JP2011086605A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放射照度維持率が高く、放射輝度も維持でき、更に、「積算放射量」が多いランプとすることにより、露光装置の生産性が向上した放電ランプを提供する。
【解決手段】陽極先端面３Ｄの陽極中心軸Ｌ上に凹部３０が形成され、凹部は、円周方向に形成された陽極内壁面３０Ａと、陽極中心軸に対して径方向に広がり平坦に形成された陽極内底面３０Ｂと、陽極内壁面および陽極先端面３Ｄの境界において陽極中心軸Ｌから径方向に離間して円周方向に形成された環状角部３０Ｃとを備えて、凹部は陽極先端面から電極の内方側に向けて窪んで形成されており、アークＡＲの大きさを表す指標をＤ０とし、凹部３０の直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、比の値Ｄ１／Ｄ０が、０．２５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．２を満足する。なお、前記アークの大きさを表す指標Ｄ０は、下記の式で規定される。Ｄ０＝１．４＋２．５（Ｐ−１．６）^０．５但し、Ｐはランプ電力（ｋＷ）
【選択図】図２

Description

この発明はショートアーク型放電ランプ（以下、「放電ランプ」と言う）に関し、特に、ショートアーク型放電ランプの陽極構造に関する。

従来の放電ランプは、中央部が膨出した石英ガラス製の発光管と、この発光管の膨出部の内部に対向して配置された陽極と陰極とを備えている。陽極は、陰極に対向する先端に平坦な先端面を有している。陰極は、陽極に対向する先端が先端に向かって次第に外径が細くなる円錐状に形成されている。この放電ランプに通電すると、陰極から放出された電子はランプ内の気体と衝突して荷電粒子を生成する。この荷電粒子が、衝突を繰り返して発光管の内部に封入した物質、例えば水銀がプラズマ状態になり、両極間にアークが形成される。

そして、プラズマ中の電子は陽極側に流れ、陽極の先端面に衝突する。電子の衝突を受ける陽極の先端面が平坦であるので、陽極中央部の電界強度は周辺部に比べて強くなり、その強い電界に引かれて陽極中央部に電流が流れ込み、陽極中央部が高温になるとともに蒸発して消耗することが知られている。
このようにして陽極が消耗すると、蒸発した陽極構成物質は発光管の内壁に付着し、発光管の内壁面を黒化させるという不具合が生じる。そして、発光管の内壁面の黒化が進行すると、放電ランプからの放射束が低下し、照射面での必要な放射照度が不足するため放電ランプを新品のランプに交換する必要があった。

そこで、放電ランプの点灯時に、陽極が温度上昇することを抑制して、陽極の消耗と、発光管の内壁面の黒化の進行とを遅らせることにより、高い放射照度維持率を得るための対策が、従来から検討されていた。

特許文献１には、陽極の先端部を除く側面に炭化タングステン（ＷＣ）と炭化タンタル（ＴａＣ）とタングステン（Ｗ）からなる混合物を焼結して多孔質層が形成されている陽極が開示されている。この多孔質層は母材との密着性が良いので陽極の温度上昇を適切に抑制することが可能となり、陽極の消耗と発光管の内壁面の黒化を少なくして、放電ランプの寿命を延長することができる、と記載されている。

また、特許文献２、３および４には、図７に示すように、陰極９０に対向する陽極８０の先端部に凹部８１が設けられている。この凹部８１は、陰極９０から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成されている。これらの文献によれば、陽極８０の表面での電流密度分布が分散され、陽極８０の消耗が少なくなり、発光管の内壁面の黒化の進行が遅れ、これにより、高い放射照度維持率を得ることができ、放電ランプの寿命を延長することができる、とされている。

これら１から４の各特許文献に開示された技術は、いずれも放電ランプの寿命を延長すること、すなわち放射照度維持率を高めることに主眼が置かれていた。

特許第３５９８４７５号（特開平０９−１１５４７９号公報） 特許第３１３６５１１号（特開平１０−２８３９８８号公報） 特許第４０５４１９８号（特開２００３−２３４０８３号公報） 特許第４１３２８７９号（特開２００３−２５７３６５号公報）

