(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ガスが充填される中空の放電容器（１１）内にアンテナ部材（１２，１３）を突出させ、該アンテナ部材（１２，１３）の突出部から前記放電容器（１１）内にマイクロ波パルスを放出させるマイクロ波発振装置（１）を設け、前記放電容器（１１）内に充填される放電ガスはキセノンを主体とするエキシマガスであり、マイクロ波の出力を、前記放電容器（１１）内に生成されるエキシマプラズマの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるようにマイクロ波パルスの周波数、及びデュ−ティ比を制御するパルス出力設定部（３）を設けたことを特徴とするアンテナ励起型ガス放電灯。
【請求項２】
放電ガスはキセノンガスを主体とし、該キセノンガスを、該キセノンガスが共鳴発光する２６．６ｋＰａ以下の圧力で放電容器（１１）内に充填したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ励起型ガス放電灯。
【請求項３】
放電ガスはキセノンガスを主体とし、該キセノンガスを、該キセノンガスがエキシマ発光する約５００ｋＰａ以上の圧力で放電容器（１１）内に充填したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ励起型ガス放電灯。
【請求項４】
放電容器（１１）の一端部に、第１アンテナ部材（１２）、及び第２アンテナ部材（１３）を鉛直方向に間隔をおいて並列に配置するとともに、該第１、第２アンテナ部材（１２，１３）を放電容器（１１）の一端部から該放電容器（１１）内に突出させ、第１、第２アンテナ部材（１２，１３）の突出端部（１２ａ，１３ａ）を放電容器（１１）内にて互いに接近する上下方向に屈曲させ、該屈曲した端部同士間の間隔を、放電ガスを放電可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙（Ｇ１）としたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のアンテナ励起型ガス放電灯。
【請求項５】
放電容器（１１−１）の一端部と他端部とに、第１アンテナ部材（１２−１）と第２アンテナ部材（１３−１）とを鉛直方向に変位させて平行に配置するとともに、該第１、第２アンテナ部材（１２−１，１３−１）を放電容器（１１−１）の両端部から該放電容器（１１−１）内に突出させ、第１、第２アンテナ部材（１２−１，１３−１）の突出端部（１２−１ａ，１３−１ａ）を放電容器（１１−１）内にて、放電ガスの放電を可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙（Ｇ２）となる如く上下方向に変位させたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のアンテナ励起型ガス放電灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電容器内に突出させたアンテナ部材からプラズマを発生させ、該プラズマにより放電容器内の放電ガスを励起してエキシマを効率よく生成するアンテナ励起型ガス放電灯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、２００ｎｍ以下の波長をもつＶＵＶ光（真空紫外線）は光エネルギーが大きく、材料表面の改質、洗浄、あるいは水処理等、産業に利用すべく注目されている。
【０００３】
ところで、従来におけるＶＵＶ発光用のガス放電灯として、誘電体バリア放電型ガス放電灯があった。即ち、ガラスあるいはセラミックス等の誘電体からなる放電容器内にキセノン、アルゴン、等の放電ガス（不活性ガス）を充填し、前記放電容器の外面に一対の電極を放電容器に沿って延長配置し、各電極間に交流電圧を印加して前記放電容器内の放電ガスを励起し、該放電ガスからエキシマ分子を生成し、該エキシマ分子によってＶＵＶ光を得るようにしたものがあった。
【０００４】
前記従来のものは、電極間に交流電圧を印加して放電ガスを励起するようにしていたので、電極が加熱して放電容器内の放電ガスが加熱され易く、放電ガスの電子温度が昇温してエキシマ分子が発生し難くなるものであった。また、一対の電極を放電容器の外面に沿って延長させるようにしていたので、構造が複雑になるとともに、ＶＵＶ光が拡散するため、該ＶＵＶ光を対象物に局所的に照射させることができず、使用範囲が限定されるものであった。また、電極間に数ｋｖ〜１０数ｋｖの高電圧を必要とし、絶縁対策等、電気回路が複雑になって高価になるとともに、装置が大型になるものであった。
