WO2000051162A1

WO2000051162A1 - Lampe a cathode creuse

Info

Publication number: WO2000051162A1
Application number: PCT/JP2000/001015
Authority: WO
Inventors: Yuji Shimazu; Toshio Ito; Jyunichi Imakama
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2000-08-31
Also published as: US20020000775A1; EP1162648A1; AU2689700A; US6548958B2; JP2000243356A; EP1162648A4

Description

明糸田ホロ一カソードランプ

技術分野

本発明は、原子吸光分析、原子蛍光分析などの光源として使用されるホロ一力ソ一ドランプに関するものである。背景技術

原子吸光分析には、分析元素そのものの原子スペクトル線を出力する光源を用いる必要があり、このような光源として、ホロ一力ソードランプ（中空陰極ランプ）が知られている。このホロ一力ソードランプは、中空陰極を形成する分析元素を、イオン衝撃に伴うスパッ夕リングによって放電空間に原子状態で飛散させ、電子エネルギの授受によってスぺクトル線を発生させるものである。

ところで、従来から、このようなホロ一力ソードランプの使用時に生じる問題として、スぺクトル線の一部が放電空間に存在する励起されていない元素原子（未励起元素原子）にエネルギを与え、これによりスペクトル線の強度が減少してしまう自己吸収という現象が知られている。この自己吸収率が高いと、ホロ一カソ一ドランプへ供給する電流値を上げても光出力の向上が図れない。

かかる自己吸収による問題を解決するための技術として、例えば特公平 7— 5

6 7 8 1号公報や U S P 4， 8 8 5， 5 0 4号公報に掲載されたホロ一力ソードランプがある。これらの各公報に掲載されたホロ一力ソードランプは、ともに熱電子を放出する熱電子供給源（熱電子放射用の補助電極， electron emitter) を備えており、この熱電子供給源を陰極とした放電により、未励起原子を励起状態にするものである。このように、熱電子供給源を陰極とした放電により未励起原子を励起させることで、未励起原子によるスぺクトル線の吸収を防止することができる。発明の開示

しかし、上記特公平 7— 5 6 7 8 1号公報および U S P 4， 8 8 5， 5 0 4号公報に掲載されたホロ一力ソードランプには、次のような問題があった。すなわち、上述のスパッタリングにより陰極の元素は飛散するが、ランプへの供給電流をある程度高くすると、この飛散元素が飛び散ってしまい飛散元素によりスぺクトル線が散乱したり、また、元素が激しく飛び散ってしまっているので熱電子供給源を陰極とした放電を行っても未励起元素を励起状態にする効果が低下してしまう。そのため、ランプの動作電流を上げても所望の光出力が得られないという問題があった。また、飛散元素が激しく飛び散ってランプのバルブ内周面に付着しバルブの汚染原因となり、以後好適な使用が困難となるだけでなくランプの寿命が著しく短くなるという問題もあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、光出力が高く、バルブの内面が汚れにくいホロ一力ソードランプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、光出射窓を有するバルブ内に、当該光出射窓と対向する中空陰極および陽極を備えるホロ一力ソードランプにおいて、筒状形状をなし、一の開放端が中空陰極に接続され、他の開放端が光出射窓と対向すると共にその周側面に穴が形成された筒状フードと、穴に臨む位置に配置された電子供給源と、を備え、電子供給源と陽極との間で熱電子を利用した放電が行われることを特徴とする。

本発明に係るホロ一力ソードランプによれば、中空陰極がスパッタリングされる際に飛散する陰極元素は、筒状フードの内周面に付着するため、バルブの内周面は殆ど汚れない。また、筒状フードによって、飛散元素が激しく広範囲に飛び散るという事態を防止できる。このため、ランプから出力されるスペクトル線の散乱が防止され、光出力が向上する。また、筒状フードの周側面には穴が形成されており、さらに、当該穴に臨む位置に、陽極との間で熱電子放出を利用した放電を中空陰極内および筒状フード内で生じさせるための電子供給源が配置されている。そして、この穴を介して電子供給源と陽極との間で生じる放電によって、中空陰極内および筒状フード内に存在する未励起原子を予め励起状態にすることができ、当該未励起原子による自己吸収が防止される。このとき、上述のように、筒状フードによって飛散元素が激しく広範囲に飛び散るという事態が防止されているため、当該放電により未励起元素が効率良く励起状態にされる。

