Lámparas de descarga en corona.

Procedimiento para formar excímeros en un gas que comprende la imposición de un campo eléctrico dentro de un gas mediante la aplicación de un potencial eléctrico pulsado que incluye pulsos de 10 a 100 microsegundos de duración entre un primer electrodo (14;

114) dentro del gas y un electrodo contrario (26; 126) alejado del primer electrodo, de modo que los electrones libres pasan hacia dicho electrodo contrario, estando dicho campo eléctrico configurado de modo que durante los pulsos de dicho potencial eléctrico pulsado (i) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrones tal que al menos algunos electrones libres tienen energías iguales o mayores que la energía de excitación requerida para formar el excímero; y (ii) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrón tal que una mayoría de los electrones libres tienen energías menores que la energía de ionización del gas, de manera que dichos electrones libres excitan el gas y forman excímeros sin causar la formación de arcos.

Lámparas de descarga en corona Referencia cruzada con solicitudes relacionadas La presente solicitud reivindica el beneficio de la fecha de presentación de la solicitud provisional de patente US Nº 60/605, 991, presentada el 30 de agosto de 2004.

Campo técnico La presente invención se refiere a dispositivos de descarga en corona, tales como lámparas de descarga en corona.

Antecedentes de la invención Un excímero es una molécula de corta duración que típicamente consiste en dos átomos en un estado de excitación

o de alta energía. Un excímero puede incluir átomos que normalmente no se unirán entre sí en el estado no excitado

o de tierra. Tal como se establece en la patente US Nº 6.400.089, ("la patente '089") los excímeros pueden ser generados de manera eficiente mediante la aplicación de un campo eléctrico a un gas capaz de formar excímeros, tal como, por ejemplo, gases nobles y proporcionando electrones libres en el gas. Por ejemplo, el campo puede proporcionarse entre un primer electrodo y un electrodo contrario inmerso en el gas. El campo eléctrico está configurado para acelerar los electrones a por lo menos la energía requerida para formar excímeros, pero está configurado de manera que en al menos una región del campo, la fuerza del campo esté por debajo de la requerida para ionizar sustancialmente el gas. Por lo tanto, no se forma un arco entre el primer electrodo y el electrodo contrario. Esta descarga que no forma arcos se refiere como una descarga en corona.

Esta disposición puede usarse en la creación de excímeros para cualquier propósito. Una aplicación particularmente útil es la formación de excímeros que emiten radiación electromagnética, tal como luz al decaer los excímeros. Por ejemplo, ciertos gases nobles que contienen excímeros emiten luz ultravioleta al decaer. Si la pared de la cámara es transparente o translúcida a la luz generada por el decaimiento de los excímeros, la luz puede pasar fuera de la cámara. Ciertos dispositivos de acuerdo con la patente '089 pueden proporcionar luz ultravioleta intensa.

A pesar del avance en la técnica representada por la patente '089, sería deseable una mejora adicional.

Un documento titulado "Efficient, stable, corona discharge 172 nm xenon excimer light source" de Salvermoser et al. publicado en el Journal of Applied Physics, volumen 94, número 6, 15 de septiembre de 2003 en las páginas 3722 a 3731 describe un sistema de dos regiones eléctricamente acopladas en un gas raro a alta presión, a saber, una región de producción de electrones de descarga, y una región de producción de excímeros de deriva de electrones, que puede hacer para producir excímeros VUV radiantes con pérdidas de ionización mínimas. La primera descarga en corona espacialmente limitada produce electrones, que sirven como un cátodo de plasma localizado. Los electrones luego entran en una región de deriva con un campo eléctrico de fuerza suficiente para ganar suficiente energía cinética por longitud promedio de colisión, para excitar pero no para ionizar átomos. El único mecanismo de pérdida de energía de electrones, que no sea la excitación, es la transferencia de momento de impulso de minutos a átomos de gases raros a través de colisiones elásticas.

El documento US 6.400.089 describe un procedimiento de generación de luz que comprende aplicar un campo eléctrico a un gas formador de excímeros, tal como una mezcla de gases que contienen gases nobles e hidrógeno o halógeno, y proporcionar electrones libres en el gas. El campo eléctrico está configurado para acelerar los electrones a por lo menos la energía requerida para formar excímeros, pero en al menos una región del campo eléctrico, no ionizando el campo sustancialmente el gas, de modo que el campo no induce la formación de arcos a través del gas.

