JP2015529387A - Ｌｕｗｐｌのルツボ - Google Patents

Abstract

ＬＵＷＰＬのルツボ１は、貫通する中央の穴３を有する導波路本体２から形成される。石英の引き抜き管４を中央の穴３に入れる。石英の引き抜き管４は、密封された両端を有し、一方の端４１は、導波路本体２の一方の面２１と同一平面上にあるために平坦に加工されている。他方の端４２は、残留端４３を有する。他方の端４２は、導波路本体２の他方の面２３において、中央の穴３のオリフィス２２で導波路本体２に固定される。該固定は、セラミック粘着剤５によって行われる。【選択図】図５

Description

本願発明は、ＬＵＷＰＬのルツボ、すなわち半透明導波路プラズマ光源のルツボに関する。

我々の名義で特許付与された欧州特許第１３０７８９９号において、エネルギー源へと接続し、電磁エネルギーを受け取るために構成された導波路と、前記導波路へと接続し、前記導波路からの電磁エネルギーを受け取ると発光する気体充填材を包含するバルブと、を備える光源であって、
（ａ）前記導波路は基本的に、２を超える誘電率、０．０１以下の損失正接、１インチ２．５４ｃｍとして２００キロボルト／インチを越える直流破壊限界値、を持つ誘電物質で構成されている本体を備え、
（ｂ）前記導波路の大きさや形は、０．５から３０ＧＨｚまでの周波数のうち、少なくとも１つの作動周波数で、前記導波路の本体に、少なくとも一つの電界最大値を保持できるようになっていて、
（ｃ）空洞は、前記導波路の第一側面に従属し、
（ｄ）前記バルブは、作動中、前記空洞内で電界が最大となる部分に配置され、前記気体充填材は、共振している前記導波路の本体からのマイクロ波エネルギーを受け取ると発光するプラズマを形成し、
（ｅ）前記導波路の本体の内部に設けられたマイクロ波供給部は、前記エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを受け取るように構成され、前記導波路の本体と密接に接触している、
ことを特徴とする光源が特許請求されている。

我々の欧州特許第２１８８８２９号において、マイクロ波で駆動される光源であって、前記光源が、
・中に密封されたボイド空間を有する本体と、
・前記本体を取り囲む、マイクロ波を閉じ込めているファラデー箱であって、
・前記本体は、前記ファラデー箱に入っている共振導波路であるファラデー箱と、
・前記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材料からなる充填材と、
・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本体の中に設けられたアンテナであって、
・前記アンテナは、マイクロ波エネルギー源と結合するために前記本体の外側に伸びている接続部を有しているアンテナと、
を有しており、
・前記本体が、そこから出て行く光のための半透明の材料からなる固体でできたプラズマのルツボであることと、
・前記ファラデー箱は前記プラズマのルツボから出てきた光を少なくとも部分的に透過するものであることと、を特徴とし、前記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、前記ファラデー箱を介して放射されるような配置になっている光源が記載され、また特許請求されている。

我々はこれを、我々の発光共振器特許、又はＬＥＲ特許と呼ぶこととする。すぐ上で述べた光源の主クレームは、従来技術の部分に関しては、冒頭で述べた我々の欧州特許第１３０７８９９号の開示に基づいている。

国際公開第２０１０／０５５２７５号において公開された、我々の欧州特許出願第０８８７５６６３．０号において、
・固体誘電体材料からなる半透明な導波路であって
・前記導波路を取り囲む、少なくとも一部が光を伝達するファラデー箱であって、光を放射状に伝達するために構成されるファラデー箱と、
・前記導波路と前記ファラデー箱との内部のバルブ型空洞共振器と、
・前記導波路と前記ファラデー箱との内部のアンテナ凹部と、
を有する半透明な導波路と、
・マイクロ波により励起可能な充填物を有するバルブであって、前記バルブ型空洞共振器内に入れるバルブと、
を備えた光源が記述、特許請求されている。

半透明の導波路がバルブの周りにクラムシェルを形成するので、我々はこれを、我々のクラムシェル出願と呼ぶこととする。

我々のＬＥＲ特許、我々のクラムシェル出願、そして本明細書で用いられているように、
・「マイクロ波」は、ある特定の周波数帯をさすわけではない。我々は「マイクロ波」を、３００ＭＨｚ周辺から３００ＧＨｚ周辺まで３桁に及ぶ周波数帯を意味するものとして用いている。
・「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、該ボイド空間内（該密封体内）を意味する。
・「ファラデー箱」とは電磁放射を閉じ込める導電性の覆いを意味し、作動周波数、すなわちマイクロ波での周波数における電磁波を、少なくとも、十分に透過させない。

