CN101034654A - 放电灯 - Google Patents

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Abstract

提供一种放电灯，在该放电灯中，将二次电子发射效率较高且溅射率比较低的金刚石用作冷阴极。该放电灯包括：用放电气体填充的外壳；在外壳的内表面上设置的荧光膜；在外壳内设置并使得在外壳内发生放电的电极；在各电极的表面上设置的金刚石构件；以及包含吸氢合金并在外壳内设置的构件。

Description

放电灯
本申请是申请号为200410071388.0、申请日为2004年7月23日、发明名称为“放电灯”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用作发光器或液晶显示器的背光的放电灯。更具体地，本发明涉及使用热阴极或冷阴极的放电灯。
背景技术
放电灯占当前分布的发光光源的约一半，并且放电灯对于工业和日常生活十分重要。放电灯的基本结构包括：填充了稀有气体和少量汞并具有由磷光体涂敷的内表面的放电管、和设置在放电管的两端以互相对置的阴极。当在阴极之间施加电压时，从阴极发射电子并产生放电。汞原子从电子或受激稀有气体原子的撞击中得到能量，由此辐射紫外光。辐射的紫外光激发磷光体以产生可见光。发光颜色例如为白色、白昼光平均色或蓝色根据磷光体的种类而变化。
一般将放电灯分为使用热阴极的放电灯和使用冷阴极的放电灯。热阴极由用称为“发射体”的电子发射物质涂敷的盘绕灯丝构成。在使用热阴极的放电灯中，当放电灯通过放电电流时，灯丝的温度达到1000度以上，使得部分在灯丝上涂敷的发射体蒸发。另外，通过离子的碰撞或电子的碰撞，溅射并消耗在灯丝上涂敷的发射体。作为蒸发或溅射的结果，发射体扩散进入放电管。扩散的发射体粘附在放电管的内表面上并与汞发生反应，由此形成汞合金并变黑。这种现象不仅有损放电灯的外观，而且减少放电灯的发光量。
作为谋求防止发射体的消耗的放电灯，例如，已知有将金刚石粒子用作发射体的热阴极放电灯(参见日本专利申请公开No.H10-69868和No.2000-106130)。由于金刚石的电子发射效率和溅射抗力较高，因此可以确保使用金刚石粒子的放电灯具有较高的发光效率和较长的寿命。例如，为了在各灯丝上涂敷或附着金刚石粒子，在金刚石粒子和有机溶剂的溶液混合物中浸渍并超声波清洗构成灯丝的电极材料。
并且，通过将氢气引入放电灯中，由此降低金刚石粒子的溅射频率并提高放电灯的发光效率。但是，本发明的发明人的研究表明，当长时间用灯时，即使将金刚石用作发射体的放电灯也不可避免地会降低发光效率。
同时，冷阴极放电灯是这样一种结构，即，在放电管内配置相互对置的一对冷阴极，并在放电管内填充稀有气体和微量的汞。在构成称为“冷阴极放电灯”的冷阴极放电灯时，使得在放电管的外部设置电极。换句话说，在冷阴极放电灯中，阴极不与放电表面接触。
与热阴极放电灯相比，冷阴极放电灯具有下列特性：灯丝发生破坏的可能性较低，发射体的消耗较低，且寿命较长。但是，冷阴极放电灯的缺点在于，发光效率比热阴极放电灯低。已知有将金刚石粒子用作发射体以提高发光效率的冷阴极放电灯(参见日本专利申请公开No.2002-298777和No.2003-132850)。但是，本发明的发明人的研究表明，与热阴极放电灯相似，当长时间用灯时，即使将金刚石用作发射体的冷阴极放电灯也不可避免地会降低发光效率。
发明内容
本发明的目的是至少解决常规技术中的问题。
根据本发明的一个方面的放电灯包括：用放电气体填充的外壳；在外壳的内表面上设置的荧光膜；在外壳内设置并导致在外壳内产生放电的电极；在各电极的表面上设置的金刚石构件。在该放电灯中，放电气体中所含的氧气的分压比率不低于0.002％且不高于12.5％。
根据本发明的另一方面的放电灯包括：用放电气体填充的外壳；在外壳的内表面上设置的荧光膜；在外壳的外表面上设置并导致在外壳内产生放电的电极；在外壳的内表面上设置以与各电极对置的金刚石构件。在该放电灯中，放电气体中所含的氧气的分压比率不低于0.002％且不高于12.5％。
根据本发明的又一方面的放电灯包括：用放电气体填充的外壳；在外壳的内表面上设置的荧光膜；在外壳内设置并导致在外壳内产生放电的电极；在各电极的表面上设置的金刚石构件；包含吸氢合金并在外壳内设置的构件。
根据本发明的另一方面的放电灯包括：用放电气体填充的外壳；在外壳的内表面上设置的荧光膜；在外壳的外表面上设置并导致在外壳内产生放电的电极；在外壳的内表面上设置以与各电极对置的金刚石构件；包含吸氢合金并在外壳内设置的构件。
当结合附图进行阅读时，通过本发明的下述详细说明，本发明的其它目的、特征和优点得以具体阐明或变得更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例，在放电管中填充有氧气的冷阴极放电灯的断面图；
图2是在放电管中填充的氧气的分压与放电启动电压之间的关系的特性图；
图3是形成金刚石膜的微波等离子化学汽相淀积(CVD)系统的示意图；
图4是根据本发明的第二实施例，在放电管中填充有氧气的外部电极放电灯的断面图；
图5A和5B是根据本发明的第三实施例，在放电管中填充有氧气的热阴极放电灯的断面图；
图6A和6B是根据本发明的第四实施例，包含吸氢合金的热阴极放电灯的断面图；
图7是根据本发明的第五实施例，包含吸氢合金的热阴极放电灯的断面图；
图8是根据本发明的第六实施例，包含吸氢合金的冷阴极放电灯的断面图；
图9是根据本发明的第七实施例，包含吸氢合金的冷阴极放电灯的断面图；
图10是根据本发明的第八实施例，放电灯中的用n型掺杂物掺杂的金刚石的能带图；
图11是根据本发明的第九实施例，放电灯中的阴极的断面图；
图12是根据本发明的第十实施例，放电灯中的阴极的断面图；
