WO2022044468A1 - エキシマランプ及び光照射装置 - Google Patents

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英昭 柳生
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ウシオ電機株式会社
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    • H01J65/042—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
    • 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 an excimer lamp and a light irradiation device.
  • a light source body using a dielectric barrier discharge (hereinafter referred to as an “excimer lamp”) that emits light by applying a voltage to a light emitting gas enclosed in an arc tube through a dielectric such as quartz glass. )It has been known.
  • Excimer lamps emit short wavelength light that shows a unique emission wavelength depending on the type and combination of emission gas.
  • an excima lamp using argon (Ar), krypton (Kr), or xenon (Xe) as a rare gas as a light emitting gas the rare gas, fluorine (F), chlorine (Cl) as a halogen gas, and the like.
  • An excima lamp using a mixed gas of iodine (I) or bromine (Br) as a light emitting gas is known.
  • An object of the present invention is to provide an excimer lamp having improved illuminance and a light irradiation device including the excimer lamp.
  • the present inventor has found that the illuminance is improved by enclosing a third gas other than the luminescent gas in the discharge container more than the rare gas constituting the luminescent gas. Based on this finding, the present inventor has devised the excimer lamp shown below.
  • the excimer lamp of the present invention is placed in a discharge container.
  • the first gas consisting of krypton (Kr) or xenon (Xe),
  • the amount of the third gas filled in the discharge container indicates that the amount is the same as or larger than the amount of the first gas filled in the discharge container.
  • the third gas enclosed in a large amount promotes the excitation or ionization of the luminescent gas, and as a result, the excitation dimer by the luminescent gas is increased and the illuminance is improved.
  • P b / P lg ⁇ 18.0 May be satisfied.
  • an upper limit may be set for the filling amount of the third gas. That is, by making the total gas partial pressure P b of the third gas 18.0 times or less the gas partial pressure P lg of the first gas, the startability of the excimer lamp due to the excessive filling of the third gas Prevents non-lighting due to deterioration of gas or startability.
  • the first gas may be composed of krypton (Kr), and the second gas may be composed of a gas containing a chlorine atom.
  • Kr krypton
  • An excimer lamp with this configuration produces KrCl * and emits light with a center wavelength of 222 nm.
  • the light irradiation device of the present invention includes the excimer lamp described above.
  • Light irradiation device An embodiment of the light irradiation device of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the light irradiation device shown below is merely an example and can take various forms. It should be noted that the drawings disclosed in the present specification are merely schematically illustrated. That is, the dimensional ratio on the drawing does not always match the actual dimensional ratio, and the dimensional ratio does not always match between the drawings.
  • the extraction direction of the light L1 is the Z direction and the plane orthogonal to the Z direction is the XY plane. More specifically, the pipe axis direction of the excimer lamp 3 is the X direction.
  • a direction when distinguishing between positive and negative directions, it is described with positive and negative signs such as "+ Z direction” and "-Z direction", and the direction is not distinguished between positive and negative directions. When expressing, it is simply described as "Z direction”.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of the light irradiation device.
  • the light irradiation device 10 includes a housing 2 in which a light extraction surface 4 (a region hatched by diagonal lines in FIG. 1) is formed on one surface. Inside the housing 2, an excimer lamp 3 is arranged along the light extraction surface 4. Reflection that reflects the light emitted from the excimer lamp 3 at a position facing the light extraction surface 4 (the ⁇ Z side of the excimer lamp 3 in FIG. 1) with the excimer lamp 3 sandwiched inside the housing 2. A plate (not shown) is provided. The excimer lamp 3 is powered by the power source 5.
  • FIG. 2A is a view when the excimer lamp 3 is viewed from the + Z side toward the ⁇ Z direction
  • FIG. 2B is a view when the excimer lamp 3 is viewed from the ⁇ Y side toward the + Y direction.
  • the excimer lamp 3 has a long discharge container 1 in which a gas 3G, which will be described later, is sealed.
  • the discharge container 1 is composed of hollow flat tubes sealed at both ends in the X direction, preferably a glass tube (for example, quartz glass).
  • the excimer lamp shown here is merely an example, and can take various forms, similar to the above-mentioned light irradiation device.
  • the excimer lamp 3 is provided with a pair of electrodes (6a, 6b) provided on the outer surface (1a, 1b) of the discharge container 1 so as to face each other with the discharge container 1 interposed therebetween. Power is supplied to the pair of electrodes (6a, 6b) from the feeder lines (7a, 7b), respectively. A voltage lower than that of the electrode 6b may be applied to the electrode 6a, and the electrode 6a may be electrically grounded or grounded.
