JP2012527720A - 半透明のプラズマのルツボ - Google Patents

Abstract

２４５０ＭＨｚのＴＭ０１０モードで動作するため、石英製の半透明のルツボは直径４．９ｃｍで長さ２．１ｃｍである。中心軸と距離があるものの中央のボイド空間に近い端部にあるアンテナ凹部と共に、密閉されたプラズマのボイド空間は、中心軸上の中央に配置されている。様々なＴＥモードでも実施可能である。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマのルツボおよびプラズマのルツボを有する光源に関するものである。

国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号において、我々は、以下のように特許請求の範囲を記載している。
１．マイクロ波で駆動される光源であって、前記光源が、
・中に密閉されたボイド空間を有するプラズマのルツボであって、そこから出てくる光に対して半透明な材料からなる固体のプラズマのルツボと、
・前記プラズマのルツボを取り囲むファラデー箱であって、前記プラズマのルツボから出てくる光を少なくとも部分的に透過しつつ、マイクロ波を閉じ込めているファラデー箱と、
・前記密閉されたボイド空間において、その内部で発光プラズマを生成するために充填された、マイクロ波のエネルギーによって励起可能な充填材と、
・前記充填材にプラズマを誘導するマイクロ波エネルギーを伝送するために前記プラズマのルツボの中に設けられたアンテナであって、前記アンテナが、
・マイクロ波エネルギー源と結合するために前記プラズマのルツボの外側に伸びている接続部
を有しているようなアンテナと、
を有しており、前記密閉されたボイド空間のプラズマからの光が前記プラズマのルツボを通過可能であり、そこから前記箱を介して放射されるように配置されたことを特徴とする光源。

ここで、上記出願の図９および図１０、すなわち、半透明のルツボの斜視図および半透明のルツボを備えたマイクロ波で駆動されるランプの概略図と以下の記載を引用する。

ランプ201はマイクロ波エネルギーを形成する発振器202とアンプ203を備えており、通常は２．４５ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚあるいはＩＳＭバンドの範囲内のその他の周波数で動作される。光源は半透明のプラズマのルツボ内において整合回路204を介してマイクロ波を凹部206に突き出たアンテナ205に通す。これは石英製であり、中央の希ガスと励起可能な材料が充填されたボイド空間208を有しており、マイクロ波によって励起されると発光する。石英は透明であり、光はあらゆる方向に出ていくことができるが、後述のファラデー箱によってもたらされる制限を受ける。

ルツボは正円筒であり、長さ６３ｍｍで直径４３ｍｍである。ルツボの中央のボイド空間は長さ１０ｍｍ、直径３ｍｍである。凹部はボイド空間の同軸上にあり、直径２ｍｍで長さ１０ｍｍである。

ルツボを取り囲んでいるファラデー箱209は、
・光反射コーティングであって、アンテナ凹部のある端面211を通常は銀色の一酸化ケイ素でコーティングしている光反射コーティング210と、
・端面214に蒸着させたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）212と、
・円筒面216の面上にある化学気相成長法によって処理された導電性の網215であり、構成要素210、212および215の電気的接続のために端部に伸びているフィンガー217を有し、網の線幅が０．５ｍｍでピッチが６ｍｍである網と、
を備えている。

ファラデー箱は筺体219内の収納部218に入れられることにより接地される。

ＩＴＯ蒸着物は端面214の中央にメッキされていない１２ｍｍの開口部220を有しており、これによりボイド空間内のプラズマ放電部222の端部からの光221がファラデー箱によって減衰することなく半透明のプラズマのルツボの外に直接通過できる。ある程度、減衰されるものの、多くの光もファラデー箱を経由して通過する。

ファラデー箱はボイド空間に沿って、ルツボの周りのワイヤ網によって完全に形成できる点に注目すべきである。

この光源の理解させるために、我々は、以下の定義を用いている。

「半透明」とは半透明とされている物の材料が透明または半透明であることを意味する。

「プラズマのルツボ」とはプラズマを閉じ込めた（あるいは、閉じ込めるための）密封体を意味し、ボイド空間の充填材がアンテナからのマイクロ波エネルギーによって励起された時はそのボイド空間内を意味する。

