JP3196534B2 - Microwave discharge light source device - Google Patents
Microwave discharge light source deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は高出力照明用のマイクロ
波放電光源装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave discharge light source device for high-power illumination.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来よりマイクロ波を用いて放電管をプ
ラズマ発光させる光源装置が提案且つ利用されている。
特に放電のための電極を有しない無電極放電管は、電極
の消耗による劣化現象が生じないことから長寿命が期待
できるなど、有電極の放電管と比較して優れた点を多く
有している。そのため近年、特に高出力照明用光源とし
て注目されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a light source device for emitting a plasma from a discharge tube using microwaves has been proposed and used.
In particular, an electrodeless discharge tube without an electrode for discharge has many advantages compared to a discharge tube with electrodes, such as a long life expectancy because no deterioration phenomenon occurs due to exhaustion of the electrode. I have. Therefore, in recent years, it has been particularly noted as a light source for high-power illumination.
【０００３】図９に、マイクロ波放電光源装置の例とし
て、特開昭６１−９９２６４号公報に記載されているも
のを示す。図９において、９１はマイクロ波を発振する
ためのマグネトロン、９２はマグネトロンアンテナ、９
３は端部にマグネトロンを装着した導波管、９５はマイ
クロ波共振空胴で、導波管９３の他端部に接続された空
胴壁９６と円筒の金属メッシュよりなる光透過部材９７
とから構成される。９８は空胴壁９６に設けられた給電
口で、導波管９３よりマイクロ波共振空胴９５内にマイ
クロ波を給電するものである。９９はマイクロ波共振空
胴９５内に配置された放電管で希ガスや水銀などの充填
物が封入された石英ガラスのような光透過性の被包体で
できている。９４はマイクロ波共振空胴７５から放射さ
れた光を反射する反射板である。FIG. 9 shows an example of a microwave discharge light source device described in JP-A-61-99264. In FIG. 9, reference numeral 91 denotes a magnetron for oscillating microwaves, 92 denotes a magnetron antenna, 9
Reference numeral 3 denotes a waveguide having a magnetron mounted at one end, 95 denotes a microwave resonance cavity, and a cavity wall 96 connected to the other end of the waveguide 93 and a light transmitting member 97 formed of a cylindrical metal mesh.
It is composed of Reference numeral 98 denotes a power supply port provided in the cavity wall 96 for supplying microwaves from the waveguide 93 into the microwave resonance cavity 95. Reference numeral 99 denotes a discharge tube disposed in the microwave resonance cavity 95, which is made of a light-transmissive envelope such as quartz glass in which a filler such as a rare gas or mercury is sealed. Reference numeral 94 denotes a reflecting plate that reflects light emitted from the microwave resonance cavity 75.
【０００４】装置は次のように動作する。マグネトロン
９１で発振されたマイクロ波はマグネトロンアンテナ９
２を通じて導波管９３へ伝搬モードとして励振される。
このマイクロ波は給電口９８を通じてマイクロ波共振空
胴９５へ給電される。前記充填物はマイクロ波エネルギ
ーにより前記放電管が駆動されると蒸発し且つ放電発光
をする。このように従来のマイクロ波放電光源装置の共
振機能部にはマイクロ波共振空胴のみが用いられてい
る。The device operates as follows. The microwave oscillated by the magnetron 91 is transmitted to the magnetron antenna 9
2 is excited to the waveguide 93 as a propagation mode.
The microwave is supplied to the microwave resonance cavity 95 through the power supply port 98. When the discharge tube is driven by microwave energy, the filling evaporates and emits discharge light. As described above, only the microwave resonance cavity is used in the resonance function part of the conventional microwave discharge light source device.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成のように、マイクロ波共振空胴９５から放電管９
９に給電する方法では、放電開始以前には前記放電管内
部で電離が進んでおらず電子及びイオン密度が低く導電
路が存在しないため、前記放電管にマイクロ波エネルギ
ーが集中しないので始動に困難が伴うという問題と、放
電開始以後は前記マイクロ波共振空胴内部での共振電磁
場の内前記放電管内部に供給されず拡散して損失される
マイクロ波エネルギーが存在するので供給電力に対する
発光効率が低下するという問題点を有している。また上
記の従来の構成で用いられている前記マイクロ波共振空
胴９５の寸法は２．４５ＧＨｚの波長が１２ｃｍ程度で
あることから最小で十数ｃｍ程度に制限されるという問
題を有している。However, as in the above-described conventional configuration, the microwave resonance cavity 95 is connected to the discharge tube 9.
In the method of supplying power to the discharge tube 9, since the ionization has not progressed inside the discharge tube before the start of discharge and the electron and ion densities are low and there is no conductive path, the microwave energy is not concentrated in the discharge tube, so that it is difficult to start. And the fact that there is microwave energy that is not supplied to the inside of the discharge tube but diffused and lost in the resonance electromagnetic field inside the microwave resonance cavity after the start of discharge, so that the luminous efficiency with respect to the supplied power is reduced. There is a problem that it decreases. In addition, the size of the microwave resonant cavity 95 used in the above-described conventional configuration has a problem that the wavelength is limited to about tens of cm at a minimum since the wavelength of 2.45 GHz is about 12 cm. .
