JP7112559B1

JP7112559B1 - 定在波励起型電磁波放電灯

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Publication number: JP7112559B1
Application number: JP2021071279A
Authority: JP
Inventors: 正士神藤; マーティンクラル; ヤンフサリク; ガブエルブラジャンマリウス; 洋岡嶋; 辰二肥後
Original assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Tokyo Keiki Inc
Current assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2041-04-20
Also published as: WO2022224703A1; JP2022165782A

Abstract

【課題】共振器を用いずに無電極放電を行うことができる放電灯を提供する。【解決手段】電磁波発振器により供給される電磁波電力により放電発光する放電灯１であって、基端部が開口されるとともに先端部が閉塞される筒状に形成された透明性を有する絶縁体である内管１２と、内管１２に挿入されるとともに内管１２の管軸方向に延在する導体である内部導体１３と、内管１２の径外側に放電ガスが封入される密閉空間を画成するように形成された透明性を有する絶縁体である外管１１と、外管１１の外周を覆うように形成された導体である外部導体１５とを有する二重放電管１０と、二重放電管１０において定在波が優位となるように電磁波発振器側のインピーダンスと二重放電管１０のインピーダンスとを整合するインピーダンス整合部１６とを備えた。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、放電灯に関する。

従来、長寿命な放電灯として、共振器を用いたマイクロ波による無電極放電によって点灯する放電灯が知られている。この種の放電灯として、電磁波の電界が局所的に集中する位置に設けられた放電ガスが封入された石英放電灯を点灯させる方式（例えば、特許文献３，４参照）や、放電ガスが封入された共振器においてマイクロ波電界が最も強い箇所を点灯させる方式（例えば、特許文献１，２参照）が研究開発の対象となっている。また、この種の放電灯の一部は、マイクロ波放電メタルハライドランプやサルファーランプとして実用化されている（例えば、特許文献３，４及び５）。このような共振器を用いた放電灯においては、放電灯が共振器よりも小さく構成される必要があるため、放電灯の設計の自由度が著しく制限される。

なお、関連する技術として、バッファガスと微量の水銀が封入される空間を有して同軸状に配置された石英管からなる外管及び内管と、一端が前記内管の開口端に配設された同軸コネクタ等に支持されて内管内部に挿入されると共にマイクロ波発振源に接続された棒状もしくはパイプ状のアンテナと、前記外管の外周側を覆うように配設された所定の放射光透過率を有する金属メッシュ体とを備えることを特徴とする二重管式マイクロ波放電ランプ、が知られている（例えば、特許文献８参照）。

特許第４７５７６５４号公報特開２００７－２３４４３３号公報特表２００４－５０５４２９号公報特表２００９－５２１０７１号公報特許第４２９４９９８号公報特開２０１９－５３８９７号公報特開２０２０－１４０９１９号公報特開２０１６－２２５０３７号公報

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、共振器を用いずに無電極放電を行うことができる放電灯を提供することである。

上述した課題を解決するため、本実施形態に係る放電灯は、電磁波発振器により供給される電磁波電力により放電発光する放電灯であって、基端部が開口されるとともに先端部が閉塞される筒状に形成された誘電体である内管と、該内管に挿入されるとともに該内管の管軸方向に延在する導体である内部導体と、前記内管の径外側に放電ガスが封入される密閉空間を画成するように形成された誘電体である外管と、該外管の外周を覆うように形成された導体である外部導体とを有する二重放電管と、前記二重放電管において定在波が優位となるように前記電磁波発振器側のインピーダンスと前記二重放電管のインピーダンスとを整合するインピーダンス整合部とを備える。

