JP2012099422A - Negative electrode for hort-arc discharge lamp and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明はショートアーク放電灯用陰極に関し、特に、電子放射性物質を陰極先端への安定的な供給に関する。 The present invention relates to a cathode for a short arc discharge lamp, and more particularly to a stable supply of an electron radioactive substance to the tip of the cathode.
ショートアーク放電灯の陰極として、電子放射性物質(エミッタ)を高融点金属に質量比で数%ドープした陰極が採用されている。特に、タングステン(W)に酸化トリウム(ThO2)を含有させたトリエーティッドタングステン(通常2wt%ThO2−W)、あるいは陰極本体を高融点金属で形成し、電子放射性物質を含んだ高融点金属を本体の先端に埋め込むようにした陰極が用いられている。これは陰極と陽極間に形成されるアーク放電を長時間安定させ、高輝度の光を長時間安定して得ることができる。 As a cathode of a short arc discharge lamp, a cathode obtained by doping an electron radioactive substance (emitter) with a refractory metal by a mass ratio of several percent is adopted. In particular, tritium tungsten (usually 2 wt% ThO 2 -W) containing thorium oxide (ThO 2 ) in tungsten (W), or a refractory metal containing an electron-emitting substance in which the cathode body is formed of a refractory metal. A cathode is used that is embedded in the tip of the main body. This makes it possible to stabilize arc discharge formed between the cathode and the anode for a long time, and to obtain high-luminance light stably for a long time.
かかるエミッタを採用した陰極において、陰極が極めて高温になると、陰極表面に析出した酸化トリウムが蒸発・飛散しやすくなる。蒸発・飛散した酸化トリウムは放電空間中で酸素が離脱し、離脱した酸素が陽極先端部のタングステンと結合し、酸化タングステンを形成する。この酸化タングステンは陽極先端部のタングステンの融点を低下させ、これにより、陽極先端部の損耗、変形が生じる。 In a cathode employing such an emitter, when the cathode becomes extremely hot, thorium oxide deposited on the cathode surface is likely to be evaporated and scattered. The evaporated and scattered thorium oxide releases oxygen in the discharge space, and the released oxygen combines with tungsten at the tip of the anode to form tungsten oxide. This tungsten oxide lowers the melting point of tungsten at the tip of the anode, thereby causing wear and deformation of the tip of the anode.
このような問題に対して、特許文献1には陰極最表面から50μm〜100μmの深さまで酸化トリウムの欠乏層を形成することが開示されている。これにより、点灯中における表面からの酸化トリウムの蒸発を少なくすることができる。 For such a problem, Patent Document 1 discloses forming a thorium oxide-deficient layer from the outermost surface of the cathode to a depth of 50 μm to 100 μm. Thereby, evaporation of thorium oxide from the surface during lighting can be reduced.
しかし、特許文献1の陰極では、酸化トリウムの欠乏層を内部拡散してきたトリウムが前記欠乏層の表面に達し、表面拡散によって陰極先端にトリウムが供給されてしまう。したがってエミッタが短期間で枯渇してしまうという問題があった。 However, in the cathode of Patent Document 1, thorium that has been internally diffused in the depleted layer of thorium oxide reaches the surface of the depleted layer, and thorium is supplied to the tip of the cathode by surface diffusion. Therefore, there is a problem that the emitters are exhausted in a short period of time.
本発明はかかる問題点を解決し、陰極内部からの電子放射性物質を陰極先端に安定的に供給できるショートアーク放電灯用陰極を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such problems and to provide a cathode for a short arc discharge lamp capable of stably supplying an electron radioactive substance from the inside of the cathode to the tip of the cathode.
