CN106024577A - 放电灯 - Google Patents

Abstract

提供一种放电灯，在将不同的金属部件接合而形成电极的放电灯中，防止发射体物质的耗尽，抑制电弧放电的闪烁。在放电管内相对配置有阴极和阳极的放电灯中，阴极是通过将多个金属部件固态接合而形成的，该多个金属部件包括含有发射体物质的前端侧部件以及由导电性的电极支承棒支承的后端侧部件，使从前端侧部件朝向后端侧部件移动的热量以金属部件之间的至少一个接合面附近为界而变小。

Description

放电灯

技术领域

本发明涉及用于曝光装置等的放电灯，尤其涉及短弧型放电灯等高输出放电灯的电极构造。

背景技术

以往，放电灯中，向阴极添加发射体物质而提高电子发射特性。作为发射体代表性地使用氧化钍(ThO₂)，但氧化钍是放射性物质。因此，应该尽量控制使用，开发出像专利文献1那样仅使阴极的前端含有发射体物质(氧化钍)的放电灯。

专利文献1：日本特许第5316436号公报

然而，在以往的阴极构造中，无法有效地使用阴极前端的内部中含有的发射体。在放电灯的点亮时，与阴极前端的表面相比，阴极前端的内部的温度较低，阴极前端的内部中含有的发射体不会热扩散，发射体未提供到阴极前端的表面。因此，因在阴极前端的表面上发射体耗尽、电子发射特性降低而产生闪烁。

发明内容

因此，谋求即使在减少了发射体的量的放电灯中，电子发射特性也不会降低而能够降低闪烁。

本发明的放电灯具有放电管以及在放电管内相对配置的阴极和阳极，阴极是通过将多个金属部件固态接合而形成的，该多个金属部件包括含有发射体物质的前端侧部件以及由导电性的电极支承棒支承的后端侧部件，从前端侧部件朝向后端侧部件移动的热量以金属部件之间的至少一个接合面附近为界而变小。

在放电灯的点亮时，在阴极中前端为最高温，从该前端到比较低温的后端侧产生热移动。以部件之间的接合面附近为界而使该移动的热量减少，从而抑制前端侧部件的温度降低。其结果为，阴极前端侧部件内部的发射体进行热扩散，向前端表面提供发射体，降低发射体不足。因此，在减少了发射体量的放电灯中，电子发射特性也不会降低，而能够降低闪烁。

附图说明

图1是示意性示出本实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

图2是将阴极的电极间附近放大的概略性剖视图。

图3是将第2实施方式的阴极的接合面附近放大的概略性剖视图。

图4是第3实施方式的阴极的概略性剖视图。

标号说明

10：放电灯；12：发光管；20：阴极；22：前端侧部件；24：后端侧部件；30：阳极；J：接合面；L：电极轴。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是示意性示出第1实施方式的短弧型放电灯的俯视图。

短弧型放电灯10是能够在形成图案的曝光装置(未图示)的光源等中使用的放电灯，具有透明的石英玻璃制的放电管(发光管)12。在放电管12中阴极20、阳极30隔开规定的间隔而相对配置。

在放电管12的两侧，石英玻璃制的密封管13A、13B以相对的方式与放电管12一体地设置，密封管13A、13B的两端被灯头14A、14B封住。这里，放电灯10以阳极30处于上侧、阴极20处于下侧的方式沿着铅垂方向配置。

在密封管13A、13B的内部配设有对金属制的阴极20、阳极30进行支承的导电性的电极支承棒17A、17B，其经由金属环(未图示)、钼等金属箔16A、16B而分别与导电性的引线棒15A、15B连接。密封管13A、13B与设置在密封管13A、13B内的玻璃管(未图示)熔敷，由此将封入有水银和稀有气体的放电空间DS密封。

引线棒15A、15B与外部的电源部(未图示)连接，经由引线棒15A、15B、金属箔16A、16B以及电极支承棒17A、17B对阴极20、阳极30之间施加电压。当向放电灯10提供电力时，在电极间产生电弧放电，放射出基于水银的亮线(紫外光)。