本発明の実施形態によれば、共振器を用いずに無電極放電を行うことができる。

実施形態に係る放電灯の構成を示す概略図である。実施形態に係る放電灯の構成を示す正面図である。図２のＡ－Ａ線断面図である。放電灯の構成を示す要部拡大断面図である。放電灯における発光部を示す概略図である。定在波が安定して生成されるようにインピーダンス整合した場合の放電で、定在波による連続的な放電状態を示す図である。反射電力が最小となるようにインピーダンス整合した場合は定在波発光ではなく放電が局所的な放電状態を示す図である。内管を有する放電灯における放電明部を示す図である。内管を有さない放電灯における放電明部を示す図である。石英により形成された外管及び内管のパラメータを示す表である。石英により形成された外管及び内管を有する第１の放電灯における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。石英により形成された外管及び内管を有する第２の放電灯における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。アルミナにより形成された外管及び内管のパラメータを示す表である。アルミナにより形成された外管及び内管を有する第１の放電灯における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。アルミナにより形成された外管及び内管を有する第２の放電灯における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。放電灯の変形例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（放電灯の構成）
本実施形態に係る放電灯の構成について説明する。図１、図２は、それぞれ、本実施形態に係る放電灯の構成を示す概略図、正面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図４は、放電灯の構成を示す要部拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る放電灯１は、同軸ケーブル３を介して、電磁波電力を出力する電磁波発振器２と接続される二重管式の放電灯である。放電灯１は、図１～図４に示すように、二重放電管１０と、インピーダンス整合部１６と、同軸ケーブル３と接続される同軸コネクタ１７とを備える。二重放電管１０は、外管１１と、内管１２と、内部導体１３と、固定導体１４と、外部導体１５とを有する。なお、放電灯１は、同軸ケーブル３に代えて、同軸管により電磁波発振器２と接続されても良い。

外管１１及び内管１２は、いずれも、石英やアルミナなどの誘電体損失の小さい誘電体が略管状に形成された部材であり、外管１１は、所定以上の光透過性を有する部材であり、内管１２は、光透過性を有する部材、光透過性を有さない部材のいずれであっても良い。外管１１及び内管１２は、本実施形態においては、いずれも全体として略円筒状に形成される。外管１１は、内管１２よりも大きな径を有し、外管１１と内管１２とが同軸上に位置付けられるように、即ち外管１１の管軸と内管１２の管軸とが略一致するように外管１１の内部空間に内管１２を収容する。外管１１は、上面及び底面が閉塞されように形成され、これによって、外管１１と内管１２との間に径方向に一定幅を有する密閉空間が画成される。この密閉空間には、プラズマを発生させるための放電ガスが封入される。本実施形態においては、後に詳述するように密閉空間にエキシマガスが封入されるものとする。内管１２は、図３及び図４に示すように上面が開放され底面が閉塞された略筒箱状に形成されており、上面開口が後述する内部導体１３及び固定導体１４により閉塞される。なお、外管１１及び内管１２の軸方向において、内管１２が閉塞される底面側を先端側、その逆の上面側を基端側として以後説明する。

内部導体１３は、外管１１及び内管１２の管軸方向に延在するように略棒状または略パイプ状に形成された導体であり、先端部が内管１２の底面近傍に位置するように内管１２に挿入されるとともに、外管１１及び内管１２と同軸上に位置付けられるように基端部がインピーダンス整合部１６に支持される。また、内部導体１３の先端部には、図３、図４に示すように、内管１２に対して内部導体１３を固定する固定子１３１が設けられる。本実施形態において、固定子１３１は、内部導体１３を挿通可能な内径、内管１２内に挿入可能に内管１２の内径に対応した外径を有する環状に形成されるものとするが、内管１２の内壁と内部導体１３とに接触するように形成されたものであれば良い。また、固定子１３１は、例えば、アルミナ、石英、またはテフロン（登録商標）などの低誘電体損失を有する誘電体により形成される。なお、固定子１３１は、内部導体１３に対して複数個設けられていても良い。

固定導体１４は、全体として、外管１１と略一致した直径を有する略円筒状または略円盤状に形成されるとともに、インピーダンス整合部１６を取付可能に形成された導体である。また、固定導体１４は、径内側に位置してテフロンからなる径内部と、径外側に位置し、径内部を囲繞する略環状に形成され、アルミからなる径外部とを有する。図４に示すように、径内部１４１には、内部導体１３が管軸方向に挿通可能な孔が形成され、径外部１４２は外部導体１５を取付可能に形成される。外部導体１５は、径外部１４２に取り付けられた状態において、外管１１の管軸方向全域に亘って外周全域を覆うように形成されるとともに、径方向に開口する複数の開口を有する所謂メッシュ状に形成される略筒状の導体である。また、外部導体１５は、外管１１、内管１２、内部導体１３に対して同軸上に位置付けられた状態で固定されるように径外部１４２に取り付けられる。また、外部導体１５は、電磁波発振器２により出力される波長の１／１０以上だけ外管１１に対して先端側に突出して先端部が開口するように形成されるものとするが、先端部を閉塞するように形成されても良い。なお、外部導体１５における複数の開口は、光透過率が９０％以上であり、且つ電磁波の漏洩が防止される開口率となるように形成されることが望ましい。

