(57)【要約】【課題】安全かつ簡便にブロードな発光スペクトルを持つ点光源の発光装置を実現すること。【解決手段】放電光源は図１のように絶縁パイプ３０と電極３１ａ、３１ｂで構成されている。電極３１ａ、３１ｂからは、突起３２ａ、３２ｂが伸びている。突起３２ａと３２ｂの間に絶縁パイプ３０を通してアルゴンガスを流し、電極３１ａ、３１ｂに電圧をかけると、突起３２ａと３２ｂの間の領域にグロー放電が生じ、発光する。突起３２ａと３２ｂの間隔は微小なので発光領域は狭く、点光源である。また、ガスの流速を速くすると、発光強度が増加し、紫外領域から可視光領域までの幅広く連続した発光スペクトルが得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧放電光源において、
微小間隔を隔てて設けられた第１電極と第２電極とから成る電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に、電離用ガスとしてアルゴン、窒素または空気を輸送させる輸送手段と、
を有し、
前記第１電極と前記第２電極との間の微小間隔に、前記電離用ガスを流しながら放電させること、
を特徴とする放電光源。
【請求項２】
前記ガスを前記第１電極と前記第２電極との間の微小間隔に導き流す絶縁パイプを有し、前記絶縁パイプのガスの吹き出し口近傍に前記第１電極と前記第２電極とが設置されていること、
を特徴とする請求項１に記載の放電光源。
【請求項３】
前記第１電極と前記第２電極に、先端が鋸歯状をした突起を設けることで前記微小間隔を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電光源。
【請求項４】
前記ガスを前記第１電極と前記第２電極との間の微小間隔は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放電光源。
【請求項５】
前記輸送手段は、前記ガスを前記第１電極と前記第２電極との間の微小間隔に循環させ、前記ガスの流速と圧力を制御する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の放電光源。
【請求項６】
前記ガスの圧力が、０．８ａｔｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の放電光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトルのブロードな発光をする点光源である放電光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
点光源でスペクトルがブロードな発光をする光源は、プラズマ中のラジカル量を測定する用途で期待されている。例えば、ＣＦやＣＦ2 などの分子状ラジカルは、２００ｎｍから２５０ｎｍの範囲の幅広いスペクトルでの吸収があるので、紫外領域に幅広いスペクトルで発光する点光源が必要である。点光源であることは、プラズマに照射したときにプラズマ自身に影響を与えないことに利点がある。
紫外領域から可視光領域までの幅広い発光をする光源としては、重水素ランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプがある。
【０００３】
特許文献１には、そのような条件を満たすアーク放電光源が記載されている。このアーク放電光源は、アーク放電を安定して継続でき、極微小な点光源である。また、このアーク放電光源の電離用ガスとしてヘリウムとキセノンの混合ガスを用いると、紫外領域に幅の広い発光スペクトルが得られる旨が記されている。
【特許文献１】特開２００５−２８５６７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の光源は、高圧または高価または毒性の高いガスが使用されているため、コストと安全面に問題がある。また、放電部位が高温になるため、光源の小型化が難しい。また、大型で高価な電源を使用しなければならない場合もある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ガスの流速や圧力により放電や発光スペクトルにどのような変化があるかを考察することにより、点光源で幅広いスペクトルを持つ発光を、より簡単で安全に得られる放電光源または発光装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、大気圧放電光源において、微小間隔を隔てて設けられた第１電極と第２電極とから成る電極と、第１電極と第２電極との間に、電離用ガスとしてアルゴン、窒素または空気を輸送させる輸送手段とを有し、第１電極と第２電極との間の微小間隔に、電離用ガスを流しながら放電させることを特徴とする放電光源である。
