JPH0741963U - エキシマ・ランプ放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ガス圧力が６０ｔｏｒｒ以上のエキシマ・ラ
ンプでも容易に励起させ、紫外線を発生させることがで
きるエキシマ・ランプを提供することを目的とする。 【構成】エキシマ・ランプ１と、エキシマ・ランプが配
置されるマイクロ波共振器２と、連続したマイクロ波を
発生するマグネトロン５と、該マグネトロンが発生した
マイクロ波電力をエキシマ・ランプに結合するアンテナ
４と、パルス波形のマイクロ波を発生するパルス用マグ
ネトロン１１と、該パルス用マグネトロンで発生したパ
ルス波形のマイクロ波を該エキシマ・ランプに結合する
結合用スリット１３を備えた構成とした。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、発光材料（ガス）が封入された無電極放電管の当該発光材料をマイ クロ波照射にて励起させて紫外線を発光させる無電極放電管装置に係り、特にエ キシマ・ランプを放電させるエキシマ・ランプ放電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

紫外線、特に２００ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線は、そのエネルギーが大きく、 物質に強く作用するため、産業や医療の分野で多く利用されている。既に、印刷 や塗装等に広範囲に応用され、超ＬＳＩや半導体を始めとした電子材料の加工に も用いられてきている。また、薬品の残留、蓄積のない殺菌手段としても活用が 進んでおり、その他の生物分野や、ビタミンの合成などの化学工業でも採用され てきている。

【０００３】 紫外線発生装置としては、従来より水銀等の発光材料が封入された放電管にマ イクロ波を照射して、発光材料を励起させる無電極放電管装置が利用されている 。この光源として、水銀ランプが用いられており、水銀蒸気の放電発光を用いた もので点燈時の蒸気圧によって、低圧、高圧及び超高圧の水銀ランプに分けられ る。この中で低圧水銀ランプが最も多く利用されているが、波長当たりの出力が 小さくかつ限られた複数の発光波長しか得られなかった。

【０００４】 また、非常に大きな出力で波長を選べる単色の光源として、エキシマ・レーザ などの各種のレーザがある。このエキシマ・レーザは、レーザ媒質自体が光に吸 収されるために、レーザ発振させるには発振のしきい値を越えるに充分な利得が 必要であり、数１０００ｔｏｒｒの高圧力のレーザガスを数Ｍ ｗ／ｃｍ³の高励 起密度で励起することが要求される。

【０００５】 そのため、エキシマ・レーザの放電励起には、大電流密度放電、及び予備電離 技術などの高度で複雑な励起技術が不可欠であり、更に高価なエキシマ・レーザ 共振器用光学系が必要である。また、レーザ発振は、１００ｎｓｅｃ以下の短い パルス幅でしか出力できず、最大平均出力は４０Ｗ程度であり、照射面積は２７ ｍｍ×１０ｍｍと狭く、また、連続動作の光源とはなり得なかった。ちなみに、 発光効率は高くても１％程度である。

【０００６】 このため、適切なコストで波長の選択できる簡便な紫外線照射の強い光源が工 業的に求められていた。エキシマ・ランプは上記の要求に見合うものとして、開 発が進められているもので、エキシマ・レーザほどの放射光のエネルギーは無い が、照射面積が広く、連続動作が可能であるという特徴を有する。

【０００７】 また、エキシマ・ランプは発光のしきい値がないため入力電力の励起密度を大 幅に下げることができる。ランプ媒質であり発光材料であるガスの低圧力動作方 式を選択したことにより、発光効率を高めたのがエキシマ・ランプである。エキ シマ・ランプにおいては、ランプ媒質であるガスをエキシマ・レーザに比べて低 圧力にすることで電子温度を上げてエキシマの生成効率を高くしようとしている 。さらに低圧力としたことで、従来の水銀ランプのような一般的な低圧力放電技 術が使用可能となった。

【０００８】 図２にこの種の従来のエキシマ・ランプ放電装置の概略を示す。この装置では 、主に水銀ランプの発光に用いられた低圧力用放電装置をエキシマ・ランプ放電 用に活用したものであり、図に示したランプハウス及び送風装置の他に図示して いない電源部の３つの部分よりなる。図において、１は無電極放電管であるエキ シマ・ランプ、２はマイクロ波空胴を形成するマイクロ波共振器、３はエキシマ ・ランプ１で発光させた紫外線を一定方向に反射させる誘電体ミラー、４は第１ のマイクロ波結合器であるアンテナ、５は連続したマイクロ波を発生させる第１ のマイクロ波発生器であるマグネトロン、６は導波管、７はマイクロ波空胴の一 壁を形成している金属メッシュ、８は上記のような構成からなるランプハウスを 通孔（図示せず）を通して冷却するための送風装置である。

