JP5010415B2 - Antenna-excited gas discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、放電容器内に突出させたアンテナ部材からプラズマを発生させ、該プラズマにより放電容器内の放電ガスを励起してエキシマを効率よく生成するアンテナ励起型ガス放電灯に関するものである。 The present invention relates to an antenna-excited gas discharge lamp that generates plasma from an antenna member protruding into a discharge vessel and excites a discharge gas in the discharge vessel by the plasma to efficiently generate excimer.
一般に、200nm以下の波長をもつVUV光(真空紫外線)は光エネルギーが大きく、材料表面の改質、洗浄、あるいは水処理等、産業に利用すべく注目されている。 In general, VUV light (vacuum ultraviolet light) having a wavelength of 200 nm or less has a large light energy, and is attracting attention for use in industries such as material surface modification, cleaning, or water treatment.
ところで、従来におけるVUV発光用のガス放電灯として、誘電体バリア放電型ガス放電灯があった。即ち、ガラスあるいはセラミックス等の誘電体からなる放電容器内にキセノン、アルゴン、等の放電ガス(不活性ガス)を充填し、前記放電容器の外面に一対の電極を放電容器に沿って延長配置し、各電極間に交流電圧を印加して前記放電容器内の放電ガスを励起し、該放電ガスからエキシマ分子を生成し、該エキシマ分子によってVUV光を得るようにしたものがあった。 By the way, as a conventional gas discharge lamp for VUV emission, there has been a dielectric barrier discharge type gas discharge lamp. That is, a discharge vessel made of a dielectric material such as glass or ceramics is filled with a discharge gas (inert gas) such as xenon or argon, and a pair of electrodes are extended along the discharge vessel on the outer surface of the discharge vessel. There is one in which an alternating voltage is applied between the electrodes to excite the discharge gas in the discharge vessel, excimer molecules are generated from the discharge gas, and VUV light is obtained by the excimer molecules.
前記従来のものは、電極間に交流電圧を印加して放電ガスを励起するようにしていたので、電極が加熱して放電容器内の放電ガスが加熱され易く、放電ガスの電子温度が昇温してエキシマ分子が発生し難くなるものであった。また、一対の電極を放電容器の外面に沿って延長させるようにしていたので、構造が複雑になるとともに、VUV光が拡散するため、該VUV光を対象物に局所的に照射させることができず、使用範囲が限定されるものであった。また、電極間に数kv〜10数kvの高電圧を必要とし、絶縁対策等、電気回路が複雑になって高価になるとともに、装置が大型になるものであった。
本発明は、構造簡素にしてVUV光の発光効率が高くなるアンテナ励起型ガス放電灯を得るようにしたものである。 The present invention provides an antenna-excited gas discharge lamp having a simple structure and high luminous efficiency of VUV light.
請求項1に係る発明は、放電ガスが充填される中空の放電容器内にアンテナ部材を突出させ、該アンテナ部材の突出部から前記放電容器内にマイクロ波パルスを放出させるマイクロ波発振装置を設け、前記放電容器内に充填される放電ガスはキセノンを主体とするエキシマガスであり、マイクロ波の出力を、前記放電容器内に生成されるエキシマプラズマの電子温度が1eV〜2eVとなるようにマイクロ波パルスの周波数、及びデュ−ティ比を制御するパルス出力設定部を設けたものである。
請求項2に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体として充填するとともに、該キセノンガスを、該キセノンガスが共鳴発光する26.6kPa以下の圧力で放電容器内に充填したものである。
請求項3に係る発明は、前記前記放電容器内にキセノンガスを主体として充填するとともに、該キセノンガスを、該キセノンガスがエキシマ発光する約500kPa以上の圧力で放電容器内に充填したものである。
請求項4に係る発明は、放電容器の一端部に、第1アンテナ部材、及び第2アンテナ部材を鉛直方向に間隔をおいて並列に配置するとともに、該第1、第2アンテナ部材を放電容器の一端部から該放電容器内に突出させ、第1、第2アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて互いに接近する上下方向に屈曲させ、該屈曲した端部同士間の間隔を、放電ガスを放電可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙としたものである。
請求項5に係る発明は、前記放電容器の一端部と他端部とに、第1アンテナ部材と第2アンテナ部材とを鉛直方向に変位させて平行に配置するとともに、該第1、第2アンテナ部材を放電容器の両端部から該放電容器内に突出させ、第1、第2アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて、放電ガスの放電を可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙となる如く上下方向に変位させたものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a microwave oscillation device for projecting an antenna member into a hollow discharge container filled with a discharge gas and emitting a microwave pulse into the discharge container from the projecting portion of the antenna member. The discharge gas filled in the discharge vessel is an excimer gas mainly composed of xenon, and the microwave output is microscopic so that the electron temperature of the excimer plasma generated in the discharge vessel is 1 eV to 2 eV. A pulse output setting unit for controlling the frequency of the wave pulse and the duty ratio is provided.