国際公開第２００９／０６３２０５号

光源のさらなる開発において、我々は、ファラデー箱の内部においてマイクロ波共振を持続することができる別の形状の半透明のプラズマのルツボについて研究した。

本発明の目的は、改良した半透明のプラズマのルツボおよび改良した光源を提供することである。

本発明によれば、低次のＴＥ波のマイクロ波のモード特性あるいは低次のＴＭ波のマイクロ波のモード特性を提供することができる。

好ましくは、そのモードの次数は、０次か１次あるいは２次である。

我々は、円筒形状の半透明のルツボを採用することが多いが、直方体形状のルツボも適していると考えている。さらに、これらのルツボは、球形状などの他の一般的な形状、あるいはまったく一般的でない形状とすることもできる。

我々は、円筒形状のルツボの直径ｄ（ｃｍ）、長さｌ（ｃｍ）、および駆動周波数ｆ（ＭＨｚ）が以下の範囲内に収まるように考えている。
・直径÷長さの２乗、すなわち（ｄ／ｌ）^２の値が０と１００の間の値であり、
・直径×周波数の２乗、すなわち（ｄ×ｆ）^２の値が０と２×１０^９の間の値であること。

さらに、以下の範囲内に収まれば、より好ましい。
・０＜（ｄ／ｌ）^２＜２０であり、
・０＜（ｄ×ｆ）^２＜１．５×１０^９であること。

ここで、本発明を理解させるため、添付図面と共に、様々な具体的な実施形態について述べる。

本発明の半透明のプラズマのルツボの斜視図である。 国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号の図９である。 国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号の図１０である。 グラフ１を示す図である。 グラフ２を示す図である。

図１を参照すると、マイクロ波エネルギーによって駆動される光源１が示されている。この光源は、固体のプラズマのルツボを形成する石英製の円筒部２を有している。石英は可視光に対して透明であり、この石英の外面は研磨されている。ルツボは、長さｌと直径ｄを有している。中央に配置されているのは、ボイド空間３である。このボイド空間３は、ルツボの大きさに比べると、長さが短く、直径も小さい。このボイド空間は、ルツボの材料もしくは石英製の追加部品によって密閉されている。封着の方法については、まだ公開されていない我々の国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０００３１３に記載されており、本願の公開日までに公開されるものと思われる。ファラデー箱４は、ルツボの曲面になっている側面５とルツボの端面６を取り囲んでいる。このファラデー箱４は、ルツボの外部に光の大部分を透過させ、マイクロ波は透過させないように金属網もしくは網状の金属シートによって形成することができる。ファラデー箱のバンド７は、ファラデー箱を固定してルツボを保持するためのキャリヤ８の周囲に突出して設けられている。

マイクロ波で励起可能な材料、通常、希ガス中の金属のハロゲン化物、からなる充填材９は、内部で発光プラズマが形成されるように封入されている。

アンテナ10は、ボア11内に配置され、プラズマを発生させるマイクロ波エネルギーを充填材に伝達するようにプラズマのルツボの内部に突き出している。このアンテナは、マイクロ波エネルギー源14に結合させるようにプラズマのルツボの外側に突き出した接続部12を有している。このマイクロ波エネルギー源14は図で示されている。このマイクロ波エネルギー源14の詳細とマイクロ波エネルギーを接続部12に供給する方法については、Nigel Brooksの整理番号2953/PCTとして提出され、２００９年５月８日付の我々の英国特許出願No.0907947.6を基礎とした優先権主張をしている我々の同時係属の国際出願において記載されている。

