JP2007535103A - 電子サイクロトロン共鳴による光源 - Google Patents

Abstract

光源が、少なくとも１つのアンテナ（３）によって、封止されたチャンバ（１）の中に極超短波の電磁場を創出し、ランプに出力を供給するエミッタ（４）を含む。チャンバ（１）は、光に透過性である壁を有し、かつ低圧のガスを閉じ込める。永久磁石（２）がチャンバ（１）の内部で静磁場を創出する。静磁場の値および電磁波の周波数の値はそれぞれに、電子サイクロトロン共鳴をチャンバ（１）の内部で引き起こすように決定される。エミッタ（４）、アンテナ（３）、および磁石（２）は、光に対して少なくとも２Πステラジアンの立体角を開放するような方式で、チャンバ（１）に対して配置される。アンテナ（３）はチャンバ（１）の内部に配置可能であり、オプションとして、磁石（２）によって形成され得る。磁石はチャンバ（１）によって実質的に包み込まれる。

Description

本発明は、光に透過性の壁を有しかつ低圧のガスを閉じ込める封止されたチャンバの中に、少なくとも１つのアンテナによって極超短波（ultra high frequency）の電磁波(electromagnetic wave)を創出するエミッタを備える、極超短波によって供給される光源に関し、この光源は、チャンバの内部に静磁場を創出するように設計された磁気手段を備え、静磁場の値および電磁波の周波数の値はそれぞれに、チャンバの内部で電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance)を引き起こすように予め決定される。

極超短波によって供給される可視または紫外線（ＵＶ）光源は、光に透過性であり、かつ低圧のガスを閉じ込める封止されたチャンバの中に、極超短波の電磁波を創出するエミッタを通常備える。ガスはイオン化されることが可能であり、電子は極超短波放電によって加速されることが可能である。励起された電子は、定常プラズマを創出するようにガスをイオン化する。電子とイオンとの間に衝突が起きるとき、光放射が放出される。

英国特許第２３７５６０３号明細書が、放出されたＵＶ放射の強度が、特に紫外線スペクトルのＵＶＣ帯で最適化されることを可能にする制御手段を備えるＵＶ光源を説明する。

米国特許第６６５７２０６号明細書が、プラズマ・ランプが配置されるマイクロ波チャンバを備える、ＵＶ放射を発生させるためのシステムを説明する。マイクロ波発生器が、プラズマ・ランプの中にプラズマを励起するためにマイクロ波チャンバに結合され、このようにしてプラズマ・ランプがＵＶ放射を放出する。

ＵＶ光は、例えば、特徴付け、画像、光リソグラフィ、殺菌、またはオゾン生産の用途に使用される。殆どの用途で、強力な輝度が要求される。しかし、知られている光源は、限定された寿命により、しばしば低い発光効率(light efficacy)を有しかつ／または高いコストをもたらす。

しかも、従来のガス放電系の光源は、プラズマに接触する電極を備える。プラズマのイオンによる衝撃に起因する電極の消耗は、光源の寿命を限定する。

例えば、英国特許第１０２０２２４号明細書が、高温の特定のプラズマと遠紫外線放射とを創出するように設計された電子サイクロトロン共鳴による紫外線ランプを説明する。プラズマは、低圧のガスを封じ込める放電管の中に創出される。低周波の補助放電によってプラズマを創出するために、２つの電極が管の内部に配置される。２つのコイルが放電管の外周を取り巻き、プラズマを基本的に管の中心軸に制限する軸磁場を創出する。磁場に垂直に電磁放射をプラズマの中へ注入するように、管は高周波源と結合された導波管の側壁を貫通する。平行な紫外光線のビームが、電極の一方の中心に配置された開口を介して放出される。このランプは実施が困難である。

米国特許３９１１３１８号明細書が、ＵＶおよび可視光である高出力の電磁放射を発生させる方法ならびに装置を説明する。この装置は、ＵＶ放射が逃げることを可能にする水晶または溶融シリカから作製されたプラズマ管の内部に、高周波の磁場を創出する高周波発生器によって供給される。管内のガス圧は、マイクロ波によるプラズマの発生を持続させるのに十分である。この装置は、管内に静磁場を創出するヘルムホルツ（Ｈｅｌｍｈｏｌｚ）コイルを備える。導波管としての役目をするメッシュ・シールドが、高周波の放射が閉じ込められることを可能にする。この装置は、限定された立体角（solid angle）における照射を可能にするに過ぎない。その上に、この装置は嵩張る。

本発明の目的は、これらの短所を改善すること、特に無電極光源を提供すること、および特に強力な光度を供給しかつ大きな発光効率をもたらすコンパクトなＵＶ源を提供することである。

