JP2741235B2 - 重水素放電管の傍熱陰極 - Google Patents
重水素放電管の傍熱陰極Info
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- JP2741235B2 JP2741235B2 JP1041001A JP4100189A JP2741235B2 JP 2741235 B2 JP2741235 B2 JP 2741235B2 JP 1041001 A JP1041001 A JP 1041001A JP 4100189 A JP4100189 A JP 4100189A JP 2741235 B2 JP2741235 B2 JP 2741235B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/13—Solid thermionic cathodes
- H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、分析、定量測定用光源などに使用される重
水素放電管の傍熱陰極に関するものである。
水素放電管の傍熱陰極に関するものである。
「従来の技術」 ガス放電管の一例としてあげられる重水素ランプ
（１）は、第５図に示すように、透明で密閉した容器
（２）内に、陽極（３）、陰極（４）、遮蔽電極（５）
を設け、この遮蔽電極（５）には電子集光部としての小
孔（６）が穿設されるとともに光透過孔（７）が形成さ
れている。
（１）は、第５図に示すように、透明で密閉した容器
（２）内に、陽極（３）、陰極（４）、遮蔽電極（５）
を設け、この遮蔽電極（５）には電子集光部としての小
孔（６）が穿設されるとともに光透過孔（７）が形成さ
れている。
このような構成において、陰極（４）を加熱し、か
つ、陽極（３）と陰極（４）間に電圧を印加すると、陽
極（３）から小孔（６）を経て陰極（４）との間にアー
ク放電が生じる。そのときに発生する陽光が生孔（６）
で絞られて点光源となり光透過孔（７）より放射され
る。
つ、陽極（３）と陰極（４）間に電圧を印加すると、陽
極（３）から小孔（６）を経て陰極（４）との間にアー
ク放電が生じる。そのときに発生する陽光が生孔（６）
で絞られて点光源となり光透過孔（７）より放射され
る。
このような重水素ランプ（１）に使用される傍熱陰極
は、本出願人が先に提案した特公昭62−56628号に記載
されている。これは、第３図に示すように、モリブデン
などの耐熱性と熱良導性を有する円筒（８）の外壁に、
電子放射物質（10）を保持するため、タングステンフィ
ラメント材からなり、外周をコーティングした２重コイ
ル（９）を巻回する。この２重コイル（９）は、小径の
１次コイルを、さらに大径の２次コイルに巻き込んだも
ので、この２重コイル（９）を構成する１次コイル間内
部と２次コイル間内部に、バリウム、ストロンチウム、
カルシウムの各単体またはこれらの混合状態の炭酸塩を
塗布した電子放射物質（10）を形成する。前記円筒
（８）の内部には、コイル状の加熱用ヒータ（11）を設
け、前記円筒（８）は、サポート（12）によってヒータ
（11）と導通状態に連結して、放電管内に装着する。放
電管を真空状態（10-3torr以下）にして、ヒーター（1
1）に通電すると、前記炭酸塩は熱分解反応を起こし酸
化物陰極からなる電子放射物質（10）が形成される。
は、本出願人が先に提案した特公昭62−56628号に記載
されている。これは、第３図に示すように、モリブデン
などの耐熱性と熱良導性を有する円筒（８）の外壁に、
電子放射物質（10）を保持するため、タングステンフィ
ラメント材からなり、外周をコーティングした２重コイ
ル（９）を巻回する。この２重コイル（９）は、小径の
１次コイルを、さらに大径の２次コイルに巻き込んだも
ので、この２重コイル（９）を構成する１次コイル間内
部と２次コイル間内部に、バリウム、ストロンチウム、
