JPH10208700A - Mercury vapor discharge lamp - Google Patents
Mercury vapor discharge lampInfo
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- JPH10208700A JPH10208700A JP2454097A JP2454097A JPH10208700A JP H10208700 A JPH10208700 A JP H10208700A JP 2454097 A JP2454097 A JP 2454097A JP 2454097 A JP2454097 A JP 2454097A JP H10208700 A JPH10208700 A JP H10208700A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、光化学反応など
に利用される水銀蒸気放電灯に関する。The present invention relates to a mercury vapor discharge lamp used for a photochemical reaction or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、水や容器の殺菌分野や、精密部品
表面の洗浄分野、ゴム等樹脂の改質分野、半導体のエッ
チングレジストなどの灰化分野など様々な分野で、紫外
線による処理技術が利用されており、この紫外線による
処理技術分野での光源としては、低圧水銀ランプが用い
られている。2. Description of the Related Art In recent years, ultraviolet treatment technology has been used in various fields such as sterilization of water and containers, cleaning of precision component surfaces, modification of resins such as rubber, and incineration of etching resists for semiconductors. A low-pressure mercury lamp is used as a light source in the field of processing technology using ultraviolet light.
【０００３】かかる低圧水銀ランプは、発光管材料とし
て紫外線域において高透過率特性を有する殺菌灯ガラス
を使用したものが最も一般的であるが、 254nmの紫外線
の放射効率のアップや、更に短波長の紫外線（ 185nm）
を利用するため、殺菌灯ガラスよりも紫外線透過率特性
の良い石英ガラスを用いたものが知られている。[0003] Such low-pressure mercury lamps most commonly use a germicidal lamp glass having a high transmittance characteristic in the ultraviolet region as a material for the arc tube. UV (185nm)
In order to utilize the glass, there is known one using quartz glass having better ultraviolet transmittance characteristics than germicidal lamp glass.
【０００４】最近では、 180nmから 260nmの紫外線域
で、普通の石英ガラス（原料は天然に産出される水晶）
を使用した水銀ランプよりも放射効率の高い光源が要求
されており、このような要求から 260nm以下の波長の紫
外線域で、石英ガラスよりも透過率特性の高い合成石英
ガラスが使用されるようになってきている。Recently, in the ultraviolet region from 180 nm to 260 nm, ordinary quartz glass (the raw material is quartz produced naturally)
Light sources with higher radiation efficiency than mercury lamps that use chromium are required, and such demands have led to the use of synthetic quartz glass that has higher transmittance characteristics than quartz glass in the ultraviolet region of wavelengths below 260 nm. It has become to.
【０００５】合成石英ガラスは、四塩化ケイ素を原料と
し、これを蒸発させ、気相として酸水素炎中に導入し、
火炎加水分解してスートと呼ばれるガラス微粒子を合成
する。これを回転ターゲット上に溶融堆積して、透明な
合成石英ガラスを得るようにしている。このように合成
石英ガラスは、原料を気相で用い、また溶融に容器を必
要としないので、得られるガラスは極めて高純度にな
る。合成石英ガラスは、天然の水晶を原料とする普通石
英ガラスよりも、アルカリ金属や遷移金属の混入量が少
ないため、短波長紫外線域での透過率特性がよい。[0005] Synthetic quartz glass is made of silicon tetrachloride as a raw material, which is evaporated and introduced as a gas phase into an oxyhydrogen flame.
Flame hydrolysis synthesizes glass particles called soot. This is melt-deposited on a rotating target to obtain a transparent synthetic quartz glass. As described above, since synthetic quartz glass uses a raw material in a gas phase and does not require a container for melting, the obtained glass has extremely high purity. Synthetic quartz glass contains less alkali metals and transition metals than ordinary quartz glass made of natural quartz as a raw material, and thus has good transmittance characteristics in a short wavelength ultraviolet region.
【０００６】このような製法で製造される合成石英ガラ
スは、原料中の塩素が完全に除去できないため、合成石
英ガラス中には数十ppm 〜数千ppm の塩素が含有されて
いる。合成石英ガラス中に含有される塩素は、Ｓi −Ｃ
l の結合状態を持ち、その結合エネルギーは、約80Ｋca
l/mol である。In the synthetic quartz glass produced by such a method, chlorine in the raw material cannot be completely removed, so that the synthetic quartz glass contains tens to thousands of ppm of chlorine. Chlorine contained in synthetic quartz glass is Si-C
l, and its binding energy is about 80Kca
l / mol.
【０００７】また、上記低圧水銀ランプの発光管の両端
に設置されている電極には、通常エミッタと呼ばれる電
子放出性物質が表面に塗布されている。エミッタは、タ
ングステンよりも仕事関数が低いため電極の電子放出を
容易にし、放電を安定化させる効果があり、ランプの立
ち消えや不点の問題を抑制するために用いられている。
エミッタとして一般的な物質には、酸化トリウム（ThＯ
2 ）に代表される希土類の酸化物やアルカリ土類金属の
酸化物（BaＯ，CaＯ，SrＯなど）、アルカリ土類金属と
タングステンの複合酸化物（Ba2 CaＷＯ6 ，Ba2 SrＷＯ
6 など）が知られている。これらの物質は、電子放出性
に優れ、且つ耐熱性が高い特徴を有している。The electrodes provided at both ends of the arc tube of the low-pressure mercury lamp are coated with an electron-emitting substance usually called an emitter. Since the emitter has a lower work function than tungsten, the emitter has an effect of facilitating electron emission from the electrode and stabilizing discharge, and is used for suppressing the problem of lamp extinguishing and defects.
Thorium oxide (ThO) is commonly used as an emitter.
2 ) Rare earth oxides and alkaline earth metal oxides (BaO, CaO, SrO, etc.), and composite oxides of alkaline earth metal and tungsten (Ba 2 CaWO 6 , Ba 2 SrWO)
6 etc.) are known. These substances have characteristics of excellent electron emission properties and high heat resistance.
