wärmeübertragungsrate verringert, sodass das erste Kühlmittel 1 1 vor Erreichen seines Erstarrungspunktes (Schmelztemperatur TMCI ) schlechter gekühlt wird, weil das zweite Kühlmittel 21 fast nur noch auf Basis der reinen Konvektion kühlt. D. h. durch die Anpassung des Arbeitsbereichs des zweiten Kühlmittels 21 (um dessen Siedetemperatur TBC2) auf den Arbeitsbereich der ersten Kühlmittels 1 1 (erschmolzenes Metall mit TCI > TMCI) wird eine hohe Wärmeübertagungsrate durch Ausnutzung der Verdampfungswärme des zweiten Kühlmittels 21 erzielt und zusätzlich eine trägere Konvektionskühlung bei Annäherung an den Erstarrungspunkt des ersten Kühlmittels 1 1 erreicht. Damit das erste Kühlmittel 1 1 bei fehlendem Wärmeeintrag durch die umlaufende Komponente 1 2 (in Pausen der Plasmaerzeugung) nicht ungewollt erstarren kann, wird das zweite Kühlmittel 21 mit einer Heizung 23 stets auf Temperaturen TC2 oberhalb der Schmelztemperatur TMci des ersten Kühlmittels 1 1 gehalten. Erfolgt kein Wärmeeintrag durch die umlaufende Komponente 1 2, dann stellen sich die Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur TMCI bei Tci = c2 ein. In dieser Zeit erfolgt somit quasi auch kein wesentlicher Wärmeübergang zwischen dem ersten Kühlmittel 1 1 und dem zweiten Kühlmittel 21 .
Steigt im konkreten Beispiel die Temperatur Tci von Zinn 1 1 1 als erstem Kühlmittel 1 1 über die Siedetemperatur TBC2 einer speziellen Kühlflüssigkeit 21 1 (GALDEN®) als zweites Kühlmittel 21 , werden dementsprechend auch höhere Wärmeübertragungsraten erreicht, sodass das erschmolzene Metall Zinn 1 1 1 effektiver gekühlt werden kann. Fällt die Temperatur des Zinns 1 1 1 unter die Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 , sinkt die Wärmeübertragungsrate, sodass die Abkühlung des Zinns 1 1 1 bis zur Annäherung der Temperatur Tci auf Werte oberhalb der Schmelztemperatur TMci wesentlich verlangsamt wird. Wie nachfolgend beschrieben, ist dieser Effekt nützlich für das Halten der Temperatur des ersten Kühlmittels 1 1 im Schmelzbad 1 5 oberhalb der Schmelztemperatur TMCI von Zinn 1 1 1 , wenn der Wärmeeintrag durch die umlaufenden Komponente 12 gering ist. Im entgegengesetzten Fall, wenn der Wärmeeintrag in das Zinn 1 1 1 hoch ist, wird durch die sofortige Verdampfung der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 im geschlossenen Gefäß 2 dem aufgeheizten Zinn 1 1 1 zusätzlich Verdampfungswärme entzogen, die für den Übergang des zweiten Kühlmittels 21 in die gasförmige Phase 21 .2 erforderlich ist, sodass die Wärmeübertragungsrate vom ersten Kühlmittel 1 1 in das zweite Kühlmittel 21 überproportional ansteigt und die Kühlung des Zinns 1 1 1 effizienter erfolgt. Da die umlaufenden Komponente 12 nicht permanent zur Erzeugung eines Plasmas 14 genutzt werden, unterliegt die Temperatur des als erstes Kühlmittel 1 1 verwendeten Zinns 1 1 1 im Schmelzbad 15 starken Schwankungen. Diesen Schwankungen wirkt die spezielle Eigenschaft des zweiten Kühlmittels 21 selbstregulierend entgegen, indem es - oberhalb seiner Siedetemperatur TBC2 - eine starke Kühlwirkung hat und unterhalb der Siedetemperatur TBC2 die Kühlwirkung deutlich abnimmt.
Wird die Erzeugung des Plasmas 14 für längere Zeit unterbrochen, bestünde durch die zwar verlangsamte, aber dennoch permanente Konvektionskühlung auch bei Temperaturen TC2 unterhalb der Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 die Gefahr, dass das Zinn 1 1 1 seine Schmelztemperatur TMci unterschreiten und erstarren könnte. Eine erste Kühlstufe, mit der die umlaufenden Komponenten 12 im Schmelzbad 15 in direktem Kontakt stehen, würde sofort zum Erliegen kommen und die Rotation der umlaufenden Komponenten 12 unterbunden werden. Um diesen Fall auszuschließen, muss das erste Kühlmittel 1 1 immer auf einer Temperatur TC2 oberhalb der Schmelztemperatur TMCI gehalten werden. Dazu wird das zweite Kühlmittel 21 unabhängig von der Erzeugung des Plasmas 14 zwischen den umlaufenden Komponenten 12 mittels der eingebetteten Heizung 23 permanent auf diese Temperatur (TC2 > TMci ) aufgeheizt. Das kann - durch Anpassung der Heizleistung an die zu heizende Menge des ersten Kühlmittels 1 1 - ungeregelt erfolgen.
Erstes Ausführunqsbeispiel
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführung der Erfindung gezeigt, bei der die zu kühlende umlaufende Komponente 12 in Form einer rotierenden Scheibe 122 zum Bereitstellen von Emittermaterial für ein lasererzeugtes Plasma (LPP - laser-produced plasma) vorhanden ist.
Das Laserplasma 141 wird in diesem Fall durch eine Doppelimpulsanregung mittels eines Verdampfungslasers 131 und eines Hauptionisationslasers 132 erzeugt, wobei das fortlaufend auf die rotierende Scheibe 122 beschichtete Emittermaterial in Form einer Beschichtung 121 aus Zinn 1 1 1 , das zugleich als erstes Kühlmittel 1 1 verwendet wird, zunächst verdampft (Verdampfungslaser 131 ) und anschließend soweit aufgeheizt wird (Hauptionisationslaser 132), dass es in das EUV-Strahlung emittierende Laserplasma 141 konvertiert wird. Während der Erzeugung des Laserplasmas 1 41 durch die gepulste Laseranregung heizt sich die rotierende Scheibe 1 22 mit der Beschichtung 1 21 aus Zinn 1 1 1 sehr stark auf und erhitzt durch ihr Eintauchen in das Schmelzbad 1 5 das dort befindliche Zinn 1 1 1 ebenfalls stark, wobei die Scheibe 1 22 ihre Wärmeenergie sehr effektiv in das Zinnreservoir im Schmelzbad 1 5 überträgt.
Die Wärmeabfuhr aus dem Schmelzbad 1 5 erfolgt in dieser ersten Kühlstufe mit einem durch Umlaufrohre 1 7 geführten Kreislauf, der in eine zweite Kühlstufe eingreift, indem das erschmolzene Zinn 1 1 1 der ersten Kühlstufe in hermetisch separierten Kühlrohren 1 8 durch das geschlossene Gefäß 2 der zweiten Kühlstufe geleitet wird. In dem geschlossenen Gefäß 2 ist als zweites Kühlmittel 21 die spezielle Kühlflüssigkeit 21 1 (GALDEN®) eingesetzt, die auf die Schmelztemperatur TMCI des Zinns 1 1 1 derart abgestimmt ist, dass die Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 knapp oberhalb der Schmelztemperatur TMci des Zinns 1 1 1 liegt.
