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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzbogen-Entladungslampe. Insbesondere betrifft sie eine Kurzbogen-Quecksilberlampe und eine Kurzbogen-Xenonlampe.
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Kurzbogen-Entladungslampen sind Lampen, die so aufgebaut sind, dass eine Anode und eine Kathode in einem Leuchtabschnitt über einen Abstand von einigen Millimetern einander gegenüberliegend angeordnet sind, zwischen der Anode und der Kathode ein Lichtbogen erzeugt und eine Lichtemission erhalten wird. Von diesen Lampen werden Kurzbogen-Quecksilberlampen für verschiedene Belichtungsprozesse bei Halbleitern, Flüssigkristallen, gedruckten Schaltplatten usw. verwendet. Kurzbogen-Xenonlampen werden zum Beispiel als Lichtquellen von Projektorvorrichtungen für das digitale Kino verwendet.
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Die Kathode dieser Art von Entladungslampen ist normalerweise mit Wolfram als Basiskörper aufgebaut, und in diesem Wolfram ist ein allgemein als Emitter bezeichnetes Elektronen abgebendes Material enthalten. Dieser Emitter trägt zur Lichtbogenbildung am Kathodenspitzenende bei, indem er während des Leuchtens bis zum Kathodenspitzenende befördert (diffundiert) wird. Doch wenn es im Verlauf des Leuchtens der Lampe zu einer Erschöpfung des Emitters kommt oder die Lieferung zum Spitzenende unzureichend wird, wird kein guter Lichtbogen gebildet, und es entsteht das Problem, dass der Lichtbogen heftig zittert oder die Lampenspannung beträchtlich schwankt.
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Zur Lösung dieses Problems wurde auch eine Technik vorgeschlagen, bei der im Inneren der Kathode so etwas wie ein Emitter-Speichertank ausgebildet wird, stets eine ausreichende Menge beibehalten wird, so dass es nicht zu einer Erschöpfung kommt, und dadurch eine stabile Lieferung zum Spitzenendbereich vorgenommen werden soll (
JP 11-96 965 A ,
JP 11-154 488 A ). Doch die Bildung eines Tanks für den Emitter im Inneren der Kathode verkompliziert die Herstellungsprozesse. Damit der Emitter ausreichend zum Kathodenspitzenende zugeführt wird, ist es insbesondere nötig, dass der Tank während des Leuchtens der Lampe bis auf eine Temperatur mit einer solchen Höhe erhitzt wird, dass der Emitter aktiviert wird. Daher ist der Bereich für die Bildung deutlich beschränkt. Da außerdem die Lieferung des Emitters vom Tank in einer vergleichsweise kurzen Zeit vorgenommen wird, kann zwar die Zeit, in der der Lichtbogen stabil ist, verglichen mit dem Fall, in dem kein Tank ausgebildet ist, verlängert werden, doch ist es nicht möglich, den Lichtbogen über eine noch längere Zeit hinweg stabil aufrechtzuerhalten.
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JP 09-92 201 A offenbart eine Kurzbogen-Entladungslame mit einer speziell ausgebildeten Kathode. Als Kathodenmaterial dient poröses Wolfram, es ist eine spezielle Emittersubstanz wie z. B. Bariumoxid vorgesehen. Diese Emittersubstanz kann sich entlang einer Längsöffnung innerhalb der Kathode zur Kathodenspitze hinbewegen.
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Die Aufgabe, die die vorliegende Erfindung lösen soll, ist die Bereitstellung eines Kathodenaufbaus, wodurch der Emitter über einen langen Zeitraum hinweg stabil zum Spitzenendbereich geliefert werden kann und der vergleichsweise leicht herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Im Einzelnen weist die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe einen Leuchtabschnitt auf, in dem eine Kathode, in der ein Elektronen abgebendes Material enthalten ist, und eine Anode einander gegenüberliegend angeordnet sind. In der Kathode ist eine feine Längsöffnung mit einem Durchmesser von 0,2 bis 1,0 mm vom anodenseitigen Spitzenende zur Basis gerichtet gebildet und an der Innenfläche dieser feinen Längsöffnung sind der Oberflächendiffusion dienende Mikrorisse absichtlich ausgebildet, die eine Tiefe von 5 μm bis 30 μm aufweisen.
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Die Kurzbogen-Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Resultate auf.