According to a second aspect of the present invention, the discharge vessel is filled mainly with xenon gas, and the xenon gas is filled into the discharge vessel at a pressure of 26.6 kPa or less at which the xenon gas emits resonance. .
According to a third aspect of the present invention, the discharge vessel is filled mainly with xenon gas, and the xenon gas is filled in the discharge vessel at a pressure of about 500 kPa or more at which the xenon gas emits excimer light. .
According to a fourth aspect of the present invention, the first antenna member and the second antenna member are arranged in parallel at a distance in the vertical direction at one end of the discharge vessel, and the first and second antenna members are arranged in the discharge vessel. Projecting into the discharge vessel from one end , and bending the projecting ends of the first and second antenna members in the vertical direction approaching each other in the discharge vessel, and the interval between the bent ends is It is a gap that can excite a strong microwave electric field that allows gas to be discharged .
According to a fifth aspect of the present invention, the first antenna member and the second antenna member are displaced in the vertical direction and arranged in parallel at one end and the other end of the discharge vessel. The antenna member is protruded from both ends of the discharge vessel into the discharge vessel, and the protruding end portions of the first and second antenna members are excited in the discharge vessel to excite a strong microwave electric field that enables discharge of the discharge gas. It is displaced in the vertical direction so that a gap can be formed .
請求項1に係る発明は、放電容器内に突出したアンテナ部材からマイクロ波が発せられるので小型かつ構造簡素にして放電容器内の放電ガスが効率良く励起されるとともに、点光源化したエキシマが生成されることになる。また、アンテナ部材から発するマイクロ波を出力制御の容易なマイクロ波パルスとし、該マイクロ波パルスの出力をパルス出力設定部により、前記放電ガスがエキシマの生成に適した電子温度に容易に対応させることができ、放電ガスからエキシマが効率良く生成されることになる。また、前記放電ガスをキセノンガスを主体とし、マイクロ波パルスは、前記キセノンガスの電子温度が1eV〜2eVとなるパルス周波数、及びデュ−ティ比としたので、キセノンガスからキセノンエキシマが効率良く生成されることになる。
請求項2に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体とする放電ガスを26.6kPa以下の圧力で充填したので、波長147nmのキセノン共鳴線を安定して得ることができる。
請求項3に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体とする放電ガスを約500kPa以上の圧力で充填したので、波長172nmのキセノンエキシマの発光を安定して得ることができる。
請求項4に係る発明は、第1、第2アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて上下方向に変位させたので、両者間で発生するプラズマ柱が上下(重力)方向の紡錘状となり、発光時に放電容器1内で上下に対流する放電ガスに左右され難くなる。このため、エキシマが点光源化することになる。
請求項5に係る発明は、第1、第2アンテナ部材を放電容器の一端部から該放電容器内に突出させたので、放電管の他端側に放射光の遮蔽物がなくなる。このため、放射光を有効に活用することができる。
In the invention according to
In the invention according to
In the invention according to
In the invention according to
In the invention according to
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。図面において、図1は本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第1実施例を示す断面図、図2は本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第2実施例を示す断面図、図3はキセノンガス圧と発光スペクトルとの関係を示す発光スペクトル特性図、図4はキセノンガス圧に対する147nm、172nmの発光強度の特性を示す発光強度特性図、図5はキセノン励起原子の生成効率とキセノンの電子温度との関係を示す特性図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of an antenna-excited gas discharge lamp according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of an antenna-excited gas discharge lamp according to the present invention, and FIG. FIG. 4 is an emission spectrum characteristic diagram showing the relationship between the xenon gas pressure and the emission spectrum, FIG. 4 is an emission intensity characteristic graph showing the emission intensity characteristics of 147 nm and 172 nm with respect to the xenon gas pressure, and FIG. It is a characteristic view which shows the relationship with electron temperature.
