WO2009123258A1 - 紫外線発生装置及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

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和憲 松本
祐樹 平
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    • H01J65/046—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by using capacitive means around the vessel

Definitions

  • the present invention relates to a mercury-less ultraviolet light generating device using a new discharge technology that efficiently and stably generates high density weakly ionized low temperature plasma, and a lighting device using the ultraviolet light for lighting.
  • Ultraviolet and vacuum ultraviolet rays obtained from discharge gas of hydrogen, xenon and krypton are returned to visible light by photochemical engineering, semiconductor manufacturing process, food and drug sterilization, and excitation of phosphors, and widely used in various fields such as lighting equipment. It is used.
  • mercury is a harmful substance to the global environment, and its use is being suppressed.
  • xenon and krypton gas are rare substances, and their use is limited. Therefore, there is a need to develop an ultraviolet / vacuum ultraviolet light generator and a lighting device using a general molecular gas other than mercury or a rare gas as a discharge gas.
  • the applicant has arranged (controlled and adjusted) the phase as a low frequency AC power source capable of stably generating a low cost and large capacity discharge (weakly ionized low temperature plasma) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-330079.
  • a phase control multi-output type AC power supply consisting of a plurality of AC outputs, and further using this power supply, an electrode for efficiently generating the discharge disclosed in Japanese Patent No. 3772192;
  • the application of the method of constructing the magnetic field disclosed in Japanese Patent No. 3742866 has been filed.
  • the method of constructing the electrode is a method of closely fixing the electrode to the inner wall of the apparatus cooled through the insulating sheet having good thermal conductivity, and the method of constructing the magnetic field mounts a plurality of magnets on the outer wall of the apparatus and It is a method of forming a multipolar magnetic field which suppresses the outflow of plasma.
  • the applicant has further achieved a high energy saving effect by using a wall contact electrode and a multipole magnetic field for efficiently generating a discharge using the phase control multiphase AC power source disclosed in Japanese Patent No. 3472229. We are applying for an output, high efficiency discharge type lighting device. JP-A-8-330079 Patent No. 3772192 Patent No. 3742866 Patent No. 3472229 gazette
  • the present invention applies multiphase AC discharge plasma in a multipolar magnetic field to an ultraviolet light source, and generates high-intensity and high-efficiency ultraviolet light using molecular gas without mercury harmful to the global environment. Was made for the purpose.
  • the present invention is characterized in that the discharge gas is a mixed gas of nitrogen monoxide and a dilution gas, in which the discharge gas of molecular gas is excited by weak ionization low temperature plasma to generate ultraviolet light.
  • the relevant literature is shown below. 1) JP-A-56-6364, "Low pressure hollow cathode lamp with nitrogen / oxygen inclusions", Michtner Heewe Pauer (Federal Republic of Germany) et al. 2) JP-A-2002-304970, phase control multi-electrode type AC discharge light source, Matsumoto Kazunori 3) Proceedings of the 5th Meeting of the Society of Applicability p.
  • nitrogen monoxide gas NO has an absorption or emission spectrum (molecular potential curve) called a ⁇ spectrum in the ultraviolet region ranging from 150 nm to 230 nm.
  • Related literature 1 is a case where ultraviolet rays are emitted by discharge using only NO gas, and the enclosed NO gas is dissociated by the discharge to change the composition, and a method of preventing this has been proposed.
  • the metal electrode is covered with an oxide metal and inserted into the discharge tube in order to prevent the metal electrode from being exposed and oxygen dissociated from NO reacting with the metal electrode and losing the metal electrode. It is described.
  • Related literature 4 is a method of utilizing discharge in a mixed gas of nitrogen N 2 and oxygen O 2 without using nitric oxide NO itself. That is, it is a method of dissociating nitrogen molecules and oxygen molecules into nitrogen atoms N and oxygen atoms O by discharge, respectively, to synthesize nitric oxide NO.
  • related documents 2) and 3) are the documents related to the power source used in the present invention in the application and presentation of the present inventors et al., But the disclosure of the present invention is not disclosed.
  • the feature of the present invention is that by mixing nitrogen with nitric oxide NO, it is possible for the first time to emit effective ultraviolet radiation with a practical level of intensity from NO. Such present invention is completely different from the above-mentioned related documents 1) to 4).
  • the present invention uses a mixed gas of nitrogen monoxide and a dilution gas as the discharge gas, so strong ultraviolet rays can be obtained even with low power, and by irradiating this with a fluorescent substance, a high-intensity, high-efficiency mercury-free lighting device can be obtained. realizable.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lighting device embodying the present invention.
  • the lighting device embeds twelve sheet-like divided electrodes 1 into the barrier layer 2 with a slight gap a, and tightly fixes the substrate 31 on the bottom surface of the flat container 3.
