JPH08508363A - インコヒーレント放出放射源の作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、インコピーレント放出放射源、特に紫外線、赤外線又は可視光線を放射する放電ランプの作動方法に関する。放電は休止時間により中断される一連の電圧パルスによって放電管の内部に発生させられる。その場合、片側又は両側誘電体妨害形電極が使用される。充填物、電極構成、火花長、誘電体の種類及び厚み、時聞に依存する電圧振幅、パルス時間ならびに休止時間を適当に選定することによって、６５％以上の紫外線発生効率が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 インコヒーレント放出放射源の作動方法 本発明は請求項１の上位概念部に記載されたインコヒーレント放出放射源の作 動方法に関する。放射発生メカニズムとして放電管の内部で発生された放電が使 用され、その場合少なくとも１つの電極と放電との間に誘電体膜が配置され、そ れゆえこの型の放電は無声放電又は誘電体妨害放電又は障壁放電と称されている 。インコヒーレント放出放射源とは紫外線及び赤外線放射器ならびに特に可視光 線を放射する放電ランプである。本発明は低圧ガス封入ならびに高圧ガス封入お よび低圧と高圧の間の範囲に位置する全てのガス圧に適する。 この種の放電の励起は通常例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２ ７９号公報及び第４２０３５９４号公報ならびに米国特許第５１１７１６０号明 細書に記載されているように交流電圧によって行われる。励起周波数は交流電流 の周波数と数ＭＨｚとの間の範囲（ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２ ７９号公報参照）又は２０〜１００ｋＨｚの範囲（米国特許第５１１７１６０号 明細書参照）に選定される。 この作動方式の欠点は技術的に重要な出力密度の際の所望の放射発生量が比較 的少ない点である。標準的な紫外線効率は１ｋＷ／ｍ²の面積出力密度の場合の １０％と１０Ｗ／ｍ²の２０％との間の大きさである（１９９２年１０月７日の カールスルーエ大学の光技術研究所での研究サークルＵＶ、ＩＲの第３会期、及 び１９９２年にブタペストで開催された光源の科学及びテクノロジーに関する第 ６回国際ジンポジウムで発表されたカールスルーエ大学のエム・ナイガー、ＬＴ Ｉの「誘電体障壁放電：特殊光源」参照）。 本発明の課題は所望の放射発生の効率を著しく改善することにある。 この課題は本発明によれば請求項１の特徴事項により解決される。本発明の他 の有利な実施態様は請求項２以下に記載されている。 本発明の基本思想は、誘電体妨害放電が繰返してパルス作動され、それにより 連続的な電気エネルギーの入力自体が個別放電の高い出力密度にも拘わらず時間 間隔Ｔｏ_n（以下においいては“休止時間”と称する）によって規定されて中断 されることにある。個々の時間間隔の長さは、別の電気エネルギーの入力が所望 の放射へ僅かな効率で変換されると直ちにエネルギーの入力又は詳細に言えば有 効電力の入力がほぼ終了するようにするという要求、もしくは所望の放射の効率 的な放出を新たに励起することができる（それにより時間平均で放射効率が最適 化される）ようにするために、ガス充填物が再び緩和されると直ちに“休止時間 ”が終了するようにするという要求から与えられる。このようにして電気エネル ギーを紫外線に変換するために例えば６５％以上の効率が得られ、このことは従 来方式で作動される誘電体妨害放電に比べて何倍もの増大になる。 通常は同一又は単に極性の変わる一連の電圧パルスが使用され、その場合電圧 パルスの全個数ｎは原理上制限されない。しかしながら特別な事例では規則的に 変化する一連の電圧パルスも使用可能である。またパルス列は完全に不規則であ ってもよい。（例えば装飾照明の場合には人間の目で認識可能な光効果が生ずる ように複数のパルスが１つの束に纏められる。） パルス時間Ｔｐ_nの期間中、電極間には電圧パルスＵｐ_n（ｔ）が印加され、そ の場合有効電力が入力される。その時間的変化は原理上固定されず、例えば次の ような色々の形状から選択することができる。 ａ）単極性形状。すなわちこの電圧はパルス時間Ｔｐ_nの期間中はその符号を変 えない。これにはとりわけ台形状、三角形状、湾曲状の電圧パルス、特に放物線 状電圧パルス及び正弦波状半波が属し、その場合正及び負の値がある（例示的に 負の値みのが示されている図６ａ参照）。 ｂ）両極性形状。すなわちこの電圧はパルス時間Ｔｐ_nの期間中はその符号を変 え、その場合形状は正符号ならびに負符号で始まることができる。このための例 は１つの正弦波の両半波、反対符号を持つ２つの直ぐに続く三角波、反対符号を 持つ２つの直ぐに続く“矩形波”又は台形波であり、その場合エッジは異なった 立上がり時間もしくは立下がり時聞を持つことができる（図６ｂ参照）。 ｃ）上記ａ）及びｂ）から成る幾つか（好適には２つ又は３つ）の波形要素の時 間的な連なり。この電圧Ｕｐ_n（ｔ）は種々異なった値を取ることができ、特に 短時間の間は値０を取ることもでき、それゆえ個々の波形要素は、電圧が値０を 持つ時間領域によっても分離することができる（図６ｃ参照）。特に個々の波形 要素は繰返すことができる。 図６ａ〜ｃには例として可能な電圧波形の選択が示されている。さらに多くの 個数の別の波形を考えることができる。特に電気信号は、図６ａ〜ｃには示され ていないが、実際上何時も有限の立上がり時間及び立下がり時間、オーバーシュ ート及びアンダーシュートを有している。 休止時聞Ｔｏ_nの期間中の電圧波形には、主として有効電力が入力されないよ うに電圧Ｕｏ_n（ｔ）が選定されることが要求される。再点弧電圧より小さい適 当な低電圧値が長時間の間、場合によって全休止時間Ｔｏ_nの期間中続けられる 。