JP2006512201A - マイクロ放電デバイスおよび利用 - Google Patents

Abstract

ＵＶガス放電光源のようなデバイスを使用する高圧ガス放電デバイスおよび方法が開示される。このデバイスは、カソードとアノードとを分離する誘電体層によって部分的に覆われたカソードを有する。放電デバイスは、カソードの覆われていない部分において、１つまたはそれ以上の微細空洞を利用する。ガス放電光源として放電デバイスを利用する方法は超純水を製造するための方法である。

Description

本発明は、一般に、半導体処理に使用されるような超純水の生産のためのものを含むガス放電光源およびそれらのデバイスの利用に関する。また、本発明は、高強度ＵＶおよび真空ＵＶ光を発生させるためのエキシマガス放電光源にも関係する。

揮発性有機化合物および他の有機化学物質は、溶剤、脱脂、冷却媒体、ガソリン添加物、および他の合成有機化学物質のための原料として広く使用される。これらの有機化合物は、一般的に、上水道および天然水の流れにおける微量不純物として見出される。一つのグループとして、それらは全有機性炭素（ＴＯＣ）と呼ばれる。これらの化合物は、活性炭などの媒体によるろ過や吸着などの従来の手段で取り除くことが非常に難しい。

超純水を必要とする用途に対し、水からＴＯＣを取り除くために多くの方法が開発されてきた。これらの方法は、水とＴＯＣを物理的に切り離すか、水からそれらが取り除かれるようにそれらを化学的に結合させるか、またはそれらを無害な成分に化学的に分解する。

物理的な分離は、通常、蒸留プロセスを通して実行される。これは効果的な過程であるが、高価であり、処理能力に制限がある。プロセス中でＴＯＣが破壊されないので、それは処分問題をも生じさせる。

化学結合は、通常、活性炭を水中に導入して実行され、それはＴＯＣを取り除く化学反応をもたらす。例えば、ＴＯＣの化学分解は触媒によって実行できる。触媒反応の有効性は著しく不純物に依存している。通常、ＴＯＣは触媒によって完全に分解されるというわけではく、そして触媒の導入は超純水システムに他の問題を引き起こす可能性がある。

紫外線への露出は超純水システムにおいて水からＴＯＣを取り除く別の手段である。今日の商用システムにおけるＴＯＣ除去のための紫外線は１８５ｎｍの波長で動作する低圧水銀ランプによって生成される。２５０ｎｍ未満の広帯域スペクトル光を生成するパルス光光源を使用するシステムも存在している。通常、これらのパルス光光源はキセノン・フラッシュランプである。活性化された(Excited)二量体(dimer)（「エキシマ(excimer)」）パルス型放電ランプもＴＯＣ除去に使われてきた。

これらそれぞれのランプの使用に関しては問題がある。パルス型フラッシュランプに関しては、点灯するための入力エネルギーの変換効率は５０％未満であり、そのうちのわずかな部分だけがＴＯＣ除去に役立つ。従来のエキシマランプに関しては、この数字ははるかに低く、通常５％を下回る。直接放電エキシマランプは、パルス間に数１０μ秒の回復時間を持ちつつ、約１００ナノ秒のパルス幅に制限される。これは、システムのエネルギー処理能力を厳しく制限し、最適性能を達成するために複雑な電子回路を必要とする。パルス型フラッシュランプは、より長い時間尺度にもかかわらず同じ困難を被っている。これはプロセス効率の一層の劣化とさらなる高いプロセス費用をもたらす。パルス型フラッシュランプはこの限界を克服すると思しき広帯域放射を生じさせるが、それでも、パルス型フラッシュランプにより発生するスペクトルの黒体特性は、非生産的な波長における大量の光の発生につながっている。これらのすべての非効率性の結果、初期費用および運用費用の面で非常に高価なプロセスとなる。これらの技術は、この理由によって一般的に使用されてはいない。

通常、ＴＯＣ除去ための従来の紫外線（ＵＶ）システムは、低圧力または中程度の圧力の水銀ランプを使用する。これらのランプは一般的な蛍光灯と同様であるが、ＴＯＣを破壊するための適切なスペクトルを持ったＵＶ光を放射するために、より高い品質の構成部材と、様々な動作点を使用する。これらのランプは、２．５％から５％の効率で、電気エネルギーをＴＯＣ破壊用の紫外線に変換する。これらのシステムの主要な欠点は水銀の存在であり、ランプ破損の場合に不純物が心配となる。

水銀ランプにおいて、必要な１８５ｎｍの光とその光の狭帯域幅を生成する際の低い変換効率は、超純水システムにおいて必要なレベルのＴＯＣ除去を達成するために、物理的に大きく、また非常に多く数のランプを必要とするシステムにつながる。これは、床面積とランプ交換の必要性に起因して、高い初期費用と運用費用をもたらす。

本発明のシステム、方法、およびデバイスは、それぞれいくつかの態様があり、それらのうちどの単一のものも、単独で望ましい特性に関与するものではない。添付の請求の範囲で表現されるような本発明の範囲を制限することなく、より際立った特徴について、ここで簡潔に議論されるであろう。この議論を考慮した後、そして特に、「発明の詳細な説明」と題された部分を読んだ後には、本発明の特徴がどのようにして、より費用効率の良好な超純水処理を含んだ利点を提供するのか、ということが理解できるであろう。

本発明の一実施態様は流体処理システムである。このシステムは処理チャンバを通過する流体を放射に露出するように構成された少なくとも１つのマイクロ放電・エキシマガス放電光源を有する。処理チャンバは、処理チャンバに流体を通すための流体入口と流体出口とに連結される。各光源はカソード、誘電体、アノード、および放電ガスを含むことができる。望ましくは、カソードは、カソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備える。少なくともカソード領域の最も長い寸法が、誘電体の厚さより実質的に大きい。アノードは少なくとも誘電体の厚さでカソードと隔てられている。ガス放電媒体はアノードとカソードとに接触している。１つまたは複数の微細空洞がカソードの覆われていない部分を貫通することができる。

本発明の他の実施態様は、流体の不純物を浄化するための方法である。この方法は、マイクロ放電・エキシマガス放電光源を使用した光を生成する段階を含む。光源は１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を持つ生成できる。流体は光源によって生成された光に露出される。各光源はカソード、誘電体、アノード、および放電ガスを含む。カソードは、少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備える。少なくともカソード領域の最も長い寸法が誘電体の厚さより実質的に大きい。アノードは少なくとも誘電体の厚さでカソードと隔てられている。ガス放電媒体はアノードとカソードに接触している。１つまたは複数の微細空洞がカソードの覆われていない部分を貫通することができる。

本発明の他の実施態様は、カソード、誘電体、アノード、および放電ガスを含む光源である。カソードは、そのカソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備えることができる。カソード領域の最も長い寸法を誘電体の厚さより実質的に大きくできる。アノードは少なくとも誘電体の厚さでカソードと隔てられる。ガス放電媒体はアノードとカソードとに接触する。１つまたは複数の微細空洞がカソードの覆われていない部分を貫通することができる。

光源の他の実施態様は、第１および第２の電極を含むことができる。第１の電極は、第１の電極の少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために誘電体で覆われた表面の一部を備えることができる。第１の電極領域の最も長い寸法は誘電体の厚さより実質的に大きい。第２の電極は少なくとも誘電体の厚さで第１の電極と隔てられることができる。第１および第２の電極のそれぞれは、ベース電極材料で構成されることができる。ガス放電媒体が第１の電極および第２の電極に接触する。１つまたは複数の微細空洞が少なくとも１つの電極を貫通することができる。微細空洞の少なくとも１つにおける電極表面材料はベース電極材料とは異なる材料である。

一実施態様では、微細空洞の少なくとも１つが、少なくとも１つの電極の一部を貫通する周囲のギャップによって囲まれる。そのギャップは電極材料の選択された厚さまで電極を貫通する。上記の厚さはヒュージブル・リンク(fusible link; 可溶性結合)を形成するように選択される。

以下の詳細な説明は本発明のある特定の実施形態を対象としたものである。しかしながら、本発明は、特許請求の範囲で定義され保護された内容にしたがって、多数の異なった方法に表現できる。この説明では、一貫して同様の部材が同様の符号で示されるように図面を参照する。

