JP5493101B2 - Microwave discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波によって放電発光するマイクロ波放電ランプに関し、特に、長尺の放電管を配置可能な放電ランプの構造に関する。 The present invention relates to a microwave discharge lamp that emits light by microwaves, and more particularly to a structure of a discharge lamp in which a long discharge tube can be arranged.
マイクロ波放電ランプでは、マイクロ波共振器(キャビティ)内に放電管を配置し、マグネトロンなどマイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を共振器内で共振させる。マイクロ波電力の供給によって強電界が加えられ、放電ガスがプラズマ状態となって放電発光する。 In a microwave discharge lamp, a discharge tube is disposed in a microwave resonator (cavity), and a microwave output from a microwave oscillator such as a magnetron is resonated in the resonator. A strong electric field is applied by the supply of microwave power, and the discharge gas becomes a plasma state and discharges light.
マイクロ波放電ランプの発光効率を向上させるため、共振器の構造、放電管の配置構成、マイクロ波の供給方法などについて様々な改善が試みられている。例えば、共振器内に同軸的な2つの導体を配置し、あるいは、共振器の開口部との距離間隔を調整しながら放電管を配置する(特許文献1、2参照)。また、マイクロ波のパワーを上げるため、複数のマグネトロンを共振器に接続させる(特許文献3参照)。
フォトリソグラフィー、殺菌処理、洗浄処理などの工業分野では、液晶デバイスなど照射対象物の大型化に伴い、広範囲に光を照射する光源装置が要求される。しかしながら、共振器内に長尺放電管を配置させることは、共振器の大型化、コストの観点から困難であり、また、電磁波漏洩防止のシールド構造を採る共振器内部に放電管を収容するため、効率よく光を外部へ取り出すことが難しい。特に、放電管全体に渡って光を放射状に取り出すことができない。 In industrial fields such as photolithography, sterilization treatment, and cleaning treatment, a light source device that irradiates light over a wide range is required as an irradiation object such as a liquid crystal device becomes larger. However, it is difficult to dispose a long discharge tube in the resonator from the viewpoint of enlargement of the resonator and cost, and the discharge tube is accommodated inside the resonator having a shield structure for preventing electromagnetic wave leakage. It is difficult to extract light efficiently outside. In particular, light cannot be extracted radially over the entire discharge tube.
したがって、本発明の課題は、広範囲に効率よく光を放射可能なマイクロ波放電ランプを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a microwave discharge lamp capable of efficiently emitting light over a wide range.
本発明のマイクロ波放電ランプは、マイクロ波共振器を使用せずに放電発光するランプであり、マグネトロンなどマイクロ波を発振する少なくとも1つのマイクロ波発振器と、放電ガスが封入される放電管と、放電管を管軸方向に沿って囲む管状導体とを備える。 The microwave discharge lamp of the present invention is a lamp that emits light without using a microwave resonator, and includes at least one microwave oscillator that oscillates microwaves such as a magnetron, a discharge tube in which a discharge gas is sealed, And a tubular conductor surrounding the discharge tube along the tube axis direction.
石英ガラス、セラミックスなどから成る放電管は、管軸方向に沿って長く延びる長尺の放電管として構成可能であり、また、放電ガスとして、例えば真空紫外光を放射するCOとXeの混合ガスが封入される。管状導体は導電性を有し、放電管を覆うように構成される。 A discharge tube made of quartz glass, ceramics, or the like can be configured as a long discharge tube extending long along the tube axis direction. For example, a mixed gas of CO and Xe that emits vacuum ultraviolet light is used as a discharge gas. Enclosed. The tubular conductor has conductivity and is configured to cover the discharge tube.
本発明では、マイクロ波が放電管の端部に供給される。マイクロ波電力の供給によって放電管内にプラズマが発生すると、プラズマは導電性をもつため、放電管内のプラズマと管状導体が、それぞれ同軸線路の内側導体、外側導体として機能する。 In the present invention, microwaves are supplied to the end of the discharge tube. When plasma is generated in the discharge tube by the supply of microwave power, since the plasma has conductivity, the plasma in the discharge tube and the tubular conductor function as an inner conductor and an outer conductor of the coaxial line, respectively.
したがって、放電開始直後によって放電管の端部にプラズマが生じると、同軸線路内をマイクロ波が管軸方向に伝搬し、マイクロ波の伝搬とともにプラズマが管軸方向に延伸する。マイクロ波伝搬とプラズマ生成が相互に作用することで、放電管の他端に向けてプラズマ発生部分、すなわち放電発光するエリアが延びていく。なお、同軸線路とは、断面形状が円状の内側導体、外側導体を同軸的配置させた線路に限定されものではなく、円あるいは楕円断面形状の内側導体、外側導体を配置する線路も含む。また、楕円の焦点と内側導体の中心位置を一致させる配置についても、内側導体と外側導体との間にマイクロ波伝送空間を形成するという意味では同軸的な配置として捉えることができ、同軸線路を構成するものとする。 Therefore, when plasma is generated at the end of the discharge tube immediately after the start of discharge, the microwave propagates in the axial direction of the coaxial line, and the plasma extends in the axial direction of the tube along with the propagation of the microwave. As the microwave propagation and the plasma generation interact with each other, the plasma generation portion, that is, the area where discharge light is emitted, extends toward the other end of the discharge tube. The coaxial line is not limited to a line in which an inner conductor and an outer conductor having a circular cross-sectional shape are arranged coaxially, and includes a line in which an inner conductor and an outer conductor having a circular or elliptical cross-sectional shape are arranged. In addition, the arrangement in which the focal point of the ellipse and the center position of the inner conductor coincide with each other can be regarded as a coaxial arrangement in the sense that a microwave transmission space is formed between the inner conductor and the outer conductor. Shall be composed.
