JPH05266863A

JPH05266863A - 高出力ビーム発生器

Info

Publication number: JPH05266863A
Application number: JP4327819A
Authority: JP
Inventors: Ulrich Kogelschatz; コーゲルシャッツウルリッヒ
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 1993-10-15
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: DE4140497A1; EP0547366A1; DE4140497C2; DE59204133D1; EP0547366B1; CA2082861A1; JP2528244B2; US5386170A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】効率が高く、製造が経済的であり、平坦な基
板を均質に照射することのできる、ＵＶビームまたはＶ
ＵＶビーム用の高出力ビーム発生器を提供する。【構成】ビーム発生器の照射特性を制御するために、
放電の動作電圧および／または実効誘電容量を局所的に
変化するために手段１２が設けられており、第２の電極
３’と放電室７との結合は、誘電体の誘電率よりも少な
くとも係数１０以上高い誘電率を有する液体を介して行
われ、該液体は同時にビーム発生器の冷却にも用いられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線のための高出力
ビーム発生器であって、放電条件下でビームを放射する
充填ガスの充填された放電室と、該放電室の壁を形成す
る外部誘電体および内部誘電体と、外部誘電体の外面に
設けられた第１の電極と、内部誘電体の、放電室反対側
表面に設けられた第２の電極と、第１および第２の電極
と接続され、放電に給電するための交流源とを有する高
出力ビーム発生器に関する。

【０００２】本発明はＥＰ−Ａ０２５４１１１、米国特
許出願０７／４８５５４４および欧州特許出願９０１０
３０８２．５に示された基礎的技術から出発するもので
ある。

【０００３】

【従来の技術】光化学的手法の工業的使用は適切なＵＶ
源の使用性に強く依存している。古典的なＵＶビーム発
生器は固有の離散的な波長において低中強度のＵＶビー
ムを送出する。例えば水銀低圧ランプは１８５ｎｍおよ
び特に２５４ｎｍにおいてビームを放射する。実際に高
いＵＶ出力は高圧ランプ（Ｘｅ、Ｈｇ）からのみ得られ
る。しかし高圧ランプのビームは大きな波長領域にわた
って分布されている。新しいエキシマレーザはいくつか
の新しい波長を光化学的基礎実験に提供した。しかし現
在のところエキシマレーザはコスト的理由から工業プロ
セスには例外的にしか適しない。

【０００４】冒頭に述べたＥＰ特許出願または“Ｎｅｕ
ｅＵＶ−ａｎｄＶＵＶＥｘｉｃｉｍｅｒｓｔｒａ
ｈｌｅｒ”,Ｖ．Ｋｏｇｅｌｓｃｈａｔｚ、Ｂ．Ｅｌｉ
ａｓｓｏｎ著、第１０回ドイツ化学者協会講演大会、専
門群、光化学、ヴュルツブルグ（旧西ドイツ）、１９８
７年１１月には、新しいエキシマビーム発生器が記載さ
れている。この新しいビーム発生器形式は、エキシマビ
ームをサイレント（無音）放電においても形成し得るこ
とと、オゾン発生のために工業的に使用される放電形式
に基づいている。この放電の短時間（＜１ｍｓ）でのみ
存在する電流フィラメントにおいて、希ガス原子が電子
衝突によって励起され、希ガス原子は励起された分子群
（エキシマ）に対してさらに反応する。このエキシマの
寿命は僅か数１００ｎｓであり、崩壊の際にその結合エ
ネルギをＵＶビームの形で放出する。

【０００５】前記の高出力ビーム発生器は、高効率と経
済的構成を特徴とし、ＵＶ重合およびＵＶ殺菌に使用さ
れるような大型のビーム発生器を可能にする。その際し
ばしば、ロッド状のＵＶビーム発生器の幅広の搬送ベル
トまたは搬送シリンダが照射されてしまう。典型的に
は、インキ、ラッカーまたは接着剤の塗布されたシー
ト、紙、ボール紙、反物が約１ｍの長さのＵＶランプに
より照射される。通常ランプの強度はその全長にわたっ
て均一に分布されているので、基板の縁領域は必然的に
比較的わずかなビーム照射量を受ける。

