JP2009534791A - マルチストライクガス放電ランプ点弧装置および方法 - Google Patents

Abstract

ガス放電ランプは、ガスを有し、陰極、陽極および放電電極を有する。一連のランプ放電の個々の放電は、互いに少なくとも１ミリ秒間隔を置かれ、および、個々の放電は陰極と陽極との間に電荷を与えて、放電電極に２つ以上の電気パルスを供給することによって発生される。第２のおよび次に続く電気パルスは、第１のパルスの所定の時間内に生じる。陰極と陽極との間の電荷は、陰極と陽極との間に電気アークを生成してガスが電離されるのに充分な電圧および電流である。
【選択図】図２

Description

本発明は一般に、キセノンフラッシュランプのようなガス放電ランプの点弧に関する。

ガス放電ランプは、分光分析、写真撮影および生物学的殺菌を含む種々の用途に使われることができる。一部のガス放電ランプ、例えばキセノンフラッシュランプの放射スペクトルは紫外線（ＵＶ）波長を含むので、これらのランプは汚染除去のために使われることができる。同様に、この種のランプによって放射される紫外線がＵＶフラッシュ硬化またはフラッシュ衛生化、汚染除去および殺菌のために使われることができる。

ガス放電ランプは透明電球内にキセノンまたはクリプトンのような希ガスを含む。このガスは、大気圧の上または下の圧力であることができる。ランプは、陰極および陽極を有し、そこを通して電流が供給されて電気アークを作り出す。ガスが電極の間に電気エネルギーを導通するために、ガスは電離されてその電気抵抗を減少させる。一旦ガスが電離されると、電気エネルギーはガスを通して導通して、ガスの分子を励起する。分子がそれらの励起していないエネルギー状態に戻る時、それらは光エネルギーを放出する。

いくつかの種類のガス放電ランプは、連続光の放射よりむしろ一連の光パルスがランプから放射されるように、パルス制御された形態で動作されることができる。この種のランプでは、陰極および陽極両端に供給される電流は、連続方法で供給されるよりむしろ短いバーストで放出される。これは、光の単一放出または「フラッシュ」に結びつく。

一般的に、ガスを電離するために、高電圧パルスが、電球の外側をくるむワイヤメッシュのような、電球の外側の放電電極に印加される。ワイヤメッシュに電圧が印加されると電球内部のガスが電離されて、ガスがその時、主電極を通して電気を導通することができる。この電離はまた、ランプ電極の一つ以上を通してランプに電圧を直接印加する、注入トリガー法によって達成されることもできる。

放電電極に供給される高電圧パルスは、ガスが電気を導通するのを可能にするのに十分なガスを常に電離するとは限らない。これは、種々の理由に起因することがありえる。例えば、主電極が汚れているかまたは古いかもしれず、陰極が適切な割合で電子を放射していないかもしれず、または、ランプ内部のガス圧が高いかもしれない。ガスが適切に電離することに失敗するとランプは放電しない。

実施態様が、ガス放電ランプの放電応答の信頼性を向上するための装置および方法のために開示される。一実施態様において、複数点弧パルスが単一ランプ放電をトリガーするために生成される。急速な連続での、複数点弧パルスはガスの電離を改善し、ランプ放電信頼性の向上に結びつくと信じられる。

一実施態様が、ガス放電ランプから一連の光放出を生成する方法を含む。このガス放電ランプは、ガスを含んで、陰極、陽極および放電電極を有する。この一連の個々の放出は、少なくとも１ミリ秒互いに間隔を置かれる。個々の放出は、放電電極に２つの電気パルスを供給することによって発生する。２つの電気パルスの２番目は、第１のパルスから短時間内に生じる。陰極と陽極との間の電荷は、陰極と陽極との間に電気アークを生成するのに充分な電圧および電流である。

別の一実施態様が、ガス放電ランプ、パルス発生システムおよび電源を有する装置を含む。このガス放電ランプは、陰極、陽極および放電電極を有する。このパルス発生システムは、放電電極に第１の電気パルスおよび第２の電気パルスを供給する。第２のパルスは、第１のパルスのすぐ後、生じる。電源は、第１および第２の電気パルスの組につき陰極と陽極との間に１つの放電を発生させる。

更なる一実施態様が、ガス放電ランプ、パルス発生システムおよび電源を有する装置を含む。このガス放電ランプは、陰極、陽極および放電電極を有する。このパルス発生システムは、放電電極に第１の電気パルスおよび第２の電気パルスを供給する。第２のパルスは、第１のパルスの後で所定の時間内に生じる。電源は、第１および第２の電気パルスの組によって開始される陰極と陽極との間の連続放電を発生させる。

