CN105340054B

CN105340054B - 放电灯

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Publication number: CN105340054B
Application number: CN201480036170.3A
Authority: CN
Inventors: 田川幸治; 有本智良; 船越充夫; 安田幸夫; 岩林弘久
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: TW201517113A; CN105340054A; US20160148797A1; EP3016132A1; WO2014208392A1; EP3016132B1; EP3016132A4; TWI570770B; US9548196B2

Abstract

本发明提供一种在发光管内的阴极添加除了钍以外的发射体而成的放电灯，其可以在防止发射体自阴极过度地蒸发而早期枯竭的同时，在最初点灯时也可顺利地点灯。阴极(3)中的主体部(31)由不含钍的高熔点金属材料构成，前端部(32)由含有发射体(除了钍之外)的高熔点金属材料构成，并且在形成于所述主体部(31)及/或前端部(32)内部的密闭空间(33)内埋设有含有较所述前端部(32)中所含的发射体更高浓度的发射体(除了钍之外)的烧结体(34)。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及阴极中含有用于使电子放射变得良好的发射体而成的放电灯，特别是涉及含有除了钍以外的发射体而成的放电灯。

背景技术

一般来说，在高输入功率的高亮度放电灯等中，在其阴极中为了使电子放射变得容易而添加有发射体。例如，日本特开2012-15008号公报(专利文献1)中公开了含有氧化钍作为发射体的放电灯用的阴极。

但是，钍是作为放射性物质在法律上限制的对象，对其管理或处理需要慎重的考虑，因此期待代替钍的物质。

作为该代替钍的物质，提出了使用稀土类元素及其化合物的物质。稀土类元素是功函数(一般来说是指电子从物质内部飞向外部时所需要的能量)低、电子放射优异的物质，作为钍的代替物质备受期待。

日本特表2005-519435号公报(专利文献2)中公开了在作为阴极材料的钨中作为发射体附加地含有氧化镧(La₂O₃)、氧化铪(HfO₂)、氧化锆(ZrO₂)等的放电灯用阴极。

但是，氧化镧(La₂O₃)等稀土类氧化物比氧化钍(ThO₂)的蒸汽压高、较容易蒸发。因此，作为阴极所含有的发射体使用稀土类氧化物代替氧化钍时，会发生该稀土类氧化物过度地蒸发、早期发生枯竭的事态。由于该发射体的枯竭，具有阴极的电子放射功能丧失、发生闪变、灯寿命缩短的问题。

另外，有助于电子放射特性的发射体仅存在于阴极的前端，从阴极后侧朝向前端、发射体的输送不会迅速地进行也可以说是原因之一。因此，在使用了除了氧化钍以外的发射体物质的放电灯中，点灯在早期变得不稳定等的问题仍然残留，此为实情。特别是，在1kW以上的高输入功率的放电灯中，稀土类元素或钡系物质的蒸发会将放电灯导向不稳定的点灯，此现象显著。

另外，日本特开2002-141018号公报(专利文献3)中公开了作为发射体物质使用碱土类金属(氧化物)的阴极结构。图19中显示了该结构，成为下述结构：将作为发射体含有碱土类金属氧化物的电子易放射部81埋在阴极80中、使其露出至阴极前端。

在该结构中，由于作为发射体的碱土类金属氧化物暴露在电弧中，因此其蒸发会进一步进行，此与上述专利文献2所示的电极是相同的。结果，特别是在阴极前端，具有下述同样的问题：发射体早期发生枯竭，阴极的电子放射功能丧失，发生闪变，灯寿命缩短。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-15008号公报

专利文献2：日本特表2005-519435号公报

专利文献3：日本特开2002-141018号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明鉴于上述现有技术的问题点，要提供下述结构：在发光管的内部中阴极与阳极相向配置的放电灯中，即便在阴极中添加除了钍以外的发射体，也可以防止该发射体的早期枯竭、长时间维持电子释放功能、实现灯的闪变寿命的长期化，同时最初点灯时的起动性及点灯性优异。

用于解决技术问题的方法

为了解决上述技术问题，本发明的特征在于，上述阴极由主体部及接合于其前端侧的前端部构成，上述主体部由不含钍的高熔点金属材料构成，上述前端部由含有发射体(除了钍之外)的高熔点金属材料构成，并且在形成于上述主体部及/或前端部的内部的密闭空间内埋设有含有较上述前端部中所含的发射体更高浓度的发射体(除了钍之外)的烧结体。

另外，其特征在于，上述发射体为氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种或者它们的组合。

另外，其特征在于，上述前端部的发射体浓度(CF)为0.5wt％≤CF≤5wt％，埋设于上述密闭空间中的上述烧结体的发射体浓度(CB)为10wt％≤CB≤80wt％，并且CF＜CB。

另外，其特征在于，上述密闭空间中密封有上述烧结体和将该烧结体中所含的发射体还原的还原剂。

其特征在于，上述还原剂是钛(Ti)、钽(Ta)、钒(V)、铌(Nb)中的任意一种。

另外，其特征在于，上述前端部由钨构成，上述烧结体中所含的发射体是氧化铈，上述阴极的前端与上述烧结体的前端的距离为1.5mm～3.5mm。

另外，其特征在于，上述阴极的前端部分具有圆锥台形状，使上述阴极的距离前端为0.5mm的位置的截面积为S(mm²)、灯电流为I(A)时，为165≥I/S(A/mm²)。

另外，其特征在于，上述烧结体是含有稀土类复合氧化物而构成的。

另外，其特征在于，上述稀土类复合氧化物含有由选自元素周期表上的第4A族(即中国常用元素周期表的第IVB族)、第5A族(即中国常用元素周期表的第VB族)及第6A族(即中国常用元素周期表的第VIB族)中的元素和氧构成的氧化物。

另外，其特征在于，上述稀土类复合氧化物由氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种与高熔点金属的化合物构成。

另外，其特征在于，上述前端部的比电阻ρ(测定温度T＝77K)为0.65～0.77μΩ·cm。

另外，其特征在于，上述前端部由钨构成，上述前端部含有抑制该钨的晶体成长的粒稳定剂(氧化锆或氧化铪)。

另外，其特征在于，上述主体部及/或前端部在上述烧结体的周围区域中形成有沿上述阴极的轴方向延伸的纤维状金属组织。

另外，其特征在于，上述烧结体的前端面在上述密闭空间内与上述前端部抵接、上述纤维状金属组织形成在上述烧结体的从前端面至后方侧5mm的区域内。

另外，其特征在于，上述前端部由钨构成，在上述前端部的与上述阳极相向的前端面上形成有铼-钨合金部。

另外，其特征在于，上述铼-钨合金部的厚度至少为0.5mm以上。

另外，其特征在于，上述前端部由钨构成，上述前端部的钨的晶界密度A(mm^-1)与上述前端部的从抵接于上述烧结体的部位至前端面的发射体的浓度梯度B(mol/mm⁴)之积(A×B)为260×10^-9(mol/mm⁵)≤A×B≤670×10^-9(mol/mm⁵)的范围。

发明效果

根据本发明，在不含钍的主体部的前端接合含有除了钍以外的发射体的前端部，在形成于上述主体部及/或前端部的内部的密闭空间内埋设有含有较上述前端部中所含的发射体更高浓度的发射体(除了钍之外)的烧结体，因此在最初对放电灯进行点灯时，前端部中所含的发射体(除了钍之外)将前端部覆盖，从而产生良好的起动性及点灯性。

根据点灯时间，前端部最初含有的发射体被消耗，但由于发射体从阴极内部的含有高浓度发射体的烧结体扩散供给至前端部侧，因此在前端部处在发射体不会发生枯竭，良好的点灯性得以稳定地长期间维持。

由于该烧结体被埋设在阴极内部，因此不会直接暴露于放电电弧中、可抑制因电弧导致的过热，因而不会发生过度地蒸发、发射体不会在早期枯竭。

另外，在规定时间的点灯后关灯、阴极被冷却时，在点灯时从烧结体扩散出去的发射体在前端部内滞留，因而在之后的再次点灯时，该前端部内的发射体可使其起动性及点灯性变得良好。

另外，阴极内部的烧结体中的发射体在形成前端部的钨的晶界中扩散(晶界扩散)而被供至阴极前端，但使用铈作为发射体时，其扩散迅速、可获得发射体向阴极前端的充分供给速度。