１．流体処理装置
本発明の一実施形態では、コンパクトで、効率的なマイクロ放電・エキシマガス放電光源が、ＴＯＣなどのような不純物を流体から除去することにおける、多くの困難と非効率性を克服するために使用される。マイクロ放電・エキシマガス放電光源は、光が発生する媒体としてエキシマガス混合物を連続的に使用しながら動作できる。これは、エネルギーの低い処理能力と、従来のエキシマランプに必要な複雑な電子回路とを克服する。マイクロ放電・エキシマガス放電ランプは、水銀蒸気ランプおよび従来のエキシマランプよりも高い実証された変換効率をも有する。この変換効率は、ＴＯＣ除去のための重要な波長において３０％を上回る理論上の最大値を伴って、１０％以上にあることが実証された。これは、同じ用途のための従来システムよりも小さいサイズで、多くのエネルギー効率をもたらす。

図１は、本発明による流体処理システム１０１の一実施形態の簡略化したブロック図を表す。ＴＯＣなどの不純物を取り除くための流体、例えば水などを処理する動作の基本的方法は、流体入口１３０に流体を供給し、処理チャンバ１１０に流体を通過させ、そして流体出口１４０を通して流体を排出することである。通過させる流体は、光源１２０から電磁エネルギーにより照射され、好適な実施形態では、その光源はマイクロ放電・エキシマガス放電光源でありうる。ガス源１７０は光源１２０に連結できる。電源および関連する電子回路１８０も光源１２０に連結できる。ＵＶ検出器１６０は光源１２０の反対側に提供できる。検出器１６０と、電源および関連する電子回路１８０は、制御部１９０に連結できる。このシステムの実施形態における電源、関連する電子回路、制御部、および検出器は、市販の部品で構成できる。電源としては交流、直流、あるいはパルス電流電源を供給できる。一実施形態では、光源１２０はマイクロ・エキシマガス放電のアレイを含むことができる。多くの場合、これらのアレイは、絶縁性誘電体によって隔てられた、ほぼ平行な導電体または半導体のカソードおよびアノードのシートを含む積層シートとして構成される。カソード、アノード、またはその両方には、マイクロ放電が形成される孔または空洞が備えられる。マイクロ放電光源は、本発明以前の水処理用途においてまだ利用されていない。水銀ランプとは対照的に、このような実施形態による光源１２０の使用は、より小さなフットプリント(footprint)の光源１２０が同じ光強度を実現することを可能にし、特に流体処理用途に有利である。この有利なマイクロ放電・エキシマ光源の実施と特定の実施形態のさらなる詳細は以下に詳しく説明される。

処理用途のために適切な光源１２０の一実施形態を図２に表す。光源アセンブリ２０１全体は流体処理チャンバ１１０内またはその面にマウントすることができる。流体処理チャンバにマウントされた実施形態では、窓２０６は流体処理チャンバと電極プレート２０４との間で押圧され、オーリング(o-ring)２１４に対し押圧力が供給される。示された実施形態は、ガス放電素子２０２ができるだけ処理チャンバの流体近くに配置されることを可能にする一方で、光源の性能特性を維持する。

窓２０８は３つの層２０９、２１０、および２１１から成ることができる。これらそれぞれの層は適切な波長の光を透過する。これらの層の利点は、層２１１の場合には流体に露出される際に、あるいは層２０９の場合には放電ガスに露出される際に、優れた安定性を有する材料の適切に薄い層が、光源の寿命を延ばすのに使用することができるということである。中間層２１０は、関連波長域での比較的高い透過率と、通常運転で予想される圧力差をサポートするのに充分な物理的強度を持つことができる。これらの層２０９、２１０、および２１１のいずれの２つの層の材料も同一とすることができる。材料が単独で十分な機械的強度、透過率、さらには扱われる流体またはランプ内のガスに対する化学的耐性をも有しているならば、全ての３つの層２０９、２１０、および２１１を同じ材料（ラミネートか固体の塊の材料のいずれか）とすることもできる。

一実施形態では、流体接触層２１１は数オングストローム厚さの石英の層とできる。ガス接触層２０９はハロゲンガスによる攻撃に耐性のある材料であって、波長が１００ｎｍを下回るＵＶ光を透過することができる。層２０９としてフッ化マグネシウムまたはフッ化カルシウムを使用できる。中央の層は、プレナム(plenum)状態において流体とガスとの間の圧力差をサポートする機械的強度を提供し、１００ｎｍを下回るＵＶ光を透過することができるものであって、これもフッ化マグネシウムまたはフッ化カルシウムとすることができる。

他の実施形態では、窓２０８を含む光源はチャンバ・シールの一部を形成する。これは、チャンバへの接続を簡単化し、大幅にチャンバの部材の数を減らす。さらに、二面構成のチャンバは少なくとも２つのマイクロ放電・エキシマガス放電光源２０１で形成され、光の供給を最大にする一方で、低い外形の処理チャンバを保持する。

ガス放電素子２０２の一実施形態は、１つまたはそれ以上のマイクロガス放電セルを含むことができる。以下でさらに説明されるように、これらのデバイスは、通常、誘電体によって隔てられたアノードプレートとカソードプレートを有する。このような多くの構成がアノード、カソード、または両方に形成された微細空洞または微細孔を利用する。したがって、いくつかの実施形態では、各光源が１つまたはそれ以上の微細空洞からなることができる。図２はアノード、カソード、および誘電体を通して延在する数個の微細空洞を含む簡単なマイクロ放電・エキシマガス放電素子を表す。ガス放電セル２０２の他の実施形態は、例えば図１０、１３および１６Ａに表現されるように、露出したカソード領域を有した実施形態による複数の光源を含むこともできる。

図２の実施形態では、電極プレート２０３および２０４が、電極プレート２０３の周辺に描かれたポイントにおいて、良好な電気接触がガス放電素子の各電極、アノードおよびカソードに施されるように組み立てられる。圧力リング２０５はこの接触が行われることを確実にするが、一方で圧縮力が確実にガス放電素子への損傷を排除できるくらい十分低くなることを確実にする。Ｏリング２１２は電極プレート２０３とガス放電素子２０２の間の上側の気密性通路をシールする。この気密性通路はガスポート２０８を通してガスを受け取る。Ｏリング２１３は下側の気密性通路の上部を密封し、Ｏリング２１４は窓２０６においてこの気密性通路の下部をシールする。下側の気密性通路はガスポート２０７を通してガスを排気する。

流入ガスポート２０８と排気ガスポート２０７を冷却ガスの源に連結することによって、気密性通路に沿った冷却ガスの流れによってガス放電素子２０２を冷やすことができる。さらに、セルからの電極腐食から生成される不純物を取り除くことにより、その寿命を延ばすこともできる。セルの微細空洞を通してガスを流すこと、またはセルのカソードまたはアノードの表面を亘ってガスを流すことは、セル付近からこの不純物を取り除く手段の一実施形態である。そして、不純物はランプ中のあまり重要でない領域に堆積されるか、またはガスの補給によってシステムから除去することができる。

マイクロ放電・エキシマガス放電光源１２０のための性能データを使用して、化学ジクロロエテン（ＣＨ_２Ｃｌ_２）に関して、１Ｗ／ｃｍ^２のアルゴン・フッ化物（ＡｒＦ）光源（１９３ｎｍのピーク出力）のＴＯＣ除去性能が、既存のシステムと比較のためにモデル化された。ＡｒＦ光源スペクトルを図３に示す。

取り除かれるＴＯＣによる光の全吸収が低いと仮定すると、高純度水の微量不純物に対する良好な条件、すなわち化学破壊の速度は、
ｄＣ／ｄｔ＝−２．３Ｉ_０ΦεＬＣ
で計算される。
ここに、Ｃは初期濃度、Ｉ_０は光源の強度、εは除去されるＴＯＣに対するモル吸光係数、Ｌは経路長、Φは見かけの消滅量子収率である。図４に示されたモル吸光係数を与えると、本発明の一実施形態による光源１２０は、短波長におけるモル吸光係数のかなりの増加に起因して１９３ｎｍの光源ピークより下で強く相互作用する（図４が対数目盛りであることに注意のこと）。これは、光源の初期強度のおよそ４０％だけが水を透過する（水は２００ｎｍ未満の光波長を強く吸収する材料である）にも係らず、真実である。他の多くの一般的な化学的不純物は、ジクロロエテンに非常に類似した形状のモル吸光係数曲線を有する。