しかしながら、一般に露光装置に用いられる放電ランプは、放射照度維持率が高いことが必要であるが、それ以外に放射輝度が高いことすなわち放射束が高いことも求められている。
そこで、本発明者らは、これまでのランプが持っていた高い放射照度維持率に加えて、放射輝度すなわち放射束も高い放電ランプを提供する検討を行い、この出願より前に特願２００９−１５４６５１号として特許出願を行った。
この特許出願は概略以下のようなものである。陽極内壁面、平坦な陽極内底面、および環状角部からなる凹部を陽極先端面に設けることにより、凹部の各点と陰極との電極間の距離が変化して、陽極中心軸の位置と環状角部の位置の２ヶ所で電界強度のピークができ、この陽極中心軸の位置の電界強度のピークは放電ランプの放射輝度を維持するように働き、また環状角部の位置の電界強度のピークは電子を引き付けこの部分の電流密度が上がることで陽極先端面上での一部領域の局所的な電流の集中が緩和され、陽極の消耗を抑制するように働く。

以下に、前記特許出願の内容を、図１、２に基づいて詳細に説明する。
図１は、放電ランプの構成の概略を示す断面図である。
放電ランプ１０は、略球状に形成された発光部１１と発光部１１の両端のそれぞれに連続した直管状の封止部１２Ａおよび１２Ｂとで構成される発光管を備えている。発光管は、例えば石英ガラスによって一体的に形成されている。封止部１２Ａおよび１２Ｂには、それぞれ円筒形状を有する給電用の口金１３Ａおよび１３Ｂが装着されている。
発光管の内部に形成された放電空間Ｓには、陰極２と陽極３とが、陽極中心軸Ｌ上において互いに対向して配置されると共に発光物質が封入されている。
発光物質は、キセノンガス、アルゴンガスおよびクリプトンガスの少なくとも１種以上と、水銀が封入されている。発光物質として、これらの希ガスおよび水銀のうち、いずれか一方のみが封入されていても良い。

陰極２は、封止部１２Ａに保持されると共に放電空間Ｓに臨む円柱状の胴部２Ａと、胴部２Ａに続いて先端に向かって次第に外径が細くなる円錐状に形成された先端部２Ｂとが、タングステン等によって一体的に形成されている。
陽極３は、円柱状の胴部３Ａと、胴部３Ａの先端側と後端側のそれぞれに続いて形成される円錐台部３Ｂおよび３Ｃとが、例えばタングステンによって一体的に形成されている。後端側の円錐台部３Ｃには、胴部３Ａよりも小径のロッド状のリード部（不図示）が一体的に続いており、リード部が封止部１２Ｂに保持されている。
陽極３は、全長が３０〜１００ｍｍ、胴部３Ａの直径が２０〜４０ｍｍ、円錐台部３Ｂの先端径が５〜２０ｍｍ、円錐台部３Ｂの後端径が２０〜４０ｍｍである。陰極２および陽極３の間の電極間距離は３〜４０ｍｍである。

図２（Ａ）は、陽極中心軸Ｌを含む断面を拡大した断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す矢印Ｂの方向から陽極先端面を見た正面図である。
陽極３は、先端に向かって次第に外径が細くなる円錐台部３Ｂを有し、この円錐台部３Ｂの先端部に陽極先端面３Ｄが形成され、陽極先端面３Ｄの陽極中心軸Ｌ上には凹部３０が形成されている。

凹部３０の形状を説明すると、この凹部３０は、陽極先端面３Ｄより窪んで円周方向に形成された壁である陽極内壁面３０Ａと、前記陽極内壁面３０Ａに続いて形成され、陽極中心軸Ｌに対して直角に径方向に広がり、平坦に形成された壁である陽極内底面３０Ｂと、陽極先端面３Ｄおよび陽極内壁面３０Ａの境界において、陽極中心軸Ｌから径方向に離間して円周方向に形成された環状角部３０Ｃとを有しており、これらの３つの構成からなる凹部３０は陽極先端面３Ｄから陽極３の内方側に向けて窪んで形成されている。
凹部３０はこのような形状であるのでその全体形状は、陽極中心軸Ｌを含む断面が矩形状、即ち円柱形状である。また、凹部３０は、円柱形状に限らず、回転円錐台形状であってもかまわない。

