JP5979016B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

この発明は、エキシマランプに関するものであり、特に、発光管内に塩素とクリプトンまたは塩素とキセノンが封入されたエキシマランプに係わるものである。

従来、表面改質などの光化学反応用、殺菌用や、疥癬治療など医療用などの紫外線光源として使用されるエキシマランプとして、発光管内に塩素とクリプトンまたは塩素とキセノンが封入され、それぞれ発光波長２２２ｎｍまたは３０８ｎｍの光を放射するエキシマランプが知られている。
特開２００９−２１８０５５号公報（特許文献１）には、横断面形状が扁平な略四角形状の発光管内に希ガスやハロゲンを封入したエキシマランプが開示されている。

このような扁平な発光管内に塩素と希ガスとが封入されたエキシマランプにおいては、ランプ入力や、電極の大きさや、希ガスの種類や封入圧等と放電状態との関係が十分に考慮されていないために、点灯時に発光管内でしばしば異常放電が生じることが確認された。発光管内に異常放電が発生すると、発光効率が悪くなり、安定した出力が得られないという問題がある。

特開２００９−２１８０５５号公報

この発明が解決しようとする課題は、横断面形状が扁平な略四角形状であって、一対の平坦壁部と、該平坦壁部を繋ぐ側壁部とからなる発光管を有し、前記平坦壁部の外表面に一対の外部電極が配置されるとともに、前記発光管内に希ガスと塩素との混合ガスが封入されてなるエキシマランプにおいて、発光管内で異常放電が発生することなく、発光効率が高く、安定した光出力が得られるエキシマランプを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るエキシマランプにおいては、前記混合ガス圧をＰ（ｋＰａ）とし、前記一対の平坦壁部の離間距離（放電ギャップ）をｄ（ｃｍ）とし、前記電極に入力されるランプ入力を、前記電極面積で割った単位面積当たりのランプ入力をＷ（Ｗ／ｃｍ^２）としたとき、
希ガスとしてクリプトンを封入したエキシマランプにおいては、次式を満たすことを特徴とする。
６．７≦Ｐ≦（−１３０×Ｗ＋６６）×ｄ＾（−６．６×Ｗ＋０．９）
また、希ガスとしてキセノンを封入したエキシマランプにおいては、次式を満たすことを特徴とする。
６．７≦Ｐ≦（−９９×Ｗ＋６７）×ｄ＾（−２．７×Ｗ）
なお、上記両式において、「＾」はべき乗を表す。

本発明のエキシマランプによれば、希ガスと塩素を封入する際、その封入圧と、放電ギャップ（一対の平坦壁部の離間距離）および電極単位面積当たりのランプ入力の関係を適正に選定することにより、発光管内に異常放電が発生することがなく、発光効率が高く、安定した光出力が得られるという効果を奏するものである。

本発明のエキシマランプの斜視図（Ａ）およびＸ−Ｘ断面図（Ｂ）。 放電形態を表す模式図。 クリプトンと塩素を封入したエキシマランプの良好な放電形態条件 を示すグラフ。 図３のグラフの条件式における係数Ａ１を求めるグラフ。 図３のグラフの条件式における係数Ｂ１を求めるグラフ。 キセノンと塩素を封入したエキシマランプの良好な放電形態条件 を示すグラフ。 図６のグラフの条件式における係数Ａ２を求めるグラフ。 図６のグラフの条件式における係数Ｂ２を求めるグラフ。

図１（Ａ）（Ｂ）に本発明の対象となるエキシマランプが示されている。
エキシマランプ１の発光管２は、一対の平坦壁部３、３と、これらを繋ぐ側壁部４、４とからなる横断面形状が偏平な略四角形状をなし、長手方向に長尺形状であって、前記平坦壁部３、３の外面には外部電極５、５が設けられている。

