JP3267153B2 - Metal vapor discharge lamp - Google Patents
Metal vapor discharge lampInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、カドミウムおよび
/または亜鉛の原子及びイオンの発光を利用する金属蒸
気放電ランプに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal vapor discharge lamp utilizing luminescence of cadmium and / or zinc atoms and ions.
【0002】[0002]
【従来の技術】プラスチックの表面改質や光CVD、光
アッシング、UVキュアリング等の産業界では紫外線を
広く利用しているが、特に200〜250nmの短波長
紫外域で紫外線出力の高い放電ランプが要求されてい
る。従来、この短波長域の紫外線を放射する放電ランプ
としては高圧水銀ランプやキセノンランプが用いられて
いるがこれらの放電ランプは発光効率が低い(〜数%)
ことが問題であった。また、この波長域で大出力をもつ
光源としてKrFエキシマレーザーがあるが、同レーザ
ーはメンテナンスのための多くの経費と労力を要すると
いう問題があった。2. Description of the Related Art Ultraviolet rays are widely used in industries such as surface modification of plastics, photo-CVD, photo-ashing, and UV curing, but discharge lamps having a high ultraviolet output particularly in a short wavelength ultraviolet region of 200 to 250 nm. Is required. Conventionally, a high-pressure mercury lamp or a xenon lamp has been used as a discharge lamp that emits ultraviolet rays in the short wavelength range, but these discharge lamps have low luminous efficiency (up to several percent).
That was the problem. In addition, a KrF excimer laser is a light source having a large output in this wavelength range, but this laser has a problem that it requires a lot of cost and labor for maintenance.
【0003】カドミウム、及び亜鉛の発光を利用した放
電ランプについては管壁負荷で数W/cm2 、点灯時の
カドミウム蒸気や亜鉛蒸気の分圧を10Pa以下とした
いわゆる低圧放電カドミウムランプ、および低圧放電亜
鉛ランプが光学実験用として実用化されている。これら
の放電ランプは200〜250nmの短波長域のカドミ
ウム、亜鉛原子の励起状態に遷移する際に放出される共
鳴線の発光を利用するものであるが、放電ランプ内部の
カドミウムや亜鉛分圧が低いために、アーク内部で放出
された共鳴線はアーク内部で基底状態の原子に殆ど吸収
されることなく放出される。 しかし、これらの放電ラ
ンプの200〜250nm域の放射光は線スペクトルで
しかないことから出力は弱く、ランプ入力の数%程度の
出力にとどまり、ランプ入力が小さいこともあり先に述
べた産業用光源としての使用には適さないものであっ
た。[0003] Discharge lamps utilizing cadmium and zinc luminescence, so-called low-pressure discharge cadmium lamps with a tube wall load of several W / cm 2 and a partial pressure of cadmium vapor or zinc vapor of 10 Pa or less during operation, and low pressure Discharge zinc lamps have been put to practical use for optical experiments. These discharge lamps utilize the emission of resonance lines emitted when the cadmium and zinc atoms in the short wavelength region of 200 to 250 nm transition to the excited state, but the partial pressure of cadmium and zinc inside the discharge lamp is reduced. Due to its low resonance line emitted inside the arc is emitted inside the arc with little absorption by ground state atoms. However, since the emission light of these discharge lamps in the 200 to 250 nm region has only a line spectrum, the output is weak, only about several percent of the lamp input, and the lamp input is small. It was not suitable for use as a light source.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
に既存の高圧水銀ランプやキセノンランプといった既存
の放電ランプよりも200〜250nmの短波長域での
エネルギー変換効率が高く、エキシマレーザーよりも安
価で保守が容易であって、前記産業用光源として問題な
い高エネルギー変換効率の放電ランプを提供することを
課題としている。SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the present invention has a higher energy conversion efficiency in a short wavelength region of 200 to 250 nm than an existing discharge lamp such as an existing high-pressure mercury lamp or a xenon lamp. Another object of the present invention is to provide a discharge lamp which is inexpensive, easy to maintain and has no problem as the industrial light source and has a high energy conversion efficiency.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、両端を封止した石英ガラス製発光管内に一対の電極
が対向配置され、前記発光管内にバッファガスとしてX
eガスを封入し、カドミウムおよび/または亜鉛を封入
し、前記電極の電極間距離をx、前記発光管内径をyと
したときにx/y≧2で規定され、発光管内径yが2≦
y≦25(単位:mm)であって、前記発光管内には水
銀を封入せず、カドミウムおよび/または亜鉛を総量で
0.001〜10mg/cm3 封入し、管壁負荷10W
/cm2 以上で点灯することを特徴とする金属蒸気放電
ランプを提供する。In order to solve the above-mentioned problems, a pair of electrodes are arranged opposite to each other in a quartz glass arc tube having both ends sealed, and X is used as a buffer gas in the arc tube.
e gas is sealed, cadmium and / or zinc is sealed, and the distance between the electrodes is defined as x, and the arc tube inner diameter is defined as x / y ≧ 2, where the arc tube inner diameter y is 2 ≦ 2.
y ≦ 25 (unit: mm), no mercury is enclosed in the arc tube, cadmium and / or zinc are enclosed in a total amount of 0.001 to 10 mg / cm 3, and a tube wall load of 10 W
A metal vapor discharge lamp characterized in that the lamp is turned on at / cm 2 or more.