而且，通常发射体以氧化物的方式(铈的情况下为CeO₂)含有在烧结体中，但由于CeO₂的吸湿性低，因此在灯的制造工序中还具有可以减少会进入到灯内的水分量的优点。

另外，通过使阴极的距离圆锥台形状的前端为0.5mm的位置的截面积S与灯电流I之间的关系为165≥I/S(A/mm²)，可以获得高的电流密度，实现灯的高亮度化。

另外，烧结体通过在其内部含有稀土类复合氧化物，可在较通常的氧化物状态更低的温度下将其还原成发射体(金属)的状态。由此，从较电极温度更低的状态、即灯的点灯起动时开始，发射体自烧结体的供给顺畅地进行，从点灯初期开始即不会发生发射体枯竭，可获得稳定的灯点灯状态。

另外，通过使前端部的比电阻ρ为0.65～0.77μΩ·cm，可以实现灯的闪变寿命的长期化。

另外，通过在烧结体周围的区域形成有沿阴极的轴方向延伸的纤维状金属组织，烧结体中所含的发射体(稀土类元素)难以向阴极的径方向扩散、强制地向前端侧扩散，因此向阴极前端的供给顺畅且迅速地进行，防止发射体在前端部处的枯竭，同时抑制发射体从阴极中未被电弧覆盖的侧面进行蒸发、防止发光管的失透。

另外，在由于电弧变为极高温的前端部处，虽然有时晶粒的重结晶化进行、晶界消失，但通过在其前端部的与阳极相向的前端面上设置铼-钨合金部，在相比较于通常的钨、发生重结晶化的温度更高的铼-钨合金部中，即便是高温的状态下也可抑制重结晶化、确保晶界，因此不会阻碍发射体从烧结体的晶界扩散。

另外，由于前端部的钨的晶界密度A(mm^-1)与上述前端部的从抵接于上述烧结体的部位至前端面的发射体的浓度梯度B(mol/mm⁴)之积(A×B)为260×10^-9(mol/mm⁵)≤A×B≤670×10^-9(mol/mm⁵)的范围，因此可以实现进行长时间稳定的发射体的供给、灯寿命长的放电灯。

附图说明

图1是具有本发明实施方式1的阴极结构的放电灯的整体图。

图2是表示本发明实施方式1的实施例的阴极结构图。

图3是本发明实施方式1的阴极的制造工序图。

图4是表示本发明实施方式1的其他多个实施例的阴极结构图。

图5是表示本发明实施方式2的实验结果的表1。

图6是表示本发明实施方式3的实验结果的表3。

图7是表3的图表1。

图8是表示本发明实施方式4的稀土类氧化物的熔点的一个例子的表4。

图9是本发明实施方式5的阴极前端部的放大图。

图10是表示前端部的比电阻值所带来的灯寿命的倾向的表5。

图11是本发明实施方式6的阴极的前端部的截面图(A)与X-X截面图(B)。

图12是纤维状金属组织的形成前的截面图(A)和形成后的截面图(B)。

图13是本发明实施方式7的阴极结构图。

图14是本发明实施方式7的作用说明图，(A)为本发明、(B)为比较例。

图15是本发明实施方式7的阴极的制造工序图。

图16是本发明实施方式8的阴极前端部的放大图。

图17是表示本发明实施方式8的实验结果的表8。

图18是表8的图表2。

图19是表示现有技术的截面图。

图20是表示其他现有技术的截面图。

具体实施方式

图1表示具有本发明阴极结构的放电灯的整体结构，放电灯1在发光管2的内部对向配置有阴极3和阳极4。

如图2所示，该实施方式1中阴极3由主体部31和接合于其前端的前端部32构成。

上述主体部31由不含钍的、钨或钼等高熔点金属材料构成。

进而，上述前端部32固相接合在上述主体部31的前端侧、即与阳极4相向的面上，通过焊接等适当的接合手段将其接合。该前端部32以适当含量含有除了钍以外的发射体(以下将前端部中所含的发射体也称作第1发射体)。

作为该除了钍以外的第1发射体，例如使用氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)等单体或者它们的组合。

在此，第1发射体的含量例如较低地设定在0.5重量％～5.0重量％。该第1发射体在灯的最初点灯时用于确保起动性，较低地设定浓度的原因在于防止暴露在放电电弧中而使发射体过度地蒸发。

即，第1发射体的含量小于0.5重量％时，在点灯初期无法确保电子释放所需要的发射体浓度，发生灯电压的上升或变动的增大。另外，当含量超过5.0重量％时，在制造钨材料等时，不仅烧结体会变脆、易于发生因烧结工序或模锻工序中的断裂所导致的破损，而且即便假设能够制造时，当在前端部中进行使用时，发射体的蒸发也变得显著、促进真空管的黑化(白浊)，因而不优选。

如图2所示，在阴极3的内部中形成有密闭空间33，在该密闭空间33内埋设有含有除了钍以外的发射体的烧结体34。

关于图2(A)，密闭空间33形成在主体部31侧，烧结体34实质上埋设在该主体部31内。

关于图2(B)，密闭空间33跨越主体部31和前端部32形成，烧结体34按照跨越该主体部31和前端部32的方式被埋设。

关于图2(C)，密闭空间33形成在前端部32侧，烧结体34实质上埋设在该前端部32内。

当然，根据这些方式的任意一个方式的不同，前端部32的尺寸、特别是厚度尺寸有所不同，可以兼顾制造方面的容易性和依赖于前端部32厚度的成本或者整体制造成本等来适当选择其中的任意一种。

这些任意一个例子中，均优选烧结体34的前端与阴极3前端的距离是1.5mm～5.0mm的范围。

上述烧结体34中含有除了钍以外的发射体(以下将烧结体34中所含的发射体也称作第2发射体)，例如与上述前端部32中所具有者相同，使用在钨等构成材料中添加氧化镧、氧化铈、氧化钆、氧化钐、氧化镨、氧化钕或氧化钇的单体或者它们的组合并进行烧结而成者。

进而，将该烧结体34中所含的第2发射体的浓度设定在较上述前端部32中所含的第1发射体的浓度更高的浓度，该浓度(重量％浓度)例如为10重量％～80重量％。

该第2发射体的浓度小于10重量％时，从能够收纳于阴极3内部的烧结体34的尺寸的关系出发，难以确保供给至阴极前端部32的发射体量。另外，当超过80重量％时，烧结体34的钨等构成材料的比例会减少、氧化物的还原所产生的生成物减少，因此在任何情况下均会缩短阴极的寿命。

该烧结体34中所含的第2发射体通过被埋设在阴极3内部，从而不会直接暴露于放电电弧中、不会被加热至必要程度以上，因此不会过度地蒸发。另外，烧结体34随着灯点灯被适当地加热、该烧结体34中的第2发射体通过浓度扩散被供至前端部32侧。由此，在前端部32处，发射体不会枯竭、持续稳定的点灯性。

但是，该烧结体34优选是阴极前端侧的端面与前端部32抵接的状态。如此，烧结体34中所含的第2发射体在灯点灯中与前端部32抵接、发射体通过晶界扩散顺畅且迅速地向前端部32侧移动、被可靠地供给。

另外，上述第1发射体和第2发射体可以是相同的材料、也可以是不同的材料。例如，第1发射体和第2发射体均是与氧化镧相同的材料，另外，还可以如第1发射体由氧化镧和氧化锆构成、第2发射体为与氧化铈不同的材料那样、它们的组合是任意的。

对构成本发明阴极3的前端部32和烧结体34的功能和作用进行说明。前端部32中，在进行电子释放的前端面构成输送发射体的扩散路径，在最初点灯时、该前端部32中所含的第1发射体被输送至前端面、进行电子释放、进行可靠的初期点灯。通过该点灯，前端部32最初含有的第1发射体被消耗，但至该发射体发生枯竭之前，埋设于阴极3内的烧结体34中的第2发射体通过前端部32的扩散路径被供给至前端面，从而不会发生在前端面上的发射体的枯竭。

