JP2006092865A

JP2006092865A - ショートアーク型放電ランプ

Info

Publication number: JP2006092865A
Application number: JP2004275645A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Higashimoto; 陽一郎東本; Masanori Takahashi; 政徳高橋; Koji Enomoto; 幸司榎本
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP4311319B2

Abstract

【課題】ショートアーク型キセノンランプにおいて、アークの揺らぎを最小限に抑えるとともに、高輝度化を図ることにより、吸光光度分析用のマイクロチップに使用するのに最適な光源を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のショートアーク型放電ランプは、発光部とその両端に繋がる枝管部とを備えた発光管の内部にキセノンガスが封入されるとともに、発光管の内部空間にて陰極及び陽極が対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記発光管は、陰極側の枝管部に凸部が形成され、該凸部は、発光管内部の空間に繋がるとともに、キセノンガスが流れ込むことが可能な補助空間を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプに関する。特に、吸光光度分析法により溶液分析を行うために使用するマイクロチップ用の光源として採用される、発光管内にキセノンガスが封入されたショートアーク型キセノンランプに関する。

近年、マイクロマシン技術を応用して、化学分析等を従来の装置に比して微細化して行うμ−ＴＡＳ（μ−ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）や、「Ｌａｂｏｎ
ａｃｈｉｐ」と称されるマイクロチップを使用した分析手法が注目されている。これらを医療分野に使用した場合には、（１）例えば血液のような検体の量を少なくすることで患者への負担を軽減することができる、（２）試薬の量を少なくすることで検査のコストを低減することができる、（３）装置が小型であるため、検査を簡易に行うことができる、等の利点がある。このような利点を活かし、マイクロチップを使用した血液分析装置を家庭仕様として、家庭内において患者自らの手で血液分析を行うことが検討されている。

マイクロチップを使用した吸光光度分析法によれば、（１）無痛針によって採血した血液をチップ内に導入する、（２）チップ内の血液に対し遠心分離処理を施して血漿と血球とに分離する、（３）血漿と試薬とをミキサーによって均一に混合させて測定液とする、（４）測定液を吸引ポンプによって検出部に導入する、（５）検出部に導入された測定液に光源からの光を当てて特定波長の光の減衰量を測定する、という一連の作業を行うことによって、血漿中に含まれる所望の酵素の濃度を測定することができる。マイクロチップを使用した吸光光度分析法については、例えば特許文献１に開示されている。

吸光光度分析法に使用するマイクロチップにおいては、測定検体及び試薬の量を最小限に抑える必要があること、測定検体の種類に応じて所定の吸収長が必要である、等の理由により、検出部（吸光度を測定すべく光を透過させる部分）における光入出射面の面積が、例えば０．５ｍｍ^２程度と微小であり、かつ、検出部の形状が極めて長細いものとなる。そして、このような検出部に沿って光を照射させる必要があるため、吸光度を正確に測定するには、検出部側面から漏れる光を減らし、迷光により吸光度に測定誤差が生じることを防止すべく、平行度の高い光を入射させる必要がある。そのため、理想的には、光源としてレーザーを使用することが好ましい。

しかし、マイクロチップを使用した吸光光度分析法においては、測定検体毎に吸光度の測定に使用する波長が異なるため、単色光であるレーザーを使用した場合には、測定検体の種類に応じてレーザーを用意する必要が生じることにより、煩雑である上にコスト面で不利となる。従って、光源は、連続波長域の光を放射するキセノンランプを使用し、キセノンランプと所定の波長のみを透過させるための波長選択フィルタ等を組み合わせることにより構成することが好ましい。
特開２００３−２７９４７１号特開２００２−３７３６２６号

上記のように、マイクロチップを使用した吸光光度分析法においては、極めて微小でかつ長細い形状の検出部に対し光を照射させるため、吸光度に測定誤差が生じることを防止するには、点灯中のアークの安定性が高い、具体的にはアークの揺らぎが極めて少ないランプを使用せねばならない。ところが、従来のキセノンランプは、例えば特許文献２に示すように、主に映写機用の光源として用いられることが一般的であり、かかる用途においてはアークの揺らぎが目視で確認できない程度のアークの安定性で十分とされるため、吸光光度分析用のマイクロチップに使用する光源としてはアークの安定性が不十分なものであった。そのため、従来のキセノンランプを使用した場合には、吸光度の測定を正確に行うことができない、という問題があった。