  • the electrodes (6a, 6b) all have a net-like shape. Therefore, the generated light passes through the mesh of the mesh-like electrode 6a and is radiated from the discharge container 1 in the + Z direction.
  • the above-mentioned reflector is on the electrode 6b side, and light is reflected by the reflector and radiated from the discharge container 1 in the + Z direction. The light emitted in the + Z direction is taken out as light L1 from the light taking-out surface 4 (see FIG. 1).
  • Excimer emission The details of the mechanism of excimer light emission will be explained.
  • Excimer generally refers to a polyatomic molecule in an excited state (a metastable state with high energy), and an excited dimer is known as such a polyatomic molecule.
  • Excited dimer is a plasma generated by a dielectric barrier discharge, in which one atom constituting two atoms is excited or ionized and fused with the other atom to form a relatively stable bond potential (metastable state). Produced by forming.
  • Excited dimers include, for example, noble gas dimers such as Xe 2 * (xenon excimer, where * indicates that they are in an excited state), Kr 2 * (Krypton excimer), Ar 2 * (argon excimer).
  • Excimers of dimers and rare gas halides such as KrF * (Krypton fluoride excimer), ArF * (argon fluoride excimer), KrCl * (Krypton chloride excimer), XeCl * (xenon chloride excimer) Plex is known.
  • the discharge container is filled with a first gas, which is a rare gas, and a second gas, which is a halogen gas, as light emitting gases.
  • the first gas comprises krypton (Kr) or xenon (Xe), and the second gas contains a chlorine atom (Cl) or a bromine atom (Br). Therefore, the excimer lamp of the present invention uses KrCl * (main peak wavelength: 222 nm), KrBr * (main peak wavelength: 207 nm), XeCl * (main peak wavelength: 308 nm), or XeBr * (main peak wavelength: 282 nm). Ultraviolet rays that form and have a peak at a unique emission wavelength are emitted.
  • the present inventor increases the amount of luminescent gas (first gas and second gas) constituting the excited dimer in order to increase the excited dimer, that is, to increase the gas pressure of the luminescent gas. I thought.
  • the startability is the amount of time lag from the start of the starting operation (start of application to the electrode) to the emission of light having a constant illuminance.
  • start of the starting operation start of application to the electrode
  • the time lag is small, it means that the startability is excellent, and when the time lag is large, it means that the startability is deteriorated.
  • the gas pressure of the luminescent gas is further increased, the light may not be turned on even if the starting operation is started. This is considered to be based on Paschen's law.
  • the third gas is a buffer gas that does not easily form an excited dimer in the discharge space.
  • a noble gas lighter and smaller than the atomic mass and atomic size of the rare gas (first gas) constituting the light emitting gas is used.
  • the third gas is a single or mixed gas selected from at least one group consisting of argon (Ar), neon (Ne) and helium (He).
  • the third gas is the same noble gas as the first gas, but due to the difference in atomic mass, the third gas causes little or substantially no light emission effect.
  • the principle that brings about the action by enclosing a large amount of the third gas is not clear, but it is considered as follows.
  • the third gas has a higher excitation energy than the first gas, and has a feature of maintaining a metastable state for a long time by excitation. Therefore, by enclosing the third gas and increasing the gas pressure of the entire discharge container, the luminescent gas collides with the atoms constituting the excited third gas, and the excitation or ionization of the luminescent gas is promoted, and as a result. It is considered that the illuminance was improved by increasing the excitation dimer by the luminescent gas.
  • the excimer lamp filled with the third gas does not contain the third gas. It has better startability than lamps.
  • the suitable partial pressure of the buffer gas that is, the filling amount of the buffer gas, varies depending on the partial pressure of the luminescent gas (particularly, the first gas). Therefore, a plurality of excimer lamps 9 capable of enclosing luminescent gas inside the hollow cylindrical tube 11 shown in FIG. 3 are prepared, and the total gas partial pressure P b of the third gas is enclosed in different samples for each sample.
  • Excimer lamps (sample numbers 1 to 9) having a partial pressure ratio (P b / P lg ) were prepared. Then, the excimer lamp of each sample number was turned on, and the illuminance of each sample was measured. Table 1 shows the illuminance measurement results of each sample (excimer lamp) having a total gas partial pressure of the unique third gas or a partial pressure ratio to the first gas.
  • the electrodes of the excimer lamp 9 shown in FIG. 3 will be described.
  • Two electrode blocks (16a, 16b) are arranged in contact with each other on the outer surface of the cylindrical tube 11.
  • the two electrode blocks (16a, 16b) are electrically connected to a feeder line (not shown), and form an electrode for feeding power to the excimer lamp 9.
  • a dielectric barrier discharge is generated and excimer light is emitted.
