JP2023075878A

JP2023075878A - 紫外光測定装置

Info

Publication number: JP2023075878A
Application number: JP2021201224A
Authority: JP
Inventors: 徹勝亦; Toru Katsumata; 宏明相沢; Hiroaki Aizawa
Original assignee: Toyo University
Current assignee: Toyo University
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-31

Abstract

【課題】紫外光を簡便かつ高感度に検出できる紫外光測定装置および当該紫外光測定装置を備えた紫外光源を提供する。【解決手段】紫外光の照射によって蛍光体が発する可視光または近赤外光の蛍光強度を測定し、あらかじめ作成した検量線を使って当該紫外光の強度に換算する。【選択図】図２

Description

この発明は、紫外光源が発する紫外光の照射によって蛍光体が発する可視光あるいは近赤外光の一方または両方の蛍光を測定することにより、当該紫外光の強度を簡便かつ高感度に測定する紫外光測定装置および当該紫外光測定装置を備えた紫外光源に関する。

紫外光を発生する紫外光源装置は照明、ディスプレイ、紫外線による消毒および殺菌などに広く用いられている。紫外光は波長によって波長３２０ｎｍ～４００ｎｍの紫外線Ａ波（ＵＶＡ）、波長２８０ｎｍ～３２０ｎｍの紫外線Ｂ波（ＵＶＢ）、波長１００ｎｍ～２８０ｎｍの紫外線Ｃ波（ＵＶＣ）に分けられる。紫外線光源装置としては水銀ランプ、Ｘｅランプ、重水素ランプなどが従来から使用されていた。ブラックライトと呼ばれている波長３６５ｎｍの紫外線Ａ波（ＵＶＡ）用の光源としては、紫外線ＬＥＤも使用されていた。

これらの紫外光源が発生する紫外光は肉眼では見ることができない。紫外光のうちＵＶＢやＵＶＣの紫外光は殺菌効果が高く消毒や殺菌に有効であるが、人体にも有害なためＵＶＢやＵＶＣを使用する機器では紫外光を遮蔽するとともに紫外光の発生状況を常時モニターする必要がある。しかしＵＶＢやＵＶＣの紫外光の測定に使用する高感度な検出器は高価なため、紫外光の発生状況はこれまではあまり測定されていなかった。このため紫外光による被ばく防止のための安全対策は、防紫外線カバーを設けることや紫外光源の運転状況を電源の投入状況を表示することなどによっていた。このように従来は実際に光源から紫外光が発生しているかどうかの確認はなされていなかった。したがってＵＶＢやＵＶＣなどの人体に有害な紫外線による殺菌効果を利用した機器の利用は、医療機関、研究機関や食品製造施設など有害な紫外光に対する安全が確保できる使用環境に限定されていた。

Ｘ線やガンマ線などの測定では高感度な検出器が少なく直接測定することが困難なため［非特許文献１］［非特許文献２］［非特許文献３］に記載されているように特殊な蛍光体をシンチレーターとして使い、Ｘ線やガンマ線を測定が容易な光に変換してから高感度な測定を行う方法が行われている。しかし、紫外線の測定では装置の小型化が困難で高価格ではあるが光電子増倍管（ホトマル）による高感度な直接測定が可能なことや、小型で省電力なシリコンホトダイオード（Ｓｉ－ＰＤ）でも検出感度は劣るものの直接測定が可能なことから、Ｘ線やガンマ線の測定に使用されているシンチレーター法のような蛍光体を使った測定方法は実施されていなかった。