このような形状の陽極を用いた放電ランプは、陰極と陽極との間に高電圧を印加すると、両電極間にアークが形成される。
図２に示す陽極３においては、陽極先端面３Ｄよりも陽極の内方側に窪んだ平坦な陽極内底面３０Ｂを備え、この陽極内底面３０Ｂでは陽極中心軸Ｌに近付くにつれて電界強度が高くなる。また、陽極中心軸Ｌから径方向外方に離間した位置に環状角部３０Ｃを備えるため、当該位置においても電界強度が高い状態になる。
このように、陽極３は陽極中心軸Ｌと環状角部３０Ｃとの両方の位置で電界強度が高い状態になることによって、陰極２から発した電子が陽極中心軸Ｌおよび環状角部３０Ｃのそれぞれに分散して引き付けられるため、陽極中心軸Ｌに引き付けられる電子の量が低減される。

この陽極内底面３０Ｂの陽極中心軸Ｌの位置の電界強度のピークは、放電ランプの輝度を維持するように働き、環状角部の位置の電界強度のピークは、電子を引き付けこの部分の電流が増えることで陽極先端面での局所的な電流の集中が緩和され陽極の消耗を抑制するように働く。

図８は、段落００１０から００１５で説明した陽極内壁面と平坦な陽極内底面と環状角部からなる凹部を有する図2に示す陽極を備えた放電ランプ（以下、「ランプ１」と言う）と、段落０００６で説明した電界強度を近づけた凹部を有する図７に示す陽極を備えた放電ランプ（以下、「ランプ２」と言う）とのそれぞれについて、アーク中の電界強度分布のシミュレーション結果を示す。図８の縦軸は電界強度を、横軸は陽極中心軸Ｌからの距離を示し、実線はランプ１の陽極の電界強度を、破線はランプ２の陽極の電界強度を示す。

ランプ１の陽極では、図８の実線で示すように、電界強度の鋭いピークが陽極中心軸Ｌの位置と凹部３０の環状角部３０Ｃに対応する位置とに表れており、陽極中心軸Ｌと環状角部３０Ｃにアーク中の電子が集中する様子が推察される。一方、ランプ２の陽極では、このようなピークは見られないことから、凹部８１のエッジ部８２に引き寄せられる電流の割合は少ない。

このように、ランプ１は、平坦な陽極内底面３０Ｂを有することにより、陽極中心軸Ｌの電流密度は陽極が消耗しない程度に適度に高くなり放射輝度が高くなっており、しかも、陽極中心軸Ｌの径方向外方に離間するように形成された環状角部３０Ｃを有することにより、環状角部３０Ｃに電流が分散され、陽極中心軸Ｌへの局所的な電流の集中が緩和されて陽極の消耗を抑制できて高い放射照度維持率とすることができる。
したがって、ランプ１は、ランプ２に比べて、放射輝度を維持しながら、放射照度維持率を高いものとすることが出来るようになっている。
以上が、特願２００９−１５４６５１号の内容である。

以上に説明し、特願２００９−１５４６５１号に開示した、ランプ１の放電ランプでも、露光装置に使用される光源に必要な要求を、十分に満足するものではなかった。
すなわち、放射輝度が高い放電ランプでも、放射照度維持率の低い放電ランプでは、発光管の内壁面が短時間で黒化し、短期間でランプからの必要な放射束が得られなくなり、ランプ寿命が短くて放電ランプを頻繁に取り替える必要が有る。これは、取替え作業の煩雑さに加えて、取替えに伴う露光装置の停止時間（ダウンタイム）や、ランプ点灯後の露光装置が定常温度に戻るまでの時間などが露光に使用できない時間となり、生産性が劣る露光装置となってしまう問題が有る。
また、放射照度維持率が高い放電ランプであっても、紫外光の放射輝度が小さいと露光に必要な露光量が足りず、結果的に露光時間が長くなり生産性が劣る露光装置となってしまう問題が有る。