Descripción de la invención Un aspecto de la presente invención proporciona un procedimiento tal como se establece en la reivindicación 1.

Un aspecto adicional de la presente invención proporciona un aparato tal como se establece en la reivindicación 24.

Los aspectos anteriores de la invención incorporan la realización de que se pueden lograr aumentos significativos en la eficiencia de conversión de potencia para la formación de excímeros y, en consecuencia, aumentos en la eficiencia de conversión de potencia aplicada a la luz mediante la aplicación de un potencial eléctrico pulsado entre el primer electrodo y el electrodo contrario. Preferiblemente, el potencial pulsado tiene un ciclo de trabajo de tal manera que el potencial está en alrededor del 75 por ciento o menos del tiempo total, más deseablemente aproximadamente un 50 por ciento o menos del tiempo total, y más deseablemente alrededor del 25% o menos del tiempo total.

En general, reducciones adicionales en el ciclo de trabajo tienden a aumentar la eficiencia y, en igualdad de condiciones, la formación de excímeros y la salida de luz por unidad de tiempo durante los tiempos de pulsación. Aunque la presente invención no está limitada por ninguna teoría de operación, se cree que este fenómeno se relaciona con diferencias en la temperatura del primer electrodo. Se cree que el primer electrodo permanece más frío con excitación pulsada que con excitación continua.

En los sistemas que utilizan gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, y Xe) para formar excímeros de los gases nobles (por ejemplo, Xe2<*>) ciertas impurezas reducen dramáticamente la eficiencia global de la formación de excímeros. En particular, estas impurezas incluyen especies que formarán iones electronegativos en las condiciones que prevalecen en el sistema. El vapor de agua (H2O) es una de esas especies. Otras especies que forman iones negativos en estas condiciones en una extensión sustancial incluyen especies que contienen halógenos, otras especies que contienen oxígeno tales como CO2 y especies que contienen halógeno. Así, un aspecto adicional de la invención proporciona procedimientos para la formación de excímeros en un gas, más preferiblemente un gas que incluye uno o más gases nobles.

Estos y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención será más fácilmente evidentes a partir de la descripción detallada que se indica a continuación, tomada en conjunción con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es un diagrama de bloques del aparato de acuerdo con una realización de la invención.

La figura 2 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea 2-2 en la figura 1.

La figura 3 es una vista idealizada que representa una porción del aparato mostrado en las figuras 1 y 2 a una escala ampliada.

La figura 4 es una vista esquemática en sección que representa un aparato de acuerdo con una realización adicional de la invención.

La figura 5 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea 5-5 en la figura 1.

Descripción detallada Ciertas características de la unidad representada en las figuras 1 y 2 también se muestran en la figura 5 de un artículo de los presentes inventores, titulado "Efficient, stable, corona discharge 172 nm xenon excimer light source", Journal of Applied Physics, Volumen 94, Número 6, páginas 3721-3731 (en adelante "J. Appl. 2003") . La descripción completa de dicho artículo se incorpora aquí por referencia.

Un aparato de acuerdo con una realización de la presente invención incluye una cámara 10 que tiene algunas de las paredes formadas a partir de un material transparente a la luz ultravioleta en una longitud de onda de 172 nm, más preferiblemente sílice fusionada. Un primer electrodo 14 está dispuesto dentro de la cámara. El primer electrodo incluye una pluralidad de agujas 16 que tienen puntas 18 dispuestas sustancialmente en un plano. Las agujas deseablemente se forman a partir de un material metálico, tal como tungsteno, y tienen puntas afiladas. El primer electrodo también incluye una placa metálica, tal como una placa de cobre 20 conectada a una de las agujas 16 y que se extiende alrededor de las otras agujas, pero sin tocar las otras agujas. La placa 20 puede estar situada alrededor de 1 mm por detrás del plano de las puntas 18. Cada aguja 16 opcionalmente puede estar asociada con una resistencia de lastre individual 22. Cada aguja puede estar conectada a través de su resistencia de lastre asociada 22 a un bus común 24. Cada resistencia de lastre puede tener una resistencia del orden de 1 kilo-ohmio. Tal como se explica más adelante, las resistencias... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para formar excímeros en un gas que comprende la imposición de un campo eléctrico dentro de un gas mediante la aplicación de un potencial eléctrico pulsado que incluye pulsos de 10 a 100 microsegundos de duración entre un primer electrodo (14; 114) dentro del gas y un electrodo contrario (26; 126) alejado del primer electrodo, de modo que los electrones libres pasan hacia dicho electrodo contrario, estando dicho campo eléctrico configurado de modo que durante los pulsos de dicho potencial eléctrico pulsado (i) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrones tal que al menos algunos electrones libres tienen energías iguales o mayores que la energía de excitación requerida para formar el excímero; y (ii) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrón tal que una mayoría de los electrones libres tienen energías menores que la energía de ionización del gas, de manera que dichos electrones libres excitan el gas y forman excímeros sin causar la formación de arcos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que esencialmente todos los pulsos de dicho potencial eléctrico pulsado son de polaridad tal que dicho primer electrodo es negativo respecto a dicho electrodo contrario durante dicho pulsos.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicho potencial pulsado es el único potencial aplicado entre dicho primer electrodo (14; 114) y dicho electrodo contrario (26; 126) .

