JPS6034222B2 - 金属蒸気放電灯 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は発光管内に封入される電子放射性物質（ェミ
ッター）を変更した金属蒸気放電灯に関する。

たとえばメタルハラィドランプは、電圧を印加してから
起動するまでの始動性を容易にするため、ェミツタ−と
してトリウム（Ｔｈ）または酸化トリウム（Ｔｈｏ２）
に電極に混入もしくは塗布して発光管内に封入し、この
トリウムのＱ崩壊に誘発されて発生する電子を放電開始
の種として利用している。

すなわち、従来のメタルハラィドランプたとえば４００
Ｗ形のものは電極に酸化トリウムを２０の９塗着してい
る。トリウムはその半減期Ｔが１．４×１びｏ年である
ことが知られており、酸化トリウム２地中のトリウム原
子の数はおよそ４．５４×１び９個であり、トリウムの
全崩壊定数は１．６×１０‐１８ｓｅｃ‐１であるから
、酸化トリウム２０秘中におけるトリウムは毎秒平均約
７２個崩壊されると考えられる。１個のＱ粒子につき１
個の電子が作り出されるものと仮定すれば２０の９中に
おけるトリウムの毎秒の初期電子数Ｑはおよそ７２とな
る。

一方、ランプに電圧が印加されて始動するまでの平均始
動時間ｙは、放電開始に到るまでの初期電子がいつ放出
されたかという確率的平均時間であって、この平均始動
時間ｙは、電極から放射される毎秒当りの初期電子数Ｑ
と、その放出電子１個が放電を開始させる確率Ｐとの関
数により、７：点・・・（１’ で与えられる。

したがって２０の９の酸化ナトリウムにおけるＱは７２
であり、Ｐは大体において０．５ぐらいと考えられてい
るため、この種ランプでは↑＝０．０２親砂となり、電
圧印加後瞬時に放電を開始するものである。

これに対してトリウムを全く使用しないランプの場合に
は毎秒の初期電子数Ｑを供給する源は宇宙線などのよう
に天然放射線によるものだけであり、数秒に１回程度で
あってＱ３０．１程度となり、７２２現砂・となってし
まう。

すなわちトリウムを女台用しないランプは平均して始動
時間は２の砂程度となり、電圧印加後２現砂、程度は待
たなければ始動が開始されないということであって、ラ
ンプによっては電圧印加後１分間以上も始動しないもの
が、およそ５％の確率で発生することもある。さらに、
特に放電開始電圧が高いランプは始動時にパルス電圧を
必要としており、このようなランプはパルス電圧を印加
している間のみに放電開始の確率Ｐが存在するから、こ
のようなランプでトリウムを使用しないものは、平均と
してＰ３０．０１程度となり、したがって↑２１００Ｍ
秒前後にも達することになり、電圧印加後平均２粉ご、
場合によっては１時間近くも放電を開始しないことにな
る。このように、トリウムを使用することは放電開始を
容易こして始動時間の短縮に寄与するものであるが、ト
リウムは前述の通り半減期が１．４×１びｏ年と比較的
に長く、しもたとえば５年後のランプ寿命終期にあって
も確実な始動を促すためには１サイクル中に少なくとも
１個の電子を放出することが望ましいから５年後にあっ
ても毎秒の崩壊数が５０〜６川固以上を必要とし、この
ため酸化トリウムの形態で封入する場合には少なくとも
２０ｍｇ程度の量が必要となる。

しかしなからトＩＪウムは発光管内に封入された金属ハ
ロゲン化物のハロゲンと反応してハロゲン化トリウムと
なり、これが発光し、他の発光効率の高い封入物の発光
を抑制する原因となるため、光東低下の原因となる。し
かもハロゲン化トリウムの蒸気は寿命中のランプ電圧上
昇を招く原因となっている。このようにトリウムは寿命
中にハロゲンと反応して消失することから、この種ラン
プを寿命時間のたとえば１０００畑寺間点灯使用終期に
おいても確実、円滑な始動を維持しようとすれば、さら
に多量の酸化ナトリウムを必要とすることになるが、酸
化トリウムを増量すると益々光東の低下を招く不具合が
ある。このようなことからトリウムに代って、トリウム
よりも半減期の短かし、放射性物質をェミッターとして
使用することに注目した。