【特許文献１】特開２００４−３６３１０２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３１９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、構造簡素にしてＶＵＶ光の発光効率が高くなるアンテナ励起型ガス放電灯を得るようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、放電ガスが充填される中空の放電容器内にアンテナ部材を突出させ、該アンテナ部材の突出部から前記放電容器内にマイクロ波パルスを放出させるマイクロ波発振装置を設け、前記放電容器内に充填される放電ガスはキセノンを主体とするエキシマガスであり、マイクロ波の出力を、前記放電容器内に生成されるエキシマプラズマの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるようにマイクロ波パルスの周波数、及びデュ−ティ比を制御するパルス出力設定部を設けたものである。
請求項２に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体として充填するとともに、該キセノンガスを、該キセノンガスが共鳴発光する２６．６ｋＰａ以下の圧力で放電容器内に充填したものである。
請求項３に係る発明は、前記前記放電容器内にキセノンガスを主体として充填するとともに、該キセノンガスを、該キセノンガスがエキシマ発光する約５００ｋＰａ以上の圧力で放電容器内に充填したものである。
請求項４に係る発明は、放電容器の一端部に、第１アンテナ部材、及び第２アンテナ部材を鉛直方向に間隔をおいて並列に配置するとともに、該第１、第２アンテナ部材を放電容器の一端部から該放電容器内に突出させ、第１、第２アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて互いに接近する上下方向に屈曲させ、該屈曲した端部同士間の間隔を、放電ガスを放電可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙としたものである。
請求項５に係る発明は、前記放電容器の一端部と他端部とに、第１アンテナ部材と第２アンテナ部材とを鉛直方向に変位させて平行に配置するとともに、該第１、第２アンテナ部材を放電容器の両端部から該放電容器内に突出させ、第１、第２アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて、放電ガスの放電を可能とする強いマイクロ波電界を励起することができる間隙となる如く上下方向に変位させたものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明は、放電容器内に突出したアンテナ部材からマイクロ波が発せられるので小型かつ構造簡素にして放電容器内の放電ガスが効率良く励起されるとともに、点光源化したエキシマが生成されることになる。また、アンテナ部材から発するマイクロ波を出力制御の容易なマイクロ波パルスとし、該マイクロ波パルスの出力をパルス出力設定部により、前記放電ガスがエキシマの生成に適した電子温度に容易に対応させることができ、放電ガスからエキシマが効率良く生成されることになる。また、前記放電ガスをキセノンガスを主体とし、マイクロ波パルスは、前記キセノンガスの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるパルス周波数、及びデュ−ティ比としたので、キセノンガスからキセノンエキシマが効率良く生成されることになる。
請求項２に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体とする放電ガスを２６．６ｋＰａ以下の圧力で充填したので、波長１４７ｎｍのキセノン共鳴線を安定して得ることができる。
請求項３に係る発明は、前記放電容器内にキセノンガスを主体とする放電ガスを約５００ｋＰａ以上の圧力で充填したので、波長１７２ｎｍのキセノンエキシマの発光を安定して得ることができる。