ＬＥＲ特許、クラムシェル出願、そして特定のＬＥＲ改良出願は、以下の点で共通している。
・ファラデー箱であって、
・導波路を仕切り、
・発光のために、少なくとも一部が半透明で、通常は少なくとも一部が透明であって、
・通常は不透明な覆いを有するファラデー箱と、
・前記導波路を前記ファラデー箱に統合する、半透明な固体誘電体材料からなる本体と、
・マイクロ波によって励起可能な材料を含む、前記導波路内の密閉されたボイド空間と、
・プラズマを励起させるマイクロ波を前記導波路に導入するための供給手段と、
を備え、
所定の周波数を持ったマイクロ波が導入されると、前記ボイド空間内にプラズマが作り出され、前記ファラデー箱を通って発光するように配置されるマイクロ波プラズマ光源。

我々の国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／００１７４４号（我々の‘７４４出願）において、我々はＬＵＷＰＬを以下のように定義した。
・半透明な固体誘電体材料からなる加工品であって、
・電磁波、通常はマイクロ波により励起可能な材料を含む密閉されたボイド空間を有する加工品と、
・ファラデー箱であって、
・導波路を仕切り、
・発光のために、少なくとも一部が半透明で、通常は少なくとも一部が透明であって、
・通常は不透明な覆いを有し、
・前記加工品を包み込むファラデー箱と、
・プラズマを励起させる電磁波、通常はマイクロ波を導波路に導入するための供給手段と、
を備え、
所定の周波数を持った電磁波、通常はマイクロ波が導入されると、前記ボイド空間内にプラズマが作り出され、前記ファラデー箱を通って発光するように配置されるマイクロ波プラズマ光源。

欧州特許第１３０７８９９号明細書 欧州特許第２１８８８２９号明細書 国際公開第２０１０／０５５２７５号公報 国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１１／００１７４４号明細書 英国出願第１１６２２４．５号明細書

我々のＬＥＲ特許の望ましい実施形態において、ボイド空間は、通常は水晶体である半透明の導波路に直接形成される。この構成は、プラズマからの放射及び該プラズマを取り囲むガスからの伝導による高温に、その石英材料をさらす。用語「プラズマの固体ルツボ」がＬＥＲ特許で使用され、ルツボが高温材料用の容器であるのは、この高温にさらすことが原因である。この高温にさらすことは、もしプラズマが原因で該ルツボの材料に微細な亀裂が起こると、それを通して亀裂が伝播する、という問題を引き起こし得る。

我々のクラムシェル出願において、ボイド空間及び励起可能な材料を有する石英バルブは、半透明な導波路とは異なり、該半透明な導波路内に挿入されて設けられるため、この問題はそれほど顕著ではない。該導波路は、それらの間に該バルブを保持する２つの部分、もしくは該バルブを収容する穴を有する単体のものから形成され得る。

我々の英国出願第１１６２２４．５号において、ＬＵＷＰＬのルツボであって、
・穴を有する、半透明材料からなる導波路本体と、
・前記穴に設けられた、半透明材料からなる管であって、
・両端で密閉され、
・前記管の、その密封された両端間の穴に形成されるボイド空間に励起可能な材料を含み、
・前記本体の半透明材料と密接に接触する管と、
を備えるルツボを我々は開示している。

我々は、管と本体の間に密接な接触を与えることは大量生産に適している一方で、基礎資料では矛盾した結果をもたらしていると確信している。我々は、この矛盾した結果は公差に起因すると考慮する。ここで、位置関係的に管と穴は接近しており、穴に対抗して管を膨張させることができており、十分に密接な接触及び長寿命を達成する。しかしながら、ここで、上記の公差が、環状の大きすぎるスペースにわたって管を膨張させる必要があるようなものであるなら、接触不良をもたらす。管／本体の接触不良での操作において、管の残留端がファラデー箱を通過する場所の近くで、分解するルツボをファラデー箱が取り囲み、寿命は短い。

限定された場所においてのみ管と本体の間の接触をもたらしているにもかかわらず、管の残留端において、フリットもしくはセラミック接着剤により管を本体に取り付ける場合の、寿命における重要な改善点に我々は気付いて驚いている。

