JPH05275061A - 中空陰極ランプとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ、Ｒｂ等のアルカリ金属やＣ
ｌ、Ｍｇ等のアルカリ土類金属の分光分析用中空陰極ラ
ンプの放射光スペクトルのばらつきを低減し、同時にそ
の製造方法の安全性を高め、品質を均一化する。 【構成】中空陰極ランプの陰極をタングステン等の安定
な金属材により構成し、その中空陰極孔内に上記アルカ
リ金属やアルカリ土類金属の金属塩の一つ、または複数
をアルミニウムまたは銀等粉末を混合して充填、熱処理
し、気孔率が１０〜５０％となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分光光度計などの光源に
利用される中空陰極ランプに係り、とくにランプの発光
源となる中空陰極ランプの陰極の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の分光測定、とくに原子吸光
測定用光源として最も一般的な中空陰極ランプの断面図
である。図２において、中空陰極ランプ６の内には中空
陰極孔３を有する陰極２と陽極１が設けられ、また、約
０．１Ｐａの負圧ネオンなどの希ガスが封入されてい
る。陰極２と陽極１間に電圧を印加すると電子によって
上記ネオンガスがイオン化され、ネオンイオンは中空陰
極３の内面に引き付けられて衝突し、スパッタリングに
より陰極物質がはじき出される。上記はじき出された原
子は封入ガス原子イオン、あるいは電子などと衝突して
これを励起し発光する。上記中空陰極ランプには発光に
際して負グロー放電の陽光柱が生じないため、封入ガス
の原子線と陰極を構成する金属原子のスペクトル線が安
定してえられるという特徴がある。

【０００３】このような中空陰極放電管の改良に関して
は、例えば特開昭４９−１２８５８１号公報には、陰極
材であるセシウム等の発光に寄与する元素に半金属物質
を添加して発光強度を増大することが開示されている。

【０００４】また、特開昭５０−３７２８５号公報に記
載には、中空陰極孔３の周辺部に仕事関数の大きな物質
層を形成して、陰極物質内のリチウム、アルカリ金属成
分により発生する異常放電を防止することが開示されて
いる。また、特開昭５０−４４６７６号公報には上記中
空陰極をＡｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｃｄ，
Ｉｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，ＣＯ，Ｔａ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｐ
ｔ，Ｎｂ等の少なくとも一つを含む物質粉末を加圧整形
して製造することが記載されている。

【０００５】上記従来の陰極２は分析しようとする元素
の性質に応じて下記のように作り分けられていた。 （１）分析しようとする元素の高純度金属を削り出す方
法。 （２）こわれやすく加工しにくい元素を粉末成形して燒
結する方法。 （３）低融点元素を金属間化合物化して高融点化する方
法。

【０００６】上記（１）の製造方法において、分析目的
元素が銅や金など単金属の場合には陰極２は分析目的元
素と同じ銅や金等で作られる。このような陰極を元素別
陰極とよんでいる。また、元素別陰極がスズのように低
融点にもかかわらず蒸発しにくい場合にはスパッタリン
グにより蒸発する前にが融けてしまうので、陰極２を高
融点金属との金属間化合物、あるいは合金、固溶体等に
したり、また、スポンジ状の高融点金属に陰極材を含浸
させるようにしていた。また、陰極２がナトリウム（Ｎ
ａ）、セシウム（ＣＳ）、ルビジウム（Ｒｂ）等のよう
に反応性が高く人体への危険性および火災などの危険性
が高いアルカリ金属元素の場合にも同様の製法が採用さ
れていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、陰極材が上記ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃ
ｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ単元素の場合に
は、水、あるいは酸素等と容易に高温酸化反応を起こし
て人体に危険を及ぼし、また、火災などの危険性がとく
に高いので取り扱い難しく製造方法も煩雑で困難であ
り、また出来上り製品の品質も不均一になりやすいとい
う問題があった。

【０００８】また、上記アルカリ金属の中空陰極ランプ
は発光強度が低いため複雑な専用電源を使用して発光強
度を高めるようにしているため価格が高くなるという問
題もあった。本発明の目的は上記アルカリ金属の中空陰
極を品質を均一化して安全に製造することができ、同時
に発光強度を高めることのできる中空陰極ランプを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、陰極２の中空陰極孔３内にアルカリ塩混合物４を充
填するようにする。さらに、陰極２を例えばタングステ
ンのようにアルカリ金属を吸着してアルカリ金属イオン
放出の仕事関数を著しく低下させる金属で形成するよう
にする。さらに、上記アルカリ塩混合物４のアルカリ塩
をＮａ，Ｋ，Ｃｓ、Ｒｂ等のアルカリ金属またはＣａ，
Ｍｇ等のアルカリ土類塩の塩化物、ヨウ化物等のハロゲ
ン化物とする。

