JP2011023112A

JP2011023112A - 紫外線源および照明装置

Info

Publication number: JP2011023112A
Application number: JP2008217557A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Matsumoto; 和憲松本; Yuki Taira; 祐樹平
Original assignee: Toyama Prefecture
Current assignee: Toyama Prefecture
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】多極磁場中の多相交流放電プラズマを紫外発生光源へ応用し、水銀や希ガス以外の一般的な分子性ガスを用いて、高輝度で高効率な紫外線を発生させる。
【解決手段】平面容器３内を真空排気し、放電発光に用いる窒素希釈一酸化窒素ガス1Torr以下を封入あるいは流入する。次に、１２枚の分割電極１に１ｋｗ以下の位相制御１２出力交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。これにより、バリア層２に覆われた分割電極１の表面に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマＰが生じる。放電の結果、紫外線を含む窒素希釈一酸化窒素ガス特有の波長を持つ光が放射され、光取り出し窓３２より外へ取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高密度の弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい放電技術を利用して一般的な分子性ガスを用いた紫外線源および照明装置に関する。

水銀、キセノンやクリプトンの放電ガスから得られる紫外・真空紫外線は、光化学工学、半導体製造プロセス、食品・医薬殺菌、および蛍光体の励起により可視光に変換されて照明装置などの様々な分野に広く使用されている。しかし、水銀は地球環境に有害な物質であり、その使用が抑制されつつある。一方、キセノンやクリプトンガスは希少物質であり、その利用には限界がある。そのため水銀や希ガス以外の一般的な分子性ガスを放電気体に使用した紫外・真空紫外線源および可視照明装置の開発が必要とされている。

一般に単原子からなる水銀やキセノンガス中の低圧のグロー放電では放射される光のスペクトルは不連続で、放電気体特有の波長を持つ線スペクトルとなる。これは電子で励起された原子が緩和する場合に特定のエネルギー状態の準位間を遷移し、これに伴って光を放射するためである。
一方、２個以上の原子から成る分子性ガスにおける低圧グロー放電では放射される光のスペクトルは連続になる。これは電子励起エネルギー状態に分子間の振動および回転励起状態が加わり、エネルギー準位間の遷移が連続となるためである。従って、分子性ガスから効率よく紫外線放射を得るためには適当なエネルギー遷移状態をもつ分子性ガスを種々選択する必要がある。
また、グロー放電プラズマにおいて分子性ガスを十分な強さで効果的に励起するためには、高出力・高効率のプラズマ発生装置が必要となる。

本出願人は、特開平８−３３００７９号公報に開示された低コストで大容量の放電（弱電離低温プラズマ）を安定して発生できる低周波交流電源として、位相が配列（制御・調整）された複数個の交流出力からなる位相制御多出力型交流電源装置を先に出願し、さらに、この電源を用いて、特開平１０−１３０８３６号公報に開示された放電を効率的に発生させるための電極と、特開平１０−１３４９９４号公報に開示された磁場の構成方法を出願している。電極の構成方法は、電極を熱伝導性のよい絶縁シートを介して冷却された装置内壁に密着固定する方法であり、磁場の構成方法は、装置外壁に複数の磁石を取り付けて電極表面付近にプラズマの流出を抑える多極磁場を形成する方法である。
本出願人は、さらに特許第３４７２２２９号公報に開示された位相制御多相交流電源を用いて放電を効率的に発生させる壁密着電極と多極磁場を使用することにより、省エネルギー効果の高い、高出力・高効率の放電型照明装置を出願している。
特開平８−３３００７９号公報特開平１０−１３０８３６号公報特開平１０−１３４９９４号公報特許第３４７２２２９号公報

本発明は、多極磁場中の多相交流放電プラズマを紫外発生光源へ応用し、水銀や希ガス以外の一般的な分子性ガスを用いて、高輝度で高効率な紫外線を発生させることを目的になされたものである。

