JP5370408B2 - 電子線励起型光源装置 - Google Patents
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Description
図10は、従来の電子線励起型光源の一例における構成の概略を示す説明用断面図である。この電子線励起型光源は、レーザー光を放射するものであって、内部が負圧の状態で密閉された、光透過窓81を有するケーシング80を具え、このケーシング80内には、光透過窓81の内面に、半導体発光素子82の両面に光反射部材83、84が配置されてなるレーザー構造体85が配置されると共に、当該ケーシング80の底壁の内面に、半導体発光素子82に電子線を照射する電子線源86がレーザー構造体85に対向するよう配置されている。半導体発光素子82および電子線源86は、ケーシング80の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速用電源87に電気的に接続されている。このような構成の電子線励起型光源は、特許文献1に記載されている。
また、出力の高い光を得るためには、電子線の加速電圧を高くすることが考えられるが、電子線の加速電圧を高くしたときには、半導体発光素子82からX線が発生する、という問題がある。
すなわち、図11(ロ)に示すように、電子線源86からの電子線は、その一部が所期の軌道から外れたり、或いは半導体発光素子82の一面に反射されたりすることによって、光透過窓81に照射され、これにより、光透過窓81において二次電子が放出されて当該光透過窓81が正に帯電する。そのため、ケーシング内の電界状態が変化する結果、電子線源86からの電子線が半導体発光素子82の一面に確実に入射されず、発光効率が著しく低下する。
前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする。
このような電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることが好ましい。
また、本発明の電子線励起型光源装置においては、前記電子線遮蔽電極はストライプ状または網状のものであることが好ましい。
この電子線励起型光源装置は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状のケーシング10を有し、このケーシング10は、一面(図1(イ)において上面)に開口を有するケーシング基体11と、このケーシング基体11の開口に配置されて当該ケーシング基体11に気密に封着された光透過窓15とによって構成されている。
また、ケーシング10における光透過窓15を構成する材料としては、半導体発光素子20からの光を透過し得るものが用いられ、例えば石英ガラス、サファイアなどを用いることができる。
また、ケーシング10の内部の圧力は、例えば10-4〜10-6Paである。
ケーシング10の寸法の一例を挙げると、ケーシング基体11の外形の寸法が40mm×40mm×32mm、ケーシング基体11の肉厚が2.5mm、ケーシング基体11の開口が35mm×35mmで、光透過窓15の寸法が40mm×40mm×3mmである。
この例における半導体発光素子20は、活性層25がケーシング10における光透過窓15に対向した状態で、基板21が高熱伝導部材16にロウ付け等で接合されている。
基板21の厚みは、例えば10〜1000μmであり、バッファ層22の厚みは、例えば100〜1000nmである。
また、半導体発光素子20における活性層25と電子線源30との離間距離は、例えば5〜15mmである。
また、半導体発光素子20における光が出射される表面20aと光透過窓15の内面との距離は、例えば3〜25mmである。
量子井戸層26の各々の厚みは、例えば0.5〜50nmである。また、障壁層27はその禁制帯幅が量子井戸層26のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、AlNを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層26の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば1〜100nmである。
活性層25を構成する量子井戸層26の周期は、量子井戸層26、障壁層27および活性層25全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、1〜100である。
また、InAlGaNよりなる量子井戸層26を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をAlGaNよりなる量子井戸層26を形成する場合よりも低く設定すればよい。
また、半導体多層膜の形成方法は、MOCVD法に限定されるものではなく、例えばMBE法(分子線エピタキシー法)なども用いることができる。
電子線源30の寸法の一例を挙げると、支持基板31の外径が25mm、内径が19mm、厚みが0.1mm、電子線放出部32の外径が24mm、内径が20mm、厚みが0.02mm、電子線放出部32における電子線が放射される面の面積が138mm2 である。
支持基板31上にカーボンナノチューブよりなる電子線放出部32を形成する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば表面に金属触媒層が形成された支持基板31を加熱し、COやアセチレン等のカーボンソースガスを供給することにより、支持基板31の表面に形成された金属触媒層上にカーボンを堆積してカーボンナノチューブを形成する熱CVD法、アーク放電法等によって形成されたカーボンナノチューブの粉体および有機バインダーが液状媒体中に含有されてなるペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷によって支持基板31の表面に塗布して乾燥するスクリーン印刷法などを好適に用いることができる。
