CN101794704B

CN101794704B - 放电灯

Info

Publication number: CN101794704B
Application number: CN200910253766.XA
Authority: CN
Inventors: 池内满; 有本智良
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: JP5239828B2; US20100156294A1; KR20100073977A; DE102009057546A1; JP2010146989A; TW201025409A; CN101794704A

Abstract

本发明提供一种放电灯，具有作为易电子放射性材料含有氧化镧(La₂O₃)的阴极，促进氧化镧(La₂O₃)的还原，增加镧(La)的供应量，寿命长。该放电灯在放电容器(1)的内部具有在该放电容器(1)的管轴方向相对配置的阳极(4)与阴极(5)，通过在钨金属(W)基体中含有镧的金属氧化物(La₂O₃)和锆的金属氧化物(ZrO₂)的材料形成上述阴极(5)，其特征为：在构成上述阴极(5)的钨金属(W)基体中固溶有碳(C)。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及一种高负荷、高亮度的放电灯，更详细地说，涉及特征在于在阴极材料中使用含有镧(La)的材料作为易电子放射性材料的放电灯。

背景技术

公知在被用作曝光处理所使用的曝光装置用的光源的、在放电空间封入有水银的放电灯，或在放映机等被用作为光源的、在放电空间封入有氙气的放电灯中，通过在以钨(W)作为主成分的阴极中含有氧化镧(La₂O₃)作为易电子放射性材料，能够显示出良好的电子放射特性。

然而，在具有含有氧化镧(La₂O₃)作为易电子放射性材料的阴极的放电灯中，由于点灯时施加于阴极的高热负荷，镧(La)在早期蒸发并枯竭，导致无法维持稳定的放电的问题。

因此，日本特开2006-286236号公报所示的技术中记载了利用锆(Zr)、铪(Hf)等比钨更容易与氧结合的特性，通过与选自上述金属的至少1种的金属氧化物共存，可以抑制钨氧化物形成。低融点的钨氧化物在阴极的动作温度左右被液相化的问题得到抑制，能够长时间稳定地供应该易电子放射性材料，可长时间维持稳定的放电。

并且，在日本特表2005-519436号公报中记载了尝试通过添加氧化物或碳化物来达成改善。

专利文献1：日本特开2006-286236号公报

专利文献2：日本特表2005-519436号公报

发明内容

通过与选自锆(Zr)、铪(Hf)等的至少1种的金属氧化物共存，可防止镧(La)在早期蒸发并枯竭，但作为氧化镧(La₂O₃)含有的易电子放射性材料的还原不充分，想要提供长寿命的放电灯则镧(La)更加不足。如果镧(La)不足，则阴极前端部的镧(La)原子的被覆率(以1原子层被覆时作为1的La原子的表面密度)变小，而工作函数变大，阴极的温度上升并会变形，产生发生闪烁的问题。

本发明为了解决上述问题，目的在于提供一种长寿命的放电灯，具有含有氧化镧(La₂O₃)作为易电子放射性材料的阴极，促进氧化镧(La₂O₃)的还原，增加镧(La)的供应量。

本发明的第1发明，是一种放电灯，具有在放电容器的内部在该放电容器的管轴方向上相对配置的阳极和阴极，通过在钨金属基体中含有镧的金属氧化物和锆的金属氧化物的材料形成有上述阴极，其特征为：在构成上述阴极的钨金属基体中固溶有碳。

本发明的第2发明的特征为：上述阴极由前端部、锥部及胴部构成，固溶于上述前端部的碳的浓度比固溶于上述锥部的碳的浓度高。

根据本申请第1发明的放电灯，在含有氧化镧(La₂O₃)作为易电子放射性材料的阴极上固溶碳(C)，从而即使在放电灯点灯时温度不会变得较高的部位上也能够促进氧化镧(La₂O₃)的还原，可生成镧(La)。与未在阴极上固溶碳(C)的情况相比，可扩大作为镧(La)的供应源的部分，增加镧(La)的供应量，可提供长寿命的放电灯。