そのため本発明は、弱電離低温プラズマで放電気体を励起して紫外・真空紫外線を放射するものにおいて、前記放電気体に窒素希釈一酸化窒素ガスを用いることを最も主要な特徴とする。

本発明は、弱電離低温プラズマで励起する放電気体に紫外線領域において最大の放射束密度が得られた窒素希釈一酸化窒素ガスを用いるので、高輝度で高効率な水銀レス・希ガスレスの紫外線源を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本発明を実施した紫外線発生装置の断面図を示す。
紫外線発生装置は、１２枚のシート状の分割電極１を僅かな間隙ａを空けてバリア層２の中に埋め込み、平面容器３の底面の基板３１に密着固定する。
基板３１の対向面は光取り出し窓３２で覆い、平面容器３を密閉して低圧放電室を形成する。
分割電極１は、できるだけ面積を大きくして基板３１全体を覆うように配置する。
バリア層２は、例えば石英ガラスや窒化ホウ素のような電気絶縁性と熱伝導性の良好な材質のものを使用して絶縁体層を形成する。

基板３１の外側は、隣り合う極性を逆にして配列した１２＋１本の棒状の磁石４を間隙ａに沿って密着して固定する。磁石４の矢印は磁極の方向を示す。これにより、磁力線が分割電極１の表面を覆うように多極磁場を形成する。
磁石４を取り付けた基板３１の外側は磁気シールド板５で覆い、磁力線を外部に発散させないで内部に集中させる。

多極磁場の磁石４は、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてもよい。
あるいは、ラバー・マグネットなどのシート状の磁石４をバリア層２と基板３１の間に挟み込んだり、基板３１の外側に張り付けて多極磁場を形成してもよい。これにより、磁石４の厚みが薄くなる分、紫外線発生装置の形状を薄くコンパクトに形成できる。

ここで、磁石４と分割電極１との位置関係は任意であるが、図１では磁石４を分割電極１と分割電極１との間隙ａの真後ろに置く場合を示す。このとき、多極磁場は分割電極１の表面が磁力線で覆われるように形成されるので、プラズマＰが分割電極１の表面近傍に効果的に閉じ込められる。

１２枚の分割電極１には、図２に示すように、分割電極１の一端に取り付けた給電端子１１を介して位相が１／１２周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの１２相交流電源６を接続する。
１２相交流電源６は、周波数や振幅および位相（波形を含む）が制御された低周波交流電源を星形結線して構成し、電源全体は絶縁トランスなどにより浮遊電位のままにしておき、放電を分割電極１間のみに発生させる。
電源の相数は、４相以上であれば相数が増えるにつれて電位分布の一様領域、すなわち電界の一様領域は増加するが、１２相以上になるとその増加傾向が飽和するため、１２相が実用的な範疇である。

本発明を実施した紫外線発生装置は以上のような構成で、平面容器３内を排気装置（不図示）によって真空排気し、放電発光に用いる分子性ガス1Torr以下を封入あるいは流入する。
次に、１２枚の分割電極１に１ｋｗ以下の位相制御１２出力交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。
これにより、図１に示すように、バリア層２に覆われた分割電極１の表面に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマＰが生じる。
１２枚の分割電極１に１２相の交流電圧を印加すると、放電は１周期の間に分割電極１間を１回りするので、１秒間に放電が印加周波数だけ回転する。このため、どの時刻においても何れかの分割電極１間で放電が起こり、低周波の交流放電にも拘わらず高周波点灯のような連続放電が発生する。放電の結果生じたプラズマＰは、多極磁場によって狭くて薄い領域に閉じ込められ、電気的に中性な分子性ガス（中性ガス）のプラズマによる衝突励起が盛んになり、励起中性ガスからの発光密度と発光効率が高まる。

