[发明专利]高强度电磁辐射装置与方法

说明书

本发明为2004年02月12日递交的国际申请号为PCT/CA2004/000202（国家申请号为200480041592.6）、发明名称为“高强度电磁辐射装置与方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及辐照，尤其涉及用于产生电磁辐射的方法与装置。

背景技术

弧光灯已经用于为多种目的产生电磁辐射。通常，弧光灯包括用于产生连续辐照的连续或直流弧光灯及用于产生辐照闪光的闪光灯。

连续或直流弧光灯已经用于从日光模拟到半导体晶片快速热处理的应用。典型的传统直流弧光灯包括安装在充有诸如氙或氩的惰性气体的石英封套（quartz envelope）中的两个电极，即，阴极和阳极。有一电功率供给用于维持电极之间的连续等离子体弧。在等离子体弧中，等离子体通过粒子碰撞由高电流加热到高温并以对应于在电极之间流动的电流的强度发射电磁辐射。

闪光灯在有些方面类似于连续弧光灯，但在其它方面不同。不是使用恒定的电流产生连续的辐射输出，而是电容器组或其它脉冲电源通过电极突然放电，以便在电极之间产生等离子体弧形式的高能量电放电脉冲。与连续弧光灯一样，等离子体由放电脉冲的大电流加热并发射突然闪光形式的光能，该突然闪光的持续时间对应于电放电脉冲的持续时间。例如，一些闪光的持续时间可以是大约一毫秒，尽管其它持续时间也可以实现。不象典型地在准静态压力和温度条件下工作的连续弧光灯，闪光灯的典型特征在于闪光过程中压力和温度大而突然的变化。

历史上，高功率闪光灯的一种主要应用是激光泵浦。作为一种更近些时候的例子，高功率闪光灯用于通过以大约五兆瓦特的功率辐照晶片表面大约一毫秒的脉冲持续时间来使半导体晶片退火。

传统闪光灯的冷却典型地包括只冷却封套的外表面，而不是内表面。尽管利用周围空气的简单对流冷却对于低功率应用是足够的，但高功率应用常常需要封套的外侧通过强迫通风或其它气体冷却，或者对于更高功率的应用，通过水或其它液体冷却。

这种传统的高功率闪光灯趋向于遭受多种难点和缺点。趋向于限制这种灯的寿命的一个因素是石英封套的机械强度，其厚度典型地是大约1mm，且厚度很少超过2.5mm。在这方面，尽管增加石英封套的厚度增加了其机械强度，但附加的石英材料在封套的冷却的外表面和被等离子体弧加热的封套内表面之间提供了增加的绝缘。因此，管越厚，外部冷却剂就越难从封套的内表面带走热量。因此，越厚封套的内表面被加热到越高的温度，导致封套中越高的热梯度，这趋向于造成热应力破裂，最终导致封套故障。因此，在传统闪光灯中，封套的厚度及由此其机械强度是受限的。这又会限制封套抵抗由于封套中气压显著快速变化造成的机械应力的能力，其中气压的显著快速变化是由于闪光过程中弧温度和直径的快速增加导致的。

传统灯的另一难点涉及石英封套的烧蚀（ablation），主要是由于石英材料从加热的封套内表面的蒸发。这种烧蚀趋向于使弧气体被氧污染。由于大部分商用弧光灯是密封系统而不是再循环的，因此这种污染物在弧气体中的累积趋向于造成灯的辐射输出随时间而下降。闪光灯辐射输出的这种变化对于许多应用可能是不期望的，如强烈需要再现性的半导体退火。这些污染物的累积还趋向于使灯较难启动。

传统闪光灯的另一缺点是由于材料从电极的溅射导致的，所述电极典型地由钨或钨合金制成。在这方面，电子的突然发射和由此产生的弧会从阴极溅射或发射显著量的材料。以较小的程度，突然的电子轰击和弧的热量会造成阳极尖端的部分熔化，还会导致阳极材料的释放。因此，溅射的沉积物趋向于在封套的内表面上累积，由此降低灯的辐射输出，并造成其辐射模式随时间变得越来越不均匀。此外，封套内表面上的这种沉积物趋向于被闪光加热，由此增加封套中的局部热应力，这可能最终导致封套的破裂和故障。材料的这种损失还降低了电极的寿命。

传统闪光灯的另一缺点是弧本身的辐射发射的相对差的再现性。有些传统灯在闪光之间维持电极之间的低电流连续直流放电，称为空闲电流或酝酿电流（simmer current）。传统灯中酝酿电流的目的主要是充分加热阴极，以便开始发射电子，尽管酝酿电流还提供了气体的至少某种预电离，但这减少了溅射并由此增加了灯的寿命。酝酿电流典型地小于一安培，而且在传统闪光灯中通常不能在不造成电极过热和溅射的情况下显著增加。因此，本发明人观察到了传统闪光灯中在从酝酿电流到峰值闪光电流的过渡中发生的弧电流的大变化趋向于以相对不一致的方式发生，从而导致差的闪光再现性特性。

因此，需要改进的闪光灯和方法。

发明内容