另外，如上所述，主体部31由不含钍的钨等高熔点金属构成，但不排除含有除了钍以外的发射体。此时，由于存在高浓度的烧结体34，因此就将发射体供给至前端部32的方面而言，在主体部31中含有除了钍以外的发射体的方面可能说并不存在特别的优点，但通过主体部31和前端部32由相同的材料构成、两者在接合后也具有相同的热物性，因而具有其他优点：即便是暴露于点灯时的高温下、与一体物的热特性也不会改变，难以发生接合部的不良情况的发生等。

对本发明的阴极结构示出一个尺寸的例子时，如下所述。

阴极的外径：φ15mm、轴方向的长度：60mm

前端部的尺寸：轴方向长度为2mm、材料例子：掺杂有氧化镧(发射体)、氧化锆(钨粒子粗大化抑制剂)的钨

主体部的尺寸：轴方向长度为58mm、材料例子：掺杂有氧化锆的钨

烧结体的尺寸：φ2mm、轴方向长度：5mm、材料例子：以重量比为1：2混合氧化铈、钨，进行成型、烧结而成。

接着，使用图3说明本发明的阴极的制造工序。

埋设在阴极3内部的密闭空间33内的烧结体34为：以发射体(CeO₂)与钨(W)的配合比为1：2进行混合，添加粘合剂(硬脂酸)，进而利用加压压制机进行成型。之后，在氢中在1000℃的温度下进行脱脂、临时烧结，进而在钨炉中在1700～2000℃、优选1800～1900℃下进行真空中的主烧结1小时，从而制作。

阴极的前端部32为La₂O₃及ZrO₂掺杂钨、主体部31为ZrO₂掺杂钨。同时，在真空中在2300℃～2500℃的温度下进行烧结。如此，当在更高温度(例如3000℃)下对含有发射体的钨进行烧结时，发射体会进行蒸发、消失，因此不优选。

另外，在为主体部31中不含发射体的方式时，还可以在较其更高的温度、例如2700℃～3000℃下进行烧结。

首先，如图3(A)所示，在构成主体部31的主体构件31a的前端侧中形成构成密闭空间33的孔33a，在该孔33a内插入烧结体34。然后，使构成前端部32的前端构件32a抵接于烧结体34。

此时，如图3(B)所示，烧结体34的前端较主体部31的表面突出0.5mm左右的一定量。

如图3(C)所示，按压前端构件32a、压缩烧结体34、使前端构件32a与主体构件31a抵接。此时，由于烧结体34在较主体部31或前端部32的烧结温度更低的温度下进行烧结，因此因按压产生的收缩量大，通过主体构件31a与前端构件32a的抵接，仅收缩一定量，烧结体34成为与前端构件32a抵接的状态。

在此状态下，利用扩散接合或点焊等将主体构件31a和前端构件32a接合。

接着，在前端构件32a和主体构件31a的接合后，对阴极3的前端进行切削加工。

由此，如图3(D)所示，获得前端部32接合在主体部31的前端、烧结体34被密闭埋设在内部的密闭空间33内的阴极3的最终形状。

图4示出本实施方式的其他多个实施例，这些实施例中，在密闭空间33内与烧结体34一起还密封有用于促进发射体的还原反应的还原剂5。

关于图4(A)，将还原剂的箔51缠绕在烧结体34上、密封在密闭空间33内。具体地说，将厚度为5～40μm的Ta箔缠绕在烧结体34上。

关于图4(B)，在烧结体34中添加还原剂的粉末、例如粒径为1～10μm的Ta粉末52，将作为烧结体构成材料的钨粉末和Ta粉末混合、烧结。

关于图4(C)，在密闭空间33内的烧结体34的下侧配置有Ta粉末等还原剂粉末53。

还原剂的密封方式除了这些之外，还有将还原剂的糊剂涂布在烧结体34的外周面等方式。

作为在此所使用的还原剂，优选钛(Ti)、钽(Ta)、钒(V)、铌(Nb)的任意一种。进而，相对于烧结体34所含第2发射体的总量，其密封量为1wt％～30wt％。

另外，作为还原剂虽然也考虑了碳(C)，但碳会与通过发射体和钨(W)的反应所生成的氧化钨发生反应而生成CO，该CO自烧结体34扩散、到达前端部32内，在此，C与O发生分解、固溶，扩散至阴极前端面。在此，最终变成O₂或CO、被释放到放电容器中。进而，有下述不良情况，因此不优选：当它们到达阳极时，生成氧化钨或碳化钨，引起放电容器的黑化或阳极的变形。

在此，优选使用除了碳(C)以外的上述Ti、Ta、V、Nb等。

应用本申请发明的阴极结构的灯在图1中以汞灯或氙灯等短弧型放电灯为对象，但也可应用于长弧型放电灯。

如上说明的那样，本发明中在阴极中添加了除了钍以外的发射体的放电灯中，在接合于主体部的前端部含有发射体，因此在灯的最初点灯起动时，该发射体确保起动性、进行可靠的点灯。

进而，由于在密封埋设于阴极内部的烧结体中含有较上述前端部的第1发射体为更高浓度的第2发射体，因此随着灯点灯，该第2发射体扩散、向前端部侧移动并供给，因此不必担心发射体在前端部发生枯竭、确保因连续的发射体供给带来的稳定的点灯。

由于该烧结体被密封埋设于阴极内部中、不会直接暴露在放电电弧中，因此除了钍以外的蒸汽压高的发射体也不会过度地蒸发、不会在短时间内发生枯竭。

另外，由于在密闭空间内密封有还原剂，因此促进发射体的还原反应、发射体向前端部的供给也不会滞留。

在以上的实施方式1中显示了在烧结体34中作为发射体含有氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)等稀土类氧化物的例子，但其中作为可以最期待快速的扩散速度者，另外在昂贵的稀土类元素中作为较廉价且易于获得者，考虑到铈。以下对作为发射体含有铈的实施方式2进行考察。

这种实施方式2中，在图2所示的阴极结构中也是在烧结体34中作为发射体含有的氧化铈的浓度(重量％)比前端部32含有的发射体浓度(重量％)为更高浓度。

进而，上述阴极3的前端与上述烧结体34的前端的距离优选为1.5mm～3.5mm。

另外，作为上述前端部32含有的发射体，可以是氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种或者它们的组合。

进而，上述前端部32的发射体浓度(CF)为0.5wt％≤CF≤5wt％、作为埋设于上述密闭空间33中的上述烧结体34的发射体的氧化铈浓度(CB)以氧化铈换算计为10wt％≤CB≤80wt％。

认为烧结体34中的发射体在形成前端部32的钨的晶界进行扩散(晶界扩散)、被供给至阴极前端。

其原因在于，当该烧结体34中含有铈时，其扩散迅速、可获得充分的发射体向阴极前端的供给速度。进而，通常发射体以氧化物的形式含有在烧结体中，但由于作为铈的氧化物的氧化铈(CeO₂)的吸湿性低，因此在灯的制造工序中也具有可以减少进入到灯内的水分量的优点。

接着，对该阴极的工作机理进行说明。上述烧结体通常以氧化铈(CeO₂)的形式含有铈。进而，当在灯的工作中变为高温时，通过烧结体内的还原反应、从氧化铈生成铈(Ce)。如此生成的铈通过晶界扩散从上述前端部被输送至阴极前端面，在此通过在阴极前端的钨表面上形成单原子层、作为发射体发挥功能。该铈单原子层由于高温，以对应该温度的速度自钨表面脱吸。在此，当铈向铈阴极前端面的输送速度大、在阴极前端面形成铈的多原子层时，铈表面上的铈的脱吸能量较钨表面上的铈的脱吸能量更小，因而铈自阴极前端的脱吸增大、其附着在灯的发光管内表面、产生白浊。相反，当铈向阴极前端面的输送速度小时，阴极前端面的发射体(铈)发生枯竭。

对于上述铈的晶界扩散而言，以距离阴极前端的轴方向距离为x、使用数学式进行表示时，如下所示。

＜式1＞

＜式2＞

Ce的晶界扩散系数：D(T)＝D₀e^-(Q/RT)

在此，n为前端部的Ce的浓度、D₀为常数、Q为扩散的活化能、R为气体常数、T为温度(K)。由式1和式2可知，利用晶界扩散的铈的输送速度在Ce的浓度梯度dn/dx越大、且温度越高时，则变得越大。

