JP2007265682A - 放電プラズマ生成補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電開始電圧を低減でき且つ長寿命化を図れる放電プラズマ生成補助装置を提供する。
【解決手段】放電ガスが封入された気密容器１内においてカソード電極２ａの近くに配置され放電ガス中へ電子を供給する電子源１０と、放電プラズマのイオンから電子源１０を保護する２つの保護部材２１，２２とを備えている。各保護部材２１，２２は、それぞれ導電性材料により形成されていて、電子源１０から放出された電子の通る複数の開口部２１ａ，２２ａが形成されている。第２の保護部材２２の電位がアノード電極２ｂの電位よりも低く且つカソード電極２ａの電位よりも高い電位に設定されており、各保護部材２１，２２、アノード電極２ｂ、カソード電極２ａの各電位は図示しない制御部によって制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電プラズマを利用する放電プラズマ装置に用いる放電プラズマ生成補助装置に関するものである。

従来の蛍光ランプは、透光性気密容器内に封入した水銀を含む放電媒体を放電により励起させて紫外線を発生させ、透光性気密容器の内面に被着した蛍光体層を励起させて発光させるものである。

これに対して、近年、地球の環境問題に対する関心が高まるにつれて、水銀を利用せずに例えばキセノンガスなどの希ガスを放電ガス（放電媒体）として用いた希ガス蛍光ランプのような無水銀蛍光ランプが各所で研究開発されている。

しかしながら、希ガス蛍光ランプは、水銀を利用した従来の蛍光ランプに比べて、効率が低く、従来の蛍光ランプと同等の輝度を得るためには、透光性気密容器内に配置された一対の放電用電極間により高い電圧を印加しなければならないという問題があった。

これに対して、放電ガスとしてキセノンガスが封入された透光性気密容器と、透光性気密容器内に配置された一対の放電用電極とを備えた放電プラズマ装置に用いる放電プラズマ生成補助装置として、電界放射型の電子源を透光性気密容器内における一対の放電用電極間の放電プラズマ生成空間の外に配置し、一対の放電用電極間に電圧を印加する前に電子源を駆動して電子を放出させることにより、放電開始電圧を低減する技術が提案されており（例えば、特許文献１参照）、放電開始電圧を半分程度まで低減できることが知られている。

ここにおいて、上述の放電プラズマ装置では、一対の放電用電極間の放電プラズマ生成空間の外に電子源を配置することで、放電プラズマに起因したダメージが電子源に発生するのを抑制していた。
特開２００２−１５０９４４号公報

しかしながら、上述の放電プラズマ装置では、放電開始電圧を更に低減するためにより大きな電流を流すと、放電プラズマが電子源の電子放出面に達したり、放電用電極と電子源との間で放電が起こって、電子源の電子放出面にイオンが衝突することにより電子源に損傷が発生し、電子源の寿命が短くなって、結果的に放電プラズマ生成補助装置の寿命が短くなってしまうという懸念があった。

そこで、放電プラズマ生成補助装置に、電子源に対向配置され電子源を保護する保護部材として導電性材料により形成された網状体を設けることによって、電子源の電子放出面へのイオンの衝突を抑制することが考えられるが、電子源へのイオンの衝突を抑制するには網状体の網目のサイズを小さくする必要があり、電子源から放出された電子の一部が網状体に衝突したり捕らえられたりし、放電ガスであるキセノンガス中への電子の供給量が減少し、放電開始電圧が高くなってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放電開始電圧を低減でき且つ長寿命化を図れる放電プラズマ生成補助装置を提供することにある。

