(57)【要約】【課題】マイクロ波電磁界の乱れを少なくした冷却方法を用いることによる高効率なマイクロ波放電光源装置を提供することを目的とし、特に高出力のエキシマ光放射を行う高圧エキシマランプを利用したマイクロ波放電光源装置を提供すること。【解決手段】常温で１０ｋＰａ以上の封入圧でエキシマ放電ガスが封入された放電容器とマイクロ波電源とからなるマイクロ波放電光源装置において、該放電容器は導波管内に収容されており、該放電容器に接して配置された直管状導電部材を有し、該直管状導電部材がマイクロ波進行方向に対して垂直、かつ電界の向きに垂直な方向に配置され、該導電部材の中に冷却媒体を流すことを特徴とするマイクロ波放電光源装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温で１０ｋＰａ以上の封入圧でエキシマ放電ガスが封入された放電容器とマイクロ波電源とを有するマイクロ波放電光源装置において、
該放電容器は導波管内に収容されており、該放電容器に接して配置された直管状導電部材を有し、該直管状導電部材がマイクロ波進行方向に対して垂直、かつ電界の向きに垂直な方向に配置され、該直管状導電部材の中に冷却媒体を流すことを特徴とするマイクロ波放電光源装置。
【請求項２】
前記放電容器に前記マイクロ波を出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）を有するよう所定の周期で間欠供給することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放電光源装置。
【請求項３】
前記出力期間（ｔ）がｔ≦２．５×１０−５ｓｅｃであって、かつ前記出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）をあわせた周期（Ｌ）がＬ≦２×１０−４ｓｅｃであり、かつＬ＞ｔであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波放電光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波放電を利用したマイクロ波放電光源装置に関するものであり、特にその放電容器の冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波放電を利用した光源装置は種々開示されている。
特開平７−１８２９１０号には石英ガラスのランプ容器内にＨｅ、Ｎｅ、ＡｒおよびＦ２の混合ガス等を封入し、コバール製の冷却管をランプ容器に気密に貫通させ、冷却管内に水を流して水冷して使用する紫外域の発光をするマイクロ波放電光源装置が開示されている。
【０００３】
しかしながら、当該公報においては、ランプ容器の封入ガス圧についての記述がなく、マイクロ波による電界の向きについても記述がない。マイクロ波放電においては、放電容器に封入されたガス圧の高さによっては均一放電とならず、特に、常温で１０ｋＰａを超える高封入ガス圧のときには糸状の放電が放電容器内に生じ、その放電がマイクロ波の進行方向及びマイクロ波の電界の向きによってどのように影響されるのかという考え方や問題認識がない。
【０００４】
特許第２５７０３７３号公報では、マイクロ波放電する低圧水銀ランプの放電容器の管壁の一部を金属で生成し、その内面を冷却液体で冷却する方法が開示されている。
【０００５】
この公報においては、放電容器の管壁の一部を金属で生成し、その金属部分がマイクロ波電界に垂直と思われる構成と思われる。しかし、エキシマ光を多く放射させるために常温で１０ｋＰａ以上の封入圧でＸｅ等のエキシマ放電ガスを封入した高圧放電ランプをこの公報の構成にした場合、放電容器内の糸状発光にマイクロ波進行方向に沿い、疎密が生じるという問題が生じることが推測される。
【０００６】
なお、高圧エキシマランプのマイクロ波点灯する公知例として特許第２９６０８２９号公報がある。このランプは放電容器内に希ガスとハロゲンを組合わせて充填している。そして、樋状の反射器と反射器の開口側の金属メッシュとから構成されるマイクロ波空洞内に放電容器が配置されている。しかしながら、放電容器の冷却には空冷を採用しており、高出力の発光は望めない構成となっている。
【０００７】