マイクロ波電力はプラズマ生成に消費されるため、進行するにつれてマイクロ波が減衰する。マイクロ波電力がすべて消費されるまでプラズマが延伸すると、プラズマ延伸範囲で放電発光する。マイクロ波を供給し続けることにより、放電状態が維持される。 Since microwave power is consumed for plasma generation, the microwave attenuates as it travels. When the plasma is stretched until all the microwave power is consumed, discharge light emission occurs in the plasma stretching range. The discharge state is maintained by continuing to supply the microwave.
このように、同軸線路をマイクロ波が伝搬する経路で放電発光が生じるため、放電管から光を放射状に取り出すことが可能であり、放電管の管軸方向長さに合わせて広範囲に光を照射でき、管軸方向に沿ってどの位置でも光を取り出すことができる。マイクロ波電力がプラズマ生成に消費されることから、放電管の他端付近までプラズマが延伸させることができる電力をもつマイクロ波を、放電管の端部に供給するのがよい。 In this way, discharge light emission occurs in the path of microwave propagation through the coaxial line, so it is possible to extract light radially from the discharge tube, and irradiate light over a wide range according to the length of the discharge tube in the tube axis direction. The light can be extracted at any position along the tube axis direction. Since microwave power is consumed for plasma generation, it is preferable to supply a microwave having power that can extend the plasma to the vicinity of the other end of the discharge tube to the end of the discharge tube.
光をあらゆる方向に向けて放射状に照射させてもよいが、照射対象物に向けて光を照射させる場合、管状導体に光を通過させる光通過部を部分的に設けるのがよい。例えば、部分的に開口部を形成し、あるいは金属メッシュを配設して光を透過させる。 Although the light may be irradiated radially in any direction, when the light is irradiated toward the irradiation target, it is preferable to partially provide a light passage portion that allows the light to pass through the tubular conductor. For example, an opening is partially formed, or a metal mesh is provided to transmit light.
導波管、立体回路素子はランプ構造を大型化し、また回路構成を複雑にする。このような構成部品を使用せずに放電発光させるため、放電管の端部を、マイクロ波発振器の出力部と同軸接続させ、マイクロ波を直接供給するのが望ましい。 Waveguides and three-dimensional circuit elements increase the size of the lamp structure and complicate the circuit configuration. In order to discharge and emit light without using such components, it is desirable to connect the end of the discharge tube to the output of the microwave oscillator and supply the microwave directly.
放電管を確実に同軸固定し、マイクロ波を放電管に同軸出力するため、例えば、マイクロ波発振器の出力部と放電管の端部を連結し、内側導体として機能する中継導体部を設けるのがよい。また、マイクロ波の反射を抑制するため、中継導体部から管軸方向に沿って延出し、管軸方向長さがマイクロ波の1/4波長であるインピーダンス整合治具を設けるのがよい。 In order to securely fix the discharge tube coaxially and output the microwave coaxially to the discharge tube, for example, the output portion of the microwave oscillator and the end of the discharge tube are connected, and a relay conductor portion that functions as an inner conductor is provided. Good. In order to suppress the reflection of the microwave, it is preferable to provide an impedance matching jig extending from the relay conductor portion along the tube axis direction and having a tube axis length of 1/4 wavelength of the microwave.
あるいは、従来のマイクロ波導波管や立体回路素子を利用するため、マイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を伝送する導波管を設け、放電管の端部を導波管内に挿入し、導波管内のマイクロ波を放電管端部に供給するのがよい。例えば、放電管挿入用の管状部、可変短絡器を設けた導波管において、放電管内のプラズマ、導波管の管状部がそれぞれ同軸線路の内側導体、外側導体として作用し、同軸モードでマイクロ波が放電管端部に供給される。 Alternatively, in order to use a conventional microwave waveguide or a three-dimensional circuit element, a waveguide for transmitting the microwave output from the microwave oscillator is provided, and the end of the discharge tube is inserted into the waveguide to guide the wave. The microwave in the tube is preferably supplied to the end of the discharge tube. For example, in a tubular section for inserting a discharge tube and a waveguide provided with a variable short circuit, the plasma in the discharge tube and the tubular section of the waveguide act as an inner conductor and an outer conductor of the coaxial line, respectively, and in the coaxial mode A wave is supplied to the end of the discharge tube.
