專利名稱：紫外線發(fā)生裝置以及使用該紫外線發(fā)生裝置的照明裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用了新放電技術的無汞的紫外線發(fā)生裝置以及將該紫外線應用于照明中的照明裝置，該放電技術有效且穩(wěn)定地產(chǎn)生高密度的弱電離低溫等離子體。
背景技術：
從氫、氙和氪的放電氣體中得到的紫外/真空紫外線被廣泛應用于光化學工學、 半導體制造工藝、食品/醫(yī)藥殺菌以及通過激發(fā)熒光體來返還可見光的照明裝置等各種領 域中。但是，汞是對地球環(huán)境有害的物質，其使用一直被抑制。另一方面，氙和氪是稀有物 質，其利用存在限制。因此，需要開發(fā)在放電氣體中使用除了汞和稀有氣體以外的普通分子 氣體的紫外/真空紫外線發(fā)生裝置和照明裝置。通常，對于由單原子構成的汞和氙氣中的低壓的輝光放電，放射出的光的光譜不 連續(xù)，成為具有放電氣體特有波長的線譜。這是因為，在被電子激發(fā)的原子發(fā)生衰減的情況 下，特定能量狀態(tài)的能級間發(fā)生躍遷，隨之放射出光。另一方面，對于由兩個以上的原子構成的分子氣體中的低壓輝光放電，所放射出 的光的光譜是連續(xù)的。這是因為，對電子激發(fā)能量狀態(tài)加上分子間的振動和旋轉激發(fā)狀態(tài)， 能量能級間的躍遷變得連續(xù)。因此，為了從分子氣體高效地得到紫外線放射，需要選擇各種 具有適當能量躍遷狀態(tài)的分子氣體。此外，為了在輝光放電等離子體中以充分的強度有效地激發(fā)分子氣體，需要高輸 出/高效率的等離子體發(fā)生裝置。本申請人之前申請了在日本特開平8-330079號公報中公開的相位控制多輸出型 交流電源裝置，該相位控制多輸出型交流電源裝置作為能夠以低成本穩(wěn)定地產(chǎn)生大容量放 電(弱電離低溫等離子體)的低頻率交流電源，由排列(控制/調整)了相位的多個交流 輸出構成，并且，申請了使用該電源實現(xiàn)的、日本特許第3772192號公報所公開的用于有效 產(chǎn)生放電的電極、以及日本特許第3742866號公報所公開的磁場的構成方法。電極的構成 方法是經(jīng)由熱傳導性良好的絕緣板將電極密接固定在冷卻后的裝置內壁的方法，磁場構成 方法是這樣的方法在裝置外壁安裝多個磁鐵，在電極表面附近形成抑制等離子體流出的 多極磁場。并且，本申請人申請了通過使用采用日本特許第3472229號公報所公開的相位控 制多相交流電源來有效地產(chǎn)生放電的壁密接電極和多極磁場，由此實現(xiàn)節(jié)能效果好、高輸 出/高效率的放電型照明裝置。專利文獻1 日本特開平8-330079號公報專利文獻2 日本特許3772192號公報專利文獻3 日本特許3742866號公報專利文獻4 日本特許第3472229號公報

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，將多極磁場中的多相交流放電等離子體應用到紫外發(fā)生光源，使用分子氣體而不使用對地球環(huán)境有害的汞來產(chǎn)生高亮度且高效率的紫外線。因此，本發(fā)明提供一種紫外線發(fā)生裝置，該紫外線發(fā)生裝置利用弱電離低溫等離 子體對分子氣體的放電氣體進行激發(fā)而產(chǎn)生紫外線，其最主要的特征在于，放電氣體是一 氧化氮和稀釋氣體的混合氣體。以下，示出關聯(lián)文件。