一種高效高亮度真空紫外光源裝置的製作方法
2023-07-28 03:34:36 2
本發明涉及紫外光源設備領域，特別涉及一種高效高亮度真空紫外光源裝置。
背景技術：
真空紫外光源在科研方面的光電子能譜、質譜研究；微電子與光電子技術的紫外光刻；化學工業中的光合成、光固化、光氧化；食品醫療方面的殺菌、消毒、治療皮膚病以及公安偵查的鑑別等領域具有廣泛的應用。
現有的真空紫外光源裝置按紫外光產生的機理，一般分為高壓電極放電、微波波導諧振腔耦合、電感線圈耦合等幾種類型，但目前上述裝置都有著各自的缺陷：
1、利用高壓電極放電產生等離子發光，該類裝置的電極因受等離子腐蝕，其壽命一般在1000小時以內。同時電極之間電場能量密度小(一般在105V/m以下)，導致發光效率不高，一般在不超過1015photons/(Sr*S)；
2、波導型諧振腔微波耦合，由於該類裝置的電場能量密度分布在整個諧振腔內，因而能量分布空間大，發光效率一般不超過1016photons/(Sr*S)；在波導型諧振腔微波耦合的基礎上，增加一段與微波頻率匹配的永磁體，使產生的等離子體發生迴旋共振(ECR)，採用電子迴旋共振的方式激發產生等離子體是更先進的低溫等離子體技術，發光效率有一定的提高，但是其發光效率仍達不到1017photons/(Sr*S)；更重要的一點這種波導型諧振腔的尺寸需要和微波的波長匹配。為了減小諧振腔的尺寸，通常需要使用高頻的微波(代表性的如：德國SPECS公司採用的是2.45GHz微波源，瑞典的SCIENTA公司更是使用了10GHz超高頻微波源)作為激勵源，這類大功率的高頻微波源及配套設備體積龐大、價格昂貴；
3、電感線圈耦合方式，線圈激發的頻率較低(一般小於100MHz)，其發光效率不超過1016photons/(Sr*S)。
另外現有的真空紫外光源裝置，多數需要點火裝置，導致系統較為複雜，製造和維護成本高。另一方面，對於較重的氣體，由於等離子腐蝕比較嚴重，現有的真空紫外光源裝置只能激勵1-2種工作氣體發光。我們的特殊結構設計有效的避免了等離子對裝置的腐蝕，拓展了工作氣體的種類。
技術實現要素：
為了解決現有真空紫外光源裝置普遍存在發光效率低，強度弱的問題，本發明披露了一種高效高亮度真空紫外光源裝置，本發明的技術方案是這樣實施的：
一種高效高亮度真空紫外光源裝置，包括等離子保持器、射頻電場聚焦器和密封固定裝置；所述密封固定裝置包括真空接口；所述射頻電場聚焦器為等離子局域場型電場聚焦器，包括射頻源、天線、內導體和外導體；所述天線第一端與所述射頻源電性連接，所述天線第二端與所述外導體電性連接；所述等離子保持器包括光傳導部和進氣口；所述等離子保持器至少一部分位於所述射頻電場聚焦器的能量聚焦範圍內。
優選地，所述內導體包括柱狀的內電極面，所述外導體包括階梯形柱狀的外電極面，所述內電極面與所述外電極面電性連接，所述外電極面包括上極面和下極面；所述外電極面與所述內電極面同軸；所述上極面與所述內電極面的徑向距離L1在1～15mm之間；所述下極面與所述內電極面的徑向距離L2大於L1；所述上極面的截面長度H1與下極面的截面長度H2之和在10～150mm之間；所述天線設置於所述下極面與所述內電極面之間；所述射頻源輸入的射頻頻率在100MHz～10GHz之間。
優選地，所述密封固定裝置還包括固定部件；所述固定部件用於限定所述等離子保持器和所述內導體的相對位置；所述真空接口緊套在所述光傳導部外壁上。
優選地，所述光傳導部包括窄通道，所述窄通道內徑D1為0.5～6mm；所述等離子保持器位於所述能量聚焦範圍內的部分，其厚度為0.2～4mm。
優選地，所述固定部件為可容納所述外導體、所述內導體、所述天線及所述等離子保持器的管狀容器，所述固定部件頂部固定所述光傳導部。
