(57)【要約】【課題】  放電容器内壁に白濁が発生させない構造を提供すること。【解決手段】  石英ガラスからなる放電容器に、一対の電極が対向配置するとともに、２〜１２（ｍｇ/ｃｍ３）の水銀と、１〜８（気圧）のアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）またはその混合ガスが封入され、少なくとも波長２００〜３００（ｎｍ）の紫外線を放射する。そして、前記電極の少なくとも一方には、タンタルが装填されるとともに、このタンタルが吸蔵している水素量が、放電容器の内容積当り水素分子換算で、３×１０１６個/ｃｍ３以下であることを特徴とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスからなる放電容器の発光部の中に一対の電極が対向配置して、この発光部の中に水銀が２〜１２（ｍｇ/ｃｍ３）、少なくともアルゴン（Ａｒ）もしくはクリプトン（Ｋｒ）が１〜８気圧封入されたショートアーク型水銀ランプにおいて、
前記電極の少なくとも一方には、タンタルが装着されるとともに、
このタンタルが吸蔵している水素量が、発光部の内容積当り水素分子換算で、３×１０１６個/ｃｍ３以下であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
【請求項２】
前記発光部の内容積Ｖ(ｃｍ３)、発光部Ｓ(ｃｍ２)とするとき、Ｓ／Ｖ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする請求項１のショートアーク型水銀ランプ。
【請求項３】
前記発光部は球形状であって外径をＤ(ｃｍ)とする時、
７．５≦Ｄ
の関係を満たすことを特徴とする請求項２のショートアーク型水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はショートアーク型水銀ランプに関する。特に、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を効率良く放射するショートアーク型水銀ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ショートアーク型水銀ランプは、半導体や液晶やプリント基板など各種の露光工程に用いられる。また、近年では液晶基板やカラーフィルターなどの露光において、露光面積の大型化や高スループット化が要求されつつある。さらに、今までは、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０４ｎｍ）、i線（３６５ｎｍ）が使われてきたが、より短波長の紫外線が要求されつつある。つまり、ランプに対しては、i線（３６５ｎｍ）より短波長の紫外線、具体的には２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を効率よく放射することが求められる。
【０００３】
紫外線を効率良く放射するためには、発光部の中に存在する不純物を除去しなければならない。不純物の存在により発光部内壁を汚したり、あるいは電極の損耗を促進しかねないからである。
このため、ゲッターとしてタンタルを用いる技術が知られており、例えば、特許第３０７７５３８号などに記載されている。
しかし、タンタルゲッターを使ってみても、やはり、発光部の内壁に白濁は発生する。この現象は、大電力のランプにおいてよく発生し、また、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線を放射するランプにおいて顕著に発生した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
