JPH05283043A - 紫外線発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】管壁負荷を増大させた場合に発生する紫外線強
度の低下を防止できると共に、紫外線維持率を向上でき
る紫外線発生装置を提供する。 【構成】水銀および希ガスが封入された石英ガラスより
成る低圧水銀蒸気放電灯１と、これに対し発光部の単位
内表面積当たりの入力電力が０．３Ｗ／ｃｍ2 以上、周
波数が５ＫＨｚ以上である矩形波電流を供給する点灯装
置１０とを備える。 【効果】単位内表面積当たりの入力電力が０．３Ｗ／ｃ
ｍ2 以上の矩形波電流で点灯させているため正弦波の場
合ほど水銀蒸気圧を高めなくとも励起原子を満たすこと
ができ、管壁負荷を増大させても紫外線強度の低下が発
生せず、周波数を５ＫＨｚ以上としたため、陽極付近の
電子が管壁に拡散する前に陽極が電子を捕獲して、陽極
降下電圧が低下するため陽極が電子によって受ける衝撃
が少なくなり陽極の飛散が低減し、光束維持率の著しい
低下が防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低圧水銀蒸気放電灯を
光源とした例えば紫外線化学反応用等に使用される紫外
線発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外線を透過する石英ガラス等からなる
発光管の両端に電極を封装するとともに、この発光管内
に水銀および希ガスを封入した低圧水銀蒸気放電灯に、
例えば商用電源を供給して、この発光管内で放電を発生
させ、水銀原子を電離および励起させることにより、こ
の水銀の共鳴線１８５ｎｍおよび２５４ｎｍを主体とす
る紫外線を放射するようにした紫外線発生装置は、光化
学反応装置等に使用されている。

【０００３】すなわち、上記紫外線発生装置は、例えば
光ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法によるＳｉ薄膜の合成、レジストの光硬
化および光アッシングあるいは光洗浄等を始めるとする
半導体製造関連などにおいて欠くことのできないもので
あり、また水の浄化、滅菌処理や食品の殺菌処理などに
おいても短波長の紫外線を照射するものとして広く普及
している。

【０００４】より具体的に説明すれば、今日開発されて
いる紫外線発生装置は、例えば図６に示すような低圧水
銀蒸気放電灯と、図７に示すような点灯装置を備えたも
のであり、同図中に示す低圧水銀蒸気放電灯の発光管は
円筒状の石英ガラスの両端に熱陰極と陽極を備え、内部
には、水銀と例えばアルゴン等の希ガスが封入されてい
るものである。

【０００５】また変圧器と限流インダクタンスにより構
成される点灯装置の同図中の接点ａ，ｂを商用電源に接
続し、ｃ，ｄ及びｅ，ｆをそれぞれ放電灯の熱陰極に
ｇ，ｈをそれぞれ陽極に接続することによって、熱陰極
が常時発熱して熱電子が放出し易い状態になって、この
放出電子は電界に加速されて一方側の陰極と他方側の陽
極並びに他方側の陰極と一方側の陽極との間で商用電源
の周波数に従い交互に放電を繰り返し、紫外線を放射す
る。

【０００６】尚、ここで上記の如く交流の電源で低圧水
銀蒸気放電灯を点灯させれば、水銀イオンが陰極側に偏
る所謂カタホリシス現象を抑制させることができる。

【０００７】以上な低圧水銀蒸気放電灯から放射された
１８５ｎｍの水銀輝線が大気中のＯ2 原子をＯ3 に変換
する。また１８５ｎｍと２５４ｎｍの水銀輝線により被
照射物の不純物等を分解するものである。

【０００８】したがって、上記水銀輝線による分解速度
を向上させるためには、紫外線強度を強くする必要があ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な紫外線発生装置から放射させる紫外線出力を向上させ
るため、低圧水銀蒸気放電灯に供給するランプ電力、換
言すればその管璧負荷を増大させていくと、図７に示す
ように、その管璧負荷が小さい場合には、その電力増加
と共に紫外線強度も増加するものの、管璧負荷をより高
めると、急激に紫外線強度が低下する現象が確認され
た。

【００１０】この理由については、完全に究明されてい
ないが、入力電力の増大に伴い水銀原子が過剰に電離さ
れ、発光に寄与する励起原子が不足するためと推察され
る。特に、上記のように放電電流が正弦波の場合には、
各半サイクルの中間位相角において、電力値が増大する
ため、励起原子の不足が一層助長されるものと考えられ
る。

【００１１】そこで、本発明者らは、低圧水銀蒸気放電
灯を矩形波電流で点灯させ、発光に寄与する励起原子を
増やし、紫外線強度を増加させる技術を開発したもの
の、この矩形波が低周波の場合には、光束維持率の低下
が生じることがあった。

