CN1639833A - 短弧光－高压放电灯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流工作用的、具有一个放电管(2)的短弧光－高压放电灯(1)，所述放电管(2)具有两个在直径上相面对的颈(4)，颈中以气密方式熔接分别由钨所制成的一个阳极(26)及一个阴极(7)，且所述放电管具有一种由至少一种稀有气体及可能的水银所制成的填料。根据本发明，至少该阴极尖端(11)的材料除了钨之外还含有La2O3及至少另一种选自HfO2及ZrO2族的氧化物。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流工作用的、具有一个放电管的短弧光-高压放电灯，所述放电管具有两个在直径上相面对的颈，颈中以气密方式熔接分别由钨所制成的一个阳极及一个阴极，该放电管中另具有一种由至少一种稀有气体及可能的水银所制成的填料。这种灯可作为水银弧光灯且在半导体工业中特别适用于微刻术中使晶片曝光，这种灯另外可作为氙弧光灯以用于电影-及视频投影中。
背景技术
曝光过程中所使用的水银-短弧光-高压放电灯必须在紫外线波长范围中(一部分须限制在数个纳米的波长中)提供一种高的光强度，其中光的产生限制在一个小的空间区中。
在最小的空间中产生强烈的光同样是对于电影-及视频投影用的氙弧光灯所必需的要求。
由此所导出的高亮度需求可以在短的电极间距中通过直流气体放电来实现。因此在阴极之前形成发光度较高的等离子体。通过使电能大大地耦合到等离子体中而产生电极温度，该电极温度特别是在阴极中会造成对材料的损伤。
这种阴极目前最好是含有由氧化钍ThO2所制成的掺杂物质，该氧化物在该灯工作时还原成钍(Th)，且以这种金属形式到达阴极表面，并且在这里使阴极的逸出功(Austrittsarbeit)下降。
随着逸出功的下降阴极的工作温度也下降，这样可使阴极的寿命较长，这是因为在温度较低时阴极材料的蒸发较少。
目前较优的是使用ThO2作为掺杂材料，其原因是：这种掺杂材料的蒸发量较少，因此灯泡中的干扰性的沉积物(灰度，涂层)较少。ThO2的优异性能与氧化物(3323K)及金属(2028K)的高熔点有关。
但即使在已钍化的阴极中电极的烧损(Elektrodenrückbrand)现象也不可避免，因此在目前的直流放电灯中其寿命是由阴极烧损极限所设定。这特别在电阴间距较短的灯(例如此处所提及的灯)中是一种缺点，这是因为较小的电极烧损就会使该灯的照明特性大大地改变。但使用ThO2时明显的缺点是其辐射性，该辐射性使得在预制材料-及灯制备时保护性的预防措施是需要的。依据产品的放射性，灯在贮存、工作及关闭时也须注意各涂层面。
大于20A的高工作电流的各种灯(例如用在微刻或者投影术中的)中，涉及环境问题的解决方案特别迫切，这是因为这些灯由于电极尺寸而具有特别高的放射性。
多种钍代用材料因此正在研究。这例如可参考“MetallurgicalTransactions(冶金学学报)，A，21A卷，12月刊1990，第221-323页”。在微刻或电影投射用的灯中商用的代用材料目前并未获得，这是因为全部的代用材料由于其与ThO2相比更容易蒸发而会造成明显的灯泡涂层。
在微刻中，制备各灯所用的曝光剂的生产率很大程度上取决于光量。灯泡涂层或电极烧损使得可供使用的光减少，因此会由于曝光时间增长使得昂贵的设备的生产率受损。
发明内容
本发明的目的是，提供一种按权利要求1的前序部分所述的短弧光-高压放电灯，该放电灯在电极材料中不具备辐射性的掺杂材料就可确保一种较小的电极烧损，所述电极烧接就电极烧损而言不会或只是稍微不如现有技术，并且在灯的寿命期间灯泡中的涂层形成可进一步降低。
在一种短弧光-高压放电灯中，上述目的以权利要求1的特征部分的特征通过下述方式来实现：至少阴极尖端的材料除了钨之外另外还含有氧化镧La2O3及至少另一种选自HfO2及ZrO2族的氧化物。
对不同的掺杂材料组合的研究已显示：以La2O3为基的混合氧化物就涂层的形成以及电极烧损而言已显示出有利的结果。具有La2O3的阴极尖端或整个阴极的掺杂度应占阴极材料重量百分比的1.0～3.5％，该重量百分比较好是在1.5～3.0％之间。通过添加其它的氧化物或碳经物可实现进一步的改进。在这种情况下已显示出：通过添加少量的ZrO2及/或HfO2可以使发射极蒸发性获得进一步改善。ZrO2及HfO2的克分子量(molare Menge)应至少是La2O3的克分子量的2％，但同时不超过La2O3的克分子量，这是因为光通量随着阴极烧损的增高而持续地受到有利的影响。当HfO2的重量成份不大于La2O3的0.65倍、或ZrO2的重量成份不大于La2O3的0.38倍时，则可确保La2O3有剩余。
