JP3715231B2 - インコヒーレント放出放射源の作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前文に記載されたインコヒーレント放出放射源の作動方法に関する。放射発生メカニズムとして放電容器の内部に発生した放電が使用され、その場合少なくとも１つの電極と放電との間に誘電体層が配置され、それゆえこの型の放電は無声放電又は誘電体妨害放電又は誘電体バリア放電と称されている。インコヒーレント放出放射源とは紫外線及び赤外線放射器ならびに特に可視光線を放射する放電ランプである。本発明は低圧封入ガスならびに高圧封入ガスおよび低圧と高圧の間の範囲に位置する全てのガス圧に適する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放電の励起は通常例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２７９号公報及び第４２０３５９４号公報ならびに米国特許第５１１７１６０号明細書に記載されているように交流電圧によって行われる。励起周波数は交流電流の周波数と数ＭＨｚとの間の範囲（ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２７９号公報参照）又は２０〜１００ｋＨｚの範囲（米国特許第５１１７１６０号明細書参照）に選定される。
【０００３】
この作動方式の欠点は技術的に重要な出力密度の際の所望の放射発生量が比較的少ない点である。標準的な紫外線効率は１ｋＷ／ｍ²の面積出力密度の場合の１０％と１０Ｗ／ｍ²の２０％との間の大きさである（１９９２年１０月７日のカールスルーエ大学の光技術研究所での研究サークルＵＶ、ＩＲの第３会期、及び１９９２年にブタペストで開催された光源の科学及びテクノロジーに関する第６回国際シンポジウムで発表されたカールスルーエ大学のエム・ナイガー、ＬＴＩの「誘電体バリア放電：特殊光源」参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は所望の放射発生の効率を著しく改善することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば請求項１の特徴事項によってことによって解決される。本発明の有利な実施態様は請求項２以下に記載されている。
【０００６】
本発明の基本思想は、誘電体妨害放電が繰返してパルス作動され、それにより連続的な電気エネルギーの入力自体が個別放電の高い出力密度にも拘わらず期間Ｔｏ_n（以下においいては“休止時間”と称する）によって規定されて中断されることにある。個々の期間の長さは、別の電気エネルギーの入力が所望の放射へ僅かな効率で変換されると直ちにエネルギーの入力又は詳細に言えば有効電力の入力がほぼ終了するようにするという要求、もしくは所望の放射の効率的な放出を新たに励起することができる（それにより時間平均で放射効率が最適化される）ようにするために、封入ガスが再び緩和されると直ちに“休止時間”が終了するようにするという要求から与えられる。このようにして電気エネルギーを紫外線に変換するために例えば６５％以上の効率が得られ、このことは従来方式で作動される誘電体妨害放電に比べて何倍もの増大になる。
【０００７】
通常は同一極性の一連の電圧パルス又は極性のみが変わる一連の電圧パルスが使用され、その場合電圧パルスの全個数ｎは原理上制限されない。しかしながら特別な事例では規則的に変化する一連の電圧パルスも使用可能である。またパルス列は完全に不規則であってもよい。（例えば装飾照明の場合には人間の目で認識可能な光効果が生ずるように複数のパルスが１つの束に纏められる。）
【０００８】
パルス時間Ｔｐ_nの期間中、電極間には電圧パルスＵｐ_n（ｔ）が印加され、その場合有効電力が入力される。その時間的経過は原理上固定されず、例えば次のような色々の形状から選択することができる。
【０００９】
ａ）単極性形状。
この電圧はパルス時間Ｔｐ_nの期間中はその符号を変えない。これにはとりわけ台形状、三角形状、湾曲状の電圧パルス、特に放物線状電圧パルス及び正弦波状半波が属し、その場合正及び負の値がある（例示的に負の値みのが示されている図６ａ参照）。
【００１０】
ｂ）両極性形状。
この電圧はパルス時間Ｔｐ_nの期間中はその符号を変え、その場合形状は正符号ならびに負符号で始まることができる。このための例は、図６ｂに示されているように、１つの正弦波の正の半波と負の半波とが直ぐに続く２つの半波、正の三角波と負の三角波とが直ぐに続く２つの三角波、正の矩形波”又は台形波と負の矩形波”又は台形波とが直ぐに続く２つの“矩形波”又は台形波であり、その場合エッジは異なった立上がり時間もしくは立下がり時間を持つことができる。
【００１１】
ｃ）上記ａ）、ｂ）から成る幾つか（好適には２つ又は３つ）の波形要素の時間的な連なり。
この電圧Ｕｐ_n（ｔ）は種々異なった値を取ることができ、特に短時間の間は値０を取ることもでき、それゆえ個々の波形要素は、電圧が値０を持つ時間領域によっても分離することができる（図６ｃ参照）。特に個々の波形要素は繰返すことができる。
【００１２】
図６ａ〜ｃには例として可能な電圧波形の選択が示されている。さらに多くの個数の別の波形を考えることができる。特に電気信号は、図６ａ〜ｃには示されていないが、実際上何時も有限の立上がり時間及び立下がり時間、オーバーシュート及びアンダーシュートを有している。
【００１３】
休止時間Ｔｏ_nの期間中の電圧波形には、主として有効電力が入力されないように電圧Ｕｏ_n（ｔ）が選定されることが要求される。再点弧電圧より小さい適当な低電圧値が長時間の間、場合によって全休止時間Ｔｏ_nの期間中続けられる。その際休止時間の期間中短時間でも、すなわちパルス時間Ｔｐ_nより著しく短い時間でも、同様に電圧ピークが発生することは排除されない。
【００１４】
