JP5365826B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
これらの放電ランプにおける放電容器は、例えば真空紫外光に対する光透過性を有する合成石英ガラスにより形成されている。
また、特許文献2の特開2005−310455号公報には、波長200nm以下の発光スペクトルを有する紫外線ランプの発光容器を形成する材料として、波長165nmにおける分光透過率が65%以上であり、フッ素濃度が200〜10000wt.ppmであり、OH基の含有量が10wt.ppm以下である合成石英ガラスを利用することが記載されている。
さらには、特許文献3の特開2001−019450号公報には、フッ素濃度が100ppm以上であると共に、OH基の含有量が100ppm以下であり、さらに仮想温度が1100℃以下である合成石英ガラスが開示されていると共に、紫外域から真空紫外域までの光を放射する、例えば低圧水銀ランプ、エキシマランプ、重水素ランプなどの封入管の形成材料としての利用可能性が示されている。
すなわち、例えばキセノンエキシマランプを例に挙げて説明すると、キセノンエキシマランプにおける放電容器の内部では、キセノンのエキシマ放射として波長145nm〜160nmという合成石英ガラスにおける紫外吸収端の光も放射されており、この紫外吸収端付近の光が放電容器を形成する合成石英ガラスに吸収されることにより放電容器の温度が上昇する結果、合成石英ガラスにおける紫外吸収端が長波長側にシフトし、これにより、キセノンのエキシマ放射が合成石英ガラスに吸収される程度が更に増加して放電容器の温度が更に上昇する、という悪循環が生じ、合成石英ガラスの真空紫外光透過特性が低下(劣化)する。
そして、真空紫外光透過特性が低下(劣化)することによって、放電容器の内部で放射された真空紫外光が放電容器を形成する合成石英ガラスに吸収される割合が増加し、紫外光歪の蓄積が増大し、破壊に至るまでの時間(ランプ寿命)が短くなる、という問題がある。
また、短波長域の真空紫外光の透過率が低下すること自体も、大きな問題であった。
このような問題は、キセノンエキシマランプに限らず、真空紫外光を含む光を放射する放電ランプにおいても同様に生ずる。
前記放電容器の少なくとも一部が、フッ素の含有量が7000wt.ppm以上30000wt.ppm以下であり、かつ、仮想温度Tfが750℃以上1000℃以下であり、OH基の含有量が10wt.ppm以上30wt.ppm以下である合成石英ガラスからなることを特徴とする。
しかも、特定の合成石英ガラスが紫外吸収端が短波長側にシフトされたものであることにより、放電容器の内部で放射される波長190nm以下の真空紫外光が、放電容器を形成する特定の合成石英ガラスによって吸収される割合が低減されるので、真空紫外光の放射による特定の合成石英ガラスに対するダメージ特に紫外光歪が蓄積されることを確実に抑制することができる結果、耐紫外光特性(紫外線耐久性)が高く、十分に長いランプ寿命を有するものとして構成することができる。
このキセノンエキシマランプ(以下、単に「エキシマランプ」ともいう。)10は、合成石英ガラスよりなる円筒状の外側管12と、この外側管12内においてその管軸と同軸上に配置された、当該外側管12の内径より小さい外径を有する、合成石英ガラスよりなる円筒状の内側管13とを有し、外側管12と内側管13とが両端部において溶融接合されて外側管12と内側管13との間に気密に閉塞された環状の放電空間Sが形成されてなる二重管構造の放電容器11を備えており、例えば金網などの導電性材料よりなる網状の外部電極15が外側管12の外周面に密接して設けられていると共に例えばアルミニウム板よりなる内部電極16が内側管13の内周面に密接して設けられている。そして、放電空間S内には、エキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスであるキセノンガスが充填されている。