【0006】そして、上記金属蒸気放電ランプにおい
て、2原子分子のハロゲン元素に換算して、カドミウム
および/または亜鉛に対するモル比で1/100〜10
の量のヨウ素、臭素、塩素の一種以上を封入した金属蒸
気放電ランプを提供する。In the above metal vapor discharge lamp, the molar ratio to cadmium and / or zinc is 1/100 to 10 in terms of a diatomic molecule halogen element.
The present invention provides a metal vapor discharge lamp filled with at least one of iodine, bromine and chlorine.
【0007】そして、前記石英ガラス製発光管として、
天然水晶を溶融してつくられた溶融石英ガラスや、四塩
化珪素や人工珪素化合物を化学的に合成し溶融してつく
られた合成石英ガラスのいづれかが選択され使用され
る。また、サファイアまたは透光性アルミナセラミック
スを発光管として使用される。 And, as the quartz glass arc tube,
Either fused quartz glass produced by melting natural quartz or synthetic quartz glass produced by chemically synthesizing and melting silicon tetrachloride or an artificial silicon compound is selected and used. Also, sapphire or translucent alumina ceramic
Used as an arc tube.
【0008】さらには、前記石英ガラスまたはサファイ
アまたは透光性アルミナセラミックス製発光管の肉厚は
0.3〜5mmであることが好ましい。Further, the above quartz glass or sapphire
It is preferable that the wall thickness of the arc tube made of a transparent alumina ceramic be 0.3 to 5 mm.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明の金属蒸気放電ランプは、
両端を封止した長尺の石英ガラスまたはサファイアまた
は透光性アルミナセラミックス製発光管内に一対の電極
が対向配置され、該発光管内には水銀を封入せず、バッ
ファガスとしてXeを封入し、カドミウムおよび/また
は亜鉛を封入し、前記電極の電極間距離をx、前記発光
管内径をyとしたときにx/y≧2で規定され、発光管
内径yが2≦y≦25(単位:mm)であって、カドミ
ウムおよび/または亜鉛の総封入量を0.001〜10
mg/cm3 とし、前記Xeガスの封入圧を25°Cに
おいて0.6〜300kPaとしている。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The metal vapor discharge lamp of the present invention
A long quartz glass or sapphire
A pair of electrodes are arranged opposite to each other in an arc tube made of translucent alumina ceramic , mercury is not sealed in the arc tube, Xe is sealed as a buffer gas, and cadmium and / or zinc are sealed in the arc tube. When the distance is x and the inner diameter of the arc tube is y, x / y ≧ 2, and the inner diameter y of the arc tube is 2 ≦ y ≦ 25 (unit: mm), and the total amount of cadmium and / or zinc is 0.001 to 10
mg / cm 3, and the sealing pressure of the Xe gas is set to 0.6 to 300 kPa at 25 ° C.
【0010】さらに良好には2原子分子のハロゲン元素
に換算して、カドミウム、亜鉛に対するモル比で1/1
00〜10の量のヨウ素、臭素、および塩素の一種以上
を封入し、管壁負荷を10W/cm2 以上となるランプ
入力にて点灯する。More preferably, the molar ratio to cadmium and zinc is 1/1 in terms of a diatomic molecule halogen element.
One or more of iodine, bromine, and chlorine in an amount of 00 to 10 are sealed, and the lamp is turned on by a lamp input that causes the tube wall load to be 10 W / cm 2 or more.
【0011】以上の構成によれば、放電ランプの点灯に
伴いカドミウムや亜鉛の蒸気圧が高くなり、アーク放電
となる。このような放電では、温度分布は、放電ランプ
の管径方向に分布をもち、アークの中心部に励起された
原子が分布し、管壁に近づくにつれて基底状態の原子が
分布する。According to the above configuration, the vapor pressure of cadmium or zinc increases with the lighting of the discharge lamp, and arc discharge occurs. In such a discharge, the temperature distribution has a distribution in the direction of the tube diameter of the discharge lamp, the excited atoms are distributed in the center of the arc, and the atoms in the ground state are distributed closer to the tube wall.
【0012】このため、カドミウムや亜鉛の原子の共鳴
線の発光スペクトルは、発光の中心波長で吸収が発生
し、自己反転スペクトルとなる。一方、蒸気圧の高い状
態では原子の平均自由行程が短くなることから、カドミ
ウムや亜鉛の原子同士の衝突によりカドミウムや亜鉛の
共鳴線のスペクトル幅は広くなり、中心波長から離れた
波長での発光は、管壁周辺に分布する基底状態の原子に
よる吸収を免れることができる。このような機構によ
り、蒸気圧の高い状態では、中心波長での吸収があるに
も関わらず、中心波長の前後の波長の発光が増え、高発
光効率を達成できる。For this reason, the emission spectrum of the resonance line of the cadmium or zinc atom becomes a self-inversion spectrum because absorption occurs at the center wavelength of the emission. On the other hand, when the vapor pressure is high, the mean free path of atoms is short, and the collision width of cadmium and zinc atoms widens the spectrum width of the cadmium and zinc resonance lines, and emits light at wavelengths far from the center wavelength. Can avoid absorption by ground state atoms distributed around the tube wall. With such a mechanism, in a state where the vapor pressure is high, the emission at wavelengths around the center wavelength increases despite the absorption at the center wavelength, and high emission efficiency can be achieved.
