CN103456597A - 短弧型放电灯 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短弧型放电灯，具有由钨构成的主体部和由敷钍钨构成的前端部固相接合而形成的阴极结构，其中，通过使前端部中的氧化钍的还原反应不停滞，使钍从阴极表面长时间持续且稳定地扩散，能够维持良好的放射特性并得到电弧的稳定。上述阴极中上述主体部的钾浓度（重量ppm）比上述前端部的钾浓度（重量ppm）高。
Description
技术领域
本发明涉及一种短弧型放电灯，特别是涉及设置有阴极含有氧化钍的前端部的短弧型放电灯。
背景技术
通常，在作为放映机用的光源使用的封入氙的短弧型放电灯和作为半导体曝光、LCD曝光用等的光源使用的封入水银的短弧型放电灯中，使用直流点灯方式的灯。
其典型的一个例子如图3所示。放电灯1具有由发光部3和其两端的密封部4构成的发光管2，上述发光部3内相对配置有阴极5和阳极6，并进行直流点灯。
因而，通过将放电灯直流点灯，将电弧的亮点固定于阴极前端并作为点光源，由此在与光学系统组合时实现高的光利用效率。
可是，这样的直流点灯方式的放电灯所使用的阴极，由于在稳态点灯时承担总是放出电子的作用，所以为了容易电子放射，多采用将发射极材料混入高熔点金属而构成。
而且，作为该发射极材料，在要求点光源及高亮度的放电灯中，一般使用氧化钍作为能够提高阴极前端的工作温度的物质。但是，由于氧化钍为放射性物质，所以近年来其使用被严格限制，即使阴极不得不使用氧化钍，也要求将氧化钍含量减少至极限。
从这样的观点来看，在成为含有作为发射极材料的氧化钍的阴极结构时，如日本专利特开2011-154927号公报（专利文献1）所见的那样，公知阴极主体由钨材料构成，其前端固相接合有由含有氧化钍的敷钍钨构成的前端部而成的阴极结构。
参照图4说明该阴极结构，阴极5由后方侧的主体部51和接合于其前端的前端部52构成。主体部51由纯钨构成，前端部52是通过在钨中含有作为发射极材料的氧化钍（ThO2）的、所谓敷钍钨（以下，也称为钍钨）构成。氧化钍的含量具体地说为0.5～3%，例如为2%。
通常，阴极5整体为圆筒状，并在前端侧包含上述前端部52而呈锥形。
阴极5的前端部52所含有的氧化钍在灯点灯中，由于阴极变得高温而被还原成钍原子。在阴极的内部被还原而生成的钍原子主要通过钨结晶粒间的晶界扩散运送至阴极表面，一旦露出表面，则向阴极中温度更高的前端侧移动并蒸发。由于钍原子蒸发而能得到大的发射，从而得到良好的电子放出特性。
但是，有助于电子放出特性的改善的氧化钍实质上仅限于夹杂在从阴极前端的表面开始极浅的部分。
其理由在于，由于在阴极前端的表面上钍蒸发并消耗，所以有必要依次供给钍，但是如果灯连续点灯的话，则氧化钍的还原反应变得缓慢，不久后停止，被还原状态的钍的供给变得不及时。因此，即使在阴极内部含有丰富的氧化钍，有时在阴极表面上事实上达到枯竭状态。
这样的还原反应的停滞与以下说明的现象有关。
即，一旦发生氧化钍的还原反应，则存在于发光管的内部（阴极的碳化层等）的C（碳）和O（氧）结合，产生CO（一氧化碳）气体。虽然还原反应在阴极的前端部的表面和内部发生，但是在阴极内部CO产生并积蓄，一旦压力升高，则氧化钍的还原反应难以发生，最终还原反应不再发生，结果，发展至钍原子不能向阴极表面供给的事态。
图5是示意性地表示阴极前端的截面组织的图，图5（A）、图5（B）分别表示点灯初期、预定时间点灯后产生枯竭状态之时。
如图5（A）所示，在点灯初期中，前端部52和主体部51均处于小的结晶粒的状态。
预定的点灯时间经过后，如图5（B）所示，虽然前端部52中夹杂有氧化钍，但是因电弧而暴露于高温下的钨的结晶粒与点灯初期相比逐渐粗大化。另一方面，在比上述前端部52温度更低的主体部51中，为了不进行掺杂质处理，钨的再结晶温度比前端部52的敷钍钨更低，随着时间的经过钨的结晶变大。