本発明によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲によって、特に、磁気手段が、チャンバによって実質的に包み込まれた（enveloped）少なくとも１つの永久磁石によって形成されること、およびエミッタ、アンテナ、および磁石が、光に対して少なくとも２Πステラジアンの立体角を開放する（to free a solid angle）ような方式で、チャンバに対して配置されることによって実現される。

他の利点および特徴は、非限定的実施例としてのみ供され、添付の図面に図示された本発明の特定の実施形態の以下の説明から一層画然として明らかになろう。

図１に示された光源は、光に透過性の外壁を有する、実質的に電球の形態にある封止されたチャンバ１を備える。このチャンバ１は、低圧のガス、例えば、２マイクロバールの全圧にある１つもしくは複数の希ガス、重水素、または金属蒸気、例えば、ナトリウム、亜鉛、もしくは水銀を封じ込める。ガスが水銀蒸気であるとき、チャンバ１内の圧力は、約２マイクロバールである、室温における水銀蒸気の圧力であり得る。チャンバ１の壁は、必要なスペクトル帯、例えば、可視帯またはＵＶ帯においてのみ透過性であり得る。典型的には、光源に使用される材料は、電磁スペクトルのＵＶ帯に位置する遮断波長、例えば、１５０ナノメートルの波長を有する。

図１では、単一の永久磁石２と、エミッタ４に連結されたアンテナ３とが、気密密閉された様態でチャンバ１の中へ貫入する。次いで、永久磁石２およびアンテナ３は、一部がチャンバ１の内部に配置され、かつ一部がチャンバ１の外部に配置される。チャンバ１の外部に配置された部分は、エミッタ４も収容する筐体５の中に配置される。例えば、このエミッタは、低電圧、例えば、３Ｖで動作可能な、携帯電話で使用されるものと同じ種類のマグネトロンまたはトランジスタ系エミッタであり得る。このエミッタは、エミッタの種類に応じて、例えば、１Ｗと３００Ｗとの間に含まれる出力を有する。

磁石２は、チャンバ１の内部に静磁場を創出する。エミッタ４は、光源がチャンバ１の中に創出された極超短波の電磁波によって供給されることを可能にする。極超短波の電磁波は、ガスがイオン化されるのを可能にし、かつ電子が加速されるのを可能にする。極超短波の電磁波の周波数は、３００ＭＨｚと３００ＧＨｚとの間に含まれる。

静磁場では、電子がそれらの動きと垂直な力に曝されている。その場合に、磁場に逆比例する磁気回転半径（gyromagnetic radius）によって、および磁場に比例するサイクロトロン周波数によって、知られた様態で特徴付けられる電子の軌道は、環状または螺旋の形態にある。その場合に、電子は静磁場によって閉じ込められる。

原理上、磁気回転半径およびサイクロトロン周波数は一様磁場でのみ画定されるのに対して、磁石２によって創出され、チャンバ１の寸法とほぼ同じである寸法を有する磁場は、実際にはチャンバ１の中に勾配をもたらす。しかし、磁気回転半径およびサイクロトロン周波数は、ある大きさ、特に、静磁場の値および電磁波周波数のそれぞれの値が見積もられるのを可能にする。これらの値は、チャンバの内部で、少なくともチャンバ内に配置された共鳴域内で、電子サイクロトロン共鳴を引き起こすような方式で予め決定される。

磁場は、磁気回転半径がチャンバ１の寸法よりも小さくなるように十分に強くなければならない。例えば、約０．１テスラの磁場は、電子が、光源の典型的な寸法に対応する数デシメートルの寸法を有するチャンバ１の中に閉じ込められるのを可能にする。０．１テスラの磁場におけるサイクロトロン周波数は、約２ＧＨｚである。

極超短波の電磁波の周波数がサイクロトロン周波数に対応するとき、共鳴効果が得られる。静磁場Ｂと極超短波の電磁波の周波数ｆとの間の共鳴関係、すなわち、Ｂ＝ｆ２Πｍ／ｅは、質量ｍと電子の電荷ｅとの比のみに依存する。静磁場が０．１テスラであるとき、極超短波の電磁波の周波数は、その場合には約２ＧＨｚである。そのときに、電子サイクロトロン共鳴がチャンバの内部で得られる。静磁場は０．０８７５テスラであることが好ましく、さらに極超短波の電磁波の周波数は２．４５ＧＨｚであり、それは極超短波源で通常使用される周波数である。静磁場が勾配を示すので、共鳴条件は、必ずしもチャンバの空間の全体の中で満たされるとは限らない。静磁場の分布および極超短波の電磁波の分布によって画定される最大共鳴域は、任意の形状であり得る。チャンバの形状は、使用される磁石２の磁場の分布に適合するように選択されることが好ましく、アンテナ３は、チャンバ１によって輪郭が画成された空間全体が極超短波の電磁波を受け取るような方式で配置される。

