CN102315079B

CN102315079B - 短弧型放电灯

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Publication number: CN102315079B
Application number: CN201110186506.2A
Authority: CN
Inventors: 池内满; 清水昭宏; 有本智良
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: DE102011106011A1; KR20120003365A; TWI437611B; CN102315079A; US8525410B2; TW201214503A; DE102011106011B4; JP2012015007A; KR101326331B1; US20120001541A1; JP5093304B2

Abstract

一种短弧型放电灯，在其发光管内部，阴极和阳极相对配置，上述阴极由以下构成：由钨构成的主体部；以及由含钍钨构成的前端部，有效利用前端部的内部含有的氧化钍，提供一种防止前端部表面的氧化钍枯竭的构造，在上述阴极的由含钍钨构成的前端部中介有覆钍氧化钍粒子，利用形成于阴极的温度梯度，使其在前端表面移动。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及一种短弧型放电灯，尤其涉及一种阴极设置了含有氧化钍的前端部的短弧型放电灯。

背景技术

一直以来，在封入了水银的短弧型放电灯中，在发光管内相对配置的一对电极的前端之间的距离较短，接近点光源，因此通过与光学系统组合，作为聚光效率高的曝光装置的光源而被使用。并且，封入了氙的短弧型放电灯在放映机等中作为可视光光源被使用，近年来作为数字电影用光源也得到了重用。

并且，在上述短弧型放电灯中，在阴极设置发射极以提高电子放射性能的装置为世人所知。

专利文献1(特开2010-33825号公报)公开了现有的短弧型放电灯的构造及其阴极构造。

图7公开了该现有技术，(A)是灯的整体图，(B)表示其阴极构造。

如图7(A)所示，在短弧型放电灯20的发光管21内，由钨构成的阴极22和阳极23相对配置。上述发光管21内封入有水银、氙等发光物质。此外在该图中，示出了短弧型放电灯20垂直点灯的方式，但根据其用途不同，也可水平点灯。

并且，图7(B)表示该灯中的阴极构造，阴极22由含有发射极的电极前端部22a以及与其一体形成的电极主体部22b构成。该电极前端部22a例如由含有钍等发射物质的钨构成，电极主体部22b以高纯度的钨形成。

因此，现有技术中已经知道，放电灯的阴极前端含有发射极，构成电子放射性能良好的灯。

并且，作为含有阴极前端的发射物质的发射极材料的形状，除了上述现有技术那样的阴极前端的锥形部全部由发射极材料构成的形状以外，图8所示的发射极材料以前端锥形部的一部分露出的形状也为世人所知。

在图8(A)中，阴极主体22b的锥形部22c的前端结合了含有发射物质的前端部22a。

并且在图8(B)中，前端部22a由贯通阴极主体22b的棒状体构成，是其前端部在上述阴极主体22b的锥形部22c中露出的构造。

但在上述现有技术中，在点灯时实际上有助于改善电子放射性能的发射物质只限于从阴极前端表面开始到极浅的区域为止含有的发射物质。这是因为，和为了使阴极前端的表面温度变得最高、通过其热量使发射物质蒸发并消耗的量相比，从温度较低的阴极内部通过热扩散提供到阴极前端表面的发射物质的量较少。

其结果是，即使阴极内部含有丰富的发射物质，从内部到表面的供给也不会充分进行，在其表面出现发射物质枯竭的现象。

这样一来，在上述现有技术中，即使阴极前端含有发射物质，但该发射物质未被充分利用，在阴极前端表面发生发射物质枯竭时，电子放射性能下降，存在产生闪烁的问题。

专利文献1：日本特开2010-33825号公报

发明内容

本发明鉴于以上现有技术的问题点而出现，提供一种短弧型放电灯，其具有前端设置了发射物质的阴极构造，使阴极前端的内部含有的发射物质向表面侧移动来实现其有效利用，从而可防止在阴极表面发生发射物质枯竭，以延长灯的闪烁寿命。

