CN100409398C - 受激准分子灯发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种受激准分子灯发光装置，把受激准分子灯的放电起始电压维持恒定值、以及实现放射光通量的时间、位置上的一致性。包括：受激准分子灯，通过利用电介质材料的放电来放射真空紫外光；供电装置，用于给此受激准分子灯提供规定的电力；温度调整装置，用于加热或冷却此受激准分子灯的温度；和控制部，用于检测受激准分子灯的温度同时维持规定的目标温度值，其特征在于，前述供电装置为了大致稳定前述受激准分子灯的放电起始电压，通过前述控制部把前述受激准分子灯的温度自点亮前开始大致恒定的维持高于常温的目标温度。

Description

受激准分子灯发光装置

技术领域

本发明涉及一种受激准分子灯发光装置。特别涉及作为光化学反应用的紫外线光源使用的放电灯，通过利用电介质材料的放电形成受激准分子，利用由此受激准分子放射出的光的受激准分子灯发光装置。

背景技术

与此发明相关的技术有，例如特开平2-7353号，其中记载着放射器，也就是受激准分子灯的有关内容。此放射器在放电容器中填充能够形成受激准分子的放电用气体，通过电介质阻挡层放电(又名为臭氧发生器放电或无声放电。参考电学会发行改定新版《放电手册》平成1年6月再版第7次印刷发行第263页)形成受激准分子，输出由此受激准分子放射出的光。

此受激准分子灯的放电容器为圆筒形状，放电容器的至少一部分兼作电介质势垒放电(电介质阻挡层放电)的电介质，该电介质中的至少一部分对于由受激准分子放射出的真空紫外光(波长为200nm以下的光)具有透光性。进而，在放电容器的外面设有网状电极，作为一个电极。

此受激准分子灯具有以往低压水银放电灯或高压电弧放电灯所没有的种种优点，例如，强烈地放射单一波长的紫外光等。

此外，使用受激准分子灯的发光装置还在例如特开2002-168999号等被公开。

进而，使受激准分子灯点亮的供电装置在例如特开平10-97898号等被公开。

[专利文献1]

特开平2-7353号

[专利文献2]

特开2002-168999号

[专利文献3]

特开平10-97898号

图3中示出受激准分子灯的简要结构。受激准分子灯1(以下简称为‘灯’)内有夹住放电等离子空间2，在电极3和电极4之间兼作电介质材料的放电容器5。当要点亮灯1时，由供电装置6向电极3和电极4施加，例如，10kHZ～200kHZ、2kV～10kV的高频交流电压。但是，不同于普通的放电灯，因在电极3、4间有电介质材料，所以电流不会直接从电极流向放电等离子空间，而是作为电介质材料的放电容器5起着电容器的作用。

图4为把受激准分子灯表示成模拟负荷的图。放电等离子空间2和电介质材料(石英玻璃)变成串联连接各个电容器，进而，在与放电等离子空间2所对应的电容器变成并联连接着稳压二极管的结构。

根据这样的结构，直到稳压二极管导通之前，放电等离子空间2的电容容量起着控制的作用，对这个电容进行充电。而后，当充电达到放电起始电压时，稳压二极管便会导通而有电流流过。此时流过的电流会被两个等效于电介质材料的电容所抑制，所以会被控制为受激准分子灯状态，不让其转换到电弧放电的状态。

这样当达到放电起始电压时受激准分子灯便开始点亮，但此放电起始电压大致根据放电等离子空间的压力(P)和放电距离(L)所决定。在此，放电距离(L)和放电空间的体积等在灯点亮过程中不发生变化而基本为一定值并能估算其值，因此可以得知上述放电起始电压受基于放电等离子空间2的温度变化的压力(P)的变动的影响很大。

就是说，当放电等离子空间2的温度高时，空间内的分子量也会增多，容器内部压力也会增大，其结果，放电起始电压会变高。

在通常的使用当中，放电等离子空间从点亮前的常温状态到点亮时间的过程中伴有温度的上升，所以上述的放电起始电压也随之变化。为此，在以往，对供电装置做了过量设计，以便能应对预想得到的高放电起始电压。

