JP2005216647A - 高放射輝度閃光放電ランプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 放電容器内1に一対の電極4、5を備え、陰極4が設けられた部分Bの放電容器の内径より小さい小径部Aを、電極4、5間の放電容器1に形成し、該小径部Aの封入ガスと接する面を耐熱性の材料8で構成し、キセノンガス単独、或いはキセノンガスを主成分とする混合ガスを室温で1.3×103〜1.6×105Paの圧力で封入し、電流半値幅が150μs〜2msで、該小径部での電流密度が2110A/cm2以上で点灯する、ことを特徴とする高放射輝度閃光放電ランプである。
【選択図】 図1
Description
しかしながら、光化学的機構による殺菌効果を高くするためには、放射が波長200〜300nmの遠紫外領域に高い放射強度を有することが必要である。そのため、殺菌に用いる閃光放電ランプにおいては、例えばプリンターにおけるトナーの定着などに用いられる通常の光加熱用の閃光放電ランプに比べて、閃光パルス幅を小さくすると共に、電流密度を大きくしなければならないとされている。
このような感光性硬化樹脂の硬化処理のために、近紫外領域および可視領域に高い放射強度の放射を得ようとする場合にも、電流密度を大きくする必要がある。
この閃光放電ランプは、こうした殺菌、樹脂の硬化以外にも、さまざまな分野において使用される。
しかしながら、放電容器の早期劣化、破壊などが生じない、電流密度が高い閃光放電ランプを如何にして提供することができるか、そのランプの最適な構造については従来から充分な検討がなされていなかった。
電極については、小さな電極とすると電極の温度が上がりすぎ電極の損耗が激しくなるので、電極およびそれを取り巻く放電容器はある程度の大きさを確保するようにした。
電極間の放電容器に小径部を形成し、電流密度を高めること、および電極およびそれを取り巻く放電容器はある程度の大きさを確保することは、ガスがクリプトンの場合でもキセノンの場合と同様に要求されることがらであるので、放電容器は中央が細い内径を持ち、両端部、特に陰極側はそれよりも太い内径を持つ、形状が適している。
キセノンガスとクリプトンガスとは共に希ガスであり、放電時に放射される発光分布の形状が似ていることから、クリプトンガスを封入した閃光放電ランプで高い放射強度の放射を得るために必要な電流密度の下限値を、キセノンガスを封入した閃光放電ランプの場合の電流密度2110A/cm2の値から、求めた。具体的には、閃光放電ランプへの投入エネルギーとランプから放散するエネルギーはバランスしているという関係式、電子密度を求めるためのSaha(サハ)の熱電離の式、クリプトンを封入した閃光放電ランプの放射率から温度を逆算する式などを用い、イオン効果の始まる状態の時のキセノンを封入した閃光放電ランプの電流密度の値と、その時のスペクトル分布から、クリプトンを封入した閃光放電ランプにおける電流密度の下限値を求めた。その結果、クリプトンガスを封入した閃光放電ランプにおいては、高い放射輝度の放射を得るためには、小径部での電流密度は2930A/cm2以上必要であることがわかった。
また、キセノンガスの場合と同様の理由から、クリプトンガスの封入圧力は、室温で7×102〜1.3×105Paとされる必要が有る。
さらに、同様に、電流の半値幅は、150μs〜2msとされる必要が有る。
以上のことから、本発明の閃光放電ランプは、該耐熱性の材料はセラミックであり、その中でも、透光性アルミナ、非透光性アルミナ、マグネシア、イットリア、YAGまたは窒化アルミニウムであることを特徴とする。
したがって、本発明の閃光放電ランプは、該一対の電極のうち少なくとも一つの電極が、放電容器の管軸上から外れた所に配置され、放電容器の管軸上に放射取り出し部材が設けられた、ことを特徴とする。
したがって、本発明の閃光放電ランプは、該管軸上から外れた所に配置される電極は陽極であり、放射取り出し部材は該管軸上の放電容器の陽極側に設けられることを特徴とする。
閃光放電ランプ10は以下のように構成されている。
1は放電容器であって、電極4、5間の放電容器1には内径が小さくなった小径部Aに形成され、放電容器1の両端部Bは電極が設けられる部分であり比較的大きな内径に形成されており、この結果この例では放電容器1全体はほぼ鼓(つづみ)状をなしている。放電容器1は一般的には円管が使用されるため、小径部A、パイプ8および両端部Bは、その中心を管軸X−X上に置き、断面は円形である。しかし、断面形状は必ずしも円形に限られない。放電容器1の両端から放電容器1の内方に向かってほぼ管軸X-X上に電極棒2、3が突出して伸び、その各々の先端に形成された陰極4および陽極5が、当該放電容器1内において互いに対向する状態とされている。電極棒2、3と放電容器1は、熱膨張係数が異なっているので、放電容器1の電極棒2、3近傍は熱膨張係数が徐々に変化するように、ガラスを継ぎ足した段継ぎガラスとされている。電極4,5の大きさは高い電流密度による高温が発生してもその熱的負荷によって電極損耗が生じないような大きさに選定されているので、放電容器1の両端部Bは中央の小径部Aより大きな内径となっている。
