Brevet FR2133567A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne un dispositif d'6cairement par impulsions permettant d'obtenir une haute reproductibilité de la lumière émise et de prolonger la durée de vie de la lampe à impulsions utilisée. On connatt des dispositifs d'éclairement destinés à fonctionner par impulsions et dans lesquels l'énergie électrique accumulée dans un condensateur est transformée en rayonnement pendant de courtes durées dans une lampe à décharge dans un ga De telles lampes à décharge dans un gaz fonctionnent à une faible pression du gaz à froid et avec une forte distance entre les électrodes et développent une pression d'inflammation relativement élevée, l'ensemble du volume de gaz étant presque rempli par la décharge. la paroi de l'enceinte de décharge limite le fluide rayonnant ; ces lampes sont par conséquent dites à stabilisation par paroi.Il existe en outre des lampes à décharge dans un gaz qui, dites stabilisées par électrodes, sont caractérisées par une courte distance entre les électrodes et dans lesquelles la décharge brille sous la forme d'un ellipsoïde entre les électrodes et ne remplit qu'une faible partie du volume de la lampe. La pression du gaz déjà élevée à l'état froid ne s'accroît que très peu pendant la décharge. Il est en outre connu que l'évolution de la décharge dans le temps, la durée des impulsions et l'intensité maximale du courant peuvent être influencées dans de larges limites par un choix approprié de la capacité de décharge et en disposant des inductances en amont de la lampe. Dans le cas de lampes à impulsions pour le pompage optique de lasers on a également souvent utilisé des circuits de décharge composés d'inductances et de capacités réparties, c'est-à-dire des circuits appelés réseaux à retard, dans lesquels il s'établit pendant uné certaine durée de temps un état stationnaire et des charges maximales élevées sont évitées. ainsi l'énergie des impulsions peut être accrue tout en ménageant en même temps la lampe. Dans de nombreuses applications techniques nouvelles on demande aux installations d'éclairement par impulsions avant tout une reproductibilité exacte de la quantité de lumière de décharge en décharge. Dans des lampes à impulsions stabilisées par paroi il se déroule après l'allumage des processus compliqués de formation du canal de décharge. Au cours de la décharge le canal véhiculant le courant s'étend plus ou moins complètement sur l'ensemble de la section transversale du tube, la pression s'élève de plusieurs ordres de grandeur et le gaz froid s'écoule dans les espaces morts derrière les électrodes. Le déroulement de ces processus dépend des conditions spéciales de l'enceinte de décharge et peut Btre caractérisé par des instabilités considérables qui nuisent fortement à la reproductibilité de la lumière émise.Contrairement aux lampes stabilisées par électrodes ne présentent certes de telles instabilités que dans une plus faible mesure mais, pour d'autres raisons, ces lampes ne se prêtent que sous certaines réserves à de nombreuses applications techniques. Etant donné que l'allumage de la décharge se produit sensiblement à la pression d'inflammation, la distance entre les électrodes doit entre maintenue très faible ou la pression doit être relativement basse afin d'éviter des tensions de service supérieures à un niveau commode. De courtes distances entre électrodes conduisent à de fai bles impédances de décharge et par conséquent à des difficultés d'adaptation pour le circuit de décharge.Une pression basse provoque une élévation importante de la température du gaz de décharge, un déplacement du rayonnement émis vers le domaine de l'ultraviolet et enfin un faible rendement lumineux dans le domaine du spectre visible. La présente invention crée un dispositif d'éclairement par impulsions qui,pour un bon rendement lumineux dans le do maine du spectre visible,présente une haute reproductibilité de la lumière émise de décharge en décharge et odi,par conséquent,se prête à être utilisé comme source lumineuse pour des appareils techniques photolithographiques. La présente invention a pour objet, par des mesures techniques de couplage et par une adaptation de la lampe et du circuit de décharge de supprimer sensiblement les instabilités mentionnées plus haut qui se produisent dans le cas de lampes à impulsions stabilisées par paroi, et de rendre ainsi ces lampes à impulsions présentant un rendement lumineux élevé applicables à des processus