請求項１の発明は、放電ガスが封入された気密容器と、気密容器内に配置されたアノード電極およびカソード電極とを備えた放電プラズマ装置に用いられ放電プラズマの生成を補助する放電プラズマ生成補助装置であって、気密容器内において放電プラズマ生成空間の外側でカソード電極の近くに配置され放電ガス中へ電子を供給する電子源と、電子源から放出された電子の通る開口部を有し且つ気密容器内で生成された放電プラズマのイオンから電子源を保護する２つの保護部材とを備え、両保護部材がそれぞれ導電性材料により形成されるとともに電子源の電子放出方向において離間して配置され、電子源に近い側の保護部材である第１の保護部材の電位が電子源よりも高電位となり且つ第１の保護部材と電子源から遠い側の保護部材である第２の保護部材との電位が互いに異なるように第１の保護部材と第２の保護部材との電位関係が設定され、第２の保護部材の電位が、アノード電極の電位よりも低く且つカソード電極の電位よりも高い電位に設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、電子源の電子放出方向において離間して配置された第１の保護部材および第２の保護部材それぞれが電子源から放出された電子の通る開口部を有しているので、第１の保護部材および第２の保護部材それぞれの開口率を適宜設定することで電子源へのイオンの衝突を抑制しつつ電子源から放出された電子が各保護部材に衝突したり捕らえられたりするのを抑制できて放電開始電圧を低減でき、しかも、第２の保護部材の電位がアノード電極の電位よりも低く且つカソード電極の電位よりも高い電位に設定されているので、第２の保護部材とアノード電極およびカソード電極との間それぞれでの不要な放電プラズマが起こるのを防止することができるから、電子源に損傷が発生するのを抑制できて長寿命化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２の保護部材の電位が前記第１の保護部材よりも低電位となるように前記電位関係が設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の保護部材の開口部を通った電子が前記第２の保護部材に捕らえられるのを抑制しつつ、前記気密容器内において前記アノード電極と前記カソード電極との間で発生する放電プラズマのイオンに起因した前記電子源のダメージを低減することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第２の保護部材は、前記第１の保護部材よりも開口率が低いことを特徴とする。

この発明によれば、前記気密容器内において前記アノード電極と前記カソード電極との間で発生する放電プラズマのイオンに起因した前記電子源のダメージをより低減できる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記第１の保護部材は、前記開口部が前記電子源の電子放出面に対応する形状に開口されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記電子源から放出された電子を前記第１の保護部材と前記電子源との間の電界によって加速しつつ、前記電子源から放出された電子が前記第１の保護部材に捕獲される確率を低減することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記第２の保護部材は、前記カソード電極との距離をｄ、前記カソード電極との間の空間での電子増倍率をα、前記気密容器内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、
γ≦１／（ｅ^αｄ−１）
の関係を満たす材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の保護部材と前記カソード電極との間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、前記電子源の長寿命化を図れる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記第２の保護部材は、前記カソード電極との距離をｄ、前記カソード電極との間の空間での電子増倍率をα、前記気密容器内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、
α≦ｌｎ{（１／γ）＋１}／ｄ
の関係を満たすように電位が設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の保護部材と前記カソード電極との間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、前記電子源の長寿命化を図れる。

請求項１の発明では、放電開始電圧を低減でき且つ長寿命化を図れるという効果がある。

本実施形態における放電プラズマ装置は、図１（ａ）に示すように、放電ガス（ここでは、Ｘｅガス）が封入された気密容器１と、気密容器１内に配置されたアノード電極２ｂおよびカソード電極２ａとを有する放電ランプＬａを備えている。なお、放電ガスはＸｅガスに限らず、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｎ_２ガス、ＣＯガス、Ｈｇ蒸気やそれらの二種以上からなる混合ガスなどを放電プラズマ装置の用途などに応じて適宜採用すればよい。

また、本実施形態における放電プラズマ装置は、放電プラズマの生成を補助する放電プラズマ生成補助装置として、図１（ａ），（ｂ）に示すように、気密容器１内においてアノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間の所望の放電プラズマ生成空間３の外側でカソード電極２ａの近くに配置され放電ガス中へ電子を供給する電子源１０と、気密容器１内の放電プラズマ生成空間３で生成された放電プラズマのイオンから電子源１０を保護する２つの保護部材２１，２２とを備えている。ここにおいて、各保護部材２１，２２は、それぞれ導電性材料により形成されていて電子源１０から放出された電子を加速するためのグリッド電極を兼ねており、電子源１０の電子放出方向において離間して配置されている。また、各保護部材２１，２２は、電子源１０から放出された電子の通る複数の開口部２１ａ，２２ａが形成されている。

