低電カマイクロ波で生成 された小型無電極放電 ランプの発光特性

低電カマイクロ波で生成 された小型無電極放電 ランプの発光特性

志藤雅也^*、仲村竜弥^**、芹 田卓也^***、神藤正士^*

(2003年^{12月 15日} 受理)

Radiation Property from Small-scale Electrodeless Discharge Lamp driven by Low Microwave Power

Masaya SHIDO*, Tatsuya NAKAMURA**, Takuya SERITA***, and Masashi KANDO*

(Received December 15.2003 )

Abstract

The elecfodeless high intensity discharge lamps operated by microwave power has been expected as next generation lamps since they have excellent properties such as long-life, high efficiency and environmental friend. In the present work, a high-presswe microwave discharge in small-size quartz chamber was examined using the slot launchers equipped at the top of a coaxial waveguide where a low-power microwave launched by the magnetron with2.45 GHz is applied for the lamp ignition. It is irnportant to suppress the microwave leakage from the discharge chamber for the practical use of the present lamp. It was found in the present study that the discharge could be sustained by the microwave power of ¹⁰ - ^{30 W even at} afinospheric pressure of argon and/or xenon gases, where the microwave leakage from the discharge chamber was much lower than the warning level in the case that the slot is opened at the most suitable position on the launcher of the coaxial waveguide. This feature can be explained in such a way that the microwave is effectively absorbed by the high-pressure gases in the discharge lamps to produce high-density plasmas, which contributes to suppress the microwave leakage from the lamp. A small amount of additives such as metal iodides was included in the discharge lamps to improve the lamp efficacy. As a consequence, the lamp efficiency of 38.8 lmAV was accomplished. The increase in lamp efficiency is originated from fight emission in the visible region frorr Sc and Na atoms produced by vaporized additives in the discharge lamp. However, the lamp efficiency still remains smaller than that for the practical use because the lamp wall temperature is not so high to keep the vapor pressure from additives high enough to improve the lamp efficiency. The new design for the launcher and coaxial-rectangular waveguide converter with low power loss have been taken into account to improve the discharge of the lamp.

1.は じめに      1

高輝度放電 ランプ(High lntensity Discharge Lamp)はHDラ ^ン

プと略称 され、現在 まで照明用の高圧水銀 ランプ、高圧ナ トリ ウムランプ、メタルハライ ドランプ、特殊用途のキセノンラン プや超高圧水銀 ランプなどが実用化 されている。HIDラ ンプ は、高光束、高効率、高輝度である上、寿命が15000時間以上 と 長いため、省電力 と省力化が可能であ り、屋外照明や天丼照明 用の投光器や道路灯 など、広い分野 に多 く使 われるようになっ ている。¹⁾

開発当初 に実用化 において主流であった高圧水銀 ランプは、

青色 を発する水銀の線スペ ク トルが強 く発光するため、色度、

効率、演色性等の性能が十分ではなかった。 このため、メタル ハ ライ ドと呼ばれる金属ハログン化物 をこのランプに添加する ことによリランプ効率 と演色性 を改善 したメタルハ ライ ドラン プや、水銀の蒸気圧 を数10気圧 に高めて線スペク トルに広が り

*  静 岡大学大学 院電子 科学研 究科 、電子材料科 学専 攻 エ ネルギー変 換 講座

Graduate school of Electronic Science and Technology,Shizuoka U面versity,

Johoku 3‑5‑1,Hamamatsu 432‑8011,Japan

** 静 岡大学大学 院理工 学研 究科 、電気 ・電子工学専攻 Graduate School of Science and Engineering,Shizuoka U壷versity, Johoku 3‑5‐1,Hamamatsu 432‑8561,Japan

***的_{小 糸製作所} 研 究所

Research and Development Department,Koito Manufacturing Co.Ltd., Shimizukitawaki 500,Shizuoka 424‑8764,Japan

を持たせて演色性 を改良 した超高圧水銀 ランプが開発 された。

良 く知 られているように、道路照明には演色性 を犠牲 に してラ ンプ効率 を高め寿命 を長 くした低圧ナ トリウムランプが使われ て きた。 しか し、これは橙色の特異な色度であるため、他の用 途 には適 さずあま り普及 していない。近年では、低電力で動作 する小型のメタルハ ライ ドランプが開発 されたが、 これは上記 のHDランプの優れた特性 を引 き継いでお り、店舗照明用、自 動車照明用、液晶プロジェクター用 など、新たな用途が開けて