優選地，所述等離子保持器還包括與所述光傳導部連接的封閉部，所述封閉部位於所述射頻電場聚焦器的能量聚焦範圍內。
優選地，所述封閉部呈橢球形，其短軸方向內徑D2為2～20mm，長軸方向內徑D3為5～30mm。
優選地，所述進氣口設置於所述光傳導部一側，進氣口氣壓為10-3～10mbar，進氣口的氣體流量為0.05～20sccm。
優選地，所述等離子保持器貫穿所述內導體，所述進氣口設置於所述等離子保持器的尾部。
優選地，所述等離子保持器與所述內導體的間距為0.1～5mm，所述等離子保持器內徑為0.5～6mm，厚度為0.2～4mm。
本發明的有益效果是：
1、本發明的裝置在局部空間形成高密度的射頻電場(電場強度可以達到107V/m)，可以直接電離激發等離子，不需要傳統的點火裝置，簡化了系統，提高了實用和穩定性；
2、本發明的主要部件(射頻電場聚焦器和等離子保持器)尺寸小，使得整個紫外光源裝置的體積可以控制在1L之內，大大優於現有的紫外光源裝置(3L)；
3、本發明所述紫外光源裝置可採用24V的低電壓驅動射頻輸出，相比於傳統方式的高壓(>1000V)極大地降低了使用過程中的安全隱患；
4、通過對射頻電場聚焦器、等離子保持器尺寸參數、進氣參數進行合理配置，高頻場激勵可以實現1018photons/(Sr*S)以上級別的紫外光發光效率，發出的紫外光能量可以達到6～50eV；
5、另外本發明使用無極激發的方式可以實現10000小時以上的使用壽命。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一種實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為射頻電場聚焦器原理圖；
圖2射頻電場聚焦器等效電路圖；
圖3為內導體和外導體尺寸參數示意圖；
圖4為天線橫置的截面示意圖；
圖5為內導體頂端凹陷的截面結構示意圖；
圖6為內導體為中空形態的截面結構示意圖；
圖7為外導體截面為三級階梯狀的示意圖；
圖8為等離子保持器貫穿內導體的截面結構示意圖；
圖9為密封固定裝置與等離子保持器以及外導體之間的位置關係結構截面示意圖；
圖10為等離子保持器的一種截面結構示意圖；
圖11為等離子保持器的另一種截面結構示意圖；
圖12為本文列舉的等離子保持器的第三種截面結構示意圖；
圖13為本文列舉的等離子保持器的第四種截面結構示意圖；
圖14為本文列舉的等離子保持器的第五種截面結構示意圖；
圖15為本文列舉的等離子保持器的第六種截面結構示意圖；
圖16為頂端封閉的等離子保持器的一種截面結構示意圖；
圖17為等離子保持器頂端設置有遮光片時的局部截面示意圖。
在上述附圖中，各圖號標記分別表示：
等離子保持器1，光傳導部11，窄通道111，遮光片112，進氣口12，封閉部13；
射頻電場聚焦器2，射頻源21，天線22，內導體23，內電極面231，內導體上端232，外導體24，外電極面241，上極面242，下極面243，能量聚焦範圍25，絕緣體26；
密封固定裝置3，真空接口31，固定部件32；真空腔體4。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明一種高效高亮度真空紫外光源裝置，其在真空環境中發出的紫外光能量主要在6～50eV之間。
本文使用上、下、頂部、底部等詞語，是為了方便結合附圖進行各部件結構，以及各部件之間的連接關係、位置關係的描述，以及使本領域技術人員更好地理解本發明，這一類的詞語僅表示相對的位置關係或者方向。
在本發明的一種具體實施方式中，如圖1、圖9、圖11所示，一種高效高亮度真空紫外光源裝置，包括等離子保持器1、射頻電場聚焦器2和密封固定裝置3；所述密封固定裝置3包括真空接口31；所述射頻電場聚焦器2為等離子局域場型電場聚焦器，包括射頻源21、天線22、內導體23和外導體24；所述天線22第一端與所述射頻源21電性連接，所述天線22第二端與所述外導體24電性連接；所述等離子保持器1包括光傳導部11和進氣口12；所述等離子保持器1至少一部分位於所述射頻電場聚焦器2的能量聚焦範圍25內。
