JP2823637B2 - 高出力ビーム放射装置 - Google Patents

高出力ビーム放射装置

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JP2823637B2 JP2044687A JP4468790A JP2823637B2 JP 2823637 B2 JP2823637 B2 JP 2823637B2 JP 2044687 A JP2044687 A JP 2044687A JP 4468790 A JP4468790 A JP 4468790A JP 2823637 B2 JP2823637 B2 JP 2823637B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えば紫外線ビームを放射するための高出
力ビーム放射装置であって、該高出力放射装置は放電条
件の下にビームを送出する充てんガスで満たされた放電
室を備え、該放電室の壁は第１の管状誘電体と第２の誘
電体とにより形成されており、該第１の管状誘電体は放
電室とは反対側の誘電体表面に第１の電極を備え、さら
に第２の誘電体は第２の電極を備え、さらに前記高出力
ビーム放射装置は、該第１のおよび第２の電極へ接続さ
れている、放電に対する給電用の交流電流源を備えてい
る形式の高出力ビーム放射装置に関する。この場合、本
発明は、例えばヨーロッパ特許公報第A054111号、米国
特許出願公開公報第07/076926号公報に、またはヨーロ
ッパ特許出願公開公報第88113593.3（22.08.1988）また
は米国特許出願公開公報第07/260869号（2.10.1988）に
も示されている公知技術にも関連する。
技術的背景および従来技術 産業界における光化学的方法の使用は、適切な紫外線
UV源の提供に実質的に依存する。代表的なUV放射装置
は、低いUV強度から中程度のUV強度を、2,3の離散的な
波長において供給する、例えば水銀低圧ランプは185nm
で特に254nmで、供給する。実際には高いUV出力を、高
圧ランプ（Xe,Hg）だけから得ている。しかしこの場合
この高圧ランプはそのビームをより高い波長領域にわた
り割り当てている。新規なエクサイマ（Excimer）レー
ザはいくつかの新たな波長を光化学上の基礎実験用に供
給してはいるが、現在ではコスト上の理由から産業上の
作業に対しては例外的にしか適さない。冒頭に述べたヨ
ーロッパ特許出願において、または会議刊行物“NeueUV
−und VUV Excimerstrahler"U.KogelschatzB.Eliasson
著,Gesellschaft Deutscher Chemikerの10番目の講演会
で刊行、Fachgruppe Photochemie,inWrzburg（BRD）1
8.−20.November1987、にも、新規なエクサイマが記載
されている。この新しい放射装置機種は、エクサイマ・
ビーム放射をサイレント放電においても実施できるよう
にした基本構成にもとづく、即ちオゾン発生において技
術的に広く使用される放電機種にもとづいている。短い
時間（＜１マイクロセカンド）内にだけ存在する、この
放電の電流アーク中で、電子衝突により希ガス原子が励
起され、これが、励起され分子錯化合物（エクサイミー
レン Excimieren）に次々に反応する。このエクサイミ
ーレンは数100ナノセカンドの寿命しかなく、さらに規
道遷移の際にその束縛エネルギをUVビームとして放出す
る。
この種のエクサイマ放射装置の構成は、電流供給にい
たるまで実質的に、代表的なオゾン発生器に相応する。
しかし実質的な相違は、放電室を区画する電極の少なく
とも一つがおよび／または誘電体層の少なくとも一つ
が、発生ビームを透過させてしまう。
前述の高出力ビーム放射装置は、次の制約の下で、高
い効率、経済的な構造により特徴づけられていて、大型
の面形式放射装置の提供を可能とする、即ち面積の大き
い平面放射装置は、多くの技術的費用を必要としてしま
う制約がある。これに対して円形の放射装置の場合は、
内部電極のシャドウ効果によるビームの無視出来る部分
が利用できない。
発明の解決すべき問題点 従来技術を基にして本発明の課題は、例えば高い効率
により特徴づけられ、経済的に製造が可能で著しく大型
の面形式ビーム放射装置の構成を可能とし、かつ内部電
極のシャドウ効果が最小に低減されるような、たとえば
紫外線ビームまたは真空紫外線ビームを発生するための