【0013】しかしながら、カドミウム、又は亜鉛の封
入量が0.001mg/cm3 よりも少ない場合には発
光に関与する励起状態の原子数密度が減少するため20
0〜250nmの短波長域の紫外線の相対出力効率が小
さく、前記封入量が10mg/cm3 を越えるとカドミ
ウムまたは亜鉛と電極の材料であるタングステンとの反
応が激しくなり、実用に耐えうる寿命を達成できない。However, when the amount of cadmium or zinc is less than 0.001 mg / cm 3, the number density of excited state atoms involved in light emission is reduced.
When the relative output efficiency of ultraviolet rays in a short wavelength range of 0 to 250 nm is small, and the amount of encapsulation exceeds 10 mg / cm 3 , the reaction between cadmium or zinc and tungsten which is a material of the electrode becomes intense, and the useful life is reduced. I can't achieve it.
【0014】このような放電ランプでさらに発光効率を
改善するためには、基底状態の自己吸収を減らすことが
重要である。これは、管径方向のプラズマの温度分布を
一定に近づけることであり、管径を細くして、電流を増
加させることにより達成できる。In order to further improve the luminous efficiency of such a discharge lamp, it is important to reduce self-absorption in the ground state. This is to make the temperature distribution of the plasma in the tube diameter direction close to a constant, and can be achieved by making the tube diameter narrow and increasing the current.
【0015】また、電流密度を上げることにより、カド
ミウムや亜鉛の電離が進み、これらのイオンの発光も現
れる。一価のカドミウムイオンの発光波長は、214.
4、219.4、226.5nmの3波長であり、一価
の亜鉛イオンは202.6、206.2nmの2波長で
ある。これらの発光は、200〜250nmの波長範囲
の波長域の発光強度を高める。Further, by increasing the current density, ionization of cadmium and zinc proceeds, and light emission of these ions also appears. The emission wavelength of monovalent cadmium ion is 214.
4, 219.4, and 226.5 nm, and monovalent zinc ions have two wavelengths, 202.6 and 206.2 nm. These emissions increase the emission intensity in the wavelength range of 200 to 250 nm.
【0016】発光管内径は小さい方が電流密度が大きく
なり、イオンの共鳴線出力が大きくなるが、内径が2m
m以下になるとアークと管壁が近くなることで放電ラン
プ内部の電子、イオンは、拡散により失われやすくなる
これを補うために、アークへの電気入力エネルギーの中
で、イオンの生成のためのエネルギーの割合が増加し、
放電ランプ外部へ放出される光は弱くなる。一方、発光
管内径が25mmを越えるとカドミウムや亜鉛の原子に
よる自己吸収が増加し発光強度は低下する。The smaller the inner diameter of the arc tube, the higher the current density and the larger the output of the ion resonance line.
m or less, the electrons and ions inside the discharge lamp are likely to be lost by diffusion as the arc and the tube wall become close to each other. The percentage of energy increases,
Light emitted to the outside of the discharge lamp is weakened. On the other hand, if the inner diameter of the arc tube exceeds 25 mm, self-absorption by cadmium and zinc atoms increases, and the light emission intensity decreases.
【0017】バッファガス圧を最適化することによって
も、放電ランプ内部のガス温度を充分上げ、発光に関与
する励起状態の原子数密度を上げることができる。この
結果は、ガス圧の増加とともに顕著に現れる。By optimizing the buffer gas pressure, the gas temperature inside the discharge lamp can be sufficiently increased, and the atomic number density in an excited state involved in light emission can be increased. This result appears remarkably as the gas pressure increases.
【0018】封入ガス圧が0.6kPa以下の場合に
は、アークのガス温度を上げる効果に乏しく、点灯中の
放電ランプの内圧も低いため電極材のタングステンの蒸
発が激しくなり発光管の黒化が加速される。封入ガス圧
を高くしていくと、ガス温度の上昇とともに発光強度は
増加するが、電極の電極間距離をx、前記発光管内径を
yとしたときにx/y≧2で規定される本願のロングア
ークタイプの金属蒸気放電ランプでは発光長が長いため
に、高すぎる封入ガス圧は絶縁破壊電圧の上昇という実
用上の大きな問題を引き起こすことになる。When the filling gas pressure is 0.6 kPa or less, the effect of increasing the gas temperature of the arc is poor, and the internal pressure of the discharge lamp during operation is low, so that the tungsten of the electrode material evaporates violently and the arc tube becomes black. Is accelerated. As the filling gas pressure is increased, the emission intensity increases with an increase in the gas temperature. However, when the distance between the electrodes is x and the inside diameter of the arc tube is y, x / y ≧ 2. In the long arc type metal vapor discharge lamp described above, since the emission length is long, an excessively high filling gas pressure causes a large practical problem of an increase in breakdown voltage.
