JPH0416728B2 - - Google Patents
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- JPH0416728B2 JPH0416728B2 JP56503252A JP50325281A JPH0416728B2 JP H0416728 B2 JPH0416728 B2 JP H0416728B2 JP 56503252 A JP56503252 A JP 56503252A JP 50325281 A JP50325281 A JP 50325281A JP H0416728 B2 JPH0416728 B2 JP H0416728B2
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
- G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
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- H05B41/14—Circuit arrangements
- H05B41/30—Circuit arrangements in which the lamp is fed by pulses, e.g. flash lamp
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Description
発明の背景
この発明は分光分析装置、そして特に光強度の
高いフラツシユ管により発光させるようにした、
改良型分光分析システムに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION This invention uses a spectroscopic analyzer, and in particular a flash tube with high light intensity, to emit light.
This invention relates to an improved spectroscopic analysis system.
キセノンフラツシユ管は種々の異なつた型の装
置において、きわめて光強度の高い短時間フラツ
シユ光線を提供すべく用いられる。一般にフラツ
シユ管はガラス封管一定の電極を突入させ、この
中にキセノンガスを封入したものである。通常、
コンデンサの放電により付勢されてアークがこれ
らの電極間において発生し、かつ極面に衝突する
と、管内で光強度の高いフラツシユ光が発生す
る。 Xenon flash tubes are used in a variety of different types of equipment to provide short-duration flash beams of extremely high light intensity. Generally, a flash tube is a glass sealed tube into which a certain electrode is inserted and xenon gas is sealed inside. usually,
When an arc is generated between these electrodes, energized by the discharge of the capacitor, and impinges on the pole face, a flash of light with high light intensity is generated within the tube.
一般的な適用において、キセノン管の寿命はス
パツタによるアーク電極の浸食により定まるもの
である。スパツタはガラス封管に金属膜を生じさ
せるとともに、管内に金属粒子を集積することと
なる。 In typical applications, the life of a xenon tube is determined by erosion of the arc electrode by spatter. The spatter creates a metal film on the glass sealed tube and also causes metal particles to accumulate inside the tube.
キセノンフラツシユ管は、たとえばG.P.
Bentleyその他による米国特許第3458261号にお
いて教示されたような技術に従つて分光分析装置
のためのパルス光源としても用いられてきた。こ
の分野に高強度短時間パルス照射を用いること
は、暗く不明瞭な目的物を測定する場合に高い信
号対雑音比を得ることができるとともに、測定中
に目的物を加熱して測定誤差を生じる危険がない
という利益を有する。 Xenon flash tubes are, for example, GP
It has also been used as a pulsed light source for spectrometers according to techniques such as those taught in U.S. Pat. No. 3,458,261 by Bentley et al. The use of high-intensity, short-duration pulsed radiation in this field can obtain a high signal-to-noise ratio when measuring dark and obscure objects, while also heating the object during measurement and causing measurement errors. It has the benefit of being risk-free.
しかしながら色彩の分光分析装置を用いると、
管の枯化が進んだ場合、フラツシユ管の寿命が顕
著に短くなつてしまい、そのため光のスペクトル
特性が信頼できなくなり、しかもスペクトル安定
性が低下することとなる。すなわち従来のキセノ
ンフラツシユ管分光分析装置において、キセノン
管の寿命は約10万回のフラツシユ点灯をさせるの
が限度である。これ以上使用すると、フラツシユ
光のスペクトル分布が不規則となる、信頼性ある
分光分析データが得られなくなる。この寿命は周
期的に用いるようなシステムにおいては受容れ可
能であるが、連続的に作動させるシステムにおい
ては、およそ10日間程度であり、これでは大部分
の需要にとつては短か過ぎることになる。 However, using a color spectrometer,
If the tube deteriorates, the life of the flash tube will be significantly shortened, and the spectral characteristics of the light will become unreliable, and the spectral stability will deteriorate. In other words, in conventional xenon flash tube spectrometers, the lifespan of the xenon tube is limited to approximately 100,000 flashes. If it is used more than this, the spectral distribution of the flash light will become irregular, making it impossible to obtain reliable spectroscopic analysis data. While this lifespan is acceptable for systems that operate periodically, it is approximately 10 days for systems that operate continuously, which is far too short for most demands. Become.
発明の要約
本発明によれば、キセノン管に供給される電流
は、従来技術によるものよりも少なくなり、しか
も電極管に加えられるパルス当りのエネルギー量
をほぼ等しく維持することができる。このような
電流の減少はスパツタ効果を少なくし、さらに予
期しなかつた効果として従来システムにおいては
劣化する一方であつた電極をむしろ生成すること
が発見された。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, less current is supplied to the xenon tube than in the prior art, while maintaining approximately the same amount of energy per pulse applied to the electrode tube. It has been discovered that such a reduction in current reduces the spatter effect and, as an unexpected effect, produces an electrode that would otherwise degrade in conventional systems.
新規の電極は、きわめて尖鋭な点を提供すべく
形成される。すなわちアークがこの新規の一対の
電極の間において発生する場合、それは明快な点
対点通路をたどるものである。これらの電極点は
使用により摩滅し、徐々に円曲化していく。この
円曲化が進行すると、従来システムにおいてはア
ーク通路は不規則となり、したがつてフラツシユ
管の寿命を決定するような不規則な発光状態とな
つてしまうものである。 The new electrodes are formed to provide extremely sharp points. That is, when an arc occurs between this new pair of electrodes, it follows a clear point-to-point path. These electrode points wear out with use and gradually become rounded. As this curvature progresses, the arc path becomes irregular in conventional systems, resulting in irregular light emission conditions that determine the life of the flash tube.
本発明に従つて動作させた場合には電極面上に
はアークによる作用場が形成されて金属小塊がこ
こに集積され、電極上に新たな点を形成するもの
である。連続的なフラツシユ発光を生じた場合、
アークは同一点間、すなわち最初に形成された一
対の点もしくは管の作動中に集積された金属によ
る新しい2点間において発生する。アーク電極に
ついては従来発見された種々の表面効果に関する
論文が存在するが、本発明の実施において発見さ
れたような回転楕円形状の小塊の形成、すなわち
電極面上へのアーク作用及び新たな点形成につい
て記述した論文は見当らないようである。 When operated in accordance with the invention, an arc field is created on the electrode surface in which metal nodules accumulate and form new points on the electrode. If continuous flash light emission occurs,
The arc occurs between the same points, either a pair of points originally formed or two new points of metal accumulated during operation of the tube. Regarding arc electrodes, there are papers on various surface effects that have been discovered in the past, but the formation of spheroidal nodules, that is, arc action on the electrode surface, as discovered in the implementation of the present invention, and new points There seems to be no paper that describes its formation.