その際休止時間の期間中短時間でも、すなわちパルス時間Ｔｐ_nより著しく短 い時間でも、同様に電圧ピークが発生することは排除されない。 Ｕｐ_nの標準的な絶対値は数ｋＶである。Ｕｏ_nは好適には０Ｖ近辺の値である 。Ｔｐ_n及びＴｏ_nの値は標準的にはμｓ範囲にあり、通常Ｔｐ_nはＴｏ_nより明ら かに短い。 放電に対する本発明の作動規準は主として励起パラメータＴｐ_n、Ｔｏ_n及び電 圧振幅Ｕｐ_nを適当に選定することによって達成され、その場合これらの大きさ は特に効率的な作動に適するように互いに調整される。さらにパルス波形が重要 である。 個々の事例において、３つの励起バラメータＴｐ_n、Ｔｏ_n及びＵｐ_n（ｔ）の ために選定されるべき値は、放電の形状、ガス充填物の種類及びガス圧、ならび に電極構成、及び誘電体膜の種類及び厚みに依存する。本発明の作動規準による 放電が起こると、所望の放射発生量は最高になる。 予め定められたランプ充填物のために放電内で起こる衝突の割合及びその結果 としての放射発生の割合も主として電子密度ｎ_e及び電子のエネルギー分布によ って決定される。本発明による作動方法によれば、時聞に依存するこれらの大き さは、Ｔｐ_n、Ｔｏ_n及び電圧振幅Ｕｐ_nもしくは放射発生用のパルス波形を適当 に選定することによって、最適に調整することが可能である。 交流電圧点灯に比較して、本発明は意識的に補助パラメータすなわち“休止時 間”Ｔｏを利用する。この補助バラメータを用いることによって初めて高出力密 度の場合でも目的に適うようにキャリヤ密度の時間的及び空間的変化ならびにエ ネルギー分布関数をコントロールすることができる。交流電圧を使用する従来技 術の場合、この大きさの目的に適ったコントロールは周波数に関して大きく制限 されていた。本発明によって初めて、技術的に注目される出力密度を持つ誘電体 妨害放電の効率を、従来の放射源との交換性が与えられるように、増大させるこ とが可能になる。 本発明の作動規準においては、電極間には、種々に形成された標準的には線条 状又はねじ状放電パターンの代わりに、多数の同種の、平面図においてすなわち 放電に垂直に、デルタ状放電パターンが発生し、この放電パターンは（瞬時的な ）陽極方向へそれぞれ広がることがわかる。この放電パターンは好適にはｋＨｚ 範囲の繰返し周波数で発生するので、観察者は図９ａの写真図に示されているよ うな人間の目の時間的分解能に相当する“平均”放電パターンだけに気付くこと になる。両側誘電体妨害放電の電圧パルスの極性が変わる場合、２つのデルタ状 パターンの重なりが見えるように現れる。１つ又は２つの誘電体によって妨害さ れ得る例えば２つの縦長の電極が平行に対向配置されると、個々の放電パターン は縦長の電極に対して横切るように向けられて互いに並んで現れる（図９ａ、ｂ 参照）。パラメータを適当に選定すると、例えば適当な低圧力を選定すると、個 別パターンの並列は拡散するように見える唯一つの放電になる。放電パターンは 例えば透明なランプガラス球内で直接観察することができる。 本発明の重要な利点は放電管内へ入力する電力密度の変化に対して個々の放電 パターンの特別な安定性にある。電圧パルスの振幅Ｕｐ_nが大きくなっても、個 々の放電パターンはその基本的な形状を変えない。閾値を上回ると放電パターン の１つから別の類似のパターンが生じる。電圧パルスの振幅の増大によって入力 電力が増大すると、主として上述した個々の放電パターンの個数が増大する。そ の場合このパターンの品質、特にその外観及びその効率的な放射特性は変わらな いままである。 このような挙動は、放電体積を最適に利用する３個以上の電極を使用すること によって、予め定められた放電体積内へ入力可能な電力を有意義により一層高め ることを初めて可能にする。例えば、放電管の内部の中心に配置された１つの内 部電極に複数の外部電極を放電管の外壁上に対称に配置して対向させることがで きる。若干の個数の外部電極を用いることによって、放電管の体積から最大に引 出し可能な放射パワーを高めることができる。というのは、放電パターンは中心 の内部電極から出発してそれぞれ外部電極へ向かって燃焼し、それゆえ適当な電 力入力の場合放電管の体積を益々占めるようになるからである。 このことの他に、電極を軸平行に配置した場合、電力及び光束が放電管の長さ に比例して変化するという別の利点が得られる。この場合電界は放電管の長手軸 線にほぼ垂直に位置するので、放電管の長さはほぼ任意に長くすることができ、 その場合例えば従来の管状放電ランプの場合には通常行われていたように必要な 点弧電圧を相応して高めることは必要ない。それゆえ、動作特性のためにこの種 の放電の場合放電管の体積ならびに電極の個数もしくは放電パターンの燃焼が起 こる平面の個数が考慮されなければならない。５０ｃｍの長さ、２４ｍｍの直径 及び充填ガスとしてのキセノンを有する管状ランプの場合、“放電面”当たり標 準的に１５Ｗの有効電力を入力することができる。 Ｔｐ_n及び／又はＴｏ_n及び／又はＵｐ_n（ｔ）が好適に選定されない場合、ガ ス室に対して鮮明に区画された薄くかつ明るく発光する１つ又は複数の“放電線 条”が統計的に現れる。この放電線条は本発明による放電パターンを犠牲にして 図１０ｂの写真図から分かるように放電管の内部の広範囲に亘って延びる。それ ゆえ、この“放電線条”はその形状ならびにそのスペクトル放射分布が本発明の 作動規準による放電形状とは明らかに異なって見え、望ましくない。というのは 、その放電線条は電流輸送を小さな横断面内へ集中させ、これによって高いキャ リヤ密度がとりわけ高いクエンチング率と共に生じ、その結果所望の放射の発生 効率が減少するからである。 このような現象からＵｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n及びＴｏ_nに関して本発明の作動規準 に好適な値を得るための一般的な規定を導出することができる。