さらに、吸光光度分析用のマイクロチップに使用する光源は、上記のように極めて微小で、かつ長細い領域に光を照射させるため、照射光が測定検体によって完全に吸収され吸光度を検出できなくなることがないように、高輝度であることが必要である。しかし、従来のキセノンランプは、特許文献２に示すように、電極間距離（陽極と陰極の間の距離）が４ｍｍ程度と大きく、陽極と陰極の間に形成されるアークが絞り込まれた形状とならず、十分な輝度を得ることができないため、マイクロチップに使用する光源として適切ではない。

以上から、本発明は、ショートアーク型キセノンランプにおいて、アークの揺らぎを最小限に抑えるとともに、高輝度化を図ることにより、吸光光度分析用のマイクロチップに使用するのに最適な光源を提供することを目的とする。

本発明のショートアーク型放電ランプは、発光部とその両端に繋がる枝管部とを備えた発光管の内部にキセノンガスが封入されるとともに、発光管の内部空間にて陰極及び陽極が対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、前記発光管は、陰極側の枝管部に凸部が形成され、該凸部は、発光管内部の空間に繋がるとともに、キセノンガスが流れ込むことが可能な補助空間を有することを特徴とする。

さらに、前記凸部は、排気管残部であることを特徴とする。

さらに、前記発光管の内容積が０．５ｃｍ^３以下であり、かつ、電極間距離が０．４ｍｍ以下であることを特徴とする。

さらに、本発明のショートアーク型放電ランプは、マイクロチップ用の光源として使用することを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプによれば、陰極側の枝管部において、発光管の内部空間に繋がるとともに、発光管内の空間において他の箇所に比して低温箇所となる補助空間を有する凸部が形成される、という極めて簡便な構造を採用することにより、キセノンガスを冷却することによってキセノンガスによる熱対流を低速化せしめ、アークの揺らぎを抑制することができる。

特に、発光管の内容積が０．５ｃｍ^３以下、という極めて小型のショートアーク型放電ランプであり、陰極先端の電流密度を増やすために定格電流を増加させ、発光管内におけるキセノンガスの熱対流が顕著に高速化する場合にも、アークの揺らぎを良好に抑制することができる。また、さらに、電極間距離が０．４ｍｍ以下である、という構成にすることにより、輝度が向上し微小領域への光入射が可能となる。
従って、マイクロチップの検出部のように、極めて微小かつ長細い領域に対しても、アークの安定性を十分に確保して平行光を入射させることができるため、吸光度の測定を正確に行うことができる。

図１は、本発明のショートアーク型放電ランプを説明するための図である。図１（ａ）は管軸を含む断面図を示し、図１（ｂ）は径方向における断面図である。
ショートアーク型放電ランプ１００は、例えば石英ガラスからなる発光管１を備える。発光管１は、略中央に位置する球状の発光部１１と、発光部１１の両端に繋がる枝管部１２（１２ａ、１２ｂ）と、枝管部１２に繋がる封止部１３（１３ａ、１３ｂ）とからなり、内部空間Ｓにキセノンガスが封入されている。内部空間Ｓにおいて、一対の陰極２及び陽極３が対向配置している。陰極２は、例えば酸化トリウムをエミッタ物質とするタングステンからなる大径部２１と、この大径部２１の後方に繋がる、例えばタングステンからなる軸部２２とからなる。陽極３は、例えばタングステンからなる大径部３１と、この大径部３１の後方に繋がる、例えばタングステンからなる軸部３２とからなる。封止部１３ａ及び封止部１３ｂには、例えばモリブデンからなる金属箔４が埋設されることにより発光管１の気密性が確保されている。この金属箔４は、一端には軸部２２の基端部２３若しくは軸部３２の基端部３３が溶接により電気的に接続され、他端に封止部１３ａ若しくは封止部１３ｂから外方に突出する、例えばタングステンからなる給電用の外部リード５が溶接により電気的に接続されている。