このように、露光工程では、露光時間の短縮すなわちスループット増大が求められている。露光時間の短縮に貢献し露光工程の生産性向上に寄与するために、放電ランプには、その一定の点灯時間の間に放射される紫外光の総放射量である「積算放射量」が多いことも求められている。

そこで、上記の問題点に鑑み、本願発明は、露光装置に用いられるショートアーク型放電ランプであって、放射輝度を維持しながら、高い放射照度維持率とすることができ、更に、「積算放射量」が多いランプとすることにより、露光装置の生産性を向上させる放電ランプを提供することを目的とする。

ここで、この積算放射量と、放射輝度や放射束との関係を考えてみる。
アークの放射輝度分布をＢとすると、「アークから放射される放射束」Lは、以下の式（1）に示すように放射輝度分布Ｂを面積（ｄｓ）及び立体角（ｄΩ）で積分を行うことによって求められる。
式（１） L＝∬ＢdsdΩ
「点灯初期のアークから放射される放射束」Ｌ_０は、発光管を介して取り出されるので、「ある時間経過後のランプから放射される放射束」Ｌ_１は、発光管の透過率をＴとすると、以下の式（２）に示すように放射束L_０と透過率Ｔの積で表される。
式（２） Ｌ_１＝Ｌ_０Ｔ
この透過率Ｔは、陽極などからの蒸発物が時間と共に発光管に付着することによる黒化や光の散乱に大きく起因しているので、点灯時間の関数で表される放射照度維持率η（ｔ）（％）に置き換えて近似することができる。したがって、時刻ｔにおける「ランプから放射される放射束」Ｌ_１（ｔ）は、

と表される。
紫外線の総放射量である「積算放射量φ」は、時刻ｔにおける「ランプから放射される放射束」Ｌ_１（ｔ）の時間積分で表されるので、以下の式（４）に示すようになる。

ここで、放射照度維持率η（ｔ）は発光管内面への上記蒸発物の堆積に密接に関連しており単純な指数関数で近似することができるので、点灯ｔ_０時間後の放射照度維持率をη（ｔ_０）％とすると、その減衰定数を以下の式（５）で表すことができる。

したがって、式（４）を用いると、点灯ｔ_０時間後の積算放射量φは、更に式（６）のように表される。

この式（６）から、積算放射量φは、「点灯初期のアークから放射される放射束」Ｌ_０と、ｔ_０時間経過後の放射照度維持率η（ｔ_０）を用いて算出することができることが分かる。
後段の段落００４２、００４３において、積算放射量φを求める際には、この「点灯初期のアークから放射される放射束」Ｌ_０と、ｔ_０時間経過後の放射照度維持率η（ｔ_０）とを使用することになる。

請求項１に記載のショートアーク型放電ランプは、
発光管内に互いに対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極と前記陰極の間に電圧を印加してアークを発生させるショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陽極は、陽極先端面の陽極中心軸上に凹部が形成され、
前記凹部は、前記陽極先端面より窪んで円周方向に形成された陽極内壁面と、前記陽極内壁面に続いて形成され陽極中心軸に対して径方向に広がり平坦に形成された陽極内底面と、陽極中心軸から径方向に離間して前記陽極先端面および前記陽極内壁面の境界において円周方向に形成された環状角部とからなり、これらの３つの構成からなる凹部は前記陽極先端面から電極の内方側に向けて窪んで形成されており、
前記アークの大きさを表す指標をＤ０とし、前記凹部の直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、比の値Ｄ１／Ｄ０は、０．２５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．２を満足することを特徴とする。
なお、前記アークの大きさを表す指標Ｄ０は、下記の式で規定される。
Ｄ０＝１．４＋２．５（Ｐ−１．６）^０．５
但し、Ｐはランプ電力（ｋＷ）