【0019】実際には、この問題に達する前に本願のロ
ングアークタイプの金属蒸気放電ランプでは、アークの
長手方向に発光の偏りを生じるようになり、発光長に対
する有効放射長が減少することでランプ全体から放射さ
れる光の量も減少する現象が生じる。この現象は封入ガ
ス圧が100kPaを越えた付近から見られるようにな
り、300kPaでは片側電極の近傍でしかカドミウ
ム、又は亜鉛の発光が見られなくなる。In fact, before reaching this problem, the long arc type metal vapor discharge lamp of the present application causes a bias in the emission in the longitudinal direction of the arc, and the effective emission length with respect to the emission length is reduced. A phenomenon occurs in which the amount of light emitted from the entire lamp also decreases. This phenomenon can be seen from the vicinity where the filling gas pressure exceeds 100 kPa. At 300 kPa, light emission of cadmium or zinc can be seen only in the vicinity of one electrode.
【0020】発光管として、溶融石英ガラスを用いた場
合、高電流密度で金属カドミウムや金属亜鉛を封入して
ランプを点灯させると、数時間で発光管の失透を起こ
す。失透の原因は、アークプラズマに含まれるカドミウ
ムや亜鉛のイオンや準安定状態のカドミウムや亜鉛の原
子が発光管内面に衝突して、溶融石英ガラスと反応する
ことが考えられる。対策として、ヨウ素等のハロゲン元
素の添加がある。ヨウ素は、低温において分子状態であ
り、ランプ内では管壁付近に分布する特性がある。When fused silica glass is used as the arc tube, if the lamp is turned on by enclosing metal cadmium or metal zinc at a high current density, the arc tube devitrifies within several hours. The cause of the devitrification is considered to be that cadmium and zinc ions and metastable cadmium and zinc atoms contained in the arc plasma collide with the inner surface of the arc tube and react with the fused silica glass. As a countermeasure, there is addition of a halogen element such as iodine. Iodine is in a molecular state at a low temperature, and has a characteristic of being distributed near a tube wall in a lamp.
【0021】このため、管径方向に入射したカドミウム
や亜鉛のイオンや準安定状態のカドミウムや亜鉛の原子
は、ヨウ素と反応して発光管壁に到達せず発光管壁内面
は保護される。ハロゲン量は封入する金属に対するモル
比で1/100以上とするとこの効果が顕著となる。さ
らに封入ハロゲン量を増やしていくと、この効果は増大
するが、封入する金属に対するモル比で10を越えると
点灯中に遊離したハロゲン元素が電極材のタングステン
と反応し、タングステンの蒸発によって発光管が黒化し
てしまうとともに、ハロゲン元素の光吸収作用により2
00〜250nmの波長域の光出力が減少する。For this reason, ions of cadmium and zinc and atoms of cadmium and zinc in a metastable state that have entered in the radial direction of the tube react with iodine and do not reach the wall of the arc tube, so that the inner surface of the arc tube wall is protected. This effect is remarkable when the amount of halogen is 1/100 or more in terms of the molar ratio to the metal to be sealed. This effect is increased by further increasing the amount of enclosed halogen. However, when the molar ratio with respect to the enclosed metal exceeds 10, the halogen element released during lighting reacts with the tungsten of the electrode material, and the tungsten evaporates due to evaporation of the tungsten. Is blackened, and light is absorbed by the halogen element.
The light output in the wavelength range of 00 to 250 nm decreases.
【0022】従来の水銀放電ランプなどでは、電極から
飛散したタングステンによる発光管の黒化が原因となっ
た失透を防止するために、ハロゲン元素を添加していた
が本発明のランプは封入金属と石英ガラスとの反応を防
止するためにハロゲン元素を封入する。合成石英ガラス
の200〜250nmの波長域の透過率は、溶融石英ガ
ラスの同透過率の約1.2倍ある。このため合成石英ガ
ラスを発光管として用いれば、発光効率が改善される。
サファイヤは金属蒸気に対して反応しにくいので、発光
管にサファイヤを用いると、該発光管の失透を防ぐこと
ができる。また、発光管表面の温度は、点灯時に900
°C前後となり、溶融石英ガラスを使用した場合、20
0〜250nmの波長域の透過率が、温度上昇とともに
低下する。これに対し、サファイヤ製発光管では、この
ような動作温度でも、同透過率は60%程度であり、高
い透過率を維持している。このため、サファイヤを発光
管として用いれば、高発光効率のランプを実現できる。
また、サファイヤよりも発光効率は低下するものの透光
性アルミナセラミックスを発光管として用いることも可
能である。In a conventional mercury discharge lamp or the like, a halogen element is added to prevent devitrification caused by blackening of an arc tube caused by tungsten scattered from an electrode. A halogen element is sealed in order to prevent the reaction between the glass and quartz glass. The transmittance of synthetic quartz glass in the wavelength range of 200 to 250 nm is about 1.2 times that of fused silica glass. Therefore, if synthetic quartz glass is used as the arc tube, the luminous efficiency is improved.
Since sapphire hardly reacts to metal vapor, using sapphire for the arc tube can prevent devitrification of the arc tube. The temperature of the arc tube surface is 900
° C and around 20 ° C when fused silica glass is used.
The transmittance in the wavelength range of 0 to 250 nm decreases with increasing temperature. On the other hand, in the sapphire arc tube, even at such an operating temperature, the transmittance is about 60%, and a high transmittance is maintained. Therefore, if sapphire is used as an arc tube, a lamp with high luminous efficiency can be realized.
Further, although the luminous efficiency is lower than that of sapphire, translucent alumina ceramics can be used as the arc tube.
