JPH09320518A

JPH09320518A - 水銀を含まない放電紫外線源

Info

Publication number: JPH09320518A
Application number: JP9036803A
Authority: JP
Inventors: Douglas Allen Doughty; ダグラス・アレン・ダウティー; Timothy John Sommerer; ティモシー・ジョン・ソマーラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1997-12-12
Also published as: EP0793258A3; EP0793258B1; US5866984A; DE69731136D1; EP0793258A2; CN1160284A; DE69731136T2

Abstract

(57)【要約】【課題】高い効率および高い放射発散度を有する、水
銀を含まない放電紫外線源を提供する。【解決手段】例えば円筒形で直径が好ましくは約２〜
３ｃｍである長いエンベロープ（１４）と、前記エンベ
ロープの中に封入されていて、放電電流を持続し、その
結果として紫外線を放出するガス充填物であって、キセ
ノンおよびクリプトンからなるグループから選択された
第１の希ガス、または該第１の希ガスと第２の希ガスと
の混合物を含み、該第１の希ガスの圧力が約１０〜２０
０ミリトルの範囲にあるガス充填物と、前記第１の希ガ
スをイオン化して、約１００〜５００ミリアンペアの範
囲の放電電流を生じさせる電源（２０，２２）とを有す
る。この放電紫外線源は既存の水銀をベースとする低圧
力放電紫外線源に匹敵しうる効率および出力を有し、紫
外線を可視光に変換できる適当な蛍光体をそなえた蛍光
灯に使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、概して放電紫外線
源に関し、更に詳しくは、水銀がなく、蛍光灯に適用し
得るこのような放電紫外線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外線（ＵＶ）源としての放電について
の２つの主要な効果尺度は、放射発散度（放電管の管壁
における単位面積当りのＵＶ電力）と効率（入力電力当
りのＵＶ出力電力）である。実用的であるためには、実
際的な大きさの放電管が所望のＵＶ出力を発生できるよ
うに放電紫外線源は効率が高く、放射発散度が十分に高
くなければならない。水銀を含んでいるこのような放電
紫外線源は、一般に蛍光灯に適用することができる。水
銀をベースとする蛍光灯は、商用および住宅用の広範囲
の用途にエネルギ効率のよい照明を提供する。しかしな
がら、使い果たしたランプから水銀が廃水の中に流入す
る問題について関心が高まっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、高い効率およ
び高い放射発散度を有する、水銀を含まない放電紫外線
源を提供することが望ましい。更に、このような水銀を
含まない放電紫外線源を使用した蛍光灯を提供すること
が好ましい。

【０００４】

【課題をするための手段】本発明では、細長いエンベロ
ープと、前記エンベロープの中に封入されていて、放電
電流を持続し、その結果として紫外線を放出するガス充
填物であって、キセノンおよびクリプトンからなるグル
ープから選択された第１の希ガス、または該第１の希ガ
スと第２の希ガスとの混合物を含み、該第１の希ガスの
圧力が約１０〜２００ミリトルの範囲にあるガス充填物
と、前記第１の希ガスをイオン化して、約１００〜５０
０ミリアンペア（ｍＡ）の範囲の放電電流を生じさせる
電源とを有する、水銀を含まない放電紫外線源を提供す
る。

【０００５】本発明の一態様による、水銀を含まない放
電紫外線源では、細長いエンベロープは断面が円形の場
合には最大５ｃｍの半径、好ましくは２〜３ｃｍの半径
を有し、その中には約１０〜２００ミリトルの範囲の圧
力でキセノンまたはクリプトンのガス充填物（これらと
他の希ガスとの混合物を含む）が封入されている。放電
紫外線源は、既存の水銀をベースとする低圧力放電紫外
線源に匹敵しうる効率および出力を有する。本発明の１
つの意図した用途は、蛍光灯に対する紫外線源である。
この用途では、放電が、紫外線を可視光に変換できる適
当な蛍光体（発光体）と組み合わされる。

