JPH06111787A - 紫外線放射電子管 - Google Patents
紫外線放射電子管Info
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- JPH06111787A JPH06111787A JP25525392A JP25525392A JPH06111787A JP H06111787 A JPH06111787 A JP H06111787A JP 25525392 A JP25525392 A JP 25525392A JP 25525392 A JP25525392 A JP 25525392A JP H06111787 A JPH06111787 A JP H06111787A
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- electron beam
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Abstract
(57)【要約】
【目的】殺菌やオゾンの発生に適した紫外線の放射効率
を高める。 【構成】Ｔ形のバルブ１の主管１ａの両端部に、低エネ
ルギーの電子群を放出する第１の電子線源２を設ける。
バルブ１の側管１ｂには、カソード３ａと加速用グリッ
ド３ｂとを近接して配置した第２の電子線源３を設け
る。第１の電子線源２により生成したプラズマに、第２
の電子線源３によって高エネルギーの電子群を注入して
バルブ１に封入した気体を励起する。高エネルギーの電
子群をプラズマ内に注入するから、殺菌やオゾンの発生
に適した高エネルギーの紫外線を放射できるエネルギー
準位に気体原子を励起することができる。
を高める。 【構成】Ｔ形のバルブ１の主管１ａの両端部に、低エネ
ルギーの電子群を放出する第１の電子線源２を設ける。
バルブ１の側管１ｂには、カソード３ａと加速用グリッ
ド３ｂとを近接して配置した第２の電子線源３を設け
る。第１の電子線源２により生成したプラズマに、第２
の電子線源３によって高エネルギーの電子群を注入して
バルブ１に封入した気体を励起する。高エネルギーの電
子群をプラズマ内に注入するから、殺菌やオゾンの発生
に適した高エネルギーの紫外線を放射できるエネルギー
準位に気体原子を励起することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、殺菌やオゾンの発生な
どに利用される紫外線放射電子管に関するものである。
どに利用される紫外線放射電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、紫外線を放射する光源として
は、低圧水銀ランプが多く利用されている。この種の放
電ランプでは、電子のエネルギー分布は、図１２の実線
に示すように、ほぼマクスウェル分布に従うことが知ら
れている。ここに、図１２の縦軸は任意単位である。
は、低圧水銀ランプが多く利用されている。この種の放
電ランプでは、電子のエネルギー分布は、図１２の実線
に示すように、ほぼマクスウェル分布に従うことが知ら
れている。ここに、図１２の縦軸は任意単位である。
【０００３】ところで、水銀原子ではエネルギー準位を
６1 Ｐ1 に励起すれば基底状態に遷移する際に１８５ｎ
ｍの紫外線を放射するので、水などの殺菌に利用する場
合にはこの紫外線を利用するのが有効である。このエネ
ルギー準位の電子状態の励起断面積は図１２の破線のよ
うになる。ここに、励起断面積は電子分布に合わせた任
意単位としている。
６1 Ｐ1 に励起すれば基底状態に遷移する際に１８５ｎ
ｍの紫外線を放射するので、水などの殺菌に利用する場
合にはこの紫外線を利用するのが有効である。このエネ
ルギー準位の電子状態の励起断面積は図１２の破線のよ
うになる。ここに、励起断面積は電子分布に合わせた任
意単位としている。
【０００４】したがって、励起周波数は、図１２の実線
と破線との重なり部分（斜線部）の面積に比例すること
になり、この面積が大きいほど目的とする紫外線の放射
効率が高いことになる。そこで、主として紫外線を放射
する低圧水銀ランプでは、この面積を大きくするため
に、電子温度を高くすることが考えられている。すなわ
ち、直管型のバルブでは電子温度はバルブの管径に依存
し、図１３に矢印で示すように管径が小さいほど電子温
度は破線のように偏移して高くなるから、許容範囲でバ
ルブの管径を小さくすることによって紫外線の放射効率
を高めているのが現状である。
と破線との重なり部分（斜線部）の面積に比例すること
になり、この面積が大きいほど目的とする紫外線の放射
効率が高いことになる。そこで、主として紫外線を放射
する低圧水銀ランプでは、この面積を大きくするため
に、電子温度を高くすることが考えられている。すなわ
ち、直管型のバルブでは電子温度はバルブの管径に依存
し、図１３に矢印で示すように管径が小さいほど電子温
度は破線のように偏移して高くなるから、許容範囲でバ
ルブの管径を小さくすることによって紫外線の放射効率
を高めているのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では電子温度を大幅に高くすることはできないから、
多少の改善はあるものの紫外線の放射効率を十分に高め
ることができないという問題が残されている。ところ
で、本発明者は、特開昭６２−１２０５９号公報におい
て、バルブ内に２個の電子線源を設け、一方の電子線源
からバルブ内の気体を電離させる程度に高エネルギーの
電子群を放出し、他方の電子線源からバルブ内の気体を
電離させずに励起させる程度の比較的低エネルギーの電
子群を放出する構成を提案している。すなわち、すべて
の注入エネルギーを励起のみに利用することができれ
ば、発光に寄与するエネルギーの割合が大きくなり、高
い放射効率が得られるのであるが、電子線源の近傍には
電子が浮遊停滞して空間電荷を形成し電子線源からの新
たな電子の放出を抑制するから、気体の原子を励起発光