図1において、1はマイクロ波発振装置であり、マイクロ波パルスを発振する固体マイクロ波発振器2及びパルス出力設定部3を有する。パルス出力設定部3は、固体マイクロ波発振器2から発振されるマイクロ波パルスを所望のパルス周波数及びデュ−ティ比に変調し、同軸ケーブル4を介して同軸導波管(ラーンチャ)5に導かれ、放電灯10に供給される。
In FIG. 1,
前記同軸導波管5は、導体性資材、本例では銅により形成され、円筒状の外部導体6内に同じく円筒状の内部導体7が所定の間隙を保持して同軸に嵌合され、該同軸導波管5の特性インピーダンスは、固体マイクロ波発振器2、及びパルス出力設定部3が有する特性インピーダンスと等しくなるように設定、本例では50Ωに設定されている。8は外部導体6と内部導体7とを同軸に保持する絶縁体であり、石英ガラス、アルミナ、ポリエチレン等の低い誘電体損失を有する絶縁資材により形成されている。
The
10は前記同軸導波管5の端部に取付けられる第1実施例の放電灯である。該放電灯10は、透光性資材、本例では石英ガラスにより中空の球状に形成された放電容器11内に、第1アンテナ部材12、及び第2アンテナ部材13の先端部を突出させ、前記放電容器11内にキセノンガスを26.6kPa(200Torr)以下、例えば2.66kPa(20Torr)、または約500kPa以上(約5気圧以上)の圧力で充填する。この場合、約0.1%のアルゴンガスを封入してペニング効果を高めるようにするとよい。
前記第1、第2アンテナ部材12,13は、導体性の帯板(ストリップライン)、例えばタングステン、モリブデン等の耐熱性資材、あるいは放電ガスに対して耐腐食性を有する白金、金等からなり、図1に示すように、左右水平方向に延出させるとともに、上下に間隔をおいて並列に配置し、両者を保持体14を介して放電容器11に一体的に固定し、その先端部12a,13aを放電容器11内で保持体14から露出させ、該突出端部を放電容器11の中心部にて互いに接近する上下方向に屈曲させるとともに、該屈曲した端部間の間隙、つまりギャップG1は放電に適した値、本例では1mm〜3mmに設定する。前記第1アンテナ部材12、及び第2アンテナ部材13の基部(後部)は保持体14を介して前記同軸導波管5の内部導体7に嵌合固定する。なお、前記先端部12a,13aは保持体14内に埋め込むようにしてもよい。
The first and
図2は第2実施例の放電灯を示す。図2において、10−1は前記同軸導波管5の端部に取付けられる放電灯である。該放電灯10−1は、石英ガラス等の透光性資材により楕円中空状に形成された放電容器11−1の長軸側両端部に第1、第2アンテナ部材12−1,13−1を取付ける。各第1、第2アンテナ部材12−1,13−1は、前述した第1、第2アンテナ部材12,13と同様の導体性資材によりピン状に形成され、先端部12−1a,13−1aを残す後部側が保持体14−1a,14−1b内に埋設され、該保持体14−1a,14−1bを介して前記放電容器11−1の長軸側両端部に固定され、第1アンテナ部材12−1の基部(後部)は保持体14−1aを介して前記同軸導波管5の内部導体7に嵌合固定する。
FIG. 2 shows a discharge lamp of the second embodiment. In FIG. 2, reference numeral 10-1 denotes a discharge lamp attached to the end of the
前記第1、第2アンテナ部材12−1,13−1は、図2に示すように、鉛直方向に変位させて平行に配置するとともに、その先端部(突出端部)12−1a,13−1aを放電容器11−1内に突出させる。各先端部12−1a,13−1aの突出端は放電容器11−1の長軸方向中心部に延出させ、この部で上下方向のギャップ(間隙)G2を形成する。該ギャップG2は放電に適した値にする。その他は前述した第1実施例と略同様の構造となっている。 As shown in FIG. 2, the first and second antenna members 12-1 and 13-1 are displaced in the vertical direction and arranged in parallel, and their tip portions (projecting end portions) 12-1 a and 13-. 1a is protruded into the discharge vessel 11-1. The protruding ends of the tip portions 12-1a and 13-1a extend to the central portion in the major axis direction of the discharge vessel 11-1, and a vertical gap (gap) G2 is formed at this portion. The gap G2 is set to a value suitable for discharge. The other structure is substantially the same as that of the first embodiment.