タンタルゲッターを使ったショートアーク型水銀ランプにおいて、発光部の内壁に白濁を発生させない構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、この発明に係るショートアーク型水銀ランプは、石英ガラスからなる発光部に、一対の電極が対向配置するとともに、２〜１２（ｍｇ/ｃｍ３）の水銀と、１〜８（気圧）のアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）またはその混合ガスが封入され、少なくとも波長２００〜３００（ｎｍ）の紫外線を放射する。そして、前記電極の少なくとも一方には、タンタルが装填されるとともに、このタンタルが吸蔵している水素量が、発光部の内容積当り水素分子換算で、３×１０１６個/ｃｍ３以下であることを特徴とする。
【０００６】
さらに、前記発光部の内容積Ｖ(ｃｍ３)、内表面積Ｓ(ｃｍ２)とするとき、Ｓ/Ｖ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする。
さらに、前記発光部は球形状であって、外径Ｄ(ｃｍ)が、７．５≦Ｄの関係を満たすことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は本発明に係るショートアーク型水銀ランプの概略構成を示す。
水銀ランプは、石英ガラスからなる放電容器１０よりなり、放電容器１０は発光部１１とロッド状の封止部１２から構成される。発光部１１の内部には、発光空間が形成されており、陰極２０と陽極３０が、例えば５．０ｍｍの間隙をもって対向配置しており、陰極２０の先端にアーク輝点が形成される。なお、発光部１１は球形、あるいは管軸方向に細長く伸びる紡錘形である。
【０００８】
陰極２０は、例えば、トリウムタングステンよりなる円柱状ロッドであって、先端は概略円錐形に形成され、陰極棒２１に支持される。
陽極３０は、例えば、タングステンよりなり、全体が円柱状ロッドであるとともに、先端に平面を有する略砲弾形状であり、陽極棒３１に支持される。
【０００９】
陰極棒２１と陽極棒３１は根元が封止部１２に向かって伸び、各封止部１２には図示略のモリブデン箔が埋設されており気密封止構造が形成される。封止部１２の外端からは外部リード１３が突出しており、この外部リード１３に図示略の給電装置に接続されて電流供給が行なわれる。なお、陰極２０や陽極３０は、それぞれ陰極棒２１、陽極棒３１と物理的に別体である必要はなく、例えば、同じ外径のまま伸び、両者が物理的に一体の構造であってもかまわない。
陰極棒２１にはタンタルゲッター４０が装着される。タンタルゲッター４０は板形状であり、陰極棒２１に押し潰すように装着される。
【００１０】
図２は、図１に示すランプを同じ構造を示し、発光部１１の長さであって、ランプの長手方向の長さＬと、ランプの長手方向を直交する方向の長さＤを表す。発光部が球形である場合、長さＤと長さＬは同じとなる。
【００１１】
発光部１１には、水銀と、アルゴンもしくはクリプトンを含む希ガスが封入される。
水銀の封入量は、発光空間の内容積当たり、２〜１２ｍｇ／ｃｃの範囲であって、例えば５ｍｇ／ｃｃ含まれる。希ガスの封入量は1.0〜8.0気圧であって、例えば３気圧である。水銀と希ガスの定常点灯時の総内圧は１８気圧程度になる。
【００１２】
ここで、本発明者らは、アルゴンもしくはクリプトンを、所定量の水銀と関連させて、陽圧（１気圧以上）で封入させると、i線（３６５ｎｍ）の放射量が向上するだけでなく、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線も放射量が向上することを見出した。これは、アルゴンやクリプトンが始動性改善のみに作用するのではなく、定常点灯時においても、紫外線の放射量増大に貢献するというものであり、具体的には、アークからの放射量そのものを増大させることと、アークを収縮させるため放射輝点の密度を高めることの２つの作用にもとづいている。
【００１３】
