JP5829682B2 - マイクロ波で駆動されるプラズマ光源 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ光源に関する。

我々の名前で付与された欧州特許ＥＰ１３０７８９９号では、エネルギー源に接続されるように構成され、電磁エネルギーを受け取るための導波管、および、導波管に結合され、導波管から電磁エネルギーを受け取ると発光する気体充填材を含むバルブを備える光源において、
（ａ）導波管が、２より大きい誘電率と、０．０１より小さい損失正接と、１インチが２．５４ｃｍとして２００ｋＶ／インチよりも大きいＤＣ破壊閾値とを有する誘電体から実質的になる本体を備え、
（ｂ）導波管は、０．５〜３０ＧＨｚの範囲内の少なくとも１つの動作周波数において、導波管本体内で少なくとも１つの電界極大値を保持できるサイズおよび形状であり、
（ｃ）空洞は導波管の第一側面に懸吊して設けられ、
（ｄ）バルブは空洞内で動作中に電界極大値がある場所に置かれ、気体充填材は、共振導波管本体からマイクロ波エネルギーを受け取ると発光プラズマを形成し、
（ｅ）導波管本体内に置かれたマイクロ波供給装置は、エネルギー源からマイクロ波エネルギーを受け取るように構成され、導波管本体と密接な接触状態にある
ことを特徴とする光源がクレームに記載されている。

我々の欧州特許２，１８８，８２９号では、マイクロ波エネルギーによって駆動される光源において、源が、
・その中に密閉された空洞を有する本体と、
・本体を取り囲み、マイクロ波を閉じ込めているファラデーケージと、
・ファラデーケージ内の本体は共振導波管であり、
・空洞において、発光プラズマを形成するために、マイクロ波エネルギーによって励起可能な材料からなる充填材と、
・プラズマを誘導するマイクロ波エネルギーを充填材に伝送するために本体内に配置されたアンテナとを有し、アンテナは、
・マイクロ波エネルギー源と結合するために本体の外側に延びている接続部を有し、
・本体は、そこから光が出るように半透明な材料からなる固体のプラズマルツボであり、
・ファラデーケージは、プラズマルツボから出てくる光に対して少なくとも部分的に光を伝達するものであり、
空洞内のプラズマからの光が、プラズマルツボを通過することができ、ケージを介してそこから放射することができるように配置されている光源が開示され、クレームに記載されている。

我々は、これを発光共振器（Light Emitting Resonator）すなわちＬＥＲ特許と呼ぶ。直上の特許の主クレームは、その先行技術部分に関して、上記最初に示した我々のＥＰ１３０７８９９の開示に基づいている。

ＷＯ２０１００５５２７５号に従って公開された我々の欧州特許出願０８８７５６６３．０号では、
・固体誘電材料の半透明導波管と、
当該導波管は、
・導波管を取り囲み、少なくとも部分的に光を伝達するファラデーケージで、放射状に光を伝達するよう構成されるファラデーケージ、
・導波管およびファラデーケージ内のバルブ空洞、および、
・導波管およびファラデーケージ内で内側にへこんだアンテナを有し、
・マイクロ波で励起可能な充填剤を有し、バルブ空洞に受け入れられるバルブと
を備える光源が開示され、クレームに記載されている。

我々は、これを、半透明の導波管がバルブの周りにクラムシェルを形成する点で、我々のクラムシェルアプリケーションと呼ぶ。

我々のＬＥＲ特許、我々のクラムシェルアプリケーションおよび本願明細書で使用されるように、
・「マイクロ波」は、明確な周波数範囲を参照する意図ではない。我々は「マイクロ波」を約３００ＭＨｚ〜約３００ＧＨｚの３桁の範囲を意味して用いる；
・「半透明の」は、半透明と記載される物を構成する材料が透明または半透明であることを意味する；
・「プラズマルツボ」は、プラズマを閉じ込める閉じた本体を意味し、プラズマは、空洞の充填材がアンテナからのマイクロ波エネルギーにより励起されるとき、空洞内に存在する；
・「ファラデーケージ」は、電磁波放射線を囲う導電性の筐体を意味し、当該筐体は、動作周波数で電磁波すなわちマイクロ波に対して少なくとも実質的に不透過性である。