进而，受激准分子灯虽由石英玻璃等电介质材料所构成，已知这种电介质材料若存在畸变时紫外线的透射率就会降低。就是说，由于电介质材料存在畸变，会有不能输出所期望的紫外线光通量，或发生局部减少放射光通量等位置上不均衡的问题。

发明内容

本发明将要解决的问题是，恒定地维持受激准分子灯的放电起始电压、以及实现放射光通量的时间、位置上的均匀化。

为解决上述问题，本发明的受激准分子灯发光装置包括：受激准分子灯，通过利用电介质材料的放电而放射紫外光；供电装置，给此受激准分子灯提供规定的电力；温度调整装置，用于加热和冷却此受激准分子灯的温度；和控制部，用于检测受激准分子灯的温度同时也维持规定的目标温度值，其特征在于，为了使前述受激准分子灯的放电起始电压大致稳定，前述供电装置通过前述控制部从点亮前起将前述受激准分子灯的温度大致恒定地维持在高于常温的目标温度。

根据这种结构，受激准分子灯从点亮前就能设定高于常温的目标温度，并且从点亮初期就能用恒定的放电起始电压进行启动。

此外，对于稳态点亮阶段，可通过加热装置和冷却装置恒定地维持受激准分子灯的温度，所以以与目标温度所对应的放电起始电压为对象进行电路设计，也就能够防止供电装置的过量设计。

在此，维持高于常温的理由为，若放电等离子空间的温度过低，存在于放电等离子空间内的热电子就会丧失其运动功能，结果导致不能进行有效的放电的缘故。此外，也是因为通过对受激准分子灯的加温可以减少构成放电容器的石英玻璃中存在的畸变的缘故。

对于此目标温度，受激准分子灯的温度是指发光管外表面的温度，设定在80℃～200℃的范围内，更好在100℃～160℃的范围内。

这是由于放电空间的温度作为实际问题有测量上的困难，所以规定以发光管材料例如石英玻璃的外表面温度来代替的缘故。

并且，此温度范围考虑了热电子起作用的温度和放电空间内温度上升的程度，也是本发明者们经过认真的调查研究后得出的最有现实意义的温度范围。

此外，上述目标温度的特征为恒定地维持在±20℃范围内。这是规定的所需控制的温度的允许幅度，也是本发明者们认真地进行调查研究后得出的数值范围。

此外，控制部的特征为随着受激准分子灯的经时劣化使上述目标温度跟着变化。受激准分子灯通过放电容器(电介质材料的厚度)、电极的腐蚀、封入放电容器中的气体的泄漏等发生经时劣化，以此为依据，可调整设定温度，使放电起始电压不会随着经时劣化而发生变化。

附图说明

图1为本发明所涉及的受激准分子灯发光装置的整体图。

图2为本发明涉及的受激准分子灯示图。

图3为用于对受激准分子灯进行一般说明的图。

图4为用于对受激准分子灯进行一般说明的图。

图5是表示本发明中受激准分子灯发光装置的控制系统的框图。

具体实施方式

图1表示本发明的受激准分子灯发光装置。照明装置10的内部配有受激准分子灯1。照明装置10由光输出面11和主体机箱12以及金属块13构成。光输出面11可使自受激准分子灯放射出的真空紫外光透过，它由例如合成石英玻璃构成。主体机箱12由例如不锈钢构成，在它一个侧壁上形成气体导入口12a，在另一个侧壁上则形成气体排出口12b。由此气体导入口12a导入氮气等惰性气体，而从排出口12b排出残存的氧气和惰性气体。

照明装置10的外部有给受激准分子灯1提供电力的供电装置20，每个受激准分子灯1通过电线等电连接。此外，在照明装置10的内部配备有后述的受激准分子灯的温度调整装置30、受激准分子灯的温度传感器及光传感器等，而在照明装置10的外部配有控制部，用于发送和接收这些温度控制装置和各传感器的信号。再者，供电装置20及控制部40的配置不限于照明装置10的外部，也可以配在照明装置10的内部，并且，供电装置20和控制部40也可以由物理性质相同的物体如一个机箱之类组成。