【０００８】希土類酸化物は、精製に複雑な工程を要す
るため高価である欠点を持つ。また、トリウムに代表さ
れる放射性元素は、β崩壊により自ら電子を放出しラン
プの始動を容易にするが、取り扱い上並びに環境上の面
から使用は避けるべき物質である。[0008] Rare earth oxides have the disadvantage of being expensive because of the complicated steps required for purification. Radioactive elements typified by thorium emit electrons themselves by β decay to facilitate starting of the lamp, but should be avoided in terms of handling and environment.
【０００９】アルカリ土類金属，アルカリ土類金属とタ
ングステンの複合酸化物は、仕事関数が低く電子を放出
しやすく、上述した希土類のような欠点が無いため放電
灯のエミッタとして実用的であり、多く用いられてい
る。Alkaline earth metals and composite oxides of alkaline earth metals and tungsten have a low work function and tend to emit electrons, and are practical as a discharge lamp emitter because they do not have the drawbacks of the rare earths described above. Many are used.
【００１０】一方、上述した低圧水銀ランプの高ワット
化も進んでいる。低圧水銀ランプは、点灯時の電力を増
していくと、水銀の蒸気圧が上昇して効率が悪くなる特
性がある。そこで、高ワットで点灯している発光管の中
の水銀蒸気圧の上昇を抑制するために、発光管の一部を
冷却したり、アマルガムの特性を利用して、短波長紫外
線の放射効率を維持したまま高ワット化を達成した高出
力型低圧水銀ランプ（壁面負荷 0.2〜10Ｗ／cm2 ）が知
られている。On the other hand, the wattage of the low-pressure mercury lamp described above has been increasing. The low-pressure mercury lamp has a characteristic that when the power at the time of lighting is increased, the vapor pressure of mercury increases and the efficiency becomes poor. Therefore, in order to suppress the rise of the mercury vapor pressure in the arc tube lit at high watts, part of the arc tube is cooled or the emission efficiency of short-wavelength ultraviolet rays is reduced by utilizing the characteristics of amalgam. There is known a high-output low-pressure mercury lamp (wall load: 0.2 to 10 W / cm 2 ) that achieves high wattage while maintaining the same.
【００１１】更に、0.13Ｐa 〜 1.3Ｐa の水銀蒸気圧の
抑制手段を用いず、合成石英ガラス製の発光管を用い、
発光管内の水銀蒸気圧を10Ｐa 以上とした高圧水銀ラン
プによる短波長紫外線の高出力化も検討されている。高
圧水銀ランプの分光放射特性は、低圧水銀ランプほど輝
線スペクトルを示さず、効率も高くはない欠点を有する
が、短波長紫外線域での連続スペクトルも利用できるこ
とと、放射効率にほとんど影響なく高ワット化（壁面負
荷５Ｗ／cm2 以上）が可能である利点を有する。Further, without using the means for suppressing the mercury vapor pressure of 0.13 Pa to 1.3 Pa, an arc tube made of synthetic quartz glass is used.
Higher output of short-wavelength ultraviolet rays by a high-pressure mercury lamp in which the mercury vapor pressure in the arc tube is 10 Pa or more is also being studied. The spectral emission characteristics of high-pressure mercury lamps have the drawback that they do not show a bright-line spectrum and are not as efficient as low-pressure mercury lamps.However, continuous spectra in the short-wavelength ultraviolet range can be used, and high (Wall load: 5 W / cm 2 or more).
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た低圧水銀ランプや高圧水銀ランプは、そのプラズマ中
で 250nm以下の波長の短波長紫外線を多量に発生・放射
する。そして、 250nm以下の波長の紫外線は高いエネル
ギーを持ち、例えば 185nmの紫外線は 154Ｋcal/mol ，
250nmの紫外線は 114Ｋcal/mol のエネルギーをもつ。
この大きなエネルギーのため、短波長の紫外線の光量子
は合成石英ガラスに含まれるＳi −Ｃl 結合に作用し、
その結合を切断する。そして、結合が切断された塩素原
子は電子を捕獲して塩素イオンとなり、両電極間に形成
されている電界によって放電空間内に出てくる。そし
て、塩素原子が合成石英ガラス中で占めていた領域は、
石英ガラスの網目構造の中で大きな空間として残り、更
に深層の塩素イオンの放出を促すようになる。However, the above-mentioned low-pressure mercury lamp and high-pressure mercury lamp generate and emit a large amount of short-wave ultraviolet rays having a wavelength of 250 nm or less in the plasma. Ultraviolet light with a wavelength of 250 nm or less has high energy. For example, ultraviolet light of 185 nm has 154 Kcal / mol,
UV light of 250 nm has an energy of 114 Kcal / mol.
Due to this large energy, short-wavelength ultraviolet photons act on Si-Cl bonds contained in synthetic quartz glass,
Break the bond. Then, the chlorine atom whose bond has been broken captures an electron to become a chlorine ion, and comes out into the discharge space by an electric field formed between both electrodes. And the area occupied by chlorine atoms in the synthetic quartz glass,
It remains as a large space in the network structure of quartz glass, and promotes the release of chlorine ions in a deeper layer.
