JP4736900B2

JP4736900B2 - ショートアーク型水銀ランプ

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Publication number: JP4736900B2
Application number: JP2006094948A
Authority: JP
Inventors: 幸夫安田; 良徳相浦; 元裕三田村
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007273153A

Description

この発明はショートアーク型水銀ランプに関する。特に、波長２５０ｎｍから３５０ｎｍの紫外線を効率よく放射するショートアーク型水銀ランプに関する。

ショートアーク型水銀ランプは、半導体や液晶など各種の露光工程で用いられている。近年、液晶基板やカラーフィルターなどの露光では、露光面積の大型化や高スループット化が要求される。また、今までは、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０４ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）が使われてきたが、近年は、より短波長の紫外線の利用が要求されている。つまり、ランプに対して、ｉ線（３６５ｎｍ）より短波長の紫外線を効率よく放射することが要求されているわけである。

短波長の紫外線を増大させるためには２つの方法が考えられる。一つは、ランプへの入力を増大させる方法である。しかし、通常、放射効率を１％向上させるためには、ランプへの入力を数％も増大させなければならない。例えば、１０ＫＷ入力のランプの放射効率を１０％向上させるには、１０数ＫＷもの入力電力が必要になってしまう。

もう一つの方法は、ランプから放射される紫外線そのものの効率を上げることである。ランプから放射される紫外線の効率を上げるためには、封入水銀量を多くすることが考えられる。しかし、水銀の封入量を多くすると、いわゆる自己吸収現象を招き、かえって放射効率は低下してしまう。特に、ｉ線より短波長である波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線の場合、波長２５３．７ｎｍに共鳴線があるため、自己吸収現象は顕著に生じかねない。また、封入水銀量を小さくしすぎると、発光に寄与する粒子数（種）が少なくなるため、結果として、必要な放射量を得ることができなくなる。

特開昭５４−１０８４７８号では、封入水銀量と希ガス封入量を規定することで、波長２００〜２５０ｎｍの紫外線を放射することが記載される。具体的には、バルブ内容積当りの封入水銀量１〜１３（ｍｇ/ｃｍ^３）、希ガスの封入圧力が０．１〜１０（気圧）が規定される。

しかし、波長２００ｎｍ以下の紫外線も多少は放射されるため、ランプ周囲にオゾンが発生するという問題を生じる。オゾンが発生すると、集光鏡や反射鏡の反射率及びフィルターの透過率を低下させるなど、光学機器にさまざまな損傷を与え、結果として、露光面における照度低下を招く。

この点について、ランプを構成するバルブに酸化チタン(通称チタニア)をドープしたり、あるいは、バルブ外表面にチタン層を設けて、オゾン発生を防止する技術が古くから知られている。チタンをドープする技術は、例えば特開平８−９６７５１に開示され、チタンをコーティングする技術は、例えば特開平１１−９６９７０に開示される。

しかしながら、チタンが吸収する波長はバルブ温度により変化する。つまり、バルブの温度が上昇すると、チタンが吸収する波長が長波長側にシフトする。このことは、点灯の時間経過とともにバルブの黒化が進行し、その結果バルブ温度が高くなる。そして、放射される紫外線に対する吸収波長が変化すること、例えば、当初波長２５０ｎｍ以下の光をバルブが吸収していたところ、点灯時間の経過に伴い、波長２６０ｎｍ付近の光までバルブが吸収してしまい、結果として、波長２５０ｎｍ以上の光の減衰が生じることである。従って、ランプを構成するバルブに、単に、酸化チタンをドープしたり、あるいは、バルブ外表面にチタン層を設けるというだけでは、点灯時間の全ての期間において、所望の紫外線を得ることはできない。

もちろん、ランプの外部から冷却手段など温度制御手段を設けてバルブの温度管理することも理屈上は考えられる。しかし、ランプの周囲に温度管理手段を設けると放射光を遮ることになりかねず放射量アップを妨げることになる。放射光に影響しない位置に温度管理手段を設けることも可能ではあるが、精緻な温度制御をすることが困難になる。

以上をまとめると、
（１）近年、ショートアーク型水銀ランプはｉ線よりも短波長の光（紫外線）の放射が求められる。
（２）しかし、波長２００ｎｍ以下の紫外線が放射されるとオゾンを発生させるため、チタニアを使ってオゾンの発生防止をしなければならない。
（３）しかし、チタンが吸収する波長は、バルブ温度により変動するため、波長２００ｎｍ以下の紫外線の放射を防止しつつ、かつ、波長２５０〜３００ｎｍの紫外線を常に効率よく放射させることは困難であった。

