Investigation of high-pressure microdischarges as sources of intense vacuum ultraviolet radiation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Byung-Joon Lee

De
InvestigationofHighPressureMicrodischargesasSourcesofIntenseVacuumUltravioletRadiation DenNaturwissenschaftlichenFakultätenderFriedrich–Alexander–UniversitätErlangen–NürnbergzurErlangungdesDoktorgradesvorgelegtvonByungJoonLeeausSüdKoreaAlsDissertationgenehmigtvondenNaturwissenschaftlichenFakultätenderUniversitätErlangen–NürnbergTagdermündlichenPrüfung:26.09.2007VorsitzenderderPromotionskommission: Prof.Dr.E.BänschErstberichterstatter: Prof.Dr.K.FrankZweitberichterstatter: Prof.Dr.J.JacobyIZusammenfassungZusammenfassungEinÜberblicküberdieindenletztenJahrenerschienenVeröffentlichungenzeigtsowohleinsteigendes wissenschaftliches, als auch ein anwendungsbezogenes Interesse im Bereich derMikrohohlkathodenentladungen.DieseEntladungen entstehenbeiGasdrückenvonmehrals1atm durch die Anwesenheit einer oszillierenden, aus hochenergetischen Elektronenbestehenden Ladungswolke.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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InvestigationofHighPressureMicrodischargesasSources
ofIntenseVacuumUltravioletRadiation










DenNaturwissenschaftlichenFakultäten
derFriedrich–Alexander–UniversitätErlangen–Nürnberg
zur
ErlangungdesDoktorgrades











vorgelegtvon
ByungJoonLee
ausSüdKorea








AlsDissertationgenehmigtvondenNaturwissenschaftlichenFakultäten
derUniversitätErlangen–Nürnberg























TagdermündlichenPrüfung:26.09.2007

VorsitzenderderPromotionskommission: Prof.Dr.E.Bänsch

Erstberichterstatter: Prof.Dr.K.Frank

Zweitberichterstatter: Prof.Dr.J.Jacoby
IZusammenfassung



Zusammenfassung


EinÜberblicküberdieindenletztenJahrenerschienenVeröffentlichungenzeigtsowohlein
steigendes wissenschaftliches, als auch ein anwendungsbezogenes Interesse im Bereich der
Mikrohohlkathodenentladungen.DieseEntladungen entstehenbeiGasdrückenvonmehrals
1atm durch die Anwesenheit einer oszillierenden, aus hochenergetischen Elektronen
bestehenden Ladungswolke. Unter diesen Bedingungen (hohe Gasdrücke, hochenergetische
Elektronen) kommt es zur Entstehung von Excimeren, die eine Anwendung der
Mikrohohlkathodenentladung als Quellen für VUV<Strahlung von Edelgasen und UV<
StrahlungvonEdelgashalogenennahelegen.

KernbestanddervorliegendenArbeitwardieUntersuchungvonintensiverVUV<Strahlungin
Mikrohohlkathodenentladungen, im Hinblick auf ihre Anwendungsmöglichkeiten zum
Aufbau eines Mikro<Excimer<Lasers. Hierbei wurden wz ei verschiedenen Entladungstypen,
die Mikrohohlkathodenentladung (im weiteren Kontext MHCD genannt) und die
Kapillarentladung, detailliert untersucht. Bei beiden Entladungsgeometrien ist der
Durchmesser der Hohlkathode verringert um dadurch den Umfang des
Einsatzparameterbereichs zu erhöhen. Der reduzierte Lochdurchmesser von 100@m erlaubt
dabei einen Einsatz der Hohlkathodenentladung im DC<Modus, bei der Verwendung von
XenonalsArbeitsgasundbeiAtmosphärendruck.ZurAufrechterhaltungdieseHochdruck<
MHCD reichen Spannungen analog zu den bei konventionellen Glimmentladungen
verwendeten,aus,mitdemVorteilwesentlichhöhererStromdichten.