  • An illuminance sensor (VUV-S172 manufactured by Ushio Electric Co., Ltd.) is attached at a position 68 mm away from the outer surface of the cylindrical tube 11 of the excimer lamp 9, and an illuminance meter (UTI-250 manufactured by Ushio Electric Co., Ltd.) is used. Illuminance was obtained by measuring the light emitted from the excimer lamp 9.
  • the gas partial pressure Plg of the first gas is set to 8.0 kPa and the partial pressure of the second gas is set to 0.067 kPa.
  • the excimer lamps of all the samples are filled with krypton (Kr) as the first gas, chlorine gas (Cl 2 ) as the second gas, and neon (Ne) as the third gas.
  • FIG. 4 is a scatter plot plotting the relationship between the voltage division ratio (P b / P lg ) and the illuminance (unit: mW / cm 2 ) for each sample in Table 1.
  • This scatter plot shows approximate lines based on the plotted points. The numbers near the plot in this scatter plot indicate the sample numbers in Table 1. From sample numbers 1 to 3, it can be seen that the illuminance is improved as the voltage division ratio (P b / P lg ) increases. In sample numbers 4 to 9, it can be seen that the illuminance does not improve so much even if the voltage division ratio (P b / P lg ) is increased.
  • the partial pressure ratio (P b / P lg ) of the total gas partial pressure P b of the third gas to the gas partial pressure P lg of the first gas 1.0 ⁇ P b / P lg ... (1) Set to satisfy the formula (1).
  • the total gas partial pressure P b of the third gas is set to be equal to or higher than the gas partial pressure P lg of the first gas.
  • the third gas is filled in more than the noble gas constituting the light emitting gas.
  • the illuminance level of 4.0 mW / cm 2 or more was maintained.
  • the total gas partial pressure P b of the third gas having a gas partial pressure P lg or higher of the first gas is a minute. It can be said that it is a value having a critical significance that an illuminance close to the maximum illuminance when the pressure ratio is changed can be obtained.
  • the life of the light source (the time during which light can be emitted at a illuminance higher than the specified value) is also improved along with the improvement in illuminance.
  • the composition of the luminescent gas an excimer lamp whose life is about two to three times longer than that of an excimer lamp containing no third gas has also been confirmed. It is presumed that this is because the consumption of chlorine was prevented by enclosing a large amount of the third gas. It is considered that by increasing the filling amount of the third gas, the probability that the excited chlorine collides with the third gas increases, and the probability that the excited chlorine is driven into the discharge container is reduced. From this tendency, the life of the excimer lamp tends to be improved as the filling amount of the third gas increases.
  • the third gas is easier to maintain good startability than the first gas, which is a light emitting gas, but the amount of the third gas to be filled is also limited.
  • excimer lamps sample numbers 11 to 23 having a unique partial pressure ratio (P b / P lg ) by making the total gas partial pressure P b of the third gas different for each sample are prepared and turned on. The results of measuring the startability of each sample are shown.
  • the startability in Table 2 when the start delay time is within 5 seconds, it is described as "A”, and when the start delay time exceeds 5 seconds and is within 10 seconds, it is described as "B” and the start is started. When the delay time exceeds 10 seconds, it is described as "C”.
  • the gas partial pressure Plg of the first gas is set to 8.0 kPa and the partial pressure of the second gas is set to 0.067 kPa.
  • the excimer lamps of all the samples are filled with krypton (Kr) as the first gas, chlorine gas (Cl 2 ) as the second gas, and neon (Ne) as the third gas.
  • Kr krypton
  • Cl 2 chlorine gas
  • Ne neon
  • a start auxiliary light source or the like for eliminating the start delay is not used.
  • the startability of the light irradiation device is A or B. in short, P b / P lg ⁇ 18.0 ... (2) It is good to satisfy. By satisfying the equation (2), it is possible to prevent the excimer lamp from deteriorating the startability or non-lighting due to the deterioration of the startability.
  • the startability of the light irradiation device is A. in short, P b / P lg ⁇ 10.0 ... (3) It is good to satisfy. By satisfying the equation (3), the startability can be improved.
  • the excimer lamp can be used or the startability can be improved by increasing the applied voltage of the electrode or using a start auxiliary light source or the like to eliminate the start delay. May be enhanced.
  • the excimer lamp 3 described above uses a first gas made of krypton (Kr) and a second gas made of chlorine gas (Cl 2 ) as luminescent gas, it produces KrCl * and emits light having a center wavelength of 222 nm. do. Light of this wavelength has features such as being harmless to the human body and having a bactericidal action.
  • Kr krypton
  • Cl 2 chlorine gas
  • xenon gas (Xe gas) may be used instead of krypton gas (Kr gas).