  • the opposite surface of the substrate 31 is covered with a light extraction window 32 coated with a fluorescent substance b on the inside, and the flat vessel 3 is sealed to form a low pressure discharge chamber.
  • the divided electrodes 1 are arranged so as to cover the entire substrate 31 by increasing the area as much as possible.
  • the barrier layer 2 is formed of an insulating and thermally conductive material such as quartz glass or boron nitride, for example.
  • the multipolar magnetic field magnet 4 may use an electromagnetic coil instead of a permanent magnet.
  • a sheet-like magnet 4 such as a rubber magnet may be sandwiched between the barrier layer 2 and the substrate 31 or attached to the outside of the substrate 31 to form a multipolar magnetic field.
  • the shape of the lighting device can be made thin and compact as the thickness of the magnet 4 becomes thinner.
  • FIG. 1 shows the case where the magnet 4 is placed directly behind the gap a between the split electrode 1 and the split electrode 1.
  • the multipolar magnetic field is formed so that the surface of the divided electrode 1 is covered with the magnetic lines of force, the plasma P is effectively confined in the vicinity of the surface of the divided electrode 1.
  • the plasma P is confined in the thin layer on the surface in this way, the excitation of the molecular gas is enhanced and strong ultraviolet light can be emitted from the thin layer.
  • a 12-phase AC power supply having the same amplitude and phase shifted by 1/12 cycles through the feed terminal 11 attached to one end of the 12 split electrodes 1 as shown in FIG. 2 Connect 6
  • the 12-phase AC power supply 6 is configured by star-connecting a low frequency AC power supply whose frequency, amplitude and phase (including waveform) are controlled, and the entire power supply is left floating potential by an insulation transformer or the like. Is generated only between the divided electrodes 1. If the number of phases of the power supply is four or more, the uniform area of the potential distribution, that is, the uniform area of the electric field, increases as the number of phases increases, but if the number becomes 12 or more, the tendency to increase saturates. Is a practical category.
  • the illumination apparatus embodying the present invention has the above-described configuration, the inside of the flat vessel 3 is evacuated by an exhaust device (not shown), and 1 Torr or less of molecular gas used for discharge light emission is enclosed or flowed.
  • This molecular gas is a discharge gas, and in the present invention, a mixed gas of nitrogen monoxide and a dilution gas is used.
  • a dilution gas a chemically stable gas having a metastable level slightly higher than the excited level of nitrogen monoxide of ⁇ 6 eV is used.
  • nitrogen gas is optimal. The reason is that the nitrogen gas has a metastable state at an energy level slightly higher than the excitation energy of nitric oxide which emits ultraviolet light of 300 nm or less.
  • the potential curve of nitric oxide is shown in FIG. 10, but the ultraviolet light in the present invention is the electronic state of nitric oxide from the energy level represented by A2 ⁇ + in the spectral symbol to the level represented by X2 ⁇ r. Is emitted when The energy difference between them is approximately 6 eV, which corresponds to the energy of photons having a wavelength of ⁇ 200 nm.
  • Figures 11 and 12 show the metastable levels of the main molecules and atoms.
  • the nitrogen molecule N2 has a metastable level of A3 ⁇ u, its energy is 6.17 eV, its lifetime is as long as 1.3 to 2.6 seconds, and it is much longer than the normal lifetime is about 10 to 12 seconds I understand that.
  • the molecular weight of nitrogen molecule is 28, and the molecular weight of nitric oxide is 30, and since they have similar weights, energy transfer can be efficiently performed when the two collide with each other. That is, when N2 in the metastable state A3 ⁇ u collides with NO in the ground state with an energy of 6.17 eV, NO is efficiently excited to the A2 ⁇ + level with energy 6 eV. When transitioning from this level to the ground state, ultraviolet radiation will be emitted around 200 nm. In the case of dilution with Ar gas having a similar metastable level instead of nitrogen gas, as shown in the lower diagram of FIG.
  • the energy level of the metastable level of argon is as high as 12 eV, and even if NO is excited to 6 eV, the remaining approximately 6 eV is wasted, and the atomic weight is also higher than 40 and 30 of NO The factor is 1.3 times as large.
  • nitrogen gas and Ar gas there is xenon gas. Since xenon Xe has a metastable level at an energy level of 8.32 eV, which is slightly higher than the excited level of nitrogen monoxide of ⁇ 6 eV, almost the same effect as nitrogen gas can be expected. However, Xe has an atomic weight of 131 and is considerably heavier than the molecular weight of nitric oxide of 30.
  • the molecular nitrogen gas (molecular weight 28) is more suitable than the xenon gas because it is lighter than the xenon gas.
  • the upper drawing of FIG. 13 shows data of the inventors of the present invention in the case of using a nitrogen / oxygen mixed gas simulating air of the prior art shown in the related document 4). As apparent from this, it can be seen that the radiation from NO when simulating air is very small. This is due to the fact that the incorporated oxygen easily converts nitric oxide NO to more stable nitrogen dioxide NO2 and the absolute amount of NO is significantly reduced.