图13是根据本发明的第十一实施例，包含吸氢合金的外部电极放电灯的断面图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的示例性的实施例。
图1是根据本发明的第一实施例，在放电管中填充有氧气的冷阴极放电灯的断面图。如图1所示，分别在玻璃管1的内部的两端设置一对电极(冷阴极)12a和12b。电极12a和12b分别包含：包含钨(W)或钼(Mo)的阴极支撑构件15a和15b、以及在阴极支撑构件15a和15b的表面上形成的金刚石膜14a和14b。阴极支撑构件15a和15b分别通过引线16a和16b与外部电源连接。在玻璃管1中填充放电气体。以60百帕的压力在玻璃管1中填充作为放电气体的稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体与氢气，以促进放电。氢气的分压对总压的比率为1％。并且，在玻璃管1中填充若干毫克的微量的汞。根据第一实施例，进一步以1％的分压比在玻璃管1中填充微量的氧气11。
在该放电灯中，通过与外部电源连接的引线16a和16b，在电极12a和12b之间施加诸如500伏特的高电压。一般在电极12a和12b之间施加交流电压。当电极12a和12b之一作为发射体(阴极)时，另一电极作为阳极。
在施加电压前，玻璃管1的内部处于绝缘状态。当在电极12a和12b之间施加电压时，保留在玻璃管1中的电子受到向阳极的吸引力，并快速移动，与稀有气体或稀有气体的混合气体的原子发生碰撞，由此产生新的电子和稀有气体离子。通过重复这种碰撞，离子13a得以增殖，并且增殖的离子13a入射到电极(阴极)12a(或12b)上。结果，从金刚石膜14a(或14b)上发射二次电子17，从而开始放电。
二次电子17也与稀有气体或稀有气体的混合气体的原子发生碰撞。碰撞的原子转变为阳离子13a并入射到电极(阴极)12a(或12b)上。离子13a的入射导致从金刚石膜14a(或14b)再发射二次电子17，由此保持放电电流。保持放电电流所需的电压(以下称为“放电保持电压”)低于启动放出电流所需的电压(以下称为“放电启动电压”)。
由于使用了二次电子发射效率较高的金刚石，所以根据本实施例的放电灯的放电启动电压和放电保持电压都远低于使用镍(Ni)等的金属作为冷阴极的常规放电灯。另外，由于在金刚石膜14a和14b的表面上终止放电气体中所含的氢。因此，可以高效率地将二次电子17发射到放电空间2中，并可以进一步降低放电启动电压和放电保持电压。
作为放电的结果，部分二次电子17与玻璃管1中的汞原子10和稀有气体或稀有气体的混合气体原子13b碰撞，由此激发原子10和13b，并导致受激的稀有气体原子13b与汞原子10碰撞。汞原子10通过与稀有气体原子13b碰撞而获得能量，由此从汞原子10发射紫外线18。紫外线18激发磷光体4，从而从灯中辐射取决于磷光体4的发射颜色(如白色、白昼光平均色或蓝色)的可见光线19。
通过将金刚石膜14a和14b用作发射体，可以有利地将放电启动电压和放电保持电压设置得较低，并可以有利地提供功率消耗低的放电灯。根据第一实施例的放电灯不但具有这些优点，通过在放电气体中添加微量的氧气11，它还可以具有以下优点。
当通过电离放电气体中的原子而产生的离子13a与金刚石膜14a和14b的表面(放电表面)碰撞时，发射保持放电所需的二次电子17，并通过溅射发射作为中性原子的构成金刚石的碳原子。发射的中性原子与稀有气体原子13b和汞原子10等原子碰撞，并部分重新粘附到金刚石膜14a和14b的表面(放电表面)上。
金刚石的同位素石墨的生成能量比金刚石低。由于这种原因，通过重新粘附碳，在各金刚石膜14a和14b的表面上形成主要包含石墨成分的薄层或包含含有石墨成分的无定形碳的薄层。
该重新粘附层的二次电子发射效率较低。这会有损电极12a和12b的电子发射效率，并降低通过使用金刚石而得到的高发光效率的效果。此外，当由含有非金刚石成分的重新粘附层覆盖各金刚石膜14a和14b的放电表面的状态连续出现时，使用金刚石作为阴极的冷阴极放电灯较低频率地放出电流(对应于放电启动电压增加)，并相当程度地缩短放电灯的寿命。
根据第一实施例的放电灯在放电气体中包含微量的氧气11。因此，可以通过放电气体中所含的氧气选择性地去除重新粘附层。在含氧的等离子体中，蚀刻石墨或无定形碳等非金刚石成分的蚀刻速率高于蚀刻金刚石的蚀刻速率。因此，相对于金刚石膜14a和14b，可以通过氧气选择性地去除包含非金刚石成分的重新粘附层。因此，可以实现可保持使用金刚石的阴极的良好二次电子发射性能、并可保证实际上长寿命和高效率的冷阴极放电灯。
下面，解释根据第一实施例的放电灯中的玻璃管1中填充的氧气11的分压的优选范围。图2是表示玻璃管中填充的氧气11的分压与放电启动电压之间的关系的特性图。
在图2中，横轴表示玻璃管1的内部的总压(p[Pa])与金刚石膜14a和14b之间的最短距离(d[cm])的乘积(p×d[Pa·cm])。纵轴表示放电启动电压(Vf[V])。为了比较，还给出了表示在阴极中使用金属(本实施例中为Mo)时的曲线。通常地，如果乘积p×d较大，则放电启动电压(Vf)较高。如图2所示，如果氧气的比率(氧气的分压对总压的比率，以百分比(％)表示)较高，则放电启动电压(Vf)较高。这是因为，当难以电离的氧气的比率增加时，就难以放出电流。如果氧气比不大于12.5％，放电启动电压Vf就足以低于使用金属的情况。但是，如果氧气比大于15％，放电启动电压Vf就会高于使用金属的情况。因此，要将氧气的分压的比率设置为不大于12.5％，优选不大于10％，更优选不大于5％。
如果氧气比为0％，即，放电气体中不含氧气，放电启动电压Vf会非常低。该放电启动电压Vf对应于放电持续时间为零，即，放电灯首次放出电流时的电压。如果不含氧气，当放电持续时间较长时，放电启动电压Vf就较高，并且放电灯经常不能放出电流。下表给出了氧气的比率(氧气的分压对总压的比率，以％表示)、放电持续时间和放电启动电压Vf之间的关系。