【００１２】［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の紫外線発生装置は、水銀および希ガスが封
入された石英ガラスより成る低圧水銀蒸気放電灯と、前
記低圧水銀蒸気放電灯に対し、発光部の単位内表面積当
たりの入力電力が０．３Ｗ／ｃｍ2 以上であり、かつ、
周波数が５ＫＨｚ以上である矩形波電流を供給する点灯
装置とを備えたことを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明によれば、発光部の単位内表面積当たり
の入力電力が０．３Ｗ／ｃｍ2以上であり、５ＫＨｚ以
上の矩形波電流で点灯させることによって、正弦波の場
合ほど水銀蒸気圧を高めなくとも励起原子を満たすこと
ができるため、管璧負荷を増大させても紫外線強度の低
下が発生せず、さらにその周波数を５ＫＨｚ以上とした
ため、陽極付近の電子が管璧に拡散する前に、その陽極
が電子を捕獲して、所謂陽極降下電圧が低下するため、
陽極が電子によって受ける衝撃が少なくなり陽極の飛散
が低減し、よって光束維持率の著しい低下が防止でき
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明について、図面を用いて詳細に
説明する。

【００１６】図１は、本件発明に係る紫外線発生装置の
一実施例を示す概略図であり、同図に図示するように、
低圧水銀蒸気放電灯１の略Ｕ字形に屈曲された発光管２
の両端部には、ステムが封着されており、このステムに
は、それぞれ陽極３、熱陰極４が支持されている。各陽
極３は熱陰極４よりも放電空間の前方に配置されてお
り、この陽極３は円形コイルまたは円筒あるいは環状板
により形成されているとともに、熱陰極４はフィラメン
トコイルにより形成されている。

【００１７】ここで、上記のように発光管２の両端部に
陽極３および陰極４を各々封装すれば、放電電流を増大
させた場合に、陰極４は小形にして放熱による損失を低
減でき、また一方、陽極３は大形にして放熱を促進する
ことができる。

【００１８】この発光管２内部には、点灯中０．５〜１
３Ｐａの水銀と常温状態の分圧で１３〜２６７Ｐａのア
ルゴン等の希ガスを封入してある。

【００１９】また、上記実施例の発光管は、内径が約２
５ｍｍ、全長が約１５００ｍｍで、ランプ電力が１５０
０Ｗになるよう構成されている。

【００２０】以上のように構成された低圧水銀蒸気放電
灯は点灯装置１０を介して交流電源１１に接続されてい
る。この点灯装置１０は整流平滑回路１２、パワーＦＥ
Ｔを含む矩形波インバータ回路１３を備えているもので
ある。この矩形波インバータ回路１３には、周波数調整
用および電流調整用の可変抵抗器１４，１５が設けられ
ており、これらを調整することによって、図２に例示す
るような矩形波の電流を低圧水銀蒸気放電灯に供給する
ように構成されている。

【００２１】また、交流電源１１は、例えば２００Ｖの
商用電源であり、この電源１１には、前述の整流平滑回
路１２、矩形波インバータ回路１３の外に、ヒータトラ
ンス１６，１６が接続されている。

【００２２】ヒータトランス１６，１６は、それぞれ陰
極４，４に接続され、したがって、これら陰極４，４は
常に発熱して熱電子を放射する熱陰極となっている。

【００２３】以上のように構成された紫外線発生装置の
作用について以下に説明する。

【００２４】低圧水銀蒸気放電灯１を点灯装置１０を通
じて電源に接続した場合、陰極４，４はヒータトランス
１６，１６を介して交流電源１１に接続されているの
で、これら陰極４，４は常に発熱して熱電子を放射す
る。

【００２５】そして、整流平滑回路１２および矩形波イ
ンバータ回路１３により、電源の正弦波は前述の矩形波
に変換され、この矩形波電流は、周波数調整用および電
流調整用の可変抵抗器１４，１５により調整されて各陽
極３，３および陰極４，４間に供給される。

【００２６】このため、低圧水銀蒸気放電灯は、一端側
の陽極３と他端側の陰極４との間に矩形波の半波整流電
流が流され、これらの間で放電が生じ、次に他端側の陽
極３と一端側の陰極４との間に逆の半波整流電流が流れ
て、極性の反転毎に、各陽極と陰極が放電を繰り返して
点灯を維持する。

【００２７】このような放電により、水銀主体の蒸気が
低圧で励起されて、水銀の共鳴線１８５ｎｍおよび２５
４ｎｍを始めとする短波長紫外線領域の光を放射するも
のである。

【００２８】上記のような紫外線発生装置の紫外線強度
を発光管の入力電力を種々変化させて測定したところ、
発光管の単位内表面積当り０．３Ｗ／ｃｍ2 以上の領域
において従来例の紫外線発生装置よりも紫外線強度が増
大することが確認できた。

【００２９】この理由については、完全に究明されてい
ないものの、矩形波電流で点灯させることによって、正
弦波の場合ほど水銀蒸気圧を高めなくとも励起原子を満
たすことができるため、入力電力を増大させても紫外線
強度の低下が発生しないものと推察している。

【００３０】また、次に本発明者らは、入力電力を一定
とし、点灯装置で発生する矩形波電流の周波数を種々変
化させて、発光管内の陽極温度を測定したところ、図３
に示すとおりの結果が得られた。