【0023】石英ガラスまたはサファイアまたは透光性
アルミナセラミックス製発光管の肉厚を0.3mm以下
にすると該発光管が放電の熱で変形しやすく、該発光管
の肉厚を5mm以上にすると該発光管の200〜250
nmの波長域の透過率が減少してランプ内部から放出さ
れた光を有効に取り出せなくなるので、該発光管の肉厚
は0.3〜5mmであることが好ましい。 Quartz glass or sapphire or translucent
When the thickness of the alumina ceramic arc tube is 0.3 mm or less, the arc tube is easily deformed by the heat of electric discharge, and when the thickness of the arc tube is 5 mm or more, the arc tube has a thickness of 200 to 250 mm.
The thickness of the arc tube is preferably 0.3 to 5 mm because the transmittance in the wavelength region of nm decreases and light emitted from the inside of the lamp cannot be effectively extracted.
【0024】[0024]
【実施例】以下、本発明の具体的な実験例について説明
するが、本発明はこれらの実験例に示すランプに限定さ
れるものではない。EXAMPLES Hereinafter, specific experimental examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the lamps shown in these experimental examples.
【0025】図1は本発明の金属蒸気放電ランプの実施
例の説明用断面図である。内径12mm、内容積25c
m3 の溶融石英ガラスからなる発光管1内にタングステ
ンからなる一対の電極2、2が対向位置され、電極間距
離は250mmである。発光管1の両端がシール部5で
あり、シール部5にモリブデン箔3を介して外部リード
棒4と電極2とが電気的に接続されている。FIG. 1 is a sectional view for explaining an embodiment of a metal vapor discharge lamp according to the present invention. Inner diameter 12mm, inner volume 25c
A pair of electrodes 2 and 2 made of tungsten are opposed to each other in an arc tube 1 made of m 3 fused silica glass, and the distance between the electrodes is 250 mm. Both ends of the arc tube 1 are seal portions 5, and the external lead bar 4 and the electrode 2 are electrically connected to the seal portion 5 via the molybdenum foil 3.
【0026】[実験1]図1と同様に構成されてなる発
光管1内に、80kPaのキセノンガスを封入し、カド
ミウムを封入した放電ランプ、亜鉛を封入した放電ラン
プ、カドミウムおよび亜鉛を一緒に封入した放電ランプ
を定格入力3kWのロングアーク型放電ランプA〜Cと
して試作した。さらに、同じ発光管を用いた低圧放電カ
ドミウムランプ(ランプD)を試作し200〜250n
mの波長域のランプ入力に対する相対発光効率を比較し
た。その結果を表1に示し、分光分布図を図2〜5に示
した。このことから、200〜250nmの波長域にお
いて、かなり強い強度で紫外線が放出されていることが
わかる。[Experiment 1] A discharge lamp in which xenon gas of 80 kPa is sealed and cadmium is sealed, a discharge lamp in which zinc is sealed, a discharge lamp in which zinc is sealed, cadmium and zinc are put together in an arc tube 1 constructed in the same manner as in FIG. The enclosed discharge lamps were prototyped as long arc type discharge lamps A to C having a rated input of 3 kW. Further, a low-pressure discharge cadmium lamp (lamp D) using the same arc tube was prototyped and 200 to 250 n.
The relative luminous efficiency with respect to the lamp input in the wavelength range of m was compared. The results are shown in Table 1, and the spectral distribution diagrams are shown in FIGS. From this, it is understood that ultraviolet rays are emitted with a considerably high intensity in the wavelength range of 200 to 250 nm.
【0027】[0027]
【表1】 [Table 1]
【0028】[実験2]図1と同様に構成されてなる金
属蒸気放電ランプを用いて、封入するカドミウムの量を
変えて200〜250nmの波長域の相対出力効率を調
べる実験を行った。実験結果を図6に示す。図6はカド
ミウム封入量と200〜250nmの波長域の相対出力
効率の関係を示す。この図6から、カドミウム封入量が
0.001mg/cm3 よりも少ない場合には発光に関
与するカドミウムの励起状態の原子数密度が減少するた
め200〜250nmの波長域の相対出力効率が極端に
弱くなることが明らかとなった。カドミウム封入量が
0.1mg/cm3以上では相対出力効率は、ほぼ一定
であるが、同封入量が10mg/cm3 を越えると電極
材のタングステンとの反応が激しくなり、約1時間の点
灯で発光管は黒化してしまい実用に耐えないものとなっ
た。[Experiment 2] Using a metal vapor discharge lamp configured in the same manner as in FIG. 1, an experiment was conducted in which the relative output efficiency in the wavelength region of 200 to 250 nm was examined by changing the amount of cadmium enclosed. The experimental results are shown in FIG. FIG. 6 shows the relationship between the amount of cadmium enclosed and the relative output efficiency in the wavelength range of 200 to 250 nm. As can be seen from FIG. 6, when the cadmium encapsulation amount is less than 0.001 mg / cm 3 , the relative number efficiency of the excited state of cadmium involved in light emission decreases, so that the relative output efficiency in the wavelength region of 200 to 250 nm becomes extremely high. It became clear that it became weak. The relative output efficiency is almost constant when the cadmium filling amount is 0.1 mg / cm 3 or more, but when the cadmium filling amount exceeds 10 mg / cm 3 , the reaction with tungsten of the electrode material becomes violent, and the lamp is turned on for about one hour. As a result, the arc tube was blackened and became unsuitable for practical use.