1)日本特開昭56-6364、“窒素/酸素封入物f有t易低壓中空陰極，W (具 有氮/氧封入物的低壓中空陰極燈)”、彡t ~工> · 7工 A々7 —(卜·、7連邦共和國)2)日本特開2002-304970、位相制御多電極型交流放電光源(相位控制多電極型 交流放電光源)、松本和憲3)第5回応物學會講演予稿集p. 247、2008/34)靜岡大學大學院電子科學研究科研究報告(靜R大學大學院電子科學研究科 研報告)(29)另外，在這些關聯(lián)文獻中雖未記載，但現(xiàn)有技術公知有在150nm到230nm的紫外 區(qū)域，一氧化氮氣體NO具有稱之為、光譜的吸收或發(fā)光光譜(分子勢曲線)。在關聯(lián)文獻1)中，由于在僅使用NO氣體通過放電放射出紫外線的情況下，封入的 NO氣體由于放電而分解，成份發(fā)生變化，因此提出了防止這種現(xiàn)象的方法。此外，為了防止 金屬電極被剝離，從NO分解出的氧與金屬電極發(fā)生反應而金屬電極消失，利用氧化金屬對 金屬電極進行覆蓋并插入到放電管內部。關聯(lián)文獻4)是不使用一氧化氮NO而利用氮N2和氧O2的混合氣體的放電的方法。 艮口，通過放電，氮分子和氧分子分別分解成氮原子N和氧原子0，并合成氧化氮NO的方法。另一方面，關聯(lián)文獻2)和文獻3)是本發(fā)明者申請和發(fā)表的，是與本發(fā)明所使用的 電源相關的文獻，但沒有公開本發(fā)明。本發(fā)明的特征在于，通過對一氧化氮NO混合氮，由此首次以實用級強度從NO放射 有效的紫外線。這樣的發(fā)明與上述關聯(lián)文獻1) 4)完全不同。本發(fā)明對放電氣體使用一氧化氮和稀釋氣體的混合氣體，因此即使低電力也得到 較強紫外線，向熒光物質照射該紫外線，由此以高亮度地實現(xiàn)高效率的無汞的照明裝置。


圖1是實施本發(fā)明的紫外線發(fā)生裝置的剖視圖。圖2是實施本發(fā)明的紫外線發(fā)生裝置的電源連接圖。圖3是示出三種分子氣體的發(fā)光光譜的變化的圖。圖4是示出由一氧化氮相對于氮氣的濃度所產(chǎn)生的紫外線強度的變化的圖。圖5是示出由有無磁場的壓力所產(chǎn)生的紫外線發(fā)光分布的圖。圖6是由兩種分子氣體產(chǎn)生的發(fā)光光譜的變化的圖。圖7是由一氧化碳相對于氫的濃度產(chǎn)生的紫外線強度的變化的圖。圖8是多道(multi race) /雙梳型磁場的結構圖。圖9是示出多道/雙梳型磁場的壓力所致的發(fā)光分布的圖。
圖10是一氧化氮的勢曲線圖。圖11示出主要原子的亞穩(wěn)能級。圖12示出主要原子的亞穩(wěn)能級。圖13是示出由兩種分子氣體產(chǎn)生的發(fā)光光譜的變化的圖，上面的圖示出關聯(lián)文 獻4)所示的模擬了空氣的氮/氧混合氣體的情況，并且下面的圖示出利用Ar稀釋后的一 氧化氮氣體的情況。標號說明
1分割電極2阻擋層3平面容器31 基板32光取出窗口4 磁鐵5磁屏蔽板612相交流電源￡1間隙b熒光體P等離子體
具體實施例方式以下說明本發(fā)明的實施方式。圖1中示出實施本發(fā)明的照明裝置的剖視圖。關于照明裝置，12個片狀的分割電極1以稍稍隔開間隙a的方式嵌入在阻擋層2 中，與平面容器3的底面的基板31緊接固定?；?1的對置面被光取出窗口 32覆蓋，對平面容器3進行密閉而形成低壓放電 室，該光取出窗口 32的內側被熒光體b覆膜。分割電極1配置以面積盡量大的方式覆蓋基板31的整體。阻擋層2使用電絕緣性和熱導電性良好的材質(例如石英玻璃或氮化硼)來形成 絕緣體層。