【００１３】塩素はハロゲンの一種であり、電子を吸収
しやすい特性を有するため、発光管内のプラズマ中に塩
素が存在すると、電子を吸収して再点弧電圧を上昇させ
て、ランプを立ち消えさせたり、電極に塗布してあるア
ルカリ土類金属の酸化物からなる電子放出性物質と反応
してこれを分解し、電極のエミッションを悪くして始動
電圧を上昇させる。そのため、ランプの不点の問題が起
こりやすくなる。更に塩素によって分解されたアルカリ
土類金属は、発光管内面に堆積して石英ガラスと反応し
て失透（石英ガラスの結晶化）を起こし、紫外線出力の
低下を引き起こす。このように、合成石英ガラスを使用
した水銀ランプは、普通石英ガラスを使用した水銀ラン
プと比較して寿命が短いという問題点がある。更には、
この合成石英ガラスを用いた水銀ランプを使用した紫外
線処理装置ではメンテナンスが頻繁になり、ランニング
コストを上げるという欠点があった。Since chlorine is a kind of halogen and has a characteristic of easily absorbing electrons, if chlorine is present in the plasma in the arc tube, it absorbs electrons and increases the re-ignition voltage, causing the lamp to go out. Alternatively, it reacts with and breaks down an electron-emitting substance composed of an alkaline earth metal oxide applied to the electrode, deteriorating the emission of the electrode and increasing the starting voltage. For this reason, the problem of lamp inconvenience is likely to occur. Further, the alkaline earth metal decomposed by chlorine accumulates on the inner surface of the arc tube and reacts with quartz glass to cause devitrification (crystallization of quartz glass), which causes a decrease in ultraviolet output. As described above, a mercury lamp using synthetic quartz glass has a problem that its life is shorter than that of a mercury lamp using ordinary quartz glass. Furthermore,
The ultraviolet treatment apparatus using a mercury lamp using synthetic quartz glass has a drawback that maintenance is frequent and running costs are increased.
【００１４】本発明は、従来の合成石英ガラスからなる
発光管を用いた低圧水銀放電灯あるいは高圧水銀放電灯
における上記問題点を解消するためになされたもので、
寿命特性がよく短波長紫外線の放射効率の高い水銀蒸気
放電灯を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems in a conventional low-pressure mercury discharge lamp or high-pressure mercury discharge lamp using an arc tube made of synthetic quartz glass.
An object of the present invention is to provide a mercury vapor discharge lamp having good life characteristics and high radiation efficiency of short-wavelength ultraviolet rays.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は、四塩化ケイ素を原料とする合成石英ガラ
スからなる発光管の両端に、アルカリ土類金属の酸化物
又はアルカリ土類金属とタングステンの複合酸化物を塗
布してなる電極を備えてなる水銀蒸気放電灯において、
前記発光管の内面に無塩素合成ガラス層を設けるもので
ある。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides an alkaline earth metal oxide or alkaline earth metal at both ends of an arc tube made of synthetic quartz glass made of silicon tetrachloride. In a mercury vapor discharge lamp including an electrode formed by applying a composite oxide of metal and tungsten,
A chlorine-free synthetic glass layer is provided on the inner surface of the arc tube.
【００１６】このように合成石英ガラスからなる発光管
の内面に無塩素合成ガラス層を設けることにより、合成
石英ガラス管の内部で発生した塩素イオンの発光管内へ
の放出が抑制され、エミッタの分解消耗による不点や、
再点弧電圧の上昇によるランプの立ち消え等の発生を防
止し、寿命特性がよく放射効率の高い水銀蒸気放電灯を
実現することができる。By providing a chlorine-free synthetic glass layer on the inner surface of the arc tube made of synthetic quartz glass as described above, the emission of chlorine ions generated inside the synthetic quartz glass tube into the arc tube is suppressed, and the emitter is decomposed. Points due to exhaustion,
The lamp can be prevented from going out due to an increase in the re-ignition voltage, and a mercury vapor discharge lamp having good life characteristics and high radiation efficiency can be realized.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】次に、実施の形態について説明す
る。一般に、短波長紫外線を利用する光化学反応用水銀
蒸気放電灯には、大別して二種類のものがある。すなわ
ち点灯中の水銀蒸気圧が１Ｐa 程度の低圧水銀蒸気放電
灯と、点灯中の水銀蒸気圧が10ｋＰa以上（実用上望ま
しくは10ｋＰa 〜1000ｋＰa ）の高圧水銀蒸気放電灯で
ある。両者とも構造はおおむね似ており、石英ガラス製
の発光管の両端には電極が設置されており、電極にはエ
ミッタと呼ばれる電子放出性物質が塗布されている。Next, an embodiment will be described. Generally, mercury vapor discharge lamps for photochemical reactions utilizing short-wavelength ultraviolet rays are roughly classified into two types. That is, a low-pressure mercury vapor discharge lamp having a mercury vapor pressure of about 1 Pa during lighting and a high-pressure mercury vapor discharge lamp having a mercury vapor pressure of 10 kPa or more (preferably 10 kPa to 1000 kPa) during lighting. Both have substantially similar structures, and electrodes are provided at both ends of a quartz glass arc tube, and the electrodes are coated with an electron-emitting substance called an emitter.
【００１８】（第１の実施の形態）まず第１の実施の形
態として、本発明を高圧水銀ランプに適用したものを、
図１に基づいて説明する。図１において、１は四塩化ケ
イ素を原料とする合成石英ガラスよりなる内径20mmの発
光管であり、該発光管１の両端には、電極２がモリブデ
ン箔３を介して発光長が 375mmとなるように封着されて
いる。モリブデン箔３の他端には、外接リード線４が接
続されている。発光管１の内面には、酸化アルミニウム
又は酸化ケイ素の無塩素合成ガラス層５が形成されてい
る。そして、発光管１の内部には、２ｋＰa のアルゴン
ガスと、 120mgの水銀が封入されている。(First Embodiment) First, as a first embodiment, the present invention applied to a high-pressure mercury lamp,
A description will be given based on FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an arc tube made of synthetic quartz glass made of silicon tetrachloride and having an inner diameter of 20 mm. At both ends of the arc tube 1, electrodes 2 have a light emission length of 375 mm via a molybdenum foil 3. It is sealed. A circumscribed lead wire 4 is connected to the other end of the molybdenum foil 3. On the inner surface of the arc tube 1, a chlorine-free synthetic glass layer 5 of aluminum oxide or silicon oxide is formed. The inside of the arc tube 1 is filled with 2 kPa of argon gas and 120 mg of mercury.
