JPS6329773B2 - - 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（エミツター）を従来と変更してそのエミツタ
ー封入方法に係わる製造方法に関する。

一般にメタルハライドランプはその始動を容易
にならしめるため、エミツターとしてトリウム
（Th）または酸化トリウム（ThO₂）を電極に混
入もしくは塗布して発光管内に封入し、このトリ
ウムのα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
タルハライドランプで400W形のものは電極に酸
化トリウムを約20mg塗着して使用しており、トリ
ウムはその半減期Ｔが1.4×10¹⁰年であることが
知られているとともに、酸化トリウム20mg中のト
リウム原子の数はおよそ4.54×10¹⁹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20mg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、１個のα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τ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つて、
この平均始動時間τ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、 τ＝１／Ｐ・Ｑ …(1) で与えられる。

したがつて20mgの酸化トリウムにおける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τ＝0.028秒とな
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回程度であつてＱ0.1程度となり、
τ20秒となつてしまう。すなわちトリウムを使
用しないランプは平均して始動時間は20秒程度と
なり、電圧印加後20秒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つて、ランプによつ
ては電圧印加後１分間以上も始動を開始しないも
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Ｐ0.01
程度となり、したがつてτ1000秒前後にも達す
ることになり、電圧印加後平均20分、場合によつ
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
始を容易にして始動時間の短縮に奇与するもので
あるが、トリウムは前述の通り半減期が1.4×
10¹⁰年と比較的に長くしかもたとえば５年後の寿
命終期にあつても確実な始動をするためには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年後にあつても毎秒の崩壊数が
50〜60個以上を必要とし、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。しかしながらトリウムは発光管
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、他の効率の高い封入物の発光を抑制するため
に光束低下の原因となり、かつハロゲン化トリウ
ム蒸気は寿命中のランプ電圧上昇を招く原因とな
つている。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10000時間点灯使用終期にお
いても確実、円滑な始動を維持させようとすれば
さらに多量の酸化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束の低下
を招く不具合がある。

そこで本発明者らは、トリウムに代つて、トリ
ウムよりも半減期の短かい放射性物質をエミツタ
ーとして使用することに注目し、エミツターの使
用量を減少できることを見い出した。しかしなが
ら半減期の短かい放射性物質は取扱い上、人体に
悪影響を及ぼし易く、バルブ内への封入が面倒に
なるなどの問題が生じた。

この発明はこのような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、半減期の短い
放射性物質を安全かつ確実に発光管内へ封入でき
るようにした金属蒸気放電灯の製造方法を提供し
ようとするものである。

以下この発明の詳細を図面を参照して説明す
る。

第１図はメタルハライドランプの発光管を示
し、１は石英ガラスからなる発光管バルブ、２，
２は両端に形成された封止部、３，３は主電極、
４は始動用補助電極、５，５および６は封止部
２，２に封止された金属箔導体７，７および８は
外部リード線である。上記バルブ１内には沃化ス
カンジウム（Sc1）沃化ナトリウム（Na1）、水
銀およびアルゴンなどの始動用希ガスが封入され
ているとともに、放射性物質が封入されている。

放射性物質は、半減期が約0.5年以上約10年以
下であり、しかも発光管１個当りの放射能量が
100マイクロキユリー以下に規制されているもの
である。このような放射性物質としては、ナトリ
ウム22（²²Na）、カルシウム45（⁴⁵Ca）、マンガン
54（⁵⁴Mn）、鉄55（⁵⁵Fe）、コバルト60（⁶⁰Co）、亜
鉛65（⁶⁵Zn）、ルテニウム106（¹⁰⁶Ru）、銀110
（¹¹⁰Ag）、アンチモン125（¹²⁵Sb）、バリウム133
（¹³³Ba）、セシウム134（¹³⁴Cs）、セリウム144
（¹⁴⁴Ce）、プロメチウム147（¹⁴⁷Pm）、ユーロビウ
ム155（¹⁵⁵Eu）、金195（¹⁹⁵Au）、タリウム204
（²⁰⁴Tl）、キユリウム242（²⁴²Cm）が該当する。そ
して上記発光管バルブ１内にはこれらの放射性物
質の少なくとも１種が封入されているものであ
る。