別の予期しなかつた現象は、フラツシユのスペ
クトル分布に関することである。すなわち本発明
に従つて作動させると、フラツシユのスペクトル
分布は従来システムにおいて観察された程度に比
して連続したフラツシユ点灯の間で比較的大きい
相違を示している。通常そのようなスペクトル分
布の変動は望ましいものではなく、したがつて分
光分析測定では利用できないフラツシユとなるも
のである。しかしながら測定された値が多くのス
ペクトル点において標準化されると(単一の強度
標準化点におけるよりも多数の点における標準
化)システムは同様な環境における従来のフラツ
シユシステムにおいて見出された変動よりも少な
いスペクトル変動となることが判明した。すなわ
ち本発明に従つて作動させると、実際のスペクト
ル変動は大きいが、多点標準化処理後の変動は実
効的に少ないものとなり、これによつて信頼性あ
るシステムを提供することができる。 Another unexpected phenomenon concerns the spectral distribution of flash. That is, when operated in accordance with the present invention, the spectral distribution of the flashes exhibits relatively large differences between successive flash firings compared to the extent observed in conventional systems. Typically, such spectral distribution variations are undesirable and therefore result in flashes that cannot be utilized in spectroscopic measurements. However, when the measured values are normalized at many spectral points (normalization at a large number of points rather than at a single intensity normalization point), the system is It was found that there was little spectral variation. That is, when operated according to the present invention, although the actual spectral fluctuations are large, the fluctuations after multipoint standardization processing are effectively reduced, thereby providing a reliable system.
本発明は分光分析装置におけるキセノンフラツ
シユ管の動作寿命を大きく改善するものであるこ
とが確認された。システムは実験室では顕著な電
極の劣化や金属膜の被着によるガラス管の曇り、
さらにはスペクトル安定性の低下などを生ずるこ
となく、数百万回のフラツシユ点灯を連続的に行
なわせることができた。 It has been found that the present invention greatly improves the operating life of xenon flash tubes in spectrometers. In the laboratory, the system suffers from noticeable electrode deterioration and glass tube fogging due to metal film adhesion.
Furthermore, it was possible to continuously perform several million flashes without causing any deterioration in spectral stability.
第1図は本発明に従つてキセノンフラツシユ管
を励起するための回路を示す略図、第2図は異な
つたフラツシユ管励起特性を示す曲線の組を含む
グラフ、第3A,3B及び3C図は種々の電極面
の条件を示す図、第4図は分光分析計を示す略
図、第5A図はキセノンフラツシユ管のスペクト
ル分布を示すグラフ、第5B図は単一点強度標準
化の効果を示すグラフ、第5C図は2点標準化の
効果を示すグラフである。
1 is a schematic diagram showing a circuit for exciting a xenon flash tube in accordance with the present invention; FIG. 2 is a graph containing a set of curves showing different flash tube excitation characteristics; FIGS. 3A, 3B and 3C are 4 is a schematic diagram showing the spectrometer; FIG. 5A is a graph showing the spectral distribution of a xenon flash tube; FIG. 5B is a graph showing the effect of single point intensity standardization; FIG. 5C is a graph showing the effect of two-point standardization.
詳細な説明
第1図は本発明に従つたキセノンフラツシユ管
1を励起すべく用いられる回路構成を示す略図で
ある。フラツシユ管は電極を突入させ、かつキセ
ノンガスを封入したガラス封管2からなつてい
る。電極4はアノードとして作用し、電極3はカ
ソードとして作用する。フラツシユ管はまた、ア
ノード4に接続されて、管壁に向かつて外下方に
のびるウイスカ6を備えている。封管の外面には
フイルム5が被着形成される。これはウイスカ6
の自由端に対向した部分から始まつて、封管の周
りに広がり、カソードに連結された側まで下降し
ている。このウイスカ及び導電性フイルムについ
てはGold bergの米国特許第3758819号において
より完全に記載されているが、要するにこれらは
フラツシユ管内のガス媒体をイオン化してアーク
を発生させるために用いられる。DETAILED DESCRIPTION FIG. 1 is a schematic diagram showing the circuitry used to excite a xenon flash tube 1 according to the invention. The flash tube consists of a glass sealed tube 2 into which an electrode is inserted and xenon gas is sealed. Electrode 4 acts as an anode and electrode 3 acts as a cathode. The flash tube is also provided with a whisker 6 connected to the anode 4 and extending outwardly and downwardly toward the tube wall. A film 5 is formed on the outer surface of the sealed tube. This is whisker 6
Starting from the part opposite the free end of the tube, it extends around the sealed tube and descends to the side connected to the cathode. The whiskers and conductive films, which are more fully described in US Pat. No. 3,758,819 to Goldberg, are used to ionize the gaseous medium within the flash tube to generate an arc.
分光分析の目的に適したキセノンフラツシユ管
としては、たとえばアメリカ合衆国のサイエンテ
イフイツクインスツルメンツより製造販売されて
いるタイプ2CP−nがある。 An example of a xenon flash tube suitable for the purpose of spectroscopic analysis is Type 2CP-n manufactured and sold by Scientific Instruments of the United States.
キセノンフラツシユ管はコンデンサ10からの
パルス放電により励起されるコンデンサの一方の
極板はインダクタンスコイル12及びダイオード
列13の直列結合を介してアノード4に接続され
る。コンデンサの他方の極板はカソード3に接続
される。ダイオード14のアノードはフラツシユ
管のカソード3に接続され、ダイオード14のカ
ソードはコイル12及びダイオード列13を介し
てフラツシユ管のアノードに接続される。 The xenon flash tube is excited by a pulse discharge from the capacitor 10, and one plate of the capacitor is connected to the anode 4 through a series combination of an inductance coil 12 and a diode array 13. The other plate of the capacitor is connected to the cathode 3. The anode of the diode 14 is connected to the cathode 3 of the flash tube, and the cathode of the diode 14 is connected to the anode of the flash tube via the coil 12 and the diode array 13.
