JP4986509B2 - 紫外連続スペクトルランプおよび点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外連続スペクトルランプに関し、特に、放電による水素や重水素からの連続スペクトルの紫外線を放射する産業用のランプに関する。

近年、ガラス基板の洗浄や各種の光化学反応用途に、紫外線を用いる場合が多くなってきている。紫外線源としては、低圧水銀ランプやエキシマランプが用いられるようになってきている。これらのランプは、特定波長付近に強い発光スペクトルを持つ。その特定波長の紫外線によって各種の化学反応を生じさせて、被照射物質を分解し改質させる。低圧水銀ランプにおいては、発光波長が１８５ｎｍと２５４ｎｍに固定されている。エキシマランプにおいては、放電ガスを変えることにより、いくつかの異なる発光波長が得られるものの、任意の波長の紫外線は得られない。また、任意の波長領域（波長幅）の紫外線も得られない。また、広い波長領域での照射などには対応できない。

重水素ランプは、真空紫外から紫外域にかけて連続スペクトルを持つランプとして周知のものである。特に、計測器用途として広く用いられている。例えば、非特許文献１や特許文献１などに開示されているものがある。その構造は次のようなものである。紫外線の光取り出し窓を有する放電容器内に、ピンホールを有する金属製の遮蔽箱を設ける。遮蔽箱は、ピンホール以外では全く隔離された室である。遮蔽箱の内部に陽極を設け、外側に陰極を設ける。点灯時には、ピンホールを通して、陽極と陰極の間で放電が行われ、放電の陽光柱はピンホールで絞られる。放電の狭窄部で、紫外域の連続スペクトルの光を放出する。

特許文献１に開示された「ランプ」は、陽極からの放熱特性が改善された長寿命の重水素ランプである。ガスを充填したガラス製放電容器内に、陰極と陽極が設けられている。電気リードが、放電容器を密封貫通して、陰極と陽極とにそれぞれ接続されている。さらに、ウィンドー遮蔽電極と、陰極遮蔽電極と、集束電極と、セラミック製支持体とを有する。陽極は、セラミック製支持体の背面に取り付けられている。陽極から後方への放熱が、改善されている。特許文献２には、管状のランプの中に直径約１mm程度の発光点を複数持つ産業用の重水素ランプが開示されている。
特開２００１−０１５０７３号公報 特開平０１−１３７５５４号公報 日本分光学会測定法シリーズ、「光源の特性と使い方」（学会出版センター、１９８５年発行）ｐｐ．２３〜３０。

しかし、従来の重水素ランプには、次のような問題がある。紫外連続スペクトル光の発光点が、ピンホールの直径約１ｍｍ程度の狭い領域に限定されているので、各種の光化学反応用の光源としては、紫外線放射光量が不足である。特許文献２の複数の発光点を持つものでも、離散した位置に発光点が配置されているため、得られる放射照度はあまり大きくない。このランプは構造が複雑であり、点灯手順も複雑である。ピンホールを使う限り、放射照度を上げることには限度がある。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、連続スペクトル紫外線を発生する重水素ランプの放射光量を多くして、広い範囲を強い放射照度で照射できるようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明では、紫外連続スペクトルランプを、紫外線を透過する放電容器と、放電を発生させるように電圧を印加するための電極対と、電極対間の放電路を狭めるためのスリットを有する隔壁とを備え、重水素または水素または重水素を含む混合ガスまたは水素を含む混合ガスが放電ガスとして放電容器内に封入されている構成とした。放電容器は管状であり、スリットの長手方向は放電容器の軸方向である。スリットの複数個が、スリットの長手方向に縦に並んでいるか、またはスリットの長手方向に直交する横方向に並んでいるか、またはスリットの長手方向とそれに直交する横方向の両方向に縦横に格子状に並んでいる。電極対のうち少なくとも１つの電極は、誘電体で覆われて放電空間と隔離されている。電極対の一方は、誘電体で覆われて放電空間から隔離されており、電極対の他方は、フィラメントに熱電子放射材を塗布した電極である。

電極対のうち少なくとも１つの電極が放電空間内にある紫外連続スペクトルランプを点灯する点灯装置を、異常グロー放電状態に達した後にアーク放電に移行する前に放電が終了するようなパルス電圧を発生して電極対に印加する手段を備える構成とした。周波数が１ｋＨｚから５００ｋＨｚの点灯電圧を発生して電極対に印加する手段を備える。周波数が５００ｋＨｚから１００ＭＨｚの点灯電圧を発生して電極対に印加して高周波点灯する手段を備える。