【０００６】プロセスに対して十分な照射量を縁部にお
いても得るために、ビーム発生器は基板幅よりも実質的
に長く構成しなければならないこととなる。しかしこの
手段は搬送ベルトによる構成には構造的理由から適用で
きない。他の手段は、ランプの強度を、縁部において照
射量が十分であるまで高めることである。しかしこれに
より中央領域では照射が過剰となり、相応のエネルギ消
費を甘受することになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、効率
が高く、製造が経済的であり、平坦な基板を均質に照射
することのできる、ＵＶビームまたはＶＵＶビーム用の
高出力ビーム発生器を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、ビーム発生器の照射特性を制御するために、放電の
動作電圧および／または実効誘電容量を局所的に変化す
るために手段が設けられており、第２の電極と放電室と
の結合は、誘電体の誘電率よりも少なくとも係数１０以
上高い誘電率を有する液体を介して行われ、該液体は同
時にビーム発生器の冷却にも用いられるように構成して
解決される。

【０００９】本発明により初めて、全長にわたる強度が
不均一に分布され、その端部では強度が僅かに上昇した
ＵＶビーム発生器が得られる。

【００１０】

【実施例】次に説明する本発明の出発点となったエキシ
マビーム発生器が図１および図２に示されている。壁厚
が約０．５ｍｍから１．５ｍｍ、外径が２０ｍｍから３
０ｍｍの外部石英ガラス管１内に、内部石英ガラス管２
が同心配置されている。内部石英ガラス管２の内面には
螺旋状の内部電極３が配置されている。

【００１１】外部電極４はワイヤネットの形状で、外部
石英ガラス管の全外周にわたって延在している。

【００１２】内部石英ガラス管３へはワイヤ４が装着さ
れている。このワイヤはビーム発生器の内部電極を形成
し、ワイヤネット２が外部電極を形成する。石英ガラス
管１と２は両端部にてそれぞれ蓋５ないし６により閉鎖
されるかまたは封止されている。２つの管１と２の間の
空間、放電室７には、放電条件下でビームを放射するガ
ス／ガス混合気が充填されている。内部石英ガラス管２
の内部８には、高誘電率の液体、有利には脱イオン水
（ε＝８１）が充填されている。この液体は同時にビー
ム発生器の冷却に用いる。冷却水は接続部９および１０
を介して供給ないし放出される。中央内部電極を有する
実施例において後で詳細に説明するように、冷却水は内
部電極３の内部石英ガラス管２への電気結合に用いる。
それにより螺旋状電極３が内壁部に常に当接している必
要がない。

【００１３】電極３、４は交流電源１１の各極に接続さ
れている。交流電流源は数１００Ｖから２００００Ｖま
でのオーダの大きさで調整可能な交流電圧を送出する。
この交流電圧の周波数は数１０００ｋＨｚまでの技術的
交流電流の領域において、電極の幾何学的形状、放電室
の圧力および充填ガスの組成に依存する。

【００１４】充填ガスは例えば、水銀、希ガス、希ガス
金属蒸気混合気、希ガスハロゲン混合気であり、場合に
より付加的に別の希ガス、有利にはＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅが
緩衝ガスとして使用される。

【００１５】ビームの所望のスペクトル組成に応じて、
物質／物質混合気が以下の表に従い使用される。

【００１６】充填ガスビームヘリウム６０〜１００ｎｍネオン８０〜９０ｎｍアルゴン１０７〜１６５ｎｍアルゴン＋フッ素１８０〜２００ｎｍアルゴン＋塩素１６５〜１９０ｎｍアルゴン＋クリプトン＋塩素１６５〜１９０、２００〜２４０ｎｍクセノン１６５〜１９ｎｍ窒素３３７〜４１５ｎｍクリプトン１２４、１４０〜１６０ｎｍクリプトン＋フッ素２４０〜２５５ｎｍクリプトン＋塩素２００〜２４０ｎｍ水銀 185,254,320〜370nm,390〜420nm セレン１９６、２０４、２０６ｎｍジューテリウム１５０〜２５０ｎｍクセノン＋フッ素３４０〜３６０、４００〜５５０ｎｍクセノン＋塩素３００〜３２０ｎｍその他、次の一連の充填ガスが考えられる。

【００１７】−希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘ
ｅ）または水銀とＦ₂、Ｊ₂、Ｂｒ₂、Ｃｌ₂のガスないし
蒸気、または放電中に１つまたは複数のＦ、Ｊ、Ｂｒま
たはＣｌの原子を分離する化合物； −希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）または水銀
と酸素または放電中に１つまたは複数の原子を分離する
化合物； −希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ）と水銀。