  • the second gas may be, for example, bromine gas (Br 2 gas) or hydrogen chloride gas (HCl gas). Even if the gas types constituting the first gas and the second gas are different from the above, the same tendency as described above is shown.
  • any of argon (Ar), neon (Ne), and helium (He) may be used.
  • Ar argon
  • Ne neon
  • He helium
  • its atomic mass and atomic size are lighter and smaller than the atomic mass and atomic size of the first gas, which is a rare gas constituting the luminescent gas.
  • argon (Ar) When argon (Ar) is used as the third gas, the atomic size is larger than that of neon (Ne) and helium (He), so the probability of collision with excited chlorine tends to be high. Therefore, when argon (Ar) is used as the third gas, the life characteristics are more likely to be improved.
  • the penning effect is more likely to work than when argon (Ar) or helium (He) is used. This is because the semi-stable excitation energy of neon (Ne) is higher than the ionization energy of krypton (Kr) and xenon (Xe), and krypton (Kr) and xenon (Xe) are higher than argon (Ar) and helium (He). Because it is close to.
  • He helium
  • it is less likely to inhibit the excited states of the rare gas and halogen constituting the luminescent gas as compared with argon (Ar) and neon (Ne). This is because the excitation energy of helium (He) is higher than that of argon (Ar) or neon (Ne).
  • the third gas may be a mixed gas in which a plurality of gases are mixed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-described embodiment is not deviated from the gist of the present invention. Can be modified or improved in various ways.
  • the excimer lamp may have a shape or size other than the above-mentioned shape, and the structure of the lamp house or the electrode may be different from that of the above-mentioned light irradiation device 10 in the light irradiation device.
  • the excimer lamp may contain a gas other than the above-mentioned first gas, second gas and third gas to the extent that the excimer light emission is not significantly hindered.

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Abstract

照度の向上を図ったエキシマランプを提供する。　エキシマランプは、放電容器内に、クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上の全ガス分圧Ｐｂを呈する第三ガスと、を封入している。

Description

エキシマランプ及び光照射装置
　この発明は、エキシマランプ及び光照射装置に関する。
　従来、発光管内に封入された発光ガスに対して石英ガラス等の誘電体を介して電圧を印加することで発光させる、誘電体バリア放電を利用した光源体（以下、「エキシマランプ」と称する。）が知られている。
　エキシマランプは、発光ガスの種類や組み合わせによって、特有の発光波長を示す短波長の光を放射する。例えば、希ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、又はキセノン（Ｘｅ）を発光ガスとして利用したエキシマランプや、前記希ガスと、ハロゲンガスとしてのフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、ヨウ素（Ｉ）又は臭素（Ｂｒ）との混合ガスを発光ガスとして利用したエキシマランプが知られている。
