JP2007234592A - 電気プラズマ放電デバイスのための金属電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】1つ以上の金属からなる全金属電子放出構造体は、熱励起に応答して電子を放出するように動作可能であり、安定状態動作条件下で電子放出構造体の活性領域は、約1500度Kより高い温度を有し、安定状態動作条件下で放電媒体内のカソード降下電圧が、約100ボルト未満である。エンベロープ(102)、全金属電子放出構造体(104)を含む電極、および媒体を含むランプ(100)も開示される。
【選択図】図12
Description
Prad=εσT4 (1)
ここで、εは、活性領域材料の熱エミッタンスであり、σは、Stefan−Boltzmann定数(5.67×10−12Wcm−2K4)であり、Tは、活性領域材料温度である。例えば、タングステンのような金属のエミッタンスは、一般に0.2〜0.4であり、活性領域の熱放射冷却は、1500Kから3700Kの範囲の温度に関して6W/cm2から425W/cm2の範囲である。例えば、活性領域は、直接下にある固体バルク材料を含むこともできる。活性領域における温度は、均一であると仮定されることができ、または活性領域における温度分布が、考慮されることもできる。
q=ji(Vion−φ)+ji(VCF+5Te/2)−jeφ (2)
ここで、jiは、イオン電流密度(A/cm2)であり、jcは、電子電流密度であり、VCFは、カソード降下電圧である。カソード降下電圧は、表面とバルクプラズマとの間の電位差である。Teは、エネルギー単位で表現された、カソード降下とバルクプラズマとの間の境界での電子温度である。式2は、全電流jおよびパラメータfi、イオンによって運ばれる電極表面でのガス内の電流の一部に関して書かれることもできる。
q=j[fi(Vion+VCF+5Te/2)−φ] (3)
加熱フラックスqは、熱イオン放出のための適切な温度に活性領域を上昇させ、かつその温度で熱放射冷却を相殺するために十分に高くあるべきである。
je=ART2e−φ/T (4)
ここで、Tは、活性領域の温度である。一実施例において、式(3)における材料(タングステン)およびプラズマパラメータは、加熱損失および加熱フラックスの両方の分散を作るために使用される。
[実施例1]
一実施例において、全金属電極は、放電ランプで使用されるために作られる。電極は、図2に示されるようなタングステンのロッド状またはワイヤ状の電子放出構造体を含む。電極は、低圧プラズマ放電デバイスで使用される。ロッド状電子放出構造体は、放電デバイス内で生成されるプラズマが、ロッド状構造体の自由端部に取り付けられるように設計されかつ構成される。この実施例において、ロッド状のタングステン電子放出構造体は、約0.3mmの直径、プラズマが取り付けられる自由端部と、構造体がランプエンベロープと良好な熱接触をする位置と間の約10mmの長さを有する。約0.3Aのランプ電流は、約0.01cm2の面積にわたる電子放出を提供するために使用される。プラズマは、ロッドの自由端部ならびにワイヤの側部に取り付き、自由端部から約1mm後方に延びる。この1mm長さの円筒形が活性領域である。
[実施例2]
電極は、図9に示されるようなタングステンのループ状の電子放出構造体を含む。電極は、低圧プラズマ放電デバイスで使用される。ランプエンベロープへの熱伝導の2つの経路が存在するので、各経路への伝導は、実施例1におけるロッド状の電子放出構造体に対してほぼ半分である。この実施例において、ループ状のタングステン電子放出構造体は、約2.1mmの直径を有する。そのような構成において、抵抗加熱電流は、ランプ始動の間に熱を提供するために、またはプラズマだけが熱フラックスを提供する条件下での動作と比較して、ランプ動作の間に温度を増大するために、外部電流源からループを通過されることができる。
[実施例3]
ガラス状シリカまたはガラスを使用するプラズマ放電デバイスが作られた。電子放出構造体とガラスとの接合は、残留する伝導された熱パワーは、ワイヤとガラスとの接合領域を通して、エンベロープ温度に等しいバルク領域内の温度と一致するシリカまたはガラスのバルク内にワイヤから通過することができるように設計される。金属ロッドがエンベロープに入る位置での熱伝導に一致するために使用されることができる設計パラメータは、ロッド状電子放出構造体の直径である。
12 動作温度
14 冷却フラックス
16 加熱フラックス
18 交差
20、42、104、110、116 全金属電子放出構造体
22 ロッド状またはワイヤ状構造体
23 自由端部
24、30、50、58、66、76、82、90、98 支持構造体
25、32、52、60、78、84、92 電子放出構造体
26、34、44 ロッドまたはワイヤ
28、36、38 オーバワインド
48 先端
56 ループ
62、70 シャフト
64、74 ヘッド
54、80 ワイヤ
86、94 コイル状のワイヤ
88 1巻きのワイヤ
96 複数巻き
100 直線ランプ
102、108、114 エンベロープ
106 小型ランプ
112 円形ランプ
Claims (10)
- 1つ以上の金属からなる全金属電子放出構造体(20)であって、
前記電子放出構造体は、熱励起に応答して放電媒体に電子を放出するように動作可能であり、安定状態動作条件下で前記電子放出構造体の活性領域は、約1500度Kより高い温度を有し、
前記電子放出構造体は、放電媒体内で動作可能であり、安定状態動作条件下で前記放電媒体は、約1×105パスカルより低い全圧を生成し、安定状態動作条件下で前記放電媒体内のカソード降下電圧が、約100ボルト未満である全金属電子放出構造体。 - 安定状態動作条件下で前記放電媒体は、約2×104パスカルより低い全圧を生成し、安定状態動作条件下で前記放電媒体内のカソード降下電圧が、約50ボルト未満である請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- 前記活性領域は、約1mm2未満である請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- 前記1つ以上の金属は、Fe、Co、Ni、Nb、Mo、Ta、W、Re、およびそれらの組合せからなるグループから選択される請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- 前記1つ以上の金属は、Mo、Ta、W、Re、およびそれらの組合せからなるグループから選択される請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- 前記1つ以上の金属は、Ta、W、およびそれらの組合せからなるグループから選択される請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- 全金属電子放出構造体は、ロッド状構造体(22)を備える請求項1記載の全金属電子放出構造体。
- ランプ(100)であって、
エンベロープ(102)と、
前記エンベロープ内に配置される放電媒体と、
電極(104)とを備え、前記電極は、全金属電子放出構造体を備え、前記電子放出構造体は、熱励起に応答して放電媒体内に電子を放出するように動作可能であり、安定状態動作条件下で前記電子放出構造体の活性領域は、1500度Kより高い温度を有し、
安定状態動作条件下で前記放電媒体は、約1×105パスカルより低い全圧を生成し、安定状態動作条件下で前記放電媒体内のカソード降下電圧が、約100ボルト未満であるランプ。 - 安定状態動作条件下で前記放電媒体は、約20パスカルから約2×103パスカルの範囲の全圧を生成する請求項8記載のランプ。
- 前記放電媒体は、ヨウ化ガリウム、臭化ガリウム、ヨウ化亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化インジウム、臭化インジウム、およびそれらの組合せからなるグループから選択される少なくとも1つの材料を含む請求項8記載のランプ。
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