我々がプラズマを光らせた半透明のルツボの以下の実施例において、半透明のルツボの材料として、我々は比誘電率3.78の石英を用いており、周波数２，４５０ＭＨｚで駆動している。
・ＴＥ１１１モードの実施例
本実施例において、プラズマのルツボは、直径４．３８ｃｍ、長さ６．４３ｃｍである。密閉されたプラズマのボイド空間は、中心軸上の一端であるアンテナ凹部と共に中心軸上の中央に配置されている。

このモードにおける動作のために、長さｌおよび直径ｄは可変とされ、次式を満たすように与えられる。

ここで、ｆは、周波数であり、ＡとＢは定数である。これらの値は次式で与えられる。

添付されているグラフ１は、上記数１のプロットを示しており、傾きが一定の線でＴＥ１１１が示されている。

この実施例では、次式が成立する。

これは、グラフ１において実施例１として示されている。
・ＴＥ０１０モードの実施例
本実施例において、プラズマのルツボは、直径４．９ｃｍ、長さ２．１ｃｍである。また、中心軸と距離があるものの中央のボイド空間に近い端部にあるアンテナ凹部と共に、密閉されたプラズマのボイド空間は、中心軸上の中央に配置されている。

このモードの動作のために、長さは、一定のままとなっている直径とは独立して可変とされている。

ＴＭ０１０と示され、次式の定数を有する等価プロットがグラフ１に示されている。

このプロットは、水平な線になっている。

この実施例では、次式が成立する。

これは、グラフ１において実施例２として示されている。

共振する共振器の理論に合致するプロットに対し、これらの実施例の位置がわずかに高いことに留意すべきである。これらの実施例は、動作を試行して、わかったものである。もし、充填材で充填されたボイド空間が、ルツボの容積のかなりの割合を占めている場合には、比誘電率の値を調整したものを使用するべきであり、その調整された比誘電率の値は、容積における平均値であり、ボイド空間が１．００で石英が３．７８である。この調整は、比誘電率の平方根に反比例して行われ、その結果、ｄとｌは少しだけ増加する。しかしながら、実際には、ボイド空間は、ルツボの容積に対して小さくしてあるため、調整は無視することができる。

また、ＴＥ１１１モードは、高いＱ値を有するモードであり、ルツボ内にプラズマを引き起こす高い電界強度を生じさせることに留意すべきである。

上記実施例において与えられたＴＥ１１１モードの寸法は、国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号の図９と図１０において与えられた寸法と近似している。これらの正確な寸法が、本願の優先日に公開されていないにも関わらず知られている場合には、これらの寸法については放棄する。他の寸法（放棄しない寸法）は、ＴＥ１１１モードの動作において使用可能である。例えば、ｄとｌは後述の表１に記載されているように両方とも４．８５ｃｍで等しくすることができる。直径は、この寸法より小さくすることができるが、例えば、長さ５．５８ｃｍで、我々のもっと以前に出願した出願の直径４．４７ｃｍよりも大きくなる。また、直径は、大きくした長さ１８．７１ｃｍに対して、３．７４ｃｍと小さくすることができる。また、直径は７．２９ｃｍと大きくし、長さを直径の半分の３．６５ｃｍとすることもできる。

本発明は上記２つのモードに限定されるものではない。

当業者が読めば、周波数と誘電材料を適合させることについては疑問を持つはずだが、グラフ１を公知のモードのプロットと認識するだろう。グラフ２は、いくつかの追加のモードを示している。下記の表１は、直径と長さが同一となるｄ／ｌの比率１．００を有する追加のモードのための石英製のプラズマのルツボの典型的な寸法を示している。