この発明が解決しようとする課題は、水銀ランプの点灯時間に影響を受けることなく、波長２００ｎｍ以下の紫外線の発生を抑えるとともに、波長２５０〜３５０ｎｍの光を良好に放射できるショートアーク型水銀ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型水銀ランプは、石英ガラスからなる発光管に陽極と陰極が対向して配置され、発光管の中に水銀が２〜１２（ｍｇ/ｃｍ^３）、少なくともアルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）が１〜８気圧封入させて、発光管の肉厚ｔ（ｍｍ）と、当該発光管に含まれるチタン濃度ｎ（ｗｔ・ｐｐｍ）の関係が、２０≦ｎ×ｔ≦１２０を満たすことを特徴とする。

また、上記発明において、発光管の室温における波長４００ｎｍの相対透過率Ｔ_４００を１とし、相対透過率がこの基準相対透過率Ｔ_４００の１／ｅになるときの波長λ_０（ｎｍ）を、λ_０＝１６×log_１０(ｎ)+１９０とするとき、
波長λ_０から波長４００ｎｍまでの相対透過率Ｔ_λ、

における係数ａが
４０００≦ａ、かつ、０．１≧ｔ×ｅｘｐ｛ａ（１/２５０-１/λ_０）｝
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明は、発光管の中に水銀を２〜１２（ｍｇ/ｃｍ^３）封入し、さらに、希ガスとしてキセノン（Ｘｅ）ではなく、アルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）を１〜８気圧封入する構成により、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線放射量を向上させている。特に、アルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）を陽圧で封入することで、アークを収縮させて、このアークの収縮により放射輝度を増大させている。
また、石英バルブ（発光管）に含まれるチタン濃度を規定することで、波長２００ｎｍ以下の紫外線の発生を限りなく阻止することができ、結果として、オゾンの発生を抑制している。
つまり、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの放射量を向上するとともに、波長２００ｎｍ以下の紫外線を発生防止できる。

さらに、石英バルブには、チタン以外の金属が存在することを考慮して、チタン濃度を規定することで、より効率良く波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍを放射できる。

図１は本発明に係るショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。
水銀ランプは、石英ガラスからなる発光管１０より構成され、発光管は発光部１１と、この発光部１１から両端に伸びるロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には陰極２０と陽極３０が、例えば５．０ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。発光管には後述するが所定量のチタンがドープされる。

陰極２０は、例えば、トリウムタングステンよりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐形に形成され、陰極棒２１に支持される。
陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状であり、陽極棒３１に支持される。

陰極棒２１と陽極棒３１は各々封止部１２に向かって伸びる。各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されて気密封止構造が形成される。封止部１２の外端は外部リード１３が突出する。この外部リード１３に図示略の給電装置に接続されて電流供給が行なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２１、陽極棒３１と物理的に別体である必要はなく、例えば、同じ外径のまま伸びて両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。

発光部１１には、水銀と、アルゴンもしくはクリプトンを含む希ガスが封入される。
水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり、２〜１２ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば５ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は１．０〜８．０気圧であって、例えば３気圧である。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は１８気圧程度になる。

ここで、本発明者らは、アルゴンもしくはクリプトンを、所定量の水銀と関連させて、陽圧（１気圧以上）で封入させると、ｉ線（３６５ｎｍ）の放射量が向上するだけでなく、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線も放射量が向上することを見出した。これは、アルゴンやクリプトンが始動性改善のみに作用するのではなく、定常点灯時においても、紫外線の放射量増大に貢献するというものである。具体的には、アークからの放射量そのものを増大させることと、アークを収縮させるため放射輝点の密度を高めることの２つの作用にもとづいている。

放射量増大について説明すると、希ガスの電離電圧は、キセノンが12.1ｅＶ、クリプトンが14.0ｅＶ、アルゴンが15.8ｅＶであり、キセノン、クリプトン、アルゴンの順に高くなる。電離電圧が高いガスのほうがアークの温度は高くなり、また、アーク温度が高いほうがアーク中における励起状態の水銀原子数が増えることから、結果として、電離電圧が高いアルゴンやクリプトンは、電離電圧が低いキセノンに比べて放射量が多いことになる。

また、水銀の電離電圧は10.4ｅＶであり、キセノン、クリプトン、アルゴンに比べて低い。このため、希ガスの封入量が水銀の封入量に対して大きいほうが、アーク温度が高くなり放射量も多くなる。具体的には、希ガスの封入モル数を水銀の封入モル数の２倍以上にすることが好ましい。

