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発明の名称 紫外光源装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−18769(P2007−18769A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−196481(P2005−196481)
出願日 平成17年7月5日(2005.7.5)
代理人 【識別番号】100087332
【弁理士】
【氏名又は名称】猪股 祥晃
発明者 野田 悦夫 / 橋本 清 / 林 和夫 / 飯田 式彦
要約 課題
産業上多くの分野への応用が期待される真空紫外光を実際の産業に利用するために必要とされる、高輝度で、発光効率が高く、必要に応じてパルス幅が100ナノ秒以下となるような幅の狭い真空紫外光または紫外光を発生することができる紫外光源装置を得る。

解決手段
高エネルギーの電子線8を発生する電子線発生部1と、希ガスを含む放電ガス19を封入した光発生部15と、前記電子線発生部1と光発生部15とを隔離してそれぞれの気密を保つとともに、前記電子線発生部1で発生した電子線8を前記光発生部15内に透過させる電子線透過窓13と、前記光発生部15で発生した紫外光20を外に取り出す光透過窓18とから成り、電子線発生部1で発生させた高エネルギーの電子線8を放電ガス19中に入射することにより光発生部15でエキシマを生成し、真空紫外光または紫外光20を発生させる。
特許請求の範囲
【請求項1】
電子線を発生する電子線発生部と、放電ガスが封入され、前記電子線発生部で発生した電子線を前記放電ガス中に入射させることにより紫外光を発生させる光発生部と、前記電子線発生部と光発生部とを隔離してそれぞれの気密を保つとともに、前記電子線発生部で発生した電子線を前記光発生部内に透過させる電子線透過窓と、前記光発生部で発生した紫外光を外に取り出す光透過窓とからなることを特徴とする紫外光源装置。
【請求項2】
前記光発生部に封入した放電ガスは、少なくとも1種以上の希ガス又は希ガスとハロゲンガスとの混合ガスのいずれかであることを特徴とする請求項1記載の紫外光源装置。
【請求項3】
前記光発生部に封入した放電ガスが、キセノンガスであることをを特徴とする請求項1または2記載の紫外光源装置。
【請求項4】
前記光発生部から発生する光は、光発生部に封入した希ガス、または希ガスとハロゲンガスとの混合ガスから生成されるエキシマからの発光であることを特徴とする請求項2または3記載の紫外光源装置。
【請求項5】
前記光透過窓は、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウム、合成石英、サファイヤのいずれかの材料からなることを特徴とする請求項1記載の紫外光源装置。
【請求項6】
前記電子線透過窓の形状をスリット状としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の紫外光源装置。
【請求項7】
前記電子線透過窓をダイヤモンド薄膜で構成したことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の紫外光源装置。
【請求項8】
前記ダイヤモンド薄膜をシリコン基板上に形成し、該シリコン基板をアノードに取り付けたことを特徴とする請求項7記載の紫外光源装置。
【請求項9】
前記電子線発生部から発生する電子線をパルス制御することにより前記光発生部から発生する紫外光をパルス的に発生するさせることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の紫外光源装置。
【請求項10】
前記光発生部の内面を紫外光を反射する材料で構成するか、または内面に紫外光を反射する材料をコーティングしたことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の紫外光源装置。
【請求項11】
前記光発生部の内面を腐食防止用の紫外光を透過する材料でコーティングしたことを特徴とする請求項10記載の紫外光源装置。
【請求項12】