上記のように構成したことにより、発光点が連続になり長さ方向に制限がなくなるので、広い範囲にわたって強い放射照度の紫外連続スペクトル光が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施例１は、２つの電極をそれぞれ誘電体で覆って放電空間から隔離し、放電路を絞るためのスリットを有する隔壁を電極間に設け、放電容器内に重水素ガスを封入し、誘電体バリア放電により連続スペクトルの紫外線を発生する紫外連続スペクトルランプである。

図１（ａ）は、本発明の実施例１における紫外連続スペクトルランプの斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の管軸方向の断面を示す図であり、図１（ｃ）のＡＯＢ断面図である。図１（ｃ）は、管軸と直角方向の断面を示す図である。図１において、放電容器１は、円筒状をした合成石英製の容器である。必ずしも円筒状でなくても、円筒類似の形状であればよい。遮蔽箱２は、ニッケルの薄板でできた箱であり、一方の電極を他の電極と隔離する手段である。遮蔽箱２の放電容器中心側は、モリブデンの厚板の隔壁３が溶接されて一体となっている。厚板の隔壁３は、タングステンなどの耐熱性金属であれば、他の材質であっても良い。厚板の隔壁３は、厚さ約２mmである。スリット４は、放電路を絞って狭窄部を形成する細長い開口部である。隔壁３の中心に、スリット４が開いている。長方形のスリット４は、幅は１ｍｍで長さは３００ｍｍである。

石英管５、６は、細い石英管で、放電容器１の一部分であり、放電容器１の底面から放電容器１の内部に向かって延びている。放電容器１の内側と２つの細い石英管５、６の外側で気密容器（放電空間）になっている。片方の細い石英管５は、完全に遮蔽箱２の内側に囲まれるよう配置されている。細い石英管５、６の内側は放電空間の外側になり、そこには、電極７、８が挿入されている。電極７、８は、細い石英管５、６の内側に密接している。細い石英管５、６に金属の撚り線を挿入して電極７、８とする。細い石英管５、６の内面と電極７、８の間には、導電性充填材が充填されている。放電容器１内には、重水素ガスが数ｋＰａ程度封入されている。

上記のように構成された本発明の実施例１における紫外連続スペクトルランプの機能と動作を説明する。電極７、８間に、数ｋＨｚの高電圧の正弦波を印加する。その結果、電極７、８間に、重水素の誘電体バリア放電が発生する。電極７は遮蔽箱２の内側にあり、電極８は遮蔽箱２の外側にある。遮蔽箱２は、スリット４を除いて密閉されているので、必ずスリット４を通って放電する。誘電体バリア放電の性質から、電極面上で放電が局在することはなく、電極面全体に広がって放電が起きる。そのために、長い電極であっても放電が一部分に集中することはなく、電極全域にわたってほぼ均一な放電が生じる。

したがって、スリット４の全体において一様に絞られた放電となり、スリット４の放電狭窄部で電流密度が高くなり、連続スペクトルの紫外線を発生する。その結果、軸方向に長いスリット４の広い範囲で、重水素の誘電体バリア放電による強い紫外線が得られる。ここで紫外線とは、真空紫外領域（約２００ｎｍ〜１０ｎｍの波長領域）を含む約４００ｎｍ〜１０ｎｍの波長領域の光線のことである。電極７、８間に、正弦波高電圧でなくて矩形波交流高電圧を印加して放電させてもよい。

放電ガスとしては、重水素のみならず、水素でもよく、重水素または水素と希ガスとの混合ガスであってもよい。長寿命のランプとするために、電極８の周辺の内、スリット４と反対側の放電容器１の内壁側は、放電路を遮らない範囲で、ニッケルなどの薄板で囲ってもよい。こうすることによって、薄板の内側の表面で、放電中で生じた水素原子や水素イオンの再結合を促して水素分子に戻し、よって放電容器からの水素の消失を少なくすることができる。

本発明の実施例１では上記のように構成したので、広い範囲にわたって紫外連続スペクトル光の放射照度を高くできる。

本発明の実施例２は、２つの電極をそれぞれ誘電体で覆って放電空間から隔離し、放電路を絞るための２つのスリットを、放電路が順に通るように設け、放電容器内に重水素ガスを封入し、誘電体バリア放電により連続スペクトルの紫外線を発生する紫外連続スペクトルランプである。