【0029】[実験3]図1と同様に構成されて、カド
ミウム1.6mg、亜鉛2mgを発光管内に封入し、封
入するガス種と封入圧を変えた定格入力3kWの金属蒸
気放電ランプを用いて200〜250nmの相対出力効
率を調べる実験を行った。実験結果として図7に封入圧
と紫外線相対出力効率の関係を示す。この図7から明ら
かに、封入するガス種は、ArやKrと比較して、Xe
ガスにすると紫外線の相対出力効率が良くなることが分
かる。封入圧を100kPa程度にしたときに、200
〜250nmの相対出力効率は極大値を示した。これ
は、バッファガスの封入圧を高くしていくとアークのガ
ス温度が上昇し相対発光効率は増加するが、100kP
aを越えると発光管の長手方向でカドミウムと亜鉛の発
光が徐々に不均一になり、ランプの一部に偏った発光を
示すようになり、300kPaでは発光が片側電極の周
囲に偏ってしまい発光長に対する有効放射長が減少する
ため相対出力効率は低下するものと考えられる。[Experiment 3] A metal vapor discharge lamp having a rated input of 3 kW, which is constructed in the same manner as in FIG. 1 and in which 1.6 mg of cadmium and 2 mg of zinc are sealed in an arc tube and the type of gas to be sealed and the sealing pressure are changed. An experiment was conducted to determine the relative output efficiency between 200 and 250 nm. FIG. 7 shows the relationship between the sealing pressure and the relative UV output efficiency as experimental results. As apparent from FIG .
The kind of gas to be sealed is Xe compared to Ar or Kr.
It can be seen that the relative output efficiency of ultraviolet light improves when gas is used.
Call When the filling pressure is about 100 kPa, 200
The relative output efficiency at 250250 nm showed a maximum value. This is because when the filling pressure of the buffer gas is increased, the gas temperature of the arc is increased and the relative luminous efficiency is increased.
When the distance exceeds a, the light emission of cadmium and zinc gradually becomes uneven in the longitudinal direction of the arc tube, and the light emission is partially biased toward a part of the lamp. It is considered that the relative output efficiency decreases because the effective radiation length with respect to the length decreases.
【0030】なお、封入ガス圧が0.6kPa以下の場
合には点灯中のランプの内圧が低く、電極のタングステ
ンの蒸発が激しくなり発光管が黒化した。When the filling gas pressure was 0.6 kPa or less, the internal pressure of the lamp during operation was low, and the evaporation of tungsten in the electrodes became intense, resulting in blackening of the arc tube.
【0031】[実験4]図1と同様に構成されて、カド
ミウム1.6mg、亜鉛2mg、バッファガスとしてX
eを封入圧80kPaで封入し、発光長250mmで発
光管内径の異なる定格入力3kWのカドミウム放電ラン
プを試作し、発光管内径と相対出力効率の関係について
調べる実験を行った。実験結果として図8を示すが、図
8は縦軸に相対出力効率( %) 、横軸に発光管内径(m
m)を示している。発光管内径は小さい方が電流密度が
大きくなり、イオンの共鳴線出力が大きくなるが、内径
が2mmになるとアークと管壁が近くなることでランプ
内部の電子、イオンの管壁への損出が大きくなり相対出
力効率は低下した。[Experiment 4] 1.6 mg of cadmium, 2 mg of zinc, and X as a buffer gas
e was sealed at a sealing pressure of 80 kPa, and a cadmium discharge lamp having a luminous length of 250 mm and a rated input of 3 kW having a different inner diameter of the arc tube was prototyped, and an experiment was conducted to examine the relationship between the inner diameter of the arc tube and the relative output efficiency. FIG. 8 shows the experimental results. FIG. 8 shows the relative output efficiency (%) on the vertical axis and the arc tube inner diameter (m) on the horizontal axis.
m). The smaller the inner diameter of the arc tube, the higher the current density and the greater the resonance line output of the ions. However, when the inner diameter is 2 mm, the arc and the tube wall become closer, causing electrons and ions inside the lamp to be lost to the tube wall. And the relative output efficiency decreased.
【0032】発光管内径4mmの時が最も相対出力効率
は高くなったが、発光管内径が大きくなっていくと原子
による自己吸収が増加し相対出力効率は低下したが、発
光管内径2〜25mmの間で相対発光効率10%以上を
確認した。When the inner diameter of the arc tube was 4 mm, the relative output efficiency was highest. However, as the inner diameter of the arc tube increased, self-absorption by atoms increased and the relative output efficiency decreased. And a relative luminous efficiency of 10% or more was confirmed.
【0033】[実験5]図1と同様に構成したランプに
おいて、カドミウム1.6mg、亜鉛2mg、バッファ
ガスとして80kPaのXeを封入し、封入するハロゲ
ン元素であるヨウ素の量を変えて200〜250nmの
紫外線出力の1500時間点灯後の光出力維持率を調べ
る実験を行った。実験結果を図9に示す。図9は封入ヨ
ウ素量と1000時間点灯後の相対維持率の関係のデー
タであり、縦軸に相対維持率( %) 、横軸に点灯時間(
h) を示している。[Experiment 5] In a lamp constructed in the same manner as in FIG. 1, 1.6 mg of cadmium, 2 mg of zinc and 80 kPa of Xe as a buffer gas were sealed, and the amount of iodine as a halogen element to be sealed was changed to 200 to 250 nm. An experiment was conducted to examine the light output maintenance ratio of the ultraviolet light output after lighting for 1500 hours. FIG. 9 shows the experimental results. FIG. 9 shows data on the relationship between the amount of enclosed iodine and the relative maintenance ratio after lighting for 1000 hours. The vertical axis indicates the relative maintenance ratio (%), and the horizontal axis indicates the lighting time (%).
h).