経路長Ｌが１ｃｍ、Φ＝１（伝統的には、６〜７程度の高さとして測定される）、および初期の不純物濃度が１ｐｐｍの条件を用いて、１秒あたり９５ｐｐｍのジクロロエテン破壊率を見積もることができる。これは、１Ｗ／ｃｍ^２の同一公称出力を有し１８５ｎｍおよび２５４ｎｍで発光する低圧水銀ランプ（低圧水銀ランプのアレイとして典型的なもの）の破壊率より約２７倍高い。加えて、本発明による光源は、壁に埋め込まれたコンセントに与えられた電力に対する光を生成するのにおいて、さらに３〜４倍高い効率とすることができる。これは、光源１２０への入力電力の１ワット当たり７５〜１００倍多くのＴＯＣ除去をもたらす。さらに、マイクロ放電光源１２０は、上述したよりさらに良好な性能さえ提供するであろう１Ｗ／ｃｍ^２よりも高い性能で動作する能力がある。

流体処理システム１０１の低い製造コストは、同じ入力電力を仮定する従来のＬＰ水銀システムほど高価でない構造を持つことができる一方で、より少ない床面積しか必要としない。電力コストは上記で詳述したような従来の低圧水銀システムより実際的に安くなるであろう。マイクロ放電・エキシマガス放電光源が低圧水銀光源の半分のみの部品寿命を有するならば、伝統的な見積では、このシステムが同じコストでの既存のＴＯＣ低減システムより１０倍低いＴＯＣレベルを生成できるであろう。

２．光源
ａ．背景
上で議論したように、コンパクトで、効率的なマイクロ放電・エキシマガス放電光源は、流体からＴＯＣなどのような不純物を除去することにおける従来技術の困難と非効率性のいくつかを克服するのに利用できる。ガス放電ランプは、電磁スペクトルの紫外領域および真空紫外領域（真空紫外は酸素によって強く吸収される約１００から３００ｎｍまでのＵＶスペクトルの部分である）において放射されるプラズマを生成することによって光る。これらのランプで最も一般的なのは、水銀ランプであり、それは２５４ｎｍと１８５ｎｍに輝線放射を放つ。水銀ランプは、２５４ｎｍにおいて７０％程度の高い効率を有する一方で、２５４ｎｍで４０μＷ／ｃｍ^２から２０Ｗ／ｃｍ^２の範囲の比較的低い強度を有する。１８５ｎｍでの効率と強度は２５４ｎｍでのそれらよりはるかに低い。高圧キセノン放電光源は、ＵＶ（３００ｎｍ未満）から赤外線までに亘るスペクトル領域上で放射するが、はるかに強力である反面、１％より少ないより低い効率を有する。

エキシマランプは準単色光光源であり、それはスペクトルの紫外部分と真空紫外部分の広範囲の波長上で動作できる。エキシマランプの動作は活性化した分子複合体（エキシマ）の生成に基づいている。エキシマは、励起状態のみで存在する例えば希ガスの分子錯体である。そのような錯体の例は、希ガス二量体および希ガス／ハロゲン・エキシプレックス(exciplex)である。エキシマは、束縛されたエキシマ状態から基底状態への遷移時に放射しながら急速に崩壊する。他のスペクトルランプに対するエキシマランプの利点は、その高い内部効率であり、その内部効率は高圧力で動作する場合、最大４０％の値に達することが可能である。B. GellertおよびU. Kogelschatz著、「Generation of Excimer Emission in Dielectric Barrier Discharges」 Appl. Phys. B 52, 14 (1991年)を参照されたい。キセノンエキシマに対して、発光波長は約１７２ｎｍである。

エキシマランプは非コヒーレントな放射光源であるので、それらはより大きいサイズにでき、また放射のために利用されるように、そして例えば比較的大きな領域を同時に処理するのに利用されるような大きさにできる。エキシマランプの利用はＵＶ硬化および重合、ＵＶ酸化、光化学(photo-chemistry)、光蒸着(photo-deposition)、光アニーリング(photo-annealing)、および汚染制御(pollution control)を含んでいる。

エキシマ放射を発生させるためには２つの条件が満たされねばならない。第１に、電子エネルギー分布が、エキシマガス原子の励起エネルギーより大きなエネルギーを有する電子の、十分な濃度を持っていなければならない。第２に、エキシマの生成が３体過程であるので、圧力は１気圧またはそれより高いオーダーの高い値が必要である。これらの２つの条件は非平衡プラズマにおいてのみ同時に満たすことができる。非平衡プラズマを発生させるのには２つの方法がある。プラズマの熱化が防止される程度の短時間スケールで高電場において動作させること、または例えばガス放電の陰極降下(cathode fall)において十分小さい空間スケールで動作させることである。第１の概念はバリアの（静的）放電に使用され、その放電は、ミリメートルからセンチメートルの距離のガス充填ギャップによって隔てられた誘電体被覆電極間の放電である。U. Kogelschatz著、「Silent discharges for the generation of ultraviolet and vacuum ultraviolet excimer radiation」Pure & Appl. Chem. 62, 1667 (1990年)を参照されたい。

非平衡プラズマの第２の種類はプラズマ境界層、特に安定した高圧力放電の陰極降下領域、において見出される。陰極降下領域は、カソード表面の近くで増加する電界の領域として定義され、ガス放電に対しては、高濃度の高エネルギー電子を持つ電子エネルギー分布によって特徴付けられる。P. GillおよびC. E. Webb著、「Electron Energy Distribution in the Negative Glow and their Relevance to Hollow Cathode Lasers」、J. Phys. D: Appl. Phys. 10, 299 (1977年)を参照されたい。エクステンドエリア(extended area)陰極降下を発生させることに関する主な問題は、グローからアークへの遷移につながる不安定性である。E. E. Kunhardt著、「Generation of Large-Volume, Atmospheric-Pressure, Nonequilibrium Plasmas」、IEEE Trans. Plasma Science 28, 189 (2000年)を参照されたい。アーク、すなわち高電流密度の局所部分の生成は、低い平均電子エネルギー、および結果的に低いエキシマ発光を有する熱プラズマをもたらす。

しかしながら、空洞カソード幾何学構造を使用することによって、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＦ、さらに０_２を含むもののような電気陰性ガスの中でさえも、安定した高圧ガス放電を発生させることが可能である。G. SchaeferおよびK. H. Schoenbach著、「Basic Mechanisms Contributing to the Hollow Cathode Effect」、in Physics and Applications of Pseudosparks、55 (M. GundersenおよびG. Schaefer, eds. , Plenum Press, 1990年)、並びにKarl H. Schoenbachら著、「Microhollow Cathode Discharge Excimer Lamps」、Physics of Plasmas 7, 2186 (2000年)を参照されたい。希ガス、または、希ガスとハロゲンかハロゲン化合物の混合物の中で動作するこれらの放電は、エキシマ放射の非常に有効な光源であると判明した。直流放電に対し６％から９％の効率が、パルス放電に対し最大２０％の効率が測定された。Ahmed El-HabachiおよびKarl H. Schoenbachら著、「Generation of Intense Excimer Radiation from High-Pressure Hollow Cathode Discharges」、Appl. Phys. Lett. 73,885 (1998年)、並びにMohamed Moselhyら著、「Xenon Excimer Emission from Pulsed Microhollow Cathode Discharges」、Appl. Phys. Lett. 79, 1240 (2001年)を参照されたい。

微細空洞カソード放電エキシマランプの産業利用は、一般に単一の微細空洞カソード放電で達成可能であるよりも高いトータルの光強度レベルを必要とする。単一のキセノン放電の光強度は、（６％から９％の効率で）１００ｍＷオーダーの値に接近する。その結果、ｋＷ光強度レベルでの動作は１０^４個以上のアレイ状の放電を必要とするであろう。複数の微細空洞カソード放電（放電のアレイ）を有するランプの作製が研究されて来た。そして、その結果は科学文献で報告された。W. Shi, R. H. StarkおよびK. H. Schoenbach著、「Parallel Operation of Microhollow Cathode Discharges」、IEEE Trans. Plasma Science 27, 16 (1999年)、並びに、K. H. Schoenbach、C. A. Verhappen、T. Tessnow、F. E. PeterkinおよびW. W. Byszewski著、「Microhollow Cathode Discharges」、Appl. Phys. Lett., 68, 13 (1996年)、並びに、J. W. Frame and J. G. Eden著、「Planar Microdischarge Arrays」、Electronics Letts. , 34, 1529 (1998年)を参照されたい。

