JP3267153B2 - 金属蒸気放電ランプ - Google Patents
金属蒸気放電ランプInfo
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Description
【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。
／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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【００２７】
【表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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
用断面図である。
【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。
〜２５０ｎｍの波長域の分光分布図である。
【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。
〜２５０ｎｍの波長域の分光分布図である。
【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。
〜２５０ｎｍの波長域の分光分布図である。
【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。
放電ランプＤの２００〜２５０ｎｍの波長域の分光分布
図である。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
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
───────────────────────────────────────────────────── 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
Claims (5)
- 【請求項１】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。 - 【請求項２】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１／１０
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。 - 【請求項３】前記石英ガラスを合成石英ガラスとしたこ
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。 - 【請求項４】両端を封止した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、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。 - 【請求項５】前記石英ガラス製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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12925396A JP3267153B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | 金属蒸気放電ランプ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12925396A JP3267153B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | 金属蒸気放電ランプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09293482A JPH09293482A (ja) | 1997-11-11 |
| JP3267153B2 true JP3267153B2 (ja) | 2002-03-18 |
Family
ID=15005003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12925396A Expired - Lifetime JP3267153B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | 金属蒸気放電ランプ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3267153B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7265493B2 (en) * | 2004-10-04 | 2007-09-04 | General Electric Company | Mercury-free compositions and radiation sources incorporating same |
| US20090153053A1 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-18 | General Electric Company | Low mercury ceramic metal halide lamp |
| DE102008013607B3 (de) | 2008-03-11 | 2010-02-04 | Blv Licht- Und Vakuumtechnik Gmbh | Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe |
| JP5803954B2 (ja) * | 2013-02-28 | 2015-11-04 | ウシオ電機株式会社 | ロングアーク型放電ランプ |
| JP5915975B2 (ja) | 2014-06-02 | 2016-05-11 | ウシオ電機株式会社 | 無水銀放電ランプ |
-
1996
- 1996-04-26 JP JP12925396A patent/JP3267153B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09293482A (ja) | 1997-11-11 |
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