また、本発明に係るホロ一力ソードランプにおいて、電子供給源および穴を覆うカバーを更に備えることも望ましい。このような構成を採用した場合、中空陰極がスパッ夕リングされる際に飛散する上記陰極元素が、電子供給用の穴から飛び出してバルブの内周面に付着するという事態が防止される。

本発明の他の発明に係るホロ一力ソードランプは、光出射窓を有するバルブ内に、光出射窓と対向する中空陰極および陽極を備えるホロ一力ソードランプにおいて、筒状形状をなし、一の開放端が中空陰極に接続され、他の開放端が光出射窓と対向すると共に、その周側面にスリットが形成された筒状フードと、スリットに臨む位置に配置された電子供給源と、を備え、電子供給源と陽極との間で熱電子を利用した放電が行われることを特徴とする。

このホロ一カソ一ドランプによれば、中空陰極がスパッタリングされる際に飛散する陰極元素は、筒状フードの内周面に付着するため、バルブの内周面は殆ど汚れない。また、筒状フードによって、飛散元素が激しく広範囲に飛び散るという事態を防止でき、これにより、ランプから出力されるスペクトル線の散乱が防止され、光出力が向上する。また、筒状フードの周側面にはスリットが形成されており、さらに、当該スリットに臨む位置に、陽極との間で熱電子放出を利用した放電を筒状フード内で生じさせるための電子供給源が配置されている。そして、スリットを介して電子供給源と陽極との間で生じる放電によって、中空陰極内に存在する未励起原子を予め励起状態にすることができ、当該未励起原子による自己吸収が防止される。

また、当該ホロ一力ソードランプにおいて、電子供給源およびスリットを覆うカバーを更に備えることも望ましい。このような構成を採用した場合、中空陰極がスパッタリングされる際に飛散する上記陰極元素が、電子供給用のスリットから飛び出してバルブの内周面に付着するという事態が防止される。

さらに、本発明に係るホロ一力ソードランプにおいて、中空陰極は、内部が貫通した貫通陰極であると共に、光出射窓と陽極との間に位置することが望ましい。このような構成を採用した場合、陽極は中空陰極と光出射窓との間の空間に位置しないため、中空陰極内の原子が基底状態になる際に当該原子から放出される光の進行が、陽極の存在によって妨げられることはない。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係るホロ一力ソードランプの第 1実施形態を示す断面図である o

図 2は、図 1に示すホロ一力ソードランプを X方向から見た中空陰極近傍の拡大図である。

図 3は、第 1実施形態のホロ一力ソ一ドランプの動作電流と光出力の関係を示すグラフである。

図 4は、第 1実施形態のホロ一力ソ一ドランプにおいて中空陰極をセレンで形成した場合の動作電流と光出力の関係を示すグラフである。

図 5は、本発明に係るホロ一力ソ一ドランプの第 2実施形態の特徴部分を示す図である。

図 6は、第 2実施形態のホロ一力ソ一ドランプの変形例を示す図である。

図 7は、本発明に係るホロ一力ソードランプの第 3実施形態の特徴部分を示す図である。

図 8は、図 7に示すホロ一力ソードランプの VI I I— VI I I方向の断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明に係るホロ一力ソードランプの好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する記載は省略する。

[第 1実施形態]