【０００９】 このような構成となっており、マグネトロン５より発せられる連続したマイク ロ波電力を導波管６、アンテナ４を介して、マイクロ波共振器２に供給し、その マイクロ波電力がエキシマ・ランプ１に封入した発光材料（ガス）を励起し、プ ラズマ放電によって、光放出を行なうものである。

【００１０】 この紫外線は四方に放射されるが、誘電体ミラー３は放物面形状をしており、 金属メッシュ７の方向に集光される。金属メッシュ７はマイクロ波に対して、カ ットオフ特性となるように金属のメッシュで構成され、マイクロ波空胴内のマイ クロ波を外部にリークする事無く、放出光のみを透過し、この紫外線を外部に放 出する。この金属メッシュの前方に被処理物を配置することにより、硬化、殺菌 等の処理が即座に行なわれる。

【００１１】 このエキシマ・ランプ放電装置の性能を具体的に述べる。マグネトロン５は発 振周波数ｆｏ＝２４５０ＭＨｚの電子レンジ用のマグネトロンを２個使用してお り、このマグネトロン単体で１．５ｋＷまでのマイクロ波電力が得られる。図２ に示すように棒状のエキシマ・ランプを均一に放電させるため、マグネトロン５ は２つに分けられている。このエキシマ・ランプの大きさは直径×長さが８ｍｍ ×２５０ｍｍであり、個々のマグネトロン５にマイクロ波電力Ｐ＝０．７５Ｗを 加えたとき、つまり投入するマイクロ波電力が１．５Ｗで、エキシマ・ランプの ガス圧が５０ｔｏｒｒのものは、照射面積が１０ｍｍ×２５０ｍｍであり、最大 平均出力は３０Ｗの光出力を得ている。

【００１２】 また、マイクロ波電力を良好にエキシマ・ランプに供給するため、マイクロ波 結合器としては波形状のアンテナを用いている。単に結合するためには結合用の スリットでよいが、このアンテナを用いることにより、エキシマ・ランプ近傍を 選択的に励起することが容易となり、強い光出力が得られている。

【００１３】

【考案が解決しようとする課題】 さて、このようなエキシマ・ランプ放電装置を用いるエキシマ・ランプにおい て、発光材料として封入するランプ媒質はハロゲンガス、（ＣＬ、Ｂｒ、Ｉ、Ｆ ）と、希ガス（キセノンガス、クリプトンガス、アルゴンガス等の不活性ガス） およびバッファガス（ヘリウムガス、ネオンガス、およびアルゴンガス）を使用 している。このランプ媒質の混合比や組み合わせを変えることで、可視領域から 真空紫外線領域にわたる様々な中心波長を与えるランプとなる。

【００１４】 本考案者は、このランプ媒質の混合比や組み合わせを変えて種々の実験を行な い、そのときの紫外線の光出力を測定した。図３はランプ媒質として、キセノン ガスとＣＬ₂ ガスを用いて、マイクロ波電力を投入したときの特性図である。キ セノンガスとＣＬ₂ ガスを用いたエキシマ・ランプ（以下、ＸｅＣＬランプと言 う）はガスの全圧力が５０ｔｏｒｒのものを用いたときの、ＸｅＣＬランプのマ イクロ波電力と光出力（Ａ）、及びマイクロ波電力と発光効率（Ｂ）の関係を示 している。

【００１５】 図３より、明らかなように、マイクロ波電力の投入により 光出力は増加して いる。しかし、発光効率は投入するマイクロ波電力が大きくなるに従い、悪くな っており、より強い光出力を得るために、単純にマイクロ波電力を投入すればよ いものではない。

【００１６】 従って、やはり、強い光出力を得るためにはＸｅＣＬランプのガス圧力、及び 組成比を最適化することでより強い光出力が得られる。１００ｔｏｒｒ以下の低 圧力域において、ランプのガス圧力を変化したところ、ＸｅＣＬランプのガス圧 力が６０ｔｏｒｒ以上では従来のエキシマ・ランプ放電装置を用いるとエキシマ の放電開始が難しく、紫外線が発生しないものであった。

【００１７】 本考案は、上記のような問題を解決するためになされたもので、簡単な構成で 、強い光出力が得られるガス圧力の高いエキシマ・ランプを励起するためのエキ シマ・ランプ放電装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

発光材料が封入された棒状の無電極放電管と、該無電極放電管が配置されるマ イクロ波共振器と、連続したマイクロ波を発生させる第１のマイクロ波発生器と 、該第１のマイクロ波発生器で発生させたマイクロ波電力を該無電極放電管に結 合する第１のマイクロ波結合器と、パルス波形のマイクロ波を発生させる第２の マイクロ波発生器と、該第２のマイクロ波発生器で発生させたパルス波形のマイ クロ波を該無電極放電管に結合する第２のマイクロ波結合器とを備えた構成とし た。