【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、導波路を通じて伝播されるマイクロ波エネルギーを
効率よく放電管内部に供給することで、始動性と発光効
率の向上を実現することを第１の目的とする。また給電
口より先の共振機能部の構成の小型化を実現することを
第２の目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and realizes an improvement in starting performance and luminous efficiency by efficiently supplying microwave energy propagated through a waveguide to the inside of a discharge tube. This is the first purpose. It is a second object of the present invention to reduce the size of the configuration of the resonance function section before the power supply port.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、マイクロ波を発振する発振部と、マイク
ロ波を伝播する伝播機能部と、給電口と、マイクロ波共
振空胴と、導電材料によって形成される略円筒型または
多角形の共振環と前記共振環の中心軸の方向に形成され
る少なくとも一つの空隙とを有するループギャップ共振
器と、放電管とを備え、前記ループギャップ共振器に近
接して放電管を配置した構成を、マイクロ波共振空胴内
部の共振電磁場の磁力線と前記ループギャップ共振器の
中心軸が略平行になるように設置し、前記放電管に前記
ループギャップ共振器からマイクロ波エネルギーを供給
する構成である。In order to achieve the above object, the present invention provides an oscillating section for oscillating microwaves, a propagation function section for transmitting microwaves, a power supply port, a microwave resonant cavity, and A substantially cylindrical type formed by a conductive material or
A polygonal resonance ring and a center axis of the resonance ring are formed.
Comprising a loop-gap resonator having at least one void that, the discharge electric tube, close to the loop-gap resonator
The configuration in which the discharge tube is placed in contact with the
Part of the magnetic field lines of the resonance electromagnetic field and the loop gap resonator
The central axis is placed so that a substantially parallel, the said discharge tube
In this configuration, microwave energy is supplied from a loop gap resonator.
【０００８】またマイクロ波を発振する発振部と、マイ
クロ波を伝播する伝播機能部と、給電口と、導電材料に
よって形成される略円筒型または多角形の共振環と前記
共振環の中心軸の方向に形成される少なくとも一つの空
隙とを有するループギャップ共振器と、放電管とを備
え、前記ループギャップ共振器に近接して放電管を配置
した構成を、前記給電口より伝播される共振電磁場の磁
力線と前記ループギャップ共振器の中心軸が略平行にな
るように設置し、前記放電管に前記ループギャップ共振
器からマイクロ波エネルギーを供給するように構成した
ものである。In addition, an oscillating section for oscillating microwaves, a propagation function section for propagating microwaves, a power supply port, and a conductive material
The substantially cylindrical or polygonal resonance ring formed by
At least one void formed in the direction of the central axis of the resonant ring
A loop-gap resonator having a gap, and a discharge collector pipe Bei
A discharge tube is arranged close to the loop gap resonator.
Of the resonant electromagnetic field propagated from the power supply port.
The power line and the center axis of the loop gap resonator are installed so as to be substantially parallel to each other , and microwave energy is supplied to the discharge tube from the loop gap resonator.
【０００９】[0009]
【作用】前記共振器をマイクロ波共振空胴内部に配置す
ることで前記マイクロ波空胴内部の共振電磁場が前記共
振器周辺に集中し、その集中した共振電磁場と放電管が
電磁的に結合し駆動することで供給マイクロ波エネルギ
ーに対する発光効率が高められる。By arranging the resonator inside the microwave cavity, the resonance electromagnetic field inside the microwave cavity is concentrated around the resonator, and the concentrated resonance electromagnetic field and the discharge tube are electromagnetically coupled. By driving, the luminous efficiency with respect to the supplied microwave energy can be increased.
【００１０】また前記共振器はマイクロ波共振空胴に比
較して小さく設計しうることから、マイクロ波共振空胴
とこの共振器を置換することによりマイクロ波放電光源
装置のマイクロ波共振機能部を小型化できる。Further, since the resonator can be designed to be smaller than the microwave resonance cavity, the microwave resonance function part of the microwave discharge light source device is replaced by replacing the microwave resonance cavity with this resonator. Can be downsized.
【００１１】[0011]
【実施例】 （実施例１）以下本発明の第１の実施例について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例に
おけるマイクロ波放電光源装置の要部断面図である。放
電管１１と導電材料からなる共振器１２の構成をマイク
ロ波発振部であるマグネトロン１３、マイクロ波伝播機
能部である導波管１４、給電口１５、金属メッシュ製の
マイクロ波共振空胴１７、反射板１６からなる従来と同
様のマイクロ波放電光源装置の内部に配置する。本実施
例では共振器１２としてループギャップ共振器を用いて
いる。(Embodiment 1) Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a main part of a microwave discharge light source device according to a first embodiment of the present invention. The configuration of the discharge tube 11 and the resonator 12 made of a conductive material includes a magnetron 13 as a microwave oscillating unit, a waveguide 14 as a microwave propagation function unit, a power supply port 15, a microwave resonance cavity 17 made of metal mesh, It is arranged inside a microwave discharge light source device similar to the conventional one composed of a reflector 16. In this embodiment, a loop gap resonator is used as the resonator 12.