２つの作用のうち、放射量増大について説明すると、希ガスの電離電圧は、キセノンが12.1ｅＶ、クリプトンが14.0ｅＶ、アルゴンが15.8ｅＶであり、キセノン、クリプトン、アルゴンの順に高い。そして、電離電圧が高いガスのほうが、電離電圧が低いガスに比較してアークの温度は高くなり、また、アーク温度が高いほうがアーク中における励起状態の水銀原子数が増えることから、結果として、電離電圧が高いガス、すなわち、アルゴンやクリプトンは、電離電圧が低いキセノンに比べて放射量が多いこととなる。
【００１４】
また、水銀の電離電圧は10.4ｅＶであり、キセノン、クリプトン、アルゴンに比べて低い。このため、希ガスの封入量が水銀の封入量に対して大きいほうが、アーク温度が高くなり紫外線の放射量も多くなる。具体的には、希ガスの封入モル数が水銀の封入モル数の２倍以上であると実用的なレベルで紫外線の放射量が大きくなる。
【００１５】
また、水銀は発光種であることから、ある程度の量は封入しなければならない。水銀封入量が小さくなりすぎると、励起される原子数そのものが少なくなるからである。この発明では励起される水銀原子を確保するという観点から、水銀は2.0ｍｇ/ｃｍ３以上を必要とし、その範囲は2.0〜12.0（ｍｇ/ｃｍ３）が望ましいとされる。12.0ｍｇ/ｃｍ３を超える場合は、波長254.7ｎｍの共鳴線の吸収幅が広がり、254.7ｎｍよりも長波長（２５５〜２７０ｍ付近）の放射量が減少してしまうからである。
【００１６】
次に、２つの作用のうち、アーク収縮の作用について説明すると、アルゴンやクリプトンは、キセノンよりもアークが収縮されやすい性質をもち、アークが収縮することにより、アークが密になって放射強度が向上する。
【００１７】
なお、「陽圧」とは１気圧以上を意味し、室温換算で１気圧以上封入することで、その封入圧力に比例して放射光量(放射効率)が増大する。一方、アルゴンやクリプトンが８気圧を超えるとランプが破裂する可能性があるので望ましくない。
【００１８】
以上のように、本発明では、所定量の水銀と、所定量のアルゴンあるいはクリプトンが密接かつ一体不可分であって、また、互いに有機的関係を持ちながら数値範囲が記載されることで、波長２５０〜３５０ｎｍの放射量増大と、アーク収縮効果による放射効率のアップを図ることができる。具体的には、水銀の封入量が2.0〜12.0（ｍｇ/ｃｍ３）、アルゴンもしくはクリプトンの封入量が１〜８気圧になる。なお、数値限定の根拠は後述する実験において説明する。
【００１９】
さらに、本発明では、水銀と、アルゴンあるいはクリプトンの封入量を規定する以外に、タンタルが吸蔵している水素量を規定する。タンタルはゲッターとして電極に装着するものであるが、発光部の内容積当り水素分子換算で、３×１０１６個/ｃｍ３以下と規定される。
ゲッターを使う理由は、発光空間内の不純物の吸着であるが、特に、発光空間に水素が存在（浮遊）すると、始動電圧(放電破壊電圧)が高くなってしまう。このため、タンタルを放電空間に曝すように配置させて、発光空間に浮遊する水素を吸蔵することで、始動電圧の上昇を抑えることができる。
【００２０】
ところが、タンタルを使ってみても、水素の吸着や始動電圧の抑制はできるものの、点灯時間の経過とともに、発光部の内壁が白濁するという問題が発生する。これは、点灯時間の経過に伴い、発光空間の温度が上昇して、タンタルが吸蔵している水素が放出されるからであり、また、この水素が発光部内壁を構成する石英ガラスとともに、強烈な紫外線の照射を受けることで、当該照射面を劣化させることと推測される。
【００２１】
特に、波長３５０ｎｍ以上の光を主に放射するランプの場合では、発光部内壁を照射する光の波長も大きいため、石英ガラスに照射されても白濁発生は実用上起こらないが、波長２５０ｎｍ〜３５０ｎｍの紫外線の場合は、光のエネルギーが高いため、石英ガラスへの照射により白濁発生が無視できないレベルとなっている。
