本實用新型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(yè)中的光合成、光固化、光氧化；食品醫(yī)療方面的殺菌、消毒、治療皮膚病以及公安偵查的鑒別等領域具有廣泛的應用。

現(xiàn)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(fā)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(fā)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，由于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(fā)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(fā)生回旋共振(ECR)，采用電子回旋共振的方式激發(fā)產生等離子體是更先進的低溫等離子體技術，發(fā)光效率有一定的提高，但是其發(fā)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公司采用的是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(fā)的頻率較低(一般小于100MHz)，其發(fā)光效率不超過10¹⁶photons/(Sr*S)。

另外現(xiàn)有的真空紫外光源裝置，多數(shù)需要點火裝置，導致系統(tǒng)較為復雜，制造和維護成本高。另一方面，對于較重的氣體，由于等離子腐蝕比較嚴重，現(xiàn)有的真空紫外光源裝置只能激勵1-2種工作氣體發(fā)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(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有真空紫外光源裝置普遍存在發(fā)光效率低，強度弱的問題，本實用新型披露了一種高效高亮度真空紫外光源裝置，本實用新型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于所述射頻電場聚焦器的能量聚焦范圍內。

優(yōu)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大于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；所述天線設置于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(yōu)選地，所述密封固定裝置還包括固定部件；所述固定部件用于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(yōu)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于所述能量聚焦范圍內的部分，其厚度為0.2～4mm。

優(yōu)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(yōu)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，所述封閉部位于所述射頻電場聚焦器的能量聚焦范圍內。

優(yōu)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(yōu)選地，所述進氣口設置于所述光傳導部一側，進氣口氣壓為10^-3～10mbar，進氣口的氣體流量為0.05～20sccm。

優(yōu)選地，所述等離子保持器貫穿所述內導體，所述進氣口設置于所述等離子保持器的尾部。

優(yōu)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。

實施本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型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(fā)等離子，不需要傳統(tǒng)的點火裝置，簡化了系統(tǒng)，提高了實用和穩(wěn)定性；

2、本實用新型的主要部件(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(yōu)于現(xiàn)有的紫外光源裝置(3L)；

3、本實用新型所述紫外光源裝置可采用24V的低電壓驅動射頻輸出，相比于傳統(tǒng)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(shù)、進氣參數(shù)進行合理配置，高頻場激勵可以實現(xiàn)10¹⁸photons/(Sr*S)以上級別的紫外光發(fā)光效率，發(fā)出的紫外光能量可以達到6～50eV；

5、另外本實用新型使用無極激發(fā)的方式可以實現(xiàn)10000小時以上的使用壽命。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)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 中的附圖僅僅是本實用新型的一種實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)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(shù)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(tài)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系結構截面示意圖；

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，能量聚焦范圍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

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型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實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

本實用新型一種高效高亮度真空紫外光源裝置，其在真空環(huán)境中發(fā)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系、位置關系的描述，以及使本領域技術人員更好地理解本實用新型，這一類的詞語僅表示相對的位置關系或者方向。

在本實用新型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至少一部分位于所述射頻電場聚焦器2的能量聚焦范圍25內。

本實用新型中，紫外光產生及發(fā)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，實施者對聚焦范圍內至少一個高電場密度的局部空間進行抽真空的處理，隨后將發(fā)光氣體源源不斷輸送到該局部空間，高密度的電場將使發(fā)光氣體電離成等離子體，等離子體對外輻射發(fā)出紫外光，由于該局部空間為非封閉狀態(tài)，因此隨著發(fā)光氣體不斷更新，可以實現(xiàn)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(fā)光環(huán)境中發(fā)光氣體的純度。

本實用新型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(guī)技術，例如可以如圖1、圖4所示形式放置，并由絕緣體 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。

射頻源用于提供射頻信號，本實用新型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(fā)生器、固態(tài)射頻源、高頻射頻源等。