【００１９】次に、電極２の詳細な構成を図２の断面図
に基づいて説明する。電極２には、１本あたり約３mgの
タングステン酸バリウムカルシウムの粉末からなるエミ
ッタ６が塗布されている。電極２は、直径 1.5mm，長さ
20mmのタングステン棒２ａに、直径 0.7mmのタングステ
ンワイヤー２ｂがコイル状に数ターン巻き付けられてい
る。タングステン酸バリウムカルシウムの粉末は、ニト
ロセルロースを溶かした酢酸ブチル溶液で懸濁液として
から、この懸濁液に電極を浸して上記タングステン棒２
ａとワイヤー２ｂの間に懸濁液をしみ込ませる。そし
て、乾燥させて酢酸ブチルを揮発させた後、真空中で16
00℃の温度に加熱してニトロセルロースを分解し、タン
グステン酸バリウムカルシウムの粉末を電極に固着させ
る。Next, the detailed structure of the electrode 2 will be described with reference to the sectional view of FIG. The electrode 2 is coated with an emitter 6 made of powder of about 3 mg of barium calcium tungstate. Electrode 2 is 1.5mm in diameter and length
A tungsten wire 2b having a diameter of 0.7 mm is wound several turns around a 20 mm tungsten rod 2a. The barium calcium tungstate powder is made into a suspension with a butyl acetate solution in which nitrocellulose is dissolved.
The suspension is impregnated between a and the wire 2b. Then, after drying to volatilize the butyl acetate, 16
The nitrocellulose is decomposed by heating to a temperature of 00 ° C., and barium calcium tungstate powder is fixed to the electrode.
【００２０】次に、発光管１の内面に設ける無塩素合成
ガラス層５の形成方法について説明する。無塩素合成ガ
ラス層５は、次のような方法で発光管１の内表面に形成
することができる。アルミニウムやケイ素の合成ガラス
の製法としては、アルミニウム又はケイ素のアルコキシ
ドの溶液をガラス表面に塗布し、乾燥、焼成する方法
（金属アルコキシド法と呼ばれる）が知られている。Next, a method of forming the chlorine-free synthetic glass layer 5 provided on the inner surface of the arc tube 1 will be described. The chlorine-free synthetic glass layer 5 can be formed on the inner surface of the arc tube 1 by the following method. As a method for producing a synthetic glass of aluminum or silicon, a method is known in which a solution of an alkoxide of aluminum or silicon is applied to a glass surface, dried and fired (called a metal alkoxide method).
【００２１】次に、金属アルコキシド法による無塩素合
成ガラスの形成方法について、具体的に説明する。原材
料は、アルミニウム又はケイ素のアルコキシドをエタノ
ールや酢酸エチルなどの有機溶剤に溶解したもので、本
具体例においては、アルミニウムイソプロポキシド〔Ａ
l （ＯＣ3 Ｈ7 ）3 〕やケイ素イソプロポキシド〔Ｓi
（ＯＣ3 Ｈ7 ）4 〕のエタノール溶液（濃度 0.3 mol／
l）を使用した。その溶液を電極を配設する前の合成石
英ガラス管の中に満たし、次いで液面が一定の速度で降
下するようにして溶液を取り除く。そして、濡れた状態
の合成石英ガラス管を80〜 100℃の温度で乾燥させ余分
な溶媒を蒸発させる。次いで、酸化雰囲気中で 800℃以
上の高温下で焼成（酸化分解）する。Next, a method of forming a chlorine-free synthetic glass by a metal alkoxide method will be specifically described. The raw material is obtained by dissolving an alkoxide of aluminum or silicon in an organic solvent such as ethanol or ethyl acetate, and in this specific example, aluminum isopropoxide [A
l (OC 3 H 7 ) 3 ] or silicon isopropoxide [Si
(OC 3 H 7 ) 4 ] in ethanol (concentration: 0.3 mol /
l) was used. The solution is filled into a synthetic quartz glass tube before the electrodes are disposed, and then the solution is removed so that the liquid level drops at a constant speed. Then, the synthetic quartz glass tube in a wet state is dried at a temperature of 80 to 100 ° C. to evaporate excess solvent. Then, it is fired (oxidized and decomposed) at a high temperature of 800 ° C. or more in an oxidizing atmosphere.
【００２２】これにより、アルミニウム又はケイ素のイ
ソプロポキシドは、分子中の炭素（Ｃ），酸素（Ｏ），
水素（Ｈ）が、二酸化炭素（ＣＯ2 ），一酸化炭素（Ｃ
Ｏ），水（Ｈ2 Ｏ）になって揮発分解され、最終的に酸
化アルミニウムＡl2Ｏ3 や酸化ケイ素SiＯ2 の層となっ
て発光管の表面に残る。このような方法で形成される酸
化アルミニウムＡl2Ｏ3 や酸化ケイ素SiＯ2 は結晶構造
をとらず、ガラス状の層を形成するが、化学的に純粋な
物質を出発物質とするため、アルカリ金属や遷移金属の
混入がなく短波長域での透過特性が高く、且つ原料に塩
素，アルカリ土類金属，遷移金属を含まないため、網目
構造の緻密なガラス層が得られる。また、アルミニウム
イソプロポキシド〔Ａl （ＯＣ3 Ｈ7 ）3 〕とケイ素イ
ソプロポキシド〔Ｓi （ＯＣ3 Ｈ7 ）4 〕を混合してエ
タノール溶液とすることで、アルミニウムとケイ素の任
意の成分比の無塩素合成ガラスを形成することができ
る。また、このようにして形成する無塩素合成ガラス層
の膜厚は、液面の降下速度と溶液の濃度を変えることに
よって自由に変化させることができる。As a result, isopropoxide of aluminum or silicon is converted into carbon (C), oxygen (O),
Hydrogen (H) is converted to carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (C
O), water (H 2 O) since been volatilized degraded, remain on the surface of the arc tube becomes finally aluminum oxide as Al 2 O 3 and silicon oxide SiO 2 layer. Aluminum oxide Al 2 O 3 and silicon oxide SiO 2 formed by such a method do not have a crystal structure and form a glassy layer. However, since a chemically pure substance is used as a starting material, an alkali metal And a high transmittance property in a short wavelength region without mixing of a metal or a transition metal, and a raw material does not contain chlorine, an alkaline earth metal, and a transition metal, so that a dense glass layer having a network structure can be obtained. Further, by mixing aluminum isopropoxide [Al (OC 3 H 7 ) 3 ] and silicon isopropoxide [Si (OC 3 H 7 ) 4 ] to form an ethanol solution, an arbitrary component ratio between aluminum and silicon can be obtained. Can be formed. Further, the film thickness of the chlorine-free synthetic glass layer formed in this manner can be freely changed by changing the liquid surface falling speed and the solution concentration.