ガス放電ランプの安定動作に対し、個々の安定化をすることは比較的小さなアレイに対する手法である。分布を持った安定抵抗を使用することで、より大きなアレイに使用できる。W. Shi、R. H. StarkおよびK. H. Schoenbach著、「Parallel Operation of Microhollow Cathode Discharges」、IEEE Trans. Plasma Science 27, 16 (1999年)を参照されたい。アノード材料として半絶縁性シリコンなどの半絶縁材料を使用することによって、これを達成できる。分布させた安定抵抗は、安定抵抗の熱負荷によってのみ制限された、どんなサイズの微細空洞カソード放電エキシマ光源のアレイの製作をも可能にする。放電のアレイを生成するこの方法は、カソードとして半絶縁性の材料の使用をも必要とする。この層におけるジュール熱の形態でのエネルギーの消散はかなりの量である可能性があり、その結果ランプの効率を減少させる。さらに、ＵＶ光強度もこれらの熱的制約で制限される。したがって、微細空洞カソード放電光源を安定に動作させる他の手段が望まれる。

微細空洞カソード放電の安定動作は、微細空洞カソード放電のＶ−Ｉ特性が正の勾配を有している領域：タウンゼンド領域(Townsend region)および異常グロー領域(abnormal glow region)、において動作する際に個々の放電を安定化させることなく、達成することもできる。Karl H. Schoenbachら著、「Microhollow Cathode Discharge Excimer Lamps」、Physics of Plasmas 7, 2186 (2000年)を参照されたい。この動作モードは電極での熱応力をかなり減少させる。図５は、タウンゼンド領域で動作する放電アレイに利用可能な電極の幾何学構造の断面図を表す。電極層、誘電体スペーサ、および微細空洞の典型的な寸法は、どの場所でも約１０から数１００マイクロメートルであることが可能である。微細空洞当たりの電流は、通常、１００マイクロアンペアのオーダーまたはそれ未満であることが可能である。図示されないガス媒体は、電極の周囲に保持され、そして接触している。図６は、ガス媒体として１２７Ｔｏｒｒのアルゴンを使用するこのモードでデバイスを動作させた可視光による正面写真である。示されたようなデバイスの動作時の総電流は、１２０μＡの平均電流をもちつつ１２ｍＡであり、そして各微細空洞を通して流れる。

タウンゼンド領域動作を利用する光源の第２の実施形態を図７Ａの写真に示す。この実施形態では、金属網が、多くのマイクロカソード開口部を生成させるのに使用される。実施形態で表現されたメッシュは約３００μｍの正方形の開口を形成した。図７Ｂは８０Ｔｏｒｒのアルゴンガス媒体を使用する動作でのこのデバイスの写真である。メッシュを使用する実施形態は、メッシュがカソードを、またはカソードとアノードを置換するように構成できる。実施形態では、アノードが単一金属平面であるように構成できる。８ｍＡの総電流で動作するデバイスが図７Ｂに表される。この総電流は、微細空洞当たり２０μＡオーダーの平均電流に対応している。

ガス放電の抵抗の振舞いをももたらす第２の動作モードは、異常グローモードでの動作である。異常グロー放電モード中で動作するために、与えられた電流に対して全てのカソードが放電体中に存在するよう、カソードの領域が制限されるように、デバイスが構成される。正常グロー放電では、低電流に対しては、電圧は増加する電流と共に増加しない。与えられたオンセット（onset；開始）電流で、電圧は電流と共に上昇し始める。この電流増加状態は異常グロー放電の開始と維持動作に対応している。結果としての抵抗の振舞いは、それらの各々を安定化させることを要せずに、複数の微細空洞が並列なマイクロ放電として動作することを可能にする。Robert H. Stark、Ahmed El-Habachi、およびKarl H. Schoenbach著、「Parallel Operation of Microhollow Cathode Discharges」、Conf. Record, IEEE Intern. Conf. Plasma Science, New Orleans, paper IP24, p. 111 (2000年)を参照されたい。しかしながら、処理用途のために、より大きな光源の表面積に亘って光を生成する光源が望まれる。

驚くべきことに、高圧での微細空洞カソード放電は、放電微細空洞をはるかに超える安定した放電領域をサポートする。図８Ａに示されるような１０^−２ｍｍ^２の開口カソード微細空洞を有する単一放電をもった光源に対して、放電領域は微細空洞８５０を超えて数平方ミリメートルに広がる。光源はカソード８３０、アノード８１０、および誘電体層８２０を有し、それら各々は１００μｍオーダーの厚さを有することができる。約１５０μｍ厚さを有することができる拡張プラズマ層８８０は、高圧グロー放電の陰極降下と負グローから成ることができる。カソード８３０の表面に垂直な矢印８１４は陰極降下における電流を示す。カソード８３０の表面に平行な矢印８１６は負グロー中の電流密度を示し、その負グローは微細空洞８５０に近接すればするほど増加する。また、負グローは、カソード空洞８５０の、およびカソード８３０を通したアノード８１０への空洞の、半径方向の電流の導通の役割をも果たす。結果的な放射の強度は空洞に集約されないが、全体的にプラズマで覆われたカソード表面に亘って多少等方的に広がっている。Mohamed Moselhy、Wenhui Shi、Robert H. Stark、およびKarl H. Schoenbach著、「A Glow Discharge Flat Panel Excimer Radiation Source」、IEEE Trans. Plasma Science 30, 198 (2002年)を参照されたい。放射発生領域の直径は電流と共に増加するが、一方で一定強度を維持する。これは、プラズマ源のサイズが、一定電圧において、電流を変えることで制御されることを可能にする。図８Ａに示されるような直流動作の簡単な単一空洞のランプに対して、電流は電極システムの熱負荷のために１０ｍＡオーダーの値に制限される。単一の微細空洞カソード放電のパルス動作によれば、不安定なオンセットによって制限を受ける前に、１００ｍＡオーダーの電流値に達することが可能である。

キセノンガス媒体を有するこの簡単なデバイスの動作によって生成された可視光線が図９の写真に表されている。３ｍＡでの直流動作に対する結果、すなわち５１０と５２０は、０．２６ｂａｒと１ｂａｒの圧力でそれぞれ示されている。過熱することなく５５ｍＡで動作するためにパルス動作を使用する、より広い放射領域は０．２６ｂａｒで５３０、１ｂａｒで５４０と示されている。１ｍｍ目盛り５５０によって示されるように、放射領域は微細空洞の約１００μｍ開口を超えて放射状によく広がっている。

ｂ．新規なマイクロ放電・エキシマ光源構成
新規なマイクロ放電・エキシマガス放電光源を構成するために、微細空洞を囲む領域に広がるグロー領域を利用できる。各々のマイクロ放電に起因するより広い発光領域は、より少ない光源、したがってより小さいトータルの光源フットプリントを可能にし、流体処理用途に使用できる光源１２０のためには、特に有利である。

臨界電流以上で、光源が複数の微細空洞を有する状況では、陰極降下領域は均質の陰極降下層を併合（merge；マージ）して形成し、その層はＵＶ発光層でもある。臨界電流は微細空洞密度（微細空洞の均一な分布に対して、開口カソード領域当たりの微細空洞の数の比）に依存する。カソード層の併合は、異常放電への遷移と同時に起こり、その結果、デバイスの抵抗電流−電圧特性（増加する電流に伴って増加する電圧）に関係する。

図８Ｂに表されるように、簡単な光源１２０は、その表面の部分だけが誘電体８２０によって覆われるようにしたカソード８３０の領域により、有利に構成できる。アノード層８１０は誘電体８２０の厚さによってカソードから隔てられる。カソード８３０表面の誘電体８２０で覆われた部分は、誘電体の厚さより実質的に大きい最長の寸法を有するカソードの、覆われていない領域を形成する。微細空洞８５０は、覆われていない領域におけるカソード８３０中に、またはカソード８３０を通して、貫通することができる。臨界電流がカソード８３０とアノード８１０の間を流れると、拡張プラズマ層８８０が、図８Ａに表されたデバイスのようなカソード８３０上というよりはむしろ、カソード８３０の覆われていない領域に形成できる。カソード８３０表面に垂直な矢印８１４は再び陰極降下における電流を示す。カソード８３０表面に平行な矢印８１６は負グロー中の電流密度を示し、その負グローは、ここでは、アノード８１０に近接すればするほど増加する。また、図８Ｃに示されるように、放電は、覆われていないカソード領域の境界を超えて広がることもできる。これは図９に表されたもののような安定した大面積放電に通じる。