以下、本発明の実施例（実験結果）について説明する。
実験を、本発明の紫外線発生装置に30W以下、40kHzのインバータ式１２相交流電源６を接続し、真空排気した同装置に分子性ガスを注入しながら1.0〜0.17Torrの圧力を保ち、行った。
放電発光スペクトルは、光ファイバ式多チャンネル分光器で計測した。

図３に、３種類の分子性ガスにおける多極磁場中の放電発光スペクトルを示す。
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、分子性ガスとしてそれぞれ窒素、一酸化窒素および窒素希釈（90％）一酸化窒素（10％）ガスを用いた場合のスペクトルである。ここで、ガス圧力は0.3Torrであり、縦軸は標準光源で校正された分光放射束密度［μW/cm²/nm］である。
図３（ａ）の窒素ガスの場合、従来報告されているように300nm〜380nmの波長域からの紫外線放射が観測された。
図３（ｂ）、（ｃ）の一酸化窒素ガスの場合、この実験は本出願人によって初めて試みられたが、200nm〜380nmの波長域からの紫外線放射が観測された。
さらに、図３における分光放射束密度を紫外領域（200nm〜380nm）で積分して求めた放射束密度は、図４に示すように、一酸化窒素を窒素で希釈し一酸化窒素濃度が10％程度のとき、最も大きくなることが分かった。
ここで、図４の縦軸は放射束密度［μW/cm²］、横軸は一酸化窒素濃度NO/N₂+NO［％］である。
この図４から、放射束密度は、窒素希釈一酸化窒素ガスの一酸化窒素濃度が５〜１５％の範囲内のとき大きく、この範囲外のとき小さいことがわかる。これは一酸化窒素濃度が5％未満だと、紫外線発光の主体である一酸化窒素分子の数が不足するためであり、逆に15％を超過すると、希釈ガスである窒素分子から一酸化窒素が効果的に励起されにくくなるためであると考えられる。

図５に、３種類の分子性ガスにおける圧力に対する分光放射束密度を紫外領域（200nm〜380nm）で積分して求めた放射束密度を示す。ここで、●のデータは窒素分子、▲印のデータは一酸化窒素および■印のデータは窒素希釈一酸化窒素（10%）の場合の放射束密度である。また、破線で結ばれた□印のデータは磁場無しにおける窒素希釈一酸化窒素（10%）の場合のそれである。
磁場無しの場合、圧力が下がってもほとんど変化が無かった。
一方、多極磁場中の場合、圧力が下がるにつれ紫外線発光強度が増大した。
これは、圧力が下がるとプラズマ−中性ガス衝突が減少し、磁場によるプラズマ閉じ込め効果が強くなるからである。ここで、図３、図４および図５における多極磁場はマルチレース型の多極磁場である。
窒素希釈一酸化窒素混合ガスの圧力が0.3Torrにおける紫外線放射密度の大きさは、同装置において水銀を用いた場合に観測された値より1.5倍も大きくなった。
一酸化窒素の希釈ガスとしてアルゴンガスを試みたが、紫外線の放射は窒素希釈の場合より小さかった。

