DE4002190A1

DE4002190A1 - Vorrichtung zum reinigen von lasergas

Info

Publication number: DE4002190A1
Application number: DE19904002190
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr Steinfuehrer; Frank Dr Voss
Original assignee: LAMBDA PHYSIK FORSCHUNG
Current assignee: LAMBDA PHYSIK FORSCHUNG
Priority date: 1990-01-25
Filing date: 1990-01-25
Publication date: 1991-08-08
Also published as: DE9007390U1; DE9007389U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas.

Bei Gaslasern, wie insbesondere Excimerlasern oder CO₂-Lasern, kommt es beim Laserbetrieb zu einer Verschmutzung des Laser gases. Das Lasergas wird durch eine Gasentladung angeregt, wobei Schmutzgase und -stoffe durch chemische Reaktionen, Abtrag von den Laserelektroden, Reaktionen an den Wänden etc. gebildet werden können.

Die Schmutzgase und -stoffe beeinträchtigen die Laserleitung. Insbesondere für einen Langzeitbetrieb des Lasers ist es erforderlich, die Verschmutzungen aus dem Lasergas zu ent fernen.

Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Reinigen von Lasergas bekannt. Hierzu wird Lasergas aus dem Resonator herausgeführt, in eine Reinigungseinrichtung überführt und in einem Kreislauf in gereinigtem Zustand in den Resonator zu rückgeführt.

Insbesondere bei sensiblen Lasergasen, wie F₂, ArF und bei hohen Drucken von mehr als 3,5 bar weisen aber herkömmliche Vorrichtungen zum Reinigen von Lasergas nur eine ungenügende Wirksamkeit auf.

Aus der DE-OS 39 19 771 sind koaxiale Wärmetauscher mit einer Vorkühlstufe zur Erhöhung des Wirkungsgrades bekannt. Ein koaxialer Wärmetauscher ermöglicht durch die große Oberfläche des Innenrohres und ggf. eine zusätzliche Oberflächenformgebung (Berippung etc.) einen guten Wärmeaustausch zwischen dem warmen ungereinigten Lasergas und dem kalten gereinigten Lasergas. Der aus der DE-OS 39 19 771 bekannte Lasergasreiniger weist eine relativ komplizierte Führung des Gases auf.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, einfach aufgebaute und damit kostengünstige Vorrichtungen zum Reinigen von Lasergas zu schaffen, die bei kompakter Bauweise einen hohen Wirkungsgrad haben.

Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung wird diese Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung, die einen Behälter für ein Kühlmedium aufweist, wobei unter dem Boden des Behälters eine Leitung befestigt ist, die spiral- oder mäander förmig ist und durch die das zu reinigende Gas strömt.

Eine solche Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas hat den Vor teil, daß ein Behälter mit einer glatten Innenwand verwendet werden kann. Weiterhin kann eine spiral- oder mäanderförmige Leitung verwendet werden, die eine große Kühlfläche aufweist. Die Vorrichtung weist insgesamt eine geringe Bauhöhe auf und ihre Kühlwirkung ist unabhängig vom Pegel des Kühlmediums, wie z. B. flüssigem Stickstoff, in dem Behälter. Die spiral- oder mäanderförmige Leitung kann so geformt werden, daß ein langer Ausfrierweg gegeben ist, auf dem die auszufrierenden Schmutz teile des Gases starke Zentrifugalkräfte erfahren.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Ausführungsbei spieles der Erfindung ist die spiral- oder mäanderförmige Leitung zwischen dem Boden des Behälters und einer zum Boden parallelen Platte eingeklemmt. Diese Anordnung ermöglicht zum einen einen guten Wärmekontakt zwischen den Teilen und zum anderen ein einfaches Demontieren der Vorrichtung für Repara tur- oder Wartungszwecke.