Um multiple strukturierte, stabile Mikroentladungen für Laseranwendungen sowohl im DC
alsauchimImpulsbetrieb,erzeugenzukönnen,wurdenfundamentaleAspektederEntladung
untersucht. So zeigten die Strom<Spannungscharakteristik (I<U<Kurve) und die optische
Diagnostik bei der DC MHCD, für einen bestimmten Gasdruck, zwei verschiedene
Operationsmodi der Entladung, die abhängig von der Stromstärke waren. Zum einen
manifestiertesicheineabnormaleGlimmentladunginderKathodenöffnungundzumanderen
kam es zur Ausprägung einer normalen Glimmentladung, nachdem sich das negative
GlimmlichtentlangderKathodenoberflächeausgebreitethatte.DieIntensitätderemittierten
VUV<StrahlungwardabeisehrstarkabhängigvonwelcherSeitederElektrodeausgemessen
wurde.SozeigtesichkathodenseitigeineumeinigeGrößenordnungenhöhereVUV<Intensität,
II Zusammenfassung

alsausdemBereichderAnode.AlsUrsachehierfürkonnteeinegrößereEmissionsflächefür
dieExcimer<Strahlungidentifiziertwerden,diekausalmitderGrößederKathodenoberfläche
korrelierte. Im Fall der DC<Kapillarentladung zeigte die erstellte Strom<
Spannungscharakteristik (I<U<Kurve) einen Operationsmodus analog zu einer normalen
Glimmentladung. Die Zunahme der Intensität der Excimer<Strahlung korrelierte dabei mit
demDruckdesXenongasesunddessenDurchflussrate.Ganzanalogdazuverhieltsichder
Zusammenhang zwischen Strahlungsintensität und Stromdichte bei konstantem Gasdruck.
Allerdings stellte sich, ab einer bestimmten Stromstärke, ein Sättigungsniveau der
Strahlungsintensität ein, um dann wieder abzufallen. Ursache für dieses Phänomen war
vermutlicheinAufheizendesArbeitsgases.

ParallelzurexperimentellenUntersuchungwurdeeinnumerischesModelldesDCMHCD
entwickelt. Die numerischen Simulationen konnten sowohl die Eigenschaften als auch den
ParameterbereichderEntladungverifizieren.EszeigtesichhierbeieineKonsistenzzwischen
dennumerischenBerechnungenimHinblickaufdietotaleAnregungsratederExcimereund
denexperimentellgewonnenErgebnissenzurIntensitätderVUV<StrahlungimBereichder
Kathoden<undAnodenoberfläche.

Um die Intensität der VUV<Strahlung zu erhöhen, wurden der Betriebsspannung,
Hochspannungsimpulse(>1kV)überlagert.DiedabeierzeugtenhohenStromimpulseführten
zueinerintensivenVUV<StrahlungderangeregtenXenon<Excimere.Hierbeiergabsichein
linearer Zusammenhang zwischen der Intensität der VUV<Strahlung und dem Gasdruck im
Bereichzwischen400mbarbis1000mbar,beieinerPulsdauerzwischen20nsbis100ns.Die
StrahlungsintensitätimImpulsbetrieblagdabeirundzweiGrößenordnungenüberderimCW<
BetrieberreichtenIntensität.

Es konnte eine Methode zur Erhöhung der achsenparallelen Excimer<Strahlung durch
Bündelung von Mikroentladungsstrukturen erreicht werden. Eine Erhöhung der
Kathodenlänge von 250@m auf 1000@m im Zusammenhang mit einem höheren Gasdruck
erbrachteeineSteigerungderVUV<EmissioninXenon,durcheineTandemkonfigurationder
MHCD’simDC<Modusmitüberlagerten50nsHochspannungsimpulsen.Zudemkonnteauch
eine Steigerung der VUV<Emission durch eine lineare Bündelung von, im DC<Modus
betriebenen Kapillarentladungen, beobachtet werden. Es bestätigte sich die Korrelation
zwischenderVUV<EmissionundderLängedesEntladungsvolumens,diePotentialfüreine
VerstärkungderExcimer<Strahlungbesitzt.
IIIAbstract



Absract


Several topical reviews published in recent years emphasized the scientific interest and the
important applications of microdischarges operated in the hollow cathode mode. These
microdischarges form stably at high pressures (1 atm or higher), through the presence of a
sufficient concentration of high<energy electrons undergoing a Pendulum oscillation.
Operationundertheseconditions(highpressure,high<energyelectrons)favourstheformation
ofexcimerdimers,whichrendersthesemicrodichargesusefulassourcesofintensevacuum
ultraviolet (VUV) emission from rare gases and ultra violet (UV) emission from rare gas

halides.

