JP2013251094A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、先端部での酸化トリウムの還元反応を停滞させることがなく、長期に亘って安定的にトリウムを陰極表面から拡散させることにより、良好な放射特性を維持できてアークの安定が得られるような陰極を提供するものである。
【解決手段】前記陰極は、前記本体部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）が、前記先端部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高いことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、陰極に酸化トリウムが含有された先端部が設けられているショートアーク型放電ランプに係わるものである。

通常、映写機用の光源として使用されるキセノンが封入されたショートアーク型放電ランプや、半導体露光、ＬＣＤ露光用などの光源として利用される水銀が封入されたショートアーク型放電ランプでは、直流点灯方式のランプが使用されている。
その典型的な一例が図３に示されている。放電ランプ１は発光部３とその両端の封止部４とからなる発光管２を有し、前記発光部３内には、陰極５と陽極６とが対向配置されていて、直流点灯される。
このように、放電ランプを直流点灯することで、アークの輝点を陰極先端に固定し、点光源とすることで光学系と組み合わされた時に高い光の利用効率を実現するものとされている。
ところで、このような直流点灯方式の放電ランプに用いられる陰極は、定常点灯時に常時電子を放出する役割を担うため、電子放射を容易にすべく、高融点金属にエミッター材を混入して構成されたものが多用されている。

そして、このエミッター材としては、点光源および高輝度が要求される放電ランプにおいては、陰極先端の動作温度を高くできるものとして酸化トリウムが一般的に使用されている。しかしながら、酸化トリウムは放射性物質であるため、昨今ではその扱いが厳しく規制されてきており、陰極に酸化トリウムを用いざるを得ないとしても、酸化トリウム含有量を極限まで減らすことが要求されている。
このような観点から、エミッター材として酸化トリウムを含有させた陰極構造とするとき、特開２０１１−１５４９２７号公報（特許文献１）に見られるように、陰極本体はタングステン材料から構成し、その先端に酸化トリウムを含有したトリエーテッドタングステンからなる先端部を固相接合させた陰極構造とすることが知られている。

図４を参照してその陰極構造を説明すると、陰極５は、後方側の本体部５１と、その先端に接合された先端部５２とからなる。本体部５１は純タングステンからなり、先端部５２は、タングステンにエミッター材として酸化トリウム（ＴｈＯ_２）が含有された、いわゆるトリエーテッドタングステン（以下、トリタンともいう）により構成される。酸化トリウムの含有量は具体的には０．５〜３％、例えば２％である。
通常、陰極５は全体が円筒状であり、先端側で、前記先端部５２を含めてテーパー形状とされている。
陰極５の先端部５２に含有された酸化トリウムは、ランプ点灯中、陰極が高温になることによって還元されてトリウム原子となる。陰極の内部で還元されて生成したトリウム原子は、主に、タングステン結晶粒間の粒界拡散によって陰極表面に運ばれ、表面に露出すると、陰極の中でも更に温度が高い先端側に移動して蒸発する。トリウム原子が蒸発することによって大きなエミッションが得られ、良好な電子放出特性が得られるようになるものである。

しかしながら、電子放出特性の改善に寄与する酸化トリウムは、実質的には陰極先端の表面からごく浅い部分に介在するものに限られてしまう。
その理由は、陰極先端の表面においてトリウムが蒸発して消耗されるため、トリウムを順次供給する必要があるが、ランプを連続して点灯すると酸化トリウムの還元反応が緩慢になり、やがて停止してしまって、還元された状態のトリウムの供給が間に合わなくなる。このため、陰極内部には豊富に酸化トリウムを含有していたとしても、陰極表面では事実上枯渇状態に至ってしまうことがある。
このような還元反応の停滞は、以下に説明する事象が関係する。
すなわち、酸化トリウムの還元反応が生じると、発光管の内部（陰極の炭化層など）に存在するＣ（炭素）とＯ（酸素）が結合し、ＣＯ（一酸化炭素）ガスが発生する。還元反応は、陰極の先端部の表面や内部で生じるが、陰極内部でＣＯが発生して蓄積され、圧力が高まると、酸化トリウムの還元反応が生じ難くなり、ついには還元反応が生じなくなって、その結果、トリウム原子を陰極表面に供給できなくなる事態に至る。