根据本申请第2发明的放电灯，提高在点灯时成为高温的阴极的前端部的碳(C)的浓度，提高氧化镧粒子附近的CO分压，从而抑制还原反应，抑制镧(La)的流出，可以抑制阴极的前端部的消耗。并且，阴极的锥部即使在点灯时也不会变成比前端部更高的温度，因而与前端部相比，降低碳(C)的浓度，促进还原反应。在锥部生成的镧(La)沿着钨(W)的晶界扩散而被供应到阴极的前端部，防止发生镧(La)不足导致的闪烁。

附图说明

图1是表示本发明的放电灯的一个例子的结构的说明用剖视图。

图2是钨(W)与碳(C)的平衡状态图。

图3是放大表示图2所示的平衡状态图中碳(C)的比率极微小的部分的图。

具体实施方式

图1是表示作为本发明的放电灯的一个例子，作为曝光装置用的光源使用的在放电空间封入有水银的放电灯的结构的说明用剖视图，仅透射作为放电容器1的一部分的发光管2，表示其内部的构造。

放电灯例如由石英玻璃等透光性材料构成，具有放电容器1，该放电容器1具有大致球状的发光管2以及连续于其两端而向外方延伸的密封管3，在放电容器1的内部，在放电容器1的管轴方向上相对配置有分别由例如钨(W)构成的阳极4及阴极5，阴极5由与阳极4相对配置的前端部51、向着前端部51缩径的锥部52以及圆柱状的胴部53构成。

在放电容器1的内部空间，分别以预定的封入量封入有作为发光物质或启动辅助用的气体的水银及缓冲气体。作为缓冲气体，例如封入有氙气。水银的封入量例如是1mg/cm³～70mg/cm³的范围内，例如为22mg/cm³，而氙气的封入量例如是0.05MPa～0.5MPa的范围内，例如为0.1MPa。

在该放电灯中，在阳极4及阴极5的电极间施加例如20kV的高电压，由此，电子从阴极5飞至阳极4而在电极间产生绝缘破坏，接着形成放电电弧，放射出例如含有波长为365nm的i线或波长为435nm的g线的光。

阳极4例如使用钨含有率为99.99重量％以上的纯钨，而阴极5以钨为主要成分，钨含有率为低于98重量％。在该阴极5的钨金属基体中，作为易电子放射性材料含有镧(La)的金属氧化物，作为使易电子放射性材料稳定的稳定化材料含有锆(Zr)的金属氧化物，并且碳(C)固溶于钨(W)中。

阴极5含有的氧化镧(La₂O₃)是易电子放射性材料，被还原，氧脱离，形成镧原子，在钨中移动，移动至阴极的前端部51，被覆阴极5的前端部51，形成单原子层电子放射阴极。即，通过镧(La)以1原子层被覆在阴极5的前端部51，使得阴极5的工作函数变小，降低阴极5的动作温度，可延长阴极5的寿命。

阴极5含有的氧化锆(ZrO₂)是使易电子放射性材料稳定化的稳定化材料，能够抑制钨氧化物形成、融点降低导致的液相化。由于氧化镧(La₂O₃)被还原而产生的氧气(O₂)，在没有锆(Zr)等时，与钨(W)结合而生成钨氧化物(WO₃)，钨氧化物(WO₃)与氧化镧(La₂O₃)形成低融点的化合物，通过液相化急速地增加发射极的输送速度，产生消耗的问题。

因此，通过添加氧化锆(ZrO₂)，比钨(W)更容易与氧气结合的锆(Zr)起到氧气收气剂的作用，抑制钨氧化物(WO₃)的形成。由于不会形成低融点的化合物，因而抑制阴极5在动作温度左右被液相化，可防止镧(La)在早期蒸发并枯竭。

阴极5含有的碳(C)并不是与金属元素形成化合物的碳化物(carbide)的形态，而以固溶于钨(W)中的单体存在。固溶是指即使其它原子进入金属的结晶构造中，也能保持原本的结晶构造以固体状态混合的状态，具体而言，成为原子半径小的碳(C)侵入钨(W)的金属结晶晶格的原子间的空隙的侵入型固溶体。