ＴｏｒｕＫａｔｓｕｍａｔａ，ＨａｒｕｎａＴａｋｅｕｃｈｉ，ＳｈｕｊｉＫｏｍｕｒｏ，ＨｉｒｏａｋｉＡｉｚａｗａ，"Ｘ－ｒａｙｄｅｔｅｃｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＭｎｄｏｐｅｄＭｇＡｌ▲２▼Ｏ▲４▼ ａｎｄＳｉｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ"，ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ８９（２０１８）０９５１０４．ＴｏｒｕＫａｔｓｕｍａｔａ，ＭｉｓａＯｇａｗａ，ＫｏｔｏｍｉＴａｋａｈａｇｉ，ＡｙａｍｅＩｓｏｂｅ，ＨｉｒｏａｋｉＡｉｚａｗａ，"Ｘ－ｒａｙｅｘｃｉｔｅｄｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｆｒｏｍＣｒｄｏｐｅｄＹＡＧＣｒｙｓｔａｌｓ"，ＥＣＳＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１０（２０２１）０５６００７．ＴｏｒｕＫａｔｓｕｍａｔａ，ＫｅｎｇｏＳａｉｔｏ，ＴａｋｕｙａＨｏｎｄａ，ＡｋｉｈｉｒｏＳａｋａｇｕｃｈｉ，ＳｈｕｊｉＫｏｍｕｒｏ，ＨｉｒｏａｋｉＡｉｚａｗａ，"Ｘ－ｒａｙｅｘｃｉｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｆｒｏｍＴｂＰ▲５▼Ｏ▲１４▼ ａｎｄＥｕＰ▲５▼Ｏ▲１４▼"，ＥＣＳＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｅｔｔｅｒｓ，３（７）（２０１４）Ｒ２６－Ｒ２８．

殺菌性能の高いＵＶＣの紫外光を発生可能なＬＥＤ光源が開発されたことにより小型かつ省電力で強力なＵＶＣＬＥＤ光源が消毒および殺菌を目的として様々な機器に使用されるようになってきた。日常的に使用する様々な機器にＵＶＣＬＥＤ光源を使用するためには、人体に有害なＵＶＣ光による被ばくを防止する必要がある。このためにはＵＶＣ光の発生状況を簡便かつ安価に測定可能な小型で省電力なＵＶＣ測定装置が不可欠である。

ＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣなどの紫外線は目に見えないためこれまで目視による紫外線発生状況の監視は不可能であった。特にＵＶＢやＵＶＣなどの人体に有害な紫外線光源の紫外線発生状況はこれまで測定されていなかった。ＵＶＢやＵＶＣなどの紫外光を測定するためには、ホトマルやＳｉ－ＰＤが使用可能である。ホトマルはＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣのすべての紫外線に対して高い感度を持っているが、検出器が高価で、測定には高電圧の電源が必要などの欠点があった。一方、Ｓｉ－ＰＤは、高電圧の電源が不要で小型の測定器が製作可能であるが、ＵＶＢおよびＵＶＣの紫外線では急激に測定感度が低下する欠点があった。Ｓｉ－ＰＤは波長４００から１１００ｎｍの範囲の可視光および近赤外光に対して高い感度を持つが波長４００ｎｍ以下の紫外光特にＵＶＣやＵＶＢの紫外光に対する感度は低い。一般的に使用されている低価格の可視・近赤外用のＳｉ－ＰＤでは、ＵＶＢおよびＵＶＣの高感度な測定は不可能であった。紫外線透過特性の良い石英ガラス製の窓材を使用するなどＵＶＢおよびＵＶＣ測定用に作製されたＳｉ－ＰＤもあるが、紫外線測定感度は可視光および近赤外光に比べてはるかに低く信号を電気的に増幅するなどの対応が必要であった。またＵＶＢおよびＵＶＣ測定用に作製されたＳｉ－ＰＤの価格は可視光および近赤外光用のＳｉ－ＰＤに比べて高価であった。これらのことが紫外光源装置への紫外光測定装置の導入を妨げる一因になっていると考えられる。

このため紫外線光源の稼働状況を監視するためには電源の投入状況を電源スイッチの状態で確認するか、可視光のランプやＬＥＤの発光を利用して通電状態を検出する方法が行われていた。しかしこれらの方法では、実際に紫外線の発生状況を監視しているわけではないので、紫外線発生機能が正常に稼働しているかは不明確であった。また、ホトマルやＳｉ－ＰＤを使用して紫外線の発生状況を確認する方法は装置全体が高価になる欠点があった。

Ｘ線やガンマ線の計測に使用されているシンチレーター法のように直接測定が困難な電磁波を測定が容易な光に変換して測定する方法があるが、Ｘ線による励起と紫外線による励起では蛍光体の発光メカニズムが異なるため同じ測定装置は使用できない。紫外線の測定のためには計測対象の紫外光によって計測に適した波長の蛍光を効率よく発光する蛍光体物質の選択と発生した蛍光の測定に適した検出器の組み合わせが不可欠である。