したがって、はるかに広い発光領域での光源の構成を可能にするように、このより広い放電領域が利用できる。図１０Ａおよび図１０Ｂはこの原理を利用する光源１２０の実施形態の２方向からの図を表す。光源は、微細空洞１０５０〜１０５９のラインに平行に、および隣接して配置されたアノード１０１０を含む。この実施形態では、誘電体１０２０は、カソード１０３０の部分を覆っている。誘電体１０２０は、微細空洞が延在するラインに沿っては除去され、あるいは存在しておらず、微細空洞間のカソード１０３０の覆われていない領域にガス放電グローが広がることを許容している。カソード１０３０の誘電体１０２０で覆われた部分は、微細空洞１０５０〜１０５９を囲む露出したカソード１０３０の矩形領域を規定する。覆われていないカソード１０３０領域の最も長い寸法は、この実施形態では約１ｃｍであるが、その寸法は誘電体１０２０の厚さ、すなわちこの実施形態では約５０μｍよりもかなり大きい。アノード１０１０は誘電体１０２０の厚さによってカソード１０３０から隔てられる。カソード１０３０とアノード１０１０はガス放電媒体中に配置される。この構成は、カソードの覆われていない領域の大部分、そして多くの場合は実質的にその全てに亘る安定した放電領域を作り出すように、適切な電圧および電流のレベルで駆動される。

したがって、カソード１０３０の覆われていない領域は、流体処理用途に有利に利用できる光発光のはるかに大きな領域を与える。各々のデバイスの、より広い発光領域は、より少ない数のデバイスの使用を可能にし、それによって処理装置１０１全体の物理的サイズを減少させる。これらの利点の各々を実施する光源１２０の使用は、流体処理システム１０１に対する低い全体コストを産み出す。

微細空洞１０５０〜１０５９は、それぞれ、約１５０μｍの幅を有することができ、カソード中に約１００μｍまで延在することができる。いくつかの実施形態による微細空洞１０５０は、カソード１０３０を部分的に通して延在するのみである一方で、他の実施形態では、微細空洞１０５０はカソード１０３０を完全に貫通して延在することができ、放電ガスが微細空洞１０５０を通過することを可能にしている。

微細空洞は、この実施形態では、１ｃｍの距離に亘って約１ｍｍ間隔で配置できる。カソード１０３０の覆われていない領域の最も長い寸法の、誘電体１０２０の厚さに対する比率は、この実施形態では１００から１の範囲である。図２４に表された実施形態では、一連の微細空洞は、１ｃｍ×１ｃｍの範囲上に前後に列を形成している連続的な配列で、実質的には正方形領域に延在している。したがって、図２４の実施形態では、微細空洞は約１０ｃｍの全長の範囲上に１ｍｍ間隔で配置される。

図１０Ａの実施形態の電流−電圧特性を図１１に示す。様々なガス圧での動作に対して示すように、オンセット電流値を超えて増加する電流と共に、放電により抵抗の振舞いの存在を示す電圧は増加し、その結果、個々の安定器なしで並列動作が可能となる。オンセット電流値は増加するガス圧に対応して増加する。図１２は、２００と４００Ｔｏｒｒのガス圧力値、および３〜１５ｍＡと６〜２９ｍＡの増加する電流値を使用する動作における、図１１に示された実施形態の一連の上方からの可視光線写真を表す。一連の写真によって示されるように、光源が異常グローモードで動作しているので、光の強度、およびカソード表面に亘る光の均一性は、電流と共に増加する。

ここで開示された実施形態のいずれによる光源１２０も、より大きな光源内に個別のセルを形成することができる。したがって、本発明による光源の実施形態は、このような複数のセルから成ることができる。

誘電体または誘電体材料１０２０は何らかの絶縁材、例えば雲母(mica)、アルミナ、またはジルコニアの固体層であることが可能である。誘電体１０２０は耐熱誘電材料であることが可能である。また、誘電体１０２０は液体あるいは気体であることも可能である。固体誘電体は圧力によってまたはエポキシによってカソード１０３０に接続できる。

カソード１０３０は、耐熱金属、例えば、タングステン、モリブデン、またはチタニウムであることが可能である。

また、アノード１０１０も、耐熱金属、例えば、タングステン、モリブデン、またはチタニウムであることが可能である。アノード１０１０は、１つまたはそれ以上のワイヤまたはプレートの形に構成することができる。あるいは、アノード１０１０は、誘電体に付着された金属層としても構成することができる。また、アノード１０１０は、誘電体の上面に配置される金属箔から成ることも可能である。

本発明による実施形態はガス放電媒体としてキセノンを使用することをここで議論したが、一方で、さまざまな異なったガス放電媒体が本発明によって想定されるということが理解されるべきである。本発明による実施形態は、線路放射を発生させるために、大気中で、大気圧下において操作できる。特に有利な実施形態は、希ガスなどの他のエキシマガスを使用して構成できる。希ガス媒体の実施形態は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびそれらの混合物を含むことができる。他の実施形態では、希ガスと電気陰性ガスの混合物を使用することが想定される。

類似の光源１２０は図１３に表された実施形態によって構成できる。この実施形態では、誘電体１３２０はカソード１３３０の部分をカバーしており、したがってカソード１３３０の覆われていない領域を規定する。線状に連続した微細空洞（１３５０から始まる）は、誘電体層１３２０によって覆われないカソード１３３０の領域内に存在する。１つまたはそれ以上のアノード１３１０は、線状に連続した微細空洞の両端に配置される。図１４は、７つの微細空洞が貫通し、キセノン媒体中で動作するカソードに対する電流−電圧特性を示す。この実施形態も、オンセット電流値を超えて、正の勾配を有する電流−電圧特性を示す。より高い圧力であるほど、オンセット電流はより高くなる。図１５は、図１３の実施形態の可視光による一連の正面写真であって、より低い電流に対する各アノード１３１０の近くに最も高い強度があることを示している。しかしながら、図１５に示すように、電流の増加と共に、露出しているカソード領域の全長に亘って、光の発光が次第に均等になっていく。

より大きな表面積の発光で構成された光源１２０の他の実施形態を、図１６Ａと図１６Ｂに、それぞれ平面図と断面図で表す。カソード１６３０の部分は、誘電体層１６２０によって覆われている。また、カソード１６３０のこの部分は、アノード１６１０により覆うこともできる。誘電体１６１０で覆われたカソード１６３０の部分は、誘電体１６２０で覆われないカソード１６３０の円形領域を規定する。カソード１６３０の覆われていない領域には、正方形パターンに配置された、例えば複数の微細空洞１６５０が存在しうる。

この実施形態による光源は、カソード１６３０の覆われていない円形領域が約２．５ｍｍの直径を有するように構成できる。微細空洞１６５０は、約１２０μｍの直径を有し、カソード内に２００μｍまで延在し、約０．２５ｍｍの中心間距離で隔てられる。アノード１６１０は２００μｍの誘電体層を伴った約１００μｍの層であることが可能である。したがって、この実施形態では、カソード１６３０の覆われていない領域の最も長い寸法の、誘電体１６２０の厚さに対する比率は、約１０：１である。

図１６Ａに表された実施形態の可視光線による対応する写真を図１７に示す。表されたように、この実施形態によるデバイスは、３００Ｔｏｒｒのキセノン媒体を有し、１０ｍＡの電流で動作している。図１６Ａの９つの微細空洞のデバイスに対しては、１０ｍＡの電流はマイクロ放電当たり約１ｍＡに対応している。

図１８は、図１６に表されるような実施形態による光源について２００〜７６０Ｔｏｒｒの圧力範囲において、波長に対する観測された強度をプロットしたものである。この実施形態の放射のエキシマ・パワーは、図１９の圧力範囲において、電流に対してプロットされている。図１８に示されるように、４００Ｔｏｒｒを超える圧力に対し、より大きなパワーが達せられている。与えられた圧力では、電流と共に、パワーは圧力依存の最大パワーにまで上昇している。図２０にプロットされた値からわかるように、エキシマ効率、すなわち４πの範囲に放たれたトータルの光強度を電力で割ったものは、低電流値においてその最大値に達する。示されるように、より高い圧力と１０ｍＡ未満の電流において、効率は１０％に達する。

図２１は図１０に表されたものと類似の光源１２０の実施形態の等角図である。図２１の表されるような光源の実施形態による光源を使用して得られた線状エキシマ光源の空間分布が、図２２の一連の写真によって示されている。１７２ｎｍの波長において上方から撮影された図２２の写真は、５００Ｔｏｒｒの圧力のキセノンの光源ガス媒体を使用して得られた。「点灯」するマイクロ放電の数は電流と共に増加する。しかしながら、全ての放電が起こされた値を超えて電流が増加する場合、エキシマ光源は変化する。微細空洞（図２２のスポット）の位置で最も高い強度値を示さずに、プラズマからの光強度が均等になる。図２３に示されるように、この位置からは、電流と共にトータルのエキシマ・パワーは減少する。この遷移に対する臨界電流は圧力に依存する。圧力が低ければ低いほど、図２３に示された臨界電流は低くなる。