このエキシマランプ10においては、例えば、適正な大きさに制御された高周波電圧が高周波電源(図示せず)によって外部電極15と内部電極16との間に印加されることにより、放電空間S内においてエキシマ放電が生じ、このエキシマ放電によってキセノンガス(放電用ガス)に由来するエキシマ分子が形成され、放電容器11の内部で、波長190nm以下の真空紫外光を含む光が放射される。
上記(1)および(2)の2つの条件を満足する特定の合成石英ガラスは、真空紫外域における紫外吸収端が短波長側にシフトされて真空紫外域の紫外光透過特性に優れたものとなり、当該特定の合成石英ガラスからなる放電容器11を具えたエキシマランプ10は、真空紫外光を高い放射強度で放射することができると共に、長いランプ寿命を有するものとなる。
また、フッ素含有量が30000wt.ppmを超える場合には、放電空間の内部にフッ素が析出するようになり、エキシマランプを所定の状態で動作させるために更に大きなランプ電圧、ランプ入力が必要となることに伴って放電容器11の温度が上昇し、紫外吸収端が長波長側にシフトして真空紫外光の放射強度が低下すると共に、真空紫外光の放射による紫外光歪が蓄積されやすく、ランプ寿命が短くなる。
すなわち、先ず、例えばランプ作製時と同一のガラス管の一部に対してランプと同様の熱処理を行い、互いに異なる複数箇所から、各々15mm角程度の大きさのサンプルを切り出す。
次いで、各々のサンプルについての赤外透過スペクトルを、例えば赤外分光装置「Magna760」(Nicoket社製)を用いて、透過法により、波数2000〜4000cm-1の範囲を、分解能2cm-1、波数間隔0.0625cm-1、32回積算で測定する。
これにより得られた赤外透過スペクトルデータにおける、波数2260cm-1の吸収帯におけるピーク波数を求め、各々のサンプルについてのピーク波数の平均値を、当該エキシマランプにおけるピーク波数A〔cm-1〕として、次式より算出されるものである。
一般に、OH基の作用として、紫外光歪の成長緩和効果および紫外光歪の助長効果が確認されているが、OH基の含有量が30wt.ppm以下であることにより、紫外光歪の成長緩和効果が有効的に発現されるようになり、エキシマランプ10を一層確実に所期のランプ寿命を有するものとして構成することができる。
一方、OH基の含有量が30wt.ppmを超える場合には、エキシマランプ10のランプ寿命が、OH基を実質的に含有しいないものに比してかえって短くなる。
すなわち、先ず、フッ素含有量が上記範囲内である合成石英ガラス(原材料)からなる円筒状の素管の両端部を外端が径方向外方に拡がって延びるようラッパ状に加工することにより、内側管を構成する円筒状の内側管構成用素管を予め作製しておき、この内側管構成用素管と同一の合成石英ガラスからなり、内側管構成用素管の外径より大きい内径を有する、外側管を構成する円筒状の外側管構成用素管の内部に、内側管構成用素管を挿入して同軸上に配置し、管軸方向外方側から例えばバーナーなどによって加熱することにより、外側管構成用素管の内周面と内側管構成用素管の端部部分の先端面とを溶着させ、これにより、外側管12と内側管13との間に管状の放電空間Sが形成された二重管構造のランプ前駆体を作製する。ここに、放電容器形成材料(原材料)としての合成石英ガラスの仮想温度Tfは、上記条件(2)を満足しないものである。
次いで、このようにして得られたランプ前駆体を例えば電気炉等で加熱処理した後、例えば電気炉内から取り出して冷却し、その後、ランプ前駆体における放電空間S内に放電用ガスであるキセノンガスを封入すると共に外部電極15および内部電極16を所定の位置に配設することにより、図1に示す構成のエキシマランプ10が得られる。
しかしながら、上記特許文献1〜特許文献3のいずれのものにおいても、合成石英ガラスにおけるフッ素含有量が多すぎると問題があるとされている。例えば特許文献3には、「フッ素の濃度が3000wt.ppmを超えて含有する場合には、還元型欠陥が生成されて耐紫外線性が低下するおそれがある。」と記載されており、実際上、フッ素含有量が3000wt.ppm未満とされている。また、特許文献1および特許文献2においても同様に、実際上、フッ素含有量は5000wt.ppm以下とされている。