高出力のビーム放射装置を提供することである。
問題点を解決するための手段 この課題は冒頭に述べた形式の高出力ビーム放射装置
において、本発明により次のようにして解決されてい
る。即ち冒頭に述べた上位概念の高出力ビーム放射装置
において、第１の電極が外側の管状誘電体の外周面に被
着されており、第１の管状誘電体の内部に誘電体材料か
ら成るロッドが偏心的に設けられており、該ロッドの内
部に導電体が挿入されているまたは埋め込まれており、
該導電体が第２の電極を構成することにより、解決され
ている。
例えば石英ガラスから成るロッドの外径は、外側の管
の内径の５分の１から10分の１の値にされている。
多くの場合、ビームを、例えば表面を照射するため
に、１つの方向へ取り出すことが所望される。この目的
のための理想的な放電の幾何学的寸法は、裏側で反射さ
れる面形式のビーム放射装置（例えばヨーロッパ特許第
0254111号）に示されている。平らな石英セルの製造は
多くの技術作業および相応の高いコストを伴う。放電を
放電ギャップにおいて非一様に配分すると、放射の優先
方向が得られる。このことは誘電体ロッドの偏心的配置
により著しく簡単に実施できる。この構成により、電気
放電を、最適なビームを取り出すべき側においてだけ、
優先的に実施できる。
外側の誘電体管の周全体にわたり外側電極を取り付け
るのではなく、裏側の部分的な蒸着層またはコーティン
グ層で十分であり、この場合この層は電極としてかつ同
時に反射器として用いられる。良好に蒸着されかつ高い
紫外線反射作用も有する材料として、適切な保護層（ア
ルマイト化されたMgF2層）の設けられた高い紫外線反射
作用を有するアルミニウムが用いられる。
複数個のこの種の偏心的な放射装置を、大きい面の照
射用に適したブロック体に、容易に組み合わせることが
できる。アルミニウムブロックにおける（半円筒状の）
切欠は、石英放電管のためのとしてかつ同時に（アー
ス）電極としてさらに反射器として用いられる。任意の
個数のこの種の放電管を、内部電極を共通の交流電圧源
に接続することにより、並列に接続することができる。
特別な適用の場合、種々異なる充てんガスを有する複数
個の管をしたがって種々異なる（紫外線）波長を有する
管を組み合わせることができる。前述のアルミニウムブ
ロックは必ずしも平らな表面を有する必要がない。円筒
状の配置を設けることも可能であり、この場合は放電管
の収容のための切欠は、外側かまたは内側に設けられ
る。
一層高い出力の場合は、例えば付加的に冷却チャンネ
ルを設けて、アルミニウムブロックを冷やすことができ
る。例えば内部電極を冷却チャンネルとして形成するこ
とにより、個々の気体放電管を付加的に冷やすこともで
きる。
表面のUV処理およびUVカラーおよびUVラッカの硬化の
場合、所定の場合は、空気中で作業させないと有利であ
る。空気の除去の下でのUV操作が適切と考えられる２つ
の理由がある。第１の理由は、ビームの波長が短かい
（波長＜190nm）ため空気により吸収されて弱められて
しまうからである。このビームは酸素の分解を即ち不所
望なオゾン発生を生ぜさせる。第２の理由は、UVビーム
の所期の光化学作用が酸素の存在により妨げられる（酸
素による阻害）からである。このことはラッカおよびカ
ラーの例えば光による分子結合（UV重合、UV脱水）の場
合に、現われる。これらの反応過程はそれ自体は知られ
ており、例えば刊行物“U.V.and E.B.Curing Formulati
on for Printing Ink,Coatings and Paints",1988,SITA
−Technology,203 Gardiner House,Broomhill Road,Lon
donSW18,89−91頁に示されている。この場合に本発明に
よる構成においては、UVを透過させるガスを例えばちっ
素またはアルゴンを処理室の中へ案内するための手段が
設けられている。第１電極が、例えば請求項５に示され
ているように、溝の設けられた金属ブロックから構成さ
れている時は、この種のガス案内を多額の技術的費用な
しに、例えば不活性ガスの供給される、放電室へ連通す
るチャンネルにより、実施される。このチャンネル通っ
て案内される不活性ガスはさらにビームの冷却のために
用いられる。そのため、多くの場合は別個の冷却チャン
ネルを設けなくてすむようになる。
実施例の説明 次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図に石英管１が示されている。この石英管は、そ