【００１８】電極３と４の間に交流電圧が印加される際
に、多数の放電チャネル（部分放電）が放電室７に生じ
る。この放電チャネルは充填ガスの原子／分子と交互作
用する。これによっても最終的にＵＶビームまたはＶＵ
Ｖビームが発生される。

【００１９】形成されるサイレント放電（サイレントデ
ィスチャージ）では、電子エネルギ分布を誘電体の厚さ
およびその特性、放電室中の圧力および／または温度に
より最適に調整することができる。

【００２０】図１ないし図２の円筒状ビーム発生器で
は、静電放電の電力消費が次式により表される。

【００２１】Ｐ＝４ｆ・ＣＤ・ＵＢ（Ｕ’−（１＋β）ＵＢ）（１）ここでｆは給電電圧の周波数、ＣＤは誘電容量、ＵＢは
ガス放電の平均動作電圧そしてβは放電空隙容量／誘電
容量（ＣＳ／ＣＤ）の比である。

【００２２】所定の電圧供給（周波数ｆとピーク電圧
Ｕ’が固定）の場合、電力消費は動作電圧ＵＢおよび／
または誘電容量ＣＤの変化により制御できる。この動作
電圧ＵＢおよび／または誘電容量ＣＤの大きさを局所的
に変化すれば、電力消費、従いＵＶ強度を管に沿ってお
よび／または管の周方向で所望のように制御することが
できる。

【００２３】例えば図１による、封止された放電管で
は、厚さとガス組成がどこでも同じである。興味のある
圧力領域における動作電圧は、単調に近似的に空隙幅の
線形関数であるから、放電空隙の幅を変化することによ
り出力を制御することができる。その際、放電の２つの
動作状態間が区別される。

【００２４】出力は（ｆとＵ’が固定の場合）ＵＢの２
乗に依存する（式（１）参照）。

【００２５】ＵＢ＝Ｕ’／（２（１＋β））（２）の際に最大出力が得られる（出力放物線の最大値）。

【００２６】ＵＢがこの値より小さいかぎり、空隙の拡
大は電力消費の増大につながる（図３）。ＵＢが式
（２）で定められた値よりも大きければ、空隙幅の縮小
が電力消費の増大につながる（図４）。

【００２７】この知識を図１のビーム発生器に適用すれ
ば、図３および図４に簡単に示された実施例が得られ
る。その際前に説明した２つの選択実施例が、出力放物
線の最大値に対する動作電圧の相対位置に応じて可能で
ある。図１のビーム発生器において縁部領域における強
度を高め、それによりこの領域での照射量を十分にする
ために、空隙幅Ｗｍは中央部分で縁部領域の空隙幅Ｗｒ
よりも小さい（図３）か、またはその逆（図４）であ
る。

【００２８】電力消費は誘電容量を拡大することによっ
ても高めることができる（式（１）参照）。これは内部
および／または外部石英ガラス管２ないし１の壁厚を縁
部領域において縮小することにより、または石英ガラス
にＴｉＯ₂またはＢａＴｉＯ₃のような物質をドーピング
することにより達成される。

【００２９】これまで説明した、ビーム発生器長手方向
で電力消費を変化するための手段は、構造的には非常に
コストがかかる。格段に簡単で経済的なのは、２つの電
極３と４の間に付加容量を装着することである。これは
図５に模式的に示されている。

【００３０】図１から図４までのビーム発生器とは異な
り、図５に示されたビーム発生器は中央電極３’を有し
ている。この中央電極上に付加容量として作用する誘電
管１２が装着されている。その内径は中央電極３’の外
径よりも大きい。この管１２の長さは外部および内部誘
電管１ないし２よりも短い。この付加容量は内部および
外部誘電管の容量に対して電気的に直列に接続されてい
るから、作用する誘電容量ＣＤはビーム発生器の中央部
において縮小する。これにより自動的にビーム発生器の
中央では電力消費が低減する。従い、管１２の壁厚およ
び長さにより軸方向の強度プロフィルが制御され、これ
により基板上での照射量が十分に均一化される。さらに
正確に強度プロフィルを制御するためには、誘電材から
なる成形体を、図６に示すような移行部を有するように
構成する。この成形体１２’は中央内部電極３’をほぼ
完全に取り囲み、縁部に向かってとがった形状を有す
る。この成形体は容易に加工することのできる誘電材
料、例えばＰＴＦＥ（ε＝２．２）、ポリイミド（ε＝
３．５）またはナイロン（ε＝３．７５）からなる。