  • nitrogen monoxide only when a slight amount of nitrogen monoxide is mixed into the molecular nitrogen gas, ultraviolet rays are emitted from NO at a practical intensity, which has become apparent for the first time according to the present invention.
  • nitrogen is effective as a dilution gas for nitrogen monoxide is that nitrogen molecules, which are the main enclosed gas, are immediately recombined with oxygen dissociated from nitrogen monoxide molecules by the discharge, so the composition change due to the discharge of nitrogen monoxide gas Is avoided, and as a result, strong and strong ultraviolet light is obtained.
  • Various compounds have been studied and tested as molecular gases.
  • phase control 12-output AC power supply of 1 kw or less is connected to the twelve split electrodes 1 to supply discharge electrical energy.
  • stable plasma P by alternating current glow discharge is generated along the surface of the divided electrode 1 covered by the barrier layer 2.
  • an AC voltage of 12 phases is applied to the twelve split electrodes 1, the discharge rotates around between the split electrodes 1 during one cycle, so that the discharge rotates by the applied frequency in one second. For this reason, discharge occurs between any of the divided electrodes 1 at any time, and a continuous discharge such as high frequency lighting occurs despite the low frequency AC discharge.
  • the plasma P generated as a result of the discharge is confined in a narrow and thin area by the multipolar magnetic field, and collisional excitation by the plasma of electrically neutral molecular gas (neutral gas) becomes active, and from the excited neutral gas Light emission density and light emission efficiency.
  • electrically neutral molecular gas neutral gas
  • Light emission density and light emission efficiency As a result of such continuous discharge, light having a wavelength specific to molecular gas including ultraviolet light is emitted uniformly and spatially uniformly throughout the electrode.
  • the ultraviolet light is converted into visible light by the phosphor b applied to the inside of the light extraction window 32. Since the plasma region is thin and the thickness of the light emitting layer is thin, light is not reabsorbed and has high brightness.
  • the dimensions and arrangement of the divided electrodes are not limited to those shown in FIG.
  • the number of phases of the AC power supply is not limited to 12.
  • the dimensions of the divided electrodes, the arrangement, the number of phases of the AC power supply, and the magnitude of the power thereof are appropriately adjusted so that the emission of ultraviolet light is optimum for the object to be irradiated.
  • the generated ultraviolet light is applied to a fluorescent substance to be converted to visible light to be used as a lighting device, and can be used to sterilize food and medicines that do not like modification by heating and can be applied to photochemical reactions.
  • FIG. 3 shows discharge emission spectra in a multipolar magnetic field in three types of molecular gases.
  • FIGS. 3 (a), (b) and (c) are spectra when nitrogen, nitrogen monoxide and nitrogen-diluted (90%) nitrogen monoxide (10%) gas are used as molecular gases, respectively.
  • the vertical axis is the spectral radiant flux density [uW / cm 2 / nm] calibrated by the standard light source.
  • ultraviolet radiation from a wavelength range of 300 nm to 380 nm was observed as conventionally reported.
  • nitric oxide concentration of nitric oxide is less than 5%, the number of nitric oxide molecules, which is the main component of ultraviolet light emission, runs short. Conversely, if it exceeds 50%, nitrogen monoxide, which is a dilution gas, Is considered to be difficult to be effectively excited.
  • FIG. 5 shows radiant flux densities obtained by integrating spectral radiant flux densities with respect to pressure in three types of molecular gases in the ultraviolet region (200 nm to 380 nm).
  • the data of ⁇ is the molecular nitrogen
  • the data of ⁇ is the nitric oxide
  • the data of ⁇ is the flux density in the case of nitrogen-diluted nitric oxide (10%).
  • the data of the ⁇ mark connected by a broken line is that of nitrogen diluted nitric oxide (10%) without a magnetic field. In the absence of a magnetic field, there was almost no change as the pressure decreased. On the other hand, in a multipolar magnetic field, the ultraviolet light emission intensity increased as the pressure decreased.
  • the multipolar magnetic field in FIGS. 3, 4 and 5 is a multi-race type multipolar magnetic field.
  • the magnitude of the ultraviolet radiation density at a pressure of 0.3 Torr of the nitrogen-diluted nitrogen monoxide mixed gas was 1.5 times larger than the value observed when using mercury in the same apparatus.
  • argon gas was tried as a dilution gas of nitric oxide, the radiation of ultraviolet light was smaller than that of nitrogen dilution.
  • FIG. 6 shows discharge emission spectra in a multipolar magnetic field in two types of molecular gases.
  • FIGS. 6A and 6B show spectra when hydrogen and hydrogen-diluted (90%) carbon monoxide (10%) gas are used as molecular gases, respectively.