ここで、誘電体バリア放電によるキセノンガスの物性を確認すると、図3〜図5に示すようになっている。即ち、図3によると、200Torr(26.6kPa)〜1000Torr(133kPa)において、波長147nm、及び波長172nmにエキシマ光のピークが存在している。また、図4によると、低い気圧では波長147nmのキセノン共鳴光が支配的であるが、圧力が高くなると波長172nmのキセノンエキシマ光が支配的となっている。 Here, when the physical property of the xenon gas by the dielectric barrier discharge is confirmed, it is as shown in FIGS. That is, according to FIG. 3, excimer light peaks exist at wavelengths of 147 nm and 172 nm at 200 Torr (26.6 kPa) to 1000 Torr (133 kPa). Further, according to FIG. 4, xenon resonance light having a wavelength of 147 nm is dominant at a low pressure, but xenon excimer light having a wavelength of 172 nm is dominant when the pressure is increased.
また、キセノンガスが励起されると、電子の衝突により、励起原子Xe*やキセノンエキシマXe2 * が生成され、147nmあるいは172nmのVUV発光が得られる。この場合、図5によると、キセノンガスの電子温度が1eV〜2eVにおいては、前記励起原子Xe*やキセノンエキシマXe2 * の生成効率が高く、VUVが効率よく発光し、前記電子温度が2eVよりも高くなるに従ってXe+の生成が増え、VUVの発光が低下することになる。 When xenon gas is excited, excited atoms Xe * and xenon excimer Xe 2 * are generated by electron collision, and VUV emission of 147 nm or 172 nm is obtained. In this case, according to FIG. 5, when the electron temperature of the xenon gas is 1 eV to 2 eV, the generation efficiency of the excited atom Xe * and the xenon excimer Xe 2 * is high, VUV emits light efficiently, and the electron temperature is higher than 2 eV. As the value increases, the production of Xe + increases and the emission of VUV decreases.
前記キセノンガスの電子温度は、アンテナ部材12(12−1)から放射されるマイクロ波の出力(電力)によって大きく左右され、該出力をキセノンガスの電子温度が1eV〜2eVとなるように制御(小さく)する必要がある。これは連続のマイクロ波では制御装置が複雑になるとともに、微細な制御が困難となる。そこで、本発明は、固体マイクロ波発振器2から発振されるマイクロ波をパルス化し、該パルス化したマイクロ波パルスをパルス出力設定部3でパルス周波数、デュ−ティ比、パルス高、等を制御することにより、アンテナ部材12(12−1)から放射されるマイクロ波パルスの出力をキセノンガスの電子温度が1eV〜2eVとなるようにして非熱平衡プラズマを生成する。
The electron temperature of the xenon gas is greatly influenced by the output (electric power) of the microwave radiated from the antenna member 12 (12-1), and the output is controlled so that the electron temperature of the xenon gas is 1 eV to 2 eV ( Need to be small). This is because the control device becomes complicated with continuous microwaves, and fine control becomes difficult. Therefore, the present invention pulsates the microwave oscillated from the solid-
本例では、前記パルス出力設定部3により、パルス周波数5〜10KHz、デュ−ティ比50〜75%の範囲で制御し、アンテナ部材12(12−1)により5〜50Wのマイクロ波パルスで点灯することにより、キセノンガス圧約2.66kPa(20Torr)、または約1000〜1500kPa(10〜15気圧)において、前記電子温度が1eV〜2eVとなるようにし、これによりキセノンガス圧約2.66kPaにおいて波長147nmのキセノン共鳴光が、また、キセノンガス圧約1000〜1500kPaにおいて波長172nmのキセノンエキシマ光が効率よく発光できるようにする。
In this example, the pulse
1 マイクロ波発生装置
2 固体マイクロ波発振器
3 パルス出力設定部
4 同軸ケーブル
5 同軸導波管(ラーンチャ)
6 外部導体
7 内部導体
8 絶縁体
10(10−1) 放電灯
11(11−1) 放電容器
12(12−1) 第1アンテナ部材
13(13−1) 第2アンテナ部材
12a,13a 先端部(突出端部)
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