在基板31的外側，沿著間隙a緊接固定有以相鄰極性相反的方式排列的12+1個 棒狀的磁鐵4。磁鐵4的箭頭表示磁極的方向。由此，以磁力線覆蓋分割電極1的表面的方 式形成多極磁場?；?1的安裝有磁鐵4的外側被磁屏蔽板5覆蓋，使磁力線不往外發(fā)散而集中在 內部。多極磁場的磁鐵4可以使用電磁線圈來代替永久磁鐵?；蛘?，也可以在阻擋層2與基板31之間夾持橡膠磁鐵等片狀的磁鐵4，或者在基 板31的外側貼附磁鐵4而形成多極磁場。由此，與磁鐵4的厚度變薄相應地，可以使照明 裝置的形狀形成為薄的袖珍型。這里，磁鐵4與分割電極1之間的位置關系是任意的，在圖1中示出在分割電極1與分割電極1之間的間隙a的正后方設置磁鐵4的情況。此時，多極磁場以分割電極1的 表面被磁力線覆蓋的方式形成，因此等離子體P被有效地封閉在分割電極1的表面附近。這 樣，當?shù)入x子體P封閉在表面較薄層中時，分子氣體的激發(fā)變高，可以從該薄層放射出較強 的紫外線。如圖2所示，在12個分割電極1上，經(jīng)由安裝在分割電極1的一端的供電端子11 以依次錯開1/12周期的方式連接有振幅大小相同的12相交流電源6。12相交流電源6以星形接線的方式構成對頻率或振幅以及相位(包含波形)進行 控制的低頻率交流電源，電源整體通過絕緣變壓器等預先處于浮動電位的狀態(tài)，僅在分割 電極1之間產(chǎn)生放電。
對于電源的相數(shù)，如果是4相以上，則隨著相數(shù)增加，電位分布的同樣區(qū)域(即電 場的同樣區(qū)域)增加，當成為12相以上時其增加傾向于飽和，因此12相是實用的范疇。實施本發(fā)明的照明裝置是以上這樣的結構，由排氣裝置(未圖示)對平面容器3 內進行真空排氣，封入或流入用于放電發(fā)光的ITorr以下的分子氣體。該分子氣體即為放電氣體，在本發(fā)明中使用一氧化氮和稀釋氣體的混合氣體。作 為稀釋氣體，使用化學上穩(wěn)定的氣體，具有比一氧化氮的激發(fā)級6eV稍高的亞穩(wěn)能級的氣 體。具體而言，氮氣是最合適的。這是因為，在比放射出300nm以下紫外線的一氧化氮的激 發(fā)能量稍高的能量能級，氮氣具有亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在圖10中示出了一氧化氮的勢曲線圖。本發(fā)明的紫外線在一氧化氮的電子狀態(tài) 從利用分光標記表示為A2 Σ +的能量能級躍遷到表示為X2 Π r的能級時進行放射。其間 的能量差大約為6eV，對應于具有波長為200nm的光子的能量。在圖11和12中示出了主要分子和原子的亞穩(wěn)能級。在氮分子N2中存在A3 Σ 的 亞穩(wěn)能級，該能量是6. 17eV，其壽命長度為1. 3 2. 3秒，與通常壽命為10-12秒左右相比， 非常長。此外，氮分子的分子量為28，一氧化氮的分子量為30，由于具有相同的重量，因此 當兩者發(fā)生沖突時，高效率地進行能量的交換。即，處于亞穩(wěn)能級A3 Σ 的隊具有6. 17eV 的能量，當與處于基態(tài)的氧化氮(NO)發(fā)生沖突的情況下，氧化氮(NO)被向具有能量6eV的 A2 Σ +能級高效地激發(fā)。當從該能級躍遷到基態(tài)時，在 200nm附近放射出紫外線。在取代氮氣而利用具有同樣的亞穩(wěn)能級的Ar氣進行稀釋的情況下，如圖13的下 面的圖所示，與純氧化氮(NO)的情況相比，紫外線放射強度沒有太大變化。