まず、図 1および図 2を用いて、本実施形態のホロ一力ソードランプ 2の構成を説明する。図 1は、本実施形態のホロ一力ソードランプを示す断面図であり、図 2は、図 1に示すホロ一力ソードランプを X方向から見た中空陰極近傍の拡大図である。ホロ一力ソードランプ 2は、光出射面（光出射窓） 3を上部に有する石英ガラス製のバルブ 4内に、その内部が図 1における上下方向に貫通した中空陰極 1 4と、この中空陰極 1 4の下方に配置された陽極 8と、を備えている。なお、バルブ 4は気密にされており、その内部にはネオンガスが封入されている。陽極 8は、セラミックス製の絶縁碍子管 6によって支持され、さらに絶縁碍子管 6内を貫通するリード線と電気的に接続されている。一方、中空陰極 1 4は、マイ力（雲母）製の基板 1 0 aにそのフランジ部 1 2 fが載置された電気絶縁性の陰極支持部材 1 2によって、バルブ 4に対して支持固定されている。また、基板 1 0 aの下方には、二本の絶縁碍子管 1 6 aが陽極 8を挟むように配置され、さらに、陰極支持部材 1 2のフランジ部 1 2 f と基板 1 0 aの上方に配置された基板 1 0 bとの間には、絶縁性碍子管 1 6 bが設けられている。そして、絶縁碍. 子管 1 6 aおよび絶縁性碍子管 1 6 b内を貫通するリード線 1 7が基板 1 O b上に突出している。なお、基板 1 0 aおよび基板 1 0 bは、リング形状をなしており、その内周部は陰極支持部材 1 2と接触し、外周部はバルブ 4の内周壁に接触しており、絶縁碍子管 1 6 aおよび絶縁性碍子管 1 6 bの揺動を防止している。中空陰極 1 4は、ステンレス製の円筒状の外部筒 1 4 aと当該外部筒 1 4 aの内周面に形成されたバナジウム製の内部筒 1 4 bとから構成されている。なお、中空陰極 1 4の内部筒 1 4 bを形成する材料は、バナジウムに限られず分析元素に応じて種々変更することができ、たとえばセレン、ヒ素などがある。また、外部筒 1 4 aを形成する材料もステンレスに限られず、さらに、内部筒 1 4 bを形成する材料によっては外部筒 1 4 aを設けなくてもよい。

また、中空陰極 1 4の上部には、当該中空陰極 1 4と同軸に本実施形態の特徴である筒状のフード 2 0が装着されている。詳しくは、中空陰極 1 4の上部外周に対してフード 2 0の下部内周が嵌合するようにフード 2 0は中空陰極 1 4に装着されている。また、フード 2 0の下部は、二枚の金属製のフード固定板 1 8によって中空陰極 1 4に締め付けられている。なお、図 1においては、二枚のフ一ド固定板 1 8のうち中空陰極 1 4の図中奥側に位置する一方のみが図示されているが、実際は中空陰極 1 4の図中手前側にもフード固定板 1 8は配置され、二つのフード固定板 1 8は溶接によって接着固定されている。また、二つのフード固定板 1 8によって上記リード線 1 7が挟み込まれ、これにより中空陰極 1 4への導通が図られている。なお、このフード 2 0の下方の開放端 2 0 aは中空陰極 1 4と接触し、上方の開放端 2 0 bはバルブ 4の光出射面 3と対向している。また、フード 2 0は、熱伝導性が良くスパッタリングされにくいニッケルによって形成されている。なお、フード 2 0を構成する材料はニッケルに限られず、ステンレス、アルミニウム等でもよい。

さらに、フード 2 0の周側面には、円形の穴 2 2が形成されている。そして、この穴 2 2に臨む位置には、フード 2 0内で陽極 8との間で熱電子放出を利用した放電を行うための熱電子放出陰極（電子供給源） 2 4が配置されている。すなわち、穴 2 2は、熱電子放出陰極 2 4と陽極 8との間で放電を生じさせるために形成されている。なお、熱電子放出陰極 2 4は、内部にリード線が通っている支持管 2 6によって支持されている。以上が、ホロ一力ソードランプ 2の構成である。

次に、ホロ一力ソードランプ 2の作用を説明する。まず、陽極 8と中空陰極 1 4との間に電圧をかけて、この両者の間で放電を生じさせる。すると、この放電により、バルブ 4に封入されたネオンガス原子が電離する。このガスの電離作用によって生じた陽イオンは電界に引っ張られて中空陰極 1 4の内部筒 1 4 bの内周面に衝突し、このときの運動エネルギによって中空陰極 1 4の内周表面から陰極物質（バナジウム）が原子状に飛散する。この飛散陰極元素は、基底状態にある単原子等からなり、中空陰極 1 4の内部空間に熱拡散される。そして、拡散中の基底状態の飛散陰極元素は、陽極 8と中空陰極 1 4との間の放電により励起され、短時間（約 1 0一⁸秒程度）後に再び基底状態に遷移する。この際、その遷移エネルギに等しいバナジウム固有の単色光（スペクトル線）が発せられ、この光が光出射面 3より出力される。なお、上記マイ力製の基板 1 0 aおよび基板 1 O bの内周部が陰極支持部材 1 2と接触し、外周部がバルブ 4の内周壁に接触しているため、陽極 8と中空陰極 1 4との間の放電経路が中空陰極 1 4の外側になる事態を防止することができる。

