JP3611984B2 - 放電管および放電管用陰極の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放電管および放電管用陰極の製造方法に関し、特に、放電安定性と光束維持率の高い長寿命の放電管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光源用放電管の一例は、図３に示すように、石英製の発光管１１の両端に封止管１７ａ、１７ｂが設けられており、この封止管１７ａ、１７ｂ内のモリブデン箔１４ａ、１４ｂを介して、内部に陽極構体１２および陰極構体１３が封入され、外部にリード１６ａ、１６ｂが接続されている。
【０００３】
石英製の発光管１１には、排気管１５が結合されており、この排気管１５を介して排気したのち、キセノンガス等の希ガスおよび発光に必要な金属を封入して封じ切られる。
【０００４】
陰極構体１３の先端部に取り付けられる陰極として、通常１〜４重量％程度の易電子放射物質となる酸化トリウムを含有させたトリエテッド・タングステンが使用されている。しかし、酸化トリウムは、放射性物質であるので、その生産から廃棄されるまでの期間に、環境汚染の問題を含んでおり、酸化トリウムを含有させたトリエテッド・タングステンの代わりに、希土類酸化物、例えば、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化セリウム等を含有させたタングステン電極等が従来より提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放電動作中に陰極先端部が高温になって、含有されている希土類酸化物が蒸発して放電管の内壁が汚染されて、光束維持率の低下による短寿命化や、陰極先端の変形により放電アークが不安定になる等、実用上の問題も多い。
【０００６】
同様にトリエテッド・タングステン陰極の代わりに、高融点金属、例えばタングステン等の金属粉末をプレス成形し、真空中または水素雰囲気中で焼成した後に多孔質金属基体内に易電子放射物質を含浸させた陰極も従来より提案されている。
【０００７】
しかし、これら多孔質金属基体内に易電子放射物質を含浸させた陰極においては、易電子放射物質の含浸量の均一化が難しく、また、多孔質金属基体内における易電子放射物質の分散が不均一であることに基づき、長時間にわたる放電の安定性に欠け、さらに大電流に対しては、多孔質金属基体に含浸させた易電子放射物質が多孔質部分から徐々に蒸発飛散することにより放電管の内壁を汚染し、光束維持率の低下による短寿命化という問題があった。
【０００８】
これらの問題を解決する手段として、発光管１１の内壁表面積を大きくすることにより蒸発飛散物の付着密度を低下させたり、多孔質金属基体内に易電子放射物質を含浸した後に、陰極側面に金属線をコイル状に巻き付けて、多孔質金属基体からの易電子放射物質の飛散を防止する等の工夫がなされているが、どれも本質的な解決手段とはなっていない。
【０００９】
そこで、この発明は、放電安定性と光束維持率の高い長寿命の放電管の陰極を提供することを目的として考えられたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の放電管は、陰極と陽極を放電蒸気中に配置して、アーク放電を行なわせる放電管において、高融点金属粉末に易電子放射物質の粉末を混合して、圧縮プレス成形したものを焼結せしめた陰極を具備するものである。
【００１１】
この発明の放電管用陰極の製造方法は、高融点金属粉末に易電子放射物質の粉末を混合する第１工程と、この第１工程で混合された粉末を圧縮プレス成形する第２工程と、この第２工程で成形されたものを焼結せしめる第３工程とを経る方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の放電管用陰極の実施の形態を図１に基づいて説明する。この発明の陰極を適用する放電管の一例は、図３に示す従来の光源用放電管と同様に、最大内径２０ｍｍの石英製の発光管１１に、直径４ｍｍのタングステン棒よりなる陽極構体１２と、図１（ａ）に示すように、直径３ｍｍの導電路を成形するタングステン棒２０と、その先端部に取り付けられた直径１．８ｍｍ、長さ３ｍｍの陰極２１よりなる陰極構体１３が封入されている。なお、導電路となるタングステン棒２０と陰極２１との取り付け方は、陰極２１からの熱を導電路へ効率よく伝導させる方法であれば、図１（ａ）に示す構造に限るものではない。
【００１３】
陰極２１の製作方法は、高融点金属として約４μｍ〜１０μｍのタングステン粉末に、易電子放射物質の粉末を均一に混合・撹拌し、所要の成形金型内に入れて、圧縮プレス成形する。圧縮プレス成形された陰極は、アルゴンガス雰囲気中において約２０００℃で３０分間の焼結を施す。