この発明では測定が困難なＵＶＢおよびＵＶＣの紫外光を測定するため、ＵＶＢおよびＵＶＣの照射によって波長４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲の可視光または波長７５０ｎｍから１１００ｎｍの範囲の近赤外光のいずれかあるいは両方の波長の蛍光を発する蛍光体と、この蛍光体が発する蛍光を検出可能なＳｉ－ＰＤを組み合わせて高感度なＵＶＢおよびＵＶＣの測定を実現した。図１に蛍光体を使ってＵＶＣ光を可視光あるいは近赤外光の一方あるいは両方に変換して測定するための原理を示した。蛍光体では、励起光１の照射によって基底状態のエネルギー準位２にある電子が光励起による遷移３に伴って励起状態のエネルギー準位４に遷移する。この励起状態の電子は発光準位への遷移５によって発光準位６からの発光を伴う遷移７によって励起光よりもエネルギーの小さい（波長の長い）発光８を生じる。紫外線の励起光１に対して発光８の波長が４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲の可視光また長７５０ｎｍから１１００ｎｍの範囲の近赤外光のいずれかあるいは両方である蛍光体を光検出器の受光面に設置することによって紫外光を可視光あるいは近赤外光の一方あるいは両方に変換して高感度で測定することができる。蛍光体の励起特性と発光特性は蛍光体の物質によって大きく異なるため従来のＸ線やガンマ線検出用のシンチレーターに使われていた蛍光体をそのまま使用することはできない。様々な蛍光体物質の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを測定することによって、ＵＶＢおよびＵＶＣの高感度な測定のためのＳｉ－ＰＤの検出感度の高い波長の蛍光をＵＶＢおよびＵＶＣによる励起で発光できる蛍光物質を選択することができた。

本発明の紫外光測定器では図２に示した蛍光を使った紫外光測定装置のように、可視光または近赤外光に高い感度を持つ光検出器の受光面にＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣなどの紫外線の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体を付加して高感度にＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣを測定することができた。本発明の紫外光測定装置で使用する蛍光体としては、ＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣなどの測定対象波長の紫外光の照射によって使用する検出器が高い感度を持つ可視光または近赤外光の蛍光を発する、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏのうちの少なくとも１つまたは複数の元素を発光イオンとして含む蛍光体や、ローダミン、フルオレセンなどの有機色素のうちの１つあるいは複数の有機化合物を含む蛍光体が使用可能である。これらの蛍光体の粉末を混合した樹脂やガラスを使用することもできる。さらに、これらの蛍光体の粉末を混合した塗料を使用することができた。

紫外線光源や紫外線を利用する機器に設けた観察窓や外壁部材の全部あるいは一部に紫外光の照射によって可視光あるいは近赤外光を発する蛍光体を使用することによって光源からの紫外光の発生状況を機器の外部から可視光あるいは近赤外光用の安価な検出器を使って測定することができた。さらに紫外線光源や紫外線を利用する機器の内部に先端に可視光あるいは近赤外光を発する蛍光体を備えた光ファイバを導入することにより紫外線の発生状況を当該機器から離れた場所で光ファイバを通じて可視光あるいは近赤外光用の安価な検出器を使って測定することができた。

紫外光源や紫外光を利用する機器に設けた観察窓や外壁部材の全部あるいは一部に紫外光の照射によって可視光を発する蛍光体を使用することによって光源からの紫外光の発生状況を機器の外部から目視で監視することができた。さらに紫外線光源や紫外線を利用する機器の内部に先端に可視光を発する蛍光体を備えた光ファイバを導入することにより紫外線の発生状況を当該機器から離れた場所で光ファイバを通じて目視で監視することができた。

本発明の紫外光測定装置を使えば、紫外線検出感度が高いホトマルや紫外線検出感度を高めた特殊なＳｉ－ＰＤなどの高価な紫外光検出器を使うことなく安価な可視光および近赤外光用の光検出器に可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体を付加するだけで蛍光を使って高感度な紫外光の測定が可能になった。さらに、可視光の蛍光を発する蛍光体を使用することによって目視による紫外光の発生状況の監視が可能になった。紫外光の照射によって可視光または近赤外光を発生する蛍光体と光ファイバを組み合わせることによって紫外線光源から離れた場所から被ばくすることなく安全に紫外光の発生状況を監視することが可能になった。