特開平７－１４５５６号公報 特開２００９－１６３９６５号公報
　近年、エキシマランプを搭載した光照射装置の需要が高まりつつあり、エキシマランプが使用される場面も広がりを見せている。それに伴い、エキシマランプの照度の向上が市場より要請されている。本発明の目的は、照度を向上させたエキシマランプ、および当該エキシマランプを備える光照射装置を提供することにある。
　詳細は後述するが、本発明者は、鋭意研究の結果、放電容器内に発光ガス以外の第三ガスを、発光ガスを構成する希ガス以上に封入すると、照度が向上することを見出した。本発明者は、この見出した知見に基づき、以下に示すエキシマランプを案出した。
　本発明のエキシマランプは、放電容器内に、
　クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、
　塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、
　アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上の全ガス分圧Ｐｂを呈する第三ガスと、を封入している。
　本発明のエキシマランプにおいて、放電容器内に第三ガスを封入した量は、放電容器内に第一ガスを封入した量と同じか、それよりも多いことを表す。これは、発光に寄与しない第三ガスを第一ガス以上となるよう多量に封入させることで、発光ガスである第一ガスと第二ガスの発光に良い影響を与えるという、特徴的な知見を得たことに基づいている。特に、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）、第二ガスとして塩素（Ｃｌ）又は臭素（Ｂｒ）が含まれた発光ガスの放電現象において、優れた効果を与える知見を得た。詳細は後述するが、多量に封入された第三ガスが、発光ガスの励起又はイオン化を促進し、その結果、発光ガスによる励起二量体を増やし、照度が向上したと考察される。
　また、Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１８．０
を満たしても構わない。始動性の観点から、第三ガスの封入量に上限を設けても構わない。つまり、第三ガスの全ガス分圧Ｐｂを、前記第一ガスのガス分圧Ｐｌｇの１８．０倍以下にすることで、過剰な第三ガスの封入に伴う、エキシマランプの始動性の悪化又は始動性の悪化に伴う不点灯を防ぐ。
　また、Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１０．０
を満たしても構わない。これにより、エキシマランプの始動性を向上させることができる。
　前記第一ガスはクリプトン（Ｋｒ）から構成され、前記第二ガスは、塩素原子を含むガスから構成されても構わない。この構成を備えるエキシマランプは、ＫｒＣｌ＊を生成し、中心波長が２２２ｎｍの光を放射する。
　本発明の光照射装置は、上述したエキシマランプを備える。
　これにより、照度を向上させたエキシマランプ、および当該エキシマランプを備える光照射装置を提供できる。
光照射装置の外観を模式的に示す斜視図である。 エキシマランプを＋Ｚ側から－Ｚ方向に向かって見たときの図である。 エキシマランプを－Ｙ側から＋Ｙ方向に向かって見たときの図である。 照度計測に使用したエキシマランプの模式図である。 第三ガスの全ガス分圧の、第一ガスのガス分圧に対する分圧比と、照度との関係をプロットした散布図である。
［光照射装置］
　図１を参照しながら、本発明の光照射装置の一実施形態を説明する。以下に示す光照射装置は、あくまでも一例にすぎず、多様な形態を採り得る。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
　以下の図では、光Ｌ１の取り出し方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とした、Ｘ－Ｙ－Ｚ座標系を参照して説明される。より詳細には、エキシマランプ３の管軸方向をＸ方向としている。方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｚ方向」、「－Ｚ方向」のように、正負の符号を付して記載され、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｚ方向」と記載される。
　図１は、光照射装置の外観を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、光照射装置１０は、ひとつの面に光取り出し面４（図１において、斜線でハッチングされた領域）が形成された筐体２を備える。筐体２に囲われた内部には、エキシマランプ３が光取り出し面４に沿って配置されている。筐体２の内部において、エキシマランプ３を挟んで、光取り出し面４に対向する位置（図１における、エキシマランプ３の－Ｚ側）には、エキシマランプ３より放射された光を反射する反射板（不図示）が設けられている。エキシマランプ３は、電源５より給電される。
［エキシマランプ］
　図２Ａは、エキシマランプ３を＋Ｚ側から－Ｚ方向に向かって見たときの図であり、図２Ｂは、エキシマランプ３を－Ｙ側から＋Ｙ方向に向かって見たときの図である。図２Ｂに示すように、エキシマランプ３は、長尺状の放電容器１の内部に、後述するガス３Ｇが封入されている。放電容器１は、Ｘ方向両端部の封止された中空の扁平管で構成され、好ましくはガラス管（例えば、石英ガラス）で構成される。ここで示したエキシマランプは、上述した光照射装置と同様に、あくまでも一例にすぎず、多様な形態を採り得る。
　エキシマランプ３は、放電容器１の外表面（１ａ，１ｂ）に、放電容器１を挟んで互いに対向するように設けられた一対の電極（６ａ，６ｂ）を備える。一対の電極（６ａ，６ｂ）には、それぞれ、給電線（７ａ，７ｂ）より電力が供給される。電極６ａには、電極６ｂよりも低電圧が印加されてもよく、電極６ａは電気的に接地又はアースされていてもよい。
