JP3889380B2 - Hot cathode and discharge device using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱陰極及びこれを用いた放電装置に係わり、特に照明等に用いられる熱陰極及びこれを用いた放電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の一般的な熱陰極放電灯においては、放電により陰極から放出された電子は放電管内に封止した水銀原子と衝突し、水銀原子は衝突によりエネルギーを受け紫外線を放出する。この紫外線により蛍光体が励起され可視光線を発生する。発光色は蛍光体の種類によって異なり、白色、昼光色、青色など数々の色種の光がランプから放射される。
【0003】
放電中のフィラメントは1000度以上にも達し、コイルに塗布しているエミッタは蒸発したり、イオンまたは電子衝突を受けスパッタされて消耗していく。このような蒸発やスパッタにより電子放出物質はガラス管内に拡散する。拡散した電子放出物質はガラス管内面に付着し、水銀と反応してアマルガムを形成し黒化する。この現象は外見を損なうばかりでなくランプの光束低下をきたす主因ともなる。
【0004】
電子放出物質の消耗を防ぐための手段は数々なされている。例えば、電子放出物質をスパッタされ難い物質であるダイヤモンドにする構造がある(特許文献1及び2参照。)。これらの文献に記載の発明では、電極材料にダイヤモンド粒子が塗布により付着させられている。塗布、付着させるために、例えばダイヤモンド粒子を有機溶剤に混ぜ電極材料をこの溶液に浸して超音波洗浄を行う。
【0005】
しかしながら、本発明者の研究によれば、電子放出物質をダイヤモンドにする場合、スパッタによるダイヤモンドのエッチングあるいは消耗は少ないものの、電極材料である金属類、例えばタングステンとダイヤモンドとの間の密着性は悪く、更に応力の違いから電極からのダイヤモンドの剥がれが多発し、熱陰極放電灯等の放電装置の製造歩留まりや耐久性は著しく劣っていることが新たに判明した。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−69868号公報
【特許文献2】
特開2000−106130公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来、電子放出物質としてダイヤモンドを用いる熱陰極放電灯等の放電装置は、電極材料である金属類、例えばタングステンとダイヤモンドとの間の密着性が悪く、電極からのダイヤモンドの剥がれが多発し、放電装置の製造歩留まりや耐久性は著しく劣っていた。
【0008】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱陰極放電装置の製造歩留まりや耐久性を改善することが可能な熱陰極及びこれを用いた放電装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
(構成)
上述した課題を解決するために、本発明の第1の熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備し、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面のみに接しており、該外面と摺動可能に設けられていることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の第3の熱陰極は、柱状電極と、この柱状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【0014】
また、本発明の第1乃至第の熱陰極において、前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなることが望ましい。
【0015】
また、本発明の第1の放電装置は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備し、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面のみに接しており、該外面と摺動可能に設けられていることを特徴とする。
【0018】
また、本発明の第3の放電装置は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、柱状電極と、この柱状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする。
【0020】
また、本発明の第1乃至第3の放電装置において、以下の構成を備えることが望ましい。
【0021】
(1)前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなること。
【0022】
(2)前記放電用ガスは、200nm以下の主要発光ピークを有する元素を含むガスを含むこと。
【0023】
(3)前記放電用ガスは希ガスと水銀とを含むこと。
【0024】
(4)前記放電用ガスはXeを含むこと。
【0025】
(5)前記放電用ガスは水素ガスを含むこと。
【0026】
なお、本発明において、コイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材について、「実質的に同じ大きさ」とは、コイル外径よりも0.2mm以内の大きさだけ大きな内径の筒状ダイヤモンド部材を含むことを意味する。
【0027】
また、本発明において、電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドからなるダイヤモンド部材について、「摺動可能」とは、電極とダイヤモンド部材が化学的、物理的に固着しておらず、電極とダイヤモンド部材を別個に摺り動かすことができることを意味する。
【0028】
(作用)
本発明によれば、コイル状等の形状を有する電極に対して、ダイヤモンドからなるダイヤモンド部材が摺動可能に設けられている。また、コイル状電極の場合は、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材とを備えている。
【0029】
本発明によれば、電極部材とダイヤモンド部材とは固着されておらず、このため、電極部材とダイヤモンド部材間の応力等の違いから生じる膜剥がれが本質的に生じないので、放電装置の耐久性を大幅に向上させることが可能である。また、ダイヤモンド部材は熱伝導率が高いため、電極から十分な熱が伝わり、従来の固着させた構造と比較しても十分な熱伝導特性を得ることができる。
【0030】
さらに、熱陰極を用いた放電装置において電子放出物質にダイヤモンドを使用する場合、ダイヤモンドはスパッタリング耐性が大きいので、放電中のプラズマによるスパッタリングに起因する電子放出物質の消耗等の問題を改善することが可能である。ダイヤモンド部材が連続膜である場合、かかる連続膜が電極全面を保護することにより上記効果が著しくなる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施様態について詳細に説明する。
【0032】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の放電装置に係る熱陰極放電灯の構造を示す概略図である。図1(a)は熱陰極放電灯の全体図であり、図1(b)は電極の構成を拡大して示す断面図である。
【0033】