【００１０】さらに、上記アルカリ塩をＡｌ，Ｍｇ、Ｃ
ｕ等の電気的導体金属をバインダとして気孔率が１０〜
５０％の多孔質に形成するようにする。また、Ｎａ，
Ｋ，Ｃｓ、Ｒｂ等のアルカリ金属またはＣａ，Ｍｇ等の
アルカリ土類の塩化物、ヨウ化物等のハロゲン化物の粉
末とＡｌ，Ｍｇ、Ｃｕ等の金属粉末を混合して中空陰極
孔３内に圧入し、真空雰囲気内で焼結するようにする。

【００１１】

【作用】タングステンのように大きな仕事関数をもつ陰
極２の表面（中空陰極孔３の表面）にはＣｓのような低
いイオン化エネルギをもつアルカリ金属原子が正イオン
として吸着し、ネオンイオンの照射や正電界により上記
アルカリ金属イオンが蒸発して発光する。また、Ｎａの
場合には中空陰極孔３の表面にイオンの形で吸着してい
るにもかかわらず原子の形で蒸発して発光する。他のア
ルカリ金属、アルカリ土類等も上記の何れかの範疇に属
する。

【００１２】また、上記アルカリ金属またはアルカリ土
類の塩化物、ヨウ化物等のハロゲン化物の粉末とＡｌ，
Ｍｇ、Ｃｕ等の金属粉末との多孔質のアルカリ塩混合物
４は加熱またはネオンイオン照射等により中空陰極孔３
の表面に上記アルカリ金属またはアルカリ土類を補給す
る。

【００１３】また、上記アルカリ金属またはアルカリ土
類のハロゲン化物の粉末とＡｌ，Ｍｇ、Ｃｕ等の金属粉
末を混合して中空陰極孔３内に圧入し、真空雰囲気内で
焼結することにより気孔率が１０〜５０％のアルカリ塩
混合物４が形成される。

【００１４】

【実施例】図１は本発明による中空陰極ランプの実施例
断面図である。従来の中空陰極ランプでは中空陰極孔３
を備えた陰極２自体をナトリウム（Ｎａ）、セシウム
（ＣＳ）、ルビジウム（Ｒｂ）等のアルカリ金属元素を
金属間化合物、合金、固溶体にしたり、スポンジ状の高
融点金属に含浸したものとしていたのに対して、本発明
では陰極２をタングステン等の安定な高融点金属で構成
し、その中空陰極孔３内に塩化セシウム(CsCl)やヨウ化
セシウム(CsI)等のアルカリ塩やカルシウム(Ca)、マグ
ネシウム(Mg)等のアルカリ土類塩の混合物４を充填して
いる点が異なっている。以下便宜上、上記アルカリ塩や
アルカリ土類塩の混合物を総称してアルカリ塩混合物と
呼ぶことにする。

【００１５】上記アルカリ塩やアルカリ土類塩は化学的
に安定であるため取扱性に優れている。アルカリ塩混合
物４は、例えば、塩化セシウム(CsCl)やヨウ化セシウム
(CsI)等のアルカリ金属塩粉末５Ｎ，２５〜３０ｇとア
ルミニウム、銀、同等の粉末３〜４Ｎ，＃１５０〜＃３
００メッシュ、２５〜５００ｇとを例えば混合比５０Ｗ
ｔ％に混合し、陰極２をタングステン等の陰極２の中空
陰極孔３内に気孔率が２０〜３０％となるように数回に
分けて圧入する。上記陰極２の形状は例えば、外径６〜
８φ、内径３〜４φ、深さ１０ｍｍである。

【００１６】上記アルカリ塩混合物４を充填した陰極２
を真空処理炉内で５００℃、１時間程度焼結して完成す
る。上記アルミニウム、銀、同等の混合物は、陰極２と
アルカリ塩混合物４間を電気的に接続し、同時に適度の
粘性を有するため上記アルカリ塩を強固に保持し、さら
に成形容易性を与える働きをしている。