因此，烧结体按照其前端位于距离阴极前端为1.5mm～3.5mm的范围的方式进行埋设。即，当按照烧结体的前端距离阴极前端较1.5mm更靠前的方式进行埋设时，铈的晶界扩散路径(较前端部的烧结体更靠前的部分)中的铈的浓度梯度增大，相同路径的平均温度提高、因而铈的输送速度增大，铈自阴极前端的脱吸增大、发生发光管的白浊。相反，当按照烧结体的前端距离阴极前端为比3.5mm更靠后的方式进行埋设时，由于相反的原因、铈的输送速度降低、阴极前端面的发射体(铈)发生枯竭。

另外，阴极前端面的工作温度因灯输入功率、电流、阴极形状、发射体的种类、前端部的基体材料等因素而有所不同，因此铈自阴极前端面的脱吸速度也不同，但由于阴极前端温度与铈的晶界扩散的路径(比前端部的烧结体更靠前的部分)的温度联动，因此用于平衡铈自阴极前端的脱吸和向阴极前端的输送的烧结体的埋设位置不会那么依赖阴极前端面的温度。例如，当对电流及/或阴极前端直径不同、阴极前端的电流密度(电流除以前端面的面积的值)不同的情况进行比较时，电流密度越大、则阴极前端的温度越高，发射体的脱吸速度越大，但作为Ce的扩散路径的前端部内部的温度也增高，因而根据式2、Ce的扩散系数增大，Ce向阴极前端的供给速度也增大。结果，在这两种情况下，烧结体的埋设位置可以大致相同。

以下，使用在烧结体中作为发射体含有铈的阴极，利用以下方式的灯进行实验。

＜实验＞

阴极前端部：添加有La₂O₃(2重量％)和ZrO₂(0.05重量％)的钨、密度为18.4g/cm³、长度为2mm

阴极主体部：添加有ZrO₂(0.8重量％)的钨、密度为18.5g/cm³、长度为17mm

烧结体：CeO₂：W＝1：2(重量比)、CeO₂(33重量％)、密度为9.5g/cm³、φ1.4mm×L6mm

阴极形状：前端直径φ0.9mm、锥角为55°、阴极直径φ12mm、总长为21mm

灯：7kW、Xe短弧灯(数字投影仪用光源)、

电特性：175A-40V-7kW

上述灯中，改变烧结体的埋入位置、即从阴极前端至烧结体前端的距离(L)，进行实验。

其结果示于图5的表1中。

(1)照度维持率为使用规定的椭圆镜将灯的光集光，对规定的矩形区域进行照射时的平均照度的维持率(500小时点灯后的照度与初期照度之比)。

(2)电压变动是由图表读取使用规定的模拟式笔式记录器(设定：图表记录速度：120mm/小时、电压范围：30～50V)对灯电压测定20分钟时的电压的变动幅度，成为电弧稳定性(闪变)的代用特性。即，利用该方法测量的灯电压的变动幅度与呈现在数字投影仪的影像中的照度变动有相关性，确认当灯电压的变动幅度超过1.2V时，人的视觉识别到影像的闪变。认为这是由于该笔式记录器的频率特性(应答速度)与人的视觉相对于闪变刺激光的敏感度特性相近似。

以往的7kW的Xe短弧灯(钍钨阴极)的寿命通过至无法点灯(包括破裂)或发生闪变的点灯时间来定义，其平均寿命为500小时。作为寿命之一的无法点灯的最严重情况为破裂，对此而言可知，当发光管的白浊或黑化以照度维持率进行至50％左右时，自电弧的光的吸收有所增加，因此发光管的温度上升，因而在发光管中蓄积了热变形、破裂概率提高。另一方面，闪变的发生如上述(2)所述，可以通过灯电压的变动幅度检测到。

因此，利用500小时点灯后的照度维持率和电压变动来判定本申请的阴极好坏。具体地说，将500小时点灯后的电压变动幅度为1.2V以下、且照度维持率为50％以上的情况判定为良好(与目前的钍钨阴极相同的寿命特性)。

结果表明，通过上述阴极3的前端与上述烧结体34的前端的距离(L)为1.5mm～3.5mm的范围，可获得良好的结果。

另外，烧结体34对以氧化铈的形式含有铈的情况进行了阐述，但可以以铈金属的形式进行含有。

在之后说明的实施方式3中，对上述实施方式1的阴极前端的电流密度进行规定。

即，在图2所示的阴极结构中，阴极的前端部分具有大致圆锥台形状，以距离其前端为0.5mm的位置的截面积为S(mm²)、灯电流为I(A)时，为165≥I/S(A/mm²)。

如此，可达到高的电流密度，实现灯的高亮度化，实现具有采用了除了钍以外的发射体的无氧化钍阴极结构的放电灯。

以下对本发明的电流密度的规定进行说明。

首先，对发射体和功函数进行说明。

通常，以发射体即便是工作温度很低、也可获得高的电流密度(每单位面积的电流值)的情况为良好。而且，与该工作温度有关的电流密度由Richardson-Dushman定式化，作为Richardson-Dushman公式已知。

即，根据电流密度J＝A*T²exp{-(φ-Δφ)/(kT)}公式。在此，T为温度、A为材料所固有的电子放射能系数、φ为材料所固有的功函数、k为波尔兹曼常数、另外Δφ为利用Schottky效应有效地降低功函数的效果份。

由此公式可知，从工作温度的方面出发，优选相对于获得高电流密度的电子释放能、功函数φ小、系数A的值大的材料。进而，从抑制阴极前端变形或磨耗的方面出发，优选阴极的发射体材料在低温下使阴极工作。

然而，由于短弧型放电灯的阴极在3000K左右的高温度下进行工作，因此无法避免阴极的变形或自阴极的蒸发、发生因蒸发物附着在真空管上所导致的黑化或白浊。

从抑制蒸发的观点出发，发射体要求阴极基体避免低熔点化合物的生成或者设法将其生成量抑制在最小限。或者，优选蒸发速度慢且蒸汽压低的材料。

作为一个例子，举出钍和铈的情况、对电子释放能进行比较。将功函数和系数及电流密度的计算结果示于表2中。其中，表2中系数A的单位中的K为温度。

＜表2＞

由表2可知，铈钨与镀钍钨(以下称作钍钨)相比，系数A是2倍，因此当假设在相同温度(3400K)下进行工作时，可获得翻倍的电流密度。

但是，对于实际上各个氧化物材料超过熔点地进行使用来说，发射体的蒸发速度变快因而不优选，在此处的估算中，在熔点附近进行使用实施比较时，如下所述。

氧化钍的熔点为T_ThO2＝3573K、氧化铈的熔点为T_CeO2＝2873～3000K。在各个熔点附近进行使用时，作为T_ThO2＝3400K、其电流密度为J_Th＝1.28×10²(A/mm²)，另一方面，氧化铈的使用温度为T_CeO2＝2900K、其电流密度为J_Ce＝0.454×10²(A/mm²)。由此可见，从电子释放能来看，钍钨更为期待。但是，由上述理由出发，钍的使用变得困难。

另外，近年来电影院的数字电影用光源的氙灯或半导体或液晶曝光光源的汞灯等中，为了获得高亮度的光源，通常要求短弧型放电灯、电流密度高的阴极。

作为一般的倾向，为了在高的电流密度下进行工作，需要使阴极在高的温度下工作。

然而，如上所述在使含有除了钍以外发射体的钨露出至最前端部分的阴极结构中，发射体在早期发生枯竭，因此本发明中，将含有除了钍以外的低浓度发射体的前端部接合在主体部上，通过在前端部及/或主体部内埋设含有高浓度发射体的烧结体，制成不使高浓度地含有发射体的烧结体露出至阴极最前端的阴极结构。

而且，在具有这种阴极结构的灯中，为了求得合理的电流密度，利用基于以下方式的放电灯进行了实验。

灯的整体结构为图1所示，在石英玻璃制的φ80mm的大致球形真空管内相向配置阳极和阴极。电极间距离为6mm、密封的氙气压为10个气压。

阳极为钨制的φ15mm×L20mm的圆柱状、阴极侧的前端部端面为φ5mm。

阴极为图2(A)所示的形状、阴极前端部的端面形状形成为大致圆形、由其前端朝向躯干部的圆锥角为40°。

阴极前端部：含2wt％的铈钨、厚度为2mm

阴极主体部：纯钨

烧结体：含10～80wt％高浓度的发射体(除了钍之外)的钨φ2mm、长度为5mm，埋设在主体部内

前端部与主体部通过扩散接合而接合。

改变上述阴极的前端直径、改变灯输入功率使电流密度变化，从而求得照度维持率的变动。

图6的表3显示其结果。在此，电流密度J在使距离阴极前端为0.5mm的位置的截面积为S(mm²)、灯电流为I(A)时，通过J≡I/S(A/mm²)求得。截面积S以距离阴极前端为0.5mm的位置的直径为2r、用S＝πr²计算出。