图2是将电极间附近放大的概略性剖视图。

阴极20由具有阴极前端面20S的金属部件(前端侧部件)22和被电极支承棒17A支承的金属部件(后端侧部件)24构成。圆锥台形状的前端侧部件22具有前端侧锥形部分22A。后端侧部件24具有与电极支承棒17A接合的圆柱状部分24B以及与前端侧部件22接合的后端侧锥形部分24A。由前端侧锥形部分22A和后端侧锥形部分24A构成阴极20的直径缩小部(锥形部)20T。

前端侧部件22作为以使钨(W)包含氧化钍的敷钍钨为材料的电极而构成。另一方面，后端侧部件24由作为热传导率比前端侧部件22小的金属的钼(Mo)构成。

关于由敷钍钨制成的前端侧部件22的热传导率，由于氧化钍的含有量微小(例如，2wt％)，因此实质上与钨的热传导率(约177W/mk)相等。另一方面，由钼制成的后端侧部件24的热传导率约为139W/mk，后端侧部件24的热传导率比前端侧部件22的热传导率小。

阴极20通过将前端侧部件22和后端侧部件24接合而成型，这里根据放电等离子烧结(SPS)进行制造。具体而言，准备将金属粉末烧结而固形化的圆柱状的前端侧金属材料122和后端侧金属材料124(参照图2)，并设置于SPS装置。

在SPS装置中，使前端侧金属材料122的平坦的端面(接合侧端面)122J与后端侧金属材料124的端面124J密接，对前端侧金属材料122和后端侧金属材料124的两端进行加压并且施加电压，通过等离子放电使前端侧金属材料122与后端侧金属材料124固态接合。此时的电压值、加压力、加压时间根据电极尺寸等而确定。该前端侧金属材料122与后端侧金属材料124分别成为前端侧部件22、后端侧部件24。

在固态接合的情况下，在接合面附近不会引起急剧的晶体构造变化，能够充分地确保接合面强度。虽然通过溶融接合或钎焊也可以接合，但在溶融接合中需要加热到金属的熔点，因此所含有的发射体被还原，发射体耗尽。并且，在钎焊中，焊料有可能因放电灯10点亮时的温度融化而导致前端侧部件22从后端侧部件24剥离。

并且，通过在固态接合后实施切削加工等加工处理而形成具有锥形部20T的阴极20。按照规定的电极间距离将阴极20和由钨构成的阳极30相对配置。

阴极20的接合面J沿着与电极轴L垂直的方向(这里为90°)形成，在整个接合面J上实质上不会产生间隙。即，由于前端侧金属材料122、后端侧金属材料124的端面122J、124J都是平坦的，因此在接合面J中不会产生因预先有意地形成的粗糙面或凹凸等引起的间隙。

通过这样的阴极20的构造，在仅使前端侧部件22含有氧化钍(发射体物质)而减少氧化钍量的放电灯中也能够实现闪烁的降低。

当点亮放电灯10时，在阴极20中，前端面20S成为最高温(1000℃以上)。由于热量从温度高的部位向温度低的部位移动，因此阴极前端面20S的热量朝向后端侧部件24的电极支承棒17A侧移动。此时，在阴极由同种部件接合而构成的情况下，由于前端侧部件与后端侧部件的热传导率为相同程度，因此在接合面附近进行移动的热量保持不变。

另一方面，在本实施方式中由于后端侧部件24的热传导率比前端侧部件22的热传导率稍小，因此以接合面J附近为界进行移动的热量变小。因此，与将同种部件接合得到的阴极的前端侧部件相比向后端侧移动的热量较小，与之相应地前端侧部件22的温度不容易降低。前端侧部件22的温度降低得到抑制，前端面20S与前端侧部件22的内部之间的温度差变小，从而氧化钍不仅从前端侧部件22的表面还从前端侧部件22的内部进行热扩散。

由此，进行对阴极前端面20S的氧化钍提供，电子发射特性不会降低，能够降低闪烁。

由于像上述那样使平坦的金属材料端面彼此相互对接而接合，在接合面J上不会产生有意地形成的粗糙面或凹凸。不会因粗糙面或凹凸的有无而在传热量上产生差值，热量沿着接合面J均匀地移动。因此，虽然接合了热传导率低的金属的后端侧部件24，也能够防止接合面J的局部性的过热，不用担心产生急剧的局部性的电极消耗。

