JP2009238462A

JP2009238462A - 低圧水銀放電ランプ

Info

Publication number: JP2009238462A
Application number: JP2008080729A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Deguchi; 憲一郎出口; 雄一 ▲高▼橋; Yuichi Takahashi; Otohiko Yamashita; 音彦山下; Satoshi Yamaguchi; 智山口; Kotaro Kawamoto; 康太郎河本; Hiroki Matsuo; 博基松尾; Kohei Hosokawa; 公平細川
Original assignee: Chiyoda Kohan Co Ltd
Current assignee: Chiyoda Kohan Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】経年劣化を考慮して紫外線出力の低下を効果的に抑える金属酸化膜の膜厚を得ること。
【解決手段】金属が溶解された金属イオン溶液を石英ガラス管の内面に塗布して加熱して形成された金属酸化膜を備え、金属酸化膜の膜厚は金属イオン溶液の金属イオン濃度に相関してなる低圧水銀放電ランプにおいて、金属酸化膜の膜厚が異なる複数の石英ガラス管の初期の紫外線透過率と、膜厚が異なる複数の石英ガラス管で形成した低圧水銀放電ランプの設定時間使用後の紫外線出力を測定したデータに基づいて、紫外線出力の極大値に対応する初期の紫外線透過率を含む設定範囲に膜厚を設定することで、経年劣化を考慮して最適な金属酸化膜の膜厚を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低圧水銀放電ランプに係り、特に、水銀イオンによる石英ガラス管の紫外線透過率の低下を抑制する金属酸化膜の膜厚を設定する技術に関する。

低圧水銀放電ランプは、水銀及び希ガスを封入した石英ガラスからなる発光管の両端部に放電電極を設けて形成される。このような低圧水銀放電ランプは、波長２００ｎｍ以下の紫外線を利用する技術に用いられており、例えば、水中のＴＯＣ（ＴｏｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣａｒｂｏｎ）を紫外線により酸化分解して超純水を製造する方法や、被処理水中にオゾンを添加して紫外線を照射することによりダイオキシン類などの難分解性有機物を分解する促進酸化処理方法、酸素に紫外線を照射してオゾンを発生させ、さらにオゾンを紫外線により分解するときに発生する活性酸素が物質の表面の有機物に作用し、これを気化して洗浄することを利用して液晶用ガラスの表面を洗浄する方法、蒸着膜の表面に紫外線を照射して改質を行う方法などに用いられている。

ところで、低圧水銀放電ランプに用いられる発光管としては、合成石英素材を原料とする石英ガラス管が用いられており、石英ガラス管の材料にはハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔ）、酸素、及び水素を含むため、ＯＨ基やハロゲン基（Ｃｌ基など）を含有している。そのため、石英ガラス管を用いた低圧水銀放電ランプを点灯すると、ランプ点灯中のプラズマにより発生する紫外線によりＯＨ基やハロゲン基が活性化されてイオン（ＯＨ⁻、Ｃｌ⁻）になる。一方、プラズマ中の水銀イオン（Ｈｇ⁺）が石英ガラス管内のイオン（ＯＨ⁻、Ｃｌ⁻）に電気的に引き付けられて石英ガラス中に潜り込む。この潜り込んだ水銀イオンが紫外線を吸収することによって、ランプの紫外線出力を低下させるという問題がある。

そこで、水銀イオンが石英ガラス管に潜り込むのを抑制するために、石英ガラス管の内表面に金属酸化膜を形成し、この金属酸化膜により水銀イオンが石英ガラス管の内表面に直接接触することを抑制して、水銀イオンが石英ガラスに潜り込む割合を減少させ、紫外線出力の低下を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−５９４５３号公報