实验中，灯以阳极朝上的姿势进行点灯。另外，电源使用输出功率可变的恒定电流电源。

其中，表3中比较例5是使含2wt％氧化铈的铈钨的厚度为2mm、接合在由纯钨形成的阴极主体部前端的阴极结构，比较例6是用含2wt％氧化铈的铈钨构成阴极整体。

图6(表3)中，照度维持率以100小时点灯为90％以上的情况评价为合格(○)。对该表2的结果制图的结果为图7的图表1。

由图6(表3)及图7(图表1)还可知，电流密度超过165A/mm²时，照度维持率急速地降低、阴极性能发生劣化、引起早期的黑化。

由这些现象可知，灯的放射照度维持率强烈依赖于灯点灯的电流密度、反映发射体的特性(功函数、蒸汽压或蒸发速度、有无钨酸盐的生成等)，电流密度J为165A/mm²以下时，则发挥良好的阴极性能。

推测：在超过165A/mm²的非常高的高电流密度区域中，在高的温度下进行工作，因此发射体与钨发生反应、会形成低熔点化合物(例如钨酸盐、氧化钨与氧化稀土类的氧化物彼此的化合物)，由于该低熔点化合物蒸发，导致放射照度的降低。

另外，在阴极主体部前端接合了含有发射体的前端部的阴极结构的比较例5中，在点灯50小时时、发生闪变，中止了实验。这是前端部的发射体在早期发生枯竭的结果。

进而，在阴极整体由使发射体含有的钨构成的比较例6中，经过100小时后的照度维持率降低为70％。推测：这是由于，即便是特意使阴极整体含有发射体，相对于阴极前端处的发射体的早期蒸发、发射体从阴极后方向前端的供给也无法顺畅地进行。

如此，实现可以将电流密度的上限提高至165A/mm²、高亮度、且长时间可维持高照度维持率的无氧化钍的放电灯。

在以下说明的实施方式4中，是在上述实施方式1的烧结体中作为发射体含有稀土类复合氧化物者。

另外，上述稀土类复合氧化物含有由选自元素周期表上的第4A族、第5A族及第6A族中的元素与氧所构成的氧化物。

进而，上述稀土类复合氧化物由氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种与高熔点金属的化合物构成。

根据本实施方式4，对于烧结体来说，通过在其内部含有稀土类复合氧化物，在较通常的氧化物状态还低的温度下还原至发射体(金属)的状态。由此，从电极温度更低的状态、即灯的点灯起动时开始，发射体自烧结体的供给顺畅地进行、从点灯初期就不会发生发射体枯竭，可获得稳定的灯点灯状态。

另外，上述稀土类复合氧化物通过含有由选自元素周期表上的第4A族、第5A族及第6A族中的元素和氧构成的氧化物，与氧化物状态的熔点相比、复合氧化物状态的熔点降低，因此可以可靠地发挥本申请发明的效果。

进而，通过上述稀土类复合氧化物由氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种和高熔点金属的化合物构成，与氧化物的状态相比，发生显著的熔点降低，因而可以期待在更低温状态下的还原作用。

本实施方式4中成为稀土类复合氧化物原材料的稀土类氧化物如下所述。

氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)

进而，稀土类复合氧化物的例子如下所述。

R：稀土类(上述的物质和重稀土类)

R-W-O

R-Zr-O

R-Ta-O

R-Nb-O

R-Mo-O

R-Hf-O

R-Ti-O等。

其中，作为优选的例子，可举出高温下较稳定、材料也廉价的R-W-O、R-Zr-O。

上述的稀土类复合氧化物与稀土类氧化物相比较时，其熔点有降低的倾向。示出其一个例子时，为图8所示的表4。

为稀土类复合氧化物时，是使稀土类氧化物与除了稀土类以外(4A属、5A属、6A属)的氧化物发生固相反应而成的氧化物。观察这2种氧化物的状态图时，一般来说相比较于任意一种氧化物为100％时的熔点、由两种氧化物发生反应所得的氧化物的熔点有下降的倾向。特别是，由于稀土类氧化物的熔点是超过2000℃的高熔点物质，因而使其发生固相反应而成的稀土类复合氧化物有熔点降低的倾向。

实际上，当调查各个的2种氧化物的状态图时，上述一般的倾向基本上都是成立的。

所生成的稀土类复合氧化物需要熔点比稀土类氧化物低，但如R-B-O的体系那样，当熔点过于降低时，则成为导致与W的反应过于进行等问题发生的主要原因。因此，在调查的范围内，在稀土类复合氧化物中成为稀土类氧化物的对象的氧化物的熔点有时比稀土类氧化物低，但优选具有1000℃～2000℃附近的熔点，优选是难以发生与W的反应或难以发生除了稀土类以外的氧化物扩散的物质。由此可知，当选择物质时，W、Zr、Ta、Hf、Ti的氧化物优选。这些一般来说是4A、5A、6A族的元素。

如图8的表4中示例的那样，在任何情况下，与稀土类氧化物的熔点相比，稀土类复合氧化物(W、Zr、Ta、Hf、Ti以氧化物的形式形成相)的熔点均有降低的倾向。这在确认各个状态图时读取到，基本上与上述稀土类复合氧化物的情况、组成无关，熔点与稀土类氧化物单体相比有降低的倾向。

接着，对含有稀土类复合氧化物的烧结体34的制作方法进行说明。

对应所制作的稀土类复合氧化物的比例，称量稀土类氧化物和4A、5A、6A元素的任意一种的氧化物。将这些氧化物混合，放入到烧成坩埚中，在多数情况下，在大气中在各个熔点×(0.5～0.9)的温度下进行烧成。由于所取出的粉末基本上发生烧结，因此进行粉碎、制成粉末。

此时，所制作的稀土类复合氧化物是1种稀土类氧化物与1种4A、5A、6A元素的任意一种氧化物，为了调整熔点或者调整电子释放特性，也可以分别混合2种以上。

例如，以1：2将Gd₂O₃和ZrO₂混合，在1800℃下进行烧成，从而可以生成Gd₂Zr₂O₇。

以重量比为1：1混合上述制作的稀土类复合氧化物的粉末和钨粉末(W)，添加粘合剂(硬脂酸)。将其在金属模具内进行加压、成型后，进行脱脂→主烧成(1800℃附近)，完成作为发射体含有稀土类复合氧化物的钨烧结体。

对于在此所说的发射体浓度，以稀土类复合氧化物相对于烧结体34的重量％浓度计算出。

如此形成的稀土类复合氧化物的熔点比稀土类氧化物的熔点低、例如Ce-W-O的熔点为最高组成时在文献上为2030℃，最低为1020℃左右。另外，Ce-Zr-O的熔点为2300℃左右。

任何情况与关于CeO₂(稀土类氧化物)所报道的熔点的最大值2600℃相比，均低。

因此，灯工作时通过使阴极的密闭空间附近的温度为熔点附近，上述Ce-W-O或Ce-Zr-O等稀土类复合氧化物上升至接近熔融的温度时，则推测在密闭空间内在多孔质钨中易于扩散、渗透多孔质钨中、易于向多孔质钨中成为高温侧的阴极前端侧移动。

由此可以推测，使发射体的供给变得顺畅、Ce等稀土类发射体从稀土类复合氧化物抵接于前端部内表面的部分向构成前端部的钨中扩散，将其搬送至阴极前端。

对于其他的稀土类复合氧化物而言，同样地通过保持于未达到熔点的高温，可以使发射体向阴极前端的供给变得顺畅。

在之后说明的实施方式5中，对上述实施方式1的前端部的比电阻值进行规定。

即，在图2所示的阴极结构中，使前端部32的比电阻ρ(测定温度T＝77K)为0.65～0.77μΩ·cm。由此，可以实现灯的闪变寿命的长期化。

该前端部32的比电阻ρ的值高时，从含有高浓度发射体的烧结体34向阴极前端的发射体供给量会增加、发射体的枯竭变得易于进行。进而，在发光管内表面上的发射体的附着也会增加、光束输出功率也会在早期衰减。