図２（ａ）は、本発明の実施例２における紫外連続スペクトルランプの全体斜視図である。図２（ｂ）は、軸と直角方向の断面図である。図２において、スリット１５、１６は、放電路を絞って狭窄部を形成するところである。石英管１１、１２は、細い石英管である。実施例１と同様に、合成石英製の放電容器１の底部から、細い石英管１１、１２が、放電容器１の内部に向かって延びている。その内側に、電極１３、１４が設けられている。遮蔽箱２は、電極を隔離する手段であり、内部は仕切り板１７により２つに仕切られている。２組の細い石英管１１、１２と電極１３、１４は、遮蔽箱２の２つの部屋の内部にそれぞれ入っている。遮蔽箱２の一部を成す隔壁３に設けられたスリット１５、１６は、それぞれの部屋ごとに、遮蔽箱２の外部に向かう位置に設けられている。すなわち、放電路が順に通るように、スリットは平行して２本設けられている。その他の同じ番号が付されているものは実施例１と同じである。

上記のように構成された本発明の実施例２における紫外連続スペクトルランプの機能と動作を説明する。放電路は、一方の電極から、その部屋に設けられたスリットを通って、一旦外部に出る。さらに、他のスリットを通り、他方の電極に達する。実施例１と同様に、電極全体で誘電体バリア放電が発生し、スリット全体で紫外連続スペクトル光が発生する。電流密度の高くなるスリットを２回通過するので、スリット１本の場合と比べて、より高い放射照度が得られる。

放電ガスとしては、重水素のみならず、水素でもよく、重水素または水素と希ガスとの混合ガスであってもよい。また、スリットを途中で区切って複数のスリットの縦列にしてもよい。こうすることによって、狭窄部での熱によってスリットが変形するのを防ぐことができる。

本発明の実施例２では上記のように構成したので、広い範囲にわたって紫外連続スペクトル光の放射照度を高くできる。

本発明の実施例３は、断面がコの字状の２つの電極の一方を遮蔽箱で隔離し、スリットを有する隔壁を電極対の間に設け、放電容器内に重水素ガスを封入し、異常グロー放電状態に達した後でアーク放電に移行する前にパルス放電が終了するように、電極対にパルス電圧を印加する紫外連続スペクトルランプである。

図３（ａ）は、本発明の実施例３における紫外連続スペクトルランプの全体斜視図である。図３（ｂ）は、軸と直角方向の断面図である。図３（ｃ）は、点灯時に印加する電圧波形の図である。図３において、電極２１、２２は、断面がコの字状の凹型をした金属線でできている電極である。放電容器１の一部分であるステム２０の部分で、電流導入線２１'、２２'が封止されており、放電容器１内と電気的に接続されている。遮蔽箱２の内部の電極２１と外部の電極２２は、ともにステム部分の電流導入線２１'、２２'に接続されている。なお、この場合、ステム２０と遮蔽箱２までの間で放電が起こらないように、電極２１は、遮蔽箱２と同様な囲い２３で覆われている。その他の同じ番号が付されているものは実施例１、２と同じである。

上記のように構成された本発明の実施例３における紫外連続スペクトルランプの機能と動作を説明する。図３（ｃ）に示す波形の電圧を電極２１、２２に印加して、交流のパルス点灯を行う。パルスの立ち上がりにより放電が開始する。最初、微小な暗放電から始まった後、グロー放電となる。グロー放電では、陰極降下電圧および陰極前面の電流密度が一定で電流が増加する。コの字状の断面を持っているために、中空陰極効果が生じ、コの字の内部からグロー放電が発生する。グロー放電の進展で電流が増加し、陰極面の放電している面積が増加し、ついにコの字内部の端から端まで電極全長にわたって放電が覆う。その後、異常グロー放電に遷移して、陰極降下電圧と電流密度ともに増加する。そのままでは、さらにアーク放電に遷移するが、電極全長にわたって放電が覆った後、アーク放電に遷移する前に放電が終了するように、パルス電圧とパルス幅を設定する。

