CN102446695B - 短弧型放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短弧型放电灯，在发光管的内部，阴极与阳极相对配置，上述阴极由以钨为主成分的主体部和接合在该主体部的前端的发射极部构成，通过达成阴极前端的内部含有的发射极物质的有效利用，防止阴极表面的发射极物质的枯竭，减少发射极材料的使用量。而且通过充分活用发射极物质来补充，提供一种可长时间维持电子放射功能，达成灯闪烁寿命长期化的构造。在上述阴极的发射极部的前端面形成有条纹状的钨碳化物。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及短弧型放电灯，尤其涉及，在阴极设置含有氧化钍的发射极部的短弧型放电灯。

背景技术

先前，封入有水银的短弧型放电灯，在发光管内相对配置的一对电极的前端间距离较短、接近点光源，因此通过与光学系统组合就可用作聚光效率高的曝光装置的光源。并且，封入氙有的短弧型放电灯可在投影机等中用作可见光光源，近年来在作为数字电影用光源而被重用。

而且，在所述的短弧型放电灯中，在阴极设置有发射极材料以提高电子放射特性为人所知。

但是在最近，从节约稀有资源的观点出发，作为发射极材料的钍的使用受到限制，逐渐要求避免其的大量使用。再加上该钍是放射性物质，有时候也会因法律而限制其使用。

鉴于这种情况，正在开发各种仅在阴极的前端部含有发射极材料的构造的放电灯。

专利文献(日本特表2010-33825号公报)中公开了所述的现有的短弧型放电灯的阴极构造。

图4中图示了该现有技术，图4(A)是短弧型放电灯的整体图，图4(B)表示其阴极构造。

如图4(A)所示，在短弧型放电灯1的发光管10内，由钨构成的阳极11与阴极12相对配置。该发光管10内封入有水银或氙等发光物质。此外，在该图中，短弧型放电灯1表示为被垂直点灯的方式，但随着其用途不同，也会有被水平点灯的方式。

并且，该灯中的阴极构造示于图4(B)，阴极12由阴极主体部12b和发射极部12a构成，其中该阴极主体部12b由高纯度的钨构成，发射极部12a和与其一体形成的发射极部12a构成。该发射极部12a在钨中含有例如氧化钍等的发射极物质。

在这种灯中使用钍作为发射极物质，在阴极的前端部分的敷钍钨中所含有的氧化钍，在阴极表面因灯点灯过程中变成高温而被还原，变成钍原子而在阴极的外表面扩散，向温度高的前端侧移动。由此，就可缩小功函数而使电子放射特性变得良好。

然而，在上述现有技术中，实际在灯点灯时对改善电子放射特性有贡献的发射极物质，仅限于从阴极前端的外表面起的极浅区域中含有的发射极物质。

原本发射极物质就会在阴极前端的外表面因熟而蒸发消耗，但通过来自阴极内部的浓度扩散，也期待该发射极物质能被继续供给。

然而，相较于该温度最高的外表面上的消耗量，从温度较低的阴极内部的浓度扩散所提供的供给并不够充足，会发生其供给量赶不上上述消耗量的现象。

其结果为，即使阴极内部含有丰富的发射极物质，在阴极表面仍会出现发射极物质枯竭的现象。

如此，在上述现有技术中，即使在阴极前端含有发射极物质，仍无法充分活用该发射极物质，一旦阴极前端表面的发射极物质枯竭，则电子放射特性会降低而导致发生闪烁的问题。

专利文献1日本特开2010-33825号公报

发明内容

本发明鉴于上述现有技术的问题点，提供一种短弧型放电灯，在发光管的内部，阴极与阳极相对配置，上述阴极由以钨为主成分的主体部、和接合在该主体部的前端的敷钍钨构成的发射极部构成，通过实现阴极前端的内部所含有的发射极物质的有效利用，防止阴极表面的发射极物质的枯竭，即使减少发射极材料的使用量仍可通过充分活用发射极物质来补充，由此而提供一种可长时间维持电子放射功能，达成灯闪烁寿命长期化的构造。