図1(a)に示されるように、本実施形態に係る熱陰極放電灯は、内面に蛍光体12を塗布した外囲器としてのガラス管(放電管)10と、ガラス管10の両端に取り付けられた、一対の電極11a、11bと、一対の導入線11c、11dと、一対の金具14a、14bと、一対の電極11a、11bに設けられた円筒状のダイヤモンドからなるダイヤモンド部材15a、15bと、により構成されている。導入線11c及び11dは電極11a、11bをそれぞれ保持し通電を行うためのものであり、一対の金具14a、14bによりそれぞれ保持される。また、ガラス管10内には放電を容易にするために封止ガス13としてアルゴン又は混合希ガスと微量の水銀が2〜4hPaの圧力で封止されている。
【0034】
電極部分の構成は、図1(b)の拡大図に示されるように、一対の電極11a及び11bは、1重、2重、またはそれ以上のコイル状のフィラメント(例えば、タングステン等からなる。)となっており、これらのコイル状電極11a及び11bの外面に該外面と摺動可能に円筒状のダイヤモンド部材15a、15bが設けられている。ダイヤモンド部材15a、15bは、コイル状電極11a及び11bのコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有しており、コイル状電極11a及び11bとは固着されてはいない。
【0035】
放電の際は、コイル状電極11a、11bに電流を流し予熱すると、高温になったダイヤモンド部材15a、15b(エミッタ)から電子が放出される。放出された電子は対極電極(陽極)に移動し、放電が開始する。ここで、一般的には放電を生じさせるために交流電圧をコイル状電極11a、11bに印加する構成となっており、コイル状電極11a、11bの片方がエミッタとして作用するときは他方は対極電極(陽極)として作用する。この放電により、放出された電子はガラス管10内に封止された水銀原子と衝突する。或いは放出された電子は、封止されたアルゴン又は混合希ガスの原子に衝突してこれを励起し、励起された該原子が水銀原子と衝突する。水銀原子は上記衝突によりエネルギーを受け紫外線を放出する。この紫外線により蛍光体12が励起され可視光線を発生する。発光色は蛍光体の種類によって異なり、白色、昼光色、青色など数々の色種の光がランプから放射される。
【0036】
本実施形態の熱陰極においては、コイル状電極11a及び11bの外径と実質的に同じ大きさの内径を有する円筒状のダイヤモンド部材15a、15bが設けられている。ダイヤモンド部材15a、15bはコイル状電極11a及び11bと固着しておらず、コイル状電極11a及び11bの外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極は膜剥がれという問題から開放されている。さらに、ダイヤモンド部材15a、15bはスパッタリング耐性が大きいため、放電装置内で熱陰極が放電ガスのスパッタリングに晒されても、連続膜としてのダイヤモンド部材15a、15bがコイル状電極11a及び11bの電極材料全面を保護する役割を果たすので、熱陰極の耐久性を著しく向上させることが可能である。
【0037】
次に、本実施形態の熱陰極放電灯における熱陰極の製造方法について説明する。図2はその製造方法を示す断面図である。
【0038】
まず、図2(a)に示すようにタングステン等からなるコイル状電極11a、11bを用意する。このコイル状電極11a、11bのピッチは0である。このコイル状電極11a、11bに対してダイヤモンド種付け処理を行い、処理済みのコイル状電極11a、11bをマイクロ波プラズマCVD装置内に設置し、コイル状電極11a、11b表面にダイヤモンド部材25a、25bを成膜する。
【0039】
ここで、コイル状電極11a、11bに対するダイヤモンド種付け処理について説明する。まず、ダイヤモンド粒子を有機溶剤、例えばアルコール等に混ぜ、この溶剤をコイル状電極11a、11bの表面に塗布した。コイル状電極11a、11bの表面にグラファイト等の炭素系薄膜を形成し、この炭素系薄膜の表面に上記溶剤を塗布してもよい。有機溶剤に混ぜたダイヤモンド粒子の粒径としては0.1ミクロン以上1ミクロン以下のものを用いた。また、塗布としては、コイル状電極11a、11bをダイヤモンド粒子を混ぜた有機溶剤に浸し超音波洗浄を行う方法が採用された。
【0040】
また、ダイヤモンド粒子を塗付する際には、ダイヤモンド部材25a、25b(ダイヤモンド部材15a、15bに相当。)を筒状に成膜するためにダイヤモンド部材25a、25bを形成しない部分をマスキングすることにより余分な部分に塗付されないよう考慮した。ここで、超音波洗浄による処理時間は30分とした。超音波洗浄することによりダイヤモンド粒子は均等にコイル状電極11a、11bの表面に付着した。その後、必要に応じて、例えば窒素雰囲気中、200度の温度において60分加熱処理を行い、有機溶剤及び不純物の除去を行った。
【0041】
次に、コイル状電極11a、11b表面にダイヤモンド部材25a、25bを成膜する工程について説明する。図6は、この成膜工程で使用されるマイクロ波プラズマCVD装置の構成を示す断面図である。
【0042】
図6に示すように、マイクロ波はマイクロ波ヘッド62aからマイクロ波導波路62bを通り、更にマイクロ波導入用石英窓64を経て反応室63に導入される。一方、反応ガスは反応ガス導入口65から反応室63に導入される。試料60(電極材料11a、11bに相当。)はヒータステージ61上に設置する。ヒータステージ61の支持台は上下位置の調整が可能であり、最適な位置に調整できる機構を有している。反応室63の圧力は図示しない圧力調整バルブにより制御される。排気システム66は、ロータリーポンプ66aとターボ分子ポンプ66bとロータリーポンプ66cとから構成されている。反応ガス等の通常の排気はロータリーポンプ66aにより行われる。また、真空排気はターボ分子ポンプ66bとロータリーポンプ66cにより行われる。67はモータ電源であり、これによりモータが駆動され、ヒータステージ61の回転が行われる。
【0043】
この場合のダイヤモンド薄膜(ダイヤモンド部材25a、25b)の成膜条件は次の通りである。即ち、マイクロ波パワーを4kW、反応ガス圧力を13.3kPa、水素ガス流量を400sccm、メタンガス流量を8sccm、基板温度を850℃として、成膜時間120分で厚み5μmのダイヤモンド薄膜(ダイヤモンド部材25a、25b)を形成した。
【0044】
本実施形態では、ダイヤモンド薄膜の形成には水素ガスとメタンガスのみを使用したが、燐、窒素、硫黄等のn型を示すもの、またはボロンドープしたダイヤモンドに550℃前後の高温下で重水素プラズマ処理したn型を示すもの、若しくはこの重水素プラズマ処理したものに適当な温度(例えば520℃)と時間(例えば30分)でアニール処理したn型を示すものを用いることも可能である。また、ボロン等のp型を示すものを不純物としてドーピングしても差し支えない。なお、n型のドーパントについては詳細に後述する。また、ダイヤモンド薄膜の成膜方法もマイクロ波プラズマCVD法に限らず、例えばECRによるCVD法、高周波(RF)によるCVD法等によっても形成可能である。
【0045】
次に、コイル状電極11a、11b上に形成したダイヤモンド部材25a、25bをコイル状電極11a、11bから引き離す。引き離す方法としては、コイル状電極11a、11bの両端を軽く引っ張る等の方法があり、これによりピッチを0より大きくしてダイヤモンド部材25a、25bをコイル状電極11a、11bから容易に分離させることが可能である。この結果、ダイヤモンド部材25a、25bはコイル状電極11a、11bの表面と固着されずに接しているだけであり、コイル状電極11a、11bの材料との熱膨張率、応力の違い等による膜剥がれの問題は本質的に存在しない。
【0046】
その後、コイル状電極11a、11bを保持し通電を行うための導入線11c及び11dをそれぞれコイル状電極11a、11bと接続して設け、導入線11c及び11dにそれぞれ金具14a、14bを取り付ける。さらに、これらの金具14a、14bを、内面に蛍光体12を塗布したガラス管10に取り付け、封止ガスで封止を行って放電装置(放電灯)が完成する。
【0047】