しかして放射性物質の半減期が約0.5年以上約
10年以下であることの理由について述べる。

一般にメタルハライドランプを含めて金属蒸気
放電灯の寿命は10000時間程度であり、１日５時
間点灯使用すると仮定すれば、約５年間は正常に
動作する必要がある。この点において半減期が約
0.5年以上の放射性物質であれば５年後には（1/
２）¹⁰1/1000であるから、その放射能の減衰が完
全に終了しないので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れば、
減衰が急速であるためランプの寿命中に減衰が完
了してしまつて始動性能が寿命末期には著しく低
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
間がかかり始動性が悪くなるとともに、放射性物
質を多量に封入する必要が生じる。そして放射性
物質は100年程度で生活環境に悪影響を及ぼさな
い程度に減衰することが望ましく、100年で1/100
０程度に減衰することを一応の目安とすればその
半減期は約10年となる。

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100マイクロキユリー以
下であることを規制されており、したがつて発光
管１個当りの放射能量は100マイクロキユリー以
下にしておく必要がある。

このような理由から、発光管内に封入される放
射性物質はその半減期がほぼ0.5年以上ほゞ10年
以下の範囲が望まれ、しかも発光管１個当りの放
射能量は100マイクロキユリー以下であることが
要求されるものである。

しかしてこのような放射性物質はその封入量を
可及的に少くする目的で使用されるものであり、
したがつて上記のような放射性物質ならばどの位
の量を必要とするかについて検討してみる。

前述した通り、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れば毎秒50〜60
個の崩壊を必要とし、安全率を見込んで毎秒10²
個の崩壊が必要と仮定すると、半減期0.5年の放
射性元素の場合は５年後においてはおよそ2.3×
10⁹個の元素数量を必要とし、封入当初としては
2.3×10¹²個を必要とすることになる。また半減
期10年の放射性元素の場合は５年後において約
4.5×10¹⁰個の元素数が必要になり封入当初も同
じく4.5×10¹⁰個を必要とする。これらの元素数
は従来のトリウムの元素数4.5×10¹⁹個に比べて
１／１０^７〜1/10⁹にも少くなるものであり、このこと
から本発明の放射性物質であれば、従来に比べて
その封入量を少くできることが判る。

また400Wメタルハライドランプの場合、発光
金属、ScおよびNaを沃化物の形態で約30mg程度
封入しており、この重量におけるScおよびNaの
元素数は約10²⁰個程度である。そして本発明者ら
の実験によれば、発光金属の元素数に対して放射
線物質の元素数は1/1000以下であれば放射性元素
の化学的影響、つまりハロゲン化物質の生成が無
視できて黒化及び光束低下を起こす程の発光を防
止できることが見い出されており、したがつて半
減期約0.5年以上約10年未満の放射性物質であれ
ば封入量が少ないからハロゲンとの反応物質を作
り出すことはなく、よつて長期の使用中に光束の
低下を生じ難くなるものである。

しかして、上記のような放射性物質を発光管内
に封入する方法について説明する。上述の放射性
物質は取扱中に放射能が飛散すると危険であるの
で、密封線源の形態で取り扱う必要がある。この
ため本実施例では第２図に示されるように、純タ
ングステンからなる補助電極４に予め放射性物質
９を被着し、更にこの放射性物質９を非放射性物
質で密封被覆１０しておく。具体的には、補助電
極４の先端部位に放射性物質９をメツキし、さら
にこの外表面に非放射性物質をメツキして被覆す
る。この際、非放射性物質は、発光管内に封入さ
れる発光金属もしくはその酸化物であることが好
ましく、放射性物質の非放射性同位元素であつて
もよいが、発光管内に不純物として残留しないこ
と、および後で述べる被覆１０の除去工程で容易
に剥離されることを条件とする。

このように構成された始動用補助電極４はバル
ブ１内に組み込んで発光管を完成する。しかるの
ち始動用補助電極４とこれに近接する主電極３と
の間にグロー放電を起こさせ、ついで主電極３，
３間に放電を生じさせてフラツシングを行う。す
るとこのフラツシングの放電に伴つて発生する熱
および荷電粒子の衝撃が始動用補助電極４に付与
されて被覆１０が除去され、よつて放射性物質９
が放電空間内に現出されるので、放射性物質９は
放電空間内に拡散することになる。