図１０、１３、１６、および２１は、それぞれ本発明による異なった実施形態を表し、そこでは微細空洞が１つまたはそれ以上の線状に連続して配置されている。このような実施形態では、陰極降下および負グローは微細空洞と誘電体との間の空間を占め、均等な線状のプラズマ源を発生させる。カソード微細孔径と比べて、アノード・カソード間隔がそれほど大きくない限り、アノード１０１０、１３１０、１６１０の位置設定は自在である。したがって、本発明の想定の範囲には、アノードとカソードの同様な他の構成が存在することが理解されるべきである。

図２４の上方からの写真は、光源１２０の他の実施形態からの、結果として得られる放射パターンを示している。図２４の動作に示された実施形態では、微細空洞は、１ｃｍ×１ｃｍの範囲上に前後に列を形成している連続的な配列で、実質的には正方形領域に延在した一連の微細空洞の形態に整列している。表された光源は１ｃｍ×１ｃｍのトータルサイズを有している。光源は、２００Ｔｏｒｒの圧力で６０ｍＡの電流の下でのキセノンを使用した動作におけるものを示している。

図２４に示されるような光源１２０の実施形態は、プレーナー(planar)表面に形成できる一方で、他の実施形態では曲面の表面上に形成された光源を含むことができる。例えば、チューブを通して流れるガスまたは液体に放射するように光源が構成されうる。これにより、光源は特定のターゲットに放射するために調整した光を生成できる。図２５Ａと図２５Ｂは、それぞれ、ガスまたは流体の流れに連続的に放射するために構成された、本発明によるエキシマランプの実施形態を表す別々の斜視図および透視図である。図２４に表された実施形態は、シリンダ表面に形成されたアノード、誘電体、およびカソードを有するシリンダを含んでいる。微細空洞のアレイは、これらの各層を貫通できる。そして流体は、処理のためのシリンダへ、およびシリンダから受け取ることができる。図２５Ａに表されるようなガス放電デバイスの一実施形態では、デバイスは、処理される液体またはガスを囲む２つの半分の円筒の形態に作ることができる。

３．デバイス寿命の検討
商業的に使用するのにおいて、光源が１００時間またはそれ以上の寿命および有しているならば、特に有利である。電極材料の腐食特性は放電セルの寿命に強い影響力を持っている。その上、誘電体からの腐食は、デバイス性能に有害な影響を有する可能性がある。セル材料上の腐食の速度を低下させることは、セルの寿命を増加させる。

最も良好な材料によってさえ、電極、すなわちアノードおよびカソードの何らかの腐食が生じる。電極を冷却することにより腐食速度を低下させうる。いくつかの実施形態では、電極からの熱伝導によって冷却を達成できる。ここで議論した実施形態に対応する光源の実施形態では、アノード電極およびカソード電極が放電領域を超えて延在し、ヒートシンクに接触するように構成できる。

同様の実施形態は、電極のうち１方のみがヒートシンクに取り付けられるように構成できる。このような実施形態では、取り付けた側の電極は、誘電体を通して第２の側の電極を冷却することができる。誘電体の大きな面積と小さな厚みは、ほとんどの誘電体に固有の貧弱な熱伝導特性を克服することの助けとなる。

電極に亘ってガスを流すことにより、外部冷却も実行できる。冷却ガスの流れは、セルの誘電体表面を冷却する働きもする。ガス冷却光源の実施形態は、放電デバイスの両側の気密性通路によって構成できる。この構造により、マイクロ放電部を形成する孔を直接通してガスが流れることが可能となり、したがってガスは両方の電極、誘電体、およびデバイスの周囲のいくらかの領域を冷却する。

この特徴は前述の図２の実施形態に組み入れられている。光源は微細空洞カソード放電素子２０２、電極プレート２０３および２０４、圧力リング２０５、および窓２０６を有する。表された実施形態は片面の光出力を提供するが、同様の特徴で両面の実施形態を構成できる。

少なくとも１つの微細空洞を含む光源１２０の実施形態では、光源１２０の特定の実施形態に必要な寿命、性能、および費用に応じて、微細空洞の深さ、幅、形状、および表面材料を変えることができる。上記で議論したように、光源１２０の実施形態における微細空洞は、カソードを部分的または完全に貫くことができる。光源１２０は、図２６Ａおよび図２６Ｂに表されるアノードおよびカソードの両方を完全に貫通する単一の微細空洞カソード放電を有することができる。表された微細空洞は、電極２６０２および２６０３と、誘電体２６０４の組み合わせにより貫通孔２６０９によって形成される。貫通孔２６０９の形状は、図２６Ａおよび図２６Ｂに示されるように直径２６１３を有する筒状とすることができるが、他の形状をも使用できる。

ここに示された実施形態は、電極２６０２および２６０３を貫く直径と同じ直径を有し、誘電体２６０４を貫く貫通孔２６０９を持つ。貫通孔２６０９の誘電体における部分は誘電体の表面に亘る絶縁破壊を最小にするように形成できる。各々の電極および誘電体における開口とレイアウトの、サイズと方向は、お互いと異なったものとできる。

貫通孔２６０９の直径２６１３と、電極２６０２および２６０３のそれぞれの厚さ２６１０および２６１１は、直径２６１３の、厚さ２６０２および２６０３の各々に対する比率が約１：２となるようにすることが可能である。このおよその比率は、微細空洞２６０１の貫通孔２６０９内に形成される放電中で荷電粒子をもたらすポテンシャル井戸が形成され、反対の電極（２６０２または２６０３）に移動する際の、電極２６１０または２６１１の厚さよりはるかに長い通過経路を取ることを確実にする。この配置は、放電が合体して微細空洞を破損しうるアークを形成する見込みがより少ない状況で、同様の領域の平面電極よりもずっと多くの電子を発生させる。

図２６Ａおよび図２６Ｂに表された簡単な実施形態に対して、光源１２０の一実施形態は、図２７Ａおよび図２７Ｂに表されるように、より複雑な微細空洞ガス放電体２７０１に含むことができ、機能を拡張しながら寿命の追加を提供する。微細空洞ガス放電体２７０１は、電極２７０２および２７０３のベース材料とは異種の材料から形成されうる電極面２７０５および２７０６を有する。これにより、電極面２７０５および２７０６は、放電に使用される腐食性ガスと、貫通孔２７０９に創生される放電自体による腐食に対して抵抗するよう選択された材料から構成することができる。電極のベース材料２７０２および２７０３のためには高伝導の材料が使用でき、抵抗損失を低下させ、デバイスをより加熱されにくくする。

表面材料は、バリウムおよびセシウム、あるいは低仕事関数の材料と耐熱金属ベースから成るディスペンサ・カソード材料(dispenser cathode material)などのような、仕事関数の低い材料を有することができる。

さらにデバイス寿命を延長するために、一実施形態においては、各微細空洞は、電極２７０２および２７０３内において電極の厚さ２７１０および２７１１の全厚さの大部分を通して貫く周囲のギャップ２７０７および２７０８によって囲むことができる。電極２７０２および２７０３の残存部分の厚さは、アークの際にセルによって引き起こされた過剰な電流がその部分の電極材料を蒸発温度にまで加熱して、電気回路の中断をもたらすように選択される。これは、複数のセルを含むアレイにおいて、損傷したセルが、残存しているセルをショート（短絡）させるのを防ぐヒュージブル・リンク(fusible link; 可溶性結合)を形成する。

図２７Ｂに表された実施形態は、放電体２７０１に近接した表面材２７１４および２７１５を有することもできる。表面材２７１４は光源により発生する光を透過する窓として機能できる。また、表面材２７１５も窓を含むことができ、あるいは不透明な材料を含むこともできる。表面材２７１４および２７１５は、放電ガスが循環できる入口および出口プレナムを形成するためにセルの表面から物理的に隔てられる。ガス放電体から光が透過されるのを可能にすることに加えて、表面材２７１４および２７１５によって規定される経路を通したガスの循環はセルを冷却し、放電ガスの交換を可能にし、それら双方が光源の寿命の延長に通じる。