Als Kühlflüssigkeit 21 1 dafür ist GALDEN® HS 240 geeignet, das gegenüber der Schmelztemperatur TMCI des Zinns 1 1 1 (232 °C) eine um acht Kelvin (K) höhere Siedetemperatur (240 °C) aufweist. Eine notwendige Grundtemperatur der flüssigen Phase 21 . 1 des zweiten Kühlmittels 21 wird - wie bereits oben erwähnt - durch die elektrische Heizung 23 erreicht, die ungeregelt dafür sorgt, dass die Kühlflüssigkeit 21 1 stets oberhalb der Schmelztemperatur TMCI des Zinns 1 1 1 liegt, selbst wenn die rotierende Scheibe 1 22 (z. B. in den Laseranregungspausen) keinen Wärmeeintrag in das Schmelzbad 1 5 der ersten Kühlstufe einbringt. Es ist aber alternativ auch möglich, GALDEN® LS 230 als geeignete Kühlflüssigkeit 21 1 einzusetzen, weil in dem geschlossenen Gefäß 2 flüssige Phase 21 . 1 und gasförmige Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 gleichzeitig vorhanden sind und ein Betriebsdruck im geschlossenen Gefäß 2 gewählt werden kann, der den atmosphärischen Siedepunkt (230 °C) von GALDEN® LS 230 um einige Kelvin anhebt. Der Siedepunkt ist dabei über das Gleichgewicht aus flüssiger Phase 21 . 1 und gasförmiger Phase 21 .2 der Kühlflüssigkeit 21 1 und deren Dampfdruck wie gewünscht (oberhalb der Schmelztemperatur TMci des Zinns 1 1 1 ) einstellbar. Die zweite Kühlstufe läuft innerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 ab. Da das geschlossene Gefäß 2 nicht vollständig mit dem zweiten Kühlmittel 21 gefüllt ist, liegt das zweite Kühlmittel 21 stets in flüssiger Phase 21 .1 und gasförmiger Phase 21 .2 zugleich vor (thermisches Gleichgewicht). Damit bei erhöhtem Wärmeeintrag durch das erste Kühlmittel 1 1 (Zinn 1 1 1 ) die Kühlflüssigkeit 21 1 (in diesem Beispiel: GALDEN® HS 240) nicht zunehmend und überwiegend in die gasförmige Phase 21 .2 überführt wird, wodurch der Druck in dem geschlossenen Gefäß 2 erheblich steigen würde, muss die gasförmige Phase 21 .2 in ausreichendem Maße zur Kondensation gebracht werden. Zum Kühlen des zweiten Kühlmittels 21 wird dessen gasförmige Phase 21 .2 mit einer dritten Kühlstufe in Form eines Kondensators 3 in thermischen Kontakt gebracht. Dazu ist der Kondensator 3 im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 angeordnet und wird von der gasförmigen Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 umgeben. Der Kondensator 3 ist in diesem Beispiel von dem dritten Kühlmittel 31 durchströmt (dritte Kühlstufe) und wird auf einer Temperatur Tc3 gehalten, die unterhalb der Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 liegt. Dadurch kondensiert die gasförmige Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 an den Oberflächen des Kondensators 3, gibt seine Kondensationswärme an das dritte Kühlmittel 31 ab und tropft in die flüssige Phase 21 .1 im geschlossenen Gefäß 2 zurück.
Der Kondensator 3 ist vorzugsweise als Kühlkreislauf mit Wasser 31 1 als drittem Kühlmittel 31 ausgebildet, das durch Kühlrohre 312 zirkuliert, wobei sichergestellt wird, dass die Temperatur TC3 des Kondensators 3 (mit ca. 30-50 °C Betriebstemperatur des Wassers 31 1 ) deutlich unterhalb der durch die Wahl der Kühlflüssigkeit 21 1 vorgegebenen Siedetemperatur (hier: 240 °C für GALDEN® HS240) des zweiten Kühlmittels 21 liegt. Die hinreichend niedrige Temperatur TC3 des Kondensators 3 im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 lässt sich durch die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 31 1 bequem einstellen und sichert somit - auch ohne Temperaturregelung - eine zuverlässige Kondensation des zweiten Kühlmittels 21 innerhalb des geschlossenen Gefäßes 2, sodass dieses in einem thermodynamischen Gleichgewicht gehalten wird und kein sicherheitsgefährdender Überdruck entsteht. Zweites Ausführunqsbeispiel
In einer alternativen zweiten Ausführung der Erfindung für die entladungsplasmabasierte Strahlungsquelle 1 (DPP - discharge-produced plasma), wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, werden als zu kühlende umlaufende Komponenten 12 zwei rotierende Scheibenelektroden 123 zur Erzeugung eines Entladungsplasmas 142 verwendet, wie aus dem Stand der Technik (z. B. DE 10 2010 050947 A1 , US 2012/01 12101 A1 ) bekannt.
In einem ersten Verfahrensschritt (erste Kühlstufe) werden die Scheibenelektroden 123 durch ein erstes Kühlmittel 1 1 in Form einer metallischen Schmelze abgekühlt. In diesem Beispiel wird als erstes Kühlmittel 1 1 Zinn 1 1 1 verwendet, das - über seinen Schmelzpunkt von 232 °C temperiert - in jeweils einem Schmelzbad 15 vorliegt. Über die Schmelzbäder 15 sind die Scheibenelektroden 123, die aufgrund ihrer Rotation fortlaufend mit einem anderen Teil ihres peripheren Randbereichs in das Schmelzbad 15 eintauchen, permanent mit dem erschmolzenen Zinn 1 1 1 in Kontakt.
Das Zinn 1 1 1 erfüllt zugleich die Funktion des Schutzes vor Elektrodenerosion sowie der elektrischen Kontaktierung. Außerdem ist das Zinn 1 1 1 auch hier als geeignetes Emittermaterial für die Erzeugung einer Strahlung 16 im EUV-Bereich um 13,5 nm eingesetzt und wird in Form der Beschichtung 121 als Emittermaterial für das Entladungsplasma 142 zwischen den Scheibenelektroden 123 bereitgestellt. In einem Entladungsbereich, der ein Bereich des geringsten Abstandes zwischen den Peripherien der Scheibenelektroden 123 ist, wird ein Verdampfungslaser 131 auf eine der Scheibenelektroden 123 fokussiert, um das Zinn 1 1 1 durch Verdampfung für eine Gasentladung zwischen den beiden Scheibenelektroden 123 vorzubereiten. Zur Erzeugung der Gasentladung wird eine gepulste Hochspannung durch eine Impulsstromquelle 4 bereitgestellt, die über die separaten Schmelzbäder 15 und das darin erschmolzene Zinn 1 1 1 mit den Scheibenelektroden 123 in elektrischem Kontakt steht.