金属块13的内表面形成有沟槽部(凹槽部)14。各沟槽部14的大小可恰好嵌入受激准分子灯1的一半(半圆)或一半以下的部分，与受激准分子灯1相同，伸向垂直于纸面方向而形成。此外，金属块13中自各个受激准分子灯1通过通孔装入光传感器。此光传感器15可检测来自受激准分子灯1的放射光，通孔是例如直径为10mm、长为20mm左右的孔。受激准分子灯1与沟槽部14之间，配有反射镜16。反射镜16的表面由光亮的铝组成，对紫外光、特别是真空紫外光具有高反射率。

照明装置10中有温度调整装置3，它由加热装置31和冷却装置32构成。

加热装置31即为贴在反射镜16外表面的加热丝，根据此加热装置31可将受激准分子灯1的外表面加温到80℃～200℃的范围内，更好为100℃～160℃的范围内。并且，后面将要讲到，不仅在受激准分子灯1的点亮后，从点亮前便可以设定目标温度。

上述加热装置31不限于贴在反射镜外表面的加热丝，而可以采用能加热受激准分子灯1的一切装置。例如，可以采用在金属块13中插入红外线灯的结构、使温水在同样的金属块13中流动的结构、或是泊耳帖元件、气冷式散热器、利用气化热的冷却、使用氨气的吸收式等结构。

冷却装置32即为金属块13中所设的水冷管，通过冷却水在水冷管中进行循环来冷却金属块13，再通过金属块13的冷却来冷却受激准分子灯1。

此冷却装置32与上述加热装置31一起工作，从而能将受激准分子灯1的温度维持并控制成恒定的目标值。

再者，对于冷却装置32，不限于使液体在金属块13中流过的装置，而能够冷却受激准分子灯1的一切装置都可适用，例如，除了把冷却水一类的液体当作媒质的方法以外，还可以采用NH₃和HFC-134a(代替氟里昂)等气体为媒质的方法、散热片和干冰等固体为媒质的方法。此外，对于冷却装置的位置，除了设在金属块13以外，也可以是流过受激准分子灯1内侧管之中的结构以及流过照明装置10内的空间的结构。

每个受激准分子灯1的周围都各自配有用于检测受激准分子灯1的温度的温度传感器17。这个温度传感器17可以检测受激准分子灯1的发光管外表面的温度，例如，正温系数热敏电阻(P型半导体)、测温电阻器、热电偶、半导体温度传感器、纯电阻、红外线温度传感器都适合。

再者，温度传感器17并不限于上述正温系数热敏电阻(P型半导体)之类，而可以采用所有能准确地检测受激准分子灯1的表面温度的方法，例如，热辐射法、可以测量因温度而产生的玻璃畸变的畸变-温度换算法、压力式(根据所封入的气体、液体的膨胀率进行温度换算)等间接的方法。再者，温度传感器17原本是用于检测放电空间内的温度的，但上述温度传感器17可检测放电容器的外表面温度并根据预先求出的换算值来测定放电空间内部的温度。进而，认为温度传感器17并非为检测发光管外表面温度的装置，而是检测发光空间的温度的装置的想法也是无庸置疑的。

温度传感器17生成的检测信号被发送到控制部40，与所设定的目标温度进行比较。并且，控制部40在判定受激准分子灯1的放电空间的温度比目标温度低时，便会发出强化加热装置31或者减弱冷却装置32的信号，来调整加热装置31或冷却装置32；在判定受激准分子灯1的温度比目标温度高时，便会发出减弱加热装置31或强化冷却装置32的信号，来调整加热装置31或冷却装置32。

就这样，控制部40可根据来自温度传感器1的检测信号和温度调整装置30的驱动，进行反馈式控制，致使受激准分子灯1的放电空间的温度接近于目标值。

本发明的特征在于，在点亮受激准分子灯1之前，把受激准分子灯1的温度设定成高于常温的规定的目标温度，而供电装置20时常从控制部40取得与受激准分子灯1的温度状态相关的信息。

接着，例如，接通受激准分子灯发光装置的主电源时，在点亮受激准分子灯1前，先起动控制部40和温度调整装置30，把受激准分子灯1设定至目标值。

并且，控制部40如果确认受激准分子灯1的温度已达到前述的目标温度，就会给供电装置20发送点亮可能信号，供电装置20收到来自控制部40的信号后，立即对受激准分子灯1开始执行供电功能。

