JP2008288041A - マイクロ波励起放電ランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、有害物質である金属カドミウムを封入することなく、放射される光の波長が２１０ｎｍ〜２３０ｎｍに強い発光強度を持ち、擬似点光源として利用可能なショートアーク放電ランプを提供することにある。
【解決手段】膨出部と該膨出部に連設する細管部とを有する放電容器、該放電容器内に互いの先端部が対向配置するよう設けられたアンテナ、から成る放電ランプと、該放電ランプの該放電空間内に電磁波を供給する電磁波励起手段と、を具備した電磁励起型放電ランプ装置であって、該放電容器内には、水銀を２ｍｇ／ｃｃ〜２０ｍｇ／ｃｃ封入し、バッファガスとして希ガスを封入し、該細管部に配置された該アンテナを介して電磁波を該アンテナ間に集中させ放電プラズマを形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、放射される光の波長が深紫外光（Ｄｅｅｐ ＵＶ）領域に強い発光を持つショートアーク型放電ランプに関する。更には、励起手段に電磁波を用いた放電ランプであって、深紫外光領域に強い発光を持つショートアーク型放電ランプに関する。

従来から、紫外光は様々な産業用に使用されている。特に、波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍ付近の光は、酸素に吸収されず大気中で使用可能な光であって、エネルギーの高い光であり、このような波長域の光源が望まれている。

放射される光の波長域が２００ｎｍ〜２３０ｎｍ付近にある放電ランプに関する技術としては、例えば、特開平７−５０１５４号が知られている。該公報によれば、電極間距離が２ｍｍ〜６ｍｍ程度のショートアーク型放電ランプであって、放電容器内に希ガスと発光種として金属カドミウムを封入したショートアーク型放電ランプが記載されている。該ショートアーク型放電ランプでは、発光種に金属カドミウムが封入されているので、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの深紫外光領域に該金属カドミウム特有の発光スペクトルを得ることができる。また、点灯時に封入している金属カドミウムの圧力と発光管材料に含まれるＯＨ基濃度を調整することにより、該発光波長域（発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍ）の光を高効率で得ることができることが記載されている。また、該公報に記載されたようなショートアーク型放電ランプでは、短い電極間に発生する放電プラズマを擬似的な点光源として利用可能なため、光学系の設計が容易である等の利点がある。

しかし、金属カドミウムを発光種とする該ショートアーク型放電ランプは、封入している金属カドミウム自体が人体に対して有毒な物質であり、また、環境保護の面からも使用しないことが望まれている。このように、人体に有害なカドミウムを発光種に使用すること自体が問題であり、金属カドミウムを利用することなく、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの光を放射するショートアーク型放電ランプが望まれている。

ところで、ショートアーク型の放電ランプではないが、発光種に金属カドミウムを利用することなく、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの領域に放射を持つ放電ランプがある。このような技術としては、例えば、特許２９６０８２９号が知られている。該公報によれば、電極を持たないガラス容器にバッファガスとして希ガスが封入され、発光種としては水銀を充填した放電容器にマイクロ波を供給することにより水銀を発光させる無電極放電ランプに関する技術が開示されている。また、該公報には、マイクロ波励起の無電極放電ランプから放射される発光スペクトルとして、発光波長２００ｎｍ〜４００ｎｍの領域に亘って紫外光出力があることが記載されており、該発光スペクトルには発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの領域にかけて弱い発光スペクトルが放射されていることが掲載されている。

ここで、図５として従来の無電極型放電ランプ装置の概略を示す。該無電極型放電ランプ装置８００は、マイクロ波源であるマグネトロン５００、導波管６００、マイクロ波空洞共振部２００、及び、無電極型放電ランプ１００、を具備しており、マイクロ波源である該マグネトロン５００から放射されたマイクロ波が該導波管６００により、該マイクロ波空洞共振部２００に伝搬され、内部に設置された該無電極型放電ランプ１００を点灯させる装置である。該無電極型放電ランプ１００から発せられた光の一部は反射ミラー４００により反射され、ワーク面側に照射される。また、該無電極型放電ランプ１００から直接、または、反射ミラー４００によって反射された光は、マイクロ波空洞共振部壁３０1の一部分に設置された光を透過し、且つ、マイクロ波を外部に漏洩させない金属メッシュ７００を通過して窓面９００を通って、処理面に照射される。