另外，这里的“平坦”表示未有意地在接合侧端面上设置槽或凹凸、不是粗糙面的情况，并不要求是平滑面或相对于电极轴L严格的垂直方向。只要在移动的热量不产生差值、不会引起局部性的过热的范围中平坦即可。

由于放电灯10中有时在阴极前端面20S达到约2000℃，因此前端侧部件22适合为高熔点的钨。由于该钨的热传导率(约177W/mk)的关系，因此后端侧部件24最适合为钼。如果前端侧部件22与后端侧部件24的热传导率之间的差值过小，则传热量不会变小，无法期待本发明的效果。相反，如果前端侧部件22与后端侧部件24的热传导率之间的差值过大，则接合面J的周边会成为过热状态，导致接合面强度的降低和电极的消耗。

例如，在由镁构成后端侧部件24的情况下，热传导率约为157W/mk是适当的，但由于熔点约为650℃，因此无法将其应用于放电灯10的阴极20。并且，在由铼构成后端侧部件24的情况下，熔点较高为3180℃，但热传导率较低约为47.9W/mk，无法应用。

另外，通过使后端侧部件24采用钼，从而与利用1种钨材料一体地形成的电极相比重量变轻，还可以期待在耐振性上优越的效果。并且，并不仅是纯钼，也可以由以钼为主要成分的合金构成。

这样根据本实施方式，在具有阴极20、阳极30的短弧型放电灯10中，通过将由敷钍钨构成的前端侧部件22和由钼构成的后端侧部件24固态接合而形成阴极20，在接合面附近减小从前端面20S传递到后端侧部件24侧的热量。

接着，使用图3对第2实施方式进行说明。在第2实施方式中，在接合面附近形成有凹槽。关于其以外的结构，由于实质上与第1实施方式相同，因此对相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。

图3是第2实施方式的阴极的接合面附近的剖视图。

阴极20由前端侧部件22和后端侧部件24构成，接合面J沿着电极轴L的垂直方向形成。此外，在后端侧部件24的接合侧端面附近形成有朝向电极轴L侧凹陷的凹槽26。凹槽26在电极轴L的垂直方向上的直径比前端侧部件22的接合侧端面的直径小。

凹槽26形成在后端侧部件24的接合侧端面附近的整个外周，能够通过在固态接合后进行切削加工而形成。并且，也可以最初在后端侧材料124中设置凹陷。

通过这样形成凹槽26，从而与前端侧部件22的接合侧端面的直径相比，设置有凹槽26的后端侧部件24的接合侧端面附近的直径较小。截面积从阴极前端面20S朝向电极支承棒17A侧减少，移动的热量减少。由此，有助于抑制前端侧部件22的温度降低。因此，氧化钍还从前端侧部件22的内部热扩散，向阴极前端面20S提供氧化钍，电子发射特性不会降低，而能够降低闪烁。

形成凹槽26的部位应该根据阴极20的尺寸通过实验等适当选择。然而，当凹槽26的形成位置相对于接合面J向电极支承棒17A侧过于远离时，如果不形成深的凹槽，则无法使凹槽26的电极轴L的垂直方向上的直径比前端侧部件22的接合侧端面的直径短。这会导致切削加工变得复杂。相反，当凹槽26的形成位置过于接近接合面J时，有可能导致接合面强度的降低。因此，可以在加工不复杂且能够维持接合面强度的位置上设置凹槽26。

在本实施方式中在后端侧部件24的接合侧端面周边的整个外周上形成凹槽26。然而，只要能够使凹槽26的直径比前端侧部件22的接合侧端面的直径短，凹槽26也可以形成于后端侧部件24的接合侧端面附近的至少一部分，也可以不遍及整个外周。另外，凹槽26也可以是用于增大阴极20的表面积的螺纹加工槽。

接着，使用图4对第3实施方式的放电灯进行说明。在第3实施方式中，构成为后端侧部件的锥形角度比前端侧部件的锥形角度小。关于其以外的结构，由于实质上与第1实施方式相同，因此对相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。

图4是第3实施方式的阴极的剖视图。

阴极20由前端侧部件22和后端侧部件24构成，接合面J沿着电极轴的垂直方向形成。此外，后端侧部件24的锥形角度θ2构成为比前端侧部件22的锥形角度θ1小。

通过在固态接合后实施切削加工等加工处理，能够形成期望的锥形角度。并且，也可以将本来形成有期望的锥形角度的前端侧金属材料122与后端侧金属材料124固态接合。例如，可以将前端侧部件22的锥形角度θ1设为70°，将后端侧部件24的锥形角度θ2设为50°。