  • the gas pressure is 0.3 Torr
  • the vertical axis is the spectral radiant flux density [ ⁇ W / cm 2 / nm] calibrated by the standard light source.
  • ultraviolet radiation from a short wavelength region of ⁇ 300 nm or less was observed.
  • the multipolar magnetic field in FIGS. 6 and 7 is a double comb type multipolar magnetic field. It is understood from FIG. 7 that the radiant flux density is large when the carbon monoxide concentration of the hydrogen-diluted carbon monoxide gas is in the range of 1 to 15%, and is small when the carbon monoxide concentration is outside this range.
  • the radiation flux density in the ultraviolet region are obtained by integrating the spectral radiation flux density in a wavelength range of 200 nm to 380 nm. Also, the data of ⁇ and ⁇ in the same figure are in the visible region, and the spectral radiant flux density is integrated in the wavelength range of 380 nm to 780 nm. Furthermore, the solid line in FIG. 9 is in the case of a multipole magnetic field, and the broken line is in the case of no magnetic field.

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Abstract

【課題】多極磁場中の多相交流放電プラズマを紫外発生光源へ応用し、水銀や希少ガス以外の一般的な分子性ガスを用いて、高輝度で高効率な紫外線を発生させる。【解決手段】平面容器（３）内を真空排気し、放電発光に用いる分子性ガス1Torr 以下を封入あるいは流入する。次に、１２枚の分割電極（１）に１ｋｗ以下の１２相交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。これにより、バリア層（２）に覆われた分割電極（１）の表面に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマ（Ｐ）が生じる。放電の結果、紫外線を含む分子性ガス特有の波長を持つ光が放射され、光取り出し窓（３２）より外へ取り出される。

Description

紫外線発生装置及びそれを用いた照明装置
　本発明は、高密度の弱電離低温プラズマを効率的に安定して発生する新しい放電技術を利用した水銀レスの紫外線発生装置およびその紫外線を照明に適用した照明装置に関する。
　水素、キセノンやクリプトンの放電ガスから得られる紫外・真空紫外線は、光化学工学、半導体製造プロセス、食品・医薬殺菌、および蛍光体の励起により可視光に返還されて照明装置などの様々な分野に広く使用されている。しかし、水銀は地球環境に有害な物質であり、その使用が抑制されつつある。一方、キセノンやクリプトンガスは希少物質であり、その利用には限界がある。そのため水銀や希ガス以外の一般的な分子性ガスを放電気体に使用した紫外・真空紫外線発生装置および照明装置の開発が必要とされている。
　一般に単原子からなる水銀やキセノンガス中の低圧のグロー放電では放射される光のスペクトルは不連続で、放電気体特有の波長を持つ線スペクトルとなる。これは電子で励起された原子が緩和する場合に特定のエネルギー状態の準位間を遷移し、これに伴って光を放射するためである。
　一方、２個以上の原子から成る分子性ガスにおける低圧グロー放電では放射される光のスペクトルは連続になる。これは電子励起エネルギー状態に分子間の振動および回転励起状態が加わり、エネルギー準位間の遷移が連続となるためである。従って、分子性ガスから効率よく紫外線放射を得るためには適当なエネルギー遷移状態をもつ分子性ガスを種々選択する必要がある。