(1)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極の製造方法においては、電子放射性物質を含有する高融点金属で構成され、先端が先細形状である陰極素形材を準備する工程、前記陰極素形材を焼結ダイ内に載置し、当該陰極素形材の周囲に充填した高融点金属の粉末を前記陰極素形材の表面に加圧焼結させる加圧焼結工程、前記接合面の結晶粒を粗大化するために、熱処理により前記高融点金属と前記陰極素形材との接合面を再結晶化させる結晶粒粗大化工程を備えている。したがって、前記陰極素形材よりも結晶粒の大きな高融点金属層で前記陰極素形材を覆うことにより、前記陰極素形材の側面における表面拡散を防止することができる。これにより陰極内部からの電子放射性物質を陰極先端に安定的に供給することができる。 (1) In the method for producing a cathode for a short arc discharge lamp according to the present invention, a step of preparing a cathode element having a tapered shape composed of a refractory metal containing an electron-emitting substance and having a tapered tip, A pressure sintering step of placing the profile in a sintering die and pressurizing and sintering the high melting point metal powder filled around the cathode profile to the surface of the cathode profile; In order to coarsen the crystal grains, there is provided a crystal grain coarsening step of recrystallizing the joint surface between the refractory metal and the cathode element shape member by heat treatment. Therefore, by covering the cathode element with a refractory metal layer having crystal grains larger than that of the cathode element, surface diffusion on the side surface of the cathode element can be prevented. Thereby, the electron radioactive substance from the inside of the cathode can be stably supplied to the tip of the cathode.
(2)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極の製造方法は、前記結晶粒粗大化工程の前に前記高融点金が接合焼結された陰極素形材の先端を除去して、先端を先細形状とする。したがって、陰極形状を簡易に構成することができる。 (2) The method for manufacturing a cathode for a short arc discharge lamp according to the present invention removes the tip of the cathode base material on which the refractory gold is bonded and sintered before the grain coarsening step, Tapered shape. Therefore, the cathode shape can be easily configured.
(3)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極は、電子放射性物質を含有する高融点金属によって構成され、先端部から前記電子放射性物質を放出するショートアーク放電灯用陰極であって、前記電子放射性物質を含有しない高融点金属で構成され、かつ、結晶粒が前記陰極を構成する金属よりも粗大な高融点金属層で、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域を覆っている。したがって、前記電子放射性物質の表面拡散による前記先端部への移動を防止できる。また、前記高融点金属層は、前記陰極表面と焼結されているので、前記電子放射性物質が界面拡散により、前記陰極先端部に供給される。界面拡散は表面拡散に比べると速度が遅く、かつ定速で電子放射性物質が移動する。これにより、電子放射性物質の供給制御が容易となる。 (3) A cathode for a short arc discharge lamp according to the present invention is a cathode for a short arc discharge lamp that is made of a refractory metal containing an electron radioactive substance and emits the electron radioactive substance from a tip portion thereof. The high melting point metal layer is made of a refractory metal that does not contain a radioactive substance, and the crystal grains are coarser than the metal constituting the cathode, and covers a region other than the arc discharge region at the tip of the cathode. Therefore, the movement to the front-end | tip part by the surface diffusion of the said electron radioactive substance can be prevented. In addition, since the refractory metal layer is sintered with the cathode surface, the electron-emitting material is supplied to the tip of the cathode by interfacial diffusion. Interfacial diffusion is slower than surface diffusion, and the electron-emitting material moves at a constant speed. Thereby, supply control of an electron radioactive substance becomes easy.
(4)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極においては、前記高融点金属層は、前記焼結接合層を再結晶化させることにより結晶粒を前記陰極よりも粗大化させている。したがって、表面拡散を防止できる。 (4) In the cathode for a short arc discharge lamp according to the present invention, the refractory metal layer has crystal grains coarser than the cathode by recrystallizing the sintered joining layer. Therefore, surface diffusion can be prevented.
(5)本発明にかかるショートアーク放電灯用陰極は、電子放射性物質を含有する高融点金属によって構成され、前記電子放射性物質が側面からの表面拡散および内部の粒界拡散により、その先端部から前記電子放射性物質を放出するショートアーク放電灯用の陰極であって、前記表面拡散を制限するために、前記電子放射性物質を含有しない高融点金属層を、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域に焼結接合させている。したがって、前記陰極素形材の側面における表面拡散を防止することができる。 (5) The cathode for a short arc discharge lamp according to the present invention is composed of a refractory metal containing an electron radioactive substance, and the electron radioactive substance is diffused from the tip by surface diffusion from the side and internal grain boundary diffusion. A cathode for a short arc discharge lamp that emits the electron-emitting material, and in order to limit the surface diffusion, a refractory metal layer that does not contain the electron-emitting material is formed in a region other than the arc discharge region at the tip of the cathode. Sintered to the area. Therefore, it is possible to prevent surface diffusion on the side surface of the cathode element.
