WO1988009565A1 - Xenon short-arc discharge lamp - Google Patents

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WO1988009565A1
WO1988009565A1 PCT/EP1988/000381 EP8800381W WO8809565A1 WO 1988009565 A1 WO1988009565 A1 WO 1988009565A1 EP 8800381 W EP8800381 W EP 8800381W WO 8809565 A1 WO8809565 A1 WO 8809565A1
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iodide
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Manfred Neiger
Reiner Hoppstock
Bernd Kleiner
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W.C. Heraeus Gmbh
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70008—Production of exposure light, i.e. light sources
    • G03F7/70016—Production of exposure light, i.e. light sources by discharge lamps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/125—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having an halogenide as principal component
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection

Definitions

  • the invention relates to a xenon short-arc discharge lamp with a high-pressure-resistant lamp bulb, which consists of quartz glass at least in the light passage area, two opposite rod-shaped electrodes projecting in the lamp bulb, of which the anode has a larger diameter than the cathode, with a filling pressure of at least 1 bar in the inoperative state and with a distance between the electrodes which is smaller than the diameter of the shaft of the cathode.
  • Short-arc lamps in particular xenon high-pressure short-arc lamps, have the highest beam densities of all known lamps and an arc with a very small diameter and very short length. They are a good approximation of point-shaped light sources and are accordingly used in all types of projection systems such as film projectors, in arc furnaces, in photolithography and in other optical devices with high beam densities.
  • a high-pressure-resistant bulb with a spherical or ellipsoidal discharge space, for example made of quartz glass, electrodes which can be connected as anodes and cathodes to a DC voltage source and which consist of tungsten or tungsten with additives, current feedthroughs fused into the bulb, such as single or multiple molybdenum ribbon feedthroughs or Molybdenum cap bushings.
  • Known short-arc lamps can contain fillings made from xenon, mercury, argon, tin or zinc. From GB-PS 16 03 699 such a short arc lamp with a filling of xenon and mercury is known. Values of less than 10 mm to less than 1 mm are specified as electrode spacings for such lamps, which are also known as electrode-stabilized discharge lamps.
  • a xenon short-arc discharge lamp with a quartz glass bulb and two opposing rod-shaped electrodes is known.
  • the anode has a larger diameter than the cathode; the distance between the electrodes is smaller than the shaft of the cathode, the cathode tip being conical.
  • a xenon discharge lamp which, in addition to xenon, also contains a doping substance, such as e.g. Thallium iodide.
  • a xenon short-arc discharge lamp in which the electrodes are approached to one another by 0.5 to 2 mm, so that the positive column of the discharge is suppressed and the lamp only radiates in the cathode spot.
  • a doping gas with an atomic weight below 21 can be added to the lamp filling consisting of heavy noble gas (xenon).
  • the doping only causes an additional occurrence of spectral lines of the doping substance at a reduced plasma temperature.
  • the task of the invention is to considerably increase the luminance of previously known short-arc lamps, the aim being to achieve a punctiform discharge zone without blackening the lamp bulb and without sacrificing burning stability.
  • the object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • Metal halides are also to be understood as the rare earth metal halides. Further advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.
  • the lamp bulb is made entirely of quartz glass.
  • Metal halides are used as doping substances.
  • thallium iodide as a doping material has proven to be particularly expedient, since a lowering of the plasma temperature can thereby be avoided. Rather, an increase in the plasma temperature and thus the luminance compared to an undoped lamp is achieved.
  • the increase in luminance is essentially due to a considerable increase in the continuum emission.
  • a halide cycle (tungsten-halogen cycle process) is advantageously effective, in which the metal iodide dissociates in the hot zone of the discharge arc, so that the metals and the iodine occur in atomic form in the gas discharge.
  • Metal vapor that has diffused to the wall of the vessel recombines there with the iodine and is transported back into the interior of the lamp as a halide, where it dissociates again (Jürgen Kiefer, Ultraviolet Rays, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 1977).
  • the conical obtuse-angled cathode tip has proven to be particularly advantageous, since no material is atomized or remelted here due to the obtuse angle during the burning time.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 2 show in longitudinal section the constructive structure of the short arc lamp according to the invention with quartz glass bulb;
  • FIG. 2 shows the spectrum of a xenon lamp doped with thallium iodide and the spectrum of an undoped lamp.