本発明者は、高圧のエキシマ放電ガスを封入した放電容器を有するマイクロ波放電光源装置においては、金属管などの導電性の冷却管と、マイクロ波の進行方向およびマイクロ波の電界の向きとの配置関係が放電に大きく影響することを見出し、マイクロ波放電光源装置の安定放電を実現すべく、鋭意研究した結果、本発明を完成したものである。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２５７０３７３号公報
【特許文献２】
特許第２９６０８２９号公報
【特許文献３】
特開平７−１８２９１０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マイクロ波電磁界の乱れを少なくした冷却方法を用いることによる高効率なマイクロ波放電光源装置を提供することを目的とし、特に高出力のエキシマ光放射を行う高圧エキシマ放電ガスを封入した放電容器を利用したマイクロ波放電光源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、常温で１０ｋＰａ以上の封入圧でエキシマ放電ガスが封入された放電容器とマイクロ波電源とを有するマイクロ波放電光源装置において、該放電容器は導波管内に収容されており、該放電容器に接して配置された直管状導電部材を有し、該直管状導電部材がマイクロ波進行方向に対して垂直、かつ電界の向きに垂直な方向に配置され、該導電部材の中に冷却媒体を流すことを特徴とするマイクロ波放電光源装置とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、前記放電容器に前記マイクロ波を出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）を有するよう所定の周期で間欠供給することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放電光源装置とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記出力期間（ｔ）がｔ≦２．５×１０−５ｓｅｃであって、かつ前記出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）をあわせた周期（Ｌ）がＬ≦２×１０−４ｓｅｃであり、かつＬ＞ｔであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波放電光源装置とするものである。
【００１３】
【作用】
本発明において、エキシマ分子を生成する元の気体を放電容器内に多く含有される条件、すなわち１０ｋＰａ以上の高ガス圧力とすることにより、エキシマ分子が多く生成され、高効率なマイクロ波放電光源装置が提供される。そして、冷却媒体を流す直管状の導電部材をマイクロ波進行方向に対して垂直で、かつ電界の向きに垂直な方向に配置すると、共振器内のマイクロ波電界が乱されることが少なく、１０ｋＰａ以上の高ガス圧力としても放電容器からの安定した発光が得られる。また、マイクロ波電磁界を輻射することも少なくなるため、効率良くマイクロ波電磁界が放電容器に吸収される。
【００１４】
そして、特にエキシマ分子は放電中のガスの温度が高くなると壊れやすい性質を有するので、放電容器に接した導電部材の内部に冷却媒体を流すという冷却をすることで、効果的な冷却を施すことができ、高効率なマイクロ波放電光源装置を提供することが可能となる。
【００１５】
さらに、出力期間と停止期間を周期的とすることを特徴とするマイクロ波供給方法により、より高効率なマイクロ波放電光源装置を提供する。停止期間を設けることにより放電により生成されるエキシマ分子が冷却される期間を有し、高効率なマイクロ波放電光源装置が実現される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を示す典型的な例を図１に模式図的に示す。図１は実施例となるマイクロ波放電光源装置の概念図であるが、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）はマグネトロン２により生成され、アンテナ３から放射される。マグネトロン２を動作させるためにはマグネトロン２内部に熱電子を生成させるためのヒーター用電源（不図示）および生成された電子の加速用電源（不図示）などの動力源が必要であり、それらがマイクロ波電源１としてマグネトロン２に附属している。アンテナ３から放射されたマイクロ波は導波管４内を伝播し、放電容器５に給電される。導波管４にはＪＩＳ規格の矩形導波管を使用している。