させることができるエネルギーを持つように電子を加速
するには、電子による空間電荷の影響を除去するプラズ
マを生成することが必要である。そこで、気体の原子を
電離させるだけのエネルギーを有した電子を必要とする
のであって、励起用の電子群を放出する電子線源とは別
に電離用の電子群を放出する電子線源を設けているので
ある。
成では電子温度を大幅に高くすることはできないから、
多少の改善はあるものの紫外線の放射効率を十分に高め
ることができないという問題が残されている。ところ
で、本発明者は、特開昭６２−１２０５９号公報におい
て、バルブ内に２個の電子線源を設け、一方の電子線源
からバルブ内の気体を電離させる程度に高エネルギーの
電子群を放出し、他方の電子線源からバルブ内の気体を
電離させずに励起させる程度の比較的低エネルギーの電
子群を放出する構成を提案している。すなわち、すべて
の注入エネルギーを励起のみに利用することができれ
ば、発光に寄与するエネルギーの割合が大きくなり、高
い放射効率が得られるのであるが、電子線源の近傍には
電子が浮遊停滞して空間電荷を形成し電子線源からの新
たな電子の放出を抑制するから、気体の原子を励起発光
させることができるエネルギーを持つように電子を加速
するには、電子による空間電荷の影響を除去するプラズ
マを生成することが必要である。そこで、気体の原子を
電離させるだけのエネルギーを有した電子を必要とする
のであって、励起用の電子群を放出する電子線源とは別
に電離用の電子群を放出する電子線源を設けているので
ある。
【０００６】この構成の光放射電子管は、発光効率を高
める目的のものであって、上述したような高エネルギー
準位に気体を励起することは考えていない。上記公報に
示された構成において紫外線の放射効率を高めるには、
電子のエネルギー分布を図１４に示すように高エネルギ
ー側に設定することが考えられるが、プラズマ中での粒
子間（とくに電子同士）の衝突が多くなるから、結局、
エネルギー分布はマクスウェル分布に近づき、図１４の
ようなエネルギー分布の電子群を生成することはできな
いという問題がある。また、励起用の電子線源は対向電
極として配置されたアノードとの間に励起用の加速電圧
を印加するから、上述したような高エネルギー準位に励
起するには加速電圧を高電圧にするために高電圧電源が
必要になるという問題がある。
める目的のものであって、上述したような高エネルギー
準位に気体を励起することは考えていない。上記公報に
示された構成において紫外線の放射効率を高めるには、
電子のエネルギー分布を図１４に示すように高エネルギ
ー側に設定することが考えられるが、プラズマ中での粒
子間（とくに電子同士）の衝突が多くなるから、結局、
エネルギー分布はマクスウェル分布に近づき、図１４の
ようなエネルギー分布の電子群を生成することはできな
いという問題がある。また、励起用の電子線源は対向電
極として配置されたアノードとの間に励起用の加速電圧
を印加するから、上述したような高エネルギー準位に励
起するには加速電圧を高電圧にするために高電圧電源が
必要になるという問題がある。
【０００７】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、紫外線の放射効率を高めた紫外線放射電子管
を提供しようとするものである。
のであり、紫外線の放射効率を高めた紫外線放射電子管
を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、電子の衝突により励起されて
紫外線を放射する低圧の気体が封入されたバルブと、バ
ルブ内に配設されてマクスウェル分布に従う比較的低エ
ネルギーの電子群を放出する第１の電子線源と、第１の
電子線源により放出された電子群により励起された気体
を紫外線が放射されるエネルギー準位まで励起する比較
的高エネルギーのビーム状の電子群を放出する第２の電
子線源とを具備しているのである。
記目的を達成するために、電子の衝突により励起されて
紫外線を放射する低圧の気体が封入されたバルブと、バ
ルブ内に配設されてマクスウェル分布に従う比較的低エ
ネルギーの電子群を放出する第１の電子線源と、第１の
電子線源により放出された電子群により励起された気体
を紫外線が放射されるエネルギー準位まで励起する比較
的高エネルギーのビーム状の電子群を放出する第２の電
子線源とを具備しているのである。
【０００９】請求項２の発明では、第１の電子線源と第
２の電子線源とを、電子を放出するカソードと、カソー
ドの電子放出面に近接して対置されカソードより放出さ
れた電子を加速するアノードとからなる１つの電子線源
としているのである。請求項３の発明では、請求項２の
構成において、バルブ内の気体の圧力と、カソードの表
面からバルブの管壁までの最大距離との積を１４０〔To
rr・ｃｍ〕以下に設定している。
２の電子線源とを、電子を放出するカソードと、カソー
ドの電子放出面に近接して対置されカソードより放出さ
れた電子を加速するアノードとからなる１つの電子線源
としているのである。請求項３の発明では、請求項２の
構成において、バルブ内の気体の圧力と、カソードの表
面からバルブの管壁までの最大距離との積を１４０〔To
rr・ｃｍ〕以下に設定している。
【００１０】請求項４の発明では、請求項２の構成にお
いて、カソードの中心からイオンシースとプラズマとの
境界面までの距離を１０〔ｍｍ〕以下に設定している。
いて、カソードの中心からイオンシースとプラズマとの
境界面までの距離を１０〔ｍｍ〕以下に設定している。
【００１１】
【作用】請求項１の構成では、第１の電子線源によって
マクスウェル分布に従う比較低エネルギーの電子群を放
射し、第１の電子線源によって励起された気体を第２の
電子線源によって紫外線が放射されるエネルギー準位ま
で励起するようにしているので、第１の電子線源によっ
て図１２に実線で示したようなエネルギー分布を有する
電子群を放射してバルブ内で放電を生じさせ、さらに、
第２の電子線源によって図１４に示したようなエネルギ