管状導体の構成としては、空間、隙間を間に設けるように放電管を囲む導体管を構成してもよく、あるいは、放電管の外表面に金属膜などを形成するように構成してもよい。導体管を別途設ける場合、マイクロ波は放電管の管壁内と、放電管と導体管との間に形成された空間を伝搬する。一方、放電管外表面に密接して管状導体を形成する場合、放電管の管壁内をマイクロ波が伝搬する。 As the configuration of the tubular conductor, a conductor tube surrounding the discharge tube may be formed so as to provide a space and a gap therebetween, or a metal film or the like may be formed on the outer surface of the discharge tube. . When a conductor tube is separately provided, the microwave propagates in the tube wall of the discharge tube and the space formed between the discharge tube and the conductor tube. On the other hand, when the tubular conductor is formed in close contact with the outer surface of the discharge tube, the microwave propagates in the tube wall of the discharge tube.
放電管が石英ガラス製で、かつ放電発光が真空紫外光の場合、放電管が光を吸収し、発光効率が低下する。そのため、放電管をあまり肉厚にできない。このように放電条件、放電管の構造特性などの条件に適応、対処できるようにするため、導体管を別途配置して放電管との間に空間を設けるのが好ましい。一方、従来のランプ構造をできるだけ利用し、小型化等を図る場合、放電管の外表面上に管状導体を形成し、放電管と管状導体が一体となって同軸線路を構成するのがよい。 When the discharge tube is made of quartz glass and the discharge light emission is vacuum ultraviolet light, the discharge tube absorbs light and the light emission efficiency decreases. Therefore, the discharge tube cannot be made too thick. Thus, in order to be able to adapt and cope with conditions such as the discharge conditions and the structural characteristics of the discharge tube, it is preferable to arrange a conductor tube separately and provide a space between the discharge tube. On the other hand, when the conventional lamp structure is utilized as much as possible to reduce the size, a tubular conductor is preferably formed on the outer surface of the discharge tube, and the discharge tube and the tubular conductor are integrated to form a coaxial line.
マイクロ波の漏洩を防止しながら効率よく光を取り出すためには、金属メッシュを配設することが考えられる。しかしながら、光源として特定方向に効率よく光を外部に直接放射させるためには、管状導体に管軸方向に沿って光を通過させるスリットを形成するのが望ましい。 In order to extract light efficiently while preventing leakage of microwaves, it is conceivable to dispose a metal mesh. However, in order to efficiently radiate light directly in a specific direction as a light source, it is desirable to form a slit that allows light to pass along the tube axis direction in the tubular conductor.
スリットの形成されていない方向に放射された光をできるだけ集光し、外部に放出するため、導体管を楕円断面形状に形成し、一方の楕円焦点付近に放電管を配置する一方、他方の楕円焦点近くにスリットを形成するのが好ましい。放電管から放射した光は他方の楕円焦点に集まるので、放電による光は損失なく外部へ放射される。特に集光率を上げるため、導体管の内表面に光反射膜を形成するのがよい。 In order to condense the light emitted in the direction where the slit is not formed as much as possible and emit it to the outside, the conductor tube is formed in an elliptical cross-sectional shape, and the discharge tube is arranged near one elliptical focal point, while the other ellipse is arranged. It is preferable to form a slit near the focal point. Since the light emitted from the discharge tube is collected at the other elliptical focal point, the light due to the discharge is emitted to the outside without any loss. In particular, in order to increase the light collection rate, it is preferable to form a light reflecting film on the inner surface of the conductor tube.
放電発光中、マイクロ波電力は伝搬しながら消費されるため、プラズマが延伸するにつれて光強度がある程度弱まっていく。管軸方向に沿った光強度を一定にするため、2つのマイクロ波発振器を放電管の両端部に設け、放電管の両側からそれぞれマイクロ波を供給するのが望ましい。 During discharge light emission, the microwave power is consumed while propagating, so that the light intensity decreases to some extent as the plasma extends. In order to make the light intensity along the tube axis direction constant, it is desirable to provide two microwave oscillators at both ends of the discharge tube and supply microwaves from both sides of the discharge tube.
この場合、マイクロ波の干渉を防ぐため、2つのマイクロ波発振器が交互に断続動作し、放電管の両端部へマイクロ波を交互に供給するのがよい。交互パルス放電によって照度分布が一様になる。商用電源を利用してマイクロ波を発振するのであれば、2つのマイクロ波発振器の電源にそれぞれ半波整流回路を設け、互いに位相をずらせばよい。 In this case, in order to prevent the interference of the microwaves, it is preferable that the two microwave oscillators alternately operate intermittently and supply the microwaves alternately to both ends of the discharge tube. The illuminance distribution becomes uniform by the alternating pulse discharge. If microwaves are oscillated using a commercial power supply, half-wave rectifier circuits may be provided for the power supplies of the two microwave oscillators, and the phases may be shifted from each other.
本発明のマイクロ波放電ランプは、放電ガスが封入される放電管と、放電管を管軸方向に沿って囲む導体と、放電管内に生じるプラズマと導体がそれぞれ内側導体、外側導体として構成される同軸線路の端部にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを備える。 The microwave discharge lamp of the present invention includes a discharge tube in which a discharge gas is enclosed, a conductor that surrounds the discharge tube along the tube axis direction, and plasma and a conductor generated in the discharge tube as an inner conductor and an outer conductor, respectively. Microwave supply means for supplying a microwave to the end of the coaxial line.