放電点弧後、Ｕ ｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n及びＴｏ_nは、本発明の作動規準における所望の電力が入力さ れるように、すなわち上述した放電パターンが見えるように選定されるべきであ る。すなわち驚くべきことにこの放電パターンが丁度存在する時、電子密度及び 電子のエネルギー分布関数は損失を最小にする値を取ることが判明した。 上述した３つの作動パラメータの各々はキャリヤ密度の時間的及び空間的パタ ーンならびに電子のエネルギー分布関数をコントロールする。上述した大きさに 対するそれぞれのコントロールは大きく異なるので、パラメータの選択は効率的 な放電モードを達成するための残りのパラメータの値範囲を粗く決定する。 電圧パルスの振幅Ｕｐ_nの標準的な値はｃｍ火花長及びパスカル充填圧当たり 約０．０１〜２Ｖの範囲であり、パルス時間Ｔｐ_nは約１ｎｓ〜５０μｓの大き さであり、そして休止時間Ｔｏ_nは約５００ｎｓ〜１ｍｓの大きさである。本発 明の作動規準のために作動圧力は１００Ｐａ〜３ＭＰａであるのが有利である。 中圧範囲（例えば１０ｋＰａ）では、これは特にｃｍ火花長当たり１００Ｖ〜２ ０ｋＶの範囲の電圧パルスの振幅Ｕｐ_nを意味する。高圧範囲（例えば１ＭＰａ ）では、これは特にｃｍ火花長当たり１０ｋＶ〜２００ｋＶの範囲の電圧パルス の振幅Ｕｐ_nを意味する。 電気的な安全性の理由から、外部電極は好適にはアース電位に接続され、内部 電極は高電圧に接続される。これによって電圧印加部分の十分な接触保護が可能 になる。放電管は電極を含めて外管の内部に配置することができる。これによっ て外部電極がアース電位に接続されていない場合にも接触保護が図れる。導電性 電極材料として電流の流れ得る全ての材料、及び電解質を使用することができる 。 片側誘電体妨害放電、すなわち少なくとも１つの誘電体非妨害形電極のために 、放電管の内部すなわちガス室ではさらに、この内部電極はパルス時間の開始時 に（放電管の内部又は外部の）誘電体妨害形電極に対して負極性を含むようにさ れる（電力入力に関して重要ではないが起こり得る正の針状前駆パルスは除く） 。その後極性はパルス時間の期間中変えることができる。 本発明による作動方法は、原則的に変えられることなく又は有利な作用を失う ことなく、両側誘電体妨害放電（全電極が誘電体によって放電から分離され、そ の場合この誘電体は放電管自体であってもよい。）にも適する。全ての電極が誘 電体によって妨害される場合、極性の時間的な連なり及び極性自体は重要ではな い。 原則的に電極は全てをガス室の外部に、例えば放電管の外表面上に、又は電極 の或る個数を放電管の外部におよび或る個数を放電管の内部に、ならびに全てを 放電管の内部すなわちガス室内に設けることができる。最後の事例においては、 少なくとも１つの電極は誘電体によって覆われ、残りの電極に対して逆極性を取 る必要がある。 特に、放電管の内部に腐食性媒質が存在する場合のために、電極が媒質に直接 接触しないようにすると有利である。というのは、内部電極の腐食が有効に防止 され得るからである。このことは全ての電極が放電管の外部に配置されるか又は 放電管内に設けられた電極が誘電体膜によって覆われることにより達成される。 本発明においては大面積の電極は無くされる。電極によって遮られる放射の量 は非常に少ない。誘電体妨害形電極のために、全電極面積と誘電体に接触する電 極面積との比は有利にはできる限り小さくされる。特に優れた実施例においては 誘電体妨害形電極は放電管の外壁上に設けられた狭い条帯として実施される。同 様に格子状外部電極、例えば金網、孔明き板又は類似のものも適する。放電管の 体積を最高に利用し得るために、内部電極は好適には放電の方向にできる限り小 さい広がりを有する。特に優れた実施例においては内部電極は棒として実施され る。 片側又は両側妨害放電はできる限り多数の放電管形状、特に、従来方式で作動 される誘電体妨害放電の場合例えばヨーロッパ特許出願公開第０３８５２０５号 公報、ヨーロッパ特許第０３１２７３２号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第０ ４８２２３０号、第０３６３８３２号、第０４５８１４０号、第０４４９０１８ 号及び第０４８９１８４号公報に開示ざれているような全ての放電管形状を使用 することができる。 横断面の小さい放電管内には好適には電極は対応する陽極と陰極との間の間隔 ができる限り大きくなるように配置される。例えば、小さい横断面を持つ円筒状 放電管に対しては内部電極は好適には放電管の内部に偏心して配置され、外部電 極は直径方向に対向して外壁上に固定される。放電路の伸長は電極を区分するこ とによって補助的に助成することができる。このために内部電極及び外部電極は 放電を始めるかもしくは抑制する２つの異なった領域を交互に有する。電極はそ の場合それぞれ２つの異なった領域が対向するように配置される。これによって 半径方向の放電パターンが抑制される。放電はむしろ対向電極の最も近い隣りの 領域に対して斜めに起こる。このことは例えば電極が補助誘電体膜を備えた領域 を交互に有することによって実現することができる。 大きい横断面の場合内部電極は好適には放電管の内部の中心に配置され、その 場合複数の外部電極が外壁上に、その外周に亘って対称に分散されて固定される と有利である。 放電管の形状は原則的には無理に予め定める必要はない。用途に応して、放電 管壁は所望の放射に対して（少なくともアパーチュアーの内部で）必要な透明性 を有する材料から構成されなければならない。誘電体障壁としては、例えばホウ ケイ酸塩ガラス（例えばＤＵＲＡＮ（登録商標）（ショット社））、石英ガラス 、Ａｌ₂Ｇ₃、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＢａＴｉＯ₃等のような、使用された高電圧によ る破壊に耐える電気絶縁性材料（誘電体）が適する。