为解决上述课题，在本发明中，在发光管内部，阴极和阳极相对配置，上述阴极由以下构成：由钨构成的主体部；以及由含钍钨(トリエ一テツドタングステン)构成的前端部，其特征在于，上述阴极的前端部含有周围被钍覆盖的氧化钍粒子。

根据本发明，在含有氧化钍的阴极前端部中，含有周围被钍覆盖的氧化钍粒子，从而使该被钍覆盖的氧化钍由于热向温度较高的表面侧移动，充分提供到该表面侧，不会在表面产生氧化钍的枯竭，可实现闪烁寿命长的灯。

附图说明

图1是本发明涉及的放电灯的电极的剖视图。

图2是其他实施例的剖视图。

图3是图1的构造的阴极的制造方法的说明图。

图4是其他制造方法的说明图。

图5是图2的构造的阴极的制造方法的说明图。

图6是本发明的作用的说明图。

图7是现有的短弧型放电灯的剖视图。

图8是现有的其他构造的阴极的剖视图。

具体实施方式

图1表示本发明的短弧型放电灯的阴极构造，阴极2由以下构成：由钨构成的主体部3；与其前端扩散结合的前端部4。其中，扩散结合是指，使金属之间面重叠，在小于熔点的固相状态下加热、加压到不产生塑性变形的程度，使结合部的原子扩散的固相结合。

上述前端部4是在作为主要成分的钨中作为发射物质含有氧化钍(ThO₂)的、所谓含钍钨(也称为敷钍钨，トリタン)，氧化钍的含量例如是2wt％。

上述前端部4的形状整体上大致为圆锥梯形，结合到上述主体部3的锥形部3a，其前端面与在此未图示的阳极相对配置。

一般情况下，构成该前端部4的含钍钨中含有的氧化钍在灯点灯过程中通过变成高温而被还原，变为钍原子，在外表面扩散，向温度高的前端侧移动。这样一来，可减小功函数，使电子放射性能良好。

在本发明中，上述阴极2的前端部4中含有外周围覆盖了钍的氧化钍粒子5(以下称为覆钍氧化钍粒子)。

该覆钍氧化钍粒子5在本实施例中的构造是，主要包含于前端部4与主体部3的结合部附近。

并且在图1中，示出了前端部4在主体部3的锥形部3a结合的构造，但也可如图7(B)所示，在主体部3的圆柱部结合。

图2示出了不同的实施例，前端部4贯通主体部3地延伸，其锥形前端部4a在主体部3的锥形部3a中向外部露出。

并且，该前端部4中含有和图1同样的覆钍氧化钍粒子5，在本实施例中其构造是，覆钍氧化钍粒子5包含于从前端部4的锥形前端面4a的表面附近开始到一定的深度方向上。

以下论述覆钍氧化钍粒子的形成方法。

含钍钨在钨中作为介入物存在氧化钍的粒子，向该钨中导入碳时，碳原子作为侵入型杂质而固溶。并且当其变为高温时，在氧化钍的粒子表面，与固溶的碳原子反应并被还原，生成金属钍。此时，同时生成一氧化碳CO。

因氧化钍粒子被钨包围，所以生成的一氧化碳滞留在其间隙中。当该生成的一氧化碳的压力上升时，上述反应停止。

滞留在该钨中的一氧化碳溶入到周围的钨中，并实现平衡。

其中，[C]w表示固溶于钨的碳，[O]w表示固溶于钨的氧。

在钨中，[C]w、[O]w扩散并到达外部时，一氧化碳的压力下降，上述氧化钍的还原接着进行。即，氧化钍的还原受限于[C]w、[O]w的扩散。

即，如果周边存在大量碳，有效进行[C]w、[O]w的扩散，生成金属钍，形成具有壳状覆钍的氧化钍粒子。

并且，作为将碳导入到钨中的导入方法可以是：使固体碳附着到含钍钨的表面并进行热处理；或者提前在具有碳的气氛中对含钍钨进行热处理，使碳固溶到钨中。

接着说明图1的构造的阴极的制造方法。图3表示其制造方法。

(A)