しかしながら半減期の短かし、放射性物質は人体に悪影
響を及ぼし易く、取扱、上多大な注意を要す。すなわち
放射性物質が人体こ触れると汝射線障害を招くものであ
り、このため放射線物質が飛散しない密封線源として取
り扱うことが要求される。この発明は上記事情にも、と
づきなされたもので、その目的とするところはこＬ放射
性物質を密封放射線源として発光管に封入することによ
り安全性が高く、しかも始動性が改善３・れる金属蒸気
放電灯を提供しようとするものである。

なお、本発明においては密封とは、スミヤーテストで剥
離しないこと、すなわち本放射線源を猿紙で拭き、この
櫨紙の表面から放射線が出ているか否かを計数管等で調
べたときに放射線が検出されないことであり、結局放射
性物質が線源から櫨紙へ移動しないことを言う。

以下本発明の一実施例を図面にもとづき説明する。

図中１はメタルハライドランプの外管である。

この外管１の一端にはステム２が封止されており、かつ
口金３が被着されている。４は石英ガラスなどで構成さ
れた発光管であり、サポート５．６を介して外管１の中
心部に設けられている。

発光管４内には主電極７，８が付設されており、一方の
主電極７に近接して始動用補助電極９が配置されている
。上記主電極７は一方のサポート５に接続されており、
このサポート５はステム２に貫通封止された導入線１０
を通じて口金３に接続されている。他方の主電極８はＩ
Ｊード線１１を介して他の導入線１２に接続されており
、この導入線１２はステム２を貫通して口金３のアィレ
ット端子３ａに接続されている。さらに始動用補助電極
９は始動用補助抵抗１３および熱応動開閉器としての常
閉形バイメタルスイッチ１４を介して導入線１２に接続
されている。始動用補助抵抗（又は限流抵抗）１３及び
サポート５の間にはグロー点灯管１８で接続し、パルス
発生作用を行わしめている。

上記発光管４内には、緩衝金属としての水銀と、発光金
属としての金属ハロゲン化物、たとえば沃化スカンジウ
ム（Ｓｃｌ）、沃化ナトリウム（Ｎａｌ）および始動用
希ガスとしてたとえばクリプトンガスを封入してある。

そしてまたこの発光管４内には放射性物質の密封線源１
５が収容されている。この密封線源１５は第２図に示さ
れるように、放射性物質１６をセラミック体１７に分散
密封させたものである。このような密封線源１５は発光
管４の排気管封止前に、排気管を通じて投入される。し
たがって放射性物質密封線源１５は排気管の内径よりも
小さく形成されている。上記セラミック体１７は酸化ケ
イ素（Ｓｊ０２）などの非金属酸化物、酸化アルミニウ
ム（Ｎ２０３）、酸化ナトリウム（Ｎａ２０）、酸化マ
グネシウム（Ｍｇ０）酸化べ１′ゥム（技○）酸化チタ
ン（Ｔｊ０）酸化カルシウム（Ｃａ○）などの金属酸化
物、炭化アルミニウム（ＡＩ４Ｃ３）、炭化ナトリウム
（Ｎａ２Ｃ２）、炭化カルシウム（ＣａＣ２）などの金
属炭化物、窒化アルミニウム（ＮＮ）、窒化ナトリウム
（Ｎａ３Ｎ）、窒化マグネシウム（Ｍ＆Ｎ２）などの金
属窒化物等が実施可能である。