本發明中，紫外光產生及發射的原理是：通過射頻電場聚焦器2將射頻電場能量高度聚焦，實施者對聚焦範圍內至少一個高電場密度的局部空間進行抽真空的處理，隨後將發光氣體源源不斷輸送到該局部空間，高密度的電場將使發光氣體電離成等離子體，等離子體對外輻射發出紫外光，由於該局部空間為非封閉狀態，因此隨著發光氣體不斷更新，可以實現長時間的紫外光輸出；另外該局部空間內氣體的更新，使得造就該局部空間的容器(即等離子保持器)本身在高溫高壓下產生的雜質氣體被帶走，保證了等離子發光環境中發光氣體的純度。
本發明所述的射頻電場聚焦器2，其等效電路原理如圖1、圖2所示。天線22將射頻源21提供的射頻能量耦合至內導體23和外導體之間24，天線22的放置形式本領域常規技術，例如可以如圖1、圖4所示形式放置，並由絕緣體26固定；天線22的材質一般有銅、銀等金屬良導體，天線22的形狀一般有直線型、L型等。
射頻源用於提供射頻信號，本發明所述射頻定義為頻率在100MHz～10GHz 之間，射頻源又可稱為微波源、微波發生器、固態射頻源、高頻射頻源等。
射頻電場聚焦器2的能量聚焦範圍如圖1中的虛線框所示，該範圍處於內導體頂端232上下30mm範圍內。所述等離子保持器1至少一部分位於射頻電場能量聚焦範圍25內，使得等離子保持器1內的至少一部分發光氣體能在高密度電場被電離。
本發明所述的發光氣體，其種類的選擇屬於本領域技術人員的常識範圍，一般選用單種的惰性氣體，如氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氘氣等，當然也可以是這些種類氣體之間的組合，或者這些氣體與其他氣體的組合，或者僅由其他種類氣體組成，在此不作特別限制。
本發明所述密封固定裝置3的作用主要是用於直接或者間接支撐或固定等離子保持器1以及射頻電場聚焦器2的內導體23和外導體24。
本發明所述真空紫外光源裝置通過真空接口31(如圖8或圖9所示)對接各種外部的科研儀器，對接端形成的真空腔體4(如圖8或圖9所示)也要求具有一定的真空度(最好是小於10-3mbar)，以實現紫外光在一定距離內低損耗的傳播和使用；常見地，所述真空接口31可對接矽光電二極體、分析器等科研儀器，或者對接樣品、金膜等樣品反應容器，從而實現無損原位表面分析等測試或者工作。真空接口31既可以套在等離子保持器上1(此時真空接口設置在等離子保持器1外側，起到固定以及支撐等離子保持器1的作用)，也可以設置在光傳導部11的出口端(此時真空接口31連接光傳導部11的出口端以及科研儀器的對接端，如質譜儀、攝譜儀、光電子能譜等)，也可以設置在其他部位上，只要能起到將等離子保持器1和外部科研儀器的紫外光輸入埠密封連通的作用即可。在本具體實施方式中，真空接口31主要包括真空法蘭。
本發明所述的等離子保持器1，其主要作用是保證發光氣體流經射頻電場能量高度聚焦的局部空間，保證該局部空間內氣壓符合等離子發光的條件，並引導紫外光的傳輸。等離子保持器1一般採用石英材質，當然也可以是常見的用於作為等離子反應容器的其他材質，如藍寶石、陶瓷或其他非金屬耐高溫的材質。出於耐高溫、高壓，以及輕便小巧的考慮，等離子保持器1的厚度最好選取在0.2～6mm之內。等離子保持器1的形狀一般為管狀，當其為管狀時，可以是頂部敞開尾部封閉的形態(如圖10～13及圖15所示)，也可以是頂部和尾部都敞開的形態(如圖14所示)，也可以是頂部和尾部都封閉的形態(如圖16所示)。