誘電体の種類及び厚みによ って放電パターンをコントロールすることができる。特に、適当に小さい比誘電 率を持つ特に十分な厚みの誘電体は、比較的小さい電子密度を有する本発明によ る放電パターンの形成を助成するのに、すなわち高い電子密度及び電流密度を有 する不所望な放電パターンの形成を防止するのに適する。簡単に言うと、このこ とは一方では、変移電流密度によって惹き起こされる誘電体での局部的電圧降下 が誘電体の厚みに比例しその誘電率に反比例することから生じる。他方では、誘 電体での電圧降下は電流密度の増大を妨げる。 放射のスペクトル組成は主としてガス充填物に依存し、例えば可視光線、赤外 線又は紫外線領域に位置することができる。ガス充填物として原理上例えばドイ ツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２７９号公報、ヨーロッパ特許出願公開第 ０４４９０１８号、第０２５４１１１号、第０３２４９５３号、及び第０３１２ ７３２号公報に開示されている従来方式で作動される誘電体体妨害放電に使用す ることのできる全ての充填物、ならびにエキシマーレーザもしくはエキソプレッ クスレーザにおいて既に使用されている充填物（例えばアイ・エス・ラコバ及び エス・アイ・ヤコブレンコ著「エキソプレックスレーザの活性媒質（レビュー） 」Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１０（４）、１９８０年４ 月発行、第３８９真ならびにシーエッチ・ケー・ローデス著「エキシマーレーザ 」シュプリンガー社、１９８年発行参照）が適する。これにはとりわけ希ガス及 び その混合物、希ガスとハロゲン又はハロゲン化合物との混合物、金属蒸気及びそ の混合物、希ガスと金属蒸気との混合物、希ガスと金属蒸気及びハロゲン又はハ ロゲン化合物との混合物、さらに上述した充填物に添加することのできる次の元 素、すなわち水素、デューテリウム、酸素、窒素、窒素酸化物、一酸化炭素、二 酸化炭素、硫黄、ヒ素、セレン及びリンのうちの１つ又はそれらの組合わせが属 する。特に、エキシマー放電での本発明による作動方法に基づく非常に効率的な 紫外線発生は、例えばヨーロッパ特許出願公開第０４８２２３０号公報に記載さ れている紫外線高出力放射器の別の応用分野を開く。これにはとりわけレジスト の硬化、表面の変化、飲料水等の無生化、及び環境内の公害物質の紫外線による 分解のような光化学プロセスが属する。特に最後に挙げた使用範囲のために、放 電を照射されるべき媒質の直ぐ近くにもたらすこと、すなわち放射の短波成分の 管壁による減衰を防止するために、気密に閉鎮された放電管を無くすと有利であ る。特に紫外線もしくは真空紫外線発生の際に別の重要な利点、すなわち本発明 の作動方法により得ることのできる高い紫外線発生量が示される。すなわち従来 技術による比較可能な放射輝度の紫外線もしくは真空紫外線とは異なり、水によ る冷却を無くすことができる。他の有利な用途は、紫外線が適当な蛍光体によっ て電磁スペクトルの可視領域へ変換されることによる照明である。 本発明の別の利点は、外部の電流制限を必要としない点、ランプを調光可能で ある点、複数のランプの並列点灯を１つの電源のみで可能である点、そして放射 発生の高効率を光技術において同時に必要な出力密度と共に得ることができる点 である。 本発明の優れた実施形態において、放電管は放電の際に発生する光を特に好適 なスペクトル範囲へ転移させるために蛍光体膜を備える。蛍光体被膜は低圧ラン プならびに高圧ランプにおいても使用することができる。この場合、公知の蛍光 体もしくは混合物を使用することができる。蛍光ランプにとって青、緑及び赤を 発光する蛍光体の組合わせは特に有効である。好適な青色蛍光体は特に二価ユー ロピウムを用いて活性化されたアルミン酸バリウムマグネシウム（ＢａＭｇＡｌ₁₀ Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）である。緑色成分として特にテルビウム又はマンガンで活性化 された蛍光体を使用することができる。例えばテルビウムで活性化されたケイ酸 イットリウム（Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂ）又はリン酸ランタン（ＬａＰＯ₄：Ｔｂ）も しくは二価マンガンを用いて活性化されたケイ酸亜鉛（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄：Ｍｎ）又 はアルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄：Ｍｎ）がある。有利な赤色成分は、 三価ユーロピウムを用いて活性化された蛍光体、例えば酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃：Ｅｕ³⁺）、又はイソトリウム及び／又はガドリニウムのホウ酸塩がある。 詳細にはＹＢＯ₃：Ｅｕ³⁺、ＧｄＢＯ₃：Ｅｕ³⁺及び混合されたホウ酸塩（Ｇｄ、 Ｙ）ＢＯ₃：Ｅｕ³⁺である。 温光色のランプのために、通常の蛍光ランプにおいて知られている処置方法に 相当するが、青色成分の量は少なくするか、又は完全に省略することができる。 特殊演色性を有するランプには、青緑色スペクトル領域で放出する成分、例え ば二価ユーロピウムを用いて活性化された蛍光体が適する。この用途にはリン酸 ストロンチウムボロＳｒ₆ＢＰ₅Ｏ₂₀：Ｅｕ²⁺が好適である。 本発明は特に蛍光ランプの分野に突破口を与える。充填物は水銀を無くすこと 、及びそれにも拘わらず従来の蛍光ランプの内部紫外線効率に相当する内部紫外 線効率を得ることに初めて成功した。