Ｕｐ_nの標準的な絶対値は数ｋＶである。Ｕｏ_nは好適には０Ｖ近辺の値である。Ｔｐ_n及びＴｏ_nの値は標準的にはμｓ範囲にあり、通常Ｔｐ_nはＴｏ_nより明らかに短い。
【００１５】
放電に対する本発明の作動規準は主として励起パラメータＴｐ_n、Ｔｏ_n及び電圧振幅Ｕｐ_nを適当に選定することによって達成され、その場合これらの大きさは特に効率的な作動に適するように互いに調整される。さらにパルス波形が重要である。
【００１６】
個々の事例において、３つの励起パラメータＴｐ_n、Ｔｏ_n及びＵｐ_n（ｔ）のために選定されるべき値は、放電の形状、封入ガスの種類及びガス圧、ならびに電極構成、及び誘電体層の種類及び厚みに依存する。本発明の作動規準による放電が起こると、所望の放射発生量は最高になる。
【００１７】
予め定められたランプ封入物のために放電内で起こる衝突の割合及びその結果としての放射発生の割合も主として電子密度ｎ_e及び電子のエネルギー分布によって決定される。本発明による作動方法によれば、時間に依存するこれらの大きさは、Ｔｐ_n、Ｔｏ_n及び電圧振幅Ｕｐ_nもしくは放射発生用のパルス波形を適当に選定することによって、最適に調整することが可能である。
【００１８】
交流電圧点灯に比較して、本発明は意識的に補助パラメータすなわち“休止時間”Ｔｏを利用する。この補助パラメータを用いることによって初めて高出力密度の場合でも目的に適うようにキャリヤ密度の時間的及び空間的変化ならびにエネルギー分布関数をコントロールすることができる。交流電圧を使用する従来技術の場合、この大きさの目的に適ったコントロールは周波数に関して大きく制限されていた。本発明によって初めて、技術的に注目される出力密度を持つ誘電体妨害放電の効率を、従来の放射源との交換性が与えられるように、増大させることが可能になる。
【００１９】
本発明の作動規準においては、電極間には、種々に形成された標準的には線条状又はねじ状放電パターンの代わりに、多数の同種の、平面図においてすなわち放電に垂直に、デルタ（Δ）状放電パターンが発生し、この放電パターンは（瞬時的な）陽極方向へそれぞれ広がることがわかる。この放電パターンは好適にはｋＨｚ範囲の繰返し周波数で発生するので、観察者は図９ａの写真図に示されているような人間の目の時間的分解能に相当する“平均”放電パターンだけに気付くことになる。両側誘電体妨害放電の電圧パルスの極性が変わる場合、２つのデルタ状放電パターンの重なりが見える。１つ又は２つの誘電体によって妨害される例えば２つの縦長の電極が平行に対向配置されると、個々の放電パターンは縦長の電極に対して横切るように向けられて互いに並んで現れる（図９ａ、ｂ参照）。パラメータを適当に選定すると、例えば適当な低圧力を選べば、個別パターンの並列は拡散するように見える唯一つの放電になる。放電パターンは例えば透明なランプガラス球内で直接観察することができる。
【００２０】
本発明の重要な利点は放電容器内へ入力する電力密度の変化に対して個々の放電パターンの特別な安定性にある。電圧パルスの振幅Ｕｐ_nが大きくなっても、個々の放電パターンはその基本的な形状を変えない。閾値を上回ると放電パターンの１つから別の類似のパターンが生じる。電圧パルスの振幅の増大によって入力電力が増大すると、主として上述した個々の放電パターンの個数が増大する。その場合このパターンの品質、特にその外観及びその効率的な放射特性は変わらないままである。
【００２１】
このような挙動は、放電体積を最適に利用する３個以上の電極を使用することによって、予め定められた放電体積内へ入力可能な電力を有意義により一層高めることを初めて可能にする。例えば、放電容器の内部の中心に配置された１つの内部電極に複数の外部電極を放電容器の外壁上に対称に配置して対向させることができる。若干の個数の外部電極を用いることによって、放電容器の体積から最大に引出し可能な放射パワーを高めることができる。というのは、放電パターンは中心の内部電極から出発してそれぞれ外部電極へ向かって燃焼し、それゆえ適当な電力入力の場合放電容器の体積を益々占めるようになるからである。
【００２２】
このことの他に、電極を軸平行に配置した場合、電力及び光束が放電容器の長さに比例して変化するという別の利点が得られる。この場合電界は放電容器の長手軸線にほぼ垂直に位置するので、放電容器の長さはほぼ任意に長くすることができ、その場合例えば従来の管状放電ランプの場合には通常行われていたように必要な点弧電圧を相応して高めることは必要ない。それゆえ、動作特性のためにこの種の放電の場合放電容器の体積ならびに電極の個数もしくは放電パターンの燃焼が起こる平面の個数が考慮されなければならない。５０ｃｍの長さ、２４ｍｍの直径及び封入ガスとしてのキセノンを有する管状ランプの場合、“放電面”当たり標準的に１５Ｗの有効電力を入力することができる。
【００２３】
Ｔｐ_n及び／又はＴｏ_n及び／又はＵｐ_n（ｔ）が好適に選定されない場合、ガス室に対して鮮明に区画された細く明るく発光する１つ又は複数の“放電線条”が統計的に現れる。この放電線条は本発明による放電パターンを犠牲にして図１０ｂの写真図から分かるように放電容器の内部の広範囲に亘って延びる。それゆえ、この“放電線条”はその形状ならびにそのスペクトル放射分布が本発明の作動規準による放電形状とは明らかに異なって見え、望ましくない。というのは、その放電線条は電流輸送を小さな横断面内へ集中させ、これによって高いキャリヤ密度がとりわけ高い消光率と共に生じ、その結果所望の放射の発生効率が減少するからである。
【００２４】
このような現象からＵｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n及びＴｏ_nに関して本発明の作動規準に好適な値を得るための一般的な規定を導出することができる。放電点弧後、Ｕｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n及びＴｏ_nは、本発明の作動規準における所望の電力が入力されるように、すなわち上述した放電パターンが見えるように選定されるべきである。すなわち驚くべきことにこの放電パターンが丁度存在する時、電子密度と電子のエネルギー分布関数とは損失を最小にする値を取ることが判明した。