しかしながら、特許文献１においては、紫外線出力の低下を効果的に抑制する金属酸化膜の膜厚については記載されていない。

すなわち、金属酸化膜の膜厚が厚すぎると紫外線透過率が低下して、紫外線出力が低下する。一方、膜厚が薄すぎると水銀イオンと石英ガラスが直接接触する機会が増加し、水銀イオンが石英ガラス管に潜り込むのを抑制する効果が少なくなることが推察される。特に、金属酸化膜の膜厚を薄く形成して初期の透過率を大きくしても、使用時間の経過につれて水銀イオンが石英ガラス管に潜り込む量が増加して、透過率が劣化することが予想される。

そこで、本発明は、経年劣化を考慮して紫外線出力の低下を効果的に抑える金属酸化膜の膜厚を得ることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明者らは、金属酸化膜の膜厚が及ぼす紫外線透過率の経年劣化について実験を行なった。ところで、金属酸化膜の膜厚を精度よく、かつ簡便に測定する技術が確立されていない。そこで、本発明者らは、金属酸化膜を金属が溶解された金属イオン溶液を石英ガラス管の内面に塗布して加熱して形成する場合、金属酸化膜の膜厚は金属イオン溶液の金属イオン濃度に相関すること、及び紫外線透過率の初期値は金属酸化膜の膜厚に相関することに鑑みて実験を行った。すなわち、種々の金属イオン濃度に調整した金属イオン溶液を用いて膜厚の異なる金属酸化膜を有する石英ガラス管を複数用意し、各試料の石英ガラス管について紫外線透過率を初期値として測定した。次に、各試料の石英ガラス管を用いて低圧水銀放電ランプの試料をそれぞれ作成し、各低圧水銀放電ランプについて設定点灯時間使用後の紫外線出力を測定した。この実験結果のデータの一例を表１及び図３に示す。

この実験で得られたデータから明らかなように、低圧水銀放電ランプの設定点灯時間使用後の紫外線出力は、紫外線透過率の初期値に対応する膜厚に対して極大値を有し、経年劣化を考慮した金属酸化膜の膜厚の最適値があることが判明した。

そこで、本発明の低圧水銀放電ランプは、金属が溶解された金属イオン溶液を石英ガラス管の内面に塗布して加熱して形成された金属酸化膜を備え、金属酸化膜の膜厚は金属イオン溶液の金属イオン濃度に相関してなる低圧水銀放電ランプにおいて、金属酸化膜の膜厚が異なる複数の石英ガラス管の初期の紫外線透過率と、膜厚が異なる複数の石英ガラス管で形成した低圧水銀放電ランプの設定点灯時間使用後の紫外線出力を測定したデータに基づいて、紫外線出力の極大値に対応する初期の紫外線透過率を含む設定範囲に膜厚を設定してなることを特徴とする。

この場合、紫外透過率は、低圧水銀放電ランプが用いられる紫外線の波長域に基づいて定めた特定波長で測定することが望ましい。また、設定点灯時間は、一般に紫外線ランプの交換の目安となる９０００時間とすることが望ましい。

また、金属酸化膜を形成する際に用いる金属としては、マグネシウム、アルミニウム、珪素、カルシウム、スカンジウム、チタニウム、マンガン、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、スズ、アンチモン、ランタン、セリウム、ハフニウム、タンタル、タリウムの少なくとも一種を含むように選定することができる。

一方、石英ガラス管の内面に金属酸化膜が形成されてなる低圧水銀放電ランプにおいて、波長２５５ｎｍの初期の紫外線透過率が４０〜９０％、好ましくは５５〜８５％、さらに好ましくは６５〜７５％であることが望ましい。

本発明によれば、経年劣化を考慮して紫外線出力の低下を効果的に抑える金属酸化膜の膜厚を得ることができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る低圧水銀放電ランプの金属酸化膜の膜厚決定手順を示すフローチャートである。図示のように、ステップＳ１〜Ｓ４の工程で金属酸化膜の膜厚を決定する。