供給されるマイクロ波は、放電管端部に供給された後に放電管内でマイクロ波伝搬、プラズマ延伸が続くような周波数、電力であればよく、光をより高密度、高輝度で放射させる場合には周波数を高く設定するのがよい。長尺(径に対し管軸方向に十分長い)放電管を使用するときに効率よくマイクロ波を供給するため、マイクロ波供給手段は、放電管の端部に同軸接続可能であって、マイクロ波を同軸出力するのがよい。 The microwave to be supplied may be a frequency and electric power at which microwave propagation and plasma stretching continue in the discharge tube after being supplied to the end of the discharge tube, and when emitting light with higher density and higher brightness. It is better to set the frequency higher. In order to efficiently supply microwaves when using a long discharge tube (long enough in the tube axis direction with respect to the diameter), the microwave supply means can be coaxially connected to the end of the discharge tube. Should be output coaxially.
本発明のマイクロ波放電発光部は、マグネトロンなどのマイクロ波発振器(特に、マイクロ波を同軸出力させる同軸出力部を備えたマイクロ波発振器)に接続可能であり、放電ガスが封入される放電管と、放電管を管軸方向に沿って囲む導体とを備え、マイクロ波が放電管の端部に供給され、放電中、放電管内に生じるプラズマと導体がそれぞれ同軸線路の内側導体、外側導体として構成される。 The microwave discharge light emitting part of the present invention can be connected to a microwave oscillator such as a magnetron (particularly a microwave oscillator having a coaxial output part for coaxially outputting a microwave), and a discharge tube in which a discharge gas is sealed. , A conductor surrounding the discharge tube along the tube axis direction, microwaves are supplied to the end of the discharge tube, and the plasma and conductor generated in the discharge tube during discharge are configured as the inner conductor and outer conductor of the coaxial line, respectively Is done.
本発明によれば、広範囲に効率よく光を照射可能なマイクロ波放電ランプを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the microwave discharge lamp which can irradiate light efficiently over a wide range can be provided.
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、第1の実施形態であるマイクロ波放電ランプの概略的構成図である。図2は、図1のII−IIに沿ったマイクロ波放電ランプの断面図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a microwave discharge lamp according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the microwave discharge lamp taken along line II-II in FIG.
マイクロ波放電ランプ10は、マイクロ波を発振する2つの同軸出力型マグネトロン(以下、同軸出力マグネトロンという)12A、12Bと、放電発光部20を備え、放電発光部20の両端に同軸出力マグネトロン12A、12Bが設置される。放電発光部20は、円筒状導体管30と円筒状放電管40から構成されており、導体管30内部に放電管40を挿入配置させている。そして後述するように、導体管30、放電管40は、リング22A、22Bの位置において、同軸出力マグネトロン12A、12Bの同軸出力部60A、60Bと同軸的に接続している。
The
石英製の放電管40は、両端を封止切りした長尺(ここでは1m以上)の肉薄放電管であり、また、導電性のリング22A、22Bの間に設けられた誘電体の支持部(図示せず)によって導体管30の中心に保持されている。金属などから成る導体管30は、放電管40全体を管軸方向に沿って囲んでいる。
The
図2に示すように、放電管40は導体管30の軸Eに対して同軸的に配置されている。放電管40内の放電空間DSには、一酸化炭素(CO)とキセノン(Xe)の混合ガスが所定の封入圧力で封入されており、放電発光によって150〜200nmの範囲で真空紫外光が放射される。
As shown in FIG. 2, the
導体管30と放電管40との間の空間(以下、伝送空間という)TSは、後述するようにマイクロ波が管軸方向に沿って伝搬する空間であり、導体管30上部には、微小開口部30Hが所定間隔で管軸方向に形成されている。ここでは、効率的に光を外部に取り出すため、真空紫外光の吸収がない窒素が開口部30Hを通って伝送空間TS内に供給される。
A space TS (hereinafter referred to as a transmission space) TS between the
導体管30の下部には、放電発光による真空紫外光を外部へ放射させるためのスリット30Sが管軸方向に沿って形成されている。伝搬するマイクロ波が漏洩しないように、スリット30Sの大きさが定められている。
A
導体管30の内表面には真空紫外光に関して高反射率の反射膜32がコーティングされており、放電空間DSから放射される真空紫外光は、反射膜32によって反射しながらスリット30Sを通って外部へ射出する。これにより、ランプ下方に配置された基板(図示せず)等に真空紫外光がライン照射する。
The inner surface of the
