JP5826109B2 - 電子放射性物質を添加した放電ランプ用の陰極および電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法 - Google Patents

Description

本発明は電子放射性物質を添加した放電ランプ用の陰極に関し、特に電子放射により消失された電子放射性物質の補填に関する。

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％ドープした陰極が知られている。その一つとして、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）が用いられる。高温になったタングステンによって酸化トリウムがトリウムに還元され、先端部へ拡散することにより、電子放射により消失されたトリウムを補うことができる。

特許文献１，２には、陰極の表面に侵炭によって炭化層を形成し、アーク放電を安定化する技術が開示されている。これは、陰極表面に形成された炭化層によって、低温で酸化トリウムからトリウムへの還元が起こるので、トリウムを効率よく陰極先端のアーク放電領域まで供給しようとするものである。

また、トリウムは放射性元素であるため、近年は環境負荷低減のため、多くの代替材料の提案がなされている。酸化トリウムの代替材料として、Zr 酸化物及びHf 酸化物と希土類酸化物とが任意の組成比で均一に溶け合った固体粒子状態の酸化物固溶体を形成し、酸化物を高融点化させ、タングステンにドープすることで電極寿命を向上させる電極材料が提案されている(特許文献３)。

特開２０００−２１３４９号公報 特開平１０−２８９２１号公報 特開２０１０−１５９４８４号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の陰極では、トリウムの還元は温度が高い陰極先端付近のみでしか起こらず、点灯時間と共に枯渇しアーク放電が不安定になる。さらに、このとき先端部以外の大部分はアーク放電に寄与することなく酸化トリウムのままで残っており、廃棄すると環境に影響がある。

また、特許文献３では、酸化トリウムの融点（約3390℃）に比べると、酸化物固溶体の融点は500〜690℃程度低く、放電ランプに適用した場合、点灯時に陰極先端が極めて高温となる放電灯用の陰極に用いた場合は、トリウムがすぐに枯渇し、これにより陰極先端が溶融損耗するおそれがある。

このような電子放射性物質の欠乏の問題は、トリウム以外の電子放射性物質であっても問題となっている。

本発明は、陰極先端に前記電子放射性物質を供給できる電子放射性物質供給方法および、前記電子放射性物質を供給できる陰極を提供することを目的とする。

（１）本発明にかかる陰極は、電子放射性物質を添加した放電ランプ用の陰極であって、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかを第２の金属酸化物として含み、前記第１金属酸化物含有部と接することにより、界面に前記第１の金属酸化物と前記第２の金属酸化物で構成された導電性酸化物固容体部が形成された第２金属酸化物含有部を備えている。したがって、下記反応（２）、反応（３）、反応（１）、反応（２）、反応（３）、・・・を繰り返すことにより、前記先端部に前記電子放射性物質を供給することができる。

反応(２）:前記酸化物固容体部の前記第１金属酸化物および前記第２金属酸化物が前記高融点金属により還元され、生成された前記第１金属と前記第２金属が、先端方向へ拡散する、反応（３）: 拡散した第２金属は、移動先で前記第１金属酸化物を還元し、これより前記第２金属酸化物と、前記第１金属が生成され、生成された前記第１金属は、濃度差により拡散する、反応（１）:生成された第２金属酸化物が、前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する。

このように、標準生成自由エネルギーの差がある元素を利用することにより連鎖拡散が可能となる。また、導電性酸化物固容体部に電流が流れることにより、ジュール熱が発生し、これにより前記高融点金属による高温還元が先端近傍以外でも可能となる。

（２）本発明にかかる陰極は、前記第１金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物として、酸化トリウムを含み、前記第２金属酸化物含有部は、前記第２金属酸化物として、スカンジウムの酸化物、イットリウムの酸化物、テルビウムの酸化物、ジスプロシウムの酸化物、ホルミウムの酸化物、エルビウムの酸化物、ツリウムの酸化物、ルテチウムの酸化物を、少なくとも、１以上含む。したがって、前記反応（２）、（３）、（１）が連鎖する。