  氧气的比率                        放电持续时间
  0小时   5000小时   10000小时   30000小时   50000小时
  0％   295V   330V   373V   496V   504V
  0.001％   295V   317V   351V   425V   497V
  0.0015％   295V   308V   320V   388V   423V
  0.002％   296V   302V   311V   321V   344V
  0.005％   298V   302V   309V   316V   329V
  1％   323V   323V   325V   325V   327V
在该表中，如果施加交流电压，放电启动电压Vf对应放电灯启动放出电流时的电压，并且放电灯按半循环反复开始和停止这种放电。在该表中，表示出了放电启动电压Vf是如果随放电持续时间的变化而变化的。
如该表所示，如果氧气比为0％，即，放电气体中不含氧气，那么当放电持续时间较长时，放电启动电压Vf就较高，并使放电灯最终不能放出电流。同样地，如果氧气比为0.001％和0.0015％，那么当放电持续时间较长时，放电启动电压Vf就较高，并且放电灯最终不能放出电流。原因如下。由于氧气不存在或基本不存在，就不能抑制在各金刚石膜14a和14b的放电表面上形成包含非金刚石成分的重新粘附层。
如果氧气比为0.002％、0.005％和1％，那么放电启动电压Vf不增加或基本不增加。这是因为氧气充分存在，可以抑制在各金刚石膜14a和14b的放电表面上形成包含非金刚石成分的重新粘附层。因此，将氧气的分压的比率设置为不低于0.002％，优选不低于0.005％。
下面，将解释根据第一实施例的放电灯的制造方法。制备分别包含W或Mo的阴极支撑部件15a和15b，并分别在阴极支撑部件15a和15b的表面上形成厚度各为约10微米的多晶金刚石膜14a和14b。用硼(B)掺杂金刚石膜14a和14b。使用微波等离子CVD方法形成金刚石膜14a和14b。
图3是说明微波等离子CVD系统的断面图。如图3所示，通过微波波导62b和微波引入石英窗64，将微波从微波头62a引入反应室63中。
将反应气从反应气入口65引入反应室63中。在加热台61上安装样品60(种植了金刚石籽晶的阴极支撑部件15a和15b)。可以调整用于加热台61的支撑座的垂直位置，并提供可以将其垂直位置调整到最优位置的机构。可以通过未示出的压力调节阀调节反应室63中的压力，并通过旋转式泵排空反应室63中的空气。另外，通过由旋转式泵(RP)66a和66c和涡轮分子泵(TMP)66b构成的排空系统66抽空反应室63。
将氧化硼(B2O3)溶入2.68毫升的甲醇中，并将所得到的溶液与137毫升的丙酮混合，由此生成溶液混合物。将该溶液混合物送入反应室63中，在该反应室63中，通过微波等离子CVD方法，并将氢用作运载气体，形成金刚石膜14a和14b。即，将溶液混合物用作碳(金刚石)源和B(硼)源。此时的膜形成条件是，衬底温度为850度，反应室63的内部压力为80托，运载气体的流速为200标准毫升每分钟(sccm)，微波功率为2千瓦，膜形成时间为3小时。从而完成电极12a和12b，并分别将引线16a和16b固定到电极12a和12b上。
制备用磷光体4涂敷的玻璃管1。对于磷光体4，可以使用含卤素的磷酸钙(calcium-halophosphate)磷光体等，并可以在玻璃管1的内表面上涂敷浆状的磷光体4。分别在玻璃管1的两端配置连接引线16a和16b的电极12a和12b。将放电气体引入玻璃管1中，并用设置在玻璃管1的两端的密封部件密封玻璃管1。例如，通过在800度的温度下加热处理玻璃管1两端的密封部件，软化并流动化密封部件，由此可以密封玻璃管1。
图4是根据本发明的第二实施例，在放电管中填充有氧气的外部电极放电灯的断面图。分别用相同的附图标记表示与图1中所示的第一实施例相同的构成部件。该放电灯是所谓的外部电极放电灯，它具有在放电灯的外面设置的电极。通过在电极间施加电压，在放电管中引起放电，由此发光。
如图4所示，该放电灯包括：玻璃管21；在玻璃管21的内表面上形成并在用紫外线照射时产生可见光的磷光体26；分别固定于玻璃管21两端的内表面上的成对圆筒状金刚石层24a和24b；以隔着玻璃管21分别与成对金刚石层24a和24b相对的方式，固定于玻璃管21两端的外表面上的成对外部电极23a和23b。例如，成对外部电极23a和23b包含钨(W)或钼(Mo)。
与第一实施例相似，在玻璃管21的内部25中填充放电气体。即，在玻璃管21中填充作为放电气体的稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体、氢气和微量的汞。另外，按照氧气11的分压对总压的比率为1％，在玻璃管21中填充微量的氧气11。
下面，解释该外部电极放电灯的操作。为了启动放电，在成对外部电极23a和23b之间施加频率为40千赫的1000伏的高频电压。当将一对金刚石层24a和24b用作发射体(阴极)时，将另一对用作对极(阳极)。当在电极23a和23b之间施加该高频电压时，保留在玻璃管21中的电子受到向阳极的吸引力，并快速移动，与稀有气体或稀有气体的混合气体的原子13b发生碰撞，由此产生新的电子和新的稀有气体离子。通过重复这种碰撞，使离子13a增殖，并且增殖的离子13a入射到阴极24a或24b上。结果，从成对金刚石层24a(或24b)上发射二次电子17，从而开始放电。由于在金刚石层24a和24b的表面上特别终止了放电气体中所含的氢，所以可以有效地将二次电子17发射到放电空间25中。