  • the short-arc lamp according to the invention has a lamp bulb 1 made of quartz glass with an ellipsoidal discharge space 2.
  • electrodes 4 and 5 protrude into the discharge space 2, which in this exemplary embodiment consist of tungsten or tungsten with additives.
  • the anode made of solid material consists of a rod-shaped shaft 6, the tip 7 of which projects into the discharge space and is designed as a truncated cone.
  • the diameter of the shaft 6 is 3 to 5 mm, preferably 4 mm.
  • Opposite the anode 4 is the cathode 5, which is also made of solid material; its electrode shaft 8 has a diameter of 1 to 4 mm, preferably 2 mm, the tip 9 projecting into the discharge space being conical.
  • the discharge path 10, which is smaller than the diameter of the cathode 5, is located between the anode and the cathode.
  • the ends of the electrodes 4, 5 facing away from the discharge space are in each case via one or more molybdenum foils 11, 12 melted pressure and temperature-resistant in the lamp bulb each connected to the outer lamp contacts 13, 14.
  • FIG. 1b the tip of the cathode marked with a circle in FIG. 1 a is shown enlarged. From this figure it can be seen that the cathode tip 9 is a slightly rounded cone which is optimized to the extent that it is neither atomized nor remelted. In the longitudinal section, the cone tip has an angle in the range from 85 to 95 °; According to FIG. 1b, an angle of 92 ° has proven particularly expedient. Since the discharge takes place relatively far from the bulb wall, this has no influence on the discharge stability.
  • the filling of the discharge space 2 consists of xenon with a cold pressure of more than 1 bar and doping substances. Due to the doping and the obtuse opening angle of the tip 9 of the cathode, a stable arc approach to the discharge is made possible. The arc is constricted by the doping to such an extent that the radiance in front of the cathode is significantly increased, so that at least a doubling is achieved. The doping thus constricts the arch on the one hand and on the other hand for the above-mentioned cyclic process which does not allow deposits, in particular tungsten, on the lamp bulb. When using thallium iodide as a dopant, an almost punctiform cathode approach is formed.
  • curve A shows the doubling of the spectral radiance in the plasma region of a xenon lamp doped with thallium iodide compared to the spectral radiance shown in curve B in the plasma region of an undoped xenon lamp.
  • Curve A is characterized in particular by the maximum of the spectral radiance denoted by M in the region of 535 nm, which corresponds to the thallium line.
  • the tip of curve A, designated X corresponds to a xenon ion line.
  • the xenon high-pressure short-arc lamp according to the invention regulates the extremely strong tungsten evaporation of the cathodic focal spot operation due to a flow-controlled tungsten-halogen cycle (1-20 m / s flow rate); In this way, stable focal spot operation is achieved and the inside wall of the piston remains free of tungsten deposits.
  • halides of the second subgroup of the periodic system in particular mercury iodide, as doping substances; alkali metal halides or
  • Rare earth metal halides can be used as dopants; it is also possible to use a mixture of these different halides.
  • the xenon high-pressure short-arc lamp according to the invention can additionally be provided with an anode heat accumulation in the form of an annular groove surrounding the anode, as a result of which significantly higher specific anode loads are possible without damaging the vessel walls, which is extremely high specific lamp loads (greater than 200 W / cccm) and therefore extremely high Operating pressures (greater than or equal to 80 bar) allowed.
  • the electrode gap is preferably in the range from 0.1 to 2 mm, the electrical power of the lamp being at most 1 KW.
  • an extremely constricted cathodic focal spot operation is induced, which produces the highest known continuous wave radiance (greater than 30 W / ccm * sr * nm), as are desired, for example, when the lamp is used as a pump light source for continuous wave dye laser.

Description

Λ.
"Xenon-Kurzbogen-Entladungsla pe"
Die Erfindung betrifft eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem hochdruckfesten Lampenkolben, der zumindest im Lichtdurchtrittsbereich aus Quarzglas besteht, wobei in den Lampenkolben zwei sich gegenüberliegende, auf einer Achse befindliche stabför ige Elektroden ragen, von denen die Anode einen größeren Durch- messer aufweist als die Kathode, mit einem Fülldruck von wenigstens 1 bar im betriebslosen Zustand und mit einem Abstand zwischen den Elektroden, der kleiner ist als der Durchmesser des Schaftes der Kathode.