きている。

既存のHDラ ンプを小型化 して低電力で点灯 しただけでは、

放電 ランプの発光のほとんど全てを担 う陽光柱が短 くな り、 ま た、電極や放電管か らの熱損失が増大する上 に放電管内の不純 物 ガスの比率が増 える等の障害が生 じるため、ランプ効率の低 下 を免れることはで きない。 したがって、高効率の低電力動作 のコンパ ク トなHIDランプを実現する為、放電管形状の最適化 や放電管内部で使われる諸部品か らの脱ガス技術 などの改善が 図 られて きた。 さらに、点灯器などのランプ周辺部品 も電子化 による小型化が実現 され、HIDランプの小型化のみならず瞬時 点灯、再点灯 などの実用性・利便性 も著 しく改善 されている。

この結果、近年登場 した小型メタルハライ ドランプは、これま で困難視 されていた自動車照明用 ランプとしての利用 を可能 と するに至っている。 これ らのランプの特性 はECE法規^2)で標準 化 されてお り、管電力35Wで光東^3200 hnと、低電力 にも関わ らず約100 hn/Wの発光効率 と、5500 cd/cm2の 高輝度 を得て いる。

ここで、HDラ ンプの中で も進歩の著 しいメタルハ ライ ドラ ンプに関わる最近の技術開発状況に関 して触れる。ランプに添 加 される化学物質の改良 と放電管材料の改善が進展 したことに よリランプ性能の改良が進み、数十ワットか ら数キロワットま での広いランプ出力範囲のメタルハライ ドランプが開発 され、

種々の照明用光源 に利用 されている。

従来のHDランプでは放電管に一対の電極が取 り付 けられて いる。放電ランプでは、ランプ特性の改善が電極 によって制限 されることが多い。 このため、最近では無電極HDランプめの 開発が積極的に進め られて きている。無電極HDランプは、無 電極であることにより以下のような優れた特徴 を引 き出すこと がで きる。

(1)電 極 と反応するため添加で きなかった種々の化学物質を 利用で きるため、高演色性 と高効率化が期待 される。

(2)電 極 による熱損失が無 くなるため、高効率が可能 とな る。

(3)放電管の構造が著 しく単純化 され、製造 コス トを軽減で きる。

(4)電 極金属の蒸発 によるランプ壁の黒化が解消 され、ラン プの長寿命化 と高効率化が可能 となる。

(5)電 極―ガラス間のシールの問題がな くな り、長寿命化が 可能 となる。

無電極HDランプではこれらの特徴 を生かすことにより、従 来のHDランプに比較 して更に高効率、長寿命で、かつ環境 に 配慮 した理想的な光源 を実現で きる可能性がある。

電極のあるHDラ ンプでは、熱電子放出などにより電極か ら 供給 された電子が直流 または交流の電界 により加速 されて中性 粒子 と電離衝突 を行 って電離が進む。管壁への両極性拡散や再 結合などの損失 よリプラズマの生成の方が多い場合に放電が維 持 される。 このように、電極は放電の発生 と維持 にとって欠 く

ことはできない。無電極HDランプでは、電極の代わ りに放電 管の外部 に設けたアンテナを介 してマイクロ波や高周波の電力 をランプ内の封入ガスに給電する。HIDランプのガス圧は、数 kPa以 上の高圧であるため、電子の衝突周波数は電磁波の周波数 に比べて著 しく高 く、小型ランプで も電磁波のエネルギーは放 電 に効率 よく吸収 される。 ランプ内部の電磁波電界強度 を局所 的に高める工夫 を施 してやれば、無電極で も高周波やマイクロ 波 によ り放電の維持が可能 となる。