使用这种机构，与第一实施例相似，间歇地产生放电，并通过放电产生的紫外线18激发磷光体26，由此产生可见光线19。在该外部电子放电灯中，不将外部电极23a和23b暴露于放电空间25。因此，在玻璃管21中不必存在汞，以抑制外部电极23a和23b的消耗。因此，只能将氢气和稀有气体用作在玻璃管21中填充的气体。
该外部电极放电灯使用二次电子发射效率较高的金刚石。因此，外部电极放电灯的放电启动电压远低于将玻璃用作发射体的常规外部电极放电灯的放电启动电压。另外，在金刚石层24a和24b的表面上终止了放电气体中所含的氢。由此，可以将二次电极17有效地发射到放电空间25中，并可以降低放电启动电压。
从而，通过将金刚石层24a和24b用作电子发射源，可以提供可以在低电压下开始放电并可以保证低功率消耗的放电灯。根据第二实施例的放电灯不仅可以表现出这些优点，通过在放电气体中包含微量的氧气11，它还可以具有与第一实施例相同的优点。
即，通过在放电气体中包含微量的氧气11，可以通过放电气体中所含的氧选择性地去除重新粘附层。因此，可以一直将金刚石暴露于放电表面。因此，可以实现高效率、可以确保实际长寿命并可以保持使用金刚石的阴极的二次电子发射性能的外部电极放电灯。
与第一实施例相同，考察放电灯中的玻璃管21中填充的氧气的分压。结果，氧气的分压的优选范围与第一实施例相同。将氧气的分压的比率设置为不低于0.002％，优选不低于0.005％，并设置为低于12.5％，优选不高于10％，更优选不高于5％。
下面，解释根据第二实施例的放电灯的制造方法。通过使用掩模等，仅分别在玻璃管21的两端的内表面上形成成对金刚石层24a和24b，并在玻璃管21的内表面上涂敷和形成磷光体26。在形成成对金刚石层24a和24b时，不需要它具有导电性。因此，除了不添加硼酸(B2O3)外，该形成方法与根据第一实施例的形成方法相同。另外，磷光体26的材料和形成方法与第一实施例相同。通过使用掩模等，从而不会在设置了金刚石层24a和24b的玻璃管21的两端的内表面上形成磷光体26。
将放电气体引入玻璃管21中，并用在玻璃管21的两端设置的密封部件密封玻璃管21。例如，通过在800度的温度下加热处理在玻璃管21两端设置的密封部件，软化并流动化密封部件，由此可以密封玻璃管21。最终，在玻璃管21的外表面的两端上分别形成外部电极23a和23b。由此完成根据第二实施例的放电灯。
图5A和图5B是根据本发明的第三实施例的热阴极放电灯的断面图。分别用相同的附图标记表示与图1中的第一实施例相同的构成部件。根据本实施例的放电灯是使用热阴极的放电灯，它包括：玻璃管30、电极35a和35b、电极构件31a和31b、引线31c和31d，以及配件34a和34b。玻璃管30透明且细长，并具有在内表面上涂敷的磷光体32(例如，含卤素的磷酸钙磷光体)。分别在玻璃管30的两端固定电极35a和35b。引线31c支撑电极构件31a，并将在放电灯外面设置的配件34a电连接到电极构件31a。同样，引线31d支撑电极构件31b，并将在放电灯的外面设置的配件34b电连接到电极构件31b。如图5B所示，由两圈或三圈灯丝39a(例如，钨)制成各电极构件31a和31b。在灯丝39a上涂敷发射体39b。该发射体39b包含单晶或多晶金刚石。
在玻璃管30中填充放电气体，以便于放出电流。放电气体包含稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体、微量的汞和氢气，并按照氧气11的分压对总压的比率为1％，在玻璃管30中填充微量的氧气11。
当在电极构件31a和31b之间施加电流以进行预热时，从发射体39b中发射出电子。所发射的电子移动到对极(阳极)，从而开始放电。通常地，在电极构件31a和31b之间施加交流电压以开始放电。如果这样，电极构件31a和31b交替作为发射极和对极(阳极)。这种放电使得电子与在玻璃管30内填充的汞原子10碰撞，或与稀有气体或稀有气体的混合气体发生碰撞，由此产生新的电子和新的稀有气体离子。新的电子和稀有气体离子又与汞原子10碰撞。通过这种碰撞，汞原子10得到能量并发射紫外线18。紫外线18激发磷光体32，由此根据磷光体32的不同而从灯中辐射出具有发射颜色(例如，白色、白昼光平均色或蓝色)的可见光线19。
下面，将解释根据第三实施例的热阴极放电灯中所用的热阴极的制造方法。首先解释在盘绕灯丝39a的表面上种植金刚石籽晶。
将金刚石粒子与乙醇等的有机溶剂混合，并将所得到的溶剂涂敷到灯丝39a的表面上。与有机溶剂混合的金刚石粒子的粒子直径大于0.1微米并小于1微米。为了涂敷溶剂，将灯丝39a浸入与金刚石粒子混合的有机溶剂中，并对其进行超声波清洗。将超声波清洗的处理时间设定为30分钟。通过进行超声波清洗，使金刚石粒子均匀地粘附在灯丝39a的表面上。然后，例如，如需要，在氮气气氛中，在200度的温度下将灯丝39a加热60分钟，由此去除有机溶剂和杂质。
将已种植了金刚石籽晶的灯丝39a置于图3中所示的微波等离子CVD系统中，在该微波等离子CVD系统中，在灯丝39a的盘绕电极的表面上形成金刚石构件。
如上所述，由于放电气体中包含微量的氧气11，根据第三实施例的热阴极放电灯可以表现出与第一实施例相同的优点。
图6A和图6B是根据本发明的第四实施例的放电灯的断面图。如图6A所示，该放电灯使用热阴极，并包括：玻璃管110、电极115a和115b、电极构件111a和111b、引线111c和111d以及配件114a和114b。玻璃管110透明且细长，并具有在内表面上涂敷的磷光体112(例如，含卤素的磷酸钙)。分别在玻璃管110的两端固定电极115a和115b。引线111c支撑电极构件111a，并将在放电灯外面设置的配件114a电连接到电极构件111a。同样，引线111d支撑电极构件111b，并将在放电灯的外面设置的配件114b电连接到电极构件111b。如图6B所示，由两圈或三圈灯丝101a(例如，钨)制成各电极构件111a和111b。在灯丝101a上涂敷包含单晶或多晶金刚石的金刚石薄膜(发射体)101b。