すなわち、放電容器を構成するパイプ11の内側に、その内径と等しい外径を持つ別のパイプ状の部材8を挿入して固定する。パイプ11の両端には蓋12を設け全体として円筒状の放電容器1を形成する。この場合には、放電部を絞るために内側のパイプ8はやや肉厚にする必要がある。電極4、5の構造は図1と同様である。
これらの放電容器1の内部には、発光用希ガスであるキセノンガスまたはクリプトンガスが単独で、あるいはキセノンガスまたはクリプトンガスを主成分とする混合ガスが、封入されている。キセノンガスを主成分とする混合ガスの場合には、キセノンガスを約8割程度封入し、残りのガスとしてクリプトン、アルゴン、ネオンを混合する。クリプトンガスを主成分とする混合ガスの場合には、クリプトンガスを約8割程度封入し、残りのガスとしてキセノン、アルゴン、ネオンを混合する。
そして、たとえば後述する図6のような点灯回路によって点灯されることで、波長200〜1000nmの領域の放射が、放電容器1の小径部Aの外周方向へ放射される。
大面積や大きな体積のところを照射するには、このような、高電流密度が形成されているランプ小径部の外表面から外周方向へ出てくる放射を利用すると良い。
充電器51から点灯電流制御用インピーダンス52を介して充放電用コンデンサCに充電が行なわれる。閃光放電ランプ10と直列にサイリスタSR、インダクタンス要素L、および充放電用コンデンサCが接続され、サイリスタSRにオンオフ信号をパルス発振器53から送ることで充放電コンデンサCからの放電電流を放電ランプ10に印加する。一方、パルス発振器53からのオン信号とほぼ同時にトリガー回路54からトリガー信号をトリガー電極6に送り、閃光放電ランプ10の放電空間の絶縁破壊を起こさせる。この絶縁破壊によって、充放電コンデンサCからの放電電流がランプに流れ、閃光放電ランプ10に閃光放電が生じる。このような動作により1回の閃光発光が行われ、この動作を必要に応じて繰り返す。閃光放電ランプ10に接続された回路には、充放電用コンデンサCと閃光放電ランプ10の間の配線を取り囲むように、ロゴウスキーコイルL2を設け、出力電圧を測定すれば電流値を求めることができる。(たとえば、社団法人電気学会編、社団法人電気学会発行「電気学会大学講座 プラズマ工学」1997年12月25日第346から347頁「14.1.2磁気プローブ」参照)このようにして、電圧を検出して電流を求め、封入ガスがキセノンであれば、閃光放電ランプ10の小径部の電流密度が2110A/cm2以上となるように、閃光放電ランプへの供給電圧を変化させる。インダクタンス要素Lの容量、コンデンサCの容量などを変化させることによって、電流密度を変更することもできる。なお、電流密度は、(最大電流値)÷(小径部の断面積)と定義される。
放電容器の小径部の内径は3.5mmに、放電容器の両端部の内径は8mmに選定し、キセノンガスを室温で1.3×104Pa放電容器に封入して、電流値を変えて電流密度2110A/cm2、2830A/cm2、3390A/cm2として閃光放電ランプを点灯した。そのときの放射分光分布を図7、8、9に示す。図から分かるように、本願発明の閃光放電ランプは、200から1000nmの領域の放射を良好に放射できた。
1は放電容器であって、放電容器1の中央は内径が小さくなった小径部Aに形成され、放電容器1の両端部Bは電極が入る大きさの比較的大きな内径に形成されている。
この放電容器1の管軸X−X上にその内方に向かって電極棒2が突出して伸び、その先端に一方の電極4が設けられている。他方の電極5は、放電容器の管軸X−X上から外れた所になるように、管軸X−Xと垂直な方向に設けられた電極棒3の先端に設けられている。
放電容器1の管軸X−X上に、放射を取り出すために平らな放射取り出し窓9が設けられている。放電が放電容器1の小径部Aの管軸X−X上で発生するので、管軸X−X上に放射取り出し窓9を設けることで広がりの少ない放射を取り出すことができる。放射取り出し窓の材質として、石英ガラス、サファイア、フッ化マグネシウム(MgF2)等を用いることができる。
小面積または小さな体積のところを照射するには、上記のような、ライトガイドや放射取り出し窓から管軸方向に出てくる放射を利用すると良い。
その第1は、光化学反応用の光源であり、これには先に段落番号0003に示した樹脂の硬化用以外に、次のような用途が考えられる。
(1)オゾン(O3)は約220〜290nmの波長域の放射をよく吸収し、分解される。その際に酸化力の強い活性酸素を発生する。そこで、