【００１９】

【実施例】

以下に本考案の実施例について説明する。本考案の構成は、従来のエキシマ・ ランプ放電装置に、パルス波形のマイクロ波を発生させる第２のマイクロ波発生 器と、この第２のマイクロ波発生器で発生させたパルス波形のマイクロ波を無電 極放電管に結合する第２のマイクロ波結合器を設けたものである。

【００２０】 図１に本考案における実施例の概要を示す。図において、図２と同一符号は同 一又は相当するものを示し、１１はパルス波形のマイクロ波を発生する第２のマ イクロ波発生器であるパルス用マグネトロン、１２は導波管、１３はパルス用マ グネトロン１１により発生させたパルス波形のマイクロ波をエキシマ・ランプ１ に結合させるための第２のマイクロ波結合器の結合用スリットである。

【００２１】 このような構成になっているので、パルス用マグネトロン１１より発生された パルス波形のマイクロ波は、導波管１２と結合用スリット１３を介して、マイク ロ波共振器に供給され、そのパルス波形のマイクロ波によってエキシマ・ランプ １に封入した発光材料を高い放電電圧によって励起し、励起トリガ用信号として 動作する。

【００２２】 また、連続波を発生させるマグネトロン５と、パルス波を発生させるパルス用 マグネトロン１１は、発振周波数を異ならせているので個々の結合部等において 、相互に干渉する事無く、独立な動作モードを有している。また、本考案に関す る実験においては結合用スロットによる結合にて良好な特性が得られたが、アン テナによる結合とすることにより、さらに結合がよくなることは言うまでもない 。

【００２３】 連続波を発生させるマグネトロン５、及びパルス波を発生させるパルス用マグ ネトロン１１によりエキシマ・ランプ１を励起する。そして、励起トリガ用信号 のパルス用マグネトロン１１のパルス波形は放電開始電圧が高いエキシマ・ラン プにおいても、励起が効率よく行なわれるようになる。そしてエキシマ・ランプ １に封入した発光材料がより高いレベルにて励起されるので、ガス圧力が高くて も放電開始が容易に行なわれ強い光出力の紫外線が発生するようになる。

【００２４】 本考案の実験にて使用したパルス用マグネトロン１１は、発振周波数ｆｏ＝３ ０５０ＭＨｚ、パルス出力Ｐｐｅａｋ＝５０ｋＷ、パルス幅ｔｒ＝１μｓｅｃ、 繰り返し周期ｔｓ＝１ｍｓｅｃである。このときの光出力の特性を図４に示す。 図において、従来の５０ｔｏｒｒのＸｅＣＬランプではマイクロ波電力が１．５ ｋＷのときの光出力は３０Ｗであった（Ｄ）。そして、本考案の装置を用いて、 マイクロ波電力が１．５ｋＷのとき、上記に示した仕様のパルス波を加えると７ ５ｔｏｒｒのＸｅＣＬランプが容易に励振され、そのときの光出力は４５Ｗが得 られた（Ｃ）。

【００２５】 このようにすることで、従来装置では紫外線の発生がなかった６０ｔｏｒｒ以 上のエキシマ・ランプでも励振できることが確認された。更に、ガスの混合成分 、結合方法等を調整することにより、より高い光出力が得られることは明らかで ある。

【００２６】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案は、エキシマ・ランプを放電させるためのパルス 波を発生させるパルス用マグネトロンと、結合用スリットを設けるような、簡単 な構成にて６０ｔｏｒｒ以上のガス圧力のエキシマ・ランプでも紫外線を発生さ せることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例の概要を示した説明図である。

【図２】従来のエキシマ・ランプ放電装置の説明図であ
る。

【図３】光出力とマイクロ波電力の関係を示した特性図
である。

【図４】本考案の光出力を示した特性図である。

【符合の説明】

１、エキシマ・ランプ ２、マイクロ波共振器 ３、誘電体ミラー ４、アンテナ ５、マグネトロン ６、導波管 ７、金属メッシュ ８、送風装置 １１、パルス用マグネトロン １２、導波管 １３、結合用スリット

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光材料が封入された棒状の無電極放電
   管と、該無電極放電管が配置されるマイクロ波共振器
   と、連続したマイクロ波を発生させる第１のマイクロ波
   発生器と、該第１のマイクロ波発生器で発生させたマイ
   クロ波電力を該無電極放電管に結合する第１のマイクロ
   波結合器と、パルス波形のマイクロ波を発生させる第２
   のマイクロ波発生器と、該第２のマイクロ波発生器で発
   生させたパルス波形のマイクロ波を該無電極放電管に結
   合する第２のマイクロ波結合器とを備えてなることを特
   徴とするエキシマ・ランプ放電装置。