ＵＶＡ、ＵＶＢおよびＵＶＣなどの紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体をＳｉ－ＰＤの受光面に付加することにより発生した紫外光に比例した強度の可視光または近赤外光を安価なＳｉ－ＰＤを使って高感度で測定することができた。あらかじめ作成した検量線を使うことによってＳｉ－ＰＤを使って測定した蛍光体が発する可視光または近赤外光の蛍光強度を紫外光の強度に換算することができた。

紫外光の照射によって可視光を発する蛍光体を使用することによって、観察窓や光ファイバを通して紫外線の発生状況を目視で監視することができた。光ファイバを組み合わせることによって紫外線光源から離れた場所から安全に紫外線の発生状況を監視することが可能になった。

ＵＶＣ光を可視あるいは近赤外光に変換して測定するための原理蛍光を使った紫外光測定装置蛍光を使った紫外光測定装置のフィルターを備えた紫外光検出器蛍光を使った光ファイバとＳｉ－ＰＤによる紫外光測定装置のぞき窓に蛍光体を使った目視による紫外光測定装置蛍光体と可視光を透過する透明な部材を備えた紫外光測定装置蛍光を使った光ファイバと目視による紫外光測定装置紫外光源の外装部材として蛍光体を使った紫外光測定装置紫外光源の外装部材に蛍光体を使った紫外光測定装置ガーネット、ルビー、サファイヤを使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係ＵＶＣ光を照射した際に発生する蛍光体からの蛍光ピークの波長スピネルを使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係蛍光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係ガーネットを設置した光ファイバを使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係スピネル、サファイヤ、ルビーを設置した光ファイバを使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係蛍光アクリル樹脂を設置した光ファイバを使ったＳｉ－ＰＤの出力とＵＶＣ光強度の関係

本発明の測定装置を図２に示した。紫外光測定装置では紫外線防護のための外装部材９の内部に設置した紫外光源１０から発した紫外光１１は蛍光体１２に照射され、蛍光体１１によって紫外光から可視光または近赤外光の蛍光に変換されて光検出器１３に照射される。蛍光体３から発生した可視光または近赤外光の蛍光は光検出器１３によって測定できた。蛍光体１１が発する可視光または近赤外光の蛍光の強度は照射した紫外光源１０から発した紫外光１１の強度に比例するため、あらかじめ検量線を作成することで紫外光１１の強度が測定できた。本発明の測定装置では紫外光１１に対する感度が低く測定が困難なＳｉ－ＰＤが蛍光体１２を備えることにより光検出器１３として使用可能になった。

本発明の検査装置では図３のように蛍光体１２を使った紫外光測定装置の光検出器１３に紫外光透過フィルター１４または蛍光透過フィルター１５の両方あるいは一方を備えることによって外乱光の影響の少ない高精度な紫外光１１の測定が可能になった。

図４に示した蛍光を使った光ファイバ１６とＳｉ－ＰＤによる紫外光測定装置では、紫外光源１０から発した紫外光１１によって励起された蛍光体３からの可視光または近赤外光の蛍光は光ファイバ１６を通して機器の外部に導かれて光検出器１３を使って測定できた。紫外光源１０から発した紫外光１１は蛍光体３によって可視光または近赤外光の蛍光に変換されるため安価なＳｉ－ＰＤを光検出器１３として使用することができた。光ファイバ１６と光検出器１３の間に蛍光透過フィルター１５を備えることによって外乱光の影響の少ない高精度な紫外光１１の測定が可能になった。

本発明の検査装置では図５に示したように装置の内部を観察するために設けたのぞき窓の部材の全部あるいは一部に紫外光１１の照射によって可視光の蛍光１７を発する蛍光体１２を使うことによって機器内部での紫外光源１０からの紫外光１１の発生状況が目視で監視可能になった。