本願発明の目的は、ＬＥＲ型のＬＵＷＰＬの改善されたルツボを提供することである。

発明を解決するための手段

本発明の第１の態様に従いＬＵＷＰＬのルツボが提供され、前記ルツボは、
・穴を有する、半透明材料からなる導波路本体と、
・前記穴に設けられた、半透明材料からなる管であって、前記管が、
・両端で密閉されており、
・前記管の該密封された両端間の穴に形成されたボイド空間に励起可能な材料を含み、
・前記導波路本体の前記穴における、滑りばめ用の環状の空隙に収容され、
・前記穴のオリフィスで、接合用材料により前記導波路本体に固定される管と、
を備える。

「滑りばめ用の環状の空隙」により、もし前記接合用材料により固定されてなければ、前記管は前記穴内を自由に滑ることができるであろうことを示している。

前記接合用材料を、前記オリフィスの３６０°にわたってリング状に連続的に設けることができ、もしくは前記オリフィスの周囲で複数の別々の場所に設けることができる。

望ましくは、前記接合用材料は「熱接合用材料」であり、それにより、該接合用材料は、接合を生じさせるための温度の上昇を必要とする。該熱接合用材料は、典型的には２００℃から１６００℃まで、理想的には前記ルツボ及び前記管の軟化点より下までの温度の上昇を必要とするだろう。

前記熱接合用材料は、化学反応により温度を上昇させ得ると予想される。しかしながら、望ましくは、前記接合用材料は、温度を上昇させるために、外部熱源の利用を必要とする。

「熱接合用材料」により以下を含むことを示しているが、これらに限定されない。
・典型的にはセラミック組成物を備えるフリットで、望ましくは、オーブンで溶かし、急冷させ、粒状にされた、もしくは粉に挽かれた酸化物の混合物を備えるフリット。
・典型的には粒状にされた、もしくは粉に挽かれた、フリットに加工されない酸化物の混合物。及び、
・セラミック接着剤で、望ましくは、例えばアレムコ・セロマボンド（Aremco Ceramabond）６１８などの、リン酸シリカを充填したセラミック接着剤。

ここで、前記接合用材料はフリット、もしくはフリットに加工されない酸化物の混合物である。典型的には前記接合用材料は、低膨張率、及び前記管及び前記導波路本体の接合表面の動作温度より上の融解温度を有する。

ここで、前記熱接合用材料は、酸化物の混合物からなるフリットである。典型的には、該フリットの融解温度は、フリットに加工されない時の対応混合物の融解温度より低い。

ここで、前記熱接合用材料はセラミック接着剤である。典型的には、該接着剤を前記ルツボの製造中に４００℃周辺の温度まで加熱するが、前記接合表面が工程中の４００℃を超える温度にさらされる時に増加する接合強度を、該接着剤は有する。

本発明の第２の態様に従い、前記第１の態様のルツボの製造方法が提供され、前記方法は、
・中に穴を有する半透明の導波路本体を設けるステップと、
・半透明の管を前記穴に挿入するステップと、
・前記穴のオリフィスで、接合用材料により前記導波路本体に固定するステップと、
を含む。

前記管を前記導波路本体に固定した後で前記管を密封することもあり得る一方で、前記管を前記穴に挿入する前に前記管を密封することを我々は好む。この点で前記管は、前記導波路本体内に固定された時の、実質的なバルブである。

ここで、前記接合用材料は熱接合用材料であり、前記導波路本体に前記管を固定する前記ステップは、
・固定のためにリング状もしくは複数の弧状の前記溶融可能な材料を前記接合表面に用いるステップと、
・前記溶融可能な材料を加熱するステップと、
をさらに備え得ると予想される。

前記加熱するステップは、前記溶融可能な材料に直接加えられる炎もしくはレーザーにより行われる。あるいは、前記溶融可能な材料を加熱、融解するための炉に、前記ルツボを入れ得る。

前記加熱するステップ及び融解するステップは、真空もしくは不活性雰囲気で行なわれ得るが、望ましくは外気で行なわれる。

固定のため、典型的には、前記溶融可能な材料の加圧された棒を炎により融解し、直接前記接合表面に用いることによる固定のために、前記溶融可能な材料を前記接合表面に用いる前に加熱し得る一方で、加熱前に前記溶融可能な材料を用いることを我々は好む。

