專利名稱：電介質(zhì)屏障放電燈、電介質(zhì)屏障放電裝置及它們的使用法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)電介質(zhì)屏障放電燈，電介質(zhì)屏障放電裝置及它們的使用方法的。
背景技術(shù)：
作為電介質(zhì)屏障放電燈，眾所周知是在放電容器內(nèi)充填氙氣Xe等(參照日本專利文獻(xiàn)特別公開(kāi)平成8-87989號(hào)公報(bào))。
利用從Xe2激發(fā)放射出來(lái)的中心波長(zhǎng)為172nm的真空紫外線制造的燈，因其光量輸出不充分，所以人們期待得到更大的光量輸出。
當(dāng)然，如提高充填于放電容器內(nèi)的氙壓力，處于激發(fā)狀態(tài)的1個(gè)Xe*原子(*表示電子激發(fā)狀態(tài))和處于基礎(chǔ)狀態(tài)的2個(gè)Xe原子之間產(chǎn)生三體沖突反應(yīng)()從而生成Xe2激發(fā)的密度增加，所以172nm的光量輸出也隨之增加。但是另一方面，隨著壓力的增加，電子與Xe原子，Xe+離子等的沖突概率也相應(yīng)增加。其結(jié)果，雖然電子從電場(chǎng)中得到了能量卻會(huì)由于沖突其能量的損失反而增加。所以電子的平均能量就會(huì)降低，電離效率(電子前進(jìn)單位長(zhǎng)時(shí)的Xe原子電離次數(shù))也會(huì)降低。這意味著開(kāi)始放電所需的電壓(燈啟動(dòng)電壓)增高，電源裝置也需要改進(jìn)。所以，增加純Xe氣體的充填壓力并不是一個(gè)有效的方法。由于上述的原因，以前一般使用放電容器內(nèi)的總壓力和放電間隙長(zhǎng)的乘積為2250Torr/mm以下的電介質(zhì)屏障放電燈。因此存在著光量輸出不充分的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是根據(jù)上述情況成就的一項(xiàng)發(fā)明。即本發(fā)明的目的是能提供一種具有放電容器的燈，放電容器內(nèi)充填有Xe氣體，這是一種不需提高啟動(dòng)電壓也能增加光量輸出的電介質(zhì)屏障放電燈及電介質(zhì)屏障放電裝置。
本發(fā)明人為了解決上述的難題，為了開(kāi)發(fā)出電介質(zhì)屏障放電燈及電介質(zhì)屏障放電裝置進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的研究。其結(jié)果，我們首先在放電容器內(nèi)充入放電用氣體Xe和Ar使之成為混合氣體，然后，再將放電容器內(nèi)的Xe和Ar的合計(jì)壓力中Xe部分壓力的比PXe/(PXe+AAr)調(diào)整到0.20以上，0.80以下。這樣，我們發(fā)現(xiàn)不需增加燈的啟動(dòng)電壓也能夠提高燈的放射強(qiáng)度。
本發(fā)明是根據(jù)上述的研究發(fā)明成功的。即，本發(fā)明中第一項(xiàng)發(fā)明的特征是發(fā)明了在充填放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置一對(duì)電極的電介質(zhì)屏障放電燈；上述放電氣體含有Xe和Ar；同時(shí)，上述放電容器內(nèi)的Xe和Ar合計(jì)壓力中的Xe部分壓力比在0.20以上，0.80以下。
本發(fā)明中第二項(xiàng)發(fā)明的特征是發(fā)明了在充填放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置一對(duì)電極的電介質(zhì)屏障放電燈；一種具備在上述電極之間施加交流電壓的電源裝置的電介質(zhì)屏障放電裝置；上述放電氣體含有Xe和Ar；同時(shí)，上述放電容器內(nèi)的Xe和Ar合計(jì)壓力中的Xe分壓比在0.20以上，0.80以下。