這是因為，氬的 亞穩(wěn)能級的能量級別高達12eV，例如即使將氧化氮(NO)激發(fā)至6eV，剩余的大約6eV白白 浪費，并且，原子量為40，比氧化氮(NO)的30大1.3倍。除了氮氣和Ar氣之外，還存在氙氣。由于氙Xe具有比一氧化氮的激發(fā)能級6eV 稍高的能量級為8. 32eV的亞穩(wěn)能級，因此可以期待與氮氣大致相同的效果。但是，Xe的原 子量是131，比一氧化氮的分子量30要重得多。因此，在比較兩者的情況下，氮氣(分子量 28)比氙氣輕，因此適用于稀釋氣體。另外，在圖13的上面的圖中，示出了使用對關聯(lián)文獻4)所示的現(xiàn)有技術的空氣進 行模擬的氮氧混合氣體的情況下的本發(fā)明者等的數(shù)據(jù)。由此可知，在對空氣進行模擬的情 況下，來自氧化氮(NO)的放射非常小。其原因是，混入的氧氣使一氧化氮NO簡單地變化成 更穩(wěn)定的二氧化氮N02，NO的絕對量大幅度減少。即，僅在氮氣中稍微混入了一氧化氮的情 況下，從NO以實用的強度發(fā)射出紫外線，這一點通過本發(fā)明首次得到了明確。
氮作為一氧化氮的稀釋氣體的有效理由是，作為主封入氣體的氮分子與通過放電 從一氧化氮分子中分解出的氧直接再次結合，因此回避了由一氧化氮氣體的放電而產(chǎn)生的 組成變化，結果，穩(wěn)定地得到較強的紫外線。作為分子氣體，到此為止研究并試驗了各種各樣的化合物。尤其是，嘗試了在常溫 下或者稍微加熱而處于氣體狀態(tài)的碳C、氮N、氧0、硫S、碘Se、碲Te等化合物，較大的問題 是，在放電狀態(tài)下，化合物分解，在裝置內出現(xiàn)固態(tài)的另外的化合物，分子氣體的組成與初 始狀態(tài)相比發(fā)生變化，光取出窗口變污濁。并且，與12個分割電極1連接Ikw以下的相位控制12輸出交流電源，提供放電電
氣能量。 由此，如圖1所示，沿著被阻擋層2覆蓋的分割電極1的表面，產(chǎn)生由穩(wěn)定的交流 輝光放電帶來的等離子體P。當對12個分割電極1施加12相交流電壓時，在一個周期內放電轉過1個分割電 極1，因此在1秒內放電旋轉施加頻率的量。因此，不管在哪個時刻都在某一分割電極1間 引起放電，產(chǎn)生像高頻亮燈那樣的連續(xù)放電，而與低頻的交流放電無關。放電結果產(chǎn)生的等 離子體P被多極磁場封閉在狹窄較薄的區(qū)域，以電的方式激發(fā)由中性分子氣體(中性氣體) 的等離子體產(chǎn)生的沖突，來自激發(fā)中性氣體的發(fā)光密度和發(fā)光效率提高。作為這樣的連續(xù)放電的結果，在電極整體上穩(wěn)定且以空間的方式同樣地放射具有 包含紫外線的分子氣體特有波長的光。由于涂敷在光取出窗口 32內側的熒光體b，該紫外 線轉換成可見光。等離子體區(qū)域較薄，發(fā)光層的厚度較薄，因此光不會被再吸收而成為高亮 度。分割電極的尺寸和配置不限于圖1。此外，交流電源的相數(shù)也不限于12。適當調整 分割電極的尺寸、配置、交流電源的相數(shù)及其電力的大小，使得紫外線的放射適合被照射物。產(chǎn)生的紫外線與熒光物質碰撞而轉換成可見光并作為照明裝置，除此以外，還利 用于防止因加熱而變質的食品或醫(yī)藥品的殺菌，并可應用于光化學反應。實施例1以下說明本發(fā)明的實施例(實驗結果)。本發(fā)明的照明裝置與30w以下、40kHz的逆變式12相交流電源6連接，并進行真空 排氣，對該照明裝置放入0. 17 0. 3Torr的以下3種分子氣體，進行試驗。放電發(fā)光光譜利用光纖式多通道分光器來計測。