図3は、同軸出力マグネトロン12Aと放電管40との接続部を放電発光部20の内部から見て示した構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing the connection portion between the coaxial output magnetron 12 </ b> A and the
同軸出力マグネトロン12Aの同軸出力部60Aは、リング状の外側導体部62A、内側導体部50Aから構成されている。マイクロ波出力部となるアンテナ14Aに対し、銅パイプなどの内側導体部50Aが直結、固定され、同軸出力マグネトロン12Aの接地された導電性の筐体12A1には外側導体部62Aが固定されている。
The
内側導体部50Aは、放電管40の一方の端部40Aとアンテナ14Aを連結させ、外側導体部62Aとともに同軸線路を構成する。これにより、内側導体部50A、外側導体部62Aから成る同軸モードのマイクロ波が、同軸出力マグネトロン12Aから直接出力される。ここでは、WX−39D等の規格に従って同軸出力部60Aが構成される。
The
放電管40の端部40Aは内側導体部50Aに直接差し込まれ、固定されている。また、導体管30と外側導体部62Aは導電性のリング22Aの両端部において嵌合し、これによって導体管30と外側導体部62Aが電気的に接続される。導体管30と外側導体部62Aとの距離間隔Mが調整可能であり、リング外側からホースバンドなどを締め付けることによってリング22Aが位置決めされる。一方、内側導体部50Aと放電管端部40Aの接続部分には、インピーダンス整合治具52Aが設けられている。インピーダンス整合治具52Aは、内側導体部50Aの端から同軸出力マグネトロン12Bに向けて管軸方向に延び、その管軸方向長さは、供給されるマイクロ波の波長λの1/4に定められている。
The
インピーダンス整合治具52Aの長さ(1/4λ)は、マイクロ波の反射を抑えるように定められており、同軸出力部60Aの特性インピーダンスZ0と、放電管40内に生じるプラズマを内側導体、導体管30を外側導体として構成される同軸線路の特性インピーダンスZpとの相乗平均が、インピーダンス整合治具52Aと放電管40内に生じるプラズマが管軸方向に沿って並ぶ範囲Lの特性インピーダンスZcと一致する(Zc=(Z0Zp)1/2)。
The length (1 / 4λ) of the
反対側の同軸出力マグネトロン12Bと放電管40との接続部分についても同様の構成になっており、放電管40の他方の端部40Bは内側導体部50Bと同軸接続し、同軸出力マグネトロン12Bの外側導体部62Bが筐体12B1に固定されて導体管30と電気的に接続している。また、内側導体部50Bの先端にはインピーダンス整合治具52Bが設けられている。
The connecting portion between the
同軸出力マグネトロン12A、12Bは、商用電源から供給される交流電圧を高電圧に変換するトランス15A、15B、半波整流回路16A、16Bとともにマイクロ波電源17A、17Bを構成し、半波整流回路16A、16Bによる半波整流に従ってON/OFF動作する。すなわち、商用周波数の半周期毎に断続しながらマイクロ波を発振する。マイクロ波電源17A、17Bの入力電源位相はあらかじめ180度ずらして設定されており、同軸出力マグネトロン12Aと同軸出力マグネトロン12Bからマイクロ波が交互に発振される。
The
図4は、マイクロ波放電ランプ10における放電発光の仕組みを示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a mechanism of discharge light emission in the
上述したように、同軸出力マグネトロン12A、12Bの同軸出力部60A、60Bは内側導体部50A、50Bと外側導体部62A、62Bをそれぞれ同軸線路の内側導体、外側導体とした同軸線路を構成する。
As described above, the
同軸出力マグネトロン12Aから出力されるマイクロ波は、同軸TEMモードで同軸出力部60Aに供給され、これによってマイクロ波は同軸伝搬される。すなわち、内側導体部50Aと外側導体部62Aとの間をマイクロ波が管軸方向に沿って伝搬する。
The microwave output from the
内側導体部50Aと同軸結合している放電管40の端部40Aでは、内側導体部50Aを介したマイクロ波電力の供給によって放電ガスがプラズマ状態となり、放電発光する(図4では、プラズマ発生部分Pを斑点で示している)。
At the
放電ガスは元々絶縁状態にあるが、プラズマ状態になると導電性を帯びる。すなわち、放電空間DS内に生じるプラズマは導体となり、導体管30の内部に内側導体が形成された同軸線路と同じ構造になる。その結果、マイクロ波は、放電空間DS内のプラズマと導体管30の間、すなわち放電管40の管壁部分および伝送空間TSを伝搬していく。
The discharge gas is originally in an insulating state, but becomes conductive when in a plasma state. That is, the plasma generated in the discharge space DS becomes a conductor and has the same structure as the coaxial line in which the inner conductor is formed inside the
マイクロ波が管軸方向に伝わると、マイクロ波電力の供給によって放電管40の端部40Aから離れた放電ガスもプラズマ状態となり、放電発光する。そして、プラズマ発生部分が同軸線路の内側導体として機能し、マイクロ波がさらに管軸方向へ伝搬し、それによってプラズマがさらに生成される。
When the microwave is transmitted in the tube axis direction, the discharge gas separated from the
このようにマイクロ波伝搬とプラズマ発生が相補的に続くことにより、プラズマが管軸方向に延伸する。マイクロ波電力はプラズマ生成のために消費されるため、マイクロ波は、進行するにつれて減衰していく。すべてのマイクロ波電力がプラズマ生成のために消費されると、それ以上プラズマは延伸しない。 In this way, the microwave propagation and the plasma generation are complementarily continued, so that the plasma extends in the tube axis direction. Since microwave power is consumed for plasma generation, the microwave decays as it travels. If all microwave power is consumed for plasma generation, the plasma will no longer stretch.