ー分布を有する電子群を放射することになる。その結
果、電子のエネルギー分布が図３のようになり、比較的
低エネルギーの電子群と比較的高エネルギーの電子群と
を含むようなエネルギー分布を有した電子群をプラズマ
中に作ることができるのである。このように、プラズマ
中に別途の電子線源によって高エネルギーの電子群を注
入することによって、単一の電子線源ではプラズマ中に
作ることが困難であった高エネルギーの電子群をプラズ
マ中に存在させることができ、結果的に気体の分子ない
し原子を高エネルギー準位に励起することができるよう
になり、高エネルギーの紫外線の放射効率を高めること
ができるのである。
マクスウェル分布に従う比較低エネルギーの電子群を放
射し、第１の電子線源によって励起された気体を第２の
電子線源によって紫外線が放射されるエネルギー準位ま
で励起するようにしているので、第１の電子線源によっ
て図１２に実線で示したようなエネルギー分布を有する
電子群を放射してバルブ内で放電を生じさせ、さらに、
第２の電子線源によって図１４に示したようなエネルギ
ー分布を有する電子群を放射することになる。その結
果、電子のエネルギー分布が図３のようになり、比較的
低エネルギーの電子群と比較的高エネルギーの電子群と
を含むようなエネルギー分布を有した電子群をプラズマ
中に作ることができるのである。このように、プラズマ
中に別途の電子線源によって高エネルギーの電子群を注
入することによって、単一の電子線源ではプラズマ中に
作ることが困難であった高エネルギーの電子群をプラズ
マ中に存在させることができ、結果的に気体の分子ない
し原子を高エネルギー準位に励起することができるよう
になり、高エネルギーの紫外線の放射効率を高めること
ができるのである。
【００１２】請求項２の構成では、カソードとアノード
とを近接して対置することによって構成した１つの電子
線源のみで高エネルギーの電子を放出し、その後の衝突
による減速でマクスウェル分布に従う低エネルギーの電
子を生成するのであって、電子線源が１つであるから構
成が簡単になり、またバルブの形状も簡単なものにな
る。
とを近接して対置することによって構成した１つの電子
線源のみで高エネルギーの電子を放出し、その後の衝突
による減速でマクスウェル分布に従う低エネルギーの電
子を生成するのであって、電子線源が１つであるから構
成が簡単になり、またバルブの形状も簡単なものにな
る。
【００１３】請求項３および請求項４の構成は、望まし
い実施態様であって、これらの設定によって、殺菌やオ
ゾンの発生に用いることができる１８５ｎｍの紫外線に
ついて高い放射効率が得られるのである。
い実施態様であって、これらの設定によって、殺菌やオ
ゾンの発生に用いることができる１８５ｎｍの紫外線に
ついて高い放射効率が得られるのである。
【００１４】
（実施例１）本実施例では、図１および図２に示すよう
に、紫外線を透過する材料により略Ｔ形に形成された管
形の気密なバルブ１を備え、Ｔ字の横片である主管１ａ
の両端部にはそれぞれ熱陰極である第１の電子線源２が
対向して配設され、Ｔ字の縦片である側管１ｂの端部に
は加速用グリッド３ｂとともに第２の電子線源３を構成
する熱陰極であるカソード３ａが配設されている。バル
ブ１の中には、電子の衝突により励起されて紫外線を放
射する水銀蒸気のような気体が、ネオンなどの希ガスと
ともに封入されている。カソード３ａと加速用グリッド
３ｂとは近接して縦管１ｂ内に配設されており、カソー
ド３ａと加速用グリッド３ｂとの間に強い電界を形成す
ることによって、カソード３ａから放出された電子群が
加速用グリッド３ｂを通過して主管１ａ内に導入される
ようにしてある。
に、紫外線を透過する材料により略Ｔ形に形成された管
形の気密なバルブ１を備え、Ｔ字の横片である主管１ａ
の両端部にはそれぞれ熱陰極である第１の電子線源２が
対向して配設され、Ｔ字の縦片である側管１ｂの端部に
は加速用グリッド３ｂとともに第２の電子線源３を構成
する熱陰極であるカソード３ａが配設されている。バル
ブ１の中には、電子の衝突により励起されて紫外線を放
射する水銀蒸気のような気体が、ネオンなどの希ガスと
ともに封入されている。カソード３ａと加速用グリッド
３ｂとは近接して縦管１ｂ内に配設されており、カソー
ド３ａと加速用グリッド３ｂとの間に強い電界を形成す
ることによって、カソード３ａから放出された電子群が
加速用グリッド３ｂを通過して主管１ａ内に導入される
ようにしてある。
【００１５】２個の第１の電子線源２の一端間にはバラ
スト４を介して交流電源ＡＣが接続されており、第１の
電子線源２の他端間にはスタータ５が接続されている。
したがって、スタータ５によって通常の放電ランプと同
様に始動すれば、第１の電子線源２の間で放電が開始さ
れる。このとき、第１の電子線源２から放出される電子
群は、図３の左部分に示すように、エネルギー分布がマ
クスウェル分布にほぼ従うように比較的低エネルギーに
設定されている。
スト４を介して交流電源ＡＣが接続されており、第１の
電子線源２の他端間にはスタータ５が接続されている。
したがって、スタータ５によって通常の放電ランプと同
様に始動すれば、第１の電子線源２の間で放電が開始さ
れる。このとき、第１の電子線源２から放出される電子
群は、図３の左部分に示すように、エネルギー分布がマ
クスウェル分布にほぼ従うように比較的低エネルギーに
設定されている。
【００１６】一方、第２の電子線源３のカソード３ａと
加速用グリッド３ｂとの間には、バラスト６を介して加
速用グリッド３ｂを正極とするように直流電源ＤＣが接
続されている。ここで、加速用グリッド３ｂを通過した
電子群は、図３の右部分に示すように、エネルギー分布
が高エネルギー側に設定されている。したがって、電子
のエネルギー分布が図３のように設定されていることに
よって、エネルギー準位を６1 Ｐ1 に励起する電子状態
の衝突断面積に重なるエネルギーを有する電子が従来構
成に比較して大幅に増加することになり、結果的に１８