の肉厚が約0.1〜1.5mmで外径が20〜30mmであり、さらに
金網として形成される外側電極２を有する。この石英管
１の中に同心的に第２の石英管３が設けられている。こ
の石英管３の外径は石英管１の内径よりも著しく小さ
く、代表的には３〜5mmの外径を有する。内側石英管３
の中を線４が通されている。この線が放射装置の内側電
極を構成し、金網２が放射装置の外側電極を構成する。
外側石英管１はその両端において閉鎖されている。両方
の管１と３との間の空間である放電室５は、放電条件の
下にビームを放射するガス／混合ガスにより充たされて
いる。交流電流源６の両方の極が接続されている。この
交流電流源は基本的には、オゾン発生器を給電するため
に用いられる交流電流源に相応する。この電流源は、電
極寸法、放電室における圧力および充てんガスの組成に
依存して、代表値として、周波数が数1000KHZまでの交
流電流の範囲で電圧が数100V〜20000Vのオーダーの可調
整の交流電圧を供給する。
充てんガスは例えば水銀，希ガス，希ガス−金属蒸気
混合気体，希ガス−ハロゲン混合気体であり、場合によ
り付加的な別の希ガスたとえば緩衝ガスとしてのAr,He,
Neが用いられる。
この場合ビームの所望のスペクトル組成に応じて、次
の表に示されている物質／混合物質が用いられる。
充てん気体 ビーム ヘリウム 60−100nm ネオン 80−90nm アルゴン 107−165nm アルゴン＋ふっ素 180−200nm アルゴン＋塩素 165−190nm アルゴン＋クリプトン＋塩素 65−190,200−240nm キセノン 160−190nm ちっ素 337−415nm クリプトン 124,140−160nm クリプトン＋ふっ素 240−255nm クリプトン＋塩素 200−240nm 水銀 185,254,320−370,390−420nm セレニウム 196,204,206nm 重水素 150−250nm キセノン＋ふっ素 340−360nm,400−550nm キセノン＋塩素 300−320nm それと並んで次の一連の充てんガスも用いられる。
−希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe）またはF2,I2,Br2,Cl2の気
体または蒸気を有するHg、または放電中に１つまたは複
数個の原子F,I,BrまたはClを放出する化合物； −希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe）またはO2を有する水銀また
は放電中に１つまたは複数個のＯ原子を放出する化合
物； −Hgを有する希ガス（Ar,He,Kr,Ne,Xe） 形成される漸進的な非突発的な放電（サイレント放
電）の間中に電子エネルギ分布を、誘電体の厚さおよび
その特性により、放電室中の圧力および／または温度を
最適に調整することができる。
電極２と４の間に交流電圧を加えると、放電室５の中
で、複数個の放電路（複数個の部分放電）が形成され
る。このことは充てんガスの原子／分子の相互作用と共
に発生し、そのため最終的に紫外線ビームまたは真空紫
外線ビームを放射させる。
埋め込まれた線を有する石英小管ではなく、中に金属
線の溶着された石英ロッドを用いることもできる。誘電
体で被われた金属ロッドも効果的に用いられる。
金網２ではなくさん孔された金属シートを、または紫
外線透過性の誘電箔膜を用いることもできる。
簡単な手段でビーム放射の優先方向を得るためには、
放電室中の放電を非一様に分布させる。最も簡単には、
このことは、第２図に示されている様に外側の管１の中
で内側の誘電体管３を偏心的に配置することにより実施
できる。
第２図に示されているように、内側の石英管３が、中
心を離れて、管１の内壁の近傍に配置されている。極端
な場合は管３は管１に接してしまって、ここで線に沿っ
てまたは１点で内壁に接着することができる。
内側石英管の即ち内側電極４の偏心的な配置が放電の
品質に対して決定的な影響を与えるものではない。ピー
ク電圧をわずかな値に設定すると、石英管３の直接近傍
におけ狭い領域だけが点孤される。電圧を高めることに
より次第に放電範囲を拡大することができて、最後に放
電室５の全体が発光プラズマにより満たされる。
外側の誘電体管１の外周全体に電極２に設ける（第２
図）ようにしないで、第３図に示されているように、管
１の外側表面に部分的に層を設けるだけでも十分であ