本発明の検査装置では図６に示したように先端に蛍光体１２を備えた可視光を透過する透明な部材１８を紫外線防護壁の部材を貫通して設置することにより、紫外光源１０からの紫外光１１によって励起された蛍光体１２が発した可視光の蛍光１７を機器の外部から可視光を透過する透明な部材１８を通して目視で監視することができた。さらに、図７に示したように可視光を透過する透明な部材１８の代わりに先端に可視光の蛍光を発する蛍光体１２を備えた光ファイバ１６を使用することにより、機器から離れた場所で紫外光源１０からの紫外光１１の発生状況が目視による観察１９で監視可能になった。

本発明の検査装置では図８に示したように機器の紫外線防護部材９の代わりに紫外光源１０からの紫外光１１の照射によって可視光の蛍光１７を発する蛍光体１２を使用することによって紫外光源を備える機器の外部から装置内部の紫外光発生状況を目視で監視することが可能になった。さらに、図９に示したように全部あるいは一部が可視光に対して透明な紫外線防護部材９の内側に紫外光源１０からの紫外光１１の照射によって可視光の蛍光１７を発する蛍光体１２を備えることによって図８に示した装置と同様に機器の外部から装置内部の紫外光発生状況を目視で監視することが可能になった。

本発明の測定装置に使用する蛍光体としては、紫外光源１が発生する紫外光２の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発生することができる蛍光体は全て使用可能である。Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏのうちの少なくとも１つまたは複数の元素を発光イオンとして含むガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）、オルソアルミネート（ＹＡｌＯ_３）、希土類超リン酸塩（ＴｂＰ_５Ｏ_１４、ＥｕＰ_５Ｏ_１４）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ルビーやサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの結晶が使用できる。蛍光体６としては、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏのうちの少なくとも１つまたは複数の元素を発光イオンとして含む蛍光体または、ローダミン、フルオレセンなどの有機蛍光色素のうちの１つあるいは複数の化合物を含む蛍光体が使用可能である。また、これらの蛍光体を混合したガラス、単結晶、多結晶（セラミックス）、プラスチックなどの複合材料が使用可能である。さらに、これらの蛍光体または蛍光体を含有する複合材料を表面に塗布した透明または半透明のガラス、単結晶、多結晶（セラミックス）、プラスチックなどが使用できた。

図２に示した紫外光測定装置を用いて紫外光源から発生する紫外光の強度を測定した。紫外光源１０として波長２７５ｎｍの紫外線ＬＥＤ（ＵＶＣＬＥＤ）を使用した。蛍光体１２としてＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体を使用した。光検出器１３として可視、近赤外用の低価格なＳｉ－ＰＤを使用した。純度９９．９９％のＹ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｔｂ_４Ｏ_７、ＴｉＯ_２、および純度９９．９％のＣｒ_２Ｏ_３を原料試薬として使用した。浮遊帯域溶融装置（ＦＺ）を使用してＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体の結晶を育成した。

検出器として波長λ＝６６０ｎｍにおける検出感度０．４５Ａ／ＷのＳ６７７５型Ｓｉ－ＰＤ（浜松ホトニクス製）を使用した。Ｓｉ－ＰＤの出力はＣ２７１９型ホトセンサーアンプ（浜松ホトニクス製）を使って１×１０^５Ｖ／Ａレンジで増幅した。アンプの出力電圧はＰＣ７０００Ｍ型デジタルマルチメーター（サンワ製）を使って測定しコンピューターでデータを解析した。紫外光源としてＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ、Ｌｅｄｉｌ製）を使用した。ＵＶＣＬＥＤの紫外光出力を調整するために直流定電流電源（高砂製）を使用した。

ＵＶＣＬＥＤの印加電流を０ｍＡから４０ｍＡまで段階的に変えながらＳｉ－ＰＤの出力を測定した。ＵＶＣＬＥＤの紫外光強度は印加電流に比例していた。Ｓｉ－ＰＤの受光面に付加する蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体を使用した場合の測定結果とＳｉ－ＰＤのみの測定結果は図１０のようになった。ＵＶＣ光の照射によって各蛍光体から図１１の表に示したピーク波長の蛍光が観察できた。ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２０、２１、２２、２３、２４、２５、２７およびＳｉ－ＰＤの出力特性２６は紫外光の強度に比例して増加した。あらかじめ検量線を作成することによって、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤを使って紫外光の強度を定量できることが分かった。測定感度を表す直線の傾きはＹＡＧ：Ｔｂｉ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２０の場合に蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外線測定感度が最大で約１２倍になった。ＹＡＧ：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２１の場合に蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外線測定感度が最大で約１０倍になった。ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２２、２３、２４、２５の場合には蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外線測定感度が最大で約２倍から５．４倍であった。可視光および近赤外光が測定可能な安価なＳｉ－ＰＤに蛍光体を付加することによって紫外光が高感度に測定可能であった。Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２７の直線の傾きが最も小さく蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外光測定の感度が約１／２．５に低下することがわかった。これは紫外光の照射によって発生したＡｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ蛍光体からの青色の蛍光をＡｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ蛍光体自身が吸収してしまうためである。