本実施形態における放電ランプＬａは、直管形の放電ランプであり、気密容器１が透光性材料（例えば、ガラス、透光性セラミックなど）により円筒状に形成され、気密容器１の長手方向の一端部（図１における左端部）にアノード電極２ｂが配置され、上記長手方向の他端部（図１における右端部）にカソード電極２ａが配置されている。また、放電ランプＬａは、上述の放電プラズマ生成補助装置が、カソード電極２ａの近くでカソード電極２ａに対してアノード電極２ｂ側とは反対側に配置されている（要するに、電子源１０および各保護部材２１，２２は、気密容器１内において放電プラズマ生成空間３の外に配置されている）。

電子源１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）１４の一表面上に金属膜（例えば、タングステン膜など）からなる下部電極１５が形成され、下部電極１５上に強電界ドリフト層１６が形成され、強電界ドリフト層１６上に導電性薄膜（例えば、金薄膜）よりなる表面電極１７が形成されている。なお、表面電極１７を構成する導電性薄膜の膜厚は１０〜１５ｎｍ程度に設定することが望ましいが、当該導電性薄膜は単層膜に限らず多層膜でもよい。

本実施形態における電子源１０では、強電界ドリフト層１６が電子通過層を構成しており、下部電極１５と電子通過層たる強電界ドリフト層１６と表面電極１７とで表面電極１７を通して電子を放出する電子源素子１０ａを構成している。

電子源素子１０ａの強電界ドリフト層１６は、図２に示すように、少なくとも、下部電極１５の表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である多数のシリコン酸化膜６４とから構成されている。ここに、各グレイン５１は、下部電極１５の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１４の厚み方向に延びている）。

上述の電子源素子１０ａから電子を放出させるには、表面電極１７が下部電極１５に対して高電位側となるように表面電極１７と下部電極１５との間に駆動電圧を駆動電源（図示せず）から印加すれば、下部電極１５から強電界ドリフト層１６へ注入された電子が強電界ドリフト層１６をドリフトし表面電極１７を通して放出される。

ここに、本実施形態における電子源素子１０ａでは、表面電極１７と下部電極１５との間に印加する駆動電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができる。なお、本実施形態の電子源素子１０ａは、電子放出特性の真空度依存性が小さく且つ電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができるという特徴を有している。

本実施形態における電子源素子１０ａの基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極１７と下部電極１５との間に表面電極１７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１５から強電界ドリフト層１６へ電子ｅ⁻が注入される。一方、強電界ドリフト層１６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ⁻はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、強電界ドリフト層１６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図２中の矢印の向き（図２における上向き）へドリフトし、表面電極１７をトンネルし放出される。しかして、強電界ドリフト層１６では下部電極１５から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極１７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、強電界ドリフト層１６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。

なお、上述の電子源１０では、表面電極１７が電子放出部を構成している。また、上述の強電界ドリフト層１６では、シリコン酸化膜６４が絶縁膜を構成しており絶縁膜の形成に酸化プロセスを採用しているが、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスないし酸窒化プロセスを採用してもよく、窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン窒化膜となり、酸窒化プロセスを採用した場合には各シリコン酸化膜５２，６４がいずれもシリコン酸窒化膜となる。

また、上述の各保護部材２１，２２は、上記導電性材料（例えば、ニッケル、アルミニウム、ステンレスなど）により網状の形状に形成されており、該網状の各網目それぞれの部分が電子源１０から放出された電子の通る開口部２１ａ，２２ａを構成している。なお、本実施形態では、各保護部材２１，２２を網状の形状に形成してあるが、各保護部材２１，２２は、網状の形状に限らず、例えば、平板状の導電性基材に開口部２１ａ，２２ａを設けたものでもよい。