在一些情況下，由於等離子保持器1(圖11～圖15)輸出端(即頂部)為非封閉狀態， 相比於現有的封閉式的等離子發生容器或者等離子燈泡，可讓紫外光無介質損耗地輸出，更耐腐蝕所述等離子保持器1的散熱效果更好，可以承受等離子散發的更高熱量，輸出更高能量的紫外光。在另一些情況下，為控制輸出紫外光的能量，可以將等離子保持器1做成如圖16所示的形狀，其頂部封閉；當然，也可以在本來敞開的頂部上放置一遮光片112(如圖17所示，光傳導部11兩側分別設置有進氣口12以及抽氣口)，遮光片112一般採用氟化物作為材料，如氟化鈣、氟化鋰或氟化鎂，這樣通常可以將輸出的紫外光能量控制在11eV以下。
等離子保持器1設置有進氣口12，外部的進氣裝置(進氣裝置為科研領域常用設備)對接進氣口12，從而將發光氣體按一定流速和流量輸送到等離子保持器1內。
等離子保持器1包括光傳導部11，光傳導部11用以引導紫外光的輸出，以及為發光氣體提供流出的通道。光傳導部11常見的形狀如圖11、圖14所示。
在一種優選實施方式中，結合圖1和圖3，所述內導體23包括柱狀的內電極面231，所述外導體24包括階梯形柱狀的外電極面241，所述內電極面231與所述外電極面241電性連接，所述外電極面241包括上極面242和下極面243；所述外電極面241與所述內電極面231同軸；所述上極面242與所述內電極面231的徑向距離L1在1～15mm之間；所述下極面243與所述內電極面231的徑向距離L2大於L1；所述上極面242的截面長度H1與下極面243的截面長度H2之和在10～150mm之間；所述天線22設置於所述下極面234與所述內電極面231之間；所述射頻源21輸入的射頻頻率在100MHz～10GHz之間。
從電路結構方面而言，內電極面231與外電極面241相當於是電容的兩個電極，而射頻電場就在內電極面231以及外電極面241之間產生；內電極面231以及外電極面241之間可以是真空、空氣或者是耐高溫的非導電介質，本實施方式優選空氣。所述外電極面241與所述內電極面231既可以同軸也可以不同軸，但這兩種情況均落入本發明的保護範圍。外導體24的外電極面241可以是如圖3所示的二級階梯形柱狀金屬面，也可以是如圖7所示的三級階梯形柱狀金屬面，當然也可以是在上極面242和下極面243相連的基礎上，作出的其他變形；外導體24可以是由金屬組成，也可以是由本領域技術人員按照常識，選用金屬和非金屬材料搭配組成，只要滿足外電極面241為良導體金屬面即可；同理，內導體23也只需要滿足內電極面231為良導體金屬面即可，內導體23可以是實心的(如圖3所示)，也可以是中空的(如圖6所示)，也可以是頂端凹陷的形狀(如圖5 所示)，當然，以上僅是常見的一些實施方式。另外，要在內導體頂端232(如圖1所示)上下30mm內形成高密度電場，L1、L2、H1、H2幾個參數的選取較為困難，本優選實施方式中列舉的參數範圍已經包括了最優的組合，在此基礎上可以實現局部空間的電場密度達到107V/m以上，理論上可以達到108V/m，這是實現提高紫外光發光效率的主要因素，也是發明人作出主要的創造性貢獻之一。
在一種優選實施方式中，H1在10～30mm之間，H2在15～100mm之間。
在一種優選實施方式中，L2在15～100mm之間，保證了裝置具有較小體積。
在一種優選實施方式中，L1＝L2，使得外導體易於製造。
在一種優選實施方式中，H1＜H2，使得被聚焦的電場的密度進一步得到提高。
在一種優選實施方式中，如圖8或圖9所示，所述密封固定裝置還包括固定部件32；所述固定部件32用於限定所述等離子保持器1和所述內導體23的相對位置；所述真空接口31緊套在所述光傳導部11外壁上。固定部件32可以與內導體32一體成型，也可以是活動連接，在此不作特別限制。固定部件32可以和等離子保持器1直接接觸也可以是通過真空接口31間接接觸，固定部件32和內導體23的接觸方式也不作特別限制。固定部件32本身既可以是一體成型的，也可以是分開的。固定部件32可以是各種常見的形態，如支架、支柱、容器等，只要能起到固定等離子保持器1以及內導體23，並使等離子保持器1至少一部分落入射頻電場聚焦範圍25內的作用即可。