コンデンサ10のための充電回路はトランス7
及び全波ブリツジ整流器8を含んでいる。このブ
リツジの出力は限流抵抗11(100Ω)を介して
コンデンサ10の両端に接続される。 The charging circuit for capacitor 10 is transformer 7
and a full wave bridge rectifier 8. The output of this bridge is connected to both ends of a capacitor 10 via a current limiting resistor 11 (100Ω).
上記回路のパラメータはキセノンフラツシユ管
を励起すべく高い電流パルス放電を提供するよう
に選択され、これにより反射率又は透過率分光分
析測定のための妥当な強度のフラツシユを発生さ
せることができる。コンデンサ10はなるべくな
ら100μFの容量を有し、約570Vの電位まで充電
されるようになつている。コンデンサは完全に充
電されると、ピーク電力が約10万Wのエネルギー
約15ジユールを持つことになる。 The parameters of the circuit are selected to provide a high current pulse discharge to excite the xenon flash tube, thereby producing flashes of reasonable intensity for reflectance or transmittance spectroscopic measurements. The capacitor 10 preferably has a capacitance of 100 μF and is adapted to be charged to a potential of approximately 570V. When fully charged, the capacitor will have about 15 joules of energy with a peak power of about 100,000 watts.
アーク放電を開始するためのトリガー回路はス
テツプアツプトランス22を具備している。この
トランスの高電圧用二次巻線はフラツシユ管のア
ノード4及びカソード3に接続される。又、ステ
ツプアツプトランスの一次巻線の一端はブリツジ
8の負端子に接続され、他端はコンデンサ21及
び抵抗20を介して正のブリツジ端子に接続され
る。スイツチ23(好ましくはシリコン制御整流
器などの固体スイツチ)はコンデンサ21とステ
ツプアツプトランス22の一次巻線との直列回路
にわたして接続される。別の適当なトリガー回路
はWerdの米国特許第3355625号において記載され
ている。 A trigger circuit for initiating arc discharge includes a step-up transformer 22. The high voltage secondary winding of this transformer is connected to the anode 4 and cathode 3 of the flash tube. Further, one end of the primary winding of the step-up transformer is connected to the negative terminal of the bridge 8, and the other end is connected to the positive bridge terminal via a capacitor 21 and a resistor 20. A switch 23 (preferably a solid state switch such as a silicon controlled rectifier) is connected across the series circuit of capacitor 21 and the primary winding of step-up transformer 22. Another suitable trigger circuit is described in Werd US Pat. No. 3,355,625.
コンデンサ10及び21の両方が充電されたと
すると、スイツチ23が閉じて高強度短時間フラ
ツシユが提供される。すなわちスイツチが閉じる
とコンデンサ21が放電してトランス22の一次
巻線を付勢し、これに伴なつて二次巻線には
20KV程度の高電圧に向かつて上昇する電位が発
生する。ダイオード13はこの高電圧が帰還して
コンデンサ10をさらに放電することがないよう
に逆流阻止をする。フラツシユ管のアノード−カ
ソード回路への印加電圧が5〜6KVに達すると、
ウイスカ6及びフイルム5はガス媒体をイオン化
して、いわゆる絶縁破壊を生じさせる。これは電
極3−4間にアークを発生させ、これに伴なつて
主コンデンサ10をインダクタンス12、ダイオ
ード13、アノード4、及びカソード3を介して
放電させることになる。 Assuming both capacitors 10 and 21 are charged, switch 23 is closed to provide a high intensity short time flash. That is, when the switch is closed, the capacitor 21 discharges and energizes the primary winding of the transformer 22, and the secondary winding is accordingly energized.
A potential that increases toward a high voltage of about 20KV is generated. Diode 13 prevents this high voltage from returning and further discharging capacitor 10. When the voltage applied to the anode-cathode circuit of the flash tube reaches 5-6KV,
The whiskers 6 and the film 5 ionize the gas medium and cause a so-called dielectric breakdown. This generates an arc between the electrodes 3 and 4, which causes the main capacitor 10 to be discharged via the inductance 12, the diode 13, the anode 4, and the cathode 3.
従来技術における通常の回路のように、もしコ
イル12が省略されていると、スイツチ23が閉
じた場合、これは第2図に曲線Aで示す放電特性
となる。アーク電極3−4を通ずるこの電流は約
5000A程度まで急激に上昇し、次いで指数関数的
にゼロまで減少する。このパルスの主要部の期間
は約20〜30マイクロ秒である。このパルスは実質
的に50マイクロ秒でゼロに達する。 If the coil 12 were omitted, as in the conventional circuit, when the switch 23 was closed, this would result in the discharge characteristic shown by curve A in FIG. This current through the arc electrodes 3-4 is approximately
It rises rapidly to about 5000A and then decreases exponentially to zero. The duration of the main part of this pulse is approximately 20-30 microseconds. This pulse essentially reaches zero in 50 microseconds.
本発明のごとくインダクタンスコイル12及び
ダイオード14を付加すると、放電極性は第2図
の曲線Bに示す形に変換され、これにより、より
低いピーク電流とより長い持続時間とを有するよ
うになる。回路中にコイルを配したことにより、
コンデンサ10が放電を開始すると、エネルギー
はまずこのコイルにおいて吸収される。コイル中
のエネルギーは然る後、コンデンサ10のバイパ
ス通路であるダイオード14を介してフラツシユ
管内に放出され消費される。 The addition of inductance coil 12 and diode 14 as in the present invention converts the discharge polarity to the form shown in curve B of FIG. 2, thereby having a lower peak current and longer duration. By placing a coil in the circuit,
When the capacitor 10 begins to discharge, energy is first absorbed in this coil. The energy in the coil is then dissipated via diode 14, which is a bypass path for capacitor 10, into the flash tube.