【００１２】ループギャップ共振器の動作及び形状につ
いて図７と図８を用いて説明する。ループギャップ共振
器は図７（ａ）にその横断面図を示し、図７（ｂ）にそ
の斜視図を示すように、導電材料から成る円筒形の共振
環と、前記共振環を一定幅で中心軸の方向に切断する空
隙とから成る。前記ループギャップ共振器の中心軸方向
を変動電磁場の磁束の方向と略平行になるように配置す
ると、前記円筒型共振環が電磁誘導性を持ち、円方向に
渦状の誘導電位が生じ、これにより前記空隙間に電場が
生じ電気容量を持つ。図７（ｃ）は前記ループギャップ
共振器を等価回路で示したものでインダクタＬ、抵抗
Ｒ、キャパシタＣを接続した共振回路で表される。等価
回路の抵抗Ｒが大きいほど前記ループギャップ共振器内
部での熱損失は増加するので、ループギャップ共振器の
導電材料としては等価回路の抵抗値が小さくなるように
固有抵抗の小さい材料を用いることが望ましい。したが
って本実施例においては銅を用いたが、アルミや銀を用
いてもよい。The operation and shape of the loop gap resonator will be described with reference to FIGS. As shown in a cross-sectional view of FIG. 7A and a perspective view of FIG. 7B, the loop gap resonator has a cylindrical resonance ring made of a conductive material and the resonance ring having a constant width. And a gap cut in the direction of the central axis. When the central axis direction of the loop gap resonator is arranged so as to be substantially parallel to the direction of the magnetic flux of the fluctuating electromagnetic field, the cylindrical resonance ring has electromagnetic inductive properties, and a vortex-like induced potential is generated in a circular direction. An electric field is generated in the gap to have an electric capacity. FIG. 7C shows an equivalent circuit of the loop gap resonator, which is represented by a resonance circuit in which an inductor L, a resistor R, and a capacitor C are connected. Since the heat loss inside the loop gap resonator increases as the resistance R of the equivalent circuit increases, a material having a small specific resistance should be used as the conductive material of the loop gap resonator so that the resistance value of the equivalent circuit decreases. Is desirable. Therefore, although copper is used in this embodiment, aluminum or silver may be used.
【００１３】ループギャップ共振器の各寸法を、図７
（ａ）に示されているように、円筒共振環の内径をｒ、
厚さをＷ、軸方向長さをＺ、空隙の幅をｔとおく。空隙
の数をｎ、空隙間の誘電率をε、真空の透磁率をμ0 と
おくと図７（ｃ）の前記等価回路のインダクタンスＬ及
びキャパシタンスＣはそれぞれ（数１）のように表され
る。The dimensions of the loop gap resonator are shown in FIG.
As shown in (a), the inner diameter of the cylindrical resonance ring is r,
The thickness is W, the axial length is Z, and the width of the gap is t. Assuming that the number of air gaps is n, the dielectric constant of the air gap is ε, and the magnetic permeability of vacuum is μ 0 , the inductance L and the capacitance C of the equivalent circuit of FIG. 7C are expressed as (Equation 1). You.
【００１４】[0014]
【数１】 (Equation 1)
【００１５】これより前記ループギャップ共振器の共振
周波数が近似的に求められる。共振周波数νは（数２）
のように表される。From this, the resonance frequency of the loop gap resonator is approximately determined. The resonance frequency ν is (Equation 2)
It is represented as
【００１６】[0016]
【数２】 (Equation 2)
【００１７】したがって近似的には前記円筒環の軸方向
長さＺは共振周波数に関与しないことがわかる。Accordingly, it can be seen that approximately the axial length Z of the cylindrical ring does not affect the resonance frequency.
【００１８】マイクロ波放電光源装置において共振周波
数は一定であり、マグネトロンの発振周波数によって定
められる。一般的に用いられている発振周波数は２．４
５ＧＨｚである。前記共振周波数νにこの値を代入すれ
ばループギャップ共振器の各寸法を定めることができ
る。本実施例では空隙は一つであるのでｎ＝１として、
前記円筒共振環の内径ｒを１．５ｃｍと定める。前記円
筒共振環の厚さＷと前記空隙の幅ｔの関係は（数２）か
ら次式のように求められる。 ｔ＝０．０２Ｗ すなわち前記ループギャップ共振器の各寸法はかなりの
自由度を持ち、前記円筒共振環の厚さＷ、前記円筒共振
環の内径ｒ、前記空隙の幅ｔのいずれか一つの寸法を定
めれば他の二つの寸法の関係式が導出され、そこからル
ープギャップ共振器の略寸法を決定できる。In the microwave discharge light source device, the resonance frequency is constant and is determined by the oscillation frequency of the magnetron. The commonly used oscillation frequency is 2.4
5 GHz. By substituting this value for the resonance frequency ν, each dimension of the loop gap resonator can be determined. In this embodiment, since there is one gap, n = 1
The inner diameter r of the cylindrical resonance ring is set to 1.5 cm. The relationship between the thickness W of the cylindrical resonance ring and the width t of the gap is obtained from (Equation 2) as follows. t = 0.02 W That is, each dimension of the loop gap resonator has a considerable degree of freedom, and any one of the thickness W of the cylindrical resonance ring, the inner diameter r of the cylindrical resonance ring, and the width t of the gap is provided. , A relational expression of the other two dimensions is derived, from which the approximate dimensions of the loop gap resonator can be determined.
【００１９】なお、本実施例でのループ部断面は、誘導
電流が流れる時に電流経路が最短になるので最も効率の
よい同心円形を用いているが、内部が空胴になって変動
磁束が通りさえすれば多角形などの構造でもよい。The cross section of the loop in this embodiment uses the most efficient concentric circle because the current path is shortest when the induced current flows. However, the inside becomes a cavity and the fluctuating magnetic flux passes through it. Any structure such as a polygon may be used.
