Neuer kostengünstiger Detektor für energiereiche UV-Strahlung

Bei der Erzeugung von Niederdruck-Plasmen entsteht unter anderem sehr energiereiche UV-Strahlung. Forschende haben nun ein wesentlich handlicheres und kostengünstigeres System als bisher genutzt entwickelt, um Intensität und Wellenlängenverteilung der UV-Strahlung zu messen.

Niederdruck-Plasmen kennt eigentlich jeder, der schon einmal eine Leuchtstoffröhre in der Hand hatte. Die Lampen enthalten ein Gas unter sehr geringem Druck. Durch Anlegen einer Spannung werden darin Elektronen stark beschleunigt. Wenn sie mit Gasteilchen kollidieren, können aus letzteren geladene Ionen oder auch besonders reaktive neutrale Teilchen entstehen, sogenannte Radikale. „Diese lassen sich zum Beispiel nutzen, um von Oberflächen Material abzutragen und so etwa auf Mikrochips miniaturisierte Schaltkreise zu erzeugen“, erklärt Dr. Roland Friedl von der Arbeitsgruppe Experimentelle Plasmaphysik der Universität Augsburg.

VUV kann Oberflächen angreifen

In Niederdruck-Plasmen entsteht aber auch besonders energiereiche ultraviolette Strahlung, die als VUV (Vakuum-UV) bezeichnet wird. Manchmal ist das erwünscht. So wird VUV-Strahlung zur Desinfektion von Oberflächen medizinischer Implantate eingesetzt. Andererseits kann sie auch ungewollte Effekte auslösen: Sie kann beispielsweise die Oberflächen angreifen, die ihnen ausgesetzt sind, und darin für schädliche chemische Reaktionen sorgen.

„Ziel ist es daher, Schäden durch VUV-Strahlung möglichst gering zu halten und ihre gewollten Effekte zu verstärken“, betont Friedl, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ursel Fantz promoviert hat. „Das lässt sich etwa durch gezielte Veränderung von Druck, Temperatur oder Zusammensetzung des Plasmas erreichen.“ Auf diese Weise ist es oft möglich, Intensität und Wellenlängenverteilung der VUV-Strahlung zu optimieren. Doch dazu muss man beides erst einmal messen. „Das ist aber nicht so trivial, wie es sich anhört“, erklärt Friedl. „Man nutzt dazu oft große und teure Spektrometer, die zudem aufwändig kalibriert werden müssen.“

Gerät vereinfacht die Optimierung von Niederdruck-Plasmen

Die Forschenden haben nun jedoch ein handliches und preiswertes Gerät entwickelt, das diese Nachteile nicht hat. Es besteht aus einem Sensor, der für UV-Licht empfindlich ist, einer sogenannten Photodiode. Beim Messvorgang werden vor diese Diode verschiedene Filter gesetzt, die jeweils nur bestimmte Teile des UV-Spektrums durchlassen. „So können wir feststellen, welche Wellenlängen in der VUV-Strahlung auftreten“, sagt Dr. Caecilia Fröhler-Bachus, die das Projekt unter Betreuung von Roland Friedl in ihrer Promotion maßgeblich vorangetrieben hat. Das Team wollte aber auch wissen, wie intensiv die VUV-Strahlung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen war. „Dazu haben wir unseren Detektor an einem handelsüblichen VUV-Spektrometer kalibriert, das seinerseits zuvor aufwändig kalibriert wurde“, erklärt Fröhler-Bachus. Dadurch lässt sich mit dem neuen Gerät die VUV-Strahlung über einen breiten Bereich des Spektrums genau quantifizieren – mit kleinen und kostengünstigen Detektoren konnte man das bislang nicht.

Die Neuentwicklung lässt sich zum Beispiel nutzen, um die verschiedenen Parameter bei der Erzeugung des Plasmas so zu optimieren, dass die entstehende VUV-Strahlung möglichst wenig Schaden anrichtet, ohne die anderen prozessfördernden Eigenschaften des Plasmas zu verlieren. Finanziert wurde das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). „Wir haben darin zudem die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens ausgiebig analysiert“, sagt Friedl. Der Detektor funktioniert so gut, dass er bereits von verschiedenen Forschungslaboratorien in Deutschland genutzt wird – ein Erfolg, auf den die Augsburger Arbeitsgruppe spürbar stolz ist.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Roland Friedl
AG Experimentelle Plasmaphysik (EPP)
Universität Augsburg
Tel.: +49 (821) 598-3323
E-Mail: roland.friedl@physik.uni-augsburg.de

Originalpublikation:

A portable diagnostic system for the quantification of VUV fluxes emitted from low-temperature plasmas, R. Friedl et al 2023 Meas. Sci. Technol. 34 055501; DOI 10.1088/1361-6501/acab23

https://www.uni-augsburg.de/de/