相反，当比电阻ρ的值低时，通过从含有高浓度发射体的烧结体向阴极前端的发射体供给量降低，前端部的发射体量易于变得不足、会发生发射体的枯竭。

一般来说，比电阻ρ因晶格缺陷和晶格振动和其他因素而变化，用下式表示。

ρ＝ρ₁(晶格缺陷)+ρ₂(晶格振动)+ρ₃(其他因素)

考察上述各因子所产生的比电阻值时，如下所示。

因晶格振动导致的影响ρ₂(晶格振动)多时，大致与温度T成比例地减少。

另外，ρ₃(其他因素)除了上述因素以外，虽然值小、但产生因电子之间的散射等所导致的电阻。

与此相对，因晶格缺陷导致的影响ρ₁(晶格缺陷)由于因晶体中的杂质或晶界等使电子散射所产生的电阻、即便温度变化也不会变化。

此次，在绝对温度为77K下测定的比电阻ρ相比较于在室温下测定的比电阻的值、晶格振动的影响更小，是反映前端部的材料的晶格缺陷的影响的值。

作为对因前端部的晶格缺陷产生的比电阻ρ₁(晶格缺陷)造成影响的主要原因，有添加于该前端部的添加剂(第1发射体或粒稳定剂)的粒子或者晶体中的杂质、晶界、加工变形的影响等。

以下对晶格缺陷造成的影响进一步进行说明。

进行前端部32的加工时，作为粒稳定剂含有抑制加工后的重结晶化的材料。

例如，在钨粒子中不含用于抑制重结晶化的添加剂(粒稳定剂)、直接对前端部进行加压、成型，进行烧结、模锻等加工时，例如长时间暴露于相当于灯点灯时温度的2200℃以上的高温时，内部的晶粒的重结晶化进行、产生粗大化，根据情况，晶界基本消失。因此当不添加添加剂时，伴随着灯的工作、晶界减少、比电阻ρ₁(晶格缺陷)减少。

与此相对，当添加用于重结晶化的添加剂时、分散在钨晶界中，产生抑制因钨粒的重结晶化导致的晶界消失的钉扎效果。因此，即便在高温下进行热处理、也可抑制重结晶化的进行、抑制晶粒的粗大化。因而，即便是由于灯的工作、比电阻ρ(晶格缺陷)也难以减少。

作为添加剂，可举出在实验上确认了在电极工作温度附近(2400℃)不与钨发生化学反应的氧化锆(ZrO₂)或氧化铪(HfO₂)，本申请中称作粒稳定剂。

另外，前端部中所含的第1发射体中使用的材料也与钨发生反应，虽然向外部扩散、但具有以扩散至前端部内部的状态、与氧化锆同样地抑制重结晶化的效果。

进而，对ρ₁(晶格缺陷)造成影响的添加剂的含量(第1发射体和粒稳定剂的总含量)例如优选为0.1重量％～5.0重量％、更优选为0.5～3.5重量％。该第1发射体在灯的最初点灯时用于确保起动性、较低设定浓度的原因在于防止暴露于放电电弧中而使发射体过度地蒸发。

即，第1发射体和粒稳定剂的总的添加剂的含量超过5.0重量％时，前端部的比电阻ρ(T＝77K)值比0.77μΩ·cm〔上限值〕大。将其在前端部中使用时，晶界增加，因此从发射体烧结体搬送至阴极前端的发射体量增大、阴极的放射虽然良好、但发射体的蒸发增加，发光管上的发射体附着量增加、促进发光管的黑化、白浊，因此不优选。

另外，构成前端部的烧结体会变脆、易于发生因烧结工序或模锻工序中的断裂所导致的破损。

另外，第1发射体和粒稳定剂的总的添加剂的含量小于0.1重量％时，前端部的比电阻ρ(T＝77K)值小于0.65μΩ·cm〔下限值〕。将这种构件在前端部中使用时，在点灯初期对于电子释放所需的发射体的添加量减少。与此同时，由于晶界也减少，因此在发射体烧结体向阴极前端扩散、搬运的发射体量减少。因此，钨的消失变得剧烈、在发光管上的钨附着量增加。此现象作为钨蒸发、发光管的黑化增加的现象可以确认。

进而，添加于前端部的添加剂与钨相比，室温下的电阻更大，事实上为绝缘体。因此，添加添加剂时，由于钨的有效的截面积减少，因此有比电阻增加的倾向。

另外，如图9所示，由于模锻造成的影响，钨粒子6相对于原本的球状、在垂直于加工方向的方向上被拉伸，其长宽比增大。与此相伴，由于钨粒子6中产生变形，因此有比电阻ρ₁(晶格缺陷)上升的倾向。另外，发射体7存在于该被拉伸的钨粒子6的晶界中。

以下关于前端部，研究了添加剂对比电阻造成的影响及与灯寿命的关系。

在测定比电阻时，钨材料的热处理条件为在真空中在2400K下热处理15分钟。

测定是使用4端子法测定电压、电流，由钨材料的尺寸计算出比电阻。此时，在液氮中(绝对温度为77K)进行测定。

在液氮中，由于可以相当程度地抑制因比电阻的声子散射(晶格振动)造成的影响，因此所测定的比电阻的值支配性地由添加剂的添加量影响所反映，即成为上述的ρ₁(晶格缺陷)。

接着，对使用以下阴极结构的灯进行评价。

阴极的外径：φ12mm、轴方向的长度：21mm

前端部的尺寸：轴方向长度为2mm、材料例子：掺杂有氧化镧(发射体)、氧化锆(粒稳定剂)的钨

主体部的尺寸：轴方向长度为19mm、材料例子：掺杂有氧化锆(粒稳定剂)的钨

烧结体的尺寸：φ2mm、轴方向长度：6mm、材料例子：以重量比为1：2混合氧化铈、钨，进行成型、烧结。

在上述的阴极中，改变前端部中所含的添加剂(发射体及粒稳定剂)、使其比电阻变化、研究灯寿命(闪变寿命)。

将其结果示于图10的表5中，灯寿命为100小时以上的条件是在前端部的钨中添加了0.5～3.5重量％的添加剂的情况，在2400K下进行真空热处理之后，在测定温度T＝77K进行测定的比电阻为0.65～0.77μΩ·cm。

由于确保发射体的扩散成为重点，因此晶界越多越好，但若含有发射体的添加剂的添加量过多、变为5.0重量％以上时，则晶界增加、同时发射体的浓度也提高，因此向阴极前端的发射体供给量会增加、发射体的枯竭易于进行，而且因发射体的蒸发导致的在发光管内表面上的附着也增加、发生白浊，光束输出功率也在早期衰减。

另一方面，含有发射体的添加剂低达0.1重量％以下时，相反，晶界会减少、且发射体的浓度也低，因而发射体向前端的扩散供给不足、早期会发生发射体的枯竭，点灯性变得不良，同时前端部的钨蒸发、附着在发光管上、导致黑化。

在之后说明的实施方式6中，上述实施方式1的主体部及/或前端部在烧结体周围的区域中形成有沿阴极轴方向延伸的纤维状金属组织。

使用稀土类元素作为发射体时，还有发射体的蒸发物附着在发光管内表面、导致失透的问题。

图20是表示一般的阴极前端部的结构的图。如该图的阴极90所示，在阴极前端中，对于电弧A覆盖的部分91而言，发生了蒸发的发射体(稀土类元素)发生电离、变为阳离子、再次返回至阴极的循环产生作用。但是，从电弧未覆盖的阴极的侧面92蒸发的发射体(稀土类元素)在不返回至阴极90的情况下被释放到发光空间内，具有附着在发光管的内表面、成为发光管失透的原因的问题。

实施方式6是抑制发射体自电弧未覆盖阴极的侧面进行蒸发、防止发光管的失透的形态。

因此，本实施方式6中，阴极的主体部及/或前端部在所埋入的烧结体周围的区域中形成有沿上述阴极的轴方向延伸的纤维状金属组织。另外，主体部由不含发射体的纯钨构成。

如此，烧结体所含的发射体(稀土类氧化物)难以向阴极的径方向扩散、强制地被扩散移送至前端侧，因此向阴极前端的供给顺畅且迅速地进行，在防止发射体在前端部的枯竭的同时、抑制发射体自阴极的电弧未覆盖的侧面的蒸发、防止发光管的失透。