【０００６】本発明の特徴および利点は添付図面ととも
に本発明の次の詳細な説明を閲読することにより明らか
になるであろう。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、既存の水銀をベースとす
る低圧力放電に匹敵しうる効率および出力を有する水銀
を含まない放電紫外線源１０の構成を示している。放電
紫外線源１０は、希ガス充填物を封入した細長いエンベ
ロープ１４を有し、図にはエンベロープ内に陽光柱放電
プラズマ１２が存在することを示している。エンベロー
プ１４を構成する材料は導電性または絶縁性であってよ
く、また透明または不透明であってよい。エンベロープ
１４は、断面が円形または非円形であってよく、また真
直である必要はない。陽光柱は熱電子放出電極１６によ
って励起される。この熱電子放出電極１６はエンベロー
プ１４から外に出ているリードワイヤ１８に取り付けら
れている。電気的浮動電源２０が電流を電極１６に供給
することにより、電極は、放電によって発生した熱と組
み合わさって、熱電子放出に十分な温度に維持される。
図１は外部電源２２からの正弦波電流による励起を示し
ている。このようなものとして、２つの電極は各々正弦
波励起の半周期においてはカソードとして作用し、他の
半周期ではアノードとして作用する。

【０００８】陽光柱の特性は励起方法に無関係である。
更に、直流放電の特性は、ある特定の交流周波数におけ
る場合を除いて、交流放電の特性に非常に類似してい
る。特に、電子の温度が交流サイクルにわたってあまり
変化しないように交流励起周波数が十分高い場合には、
直流および交流放電は類似している。低い交流周波数に
おいては、放電は同じ瞬時放電電流における直流動作に
対応する交流サイクルの各瞬時において準安定状態に達
する。図１に示す例は、標準の蛍光灯で使用されるもの
と同じ熱電子電極を有する交流放電である。しかしなが
ら、本発明の原理は熱陰極（熱電子）および冷陰極の両
方に適用でき、直流および種々の時間につれて変化する
電流波形（例えば、正弦波、矩形波、パルス）の両方に
適用できる。また、陽光柱放電は、容量性または誘導性
電力結合を使用して又は表面波放電のような他の方法に
よって、電極無しに励起することもできる。陽光柱の本
来の効率は励起方法に依存しないが、全体の変換効率
（すなわち、電力から紫外線への変換）は励起方法にお
ける損失によって影響される。

【０００９】本発明によれば、活性放電材料は、図１に
示すような室温で動作する蛍光灯用に適した細長いエン
ベロープ内に、過度の努力もなく適当な気相濃度を得る
ことができるような蒸気圧を有する。更に、活性放電材
料は、典型的なランプ材料、例えばガラス、蛍光体およ
び金属電極と適合できるものでなければならないが、場
合によっては保護被膜の使用および／または無電極励起
方法の使用によりそれに限定されない。更に、蒸気段階
においては、活性放電材料は放電からの電子衝突エネル
ギを紫外線に変換できなければならない。また、蛍光灯
の場合、紫外線の波長は可視光の波長（４００−７００
ｎｍ）よりもあまり短くないことが望ましい（典型的に
は、既存の蛍光灯は１８５および２５４ｎｍの紫外線で
蛍光体を励起する）。

【００１０】本発明による上述した規準に合う活性放電
材料は、キセノンおよびクリプトンであり、これらと他
の希ガスを混合したものを含む。このような活性放電材
料は、約１０〜２００ミリトルの範囲の圧力で、約５ｃ
ｍ（好ましくは２〜３ｃｍ）の直径を有する細長いエン
ベロープ内に封入されて、約１００〜５００ミリアンペ
アの範囲の放電電流を生じるように電源によって作動さ
れる。