またこのようなセラミック体１７に分散密封される放射
性物質としては、その半減期が比較的短いことが望まし
く、半減期は０．５年以上１び年以下のものがよい。た
とえば炭素１４（１４Ｃ）、ナトリウム２２（礎Ｎａ）
、カルシウム４５（４５Ｃａ）、鉄５５（扇Ｆｅ）、コ
バルト６０（６０Ｃｏ）、ニッケル６３（斑Ｎｉ）、亜
鉛６５（６５Ｚｎ）、マンガン５４（５４Ｍｎ）、スト
ロンチウム９０（９噌ｒ）、ルテニウム１０６（１０６
Ｒｕ）、銀１１０（１１０Ａｇ）、アンチモン１２５（
１２５Ｓｂ）、セシウム１３４（１３４Ｃｓ）、セシウ
ム１３７（１３７Ｃｓ）、バリウム１３３（１３３母）
、セリウム１４４（ＭＣｅ）、プロメチウム１４７（１
４７Ｐｍ）、ユウロピラム１５４（１５４Ｅｕ）、ユウ
ロピウム１５５（１５５Ｅｕ）、金１９５（Ｍ５Ａｕ）
、タリウム２他（２ＭＴＩ）、アクチウム２２７（２Ｍ
Ａｃ）、アメリシウム２４１（２４１Ａｍ）、キュリウ
ム２４２（２娩Ｃｍ）、キュリウム２４４（２４４Ｃｍ
）、カリホルニウム２５２（２５２Ｃｆ）、叢６２１０
（２１ｏＰｂ）、ラジウム２２６（既６Ｒａ）、ラジウ
ム２２８（２斑Ｒａ）、トリウム２２８（２２汀ｈ）な
どのうち少なくとも１種が選択採用される。

さらにまた放射性物質１６はランプ１個当り放射能量が
１００マイクロキュリー以下に規制して封入されている
。このような構成に係るメタルハラィドランプは、図示
しない安定器を介して電圧が印加されると、バイメタル
スイッチ１４が閉じているから、バイメタル１４、始動
補助抵抗１３、グロ「点灯管１８と電流が流れ、グロー
点灯管１８が動作する。

グロー点灯管１８のバイメタル接点の開閉に供なう電流
の導通遮断により図には示されない安定器のチョークィ
ングクタンス分によりパルス電圧を発生する。一方の主
電極７と始動用補助電極９との間で補助放電を開始する
。この補助放電は主電極７，８間の主放電へ進展し、主
アーク放電を開始する。始動後には発光管４内に封入し
てある金属ハロゲン化物が蒸発して発光する。また金属
ハロゲン化物の蒸発に伴って発光管電圧が上昇し、発光
管４の温度が上昇するので、この熱を受けてバイメタル
スイッチ１４が開放される。したがってランプが安定点
灯に至ると始動補助抵抗１３に電流は流れなくなり、点
灯管１８はバイメタル接点が閉止するので、始動用補助
電極９と隣接主電極７とは同一電位に保たれ、両者の間
に石英発光管中を介して電位がかかることなく石英のイ
オンによる再結晶化やクラック等の不具合を生じない。
しかして上記ランプは発光管４内に放射性物質１６を封
入してあるためにこの放射性物質１６からの放電の切掛
け、つまり種（たね）となる初期電子が放出されている
ので、始動が迅速に行われかつ始動電圧も低くなる。

すなわち放射性物質１６から放射されている初期電子に
よって放電が促されるので始動特性が向上するものであ
る。そして上記放射性物質１６はセラミック体１７に分
散密封されていることから、セラミック体１７から容易
に剥れることがなく、いわゆるスミヤーテストで落ちな
いことから人体に付着するなどの危険性がなく、取扱い
上においても安全である。特に発光管４内に封入する場
合、発光管４の排気管よりも小さく形成できるから、発
光管４内への投入が容易である。なお排気管を通じて密
封線源１５に封入する場合、排気前または排気中のいづ
れであってもよく、排気工程に影響を及ぼす廃れはない
。しかして放射性物質１ ６の半減期が０．３手以上１
び年以下であることの理由を述べる。一般にメタルハラ
ィドランプを含めて金属蒸気放電灯の寿命は１０００脚
寺間程度であり、１日に約５時間点灯使用すると仮定す
れば、約６年間は正常に動作する必要がある。