しかしながら、該無電極型放電ランプ装置に配置される該無電極型放電ランプには、以下のような問題があった。すなわち、該無電極型放電ランプは、マイクロ波を放電容器内に封入したバッファガス、及び、水銀に供給することで、放電を形成している。このようなマイクロ波励起型の無電極型放電ランプでは、生成される放電プラズマは、該放電容器を形成する石英ガラスの内面近傍に形成される、いわゆる、管壁安定型放電となる。このため、該放電プラズマを該放電容器の大きさを小さくすることで、擬似点光源状にすることには、限界があり、高照度を得ることも難しいといった問題があった。また、放電プラズマを該放電容器の大きさよりも小さく絞り込むことは難しく、結果として、点光源としては利用ができず、被照射物に対しての照度も低いといった問題があった。

特許２９６０８２９ 特開平７−５０１５４ 特許３６２０３７１

この発明が解決しようとする課題は、有害物質である金属カドミウムを封入することなく、放射される光の波長が２００ｎｍ〜２３０ｎｍに強い発光強度を持ち、擬似点光源として利用可能なショートアーク型の放電ランプを提供することにある。

本発明の電磁励起型放電ランプ装置は、光透過性の非導電性材料で形成され膨出部と該膨出部に連設する細管部とを有する放電容器、該放電容器外部に突出することなく該放電容器内に互いの先端部が対向配置するよう設けられたアンテナ、から成る放電ランプと、該放電ランプの該放電空間内に電磁波を供給する電磁波励起手段と、を具備した電磁励起型放電ランプ装置であって、該放電容器内には、水銀を２ｍｇ／ｃｃ乃至２０ｍｇ／ｃｃ封入し、バッファガスとして希ガスを封入し、該細管部に配置された該アンテナを介して電磁波を該アンテナ間に集中させ放電プラズマを形成することを特徴とする。

また、本発明の電磁励起型放電ランプ装置は、上記の構成に加えて、前記電磁波励起手段は、同軸状に配置された外部導体と内部導体とから成り、マイクロ波源に直接接続されるか、または、導波管を介して接続され、該同軸状の外部導体および内部導体の端部から指向性を持たせてマイクロ波を放射する機構であるマイクロ波ランチャーを用いたことを特徴とする。

本発明の構成による電磁励起型放電ランプ装置は、該装置に取り付ける放電ランプの放電容器内に、先端が対向配置されたアンテナを設け、水銀を２ｍｇ／ｃｃ〜２０ｍｇ／ｃｃと希ガスを封入し、電磁波を供給する電磁波励起手段によりマイクロ波を該アンテナ間に集中させることで、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの光を供給しているので、人体に有害な金属カドミウムを使用することなく、擬似点光源化された発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの深紫外光を得ることができる。

また、電磁波供給手段として、同軸状に配置された外部導体と内部導体とから成り、マイクロ波源に直接接続されるか、または、導波管を介して接続され、該同軸状の外部導体および内部導体の端部から指向性を持たせてマイクロ波を放射する機構であるマイクロ波ランチャーを用いているので、容易にマイクロ波を該放電容器内に供給することができ、発光効率の高いショートアーク型放電ランプを提供できる、といった利点がある。具体的には、該マイクロ波ランチャーを用いることにより、導波路内部を伝搬してきたマイクロ波を該放電容器に対して指向性もって与え、放電ランプを点灯させる技術である。特に該放電容器内部にアンテナ部材を設けることで、マイクロ波を直接、該放電ランプ内の放電空間に投入することが容易に可能となる。この方法によると、マイクロ波を放電ランプに集中させるために設けられる空洞共振器が不要となるとともに、マイクロ波発生源への入力電力が低くても、効率良く該放電ランプを点灯することができる、といった利点がある。