カルシウムの各単体またはこれらの混合状態の炭酸塩を
塗布した電子放射物質（10）を形成する。前記円筒
（８）の内部には、コイル状の加熱用ヒータ（11）を設
け、前記円筒（８）は、サポート（12）によってヒータ
（11）と導通状態に連結して、放電管内に装着する。放
電管を真空状態（10-3torr以下）にして、ヒーター（1
1）に通電すると、前記炭酸塩は熱分解反応を起こし酸
化物陰極からなる電子放射物質（10）が形成される。
「発明が解決しようとする課題」 従来の陰極は、予熱時Wpr＝6.37W（Wprは陰極が放電
を開始するのに要する熱量で、便宜上、円筒表面温度が
700℃に達するのに要する熱量）、動作時Wou＝2.4W（Wo
uは陰極に加熱用ヒータから放電中に加える熱量で、強
制加熱と呼ばれる）とすると、Wou/Wpr＝0.38と予熱時
および動作時に多量の熱量を要していたため、従来の直
熱タイプと比べ次のように仕様値に差があった。
を開始するのに要する熱量で、便宜上、円筒表面温度が
700℃に達するのに要する熱量）、動作時Wou＝2.4W（Wo
uは陰極に加熱用ヒータから放電中に加える熱量で、強
制加熱と呼ばれる）とすると、Wou/Wpr＝0.38と予熱時
および動作時に多量の熱量を要していたため、従来の直
熱タイプと比べ次のように仕様値に差があった。
従来の傍熱陰極 直熱陰極 予熱電圧 10 V 10 V 予熱電流 1.1A 0.8A 動作電圧 7 V 3.5V 動作電流 0.8A 0.3A 以上の特性からわかることは、従来の傍熱陰極は、予
熱電流、動作電圧が直熱陰極に比べ高かったため、直熱
陰極（10Vタイプ）仕様のランプとの互換性がないとい
う問題があった。
熱電流、動作電圧が直熱陰極に比べ高かったため、直熱
陰極（10Vタイプ）仕様のランプとの互換性がないとい
う問題があった。
本発明は、傍熱陰極の小形化、長寿命化、予熱電流の
低下等によって直熱陰極と互換性のあるものを得ること
を目的とする。
低下等によって直熱陰極と互換性のあるものを得ること
を目的とする。
「課題を解決するための手段」 本発明は、陽極（３）と陰極（４）との間のアーク放
電電流が0.2〜0.4Aで、この放電により陽光を発生する
重水素放電管の傍熱陰極において、陰極表面積（SS）を
10〜30mm2の範囲内に設定したものである。また、陰極
（４）の構成部分である円筒（８）は、モリブデン、ニ
ッケル、またはこれらの合金からなり、この円筒（８）
内に、絶縁用アルミナコーティングを施こした加熱用ヒ
ータ（11）を挿入してなり、前記円筒（８）と加熱用ヒ
ータ（11）の間隔（SD）を0.1mm以下とし、かつこの加
熱用ヒータ（11）のコイル間隔（CD）を0.15mm以下と
し、または、円筒（８）内における円筒（８）と加熱用
ヒータ（11）の間隔（SD）と、加熱用ヒータのコイル間
隔（CD）とにアルミナを充填して隙間をなくし一体化し
てなることによって、放電電流0.2〜0.4Aのとき、Wou
（強制加熱熱量）/Wpr（放電開始熱量）を0.3以下に達
成できたものである。さらに、加熱用ヒータ（11）は、
タングステンおよびその合金からなり、その線径（ｄ）
を0.05〜018mmの範囲内に設定したものである。さらに
また、放電電流0.2〜0.4Aのとき、陰極（４）の電子放
射物質（10）の表面積（SK）を、1.5mm2以上で陰極表面
積以下の範囲内としたものである。
電電流が0.2〜0.4Aで、この放電により陽光を発生する
重水素放電管の傍熱陰極において、陰極表面積（SS）を
10〜30mm2の範囲内に設定したものである。また、陰極
（４）の構成部分である円筒（８）は、モリブデン、ニ
ッケル、またはこれらの合金からなり、この円筒（８）
内に、絶縁用アルミナコーティングを施こした加熱用ヒ
ータ（11）を挿入してなり、前記円筒（８）と加熱用ヒ
ータ（11）の間隔（SD）を0.1mm以下とし、かつこの加