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que al menos algunos de dichos pulsos tienen tiempos de subida de unos 10 microsegundos o menos.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que esencialmente todos dichos pulsos tienen tiempos de subida de alrededor de 10 microsegundos o menos.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho potencial pulsado tiene un ciclo de trabajo de aproximadamente un 75% o menos.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que dicho ciclo de trabajo es de aproximadamente un 50% o menos.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho primer electrodo (114) incluye un alambre alargado y al menos parte de dicho electrodo contrario (126) es una superficie equidistante de dicho alambre alargado.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que dicho alambre alargado es sustancialmente recto y define un eje recto de elongación, y en el que dicha al menos parte de dicho electrodo contrario (126) es en forma de al menos una porción de una superficie de revolución alrededor de dicho eje de elongación.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, que también comprende la etapa de utilización de la radiación electromagnética generada por el decaimiento de dicho excímeros.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que dicha radiación electromagnética incluye luz ultravioleta.

12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho gas incluye un primer componente de gas seleccionado del grupo que consiste en He, Ne, Ar, Kr, y Xe y sus mezclas.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que dicho gas consiste esencialmente en dicho primer componente de gas.

14. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que dicho gas incluye un segundo componente de gas que tiene una composición diferente a la composición de dicho primer componente de gas.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que dicho segundo componente de gas es seleccionado del grupo que consiste en nitrógeno e hidrógeno.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, en el que dicho gas consiste esencialmente en Ne y H2.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el que dicho gas consiste esencialmente en Ar y N2.

18. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que dicho gas contiene menos de aproximadamente 10 ppm de impurezas capaces de formar iones cargados negativamente bajo las condiciones que prevalecen en dichas regiones.

19. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que dicho gas contiene menos de aproximadamente 10 ppm de vapor de agua.

20. Procedimiento según la reivindicación 18, que también comprende la etapa de contener dicho gas en el interior

de una cámara sellada. 8

21. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los excímeros emiten luz ultravioleta, comprendiendo también la etapa de utilizar un fósforo para convertir la luz ultravioleta emitida por el excímero en luz visible o en luz ultravioleta de longitud de onda más larga.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, en el que el fósforo está adaptado para convertir la luz ultravioleta emitida por el excímero en luz ultravioleta de longitud de onda más larga.

23. Procedimiento según la reivindicación 21 ó 22, que comprende además la etapa de contener el gas formador de excímeros dentro de una cámara, estando dispuesto el fósforo dentro de la cámara.

24. Aparato para formar excímeros en un gas, que comprende:

(a) una cámara (10; 110) para contener un gas formador de excímeros;

(b) un primer electrodo (14; 114) dispuesto dentro de dicha cámara;

(c) un electrodo contrario (26; 126) dentro de dicha cámara separado de dicho primer electrodo; y

(d) un circuito de aplicación de potencial (34; 134) conectado a dicho primer electrodo (14; 114) y a dicho electrodo contrario (26; 126) , estando adaptado dicho circuito para aplicar un potencial pulsado entre dichos electrodos de modo que durante dicho pulsos, el potencial impone un campo eléctrico dentro de dicho gas para proporcionar y acelerar los electrones libres, estando configurado dicho campo eléctrico de modo que durante dicho pulsos (i) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrón tal que por lo menos algunos electrones libres tienen energías iguales o mayores que la energía de excitación requerida para formar el excímero; y (ii) dentro de una región de dicho campo, dichos electrones libres tienen una distribución de energía de electrón tal que una mayoría de los electrones libres tienen energías menores que la energía de ionización del gas para habilitar dichos electrones libres para excitar el gas y formar excímeros sin causar la formación de arcos, estando adaptado dicho circuito de aplicación de potencial para aplicar dichos pulsos para que por lo menos algunos de dichos pulsos sean de 10 a 100 microsegundos de duración.

25. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho circuito de aplicación de potencial (34; 134) está adaptado para aplicar dijo pulsos de manera que por lo menos algunos de dichos pulsos tengan tiempos de subida de alrededor de 10 microsegundos o menos.

26. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho circuito de aplicación de potencial (34; 134) está adaptado para aplicar dichos pulsos de modo que esencialmente todos dichos pulsos tienen tiempos de subida de alrededor de 10 microsegundos o menos.

27. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho circuito de aplicación de potencial (34; 134) está adaptado para aplicar dichos pulsos de manera que dicho potencial pulsado tiene un ciclo de trabajo de aproximadamente un 75% o menos.

28. Aparato según la reivindicación 27, en el que dicho circuito de aplicación de potencial (34; 134) está adaptado para aplicar dichos pulsos de manera que dicho ciclo de trabajo es de aproximadamente un 50% o menos.

29. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho primer electrodo (114) incluye un alambre alargado y al menos parte de dicho electrodo contrario (126) es una superficie equidistante de dicho alambre alargado.

30. Aparato según la reivindicación 29, en el que dicho alambre alargado es sustancialmente recto y define un eje recto de elongación, y en el que dicha al menos parte de dicho electrodo contrario (126) es en forma de al menos una porción de una superficie de revolución alrededor de dicho eje de elongación.

31. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 30, en el que dicho primer electrodo (14) incluye una estructura de electrodo que define una pluralidad de regiones puntiagudas (16) .

32. Aparato según la reivindicación 31, que también comprende medios para la utilización de la radiación electromagnética generada por el decaimiento de dichos excímeros.

33. Aparato según la reivindicación 32, en el que dicha radiación electromagnética incluye luz ultravioleta.

34. Aparato según la reivindicación 23, en el que dicho gas incluye un primer componente de gas seleccionado del grupo que consiste en He, Ne, Ar, Kr, y Xe y sus mezclas.

35. Aparato según la reivindicación 34, en el que dicho gas consiste esencialmente en dicho primer componente de gas.

36. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho gas incluye un segundo componente de gas que tiene una composición diferente a la composición de dicho primer componente de gas.

37. Aparato según la reivindicación 36, en el que dicho segundo componente de gas se selecciona del grupo que 9

consiste en nitrógeno e hidrógeno.

38. Aparato según la reivindicación 36, en el que dicho gas consiste esencialmente en Ne y H2.

39. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho gas contiene menos de aproximadamente 10 ppm de

impurezas capaces de formar iones cargados negativamente bajo las condiciones que prevalecen en dichas 5 regiones.

40. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicha cámara (10; 110) tiene una pared transparente a la radiación electromagnética emitida por el decaimiento de dichos excímeros.

41. Aparato según la reivindicación 24, en el que dicho circuito de aplicación de potencial (34; 134) incluye un

circuito de control (49) dispuesto para detectar la formación de arcos y para modificar el funcionamiento del circuito 10 de aplicación de potencial en respuesta a la formación de arcos.

42. Aparato según la reivindicación 41, en el que dicho circuito de control (49) está dispuesto para interrumpir momentáneamente el funcionamiento del circuito de aplicación de potencial (34; 134) en respuesta a la formación de arcos.

43. Aparato según la reivindicación 24, que también comprende un fósforo, estando adaptado el fósforo para 15 convertir la luz ultravioleta emitida por el excímero en luz visible o en luz ultravioleta con longitud de onda más larga.

44. Aparato según la reivindicación 43, en el que el fósforo está adaptado para convertir la luz ultravioleta emitida por el excímero en luz ultravioleta de longitud de onda más larga.

45. Aparato según la reivindicación 43 ó 44, en el que el fósforo está dispuesto dentro de la cámara.