このことから半減期が０．３辛以上の放射性物質であれ
ば６年後には（１′２）２×６＝（１／２）１２３２．
４×１０‐４であるから、その放射能の減衰は完全に終
了しないことになり、始動機能を保持できる。逆に半減
期が０．５年未満の放射性物質であると、減衰が急速で
あるから、ランプの寿命中に減衰が完了してしまって寿
命末期には始動性能が著しく低下することになる。一方
、半減期が長すぎると放射線の減衰に時間がかかり、短
時間に放射される放射線が少ないため始動性が悪くなる
とともに、始動性を良くするために放射性物質を多量に
封入して放射線の放出確率を多くする必要が生じる。し
かしながら、放射性物質を多量に封入し過ぎると、これ
が化学的に反応し、また発光を生じるなどの不具合を招
く。望ましくは放射性物質の封入総原子数は、発光管内
への封入発光金属が蒸発しているときの蒸発総原子数の
１０‐３倍以下に抑えることが必要であり、この量は封
入量としては１０‐も以下であり、これを半減期でいえ
ば大体１ぴ年以下となる。更に人類に対する放射性物質
の一層の安全性を考慮すれば、比較的速やかに減衰する
ものが望ましく、０．５年〜１０年程度の半減期とする
ことがより一層望ましい。そしてまた放射性物質は密封
線源の形態で取り扱うにしても、法律では１００マイク
ロキュリー以下であることが規制されており、したがっ
て発光管１個当りの放射能量は１００マイクロキュリー
以下である必要が生じる。

そして前述したように、始動時における電源の１サイク
ル中に最低限１個の放射線が放出されることを条件にす
ると、毎秒５０〜６の固の崩壊を必要とし、安全率を見
込んで毎秒ＩＯＮ固の崩壊が必要と仮定すると、半減期
０．８芋の放射性元素の場合「ランプ寿命とされる６年
後においても毎秒ＩＯＮ固の崩壊を必要とすることにな
り、元素数量は６年後であっても２．３×１ぴ個を必要
とするものであり、封入当初においては約１×１び３個
の元素総量を必要とすることになる。また半減期１ぴ年
の放射性元素の場合は６年後において毎秒１００の崩壊
を行わせるためには４．５×１び４個の元素数が必要に
なり、封入当初においても同じく４．５×１び４個の元
素数を必要とする。これらの元素数は従来のトリウム２
０の９中の元素数４．５４ｘｌｏｌ９個に比べて１０‐
５〜１０‐７倍も少なくなるものであり、このことから
上記実施例の放射性物質であれば封入量を少くできるこ
とが判る。また４００Ｗのメタルハラィドランプの場合
、発光金属としてのＳｃおよびＮａの沃化物は総量で３
０の９封入しており、この重量中におけるＳｃおよびＮ
ａの元素数は約１ぴぢ華度である。

そして本発明者らの実験によると発光金属の元素数に対
して放射性物質の元素数を１０３以下に規制すれば放射
性元素の化学的反応、つまりハロゲン化物の生成が無視
でき、黒化や光東低下を少〈できることが判っており、
したがって半減期が０．３王以上１ぴ以下の放射性元素
であれば封入量が少いため、ハロゲンとの反応物を作り
出すことがなくなる。なお放射性物質１６をセラミック
体１７に担持させて密封線源１５を作り出す方法の一例
としては以下のごとき方法が可能である。

