JP4412124B2 - ショートアーク型キセノンランプ - Google Patents

Description

この発明は、ショートアーク型キセノンランプに関し、とくに、吸光光度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小型測定器光源に適するショートアーク型キセノンランプに関する。

近年、半導体の微細加工技術やマイクロマシンの製作技術を応用して、化学分析等を従来の装置に比して微細化して行うμ-ＴＡＳ（マイクロタス）やLab.on a Chip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。μ−ＴＡＳを医療分野に使用した場合には、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し、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。また、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。

マイクロチップを使用した吸光光度法による分析によれば、(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)血漿を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吸光度測定部に導入する、(5)吸光度測定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吸光度測定、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。特開２００３-２７９４７１号公報にマイクロチップの吸光度測定の例の記載がある。

ところで、吸光光度法によって試料の濃度を測定するのにマイクロチップを使用する場合、光路長は、吸収量を稼ぐために短く出来ないので、光入出射部分の面積は例えば0.５ｍｍ^２と非常に小さく、非常に細長いセルにする必要がある。そのため正確な吸光度測定には平行度の高い光を入射させる必要がある。光の平行度が高ければ、吸光度測定部側面から漏れる光が減少し、迷光による測定誤差が小さくなるからである。理想的な光源としては特開２００３-２７９４７１号公報にもあるようにレーザーが考えられるが、化学分析に必要な波長は多岐に亘っており、単色光であるレーザーは必要な波長毎に別のレーザーを必要とし、またコスト的にも高価となり、不適である。あるいは必要な波長を放射するレーザーが存在しないことも考えられる。よって光源には、連続波長域の光を放射するキセノンランプと波長選択フィルタなどの波長選択手段と組み合わせた構成の光源が好ましい。

しかし、特開平５−８２０８７号公報にあるように、従来のキセノンランプは酸化トリウムをエミッター材としたタングステン陰極を使用している。マイクロチップ用の測定光源としてキセノンランプを使用する場合には、前述のように０．５ｍｍ^２といった微小領域に効率よく平行光を入れる必要があるため、電極間距離が極めて狭いランプが要求される。

しかも、短極間で同時に高輝度が必要となる。従来であればキセノンランプを高輝度化するためには陰極先端の電流密度をアップさせて実現していた。
しかし、実際に電極間距離が０．５ｍｍの短極間のキセノンランプで電流密度をアップさせるためにランプ電流を増やすと電極の熱膨張で電極同士がくっついてしまうという不具合が生じた。
酸化トリウムをエミッター材としたタングステン陰極を使用した場合、電極同士の接触を回避するために、電流を絞ると、酸化トリウムは電子放出能力がよいために電極先端の電流密度が高くならず、アーク輝点が広がり、高輝度を確保できないという問題があった。
特開２００３−４７５２号公報 特開平５−８２０８７号公報 特開２００３-２７９４７１号公報

そこで本発明の目的は、短極間のショートアーク型キセノンランプで、点灯時に電極の接触を回避するために、電流を絞っても電極先端の電流密度が高く維持され、輝点が広がらず、高輝度を確保できるショートアーク型キセノンランプを提供することにある。また、その結果、マイクロチップ用の小型測定器光源として使用することを可能とするショートアーク型キセノンランプを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、石英ガラス製の発光管内にキセノンガスが封入され、該発光管内に一対の陰極および陽極が対向配置されたショートアーク型キセノンランプにおいて、該陰極が易電子放射物質を含まない純タンタルからなることを特徴とするショートアーク型キセノンランプとするものである。

請求項２に記載の発明は、電極間距離が０．１〜０．３ｍｍ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キセノンランプとするものである。

請求項3に記載の発明は、前記陰極の最大径が前記陽極の最大径の６０〜１００％としたことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のショートアーク型キセノンランプとするものである。

請求項４に記載の発明は、ランプ電流が３Ａ以下で点灯され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キセノンランプとするものである。

請求項５に記載の発明は、マイクロチップ用の小型測定器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４のいずれかに記載のショートアーク型キセノンランプとするものである。

請求項１の発明によれば、短極間のショートアーク型キセノンランプであっても、点灯時に電極の接触を回避するために、電流を絞っても電極先端の電流密度が高く維持され、輝点が広がらず、高輝度を確保できるショートアーク型キセノンランプとすることができる。

また、請求項２の発明によれば、電極間距離が０．１〜０．３ｍｍであることで、アーク輝点を小さくできる。

請求項３の発明によれば、ランプ点灯時のアークからの熱が陰極を伝導して放熱しやすくなり、陰極温度を適切に維持し、安定した放電が維持される。

請求項４の発明によれば、ランプ電流が３Ａ以下で点灯されると、電極同士が接することなく、輝点が広がらず、高輝度を確保できる。

請求項５の発明によれば、マイクロチップ用の小型測定器用光源として使用することで、精度の良い測定を可能にする。

図１は本発明の実施形態であるショートアーク型キセノンランプ１の概略断面図である。石英ガラス製の発光管２内に一対の陰極３と陽極４が対向配置されている。陰極３、陽極４は各々金属箔５、５´に接続され、金属箔５，５´は外部リード６、６´に接続され、金属箔５、５´において気密シールされている。陽極４はタングステン製であり、陰極３は易電子放射物質を含まない純タンタルからなる。純度は一例を挙げれば９９．９５％である。金属箔５、５´はモリブデン製であり、外部リードは例えばタングステンからなる。発光管２内にはキセノンガスが封入されている。