上述した特別のキセノン管及び他の回路パラメ
ータの場合、好ましいインダクタンスコイルは直
径3/8インチコアに14番ゲージワイヤーを固く40
回巻き付けたものである。満足に作動するコイル
巻き回数は10〜100回である。そしてこれに対応
するインダクタンスは1μH〜10μHの範囲となる。
好ましく採用された40回巻きコイルは約3μHのイ
ンダクタンスを有する。より大きいコイルの場合
には層巻線を使用することにより主電流路の抵抗
値を減少させ、かつコイルサイズを縮小すること
が望ましい。層巻線コイルにおいては同じインダ
クタンスをより少ない巻き回数で達成することが
できる。 For the particular xenon tube and other circuit parameters described above, the preferred inductance coil is a 3/8 inch diameter core made of 14 gauge wire with a rigid 40
It is wrapped around. The number of coil windings that work satisfactorily is 10 to 100. The corresponding inductance is in the range of 1 μH to 10 μH.
The preferably employed 40-turn coil has an inductance of approximately 3 μH. For larger coils, it is desirable to use layer windings to reduce the resistance of the main current path and reduce the coil size. In a layer-wound coil, the same inductance can be achieved with fewer turns.
上述した40回巻きインダクタンスコイルを回路
に導入すると、ピーク放電電流は5000Aから第2
図の曲線Bに示した約2000Aまで減少する。この
電流は80μ秒において実質的にゼロに達する。分
光分析装置の場合、ピーク電流は4000〜1000Aの
範囲であれば、本発明に従つて望ましい結果を得
られることが確認された。これらのパルスは(実
質、ゼロ値を基準として)60〜200マイクロ秒の
持続時間を有する。 When the above-mentioned 40-turn inductance coil is introduced into the circuit, the peak discharge current increases from 5000A to the second
It decreases to about 2000A as shown by curve B in the figure. This current reaches essentially zero in 80 μs. In the case of a spectrometer, it has been confirmed that desirable results can be obtained in accordance with the present invention if the peak current is in the range of 4000-1000A. These pulses have a duration of 60 to 200 microseconds (based on virtually zero value).
第3A図はキセノン管1においてそれぞれアノ
ード及びカソードとして用いられた一対の新しい
電極30,31を示すものである。これらの電極
はバリウム化合物などの不純物を含む焼結タング
ステンを主として形成されている。図において明
らかな通り、これらの電極は尖鋭な点32及び3
2′を提供するように形成されている。アークが
フラツシユ管内で発生すると、それは一方の電極
の点から他方の電極の点に飛行する。すなわち比
較的尖鋭な点を有する新しい電極を用いると、フ
ラツシユ管は一定の長さ及び横方向の位置を有す
る比較的安定なアークを発生する。 FIG. 3A shows a pair of new electrodes 30, 31 used as anode and cathode, respectively, in xenon tube 1. These electrodes are mainly made of sintered tungsten containing impurities such as barium compounds. As can be seen in the figure, these electrodes have sharp points 32 and 3.
2'. When an arc is generated in the flash tube, it flies from one electrode point to the other electrode point. That is, with the new electrodes having relatively sharp points, the flash tube produces a relatively stable arc having a constant length and lateral position.
第3B図は回路中にインダクタンスコイル12
を用いない従来型システムにおいて第3A図の電
極が約5000Aのピーク電流で作動した後の外形を
示している。図において明らかな通り、電極33
及び34は極端に劣化し、約10万回フラツシユ点
灯すると最初の尖鋭な点は図の先端35及び36
のごとく鈍化してしまう。このように電極が鈍化
するとアークは電極上の種々の位置から不規則に
発生することとなり、その結果アークの長さ及び
横方向の配置が変動し、さらにフラツシユのスペ
クトル分布が変動することになる。このように鈍
化した電極は不規則な照射光を発生し、したがつ
て分光分析測定を満足に行なえないようにする。 Figure 3B shows an inductance coil 12 in the circuit.
The electrode of FIG. 3A is shown in profile after operating at a peak current of about 5000 A in a conventional system without using a 3000A peak current. As is clear in the figure, the electrode 33
and 34 deteriorate extremely, and after about 100,000 flashes, the first sharp points appear at the tips of 35 and 36 in the figure.
It slows down like that. This blunting of the electrode causes arcs to emanate irregularly from various locations on the electrode, resulting in variations in arc length and lateral placement, as well as variations in the spectral distribution of flashes. . Such blunted electrodes produce irregular illumination and therefore make spectroscopic measurements unsatisfactory.
これに対し、本発明に従つて実際に作動させた
場合、予期し得ない効果として発見された電極再
生現象は第3C図に示すような電極面構造の変化
を生ずるものである。システムの動作中におい
て、電極37及び38の円錐端面には削除位置が
発生する。金属材料の粒子はこの削除位置に集積
され、徐々に図の39及び40で示すような回転
楕円型小塊を形成する。電極の初期先端点が摩滅
し、かつ鈍化され、同時に図の39又は40のよ
うな小塊点の1つがアーク発生用の電極点として
形成される。1つの小塊点がアークの発生点とな
る時、他の領域における小塊は金属蒸気を吸着
し、成長して、最終的には電極点を形成すること
になる。このようにして連続フラツシユ点灯にお
けるアーク発生のための安定な位置を提供する電
極の連続的な再生が可能になる。アークは連続的
なフラツシユの発生中において特定の制御点から
発生するため、そのアーク長さ及び横方向の位置
を安定させることができる。 On the other hand, when the present invention is actually operated, the electrode regeneration phenomenon discovered as an unexpected effect causes a change in the electrode surface structure as shown in FIG. 3C. During operation of the system, deletion positions occur on the conical end faces of electrodes 37 and 38. The particles of metal material accumulate at this location and gradually form spheroidal nodules as shown at 39 and 40 in the figure. The initial tip point of the electrode is worn and blunted while one of the nodule points, such as 39 or 40 in the figure, is formed as the electrode point for arcing. When one nodule point becomes an arc generation point, nodules in other areas will adsorb metal vapor and grow, eventually forming an electrode point. In this way continuous regeneration of the electrode is possible providing a stable position for arcing in continuous flashing. Since the arc is generated from a specific control point during continuous flashing, the length and lateral position of the arc can be stabilized.