（３）本発明にかかる陰極においては、前記第２金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかの酸化物を配置した金属酸化物が複数層に配置されており、前記複数層を構成する各金属酸化物層は、同じ金属酸化物であり、かつ、各層を構成する酸化物の不純物濃度が前記第１金属酸化物含有部に近づくにつれて薄くなるように配置されている。したがって、結晶粒などの金属組織特性の急激な変化を防止できる。
（４）本発明にかかる陰極においては、前記第２金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかの酸化物を配置した金属酸化物が複数層に配置されており、前記複数層を構成する各金属酸化物層は、異なる金属酸化物であり、前記第１金属酸化物含有部に近づくにつれて、当該金属酸化物の標準生成自由エネルギーが大きくなるように配置されている。したがって段階的な還元を起こすことが可能となる。
（５）本発明にかかる陰極は、前記第２金属酸化物含有部の側面を炭化処理している。したがって、前記第２金属酸化物が炭素によって還元がなされ、前記第１金属酸化物の供給が促進される。

（６）本発明にかかる電子放射性物質の供給方法は、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部に有する電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、前記第１の金属酸化物と、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第２の金属酸化物とで構成された導電性酸化物固容体部を形成させ、前記高融点金属は、前記第１の金属酸化物および前記第２の金属酸化物を還元できる金属であり、下記反応（２）、反応（３）、反応（１）、反応（２）、反応（３）、・・・を繰り返すことにより、前記先端部に前記電子放射性物質を供給する。反応(２）:前記酸化物固容体部の前記第１金属酸化物および前記第２金属酸化物が前記高融点金属により還元され、生成された前記第１金属と前記第２金属が、先端方向へ拡散する、反応（３）: 拡散した第２金属は、移動先で前記第１金属酸化物を還元し、これより前記第２金属酸化物と、前記第１金属が生成され、生成された前記第１金属は、濃度差により拡散する、反応（１）:生成された第２金属酸化物が、前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する。

したがって、より確実に前記第１金属を前記陰極の先端方向に供給することができる。

（７）本発明にかかる電子放射性物質の供給方法は、さらに、上記反応（３）で生成された前記第２金属酸化物が、周辺の前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する反応(４)が生じ、前記反応（４）、（３）、（４）・・・を繰り返すことにより、前記先端部に電子放射性物質を供給する。したがって、より確実に前記第１金属を前記陰極の先端方向に供給することができる。

（８）本発明にかかる電子放射性物質の供給方法は、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部に有する電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、前記第１の金属酸化物と、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第２の金属酸化物とで構成された導電性酸化物固容体部を形成させ、前記高融点金属は、前記第１の金属酸化物および前記第２の金属酸化物を還元できる金属であり、下記反応（３）、（４）、（３）、（４）・・・を繰り返すことにより、前記先端部に電子放射性物質を供給する。反応（３）:前記高融点金属により還元され、拡散した第２金属が、移動先で前記第１金属酸化物を還元し、これより第１金属と、前記第２金属酸化物が生成され、生成された第１金属が先端方向へ拡散する、反応（４）:生成された前記第２金属酸化物は周辺の前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する。

したがって、より確実に前記第１金属を前記陰極の先端方向に供給することができる。

（９）本発明にかかる電子放射性物質の供給方法は、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部に有する電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された金属酸化物のうち、前記第１の金属酸化物とは異なる第２の金属酸化物と前記第１の金属酸化物とで構成された導電性酸化物固容体部を、前記第１金属酸化物含有部の界面に形成させ、前記陰極に放電電流を流すことにより、前記導電性酸化物固容体部において、ジュール熱を発生させ、これにより前記第１金属酸化物含有部の第１金属酸化物を高温還元させて、前記先端に前記電子放射性物質を供給する。したがって、より確実に前記第１金属を前記陰極の先端方向に供給することができる。

特許請求の範囲にて、用いた用語について説明する。「第１金属酸化物」とは、第１金属の酸化物であり、第１実施形態では、二酸化トリウムが該当する。「第２金属酸化物」とは、第２金属の酸化物であり、第１実施形態では、酸化ジスプロシウムが該当する。