为了解决上述课题，本发明的特征为，上述阴极主体部和发射极部构成，上述主体部以钨为主成分，上述发射极部与主体部接合，并由敷钍钨构成，主体部含氧浓度低于发射极部，在发射极部的前端面，形成有条纹状的钨碳化物。

并且，其特征在于，在上述阴极的侧面，形成有碳化物层。

并且，其特征在于，上述阴极的主体部与发射极部被扩散接合。

并且，其特征在于，上述阴极的主体部由纯钨构成。

发明效果

根据本发明，由于在含有氧化钍的发射极部的前端面形成有钨碳化物，因此碳(C)会从该碳化物的相往阴极内部、即发射极部的内部扩散，促进发射极部中的氧化钍的还原反应，使得阴极内部中所含的氧化钍被有效利用。

并且，因氧化钍的还原反应而在发射极部中产生的氧，迅速向与该发射极部接合的氧浓度低的阴极主体部中扩散，因此与上述碳的扩散作用组合，更进一步促进发射极部中的上述氧化钍的还原反应。

其结果为，可避免阴极发射极部表面的氧化钍发生枯竭的情况，即使限制发射极物质的使用，仍可获得能够实现闪烁寿命长的灯的效果。

附图说明

图1是本发明所述的放电灯的阴极构造的整体图。

图2是图1的阴极的上部部分立体图。

图3是本发明的阴极中的作用说明图。

图4中的(A)是现有放电灯的整体图，(B)是其阴极构造。

具体实施方式

图1表示本发明的短弧型放电灯中采用的阴极构造，阴极2由以钨为主成分的主体部3和与其前端接合的发射极部4构成。

上述主体部3与发射极部的接合方法可采用例如焊接、钎焊、磨擦压接或扩散接合等。

然而，在这些接合方法中，采用扩散接合最为优选。此处，所谓扩散接合是指，将金属彼此的面重合，加温加压至该金属的未达熔点的固相状态且不发生塑性变形的程度，使接合部的原子发生扩散而进行固相接合。

在该扩散接合中，加热温度为2000℃左右，不需要像熔融接合那样加热到钨的熔点(约3400℃)，因此可维持主体部3或发射极部4的金属组织，所以不会对阴极性能造成不良影响。甚至，由于阴极的金属组织不会变化，因此还有主体部3与发射极部4接合后仍可进行切削加工的优点。

上述主体部3由例如纯度99.99重量％以上的纯钨构成，另一方面，发射极部4由在主成分的钨中含有作为发射极物质的氧化钍(ThO₂)、亦即所谓敷钍钨(以下简称钍钨)构成，氧化钍的含有量例如为2wt％。

通常，构成该发射极部4的钍钨中含有的氧化钍，因灯点灯过程中成为高温而被还原，变成钍原子而在阴极外表面扩散，向温度高的前端侧移动。由此，可缩小功函数而使电子放射特性变得良好。

然后，上述主体部3形成有越靠近前端侧直径越小的锥状的缩径部3a，其前端接合有圆锥台状的发射极部4。由此，阴极2的前端整体而言成为由锥状构成的圆锥台形状。

然而，上述主体部3的缩径部3a的形状不限于该锥状，亦可为圆弧形状，或是发射极部4也是前端为所谓的炮弹型的圆弧形状。

进而，虽然图示了发射极部4在主体部3的缩径部3a被接合，但随着阴极整体的形状不同，也可在主体部3的圆柱部分接合。

然后，如图2详细图示，上述阴极2的发射极部4的前端面中的表层上，在钨(W)的相中，形成有条纹状的钨碳化物5、5。

并且，在上述阴极主体部3的缩径部3a的侧面形成有碳化物层6。

使用图3来说明其作用。在灯的点灯中，在构成发射极部4的钍钨中的氧化钍(ThO₂)的表面，与钨(W)中固溶的碳原子(C)之间发生还原反应，生成钍(Th)的同时，产生一氧化碳(CO)。