【００３１】図５と図６に示された実施例の共通の特徴
は、中央内部電極３’と内部石英ガラス管２（従い放電
室７）との結合が直接行われるのではなく、内部石英ガ
ラス管２の内部空間８に充填された液体、有利には脱イ
オン水を介して行われることである。液体の誘電率が高
いため（ε＝８１）、誘電容量ＣＤの上昇は実質的に成
形体１２’によってのみ作用し、液体によってはほとん
ど影響を受けない。

【００３２】中央内部電極３’を取り囲み、これにより
支持される成形体の代わりに、管状の成形体１２”を内
部石英ガラス管２の内壁に固定することができる。これ
は図７に示されており、図６と同様にその端部に向かっ
て細くなっている。図１から図４の実施例と同様に、こ
こでも螺旋状電極３が使用され、この電極は中央部分に
て成形体１２”の内壁および縁部領域にて石英ガラス管
２に当接している。

【００３３】前述の軸方向の電力制御および強度制御は
本発明の枠を外れることなく、半径方向の消費電力制御
およびＵＶ強度制御のために使用することができる。

【００３４】図８および図９によれば、誘電体材料から
なり、三日月形横断面を有する成形体１２ａが内部石英
ガラス管２の内側周囲の上半分上にのみ延在している
（図９）。この成形体の縦横断面は、図７の成形体１
２”に相応する。すなわち、ビーム発生器の縁部領域前
で、両端部は先細に経過している。誘電材料からなる半
円形管による同等の解決手段が図１０の断面図に示され
ている。この実施例では移行縁部領域がない。両方の実
施例とも、螺旋状内部電極３が使用される。

【００３５】中央内部電極を有する図５および図６の実
施例と同様に、誘電材料からなる成形体も内部石英ガラ
ス管２の内部空間８に収容することができる。この成形
体は電極を一部のみ取り囲む。従って、図１１の内部空
間の上側部分には誘電材料からなる半円形管１２ｃが配
置され、図１２では三日月形横断面を有する成形体１２
ｄが、図１３では腎臓形の横断面を有する成形体１２ｅ
が配置される。これら付加容量１２ａ〜１２ｅはすべて
放電室７の上側部分での電力消費を低減し、放電しる７
の下側部分での電力消費を高めるように作用する。従
い、下方に向かう放射を強要する。

【００３６】図８および図９からわかるように、半径方
向および軸方向の電力制御および強度制御は、問題なし
に１つのビーム発生器で組み合わせることができる。こ
のことは図３および図４に示されたその他のビーム発生
器構成に対してもあてはまる。この場合も、動作電圧Ｕ
Ｂに依存して内部石英ガラス管２を次のように構成する
ことができる。すなわち、下側半分では軸方向で空隙幅
がどこでも同じであり、一方上側半分では空隙幅が中央
部分においては縁部領域におけるよりも大きいか、また
は小さくなるように構成することができる。

【００３７】実施例からわかるように本発明の電力制御
および強度制御は、既に存在するビーム発生器に問題な
く後から適用することもできる。従い、大量生産で製造
したビーム発生器において冷却回路に付加的成形体部分
を組み込むことにより、電力消費およびＵＶ強度の軸方
向および／または半径方向分布を損失なしで制御するこ
とができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明により、効率が高く、製造が経済
的であり、平坦な基板を均質に照射することのできる、
ＵＶビームまたはＶＵＶビーム用の高出力ビーム発生器
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内部誘電管を同心配置したＵＶ円筒状ビーム発
生器の縦断面図である。