本実施形態の放電プラズマ生成補助装置では、上記駆動電源から電子源１０の表面電極１７と下部電極１５との間に例えば１４Ｖ程度の直流電圧を印加するとともに、第１の加速用電源（図示せず）から第１の保護部材２１と表面電極１７との間に例えば１００Ｖ程度の直流電圧を印加し、第２の加速用電源（図示せず）から第２の保護部材２２と表面電極１７との間に例えば９０Ｖ程度の直流電圧を印加することにより、電子源１０から放出された電子が第１の保護部材２１および第２の保護部材２２それぞれで加速されてアノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間の放電プラズマ生成空間３へ供給される。ここで、放電プラズマ生成補助装置を駆動する際の各構成要素の電位は、第１の保護部材２１と第２の保護部材２２との電位が互いに異なるように第１の保護部材２１と第２の保護部材２２との電位関係が設定され、第２の保護部材２２の電位が、アノード電極２ｂの電位よりも低く且つカソード電極２ａの電位よりも高い電位に設定されている。ここにおいて、第２の保護部材２２の電位は、第２の保護部材２２とアノード電極２ｂとの間の電位差（以下、第１の電位差と称す）が第２の保護部材２２とアノード電極２ｂとの間の放電開始電圧よりも小さく、且つ、第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの間の電位差（以下、第２の電位差と称す）が第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの間の放電開始電圧よりも小さくなるように設定するのが望ましく、上記各電位差それぞれを放電開始電圧よりも低い放電維持電圧よりも小さくなるように設定するのがより望ましい。

なお、本実施形態では、アノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間に電圧を印加する電源Ｖ_ＡＫ、上記駆動電源、上記第１の加速用電源、上記第２の加速用電源それぞれの出力電圧を例えばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御しており、各保護部材２１，２２、アノード電極２ｂ、カソード電極２ａそれぞれの電位を上記制御部によって制御することで、上記電位関係を満足させるようにしてある。

以上説明した本実施形態の放電プラズマ生成補助装置によれば、電子源１０の電子放出方向において離間して配置された第１の保護部材２１および第２の保護部材２２それぞれが電子源１０から放出された電子の通る開口部２１ａ，２２ａを有しているので、第１の保護部材２１および第２の保護部材２２それぞれの開口率を適宜設定することで電子源１０へのイオンの衝突を抑制しつつ電子源１０から放出された電子が各保護部材２１，２２に衝突したり捕らえられたりするのを抑制できて放電開始電圧を低減でき、しかも、第２の保護部材２２の電位がアノード電極２ｂの電位よりも低く且つカソード電極２ａの電位よりも高い電位に設定されているので、第２の保護部材２２とアノード電極２ｂおよびカソード電極２ａとの間それぞれでの不要な放電プラズマが起こるのを防止することができるから、電子源１０に損傷が発生するのを抑制できて長寿命化を図れる。また、第２の保護部材２２の電位が第１の保護部材２１よりも低電位となるように上記電位関係が設定されているので、第１の保護部材２１の開口部２１ａを通った電子が第２の保護部材２２に捕らえられるのを抑制しつつ、気密容器１内においてアノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間で発生する放電プラズマのイオンに起因した電子源１０のダメージを低減することができる。

また、本実施形態の放電プラズマ生成補助装置では、第２の保護部材２２の開口率を第１の保護部材２１の開口率よりも低くしてあるので、気密容器１内においてアノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間で発生する放電プラズマのイオンに起因した電子源１０のダメージをより低減できる。ここにおいて、第１の保護部材２１の開口部２１ａを電子源１０の電子放出面に対応する形状に開口しておけば、電子源１０から放出された電子を第１の保護部材２１と電子源１０との間の電界によって加速しつつ、電子源１０から放出された電子が第１の保護部材２１に捕獲される確率を低減することができる。

ところで、アノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間で放電プラズマが発生するのは、アノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間の距離をｄ、電子増倍率をα、カソード電極２ａのイオンによる二次電子放出係数をγとすると、
γ＞１／（ｅ^αｄ−１）
の関係を満たしたときであり、カソード電極２ａにイオンが衝突して二次電子を発生させることでアノード電極２ｂとカソード電極２ａとの間で放電が維持されるが、この原理はカソード電極２ａと第２の保護部材２２との間でも同様である。

そこで、第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの距離をｄ、第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの間の空間での電子増倍率をα、気密容器１内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、第２の保護部材２２の材料を、
γ≦１／（ｅ^αｄ−１）
の関係を満たす材料により形成すれば、第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、電子源１０の長寿命化を図れる。

ここにおいて、γを低くするには、イオンに対する二次電子放出効率の低い材料を用いればよく、この種の材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｐｏなどや、これらの酸化物、窒化物、炭化物などを用いることが望ましい。