ここで、前記熱接合用材料はフリット、もしくはフリットに加工されない酸化物の混合物である。前記固定するステップは、望ましくは固定のために前記溶融可能な材料を前記接合表面に用いる前に、前記溶融可能な材料をリング状もしくは複数の弧状にプレス成型するステップを更に含み得る。

本発明の理解を助けるために、これから本発明の具体的な実施形態が、例として、以下の添付の図を参照して記載される。
本発明のＬＵＷＰＬのルツボにおける、カプセルもしくはバルブの形成用の複合管の側面図である。 希ガス及び励起可能な材料を閉じ込めるための仮密封後の複合管を示す、同様の側面図である。 バルブもしくはカプセルを形成するためにチップオフされた複合管を示す、さらに同様の図である。 ルツボにおけるバルブもしくはカプセルの垂直断面図である。 ルツボにおけるバルブの固定を示す、同様の図である。

上述の図を参照すると、本発明のルツボ１は石英ガラスからなる導波路本体２から形成され、典型的には、導波路本体２を厳密に閉じ込めるファラデー箱内で２．４５ＧＨｚのマイクロ波共振で操作するため、導波路本体２の直径は４９ｍｍで、長さは２０ｍｍである。導波路本体２は、貫通する１０．５ｍｍ径の中央の穴３を有し、穴３は光学的透明度まで研磨されるが、ボーリング工程の結果生じた全ての微細な亀裂を確実に除去するための、妥当な程度までは研磨されない。導波路本体２は、マイクロ波を導入するためのアンテナを入れるための、偏心の穴もまた有する。

通常の壁厚は３ｍｍであり、すなわち通常の外径は１０ｍｍの石英の引き抜き管４を中央の穴３の中に入れる。石英の引き抜き管４の全ての通常の公差寸法のために、石英の引き抜き管４は中央の穴３に滑りばめされる。石英の引き抜き管４は、密封された両端を有し、一方の端４１は、導波路本体２の一方の面２１と同一平面上にあるために平坦に加工されている。他方の端４２は、残留端４３を有する。他方の端４２は、導波路本体２の他方の面２３において、中央の穴３のオリフィス２２で導波路本体２に固定される。該固定はセラミック粘着剤５、典型的には、例えばアレムコ・セロマボンド６１８などの、リン酸シリカを充填したセラミック接着剤によって行われ、該セラミック粘着剤５は、空気乾燥４時間後に部品操作をするための強度と、２００℃で加熱後の使用応力を有する。望ましくは、セラミック粘着剤５は３６０°を通してフィレットとして延びる。しかしながら、フィレットの３６０°の円弧で十分であるだろうと考えられる。

固定に先立って、以下のように、石英の引き抜き管４は励起可能な材料で予め充填される：
１．１０ｍｍ径の管は、導波路本体２の厚さと同等の長さ４４である一方で、６ｍｍ径の管４６の更なる長さが８ｍｍ径の中間物４５と融合し、該１０ｍｍ径の管が該中間物４５の一部分と融合した。
２．上記の一体化した管の端４１で密封され、平坦に加工される。
３．一体化した管を空にして、希ガスを有する励起可能な材料をその中に導入した。ガス導入後、６ｍｍ径の部分での印４７で一体化した管を密封する。該導入工程は、端４１で加熱することにより励起可能な材料から不純物を除去するステップを含めることができ、不純物を空にし、一体化した管の冷たい部分に電荷が凝集している状態になる。
４．仮密封後、現在は冷たい端４１に戻る励起可能な材料を追跡するために、電荷を凝縮した部分を加熱する。８ｍｍ径の部分で一体化した管を再密封し、小型の先端４３を備えるためにガラス旋盤で加工される。

中央の穴３と石英の引き抜き管４の間の環状の空隙６というほとんど必然的な存在にもかかわらず、セラミック接着剤がもたらす固定は、ＬＵＷＰＬにおいてルツボ１を十分に操作できるようにすることが見いだされている。

本発明は、上記実施形態の詳細に限定されることを目的とはしていない。例えば、フリットもしくはフリットに加工されない酸化物の混合物は、石英の引き抜き管４の導波路本体２への固定に使用され得、それにより、該フリットもしくは酸化物の混合物を加熱もしくは融解することで、該石英の引き抜き管４と導波路本体２の間にガラス状の接触面を形成するだろう。あるいは別の接合用材料が、石英の引き抜き管４の導波路本体２への固定に使用され得る。

