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【発明の名称】 無電極の低圧放電ランプ
【発明者】 【氏名】ベアテ ヘルター
【要約】 【課題】僅かな透過損失しか有しず、かつミニチュアサイズのパネル構造のために適しているような、できるだけ単純でかつ扱い易いハンディタイプの光源を備えた無電極の低圧放電ランプを提供する。

【解決手段】気密にシールされたランプバルブ２内に、バルブ内部への高周波電磁界の入力結合によってプラズマが形成されるようになっており、該プラズマにより形成された放射線が、ランプバルブ２から、規定された光軸１０に沿って、ランプバルブ２の第１の端面側１５に設けられた、ＵＶ放射線に対して透明な、収束レンズとして形成された少なくとも１つの透明体２０を通じて射出するようになっており、プラズマの範囲に、光軸１０に沿って一貫して延びる孔もしくは開口を備えた少なくとも１つの遮蔽体７，８，９が設けられている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 無電極の低圧放電ランプであって、気密にシールされたランプバルブ（２）内に、バルブ内部への高周波電磁界の入力結合によってプラズマが形成されるようになっており、該プラズマにより形成された放射線が、ランプバルブ（２）から、規定された光軸（１０）に沿って、ランプバルブ（２）の第１の端面側（１５）に設けられた、ＵＶ放射線に対して透明な少なくとも１つの透明体（２０）を通じて射出するようになっており、プラズマの範囲に、光軸（１０）に沿って一貫して延びる孔もしくは開口を備えた少なくとも１つのシールドもしくは遮蔽体（７，８，９）が設けられている形式のものにおいて、ランプバルブ（２）の第１の端面側（１５）に設けられた前記透明体（２０）が、レンズとして形成されていることを特徴とする、無電極の低圧放電ランプ。
【請求項２】 前記透明体（２０）が収束レンズとして形成されている、請求項１記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項３】 光軸（１０）に沿って、ランプバルブ（２）の第２の端面側（１６）に別の透明体（２１）が配置されている、請求項１または２記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項４】 両透明体（２０，２１）のうちの少なくとも一方の透明体の縁範囲が、ランプバルブ（２）の一方の端面側と共に気密な結合部を形成している、請求項１から３までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項５】 電磁界を容量式に入力結合するために、ランプバルブ（２）が、光軸（１０）に沿ってそれぞれ両端面側（１５，１６）の範囲に電極（２３，２４）を備えており、該電極（２３，２４）がそれぞれ前記透明体（２０，２１）の光軸（１０）の範囲に各１つの開口（２５，２６）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項６】 光軸（１０）に沿って、ランプバルブ（２）の第２の端面側（１６）の範囲でランプバルブ（２）の外部に、熱放射器（２２）として形成された付加的な放射線源が配置されており、該放射線源の放射線が、ランプバルブ（２）の第２の端面側（１６）に配置された透明体（２１）を通じてランプバルブ（２）内に入射するようになっており、プラズマにより形成された放射線も、熱放射器（２２）の放射線も、第１の透明体（２０）を通じて外部へ案内されるようになっている、請求項１から５までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項７】 前記遮蔽体（７，８，９）に設けられた前記少なくとも１つの開口が、円形に形成されており、該開口の直径が０．１〜６ｍｍの範囲にある、請求項１から６までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項８】 前記遮蔽体（７，８，９）が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素から成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項９】 前記遮蔽体（７，８，９）が、酸化トリウム、酸化ベリリウムまたは多結晶ダイヤモンドから成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項１０】 前記遮蔽体（７，８，９）が、高融点の金属、特にモリブデンまたはタングステンから成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項１１】 前記透明体（２０，２１）が、石英ガラスまたはＵＶ透過性ガラスまたはサファイアから成っている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項１２】 ランプバルブ（２）の充てん物として、１〜１００ミリバールの低温充てん圧を有する重水素が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【請求項１３】 前記電極（２３，２４）が、０．