図２７Ａおよび図２７Ｂに表された光源１２０の実施形態が、ヒュージブル・リンクを形成するための周囲のギャップ２７０７および２７０８と、電極面２７０５および２７０６を形成する異種材料の、両方の特徴を有する微細空洞を含むことができるが、それらの特徴の各々が独立している、ということが理解されるべきである。したがって、光源１２０の他の実施形態は、電極面上に周囲のギャップまたは異種材料のどちらかを有する微細空洞を含むことができるが、両方の特徴は含まない。光源１２０のさらに他の実施形態は、１つの電極のみにヒュージブル・リンクを形成させる。したがって、ギャップ２７０７またはギャップ２７０８のどちらかしか有しないことになるが、両方は有しない。複数の微細空洞を含む光源１２０の他の実施形態では、これらの特徴のいずれかが、複数の微細空洞の全てではなく、その一部で見出されるようにできる。

４．光源製造
大面積の平面または曲面のパネル・エキシマランプの製造を可能にする方法は、プラズマ溶射である。プラズマ溶射は、ダイヤモンドおよび他の被覆を形成するのに使用されてきた周知よく知られた技術である。この技術は、カソード金属上に、アルミナ、ＰＳＺ、ＴＺＰ、または窒化アルミニウムなどのような誘電体の安定した被覆を提供するのにも有利に使用できる。またこの方法により、モリブデン−ジルコニア−モリブデンなどの３層を形成させることも可能である。二層の誘電体、あるいは表面金属層と３層の誘電体におけるパターンは、製造工程中にマスクを使用するか、またはエッチング法のいずれかによって作成することができる。プラズマ溶射技術に関する詳細は、Lugscheider, E.およびWeber, T.著「in Plasma Spraying-An Innovative Coating Technique: Process Variants and Applications」、IEEE Transactions on Plasma Science 18 (1990), Volume 6, pp. 968-973によって提供されている。

上記詳細な説明が、様々な実施形態への適用に沿って本発明の新規な特徴を示し、記述し、指摘してきたが、本発明の精神から逸脱することなく、この技術分野の当業者が、例示されたデバイスまたはプロセスの形態および詳細における様々な省略、代替、および変更を行うことができる、ということが理解されるであろう。本発明の範囲は以上の説明というよりはむしろ、添付の特許請求の範囲によって表される。特許請求の範囲と等価な意味および範囲に含まれるすべての変更は、その範囲の中に包含されるべきものである。

本発明の一実施形態による、ＵＶ照射を通した超純水を製造するシステムを表す図である。 図１に表されたシステムの一実施形態で使用されうるガス冷却流路と多層膜窓を有したランプとハウジングの断面図である。 図１に表されたシステムの一実施形態で使用され、放電媒体がアルゴン・フッ化物である光源の場合における、波長と強度との関係のグラフである。 図１に表されたシステムの場合の、ジクロロエテンのモル吸光係数と光源からの放射光波長との関係のグラフである。 リセスした誘電体を有する微細空洞電極構成を表す図である。 １０×１０個の微細空洞をもつ構成に対する可視光スペクトルにおけるマイクロ放電の正面写真である。 ステンレス鋼メッシュから成るカソードの上面からの写真である。 図７Ａのカソードを使用するデバイスの動作中における上面からの写真である。 周囲の電流および電流密度を表すベクトルに沿った簡単な微細空洞放電を表す図である。 図８Ａと同様の簡単な微細空洞放電であるが、カソードの覆われていない領域上に生成される放電プラズマを有するものを表す図である。 図８Ｂと同様の簡単な微細空洞放電であるが、カソードの覆われていない領域の境界を超えて広がる放電プラズマを有するものを表す図である。 キセノンガス媒体における単一の微細空洞光源の、動作中の正面写真一式である。 本発明の一実施形態による光源の断面図を表す。 図１０Ａに表された形態と同じ光源の平面図を表す。 図１０Ａの形態による光源の電流電圧特性のグラフ表示である。 電流と圧力のある範囲において動作する、図１０Ａに表された光源形態の一連の可視光写真である。 電流と圧力のある範囲において動作する、図１０Ａに表された光源形態の一連の可視光写真である。 本発明による光源の他の実施形態の平面図である。 図１３に表された光源の電流電圧特性のグラフ表示である。 電流のある範囲において動作する、図１３に表された光源形態の一連の可視光写真である。 本発明による光源の他の実施形態の平面図を表す。 図１６Ａに表された光源の実施形態の断面図である。 １０ｍＡの電流で３００Ｔｏｒｒのキセノンにおいて動作する、図１６Ａに表された光源の形態の写真である。 キセノン放電媒体を使用する、図１６Ａに表された形態による光源の動作から得られる強度と波長との関係のグラフである。 キセノン放電媒体を使用する、図１６Ａに表された形態による光源の動作から得られる放射パワーと電流との関係のグラフである。 キセノン放電媒体を使用する、図１６Ａに表された形態による光源の動作から得られる効率と電流との関係のグラフである。 図１０Ａに表されたものと類似の光源の等角図である。 ５００Ｔｏｒｒのキセノンで動作する、図２１に表された光源形態の一連の可視光写真である。 キセノン放電媒体を使用する、図２１に表された形態による光源の動作から得られる強度と波長との関係のグラフである。 本発明の他の実施形態による運転中の光源の写真である。 本発明の一実施形態による、シリンダ形態での光源の側面斜視図である。 図２１Ａに表された光源形態の端部透視図である。 本発明による簡単な微細空洞の平面図を表す。 図２６Ａに表された簡単な微細空洞の横方向断面図である。 微細空洞の周囲にヒュージブル・リンクを有する、本発明による微細空洞の平面図である。 図２７Ａに表された微細空洞の横方向断面図である。

符号の説明

１０１ 流体処理システム（処理装置）
１１０ 流体処理チャンバ
１２０ 光源
１３０ 流体入口
１４０ 流体出口
１６０ ＵＶ検出器
１７０ ガス源
１８０ 電子回路
１９０ 制御部
２０１ マイクロ放電・エキシマガス放電光源
２０２ ガス放電素子
２０３、２０４ 電極プレート
２０５ 圧力リング
２０６ 窓
２０７ 排気ガスポート
２０８ 流入ガスポート
２０９ ガス接触層
２１０ 中間層
２１１ 流体接触層
２１２、２１３、２１４ Ｏリング
２７０ 微細空洞ガス放電
８１０ アノード
８１４ 矢印
８１６ 矢印
８２０ 誘電体
８３０ カソード
８５０ 微細空洞
８８０ 拡張プラズマ層
１０１０ アノード
１０２０ 誘電体
１０３０ カソード
１０５０〜１０５９ 微細空洞
１３１０ アノード
１３２０ 誘電体
１３３０ カソード
１６１０ アノード
１６１０ 誘電体
１６２０ 誘電体
１６３０ カソード
１６５０ 微細空洞
２６０１ 微細空洞
２６０２ 電極
２６０４ 誘電体
２６０９ 貫通孔
２６１０ 電極
２６１３ 直径
２７０１ 微細空洞ガス放電体
２７０２ 電極
２７０５ 電極面
２７０７、２７０８ ギャップ
２７０９ 貫通孔
２７１４、２７１５ 表面材

Claims (65)