請求項２に記載のショートアーク型放電ランプは、
請求項１に記載のショートアーク型放電ランプであって、前記凹部の深さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプは、陽極は陽極先端面の陽極中心軸上に凹部が形成され、この凹部は、陽極内壁面と、平坦な陽極内底面と、陽極中心軸から径方向外方に離間した環状角部とを備えていることにより、放射輝度を維持し、かつ高い放射照度維持率のランプを得ることができる。
更に、陽極と陰極の間に形成されるアークの大きさを表す指標Ｄ０と陽極に設けた凹部の直径Ｄ１（ｍｍ）の比の値Ｄ１／Ｄ０が、０．２５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．２の関係を満たすことにより、積算放射量の多いランプを得ることができる。

さらに、陽極の凹部の深さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることにより、放射輝度と放射照度維持率の両方を、確実に高めることができる。

放電ランプの構成の一例を示す断面図である。 放電ランプに適用される陽極の説明図である。 放電ランプの点灯時に、陰極と陽極の間に形成されるアークの状態を示す断面図である。 図３に示すアークから放射される、波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度分布のプロファイルを示す。 「アークの大きさを表す指標」Ｄ０とランプ電力Ｐとの関係を示すグラフである。 相対積算放射量と、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０と凹部の直径Ｄ１の比の値Ｄ１／Ｄ０との関係を示すグラフである。 従来のショートアーク型放電ランプの電極構造を示す断面図である。 電界強度分布を表す図である。

以下、図面を用いて本願発明の放電ランプを説明する。
放電ランプの構成は、段落００１０から００１５の記載および図１と図２の内容と同じであるので、この部分の説明を引用することで省略する。

放電ランプ１０の陰極２および陽極３の間に高電圧が印加されると、両極間で絶縁破壊が起きて、陰極２および陽極３の間にアークＡＲが形成される。そのアークＡＲの概念図を図３に示す。アークＡＲはランプ電力Ｐ（ｋＷ）に依存して陽極中心軸Ｌを中心として拡張したり収縮したりする。すなわち、ランプ電力が大きくなるとアークＡＲは広がって大きくなり、ランプ電力が小さくなるとアークＡＲは収縮して小さくなる。凹部３０の大きさが一定とすると、アークＡＲは凹部３０の環状角部３０Ｃを超えて陽極先端面３Ｄ上にまで広がることもあれば、凹部３０の環状角部３０Ｃの内側にとどまることもある。

このような凹部３０とアークＡＲの大きさの関係から、凹部３０の大きさＤ１とアークＡＲの大きさＤ０の比の値Ｄ１／Ｄ０を求めると、この比の値は、アークＡＲが陽極先端面の凹部３０を覆う程度を表しており、この比の値すなわちアークＡＲが凹部３０を覆う程度が変わると、環状角部３０Ｃが電界によって電流の一部を引き寄せる効果に影響を与え、電極間に発生する電子の流れに影響が出て、放射量が変動するのである。
したがって、凹部３０の大きさとアークＡＲの大きさの比の値Ｄ１／Ｄ０は、段落００２２で説明した「積算放射量」と密接に関連しており、積算放射量の最適範囲をＤ１／Ｄ０の関数として見出すことができると考えられる。ここで、凹部の大きさＤ１はアークが覆う程度を表す指標に用いる値であり、このＤ１とアークの大きさとを対比させる必要が有ることから、凹部の大きさＤ１として凹部の直径すなわち環状角部の直径を用いることとする。

次に、アークの大きさの特定をどのようにして行うかを検討する。
アークは、封入物がプラズマ化した領域を指すものであり、その大きさを測定し、特定することは困難である。
そこで、例えば、アークは当然に電流密度分布と密接に関連しており、電流密度分布がアークの分布の一形態とみなせるので、電流密度分布を測定してアークの大きさを求めることも考えられる。しかしながら、この電流密度分布を厳密に直接測定する事は困難とされており、また、この電流密度分布は連続的に変化しているので、この電流密度分布によってもアークの分布を明確に定めることは困難でありアークの大きさを特定できない。このように、「電流密度分布」の測定によって、「アークの大きさ」を特定することは極めて困難または不可能なことである。