我々は最近、ナイジェルブルックス参照番号３１３３および３１３４に従って、２０１１年６月３０日に出願した特許出願において、ＬＥＲの改善点を開示した。これらの改善点は、本体の穴内に半透明チューブを組み込むことに関するものであり、チューブは、本体と一体であり、その中に形成された空洞を有する。本願の改善点がこれらの２つの出願の改善点に当てはまるという懸念を払拭するために、我々は次のように定義する。

ＬＥＲ特許、クラムシェルアプリケーションおよび上記ＬＥＲ改良出願は、以下の点で共通点がある。
マイクロ波プラズマ光源が、
・ファラデーケージと；
ファラデーケージは、
・導波管の範囲を定め、
・そこからの光を発するために、少なくとも部分的に半透明であって、通常は少なくとも部分的に透明であり、
・通常は半透明でない閉じ部を有する。
・ファラデーケージ内で導波管を具現化する固体誘電体の半透明材料からなる本体と；
・マイクロ波によって励起可能な材料を含む導波管内の閉じた空洞と；
・プラズマで励起されるマイクロ波を導波管に案内する設備とを有し、
所定の周波数のマイクロ波の案内で、空洞内でプラズマが発生され、ファラデーケージを介して光が発せられるように配置される。

本願明細書では、我々はこのような光源を半透明導波管マイクロ波プラズマ光源（Lucent Waveguide Microwave Plasma Light Source）すなわちＬＷＭＰＬＳと呼ぶ。

我々のＬＷＭＰＬＳを改良するために、我々は、電極バルブを使用した従来のプラズマランプに比べ、プラズマの単位長さ当たりのワット数をより高くできることを見つけ出した。

比較してみると、従来の電極プラズマ、すなわちＨＩＤ（High Intensity Discharge）バルブの光出力および寿命は、壁面温度の最小値および最大値の両方に大きく依存している。最小壁面温度は添加物の蒸気圧を決定し、通常、添加物の圧力が高いほど、光出力は大きくなる。最大壁面温度は、バルブの寿命の限界を決定する。７２５℃より低いとバルブの寿命を長くすることができ、８５０℃を超えると寿命は急激に悪化する。

バルブの壁面負荷は、入力電力を内部バルブ表面積で割ったものであり、当該壁面負荷は通常Ｗ／ｃｍ^２（ワット毎平方センチメートル）で表現される。壁面負荷は両温度を含むおおよその測定基準として使用される。これらの２つの温度の間の差を最小化するために、多くの提案がなされてきた。電極バルブの長寿命として、２０Ｗ／ｃｍ^２で１５，０００時間を超えるのが上限と考えられ、一方５０Ｗ／ｃｍ^２のバルブ寿命は２，０００時間よりも少ないとみなされる。

ｌｍ／Ｗ（ルーメン毎ワット）を単位とするマイクロ波エネルギーが光に変換される効率は、我々のＬＷＭＰＬＳにおいて、それらの動作ワット数、他のすべてのものが等しい条件で、増加する。これは、プラズマ内の最大温度上昇に起因し、伝導性、または、単位長さ当たりの電力が増加するにつれて減少するプラズマの表皮厚さに関連する。

我々はこの効果がいかに際立っているかに驚き、そのため、我々は今、それらの観点から、または少なくともそれらの動作電力に対して短いプラズマ空洞の観点から、改良されたＬＷＭＰＬＳおよびＬＥＲの性能を特定できると信じている。