Insbesondere kann bei einer solchen Klemmanordnung wahlweise zwischen dem Boden des Behälters und der Klemmplatte eine Heizeinrichtung angeordnet werden, so daß die Reinigungsvor richtung kurzfristig durch Heizen und Abpumpen gereinigt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Heizeinrichtung besteht darin, daß die Gastemperatur regelbar ist.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas ermöglicht auch in einfacher Weise das Einfügen einer Isolationsplatte, die auf den Boden des Behälters auflegbar ist. Hierdurch ist eine einfache Anpassung der Vorrichtung an die jeweils herrschenden Anforderungen bezüglich der Ausfrier temperatur möglich, d. h. bei höheren Ausfriertemperaturen kann eine Isolationsplatte auf den Boden des Behälters gelegt wer den, um den Wärmeübergang vom Kältemedium (flüssiger Stick stoff) zum Boden des Behälters zu verschlechtern und so den Verbrauch an flüssigem Stickstoff zu senken.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas, welche eine Kühlfalle und einen dieser vorgeschalteten Wärmetauscher aufweist, so gestaltet, daß der Wärmetauscher die Kühlfalle umfängt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise bei hohem Wirkungsgrad.

Bevorzugt ist dabei der der Kühlfalle vorgeschaltete Wärme tauscher aus zwei wendelförmigen, koaxialen Rohren unter schiedlichen Durchmessers gebildet, wobei in eines der Rohre warmes Lasergas eintritt, nach Passieren des Rohres in eine Kühlfalle eintritt und nach Passieren der Kühlfalle in das andere der zwei koaxialen Rohre eintritt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlfalle zylinderförmig ausgestaltet und weist einen zentralen Kühlkörper auf, um den das Gas strömt. Diese Variante der Erfindung wird besonders zur Verwendung mit einem Kryosta ten als Kältequelle eingesetzt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlfalle aus zwei konzentrischen, zylinderförmigen Rohren gebildet. Aus dem Wärmetauscher austretendes, vorge kühltes Gas tritt in das äußere der konzentrischen Rohre der Kühlfalle nahe dessem oberen Ende ein, strömt in dem äußeren Rohr abwärts und gelangt von dort in das Innere der konzen trischen Rohre nahe dessem unteren Ende, um von dort um einen Kühlkörper aufwärts zu strömen und danach wieder als gereinig tes und gekühltes Gas in den Wärmetauscher einzutreten, wo es vom Laser kommendes Gas vorkühlt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes Ausführungs beispiel einer Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungs beispiel einer Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas.

Die Vorrichtung gemäß 1 weist einen Behälter 10 für ein Kühl medium, wie insbesondere flüssigen Stickstoff 12 auf. Die glatte, zylinderförmige Wandung des Behälters 10 ist aus relativ schlecht wärmeleitendem Material, wie z. B. Stahl.

Der Boden 14 des Behälters 10 hingegen ist aus relativ gut wärmeleitendem Material, wie z. B. Kupfer und mit der Behälter- Seitenwand gasdicht verbunden, z. B. durch Lötung oder Schweis sung.

Über dem Boden 14 des Behälters 10 liegt eine Isolationsplatte 16, die entsprechend der Art des zu reinigenden Gases und der erforderlichen Ausfriertemperatur vom Benutzer wahlweise ver wendet wird. Es können Isolationsplatten 16 unterschiedlicher Dicke und ggf. mit unterschiedlicher Perforierung vorgesehen werden, um bei höheren Ausfriertemperaturen den Wärmeübergang zwischen dem flüssigen Stickstoff 12 zum Boden 14 zu ver schlechtern und somit den Verbrauch an flüssigem Stickstoff zu senken.

Eine Platte 18 ist mittels Schrauben 20, 20′ am Boden 14 des Behälters 10 befestigt.

Zwischen der Platte 18 und dem Boden 14 ist ein flächiger Heizkörper 22 angeordnet, der durch elektrischen Stromfluß wahlweise erhitzbar ist, um die Vorrichtung mittels einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) von beim Reinigen an den Ober flächen kondensierten Stoffen befreien zu können. Der Heiz körper 22 kann auch dazu verwendet werden, die Temperatur des gereinigten Lasergases einzustellen oder zu regeln.

Zwischen einer Zwischenplatte 24 und dem Boden 14 des Behälters 10 ist eine Leitung 26 aus gut wärmeleitendem Material, wie Kupfer, spiralförmig eng gewickelt und vorgeformt. Durch die Leitung 26 strömt das zu reinigende Gas, welches ggf. zuvor in einem Wärmetauscher vorgekühlt worden ist. Die Ein- und Aus gänge der Leitung 26 sind in Fig. 1 nicht gezeigt.