【図２】図１のビーム発生器の線Ａ−Ａに沿った断面図
である。

【図３】放電室の空隙が中央部分において縁部領域より
も小さい、本発明のビーム発生器の実施例を示す模式図
である。

【図４】放電室の空隙が中央部分において縁部領域より
も大きい、本発明のビーム発生器の実施例を示す模式図
である。

【図５】誘電管の形の付加容量を内部誘電管の内部に有
する実施例の模式図である。

【図６】中央内部電極を取り囲む成形体の形態で付加容
量を有する実施例の模式図である。

【図７】内部誘電管の内壁に密着した成形体の形態で付
加容量を有する実施例の模式図である。

【図８】三日月形横断面を有する成形体の形態で付加容
量を有する実施例の模式図である。この成形体は周方向
で、内部誘電管の内側周囲の半分にのみ延在している。

【図９】図８のビーム発生器の線Ｂ−Ｂに沿った横断面
図である。

【図１０】半円形誘電管の形態で付加容量を有する、図
８および図９の実施例の変形実施例である。この半円形
誘電体は内部誘電管の内側周囲の半分にのみ延在してい
る。

【図１１】中央電極と付加容量を半円形誘電管の形態
で、内部電極と内部誘電管との間の空間に有する変形実
施例の模式図である。

【図１２】中央電極と付加容量を三日月形横断面を有す
る誘電成形体の形態で、内部電極と内部誘電管との間の
空間に有する変形実施例の模式図である。

【図１３】中央電極と付加容量を腎臓形横断面を有する
誘電成形体の形態で、内部電極と内部誘電管との間の空
間に有する変形実施例の模式図である。

【符号の説明】

１外部石英ガラス管２内部石英ガラス管３内部電極４外部電極５、６蓋７放電室８内部空間１２成形体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】紫外線のための高出力ビーム発生器であ
って、放電条件下でビームを放射する充填ガスの充填さ
れた放電室（７）と、該放電室の壁を形成する外部誘電
体（１）および内部誘電体（２）と、外部誘電体の外面
に設けられた第１の電極（４）と、内部誘電体（２）
の、放電室（７）反対側表面に設けられた第２の電極
（３；３’）と、第１（４）および第２（３；３’）の
電極と接続され、放電部分に給電するための交流源（１
１）とを有する高出力ビーム発生器において、ビーム発生器の照射特性を制御するために、放電の動作
電圧（ＵＢ）および／または実効誘電容量（ＣＤ）を局
所的に変化するための手段（１２；１２ａ…）が設けら
れており、第２の電極（３；３’）と放電室（７）との結合は、誘
電体の誘電率よりも少なくとも係数１０以上高い誘電率
を有する液体を介して行われ、該液体は同時にビーム発生器の冷却にも用いられること
を特徴とする高出力ビーム発生器。
【請求項２】前記液体はε＝８０の誘電率を有する水
である請求項１記載の高出力ビーム発生器。
【請求項３】放電室（７）の空隙幅（Ｗｍ）は、ビー
ム発生器の中央部分において、ビーム発生器の縁部領域
の空隙幅（Ｗｒ）と異なる請求項１または２記載の高出
力ビーム発生器。
【請求項４】放電室（７）の空隙幅は、ビーム発生器
の上側半分において、ビーム発生器の下側半分の空隙幅
と異なる請求項１から３までのいずれか１記載の高出力
ビーム発生器。
【請求項５】第２の電極（３；３’）と第２の誘電体
（２）との間に付加容量（１２；１２ａ…）が設けられ
ており、該付加容量は誘電材料からなる成形体として構
成されており、該成形体は実質的に中央部分でのみ、お
よび／またはビーム発生器の周囲の一部でのみ延在して
いる請求項１または２記載の高出力ビーム発生器。
【請求項６】中央電極（３’）が第２の電極として設
けられており、成形体は石英ガラス管（１２）であり、
該石英ガラス管は中央電極（３’）上に装着されている
請求項５記載の高出力ビーム発生器。
【請求項７】中央電極（３’）が第２の電極として設
けられており、成形体（１２）は中央電極（３’）上に
装着されており、ビーム発生器の横方向縁部に向かって
先細に経過している請求項５記載の高出力ビーム発生
器。
【請求項８】付加容量は成形体（１２”；１２ａ；１
２ｂ）として構成されており、該成形体は第２の誘電体
（２）の内壁に当接しており、第１の電極は成形体に少
なくとも一部当接する請求項５記載の高出力ビーム発生
器。
【請求項９】成形体はビーム発生器の横方向縁部に向
かって先細に経過している請求項８記載の高出力ビーム
発生器。
【請求項１０】成形体は三日月形の横断面を有し、第
２の誘電体（２）の周囲の一部にのみ延在している請求
項８または９記載の高出力ビーム発生器。
【請求項１１】中央電極（３’）が第２の電極として
設けられており、第２の誘電体（２）の内部空間（８）
には、中央電極と第２の誘電体（２）との間で、当該誘
電体から距離をおいて、半円形、三日月形または腎臓形
横断面を有する、誘電材料からなる成形体（１２ｃ．１
２ｄ．１２ｅ）が設けられている請求項５記載の高出力
ビーム発生器。