DE4441199A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden GasenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden
Gasen. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung und ein Ver
fahren zum Reinigen von Gasen, welche in eine Excimer-Laserkam
mer eingeleitet werden sollen.
Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Gaslasern ist die Reinheit
der verwendeten Gase von höchster Bedeutung. Verunreinigungen
eines Lasergases mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasser und/oder
Kohlendioxid können die Leistung eines Gaslasers sowie die Gas
lebensdauer deutlich herabsetzen. Eine Verunreinigung eines
Lasergases mit Wasser kann darüberhinaus zu einer Korrosion von
metallischen Bauteilen des Lasers führen, was eine Zerstörung
des Lasers mit sich bringen kann.
Verfahren zur Reinigung von Gasen sind seit langem bekannt. Zum
Entfernen von Wasser aus Gasen können beispielsweise Molekular
siebe auf Zeolith-Basis, zum Entfernen von Sauerstoff gegebenen
falls trägergestütztes Cr₂O₃ eingesetzt werden. Aktivkohle wird
zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen, Öl, schwefelhaltigen
Gasen und Stickoxiden eingesetzt.
Im Betrieb von Gaslasern fanden solche Materialien bislang kei
ne Verwendung, da man die Reinheit der von der chemischen In
dustrie zur Verfügung gestellten Reinstgase als ausreichend
einschätzte. Zudem sind einige der vorstehend beschriebenen
Mittel nicht zum Reinigen von in Gaslasern und insbesondere
Excimer-Lasern verwendeten Gasen geeignet. Die hierfür verwen
deten Gasgemische umfassen neben Edelgasen hochreaktive
halogenhaltige Gase, insbesondere HCl oder F₂, welche vom
Reinigungsmittel adsorbiert werden oder mit diesem chemisch
reagieren.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme, die von Verun
reinigungen im Lasergas hervorgerufen werden können, hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, die von der Industrie geliefer
ten Gase vor einem Einleiten in einen Laser nachzureinigen, um
ein Einleiten verunreinigter Gase in den Laser sicher zu ver
meiden. Verunreinigungen der Gase können aufgrund von Qualitäts
schwankungen beim Hersteller, während einer längeren Lagerzeit
der Gasvorratsbehälter oder auch während des Betriebs durch
unsachgemäße Handhabung oder Leckagen der Vorratsbehälter und
der anschließenden Rohrleitungen auftreten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren bereitzustellen, durch welche die Lebensdauer von
Lasergasen, insbesondere bei einem Excimerlaser, und auch die
Lebensdauer der Laserkomponenten verlängert wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die in
den unabhängigen Ansprüchen beschriebene Vorrichtung bzw. das
Verfahren gelöst.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Reinigen
von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen, umfassend mindes
tens ein Mittel zum Reinigen der Gase, welches in mindestens
einem Behälter angeordnet ist und welches über Rohrleitungen
mit einem geschlossenen System in Verbindung steht, welches ein
Lasergehäuse, eine darin angeordnete Laserkammer und mindestens
einen Vorratsbehälter für mindestens eines der Gase umfaßt,
wobei der mindestens eine Vorratsbehälter mit dem Lasergehäuse
und der Laserkammer über durch Druckventile freizugebende Rohr
leitungen in Verbindung steht,
welches sich dadurch auszeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase zwischen
dem mindestens einen Vorratsbehälter und der Laserkammer ange
ordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor
richtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase
zwischen dem mindestens einen Vorratsbehälter und dem Laserge
häuse unmittelbar vor dem Lasergehäuse angeordnet.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der
Gase innerhalb des Lasergehäuses angeordnet.
In einer anderen abgewandelten Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Vorrichtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen
der Gase direkt in der Laserkammer (Gasentladungskammer) des
Lasers angeordnet.
Bei den genannten Varianten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
bevorzugt, beispielsweise mittels Flanschen oder anderen lösbaren
Verbindungsmitteln, so installiert, daß sie im Rahmen von Wartungs
arbeiten leicht ausgetauscht werden kann. Darüberhinaus ist das
mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase in dem Behälter
vorzugsweise so angeordnet, daß eine Regenerierung des mindestens
einen Mittels im Behälter erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner eine Ausfüh
rungsform, in welcher Vorrichtungen zum Reinigen der Gase in
Verbindung stehen mit Vorratsgefäßen von einzelnen Komponenten
des Lasergasgemisches, welche erst nach einem Durchströmen
der Vorrichtungen zum fertigen Lasergasgemisch vermischt wer
den. Dadurch können für eine Reinigung der Einzelbestandteile
geeignete Mittel verwendet werden, welche für andere Bestand
teile des Gasgemisches nicht geeignet sind.