(第2の実施形態)
本実施形態の熱陰極は、円筒のダイヤモンド部材をコイル状電極上ではなく別に形成した後、コイル状電極をダイヤモンド部材に挿入するものである。
【0048】
本実施形態の熱陰極の製造方法について説明する。図3はその製造方法を示す工程断面図である。
【0049】
まず、図3(a)に示すように適当な径を有する金属棒、例えば直径3mm長さ10mmのタングズテン棒31を用意する。次に、ダイヤモンド種付け処理として、第1の実施形態において説明したようにダイヤモンド粒子を含んだ有機溶剤にタングズテン棒31を浸けて超音波洗浄を30分行う。このとき、図3(b)に示すように、タングステン棒31の両端部にはダイヤモンド粒子が付着しないよう両端2mm幅にマスキング32a、32bを施す。
【0050】
ダイヤモンド部材33の形成には、第1の実施形態において説明したマイクロ波プラズマCVD法を用いた。図3(c)に示すように、ダイヤモンド粒子が付着した部分にダイヤモンド部材33を成膜した後、図3(d)に示すように、タングステン棒31及びマスキング32a、32bをエッチングにより完全に除去する。エッチングには王水(塩酸と硝酸の混合液)を用いた。この工程により、内径3mmの円筒状のダイヤモンド部材33が得られる。
【0051】
次に、このダイヤモンド部材33の内径と同じか、或いはわずかに小さい外径を有するコイル状電極34を円筒状ダイヤモンド部材33に挿入することにより、図3(e)に示す熱陰極構造が製造される。なお、ダイヤモンド部材33の内径よりわずかに小さい外径を有するコイル状電極34として、筒状ダイヤモンド部材33の内径よりも0.2mm以内の大きさだけ小さな外径のコイル状電極34を用いることが可能である。その後、第1の実施形態と同様にして放電装置(放電灯)が完成する。
【0052】
本実施形態の熱陰極においても、ダイヤモンド部材33はコイル状電極34と固着しておらず、コイル状電極34の外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極も膜剥がれという問題から開放されている。
【0053】
また、本実施形態の方法を用いると、電極の形状はコイル状に限られず、他の形状の電極に対して本発明を適用可能である。例えば、棒状或いは平板型の電極にも適用可能である。この形態については第3の実施形態で後述する。
【0054】
(第3の実施形態)
本実施形態では、第2の実施形態の手法を棒状の電極に対して適用した場合の熱陰極について説明する。
【0055】
本実施形態の熱陰極の製造方法について説明する。図5はその製造方法を示す工程断面図である。
【0056】
図5(a)から図5(d)までは第2の実施形態と同様なので、説明を省略する。図5(e)に示すように、ダイヤモンド部材33の内径と同じか、或いはわずかに小さい外径を有する棒状電極44を円筒状ダイヤモンド部材33に挿入することにより、同図に示す熱陰極構造が製造される。なお、ダイヤモンド部材33の内径よりわずかに小さい外径を有する棒状電極44として、筒状ダイヤモンド部材33の内径よりも0.2mm以内の大きさだけ小さな外径の棒状電極44を用いることが可能である。
【0057】
(第4の実施形態)
本実施形態では、前述したダイヤモンド部材にn型導電性を示す不純物をドーピングする例について説明する。図4は本実施形態の原理を説明する図であり、n型不純物をドープしたダイヤモンドのバンド図である。ダイヤモンドはEvacで示す真空準位がEcで示すダイヤモンドの伝導帯の底よりも低い位置に存在し、NEA(Negative Electron Affinity)と称される負の電子親和力を持つことが知られている。電子親和力は伝導帯の底にある電子を真空中に移動させるのに必要なエネルギーであり、これが負の値をもつということは電子が極めて放出されやすいことを意味している。
【0058】
しかしながら、n型にドープしたダイヤモンドは室温では抵抗が極めて高く、ダイヤモンドを冷陰極に用いる場合にはそのNEA特性を利用して効率の高い陰極を実現する試みは成功していない。これは、電子を与えるドナーの準位と伝導帯の底とのエネルギー差EdがSi等の通常の半導体に比較して10倍以上あり、室温では電子が伝導帯にほとんど存在しないためである。
【0059】
ところが、n型にドープしたダイヤモンドを蛍光ランプ等の放電装置に適用し加熱して用いることにより十分優れた電子放出特性を得ることが判明した。本実施形態では、このように優れた電子放出特性を利用した熱陰極及び優れた発光特性を有する放電装置について説明する。
【0060】
上述したようにn型にドープしたダイヤモンド加熱をする場合には、温度が上昇することにより電子が伝導帯に上がるため、NEA特性を利用した電子放出が可能となる。即ち、NEA特性のダイヤモンドにおいては、伝導帯にある電子が真空中へ放出されるのを妨げる障壁が存在しないので、結局、電子を放出するのに必要なエネルギーはEd程度となる。一方、NEA特性を有しない通常の電子放出物質においては、真空準位Evacは伝導帯の底Ecよりも上にあり、真空中に電子を放出するのに必要なエネルギーは仕事関数程度の値となる。Edの値としては、ダイヤモンドに燐をドープした場合で0.6eV程度の値が得られており、一方、仕事関数の値は、熱電子放出用エミッタによく用いられるBaOにおいて1.1eV程度の値である。これらの値は熱電子放出に対し指数関数的に影響を及ぼすので、n型にドープしたダイヤモンドでは低い温度で熱電子を放出できることになる。したがって、かかる熱陰極を用いた蛍光ランプ等の放電装置においては、低温で一様な熱電子放出を実現することができ、これにより発光特性が優れ長寿命の熱陰極型放電装置を提供することができる。
【0061】
また、仕事関数は表面状態の影響に極めて敏感であり、作製プロセス、雰囲気等の影響を強く受ける。このため、電子放出面内での均一性を期待し難い。仕事関数の値は熱電子放出に対し指数関数的に影響を及ぼすので、熱電子放出の面内での不均一性は大きなものとなりやすい。
【0062】
一方、NEA特性のダイヤモンドにおいては、電子親和力が負である限りはその値が多少変動しても、熱電子放出に影響を与えることはなく、熱電子放出を決めるのはドナーの準位と伝導帯の底とのエネルギー差Edである。この値は表面の性質ではなく、ドーパントによって決まるバルクの性質である。このため、n型のダイヤモンドにおいては面内で均一な熱電子放出が期待できる。さらに、ダイヤモンドは熱伝導率が最も大きな物質であり、ジュール熱やイオン・電子の流入、衝撃による加熱があっても熱が速やかに周囲に伝わり、温度が均一になる。n型のダイヤモンドを用いるだけでも十分な効果を得ることができるが、その形態を均一な連続膜とした場合にはその効果は絶大なものとなる。
【0063】
次に、本実施形態に係わる熱陰極及び放電装置について説明する。まず、線径が30μmのタングステン線をコイル状に巻いたフィラメントを準備する。このフィラメントの処理は第1の実施形態と同様に行った。このフィラメントに、例えばマイクロ波プラズマCVD法により5ミクロン程度の厚みのダイヤモンド層を形成する。多結晶ダイヤモンド層の成長条件は、マイクロ波パワーを4kW、水素流量を200sccm、メタンガス流量を4sccmとし、原料ガスのメタン濃度は2%とした。原料ガスの圧力は13.3kPa、フィラメントは850℃に加熱し、成膜時間は120分とした。n型のドーパントには燐を用い、ダイヤモンド成長時にホスフィンガスを同時に供給した。メタンガスに対するホスフィンガスの割合は1000ppmとした。
【0064】
次に、第1の実施形態と同様にしてフィラメント上に形成した多結晶ダイヤモンド層を該フィラメントから引き離して熱陰極構造が製造される。その後、第1の実施形態と同様にして放電装置(放電灯)が完成する。
【0065】
