高密度・低温の誘導結合プラズマを利用した大面積平面型無水銀光源の開発とモデリング

前年度までに、通常の水銀蛍光ランプ用に構築した衝突輻射モデルを本研究課題で取り扱う誘導結合プラズマに適用し、米オスラム社の誘導結合型ランプのモデリングを行い、実験結果と計算結果の定性的な一致を得た。定量的な議論のためには、電子エネルギー分布関数の計算が必要であることが分かった。また、キセノンの直流放電のモデリングにより、放電の収縮が、ガス温度の上昇やイオン化が中央部に集中して起こり、電子とイオンの拡散と再結合のバランスが崩れることにより起こることが分かった。今年度はこれらの結果を踏まえ、まずボルツマン方程式を解くことにより電子エネルギー分布関数を求め、その結果を衝突輻射モデルで使用し、モデリングを行った。通常の水銀蛍光ランプのモデルで検証を行った結果、計算精度が向上し定量的な議論が行えるようになり、管壁温度など外部パラメータの変化によるプラズマの発光特性等の変化を適切に予想できるようになった。ただし、ボルツマン方程式を解くためには非常に長い計算時間を要するため、マクスウェル分布を元にし、封入ガスの主要なエネルギー準位が電子エネルギー分布関数に与える影響を考慮した、3電子群モデルによる分布関数とLagushenko-Mayaの分布関数の本モデルへの適用を試みた。その結果、これらの近似的な電子エネルギー分布関数を用いてもおおむね正確な計算結果が得られること、外部パラメータの値によって2つの分布関数を使い分ける必要があることを見出した。誘導結合プラズマでは電子エネルギー分布関数のマクスウェル分布からのずれが大きいことが一般に知られているため、上記で開発したモデルを誘導結合プラズマに適用することにより、さらに計算精度の向上を図ることができると思われる。また、前年度までの直流0次元モデルを拡張して1次元モデルとし、空間的分布を扱えるように改善した。さらに時間的な変化を扱えるようにし、パルス放電のモデリングを行った。キセノンのバリア放電のモデル化により、真空紫外放射特性や準安定原子密度の生成特性の計算結果が実験値とよく一致することを見出した。準安定原子は蛍光体ランプの蛍光体を励起する紫外放射や、放電の収縮の一因となる多段階電離に直接寄与するため、この生成機構を正確に計算することは重要であり、また、実験的な測定が困難な他の励起準位にある原子密度変化を同時に計算することによりより総合的なプラズマ特性の理解が可能になる。これらの結果を元にしてキセノンによる無水銀平面光源の試作を行い、白色発光を確認した。今後の特性改善のためにも上記のモデルによるあらゆる条件におけるランプ特性の正確な把握が不可欠である。

前年度までに、通常の水銀蛍光ランプ用に構築した衝突輻射モデルを本研究課題で取り扱う誘導結合プラズマに適用し、米オスラム社の誘導結合型ランプのモデリングを行い、実験結果と計算結果の定性的な一致を得た。定量的な議論のためには、電子エネルギー分布関数の計算が必要であることが分かった。また、キセノンの直流放電のモデリングにより、放電の収縮が、ガス温度の上昇やイオン化が中央部に集中して起こり、電子とイオンの拡散と再結合のバランスが崩れることにより起こることが分かった。今年度はこれらの結果を踏まえ、まずボルツマン方程式を解くことにより電子エネルギー分布関数を求め、その結果を衝突輻射モデルで使用し、モデリングを行った。通常の水銀蛍光ランプのモデルで検証を行った結果、計算精度が向上し定量的な議論が行えるようになり、管壁温度など外部パラメータの変化によるプラズマの発光特性等の変化を適切に予想できるようになった。ただし、ボルツマン方程式を解くためには非常に長い計算時間を要するため、マクスウェル分布を元にし、封入ガスの主要なエネルギー準位が電子エネルギー分布関数に与える影響を考慮した、3電子群モデルによる分布関数とLagushenko-Mayaの分布関数の本モデルへの適用を試みた。その結果、これらの近似的な電子エネルギー分布関数を用いてもおおむね正確な計算結果が得られること、外部パラメータの値によって2つの分布関数を使い分ける必要があることを見出した。誘導結合プラズマでは電子エネルギー分布関数のマクスウェル分布からのずれが大きいことが一般に知られているため、上記で開発したモデルを誘導結合プラズマに適用することにより、さらに計算精度の向上を図ることができると思われる。また、前年度までの直流0次元モデルを拡張して1次元モデルとし、空間的分布を扱えるように改善した。さらに時間的な変化を扱えるようにし、パルス放電のモデリングを行った。キセノンのバリア放電のモデル化により、真空紫外放射特性や準安定原子密度の生成特性の計算結果が実験値とよく一致することを見出した。準安定原子は蛍光体ランプの蛍光体を励起する紫外放射や、放電の収縮の一因となる多段階電離に直接寄与するため、この生成機構を正確に計算することは重要であり、また、実験的な測定が困難な他の励起準位にある原子密度変化を同時に計算することによりより総合的なプラズマ特性の理解が可能になる。これらの結果を元にしてキセノンによる無水銀平面光源の試作を行い、白色発光を確認した。今後の特性改善のためにも上記のモデルによるあらゆる条件におけるランプ特性の正確な把握が不可欠である。