また、水銀は発光種という意味で、ある程度は封入しなければならない。水銀封入量が低くなりすぎると、励起される原子数そのものが少なくなるからである。この発明では励起すべき水銀原子を確保するという観点から２．０ｍｇ/ｃｍ^３以上を必要とし、その範囲は２．０〜１２．０（ｍｇ/ｃｍ^３）が望ましい。１２．０ｍｇ/ｃｍ^３を超える場合は、波長２５４．７ｎｍの共鳴線の吸収幅が広がり、２５４．７ｎｍよりも長波長（255〜270ｍ付近）の放射量が減少してしまうからである。

次に、アルゴンやクリプトンのアーク収縮作用を説明すると、アルゴンやクリプトンは、キセノンよりもアークが収縮されやすく、収縮により、アークが密になって放射強度が向上する。
このように、本発明では、水銀が２．０〜１２．０（ｍｇ/ｃｍ^３）封入されるという条件と密接不可分かつ有機的関係を持ちながら、アルゴンもしくはクリプトンを１〜８気圧封入することで、波長２５０〜３５０ｎｍの放射量を増大させ、かつ、アークの収縮効果による放射効率のアップも図っている。

なお、「陽圧」とは１気圧以上を意味し、室温換算で１気圧以上封入することで、その封入圧力に比例して放射光量(放射効率)が増大する。一方、アルゴンやクリプトンが８気圧を超えるとランプが破裂する可能性があるので望ましくない。

次に、本発明に関する数値範囲に関する実験について説明する。
まず、発光管に封入される水銀量と水銀ランプの放射量の関係を実験した。
（実験Ａ）
封入水銀量の異なる５種類のランプ（ランプＡ1〜ランプＡ５）を用意し、それぞれに１mg/cm^３、２mg/cm^３、５mg/cm^３、１２mg/cm^３、１４mg/cm^３の水銀を封入した。それ以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離4.5mm、管壁負荷20w/cm²、発光管の肉厚３mm、希ガスを１気圧封入して、入力電力２ＫＷで直流点灯させた。測定はランプから１ｍの位置に分光器を配置して、波長２５０ｎｍ〜波長３００ｎｍの積分量を測定した。

図２に実験Ａの結果を示す。実験はランプＡ４の放射量を１００としたときの各ランプの放射量を相対値により表し、相対値が１００を超えた場合を合格、相対値が１００を下回った場合を不合格と判断した。
図に示す結果より、封入水銀量が２ｍｇ/ｃｍ^３のランプ２、封入水銀量が５ｍｇ/ｃｍ^３のランプ３、封入水銀量が１２ｍｇ/ｃｍ^３のランプ４は放射量が大きく合格であり、封入水銀量が１ｍｇ/ｃｍ^３のランプ１、封入水銀量が１４ｍｇ/ｃｍ^３のランプ５は放射量が小さく不合格となった。つまり、封入水銀量が２〜１２ｍｇ/ｃｍ^３の場合に放射量が大きいことが分かる。なお、前記したように、封入水銀量が１ｍｇ/ｃｍ^３の場合は発光種という意味で水銀が少なすぎることが放射量低下の原因と考えられ、封入水銀量が１４ｍｇ/ｃｍ^３の場合は波長254.7ｎｍの共鳴線の吸収幅が広がることが放射量低下の原因と考えられる。

ここで、波長２５４．７ｎｍの共鳴吸収において、共鳴吸収する波長幅は、アークからバルブ内壁までの距離とその間に存在する水銀量に大きく依存する。つまり、発光管が寸法的に大きくなると、アークからバルブ内壁までの距離が大きくなり、紫外線の共鳴吸収が起こりやすくなる。さらに、その光路上に存在する水銀密度が高い場合は、当然のことながら共鳴吸収は起こりやすくなる。本願発明は、発光管の最大内径（アークの位置における発光管の内径であって図１のＬで示す）が、一般的に使用される水銀ランプの内径値である４０ｍｍ〜１４０ｍｍの場合に、水銀量１２ｍｇ／ｃｍ^３以下であれば共鳴吸収の影響を受けないという意味である。

なお、本発明が求める波長範囲は２５０ｎｍ〜３５０ｎｍであるが、上記実験では波長２５０ｎｍ〜３００ｎｍの放射量を対象に評価している。これは波長２５０〜３００ｎｍの範囲で石英ガラス（バルブ）の透過率が変化するため、波長３００ｎｍまで十分な放射が得られるならば、波長３００〜３５０ｎｍも当然に十分な放射が得られるという前提である。

