JP5915975B2 - 無水銀放電ランプ - Google Patents
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Description
そして、この短波長域の紫外線を放射する放電ランプとしては高圧水銀ランプが多用されているが、この放電ランプは発光効率が数%と低いことが問題であった。
また一方で、最近、環境への配慮から水銀を含まないランプに対する要請が高まっており、水銀放電ランプの使用を控えることが趨勢となってきている。
この特許文献1においては、図3に示すように、電極間距離Xと、発光管内径Yとの比X/Yが2以上で、Y=2〜25mmであり、発光管内に、キセノン(Xe)ガスと、0.001〜10mg/cm3の亜鉛(Zn)を封入し、管壁負荷が10W/cm2以上で点灯する無水銀放電ランプが開示されている。
図5は、同仕様のランプで、発光管を保温し、最冷点温度を上げた場合(実線)を、発光管を保温しなかった場合(点線)との比較で示した発光スペクトルである。紫外域200〜300nmの範囲で、発光スペクトルの波長についての積分値で比較すると、発光管を保温すると、保温しない場合に比べて前記紫外領域での発光効率が3割アップした。つまり、発光管を保温すると内部温度が高くなり、封入した亜鉛が蒸発しやすくなることにより、発光効率を高くすることができたものと考えられる。
これらのことから、亜鉛を封入した無水銀放電ランプであっても、200〜350nmの波長領域において、非常に高効率で発光し、かつ、中圧水銀ランプ並みの電位傾度を持つ放電ランプを実現できる可能性があることが分かった。
その原因について考察したところ、高エネルギーの亜鉛、つまり亜鉛イオンが発光管と衝突した際に、発光管の表層付近に次々に打ち込まれ、その極浅い表層部では亜鉛が飽和状態となる。過飽和となった亜鉛原子は、発光管内で相分離を引き起こし、凝縮することで、亜鉛粒子を形成し、これが光を遮断し、発光管が失透状態となるものと推察される。
また更には、亜鉛の蒸気圧は温度の影響が大きいことから、ランプの冷却条件の少しの変化で亜鉛の蒸気圧が変動してしまい、ランプ電圧の安定性が悪くなり、安定な照度が得られないことも分かった。
すなわち、ハロゲン添加の効果により、100h程度に寿命が延びたものの、ハロゲン添加量が少なかったため、実用的な寿命を達成できなかった。
そこで、ハロゲン量を増量することを検討した。
ハロゲン量を増量していくと、発光管の失透は抑制されていく。しかしながら、発光管内で発生した紫外線がハロゲン分子またはハロゲン化物により吸収され、紫外線(UV)出力が著しく低下していくことが分かった。
すなわち、実用的なUV出力を達成できないことが分かった。
このように、亜鉛を封入したランプにおいて、電極周辺の発光管を保温し、発光管の温度を適切にしたことで、亜鉛の蒸気圧が上がり、紫外域の発光効率を向上させることができたが、亜鉛の蒸気圧が上がったことで、亜鉛イオンの増加を引き起こし、この亜鉛イオンの増加が発光管の失透を招くという、亜鉛ランプ特有の問題が新たに発生することが判明した。
また、前記金属が、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)、リチウム(Li)、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)、ガリウム(Ga)、タリウム(Tl)、インジウム(In)のいずれかであることを特徴とする。
これにより、短波長領域の紫外線を高出力で高発光効率に放射する長寿命の無水銀放電ランプが得られるものである。
石英ガラス製の発光管1の両端部には封止部2が形成されており、発光管1内には一対の電極3、3が配置されている。
前記封止部2には、金属箔4が配置されていて、この金属箔4は電極3の後端部に溶接されている。更に、該金属箔4の後端には外部リード5が接続されている。
そして、発光管1の電極3の周辺の外表面には保温膜6が被覆形成されている。
このセシウムの封入量は、該セシウムの封入モル密度をAとし、前記亜鉛の封入モル密度をBとしたとき、その比率がA/B=0.001〜0.05となるように封入される。