在玻璃管110中填充放电气体113，以便于放出电流。放电气体113包含稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体、微量的汞和氢气。在约700帕的压力下在玻璃管110中填充稀有气体和汞，并在约7帕的分压下在其中填充氢气。并且，在玻璃管110中设置包含例如镁基CeMg2合金的吸氢合金的吸氢合金构件116，以保持玻璃管110中的氢气的分压。吸氢合金116是颗粒状的，并通过玻璃料与玻璃管110的内壁熔接。
当在电极构件111a和111b之间施加电流以进行预热时，从热的金刚石薄膜101b中发射出电子。所发射的电子移动到对极(阳极)，从而开始放电。通常地，在电极构件111a和111b之间施加交流电压以开始放电。如果这样，电极构件111a和111b交替作为发射极和对极(阳极)。这种放电使得电子与在玻璃管110内填充的汞原子碰撞，或与稀有气体或稀有气体的混合气体发生碰撞，由此产生新的电子和新的稀有气体离子。新的电子和稀有气体离子又与汞原子碰撞。通过这种碰撞，汞原子得到能量并从汞原子发射紫外线。紫外线激发磷光体112，由此根据磷光体112的不同而从灯中辐射出具有发射颜色(例如，白色、白昼光平均色或蓝色)的可见光。
用与第三实施例相同的方法制造根据第四实施例的热阴极放电灯中所用的热阴极。根据本实施例，金刚石薄膜的形成条件如下。微波功率为4千瓦，反应气体压力为13.3千帕，氢气的流速为400sccm，甲烷气的流速为8sccm，原料气体中的甲烷的浓度为2％，膜形成温度为850度，膜形成时间为120分钟。在这些条件下，在灯丝101a的表面上形成厚度为5微米的多晶金刚石薄膜101b。根据该实施例，仅使用氢气和甲烷气以形成金刚石薄膜101b。另外，也可以通过掺杂作为杂质的磷、氮或硫等的n型掺杂物或硼等的p型掺杂物，形成金刚石薄膜101b。将在后面详细解释n型掺杂物。金刚石薄膜101b的形成方法不限于微波等离子CVD方法。例如，可以通过电子回旋共振CVD(ECRCVD)法或射频CVD法形成金刚石薄膜101b。
下面，解释吸氢合金的功能。如果通过将含氢气体用作运载气体的CVD形成金刚石，那么一般在金刚石薄膜101b的表面上终止氢分子。这种氢终止层对金刚石特性有很大影响，并在表示负电子亲合力(NEA)特性中起重要作用。这种NEA特性使得可以在低温下从金刚石中发射热电子。
但是，根据本发明的发明者的研究，在经过一定的时间后，在玻璃管中的氢气的分压由于各种原因而降低。另外，在长时间使用灯后，金刚石(发射体)的电子发射效率变差，导致灯的放电效率变差。认为引起氢气的分压降低的原因包括例如玻璃管内的氢气从玻璃管和电子构件中存在缝隙或裂纹等有缺陷部件泄漏。
根据第四实施例，在玻璃管110中设置吸氢合金构件116。因此，如果如上所述玻璃管110内的氢气的分压降低，那么就会从吸氢合金构件116中分解氢气并将氢气释放到管110中。由此可以将玻璃管110中的氢气的分压保持在最佳的水平。
更具体地，当发生放电时，玻璃管110的内部温度升高。玻璃管110的内部温度主要与汞的激发有关，并且通过氢等的放电气体的密封压力而存在最佳温度。一般将玻璃管110的内部温度保持在约80度。但是，内部温度随放电灯的应用而改变。在根据第四实施例的一个实例中，玻璃管110的内部温度为80度。在室温下CeMg2合金的氢分解压力非常低。但是，在玻璃管110的内部温度升高之后，氢分解压力逐渐升高，并在80度时达到约7帕。即，放电灯的玻璃管110内的氢气的分压保持在7帕。在这种状态中，即使玻璃管110中的氢气量减少，也可以由吸氢合金构件116释放氢气，以保持分解压力。
图7是根据本发明的第五实施例的放电灯的断面图。分别用相同的附图标记表示与图6A相同的构成部件。与第四实施例相同，根据第五实施例的放电灯是使用热阴极的放电灯，但与根据第四实施例的放电灯的区别在于，在玻璃管110的内表面上设置包含诸如镁基CeMg2合金的吸氢合金的吸氢合金膜126a和126b。分别在成对电极115a和115b的周围设置吸氢合金膜126a和126b。可以通过在减压(例如，约5帕)并使用包含氩的CeMg2合金等的溅射目标的条件下进行倾斜溅射，或在减压(例如，约10-6帕)使用CeMg2合金的材料的条件下进行倾斜蒸发，形成吸氢合金膜126a和126b。
玻璃管110内的电极构件111a和111b之间的放电区域的温度非常高。因此，优选分别以与电极构件111a和111b相对的方式在临近玻璃管110的端部的位置上设置吸氢合金膜126a和126b。另外，也可以根据放电区域的温度和位置，将吸氢合金膜126a和126b设置在更接近玻璃管110的中心的位置上。
根据第五实施例，与第四实施例相同，吸氢合金膜126a和126b可使玻璃管110内的氢气的分压保持在适宜的水平。特别地，根据本实施例，由于以吸氢合金膜126a和126b的形式形成吸氢合金，所以放电灯的表面的温度分布比较均匀。这样，可以均匀地释放氢，得到均匀的氢分压分布，并稳定放电灯的放电特性。
图8是根据本发明的第六实施例的放电灯的断面图。根据该实施例的放电灯是使用冷阴极的放电灯。该放电灯包括：透明且细长的玻璃管130、分别从玻璃管130的两端嵌入玻璃管130中并由玻璃填充的引线134a和134b。在玻璃管130上涂敷包含与根据第四实施例的磷光体112相同的材料的磷光体132。分别在玻璃管130的向内突出的引线134a和134b的多个部分中设置包含诸如镍的金属的阴极支撑构件131a和131b。分别在阴极支撑构件131a和131b的表面上形成作为发射体的金刚石薄膜133a和133b。金刚石薄膜133a和133b以及阴极支撑构件131a和131b分别构成电极(阴极)135a和135b。