Während der Erzeugung des Entladungsplasmas 142 heizen sich die Scheibenelektroden 123 sehr stark auf und erhitzen durch ihr Eintauchen in das jeweilige Schmelzbad 15 das dort befindliche Zinn 1 1 1 ebenfalls stark, wobei die Scheibenelektroden 123 sehr effektiv Wärme in das Zinnreservoir in den separierten Schmelzbädern 15 übertragen.
Das flüssige und von den Scheibenelektroden 123 erhitzte Zinn 1 1 1 wird von den beiden Schmelzbädern 15 in getrennten Kreisläufen durch Umlaufrohre 17 zum geschlossenen Gefäß 2 geführt und dort durch isolierte Durchführungen 19 in räumlich getrennten und geeignet geformten Kühlrohren 18 in Form zweier Wärmetauscher mit der flüssigen Phase 21 .1 des hier eingesetzten zweiten Kühlmittels 21 in thermischen Kontakt gebracht. Das zweite Kühlmittel 21 ist in diesem Fall eine spezielle Kühlflüssigkeit 212 (DOWTHERM® A), die (mit angegebener Siedetemperatur von 257,1 °C) gegenüber der Schmelztemperatur des Zinns 1 1 1 (232 °C) eine um 25 K höhere Siedetemperatur (TBC2) aufweist.
Das Material der Umlaufrohre 17 und der Kühlrohre 18 ist gegenüber dem Zinn 1 1 1 chemisch resistent, sodass im Kreislauf die Korrosion und Erosion durch das Zinn 1 1 1 minimiert sind. Als Materialien für die Rohre 17 und 18 können Molybdän, Wolfram, Kohlenstoff in Form von Graphit, Quarzglas oder Titannitrid-beschichtete hochschmelzende Metalle, wie Edelstahl, oder ähnlich widerstandsfähige Materialien oder Beschichtungen eingesetzt werden.
Im geschlossenen Gefäß 2 läuft der zweite Verfahrensschritt - wie bereits im ersten Beispiel beschrieben - ab, indem das heiße Zinn 1 1 1 die Kühlflüssigkeit 212 verdampft und dem Zinn 1 1 1 dadurch effektiv große Wärmemengen entzieht. Zusätzlich wird durch eine Heizung 23 innerhalb der flüssigen Phase 21 .1 sichergestellt, dass die Temperatur Tc2 der Kühlflüssigkeit 212 stets oberhalb der Schmelztemperatur TMCI des Zinns 1 1 1 liegt, wenn im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 die gasförmige Phase 21 .2 kondensiert wird und die so erzeugte flüssige Phase 21 .1 auf die Kühlrohre 18 der beiden Kühlkreisläufe der ersten Kühlstufe und die dort befindliche flüssige Phase 21 .1 der Kühlflüssigkeit 212 zurücktropft.
Zur Kühlung der verdampften Kühlflüssigkeit 212 erfolgt als letzter Verfahrensschritt in einer dritten (tertiären) Kühlstufe für die Kühlung der umlaufenden Komponente 12 die Kondensation der gasförmigen Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 , wobei die gasförmige Phase 21 .2 an einem Kondensator 3 mit einem dritten Kühlmittel 31 permanent kondensiert wird. Das dritte Kühlmittel 31 ist bevorzugt als ein Kreislauf mit Wasser 31 1 ausgebildet und steht im thermischen Kontakt mit dem zweiten Kühlmittel 21 , indem es im Inneren des geschlossenen Gefäßes 2 den hermetisch separierten Kondensator 3 durchströmt. Der Kondensator 3 ist dazu im Volumen der gasförmigen Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 (d. h. im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2) angeordnet.
Wie in Fig. 4 dargestellt, weist die zweite Kühlstufe einen Wärmetauscher in Form eines geschlossenen Gefäßes 2 auf. Das geschlossene Gefäß 2 ist mit dem zweiten Kühlmittel 21 befüllt, wobei dieses in flüssiger Phase 21 .1 die Kühlrohre 18 der ersten Kühlstufe zumindest teilweise bedeckt und im restlichen Teil des geschlossenen Gefäßes 2 den Dampfraum 22 mit gasförmiger Phase 21 .2 füllt. Im unteren Teil des geschlossenen Gefäßes 2, d. h. im Bereich der flüssigen Phase 21 .1 , wird das geschlossene Gefäß 2 in diesem Beispiel von zwei Kühlrohren 18 durchdrungen, deren Anschlüsse elektrisch voneinander isoliert außerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 liegen. Durch die Kühlrohre 18 erfolgt der Wärmeeintrag für den im geschlossenen Gefäß 2 realisierten Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf. An diesen ist jeweils ein Schmelzbad 15 der ersten Kühlstufe angeschlossen. Im oberen Teil des geschlossenen Gefäßes 2 befindet sich der Dampfraum 22 des zweiten Kühlmittels 21 , in dem die gasförmige Phase 21 .2 vorliegt und in dem der Kondensator 3 der dritten Kühlstufe angeordnet ist. Der Kondensator 3 ist in diesem Beispiel über ein Kühlrohr 312 in einen Kreislauf mit zirkulierendem Wasser 31 1 eingebunden und bildet die Wärmesenke im Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf des geschlossenen Gefäßes 2.
Drittes Ausführunqsbeispiel
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 5 ist mit grundsätzlich gleichem Aufbau des Kühlsystems, gemäß dem ersten und dem zweiten Beispiel, unter Verwendung des Schmelzbades 15 mit dem ersten Kühlmittel 1 1 , dem geschlossenen Gefäß 2 mit dem zweiten Kühlmittel 21 und dem Kondensator 3 gezeigt.
Gemäß der Ausführung von Fig. 5 ist die erste Kühlstufe wie in Fig. 4 zum Kühlen der Scheibenelektroden 123 vorgesehen, die zur Erzeugung des Entladungsplasmas 142 verwendet werden. Als erstes Kühlmittel 1 1 wird in diesem Fall Lithium 1 1 2 für die separierten Schmelzbäder 15 verwendet, in welche die Scheibenelektroden 123 teilweise und direkt eintauchen. Durch das Eintauchen wird der elektrische und thermische Kontakt mit dem Lithium 1 1 2 hergestellt, über das die Scheibenelektroden 123 ihre Wärme in die Schmelzbäder 1 5 abgeben. Der Wärmeeintrag wird mit dem Lithium 1 1 2 durch die Umlaufrohre 1 7 in die Kühlrohre 1 8 transportiert. In diesem Fall sind die Kühlrohre 18 in separaten geschlossenen Gefäßen 2 (nur eins in Fig. 5 dargestellt) eingebettet. Damit sind alle drei Kühlstufen für die einzelnen Scheibenelektroden 123 jeweils separat vorhanden und vollständig voneinander getrennt.