【００２５】
上述した３つの作動パラメータの各々はキャリヤ密度の時間的及び空間的パターンならびに電子のエネルギー分布関数をコントロールする。上述した大きさに対するそれぞれのコントロールは大きく異なるので、パラメータの選択は効率的な放電モードを達成するための残りのパラメータの値範囲を粗く決定する。
【００２６】
電圧パルスの振幅Ｕｐ_nの標準的な値はｃｍ火花長及びパスカル封入圧当たり約０．０１〜２Ｖの範囲であり、パルス時間Ｔｐ_nは約１ｎｓ〜５０μｓの大きさであり、そして休止時間Ｔｏ_nは約５００ｎｓ〜１ｍｓの大きさである。本発明の作動規準のために作動圧力は１００Ｐａ〜３ＭＰａの範囲、特に約１ｋＰａ（＝１０ｍｂａｒ）以上であるのが有利である。中圧範囲（例えば１０ｋＰａ）では、これは特にｃｍ火花長当たり１００Ｖ〜２０ｋＶの範囲の電圧パルスの振幅Ｕｐ_nを意味する。高圧範囲（例えば１ＭＰａ）では、これは特にｃｍ火花長当たり１０ｋＶ〜２００ｋＶの範囲の電圧パルスの振幅Ｕｐ_nを意味する。
【００２７】
電気的な安全性の理由から、外部電極は好適にはアース電位に接続され、内部電極は高電圧に接続される。これによって電圧印加部分の十分な接触保護が可能になる。放電容器は電極を含めて外管の内部に配置することができる。これによって外部電極がアース電位に接続されていない場合にも接触保護が図れる。導電性電極材料として電流の流れ得る全ての材料、及び電解質を使用することができる。
【００２８】
片側誘電体妨害放電、すなわち少なくとも１つの誘電体非妨害形電極のために、放電容器の内部すなわちガス室ではさらに、この内部電極はパルス時間の開始時に（放電容器の内部又は外部の）誘電体妨害形電極に対して負極性を含むようにされる（電力入力に関して重要ではないが起こり得る正の針状前駆パルスは除く）。その後極性はパルス時間の期間中変えることができる。
【００２９】
本発明による作動方法は、原則的に変えられることなく又は有利な作用を失うことなく、両側誘電体妨害放電（全電極が誘電体によって放電から分離され、その場合この誘電体は放電容器自体であってもよい。）にも適する。全ての電極が誘電体によって妨害される場合、極性の時間的な連なり及び極性自体は重要ではない。
【００３０】
原則的に電極は全てをガス室の外部に、例えば放電容器の外表面上に、又は電極の或る個数を放電容器の外部におよび或る個数を放電容器の内部に、ならびに全てを放電容器の内部すなわちガス室内に設けることができる。最後の事例においては、少なくとも１つの電極は誘電体によって覆われ、残りの電極に対して逆極性を取る必要がある。
【００３１】
特に、放電容器の内部に腐食性媒質が存在する場合のために、電極が媒質に直接接触しないようにすると有利である。というのは、内部電極の腐食が有効に防止され得るからである。このことは全ての電極が放電容器の外部に配置されるか又は放電容器内に設けられた電極が誘電体層によって覆われることにより達成される。
【００３２】
本発明においては大面積の電極は無くされる。電極によって遮られる放射の量は非常に少ない。誘電体妨害形電極のために、全電極面積と誘電体に接触する電極面積との比は有利にはできる限り小さくされる。特に優れた実施例においては誘電体妨害形電極は放電容器の外壁上に設けられた狭い条帯として実施される。同様に格子状外部電極、例えば金網、孔明き板又は類似のものも適する。放電容器の体積を最高に利用し得るために、内部電極は好適には放電の方向にできる限り小さい広がりを有する。特に優れた実施例においては内部電極は棒として実施される。
【００３３】
片側又は両側妨害放電はできる限り多数の放電容器形状、特に、従来方式で作動させられる誘電体妨害放電の場合例えばヨーロッパ特許出願公開第０３８５２０５号公報、ヨーロッパ特許第０３１２７３２号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第０４８２２３０号、第０３６３８３２号、第０４５８１４０号、第０４４９０１８号及び第０４８９１８４号公報に開示されているような全ての放電容器形状を使用することができる。
【００３４】
横断面の小さい放電容器内には好適には電極は対応する陽極と陰極との間の間隔ができる限り大きくなるように配置される。例えば、小さい横断面を持つ円筒状放電容器に対しては内部電極は好適には放電容器の内部に偏心して配置され、外部電極は直径方向に対向して外壁上に固定される。放電路の伸長は電極を区分することによって補助的に助成することができる。このために内部電極及び外部電極は放電を始めるかもしくは抑制する２つの異なった領域を交互に有する。電極はその場合それぞれ２つの異なった領域が対向するように配置される。これによって半径方向の放電パターンが抑制される。放電はむしろ対向電極の最も近い隣りの領域に対して斜めに起こる。このことは例えば電極が補助誘電体層を備えた領域を交互に有することによって実現することができる。
【００３５】
大きい横断面の場合内部電極は好適には放電容器の内部の中心に配置され、その場合複数の外部電極が外壁上に、その外周に亘って対称に分散されて固定されると有利である。
【００３６】
放電容器の形状は原則的には無理に予め定める必要はない。用途に応じて、放電容器壁は所望の放射に対して（少なくともアパーチュアーの内部で）必要な透明性を有する材料から構成されなければならない。誘電体障壁としては、例えばホウケイ酸塩ガラス（例えばＤＵＲＡＮ（登録商標）（ショット社））、石英ガラス、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＢａＴｉＯ₃等のような、使用された高電圧による破壊に耐える電気絶縁性材料（誘電体）が適する。誘電体の種類及び厚みによって放電パターンをコントロールすることができる。特に、適当に小さい比誘電率を持つ特に十分な厚みの誘電体は、比較的小さい電子密度を有する本発明による放電パターンの形成を助成するのに、すなわち高い電子密度及び電流密度を有する不所望な放電パターンの形成を防止するのに適する。簡単に言うと、このことは一方では、変移電流密度によって惹き起こされる誘電体での局部的電圧降下が誘電体の厚みに比例しその誘電率に反比例することから生じる。他方では、誘電体での電圧降下は電流密度の増大を妨げる。
