ИМПУЛЬСНЫЙ УФ-ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G01J3/10 

Изобретение относится к импульсным широкополосным источникам некогерентного оптического излучения высокой пиковой мощности и может быть использовано для проведения научно-исследовательских работ, в микроэлектронике, в медицине и других областях.

Известен газоструйный источник вакуумного ультрафиолетового излучения [1] , содержащий две вакуумные камеры, сопло Лаваля, электронную пушку для возбуждения излучения в газе, вытекающем из сопла Лаваля в виде ограниченной в пространстве сверхзвуковой струи, а затем откачиваемого криогенным насосом и другими вспомогательными устройствами из вакуумных камер. В качестве рабочего тела в этом устройстве используется смесь газов с неконденсируемыми добавками. Недостатками этого устройства являются сложность конструкции и безвозвратные потери рабочего тела в процессе работы устройства.

Известны ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы с накачкой барьерным разрядом [2], содержащие два электрода, установленные в газовой камере с выходным окном, прозрачным для излучения, и импульсный высоковольтный источник питания. В качестве рабочего тела в этих лампах используются газовые смеси, содержащие инертные газы He (Ne), Kr, Xe и пары HCl. К недостаткам этих устройств относятся необходимость непрерывной регенерации рабочей газовой смеси и узкий спектральный диапазон излучения эксиламп.

Задачей изобретения является упрощение излучателя для пользователя, устранение потерь рабочего тела и расширение спектрального диапазона оптического излучения, генерируемого излучателем.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве, содержащем источник для возбуждения УФ-излучения, металлическую камеру для установки рабочего тела и выходное окно для вывода УФ-излучения, в качестве рабочего тела используется пластина, изготовленная или из кристалла, ширина запрещенной энергетической зоны (длина волны длинноволновой границы фундаментального поглощения) которого соответствует требуемому спектральному диапазону получаемого излучения, или из кристалла с большей шириной запрещенной зоны, но легированного люминесцирующими в данном спектральном диапазоне примесями, например церия. При этом в качестве источника возбуждения люминесценции в кристалле используются пучки электронов от сильноточного импульсно- периодического ускорителя с параметрами: энергия электронов - 100-300 кэВ, плотность электронного тока 100-1000 А/см², длительность импульса электронного пучка 1-100 нс, частота повторения импульсов задается пользователем. Сбор и вывод излучения осуществляются посредством объемного отражателя, одновременно выполняющего функцию биологической защиты от тормозного рентгеновского излучения, сопровождающего работу ускорителя, и выходного окна. Толщина пластины кристалла должна быть менее 0,5 мм, содержание примесных ионов в кристаллической решетке, если именно они не используются в качестве источника УФ-излучения, не должно превышать 0,001 мас.%. Если в качестве излучателя УФ-излучения используются именно примесные ионы, то их содержание должно быть в пределах, 0,01-1 мас.%. Пластина устанавливается в фокус отражателя, нормально к его оптической оси, причем фокус отражателя должен находиться на оси распространения электронного пучка, на удалении от выходного окна (анодной фольги) ускорителя менее длины пробега электронов во внутренней среде отражателя (воздух, вакуум).

На фиг. 1 приведена блок-схема импульсного УФ-излучателя, а на фиг.2 представлены спектрограммы излучения фундаментальной люминесценции кристалла Lu₂SiO₅ (кривая 1) и примесной люминесценции кристалла CaF₂:Ce (кривая 2).

Принцип работы источника основан на явлении импульсной катодолюминесценции твердых тел, возникающей при их облучении сильноточными (плотность электронного тока ≥ 100 А/см²) кратковременными (длительность импульса - 1-100 нс) пучками электронов с энергией 100-300 эВ [3-5]. При таком воздействии, в первую очередь, происходит ионизация вещества, то есть переброс электронов кристалла из валентной зоны в зону проводимости. Последующая излучательная рекомбинация приводит к интенсивной зон-зонной и краевой люминесценции кристалла (фиг.2, кривая 1) на полосе шириной порядка 50 нм с максимумом при длине волны, практически совпадающей с длиной волны длинноволновой границы фундаментального поглощения кристалла (шириной его запрещенной зоны). Это есть собственное излучение кристалла, поэтому оно им резонансно поглощается (самопоглощение), особенно начиная с глубины, большей зоны возбуждения кристалла электронным пучком. Характерная глубина возбуждения, производимого электронным пучком с вышеприведенными параметрами, для разных диэлектрических кристаллов составляет величину порядка 0,2-0,5 мм. Поэтому для ослабления явления самопоглощения фундаментального излучения следует ограничиться толщиной кристалла 0,2 - 0,5 мм. Для полного использования энергии электронного пучка проекция плоскости этого кристалла должна совпадать с поперечным сечением электронного пучка в области их взаимодействия.

Рекомбинационные процессы, а также процессы самопоглощения фундаментального излучения кристалла приводят к возбуждению энергетических уровней примесных ионов, расположенных в запрещенной зоне кристалла. Если их энергия достаточно высока, например уровни примесных ионов Ce³⁺, Eu²⁺, Pb³⁺ и др., то такой кристалл также излучает в УФ-области спектра на переходах между возбужденным излучательным и основным состояниями примесного иона (фиг.2, кривая 2). В этом случае зона воздействия возбуждения по глубине - порядка 0,5 мм. В том и другом случаях импульсная пиковая мощность некогерентного излучения при указанных выше параметрах электронного пучка может достигать величины в несколько сот киловатт.

Установка пластины кристалла в фокус объемного отражателя необходима только для формирования плоского фронта оптической волны излучения и для вывода из системы излучателя максимальной величины световой энергии. Если этого не требуется, то это условие может быть не принято во внимание.