本実施形態の熱陰極においても、ダイヤモンド層はフィラメントと固着しておらず、フィラメントの外面に対して摺動可能に設けられている。このため、本実施形態の熱陰極も膜剥がれという問題から開放されている。さらに、上述したようにn型のダイヤモンドを用いることにより、放電面内で均一な熱電子放出が期待でき、発光効率の向上や発光の安定性の向上を図ることが可能である。
【0066】
(第5の実施形態)
本実施形態では、熱陰極放電灯に封入する放電用水素ガスについて説明する。
【0067】
第1の実施形態のように所謂水素系ガスをキャリアガスとした化学気相成長法(CVD)において作製したダイヤモンドでは、その表面が水素により終端されていることが一般的である。この水素終端層はダイヤモンドの特性に大きく寄与しており、前述したNEA特性を示すことについて重要な役割を担っている。このため、ダイヤモンドからは低温からの熱電子放出が可能となる。しかしながら、ある程度高温になってくるとダイヤモンドの表面を終端している水素の離脱が始まる。本実施形態では、この水素の離脱を抑制することを特徴としている。
【0068】
次に、本実施形態の熱陰極放電灯の構成について説明する。第1の実施形態において説明したダイヤモンド部材15a、15bを形成した熱陰極を用いた。封入ガスとしてアルゴンガスを4hPa、水素ガスを1Paの分圧比で封入して熱陰極放電灯を製造した。比較のために、水素ガスを封入しない熱陰極放電灯も作製した。両者を比較した結果、水素封入した放電灯は水素封入しない放電灯に比べて、発光効率が3倍程度向上していることが確認された。アルゴンガスに対する水素ガスの分圧比が0.1%以上3%以下の場合に発光効率向上の効果が著しかった。
【0069】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、電極材料はタングステンに限定されず、他の材料、例えばモリブデンを用いることが可能である。また、電極の形状もコイル、棒状、線状に限定されず、例えば板状、膜状その他の形状を採用することが可能である。
【0070】
また、本発明では、200nm以下の主要発光ピークを有する元素を含む放電用ガスを用いることができ、例えば、希ガスと水銀とを含む放電用ガスを用いることが可能である。希ガスとしては、上記実施形態に限られず、例えばXeガスを用いることも可能であり、発光効率を著しく向上させることも可能である。
【0071】
その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤモンド部材を電極に有する放電装置の耐久性を大幅に向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る熱陰極放電灯の構造を示す概略図。
【図2】 本発明の第1の実施形態に係る熱陰極の形状及び製造方法を説明する断面図。
【図3】 本発明の第2の実施形態に係る熱陰極の製造方法を説明する工程断面図。
【図4】 ダイヤモンド薄膜にn型導電性を示す不純物をドーピングした場合のダイヤモンドのバンド図。
【図5】 本発明の第3の実施形態に係る熱陰極の製造方法を説明する工程断面図。
【図6】 ダイヤモンド薄膜を成膜するのに用いた成膜装置を示す断面図。
【符号の説明】
10…ガラス管
11a、11b…一対のコイル状電極
11c、11d…導入線
12…蛍光体
13…封止ガス
14a、14b…一対の金具
15a、15b…ダイヤモンド部材
31…タングステン棒
32a、32b…マスキング部分
33…ダイヤモンド部材
34…コイル状電極
44…棒状電極
60…試料
61…ヒータステージ
62a…マイクロ波ヘッド
62b…マイクロ波導波路
63…反応室
64…石英窓
65…反応ガス導入口
66…排気システム
66a…ロータリーポンプ
66b…ターボ分子ポンプ
66c…ロータリーポンプ
67…ヒータ電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hot cathode and a discharge device using the same, and more particularly to a hot cathode used for illumination and the like and a discharge device using the same.
[0002]
[Prior art]
In a conventional general hot cathode discharge lamp, electrons emitted from the cathode by discharge collide with mercury atoms sealed in the discharge tube, and the mercury atoms receive energy by the collision and emit ultraviolet rays. This ultraviolet light excites the phosphor to generate visible light. The emission color varies depending on the type of phosphor, and various types of light such as white, daylight, and blue are emitted from the lamp.
[0003]
The filament during discharge reaches 1000 degrees or more, and the emitter applied to the coil evaporates, or is sputtered by ion or electron collision and consumed. Due to such evaporation and sputtering, the electron emitting material diffuses into the glass tube. The diffused electron emitting material adheres to the inner surface of the glass tube and reacts with mercury to form amalgam and blacken. This phenomenon not only impairs the appearance, but also causes a decrease in the luminous flux of the lamp.
[0004]
There are many means for preventing the exhaustion of electron-emitting materials. For example, there is a structure in which the electron emitting material is diamond which is a material that is difficult to be sputtered (see Patent Documents 1 and 2). In the inventions described in these documents, diamond particles are adhered to the electrode material by coating. In order to apply and adhere, for example, diamond particles are mixed in an organic solvent and the electrode material is immersed in this solution, and ultrasonic cleaning is performed.