純度９９．９９％のＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、および純度９９．９％のＣｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯを原料試薬として使用した。浮遊帯域溶融装置（ＦＺ）を使用してＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体の結晶を育成した。図２に示した紫外光測定装置を用いて紫外光源から発生する紫外光の強度を測定した。紫外光源１０として波長２７５ｎｍの紫外線ＬＥＤ（ＵＶＣＬＥＤ）を使用した。蛍光体１２としてＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用した。光検出器１３として可視・近赤外用の低価格なＳｉ－ＰＤを使用した。ＵＶＣ光の照射によって各蛍光体から図１１の表に示したピーク波長の蛍光が観察できた。検出器として検出感度０．４５Ａ／Ｗａｔλ＝６６０ｎｍのＳｉ－ＰＤＳ６７７５（５．５ｍｍ×４．８ｍｍＳｉｄｅｖｉｃｅ）（浜松ホトニクス製）を使用した。Ｓｉ－ＰＤの出力はＣ２７１９ホトセンサーアンプ（浜松ホトニクス製）を使って１×１０^５Ｖ／Ａレンジで増幅した。アンプの出力電圧はＰＣ７０００Ｍデジタルマルチメーター（サンワ製）を使って測定しコンピューターでデータを解析した。紫外光源としてＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ，Ｌｅｄｉｌ製）を使用した。

ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２８、２９、３０をＳｉ－ＰＤの出力特性２６と比較して図１２に示した。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性２８、２９、３０からＳｉ－ＰＤの出力はＵＶＣＬＥＤの発光強度に比例することが分かった。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤを光検出器１３として使用することによって紫外光１１の強度が安価な可視光および近赤外光用のＳｉ－ＰＤを使って高感度で測定できることが分かった。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用することによってＳｉ－ＰＤの出力特性の傾きが増加し紫外光強度の測定感度が向上することが分かった。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ蛍光体を使用した場合の測定感度は蛍光体を使用しない場合に比べて約１．７倍から１．８倍になった。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性３０は蛍光体を使用しないＳｉ－ＰＤの出力特性２６と同等であった。

図２の検査装置を用いて紫外光源１０からの紫外線発生状況を監視した。厚さ２ｍｍ、６ｍｍｘ６ｍｍの板状に加工した赤色発光アクリル樹脂および緑色発光アクリル樹脂（ハザイヤ）を蛍光体１２として光検出器１３の受光面に設置した。ＵＶＣ光の照射によって各蛍光体から図１１の表に示したピーク波長の蛍光が観察できた。検出器１３として検出感度０．４５Ａ／Ｗａｔλ＝６６０ｎｍのＳ６７７５型Ｓｉ－ＰＤ（５．５ｍｍ×４．８ｍｍＳｉｄｅｖｉｃｅ）（浜松ホトニクス製）を使用した。Ｓｉ－ＰＤの出力はＣ２７１９ホトセンサーアンプ（浜松ホトニクス製）を使って１×１０^５Ｖ／Ａレンジで増幅した。アンプの出力電圧はＰＣ７０００Ｍデジタルマルチメーター（サンワ製）を使って測定しコンピューターでデータを解析した。紫外光源１０としてＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ，Ｌｅｄｉｌ製）を使用した。