本発明の電磁波励起型放電ランプ装置は、マイクロ波ランチャーを電磁波供給手段とし、該装置に取り付けられた放電ランプの該放電容器内部に先端が対向配置されたアンテナを設け、発光物質として水銀と希ガスを規定量だけ封入している。このような構成にすることで、人体に有害な金属カドミウムを使用することなく、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの光を擬似点光源として利用可能なショートアーク型放電ランプを具備した装置としたものである。

第１の実施例として、本発明の装置構成を図１に示す。本発明の電磁波励起型放電ランプ装置３００は、マイクロ波源６、該マイクロ波源６から発生するマイクロ波を伝搬させる導波管１１、該導波管１１内部の共振長を調整する可動短絡板１４、該導波管１１に配置されたスタブ同調器１３、該導波管１１の上面に配置されたマイクロ波ランチャー１０、該マイクロ波ランチャー１０の先端に挿入された放電ランプ１、とから構成されている。該マイクロ波源６から発生したマイクロ波は導波管１１を伝搬し、マイクロ波ランチャー１０に至る。該マイクロ波ランチャー１０は、軸状に内部導体１０ａと外部導体１０ｂが配置され、該内部導体１０ａと該外部導体１０ｂ間にはガラス１０ｃが充填されており、該マイクロ波ランチャー１０の端部に、放電ランプ１の細管部５０ｂを挿入している。該マイクロ波ランチャー１０内を伝搬したマイクロ波は、該放電ランプ１の細管部５０ｂ内に配置されたアンテナ３０を介して、放電容器２内に伝搬し、該放電容器２内に充填された希ガスを励起し、プラズマを形成する。該プラズマは、該放電容器２内に封入された発光種である水銀を加熱することにより、水銀蒸気を形成し、更に、該水銀蒸気がマイクロ波で励起され、対向する該アンテナ３０間で放電プラズマを形成する。尚、該放電容器２内に導入されるマイクロ波は、該導波管１１に設けられた該スタブ同調器１３、可動短絡板１４の双方によって整合調整される。

図２には、本発明の電磁波励起型放電ランプ装置３００に具備した放電ランプ１についての概略を示す。放電ランプ１は、放電容器２とアンテナ３０とから成る。該放電容器２には、光透過性の非導電性材料である石英ガラスで形成された膨出部５０ａと、該膨出部５０ａに連接する細管部５０ｂが設けられている。また、該放電容器２内部には、発光種としての水銀ｆｓと、バッファガスとしての希ガス、具体的には、アルゴンガスが１３．３ｋＰａ封入されている。更には、該放電容器２の内部に、先端が対向配置されたアンテナ３０が設けられている。該アンテナ３０の先端を対向配置させた部分が、放電ギャップを形成し、点灯時には両アンテナ間にプラズマが発生する。該アンテナ３０の形成する放電ギャップは、一般のショートアーク型放電ランプの電極間距離と同様（１ｍｍから７ｍｍ程度）であれば良く、本実施例では、対向配置された該アンテナ先端間の距離を１ｍｍとした。更に、該アンテナ３０を構成する部材は例えばタングステン製とした。これにより、マイクロ波を利用した放電ランプ１は、擬似点光源としての微小な放電プラズマを形成できる。また、該放電ランプ１の点灯（始動）時に、該放電容器２内に封入された希ガスの放電によって、該放電容器２内の封入物を蒸発させ、その後、蒸発した封入物である水銀がマイクロ波によって励起され発光する。これにより、所望の発光スペクトルを得ることが出来るといった利点がある。