種々の実施態様において、２つのパルス（または電圧信号）間の時間は、３００マイクロ秒以下である。他の実施態様では、この時間は１５０マイクロ秒以下である。さらに他の実施態様では、この時間は１２５マイクロ秒以下である。

このトリガー機構は、信頼性に関連した問題に対処することが公知の他の方法とともに使われることができる。例えば、放射性ガスが、放電電極によって誘導されるのに必要な電離の量を減少させるためにランプ内に供給されることができる。この機構は、ランプがトリガーパルス信号に応答して放電したかどうか監視するフィードバックシステムとともに使われることができる。トリガーパルス信号が供給されたあと、このフィードバックシステムがランプ放電を検出しない場合、このシステムは別の点弧パルス信号を開始することができる。

本発明のさまざまな実施態様のより完全な理解のために、参照が添付の図面と共に以下に記述される。

図１は、ガス放電ランプシステム１０の図である。システム１０はガス放電ランプ１００、具体的にはキセノンフラッシュランプを含む。ランプ１００は、ランプ真空管１０４の対向端部を通して延伸する陰極１０１および陽極１０２を含む。陰極１０１および陽極１０２によって、電気的接続がランプ真空管１０４内部のガスによってなされることができる。ランプはさらに、放電電極１０３を含み、それは、ランプ真空管１０４の一部を取り囲むワイヤによって形成される。この放電電極１０３を形成するワイヤは、それがランプ真空管１０４の一端から他端まで通過するにつれて、ランプ真空管１０４の一部の外側をくるむ。他の実施態様では、陰極１０１または陽極１０２は放電電極として役立つことができる。さらに他の実施態様において、放電電極はランプの内側に設置されることができる。

ランプ１００からの放電を生成するために、電位が、例えば、主電源１０５によって陰極１０１と陽極１０２との間に印加される。この電位は、一旦ガスが電離されるならば、ランプ真空管１０４内のガスを通して電気アークを作り出すのに十分に高くなければならない。２０ｋＶ−３０ｋＶの範囲内の単一パルスの形態の電圧信号が、ガスを電離するために放電電極１０３に印加される。電離の際に、ガスの導電率が向上し、アークを陰極１０１と陽極１０２との間に形成することができる。

パルス光動作に対して、一連の電圧信号が、例えば、パルス発生器１０６によって放電電極１０３に送られる。これらの信号は、毎秒１０００信号以下の周波数（すなわち１ミリ秒以上の周期）で生じることができる。各電圧信号は、アークおよび対応する閃光を作り出すように設計されている。放電電極１０３に送られる電圧信号は、第１のパルスに接近して間隔をあけられた第２のパルスを含み、それは、ガスを通してアークを得る可能性を増大する。これは、ガスランプ放電応答の信頼性を向上させる。本発明の一実施態様において、この電圧信号は互いに３００マイクロ秒以下の範囲内に生じる２つのパルスを備える。このダブルパルスの組は、単一電球放電に対応する。

図２は、低点弧電圧で間隔を置いているダブルパルスを相関させる試験の結果を示す。パルス間隔はマイクロ秒で測定され、かつ、ダブルパルスの組の２つのパルスを隔てる時間の合計である。低点弧電圧は、４００ボルトの刻みで測定される（すなわち、Ｙ軸の４の値は１６００ボルトの低点弧電圧を表す）。低点弧電圧が、ランプのガス内に存在する電離のレベルの相対的程度として使われることができる。小さい低点弧電圧は、全ての他の変数を固定したままで、大きい低点弧電圧より電離の相対的により高いレベルを指示する。小さい低点弧電圧を備えたランプは、大きい低点弧電圧を備えたランプより確実に放電する。

図２に示すように、低点弧電圧の減少およびガス電離の改善（より高いランプ放電信頼性に結びつく）は、約３００−４００マイクロ秒以下で間隔をあけたパルスによって生じる。このパルス間隔によって、ランプがさもなければ必要であったであろうものの約８８％以下の低点弧電圧で点弧することができる。この試験は、ガス電離の更なる向上が約１５０マイクロ秒以下のパルス間隔で生じることを示した。このパルス間隔によって、ランプがさもなければ必要であったであろうものの約７７％以下の低点弧電圧で点弧することができる。１２５マイクロ秒未満のパルス間隔は、なお更なる改善を有する。このパルス間隔によって、ランプがさもなければ必要であったであろうものの約７０％以下の低点弧電圧で点弧することができる。図２内に図示はしていないが、追加的な改善が同様のパルス間隔を備えた第３のおよび第４のパルスを加えることによって観測された。