Das im geschlossenen Gefäß 2 vorhandene zweite Kühlmittel 21 ist in diesem Beispiel wiederum die Kühlflüssigkeit 21 1 (GALDEN®). Das speziell an das als erstes Kühlmittel 1 1 verwendete Lithium 1 12 angepasste GALDEN® LS200 weist eine um fast 20 K über der Schmelztemperatur TMci des Lithiums 1 1 2 liegende Siedetemperatur TBC2 auf. Die flüssige Phase 21 .1 der ausgewählten Kühlflüssigkeit 21 1 steht wiederum im thermischen Kontakt mit dem von Lithium 1 1 2 durchflossenen Kühlrohr 1 8, das in diesem Fall durch die flüssige Phase 21 .1 vollständig bedeckt und parallel zum Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase 21 .1 orientiert ist.
Durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit 21 1 im Dampfraum 22 wird einerseits die besonders effektive Kühlung durch Ausnutzung von Verdampfungswärme des GALDEN® LS200 oberhalb 200 °C erzielt und andererseits erreicht, dass die Kühlung in eine Konvektionskühlung übergeht, wenn durch die Scheibenelektrode 1 23 (z. B. bei Unterbrechungen der Erzeugung von Entladungsplasma 142) nicht der hohe Wärmeeintrag erfolgt und die Temperatur unter 200 °C sinkt.
Da dadurch allein noch nicht sicher verhindert werden kann, dass in längeren Unterbrechungen der Plasmaerzeugung das Lithium 1 1 2 erstarren könnte, ist innerhalb der flüssigen Phase 21 .1 der Kühlflüssigkeit 21 1 zusätzlich das Heizelement 23 angeordnet, mit dem permanent eine solche Wärmemenge in das GALDEN® LS200 eingebracht wird, dass dieses eine Temperatur von TC2 ^ 185 °C aufweist, um das Lithium 1 1 2 stets oberhalb der Schmelztemperatur TMCI ZU halten. Dazu kann zwischen einer Wandung des geschlossenen Gefäßes 2 und der Heizung 23 zusätzlich ein magnetisches Rührwerk 27 angeordnet sein, mit dem sich die Zirkulation der flüssigen Phase 21 .1 um die Heizung 23 und das Kühlrohr 18 verbessern lässt. Der Antrieb des magnetischen Rührwerks 27 kann dabei vorteilhaft außerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 angeordnet werden. Der in Fig. 5 gezeigte Kondensator 3, der in Übereinstimmung mit Fig. 4 eine Umlaufkühlung mit Wasser 31 1 durch ein Kühlrohr 312 aufweist, kann auch alternativ durch eine„passive" Kühlung ersetzt werden. Hier sei die Verwendung eines Heat-pipe- Kühlers erwähnt, der einseitig als Kondensator 3 im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 eingesetzt sein kann und dessen andere Seite außerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 über Luftkonvektion abgekühlt wird.
Um die Kühleigenschaften des Kondensators 3 zu ändern, können auch die Durchmesser und/oder die Wandstärken der Kühlrohre 312 innerhalb des Dampfraumes 22 des geschlossenen Gefäßes 2 verändert werden oder aber eine geänderte Anordnung oder Anzahl der Kühlrohre 312 - in Anlehnung an nachfolgende Fig. 6 - eingesetzt sein.
Eine besonders kompakte Ausführungsform des geschlossenen Gefäßes 2 mit nur einem durchlaufenden Kühlrohr 18 des ersten Kühlkreislaufs mit dem metallischen ersten Kühlmittel 1 1 sowie einem als mäanderförmiges Kühlrohr 312 ausgebildeten Kondensator 3 der dritten Kühlstufe ist in Fig. 6 dargestellt.
In dieser Ausführung ist das geschlossene Gefäß 2 nahezu würfelförmig ausgebildet und weist die Kühlrohre 18 und 312 als jeweils um 90 ° versetzt mäanderförmig verlaufende Wärmetauscher auf. Das Kühlrohr 18 ist dabei wenigstens teilweise in der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 eingetaucht. Es weist einen oval geformten Querschnitt auf, um die Verdampfungsoberfläche für das zweite Kühlmittels 21 zu vergrößern. Die ovale Querschnittsform kann dabei von elliptisch bis tropfenförmig variieren, wobei eine kopfstehende „Tropfenform", wie in Fig. 6 gezeichnet, bevorzugt ist, um das Blasensieden und Verdampfen des zweiten Kühlmittels 21 zu begünstigen. Davon abweichende, aber gleichwirkende Querschnitte, wie z. B. rhombenförmige oder dreieckige Querschnitte, sind ebenfalls möglich. Das Kühlrohr 312 des Kondensators 3 ist im oberen Teil des geschlossenen Gefäßes 2, dem Dampfraum 22, angeordnet. Es weist ebenfalls eine ovale Querschnittsform oder eine der oben erwähnten Querschnittsvariationen auf, die vorzugsweise in gleicher Weise wie beim Kühlrohr 1 8 ausgerichtet ist, um das Kondensieren und Abtropfen des zweiten Kühlmittels 21 zu verbessern.
Viertes Ausführunqsbeispiel
Im Unterschied zu den drei vorherigen Beispielen sind die zu kühlenden umlaufenden Komponenten 12 im Beispiel gemäß Fig. 7 als endlos umlaufende schnurförmige Metallelektroden, nachfolgend kurz als Drahtelektroden 1 24 bezeichnet, ausgebildet. Die Erzeugung des Entladungsplasmas 142 nach diesem Prinzip ist in der US 7 649 1 87 B2 beschrieben, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich mit eingeschlossen wird. Als erstes Kühlmittel 1 1 , das in diesem Fall auch zugleich als Emittermaterial verwendet wird, ist wiederum Lithium 1 1 2 eingesetzt.
In diesem Fall ist das Schmelzbad 15 in der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 eingebettet, während der durch das Entladungsplasma 142 erhitzte Bereich der Drahtelektrode 1 24 über Umlenkrollen in das Schmelzbad 1 5 transportiert wird und dort seine Wärme abgibt. Die Wärmeübertragung vom ersten Kühlmittel 1 1 an das zweite Kühlmittel 21 erfolgt dabei - genauso wie im ersten Beispiel beschrieben - durch Konvektion, solange die Siedetemperatur TBC2 unterschritten wird. Die Minimaltemperatur zur Erhaltung der Metallschmelze wird durch die (ungeregelte) Heizung 23 innerhalb des zweiten Kühlmittels 21 sichergestellt. Überschreitet die Temperatur Tci des Schmelzbades 1 5 die Siedetemperatur TBC2 des zweiten Kühlmittels 21 , so setzt die effizientere Kühlung durch Verdampfung des zweiten Kühlmittels 21 ein.