電磁波電力の放電管内への給電方法 には、次の 3つ の方法が 実用化 されている。1)放電管の外部に取 り付 けられた電極 に高 周波 を静電的に印加 して電子 を加速する静電結合方式。^2)放電 管 にコイルを巻いて高周波電流 を流 し、放電管内に誘導電界 を 発生 させて放電 を維持する誘導結合方式。3)アンテナにより放 電管内に電磁波 を注入 してプラズマを発生 させる電磁波結合方 式。1)静電結合方式 と^2)誘導結合方式 に関 しては、既に無電極 蛍光 ランプとして商品化 されているがいずれ も輝度が低 く、今 後高輝度化 に向けた研究開発が必要 となる。

前述の ようにHDラ ンプは一般 に放電管内のガス圧が高いた め、放電の開始や維持のために外部磁場の効果を利用すること はで きない。このため、3)の電磁波結合方式は、全て無磁場で 行わなければならない。 これには後述のようにスロッ トアンテ ナ を用いた表面波励起 プラズマが有効であるが、 これ以外 に も、空洞共振器や放物面鏡 を利用 して高周波電界 を狭い空間に 局所的に集めて、低電力の高周波電力で も強い電界 を発生 させ る放電方法が使われる。 しか し、いずれの方法 も、

(1)ラ ンプか らの電磁波 リークの防止 と放射光の取 り出 しを 両立することが難 しい

(2)点 灯装置が複雑化 し高価 となる。

などの未解決の問題があ り、低電力のHIDランプヘの実用化は まだ実現 していない。

表面波励起プラズマのは、^0。l Pa台の低気圧から大気圧以上の 高気圧 まで広い封入ガス圧力 に対 して高周波か らマイクロ波 に わたる広い周波数の電磁波力鴻J用でき、更に、^0。511mから15 cm までの広い範囲の管径の放電管 に対 して無磁場で高密度のプラ ズマを生成で きるため、無電極HDランプヘの応用 に最 も適 し てい る と考 え られ る。表面波 プラズマの研 究^5)はこれ まで Moisan等 により行われてきたが、主に長尺の細い放電管内の円 筒状表面波 プラズマの研究 に限 られている。 また、放電管 とプ ラズマ表面の境界 を電磁波がプラズマを生成 しなが ら伝搬する ため、放射 と同時に電磁波が放射 されるという問題がある。ま た、長い放電管では発光面が広 くなり輝度が低 くなる。ので、長 尺の円筒状表面波 プラズマは無電極HDランプに応用すること は困難であった。

本研究は、これ らの欠点を解消するために小型の高気圧放電 管に表面波励起プラズマの生成機構 を応用することにより無電 極HDランプを開発するための基礎実験である。この結果、放 電点灯用のランチャーに工夫 を加えて低電力のマイクロ波 によ

り小型放電 ラ ンプを点灯することが可能 となった。本論文で は、励起子(ランチャー)と放電形態の関係およびランプか らの 発光特性 に関 して得 られた成果つのを報告する。

2.実 験装置

本研究では、マグネ トロンか らの2.45 GIIzマイクロ波 を用い て、小型で高圧力の放電管 を点灯する方法の確立を目的 とし、

図 1に 示す実験装置を組み立てて実験 を行 った。マグネ トロン で発振 されたマイクロ波は、矩形導波管内をTEC11モー ドで伝搬 し、同軸導波管一矩形導波管変換器で珈 モー ドに変換 されて 先端部 に放電管 を装備 した同軸導波管に給電 される。ス リース タブチューナー と矩形導波管終端部に置かれた可動短絡板は、

負荷への給電 を最大 にするための整合用素子である。マグネ ト ロンの出力は最低で も200W程度であ り、本研究が対象 とする

20W級の低電カマイクロ波に比 して過大であるために、マイク ロ波回路には15 dBの減衰器が挿入 されている。同軸導波管の先 端部 に励起子 を設置 し、図のように放電管 を取 り付けて放電実 験 を行 った。なお、同軸導波管で生 じるジュール損失の大 きさ は、その外部導体内径 と内部導体外径の比 に依存するが、本実 験ではこの損失が最小 となる比 ■1に 設定 している。

Pwermonlb(W)