電子は、電磁波の電場に対するそれらの速度の方向に応じて、理論上、電磁波の効果によりエネルギーを獲得し得るかまたは喪失し得ることに留意されるべきである。さらには、電子は共鳴域内でプラズマのイオンとの衝突を経る。しかし、電子は静磁場によって閉じ込められているので、電磁波に曝される域を非常に多くの回数通過した後に、電子のエネルギー平衡は正であり、１電子当たり１電子ボルトと数十電子ボルトとの間に含まれ得る（例えば、５０ｅＶ）ことが生じる。このような平衡は、光源の出力供給を決定する。その場合に、エネルギーは、イオンとの放射非弾性衝突の最中に、可視スペクトルで、特に、ＵＶスペクトルで放出される。

１ワット当たり１００ルーメンを上回る光源の発光効率は、知られている光源の発光効率よりも大幅に高く、非常に低い供給出力で所定の光度が得られることを可能にする。

光源(light source)の開始段階では、加速された電子は、電子密度を増大するようにガスをより大きな程度にイオン化する。しかし、知られている様態では、プラズマが、プラズマ中の電子密度の平方根に依存するプラズマの遮断周波数よりも低い周波数に対するスクリーンとしての役目をする。密度が開始段階の途中で増大するにつれて、遮断周波数（cut-off frequency）が、注入された極超短波電磁波の周波数の値に達するまで、対応する様態で遮断周波数が増大する。次いで、プラズマは、典型的には数十マイクロ秒後に飽和電子密度（saturation electron density）に達する。開始に必要な最小圧力は約０．４マイクロバールである。

図１に示されている光源では、エミッタ４、アンテナ３、および磁石２は、光に対して２Πステラジアンよりも大きい大きな立体照射角を開放するように、チャンバ１に対して配置される。事実、図１では、光Ｌは回転軸Ｒの周囲全体に放出される。筐体５のみが、光源の立体照射角を制限する。その場合に大きな照射野が得られる。このような光源は、低い温度で、例えば、室温で動作可能である利点をもたらす。しかし、最大強度は、より高い温度、例えば、約４０℃で得られる。

図１では、チャンバ１は磁石２およびアンテナ３を実質的に包み込み、このチャンバは、チャンバの中に配置されたガスがアンテナ３によって放出された電磁放射を非常に効率的に吸収することを可能にする。しかも、チャンバ１の中に配置された共鳴域（resonance zone）は、光源の外部の極超短波の電磁放射が制限されることを可能にする放射シールド(radiation shield)を自動的に形成する。

光源は、ガスの原子およびイオンの輝線(emission line)に対応する、可視スペクトルおよびＵＶスペクトルにおける放射を供給する。イオン化されていない水銀原子の２５４ナノメートルの輝線は、標準ＵＶランプよりも１０倍大きな輝度に達し得る。２００ナノメートルよりも短い波長を有するイオン輝線は特に高輝度である。１６４．９ナノメートルおよび１９４．２ナノメートルの波長を有する、１回イオン化された水銀原子の輝線は、イオン化されていない水銀原子の２５４ナノメートルの輝線よりも約５倍輝度が高い。チャンバ内のガスおよび圧力の選択は、光源スペクトルが、その用途に適切であるように、特に、必要なＵＶ法に適切であるように適応されることを可能にする。例えば、圧力が高ければ高いほど、それだけ多くの長い波長で放出される輝線、すなわち、イオン化されていない原子の輝線が支配的になる。したがって、ガスを構成する原子の原子スペクトルと、１回または数回イオン化された原子のイオン・スペクトルとを知ることは、必要な放射が得られることを可能にする。創出された放射は、それに対応する原子およびイオンの輝線によって特徴付けられる。

可視光源を構成するために、チャンバ１は、図１に示されているように、紫外放射を可視放射に変換する蛍光被膜６を含むことができる。

図２に示されている光源では、磁石２が同時にエミッタ４のアンテナ３を構成する。チャンバ１は、磁石２のための外部筐体７を含む。したがって、磁石２は、チャンバ１の完全に外側に配置され、光源が動作しているときにプラズマの作用を受けることがない。チャンバ１は、アンテナ３を形成する磁石２を実質的に包み込むので、光は常に大きな立体角で放出される。図２に示されている光源は、極超短波放射に対して、高出力でエミッタ４が動作する場合であっても安全基準が遵守されることを可能にする目の細かい保護メッシュ（fine protective meshing）８を含む。このようなメッシュ８は、図１の実施形態においても、また以下に説明する他の実施形態においても設けられ得る。目の細かいメッシュ８は、図２に示されているように、チャンバ１の外側に配置されるか、またはアンテナ３が内部に配置される共鳴域を囲むように、チャンバ１の内側に配置され得る。