５ｎｍの紫外線を効率よく放射することができるのであ
る。
加速用グリッド３ｂとの間には、バラスト６を介して加
速用グリッド３ｂを正極とするように直流電源ＤＣが接
続されている。ここで、加速用グリッド３ｂを通過した
電子群は、図３の右部分に示すように、エネルギー分布
が高エネルギー側に設定されている。したがって、電子
のエネルギー分布が図３のように設定されていることに
よって、エネルギー準位を６1 Ｐ1 に励起する電子状態
の衝突断面積に重なるエネルギーを有する電子が従来構
成に比較して大幅に増加することになり、結果的に１８
５ｎｍの紫外線を効率よく放射することができるのであ
る。
【００１７】以下の式で理論値によって１８５ｎｍの紫
外線の放射が得られるエネルギー準位である６1 Ｐ1 の
電子状態について衝突周波数を評価したところ、従来の
低圧放電ランプに比較して数倍以上になることがわかっ
た。ここにおいて、ｖは電子の速度、ｆは分布関数、σ
x は衝突断面積、νx は衝突周波数である。また、積分
区間は〔０，∞〕である。
外線の放射が得られるエネルギー準位である６1 Ｐ1 の
電子状態について衝突周波数を評価したところ、従来の
低圧放電ランプに比較して数倍以上になることがわかっ
た。ここにおいて、ｖは電子の速度、ｆは分布関数、σ
x は衝突断面積、νx は衝突周波数である。また、積分
区間は〔０，∞〕である。
【００１８】νx ＝∫（ｖσx ｆ）ｄｖ 一例として、主管１ａの長さを３００ｍｍ、主管１ａお
よび側管１ｂの直径を２０ｍｍとし、水銀飽和蒸気と２
Torrのネオンとをバルブ１の中に封入し、交流電源を１
００Ｖとして第１の電子線源２の間に０．３Ａの電流を
流し、第２の電子線源３においてカソード３ａと加速用
グリッド３ｂとの間に１５Ｖの直流電圧を印加して１Ａ
の電流を流した。このようにして、主管１ａにおいて第
１の電子線源２の間で放電が生じているときに、第２の
電子線源３からビーム状の高エネルギーの電子群を放出
して励起したところ、１８５ｎｍの紫外線を多量に放射
することができた。
よび側管１ｂの直径を２０ｍｍとし、水銀飽和蒸気と２
Torrのネオンとをバルブ１の中に封入し、交流電源を１
００Ｖとして第１の電子線源２の間に０．３Ａの電流を
流し、第２の電子線源３においてカソード３ａと加速用
グリッド３ｂとの間に１５Ｖの直流電圧を印加して１Ａ
の電流を流した。このようにして、主管１ａにおいて第
１の電子線源２の間で放電が生じているときに、第２の
電子線源３からビーム状の高エネルギーの電子群を放出
して励起したところ、１８５ｎｍの紫外線を多量に放射
することができた。
【００１９】（実施例２）本実施例は、図４に示すよう
に、熱電子を放出するカソード１１ａと、カソード１１
ａから放射された熱電子を加速するアノード１１ｂとを
略球形のバルブ１の中に対置して電子線源１１を構成し
たものである。すなわち、加速された熱電子をバルブ１
に封入した気体の原子に衝突させることによって、気体
を励起発光させるものである。図５に示すように、フィ
ラメント状のカソード１１ａの両端間には加熱用の直流
電源Ｅが接続され、カソード１１ａとアノード１１ｂと
の間にはアノード１１ｂを正極にして加速用の直流電源
ＤＣが接続される。また、バルブ１の中には、電子の衝
突によって励起されて紫外線を発光する水銀蒸気のよう
な気体と、バッファガスとしてのネオンのような気体と
の混合気体が封入されている。水銀蒸気は飽和蒸気圧で
封入されており、最冷点には水銀溜７が形成される。こ
こにおいて、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間の
印加電圧は、エネルギー準位が６1 Ｐ1 となるように水
銀蒸気を励起することができるような高エネルギーのビ
ーム状の電子群を放射できるように設定されている。
に、熱電子を放出するカソード１１ａと、カソード１１
ａから放射された熱電子を加速するアノード１１ｂとを
略球形のバルブ１の中に対置して電子線源１１を構成し
たものである。すなわち、加速された熱電子をバルブ１
に封入した気体の原子に衝突させることによって、気体
を励起発光させるものである。図５に示すように、フィ
ラメント状のカソード１１ａの両端間には加熱用の直流
電源Ｅが接続され、カソード１１ａとアノード１１ｂと
の間にはアノード１１ｂを正極にして加速用の直流電源
ＤＣが接続される。また、バルブ１の中には、電子の衝
突によって励起されて紫外線を発光する水銀蒸気のよう
な気体と、バッファガスとしてのネオンのような気体と
の混合気体が封入されている。水銀蒸気は飽和蒸気圧で
封入されており、最冷点には水銀溜７が形成される。こ
こにおいて、カソード１１ａとアノード１１ｂとの間の
印加電圧は、エネルギー準位が６1 Ｐ1 となるように水
銀蒸気を励起することができるような高エネルギーのビ
ーム状の電子群を放射できるように設定されている。
【００２０】ところで、図６に示すように、カソード１
１ａの表面の近傍には正イオンによるイオンシースによ
る空間電荷層Ｓ1 が形成されるから、陰極降下電圧が発
生する。したがって、カソード１１ａから放出された電
子が空間電荷層Ｓ1 で加速されてプラズマＳ2 に入射す
ることになる。また、アノード１１ｂがカソード１１ａ
に対置されていることによってもカソード１１ａから放
出された電子群は加速されることになる。したがって、
アノード１１ｂをカソード１１ａに十分に近付けて配置
すれば、アノード１１ｂを通過した電子群は高エネルギ
ーを持つことになり、図１４のようなエネルギー分布を
有する電子群を電子線源１１から放出することができ
る。このような高エネルギーの電子群は、プラズマ中で
は非弾性衝突を引き起こし、マクスウェル分布にほぼ従
うようなエネルギー分布を有する電子群を作る。すなわ
ち、プラズマ中では高エネルギーの電子群と低エネルギ
ーの電子群とが混在することになり、図３に示したエネ
ルギー分布の電子群が生成されるのである。ここに、図
６はカソード１１ａの中心を原点とする球座標系で示し
てある。