射頻電場聚焦器2的能量聚焦范圍如圖1中的虛線框所示，該范圍處于內導體頂端232上下30mm范圍內。所述等離子保持器1至少一部分位于射頻電場能量聚焦范圍25內，使得等離子保持器1內的至少一部分發(fā)光氣體能在高密度電場被電離。

本實用新型所述的發(fā)光氣體，其種類的選擇屬于本領域技術人員的常識范圍，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。

本實用新型所述密封固定裝置3的作用主要是用于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。

本實用新型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(最好是小于10^-3mbar)，以實現(xiàn)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可對接硅光電二極管、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(xiàn)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1上(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端口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。

本實用新型所述的等離子保持器1，其主要作用是保證發(fā)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(fā)光的條件，并引導紫外光的傳輸。等離子保持器1一般采用石英材質，當然也可以是常見的用于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。出于耐高溫、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(tài)(如圖10～13及圖15所示)，也可以是頂部和尾部都敞開的形態(tài)(如圖14所示)，也可以是頂部和尾部都封閉的形態(tài)(如圖16所示)。在一些情況下，由于等離子保持器1(圖11～圖15)輸出端(即頂部)為非封閉狀態(tài)，相比于現(xiàn)有的封閉式的等離子發(fā)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(fā)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112一般采用氟化物作為材料，如氟化鈣、氟化鋰或氟化鎂，這樣通?？梢詫⑤敵龅淖贤夤饽芰靠刂圃?1eV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(fā)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(fā)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(yōu)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大于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設置于所述下極面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相當于是電容的兩個電極，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(yōu)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實用新型的保護范圍。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(shù)的選取較為困難，本優(yōu)選實施方式中列舉的參數(shù)范圍已經包括了最優(yōu)的組合，在此基礎上可以實現(xiàn)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(xiàn)提高紫外光發(fā)光效率的主要因素，也是發(fā)明人作出主要的創(chuàng)造性貢獻之一。

在一種優(yōu)選實施方式中，H₁在10～30mm之間，H₂在15～100mm之間。

在一種優(yōu)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(yōu)選實施方式中，L1＝L2，使得外導體易于制造。

在一種優(yōu)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(yōu)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用于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(tài)，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，并使等離子保持器1至少一部分落入射頻電場聚焦范圍25內的作用即可。

在一種優(yōu)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污染、腐蝕以及干擾。

在一種優(yōu)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位于所述能量聚焦范 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于控制，從而形成并保持等離子產生的氣壓條件，而窄通道111和真空腔體4之間由于氣壓差較大，使得真空腔體4內氣體參數(shù)不符合等離子產生的條件，避免了等離子對外部科研儀器端口的腐蝕，當然也避免了大量等離子體進入真空腔體4的情況的發(fā)生。

在一種優(yōu)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位于所述射頻電場聚焦器2的能量聚焦范圍25內。在該優(yōu)選實施方式中，等離子主要產生在封閉部13內，封閉部13的設計是出于氣壓穩(wěn)定性的考慮，使得等離子的產生所需要的氣壓更加穩(wěn)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(fā)光氣體，有助于提高光通量。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)，也可以位于內導體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(yōu)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(yōu)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(yōu)選實施方式中，如圖11所示，所述進氣口12設置于所述光傳導部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(yōu)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(fā)光效率處于較高的級別，可以達到10¹⁸photons/(Sr*S)以上。

在一種優(yōu)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設置于所述等離子保持器1的尾部。這樣的設計使得等離子保持器1易于制造，而且使得進氣口12更容易對接進氣裝置，相比于進氣口12設置于光傳導部11一側的情況，避免了密封不嚴的情況。

在一種優(yōu)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(yōu)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(xiàn)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于射頻電場聚焦器、等離子保持器的尺寸參數(shù)，僅從實用、小巧、輕質的方面綜合考慮進行選取，當然本實用新型所述的真空紫外光源裝置的各部件也可以根據(jù)實際需要而選取其他尺寸。

需要指出的是，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。