赤色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３１および緑色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３２をＳｉ－ＰＤの出力特性２６と比較して図１３に示した。赤色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３１および緑色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３２はＵＶＣＬＥＤの発光強度に比例することが分かった。赤色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３１は図１０に示したＹＡＧ：Ｃｒを使ったＳｉ－ＰＤの出力特性２１と同程度の大きな傾きを示した。赤色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３１は蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外線測定感度が最大で約１０倍になった。緑色発光アクリル樹脂を使ったＳｉ－ＰＤの出力特性３２は蛍光体を使用しない場合の感度に比べて紫外線測定感度が最大で約２．７倍であった。Ｓｉ－ＰＤに赤色発光アクリル樹脂および緑色発光アクリル樹脂を付加することにより高感度の紫外光強度の測定が可能になった。

プラスチック（ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）製の直径０．４８ｍｍの光ファイバを束ねた外径６ｍｍの光ファイババンドルの先端にＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ、緑色発光アクリル樹脂、および赤色発光アクリル樹脂を設置した。ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｔｂ、ＹＡＧ：Ｃｒ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体はＦＺ法を使って結晶育成した。赤色発光アクリル樹脂および緑色発光アクリル樹脂は厚さ２ｍｍ、６ｍｍｘ６ｍｍの板状に加工した。図４の検査装置を用いて紫外光源からの紫外線発生状況を監視した。紫外光源１０としてＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ，Ｌｅｄｉｌ製）を使用した。蛍光体１２を付加した光ファイバ１６を紫外光源１０に設置し装置の外部から長さ約０．５ｍの光ファイバ１６を通して紫外線発生状況をフィルター１２は使用せずに可視光および近赤外光用のＳ６７７５型Ｓｉ－ＰＤを光検出器１３として使って高感度で定量的に測定することができた。光ファイバの先端に設置した蛍光体にＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ，Ｌｅｄｉｌ製）の紫外光源から紫外光を照射した。ＬＥＤの電流を０ｍＡ～４０ｍＡに変化させたときに長さ約０．５ｍの光ファイバを通してＳ６７７５型Ｓｉ－ＰＤを使って測定した出力を図１４、図１５、図１６に示した。図１４に示したＹＡＧ：Ｃｅ２３、ＹＡＧ：Ｐｒ２２、ＹＡＧ：Ｅｕ２５、ＹＡＧ：Ｔｂ２０、ＹＡＧ：Ｃｒ２１、図１５に示したＡｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ２７、Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ２４、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ２８、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ２９、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ３０、図１６に示した緑色発光アクリル樹脂３２、および赤色発光アクリル樹脂３１のように蛍光体１２を先端に設置した光ファイバ１６とＳｉ－ＰＤを光検出器１３として使用して測定することにより、ＵＶＣＬＥＤの紫外光出力とＳｉ－ＰＤの出力の間に良好な直線関係が得られた。この直線関係を検量線として使用することで紫外光の測定が可能になった。

光ファイバの先端にＹＡＧ：Ｔｂ蛍光体、赤色発光アクリル樹脂および緑色発光アクリル樹脂を設置したプラスチック（ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）製の直径０．４８ｍｍの光ファイバを束ねた外径６ｍｍの光ファイババンドルを紫外光源付近に設置した。図７の検査装置を用いて紫外光源１０からの紫外線発生状況を監視した。紫外光源１０としてＨｇランプ（アズワン製ＳＵＶ－４波長λ＝２５４ｎｍ、出力６１０μＷｃｍ^－２）およびＵＶＣＬＥＤ（波長λ＝２７５ｎｍ，Ｌｅｄｉｌ製）を使用した。装置の外部から長さ約１ｍの光ファイバ１６を通して紫外線発生状況を目視で監視した。ＵＶＣ光の照射によって可視光の蛍光を発するＹＡＧ：Ｔｂ蛍光体、赤色発光アクリル樹脂および緑色発光アクリル樹脂に加えて、図１１の表に示した可視光の蛍光を発する蛍光体１２を光ファイバの先端に設置することにより、光ファイバ１６を使って紫外光源からのＵＶＣの紫外光１１を可視光の蛍光強度の変化として装置の外部から目視による観察１９で遠隔監視することができた。

