(57)【要約】【課題】  改良された光源を提供すること。【解決手段】  本発明は、充填ガスで満たされている放電容器（12）と、電子を発生させてから、それらを入口薄膜(10)を介して放電容器(12)へ進ませる、真空または低圧域に配置されている電子ビーム源(2)とを有する光源（1)に関する。本発明によれば、電界を、放電容器(12)の内部で発生させることができる。
2005519437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充填ガスで満たされている放電容器と、電子を発生させかつそれらを入口薄膜を介して前記放電容器へ進ませる、真空または低圧域に配置されている電子ビーム源とを、有する光源において、電界を前記放電容器の内部で発生させることを特徴とする光源。
【請求項２】
前記放電容器は、電気伝導性電極を備えることを特徴とする、請求項1に記載の光源。
【請求項３】
前記電極は、誘電体を備えることを特徴とする、請求項2に記載の光源。
【請求項４】
前記放電容器は、コイルを備えることを特徴とする、請求項1に記載の光源。
【請求項５】
前記放電容器は、マイクロ波共振器を備えることを特徴とする、請求項1に記載の光源。
【請求項６】
前記電子ビーム源が、フィールドエミッタを備えることを特徴とする、請求項1に記載の光源。
【請求項７】
前記充填ガスは、希ガスHe、Ne、Ar、Kr、Xeのうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする、請求項1に記載の光源。
【請求項８】
前記充填ガスは、H2ガス、N2ガス、O2ガス、F2ガス、Cl2ガスのうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする、請求項1または7に記載の光源。
【請求項９】
前記充填ガスは、作動可能な条件の下で、完全にまたは部分的に昇華される、原子構成または分子構成のBr、I、S、Se、Te、Po、B、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr、およびBaの元素のうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする、請求項1、7、または8に記載の光源。
【請求項１０】
前記放電容器は、蛍光体を備えることを特徴とする、請求項1、7、8、または9に記載の光源。
【請求項１１】
前記放電容器は、正反対に対向する2つの鏡を備えることを特徴とする、請求項1から10のいずれかに記載の光源。
【請求項１２】
前記電子ビーム源を、パルス的に作動させることを特徴とする、請求項1から11のいずれかに記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充填ガスで満たされている放電容器と、電子を発生させかつそれらを入口薄膜を通じて放電容器へ進ませる、真空または低圧域に配置されている電子ビーム源とを、有する光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような光源は、特許文献1から公知である。希ガスは、放電容器内に存在している。以下に一次電子とも記される、容器に進ませる電子は、高い運動エネルギーを有し、かつ原子から離れて原子の外殻に存在する、以下に二次電子とも記される、第2の電子をノックする。薄膜を通って導入される一次電子は、その運動エネルギーを失う前に、逐次的なカスケード方法で、いくつかの原子の二次電子をノックすることができる。希ガスイオンは、いくつかの反応ステップの後に、励起状態の二量体、略してエキシマと記される、励起した希ガス分子に変化する。このようなエキシマは、自発発生的に解離し、かつ、この間、紫外線または紫外線を放出する。したがって、希ガスの原子は、導入された電子によってイオン化され、イオン化エネルギーは、最終的には、紫外線光子に変換される。電子ビーム源および光源の効率は、低い。
【０００３】
したがって、本発明の目的は、改良された光源を提供することである。特に、効率、すなわち、消費電力に対する光の発生比率は、改良されるべきである。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第6,052,401号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項1に明確に述べられている特徴によって達成される。本発明によれば、電界を、放電容器の内部で発生させることができる。上記プロセスに加えて、更なるプロセスが、放電容器の内部に生成する。
【０００６】