【００２２】
ここで、ゲッターについて説明すると、ゲッターにはジルコニウムもあるが、タンタルを使う理由は、１０００℃を超えるような高温領域で動作する材料として適するからである。放電容器や電極からは炭素、酸素、窒素が不純物として放出される。これら不純物は電極と反応して、タングステンの低融点化合物を形成し、電極の蒸発と早期の放電容器黒化を引き起こすため、ゲッターは不可欠な存在となる。
【００２３】
また、タンタルは炭素、酸素、窒素という不純物については不可逆的に取り込むことができ、すなわち、一度吸蔵したら放出することはないが、水素に対しては可逆的な性質を有し、室温において、タンタルが水素を吸蔵したとしても、高温化すると当該水素は再び発光空間に放出される。
【００２４】
本発明は、前記したように、希ガスとしてアルゴンあるいはクリプトンを使用している。アルゴンやクリプトンは、キセノンに比べてガスの熱伝導率が高いので、放電容器の温度が高くなりやすい。また、紫外線の放射照度もキセノンを使った場合よりも高くなるので、放電容器に対する照度も高い。
さらに、放電容器内のガス温度が全体的に高くなっていることから、放電容器内に水素は放出されやすくなり、放出された水素ガスもまた高温状態となる。
つまり、希ガスとしてアルゴンあるいはクリプトンを使った場合は、キセノンを使う場合よりも、放電容器内の温度が高くなり、タンタルが水素を放出する度合いが高く、さらに、放電容器内壁面で白濁が生じやすくなっている。
【００２５】
以上をまとめると、第一に、波長２５０〜３５０ｎｍの紫外線を放射するランプは、波長３５０ｎｍ以上の光を放射するランプに比べて、放射エネルギーが高いため、石英ガラスに照射するエネルギーも高い。
第二に、希ガスとしてアルゴンやクリプトンを使うランプは、キセノンを主成分として使うランプに比べて、放電容器内の温度が高温化されやすく、タンタルから水素を放出されやくなくなる。
本発明は、このような前提条件がそろった結果、放電容器の内壁に白濁を生じるという新しい課題を生じ、また、当該課題が実用上影響するレベルで生じていることを見出し、その解決策、すなわち、タンタルがもともと吸蔵している水素量を低減させる、ことを講じたにほかならない。
【００２６】
さらに、本発明は、タンタルから放出される水素だけではなく、放電容器から放出される水素にも着目して、発光部の体積Ｖ（ｃｍ３）と、発光部の内表面積Ｓ（ｃｍ２）の関係を数値規定している。
すなわち、白濁発生の原因となる水素は、タンタルがもともと吸蔵していたもの以外に、放電容器を構成する石英ガラスからも発光部内部に放出されていることを考慮している。この規定は、より精緻に白濁発生を抑えるべき、数値規定したものといえる。
【００２７】
ここで、放電容器内部に存在する水素は、酸素と水素の混合ガスバーナなどで、放電容器を成形する工程や封止工程において混入する。このため、放電容器を構成する石英ガラスの中に、混合ガスバーナからの水素が溶け込み、それが点灯中に放電容器内部に放出されることとなる。また、石英ガラスから水素という形態ではなく、水という形態で放電空間の中に放出されても、それがアークで分解されると水素に変わる。従って、石英ガラスに含まれる水素量を規定することで白濁発生を防止できることを導いたわけである。
【００２８】
ここで、簡単のために、放電容器の単位体積当りから放出される不純物量をρ、放電容器の肉厚をｔ、内表面積をＳとすると、不純物が全て放電容器内に放出されたとすると、その量は、ρｔＳで与えられる。この不純物の放電容器内の平均濃度ｎは、放電容器内容積をＶとすると、ｎ＝ρｔＳ/Ｖで与えられ、これは概ねＳ/Ｖで近似することができる。これにより、放電容器の内表面積に比べて、放電容器の内容積が相対的に大きくなると、放電容器中の水素ガス濃度は低下する。本発明では、放電容器の内表面積と放電容器の内容積が発光空間に放出される水素量に影響すると見て、放電容器内表面積（Ｓ）÷放電容器内容積（Ｖ）のパラメータにより規定したのである。