在玻璃管130中填充放电气体137，以便于放出电流。放电气体137包含稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体、微量的汞和氢气。在约3.5千帕的压力下在玻璃管130中填充稀有气体和汞，并在约35帕的分压下在其中填充氢气。并且，在玻璃管130中设置包含诸如Mg2Ni合金的吸氢合金的吸氢合金构件136，以在玻璃管130中保持氢气的分压。吸氢合金构件136是颗粒状的，并通过玻璃料与玻璃管130的内壁熔接。
例如，从玻璃管130向外突出的引线134a和134b与交流电源连接。当在引线134a和134b之间施加电流时，在金刚石薄膜133a和133b的表面上产生强电场。电场使残余电子快速移动，并从金刚石薄膜133a和133b的表面发射。并且，当残余电子受到向对极的吸引并快速移动时，会与稀有气体或稀有气体的混合气体发生碰撞。通过碰撞而增殖的阳离子与阴极碰撞，并从阴极发射二次电子，从而开始放电。通过放电而流动的电子和离子与汞原子碰撞。通过这些碰撞，汞原子得到能量，并因而从汞原子发射紫外线。紫外线激发磷光体132，从而从灯中发射依赖于磷光体132而具有发射颜色(白色、白昼光平均色或蓝色)的可见光。
与第四实施例相似，根据该第六实施例，在玻璃管130内设置包含诸如Mg2Ni的吸氢合金的吸氢合金构件136。因此，第六实施例表现出与第四实施例相同的优点。
下面，解释电极135a和135b的制造方法。制备包含钼的阴极支撑构件131a和131b，并与第一实施例相同，在阴极支撑构件131a和131b的表面上种植金刚石籽晶。然后，将已种植了金刚石籽晶的阴极支撑构件131a和131b移入图3中所示的微波等离子CVD系统中，在该微波等离子CVD系统中，分别在阴极支撑构件131a和131b的表面上形成金刚石薄膜133a和133b。金刚石薄膜的形成条件如下。微波功率为4千瓦，反应气体压力为15千帕，氢气的流速为300sccm，甲烷气的流速为6sccm，原料气体的甲烷的浓度为2％，膜形成温度为800度，膜形成时间为120分钟。在这些条件下，形成厚度均为4微米的多晶金刚石薄膜133a和133b。
根据该实施例，仅使用氢气和甲烷气以形成金刚石薄膜133a和133b。另外，也可以通过掺杂杂质，形成金刚石薄膜133a和133b。对于金刚石薄膜133a和133b的形成方法，可以用ECRCVD法或射频CVD法代替微波等离子CVD方法。
图9是根据本发明的第七实施例的放电灯的断面图。分别用相同的附图标记表示与图8中相同的构成部件。与第六实施例相同，根据第七实施例的放电灯是使用冷阴极的放电灯。但与第六实施例的区别在于，在玻璃管130的内表面上设置包含诸如Mg2Ni的吸氢合金的吸氢合金膜146a和146b。吸氢合金膜146a和146b的配置以及使用吸氢合金膜146a和146b的优点与第五实施例相同。
下面将解释作为本发明的第八实施例，用n型掺杂物掺杂金刚石薄膜的实例。图10是用于解释第八实施例的原理并说明用n型掺杂物掺杂的金刚石的能带图。众所周知，金刚石具有NEA。即，金刚石的导带(Ec)的底端的位置比真空能级(Evac)低。电子亲合力是将存在于导带的底端的电子移动到真空中所需要的能量。如果电子亲合力为负值，这意味着发射该电子的趋势增加。
但是，在室温下n型金刚石的电阻非常大。这是因为给予电子的施主的能级与导带(Ec)的底端之间的能差(Ed)是诸如硅(Si)的普通半导体的约10倍，并且在室温下很难在导带中存在电子。
已发现，如果使用n型金刚石作为发射体，放电灯会表现出非常优异的电子发射特性。在第八实施例中，将解释通过使用n型金刚石作为发射体而表现出优异的发光特性的放电灯。
当加热n型金刚石时，电子上升到导带，并可以利用NEA特性发射电子。即，在具有NEA特性的金刚石中，不存在可以防止导带中的电子发射到真空中的障碍。因此，最终发射电子所需的能量为Ed量级。在不具有NEA特性的普通发射体中，真空能级(Evac)的位置比导带(Ec)的底端高，并且将电子发射到真空中所需的能量接近于功函。当用磷掺杂金刚石时，能差(Ed)为约0.6电子伏特。对于在发射热电子的发射体中常用的BaO，功函为约1.1电子伏特。由于Ed或功函对热电子发射具有指数影响，所以n型金刚石可以在低温下发射热电子。因此，在荧光灯等的使用n型金刚石作为热阴极的放电灯中，可以实现低温下的均匀热电子发射。因此，可以提供发光特性优良并可确保长寿命的热阴极放电灯。
并且，功函对表面状态的影响十分敏感，并强烈受制造工艺、氛围等的影响。因此，在使用不具有NEA特性的普通发射体的放电灯中，很难在电子发射表面得到均匀的热电子发射。由于功函对于热电子发射具有指数影响，所以容易增加在热电子发射表面中的热电子发射的非均匀性。相反，在具有NEA特性的金刚石中，只要电子亲合力是负值，那么即使NEA轻微波动，NEA也不会对热电子发射产生影响。决定热电子发射的是施主能级与导带(Ec)的底端之间的能差(Ed)。能差(Ed)所对应的不是表面性能，而是由掺杂物决定的块体的性能。因此，通过使用n型金刚石，可望在电子发射表面上得到均匀的热电子发射。除此之外，金刚石是具有最高的热导率的衬底。因此，即使由于焦耳热、离子和电子的流入或冲击而加热金刚石，这种热量也会快速向周围传导，由此使温度保持均匀。当通过使用n型金刚石可以得到充分的效果时，在由n型金刚石形成均匀的连续膜时这种影响会更大。
下面，将解释根据第八实施例的热阴极和放电灯的制造方法的实例。制备通过缠绕直径为30微米的钨丝而形成的灯丝。该灯丝的处理方法与根据第四实施例的灯丝的处理方法相同。例如，通过微波等离子CVD方法在该灯丝上形成厚度为约5微米的多晶金刚石层。多晶金刚石层的生长条件如下。微波功率为4千瓦，氢气的流速为200sccm，甲烷气的流速为4sccm，原料气体的甲烷浓度为2％。另外，原料气体压力是13.3千帕，膜形成温度为850度，膜形成时间为120分钟。在这些条件下，将磷用作n型掺杂物，并在金刚石的生长过程中供给磷化氢气体。将磷化氢气体对甲烷气的比率设定为百万分之1000。