次に、発光管に封入する希ガスとその封入量と、水銀ランプの放射量の関係を実験した。
（実験Ｂ）
希ガスの種類と封入量の異なる９種類のランプ（ランプＢ０〜ランプＢ８）を用意した。具体的には、希ガスの種類として、ランプＢ０はキセノンを封入し、ランプＢ１〜Ｂ４はアルゴンを封入し、ランプＢ５〜Ｂ８はクリプトンを封入した。また、アルゴンを封入したランプＢ１〜Ｂ４のうち、ランプＢ１は0.5気圧、ランプＢ２は1.0気圧、ランプＢ３は3.0気圧、ランプＢ４は8.0気圧それぞれ封入し、クリプトンを封入したランプＢ５〜Ｂ８のうち、ランプＢ５は0.5気圧、ランプＢ６は1.0気圧、ランプＢ７は3.0気圧、ランプＢ８は8.0気圧それぞれ封入した。それ以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離4.5mm、水銀量５mg/cm^３、管壁負荷20w/cm²、発光管の肉厚３mm、入力電力２ＫＷで直流点灯させて放射量を測定した。測定はランプから１ｍの位置に分光器を配置して行った。

図３に実験Ｂの結果を示す。実験は基準ランプＢ０の放射量を１００としたときの各ランプの放射量を相対値により表し、相対値が１０２を超えた場合を合格、相対値が１０２を下回った場合を不合格と判断した。
図に示す結果より、アルゴンを封入したランプでは、封入ガス圧が1.0気圧のランプＢ１、封入ガス圧が3.0気圧のランプＢ３、封入ガス圧が8.0気圧のランプＢ４が放射量の大きく合格であり、クリプトンを封入したランプでは、封入ガス圧が1.0気圧のランプＢ６、封入ガス圧が3.0気圧のランプＢ７、封入ガス圧が8.0気圧のランプＢ８が放射量の大きく合格であった。アルゴンの封入ガス圧が0.5気圧のランプＢ１、クリプトンの封入ガス圧が0.5気圧のランプＢ５は放射量がキセノンの場合とほとんど変わらず不合格となった。
つまり、封入すべき希ガスはキセノンではなく、アルゴンもしくはクリプトンであり、その封入ガス圧は１〜８気圧の場合に放射量が大きいことが分かる。なお、前記したように、封入ガス圧は１気圧の場合は封入量が小さすぎてアークからの放射量増大が十分でないことが不合格の原因と考えられる。
なお、この実験では、楕円反射鏡を使ってアーク輝点を焦点とするような光学構造ではないため、アーク収縮による放射量増大の効果を図ることはできない。

さらに、本願発明は、発光管に含まれるチタン濃度を規定することで、波長２５０ｎｍよりも短波長の光、具体的には２００ｎｍより短波長の光の放射を抑制している。オゾンを発生させないためである。
チタン濃度の規定は、具体的には、発光管の肉厚ｔ（ｍｍ）と、発光管に含まれるチタン濃度ｎ（ｗｔ・ｐｐｍ）の関係が２０≦ｎ×ｔ≦１２０の数値範囲内である。

ここで、チタンが紫外線を吸収するという特性自体は古くから知られているが、チタンが吸収する紫外線（波長）は、バルブに含まれるチタン濃度やバルブの温度により、変動する傾向にある。
本願発明は、希ガスとしてキセノンではなくアルゴンやクリプトンを使い、かつ陽圧に封入することで、前記したようにキセノンを使う場合や負圧で封入させる場合に比べて、アーク温度が高くなり、結果として、バルブ温度も高くなるという状況において、アルゴンやクリプトンの封入量と有機的かつ密接な関連を持ちつつ、オゾンを発生させないためのチタン量を算出したにほかならない。

（実験Ｃ）
次に、チタン濃度とオゾン発生の関係に関する実験を説明する。
チタンの総量（ｎ×ｔ）が異なる６種類の水銀ランプを製作し、各ランプを点灯させた場合のオゾン発生状況を測定した。６種類の水銀ランプはランプＭ１〜Ｍ６であり、ランプＭ１はチタン総量が１０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）、ランプＭ２はチタン総量が２０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）、ランプＭ３はチタン総量が５０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）、ランプＭ４はチタン総量が８０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）、ランプＭ５はチタン総量が１２０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）、ランプＭ６はチタン総量が２００（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）である。各ランプはチタン総量以外のランプ仕様、点灯条件を基本的に同一として、水銀５ｍｇ／ｃｍ^３、アルゴンを３気圧封入するとともに、入力電力２ＫＷで直流点灯させて、分光器により、波長２００ｎｍと波長２５０ｎｍの透過率を測定した。これらは波長４００ｎｍの透過率を１としたときの相対値（比率（％））で表示している。