根據(jù)本發(fā)明，放電氣體為Xe和Ar的混合氣體。同時(shí)，放電容器內(nèi)的Xe和Ar合計(jì)壓力中的Xe分壓比PXe/(PXe+PAr)在0.20以上，0.80以下；所以不需增加燈的啟動(dòng)電壓就能夠提高燈的放射強(qiáng)度。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)，是表示具有電介質(zhì)屏障放電燈的電介質(zhì)屏障放電裝置的剖面圖。
圖2表示充填氣體總壓力和放射強(qiáng)度(UV172nm)關(guān)系的曲線。
圖3表示充填氣體的總壓力和燈最小啟動(dòng)峰值電壓關(guān)系的曲線。
圖4表示分壓比和最大封入壓力之間關(guān)系的曲線。
圖5表示部分壓力和設(shè)計(jì)可能的最大放射強(qiáng)度(UV172nm)之間關(guān)系的曲線。
具體實(shí)施例方式
以下，舉實(shí)施例子進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。圖1是本發(fā)明的實(shí)施圖，表示電介質(zhì)屏障放電裝置。此電介質(zhì)屏障放電裝置具備電介質(zhì)障礙放電燈10(以下簡(jiǎn)稱燈10)和變頻器裝置20。燈10，比如具備合成石英制的放電容器11(例如，尺寸為350mm×約40mm×約13mm，厚度約2mm)，其內(nèi)部-放電空間13中充填放電用氣體。放電容器11中設(shè)置一對(duì)電極14，15。電極15是網(wǎng)狀的，因此放電后放射出來(lái)的光線能夠透過(guò)。在兩個(gè)電極14，15之間通過(guò)變壓器27連接到變頻器裝置20上。另，變頻器裝置20與變壓器27的一次線圈27P連接，上述燈10的兩個(gè)電極14，15與變壓器二次線圈27S連接。變壓器27和變頻器裝置20構(gòu)成激發(fā)放電電源30。
上述結(jié)構(gòu)的燈，如圖2所示，由Xe2激發(fā)放電分子放射出中心波長(zhǎng)為172nm光譜的放射強(qiáng)度。紫外線放射時(shí)，放電間隙長(zhǎng)約為9mm。上述放電間隙長(zhǎng)的值，可由約13mm的放電容器的高度(與電極之間距離相同)減去放電容器本身厚度的2倍，約4mm求得。燈啟動(dòng)時(shí)施加在電極之間的峰值電壓(燈啟動(dòng)峰值電壓)Vsp額定為16kV，啟動(dòng)后(燈點(diǎn)亮?xí)r)施加在電極之間的峰值電壓(燈峰值電壓)Vp額定為6kV，頻率f額定為30kHz。施加電壓波形，上升和下降時(shí)都是0.5μs的矩形波。進(jìn)一步，使放電容器11內(nèi)的Xe-Ar混合氣體的總壓力(封入壓力)產(chǎn)生變化，同時(shí)將各自總壓力中的Xe-Ar混合氣體的部分壓力比(Pxe/(Pxe+PAr))分為0.10，0.15，0.20，0.35，0.50，0.70，0.80，1.00的八個(gè)種類。另外，使用真空紫外分光器及光電子增倍管在N2環(huán)境下測(cè)定放射強(qiáng)度。
從其結(jié)果可知在任何一個(gè)分壓比(Pxe/(Pxe+PAr)＝0.10～1.00)中增加混合氣體的總壓(封入壓)就可提高放射強(qiáng)度。這是因?yàn)樵黾恿丝倝?封入壓)也就增加了Xe2激發(fā)放電分子密度的緣故。另外可知在總壓(封入壓)一定的條件下，分壓比在0.50～1.00的范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得幾乎相同的放射強(qiáng)度。
接下來(lái)我們探討一下在各分壓比(Pxe/(Pxe+PAr))中，使總壓(封入壓)變化后，啟動(dòng)燈所需最小峰值電壓，即最小燈啟動(dòng)峰值電壓Vsp min是怎么樣變化的。
如圖3所示，在任何一個(gè)分壓比中，增加總壓(封入壓)Vsp min就上升。這于火花放電時(shí)的帕申定律相似。帕申定律認(rèn)為開(kāi)始持續(xù)放電的電壓(火花放電)可用封入壓力p和放電間隙長(zhǎng)d的乘積pd的函數(shù)來(lái)表示?；鸹妷涸谀骋籶d值時(shí)變得非常小。