ここで、本実施形態では、中空陰極 1 4の上方に上記フード 2 0が装着されており、中空陰極 1 4から飛散する飛散陰極元素は当該フード 2 0の内周面に付着するため、バルブ 4の内周面に飛散陰極元素が付着して汚れるという事態を防止することができる。また、フード 2 0によって、飛散陰極元素が激しく広範囲に飛び散るという事態を防止でき、これにより、光出射面 3から出力されるスぺクトル線の散乱を防止でき、光出力が向上する。また、フード 2 0内において飛散陰極元素の密度が高くなる。さらに、中空陰極 1 4に接続されたフード 2 0は、熱伝導性の良いニッケルから形成されており、中空陰極 1 4の放熱部材としての役割も果たしている。このため、ランプ 2の動作電流の増加に伴う中空陰極 1 4 の温度上昇率は低くなり、ランプ 2の動作電流を従来よりも高くすることができ、光出力が向上する。また、中空陰極 1 4がスパッタリングされる前に熱で溶けるという事態を防止することもできる。またさらに、陽極 8は中空陰極 1 4と光出射面 3との間の空間に位置しないため、中空陰極 1 4内の飛散陰極元素から光出射面 3に向かうスぺクトル線が陽極 8の存在によって妨げられることはない。なお、一般的に、光（スペクトル線）出力過程において、当該スペクトル線のエネルギが、未励起状態（基底状態）にある飛散陰極元素によって吸収される、いわゆる自己吸収という現象が生じる可能性がある。自己吸収が生じると、スぺクトル線の強度が弱まり、さらに、スペクトル線の輪郭がぼやけて分析吸収感度が低下することになる。しかし、本実施形態では、フード 2 0の周側面に穴 2 2 が形成されており、さらに、この穴 2 2に臨む位置に熱電子放出陰極 2 4が配置されている。熱電子放出陰極 2 4に支持管 2 6内の導線を介して電圧を印加すると、当該熱電子放出陰極 2 4と陽極 8との間で、熱電子放出を利用した放電が行われる。そして、この放電によって、未励起原子をスペクトル線との衝突前に予め励起状態にすることができ、当該未励起原子による自己吸収を防止できる。このとき、上述のように、フード 2 0によって飛散陰極元素が激しく広範囲に飛び散るという事態が防止されているため、熱電子放出を利用した放電により未励起元素を効率良く励起状態にすることができる。

図 3は、本実施形態のホロ一力ソードランプ 2の動作電流と光出力の関係を示すグラフであり、横軸は動作電流を示し、縦軸は相対出力を示している。また、このグラフ上には、熱電子放出陰極は有するがフード 2 0を装備しない従来タイプのホロ一力ソードランプに関するデ一夕もプロヅトしてある。本実施形態のホ口一力ソードランプ 2のデ一夕は、黒く塗りつぶした丸印、三角印、四角印のプロットを実線で繋いで示し、従来タイプのデータは、白抜きの丸印、三角印、四角印のプロットを破線で繋いで示した。なお、丸印、三角印、四角印は、それそれ熱電子放出陰極 2 4に流す電流値を 5 mA , 1 5 mA , 2 5 mAとしたものである。このグラフより、熱電子放出陰極 2 4に流す電流値をどの値にしても、従来タイプのランプよりも本実施形態のランプ 2の方が、光出力が遙かに高いことがわかる。特に、ランプの動作電流を約 7 0 mA程度まで上げた場合は、本実施形態のランプ 2の出力は、従来タイプのランプの出力の 1 . 5倍以上になる。図 4は、本実施形態のホロ一力ソードランプ 2において、中空陰極の材料としてバナジウムの代わりにバナジウムよりもスパッタリングされ易いセレンを用いた場合のデータを示すグラフである。図 3と同様に、本実施形態のホロ一カソードランプ 2のデ一夕は、各プロットを実線で繋いで示し、従来タイプのホロ一力ソードランプのデータは、各プロットを破線で繋いで示した。また、本実施形態の熱電子放出陰極 2 4に流す電流値は、 3 0 mA， 6 0 mA , 8 0 mA , 9 0 m A , 1 1 0 mAとし、従来タイプの熱電子放出陰極 2 4に流す電流値は、 2 0 m A , 3 0 mA , 4 0 mA , 5 0 mA , 8 0 mAとした。