【００１１】本発明者は、放電紫外線源の出力を解析す
るために幾つかの方法を使用した。例えば、放出および
吸収放電分光法を使用してＵＶ出力を定量的に直接評価
し、電気プローブを使用して放電電力堆積を評価した。
２つの値を組み合わせて、電気−ＵＶ変換効率を得るこ
とができる。これらの放電診断は、Ｄ．Ａ．ダフティ
（Ｄｏｕｇｈｔｙ）およびＤ．Ｆ．フォベア（Ｆｏｂａ
ｒｅ）による「キセノン陽光柱放電の真空紫外線放射分
析（ＶａｃｕｕｍＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＲａｄｉ
ｏｍｅｔｒｙｏｆＸｅｎｏｎＰｏｓｉｔｉｖｅ
ＣｏｌｕｍｎＤｉｓｃｈａｒｇｅｓ）」Ｒｅｖ．Ｓ
ｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ，６６（１０），１９９５年１
０月に要約されている。この文献は引用によりここに取
り入れられている。

【００１２】放電紫外線源の出力を分析するために本発
明者らが使用した他の方法は、照度計でのランプ内測
定、ランプの電気的測定（電極を含む）、および各々が
放電管を囲んでいる２本の導電バンドに接続された高イ
ンピーダンスのボルトメータを使用して陽光柱電界の測
定を行うものであった。実験室での試験ランプは、直径
が約２．５ｃｍ、長さが６０ｃｍで、標準の蛍光灯の電
極が各端部に取り付けられているソーダ石灰ガラスから
なる円筒形ものであった。放電管の内部は商用の蛍光材
料を混合した被膜を塗布した。照度計は、蛍光体および
放電自身の両方からの目視補正発光出力を測定する。

【００１３】放電紫外線源の出力を分析するために本発
明者が使用した更に他の方法は、希ガス陽光柱放電シス
テムに適用するための原子および放電物理処理のコンピ
ュータモデルを作成するものであった。このモデルは、
Ｔ．Ｊ．サマラ（Ｓｏｍｍｅｒｅｒ），［Ｊ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｄ（印刷中）］による「弱くイオン化された低圧
キセノン直流陽光柱放電のモデル（Ｍｏｄｅｌｏｆ
ａＷｅａｋｌｙＩｏｎｉｚｅｄ，ＬｏｗＰｒｅ
ｓｓｕｒｅＸｅｎｏｎＤＣＰｏｓｉｔｉｖｅＣ
ｏｌｕｍｎＤｉｓｃｈａｒｇｅ）」に要約されてい
る。この文献は引用によりここに取り入れられれてい
る。

【００１４】図２は、放電紫外線源１０（図１）のキセ
ノン放電の効率／出力特性の測定値を示している。これ
らのグラフに示されているように、純粋なキセノンでの
放電は水銀をベースとした放電に匹敵しうる効率と出力
の組合せをもたらすことができる。例えば、約５０ミリ
トルおよび２００ｍＡにおけるキセノン放電は１４７ｎ
ｍの紫外線を１５Ｗ／ｍで発生し、電気−ＵＶ変換効率
は０．７０であり、また約２５ミリトルおよび５００ｍ
Ａの場合には、出力は１８Ｗ／ｍであり、効率は０．４
５である。この性能は、ゼネラルエレクトリック社から
販売されている製品名ＧＥ−Ｆ３２Ｔ８蛍光灯における
希ガス／水銀放電のＵＶ効率／出力に匹敵する。

【００１５】キセノン放電においては、ここに報告する
ＵＶ出力は１４７ｎｍ近くの固有キセノン放出に等し
い。また、キセノンは１３０ｎｍ近くに固有紫外線を放
出するが、本発明者ら１３０ｎｍで放射される量は一般
に１４７ｎｍで放出される量のほんの少し（２５％未
満）であることを発見した。本発明によれば、ＵＶ効率
と出力の最適な組合せの範囲がある。図２のデータは、
用途によってＵＶ効率と出力を適宜使用できることを示
している。例えば、最も高い効率を必要とする放電紫外
線源は１００ミリトルおよび１００ｍＡで得ることがで
きるが、出力は最大出力よりも小さくなっている。逆
に、最大出力を必要とする放電紫外線源は、５０ミリト
ル以下の圧力で５００ｍＡ以上の電流で得ることができ
るが、対応する効率は最大効率より小さくなる。従っ
て、図２のようなＵＶ効率−出力のグラフは、所与の放
電管の直径において物理的にアクセスし難いＵＶ効率−
出力の組合せ範囲（点線の上右側）から物理的に実現し
うるＵＶ効率−出力の組合せの範囲（点線の下左側）を
分離する特性ライン（図２の点線で示す）を定義するの
に有効である。ＵＶ効率−出力の組合せの物理的に実現
しうる範囲内の特定の動作点は、ガスの種類、ガス圧力
および放電電流の適当な選択により選択される。特性ラ
インに沿ったＵＶ効率および出力は現在の情況において
最適である。