【００２９】
次に、本発明に関する数値範囲に関する実験について説明する。
まず、放電容器に封入される水銀量と、水銀ランプの放射量の関係について実験した。
（実験Ａ）
封入水銀量の異なる５種類のランプ（ランプＡ１〜ランプＡ５）を用意し、それぞれに１ｍｇ/ｃｍ３、２ｍｇ/ｃｍ３、５ｍｇ/ｃｍ３、１２ｍｇ/ｃｍ３、１３ｍｇ/ｃｍ３の水銀を封入した。それ以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離４．５ｍｍ、管壁負荷２０Ｗ／ｃｍ２、放電容器の肉厚３mm、希ガスを１気圧封入して、入力電力２ＫＷで直流点灯させた。測定はランプから１ｍの位置に分光器を配置して、波長２５０ｎｍ〜波長３００ｎｍの積分量を測定した。
【００３０】
図３に実験Ａの結果を示す。実験はランプＡ４の放射量を１００としたときの各ランプの放射量を相対値により表し、相対値が１００を超えた場合を合格、相対値が１００を下回った場合を不合格と判断した。
図に示す結果より、封入水銀量が２ｍｇ/ｃｍ３のランプＡ２、封入水銀量が５ｍｇ/ｃｍ３のランプＡ３、封入水銀量が１２ｍｇ/ｃｍ３のランプＡ４は放射量が大きく合格であり、封入水銀量が１ｍｇ/ｃｍ３のランプＡ１、封入水銀量が１３ｍｇ/ｃｍ３のランプＡ５は放射量が小さく不合格となった。つまり、封入水銀量が２〜１３ｍｇ/ｃｍ３の場合に少なくとも放射量が大きいことが分かる。なお、前記したように、封入水銀量が１ｍｇ/ｃｍ３の場合は発光種という意味で水銀が少なすぎることが放射量低下の原因と考えられ、封入水銀量が１３ｍｇ/ｃｍ３の場合は波長254.7ｎｍの共鳴線の吸収幅が広がることが放射量低下の原因と考えられる。
【００３１】
ここで、波長254.7ｎｍの共鳴吸収において、共鳴吸収する波長幅は、アークから放電容器内壁までの距離とその間に存在する水銀量に大きく依存する。つまり、放電容器が寸法的に大きくなると、アークから放電容器内壁までの距離が大きくなり、紫外線の共鳴吸収が起こりやすくなる。さらに、その光路上に存在する水銀密度が高い場合は、当然のことながら共鳴吸収は起こりやすくなる。本願発明は、放電容器の最大内径（アークの位置における放電容器の内径であって図１のＬで示す）が、一般的に使用される水銀ランプの内径値である４０ｍｍ〜１４０ｍｍの場合に、水銀量１２ｍｇ／ｃｍ３以下であれば共鳴吸収の影響を受けないという意味である。
【００３２】
なお、本発明が求める波長範囲は２５０ｎｍ〜３５０ｎｍであるが、上記実験では波長２５０ｎｍ〜３００ｎｍの放射量を測定対象として評価している。これは波長２５０〜３００ｎｍの範囲で石英ガラス（放電容器）の透過率が大きく変化するため、波長３００ｎｍまで十分な放射が得られるならば、波長３００〜３５０ｎｍも当然に十分な放射が得られるという前提で実験している。
【００３３】
次に、放電容器に封入する希ガスとその封入量、および水銀ランプの放射量の関係について実験した。
（実験Ｂ）
希ガスの種類と封入量の異なる９種類のランプ（ランプＢ０〜ランプＢ８）を用意した。具体的には、希ガスの種類として、ランプＢ０はキセノンを封入し、ランプＢ１〜Ｂ４はアルゴンを封入し、ランプＢ５〜Ｂ８はクリプトンを封入した。また、アルゴンを封入したランプＢ１〜Ｂ４のうち、ランプＢ１は0.5気圧、ランプＢ２は1.0気圧、ランプＢ３は3.0気圧、ランプＢ４は8.0気圧をそれぞれ封入し、クリプトンを封入したランプＢ５〜Ｂ８のうち、ランプＢ５は0.5気圧、ランプＢ６は1.0気圧、ランプＢ７は3.0気圧、ランプＢ８は8.0気圧をそれぞれ封入した。なお、ランプＢ０は実験ＡのランプＡ３を同仕様になる。そして、上記以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離4.5ｍｍ、水銀量５ｍｇ／ｃｍ３、放電容器の肉厚３ｍｍで、管壁負荷16ｗ／ｃｍ２の入力電力で直流点灯させて放射量を測定した。測定はランプから１ｍの位置に分光器を配置して行った。