前記腐食防止用のコーティング材料としてフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウムのいずれかを使用したことを特徴とする請求項11記載の紫外光源装置。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、光化学反応を利用して産業的に多くの利用が考えられる紫外光を発生する紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、紫外光を発生させる手段として、エキシマランプと呼ばれる放電を利用した紫外光照射装置がある。
このエキシマランプは、図8に示すように、同軸状に配置された内管30と外管31との二重構造の合成石英ガラスの、内管30の内側に内部電極32を、外管31の外側に外部電極33をそれぞれ設け、内管30と外管31との間に形成された放電空間34に放電用希ガスとしてのキセノン(Xe)ガス35を充填して構成されている。
【0003】
そして、前記電極32、33間に高周波電源36から低電圧を印加することにより石英管の内管30と外管31との間でプラズマ放電が発生し、この放電プラズマにより放電用希ガス35が励起されて瞬間的にエキシマ状態となる。このエキシマ状態からもとの状態(基底状態)に戻る時にエキシマ特有のスペクトルが発生する。
【0004】
発光スペクトルは充填する放電ガスの組成により設定することができ、放電ガスの組成を選ぶことにより紫外光あるいは真空紫外光を発生させることができる(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
この紫外光、特に真空紫外光は低電力高出力、低温照射などの特徴を有し、例えば、有用な化学物質の合成、有毒物質の分解、表面処理、新材料創成、殺菌、滅菌等の産業的に多くの利用が期待されている。
【特許文献1】特開2002−352774号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、紫外光(以下、真空紫外光を例にして説明する)を実際に産業に利用するためには、さらに強力な光源が必要とされるため、従来のエキシマランプではエネルギーが不足し、実用に適さない。
【0007】
さらに、発光効率(電気エネルギーから真空紫外光へのエネルギー変換効率)も低く、経済的にも問題があった。
また、化学反応を制御して有用な化学物質を作り出す場合などには、パルス幅が100ナノ秒以下となるような幅の狭い真空紫外光が必要となる場合があるが、現在の放電型のエキシマランプではパルス幅が数十μ秒を切るようなパルスを出すことはほとんど不可能であり、実用的ではなかった。
【0008】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、真空紫外光を産業に利用するために必要とされる、強力で、発光効率が高く、必要に応じてパルス幅が100ナノ秒以下となるような幅の狭い真空紫外光を発生することができる紫外光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するために請求項1記載の発明は、電子線を発生する電子線発生部と、放電ガスが封入され、前記電子線発生部で発生した電子線を前記放電ガス中に入射させることにより紫外光を発生させる光発生部と、前記電子線発生部と光発生部とを隔離してそれぞれの気密を保つとともに、前記電子線発生部で発生した電子線を前記光発生部内に透過させる電子線透過窓と、前記光発生部で発生した紫外光を外に取り出す光透過窓とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明の紫外光源装置によれば、これまでのエキシマランプでは実現できなかった強力で、発光効率が高く、パルス幅が100ナノ秒以下となるような幅の狭い紫外光を発生することができ、真空紫外光のさまざまな産業分野への利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態による紫外光源装置を示す断面図である。
図1において、1は電子線発生部で、真空に保たれた容器2の内部に電子放出源として熱電子陰極であるカソード3が設けられている。
【0012】
このカソード3は接地電位に対して負の電位となるように、容器2外に設けられた電子線加速用電源4に接続されている。
5はカソード3を加熱するために容器2内に設けられたヒータで、容器2外に設けられたヒータ電源6に接続されている。
【0013】
7は金属板からなるグリッド板で、前記カソード3の前面に設けられ、カソード3から放出され、加速された電子線8の形状を成形するためのスリット9を形成している。
10は容器2外に設けられ、前記カソード3に接続された電子線制御用電源で、カソード3に対して正または負の電圧を印加できるようになっている。