在此灯工作时，添加第二氧化物对光通量及电极烧损有明显的影响。研究结果已显示：在工作1500小时之后该水银弧光灯(其功率是1.75kW，阴极尖端的La2O3含量的重量百分比是2.0％以及具有另一种氧化物)显示以下的特性：
| 第二氧化物HfO2的含量的重量百分比 | 关于0h＝100％的光通量 | 阴极烧损 |
| 0.0％ | 85％ | 0.22mm |
| 0.1％ | 89％ | 0.21mm |
| 0.5％ | 92％ | 0.31mm |
| 1.0％ | 92％ | 0.43mm |
| 2.0％ | 84％ | 0.55mm |
| 第二氧化物ZrO2的含量的重量百分比 | 关于0h＝100％的光通量 | 阴极烧损 |
| 0.1％ | 87％ | 0.25mm |
| 0.5％ | 94％ | 0.29mm |
| 1.0％ | 86％ | 0.52mm |
| 2.0％ | 74％ | 0.83mm |
在使用已钍化的阴极(重量百分比为2％ThO2)时须注意以下值：
| 关于0h＝100％的光通量 | 阴极烧损 |
| 94％ | 0.27mm |
同样可以显示在使用La2O3掺杂的阴极时，纯氙弧光灯通过添加一种ZrO2及/或HFO2形式的第二氧化物使光通量特性获得改善。氧化物添加剂在这里也可减少该掺杂材料大量地逸出，该逸出造成灯泡涂层快速地形成。
由无钍材料所制成的阴极由于其特性(特别是在使用混合氧化物时)而具有较大的弧光延伸区。在阴极的平台大小相对应地受到调整时，这种阴极的最佳烧损即可确保。在未匹配的平台大小中，则平台边缘上的弧光即被设定(此为平台太大时的情况)或广泛地经由平台边缘而向外抓出(平台太小时)。在这两种情况下，在平台大小未优化时可确定电极已受损，并且与此相关地确定较大的烧损。由于该平台可以设计为平坦的或弯曲的，则最佳的平台大小在技术上最好由阴极尖端后方相距0.5mm的阴极中的电流密度的数据来决定。在以La2O3及以ZrO2和/或HfO2来掺杂的阴极中研究结果已显示：若阴极具有一种外形，使阴极中的电流密度J(也就是灯电流J(以A表示)与有效面积S的商)在阴极尖端至阴极后端的距离是0.5mm时不小于5A/mm2且不大于150A/mm2(填料是水银/稀有气体时)或不小于25A/mm2且不大于200A/mm2(填料是纯稀有气体时)时，则在这种阴极材料中阴极烧损可尽量小地保持。
附图说明
本发明以下将依据一个实施例来详细描述。附图示出：
图1根据本发明的水银-短弧光高压放电灯的剖面图。
图2根据图1的水银-短弧光高压放电灯的阴极的局部细节图。
图3根据本发明的氙短弧光高压放电灯的部分剖面图。
图4根据图3的氙短弧光高压放电灯的电极布置的放大图。
具体实施方式
图1示出本发明的水银-短弧光高压放电灯1的剖面图，其功率是1.75kW。该放电灯具有一个由椭圆形的石英玻璃制成的灯泡2。在该灯泡上两个末端3连接到两个相面对的侧面上，这两个末端3构成灯泡颈4，且分别具有固定件8。每个颈分别具有一个位于前方的圆锥部分4a以及一个位于后方的圆柱部分4b，该圆锥部分包括由石英玻璃所制成的支撑小滚筒5，用作固定件的主要组件；该圆柱部分形成密封用的熔合件。前部部分4a具有5mm长的收缩部分6，其上连接一个具有中央钻孔的支撑小滚筒5(它圆锥形地构成)，其内径是7mm，前部末端上的外直径是11mm，后部末端上的外直径是15mm。在该部位中灯泡2的壁厚是4mm。该支撑小滚筒的轴长是17mm。
在第一支撑小滚筒的钻孔中以轴向方式导入该阴极7的一个杆10，其外直径是6mm且直到放电体积中，并且在该处支承一个集成的头部件25。杆10经过支撑小滚筒5而向后增长且终止于盘12，在该盘上连接一个圆柱形石英块13形式的密封用的熔合件，其后跟随一个第二盘14，该第二盘中央地固定钼条15形式的外电流引线。在石英块13的外表面上以已知的方式延伸4个由钼所制成的箔片16，且气密地熔合在灯泡颈的壁上。
以类似的方式使阴极26(由分开的头部件18及杆19所构成)支撑在第二支撑小滚筒5的钻孔5中。
图2是阴极7及固定件8的细节图。阴极7由36mm长的圆柱形的杆10及20mm长的头部件25所组成，其中头部件25就像轴一样具有6mm的外直径。头部件25的面向阴极的末端构成具有一个锐角β为60的尖端11且具有一个平台形式的末端27(其直径是0.5mm)。所述固定件由支撑小滚筒5及多个位于其钻孔中的箔所构成。
为了使支撑小滚筒与轴机械地相隔开，箔24须缠绕该轴很多次(2至4层)。一对狭窄的箔23(它们在缠绕的箔24上互相面对)用来使支撑小滚筒进行固定。为了该目的，所述箔在放电侧突出于支撑小滚筒且向外弯曲。阴极7的尖端11的材料除了钨之外还有重量百分比为2％的La2O3的掺杂材料以及重量百分比为0.5％的ZrO2的掺杂材料。
根据本发明的水银-短弧光高压放电灯的放电管的体积是134cm3，其中填入603mg的水银及冷填充压力(Kattfülldruck)是800毫巴的氙。