１ａの表面の近傍には正イオンによるイオンシースによ
る空間電荷層Ｓ1 が形成されるから、陰極降下電圧が発
生する。したがって、カソード１１ａから放出された電
子が空間電荷層Ｓ1 で加速されてプラズマＳ2 に入射す
ることになる。また、アノード１１ｂがカソード１１ａ
に対置されていることによってもカソード１１ａから放
出された電子群は加速されることになる。したがって、
アノード１１ｂをカソード１１ａに十分に近付けて配置
すれば、アノード１１ｂを通過した電子群は高エネルギ
ーを持つことになり、図１４のようなエネルギー分布を
有する電子群を電子線源１１から放出することができ
る。このような高エネルギーの電子群は、プラズマ中で
は非弾性衝突を引き起こし、マクスウェル分布にほぼ従
うようなエネルギー分布を有する電子群を作る。すなわ
ち、プラズマ中では高エネルギーの電子群と低エネルギ
ーの電子群とが混在することになり、図３に示したエネ
ルギー分布の電子群が生成されるのである。ここに、図
６はカソード１１ａの中心を原点とする球座標系で示し
てある。
【００２１】上記構成では、バルブ１の直径を７０ｍｍ
とし、水銀飽和蒸気と２Torrのネオンとをバルブ１の中
に封入し、直流電源ＤＣの両端電圧を１５Ｖとして２Ａ
の電流を通電したところ、１８５ｎｍの紫外線を多量に
放射させることができた。ところで、上記構成におい
て、バルブ１の直径、バルブ１に封入した気体の圧力、
球座標系で表したときのカソード１１ａの中心から空間
電荷層Ｓ1 とプラズマＳ2 との境界面までの距離などに
よって、紫外線の放射効率が変化するという知見を得
た。そこで、本実施例の紫外線放射電子管についてモデ
ル化を行い、紫外線の放射効率を最適化する条件を決定
した。
とし、水銀飽和蒸気と２Torrのネオンとをバルブ１の中
に封入し、直流電源ＤＣの両端電圧を１５Ｖとして２Ａ
の電流を通電したところ、１８５ｎｍの紫外線を多量に
放射させることができた。ところで、上記構成におい
て、バルブ１の直径、バルブ１に封入した気体の圧力、
球座標系で表したときのカソード１１ａの中心から空間
電荷層Ｓ1 とプラズマＳ2 との境界面までの距離などに
よって、紫外線の放射効率が変化するという知見を得
た。そこで、本実施例の紫外線放射電子管についてモデ
ル化を行い、紫外線の放射効率を最適化する条件を決定
した。
【００２２】紫外線の放射効率には、高エネルギーの電
子群の密度が大きな影響を与えるから、次の仮定を設定
した。 （１）カソード１１ａから放出された熱電子はイオンシ
ースＳ1 で加速され、陰極降下電圧に相当するエネルギ
ーによって高エネルギーの電子となってプラズマＳ2 中
に入射する。
子群の密度が大きな影響を与えるから、次の仮定を設定
した。 （１）カソード１１ａから放出された熱電子はイオンシ
ースＳ1 で加速され、陰極降下電圧に相当するエネルギ
ーによって高エネルギーの電子となってプラズマＳ2 中
に入射する。
【００２３】（２）イオンシースＳ1 の中では高エネル
ギーの電子は衝突しない。 （３）高エネルギーの電子はビーム状のエネルギー分布
になる。 （４）プラズマＳ2 中で非弾性衝突を起こした高エネル
ギーの電子は、低エネルギーの電子に変化する。 （５）プラズマＳ2 中での高エネルギーの電子の弾性衝
突は等方散乱する。
ギーの電子は衝突しない。 （３）高エネルギーの電子はビーム状のエネルギー分布
になる。 （４）プラズマＳ2 中で非弾性衝突を起こした高エネル
ギーの電子は、低エネルギーの電子に変化する。 （５）プラズマＳ2 中での高エネルギーの電子の弾性衝
突は等方散乱する。
【００２４】以上のモデルに基づいて、カソード１１ａ
の中心を原点とする球座標で考える。まず、高エネルギ
ーの電子に関しては、質量保存則により次式が得られ
る。 （Ｓ・ｎf ・ｕr ）r+dr−（Ｓ・ｎf ・ｕr ）r ＝−Ｓ
・νf ・ｎf ・ｄｒ ここにおいて、左辺第１項は半径ｒ＋ｄｒの球面から流
出する高エネルギーの電子の数、左辺第２項は半径ｒの
球面に流入する高エネルギーの電子の数、右片は半径ｒ
の球面と半径ｒ＋ｄｒの球面との間の厚みｄｒの球殻内
で消滅する高エネルギーの電子の数である。また、Ｓは
半径ｒの球面の面積、ｎf は高エネルギーの電子の密
度、ｕr は球の径方向の電子の速度、νf は高エネルギ
ーの電子の非弾性衝突周波数である。この式を（Ａ）式
とする。
の中心を原点とする球座標で考える。まず、高エネルギ
ーの電子に関しては、質量保存則により次式が得られ
る。 （Ｓ・ｎf ・ｕr ）r+dr−（Ｓ・ｎf ・ｕr ）r ＝−Ｓ
・νf ・ｎf ・ｄｒ ここにおいて、左辺第１項は半径ｒ＋ｄｒの球面から流
出する高エネルギーの電子の数、左辺第２項は半径ｒの
球面に流入する高エネルギーの電子の数、右片は半径ｒ
の球面と半径ｒ＋ｄｒの球面との間の厚みｄｒの球殻内
で消滅する高エネルギーの電子の数である。また、Ｓは
半径ｒの球面の面積、ｎf は高エネルギーの電子の密
度、ｕr は球の径方向の電子の速度、νf は高エネルギ
ーの電子の非弾性衝突周波数である。この式を（Ａ）式
とする。
【００２５】（Ａ）式における電子の径方向の速度ｕr
は以下のようにして求めることができる。すなわち、電
子に対する衝突粒子の位置をＲ1 ，…，Ｒn 、平均自由
行程をλ（＝｜Ｌ｜）とする。ただし、Ｒ1 ，…，
Ｒn ，Ｌはベクトルである。このとき、次の関係が成立
する。 Ｒ1 ＝Ｌ Ｒn ＝Ｒn-1 ＋Ｌ したがって、Ｒn 自身の内積を求めると、 Ｒn ・Ｒn ＝｜Ｒn ｜2 ＝（Ｒn-1 ＋Ｌ）・（Ｒn-1 ＋Ｌ） ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋Ｌ・Ｌ＋２・Ｒn-1 ・Ｌ ここで、 Ｒn-1 ・Ｌ＝（１／２π）∫（｜Ｒn-1 ｜・｜Ｌ｜・co
s θ）ｄθ であって、積分区間は〔０，２π〕であるから、結果は