一般來(lái)說(shuō)，比起火花放電極小點(diǎn)(帕申極小)，在pd值較大的領(lǐng)域，pd值的增加也會(huì)伴隨火花電壓的增加。圖3所示的總壓范圍就相當(dāng)于此領(lǐng)域。
另外如圖3所示，可知隨著Ar的分壓從0增加到0.80，即隨著分壓比(Pxe/(Pxe+PAr))從1.00下降到0.20，Vsp min就下降。但是我們知道Vsp min在分壓比(Pxe/(Pxe+PAr))為0.20時(shí)是最小的，若進(jìn)一步降低分壓比則Vsp min反而會(huì)增加。
歸納上述結(jié)果，可得出以下結(jié)論增加放電空間內(nèi)的混合氣體的總壓(封入壓)，則放射強(qiáng)度增加(參照?qǐng)D2)；同時(shí)Vsp min也增加。另，將分壓比(Pxe/(Pxe+PAr))從1.00降低到0.20時(shí)Vsp min降低。當(dāng)分壓比在0.20時(shí)Vsp min為極小值(參照?qǐng)D3)。
但是，燈的電源裝置從其成本，尺寸等的制約來(lái)看，其可能供給的電壓也是有限度的。因此，不能單單考慮增加放射強(qiáng)度，也應(yīng)考慮在啟動(dòng)燈時(shí)不讓施加在電極之間的峰值電壓Vsp上升而能夠啟動(dòng)燈，這是最理想的。
為提供一種能不讓Vsp上升而能增加放射強(qiáng)度的燈，我們進(jìn)一步作以下的探討。
圖4的曲線表示啟動(dòng)燈，當(dāng)施加在電極之間的峰值電壓(Vsp)額定時(shí)，能使放電開(kāi)始的最大封入壓和混合氣體分壓比的關(guān)系。圖4是從圖3的曲線推導(dǎo)而出的。
圖4的曲線，具體地說(shuō)是從圖3推導(dǎo)出以下結(jié)論的。此處舉Vsp＝8kV時(shí)的例子說(shuō)明。首先求得圖3所示的點(diǎn)線與9條曲線(分壓比0.00～1.00的線)的交接點(diǎn)，具體說(shuō)就是分壓比1.00，0.80，0.70，0.50，0.35，0.20，0.15，0.10，0.00時(shí)的總壓值(這些值表示在各分壓比Vsp＝8kV時(shí)，能夠啟動(dòng)燈的最大封入壓)。
將這9個(gè)數(shù)據(jù)以X軸為分壓比，y軸為最大封入壓制成圖表。從圖4的曲線可知分壓比在0.2附近時(shí)最大封入壓取極大值。
接著，從上述求得的圖4和圖2的曲線出發(fā)，再求出Vsp＝8kV，Vp＝6kV時(shí)能夠設(shè)計(jì)的最大放射強(qiáng)度，即可得到圖5。
根據(jù)圖5可知放射強(qiáng)度在分壓比為0.40附近時(shí)極大。另外還可看到將分壓比控制在0.20以上0.80以下的范圍內(nèi)時(shí)-與以前封入100％Xe的燈相比-放射強(qiáng)度有顯著地提高。這樣，還可看到當(dāng)分壓比在0.20以上0.80以下的范圍內(nèi)，如可能最好控制在0.27以上0.70以下的范圍內(nèi)時(shí)，不伴隨Vsp的上升，換言之使Vsp額定時(shí)，可提高放射強(qiáng)度。
以前，放電間隙長(zhǎng)為約9mm，而且僅用Xe作為放電氣體時(shí)，一般僅使用放電氣體總壓為250Torr以下的電介質(zhì)屏障放電燈。此事，從圖3Xe的分壓比為1.00時(shí)的結(jié)果來(lái)看是能夠充分理解的。即，以前的電介質(zhì)屏障放電燈，一般僅使用其放電氣體的總壓與放電間隙長(zhǎng)的乘積250Torr×9mm＝2250Torr以下的燈。對(duì)此，本發(fā)明在Xe中混入Ar時(shí)，放電總壓可使用350Torr以上的領(lǐng)域(參照?qǐng)D2及圖3)。即，可以使用放電氣體的總壓與放電間隙長(zhǎng)的乘積為350Tor×9mm＝3150Torr/mm以上的領(lǐng)域。在本發(fā)明中，相對(duì)放電容器內(nèi)的Xe和Ar的合計(jì)壓力，Xe的分壓比為0.20以上0.80以下，放電氣體的總壓與放電間隙長(zhǎng)的乘積為3150Torr/mm以上，通過(guò)這樣的組合，燈的啟動(dòng)電壓不上升而放射強(qiáng)度卻能夠顯著地提高。進(jìn)一步說(shuō)，在本發(fā)明中，放電間隙長(zhǎng)為約9mm時(shí)，放電氣體的總壓在400Torr以上較為理想(參照?qǐng)D3)。即，放電氣體的總壓與放電間隙長(zhǎng)的乘積為400Torr×9mm＝3600Torr/mm以上較為理想。