第4図はサンプルの色彩を測定すべく可視スペ
クトルの範囲において拡散反射測定を行なうため
に用いられる分光分析計を示している。この分光
分析計は本発明によるキセノンフラツシユ管43
を含んでいる。拡散照射を形成するために、サン
プル41は中空球型の積分球42中に配置され、
その内表面は硫酸バリウムのような白色拡散膜に
より覆われている。照射はパルス型キセノンフラ
ツシユ管により提供される。このキセノンフラツ
シユ管は実質上80マイクロ秒でゼロまで降下する
短時間の強力なパルス照射を遂行するものであ
る。サンプルは短時間照射されるため、移動サン
プルを測定することが可能であり、典型的には測
定中の移動距離を無視することができる(たとえ
ばG.P.Bentleyその他の米国特許第3458261号参
照)。又、高強度短時間幅のパルス照射を行なう
ことは周囲光の降下に感応しない高域フイルタ型
の電子回路とすることができる。 FIG. 4 shows a spectrometer used to perform diffuse reflectance measurements in the visible spectrum to determine the color of a sample. This spectrometer uses a xenon flash tube 43 according to the present invention.
Contains. In order to form a diffuse illumination, the sample 41 is placed in a hollow spherical integrating sphere 42;
Its inner surface is covered with a white diffusion film such as barium sulfate. Irradiation is provided by a pulsed xenon flash tube. This xenon flash tube delivers a short, intense pulse of radiation that drops to zero in essentially 80 microseconds. Because the sample is irradiated for a short period of time, it is possible to measure a moving sample, typically allowing the distance traveled to be ignored during measurements (see, eg, US Pat. No. 3,458,261 to GP Bentley et al.). Also, the use of high-intensity, short-duration pulsed irradiation allows for high-pass filter-type electronic circuitry that is insensitive to ambient light drop-off.
第4図において光源から光線A,B及びCとし
て放出させる照射光線は球42の拡散反射壁に衝
突し、そこからたとえば光線Bについて示すよう
に拡散反射する。これらの拡散反射光の一部はサ
ンプルを照射するが、残りの大部分は球内の別の
部分に入射する。このプロセスはすべての光線が
サンプル、もしくは球壁に吸収されるまで繰り返
される。すなわち、サンプルによつて反射された
光は円形開口44を通つて球外に出射される。開
口44はサンプル法線に対し小さな角度、たとえ
ば8°で反射された光線を通過させるように配置さ
れている。 In FIG. 4, the illuminating rays emitted by the light source as rays A, B, and C impinge on the diffusely reflecting wall of sphere 42 and are diffusely reflected therefrom, as shown for example for ray B. A portion of these diffusely reflected light illuminates the sample, while most of the remaining light is incident elsewhere within the sphere. This process is repeated until all the rays are absorbed by the sample or sphere wall. That is, the light reflected by the sample is emitted outside the sphere through the circular aperture 44. The aperture 44 is arranged to pass reflected light rays at a small angle, for example 8°, to the sample normal.
サンプルから反射した光線はレンズ45によつ
て集光されるとともに、スリツト46を通して収
束される。スリツト46の目的はこれ以後の光学
系を通る光線の広がり角を制限することである。
スリツト46を通過する光線は、レンズ47によ
り視準設定され、分散素子48上に入射する。こ
の分散素子としてはプリズム又は回析格子を用い
ることができる。第4図は好ましい分散素子とし
て反射型回析格子を用いた例を示している。 The light beam reflected from the sample is focused by a lens 45 and converged through a slit 46. The purpose of the slit 46 is to limit the spread angle of the rays passing through the optical system thereafter.
The light beam passing through the slit 46 is collimated by a lens 47 and impinges on a dispersive element 48 . A prism or a diffraction grating can be used as this dispersive element. FIG. 4 shows an example in which a reflective diffraction grating is used as a preferred dispersive element.
回析格子48は入射光線をその成分波長毎に特
定の角度で分散させることにより、分光を行なう
ものである。たとえば波長700nmを有する赤光
線は図の光線R及びR′となり、波長400nmを有
する紫光線は図の光線V及びV′となつて出射す
る。レンズ49はこれらの光線を不連続配置した
光検出器50の線形配列上に収束させ、赤光線を
点R″において、又、紫光線を点Vにおいてそれ
ぞれ結像させる。400〜700nm間の全波長は点
R″及びV″の間において収束される。その結果、
光検出器アレー50の面内に可視スペクトル像が
形成される。 The diffraction grating 48 performs spectroscopy by dispersing the incident light beam at a specific angle for each of its component wavelengths. For example, red light having a wavelength of 700 nm is emitted as light rays R and R' in the figure, and violet light having a wavelength of 400 nm is emitted as light rays V and V' in the figure. Lens 49 focuses these rays onto a linear array of discontinuously arranged photodetectors 50, focusing the red rays at point R'' and the violet rays at point V. wavelength is a point
It is converged between R″ and V″. the result,
A visible spectrum image is formed in the plane of photodetector array 50 .
レンズ47、回析格子48及びレンズ49の組
合せは、これを凹面上に形成した単一の回析格子
と置換することができる。この凹球面は光線を収
束し得るミラーとして作用するものである。した
がつてこのような凹型格子の使用は第4図に示し
た2個のレンズ及び回析格子の組合せと完全に等
価なものとなる。又、2個のレンズの一方を凹面
鏡と置換することもできる。凹面鏡は置換しよう
とする凸レンズと同様な結像機能を果たすからで
ある。 The combination of lens 47, grating 48 and lens 49 can replace it with a single grating formed on a concave surface. This concave spherical surface acts as a mirror that can converge light rays. The use of such a concave grating is therefore completely equivalent to the two lens and diffraction grating combination shown in FIG. Also, one of the two lenses can be replaced with a concave mirror. This is because the concave mirror performs the same imaging function as the convex lens it is replacing.