しかしながら、アークの電流密度分布は、放射輝度分布と密接な関係があり、「放射輝度分布」を測定することでアークの「電流密度分布」ひいては「アークの大きさ」をうかがい知ることが出来るようになる。
そこで、放射輝度分布の測定を行う。
発光物質が水銀の場合は、陰極２と陽極３との間に高電圧を印加すると、陰極２から放出された電子が放電空間Ｓに封入された水銀の原子に衝突し、水銀の原子が励起状態になり、励起状態から下位のエネルギー状態に遷移するときに種々の放射光を放射する。この放射光を特定波長、例えば波長３６５ｎｍだけを通過させるバンドパスフィルターに通し、放射の輝度分布を求める。この波長３６５ｎｍの紫外線の輝度分布は、電極中心軸Ｌ上の任意の点における径方向の輝度分布であり、それを図４に示す。この分布のプロファイルは、放射輝度をＪ（ｒ）、径方向の電極中心軸からの距離をｒとすると、下記式（７）で近似して表すことができる。
式（７） Ｊ（ｒ）＝Ｊ_０ｅｘｐ〔−（ｒ／ｒ_０）^２〕
ここで、Ｊ_０はアークの中心での放射輝度であり、ｒ_０は中心での放射輝度Ｊ_０が１／ｅ（≒０．３７）に減衰するところの中心からの距離（ｍｍ）である。上記放射輝度分布の式（７）は、アークに流れる電流の多くが電極の中心からｒ_０の距離内に集中していることを示している。
このｒ_０を２倍して得られる２ｒ_０を「仮想直径」と考えると、この２ｒ_０は、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０として用いることができる。ただし、実際のアークの大きさはこの仮想直径である「アークの大きさを表す指標」Ｄ０の値を超えて拡がっていることに注意すべきである。

上記のように、「アークの大きさを表す指標」は放射輝度分布から求めることができるが、この方法は「アークの大きさを表す指標」を求める必要が有る度に放射輝度分布の測定を行うという煩雑さを伴う。しかしながら、筆者らの鋭意研究により、放射輝度分布はランプ入力電力と強い相関がある事を見出したことによって、予めランプ電力と放射輝度分布の関係を求めておくと、必要になる度に放射輝度分布を測定する煩雑さを排除できて、ランプ電力から「アークの大きさを表す指標」を求めることができるようになる。

このランプ電力と「アークの大きさを表す指標」Ｄ０との関係を求める検討のために、以下の実験を行った。
ところで、アークは電極先端の物理的形状の影響を受けてその形状が変化する。陽極先端面に凹部を設けた電極を用いた放電ランプを用いて前記指標を作成しようとすると、凹部の大きさが異なるランプ毎にアークは凹部から異なる影響を受けることになる。これでは、ランプ毎に「アークの大きさを表す指標」Ｄ０が異なってしまい基準の指標として用いることができない。「アークの大きさを表す指標」Ｄ０は、指標であり基準とすべき値であるので、変動しない変わらない値でなければならない。そこで、アークが陽極先端形状に影響されないように、凹部を有さず平坦であるごく普通の陽極を用いた放電ランプを用いて、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０を作成し、これを基準の指標とした。

そこで、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０を作成する実験に用いる実験用放電ランプＡ１〜Ａ５は、陽極先端面に凹部を有さず平坦であるごく普通の陽極を用いた。そして、封入する水銀量と電極間距離を変えて５種類の実験用放電ランプＡ１〜Ａ５を作製した。
この実験用放電ランプＡ1〜Ａ５を表1に示すランプ電力Ｐで点灯させ、陽極近傍のアークの放射輝度分布を測定し、それらの放射輝度分布に対して式（７）に従いフィティングを行ってｒ_０を求め、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０の値を求めた。
それらの実験結果を表１に示す。

