CN102142353B - 放电灯 - Google Patents
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Abstract
提供一种放电灯，抑制钍钨的使用量的同时，具有良好的电弧稳定性与长寿命。该放电灯在放电容器(1)的内部具有阳极(4)与阴极(5)，其特征为：上述阴极(5)由钨填充率为90％以上的钍钨部(7)以及与该钍钨部(7)连续的纯钨所成的主体部(6)构成，上述钍钨部(7)的侧面积ST与上述阴极(5)的侧面积S的比例ST/S为0.005以上、0.15以下，其中阴极(5)的侧面积S到从阴极(5)的阳极侧前端开始的长度为最大直径的两倍为止。
Description
技术领域
本发明涉及放电灯。尤其是涉及在阴极将钍(Th)作为射极使用的放电灯。
背景技术
以往，在液晶或半导体的曝光装置中，作为光源，使用高压水银灯，另外，作为放映机的光源使用氙灯。这些放电灯要求点灯过程中电弧稳定(电弧稳定性)及可长时间维持恒定的照度(长寿命)。为了应对这种要求，灯的电极也需要使用具有良好点弧性及耐消耗性的材料，特别是，阴极的材料使用钨(W)中含有氧化钍(ThO2)的所谓涂钍的钨(Thoriated tungsten，ThO2-W，以下也称为钍钨)(专利文献1)。
然而，近年来，从环境负担的观点出发，逐渐注目于对如钍钨这样的放射性物质的使用限制。另一方面，作为放电灯，也需要上述电弧稳定性与长寿命。
专利文献1日本特公昭42-27213号公报
发明内容
本发明要解决的课题是提供一种放电灯，抑制钍钨的使用量的同时，具有良好的电弧稳定性与长寿命。
为了解决上述课题，本发明的放电灯，在放电容器的内部具有阳极与阴极，其特征在于，阴极由钨填充率为90％以上的钍钨部以及与该钍钨部连续的纯钨所成的主体部构成，上述钍钨部的侧面积ST与上述阴极的侧面积S的比例ST/S为0.005以上、0.15以下，其中，阴极的侧面积S是从阴极的阳极侧前端开始的长度为阴极最大直径的两倍为止的范围。
进而，本发明的特征为上述钍钨部与上述主体部被扩散接合(diffusion bonding)。
发明的效果
本发明涉及的放电灯采用钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比ST/S为0.005以上、0.15以下的阴极，从而可以降低钍钨的使用，并且通过将钍钨部的钨填充率设为90％以上，使其具有优良的电弧稳定性与长寿命。
进而，本发明涉及的放电灯将钍钨部与主体部扩散接合，可使钍钨部所含有的氧化钍(ThO2)几乎不还原地接合到主体部。并且，在扩散接合中，因为可利用低于钨的熔点的温度来进行接合，因此可维持钍钨部及主体部的组织，除了不影响阴极性能的外，还有在接合后能够进行切削加工的优点。
附图说明
图1是表示放电灯的构成的说明用剖视图。
图2是在轴方向切断放电灯的阴极的放大剖视图。
图3是在轴方向切断放电灯的阴极的放大剖视图。
附图标记说明
1：放电容器
2：发光部
3：封固部
4：阳极
5：阴极
6：主体部
61：锥部
62：胴部
7：钍钨部
具体实施方式
图1表示本发明涉及的放电灯的实施例。为了方便说明，图中仅对于放电容器1的发光部2表示了内部构造，对于封固部3未表示内部构造。
放电灯整体由石英玻璃制的放电容器1形成，由大致球状的发光部2以及与其两端连续而形成的封固部3构成。在发光部2的内部，阳极4与阴极5以沿放电容器1的管轴方向延伸的方式配置，两电极的前端经由数毫米的间隙而相对配置。并且，在发光部2的内部空间封入有发光物质或发光用气体。例如，在作为液晶或半导体的曝光装置的光源的高压水银灯的情况下，封入有水银(Hg)以及作为缓冲气体的氙(Xe)气或氩(Ar)气。并且，在作为放映机的光源的氙灯的情况下，封入有氙气。针对高压水银灯举出一例时，水银的封入量是1～70mg/cm3，氙气的封入量是0.05～0.5MPa。阳极4例如由钨含有率是99.9重量％以上的纯钨来形成整体。关于阴极5在后详述。
在这种构造的放电灯中，例如20kV的高电压被施加于电极间时，在电极间产生绝缘破坏，形成放电电弧而将灯点灯。在高压水银灯的情况下，以包含波长365nm的i线及波长435nm的g线的光为主，放射线光谱的光，在氙灯的情况下，放射从波长300nm至波长1100nm的连续光谱的光。
图2是图1所示的放电灯的阴极5的放大图，特别表示在轴方向切断的剖面构造。
阴极5由纯钨所成的主体部6以及设置于该主体部6的阳极侧前端的钍钨部7来构成整体。