インピーダンス整合部１６は、図３，４に示すように、非接地側導体１６１と接地側導体１６２と整合素子１６３とを有し、後に詳述するように、電磁波発振器２側のインピーダンスに対する二重放電管１０のインピーダンスを二重放電管１０において定在波が優位となるように整合する。非接地側導体１６１及び接地側導体１６２は、同軸コネクタ１７を介して同軸ケーブル３と電気的に接続される同軸伝送路を構成するものである。非接地側導体１６１には内部導体１３の基端部が嵌合され、これによって非接地側導体１６１は内部導体１３と電気的に接続される。また、接地側導体１６２は、固定導体１４を介して、外部導体１５と電気的に接続される。整合素子１６３は、非接地側導体１６１と接地側導体１６２とを電気的に接続する少なくとも１個以上のリアクタンス素子である。本実施形態において、インピーダンス整合部１６における同軸伝送路はマイクロストリップ線路として構成されるものとするが、同軸管またはストリップラインとして構成されても良い。また、同軸伝送路が同軸管として構成された場合、整合素子１６３は、環状に形成された誘電体として構成される。また、インピーダンス整合部１６は、放電灯点火装置を更に有しても良い。

このように構成された放電灯１は、後述するように、共振器を必要とせず、定在波により放電点灯を行うことができるため、共振器を利用するマイクロ波放電灯と比較して、共振器の形状や共振モードによる制約を受けず、設計の自由度が高い。

（放電灯の動作）
放電灯の動作について説明する。図５は、放電灯における発光部を示す概略図である。

内部導体１３と外部導体１５とが同軸線路を構成することによって、電磁波発振器２から放電灯１に入力された電磁波電力がＴＥＭモードで伝搬される。これによって、放電灯１は、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）波からマイクロ波までの広帯域の電磁波を利用することができる。放電灯１の基端側から入射した電磁波電力は、進行波として放電灯１の先端部に到達して全反射され、全反射による反射波と進行波によって定在波が発生する。

図５に示すように、二重放電管１０において理想的に定在波が発生すると、定在波の腹に対応した発光部ＬＭが二重放電管１０の管軸方向に複数並ぶことなる。この腹の付近において、電磁波電界は二重放電管１０の径方向を向き、電気力線は外管１１、内管１２を通過した後に内部導体１３、外部導体１５それぞれの表面で終端する。このような電極構造、電界方向は誘電体バリア放電と同様であるため、放電灯１においても定在波の腹の周辺部で電子温度は高いがイオン温度の低い低温プラズマＰを発生させることができる。誘電体バリア放電は、ＨＦ（ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力により点灯するエキシマランプに実用化されているが、マイクロ波領域では未だ実現されていない。

誘電体バリア放電の条件は、電磁波電界で加速される放電空間の電子の移動距離Ｌが放電空間のギャップＧよりも長いことが必要である。Ｌは次式で示されるように、電磁波電界Ｅ_０に比例し電磁波の周波数ｆと封入ガス圧ｐに逆比例する。

ここで、ｅは電子の素電荷、ｍ_ｅは電子の質量、ωは電磁波角周波数、ν_eは電子の衝突周波数である。

二重放電管１０における密閉空間内のエキシマガスの圧力を５０ｋＰａ～１００ｋＰａ程度の大気圧付近として低温プラズマを発生させることによって、実用性のあるエキシマ放射光パワーを得ることができる。この際、密閉空間に封入されるエキシマガス種としては、ＫｒＢｒ（２０７ｎｍ），ＫｒＣｌ（２２２ｎｍ），ＸｅＩ（２５３ｎｍ），ＸｅＢｒ（２８３ｎｍ），ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ），Ｘｅ（１７２ｎｍ），Ｋｒ（１４６ｎｍ）などが挙げられる。放電ガスとしてエキシマガスを用いた放電灯１によれば、エキシマ放電時に紫外線殺菌、紫外線硬化、紫外線放射洗浄などに利用可能なＶＵＶ（ＶａｃｕｕｍＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）～ＵＶ波長域の放射光を発光することができる。