また、引き出し電極35を構成する材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料などを用いることができる。
電界制御用電極40の寸法の一例を示すと、胴部41の内径が34mm、軸方向の長さが12mm、テーパ部42の先端における内径が28mm、軸方向の長さが3mm、胴部41に対するテーパ部42の傾きは例えば45°、電界制御用電極40を構成する円筒体の肉厚が0.3mmであり、電子線源30の電子線放出部32における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部42の先端のレベルとの距離が2〜5mmである。
電子線遮蔽電極45を形成する金属線の寸法等の一例を挙げると、金属線の幅が100μm、厚みが20μmで、金属線の配置ピッチが1500μmである。
そして、半導体発光素子20においては、電子線が入射されることによって活性層25の電子が励起され、これにより、当該半導体発光素子20における電子線が入射された表面20aから紫外線などの光が放射され、ケーシング10における光透過窓15を介して当該ケーシング10の外部に出射される。
また、電子加速用電源50によって印加される電子線の加速電圧は、6〜12kVであることが好ましい。加速電圧が過小である場合には、高い光の出力を得ることが困難となる。一方、加速電圧が過大である場合には、半導体発光素子20からX線が発生しやすくなり、また、電子線のエネルギーにより、半導体発光素子20がダメージを受けやすくなるため、好ましくない。
また、電界制御用電源52によって電子線源30と電界制御用電極40との間に印加される電圧は、例えば−2〜2kVである。
この電子線励起型光源装置においては、電子線遮蔽電極45が金属メッシュよりなる網状のものであり、網目を形成する開口によって光透過部が形成されている。この電子線遮蔽電極45は、円筒体よりなる電界制御用電極40の上端にその開口を塞ぐよう配置されて当該電界制御用電極40に電気的に接続されている。電子線遮蔽電極45を構成する金属メッシュの寸法の一例を示すと、線幅が200μm、厚みが50μm、網目のピッチが1000μmである。
その他の具体的な構成は、第1の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング10における光透過窓15の外面に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極45が設けられている。この例の電子線遮蔽電極45は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極45は、導電線を介して、電界制御側用電源52の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第1の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
この電子線励起型光源装置においては、ケーシング10における光透過窓15の内部に、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極45が面方向に沿って埋設されている。この例の電子線遮蔽電極45は、複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、各金属線間のスリットによって光透過部が形成されている。そして、電子線遮蔽電極45は、光透過窓15の内部から外部に引き出された導電線を介して、電界制御側用電源52の負極側に電気的に接続されている。
その他の具体的な構成は、第1の実施の形態に係る電子線励起型光源装置と同様である。
本発明の電子線励起型光源装置において、電子線遮蔽電極45は、負の電位に維持されれるのであれば、電界制御用電極40に電気的に接続されていることは必須ではなく、例えば図8(イ)および図8(ロ)に示すように、電子線遮蔽電極45が、ケーシング10の外部に設けられた電子線遮蔽用電源53の負極側に導電線を介して電気的に接続され、電子線源30が、ケーシング10の内部から外部に引き出された導電線を介して、電子線遮蔽用電源53の正極側に電気的に接続されていてもよい。このような構成において、電子線遮蔽用電源53によって電子線源30と電子線遮蔽電極45との間に印加される電圧は、例えば−2〜2kVである。
また、電子線源の具体的な形状は、円環状に限定されず、または部分円環状、矩形の板状、その他の形状であってもよい。
また、電子線源30における電子線放出部32は、カーボンナノチューブよりなるものに限定されず、 種々の構成のものを用いることができる。
また、電界制御用電極40においては、テーパ部42を形成することは必須のことではなく、例えば軸方向において外径および内径の各々が一様な円筒状のものであってもよい。
また、電子線遮蔽電極45は、ストライプ状または網状のものに限定されず、例えばITO膜などの透明導電膜よりなるものであってもよい。電子線遮蔽電極45が光透過性導電膜よりなるものである場合には、その全体が光透過部となる。
図1に示す構成に従い、下記の仕様の電子線励起型光源装置を作製した。
ケーシング(10):
ケーシング基体(11)は、コバールガラスよりなり、その外形の寸法が40mm×40mm×30mm、肉厚が2.5mmであり、ケーシング基体(11)の開口が35mm×35mmである。光透過窓(15)は、サファイアよりなり、その寸法が40mm×40mm×2.5mmである。