図６に、２種類の分子性ガスにおける多極磁場中の放電発光スペクトルを示す。
図６（ａ）、（ｂ）は、分子性ガスとしてそれぞれ水素、水素希釈（90％）一酸化炭素（10％）ガスを用いた場合のスペクトルである。ここで、ガス圧力は0.3Torrであり、縦軸は標準光源で校正された分光放射束密度［μW/cm²/nm］である。
図６（ａ）の水素ガス、図６（ｂ）の水素希釈一酸化炭素ガスともに、〜300nm以下の短波長域からの紫外線放射が観測された。ここで、一酸化炭素ガスから200nm以下に強い真空紫外線が放射されることが一般的に知られているので、本実験でもこの領域の紫外線が放射されていると考えられる。実験において200nm以下のスペクトルを観測できない理由は、実験で使用した図１に示す光取り出し窓は真空紫外線を透過できない石英窓であり、また利用した分光器は真空紫外線を計測できないからである。
図７に示すように、一酸化炭素を水素で希釈し一酸化炭素濃度が10％程度の時、この領域からの紫外線放射が最も大きくなることが分かった。
ここで、図７の縦軸は放射束密度［μW/cm²］、横軸は一酸化炭素濃度CO/H₂+CO［％］である。ここで、図６および図７における多極磁場は二重櫛型の多極磁場である。
図７から、放射束密度は、水素希釈一酸化炭素ガスの一酸化炭素濃度が１〜１５％の範囲内のとき大きく、この範囲外のとき小さいことがわかる。これは一酸化炭素濃度が1％未満だと、紫外・真空紫外線発光の主体である一酸化炭素分子の数が不足するためであり、逆に15％を超過すると、希釈ガスである水素分子から一酸化炭素が効果的に励起されにくくなるためであると考えられる。
一酸化炭素ガスの場合、茶色の炭素膜が光取り出し窓３２に生じたが、分子性ガスに水素希釈一酸化炭素ガスを用いることにより、一酸化炭素が解離して生ずる炭素膜の形成が抑止された。

さらに、多極磁場の構成を変えて、図８（ａ）に示すように、棒状の磁石４のＳ極・Ｎ極をレース・トラック状に配置したマルチレース型磁場と、図８（ｂ）に示すように、２組の櫛の歯を噛合せたような形に配置した二重櫛型磁場の比較実験を行った。ここでは、窒素ガスを用いた場合のデータのみ示す。
図９に示すように、圧力が下がるにつれ紫外・可視領域ともに発光強度が増し、図９（ａ）に示すマルチレース型磁場の方が、図９（ｂ）に示す二重櫛型磁場より発光強度が数倍強くなった。ここで、図９における■および□印のデータは紫外領域の放射束密度であり、分光放射束密度を波長200nm〜380nmの範囲で積分して求めたものである。また、同図における●および○印のデータは可視領域のそれであり、分光放射束密度を波長380nm〜780nmの範囲で積分したものである。更に、図９における実線は多極磁場中の場合で、破線は磁場無しの場合である。

本発明を実施した紫外線発生装置の断面図である。本発明を実施した紫外線発生装置の電源接続図である。３種類の分子性ガスによる発光スペクトルの変化を示す図である。窒素に対する一酸化窒素の濃度による紫外線強度の変化を示す図である。磁場の有無における圧力による紫外線発光分布を示す図である。２種類の分子性ガスによる発光スペクトルの変化を示す図である。水素に対する一酸化炭素の濃度による紫外線強度の変化を示す図である。マルチレース・二重櫛型磁場の構成図である。マルチレース・二重櫛型磁場における圧力による発光分布を示す図である。

符号の説明

１分割電極
２バリア層
３平面容器
３１基板
３２光取り出し窓
４磁石
５磁気シールド板
６１２相交流電源
ａ間隙
Ｐプラズマ

Claims

弱電離低温プラズマで放電気体を励起して紫外・真空紫外線を放射するものにおいて、
前記放電気体に窒素希釈一酸化窒素ガスを用いることを特徴とする紫外線源。
前記窒素希釈一酸化窒素ガスの一酸化窒素濃度が５〜１５％であることを特徴とする請求項１記載の紫外線源。
前記弱電離低温プラズマの発生装置に、
平面基板上に僅かな間隙を空けて敷き詰めたｎ枚のシート状の分割電極と、
前記分割電極の表面を磁力線で覆うように多極磁場を形成する磁石と、
前記分割電極に位相が１／ｎ周期ずつずれて振幅が同じ大きさの放電電気エネルギーを供給する位相制御ｎ相交流電源と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の紫外線源。
請求項１〜３記載の紫外線源が放射した紫外・真空紫外線を蛍光物質に当てて可視光に変換することを特徴とする照明装置。