すなわち、まず酸化アルミニウム（ＡＩ２０３）と酸化
ケイ素（Ｓｉ０２）および酸化ナトリウム（Ｎａ２０３
）を通量づっ混合し、これを成形して２０００℃で暁結
することによりセラミック体をつくる。

ここでこれら酸化物の混合分子数比をｘ：ｙ：ｚとする
と、セラミック体はｘＡ１２０３・ｙＳｉ０２・ｚＮａ
２０３である。上記セラミック体のＮａ原子をプロメチ
ウム（Ｐｍ）原子とイオン交換法によって、一部もしく
は全部を置換する。すなわち上記セラミック体を塩化ア
ンモニウム（ＮＨ４ＣＩ）液に浸潰して、ＸＡ１２Ｑ・
ｙＳｉ０２・ｚ（ＮＨ４）２０とし、ついで脱アンモニ
ア処理によりｘＮ２０３・ｙＳｉ０２・ｚＨ２０とする
。ついで水素（Ｈ）とプロメチウムと置換してＸＡ１２
０３・ｙＳｉ０２・ｚＨＰｍＯとしたものであり、この
ものを最後に１２００ｑｏの温度にて焼結することによ
り、目的の放射性元素密封セラミックが得られる。次に
本発明の具体的実施例について説明する。

〔実施例 １〕電極間距離４２柳、内径２０柳の石英ガ
ラス製４００Ｗ形発光管に水銀５０柳、スカンジウムー
ナトリウムの沃化物３０の９、クリプトンガス８飢Ｐｒ
ｒ、および前記イオン置換法によって形成されたＮ２０
３・Ｓｊ０２・Ｐｍ○の放射性元素密封線源５０の９片
を封する。

この密封線源の放射線量は２５マイクロキュリーである
。このランプに電源電圧交流１８０Ｖ、パルス電圧１５
００Ｖ、パルス幅１マイクロ秒を付与すると瞬時に起動
する。上記密封線源を封入しないランプは始動するのに
平均２分以上要する。〔実施例 ２〕 電極間距離１２肌、内径１０肌の１００Ｗ形発光管内に
、水銀５の９、スカンジウムーナトリウム沃化物５の９
、アルゴンガス８ｍｏｒｒ、ＡＩ２０３・Ｓｉ０２・Ｐ
ｍ○の密封線源１の９（０．５マイクロキュリー）を封
入したランプは、電源電圧交流１５０Ｖ、パルス電圧５
００Ｖ、パルス幅０．５マイクロ秒のパルス電圧印加に
よって待時間０秒で始動する。

密封線源を用いないものは平均１頚砂を必要とする。〔
実施例 ３〕 酸化ケイ素（Ｓｉ０２）、酸化カルシウム（Ｃａ○）、
酸化マグネシウム（Ｍｇ○）の各粉末を混合糠結してべ
レット状のセラミック体となし、そのカルシウムおよび
マグネシウムのイオンを一部松Ｎａと置換してセラミッ
ク体に２２Ｎａを分散密封する。

このセラミック密封線源を電極間距離８０肋、内径２９
帆のｌｋＷ形発光管内に、水銀とセリウム（Ｃｅ）・サ
マリウム（Ｓｍ）・ナトリウム（Ｎａ）の沃化物および
５仇ｏｒｒのアルゴンガスとともに封入する。

このランプを電源電圧交流１７０Ｖ、パルス電圧５００
Ｖ、パルス幅０．５マイクロ秒のパルス電圧印加に始動
させると、瞬時に始動する。上記セラミック体密封線源
のないランプは最大５分、平均２の砂の始動時間を要す
る。〔実施例 ４〕 酸化ケイ素（Ｓｉ０２）に微量の炭素（Ｃ）を混合融解
し、すなわち炭素を含有した石英片を中性子源で照射す
る。