二次電子は、相互に、かつ、充填ガスの原子と弾性衝突する、自由電子である。マクスウェル速度分布を用いて近似値で記述することができる、電子のエネルギー・バランスは、それ自体で、自動的に非常に短時間で調整される。ここで、電子温度Teは、これらの電子の平均運動エネルギーを示す。これらの自由電子の一部は、原子を励起するために充分な運動エネルギーを有する。自由電子は、原子殻に存在する電子と衝突し、かつそれらの運動エネルギーをそれに転移させる。その後、これらの電子は、電界での加速によって再びエネルギーを増加させる。原子の電子は、運動エネルギーを吸収することにより、より高いエネルギー準位を備える外側の原子殻に跳躍する。原子殻には、中心から始まり外側へ向けて連続的に番号がつけられている。電子が、より低いエネルギー準位へ低下するときに、エネルギーが、放射線の形で放出される。
【０００７】
このように、注入された電子は、実質的に2つの物理的に異なるプロセスを開始させる。一方で、原子がイオン化され、他方で、原子が励起される。これらの2つのプロセスでは、要求されるエネルギー量は異なる。電子温度Teは、それ自体、イオン化によって独立して調整される。しかしながら、この電子温度Teは、原子の効率的な励起に対し、最適な条件とはなっていない。イオン化には、励起エネルギーよりも実質的に高いエネルギーが要求されるので、電子温度Teは、効率的な励起、すなわち、紫外線の効率的な発生に対して、非常に高い。（以下においては、ガス容積とも記される）放電容器の内部のガスが、電界にさらされる場合には、効率的な励起のために要求される電子温度Teを、電界に亘って自由に選択することができる。この電子ビームの実質的機能は、ガス容積内に荷電担体を発生させ、かつ、（以下においては、プラスマとも記される）イオン化されたガスの初期構成を発生させることである。ガス容積に亘って電界を印加することにより、追加的にグロー放電が誘起される。光は、原則として、電界によって、放出される。電子ビームを発生させるための電力は、減少する。
【０００８】
単純な実施例では、放電容器は、電気伝導性電極を備える。各電極は、容量的に電界を発生させる。放電容器の内部に配置されている電極は、交流電圧または直流電圧によって作用させることができ、放電容器の外側に配置されている電極は、交流電圧によって作用させる。
【０００９】
電極は、誘電体を備えることが好ましい。交流電圧の周波数は、この誘電体により減少させることができる。
【００１０】
単純な実施例では、放電容器は、コイルを備える。このコイルは、誘起交流電界を発生させる。
【００１１】
放電容器は、マイクロ波共振器を備えることが好ましい。このマイクロ波共振器は、電子を円形の経路に沿って回転させる回転電界を発生させる。
【００１２】
電子ビーム源は、フィールドエミッタを備えることが好ましい。これには、フィールドエミッタ・アレイ、表面エミッタ・アレイまたはナノチューブのアレイを、用いることができる。このことにより、非常に小さい構成ユニットを、達成することができる。これらのアレイは、グリッドタイプ構造、または、その先端から電子が放出される、ピラミッド状または触手状の表面を有する。
【００１３】
また、TVのブラウン管で用いられているような従来の電子銃を、電子ビームの発生のために用いてもよい。電子銃は、イオン化された残留ガスによってカソードが破壊されることを防止するために、高真空において作動させなければならない。
【００１４】
充填ガスは、希ガスHe、Ne、Ar、Kr、Xeのうちの少なくとも1つを備えることが好ましい。希ガスは、イオン化可能であるので、紫外線領域で光を発生させるように機能し、かつ、荷電担体を発生させるためのバッファ・ガスとして機能する。
【００１５】
充填ガスは、H2ガス、N2ガス、O2ガス、F2ガス、Cl2ガスのうちの少なくとも1つを備えることが好ましい。
【００１６】
充填ガスは、作動可能な条件下で、完全にまたは部分的に昇華される、以下の元素の少なくとも1つを備えることが好ましい。すなわち、原子構成または分子構成のBr、I、S、Se、Te、Po、B、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr、およびBaである。適切な充填ガスは、特に、純粋な希ガス、または希ガスと発光ガスとの混合物である。純粋な希ガスが用いられる場合には、たとえば、紫外線の発生に非常に効率的な方法は、エキシマ放射線を使うことである。発光ガスと希ガスとの混合物（たとえば、アルゴン／水銀）を用いる場合には、高輝度ランプが得られる。しかしながら、これに代わる発光ガスは、内側電極が欠如しているために、化学的に非常にアグレッシブとなり得る、分子の放射体である。発光ガスは、可視光、紫外線または赤外線を放出する。電子ビームによって励起された状態を、電界での更なる励起のために利用することができるという可能性から、大きな利点が、生じる。たとえば、電子ビームで発生したイオンは、電界での更なる励起のために、利用することができる。