　また、グロー放電プラズマにおいて分子性ガスを十分な強さで効果的に励起するためには、高出力・高効率のプラズマ発生装置が必要となる。
　本出願人は、特開平８－３３００７９号公報に開示された低コストで大容量の放電（弱電離低温プラズマ）を安定して発生できる低周波交流電源として、位相が配列（制御・調整）された複数個の交流出力からなる位相制御多出力型交流電源装置を先に出願し、さらに、この電源を用いて、特許３７７２１９２号公報に開示された放電を効率的に発生させるための電極と、特許３７４２８６６号公報に開示された磁場の構成方法を出願した。電極の構成方法は、電極を熱伝導性のよい絶縁シートを介して冷却された装置内壁に密着固定する方法であり、磁場の構成方法は、装置外壁に複数の磁石を取り付けて電極表面付近にプラズマの流出を抑える多極磁場を形成する方法である。
　本出願人は、さらに特許第３４７２２２９号公報に開示された位相制御多相交流電源を用いて放電を効率的に発生させる壁密着電極と多極磁場を使用することにより、省エネルギー効果の高い、高出力・高効率の放電型照明装置を出願している。
特開平８－３３００７９号公報 特許３７７２１９２号公報 特許３７４２８６６号公報 特許第３４７２２２９号公報
　本発明は、多極磁場中の多相交流放電プラズマを紫外発生光源へ応用し、地球環境に有害な水銀を用いずに分子性ガスを用いて、高輝度で高効率な紫外線を発生させることを目的になされたものである。
　そのため本発明は、弱電離低温プラズマで分子性ガスの放電気体を励起して紫外線を発生するものにおいて、放電気体が一酸化窒素と希釈ガスの混合ガスであることを最も主要な特徴とする。
　以下に関連文献を示す。
1)　特開昭56-6364、「窒素/酸素封入物を有する低圧中空陰極ランプ」、ミヒヤエル・ツエヘパウアー（ドイツ連邦共和国）他、
2)　特開2002-304970、位相制御多電極型交流放電光源、松本和憲
3)　第５回応物学会講演予稿集p.247、2008/3
4)　静岡大学大学院電子科学研究科研究報告(29)
　なお、これら関連文献に記載はないが、一酸化窒素ガスＮＯが、150nmから230nmにわたる紫外領域において、γスペクトルと呼ばれる吸収或いは発光スペクトル（分子ポテンシャル曲線）を有することは、従来より知られている。
関連文献1)は、ＮＯガスのみを用いて放電により紫外線を放射させる場合で、封入してあるＮＯガスが放電により解離し組成が変わるので、それを防ぐ方法が提案されている。また、金属電極が剥き出しになっており、ＮＯから解離した酸素が金属電極と反応して金属電極がなくなってしまうことを防止するため、金属電極を酸化物金属で被覆し放電管内部へ挿入することが記載されている。
　関連文献4)は、一酸化窒素ＮＯそのものを用いないで、窒素Ｎ2と酸素Ｏ2の混合ガスにおける放電を利用する方法である。すなわち、放電により、窒素分子および酸素分子をそれぞれ窒素原子Ｎおよび酸素原子Ｏに解離し、一酸化窒素ＮＯを合成する方法である。
　一方、関連文献2)および文献3)は本発明者等の出願および発表で、本発明に使用する電源に関する文献であるが、本発明に関わることは開示されていない。
　本発明の特徴は、一酸化窒素NOに窒素を混合することによって、初めてＮＯからの実用レベルの強度で効果的紫外線を放射させることができる点である。このような本発明は上記関連文献1)～4)とは全く異なる。
　本発明は、放電気体に一酸化窒素と希釈ガスの混合ガスを用いるので、低電力でも強い紫外線が得られ、これを蛍光物質に照射することにより高輝度で高効率な水銀レスの照明装置を実現できる。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。
　図１に、本発明を実施した照明装置の断面図を示す。
　照明装置は、１２枚のシート状の分割電極１を僅かな間隙ａを空けてバリア層２の中に埋め込み、平面容器３の底面の基板３１に密着固定する。
　基板３１の対向面は、内側を蛍光体ｂで被膜した光取り出し窓３２で覆い、平面容器３を密閉して低圧放電室を形成する。
　分割電極１は、できるだけ面積を大きくして基板３１全体を覆うように配置する。
　バリア層２は、例えば石英ガラスや窒化ホウ素のような電気絶縁性と熱伝導性の良好な材質のものを使用して絶縁体層を形成する。
　基板３１の外側は、隣り合う極性を逆にして配列した１２＋１本の棒状の磁石４を間隙ａに沿って密着して固定する。磁石４の矢印は磁極の方向を示す。これにより、磁力線が分割電極１の表面を覆うように多極磁場を形成する。
　磁石４を取り付けた基板３１の外側は磁気シールド板５で覆い、磁力線を外部に発散させないで内部に集中させる。
　多極磁場の磁石４は、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてもよい。
　あるいは、ラバー・マグネットなどのシート状の磁石４をバリア層２と基板３１の間に挟み込んだり、基板３１の外側に張り付けて多極磁場を形成してもよい。これにより、磁石４の厚みが薄くなる分、照明装置の形状を薄くコンパクトに形成できる。