このような方法によると、放射性物質９は始動
用電極４に密封線源の形態で保持されているの
で、補助電極４の取り扱い中に放射線が放出され
ることがなくて安全であり、しかも補助電極４を
バルブ１に封止するだけで放射性物質９がバルブ
１内に封入されるから、従来の作業工程を何ら変
更する必要がない。そしてランプ完成後のフラツ
シングにより、被覆１０が除去されるため、被覆
１０を剥離するための格別な手段を必要としない
ものであり、放射性物質９の封入作業がきわめて
容易に行えることになる。

なお本発明の実施例について説明する。

〔実施例 １〕 外径0.2mm、長さ15mmの純タングステンからな
る始動用補助電極に、その先端から５mmの長さの
範囲に亘つてプロメチウム147（¹⁴⁷Pm）を５×
10^-6mgメツキし、この上にスカンジウムScのメツ
キを施して密封線源とする。この始動用補助電極
を、内径20mm、主電極間距離42mmの石英製バルブ
に封止し、かつこのバルブ内にスカンジウム・ナ
トリウム沃化物を30mg、水銀を50mg、アルゴンガ
スを25torr封入して400W用メタルハライドラン
プを作る。３分間のグロー放電を行つて被覆を除
去したのち、交流200Vに高さ1500V、幅1.25μS
のパルス電圧を重畳したところ、ストツプウオツ
チでは測定できない程の瞬時に始動した。そして
1000時間点灯後の光束は従来のトリウムを用いた
ものに比べて1.25倍であつた。なお¹⁴⁷Pmは半減
期がβ崩壊2.7年であり、５×10^-6mgで５マイク
ロキユリーすなわち毎秒18.5×10⁴個の電子を放
出する。８年後の経過でも毎秒23000個の電子を
放出するものである。

〔実施例 ２〕 内径10mm主電極間距離12mmの100ワツトメタル
ハライドランプ発光管に水銀５mgスカンジウム・
ナトリウム・ヨウ化物５mgアルゴン80torrを封入
する。本ランプの場合には、第１図に於ける主電
極３の部分に放射性元素を密封している。これを
第３図に示す。１１は電極主軸、１２は電極コイ
ル、９′はNa²²を50マイクロキユリー分メツキし
たものであり、１０′は更にその上をNa²²を密封
すべく、被覆されたスカンジウム金属であり、総
量で約0.1mgである。本電極はどちらかの主極で
よく他主極は通常のものでよい。

本実施例では事前にグロー放電によるスカンジ
ウムメタル溶融工程を経なくとも、瞬時に200V
電源で始動することができた。但し、電源電圧に
巾1.5μ秒、高さ300Vのパルス電圧を印加してい
る。これは密封状態にあるNa²²の崩壊による放
出γ線及びβ⁺線がスカンジウムメタル層を透過
し、放電灯発光管内に放出され、アルゴンあるい
は水銀等を電離し、またγ線による発光管電極；
発光管壁に於ける二次電子放出による放電用初期
電子生成がなされるものである。Na²²の半減期
は2.58年であり、１日平均３時間点灯し、10年後
に於ける放電灯始動状態は、やはり瞬時に行つ
た。この場合、発光管内Na²²の放射能量は約
0.068倍すなわち約3.4マイクロキユリーに減衰し
ているものと推定されるが、始動性に劣化はみら
れなかつた。

〔実施例 ３〕 発光管内径20mm電極間距離60mmの400ワツトメ
タルハライドランプ用発光管にヨウ化スゞ17mgと
水銀50mg及び始動ガスとしてキセノン50torrを封
入している。

第４図にその電極近傍図を示すが、主軸１５に
電極コイル１６、金属酸化物とタングステン粉末
焼結エミツター１７を有し、更に、主軸１５の基
部を回周する如く、タングステン線１８の表面に
放射性元素Co⁶⁰（コバルト）９″を45マイクロキユ
リーメツキする。その上をスズ金属１０″でメツ
キして放射性元素１９を密封被覆してある。