【００３７】
放射のスペクトル組成は主として封入ガスに依存し、例えば可視光線、赤外線又は紫外線領域に位置することができる。封入ガスとして原理上例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２２７９号公報、ヨーロッパ特許出願公開第０４４９０１８号、第０２５４１１１号、第０３２４９５３号、及び第０３１２７３２号公報に開示されている従来方式で作動させられる誘電体体妨害放電に使用することのできる全ての封入物、ならびにエキシマーレーザもしくはエキシプレックスレーザにおいて既に使用されている封入物（例えばアイ・エス・ラコバ及びエス・アイ・ヤコブレンコ著「エキシプレックスレーザの活性媒質（レビュー）」Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１０（４）、１９８０年４月発行、第３８９頁ならびにシーエッチ・ケー・ローデス著「エキシマーレーザ」シュプリンガー社、１９８年発行参照）が適する。これにはとりわけ希ガス及びその混合物、希ガスとハロゲン又はハロゲン化合物との混合物、金属蒸気及びその混合物、希ガスと金属蒸気との混合物、希ガスと金属蒸気及びハロゲン又はハロゲン化合物との混合物、さらに上述した封入物に添加することのできる次の元素、すなわち水素、デューテリウム、酸素、窒素、窒素酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄、ヒ素、セレン及びリンのうちの１つ又はそれらの組合わせが属する。特に、エキシマー放電での本発明による作動方法に基づく非常に効率的な紫外線発生は、例えばヨーロッパ特許出願公開第０４８２２３０号公報に記載されている紫外線高出力放射器の別の応用分野を開く。これにはとりわけレジストの硬化、表面の変化、飲料水等の無生化、及び環境内の公害物質の紫外線による分解のような光化学プロセスが属する。特に最後に挙げた使用範囲のために、放電を照射されるべき媒質の直ぐ近くにもたらすこと、すなわち放射の短波成分の管壁による減衰を防止するために、気密に閉鎖された放電容器を無くすと有利である。特に紫外線もしくは真空紫外線発生の際に別の重要な利点、すなわち本発明の作動方法により得ることのできる高い紫外線発生量が示される。すなわち従来技術による比較可能な放射輝度の紫外線もしくは真空紫外線とは異なり、水による冷却を無くすことができる。他の有利な用途は、紫外線が適当な蛍光体によって電磁スペクトルの可視領域へ変換されることによる照明である。
【００３８】
本発明の別の利点は、外部の電流制限を必要としない点、ランプを調光可能である点、複数のランプの並列点灯を１つの電源のみで可能である点、そして放射発生の高効率を光技術において同時に必要な出力密度と共に得ることができる点である。
【００３９】
本発明の優れた実施形態において、放電容器は放電の際に発生する光を特に好適なスペクトル範囲へ転移させるために蛍光体膜を備える。蛍光体被膜は低圧ランプならびに高圧ランプにおいても使用することができる。この場合、公知の蛍光体もしくは混合物を使用することができる。蛍光ランプにとって青、緑及び赤を発光する蛍光体の組合わせは特に有効である。好適な青色蛍光体は特に二価ユーロピウムを用いて活性化されたアルミン酸バリウムマグネシウム（ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺）である。緑色成分として特にテルビウム又はマンガンで活性化された蛍光体を使用することができる。例えばテルビウムで活性化されたケイ酸イットリウム（Ｙ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂ）又はリン酸ランタン（ＬａＰＯ₄：Ｔｂ）もしくは二価マンガンを用いて活性化されたケイ酸亜鉛（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄：Ｍｎ）又はアルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄：Ｍｎ）がある。有利な赤色成分は、三価ユーロピウムを用いて活性化された蛍光体、例えば酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺）、又はイットリウム及び／又はガドリニウムのホウ酸塩がある。詳細にはＹＢＯ₃：Ｅｕ³⁺、ＧｄＢＯ₃：Ｅｕ³⁺及び混合されたホウ酸塩（Ｇｄ、Ｙ）ＢＯ₃：Ｅｕ³⁺である。
【００４０】
温光色のランプ用としては青色成分の量を少なくするか又は完全に省略することができる（通常の蛍光ランプにおいて知られている処置方法に相当する）。
【００４１】
特殊演色性を有するランプには、青緑色スペクトル領域で放出する成分、例えば二価ユーロピウムを用いて活性化された蛍光体が適する。この用途にはリン酸ストロンチウムボロＳｒ₆ＢＰ₅Ｏ₂₀：Ｅｕ²⁺が好適である。
【００４２】