「導電性酸化物固溶体」とは、第１金属酸化物と第２金属酸化物による酸化物固溶体のうち、特に、導電性を有するものであり、酸化物固溶体の導電率が酸化物単体の導電率よりも高い場合が該当する。

「酸化物固溶体部」とは、実施形態では、軸方向に垂直な断面全面に層として構成されているものとして説明したが、軸方向に垂直な断面全面に生成されていない場合をも含む。

本発明にかかる陰極１の要部断面図である。 本発明にかかるトリウム供給のメカニズムを説明するため図である。 本発明にかかるトリウム供給のメカニズムを説明するため図である。 標準生成自由エネルギーを示す図である。 他の実施形態である陰極５１の要部断面図である。 他の実施形態である陰極６１の要部断面図である。 他の実施形態である陰極７１の要部断面図である。 他の実施形態である陰極８１の要部断面図である。 他の実施形態である陰極９１の要部断面図である。 他の実施形態である陰極１０１の要部断面図である。 ThO₂ とDy₂O₃の酸化物の状態図である。 トリウムと、アルカリ土類金属や希土類金属の標準生成自由エネルギーを示す図である。

本発明にかかる陰極の構造について、図面を参照して説明する。図１に示すように、陰極１は、基部３、トリア還元物含有部５，およびトリア含有部７を有する。本実施形態においては、基部３をタングステン（W)で、トリア還元物含有部５を、酸化ジスプロシウムDy₂O₃を含有させたタングステンで、トリア含有部７は、２重量％のトリア（二酸化トリウム（ThO₂））を含有したタングステン（W）で構成した。

本実施形態においては、トリア還元物含有部５は、トリア含有部７の後端に、タングステン（W）と酸化ジスプロシウム（Dy2O3）の粉末をボールミルなどの公知の混合機を用いて混合したものを放電プラズマ焼結法で結合することにより、生成したが、これに限定されない。また、トリア含有部７のトリアの含有率もこれに限定されない。

陰極１におけるトリウムの供給メカニズムについて、図２、図３を用いて説明する。

トリア還元物含有部５とトリア含有部７の界面にて、二酸化トリウム（ThO₂）と、酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）が反応して、酸化物固容体（Th,Dy）O_αが生成される（反応(１））。

生成された酸化物固容体（Th,Dy）O_αは導体であるが、抵抗はタングステン（W）と比べるとはるかに高い。したがって、放電電流により、ジュール熱が発生する。このジュール熱により、従来では先端領域以外では生じなかったタングステン（W）による高温還元がなされる。すなわち、酸化物固容体（Th,Dy）O_αは、タングステン（W）により還元され、トリウム(Th）とジスプロシウム（Dy）と、酸化タングステン（WO_β）が生成される。生成されたトリウム(Th）とジスプロシウム（Dy）は、先端方向へ拡散する（反応（２））。これは、先端に向かう方向が濃度勾配の減少方向だからである。

拡散したジスプロシウム（Dy）は、移動先で酸化トリウム（ThO₂）を還元し、これよりトリウム(Th）と酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）が生成される。生成されたトリウム(Th）は、先端方向へ拡散する（反応（３））。ジスプロシウム（Dy）が酸化トリウム(ThO₂）を還元するのは、図４に示すように、反応部分の温度下にて、酸化物の標準生成自由エネルギーが小さいからである。

生成された酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）は、周辺の酸化トリウム(ThO₂）と反応して酸化物固容体（Th,Dy）O_αを生成する（反応（１））。

以下同様にして、反応（１）→反応（２）→反応（３）→反応（１）→反応（２）・・・と繰り返され、トリウム（Th)が先端方向に供給される。

また、図３に示すように、上記反応（３）で生成された酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）のうち、一部は、タングステン（W）により高温還元されて、ジスプロシウム（Dy）と、酸化タングステン（WO_β）が生成される。生成されたジスプロシウム（Dy）は、先端方向へ拡散する（反応（４））。かかるタングステン（W）による高温還元は、導電性酸化物固容体の場合、反応（１）によって生じたジュール熱により促進される。このように、本実施形態においては、従来、先端領域だけで生じていたタングステン（W）による高温還元は、先端領域でなくても生ずる。