【００１６】最大効率（１００ｍＡ，１００ミリトル）
の場合、放電管からの全出力は、放電管の長さが長くす
ることにより（および全体の長さを短くするように折り
曲げることにより）増大する。最大効率における単位長
当りの出力の損失は放電管の全体の長さを調整すること
により償うことができる。図２で使用した条件下におい
ては、２５ミリトル以上の圧力では放電は休止していな
いことが観察される。これらの高い圧力では、可視およ
びＵＶ出力は両方とも放電管に沿った位置の関数として
変化する。この空間的な変動は約２ｋＨｚの周波数を有
する時間的変化を伴う。この種の不均一は蛍光灯のよう
な用途では受け入れることはできず、これらの状態では
ちらついて見える。約１０〜１００ミリ秒よりも長い特
性時間にわたる平均出力に依存した用途の場合には、こ
の変動は問題にならない。２５ミリトル以下の圧力で
は、（目で観察した）放電の空間変調は消滅する。それ
でも非常に高い周波数（約１０ｋＨｚ）における場合を
除いて時間的変調があるが、この非常に高い周波数では
蛍光灯タイプの用途では顕著なちらつきを生じない。

【００１７】図２の結果は約２．５ｃｍの直径を有する
円筒形の放電管についてのものである。また、１．３お
よび５ｃｍの放電管についても検討された。１．３ｃｍ
の場合は、単位長当りの効率および出力が、同じ範囲の
圧力および電流における２．５ｃｍの放電管の場合より
も低い（図３）。５ｃｍの直径の放電管では、計画した
全電流および圧力に対して可視およびＵＶ出力の広範囲
にわたる空間的および時間的変調がある。また、大きな
直径の放電管部における軸方向の電界が均一でないこと
が観察されたが、これはこのような場合におけるＵＶ効
率の正確で直接的な特性づけを妨げる。約２〜３ｃｍの
直径を有する放電管は蛍光灯のような用途では最適な大
きさである。

【００１８】クリプトンおよびキセノンは同様な原子特
性を有する。従って、クリプトンを含むＵＶ源は、これ
までキセノンについて説明した同じ原理を使用して構成
することができる。クリプトンは実質的に紫外線を１２
０ｎｍおよび１２４ｎｍで放出し、放射出力はこれらの
２つの放出ラインの間でより均一に分割される。従っ
て、１２０ｎｍおよび１２４ｎｍにおける出力の和を報
告し、クリプトンの放電を特徴づける場合にはこれをＵ
Ｖ出力として報告することが適当である。

【００１９】数値放電モデル（図４）から、関心のある
領域内において、放電管の直径、ガス圧力および放電電
流を適当に選択することによって、キセノンおよびクリ
プトン放電の両方から同等のＵＶ効率および出力を得る
ことができることが予測される。このモデルの予測で
は、クリプトンは小さな直径の放電管で優れたＵＶ効率
が可能であることを示している。しかしながら、キセノ
ンおよびクリプトンのＵＶ効率および出力は同じであ
り、ガスの選択は所望の特定の用途に依存する。放電モ
デル予測は休止放電動作が得られる状態に対してのみ有
効である。