請求項４に係る発明は、第１、第２アンテナ部材の突出端部を放電容器内にて上下方向に変位させたので、両者間で発生するプラズマ柱が上下（重力）方向の紡錘状となり、発光時に放電容器１内で上下に対流する放電ガスに左右され難くなる。このため、エキシマが点光源化することになる。
請求項５に係る発明は、第１、第２アンテナ部材を放電容器の一端部から該放電容器内に突出させたので、放電管の他端側に放射光の遮蔽物がなくなる。このため、放射光を有効に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。図面において、図１は本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第１実施例を示す断面図、図２は本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第２実施例を示す断面図、図３はキセノンガス圧と発光スペクトルとの関係を示す発光スペクトル特性図、図４はキセノンガス圧に対する１４７ｎｍ、１７２ｎｍの発光強度の特性を示す発光強度特性図、図５はキセノン励起原子の生成効率とキセノンの電子温度との関係を示す特性図である。
【０００９】
図１において、１はマイクロ波発振装置であり、マイクロ波パルスを発振する固体マイクロ波発振器２及びパルス出力設定部３を有する。パルス出力設定部３は、固体マイクロ波発振器２から発振されるマイクロ波パルスを所望のパルス周波数及びデュ−ティ比に変調し、同軸ケーブル４を介して同軸導波管（ラーンチャ）５に導かれ、放電灯１０に供給される。
【００１０】
前記同軸導波管５は、導体性資材、本例では銅により形成され、円筒状の外部導体６内に同じく円筒状の内部導体７が所定の間隙を保持して同軸に嵌合され、該同軸導波管５の特性インピーダンスは、固体マイクロ波発振器２、及びパルス出力設定部３が有する特性インピーダンスと等しくなるように設定、本例では５０Ωに設定されている。８は外部導体６と内部導体７とを同軸に保持する絶縁体であり、石英ガラス、アルミナ、ポリエチレン等の低い誘電体損失を有する絶縁資材により形成されている。
【００１１】
１０は前記同軸導波管５の端部に取付けられる第１実施例の放電灯である。該放電灯１０は、透光性資材、本例では石英ガラスにより中空の球状に形成された放電容器１１内に、第１アンテナ部材１２、及び第２アンテナ部材１３の先端部を突出させ、前記放電容器１１内にキセノンガスを２６．６ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）以下、例えば２．６６ｋＰａ（２０Ｔｏｒｒ）、または約５００ｋＰａ以上（約５気圧以上）の圧力で充填する。この場合、約０．１％のアルゴンガスを封入してペニング効果を高めるようにするとよい。
【００１２】
前記第１、第２アンテナ部材１２，１３は、導体性の帯板（ストリップライン）、例えばタングステン、モリブデン等の耐熱性資材、あるいは放電ガスに対して耐腐食性を有する白金、金等からなり、図１に示すように、左右水平方向に延出させるとともに、上下に間隔をおいて並列に配置し、両者を保持体１４を介して放電容器１１に一体的に固定し、その先端部１２ａ，１３ａを放電容器１１内で保持体１４から露出させ、該突出端部を放電容器１１の中心部にて互いに接近する上下方向に屈曲させるとともに、該屈曲した端部間の間隙、つまりギャップＧ１は放電に適した値、本例では１ｍｍ〜３ｍｍに設定する。前記第１アンテナ部材１２、及び第２アンテナ部材１３の基部（後部）は保持体１４を介して前記同軸導波管５の内部導体７に嵌合固定する。なお、前記先端部１２ａ，１３ａは保持体１４内に埋め込むようにしてもよい。
【００１３】
図２は第２実施例の放電灯を示す。図２において、１０−１は前記同軸導波管５の端部に取付けられる放電灯である。該放電灯１０−１は、石英ガラス等の透光性資材により楕円中空状に形成された放電容器１１−１の長軸側両端部に第１、第２アンテナ部材１２−１，１３−１を取付ける。各第１、第２アンテナ部材１２−１，１３−１は、前述した第１、第２アンテナ部材１２，１３と同様の導体性資材によりピン状に形成され、先端部１２−１ａ，１３−１ａを残す後部側が保持体１４−１ａ，１４−１ｂ内に埋設され、該保持体１４−１ａ，１４−１ｂを介して前記放電容器１１−１の長軸側両端部に固定され、第１アンテナ部材１２−１の基部（後部）は保持体１４−１ａを介して前記同軸導波管５の内部導体７に嵌合固定する。
【００１４】