　電源５から給電線（７ａ，７ｂ）を通じて電力を電極（６ａ，６ｂ）に供給すると、放電容器１を挟む両電極（６ａ，６ｂ）間で誘電体バリア放電によるプラズマが生じる。プラズマは、ガス３Ｇを構成する原子を励起してエキシマ状態となり、この原子が基底状態に移行する際にエキシマ発光する。このエキシマ発光が、特有の発光波長を示す光である。
　図２Ａに示すように、電極（６ａ，６ｂ）は、いずれも網状を呈する。よって、生成された光は、網状の電極６ａの網目を通り、放電容器１から＋Ｚ方向に放射される。電極６ｂ側には上述した反射板があり、当該反射板で光を反射して、放電容器１から＋Ｚ方向に放射される。＋Ｚ方向に放射された光は、光取り出し面４から光Ｌ１として取り出される（図１参照）。
［エキシマ発光］
　エキシマ発光の仕組みの詳細を説明する。エキシマ（Ｅｘｃｉｍｅｒ）とは、一般に励起状態（エネルギーの高い準安定状態）にある多原子分子のことを指し、斯かる多原子分子として、励起二量体が知られている。励起二量体は、誘電体バリア放電により生じたプラズマで、二つの原子を構成する一方の原子が励起又はイオン化され、他方の原子と融合し比較的安定な結合性ポテンシャル（準安定状態）を形成することによって生成される。
　励起二量体には、例えば、Ｘｅ２ ＊（キセノンエキシマ。ここで、＊は励起状態にあることを表す）、Ｋｒ２ ＊（クリプトンエキシマ）、Ａｒ２ ＊（アルゴンエキシマ）などの希ガス二量体や、ＫｒＦ＊（フッ化クリプトンエキシプレックス）、ＡｒＦ＊（フッ化アルゴンエキシプレックス）、ＫｒＣｌ＊（塩化クリプトンエキシプレックス）、ＸｅＣｌ＊（塩化キセノンエキシプレックス）などの、希ガスハロゲン化物のエキシプレックスが、知られている。
　これらの励起二量体は、きわめて不安定な化合物であるため、短時間でエネルギーの低い状態に戻り、解離して、最終的に安定な状態（基底状態）の原子に戻る。このとき、開放されるエネルギー（Ｅ）が、固有の波長（ν）を有する光（エキシマ光；ν＝Ｅ／ｈ）として、放射される（ｈ：プランク定数）。
　励起二量体が希ガスハロゲン化物のエキシプレックスである場合、放電容器には、希ガスである第一ガスとハロゲンガスである第二ガスとが、発光ガスとして封入されている。
　本発明において、第一ガスは、クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなり、第二ガスは、塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む。よって、本発明のエキシマランプは、ＫｒＣｌ＊（主たるピーク波長：２２２ｎｍ）、ＫｒＢｒ＊（主たるピーク波長：２０７ｎｍ）、ＸｅＣｌ＊（主たるピーク波長：３０８ｎｍ）、またはＸｅＢｒ＊（主たるピーク波長：２８２ｎｍ）を形成し、特有の発光波長にピークを有する紫外線が放射される。
　本発明のエキシマランプの照度を向上させるには、放電空間内の励起二量体、すなわち、希ガスハロゲン化物のエキシプレックスを増やすことが有効である。本発明者は、当初、励起二量体を増やすために、励起二量体を構成する発光ガス（第一ガス及び第二ガス）の量を増やすこと、すなわち、発光ガスのガス圧を高めることを考えた。
　しかしながら、発光ガスのガス圧を高めると、始動性が悪化しやすいことが判明した。始動性とは、始動動作の開始（電極への印加開始）から、一定照度の光を放射するまでの時間のずれ量のことである。この時間のずれ量が小さいと始動性に優れていることを表し、この時間のずれ量が大きいと始動性が悪化することを表す。また、発光ガスのガス圧をさらに高めると、始動動作を開始しても点灯しないこともある。これは、パッシェンの法則に基づくものと考察される。
［緩衝ガス］
　上記事情を踏まえて、本発明者がさらに鋭意研究を重ねた結果、放電容器に、発光ガスではない第三ガスを多量に封入することに到った。第三ガスとは、放電空間において励起二量体を形成しにくい緩衝ガスである。この緩衝ガスとして、発光ガスを構成する希ガス（第一ガス）の原子質量及び原子の大きさよりも、軽く小さい希ガスを使用する。
　具体的には、第三ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つから選択される、単独又は混合のガスである。第三ガスは、第一ガスと同じ希ガスであるが、原子質量の違いから、第三ガスが発光作用をもたらすことは、僅かであるか、または実質的にない。
　第三ガスを多量に封入させることによる作用をもたらす原理は、定かではないが、次のように考察する。緩衝ガスを封入することにより、発光ガスを構成する第一ガスと第二ガスの分圧比を変えることなく、放電容器全体のガス圧を高める。そして、第三ガスは、第一ガスに比べて高い励起エネルギーを有し、励起によって準安定状態を長時間維持するという特徴を有する。そのため、第三ガスを封入して放電容器全体のガス圧を高めることにより、発光ガスが、励起された第三ガスを構成する原子に衝突し、発光ガスの励起又はイオン化を促進させ、その結果、発光ガスによる励起二量体を増やし、照度が向上したと考察する。
　つまり、第三ガスを封入することにより、励起又はイオン化された原子が他の原子と融合する機会が増加し、励起二量体が増加する。励起二量体の増加により照度が向上する。また、第三ガスは、発光ガスに比べて、電極への印加初期段階においても励起二量体の形成効果が高いことから、第三ガスを封入したエキシマランプは、第三ガスを封入しないエキシマランプに比べて、始動性に優れている。
［照度］
　緩衝ガスの好適な分圧、つまり、緩衝ガスの封入量は、発光ガス（特に、第一ガス）の分圧によって変わる。そこで、図３に示す中空の円筒管１１の内部に発光ガスを封入可能なエキシマランプ９を複数用意し、試料ごとに第三ガスの全ガス分圧Ｐｂを異ならせて封入し、固有の分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）としたエキシマランプ（試料番号１～９）を準備した。そして、各試料番号のエキシマランプを点灯させて、それぞれの試料の照度を計測した。表１は、固有の第三ガスの全ガス分圧、または、第一ガスに対する分圧比を有する各試料（エキシマランプ）の照度計測結果を示す。