反応（４）にて生成されたジスプロシウム（Dy）は、先端方向へ移動し、移動先で酸化トリウム(ThO₂）を還元して、酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）とトリウム（Th）とが生成される。トリウム（Th）は先端方向へ移動する（反応（３））。

生成された酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）の一部は、タングステン（W）により高温還元されて、ジスプロシウム（Dy）と、酸化タングステン（WO_β）とが生成される。生成されたトリウム(Th）は、先端方向へ拡散する（図３反応（４））
以下同様にして、反応（３）→反応（４）→反応（３）→反応（４）・・・と繰り返され、トリウム（Th )が先端方向に供給される。

このように、反応部分の温度下で、トリウム（Th)と比べて、酸化物の標準生成自由エネルギーが小さい元素についての導電性酸化物固容体部を形成することにより、先端部で欠乏するトリウム（Th)を効率的に供給することができる。

このようにして、自己発熱による還元促進だけでなく、連鎖的にトリウム（Th） が生成され、アーク放電に寄与するトリウム（Th） が次々と供給されるので、枯渇を長時間にわたって抑制することができ、高輝度で安定したアーク放電を長期にわたって行うことができる。

図１において、基部３は高融点金属であればよく、タングステン以外に、モリブデン、ニオブ、タンタルなどであってもよい。

また、トリア還元物含有部に含める酸化物として、酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）を採用したが、これ以外にも、酸化物になったときに、放電電流によりジュール熱が発生する程度の導電性を有しており、かつ、トリウムと酸化物固容体を構成可能で、点灯時の陰極温度条件下にて、酸化物の標準生成自由エネルギーがトリウムよりも小さい元素であれば、どのようなものでもよい。

トリウムと酸化物固容体を構成可能な元素としては、同族のアクチノイド系、または、性質の似ているランタノイド系、さらに、スカンジウム （Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）などが上げられる。このうち、標準生成自由エネルギーがトリウムよりも小さい元素としては、スカンジウム（Sc）、イットリウム（Y）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、ルテチウム（Lu）が上げられる。また、これらは、導電性を有するので、放電電流が流れることにより、上記ジュール熱も発生する。すなわち、上記元素をＭで表すと、Ｍ₂Ｏ_３が混合された高融点金属でトリア還元物含有部５を構成すればよい。

図４に、スカンジウム（Sc）、ジスプロシウム（Dy）、エルビウム（Er）、ルテチウム（Lu）の各酸化物について、酸化トリウム（ThO₂）の標準生成自由エネルギーの違いを示す。

また、本実施形態においては、トリア還元物含有部５を、タングステン（W）と酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）の粉末をボールミルなどの公知の混合機を用いて混合したものを放電プラズマ焼結法で結合することにより、生成したが、これに限定されない。例えば、上記Ｍ数％の酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）を含有したタングステン棒を用意して、トリア含有したタングステン棒とを放電プラズマ焼結法で結合するようにしてもよい。すなわち、固相拡散接合をさせることができる手法あれば、どのような手法であってもよい。また、トリア含有部７のトリアの含有率もこれに限定されない。

なお、上記実施形態においては、トリア還元物含有部５の酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃），およびトリア含有部７の酸化トリウムは、それぞれ、数％程度である。したがって、前記酸化物固容体は、軸方向に垂直な断面全面に層として酸化物固容体ができないことも考えられる。この場合でも、タングステンとの抵抗値およびその面積に応じて、前記酸化物固容体には電流が流れる。したがって、ジュール熱が発生するので、上記反応（２）、（４）におけるタングステンによる高温還元がなされる。