This thesis was devoted to investigation of intense VUV emission in microdischarges with
respecttotheirapplicationinbuildingamicroexcimerlaser.Twotypesofthedischargewere
investigated in detail, namely microhollow cathode discharge (MHCD) and capillary
discharges which are extending the principle of operation of MHCD to a longer hollow
cathode.Inbothgeometries,thediameterofthehollowcathodeholeisreducedtoextendthe
rangeofoperation.Thereducedholediameterof~100mpermitsoperationindirectcurrent
(DC)hollowcathodedischargesinxenongasatatmosphericpressure.Thesehighpressure
microdischarges are capable of operating at a low sustaining voltage similar to the
conventionalglowdischargesbutwithmuchhighercurrentdensity.

Toachievestablemulti<structuremicrodischarges,whicharemandatoryforthelaser,inDC
operation as well as in pulsed operation, initially we studied basic aspects of their single
discharge. For the DC MHCD, the current<voltage (I<V) characteristics and corresponding
optical measurement showed that at a given pressure, the DC MHCD operated in two
different discharges depending on the current. One was an abnormal glow discharge in the
cathode hole with a low current and the other one was a normal glow discharge after the
negativeglowspreadoutonthecathodesurface.TheVUVemissionstronglydependedon
theelectrodesidefromwhichtheVUVemissionismeasured.TheVUVintensityfromthe
cathodesideisoneorderofmagnitudelargerthanthatfromanodesideduetotheenlarged
excimeremissionsourceareaonthecathodesurface.InthecaseofDCcapillarydischarge,I<
Vcurvedrevealedabnormalglowdischargeinthecurrentrangeinvestigated.Theexcimer
IV Abstract

emissionmeasuredthroughtheanodewasincreasedwithxenonpressureandflowrates.Ata
given pressure, the intensity of the excimer emission was also increased with current.
However,dependingonthepressure,theemissionsaturatedaboveacertaincurrentandthen
dropped,probablyduetothegasheating.

InparalleltotheexperimentforDCMHCD,anovelnumericalmodelofMHCDwasalso
developed and it predicted approximately the general properties of a discharge and general
trendsoftheparametersinmicrodischarges.Itwasfoundthatthecomputationalresultsofthe
total excitation rate, which imply precursors of the excimer, were consistent with
experimentaltrendsoftheVUVintensityonthecathodeandanodeface.

InordertoincreasetheVUVintensity,thecurrentrangewasincreasedbythepulsedhigh
voltage(>1kV).IntensexenonVUVemissionwasobservedfromMHCDinDCoperation,
bysuperimposingahigh<voltagepulse.ThetotalVUVlightintensityincreasedlinearlywith
pressurefrom400to1013mbaraswellaswithpulsedurationfrom20to100ns.Inaddition,
the peak VUV intensity in the pulsed mode reached a value almost two orders of the
magnitudelargerthanthatforDCoperation.

Finally, a method to increase the on<axis excimer radiation is established by adding
discharges in stacked configuration. With increasing gas pressure as well as the cathode
length from 250m to 1000 m, a strong increase in xenon VUV emission from tandem
MHCDs,operatedinDCmodebysuperimposingahighvoltagepulseof50nsduration,was
observed.Inmulti<capillarydischargesoperatedinDCmode,theincreaseinVUVemission
wasobservedbyaddingindividualcapillarydischargeinalinerarray.Itwasevidentthatthe
VUVemissionincreasedduetothelongerlengthoftheplasmavolumeshowingapotential
ofamplifyingtheexcimeremission.