Kurzbogenlampen, insbesondere Xenon-Hochdruck-Kurzbogenlampen, haben die höchsten Strahldichten aller bekannten Lampen sowie einen Bogen mit sehr kleinem Durchmesser und sehr kurzer Länge. Sie sind in guter Näherung punkt- förmige Lichtquellen und werden dementsprechend in Projektionsanlagen aller Art wie beispielsweise Filmprojektoren, in Lichtbogenöfen, in der Fotolito- grafie sowie in anderen optischen Geräten mit hohen Strahldichten eingesetzt. Sie enthalten einen hochdruckfesten Kolben mit Kugel oder ellipsoidförmigen Entladungsraum, beispielsweise aus Quarzglas, Elektroden, die als Anoden und Kathoden an eine Gleichspannungsquelle anschließbar sind und aus Wolfram bzw. Wolfram mit Zusätzen bestehen, in Kolben eingeschmolzene Stromdurchführungen, wie z.B. ein- oder mehrfach Molybdänbanddurchführungen oder Molybdänkappen¬ durchführungen. Bekannte Kurzbogenlampen können Füllungen aus Xenon, Queck¬ silber, Argon, Zinn oder Zink enthalten. Aus der GB-PS 16 03 699 ist eine solche Kurzbogenlampe mit einer Füllung aus Xenon und Quecksilber bekannt. Als Elektrodenabstände für derartige Lampen, welche auch als elektrodenstabilisierte Entladungslampen bekannt sind, werden Werte von weniger als 10 mm bis weniger als 1 mm angegeben.
Weiterhin ist aus der Zeitschrift "llluminating Engineering", Bd. 59, 1964, Nr. 9, Seiten 589-591, eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem Kolben aus Quarzglas und zwei sich gegenüberliegenden, stabförmigen Elektroden bekannt. Die Anode weist einen größeren Durchmesser auf als die Kathode; der Elektrodenabstand ist kleiner als der Schaft der Kathode, wobei die Kathodenspitze kegelförmig ausgebildet ist.
In der Zeitschrift "Applied Optics", Bd. 10, 1971, Nr. 11, Seite 2517-2520, ist eine Xenon-Entladungslampe beschrieben, die neben Xenon noch eine Dotierungssubstanz, wie z.B. Thalliumjodid, enthalten kann.
Weiterhin ist aus der CH-PS 297 983 eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe bekannt, bei der die Elektroden einander auf 0,5 bis 2 mm genähert sind, so daß die positive Säule der Entladung unterdrückt wird und die Lampe nur noch im Kathodenfleck strahlt. Der aus schwerem Edelgas (Xenon) bestehenden Lampenfüllung kann ein Dotierungsgas mit einem Atomgewicht unter 21 hinzugefügt sein.
In einem solchen Fall bewirkt die Dotierung lediglich ein zusätzliches Auftreten von Spektrallinien der Dotierungssubstanz bei reduzierter Plasmatemperatur.
Ausgehend von den bekannten Kurzbogen-Entladungslampen stellt sich die Erfin¬ dung die Aufgabe, die Leuchtdichte bisher bekannter Kurzbogenlampen erheblich zu steigern, wobei eine möglichst punktformige Entladungszone ohne Schwärzung des Lampenkolbens und ohne Einbuße an Brennstabilität angestrebt wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Unter Metallhalogeniden sind auch die Seltenerdmetall- halogenide zu verstehen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Lampenkolben vollständig aus Quarzglas. Als Dotierungssubstanzen werden Metallhalogenide eingesetzt. Als besonders zweckmäßig hat sich der Einsatz von Thalliumjodid als Dotierungsmaterial erwiesen, da damit eine Erniedrigung der Plasmatemperatur vermieden werden kann. Vielmehr wird eine Erhöhung der Plasmatemperatur und damit der Leuchtdichte gegenüber einer undotierten Lampe erzielt. Die Erhöhung der Leuchtdichte geht dabei im wesentlichen auf eine erhebliche Erhöhung der Kontinuumsemission zurück.