光検出器としてはシリコンフオトダイオードを
用いることができる。各フオトダイオードは狭帯
域のみを測定する。この帯域幅はスリツト46の
幅及び各フオトダイオードの幅に応じたものであ
る。測定された波長はフオトダイオードのアレー
中の位置に応じたものとなる。アレー配列された
フオトダイオードの数は同時に測定される波長の
数に等しい。典型的な構成においては、たとえば
CIE標準(French International Commission
on illumination)に従つて400〜700nmの間を
20nmの均等間隔で分担するようにした16個の検
出器が用いられる。各検出器の幅及び中心から中
心までの間隔は、いくつかの色彩についての測定
精度に影響を与えることが知られている。したが
つて検出器の幅対検出器の中心間距離の比は0.6
〜0.9の範囲、そしてなるべくなら約0.8とするこ
とにより最も好ましい結果を得ることができる。 A silicon photodiode can be used as a photodetector. Each photodiode measures only a narrow band. This bandwidth is a function of the width of slit 46 and the width of each photodiode. The measured wavelength will be a function of the photodiode's position in the array. The number of photodiodes arranged in an array is equal to the number of wavelengths to be measured simultaneously. In a typical configuration, e.g.
CIE standard (French International Commission
on illumination) between 400 and 700 nm.
Sixteen detectors are used, evenly spaced at 20 nm intervals. The width and center-to-center spacing of each detector is known to affect measurement accuracy for some colors. Therefore the ratio of detector width to detector center distance is 0.6
The most favorable results can be obtained with a range of ~0.9, and preferably around 0.8.
球壁に設けた孔内には一対の参照用光検出器6
2及び63が配置され、これによつて照射パルス
の強度を監視するようになつている。第5A〜5
C図に関して後に詳述するが、これらの検出器は
互いに異なつた波長の強度を監視するものであ
り、したがつて適当な光フイルタを装備してい
る。これらの検出器から引き出された信号は検出
器アレー50から引き出された信号を標準化すべ
く用いられる。 A pair of reference photodetectors 6 are installed in the hole provided in the spherical wall.
2 and 63 are arranged to monitor the intensity of the irradiation pulse. 5th A~5
As will be explained in more detail below with respect to Figure C, these detectors monitor the intensity of different wavelengths and are therefore equipped with appropriate optical filters. The signals derived from these detectors are used to standardize the signals derived from detector array 50.
鏡面ポート53として知られた球壁の一部は、
鏡面から反射された(すなわちその部分がミラー
として作用する)光線によりサンプルが照射され
てその部分が測定されないようにするため、ヒン
ジ機構54により除去することができる。鏡面ポ
ート53が除去されると、光トラツプ55は球壁
中のその孔から出る光が球の外側付近で偏向する
ことを阻止するものである。鏡面ポートの中心は
サンプル法線から8°の位置にあり、これはサンプ
ル法線に関し、開口44の中心と対照的な位置と
なる。 A portion of the spherical wall known as the mirror port 53 is
It can be removed by a hinge mechanism 54 to prevent the sample from being illuminated by light beams reflected from the mirror surface (ie, the portion acts as a mirror) and from being measured. When specular port 53 is removed, optical trap 55 prevents light exiting the hole in the bulb wall from being deflected near the outside of the bulb. The center of the mirror port is located 8° from the sample normal, which is symmetrical to the center of the aperture 44 with respect to the sample normal.
分光分析の正確な較正を維持するためにサンプ
ル反射光線の通路中にはプリズム56が挿入され
る。このプリズムはサンプルからの光線を第4図
の紙面外に出る方向に変更させ、したがつて収束
レンズ45を捕え損なうものである。しかしその
逆にサンプルより上の球壁部分から反射された光
線が収束レンズ45に導かれ、分析されることに
なる。球壁面の反射率は日によつて変動せず、安
定しているため、この測定は周期的な較正の手段
として用いることができる。 A prism 56 is inserted in the path of the sample reflected beam to maintain accurate calibration of the spectroscopic analysis. This prism redirects the light rays from the sample out of the plane of the page of FIG. 4 and thus misses the converging lens 45. However, on the contrary, the light beam reflected from the portion of the sphere wall above the sample is guided to the converging lens 45 and analyzed. Since the reflectance of the sphere wall surface does not vary from day to day and is stable, this measurement can be used as a means of periodic calibration.
第5A図はタングステン電極を有するキセノン
フラツシユ管の照明光源からの光のスペクトル分
布を示している。この図から明らかな通り、強度
は波長により変動している。光は特定の狭帯域と
広帯域の両方の分布を含んでいるようである。 FIG. 5A shows the spectral distribution of light from a xenon flash tube illumination source with tungsten electrodes. As is clear from this figure, the intensity varies depending on the wavelength. The light appears to contain both certain narrowband and broadband distributions.
単純化のため、第5A図には8個の検出器によ
る測定値a〜hのみを示しているが、すでに述べ
た通り典型的なシステムは16個又はそれ以上の測
定を行なうものである。 For simplicity, only eight detector measurements a-h are shown in FIG. 5A, although as previously noted, a typical system will make 16 or more measurements.
検出器62の1つ(第4図)は第5B図におい
て70で示す波長の光強度を監視すべく配置され
ている。この測定値は信号処理電子回路51(第
4図)により強度の変動を標準化すべく用いられ
る。これは検出器50から得られた測定値を検出
器62から得られた基準測定値で割ることにより
得られる。 One of the detectors 62 (Figure 4) is positioned to monitor the light intensity at the wavelength shown at 70 in Figure 5B. This measurement is used by signal processing electronics 51 (FIG. 4) to normalize intensity variations. This is obtained by dividing the measurement obtained from detector 50 by the reference measurement obtained from detector 62.
フラツシユ管の動作を観察した結果、スペクト
ル変動は強度が変動するだけでなく、スペクトル
の一端における光強度がときとして他端における
光強度よりも大きくなるというスペクトル動揺効
果をも伴なうことが発見された。したがつて、た
とえば単一点強度標準化が波長70において達成
されると、スペクトルの他の点において真の値か
ら逸脱するという現象が起こる。概略的に第5B
図に示す通り、これらの逸脱は影線領域で示すよ
うな線71及び72の間の値となり、監視点から
の隔たりが大きくなるに従つて増大する。 As a result of observing the operation of flash tubes, it was discovered that spectral fluctuations are accompanied not only by fluctuations in intensity, but also by a spectral perturbation effect in which the light intensity at one end of the spectrum is sometimes greater than the light intensity at the other end. It was done. Thus, for example, if a single point intensity normalization is achieved at wavelength 70, a deviation from the true value will occur at other points in the spectrum. Generally 5B
As shown in the figure, these deviations have values between lines 71 and 72, as indicated by the shaded area, and increase with increasing distance from the monitoring point.