このようにパルス幅を適切に設定することにより、安定して、パルスごとに電極全体に広がった放電を発生することができる。その結果、隔壁３のスリット４全体に広がった放電路が形成される。放電路は、スリット４で絞られて狭窄部となって電流密度が高くなっており、スリット４全体にわたって広い範囲で強い紫外連続スペクトル光が放射される。なお、電極断面がコの字状になっているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、平板状でもＶ字状でも、同様に機能する形状のものであればよい。異常グロー放電で電極全面を放電が覆ったあと、アーク放電に移行する前に放電を終了するようなパルスを、点灯装置の電源回路で発生する構成となっていることが必要である。

放電ガスとしては、重水素のみならず、水素でもよく、重水素または水素と希ガスとの混合ガスであってもよい。また、長寿命のランプとするために、遮蔽箱２の一部を下側に伸ばして、遮蔽箱２の外側の電極２２を、放電路を塞がない範囲で覆うのがよい。こうすることによって、遮蔽箱の内側の表面で、放電中で生じた水素原子や水素イオンの再結合を促して水素分子に戻し、よって放電容器１からの水素の消失を少なくすることができる。また、スリット４を途中で区切って複数のスリットの縦列にしてもよい。こうすることによって、狭窄部の熱によってスリット４が変形するのを防ぐことができる。

本発明の実施例３では上記のように構成したので、広い範囲にわたって紫外連続スペクトル光の放射照度を高くできる。パルス幅を固定して点灯しても良いし、ランプ電流をモニターしながら、異常グロー放電の電流値領域に入った後、アーク放電の電流値に入る前の特定の電流値を検出すると同時に電圧(電流)を切って放電を停止するように構成しても良い。

本発明の実施例４は、一方の電極を誘電体で覆って放電空間から隔離し、他方の電極をフィラメントに熱電子放射材を塗布した電極とし、スリットを有する隔壁を電極対の間に設け、放電容器内に重水素ガスを封入した紫外連続スペクトルランプである。

図４（ａ）は、本発明の実施例４における紫外連続スペクトルランプの全体斜視図である。図４（ｂ）は、軸と直角方向の断面図である。図４において、熱電子放出型電極３４ａ〜３４ｆは、２本のリード線に両端を接続したフィラメント(細いタングステン線をコイル状に巻いたもの)で、熱電子放射物質が塗布されている電極である。細い石英管３０は、合成石英製の放電容器１の底部から放電容器１の内部に延びており、その内側に電極３３が設置されている。細い石英管３０および電極３３は、遮蔽箱２内に設置されている。ステム１０と遮蔽箱２の間で放電が起こらないよう、囲い３５で絶縁されている。

遮蔽箱２内に設置された電極３３は、発光部全体の長さを有し、誘電体（細い石英管３０）で覆われているので、誘電体バリア放電の電極として作用する。一方、遮蔽箱２の外側には、ニッケル製のリード線３１、３２が平行に設置されている。リード線３１、３２は、ステム１０の部分で電流導入線３１'、３２'に接続されている。リード線３１、３２には、複数の熱陰極型の電極３４ａ〜３４ｆが設置されている。放電を狭窄するためのスリット４ａ〜４ｆは、各熱陰極型の電極に対応してそれぞれに１つのスリットが構成されている。その他の同じ番号が付されているものは実施例１、２と同じである。

上記のように構成された本発明の実施例４における紫外連続スペクトルランプの機能と動作を説明する。２本のリード線３１、３２の間に数Ｖの電圧を印加して、熱電子放射物質が適当な温度になるように加熱する。放電のための高電圧の正弦波または矩形波電圧を、熱陰極側のいずれかの導入線と電極３３の間に印加する。放電は、熱電子放出型電極３４ａ〜３４ｆと、共通の他方の電極３３との間で生じる。熱電子放出型電極３４ａ〜３４ｆでは、それぞれの電極の比較的小さな領域に電流が集中するので、そこから他方の電極３３に向かって扇形の放電路が形成される。片側の電極に熱電子放出型電極を用いているので、放電に必要な印加電圧を低くすることができ、消費電力を少なくできる。その結果、簡単な電源で済み、効率のよいランプが実現できる。

放電ガスとしては、重水素のみならず、水素でもよく、重水素または水素と希ガスとの混合ガスであってもよい。また、長寿命のランプとするために、遮蔽箱２の一部を下側に伸ばして、遮蔽箱２の外側の電極３４ａ〜３４ｆを、放電路を塞がない範囲で覆うのがよい。こうすることによって、遮蔽箱２を下側に延ばした部分の内側の表面で、放電中で生じた水素原子や水素イオンの再結合を促して水素分子に戻し、よって放電容器１からの水素の消失を少なくすることができる。