従来の蛍光ランプに比較してそれによって さらに次の付加的な利点がもたらされる。周囲温度の光束への影響及びガラス球 黒化を生ずることなく、問題のないコールドスタートが可能となる。さらに、寿 命を制限する電極（例えば発光体ペーストを備えた白熱陰極）、重金属及び放射 性部品（グロースタータ）を必要としない。白熱電球及び白熱陰極を持つ放電ラ ンプとは異なり、放射は電極への点灯電圧の印加直後に大きな遅れなく放出され る（純粋放電の発光遅れ約１０μｓ、蛍光体を含めて約６ｍｓ。これに比較して 白熱電球の応答時間は約２００ｍｓの範囲にある。）。このことは特に灯光信号 装置、交通・信号照明装置にとって利点がある。 本発明を以下において幾つかの実施例に基づいて詳細に説明する。 図１は新しい方法に基づいて作動させることのできる棒状放電管の本発明によ る実施例の一部を断面で示した概略縦断面図である。 図２ａは図１に示された放電管のＡ−Ａ線に沿った概略横断面図である。 図２ｂは本発明による放電管の他の実施例の概略横断面図である。 図２ｃは本発明による放電管の別の実施例の概略横断面図である。 図３ａは図１に示された片側誘電体妨害形放電ランプの陰極−陽極間の本発明 による優れた電圧波形の概略図である。 図３ｂは両側誘電体妨害形放電ランプを本発明によって点灯するために使用す ることのできる電圧波形の概略図である。 図４ａは新しい方法に基づいて点灯することのできる平面形放射器の形をした 放電ランプの本発明による他の実施例の一部の概略縦断面図である。 図４ｂは図４ａに示された放電ランプの横断面図である。 図５ａは新しい方法に基づいて点灯することのできるエジソンねじ込み口金を 備えた従来のランプの形をした放電ランプの本発明による別の実施例の側面図で ある。 図５ｂは図５ａに示された放電ランプのＡ−Ａ線に沿った横断面図である。 図６ａは負の値を持つ本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの単極性波 形の概略図である。 図６ｂは本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの両極性波形の概略図で ある。 図６ｃは図６ａ及び図６ｂに示された個々の波形要素の組合わせによって発生 された電圧パルスＵｐ（ｔ）の本発明による波形の概略図である。 図７は本発明による点灯方式（１７３ｈＰａのＸｅ、パルス周波数２５ｋＨｚ ）による電圧Ｕ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）・Ｉ（ｔ）の 測定された時間変化図である。 図８は時間軸を変えて示した図７に相当する図である。 図９ａ、ｂは本発明による放電パターンの写真図である。 図１０ａ〜ｄは不所望な放電パターンへの移行を示す写真図である。 図１に基づいて本発明を特に簡単な実施例で説明する。２００ｈＰａの圧力で キセノンを封入された中圧放電ランプ１の一部が縦断面図にて示されている。５ ９０ｍｍの長さ、２４ｍｍの直径及び０．８ｍｍの肉厚を有する長手軸線を規定 するガラス製円筒状放電管２の内部には、２．２ｍｍの直径を有する特殊鋼製の 棒の形態の軸平行な内部電極３が配置されている。放電管２の外部には、軸平行 に配置されて電源に電気的に接続される２ｍｍ幅の２つの高導電性銀製条帯４ａ 、 ４ｂから構成された外部電極が配設されている。個々の高導電性銀条帯４ａ、４ ｂはこの実施例に示されているように金属リングによって相互に結合されて電源 に共通に電気的に接続される。その際、放電を乱さないようにするために、金属 リングを十分狭く成形するように注意する必要がある。変形例として高導電性銀 条帯４ａ、４ｂは供給電圧に別々に接続することもできる。内部電極３は弓形金 具状リード線１４に電気的に接続することができる。このリード線１４は皿状封 着部１６によって放電管２に気密に結合された挟搾部１５を介して外部へ導かれ ている。 この実施例の変形例では放電管は金属リングの領域に例えば膨出部の形の径大 部を有する。これによってこの領域に擾乱的な寄生放電が生成するのが阻止され る。上記実施例の特に優れた変形例では棒状内部電極は一方の端部のみが第１皿 状封着部に固定結合される。他方の自由端部は中心軸線で第２皿状封着部に固定 された円筒状スリーブ内へ（間隙嵌めのように）緩く導かれる。このことは内部 電極が例えば高電力の連続運転にて加熱される際に軸線方向へ妨げられることな く膨張することができるという利点を有する。そうでなければ放電管内に不所望 な材料応力が発生するか電極が曲げられてしまうおそれがある。因みにこの変形 例の上述した利点はその有利な作用が本発明による作動方式に限定されるのでは なく、類似の型の全てのランプに原理上適している。 図２ａは図１に示された放電ランプの横断面図を示す。内部電極３は中心に配 置され、放電管２の外壁上には２つの電極４ａ、４ｂがその外壁の周囲上に対称 に分割されて配置されている。 放電ランプ１を本発明によって点灯するために必要な電圧供給の原理構成は同 様に図１に概略的に示されている。一連のパルス、すなわち電圧パルスの形状及 び期間と休止時間の期間とはパルス発生器１０で発生され、次の電力増幅器１１ によって増幅される。一連のパルスが内部電極３に印加される様子が概略的に示 されている。高電圧変圧器１２は電力増幅器１１の信号を必要な高電圧に変換す る。ランプはパルス状直流電圧で点灯される。図３ａに示されている負の矩形パ ルスが使用される。この矩形パルスは次のパラメータすなわちパルス時聞Ｔｐ＝ ２μｓ、休止時間Ｔｏ＝２５μｓ、Ｔｐ期間中の電圧振幅Ｕｐ−３ｋＶ及びＴｏ 期間中の電圧振幅Ｕｐ０Ｖを有している。 放電管の内壁はさらに蛍光体膜６によって被覆されている。この実施例におい て放電によって特に放出された紫外線は蛍光体膜６によって光スペクトルの可視 領域に変換され、それゆえランプは特に照明用に適している。