再び図１を参照して、キセノンフラッシュランプ１００の陰極１０１および陽極１０２は主電源１０５に接続されている。一旦ガスが適切に電離されたならば、主電源１０５はランプ内のガスを通して電気アークを発生させるのに十分な電圧および電流を供給する。例えば、主電源１０５は電荷を蓄積するキャパシタを含むことができる。この種の実施態様において、キャパシタはランプ１００の陰極１０１および陽極１０２に接続される。ランプ１００内のガスが適切に電離されない時、電荷はキャパシタ内に含まれたままである。ランプ１００内のガスが適切に電離される時、電荷は陰極１０１と陽極１０２との間のガスを通して導通される。

ガス放電ランプ１００内のガスは、放電電極１０３に接続されるパルス発生器１０６によって出力される電圧信号によって電離される。パルス発生器１０６は、放電電極１０３に電圧信号、例えば互いに３００マイクロ秒以下の範囲内の２つのパルスを送る。この電圧信号はランプ１００内のガスを電離し、それによって、アークがランプ１００内のガスを通して形成することを可能にする。このアークは、ランプ１００からの光放出に結びつく。

図３は、図１の放電電極１０３に供給される点弧パルスの組と図１のランプ１００からの光放出との間の相関関係を例示する。一実施態様において、電圧信号は複数の組の２つの点弧パルス３００を有する。２つの点弧パルス３００の個々の組が、対応するランプ放電３０１をトリガーする。パルス間隔３０２で示すように、各組の第１および第２のパルスは互いに３００マイクロ秒以下の範囲内で生じる。

パルス発生器１０６の一実施態様において、電圧信号の２つのそれぞれのパルスの各々を発生させる２つの独立した回路がある。例えば、パルス発生器１０６は放電電極１０３に並列に接続された２つのキャパシタを有することができる。この２つのキャパシタは、互いに３００マイクロ秒以下の範囲内でそれらのそれぞれの蓄積電荷を放出するように制御される（例えばデジタルコントローラによって）。他の実施態様では、２つのパルスを発生させる回路および／または制御構成要素が共有される。例えば、パルス発生器１０６は３００マイクロ秒以下の範囲内で、キャパシタから第１のパルスを放出し、キャパシタを再充電し、かつキャパシタから第２のパルスを放出するように設計されることができる。実施態様は、パルス間隔を制御するためのタイミング回路を含むことができる。インダクタが、また、コンデンサの代わりに使われることができる。

一部の実施態様において、主電源１０５およびパルス発生器１０６の構成要素は共有されることができる。例えば、主電源１０５はパルス発生器１０６の構成要素に電力を供給することができる。

トリガー回路の実施態様が、点弧パルスがランプ内のガスを電離する必要がある任意の種類のランプを含む、種々のガス放電ランプに使われることができる。例えば、実施態様が水銀ランプ、ハロゲン化金属ランプおよびナトリウムランプとともに使われることができる。実施態様が、パルス制御されたランプ動作を伴う用途に使われることができ、そこにおいて一連のダブルパルスが一連の閃光を点弧するのに用いられる。他の実施態様が、連続ランプ放電を伴う用途に使われることができ、そこにおいて一組のダブルパルスがランプ放電を始めるのに用いられ、ランプに急速な始動特性を与える。例えば、キセノン短アークランプ内のガスはランプ陰極と陽極との間にアークを開始するために一組のダブルパルスによって電離されることができる。一旦アークが確立されると、電離は自動的に継続する。

同様に、トリガー回路の実施態様は、動作していたが最近停止された連続ガス放電ランプを再起動するのに用いられることができる。一般的に、連続ガス放電ランプは「再点弧時間」が欠点である。再点弧時間は連続ガス放電ランプが消されたあと、その間にランプが容易に再起動されることができない時間の合計である。この再開できないことは、少なくとも部分的にランプ内部の高いガス圧に起因する。本発明の実施態様は、再点弧時間を減少させるのに用いられることができる。

さらに、ダブルパルスはフラッシュが周期的な一連でなく、しかし、カメラフラッシュのように、散発的で、オンデマンドでフラッシュランプを点弧するのに用いられることができる。加えて、本発明の実施態様は、下記でリストされるもののような、多種多様な動作パラメータにわたって動作するランプとともに機能する。