【００３４】
図４に実験Ｂの結果を示す。実験は基準ランプＢ０の放射量を１００としたときの各ランプの放射量を相対値により表し、相対値が１０２を超えた場合を合格、相対値が１０２を下回った場合を不合格と判断した。
図に示す結果より、アルゴンを封入したランプでは、封入ガス圧が1.0気圧のランプＢ１、封入ガス圧が3.0気圧のランプＢ３、封入ガス圧が8.0気圧のランプＢ４が放射量の大きく合格であり、クリプトンを封入したランプでは、封入ガス圧が1.0気圧のランプＢ６、封入ガス圧が3.0気圧のランプＢ７、封入ガス圧が8.0気圧のランプＢ８が放射量の大きく合格であった。アルゴンの封入ガス圧が0.5気圧のランプＢ１、クリプトンの封入ガス圧が0.5気圧のランプＢ５は放射量がキセノンの場合とほとんど変わらず不合格となった。
つまり、封入すべき希ガスはキセノンではなく、アルゴンもしくはクリプトンであり、その封入ガス圧は１〜８気圧の場合に放射量が大きいことが分かる。なお、前記したように、封入ガス圧は１気圧の場合は封入量が小さすぎてアークからの放射量増大が十分でないことが不合格の原因と考えられる。
なお、この実験では楕円反射鏡を使ってアーク輝点を焦点とする活用を行わないため、アーク収縮による放射量増大の効果を図ることができない。
【００３５】
以上のように、実験Ａにより、水銀封入量を2.0〜12.0（ｍｇ/ｃｍ３）とすることで波長２５０〜３５０ｎｍの紫外線の放射量を向上できることが説明でき、実験Ｂにより、アルゴンもしくはクリプトンの封入量を１〜８気圧とすることで波長２５０〜３５０ｎｍの紫外線の放射量が向上できる点を説明できる。
【００３６】
次に、タンタルが吸蔵している水素量と、白濁発生の関係について実験した。
（実験Ｃ）
タンタルが吸蔵している水素量が異なる５種類のランプ（ランプＣ1〜ランプＣ５）を用意した。具体的には、タンタルが吸蔵している水素量について、ランプの発光空間内の換算圧力で、ランプＣ１は５３３Ｐａ、ランプＣ２は２６６Ｐａ、ランプＣ３は１３３Ｐａ、ランプＣ４は１３Ｐａ、ランプＣ５は２．７Ｐａとした。それ以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離4.5mm、水銀量５mg/cm３、放電容器の肉厚３mmで、管壁負荷１６w/cm2、となる入力電力で直流点灯させて放射量を測定した。測定は２００時間点灯後の放電容器内表面における白濁発生状況を目視により観察した。
【００３７】
なお、５種類のランプは、ゲッターを除くランプの構成部材について水素が除去されている。具体的には、まず、電極を含む状態のランプについて真空排気中において高温処理を施して、発光管を構成する石英ガラス、電極、ゲッターに含まれる水素を全て外部に放出する。発光部や封止部を成形・封止する工程において、酸素水素バーナから水素が石英ガラスの内部あるいは発光空間に入り込んでいるからである。次に、発光管の中に、所定量の水素を約６００℃に加熱した状態で混入させる。このとき、ほとんどの水素はゲッターに吸着されるため、当該水素量を調整することで、ランプごとに吸蔵量の異なるゲッターを作ることができる。
【００３８】
図５は実験Ｃの結果を示す。実験は白濁の発生が見られたものを「×」として、目視では白濁が観察されないものを「○」として合否を決めた。
図に示す結果より、水素圧力が５３３ＰａのランプＣ１と、水素圧力が２６６ＰａのランプＣ２は白濁の発生が見られ不合格であり、水素圧力が１３３ＰａのランプＣ３と、水素圧力が１３ＰａのランプＣ４と、水素圧力が２．７ＰａのランプＣ５は白濁が目視では観察されず合格となった。なお、ランプＣ１は白濁が激しく観察され、ランプＣ２はランプＣ１ほどではないが白濁の発生が確認された。