- (1) Da an der Innenfläche der feinen Längsöffnung, die in der Kathode gebildet ist, Mikrorisse gebildet sind, kann der Emitter durch eine Oberflächendiffusion unter Verwendung der Oberfläche dieser Mikrorisse und der Oberfläche der feinen Längsöffnung bis zum Kathodenspitzenende geliefert werden.
- (2) Die Mikrorisse können zum Beispiel durch eine Bildung der feinen Längsöffnung mittels einer Entladungsbearbeitung leicht hergestellt werden.
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kurzbogen-Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Vergrößerung des Aufbaus des Spitzenendes der Kathode.
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3 ist eine Photographie der Innenfläche der feinen Längsöffnung nach der Erfindung der vorliegenden Anmeldung und zeigt einen Zustand, in dem Mikrorisse gebildet sind.
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4 ist eine Photographie der Innenfläche einer feinen Längsöffnung als Vergleichsbeispiel und zeigt einen Zustand, in dem keine Mikrorisse gebildet sind.
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kurzbogen-Quecksilberlampe, die ein Beispiel für eine Kurzbogen-Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung ist. Eine Entladungslampe 1 besteht aus einer Leuchtröhre 10 aus Quarzglas, und die Leuchtröhre 10 besteht aus einem Leuchtabschnitt 11 und stabförmigen Versiegelungsteilen 12, die sich an beiden Enden vom Leuchtabschnitt 11 erstrecken. Im Inneren des Leuchtabschnitts 11 sind eine Kathode 20 und eine Anode 30 zum Beispiel in einem Abstand von 5,0 mm einander gegenüberliegend angeordnet, und am Spitzenende der Kathode 20 wird ein Lichtbogen-Leuchtfleck gebildet. Der Leuchtabschnitt 11 weist eine Kugelform oder eine Spindelform auf, die sich in der Achsenrichtung der Röhre lang erstreckt.
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Die Kathode 20 ist ein säulenförmiger Stab, der zum Beispiel aus thoriumdotiertem Wolfram (thoriumhaltigem Wolfram) besteht. Ihr Spitzenende ist ungefähr kegelstumpfförmig ausgeführt und wird an einem Kathodenschaft 23 gehalten. Die Anode 30 besteht zum Beispiel aus Wolfram, ist zur Gänze ein säulenförmiger Stab, ist ungefähr in der Form eines Projektils mit einer flachen Fläche am Spitzenende ausgeführt und wird an einem Anodenschaft 33 gehalten.
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Der Kathodenschaft 23 und der Anodenschaft 33 erstrecken sich jeweils zu den Versiegelungsteilen 12. In jeden Versiegelungsteil 12 ist eine nicht dargestellte Molybdänfolie eingebettet. Der Kathodenschaft 23 und der Anodenschaft 33 sind jeweils mit der Molybdänfolie verbunden, und es werden luftdichte Versiegelungsaufbauten gebildet. Von den äußeren Enden der Versiegelungsteile 12 springen Außenleitungen 13 vor. Eine nicht dargestellte Stromversorgungsvorrichtung ist an die Außenleitungen 13 angeschlossen und nimmt die Stromversorgung vor. Es ist nicht nötig, dass die Kathode 20 und die Anode 30 physisch vom Kathodenschaft 23 und vom Anodenschaft 33 getrennte Körper sind, es ist auch möglich, dass beide einen physisch einstückigen Aufbau aufweisen.
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Im Leuchtabschnitt 11 sind Quecksilber und ein Edelgas, das Argon oder Krypton enthält, eingeschlossen. Die eingeschlossene Menge des Quecksilbers liegt in einem Bereich von 1,0 bis 20 mg/ccm des Innenvolumens des Leuchtraums. Zum Beispiel sind 2 mg/ccm enthalten. Die eingeschlossene Menge des Edelgases beträgt 0,2 bis 0,5 MPa, zum Beispiel 0,3 MPa. Der gesamte Innendruck des Quecksilbers und des Edelgases beim stabilen Leuchten beträgt etwa 2,5 MPa.
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2 zeigt den vergrößerten Aufbau der Kathode 20. Die Kathode 20 besteht aus einem kegelstupfförmigen Spitzenendteil 21 und einem säulenförmigen Hauptkörper 22. Im Spitzenendteil 21 ist eine feine Längsöffnung 24 von der anodenseitigen Spitzenendfläche zur Basis auf Seiten des Kathodenschafts 23 gerichtet ausgebildet. An der Innenfläche der Längsöffnung 24 sind Mikrorisse (Sprünge) 25 gebildet.