[0005]
However, according to the inventor's research, when diamond is used as the electron-emitting substance, the etching or consumption of diamond by sputtering is small, but the adhesion between metals as electrode materials such as tungsten and diamond is poor. Further, it was newly found out that diamond peeling frequently occurred from the electrodes due to the difference in stress, and the production yield and durability of the discharge device such as a hot cathode discharge lamp were remarkably inferior.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-69868
[Patent Document 2]
JP 2000-106130 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, a discharge device such as a hot cathode discharge lamp using diamond as an electron-emitting substance has poor adhesion between metals as an electrode material, for example, tungsten and diamond, and the diamond peels off from the electrode. Frequently occurred, and the production yield and durability of the discharge device were remarkably inferior.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a hot cathode capable of improving the production yield and durability of a hot cathode discharge device and a discharge device using the hot cathode.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above-described problem, the first hot cathode of the present invention includes a coiled electrode and a cylindrical diamond having an inner diameter substantially the same as the coil outer diameter of the coiled electrode. only A diamond member made of The diamond member is in contact with only the outer surface of the coiled electrode and is slidable with the outer surface. It is characterized by that.
[0012]
The third hot cathode of the present invention is Columnar Electrodes and this Columnar Diamond provided on the outer surface of the electrode so as to be slidable with the outer surface only The diamond member which consists of, It is characterized by the above-mentioned.
[0014]
In addition, the first to the first of the present invention 2 In the hot cathode, the diamond member is preferably made of diamond containing donor impurities.
[0015]
The first discharge device of the present invention is a discharge device including an envelope in which a discharge gas is sealed, and a hot cathode disposed in the envelope, wherein the hot cathode is: A cylindrical diamond having a coiled electrode and an inner diameter substantially the same as the coil outer diameter of the coiled electrode only A diamond member made of The diamond member is in contact with only the outer surface of the coiled electrode and is slidable with the outer surface. It is characterized by that.
[0018]
The third discharge device of the present invention is a discharge device including an envelope in which a discharge gas is sealed, and a hot cathode disposed in the envelope, wherein the hot cathode is: Columnar Electrodes and this Columnar Diamond provided on the outer surface of the electrode so as to be slidable with the outer surface only The diamond member which consists of, It is characterized by the above-mentioned.
[0020]
In the first to third discharge devices of the present invention, it is desirable to have the following configuration.
[0021]
(1) The diamond member is made of diamond containing donor impurities.
[0022]
(2) The discharge gas includes a gas containing an element having a main emission peak of 200 nm or less.
[0023]
(3) The discharge gas contains a rare gas and mercury.
[0024]
(4) The discharge gas contains Xe.
[0025]
(5) The discharge gas contains hydrogen gas.
[0026]
In the present invention, for a diamond member made of cylindrical diamond having an inner diameter that is substantially the same as the coil outer diameter of the coiled electrode, “substantially the same size” refers to the coil outer diameter. This means that a cylindrical diamond member having an inner diameter that is larger by a size within 0.2 mm is included.
[0027]
In the present invention, a diamond member made of diamond provided on the outer surface of the electrode so as to be slidable with the outer surface means “slidable” means that the electrode and the diamond member are chemically and physically fixed. It means that the electrode and the diamond member can be slid separately.
[0028]
(Function)
According to the present invention, a diamond member made of diamond is slidably provided on an electrode having a coil shape or the like. In the case of a coiled electrode, a diamond member made of cylindrical diamond having an inner diameter substantially the same as the coil outer diameter of the coiled electrode is provided.
[0029]
According to the present invention, the electrode member and the diamond member are not firmly fixed, and therefore, film peeling resulting from a difference in stress between the electrode member and the diamond member does not occur essentially. Can be greatly improved. In addition, since the diamond member has a high thermal conductivity, sufficient heat is transmitted from the electrode, and sufficient thermal conductivity characteristics can be obtained even in comparison with a conventional fixed structure.
[0030]
Furthermore, when diamond is used as an electron emitting material in a discharge device using a hot cathode, since diamond has high sputtering resistance, problems such as exhaustion of the electron emitting material due to sputtering by plasma during discharge can be improved. Is possible. In the case where the diamond member is a continuous film, the above-described effect becomes remarkable by the continuous film protecting the entire surface of the electrode.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a hot cathode discharge lamp according to the discharge device of the present invention. FIG. 1A is an overall view of a hot cathode discharge lamp, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of electrodes.
[0033]
As shown in FIG. 1A, the hot cathode discharge lamp according to this embodiment includes a glass tube (discharge tube) 10 as an envelope having a phosphor 12 applied on the inner surface, and both ends of the glass tube 10. A pair of attached electrodes 11a and 11b, a pair of lead wires 11c and 11d, a pair of metal fittings 14a and 14b, and diamond members 15a and 15b made of cylindrical diamond provided on the pair of electrodes 11a and 11b. And is constituted by. The lead-in wires 11c and 11d are for holding the electrodes 11a and 11b and energizing them, and are held by a pair of metal fittings 14a and 14b, respectively. Further, in order to facilitate discharge, the glass tube 10 is sealed with argon or a mixed rare gas and a slight amount of mercury as a sealing gas 13 at a pressure of 2 to 4 hPa.
[0034]
As shown in the enlarged view of FIG. 1B, the pair of electrodes 11a and 11b are composed of single, double, or more coiled filaments (for example, tungsten or the like). The cylindrical diamond members 15a and 15b are provided on the outer surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b so as to be slidable with the outer surfaces. The diamond members 15a and 15b have an inner diameter that is substantially the same as the coil outer diameter of the coiled electrodes 11a and 11b, and are not fixed to the coiled electrodes 11a and 11b.
[0035]
At the time of discharge, if current is passed through the coiled electrodes 11a and 11b and preheating is performed, electrons are emitted from the diamond members 15a and 15b (emitters) that have become hot. The emitted electrons move to the counter electrode (anode) and discharge starts. Here, in general, an AC voltage is applied to the coiled electrodes 11a and 11b to cause discharge, and when one of the coiled electrodes 11a and 11b acts as an emitter, the other is a counter electrode. Acts as (anode). Due to this discharge, the emitted electrons collide with mercury atoms sealed in the glass tube 10. Alternatively, the emitted electrons collide with excited argon or mixed rare gas atoms to excite them, and the excited atoms collide with mercury atoms. Mercury atoms receive energy by the collision and emit ultraviolet rays. The phosphor 12 is excited by the ultraviolet rays to generate visible light. The emission color varies depending on the type of phosphor, and various types of light such as white, daylight, and blue are emitted from the lamp.