可視波長領域で強い遷移を有する、複数のイオン（たとえば、Ba+、Rb+またはCs+）が、存在する。同じ原理は、電子ビームによって大量に発生される、長寿命の励起状態からの励起においても作動する。単純な例は、電子ビームが、第3殻での最初の励起準位（以下においては、3s準位とも記される）の占有状態をもたらす、前述のネオンガスである。基底状態への減衰が、濃いネオンガスの再吸収によって、強く妨げられるので、非常に長い実効時間を有する3s準位から始まることは、複数のより高い各準位を、電界によって励起させることを可能にする。その後、これらのレベルは、可視波長領域の放射線を放出するであろう。ネオンの3s準位をさらにより広範囲に占有させる可能性は、ヘリウムとネオンとの混合物で提供される。電子ビームによって大量に発生されるヘリウムイオンから始まるので、ここでは、一連のプロセスによりネオンの3s状態を最終的に占有させることが、可能となる。外側に供給される電気エネルギーの小部分（たとえば、10%）しか、電子ビームに用いられず、電気エネルギーの大部分（ここでは、90%）が、電界での効率的な放射線の発生のために利用されるように、電子ビームと印加電界とに基づくシステムを、構成することができる。
【００１７】
放電容器は、当該紫外線を可視光に変換する蛍光体を備えることが好ましい。
【００１８】
放電容器は、正反対に対向する2つの鏡を備えることが好ましい。各鏡は、平行にまたはわずかな凹状表面で、光学共振本体を形成し、かつ、レーザーのコヒーレントな光を発生させるように機能する。
【００１９】
電子ビーム源は、パルス的に作動させることが好ましい。パルス的な作動は、レーザーに対するコヒーレント光を発生させるように機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施例は、図面を参照してより良く理解するために、下記で更に詳細に説明されるであろう。
【００２１】
図1は、電子ビーム源2と、グロー放電を発生させるための電極配置3を備える、（以下においては、放電ランプとも記される）光源1を示す。電子4は、加熱されたカソード5から放出され、ウェーネルト・シリンダ7の穴部6を通って、加速領域8に入る。ここで、電子4は、リング・アノード9に向かって加速され、電子4は、ここを、20keVのエネルギーで通過する。続いて、電子4は、SiNから成る300nmの薄い入口ウィンドウ10を通って、（以下においては、ガス容器とも記される）放電容器12のガス空間11に入る。SiNの入口ウィンドウ10を通過するときに、電子4は、10%しか電子エネルギーを失わず、残りは、200mbarの純粋ネオンで満たされているガス空間11に、局所的に強く束縛されて、堆積される。ビーム電流は、約0.1mAに達する。各々のビーム電子は、ガス空間11に複数（すなわち、約500個）の二次電子およびイオンを発生させ、かつ、それに加えて、大量の高く励起させた状態を発生させる。2枚の平面電極13および14が、ガス容器12の外側に設けられていて、各平面電極13および14の間には、13.6MHzの周波数を有する無線周波数交流電界と500Vの平均電圧とが印加されている。二次電子は、無線周波数交流電界で実質的に発振し、かつ、放電電流を支持する。したがって、放電電流は、電子ビーム15のビーム電流よりも約500倍高くなる（すなわち、約50mA）。したがって、2Wの電子ビーム15を導入する間に、約25Wが、プラスマに容量結合される。発振電子は、弾性衝突によって、均一の電子温度に調整される。ここで、周波数が高いことから、この電子温度は、1サイクルの間にほとんど変化しない。ここでは、交流電界強度とネオン圧力の比が低いことから、二次電子の電子温度が、非常に低いので、当該二次電子は、イオン化には貢献せず、長寿命の励起ネオン状態から開始する効率的な励起にのみ、したがって、効率的な光発生に貢献する。電子ビーム15が、負電荷を放電容器12に導入するので、この電荷は、放電容器12に融合されている接地ワイヤ16を通じて、排出されるべきである。
【００２２】
このシステムの更なる実施例は、以下のようにしてもよい。すなわち、5cmのエッジ長さを有する立方体の放電容器12を、500mbarのヘリウムおよび50mbarのネオンで満たす。電子ビーム15は、2Wの電力に対応する、0.1mAかつ20kVで作動する。各々の一次電子4は、約500個の二次電子および二次イオンを発生させる。すなわち、グロー放電の放電電流は、ビーム電流の約500倍、すなわち約50mAとなる。グロー放電は、25Wの電力に対応する、50mAの平均電流および500Vの平均的電圧を有する。0.25V/(cmTorr)の電界とガス圧力の比が非常に低いので、グロー放電によってイオン化は、ほとんど発生しない。つまり、グロー放電は、安定した正特性を有する。
【００２３】