動作パラメータの範囲：

パルス幅：１／３ピークエネルギーで測定して０．１−１，０００マイクロ秒。

パルスあたりエネルギー：１−２，０００ジュール。

電圧信号反復周波数：毎秒単一信号または一（１）ないし千（１，０００）信号。

照射間隔：０．１ないし１０００秒、または単一パルスまたは連続パルシング。

ランプ形状（外形）：線形、螺旋形または渦巻設計。

分光出力：１００−１，０００ナノメートル。

ランプ冷却：環境、強制空気または水。

波長選択（ランプの外部）：広帯域または光学フィルタ選択式。

ランプ収容ウィンドウ：スペクトラルトランスミッション用の石英、ＳＵＰＲＡＳＩＬブランド石英またはサファイヤ。

シーケンス：バーストモード、同期バーストモードまたは連続運転。

認識されるように、実施態様およびそのいくつかの詳細は、全て添付の特許請求の範囲内に開示される本発明から逸脱することなく、さまざまな点において変更されることができる。例えば、実施態様はキセノンフラッシュランプおよびキセノン短アークランプとともに使用するために記載されている。本発明の他の実施態様は、ハロゲン化金属ランプのような、高輝度放電ランプを起動するのに適している。更なる点弧パルスが各放電に対して供給されることができ、または、放電につき２つおよび２つだけであることができる。したがって、図面および記述は本質において例証となるとみなされるべきであり、請求の範囲内に指示される適用の範囲によって拘束するかまたは限定する意味であるとみなされるべきでない。

本発明の一実施態様に従う装置の図である。 本発明の一実施態様に従って実践される方法を試験することで得られる低点弧電圧とパルス間隔との間の関係を示すグラフである。 点弧パルスおよびランプ放電のグラフである。

Claims (44)