また、前記酸化物固容体は、軸方向に垂直な断面全面に層として形成された酸化物固容体層を構成するように、製造してもよい。

図５に、他の実施形態の陰極５１を示す。陰極５１は、第１実施形態と異なり、基部３が存在せず、トリア還元物含有部５，およびトリア含有部７で構成されている。また、トリア還元物含有部５は、酸化物Ｍ₂Ｏ_３の濃度が、陰極先端方向に向けて、だんだん薄くなるように構成されている。例えば、領域５２は、酸化物Ｍ₂Ｏ_３が１０％、領域５３は酸化物Ｍ₂Ｏ_３が８％、領域５４は酸化物Ｍ₂Ｏ_３が６％、領域５５は酸化物Ｍ₂Ｏ_３が４％、領域５６は酸化物Ｍ₂Ｏ_３が２％、とすればよい。このような段階的に濃度を変えることによる効果について、説明する。一般的には、酸化物Ｍ₂Ｏ_３は多い方が、元素Mの量も増え、トリウム（Th）の還元を促進できるので、かかる点からは、酸化物Ｍ₂Ｏ_３の濃度を濃くすることが望ましい。しかし、固相拡散接合するThO₂とM₂O₃の濃度が大きく異なると、タングステンの濃度も大きく異なることとなり、結晶粒などの金属組織の特性が急激に変化し、このため、接合界面で応力が発生し、割れたり、熱伝導がうまく働かない可能性がある。図５に示すように、構成することにより、かかる問題を回避できる。

図６に、他の実施形態の陰極６１を示す。図５に示す陰極５１は同じ元素について、先端に向かうにつれてタングステンに対する混合比を薄くしたが、陰極６１は、上記酸化物Ｍ₂Ｏ_３を、標準生成自由エネルギー順に並べたものである。具体的には、領域６３をEr₂O₃ 、領域６４をDy₂O₃ 、領域６５をY₂O₃ 、領域６６をSc₂O₃をそれぞれ、タングステンに混合することにより、構成した。

これにより酸化物Ｍ₂Ｏ_３による段階的な還元を起こすことができる。また、図４に示すように、各元素の濃度差をさらに組み合わせるようにしてもよい。

図７に、図１に示す陰極１の基部３およびトリア還元物含有部５を、トリア還元物含有部７２で構成した陰極７１を示す。このように、トリア還元物含有部５とトリア含有部７との界面に、前記酸化物固容体部が生成されるのであれば、トリア還元物含有部５には高融点金属を含む必要はない。

図８に陰極８１を示す。陰極８１は、基部８２、トリア還元物含有部８５は、図１に示す陰極１と同様である。先端部８６について、周辺のタングステン部８８と、トリア含有部８７で構成されている。トリア含有部８７とトリア還元物含有部８５の界面で、前記導電性酸化物固容体部が構成される点は、図１の陰極１と同様である。先端部の中央部分だけが、トリア含有部８７なので、トリウムをより有効に使うことができると共に、周辺が熱に強いタングステンなので摩耗に強い。

上記各実施形態においては、界面にタングステンよりも導電性が低い酸化物固容体部を設けることにより、当該部分にて、放電電流によるジュール熱を発生させて、これにより、タングステンによる高温還元を可能にしている。

なお、前記酸化物固容体部は、酸化トリウムとトリア還元物含有部５の酸化物が高熱で混在されることにより、生成される。したがって、より、確実に酸化物固容体部を生成するためには、酸化トリウムの粉とトリア還元物含有部５の酸化物の粉を混ぜて、高温処理をすればよい。

また、酸化トリウムの粉末の入手が困難な場合、トリア還元物含有部５を、酸化物Ｍ₂Ｏ_３ を構成可能な複数の酸化物についての任意の組み合わせで構成することにより、上記酸化物固容体部をより確実に形成することができる。

また、上記実施形態においては、トリア還元物含有部５とトリア供給部７とを軸方向に並べて接するように配置した場合について説明したが、還元したトリウムを先端に拡散させられるのであれば、これに限定されず、例えば、図９に示すように、トリア含有部９７の周方向をトリア還元物含有部９５で覆うようにしてもよい。図９に示す陰極９１では、先端領域については、耐熱のために高融点金属部９８で覆っている。また、側面を炭化処理面９９で覆っている。これにより、トリア還元物含有部９５における酸化物Ｍ₂Ｏ_３の炭素による還元が促進される。これにより、より多くの元素Ｍをトリア含有部９７に供給することができる。