本発明の紫外線測定装置は、紫外線照射により可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体をＳｉ－ＰＤの受光面に設置し蛍光体を使って紫外光を可視光または近赤外光に変換して高感度に測定可能な装置である。本発明の紫外線測定装置は紫外線を使った殺菌機能を付加した日用製品、厨房機器、医療機器、工業機器など日常的な消毒、殺菌が必要な機器において紫外光の発生状況を監視することによる紫外線被ばくの防止などの安全性向上のために利用可能である。さらに、紫外光を励起光源として使用する蛍光分析装置などの理化学機器における紫外光強度の高感度測定に利用できる。蛍光体を光ファイバの先端に備えた光ファイバ型の紫外線測定装置は、紫外光利用機器の外部の離れた場所からの紫外線発生状況の監視に利用できる。

１励起光
２基底状態のエネルギー準位
３光励起による遷移
４励起状態のエネルギー準位
５発光準位への遷移
６発光準位
７発光を伴う遷移
８発光
９紫外線防護のための外装部材
１０紫外光源
１１紫外光
１２蛍光体
１３光検出器
１４紫外光透過フィルター
１５蛍光透過フィルター
１６光ファイバ
１７蛍光
１８可視光を透過する透明な部材
１９目視による観察
２０ＹＡＧ：Ｔｂ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２１ＹＡＧ：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２２ＹＡＧ：Ｐｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２３ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２４Ａｌ_２Ｏ_３：Ｃｒ（ルビー）蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２５ＹＡＧ：Ｅｕ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２６Ｓｉ－ＰＤの出力特性
２７Ａｌ_２Ｏ_３：Ｔｉ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２８ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｔｉ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
２９ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｃｒ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
３０ＭｇＡｌ_２Ｏ_４：Ｍｎ蛍光体を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
３１赤色発光アクリル樹脂を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性
３２緑色発光アクリル樹脂を使用したＳｉ－ＰＤの出力特性

Claims

紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体を当該蛍光を検出可能な光検出器の受光部と紫外光源との間の任意の位置、好ましくは光検出器の受光部に接するように設置し、当該紫外光の照射によって発生した可視光または近赤外光の蛍光の強度を当該光検出器を使って測定することによって当該紫外光を検出することを特徴とする紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、当該紫外光が蛍光体に照射されることによって発生した可視光または近赤外光の蛍光の強度をあらかじめ作成した検量線を使って当該紫外光の強度に換算して測定することを特徴とする請求項１に記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、当該蛍光体としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏのうちの少なくとも１つまたは複数の元素を含む蛍光体を使用することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、当該蛍光体としてＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏのうちの少なくとも１つまたは複数の元素を含むガーネット、オルソアルミネート、スピネル、サファイヤ、ルビーあるいは超リン酸塩のいずれか１つの結晶あるいは複数の結晶の混合物であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、当該蛍光体として１つまたは複数の有機化合物を蛍光色素として含む蛍光体または蛍光色素を混合したアクリル樹脂のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、当該蛍光体として紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体の粉末を混合した樹脂あるいはガラスを使用することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を測定する光検出器の間に当該蛍光を伝達するための光ファイバを備えることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体と当該蛍光を検出するための光検出器を備えた紫外光測定装置において、紫外光測定装置に設置した観察窓あるいは光ファイバのどちらか一方または両方を透過した当該蛍光を光検出器あるいは目視のどちらか一方あるいは両方によって検出することを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体を光検出器の受光部と当該紫外光源との間の任意の位置、好ましくは光検出器の受光部に接するように備えた紫外光測定装置において、波長１００ｎｍ以上かつ３２０ｎｍ以下の範囲の紫外線Ｃ波（ＵＶＣ）または紫外線Ｂ波（ＵＶＢ）のどちらか一方または両方を含む紫外光を測定することを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光の照射によって可視光または近赤外光の蛍光を発する蛍光体を光検出器の受光部と当該紫外光源との間の任意の位置、好ましくは光検出器の受光部に接するように備えた紫外光測定装置において、紫外光の照射によって蛍光体が発する可視光または近赤外光の蛍光が波長４００ｎｍ以上かつ１１００ｎｍ以下の波長の光を含むことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の紫外光測定装置。
紫外光を照射することにより蛍光体から発生させた可視光または近赤外光の蛍光を使って当該光源が発生する紫外光を測定することを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の紫外光測定装置を備えた紫外光源であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、水銀ランプ、重水素ランプまたはキセノンランプのうちの少なくとも１つを使用して紫外光を発生することを特徴とする紫外光源。