【００２０】図５は、紫外線を可視光に変換するのに適
している蛍光体被膜をエンベロープの内部に有するラン
プの発光出力の測定値を示すグラフである。適切な蛍光
体には、例えばＹ₂Ｏ₃：Ｅｕ（赤の放出体）、ＬａＰＯ
₄：Ｃｅ：Ｔｂ（緑の放出体）、およびＢａＭｇＡｌ₁₀
Ｏ₁₇：Ｅｕ（青の放出体）がある。ランプを真空および
ガス処理システムに取り付けて、真空に排気し、続いて
選択されたガス（キセノンまたはクリプトン）を選択さ
れた圧力で充填した。照度計を使用して、相対発光出力
を測定した。この測定値は次いで測光積分球体を使用し
て特定の圧力および放電電流における一方のガスに対し
て校正された。図４に示すキセノンの発光出力は、蛍光
体が入射紫外線から可視発光出力に変換する方法につい
ての適当な知識と組み合わせて、図１に示したＵＶ効率
および出力の測定値から求めることができる。

【００２１】同等な放電ＵＶ効率および出力の状態で
は、クリプトン放電に基づくランプはキセノン放電に基
づくランプに比較して幾らか低い可視発光効率および出
力を有することが予想される。性能におけるこの差は、
蛍光体が所与の波長のＵＶ放射線の光子を可視光の光子
に変換する場合に受けたストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）シ
フト・エネルギ損失における差に貢献する。ストークス
・シフト・エネルギ損失は、キセノン放射線（１３０ｎ
ｍおよび１４７ｎｍ）を可視光に変換する場合に比べ
て、クリプトン放射線（１２０ｎｍおよび１２４ｎｍ）
を可視光に変換する場合の方が一層大きい。最適なＵＶ
効率および出力はキセノンとクリプトンの両方の放電に
おいて同等であるので（図４参照）、図５に示すよう
に、クリプトン放電を取り入れたランプの可視発光効率
および出力はキセノン放電を取り入れたランプよりも幾
らか低いことが予想される。この性能における差は、適
当に重みづけされた波長がクリプトンＵＶ放出、キセノ
ンＵＶ放出および可視発光出力に対して分かると、計算
することができる。

【００２２】用途によっては、紫外線源は約２００ミリ
トルより大きな全ガス圧力で動作することが好ましい。
例えば、既存の蛍光灯に使用されている蛍光灯陰極設計
の有効な寿命は全ガス圧力が約１トル以下に低減するに
つれて大きく低下する。しかしながら、図６は、約２０
０ミリトル以上のキセノン圧力が、良好な効率で高いＵ
Ｖ出力のためには望ましくないことを示している。この
場合、キセノンとアルゴンまたはネオンのような緩衝ガ
スとを混合したものを使用して最適な紫外線源を得るこ
とができる。緩衝ガスを加えると、図５に示すように紫
外線源の性能は低減する。しかしながら、所与の全ガス
圧力では、ガス混合物を含有する紫外線源のＵＶ効率お
よび出力は同じ全圧力で純粋なキセノンを含有するＵＶ
源から得られたものよりも高い。電子と緩衝ガスと間の
衝突の間におけるエネルギ損失のしきい値エネルギがキ
セノンの電子励起のしきい値よりも大きいので、より軽
い希ガスは一般に緩衝ガスに対して良好な選択である。
従って、アルゴンおよびネオンはこれらの基底状態にと
どまり、それら自身から実質的な紫外線を放出しないの
で、アルゴンおよびネオンはキセノンの適切な緩衝ガス
である。しかしながら、キセノンおよびクリプトンの混
合物における放電はキセノンおよびクリプトンの両方に
よる紫外線を放出する。放電電力の非常に少ない部分
が、電子と基底状態のヘリウム原子と間の弾性衝突の際
にヘリウム原子の加熱のために失われるので、ヘリウム
はあまり好ましくない。