図４は実験Ｃの結果を示す。
チタン総量が１０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）のランプＭ１は、波長２００ｎｍの透過率が７％と高く、すなわち、ランプの周辺でオゾンを発生させた。一方、チタン総量が２０〜２００（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）のランプＭ２〜ランプＭ６は波長２００ｎｍの透過率が１％未満ときわめて小さく、ランプ周辺のオゾン発生はほとんどなかった。

また、チタン総量が大きくなるとチタンによるＤＵＶ(DeepUVの略語であり、およそ波長２００ｎｍ〜３００ｎｍ)の吸収を大きくする。したがって、チタン濃度が大きくなると、ＤＵＶ領域の放射光が減少する。チタン総量が２００（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）のランプＭ６は、まさにこのことを意味しており、波長２５０ｎｍの紫外線放射量が低いことに表れている。結果として、チタン総量が大きい場合は、オゾン発生の抑制効果はあるものの、本来必要な波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍのうち波長２５０ｎｍ〜３００ｎｍの低下を招くため好ましくない。結果として、チタン総量は２０〜１２０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）の範囲がよいことが分かる。

図５（ａ）はこのようなチタン濃度と透過率の関係を模式的に表したものであり、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸にバルブの透過率（％）を示す。
曲線Ａはチタン総量が適正な範囲の場合を示し、波長２００ｎｍの透過率はほとんど０％であり、波長２５０ｎｍの透過率は９０％以上であることを示している。上記実験で言えば、チタン総量２０〜１２０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）の場合が相当する。
曲線Ｂはチタン総量が適正範囲より大きい場合を示し、波長２００ｎｍの透過率はほとんど０％であり、この点で問題がないが、波長２５０ｎｍの透過率は９０％以下になっている。つまり、オゾンの発生は抑えているものの、波長２５０ｎｍの放射量が少なくなるので好ましくない。上記実験で言えば、チタン総量２００（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）の場合が相当する。
曲線Ｃはチタン総量が適正範囲より小さい場合を示し、波長２００ｎｍの透過率が大きくなっている。この場合、オゾン発生を生じるため好ましくない。上記実験で言えば、チタン総量１０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）の場合が相当する。
図５（ｂ）については後述する。

以上説明したように、封入水銀量と、封入すべき希ガスの種類および封入圧を規定することで、波長２５０〜３５０ｎｍの紫外線の放射を高めることができ、加えて、バルブのチタン総量を規定することで、波長２５０〜３５０ｎｍの放射量を落とすことなく、波長２００ｎｍ以下の紫外線の透過率を低下させてオゾンの発生を防止できる。

さらに、本願発明は、上記内容に加えて、より一層精緻に目的を達成するために、バブルに含まれるチタン以外の不純物の存在を考慮している。これは、バルブにチタン以外の不純物、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）などが存在すると、その影響を受けてバルブの紫外線に対する透過率が変化するからである。

図５（ｂ）はバルブにチタン以外の金属が存在する場合の透過率と波長の関係を模式的に表し、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸にバルブの透過率（％）を示す。なお、図中の曲線はいずれもチタン濃度が２０〜１２０（ｗｔｐｐｍ・ｍｍ）の適正範囲内であって、曲線Ａと曲線Ｂは、いずれもチタン濃度が同一という前提である。
曲線Ａはチタン以外の金属が存在しない場合、すなわち、図５（ａ）の曲線Ａと同じ状態を示す。
曲線Ｂはチタン以外の金属が存在する場合を示す。この場合、波長２００ｎｍの透過率はほとんど０％と問題ないが、波長２５０ｎｍの透過率が低下している。つまり、チタン以外の金属が存在する場合は、たとえチタン濃度が同一であったとしても、透過率が変化し、具体的には、透過率曲線の傾きが緩やかになるよう変化することがわかる。
以上、図５（ａ）で説明した現象とあわせてまとめると、チタン濃度が変化することで透過率曲線が図における左右方向にシフトし、チタン以外の金属が存在することで透過率曲線の傾斜が変化する。

このように、チタン以外の金属不純物がバルブに存在すると、透過率曲線の形状（傾斜）に変化を招き、波長２５０ｎｍの透過率に影響を及ぼす。波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの放射量を十分に得たい場合は、チタン以外の不純物が存在していたとしても、少なくとも波長２５０ｎｍにおける透過率を９０％以上に維持させる必要がある。

この点を詳述する前に、まず、チタン濃度と波長λ_０および係数ａの関係について説明する。
（実験Ｄ）
まず、実験を説明するが、チタン濃度が異なる４種類の水銀ランプ（ランプＮ１〜Ｎ４）を作成した。具体的には、ランプＮ１のチタン濃度は１３５ｗｔｐｐｍ、ランプＮ２のチタン濃度は６５ｗｔｐｐｍ、ランプＮ３のチタン濃度は２０ｗｔｐｐｍ、ランプＮ４のチタン濃度は４ｗｔｐｐｍである。これら４種類の水銀ランプの波長２５０ｎｍにおける透過率をそれぞれ測定してみた。なお、水銀ランプの肉厚ｔはいずれも３ｍｍである。

