JP3591470B2

JP3591470B2 - 放電ランプ

Info

Publication number: JP3591470B2
Application number: JP2001078224A
Authority: JP
Inventors: 幸夫安田; 幸裕森本; 良徳相浦
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP2002279932A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映写機等の投影分野に使用される放電ランプや、光化学産業分野や半導体製造分野等に使用される紫外線を良好に放出するための放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から放電ランプは、図１に示すように、放電空間を形成する発光管１の内部に一対の電極２が対向配置され、発光管１内に希ガスのみ、或いは希ガスと水銀が封入されたものである。希ガスとしては、具体的には、キセノン、クリプトン、アルゴンが使用されている。
特に、ショートアーク型の放電ランプにおいては、このようなキセノン、クリプトン、アルゴンの何れかの希ガスか、または数種類組み合わせた希ガスをバッファガスとして発光管１内に封入することにより、ランプの発光効率、アーク安定性、アーク集中化を向上させるものである。
【０００３】
そして、一対の電極２に電圧をかけることにより、発光管１内に存在する希ガスや水銀が励起状態から基底状態へ、或いは励起状態から準安定状態に戻るときに光を放出し、あるいは、自由電子とイオンとの再結合によって光を放出し、あるいは、希ガスの原子が励起されて瞬間的にエキシマ状態になり、このエキシマ状態から基底状態に戻るときにエキシマ光を発生し、これら全ての光が総和されて真空紫外域から赤外域まで幅広い光が放射される。
発光管１は、これら真空紫外域から赤外域まで幅広い光を透過するためにシリカガラスより成るものである。
【０００４】
特に、紫外線を放射する放電ランプにおいては、水銀による紫外線の発光以外に、エネルギーの高い真空紫外光をできるだけ強く放射することが望まれている。
【０００５】
このような観点から上述した光の中で、希ガスの原子によるエキシマ光は、２００ｎｍ以下の真空紫外光であり、具体的には、キセノンエキシマの発光波長は代表例で１７２ｎｍ、クリプトンエキシマの発光波長は代表例で１４６ｎｍ、アルゴンエキシマの発光波長は大表例で１２６ｎｍであり、このような真空紫外光をも良好に放射することが望まれている。
【０００６】
しかし、発光管１であるシリカガラスは、通常、１８０ｎｍ未満の光を吸収する性質を有している結果、真空紫外光の一部が吸収されてしまうので、この真空紫外光の吸収をできるだけ少なくし、効率良く真空紫外光を透過させるために、発光管１を透過する真空紫外光の光路を短くするために、発光管１を薄くしている。
【０００７】
しかしながら、発光管１を薄くすると、発光管１の強度が弱まり、図１に示す排気管３が、ランプ点灯中に根元から破壊されたり、あるいは、発光管１から放出される光出力を高めるために、電気入力を高くすると短時間で排気管３が割れるという問題があった。
【０００８】
この排気管３の破壊や割れは、ランプ点灯時の発光管１内のガス温度上昇による高ガス圧力負荷も一因であるが、紫外線の照射により誘起されるガラスの歪みも大きな一因である。
この紫外線誘起歪みが、構造的に異形である排気管３に応力集中を起し、さらに、長時間の点灯時には、応力集中と高ガス圧力負荷の相乗作用が重なり、排気管３の取り付け部周辺を起点として発光管１が破壊するという問題があった。
特に、紫外線を放射する放電ランプにおいては、上述した水銀による紫外線や希ガスのエキシマ光である真空紫外光によって、大きな紫外線誘起歪が発生し、発光管１が破壊されやすくなるという問題があった。
【０００９】
また、上述したようにバッファガスとして希ガスを使用するとランプの発光効率、アーク安定性、アーク集中化を向上させることができるが、一方で、発光管１が白濁しやすく、放射強度が低下し、真空紫外域から赤外域の光が効率良く放射されないという不具合が起こる事がある。
【００１０】
この発光管１の白濁現象はシリカ粒の堆積が原因である事が判った。特に、アルゴンエキシマ光、クリプトンエキシマ光は、シリカガラスの吸収端よりも高いエネルギーの光を放射する。この光の放射によって、シリカガラスのＳｉ−Ｏの結合が切れ、シリカガラスが昇華し発光管１の内表面にシリカ粒が沈着するものと推定されている。
【００１１】
このような発光管の紫外線誘起歪や白濁現象を回避するために、特開平１１−３３９７１６号公報では、発光管であるシリカガラスの厚み方向におけるＯＨ基濃度分布に着目し、発光管の内表面に極近い領域に高濃度のＯＨ基を存在させ、それ以外の領域にも特定のＯＨ基濃度分布をもたせるようにしていた。」
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなショートアーク型の放電ランプは通常楕円鏡である集光鏡によって集光される装置に使用されるものである。
このような装置では、照射面の照度は陰極先端部の発光部からの光の取り込みが大きく、したがって、陰極先端部の形状変化は照射面の照度値に大きく影響を与えるものである。