1. 陰極と陽極との間に電荷を供給するステップであって、前記電荷が、前記陰極と前記陽極との間に電気アークを作り出すために、ガス放電ランプ内のガスの少なくとも一部が電離される時、充分な電圧および電流を有するステップと、
   前記ガス放電ランプ内のガスを電離させるために放電電極に第１の電気パルスを供給するステップと、
   前記放電電極に第２の電気パルスを供給するステップであって、前記第２のパルスが前記第１のパルスの後で３００マイクロ秒以下の範囲内で生じるステップと、を含み、
   前記第１および第２の電気パルスが、前記ガス放電ランプ内に一連の光放出の一つを発生させ、前記放出が少なくとも１ミリ秒互いに間隔を置かれる、ことを特徴とする方法。
2. 前記放出が、少なくとも１ミリ秒間隔で定期的に間隔を置かれる一連の少なくとも３つの放出で供給され、および、２つの電気パルスが各放出に対して供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ２つのおよび２つだけのパルスが、各放出に対して供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記第２のパルスが、前記第１のパルスの後で、１５０マイクロ秒未満で供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記第２のパルスが、前記第１のパルスの後で、１２５マイクロ秒未満で供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記ガス放電ランプが、キセノンフラッシュランプである、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記放電電極が、前記陰極または前記陽極の１つである、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記放電電極が、前記ガス放電ランプの電球内に設置される、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記放電電極が、前記陽極および前記陰極とは別である、ことを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記一連のパルスが、定期的に間隔を置かれる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記電気パルスが、前記ランプの低点弧電圧を、前記ランプが単一の電気パルスで放電される時測定されるような前記ランプの低点弧電圧と比較して、約８８％以下にするのに十分に近く供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 前記電気パルスが、前記ランプの低点弧電圧を、前記ランプが単一の電気パルスで放電される時測定されるような前記ランプの低点弧電圧と比較して、約７７％以下にするのに十分に近く供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記電気パルスが、前記ランプの低点弧電圧を、前記ランプが単一の電気パルスで放電される時測定されるような前記ランプの低点弧電圧と比較して、約７０％以下にするのに十分に近く供給される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 陰極、陽極および放電電極を有するガス放電ランプと、
    前記放電電極に第１の電気パルスおよび第２の電気パルスを供給するためのパルス発生システムであって、前記第２のパルスが前記第１のパルスの後の所定の時間の範囲内で生じる、システムと、
    第１および第２の電気パルスの組につき前記陰極と陽極との間に１つの放電を発生させるための電源と、を備える装置。
15. 前記所定の時間が、３００マイクロ秒未満である、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記所定の時間が、１５０マイクロ秒未満である、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
17. 請求項１４の装置であって、前記所定の時間が、１２５マイクロ秒未満である、ことを特徴とする装置。
18. 前記ガス放電ランプが、キセノンフラッシュランプである、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
19. 前記放電電極が、前記陰極または前記陽極の１つである、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
20. 前記放電電極が、前記ガス放電ランプの電球内に設置される、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
21. 前記放電電極が、前記陽極および前記陰極とは別である、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
22. 前記パルス発生システムが、
    前記第１の電気パルスを供給するための第１の回路と、
    前記第２の電気パルスを供給するための第２の回路であって、前記第１の回路内にない少なくともいくつかの回路構成要素を有する第２の回路と、を備える請求項１４記載の装置。
23. 前記第１の回路が第１のキャパシタを備え、および前記第２の回路が第２のキャパシタを備える請求項２２記載の装置。
24. 前記第１の回路が第１のインダクタを備え、および前記第２の回路が第２のインダクタを備える請求項２２記載の装置。
25. 前記パルス発生システムが前記第１の電気パルスおよび前記第２の電気パルスの両方を供給するための共有構成要素を有する回路を備える請求項１４記載の装置。
26. 前記回路がキャパシタを備え、前記キャパシタが初めに放電され、再充電されて、および２回目に放電されて、前記第１および第２の電気パルス組を供給する請求項２５記載の装置。
27. 前記回路がインダクタを備え、前記インダクタが初めに放電され、再充電されて、および２回目に放電されて、前記第１および第２の電気パルス組を供給する請求項２５記載の装置。
28. 前記放出が、少なくとも１ミリ秒間隔で定期的に間隔を置かれる一連の少なくとも３つの放出で供給され、および、２つの電気パルスが各放出に対して供給される、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
29. 前記パルス発生システムが、放出につき２つのおよび２つだけのパルスを供給する、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
30. 前記ガス放電ランプが、連続的に動作して、かつ一連のフラッシュを供給するように設計されていないランプである、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
31. 前記電源が、前記陰極と陽極との間に連続放電を生成し、前記連続放電が前記第１および第２の電気パルスの組によって開始される、ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
32. 連続ガス放電ランプを再起動する方法であって、
    所定の点弧電圧で再点弧時間を有する連続ガス放電ランプの陰極と陽極との間に電荷を供給するステップであって、前記電荷が、前記陰極と前記陽極との間に電気アークを作り出すために、ガス放電ランプ内のガスの少なくとも一部が電離される時、充分な電圧および電流を有するステップと、
    前記ガス放電ランプ内のガスを電離させるために放電電極に第１の電気パルスを供給するステップと、
    前記放電電極に第２の電気パルスを供給するステップであって、前記第２のパルスが前記第１のパルスの後で３００マイクロ秒以下の範囲内で生じるステップと、を含み、
    前記電気パルスが前記所定の点弧電圧で供給されると、前記第１および第２の電気パルスが、前記ランプに前記再点弧時間未満で再起動させる、ことを特徴とする方法。
33. 前記第２のパルスが、前記第１のパルスの後で、１５０マイクロ秒未満で供給される、ことを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. 前記第２のパルスが、前記第１のパルスの後で、１２５マイクロ秒未満で供給される、ことを特徴とする請求項３２記載の方法。
35. 前記放電電極が、前記陰極または前記陽極の１つである、ことを特徴とする請求項３２記載の方法。
36. 前記放電電極が、前記ガス放電ランプの電球内に設置される、ことを特徴とする請求項３２記載の装置。
37. 前記放電電極が、前記陽極および前記陰極とは別である、ことを特徴とする請求項３２記載の装置。
38. さらに、
    前記第１の電気パルスを供給するための第１の回路と、
    前記第２の電気パルスを供給するための第２の回路であって、前記第１の回路内にない少なくともいくつかの回路構成要素を有する第２の回路と、を備える請求項３２記載の装置。
39. 前記第１の回路が第１のキャパシタを備え、および前記第２の回路が第２のキャパシタを備える請求項３８記載の装置。
40. 前記第１の回路が第１のインダクタを備え、および前記第２の回路が第２のインダクタを備える請求項３８記載の装置。
41. さらに、前記第１の電気パルスおよび前記第２の電気パルスの両方を供給するための共有構成要素を有する回路を備える請求項３２記載の装置。
42. 前記回路がキャパシタを備え、前記キャパシタが初めに放電され、再充電されて、および２回目に放電されて、前記第１および第２の電気パルスの組を供給する請求項４１記載の装置。
43. 前記回路がインダクタを備え、前記インダクタが初めに放電され、再充電されて、および２回目に放電されて、前記第１および第２の電気パルスの組を供給する請求項４１記載の装置。
44. ２つのおよび２つだけのパルスが、再起動につき供給される、ことを特徴とする請求項３２記載の装置。

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