本発明は特に蛍光ランプの分野に突破口を与える。封入物は水銀を無くすこと、及びそれにも拘わらず従来の蛍光ランプの内部紫外線効率に相当する内部紫外線効率を得ることに初めて成功した。従来の蛍光ランプに比較してそれによってさらに次の付加的な利点がもたらされる。周囲温度の光束への影響及びガラス球黒化を生ずることなく、問題のないコールドスタートが可能となる。さらに、寿命を制限する電極（例えば発光体ペーストを備えた白熱陰極）、重金属及び放射性部品（グロースタータ）を必要としない。白熱電球及び白熱陰極を持つ放電ランプとは異なり、放射は電極への点灯電圧の印加直後に大きな遅れなく放出される（純粋放電の発光遅れは約１０μｓ、蛍光体を含めて約６ｍｓである。これに比較して白熱電球の応答時間は約２００ｍｓの範囲にある。）。このことは特に灯光信号装置、交通・信号照明装置にとって利点がある。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明を以下において幾つかの実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は新しい方法に基づいて作動させることのできる棒状放電容器の本発明による実施例の一部を断面で示した概略縦断面図である。
図２ａは図１に示された放電容器のＡ−Ａ線に沿った概略横断面図である。
図２ｂは本発明による放電容器の他の実施例の概略横断面図である。
図２ｃは本発明による放電容器の別の実施例の概略横断面図である。
図３ａは図１に示された片側誘電体妨害形放電ランプの陰極−陽極間の本発明による優れた電圧波形の概略図である。
図３ｂは両側誘電体妨害形放電ランプを本発明によって点灯するために使用することのできる電圧波形の概略図である。
図４ａは本発明による方法に基づいて点灯することのできる平面形放射器の形をした放電ランプの本発明による他の実施例の一部の概略縦断面図である。
図４ｂは図４ａに示された放電ランプの横断面図である。
図５ａは本発明による方法に基づいて点灯することのできるエジソンねじ込み口金を備えた従来のランプの形をした放電ランプの本発明による別の実施例の側面図である。
図５ｂは図５ａに示された放電ランプのＡ−Ａ線に沿った横断面図である。
図６ａは負の値を持つ本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの単極性波形の概略図である。
図６ｂは本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの両極性波形の概略図である。
図６ｃは図６ａ及び図６ｂに示された個々の波形要素の組合わせによって発生された電圧パルスＵｐ（ｔ）の本発明による波形の概略図である。
図７は本発明による点灯方式（１７３ｈＰａのＸｅ、パルス周波数２５ｋＨｚ）で電圧Ｕ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）・Ｉ（ｔ）を測定した時間変化図である。
図８は時間軸を変えて示した図７に相当する図である。
図９ａ、ｂは本発明による放電パターンの写真図である。
図１０ａ〜ｄは不所望な放電パターンへの移行を示す写真図である。
【００４４】
図１に基づいて本発明を特に簡単な実施例で説明する。２００ｈＰａの圧力でキセノンを封入された中圧放電ランプ１の一部が縦断面図にて示されている。５９０ｍｍの長さ、２４ｍｍの直径及び０．８ｍｍの壁厚を有し長手軸線を規定するガラス製円筒状放電容器２の内部には、２．２ｍｍの直径を有する特殊鋼製の棒の形態の軸線平行な内部電極３が配置されている。放電容器２の外部には、軸線平行に配置されて電源に電気的に接続される２ｍｍ幅の２つの高導電性銀製条帯４ａ、４ｂから構成された外部電極が配設されている。個々の高導電性銀条帯４ａ、４ｂはこの実施例に示されているように金属リングによって相互に結合されて電源に共通に電気的に接続される。その際、放電を乱さないようにするために、金属リングを十分狭く成形するように注意する必要がある。変形例として高導電性銀条帯４ａ、４ｂは供給電圧に別々に接続することもできる。内部電極３は弓形金具状リード線１４に電気的に接続することができる。このリード線１４は皿状封着部１６によって放電容器２に気密に結合された挟搾部１５を介して外部へ導かれている。
【００４５】
この実施例の変形例では放電容器は金属リングの領域に例えば膨出部の形の径大部を有する。これによってこの領域に擾乱的な寄生放電が生成するのが阻止される。上記実施例の特に優れた変形例では棒状内部電極は一方の端部のみが第１皿状封着部に固定結合される。他方の自由端部は中心軸線で第２皿状封着部に固定された円筒状スリーブ内へ（間隙嵌めのように）緩く導かれる。このことは内部電極が例えば高電力の連続作動にて加熱される際に軸線方向へ妨げられることなく膨張することができるという利点を有する。そうでなければ放電容器内に不所望な材料応力が発生するか電極が曲げられてしまうおそれがある。因みにこの変形例の上述した利点はその有利な作用が本発明による作動方式に限定されるのではなく、類似の型の全てのランプに原理上適している。
【００４６】
図２ａは図１に示された放電ランプの横断面図を示す。内部電極３は中心に配置され、放電容器２の外壁上には２つの電極４ａ、４ｂがその外壁の周囲上に対称に分割されて配置されている。
【００４７】
放電ランプ１を本発明によって点灯するために必要な電圧供給の原理構成は同様に図１に概略的に示されている。一連のパルス、すなわち電圧パルスの形状及び期間と休止時間の期間とはパルス発生器１０で発生され、次の電力増幅器１１によって増幅される。一連のパルスが内部電極３に印加される様子が概略的に示されている。高電圧変圧器１２は電力増幅器１１の信号を必要な高電圧に変換する。ランプはパルス状直流電圧で点灯される。図３ａに示されている負の矩形パルスが使用される。この矩形パルスは次のパラメータすなわちパルス時間Ｔｐ＝２μｓ、休止時間Ｔｏ＝２５μｓ、Ｔｐ期間中の電圧振幅Ｕｐ−３ｋＶ及びＴｏ期間中の電圧振幅Ｕｐ０Ｖを有している。
【００４８】