このような主電極は、第１図に示した如く、構
成の発光管のどちらか一方の主電極あるいは両方
の主電極であつてもよい。

交流商用周波電圧240Vにパルス巾５マイクロ
秒高さ1500Vのパルス電圧を重畳してランプに印
加した場合には、直ちに始動する。上記放射性元
素密封体を封入しないランプは約15秒間パルス印
加を必要とした。またCo⁶⁰の半減期は5.24年であ
り10年後で約1/4すなわち11マイクロキユリー程
度存存して居り、十分効果を保持している。発光
特性的にはこれら放射性元素の影響はまつたくみ
られなかつた。Thを10mg封入した上記構成の発
光管は始動は電源波形の数サイクル内に行うが寿
命100時間程度からThメタルの発光が認められ、
演色性が低下して行つた。すなわち初期の平均演
色評価数Ra＝92がCo⁶⁰を密封したものは寿命中
変化しなかつたのに対してThを封入したものは
1000時間でRa＝85まで低下した。

なお発光管内に封入される発光金属は、トリウ
ムを除く全種類に適用できるものであるが、特に
効率の高いスカンジウム（Sc）、イツトリウム
（Ｙ）、希土類金属、アルミニウム（Al）、ナトリ
ウム（Na）、タリウム（Tl）、インジウム（In）
および演色性の良好なスズ（Sn）の少なくとも
１種を含んだ金属蒸気放電灯には有効である。

また上記実施例においては放射性物質の担持体
として始動用補助電極について述べたが、担持体
としてはもちろん主電極であつてもよく、特に始
動用補助電極を使用しない放電灯では主電極を用
いるものである。

以上詳述したこの発明は、半減期が約0.5年以
上約10年以下でありかつ発光管１個当りの放射能
量が100マイクロキユリー以下の放射性物質を予
め電極に保持させ、この放射性物質の保持部を非
放射性物質で密封被覆しておき、このような電極
を発光管内に封止したのち、電極間の放電に伴う
熱もしくは電子衝撃によつて上記被覆を除去して
放射性物質を発光管内に封入させるようにしたも
のである。したがつてこのものによると電極の取
り扱い中に放射性物質が被覆されているので安全
でありその取扱いが従来の電極と同様に行えるの
で発光管への電極封止も容易であり、かつ電極封
止とともに放射性物質も発光管内に投入される。
しかも被覆は電極間の放電に伴つて剥脱されるの
で発光管内へ放射性物質を封入する作業がすこぶ
る簡単に行える効果がある。

【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図は発
光管の正面図、第２図は封止前の始動用補助電極
の断面図、第３図および第４図は他の実施例の要
部の一部断面図である。 １…発光管バルプ、３，３…主電極、４…始動
用補助電極、９，９′，９″…放射性物質、１０，
１０′，１０″…被覆。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 予め電極に半減期が約0.5年以上約10年以下
   でかつ発光管１個当りの放射能量が100マイクロ
   キユリー以下とした放射性物質を保持させ、この
   放射性物質の保持部を非放射性物質で密封被覆
   し、このような電極を発光管内に封止したのち電
   極間の放電に伴う熱もしくは電子衝撃によつて上
   記被覆を除去して放射性物質を発光管内に現出さ
   せるようにしたことを特徴とする金属蒸気放電灯
   の製造方法。 ２ 上記放射性物質は²²Na，⁴⁵Ca，⁵⁴Mn，⁵⁵Fe，
   ⁶⁰Co，⁶⁵Zn，¹⁰⁶Ru，¹¹⁰Ag，¹²⁵Pb，¹³³Ba，¹³⁴Cs，
   ¹⁴⁴Ce，¹⁴⁷Pm，¹⁵⁵Eu，¹⁹⁵Au，²⁰⁴Tl，²⁴²Cmの少なく
   とも１種であ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の製造方法。 ３ 発光管に始動用補助極を備える金属蒸気放電
   灯にあつては、この始動用補助電極を前記放射性
   物質の保持体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の製造方法。