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Der in der Kathode 20 enthaltene Emitter diffundiert im Allgemeinen auf drei in transgranulare Diffusion, intergranulare Diffusion und Oberflächendiffusion unterteilte Weisen zum Spitzenende. Was die Diffusionsgeschwindigkeit betrifft, ist die Oberflächendiffusion am schnellsten, worauf der Reihe nach die intergranulare Diffusion und die transgranulare Diffusion folgen. Die vorliegende Erfindung benutzt durch das Bilden der feinen Längsöffnung 24 im Spitzenendteil 21 der Kathode 20 die Oberflächendiffusion durch die Innenfläche der feinen Längsöffnung 24, und benutzt zudem durch Bilden der Mikrorisse (Sprünge) 25 in der feinen Längsöffnung 24 auch die Oberflächendiffusion durch diese Mikrorisse 25. Das heißt, der an der Innenfläche der feinen Längsöffnung 24 vorhandene Emitter wird so, wie er ist, diffundiert, während sich der Emitter, der sich so wie der dargestellte Bereich A im Inneren der Kathode 20 befindet, auf die transgranulare Diffusion oder auf die intergranulare Diffusion verlassen muss. Die vorliegende Erfindung bildet absichtlich Mikrorisse (Sprünge), die normalerweise nicht extra erzeugt würden, an der Innenfläche der feinen Längsöffnung 24 und benutzt die Oberflächendiffusion durch diese Mikrorisse.
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Was das Verfahren zur Bildung der Mikrorisse betrifft, werden die Entladungsbedingungen bei einer Entladungsbearbeitung reguliert. Zum Beispiel wird der Spitzenstromwert (die Höhe des Impulses) zur Zeit der Entladung groß gestaltet oder die Einschaltzeit bei einer Impulsentladung kurz gestaltet und die Wärmediffusionslänge kurz gemacht. Es ist möglich, die Temperatur nur in der Nähe der Bearbeitungsoberfläche zu erhöhen, einen plötzlichen Wärmeunterschied zu erzeugen und die Mikrorisse durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zu bilden.
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3 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Mikrophotographie, in der der Aufbau der Innenfläche der feinen Längsöffnung 24 gezeigt ist. In der Figur wurde ein Wolframstab, der 2 Gew.% Thoriumoxid als Emitter enthielt, entladungsbearbeitet, wobei unter Bedingungen, bei denen der Spitzenstrom zur Zeit der Entladung größer als normal war, eine feine Längsöffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,4 mm gebildet wurde. Nach der Vornahme einer Wärmebehandlung wurde der Wolframstab in der Achsenrichtung durchtrennt, um eine Betrachtung der inneren Umfangsfläche der feinen Längsöffnung zu ermöglichen. Im halbierten Zustand wurde eine Betrachtung unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops vorgenommen.
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Die Mikrorisse 25 wurden so gebildet, dass sie sich entlang der Elektrodenachse erstreckten. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelte es sich um etwa fünf Mikrorisse, die eine senkrecht zur Achse gerichtete Länge von 250 μm kreuzten. Was nun diese Mikrorisse betrifft, betrug die Breite der Mikrorisse, die als winzige Sprünge, welche in der Wolframoberfläche gebildet waren, beobachtet wurden, höchstens 5 μm, während die Tiefe von 5 μm bis zu 30 μm betrug. Es ist nicht günstig, wenn die Anzahl der Mikrorisse zu groß ist, oder wenn ein winziger Sprung zu groß ist, da dies die Stärke der Kathode selbst nachteilig beeinflusst.
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Um ein Zahlenbeispiel für die Mikrorisse zu geben, weist die Spitzenendfläche der Kathode einen Durchmesser von etwa 1,0 mm bis 2,0 mm und beispielsweise 2,0 mm auf, beträgt der Durchmesser der feinen Längsöffnung etwa 0,2 mm bis 1,0 mm und beispielsweise 0,4 mm, und beträgt die Länge (Tiefe) der feinen Längsöffnung 2,0 mm bis 10,0 mm und beispielsweise 3,0 mm. Die Kathode ist nicht auf thoriumhaltiges Wolfram beschränkt, es kann beispielsweise auch lanthanhaltiges Wolfram, cerhaltiges Wolfram oder yttriumhaltiges Wolfram verwendet werden.
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4 ist eine Darstellung zum Vergleich mit 3 und zeigt einen Aufbau, bei dem zwar eine feine Längsöffnung gebildet ist, der aber keine Mikrorisse aufweist.