タンタル以外の高融点金属が、短極間で高輝度が必要となるショートアーク型キセノンランプの陰極に適さないことについて以下に説明する。
タングステンは仕事関数が４．５ｅＶと高いために、易電子放射物質を含まない純タングステンはランプ点灯中に温度が上がり過ぎて陰極が溶けてしまう。レニウムもタングステンと同様、仕事関数が４．７ｅＶと高いために、易電子放射物質を含まない純タングステンはランプ点灯中に温度が上がり過ぎて陰極が溶けてしまう。モリブデンはタングステンやレニウムと比べ仕事関数は低く４．２であるが、融点が比較的低いために、やはり溶けてしまう。それに対して、本発明のショートアーク型キセノンランプに採用したタンタルは仕事関数が４．１と比較的小さく、高融点であることから電極が溶けることなく、電極先端の電流密度が高く維持され、輝点が広がらず、高輝度を確保できる。

本発明のショートアーク型キセノンランプの具体的仕様を例示すれば、発光管は石英ガラス製であり、発光管の肉厚は１．０ｍｍ、発光管の最大外径は７．０ｍｍ、キセノンの封入圧は０．８ＭＰａ、陽極は純度９９．９５％の純タングステンからなり、陽極径は２ｍｍ、陰極は易電子放射物質を含まない純度９９．９５％のタンタルからなり、陰極径は２ｍｍである。極間距離は０．３ｍｍである。
極間距離は０．１〜０．３ｍｍが好ましい。それは０．４ｍｍ以上であると、微小領域に効率よく平行光が入る効率が悪くなるからである。下限の０．１ｍｍは製造上の限界である。

本発明のショートアーク型キセノンランプは、点灯するときのランプ電流値は３Ａ以下が好ましい。４Ａ以上であると陰極がタンタルであるため、電極の消耗が大きくなり、極間距離が伸びて使用に耐えなくなる。

陰極の最大径は陽極の最大径の６０〜１００％が好ましい。つまり、従来の酸化トリウムを含有したタングステンからなる陰極の場合に陰極の最大径は陽極の最大径の２０％〜５０％であるのと明確に相違する。これは、純タンタルを陰極としたことで
動作中の陰極先端部付近がタングステンからなる陰極の場合に比べ高温となり、電極からの放熱を促進させる必要から少なくとも６０％以上である必要がある。また、陰極の最大径が陽極の最大径の１００％を超えると石英ガラス製発光管の電極保持部分の管径を変える必要が生じ発光管の製造上不利であり、また、シール工程においても作業が困難である。

図２は本発明のショートアーク型キセノンランプを使用した小型測定器光源として使用した場合の構成例図である。
ショートアーク型キセノンランプ１とランプからの光を概略平行にするレンズ７とレンズ７からの光から所定の波長域の光を透過するバンドパスフィルタ１２からなる光学系を通った光が、マイクロチップ８の光導入部１０から吸光度測定部９に導入され、マイクロチップ８を通過した光が受光器１１にて受光される。

本発明のショートアーク型キセノンランプをランプ電流１．７Ａ、ランプ電圧１２Ｖで点灯させ、図２に記載の構成にて測定用光源として使用した。電極同士が接することなく、輝点が広がらず、高輝度を確保でき、マイクロチップ用の小型測定器光源として使用することができた。

本発明のショートアーク型キセノンランプの概略断面図である。 本発明のショートアーク型キセノンランプを使用した小型測定器光源として使用した場合の構成例図である。

符号の説明

１ ショートアーク型キセノンランプ
２ 発光管
３ 陰極
４ 陽極
５、５´ 金属箔
６、６´ 外部リード
７ レンズ
８ マイクロチップ
９ 吸光度測定部
１０ 光導入部
１１ 受光器
１２ バンドパスフィルタ

Claims (5)

1. 石英ガラス製の発光管内にキセノンガスが封入され、該発光管内に一対の陰極および陽極が対向配置されたショートアーク型キセノンランプにおいて、該陰極が易電子放射物質を含まない純タンタルからなることを特徴とするショートアーク型キセノンランプ。
2. 電極間距離が０．１〜０．３ｍｍ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キセノンランプ。
3. 前記陰極の最大径が前記陽極の最大径の６０〜１００％としたことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のショートアーク型キセノンランプ。
4. ランプ電流が３Ａ以下で点灯され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キセノンランプ。
5. マイクロチップ用の小型測定器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４のいずれかに記載のショートアーク型キセノンランプ。
   

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