在圖3中示出了 3種分子氣體在多極磁場中的放電發(fā)光光譜。圖3 (a)、(b)和(c)是作為分子氣體分別使用氮、一氧化氮和氮稀釋(90% ) 一氧 化氮(10% )氣體的情況下的光譜。這里，縱軸是被標準光源校正后的光譜輻射通量密度 (μ ff/cm2/nm)。在圖3 (a)的氮氣的情況下，如現(xiàn)有報告的那樣，觀測到來自300nm 380nm波段 的紫外線放射。在圖3(b)、(C)的一氧化氮氣體的情況下，該試驗是由本申請人首次嘗試的，觀測 到來自200nm 380nm波段的紫外線放射。并且，如圖4所示，可知當利用氮對一氧化氮進行稀釋，一氧化氮的濃度為10%左 右時，來自該區(qū)域的紫外線放射成為最大。
這里，圖4的縱軸是輻射通量密度[μ ff/cm2]，橫軸是一氧化氮濃度Ν0/Ν2+Ν0 [%] 根據(jù)圖4可知，在經(jīng)過氮稀釋后的一氧化氮氣體的一氧化氮濃度在5 50%范 圍內時，輻射通量密度較大，在該范圍外時輻射通量密度較小。這是因為，當一氧化氮濃度 小于5%時，作為紫外線發(fā)光主體的一氧化氮分子數(shù)不足，因此相反可以認為，當超過50% 時，從作為稀釋氣體的氮分子很難有效地激發(fā)一氧化氮。圖5中示出利用紫外區(qū) 域(200nm 380nm)對3種分子氣體的針對壓力的光譜輻 射通量密度進行積分而求出的輻射通量密度。這里， 的數(shù)據(jù)表示氮分子的輻射通量密度， ▲標記的數(shù)據(jù)表示一氧化氮的輻射通量密度，■標記的數(shù)據(jù)表示氮稀釋一氧化氮(10% ) 時的輻射通量密度。此外，利用虛線連接的□標記的數(shù)據(jù)是沒有磁場時氮稀釋一氧化氮 (10%)的情況的數(shù)據(jù)。在沒有磁場的情況下，即使壓力下降，也幾乎沒有變化。另一方面，在多極磁場中的情況下，隨著壓力的下降，紫外線發(fā)光強度增大。這是因為，當壓力下降時，等離子體與中性氣體的沖突減小，磁場產(chǎn)生的等離子體 的封入效果增強。這里，圖3、圖4和圖5中的多極磁場是多道型(multi race)的多極磁 場。氮稀釋一氧化氮混合氣體的壓力為0. 3Torr時的紫外線放射密度的大小，比在同 一裝置中使用汞時所觀測到的值大1. 5倍。使用氬氣作為一氧化氮的稀釋氣體進行嘗試，但紫外線的放射比氮稀釋時的小。圖6示出2種分子氣體的多極磁場中的放電發(fā)光光譜。圖6(a)、(b)是作為分子氣體分別使用氫、氫稀釋(90% ) 一氧化氮(10% )情況 下的光譜。這里，氣壓是0.3ΤΟΠ·，縱軸是利用標準光源校正后的光譜輻射通量密度[μ W/ cm2/nm] 0圖6 (a)的氫氣、圖6 (b)的氫稀釋一氧化碳氣體都被觀測到來自300nm以下的短 波段的紫外線放射。這里，通常都知道從一氧化碳氣體放射出200nm以下強度的真空紫外 線，因此在本試驗中也認為放射出該區(qū)域的紫外線。在試驗中不能觀測到200nm以下的光 譜的原因是，在試驗中使用的圖1所示的光取出窗口是不能使真空紫外線透過的石英窗， 并且所利用的分光器不能計測紫外線。如圖7所示可知，當利用氫對一氧化碳進行稀釋并一氧化碳的濃度為10%左右 時，來自該區(qū)域的紫外線放射為最大。這里，圖7的縱軸是輻射通量密度[μ W/cm2]，橫軸是一氧化碳濃度C0/H2+C0[% ]。 這里，圖6和圖7的多極磁場是雙梳型的多極磁場。根據(jù)圖7可知，在水稀釋一氧化碳氣體的一氧化碳濃度為1 15%范圍內時，輻 射通量密度較大，當在該范圍外時輻射通量密度較小。