図３に示されている特定の実施形態では、エミッタ４の磁石２およびアンテナ３は、全体としてチャンバ１の内部に配置される。したがって、磁石２およびアンテナ３は、ガスによって完全に包囲され、光源が放射する立体角を模倣しない。筐体５のみが照射野を制限する。図３では、チャンバ１は、チャンバ１の壁の内面または外面上に、アンテナ３を包囲するとともに極超短波放射に対して保護シールドを形成する透過性の導電被膜９を、含む。

図４に示されている特定の実施形態では、チャンバ１は管形状を有し、４個の磁石２が、プラズマの電子およびイオンに対する磁気トラップを創出するように、管状チャンバ１のそれぞれの端部に、すなわち、チャンバ１の内側にかつチャンバの中心軸のそれぞれの側に配置される。このようなトラップを形成するには、少なくとも２個の磁石２が必要である。図示されている特定の実施形態では、アンテナ３は、チャンバ１に沿って、その一方の側に配置される。管状チャンバ１は、光が、少なくとも２Πステラジアンに等しい大きな立体角で得られることを可能にする。

本発明による光源は、注入される電磁波の波長および静磁場が光源の寸法に適応される場合には、任意の寸法を有することが可能であり、より特定的には非常に小さい寸法を有し得る。したがって、図１から３に示されている光源は、例えば、約１センチメートルの寸法を有することが可能であり、電磁波の周波数は約３０ＧＨｚであり、さらに静磁場は約１テスラである。極超短波エミッタ４は、例えば、１ワット以下の電力を供給する超小型電子回路を含むことができる。複数の光源は、例えば、ネットワークの形態で互いにグループ化され得る。

光源の寿命は、従来の光源の寿命、例えば、白熱または蛍光電球の寿命よりも典型的に大幅に長いエミッタ４の寿命によって限定される。極超短波の電磁波とプラズマとの結合効率は、電子サイクロトロン共鳴のために非常に高い。したがって、光源の発光効率は非常に適切である。極超短波の電磁波のエネルギーは、本質的には電子に移転されて、イオンには移転されず、したがって、プラズマを加熱することなく（それは光源が低電力消費で使用されることを可能にする）、放射および電離衝突に直接的に有用である。

チャンバ１に入力される高周波の出力Ｐの変調を、例えば、任意の形状および周波数のパルスの形態で実行することも可能である。これらのパルスは、図６に示されているように、長方形であることが好ましい。３つのグラフＰ１、Ｐ２、およびＰ３は、同じ平均出力Ｐｍｎに対応し、したがって、同じ平均光度に対応する。事実、グラフＰ１によれば、所定の連続出力がチャンバ１に入力される。連続出力（Ｐ１）は平均出力Ｐｍｎに等しい。注入された平均出力Ｐｍｎは、１０と１０００Ｗとの間に含まれることが好ましい。グラフＰ２は、例えば、５０Ｈｚの周波数で最大出力Ｐｍａｘ２を有し、さらに、チャンバ１に入力された平均出力ＰｍｎがグラフＰ１の平均出力と同じであるようにデューテイサイクル（duty cycle）を有する長方形パルスを表す。グラフＰ３は、グラフＰ２（例えば、５０Ｈｚにおける）の周波数の半分の高さである周波数と、グラフＰ２の出力の２倍の大きさである長方形パルスの最大出力Ｐｍａｘ３とを表す。したがって、グラフＰ２およびＰ３の平均出力Ｐｍｎは実質的に等しい。しかし、グラフＰ１、Ｐ２、およびＰ３の最大出力は異なるので、グラフＰ１、Ｐ２、およびＰ３は異なる光スペクトルに対応する。

長方形パルスの連続は必ずしも周期的であるとは限らない。実際には、それぞれが、例えば、約１マイクロ秒の持続時間を有する一連のパルスを注入することが企図され得る。パルスの持続時間および／または２つの連続的なパルス間の時間経過は変調可能である。したがって、得られる光信号は、１つの情報、例えば、モールス式の情報が符号化されることを可能にする。