また、紫外吸収端が短波長側にシフトされることにより、放電容器11の内部で放射される波長190nm以下の真空紫外光が、放電容器11を形成する特定の合成石英ガラスによって吸収される割合が低減されるので、真空紫外光による特定の合成石英ガラスに対するダメージ特に紫外光歪が蓄積されることを確実に抑制することができ、エキシマランプ10を、耐紫外光特性(紫外線耐久性)が高く、十分に長いランプ寿命を有するものとして構成することができる。
しかしながら、本発明に係るエキシマランプ10においては、放電容器11を形成する合成石英ガラスが、フッ素含有量および仮想温度の両方の適正化が図られたものであることにより上記効果が得られるのと同時に、加工歪みの除去効果が得られるのである。
従って、本発明によれば、所期の性能を有するエキシマランプ10を従来の構成のものを製造するのに要する時間と大差なく、比較的容易に作製することができる。
〔エキシマランプの作製〕
各々フッ素が下記表1に従って互いに異なる含有量(濃度)で含有された8種類の合成石英ガラス(原材料)を用いて8つのランプ前駆体を形成し、各ランプ前駆体を、電気炉を用いて、互いに同一の加熱処理条件で加熱処理(冷却処理も含む。)した後、内部電極および外部電極を所定位置に配設すると共にキセノンガスを放電空間内に充填することにより、図1に示す構成を有する8本のエキシマランプ(「ランプ1」〜「ランプ8」)を作製した。得られたエキシマランプの具体的な構成は、以下に示す通りである。
〔エキシマランプの構成〕
放電容器:外側管の外径が40mm,外側管の肉厚が2mm,内側管の外径が20mm,内側管の肉厚が1mm,発光長が400mm,キセノンガスの封入量が66kPaである。
放射強度は、ランプから30mm離れた位置にて光量計により測定した。
これに対して、合成石英ガラスにおけるフッ素含有量が7000wt.ppmより少ない比較用のエキシマランプであるランプ1およびランプ2においては、加熱処理を行った場合でも、仮想温度を1000℃以下とすることができず、しかも、ランプ3〜7に比して真空紫外光の放射強度が低く、しかも、上記要請を満足するランプ寿命が得られないものであることが確認された。
〔エキシマランプの作製〕
フッ素を10500wt.ppmで含有し、上記方法により測定される仮想温度Tfが1350℃である合成石英ガラス(原材料)を用いたことの他は、上記実験例1において作製したものと同一の構成を有するランプ前駆体を作製し、各々のランプ前駆体を、電気炉を用いて、互いに異なる加熱温度で加熱処理することにより加熱処理後の合成石英ガラスの仮想温度Tfを下記表2に従って制御した5本のエキシマランプ(「ランプ5」および「ランプ9」〜「ランプ12」)を作製した。なお、実験例2におけるランプ5は、実験例1で作製したものと同一のものである。
また、寿命試験が終了した後の各ランプについて、上記実験例1と同様にして、仮想温度Tfを測定した。結果を下記表2に示す。
これに対して、合成石英ガラスがフッ素を適正な範囲で含有したものであるにも関わらず、仮想温度が1000℃を超えるものである、比較用のランプ12は、真空紫外光を高い放射強度で放射することができるものの、必要とされるランプ寿命を有さないものであることが確認された。
なお、ランプ9は十分に高い真空紫外光の放射強度を得ることができ、しかも、必要とされる十分な長さのランプ寿命を有するものであることが確認されたが、ランプ9を作製するために200時間以上もの長い時間の熱処理を施しており、この点においては、実用的なものであるとは言いがたいが、ランプ5、ランプ10およびランプ11は、従来のエキシマランプを作製するために要する時間と大差なく容易に作製することができるものである。
〔エキシマランプの作製〕