　ここで、磁石４と分割電極１との位置関係は任意であるが、図１では磁石４を分割電極１と分割電極１との間隙ａの真後ろに置く場合を示す。このとき、多極磁場は分割電極１の表面が磁力線で覆われるように形成されるので、プラズマＰが分割電極１の表面近傍に効果的に閉じ込められる。このように表面の薄い層にプラズマＰを閉じ込めると、分子性ガスの励起が高まりその薄い層から強い紫外線が放射できる。
　１２枚の分割電極１には、図２に示すように、分割電極１の一端に取り付けた給電端子１１を介して位相が１／１２周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの１２相交流電源６を接続する。
　１２相交流電源６は、周波数や振幅および位相（波形を含む）が制御された低周波交流電源を星形結線して構成し、電源全体は絶縁トランスなどにより浮遊電位のままにしておき、放電を分割電極１間のみに発生させる。
　電源の相数は、４相以上であれば相数が増えるにつれて電位分布の一様領域、すなわち電界の一様領域は増加するが、１２相以上になるとその増加傾向が飽和するため、１２相が実用的な範疇である。
　本発明を実施した照明装置は以上のような構成で、平面容器３内を排気装置（不図示）によって真空排気し、放電発光に用いる分子性ガス1Torr以下を封入あるいは流入する。
　この分子性ガスがすなわち放電気体であって、本発明では一酸化窒素と希釈ガスの混合ガスを用いる。希釈ガスとしては化学的に安定なガスで、一酸化窒素の励起準位~6eVよりわずかに高い準安定準位をもつガスを用いる。
具体的には窒素ガスが最適である。理由は、窒素ガスが300nm以下の紫外線を放射する一酸化窒素の励起エネルギーよりわずかに高いエネルギー準位に準安定状態をもつことによる。
　図１０に、一酸化窒素のポテンシャル曲線図を示すが、本発明における紫外線は、分光記号でA2Σ+と表されるエネルギー準位から、X2Πrと表される準位に、一酸化窒素の電子状態が遷移する時に放射される。この間のエネルギー差はおよそ6eVで、波長~200nmをもつ光子のエネルギーに対応する。
　図１１および１２に、主要分子および原子の準安定準位を示す。窒素分子N2には、A3Σuという準安定準位が存在し、そのエネルギーは6.17eVで、その寿命は1.3~2.6秒と長く、通常の寿命が10-12秒程度で有るのに比べ非常に長いことが分かる。また、窒素分子の分子量は28、一酸化窒素の分子量は30で、同じような重さを持つためこの二つが衝突した場合には、エネルギーの授受が効率よく行われる。すなわち準安定状態A3ΣuにあるN2が6.17eVのエネルギーをもって、基底状態にあるNOに衝突した場合、NOはエネルギー6eVをもつA2Σ+なる準位へ、効率よく励起されることになる。このレベルから基底状態に遷移する時、～200nm附近に紫外線が放射されることになる。
　窒素ガスの替わりに同じような準安定準位をもつＡｒガスで希釈した場合、図１３の下図に示すように、純NOの場合と紫外線放射強度はあまり変わらない。これは、アルゴンの準安定準位のエネルギーレベルが~12eVと高く、たとえNOを6eVに励起しても、残りのおよそ6eVが無駄になるためであり、また、原子量も40とNOの30より1.3倍も大きいことが要因である。
　窒素ガスおよびＡｒガスの他にはキセノンガスがある。キセノンXeは一酸化窒素の励起準位~6eVよりわずかに高いエネルギー準位8.32eVに準安定準位があるため、窒素ガスとほぼ同等の効果が期待できる。しかしXeは原子量が131あり、一酸化窒素の分子量30よりもかなり重い。従って、両者を比べた場合、窒素分子ガス（分子量28）のほうが、キセノンガスより軽いため、希釈ガスには適しているといえる。
　なお、図１３の上図には、関連文献4)に示された従来技術の空気を模擬した窒素・酸素混合ガスを用いた場合の本発明者等のデータを示す。これから明らかなように空気を模擬した場合のＮＯからの放射は大変小さいことが判かる。この原因は、混入した酸素が、一酸化窒素ＮＯをより安定な二酸化窒素ＮＯ２へと簡単に変化させてしまい、ＮＯの絶対量が大幅に少なくなることに起因する。すなわち、窒素分子ガスに一酸化窒素をわずかに混入させた場合のみ、ＮＯから実用的な強度で紫外線が放射され、このことは、本発明により初めて明らかとなった。
　一酸化窒素の希釈ガスとして窒素が有効な理由は、主封入ガスである窒素分子は、放電により一酸化窒素分子から解離した酸素と直ちに再結合されるため、一酸化窒素ガスの放電による組成変化が回避され、その結果、安定して強い紫外線が得られることになる。
　分子性ガスとして、これまで様々な化合物が研究・試験されてきた。特に、常温か、少し加熱して気体状態になる炭素Ｃ，窒素Ｎ、酸素Ｏ、イオウＳ，セレンSe、テルルTeなどの化合物が試されてきたが、大きな問題点は、放電状態において化合物が解離し装置内に固形の別の化合物ができ、分子性ガスの組成が初期状態とは変化してしまったり、光取り出し窓が雲ってしまうということが大きな問題点であった。