In diesem Beispiel hat das als erstes Kühlmittel 1 1 eingesetzte Lithium 1 12 eine Schmelztemperatur TMCI = 1 80,5 ^. Als dazu abgestimmtes zweites Kühlmittel 21 wird wiederum die Kühlflüssigkeit 21 2 (DOWTHERM® J), mit einer Siedetemperatur TBC2 = 181 °C verwendet. Da in diesem Fall das Temperaturintervall mit Konvektionskühlung des Lithiums 1 1 2 jedoch nur 0,5 K ist, kann als zweites Kühlmittel 21 alternativ die Kühlflüssigkeit 21 1 (GALDEN® LS200) mit einer Siedetemperatur TBC2 = 200 °C, die fast 20 K über der Schmelztemperatur TMci des Lithiums 1 12 liegt, durchaus vorzuziehen sein. Durch letztere Kühlflüssigkeit 21 1 ist für das hier verwendete Lithium 1 12 das oben beschriebene Prinzip der variablen Kühleffektivität in Abhängigkeit von der Temperatur Tci des ersten Kühlmittels 1 1 genauso erreichbar wie im vorherigen Beispiel. Die Funktion der innerhalb des geschlossenen Gefäßes 2 realisierten zweiten Kühlstufe stimmt somit mit der im dritten Beispiel überein.
In der dritten Kühlstufe gemäß der Ausführung von Fig. 7 ist der Kondensator 3 als ein mehrteiliger Kühlkreislauf (nicht komplett dargestellt) ausgeführt, dessen Temperatur TC3 deutlich unterhalb der Siedetemperatur TBC2 der Kühlflüssigkeit 212 (DOWTHERM® J) oder der Kühlflüssigkeit 21 1 (GALDEN® LS200) eingestellt ist (z. B. Wasser bei Raumtemperatur). Die vorzugsweise überkreuzend angeordneten Kühlrohre 312 und 313 sind als Mäander realisiert. Es können jedoch auch Gitterstrukturen oder lamellen- oder rippen bestückte Kühlrohre 312 und 313 im Dampfraum 22 des geschlossenen Gefäßes 2 angeordnet sein.
Bei einer in Fig. 8 dargestellten weiteren Gestaltung der Anordnung ist sowohl auf die komplette Darstellung der ersten Kühlstufe mit dem umlaufenden metallischen ersten Kühlmittel 1 1 als auch auf die vollständige Darstellung der dritten Kühlstufe mit einem vorzugsweise als Wasserkühlkreislauf betriebenen Kondensator 3 verzichtet worden. Der Gegenstand der Modifikation gegenüber allen vorherigen Gestaltungen liegt hierbei in der Realisierung des effektiven Wärmeaustausche im geschlossenen Gefäß 2 bei zwei weiteren Beispielen für Kombinationen von Kühlmitteln. Die Besonderheit der Anordnung liegt darin, dass von der ersten Kühlstufe bis zur dritten Kühlstufe vier Kühlmittel eingesetzt sind, wobei zwischen dem ersten metallischen Kühlmittel 1 1 und dem zweiten Kühlmittel 21 eine Zwischenstufe mit einem weiteren Kühlmittel 25 als prinzipgleiche Vorstufe der zweiten Kühlstufe eingefügt ist. Dadurch ändert sich lediglich der konkrete Aufbau des geschlossenen Gefäßes 2 der zweiten Kühlstufe durch Einbau einer Vor- bzw. Zwischenstufe in Form eines hermetisch separierten Gefäßteils 24 vor der zweiten Kühlstufe innerhalb des geschlossenen Gefäßes 2, das den Verdampfungs-/Kondensations-Kreislauf des weiteren Kühlmittels 25 enthält. Fünftes Ausführunqsbeispiel
Anstelle niedrigschmelzender Metalle, wie Zinn 1 1 1 oder Lithium 1 12, ist in diesem Beispiel als erstes Kühlmittel 1 1 ein hochschmelzendes Metall, nämlich Gadolinium (Gd) mit einer Schmelztemperatur TMCI = 1313 °C, eingesetzt.
Als dazu angepasstes weiteres Kühlmittel 25 ist Wismut (Bi) mit einer Schmelztemperatur TMcs = 217°C und einer Siedetemperatur TBcs = 1560 ^ ausgewählt worden, das als Verdampfungs-/Kondensations-Kreislauf eine Vorstufe der aus allen vorherigen Beispielen bekannten zweiten Kühlstufe mit dem zweiten Kühlmittel 21 darstellt. Der Wärmeübergang vom ersten Kühlmittel 1 1 (Gadolinium) auf das weitere Kühlmittel 25 (Wismut) erfolgt in der flüssigen Phase 25.1 (Wismut-Schmelze 251 ) im unteren Gefäßteil 24 des geschlossenen Gefäßes 2, in die das Kühlrohr 18 der ersten Kühlstufe eingebettet ist. Weiterhin ist - wie in allen vorherigen Beispielen - in der Nähe des Kühlrohres 18 am Boden des geschlossenen Gefäßes 2 die Heizung 23 angeordnet, die in diesem Fall sehr leistungsfähig und elektrisch isoliert ausgebildet ist. Die Heizung 23 in der Wismut- Schmelze 251 sorgt dafür, dass die Temperatur TC5 des weiteren Kühlmittels 25 die Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels 1 1 (Gadolinium: TMci = 1313 °C) übersteigt, damit das erste Kühlmittel 1 1 in den Umlaufrohren 1 7 über das Kühlrohr 18 stets fließfähig gehalten wird, falls an der umlaufenden Komponente 12 gerade kein Wärmeeintrag durch Plasmaerzeugung erfolgen sollte.
Die Wärmeabgabe von dem weiteren Kühlmittel 25 im unteren Gefäßteil 24 erfolgt in einem weiteren Dampfraum 26, der mit einem weiteren Kondensator 5 in thermischem Kontakt steht. Der weitere Kondensator 5 ist als ein Zwischenboden 51 im geschlossenen Gefäß 2 angeordnet, der den weiteren Dampfraum 26 mit der gasförmigen Phase 25.2 des Wismuts und damit den unteren Gefäßteil 24 (der Vorstufe) von der flüssigen Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 trennt. Als zweites Kühlmittel 21 werden die Kühlflüssigkeiten 21 1 oder 212 (GALDEN® oder DOWTHERM®) verwendet, wobei wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel bevorzugt GALDEN® HS240 verwendet wird. Als Alternative kommen auch GALDEN® HS260 oder DOWTHERM® A infrage. Der Zwischenboden 51 besteht aus gut wärmeleitendem Metall. Er ist mit einer oberflächenvergrößernden Struktur versehen, die als geprägtes Blech, ähnlich einem Waschbrett, aus linearen Strukturen oder, ähnlich einer Eierpackung, aus aneinandergesetzten gewölbten Teilflächen von Sphären oder Asphären besteht oder aufgereihte Mantelflächen von Kegeln oder Kegelstümpfen, Pyramiden oder Pyramidenstümpfen etc. oder eine Vielzahl von sich abwechselnden fingerförmigen oder wellenförmigen Ausstülpungen und Vertiefungen aufweist. Der Zwischenboden 51 kann jegliche vorstellbare Art von Ausstülpungen und Vertiefungen aufweisen, deren maximale Feingliedrigkeit jedoch von der möglichen Kapillarwirkung der Vertiefungen begrenzt wird, weil es nicht zum Verstopfen der Vertiefungen durch die am strukturierten Blech kondensierende gasförmige Phase 25.2 des weiteren Kühlmittels 25 und nicht zur Behinderung des Blasensiedens des darüber befindlichen zweiten Kühlmittels 21 kommen darf. Der Zwischenboden 51 kann zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen kleinen oberflächenvergrößernden Strukturen auch ein globales Niveauprofil aufweisen. Dieses Niveauprofil kann - je nach Form des geschlossenen Gefäßes 2 (zylindrisch oder quaderförmig) - eine oder mehrere Mitten- oder Randabsenkungen ausbilden, in denen das zweite Kühlmittel 21 ein Reservoir vorfindet, wenn im Volllastbetrieb ansonsten nur noch kondensierte flüssige Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 auf den Zwischenboden 51 zurücktropfen würde.