熱用ヒータ（11）のコイル間隔（CD）を0.15mm以下と
し、または、円筒（８）内における円筒（８）と加熱用
ヒータ（11）の間隔（SD）と、加熱用ヒータのコイル間
隔（CD）とにアルミナを充填して隙間をなくし一体化し
てなることによって、放電電流0.2〜0.4Aのとき、Wou
（強制加熱熱量）/Wpr（放電開始熱量）を0.3以下に達
成できたものである。さらに、加熱用ヒータ（11）は、
タングステンおよびその合金からなり、その線径（ｄ）
を0.05〜018mmの範囲内に設定したものである。さらに
また、放電電流0.2〜0.4Aのとき、陰極（４）の電子放
射物質（10）の表面積（SK）を、1.5mm2以上で陰極表面
積以下の範囲内としたものである。
「実施例」 以下、本発明の実施例を説明する。
以下の説明に用いられる用語をまとめるとつぎの通り
である。
である。
・陰極（４）の表面積（SS） SS＝π（D2×l0＋D1×（l1−l0）） ・電子放射物質（10）の表面積（SK） SK＝πD2×l0 ・円筒（８） D1（外径）、D0（内径）、l1（長さ） ・コーティングコイル（９） 円筒（８）の外周に装着され、電子放射物質（10）を
保持するタングステンまたはその合金コイル。
保持するタングステンまたはその合金コイル。
・サポート（12） 陰極（４）とランプ電極ピンとの放電電流の橋渡しを
するための支持棒。
するための支持棒。
・陰極（４） 円筒（８）、コーティングコイル（９）、サポート
（12）、電子放射物質（10）よりなる構体の総称 ・加熱用ヒータ（11） 円筒（８）内に組み込まれ、熱源としての役割をはた
す。ダブルコイルまたはシングルコイル。
（12）、電子放射物質（10）よりなる構体の総称 ・加熱用ヒータ（11） 円筒（８）内に組み込まれ、熱源としての役割をはた
す。ダブルコイルまたはシングルコイル。
・中間生成層 電子放射物質（Ba,Ca,Sr）Ｏと基体金属W,Niとの間に
出来る酸化物層のことで、主に放電中に形成され、高い
絶縁性を示す。
出来る酸化物層のことで、主に放電中に形成され、高い
絶縁性を示す。
・Wpr:陰極（４）が放電を開始するのに要する熱量。
・Wop:陰極（４）が放電中に安定動作するのに要する熱
量で、ほぼWprに同じ。
量で、ほぼWprに同じ。
・Wou:陰極（４）に加熱用ヒータ（11）から、放電中に
加える熱量。強制加熱と呼ばれる。
加える熱量。強制加熱と呼ばれる。
・Wse:陰極（４）が放電中に、イオン衝撃および中間層
中の放電電流によるジュール熱により発生する熱量。自
己加熱と呼ばれる。この熱量は、放電電流を変えない限
り一定と考えられる。
中の放電電流によるジュール熱により発生する熱量。自
己加熱と呼ばれる。この熱量は、放電電流を変えない限
り一定と考えられる。
・円筒（８）と加熱用ヒータ（11）の間隔（SD） SD＝（D0−FD3）/2 FD3:加熱用ヒータ（11）の外周径 ・加熱用ヒータ（11）のコイル間隙（CD） つぎに、重水素放電管用陰極（４）が動作する際の熱
供給源は、つぎの２種類に大別される。
供給源は、つぎの２種類に大別される。
（１）放電による陰極表面のイオン衝撃および陰極表面
の中間生成層（電子放射物質と基体金属との間に放電中
に形成される高い絶縁性の酸化物層）内で発生するジュ
ール熱等により発生する自己加熱（Wse）。
の中間生成層（電子放射物質と基体金属との間に放電中
に形成される高い絶縁性の酸化物層）内で発生するジュ
ール熱等により発生する自己加熱（Wse）。
（２）陰極（４）内に組み込まれた加熱用ヒータに熱エ
ネルギーを外部電源より加える強制加熱（Wou）。
ネルギーを外部電源より加える強制加熱（Wou）。
ここで熱陰極を考える上で重要なことは、上記の自己
加熱と強制加熱で陰極（４）表面に発生した熱量と、陰
極（４）表面からランプ内の重水素中への伝導、輻射、
サポートからの熱伝導による損失とが熱平衡に達してい
る必要があることである。この残量熱量が、熱陰極が安