本明細書においては、「高融点金属」にはタングステン、モリブデンなどを採用することができる。また、電子放射物質にはランタン、セリウム、イットリウムなどの希土類金属、バリウム、カルシウム、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属、トリウム及びそれらの酸化物の単体又は複合物質を採用することができる。 In the present specification, tungsten, molybdenum or the like can be adopted as the “refractory metal”. Further, rare earth metals such as lanthanum, cerium, and yttrium, alkaline earth metals such as barium, calcium, and strontium, thorium, and oxides thereof can be used as the electron emitting material.
図1に、本発明にかかる陰極を有するショートアーク型水銀放電灯1を示す。石英ガラス製の封体10は中央が略球状に膨出され、両端はシール部を介して封止され、口金11が嵌められている。封体10内にはアルゴン又はキセノンなどの所定のガスに加えて、水銀が所定の圧力・量で封入されている。封体10の両端部にはタングステン棒12が挿通されている。タングステン棒12の先端には陽極13及び陰極14がそれぞれ取り付けられている。陽極13と陰極14の間はアーク放電がおこるよう所定の隙間が設けられる。
FIG. 1 shows a short arc type mercury discharge lamp 1 having a cathode according to the present invention. The quartz glass-made
図2に陰極14の詳細構造を示す。陰極14は、本体部分14Aおよび本体部分14Aを覆う焼結接合層14Bで構成されている。本体部分14Aは酸化トリウムを含有するタングステンで構成されている。本体部分14Aは円錐台形状をなしている。
FIG. 2 shows the detailed structure of the
焼結接合層14Bは、本体部分14Aの結晶粒に比較して結晶粒が粗大化されている。焼結接合層14Bは先端部のアーク放電領域14Cを除いて本体部分14Aを覆っている。
In the sintered
トリウムを含有する本体部分14Aをトリウムを含まない粗大結晶粒のタングステン層で覆うことにより、以下のような効果がある。図3に示すように、本体部分14Aに含有されたトリウムは、本体部分14Aについては粒界拡散をする。焼結接合層14Bに達したトリウムは、焼結接合層14Bの結晶粒が大きいので、その分、粒界拡散は抑制される。よって焼結接合層14Bの表面にまで拡散してくるトリウムを抑制することができる。その結果、焼結接合層14B表面からの表面拡散を抑制することができる。これにより、エミッタの枯渇を防止できる。また、当然、焼結接合層14B表面からの蒸発も防ぐことができる。
Covering the
また、陰極14の本体部分14Aと焼結接合層14Bとの間に直線的な粒界14Dが形成される。これにより、本体部分14Aから移動してきたトリウムは、本体部分14Aと焼結接合層14Bとの間の直線的な粒界14Dに沿って陰極先端のアーク放電領域14Cに向けて拡散する。このように、アーク放電領域14Cへのトリウム供給は、従来のように本体部分14Aの表面を移動する表面拡散ではなく、粒界14Dを直線的に粒界拡散する。かかる粒界拡散は表面拡散よりも移動速度が遅い。したがって、長期間の点灯であっても、安定的にトリウム供給がなされる。
Further, a
図4、図5を用いて、ショートアーク放電灯用陰極1の製造方法について説明する。本実施形態における製造方法は、以下の第1行程〜第6行程で構成されている。 The manufacturing method of the cathode 1 for short arc discharge lamps is demonstrated using FIG. 4, FIG. The manufacturing method in the present embodiment includes the following first to sixth strokes.