Fig.1 Schematic diagram of micmwave circuit

図 2に 励起子の拡大図を示す。励起子は同軸導波管の先端部 に設けた幅l IImの円環状スロッ トで構成 されている。図 3に 励起子の動作原理 を示す。矩形導波管のH面か ら同軸導波管先 端部 までの長 さは、同軸導波管の先端部のスロッ トにマイクロ 波の節が合致す る長 さに設計 されている。これによリスロット を横切る方向に強い高周波電流が流れて、その上部に設置 され た放電管内部 に強いマイクロ波電界が誘起 されるため、容易に 放電 を開始することがで きる。励起子 に発生するマイクロ波電 界はスロッ トの半径方向の位置に依存 し、放電特性 にも大 きな 影響 を与 えると考えられる。この影響 を調べるために、本研究 では、図 4に 示す ように、スロッ トに切 られている位置の相違 による3種類の励起子 を用意 した。いずれ もスロット幅はl nIIIl

であるが、ここでは、スロットが同軸導波管の外側 に近い もの か ら順 にスロッ トA、ス ロ ッ トB、スロ ッ トCと呼ぶ ことに

する。

スロッ ト内でのマイクロ波の電界が強い場合には、大気放電 の可能性がある。これを抑 えるとともに同軸導波管の内部導体 の位置 を中心に維持するために、それぞれのスロットに厚 さ^1.5

111nlの石英スペーサを用意 した。この様子 を図5に 示す。なお、

10Wのマイクロ波電力ではスロット間の大気放電は生 じないこ とが半J明したため、後半の実験ではスペーサ無 しで実験 を行 つ た。

本研究では、希 ガスの基礎的な放電状態 を調べ る目的で、放 電管内に希 ガスを流 しなが ら放電 を行 うガスフロータイプ放電 管 と、実際の無電極放電 ランプ同様 に希ガス と金属沃化物 を封 じ切 つた放電管の2種類の放電管 を用いている。図 6は 、ガス フロータイプ放電管の形状である。放電管は無水石英ガラスで 作製 され、放電部の高 さお よび内径 は7 111nlである。放電管内 に高圧でアルゴンまたはキセノンを流 し、励起子上で放電 を発

Fig.2 Launcher for discharge lamp ignition

λr4

(30.5mm)

→ High iequency current

■■可>MicrOwave e:eclHc neld

Fig.3 Details ofthe launcher

フロータイプ放電管の仕様 を示す。図7

3mm

S:otA Slot B

Fig.4 Cross section oflauncher A,B and C

12mm         12mm      12mm SlotA         s10t B      SiOt C

Fig.5 Cross sec■o■of discharge lamp,quartz spacer alld launcher AJ141X■21cm

TEor mode

-.+

14λg

}Dlscharge lamp

1Omm

Fig. 6 Schematic diagram of "gas-flow type" discharge lamp

は、封 じ切 リタイプ放電管の形状である。 放電部の高 さ違いに より、タイプAと タイプBの2種類の放電管 を作製 した。表² に封 じ切 リタイプの放電管の仕様 を示す。この表のガス圧は封 じ切 り時に印加 した放電開始前の圧力である。光色の改善 と発 光強度 を高めるために放電管 に添加する金属沃化物 は、一般照 明用 HIDラ ンプの中で も特に高効率が要求される用途に多 く使 われている、沃化ナ トリウムと沃化スカンジウムの混合物 を使 用 した。

これ らの放電管は市販の放電管 とほぼ同 じ材料 を使 つて、ほ ぼ同 じ製造工程で製作 されている。放電管材料 としては、Si02 の含有量力つ9.99%以 上でoH含有量が100 ppm以 下の無水石英 ガラスを使用 した。 さらに、OH含有量 を数ppm以下 に減 らす

ため、lo50℃で1時 間の真空熱処理 を行 つている。石英ガラス

放電管 をアル ゴンの グローブボ ックス内で高純度 アル ゴンを 使 って洗浄 した後、キセノンまたはアルゴンと金属沃化物 を封 入 し、その後、バーナーで放電管の上部ガラスを封 じ切る。一 般 に放電 ランプは封入物質が酸素や水分などの不純物の影響 を 受けて変質 しやす く、酸素や水分の影響で発光効率の低下や管 壁の黒化 と失透 を起 しやすいが、この封 じきリタイプの放電管 においては、これ らの不純物はほぼ市販の放電ランプ以下に抑 えられている。