然后，在灯丝上设置引线以支撑灯丝，并在引线上固定配件，将所得到的灯丝固定到玻璃管上，并将放电气体填充到玻璃管中。这样就完成了放电灯。
通过在放电管中设置包含吸氢合金的构件，第八实施例可以表现出与第四实施例相同的优点。
图11是根据本发明的第九实施例的放电灯中所用的阴极的断面图。如图11所示，在包含诸如镍的金属的阴极支撑构件81的表面上，形成包含诸如Mg2Ni的吸氢合金且厚度为0.5微米的吸氢合金膜82。在吸氢合金膜82的表面上，形成包含多晶金刚石且厚度为2微米的金刚石层83。该金刚石层83包含平均晶粒直径为0.2微米的晶粒，并且在从吸氢合金膜82到外面(金刚石层83的表面，即，放电灯的放电空间)的金刚石层83内存在晶界84。
将该阴极用作放电灯的阴极。如果这样，当降低放电管中的氢气的分压时，从吸氢合金膜82分解出氢气，并通过包含多晶金刚石的金刚石层83中的晶界84，将所分解的氢气释放到放电灯的放电空间中。由此可以将氢气的分压保持在最佳的水平。
例如，如果将根据第九实施例的阴极用作根据第七实施例的阴极(不具有吸氢合金构件136)，在玻璃管130的内部温度增加后，Mg2Ni合金的氢气分解压力逐渐增加，并在80度时达到约35帕。通过金刚石层83中的晶界84从吸氢合金膜82发射分解的氢气，由此将放电灯的管中的氢气的分压保持在35帕。在这种状态中，即使降低玻璃管130中的氢气的量，也会从吸氢合金释放氢气以保持分解压力。
下面，将解释根据第九实施例的阴极的制造方法的实例。制备包含钼的阴极支撑构件81，并在阴极支撑构件81的表面上形成吸氢合金膜82。可以通过上述的倾斜溅射或倾斜蒸发，形成吸氢合金膜82。在吸氢合金膜82上种植金刚石籽晶。用与第四实施例相同的方式进行这种金刚石籽晶的种植。将已经过金刚石籽晶种植的包含吸氢合金膜82的阴极支撑构件81移入图3中所示的微波等离子CVD系统中。在该微波等离子CVD系统中，在吸氢合金膜82的表面上形成包含多晶金刚石的金刚石层83。膜形成条件如下。微波功率为2千瓦，原料气体压力为10千帕，氢气的流速为300sccm，甲烷气的流速为6sccm，原料气体的甲烷浓度为2％，膜形成温度为750度，膜形成时间为150分钟。在这些条件下，形成厚度为2微米且包含平均直径为0.2微米的晶粒的多晶金刚石层83。
在该实例中，仅使用氢气和甲烷气以形成多晶金刚石层83。另外，也可以通过掺杂杂质而形成多晶金刚石层83。另外，在形成多晶金刚石层83时，可以用ECRCVD法或射频CVD法代替微波等离子CVD法。
为了确保通过多晶金刚石层83中的晶界84释放氢气，多晶金刚石层83的厚度优选不小于1微米且不大于5微米，平均晶粒直径不小于0.1微米且不大于0.5微米。
并且，可以将图11中所示的阴极应用于热阴极。但是，由于下述原因，特别优选将图11中所示的阴极应用于冷阴极(包括外部电极放电灯中的冷阴极)。如果将该阴极用于热阴极并通过灯丝等大幅度地加热吸氢合金，那么吸氢合金的分压会根据放电灯的应用、使用条件等突然增加。这经常会导致放电灯的放电特性受损，即，放电灯的性能受损。并且，如果吸氢合金的分解压力突然增加，则常会损坏吸氢合金的吸氢特性，并常会损坏放电灯的耐久性。
图12是根据第十实施例的放电灯中所用的阴极的断面图。如图12所示，在包含诸如镍的金属的阴极支撑构件91的表面上，形成包含诸如Mg2Ni的吸氢合金且厚度为0.5微米的吸氢合金膜92。在吸氢合金膜92的表面上，形成厚度为2微米的金刚石层93。金刚石层93具有预定图案(即，条带图案或岛状图案)，并从图案未形成部分94暴露吸氢合金膜92。该金刚石层93包含平均晶粒直径为0.2微米的晶粒，并且在从吸氢合金膜92的表面到外面金刚石层93(放电灯的放电空间)内存在晶界。
当降低放电管中的氢气的分压时，则从吸氢合金膜92中分解出氢气，并通过金刚石层中的晶界以及图案未形成部分94，将所分解的氢气释放到放电灯的放电空间中。由此可以将氢气的分压保持在适宜的水平。
因此，根据第十实施例的阴极可以表现出与根据第九实施例的阴极相同的功能和优点。除了金刚石层93包含单晶金刚石，以及通过众所周知的光刻和蚀刻技术被加工成设定的图案，根据第十实施例的阴极的制造方法与第九实施例中所解释的方法的实例基本相同。使用CF4和O2的混合气体作为蚀刻气体。由此形成金刚石层93的图案和图案未形成部分94。
根据第十实施例，仅使用氢气和甲烷气以形成多晶金刚石层83。另外，也可以通过在多晶金刚石层83中掺杂杂质而形成金刚石层83。另外，在形成多晶金刚石层83时，可以用ECRCVD法或射频CVD法代替微波等离子CVD法。
如果使用多晶金刚石层作为金刚石层93，可以使用第九实施例的方法作为金刚石薄膜的形成方法。如果这样，为了保证通过金刚石层93中的晶界释放氢气，多晶金刚石层93的厚度优选不小于1微米且不大于5微米，平均晶粒直径不小于0.1微米且不大于0.5微米。
并且，可以将图12中所示的阴极应用于热阴极。但是，由于与第九实施例相同的原因，特别优选将图12中所示的阴极应用于冷阴极(包括外部电极放电灯中的冷阴极)。
图13是根据本发明的第十一实施例的外部电极放电灯的断面图。该外部电极放电灯具有在放电管的外表面上设置的多个电极。通过在电极之间施加电压，在放电管内引起放电，由此而发光。
如图13所示，根据第十一实施例的放电灯包括：玻璃管150、在玻璃管150的表面上形成并在受到紫外线照射时产生可见光的磷光体152、分别固定在玻璃管150的两端的内表面上的成对圆筒状金刚石层153a和153b、分别以隔着玻璃管150与成对金刚石层153a和153b相对的方式固定到玻璃管150的两端的外表面上的成对外部电极151a和151b。例如，成对外部电极151a和151b包含钨(W)或钼(Mo)。