図５は、陰極先端の断面組織を模式的に示す図であり、図５（Ａ）は点灯初期、図５（Ｂ）は所定時間点灯後の枯渇状態が生じたときをそれぞれ示している。
図５（Ａ）に示すように、点灯初期においては、先端部５２と本体部５１はともに小さな結晶粒の状態にある。
所定の点灯時間が経過した後には、図５（Ｂ）に示すように、先端部５２には酸化トリウムが介在するものの、アークによって高温に曝されるためタングステンの結晶粒は、点灯初期と比較して徐々に粗大化していく。一方、前記先端部５２よりも温度の低い本体部５１においても、ドープ処理がなされていないために、タングステンの再結晶温度は先端部５２のトリエーテッドタングステンよりも低く、時間の経過と共にタングステンの結晶が大きくなる。
このように、点灯時間の経過とともに、本体部５１、先端部５２ともにタングステン結晶粒が粗大化していく。

このような状態になると、結晶粒間の粒界が減少し、先端部５２での酸化トリウムの還元反応により生成したＣＯは、結晶粒界の減少により吸蔵される場所が減少し、ＣＯ濃度が高くなってしまい酸化トリウムの還元が停止してしまい、トリウムの供給が止まってしまうことになる。また、ＣＯ濃度の低い本体部５１でも結晶粒が粗大化していて吸蔵される部分が減少しているので、本体部側へのＣＯガスの吸蔵もできにくくなっていき、結局、ＣＯガスは陰極内部に蓄積されてしまうことになる。
こうして先端部５２内部のＣＯの圧力が高まっていくと、該先端部５２での酸化トリウムの還元反応が進行せず停滞してしまって、陰極表面でトリウムが枯渇状態となってしまうものである。

特開２０１２−１５４９２７号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極構造を有するショートアーク型放電ランプにおいて、トリエーテッドタングステンからなる先端部の内部での酸化トリウムの還元反応を停滞させることなく、トリウムが陰極内部から陰極表面に確実に拡散してきて、陰極表面で枯渇状態とならないようにして、安定的で長期に亘る電子放出特性が得られるようにした陰極構造を有するショートアーク型放電ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明では、タングステンからなる本体部に、トリエーテッドタングステンからなる先端部が固相接合されてなる陰極を有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記陰極の本体部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）を、前記先端部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高くしたことを特徴とする。

本発明によれば、タングステンからなる本体部に酸化トリウムが含有された先端部を固相接合させた陰極構造において、陰極の先端部では、アークに曝されて高温になりタングステン結晶粒が点灯時間の経過とともに成長して粗大化していくが、この結晶粒の粗大化は、酸化トリウム粒がタングステン粒界の減少に伴って陰極先端近くに集められることになり、局所的にみると濃度が高くなったのと同じことになり、還元されたトリウムが陰極先端に供給されやすくなる。
一方で、陰極の本体部ではカリウムが先端部より高濃度に含有されていることにより、再結晶温度が高くなるので、タングステン結晶粒の成長・粗大化が抑制される。結晶粒の粗大化が抑制されることにより、結晶粒間の粒界が多岐・多数に存在する状態が維持され、この粒界が、陰極先端部での酸化トリウムの還元反応により生じるＣＯガスの吸蔵先として機能する。これにより、先端部で生じたＣＯガスは本体部側に吸蔵され、該先端部内部での酸化トリウムの還元反応が停滞してしまうことがなく、トリウムが長期に亘って安定的に先端部の先端表面に拡散して供給されるので、ランプの長寿命化が図られるものである。

本発明のショートアーク型放電ランプの陰極構造断面図。 図１の部分拡大図。 一般的なショートアーク型放電ランプの構造。 図３の陰極の拡大図。 図４の陰極構造の断面図。