切割直径10mm、厚5mm的含钍钨的圆板10，在其两端面涂布碳后，在真空中进行约1500℃、30分钟的热处理。这样一来，在含钍钨圆板10的两端面形成较薄的碳化层11。

(B)

将具有该碳化层11的含钍钨圆板10夹到直径10mm、长20mm的纯钨棒12、12之间，在真空中在轴方向上施加约200N的压缩力。并且通电加热，使结合部的温度为约2200℃。

(C)

在结合部中，碳大量存在，到结合完成为止，CO气体易于脱离，氧化钍粒子变为“覆钍氧化钍粒子”。

(D)

将该结合的棒在含钍钨圆板10的正中间切断。

(E)

对其前端进行切削加工，获得由含有覆钍氧化钍粒子5的含钍钨构成的、具有约2mm厚的前端部4的阴极2。

参照图4说明图1的构造的阴极2的其他制造方法。

(A)

在直径10mm、长20mm的纯钨棒12、12之间夹入直径10mm、厚5mm的含钍钨的圆板10，在轴方向上施加约200N的压缩力。作为气氛流过在氢中混合了苯的气体，使抵接部的温度为约1600℃，通电加热约10分钟。

在此期间，在抵接部之间具有间隙，因此气氛气体侵入，成为苯中的碳存在于该抵接部之间的状态。

(B)

将气氛气体替换为氢，在约2100℃下加热约15分钟，纯钨棒12和含钍钨的圆板10扩散结合。

在此期间，从苯将碳充分提供到结合部之间，另一方面，直到结合为止，一氧化碳迅速从结合部的间隙放出，因此在含钍钨中形成覆钍氧化钍粒子5。

(C)

将该结合的棒在氧化钍10的正中间切断。

(D)

接着参照图5说明图2的构造的阴极的制造方法。

(A)

从具有直径3mm的含钍钨芯棒13(前端部4)的直径10mm的钨棒中，切削加工出前端径为0.6mm、前端角为60度的阴极2。这样一来，形成前端部4贯通电极主体3的形状的阴极2。

使辅助电极15接近该阴极2的前端部4的锥形部4a，向周围流过纯氩气，同时以辅助电极15为负极、以阴极2为正极，产生电弧放电16。

旋转阴极2的同时调整电弧的电流，以使接触电弧16的部分的高温部分成为约2400℃左右。

将气氛切换为氩中混入了少量(～0.1％左右)的甲烷的气体，持续进行电弧加热约10分钟。

此时，在阴极2的前端部4的锥形部4a附近，从甲烷充分提供碳，从表面放出一氧化碳，因此在靠近前端部4(含钍钨芯棒13)的锥形部4a的区域中，氧化钍粒子变为覆钍氧化钍粒子5。

(B)

之后，将气氛气体切换为纯氩，去掉电弧并冷却，获得前端部4的前端含有覆钍氧化钍粒子5的阴极2。

这样一来获得含钍钨中含有覆钍氧化钍粒子的阴极，下文对该覆钍氧化钍粒子在钨中移动的机理进行说明。

图6表示覆钍氧化钍粒子5的概要。氧化钍(ThO₂)粒子15的周围形成有壳状的钍(Th)覆层16，在其两者之间部分地形成空隙17，上述还原反应中产生的一氧化碳(CO)封入到该空隙17中。

并且，在该覆钍氧化钍粒子5的周围存在钨W。

通过灯点灯，阴极温度上升，变为含钍钨的熔点(约1750℃)以上时，金属钍16熔融，变为液体状。

该熔融钍金属16由于表面张力，变为以浸润方式覆盖包围氧化钍粒子15的钨W的内表面的形态。该钍熔融液将周围的钨熔解，直到饱和为止进行融入(X)。

钍熔融液的钨熔解度取决于该钍熔融液的温度，越高温，熔解度越高。因此，在高温一侧，钍熔融液熔解较多的钨W。因此钍熔融液中熔解的钨的浓度越靠近高温侧越高，越靠近低温侧越低，它们之间形成浓度梯度，通过该浓度梯度，熔解的钨从高浓度的高温侧传送到低浓度的低温侧(Y)。

