CN103493174B - 短弧型放电灯 - Google Patents

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Abstract

一种短弧型放电灯，在发光管的内部阴极和阳极相对配置，所述阴极由以钨构成的主体部、和与该主体部的前端接合的发射极部构成，通过实现阴极主体部的收缩随点灯时间的经过而降低，来减小阴极亮点的位置变化，并实现抑制灯的照度降低。所述阴极的主体部中的空孔率比发射极部中的空孔率小。

Description

短弧型放电灯
技术领域
本发明涉及短弧型放电灯，特别是涉及在阴极的前端设置有发射极部的短弧型放电灯。
背景技术
以往，短弧型放电灯由于电极间距离短且接近点光源，因此通过与光学系统结合，用作聚光效率高的曝光装置的光源。另外，封入了氙气的短弧型放电灯在投影仪等中被用作可视光光源，近年来，还被作为数字电影用光源予以重用。
在该短弧型放电灯中，公知在阴极中设置有发射极材料，从而提高电子放射特性。
但是，最近，从节约稀有资源的角度出发，在使用钍作为发射极材料方面设置了限制，要求避免大量使用钍。而且，该钍为放射性物质，还存在由于法律限制而限制其使用的情况。
鉴于上述情况，现在开发了各种在阴极的前端部含有氧化钍的结构的放电灯。
在专利文献1（日本特开2010-33825号公报）中公开了一种放电灯，具有仅在前端部含有发射极材料的阴极结构，图3表示在该专利文献1中记载的阴极结构。
阴极10由以纯度高的钨构成的阴极主体部11、和与阴极主体部11一体形成的发射极部12构成。在发射极部12中的钨中作为发射极材料含有稀土类化合物。
而且，通过在成型模具中以层积的状态填充含有稀土类化合物的钨粉末和纯钨粉末，对该成型模具加压并且进行烧结而形成阴极10。即，将主体部11和发射极部12烧结为一体。
此处，人们期望发射极部12中的发射极材料能够在钨的结晶粒界面扩散并输送到阴极的前端。因此，在制造过程中，必须避免使发射极部12过度地烧结。钨的结晶粒随着烧结程度的进展而变大，从而会阻碍发射极材料向阴极前端的输送。
但是，现有的短弧型放电灯虽然在发射物质的供给这一点上是有效的，但是，阴极会随着点灯时间的经过而收缩，因此，存在阴极亮点的位置大幅度地变化的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-33825号公报
发明内容
本发明所要解决的问题在于，提供一种阴极亮点位置不会随着点灯时间的经过而变化的短弧型放电灯。
为了解决上述问题，本发明的短弧型放电灯，在发光管的内部阴极和阳极相对配置，所述阴极由以钨构成的主体部、和与该主体部的前端接合的、由敷钍钨构成的发射极部构成，阴极的主体部中的空孔率比发射极部中的空孔率小。
另外，阴极的主体部中的钨的结晶粒径比发射极部中钨的结晶粒径大。
根据上述结构，由钨构成的主体部的空孔率比由敷钍钨构成的发射极部的空孔率小，因此能够减小阴极由于点灯时间的经过而引起的收缩。
另外，由于构成阴极的主体部的钨结晶粒比构成发射极部的钨结晶粒大，所以同样能够减小阴极由于点灯时间的经过而引起的收缩。
其结果是，实现如下的效果：能够减小阴极前端位置的后退，从而减小阴极亮点位置的变化，在灯与光学系统组合起来的情况下，能够抑制由于聚光效率的降低所引起的照度降低，实现灯的长寿命。
附图说明
图1表示本发明所涉及的短弧型放电灯。
图2表示本发明所涉及的阴极结构。
图3表示现有的放电灯的阴极结构。
具体实施方式
图1表示本发明的短弧型放电灯。在发光管1的内部，由钨构成的阳极2与阴极3相对配置，阳极2和阴极3分别被芯棒保持。在发光管1的内部空间中封入有汞、氙气等发光物质。另外，放电灯存在垂直点灯的情况，也存在水平点灯的情况。
图2表示阴极3的放大结构。阴极3由以下部分构成：由钨构成的主体部31；以及与该主体部31的前端接合的发射极部32。主体部31和发射极部32的接合优选采用扩散接合。此处，所谓扩散接合是指金属之间以面相互重合、在小于该金属的熔点的固相状态下以不发生塑性变形的程度进行加热、加压而使接合面的原子扩散的固相接合。而且，扩散接合的加热温度为2000℃左右，由于不必为了熔接而加热到钨的熔点（约3400℃），所以可以维持主体部和发射极部的金属组织，不会对阴极性能带来不良影响。而且，由于阴极的金属组织不变，所以具有在主体部31和发射极部32接合后能够进行切削加工的优点。
主体部31例如由纯度99.99重量%以上的纯钨构成，发射极部32由敷钍钨（以下有时也称为钍钨）构成，所谓敷钍钨是在主成分的钨中作为发射物质含有氧化钍（ThO2）的物质。发射极部32中的氧化钍的含量例如为2wt%。
而且，氧化钍在灯被点亮的过程中由于高温而被还原，变为钍原子在阴极外表面扩散，向温度高的前端侧移动。由此，可以减小功函数，使电子放电特性良好。