【００１７】
放電容器５は二重管構造をした直管からなる。外管５１の外径がφ２６ｍｍ、内管５２の内径が１４ｍｍ、長手方向長さ１５０ｍｍの合成石英製であり、導波管４断面の長辺方向に対して平行方向に導波管４内に格納される。内管５２の内径に密接して冷却管６としての直管状の銅管が挿入され、冷却管６は導波管４の断面の長辺方向に貫通し、外部から給水できる構造となっている。
【００１８】
なおマイクロ波が導波管４から漏れ出でないよう、冷却管６と導波管４は接続されている。本実施例では冷却管６に銅管を使用したが、他の導電性材料からなる管を用いても、非導電性材料からなる管に導電性材料をコーティングしたものを用いても冷却効果が得られることは言うまでもない。導電性材料を使用する理由は冷却効果を高めるため、および安価な水を使用可能にするためである。
【００１９】
放電容器５内には１０ｋＰａのキセノンガスが封入されており、マイクロ波放電によりキセノンエキシマ分子が生成され、放電からの光放射の一部に含まれるキセノンエキシマ分子からの１７２ｎｍをピーク波長とした真空紫外光が放射される。
【００２０】
真空紫外光は大気中の酸素により吸収されてしまうため、放電容器５はマイクロ波および真空紫外光に対して透明な、例えば合成石英からなる収納容器７に格納され、収納容器７内は大気圧程度の窒素ガスなどで充填される。マイクロ波に対しては不透明で、真空紫外光に対しては透明な、例えば金属メッシュ８を導波管４の一部に形成し、真空紫外光は金属メッシュ８を介して外部へ放射される。真空紫外光の酸素吸収をできる限り抑制するため、収納容器７は金属メッシュ８に略密接するように配設されている。
【００２１】
放電容器５の中心は導波管４内に生成される電界の定在波の腹の位置、すなわち電界強度最大位置に設置され、もっとも効率良くマイクロ波を吸収するように設計されている。一般的には導波管に連設して形成された共振器内に放電容器５を配設するが、本実施例では放電容器５が導波管４に収まるため、導波管４をそのまま共振器に兼ねる構造としている。
【００２２】
また、放電容器５の位置が電界強度の最大位置となるように移動可能な反射板（不図示）が設けられたり、マイクロ波が放電容器放電に効率良く供給されるよう整合器（不図示）が設けられたり、放電容器５の側から反射されるマイクロ波がアンテナ３に戻ってマグネトロン２を破壊しないように方向性結合器（不図示）などが設けられることがあるが、本実施例では以上のような課題に対策を施し、ここでの図示および説明は省略している。
【００２３】
導波管４内および放電容器５に伝播するマイクロ波電界の様子を図２に示す。図中の矢印の長さは電界強度を示している。ＪＩＳ規格矩形導波管４内にはＴＥ１０モードの電磁界が伝播し、導波管４の断面の短辺に平行な電界が伝播する。
【００２４】
図２中でＡ−Ａ’面での断面図を図３に示す。導波管４内を伝播してきたマイクロ波電界は、導波管４を上下に二分するように配置された細い冷却管６により、図示するように上下に二分される。このとき冷却管６がマイクロ波電界に対して垂直に配設されているため、マイクロ波電界がほとんど乱さずに二分されるところが特長的である。
【００２５】
もし冷却管６のマイクロ波電界に対する垂直性が維持されなければ、マイクロ波電界により冷却管６内に電流が流れ、電流損が生じるとともに、その電流により冷却管６がアンテナとなってマイクロ波が輻射されることとなり、大幅な電力損失が生じるとともにマイクロ波電力が放電容器５に効率良く吸収されない。
【００２６】
マイクロ波電力２００Ｗをアンテナ３から放射した場合、冷却管６を挿入しない場合には、放射温度計にて測定した放電容器５の表面温度は２６０℃、金属メッシュ８付近で測定した真空紫外光強度は３ｍＷ／ｃｍ２である。一方、冷却管６を挿入し、１リットル／分の水を流したところ放電容器５の表面温度は２００℃、真空紫外光強度は６ｍＷ／ｃｍ２と改善効果が得られた。以上の方法により、マイクロ波電磁界の乱れが少ない液体冷却方法を提供することが可能となり、高効率なエキシマ光放射を利用するマイクロ波放電光源装置を提供することを可能となる。