０になる。したがって、上式は、 ｜Ｒn ｜2 ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋Ｌ・Ｌ ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋λ2 ＝Ｒ1 ・Ｒ1 ＋（ｎ−１）λ2 ＝ｎλ2 であって、｜Ｒn ｜2 ＝Ｒ2 とすれば、 Ｒ2 ＝ｎλ2 …（１） が得られる。結局、この式は、電子の移動距離Ｒと、そ
の間の衝突回数ｎとの関係を与えている。
は以下のようにして求めることができる。すなわち、電
子に対する衝突粒子の位置をＲ1 ，…，Ｒn 、平均自由
行程をλ（＝｜Ｌ｜）とする。ただし、Ｒ1 ，…，
Ｒn ，Ｌはベクトルである。このとき、次の関係が成立
する。 Ｒ1 ＝Ｌ Ｒn ＝Ｒn-1 ＋Ｌ したがって、Ｒn 自身の内積を求めると、 Ｒn ・Ｒn ＝｜Ｒn ｜2 ＝（Ｒn-1 ＋Ｌ）・（Ｒn-1 ＋Ｌ） ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋Ｌ・Ｌ＋２・Ｒn-1 ・Ｌ ここで、 Ｒn-1 ・Ｌ＝（１／２π）∫（｜Ｒn-1 ｜・｜Ｌ｜・co
s θ）ｄθ であって、積分区間は〔０，２π〕であるから、結果は
０になる。したがって、上式は、 ｜Ｒn ｜2 ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋Ｌ・Ｌ ＝Ｒn-1 ・Ｒn-1 ＋λ2 ＝Ｒ1 ・Ｒ1 ＋（ｎ−１）λ2 ＝ｎλ2 であって、｜Ｒn ｜2 ＝Ｒ2 とすれば、 Ｒ2 ＝ｎλ2 …（１） が得られる。結局、この式は、電子の移動距離Ｒと、そ
の間の衝突回数ｎとの関係を与えている。
【００２６】次に、プラズマに入射するときの電子のエ
ネルギーをＷ1 とし、電子の質量をｍe 、気体原子の質
量をＭとすると、１回の弾性衝突によって電子が失うエ
ネルギーは、電子のエネルギーＷ1 の２ｍe ／Ｍ倍にな
る。したがって、ｎ回の弾性衝突を繰り返した後の電子
のエネルギーＷn は、次式のようになる。 Ｗn ＝（１−２ｍe ／Ｍ）n-1 ・Ｗ1 一方、 Ｗ1 ＝ｍe ・ｖ1 2 ／２ Ｗn ＝ｍe ・ｖn 2 ／２ であるから、 ｖn ＝（２Ｗn ／ ｍe ）1/2 ＝ｖ1 ・Ｋ(n-1)/2 …（２） ただし、Ｋ＝（１−２ｍe ／Ｍ）である。また、以下で
は１／Ｋ1/2 ＝κとおくことにする。
ネルギーをＷ1 とし、電子の質量をｍe 、気体原子の質
量をＭとすると、１回の弾性衝突によって電子が失うエ
ネルギーは、電子のエネルギーＷ1 の２ｍe ／Ｍ倍にな
る。したがって、ｎ回の弾性衝突を繰り返した後の電子
のエネルギーＷn は、次式のようになる。 Ｗn ＝（１−２ｍe ／Ｍ）n-1 ・Ｗ1 一方、 Ｗ1 ＝ｍe ・ｖ1 2 ／２ Ｗn ＝ｍe ・ｖn 2 ／２ であるから、 ｖn ＝（２Ｗn ／ ｍe ）1/2 ＝ｖ1 ・Ｋ(n-1)/2 …（２） ただし、Ｋ＝（１−２ｍe ／Ｍ）である。また、以下で
は１／Ｋ1/2 ＝κとおくことにする。
【００２７】ここで、ｎ回の弾性衝突を繰り返すのにｔ
秒間を要したとすると、 ｔ＝λ（１／ｖ1 ＋１／ｖ2 ＋……＋１／ｖn ） ＝（λ／ｖ1 ）｛１＋κ＋κ2 ＋…＋κn-1 ｝ ＝（λ／ｖ1 ）（１−κn ）／（１−κ） ∴κn ＝１−（ｖ1 ／λ）（１−κ）ｔ 上式に（１）式を適用して衝突回数ｎを消去し、さら
に、電子が点から放出されるのではなく半径ｒ0 の球の
表面から放出されるものとすれば、径方向の電子の速度
をｕr として上式に基づいて次式の関係を得ることがで
きる。 ｕr ＝（ｖ1 ／λ）（κ−１）／｛（２／λ2 ）ｒ・ln
（κ）・κq ｝ ただし、ｑ＝（ｒ2 −ｒ0 2 ）／λであって、ｒは球座
標の原点からの距離である。この式を上述した（Ａ）式
に代入すれば、次式を得ることができる。 ｎf （ｒ）＝（Ａ／ｒ）｛（２／λ2 ）ln（κ）・
κq ｝・exp （−νf ・κq ／Ｃ１） ただし、Ａ、Ｃ１は定数である。
秒間を要したとすると、 ｔ＝λ（１／ｖ1 ＋１／ｖ2 ＋……＋１／ｖn ） ＝（λ／ｖ1 ）｛１＋κ＋κ2 ＋…＋κn-1 ｝ ＝（λ／ｖ1 ）（１−κn ）／（１−κ） ∴κn ＝１−（ｖ1 ／λ）（１−κ）ｔ 上式に（１）式を適用して衝突回数ｎを消去し、さら
に、電子が点から放出されるのではなく半径ｒ0 の球の
表面から放出されるものとすれば、径方向の電子の速度
をｕr として上式に基づいて次式の関係を得ることがで
きる。 ｕr ＝（ｖ1 ／λ）（κ−１）／｛（２／λ2 ）ｒ・ln
（κ）・κq ｝ ただし、ｑ＝（ｒ2 −ｒ0 2 ）／λであって、ｒは球座
標の原点からの距離である。この式を上述した（Ａ）式
に代入すれば、次式を得ることができる。 ｎf （ｒ）＝（Ａ／ｒ）｛（２／λ2 ）ln（κ）・
κq ｝・exp （−νf ・κq ／Ｃ１） ただし、Ａ、Ｃ１は定数である。
【００２８】上式によれば、高エネルギーの電子の密度
ｎf はｒ0 を含むから、球座標の原点から空間電荷層Ｓ
1 とプラズマＳ2 との境界面までの距離に依存し、平均
自由行程λを含むからバルブ１内の気体の圧力に依存す
ることがわかる（すなわち、圧力をＰ、比例定数をａと
すると、λ＝ａ／Ｐである）。また、水銀飽和蒸気と２
Torrのネオンとをバルブ１に封入し、ｒ0 ＝１．０ｍｍ
としたときの、高エネルギーの電子の径方向の密度分布
は図８のようになり、この縦軸を対数目盛にすれば、図
９のようになる。これらの図から明らかなように、球座
標の原点からの距離が３５ｍｍになると高エネルギーの
電子は存在しないことがわかる。すなわち、１８５ｎｍ
の紫外線を放射する場合には、カソード１１ａの中心か
らの距離が３５ｍｍ以内の場所でのみ紫外線が放射され
るのである。以上のような知見に基づいて、バルブ１の
直径を７０ｍｍに設定したのである。ここにおいて、実
験結果によれば、バルブ１の中の気体の圧力Ｐとバルブ
１の半径Ｄとの関係として、Ｐ・Ｄ≦１４０〔Torr・ｃ
ｍ〕となるように設定した場合に、１８５ｎｍの紫外線
の放射効率が高くなることがわかった。