【００２０】ループギャップ共振器をマイクロ波共振空
胴内部に設置した場合の磁場分布の変化の例を図８に示
す。８２ａ、８２ｂはＴＥ102 モードのマイクロ共振空
胴、８３ａ、８３ｂは前記ＴＥ102 モードのマイクロ共
振空胴内部の強電磁場の磁力線分布、８１は前記ＴＥ
102 モードのマイクロ共振空胴と同一の共振周波数を持
ったループギャップ共振器である。図８（ａ）のような
通常のＴＥ102 モードでの磁場分布と比較して、ループ
ギャップ共振器８１を前記マイクロ波共振空胴内部に前
記マイクロ波共振空胴の磁力線と前記ループギャップ共
振器の中心軸が略平行となる位置に設置した場合、図８
（ｂ）のように磁力線が前記ループギャップ共振器内部
に集中したような磁場分布となる。FIG. 8 shows an example of a change in the magnetic field distribution when the loop gap resonator is installed inside the microwave resonance cavity. 82a, 82b are micro-resonant cavity of TE 102 mode, 83a, 83 b is the TE 102 mode micro resonant cavity inside the strong electromagnetic field force lines distribution of 81 the TE
This is a loop gap resonator having the same resonance frequency as a 102- mode microresonant cavity. Compared with the magnetic field distribution in the normal TE 102 mode as shown in FIG. 8A, the loop gap resonator 81 is disposed inside the microwave resonance cavity and the magnetic field lines of the microwave resonance cavity and the loop gap resonator. 8 is installed at a position where the central axes of
As shown in (b), the magnetic field distribution is such that the lines of magnetic force are concentrated inside the loop gap resonator.
【００２１】放電管とループギャップ共振器の構成の第
１例として図３に示されている構成について説明する。
３１は直径３０ｍｍの球形の石英ガラスより成る被包体
内部に充填物としてアルゴンガス５ｈＰａと水銀２０ｍ
ｇを封入した放電管、３２は銅を材料とする円筒の中心
軸の方向に形成される空隙を一つ持つループギャップ共
振器であり、各寸法は円筒の内径ｒを１．５ｃｍとして
上記の計算結果から定めている。放電管３１はループギ
ャップ共振器３２の端部近傍に互いの中心軸が一致する
ように設置している。The configuration shown in FIG. 3 will be described as a first example of the configuration of the discharge tube and the loop gap resonator.
Numeral 31 designates a case where argon gas 5 hPa and mercury 20 m
g is a discharge tube, and 32 is a loop gap resonator having one void formed in the direction of the center axis of the cylinder made of copper, and each dimension is 1.5 cm in the inner diameter r of the cylinder. Determined from calculation results. The discharge tubes 31 are installed near the ends of the loop gap resonator 32 so that their central axes coincide with each other.
【００２２】なお、図３のループギャップ共振器３２に
よりつくられる共振電磁場の磁力線は点線で示されてい
るような分布を持ち、ループギャップ共振器３２の端部
から距離が離れると前記ループギャップ共振器の共振マ
イクロ波がつくる電磁場は急激に減少するので、放電管
３１はループギャップ共振器３２の端部にできるだけ近
接して設置することが望ましい。しかしながら放電管３
１がループギャップ共振器３２の端部に当接するように
配置すると、放電管３１の構成材料である石英ガラスの
線膨張係数が１０００℃以下で５．５×１０-7であるの
に対し、ループギャップ共振器３２の構成材料である銅
の線膨張係数は３００℃で０．１７５と大きく異なるこ
とから、マイクロ波電力給電時に発する熱による熱膨張
量の差により放電管が破壊されるおそれがある。したが
って放電管３１とループギャップ共振器３２端部と間
は、放電管３１駆動時の熱膨張によって干渉しないだけ
の距離の隙間を少なくとも空けておく必要がある。The lines of magnetic force of the resonance electromagnetic field generated by the loop gap resonator 32 shown in FIG. 3 have a distribution as shown by the dotted line, and when the distance from the end of the loop gap resonator 32 is increased, the loop gap resonance is reduced. Since the electromagnetic field created by the resonant microwave of the vessel sharply decreases, it is desirable that the discharge tube 31 be installed as close to the end of the loop gap resonator 32 as possible. However, the discharge tube 3
When 1 is disposed so as to contact the end of the loop gap resonator 32, the linear expansion coefficient of quartz glass as a constituent material of the discharge tube 31 is 5.5 × 10 −7 at 1000 ° C. or less, Since the linear expansion coefficient of copper, which is a constituent material of the loop gap resonator 32, is significantly different from 0.175 at 300 ° C., there is a possibility that the discharge tube may be broken due to the difference in the amount of thermal expansion caused by the heat generated when supplying microwave power. is there. Therefore, it is necessary to provide at least a gap between the discharge tube 31 and the end of the loop gap resonator 32 so as not to interfere with the thermal expansion when the discharge tube 31 is driven.
【００２３】図４は放電管とループギャップ共振器の第
２の構成例を示すもので、直径２５ｍｍの球形の石英ガ
ラスより成る被包体内部に、充填物としてアルゴンガス
５ｈＰａと水銀１２ｍｇを封入した放電管４１が銅を材
料とする円筒の中心軸の方向に形成される空隙を一つ持
つループギャップ共振器４２の円筒環の内部に互いの中
心軸が一致し且つ放電管の中心が円筒共振環の中点と一
致するように設置された構成をもつものである。FIG. 4 shows a second configuration example of a discharge tube and a loop gap resonator, in which an argon gas of 5 hPa and 12 mg of mercury are filled as a filling material inside a spherical quartz glass having a diameter of 25 mm. The center axes of the discharge tubes 41 coincide with each other inside a cylindrical ring of a loop gap resonator 42 having one gap formed in the direction of the center axis of the cylinder made of copper, and the center of the discharge tube is cylindrical. It has a configuration installed so as to coincide with the midpoint of the resonance ring.