【００１７】図１において、陽極１と陰極２間に電圧を
印加すると電子によりイオン化された封入ガス（Ｎｅ）
のイオンが中空陰極孔３内に引き寄せられて衝突し、タ
ングステンの陰極表面からアルカリ塩混合物４内のアル
カリ、アルカリ土類成分をイオンまたは原子の形で放出
する。上記イオンまたは原子は封入ガスのイオン化部分
に入ってそのエネルギにより発光し、光出射窓５よりそ
のスペクトル光を放射する。

【００１８】このとき、アルカリ塩混合物４内のアルカ
リ塩やアルカリ土類塩はアルカリ、アルカリ土類成分を
中空陰極孔３内に供給するものの、塩素やヨウ素等のハ
ロゲン成分は放出しない。例えば、アルカリ塩が塩化セ
シウムの場合にはセシウム(Cs)イオンをはじき出すが塩
素成分は放出しない。一般に上記ハロゲン成分はアルカ
リやアルカリ土類のイオン、原子等による発光を阻害す
るのであるが、本発明ではハロゲン成分が放出されない
ので良好な発光を得ることができる。

【００１９】図３は上記放射光のスペクトル図であり、
従来ランプと同等以上のスペクトル強度が得られてい
る。

【００２０】上記アルカリやアルカリ土類のイオンや原
子の放出には、これらの元素のイオン化エネルギＩと、
これらを吸着している物体、すなわち中空陰極孔３の表
面物質の仕事関数が関係することが知られている。

【００２１】１９７５年発行の「化学総説」のＮｏ７
［界面電気化学」、１７〜１９頁によれば、タングステ
ンのような金属表面部でアルカリやアルカリ土類原子を
イオン化してその電子を金属面に戻す過程では、アルカ
リやアルカリ土類原子のイオン化エネルギをＩ，金属の
仕事関数をφとすると、必要なエネルギは図４に示す
（Ｉ−φ）で与えられる。ただし、曲線ａは金属面に対
する上記アルカリ／アルカリ土類原子のポテンシャル曲
線であり、したがってDaが陰極原子を陰極面からとり去
るに必要な仕事になる。なお、横軸は金属面からの距離
である。

【００２２】また、曲線ｂは上記アルカリ／アルカリ土
類原子をイオン化してその電子を金属中に移す際のポテ
ンシャル曲線であり、したがってＡ点でイオン化された
原子の電子を陰極中に移す過程では（Ｉ−φ）のエネル
ギーが必要となる。また、ＤＩはイオンと陰極との結合
力である。 ＤI−（Ｉ−φ）＞Ｄａ ならば、原子は正イオンとして陰極に吸着する。すなわ
ち、イオン化エネルギＩが小さい原子ほど正イオンとし
て吸着しやすい。

【００２３】例えば、タングステンのように大きな仕事
関数をもつ陰極２上にはアルカリ金属やアルカリ土類金
属のようにイオン化エネルギが低い金属原子が正イオン
として吸着することは実験的にもよく知られている。従
って、陰極２に対して正電位を与えるとアルカリ塩混合
物４内の例えば塩化セシウムのセシウム原子がタングス
テンの陰極２の表面でイオン化して蒸発しする。

【００２４】また、上記アルカリ金属がナトリウムの場
合には陰極のタングステン表面にイオンの形で吸着して
いるにもかかわらず原子の形で蒸発する。上記イオンや
原子は従来の中空陰極ランプと同様の挙動を行ない発光
する。

【００２５】また、アルカリ塩混合物４の気孔率が上記
のように１０〜５０％であるため、発熱や上記封入ガス
（Ｎｅ）イオンの衝突によりがアルカリ塩混合物４内の
アルカリ金属やアルカリ土属金属がタングステンの陰極
２の表面に滲み出てその蒸発を補充する。さらに上記気
孔率により、ランプ封止時のガス抜き工程が効率化でき
るという利点も得られる。

【００２６】従来の中空陰極ランプは一つの元素の分析
を目的とした単元素タイプが一般的であった。しかし、
本発明ではＮａ，ｋ，Ｒｂ、ＣｓやＣｌ，Ｍｇ等のよう
な反応性の高い複数のアルカリ金属、アルカリ土属金属
の分析に共用できる複合タイプの中空陰極ランプを提供
することができ、ここれにより分析能率を著しく向上す
ることができる。