ここで、さらに一歩離れて、石英ガラスの透過率について説明する。一般に、光が通過する媒質の厚さをＬ、吸収係数をα、媒体に入射する波長λの光強度をＩ_０（λ）、媒体から出射する波長λの光強度をＩ（λ）とすると、ベール(Ｂｅｅｒ)の法則により、波長λの透過率は、

と表される。さらに、吸収係数αは、経験式として

として表されることが知られている。(2)式において、A≡exp(-a/λ₀)を用いて変形すると

(3)式を(1)式に代入すると、分光透過率Ｔ_λは、

と表される。
ここで、（３）式より、λ₀は、吸収係数αが１となる波長に相当することがわかる。本明細書の範囲に限り、改めてλ₀を吸収端波長と定義する。言い換えれば、媒質単位長さ当りの透過光強度が入射光強度の１/ｅに減衰する位置に相当する波長を表す。

係数ａとλ₀は、測定した分光透過率曲線を（４）式にフィッティングさせて求めることができる。ランプを非破壊で測定する場合、バルブの肉厚（ｔ）は予め知られている。また、石英ガラスを通過する光路長Ｌは肉厚ｔとなるので、測定した分光透過率より、係数ａ及びλ_０を知ることができる。
筆者らの実験により、λ₀はチタン濃度と密接に関連していること、及び、係数ａとチタン濃度の相関は見られないことが分った。そして、この係数ａはガラス母材の種類（換言すると不純物の種類と濃度）に強く依存することを見出した。

実験Ｄの説明に戻り、４種類の水銀ランプ（Ｎ１〜Ｎ４）の分光透過率が測定された。分光透過率の測定は、光源として波長２００ｎｍ以上の光を放射するランプ、例えば、キセノンランプを使い、このキセノンランプからの光を測定対象である各水銀ランプの発光管に透過させて分光器で検出させる。この場合、キセノンランプの放射光は、発光管の肉厚を２回通過することになるので、光路長Ｌは２×ｔとなる。

図６は実験Ｄの測定結果を示す。
分光器が測定した４種類の水銀ランプの各分光透過率から波長λ_０を求める。この波長λ_０は前記したように吸収端波長であり透過率が一定に落ち着く波長（この場合４００ｎｍ）の１／ｅに減衰する波長を意味する。従って、測定した分光透過率データから波長４００ｎｍの透過率Ｔ_４００を算出し、この透過率Ｔ_４００の１／ｅの透過率を有する波長として求める。そして、式（４）に波長２００ｎｍ〜４００ｎｍの各分光透過率データを代入することで係数ａを求める。

この実験結果より、チタン濃度１３５（ｗｔｐｐｍ）の水銀ランプ（Ｎ１）は波長λ_０が２２４（ｎｍ）、係数ａが4.5×10^３となり、チタン濃度６５ｗｔｐｐｍの水銀ランプ（Ｎ２）は波長λ_０が２１９（ｎｍ）、係数ａが4.5×10^３となり、チタン濃度２０ｗｔｐｐｍの水銀ランプ（Ｎ３）は波長λ_０が２１１（ｎｍ）、係数ａが4.5×10^３となり、チタン濃度４ｗｔｐｐｍの水銀ランプ（Ｎ４）は波長λ_０が２００（ｎｍ）、係数ａが4.5×10^３となった。
これら４種類のランプ（Ｎ１〜Ｎ４）の波長λ_０の値と、チタン濃度ｎの関係を近似式で求まると、λ_０＝１６×log_１０(ｎ)+１９０となる。

ここで、波長２００ｎｍの紫外線が大気に照射すれば、酸素が紫外線を吸収してオゾンが発生する。したがって、オゾンを発生させないためには、少なくとも波長λ_０は２００ｎｍ以上でなければならない。また、水銀ランプのＤＵＶ領域の発光はおよそ波長２３５ｎｍ付近から見られ始めるので、波長λ_０は２３５ｎｍよりも小さくなければならない。従って、波長λ_０は上記条件とは別に２００≦λ_０≦２３５の条件も満たさなければならない。

紫外線を透過する石英ガラスは、合成石英ガラスを除いて、通常、数ｐｐｂから数十ｐｐｍの種々の元素が不純物として含まれる。これらの不純物は、先に述べたとおり、係数ａに強く依存する。また、式（４）より、係数ａは、透過率曲線の立ち上りから長波長側への透過率に影響する係数である。係数ａは種々の不純物が透過率に与える影響の指標として定義される。