Mittels eines Temperatur-Meßfühlers 28 wird die Temperatur an der Kontaktstelle zwischen der Unterseite des Bodens 14 und der Leitung 26 gemessen. Zwischen den einzelnen Windungen der spiralförmig gewickelten Leitung 26 ist ein Rückstromrohr 30. Statt einer spiralförmigen Konfiguration kann auch eine Mäan derform für die Leitung 26 vorgesehen werden. Beide Formge bungen erzeugen im strömenden Gas in den gekrümmten Kurven stücken Zentrifugalkräfte, welche das Ausfrieren von Verun reinigungen erleichtern.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 findet bevorzugt bei Betrieb mit flüssigem Stickstoff Verwendung. Es weist bei hohem Wirkungsgrad bezüglich der Reinigung eine nur geringe Bauhöhe auf. Die Kühlwirkung ist unabhängig vom Niveau des flüssigen Stickstoffs im Behälter 10.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bildet somit insgesamt eine sogenannte "Kühlfalle". Bevorzugt wird die Kühlfalle mit einem Wärmetauscher zusammengeschaltet. Ein solcher Wärmetauscher wird weiter unten anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas, die sowohl eine Kühlfalle als auch einen Wärmetauscher aufweist. Die Vorrichtung findet bevorzugt Anwendung bei Verwendung eines Kryostaten.

In einer Isolationskammer 40 sind die gezeigten Bauteile weitestgehend wärmeisoliert angeordnet. Hierzu ist die Iso lationskammer 40 entweder evakuiert oder mit einem Tieftempe ratur-Isolationsmaterial gefüllt.

Vom Laser (nicht gezeigt) kommendes Gas trifft in Richtung des Pfeiles 42 in die Vorrichtung ein und verläßt die Vorrichtung in Richtung des Pfeiles 44 zum Laser.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 kann grob unterteilt werden in einen Wärmetauscher und in eine Kühlfalle. Der Wärmetauscher besteht aus konzentrischen, wendelförmig angeordneten Rohren 46, 48. Die wendelförmigen Rohre 46, 48 des Wärmetauschers umfangen die Kühlfalle, bestehend im wesentlichen aus den schraffierten Bauteilen 52, 54 und 56.

Ein Kaltkopf 50 eines herkömmlichen Kryostaten ist in gutem Wärmekontakt mit einem Kühlkörper 52 verbunden, der als Kühl quelle für die Kühlfalle dient.

Weiterhin weist die Kühlfalle ein mit dem zentrischen Kühl körper 52 konzentrisches inneres Rohr 54 auf, das außenseitig mit wendelförmigen Rippen 58 versehen ist. Die wendelförmigen Rippen 58 erstrecken sich zwischen dem Außenmantel des inneren Rohres 54 und einem äußeren Rohr 56 der Kühlfalle, so daß zwischen den Rohren und den Rippen ein Strömungsweg für das Gas gebildet ist. In Fig. 2 sind nur die oberen und unteren Rippen gezeichnet.

Am unteren Ende des inneren Rohres 54 befindet sich ein Durch laß 60, der zu einem Strömungsweg 62 zwischen dem Kühlkörper 52 und dem inneren Rohr 54 führt. Dieser Strömungsweg 62 ist wendelförmig ausgebildet, wobei in Fig. 2 jeweils nur die unteren und oberen Wendelabschnitte gezeichnet sind.

Am vertikal oberen Ende der Kühlfalle sind ein innerer Deckel 64 zum Abschließen des Innenraumes des inneren Rohres 54 und ein äußerer Deckel 66 zum Abschließen des Zwischenraumes zwischen dem inneren Rohr 54 und dem äußeren Rohr 56 vorge sehen.