ケイ素（Ｓｉ）には２８Ｓｉが９２．２４％、幻Ｓｉが
４．６７％、３ｏＳｉが３．１０％含まれており、抑Ｓ
ｉと中性子とが反応して３１Ｓｉとなる。３１Ｓｉは半
減期が２．６幼時間であり急速に減衰してしまう。

一方炭素（Ｃ）中には１３Ｃが１．１１％含まれており
、これは中性子と反応して半減期５６０位王の１４Ｃと
なって電子崩壊をする。したがって上記炭素を含有した
石英片を上記のごとく中性子で照射し、これを１週間程
度冷却して放置しておけば半減期の短い３１Ｓｉは減衰
してしまってほとんど検知されなくなり、１４Ｃのみの
電子が放出する。このようにして放射性物質の密封線源
として得られた石英片の１マイクロキュリー分を、電極
間距離８仇吻、内径２物吻のｌｋＷ形発光管内に、水銀
およびスカンジウム・ナトリウムの沃化物６０地、スカ
ンジウムメタル２の９、ネオンークリプトンからなるベ
ニングガス８０のｒｒとともに封入する。このメタルハ
ラィドランプは電源電圧交流１６０Ｖ、パルス電圧５０
０Ｖ、パルス幅１マイクロ秒で瞬時に始動する。上記石
英片を使用しないランプは始動までに平均２５秒を要す
る。なおこの発明はメタルハラィドランプに限定される
ものではなく、高圧ナトリウムランプや高圧水銀ランプ
その他けし、光ランプなどにも適用してもその効果があ
る。

以上説明したようにこの発明によれば、発光管内に、放
射性物質をセラミック体に分散密封した形態で封入した
ものであるから、発光管内においては放射性物質から放
出される放射線が放電のきっかけとなり始動性がきわめ
て良好になる。しかも放射性物質はセラミック体に分散
密封させてあるから、取り扱いが容易であり、人体に触
れて付着するなどの危険性がないなどの安全性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示し、第１図はメタルハラ
ィドランプの断面図、第２図は放射性物質の密封線源を
示す斜視図である。 １・・…・外管、４・・・・・・発光管、７，８・…・
・主電極、１５…・・・密封線源、１６…・・・放射性
物質、１７・・・・・・セラミック体、１８・・・・・
・点灯管。 第１図第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半減期が約０．５年以上約１０＾４年以下の放射性
   物質をセラミツク体に分散密封し、このセラミツク体を
   発光管内に封入したことを特徴とする金属蒸気放電灯。 ２ 上記セラミツク体は酸化アルミニウムを主成分とす
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項の金属蒸気放
   電灯。３ 放射性物質として＾１＾４Ｃ，＾２＾２Ｎａ
   ，＾４＾５Ｃａ，＾５＾５Ｆｅ，＾６＾０Ｃｏ，＾６＾
   ３Ｎｉ，＾６＾５Ｚｎ，＾５＾４Ｍｎ，＾９＾０Ｓｒ，
   ＾１＾０＾６Ｒｕ，＾１＾１＾０Ａｇ，＾１＾２＾５Ｓ
   ｂ，＾１＾３＾４Ｃｓ，＾１＾３＾７Ｃｓ，＾１＾３＾
   ３Ｂａ，＾１＾４＾４Ｃｅ，＾１＾４＾７Ｐｍ，＾１＾
   ５＾４Ｅｕ，＾１＾５＾５Ｅｕ，＾１＾９＾５Ａｕ，＾
   ２＾０＾４Ｔｌ，＾２＾２＾７Ａｃ，＾２＾４＾１Ａｍ
   ，＾２＾４＾２Ｃｍ，＾２＾４＾４Ｃｍ，＾２＾５＾２
   Ｃｆ，＾２＾１＾０Ｐｂ，＾２＾２＾６Ｒａ，＾２＾２
   ＾８Ｒａ，＾２＾２＾８Ｔｈのうち少なくとも１種を用
   いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項の金属蒸気
   放電灯。