【００２４】ループギャップ共振器の各部寸法は第１の
構成例と同様であり、２．４５ＧＨｚで動作するように
円筒共振環の内径ｒを１．５ｃｍとし、空隙の幅ｔと円
筒共振環の厚さＷがｔ＝０．０２Ｗの関係を満たすよう
に設計している。また放電管４１からの発光ができるだ
けループギャップ共振器４２の外部に出るように、円筒
共振環の長さＺは第１の構成例よりも短く設計されてい
る。The dimensions of each part of the loop gap resonator are the same as those of the first configuration example. The inner diameter r of the cylindrical resonance ring is set to 1.5 cm so as to operate at 2.45 GHz. It is designed so that the thickness W satisfies the relationship of t = 0.02 W. In addition, the length Z of the cylindrical resonance ring is designed to be shorter than that of the first configuration example so that light emission from the discharge tube 41 exits the loop gap resonator 42 as much as possible.
【００２５】ループギャップ共振器４２による共振電磁
場の磁場の強度は図４で点線で示すように、ループギャ
ップ共振器４２の円筒環内部の中央部で最大になる。し
たがって図４に示すようにループギャップ共振器４２内
部に放電管４１が配置されるとき、ループギャップ共振
器４２から放電管４１に供給されるマイクロ波エネルギ
ーの効率は、図３の構成例のように前記放電管を前記ル
ープギャップ共振器の端部より外側に配置するときより
も向上する。As shown by the dotted line in FIG. 4, the intensity of the magnetic field of the resonance electromagnetic field generated by the loop gap resonator 42 becomes maximum at the center of the loop gap resonator 42 inside the cylindrical ring. Therefore, when the discharge tube 41 is disposed inside the loop gap resonator 42 as shown in FIG. 4, the efficiency of the microwave energy supplied to the discharge tube 41 from the loop gap resonator 42 is as shown in the configuration example of FIG. This is better than when the discharge tube is arranged outside the end of the loop gap resonator.
【００２６】放電管４１の直径はループギャップ共振器
４２の円筒環の内径に近いほど効率は向上するが、上記
の第１の実施例と同様に石英ガラスと銅の熱膨張の差を
考慮して、前記放電管と前記ループギャップ共振器との
間に熱により干渉しないだけの空隙を設けておく必要が
ある。Although the efficiency is improved as the diameter of the discharge tube 41 is closer to the inner diameter of the cylindrical ring of the loop gap resonator 42, the difference in thermal expansion between quartz glass and copper is taken into account as in the first embodiment. Thus, it is necessary to provide a gap between the discharge tube and the loop gap resonator that does not interfere with heat.
【００２７】なお、この第２の構成においては、他の構
成の例と比較して前記ループギャップ共振器による遮光
が最も大きくなる。そこで前記ループギャップ共振器の
材料として銅のような非光透過性の物質ではなく、石英
ガラスのような光透過性の誘電材料の表面にＩＴＯ等の
光透過性の導電膜を蒸着したものを考えることもでき
る。また、この構成を他の構成例に適用しても良い。In the second configuration, the light shielding by the loop gap resonator is the largest as compared with the other configuration examples. Therefore, a material in which a light-transmitting conductive film such as ITO is deposited on the surface of a light-transmitting dielectric material such as quartz glass instead of a non-light-transmitting substance such as copper is used as the material of the loop gap resonator. You can also think. Further, this configuration may be applied to another configuration example.
【００２８】図５は放電管とループギャップ共振器の第
３の構成例を示したもので、直径３０ｍｍの球形の石英
ガラスより成る被包体内部に充填物としてアルゴンガス
５ｈＰａと水銀２０ｍｇを封入した放電管５１が銅を材
料とする円筒の中心軸の方向に形成される空隙を二つ持
つループギャップ共振器５２の端部近傍に設置された構
成をもつものである。この第３の構成例においては、ル
ープギャップ共振器の二つの空隙は中心軸に対して対称
になるように設けられている。この空隙を二つ設けると
いうことは、ループギャップ共振器駆動時の電気容量性
を持つ機能部が二カ所に増えることを意味し、共振電場
を形成する部分が二つに分散することになる。したがっ
て第１の構成例と比較して、ループギャップ共振器内部
及び周辺でのマイクロ波共振電磁場がより均一に形成し
うることとなり、ひいては前記放電管内部の発光プラズ
マの均一化が実現される。FIG. 5 shows a third configuration example of a discharge tube and a loop gap resonator, in which an argon gas of 5 hPa and 20 mg of mercury are filled as a filler inside a spherical quartz glass envelope having a diameter of 30 mm. A discharge tube 51 is provided near the end of a loop gap resonator 52 having two voids formed in the direction of the center axis of a cylinder made of copper. In the third configuration example, the two gaps of the loop gap resonator are provided so as to be symmetric with respect to the central axis. Providing two gaps means that the number of functional units having electric capacitance at the time of driving the loop gap resonator increases in two places, and the part that forms the resonance electric field is dispersed into two. Therefore, as compared with the first configuration example, the microwave resonance electromagnetic field inside and around the loop gap resonator can be more uniformly formed, and thus, the emission plasma inside the discharge tube can be made uniform.