电极间距为4.5mm的这种灯的工作电流是60A。阴极(由平台尖端的距离是0.5mm)中的电流密度J在此灯工作时是66A/mm2。
图3中示出根据本发明的具有一种纯Xe填料的短弧光高压放电灯28。功率输入为3kW的灯28由一种旋转对称的石英玻璃灯泡29所构成，在该灯泡29的两端处分别设有同样也由石英玻璃所制成的灯颈30、31。在一个颈30中以气密方式熔接阴极33之一的电极条32，其内端承载一个阴极头34。在其它的灯颈31中同样以气密方式熔接一个阴极36的电极条35，其内端上固定一个阴极头37。在灯颈30、31的外端上安装一种用于支撑-及电接触的基座系统38、39。
如图4所示，阴极头34由一个面向阴极头37的锥形末端区段34a以及一个面向电极条32的末端区段34b(该区段具有一个圆柱形的截锥体形式的部分区段)所组成，其中在这两个区段34a、34b之间存在一个直径较小的同样是圆柱形的区段34c(其称为蓄热槽(Wrmestaunut))。阴极头34的面向阴极头37的锥形的末端区段34a的尖端(其锥体角α是40°)设计为半径R为0.6mm的半球。灯电流在这里是100A，且由此所得到的电流密度在阴极尖端后方0.5mm处的参考表面上是88A/mm2。
阳极头37由一个圆柱形的中间区段37a(其直径D是22mm)及两个截锥形的末端区段37b、37c(其面向阴极头34或电极条35)所构成。面向阴极头34的截锥形的末端区段37c具有直径为6mm的平台AP。这两个电极33、36的全部的区段都由钨所制成。阴极头34的锥体形的末端区段34a另外具有一种重量百分比为2％的La2O3的填加物及重量百分比为0.5％的HfO2的填加物。
这两个电极33、36在灯泡29的轴线中如此互相面对地安装，使得灯在加热状态时形成3.5mm的电极间距或弧光长度。
Claims (10)
1.用于直流工作的、具有一个放电管(2，29)的短弧光-高压放电灯(1，28)，该放电管(2，29)具有两个在直径上相面对的颈(4；30，31)，在该颈中以气密方式熔接分别由钨制成的一个阳极(26，36)及一个阴极(7，33)，且所述放电管具有一种由至少一种稀有气体及可能的水银制成的填料，其特征在于：至少该阴极尖端(11，34a)的材料除了钨之外还含有氧化镧La2O3及至少另一种选自二氧化铪HfO2和氧化锆ZrO2族的氧化物。
2.如权利要求1所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，整个阴极(7，34)的阴极材料还含有La2O3及至少另一种选自HfO2和ZrO2族的氧化物。
3.如权利要求1或2所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，阴极材料的La2O3的含量占重量百分比的1.0～3.5％。
4.如权利要求1或2所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，阴极材料的La2O3的含量占重量百分比的1.5～3.0％。
5.如权利要求1或2所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，氧化锆ZrO2及二氧化铪HfO2额外的克分子量未超过阴极材料中La2O3的克分子量。
6.如权利要求1或2所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，氧化锆ZrO2及二氧化铪HfO2额外的克分子量至少是La2O3的克分子量的2％。
7.如权利要求1所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，放电管(2)中阳极(26)和阴极(7)之间的电极间距小于等于8mm。
8.如权利要求1所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，放电管(29)中阴极(36)和阴极(33)之间的间距小于等于15mm。
9.如权利要求1所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，灯(1，28)工作时的灯电流大于20A。
10.如权利要求1所述的短弧光-高压放电灯，其特征在于，阴极(7)的形状使得灯在工作时电流密度J满足以下的方程式：
5≤J≥150 在水银/稀有气体填料时，
25≤J≥200 在纯稀有气体填料时，
其中电流密度J是以A表示的灯电流与以mm2表示的一个面的阴极有效面积之比，而所述面由与阴极尖端相距0.5mm处垂直于灯轴线的阴极切面而得到。
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Open date: 20050713 |