無電極放電 ランプの評価 においては「消費電力lWあた りのラ ンプから光束」として定義 されるランプ効率(h/W)と色度が重 要であるため、全光束 と分光分布 の測定が求め られる。 しか し、全光東F(hn)の測定には積分球(光束球 とも呼ばれる)カテ」用 されるが、実験設備が煩雑 とな り容易ではない。本実験では、

10mm

Type A

10mm

Type B

Fig.7 Schematic diagram of "gas-flow type" discharge lamp

Table 1 Specification of "gas-flow type" discharge lamp

her diameter 7m Height」chamber 7m

Vol―e 270 mm3

Gas Ar

Gas pressure 55trr‑760brr

Wa■ load at 20W 8.7W/cm2

彎 PA・¹ Ъ^{pA・ 2} STeB‐¹ Ъ

「

B‐2

比 最htofcllambc Vollme

Wa■lmdatttW &7W/m2

Ar Gas 1■ bロ 3Xl肺 19bぼ

鈍 26mg

照度計 を用いた簡易的な測定法を用いて、Fの 概算値 を算出する ことにした。図 8に 照度の測定方法 を示す。光源の直径の10倍 以上離れた位置 d(m)で は、ここで用いた小型ランプは均等点光 源 と近似で きる。このため、放電から50 cmの 位置に照度計 を設 置 して照度^E(破)を測定 し、式(1)および(2)よ り全光東 Fと 輝 度 L(cd/m2)を 算出 した。

F=ィπ′E   (1) L=EJ2/A   (2)

ここで、A(m2)は 放電管の断面積である。

放電管からの発光スペク トルの測定は分光器(Ocean Optics hc.S2000)を 用いて行つた。 この分光器は350111nか ら10oo nIII

の範囲において、^0。27 nlnの波長分解能 を持つ。なお、分光器の 校正は、発光スペク トル分布が既知の500W標準 白熱電球 を使 用 して行 った。

マイクロ波電力は、図 1に 示 したパ ワーモニターにより入射 電力 と反射電力 とに分離 して測定 し、両者の差が20Wになるよ うにマイクロ波発振器出力 を調整 した。本実験 における反射電 力は、入射電力のお よそ2%であった。

無電極放電 ランプをマイクロ波電力で点灯する場合、マイク ロ波の リークが問題 となる。このため、図 9に 示す方法でマイ クロ波 リークの測定 を行 った。放電管か ら6cm離れた位置で リークデイテクタ(ミ クロ電子社製 LD10M)の測定子の向 きを 変化 させて、最大の測定値 を放電管か らのマイクロ波 リーク量 として記録 した。

3.実_{験結果及び考察}

3.1 ガスフロータイプ放電管の特性

アルゴンガスを流 したガスフロータイプ放電管において、マ イクロ波入射電力 をlo wか ら30Wまで変化 させて放電の様子 を調べた。図10に入射電力10Wにおける放電の観察結果 を示 す。スロット位置が外側 にある(スロットA)ほ ど放電は起 こりや す く、スロ ッ トAとスロ ツ トBにおいては、55 Torrか ら760 Torrの圧力範囲でプラズマが励起 されることが分かつた。放電 モー ドは低気圧ではグロー状であ り、放電は放電管取 り付け管 のある最上部にまで拡がっているが、圧力がお よそ200 Tor以 上 になると放電はフイラメン ト状 に変化 し、かつ放電は放電管 内に留 まるようになったが、ほぼ大気圧 においても、安定 した

Lurn:nanoe rneter

Fig。8 Schematic diagram ofillulmation lneasllrement Table 2 Specification of "sealed type" discharge lamp

放電 が得 られ るこ とが判 った。発光色 は、低気圧 で はアル ゴ ン 原子 か らの発光 であ る赤色(696.5nm、 706 7 nm)で あ ったが、高 気圧 になる につ れて青色(415 9 nm、 419.8 nm、420.O nm)に 変化 した。 この変化 は、 プラズマ内の電子温度 の変化 を反映 してい る と思 われ る。