主体部6由钨含有率为99.9重量％以上的纯钨所成，由朝向阳极侧前端而渐渐前端变细的大致圆锥台形状的锥部61以及与该锥部61的后端接续的大致圆柱形状的胴部62一体形成。
钍钨部7以钨(W)作为主成分，作为射极(易放射电子性材料)，含有氧化钍(ThO2)，亦即，是涂钍的钨(ThO2-W，以下也称为钍钨)。具体来说，氧化钍的含有率是2重量％。并且，钍钨部7的形状整体为大致圆锥台形状，圆锥台的前端面与阳极4的前端相对配置，并且圆锥台的后端面与主体部6的锥部61的前端面扩散接合。并且，钍钨部7的侧面具有与主体部6的锥部61的侧面倾斜连续的相同的倾斜，通过主体部6的锥部61与钍钨部7，作为整体，构成阴极前端的圆锥台形状。
在此，对于阴极5来说钍钨部7存在的区域是形成放电电弧的区域或其附近，是直接受到电弧所致的加热的影响的区域。因此，在灯点灯过程中，钍钨部7中包含的氧化钍被还原成钍原子，在钍钨部7的内部或外表面扩散，向更前端方向移动。因此，即使钍钨部7存在的区域在阴极整体中仅限定于前端的一个区域，也始终可将钍良好地供给到阴极5的前端。结果，可实现减小功函数，并且具有优良的点弧性与耐消耗性。
并且，在灯点灯过程中，由于高温，包含于钍钨部7的钍也会蒸发。但是，钍在电弧中电离成钍离子(Th+)，因为本身的极性而被向阴极方向吸引。结果，因为钍会重复电弧中的蒸发、钍离子的电离、向阴极5的回归这一循环，因此可以抑制钍的消耗。
另一方面，在背景技术中所说明的阴极5的情况下，钍从阴极5的前端以外的区域也会蒸发，因此产生多数尚未前进至电弧中的钍，上述电离并不能太过期待。然后，钍附着于放电容器1的内壁时会产生白浊，结果，遮蔽了放射光，导致照度降低而成为短寿命的原因。本发明将钍钨部7的存在区域限定于阴极5的前端部分，并且，进而通过后述的实验，规定相对于阴极整体的侧面积的比例，从而降低无助于上述循环的钍的蒸发。
进而，如上所述，从阴极5蒸发的钍成为钍离子而再次回归阴极5。但是，阴极5的温度过度上升时，钍原子会在放电空间中，附着于温度较低的放电容器1的内表面，与作为构成放电容器1的材料的氧化硅(SiO2)产生反应而产生化合物(白浊)。本发明为了解决这种问题，通过提高包含氧化钍的钍钨部7的热传导性，抑制阴极前端的过剩的温度上升。
具体来说，钍钨部7的钨填充率为90％以上。尤其，在输入功率值是1kW以上的放电灯中，除了上述白浊的发生之外，从耐较高的热负荷的观点来看也有提升热传导率的必要。另外，严密地说，钍钨部7也包含氧化钍，故不仅要考虑钨的热传导率，也须考虑氧化钍的热传导率，但是，氧化钍的热传导率相较于钨单体的热传导率非常小，故可将钨填充率作为钍钨部7的热传导性的指标。本发明的特征为钍钨部7的钨填充率是90％以上，由于热传导率较高，也称为“高热传导钍钨”。本发明不仅规定阴极5的钍钨部7的比例(在侧面积的比例)，还规定钍钨部7的钨填充率，从而可达成电弧稳定性与长寿命。所以，假设即使仅在阴极5的前端部设置钍钨的构造已经存在，如果是钨填充率较低，也无法发挥所希望的热传导特性，结果，可能产生来自阴极前端的过剩的钍的蒸发以及放电容器1的白浊的问题。
在此，钨的填充率P以“P＝a(1-x)/19.3”表示。将构成钍钨部7的钍钨的密度(g/cm3)设为a，将氧化钍相对于钍钨的重量比设为x，将钨的密度(g/cm3)设为19.3。a(1-x)是每1cm3钍钨中钨所占的质量，将其除以钨的密度19.3(g/cm3)的填充率P代表钍钨中钨所占的体积的比例。如上所述，因为钍钨的热传导几乎都通过钨来进行，因此钨所占的体积的比例，亦即填充率P越大，钍钨的热传导性越好。
接着，针对本发明涉及的放电灯的阴极5的制造方法，说明其一例。
首先，主体部6通过切削圆柱形状的钨的侧部，形成锥部61。另一方面，钍钨部7将射极粉末(氧化钍的粉末)与钨粉末的混合粉末放入金属模，冲压而产生一次成形体，并烧结该一次成形体。此时，为了提高钨的填充率，对于烧结材料施加热加工。具体来说，将被加热成高温的烧结材料，用锤子进行模锻。然后，在钨填充率成为90％以上的状态下，切削该烧结体而使其成为所希望的形状、例如圆锥形状。
接着，接合主体部6与钍钨部7。首先，重叠贴合主体部6的锥部61的前端面与成为钍钨部7的后端面，从主体部6的下面与钍钨部7的上面加压，同时通电加热。具体来说，接合温度在绝对温度(K)中为材料的熔点的50～60％左右，加压力为数十Pa左右的真空中的接合温度下的材料的屈服应力的20～40％左右。将该状态保持到获得0.2～0.3mm左右的缩小量为止而使其扩散接合。