(1−1)オゾンが供給される雰囲気に、紫外線を照射することで、オゾンと紫外線を利用した表面洗浄を、本発明の閃光放電ランプの上記波長域の放射を用いて行なう。その時、被洗浄物体の表面は全波長域の放射を受け、被洗浄物体に吸収される波長域の放射により被洗浄物体の表面温度が上昇する。オゾンの分解はこの高い温度によっても実現され、単純な紫外線によるオゾンの分解のみ以上に洗浄効果を発揮する。
(1−2)シリコン(Si)や化合物半導体のゲート酸化膜の極薄化が要求されてきている。オゾンが供給される雰囲気に、紫外線を照射することで、紫外線によるオゾンの分解による活性酸素の発生や、ランプ放射の照射による被照射体、とりわけ酸化膜を生成したい部分を加熱できる。その結果として、活性酸素は酸化膜中を熱拡散しやすくなる。すなわち、生成速度が大きい。
(2)220〜260nmの波長域にも感光域を持つKrF、ArFレーザー用レジストのリソグラフィ露光前あるいは後の、全面あるいは部分のみに露光を行なうことで、レジストのハードニング(硬化)等を行なう際にも、本発明の閃光放電ランプを用いることができる。
(1)DNAに200〜280nmの波長の紫外線を照射すると主として塩基の一つであるチミンが二量体となり、変成することは良く知られている。殺菌はこのDNAの変成による菌の死亡によることも明らかになっている。菌を取り巻く膜の紫外線に対する耐性、特に透光性によって、菌そのものの紫外線耐性が左右される。殺菌は200nm近傍から短波長側では空気中でオゾンが発生するので220〜300nmの波長の紫外線で行なわれる。閃光放電ランプの放射による殺菌は上記の波長域より長い所の放射の吸収による菌そのものの昇温効果も付加される。
(2)アミノ酸は生体中では、L−型のみが合成される。人工的に合成するには、左回り或いは右回りの円偏光を使用することにより、それぞれL−型またはD−型のみを不斉合成することができる。約220nmの波長の円偏光を用いることで、L−ロイシン(L−Leucine、必須アミノ酸)を合成することができる。このように、200〜250nmの波長域では円偏光を照射した光化学の方法で必須アミノ酸の不斉合成が可能になっている。
こうしたDNAの変成、アミノ酸の合成では、特定波長の放射が吸収される。このことを利用すれば、特定波長の吸収から、DNAやアミノ酸の検出定量を行なうことができ、そのような検出の用途にも本願発明の閃光放電ランプは使用できる。
このように、本発明の閃光放電ランプは、表面で高い照射照度の特性を活かし瞬間的な表面加熱用の熱源に使用することができる。
1 放電容器
11 パイプ
12 蓋
2、3 電極棒
4 電極(陰極)
5 電極(陽極)
6 トリガー電極
7 止め具
8 パイプ
20 導光棒
21 ファイバ
22 コネクタ
51 充電器
52 点灯電流制御用インピーダンス
53 パルス発振器
54 トリガー回路
A 小径部
B 両端部
X−X 放電容器の管軸
Claims (8)
- 放電容器内に一対の電極を備え、陰極が設けられた部分の放電容器の内径より小さい小径部を、電極間の放電容器に形成し、該小径部の封入ガスと接する面を耐熱性の材料で構成し、キセノンガス単独、或いはキセノンガスを主成分とする混合ガスを室温で1.3×103〜1.6×105Paの圧力で封入し、電流半値幅が150μs〜2msで、該小径部での電流密度が2110A/cm2以上で点灯する、ことを特徴とする高放射輝度閃光放電ランプ。
- 放電容器内に一対の電極を備え、陰極が設けられた部分の放電容器の内径より小さい小径部を、電極間の放電容器に形成し、該小径部の封入ガスと接する面を耐熱性の材料で構成し、クリプトンガス単独、或はクリプトンガスを主成分とする混合ガスを室温で7×102〜1.3×105Paの圧力で封入し、電流半値幅が150μs〜2msで、該小径部での電流密度が2930A/cm2以上で点灯する、ことを特徴とする高放射輝度閃光放電ランプ。
- 該耐熱性の材料はセラミックであることを特徴とする請求項1または2記載の高放射輝度閃光放電ランプ
- 該セラミックは、透光性アルミナ、非透光性アルミナ、マグネシア、イットリア、YAGまたは窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項3記載の高放射輝度閃光放電ランプ。
- 該一対の電極のうち少なくとも一つの電極が、放電容器の管軸上から外れた所に配置され、放電容器の管軸上に放射取り出し部材が設けられた、ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の高放射輝度閃光放電ランプ。
- 該管軸上から外れた所に配置される電極は陽極であり、放射取り出し部材は該管軸上の放電容器の陽極側に設けられることを特徴とする請求項5の高放射輝度閃光放電ランプ。
- 光化学反応用、DNAやアミノ酸の光化学変化、検出用に使用することを特徴とする請求項1、2の高放射輝度閃光放電ランプ。
- 表面加熱用に使用することを特徴とする請求項1、2の高放射輝度閃光放電ランプ
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