また、ケーシング(10)の内部の圧力は、3×10-5Paである。
半導体発光素子(20):
半導体発光素子(20)は、MOCVD法によってサファイアよりなる基板(21)上に、水素からなるキャリアガス、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスを用い、GaNよりなるバッファ層(22)を2.4μmの膜厚で形成させ、次に、窒素からなるキャリアガス、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウム、アンモニアからなる原料ガスを用い、In0.1 Ga0.9 Nよりなる量子井戸層(26)を2.5nmの膜厚で形成させ、GaNよりなる障壁層(27)を15nmの膜厚で形成させる工程を繰り返すことによって活性層(25)が形成されたものであり、活性層(25)は、量子井戸層(26)、障壁層(27)の順で量子井戸層(26)を6層、障壁層(27)を6層、交互に積層させた多重量子井戸構造を有するものである。
電子線源(30):
支持基板(31)は、426合金よりなり、その外径が25mm、内径が19mm、厚みが0.1mmである。電子線放出部(32)は、カーボンナノチューブよりなり、その外径が24mm、内径が20mm、厚みが0.02mm、電子線放出部(32)における電子線が放射される面の面積が138mm2 である。引き出し電極(35)は、42合金よりなり、その網目を形成する開口の寸法が1mm×1mm、厚みが0.1mmである。
電界制御用電極(40):
電界制御用電極(40)は、316ステンレスよりなり、胴部(41)の内径が34mm、胴部(41)の軸方向の長さが12mm、テーパ部(42)の先端における内径が28mm、テーパ部(42)の軸方向の長さが3mm、胴部(41)に対するテーパ部(42)の傾きが45°、電界制御用電極(40)を構成する円筒体の肉厚が0.3mmであり、電子線源(30)の電子線放出部(32)における電子線が放射される面のレベルと、テーパ部(42)の先端のレベルとの距離が3mmである。
電子線遮蔽電極(45):
電子線遮蔽電極(45)は、それぞれアルミニウムよりなる複数の金属線が互いに離間して平行に並ぶよう形成されてなるストライプ状のものであり、金属線の幅が100μm、厚みが20μmで、金属線の配置ピッチが1500μmである。
[点灯条件]
電子線源(30)における電子線放出部(32)の電位:−8kV
電子線源(30)における引き出し電極(35)の電位:−5.5kV
(電子線放出部(32)と引き出し電極(35)との間の電圧:2.5kV)
電界制御用電極(40)の電位:−9kV
(電子線放出部(32)と電界制御用電極(40)との間の電圧:−1kV)
電子線遮蔽電極(45)の電位:−9kV
半導体発光素子(20)の電位:0V(GND)
加速電圧(電子線放出部(32)と半導体発光素子(20)との間の電圧):8kV
実施例1において、電子線遮蔽電極を設けなかったこと以外は同様の構成の電子線励起型光源装置を作製し、当該電子線励起型光源装置から放射される光の分光放射強度を測定した。結果を図9に示す。
これに対して比較例1に係る電子線励起型光源装置においては、波長405nm付近において放射強度のピークが弱くなり、波長330nm付近において放射強度のピークが認められた。これは、電子線が光透過窓に照射されることにより、当該光照射窓を構成するサファイア自身が励起されて発光したものと考えられる。
11 ケーシング基体
15 光透過窓
16 高熱伝導部材
20 半導体発光素子
20a 表面
20b 裏面
21 基板
22 バッファ層
25 活性層
26 量子井戸層
27 障壁層
30 電子線源
31 支持基板
32 電子線放出部
33 ベース
35 引き出し電極
36 電極保持部材
37 支持部材
40 電界制御用電極
40a 第1の電極部材
40b 第2の電極部材
41 胴部
42 テーパ部
45 電子線遮蔽電極
50 電子加速用電源
51 電子放出用電源
52 電界制御用電源
53 電子線遮蔽用電源
80 ケーシング
81 光透過窓
82 半導体発光素子
83,84 光反射部材
85 レーザー構造体
86 電子線源
87 電子加速用電源
Claims (4)
- 光透過窓を有するケーシング内に、電子線源およびこの電子線源からの電子線によって光を放射する半導体発光素子が配置されてなり、前記半導体発光素子の一面に前記電子線源からの電子線が入射されることによって、当該半導体発光素子の当該一面から光が放射されて前記光透過窓から出射される電子線励起型光源装置において、
前記光透過窓に、または前記光透過窓と前記半導体発光素子との間に、負の電位に維持される、光透過部を有する導電体よりなる電子線遮蔽電極が設けられていることを特徴とする電子線励起型光源装置。 - 前記ケーシング内には、前記電子線源からの電子線の軌道を前記半導体発光素子の一面に向かって指向させる電界制御用電極が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電子線励起型光源装置。
- 前記電子線遮蔽電極は、前記電界制御用電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の電子線励起型光源装置。
- 前記電子線遮蔽電極は、ストライプ状または網状のものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電子線励起型光源装置。
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