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Als nächstes wird ein Versuch erklärt, der die Wirkung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Es wurden drei Arten von Entladungslampen (Lampe A, Lampe B und Lampe C) verwendet, und es wurde die Beziehung zwischen dem Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein von Mikrorissen und der Zeit bis zum Auftreten von Spannungsschwankungen beobachtet. Der Grund, warum die Zeit bis zum Auftreten von Spannungsschwankungen als Indikator verwendet wurde, ist, dass der Lichtbogen instabil wird, wenn die Lieferung des Emitters unzureichend wird, und die Lampenspannung schwankt.
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Für die drei Arten von Lampen wurde jeweils eine Kathode hergestellt, bei der in der Spitzenendfläche eines Wolframstabs, der zu einem Spitzenendflächendurchmesser von 2 mm und einem Verjüngungswinkel von 60 Grad geschnitten worden war, eine feine Längsöffnung mit einem Durchmesser von 0,4 mm ausgearbeitet wurde. Unter Verwendung dieser Kathoden wurden Lampen mit einer eingeschlossenen Quecksilbermenge von 2 mg/ccm und einem Puffergasdruck von 0,3 MPa hergestellt. Bei der Lampe A wurde die feine Längsöffnung durch mechanische Bearbeitung hergestellt, und es wurden keine Mikrorisse gebildet, während die feine Längsöffnung bei der Lampe B durch eine Entladungsbearbeitung mit einem Spitzenstrom von 1 A und einer Einschaltzeit von 1000 μs hergestellt wurde und fast keine Mikrorisse gebildet wurden. Im Gegensatz dazu wurde die feine Längsöffnung bei der Lampe C durch eine Entladungsbearbeitung mit einem Spitzenstrom von 15 A und einer Einschaltzeit von 10 μm hergestellt, und es wurden Mikrorisse gebildet. Die drei Arten von Lampen wurden jeweils mit 10 kW betrieben.
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Als Ergebnis des Versuchs betrug die Zeit bis zum Auftreten von Spannungsschwankungen bei der Lampe A, die keine Mikrorisse aufwies, und bei der Lampe B 621 Stunden bzw. 649 Stunden. Im Gegensatz dazu betrug die Zeit bis zum Auftreten von Spannungsschwankungen bei der Lampe C, bei der Mikrorisse gebildet waren, 742 Stunden. Das heißt, es wurde festgestellt, dass die Zeit bis zum Auftreten von Spannungsschwankungen durch die Bildung der Mikrorisse um etwa 100 Stunden länger war.
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Was das Verfahren zur Bildung der Mikrorisse an der Innenfläche der feinen Längsöffnung betrifft, kann neben dem oben beschriebenen Verfahren, bei dem bei der Impulsentladungsbearbeitung ein höherer Impuls als gewöhnlich angelegt wird, eine Laserbestrahlung der Innenfläche der feinen Längsöffnung vorgenommen werden und durch eine lokale Erhitzung eine Wärmeverzerrung verursacht werden. Das Aussehen der Mikrorisse, die an der Innenfläche der feinen Längsöffnung gebildet werden sollen, ist nicht auf die Achsenrichtung (die Richtung, in der sich die feine Längsöffnung erstreckt) der Elektrode beschränkt, sie können auch waagerecht zur Elektrodenachse oder netzartig gebildet werden. Kurz gesagt, genügt ein Aufbau, bei dem der im Kathodeninneren vorhandene Emitter durch die Bildung winziger Mikrorisse an der Innenfläche der feinen Längsöffnung mittels einer Oberflächendiffusion zum Spitzenendteil geliefert werden kann.
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Es ist auch möglich, dass mehrere feine Längsöffnungen vorhanden sind, wobei die Wirkung auftritt, wenn in zumindest einer davon Mikrorisse gebildet sind. Auch wenn die feine Längsöffnung in der Seitenfläche des Kegelstumpfs des Kathodenspitzenendteils gebildet ist, tritt die Wirkung auf, sofern an der Innenfläche der feinen Längsöffnung Mikrorisse gebildet sind.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Quecksilberlampen beschränkt, sondern kann auf Kurzbogen-Entladungslampen im Allgemeinen wie etwa Xenonlampen, die kein Quecksilber enthalten, oder Xenon-Quecksilberlampen, die Xenon als Edelgas enthalten, angewendet werden.
