USHIO

光技術情報誌「ライトエッジ」No.29(2007年8月発行)

2006.10 第21回光源物性とその応用研究会

アンテナ励起型小型マイクロ波放電ランプの
電磁界分布とランプインピーダンス
Lamp impedance and electromagnetic field distribution in compact antenna excited microwave discharge lamps

深谷拓司* 溝尻貴文、神藤正士(静岡大学)
Takuji Fukaya*, Takafumi Mizojiri, Masashi Kando, (Shizuoka University)

When conventional compact metal halide lamps are ignited by 2.45 GHz microwave using the electrodes as a couple of the antenna, the lamp efficacy was much higher than that of the lamp ignited by AC electric power. This can be caused by the positive effect of the antenna on microwave power supply into the lamp. In the present work, electromagnetic field in the lamp and microwave launcher has been numerically analyzed by the finite element method. As a result, the lamp impedance, which is obtained through the electromagnetic field analysis can be related with plasma density and effective gas pressure.

キーワード:アンテナ効果, 電極現象, 有限要素法, プラズマ柱,ランプインピーダンス, インピーダンスマッチング. (antenna effect, electrode phenomena, finite element method, plasma column, lamp impedance, impedance matching.)

1. はじめに

高い発光効率と寿命の長いランプは、エネルギー節約の観点から、その重要性が増している。近年、アルミナもしくはサファイアをランプ容器材料に用いたセラミックメタルハライドランプ[1]はこの要請を満たすものとして注目を集め、利用範囲が拡大し出荷量も増大している。

私達は、既存の自動車の前照灯用小型メタルハライドランプランプ(D2)の点灯用の2本の電極をアンテナと見立てて2.45GHzマイクロ波による点灯を試み、これまで以上に優れたランプ特性が得られることを実験[2]により確かめている。この点灯方式はアンテナ効果を利用して点灯することから、以後、「アンテナ励起型マイクロ波放電」と称することとする。この放電方式の特徴は、これまでの電極現象が必須条件となる交流・高周波放電と相違して、アンテナ効果を利用してランプ中心部にマイクロ波電力を直接投入することにあり、小型の高気圧封入ランプの点灯に最適な点灯方式と考えられる。本報告では、始めにこれまで得られている実験結果の要約を述べ、次いで、上記の仮説を確かめるために行っているランプおよびマイクロ波ランチャー部の電磁波伝搬特性の有限要素法による数値解析について述べ、回路論的な視点で、高効率点灯の得られる理由について触れる。

2. 実験結果の要約

2-1 試験用D2ランプの特性

実験に用いたD2ランプの形状と仕様を、図1および表1 に示す。このランプは、車では交流の300Hz、35Wで点灯されており、発光効率はおよそ100lm/Wである。これに相当するマイクロ波電力で点灯するには、マグネトロン発振器では出力が大きすぎるため、本研究では発振周波数と出力の安定性が優れている固体マイクロ波発振器(島田理化、ESS-2450S-1A)を用いた。ランプの点灯を容易にするために、マイクロ波の波長の1/4の長さの同軸型マイクロ波ランチャーを用意し、その先端部にD2ランプを垂直に立てた状態で点灯実験を行った。図示のようにD2ランプには石英でカバーされた2本の電極が4mmの間隔をもって対抗して設置されている。マイクロ波ランチャーの上部に出ている電極の長さ22mmは、石英管内を伝搬するマイクロ波波長のほぼ1/4に相当する。D2ランプに封入されているガスは5気圧のキセノンであるが、添加物として、HgとNaI+ScI3がそれぞれ0.5mg封じてあり、点灯時のランプ内ガス圧は、およそ20気圧に達する。

図1. 試験用D2ランプの形状
Fig. 1. Structure of D2 lamp for the experiment.

表1. D2ランプの仕様
Table. 1. Specification of D2 lamp

2-2 ランプ特性

始めに、定常マイクロ波で点灯したときの、全光束F(lm)と発光効率η(lm/W)のマイクロ波入射電力との関係を図2に示す。これらのパラメータは、ランプから50cm離れた位置で測定した照度より、均一点光源を仮定して近似的に算出している。なお、平均演色評価数は50W以上では80となり色度座標xとyはそれぞれ0.3~0.45程度であった。図2から、光束はマイクロ波入射電力に比例すること、発光効率は40W以上で135lm/Wであることが分かる。

次に、発光効率を向上させるために、マイクロ波パルスによる点灯実験を行った。パルス周波数は5kHz~50kHzまで変化させ、またデユーテイ比:33.3%、50%および66.7%で行った。図3に示すように、30kHz、66.7%のとき、発光効率は最大値195lm/Wを記録した。図4は、アンテナギャップ間に形成されるプラズマ柱を示す。プラズマ柱の高さは3~4mm、直径は1.0~1.5mm程度であった。パルス点灯の場合しばしばプラズマ柱の湾曲が観測された。

最後に、発光効率に大きな影響を与えるランプ壁温度をサーモビューア(日本アビオニクス,TVS-700)により測定した結果を図5に示す。ここでは、プラズマからの放射による影響を避けるためにランプ消灯直後に測定を行っている。ランプ内壁で900ºC、外壁では700ºC程度であり、交流点灯のメタルハライドランプのそれと比較して100ºC以上低いことが分かる。

紙面の都合で詳細な説明は省くが、ランプへの入射マイクロ波電力のランプ内での流れを熱伝導方程式を用いて計算したところ、可視光への変換が47%、熱放射が29%、マイクロ波ランチャーへの熱伝導損失が13.5%、対流による損失が10.5%であった。可視光への変換が大きく熱輻射および熱伝導損失が少ない理由は、図4に示されるように、電極がアンテナとして動作することにより直接ランプ中心部に供給されたマイクロ波がプラズマ柱を容器壁から離れて形成すること、によるものと考えられる。

図2. マイクロ波入射電力と発光効率ηおよび全光束Fの関係(定常マイクロ波による点灯)
Fig. 2. Incident microwave power versus Lamp efficacy η and luminous flux F ignited by cw microwave power.