這是因為，當一氧化碳濃度小于 時，作為紫外/真空紫外線發(fā)光主體的一氧化碳的分子數(shù)不足，相反可以認為，當超過15% 時，從作為稀釋氣體的水分子很難有效地激發(fā)一氧化碳。在一氧化碳氣體的情況下，在光取出窗口 32上產(chǎn)生茶色的碳膜，但是可通過在分 子氣體中使用氫稀釋一氧化碳氣體，來抑制一氧化碳分解而形成碳膜。并且，改變多極磁場，如圖8 (a)所示，對將棒狀的磁鐵4的S極/N極配置成跑道 狀的多道型磁場(如圖8所示)、和兩組梳齒配置成咬合的形狀的雙梳型磁場進行了比較試驗。這里，僅示出了使用了氮氣的情況下的數(shù)據(jù)。
如圖9所示，隨著壓力降低，在紫外/可見區(qū)域中發(fā)光強度均增加，圖9(a)所示的 多道型磁場的發(fā)光強度比圖9(b)所示的雙梳型磁場的強幾倍。這里，圖9中的■和□標記 的數(shù)據(jù)是紫外區(qū)域的輻射通量密度，光譜輻射通量密度是在波長200nm 380nm的范圍進 行積分而求出的。此外，圖9中的 和〇標記的數(shù)據(jù)是可見區(qū)域的輻射通量密度，光譜輻射 通量密度是在波長380nm 780nm的范圍進行積分而求出的。并且，圖9中的實線是多極 磁場中的情況，虛線是沒有磁場的情況。
權利要求
一種紫外線發(fā)生裝置，其利用弱電離低溫等離子體對放電氣體進行激發(fā)而產(chǎn)生紫外線，其特征在于，所述放電氣體是一氧化氮和稀釋氣體的混合氣體。
2.根據(jù)權利要求1所述的紫外線發(fā)生裝置，其特征在于， 所述稀釋氣體是化學性穩(wěn)定的氣體。
3.根據(jù)權利要求1所述的紫外線發(fā)生裝置，其特征在于，所述稀釋氣體是具有比一氧化氮的激發(fā)能級高的亞穩(wěn)能級的氣體。
4.根據(jù)權利要求1所述的紫外線發(fā)生裝置，其特征在于， 所述稀釋氣體是氮氣。
5.根據(jù)權利要求1所述的紫外線發(fā)生裝置，其特征在于， 所述混合氣體的一氧化氮濃度為5% 50%。
6.根據(jù)權利要求1所述的紫外線發(fā)生裝置，其特征在于， 產(chǎn)生所述弱電離低溫等離子體的等離子體發(fā)生裝置包括以稍稍隔開間隙的方式鋪設在平面基板上的η個片狀的分割電極； 磁鐵，其以由磁力線覆蓋所述分割電極的表面的方式形成多極磁場；以及 相位控制η相交流電源，其向所述分割電極提供相位依次錯開1/η周期且振幅大小相 同的放電電能。
7.一種照明裝置，其特征在于，使所述紫外線與熒光物質碰撞而轉換成可見光線。
全文摘要
本發(fā)明提供紫外線發(fā)生裝置以及使用該紫外線發(fā)生裝置的照明裝置。將多極磁場中的多相交流放電等離子體應用到紫外線發(fā)生光源，使用除了汞或稀有氣體以外的普通分子氣體，高亮度地產(chǎn)生高效率的紫外線。對平面容器(3)內進行真空排氣，封入或流入1Torr以下的用于放電發(fā)光的分子氣體。接著，對12個分割電極(1)連接1kw以下的12相交流電源而提供放電電能。由此，沿著被阻擋層(2)覆蓋的分割電極(1)的表面產(chǎn)生由穩(wěn)定的交流輝光放電引起的等離子體(P)。作為放電的結果，放射出具有含有紫外線的分子氣體所特有的波長的光，從光取出窗口(32)向外取出。
文檔編號F21V9/08GK101981652SQ20098011140
公開日2011年2月23日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權日2008年4月2日
發(fā)明者平祐樹, 松本和憲 申請人:富山縣