Vorteilhafterweise ist beim Einsatz von Metalljodiden als Dotierungszusatz ein Halogenidkreislauf (Wolfram-Halogen-Kreisprozeß) wirksam, bei dem das Metalljodid in der heißen Zone des Entladungsbogens dissoziiert, so daß in der Gasentladung die Metalle und das Jod in atomarer Form auftreten. Metalldampf, der zur Gefäßwand diffundiert ist, rekombiniert dort mit dem Jod und wird als Halogenid wieder in das Lampeninnere transportiert, wo es erneut dissoziiert (Jürgen Kiefer, Ultraviolette Strahlen, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 1977).
Als besonders vorteilhaft erweist sich die kegelförmige stumpfwinklige Kathodenspitze, da hier aufgrund der Stumpfwinkigkeit während der Brenndauer kein Material mehr zerstäubt bzw. umgeschmolzen wird.
Im folgendem ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren la, lb und 2 näher erläutert. Die Figuren la und lb zeigen im Längsschnitt den konstruk¬ tiven Aufbau der erfindungsgemäßen Kurzbogenlampe mit Quarzglaskolben; Figur 2 zeigt das Spektrum einer mit Thalliumjodid dotierten Xenonlampe sowie das Spektrum einer undotierten Lampe. Gemäß Figur la besizt die erfindungsgemäße Kurzbogenlampe einen aus Quarzglas bestehenden Lampenkolben 1 mit einem ellipsoidförmigen Entladungsraum 2. Ent¬ lang der Kolbenachse 3 ragen in den Entladungsraum 2 die Elektroden 4 und 5, welche bei diesem Ausführungsbeispiel aus Wolfram oder Wolfram mit Zusätzen bestehen. Die aus massivem Material gefertigte Anode besteht aus einem stab- för igen Schaft 6, dessen in den Entladungsraum ragende Spitze 7 als Kegel¬ stumpf ausgebildet ist. Der Durchmesser des Schaftes 6 beträgt 3 bis 5 mm, vorzugsweise 4 mm. Gegenüber der Anode 4 ist die Kathode 5 angeordnet, welche ebenfalls aus massivem Material besteht; ihr Elektrodenschaft 8 weist einen Durchmesser von 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 mm, auf, wobei die in den Entla¬ dungsraum ragende Spitze 9 kegelförmig ausgebildet ist. Zwischen Anode und Kathode befindet sich die Entladungsstrecke 10, die kleiner ist als der Durch¬ messer der Kathode 5. Die dem Entladungsraum abgekehrten Enden der Elektroden 4, 5 sind jeweils über eine oder mehrere in den Lampenkolben druck- und temperaturfest eingeschmolzene Molybdänfolien 11, 12 jeweils mit den äußeren Lampenkontakten 13, 14 verbunden.
In Figur lb ist die mit einem Kreis in Figur la markierte Spitze der Kathode vergrößert dargestellt. Anhand dieser Figur ist erkennbar, daß es sich bei der Kathodenspitze 9 um einen leicht abgerundeten Kegel handelt, der soweit optimiert ist, daß er weder zerstäubt noch umgeschmolzen wird. In dem Längs¬ schnitt weist die Kegelspitze einen Winkel im Bereich von 85 bis 95° auf; gemäß Figur lb hat sich als besonders zweckmäßig ein Winkel von 92° erwiesen. Da die Entladung relativ weit von der Kolbenwand stattfindet, hat diese keinen Einfluß auf die Entladungsstabilität.
Die Füllung des Entladungsraumes 2 besteht aus Xenon mit einem Kaltdruck von mehr als 1 bar sowie Dotierungssubstanzen. Aufgrund der Dotierung und des stumpfen Öffnungswinkels der Spitze 9 der Kathode wird ein stabiler Bogenansatz der Entladung ermöglicht. Durch die Dotierung wird der Bogen soweit eingeschnürt, daß die Strahldichte vor der Kathode wesentlich gesteigert wird, so daß zumindest eine Verdoppelung erzielt wird. Die Dotierung sorgt somit einerseits für die Einschnürung des Bogens und- anderer¬ seits für den bereits oben erwähnten Kreisprozeß, der keine Ablagerungen, ins¬ besondere von Wolfram, auf dem Lampenkolben zuläßt. Beim Betrieb mit Thalliumjodid als Dotierungssubstanz entsteht eine nahezu punktförmiger Kathodenansatz. Dieser punktformige Ansatz führt zu einer Plasmakugel vor der Kathode, deren Emission zusammen mit der Thalliumlinie zu einer bis zu mehr als zehnfachen Leuchtdichte gegenüber undotierten Xenon¬ lampen führt. Auf diese Weise wird eine ganz entscheidende Verbesserung von dotierten Xenonlampen als Punktlichtquellen erzielt.