１ＫＨｚ〜２４５０ＭＨｚの領域の励起周波数を発生させる高周波発生器に接続されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の無電極の低圧放電ランプ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、無電極の低圧放電ランプであって、気密にシールされたランプバルブ内に、バルブ内部への高周波電磁界の入力結合によってプラズマが形成されるようになっており、該プラズマにより形成された放射線が、ランプバルブから、規定された光軸に沿って、ランプバルブの第１の端面側に設けられた、ＵＶ放射線に対して透明な少なくとも１つの透明体を通じて射出するようになっており、プラズマの範囲に、光軸に沿って一貫して延びる貫通孔もしくは開口を備えた少なくとも１つのシールドもしくは遮蔽体が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】以下において、「無電極の放電ランプ」とは、ランプバルブの内部に固有の電極を有しないようなランプを意味する。この場合、ランプを動作させるためには、電磁界の入力結合によってプラズマが形成される。電磁界の入力結合は、たとえばランプバルブの外側に被着された電極によって容量式に行うことができる。しかし、電磁界の誘導式の入力結合を行うことも可能である。
【０００３】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２０７３０号明細書に基づき公知の無電極の低圧放電ランプでは、ランプバルブ内に、高周波電磁界の入力結合によってプラズマが形成され、このプラズマにより形成された放射線がランプバルブから射出する。プラズマの範囲には、高耐熱性の材料から成る遮蔽体が配置されており、この遮蔽体はプラズマ範囲を絞って縮径させるための開口（アパーチュア）を有している。この遮蔽体は前記開口を通る光軸を有しており、この光軸に沿って放射線が射出する。高周波電磁界におけるプラズマ収縮時に十分に高い放射線束および放射輝度（Ｓｔｒａｈｌｄｉｃｈｔｅｎ）を得るためには、材料が高い壁負荷に耐えなければならない。これにより、材料が１５００゜ケルビンよりも高い温度で破壊したり、溶融したり、不純物を放出したり、あるいはそれどころかランプのスイッチオンオフ時における熱衝撃に基づき砕け散ったりすることが回避される。
【０００４】ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２０７３０号明細書の記載によれば、遮蔽体のための材料として有利には窒化ホウ素が使用される。
【０００５】さらに、英国特許第１００３８７３号明細書に基づき、無電極の高周波・放電スペクトルランプが公知である。この公知のランプは光透過性の材料から成る、中空状に閉じられたランプバルブを有しており、この場合、このランプバルブは２つの部分に分割されている。分割された両バルブ部分は毛管状の貫通案内部によって互いに結合されており、そしてランプバルブ内に存在する金属蒸気内に放電を励起するための電磁的な装置が設けられている。放電のための電磁エネルギの入力結合は、ランプバルブを取り囲むコイル装置を介して維持され、この場合、実際の点弧は外部電極を介して行われる。
【０００６】上記英国特許明細書の記載によれば、点弧に関して大きな問題が生じることが判っているので、ランプバルブの外側範囲に、点弧を導入する付加的な電極が設けられなければならない。この場合、有利なビーム軸線に沿って方向付けられた放射は行われない。
【０００７】さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７５１９号明細書に基づき公知の無電極の低圧放電ランプ、特に重水素ランプの構成では、ランプが円筒対称的な遮蔽体を有している。この遮蔽体は端面側にそれぞれ１つの中空室を有している。両中空室は１つの孔によって互いに接続されており、この孔は、高周波電磁界の入力結合によって内部に形成されたプラズマを、放射された放射線の強さ増大の目的で縮径させるための遮蔽体開口としても働く。円筒対称的な遮蔽体の両端面側は気密なシール部材を備えており、このシール部材のうちの少なくとも一方のシール部材が射出フィールドとして形成されている。有利な構成では、電磁界の入力結合が、端面に設けられた電極によって容量式に行われ、これらの電極は、これらの電極が射出窓に対して隣接して配置されている場合には、放射線の射出のための少なくとも１つの開口を有している。