Der Wärmetransfer innerhalb des über dem Zwischenboden 51 liegenden Teils des geschlossenen Gefäßes 2 der zweiten Kühlstufe (Verdampfungs-/Kondensations- Kreislauf des zweiten Kühlmittels 21 ) erfolgt dann in gleicher Weise, wie oben bereits im ersten bis vierten Beispiel beschrieben, mit einem vorzugsweise wassergekühlten Kondensator 3, der den Dampfraum 22 der gasförmigen Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 mit wenigstens einem Kühlrohr 312 durchquert. Sechstes Ausführunqsbeispiel
Basierend auf der Anordnung gemäß Fig. 8 wird nachfolgend eine weitere Ausführung der Erfindung mit einer Kühlzwischenstufe zwischen dem ersten Kühlmittel 1 1 und dem zweiten Kühlmittel 21 zur Kühlung der umlaufenden Komponente 12 einer plasmabasierten Strahlungsquelle 1 beschrieben
Als erstes Kühlmittel 1 1 wird in diesem Beispiel Terbium (Tb) verwendet, das eine Schmelztemperatur TMCI = 1356 °C aufweist und oberhalb dieser Temperatur als Schmelze in einem Kühlkreislauf geführt wird. Der erste Kühlkreislauf wird innerhalb von Umlaufrohren 17 und innerhalb des Kühlrohrs 18 durch das geschlossene Gefäß 2 geführt, wobei das Kühlrohr 18 zur Kühlung des Terbium mit der flüssigen Phase 25.1 des weiteren Kühlmittels 25, das hier wie im vorigen Beispiel Wismut ist, im unteren Gefäßteil 24 des geschlossenen Gefäßes 2 in Kontakt ist. Die als Vorstufe zur zweiten Kühlstufe verwendete Wismut-Schmelze 251 hat (mit ihrer Schmelztemperatur TMC5 = 217°C und der Siedetemperatur TBCS = 1560 °C) auch gegenüber dem als erstes Kühlmittel 1 1 verwendeten Terbium die erforderlichen Voraussetzungen, um als Verdampfungs-/Kondensations-Kreislauf betrieben zu werden, der eine Vorstufe zum Verdampfungs-/Kondensations-Kreislauf des zweiten Kühlmittels 21 bildet.
Dabei wird die flüssige Phase 25.1 des Wismuts - wie im fünften Beispiel beschrieben - im unteren Gefäßteil 24 des geschlossenen Gefäßes 2 in den weiteren Dampfraum 26 verdampft und kondensiert an dem den oberen Abschluss bildenden Zwischenboden 51 , der als oberflächenmaximiertes Profilblech den weiteren Kondensator 5 bildet. Der Zwischenboden 51 , der - wie im vorigen Beispiel angegeben - verschiedenste Formgebungen zu Oberflächenvergrößerung aufweisen kann, steht dann mit dem zweiten Kühlmittel 21 in thermischem Kontakt und bringt dieses zum Sieden. Zur Kühlung des weiteren Kühlmittels 25 (Wismut) befindet sich auf der Oberseite des Zwischenbodens 51 die flüssige Phase 21 .1 des zweiten Kühlmittels 21 , für das vorzugsweise DOWTHERM® A, mit einer Siedetemperatur TBC2 = 257°C, gewählt wird. Alternativ können jedoch auch GALDEN® HS240 (mit TBC2 = 240 °C) oder GALDEN® HS260 (mit TBC2 = 260 °C) zum Einsatz kommen.
Oberhalb der flüssigen Phase 21 .1 der zweiten Kühlflüssigkeit 21 1 wird vom geschlossenen Gefäß 2 der nächste geschlossene Dampfraum 22 gebildet, in dem - wie in allen vorherigen Beispielen - der Kondensator 3 angeordnet ist, an dem die gasförmige Phase 21 .2 des zweiten Kühlmittels 21 kondensiert, um in diesem Fall auf den strukturierten Zwischenboden 51 zurückzutropfen. Als drittes Kühlmittel 31 kommt wiederum bevorzugt Wasser in einem Kühlkreislauf zum Einsatz. Die zum Aufrechterhalten des Schmelzzustandes des ersten Kühlmittels 1 1 (Terbium) erforderliche Temperierung oberhalb der hier notwendigen Schmelztemperatur TMCI = 1356 °C erfolgt durch die Heizung 23, die in der flüssigen Phase 25.1 des als Vorstufe zum zweiten Kühlmittel 21 vorhandenen weiteren Kühlmittels 25 wiederum am Boden des geschlossenen Gefäßes 2 angeordnet ist. Damit wird in Entladungspausen der Strahlungsquelle 1 , in denen die umlaufende Komponente 12 nicht den erwartet hohen Wärmeeintrag erbringt, das weitere Kühlmittel 25 auf eine Temperatur TC5 > TMCI = 1356 °C geheizt, um das als erstes Kühlmittel 1 1 verwendete Terbium im flüssigen Zustand zu halten. Zusammenfassend kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Küh Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtungen die sehr komplexe Steuerung und Konstruktion der aus dem Stand der Technik bekannten Kühllösungen mit Sprühkühlung durch eine einfache und sehr robuste Lösung ersetzt werden, für die kein Regelungsaufwand erforderlich ist. Durch die geringeren Temperaturunterschiede zwischen den Kühlstufen und durch das auf die erste Kühlstufe angepasste Verhalten der zweiten und dritten Kühlstufe wird gegenüber den Sprühkühlungen sowohl die Gefahr des Erstarrens der metallischen Schmelze des ersten Kühlmittels 1 1 stark vermindert als auch eine weniger zeitkritische Reaktion der Kühleffektivität erreicht. Die Metallerstarrung wird durch die ungeregelte Heizung 23 unterbunden.