另外，通过将上述烧结体埋设在实质上由纯钨构成的上述主体部内中，用纯钨构成电弧未覆盖的区域，因此可进一步抑制稀土类元素露出到该区域。

如图11(A)(B)所示，在埋设于阴极3内的含高浓度发射体(除了钍之外)的烧结体34的长度方向侧面的周围，大致遍及烧结体34的总长、形成有沿阴极3的轴方向延伸的由晶粒构成的纤维状金属组织8。此实施方式中，由于将烧结体34实质上埋设于主体部31中，因此上述纤维状金属组织8形成在由纯钨构成的主体部31中。

如上所述，发射体自烧结体34扩散、被移送至前端部32，但发射体自烧结体34的扩散不仅限于自其前端侧、还自其侧面，通过存在于其周围的沿阴极3轴方向延伸的纤维状金属组织8、可抑制发射体在径方向上的扩散、强制地将其向长轴方向移送。

由此，由于来自烧结体34的发射体专门地被移送至前端部32侧，因此成为对应前端部32处的发射体消耗的移送供给，不会发生枯竭。而且，由于可抑制向半径方向的移送，因此可尽可能地抑制发射体自阴极3的锥状侧面的蒸发、抑制发光管的白浊。

以下根据图12说明这种纤维状金属组织8的制作方法。

在作为阴极构成材料的钨粉末中添加杂质(例如钾)进行还原，将其粉体放至筛中，对粒度进行调节配合。所配合的粉末在约1000个气压左右的压力下变成压缩粉体。该压缩粉体在高温炉内被烧结、变为烧结体。如图12(A)所示，该烧结体中、钨粒的纵横长度大致相等。即，长宽比(轴方向长度/径方向长度)约为1。

例如在1300℃～1500℃的温度环境下自侧面对该烧结体进行旋锻(模锻)时，烧结体的旋锻方向的截面积缩小、沿轴方向延伸。即，在作为钨的塑性加工的旋锻工序的过程中，烧结体的粒形状如图12(B)所示，成为径方向上细、且轴方向上长的纤维状金属组织8。继续该旋锻工序时，烧结体的粒形状变得更细、长宽比变得更大。如此，通过旋锻工序可获得所需的长宽比。另外，每次经过旋锻工序时，将烧结体加热至重结晶温度以下的温度进行退火。如此，可以获得轴方向上长、径方向上短的由纤维状金属组织构成的钨基体。

通过反复进行旋锻工序，钨的理论密度增高、达到99％以上。本发明中，至少构成纤维状金属组织的高熔点金属部分中，优选理论密度为98％以上、更优选为99％以上、进一步优选为99.8％以上。

另外，图11中显示了烧结体34埋设在主体部31内的情况，如图2(B)所示，烧结体34也可以跨越主体部31和前端部32进行埋设，此时纤维状金属组织也按照跨越主体部和前端部的方式形成。

另外，如图2(C)所示，烧结体34可以埋设在前端部32内，此时纤维状金属组织形成在前端部32中。

进而，该纤维状金属组织8遍及烧结体34的大致总长上形成，但实际上只要是形成在烧结体的从前端面至后方侧5mm的范围内，则可期待充分的效果。

这是由于，烧结体34被埋设在阴极3的锥形部中、温度随着从阴极前端向后方急剧地降低(数100K/mm)，因而在距离烧结体34的前端为5mm以上的后方、发射体自烧结体的扩散看上去不显著，另外由于温度低、因此烧结体不会熔融。

接着，根据图13～图15对实施方式7进行说明。

该实施方式7中在阴极的前端形成有铼-钨合金部。

在灯点灯时，在达到极高温的阴极的前端部处，晶粒的重结晶化进行、晶界消失时而发生，但通过在与该前端部的阳极相向的前端面上设置铼-钨合金部，在与通常的钨相比、发生重结晶化的温度更高的铼-钨合金部中，即便是高温的状态下，也可抑制重结晶化、确保晶界，不会阻碍发射体自烧结体的晶界扩散。

图13中，与上述各实施方式同样，阴极3由不含钍的高熔点金属材料所构成的主体部31和接合于该主体部31的前端部32构成，该前端部32中以适当含量含有除了钍以外的发射体。进而，在设置于主体部31的密闭空间33内埋设有含有较上述前端部32中所含的发射体更高浓度的发射体(除了钍之外)的烧结体34。

进而，在阴极3的前端部32的前端面设置有由铼(Re)和钨(W)的合金(Re-W)构成的铼-钨合金部35。

由于铼-钨合金与通常的钨相比、发生重结晶化的温度更高，因此即便是在点灯时的高温状态下也几乎不会发生重结晶化，可确保晶界、维持第2发射体的供给路径。

根据图14说明本实施方式7的作用。图14(A)表示本实施方式7、图14(B)表示未设置Re-W合金部的比较例。

在灯点灯时，阴极3的前端变成非常的高温(2400K以上)，如图14(B)所示，前端部32的钨晶粒有时通过该高温发生重结晶化。该重结晶化进行时，则晶粒的晶界会消失、会关闭因晶界扩散产生的自烧结体34的第2发射体的供给路径，有时第2发射体向前端面的供给不会顺畅地进行。

本实施方式7中，为了防止这种事态，如图14(A)所示，在前端部32的前端面上设有由铼(Re)和钨(W)的合金(Re-W)构成的铼-钨合金部35。

铼-钨合金与通常的钨相比，由于发生重结晶化的温度高，因此即便是点灯时的高温状态、也几乎不会重结晶化，可确保晶界、维持至前端面的第2发射体的供给路径、发射体向前端面的供给顺畅地进行。

这种铼-钨合金部35只要设置在前端部32的前端面上即可。具体地说，只要自前端向根侧、以0.5mm以上的厚度进行设置就足够了。

其理由在于，在本发明应用的短弧型放电灯中，阴极前端的温度梯度显著增大、随着离前端的距离加大则温度急剧地降低、降低钨晶粒发生重结晶化的温度。

其中，该铼-钨合金部35中还可以含有与上述前端部32所含第1发射体相同的发射体。

另外，如上所述，铼-钨合金部35为0.5mm以上的厚度就足够了，但也可利用铼-钨合金构成前端部32整体，以在其中含有第1发射体的形态接合于主体部31。

接着，使用图15说明本实施方式7的阴极的制造工序。

首先，如图15(A)所示，在构成主体部31的主体构件31a的前端侧上形成构成密闭空间33的孔33a，在该孔33a内插入烧结体34。接着，使构成前端部32的前端构件32a抵接于烧结体34。

此时，如(B)所示，烧结体34的前端自主体部31的表面突出0.5mm左右的一定量。

按压前端构件32a，将烧结体34压缩，使前端构件32a与主体构件31a抵接。在此状态下，通过扩散接合或电阻焊等，将主体构件31a与前端构件32a接合。

接着，如(C)所示，在前端构件32a与主体构件31a的接合后，对阴极3的前端进行切削加工。

然后，如(D)所示，在经切削加工的前端部32的前端面上涂布将铼的粉末分散在硝基纤维素和乙酸丁酯中而成的溶液。

如(E)所示，对其在2200～2400℃下进行真空加热处理(烧成处理)，从而使铼固溶在钨中，形成铼-钨合金部35，制成最终制品。

另外，以下基于图15(F)说明形成铼-钨合金部35的其他方法。

如图15(F)所示，在接合有主体构件31a和前端构件32a的形态的前端面上接合铼-钨合金板35a。

如(G)所示，对阴极3的前端部进行切削加工。

由此，如(H)所示，将前端部32接合于主体部31前端、同时在该前端部32的前端面上形成铼-钨合金部35，获得在内部的密闭空间33内密闭埋设有烧结体34的阴极3的最终形状。