[第1工程]
第1工程では、トリウムを含有するタングステン棒の先端を円錐状に加工し、図4に示すような陰極素形材140を生成する。
[First step]
In the first step, the tip of a tungsten rod containing thorium is processed into a conical shape to produce a
[第2工程]
第2工程では、複数の粒度のタングステン粉末を混合する。複数の粒度のタングステン粉末を混合することにより、原料粉末を焼結ダイに充填する際、粒子間の隙間を小さくすることができる。これにより、後の焼結行程にて、高密度な(ポアが少ない)焼結接合体を得ることができる。複数の粒度のタングステン粉末を混合するためには、ボールミルなどの公知の混合機を用いればよい。
[Second step]
In the second step, tungsten powder having a plurality of particle sizes is mixed. By mixing the tungsten powder having a plurality of particle sizes, the gap between the particles can be reduced when the raw material powder is filled in the sintering die. Thereby, a high-density (small pore) sintered joined body can be obtained in the subsequent sintering step. In order to mix the tungsten powder having a plurality of particle sizes, a known mixer such as a ball mill may be used.
[第3工程]
第3工程では、陰極素形材140の周囲にタングステン皮膜を生成する。
[Third step]
In the third step, a tungsten film is formed around the
図4に示すパンチ132の上に第1工程で製作した陰極素形材140をセットし、これをダイ130の下から挿入する。ダイ130と陰極素形材140の隙間に第2工程で調製したタングステン粉133を充填する。ダイ130の上の開口部に上のパンチ131を挿入する。これらを放電プラズマ焼結装置100にセットし、装置チャンバー134内を真空にする。
The
上下のパンチ電極135の間に、数V〜数10V程度の低電圧で、数100A〜数万Aのパルス状の大電流を通電する。これによりタングステン粉133及び陰極素形材140は、例えば100K(ケルビン)/minの上昇率で加熱され、最終的には例えば1500Kに達するまで加熱する。
Between the upper and
さらに、上下のパンチ電極135の間に、数10MPaの圧力を数10分間加え、タングステン粉133の焼結を行う。これにより、焼結したタングステン層が陰極素形材140に接合する。密度は理論密度の60〜99.5%とする。
Further, the
タングステン粉末の焼結、接合はパルス状の大電流によりなされる。ここで、陰極素形材140とタングステン133との結合について、その原理は明らかではない。発明者は、両者の界面における火花放電現象により発生する放電の高エネルギー密度場とジュール熱による熱拡散、ON−OFFパルス電流の流れの方向に沿った電磁場発生による高速物質移動を促進する電界拡散効果などであると推認している。
Tungsten powder is sintered and bonded by a large pulsed current. Here, the principle of the connection between the
本発明を実施するにあたっては、放電プラズマ焼結法が最適であるが、タングステン粉末の焼結と陰極素形材140との拡散接合ができれば、とくに限定されるものではなく、ホットプレス法やHIP(熱間等方圧加圧)法でもよい。
In carrying out the present invention, the discharge plasma sintering method is optimal, but it is not particularly limited as long as the tungsten powder can be sintered and the
焼結時の温度は1300K以上2300K以下が望ましい。1300K未満では所望の焼結密度が得られず、又は十分な接合ができないからである。また、2300Kを超えると、陰極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなり、点灯時にトリウムの拡散が阻害されるからである。 The temperature during sintering is preferably 1300K or more and 2300K or less. This is because if it is less than 1300 K, a desired sintered density cannot be obtained, or sufficient bonding cannot be performed. On the other hand, if the temperature exceeds 2300 K, the recrystallization of the cathode element shape proceeds rapidly, the crystal grain size increases, and thorium diffusion is inhibited during lighting.
なお、2000Kを超えると、焼結時の圧力によっては黒鉛製のパンチ・ダイが強度不足となり、あるいは黒鉛の昇華が始まることもある。したがって、かかる問題を回避するために、焼結時の温度を1300K以上2000K以下とするようにしてもよい。 If it exceeds 2000K, depending on the pressure during sintering, the strength of the punch made of graphite may be insufficient, or the sublimation of graphite may start. Therefore, in order to avoid such a problem, the temperature during sintering may be set to 1300K or more and 2000K or less.