ここでは、放電管40の長さに応じてマイクロ波電力が設定されており、マイクロ波は放電管40の端部40Bまで伝搬する。その結果、プラズマが放電管全体に渡って発生し、放電管全体から真空紫外光が放射される。マイクロ波電力はほぼすべて消費されるので、放電管40の端部40Bにおけるマイクロ波の反射、および端部40Bを超えるマイクロ波の漏洩はほとんどない。
Here, the microwave power is set according to the length of the
反対側の同軸出力マグネトロン12Bから供給されるマイクロ波についても同様であり、マイクロ波が放電管40の端部40Aまで伝搬することにより、プラズマが放電管全体にまで延伸する。
The same applies to the microwave supplied from the
上述したように同軸出力マグネトロン12A、12Bは交互に間欠動作するため、交互パルス放電によって放電発光する。その結果、放電管40の両側から延伸するプラズマの密度が時間平均で管軸方向均一となり、発光強度が実質的に一様な真空紫外光がランプ下方に向けて照射される。
As described above, the
このように本実施形態によれば、長尺の放電管40を備えたマイクロ波放電ランプ10において、2つの同軸出力マグネトロン12A、12Bが放電管40の両端部40A、40Bと同軸結合し、放電管40を管軸方向に沿って囲むように導体管30が配置されている。
As described above, according to the present embodiment, in the
同軸出力マグネトロン12A、12Bによって同軸モードのマイクロ波が放電管40の端部40A、40Bへ交互に供給されると、プラズマ生成、マイクロ波伝搬が相補的に進行し、これによって放電管40から真空紫外光が放射される。そして、導体管30に形成されたスリット30Sを通って真空紫外光が基板などへ照射される。
When coaxial mode microwaves are alternately supplied to the
共振器を使用せずに長尺の放電管40全体に渡って光を放射させることができるため、広範囲に渡って効率よく光を外部へ取り出すことができ、発光効率の優れたランプを提供することができる。また、長尺の放電管40の長さに合わせてマイクロ波電力を供給するため、供給電力を必要最小限に抑えてランプ点灯させることが可能となる。
Since light can be emitted over the entire
また、同軸出力マグネトロン12A、12Bと放電管40を同軸結合させてマイクロ波を同軸出力させることにより、インピーダンス整合器、同軸変換器など構成が複雑で高価な立体回路素子を必要とせず、廉価な装置構成で発光効率の高いランプを実現できる。
Further, by coaxially coupling the
さらに、放電管40の両端に設けた同軸出力マグネトロン12A、12Bからマイクロ波を交互に放電管40へ供給することにより、光強度が時間平均で均一な真空紫外光が放電管40から放射される。これにより、照度一定の要求が厳しい基板等などの対象物に対し光源として使用することができる。また、交互にマイクロ波を放電管40に供給するため、マイクロ波の干渉を抑えることが出来る。
Further, by supplying microwaves alternately from the
その上、インピーダンス整合治具52A、52Bを放電管40の両端部40A、40Bに設けられることにより、接続部におけるマイクロ波の反射を防ぎ、マイクロ波電力がプラズマ発生に最大限利用される。
In addition,
次に、図5を用いて第2の実施形態であるマイクロ波放電ランプについて説明する。第2の実施形態では、放電管を覆う導体管の断面が楕円状に形成されている。それ以外の構成については、実質的に第1の実施形態と同じである。 Next, the microwave discharge lamp which is 2nd Embodiment is demonstrated using FIG. In the second embodiment, the cross section of the conductor tube covering the discharge tube is formed in an elliptical shape. Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment.
図5は、第2の実施形態であるマイクロ波放電ランプの放電部断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the discharge part of the microwave discharge lamp according to the second embodiment.
図5に示すように、マイクロ波放電ランプ100の導体管130は、楕円断面形状であり、放電管40の軸Eが楕円の焦点と一致するように放電管40が位置決めされている。2つの同軸出力マグネトロン(ここでは図示せず)の出力部が放電管40の位置に合わせて同軸接続している。
As shown in FIG. 5, the
導体管130の断面が楕円形状であるため、放電管40から放射される真空紫外光は、反射膜132によって他方の楕円焦点方向に集められる。他方の楕円焦点位置近くにスリット130Sが形成されているため、真空紫外光を効果的に外部へ取り出すことができる。なお、円筒の組み合わせで擬似的な楕円断面形状の導体管を構成してもよい。
Since the cross section of the
なお、第1、第2の実施形態のように導体管にスリットを形成せず、金属メッシュを配設して光を外部に取り出すように構成してもよい。また、真空紫外光以外の波長域の光を照射させる場合などには、冷却用に空気を導体管30内の伝送空間TSへ入り込ませるように構成してもよい。放電管は、石英ガラス以外でセラミックスなどの誘電体によって構成すればよく、また、導体管も導電性を有するものであればよい。
Note that, as in the first and second embodiments, a slit may not be formed in the conductor tube, and a metal mesh may be provided to extract light to the outside. Further, when irradiating light in a wavelength region other than vacuum ultraviolet light, air may be configured to enter the transmission space TS in the
放電管40内に封入する放電ガスはCO、Xe以外のガスでもよく、真空紫外光以外の光を放射させてもよい。また、放電管40、あるいは導体管30の内壁に蛍光体をコーティングし、可視光を外部へ照射させるように構成してもよい。さらに、1つの同軸出力マグネトロンを放電管の一端に同軸結合し、放電管の一方のみからマイクロ波を供給するように構成してもよい。
The discharge gas sealed in the
さらに、放電管に供給するマイクロ波は、放電管の端までプラズマ延伸が続き、安定な放電が可能な周波数と電力をもつマイクロ波であればよい。 Furthermore, the microwave to be supplied to the discharge tube may be a microwave having a frequency and electric power that allows plasma discharge to continue to the end of the discharge tube and enables stable discharge.
