Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении однобарьерных вакуумных ламп в области ультрафиолетового диапазона спектра, в частности в микроэлектронике при обработке и чистке поверхности посредством ее облучения. Техническим результатом является уменьшение напряжения пробоя, температуры колбы лампы и рабочего газа. Катод лампы изготовлен периодически касающимся диэлектрических стенок колбы. Касание катодом стенок колбы обеспечивает уменьшение напряжения пробоя в местах касания, а затем, по мере развития разряда за счет действия ультрафиолетовой предыонизации, осуществляется пробой оставшихся частей рабочего объема лампы. Это обеспечивает уменьшение напряжения зажигания лампы и преимущественное выделение энергии вблизи поверхности трубки, что снижает температуру колбы и рабочего газа. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении эффективных ламп вакуумных ультрафиолетовой (УФ) области спектра, в частности, в микроэлектронике при обработке и чистке поверхности посредством ее облучения (ultraviolet cleaning and ultraviolet surface reformation).

Лампа вакуумная УФ-области спектра представляет собой газоразрядное устройство, обеспечивающее получение спонтанного излучения в УФ-области спектра, в частности, на В-Х переходах молекулы ксенона. Принцип работы лампы основан на протекании электрического тока в газе, в результате чего в газоразрядной плазме при протекании различных плазмохимических реакций формируются эксимерные молекулы, излучающие при переходе в неустойчивое основное состояние. Особенностью этих молекул является то, что до ˜80% мощности излучения газоразрядной плазмы может быть сосредоточено в полосе В-Х перехода эксимерной молекулы.

Преимуществами барьерного разряда при возбуждении ламп УФ и вакуумных ламп УФ-диапазона являются: простота конструкции, создание ламп с необходимой площадью и произвольным профилем излучающей поверхности, возможность создания отпаянных образцов и соответственно обеспечения ресурса работы до тысячи и более часов. Недостатком ламп данной конструкции является большое напряжение пробоя. При подаче импульса возбуждения на лампу происходит перераспределение напряжения между емкостями диэлектрического барьера(ов) и емкостью газового промежутка. Таким образом, на газовом промежутке выпадает лишь часть поданного на лампу напряжения. Для осуществления электрического пробоя в лампе и соответственно получения излучения, напряжение источника питания, как правило, составляет несколько киловольт. Снижение напряжения пробоя вызывает необходимость уменьшения давления, что ведет к уменьшению рабочего давления газа. При этом известно, что димеры инертных газов эффективно формируются при повышенном давлении рабочего газа.

Наиболее близкой по техническому решению, выбранной в качестве прототипа, является лампа вакуумная УФ-диапазона, описанная в [1]. Конструктивно данная лампа представляет собой отпаянную кварцевую колбу цилиндрической формы, заполненную ксеноном, внутри которой размещен металлический стержневой катод. Анод выполнен в виде сетки, размещенной на внешней поверхности колбы. Излучение газоразрядной плазмы, возникающей между катодом и внутренней поверхностью колбы, проходит через стенки колбы, сетку и далее распространяется на облучаемый объект.

Недостатком данной лампы является, во-первых, высокое напряжение пробоя, что вызывает необходимость использования источника питания с выходным напряжением до нескольких киловольт. Во-вторых, при коаксиальном расположении внутреннего электрода происходит омический нагрев внутренних областей разрядного объема, что приводит к повышению температуры газа и уменьшению эффективности работы лампы.

Техническим результатом данного изобретения является, во-первых, уменьшение напряжения зажигания лампы при повышенном давлении газа, во-вторых, возможность уменьшения температуры рабочего газа за счет локализации плазмы разряда и соответственно зон энерговыделения преимущественно вблизи внутренней поверхности колбы лампы.

Указанный технический результат изобретения достигается тем, что в известной лампе, состоящей из цилиндрической диэлектрической колбы с газовой средой, анода, размещенного на внешней поверхности, и катода, размещенного внутри колбы, согласно изобретению катод выполнен периодически касающимся диэлектрических стенок колбы. Касание катодом стенок колбы обеспечивает уменьшение напряжения пробоя в местах касания, а затем, по мере развития разряда за счет действия УФ-предыонизации, осуществляется пробой оставшихся частей рабочего объема лампы. Колба выполнена из прозрачного для излучения диэлектрического материала.

Кроме того, катод лампы может быть изготовлен из проволоки, в виде соединенных и следующих друг за другом зигзагов. Данный вариант катода обеспечивает, во-первых, периодическое касание стенок колбы и соответственно уменьшение напряжения пробоя. Во-вторых, зигзагообразный катод имеет высокую прозрачность и не затрудняет вывод излучения из внутренних частей газоразрядного объема лампы.