このようなエキシマランプを点灯すると、発光管内には誘電体バリア放電が発生するが、その放電には、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような３種類の放電形態が出現する。
図２（Ａ）は放電形態１を示し、この放電形態１では発光管２内に均一な放電が発生し、電極面積全体で放電ギャップ間全体に、雲のように全体に均一な放電が発生する。
図２（Ｂ）には放電形態２を示す。放電形態２は直径０．０２〜０．２ｍｍの柱状の多数のマイクロプラズマが電極面積全体に生じる（電極面積１ｃｍ^２の中に数個〜数十個）。誘電体バリア放電では、この放電形態になることが多い。
図２（Ｃ）には放電形態３を示す。放電形態３はマイクロプラズマよりも直径が大きい柱状のプラズマが、電極面積内にマイクロプラズマよりも少ない数で生じる（電極面積１０〜２０ｃｍ^２の中に1個程度）。

上記の３種類の放電形態のうち、放電形態１と２では、放電が安定していて、発光効率が高い。しかし、図２（ｃ）に示す放電形態３は、大きな柱状プラズマがランダムに動き回るので、安定した出力を得ることができず、発光効率が低くなる。
これらの放電形態のうち、望ましい放電形態１と２を発生し、望ましくない放電形態３を発生することがない条件を、以下の実施例を通じて検討した。

＜実施例１＞
エキシマランプの構成
発光管の材質：シリカガラス
格子状電極の材質：金
発光管の断面短辺幅： ０．９ｃｍ
平面部のランプ幅 ：２．７ｃｍ
平面部の発光管の厚み：０．１５ｃｍ
格子状電極長： １５ｃｍ
格子状電極幅： １．９ｃｍ
発光管の長さ： ２０ｃｍ
希ガス ： クリプトン
塩素濃度: １．０ｗｔ％
印加電圧 ：３〜８ｋＶｐｐ ５０〜７０ｋＨｚ 矩形波

実施例１のエキシマランプを、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ２）、放電ギャップｄ（一対の平坦壁部の離間距離）（ｃｍ）、封入ガス圧Ｐ（ｋＰａ）を種々に変更し、その放電形態を観察した。
なお、ランプ入力とは、入力を電極の面積で割った値であって、この電極の面積とは、高圧側電極の面積と低圧側電極の面積を足した総面積をいう。また、例えば網状電極の場合は線の面積ではなく、電極が形成されている外輪郭の領域の面積をいう。
実験結果を表１に示す。

＜表１＞

表１の結果から、ランプ入力と放電ギャップの組合せにおいて、放電形態が１または２となる範囲の封入ガス圧の最大値を表２に示す。

＜表２＞

表２に示す放電ギャップｄ（ｃｍ）と封入ガス圧力Ｐ（ｋＰａ）の関係を図３に示す。
図３に示す近似曲線は、グラフのプロット点を最小二乗法によって結んだものであり、次式で表される。
Ｐ＝Ａ１×ｄ＾Ｂ１ Ａ１、Ｂ１：係数
ここで係数Ａ１、Ｂ１は各ランプ入力に対して表３に示す値となる。
また、「＾」はべき乗を表す。

＜表３＞

表３に示すランプ入力と係数Ａ１、Ｂ１の関係を図４、５に示す。
図４より、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ^２）と係数Ａ１の関係は次式で表される。
係数Ａ１＝−１３０×Ｗ＋６６
図５より、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ^２）と係数Ｂ１の関係は次式で表される。
係数Ｂ１＝−６．６×Ｗ＋０．９

図３に示す各ランプ入力における近似曲線よりも低い圧力ならば、放電形態1、２になるので、発光効率が高く、安定した出力が得られる。
以上の結果から、偏平な略四角形状の発光管内に、塩素と、希ガスとしてクリプトンが封入されたエキシマランプにおいて、発光効率が高く、安定した出力を得るためには、封入ガス圧力Ｐが次式で表される範囲であることを必要とする。
Ｐ≦（−１３０×Ｗ＋６６）×ｄ＾（−６．６×Ｗ＋０．９）