図１（Ａ）に示すように、陰極５はタングステンからなる本体部５１と、これに固相接合されたトリエーテッドタングステンからなる先端部５２とからなる。前記本体部５１は、例えば純度が９９．９９％以上であるタングステン（純タングステン）から構成され、前記先端部５２は、酸化トリウム（ＴｈＯ_２）を例えば２ｗｔ％含有するタングステン（トリエーテッドタングステン）から構成されている。
そして、前記本体部５１には、先端部５２よりも多量にカリウムが含有されていて、そのカリウム濃度（重量ｐｐｍ）が先端部５２のカリウム濃度よりも高くされている。
このような陰極を作製するに当っては、本体部５１用として、カリウムをドープ処理したタングステン（カリウムドープタングステン）を作製し、一方、先端部５２用として、実質的にカリウムをドープ処理することなく、酸化トリウムのみをドープ処理したトリエーテッドタングステンを作製する。
そして、これら本体部５１用、先端部５２用として形成した各タングステンをつき合わせ、圧力をかけた状態で一定時間だけ高温に維持する。こうすることにより、突合せした界面において原子レベルで拡散が生じて、両者が強固に接合され、本体部５１と先端部５２とが一体的に構成された陰極５が得られる。

酸化トリウムおよびカリウムは、タングステンに添加されることにより、タングステンの結晶の粒成長を抑制する作用を備えることが知られている。
ところが、図１（Ｂ）およびその先端拡大図である図２に示されるように、酸化トリウムがドープされた陰極先端部５２は、アークに曝されて極めて高温になると共に、酸化トリウム（またはトリウム）の粒界拡散が生じるので、酸化トリウムが含まれてはいるものの、高温状態に維持される時間経過に伴ってタングステンの粒成長が生じ、結晶粒の粗大化が進む。
酸化トリウム（またはトリウム）が粒界を移動して拡散する際、この結晶粒の粗大化によって陰極内部から先端に移動するまでの経路が短くなるので、該拡散には好都合となって作用する。
換言すると、陰極先端部においては粒成長を妨げる働きをするカリウムなどのドープ材を添加することは望ましくない。

一方、陰極本体部５１においては、カリウムが先端部５２に比較して高い濃度で含まれていることにより、結晶粒の成長が抑制され、再結晶温度が（ドープ材無しのタングステンと比較して）高くなるので、タングステン結晶の粗大化が抑制される。
換言すると、本体部５１のタングステンの結晶粒は、先端部５２のタングステンの結晶粒よりも小さく制御され、その結果、小さな結晶粒によって粒界が多岐・多数に維持されることになる。
陰極先端部５２において酸化トリウムの還元作用でＣＯガスが不可避的に生成されるが、このＣＯガスは、ＣＯ濃度が低い陰極本体部５１に向かって多岐・多数の粒界を通じて拡散され、拡散経路の長い該本体部５１がこのＣＯガスの十分な吸蔵作用を発揮する。そのため、陰極先端部５２にＣＯが蓄積された状態とはならないので、酸化トリウムの還元作用が妨げられることがなく、トリウムを長期間にわたり安定的に先端部に供給することができる。

このように、本発明にかかる陰極によれば、本体部５１のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）を先端部５２のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高くしたので、本体部５１においてタングステンの結晶粒の粗大化を抑制でき、粒界を多数形成した状態を維持して先端部５２で発生したＣＯガスの吸蔵先として機能する。
そして、陰極先端部５２においては、ＣＯガスの圧力の高まりを抑制できるので、酸化トリウムの還元作用が緩慢になったり停止したりすることがなく、継続して還元反応が行われて、陰極先端にトリウム原子を安定的に提供できるようになる。
この結果、本発明によれば、エミッター材としてのトリウムの供給が良好で、アークを安定して維持できるショートアーク型放電ランプを提供できるようになるものである。