図３には、図２で示した放電ランプ１を具備した電磁波励起型放電ランプ装置３００を用いて該放電ランプ１を点灯させ、該放電ランプ１から放射される発光スペクトルを測定した結果を示す。図３は、横軸に発光波長（ｎｍ）、縦軸に、放射効率（％／ｎｍ）を示した図である。ここで、縦軸に示した放射効率とは、該放電ランプ１の中心（対向するアンテナの軸中心）から所定の距離離れた位置に分光器を配置し、発光スペクトルを測定し、各波長における放射強度を算出し、該放射強度を該放電ランプ１への入力電力で割った値とした。入力電力で割ることでランプ投入電力が異なるランプを比較することができ、同図に示した特定の波長範囲での放射の有無を比較する場合においては有効な評価方法である。また、横軸に示した発光波長（ｎｍ）は、該放電容器２から放射された光であって、波長２００ｎｍから２８０ｎｍの紫外光領域のスペクトルを示している。同図中に実線で表記したランプ１のスペクトルが、本発明の放電ランプ１のデータである。２２５ｎｍ付近をピークとし約２００ｎｍ〜２４５ｎｍに亘る連続したスペクトルが見られる。特に、２００ｎｍ〜２３０ｎｍの領域では、特徴的な発光スペクトルを示している。

また、図３には、本発明の放電ランプ１からの発光スペクトルと比較するために、ランプ２、及び、ランプ３として、比較ランプの発光スペクトルを示している。これらのランプは、金属カドミニウムを含まずに、深紫外光領域の光を放出できる代表的なランプである。まず、ランプ２は、超高圧ＵＶランプであり、水銀を発光種としたショートアーク型の直流電流ランプである。具体的には、水銀封入量が６ｍｇ／ｃｃ、バッファガスとしてキセノンガスを１３．３ｋＰａ封入しており、投入電力は５００Ｗの放電ランプである。該ランプ２からの発光スペクトルは、図中に破線で示している。波長２００ｎｍ〜２４０ｎｍまでは、ほとんど発光が見られない。また、波長２５０ｎｍ付近をピークとする発光スペクトルがあるが、それ以上の波長（２６０ｎｍ〜２８０ｎｍ）にも特徴的な発光は見られない。

次に、ランプ３として示した比較ランプは、深紫外領域に発光をもつショートアーク型のＤｅｅｐＵＶランプである。その発光スペクトルは、同図にランプ３として一点破線で示したものである。このＤｅｅｐＵＶランプは、発光種として封入している水銀の量が前述のランプ２に比べて少なくなっており、点灯時の圧力も低くなっている。バッファガスとしては、ランプ２の場合と同様に、希ガスとしてキセノンを封入している。該ランプ３の発光スペクトルは、低い水銀蒸気圧に起因する輝線スペクトルに加えキセノンからの連続スペクトルがベース部分に加わった光が放射されている。比較用のランプ２として示した超高圧ＵＶランプに比べ２３０ｎｍ以上の波長においては光の放射が強いことが分かるが、２００ｎｍ〜２３０ｎｍの波長域では、放射される光は少ない。つまり、該ランプ３であっても、本発明の放電ランプ（ランプ１のスペクトル）と比較すれば、波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの間で放射される光は少なく、同波長域では、本発明の放電ランプが高い発光強度を持つことが判る。

図４は、該放電ランプ１の該放電容器２内に封入した水銀の量を変えた場合の発光量の変化について示したものである。ここで、発光量とは、該放電ランプ１から放射された光の放射効率を波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの範囲で積分した値とした。また、該放電ランプ１から放射される発光スペクトルの測定は、図３に示した発光スペクトルの測定の場合と同様の手法、すなわち該放電ランプ１の中心（対向するアンテナの軸中心）から所定の距離離れた位置に分光器を配置して測定した。更に、水銀封入量を変えた各放電ランプの点灯条件も、同一の条件、すなわち該放電ランプの中心から所定の距離離れた位置に分光器を配置し、各放電ランプを順番に交換して測定した。