図11に各 々のス ロ ッ トにおいて、封 入圧力 を変 えた場 合のマ イクロ波 リー ク電力 を示す。いずれ も、測定子 を管軸方向 と方 位 角 方 向 に移動 させ なが ら、 それが指 示 す る最 大値 を記 録 し た。人体 に対す る警告値 は2mW/cm2〜 5mW/cm2の範 囲であ り、5mW/cm2以上が危険値 である。スロ ッ トAの場 合、低気 圧 で危険値 を上 回つている場合があ るが、圧力の増加 とともに リー ク電力 は減少 した。圧力の増加 に伴 つて リー ク電力が減少 す るの は、生成 され るプ ラズマの密 度が遮断密度以上 であ る こ とに よる もの と考 え られる。す なわち、高気圧マ イクロ波放電 で は、電子 の中性原子 との衝突頻度が高 く高密度 プラズマで も 表皮厚 が増す ので、マ イクロ波 が プ ラズマ内部 に侵 入 で きるた め に高密度 プラズマが生成 されやす くなっている もの と考 え ら れ る。

3.2 封 じ切 リタイプ放電管の特性

放 電管形状 、封 入 ガス圧 、封 入物 の異 なる タイプA‑1、 A―

Microwave leakage detector

Fig. 9 Schematic diagram for microwave leakage measurement

Fig。10 Dischargc modes using slot A,B and C as a function of Argon prcssure

2、B‑1、B‑2の 4種類 の放 電 管 を用 いて、マ イ クロ波 入射 電 力 を20W一定 に して点灯実験 を行 った。表2はそれ らの仕様 で あ る。 いず れの点灯実験 において も、 ガス フロー タイプの放電 管 の点灯実験 で一番安定 な放電が得 られたス ロ ッ トAを使 用 し た。実験結果 の代表 的な結果 を表3に示す。 また、表3の内、

A‑1とB‑2における発光の様子 を図12に示す。いずれの放電管 にお い て も石 英 スペ ーサ の あ る場 合 と無 い場 合 とを比較 す る と、スペ ーサが無 い方が よ り明 るい発光が得 られた。 これはス ペ ーサが無 い方が放電管 とランチ ャー との結合が良いため と考 え られ る。 これ ら実験 で発光効率 と輝度 が最 も高 か ったの は タ イプB‑2放電管 の38.81m/Wお よび220.5cd/cm2でぁ る。無 電極HIDラ ンプの発光効率 と輝度の 目標値 は自動車照明用小型 メ タルハ ライ ドラ ンプの実力値 である1001m/W、 5500cd/cm2 であるが、今回の実験結果 はこの 目標値 に対 し、発光効率で約¹ /3、輝 度 で約1/30に留 まってお り実用化 レベ ル には到達 して

+ incidentpower: 10W

+ incident power: 20W

r incident power: 30W

300  400  500  600  700  800 Pressure cbrrl

1

0

+ incident power: 10W

+- _incident power: 20W

I incident power: 30W

Siot B Jく(

\.:1.==.-l--.-=-1.---.'.--r=-i

100  200  300  400  500  600 Pressure cbrl

+ _incident power: 10W

+- _incident power: 20W

I _incident power: _30\N

Slot C

00 100

Pressure f[on)

Fig.ll ^{Microwave leakage as a function of Argon pressure for the}

slotA, B and C

Table 3 Experimental result of "sealed type" discharge lamp

1ヽ日^pe

Spacer

Illumhation

^-^

'lhfal lumrnous ilu (Calculated)

(CalcJa∞dl 剛型 型 上抒 吻

(C迅cuntedl 0 10ctVcm2 1 6 73c」 cm2

ＣＦｏ３＞Ｅ︶ΦＯｙｏ⊇①＞０３ｏＬ２ΣＣＥｏゝ＞Ｅ︶Φｏωｙｏ聖Φ＞≧０﹂︐ ΣＣＥｏヽ＞∈︶Φｏｏｙｏ聖Φ＞０３ｏ﹂

︐ Σ

10 09 08 07 05 04

0 0 0

¨回 100  1  200

￨

400 500

Siot A

Siot B

日

□ 日 皿

S:ot C

い ない。

図13に、本 ランプの発光 スペ ク トル分布 を示す。Na原子 か ら のスペ ク トル とsc原子 か らの多数 のスペ ク トルが見 られるが、

一般 のHIDランプで見 られるようなNaのスペ ク トルの 自己吸

1又やScの幅の広 いスペ ク トルは観測 されていない。図14は熱電 対 に よ り測定 した放電管上部 の管壁温度の点灯 開始後の時間変 化であ るが、700℃程度 に留 まっているこ とが分かる。表4は放 電管 の管壁温度 と管 内の ガス圧 と関係 を示す。 この表 か ら添加 物 が発光 して発光効率が改善 されるようになるには、100o℃程 度 の管壁温度 が必 要であ る こ とが わか る。 したが って、発光効 率 が上 が らない理 由の一つ と して、管壁温度の不足が考 え られ る。