定して動作するに要する熱量（Wop）を下回ると放電場
所が不安定となり、発振現象等を起こし、光出力の変動
に至る。
加熱と強制加熱で陰極（４）表面に発生した熱量と、陰
極（４）表面からランプ内の重水素中への伝導、輻射、
サポートからの熱伝導による損失とが熱平衡に達してい
る必要があることである。この残量熱量が、熱陰極が安
定して動作するに要する熱量（Wop）を下回ると放電場
所が不安定となり、発振現象等を起こし、光出力の変動
に至る。
上記関係をグラフ化とすると第１図のようになる。こ
の第１図において、Wpr∝Wop、またはWpr≒Wopと考えら
れる。Wpr、Wouは、陰極（４）と重水素との接触面積と
比例関係にある。この場合、円筒（８）とアルミナコー
ティング後の加熱用ヒータ（11）との間に間隙（SD）が
あるか、または、コイル間隔（CD）に隙間があると、こ
れら隙間からの熱対流等による熱損失がある。そのた
め、円筒（８）と、アルミナコーティング後の加熱用ヒ
ータ（11）との間隔が0.1m/m以下で、またコイル間隔
（CD）が0.15m/m以下であると、円筒（８）と加熱用ヒ
ータ（11）は、ほぼ接触状態にある。または、アルミナ
を充填し一体化した状態にあると、これら隙間からの熱
損失を考慮する必要がなくなる。そのため、熱損失量は
陰極表面積（SS）と比例関係にあると考えられる。これ
らモデルを数式化すると、 Wpr∝Wou＋Wse＝Wop …（１） Wpr＝C1・SS＋C2 …（２） Wou＝C3・SS＋C4 …（３） Wse＝C5 …（４） C2＞C4 …（５） ここでC1,C2,C3,C4,C5……定数、（C2およびC4はサポ
ートからの熱伝導等による損失熱量） 上記式（２），（３）より、 Wou/Wpr＝（C3・SS＋C4）／（C1・SS＋C2） …（６） となり、これをグラフ化すると、第２図のような関係
になる。
の第１図において、Wpr∝Wop、またはWpr≒Wopと考えら
れる。Wpr、Wouは、陰極（４）と重水素との接触面積と
比例関係にある。この場合、円筒（８）とアルミナコー
ティング後の加熱用ヒータ（11）との間に間隙（SD）が
あるか、または、コイル間隔（CD）に隙間があると、こ
れら隙間からの熱対流等による熱損失がある。そのた
め、円筒（８）と、アルミナコーティング後の加熱用ヒ
ータ（11）との間隔が0.1m/m以下で、またコイル間隔
（CD）が0.15m/m以下であると、円筒（８）と加熱用ヒ
ータ（11）は、ほぼ接触状態にある。または、アルミナ
を充填し一体化した状態にあると、これら隙間からの熱
損失を考慮する必要がなくなる。そのため、熱損失量は
陰極表面積（SS）と比例関係にあると考えられる。これ
らモデルを数式化すると、 Wpr∝Wou＋Wse＝Wop …（１） Wpr＝C1・SS＋C2 …（２） Wou＝C3・SS＋C4 …（３） Wse＝C5 …（４） C2＞C4 …（５） ここでC1,C2,C3,C4,C5……定数、（C2およびC4はサポ
ートからの熱伝導等による損失熱量） 上記式（２），（３）より、 Wou/Wpr＝（C3・SS＋C4）／（C1・SS＋C2） …（６） となり、これをグラフ化すると、第２図のような関係
になる。
これからわかることは、SSが小さいほど、Wprは小さ
くなる。また、Wprに対しWouが小さい割合ですみ、省エ
ネルギー動作の陰極が得られるてある。
くなる。また、Wprに対しWouが小さい割合ですみ、省エ
ネルギー動作の陰極が得られるてある。
実際、これを確かめる実験を行ないつぎのような結果
を得た。
を得た。
SS（mm2） 最低Wpr（Ｗ） 最低Wou（Ｗ） Wou/Wpr 21.9 3.50 0.9 0.26 24.6 4.16 1.2 0.29 30.6 4.80 1.5 0.31 53.1 6.37 2.4 0.38 なお、放電電流Ipが0.3A、サポート（12）がモリブデ