本発明の実施例４では上記のように構成したので、広い範囲にわたって紫外連続スペクトル光の放射照度を高くできる。

本発明の実施例５は、スリットを有する隔壁を電極対の間に設け、放電容器内に重水素ガスを封入し、５００ｋＨｚから１００ＭＨｚの高周波電圧を電極対に印加する紫外連続スペクトルランプである。

本発明の実施例５における紫外連続スペクトルランプの基本的な構成は、実施例１〜３と同じである。５００ｋＨｚ以上の高周波電流で放電を行う点が異なる。高周波放電の場合、遮蔽箱２やスリット４を形成する材料としては、高融点セラミックを用いる。高融点セラミックとしては、アルミナ、窒化ボロンなどがある。電極間には、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を印加する。その結果、電極間には高周波放電が生じる。この時、電極間に生じる放電は、電極に印加する高周波電圧により電極間に生じる高周波電界強度に依存する。これは、電極が平行に設置されているので、場所によらず一定であり、軸方向に均一な、グロー放電の陽光柱と同様な高周波放電が生じる。放電路は、スリット４によって絞られるので、この狭窄部で高い電流密度のプラズマとなる。したがって、実施例１〜３と同様に、広い照射範囲で強い紫外連続スペクトル光が得られる。

本発明の実施例５では上記のように構成したので、広い範囲にわたって紫外連続スペクトル光の放射照度を高くできる。

本発明の紫外連続スペクトルランプは、連続スペクトルの紫外線を高い照度で放射する産業用のランプとして最適である。

本発明の実施例１における紫外連続スペクトルランプの概念図である。 本発明の実施例２における紫外連続スペクトルランプの概念図である。 本発明の実施例３における紫外連続スペクトルランプの概念図である。 本発明の実施例４における紫外連続スペクトルランプの概念図である。

符号の説明

１ 合成石英製の放電容器
２ 遮蔽箱
３ 耐熱性の隔壁（遮蔽箱の一部分）
４,１５,１６,４ａ〜４ｆ スリット
５,６,１１,１２,３０ 細い石英管（放電容器の一部分）
７,８,１３,１４,３３ 電極
１０,２０ ステム
１７ 仕切り板
２１,２２ コの字断面の電極
２３,３５ 囲い
２１',２２',３１',３２' 電流導入線
３１,３２ リード線
３４ａ〜３４ｆ 熱電子放出型電極

Claims (4)

1. 紫外線を透過する放電容器と、放電を発生させるように電圧を印加するための電極対と、上記電極対のそれぞれを隔離し、上記電極対間の放電路を狭めるためのスリットを有する隔壁とを備え、上記スリットは上記放電路が順に通るように、上記スリットの長手方向に直交する横方向に並んで２本設け、上記放電容器内には重水素または水素または重水素を含む混合ガスまたは水素を含む混合ガスが放電ガスとして封入されていることを特徴とする紫外連続スペクトルランプ。
2. 紫外線を透過する放電容器と、放電を発生させるように電圧を印加するための電極対と、上記電極対の一方を隔離し、上記電極対間の放電路を狭めるためのスリットを有する隔壁とを備え、上記電極対の一方は誘電体で覆われ、上記電極対の他方は、２本のリード線に両端を接続した複数のフィラメントからなり、上記スリットは、上記放電路がそれぞれ通るように、上記フィラメントにそれぞれに対応して上記スリットの長手方向に縦に並んで複数個設け、上記放電容器内には重水素または水素または重水素を含む混合ガスまたは水素を含む混合ガスが放電ガスとして封入されていることを特徴とする紫外連続スペクトルランプ。
3. 請求項１または２に記載の紫外連続スペクトルランプを点灯する点灯装置において、周波数が１ｋＨｚから５００ｋＨｚの点灯電圧を発生して上記電極対に印加する手段を備えることを特徴とする点灯装置。
4. 請求項１に記載の紫外連続スペクトルランプを点灯する点灯装置において、周波数が５００ｋＨｚから１００ＭＨｚの点灯電圧を発生して上記電極対に印加し高周波点灯する手段を備えることを特徴とする点灯装置。

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