【０００７】
この放電光源の電極に高電圧をかけ、電極間に電離用のガスを流すと、電極間にグロー放電が発生し、発光する。ガスとしてアルゴン、窒素、空気を用いた場合に、ガスの流速と発光強度には、流速が増加すると発光強度が強くなるという関係がある。これは、次の理由による。ガスの流速が遅いと、発光は電極の外側でも発生する。一方、ガスの流速が速くなると、発光が電極間に集中し、その結果発光強度も増す。
電極の間隔を微小にしていることから、発光は電極間の微小な領域に集中する。結果、ガスの流速を速くすることで点光源が得られる。また、発光強度が増すことによって、発光スペクトルは連続的になり、幅も広がる。
【０００８】
電極の材料は、ステンレス、モリブデンなどを用いる。電極の間隔は、０．５〜１．０ｍｍであることが望ましい。また、電極の間隔におけるガスの流速は、１２７ｍ／ｓ以上であることが望ましい。１２７ｍ／ｓ以上であると、紫外領域から可視光領域にわたる幅広い発光スペクトルで十分な発光強度の光源となる。ガスの流速の望ましい範囲は、５０〜４００ｍ／ｓである。５０ｍ／ｓ以下となると、連続光でなくでなくなるので、望ましくなく、４００ｍ／ｓ以上となると、飽和傾向となるので、望ましくない。
【０００９】
第２の発明は、ガスを第１電極と第２電極との間の微小間隔に導き流す絶縁パイプを有し、絶縁パイプのガスの吹き出し口近傍に第１電極と第２電極とが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の放電光源である。
【００１０】
ガスを電極間に導くために、絶縁パイプを用いるとよい。容易に電極間にガスを流すことができる。絶縁パイプからのガスの吹き出し口近辺に電極を設置すると、放電場所がガスの吹き出し近辺に限定され、放電の安定度が著しく増加する。電極は絶縁パイプに直接接続されていてもよい。絶縁パイプの内径は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍとするとよい。絶縁パイプの材料は、セラミックなどを用いる。
【００１１】
第３の発明は、第１電極と第２電極に、先端が鋸歯状をした突起を設けることで微小間隔を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電光源である。
【００１２】
電極に突起を設けることで、容易に電極の間隔を微小とすることができる。また、放電領域が拡散することを、突起により遮ることができる。また、先端部を鋸歯状とすることにより、さらに放電領域の拡散を防止できる。そのため、放電は、電極と突起に設けられた歯に囲まれた領域に発生する。したがって、より容易に点光源が得られる。
【００１３】
第４の発明は、ガスを第１電極と第２電極との間の微小間隔は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の放電光源である。
【００１４】
放電する領域、つまり発光領域は、電極の間隔に依存している。間隔が広いと発光領域も広くなり、間隔が狭いと発光領域も狭くなる。よって、点光源とするためには、電極の間隔は狭い方がよい。そこで、電極の間隔を１ｍｍ以下とすることで、発光領域を狭くし、点光源を得られ易くなる。
【００１５】
第５の発明は、輸送手段は、ガスを第１電極と第２電極との間の微小間隔に循環させ、ガスの流速と圧力を制御する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の放電光源である。
【００１６】
輸送手段によりガスの流速や圧力を容易に制御することができ、また流速や圧力を安定化することができる。そのため、発光スペクトルが安定する。また、ガスの消費量を抑えることができる。
【００１７】
第６の発明は、ガスの圧力が、０．８ａｔｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の放電光源である。
【００１８】
ガスの圧力が０．８ａｔｍ以上である場合には、発光強度は、圧力には依存せず、流速に依存し、流速が速いほど発光強度が強くなる。したがって、発光強度を制御するためには、流速のみを制御すればよく、発光強度の制御が容易となる。また、発光装置を低圧で使用できるので、安全性が高い。
また、圧力の上限は、２ａｔｍである。これ以上となると、使用するガラス材が破損する可能性があるので望ましくない。
【００１９】