【００３１】つまり、矩形波電流の周波数が５ＫＨｚを
境界とし、それ以上になれば、陽極電極の温度が著しく
低下する現象があることを究明したものである。

【００３２】この理由については、完全に解明していな
いものの、点灯周波数を大きくすれば、陽極付近の電子
が管璧に拡散する前に、その陽極が電子を捕獲して、所
謂陽極降下電圧が低下するために、陽極が電子によって
受ける衝撃が少なくなり、その結果、陽極温度の上昇が
抑制されるものと思われ、本実施例のように、陽極と陰
極が各々分離しているものにあっては、この現象が顕著
になるものと推察している。

【００３３】また、点灯周波数と紫外線出力との関係に
ついて種々実験したところ、図４に示すとおりの結果が
得られた。

【００３４】つまり、矩形波電流の周波数が大きくなる
につれて、紫外線強度は増加するものの、約５ＫＨｚ以
上で最大紫外線強度が得られることを確認した。

【００３５】さらに、発光管に供給する矩形波の点灯周
波数を５０Ｈｚに設定した場合の低圧水銀蒸気放電灯
と、点灯周波数を５ＫＨｚに設定した場合の低圧水銀蒸
気放電灯とについて、ランプ寿命中の紫外線維持率を観
察したところ、図５に実線で示す点灯周波数が５ＫＨｚ
のものは、破線で示す５０Ｈｚのものに比べて大幅な維
持率の向上が見られた。

【００３６】より具体的に説明すれば、５０Ｈｚの周波
数で点灯したものの１０００時間後の光束維持率は、７
０％であったのに対し、５ＫＨｚのものは８５％、２０
００時間後においては、各々５０％、７５％と大幅に向
上しているものである。

【００３７】したがって、上記のとおり、単位内表面積
当たりの入力電力が０．３Ｗ／ｃｍ2 以上、かつ、周波
数が５ＫＨｚ以上である矩形波電流で点灯させれば、正
弦波の場合ほど水銀蒸気圧を高めなくとも励起原子を満
たすことができるため、所謂管璧負荷を増大させても紫
外線強度の低下が発生せず、さらにその周波数を５ＫＨ
ｚ以上としたため、陽極付近の電子が管璧に拡散する前
に、その陽極が電子を捕獲して、所謂陽極降下電圧が低
下するため、陽極が電子によって受ける衝撃が少なくな
り陽極の飛散が低減し、よって光束維持率の著しい低下
が防止できるものである。

【００３８】以上の実施例においては、発光管の量端部
にそれぞれ陽極と陰極を封装したものについて説明して
いるが、一対の電極を発光管の両端部に封装した発光管
についても、本実施例と同様な効果があることを確認し
ている。

【００３９】さらにまた、上記実施例においては、発光
管がＵ字形状を呈するものについて詳述しているが、直
管形状の発光管の他、他の形状に発光管を形成しても良
い。

【発明の効果】本発明によれば、単位内表面積当たりの
入力電力が０．３Ｗ／ｃｍ2 以上の矩形波電流で点灯さ
せているため、正弦波の場合ほど水銀蒸気圧を高めなく
とも励起原子を満たすことができ、所謂管璧負荷を増大
させても紫外線強度の低下が発生せず、さらにその周波
数を５ＫＨｚ以上としたため、陽極付近の電子が管璧に
拡散する前に、その陽極が電子を捕獲して、所謂陽極降
下電圧が低下するため、陽極が電子によって受ける衝撃
が少なくなり陽極の飛散が低減し、よって光束維持率の
著しい低下が防止できる紫外線発生装置を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る紫外線発生装置の一実施例を示す
概略図。

【図２】低圧水銀蒸気放電灯に供給される矩形波電流波
形を示す図面

【図３】点灯周波数と陽極温度との関係を示す実験結果

【図４】点灯周波数と紫外線強度との関係を示す実験結
果

【図５】点灯周波数を変化させた場合の紫外線維持率を
示す実験結果

【図６】従来の紫外線発生装置に適用される低圧水銀蒸
気放電灯の一例を示す図面

【図７】従来の紫外線発生装置に適用される点灯装置の
一例を示す図面

【符号の説明】

１・・・低圧水銀蒸気放電灯 ２・・・発光管
３・・・陽極 ４・・・陰極 １０・・点灯装置
１１・・交流電源 １２・・整流平滑回路 １３・・矩形波インバー
タ回路 14,15 ・可変抵抗器 １６・・ヒータトランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村瀬七生 東京都港区三田１丁目４番28号 東芝ライ テック株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水銀および希ガスが封入された石英ガラス
   より成る低圧水銀蒸気放電灯と、前記低圧水銀蒸気放電
   灯に対し、前記発光部の単位内表面積当たりの入力電力
   が０．３Ｗ／ｃｍ2 以上であり、かつ、周波数が５ＫＨ
   ｚ以上である矩形波電流を供給する点灯装置と、を備え
   たことを特徴とする紫外線発生装置。