Die vorliegende Erfindung umfaßt gleichfalls ein Verfahren zum
Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen, welches
sich dadurch auszeichnet, daß mindestens ein Gas vor Einströmen
in die Laserkammer durch mindestens ein Mittel zum Reinigen des
Gases geleitet wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
das mindestens eine Gas innerhalb des Lasergehäuses vor dem
Einströmen in die Laserkammer durch das mindestens eine Mittel
zum Reinigen der Gase geleitet.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Verfahren können so auch Verunreinigungen, welche erst nach dem
Austreten des Gases aus den Vorratsbehältern beispielsweise
aufgrund von Handhabungsfehlern an den Behältern, Druckventilen
oder Rohrleitungen oder auch im Zuge eines Auswechselns der
Vorratsbehälter in das Lasergas eindiffundiert sind, noch vor
dem Einströmen des Gases in das Lasergehäuse bzw. vor dem Ein
strömen des Gases in die Laserkammer aus diesem entfernt wer
den.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei
oder mehrere Mittel zum Reinigen der Gase so angeordnet, daß
sie von dem bzw. den Gasen nacheinander durchströmt werden.
Hierzu können die Mittel zum Reinigen der Gase beispielsweise
innerhalb eines Behälters in Schichten angeordnet sein; es ist
jedoch gleichfalls möglich zwei oder mehrere, jeweils ein Mit
tel umfassende erfindungsgemäße Vorrichtungen hintereinander
anzuordnen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorge
sehen, aus einer Mehrzahl in eine Laserkammer einzuleitender
Gase einzelne Gase oder Gasgemische getrennt voneinander durch
jeweils mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase zu leiten.
Die Gase werden in diesem Falle erst nach einem getrennten Durch
strömen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum vollständigen
Lasergasgemisch vereinigt. Auf diese Weise ist es möglich, opti
male Mittel zum Reinigen einzelner Lasergaskomponenten einzusetzen,
ohne auf die Verträglichkeit dieser Mittel mit weiteren Bestand
teilen des Lasergasgemisches Rücksicht nehmen zu müssen.
Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, nur einen Teil der
in die Laserkammer einzuleitenden Gase mittels der erfindungs
gemäßen Vorrichtung bzw. mittels des erfindungsgemäßen Verfah
rens zu reinigen und weitere Gase ohne zusätzliche Reinigung
bzw. nach einer andersartigen Reinigung zu verwenden.
Ferner wird das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase
bevorzugt mit einem chemisch und physikalisch inerten Füllstoff
vermischt verwendet. Dadurch kann ein Zusammenklumpen oder eine
Verdichtung des Mittels verhindert werden, so daß sicherge
stellt wird, daß das Mittel mit einer großen aktiven Oberfläche
für einen Kontakt mit den zu reinigenden Gasen zur Verfügung
steht. Aufgrund der verlängerten Wegstrecke, die das Gas über
dem Mittel zurückzulegen hat, wird ferner eine lange Kontakt
zeit mit dem Mittel gewährleistet.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfaßt das
Mittel zum Reinigen der Gase ein Trockenmittel, ein Adsorp
tionsmittel und/oder eine mit Verunreinigungen in den Gasen
reagierende Verbindung bzw. eine Mischung oder Kombination
solcher Materialien.
Im Rahmen der Erfindung bevorzugt als Mittel zum Reinigen der
Gase verwendete Trockenmittel umfassen insbesondere P₂O₅,
CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein oder mehrere
Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder Mischungen dieser
Stoffe.
Als Mittel zum Reinigen der Gase bevorzugt eingesetzte Adsorp
tionsmittel umfassen insbesondere Aktivkohle und NaF, und eine
bevorzugte, mit Sauerstoffin den Gasen reagierende Verbindung
ist Cr₂O₃.
Die vorstehend genannten Mittel zum Reinigen der Gase sind
nicht in gleicher Weise für sämtliche Bestandteile des Laser
gasgemisches geeignet. Für eine Reinigung von Edelgasen oder
-gasgemischen können sämtliche vorstehend aufgeführte Mittel
verwendet werden. Für eine Entfernung von Wasser aus dem hoch
reaktiven Lasergasbestandteil HCl sind beispielsweise amorphe
Kieselsäure sowie Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen, aber
auch Verbindungen, wie CuCl₂, AlCl₃ und CaCl₂ geeignet.