亜鉛原子の密度が0.5μmol/cm3以下であると、アークの温度が低い状態であるため、亜鉛の蒸気圧が低く、亜鉛原子の発光が十分に得られない。
また、5μmol/cm3以上であると、亜鉛の未蒸発が発生し、蒸発していない亜鉛により光が遮られ、発光照度が低下する。
全ハロゲンの封入モル密度が、0.1μmol/cm3以下であると、ハロゲンサイクルが活性化せずに早期にタングステンが飛散し、発光管に付着することで、光出力が低下する。
また、2μmol/cm3以上であると、発光が著しく低下し、目的とする紫外線ランプとしての機能を果たさなくなる。これはハロゲン分子またはハロゲン化物には短波長紫外線領域を吸収する性質があるためである。
亜鉛のイオン化エネルギーは、9.39eVであり、これ以上のエネルギーをもった電子が衝突することにより、亜鉛イオンが生成されることになる。
ここで、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属(セシウム)を添加した場合、電子は、添加したセシウムにも衝突し、セシウムイオンを生成させる。そして、セシウムのイオン化によりエネルギーを消費した電子は、亜鉛をイオン化できるほどのエネルギーはもっておらず、亜鉛に衝突してもイオン化させることができなくなる。
また、セシウムイオンはエネルギーが低く、発光管壁に打ち込まれることはない。
このようにセシウムは、亜鉛のイオン化を抑制するものであるが、その付随的効果として、セシウムは励起エネルギーが低いこともあり、発光管の径方向のアーク温度分布を低下させ、亜鉛ランプ特有の著しいアークの浮き上がりを抑制できるという効果もある。
そこで、一対の電極間の距離(発光長)が200mm、発光管の内径が16mmであり、発光管の電極周辺部分に保温機構として、セラミック系の保温膜を被覆した無水銀放電ランプを製作した。
発光管内には、亜鉛を封入モル密度で2μmol/cc、ヨウ素を封入モル密度で0.6μmol/cc、キセノンを20kPa封入し、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属としてセシウム(Cs)の封入モル密度を変化させた無水銀放電ランプを製作した。
これらのランプをアーク長1cmあたりの入力を100Wとして点灯させ、200〜300nmの照度維持率が80%になるまでの時間を確認した。その結果が図2の表1に示されている。
このように、A/Bの値が、0.001未満であると、セシウムの添加量が少なすぎて、亜鉛イオンの発光管への打ち込みを抑制する効果が発揮できずに失透してしまい、一方、0.05を超えると、セシウムの量が過剰となり、光がセシウムに吸収されて、光出力が低下するものと推察される。
これらを総合勘案すると、A/Bの値は、0.001〜0.05が好適であることが分かる。
そのため、発光管への亜鉛イオンの打ち込みが抑制されて失透を起こすことが抑制されて、200〜350nmの短波長領域の紫外線を高出力・高発光効率で放射する長寿命の無水銀放電ランプが得られる。
また、前記金属の封入モル密度Aと、前記亜鉛の封入モル密度Bの比率を、A/B=0.001〜0.05としたことにより、照度維持率が長時間にわたって高維持率に保たれるとともに、その出力照度も高水準に保たれる無水銀放電ランプが得られる。
2 封止部
3 電極
4 金属箔
5 外部リード
6 保温膜
Claims (1)
- 石英ガラスからなる発光管内に一対の電極が対向配置され、該発光管の電極周辺の外表面に保温膜が形成されているとともに、前記発光管内に亜鉛(Zn)、ハロゲンおよび希ガスが封入されてなる無水銀放電ランプにおいて、
前記発光管内に、亜鉛よりもイオン化エネルギーの低い金属として、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)、リチウム(Li)、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)、ガリウム(Ga)、タリウム(Tl)、インジウム(In)のいずれかを封入するとともに、
該金属の封入モル密度Aと、前記亜鉛の封入モル密度Bの比率を、A/B=0.001〜0.05とした、
ことを特徴とする無水銀放電ランプ。
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