第１の発明から第５の発明のいずれの発明においても、ガスとしてアルゴンを用いる方がより良い。アルゴンを用いると放電が安定するため、発光スペクトルも安定するからである。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明である放電光源をガスの流速を速くして使用することで、発光スペクトルの幅が広い点光源を得られる。また、アルゴン、窒素、空気を用いているので、安価であり、安全に運用できる。また、ガスの流速が速くなることにより電極の放熱効果も高くなる。また、グロー放電であるから、放電電流は、１０ｍＡほどである。点光源で放熱効果が高く小電流であることから、光源の小型化が可能である。
【００２１】
また、第２の発明によりガスを導くために絶縁パイプを用いたことで、第１の発明の放電をより安定化することができ、第３の発明により鋸歯状をした突起を設けたことで、容易に点光源を実現することができる。特に、第４の発明のように、電極間を１ｍｍ以下ととすることで、さらに点光源を実現することが容易になる。
【００２２】
また、第５の発明のように、輸送手段を用いることで、発光はさらに安定化し、第６の発明のようにガスの圧力を０．８ａｔｍ以上とすることで、発光強度を容易に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、実施例１の発光光源に係る発光装置を示す図である。放電光源１０と輸送手段を構成する循環装置１で構成されている。放電光源１０は、循環装置１に接続されている。循環装置１はガスを循環させるためのものである。ガスを発光装置に密閉したまま循環させることが可能である。図１のように、配管をめぐらせエアーポンプ１１によりガスを循環させている。この循環装置１には、流量計１２、圧力計１３、１４、サージタンク１５が設けられている。配管には弁１６〜２０が設けられ、流速と圧力を調整できる。特に、弁１８は、循環装置１からのガスの排出量を調整し、弁２０は、循環装置１内へのガスの流入量を調整する。
循環装置１を使用する理由は、ガスの消費量を抑えることができるためと、発光スペクトルを安定化するためである。循環装置１により流速や圧力が安定し、放電が安定化するため、発光スペクトルも安定化する。
【００２５】
図２は、放電光源１０を示す図である。絶縁パイプ３０と平面状の電極３１ａ、３１ｂからなる。絶縁パイプ３０は循環装置１の配管と接続している。絶縁パイプ３０の内径は０．５ｍｍである。絶縁パイプ３０の内径は、０．５〜１ｍｍの範囲で用いると効果が高い。絶縁パイプ３０の端には、上下に電極３１ａ、３１ｂの一部が接し、絶縁パイプ３０をはさむように設置されている。図３は、ガスの吹き出し口方向から見た電極３１ａ、３１ｂを拡大し示した図である。電極３１ａ、３１ｂの絶縁パイプ３０と接していない部分からは２つの突起３２ａ、３２ｂが垂直に向かい合うように伸びている。電極３１ａと３１ｂの間隔Ｌ１は、１０ｍｍ、２つの突起３２ａと３２ｂの間隔Ｌ２は、１．０ｍｍ、突起３２ａと３２ｂの幅Ｌ３は、３ｍｍである。突起の先端部分は鋸歯状のように三角形が並んだ形状である。この三角形の形状は、放電領域の拡散を防止し、狭めるために設けたものである。絶縁パイプの材料として、セラミックを用いた。また、電極の材料としてステンレスを用いた。
【００２６】
実施例１の発光装置は、次のような動作をするものである。
循環装置１の配管から絶縁パイプ３０に流れ込んできたガスは、領域３３に向けて、絶縁パイプ３０の吹き出し口から吹き出す。吹き出したガスは、領域３３を通り、循環装置１の配管へ流れる。ガスは循環装置１内のエアーポンプ１１により循環し、弁１６〜２０により流速と圧力を制御する。また、弁１８、２０を閉めることで発光装置内にガスを密閉した状態で循環することも可能である。このように領域３３にガスが流れている状態で、電極に交流電圧をかけることにより、領域３３付近で放電、発光する。領域３３は非常に狭いため、発光領域も狭くなる。実施例１では、６０Ｈｚ、６ｋＶの交流電圧を用いた。
【００２７】
この発光装置により得られる発光のスペクトルと、ガスの流速、圧力、ガスの種類の違いにはどのような関係があるかについて、測定した。以下で考察する。なお、流速は流速計１２、圧力は圧力計１３を用いて測定した値である。
【００２８】
まず、ガスとしてアルゴンガスを用い、圧力一定にして発光スペクトルと流速の関係について調べた。