図3. マイクロ波パルス点灯点灯時の発光効率ηとマイクロ波入射電力Pの関係
Fig. 3. Lamp efficacy versus microwave power ignited by microwave pulse

図4. アンテナギャップ間に形成されるプラズマ柱
Fig. 4. Plasma column produced in the gap between antennas

図5. ランプ壁の温度分布。発光効率1351m/W、マイクロ波電力45W。
Fig. 5. Temperature distribution on the lamp wall. Lamp efficacy:135 lm/W, microwave power:45 W.

3. 有限要素法によるマイクロ波電界分布の数値解析

前節で述べたように、アンテナ励起型マイクロ波放電ランプでは、マイクロ波電力がアンテナを介してランプ中心部のアンテナギャップに効率よく供給されていることが考えられる。これは、マイクロ波ランチャーとランプのインピーダンスマッチングが自動的に満足されることを示唆している。ここでは、アンテナギャップ間に形成されるプラズマ柱に対して、そのサイズおよびプラズマ密度とガス圧を仮定し、これらのパラメータから求まるプラズマ誘電率を使って、有限要素法によりマイクロ波電磁界分布を数値解析した。ランプインピーダンスは計算結果を用いて算出し、プラズマ密度とガス圧との関係として整理した。

図6は図1のD2ランプを数値解析用にモデル化した図である。ここで、モデル1は点灯前のランプを、モデル2は高密度プラズマによりギャップが短絡されたランプを、モデル3は点灯時に形成されるプラズマ柱を考慮したモデルである。

図7に、モデル1およびモデル2の数値解析の結果を示す。ランプ点灯前のランプ内部の電界分布は下アンテナの先端部で強くなっていることが分かる。しかし、ランプが短絡されるとマイクロ波電界はランプ先端(上部アンテナ先端)で強まってランプ外部に放射していることが分かる。これは、ランプ内部がプラズマにより短絡されることによりモノポールアンテナが形成されたことを意味する。

図8はプラズマ密度が1021m-3の場合で、ガス圧を変化させたときのマイクロ波電界分布の変化を示す。ガス圧が1気圧と低い場合にはランプ内部よりはアンプ先端部で強く、ガス圧力を高めて10気圧にすると、ランプ内部の下アンテナ先端部のマイクロ波電界が強くなっていることが分かる。これは、プラズマ密度が高いとプラズマ柱が金属線として働いてモデル2に近づくが、一方、ガス圧が高まると実質的に抵抗が増加して、モデル1に近づくことを意味している。したがって、プラズマ柱がランプ内部に形成されている場合のランプ内部のマイクロ波電界分布は、モデル1とモデル2の間の分布となることが分かる。

さて、ランプ及びマイクロ波ランチャー内部のマイクロ波電界分布の実数部および虚数部を比較することにより算出したランプインピーダンスを、プラズマ密度とガス圧をパラメータとして図9に示す。リアクタンス分は、①プラズマ密度の上昇に伴い負から正に変化し、リアクタンスが0となるプラズマ密度が存在すること、②このプラズマ密度はガス圧が高いほど高くなること、が分かる。モノポールアンテナの解析によると、アンテナインピーダンスはアンテナ長に依存し、マイクロ波ランチャーからアンテナへのマイクロ波電力の輸送はアンテナインピーダンスのリアクタンスが0に等しい(アンテナ長:電磁波の波長の1/4の長さ)とき、最大となることが分かっている。このことを考慮すると、ランプインピーダンスが0となるときにランプにマイクロ波電力が最も効率よく輸送されると考えることが出来る。すなわち、ランプインピ-ダンスが0となるときにマイクロ波回路とランプのマッチングがとれて、ランプへの最大のマイクロ波電力輸送が実現すると考えることが出来る。

図6. 数値解析用ランプモデル
Fig. 6. Lamp model for numerical analysis

図7. モデル1および2のランプ内部マイクロ波電界分布
Fig. 7. Microwave electric field distribution in the lamp at the model 1 and 2

図8. モデル3におけるランプ内部のマイクロ波電界分布
Fig. 8. Microwave electric field distribution at the model 3. Plasma density:1021 m-3 as a function of the pressure.

図9. 有限要素法より算出したランプインピーダンスのプラズマ密度およびガス圧との関係
Fig. 9. Relation of lamp impedance to plasma density and gas pressure.

4 まとめ

アンテナ励起型高気圧マイクロ波放電ランプにおいて、発光効率の高い点灯が観測されている。実験結果から、マイクロ波がアンテナを介して効率よくランプ中心部に供給されている様子が考えられることから、実験用D2ランプをモデル化し、有限要素法を用いて、マイクロ波ランチャーおよびランプ内部のマイクロ波電界分布を数値解析すると共に、ランプインピーダンスを算出した。ランプインピーダンスのリアクタンス分はガス圧一定のとき、プラズマ密度の上昇に伴い負から正に変化し、あるプラズマ密度で0となることが分かった。また、このプラズマ密度はガス圧の上昇に伴い増大することが分かった。これらの結果は、ランプ設計の指針になるものと考えられる。

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