放電容器の内壁はさらに蛍光体膜６によって被覆されている。この実施例において放電によって特に放出された紫外線は蛍光体膜６によって光スペクトルの可視領域に変換され、それゆえランプは特に照明用に適している。その場合次の成分を有する３波長域発光形蛍光体が使用される。青色成分はＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、緑色成分はＹ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂ、及び赤色成分はＹ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺である。これによって３７ｌｍ／Ｗのランプ効率が得られる。演色性として４０００Ｋの色温度の際にＲａ＞８０を達成することができた。蛍光体によって検出された真空紫外線発生量は約６５％である。このランプの幾つかの他の封入物の例及び作動データは表１に示されている。この表においてｐはガス圧、Ｕｐは電圧パルスの最大値、ｕｐは火花長（１．２ｃｍ）及び圧力に関する電圧パルスの最大値、そしてη_VUVは得られた真空紫外線発生量を表す。入力電力はそれぞれ１８Ｗ、パルス期間Ｔｐ（最大値のそれぞれ１０％の立上がりと立下がりとの間の時間）は約１．５μｓ（１μｓの半値幅の場合）、休止時間Ｔｏは約２７μｓである。
【００４９】

【００５０】
別の実施例が図２ｂに示されている。内部電極３´は内壁の近くへ偏心しかつ円筒状放電容器の長手軸線に平行に配置され、外部電極４´は直径上に対向配置されて外壁に固定されている。このような配置は小断面の円筒状放電容器の場合に特に有利である。というのは、一方では放電は放電容器の内部を直径上に延び、他方では外壁は外部電極としての１つの高導電性銀条帯のみによって覆われている、すなわち放射面が図２ａのように第２の外部電極によってより一層縮小されないからである。
【００５１】
図２ｃに示された更に別の実施例においては、図２ａと同じように内部電極３は放電容器２の内部の中心に配置されている。放電容器２の外壁の周囲に対称的に分散されて４つの外部電極４´ａ、４´ｂ、４´ｃ、４´ｄが設けられており、それゆえこの構成は大断面、従って大外被面を持つ放電容器に特に適している。これによって放電は図２ａ及び図２ｂのように第１面だけでなく、他の第２面でも発生し、それによって放電容器２の体積は放射発生のために図２ａ及び図２ｂの実施例の場合よりも良好に利用される。
【００５２】
別の実施例においては、図１に示された棒形ランプの内壁は蛍光体被膜６の代わりに例えばＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃又はＣａＦ₂から成る紫外線及び真空紫外線反射被膜を有する。その場合、内壁に設けられた特にランプ軸線に平行な狭い１つの条帯だけは被覆されない。外部電極は紫外線及び真空紫外線が妨げられずにこの条帯を透過して放出されるように配置される。この実施例は広げられた対象物の効率的な真空紫外線照射、例えばリソグラフィにおける露光に特に好適である。この実施例の優れた変形例においては、内部電極は第２の外部電極によって置換される。これによって紫外線及び真空紫外線は妨げられずに被膜で反射され、条帯状透明領域を透過して外部へ放出される。
【００５３】
図３ａには片側誘電体妨害放電用に好適な本発明による内部電極（陰極）−外部電極（陽極）間の電圧パルス波形が概略的に示されている。電圧波形は、内部電極の電圧パルスが負符号で開始しかつ休止時間によって分離されるならば、図３ａの実施例の波形とは異ならせることができる。
【００５４】
図３ｂには極性がパルス毎に変化するパルス波形が概略的に示されている。このパルス波形は両側誘電体妨害放電のみに適し、その場合最初のパルスは任意の極性で開始できる。
【００５５】
図４ａには本発明による方法によって点灯される片側誘電体妨害形放電ランプの他の実施例の平面図、図４ｂにはその断面図が示されている。このランプは、上側放射面７ａ及びこれに平行な下側放射面７ｂを有し、これらに対して内部電極３及び外部電極４が垂直に向けられて多数の平行な放電室８を形成するように交互に配置されている平面形放射器である。それぞれ隣接する外部電極及び内部電極は誘電体層及びガス封入放電室８によって分離され、隣接する内部電極は誘電体層のみによって分離されている。本発明による作動方法は単一の電源１３のみを用いて多数の並列接続された放電室８への給電を可能にする。放電容器の内壁は蛍光体膜６によって被覆されている。平面形放射器は両側誘電体妨害放電室を結合することによっても同様に実現可能である。
【００５６】
図５ａには放電ランプの他の実施例の側面図、図５ｂにはその横断面図が示されている。この放電ランプは外部形状がエジソン口金９を有する従来のランプに似ており、新しい方法によって点灯することができる。放電容器２の内部には中心に、断面が対称十字の形に一致する細長い内部電極３が配置されている。放電容器２の外壁には、４つの外部電極４´ａ、４´ｂ、４´ｃ、４´ｄが内部電極の４つの長手側面に対向配置されて放電パターンが互いに垂直でランプ軸線を横切る２つの平面内でほぼ発生するようにその４つの外部電極が設けられている。
【００５７】
上述した実施例の別の優れた変形例においては、内部電極は円形断面及び２ｍｍの直径を持つ特殊鋼製の棒から構成される。この棒は０．７ｍｍの厚みのガラスから成る円筒状放電容器２の内部の中心軸線に配置される。放電容器は約５０ｍｍの直径を有し、反口金側端部にポンプ短管を有し、このポンプ短管内には内部電極の反口金側端部が導入される。放電容器の内部は１７３ｈＰａの圧力でキセノンが封入される。外部電極は軸平行でかつ放電容器の外壁上に均等に分割して配置された１２個の１ｍｍ幅かつ８ｃｍ長の高導電性銀条帯によって実現される。外部電極は口金の領域において外壁に設けられたリング状高導電性銀条帯によって相互に電気的に接続される。放電容器の内壁は蛍光体膜６によって被覆される。その場合、青色成分ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、緑色成分ＬａＰＯ₄：（Ｔｂ³⁺、Ｃｅ³⁺）、及び赤色成分（Ｇｄ、Ｙ）ＢＯ₃：Ｅｕ³⁺を有する３波長域発光形蛍光体が使用される。それによって４０ｌｍ／Ｗのランプ効率が得られた。