JP2010219073A - 誘電体バリア放電ランプ及び誘電体バリア放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘｅを封入した放電容器を用いた誘電体バリア放電ランプにおいて、ランプ始動ピーク電圧の上昇を伴わずに、放射強度を向上させる誘電体バリア放電ランプを提供する。
【解決手段】放電ガスが充填された放電容器１１に一対の電極１４，１５が設けられた誘電体バリア放電ランプ１０である。放電ガスは、ＸｅとＡｒを含有するとともに、放電容器１１内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比ＰＸｅ／（ＰＸｅ＋ＰＡｒ）が０．２０以上、かつ０．８０以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体バリア放電ランプ及び誘電体バリア放電装置に関する。

誘電体バリア放電ランプとしては、Ｘｅ（キセノン）等を放電容器に充填したものが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−８７９８９号公報

ところが、Ｘｅから放射される中心波長１７２ｎｍの真空紫外光を利用するものにおいては、光出力は必ずしも十分でなく、更なる高出力化が望まれていた。
もちろん、放電容器内に充填するＸｅの圧力を増加させれば、三体衝突によるＸｅ_２エキシマ分子の生成効率が上昇して光出力は改善されるが、圧力の増加にともない電子エネルギーが低下してＸｅ原子の電離効率が低下するため、放電を開始するための電圧（ランプ始動電圧）を上昇させなければならず、これに伴って、電源装置等の改良が必要となるため、有効な方法ではなかった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、Ｘｅを含むガスを封入した放電容器を用いたものにおいて、ランプ始動電圧の上昇を伴わずに、光出力を増加させた誘電体バリアランプ及び誘電体バリア放電装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、かかる問題点を解決し得る誘電体バリア放電ランプ及び誘電体バリア放電装置を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、放電容器に充填する放電ガスを、ＸｅとＡｒの混合ガスとし、さらに、放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）を０．２０以上０．８０以下とすることにより、ランプ始動電圧の上昇を伴わずに、放射強度を向上させることができることを見出した。

本発明は、この知見に基づいてなされたものである。すなわち、請求項１の発明は、放電ガスが充填された放電容器に一対の電極が設けられた誘電体バリア放電ランプであって、前記放電ガスは、Ｘｅ及びＡｒを含有するとともに、前記放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）が０．２０以上０．８０以下であることを特徴とする誘電体バリア放電ランプである。

請求項２の発明は、放電ガスが充填された放電容器に一対の電極が設けられた誘電体バリア放電ランプと、前記電極間に交流電圧を印加する電源装置とを備えた誘電体バリア放電装置において、前記放電ガスは、Ｘｅ及びＡｒを含有するとともに、前記放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）が０．２０以上０．８０以下であることを特徴とする誘電体バリア放電装置である。

本発明によれば、放電ガスをＸｅとＡｒの混合ガスとするとともに、放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）を０．２０以上、かつ０．８０以下とすることにより、ランプ始動電圧の上昇を伴わずに、放射強度を向上させることができる。

本発明の一実施形態の誘電体バリア放電ランプを備えた誘電体バリア放電装置を示す断面図 充填気体の全圧と放射強度（ＵＶ１７２ｎｍ）との関係を示すグラフ 充填気体の全圧と最小ランプ始動ピーク電圧との関係を示すグラフ 分圧比と最大封入圧との関係を示すグラフ 分圧比と設計可能な最大放射強度（ＵＶ１７２ｎｍ）との関係を示すグラフ

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。図１に本実施例に係る誘電体バリア放電ランプ１０（以下、単に「ランプ１０」という）とインバータ装置２０とを備えた誘電体バリア放電装置を示す。ランプ１０は、例えば合成石英製の放電容器１１（例えば、サイズ約３５０ｍｍ×約４０ｍｍ×約１３ｍｍ、肉厚約２ｍｍ）を備え、その内部を放電空間１３にして内部に放電ガスを充填してある。放電容器１１には、一対の電極１４，１５が設けられ（電極１５は、メッシュ状であり、放電により放射される光を透過させることができる）、これらの両電極１４，１５間にはトランス２７を介して、インバータ装置２０が接続されている。なお、インバータ装置２０は、トランス２７の一次巻線２７Ｐに接続され、トランスの二次巻線２７Ｓが前記ランプ１０の両電極１４，１５に接続されている（トランス２７及びインバータ装置２０はエキシマ電源３０とされている）。

さて、上記構成のランプにおいて、放電ギャップ長は約９ｍｍで、ランプ始動時に電極間に印加するピーク電圧（ランプ始動ピーク電圧）Ｖ_ｓｐを１６ｋＶ、始動後（点灯中）に電極間に印加するピーク電圧（ランプピーク電圧）Ｖ_ｐを６ｋＶ、周波数ｆを３０ｋＨｚ一定として、放電容器１１内のＸｅ−Ａｒ混合ガスの全圧（封入圧）を変化させたときに、Ｘｅ_２エキシマ分子から放射される中心波長１７２ｎｍのスペクトルの放射強度を図２に示す。
なお、印加電圧波形は立ち上がり立ち下がりともに０．５μｓの矩形波とし、Ｘｅ−Ａｒ混合ガスの分圧比（Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ））は、０．１０，０．１５，０．２０，０．３５，０．５０，０．７０，０．８０，１．００の８種類とした。また、放射強度は、真空紫外分光器及び光電子増倍管を用いて、Ｎ_２雰囲気下で測定した。
この結果から、いずれの分圧比（Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）＝０．１０〜１．００）においても混合ガスの全圧（封入圧）を増加させることにより放射強度が増加することが分かった。これは、全圧（封入圧）の増加とともに、Ｘｅ_２エキシマ分子の密度が増加するためである。また全圧（封入圧）一定の条件では、分圧比が０．５０〜１．００の範囲でほぼ同じ放射強度が得られることが分かった。