ステップＳ１では、ゾルゲル法を用いて試料の作成を行う。まず、金属イオンを含む溶液（ゾル状）を、洗浄した石英ガラス管の内面に流し込んで塗布し、その後乾燥させてゲル状になった塗膜を熱処理することにより石英ガラス管の内面に金属酸化膜を形成する。このときの金属酸化膜の厚さは、金属イオン溶液の金属イオン濃度により調整できる。すなわち、金属酸化膜の膜厚は金属イオン溶液の金属イオン濃度に相関する。ゾルゲル法を用いて、種々の金属イオン濃度に調整した金属イオン溶液を用意し、膜厚の異なる金属酸化膜を有する複数の石英ガラス管の試料を製作する。

ステップＳ２では、データの収集を行う。まず、紫外線透過率の初期値は金属酸化膜の膜厚に相関することから、作成した各石英ガラス管について所望波長の紫外線透過率を初期値として測定する。そして、紫外線透過率の初期値を金属イオン濃度に対応付けてデータベースに記録する。次に、各試料の石英ガラス管を用いて所望波長の紫外線を出力する低圧水銀放電ランプの試料を作成する。そして、各低圧水銀放電ランプの試料を点灯したときの紫外線出力を、初期と設定時間使用後のそれぞれについて測定する。測定された各試料の初期と設定時間経過後の紫外線出力を、金属酸化膜の膜厚に相関する紫外線透過率の初期値に対応付けて、データベースに記録する。

ステップＳ３では、所望波長に対応する各試料の設定時間経過後の紫外線出力と紫外線透過率の初期値のデータをデータベースから読み出し、紫外線透過率の初期値に対する設定時間経過後の紫外線出力の関係の近似関数などに基づいて、設定時間使用後の紫外線出力の極大値を求める。

ステップＳ４では、紫外線出力の極大値に対応する紫外線透過率の初期値を求め、その初期値に対応する金属イオン濃度を最適な金属酸化膜の膜厚として決定する。なお、この場合において、紫外線出力の極大値に対応する紫外線透過率の初期値を基準として、その初期値の一定の範囲に対応する金属イオン濃度の範囲を選択して、その範囲内で金属酸化膜の膜厚を決めることができる。

このように、本実施形態によれば、金属酸化膜の膜厚が異なる複数の石英ガラス管の各試料の紫外線透過率の初期値と、膜厚が異なる複数の石英ガラス管で製作した低圧水銀放電ランプの各試料の設定時間使用後の紫外線出力を測定したデータに基づいて、紫外線出力の極大値に対応する紫外線透過率の初期値に基づいて、経年劣化を考慮して紫外線出力の低下を効果的に抑える金属酸化膜の膜厚を決定することができる。

また、この低圧水銀放電ランプを紫外線照射装置（例えば、特開２００７−１５５５４６号公報）に適用すれば、低圧水銀放電ランプ一本当たりの放射束の低下を抑制することができるので、低圧水銀放電ランプの本数を少なくすることができ、装置を小型化できる。

本実施形態において、データベースには、紫外線透過率の波長を複数の異なる波長ごとに紫外線透過率の初期値及び低圧水銀放電ランプの設定時間使用後の紫外線出力を測定して記録することができる。例えば、波長１８５ｎｍ、２５４ｎｍなどの実際の要求に応じて使用される波長、又はその波長に近い特定波長について、データベースを構築することができる。

また、金属酸化膜を形成する際に用いる金属を複数の異なる組成に変えて、紫外線透過率の初期値及び低圧水銀放電ランプの設定時間使用後の紫外線出力を測定して記録することが好ましい。

また、紫外線透過率の初期値の測定に用いる波長は、低圧水銀放電ランプが用いられる紫外線の波長とすることが望ましい。例えば、ＵＶ−Ｃ域（１００〜２８０ｎｍ）の波長、又は低圧水銀放電ランプを用いた促進酸化処理方法などで用いられる１８５ｎｍの波長を用いる。なお、使用波長の発光ダイオード等の紫外線原が得られない場合は、使用波長に近い特定波長を用いることができる。

本実施形態で用いたゾルゲル法は、公知の手法を適用することができ、金属酸化膜を形成する際に用いる金属としては、マグネシウム、アルミニウム、珪素、カルシウム、スカンジウム、チタニウム、マンガン、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、スズ、アンチモン、ランタン、セリウム、ハフニウム、タンタル、タリウムの少なくとも一種を含むように選定することができる。