【００１４】
なお、陰極２１としての所望の形状を圧縮プレス成形で得られない場合には、圧縮プレス成形後に、アルゴンガス雰囲気中において、約１４００℃で１５分間の仮焼結を施したのち、所望の形状に研削し、その後にアルゴンガス雰囲気中において約２０００℃で本焼結を施す。
【００１５】
高融点金属としてのタングステン粉末に混合する易電子放射物質の混合割合は、６重量％としたが、４〜１２重量％の範囲で実用に供し得ることが明らかになった。この易電子放射物質の混合割合が４％未満であると、放電中の易電子放射物質の供給が不足して、長期的な安定放電の維持ができない。また、易電子放射物質の混合割合が１２％を超えると、陰極からの易電子放射物質の蒸発飛散量が多くなって、放電管の内壁を汚染することになり、光束維持率が低下してしまうことが明らかになった。
【００１６】
この実施の形態においては、タングステン粉末に対して、易放電放射物質として、ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ_２Ｏ_３をモル比で、２：１：１の割合で混合したものを使用した。これらの易電子放射物質は、焼結処理中に固容体を形成するので、高融点金属であるタングステン粉末間のバインダーとして作用し、陰極の物理的強度が増加されるとともに、陰極先端放電部の発熱に対して、熱伝導性が良くなって、陰極先端放電部の温度上昇を抑制し、さらに、焼結処理工程において、陰極表面層の易電子放射物質が蒸発飛散して消失するので、放電管用の陰極２１として使用した場合、易電子放射物質の陰極表面層からの蒸発飛散量を減少させる効果を奏する。
【００１７】
以上で説明したように、高融点金属であるタングステン粉末に対して、易電子放射物質の粉末を成形および焼結前に混合することにより、陰極内部における易電子放射物質の分散が均一化され、かつ物理的強度の強化および熱伝導性の改善と、陰極表面層からの易電子放射物質の蒸発飛散量を最小限に抑制可能となり、かつ、多孔質金属基体内への易電子放射物質の含浸処理をまったく不要とすることで、簡便かつ安価な陰極を提供することができる。
【００１８】
また、陰極先端部の温度は、易電子放射物質の作用により、仕事関数を約１．７ｅＶにまで低下して、陰極先端放電部の再結晶化を防止できるので、陰極先端放電部の先端の変形もなく、長期にわたり、安定した放電を維持することができる。
【００１９】
（実施例）
焼結後の陰極２１の形状は、図１（ａ）に示すように、直径１．８ｍｍ、長さ４ｍｍであり、その先端部の形状は、図１（ｂ）に拡大して示すように、電子放出点に向けてテーパー形状であり、このテーパー形状に接するＲ形状を有し、テーパー角度θは４０゜、先端Ｒは０．５ｍｍとした。
【００２０】
（第１比較例）
実施例と寸法および形状が同じで、陰極材料を従来の２重量％のＴｈＯ_２を含むトリエテッド・タングステンを使用した陰極とした。
【００２１】
（第２比較例）
実施例と寸法および形状が同じで、多孔質タングステン基体に易電子放射物質として、ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ_２Ｏ_３をモル比で２：１：１に混合し、含浸させたものを陰極とした。
【００２２】
そして、実施例、第１比較例、第２比較例の陰極を用いて、発光管１１内に起動ガスとしてアルゴンガスを０．４気圧、水銀を発光管１１の内容積１ｃｃ当り４０ｍｇを封入し、陰極２１と陽極との放電間隔を２ｍｍとして放電電圧４２Ｖとなる水銀ショートアーク型ランプを入力電力２５０Ｗで動作させた。これらの点灯時間と光束維持率の測定結果は、図２に示すとおりである。
【００２３】
点灯初期の光束を１００とした場合、点灯時間が増加する毎に、第１比較例および第２比較例においては、光束維持率が低下する。特に、第２比較例は、点灯初期において光束維持率が急激に低下するが、この発明の実施例においては、両比較例に比して優れていることが明らかである。
【００２４】
次に、焼結後の陰極２１の先端部の形状（テーパー角度θおよび先端Ｒ）と放電安定性との関係を調べるために、
（第１実験例）
焼結後の陰極２１の先端部の形状を、テーパー角度θを２０゜、先端Ｒを０．１ｍｍ未満としたもの、
（第２実験例）
焼結後の陰極２１の先端部の形状を、テーパー角度θを２０゜、先端Ｒを０．９ｍｍとしたもの、
（第３実験例）
焼結後の陰極２１の先端部の形状を、テーパー角度θを１００゜、先端Ｒを０．１ｍｍ未満としたもの、
（第４実験例）
焼結後の陰極２１の先端部の形状を、テーパー角度θを１００゜、先端Ｒを０．９ｍｍとしたもの、
を用意し、各実験例の放電安定性について比較・検討した。
【００２５】