次に、表１の「アークの大きさを表す指標」Ｄ０と、ランプ電力Ｐ（ｋＷ）との関係を図５に丸印で表す。この図５に示された丸印を結ぶ近似曲線の式を求め、次式（８）を得た。
式（８） Ｄ０＝１．４＋２．５（Ｐ−１．６）^０．５
この式（８）から、ランプ電力Ｐ（ｋＷ）が知られているランプについては、放射輝度分布を測定しなくても、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０を求めることができるようになる。

こうして、ランプ電力Ｐ（ｋＷ）から「アークの大きさを表す指標」Ｄ０を決定すれば、段落００３０に記載したように、比の値Ｄ１／Ｄ０を変数にして、積算放射量の最適範囲を見出すことができる。
そこで、凹部の直径Ｄ１と「アークの大きさを表す指標」Ｄ０の比の値Ｄ１／Ｄ０を変数として、積算放射量を求めるための実験を行った。

実験を行うにあたり、実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０を作製し用意した。実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０は、以下に示す共通のランプ基本構成を有している。
＜ランプＢ１〜Ｂ１０の基本構成＞
・陽極３の凹部の深さ ： ０．４ｍｍ
・水銀量 ： ２５ｍｇ／ｃｍ^３
・キセノンガス ： 室温で２×１０^５Ｐａ
・電極間距離Ｌ ： ５．５ｍｍ
・ランプ電力Ｐ ： ７．５ｋＷ（定電力）
各ランプの陽極は、その先端面に陽極内壁面と平坦に形成された陽極内底面と環状角部からなる凹部を有しているが、その凹部の大きさは、表２に示すように、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０に対する凹部３０の直径Ｄ１（ｍｍ）の比の値Ｄ１／Ｄ０がそれぞれ異なるようにしてある。
比較例として、比の値Ｄ１／Ｄ０が零、即ち、凹部を有しない陽極を備える比較用放電ランプＸも作製し用意した。比較用放電ランプＸは陽極先端面に凹部が無い点以外は実験用放電ランプＢと同じ基本構成を有している。

実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０および比較用放電ランプＸのランプ電力は７．５ｋＷであるので、「アークの大きさを表す指標」Ｄ０は、段落００３７の式（８）にＰ=７．５を代入して求めることができ、Ｄ０＝７．５ と求められる。

実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０及び比較用放電ランプＸについて、点灯初期時および８００時間定電力点灯後に、波長３６５ｎｍの紫外光の放射照度を測定した。これを実験ａとする。表２の「放射照度維持率（％）」は、点灯初期の放射照度に対する８００時間点灯後の放射照度の割合を、ランプ毎に％表記したものである。

また、実験用放電ランプＢ１〜Ｂ１０及び比較用放電ランプＸを点灯させ、それぞれの放電ランプについて、点灯初期の波長３６５ｎｍの紫外光の放射輝度を測定し、段落００２２の式（１）に従い、放射輝度の積分によって点灯初期の放射束Ｌ_１を得た。これを実験ｂとする。そして、表２では、実験ｂの結果から、比較用放電ランプＸの点灯初期の放射束に対する実験用放電ランプＢの点灯初期の放射束の割合を求め、この相対値を「相対放射束」として記載している。

「積算放射量」は、表２の「放射照度維持率（％）」と「相対放射束」を用いて、段落００２２の式（６）から求めている。そして、積算放射量の最大値を１とした相対値である「相対積算放射量」で表している。

なお、式（６）から分かるように積算放射量の計算には、「点灯初期のアークから放射される放射束」が必要である。念のために、この放射束と「点灯初期のランプから放射される放射束」の関係について説明しておく。
段落００２２の式（３）において、点灯初期の状態は時間ｔが０であるので、Ｔ（ｔ）はＴ（０）でほぼ１であり、Ｌ_１（０）＝Ｌ_０となる。これは、実験ｂで求めることができた各ランプの点灯初期の放射束は、「点灯初期のランプから放射される放射束」Ｌ_１（０）のことであるが、この放射束が実は「点灯初期のアークから放射される放射束」Ｌ_０に等しいということを示している。したがって、式（６）の「点灯初期のアークから放射される放射束」Ｌ_０には、実験ｂで求めた各ランプの点灯初期の放射束Ｌ_１の値を代入して計算できることが分かる。