チャンバ１の形状は、例えば、管状（図４）、中空円筒、楕円（図１から３）、またはガスが満たされている空間の内部または外部に磁石２および／またはアンテナ３を含む膨張した管でよい。しかし、磁石２がガスの充満した空間の外部に配置されるときでも、この磁石は、例えば、図２に示されているように、外部筐体の中に磁石２を配置することによって、チャンバ１によって依然として実質的に包み込まれる。外部筐体は、チャンバ１の他の形状、例えば、管状チャンバとしても企図され得る。別の実施例が図５に示されているが、そこでは、磁石２は、中空円筒の形態を与えるチャンバ１の中心に配置される。チャンバ１および磁石２によって形成された組立体は、極超短波放射から守る保護メッシュ８によって包囲されることが好ましい。

ヘルムホルツ・コイルとは異なり、特に、永久磁石２は、この磁石２がチャンバ１の内部に配置されていようと（図１および３）、またはチャンバ１によって囲まれているが外部筐体の中でチャンバ１の外部に配置されていようと（図２）、チャンバ１が磁石を包み込むような方式で配置され得る。大きな立体角が、このような方式で光Ｌに対して開放され得る。さらには、チャンバ１が目の細かい保護メッシュ８を含むとき、磁石２は、その場合にメッシュ８の内側に配置可能であるが、その一方でメッシュが共鳴ケージ（resonance cage）を形成するときに、ヘルムホルツ・コイルは、このコイルの非互換性および高周波磁場のためにメッシュの内側には配置され得ないことになる。しかし、共鳴ケージの最小寸法は、共鳴周波数によって決定される。例えば、２．４５ＧＨｚの共鳴周波数では、共鳴ケージは６ｃｍと１０ｃｍとの間に含まれる最小寸法を有さねばならない。その場合に、永久磁石の使用は、光源全体の寸法が共鳴ケージの寸法まで低減されることを可能にするが、その一方でヘルムホルツ・コイルは共鳴ケージの寸法に追加されることになる。

さらには、ヘルムホルツ・コイルは追加的な電気接続を必要とする。こうして、可搬式光源の場合にまたは光源を他の装置に組み込むために特に必要である光源のコンパクトさが、改善される。

本発明は、図に示されている特定の実施形態に限定されるものではない。目の細かい保護メッシュは、チャンバおよび／またはチャンバおよびアンテナ、ならびに恐らくは磁石によって形成される組立体を覆うことができる。光源の動作は、磁石およびチャンバの幾何学的形状に左右されるものではない。

本発明に係る光源の特定の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る光源の特定の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る光源の特定の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る光源の特定の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る光源の特定の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る光源を供給する高周波出力の３つの特定の実施形態を時間に対して示すグラフである。

Claims (11)

1. 極超短波によって供給される光源であって、光に透過性の壁を有しかつ低圧のガスを閉じ込める封止されたチャンバ（１）の中に、少なくとも１つのアンテナ（３）によって、極超短波の電磁波を創出するエミッタ（４）を備え、前記光源は、前記チャンバ（１）の内部に静磁場を創出するように設計された磁気手段を備え、前記静磁場の値および前記電磁波の周波数の値がそれぞれに、前記チャンバの内部で電子サイクロトロン共鳴を引き起こすような方式で予め決定されており、光源は、前記磁気手段が前記チャンバ（１）によって実質的に包み込まれた少なくとも１つの永久磁石（２）によって形成されること、および前記エミッタ（４）、前記アンテナ（３）、および前記磁石（２）が光に対して少なくとも２Πステラジアンの立体角を開放するような方式で前記チャンバ（１）に対して配置されること、を特徴とする光源。
2. 前記アンテナ（３）は前記チャンバ（１）の内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記磁石（２）は前記アンテナ（３）を構成することを特徴とする請求項１および２の一項に記載の光源。
4. 前記磁石（２）は前記チャンバ（１）の内部に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源。
5. 前記磁石（２）は前記チャンバ（１）の外部に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源。
6. 前記チャンバ（１）は前記磁石（２）のための外部筐体（７）を備えることを特徴とする請求項５に記載の光源。
7. 前記磁石（２）および前記アンテナ（３）は気密密閉された様態で前記チャンバ（１）の中へ貫入することを特徴とする請求項１に記載の光源。
8. 前記チャンバ（１）は、紫外放射を可視放射に変換する蛍光被膜（６）を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源。
9. 前記チャンバ（１）は透明の導電被膜（９）を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光源。
10. 前記光源は、極超短波放射から保護する目の細かいメッシュ（８）を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光源。
11. 前記チャンバ（１）は、管状形、中空円筒形、および楕円形の中から選択された形状を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光源。

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