In Figur 2 ist anhand der Kurve A die Verdoppelung der spektralen Strahldichte im Plasmabereich einer mit Thalliumjodid dotierten Xenonlampe gegenüber der in Kurve B dargestellten spektralen Strahldichte im Plasmabereich einer undotier¬ ten Xenonlampe erkennbar. Für Kurve A ist insbesondere das mit M bezeichnete Maximum der spektralen Strahldichte im Bereich von 535 nm charakteristisch, das der Thalliumlinie entspricht. Die mit X bezeichnete Spitze der Kurve A entspricht einer Xenon-Ionenlinie.
Die erfindungsgemäße Xenon-Hochdruckkurzbogenlampe reguliert die extrem starke Wolfram-Abdampfung des kathodischen Brennfleckbetriebes aufgrund eines Strö ungs-kontrollierten Wolfram-Halogen-Kreisprozesses (1-20 m/s Strömungsgeschwindigkeit); auf diese Weise wird ein stabiler Brennfleckbetrieb erzielt und die Kolbeninnenwand bleibt frei von Wolframniederschlägen.
Weiterhin ist es möglich als Dotierungssubstanzen Halogenide der zweiten Nebengruppe des periodischen Systems, insbesondere Quecksilberjodid, einzusetzen; es können auch Alkalimetallhalogenide oder
Seltenerdmetallhalogenide als Dotierungssubstanzen verwendet werden; es ist auch möglich eine Mischung dieser verschiedenartigen Halogenide einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Xenon-Hochdruckkurzbogenlampe kann zusätzlich mit einer Anoden-Wärmestaunut in Form einer die Anode umgebenden Ringnut versehen werden, wodurch wesentlich höhere spezifische Anodenbelastungen ohne Schädigung der Gefäßwände möglich sind, was extrem hohe spezifische Lampεnbelastungen (größer 200 W/cccm) und deshalb extrem hohe Betriebsdrucke (größer oder gleich 80 bar) erlaubt. Der Elektrodenabstand liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 2 mm, wobei die elektrische Leistung der Lampe maximal 1 KW beträgt. Nach der Erfindung wird ein extrem eingeschnürter kathodischer Brennfleckbetrieb induziert, der die höchsten bekannten Dauerstrichstrahldichten erzeugt (größer 30 W/ccm*sr*nm) , wie sie beispielsweise beim Einsatz der Lampe als Pumplichtquelle für Dauerstrich-Farbstofflaser erwünscht sind.

Claims

"Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe"Patentansprüche
1. Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem hochdruckfesten Lampenkolben, der zumindest im Lichtdurchtrittsbereich aus Quarzglas besteht, wobei in den Lampenkolben zwei sich gegenüberliegende, auf einer Achse befindliche stabförmige Elektroden ragen, von denen die Anode einen größeren Durch¬ messer aufweist als die Kathode, mit einem Fülldruck von wenigstens 1 bar im betriebslosen Zustand und mit einem Abstand zwischen den Elektroden, der kleiner ist als der Durchmesser des Schaftes der Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der Kathode (5) kegelförmig ausgebildet ist und daß die Lampe wenigstens ein Metallhalogenid als Dotierungssubstanz enthält.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (1) vollständig aus Quarzglas besteht.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (4, 5) in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Lampe gewählt ist.
4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese für eine Leistungsaufnahme bis zu 20 KW ausgebildet ist, wobei der Abstand (10) der Elektroden im Bereich von 0,2 bis 5 mm liegt.
5. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Thalliumjodid ist.
6. Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Dotierungssubstanz Indiumjodid ist.
7. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Galliu jodid ist.
8. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Kaliumjodid ist.
9. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz ein Jodid der zweiten Nebengruppe des periodischen Systems ist.
10. Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Quecksilberjodid ist.
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