第3の実施例は、3×3×3cm3の容積を有するガス空間11の100mbarのアルゴンおよび5mgの水銀によって作動する。放電容器12は、定常状態では非常に強く加熱されるので、水銀蒸気圧力は、約1mbarとなる。各々のビーム電子は、ガス空間11に、主に、複数の500個以上のアルゴンイオンおよび二次電子を発生させる。容器12の外側には、2枚の平面、インジウム−スズ酸化物の透明電極13および14が、設けられている。透明電極13および14の間には、27MHzの周波数を有する無線周波数交流電界が印加される。二次電子は、実質的に無線周波数交流電界内で発振し、かつ、この場合、約400mAの放電電流を流す。放電の両端の平均電圧は、約50Vである。したがって、約20Wが、プラスマに容量結合され、電子ビーム15の貢献は2Wとなる。発振電子は、弾性衝突によって、均一な電子温度に調整される。周波数が高いので、この場合の電子温度は、１サイクルの間にほとんど変化しない。電界強度とアルゴン圧力の比が低いと言う理由により、二次電子の電子温度が、非常に低いので、当該二次電子は、イオン化に貢献せず、水銀の励起、したがって、254nmの紫外線の効率的な発生に貢献する。グロー放電電力の紫外線への変換効率は、70%である。構成寸法が小さいことから、高い輝度を、達成することができる。可視光が要求される場合には、紫外線を変換するために、蛍光体を、放電容器12の内部に設けても良い。電子ビーム15は、ガス容積内に荷電担体を発生させ、グロー放電を均等に保ち、さらに、放電の即時点弧をもたらす。水銀を、蒸気圧が定常状態で少なくとも数mTorrである代わりの光発生ガスによって、置き換えてもよい。この点で、特に、たとえば、ナトリウム、ストロンチウム、そして、バリウムは、これらの原子が、可視波長領域に強いラインを有すると言う理由により、かつ、加えて、特に、その共振放射が可視波長領域内または可視波長領域に近接する、インジウムブロマイドのような分子放射体が、興味深い。
【００２４】
図2は、電子ビーム源2と、ガス空間11と、2.45GHzの周波数で外側からグロー放電を誘起するマイクロ波共振器21とを備える第2の光源20を示す。誘起された電界は、回転電界であるので、電子は、円形の経路部分に沿って発振する。
【００２５】
図3は、電子ビーム源2と、電極配置31と、放電容器32とを備える第3の光源30を示す。電極配置31の電極33および34は、それぞれ、放電容器32の中へ突出している、カソード33およびアノード34として形成されている。カソード33は、タングステン・コイル35を備える。アノード34は、平面金属板36を備える。電極33および34に対する供給ワイヤ37、38、および39は、放電容器32に融合されている。500Vの直流電圧が、カソード33とアノード34との間に印加されている。カソード33は、補助加熱電流によってグローするように形成されている。二次電子は、グロー放電電流の主要な担体であり、したがって、これは、ビーム電流よりも約500倍大きい（すなわち約50mA）。二次電子は、電界内でアノード34の方にドリフトするので、非常に低い電子温度で調整される。電子密度は放電容積のイオン密度にほぼ等しくなければならなく、一方で、この電界内で電子がより高いモビリティを有することから、電子電流がイオン電流よりも非常に強くなるので、電子は、カソード33から追加的に供給されなければならない。これは、カソード33を補助加熱することによって達成される。接地ワイヤの追加は、この機能が、アノード34によってすでに実行されているので、必要ない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】外部電極を備える光源を示す断面図である。
【図２】マイクロ波共振器を備える第2の光源を示す断面図である。
【図３】内部電極を備える第3の光源を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
1  光源
2  電子ビーム源
3  電子配置
4  電子
5  カソード
6  穴部
7  ウェーネルト・シリンダ
8  加速領域
9  リング・アノード
10  入口ウィンドウ
11  ガス空間
12  放電容器
13  電極
14  電極
15  電子ビーム
16  ワイヤ
20  光源
21  マイクロ波共振器
30  光源
31  電極配置
32  放電容器
33  カソード
34  アノード
35  タングステン・コイル
36  平面金属板
37  供給ワイヤ
38  供給ワイヤ
39  供給ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005519437.tif 000005
【国際調査報告】
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