[0036]
In the hot cathode of the present embodiment, cylindrical diamond members 15a and 15b having an inner diameter substantially the same as the outer diameter of the coiled electrodes 11a and 11b are provided. The diamond members 15a and 15b are not fixed to the coiled electrodes 11a and 11b, and are slidable with respect to the outer surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b. For this reason, the hot cathode of the present embodiment is free from the problem of film peeling. Further, since the diamond members 15a and 15b have high sputtering resistance, the diamond members 15a and 15b as continuous films are used as electrode materials for the coiled electrodes 11a and 11b even if the hot cathode is exposed to the sputtering of the discharge gas in the discharge device. Since it plays the role of protecting the entire surface, it is possible to remarkably improve the durability of the hot cathode.
[0037]
Next, the manufacturing method of the hot cathode in the hot cathode discharge lamp of this embodiment is demonstrated. FIG. 2 is a sectional view showing the manufacturing method.
[0038]
First, as shown in FIG. 2A, coiled electrodes 11a and 11b made of tungsten or the like are prepared. The pitch of the coiled electrodes 11a and 11b is zero. The coiled electrodes 11a and 11b are subjected to diamond seeding treatment, the treated coiled electrodes 11a and 11b are placed in a microwave plasma CVD apparatus, and diamond members 25a and 25b are placed on the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b. Form a film.
[0039]
Here, the diamond seeding process for the coiled electrodes 11a and 11b will be described. First, diamond particles were mixed with an organic solvent such as alcohol, and this solvent was applied to the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b. A carbon-based thin film such as graphite may be formed on the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b, and the solvent may be applied to the surface of the carbon-based thin film. The diamond particles mixed with the organic solvent had a particle size of 0.1 to 1 micron. As the coating, a method of ultrasonic cleaning by immersing the coiled electrodes 11a and 11b in an organic solvent mixed with diamond particles was adopted.
[0040]
Further, when diamond particles are applied, the diamond members 25a and 25b (corresponding to the diamond members 15a and 15b) are formed into a cylindrical shape by masking portions where the diamond members 25a and 25b are not formed. It was considered not to be applied to the excess part. Here, the processing time by ultrasonic cleaning was 30 minutes. By ultrasonic cleaning, the diamond particles uniformly adhered to the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b. Thereafter, if necessary, for example, a heat treatment was performed at a temperature of 200 ° C. in a nitrogen atmosphere for 60 minutes to remove the organic solvent and impurities.
[0041]
Next, the process of forming the diamond members 25a and 25b on the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a microwave plasma CVD apparatus used in this film forming process.
[0042]
As shown in FIG. 6, the microwave passes through the microwave waveguide 62b from the microwave head 62a, and is further introduced into the reaction chamber 63 through the quartz window 64 for microwave introduction. On the other hand, the reaction gas is introduced into the reaction chamber 63 from the reaction gas inlet 65. A sample 60 (corresponding to the electrode materials 11a and 11b) is placed on the heater stage 61. The support stage of the heater stage 61 can be adjusted in the vertical position and has a mechanism that can be adjusted to an optimum position. The pressure in the reaction chamber 63 is controlled by a pressure adjustment valve (not shown). The exhaust system 66 includes a rotary pump 66a, a turbo molecular pump 66b, and a rotary pump 66c. Normal exhaust of reaction gas or the like is performed by a rotary pump 66a. In addition, evacuation is performed by a turbo molecular pump 66b and a rotary pump 66c. Reference numeral 67 denotes a motor power supply, which drives the motor and rotates the heater stage 61.
[0043]
The film formation conditions for the diamond thin film (diamond members 25a and 25b) in this case are as follows. That is, a diamond thin film (diamond member 25a, 5 μm thick) with a microwave power of 4 kW, a reaction gas pressure of 13.3 kPa, a hydrogen gas flow rate of 400 sccm, a methane gas flow rate of 8 sccm, a substrate temperature of 850 ° C. and a film formation time of 120 minutes. 25b) was formed.
[0044]
In this embodiment, only hydrogen gas and methane gas are used for forming the diamond thin film. However, deuterium plasma treatment is performed at a high temperature of about 550 ° C. on an n-type material such as phosphorus, nitrogen, sulfur, or boron-doped diamond. It is also possible to use a material exhibiting n-type, or a material exhibiting n-type annealed at an appropriate temperature (for example, 520 ° C.) and time (for example, 30 minutes). In addition, a p-type material such as boron may be doped as an impurity. The n-type dopant will be described later in detail. The method for forming the diamond thin film is not limited to the microwave plasma CVD method, and can be formed by, for example, a CVD method using ECR, a CVD method using high frequency (RF), or the like.
[0045]
Next, the diamond members 25a and 25b formed on the coiled electrodes 11a and 11b are separated from the coiled electrodes 11a and 11b. As a method of pulling apart, there is a method of pulling the both ends of the coiled electrodes 11a, 11b lightly, etc., thereby making it possible to easily separate the diamond members 25a, 25b from the coiled electrodes 11a, 11b by making the pitch larger than zero. Is possible. As a result, the diamond members 25a and 25b are only in contact with the surfaces of the coiled electrodes 11a and 11b without being fixed, and the film is peeled off due to differences in thermal expansion coefficient and stress from the materials of the coiled electrodes 11a and 11b. The problem is essentially nonexistent.
[0046]
Thereafter, lead wires 11c and 11d for holding the coiled electrodes 11a and 11b and energizing are connected to the coiled electrodes 11a and 11b, respectively, and the metal fittings 14a and 14b are attached to the lead wires 11c and 11d, respectively. Furthermore, these metal fittings 14a and 14b are attached to the glass tube 10 having the inner surface coated with the phosphor 12, and sealed with a sealing gas to complete a discharge device (discharge lamp).
[0047]
(Second Embodiment)
The hot cathode of the present embodiment is one in which a cylindrical diamond member is not formed on a coiled electrode but formed separately, and then the coiled electrode is inserted into the diamond member.
[0048]
The manufacturing method of the hot cathode of this embodiment will be described. FIG. 3 is a process sectional view showing the manufacturing method.