【００２７】従来、陰極材をＮａ，ｋ，Ｒｂ、Ｃｓのよ
うな反応性の高い複数の元素の合金にしてこれらの元素
の分析に共用できる複合タイプの中空陰極ランプを得よ
うとすると、合金の組成比が制約されるため含有量の多
い元素の線スペクトルが強くなり、他の元素の線スペク
トルが不十分になるとか、スパッタされやすい元素のみ
が強く発光するという不都合が生じていた。このため極
く限られた組成の合金材のみが用いられていた。また、
上記複数の陰極材を金、銀、アルミ等をバインダとして
粉末成形したものや、圧縮成形後加熱して粉末表面を溶
着させる粉末冶金を用いたものにも同様な難点があっ
た。

【００２８】本発明では上記アルカリ金属やアルカリ土
属を金属塩にして用いるので、複数のアルカリ塩混合物
の組成比を自由に設定して上記共用型の中空陰極ランプ
を提供することができる。例えば、塩化カルシウム(CaC
l)、塩化マグネシウム(MgCl)、塩化カリウム(KCl)の混
合物に銀粉末などを加えて多元素分析用の複合陰極を製
作することができる。なおこの場合、各元素の共鳴線強
度はそれぞれの単元素タイプに比べて多少弱くなるのが
放電電流を大きくしてこれを補うことができる。

【００２９】また、上記本発明の単元素および複合元素
分析用の中空陰極ランプでは、上記アルカリ金属塩混合
物の組成比を正確に設定できるので放射光スペクトルの
ばらつきを低減することができる。さらに、従来、減圧
およびグローブボックス等を用いて火気、水分、空気等
に注意しながら行っていた作業工程を簡略化することが
できるので、中空陰極ランプ製造時の作業の安全性を高
め、これにより、製造効率を向上し、製品品質のばらつ
きを低減することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、放射光スペクトルのばら
つきを低減したナトリウム，ルビジウム，セシウムなど
のアルカリ金属やカルシウム、マグネシウム等のアルカ
リ土属金属の単元素分光分析用の中空陰極ランプとその
製造方法を提供することができる。さらに、従来はとく
に困難とされてきた上記アルカリ金属やアルカリ土属金
属の複合元素分光分析用の中空陰極ランプとその製造方
法を提供することができる。また、上記中空陰極ランプ
製造時の作業の安全性を高めることができ、これにより
従来、減圧およびグローブボックス等を用いて火気、水
分、空気等に注意しながら行っていた作業工程を簡略化
することができ、製造効率を向上し、製品品質のばらつ
きを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による中空陰極ランプ実施例の断面図で
ある。

【図２】従来の中空陰極ランプの断面図である。

【図３】本発明による中空陰極ランプの線スペクトル特
性例である。

【図４】陰極表面部におけるイオン、原子等のポテンシ
ャルエネルギ特性図である。

【符号の説明】

１…陽極、２…陰極、３…中空陰極孔、４…アルカリ金
属塩混合物、５…光出射窓、６…中空陰極ランプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ネオン等の不活性ガスイオンの衝突によ
   りスパッタされる陰極物質イオンの陰極、陽極間の陽光
   柱のない負グロー放電部における励起光を出力する中空
   陰極ランプにおいて、上記陰極の中空陰極孔内にアルカ
   リ塩混合物を充填したことを特徴とする中空陰極ラン
   プ。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記アルカリ塩混合
   物のアルカリ塩をＮａ，Ｋ，Ｃｓ、Ｒｂ等のアルカリ金
   属またはＣａ，Ｍｇ等のアルカリ土類塩の塩化物、ヨウ
   化物等のハロゲン化物としたことを特徴とする中空陰極
   ランプ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、上記アルカ
   リ塩をＡｌ，Ｍｇ、Ｃｕ等の電気的導体金属をバインダ
   として気孔率が１０〜５０％の多孔質に形成したことを
   特徴とする中空陰極ランプ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   上記陰極をタングステンにより形成したことを特徴とす
   る中空陰極ランプ。
5. 【請求項５】 ネオン等の不活性ガスイオンの衝突によ
   りスパッタされる陰極物質イオンの陰極、陽極間の陽光
   柱のない負グロー放電部における励起光を出力する中空
   陰極ランプの製造方法において、Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ、Ｒｂ
   等のアルカリ金属またはＣａ，Ｍｇ等のアルカリ土類塩
   の塩化物、ヨウ化物等のハロゲン化物の粉末とＡｌ，Ｍ
   ｇ、Ｃｕ等の金属粉末を混合し、上記陰極の中空陰極孔
   内に上記混合粉末を圧入し、真空雰囲気内で焼結するよ
   うにしたことを特徴とする中空陰極ランプの製造方法。