なお、放電安定性については、各実験例の水銀ショートアーク型ランプを直径約１５０ｍｍの楕円回転体形反射鏡の第１焦点に陰極先端を配置するように固定し、楕円回転体形反射鏡の第２焦点上に直径３ｍｍの受光面を持つ受光器を配置して、３６５ｎｍの紫外線を受光し、その受光した紫外線照度の安定性をアーク安定度Ｓとした。このアーク安定度Ｓは、以下の式により求めた。
Ｓ（％）＝｛（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／Ｉ）｝
ただし、Ｉｍａｘは最大集光照度、Ｉｍｉｎは最低集光照度、Ｉは平均集光照度であって、Ｉｍａｘ、Ｉｍｉｎ、Ｉの時間的変化の一例は、図４に示すとおりである。
【００２６】
実施例および第１実験例〜第４実験例について、得られたアーク安定性Ｓは、次の表１に示すとおりであった。
【表１】

【００２７】
これらのデータより、陰極先端角度θが２５゜未満の場合には、放電先端部の高温による易電子放射物質の蒸発量が多く、また、陰極先端部の易電子放射物質の減少に伴い、陰極先端温度の上昇により、再結晶化が進行するので、陰極内の易電子放射物質の供給が減少して、アーク安定性が点灯時間とともに悪くなる。また、陰極先端角度θが９０゜を超える場合および陰極先端Ｒの形状が、０．８ｍｍを超える場合には、陰極の電子放出点が定まらず、点灯初期からアーク安定性Ｓが悪いことが明らかになった。
【００２８】
以上の事項より、陰極の先端形状については、テーパー部の角度θが２５゜〜９０゜で、かつ、このテーパー部に接するＲ形状は、０．１〜０．８ｍｍの範囲が望ましいことが明らかとなった。
【００２９】
【発明の効果】
以上で説明したように、この発明によると、放電管の陰極の製法として、高融点金属粉末に易電子放射物質を混合した後に、圧縮プレス形成し、その後に焼結せしめているので、焼結後の易電子放射物質の高融点金属内における分散が均一であり、かつ、多孔質金属基体内部へ易電子放射物質を外部から含浸させるための空洞がないため、易電子放射物質の蒸発飛散量を最小限に抑制することができ、発光管内壁への易電子放射物質の汚染による光束維持率の低下を防止した長寿命の放電管の陰極を提供することが可能であり、かつ、製法が簡単であり安価に製造することが可能であり、酸化トリウムなどの放射性物質を使用しないので環境汚染を防止することができる。
【００３０】
また、陰極先端のテーパー角度θおよびテーパー部に接する陰極先端Ｒの形状を適当に選択し、組み合わせることで、アーク安定性の良い長寿命の放電管を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の放電管用陰極の実施の形態を示す断面図（ａ）および要部の側面図（ｂ）、
【図２】この発明の陰極材料を使用した放電管および従来の放電管の点灯時間と光束維持率の測定結果を示す特性曲線図、
【図３】従来の光源用放電管の一例を中央部を断面で示した正面図、
【図４】アーク安定性の定義を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 発光管
１２ 陽極
１３ 陰極構体
２１ 陰極
１７ａ、１７ｂ 封止管
１４ａ、１４ｂ モリブデン箔
２０ タングステン棒

Claims (5)

1. 陰極と陽極を放電蒸気中に配置して、アーク放電を行なわせる放電管において、タングステン粉末に対して、易放電放射物質としてＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ ₂ Ｏ ₃ をモル比で２：１：１の割合で混合して、圧縮プレス成形したものを焼結せしめた陰極を具備することを特徴とする放電管。
2. 陰極の先端形状が、電子放出点に向けてテーパー形状であって、前記テーパーに接するＲ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の放電管。
3. 陰極の先端形状が、テーパー部の角度が２５゜〜９０゜であり、かつ、先端Ｒが０.１〜０.８ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の放電管。
4. 陰極と陽極を放電蒸気中に配置して、アーク放電を行なわせる放電管用陰極の製造方法であって、タングステン粉末に対して、易放電放射物質としてＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ ₂ Ｏ ₃ をモル比で２：１：１の割合で混合する第１工程と、該第１工程で混合された粉末を圧縮プレス成形する第２工程と、該第２工程で成形されたものを焼結せしめる第３工程とよりなることを特徴とする放電管用陰極の製造方法。
5. 高融点金属粉末に対する易電子放射物質の混合割合は４〜１２重量％であることを特徴とする請求項４に記載の放電管用陰極の製造方法。

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