ここで、本願発明が、不純物の封入量を規定するのではなく、係数ａにより透過率を評価する理由は、母材（石英ガラス）の中に含まれる不純物は微量ではあるが多種多様であり、また、それらの不純物がどのように光学的特性に影響を与えるかを解析することは不可能に近いからである。本願発明は、不純物の種類や量を規定するのではなく、その結果として影響を与える透過率を規定し、その指標として係数ａを定義しているにほかならない。

（実験Ｅ）
次に、係数ａと透過率の関係に関する実験を行った。
係数ａが異なる３種類の石英ガラスを使い、また、それぞれの係数においてチタン濃度の異なる水銀ランプを作成して相対放射照度を測定した。

具体的には、係数ａが３０００、４０００、５０００の３種類の石英ガラスを用意して各係数について、チタン濃度が２０（ｗｔｐｐｍ）、６０（ｗｔｐｐｍ）、８０（ｗｔｐｐｍ）、１２０（ｗｔｐｐｍ）、２００（ｗｔｐｐｍ）の水銀ランプを１５本作成した。
つまり、ランプＱ１は係数ａが３０００、チタン濃度が２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ２は係数ａが４０００、チタン濃度が２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ３は係数ａが５０００、チタン濃度が２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ４は係数ａが３０００、チタン濃度が６０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ５は係数ａが４０００、チタン濃度が６０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ６は係数ａが５０００、チタン濃度が６０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ７は係数ａが３０００、チタン濃度が８０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ８は係数ａが４０００、チタン濃度が８０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ９は係数ａが５０００、チタン濃度が８０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１０は係数ａが３０００、チタン濃度が１２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１１は係数ａが４０００、チタン濃度が１２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１２は係数ａが５０００、チタン濃度が１２０（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１３は係数ａが３０００、チタン濃度が２００（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１４は係数ａが４０００、チタン濃度が２００（ｗｔｐｐｍ）、ランプＱ１５は係数ａが５０００、チタン濃度が２００（ｗｔｐｐｍ）である。

係数ａは母材（石英ガラス）の状態で決まる。従って、ある石英ガラスの透過率を測定し、式（４）から係数ａを求めることで、当該石英ガラスと同じ石英ガラスは同一の係数であるとみなすことができる。
さらに、チタン濃度は、チタンとシリカ混合溶液を作成し、石英ガラス材の内面に必要量を均一に塗布して、その上で酸水素バーナーなどにより加熱して、ガラス材に溶融拡散させることで作成できる。この際、チタン濃度は石英ガラス内面への塗布量で調整する。なお、チタン濃度は肉厚方向で不均一になるが、肉厚方向の全チタン量を厚さで割ったときに求まる「平均チタン濃度」で定義する。
なお、実験は、係数ａとチタン濃度以外のランプ仕様やランプ点灯条件は基本的に同一とし、電極間距離4.5mm、管壁負荷20w/cm²、発光管の肉厚２mm、水銀量５mg/cm^３、希ガスを１気圧封入して、入力電力２ＫＷで直流点灯させて放射量を測定した。測定はランプから１ｍの位置に分光器を配置して行った。

図７に実験Ｅの結果を示す。
相対照度はランプＱ１２の照度を基準として表示している。この結果、ランプＱ２、ランプＱ３、ランプＱ６、ランプＱ９、ランプＱ１２は相対照度が１００を超えて良好であった。これら５つのランプに共通する特性は、チタン濃度が２０〜１２０（ｗｔｐｐｍ）の範囲にあり、かつ、係数４０００以下であり、さらに、透過率を導く指数である「ｔ×exp｛ａ（１/λ-１/λ_０）｝」の値が０．１以下であることが示される。

この結果、チタン以外の不純物が石英ガラス（バルブ）に存在する場合であっても、分光透過率を求める算出式（４）すなわち、

から導くことができる係数ａと、さらに、バルブの肉厚ｔを考慮して求まる式「ｔ×exp｛ａ（１/λ-１/λ_０）｝」を所定の範囲にすることで、チタン以外の不純物が石英ガラス（バルブ）に存在していたとしても波長２５０ｎｍの透過率を十分に確保できる。