＜実施例２＞
エキシマランプの構成は、発光管に封入される希ガスをキセノンとする点を除いて、実施例１のエキシマランプの構成と同一である。
この実施例２のエキシマランプを、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ２）、放電ギャップｄ（ｃｍ）、封入ガス圧Ｐ（ｋＰａ）を種々に変更し、その放電形態を観察した。
その実験結果を表４に示す。

＜表４＞

表４の結果から、ランプ入力と放電ギャップの組合せにおいて、放電形態が１または２となる範囲の封入ガス圧の最大値を表５に示す。

＜表５＞

表５に示す放電ギャップｄ（ｃｍ）と封入ガス圧力Ｐ（ｋＰａ）の関係を図６に示す。
図６に示す近似曲線は、グラフのプロット点を最小二乗法によって結んだものであり、次式で表される。
Ｐ＝Ａ２×ｄ＾Ｂ２ Ａ２、Ｂ２：係数
ここで係数Ａ２、Ｂ２は各ランプ入力に対して表６に示す値となる。
また、「＾」はべき乗を表す。

＜表６＞

表６に示すランプ入力と係数Ａ２、Ｂ２の関係を図７、８に示す。
図７より、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ^２）と係数Ａ２の関係は次式で表される。
係数Ａ２＝−９９×Ｗ＋６７
図８より、ランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ^２）と係数Ｂ２の関係は次式で表される。
係数Ｂ２＝−２．７×Ｗ

図６に示す各ランプ入力における近似曲線よりも低い圧力ならば、放電形態1、２になるので、発光効率が高く、安定した出力が得られる。
以上の結果から、偏平な略四角形状の発光管内に、塩素と、希ガスとしてキセノンが封入されたエキシマランプにおいて、発光効率が高く、安定した出力を得るためには、封入ガス圧力Ｐが次式で表される範囲であることを必要とする。
Ｐ≦（−９９×Ｗ＋６７）×ｄ＾（−２．７×Ｗ）

一方で、エキシマ分子は、次式に示す三体衝突によって形成される。
Ｒｇ^＋＋Ｃｌ⁻＋Ｍ→ＲｇＣｌ＋Ｍ
Ｒｇ：希ガス（ＫｒまたはＸｅ）
Ｍ：原子または分子（ＫｒまたはＸｅ、Ｃｌ_２）
ＲｇＣｌ：エキシマ分子（ＫｒＣｌまたはＸｅＣｌ）
三体衝突が生じるためには、一定以上の封入ガス圧を必要とする。例えば、エキシマランプにおいて、封入ガス圧力は６．７ｋＰａ以上であることを必要とする。封入ガス圧力がこれよりも低いと、エキシマ分子が効率よく生成されないためエキシマ発光の効率が低下する。

また、放電ギャップｄ（ｃｍ）を変更した場合についても検討した。
実施例１のエキシマランプについて、封入ガス圧力、塩素濃度、ランプ入力を以下のように設定し、ランプから５０ｍｍ離れた位置における1分間の照度積算値を比較した。
ガス圧力 ： ２６．７ｋＰａ
塩素濃度 ： １．０ｗｔ％
ランプ入力： ０．３９Ｗ／ｃｍ^２
放電形態１の照度を基準とした相対値として、その実験結果を表７に示す。照度の瞬時値の比較しようとすると、放電形態３の照度の変動が大きく比較が困難であったため、照度の積算値により結果を示した。

＜表７＞

続いて、封入ガス圧力、塩素濃度、ランプ入力を以下のように設定し、実施例２のエキシマランプについて同様に実験した。
ガス圧力 ： ２６．７ｋＰａ
塩素濃度 ： １．０ｗｔ％
ランプ入力： ０．４７Ｗ／ｃｍ^２
この実験結果を表８に示す。