【００２３】次に、上記構成の第１の実施の形態の高圧
水銀ランプにおいて、無塩素合成ガラス層の層厚を変え
たものを作成し、これらの試作ランプをランプ電力３ｋ
Ｗ，負荷80Ｗ／cmで点灯させて、寿命特性と 180〜 250
nmの相対放射照度について調査したところ、表１に示す
ような結果が得られた。また、対比するために無塩素合
成ガラス層を設けない合成石英ガラスからなる発光管、
及び普通石英ガラスからなる発光管を用いた従来の高圧
水銀ランプについても寿命特性と相対放射照度について
調査し、その結果を表１に合わせて示した。なお、表１
における相対放射照度は、従来の無塩素合成ガラス層を
有しない合成石英ガラス製発光管を用いた高圧水銀ラン
プにおいて、発光管中心部の直下50mmの位置での照度を
100として測定した。また各発光管の電極のエミッタ材
料は、いずれのランプにおいてもBa2 CaＷＯ6 を用いて
いる。Next, in the high-pressure mercury lamp of the first embodiment having the above-described structure, lamps having different thicknesses of the chlorine-free synthetic glass layer were prepared, and these prototype lamps were set to a lamp power of 3 k.
Lighting at 80 W / cm load, life characteristics and 180-250
When the relative irradiance of nm was investigated, the results shown in Table 1 were obtained. Also, an arc tube made of synthetic quartz glass without a chlorine-free synthetic glass layer for comparison,
The life characteristics and relative irradiance of a conventional high-pressure mercury lamp using an arc tube made of ordinary quartz glass were also investigated, and the results are shown in Table 1. Table 1
Is the relative irradiance in the conventional high-pressure mercury lamp using a synthetic quartz glass arc tube without a chlorine-free synthetic glass layer.
It was measured as 100. In addition, Ba 2 CaWO 6 is used as the emitter material of the electrode of each arc tube in each lamp.
【００２４】[0024]
【表１】 寿命特性 ○：異常なし △：不点は無いが、1500時間で発光管に失透発生 ×：点灯 500時間以内に不点[Table 1] Lifetime characteristics ○: No abnormality △: No defect, but devitrification occurred in arc tube in 1500 hours ×: Lighted within 500 hours
【００２５】上記表１からわかるように、まず無塩素合
成ガラス層が設けられていない合成石英ガラスからなる
発光管を使用したランプは、180 〜 250nmの相対放射照
度は、従来の普通石英ガラスからなる発光管を用いたラ
ンプに比較して高い特性を有するが、寿命特性が悪いと
いう問題点がある。本発明に係わる酸化アルミニウムや
酸化ケイ素の無塩素合成ガラス層を形成した合成石英ガ
ラスからなる発光管を用いた水銀蒸気放電灯は、発光管
材質に合成石英ガラスを使用していても、無塩素合成ガ
ラス層のない合成石英ガラスからなる発光管を用いた従
来の水銀蒸気放電灯より寿命特性がよく、且つ従来の普
通石英ガラスからなる発光管を使用した水銀蒸気放電灯
よりも、180 〜 250nmの相対放射照度が高い特性を持っ
ていることが判る。As can be seen from Table 1, a lamp using an arc tube made of a synthetic quartz glass having no chlorine-free synthetic glass layer has a relative irradiance of 180 to 250 nm which is higher than that of a conventional ordinary quartz glass. Although it has higher characteristics than a lamp using an arc tube, there is a problem that the life characteristics are poor. A mercury vapor discharge lamp using an arc tube made of a synthetic quartz glass having a chlorine-free synthetic glass layer of aluminum oxide or silicon oxide according to the present invention can be used even if synthetic quartz glass is used as the arc tube material. It has better life characteristics than conventional mercury vapor discharge lamps using an arc tube made of synthetic quartz glass without a synthetic glass layer, and is 180 to 250 nm more than a conventional mercury vapor discharge lamp using an arc tube made of ordinary quartz glass. It can be seen that the relative irradiance has a high characteristic.
【００２６】図３において、実線は第１の実施の形態に
係る水銀蒸気放電灯の紫外線出力の維持率特性を示し、
破線は従来の無塩素合成ガラス層を設けていない合成石
英ガラスを発光管として使用した水銀蒸気放電灯の紫外
線出力維持率を示す。なお、表１において、無塩素合成
ガラスの層厚を１nmとしたランプの寿命特性には△印が
付されているが、このランプは寿命試験中に不点、立ち
消えの問題は生じず、1500時間の末期になって発光管の
失透現象が確認されたことを意味する。このときの失透
は電極近傍の一部であり、層厚10nm以上の他の試作ラン
プと紫外線出力維持率の面では、同等の経時的変化を示
した。この失透現象は、無塩素合成ガラスの層厚が薄い
ため塩素イオンの遮蔽効果が少なく、微量の塩素イオン
の放出のためエミッタとの反応があったものと推定され
る。このような調査結果から無塩素合成ガラス層の層厚
は、10nm以上とするのが望ましいと言える。また、金属
アルコキシド法では１回の塗布作業で形成される無塩素
合成ガラス層の層厚が1000nmを超えると、クラックを生
じやすい問題があり、この問題を回避するため数回の塗
布焼成を行うと、作業性及び生産性が悪くなるので、層
厚は1000nm以下とすることが望ましい。In FIG. 3, the solid line indicates the maintenance rate characteristic of the ultraviolet output of the mercury vapor discharge lamp according to the first embodiment,
The broken line shows the UV output maintenance ratio of a conventional mercury vapor discharge lamp using a synthetic quartz glass without a chlorine-free synthetic glass layer as an arc tube. In Table 1, the life characteristics of a lamp having a chlorine-free synthetic glass layer thickness of 1 nm are marked with a symbol “△”. It means that the devitrification phenomenon of the arc tube was confirmed at the end of time. At this time, the devitrification was part of the vicinity of the electrode, and the same time-dependent change was observed in the UV output maintenance ratio with respect to other prototype lamps having a layer thickness of 10 nm or more. This devitrification phenomenon is presumed to be due to the fact that the chlorine-free synthetic glass has a small layer thickness, so that the chlorine ion shielding effect is small, and a reaction with the emitter has occurred due to emission of a small amount of chlorine ions. From such a survey result, it can be said that the thickness of the chlorine-free synthetic glass layer is desirably 10 nm or more. Further, in the metal alkoxide method, when the thickness of the chlorine-free synthetic glass layer formed in one coating operation exceeds 1000 nm, there is a problem that cracks are likely to occur. To avoid this problem, several firings of coating are performed. Therefore, the workability and the productivity are deteriorated, so that the layer thickness is desirably 1000 nm or less.