图2是钨(W)与碳(C)的平衡状态图。

出处：S.V.Nagender Naidu and P.Rama Rao，Phase Diagrams ofBinary Tungsten Alloys，(Indian Institute of Metals，1991)P.37-50

横轴表示钨(W)与碳(C)的比率，纵轴表示温度。

由平衡状态图可知通过钨(W)含有的碳(C)的比率，也可以变更混入碳(C)的状态。图表的中央下部分(a)表示碳(C)的比率为30％～50％，温度为2700℃以下的状态，可以读取出制作如碳化钨(WC)这样的作为钨(W)与碳(C)的化合物的碳化物(carbide)。图表的左端部分(b)表示碳(C)的比率为极少量，温度为2700℃附近的状态，碳(C)未形成化合物，固溶于钨(W)，可以读取出碳(C)作为单体存在。将这种(b)的条件状态称为固溶体，两种以上的元素互相溶合，整体为均匀的固相。

图3是放大表示图2所示的平衡状态图的碳(C)的比率为极微小的部分的图。

碳(C)的比率极少量的左侧(b)为固溶相，而碳(C)的比率较大、温度高的右上(α)表示固溶相与液相混杂的状态，碳(C)的比率较大、温度低的右下(β)表示固溶相与碳化物混杂的状态。

从由固溶相与液相混杂的状态(α)与固溶相(b)的边界线可以读出，当碳(C)的比率变大时，融点会下降。阴极5的前端部51附近在点灯时会变成3000℃左右的高温，因而必须将碳(C)的混入比率抑制得较小，在点灯时使阴极5不会熔融。为了使放电灯点灯时也不会使阴极5熔融，从平衡状态图可读取出碳的浓度必须在100wt.ppm(约0.15at.％)以下。

将在如上述的钨金属基体中固溶碳(C)的结构应用于阴极5来进行试验，得到了放电灯的寿命被改善的结果。作为被改善的理由，推测是因为产生了以下的现象。

固溶于钨(W)中的碳(C)与同样包含于钨(W)中的氧化镧(La₂O₃)产生了以下的反应，还原氧化镧(La₂O₃)。

被还原而生成的单体的镧(La)扩散到钨(W)的结晶晶界，进到阴极5的前端部51。另一方面，随着还原所生成的一氧化碳(CO)作为气体存在于在钨(W)中含有氧化镧(La₂O₃)的氧化物的粒子所存在的空隙。

随着氧化镧(La₂O₃)的还原的进行，一氧化碳(CO)的量也增加，上述空隙中的一氧化碳(CO)的压力变高。变成这种状态时，一氧化碳(CO)在与钨(W)接触之处分解成碳(C)与氧(O)，分别固溶于钨(W)中。

通过这种二次反应(碳(C)被重复使用，因而即使少量也可以充分地还原氧化镧(La₂O₃)。并且，通过氧化镧(La₂O₃)的还原而产生的氧(O₂)与碳结合而生成一氧化碳(CO)，抑制钨氧化物(WO₃)的形成，因而镧(La)不会在早期蒸发并枯竭。

碳(C)并不是与金属元素形成化合物的碳化物(carbide)的形态，而是以固溶于钨(W)中的单体存在，因而不必将碳(C)与金属元素分解。将碳(C)用作还原剂时，不再需要用于分解碳(C)的能量，因而即使在温度较低处也可以产生氧化镧(La₂O₃)的还原反应。

并且，以碳化物(carbide)的形态含有碳(C)时，碳化物(carbide)局部地偏在于阴极5的一部分，但使碳(C)固溶时，少量的碳(C)均匀地遍布于阴极5。因此，存在于阴极5的任一部分的氧化镧(La₂O₃)，都有碳(C)配置于其附近，不会阻隔氧化镧(La₂O₃)的还原而可连续进行。