また、放電灯１を強い殺菌効果のあるＵＶ－Ｃ光を放射する低圧水銀放電灯として利用することも可能である。この場合、放電灯１は既存のＡＣ／ＤＣ放電低圧水銀放電灯に比して、コンパクト、長寿命、高効率であり、空気殺菌や水の殺菌装置等の広い分野に応用することができる。なお、放電灯１を上述の低圧水銀放電灯として利用する場合、放電灯１におけるバッファバス圧を１．０～１０．０Ｔｏｒｒ（７．５～７５ｍＰａ）とし、ランプ壁の最低温度を４０～５０℃に維持して水銀蒸気圧を２～１０ｍＴｏｒｒ（１５×１０^－６～１５０×１０^－６Ｐａ）とすることがＵＶ－Ｃ変換効率を高く維持するのに望ましい。

（インピーダンス整合部の動作）
インピーダンス整合部の動作について説明する。図６、図７は、それぞれ、腹が連続して並ぶ定在波が発生するようにインピーダンス整合をした場合、反射電力の最小化だけを狙ってインピーダンス整合をした場合における放電灯の放電状態を示す図である。

放電灯１においては、二重放電管１０の長さと直径に大きな制約はないものの、放電点灯されない状態における二重放電管１０のインピーダンスが、同軸ケーブル３の特性インピーダンス（例えば５０Ω）に近似するように、外管１１、内管１２、内部導体１３のそれぞれの直径、密閉空間の径方向距離が定められることが望ましい。

インピーダンス整合部１６は、定在波が優位となるように、電磁波発振器２側のインピーダンスと二重放電管１０のインピーダンスとを整合する。ここで、インピーダンス整合部１６は、放電状態を確認しながら少なくとも１個以上のリアクタンス素子を用いて、安定した定在波放電が得られるようにインピーダンス整合を行う事が望ましい。これによって、定在波が二重放電管１０の先端部から基端部まで維持され、図６に示すように、二重放電管１０の管軸方向に放電明部が連続して形成され、放電の一様性と発光効率（電磁波入力当たりのランプ放射光パワー）が向上する。なお、定在波が優位となるようなインピーダンス整合を取った場合には、若干の反射電力が観測される。つまり反射電力の残留が観測される。この反射電力は反射電力最小を狙ったインピーダンス整合の時よりも大きく観測される。

一方、インピーダンス整合部１６が、放電灯１からの反射電力を最小にするようにインピーダンス整合を行う場合、定在波が二重放電管１０の管軸方向に同じ振幅で励起することができず、管軸方向における一部分のみに強い放電が形成される確率が高くなり、図７に示すように、放電明部の一様性と発光効率は著しく劣化する。

（内管による効果）
内管による効果について説明する。図８、図９は、それぞれ、内管を有する放電灯における放電明部、内管を有さない放電灯における放電明部を示す図である。

内管１２の有無による放電モードの相違を実験により確認した。本実験において、放電灯１の外部導体１５は先端部において開放されるように形成される。また、本実験において、内管１２は石英により形成され、電磁波発振器２は２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を出力する。なお、内管１２が無い放電管は、内部導体１３がプラズマにさらされて、不純物を放出するようになるため無電極放電管ではなくなり、ランプ寿命を短くする恐れがある。

図８に示すように、放電灯１に内管１２が設けられる場合には、定在波は二重放電管１０の先端部に腹が位置するように生じ、これによって放電明部が形成される。二重放電管１０の管軸方向長さ１５０ｍｍに亘って放電明部が発生しており、定在波波長は３６．７ｍｍであることが図８から分かる。自由空間波長１２０ｍｍの２．４５ＧＨｚマイクロ波の定在波波長は６０ｍｍである。この相違は、内管１２が比誘電率３．８の石英により形成されるためにマイクロ波伝搬波長が比誘電率の平方根で除した値である６１ｍｍに短縮されることに起因する。また、放電形成前における定在波波長に比較しても定在波波長が短く、放電プラズマの誘電率が定在波波長を短縮していることが分かる。