また、石英ガラス管としては、波長２００ｎｍ以下の波長域で透過率の高い、ＶＡＤ法、ＣＶＤ法、ＯＣＶＤにより製作された合成石英素材を原料とした石英ガラスを管状に加工したものを用いることができる。また、本実施形態の金属酸化膜が形成された石英ガラス管を低劣化高透過性石英管と称する。

ここで、図１のステップＳ１〜Ｓ２の具体的な実施例について説明する。表１に、金属イオン濃度、波長２５５ｎｍの紫外線透過率の初期値（％）、波長１８５ｎｍの初期（０時間）の放射束（％）及び９０００時間使用後の放射束（％）の測定結果を示す。ここで、本実施例の紫外線出力として用いた放射束とは、単位時間当たりの放射エネルギー（単位：Ｗ）である。また、透過率の初期値は、金属酸化膜無しのときを１００％として、百分率で表している。波長１８５ｎｍの初期及び９０００時間使用後の放射束は、金属酸化膜無しのときの低圧水銀放電ランプの放射束を１００％として、百分率で表している。

合成石英ガラス素材を原料とする石英ガラス管１にゾルゲル法を用いて金属酸化膜２を形成する。まず、金属イオン濃度がＡ〜Ｈ％の金属イオン溶液の試料を用意した。次に、各金属イオン溶液を別々の石英ガラス管１に塗布して乾燥させた後、所定時間熱処理して金属酸化膜２の膜厚が異なる試料Ｎｏ．１〜８の石英ガラス管1を得た。このときの金属イオン濃度（％）は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆ＞Ｇとし、Ｈは０％（金属酸化膜なし）とした。石英ガラス管１は、それぞれ内径１３ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ１５００ｍｍのものを用いた。

図２は石英ガラス管の透過率測定法を説明する図である。なお、本実施例の紫外線透過率の初期値の測定には波長１８５ｎｍの紫外線を用いることが好ましいが、石英ガラス管１の内部に挿入可能な形状の紫外線源が無いことから、波長２５５ｎｍの紫外線を出力するＵＶ発光ダイオードを用いた。図示のように、石英ガラス管１の内部にＵＶ発光ダイオード３（ＳｅｏｕｌＯｐｔｏｄｅｖｉｃｅ社製、波長２５５ｎｍ、形式ＴＯ−１８、外形約６ｍｍ）を挿入し、ＵＶ発光ダイオード３に対向させて石英ガラス管１の外部にＵＶセンサ４を設け、試料Ｎｏ．１〜８について、波長２５５ｎｍの紫外線の透過率の初期値を測定した。

次に、試料Ｎｏ．１〜８の各石英ガラス管１を用いて低圧水銀放電ランプを製作し、ランプ電流１．２Ａとして波長１８５ｎｍの初期（０時間使用）の放射束を測定した。そして、低圧水銀放電ランプを９０００時間使用した後、各低圧水銀放電ランプの波長１８５ｎｍの紫外線の放射束を測定した。また、経年劣化の評価に用いた時間は、紫外線ランプの交換の目安として一般に用いられる９０００時間とした。

表１のデータを用いて、図３に膜厚に相関する波長２５５ｎｍの透過率の初期値と波長１８５ｎｍの初期及び９０００時間使用後の放射束の関係を示す。図３及び表１に示すように、波長１８５ｎｍの９０００時間使用後の放射束は、波長２５５ｎｍの透過率の初期値が７０％（試料Ｎｏ．５）であるときが極大値となる上に凸のグラフを得た。この結果から、波長１８５ｎｍの９０００時間使用後の放射束は、波長２５５ｎｍの透過率の初期値（膜厚に相関）に対して極大値を有し、経年劣化を考慮した金属酸化膜２の膜厚の最適値があることがわかる。一方、波長２５５ｎｍの透過率の初期値が大きくなるほど波長１８５ｎｍの初期の放射束は増加する傾向を示している。