【００１３】
発光管の内表面に極近い領域に高濃度のＯＨ基を存在させた放電ランプでは、照射面での照度が急速に劣化する問題が見られる。
発明者の鋭意検討によれば、発光管の内表面に極近い領域に高濃度のＯＨ基が存在すると、放電ランプの点灯初期、ランプ始動と共に発光管が高温になりＯＨ基を内表面から放出する。通常、発光管の電極にタンタル、ジルコニウムなどのゲッターが装着されており、そのゲッター能力を超えるスピードで発光管内にＯＨ基が放出されると、放出されたＯＨ基はＨ_２Ｏとなって発光管内に拡散し、電極などと反応し低融点金属酸化物を形成する。電極先端では高温動作しているので、それが陰極先端の形状変化をもたらし、アークの輝度の低下をもたらし、さらに、アークが広がることにより集光効率の低下という要因が相乗して、照射面照度の急速な低下を招くと考えられる。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、紫外線の照射により誘起されるガラスの歪みを抑制して発光管の破壊を防止しでき、発光管の白濁を抑制することにより高い放射強度で真空紫外域から赤外域の光が効率良く放射できるとともに、集光鏡に組み込んで使用する場合、照射面での照度維持率が高い放電ランプを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の放電ランプは、シリカガラスよりなる発光管内に一対の電極が対向配置され、当該発光管内に希ガスが封入された放電ランプにおいて、前記発光管の少なくとも紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、発光管の厚さをｄ（μｍ）、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍであり、２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、２００ｐｐｍ≦ｎであることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の放電ランプは、シリカガラスよりなる発光管内に一対の電極が対向配置され、当該発光管内に希ガスと水銀が封入された放電ランプにおいて、前記希ガスは、アルゴン及び又はクリプトンと、キセノンであり、前記アルゴンの分圧とクリプトンの分圧が、アルゴンの分圧をＰＡ（Ｐａ）、クリプトンの分圧をＰＫ（Ｐａ）としたときに、ＰＡ＋ＰＫ≧１．０×１０^５（Ｐａ）となるように封入されており、前記キセノンの分圧が、２．０×１０^５（Ｐａ）以下となるように封入されており、前記水銀が、０．１ｍｇ／ｃｍ^３以上７ｍｇ／ｃｍ^３以下となるように封入されており、前記発光管の少なくとも紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、発光管の厚さをｄ（μｍ）、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍであり、２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、２００ｐｐｍ≦ｎであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の放電ランプは、従来技術で説明した図１の放電ランプと外形形状は同様であるので、図１を用いて説明する。
放電空間を形成する発光管１の内部に一対の電極２が対向配置され、発光管１内に希ガスとしてキセノンが封入されているショートアーク型の放電ランプである。
【００１８】
具体的な仕様は、電極間距離は４．５ｍｍ、封入されているキセノンの圧力は３００Ｋ換算で３×１０^５Ｐａ、出力２ＫＷである。
なお、発光管にキセノンを３００Ｋ換算で３×１０^５Ｐａの圧力で封入したが、キセノン以外にアルゴン、クリプトンであっても良く、それらの混合ガスであっても良い、少なくとも希ガスが３００Ｋ換算で全圧で０．１×１０^５Ｐａ以上しなければ希ガスによる紫外線発光効率を充分に得ることができないものである。
【００１９】
そして、発光管１はシリカガラスよりなり、この明細書で言う紫外線発散度が最大となる発光管中央部分とは、図２に示すように、電極２間の中間点Ｐを通り、電極２間の軸線Ｘと直交する仮想線Ｙが発光管１と交差する部分を紫外線発散度が最大となる発光管中央部分と規定し、この部分の発光管の厚さをｄ（μｍ）としたときの発光管の所定深さの平均ＯＨ基濃度を図３の実験データ説明図に示すランプ２のようにしたものである。
具体的な数値は、▲１▼発光管の内表面から２０μｍまでの平均ＯＨ基濃度が１０ｐｐｍ、▲２▼発光管の内表面から２０〜２００μｍまでの平均ＯＨ基濃度が２００ｐｐｍ、▲３▼発光管の内表面から２００〜ｄ−６００μｍまでの平均ＯＨ基濃度が５ｐｐｍ、である。
【００２０】
そして、上記の本発明の放電ランプを含め本発明の放電ランプと比較用の放電ランプを合計５本作成し、それぞれの放電ランプにおいて発光管のＯＨ基濃度のみ異なるようにして、点灯５０時間後の陰極先端の変形観測と発光管の白濁の有無の確認を行い、さらに点灯４００時間後の発光管の歪の状況の確認を行なった実験データを図３に示す。