色温度は４０００Ｋであり、ＣＩＥに基づく標準色度図による色位置は座標ｘ＝０．３８及びｙ＝０．３７７を有する。電圧Ｕ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）の時間的変化は図７に示され、また時間尺度を変えて図８に示されている。外部電極に対する内部電極の電圧最大値は約−４ｋＶである。パルス時間（最大値の半分の際の時間）及び休止時間はそれぞれ約１．２μｓ及び約３７．５μｓである。図８においてはさらに電圧Ｕ（ｔ）の第２の主パルスの前に小振幅の４つの前駆パルスが明らかに認められる。電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）の対応する変化から明らかなように、この前駆パルスの期間中には電流は流れず、従って同様に電力はガス中へ与えられない。それゆえ、この種の前駆パルスは本発明による点灯方式にとって害にならない。２５ｋＨｚのパルス周波数の場合、約６５％の真空紫外線発生量が達成された。
【００５８】
上述した実施例の別の変形例においては、放電容器は紫外線及び真空紫外線透過材料、例えばＳＵＰＲＡＳＩＬ（登録商標）石英ガラス（ヘラオイス・クヴァルツシュメルツエ有限会社）から構成される。この変形例は例えば光化学における真空紫外線放射器として好適である。別の変形例においては内部電極はガラスによって覆われる。このことは腐食性媒質、例えば希ガスハロゲン化物を使用する際に特に有利である。というのは、このようにして内部電極の腐食が防止されるからである。
【００５９】
図９ａ、ｂは単極性電圧パルスを用いて発生された本発明による放電パターンの写真図を示す。
図９ａの場合には両側誘電体妨害放電が使用されている。円筒管状ガラス製放電容器はその外壁に直径上に対向して軸線方向に配置された２つの外部電極を備えている。放電容器の内部で両外部電極の結合面内には緑がかったΔ状放電パターンが一列に配置されている。Δ状放電パターンの狭い最下点はそれぞれ陰極側内壁で開始して放電容器の内壁の陽極側にまで広がっている。
図９ｂの場合には片側誘電体妨害放電が使用されている。放電装置は図９ａの放電装置とは金属製の棒状補助内部電極だけが異なっている。この内部電極は陰極として作用し、放電容器の内部の中心軸線に配置されている。内部電極の表面から個々のΔ状放電パターンが両外部電極のそれぞれ１つへ広がっている。特に図９ｂからはっきり分かるように、これらのパターンはほぼ均一に拡散して発光している。そのパターンは狭い陰極側終点にそれぞれ１つのパーセント的に非常に小さい若干明るい発光領域を有している。さらに、高い一様性は注目に値する。この一様性は個々のパターンの相互間隔並びに相互比較による個々のパターンの形状及び輝度分布に関係する。
【００６０】
この多数の同種のパターンが明白なコントラストにて図１０ａ〜ｄの写真図に示されている。これらの図はこの順序にて不所望な放電パターンへ徐々に移行する様子を示している。
図１０ａ（この放電装置は図９ｂにおける放電装置と同じである）では、本発明による幾つかのΔ状放電パターンがまだ認められる。放電装置の図の左下領域では既にＹに似たパターンが形成されている。図の上領域（図中央部の若干左側）では、線条状に明るく発光するパターンが幾つかの元々右側に隣接するΔ状放電パターンを犠牲にして形成されている。放電容器の内壁での高い輝度はこの領域での沿面放電を示唆している。
図１０ｂに示された放電領域は図１０ａに比べてさらに減少した紫外線効率を有している。元々この領域に存在するパターンの個数はさらに減少している。
図１０ｃ及び図１０ｄでは両側（放電装置は図９ａにおける放電装置と同じ）もしくは片側誘電体妨害放電が使用されている。両ケースにおいてはまだ線条状パターンが見られる。陽極の領域では放電容器の内壁上にそれぞれ２つの条帯状沿面放電が認められる。これらは明るく発光する湾曲状パターン内へＹ状に繋がっている。このパターンは対向する陰極側内壁上で２つの類似の条帯状沿面放電（図１０ｃ参照）に分割され、もしくは片側誘電体妨害放電の場合には陰極上で終了する。
【００６１】
本発明は上述した実施例に限定されない。特に、異なった実施例の個々の利点は互いに適当に組合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】棒状放電容器の本発明による実施例の一部を断面で示した概略縦断面図
【図２】図２ａは図１に示された放電容器のＡ−Ａ線に沿った概略横断面図、図２ｂは本発明による放電容器の他の実施例の概略横断面図、図２ｃは本発明による放電容器の別の実施例の概略横断面図
【図３】図３ａは図１に示された片側誘電体妨害形放電ランプの陰極−陽極間の本発明による優れた電圧波形の概略図、図３ｂは両側誘電体妨害形放電ランプを本発明によって点灯するために使用することのできる電圧波形の概略図
【図４】図４ａは本発明による方法に基づいて点灯することのできる平面形放射器の形をした放電ランプの本発明による他の実施例の一部の概略縦断面図、図４ｂは図４ａに示された放電ランプの横断面図
【図５】図５ａは本発明による方法に基づいて点灯することのできるエジソンねじ込み口金を備えた従来のランプの形をした放電ランプの本発明による別の実施例の側面図、図５ｂは図５ａに示された放電ランプのＡ−Ａ線に沿った横断面図
【図６】図６ａは負の値を持つ本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの単極性波形の概略図、図６ｂは本発明による電圧パルスＵｐ（ｔ）の幾つかの両極性波形の概略図、図６ｃは図６ａ及び図６ｂに示された個々の波形要素の組合わせによって発生された電圧パルスＵｐ（ｔ）の本発明による波形の概略図
【図７】本発明による点灯方式で電圧Ｕ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）及び電力Ｐ（ｔ）＝Ｕ（ｔ）・Ｉ（ｔ）を測定した時間変化図
【図８】時間軸を変えて示した図７に相当する図