また、第２の保護部材２２の材料として、上述の材料以外の材料を用いても、αが、
α≦ｌｎ{（１／γ）＋１}／ｄ
の関係を満たすように第２の保護部材２２の電位を設定することで、第２の保護部材２２とカソード電極２ａとの間で不要な放電プラズマが発生するのを防止することができ、電子源１０の長寿命化を図れる。ここで、第２の保護部材２２は、イオンに対する二次電子放出効率が低い方が望ましいが、放電プラズマ生成補助装置からの電子放出効率を向上させるためには、電子に対する二次電子放出効率が高い方が望ましい。

上述の実施形態における電子源１０は、弾道型電子放出現象により電子を放出する電子源であって弾道電子面放出型電子源（Ballistic electron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）と呼ばれている。ここにおいて、電子源１０はＢＳＤに限らず、例えば、上述の電子通過層として強電界ドリフト層１６に代えて絶縁体層を採用したＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）型の電子源、上述の電子通過層として強電界ドリフト層１６に代えて下部電極１５側の半導体層と表面電極１７側の絶縁体層とを採用したＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型の電子源、スピント型の電子源、ＳＣＥ（Surface Conduction Electron emitter）型の電子源、カーボンナノチューブエミッタを用いた電子源などを用いてもよいが、電子源１０としてＢＳＤを用いれば放電ガス中でも安定して電子を放出することができるので、電子源１０としてＢＳＤを用いることが望ましい。

実施形態を示し、（ａ）は放電プラズマ装置の概略構成図、（ｂ）は放電プラズマ生成補助装置の概略断面図である。 同上に用いる電子源の動作説明図である。

符号の説明

１ 気密容器
２ａ カソード電極
２ｂ アノード電極
３ 放電プラズマ生成空間
１０ 電子源
２１ 第１の保護部材
２１ａ 開口部
２２ 第２の保護部材
２２ａ 開口部
Ｌａ 放電ランプ

Claims (6)

1. 放電ガスが封入された気密容器と、気密容器内に配置されたアノード電極およびカソード電極とを備えた放電プラズマ装置に用いられ放電プラズマの生成を補助する放電プラズマ生成補助装置であって、気密容器内において放電プラズマ生成空間の外側でカソード電極の近くに配置され放電ガス中へ電子を供給する電子源と、電子源から放出された電子の通る開口部を有し且つ気密容器内で生成された放電プラズマのイオンから電子源を保護する２つの保護部材とを備え、両保護部材がそれぞれ導電性材料により形成されるとともに電子源の電子放出方向において離間して配置され、電子源に近い側の保護部材である第１の保護部材の電位が電子源よりも高電位となり且つ第１の保護部材と電子源から遠い側の保護部材である第２の保護部材との電位が互いに異なるように第１の保護部材と第２の保護部材との電位関係が設定され、第２の保護部材の電位が、アノード電極の電位よりも低く且つカソード電極の電位よりも高い電位に設定されてなることを特徴とする放電プラズマ生成補助装置。
2. 前記第２の保護部材の電位が前記第１の保護部材よりも低電位となるように前記電位関係が設定されてなることを特徴とする請求項１記載の放電プラズマ生成補助装置。
3. 前記第２の保護部材は、前記第１の保護部材よりも開口率が低いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の放電プラズマ生成補助装置。
4. 前記第１の保護部材は、前記開口部が前記電子源の電子放出面に対応する形状に開口されてなることを特徴とする請求項３記載の放電プラズマ生成補助装置。
5. 前記第２の保護部材は、前記カソード電極との距離をｄ、前記カソード電極との間の空間での電子増倍率をα、前記気密容器内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、
   γ≦１／（ｅ^αｄ−１）
   の関係を満たす材料により形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放電プラズマ生成補助装置。
6. 前記第２の保護部材は、前記カソード電極との距離をｄ、前記カソード電極との間の空間での電子増倍率をα、前記気密容器内で発生する放電プラズマのイオンによる二次電子放出係数をγとするとき、
   α≦ｌｎ{（１／γ）＋１}／ｄ
   の関係を満たすように電位が設定されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放電プラズマ生成補助装置。
   

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