なお、全ての放電ランプは、電極間距離は４．５ｍｍ、封入されているキセノンの圧力は３００Ｋ換算で３×１０^５Ｐａ、出力２ＫＷであり、各放電ランプの発光管の平均ＯＨ基濃度は図３に示すとおりである。
【００２１】
図３に示すように、発光管の深さ方向の平均ＯＨ濃度を変える方法は、発光管となる原管のシリカガラスに適宜の量の水蒸気を導入し外部から加熱して１次原管を製造し、この１次原管をそのまま発光管に加工したり、１次原管をさらに真空加熱して２次原管を製造してこの２次原管を発光管に加工したりして、適宜発光管の平均ＯＨ基濃度を発光管の所定の深さ方向で変化させるものである。
【００２２】
図３の実験データからわかるように、本発明の放電ランプであるランプ２、ランプ３、ランプ４は、発光管の紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、発光管の厚さをｄ（μｍ）、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、▲１▼０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍであること、▲２▼２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎがｎ≧２００ｐｐｍであること、▲３▼２００（μｍ）≦ｘ≦ｄ−６００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎがｎ≦８００ｐｐｍであること、という３条件を全て満足しており、この結果、陰極先端の変形がなく、発光管の歪が小さく十分に小さくでき歪による発光管の破裂を防止でき、発光管の白濁も無いという優れた効果を奏する放電ランプである。
【００２３】
一方、比較用の放電ランプであるランプ1とランプ５では、発光管の紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、平均ＯＨ基濃度が本発明の平均ＯＨ基濃度範囲から外れており、具体的には、ランプ１では、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍ以外である５ｐｐｍであり、２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎもｎ≧２００ｐｐｍ以外である５ｐｐｍであり、発光管の内表面のＯＨ基濃度が低くなりすぎると同時に、発光管の深さ方向中央部のＯＨ基濃度が発光管の内表面のＯＨ基濃度より高くなっていないので、発光管の白濁が生じ歪もかなり大きく発光管内のガスの圧力など何等かの影響により発光管が破裂する恐れが十分にある。
さらに、具体的には、ランプ５では、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍ以外である７９５ｐｐｍであり、２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎがｎ≧２００ｐｐｍを満足する７９５ｐｐｍであり、発光管の内表面のＯＨ基濃度が高い分発光管の白濁を防止できるものの、発光管の内表面のＯＨ基濃度が高いので、陰極先端の変形が見られるなどの不具合が発生している。
【００２４】
このような実験データから、本発明の放電ランプは、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０であり、２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎがｎ≧２００ｐｐｍであり、発光管の内表面の極近傍の領域のＯＨ基濃度を低くするとともに、発光管の深さ方向中央部のＯＨ基濃度が発光管の内表面の極近傍の領域のＯＨ基濃度より高くなっているので、ランプ始動と共に発光管内に放出されるＯＨ基の量を抑制し発光管の白濁を抑制できるとともに、陰極の変形を防止できる。さらに、発光管の深さ方向中央部のＯＨ基濃度を高くすることで、ランプ点灯中にＯＨ基の濃度拡散により絶えずＯＨ基を発光管の内表面に供給できるので、発光管の深さ方向中央部から内表面近くにかけて高い濃度のＯＨ基を存在させることで紫外線による歪みの影響を抑制することができる。
【００２５】
なお、陰極先端の変形は、陰極先端を２０倍の拡大投影機で拡大し初期からの変形の違いを目視で調べた。
【００２６】
発光管の平均ＯＨ基濃度の測定は次のように行なった。ＩＲ（赤外線）領域の吸収測定を行ない、波長３６７３ｃｍ^−１の赤外線吸収強度からＯＨ基濃度を求めた。発光管の深さ方向の特定領域における濃度は、試料となる発光管を厚さ方向に化学研磨（ＨＦ／Ｈ_２ＳＯ_４の混酸でエッチングする）して、その研磨前後でのＩＲ吸光の度合いを比較し、研磨された領域に含まれた平均ＯＨ基濃度を算出した。
【００２７】
発光管の紫外線による歪みの測定は、試料とする発光管および偏光板を直交ニコルの関係に配置し、拡散光を照らし複屈折により試料中を透過してくる光の強弱を得る方法（光弾性測定）で行ない、測定部位は放電ランプを垂直にした場合に陰極の先端部の略水平横方向に位置する発光管ガラス部分（紫外線放射発散度が最大となる部分：図２参照）について行なった。
【００２８】