結果、圧力が０．８ａｔｍ以上の場合、流速が増加すると発光強度も増加することがわかった。特に、紫外領域においても流速の増加で発光強度が増加することがわかった。図４は、圧力１．２ａｔｍで一定としたときの発光スペクトルの測定図である。流速を１２８ｍ／ｓ、１７０ｍ／ｓ、２０７ｍ／ｓ、２６７ｍ／ｓ、３０３ｍ／ｓと変えて発光スペクトルを測定している。流速が速いほど発光強度が強く、スペクトルの幅が広いことが図４より読み取れる。流速が１２８ｍ／ｓ〜３０３ｍ／ｓの範囲で、スペクトル幅が拡大することが分かった。図５は、圧力１．０ａｔｍで一定とし、流速を９５．５ｍ／ｓ、１２８ｍ／ｓ、１７０ｍ／ｓ、２０７ｍ／ｓ、２６７ｍ／ｓと変えたときのスペクトルの測定図である。図６は、圧力０．８ａｔｍで一定とし、流速を９５．５ｍ／ｓ、１２８ｍ／ｓ、１７０ｍ／ｓ、２０７ｍ／ｓと変えたときの発光スペクトルの測定図である。流速９５．５ｍ／ｓ〜２０７ｍ／ｓの範囲で、スペクトル幅の拡大の効果が高いことが理解される。図５と図６のいずれも図４と同様に、流速が速いほど発光強度が強く、スペクトルの幅が広いことが読み取れる。図７は、圧力０．６ａｔｍで一定とし、流速を９５．５ｍ／ｓ、１２８ｍ／ｓと変えたときの発光スペクトルの測定図である。流速が速くなっても発光強度にもスペクトルの幅にも大きな変化が見られないことがわかる。したがって、圧力は、圧力０．８ａｔｍ以上が望ましい。また、圧力が１．２ａｔｍ以上でも、スペクトル拡大の効果があると予測されるが、実験した範囲内では、０．８ａｔｍ〜１．２ａｔｍが圧力の望ましい範囲である。
【００２９】
流速が速いほど発光強度が強くなるのは、流速が遅いと電極の外側でも発光するが、流速が速いと発光が電極間に集中するためである。このように、流速を速くすると発光領域がより小さくなるため、点光源として利用できる。
【００３０】
次に、ガスとしてアルゴンガスを用い、流速一定にして発光スペクトルと圧力の関係について調べた。
結果、圧力０．８ａｔｍ以上では、流速によらず発光強度は変わらないことがわかった。図８は、流速１２７ｍ／ｓで一定としたときの発光スペクトルの測定図である。圧力を０．６ａｔｍ、０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍ、１．２ａｔｍと変えて発光スペクトルを測定している。圧力０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍ、１．２ａｔｍでは発光強度はほぼ同じであることが図８より読み取れる。図９は、流速１７０ｍ／ｓで一定としたときの発光スペクトルの測定図である。圧力を０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍ、１．２ａｔｍと変えて発光スペクトルを測定している。圧力によらず発光強度がほぼ同じであることが図９よりわかる。したがって、圧力は、０．８ａｔｍ以上であることが望ましい。実験では、１．２ａｔｍまで、実験したので、少なくとも０．８〜１．２ａｔｍは、望ましい範囲であるといえる。
【００３１】
以上より結果をまとめると、実施例１の発光装置によるアルゴンガスの発光スペクトルは、圧力０．８ａｔｍ以上である場合、発光強度は圧力によらず、流速に依存していて、流速が速いほど発光強度が強い。
【００３２】
また、ガスとして窒素や空気を用いた場合も、圧力０．８ａｔｍ以上である場合、発光強度は圧力によらず、流速に依存していて、流速が速いほど発光強度が強い、という傾向が見られた。以下に挙げる図は、空気を用いた場合であり、上述した傾向を読み取ることができる。図１０は、圧力０．８ａｔｍで一定とし、流速を９５．５ｍ／ｓ、１２８ｍ／ｓ、１７０ｍ／ｓ、２０７ｍ／ｓと変えたときの発光スペクトルの測定図である。図１０より、流速が速いほど発光強度が強くなることがわかる。少なくとも、流速９５．５ｍ／ｓ〜２０７ｍ／ｓは、空気を放電ガスとした場合の望ましい範囲と言える。図１１は、圧力０．６ａｔｍで一定とし、流速を９５．５ｍ／ｓ、１２８ｍ／ｓと変えたときの発光スペクトルの測定図である。図１１より、流速による発光強度の変化はあまり大きくないことがわかる。したがって、空気の場合であっても、圧力は０．８ａｔｍ以上が望ましいことがわかる。図１２は、流速１２８ｍ／ｓで一定とし、圧力を０．６ａｔｍ、０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍと変えたときの発光スペクトルの測定図である。図１２より、０．８ａｔｍと１．０ａｔｍでは発光強度に大きな差は見られないことがわかる。このことからも、圧力は０．８ａｔｍ程度であれば良く、０．８〜１．２ａｔｍが望ましい範囲であると言える。
【００３３】