所谓“扩散接合”是指，使金属彼此以面重叠贴合，在小于熔点的固相状态下不会产生塑性变形的程度下进行加热、加压，使接合部的原子扩散的固相接合法。
在扩散接合中，加热温度是2000℃左右，不需要像熔融接合那样加热至钨的熔点(约3400℃)为止，因此钍钨部7包含的氧化钍(ThO2)几乎不会被还原。进而，因为可维持主体部6及钍钨部7的组织，因此不会对阴极性能造成不好影响。进而，因为阴极5的组织不会改变，在主体部6与钍钨部7的接合后也可进行切削加工。
在此，关于阴极5，针对主体部6与钍钨部7已扩散接合的情况，可通过确认两者的接合面未熔融或钨的结晶粒成长而接合来判断。具体来说，利用显微镜等放大主体部6与钍钨部7的接合面，如果存在有超过主体部6与钍钨部7的连接处而成长的结晶粒的话，则可判断两者已被扩散接合。
图3表示本发明涉及的放电灯的阴极构造，表示与图1不同的构造。具体来说，图1所示的阴极5由圆锥台形状的钍钨部7的后端面(底面)与由纯钨所构成的主体部6的前端面以大致相同直径接合，但本实施例是钍钨部70由圆柱形状的胴部710与前端部720构成，钍钨部70的胴部710嵌合于主体部60的凹部630。另外，钍钨部70的前端可以是如图所示的圆锥形状，也可以是圆锥台形状。
接着，对表示本发明的效果的实验加以说明。
实验例1
针对图1所示的构造的本发明的放电灯，使钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比例ST/S变化，来测定照度维持率。并且，作为比较用灯，使用阴极整体由钍钨构成的放电灯，相同地测定照度维持率。照度维持率是指，使灯连续点灯，相对于初始照度，测定出降低至50％为止的寿命时间。另外，实验所使用的灯仅改变钍钨部相对于阴极的体积，阴极的整体形状、体积相同。并且，阴极以外的构造也全部相同。
实验的结果是，钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比ST/S超过0.15时，寿命与比较用灯几乎相同。另一方面，钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比ST/S为0.15以下时，可得到本发明的放电灯的寿命比比较用灯长的结果。
进而，比例ST/S小于0.005时，则电弧会极端地不稳定。可以认为其理由是钍较少。
结果，可确认在钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比ST/S在0.005～0.15的范围中，至少相比现有的放电灯在寿命特性及电弧稳定性上更有效果。
在此，关于本发明的规定，本质上，如钍钨部的侧面积与阴极的侧面积，可利用侧面的面积来评估。但是，伴随点灯时间的经过，钍钨部的前端形状会变形而使侧面与前端面的边界不明显，因此本发明的钍钨部的侧面积也包含前端面积。
另外，上述虽然是针对氙灯进行实验，但是，针对高压水银灯也进行相同的实验时，关于高压水银灯，在钍钨部的侧面积ST与阴极的侧面积S的面积比ST/S是0.005～0.15时，相比现有的放电灯以及阴极整体为钍钨的灯在寿命改善效果及电弧稳定性上也可确认相同效果。
另外，关于现有的放电灯，以仅在短时间点灯的新的放电灯、以及长时间点灯后的末期品的放电灯为对象，使用能量分散型X射线分析装置，分别观察阴极表面的钍浓度。结果，可确认后者的放电灯在阴极的胴部直径的两倍左右的长度为止，钍浓度会减少，亦即，钍蒸发的状况在两倍以上的长度，钍浓度几乎与新的放电灯没有不同。据此，可以确认阴极的钍的蒸发在阴极胴部直径的两倍为止的区域发生。亦即，也意味着对于面积比ST/S，阴极的侧面积S应将阴极的胴部直径的两倍为止的长度设为限度。
Claims (2)
1.一种放电灯，在放电容器的内部具有阳极与阴极，其特征在于，
上述阴极由钨填充率为90％以上的钍钨部以及与该钍钨部连续的纯钨所成的主体部构成，
上述钍钨部的侧面积ST与上述阴极的侧面积S的比例ST/S为0.005以上、0.15以下，
其中，阴极的侧面积S是该阴极的侧面中从阴极的阳极侧前端开始的长度为阴极最大直径的两倍为止的范围的面积。
2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，
上述钍钨部与上述主体部被扩散接合。
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