なお、前記したように、合成石英ガラスを除いて、通常の石英ガラスは必ず不可避的にいくらかのチタン以外の不純物を含んでしまう。このため、本願発明では、当該不純物が紫外線の透過率に影響を及ぼさない程度に微量の場合、いいかえれば、図５（ｂ）に示した透過率曲線の傾きが実質的に変化しない程度の場合は、チタン濃度の規定、すなわち、２０〜１２０（ｗｔｐｐｍ）で足りるものとし、当該不純物の存在が紫外線の透過率に影響を及ぼすような場合は、チタン濃度以外に、係数ａの規定を考慮しなければならないことを意味するものである。この区別について、およその目安を記載すると、チタン以外の不純物が全体として０．１ｐｐｍ以下の場合はチタン濃度の規定のみで十分といえる。ここで、石英ガラス中のＯＨ基は、赤外域に吸収を持つが、紫外域での吸収は無視できる程度に小さい。したがい、ここでは、ＯＨ基については、不純物から除外する。

なお、本発明は希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）を１〜８気圧封入するが、アルゴンもしくはクリプトンを封入した上に、さらに加えて、キセノンあるいはその他の希ガスを封入させてもよい。また、アルゴンとクリプトンはいずれか一方のみを封入する場合に限られず両方とも封入してもよい。

上記した各種の実験では水銀ランプの放射光を分光器で測定したが、厳密には、例えばハロゲン標準光源の置換変換法により測定した値に対して放射照度の校正を行っている。

さらに、チタン濃度の測定方法も一例を示しておく。まず、チタンを含む石英ガラス片の厚さと重量を測る。次に、そのガラス片を濃度と溶液体積を規定した弗酸溶液で溶かし、その溶液からＩＣＰによりチタン量を測り、校正されたＩＣＰの出力と比較することで、弗酸溶液中のチタン濃度を知ることができる。このチタン濃度を重量換算して、最初に測定した石英ガラス片の厚さと重量を考慮することで、その石英中の厚さ方向の平均チタン濃度を算出できる。単位はｗｔ・ｐｐｍとなる。

また、チタン濃度が異なるバルブの製造方法も一例を示しておく。
まず、チタンを含む石英ガラス円筒管を引き伸ばし、所定の濃度になるまで肉厚を薄くさせる。次に、チタンを含まない別の石英ガラス円筒管を用意して、チタンを含む円筒管の外側に同軸的に配置させて両者を融着させる。この状態から合体させた円筒管に対して酸水素バーナーなどで溶融させることでバルブを成形できる。チタン濃度は引き伸ばしの程度で調整することができ、別の円筒管を足し合わせることで所定の肉厚を維持できる。

さらに、チタンを含む石英ガラスの透過率の測定方法の一例も示しておく。
光源に２００ｎｍ以上の光を放射するキセノンランプを光源とする。このキセノンランプからの放射光を分光器に通し、各波長における分光放射照度をＩ₀(λ)とする。次に、光源と分光器の間に、チタンを分散させた石英ガラスを置き、そのガラスの透過光を分光器で測定する。この透過光の分光放射照度をＩ(λ)とする。λ＝４００ｎｍにおける分光透過率Ｔ_λ=400nm＝１として、相対分光透過率Ｔ_λ＝Ｉ(λ)/ Ｉ₀(λ)を定義する。

この発明に係るショートアーク型水銀ランプの全体構成を示す。この発明に係る水銀量と放射照度の実験結果を示す。この発明に係る希ガスと放射照度の実験結果を示す。この発明に係るチタン濃度とオゾン発生の実験結果を示す。この発明に係る透過率と波長の関係を示す。この発明に係るチタン濃度を係数ａの関係を示す。この発明に係る係数ａと紫外線透過率と放射照度の実験結果を示す。

符号の説明

１０水銀ランプ
１１発光部
１２封止部
１３外部リード
２０陰極
２１陰極棒
３０陽極
３１陽極棒

Claims

石英ガラスからなる発光管に陽極と陰極が対向配置して、発光管の中に水銀が２〜１２（ｍｇ/ｃｍ^３）、少なくともアルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）が１〜８気圧封入されたショートアーク水銀ランプにおいて、
前記発光管の肉厚ｔ（ｍｍ）と、当該発光管に含まれるチタン濃度ｎ（ｗｔ・ｐｐｍ）の関係が、
２０≦ｎ×ｔ≦１２０
を満たすとともに、
前記発光管の単位厚さにおいて、室温における波長４００ｎｍの透過率Ｔ _４００を１とし、相対透過率がＴ _４００の１／ｅになるときの波長λ _０（ｎｍ）を、
λ_０＝１６×log_１０(ｎ)+１９０とするとき、
波長２５０ｎｍの相対透過率Ｔ_２５０、

における係数ａが
４０００≦ａ、かつ、０．１≧ｔ×ｅｘｐ｛ａ（１/２５０-１/λ_０）｝
の関係を満たすことを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。