该还原反应所产生的一氧化碳固溶在周围的钨中。

其中，[C]w表示固溶于钨中的碳，[O]w表示固溶于钨中的氧。

亦即，为了促进上述还原反应，在氧化钍的周围需要有碳(C)存在，并且，必须要除去已产生的一氧化碳(CO)。

此处，若在阴极2的前端面形成有钨碳化物(W₂C)5，则灯的点灯中由于阴极前端部变成高温，所以碳(C)会高浓度地固溶在钨中，从表层部向阴极发射极部4的内部扩散，被供给至氧化钍表面。

如此一来，向氧化钍表面的碳供给量会增大，上述式(1)所示的上述氧化钍的还原反应会被促进。

除此以外，在本发明中，由于是在以钨为主成分的主体部3接合由敷钍钨构成的发射极部4，因此认为，通过下述的机理可进一步促进氧化钍的还原反应。

如式(2)所示，因氧化钍的还原反应(1)而产生的CO分解成C和O然后固溶于钨中，从氧化钍的周围通过浓度扩散向钨中散逸。其结果为，氧化钍的表面的CO的压力降低，与此相应促进上述还原反应。

此处，在发射极部4的内部，[C]w与[O]w从分散在钨中的氧化钍(ThO₂)的颗粒中散逸出来，因此钨中的[C]w及[O]w的浓度大致相同。其结果为，能够抑制来自氧化钍的周围的[C]w及[O]w的浓度扩散。

然而，在本发明的阴极2中，由于在发射极部4接合由纯钨构成的主体部3，因此该发射极部4与主体部3之间可产生[O]w的浓度梯度(主体部3这边是低浓度)，由此，通过浓度扩散，[O]w从发射极部4向主体部3的散逸变得活跃。

其结果为，发射极部4中的氧化钍的周围的[O]w的浓度降低，因此如式(2)所示，O的固溶反应会增加，CO的压力会降低。由此，促进了发射极部4中的式(1)的氧化钍的还原反应。

此外，发射极部4与主体部3的接合部越靠近阴极前端，换言之，发射极部4越短，则接合部附近的温度越高，[O]w的扩散越活跃，因此上述[O]w向主体部3的散逸会变快，促进了发射极部中的氧化钍的还原。

此外，上述主体部3不限定于纯钨，也可以是含有钍、铈、铼、镧、其他金属的氧化物的所谓的掺杂型钨，由含氧浓度低于发射极部4的材料来构成。此情况下，由于主体部3的氧浓度低于发射极部4，因此可引起氧从发射极部4向主体部3的散逸，而且还有主体部3容易进行机械加工的优点。

如上所述，根据本发明的阴极，C向发射极部4中含有的氧化钍表面的供给增加，而且[O]w从该发射极部4的散逸会变得活跃，由于两者的综合原因，促进了氧化钍的还原反应(1)。

说明本发明的阴极的制作方法的一例。

准备直径10mm、厚度5mm的钍钨，和直径10mm、厚度20mm的纯钨。接着，将钍钨与纯钨的接合面对合，在真空中朝轴方向施加2.5kN左右的压缩力。然后，通过通电加热使接合部的温度达到约2000℃，保持5分钟左右使钍钨与纯钨进行扩散接合。

将扩散接合后的材料进行切削加工，就成为前端是发射极部4(钍钨)、后方是主体部3(纯钨)的阴极2。

接着，在阴极2的前端部除外的表面，具体而言，在阴极2的表面、例如从前端面沿着轴至少后退2mm左右的位置的表面，通过浸碳工程，设置厚度约30μm的碳化钨层6。

此外，此实施例中虽然例示了，碳化钨层6形成在远离发射极部4的位置的例子，但也可以是一部分被发射极部4覆盖的位置。该设置位置，如后述，是根据通过其温度而被蒸发的碳量达到何种程度而决定。