【0014】
11はアノードで、前記カソード3から放出される電子線8に対向するように電子線発生部1の容器2内面に取り付けられて接地され、スリット状開口部12が形成されている。
このアノード11は、図示しないが水冷、あるいは他の手段により冷却されている。
【0015】
13は電子線透過窓で、例えば、ダイヤモンドの薄膜をシリコン基板上に形成し、前記アノード11のスリット状開口部12を塞ぐようにアノード11に取り付けられ、さらに、アノード11と一体的に容器2に形成された開口部14を塞ぐように容器2の内面に取り付けられている。
【0016】
15は光発生部で、容器16が前記電子線発生部1の容器2に取り付けられ、容器2の開口部14に対向した位置に開口部17が形成されている。
この光発生部15の容器16の少なくとも内面は、発生した真空紫外光を効率よく外部に取り出すために光を反射しやすい、例えばアルミニウムなどの材料で形成されるか、光を反射しやすい材料でコーティングされている。
【0017】
18は光透過窓で、前記光発生部15の容器16の開口部17と反対側の対向した面に形成され、真空紫外光が透過する材料、例えばフッ化マグネシウムなどの材料から形成されている。
【0018】
前記光発生部15の容器16の内部には1〜数気圧の例えばキセノン(Xe)ガスなどの希ガスを含む放電ガス19が封入されている。
真空に保たれた電子線発生部1と、高圧の放電ガスが充填された光発生部15との気密は前記電子線透過窓12により保たれている。
【0019】
次に本実施の形態の作用について説明する。
ヒータ電源6により電圧が印加されたヒータ5は発熱し、隣接したカソード3を加熱する。
【0020】
ヒータ5によって加熱されたカソード6は熱電子放出により高エネルギーの電子線を放出する。
一方、カソード6の前面に設けられたはグリッド板7には電子線制御用電源10により正または負の電圧が印加される。
グリッド板7に負の電圧を印加した場合、カソード3からの電子線の放出は抑制される。
【0021】
逆にグリッド板7に0または正の電圧をかけた場合はカソード3から電子線が放出される。
カソード3から放出された電子線8は電子線発生部1の容器2内で電子線加速用電源4により加速され、接地電位にあるアノード11に向かってさらに加速される。
電子線加速用電源4の電圧は、例えば、数十Kv〜100Kv程度が好ましい。
【0022】
電子線加速用電源4の電圧が低くなると、電子線透過窓13を透過する電子線の数とエネルギーが低下する。
逆に、電子線加速用電源4の電圧が高くなりすぎると絶縁が難しくなり、装置が大型で高価になる。特に、電圧が100Kvを超えると絶縁対策は極端に難しくなる。
【0023】
加速された電子線8はアノード11のスリット状開口部12を通って電子線透過窓13を透過し、光発生部15に入射する。
光発生部15の容器16内にはキセノンガスを含む放電ガス19が封入されているため高エネルギーの電子線8はキセノンガス原子と衝突しイオンまたは励起原子を生成する。
【0024】
その後、励起分子生成、電子−イオン再結合などの衝突反応過程を経てエキシマが生成される。
エキシマは非常に短時間で解離し基底状態に戻るが、その過程でエキシマ特有の真空紫外光を発生する。
例えば、キセノンエキシマからの発光は波長173nmの真空紫外光20である。
【0025】
電子線8から真空紫外光20へのエネルギー変換効率は、計算機シミュレーションによると、60%程度の高効率が期待できる。
光発生部15で発生した真空紫外光20は、光透過窓18を通過して外部に取り出される。
【0026】
このようにして発生した真空紫外光20は、有用な化学物質の合成、フロン、PCB、ダイオキシン等の有毒物質の分解、表面処理、新材料創成、殺菌、滅菌等の産業的に多くの分野へ利用される。
【0027】
本実施の形態によれば、電子線発生部1から発生した高エネルギーの電子線8を高圧の放電ガス19中に入射することにより光発生部15でエキシマを生成し、真空紫外光20を発生させるので、電子線8からエキシマ生成を経由した光へのエネルギー変換効率は、60%近い効率が得られる。
【0028】
また、高エネルギーの電子線8の発生効率は、100%近い高効率が実現できることから、電気エネルギーから真空紫外光への変換を数十%と非常に高い効率で行うことができる。
また、エキシマから発生する光は紫外光、特に、希ガスのみの単体ガスや、混合ガスのエキシマから発生する光は、波長200nm以下の真空紫外光となる。
【0029】