1. 流体入口および流体出口に連結された処理チャンバと、
   処理チャンバを通過する流体を放射に露出するよう光源が構成される少なくとも１つのマイクロ放電・エキシマガス放電光源と、
   を有する流体処理システム。
2. 光源に連結されたガス供給手段をさらに有する請求項１に記載のシステム。
3. 少なくとも１つの光源からの光を受けるように配置されたＵＶ検出器をさらに有し、前記光は前記処理チャンバの少なくとも一部を通過させられる請求項１に記載のシステム。
4. 前記ガス放電光源が１００〜４００ｎｍの範囲の波長を持った光を生成する請求項１に記載のシステム。
5. 前記ガス放電光源が約１９３ｎｍの波長を支配的に持った光を生成する請求項１に記載のシステム。
6. 前記ガス放電光源が約１７２ｎｍの波長を支配的に持った光を生成する請求項１に記載のシステム。
7. 前記流体が実質的に水より成る請求項１に記載のシステム。
8. 不純物が有機化合物を含む請求項１に記載のシステム。
9. 前記有機化合物の少なくとも一部がハロゲン化している請求項８に記載のシステム。
10. 少なくとも１つの光源がチャンバ・シールの一部を形成する請求項１に記載のシステム。
11. 流体入口および流体出口に連結された処理チャンバと、
    処理チャンバを通過する流体を放射に露出するよう光源が構成される少なくとも１つのマイクロ放電・エキシマガス放電光源と、
    を有する流体処理システムであって、
    各光源が、
    カソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備えた前記カソードであって、前記領域の最も長い寸法が前記誘電体の厚さより実質的に大きいカソードと、
    前記カソードの覆われていない部分を貫通する１つまたは複数の微細空洞と、
    少なくとも前記誘電体の厚さで前記カソードと隔てられたアノードと、
    前記アノードと前記カソードとに接触するガス放電媒体と、
    を有する流体処理システム。
12. 前記最も長い寸法の、前記誘電体の厚さに対する比率が約１０対１である請求項１１に記載のシステム。
13. マイクロ放電・エキシマガス放電光源を利用する光を生成し、前記光が１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の波長を持つようにする段階と、
    流体を前記光に露出する段階と、
    を有する流体の不純物を浄化する方法。
14. プラズマ放電の領域を通して冷却ガスを流す段階さらに有する請求項１３に記載の方法。
15. 前記ガス放電光源が約１９３ｎｍの波長を支配的に持った光を生成する請求項１３に記載の方法。
16. 前記ガス放電光源が約１７２ｎｍの波長を支配的に持った光を生成する請求項１３に記載の方法。
17. 前記流体が実質的に水より成る請求項１３に記載の方法。
18. 不純物が有機化合物を含む請求項１３に記載の方法。
19. 前記有機化合物の少なくとも一部がハロゲン化している請求項１８の方法。
20. 光を生成するために使用されるマイクロ放電・エキシマガス放電光源が
    カソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備えた前記カソードであって、前記領域の最も長い寸法が前記誘電体の厚さより実質的に大きいカソードと、
    少なくとも前記誘電体の厚さで前記カソードと隔てられたアノードと、
    前記アノードと前記カソードとに接触するガス放電媒体と、
    を有する請求項１３に記載の方法。
21. 光を生成するために使用される前記エキシマガス放電光源が、前記カソードの覆われていない部分を貫通する１つまたは複数の微細空洞をさらに有する請求項２０の方法。
22. カソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために、誘電体で覆われた表面の一部を備えた前記カソードであって、前記領域の最も長い寸法が前記誘電体の厚さより実質的に大きいカソードと、
    前記カソードの覆われていない部分を貫通する１つまたは複数の微細空洞と、
    少なくとも前記誘電体の厚さで前記カソードと隔てられたアノードと、
    前記アノードと前記カソードとに接触するガス放電媒体と、
    を有するガス放電光源。
23. 前記最も長い寸法の、前記誘電体の厚さに対する比率が少なくとも１０対１である請求項２２に記載のガス放電光源。
24. 少なくとも１つの前記微細空洞が、前記カソードの覆われていない部分を通して完全に貫通する請求項２２に記載のガス放電光源。
25. 前記誘電体の厚さが少なくとも１つの前記微細空洞の幅とほぼ同じである請求項２２に記載のガス放電光源。
26. 前記カソードの覆われていない部分がスリットを備える請求項２２に記載のガス放電光源。
27. 前記アノードが前記スリットの１つの面に沿って延在する請求項２６に記載のガス放電光源。
28. 前記アノードの第１の部分が前記スリットの一端から延在し、前記アノードの第２の部分が前記スリットの他端から延在する請求項２６に記載のガス放電光源。
29. 前記カソードの覆われていない部分が実質的に円形である請求項２２に記載のガス放電光源。
30. 前記アノードと前記カソードとは直流電源に連結される請求項２２に記載のガス放電光源。
31. 前記アノードと前記カソードとは交流電源に連結される請求項２２に記載のガス放電光源。
32. 前記アノードと前記カソードとはパルス電流電源に連結される請求項２２に記載のガス放電光源。
33. 前記ガスが１０Ｔｏｒｒから１５００Ｔｏｒｒまでの範囲の圧力である請求項２２に記載のガス放電光源。
34. 前記アノードおよび前記カソードを囲むハウジングと、
    前記ハウジングの一部を覆う窓と、
    をさらに有する請求項２２に記載のガス放電光源。
35. ガス入口と、
    ガス出口と
    をさらに有する請求項３４に記載のガス放電光源。
36. 前記ガスが希ガスを含む請求項２２に記載のガス放電光源。
37. 前記ガスが、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびそれらの混合物から成る群から選択される請求項２２に記載のガス放電光源。
38. 前記ガスが、希ガスと電気陰性ガスとを含む混合物である請求項２２に記載のガス放電光源。
39. 前記ガスが空気を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
40. 前記カソードが耐熱金属を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
41. 前記カソードが、モリブデン、チタニウム、およびタングステンから成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
42. 前記誘電体が耐熱誘電体を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
43. 前記誘電体が、アルミナおよびジルコニアから成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
44. 前記誘電体が１０マイクロメートルから２００マイクロメートルの厚さ持つ請求項２２に記載のガス放電光源。
45. 前記誘電体がカソードに塗布された被覆を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
46. 前記アノードが耐熱金属を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
47. 前記アノードが、モリブデン、チタニウム、およびタングステンから成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
48. 前記アノードが少なくとも１つのプレートを含む請求項２２に記載のガス放電光源。
49. 前記アノードが前記誘電体の少なくとも一部を覆う金属層を含む請求項２２に記載のガス放電光源。
50. 前記アノードおよび前記カソードの少なくとも１つが、ヒートシンクに熱的に連結される請求項２２に記載のガス放電デバイス。
51. 前記アノードおよび前記カソードに交差する気密性通路と、
    各通路に連結されたガス流入ポートと、
    各通路に連結されたガス流出ポートと、
    をさらに有する請求項２２に記載のガス放電光源。
52. 前記カソードおよび前記アノードの少なくとも１つが、エキシマ形成ガスにさらされる内側表面と、目標流体にさらされる外側表面と、を備えた光透過性窓を通して光を放つように配置される請求項２２に記載のガス放電光源。
53. 前記内側表面は、エキシマガスとその励起された構成成分にさらされることに耐えうる請求項５２によるガス放電デバイス。
54. 前記外側表面は、高純度水との接触に耐えうる請求項５２によるガス放電デバイス。
55. デバイスの前記アノードおよび前記カソードの両方の側に、近接した光透過性窓が存在する請求項５２によるガス放電デバイス。
56. 透過光は、約１５０〜４００ｎｍの範囲に支配的な波長を持っている請求項５２に記載のガス放電デバイス。
57. 第１および第２の電極であって、第１の電極はベース電極材料を含み、カソードの少なくとも１つの覆われていない領域を規定するために誘電体で覆われた表面の一部を備え、前記領域の最も長い寸法が前記誘電体の厚さより実質的に大きくなるようにし、
    第２の電極はベース電極材料を含み、少なくとも前記誘電体の厚さで前記第１の電極と隔てられるようにした、第１および第２の電極と、
    前記第１の電極および前記第２の電極に接触するガス放電媒体と、
    少なくとも１つの電極を貫通する複数の微細空洞であって、前記微細空洞の少なくとも１つにおける電極表面材料がベース電極材料とは異なる材料である微細空洞と、
    を有するガス放電光源。
58. 前記表面材料が耐熱金属を含む請求項５７のガス放電光源。
59. 前記表面材料が、タングステン、モリブデン、およびチタニウムから成る群から選択された少なくとも１つの材料を含む請求項５７に記載のガス放電光源。
60. 前記表面材料が、少なくとも１つの低仕事関数の材料を含む請求項５７に記載のガス放電光源。
61. 前記表面材料が、バリウムおよびセシウムから成る群から選択された材料を含む請求項５７に記載のガス放電光源。
62. 前記表面材料が、ディスペンサ・カソード材料を含む請求項５７に記載のガス放電光源。
63. 前記ディスペンサ・カソード材料が低仕事関数の材料と耐熱金属ベースとの混合物を含む請求項６２に記載のガス放電光源。
64. 少なくとも１つの電極が、ヒュージブル・リンクであって、前記ヒュージブル・リンクを通る電流が特定の時間内に特定のレベルを超えた場合に電流の導通を止めるよう構成されたヒュージブル・リンクを有する請求項５７のガス放電光源。
65. 前記微細空洞の少なくとも１つが、少なくとも１つの電極の一部を電極のある厚さまで貫く周囲のギャップによって囲まれ、前記厚さがヒュージブル・リンクを形成するように選択される請求項５７のガス放電光源。
    

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