　図３に示すエキシマランプ９の電極について説明する。円筒管１１の外表面には、二つの電極ブロック（１６ａ，１６ｂ）が接触して配置されている。二つの電極ブロック（１６ａ，１６ｂ）は、不図示の給電線と電気的に接続されており、エキシマランプ９に対して給電するための電極を構成する。この二つの電極に印加すると、誘電体バリア放電が発生し、エキシマ光が放射される。
　エキシマランプ９の円筒管１１の外表面から６８ｍｍ離れた位置に照度センサ（ウシオ電機株式会社製のＶＵＶ－Ｓ１７２）を取り付けて、照度計（ウシオ電機株式会社製のＵＴＩ－２５０）を用いて、エキシマランプ９から放射された光を計測することにより、照度を得た。
　全ての試料のエキシマランプは、第一ガスのガス分圧Ｐｌｇを８．０ｋＰａ、第二ガスの分圧を０．０６７ｋＰａに設定されている。そして、全ての試料のエキシマランプには、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）が、第二ガスとして塩素ガス（Ｃｌ２）が、第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）が封入されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図４は、表１の各試料について、分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）と照度（単位：ｍＷ／ｃｍ２）との関係をプロットした散布図である。この散布図には、プロットした点に基づく近似線を記載した。この散布図中のプロット近傍の数字は、表１中の試料番号を示す。試料番号１～３により、分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）の増加に伴い、照度が向上している様子が分かる。試料番号４～９では、分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）を増加させても、あまり照度が向上しない様子が分かる。
　図４に基づいて、第三ガスの全ガス分圧Ｐｂの第一ガスのガス分圧Ｐｌｇに対する分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）について、
　１．０　≦　Ｐｂ／Ｐｌｇ　・・・（１）
（１）式を満たすように設定する。言い換えると、第三ガスの全ガス分圧Ｐｂを、第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上となるように設定する。
　つまり、第三ガスを、発光ガスを構成する希ガス以上に封入する。これにより、４．０ｍＷ／ｃｍ２以上の照度水準が維持された。言い換えれば、放電容器内に封入される発光ガス（希ガスとハロゲン）の励起二量体が形成されやすい、最適な状態を形成できたといえる。ここで、第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上の第三ガスの全ガス分圧Ｐｂ（すなわち、分圧比Ｐｂ／Ｐｌｇが１．０であるときのＰｂの値）は、分圧比を変化させた場合における最大照度に近い照度を得ることのできる、臨界的意義を有する値であるといえる。
　また、照度の向上に付随して、光源の寿命（規定以上の照度で発光できる時間）も向上することが判明した。例えば、発光ガスの成分にもよるが、第三ガスの含まれていないエキシマランプに対して、寿命が２～３倍程度に向上するエキシマランプも確認された。これは、第三ガスを多量に封入することによって、塩素の消費が防止されたものと推察される。第三ガスの封入量を多くすることにより、励起された塩素が第三ガスと衝突する確率が増え、励起された塩素が放電容器に打ち込まれる確率を減らすためと考えられる。この傾向から、第三ガスの封入量が増加するにつれて、エキシマランプの寿命が改善されやすい。
［始動性］
　第三ガスは、発光ガスである第一ガスに比べて、始動性を良好に保ちやすいものの、第三ガスの封入量にも限界がある。表２は、試料ごとに第三ガスの全ガス分圧Ｐｂを異ならせて、固有の分圧比（Ｐｂ／Ｐｌｇ）としたエキシマランプ（試料番号１１～２３）を準備し、点灯させて、それぞれの試料の始動性を計測した結果を示している。表２における始動性について、始動遅れ時間が５秒以内である場合は「Ａ」と表記し、始動遅れ時間が５秒を超えて１０秒以内である場合は、「Ｂ」と表記し、始動遅れ時間が１０秒を超える場合は、「Ｃ」と表記している。
　全ての試料のエキシマランプは、第一ガスのガス分圧Ｐｌｇを８．０ｋＰａ、第二ガスの分圧を０．０６７ｋＰａに設定されている。そして、全ての試料のエキシマランプには、第一ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）を、第二ガスとして塩素ガス（Ｃｌ２）を、第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）を封入されている。なお、始動性の計測実験にあたり、始動遅れを解消する始動補助光源等を使用していない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２より、光照射装置の始動性がＡ又はＢであると、好ましい。つまり、
　　Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１８．０　　・・・（２）
を満たすようにするとよい。（２）式を満たすことにより、エキシマランプの始動性の悪化又は始動性の悪化に伴う不点灯を防ぐことができる。
　Ｐｂ／Ｐｌｇが１８．０より大きい場合には、第一ガスのガス分圧Ｐｌｇが第三ガスの全ガス分圧Ｐｂに比べて過少となり、第一ガスの励起又はイオン化のためのエネルギーが、緩衝ガス（第三ガス）に過剰に奪われて、始動性が悪化すると考察される。