【００２７】以上の結果から、合成石英ガラス製発光管
に無塩素合成ガラス層を設けた高圧水銀蒸気放電灯は、
従来のランプに比べて寿命特性及び短波長紫外線放射効
率に関して、優れた特性を有することが判明した。From the above results, a high-pressure mercury vapor discharge lamp in which a chlorine-free synthetic glass layer is provided on a synthetic quartz glass arc tube,
It has been found that the lamp has superior characteristics with respect to life characteristics and short-wavelength ultraviolet radiation efficiency as compared with conventional lamps.
【００２８】本実施の形態においては、高圧水銀蒸気放
電灯の電極のエミッタ材料にタングステン酸バリウムカ
ルシウム（Ba2 CaＷＯ6 ）を使用した例を示したが、同
様の実験をSrＯ，BaＯ，CaＯやBa2 SrＷＯ6 などアルカ
リ土類金属を含有するエミッタを使用したランプについ
て行い調査したところ、同様な結果が得られた。In this embodiment, an example in which barium calcium tungstate (Ba 2 CaWO 6 ) is used as an emitter material of an electrode of a high-pressure mercury vapor discharge lamp has been described, but similar experiments were performed on SrO, BaO, CaO, and the like. When a lamp using an emitter containing an alkaline earth metal such as Ba 2 SrWO 6 was used and investigated, similar results were obtained.
【００２９】なお、発光管を形成する上記四塩化ケイ素
を含有する合成石英ガラスは、短波長域の紫外線透過率
と化学分析により塩素濃度を調べることにより、普通石
英ガラスと容易に判別することができる。The synthetic quartz glass containing silicon tetrachloride, which forms the arc tube, can be easily distinguished from ordinary quartz glass by examining the ultraviolet transmittance in the short wavelength region and the chlorine concentration by chemical analysis. it can.
【００３０】（第２の実施の形態）次に、第２の実施の
形態を図４に基づいて説明する。この実施の形態は本発
明を低圧水銀蒸気放電灯に適用したもので、図４におい
て、11は合成石英ガラスからなる内径17mmの発光管で、
該発光管11の両端には発光長が 950mmとなるように電極
12が設置されている。該電極12は、図５に示すようにバ
リウム，カルシウム，ストロンチウムの酸化物の混合物
からなるエミッタ13が塗布されたタングステンフィラメ
ント12ａと、ニッケルなどの耐熱製金属からなる陽極12
ｂ，及びそれらを支えた支持柱12ｃとからなり、該支持
柱12ｃの他端はモリブデンの箔14を介して外接リード線
15に接続されている。そして、発光管11を構成する合成
石英ガラスの内面には無塩素合成ガラス層16が形成され
ている。また、発光管11の内部には数十mg好ましくは50
mgの水銀と、数百Ｐa 好ましくは 400Ｐa のアルゴンガ
スが封入されており、両電極12間に電圧を印加すること
によりフィラメント12ａから熱電子を放出させ、水銀原
子に電子を衝突させることで、水銀を励起させ放電させ
るようになっている。なお、エミッタ13の塗布量はフィ
ラメント１本あたり約２mgである。(Second Embodiment) Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the present invention is applied to a low-pressure mercury vapor discharge lamp. In FIG. 4, reference numeral 11 denotes an arc tube having an inner diameter of 17 mm made of synthetic quartz glass.
Electrodes at both ends of the arc tube 11 so that the emission length becomes 950 mm.
12 are installed. As shown in FIG. 5, the electrode 12 has a tungsten filament 12a coated with an emitter 13 made of a mixture of barium, calcium and strontium oxide, and an anode 12 made of a heat-resistant metal such as nickel.
b, and a supporting column 12c supporting them, and the other end of the supporting column 12c is a circumscribed lead wire through a molybdenum foil 14.
Connected to 15. Further, a chlorine-free synthetic glass layer 16 is formed on the inner surface of the synthetic quartz glass constituting the arc tube 11. Also, several tens of mg, preferably 50
mg of mercury and argon gas of several hundred Pa, preferably 400 Pa are sealed. By applying a voltage between the electrodes 12, thermoelectrons are emitted from the filament 12a, and the electrons are caused to collide with mercury atoms. The mercury is excited to discharge. The application amount of the emitter 13 is about 2 mg per filament.
【００３１】この実施の形態の低圧水銀蒸気放電灯は、
ランプ電力 120Ｗ，ランプ電流２Ａで点灯され、その寿
命は約 12000時間であり、 12000時間における残存率
（不点灯とならない率）は約80％である。主な不点灯の
原因は、フィラメントの断線やフィラメントに塗布して
あるエミッタのスパッタによる消耗である。The low-pressure mercury vapor discharge lamp of this embodiment is
The lamp is lit at a lamp power of 120 W and a lamp current of 2 A, has a life of about 12000 hours, and has a remaining rate of 12000 hours (a rate at which no lighting occurs) of about 80%. The main causes of non-lighting are breakage of the filament and wear of the emitter applied to the filament due to sputtering.