4.結論

我 々は小 型 で高輝度の無電極マ イクロ波放電 ランプの実用化 を目指す研究 を行 っている。その後の研究 において表面波励起 プラズマの プラズマ生成法 を応用することによ り、数10Wの低 電力 のマ イクロ波 で大気圧 の高気圧放電 ランプの点灯が可能で あ る こ とが明 らか にされた。 また、マ イクロ波放電で常 に問題 となる放電管か らのマ イクロ波 の漏洩 は、ス ロ ッ トの位置 を最 適化 す る こ とで十分 に抑制で きることが確 かめ られた。 これ よ り、 この プ ラズマ励起方法 は無電極放電 ラ ンプヘ の応用 に最適

Fig.l2 Observation of discharge for "sealed type" dischargre lamp

Sealed discharge lamp Type A-1 with spacer

12 10 8 6 4 2

0 400 500 600 700 800 900 1000 Wavdength(nm)

Sealed discharge lamp Type A-1 without spacer

である と考 え られる。

上記の結果 を踏 まえて、本方式の ランプの実用化 を念頭 に し て、可視領域 の発光強度 を高めるため に微量 の金属沃化物 を封 入 して封 じ切 りを した無電極放電 ランプで点灯実験 をお こなっ た。その結果、点灯 は可能で も発光効率が最高で38.81m/Wに 留 まるこ とが明 らか になった。 これは、放電管の管壁温度 を十 分 に高 め られ なか ったため に添加物 の蒸気圧 を十分 に高めるこ とが で きず 、発光効率が実用化 レベ ルに到達 で きない ことが明 らか になった。

この問題へ の対策 と して、断熱性 や保 温性 を考慮 した ラ ン チ ヤーや放電管の設計 の見直 しを行 うことによ リランプの管壁 温度 の向上 を図 る と共 に、マ イクロ波損失 の少 ない新型 の同軸

―矩形導波管変換部の製作 を予定 している。 また、 これ に関連 して、第3章で述べ た ように、 ランチ ャーの長 さお よびラ ンプ の ラ ンチ ャーヘの取 り付 け方 も放電モー ドに敏感 に影響 してい るこ とが半Jってお り、 これ らに関 して最適 な条件 を探 す ことに よ リラ ンプの発光効率の向上 を図る。 また、スペ ク トル分布や

Sealed discharge lamp Type A-1 with spacer 800

700 600 500 400 300 200 100 0

200   300   400   500   600 丁ime(second)

Sealed discharge lamp Type A-1 without spacer

600 500 400 300 200 100

00 100 200 300 400 500 600

Time (second)

Fig.14 Wall temperature at the top of "sealed type" discharge lamp

Table 3 Pressure of "sealed type" discharge lamp theoretically calculated

Ъ^peA‐1 ЪpeA‐2

魃Ю 博「

1

0 0

1

0 300

1 1

一

３ １ 一３

９７一

3 3

7 977

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Na(589,589 6nm)

Sc

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12 10 8 6 4 2

0 400 500 600 700 800 900 1000 Wavdength(nm)

Fig。13 Spectl■lrn distribution of thc light clnission from scaled typc"

dischargc lamp

,/ Incident power : 20W Total luminous flux : 0.7 lm

嫡 管:A‑1 放電管:B‑2

Incident power : 20W

Total luminous flux : 41.5 lm

／岬^,589 6nm)

Sc

―

光束 の測定精度 の改善 、電子温度や プラズマ密度、放射光 のス ペ ク トル分布 な どの測定 を行 ってプラズマの状態 を把握 し、 ラ

ンプ効率 の向上 に役立 てる予定である。

参考文献

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初 ^raИJげG″^‐Dお

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