その場合次の成分 を有する３波長域発光形蛍光体が使用される。青色成分はＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇： Ｅｕ²⁺、緑色成分はＹ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂ、及び赤色成分はＹ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺である。 これによって３７ｌｍ／Ｗのランプ効率が得られる。演色性として４０００Ｋの 色温度の際にＲａ＞８０を達成することができた。蛍光体によって検出された真 空紫外線発生量は約６５％である。このランプの幾つかの他の充填物の例及び作 動データは次表に示されている。この表においてｐはガス圧、Ｕｐは電圧パルス の最大値、ｕｐは火花長（１．２ｃｍ）及び圧力に関する電圧パルスの最大値、 そしてη_vuvは得られた真空紫外線発生量を表す。入力電力はそれぞれ１８Ｗ、 パルス期間Ｔｐ（最大値のそれぞれ１０％の立上がりと立下がりとの間の時間） は約１．５μｓ（１μｓの半値幅の場合）、休止時間Ｔｏは約２７μｓである。 もう一つの実施例が図２ｂに示されている。内部電極３′は内壁の近くへ偏心 しかつ円筒状放電管の長手軸線に平行に配置され、外部電極４′は直径上に対向 配置されて外壁に固定されている。このような配置は小断面の円筒状放電管の場 合に特に有利である。というのは、一方では放電は放電管の内部を直径上に延び 、他方では外壁は外部電極としての１つの高導電性銀条帯のみによって覆われて いる、すなわち放射面が図２ａのように第２の外部電極によってより一層縮小さ れないからである。 図２ｃに示された更に別の実施例においては、図２ａと同じように内部電極３ は放電管２の内部の中心に配置されている。放電管２の外壁の周囲に対称的に分 散されて４つの外部電極４′ａ、４′ｂ、４′ｃ、４′ｄが設けられており、そ れゆえこの構成は大断面、従って大外被面を持つ放電管に特に適している。これ によって放電は図２ａ及び図２ｂのように第１面だけでなく、他の第２面でも発 生し、それによって放電管２の体積は放射発生のために図２ａ及び図２ｂの実施 例の場合よりも良好に利用される。 別の実施例においては、図１に示された棒形ランプの内壁は蛍光体被膜６の代 わりに例えばＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃又はＣａＦ₂から成る紫外線及び真空紫外線反射 被膜を有する。その場合、内壁に設けられた特にランプ軸線に平行な狭い１つの 条帯だけは被覆されない。外部電極は紫外線及び真空紫外線が妨げられずにこの 条帯を透過して放出され得るように配置される。この実施例は広げられた対象物 の効率的な真空紫外線照射、例えばリソグラフィにおける露光に特に好適である 。この実施例の優れた変形例においては、内部電極は第２の外部電極によって置 換される。これによって紫外線及び真空紫外線は妨げられずに被膜で反射され、 条帯状透明領域を透過して外部へ放出され得る。 図３ａには片側誘電体妨害放電用に好適な本発明による内部電極（陰極）−外 部電極（陽極）間の電圧パルス波形が概略的に示されている。電圧波形は、内部 電極の電圧パルスが負符号で開始しかつ休止時間によって分離されるならば、図 ３ａの実施例の波形とは異ならせることができる。 図３ｂには極性がパルス毎に変化するパルス波形が概略的に示されている。こ のパルス波形は両側誘電体妨害放電のみに適し、その場合最初のパルスは任意の 極性で開始することができる。 図４ａには新しい方法によって点灯され得る片側誘電体妨害形放電ランプの他 の実施例の平面図、図４ｂにはその断面図が示されている。このランプば、上側 放射面７ａ及びこれに平行な下側放射面７ｂを有し、これらに対して内部電極３ 及び外部電極４が垂直に向けられて多数の平行な放電室８を形成するように交互 に配置されている平面形放射器である。それぞれ隣接する外部電極及び内部電極 は誘電体膜及びガス封入放電室８によって分離され、隣接する内部電極は誘電体 膜のみによって分離されている。本発明による作動方法は単一の電源１３のみを 用いて多数の並列接続された放電室８への給電を可能にする。放電管の内壁は蛍 光体膜６によって被覆されている。平面形放射器は両側誘電体妨害放電室を結合 することによっても同様に実現可能である。 図５ａには放電ランプの他の実施例の側面図、図５ｂにはその横断面図が示さ れている。この放電ランプは外部形状がエジソン口金９を有する従来のランプに 似ており、新しい方法によって点灯することができる。放電管２の内部には中心 に、断面が対称十字の形に一致する細長い内部電極３が配置されている。放電管 ２の外壁には、４つの外部電極４′ａ、４′ｂ、４′ｃ、４′ｄが内部電極の４ つの長手側面に対向配置されて放電パターンが互いに垂直でランプ軸線を横切る ２つの平面内でほぼ発生するようにその４つの外部電極が設けられている。 上述した実施例の別の優れた変形例においては、内部電極は円形断面及び２ｍ ｍの直径を持つ特殊鋼製の棒から構成される。この棒は０．７ｍｍの厚みのガラ スから成る円筒状放電管２の内部の中心軸線に配置される。放電管は約５０ｍｍ の直径を有し、反口金側端部にポンプ短管を有し、このポンプ短管内には内部電 極の反口金側端部が導入される。放電管の内部は１７３ｈＰａの圧力でキセノン が封入される。外部電極は軸平行でかつ放電管の外壁上に均等に分割して配置さ れた１２個の１ｍｍ幅かつ８ｃｍ長の高導電性銀条帯によって実現される。外部 電極は口金の領域において外壁に設けられたリング状高導電性銀条帯によって相 互に電気的に接続される。放電管の内壁は蛍光体膜６によって被覆される。その 場合、青色成分ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、緑色成分ＬａＰＯ₄：（Ｔｂ³⁺、 Ｃｅ³⁺）、及び赤色成分（Ｇｄ、Ｙ）ＢＯ₃：Ｅｕ³⁺を有する３波長域発光形蛍 光体が使用される。