光強度変動のスペクトルシフトを補償するため
には第5C図において波長73で示すような、少
なくとも1つの付加的な点においてさらに標準化
を行なうことが望ましい。参照用検出器63はこ
の目的で用いられる。2つの監視点70及び73
は図に示す通り、十分分離させるべきである。 To compensate for spectral shifts in light intensity variations, it is desirable to further standardize at at least one additional point, as shown at wavelength 73 in FIG. 5C. A reference detector 63 is used for this purpose. Two monitoring points 70 and 73
should be well separated as shown in the figure.
スペクトル標準化のためのデータを獲得する好
ましい手順は標準白タイルを用い、強度標準化
(検出器62による)後の検出器50及び63の
各々について値を記録する。このデータにより、
検出器63から得られるであろう異なつた測定値
のそれぞれに対応して、検出器50の各々におけ
る(複数測定値の)平均値を判定する。ことがで
きる。これらの平均値はルツクアツプテーブルに
おいて配列され、スペクトル標準化のために用い
られる。未知サンプルにおいて用いる場合、検出
器63により値が測定されると、この測定値に対
応する補正係数がルツクアツプテーブルから引き
出され、検出器50から得られた値を変調するの
に用いられる。 A preferred procedure for acquiring data for spectral standardization uses standard white tiles and records values for each of detectors 50 and 63 after intensity standardization (by detector 62). With this data,
For each of the different measurements that may be obtained from the detectors 63, the average value (of the plurality of measurements) at each of the detectors 50 is determined. be able to. These average values are arranged in a lookup table and used for spectral standardization. When used with unknown samples, once a value is measured by detector 63, a correction factor corresponding to this measured value is retrieved from the lookup table and used to modulate the value obtained from detector 50.
結局、本発明の2点標準化技術とは、スペクト
ル範囲の1点(第5B図、70)を基準として、
同範囲内の光強度変動を補正し、他の点(第5C
図、73)を基準として補正された光強度変動の
スペクトルシフトを補正し、第5C図の斜線範囲
内まで光源の変動による測定誤差を小さくするも
のである。 After all, the two-point standardization technique of the present invention is based on one point in the spectral range (70 in Fig. 5B),
The light intensity fluctuation within the same range is corrected, and other points (5th C
This is to correct the spectral shift of the light intensity fluctuations corrected based on FIG.
上述した2点標準化技術を用いることにより、
波長70及び73の標準化点において正確な値が
保証され、しかも強度変動の度合はスペクトルの
他の点において予測される程度となる。この変動
は第5C図において波長74及び75により拡大
した形状で示されている。 By using the two-point standardization technique described above,
Accurate values are guaranteed at the normalization points of wavelengths 70 and 73, yet the degree of intensity variation is as expected at other points in the spectrum. This variation is shown in enlarged form at wavelengths 74 and 75 in FIG. 5C.
フラツシユ管回路が本発明に従つて第1図に示
す通り改変されると、比較的大きいスペクトルシ
フトが形成される。第5B図に示す通り、インダ
クタンスが存在する場合の変動は波長76,77
の間の範囲となるが、本発明によれば比較的大き
い最大変動d1となる線71及び72間まで拡大
し、これは照射スペクトルがより不安定で分光分
析測定にとつて好ましくないもののように考えら
れる。 When the flash tube circuit is modified according to the present invention as shown in FIG. 1, a relatively large spectral shift is created. As shown in Figure 5B, the variation in the presence of inductance is at wavelengths 76 and 77.
However, according to the present invention, it is expanded to between lines 71 and 72, where there is a relatively large maximum variation d 1 , which appears to be a more unstable irradiation spectrum and unfavorable for spectroscopic measurements. It can be considered.
しかしながら強度標準化後の変動が本発明によ
る改変に伴なつて比較的大きい場合でも、2点標
準化を行なつた後の変動は著しく減少する。第5
C図に示す通り、最大の変動はd2からd3の範囲ま
で減少する。このような予期し得ない効果がなぜ
得られるかは不明である。 However, even if the variation after intensity standardization is relatively large with the modifications according to the present invention, the variation after two-point standardization is significantly reduced. Fifth
As shown in Figure C, the maximum variation decreases from d2 to d3 . It is unclear why this unexpected effect is obtained.
色分光分析装置は同じ測定を繰り返す能力に従
つて常套的に評価される。これらの評価は値1.0
を、肉眼で検出し得る限度の色違いとした場合の
色違いの値に従つたものである。反復可能性は同
一サンプルについての一連の測定にわたるRMS
色違い値である。 Color spectrometers are routinely evaluated according to their ability to repeat the same measurements. These ratings have a value of 1.0
The values are based on the value of color difference when the color difference is within the limit that can be detected with the naked eye. Repeatability is the RMS over a series of measurements on the same sample
The values are different colors.
従来のシステムによる単一点強度標準化は1又
は2程度の高い色違い値を伴なうものである。2
点標準化を行なう同様の本発明のシステムは、色
違い値の範囲が0.17〜0.25という小さな値にな
る。本発明によれば2点標準化後の繰り返し可能
性は約0.09〜0.15の色違い範囲まで改善される。 Single point intensity normalization by conventional systems results in color difference values as high as 1 or 2. 2
A similar system of the present invention that performs point standardization results in a small difference value range of 0.17 to 0.25. According to the present invention, repeatability after two-point standardization is improved to a color difference range of about 0.09 to 0.15.
信号処理電子回路51はなるべくなら、サンプ
ル及び保持回路と、各検出器50,62及び63
に接続されたアナログ/デジタル変換器と、ルツ
クアツプテーブル用読取り専用メモリー
(ROM)、及び先に述べた標準化計算を行なうよ
うにプログラムされたマイクロプロセツサを具備
している。サンプル及び保持回路は60〜200マイ
クロ秒、そして第2図に曲線Bで示した好ましい
実施例においては約80マイクロ秒間の光パルス持
続時間に対応する測定窓を提供するように制御さ
れる。 Signal processing electronics 51 preferably include a sample and hold circuit and each detector 50, 62 and 63.
and a read-only memory (ROM) for the lookup table, and a microprocessor programmed to perform the standardization calculations described above. The sample and hold circuit is controlled to provide a measurement window corresponding to a light pulse duration of 60 to 200 microseconds, and in the preferred embodiment shown by curve B in FIG. 2, about 80 microseconds.