図2に、さまざまな化学結合の結合エネルギーを光の波長に換算した値と、同時にキセノンエキシマから発生する光の波長173nmも示す。
図において短波長ほどエネルギーは高いことを示している。
【0030】
図2から分かるように、キセノンエキシマ光はN≡N、C≡C、C=Oを除いたほとんどの化学結合エネルギーより高いエネルギーを持つため、この波長よりも長い波長を持つ化学結合は波長173nmの真空紫外光で結合を直接切ることができることを示しており、ほとんどの結合を切ることができることが分かる。
また、電子線8のパワー密度を高くすることにより、原理的にはより強力(高輝度)な真空紫外光20を発生させることができる。
【0031】
電子線8のパワー密度を高くする際の最大の問題点は、電子線透過窓13の発熱による破壊であるが、本実施の形態ではこの電子線透過窓13にダイヤモンド薄膜を使用することで電子線8のパワー密度を高くすることとができる。
【0032】
電子線透過窓13の材料として使用したダイヤモンドは、強度が高く、原子番号が小さく、熱伝導率が非常に大きいという特徴があり、電子線透過窓13としては非常に優れた性質を持っている。
【0033】
電子線8は電子線透過窓13を透過する時、電子線透過窓13の構成原子中の電子と衝突して散乱され、エネルギーを失っていくため、電子線透過窓13の厚さを薄くし、また、原子番号の小さな物質を使用することにより、電子線8の透過率を高くすることができる。
【0034】
ダイヤモンドは強度が高いため、膜の厚さを薄くすることができ、また、原子番号も6と小さいため電子線8の透過率を高くすることができる。
さらに、電子線透過窓13の形状を、アノード11のスリット状開口部12によりスリット状にすることで、同面積の円形(ピンホール形)の電子線透過窓等と比較して厚さを薄くすることが可能となる。
【0035】
例えば、スリット幅を1mm程度とすると、ダイヤモンド膜の厚さは数μmで十分である。この厚さのダイヤモンド膜に対して電子線8のエネルギーが数十Kvとすると電子線8の透過率は98%以上となる。
【0036】
また、電子線透過窓13を透過する電子線8の密度は、電子線透過窓13での発熱とその冷却能力とのバランスで決まる。
すなわち、電子線透過窓13の冷却能力が高ければより多くの電子線8を通すことが可能となり、紫外光源装置としての出力が増加することとなる。
【0037】
ダイヤモンドは熱伝導率の良いとされる金属と比較しても熱伝導率がさらに一桁程度高いため、アノード11を十分冷やしさえすれば熱伝導により電子線透過窓13の冷却を効率よく行うことができる。
【0038】
そのため、通常の金属薄膜やシリコン薄膜と比較して、1桁以上の電流密度を通過させることができる。
一方、光透過窓18を形成する材料は真空紫外光20が透過する材料であればよく、前記実施の形態で説明したフッ化マグネシウムの他に、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウム、石英、サファイヤ等の材料を用いることもできる。
【0039】
光発生部15の容器16の少なくとも内面に形成されるか、コーティングされ、真空紫外光を反射しやすい材料としてはアルミニウム等が適している。
例えば、アルミニウムは、173nmの真空紫外光に対し、92%以上の反射率を有している。
【0040】
さらに、光発生部15の容器16の内面に、あるいは、内面に真空紫外光を反射する材料をコーティングした上に、真空紫外光を透過する材料をコーティングすることにより容器16の内壁の腐食を防止することができる。
【0041】
特に、光発生部15に封入する放電ガスとして希ガスとハロゲンガスの混合ガスを用いた場合には、反射材としてのアルミニウムは腐食しやすくなるため、腐食防止のためのコーティングが必要となる。
腐食防止のためのコーティング材料としてフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウム等が考えられる。
【0042】
光発生部15に封入する放電ガスは、キセノン、クリプトン、アルゴン、ヘリウム等の希ガス単体でもよく、また、2種類以上の希ガスの混合ガスでもよく、また、希ガスとハロゲンガス(フッ素、塩素、臭素等)の混合ガスでもよい。
キセノン単体ガスを使えば、波長173nmの真空紫外光が得られ、どのガスを使っても基本的には同じである。
【0043】
グリッド板7としては、前記実施の形態の説明においては加速された電子線8がすべて電子線透過窓13を透過するように電子線形状の成型のためのスリット9を設けた金属板を用いた場合を説明したが、メッシュ状のものを用いることもできる。