ここで、金属酸化膜２の膜厚は、波長１８５ｎｍの９０００時間使用後の放射束の極大値に対応する膜厚に決めることが好ましい。しかし、測定器の誤差、製造上のばらつきを考慮すると、一定の範囲内で膜厚を選択すればそれほど大きな違いは無い。そこで、波長１８５ｎｍの９０００時間使用後の放射束は、実用性を考慮すると６０％以上であることが要求されるため、膜厚に相関する波長２５５ｎｍの透過率の初期値が４０〜９０％であることが望ましい。ただし、ランプを実際に製造する場合は、一度に多数のランプを同時に製造する（量産品である）ことから、一度に製造した多数のランプ（母集団）が全て、少しの偏差も無く、表１の特性通りを示すことはない。即ち母集団を構成する一本一本のランプの放射束の値（個々値）はその値に偏差（ばらつき）を生じる。このランプの製造上のばらつきを考慮すると、今回対象としている低圧水銀放電ランプの場合は、波長１８５ｎｍの９０００時間使用後の放射束の個々値は、母集団の放射束の平均値を１００％としたときに、この平均値の±５％程度の幅内に分布する。すなわち、放射束の値を６０％以上とするには、ばらつきの幅が±３（６０×０．０５＝３）程度生じることを考慮すると、９０００時間使用後の放射束が好ましくは６３％以上、より好ましくは６４％以上であることが望ましい。したがって、膜厚に相関する波長２５５ｎｍの透過率の初期値は、４０〜９０％、好ましくは５５〜８５％、さらに好ましくは６５〜７５％であることが望ましい。

本発明の一実施形態に係る低圧水銀放電ランプの金属酸化膜の膜厚決定手順を示すフローチャートである。石英ガラス管の透過率測定法を説明する図である。実施例１による膜厚に相関する波長２５５ｎｍの透過率の初期値と波長１８５ｎｍの初期及び９０００時間使用後の放射束の関係を示す図である。

符号の説明

１石英ガラス管
２金属酸化膜
３ＵＶ発光ダイオード
４ＵＶセンサ

Claims

金属が溶解された金属イオン溶液を石英ガラス管の内面に塗布して加熱して形成された金属酸化膜を備え、前記金属酸化膜の膜厚は前記金属イオン溶液の金属イオン濃度に相関してなる低圧水銀放電ランプにおいて、
前記金属酸化膜の膜厚が異なる複数の前記石英ガラス管の初期の紫外線透過率と、前記膜厚が異なる複数の前記石英ガラス管で形成した低圧水銀放電ランプの設定点灯時間使用後の紫外線出力を測定したデータに基づいて、前記紫外線出力の極大値に対応する前記初期の紫外線透過率を含む設定範囲に前記膜厚を設定してなることを特徴とする低圧水銀放電ランプ。
請求項１に記載の低圧水銀放電ランプにおいて、
前記紫外線透過率は、前記低圧水銀放電ランプが用いられる紫外線の波長域に基づいて定めた特定波長で測定されることを特徴とする低圧水銀放電ランプ。
請求項１に記載の低圧水銀放電ランプにおいて、
前記設定点灯時間は、９０００時間であることを特徴とする低圧水銀放電ランプ。
請求項１に記載の低圧水銀放電ランプにおいて、
前記金属は、マグネシウム、アルミニウム、珪素、カルシウム、スカンジウム、チタニウム、マンガン、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、スズ、アンチモン、ランタン、セリウム、ハフニウム、タンタル、タリウムの少なくとも一種を含むことを特徴とする低圧水銀放電ランプ。
石英ガラス管の内面に金属酸化膜が形成されてなる低圧水銀放電ランプにおいて、
波長２５５ｎｍの初期の紫外線透過率が４０〜９０％、好ましくは５５〜８５％、さらに好ましくは６５〜７５％であることを特徴とする低圧水銀放電ランプ。