Bezugszeichenliste
1 Strahlungsquelle
1 1 erstes Kühlmittel
1 1 1 Zinn
1 12 Lithium
12 umlaufende Komponente
121 Beschichtung
122 rotierende Scheibe (zum Bereitstellen von Emittermaterial)
123 Scheibenelektrode
124 Drahtelektrode
13 Laser
131 Verdampfungslaser
132 Hauptionisationslaser
14 Plasma
141 Laserplasma (LPP)
142 Entladungsplasma (DPP)
15 Schmelzbad
16 Strahlung
17 Umlaufrohr
18 Kühlrohr
19 isolierte Durchführungen
2 geschlossenes Gefäß
21 zweites Kühlmittel
21 .1 flüssige Phase des zweiten Kühlmittels
21 .2 gasförmige Phase des zweiten Kühlmittels
21 1 Kühlflüssigkeit GALDEN®
212 Kühlflüssigkeit DOWTHERM®
22 Dampfraum
23 Heizung
24 (unterer) Gefäßteil (des Gefäßes)
25 weiteres Kühlmittel (Vorstufe zum zweiten Kühlmittel)
25.1 flüssige Phase des weiteren Kühlmittels
25.2 gasförmige Phase des weiteren Kühlmittels 251 Wismut-Schmelze
26 weiterer Dampfraum
27 Rührwerk
3 Kondensator
31 drittes Kühlmittel
31 1 Wasser
31 2 Kühlrohr
31 3 Kühlrohr
4 Impulsstromquelle
5 weiterer Kondensator
51 Zwischenboden
Tci Temperatur des ersten Kühlmittels
TMCI Schmelztemperatur des ersten Kühlmittels
Tc2 Temperatur des zweiten Kühlmittels
TßC2 Siedetemperatur des zweiten Kühlmittels c3 Temperatur des dritten Kühlmittels
TC5 Temperatur des weiteren Kühlmittels
TßC5 Siedetemperatur des weiteren Kühlmittels
TMC5 Schmelztemperatur des weiteren Kühlmittels

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Kühlung von Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas, bei dem eine an der Plasmaerzeugung beteiligte zu kühlende umlaufende Komponente (12) durch umlaufende Bewegung beschichtet und sukzessive fortschreitend an einer anderen Stelle zur Plasmaerzeugung benutzt wird, enthaltend die Schritte:
- primäres Kühlen der umlaufenden Komponente (12) durch deren umlaufende Bewegung und partielles Eintauchen in ein erstes Kühlmittel (1 1 ), das in Form eines Schmelzbades (15) eines Metalls ausgebildet ist,
- sekundäres Kühlen der umlaufenden Komponente (12) durch thermischen Kontakt des ersten Kühlmittels (1 1 ) mit einem zweiten oder weiteren Kühlmittel (21 ; 25) über wenigstens einen hermetisch separierten Gefäßteil (15; 18) in einem geschlossenen Gefäß (2), wobei
* das geschlossene Gefäß (2) lediglich zu einem Teil, in dem der separierte Gefäßteil (15; 18) des ersten Kühlmittels (1 1 ) angeordnet ist, mit einer flüssigen Phase (21 .1 ; 25.1 ) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) gefüllt und oberhalb der flüssigen Phase (21 .1 ; 25.1 ) ein Dampfraum (22; 26) aus einer gasförmigen Phase (21 .2; 25.2) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) gebildet wird, und
* als zweites oder weiteres Kühlmittel (21 ; 25) eine Kühlflüssigkeit (21 1 ; 212; 251 ), verwendet wird, deren Siedepunkt oberhalb der Schmelztemperatur (TMCI) des ersten Kühlmittels (1 1 ) einstellbar ist,
- Temperieren der flüssigen Phase (21 .2; 25.2) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25), die den separierten Gefäßteil (15; 18) des ersten Kühlmittels (1 1 ) mindestens teilweise umgibt, auf eine Temperatur (Tc2; Tcs), die oberhalb der Schmelztemperatur (TMCI) des ersten Kühlmittels (1 1 ) liegt; sodass das erste
Kühlmittel (1 1 ) durch thermischen Kontakt zum zweiten oder weiteren Kühlmittel (21 , 25) in einem definierten Temperaturintervall oberhalb seiner Schmelztemperatur (TMCI) gehalten wird, und
- tertiäres Kühlen der umlaufenden Komponente (12) durch einen Kondensator (3), der im Dampfraum (22) des geschlossenen Gefäßes (2) in thermischem Kontakt mit der gasförmigen Phase (21 .2) des zweiten Kühlmittels (21 ) steht, wobei eine die Siedetemperatur (TBC2) des zweiten Kühlmittels (21 ) unterschreitende Temperatur (Tca) des Kondensators (3) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die zu kühlende umlaufende Komponente (12) als rotierende Scheibe (122) zum Bereitstellen einer Beschichtung (121 ) eines in ein Plasma (14) zu konvertierenden Emittermaterials ausgebildet ist und mit einem Teil ihres peripheren Randbereichs durch ein Schmelzbad (15) des Emittermaterials hindurchbewegt wird, wobei das Emittermaterial zugleich als erstes Kühlmittel (1 1 ) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die zu kühlende umlaufende Komponente (12) als umlaufende Elektrode (123; 124) ausgebildet ist und mit einem Teil ihres umlaufenden Materials durch ein Schmelzbad (15) aus dem ersten Kühlmittel (1 1 ) hindurchbewegt wird, wobei für umlaufende Elektroden (123; 124) mit unterschiedlichem Potential separate Schmelzbäder (15) verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als zweites oder weiteres Kühlmittel (21 ; 25) eine Kühlflüssigkeit (21 1 ; 212; 251 ) ausgewählt wird, deren Siedetemperatur (TBC2) unter Betriebsbedingungen im geschlossenen Gefäß (2) die Schmelztemperatur (TMCI ) des ersten Kühlmittels (1 1 ) um einen Betrag zwischen 1 K und 250 K übersteigt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Kühlflüssigkeit (21 1 ) GALDEN® mit einer Siedetemperatur (TBC2) bei Normaldruck von 1 K oder mehr über der Schmelztemperatur (TMCI ) des ersten Kühlmittels (1 1 ) verwendet und im geschlossenen Gefäß (2) unter Normaldruck gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Kühlflüssigkeit (21 1 ) GALDEN® mit einer Siedetemperatur (TBC2) bei Normaldruck von wenigen Kelvin unter der Schmelztemperatur (TMci ) verwendet und im geschlossenen Gefäß (2) unter erhöhtem Druck auf eine Siedetemperatur (TBC2) von 1 K oder mehr über der Schmelztemperatur (TMCI ) eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Kühlflüssigkeit (212) DOWTHERM® A mit einer Siedetemperatur bei Normaldruck von 257,1 °C verwendet und im geschlossenen Gefäß (2) unter Normaldruck gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das erste Kühlmittel (1 1 ) in einem hermetisch separierten Gefäßteil (15; 18), der innerhalb eines Teils des geschlossenen Gefäßes (2), in dem sich das zweite Kühlmittel (21 ) in flüssiger Phase (21 .1 ) befindet, angeordnet ist, zur effektiven Wärmeabgabe umgewälzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Kondensator (3) ein mit einem dritten Kühlmittel (31 ) durchflossenes Kühlrohr (312; 313) verwendet wird, das in einem geschlossenen Kühlkreislauf betrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein Wärmeübergang vom ersten Kühlmittel (1 1 ) zum zweiten oder weiteren Kühlmittel (21 , 25) und vom zweiten Kühlmittel (21 ) zum dritten Kühlmittel (31 ) jeweils über mäanderförmige Kühlrohre (18; 312; 313) in einem Teil des Gefäßes (2) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) erfolgt, wobei das mäanderförmige Kühlrohr (18) des ersten Kühlmittels (1 1 ) innerhalb des Teils des Gefäßes (2) mit der flüssigen Phase (21 .1 ) des zweiten Kühlmittels (21 ) und das mäanderförmige Kühlrohr (312; 313) des dritten Kühlmittels (31 ) innerhalb des Dampfraums (22) mit der gasförmigen Phase (21 .2) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) den Wärmeübergang ausführt.