【００２９】この構成例のループギャップ共振器の共振
周波数νに対する各寸法の関係は、（数２）においてｎ
＝２とすれば導くことができる。共振周波数νが２．４
５ＧＨｚであるので、ループギャップ共振器５２の円筒
共振環の内径ｒを１．５ｃｍとするとループギャップ共
振器５２の空隙の幅ｔと円筒共振環の厚さＷの関係は次
式で表される。 ｔ＝０．０１Ｗ なお、この構成例では空隙の数ｎを２つとしたが、空隙
の数は工作と設置が可能であるかぎり、空隙の数は多い
方がループギャップ共振器内部の電磁場の分布を均一化
できる。The relationship of each dimension with respect to the resonance frequency ν of the loop gap resonator of this configuration example is expressed by the following equation (2).
= 2 can be derived. Resonance frequency ν is 2.4
Since the frequency is 5 GHz, when the inner diameter r of the cylindrical resonance ring of the loop gap resonator 52 is 1.5 cm, the relationship between the width t of the gap of the loop gap resonator 52 and the thickness W of the cylindrical resonance ring is expressed by the following equation. . t = 0.01 W In this configuration example, the number n of the air gaps is set to two. However, the number of the air gaps increases as the number of the air gaps increases as long as the work and the installation are possible. Can be made uniform.
【００３０】図６は第４の構成例を示したもので、銅を
材料とする円筒の中心軸の方向に形成される空隙を一つ
持つ二つのループギャップ共振器６２、６３の間の端部
近傍に、直径３０ｍｍの球形の石英ガラスより成る被包
体内部に充填物としてアルゴンガス５ｈＰａと水銀２０
ｍｇを封入した放電管６１が設置された構成をもつ。ル
ープギャップ共振器６２、６３の各部寸法は第１の構成
例と同じである。FIG. 6 shows a fourth configuration example, in which an end between two loop gap resonators 62 and 63 having one gap formed in the direction of the center axis of a cylinder made of copper. In the vicinity of the part, an argon gas 5 hPa and mercury 20 were filled as a filler inside a spherical quartz glass envelope having a diameter of 30 mm.
In this configuration, a discharge tube 61 in which mg is enclosed is provided. The dimensions of each part of the loop gap resonators 62 and 63 are the same as in the first configuration example.
【００３１】２つのループギャップ共振器６２と６３は
図６に点線で示すように連結された電磁場のモードを持
つように配置されており、前記２つの共振器の間には拡
散せず集中した電磁場が存在する。前記２つの共振器の
間に放電管６１を配置することにより、第１の構成例に
比べて拡散及び損失するマイクロ波エネルギーの量を減
らすことができる。ただしこの配置ではループギャップ
共振器の間の空隙からしか放射光が出ないことに注意し
てマイクロ波放電光源装置に設置しなければならない。The two loop gap resonators 62 and 63 are arranged so as to have a mode of an electromagnetic field connected as shown by a dotted line in FIG. 6, and are concentrated without being diffused between the two resonators. An electromagnetic field exists. By arranging the discharge tube 61 between the two resonators, the amount of microwave energy diffused and lost can be reduced as compared with the first configuration example. However, in this arrangement, it must be installed in the microwave discharge light source device, taking care that the emitted light is emitted only from the gap between the loop gap resonators.
【００３２】以上の図３から図６に示される放電管とル
ープギャップ共振器の第１から第４の構成のいずれか
を、図１のマイクロ波共振空胴１７内部に、前記ループ
ギャップ共振器の中心軸と前記マイクロ波共振空胴内部
１７の固有モードにより生じる磁束とが略平行になるよ
うに配置すれば、前記ループギャップ共振器内部に周辺
の磁束が図８で示したように集中し、マイクロ波共振空
胴のみを用いる従来の構成よりも始動性が向上し、高効
率での放電が実現される。Any one of the first to fourth configurations of the discharge tube and the loop gap resonator shown in FIGS. 3 to 6 is inserted into the microwave resonance cavity 17 of FIG. If the central axis of the loop gap and the magnetic flux generated by the eigenmode of the inside of the microwave resonance cavity 17 are arranged to be substantially parallel, the peripheral magnetic flux concentrates inside the loop gap resonator as shown in FIG. In addition, the startability is improved as compared with the conventional configuration using only the microwave resonance cavity, and a highly efficient discharge is realized.
【００３３】なお、以上の実施例において、放電管の充
填物として水銀とアルゴンのみについて説明を行った
が、勿論充填物についてはこれらにのみ限定されるもの
ではなく金属ハライドなどの添加物を加えることも可能
であり、また特開平６ー１３２０１８号公報で提案され
た硫黄なども放電物質として考えられる。In the above embodiment, only mercury and argon are described as the filling of the discharge tube. However, the filling is not limited to these, and additives such as metal halide may be added. It is also possible to use sulfur as proposed in JP-A-6-132018 as a discharge substance.