【０００８】ドイツ連邦共和国特許第１９５４７８１３号明細書に基づき、やはり遮蔽体を備えた無電極の放電ランプが公知である。放電容器内では、高周波電磁界の入力結合によってプラズマが形成され、このプラズマにより形成された放射線は、放電容器の、ＵＶビームに対して透過性の少なくとも１つの範囲を通じて放電容器から射出する。この場合、プラズマの範囲には、高耐熱性の材料から成る少なくとも１つの遮蔽体が配置されており、この遮蔽体はプラズマ範囲を絞って縮径させるための少なくとも１つの開口を有している。プラズマ範囲では同一の光軸に少なくとも２つの遮蔽体開口が設けられており、この光軸に沿って放射線が射出する。電磁界を容量式に入力結合するためには、放電容器が光軸に沿ってそれぞれその端部に面状の電極を備えている。これらの電極の少なくとも一方の電極は、ビーム出口の軸線の範囲に開口を有しており、この開口はＵＶビームに対して透過性の射出窓に隣接して配置されている。
【０００９】この公知の放電ランプは分析目的のための完全な形のＵＶ−ＶＩＳ光源に関して問題があることが判っている。この場合、ランプユニットは重水素ランプとタングステンランプとをシースルー式配置で有しており、そしてこのランプユニットはシャッタ、ＳＭＡ光導波路接続部および両ランプのための安定器として働く前置接続装置と共に１つのプリント配線板にまとめられている。付加的な収束レンズを備えた配置形式では、ＵＶ透過性の窓からの射出時および収束レンズ通過時に透過損失が発生する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、僅かな透過損失しか有しず、かつミニチュアサイズのパネル構造のために適しているような、できるだけ単純でかつ扱い易いハンディタイプの光源を備えていて、さらに、放射線が比較的簡単に光導波路もしくは光ファイバ内へ入力結合され得るような無電極の低圧放電ランプを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭で述べた形式の無電極の低圧放電ランプにおいて、ランプバルブの第１の端面側に設けられた前記透明体が、レンズとして形成されているようにした。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば、ＵＶ光線の透過率が著しく改善されることが有利であることが判った。すなわち、窓とレンズとを通る従来の放射線通過部の代わりにレンズ材料を通る唯一つの放射線通過部しか必要とならないことに基づき、材料通過部が節約される。このことから、単純化された構造の他に、改善された発光効率も得られる。
【００１３】請求項２〜請求項１３には、請求項１に記載の本発明による無電極の低圧放電ランプの有利な構成が記載されている。
【００１４】本発明の有利な構成では、ＵＶ放射線に対して透明な透明体として少なくとも１つのレンズが形成されており、さらに光軸に沿って、ランプバルブの第２の端面側の範囲に別の透明体が配置されている。両透明体の縁範囲はランプバルブの各端面側と共に気密な結合部を形成している。
【００１５】電磁界を容量式に入力結合するためには、ランプバルブがその軸線に沿ってそれぞれその端部もしくは端面側に、面状の電極を備えており、この場合、これらの電極は、それぞれビーム出口の軸線の範囲に１つの開口を有しており、この開口はビーム出口に隣接して配置されている。
【００１６】本発明の別の有利な構成では、光軸に沿って、ランプバルブの第２の端面側の範囲でランプバルブの外部に、熱放射器として形成された付加的な放射線源が配置されており、該放射線源の放射線が、ランプバルブの第２の端面側に配置された透明体を通じてランプバルブ内に入射するようになっており、プラズマにより形成された放射線も、熱放射器の放射線も、第１の端面側に設けられた第１の透明体を通じて外部へ向かって案内されるようになっている。
【００１７】熱放射器は光軸に沿って配置されており、この場合、ビーム出口の遮蔽体開口を通じて熱放射器の放射線も案内される。このことは、プラズマにより形成された放射線も、熱放射器の放射線も、ビーム出口に設けられた、ＵＶ透過性のレンズとして形成された第１の透明体を通じて案内されることを意味する。
【００１８】ビーム出口の遮蔽体開口は円形に形成されており、この場合、この遮蔽体開口の直径は０．１〜６ｍｍの範囲にあると有利である。遮蔽体は酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素から成っていると有利である。しかし、遮蔽体は酸化トリウム、酸化ベリリウム、多結晶ダイヤモンドまたは高融点の金属、たとえばモリブデンまたはタングステンから成っていてもよい。
【００１９】ＵＶ透過性のレンズおよびビーム入口の窓は、石英ガラスまたはＵＶ透過性ガラスまたはサファイアから成っていると有利である。