る。管１の外周の約半分にわたり延在する層７は、外部
電極でありかつ同時に反射器でもある。第２図に示され
ているように、この場合も内側石英管３の偏心的な配置
が可能である。この場合、層７は、内側石英管３の側の
外壁区間だけにわたり対称的に延在する。この層７は外
側電極でありかつ同時に反射器でもある。蒸着が良好に
行なわれかつ高い紫外線反射率を有する材料として、例
えばアルミニウムが提供される。
第５図に、第３図に示された複数個の同心的な放射装
置が、１つの平面形式の放射装置へまとめられた構成が
示されている。第６図は、第４図に示された偏心的に配
置された複数個の内側石英管３を有する相応の装置を示
す。
この目的のためにアルミニウム体８は、半円形の断面
を有する複数個の並んだ溝９を有する。これらの溝は、
外側管の直径よりも大きい間隔で互いに隣り合ってい
る。溝９は外側の石英管１にはまるように適合されてお
り、さらに溝は良好に反射作用を有するように、ワック
ス等で処理されている。管１の方向へ延在する付加的な
孔10は、放射装置の冷却のために用いられる。
交流電源６はその一方の極がアルミニウム体８へ案内
されている。さらに複数個の放射装置の内側電極４は、
並列に接続されて電源６の他方の極と接続されている。
第３図または第４図の層７と同様に、第５図および第
６図の場合は、溝の壁は外側電極としても反射器として
も用いられる。
特別な用途のために、個々の放射装置を種々の異なる
充てんガスと即ち種々の異なる（紫外線）波長と組み合
わせることができる。
アルミニウム体８は必ずしも平らな表面を有する必要
はない。第７図および第８図は中空円筒状のアルミニウ
ム体8aを示す。このアルミニウム体はその内側周面にわ
たり規則的に配分された軸平行の溝９を有し、この溝の
中に第３図および第４図に示された放射装置エレメント
が埋め込まれている。
第９図に示されている放射装置は基本的には第５図の
放射装置に相応しており、さらに付加的に金属ブロック
８の長手方向に延在するチャンネル11を有する。これら
のチャンネルは処理室12と、金属ブロック８における複
数個の孔またはスリット13を介して連通されている。さ
らにこの連通は、石英管１の回避されない製造誤差によ
り定められる、外側石英管１と金属ブロック８における
溝９との間の著しくせまい隙間を介して行なわれる。チ
ャンネル11は、図示されていない不活性ガス源へ例えば
ちっ素源またはアルゴン源へ接続されている。チャンネ
ル11から、加圧された不活性ガスが前述の様に処理室12
の中へ達する。この処理室、金属ブロック８における脚
14によりおよび照射されるべき基板15により区画され
る。処理室は短時間で不活性ガスにより満たされる。こ
の場合、基板15と脚14の端部との間の隙間16の大きさに
応じて多少の量の漏洩ガスが流出するが、しかしこれは
不活性ガス源により補給される。このようにして冒頭に
述べた、放電室５の中で発生されるUVビームと空気の酸
素との間の相互作用が確実に回避される。
第10図に処理室12への不活性ガス案内の別の構成が示
されている。この場合この放射装置は実質的に第６図の
それに相応する。しかし付加的に、隣り合う石英管の間
に、金属ブロック８の長手方向へ延在するチャンネル11
が設けられている。このチャンネルは孔またはスリット
13を介して処理室12と直接結合されている。その他の点
では構成および作用は第９図のそれに相応する。
本発明の範囲を逸脱することなく、第７図および第８
図に示された円筒形放射装置に、不活性ガスを処理室
（ここでは管8aの内部）へ案内する手段を設けることが
できることは明らかである。
発明の効果 本発明により、効率の高い、経済的に製造できる、著
しく大型の面形式のおよび円筒形式の放射装置の形成が
可能で、さらに内側電極のシャドウ効果が最小化される
高出力ビーム放射装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
第１図は内側の誘電体ロッドが円心的に配置されている
円筒形放射装置の第１実施例の断面図、第２図は内側誘
電体が偏心的に配置されている、第１図の放射装置の変
形実施例の断面図、第３図は内側誘電体が円心的に値さ
れかつ外側電極が外側誘電体管の円周の一部だけにわた
り延在する層として形成されており、この場合この層が
反射器としても用いられる構成の円筒形放射装置の実施
例の断面図、第４図は第３図と類似するが内側誘電体の
偏心的配置と外側誘電体管の外周の一部だけにわたり延