図 4に示すように、従来夕ィプのランプの動作電流を約 4 0 m Aまで上げると、光出力が著しく低下した。これは、動作電流が大きくなるとスパッタリングされる陰極元素の量が多くなり、飛散陰極元素が中空陰極から飛び出し広範囲に飛び散ってしまうことに起因している。さらに、この状態でランプを動作し続けると、飛散陰極元素がバルブに付着しバルブの内周面を汚してしまい、以後好適な使用が困難となるだけでなくランプの寿命が著しく短くなつてしまう。一方、本実施形態のランプでは、動作電流を約 8 0 mAまで上げても光出力は低下せずに高出力が得られた。すなわち、本実施形態のランプによれば、従来のランプでは動作電流を上げても得られなかった高出力を得ることができ、その結果広い範囲での光出力を得ることが可能となった。なお、本実施形態のランプでは、動作電流を 8 0 m Aまで上げてもバルブの内周面は殆ど汚れなかった。

[第 2実施形態]

次に、本発明に係るホロ一カソードランプの第 2実施形態について説明する。図 5は、本実施形態のホロ一力ソードランプの特徴部分を示す図である。本実施形態のホロー力ソードランプが第 1実施形態のランプ 2と異なるのは、フード 2 0の構成にある。図 5に示されているように、本実施形態のフード 2 0には、熱電子放出陰極 2 4と陽極 8との間で放電を生じさせるため、第 1実施形態のような円形の穴 2 2 (図 2参照）の代わりに、その周側面にスリット 3 4が形成されている。スリット 3 4は、フード 2 0の上方の開放端 2 0 bから下方の開放端 2 0 aまで延びている。なお、このスリット 3 4に臨む位置には、スリット 3 4と直交するように、熱電子放出陰極 2 4が配置されている。

このような構成を採用した場合も、第 1実施形態と同様に、中空陰極 1 4から飛散する飛散陰極元素はフード 2 0の内周面に付着するため、バルブ 4の内周面に飛散陰極元素が付着して汚れるという事態を防止することができる。また、フード 2 0によって、飛散陰極元素が激しく広範囲に飛び散るという事態を防止でき、これにより、光出射面 3から出力されるスペクトル線の散乱を防止でき、光出力が向上する。さらに、フード 2 0は、中空陰極 1 4の放熱部材としての役割も果たし、ランプ 2の動作電流の増加に伴う中空陰極 1 4の温度上昇率は低くなり、ランプ 2の動作電流を従来よりも高くすることができ、光出力が向上する。また、中空陰極 1 4がスパッ夕リングされる前に熱で溶けるという事態を防止することもできる。

またさらに、スリット 3 4を介して熱電子放出陰極 2 4と陽極 8との間で生じる熱電子放出を利用した放電によって、中空陰極 1 4内に存在する未励起原子をスぺクトル線との衝突前に予め励起状態にすることができ、当該未励起原子による自己吸収を防止できる。このとき、上述のように、フード 2 0によって飛散陰極元素が広範囲に飛び散るという事態が防止されているため、熱電子放出を利用した放電により未励起元素を効率良く励起状態にすることができる。

図 6は、第 2実施形態の変形例を示す図である。この変形例では、熱電子放出陰極 2 4は、スリット 3 4と直交せず、スリット 3 4と平行に配置されている。このような構成を採用した場合、熱電子放出陰極 2 4からの熱電子を利用する放電を、効率よく発生させることができる。

[第 3実施形態]