　そして１２枚の分割電極１に１ｋｗ以下の位相制御１２出力交流電源を接続して放電電気エネルギーを供給する。
　これにより、図１に示すように、バリア層２に覆われた分割電極１の表面に沿って安定な交流グロー放電によるプラズマＰが生じる。
　１２枚の分割電極１に１２相の交流電圧を印加すると、放電は１周期の間に分割電極１間を１回りするので、１秒間に放電が印加周波数だけ回転する。このため、どの時刻においても何れかの分割電極１間で放電が起こり、低周波の交流放電にも拘わらず高周波点灯のような連続放電が発生する。放電の結果生じたプラズマＰは、多極磁場によって狭くて薄い領域に閉じ込められ、電気的に中性な分子性ガス（中性ガス）のプラズマによる衝突励起が盛んになり、励起中性ガスからの発光密度と発光効率が高まる。
　このような連続放電の結果、紫外線を含む分子性ガス特有の波長を持つ光が電極全体にわたって安定して且つ空間的に一様に放射される。この紫外線が光取り出し窓３２の内側に塗布された蛍光体ｂにより可視光に変換される。プラズマ領域が薄く発光層の厚さが薄いため、光は再吸収されず高輝度になる。
　分割電極の寸法や配置は図１に限らない。また交流電源の相数も１２に限らない。分割電極の寸法、配置や交流電源の相数またその電力の大きさは、紫外線の放射が被照射物に最適になるよう、適宜調整する。
　発生した紫外線は蛍光物質に当てて可視光に変換し照明装置とするほか、加熱による変性を嫌う食品や医薬品の殺菌に利用でき、また光化学反応に応用できる。
　以下、本発明の実施例（実験結果）について説明する。
　実験は、本発明の照明装置に30ｗ以下、40kHzのインバータ式１２相交流電源６を接続し、真空排気した同装置に下記３種類の分子性ガス0.17～0.3Torrを入れて行った。
　放電発光スペクトルは、光ファイバ式多チャンネル分光器で計測した。
　図３に、３種類の分子性ガスにおける多極磁場中の放電発光スペクトルを示す。
　図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、分子性ガスとしてそれぞれ窒素、一酸化窒素および窒素希釈（90％）一酸化窒素（10％）ガスを用いた場合のスペクトルである。ここで、縦軸は標準光源で校正された分光放射束密度［uW/cm2/nm］である。
　図３（ａ）の窒素ガスの場合、従来報告されているように300nm～380nmの波長域からの紫外線放射が観測された。
　図３（ｂ）、（ｃ）の一酸化窒素ガスの場合、この実験は本出願人によって初めて試みられたが、200nm～380nmの波長域からの紫外線放射が観測された。
　さらに、図４に示すように、一酸化窒素を窒素で希釈し、一酸化窒素濃度が10％程度の時、この領域からの紫外線放射が最も大きくなることが分かった。
　ここで、図４の縦軸は放射束密度［uW/cm2］、横軸は一酸化窒素濃度NO/N2+NO［％］である。
　この図４から、放射束密度は、窒素希釈一酸化窒素ガスの一酸化窒素濃度が５～５０％の範囲内のとき大きく、この範囲外のとき小さいことがわかる。これは一酸化窒素濃度が5％未満だと、紫外線発光の主体である一酸化窒素分子の数が不足するためであり、逆に50％を超過すると、希釈ガスである窒素分子から一酸化窒素が効果的に励起されにくくなるためであると考えられる。
　図５に、３種類の分子性ガスにおける圧力に対する分光放射束密度を紫外領域（200nm～380nm）で積分して求めた放射束密度を示す。ここで、●のデータは窒素分子、▲印のデータは一酸化窒素および■印のデータは窒素希釈一酸化窒素（10%）の場合の放射束密度である。また、破線で結ばれた□印のデータは磁場無しにおける窒素希釈一酸化窒素（10%）の場合のそれである。
　磁場無しの場合、圧力が下がってもほとんど変化が無かった。
　一方、多極磁場中の場合、圧力が下がるにつれ紫外線発光強度が増大した。
　これは、圧力が下がるとプラズマ－中性ガス衝突が減少し、磁場によるプラズマ閉じ込め効果が強くなるからである。ここで、図３、図４および図５における多極磁場はマルチレース型の多極磁場である。
　窒素希釈一酸化窒素混合ガスの圧力が0.3Torrにおける紫外線放射密度の大きさは、同装置において水銀を用いた場合に観測された値より1.5倍も大きくなった。
　一酸化窒素の希釈ガスとしてアルゴンガスを試みたが、紫外線の放射は窒素希釈の場合より小さかった。
　図６に、２種類の分子性ガスにおける多極磁場中の放電発光スペクトルを示す。
　図６（ａ）、（ｂ）は、分子性ガスとしてそれぞれ水素、水素希釈（90％）一酸化炭素（10％）ガスを用いた場合のスペクトルである。ここで、ガス圧力は0.3Torrであり、縦軸は標準光源で校正された分光放射束密度［μW/cm2/nm］である。