通过在作为易电子放射性材料含有氧化镧(La₂O₃)的阴极5上固溶碳(C)，即使在放电灯点灯时温度不会变得较高的部位，氧化镧(La₂O₃)的还原可以进行并生成镧(La)。与未在阴极5中固溶碳(C)的情况相比，可扩大作为镧(La)的供应源的部分，增加镧(La)的供应量，可提供长寿命的放电灯。

作为易电子放射性材料使用氧化镧(La₂O₃)时，迄今为止由于还原未充分地进行，因此镧(La)不足而阴极5的前端温度上升，无法在投入大功率的大型放电灯中采用。然而在阳极4添加碳(C)与氧(O)而在阴极5内部扩散碳(C)，从而即使在投入大功率的大型放电灯中采用氧化镧(La₂O₃)作为易电子放射性材料，也可充分地供应镧(La)。

将固溶于前端部51的碳的浓度制作成比固溶于锥部52的碳的浓度高来构成阴极5，经试验，放电灯的寿命进一步改善。作为进一步改善的理由，推测发生了以下的现象。

固溶于钨(W)中的碳(C)与氧(O)的浓度越高，作为气体存在于结晶与结晶之间的一氧化碳(CO)的压力变得越高。由的化学反应式所示的氧化镧的还原是平衡反应，因而一氧化碳(CO)的浓度越高，钨(W)中的氧化镧的还原反应越被抑制，抑制作为发射极的镧(La)的流出。

固溶于钨(W)中的碳(C)的浓度越高，一氧化碳(CO)的分压越上升，氧化镧(La₂O₃)的还原反应越被抑制。氧化镧(La₂O₃)的还原反应是也依赖于温度，因而通过提高在点灯时成为高温的阴极5的前端部51的碳(C)的浓度来抑制还原反应，抑制镧(La)的流出，可抑制阴极5的前端部51的消耗。另一方面，阴极5的前端部51周围的锥部52在点灯时也不会比前端部51高温，因而与前端部51相比，使碳(C)的浓度低，就可促进还原反应。在锥部52生成的镧(La)沿着钨(W)的晶界扩散而被供应至阴极5的前端部51，以防止发生因镧(La)不足导致的闪烁。

接着，对于碳(C)固溶于钨(W)中的阴极5的制造方法进行说明。

作为阴极材料钨通过粉末冶金法形成。首先，混合平均粒径不相同的粉末以使调制钨粉末具有适当的粒度分布，添加硬脂酸等的黏合剂，填充模具，进行加压成形，得到棒状的成形体。然后，在氢气中徐徐地提高温度并冲散黏合剂，再提高温度而得到临时烧结体。这时，如果氢的露点低，则起因于黏合剂的碳(C)的剩余量变多，因而可以通过调整氢的露点来调整碳(C)的添加量。

并且，开始将氢的露点保持较低，使起因于黏合剂的碳(C)的剩余量较多，在临时烧结的最后，通过流过露点高的潮湿的氢，除掉阴极的表面附近的剩余碳(C)，得到中心附近的碳浓度高、前端周边的碳浓度低的临时烧结体。

进而，通过在氢气中将临时烧结体通电烧结，可得到烧结棒。在烧结的过程中，钨(W)中含有的碳(C)量会减少。减少的比率根据临时烧结体的粗细、原料粉末的粒度分布、临时烧结体的表观密度、烧结温度(通电电流)、烧结时间的不同而有所变化，因而根据减少比率，调整临时烧结时的氢的露点，流入更多，从而可以得到具有所期望的碳量的钨烧结棒。

并且，通过放电注入碳，也可提高固溶于前端部51的碳浓度。精修阴极形状之后，在大气压的氩气氛中，在阴极前端部放电，调整电流使得前端温度为2500K左右。之后，将气体切换成在氩中混入13Pa以下的甲烷的气体，维持大约1小时左右的放电。利用该处理，可在前端部51的大约3mm左右提高固溶的碳浓度。