【0034】この図9から明らかなように、カドミウム
と亜鉛の総量に対するヨウ素比1の時に相対維持率が9
0%になる。封入するヨウ素量がモル比で1/100と
すると500時間を経過したあたりからカドミウム、亜
鉛と発光管の石英ガラスとの反応が見られるようになる
が、1000時間で70%程度の光出力相対維持率を示
し、産業上充分使用可能である。As is apparent from FIG. 9, when the ratio of iodine to the total amount of cadmium and zinc is 1, the relative maintenance ratio is 9
0%. Assuming that the amount of iodine to be enclosed is 1/100 in molar ratio, the reaction between cadmium and zinc and the quartz glass of the arc tube starts to be observed after about 500 hours. It shows a maintenance rate and can be used industrially enough.
【0035】さらにヨウ素比を10以上としたときに
は、カドミウム、亜鉛と石英ガラスとの反応は見られな
いが、ヨウ素と電極材のタングステンとの反応が激しく
なり、電極から蒸発したタングステンによって発光管が
黒化した。しかしながら、1000時間経過後の200
〜250nmの波長域の発光強度の相対維持率は75%
あり充分実用に耐えうるものとなった。When the iodine ratio is set to 10 or more, no reaction between cadmium and zinc and quartz glass is observed, but the reaction between iodine and tungsten as an electrode material becomes violent, and the tungsten vaporized from the electrode causes an arc tube to emit. It turned black. However, after 1000 hours, 200
The relative maintenance ratio of the emission intensity in the wavelength range of ~ 250 nm is 75%
It became fully practical.
【0036】なお、上記実験ではハロゲン元素としてヨ
ウ素を封入したが、ヨウ素に限らず臭素や塩素を封入し
てもヨウ素と同様な効果が得られる。In the above experiment, iodine was encapsulated as a halogen element. However, the same effect as iodine can be obtained by enclosing not only iodine but also bromine and chlorine.
【0037】[0037]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の金
属蒸気放電ランプにおいては、該放電ランプ内部のカド
ミウムおよび/または亜鉛の点灯時の蒸気分圧を上げ、
該放電ランプに投入する電力を増やすことで、アーク中
心部でのイオンの共鳴線の出力を向上させ、さらにアー
クの周辺部の温度を上げることによってアーク周辺部で
の原子の発光を増やし、従来の低圧放電カドミウムラン
プ、低圧放電亜鉛ランプ、高圧水銀ランプ等に代わる2
00〜250nm域において強力な光出力が得られ、産
業に充分利用可能な紫外線を長時間にわたって取り出す
ことができる。As described above in detail, in the metal vapor discharge lamp of the present invention, the vapor partial pressure at the time of lighting cadmium and / or zinc inside the discharge lamp is increased.
By increasing the power supplied to the discharge lamp, the output of the resonance line of ions at the center of the arc is improved, and by further increasing the temperature at the periphery of the arc, the emission of atoms at the periphery of the arc is increased. Alternative to low-pressure discharge cadmium lamps, low-pressure discharge zinc lamps, high-pressure mercury lamps, etc.
A strong light output is obtained in the range of 00 to 250 nm, and ultraviolet light which can be sufficiently used in industry can be taken out for a long time.
【図1】 本発明の金属蒸気放電ランプの実施例の説明
用断面図である。FIG. 1 is a sectional view for explaining an embodiment of a metal vapor discharge lamp of the present invention.
【図2】 本発明の試作金属蒸気放電ランプAの200
〜250nmの波長域の分光分布図である。FIG. 2 shows a prototype 200 of a metal vapor discharge lamp A of the present invention.
FIG. 4 is a spectral distribution diagram in a wavelength range of 250250 nm.
【図3】 本発明の試作金属蒸気放電ランプBの200
〜250nmの波長域の分光分布図である。FIG. 3 shows a prototype 200 of a metal vapor discharge lamp B of the present invention.
FIG. 4 is a spectral distribution diagram in a wavelength range of 250250 nm.
【図4】 本発明の試作金属蒸気放電ランプCの200
〜250nmの波長域の分光分布図である。FIG. 4 shows a prototype 200 of a metal vapor discharge lamp C of the present invention.
FIG. 4 is a spectral distribution diagram in a wavelength range of 250250 nm.
【図5】 従来型の金属蒸気放電ランプとして試作した
放電ランプDの200〜250nmの波長域の分光分布
図である。FIG. 5 is a spectral distribution diagram in a wavelength range of 200 to 250 nm of a discharge lamp D prototyped as a conventional metal vapor discharge lamp.
【図6】 本発明の金属蒸気放電ランプにおける、封入
カドミウム量と200〜250nmの波長域の相対出力
効率の関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the amount of cadmium enclosed and the relative output efficiency in the wavelength range of 200 to 250 nm in the metal vapor discharge lamp of the present invention.