再者，不管处于接通受激准分子灯发光装置的主电源的状态，还是处于关掉受激准分子灯1的状态，根据控制部40的温度调整装置30进行工作也可以，而停止工作也可以。

总之，当点亮受激准分子灯1时，只有在供电装置20收到来自控制部40的表示允许点亮的信号时，才可给受激准分子灯1供电使其发光。

本发明具有包括从受激准分子灯点亮前开始使受激准分子灯升温到高于常温的温度、并维持这个温度的良好的优点，这些都是在以往的受激准分子发光装置中所没有的。

即，通过使受激准分子灯的温度从受激准分子灯的点亮前开始升温到高于常温的温度，具有了消灭或减少构成放电容器的石英玻璃中含有的畸变的效果。这种畸变阻碍紫外线的通过，若能以使石英玻璃本身升温的方法来抵消，紫外线的透射率也就会提高。

以往的受激准分子灯中也许会有随着点亮而伴有的升温效应，在点亮时间过程中紫外线透射率的上升，但对于本发明，从点亮初期开始便可以以高透射率放射紫外线。并且，自点亮初期开始便可以消减畸变，从而能有效地解除位置上的不均匀现象。

因此，具有提高真空紫外光的透射率、从而提高其输出功率、从点亮初期开始就要放射出很高的紫外线光通量。此外，当畸变有位置上的不均匀时，紫外线的输出也会不均匀，但在本发明中，从点亮初期开始便能放射出在量和位置上都没有不均匀的紫外线。

进而，本发明的特征在于，可以把放电容器的加温维持一个恒定的温度。由于这样能使放电起始电压维持恒定值，所以根据此温度设计供电装置，就可以防止对应过高放电起始电压的过量设计，从而实现供电装置的小型化。

在光输出面11的外侧，近数mm左右的地方配有处理物、例如，半导体晶片液晶基片等。此外，应由受激准分子灯1放射出的真空紫外光(波长小于200nm)透过光输出面11，通过照射处理物来进行表面改质等处理，但在本发明中，通过紫外线对存在于光输出面11和处理物间的氧的照射，产生臭氧及活性氧，再根据这些综合作用，可以进行基片表面的清洁处理。

图2为受激准分子灯1的简要结构。(a)表示整体的剖视图，(b)表示(a)的A-A剖视图。

受激准分子灯1的整体形状为圆筒形，材料由通过电介质阻挡层放电发挥电介质功能的同时还能使紫外光透过的合成石英玻璃构成。放电灯1的外侧管51和内侧管52是同轴配置，所以在构成了双重圆筒管的同时，由两端的封闭处在外侧管51和外侧管52之间形成了放电空间2。放电空间2中封入通过电介质阻挡层放电来形成受激准分子的同时，由此受激准分子放射真空紫外光的放电用气体，例如氙气。若举个数据的例子，即是放电灯1的全长为800mm、外径为27mm、内侧管52的外径为16mm、外侧管51和内侧管52的壁厚为1mm、并以400W点亮。外侧管51的外表面设有网状电极3，内侧管52的内部设有另一个电极即内侧电极4。网状电极3的构成很紧密，整体上具有伸缩性，可以使外侧管51有良好的密闭性。内侧电极52设计成为管状、或截面上有一部分为缺口的大致如C字状，并紧贴于内侧管52。放电空间2中根据需要配有吸气器。在网状电极3、内侧电极4之间连接有未图示的交流电源，由此在放电空间2形成受激准分子，发出紫外光。把氙气作为放电用气体来使用时，会放射出波长为172nm的光。

受激准分子灯1并不限于这种形式，若是通过石英玻璃等电介质材料放电时，也可以采用其它形式。尤其是，并非如图2所示的二重管形状而是图1所示的单管形状、此外，某一个电极配置于放电容器中，从而接触放电气体等形式都可以。

图5表示用于控制受激准分子灯的温度的框图。

受激准分子灯1的温度如图中S1所示的那样用温度传感器17测量。来自温度传感器21的信号S2被发送到控制部40的温度控制电路41。在温度控制电路41中，通过比较规定的目标温度T1和已测量的温度T0，把驱动前述的加热、冷却的信号S3发送到温度调整装置30。温度调整装置30如上所述那样通过加热装置31、冷却装置31把受激准分子灯1的温度控制到目标温度T1。以上所述的表示通常的反馈控制。