【００３２】次に、無塩素合成ガラス層の層厚を変えた
第２の実施の形態のランプを試作し、それらの寿命特性
及び180 〜 190nmの相対放射照度について調査したとこ
ろ、表２に示すような結果が得られた。また、対比する
ために無塩素合成ガラス層を設けないランプ及び普通石
英ガラスからなる発光管を用いたランプについても、同
様の調査を行い、その結果を表２に合わせて示した。な
お、表２における相対放射照度は、従来の無塩素合成ガ
ラス層を設けない合成石英ガラス製発光管を用いたラン
プについて、発光管中心部の直下50mmの位置での照度を
100として算出した。Next, the lamps of the second embodiment in which the thickness of the chlorine-free synthetic glass layer was changed were prototyped, and their life characteristics and relative irradiances of 180 to 190 nm were investigated. Such a result was obtained. Further, for comparison, a lamp without a chlorine-free synthetic glass layer and a lamp using an arc tube made of ordinary quartz glass were subjected to the same investigation, and the results are shown in Table 2. The relative irradiance in Table 2 is the irradiance at 50 mm immediately below the center of the arc tube for a conventional lamp using a synthetic quartz glass arc tube without a chlorine-free synthetic glass layer.
Calculated as 100.
【００３３】[0033]
【表２】 寿命特性 ○：良好 ×：2000時間以内に不点又は立ち消え発生[Table 2] Life characteristics ○: Good ×: Insufficient or disappeared within 2000 hours
【００３４】表２の調査結果から、まず、無塩素合成ガ
ラス層がない従来の合成石英ガラスを発光管として使用
したランプは、180 〜 190nmの相対放射照度は、従来の
普通石英ガラスを発光管として用いたランプに比較して
高い特性を有するが、寿命特性が悪いという問題点があ
ることがわかる。本実施の形態に係わる酸化アルミニウ
ムや酸化ケイ素の無塩素合成ガラス層を有する合成石英
ガラスからなる発光管を用いた水銀蒸気放電灯は、発光
管材質に合成石英ガラスを使用していても、無塩素合成
ガラス層のない合成石英ガラスからなる発光管を用いた
従来の水銀蒸気放電灯より寿命特性がよく、且つ従来の
普通石英ガラスからなる発光管を使用した水銀蒸気放電
灯よりも、180 〜 190nmの相対放射照度が高い特性を持
っていることが判る。From the results of the investigations in Table 2, it can be seen that the lamp using a conventional synthetic quartz glass having no chlorine-free synthetic glass layer as an arc tube has a relative irradiance of 180 to 190 nm, which is equivalent to that of a conventional quartz glass. It can be seen that the lamp has higher characteristics as compared with the lamp used as the lamp, but has a problem that the life characteristics are poor. The mercury vapor discharge lamp using the arc tube made of synthetic quartz glass having a chlorine-free synthetic glass layer of aluminum oxide or silicon oxide according to the present embodiment has no problem even if synthetic quartz glass is used for the arc tube material. It has better life characteristics than a conventional mercury vapor discharge lamp using an arc tube made of synthetic quartz glass without a chlorine synthetic glass layer, and is 180 to 180 times more than a mercury vapor discharge lamp using an arc tube made of conventional ordinary quartz glass. It can be seen that the relative irradiance at 190 nm has a high characteristic.
【００３５】図６における実線は、第２の実施の形態に
係る水銀蒸気放電灯（表２中、無塩素合成ガラス層の成
分としてＡl2Ｏ3 を用い、その層厚を 100nmとした発光
管を用いたランプ）の残存率曲線を示し、破線は無塩素
合成ガラス層を設けない従来の合成石英ガラスを使用し
た水銀蒸気放電灯の残存率曲線を示す。The solid line in FIG. 6 indicates a mercury vapor discharge lamp according to the second embodiment (in Table 2, an arc tube in which Al 2 O 3 was used as a component of a chlorine-free synthetic glass layer and the layer thickness was 100 nm). Of the mercury vapor discharge lamp using a conventional synthetic quartz glass without a chlorine-free synthetic glass layer.
【００３６】以上の結果から、本実施の形態に係る合成
石英ガラス製発光管に無塩素合成ガラス層を形成した低
圧水銀蒸気放電灯は、従来のランプに比べて寿命特性及
び短波長紫外線放射効率に関して優れた特性を有するこ
とが判明した。From the above results, the low-pressure mercury vapor discharge lamp in which the chlorine-free synthetic glass layer is formed on the synthetic quartz glass arc tube according to the present embodiment has a longer life characteristic and shorter wavelength ultraviolet radiation efficiency than the conventional lamp. Was found to have excellent properties.
【００３７】なお、本実施の形態においては、低圧水銀
蒸気放電灯のエミッタ（電子放出性物質）にバリウム，
カルシウム，ストロンチウムの酸化物の混合物を使用し
た例を示したが、これらの物質は単体でもよく、また第
１の実施の形態で説明したようにタングステン酸バリウ
ムカルシウムなどアルカリ土類金属を含有するエミッタ
を使用したランプについても調査したが、結果は同様で
あった。In this embodiment, the emitter (electron-emitting substance) of the low-pressure mercury vapor discharge lamp is barium,
Although an example using a mixture of oxides of calcium and strontium has been described, these substances may be used alone or an emitter containing an alkaline earth metal such as barium calcium tungstate as described in the first embodiment. Was also investigated for lamps using, but the results were similar.