次に、表２の、比の値Ｄ１／Ｄ０と、相対積算放射量との関係を図６に示す。
縦軸は相対積算放射量、横軸は比の値Ｄ１／Ｄ０である。
比の値Ｄ１／Ｄ０が小さい領域では相対積算放射量はほとんど変化無く、０．２付近から増大し、０．６５付近で最大になり、その後減少する。比の値Ｄ１／Ｄ０が１．２辺りで比の値Ｄ１／Ｄ０が０の場合と同じ値になり、その後更に減少している。

電極先端部に凹部を設けない場合、すなわち比の値Ｄ１／Ｄ０が０の時、相対積算放射量の値は０．９５９である。この０．９５９の値を超える範囲とすることで、凹部の無い陽極を有するランプよりも相対積算放射量が多い放電ランプとすることが出来る。従って、相対積算放射量として効果のある範囲は、比の値Ｄ１／Ｄ０が０．２５〜１．２であることが分かる。

更に、比の値Ｄ１／Ｄ０が０．３９〜１．１であれば、積算放射量がより高い値を示し、より顕著な効果が得られ好ましい。

さらに、凹部３０の深さＨは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。その理由は次のとおりである。
凹部３０の深さＨが０．５ｍｍを超えると、電極間距離が長くなるため、ランプ電圧が上昇する。ショートアーク型放電ランプ１０は、点灯用電源として定電力電源を使用しているため、上記のようにランプ電圧が上昇すると、陰極および陽極間に供給するランプ電流を下げるように制御され、放射輝度が低下することになる。このような放射輝度の低下は、凹部３０の深さＨが深くなるに従って顕著になる。
一方、凹部３０の深さＨが０．１ｍｍ未満であると凹部３０が実質的に無くなり、環状角部による電界強度の集中の効果が無くなり高い放射照度維持率を得ることができなくなる。
したがって、放電ランプの放射輝度の低下を可及的に小さくし、かつ高い放射照度維持率を得るためには、凹部３０の深さＨを０．１ｍｍ〜０．５ｍｍとすることが好ましい。

１０ ショートアーク型放電ランプ
１１ 発光部
１２Ａ，１２Ｂ 封止部
１３Ａ，１３Ｂ 口金
２ 陰極
２Ａ 胴部
２Ｂ 先端部
３ 陽極
３Ｂ，３Ｃ 円錐台部
３Ａ 胴部
３Ｄ 陽極先端面
３０ 凹部
３０Ａ 陽極内壁面
３０Ｂ 陽極内底面
３０Ｃ 環状角部
ＡＲ アーク

Claims (2)

1. 発光管内に互いに対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極と前記陰極の間に電圧を印加してアークを発生させるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陽極は、陽極先端面の陽極中心軸上に凹部が形成され、
   前記凹部は、前記陽極先端面より窪んで円周方向に形成された陽極内壁面と、前記陽極内壁面に続いて形成され陽極中心軸に対して径方向に広がり平坦に形成された陽極内底面と、陽極中心軸から径方向に離間して前記陽極先端面および前記陽極内壁面の境界において円周方向に形成された環状角部とからなり、これらの３つの構成からなる凹部は前記陽極先端面から電極の内方側に向けて窪んで形成されており、
   前記アークの大きさを表す指標をＤ０とし、前記凹部の直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、比の値Ｄ１／Ｄ０は、０．２５≦Ｄ１／Ｄ０≦１．２を満足する
   ことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   前記アークの大きさを表す指標Ｄ０は、下記の式で規定される。
   Ｄ０＝１．４＋２．５（Ｐ−１．６）^０．５
   但し、Ｐはランプ電力（ｋＷ）
2. 前記凹部の深さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１記載のショートアーク型放電ランプ。

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