図１３は、圧力０．８ａｔｍで一定とし、放電ガスを窒素ガスとして、流速を８．０ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ、８０ｍ／ｓと変えたときの発光スペクトルの測定図である。ただし、絶縁パイプ３０の内径（直径）は１ｍｍとした。図１３より、流速が速いほど発光強度が強くなることがわかる。少なくとも、流速８．０ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓは、窒素を放電ガスとした場合の望ましい範囲と言える。
【００３４】
また、図１４に示すように、放電ガスとして、ヘリウムを用いた場合は、流速を増加させても発光強度に変化は見られなかった。
また、アルゴンを用いた場合と窒素や空気を用いた場合を比較した結果、アルゴンのほうが放電が安定していて、発光スペクトルが安定していることがわかった。
【００３５】
このように、実施例１の発光装置でアルゴンガスを用い、ガスの圧力を０．８ａｔｍ以上とし、流速を速くすることで、紫外領域から可視光領域にかけて幅広く連続な発光スペクトルを得られ、発光スペクトルが安定していて、点光源である発光装置が実現できた。また、ガスを流しながらの放電であるから、放熱効果もある。
【００３６】
この実施例１の発光装置による光源は、ブロードなスペクトルの発光を得ることができるので、プラズマ中の多種類のラジカルの種類や、その密度を計測するのに利用できる。点光源であるからプラズマに照射してもプラズマは影響を受けず、正確な計測をできる。
【００３７】
実施例１の放電光源を循環装置１に接続せずに、放電ガスを挿入しただけの場合には、実施例１のように循環装置１に接続して使用視した場合と比較すると、発光スペクトルの安定性の面で劣る。放電ガスをランプ体に封入して、電極間で放電ガスを輸送、循環させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１の発光装置の構造図。
【図２】実施例１の発光装置を構成する放電光源の構造図。
【図３】放電光源に用いられる電極の構造図。
【図４】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、圧力１．２ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図５】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、圧力１．０ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図６】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、圧力０．８ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図７】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、圧力０．６ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図８】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、流速１２７ｍ／ｓとした時の発光スペクトルの測定図。
【図９】実施例１の発光装置において、アルゴンを用い、流速１７０ｍ／ｓとした時の発光スペクトルの測定図。
【図１０】実施例１の発光装置において、空気を用い、圧力０．８ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図１１】実施例１の発光装置において、空気を用い、圧力０．６ａｔｍとした時の発光スペクトルの測定図。
【図１２】実施例１の発光装置において、空気を用い、流速１２７ｍ／ｓとした時の発光スペクトルの測定図。
【図１３】実施例１の発光装置において、窒素を用い、圧力０．８ａｔｍで流速を変化させた時の発光スペクトルの測定図。
【図１４】比較列として、実施例１の発光装置においてヘリウムを用い、圧力０．８ａｔｍで流速を変化させた時の発光スペクトルの測定図。
【符号の説明】
【００３９】
１０：放電光源
１１：エアーポンプ
１６〜２０：弁
３０：絶縁パイプ
３１ａ、３１ｂ：電極
３２ａ、３２ｂ：突起
３３：突起に囲まれた領域
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2007311316.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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