つまり、タンタルが吸蔵している水素量が、放電容器の内容積当たり水素分子換算で0.05モル／ｍ３（＝３×１０１６個／ｃｍ３）以下の場合に、白濁の発生が抑制できることがわかる。
【００３９】
ここで、水素圧力Ｐ（Ｐａ）と水素分子の個数は、体積Ｖ（ｍ３）、圧力Ｐ（Ｐａ）、気体定数Ｒ（＝8.314Ｊ／Ｋ）、室温温度Ｔ（＝２９８Ｋ）、封入されている水素のモル数ｎ（モル）、水素分子の個数Ｎ（個／ｍ３）、アボガドロ定数ＮＡ（＝6.0×10２３個／モル）とすると、気体の状態方程式から「ＰＶ＝ｎＲＴ」で与えられる。水素のモル数ｎは「Ｎ／ＮＡ」であるため、水素のモル数ｎが0.05（モル／ｍ３）の場合を水素分子の個数で表現すると、「Ｎ＝ｎ×ＮＡ」から「0.05×6.0×10２３」（個／ｍ3)となり、「3.0×10１６」（個／ｃｍ3)となる。
次に、水素分子のモル数（ｎ＝0.05(モル／ｍ３)）を圧力に換算すると、気体の状態方程式「ＰＶ＝ｎＲＴ」から「Ｐ×１＝0.05×8.314×298」となり、「Ｐ＝1.3×10２」（Ｐａ）となる。
【００４０】
このようにして、ランプＣ１〜ランプＣ５の各水素圧力を、水素分子のモル数と水素分子の個数で表現すると以下になる。
ランプＣ１：水素圧力「533Pa」は、水素分子のモル数「0.22モル/m3」、水素分子の個数「1.3×10１７個／ｃｍ3」、
ランプＣ２：水素圧力の「266Pa」は、水素分子のモル数「0.11モル/m3」、水素分子の個数「6.4×10１６個／ｃｍ3」、
ランプＣ３：水素圧力「133Pa」は、水素分子のモル数「0.54×10−１モル/m3」、水素分子の個数「3.2×10１６個／ｃｍ3」、
ランプＣ４：水素圧力「13Pa」は、水素分子のモル数「0.52×10−２モル/m3」、水素分子の個数「3.1×10１５個／ｃｍ3」、
ランプＣ５：水素圧力「2.7Pa」は、水素分子のモル数「1.08×10−３モル/m3」、水素分子の個数「6.5×10１４個／ｃｍ3」となる。
【００４１】
次に、放電容器内容積と放電容器内表面積の関係について実験した。
（実験Ｄ）
放電容器の大きさを変えた５種類のランプ（ランプＤ1〜ランプＤ５）を用意した。実験Ｃと同じ条件でランプを製作した。ここで、各ランプについて白濁が発生するまでランプを点灯させ続けた。なお、５種類のランプは、ランプＤ１は放電容器直径１２ｃｍ、放電容器内表面積Ｓが５０２ｃｍ２、放電容器内容積Ｖが１０４３ｃｍ３、比率Ｓ／Ｖが0.5であり、ランプＤ２は放電容器直径9.4ｃｍ、放電容器内表面積Ｓが３３５ｃｍ２、放電容器内容積Ｖが５８０ｃｍ３、比率Ｓ／Ｖが0.6であり、ランプＤ３は放電容器直径８ｃｍ、放電容器内表面積Ｓが１８６ｃｍ２、放電容器内容積Ｖが２４１ｃｍ３、比率Ｓ／Ｖが0.8であり、ランプＤ４は放電容器直径6.2ｃｍ、放電容器内表面積Ｓが１２１ｃｍ２、放電容器内容積Ｖが１２４ｃｍ３、比率Ｓ／Ｖが1.0であり、ランプＤ５は放電容器直径５ｃｍ、放電容器内表面積Ｓが７７ｃｍ２、放電容器内容積Ｖが６３ｃｍ３、比率Ｓ／Ｖが1.2である。ここで、発光部内容積は、発光部内の電極部分の容積を除いた容積とする。それ以外のランプ仕様、点灯条件は基本的に同一として、電極間距離4.5mm、水銀量５mg/cm３、放電容器の肉厚３mmで、管壁負荷16w/cm2、となる入力電力で直流点灯させて放射量を測定した。なお、いずれのランプもゲッターに水素を含んでいない。
【００４２】
図６に実験Ｄの結果を示す。
図に示す結果より、ランプＤ１、ランプＤ２、ランプＤ３は白濁発生時間が、それぞれ８００時間、７００時間、６００時間と長いのに対し、ランプＤ４、ランプＤ５は白濁発生時間が、それぞれ３００時間、２００時間を短いことがわかる。
つまり、放電容器内表面積Ｓと、放電容器内容積Ｖの比率Ｓ／Ｖが0.8以下の場合に白濁発生が抑えられることがわかる。
【００４３】