前記第１、第２アンテナ部材１２−１，１３−１は、図２に示すように、鉛直方向に変位させて平行に配置するとともに、その先端部（突出端部）１２−１ａ，１３−１ａを放電容器１１−１内に突出させる。各先端部１２−１ａ，１３−１ａの突出端は放電容器１１−１の長軸方向中心部に延出させ、この部で上下方向のギャップ（間隙）Ｇ２を形成する。該ギャップＧ２は放電に適した値にする。その他は前述した第１実施例と略同様の構造となっている。
【００１５】
ここで、誘電体バリア放電によるキセノンガスの物性を確認すると、図３〜図５に示すようになっている。即ち、図３によると、２００Ｔｏｒｒ（２６．６ｋＰａ）〜１０００Ｔｏｒｒ（１３３ｋＰａ）において、波長１４７ｎｍ、及び波長１７２ｎｍにエキシマ光のピークが存在している。また、図４によると、低い気圧では波長１４７ｎｍのキセノン共鳴光が支配的であるが、圧力が高くなると波長１７２ｎｍのキセノンエキシマ光が支配的となっている。
【００１６】
また、キセノンガスが励起されると、電子の衝突により、励起原子Ｘｅ*やキセノンエキシマＸｅ2 * が生成され、１４７ｎｍあるいは１７２ｎｍのＶＵＶ発光が得られる。この場合、図５によると、キセノンガスの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶにおいては、前記励起原子Ｘｅ*やキセノンエキシマＸｅ2 * の生成効率が高く、ＶＵＶが効率よく発光し、前記電子温度が２ｅＶよりも高くなるに従ってＸｅ+の生成が増え、ＶＵＶの発光が低下することになる。
【００１７】
前記キセノンガスの電子温度は、アンテナ部材１２（１２−１）から放射されるマイクロ波の出力（電力）によって大きく左右され、該出力をキセノンガスの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるように制御（小さく）する必要がある。これは連続のマイクロ波では制御装置が複雑になるとともに、微細な制御が困難となる。そこで、本発明は、固体マイクロ波発振器２から発振されるマイクロ波をパルス化し、該パルス化したマイクロ波パルスをパルス出力設定部３でパルス周波数、デュ−ティ比、パルス高、等を制御することにより、アンテナ部材１２（１２−１）から放射されるマイクロ波パルスの出力をキセノンガスの電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるようにして非熱平衡プラズマを生成する。
【００１８】
本例では、前記パルス出力設定部３により、パルス周波数５〜１０ＫＨｚ、デュ−ティ比５０〜７５％の範囲で制御し、アンテナ部材１２（１２−１）により５〜５０Ｗのマイクロ波パルスで点灯することにより、キセノンガス圧約２．６６ｋＰａ（２０Ｔｏｒｒ）、または約１０００〜１５００ｋＰａ（１０〜１５気圧）において、前記電子温度が１ｅＶ〜２ｅＶとなるようにし、これによりキセノンガス圧約２．６６ｋＰａにおいて波長１４７ｎｍのキセノン共鳴光が、また、キセノンガス圧約１０００〜１５００ｋＰａにおいて波長１７２ｎｍのキセノンエキシマ光が効率よく発光できるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第１実施例を示す断面図である。
【図２】本発明によるアンテナ励起型ガス放電灯の第２実施例を示す断面図である。
【図３】キセノンガス圧と発光スペクトルとの関係を示す発光スペクトル特性図である。
【図４】キセノンガス圧に対する１４７ｎｍ、１７２ｎｍの発光強度の特性を示す発光強度特性図である。
【図５】キセノン励起原子の生成効率とキセノンの電子温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    マイクロ波発生装置
２    固体マイクロ波発振器
３    パルス出力設定部
４    同軸ケーブル
５    同軸導波管（ラーンチャ）
６    外部導体
７    内部導体
８    絶縁体
１０（１０−１）  放電灯
１１（１１−１）  放電容器
１２（１２−１）  第１アンテナ部材
１３（１３−１）  第２アンテナ部材
１２ａ，１３ａ    先端部（突出端部）
１４（１４−１）  保持体
【図１】
0005010415.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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