　図６（ａ）の水素ガス、図６（ｂ）の水素希釈一酸化炭素ガスともに、～300nm以下の短波長域からの紫外線放射が観測された。ここで、一酸化炭素ガスから200nm以下に強い真空紫外線が放射されることが一般的に知られているので、本実験でもこの領域の紫外線が放射されていると考えられる。実験において200nm以下のスペクトルを観測できない理由は、実験で使用した図１に示す光取り出し窓は真空紫外線を透過できない石英窓であり、また利用した分光器は真空紫外線を計測できないからである。
　図７に示すように、一酸化炭素を水素で希釈し一酸化炭素濃度が10％程度の時、この領域からの紫外線放射が最も大きくなることが分かった。
　ここで、図７の縦軸は放射束密度［μW/cm2］、横軸は一酸化炭素濃度CO/H2+CO［％］である。ここで、図６および図７における多極磁場は二重櫛型の多極磁場である。
　図７から、放射束密度は、水素希釈一酸化炭素ガスの一酸化炭素濃度が１～１５％の範囲内のとき大きく、この範囲外のとき小さいことがわかる。これは一酸化炭素濃度が1％未満だと、紫外・真空紫外線発光の主体である一酸化炭素分子の数が不足するためであり、逆に15％を超過すると、希釈ガスである水素分子から一酸化炭素が効果的に励起されにくくなるためであると考えられる。
　一酸化炭素ガスの場合、茶色の炭素膜が光取り出し窓３２に生じたが、分子性ガスに水素希釈一酸化炭素ガスを用いることにより、一酸化炭素が解離して生ずる炭素膜の形成が抑止された。
　さらに、多極磁場の構成を変えて、図８（ａ）に示すように、棒状の磁石４のＳ極・Ｎ極をレース・トラック状に配置したマルチレース型磁場と、図８（ｂ）に示すように、２組の櫛の歯を噛合せたような形に配置した二重櫛型磁場の比較実験を行った。ここでは、窒素ガスを用いた場合のデータのみ示す。
図９に示すように、圧力が下がるにつれ紫外・可視領域ともに発光強度が増し、図９（ａ）に示すマルチレース型磁場の方が、図９（ｂ）に示す二重櫛型磁場より発光強度が数倍強くなった。ここで、図９における■および□印のデータは紫外領域の放射束密度であり、分光放射束密度を波長200nm～380nmの範囲で積分して求めたものである。また、同図における●および○印のデータは可視領域のそれであり、分光放射束密度を波長380nm～780nmの範囲で積分したものである。更に、図９における実線は多極磁場中の場合で、破線は磁場無しの場合である。
本発明を実施した紫外線発生装置の断面図である。 本発明を実施した紫外線発生装置の電源接続図である。 ３種類の分子性ガスによる発光スペクトルの変化を示す図である。 窒素に対する一酸化窒素の濃度による紫外線強度の変化を示す図である。 磁場の有無における圧力による紫外線発光分布を示す図である。 ２種類の分子性ガスによる発光スペクトルの変化を示す図である。 水素に対する一酸化炭素の濃度による紫外線強度の変化を示す図である。 マルチレース・二重櫛型磁場の構成図である。 マルチレース・二重櫛型磁場における圧力による発光分布を示す図である。 一酸化窒素のポテンシャル曲線図である。 主要原子の準安定準位を示す。 主要分子の準安定準位を示す。 ２種類の分子性ガスによる発光スペクトルの変化を示す図で、上図は関連文献4)に示す空気を模擬した窒素・酸素混合ガスの場合を、また下図はＡｒで希釈した一酸化窒素ガスの場合をそれぞれ示す。
　１　　　分割電極
　２　　　バリア層
　３　　　平面容器
　３１　　基板
　３２　　光取り出し窓
　４　　　磁石
　５　　　磁気シールド板
　６　　　１２相交流電源
　ａ　　　間隙
　ｂ　　　蛍光体
　Ｐ　　　プラズマ

Claims (7)

  1. 　弱電離低温プラズマにより放電気体を励起して紫外線を発生するものにおいて、
    　前記放電気体が一酸化窒素と希釈ガスの混合ガスであることを特徴とする紫外線発生装置。
  2. 　前記希釈ガスが化学的に安定なガスであることを特徴とする請求項１記載の紫外線発生装置。
  3. 　前記希釈ガスが一酸化窒素の励起準位より高い準安定準位をもつガスであることを特徴とする請求項１記載の紫外線発生装置。
  4. 　前記希釈ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１記載の紫外線発生装置。
  5. 　前記混合ガスの一酸化窒素濃度が５～５０％であることを特徴とする請求項１記載の紫外線発生装置。
  6. 　前記弱電離低温プラズマを発生するプラズマ発生装置が、
    　平面基板上に僅かな間隙を空けて敷き詰めたｎ枚のシート状の分割電極と、
    　前記分割電極の表面を磁力線で覆うように多極磁場を形成する磁石と、
    　前記分割電極に位相が１／ｎ周期ずつずれて振幅が同じ大きさの放電電気エネルギーを供給する位相制御ｎ相交流電源と、
    から成ることを特徴とする請求項１記載の紫外線発生装置。
  7. 　前記紫外線を蛍光物質に当てて可視光線に変換することを特徴とする照明装置。
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