一方、放電灯１に内管１２が設けられない場合には、図９に示すように、マイクロ波入射端近傍で強い放電が形成されてマイクロ波電力が消費されるために、定在波励起が無くなり、放電は放電灯の一部のみに制限される。

（シミュレーション）
外管及び内管による定在波波長への影響をシミュレーションした結果について、図１０～図１５を用いて説明する。

定在波の波長は、外管１１、内管１２それぞれの厚さ、誘電率に依存する。また、定在波の波長を短くすることによって、二重放電管１０における放電明部の数が増加し、放電灯１の発光効率や放電の一様性を向上させることができる。

図１０は、石英により形成された外管及び内管のパラメータを示す表である。表に示されるＱ１、Ｑ２は、誘電率が３．８である石英により外管１１、内管１２を形成した放電灯であって、外管１１、内管１２の厚さを互いに異ならせた第１の放電灯、第２の放電灯をそれぞれ示す。表に示される定在波の波長は、放電形成前のものであり、第１の放電灯Ｑ１及び第２の放電灯Ｑ２について、それぞれシミュレーションにより算出したものである。また、図１１、図１２は、それぞれ、第１の放電灯Ｑ１、第２の放電灯Ｑ２における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。

図１３は、アルミナにより形成された外管及び内管のパラメータを示す表である。表に示されるＡ１、Ａ２は、誘電率が１０．０であるアルミナにより外管１１、内管１２を形成した放電灯であって、外管１１、内管１２の厚さを互いに異ならせた第１の放電灯、第２の放電灯をそれぞれ示す。表に示される定在波の波長は、放電形成前のものであり、第１の放電灯Ａ１、第２の放電灯Ａ２について、それぞれシミュレーションにより算出したものである。また、図１４、図１５は、それぞれ、第１の放電灯Ａ１、第２の放電灯Ａ２における電界強度分布を示すシミュレーション結果を示す図である。

図１０～図１５から、外管１１及び内管１２の材料の誘電率が高いほど、また、内管１２の厚みが大きいほど定在波波長が短くなることがわかる。また、上述したように、放電が発生するとプラズマの誘電率により、定在波波長を短縮する効果がある。なお、図８～図１５で使用した二重放電管は全て長さ１５０ｍｍ、直径１０ｍｍであるが、他のサイズの二重放電管でも同じ効果が得られている。

（放電灯の変形例）
放電灯の変形例について説明する。図１６は、放電灯の変形例を示す概略図である。

上述の実施形態においては、直線状の管軸に対して二重放電管１０における各要素が同軸上に位置付けられるように構成された直管型の放電灯１について説明したが、二重放電管１０の形状は直管型に限らず、円環型、螺旋型であっても良い。例えば、図１６に示すように、二重放電管１０における各要素が平面視で略円状の管軸に対して同軸上に位置付けられた円環型の放電灯１Ａが構成されても良い。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１放電灯
１０二重放電管
１１外管
１２内管
１３内部導体
１５外部導体
１６インピーダンス整合部

Claims

電磁波発振器により供給される電磁波電力により放電発光する放電灯であって、
基端部が開口されるとともに先端部が閉塞される筒状に形成された誘電体である内管と、該内管に挿入されるとともに該内管の管軸方向に延在する導体である内部導体と、前記内管の径外側に放電ガスが封入される密閉空間を画成するように形成された誘電体である外管と、該外管の外周を覆うように形成された導体である外部導体とを有する二重放電管と、
前記二重放電管において定在波が優位となるように前記電磁波発振器側のインピーダンスと前記二重放電管のインピーダンスとを整合するインピーダンス整合部と
を備える放電灯。
前記内部導体の先端部には前記内管の内壁と前記内部導体とに接触する誘電体であって、前記内管に対して前記内部導体を固定する固定子が設けられることを特徴とする請求項１に記載の放電灯。
前記インピーダンス整合部は、前記二重放電管からの反射電力が残留するように前記電磁波発振器側のインピーダンスと前記二重放電管のインピーダンスとを整合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電灯。
前記放電ガスはエキシマガスであることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の放電灯。
前記外部導体には径方向に開口する複数の開口が形成されることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の放電灯。
前記放電灯は、ＵＶ－Ｃ低圧水銀灯であることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の放電灯。