【００３８】上記のように構成した各実施の形態に係る
水銀蒸気放電灯においては、合成石英ガラス製の発光管
の内表面に無塩素合成ガラス層が設けられており、この
層は不純物を含まないため網目構造が緻密であり、その
ため合成石英ガラスに含まれる塩素イオンの透過を抑制
する作用がある。したがって、塩素がプラズマ中で電子
温度を下げランプの立ち消えを起こしたり、エミッタと
反応して電極表面のエミッタが分解消耗して不点になっ
たりする問題を解消することができる。In the mercury vapor discharge lamp according to each of the above-described embodiments, a chlorine-free synthetic glass layer is provided on the inner surface of a synthetic quartz glass arc tube, and this layer contains impurities. As a result, the network structure is dense, and thus has the effect of suppressing the transmission of chlorine ions contained in the synthetic quartz glass. Therefore, it is possible to solve the problem that chlorine causes the electron temperature to drop in the plasma, causing the lamp to go out, and the emitter on the electrode surface to be decomposed and consumed by the reaction with the emitter to become a point.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明による水銀蒸気放電灯は、四塩化ケイ素を原
料とする合成石英ガラスからなる発光管の内面に無塩素
合成ガラス層を設けているので、短波長紫外線によって
発光管を構成する合成石英ガラスの内部で発生した塩素
イオンの発光管内への放出を無塩素合成ガラス層が抑制
し、したがって、従来の合成石英ガラスのみからなる発
光管を有するランプのように、合成石英ガラスの内部で
発生した塩素イオンが発光管内へ放出され、エミッタと
反応して電極表面のエミッタが分解消耗して不点になっ
たり、塩素がプラズマの電子温度を下げて立ち消えした
りする問題の発生を防止することができる。これにより
寿命特性がよく短波長紫外線の放射効率の高い水銀蒸気
放電灯を実現することができる。更には、ランプの寿命
が延びるので、そのランプを用いる紫外線照射装置のメ
ンテナンス性が良くなり、ランニングコストを下げる等
の効果が得られる。As described above, the mercury vapor discharge lamp according to the present invention has a chlorine-free synthetic glass layer provided on the inner surface of an arc tube made of synthetic quartz glass made of silicon tetrachloride. As a result, the chlorine-free synthetic glass layer suppresses the release of chlorine ions generated inside the synthetic quartz glass constituting the arc tube by short-wavelength ultraviolet rays into the arc tube. Like a lamp with a tube, chlorine ions generated inside the synthetic quartz glass are released into the arc tube and react with the emitter to decompose and wear out the emitter on the electrode surface, and chlorine is generated by plasma electrons. It is possible to prevent the occurrence of a problem such as disappearing by lowering the temperature. As a result, a mercury vapor discharge lamp having good life characteristics and high radiation efficiency of short wavelength ultraviolet light can be realized. Further, since the life of the lamp is extended, the maintainability of the ultraviolet irradiation device using the lamp is improved, and effects such as a reduction in running cost are obtained.
【図１】本発明に係わる水銀蒸気放電灯の第１の実施の
形態を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a mercury vapor discharge lamp according to the present invention.
【図２】図１に示した第１の実施の形態における電極の
拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of an electrode according to the first embodiment shown in FIG.
【図３】図１に示した第１の実施の形態に係わる高圧水
銀蒸気放電灯の紫外線出力維持率特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an ultraviolet output maintenance ratio characteristic of the high-pressure mercury vapor discharge lamp according to the first embodiment shown in FIG.
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。FIG. 4 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
【図５】図４に示した第２の実施の形態における電極部
分の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of an electrode portion in the second embodiment shown in FIG.
【図６】図４に示した第２の実施の形態に係わる低圧水
銀蒸気放電灯の残存率特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the residual ratio characteristics of the low-pressure mercury vapor discharge lamp according to the second embodiment shown in FIG.
１ 発光管 ２ 電極 ２ａ タングステン棒 ２ｂ タングステンワイヤー ３ モリブデン箔 ４ 外接リード線 ５ 無塩素合成ガラス層 11 発光管 12 電極 12ａ タングステンフィラメント 12ｂ 陽極 12ｃ 支持柱 13 エミッタ 14 モリブデン箔 15 外接リード線 16 無塩素合成ガラス層 Reference Signs List 1 arc tube 2 electrode 2a tungsten rod 2b tungsten wire 3 molybdenum foil 4 circumscribed lead wire 5 chlorine-free synthetic glass layer 11 arc tube 12 electrode 12a tungsten filament 12b anode 12c support column 13 emitter 14 molybdenum foil 15 circumscribed lead wire 16 chlorine-free synthesis Glass layer
Claims (3)
スからなる発光管の両端に、アルカリ土類金属の酸化物
又はアルカリ土類金属とタングステンの複合酸化物を塗
布してなる電極を備えてなる水銀蒸気放電灯において、
前記発光管の内面に無塩素合成ガラス層を設けているこ
とを特徴とする水銀蒸気放電灯。1. An electrode formed by applying an oxide of an alkaline earth metal or a composite oxide of an alkaline earth metal and tungsten to both ends of an arc tube made of synthetic quartz glass made of silicon tetrachloride as a raw material. Mercury vapor discharge lamp
A mercury vapor discharge lamp, wherein a chlorine-free synthetic glass layer is provided on an inner surface of the arc tube.
素，酸化アルミニウム又はそれらの混合物からなるガラ
ス層であることを特徴とする請求項１記載の水銀蒸気放
電灯。2. The mercury vapor discharge lamp according to claim 1, wherein the chlorine-free synthetic glass layer is a glass layer made of silicon oxide, aluminum oxide, or a mixture thereof.
以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の水銀
蒸気放電灯。3. The layer thickness of the chlorine-free synthetic glass layer is 10 nm.
The mercury vapor discharge lamp according to claim 1 or 2, wherein:
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP02454097A JP3648905B2 (en) | 1997-01-24 | 1997-01-24 | Mercury vapor discharge lamp |
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Publications (2)
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|---|---|
| JPH10208700A true JPH10208700A (en) | 1998-08-07 |
| JP3648905B2 JP3648905B2 (en) | 2005-05-18 |
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- 1997-01-24 JP JP02454097A patent/JP3648905B2/en not_active Expired - Lifetime
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