図6を用いて、第3の実施形態であるマイクロ波放電ランプについて説明する。第3の実施形態では、導波管、立体回路素子などを備え、導波管内に放電管端部を配置する。それ以外の構成については、実質的に第1の実施形態と同じである。 The microwave discharge lamp which is 3rd Embodiment is demonstrated using FIG. In the third embodiment, a waveguide, a three-dimensional circuit element, and the like are provided, and a discharge tube end is disposed in the waveguide. Other configurations are substantially the same as those in the first embodiment.
図6は、第3の実施形態であるマイクロ波放電ランプの概略的構成図である。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a microwave discharge lamp according to the third embodiment.
マイクロ波放電ランプ200は、導波管210、マグネトロン220を備え、導波管210にはインピーダンス整合器230と、パワーモニター、アイソレータを含む立体回路素子250が配設されている。導波管210の端部には可動短絡(終端)器260が設けられるとともに、導波管210の軸方向に直角な管状部210Aが一体的に形成されている。ここでは、放電管240の端部240Aが管状部210Aに挿入されように放電管240が配置される。これにより、放電管240内部に生じるプラズマと管状部210Aがそれぞれ同軸線路の内側導体、外側導体として機能し、マイクロ波が導波管内に供給されると、導波管−同軸変換器と同様の構成になる。
The
放電管240は、石英製で長尺の肉厚放電管であり、放電管240の外表面にはアルミ蒸着膜242がコーティングされている。そしてアルミ蒸着膜242には、光を取り出すためのスリット(図示せず)が管軸方向に沿って形成されている。
The
マグネトロン220から出力されるマイクロ波は、立体回路素子250を経た後、インピーダンス整合器230と可動終端器260との間で構成される共振器に供給され、これによって放電管240の端部にプラズマが発生する。そして、アルミ蒸着膜242が同軸線路の外側導体、プラズマが同軸線路の内側導体として機能し、絶縁性である放電管240の管壁内をマイクロ波が伝搬する。マイクロ波伝搬、プラズマ延伸が放電管240の他端240Bまで続き、放電管240のスリットから管軸方向全体に渡って真空紫外光が取り出される。
The microwave output from the
なお、アルミ蒸着膜以外の導電性物質を放電管表面上に形成してもよい。また、第1、第2の実施形態において、導体管を別途設ける代わりに、第3の実施形態に示した内側導体と外側導体が一体的な放電管を適用してもよい。 A conductive substance other than the aluminum vapor deposition film may be formed on the surface of the discharge tube. Further, in the first and second embodiments, instead of separately providing a conductor tube, a discharge tube in which the inner conductor and the outer conductor shown in the third embodiment are integrated may be applied.
10、100、200 マイクロ波放電ランプ
12A、12B、220 マグネトロン(マイクロ波発振器)
20 放電発光部
30、130 導体管(管状導体)
40、240 放電管
242 アルミ蒸着膜(管状導体)
40A、40B 放電管の端部
50A、50B 内側導体部(中継導体部)
52A、52B インピーダンス整合治具
10, 100, 200
20 Discharge
40, 240
40A, 40B End of
52A, 52B Impedance matching jig
Claims (14)
マイクロ波を発振する少なくとも1つのマイクロ波発振器と、
放電ガスが封入され、マイクロ波が一方の端部に供給される放電管と、
前記放電管を管軸方向全体に渡って覆う管状導体とを備え、
マイクロ波電力の供給によって、前記放電管内に生じるプラズマが同軸線路の内側導体を形成し、前記管状導体が同軸線路の外側導体となることにより、マイクロ波が前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に伝搬し、マイクロ波の伝搬とともにプラズマが前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に延伸し、
前記放電管の他方の端部付近までプラズマが延伸する電力をもつマイクロ波が、前記放電管の端部に供給され、
前記放電管の端部が、前記マイクロ波発振器の出力部と同軸接続し、
前記マイクロ波発振器の出力部と前記放電管の端部を連結し、同軸線路の内側導体として機能する中継導体部をさらに備えることを特徴とするマイクロ波放電ランプ。 A microwave discharge lamp that is an electrodeless discharge lamp that emits light by being supplied with microwave power,
At least one microwave oscillator for oscillating microwaves;
A discharge tube in which discharge gas is enclosed and microwaves are supplied to one end;
A tubular conductor covering the discharge tube over the entire tube axis direction,
When the microwave power is supplied, plasma generated in the discharge tube forms an inner conductor of the coaxial line, and the tubular conductor becomes an outer conductor of the coaxial line, so that the microwave is directed toward the other end of the discharge tube. Propagating in the tube axis direction, and with the propagation of microwaves, the plasma extends in the tube axis direction toward the other end of the discharge tube,
A microwave having power that extends the plasma to the vicinity of the other end of the discharge tube is supplied to the end of the discharge tube ,
The end of the discharge tube is coaxially connected to the output of the microwave oscillator,
A microwave discharge lamp , further comprising a relay conductor portion that connects an output portion of the microwave oscillator and an end portion of the discharge tube and functions as an inner conductor of a coaxial line .