グラフ２は、これらの追加のモードを示している。グラフ２のこれらの位置から、これらのいくつかは石英製のルツボの寸法をより大きくする必要があることがわかる。上記寸法は、すべて名目上の実務的な制限である１０ｃｍの範囲内であるが、それらのモードは、以下のように分類される。
・広範囲のｄ／ｌの比率で利用可能なモード
ＴＥ１１１，ＴＭ０１０
・寸法の一方が限度を超えてしまう場合があるものの、かなりの範囲のｄ／ｌの比率で利用可能なモード
ＴＥ２１１，ＴＥ１１２，ＴＭ１１０、ＴＭ０１１，ＴＭ０１２
・寸法の一方もしく両方が限度を超えてしまう場合があるものの、限定された範囲のｄ／ｌの比率で利用可能なモード
ＴＥ０１１，ＴＥ２１２，ＴＭ１１１
・ｄ／ｌの比率の値にかかわらず、寸法の一方もしく両方が限度を超えてしまう場合があるモード
ＴＥ０１２，ＴＭ１１２
これらのモードのいくつかは、他のモードよりも高いＱ値を有している。

以下の表２は、Ｑ値を示している。

寸法とＱ値の両方に注意を払い、我々は以下の下記のモードを採用することを好んでいる。
ＴＥ１１１，ＴＥ２１１，ＴＥ１１２，ＴＥ０１１，ＴＥ２１２

Claims (11)

1. 低次のＴＥ波のマイクロ波のモード特性あるいは低次のＴＥ波のマイクロ波のモード特性を有するように設計された半透明のプラズマのルツボ。
2. 前記モードの次数が０か１もしくは２であることを特徴とする請求項１記載の半透明のプラズマのルツボ。
3. 直方体形状のルツボであることを特徴とする請求項１または２記載の半透明のプラズマのルツボ。
4. 円筒形状のルツボであることを特徴とする請求項１または２記載の半透明のプラズマのルツボ。
5. 円筒形状のルツボの直径ｄ（ｃｍ）、長さｌ（ｃｍ）、および駆動周波数ｆ（ＭＨｚ）が
   ・前記直径÷前記長さの２乗、すなわち（ｄ／ｌ）^２の値が０と１００の間の値であり、
   ・前記直径×前記周波数の２乗、すなわち（ｄ×ｆ）^２の値が０と２×１０^９の間の値であることを特徴とする請求項４記載の半透明のプラズマのルツボ。
6. 前記（ｄ／ｌ）^２の値が０と２０の間の値であることを特徴とする請求項５記載の半透明のプラズマのルツボ。
7. 前記（ｄ×ｆ）^２の値が０と１．５×１０^９の間の値であることを特徴とする請求項５または６記載の半透明のプラズマのルツボ。
8. 長さ６３ｍｍで直径４３ｍｍである正確な円筒形状の石英製のルツボを除いたことを特徴とする請求項４〜７のうちいずれか１項記載の半透明のプラズマのルツボ。
9. 前記ルツボの前記モードがＴＥ１１１，ＴＥ２１１，ＴＥ１１２，ＴＥ０１１，ＴＥ２１２のうち、いずれかを選択したものであることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載の半透明のプラズマのルツボ。
10. 前記ルツボが石製からなることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載の半透明のプラズマのルツボ。
11. マイクロ波によって駆動される光源であって、前記光源は、
    ・中に密閉されたボイド空間を有するプラズマのルツボであって、そこから出てくる光に対して半透明な材料からなる固体のプラズマのルツボと、
    ・前記プラズマのルツボを取り囲むファラデー箱であって、前記プラズマのルツボから出てくる光を少なくとも部分的に透過しつつ、マイクロ波を閉じ込めているファラデー箱と、
    ・前記密閉されたボイド空間において、その内部で発光プラズマを生成するために充填された、マイクロ波のエネルギーによって励起可能な充填材と、
    ・前記充填材にプラズマを誘導するマイクロ波エネルギーを伝送するために前記プラズマのルツボの中に設けられたアンテナであって、前記アンテナが、
    ・マイクロ波エネルギー源と結合するために前記プラズマのルツボの外側に伸びている接続部
    を有しているようなアンテナと、
    を有しており、前記プラズマのルツボが請求項１〜１０のうちいずれか１項記載の半透明のプラズマのルツボであることを特徴とする光源。

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