次に各分圧比（Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ））において、全圧（封入圧）を変化させた場合に、ランプを始動させるために必要な最小のピーク電圧、すなわち、最小ランプ始動ピーク電圧Ｖ_{sp min}がどのように変化するのかを検討した。図３に示すように、いずれの分圧比においても全圧（封入圧）を増加させることによりＶ_{sp min}が上昇することが分かった。なお、これは、火花放電におけるパシェン法則に類似するものである。また、この図３に示すように、Ａｒの分圧を増加させること、すなわち、分圧比（Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ））を小さくすることによりＶ_{sp min}が低下してゆき、分圧比が０．２０においてＶ_{sp min}が最小となり、更に分圧比を小さくすると再び増加することがわかった。

以上の結果をまとめると、放電空間内における混合ガスの全圧（封入圧）を増加させてゆけば放射強度は増加してゆくが（図２参照）、全圧（封入圧）の増加に伴いＶ_{sp min}も増加する。また、Ｖ_{sp min}は分圧比（Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ））を小さくすると低下する傾向があり、分圧比が０．２０において極小値をとる。
（図３参照）。

ところで、ランプの電源装置については、そのコスト、サイズ等の制約から、供給可能な電圧にも制限がある。従って、ランプ始動時において電極間に印加するピーク電圧Ｖ_spを上昇させることなく、ランプを始動し、かつランプの放射強度を増加させることが望まれている。
そこで、Ｖ_spを上昇させることなく、放射強度を増加することができるランプを提供するため以下の検討を行った。

図４は、図３のグラフから導き出されたものであり、ランプの始動時に電極間に印加するピーク電圧（Ｖ_sp）を一定にした場合に、放電を開始させることができる最大封入圧を混合ガスの分圧比に対して示したグラフである。
図４のグラフは具体的には図３から次のように導き出すことができる。ここでは、Ｖ_sp＝８ｋＶの場合を例に説明する。まず、図３に示す破線と、９本のグラフ線（分圧比０．００〜１．００の線）との交点、具体的には分圧比１．００，０．８０，０．７０，０．５０，０．３５，０．２０，０．１５，０．１０，０．００の場合の全圧値を求める（なお、これらの値は、各分圧比においてＶ_sp＝８ｋＶ時にランプの始動が可能な最大封入圧を示している）。このようにして得られた９つのデータをｘ軸を分圧比、ｙ軸を最大封入圧としてグラフにプロットした。この図４のグラフより、分圧比が０．２付近で最大封入圧が極大値をとることがわかった。

次に、このようにして求めた図４のグラフと図２のグラフより、Ｖ_sp＝８ｋＶ、Ｖ_ｐ＝６ｋＶにおける設計可能な最大放射強度を求めると図５のようになる。

図５によれば、放射強度が、分圧比０．４０付近で極大となることが分かる。また、分圧比を０．２０以上０．８０以下の範囲とすることで、従来のＸｅが１００％封入されたランプに比べて著しく放射強度が増加することが分かる。このように、分圧比を０．２０以上０．８０以下の範囲、好ましくは、０．２７以上０．７以下の範囲とすると、Ｖ_spの上昇をともなわずに、言い換えればＶ_spを一定としても、放射強度を向上させることができることが分かった。
従って、放射強度を重視したランプの設計や、電源装置（インバータ、トランス等）の簡略化が可能となる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、誘電体バリア放電ランプ１０として、特定形状、特定サイズのものを示したが、誘電体バリア放電ランプの形状・サイズ等については特に限定されない。
（２）上記実施形態では、特定の放電ギャップ長ｄ、周波数ｆ、ピーク電圧Ｖ_ｐについて示したが、これらの値は特に限定されるものではない。例えばｄ＝３〜３０ｍｍ、ｆ＝１０〜２４０ｋＨｚ、Ｖ_ｐ＝２〜２４ｋＶの範囲で変化させた場合においても同様の効果が得られることを確認している。
（３）上記実施形態では、特定の電圧波形に関して示したが、電圧波形に関しては特に限定されるものではない。例えば正弦波においてｄ＝３〜３０ｍｍ、ｆ＝１０〜２４０ｋＨｚ、Ｖ_ｐ＝２〜２４ｋＶの範囲で変化させた場合においても矩形波と同じ効果が得られることを確認している。

１０...誘電体バリア放電ランプ
１１...放電容器
１３...放電空間
１４，１５...電極

Claims (2)

1. 放電ガスが充填された放電容器に一対の電極が設けられた誘電体バリア放電ランプであって、
   前記放電ガスは、Ｘｅ及びＡｒを含有するとともに、前記放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）が０．２０以上０．８０以下であることを特徴とする誘電体バリア放電ランプ。
2. 放電ガスが充填された放電容器に一対の電極が設けられた誘電体バリア放電ランプと、前記電極間に交流電圧を印加する電源装置とを備えた誘電体バリア放電装置において、
   前記放電ガスは、Ｘｅ及びＡｒを含有するとともに、前記放電容器内のＸｅとＡｒの合計圧に対するＸｅ分圧の比Ｐ_Ｘｅ／（Ｐ_Ｘｅ＋Ｐ_Ａｒ）が０．２０以上０．８０以下であることを特徴とする誘電体バリア放電装置。

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