VTableofcontents




Tableofcotents

Zusammenfassung


Abstract


1 Introduction 1

2 Gasdischarge 5

2.1 Introduction 5
2.2 Current<voltagecharacteristicofthegasdischarge 7
2.3 Generalfeaturesofglowdischarge 8
2.4 Hollowcathodedischarge 10
2.5 Highpressurehollowcathodedischarge 12


3 Theoreticalaspects 15


3.1 Overviewofvariousmicrodischargeconceptsforthemicrolaser 15
3.2 Kineticsofexcimerformationsinxenon 16
3.3 Thresholdrequirementforanexcimerlaserintypicalexcimergases 22


4 Experimentalsetup 27

4.1 Microhollowcathodedischarge 27
4.2 Vacuumsystem 28
4.3 Electricalpowerconnectionsandelectricalmeasurements 29
4.4 VUVspectroscopyandphotography 31
4.4.1 VUVspectroscopy 31
4.4.2 Photography 33
4.5 Designandconstructionofananosecondhighvoltagepulsegenerator 34
4.5.1 Introduction 34
4.5.2 Coaxialcablepulsegenerator 35
4.5.2.1 Basicprinciple 35
Construction of self<matched and double Blumlein pulse 38
4.5.2.2
generators
4.6 Capillarydischarge 42
4.6.1 Singlecapillarydischarge 42
4.6.2 Multi<capillarydischarges 43
4.6.3 Circulatingsystem 45


5 Modelingofmicrohollowcathodedischarge 49

5.1 Introduction 49
5.2 Modeldescription 51
VI Tableofcontents

5.2.1 Governingfluidequationsandboundaryconditions 51
5.2.2 Modelinggeometry 57
5.2.3 Inputdataforthechemicalreactions 58
5.3 ResultsofDCMHCDmodeling 60
5.4 ExperimentalandnumericalstudyofVUVemissioncharacteristicsinxenon 65
MHCD

6 DCmicrohollowcathodedischarge 67

6.1 Observationsoftwodistinctpressureregimes 67
67 6.1.1 200mmicrohollowcathodedischarge
6.1.2 73 400mmicrohollowcathodedischarge
6.1.3 ThedifferencebetweenpressureregimeIandII 78
6.2 VUVemissioncharacteristicsintwodistinctpressureregimes 80


7 Pulsedmicrohollowcathodedischarges 83

7.1 Singlemicrohollowcathodedischarge 83
7.1.1 Appliedshortvoltagepulse(<100ns) 83
7.1.1.1 Electricalcharacteristics 83
7.1.1.2 VUVemissioncharacteristics 88
7.1.2 Appliedlongvoltagepulse(>500ns) 92
7.1.2.1 Electricalcharacteristics 92
7.1.2.2 VUVemissioncharacteristics 94
7.2 Tandemmicrohollowcathodedischarges 96
7.2.1 SingleMHCDvs.tandemMHCDs 96
7.2.2 TandemMHCDswithincreasingthecathodelength 102


8 DCcapillarydischarges 105

8.1 Singlecapillarydischarge 106
8.1.1 VUVemissioncharacteristicsinstagnantxenongas 106
8.1.2 VUVemissioncharacteristicsinflowingxenongas 109
8.2 Multi<capillarydischarges 110


9 Discussion 115

9.1 ComparisonbetweenexperimentalandnumericalstudiesinDCMHCD 115
9.1.1 Current<voltagecharacteristics 115
9.1.2 VUVemissioncharacteristics 116
9.2 SomecharacteristicsinDCMHCD 118
9.2.1 Hollowcathodeeffect? 118
9.2.2 VUVemissioncharacteristics 119
9.3 DCcapillarydischarge 121
9.3.1 Current<voltagecharacteristics 121
9.3.2 VUVemissioncharacteristics 121
9.3.3 Flowinggaseffect 123
9.4 PulsedMHCD 125
9.4.1 Electricalcharacteristics 125
9.4.2 VUVemissioncharacteristics 129
9.5 Feasibilityoftheconstructionofamicroexcimerlaser 133
VIITableofcontents


10 Summaryandoutlook 137

Appendix 141


145References


Publications 153


Acknowledgments 157






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