【００２０】ランプバルブの充てん物としては、１〜１００ミリバールの低温充てん圧を有する重水素が設けられていると有利である。電極は、０．１ＫＨｚ〜２４５０ＭＨｚの領域の励起周波数を発生させる高周波発生器に接続されていると有利である。
【００２１】さらに、収束レンズとしても働く射出窓が使用されることに基づき、材料コストや加工コストの節約も得られるので有利である。この場合、付加的に、ランプに対して規定の間隔を置いてレンズを位置適正に適当に取り付けるためにかかる較正手間も不要となる。
【００２２】別の利点としては、レンズが遮蔽体の範囲における、発光するプラズマボールに一層大きく近付けられていることにより、放射された光線の、より大きな立体角度が捕捉されることに認められる。
【００２３】さらに、これまで放電ランプと収束レンズとの間に存在していた空間を放電ランプの、高められたガス容積のために利用することができるので、同じ所要スペースのままで放電ランプの寿命を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２５】図１には、円筒対称的なランプバルブ２と、このランプバルブ２内に配置された複数のスペーサリング３，４，５，６とを備えた放電ランプ１の縦断面図が示されている。各スペーサリング３，４，５，６の間には、それぞれ１つの遮蔽体７，８，９が配置されている。この遮蔽体７，８，９は光軸１０に沿って延びる遮蔽体開口（アパーチュア）１１，１２，１３を有している。ランプバルブ２の両端面側１５，１６はそれぞれ開口１７，１８を備えており、これらの開口１７，１８はそれぞれ第１の透明体２０と第２の透明体２１とによって気密に閉鎖されている。放射線は第１の開口１７と、レンズとして形成された、ＵＶ放射線に対して透明な第１の透明体２０とを通じて、ランプバルブ２の内部から光軸１０に沿って外方に向かって放射される。このときに、第２の開口１８は外部から光軸１０に沿ってランプバルブ２内に導入された放射線を入力結合するために働く。この場合、放射線は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７５１９号明細書の図２に基づき知られているような熱放射器２２（シンボリックにのみ図示する）から導入される。したがって、第１の開口１７は放電ランプ１の内部で形成された放射線のビーム出口としても、外部からランプバルブ２内に導入された放射線のビーム出口としても働くように設けられている。出口用の第１の開口１７はこの場合、透明体２０としてＵＶ放射線透過性の収束レンズを有しており、この場合、ランプバルブ２の内室は第１の端面側１５では収束レンズとして形成された第１の透明体２０によって、第２の端面側１６では第２の透明体２１によって、それぞれ外部環境に対して雰囲気的に（ａｔｍｏｓｐｈａｅｒｉｓｃｈ）閉鎖されている。
【００２６】電磁界の入力結合は、面状に形成された電極２３，２４を介して容量式に行われる。これらの電極２３，２４は光軸１０に沿ってランプバルブ２の両端面側１５，１６に被着されている。電極２４は端面側１６で、熱放射器２２から放射された放射線を導入するために、ランプバルブ２の第２の開口１８に比べて縮小された開口２６を有しており、それに対して電極２３は端面側１５で、ランプバルブ２の第１の開口１７に比べて縮小された、ＵＶ放射線と、熱放射器２２により形成された放射線とを送出するための開口２５を有している。
【００２７】図２には、ＵＶ放射線と可視光線とを送出するためのＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１が示されている。このＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１はＵＶ放射線のための放電ランプ１と、熱放射器２２と、放電ランプ１および熱放射器２２の制御のための電気的な前置接続装置として形成された安定器３３とを有している。ＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１は扱い易いハンディタイプの小型のプリント配線板３７に収納されていて、比較的小さな電力しか消費しないので、ＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１の動作は定置の供給電源とは無関係に、バッテリまたはアキュムレータ（蓄電池）を用いて可能になる。図２から判るように、光軸１０に沿って、放電ランプ１の、安定器３３に向けられた側には、ミニチュアの白熱ランプもしくはハロゲンランプの形の熱放射器２２が取り付けられており、この場合、熱放射器２２から放射される放射線をランプバルブ２の内部へ入力結合するために、放電ランプ１の第２の端面側１６に設けられた電極２４に開口２６が設けられている。ランプ動作は前置接続装置である安定器３３により保証される。この安定器３３は放電ランプ１にも、熱放射器２２である小型ハロゲンランプにも、電流を供給する。放電ランプ１の電極２３に設けられた開口２５の範囲には、外部へ通じた光導波路接続部３５、たとえば光ファイバコネクタが設けられている。この光導波路接続部３５はレンズとして働く第１の透明体２０に直接に対応配置されている。光導波路接続部３５には、光導波路３６、たとえば光ファイバが直接に接続されており、この光導波路３６は特に、たとえば水質分析、診断および環境分野において使用される、位相結合されたＵＶ−ＶＩＳ（紫外可視）分光光度計システムのために適している。
