JP3171005B2

JP3171005B2 - 誘電体バリヤ放電ランプ

Info

Publication number: JP3171005B2
Application number: JP10161194A
Authority: JP
Inventors: 良徳相浦; 博光松野; 龍志五十嵐; 立躬平本; 安夫大西; 宣是菱沼; 邦雄笠木
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 2001-05-28
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH07288113A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光化学反応用
の紫外線光源として使用される、誘電体バリヤ放電によ
ってエキシマ分子を形成し、該エキシマ分子から放射さ
れる光を利用するいわゆる誘電体バリヤ放電ランプの改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連した技術としては、例え
ば、日本国公開特許公報平２ー７３５３号があり、そこ
には、放電容器にエキシマ分子を形成する放電用ガスを
充填し、誘電体バリヤ放電（別名オゾナイザ放電あるい
は無声放電。電気学会発行改定新版「放電ハンドブッ
ク」平成１年６月再販７刷発行第２６３ページ参照）に
よってエキシマ分子を形成せしめ、該エキシマ分子から
放射される光を取り出す放射器、すなわち誘電体バリヤ
放電ランプについて記載されている。また、放電用ガス
としてキセノンと塩素の混合ガスを使用し、キセノンク
ロライドエキシマ分子から放射される光を利用すること
も記載されている。上記のような誘電体バリヤ放電ラン
プは、従来の低圧水銀ランプや高圧アーク放電ランプに
は無い種々の特長を有しているため有用である。しか
し、上記のような誘電体バリヤ放電ランプは、発光効率
が必ずしも十分ではなく、従来の誘電体バリヤ放電キセ
ノンクロライドエキシマランプの発光効率は５〜１０％
といわれ、また放電も必ずしも十分に安定ではなく、さ
らに寿命が短いという問題があった。

【０００３】

【本発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、発
光効率が高く、放電も安定である長寿命の誘電体バリヤ
放電ランプ、特に誘電体バリヤ放電キセノンクロライド
エキシマランプを提供することである。

【０００４】

【問題を解決するための手段】上記本発明の課題は、誘
電体バリヤ放電を行うための電極と、キセノンガスと塩
素ガスを充填した放電容器と、該誘電体バリヤ放電によ
って発生したキセノンクロライドエキシマ分子から放射
される光を取り出す窓部材を有する誘電体バリヤ放電ラ
ンプにおいて、ボルトで表した放電維持電圧をＶ、ｃｍ
で表した放電ギャップ長をｄ、キロパスカルで表した封
入ガスの圧力をｐとした時、（Ｖ／ｄ）／ｐの値を４０
から１００の範囲内に規定することによって解決され
る。さらに、該放電容器のＯＨ基量を規定することによ
って、本発明の課題はより効果的に解決できる。

【０００５】

【作用】我々は、誘電体バリヤ放電を行うための電極
と、キセノンガスと塩素ガスを充填した放電容器と、該
誘電体バリヤ放電によって発生したキセノンクロライド
エキシマ分子から放射される光を取り出す窓部材を有す
る誘電体バリヤ放電ランプにおいて、放電ギャップ長ｄ
（ｃｍ）と封入ガスの圧力ｐ（キロパスカル）を種々に
変えて、発光効率と放電の安定性を調べた。なお、本発
明における放電ギャップ長ｄは、放電空間構造が電極ー
誘電体ー放電空間ー誘電体ー電極の場合は、放電空間を
挟む誘電体内表面間の距離であり、放電空間構造が電極
ー誘電体ー放電空間ー電極の場合は、放電空間を挟む誘
電体内表面と対向する電極内表面間の距離である。ま
た、封入ガスの圧力ｐは２５℃における値である。

【０００６】発光効率を支配する最も大きな因子は放電
プラズマ中の電子のエネルギーであると考えられる。こ
こでＶ／ｄをＥと置き替え、Ｅ／ｐを換算電界と呼ぶが
電子のエネルギーは換算電界Ｅ／ｐに強く依存する。し
たがって、結局発光効率はＥ／ｐに依存する。換算電界
Ｅ／ｐと発光効率の関係を、図２に示す。換算電界Ｅ／
ｐを求めるための放電維持電圧Ｖは、電気学会オゾナイ
ザ専門委員会編、コロナ社発行「オゾナイザーハンドブ
ック」１９６０年発行第１１２ページに記載されてい
る、印加電圧とランプを流れる電流の積分値、即ち電荷
量（記号Ｑ）のリサジュ図の測定から求めた。図３に、
横軸に印加電圧をとり、縦軸に電荷量をとったリサジュ
図の一例を示す。直線ＡＢと直線ＣＤが平行、直線ＢＣ
と直線ＡＤが平行な二等辺四辺形が得られ、直線ＡＢと
直線ＣＤ間の電圧差の二分の一が放電維持電圧Ｖに相当
する。直線ＡＢおよび直線ＣＤが直線からややずれて曲
線状になることも有ったが、この場合はこれらの曲線を
直線で近似した。

