Investigation of High-Pressure Microdischarges as Sources of Intense Vacuum Ultraviolet Radiation
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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. Operation under these conditions (high pressure, high-energy electrons) favours the formation of excimer dimers, which renders these microdicharges useful as sources of intense vacuum 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 respect to their application in building a micro excimer laser. Two types of the discharge were 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. In both geometries, the diameter of the hollow cathode hole is reduced to extend the range of operation. The reduced hole diameter of ~ 100 µm permits operation in direct current (DC) hollow cathode discharges in xenon gas at atmospheric pressure. These high pressure microdischarges are capable of operating at a low sustaining voltage similar to the conventional glow discharges but with much higher current density. To achieve stable multi-structure microdischarges, which are mandatory for the laser, in DC 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 negative glow spread out on the cathode surface. The VUV emission strongly depended on the electrode side from which the VUV emission is measured. The VUV intensity from the cathode side is one order of magnitude larger than that from anode side due to the enlarged excimer emission source area on the cathode surface. In the case of DC capillary discharge, I - V curved revealed abnormal glow discharge in the current range investigated. The excimer emission measured through the anode was increased with xenon pressure and flow rates. At a given pressure, the intensity of the excimer emission was also increased with current. However, depending on the pressure, the emission saturated above a certain current and then dropped, probably due to the gas heating. In parallel to the experiment for DC MHCD, a novel numerical model of MHCD was also developed and it predicted approximately the general properties of a discharge and general trends of the parameters in microdischarges. It was found that the computational results of the total excitation rate, which imply precursors of the excimer, were consistent with experimental trends of the VUV intensity on the cathode and anode face. In order to increase the VUV intensity, the current range was increased by the pulsed high voltage (> 1 kV). Intense xenon VUV emission was observed from MHCD in DC operation, by superimposing a high-voltage pulse. The total VUV light intensity increased linearly with pressure from 400 to 1013 mbar as well as with pulse duration from 20 to 100 ns. In addition, the peak VUV intensity in the pulsed mode reached a value almost two orders of the magnitude larger than that for DC operation. 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 250 µm to 1000 µm, a strong increase in xenon VUV emission from tandem MHCDs, operated in DC mode by superimposing a high voltage pulse of 50 ns duration, was observed. In multi-capillary discharges operated in DC mode, the increase in VUV emission was observed by adding individual capillary discharge in a liner array. It was evident that the VUV emission increased due to the longer length of the plasma volume showing a potential of amplifying the excimer emission.
Abstract
Ein Überblick, der die in den letzten Jahren erschienen Veröffentlichungen zeigt sowohl ein steigendes wissenschaftliches, als auch ein anwendungsbezogenes Interesse im Bereich der Mikrohohlkathodenentladungen. Diese Entladungen entstehen bei Gasdrucken von mehr als 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-Strahlung von Edelgashalogenen nahe legen. Kernbestand der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von intensiver VUV-Strahlung in Mikrohohlkathodenentladungen, im Hinblick auf ihre Anwendungsm�lichkeiten zum Aufbau eines Mikro-Excimer-Lasers. Hierbei wurden zwei 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 erh�en. Der reduzierte Lochdurchmesser von 100µm erlaubt dabei einen Einsatz der Hohlkathodenentladung im DC-Modus, bei der Verwendung von Xenon als Arbeitsgas und bei Atmosph�endruck. Zur Aufrechterhaltung diese Hochdruck-MHCD reichen Spannungen analog zu den bei konventionellen Glimmentladungen verwendeten, aus, mit dem Vorteil wesentlich h�erer Stromdichten. Um multiple strukturierte, stabile Mikroentladungen f� Laseranwendungen sowohl im DC als auch im Impulsbetrieb, erzeugen zu k�nen, wurden fundamentale Aspekte der Entladung untersucht. So zeigten die Strom-Spannungscharakteristik (I-U-Kurve) und die optische Diagnostik bei der DC MHCD, f� einen bestimmten Gasdruck, zwei verschiedene Operationsmodi der Entladung, die abh�gig von der Stromst�ke waren. Zum einen manifestierte sich eine abnormale Glimmentladung in der Kathoden�fnung und zum anderen kam es zur Auspr�ung einer normalen Glimmentladung, nachdem sich das negative Glimmlicht entlang der Kathodenoberfl�he ausgebreitet hatte. Die Intensit� der emittierten VUV-Strahlung war dabei sehr stark abh�gig von welcher Seite der Elektrode aus gemessen wurde. So zeigte sich kathodenseitig eine um einige Größenordnungen h�ere VUV-Intensit�, als aus dem Bereich der Anode. Als Ursache hierf� konnte eine größere Emissionsfl�he f� die Excimer-Strahlung identifiziert werden, die kausal mit der Größe der Kathodenoberfl�he korrelierte. Im Fall der DC-Kapillarentladung zeigte die erstellte Strom-Spannungscharakteristik (I-U-Kurve) einen Operationsmodus analog zu einer normalen Glimmentladung. Die Zunahme der Intensit� der Excimer-Strahlung korrelierte dabei mit dem Druck des Xenongases und dessen Durchflussrate. Ganz analog dazu verhielt sich der Zusammenhang zwischen Strahlungsintensit� und Stromdichte bei konstantem Gasdruck. Allerdings stellte sich, ab einer bestimmten Stromst�ke, ein S�tigungsniveau der Strahlungsintensit� ein, um dann wieder abzufallen. Ursache f� dieses Ph�omen war vermutlich ein Aufheizen des Arbeitsgases. Parallel zur experimentellen Untersuchung wurde ein numerisches Modell des DC MHCD entwickelt. Die numerischen Simulationen konnten sowohl die Eigenschaften als auch den Parameterbereich der Entladung verifizieren. Es zeigte sich hierbei eine Konsistenz zwischen den numerischen Berechnungen im Hinblick auf die totale Anregungsrate der Excimere und den experimentell gewonnen Ergebnissen zur Intensit� der VUV-Strahlung im Bereich der Kathoden- und Anodenoberfl�he. Um die Intensit� der VUV-Strahlung zu erh�en, wurden der Betriebsspannung, Hochspannungsimpulse (>1kV) �erlagert. Die dabei erzeugten hohen Stromimpulse f�rten zu einer intensiven VUV-Strahlung der angeregten Xenon-Excimere. Hierbei ergab sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Intensit� der VUV-Strahlung und dem Gasdruck im Bereich zwischen 400mbar bis 1000mbar, bei einer Pulsdauer zwischen 20ns bis 100ns. Die Strahlungsintensit� im Impulsbetrieb lag dabei rund zwei Größenordnungen �er der im CW-Betrieb erreichten Intensit�. Es konnte eine Methode zur Erh�ung der achsenparallelen Excimer-Strahlung durch B�delung von Mikroentladungsstrukturen erreicht werden. Eine Erh�ung der Kathodenl�ge von 250µm auf 1000µm im Zusammenhang mit einem h�eren Gasdruck erbrachte eine Steigerung der VUV-Emission in Xenon, durch eine Tandemkonfiguration der MHCD’s im DC-Modus mit �erlagerten 50ns Hochspannungsimpulsen. Zudem konnte auch eine Steigerung der VUV-Emission durch eine lineare B�delung von, im DC-Modus betriebenen Kapillarentladungen, beobachtet werden. Es best�igte sich die Korrelation zwischen der VUV-Emission und der L�ge des Entladungsvolumens, die Potential f� eine Verst�kung der Excimer-Strahlung besitzt.
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App.Phys. Lett., Xenon excimer emission from pulsed high-pressure micro capillary cathode discharges