然后，在灯的点灯中，从发光管内表面放出的水蒸汽(H₂O)或从电极放出的氧(O)与碳化钨层6的碳(C)生成一氧化碳(CO)。该CO通过在发光管内中以气相状态扩散，其一部分进入电弧中。该CO由于在电弧中因高温而被分解，生成C+离子。该C+离子通过电弧中的电场而被运往阴极前端面，其一部分在该处固溶于钨中。或者，在该处与钨反应，生成W₂C或WC等的钨的碳化物5，暴露在阴极前端面的高温下而熔融。

此种固溶于钨中的碳或钨的碳化物，由于C来自气相，因此极少。其中经历过熔融状态的碳化物在灯灭灯时，由于被供给至阴极前端面的C是少量，因此在钨的阴极前端面，成为多个线状的钨的碳化物5、5而形成条纹的图案。

并且，灯点灯中固溶于钨中的C也在灯灭灯时，随着温度降低，固溶限度也变低，因此一部分变成钨的碳化物而在阴极前端面析出，但由于C为少量，因此和经历过熔融状态的碳化物同样地，形成多个线状的钨的碳化物5、5。

此处，在阴极前端面必须要形成碳化钨的条纹状的相的原因是，由于阴极前端面会到达2900℃的高温，因此熔点低的碳化钨越覆盖前端面而存在越多，则阴极会耗损、或是发光管黑化而降低放射光的强度等，会使灯的寿命提前结束。

并且，将碳化钨层6设在阴极的除前端部以外的表面，也是基于同样的理由。

此外，形成在阴极前端面的碳化物的条纹状的相5、5，可通过碳化钨层6的设置位置而控制。亦即，碳化钨层6的设置位置的温度越高(越靠近阴极前端)，则CO的生成越活跃，因此C的输送量增大，若过多时，则不是条纹状而是在阴极前端面的整个区域形成，导致超硬合金的熔融而造成非预期的阴极前端的变形。

此外，用于将C通过气相供给至阴极前端面的碳源，不限于阴极表面的碳化钨层，也可在阳极的表面设置碳化钨层，也可在发光管内设置碳的固体构件。

并且，随着灯不同，也可不设置如上所述的特别的碳源，而是把构成阴极的钨中所含的碳当作碳源，此情况下，是利用从阴极表面变成CO而供给至气相的碳。

如此形成的条纹状的钨碳化物的细节示于图2，图2(a)是前端部的放大立体图，图2(b)为其进一步放大图。

具体而言，如同图所示，钨的碳化物在阴极前端部的主成分即钨(W)相之上，以多条线状并排的方式被生成，形成条纹状的相。该条纹状的钨的碳化物的相5、5，宽度为约0.1～0.5μm，多个相以约0.5～3μm的间隔形成。

在阴极前端，碳占有的比率为约1wt％左右，碳的比率为阴极前端的表层最大，从前端越后退的位置则越小。这即证实了碳是在气相中被运往阴极的前端。

如以上所述，根据本发明，由于在阴极的前端面形成有钨的碳化物，因此碳向阴极的发射极部内部的氧化钍的供给量会增大，促进发射极部中的氧化钍的还原反应，可使发射极部内部存在的氧化钍也能有效发挥作用。因此，可以不只是使用发射极部表面部的氧化钍，可防止发射极物质的枯竭造成的寿命减短。

并且，由上述还原反应生成的固溶氧从发射极部向主体部进行浓度扩散，因此与上述碳的供给的作用相结合，进一步促进该还原反应。

由此，可实现符合限制发射极物质使用量的社会要求的阴极构造，即使作为其具体的构造是在阴极主体部的缩径部接合了发射极部的构造，仍可发挥其足够长期防止闪烁的功能。

Claims (4)

1.一种短弧型放电灯，在发光管的内部，阴极与阳极相对配置，上述阴极由以钨为主成分的主体部和接合在该主体部的前端的敷钍钨构成的发射极部构成，其特征为，

上述阴极的主体部的含氧浓度低于发射极部，并且在上述阴极的发射极部的与上述阳极相对的前端面形成有条纹状的钨碳化物。

2.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，在上述阴极的侧面形成有碳化物层。

3.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，上述阴极的主体部与发射极部被扩散接合。

4.如权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，上述主体部由纯钨构成。