ここで、発光部が球形である場合を考える。放電容器の外径Ｌ（ｃｍ）、放電容器の肉厚ｔ（ｃｍ）とすると、放電容器の内表面積Ｓは「４π（（Ｌ／２）−ｔ）２」となる。また、電極が存在しない場合の放電容器の内容積Ｖは「（４π（（Ｌ／２）−ｔ）３）÷３」となる。肉厚ｔは外径Ｌに比べて極めて小さいので、比率Ｓ／Ｖは「３÷（（Ｌ／２）−ｔ）」となり、概ね「６／Ｌ」に近似できる。つまり、「Ｓ／Ｖ＜０．８」は「７．５＜Ｌ」となる。
【００４４】
図７は水素の検出方法の概略構成を示す。
ゲッターが吸蔵した水素を検出する一つの方法を述べる。水素の定量検出に対して定量的に校正された四重極質量分析計を用いる。検出装置は、真空試料室７０とそれに続く四重極質量分析計７１と真空ポンプ系７２と、真空容器７３から構成される。真空試料室７０は電気炉７０１で外部から加熱される。
いま、ランプ内の電極に取り付けられたゲッターを取り出し、予備排気真空試料室７２１に当該ゲッター試料を挿入し、１００℃前後に加熱して、試料に付着した水銀を取り除く。次に、試料を予備排気真空試料室７２１から取り出し、水素検出系の真空試料室７０の中に挿入する。ここで、加熱用の電気炉７０１の作動により試料を昇温させる。試料温度をモニターしつつ、水素放出量を四重極質量により測定する。タンタル（Ｔａ）の場合、６００℃までは水素の溶解度が大きく殆ど放出しないが、１０００℃になると吸蔵した水素を周囲の水素平衡蒸気圧に達するまで急速に放出する。２時間の加熱で、周囲が真空なので溶解している水素は全て吐き出されると見なすことができる。これにより、時間毎の水素放出量が求まるので、時間積分すると、水素の全吸蔵量(全溶解量)が求まる。
【００４５】
また、水素量を測定する簡便な方法を述べる。試料用容器に測定対象のタンタル（Ｔａ）を配置する。試料用容器は容積Ｖ２の分った真空排気台を有する真空容器に接続して排気する。試料用容器の内圧が１０−３Ｐａ未満になったら真空排気を停止させる。そして、電気炉などの高温加熱機で試料用容器を、例えば１０００℃まで高温加熱して、真空容器内の圧力値Ｐ（Ｐａ）を読む。これらの測定値から、気体状態方程式を用いて、タンタル（Ｔａ）から放出された水素の全モル数ｎを、ｎ≒ＰＶ２/(ＲＴ)
として計算できる。ここで、Ｔは真空容器の温度である。
【００４６】
この明細書では「放電容器」は封止部まで含めた容器、すなわち、石英ガラスを意味し、「発光部」は放電容器のうち、発光空間が存在する部分であり、発光空間も含む部分を意味する。
【００４７】
以上説明したように、水銀封入量を2.0〜12.0（ｍｇ/ｃｍ３）、アルゴンもしくはクリプトンの封入量を１〜８気圧とすることで、波長２５０〜３５０ｎｍの紫外線の放射量を向上できる。また、タンタルが吸蔵している水素量が、放電容器の内容積当たり水素分子換算で0.05モル／ｍ３（＝３×10１６個／ｃｍ３）以下とすることで白濁の発生が抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るショートアーク型水銀ランプの全体構成を示す。
【図２】本発明に係るショートアーク型水銀ランプの各部のパラメータを示す。
【図３】本発明の水銀量と放射量に関する評価実験の結果を表す。
【図４】本発明の希ガス量と放射量に関する評価実験の結果を表す。
【図５】本発明の水素量と白濁に関する評価実験の結果を表す。
【図６】本発明の放電容器内容積と内表面積の比率に関する評価実験の結果を表す。
【図７】本発明に係る水素検出装置を示す。
【符号の説明】
【００４９】
１０  放電容器
１１  発光部
１２  封止部
２０  陰極
２１  陰極棒
３０  陽極
３１  陽極棒
４０  タンタル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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