Die vorstehend näher bezeichneten Mittel zum Reinigen von in
eine Laserkammer einzuleitenden Gasen können hierbei in kommer
ziell erhältlichen Qualitäten oder, falls erforderlich, auch
durch eine zusätzliche, an sich bekannte Vorbehandlung akti
viert bzw. modifiziert verwendet werden. Hierzu zählt beispiels
weise eine vor Verwendung erfolgende Erwärmung von Molekular
sieben im Vakuum, um möglicherweise darin enthaltene Wasserspu
ren zu entfernen. Soll Aktivkohle zur Beseitigung organischer
oder schwefelhaltiger Verunreinigungen in HCl umfassenden Gasen
verwendet werden, wird diese üblicherweise vorab mit HCl behan
delt, um die Oberfläche hinsichtlich HCl abzusättigen und eine
weitere Adsorption von HCl aus dem Lasergas während des Be
triebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verhindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden ferner auch bereits
erfindungsgemäß eingesetzte und anschließend durch geeignete,
dem Fachmann bekannte Maßnahmen regenerierte Mittel in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. für das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungs
form im Folgenden anhand einer Figur näher erläutert.
Die anliegende Figur ist nur eine schematische Ansicht eines
Excimerlasers mit einer Gasversorgung, in welchem erfindungs
gemäße Vorrichtungen zum Reinigen von in den Laser einzuleiten
den Gasen vorgesehen sind.
In der Figur ist eine Laseranordnung gezeigt, umfassend eine
Laserkammer 10, ein die Laserkammer 10 umgebendes Lasergehäuse
12 und zwei Vorratsbehälter 20a, 20b, welche in den Laser ein
zuleitende Gase enthalten. Die Vorratsbehälter 20a, 20b sind
mit der Laserkammer 10 über durch Druckventile 22a, 22b frei
zugebende Rohrleitungen eines Rohrleitungssystems 24 verbunden.
Einer der Vorratsbehälter 20a enthält in der vorliegenden Aus
führungsform ein Edelgasgemisch, welches hier Helium, Neon und
Xenon umfaßt, der andere Vorratsbehälter 20b umfaßt ein Halogen
oder ein halogenhaltiges Gas, welches beim hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel Helium und Chlorwasserstoff in einem
Volumenverhältnis von 95 : 5 umfaßt. Die aus den Vorrats
behältern 20a, 20b mit einem Druck von 200 atm angelieferten
Gasgemische werden mittels der Druckventile 22a, 22b mit einem
Druck von beispielsweise jeweils 0,5 bis 5 bar zu der
Laserkammer 10 weitergeleitet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei erfindungsgemäße
Vorrichtungen 30a-c zum Reinigen der in die Laserkammer 10 ein
zuleitenden Gase zwischen dem Druckventil 22a und der Laserkam
mer 10 innerhalb des Lasergehäuses 12 so angeordnet, daß diese
nacheinander vom Edelgasgemisch aus dem Vorratsbehälter 20a
durchströmt werden; zwischen dem Druckventil 22b und der Laser
kammer 10 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30d vorgesehen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30a-d sind hierbei bevor
zugt möglichst nahe an der Laserkammer 10, d. h. mit einer mög
lichst kurzen Rohrverbindung zwischen den Vorrichtungen 30 und
der Laserkammer 10 vorgesehen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30a-d sind mittels Flan
schen 32a-d oder anderen leicht lösbaren Verbindungen, wie Dicht
ringverschraubungen oder O-Ring-Dichtungen, in die Rohrleitungs
verbindungen zwischen den Druckventilen 22a, 22b und der La
serkammer 10 eingebaut, so daß erfindungsgemäße Vorrichtungen
30 beispielsweise bei einem erforderlichen Austausch leicht
aus- und wieder eingebaut werden können.
Nach einem Durchströmen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
30a-c sowie 30d, welches eine Reinigung der Gase bewirkt, wer
den die beiden gereinigten Gasgemische mittels Druckventilen
22c, 22d in eine gemeinsame Rohrleitung zusammengeführt und
über ein weiteres Druckventil 22e der Laserkammer 10 zuge
leitet.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30 zum Reinigen der in die
Laserkammer 10 einzuleitenden Gase umfassen mindestens ein Mit
tel 34, welches durch chemische oder physikalische Wirkung dem
zu reinigenden Gas Verunreinigungen entziehen soll, in einem
druckdichten Behälter 36.
Als Mittel zum Reinigen der Gase 34a-c sind im Behälter 36a der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 30a Aktivkohle, im Behälter 36b
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30b P₂O₅ und im Behälter 36c
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30c Cr₂O₃ vorgesehen, welche
in dieser Reihenfolge vom Gasgemisch durchströmt werden. Auf
diese Weise werden dem Edelgasgemisch nacheinander organische
Verbindungen, schwefelhaltige Gase und Stickoxide mittels Aktiv
kohle, Wasser mittels P₂O₅ sowie Sauerstoff mittels Cr₂O₃ ent
zogen.
Im Behälter 36d der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30d ist als
Mittel 34d zum Reinigen des HCl enthaltenden Gasgemischs amor
phe Kieselsäure vorgesehen, welche dem Gasgemisch Verunreini
gungen in Form von Wasser entziehen soll.