前記放電管の端部が前記導波管内に挿入されていることを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載のマイクロ波放電ランプ。 A waveguide for transmitting microwaves from the microwave oscillator;
The microwave discharge lamp according to claim 1, wherein an end of the discharge tube is inserted into the waveguide.
マイクロ波を発振する少なくとも1つのマイクロ波発振器と、
放電ガスが封入され、マイクロ波が一方の端部に供給される放電管と、
前記放電管を管軸方向全体に渡って覆う管状導体とを備え、
マイクロ波電力の供給によって、前記放電管内に生じるプラズマが同軸線路の内側導体を形成し、前記管状導体が同軸線路の外側導体となることにより、マイクロ波が前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に伝搬し、マイクロ波の伝搬とともにプラズマが前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に延伸し、
前記放電管の他方の端部付近までプラズマが延伸する電力をもつマイクロ波が、前記放電管の端部に供給され、
前記管状導体が、空間を間に設けて前記放電管を囲む導体管を有し、
前記管状導体が、管軸方向に沿って光を通過させるスリットを有し、
前記導体管が楕円断面形状を有し、一方の楕円焦点付近に前記放電管が配置され、他方の楕円焦点近くに前記スリットが形成されることを特徴とするマイクロ波放電ランプ。 A microwave discharge lamp that is an electrodeless discharge lamp that emits light by being supplied with microwave power,
At least one microwave oscillator for oscillating microwaves;
A discharge tube in which discharge gas is enclosed and microwaves are supplied to one end;
A tubular conductor covering the discharge tube over the entire tube axis direction,
When the microwave power is supplied, plasma generated in the discharge tube forms an inner conductor of the coaxial line, and the tubular conductor becomes an outer conductor of the coaxial line, so that the microwave is directed toward the other end of the discharge tube. Propagating in the tube axis direction, and with the propagation of microwaves, the plasma extends in the tube axis direction toward the other end of the discharge tube,
A microwave having power that extends the plasma to the vicinity of the other end of the discharge tube is supplied to the end of the discharge tube ,
The tubular conductor has a conductor tube that surrounds the discharge tube with a space in between ,
The tubular conductor has a slit that allows light to pass along the tube axis direction ;
Wherein a conductor pipe an elliptical cross-sectional shape, it is disposed the discharge tube in the vicinity of one of the ellipse focus, features and to luma microwave discharge lamp in that the slit is formed near the other ellipse focus.
放電ガスが封入される放電管と、
前記放電管を管軸方向全体に渡って覆う導体と、
前記放電管の一方の端部にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを備え、
マイクロ波電力の供給によって、前記放電管内に生じるプラズマが同軸線路の内側導体を形成し、前記管状導体が同軸線路の外側導体となることにより、マイクロ波が前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に伝搬し、マイクロ波の伝搬とともにプラズマが前記放電管の他方の端部に向けて管軸方向に延伸し、
前記マイクロ波供給手段が、前記放電管の他方の端部付近までプラズマが延伸する電力をもつマイクロ波を、前記放電管の端部に供給し、
前記放電管の端部が、前記マイクロ波発振器の出力部と同軸接続しており、
前記マイクロ波発振器の出力部と前記放電管の端部を連結し、同軸線路の内側導体として機能する中継導体部をさらに有することを特徴とするマイクロ波放電ランプ。 A microwave discharge lamp that is an electrodeless discharge lamp that emits light by being supplied with microwave power,
A discharge tube filled with discharge gas;
A conductor covering the discharge tube over the entire tube axis direction;
A microwave supply means for supplying a microwave to one end of the discharge tube,
When the microwave power is supplied, plasma generated in the discharge tube forms an inner conductor of the coaxial line, and the tubular conductor becomes an outer conductor of the coaxial line, so that the microwave is directed toward the other end of the discharge tube. Propagating in the tube axis direction, and with the propagation of microwaves, the plasma extends in the tube axis direction toward the other end of the discharge tube,
The microwave supply means supplies a microwave having electric power for extending the plasma to the vicinity of the other end of the discharge tube to the end of the discharge tube ;
The end of the discharge tube is coaxially connected to the output of the microwave oscillator,
The microwave discharge lamp further comprising a relay conductor portion that connects an output portion of the microwave oscillator and an end portion of the discharge tube and functions as an inner conductor of a coaxial line.
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