【００２８】したがって、ＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１は１つのプリント配線板３７に配置されており、このプリント配線板３７は放電ランプ１と、熱放射器２２と、制御可能な閉鎖部（シャッタ）と、ＳＭＡ光スイッチ接続部を有する入力結合光学系と、両ランプを動作させるための前置接続装置もしくは安定器３３とから成る完全な形のランプユニットを有している。
【００２９】両ランプ自体と閉鎖部もしくはシャッタとをそれぞれ互いに別個に制御することができることが特に有利であることが判った。
【００３０】図３には、ＵＶ−ＶＩＳ光源モジュール３１（図２）から射出した放射線のスペクトルが描かれている。この場合、波長λはナノメータ（ｎｍ）で記載されており、光線出力は０〜１００％（パーセント）の相対的な単位で示されている。
【００３１】図３に示したスペクトル線図の左側の部分から判るように、放電ランプとして働く重水素ランプにより、２００〜４００ｎｍの領域のスペクトルが形成される。それに対して、熱放射器として働くハロゲン・タングステンランプのスペクトルは３００〜１１００ｎｍの領域にわたって延びている。したがって、分析目的のために２００〜１１００ｎｍのスペクトル領域が形成され、この場合、光源のスペクトルは光導波路を介して検出器によって求められる。
【００３２】重水素ランプとして形成された放電ランプが短波長のＵＶ領域で連続スペクトル（Ｋｏｎｔｉｎｕｕｍ）を形成することが特に有利であることが判った。これにより放電ランプは、熱放射器として形成された白熱ランプ（ハロゲンランプ）と協働して、種々異なる物質、たとえばガスまたは液体を分析するための適当な補助手段として働くことができる。この場合、実際の分析は、以下に図４につき説明するような専用のセンサによって行われる。
【００３３】原理的に、このセンサは光導波路とキャピラリ（毛細管）とに続いていて、光源と共に１つの分析ユニットを形成する。
【００３４】したがって、分析目的のために使用可能となるスペクトル領域は２００ｎｍから約１０５０ｎｍにまで及んでおり、このスペクトル領域はＵＶ−Ｃ領域から近赤外線領域までのスペクトルに相当する。図３の線図には、４００〜７００ｎｍの領域を有する、目に見える可視放射線も示されている。
【００３５】図４に示したように、励起のために働く放射装置４０は放電ランプ１と熱放射器２２とを有しており、この放電ランプ１と熱放射器２２とは（図２に示したように）光軸１０に沿って配置されている。この場合、光軸１０は、収束レンズとして形成された第１の透明体２０（概略的にのみ図示する）に交差している。さらに、光軸１０には光導波路接続部３５が位置しており、この光導波路接続部３５は光導波路３６を結合するために働く。光導波路３６は入口４１を介してキュベットもしくは吸収セル４２内に進入しており、この吸収セル４２内には試料が位置している。この場合、光導波路３６の先端部４３から射出した放射線が試料媒体４４に導入されて、後続の光導波路４７の、光軸に沿って位置する先端部４５を介して吸収セル４２から導出される。実際の使用では、たとえば工業用等の用水もしくは濁っていない排水を分析する場合に、両先端部４３，４５の間のたとえば１０ｍｍの間隔が使用される。吸収されなかった放射線は、後続の光導波路４７と出口４９とを介して、分析器５０の入口４８にもたらされ、この場合、この分析器５０は、吸収されたスペクトルを利用して、吸収セル４２内に位置する試料材料の分析を行う。
【００３６】吸収セル４２に対して導入・導出される光導波路を使用することの大きな利点は次の点に認められる。すなわち、放射装置４０または分析器５０の何らかの敏感な電気的もしくは電子光学的な構成素子が損なわれる恐れなしに、液体もしくは腐食性（ａｇｇｒｅｓｓｉｖ．）の物質にも吸収測定を全く問題なく行うことができる。
【出願人】 【識別番号】５９３１２９３２０
【氏名又は名称】ヘレーウス ノーブルライト ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【出願日】 平成１３年３月７日（２００１．３．７）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外４名）
【公開番号】 特開２００１−３０７５０７（Ｐ２００１−３０７５０７Ａ）
【公開日】 平成１３年１１月２日（２００１．１１．２）
【出願番号】 特願２００１−６３９０９（Ｐ２００１−６３９０９）