[0049]
First, as shown in FIG. 3A, a metal rod having an appropriate diameter, for example, a tongues rod 31 having a diameter of 3 mm and a length of 10 mm is prepared. Next, as described in the first embodiment, as a diamond seeding process, the tongue rod 31 is immersed in an organic solvent containing diamond particles, and ultrasonic cleaning is performed for 30 minutes. At this time, as shown in FIG. 3 (b), masking 32a and 32b are applied to both ends of the tungsten rod 31 so that diamond particles do not adhere to both ends.
[0050]
For the formation of the diamond member 33, the microwave plasma CVD method described in the first embodiment was used. As shown in FIG. 3 (c), after the diamond member 33 is formed on the part where the diamond particles are adhered, the tungsten rod 31 and the masking 32a and 32b are completely removed by etching as shown in FIG. 3 (d). To do. For the etching, aqua regia (a mixture of hydrochloric acid and nitric acid) was used. By this step, a cylindrical diamond member 33 having an inner diameter of 3 mm is obtained.
[0051]
Next, a hot cathode structure shown in FIG. 3E is manufactured by inserting a coiled electrode 34 having an outer diameter that is the same as or slightly smaller than the inner diameter of the diamond member 33 into the cylindrical diamond member 33. The As the coiled electrode 34 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the diamond member 33, a coiled electrode 34 having an outer diameter smaller by 0.2 mm or less than the inner diameter of the cylindrical diamond member 33 is used. Is possible. Thereafter, the discharge device (discharge lamp) is completed in the same manner as in the first embodiment.
[0052]
Also in the hot cathode of the present embodiment, the diamond member 33 is not fixed to the coiled electrode 34 and is slidable with respect to the outer surface of the coiled electrode 34. For this reason, the hot cathode of this embodiment is also free from the problem of film peeling.
[0053]
Moreover, when the method of this embodiment is used, the shape of the electrode is not limited to a coil shape, and the present invention can be applied to electrodes having other shapes. For example, the present invention can be applied to a rod-shaped or flat electrode. This form will be described later in the third embodiment.
[0054]
(Third embodiment)
In the present embodiment, a hot cathode in the case where the method of the second embodiment is applied to a rod-shaped electrode will be described.
[0055]
The manufacturing method of the hot cathode of this embodiment will be described. FIG. 5 is a process sectional view showing the manufacturing method.
[0056]
Since FIG. 5A to FIG. 5D are the same as those in the second embodiment, description thereof will be omitted. As shown in FIG. 5E, the hot cathode structure shown in FIG. 5 is obtained by inserting a rod-shaped electrode 44 having an outer diameter that is the same as or slightly smaller than the inner diameter of the diamond member 33 into the cylindrical diamond member 33. Manufactured. As the rod-shaped electrode 44 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the diamond member 33, a rod-shaped electrode 44 having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical diamond member 33 by 0.2 mm or less can be used. is there.
[0057]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, an example in which the above-described diamond member is doped with an impurity exhibiting n-type conductivity will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of this embodiment, and is a band diagram of diamond doped with n-type impurities. It is known that diamond exists at a position where the vacuum level indicated by Evac is lower than the bottom of the conduction band of diamond indicated by Ec and has a negative electron affinity called NEA (Negative Electron Affinity). Electron affinity is the energy required to move the electrons at the bottom of the conduction band into the vacuum, and having a negative value means that the electrons are very likely to be emitted.
[0058]
However, n-type doped diamond has extremely high resistance at room temperature, and when diamond is used as a cold cathode, attempts to realize a highly efficient cathode using its NEA characteristics have not been successful. This is because the energy difference Ed between the level of the donor that gives electrons and the bottom of the conduction band is more than 10 times that of a normal semiconductor such as Si, and electrons hardly exist in the conduction band at room temperature.
[0059]
However, it has been found that sufficiently excellent electron emission characteristics can be obtained when n-type doped diamond is applied to a discharge device such as a fluorescent lamp and heated. In the present embodiment, a hot cathode using such excellent electron emission characteristics and a discharge device having excellent light emission characteristics will be described.
[0060]
As described above, when heating n-type doped diamond, electrons rise to the conduction band as the temperature rises, so that electron emission utilizing NEA characteristics becomes possible. That is, in the NEA diamond, there is no barrier that prevents electrons in the conduction band from being released into the vacuum, so that the energy required to emit the electrons is about Ed. On the other hand, in a normal electron emitting material that does not have NEA characteristics, the vacuum level Evac is above the bottom Ec of the conduction band, and the energy required to emit electrons in the vacuum is a value about the work function. Become. The value of Ed is about 0.6 eV when diamond is doped with phosphorus, while the work function is about 1.1 eV in BaO often used for thermionic emission emitters. is there. These values have an exponential effect on thermionic emission, so that n-type doped diamond can emit thermoelectrons at a low temperature. Accordingly, in a discharge device such as a fluorescent lamp using such a hot cathode, uniform thermionic emission can be realized at a low temperature, thereby providing a hot cathode discharge device having excellent light emission characteristics and a long life. Can do.
[0061]
Further, the work function is extremely sensitive to the influence of the surface state, and is strongly influenced by the manufacturing process, atmosphere, and the like. For this reason, it is difficult to expect uniformity within the electron emission surface. Since the work function value has an exponential effect on thermionic emission, the inhomogeneity in the plane of thermionic emission tends to be large.
[0062]
On the other hand, in the case of NEA diamond, as long as the electron affinity is negative, even if the value fluctuates slightly, it does not affect thermionic emission, and thermionic emission is determined by the donor level and conduction. This is the energy difference Ed from the bottom of the band. This value is not a surface property, but a bulk property determined by the dopant. For this reason, n-type diamond can be expected to emit uniform thermionic electrons within the surface. Furthermore, diamond is the substance with the highest thermal conductivity, and even when heated by Joule heat, inflow of ions / electrons, or heating by impact, the heat is quickly transferred to the surroundings and the temperature becomes uniform. A sufficient effect can be obtained only by using n-type diamond. However, when the shape is a uniform continuous film, the effect becomes enormous.
[0063]
Next, the hot cathode and the discharge device according to this embodiment will be described. First, a filament is prepared by winding a tungsten wire having a wire diameter of 30 μm in a coil shape. This filament treatment was performed in the same manner as in the first embodiment. A diamond layer having a thickness of about 5 microns is formed on the filament by, for example, a microwave plasma CVD method. The growth conditions for the polycrystalline diamond layer were a microwave power of 4 kW, a hydrogen flow rate of 200 sccm, a methane gas flow rate of 4 sccm, and a methane concentration of the source gas of 2%. The pressure of the source gas was 13.3 kPa, the filament was heated to 850 ° C., and the film formation time was 120 minutes. Phosphorus was used as the n-type dopant, and phosphine gas was simultaneously supplied during diamond growth. The ratio of phosphine gas to methane gas was 1000 ppm.