【００３４】（実施例２）次に本発明の第２の実施例に
ついて図２を用いて説明する。図２に示すマイクロ波放
電光源装置は、マイクロ波発振部であるマグネトロン２
３、マイクロ波伝播機能部である導波管２４、給電口２
５、反射板２６、放電管２１、及び導体材料からなる共
振器であるループギャップ共振器２２から構成される。
本実施例では図１に示す第１の実施例からマイクロ波共
振空胴を取り除き、代わってループギャップ共振器のみ
を共振機能部として用いることを特徴としている。既に
述べたようにマイクロ波共振空胴は十数ｃｍ以下に設計
できないのに対して、ループギャップ共振器は数ｃｍ以
下で設計できることから、マイクロ波放電光源装置の給
電口より先のマイクロ波共振機能部の構成の小型化が実
現できる。(Embodiment 2) Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The microwave discharge light source device shown in FIG.
3. Waveguide 24 which is a microwave propagation function part, power supply port 2
5, a reflector 26, a discharge tube 21, and a loop gap resonator 22, which is a resonator made of a conductive material.
This embodiment is characterized in that the microwave resonance cavity is removed from the first embodiment shown in FIG. 1 and only the loop gap resonator is used as the resonance function unit instead. As described above, the microwave resonance cavity cannot be designed to be less than tens of centimeters, whereas the loop gap resonator can be designed to be several centimeters or less. The configuration of the functional unit can be reduced in size.
【００３５】図２の放電管２１とループギャップ共振器
２２の構成としては第１の実施例で述べた図３から図６
の四つの構成を同様に用いることができる。そこで前記
の放電管とループギャップ共振器の構成例の内いずれか
を、給電口近傍にマイクロ波電磁場の磁束方向と前記ル
ープギャップ共振器の中心軸が略平行になるように配置
することによりマイクロ波放電光源装置のマイクロ波共
振機能部の小型化が実現される。The structures of the discharge tube 21 and the loop gap resonator 22 shown in FIG. 2 are shown in FIGS. 3 to 6 described in the first embodiment.
Can be used in a similar manner. Therefore, one of the configuration examples of the discharge tube and the loop gap resonator is arranged near the feed port so that the magnetic flux direction of the microwave electromagnetic field and the center axis of the loop gap resonator are substantially parallel. The miniaturization of the microwave resonance function part of the microwave discharge light source device is realized.
【００３６】なお、実施例１および２において、ループ
ギャップ共振器および放電管の支持方法については特定
しなかったが、誘電性であり且つ熱伝導率の低く適度な
強度がある物質であればよく、例としては石英管や誘電
性セラミックなどが考えられる。In Examples 1 and 2, the method for supporting the loop gap resonator and the discharge tube was not specified. However, any material that is dielectric, has low thermal conductivity, and has appropriate strength can be used. Examples include quartz tubes and dielectric ceramics.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、マイクロ
波共振空胴内部の放電管の近傍に導電材料によって形成
される略円筒型または多角形の共振環と前記共振環の中
心軸の方向に形成される少なくとも一つの空隙とを有す
るループギャップ共振器を設置することにより、放電管
の始動性を向上することができ、且つマイクロ波エネル
ギーの損失を低減し供給電力に対する発光効率が向上し
装置駆動のための電力費用の削減を実現できるものであ
る。According to the present invention as described above, according to the present invention, a conductive material in the vicinity of the microwave resonant cavity inside the discharge tube
Of a substantially cylindrical or polygonal resonance ring and the inside of the resonance ring
With at least one void formed in the direction of the mandrel
By installing a loop gap resonator, the startability of the discharge tube can be improved, the loss of microwave energy is reduced, the luminous efficiency with respect to the supplied power is improved, and the power cost for driving the device is reduced. It can be realized.
【００３８】またマイクロ波共振空胴に代わって、導電
材料によって形成される略円筒型または多角形の共振環
と前記共振環の中心軸の方向に形成される少なくとも一
つの空隙とを有するループギャップ共振器を用いること
により、放電管を駆動させるための共振機能部の構造を
小型化し、装置の一部設置空間の削減を実現できるもの
である。In place of the microwave resonant cavity, a conductive
Substantially cylindrical or polygonal resonant ring formed by material
And at least one formed in the direction of the central axis of the resonance ring.
By using a loop gap resonator having two air gaps, the structure of the resonance function unit for driving the discharge tube can be reduced in size, and a space for partially installing the device can be reduced.
【図１】本発明の第１の実施例におけるマイクロ波放電
光源装置の要部断面図FIG. 1 is a sectional view of a main part of a microwave discharge light source device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２の実施例におけるマイクロ波放電
光源装置の要部断面図FIG. 2 is a sectional view of a main part of a microwave discharge light source device according to a second embodiment of the present invention.
【図３】本実施例の放電管とループギャップ共振器の第
１の構成例の要部斜視図FIG. 3 is a perspective view of a main part of a first configuration example of a discharge tube and a loop gap resonator of the present embodiment.
【図４】本実施例の放電管とループギャップ共振器の第
２の構成例の要部斜視図FIG. 4 is a perspective view of a main part of a second configuration example of the discharge tube and the loop gap resonator of the embodiment.
【図５】本実施例の放電管とループギャップ共振器の第
３の構成例の要部斜視図FIG. 5 is a perspective view of a main part of a third configuration example of the discharge tube and the loop gap resonator of the embodiment.
【図６】本実施例の放電管とループギャップ共振器の第
４の構成例の要部斜視図FIG. 6 is a perspective view of a main part of a fourth configuration example of the discharge tube and the loop gap resonator of the present embodiment.