ｎf はｒ0 を含むから、球座標の原点から空間電荷層Ｓ
1 とプラズマＳ2 との境界面までの距離に依存し、平均
自由行程λを含むからバルブ１内の気体の圧力に依存す
ることがわかる（すなわち、圧力をＰ、比例定数をａと
すると、λ＝ａ／Ｐである）。また、水銀飽和蒸気と２
Torrのネオンとをバルブ１に封入し、ｒ0 ＝１．０ｍｍ
としたときの、高エネルギーの電子の径方向の密度分布
は図８のようになり、この縦軸を対数目盛にすれば、図
９のようになる。これらの図から明らかなように、球座
標の原点からの距離が３５ｍｍになると高エネルギーの
電子は存在しないことがわかる。すなわち、１８５ｎｍ
の紫外線を放射する場合には、カソード１１ａの中心か
らの距離が３５ｍｍ以内の場所でのみ紫外線が放射され
るのである。以上のような知見に基づいて、バルブ１の
直径を７０ｍｍに設定したのである。ここにおいて、実
験結果によれば、バルブ１の中の気体の圧力Ｐとバルブ
１の半径Ｄとの関係として、Ｐ・Ｄ≦１４０〔Torr・ｃ
ｍ〕となるように設定した場合に、１８５ｎｍの紫外線
の放射効率が高くなることがわかった。
【００２９】一方、距離ｒ0 については、０．１ｍｍ、
１．０ｍｍ、５．０ｍｍの場合について高エネルギーの
電子の分布を測定したところ、図１０のような結果が得
られた。ここに、破線は０．１ｍｍ、一点鎖線は１．０
ｍｍ、実線は５．０ｍｍに対応する。このように、距離
ｒ0 を小さくするほど高エネルギーの電子の密度が大き
くなることがわかった。また、ｒ0 ＝１．０ｍｍとした
ときの、１８５ｎｍの励起周波数を図１１に示す。この
結果、マクスウェル分布に従う低エネルギーの電子は図
１１に破線で示すように、カソード１１ａからの距離が
大きいほど密度が高くなるのに対して、高エネルギーの
電子は１０ｍｍ程度の位置にピークがあることがわかっ
た。したがって、１８５ｎｍの紫外線を放射する目的で
は、空間電荷層Ｓ1 とプラズマＳ2 との境界面を１０ｍ
ｍ以下にすればよいのである。
１．０ｍｍ、５．０ｍｍの場合について高エネルギーの
電子の分布を測定したところ、図１０のような結果が得
られた。ここに、破線は０．１ｍｍ、一点鎖線は１．０
ｍｍ、実線は５．０ｍｍに対応する。このように、距離
ｒ0 を小さくするほど高エネルギーの電子の密度が大き
くなることがわかった。また、ｒ0 ＝１．０ｍｍとした
ときの、１８５ｎｍの励起周波数を図１１に示す。この
結果、マクスウェル分布に従う低エネルギーの電子は図
１１に破線で示すように、カソード１１ａからの距離が
大きいほど密度が高くなるのに対して、高エネルギーの
電子は１０ｍｍ程度の位置にピークがあることがわかっ
た。したがって、１８５ｎｍの紫外線を放射する目的で
は、空間電荷層Ｓ1 とプラズマＳ2 との境界面を１０ｍ
ｍ以下にすればよいのである。
【００３０】
【発明の効果】請求項１の発明は、第１の電子線源によ
ってマクスウェル分布に従う比較低エネルギーの電子群
を放射し、第１の電子線源によって励起された気体を第
２の電子線源によって紫外線が放射されるエネルギー準
位まで励起するようにしているので、第１の電子線源に
よって低エネルギーの電子群を放射してバルブ内で放電
を生じさせ、さらに、第２の電子線源によって高エネル
ギーの電子群を放射することになる。その結果、高エネ
ルギーの電子群をプラズマ中に注入することができ、比
較的低エネルギーの電子群と比較的高エネルギーの電子
群とを含むようなエネルギー分布を有した電子群をプラ
ズマ中に作ることができるのである。このように、プラ
ズマ中に別途の電子線源によって高エネルギーの電子群
を注入することによって、単一の電子線源ではプラズマ
中に作ることが困難であった高エネルギーの電子群をプ
ラズマ中に存在させることができ、結果的に気体の分子
ないし原子を高エネルギー準位に励起することができる
ようになり、高エネルギーの紫外線の放射効率を高める
ことができるという利点がある。
ってマクスウェル分布に従う比較低エネルギーの電子群
を放射し、第１の電子線源によって励起された気体を第
２の電子線源によって紫外線が放射されるエネルギー準
位まで励起するようにしているので、第１の電子線源に
よって低エネルギーの電子群を放射してバルブ内で放電
を生じさせ、さらに、第２の電子線源によって高エネル
ギーの電子群を放射することになる。その結果、高エネ
ルギーの電子群をプラズマ中に注入することができ、比
較的低エネルギーの電子群と比較的高エネルギーの電子
群とを含むようなエネルギー分布を有した電子群をプラ
ズマ中に作ることができるのである。このように、プラ
ズマ中に別途の電子線源によって高エネルギーの電子群
を注入することによって、単一の電子線源ではプラズマ
中に作ることが困難であった高エネルギーの電子群をプ
ラズマ中に存在させることができ、結果的に気体の分子
ないし原子を高エネルギー準位に励起することができる
ようになり、高エネルギーの紫外線の放射効率を高める
ことができるという利点がある。
【００３１】請求項２の発明は、カソードとアノードと
を近接して対置することによって構成した１つの電子線
源のみで高エネルギーの電子を放出し、その後の衝突に
よる減速でマクスウェル分布に従う低エネルギーの電子
を生成するのであって、電子線源が１つであるから構成
が簡単になり、またバルブの形状も簡単なものになると
いう利点がある。
を近接して対置することによって構成した１つの電子線
源のみで高エネルギーの電子を放出し、その後の衝突に
よる減速でマクスウェル分布に従う低エネルギーの電子
を生成するのであって、電子線源が１つであるから構成
が簡単になり、またバルブの形状も簡単なものになると
いう利点がある。
【００３２】請求項３および請求項４の発明のように、
気体の圧力、バルブの内径、イオンシースの領域を選定
すれば、殺菌やオゾンの発生に用いることができる１８
５ｎｍの紫外線について高い放射効率が得られるという
利点がある。
気体の圧力、バルブの内径、イオンシースの領域を選定
すれば、殺菌やオゾンの発生に用いることができる１８