かかる炭化処理面は、例えば、陰極全体を気相、あるいは固相の炭素雰囲気中で加熱すればよい。または、炭化タングステン粉末を陰極側面に結合するようにすればよい。

上記実施形態においては、酸化物Ｍ₂Ｏ_３の標準生成自由エネルギー順位がトリアよりも小さい元素Ｍを用いて、図２，図３に示す反応を用いて、先端部にトリウムを供給している。しかし、これに限定されず、ジュール熱を発生させることにより、タングステンによるトリアの高温還元を起こさせることも可能である。かかるジュール熱が発生するのは、酸化物固容体がタングステンと比較して、はるかに抵抗が高いからである。これより従来、先端部でしか起きなかったトリウムの供給が可能となる。かかるタングステンによる高温還元だけを目的とするのであれば、上記酸化物Ｍ₂Ｏ_３の標準生成自由エネルギーについては、考慮する必要がない。

この場合、図１０に示すように、先端部にトリア含有部１０７を設けると共に、トリア含有部１０７に接するように、タングステンよりも導電率の低い酸化物固容体部１０５を設ければよい。酸化物固容体部１０５は、上記酸化物Ｍ₂Ｏ_３のうち、複数の酸化物の粉を混ぜて、基部１０３との間で高温処理をすればよい。

なお、ある酸化物が酸化トリウムに固溶するかどうかは、例えば、図１１のような公知の酸化物の状態図より明らかである。たとえば、ThO₂ とDy₂O₃は広い温度領域かつ組成領域で酸化物の固溶体が形成され、非常に高温まで安定している。かかる固溶体形成の温度は、生産性や製造コストなどを考慮し、前記状態図から決定できる。

なお、本実施形態においては、混合機を用いて混合し、放電プラズマ焼結装置などによって、焼結・接合することで導電性酸化物固容体を生成したが、焼結体を先に通常の粉末冶金法によって形成し、その後、固相拡散接合してもよい。

上記実施形態では、第１金属としてトリウムを、第２金属としてジスプロシウムを採用した場合について説明したが、導電性酸化物固容体を構成する２つの酸化物としては、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかで、かつ、ジュール熱による電子放射性物質への還元ができる物質であれば、どのようなものであってもよく、例えば、Ba、Ca、Sr などのアルカリ土類金属や、La、Ce など電子放射性物質を含んだ希土類金属であれば、適用可能である。

その際、第１金属の酸化物と比べて第２金属の酸化物の方が、酸化物Ｍ₂Ｏ_３の標準生成自由エネルギー順位が小さいものを選択すれば、第１金属が生成の連鎖反応が起こる。

図１２に、アルカリ土類金属または希土類金属の酸化物の標準生成自由エネルギーを示す。例えば、第１金属としてBaを用いれば、第２金属として、Sc、Caなどを採用することができる。

本実施形態においては、高融点金属としてタングステンを採用した場合について説明したが、酸化物固容体を還元できる金属であれば、たとえば、Mo 、Ta、Zr、Hf 等であってもよい。

また、酸化物の粉末でなくても酸化物がドープされた高融点金属でも構成してもよい。

１・・・・・・陰極
３・・・・・・基部
５・・・・・・トリア還元物含有部
７・・・・・・トリア含有部
５１・・・・・陰極
６１・・・・・陰極
７１・・・・・陰極
８１・・・・・陰極

Claims (9)