Wird für einen Laserbetrieb mit F₂ als Halogenkomponente ein F₂
enthaltendes Gasgemisch verwendet, bestehen aufgrund dessen
Reaktivität nur begrenzte Möglichkeiten zum Reinigen desselben.
Als Mittel 34d zum Reinigen eines F₂ umfassenden Gasgemischs
können beispielsweise NaF oder Aktivkohle zum Entfernen organi
scher und schwefelhaltiger Verunreinigungen verwendet werden;
Aktivkohle muß jedoch durch zusätzliche Maßnahmen auf der Tempe
ratur flüssigen Stickstoffs gehalten werden, um eine Zersetzung
derselben durch das aggressive F₂-Gas zu vermeiden. Es besteht
ferner die Möglichkeit, Verunreinigungen mittels auf die Tempe
ratur von flüssigem Stickstoff gekühlten Kühlfingern auszufrie
ren, durch welche die zu reinigenden Gase geleitet werden, wie
beispielsweise in den deutschen Gebrauchsmustern G 90 07 389.4
und G 90 07 390.8 beschrieben.
Claims (19)
1. Vorrichtung zum Reinigen von in eine Laserkammer (10) ein
zuleitenden Gasen,
umfassend mindestens ein Mittel (34) zum Reinigen der Gase,
welches in mindestens einem Behälter (36) angeordnet ist und
welches über Rohrleitungen (24) mit einem geschlossenen System
in Verbindung steht, welches ein Lasergehäuse (12), eine darin
angeordnete Laserkammer (10) und mindestens einen Vorratsbehäl
ter (20) für mindestens eines der Gase umfaßt, wobei der mindes
tens eine Vorratsbehälter (20) mit der Laserkammer (10) über
durch Druckventile (22) freizugebende Rohrleitungen (24) in
Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34) zwi
schen dem mindestens einen Vorratsbehälter (20) und der Laser
kammer (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34)
zwischen dem mindestens einen Vorratsbehälter (20) und dem
Lasergehäuse (12) unmittelbar vor dem Lasergehäuse (12)
angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34) inner
halb des Lasergehäuses (12) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehrere Mittel zum Reinigen der Gase (32) so
angeordnet sind, daß sie von den Gasen nacheinander durchströmt
werden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (32) mit
einem chemisch und physikalisch inerten Füllstoff vermischt
ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittel zum Reinigen der Gase (32) ein Trockenmittel
und/oder ein Adsorptionsmittel und/oder eine mit Verunreini
gungen in den Gasen reagierende Verbindung ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als Mittel zum Reinigen der Gase (32) eingesetzte Trok
kenmittel P₂O₅, CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein
oder mehrere Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder eine
Mischung derselben ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als Mittel zum Reinigen der Gase (32) eingesetzte Ad
sorptionsmittel Aktivkohle und/oder NaF ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbin
dung Cr₂O₃ ist.
10. Vorrichtung zum Reinigen von in eine Laserkammer einzulei
tenden Gasen,
umfassend mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase, welches
in mindestens einem Behälter angeordnet ist und welches über
Rohrleitungen mit einem geschlossenen System in Verbindung steht,
welches ein Lasergehäuse, eine darin angeordnete Laserkammer
und mindestens einen Vorratsbehälter für mindestens eines der
Gase umfaßt, wobei der mindestens eine Vorratsbehälter mit der
Laserkammer über durch Druckventile freizugebende Rohrleitungen
in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase in der
Laserkammer (10) angeordnet ist.
11. Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzulei
tenden Gasen,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Gas vor Einströmen in die Laserkammer durch
mindestens ein Mittel zum Reinigen des Gases geleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus einer Mehrzahl in eine Laserkammer einzuleitender Gase
einzelne Gase oder Gasgemische getrennt voneinander durch je
weils mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wer
den.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Gas vor Einströmen in die Laserkammer
innerhalb eines die Laserkammer umgebenden Lasergehäuses durch
das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Gas durch zwei oder mehr so angeordnete
Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wird, daß diese von dem
oder den Gasen nacheinander durchströmt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase mit einem
chemisch und physikalisch inerten Füllstoff vermischt verwendet
wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Mittel zum Reinigen der Gase ein Trockenmittel und/oder
ein Adsorptionsmittel und/oder eine mit Verunreinigungen in den
Gasen reagierende Verbindung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß als das als Mittel zum Reinigen der Gase eingesetzte Troc
kenmittel P₂O₅, CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein
oder mehrere Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder
Mischungen dieser Stoffe verwendet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß als das als Mittel zum Reinigen der Gase eingesetzte
Adsorptionsmittel Aktivkohle und/oder NaF verwendet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß als mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbin
dung Cr₂O₃ verwendet wird.
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