通过供电装置20中的供电电路21提供电力使受激准分子灯1点亮。接着，如前所述，从控制部40的温度控制电路41发送关于受激准分子灯的温度状态的信息S4。

供电装置20中连接了检测供电电路21的特性检测电路22。这便是检测受激准分子灯1的电特性的装置，例如，检测灯的点亮电压值和点亮电流值，检测电压相位和电流相位的相位差。受激准分子灯的特性若没有经时劣化时，此相位差会大致成为一恒定值，但因有由如上所述的放电容器(电介质材料的厚度)、电极的被腐蚀、放电容器内封入气体的泄漏造成的经时劣化，所以也会有变化。

此外，特性检测电路22通过受激准分子灯的电特性的变化来检测经时劣化。再者，此时的受激准分子灯的电特性代表着宏观特性，而不被一时的电压变动或电流变动所影响。

特性检测电路22把受激准分子灯1的劣化信号S5发送到控制部40的目标值运算电路42。此目标值运算电路42接收受激准分子灯1的劣化信息，调整前述目标温度，使得能设定即使有劣化的情况下也能稳定放电起始电压的温度。

另外，目标温度的变更信息也发送到存储器43，所以即使断开受激准分子灯发光装置的主电源时、也能维持下次、作为上升时的初期设定的变更后的目标温度。

再者，特性检测电路22检测受激准分子灯的电特性的方式并非局限于检测灯的电压相位和电流相位的相位差的方法，可以采用能够检测放电起始电压变化的一切方法与结构，例如，也有检测开始放电时的电压值的上升状态的方法等。

此外，有关上述受激准分子灯电特性的数据，用控制部40的存储器43进行存储，而成为受激准分子灯的劣化沿革来保留。并且，由存储数据可以预测出变化和受激准分子灯的寿命。

如上所述，本发明的受激准分子灯发光装置，通过温度传感器的温度检测和温度控制电路的控制一般能控制成恒定的目标温度。并且，可以通过受激准分子灯的温度检测的同时以特性检测电路检测电特性，来检测广义上的灯的劣化，从而具有根据此劣化来调整温度控制的目标温度的功能。

如上所述，本发明中的受激准分子灯发光装置具有如下特征。第一，通过把受激准分子灯的点亮前的温度升温到高于常温的温度，消除或减少构成放电容器的石英玻璃中所含的畸变的效果。第二，通过把放电容器的加温温度维持一恒定值，可以稳定放电起始电压，并根据此，设计适合当前温度的供电装置，以便可以防止应对过高的放电起始电压的过量设计，来实现供电装置的小型化。

Claims (7)

1. 一种受激准分子灯发光装置，由以下各部件构成：受激准分子灯，通过利用电介质材料的放电来放射紫外光；供电装置，向受激准分子灯供给规定的电力；温度调整装置，用于加热和冷却受激准分子灯的放电空间的温度；和控制部，用于检测受激准分子灯的放电空间的温度，并且维持规定的目标温度，其特征在于，

所述供电装置通过所述控制部自点亮之前把所述受激准分子灯的放电空间的温度大致恒定地维持在高于常温的温度。

2. 如权利要求1所述的受激准分子灯发光装置，其特征在于，所述受激准分子灯的放电空间的温度代替为发光管外表面的温度，维持在80℃～200℃范围之内。

3. 如权利要求2所述的受激准分子灯发光装置，其特征在于，所述受激准分子灯的放电空间的温度代替为发光管外表面的温度，维持在100℃～160℃范围之内。

4. 如权利要求1所述的受激准分子灯发光装置，其特征在于，所述受激准分子灯的放电空间的温度恒定地维持在±20℃范围之内。

5. 如权利要求1所述的受激准分子灯发光装置，其特征在于，所述温度调整装置包括在受激准分子灯的外表面上配置的加热丝。

6. 如权利要求1所述的受激准分子灯发光装置，其特征在于，所述温度调整装置包括流经保持受激准分子灯的金属块之中的冷却水。

7. 如权利要求1所述的受激准分子发光装置，其特征在于，所述控制部可以使所述目标温度伴随着所述受激准分子的经时劣化而变化。

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