【図９】本発明による放電パターンの写真図
【図１０】不所望な放電パターンへの移行を示す写真図
【符号の説明】
１ 放電ランプ
２ 放電容器
３ 内部電極
４ａ，４ｂ 条帯（外部電極）
１０ パルス発生器
１４ リード線

Claims (17)

1. 非導電性材料から成る少なくとも部分的に透明な放電容器（２）が封入ガス（５）を封入され、少なくとも２つの電極（３、４）が封入ガス（５）の近くに設けられてリード線によって電気エネルギー供給源（１０〜１２）に接続され、全ての電極（３、４）と封入ガス（５）との間には誘電体層が配置されているインコヒーレント放出放射源を両側誘電体妨害放電によって作動させる方法において、封入ガス（５）の作動圧力は１００Ｐａ〜３ＭＰａの範囲であり、電気エネルギー供給源は電極（３、４）間に一連の両極性の電圧パルスを供給し、個々の電圧パルスｎは電圧Ｕｐ_n（ｔ）と１ｎｓ〜５０μｓの大きさのパルス時間Ｔｐ_nとで表され、両極性の電圧パルスはその極性をパルス時間Ｔｐ _n の期間中に変えしかも極性変化の間にパルス休止を持たず、それぞれ電圧パルスｎは５００ｎｓ〜１ｍｓの大きさの値と電圧Ｕｏ_n（ｔ）とを持つ休止時間Ｔｏ_nによってその後続の電圧パルスｎ＋１から分離され、パルス時間Ｔｐ_nの期間中電圧Ｕｐ_n（ｔ）は封入ガス（５）内へ有効電力が入力するように選定され、休止時間Ｔｏ_nの期間中電圧Ｕｏ_n（ｔ）は封入ガス（５）がそれぞれその前の電圧パルスＵｐ_n（ｔ）前の状態に似た状態へ復帰し得るように選定され、Ｕｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n、Ｕｏ_n（ｔ）、Ｔｏ_nの大きさは電極（３、４）間にそれぞれ２つのΔ状放電パターンの鏡像的な重なりから成る
   

   

   状放電パターンが生じるように設定されることを特徴とするインコヒーレント放出放射源の作動方法。
2. 個々の放電パターンの間隔がＵｐ_n（ｔ）、Ｔｐ_n、Ｕｏ_n（ｔ）、Ｔｏ_nの大きさの選定によって、ガス圧力の低い際に全放電面が"カーテン"状放電パターンで放射するように減少させられ得ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 休止時間Ｔｏ_nは個々の放電パターンの体積の時間平均値が最大になるように選定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. パルス時間Ｔｐ_nの期間中、電極（３、４）間の電圧Ｕｐ_n（ｔ）として、放電の再点弧電圧に合わせた値が選定されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 電圧Ｕｐ_n（ｔ）、Ｕｏ_n（ｔ）及びパルス時間Ｔｐ_n、休止時間Ｔｏ_nは封入圧力、封入物の種類、火花長、誘電体及び電極構成に合わせられることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 電圧Ｕｐ_n（ｔ）は三角形状、矩形状、台形状、階段状、湾曲状、放物線状、正弦波状の形状の１つ又は複数から直接に又は近似的に構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. パルス時間Ｔｐ_nの期間中、電極（３、４）間の電圧Ｕｐ_n（Ｔ）として、誘電体によって惹起された電圧降下を加えて、少なくとも再点弧電圧に相当する最大値が選定されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 電圧パルスの最大値はｃｍ火花長及びパスカル封入圧当たり０．０１〜２Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 電圧は周期的であることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 少なくとも１つの電極においては誘電体層が放電容器（２）の壁によって形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 全電極面積と誘電体に接触する電極面積との比はできる限り小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 放電容器（２）内に配置された１つ又は複数の棒状又は条帯状の電極を使用する場合、この電極は中心に又は偏心して配置され、電極が誘電体によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の方法。
13. 放電容器の外部に配置された１つ又は複数の電極を使用する場合、この電極は条帯状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
14. 放電容器（２）は管から構成され、その長手軸線に内部電極（３）が配置され、その外壁に少なくとも１つの外部電極（４）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 放電容器はほぼ円筒状をして一端部に口金（９）を備え、放電容器の内部には片側を固定された中心棒状内部電極（３）が設けられ、放電容器の外壁には少なくとも１つの条帯状電極（４´ａ、４´ｂ、４´ｃ、４´ｄ）が配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 内部電極（３）は円形断面を有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. ガス室を画成する壁は少なくとも一部分が蛍光体（６）によって被覆されていることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の方法。

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