在玻璃管150的内部填充放电气体157。放电气体157包含稀有气体(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有气体Ar、Ne和Xe的混合气体、微量的汞和氢气。另外，分别在玻璃管150的两端的内表面上设置吸氢合金膜156a和156b，以将玻璃管150内的氢气的分压保持在适宜的水平。
玻璃管150内的金刚石层153a和153b之间的放电区域的温度非常高。因此，优选分别在相对金刚石层153a和153b临近玻璃管150两端的位置上设置吸氢合金膜156a和156b。另外，可以根据放电区域的温度、位置等，在更临近玻璃管150的中心的位置上设置吸氢合金构件156a和156b。
下面，解释该外部电极放电灯的操作。为了启动放电，在一对外部电极151a和151b之间施加频率为40千赫的1000伏的高频电压。从金刚石层153a(或153b)发射电子和开始放电的步骤与根据第四实施例的放电灯相同。另外，吸氢合金膜156a和156b的功能和优点与第五实施例相同。使用这种机构，间歇地进行放电，并且通过由放电产生的紫外线激发磷光体152。
在该外部电极放电灯中，没有将外部电极151a和151b暴露于放电空间中。因此，为了抑制外部电极151a和151b的消耗，不必在玻璃管150中包含汞。因此，只能将氢气和稀有气体用作在玻璃管150内填充的气体。
下面，将解释该外部电极放电灯的制造方法的实例。制备玻璃管150，并在没有形成金刚石层153a和153b的玻璃管150的部分内表面上形成掩模等。与第四实施例相同，在形成金刚石层153a和153b的玻璃管150的部分内表面(玻璃管150的两端的内表面上的圆筒状区域)上种植金刚石籽晶。在去除掩模等后，与上述各实施例相同，使用微波等离子CVD法等的膜形成方法，由此，选择性地在种植了金刚石籽晶的玻璃管150的部分内表面上形成金刚石层153a和153b。作为这种膜形成步骤的结果，仅在玻璃管150的两端的内表面上形成圆筒状金刚石层153a和153b。由于金刚石层153a和153b是不导电的，所以不必用p型掺杂物或n型掺杂物对金刚石层153a和153b进行掺杂。
分别以与金刚石层153a和153b相对的方式在临近玻璃管150的端部的位置上形成吸氢合金膜156a和156b。在玻璃管150的内表面上涂敷并形成磷光体152。通过使用掩模，不在设置了金刚石层153a和153b的玻璃管150的两个端部的内表面上形成磷光体152。
在玻璃管150内填充放电气体，并通过设置在玻璃管150的两端的密封部件密封玻璃管150。例如，通过在750度的温度下加热处理玻璃管150两端的密封部件，软化并流动化密封部件，由此可以密封玻璃管150。最终，在玻璃管150的外表面的两端形成外部电极151a和151b。由此完成根据第十一实施例的放电灯。
根据上述实施例，吸氢合金的类型不限于CeMg2和Mg2Ni合金。可以使用任何满足放电管中的氢气的分压的要求的吸氢合金。吸氢合金构件的形状可以为丸状或膜状以外的板状、棒状或针状等。包含吸氢合金的构件可以为仅包含吸氢合金的构件，也可以为仅包含吸氢合金的构件与包含吸氢合金以外的其它材料的构件的组合。例如，包含其它材料的构件是用于将吸氢合金构件安装到放电管的内壁上的构件或磷光体的组成构件。
在上述各实施例中，放电灯的外壳不限于玻璃管，而是可以使放电灯在外壳内放出电流并可以将光线从内部释放到外部的壳体。放电灯的外壳的形状可以为平板、曲面板、球状等以及管状。电极材料不限于钨或钼，而是可以为诸如钛的其它材料。例如，除了上述所解释的形状外，电极的形状还可以为棒状或线状。
在外部电极放电灯中，例如，在设置磷光体和各金刚石构件时，可使得金刚石构件与荧光膜交叠。即，可以在外部电极的内表面上设置荧光膜，并可以在荧光膜上设置金刚石构件。
其它优点和修改对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，从更宽的方面说，本发明不限于这里表示和说明的具体细节和代表性的实施例。因此，在不背离由附加的权利要求及其等同物限定的总的发明构思的精神和范围的前提下，可以进行各种修改。

Claims (9)

1.一种放电灯，该放电灯包括：
用放电气体填充的外壳；
在外壳的内表面上设置的荧光膜；
在外壳内设置并使得在外壳内发生放电的电极；
在各电极的表面上设置的金刚石构件；以及
包含吸氢合金并在外壳内设置的构件。
2.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，放电气体包含氢气。
3.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，在金刚石构件的周围设置包含吸氢合金的构件。
4.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，包含吸氢合金的构件是在外壳的内表面上设置的膜。
5.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，在金刚石构件和各电极之间设置包含吸氢合金的构件。
6.根据权利要求5的放电灯，其特征在于，金刚石构件覆盖包含吸氢合金的构件的表面的一部分，并暴露该表面的其它部分。
7.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，包含吸氢合金的构件具有多晶的晶体状态。
8.一种放电灯，该放电灯包括：
用放电气体填充的外壳；
在外壳的内表面上设置的荧光膜；
在外壳的外表面上设置并使得外壳内发生放电的电极；
在外壳的内表面上设置以与各电极对置的金刚石构件；以及
包含吸氢合金并在外壳内设置的构件。
9.根据权利要求8的放电灯，其特征在于，放电气体包含氢气。
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