Установка пластины на расстояние меньшее длины пробега электронов в среде отражателя от выходного окна (анодной фольги) ускорителя требуется для достижения эффекта возбуждения в кристалле люминесценции. При этом, если этот излучатель используется для получения УФ-излучения (выбором кристалла), то внутри отражателя может быть естественная воздушная среда. Если же излучатель используется для получения вакуумного УФ-излучения, то в отражателе должен быть создан вакуум или не поглощающая это излучение газовая среда.

Импульсный УФ-излучатель состоит (фиг.1) из металлической камеры 1, состыкованной с малогабаритным [например, 6] импульсно- периодическим ускорителем электронов 2 с выходным окном для электронного пучка 3, рабочего тела - излучающей пластины 4 и выходного окна 5 для вывода УФ-излучения 6, расположенного на одной из стенок камеры 1, внутренние стенки которой выполнены в виде объемного отражателя, например гиперболоида вращения. Стенки этой камеры имеют толщину, достаточную для обеспечения биологической защиты персонала категории "А" от тормозного рентгеновского излучения, являющегося результатом взаимодействия электронного пучка 7 с рабочим телом 4.

Устройство работает следующим образом.

В металлическую камеру 1 в фокусе 8 (фиг. 1), образованном ее внутренними стенками, выполненными в виде объемного отражателя, находящегося на оси распространения электронного пучка 7, устанавливается пластина 4, материал которой выбран в соответствии с необходимым для работы спектральным интервалом оптического излучения, и включается ускоритель электронов 2 на необходимые для пользователя параметры. Оптическое излучение от рабочего тела 4 выводится сквозь оптическое окно 5, расположенное на одной из стенок камеры 1, соосно с оптической осью отражателя. Дальнейшие условия распространения и использования излучения выбираются пользователем.

Устройство было проверено на лабораторной установке, выполненной по фиг. 1, с использованием малогабаритного импульсно-периодического ускорителя электронов "РАДАН-220" [6] . В качестве рабочих излучающих тел использовались: 1) широкозонные полупроводники на базе ZnSe, CdS и HgI₂. Эти кристаллы под действием указанного электронного пучка интенсивно люминесцировали на спектральных полосах шириной ≤ 50 нм с максимумами при длинах волн 467, 520 и 575 нм соответственно. Эти результаты соответствуют присущим данным кристаллам длинам волн длинноволновой границы фундаментального поглощения. В силикатных диэлектрических кристаллах: Sc₂SiO₅, Lu₂SiO₂ проявляются интенсивные полосы излучения с максимумами при 280 и 260 нм соответственно, совпадающими с длинами волн длинноволновой границы их фундаментального поглощения. На кристаллах CaF₂, Ca₃PO₄F, Y₂SiO₅, YAlO₃, Gd₂SiO₅, легированных Ce и Eu, обнаружены интенсивные полосы излучения с длинами волн: 270, 265, 260, 240 и 220 нм соответственно. Пиковая мощность всех этих полос излучения достигает величины в несколько сот киловатт.

Литература
1. В.И.Яременко, В.Т.Шамраев, В.И.Карамушко. Источник вакуумного ультрафиолетового излучения. Авт.свид. СССР N 432350, кл. G 01 J 3/10, 1971, Бюл. N 44, 1991.

2. В.С.Скакун, В.Ф.Тарасенко, Е.А.Фомин, А.А.Кузнецов, // ЖТФ, 1994. Т. 64, вып. 10, с. 146-150 (прототип).

3. С.Г.Михайлов, В.В.Осипов, В.И.Соломонов. // ЖТФ, 1993, Т. 63, вып.2, с. 52-64.

4. Ф. Я. Загулов, Г. А.Месяц, С.Г.Михайлов, В.В.Осипов, В.И.Соломонов. Способ анализа минералов и горных пород. Авт.свид. СССР N 1427251, кл. G 01 H 21/64, 1988, Бюл. N13, 1993.

5. С.Г.Михайлов, В.В.Осипов, В.И.Соломонов. Способ идентификации минералов и идентификатор минералов. // Патент России N 2057322, кл. G 01 N 21/66, приоритет от 31.01.1992, бюл. N 9, 1996.

6. Ф.Я.Загулов, А.С.Котов, В.Г.Шпак и др. // ПТЭ, 1989, N 2, с. 146-149.

Использование: изобретение относится к импульсным широкополосным источникам некогерентного УФ-излучения. Сущность: устройство основано на зон-зонной и примесной люминесценции кристаллов и содержит малогабаритный импульсно-периодический ускоритель электронов, металлическую камеру для установки рабочего тела - кристаллической пластины и окно для вывода УФ-излучения. Путем замены рабочего тела (вида кристалла) устройство позволяет изменять спектральный диапазон УФ-излучения. 2 ил.

Импульсный УФ-излучатель, включающий источник возбуждения, металлическую камеру, внутренние стенки которой выполнены в виде объемного отражателя, окно для вывода УФ-излучения, установленное в стенке металлической камеры на оптической оси отражателя, и рабочее излучающее тело, отличающийся тем, что в качестве источника возбуждения используют сильноточный импульсно-периодический ускоритель электронов, а в качестве рабочего тела используют пластину диэлектрического кристалла толщиной менее 0,5 мм, установленную в фокусе отражателя так, чтобы угол между нормалью кристаллической пластины и оптической осью отражателя был близок к нулю, причем фокус отражателя находится на оси распространения электронного пучка и удален от выходного окна ускорителя на расстояние, меньшее длины пробега электронов во внутренней среде металлической камеры, а материал пластины выбирается из условия получения необходимого спектрального диапазона УФ-излучения.