【図７】（ａ）はループギャップ共振器の断面図 （ｂ）はループギャップ共振器の斜視図 （ｃ）はループギャップ共振器の等価回路を示す図7A is a cross-sectional view of a loop gap resonator. FIG. 7B is a perspective view of the loop gap resonator. FIG. 7C is a view showing an equivalent circuit of the loop gap resonator.
【図８】（ａ）はＴＥ102モードマイクロ波共振空胴内
部の磁場分布を示す斜視図 （ｂ）はループギャップ共振器を設置したＴＥ102モー
ドマイクロ波共振空胴内部の磁場分布を示す斜視図8 (a) is a perspective showing a perspective view (b) is the magnetic field distribution inside TE 102 mode microwave resonant cavity was installed loop gap resonator showing a TE 102 mode microwave resonant cavity inside of the magnetic field distribution Figure
【図９】従来のマイクロ波放電光源装置の要部断面図FIG. 9 is a sectional view of a main part of a conventional microwave discharge light source device.
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 放電管 １２、２２、３２、４２、５２、６２、６３、８１ ル
ープギャップ共振器 １７、８２ａ、８２ｂ マイクロ波共振空胴 １３、２３ マグネトロン １４、２４ 導波管 １５、２５ 給電口11, 21, 31, 41, 51, 61 Discharge tubes 12, 22, 32, 42, 52, 62, 63, 81 Loop gap resonators 17, 82a, 82b Microwave resonance cavities 13, 23 Magnetrons 14, 24 Wave tube 15, 25 Power supply port
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−290608（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−182001（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−35994（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−7657（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 65/00 - 65/04 H05B 41/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-5-290608 (JP, A) JP-A-2-182001 (JP, A) JP-B 5-35994 (JP, B2) JP-B-63 7657 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 65/00-65/04 H05B 41/24
Claims (5)
クロ波を伝播する伝播機能部と、給電口と、マイクロ波
共振空胴と、導電材料によって形成される略円筒型また
は多角形の共振環と前記共振環の中心軸の方向に形成さ
れる少なくとも一つの空隙とを有するループギャップ共
振器と、放電管とを備え、前記ループギャップ共振器に
近接して放電管を配置した構成を、マイクロ波共振空胴
内部の共振電磁場の磁力線と前記ループギャップ共振器
の中心軸が略平行になるように設置し、前記放電管に前
記ループギャップ共振器からマイクロ波エネルギーを供
給するようにしたことを特徴とするマイクロ波放電光源
装置。An oscillator for oscillating microwaves, a propagation function unit for propagating the microwaves, a power supply port, a microwave resonance cavity, and a substantially cylindrical or conductive material.
Is formed in the direction of the polygonal resonance ring and the central axis of the resonance ring.
A loop-gap co <br/> exciter having at least one air gap being provided with a discharge electric tube, the loop-gap resonator
The configuration in which the discharge tubes are arranged close to each other
Magnetic field lines of an internal resonance electromagnetic field and the loop gap resonator
Microwave discharge light source apparatus central axis is placed so that a substantially parallel, characterized in that from the loop-gap resonator to said discharge tube to supply microwave energy.
クロ波を伝播する伝播機能部と、給電口と、導電材料に
よって形成される略円筒型または多角形の共振環と前記
共振環の中心軸の方向に形成される少なくとも一つの空
隙とを有するループギャップ共振器と、放電管とを備
え、前記ループギャップ共振器に近接して放電管を配置
した構成を、前記給電口より伝播される共振電磁場の磁
力線と前記ループギャップ共振器の中心軸が略平行にな
るように設置し、前記放電管に前記ループギャップ共振
器からマイクロ波エネルギーを供給するようにしたこと
を特徴とするマイクロ波放電光源装置。2. An oscillation section for oscillating microwaves, a propagation function section for propagating the microwaves, a power supply port, and a conductive material.
The substantially cylindrical or polygonal resonance ring formed by
At least one void formed in the direction of the central axis of the resonant ring
Comprising a loop-gap resonator having a gap, and a discharge electric tube, placing the discharge tube in proximity to the loop-gap resonator
Of the resonant electromagnetic field propagated from the power supply port.
The power line and the center axis of the loop gap resonator are installed so as to be substantially parallel to each other , and microwave energy is supplied to the discharge tube from the loop gap resonator. Microwave discharge light source device.
且つ前記ループギャップ共振器の中心軸が少なくとも一
部を通るように放電管を配置したことを特徴とする請求
項１または請求項２に記載のマイクロ波放電光源装置。3. A process according to claim 1 or claim central axis of the proximity to the end of the previous SL loop gap resonator and the loop-gap resonator is characterized in that a discharge tube so as to pass through at least a portion 3. The microwave discharge light source device according to 2.
空間に放電管の少なくとも一部を挿入した配置にしたこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイク
ロ波放電光源装置。4. A microwave discharge light source according to claim 1 or claim 2, characterized in that the placement of inserting at least a part of the previous SL discharge tube to the resonant ring space inside the loop-gap resonator apparatus.
器と少なくとも一つの放電管を有し前記ループギャップ
共振器の中心軸が一致し且つ前記中心軸が前記放電管の
少なくとも一部を通るように交互に配置したことを特徴
とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波放電
光源装置。5. As even without least two of said loop-gap resonators and at least said has one discharge tube loop gap resonator center axis of the match and the central axis through at least a portion of said discharge tube microwave discharge light source apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the kite arranged alternately.
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