ンからなる直径0.15mmのものを使用した。
ンからなる直径0.15mmのものを使用した。
また、Wouは80％以上のテストランプで寿命1500時間
以上達した値を採用した。ここで、ランプ寿命とは、光
出力変動が0.05％ｐ−ｐ以内のものをいうものとする。
このようにしてIp＝0.3AでWou/Wpr＜0.3が達成できた。
以上達した値を採用した。ここで、ランプ寿命とは、光
出力変動が0.05％ｐ−ｐ以内のものをいうものとする。
このようにしてIp＝0.3AでWou/Wpr＜0.3が達成できた。
ただし、SKは、1.5mm2以上必要である。これ以下だ
と、陰極（４）の放電電流密度が課題となり、陰極物質
のスパッタ現象が起き、短寿命化することが確認され
た。
と、陰極（４）の放電電流密度が課題となり、陰極物質
のスパッタ現象が起き、短寿命化することが確認され
た。
また、加熱用ヒータ材は、タングステンまたはその合
金で線径（ｄ）が0.04＜ｄ＜0.18（mm）の範囲内であ
る。理由は、ｄ＜0.04mmであると、所望の熱量を得るた
めには、ヒータ温度が高すぎて、ヒータ上に円筒（８）
との絶縁用のアルミナ（融点1700℃付近）が蒸発してし
まうことになる。
金で線径（ｄ）が0.04＜ｄ＜0.18（mm）の範囲内であ
る。理由は、ｄ＜0.04mmであると、所望の熱量を得るた
めには、ヒータ温度が高すぎて、ヒータ上に円筒（８）
との絶縁用のアルミナ（融点1700℃付近）が蒸発してし
まうことになる。
また、ｄ＞0.18mmでは、コイリングの際の形状が大き
くなり、円筒（８）内へ４の組み込みに際し不都合が生
じるためである。
くなり、円筒（８）内へ４の組み込みに際し不都合が生
じるためである。
本発明において、陰極（４）の形状は第３図に示すよ
うな円筒（８）の側面を放電に使うもの、および第４図
に示すような円筒（８）の上端面を放電に使うものに適
用できる。SDとは第３図では加熱用ヒータ（11）と円筒
（８）側面との間隔をいゝ、第４図では加熱用ヒータ
（11）と円筒（８）上端面との間隔をいう。
うな円筒（８）の側面を放電に使うもの、および第４図
に示すような円筒（８）の上端面を放電に使うものに適
用できる。SDとは第３図では加熱用ヒータ（11）と円筒
（８）側面との間隔をいゝ、第４図では加熱用ヒータ
（11）と円筒（８）上端面との間隔をいう。
なお、前記実施例では放電電流Ip＝0.3Aの場合につい
て説明したが、0.2〜0.4Aの範囲内であってもよい。
て説明したが、0.2〜0.4Aの範囲内であってもよい。
「発明の効果」 本発明による傍熱陰極は、上述のように構成したの
で、従来の直熱陰極と約同仕様で、かつ特性的には直熱
陰極をしのぐものが得られた。また、従来の傍熱陰極に
比し、予熱時で70％以下、動作時で25％以下の消費エネ
ルギーで済むという効果を有する。
で、従来の直熱陰極と約同仕様で、かつ特性的には直熱
陰極をしのぐものが得られた。また、従来の傍熱陰極に
比し、予熱時で70％以下、動作時で25％以下の消費エネ
ルギーで済むという効果を有する。
ちなみに、重水素放電管で、現在予熱時、10V、0.8A
（8W）、動作時3.5V、0.35A（1.2W）の直熱陰極を使っ
た放電管が存在するが、これは寿命500時間を保証する
のが限界であった。これに対し、本発明による傍熱陰極
によれば予熱時10V、0.65A（6.5W（従来の直熱タイプ比
約80％）、動作時3.5V、0.3A（1.05W（同約85％））、
寿命は1000時間以上のものが得られた。
（8W）、動作時3.5V、0.35A（1.2W）の直熱陰極を使っ
た放電管が存在するが、これは寿命500時間を保証する
のが限界であった。これに対し、本発明による傍熱陰極
によれば予熱時10V、0.65A（6.5W（従来の直熱タイプ比
約80％）、動作時3.5V、0.3A（1.05W（同約85％））、
寿命は1000時間以上のものが得られた。