在一種優選實施方式中，所述固定部件32為可容納所述外導體24、所述內導體23、所述天線22及所述等離子保持器1的管狀容器(如圖8或圖9所示)，所述固定部件32頂部固定所述光傳導部11。管狀容器的設計，使得外導體24、內導體23、等離子保持器1得到更好的保護，避免了外界對這些敏感部件的汙染、腐蝕以及幹擾。
在一種優選實施方式中，結合圖9和圖11，所述光傳導部11包括窄通道111，所述窄通道111內徑D1為0.5～6mm；所述等離子保持器1位於所述能量聚焦範圍25內的部分，其厚度為0.2～4mm。窄通道內徑D1較小，使得流經窄通道111的氣體流量和流速易於控制，從而形成並保持等離子產生的氣壓條件，而窄通道111和真空腔體4之間由於氣壓差較大，使得真空腔體4內氣體參數不符合等離子產生的條件，避免了等離子對外部科研儀器埠的腐蝕，當然也避免了大量等離子體進入真空腔體4的情況的發生。
在一種優選實施方式中，所述等離子保持器1還包括與所述光傳導部11連接的封閉部13，所述封閉部13位於所述射頻電場聚焦器2的能量聚焦範圍25內。在該優選實施方式中，等離子主要產生在封閉部13內，封閉部13的設計是出於氣壓穩定性的考慮，使得等離子的產生所需要的氣壓更加穩定而且容易控制。封閉部13可以按需求做成各種容積，大容積的情況下可以容納更多發光氣體，有助於提高光通量。封閉部13的形狀不作特別限制，可以是球體狀(如圖11所示)、柱體狀(如圖13所示)、多邊體狀(如圖12所示)等。封閉部13可以伸進內導體23內部(如圖5所示)，也可以位於內導體23外(如圖9所示)，當然也可以穿過內導體23(如圖8所示)。
在一種優選實施方式中，如圖10所示，所述封閉部13呈橢球形，其短軸方向內徑D2為2～20mm，長軸方向內徑D3為5～30mm。
在一種優選實施方式中，所述封閉部13的厚度為0.2～4mm，較小的厚度降低了射頻電場能量從外進入封閉部13時的損耗。
在一種優選實施方式中，如圖11所示，所述進氣口12設置於所述光傳導部11一側，進氣口氣壓為10-3～10mbar，進氣口的氣體流量為0.05～20sccm；該優選實施方式配合等離子保持器封閉部13的設計，使得紫外光發光效率處於較高的級別，可以達到1018photons/(Sr*S)以上。
在一種優選實施方式中，如圖8所示，所述等離子保持器1貫穿所述內導體23，所述進氣口12設置於所述等離子保持器1的尾部。這樣的設計使得等離子保持器1易於製造，而且使得進氣口12更容易對接進氣裝置，相比於進氣口12設置於光傳導部11一側的情況，避免了密封不嚴的情況。
在一種優選實施方式中，如圖8所示結構，所述等離子保持器1與所述內導體23的間距為0.1～5mm，所述等離子保持器1內徑為0.5～6mm，厚度為0.2～4mm。
在一種優選實施方式中，L1取值為4mm，L2取值為45mm，H1取值為12mm，H2取值為50mm，射頻源21輸入頻率為650MHz，結合圖9的結構，等離子保持器1與內導體23頂部的距離為5mm，可以實現1018photons/(Sr*S)級別紫外光輸出。
上述列舉的各種實施方式，在不矛盾的前提下，可以相互組合實施。
上述各種實施方式列舉的關於射頻電場聚焦器、等離子保持器的尺寸參數，僅從實用、小巧、輕質的方面綜合考慮進行選取，當然本發明所述的真空紫外光源裝置的各部件也可以根據實際需要而選取其他尺寸。
需要指出的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。