此处，构成发射极部32的敷钍钨的空孔率例如为1.3%，构成主体部31的纯钨的空孔率例如为0.5%。
在本发明中，空孔率P由下式定义。
P=1-((a(1-x)/19.3)+(a×/9.86))
其中，a为材料的密度（g/cm3），x为氧化钍的重量比，19.3（g/cm3）为钨的密度，9.86（g/cm3）为氧化钍的密度。关于上述式，设密度为a（g/cm3）的材料为1cm3。其中，钨所占的体积为a（1-x）/19.3cm3，氧化钍所占的体积为ax/9.86cm3，因此，除去这些值之外的值表示在材料1cm3中空孔所占的体积即空孔率。另外，即使作为杂质混入氧化钍以外的物质，由于是微量的所以可以忽视不计。
举一个例子，在阴极的发射极部中所使用的敷钍钨的密度为18.7g/cm3，氧化钍的重量比为2%，则空孔率约为1.3%。另一方面，用于主体部的纯钨的密度为19.2g/cm3，氧化钍的重量比为0，则空孔率约为0.5%。
由此，通过使主体部的空孔率小于发射极部的空孔率，能够使主体部由于点灯时间经过所引起的收缩减小，还能够降低阴极整体的收缩。其原因在于，通过将钨向存在于主体部中的空孔输送来填充空孔，将原本是主体部的收缩现象变为主体部体积减小的现象。另一方面，不能减小包含发射极部在内的整体的空孔率。其原因在于，为了减小空孔率，需要通过延长烧结时间等继续进行烧结，但是这样做的同时钨的晶粒颗粒变也大，减小了构成钍的供给路径的结晶粒界的面积，其结果是阻碍了钍向阴极前端的供给。而且，本发明将至今为止一体地烧结的主体部和发射极部分别调整空孔率并且分别进行烧结，然后将两者扩散接合。
进而，能够使构成主体部的纯钨的平均粒径比构成发射极部32的钨的平均粒径大。具体地说，构成发射极部的钨的平均粒径为20μm，构成主体部31的纯钨的平均粒径为100μm。
此处，钨的结晶粒径可以根据以JIS H0501为标准的切断方法进行测量，具体地说，通过对用规定长度的直线线段完全横向切断后的晶粒颗粒的数目进行计数，将该切断长度的平均值作为结晶粒径。
由此，在阴极的主体部中的钨结晶粒比发射极部中的钨结晶粒大时，能够抑制主体部中的钨向空孔的输送，其结果是，能够减小主体部的收缩。可以认为这是由于以下的原因：钨的输送主要通过钨的结晶粒界而进行，从而钨的结晶粒越大，晶界的总面积越小。
如上所述，根据本发明的阴极，由于能够减小上述阴极主体部由于点灯时间的经过而引起的收缩，所以能够抑制灯的照度的降低。
此处，对本发明所涉及的阴极的制造方法的一个例子进行说明。
准备直径10mm、厚度5mm的钍和直径10mm、厚度20mm的纯钨。其中，使用氧化钍的含量为2重量%、密度为18.7g/cm3、空孔率约为1.3%的钍，使用密度为19.2g/cm3、空孔率约为0.5%的纯钨。或者也可以是钍中的钨的结晶粒径约为20μm，纯钨中的钨结晶粒径约为100μm。
接着，重合钍和纯钨的接合面，在真空中在轴向上施加2.5kN左右的压缩力。而且，通过通电加热使接合部的温度升到约2000℃，使钍和纯钨扩散接合五分钟左右。
接着，说明本发明的实验结果。
作为本发明的阴极，由含有2重量%的氧化钍、空孔率约为1.3%的发射极部与由空孔率约为0.5%的纯钨构成的主体部扩散接合而成，通过切削加工，制作全长18mm、最大直径为10mm、发射极部的长度为1mm、阴极前端直径为0.6mm、阴极前端角度为60°的阴极，将其用作阴极制作4kW的氙气短弧灯。
为了比较，根据现有技术，制作在发射极部中含有2重量%的氧化钍，阴极主体部由纯钨构成的一体烧结型的阴极，使用其制造4kW氙气短弧灯。这里，发射极部的长度等阴极尺寸和等的规格，与上述本发明的相同。其中，发射极部和主体部中的空孔率均约为1.3%。
这些灯以额定功率4kW点亮500小时后的阴极的收缩长度，本发明的阴极为0.39mm，现有技术的阴极为0.5mm，由此可知降低了阴极的收缩。
以上，根据本发明，降低了阴极由于点灯时间的经过所引起的收缩，因此能够抑制由于阴极亮点的位置变化而引起的灯照度的降低。
标号说明
1  短弧型放电灯
2  阳极
3  阴极
31 主体部
32 发射极部

Claims (2)

1.一种短弧型放电灯，在发光管的内部阴极和阳极相对配置，所述阴极由如下部分构成：以钨构成的主体部；和与该主体部的前端接合的、由敷钍钨构成的发射极部，其特征在于，
所述阴极的主体部中的空孔率比发射极部中的空孔率小。
2.一种短弧型放电灯，在发光管的内部阴极和阳极相对配置，所述阴极由如下部分构成：以钨构成的主体部；和与该主体部的前端接合的、由敷钍钨构成的发射极部，其特征在于，
所述阴极的主体部中的钨结晶粒径比发射极部中的钨结晶粒径大。
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