５ｎｍの紫外線について高い放射効率が得られるという
利点がある。
【図１】実施例１の概略構成図である。
【図２】実施例１の一部破断した斜視図である。
【図３】実施例１の動作説明図である。
【図４】実施例２の一部破断した斜視図である。
【図５】実施例２の概略構成図である。
【図６】実施例２において形成される空間電荷層を説明
する図である。
する図である。
【図７】実施例２における電子の衝突の概念を説明する
図である。
図である。
【図８】実施例２において高エネルギーの電子の密度を
示すグラフ図である。
示すグラフ図である。
【図９】実施例２において高エネルギーの電子の密度を
示す縦軸を対数目盛としたグラフ図である。
示す縦軸を対数目盛としたグラフ図である。
【図１０】実施例２において高エネルギーの電子の密度
と空間電荷領域との関係を示すグラフ図である。
と空間電荷領域との関係を示すグラフ図である。
【図１１】実施例２において高エネルギーの電子の衝突
周波数とカソードからの距離との関係を示すグラフ図で
ある。
周波数とカソードからの距離との関係を示すグラフ図で
ある。
【図１２】従来例の動作説明図である。
【図１３】従来例の動作説明図である。
【図１４】理想とする電子の分布を示す図である。
１ バルブ １ａ 主管 １ｂ 側管 ２ 第１の電子線源 ３ 第２の電子線源 ３ａ カソード ３ｂ 加速用グリッド ４ バラスト ５ スタータ ６ バラスト ７ 水銀溜 １１ 電子線源 １１ａ カソード １１ｂ アノード ＡＣ 交流電源 ＤＣ 直流電源 Ｅ 直流電源 Ｓ1 空間電荷層 Ｓ2 プラズマ
Claims (4)
- 【請求項１】 電子の衝突により励起されて紫外線を放
射する気体が封入されたバルブと、バルブ内に配設され
てマクスウェル分布に従う比較的低エネルギーの電子群
を放出する第１の電子線源と、第１の電子線源により放
出された電子群により励起された気体を紫外線が放射さ
れるエネルギー準位まで励起する比較的高エネルギーの
ビーム状の電子群を放出する第２の電子線源とを具備し
て成ることを特徴とする紫外線放射電子管。 - 【請求項２】 第１の電子線源と第２の電子線源とを、
電子を放出するカソードと、カソードの電子放出面に近
接して対置されカソードより放出された電子を加速する
アノードとからなる１つの電子線源としたことを特徴と
する請求項１記載の紫外線放射電子管。 - 【請求項３】 バルブ内の気体の圧力と、カソードの表
面からバルブの管壁までの最大距離との積を１４０〔To
rr・ｃｍ〕以下に設定したことを特徴とする請求項２記
載の紫外線放射電子管。 - 【請求項４】 カソードの中心からイオンシースとプラ
ズマとの境界面までの距離を１０〔ｍｍ〕以下に設定し
たことを特徴とする請求項２記載の紫外線放射電子管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25525392A JPH06111787A (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 紫外線放射電子管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25525392A JPH06111787A (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 紫外線放射電子管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06111787A true JPH06111787A (ja) | 1994-04-22 |
Family
ID=17276177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25525392A Pending JPH06111787A (ja) | 1992-09-25 | 1992-09-25 | 紫外線放射電子管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06111787A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016054096A (ja) * | 2014-09-04 | 2016-04-14 | 株式会社東通研 | 紫外線照射用放電管 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57130364A (en) * | 1980-12-23 | 1982-08-12 | Gte Laboratories Inc | Beam mode fluorescent lamp |
| JPS6212059A (ja) * | 1985-07-10 | 1987-01-21 | Matsushita Electric Works Ltd | 光放射電子管 |
-
1992
- 1992-09-25 JP JP25525392A patent/JPH06111787A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57130364A (en) * | 1980-12-23 | 1982-08-12 | Gte Laboratories Inc | Beam mode fluorescent lamp |
| JPS6212059A (ja) * | 1985-07-10 | 1987-01-21 | Matsushita Electric Works Ltd | 光放射電子管 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016054096A (ja) * | 2014-09-04 | 2016-04-14 | 株式会社東通研 | 紫外線照射用放電管 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19980602 |