＜表８＞

上記表１、４の結果を見ても分かるように、放電ギャップｄが０．３ｃｍ以上で１．０ｃｍ以下の範囲において、封入ガス圧力Ｐとランプ入力Ｗとを適切に選択することにより、放電形態が１または２の状態にすることができる。
表７、８の実験結果は、それぞれ表１、４において、放電ギャプｄを、０．３ｃｍ、０．７ｃｍ、１ｃｍとした場合に、放電形態が１、２、３または２＋３となるものでの相対照度値を示していて、放電形態３では、相対照度値が極めて悪くなることを示している。
このように、同じランプ入力で比較した場合、放電形態３では発光効率が低くなる理由は以下のように考察される。
エキシマ分子はガスの温度が高くなると分解しやすくなる。放電形態３のように局所的な柱状放電では、放電形態１、２よりも放電内部での電流密度が高くなるため、ガスの温度も高くなる。このため、エキシマ分子が形成されても、エキシマ発光を放射する前にエキシマ分子が分解するので発光効率が低くなると推測される。

なお、実施例１、２では電極を格子状に金属線を張り巡らせた網状電極を採用して実験したが、網状電極に代えて、板状の金属よりなるベタ電極としても実験したが、不所望の放電形態（放電形態３）となる条件は変わらなかった。
また、塩素濃度を０．２ｗｔ％としても、塩素濃度を２ｗｔ％近傍としても実験数値は殆ど変わらなかったことが確認されていて、そのため、塩素濃度範囲は０．２〜２ｗｔ％としている。

以上説明したように、本発明のエキシマランプは、横断面形状が扁平な略四角形状であって、一対の平坦壁部と、該平坦壁部を繋ぐ側壁部とからなる発光管を有し、前記平坦壁部の外表面に一対の外部電極が配置されるとともに、前記発光管内に希ガスと塩素との混合ガスが封入されてなるエキシマランプにおいて、混合ガス圧Ｐ（ｋＰａ）と、一対の平坦壁部の離間距離ｄ（ｃｍ）と、電極に入力されるランプ入力を、前記電極面積で割った単位面積当たりのランプ入力Ｗ（Ｗ／ｃｍ^２）と、が一定の条件を満たすようにすることにより、発光管内に異常放電が発生せずに、適正な放電が発生して、発光効率が良く、安定した光出力が得られるものである。

１ エキシマランプ
２ 発光管
３ 平坦壁部
４ 側壁部
５ 外部電極

Claims (2)

1. 横断面形状が扁平な略四角形状であって、一対の平坦壁部と、該平坦壁部を繋ぐ側壁部とからなる発光管を有し、前記平坦壁部の外表面に一対の外部電極が配置されるとともに、前記発光管内にクリプトンと塩素との混合ガスが封入されてなるエキシマランプにおいて、
   前記混合ガス圧をＰ（ｋＰａ）とし、
   前記一対の平坦壁部の離間距離をｄ（ｃｍ）とし、
   前記電極に入力されるランプ入力を、前記電極面積で割った単位面積当たりのランプ入力をＷ（Ｗ／ｃｍ^２）としたとき、
   次式を満たすことを特徴とするエキシマランプ。
   ６．７≦Ｐ≦（−１３０×Ｗ＋６６）×ｄ＾（−６．６×Ｗ＋０．９）
   上記式において、「＾」はべき乗を表す。
2. 横断面形状が扁平な略四角形状であって、一対の平坦壁部と、該平坦壁部を繋ぐ側壁部とからなる発光管を有し、前記平坦壁部の外表面に一対の外部電極が配置されるとともに、前記発光管内にキセノンと塩素との混合ガスが封入されてなるエキシマランプにおいて、
   前記混合ガス圧をＰ（ｋＰａ）とし、
   前記一対の平坦壁部の離間距離をｄ（ｃｍ）とし、
   前記電極に入力されるランプ入力を、前記電極面積で割った単位面積当たりのランプ入力をＷ（Ｗ／ｃｍ^２）としたとき、
   次式を満たすことを特徴とするエキシマランプ。
   ６．７≦Ｐ≦（−９９×Ｗ＋６７）×ｄ＾（−２．７×Ｗ）
   上記式において、「＾」はべき乗を表す。
   
   
   

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