また、第2工程で複数の粒度のタングステン粉末を混合しているので、焼結後のタングステンの焼結接合層14Bのポアを少なくできる。したがって、ポアの部分に溜まっているガスや不純物がアーク放電中に放出される事を防止できる。これにより、陰極14の変形や消耗が発生を防止し、陰極14の温度上昇に伴う蒸発を防ぎ、封体の内面が黒化を防止できる。なお、焼結接合層14Bはその密度が理論密度の90%以上になることが望ましい。
Further, since the tungsten powder having a plurality of particle sizes is mixed in the second step, the pores of the sintered
これにより、図5Aに示す円柱形状の複合材料150が得られる。
Thereby, the cylindrical
[第4工程]
第4工程では、陰極としての形状加工をおこなう。第3工程により得られた複合材料150を、円柱の上に円錐台を結合した陰極形状に加工するとともに、先端に所定径のアーク放電領域14Cを形成する。この加工は旋盤などを使った切削加工や、ワイヤーカット放電加工など、通常の金属加工法を採用できる。これにより図5Bに示すような陰極が得られる。
[Fourth step]
In the fourth step, shape processing as a cathode is performed. The
なお、焼結接合層14Bの厚みは、0.01mm〜3.0mmの範囲内とすることが好ましいが、これに限定されるわけではない。0.01mm未満では電子放射物質が表面へ達する拡散を効果的に抑制できず、25KW程度の入力電力の陰極であれば、3.0mmを超えると、陰極全体の温度が低下し、先端部が電子を放出する温度に達せず、かえってアーク放電が不安定になるからである。なお、焼結接合層14Bの厚みは、陰極の大きさ(W数)によって変動させればよい。
The thickness of the sintered
また、焼結接合層14Bの厚みは、先端になるほど薄くなるように加工するのが好ましい。これは、陰極先端径を少しでも小さくすることにより、アーク放電する箇所が集中し、輝度が向上するからである。
Moreover, it is preferable to process so that the thickness of the sintered joining
[第5工程]
第5工程では焼結接合層14Bの結晶粒を粗大化する。第4工程で得られた焼結接合層14Bを、真空雰囲気で熱処理を行うことにより、焼結接合層14Bの結晶粒が粗大化する。熱処理温度は1300K以上2300K以下が好ましい。1300K未満では再結晶化が起こり難く、結晶が粗大化しないからである。2300Kを超えると、陰極素形材の再結晶の進行が早く、結晶粒度が大きくなりすぎ、点灯時にトリウムの粒界拡散が阻害されるからである。
[Fifth step]
In the fifth step, the crystal grains of the sintered
一般的に、陰極14の本体部分の結晶粒径は概ね15〜50μmであり、焼結接合層14Bの結晶粒径は100μm以上であることが好ましい。
In general, the crystal grain size of the main body portion of the
なお、熱処理時間は処理温度に応じて、5分〜360分程度の範囲内から設定すればよい。 In addition, what is necessary is just to set the heat processing time from the range for about 5 minutes-360 minutes according to process temperature.
[第6工程]
第6工程では、脱ガス処理を行う。
[Sixth step]
In the sixth step, degassing treatment is performed.
本実施形態においては、陰極としての形状加工の後、結晶粒粗大化している。これは、タングステンは難加工材料で、結晶粒を粗大化した後に切削加工すると、加工中に剥がれたりかけたりする。このような状況では、陰極の一部に突起部が形成され、かかる突起部からの異常放電などの問題を回避するためである。また、その後、脱ガス処理を行っているのは、脱ガス処理後による切削加工等をすると切削油や不純物がつくという問題を回避するためである。 In this embodiment, the crystal grains are coarsened after shape processing as a cathode. This is because tungsten is a difficult-to-process material, and if it is cut after the crystal grains are coarsened, it may be peeled off during processing. In such a situation, a protrusion is formed on a part of the cathode to avoid problems such as abnormal discharge from the protrusion. Further, the reason why the degassing process is performed thereafter is to avoid the problem that cutting oil and impurities are attached when cutting or the like after the degassing process is performed.
したがって、上記問題を回避できるのであれば、第4〜6工程の順番については問わない。 Therefore, the order of the fourth to sixth steps is not limited as long as the above problem can be avoided.
本実施形態においては、被覆層として焼結接合層で構成した場合について説明したが、これに限定されるわけではない。 In this embodiment, although the case where it comprised with the sintered joining layer as a coating layer was demonstrated, it is not necessarily limited to this.