接着，对于碳(C)固溶于阴极材料的钨(W)中的情形进行检证的分析方法加以说明。

由图3所示的平衡状态图可以看出，在钨(W)中含有碳(C)，且其量为100wt.ppm以下时，在所有温度下碳(C)都不会形成例如电石的碳化物，碳(C)固溶于钨(W)中。因此，分析阴极材料的钨(W)，确认含有碳(C)的情形，如果其量为100wt.ppm以下，则可说有碳(C)固溶于钨(W)中。

检测出钨(W)中含有的碳(C)量的分析方法例如可以根据钨/钼工业会规格、钨及钼分析方法、16.全碳定量方法。作为全碳的定量方法，例如有a)燃烧-介电常数法、b)燃烧-电量法、c)燃烧-电热传导法、d)燃烧-红外线吸收法(积分法)、e)燃烧-红外线吸收法(循环法)，任一种方法都可以。

在此，对于a)燃烧-介电常数法加以说明。

粉碎阴极5，制成钨的粉末状，作为试料，将试料在氧气流中进行加热，并将碳氧化，作为二氧化碳，被吸收在一定量的氢氧化钠溶液，测定吸收前后的溶液的传导率的变化，从而求得碳的含有率。

并且，对于图1所示的放电灯，对封入有水银的放电灯进行了说明，但在将封入物替代水银仅封入氙气、在放映机等中被用作光源的放电灯中，也可以使用本发明的固溶有碳(C)的阴极。

接着，对于本发明的实施例加以说明。

实施例

在钨金属基体中，在含有镧的金属氧化物及锆的金属氧化物的材料中使碳固溶以形成阴极，利用该阴极来制作氙短弧灯，测定到点灯1000小时时的灯电压。

阴极及氙短弧灯的构成如下所述。

<规格>

封入气体：氙(Xe)0.65M Pa(静压)

输入：2kW

阴极：轴方向长度为15mm，胴部外径为6mm，锥部角度为40°，主成分为钨，添加2wt.％的La₂Zr₂O₇

作为实验对象1，准备了将碳以约10wt.ppm的浓度固溶于钨的材料构成的阴极。作为实验对象2，准备了在距表面约3mm的前端部，碳以约50wt.ppm的浓度固溶于钨，而在距表面约3mm以上的锥部，碳以约10wt.ppm的浓度固溶于钨的材料构成的阴极。并且，作为比较例，准备了碳未固溶于钨的材料构成的阴极。

使用电压变动率对使用各阴极时的灯电压加以比较。在点灯后成为稳定状态时作为起点，在起点时(0h)、从起点测量连续点灯时间为100小时(100h)、200小时(200h)、500小时(500h)、1000小时(1000h)的时刻进行电压变动率的测定。在此，电压变动率是10秒钟的电压波形的最大值与最小值的差除以平均值而得到的数值。

将实验结果示于表1。

表1

	0h	100h	200h	500h	1000h
						实验对象1	1.2％	1.3％	1.4％	1.5％	2.2％
实验对象2	1.3％	1.2％	1.5％	1.4％	1.7％
						比较例	1.3％	1.2％	3.2％	5.1％	8.3％

氙灯在放映机等中作为光源使用，但当照度变动变大时，则在影像面变成闪烁出现，因而以照度变动为基准来设定灯寿命。电压变动率可用作照度变动的代用特性，如果电压变动率超过50％，则照度变动变大，判定为达到灯寿命。

根据该基准，比较例的氙灯的寿命是500小时左右，但具有固溶有碳的阴极的实验对象1、2的氙灯的寿命达到1000小时以上。尤其是，提高了前端部的碳浓度的实验对象2的氙灯即使在点灯1000小时后，电压变动率也能维持较低，因而可以推测其为寿命更长的氙灯。

Claims

1.一种放电灯，具有在放电容器的内部在该放电容器的管轴方向上相对配置的阳极和阴极，通过在钨金属基体中含有镧的金属氧化物和锆的金属氧化物的材料形成有上述阴极，其特征为：

在构成上述阴极的钨金属基体中固溶而遍布有碳。

2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征为：

上述阴极由前端部、锥部及胴部构成，固溶于上述前端部的碳的浓度比固溶于上述锥部的碳的浓度高。