図 7および図 8を用いて、第 3実施形態のホロ一力ソードランプを説明する。図 7は、本実施形態のホロ一力ソードランプの特徴部分を示す図であり、図 8は、図 7に示すランプの VII I— VIII 方向の断面図である。本実施形態のホロ一カソ ―ドランプが第 1実施形態のランプ 2と異なるのは、フード 2 0の構成にある。図 7および図 8に示されているように、フード 2 0には、フード 2 0に形成された穴 2 2と熱電子放熱陰極 2 4とを覆うカバー 4 0が備えられている。

このような構成を採用した本実施形態のホロ一力ソードランプによれば、中空陰極 1 4から飛散する上述の飛散陰極元素が、電子供給用の穴 2 2から外部に飛び出してバルブの内周面に付着するという事態を防止することができ、ランプの寿命が長くなることになる。

なお、本実施形態のホロ一力ソードランプは、第 1実施形態のランプにカバー 4 0を装着したものであるが、このほか第 2実施形態のホロ一力ソードランプにカバー 4 0を装着することもできる。すなわち、熱電子放出陰極 2 4とスリット 3 4をカバー 4 0によって覆うことも好ましい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、フードは、断面円形の筒に限られず、中空陰極の形状に合わせて、角筒等にしてもよい。また、フードに形成する穴は円形に限られず、方形、楕円形などに適宜変更することができる。さらに、中空陰極が内部筒と外部筒とから形成されている場合に、別途フ一ドを設けずに外部筒を光出射面方向に延ばし、この外部筒の延在部分をフードとみなして当該延在部分に電子供給源と陽極との間で放電を起こさせるための穴を形成してもよい。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明に係るホロ一力ソードランプによれば、中空陰極がスパッタリングされる際に飛散する陰極元素は、筒状フードの内周面に付着するため、バルブの内周面は殆ど汚れない。また、筒状フードによって、飛散元素が激しく広範囲に飛び散るという事態を防止することができる。このため、ランプから出力されるスぺクトル線の散乱を防止でき、ランプの光出力を向上することができる。

また、筒状フードの周側面には穴またはスリットが形成されており、さらに、当該穴またはスリットに臨む位置に、陽極との間で熱電子放出を利用した放電を中空陰極内および筒状フード内で生じさせるための電子供給源が配置されている ₍ そして、当該穴またはスリットを介して電子供給源と陽極との間で生じる放電によって、中空陰極内および筒状フード内に存在する未励起原子を予め励起状態にすることができ、当該未励起原子による自己吸収を防止することができる。このとき、上述のように、筒状フードによって飛散元素の広範囲への飛び散りが防止されているため、電子供給源を陰極とした放電により効率良く未励起元素を励起状態にすることが可能となり、光出力が一層向上する。

Claims

言青求の範囲

1 . 光出射窓を有するバルブ内に、当該光出射窓と対向する中空陰極および陽極を備えるホロ一力ソードランプにおいて、

筒状形状をなし、一の開放端が前記中空陰極に接続され、他の開放端が前記光出射窓と対向すると共に、その周側面に穴が形成された筒状フードと、

前記穴に臨む位置に配置された電子供給源と、を備え、

前記電子供給源と前記陽極との間で熱電子を利用した放電が行われることを特徴とするホロ一力ソードランプ。

2 . 前記電子供給源および前記穴を覆うカバーを更に備えることを特徴とする請求項 1記載のホロ一力ソードランプ。

3 . 光出射窓を有するバルブ内に、当該光出射窓と対向する中空陰極および陽極を備えるホロ一力ソードランプにおいて、

筒状形状をなし、一の開放端が前記中空陰極に接続され、他の開放端が前記光出射窓と対向すると共に、その周側面にスリットが形成された筒状フードと、前記スリッ卜に臨む位置に配置された電子供給源と、を備え、

4 . 前記電子供給源および前記スリットを覆うカバ一を更に備えることを特徴とする請求項 3記載のホロ一力ソードランプ。

5 . 前記中空陰極は、内部が貫通した貫通陰極であると共に、前記光出射窓と前記陽極との間に位置することを特徴とする請求項 1〜請求項 4のうち何れか一項記載のホロ一力ソードランプ。