Ein kostengünstiger Detektor für energiereiche UV-Strahlung

Legt man an ein Gas unter sehr geringem Druck eine Spannung an, so werden darin Elektronen stark beschleunigt. Wenn diese dann mit Gasteilchen kollidieren, können aus letzteren geladene Ionen oder auch besonders reaktive neutrale Radikale entstehen. „Diese lassen sich zum Beispiel nutzen, um von Oberflächen Material abzutragen und so etwa auf Mikrochips miniatu­ri­sierte Schaltkreise zu erzeugen“, erklärt Roland Friedl von der Uni Augsburg.

Doch in derartigen Niederdruck-Plasmen entsteht auch besonders energie­reiche ultra­violette Strahlung, die als 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. „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.“

Friedl und seine Kollegen haben jetzt ein handliches und preiswertes Gerät entwickelt, das diese Nachteile nicht hat. Es besteht aus einem Sensor, der für UV-Licht empfindlich ist, einer 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 Caecilia Fröhler-Bachus von der Uni Augsburg.

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. „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.

U. Augsburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
• R. Friedl, C. Fröhler-Bachus & U. Fantz: A portable diagnostic system for the quantification of VUV fluxes emitted from low-temperature plasmas, Measurem. Sci. Tech. 34, 055501 (2023); DOI: 10.1088/1361-6501/acab23
• Experimentelle Plasmaphysik, Institut für Physik, Universität Augsburg