　光照射装置の始動性がＡであると、さらに好ましい。つまり、
　　Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１０．０　　・・・（３）
を満たすようにするとよい。（３）式を満たすことにより、始動性を向上させることができる。
　なお、始動性がＣ又はＢであったとしても、電極の印加電圧を高めたり、始動遅れを解消する始動補助光源等を使用したりすることで、当該エキシマランプを使用できる場合や始動性を高められる場合がある。
　上述のエキシマランプ３は、発光ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）からなる第一ガスと、塩素ガス（Ｃｌ２）からなる第二ガスを使用したため、ＫｒＣｌ＊を生成し、中心波長が２２２ｎｍの光を放射する。この波長の光は、人体に無害である一方で殺菌作用を有するなどの特長を有する。
　第一ガスには、クリプトンガス（Ｋｒガス）に代えて、キセノンガス（Ｘｅガス）を使用しても構わない。第二ガスには、例えば、臭素ガス（Ｂｒ２ガス）でも、塩化水素ガス（ＨＣｌガス）でも構わない。第一ガス、第二ガスを構成するガス種が上記と異なったとしても、上記と同様の傾向を示す。
　第三ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）のいずれを使用しても構わない。いずれのガスにしても、その原子質量及び原子の大きさは、発光ガスを構成する希ガスである第一ガスの原子質量及び原子の大きさよりも、軽く小さい。
　第三ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いる場合は、ネオン（Ｎｅ）やヘリウム（Ｈｅ）と比較して原子サイズが大きいため、励起された塩素との衝突確率が高くなりやすい。そのため、第三ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いると、寿命特性がより改善されやすい。
　第三ガスとしてネオン（Ｎｅ）を用いる場合は、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）を用いる場合に比べて、ペニング効果がより働きやすい。これは、ネオン（Ｎｅ）の準安定励起エネルギーが、クリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）の電離エネルギーより高く、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）よりも、クリプトン（Ｋｒ）やキセノン（Ｘｅ）に近いためである。
　第三ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）を用いる場合は、アルゴン（Ａｒ）やネオン（Ｎｅ）と比べて、発光ガスを構成する希ガスとハロゲンの励起状態を阻害させにくい。これは、ヘリウム（Ｈｅ）の励起エネルギーが、アルゴン（Ａｒ）やネオン（Ｎｅ）と比べて高いためである。
　以上のように、状況に応じて第三ガスの種類を選択する。また、上記に基づき、第三ガスは、複数のガスを混合する混合ガスである場合としてもよい。
　以上で、エキシマランプと光照射装置の実施形態の一例を説明したが、本発明は上記した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記の実施形態に種々の変更又は改良を加えることができる。
　例えば、エキシマランプは、上述した形状以外の形状や大きさでも構わないし、光照射装置において、ランプハウスや電極の構造が、上述した光照射装置１０のものと異なっていても構わない。また、エキシマランプに、上述した第一ガス、第二ガス及び第三ガスの以外のガスを、エキシマ発光を大きく妨げない程度に含んでいても構わない。
１　　：放電容器
２　　：筐体
３，９：　　エキシマランプ
４　　：光取り出し面
５　　：電源
６ａ，６ｂ：　　電極
７ａ，７ｂ：給電線
１０　：光照射装置
１１　：円筒管
１６ａ，１６ｂ：電極ブロック
Ｌ１　　：光
Ｐｌｇ　　：第一ガスのガス分圧
Ｐｂ　　：第三ガスの全ガス分圧
 

Claims (5)

  1. 　放電容器内に、
    　クリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）からなる第一ガスと、
    　塩素原子（Ｃｌ）又は臭素原子（Ｂｒ）を含む第二ガスと、
    　アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）及びヘリウム（Ｈｅ）から構成される群から少なくとも一つ選択され、かつ、前記第一ガスのガス分圧Ｐｌｇ以上の全ガス分圧Ｐｂを呈する第三ガスと、
    　が封入されていることを特徴とする、エキシマランプ。
  2. 　　Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１８．０
    　を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のエキシマランプ。
  3. 　　Ｐｂ／Ｐｌｇ　≦　１０．０
    　を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のエキシマランプ。
  4. 　前記第一ガスはクリプトン（Ｋｒ）から構成され、前記第二ガスは塩素原子を含むガスから構成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のエキシマランプ。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載のエキシマランプを備える、光照射装置。
     
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