d'éclairement techniques de haute précision. Il s'est avéré que les causes des instabilités résident dans les processus de réallumage multiples se produisant en cas de décharges oscillantes et dans le remplissage incomplet du canal lors de la phase approximativement stationnaire de l'impulsion et en particulier dans les phases de formation et d'extinction de l'impulsion. Ces causes sont éliminées suivant la présente invention en prévoyant en tant que circuit de décharge un réseau à retard de dimension appropriée. Le fait d'adapter la résistance caractéristique du réseau à retard à l'impédance de décharge de la lampe, en montant éventuellement encore une résistance supplémentaire en série, permet d'éviter le phénomène d'oscillation entretenu et de réallumage.Les instabilités des phases de formation et d'extinction se trouvent repoussées du fait que le réseau à retard est composé de plusieurs organes qui sont cependant au moins au nombre de quatre. Le passage de l'allumage à des intensités de courant élevées et l'extinction se produisent alors très rapidement et les instabilités qui en résultent ne peuvent guère produire d'effet sur la quantité totale de lumière de l'impulsion. En outre, il faut lors de la partie stationnaire de ltimpulsion de décharge assurer dans le tube de décharge une densité de courant minimale de façon que la décharge remplisse le tube de manière homogène et ne donne pas lieu à des instabilités dues à des mouvements aléatoires de l'arc. Il s'est avéré que cette densité minimale de courant est assurée lorsque l'inégalité suivante est remplie pour la tension de charge UO, la résistance caractéristique Z du réseau à retard, la section transversale P du tube de la lampe à décharge et la pression de remplissage pO U o ~~~~~~~~ . 2 F.Z Pour une lampe remplie de xénon la constante k s'est avé rée être approximativement 8 ~~~~~~~~~~ h , lorsque la rapport du cm torr volume mort derrière les électrodes au volume de décharge actif est de I : 10 environ. Lorsque le volume mort décroft, la constante k décroît également dans une certaine mesure. Ce dispositif d'éclairement par impulsions suivant l'invention permet cependant non seulement d'obtenir une haute reproductibilité de la lumière émise mais encore de quadrupler environ la durée de vie de la lampe à impulsions stabilisée par paroi. La présente invention est expliquée plus en détail cidessous à l'aide d'un exemple de réalisation. Le dessin annexé montre le couplage du dispositif d'éclairement par impulsions. Le dispositif d'éclairement par impulsions est constitué par une lampe à impulsions 1 stabilisée par paroi et qui, remplie de xénon sous une pression de 500 torr, présente un diamètre interne de 5 mm et une distance entre électrodes de 30 mm, ainsi que par un circuit de décharge correspondant réalisé sous la forme d '-an réseau à retard composé de cinq inductances 2 présentant une valeur L=3iH et cinq capacités 3 présentant une valeur OwsjlF. Par l'intermédiaire d'une résistance 4 les condensateurs sont chargés jusqu'à obtention d'une tension U0 1 1000 V. La lampe est allumée de manière connue, son impédance prenant la valeur de 0,3 ohm. Lorsqu'on choisit pour la résistance d'adaptation 5 la valeur de 0,3 ohm, la résistance de décharge est égale à la résistance caractéristique du réseau à retard et il s'établit pendant une durée d'impulsion D=50 vU8 un courant de 830 A. La durée de montée est courte par rapport à la durée de l'impulsion et la densité de courant de 4,2 kA/cm2 ainsi obtenue conduit à un remplissage homogène du tube de décharge. Les variations de quantité lumineuse de décharge en décharge attribuables à la formation du canal et à des mouvements de la colonne de décharge dans le tube deviennent minimales et sont dans l'exemple décrit inférieures à + 1,5 %. R E V E N D i C k T i 0 N Dispositif d'éclairement par impulsions présentant une haute reproductibilité de la lumière émise et constitué par une lampe à impulsions 1 stabilisée par paroi et un circuit de décharge assemblé sous forme de réseau à retard à partir de plusieurs inductances 2, capacités 3 et résistances 4 ; 5, caractérisé en ce que la résistance caractéristique z=i L/C du circuit de décharge est adaptée à la résistance de décharge de la lampe à impulsions 1, en ce que le nombre des organes constitutifs du réseau à retard est au moins de quatre et en ce que, par fixation appropriée de la tension de fonctionnement UO, la condition UO -' k.p 2 F.Z o est remplie.