本発明によれば、空洞の長さＬおよび定格電力Ｐを有する半透明導波管マイクロ波プラズマ光源が提供され、当該光源において、
・定格電力を空洞の長さで割ったプラズマ負荷、すなわちＰ／Ｌが少なくとも１００Ｗ／ｃｍであり、
空洞の長さは、全体の空洞の長さから空洞の中心部の半径を２つ分引いたものである。

１２５Ｗ／ｃｍ以上で動作させることが好ましく、より高い電力に対しては、少なくとも１４０Ｗ／ｃｍで動作させることが好ましい。

空洞内のプラズマの実際の長さに関してプラズマ負荷を測定することは、半透明の導波管を通して観察することができるが扱いにくいものである。プラズマは、ドーム形の端の空洞中央の平行部で最も強く、平らな端の空洞の極限の端まで及ばないことに基づいて、空洞の全体の長さを測定し、両端からその半径を引くことが好ましい。一方、実際のマイクロ波出力、または、少なくともＬＷＭＰＬＳに電力供給するマグネトロンに伝達する電力を測定することは可能であり、光源の定格電力、すなわち光源の全体の電力消費に関して電力を測定することが好ましい。

我々のＬＷＭＰＬＳのいくつかでは、プラズマ空洞は我々のＬＥＲのように、半透明のルツボ内に直接存在し、その他の場合には、プラズマ空洞は、我々のクラムシェルアプリケーションにおいて見られるような半透明の導波管内の半透明のバルブ内に存在する。本発明および我々のＬＷＭＰＬＳは、これらの２つの配置に限定されるものではない。他の配置は、我々の係属中で刊行されていない特許出願の一部の主題である。

我々のＬＷＭＰＬＳの一部ではまた、これらの動作電力に対して、かなり小さい空洞の内部表面積で動作させることができる。

特に、１００Ｗ／ｃｍ^２から３００Ｗ／ｃｍ^２の間の壁面負荷で動作させることが好ましい。より高い電力に対しては、通常少なくとも１２５Ｗ／ｃｍ^２、好ましくは１５０Ｗ／ｃｍ^２から２５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲で動作させることが期待される。

我々は、プラズマ負荷を測定するための空洞の一部の内部表面積に関し、電力が定格電力として、壁面負荷を測定する。

我々は、このような伝統的な条件よりも高い壁面負荷で動作させることができるという事実が、我々の半透明のルツボおよび導波管によって起こる伝導性熱伝達および放射伝熱のためであるとみなしている。

本発明の理解を助けるため、実施例によって、および、添付の図面を参照して、特定の実施形態についてここに記載する。

本発明に従ったＬＥＲの側面図である。 空洞の拡大断片図である。

図を参照すると、ＬＥＲ ＬＷＭＰＬＳに対する半透明のルツボ１は、その中にマイクロ波で励起可能な材料３を有する中央空洞２を有する。空洞は直径４ｍｍ、長さ２１ｍｍである。ルツボは、石英ガラスでできており、端部平面４，４の間の長さが２１ｍｍであり、外径が４９ｍｍの円柱である。空洞の長さと、ルツボの端部平面の間の長さとが同一であることは、これが一片の石英からなり、穴を有し、穴の端で閉じていることに起因する。空洞ではなくルツボの長さは本目的に対して多少任意であり、これは望ましいＴＭ_０１０モードにおいて、共鳴がルツボの長さに依存しないためである。このＬＥＲは２．４５ＧＨｚにおいて２８０Ｗで動作するように設計される。

また、マイクロ波をルツボに案内するアンテナ６のための穴５、および、マイクロ波共鳴をルツボ内に維持するファラデーケージ７が示されている。それはケージによって保持されるアルミニウムキャリア８の後ろに位置している。

ＴＭ_０１０モードにおける２８０ＷでのＬＥＲの作動は、１３３Ｗのプラズマ負荷および１０６Ｗ／ｃｍ^２の壁面負荷に対応し、我々は７００℃の壁面温度を測定する。このような装置は最大１１０ｌｍ／Ｗまでの有効性を有する。