さらに、ショートアーク型放電ランプ１００は、陰極側の枝管部１２ａにおいて、内部空間Ｓに繋がるとともに、後述の熱対流しているキセノンガスが通過することが可能な補助空間Ｈを内部に有する凸部１４が形成されている。このような補助空間Ｈが形成されていることの利点を以下に説明する。

ショートアーク型放電ランプ１００は、各々の外部リード５に対して不図示の点灯用電源が接続されて、外部リード５に対して給電することによって陰極２及び陽極３の間で絶縁破壊が生じて、垂直方向にて点灯駆動される。点灯駆動時において、陰極２及び陽極３の間でアークが形成され、この部分が極めて高温の箇所となることにより、図２の矢印で示すように、内部空間Ｓではキセノンガスの熱対流が生じる。図２は、内部空間Ｓで生じるキセノンガスの熱対流について説明するための概略図であり、図１と同一符号は同一部分を示す。
陽極３の周辺に存在するキセノンガスは、陰極２から放出された電子の衝突を受けて陽極３が極めて高温となることに起因して高温状態となり、陽極３の外周にそって上昇する矢印Ａで示す流れを生じる。そして、上昇したキセノンガスは、熱源となる陽極３から離れて温度が低下することにより、発光管１の内壁に沿って下降する矢印Ｂで示す流れを生じる。そして、枝管部１２ａに形成された凸部１４内の補助空間Ｈに流れ込んだ後、上昇する矢印Ｃで示す流れを生じる。
補助空間Ｈは、熱源である陽極３から遠く離れ、かつ、枝管部１２ａの稜線より凸状に突出した凸部１４内に存在し、発光管内において最も低温となる箇所であるため、キセノンガスがこのような補助空間Ｈに流れ込むと、十分に冷却されてキセノンガスによる熱対流の速度が低下することに起因して、アークが安定するものと考えられる。すなわち、内部空間Ｓにおいて、キセノンガスが高温状態にあると、キセノンガスによる高速の熱対流の影響を受けてアークに揺らぎを生じるところ、内部空間Ｓに繋がる補助空間Ｈを設けることでキセノンガスによる熱対流を低速化することにより、アークに揺らぎを生じることを抑制することができる。

尚、凸部１４が陰極２側の枝管部１２ａに形成されているのは、上記のように矢印Ａで示す高温のキセノンガスの流れは、陽極３の上方側（基端部３３側）に存在する空間までは十分に流れ込むことがないため、陽極側の枝管部１２ｂに形成したのでは冷却効果が得られないからであり、さらには、熱源となる陽極３からの距離を稼ぐことができるからである。

図３は、凸部の製造方法を説明するための概略図である。図３（ａ）、図３（ｂ）において、図１と同一符号は同一部分を示す。
図３（ａ）に示すように、発光管１の枝管部１２ａにおいて、内部空間Ｓに繋がる排気管１０が取付けられている。所定の手段によって排気管１０を通じて内部空間Ｓを排気した後、内部空間Ｓにキセノンガスを導入する。その後、例えばガスバーナー等の加熱手段によって排気管１０の根元付近を溶融させることにより、図３（ｂ）に示すように、枝管部１２ａにおいて、内部空間Ｓに繋がる補助空間Ｈを有する凸部１４が形成されるとともに、発光管１内に気密にキセノンガスが充填されることになる。
こうすることにより、他の方法よりも製造上の無駄なく凸部１４を形成することができるので、コスト面で有利である。