図４では、該放電ランプ１への水銀封入量を０．６ｍｇ／ｃｃから１２０ｍｇ／ｃｃまで変えた場合の発光スペクトルを波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの範囲で積分した値（％）と、その評価を示している。評価は、二重丸（◎）、丸（○）、バツ（×）、の３段階評価とし、発光量（放射効率を波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの範囲で積分した値）を比較した。同図の評価の欄には、図３でＤｅｅｐＵＶランプとして示したランプ３における波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの範囲の発光量を基準とし比較した。具体的には、図３に示したランプ３の波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの範囲における発光量を算出すると、その値は０．５６％であり、該ランプ３と同等かそれ以下の発光量になった場合、評価をＮＧとし、×で表した。同図４では、水銀封入量が０．６ｍｇ／ｃｃでは評価はＮＧ（×）であった。水銀封入量が２ｍｇ／ｃｃから２０ｍｇ／ｃｃでは、発光量は高く、良好な結果を示し、評価は良好とし、丸（○）で表した。特に、封入水銀量が６ｍｇ／ｃｃから１２ｍｇ／ｃｃでは発光量がＤｅｅｐＵＶランプの場合と比べ倍以上になっており、評価は優良とし、二重丸（◎）で表した。しかし、水銀封入量を更に増加させる３６ｍｇ／ｃｃ、１２０ｍｇ／ｃｃ、とすれば、発光量が逆に少なくなり、評価としてはＮＧ（×）となった。以上の結果より、該放電ランプ１に封入する封入水銀量は２ｍｇ／ｃｃ乃至２０ｍｇ／ｃｃあれば良く、好ましくは、６ｍｇ／ｃｃ乃至１２ｍｇ／ｃｃであれば良いことが判った。つまり、該放電ランプ１の該放電容器２内に封入する封入水銀量を２ｍｇ／ｃｃ乃至２０ｍｇ／ｃｃとすれば、人体に有害な金属カドミウムを使用することなく、発光波長２００ｎｍ〜２３０ｎｍの光を高い発光強度で得ることができる、といった利点がある。

尚、本実施例では、電磁波励起用のマイクロ波として２．４５ＧＨｚの周波数帯を用いたが、励起周波数はマイクロ波帯以外の高周波たとえば９１０MHｚや１３.５６MHzであっても良い。

本発明の第１の実施例である電磁波励起型放電ランプ装置を示す概略説明図。 本発明の電磁波励起型放電ランプ装置に具備された放電ランプを示す概略図。 本発明の電磁波励起型放電ランプ装置から放射される発光スペクトルを示す図。 本発明の電磁波励起型放電ランプ装置に具備された放電ランプに封入する封入水銀量を変化させた場合に放射される深紫外光量の比較を示す表。 従来の無電極ランプ装置を示す概略説明図。

符号の説明

１ 放電ランプ
２ 放電容器
６ マイクロ波源
１０ マイクロ波ランチャー
１０ａ 内部導体
１０ｂ 外部導体
１０ｃ ガラス
１１ 導波管
１３ スタブ同調器
１４ 可動短絡板
３０ アンテナ
５０ｂ 細管部
５０ａ 膨出部
５０ｂ 細管部
ｆｓ 水銀
３００ 電磁波励起型放電ランプ装置
１００ 無電極放電ランプ
２００ マイクロ波空洞共振部
３０１ マイクロ波空洞共振部壁
４００ 反射ミラー
５００ マグネトロン
６００ 導波管
７００ 金属メッシュ
８００ 無電極放電ランプ装置
９００ 窓面

Claims (2)

1. 光透過性の非導電性材料で形成され膨出部と該膨出部に連設する細管部とを有する放電容器、該放電容器外部に突出することなく該放電容器内に互いの先端部が対向配置するよう設けられたアンテナ、から成る放電ランプと、該放電ランプの該放電空間内に電磁波を供給する電磁波励起手段と、を具備した電磁励起型放電ランプ装置であって、
   該放電容器内には、水銀を２ｍｇ／ｃｃ乃至２０ｍｇ／ｃｃ封入し、バッファガスとして希ガスを封入し、該細管部に配置された該アンテナを介して電磁波を該アンテナ間に集中させ放電プラズマを形成することを特徴とした電磁励起型放電ランプ装置。
2. 前記電磁波励起手段は、同軸状に配置された外部導体と内部導体とから成り、マイクロ波源に直接接続されるか、または、導波管を介して接続され、該同軸状の外部導体および内部導体の端部から指向性を持たせてマイクロ波を放射する機構であるマイクロ波ランチャーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の電磁波励起型放電ランプ装置。

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