選択的にハードワイヤードデジタル論理回路又
はアナログ演算システムを用いることもできる。 Optionally, hard-wired digital logic circuits or analog computing systems can also be used.
以上、本発明の好ましい実施例について説明し
た。しかしながら本発明の範囲内において種々の
変形例を採用することが可能であり、それらは添
付の請求の範囲においてのみ限定されるものであ
る。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, various modifications may be made within the scope of the invention, which is limited only in the scope of the appended claims.
Claims (1)
電流であつて、80〜200μ秒の時間幅を有する電
流パルスにより付勢されるキセノンフラツシユ管
43で照射する段階と、前記サンプル41により
変調された後の光を、複数の異なつた波長におい
て検出することにより測定値を発生する段階と、
前記サンプル41により変調されていない前記フ
ラツシユ管からの光を少くとも2つの異なつた波
長において検出することにより基準値を発生する
段階と、前記測定値を前記基準値の1つで割るこ
とにより光強度の変動を標準化する段階、及び、
前記測定値を前記2つの基準値のうち、他方のも
のに対応するルツクアツプ値に従つて変調する段
階を含み、前記ルツクアツプ値が基準サンプルに
より得られたデータに基づいたものであり、かつ
それらの値が前記他の基準検出器の測定値と相関
性を有する前記複数の検出波長における強度標準
化測定値の平均補正値であることを特徴とする色
分光分析測定の方法。 2 前記ピーク電流が約2000Aであり、ピーク幅
が約80μ秒であることを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の方法。 3 タングステン電極3,4を有するキセノンフ
ラツシユ管43と、自身の放電時において前記フ
ラツシユ管43を付勢するように接続されたコン
デンサ10を含むコンデンサ放電回路と、前記コ
ンデンサ10及び前記フラツシユ管43の間の放
電路中に挿入されたピーク電流減少用のインダク
タンス12と、前記フラツシユ管43からの光が
テスト中のサンプル41により変調された後にお
いて、各々異なつた波長成分を測定するように配
置された複数の光検出器50と、テスト中のサン
プル41により変調されていない前記フラツシユ
管43からの光を少くとも2つの異なつた波長に
おいて測定するための少くとも2個の基準検出器
62,63と、前記検出器50からの信号に応答
してそれらの信号の値を前記2個の基準検出器6
2,63の値のうちの一つで割算することにより
光強度の変動を標準化し、かつ前記2個の基準検
出器62,63の値の他方に対応するルツクアツ
プ値に従つて、前記検出器50からの信号を変調
することにより前記変動のスペクトルシフトを補
正するための電子信号処理手段51とを備えた色
分光分析計において、前記放電路中に挿入された
前記インダクタンス12のインダクタンス値が1
〜10μHの範囲内に選択されたことにより、放電
のピーク電流を1000〜4000Aの範囲内まで減少さ
せるようにしたことを特徴とする色分光分析計。 4 前記インダクタンスがピーク電流を2000Aま
で減少させるものであることを特徴とする特許請
求の範囲第3項記載の色分光分析計。 5 前記色分光分析計がさらに、前記コンデンサ
のバイパス回路において前記コンデンサからの実
質的な全エネルギが、前記インダクタンスを介し
て前記フラツシユ管に伝達されるようにするため
のダイオードを含むことを特徴とする特許請求の
範囲第3又は4項記載の色分光分析計。 6 前記検出器のための測定窓が60〜200μ秒の
範囲内において閃光期間にほぼ対応するように設
定されたことを特徴とする特許請求の範囲第3項
記載の色分光分析計。 7 前記測定窓が約80μ秒に設定されたことを特
徴とする特許請求の範囲第6項記載の色分光分析
計。[Scope of Claims] 1. Irradiating the sample 41 under measurement with a xenon flash tube 43 energized by a current pulse having a peak current of 4000 A or less and a duration of 80 to 200 μs; generating measurements by detecting the light after it has been modulated by the sample 41 at a plurality of different wavelengths;
generating a reference value by detecting light from the flash tube unmodulated by the sample 41 at at least two different wavelengths; and generating a reference value by dividing the measured value by one of the reference values. standardizing the intensity variations; and
modulating said measured value in accordance with a lookup value corresponding to the other of said two reference values, said lookup value being based on data obtained by a reference sample; A method of color spectrometry measurement, characterized in that the value is an average corrected value of intensity normalized measurement values at the plurality of detection wavelengths that have a correlation with the measurement values of the other reference detector. 2. The method of claim 1, wherein the peak current is about 2000 A and the peak width is about 80 microseconds. 3. A capacitor discharge circuit including a xenon flash tube 43 having tungsten electrodes 3 and 4, a capacitor 10 connected to energize the flash tube 43 during its own discharge, and the capacitor 10 and the flash tube 43. After the light from the flash tube 43 and the sample 41 under test are modulated by the inductance 12 for reducing the peak current inserted into the discharge path between the two, the light from the flash tube 43 is arranged to measure different wavelength components. at least two reference detectors 62 for measuring light from the flash tube 43 unmodulated by the sample under test 41 at at least two different wavelengths; 63, and in response to the signals from said detector 50, the values of those signals are transmitted to said two reference detectors 6.
2,63 values, and according to the lookup value corresponding to the other of the two reference detector values 62,63. and an electronic signal processing means 51 for correcting the spectral shift of the variation by modulating the signal from the device 50, the inductance value of the inductance 12 inserted in the discharge path is 1
A color spectrometer characterized in that the peak current of discharge is reduced to within the range of 1000 to 4000 A by selecting the value within the range of ~10 μH. 4. The color spectrometer according to claim 3, wherein the inductance reduces the peak current to 2000A. 5. The color spectrometer further includes a diode in a bypass circuit for the capacitor such that substantially all of the energy from the capacitor is transferred to the flash tube via the inductance. A color spectrometer according to claim 3 or 4. 6. The color spectrometer according to claim 3, wherein the measurement window for the detector is set to approximately correspond to a flash period within a range of 60 to 200 μsec. 7. The color spectrometer according to claim 6, wherein the measurement window is set to about 80 μsec.
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