通过这样使后端侧部件24的锥形角度θ2构成为比前端侧部件22的锥形角度θ1小，与前端侧部件22的锥形角度和后端侧部件24的锥形角度相同的情况相比，能够传热的截面积减少，有助于抑制前端侧部件22的温度降低。因此，氧化钍还从前端侧部件22的内部热扩散，向阴极前端面20S提供氧化钍，电子发射特性不会降低，而能够降低闪烁。

另外，不限于第2、第3实施方式这样的结构，只要将与前端侧部件22的锥形角度相比靠接合面J附近的后端侧部件24的至少一部分配设在阴极20的轴L侧即可。能够限制从阴极前端面20S移动的热量，有助于闪烁的降低。并且，只要能够使移动的热量减小，也可以由钨构成后端侧部件24。

并且，优选为了提高前端侧部件22与后端侧部件24的接合强度，而在前端侧部件22与后端侧部件24之间夹持中间部件，将前端侧部件22、中间部件、后端侧部件24固态接合，从而实现接合面间的密合化。即使因传热量较小而导致热量积存在接合面J附近，也能够维持接合强度。

中间部件为了对前端侧部件22与后端侧部件24之间的热量移动的大小关系的影响进行抑制而优选约为1mm以下的厚度。例如，可以使用铼、钽、钼或者它们的合金。另外，在使用具有厚度的中间部件的情况下，需要为了限制前端侧部件22的温度降低而减小以前端侧部件与中间部件的接合面、或者中间部件与后端侧部件的接合面为界进行移动的热量。

由于借助本发明的阴极20的构造能够有效利用前端侧部件22的内部中含有的氧化钍(发射体物质)，因此也可以将前端侧部件22中含有的氧化钍量本身减少。在第1至第3实施方式中使前端侧部件22含有2wt％的氧化钍，但可以减少到1wt％以下。即使是在由含有1wt％的氧化钍的敷钍钨构成的前端侧部件22中，通过像第1至第3实施方式那样构成，也能够不使电子发射特性降低而降低闪烁。

另外，在第1～第3实施方式中，使阴极20为锥形形状，但也可以是所谓的子弹型的圆弧形状。此外，也可以应用于短弧型放电灯以外的放电灯。并且，发射体物质不限于氧化钍，也可以是氧化钡或稀土类元素等提高电子发射特性的物质。

Claims (7)

1.一种放电灯，其特征在于，

该放电灯具有：

放电管；以及

在所述放电管内相对配置的阴极和阳极，

所述阴极是通过将多个金属部件固态接合而形成的，该多个金属部件包括含有发射体物质的前端侧部件以及由导电性的电极支承棒支承的后端侧部件，

从所述前端侧部件朝向所述后端侧部件移动的热量以金属部件之间的至少一个接合面附近为界而变小。

2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，

所述前端侧部件是含有氧化钍的敷钍钨，所述后端侧部件是钼或者以钼为主要成分的合金。

3.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，

所述阴极至少具有由所述前端侧部件的锥形部分和所述后端侧部件的锥形部分构成的锥形部分，

与所述前端侧部件的锥形角度相比，所述接合面附近的所述后端侧部件的锥形部分的至少一部分配设在阴极轴侧。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，

在所述后端侧部件的接合侧端面的附近的至少一部分形成有凹槽。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，

所述后端侧部件具有比所述前端侧部件的锥形角度小的锥形角度。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的放电灯，其特征在于，

所述阴极通过如下的方式而形成：使中间部件夹在所述前端侧部件与所述后端侧部件之间，并将所述前端侧部件、所述中间部件、所述后端侧部件固态接合。

7.一种放电灯，其特征在于，

该放电灯具有：

放电管；以及

在所述放电管内相对配置的阴极和阳极，

所述阴极是通过将多个金属部件固态接合而形成的，该多个金属部件包括由含有1wt％以下的氧化钍的敷钍钨制成的前端侧部件以及由钼制成的后端侧部件，

从所述前端侧部件朝向所述后端侧部件移动的热量以部件之间的接合面为界而变小。