Кроме того, период следования (шаг) изгибов проволоки может составлять ˜1/2 внутреннего диаметра трубки. В этом случае, как следует из результатов эксперимента, наблюдается перекрытие подошв филаментов от соседних участков катода, находящихся вблизи или касающихся поверхности колбы, а также загорание разряда в оставшихся частях рабочего объема лампы. Таким образом, в данном случае достигается одновременно загорание разряда в большей части рабочего объема лапы, а также минимальные потери излучения при его выводе из объема лампы.

Как вариант, катод лампы может быть изготовлен также в виде пластинки, размещенной вдоль продольной оси колбы лампы. Пластинка может иметь насечки вдоль обеих длинных сторон пластинки. В этом случае также наблюдается уменьшение напряжения пробоя лампы. При этом технология изготовления катода существенно упрощается. Для осуществления конвективного теплообмена между разделенными пластиной частями объема лампы, а также для уменьшения потерь излучения при выводе излучения из лампы пластина может быть перфорирована.

На фиг.1 приведена блок-схема конструкции лампы, включающая излучатель 1 и источник питания 2. На катод 3, заключенный в отпаянную кварцевую трубку 4, подаются импульсы напряжения отрицательной полярности от источника питания 2. В качестве анода использовалась металлическая сетка 5, размещенная на внешней поверхности трубки 4. Величина шага изгибов проволоки катода h составляла ˜1/2 внутреннего диаметра трубки D.

Примеры исследования функциональной способности предлагаемой конструкции лампы. Возбуждение ксенона осуществлялось однобарьерным разрядом, формируемым между катодом, изготовленным из проволоки диаметром 1 мм в виде 10 зигзагов с периодом 10 мм и размахом изгибов ˜18 мм, и внутренней поверхностью кварцевой трубки. При этом катод располагался по всей длине трубки симметрично относительно продольной оси. На внешней поверхности трубки располагался сетчатый анод, изготовленный также из проволоки. Для возбуждения разряда использовался однополярный импульсный источник питания с длительностью импульса ˜2 мкс, частотой следования импульсов от 10 до 100 кГц и напряжением от 1 до 6 кВ. Средняя мощность возбуждения изменялась в пределах от единиц до десятков ватт, как варьированием частоты, так и изменением напряжения импульсов возбуждения. Внутренняя герметичная от внешней среды полость трубки заполнялась ксеноном. Давление газа в трубке измерялось образцовым вакуумметром ВО, класс точности 0,4.

Однобарьерный разряд в ксеноне зажигался в широком диапазоне экспериментальных условий: давление газа - от десятков до сотен Тор, напряжение - от единиц до нескольких киловольт. При этом основным отличием условий зажигания и горения разряда для данной конструкции лампы по сравнению с лампой, описанной в [1], состоит в том, что напряжение зажигания разряда при равных давлениях ксенона (210 Тор) ниже в 1,5-2 раза по сравнению с лампой, изготовленной согласно [1] и составляет ˜0,95 кВ. Кроме того, в этом случае плазма разряда преимущественно локализована в местах наименьшего расстояния между проволокой катода и внутренней поверхностью кварцевой трубки. Это вызывает преимущественное выделение тепла вблизи поверхности колбы лампы, что способствует уменьшению температуры рабочего газа и соответственно увеличению срока службы лампы. Плотность мощности излучения (λ=172 нм) для обеих ламп при удельной мощности возбуждения ˜0,5 Вт/см³ была приблизительно одинакова и составила ˜10 мВт/см².

Источники информации

1. Vollkommer, L.Hitzschke. Method to operation an incoherently emitting radiation source having at least one dielectrically impedded electrode. United States Patent No. 5604410 Feb. 18, 1997.

1. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра, возбуждаемая однобарьерным электрическим разрядом, содержащая цилиндрическую колбу из прозрачного для излучения диэлектрического материала, газовую среду, анод, размещенный на внешней поверхности, и катод, размещенный внутри колбы, отличающаяся тем, что катод выполнен периодически касающимся диэлектрических стенок колбы.

2. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра по п.1, отличающаяся тем, что катод изготовлен из проволоки зигзагообразной формы.

3. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что период следования изгибов проволоки составляет ˜1/2 внутреннего диаметра трубки.

4. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра по п.1, отличающаяся тем, что катод изготовлен в виде пластинки.

5. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра по любому из пп.1 и 4, отличающаяся тем, что катод изготовлен в виде пластинки с насечкой по обеим длинным сторонам.

6. Лампа вакуумная ультрафиолетового диапазона спектра по любому из пп.1 и 4, отличающаяся тем, что катод изготовлен в виде перфорированной пластинки.