【０００７】発光効率は、換算電界Ｅ／ｐが４０より小
さい範囲では１０％よりも低下し、誘電体バリヤ放電ラ
ンプの高効率化の目的は得られなくなった。また、換算
電界Ｅ／ｐが１００を超えると、発光効率はかなり低下
し、放電が不安定になり、光出力が不安定になった。即
ち、放電ギャップ長ｄと封入ガスの圧力ｐを調整するこ
とにより、換算電界Ｅ／ｐを４０から１００の範囲内に
すると、発光効率が１０％を越え、放電も安定である誘
電体バリヤ放電ランプが得られる。なお、Ｅ／ｐが８０
を超えると、放電・光出力がやや不安定になった。すな
わち、４０から８０の範囲内では放電・光出力の安定度
がより高く、効率も良い。

【０００８】我々は、誘電体バリヤ放電ランプにおいて
は、不純ガス、特に水素、酸素、一酸化炭素、水等の分
子ガスが存在すると、紫外線出力低下の割合が従来のア
ーク放電ランプやグロー放電ランプに比較し著しく大き
いことを発見した。この機構は、必ずしも明確では無い
が、以下のようであると考えられる。誘電体バリヤ放電
ランプの特長の一つとして、従来のアーク放電ランプで
は得られない波長の紫外線を高効率で発生出来ることが
ある。前記特徴ある紫外線の発生は、以下の機構によっ
ている。すなわち、まず、誘電体バリヤ放電によって従
来のアーク放電ランプには無い高エネルギープラズマが
発生する。このプラズマが種々の衝突過程を経てエキシ
マ分子を生成し、このエキシマ分子が特徴ある紫外線を
放射する。従って、放電空間に存在する不純ガス、特に
水素、酸素、一酸化炭素、水等の分子ガスは、該エキシ
マ分子を直接破壊するばかりでなく、該種々の衝突過程
にも作用して該エキシマ分子を少なくし、従って紫外線
出力を低下させる。すなわち、誘電体バリヤ放電ランプ
においては、従来のアーク放電ランプに比較し、不純ガ
スによる影響を受け易い。特に、放電用ガスに塩素が含
まれている場合、酸素、水等が放出されると石英ガラス
への塩素の浸食も起こり、紫外線出力の低下は大きくな
る。すなわち、塩素が含まれている誘電体バリヤ放電ラ
ンプにおいては、従来のアーク放電ランプに比較し、不
純ガスによる紫外線出力の低下の割合は著しく大きい。

【０００９】我々は不純ガスの起源を調査し誘電体ある
いは取り出し窓部材に使用される石英ガラスが主な放出
源であることを発見した。特に石英中のＯＨ基濃度が多
いと水の放出が多い。紫外線によって≡Ｓｉ−ＯＨ結合
（≡は酸素との結合を表す）が切断され、Ｈ２Ｏとして
放出されると考える。我々は種々の石英ガラスを調査
し、ＯＨ基濃度が重量で１０ｐｐｍ以下を越えるとの石
英を使用することによって、エキシマ分子の密度低下を
防止し、よって、光出力の低下を防ぐことが出来ること
を発見した。例えばＯＨ基含有量の異なる石英ガラスで
ランプを製作し、点灯後１００時間後の光出力の値を１
００として、それ以後から、１０００時間後までのエキ
シマ光の減衰率を測定した結果を説明する。用いたラン
プは図１に示した誘電体バリヤ放電ランプである。その
結果、石英中のＯＨ基濃度が１０ｐｐｍを越えると光減
衰率が４０％〜６０％と大きいのに対し、１０ｐｐｍ以
下では３０％以下で小さく、極めて有効であることがわ
かった。すなわち、Ｅ／Ｐの値が４０から１００の範囲
において、かつ、ＯＨ基の濃度が１０ｐｐｍ以下の石英
ガラスを使用すると、高効率でかつ長寿命の誘電体バリ
ヤ放電ランプが実現できる。

【００１０】我々は、誘電体バリヤ放電を行うために、
放電容器に充填する塩素ガスの濃度を種々に変えて、寿
命と放電の安定性を調べた。キセノンに対して、塩素濃
度が０．１容量％未満では、塩素の消耗が著しく、短寿
命となった。また、塩素濃度が２容量％を越えると放電
が非常に不安定となった。即ち、充填する塩素濃度を
０．１％から２％の範囲内にすると、長寿命かつ放電も
非常に安定である誘電体バリヤ放電ランプが得られる。
また、０．２％から１％の塩素濃度にした場合、上記効
果が著しく、高安定型の誘電体バリヤ放電ランプが得ら
れる。