なお、本実施形態においては、タングステン粉133を円筒形状に成形した後、先細形状に加工するようにした。したがって、先細形状に切削加工するの手間がかかる。したがって、タングステン粉133の成形時に先細形状になるように、パンチ131の形状を変更してもよい。これにより加工量を削減することができる。
In the present embodiment, the
本実施形態においては、電子放射物質として酸化トリウムを、高融点金属としてタングステンを採用したが、これに限定されない。 In this embodiment, thorium oxide is used as the electron-emitting material and tungsten is used as the refractory metal. However, the present invention is not limited to this.
本実施形態においては、装置チャンバー134内を真空にした場合について説明したが、水素雰囲気又は不活性ガス雰囲気でもよい。
Although the case where the inside of the
上記実施形態においては、超高圧水銀放電灯に適用した場合について説明したが、その他のショートアーク放電灯にも適用可能である。 In the above embodiment, the case where the present invention is applied to an ultra-high pressure mercury discharge lamp has been described, but the present invention can also be applied to other short arc discharge lamps.
14・・・・・陰極
14A・・・・本体部分
14B・・・・焼結接合層
14C・・・・アーク放電領域
14...
Claims (6)
前記陰極素形材を焼結ダイ内に載置し、前記陰極素形材の周囲に充填した高融点金属の粉末を前記陰極素形材の表面に加圧焼結させる加圧焼結工程、
前記接合面の結晶粒を粗大化するために、熱処理により前記高融点金属と前記陰極素形材との接合面を再結晶化させる結晶粒粗大化工程、
を備えたことを特徴とするショートアーク放電灯用陰極の製造方法。 A step of preparing a cathode base material composed of a refractory metal containing an electron-emitting substance and having a tapered tip;
A pressure sintering step of placing the cathode stock material in a sintering die and pressurizing and sintering a high melting point metal powder filled around the cathode stock material on the surface of the cathode stock material;
In order to coarsen the crystal grains on the joint surface, a crystal grain coarsening step of recrystallizing the joint surface between the refractory metal and the cathode body shape material by heat treatment,
A method for producing a cathode for a short arc discharge lamp, comprising:
前記結晶粒粗大化工程の前に前記高融点金が接合焼結された陰極素形材の先端を除去して、先端を先細形状とする工程を有すること、
を特徴とするショートアーク放電灯用陰極の製造方法。 In the manufacturing method of the cathode for short arc discharge lamps of Claim 1,
Removing the tip of the cathode base material in which the refractory gold is bonded and sintered before the grain coarsening step, and having a step where the tip is tapered.
A method for producing a cathode for a short arc discharge lamp.
前記電子放射性物質を含有しない高融点金属で構成され、かつ、結晶粒が前記陰極を構成する金属よりも粗大な高融点金属層で、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域を覆ったこと、
を特徴とするショートアーク放電灯用陰極。 It is composed of a refractory metal containing an electron radioactive substance, and is a cathode for a short arc discharge lamp that discharges the electron radioactive substance from a tip part,
The high melting point metal layer which is composed of a high melting point metal not containing the electron-emitting substance and whose crystal grains are coarser than the metal constituting the cathode covers an area other than the arc discharge area at the tip of the cathode. ,
A cathode for a short arc discharge lamp.
前記高融点金属層は、前記高融点金属の焼結接合層を再結晶化させることにより結晶粒を前記陰極よりも粗大化させたこと、
を特徴とするショートアーク放電灯用陰極。 The cathode for a short arc discharge lamp according to claim 3,
The refractory metal layer has a crystal grain coarser than the cathode by recrystallizing the sintered joining layer of the refractory metal,
A cathode for a short arc discharge lamp.
前記表面拡散を制限するために、前記電子放射性物質を含有しない高融点金属層を、前記陰極先端部のアーク放電領域以外の領域に焼結接合させたこと、
を特徴とするショートアーク放電灯用陰極。 A cathode for a short arc discharge lamp, which is composed of a refractory metal containing an electron-emitting substance, and the electron-emitting substance emits the electron-emitting substance from its tip by surface diffusion from the side surface and internal grain boundary diffusion. There,
In order to limit the surface diffusion, a refractory metal layer not containing the electron-emitting material was sintered and bonded to a region other than the arc discharge region of the cathode tip,
A cathode for a short arc discharge lamp.
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