[0064]
Next, the hot cathode structure is manufactured by separating the polycrystalline diamond layer formed on the filament in the same manner as in the first embodiment from the filament. Thereafter, the discharge device (discharge lamp) is completed in the same manner as in the first embodiment.
[0065]
Also in the hot cathode of this embodiment, the diamond layer is not fixed to the filament and is provided to be slidable with respect to the outer surface of the filament. For this reason, the hot cathode of this embodiment is also free from the problem of film peeling. Furthermore, by using n-type diamond as described above, uniform thermionic emission can be expected in the discharge surface, and it is possible to improve the light emission efficiency and the light emission stability.
[0066]
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, the discharge hydrogen gas sealed in the hot cathode discharge lamp will be described.
[0067]
As in the first embodiment, a diamond produced by chemical vapor deposition (CVD) using a so-called hydrogen-based gas as a carrier gas generally has a surface terminated with hydrogen. This hydrogen termination layer greatly contributes to the characteristics of diamond and plays an important role in showing the above-mentioned NEA characteristics. For this reason, thermionic emission from a low temperature is attained from diamond. However, when the temperature rises to some extent, the hydrogen that terminates the surface of the diamond begins to desorb. The present embodiment is characterized by suppressing the detachment of hydrogen.
[0068]
Next, the configuration of the hot cathode discharge lamp of this embodiment will be described. The hot cathode formed with the diamond members 15a and 15b described in the first embodiment was used. A hot cathode discharge lamp was manufactured by sealing argon gas at 4 hPa as the sealing gas and hydrogen gas at a partial pressure ratio of 1 Pa. For comparison, a hot cathode discharge lamp without hydrogen gas was also produced. As a result of comparing the two, it was confirmed that the discharge lamp sealed with hydrogen had an improvement in luminous efficiency of about 3 times compared to the discharge lamp not sealed with hydrogen. The effect of improving luminous efficiency was remarkable when the partial pressure ratio of hydrogen gas to argon gas was 0.1% or more and 3% or less.
[0069]
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the electrode material is not limited to tungsten, and other materials such as molybdenum can be used. Further, the shape of the electrode is not limited to a coil, a rod shape, or a wire shape, and for example, a plate shape, a film shape, or other shapes can be employed.
[0070]
In the present invention, a discharge gas containing an element having a main emission peak of 200 nm or less can be used. For example, a discharge gas containing a rare gas and mercury can be used. The rare gas is not limited to the above embodiment, and, for example, Xe gas can be used, and the luminous efficiency can be remarkably improved.
[0071]
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
[0072]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to greatly improve the durability of a discharge device having a diamond member as an electrode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a hot cathode discharge lamp according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the shape and manufacturing method of a hot cathode according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a hot cathode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a band diagram of diamond when an n-type conductivity impurity is doped in a diamond thin film.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a hot cathode according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a film forming apparatus used to form a diamond thin film.
[Explanation of symbols]
10 ... Glass tube
11a, 11b ... A pair of coiled electrodes
11c, 11d ... lead-in line
12 ... phosphor
13 ... Sealing gas
14a, 14b ... A pair of metal fittings
15a, 15b ... Diamond member
31 ... Tungsten rod
32a, 32b ... Masking part
33 ... Diamond member
34 ... Coiled electrode
44 ... Rod electrode
60 ... Sample
61 ... Heater stage
62a ... Microwave head
62b ... Microwave waveguide
63 ... Reaction chamber
64 ... Quartz window
65. Reaction gas inlet
66. Exhaust system
66a ... Rotary pump
66b ... turbo molecular pump
66c ... Rotary pump
67 ... Heater power supply

Claims (8)

コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備し、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面のみに接しており、該外面と摺動可能に設けられていることを特徴とする熱陰極。A coil-shaped electrode, and a diamond member made of only cylindrical diamond having an inner diameter substantially the same as the coil outer diameter of the coil-shaped electrode, and the diamond member is formed only on the outer surface of the coil-shaped electrode. And a slidable contact with the outer surface of the hot cathode. 柱状電極と、この柱状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする熱陰極。A hot cathode comprising: a columnar electrode; and a diamond member made of only diamond provided on an outer surface of the columnar electrode so as to be slidable with the outer surface. 前記ダイヤモンド部材は、ドナー性不純物を含有するダイヤモンドからなることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の熱陰極。The diamond member, hot cathode as claimed in any one of claims 1 to 2, characterized in that of diamond containing a donor impurity. 放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、コイル状電極と、このコイル状電極のコイル外径と実質的に同じ大きさの内径を有する筒状のダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備し、前記ダイヤモンド部材は、前記コイル状電極の外面のみに接しており、該外面と摺動可能に設けられていることを特徴とする放電装置。A discharge device comprising an envelope filled with a discharge gas and a hot cathode disposed in the envelope, the hot cathode comprising a coiled electrode and an outer coil of the coiled electrode A diamond member composed of only a cylindrical diamond having an inner diameter substantially the same as the diameter, and the diamond member is in contact with only the outer surface of the coiled electrode and is slidable with the outer surface. discharge device, characterized in that are provided. 放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された熱陰極とを備えた放電装置であって、前記熱陰極は、柱状電極と、この柱状電極の外面に該外面と摺動可能に設けられたダイヤモンドのみからなるダイヤモンド部材とを具備することを特徴とする放電装置。A discharge device comprising an envelope filled with a discharge gas, and a hot cathode disposed in the envelope, wherein the hot cathode has a columnar electrode and an outer surface of the columnar electrode on the outer surface. And a diamond member made only of diamond provided so as to be slidable. 前記放電用ガスは、200nm以下の主要発光ピークを有する元素を含むガスを含むことを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の放電装置。The discharge gas, the discharge apparatus according to any one of claims 4 to 5, characterized in that it comprises a gas containing an element having the following major emission peak 200 nm. 前記放電用ガスは希ガスと水銀とを含むことを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の放電装置。The discharge device according to any one of claims 4 to 6 , wherein the discharge gas contains a rare gas and mercury. 前記放電用ガスは水素ガスを含むことを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の放電装置。Discharge device according to any one of claims 4 to 7 wherein the discharge gas is characterized in that it comprises a hydrogen gas.
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