但在低温侧熔解度较低，所以钍熔融液中的钨的浓度超过低温下的熔解度，熔解的钨析出到周围的钨的壁面(Z)。

总结以上过程，通过钍熔融液16，钨的高温侧的壁部熔解(X)，向低温侧移动(Y)，并析出到低温侧的壁部(Z)，因此整体上，氧化钍粒子15向高温侧移动。

即，在钍熔融的1750℃以上的区域中，覆钍氧化钍粒子向高温侧移动。

一般情况下，阴极的前端表面较为高温，因此覆钍氧化钍粒子向阴极前端表面移动，可将氧化钍传送到前端表面侧。

此外，阴极温度越高，钨的熔解度越高，因此覆钍氧化钍粒子的移动速度变快。

为实证本发明的效果，进行了以下实验。

作为通用的灯的规格，使用阴极负荷最高的灯的数字电影用的4kW的氙气灯，使该灯的电压为30V、灯的电流为135A。

(1)现有的灯(1)

是具有图8(A)所示的阴极的灯，由结合了含有2重量％的氧化钍的含钍钨和纯钨的材料，切削加工出含钍钨部的长度为2mm、直径为10mm、长为18mm、前端直径为0.6mm、前端角为60度的阴极。

该灯的闪烁下的灯寿命为422小时。

(2)现有的灯(2)

是具有图8(B)所示的阴极的灯，由具有直径3mm的含钍钨芯棒的直径10mm的钨棒，切削加工出直径为10mm、长为18mm、前端直径为0.6mm、前端角为60度的阴极。

该灯的闪烁下的灯寿命为460小时。

(3)本发明的灯(1)

是具有图1所示的阴极的灯，将形成了覆钍氧化钍粒子的含钍钨及纯钨结合，使用含钍钨部的厚度为2mm的材料，切削加工出直径为10mm、长为18mm、前端直径为0.6mm、前端角为60度的阴极。

该灯的闪烁下的灯寿命为617小时。

(4)本发明的灯(2)

是具有图2所示的阴极的灯，是具有直径为10mm、长为18mm、前端直径为0.6mm、前端角为60度、形成了直径为3mm的覆钍氧化钍粒子的含钍钨芯棒(前端部)的阴极。

该灯的闪烁下的灯寿命为586小时。

汇总以上结果并示于表1中。

(表1)

	阴极形状	闪烁寿命
			现有灯(1)	图8(A)的阴极	422hr
本发明的灯(1)	图1的阴极	617hr
			现有灯(2)	图8(B)的阴极	460hr
本发明的灯(2)	图2的阴极	586hr

从表1可知，即使是相同形状的阴极，在作为发射材料仅使用含钍钨的阴极、及其中含有覆钍氧化钍粒子的阴极中，明显改善闪烁寿命。

如上所述，根据本发明，在作为发射材料的含钍钨中，含有周围覆盖了钍的氧化钍粒子，因此通过阴极的温度梯度，该覆钍氧化钍粒子向变为高温的前端表面侧移动，可填补该阴极前端表面的氧化钍的消耗。

这样一来，在阴极内部中，可有效利用现有技术中未被活用的氧化钍，在阴极前端表面不会产生氧化钍枯竭的问题，可延长闪烁寿命。

Claims

1.一种短弧型放电灯，在其发光管内部，阴极和阳极相对配置，上述阴极由以下构成：由钨构成的主体部；以及由含钍钨构成的前端部，其特征在于，

上述阴极的前端部含有周围被金属钍覆盖的氧化钍粒子。

2.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，上述阴极的前端部与主体部的前端扩散结合。

3.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，上述阴极的前端部被设置成贯通主体部。