該接合用材料はペースト状もしくは固体であり得、導波路本体２、石英の引き抜き管４及び接合用材料の構成を炉で加熱する前に、該接合用材料は、完全なリング状もしくは複数の別々のフィレットで、導波路本体２及び石英の引き抜き管４へ、中央の穴３のオリフィス２２の周辺に用いられ得る。セラミック接着剤のため、典型的には該接合用材料を外気で４００℃まで加熱するが、該接合用材料が本工程中の温度を超える温度にさらされる時にその接合用材料の接合強度が増加する。フリットもしくは金属酸化物の混合物のため、典型的にはその接合用材料を、該フリットもしくは金属酸化物の混合物の融解温度を超えるまで加熱するが、導波路本体２もしくは石英の引き抜き管４の軟化温度、典型的には１６００℃周辺を超えるまでは加熱しない。あるいは、そのままの状態で、炎もしくはレーザーによりその接合用材料を直接加熱し得る。あるいは、導波路本体２及び石英の引き抜き管４の表面において、接合のためにそれらにその接合用材料を用いる前に、炎はんだ付けと同様の方法で、典型的には炎により該接合用材料を加熱し得る。ある接合用材料は、加熱のステップを必要とし得ない、もしくはさらに加圧のステップを必要とし得る。

石英の引き抜き管４の導波路本体２への固定は、不活性雰囲気もしくは真空で行なわれ得るが、望ましくは外気で実施される。

Claims (20)

1. ＬＵＷＰＬのルツボであって、前記ルツボが、
   ・穴を有する、半透明材料からなる導波路本体と、
   ・前記穴に設けられた、半透明材料からなる管であって、前記管は、
   ・両端で密閉されており、
   ・前記管の該密封された両端間の穴に形成されたボイド空間に励起可能な材料を含み、
   ・前記導波路本体の前記穴における、滑りばめ用の環状の空隙に収容され、
   ・前記穴のオリフィスで、接合用材料により前記導波路本体に固定される管と、
   を備えることを特徴とするルツボ。
2. 前記接合用材料は、前記オリフィスの３６０°にわたって連続的に設けられることを特徴とする請求項１に記載のルツボ。
3. 前記接合用材料は、前記オリフィスの周囲で複数の別々の場所に設けられることを特徴とする請求項１に記載のルツボ。
4. 前記接合用材料は、熱接合用材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のルツボ
5. 前記熱接合用材料はフリットであることを特徴とする請求項４に記載のルツボ。
6. 前記熱接合用材料は、フリットに加工されない酸化物の混合物であることを特徴とする請求項４に記載のルツボ。
7. 前記熱接合用材料はセラミック接着剤であることを特徴とする請求項４に記載のルツボ。
8. 前記管が、密封されたプラズマバルブであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のルツボ。
9. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のルツボの製造方法であって、
   ・中に穴を有する半透明の導波路本体を設けるステップと、
   ・半透明の管を前記穴に挿入するステップと、
   ・前記穴のオリフィスで、接合用材料により前記導波路本体に固定するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記管を前記導波路本体に固定した後で、前記管を密封することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記管を前記穴に挿入する前に、前記管を密封することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記接合用材料は、熱接合用材料であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 前記導波路本体に前記管を固定する前記ステップは、
    ・固定のためにリング状もしくは複数の弧状の前記溶融可能な材料を前記表面に用いるステップと、
    ・前記溶融可能な材料を加熱するステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記加熱するステップは、固定のために前記溶融可能な材料を前記表面に用いる前に行われることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記加熱するステップは、固定のために前記溶融可能な材料を前記表面に用いた後に行われることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記加熱するステップは、炎により前記溶融可能な材料を加熱することを備えることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 前記加熱するステップは、レーザーにより前記溶融可能な材料を加熱することを備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
18. 前記加熱するステップは、炉により前記導波路、前記管及び前記溶融可能な材料を加熱することを備えることを特徴とする請求項１３又は１５に記載の方法。
19. 前記固定するステップは、望ましくは固定のために前記溶融可能な材料を前記表面に用いる前に、前記溶融可能な材料をリング状もしくは複数の弧状にプレス成型するステップを更に含み得ることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれか１つに記載の方法。
20. 前記管が、密封されたプラズマバルブであることを特徴とする請求項１０〜１９のいずれか１つに記載の方法。
    
    

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