1. 電子放射性物質を添加した放電ランプ用の陰極であって、
   希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部、
   前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかを第２の金属酸化物として含み、前記第１金属酸化物含有部と接することにより、界面に前記第１の金属酸化物と前記第２の金属酸化物で構成された導電性酸化物固容体部が形成された第２金属酸化物含有部、
   を備えた陰極。
2. 請求項１の放電ランプ用の陰極において、
   前記第１金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物として、酸化トリウムを含み、
   前記第２金属酸化物含有部は、前記第２金属酸化物として、スカンジウムの酸化物、イットリウムの酸化物、テルビウムの酸化物、ジスプロシウムの酸化物、ホルミウムの酸化物、エルビウムの酸化物、ツリウムの酸化物、ルテチウムの酸化物を、少なくとも、１以上含むこと、
   を特徴とする陰極。
3. 請求項１または請求項２の放電ランプ用の陰極において、
   前記第２金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかの酸化物を配置した金属酸化物が複数層に配置されており、
   前記複数層を構成する各金属酸化物層は、同じ金属酸化物であり、かつ、各層を構成する酸化物の不純物濃度が前記第１金属酸化物含有部に近づくにつれて薄くなるように配置されていること、
   を特徴とする陰極。
4. 請求項１または請求項２の放電ランプ用の陰極において、
   前記第２金属酸化物含有部は、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかの酸化物を配置した金属酸化物が複数層に配置されており、
   前記複数層を構成する各金属酸化物層は、異なる金属酸化物であり、前記第１金属酸化物含有部に近づくにつれて、当該金属酸化物の標準生成自由エネルギーが大きくなるように配置されていること、
   を特徴とする陰極。
5. 請求項１〜４のいずれかの放電ランプ用の陰極において、
   前記第１金属酸化物含有部または第２金属酸化物含有部の側面を炭化処理したこと、
   を特徴とする陰極。
6. 希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部に有する電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、
   前記第１の金属酸化物と、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第２の金属酸化物とで構成された導電性酸化物固容体部を形成させ、
   前記高融点金属は、前記第１の金属酸化物および前記第２の金属酸化物を還元できる金属であり、
   下記反応（２）、反応（３）、反応（１）、反応（２）、反応（３）、・・・を繰り返すことにより、前記先端部に前記電子放射性物質を供給すること、
   反応(２）:
   前記酸化物固容体部の前記第１金属酸化物および前記第２金属酸化物が前記高融点金属により還元され、生成された前記第１金属と前記第２金属が、先端方向へ拡散する、
   反応（３）:
   拡散した第２金属は、移動先で前記第１金属酸化物を還元し、これより前記第２金属酸化物と、前記第１金属が生成され、生成された前記第１金属は、先端方向へ拡散する、
   反応（１）:
   生成された第２金属酸化物が、前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する、
   を特徴とする電子放射性物質の供給方法。
7. 請求項６の電子放射性物質の供給方法において、
   さらに、上記反応（３）で生成された前記第２金属酸化物が、周辺の前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する反応(４)が生じ、前記反応（４）、（３）、（４）・・・を繰り返すことにより、前記先端部に電子放射性物質を供給すること、
   を特徴とする電子放射性物質の供給方法。
8. 希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部にする電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、
   前記第１の金属酸化物と、前記第１金属酸化物よりも標準生成自由エネルギーが小さく、かつ、希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第２の金属酸化物とで、構成された導電性酸化物固容体部を形成させ、
   前記高融点金属は、前記第１の金属酸化物および前記第２の金属酸化物を還元できる金属であり、
   下記反応（３）、（４）、（３）、（４）・・・を繰り返すことにより、前記先端部に電子放射性物質を供給すること、
   反応（３）:前記高融点金属により還元され、拡散した第２金属が、移動先で前記第１金属酸化物を還元し、これより第１金属と、前記第２金属酸化物が生成され、生成された第１金属が先端方向へ拡散する、
   反応（４）:生成された前記第２金属酸化物は、周辺の前記第１金属酸化物と反応して前記導電性酸化物固容体を生成する、
   を特徴とする電子放射性物質の供給方法。
9. 希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された第１の金属酸化物を含む高融点金属で構成された第１金属酸化物含有部を先端部に有する電子放射性物質添加陰極における電子放射性物質の供給方法であって、
   希土類金属の酸化物およびアクチノイド系金属の酸化物のいずれかから選択された金属酸化物のうち、前記第１の金属酸化物とは異なる第２の金属酸化物と前記第１の金属酸化物とで構成された導電性酸化物固容体部を、前記第１金属酸化物含有部の界面に形成させ、
   前記陰極に放電電流を流すことにより、前記導電性酸化物固容体部において、ジュール熱を発生させ、これにより前記第１金属酸化物含有部の第１金属酸化物を高温還元させて、前記先端に前記電子放射性物質を供給すること、
   を特徴とする電子放射性物質の供給方法。

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