Der Strömungsweg des Gases ist wie folgt:

In Richtung des Pfeiles 42 tritt warmes, vom Laser kommendes Gas, welches gereinigt werden soll, in die Vorrichtung ein und strömt im inneren Rohr 48 nach oben und dann in Richtung des Pfeiles P₂ in die Kühlfalle. Beim Durchgang durch das Rohr 48 wird das Gas vorgekühlt, wie weiter unten näher beschrieben ist. In Richtung des Pfeiles P₂ tritt das Gas von oben in den zwischen dem inneren Rohr 54 und dem äußeren Rohr 56 durch die wendelförmigen Rippen 58 gebildeten Strömungsweg ein und strömt nach unten durch den Durchlaß 60 und sodann in den Strömungsweg 62 zwischen dem Kühlkörper 52 und dem inneren Rohr 54. Dort strömt das Gas aufwärts und tritt dann in Richtung des Pfeiles P₁ als gereinigtes und gekühltes Gas in das äußere Rohr 46 des aus den konzentrischen Rohren 46 und 48 gebildeten Wärmetau schers. Dort strömt das Gas von oben nach unten, um dann in Richtung des Pfeiles 44 die Vorrichtung zu verlassen. Beim Strömen durch das Rohr 46 kühlt das gereinigte und gekühlte Gas im Gegenstromverfahren das in Richtung des Pfeiles 42 in das innere Rohr 48 eintretende Gas vor.

Der in Fig. 2 gezeigte Wärmetauscher aus den Rohren 46 und 48 kann auch mit einer anderen als der in Fig. 2 gezeigten Kühl falle kombiniert werden, insbesondere einer Kühlfalle gemäß Fig. 1.

10 Behälter
12 fl. Stickstoff
14 Boden (von 10)
16 Isolationsplatte
18 Platte
20 Schraube
22 Heizkörper
24 Zwischenplatte
26 Leitung
28 Temperatur-Meßfühler
30 Rückstromrohr
40 Isolationskammer
42 Pfeil
44 Pfeil
46 äußeres Wärmetauscherrohr
48 inneres Wärmetauscherrohr
50 Kaltkopf
52 Kühlkörper
54 inneres Rohr
56 äußeres Rohr
58 Rippen
60 Durchlaß
62 Strömungsweg
64 innerer Deckel
66 äußerer Deckel

Claims

1. Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas mit einer Kühlfalle und einer das zu reinigende Gas führenden Leitung (26), gekennzeichnet durch einen Behälter (10) für ein Kühlmedium (12), wie flüssigen Stickstoff, unter dessen Boden (14) die spiral- oder mäander förmig ausgeformte Leitung (26) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiral- oder mäanderförmige Leitung (26) zwischen dem Boden (14) des Behälters (10) und einer zum Boden parallelen Platte (18) eingeklemmt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden (14) des Behälters (10) und der Platte (18) eine Heizeinrichtung (22) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsplatte (16) zum Auflegen auf den Boden (14) des Behälters (10) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas mit einer Kühlfalle (52, 54, 56, 58, 60) und einem dieser vorgeschalteten Wärme tauscher (46, 48), in dem das Gas vor Eintritt in die Kühlfalle vorgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (46, 48) die Kühlfalle (52, 54, 56, 58, 60) umfängt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (46, 48) wendelförmig aus Koaxialrohren gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfalle (52, 54, 56, 58, 60) zylinderförmig ist und einen zentralen Kühlkörper (52) aufweist, um den das Gas strömt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfalle (52, 54, 56, 58, 60) zwei konzentrische zylindrische Rohre (54, 56) aufweist, wobei der Kühlkörper (52) im inneren Rohr (54) angeordnet ist und dort einen gekrünmten Strömungsweg (62) für das Gas freiläßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vorgekühltes Gas aus dem Wärmetauscher (46, 48) in das äußere (56) der konzentrischen Rohre (54, 56) nahe dessen oberem Ende eintritt, im äußeren Rohr (56) abwärts strömt, anschließend in das Innere (54) der konzentrischen Rohre (54, 56) nahe dessen unterem Ende eintritt, dort um den Kühlkörper (52) aufwärts strömt und danach in den Wärmetauscher (46, 48) eintritt.

10. Wärmetauscher für eine Vorrichtung zum Reinigen von Lasergas, gekennzeichnet durch zwei koaxiale, wendelförmige Rohre (46, 48), wobei in eines (48) der Rohre (46, 48) warmes Lasergas eintritt, nach Passie ren dieses Rohres (48) in eine Kühlfalle (52, 54, 56, 58, 60) eintritt und nach Passieren der Kühlfalle in das andere (46) der zwei koaxialen Rohre (46, 48) eintritt.