在する層とを有し、この層が同時に外側電極としてかつ
反射器として用いられる構成の円筒放射装置の断面図、
第５図は第３図に示された放射装置を複数個まとめて形
成した平面形放射装置の構成の断面図、第６図は第４図
に示された放射装置を複数個まとめて形成した平面形放
射装置の構成の断面図、第７図は第５図の変形実施例で
あり、この場合、第３図に示した放射装置を複数個まと
めて形成した、大きい面積の円筒形放射装置の断面図、
第８図は第６図の変形実施例であり、この場合第４図の
放射装置を複数個まとめて形成した大きい面積の円筒形
放射装置の実施例の断面図、第９図は第５図に示され
た、処理室の中へ不活性ガスを案内するための手段を有
する放射装置の実施例の横面図、第10図は第６図に示さ
れた処理室への不活性ガスを案内するための手段を有す
る放射器の実施例の横面図を示す。 １……外側石英管、２……外側電極、３……内側石英
管、４……内側電極、５……放電室、６……交流電流
源、７……層、8,8a……アルミニウム体、９……溝、10
……冷却孔、11……チャンネル、12……処理室、13……
スリット、14……脚、15……基板、16……隙間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 65/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高出力ビーム放射装置であって、該高出力
    ビーム放射装置は放電条件の下にビームを送出する充て
    んガスで満たされた放電室（５）を備え、該放電室の壁
    は第１の管状誘電体（１）と第２の誘電体（３）とによ
    り形成されており、これらの誘電体は、放電室（５）と
    は反対側のそれらの表面に第１の電極（2,7）と第２の
    電極（４）とを有しており、さらに第２の誘電体は第２
    の電極（４）を備え、さらに前記高出力ビーム放射装置
    は、該第１のおよび第２の電極へ接続されている、放電
    に対する給電用の交流電流源（６）を備えている、高出
    力ビーム放射装置において、第１の電極（２）が外側の
    管状誘電体の外周面に被着されており、第１の管状誘電
    体（１）の内部に誘電体材料から成るロッド（３）が偏
    心的に設けられており、該ロッドの内部に導電体（４）
    が挿入されているまたは埋め込まれており、該導電体が
    第２の電極を構成することを特徴とする高出力ビーム放
    射装置。
  2. 【請求項２】ロッド（３）の外径が、第１の管状誘電体
    （１）の内径の５分の１から10分の１であるようにした
    請求項１記載の高出力ビーム放射装置。
  3. 【請求項３】第１の電極（７）が第１の誘電体（１）の
    外壁を、第２の誘電体（３）に所属するかつ反射器とし
    て構成されている区間においてだけ被うようにし、この
    場合、この反射器が、金属体（８）の中の溝（９）状の
    材料切欠部として、構成されている請求項１または２記
    載の高出力ビーム放射装置。
  4. 【請求項４】金属体（８）の中に冷却孔（10）が設けら
    れており、該冷却孔は材料切欠部（９）とは交差しない
    ようにした請求項３記載の高出力ビーム放射装置。
  5. 【請求項５】材料切欠部（９）の断面が第１誘電体
    （１）の外径に適合されており、さらに切欠部の壁が紫
    外線反射器として形成されている請求項３記載の高出力
    ビーム放射装置。
  6. 【請求項６】室（12）の中へ不活性ガスを案内するため
    の手段（11,13）が、第１の管状誘電体（１）の外側に
    設けられている請求項３記載の高出力ビーム放射装置。
  7. 【請求項７】金属体（8,8a）の中にチャンネル（11）が
    設けられており、該チャンネルは直接的または間接的に
    処理室（12）と連通されており、該チャンネル（11）を
    通って不活性ガスが例えばちっ素またはアルゴンが案内
    されるようにした請求項４記載の高出力ビーム放射装
    置。
  8. 【請求項８】チャンネルがそれぞれ、隣り合う誘電体管
    （１）の間に設けられており、さらに孔またはスリット
    （13）を介して処理室（12）と連通されている請求項７
    記載の高出力ビーム放射装置。
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