結(jié)論由于本發(fā)明出現(xiàn)，使得重視放射強(qiáng)度的燈的設(shè)計(jì)及其電源裝置(變頻器，變壓器等)變得較為簡(jiǎn)單。
<其他實(shí)施形態(tài)>
本發(fā)明不限于以上的記述及圖紙說(shuō)明的實(shí)施形態(tài)。例如，下述實(shí)施形態(tài)也包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。再者，除下述內(nèi)容外，只要不脫離本發(fā)明要旨的范圍，亦可對(duì)其進(jìn)行各種變更并實(shí)施之。
(1)在上述實(shí)施形態(tài)中，介紹了電介質(zhì)屏障放電燈10的具體形狀和尺寸。但是電介質(zhì)屏障放電燈的形狀，尺寸等并沒(méi)特別限定。
(2)在上述實(shí)施形態(tài)中，具體介紹了放電間隙長(zhǎng)d，頻率f和峰值電壓Vp。
但這些數(shù)值并不是特別限定的值。例如，即使讓它在d＝3～30mm，f＝10kHz～240kHz，Vp＝2kV～24kV的范圍內(nèi)變化，我們確認(rèn)也能夠得到相同的效果。
(3)在上述實(shí)施形態(tài)中，具體介紹了電壓波形，但電壓波形并不特別限定。
例如，即使讓正弦波在d＝3～30mm，f＝10kHz～240kHz，Vp＝2kV～24kV的范圍內(nèi)變化，我們確認(rèn)也能夠得到與矩形波相同的效果。
另外，作為稀有氣體以外的氣體狀物質(zhì)，讓Hg與Xe-Ar混合氣體共存時(shí)，點(diǎn)燈時(shí)Hg的分壓為PHg，放電氣體的總壓為P，PHg/P之比不到0.001時(shí)本發(fā)明的效果可大幅度提高。其理由如下Hg的激發(fā)能量比Xe的激發(fā)能量小，電子能量?jī)?yōu)先使用在Hg激發(fā)上，所以激發(fā)的Xe數(shù)大幅度減少。結(jié)果，Xe2激發(fā)放電的密度大幅度降低，172nm的光量輸出也大幅度降低。另一方面，追加混合Xe和Ar以外的稀有氣體時(shí)，172nm紫外線強(qiáng)度幾乎不見(jiàn)降低。因此，特別是讓Hg共存時(shí)，使P，PHg/P之比達(dá)不到0.001是比較理想的。本專利申請(qǐng)的范圍內(nèi)記述的「水銀分壓的比不到0.001」包括完全不含水銀的意思。
本專利申請(qǐng)是根據(jù)2004年2月3日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)(特別申請(qǐng)2004-026513)書寫的，其內(nèi)容在此作為參照編入。
權(quán)利要求
1.一種電介質(zhì)屏障放電燈，其中在充填了放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置了一對(duì)電極，其特征是上述放電氣體中含有Xe及Ar，同時(shí)Xe部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的Xe及Ar的合計(jì)壓力之比在0.20以上、0.80以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)屏障放電燈，其特征是使用中心波長(zhǎng)為172nm的紫外線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)屏障放電燈，其特征是上述放電氣體的總壓與上述放電容器的放電間隙長(zhǎng)的乘積在3150Torr·mm以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)屏障放電燈，其特征是上述放電氣體的總壓與上述放電容器的放電間隙長(zhǎng)的乘積在3600Torr·mm以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的電介質(zhì)屏障放電燈，其特征是上述電介質(zhì)屏障放電燈點(diǎn)亮?xí)r的、上述放電氣體中的水銀的部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的放電氣體的總壓之比不滿0.001％。