また、放電電流が0.3Aのとき、Wou（強制加熱熱量）/
Wpr（放電開始熱量）を0.3以下に達成することができ
た。
Wpr（放電開始熱量）を0.3以下に達成することができ
た。
第１図および第２図は、それぞれ陰極表面積と熱量との
関係を示す特性図、第３図は、側面放電型傍熱陰極の断
面図、第４図は、端面放電型の傍熱電極の斜視図、第５
図は、重水素放電管の横断面図である。 （１）……重水素放電管、（２）……密閉容器、（３）
……陽極、（４）……陰極、（５）……遮蔽電極、
（６）……電子集光部、（７）……光透過孔、（８）…
…円筒、（９）……コイル、（10）……電子放射物質、
（11）……加熱用ヒータ、（12）……サポート。
関係を示す特性図、第３図は、側面放電型傍熱陰極の断
面図、第４図は、端面放電型の傍熱電極の斜視図、第５
図は、重水素放電管の横断面図である。 （１）……重水素放電管、（２）……密閉容器、（３）
……陽極、（４）……陰極、（５）……遮蔽電極、
（６）……電子集光部、（７）……光透過孔、（８）…
…円筒、（９）……コイル、（10）……電子放射物質、
（11）……加熱用ヒータ、（12）……サポート。
Claims (5)
- 【請求項１】陽極（３）と陰極（４）との間のアーク放
電電流が0.2〜0.4Aで、この放電により陽光を発生する
重水素放電管の傍熱陰極において、前記陰極（４）は、
モリブデン、ニッケル、またはその合金からなる円筒
（８）の外壁に、電子放射物質（10）を形成し、前記円
筒（８）内に、加熱用ヒータ（11）を挿入してなり、前
記電子放射物質（10）を含めた前記円筒（８）の外壁面
からなる陰極表面積（SS）を10〜30mm2の範囲内に設定
してなることを特徴とする重水素放電管の傍熱陰極。 - 【請求項２】陽極（３）と陰極（４）との間のアーク放
電電流が0.2〜0.4Aで、この放電により陽光を発生する
重水素放電管の傍熱陰極において、前記陰極（４）は、
モリブデン、ニッケル、またはその合金からなる円筒
（８）の外壁に、電子放射物質（10）を形成し、前記円
筒（８）内に、絶縁用アルミナコーティングを施こした
加熱用ヒータ（11）を挿入してなり、前記電子放射物質
（10）を含めた前記円筒（８）の外壁面からなる陰極表
面積（SS）を10〜30mm2の範囲内に設定し、前記円筒
（８）と加熱用ヒータ（11）を間隔（SD）を0.1mm以下
とし、かつこの加熱用ヒータ（11）のコイル間隔（CD）
を0.15mm以下としてなることを特徴とする重水素放電管
の傍熱陰極。 - 【請求項３】陽極（３）と陰極（４）との間のアーク放
電電流が0.2〜0.4Aで、この放電により陽光を発生する
重水素放電管の傍熱陰極において、前記陰極（４）は、
モリブデン、ニッケル、またはその合金からなる円筒
（８）の外壁に、電子放射物質（10）を形成し、前記円
筒（８）内に、加熱用ヒータ（11）を挿入してなり、前
記電子放射物質（10）を含めた前記円筒（８）の外壁面
からなる陰極表面積（SS）を10〜30mm2の範囲内に設定
し、前記円筒（８）内における円筒（８）と加熱用ヒー
タ（11）の間隔（SD）と、加熱用ヒータ（11）のコイル
間隔（CD）とにアルミナを充填して隙間をなくし一体化
してなることを特徴とする重水素放電管の傍熱陰極。 - 【請求項４】加熱用ヒータ（11）は、タングステンまた
はその合金からなり、その線径（ｄ）を0.05〜0.18mmの
範囲内に設定してなる請求項（１）、（２）または
（３）記載の重水素放電管の傍熱陰極。 - 【請求項５】陰極（４）の電子放射物質（10）の表面積
（SK）を、1.5mm2以上で陰極表面積以下の範囲内として
なる請求項（１），（２）または（３）記載の重水素放
電管の傍熱陰極。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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