【0044】
また、電子放出源としてのカソード3前面にグリッド板7を設置し、電子線制御用電源10によりカソード3からの電子線の放出をオン・オフ制御することで光発生部15に入射する電子線8のパルス幅を狭くし、発生する真空紫外光20のパルス幅を100ナノ秒以下にまで狭くすることができる。
【0045】
図3に、電子線出力をパルス制御することにより前記光発生部から発生する真空紫外光をパルス的に発生するさせるパルス制御を行った場合のカソードに対するグリッド板印加電圧Vの様子を示す。
【0046】
図3において、タイミングAがグリッド板7に電圧を印加した場合、タイミングBがグリッド板7に電圧を印加しない場合で、タイミングAの場合のみ真空紫外光をパルス的に放出することができる。
【0047】
また、電子線発生部の構成は、前記実施の形態で説明した熱電子発生を利用した手段以外にも、多くの手段が考えられる。
例えば、プラズマを利用して電子を発生させるプラズマ電子源もその一つの手段である。その他、電子を発生して加速できればどのような手段でもよい。
【0048】
図4は、アノードへの電子線透過窓の取り付け方の一例を示す図である。
図4において、11はアノード、12はアノード11のほぼ中心部に形成されたスリット状開口部、21はシリコン基板でほぼ中心部に前記アノード11のスリット状開口部12に対応させてエッチングなどで幅1mm程度のスリット孔22を形成している。
【0049】
シリコン基板21のアノード11に面する表面にはアノード11を構成する例えば銅などの材料となじみの良い金属(例えば銅、銀、金等)23を蒸着して、この金属23を介してシリコン基板21がアノード11にロー付けされている。
24は電子線透過窓13を構成するダイヤモンド膜で、厚さは数μm程度である。
【0050】
また、アノード11には水冷部25が形成され、冷却されている。
アノード11へのシリコン基板21の取り付け方としては、図5に示すように、金等の軟らかい金属の薄膜26を挟んで押え金具27とねじ28等で機械的に固定してもよい。
【0051】
このようにすることにより、アノード11にダイヤモンド薄膜24を簡単に取り付けることができ、電子線透過窓13を構成することができる。
また、シリコン基板21の厚さはダイヤモンド薄膜24に比べ十分厚い(数十倍以上)ため熱伝導の妨げにはほとんどならない。
【0052】
図6は本発明の変形例を示す図で、光発生部15の容器16の形状を、前記第1の実施の形態で示した矩形箱型から円錐箱型にしている。
このようにすることにより、容器16内で発生した真空紫外光20を少ない反射で外部に取り出すことができる。もちろん円錐形状の代わりに三角錐、四角錘等の多角錘にしてもよい。
【0053】
さらに図7に示すように、電子線発生部1の容器2の先端を開口させ、電子線透過窓13を取り付けたアノード11を、光発生部15の容器16の外面に取り付けるようにしてもよく、場合によっては容器16の内面に取り付けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の第1の実施の形態による紫外光源装置の断面図。
【図2】さまざまな化学結合の結合エネルギーを光の波長に換算して表した説明図。
【図3】本発明における電子線発生部のカソードに対してグリッド板にかけるパルス電圧の一例を示す説明図。
【図4】本発明におけるアノードへの電子線透過窓の取り付け方の一例を示す断面図。
【図5】本発明におけるアノードへの電子線透過窓の取り付け方の別の一例を示す断面図。
【図6】本発明の変形例を示す断面図。
【図7】本発明の別の変形例を示す断面図。
【図8】従来のエキシマランプを示す断面図。
【符号の説明】
【0055】
1…電子線発生部、2…電子線発生部の容器、3…カソード、4…電子線加速用電源、5…ヒータ、6…ヒータ電源、7…グリッド板、8…電子線、9…スリット、10…電子線制御用電源、11…アノード、12…スリット状開口部、13…電子線透過窓、14…開口部、15…光発生部、16…光発生部の容器、17…開口部、18…光透過窓、19…放電ガス、20…真空紫外光、21…シリコン基板、22…スリット孔、23…金属、24…ダイヤモンド膜、25…水冷部、26…金属膜、27…押え金具、28…ねじ。




 

 


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