【００１１】また、我々は充填圧力を種々に変えて、放
電の安定性について調べた。結果、封入圧力が１３３キ
ロパスカルを越えると非常に点灯しにくく、放電も不安
定になることがわかった。また、１３．３キロパスカル
未満の場合も放電が不安定になることを発見した。よっ
て、封入圧力を１３．３キロパスカルから１３３キロパ
スカルの範囲内にすると、放電が安定である誘電体バリ
ヤ放電ランプが得られる。中でも、封入圧力を２０キロ
パスカルから７０キロパスカルの範囲内にすると、放電
が非常に安定であり、点灯性の良い誘電体バリヤ放電ラ
ンプが得られる。

【００１２】

【実施例】本発明の第１の実施例である同軸円筒形誘電
体バリヤ放電ランプの概略図を図１に示す。放電容器１
は全長約１５０ｍｍの石英ガラス製で、外径１０．５ｍ
ｍ、肉厚１ｍｍの内側管２、内径約２３．５ｍｍ、肉厚
１．５ｍｍの外側管３を同軸に配置して中空円筒状にし
たものである。内側管２、外側管３は誘電体バリヤ放電
の誘電体を兼用しており、ＯＨ基濃度５ｐｐｍ以下の石
英ガラスからなっている。また、それぞれその外面に光
を透過する金属網からなる電極４，５が設けられてい
る。従って、放電空間６における放電ギャップ長ｄは
６．５ｍｍである。放電空間６に放電用ガスとして３３
キロパスカルの封入ガスを充填して、高周波電源７を使
用して該誘電体バリヤ放電ランプの表面積１平方センチ
メートルあたりの入力電力０．２ワットで点灯したとこ
ろ、放電維持電圧Ｖは１５００Ｖになり、即ち、換算電
界Ｅ／ｐは７０（Ｖ／(ｃｍ・ｋＰａ)）になり、キセノ
ンクロライドのエキシマ分子から放射された波長３０８
ｎｍに最大値を有する波長２９０ｎｍから波長３２０ｎ
ｍの範囲の真空紫外線が、１２％以上という高効率で放
射された。長時間点灯しても不純ガスは石英ガラスから
はほとんど発生せず、寿命特性の優れた誘電体バリヤ放
電ランプを得ることが出来た。寿命を初期光量の７０％
維持する時間とすると、このランプは使用時間１，００
０時間においても約８．５％という高効率を保つ。

【００１３】本発明の第２の実施例である同軸円筒形誘
電体バリヤ放電ランプは、実施例１における電極４を蒸
着によって形成したアルミニウム膜に変えた構造であ
る。アルミニウム膜はキセノンのエキシマ分子から放射
された波長３０８ｎｍに最大値を有する波長２９０ｎｍ
から波長３２０ｎｍの範囲の紫外線を効率よく反射し、
第１の実施例のランプと同様に、１，０００時間使用し
ても発光効率が９％以上のものが得られる。

【００１４】本発明の第３の実施例である同軸円筒形誘
電体バリヤ放電ランプの概略図を図４に示す。放電容器
１１は全長約１５０ｍｍの石英ガラス製で、外径１０．
５ｍｍ、肉厚１ｍｍの内側管１２、内径約２３．５ｍ
ｍ、肉厚１．５ｍｍの外側管１３を同軸に配置して中空
円筒状の放電空間１７を形成した構成である。内側管１
２、外側管１３は誘電体バリヤ放電の誘電体を兼用して
おり、ＯＨ基濃度５ｐｐｍ以下の石英ガラスからなって
いる。外側管１３の一端にＯＨ基濃度７００ｐｐｍ以下
の石英ガラスの円盤からなる光取り出し窓部材２０を、
溶着により設けた。このとき、光取り出し窓部材２０は
直接放電にさらされないのでＯＨ基濃度が管材に比べ高
くてもよい。内側管１２、外側管１３を密閉する他端部
には光反射板１６を設けた。内側管１２の光取り出し窓
部材２０に直近した一端部を気密に閉鎖し、閉鎖部１８
を形成した。また、該閉鎖部と該光取り出し窓部材の最
短距離Ｘを該中空円筒状の放電空間の放電ギャップｄと
同一の６．５ｍｍにした。外側管１３の外面にアルミニ
ウムを蒸着することによって、光反射板を兼ねた電極１
５を設けた。外電極１５は光取り出し窓部材２０に接す
るまで延長して設けられている。内側管１２及び閉鎖部
１８の放電空間と反対側の外面にアルミニウムを蒸着す
ることによって、光反射板を兼ねた電極１４及び該電極
１４に電機的に接続された状態の先端電極１９を設け
た。図示していないが、該アルミニウム電極を機械的
に、化学的に保護するために、該アルミニウム電極を窒
化ほう素の保護膜で被覆した。放電容器の放電空間１７
に放電用ガスとしてキセノンガスと塩素ガスを封入し
た。