フッ素を10500wt.ppmの割合で含有し、上記方法により測定される仮想温度が1350℃であるものであって、各々OH基が下記表3に従って互いに異なる含有量で含有された6種類の合成石英ガラス(原材料)を用いたことの他は、上記実験例1において作製したものと同一の構成を有するランプ前駆体を作製し、各々のランプ前駆体を、電気炉を用いて、互いに同一の加熱処理条件で加熱処理することにより、6本のエキシマランプ(「ランプ5」および「ランプ13」〜「ランプ17」)を作製した。なお、実験例3におけるランプ5は、実験例1で作製したものと同一のものである。
また、寿命試験が終了した後の各ランプについて、上記実験例1と同様にして、仮想温度Tfを測定した。結果を下記表3に示す。
一方、OH基の含有量が30wt.ppmを超えるランプ16およびランプ17においては、真空紫外光を十分に高い放射強度で放射することができるものであり、しかも必要とされるランプ寿命(3000時間以上)を有するものではあるものの、実質的にOH基を含有しない合成石英ガラスからなる放電容器を具えたランプ5よりもかえって放射強度が低下すると共にランプ寿命が短くなってしまうことが確認された。
例えば、本発明は二重管構造のキセノンエキシマランプに限定されるものではなく、例えば図2−Aおよび図2−Bに示す、いわゆる「外−外電極型エキシマランプ」や図3に示すショートアーク型放電ランプなどの、放電容器の内部で波長150nm以下の真空紫外光を含む光を放射する放電ランプに適用することができる。
また、図3に示すショートアーク型放電ランプ30は、内部に放電空間Sを形成する例えば楕円球形状の発光管部32とこの発光管部32の両端に連続するロッド状の封止部33とからなる放電容器31を具えてなり、発光管部32内に陰極34および陽極35が対向配置されると共に例えば水銀が封入されて、構成されており、放電容器31が上記特定の合成石英ガラスにより構成されている。
上記構成のエキシマランプ20およびショートアーク型放電ランプ30によれば、いずれのものも、真空紫外光を高い放射強度で放射することができ、しかも必要とされる十分な長さのランプ寿命を有するものとして構成することができる。
この重水素ランプ40は、側面に円筒状の光放射部42を有する放電容器41の内部に、陰極43,陽極44および電極囲い45が配設されると共に重水素ガスが封入されてなり、光放射部42の開口部を塞ぐよう、上記特定の合成石英ガラスからなる窓部材50が設けられている。図4において、46は陽極給電棒、47は陰極給電棒、48は絶縁材料からなる給電棒保持部材、49は電極囲い支持部材である。
このような重水素ランプ40によっても、真空紫外光を十分に高い放射強度で照射することができると共に、必要とされる十分な長さのランプ寿命を有するものとして構成することができる。
11 放電容器
12 外側管
13 内側管
15 外部電極
16 内部電極
S 放電空間
20 エキシマランプ
21 放電容器
22 外部電極
30 ショートアーク型放電ランプ
31 放電容器
32 発光管部
33 封止部
34 陰極
35 陽極
40 重水素ランプ
41 放電容器
42 光放射部
43 陰極
44 陽極
45 電極囲い
46 陽極給電棒
47 陰極給電棒
48 給電棒保持部材
49 電極囲い支持部材
50 窓部材
Claims (2)
- 波長190nm以下の紫外光を含む光を放電容器の内部で放射する放電ランプにおいて、
前記放電容器の少なくとも一部が、フッ素の含有量が7000wt.ppm以上30000wt.ppm以下であり、かつ、仮想温度Tfが750℃以上1000℃以下であり、OH基の含有量が10wt.ppm以上30wt.ppm以下である合成石英ガラスからなることを特徴とする放電ランプ。 - 前記放電容器を形成する合成石英ガラスとして、フッ素含有量が10000wt.ppm以上30000wt.ppm以下であるものが用いられてなることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
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