【００２７】
エキシマ分子発光を得るためにはガス圧力が高いほうが効率的であることが知られている。しかしながらガス圧力が高くなると放電生成・維持が困難になり、電磁波により放電にエネルギーを供給するマイクロ波方式ではその困難さがより顕著になる。例えば２０ｋＰａのキセノンガスを封入したキセノンエキシマランプの放電断面は図４のようになる。図中の上向き矢印はマイクロ波電界を示す。
【００２８】
放電容器５外部から入射するマイクロ波は、放電容器５内部に入ってすぐに放電を形成するが、ガス圧力が高いために放電が広がらず放電容器５近傍にのみ放電が形成される。入射波と反射波の両方において同様の現象が発生し、同図のように放電容器５のマイクロ波入射側および反射側の２箇所に局所的な放電が形成される。
【００２９】
ところが、このとき出力期間と停止期間が周期的に変化するようにマイクロ波を供給すると、マイクロ波が放電容器５内部に入ってすぐの箇所に放電を維持されず、図５のように放電容器内でもっとも電界強度の高い導電性の冷却管６近傍に放電維持される。
【００３０】
例えばマイクロ波出力期間を３μ秒、停止期間を２０μ秒とした供給とすることにより、キセノンエキシマの真空紫外光の強度は定常的な連続マイクロ波供給時の６ｍＷ／ｃｍ２から１０ｍＷ／ｃｍ２へと大幅な改善が見られた。マイクロ波出力期間と停止期間をパラメータとして、マイクロ波の定常的供給時に対する真空紫外光強度比をまとめると図６のような結果が得られた。
【００３１】
図６において、縦軸をマイクロ波の出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）をあわせた周期（Ｌ）、横軸をマイクロ波出力期間として、定常的な連続マイクロ波供給時の真空紫外光強度に対し、マイクロ波を出力期間（ｔ）と停止期間（ｓ）を有するよう所定の周期で間欠供給した場合の真空紫外光強度をプロットしたものである。各点の数値は定常的な連続マイクロ波供給時の真空紫外光強度を１．０としたときの相対値を示す。
【００３２】
図中の斜線部分の領域、即ち（ｔ）がｔ≦２．５×１０−５ｓｅｃであって、かつ周期（Ｌ）がＬ≦２×１０−４ｓｅｃかつ、Ｌ＞ｔである領域のマイクロ波供給条件であれば、キセノンエキシマの真空紫外光の強度は定常的な連続マイクロ波供給時の当該強度に比べて５０％を超える改善が見られるのである。５０％を超える改善は省エネルギー効果が大きい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、放電容器に照射されるマイクロ波電界に対して略垂直に管状導電性冷却管を配設することにより、マイクロ波電界を乱さずに冷却することが可能となり、高効率なマイクロ波放電光源装置が提供されることとなった。
【００３４】
特にガス圧力が高いエキシマ分子からの放射光を利用するマイクロ波放電光源装置においては、マイクロ波を定常的に供給せずに停止期間を設けて供給する方がより高効率とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を模式図的に示した図である。
【図２】本発明の実施の形態における導波管内および放電容器に伝播するマイクロ波電界分布概念図である。
【図３】図２のＡ−Ａ´断面図である。
【図４】高ガス圧力における放電容器中央部に導電性冷却管を通過させたマイクロ波放電光源装置の放電の様子である。
【図５】出力期間と停止期間が周期的に変化するようにマイクロ波供給した場合のマイクロ波放電光源装置の放電の様子である。
【図６】マイクロ波定常供給時に対する、周期変調時の真空紫外光強度比を示した図である。
【符号の説明】
１  マイクロ波電源
２  マグネトロン
３  アンテナ
４  導波管
５  放電容器
５１  外管
５２  内管
６  冷却管
７  収納容器
８  金属メッシュ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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