1 1 . Vorrichtung zur Erzeugung von kurzwelliger Strahlung aus einem Plasma, bei der eine umlaufende Komponente (12) zur Plasmaerzeugung und ein Schmelzbad (15) eines ersten Kühlmittels (1 1 ) in Form eines erschmolzenen Metalls (1 1 1 ; 1 12) für ein partielles Eintauchen der umlaufenden Komponente (12) zur Komponentenkühlung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein geschlossenes Gefäß (2) mit einem zweiten oder weiteren Kühlmittel (21 ; 25), das eine auf das erste Kühlmittel (1 1 ) abgestimmte Siedetemperatur (TBC2; TBcs) oberhalb einer Schmelztemperatur (TMci) des ersten Kühlmittels (1 1 ) aufweist, lediglich teilweise befüllt ist und oberhalb einer flüssigen Phase (21 .1 , 25.1 ) einen Dampfraum (22, 26) für eine gasförmige Phase (21 .2, 25.2) des Kühlmittels
(21 ; 25) sowie in der flüssigen Phase (21 .1 , 25.1 ) eine Heizung (23) zur Temperierung des zweiten oder des weiteren Kühlmittels (21 ; 25) auf eine Temperatur (Tc2; Tcs) oberhalb der Schmelztemperatur (TMCI) des ersten Kühlmittels (11) aufweist,
- ein Gefäßteil des Schmelzbades (15; 18) des ersten Kühlmittels (11) in dem geschlossenen Gefäß (2) in die flüssige Phase (21.1; 25.1) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) eingetaucht ist und
- ein Kondensator (3), der eine Temperatur (TC3) unterhalb der Siedetemperatur (TBC2) des zweiten Kühlmittels (21) aufweist, im Dampfraum (22) mit der gasförmigen Phase (21.2) des zweiten Kühlmittels (21) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßteil des Schmelzbades (15) des ersten Kühlmittels (11) in dem geschlossenen Gefäß (2) als hermetisch separiertes Kühlrohr (18) mit zum besseren Wärmeübergang vergrößerter Oberfläche ausgebildet und so angeordnet ist, dass es in einem Ausgangszustand vollständig vom zweiten oder weiteren Kühlmittel (21 ; 25) bedeckt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßteil des Schmelzbades (15) des ersten Kühlmittels (11) in dem geschlossenen Gefäß (2) als Kühlrohr (18) parallel zur Oberfläche der flüssigen Phase (21.1; 25.1) des Kühlmittels (21 ; 25) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (18) innerhalb der flüssigen Phase (21.1; 25.1) des zweiten oder weiteren Kühlmittels (21 ; 25) eine gewundene Form aus der Gruppe Mäander, flächige Spirale, räumliche Spirale oder Schraubenlinie aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (18) innerhalb der flüssigen Phase (21; 25.1) des Kühlmittels (21; 25) als verzweigte parallele Rohranordnung mit verringerten Rohrquerschnitten ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (18) innerhalb der flüssigen Phase (21.1; 25.1 ) des Kühlmittels (21 ; 25) mit lateral auskragenden Finnen- oder Gitterstrukturen ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (18) einen von der Kreisform abweichenden Rohrquerschnitt aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3; 5) eine zum Wärmeübergang vergrößerte Oberfläche aus einem Material mit hoher
Wärmeleitfähigkeit aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) als hermetisch separiertes Kühlrohr (312; 313) zum Durchfluss eines dritten Kühlmittels (31 ) ausgebildet ist und außerhalb des geschlossenen Gefäßes (2) des zweiten Kühlmittels (21 ) in einen Kühlkreislauf eingebunden ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) als mäanderförmig geformtes Kühlrohr (312; 313) ausgebildet ist und außerhalb des geschlossenen Gefäßes (2) des zweiten Kühlmittels (21 ) in einen mit Wasser (31 1 ) befüllten Kühlkreislauf eingebunden ist.
21 . Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) aus mehreren mäanderförmig geformten Kühlrohren (312; 313) zusammengesetzt ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein strukturierter Zwischenboden (51 ) zur Trennung eines weiteren Dampfraumes (26) eines weiteren Kühlmittels (25) vom nachfolgenden zweiten Kühlmittel (21 ) im geschlossenen Gefäß (2) vorhanden ist, wodurch ein unterer Gefäßteil (24) als zusätzliches Verdampfungs- und Kondensationsvolumen abgeteilt ist, wobei der Zwischenboden (51 ) einen weiteren Kondensator (5) bildet, der vom zweiten Kühlmittel (21 ) auf eine Temperatur (TC2) unterhalb der Siedetemperatur (TBcs) des weiteren Kühlmittels (25) eingestellt ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kondensator (5) als strukturierter Zwischenboden (51 ) eine vergrößerte Oberfläche aufweist und innerhalb des geschlossenen Gefäßes (2) zur Unterteilung von zwei aufeinanderfolgenden Verdampfungs- und Kondensationsvolumina zwischen dem zweiten Kühlmittel (21 ) und dem weiteren Kühlmittel (25) vorgesehen ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Zwischenboden (51 ) als geprägtes Profilblech eine zweidimensionale
Aneinanderreihung mindestens einer Struktur aus der Gruppe
gewölbte sphärische oder asphärische Teilflächen, Mantelflächen von Kegeln oder Kegelstümpfen, Mantelflächen von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen, fingerförmige oder wellenförmige Aufwölbungen oder Vertiefungen und Faltenstrukturen aufweist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisch antreibbares Rührwerk (27) innerhalb der flüssigen Phase (21 .1 ) des zweiten Kühlmittels (21 ) vorhanden ist, um die Zirkulation des zweiten Kühlmittels (21 ) um die Heizung (23) und den Gefäßteil (18; 15) des ersten Kühlmittels (1 1 ) zu verbessern.
26. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gefäßteil (15; 18) des ersten Kühlmittels (1 1 ) mittels einer Aneinanderreihung von geschlossenen Gefäßen (2) des zweiten Kühlmittels (21 ) jeweils durch flüssige Phasen (21 .1 ) von zweiten Kühlmitteln (21 ) hindurchgeführt ist, wobei die zweiten Kühlmittel (21 ) in aufeinanderfolgenden geschlossenen Gefäßen (2) ein in Durchflussrichtung des ersten Kühlmittels (1 1 ) abgestuftes Temperaturniveau aufweisen.
- Hierzu 8 Seiten Zeichnungen -
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