因而，随着点灯时间的经过，主体部51、前端部52的钨结晶粒均逐渐粗大化。
一旦变为这样的状态，则结晶粒间的晶界减少，前端部52中的由氧化钍的还原反应而产生的CO由于结晶晶界的减少从而被吸收的空间减少，CO浓度变高从而氧化钍的还原停止，钍的供给停止。并且，即使在CO浓度低的主体部51中结晶粒也粗大化从而吸收的部分减少，因此向主体部侧的CO气体的吸收也逐渐变得困难，最终，CO气体积蓄于阴极内部。
由此，前端部52内部的CO的压力逐渐升高，该前端部52中的氧化钍的还原反应不行进并停滞，阴极表面上的钍变为枯竭状态。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-154927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，具有由钨构成的主体部和由敷钍钨构成的前端部固相接合而形成的阴极结构，其中，使由敷钍钨构成的前端部的内部中的氧化钍的还原反应不停滞，钍从阴极内部向阴极表面切实地扩散，阴极表面上不变成枯竭状态，从而稳定且长时间持续地得到电子放出特性。
为了解决上述问题，在本发明中，在具有通过将由敷钍钨构成的前端部固相接合于由钨构成的主体部而成的阴极的短弧型放电灯中，上述阴极的上述主体部的钾浓度（重量ppm）比上述前端部的钾浓度（重量ppm）高。
根据本发明，在使含有氧化钍的前端部固相接合于由钨构成的主体部的阴极结构中，在阴极的前端部中，虽然暴露于电弧而变得高温的钨结晶粒随着点灯时间的经过而成长并逐渐粗大化，但是该结晶粒的粗大化伴随着氧化钍粒在钨晶界的减少而聚集在阴极前端附近，局部地看的话，等同于浓度变高，被还原的钍向阴极前端的供给变得容易。
另一方面，通过在阴极的主体部中含有比前端部高浓度的钾，再结晶温度变高，从而抑制钨结晶粒的成长、粗大化。通过抑制结晶粒的粗大化，结晶粒间的晶界维持多分支、多个存在的状态，该晶界作为由阴极前端部中的氧化钍的还原反应产生的CO气体的吸收方而发挥功能。由此，因为在前端部产生的CO气体被主体部侧吸收，该前端部内部中的氧化钍的还原反应不停滞，钍长时间持续且稳定地向前端部的前端表面扩散并供给，所以可实现灯的长使用寿命。
附图说明
图1是本发明短弧型放电灯的阴极结构剖视图。
图2是图1的局部放大图。
图3是一般的短弧型放电灯的结构。
图4是图3的阴极的放大图。
图5是图4的阴极结构的剖视图。
具体实施方式
如图1（A）所示，阴极5包括由钨构成的主体部51、和与其固相接合的由敷钍钨构成的前端部52。上述主体部51例如由纯度为99.99%以上的钨（纯钨）构成，上述前端部52由含有例如2wt%的氧化钍（ThO2）的钨（敷钍钨）构成。
而且，上述主体部51比前端部52更大量地含有钾，其钾浓度（重量ppm）比前端部52的钾浓度更高。
在制作这样的阴极时，制作作为主体部51用的、进行了钾的掺杂质处理的钨（掺钾钨），另一方面，制作作为前端部52用的、实质上未进行钾的掺杂质处理，而只进行了氧化钍的掺杂质处理的敷钍钨。
然后，使该些作为主体部51用、前端部52用而形成的各钨对接，在施加压力的状态下只维持一定时间的高温。通过这样处理，在对接的界面上按照原子等级发生扩散，两者牢固接合，得到主体部51和前端部52一体构成的阴极5。
公知通过将氧化钍及钾添加到钨中，具有抑制钨的结晶粒的成长的作用。
但是，如图1（B）及作为其前端放大图的图2所示，掺杂有氧化钍的阴极前端部52因为暴露于电弧而温度变得非常高，并且氧化钍（或者钍）发生晶界扩散，所以虽然含有氧化钍，但是伴随着维持高温状态的时间经过，钨产生粒成长，结晶粒逐渐粗大化。