6.一種電介質(zhì)屏障放電裝置，其中具備在充填了放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置了一對(duì)電極的電介質(zhì)屏障放電燈；和在上述電極之間施加交流電壓的電源裝置；其特征是上述放電氣體中含有Xe及Ar，同時(shí)Xe的部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的Xe及Ar的合計(jì)壓力之比在0.20以上、0.80以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電介質(zhì)屏障放電裝置，其特征是使用中心波長(zhǎng)為172nm的紫外線。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電介質(zhì)屏障放電裝置，其特征是上述放電氣體的總壓與上述放電容器的放電間隙長(zhǎng)的乘積在3150Torr·mm以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電介質(zhì)屏障放電裝置，其特征是上述放電氣體的總壓與上述放電容器的放電間隙長(zhǎng)的乘積在3600Torr·mm以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6、7、8或9所述的電介質(zhì)屏障放電裝置，其特征是上述電介質(zhì)屏障放電燈點(diǎn)亮?xí)r的、上述放電氣體中的水銀的部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的放電氣體的總壓之比不滿0.001％。
11.一種電介質(zhì)屏障放電燈的使用方法，其中該電介質(zhì)屏障放電燈在充填了放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置了一對(duì)電極，其特征是上述放電氣體含有Xe及Ar，同時(shí)Xe的部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的Xe及Ar的合計(jì)壓力之比在0.20以上、0.80以下，而且，使用由上述電介質(zhì)屏障放電燈發(fā)出的中心波長(zhǎng)為172nm的紫外線。
12.一種電介質(zhì)屏障放電裝置的使用方法，其中該電介質(zhì)屏障放電裝置具備在充填了放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置了一對(duì)電極的電介質(zhì)屏障放電燈；和在上述電極之間施加交流電壓的電源裝置；其特征是上述放電氣體中含有Xe及Ar，同時(shí)Xe的部分壓力相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的Xe及Ar的合計(jì)壓力之比在0.20以上、0.80以下，而且使用由上述電介質(zhì)屏障放電燈發(fā)出的中心波長(zhǎng)為172nm的紫外線。
全文摘要
一種在充填了放電氣體的放電容器內(nèi)設(shè)置一對(duì)電極的電介質(zhì)屏障放電燈，放電氣體中含有Xe及Ar。同時(shí)，相對(duì)于上述放電容器內(nèi)的Xe及Ar的合計(jì)壓力Xe部分壓力之比在0.20以上、0.80以下。
文檔編號(hào)H01J65/04GK1765002SQ20058000013
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月3日
發(fā)明者畑瀨和也, 江崎真伍 申請(qǐng)人:株式會(huì)社杰士湯淺