プラズマ負荷を測定するために、ＬＥＲの定格電力をプラズマの長さで割る。我々の経験では、プラズマ１１は、図２に示すように、空洞の全長１２の丁度手前で止まる。空洞は通常、ドーム形の終端１４を有する。プラズマは、ドーム形の終端の空洞中央の平行部で最も強く、平らな端の空洞の極限の端まで及ばないことに基づいて、空洞の全体の長さを測定し、両端からその半径１５を引く。

１１０ｌｍ／Ｗよりも大きい有効性を達成するために、我々はプラズマの単位長さ当たりの負荷を１５０Ｗ／ｃｍよりも大きくする必要があることを発見した。同時にランプが十分な寿命を有するためには、最大壁面負荷を３００Ｗ／ｃｍ^２よりも小さく、好ましくは２５０Ｗ／ｃｍ^２よりも小さく制限することが必要であることを発見した。

ＴＭ_０１０モードで動作させるルツボに対する高いプラズマ負荷の例は以下のようである。
１．空洞の長さ １１ｍｍ
空洞直径 ５ｍｍ
電力 ２８０Ｗ
プラズマ負荷 ２５５Ｗ／ｃｍ
壁面負荷 １６２Ｗ／ｃｍ^２
２．空洞の長さ １４ｍｍ
空洞直径 ３ｍｍ
電力 ２８０Ｗ
プラズマ負荷 ２００Ｗ／ｃｍ
壁面負荷 ２１０Ｗ／ｃｍ^２

このように十分な長寿命の高効率ＬＥＲに対して、作動条件は次のように設定される。

これらの条件はいずれのモードで動作させる共振器に対しても適用できる一方、ＴＭ０１０およびＴＭ１１０モードで動作させる円筒形のＬＥＲは、他のモードで動作させる共振器に比べ、製造可能性が容易である点およびコストの点で有利である。これは、これらの２つのモードは共振周波数が空洞の長さに依存しないという特性を有するためである。これは特に、ＬＥＲの長さの変更、および、コストが最小限に抑えられる共振器の両端への突き合せシールド管の使用によって、プラズマの単位長さ当たりの電力入力を変化させるのを容易にしている。

Claims (7)

1. 光源が定格電力Ｐを有する電源のマグネトロンと、
   閉じた空洞の長さＬを有する固体誘電体の半透明材料の本体とを備え、
   定格電力を空洞の長さで割ったプラズマ負荷、すなわちＰ／Ｌが少なくとも１００Ｗ／ｃｍであり、
   前記定格電力を空洞の一部の内部表面積で割った壁面負荷が、１００Ｗ／ｃｍ^２〜３００Ｗ／ｃｍ ^２ であり、
   前記空洞の長さは全体の空洞の長さから空洞の中心部の半径を２つ分引いたものであり、
   前記空洞の一部の内部表面積は、前記空洞の両端から中心部の半径分だけ離れた部分の間を測定したものである
   ことを特徴とする半透明導波管マイクロ波プラズマ光源（ＬＷＭＰＬＳ：Lucent Waveguide Microwave Plasma Light Source）。
2. 前記プラズマ負荷が少なくとも１２５Ｗ／ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のＬＷＭＰＬＳ。
3. 前記プラズマ負荷が少なくとも１４０Ｗ／ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のＬＷＭＰＬＳ。
4. プラズマ空洞が半透明のルツボ内に直接あることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＷＭＰＬＳ。
5. プラズマ空洞が半透明の導波管内の半透明のバルブ内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＷＭＰＬＳ。
6. 前記壁面負荷が１２５Ｗ／ｃｍ^２〜３００Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＷＭＰＬＳ。
7. 前記壁面負荷が１５０Ｗ／ｃｍ^２〜２５０Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項６に記載のＬＷＭＰＬＳ。
   

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