それによって４０ｌｍ／Ｗのランプ効率が得られた。色温度 は４０００Ｋであり、、ＣＩＥに基づく標準色度図による色位置は座標ｘ＝０． ３８及びｙ＝０．３７７を有する。電圧Ｕ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ ）の時間変化は図７に示され、また時間尺度を変えて図８に示されている。外部 電極に対する内部電極の電圧最大値は約−４ｋＶである。パルス時間（半最大値 の際の時間）及び休止時間はそれぞれ約１．２μｓ及び約３７．５μｓである。 図８においてはさらに電圧特性線Ｕ（ｔ）の第２の主パルスの前に小振幅の４つ の前駆パルスが明らかに認められる。電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）の対応する 変化から明らかなように、この前駆バルスの期間中には電流は流れず、従って同 様に電力はガス中へ与えられない。それゆえ、この種の前駆バルスは本発明によ る点灯方式にとって害にならない。２５ｋＨｚのパルス周波数の場合、約６５％ の真空紫外線発生量が達成された。 上述した実施例の別の変形例においては、放電管は紫外線及び真空紫外線透過 材料、例えばＳＵＰＲＡＳＩＬ（登録商標）石英ガラス（ヘラオイス・クヴァル ツシュメルツエ有限会社）から構成される。この変形例は例えば光化学における 真空紫外線放射器として好適である。別の変形例においては内部電極はガラスに よって覆われる。このことは腐食性媒質、例えば希ガスハロゲン化物を使用する 際に特に有利である。というのは、このようにして内部電極の腐食が防止される からである。 図９ａ、ｂは単極性電圧パルスを用いて発生された本発明による放電パターン の写真図を示す。図９ａの場合には両側誘電体妨害放電が使用されている。円筒 管状ガラス製放電管はその外壁に直径上に対向して軸線方向に配置された２つの 外部電極を備えている。放電管の内部で両外部電極の結合面内には緑がかったΔ 状放電パターンが一列に配置されている。Δ状放電パターンの狭い最下点はそれ ぞれ陰極側内壁で開始して放電管の内壁の陽極側にまで広がっている。図９ｂの 場合には片側誘電体妨害放電が使用されている。放電装置は図９ａの放電装置と は金属製の棒状補助内部電極だけが異なっている。この内部電極は陰極として作 用し、放電管の内部の中心軸線に配置されている。内部電極の表面から個々のΔ 状放電パターンが両外部電極のそれぞれ１つへ広がっている。特に図９ｂからは っきり分かるように、これらのパターンはほぼ均一に拡散して発光している。そ のパターンは狭い陰極側終点にそれぞれ１つのパーセント的に非常に小さい若干 明るい発光領域を有している。さらに、高い一様性は注目に値する。この一様性 は個々のパターンの相互間隔並びに相互比較による個々のパターンの形状及び輝 度分布に関係する。 この多数の同種のパターンが明白なコントラストにて図１０ａ〜ｄの写真図に 示されている。これらの図はこの順序にて不所望な放電パターンへ徐々に移行す る様子を示している。図１０ａ（この放電装置は図９ｂにおける放電装置と同じ である）では、本発明による幾つかのΔ状放電パターンがまだ認められる。放電 装置の図の左下領域では既にＹに似たパターンが形成されている。図の上領域（ 図中央部の若干左側）では、線条状に明るく発光するパターンが幾つかの元々右 側に隣接するΔ状放電パターンを犠牲にして形成されている。放電管の内壁での 高い輝度はこの領域での沿面放電を示唆している。図１０ｂに示された放電領域 は図１０ａに比べてさらに減少した紫外線効率を有している。元々この領域に存 在するパターンの個数はさらに減少している。図１０ｃ及び図１０ｄでは両側（ 放電装置は図９ａにおける放電装置と同じ）もしくは片側誘電体妨害放電が使用 されている。両ケースにおいてはまだ線条状パターンが見られる。陽極の領域で は放電管の内壁上にそれぞれ２つの条帯状沿面放電が認められる。これらは明る く発光する湾曲状パターン内へＹ状に繋がっている。このパターンは対向する陰 極側内壁上で２つの類似の条帯状沿面放電（図１０ｃ参照）に分割され、もしく は片側誘電体妨害放電の場合には陰極上で終了する。 本発明は上述した実施例に限定されない。特に、異なった実施例の個々の利点 は互いに適当に組合わせることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒチユケ、ロタール ドイツ連邦共和国 デー‐81739 ミユン ヘン アルノ‐アスマン‐シユトラーセ 13

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．非導電性材料から成る少なくとも部分的に透明な放電管（２）がガス充填物 （５）を封入され、少なくとも２つの電極（３、４）がガス充填物（５）の近く に設けられてリード線によって電気エネルギー供給源（１０〜１２）に接続され 、少なくとも１つの電極（４）とガス充填物（５）との間には誘電体膜が配置さ れているような誘電体妨害放電によってインコヒーレント放出放射源、特に放電 ランプ（１）を作動する方法において、電気エネルギー供給源は電極（３、４） 間に一連の電圧パルスを供給し、その場合個々のパルスｎは約１ｎｓ〜約５０μ ｓの大きさの値を持つ電圧Ｕｐ_n（ｔ）及び期間Ｔｐ_nの時間変化を有し、それぞ れパルスｎは約５００ｎｓ〜１ｍｓの大きさの値及び電圧特性線Ｕｏ_n（ｔ）を 持つ期間Ｔｏ_nの休止時間によってその後続のパルスｎ＋１から分離され、期間 Ｔｐ_nの期間中電圧特性線Ｕｐ_n（ｔ）はガス充填物（５）内へ特に有効電力が入 力されるように選定され、それに対して休止時間Ｔｏ_nの期間中電圧特性線Ｕｏ_n （ｔ）はガス充填物（５）がそれぞれその前の電圧パルスＵｐ_n（ｔ）前の状態 に似た状態へ復帰し得るように選定され、大きさＵｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n、Ｕｏ_n（ ｔ）、Ｔｏ_nは電極（３、４）間で比較的低い電流密度の放電パターンが生成す るように調整されることを特徴とするインコヒーレント放出放射源の作動方法。 ２．電圧特性線Ｕｐ_n（ｔ）は単極性であり、放電は単極性の場合個々のΔ状パ ターンを形成し、両側誘電体妨害放電の極性が変化する場合それに応じてΔの頂 点と逆向きΔの頂点とを向かい合わせて配置した形状に似た２つの同種のパター ンの鏡像的な重なりをそれぞれ生じ、これらの個々のパターンの間隔は、極端な 場合には全放電面が“カーテン”状パターンで放射するように減少することがで きることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．期間Ｔｏ_nは個々の放電パターンの体積の時間平均値が最大になるように選 定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。 ４．期間Ｔｐ_nの期間中、電極間（３、４）の電圧特性線Ｕｐ_n（ｔ）として、放 電の再点弧電圧に合わせた値が選定されることを特徴とする請求項１乃至３の１ つに記載の方法。 ５．電圧特性線Ｕｐ_n（ｔ）、Ｕｏ_n（ｔ）及び期間Ｔｐ_n、Ｔｏ_nは封入圧力、充 填物の種類、火花長、誘電体及び電極構成に合わせられることを特徴とする請求 項４記載の方法。 ６．電圧特性線Ｕｐ_n（ｔ）は次の基本形状、すなわち二角形状、矩形状、台形 状、階段状、湾曲状、放物線状、正弦波状等の形状の１つ又は複数から直接に又 は近似的に構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。 ７．期間Ｔｐ_nの期間中、電極（３、４）間の電圧特性線Ｕｐ_n（Ｔ）として、誘 電体によって惹起された電圧降下を加えて、少なくとも再点弧電圧に相当する最 大値が選定されることを特徴とする請求項６記載の方法。 ８．電圧パルスの最大値はｃｍ火花長及びパスカル封入圧当たり０．０１〜２Ｖ の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．誘電体膜の十分な厚み及び適当に低い比誘電率によって比較的低い電流密度 の放電パターンの形成が助成されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記 載の方法。 １０．電圧特性線は周期的であることを特徴とする請求項１記載の方法。 １１．少なくとも１電極の場合、誘電体膜は放電管（２）の壁によって形成され ることを特徴とする請求項１記載の方法。 １２．全電極面積と誘電体に接触する電極面積との比はできる限り小さいことを 特徴とする請求項１記載の方法。 １３．片側誘電体妨害放電の場合、誘電体非妨害形電極（３）の電圧特性線Ｕｐ_n （ｔ）は誘電体妨害形電極（４）に対して、電力入力期間中、有効電力入力に 関して重要ではない正の電圧ピークを除いて、負の値で開始することを特徴とす る請求項１記載の方法。 １４．片側誘電体妨害放電の場合、誘電体非妨害形電極（３）の電圧特性線Ｕｐ_n （ｔ）は誘電体妨害形電極（４）に対して、電力入力期間中、有効電力入力に 関して重要ではない正の電圧ピークを除いて、専ら負であることを特徴とする請 求項１記載の方法。 １５．複数の誘電体妨害形電極を使用する場合、両側誘電体妨害形電極間に単極 性又は両極性電圧パルス又は変化する極性を持つ電圧パルスが印加されることを 特徴とする請求項１記載の方法。 １６．複数の誘電体妨害形電極を使用する場合、両側誘電体妨害形電極間に両極 性電圧パルスが印加されることを特徴とする請求項１記載の方法。 １７．放電管（２）内に配置された１つ又は複数の特に棒状又は条帯状電極を使 用する場合、この電極は中心に又は偏心して配置され、その場合電極の１つ又は 複数は誘電体によって被覆することができることを特徴とする請求項１乃至１６ の１つに記載の方法。 １８．放電管の外部に配置された１つ又は複数の電極を使用する場合、この電極 は条帯状に形成されることを特徴とする請求項１乃至１７の１つに記載の方法。 １９．放電管（２）は管から構成され、その長手軸線に内部電極（３）が配置さ れ、その外壁に少なくとも１つの外部電極（４）が設けられることを特徴とする 請求項１記載の方法。 ２０．放電管（２）は側面及び２つのカバー面（７ａ、７ｂ）によって画成され た平面形直方体状構造を有し、放射は主としてカバー面を通って行われ、その場 合放射面すなわ平ち平面形直方体状構造のカバー面（７ａ、７ｂ）に平行な一平 面内に多数の平行な放電室（８）が形成されるようにカバー面に垂直に内部電極 （３）及び外部電極（４）が配置され、異なった電位を持つそれぞれ隣接する電 極（３、４）はガス封入放電室（８）及び誘電体膜によって分離されることを特 徴とする請求項１記載の方法。 ２１．電極は誘電体膜によってガス封入放電室から分離されることを特徴とする 請求項２０記載の方法。 ２２．放電管はほぼ円筒状をして一端部に口金（９）を備え、放電管の内部には 特に片側を固定された中心棒状内部電極（３）が設けられ、放電管の外壁には少 なくとも１つの条帯状電極（４′ａ、４′ｂ、４′ｃ、４′ｄ）が配置されるこ とを特徴とする請求項１記載の方法。 ２３．内部電極（３）は円形断面を有することを特徴とする請求項２２記載の方 法。 ２４．ガス室を画成する壁は少なくとも一部分が蛍光体（６）によって被覆され ることを特徴とする請求項１乃至２３の１つに記載の方法。 ２５．ガス充填物（５）の作動圧力は１００Ｐａ〜３ＭＰａの範囲、特に約１ｋ Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１乃至２４の１つに記載の方法。