氧化钍（或者钍）在晶界移动而扩散时，由于该结晶粒的粗大化，从阴极内部到前端移动的路径变短，因此发挥使得该扩散变得顺利的作用。
换言之，不推荐在阴极前端部中添加起到妨碍粒成长作用的钾等掺杂质材料。
另一方面，通过在阴极主体部51中含有比前端部52更高浓度的钾，结晶粒的成长被抑制，再结晶温度（与没有掺杂质材料的钨相比）变高，因此抑制钨结晶的粗大化。
换言之，主体部51的钨的结晶粒被控制为比前端部52的钨的结晶粒更小，其结果是，通过小的结晶粒，晶界维持多分支、多个。
在阴极前端部52中，由于氧化钍的还原作用不可避免地生成CO气体，但是该CO气体向CO浓度低的阴极主体部51通过多分支、多个晶界扩散，扩散路径长的该主体部51充分发挥了对该CO气体的吸收作用。因此，由于在阴极前端部52不产生CO积蓄的状态，所以不妨碍氧化钍的还原作用，从而能够将钍长时间持续且稳定地向前端部供给。
因而，根据本发明涉及的阴极，因为主体部51的钾浓度（重量ppm）比前端部52的钾浓度（重量ppm）高，所以在主体部51中，能够抑制钨的结晶粒的粗大化，维持形成多个晶界的状态，并作为在前端部52产生的CO气体的吸收方发挥功能。
而且，在阴极前端部52中，因为能够抑制CO气体的压力的升高，所以氧化钍的还原作用不会变得缓慢或停止，持续地进行还原反应，从而能够稳定地向阴极前端提供钍原子。
其结果是，根据本发明，由于作为发射极材料的钍的供给良好，所以能够提供能使电弧稳定并维持的短弧型放电灯。
以下，对本发明涉及的短弧型放电灯的阴极的制造方法的一个例子进行说明。
阴极前端部用的敷钍钨（W-2%ThO2）例如由直径15mm、厚度7mm的车床进行加工。并且，阴极主体部用的钨（纯钨99.99%）例如同样由直径15mm、厚度38mm的车床进行加工。
敷钍钨所包含的钾浓度例如为5wtppm以下，纯钨的钾浓度例如调整为30wtppm～40wtppm。
关于这些前端部用的敷钍钨和主体部用的钨，对于接合面的至少一方，将表面粗糙度设定为中心线平均粗糙度为0.05μm～1.5μm的范围，将接合面的平面度设定为0.1μm～1.5μm。
接着，使前端部用的敷钍钨和主体部用的钨的接合面抵接，在沿真空中的轴方向附加50MPa程度的压缩力的状态下，通电加热，接合部的温度升温至约2000℃，并维持5分钟左右。由此，敷钍钨和纯钨的界面固相扩散接合，完成一体化的阴极材料。
通过对固相接合后的材料进行切削加工，得到如下阴极：前端直径φ1.6mm、前端角度60度、前端部长度7mm、电极长度45mm，前端为发射极部（敷钍钨），后方为含有30wtppm～40wtppm的钾的主体部（纯钨）。
如上所述，根据本发明，在由钨构成的主体部和由敷钍钨构成的前端部固相接合而形成的阴极中，上述主体部的钾浓度（重量ppm）比上述前端部的钾浓度（重量ppm）高，从而随着点灯时间的经过在前端部中钨结晶粒成长并粗大化，内部的钍扩散并容易向阴极表面移动，并且在主体部中结晶粒的粗大化被抑制，存在多分支、多个该结晶晶界，由在前端部中的氧化钍的还原反应而产生的CO气体向该主体部侧扩散移动，因此在前端部不滞留CO气体。因此，带来如下效果：由于前端部中的氧化钍的还原反应不停滞，长时间切实地进行反应，所以向阴极前端表面的钍的供给变得良好，电弧稳定。
Claims (1)
1.一种短弧型放电灯，在发光管的内部相对配置有阴极和阳极，上述阴极通过由钨构成的主体部和由敷钍钨构成的前端部固相接合而形成，上述短弧型放电灯的特征在于，
上述阴极中上述主体部的钾浓度（重量ppm）比上述前端部的钾浓度（重量ppm）高。
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