【図7】 本発明の金属蒸気放電ランプにおける、バッ
ファガスの封入圧と200〜250nmの波長域の相対
出力効率の関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a filling pressure of a buffer gas and a relative output efficiency in a wavelength range of 200 to 250 nm in the metal vapor discharge lamp of the present invention.
【図8】 本発明の金属蒸気放電ランプにおける発光管
内径と200〜250nmの波長域の相対出力効率の関
係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the inner diameter of the arc tube and the relative output efficiency in the wavelength range of 200 to 250 nm in the metal vapor discharge lamp of the present invention.
【図9】 本発明の金属蒸気放電ランプにおけるカドミ
ウムと亜鉛の封入総量に対するヨウ素の封入量比(ヨウ
素比)と200〜250nmの波長域の相対出力効率の
関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the ratio of iodine to the total amount of cadmium and zinc in the metal vapor discharge lamp of the present invention (iodine ratio) and the relative output efficiency in the wavelength range of 200 to 250 nm.
1 発光管 2 電極 3 モリブデン箔 4 外部リード棒 5 シール部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Arc tube 2 Electrode 3 Molybdenum foil 4 External lead rod 5 Seal part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−57693(JP,A) 特開 平8−45479(JP,A) 特開 平7−21980(JP,A) 特開 平6−187944(JP,A) 特開 平9−45287(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 61/16 H01J 61/073 H01J 61/30 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-7-57693 (JP, A) JP-A-8-45479 (JP, A) JP-A-7-21980 (JP, A) 187944 (JP, A) JP-A-9-45287 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 61/16 H01J 61/073 H01J 61/30
Claims (5)
対の電極が対向配置され、前記発光管内にバッファガス
としてXeガスを封入し、カドミウムおよび/または亜
鉛を封入し、 前記電極の電極間距離をx、前記発光管内径をyとした
ときにx/y≧2で規定され、発光管内径yが2≦y≦
25(単位:mm)であって、前記発光管内には水銀を
封入せず、カドミウムおよび/または亜鉛を総量で0.
001〜10mg/cm3 封入し、管壁負荷10W/c
m2 以上で点灯することを特徴とする金属蒸気放電ラン
プ。A pair of electrodes are opposed to each other in a quartz glass arc tube having both ends sealed, Xe gas is sealed in the arc tube as a buffer gas, and cadmium and / or zinc are sealed in the arc tube. When the distance is x and the inner diameter of the arc tube is y, x / y ≧ 2, and the inner diameter y of the arc tube is 2 ≦ y ≦
25 (unit: mm), no mercury was sealed in the arc tube, and cadmium and / or zinc were added in a total amount of 0.2.
001-10mg / cm 3 sealed, tube wall load 10W / c
metal vapor discharge lamp, characterized in that an illuminated m 2 or more.
ドミウムおよび/または亜鉛に対するモル比で1/10
0〜10の量のヨウ素、臭素、塩素の一種以上を封入し
たことを特徴とする請求項1に記載の金属蒸気放電ラン
プ。2. A molar ratio to cadmium and / or zinc of 1/10 in terms of a diatomic molecule of a halogen element.
The metal vapor discharge lamp according to claim 1, wherein one or more of iodine, bromine, and chlorine are sealed in an amount of 0 to 10.
とを特徴とする請求項1あるいは2に記載の金属蒸気放
電ランプ。3. A metal vapor discharge lamp according to claim 1 or 2, characterized in that the synthetic quartz glass the quartz glass.
ルミナセラミックス製発光管内に一対の電極が対向配置
され、前記発光管内にバッファガスとしてXeガスを封
入し、カドミウムおよび/または亜鉛を封入し、前記電
極の電極間距離をx、前記発光管内径をyとしたときに
x/y≧2で規定され、発光管内径yが2≦y≦25
(単位:mm)であって、前記発光管内には水銀を封入
せず、カドミウムおよび/または亜鉛を総量で0.00
1〜10mg/cm3 封入し、管壁負荷10W/cm2
以上で点灯することを特徴とする金属蒸気放電ランプ。4. A sapphire or light-transmitting material having both ends sealed.
A pair of electrodes are arranged opposite to each other in a luminous ceramic arc tube, and Xe gas is sealed in the arc tube as a buffer gas.
And cadmium and / or zinc are sealed, and the distance between the electrodes is defined as x, and the inner diameter of the arc tube is defined as y, where x / y ≧ 2, and the inner diameter y of the arc tube is 2 ≦ y ≦ 25.
(Unit: mm), wherein mercury is not sealed in the arc tube, and cadmium and / or zinc are added in a total amount of 0.00.
1 to 10 mg / cm 3 sealed, tube wall load 10 W / cm 2
A metal vapor discharge lamp characterized by being turned on as described above.
透光性アルミナセラミックス製発光管の肉厚が0.3〜
5mmであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の
いづれか1項に記載の金属蒸気放電ランプ。5. The quartz glass or sapphire or
Thickness of translucent alumina ceramic arc tube is 0.3 ~
The metal vapor discharge lamp according to any one of claims 1 to 4 , wherein the distance is 5 mm.
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JPH09293482A JPH09293482A (en) | 1997-11-11 |
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