ここで、本発明のショートアーク型放電ランプに関する数値例を以下に挙げる。
発光管１は、発光部１１の最大外径が５ｍｍ〜１０ｍｍであって、例えば７ｍｍであり、内容積が０．０５ｃｍ^３〜０．５ｃｍ^３であって、例えば０．１ｃｍ^３であり、全長が５ｍｍ〜１０ｍｍであって、例えば８ｍｍである。凸部１４は、高さ（Ｘ）が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであって、例えば２ｍｍであり、最大幅（Ｙ）が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであって、例えば２ｍｍであり、内容積（補助空間Ｈの体積）が０．０００５ｃｍ^３〜０．００６ｃｍ^３であって、例えば０．００２ｃｍ^３である。管軸方向における電極間距離（Ｌ）は、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍであることが好ましく、例えば０．３ｍｍである。製造上、０．１ｍｍ未満とすることは極めて困難であり、０．４ｍｍを超えると、マイクロチップの検出部の如き微小かつ長細い領域に効率良く平行光を入射させることができないからである。また、定格電流が１Ａ〜３Ａであって、例えば１．７Ａであり、定格電圧が１０Ｖ〜２０Ｖであって、例えば１２Ｖである。さらに、キセノンガスの封入圧が０．５ＭＰａ〜１．５ＭＰａであって、例えば０．８ＭＰａである。

以上のような本発明のショートアーク型放電ランプ１００によれば、上記のように、陰極２側の枝管部１２ａにおいて、内部空間Ｓに繋がる補助空間Ｈを有する凸部１４が形成されていることにより、アークの揺らぎを抑制することができる。特に、上記数値例に示すとおり、発光管１が従来のキセノンランプに比して極めて小型なものである場合においては、陰極２先端の電流密度を増やすために定格電流を増加させると、発光管１内におけるキセノンガスの熱対流が顕著に高速化するため、本発明の構造を採用することが効果的である。

図４は、本発明のショートアーク型放電ランプを使用したマイクロチップ用光源を使用した測定系を説明するための図である。
マイクロチップ用光源４０は、ショートアーク型放電ランプ１００、コリメータレンズ４１、バンドパスフィルタ４２を備える。マイクロチップ５０は、検出部５１がバンドパスフィルタ４２の光出射部と対向するように配置されている。かかる測定系においては、ショートアーク型放電ランプ１００から放射された光は、コリメータレンズ４１によって平行光とされ、所定の波長域の光を透過するバンドパスフィルタ４２を透過した後、マイクロチップ５０の検出部５１に入射する。そして、検出部５１を透過した光が受光器５２にて受光され、所定の波長における吸光度を検出することによって、化学分析を行う。

マイクロチップ５０の検出部５１は、径が例えば０.５ｍｍ角であり、全長が１５ｍｍと極めて微小かつ長細い形状であるが、上記の数値例に示すとおり電極間距離が従来のキセノンランプよりも著しく小さく、陰極先端の電流密度が高いことにより高輝度である、という特徴を有する本発明のショートアーク型放電ランプをマイクロチップ用光源４０に使用すれば、検出部５１に効率良く平行光を入射させることができる。

本発明のショートアーク型放電ランプを説明するための断面図である。内部空間で生じるキセノンガスの熱対流について説明するための図である。凸部の製造方法を説明するための図である。本発明のショートアーク型放電ランプを使用したマイクロチップ用光源を使用した測定系を説明するための図である。

符号の説明

１発光管
２陰極
３陽極
４金属箔
５外部リード
１０排気管
１１発光部
１２枝管部
１３封止部
１４凸部
２１大径部
２２軸部
２３基端部
３１大径部
３２軸部
３３基端部
Ｓ内部空間
Ｈ補助空間

Claims

発光部と該発光部の両端に繋がる枝管部とを備えた発光管の内部にキセノンガスが封入されるとともに、発光管の内部空間にて陰極及び陽極が対向配置されたショートアーク型放電ランプにおいて、
前記発光管は、陰極側の枝管部に凸部が形成され、
該凸部は、発光管の内部空間に繋がるとともに、キセノンガスが流れ込むことが可能な補助空間を有することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
前記凸部は、排気管残部であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ
前記発光管の内容積が０．５ｃｍ^３以下であり、かつ、電極間距離が０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
マイクロチップ用の光源として使用することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のショートアーク型放電ランプ。