【００１５】高周波高電圧の電源２１を使用して該誘電
体バリヤ放電ランプを点灯したところ、まず第一に、Ｅ
／ｐが最適なので高効率であり、第二に、該電極１５が
光取り出し窓部材２０に接するまで延長して設けられて
いるにもかかわらず、光取り出し窓部材２０の内面及び
外面において沿面放電が発生せず、従って、光出力が安
定であり、第三に、光取り出し窓部材２０が円盤状なの
で、内側管１２の内面１２１の近傍に発生したプラズマ
からの放射光を効率良く取り出すことが出来た。上記の
結果、波長３０８ｎｍに最大値を有する波長２９０ｎｍ
から波長３２０ｎｍの範囲の紫外線がの高効率で放射さ
れ、また、放射輝度が高く、光出力が安定で、しかも安
全性の高い誘電体バリヤ放電ランプを得られる。

【００１６】本発明の第４の実施例は第１の実施例のラ
ンプにおいて、内側管２の放電空間側の内面２１１にＭ
ｇＦ₂とＬａＦ₃を交互に２５層積層して、波長３０８
ｎｍとその付近の光を反射する多層誘電体反射膜を形成
したものである。波長３０８ｎｍは多層誘電体反射膜で
反射され、外側管３から外側に放射される。この実施例
では、温度が高くなる内側の表面がＭｇＦ₂−ＬａＦ₃
多層膜で覆われ、石英ガラスがＵＶの照射を受けないの
で、内側管からのＯＨの放出が少なく、その結果長寿命
のランプが得られる。

【００１７】上記したすべての例は、蛍光体を有うさ無
い、いわゆる誘電体バリヤ放電紫外線放射ランプであっ
たが、放電容器に蛍光体を設けたいわゆる誘電体バリヤ
放電蛍光ランプにも適用できることは自明である。

【００１８】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、発光
効率が高く、光出力が安定である長寿命の誘電体バリヤ
放電ランプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘電体バリヤ放電ランプの実施例の説
明図である。

【図２】発光効率の説明図である。

【図３】リサジュ図の説明図である。

【図４】本発明の誘電体バリヤ放電ランプの他の実施例
の説明図である。

【符号の説明】

１放電容器２内側管３外側管４，５透明電極６放電空間７電源１１放電容器１２内側管１３外側管１４，１５電極１６光反射板１７放電空間１８閉鎖部１９先端電極２０光取り出し窓部材２１電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西安夫兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者菱沼宣是兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内 (72)発明者笠木邦雄兵庫県姫路市別所町佐土1194番地ウシオ電機株式会社内審査官江成克己 (56)参考文献特開平２−7353（ＪＰ，Ａ) 特開平３−201358（ＪＰ，Ａ) 特開平５−144413（ＪＰ，Ａ) 特開平５−190152（ＪＰ，Ａ) 特開平３−247522（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 65/04 G21K 5/00 H05B 41/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体バリヤ放電を行うための電極と、
キセノンガスと塩素ガスを充填した放電容器と、該誘電
体バリヤ放電によって発生したキセノンクロライドエキ
シマ分子から放射される光を取り出す窓部材を有する誘
電体バリヤ放電ランプにおいて、ボルトで表した放電維
持電圧をＶ、ｃｍで表した放電ギャップ長をｄ、キロパ
スカルで表した封入ガスの圧力をｐとした時、（Ｖ／
ｄ）／ｐの値を４０から１００の範囲に規定したことを
特徴とする誘電体バリヤ放電ランプ。
【請求項２】放電容器にＯＨ基濃度が１０重量ｐｐｍ
以下の石英ガラスを使用したことを特徴とした請求項１
に記載の誘電体バリヤ放電ランプ。
【請求項３】キセノンに対して、塩素濃度が０．１容
量％以上２容量％以下であることを特徴とした請求項１
及び２に記載の誘電体バリヤ放電ランプ。
【請求項４】封入ガス圧力が１３．３キロパスカル以
上１３３キロパスカル以下であることを特徴とした請求
項１から３に記載の誘電体バリヤ放電ランプ。
【請求項５】該放電容器の内面に紫外線を反射する金
属沸化物の膜を形成してなることを特徴とする請求項１
から４に記載の誘電体バリヤ放電ランプ。