【００２３】同様に、ネオンおよびアルゴンはクリプト
ン放電を最適化する緩衝剤として使用することができ
る。ヘリウムはキセノンに適さないのと同じ理由でクリ
プトンに適さない緩衝剤である。本発明者は、キセノ
ン、クリプトン、キセノンと緩衝ガスとの混合物、およ
びクリプトンと緩衝ガスとの混合物における放電による
ＵＶ効率および出力について以上説明した。動作条件
（放電管の直径、ガスの組成、ガス圧力、放電電流、お
よび放電電流波形）の最適な選択は、ここに記載したデ
ータおよび本発明が使用される用途に基づいて行うこと
ができる。

【００２４】本発明の好適実施例について図示し説明し
たが、このような実施例は単なる例として示したもので
あることは明らかであろう。本発明から逸脱することな
く、当業者には多くの改変、変更および置き換えが可能
であろう。従って、本発明は特許請求の範囲によって限
定されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放電紫外線源の構成図である。

【図２】直径が２．５ｃｍのエンベロープを有する本発
明によるキセノン放電紫外線源の効率−出力特性の測定
値を示すグラフであり、データ点は１００ｍＡから始ま
って１００ｍＡずつ増大している。

【図３】直径が１．３ｃｍのエンベロープを有する本発
明によるキセノン放電紫外線源の効率−出力特性の測定
値を示すグラフであり、データ点は１００ｍＡから始ま
って１００ｍＡずつ増大している。

【図４】本発明による数値放電モデルによって予測した
キセノンとクリプトンの放電紫外線源の効率−出力特性
を示すグラフである。

【図５】クリプトン放電紫外線源およびエンベロープの
内部に市販の蛍光体被膜を有する本発明によるランプの
発光出力−効率特性を示すグラフであり、データ点は１
００ｍＡから始まって１００ｍＡずつ増大している。

【図６】本発明によるアルゴンとキセノンとのガス混合
物を含む放電紫外線源の相対的効率を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０水銀を含まない放電紫外線源１２陽光柱放電プラズマ１４エンベロープ１６熱電子放出電極１８リードワイヤ２０電気的浮動電源２２外部電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長いエンベロープと、前記エンベロープの中に封入されていて、放電電流を持
続し、その結果として紫外線を放出するガス充填物であ
って、キセノンおよびクリプトンからなるグループから
選択された第１の希ガス、または該第１の希ガスと第２
の希ガスとの混合物を含み、該第１の希ガスの圧力が約
１０〜２００ミリトルの範囲にあるガス充填物と、前記第１の希ガスをイオン化して、約１００〜５００ミ
リアンペアの範囲の放電電流を生じさせる電源と、を有
することを特徴とする、水銀を含まない放電紫外線源。
【請求項２】前記放電紫外線源が蛍光灯であり、前記
エンベロープの内面には前記紫外線で励起されたときに
可視光を放出する蛍光体被膜が設けられている請求項１
記載の放電紫外線源。
【請求項３】前記蛍光体被膜が、Ｙ₂Ｏ₃：Ｅｕ、Ｌ
ａＰＯ₄：Ｃｅ：Ｔｂ、およびＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅ
ｕからなるグループから選択された蛍光体で構成されて
いる請求項２記載の放電紫外線源。
【請求項４】前記エンベロープが円筒形で、約５ｃｍ
までの直径を持つ請求項１または２記載の放電紫外線
源。
【請求項５】前記充電物が約１０〜５０ミリトルの圧
力のキセノンを有する請求項１または２記載の放電紫外
線源。
【請求項６】前記第１の希ガスがキセノンであり、前
記第２の希ガスが約０〜５０００ミリトルの圧力にある
請求項１または２記載の放電紫外線源。
【請求項７】前記充填物が約１０〜１００ミリトルの
圧力のクリプトンである請求項１または２記載の放電紫
外線源。
【請求項８】前記第１の希ガスがクリプトンであり、
前記第２の希ガスが約０〜５０００ミリトルの圧力にあ
る請求項１または２記載の放電紫外線源。
【請求項９】前記第２の希ガスが、アルゴン、ネオン
およびキセノン、並びにそれらの混合物を含むからなる
グループから選択されたものである請求項８記載の放電
紫外線源。