利用使用了本实施方式7的阴极结构的短弧型放电灯，进行电压变动的评价。

在实验中使用的灯中，作为本发明实施方式7使用的阴极是设有上述铼-钨合金部的阴极，作为比较例的阴极是未形成铼-钨合金部的阴极。

对象灯：氙灯

输入功率：4.9kW

阴极的外径：φ12mm、轴方向的长度：21mm

锥角：40°

将其结果示于表6。

＜表6＞

如表6可知，比较例(无Re-W)中，距离点灯开始1小时左右、自初期的电压变动为0.8V，经过100小时后超过1.2V。

与此相对，本发明(有Re-W)中，即使在点灯开始后经过100小时时，也为0.8V，保持在与初期的0.6V大致同等的水平。

由此可知，Re-W合金部对于使来自阴极的电子释放特性稳定是有效的。在此，通过在W中含有Re，可抑制W的晶体成长，因此相比较于没有Re的情况，在前端部中第2发射体自烧结体的扩散顺畅地进行，因而推测抑制了电压变动。

另外，图13的实施方式中，将烧结体34埋设在阴极3的主体部31内，但并非限定于此，如图2(B)所示，可以将烧结体34跨越主体部31和前端部32进行埋设，如图2(C)所示，烧结体34还可以埋设在前端部32内。

这些任意一个实施方式中，均优选烧结体34的前端与阴极3前端的距离是1.5mm～5.0mm的范围。

在接着说明的实施方式8中，对构成前端部32的钨的晶界密度和该前端部的从抵接于烧结体的部位至前端面的发射体的浓度梯度进行规定。

即，前端部的钨的晶界密度A(mm^-1)和该前端部的从抵接于上述烧结体的部位至前端面的发射体的浓度梯度B(mol/mm⁴)之积(A×B)为260×10^-9(mol/mm⁵)≤A×B≤670×10^-9(mol/mm⁵)的范围。

在上述实施方式1的阴极结构中，根据关于发射体自烧结体34向前端部32的前端面的扩散、本发明人们所获得的发现可知，在发射体的扩散量与作为前端部构成材料的钨的晶界密度的关系中，有发射体扩散量与晶界密度提高成比例地增大的方向。因此，当晶界密度过高时，则扩散量变得过大，过少时，则扩散量变得过小。

换而言之，通过使晶界密度为适当的范围，可以控制发射体自阴极前端的蒸发状态、防止发射体的枯竭、长期间维持适当的放射状态。

本发明中，构成阴极的前端部的钨的粒子的晶界密度(A)为120～430(mm^-1)的范围。

对于在此的钨粒子的晶界密度来说，即使在阴极的前端部中，也是内部钨粒的晶界密度。

另一方面，在发射体的扩散量与前端部中的发射体的浓度梯度的关系中，有发射体扩散量与浓度梯度增大成比例地增大的方向。

因此，当浓度梯度过大时，则扩散量变得过大，过小时，则扩散量变得过小。

使用图16说明该浓度梯度的计算方法。

使相当于前端部32的烧结体34的部位32d处的发射体浓度为N₀。

烧结体34中所含的发射体浓度(B)为10wt％≤B≤80wt％的范围，由分析结果计算出的在钨中的扩散量、解答扩散方程式，从而计算出该烧结体34的发射体浓度(B)＝30wt％时的上述发射体浓度N₀的值，为N₀＝3.76×10^-9(mol/mm³)。

此时的前端部32的前端面32c处的发射体浓度N大致为0，改变从烧结体34前端至前端部32前端面32c的距离L时，其浓度梯度(B)发生变化。在此，表示距离L为1～6mm的浓度梯度时，如以下表7所示。

＜表7＞

前端部32的抵接于烧结体34的部位32d处的发射体浓度N₀随烧结体34的发射体含量或晶界密度而发生变化，其变化范围约为(1.25～10.03)×10^-9(mol/mm³)。

如上所述，由于发射体扩散量依赖于晶界密度和浓度梯度，作为其指标使用(晶界密度×浓度梯度)。

制作使晶界密度(A)为120～430(mm^-1)的范围、各个浓度梯度(B)为(0.63～3.8)×10^-9(mol/mm³)的阴极，组装到灯中，确认其灯寿命。在此，灯寿命通过照度维持率达到60％为止的时间或作为表示闪变发生的指标的电压变动达到规定值1.2V以上为止的时间进行评价。

图17的表8为其结果，表8中，评价○为灯寿命达到300小时以上、◎为达到400小时以上。

进而，对该结果作图的结果为图18的图表2。

由图17(表8)及图18(图表2)也可知，(晶界密度A)×(浓度梯度B)的值为260×10^-9～670×10^-9(mol/mm⁵)的范围时，可获得300小时以上的良好的灯寿命。

更优选400×10^-9～560×10^-9(mol/mm⁵)的范围时，可获得400小时以上的更良好的灯寿命。

该实施方式8中，与上述任意一个实施方式相同，烧结体34并非限定于埋设于主体部31内的结构，可以跨越主体部31和前端部32进行埋设、也可埋设在前端部32内。

符号说明

1 放电灯

2 发光管

3 阴极

31 主体部

32 前端部

33 密闭空间

34 烧结体

35 铼-钨合金部

4 阳极

5 还原剂

51 箔状还原剂

52 粉末状还原剂

53 粉末状还原剂

6 钨粒子

7 发射体

8 纤维状金属组织

Claims

1.一种放电灯，其为在发光管的内部相向配置有阴极和阳极的放电灯，其特征在于，

所述阴极由主体部及接合于其前端侧的前端部构成，

所述主体部由不含钍的高熔点金属材料构成，

所述前端部由含有除了钍之外的发射体的高熔点金属材料构成，

并且在形成于所述主体部及/或前端部的内部的密闭空间内埋设有含有较所述前端部中所含的发射体更高浓度的除了钍之外的发射体的烧结体。

2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部及烧结体中所含的发射体为氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)或氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种或者它们的组合。

3.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部的发射体浓度(CF)为0.5重量％≤CF≤5重量％，

所述烧结体的发射体浓度(CB)为10重量％≤CB≤80重量％，

并且CF＜CB。

4.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述密闭空间中密封有所述烧结体和将所述烧结体中所含的发射体还原的还原剂。

5.根据权利要求4所述的放电灯，其特征在于，

所述还原剂是钛(Ti)、钽(Ta)、钒(V)、铌(Nb)中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部由钨构成，

所述烧结体中所含的发射体是氧化铈，

所述阴极的前端与所述烧结体的前端的距离为1.5mm～3.5mm。

7.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述阴极的前端部分具有圆锥台形状，

使所述阴极的距离前端为0.5mm的位置的截面积为S(mm²)、灯电流为I(A)时，为165≥I/S(A/mm²)。

8.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述烧结体是含有稀土类复合氧化物而构成的。

9.根据权利要求8所述的放电灯，其特征在于，

所述稀土类复合氧化物含有由选自元素周期表上的第IVB族、第VB族及第VIB族中的元素和氧构成的氧化物。

10.根据权利要求8或9所述的放电灯，其特征在于，

所述稀土类复合氧化物由氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)、氧化钆(Gd₂O₃)、氧化钐(Sm₂O₃)、氧化镨(Pr₆O₁₁)、氧化钕(Nd₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)中的任意一种与高熔点金属的化合物构成。

11.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部的比电阻ρ在测定温度T＝77K下为0.65～0.77μΩ·cm。

12.根据权利要求11所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部由钨构成，

所述前端部含有抑制所述钨的晶体成长的粒稳定剂，

所述粒稳定剂为氧化锆或氧化铪。

13.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述主体部及/或前端部在所述烧结体的周围区域中形成有沿所述阴极的轴方向延伸的纤维状金属组织。

14.根据权利要求13所述的放电灯，其特征在于，

所述烧结体的前端面在所述密闭空间内与所述前端部抵接，

所述纤维状金属组织形成在所述烧结体的从前端面至后方侧5mm的区域内。

15.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部由钨构成，

在所述前端部的与所述阳极相向的前端面上形成有铼-钨合金部。

16.根据权利要求15所述的放电灯，其特征在于，所述铼-钨合金部的厚度至少为0.5mm以上。

17.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述前端部由钨构成，

所述前端部的钨的晶界密度A(mm^-1)与所述前端部的从抵接于所述烧结体的部位至前端面的发射体的浓度梯度B(mol/mm⁴)之积A×B为260×10^-9(mol/mm⁵)≤A×B≤670×10^-9(mol/mm⁵)的范围。