次に、上記本発明の放電ランプであるランプ２、ランプ３、ランプ４と、比較用の放電ランプであるランプ１とランプ５を連続点灯させ、それぞれの放電ランプにおいて、集光鏡によって集光された照射面における点灯初期の波長３６５ｎｍの光の値を１と規定した場合の時間の経過に伴う照度維持率の変化を調べた。
結果を図４に示す。
図４からわかるように、本発明のランプ２、ランプ３、ランプ４は１５００時間点灯後も９０％の照度維持率を保つことができていることがわかる。これは発光管の白濁もなく、陰極の変形も起こっていないからでる。一方、比較用の放電ランプであるランプ１とランプ５は点灯直後に照度維持率の低下が激しく、特にランプ１では３００時間点灯後、照度維持率が５０％まで半減し、ランプ５では１５００時間点灯後、照度維持率が６５％まで低下した。これは発光管の白濁が発生し、最も大きな要因として陰極の変形が起こっているからである。
【００２９】
次に、上記本発明の放電ランプであるランプ２に、水銀と希ガスとしてアルゴン及び又はクリプトンと、キセノンを封入した。
そして、アルゴンの分圧をＰＡ（Ｐａ）、クリプトンの分圧をＰＫ（Ｐａ）で表わし、ＰＡ＋ＰＫ≧１．０×１０^５（Ｐａ）とし、それらに加えて、キセノンが２．０×１０^５（Ｐａ）以下の範囲で封入し、水銀が０．１ｍｇ／ｃｍ^３以上７ｍｇ／ｃｍ^３以下を封入した本発明の放電ランプを作成した。
【００３０】
このような本発明の放電ランプは、上記の他の本発明の放電ランプであるランプ２、ランプ３、ランプ４と同様に発光管の白濁が抑制され、陰極先端の変形もなく、紫外線による歪も抑制され、長時間点灯しても照射面での照度維持率が高いものである。
【００３１】
このように、アルゴンの分圧をＰＡとクリプトンの分圧をＰＫをＰＡ＋ＰＫ≧１．０×１０^５（Ｐａ）と規定することにより、波長３６５ｎｍの紫外線強度を高めることができる。
さらに、キセノンが分圧を２．０×１０^５（Ｐａ）以下と規定することにより、波長３６５ｎｍの紫外線強度を実効的に得る事ができる。なお、キセノンの分圧が０．１３×１０^５（Ｐａ）未満であると放電容器の白濁現象が生じる恐れがある。
【００３２】
また、水銀の封入量について０．１ｍｇ／ｃｍ^３以上７ｍｇ／ｃｍ^３以下である理由は、０．１ｍｇ／ｃｍ^３未満であると波長３６５ｎｍの紫外線強度を実効的に得ることができず、７ｍｇ／ｃｍ^３を越えると波長３６５ｎｍの発光のスペクトル幅が広がってしまうということが起こるからである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放電ランプによれば、紫外線の照射により誘起されるガラスの歪みを抑制して発光管の破壊を防止しでき、発光管の白濁を抑制することにより高い放射強度で真空紫外域から赤外域の光が効率良く放射できるとともに、集光鏡に組み込んで使用する場合、照射面での照度維持率が高い放電ランプとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電ランプの説明図である。
【図２】紫外線発散度が最大となる発光管中央部分の説明図である。
【図３】本発明の放電ランプと比較用放電ランプの陰極先端の変形、発光管の白濁、発光管の歪を確認した実験データ説明図である。
【図４】本発明の放電ランプと比較用の放電ランプの照度維持率の実験データ説明図である。
【符号の説明】
１発光管
２電極
３排気管

Claims

シリカガラスよりなる発光管内に一対の電極が対向配置され、当該発光管内に希ガスが封入された放電ランプにおいて、
前記発光管の少なくとも紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、発光管の厚さをｄ（μｍ）、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、
０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍであり、
２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、２００ｐｐｍ≦ｎであることを特徴とする放電ランプ。
シリカガラスよりなる発光管内に一対の電極が対向配置され、当該発光管内に希ガスと水銀が封入された放電ランプにおいて、
前記希ガスは、アルゴン及び又はクリプトンと、キセノンであり、
前記アルゴンの分圧とクリプトンの分圧が、アルゴンの分圧をＰＡ（Ｐａ）、クリプトンの分圧をＰＫ（Ｐａ）としたときに、ＰＡ＋ＰＫ≧１．０×１０^５（Ｐａ）となるように封入されており、
前記キセノンの分圧が、２．０×１０^５（Ｐａ）以下となるように封入されており、
前記水銀が、０．１ｍｇ／ｃｍ^３以上７ｍｇ／ｃｍ^３以下となるように封入されており、
前記発光管の少なくとも紫外線発散度が最大となる発光管中央部分において、発光管の厚さをｄ（μｍ）、発光管内表面からの距離をｘ（μｍ）としたとき、
０≦ｘ≦２０（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、１０ｐｐｍ≦ｎ≦１９０ｐｐｍであり、
２０（μｍ）≦ｘ≦２００（μｍ）の領域の平均ＯＨ基濃度ｎが、２００ｐｐｍ≦ｎであることを特徴とする放電ランプ。