以下、本発明にかかるショートアーク型放電ランプの陰極の製造方法の一例を説明する。
陰極先端部用のトリエーテッドタングステン（Ｗ−２％ＴｈＯ_２）を例えば、直径１５ｍｍ、厚さ７ｍｍとなるよう旋盤により加工する。また、陰極本体部用のタングステン（純タングステン９９．９９％）を、例えば直径１５ｍｍ、厚さ３８ｍｍとなるよう同じく旋盤により加工する。
トリエーテッドタングステンに含まれるカリウム濃度は例えば５ｗｔｐｐｍ以下であり、純タングステンのカリウム濃度は例えば３０ｗｔｐｐｍ〜４０ｗｔｐｐｍに調整されている。
これら、先端部用のトリエーテッドタングステンと本体部用のタングステンについて、接合面の少なくとも一方について、表面粗さを中心線平均粗さ０．０５μｍ〜１．５μｍの範囲とし、接合面の平面度を０．１μｍ〜１．５μｍとする。
次いで、先端部用のトリエーテッドタングステンと本体部用のタングステンの接合面を当接させ、真空中で軸方向に５０ＭＰａ程度の圧縮力を付加した状態で、通電加熱し、接合部の温度を約２０００℃に昇温し、５分程度維持する。これにより、トリエーテッドタングステンと純タングステンの界面が固相拡散接合し、一体化した陰極材料が出来上がる。
固相接合後の材料を切削加工することで、先端径φ１．６ｍｍ、先端角度６０度、先端部長７ｍｍ、電極長４５ｍｍの、先端がエミッター部（トリエーテッドタングステン）、後方がカリウムを３０ｗｔｐｐｍ〜４０ｗｔｐｐｍ含んだ本体部（純タングステン）の陰極が得られる。

以上のように、本発明によれば、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極において、前記本体部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）を、前記先端部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高くしたことにより、点灯時間の経過に伴い先端部においてはタングステン結晶粒が成長して粗大化し、内部のトリウムが拡散して陰極表面に移動し易くなるとともに、本体部では結晶粒の粗大化が抑制されて該結晶粒界が多岐に多数存在して、先端部での酸化トリウムの還元反応により生じるＣＯガスが該本体部側に拡散移動するので、先端部にはＣＯガスが滞留することがない。そのため、先端部での酸化トリウムの還元反応が停滞することなく、長期に亘って確実に反応が進むので、陰極先端表面へのトリウムの供給が良好となり、アークが安定するという効果を奏するものである。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 発光管
３ 発光部
４ 封止部
５ 陰極
５１ 本体部
５２ 先端部
６ 陽極

酸化トリウムおよびカリウムは、タングステンに添加されることにより、タングステンの結晶の粒成長を抑制する作用を備えることが知られている。
図１（Ｂ）およびその先端拡大図である図２に示されるように、陰極先端部５２においては、カリウム濃度が低いために、アークに曝されて高温状態に維持される時間経過に伴ってタングステンの粒成長が生じ、ある程度の結晶粒の粗大化が進む。

以上のように、本発明によれば、タングステンからなる本体部とトリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成された陰極において、前記本体部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）を、前記先端部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高くしたことにより、点灯時間の経過に伴い先端部においてはタングステン結晶粒が成長してある程度粗大化するが、本体部では結晶粒の粗大化が抑制されて該結晶粒界が多岐に多数存在して、先端部での酸化トリウムの還元反応により生じるＣＯガスが該本体部側に拡散移動するので、先端部にはＣＯガスが滞留することがない。そのため、先端部での酸化トリウムの還元反応が停滞することなく、長期に亘って確実に反応が進むので、陰極先端表面へのトリウムの供給が良好となり、アークが安定するという効果を奏するものである。

Claims (1)

1. 発光管の内部に、陰極と陽極とが対向配置され、
   前記陰極が、タングステンからなる本体部と、トリエーテッドタングステンからなる先端部とが固相接合されて形成されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記陰極は、前記本体部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）が、前記先端部のカリウム濃度（重量ｐｐｍ）よりも高いことを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

Images