JPH05504438A - ゼロのアノード電圧降下を有するグロー放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ゼロのアノード　下を　するグロー　ランプ；　のクロスレファレンス この出願は、現在は放棄されておりかつそれぞれ本出願の譲受人へ譲渡されてい る米国出願第０７／１３９．３９８号の同時継続出願である米国出願第０７／３ ７７、７８１号でクレームされている発明を開示するがクレームはしていない。

ｌ豆立丘■ この発明は一般的には小型けい光ランプに関するものであり、詳述すると、負グ ロー放電ランプに関するものである。

！星Ｊと１１ 負グロー放電ランプは標準的には貴ガスおよび水銀を含む光透過性外囲器を具備 しており、けい光体が外囲器の内面に被着されており、ランプが励起されたとき に生ずる紫外放射の吸収で可視光を放射するようなされている。ランプはランプ 電極間の電圧印加により励起される。電極のうち少くとも一つは電子放出性のカ ソードの形態である。熱電子カソードおよびアノードを有する直流作動予熱型ラ ンプでは、カソードは電子放出温度まで数秒間予熱される。通常ブレークダウン 電圧と呼ばれる所定の電位が印加された後に電流が電極間を流れる。現象の基本 的な説明が電極間のガスが所定電圧でイオン化され、電流を流しそして紫外放射 を投射するというものである。紫外放射はランプ外囲器の内面に被着されたけい 光体１により可視放射へ変換される。負グロー放電ランプが陽光柱ランプと異な る点がほとんど目に見えない陽光柱が放電領域内に形成されるようアノードが位 置決めされることである。

当分野で知られているように、以下の５帯域は熱電子カソードおよびアノード間 の放電において区別されねばならない、すなわち、 カソードシース カソードシースの厚さは標準的にはＸ　ｅ（＝　ｏ、ｏｏｉ〜０、１ｍｍ）に等 しい、相当な電位降下Ｕｃがこの帯域に存在する。標準的には、この降下の値は Ｕ　ｅ（＝　５〜２０ｖ）に等しい。カソードから発せられる電子はここでエネ ルギーＥ　＝　ｅ　Ｕ　ｃまで加速される。

１久且二１１ この帯域は、カソードシースで加速されたイオン化電子群により発生される擬似 中性プラズマにより満たされている。負グローにおける電界Ｅの値は小さい、す なわちＥ＝０．１〜０．３Ｖ／ｃＩ１１である。さらに電界は負である。

これはこの帯域の放電電流が主にアノードへ向かう電子拡散によるものであると いう事実からもたらされる。この場合に電界はプラズマの擬似中性状態を維持す るために負でなければならない。

負グロー帯域の長さは所定の最大長さＬｌを越えることができない、これは１次 電子群の緩和および放電容器壁へ向かうイオンおよび電子の拡散損失によるもの である。最大長さし、は放電容器の内径りに応じて定められそして標準的にはそ れはり、（＝０．５Ｄ〜１．５Ｄ）に等しい。

電極間の距離が負グローの最大可能長さを越えれば、さらに２つの放電帯域が形 成される。すなわち、ファラデーＰ　および　゛　− ファラデー暗部は負グローと陽光柱との間の遷移領域を表す。この帯域では、電 界は負から正へ変化する。これにより、電子はイオン化を起こし放電を維持する ために別途に加速される。陽光柱領域は電位が距離とともに直線的に変化する均 一な擬似中性プラズマによって満たされている。電界の一定の正の値は壁に向か うイオンおよび電子の拡散損失およびイオン化プロセス間の平衡によって決定さ れる。

アノードシース　− この帯域はアノード近傍に形成される。アノードシースの厚さは１０１０１のオ ーダーである。アノードシースにおける電位降下Ｕ、は条件に応じて正または負 である。

１９５８５Ｅ　４月２９日にレイク（Ｌａｋｅ）へ発行されたアメリカ合衆国特 許第２，８３２．９１２号は、本質的にチタン金属から構成されるアノードおよ び線条のカソードを具備するグロー放電ランプに関する。コラム５および６にま たがる段落で、レイクはランプのアノード降下（すなわちアノード電位降下）は その第２区で示されるように負であることを述べている。さらに、レイクは、ア ノードの寸法が放電柱の断面よりも非常に小さい放電ランプのほとんどのもので は電子は、アノードへ十分な量が到達するために、加速されねばならずそしてア ノード降下は正であることを教示している。

我々は、負グロー放電ランプにおいて実質的に負または正のアノード降下を有す ることによって最適値よりも低いランプ効率（ｅｆｆｉｃａｃｙ）を招いてしま うことを発見した。

１旦Ｊ旧」！ それゆえ、本発明の目的は従来技術の不利益を除去することである。

本発明の他の目的は、改善された負グロー放電ランプを提供することである。

本発明の他の目的は、高められたランプ効率を有する負グロー放電ランプを提供 することである。

これらの目的は、本発明の一様相において、稀ガス充填物を包含する光透過性外 囲器を具備するグロー放電ランプの提供によって実現される。外囲器は所定の内 径Ｒを有する球形形状の帯域を包摂する。けい光層が外囲器の内面に被着される 。アノード電極およびカソード電極が外囲器内に配置されそして所定の距離ｄだ け離間されている。カソードの電圧降下Ｕｅは稀ガス充填物の励起電位よりも小 さい。アノード電極は、関係Ｒｄ／Ｓ、が約５．０〜１１，０の範囲内であるよ う所定の有効表面積Ｓ。

を有する。

本発明の別の教示に従えば、稀ガス充填混合物はヘリウム、ネオン、アルゴン、 クリプトンまたはキセノンあるいはこれらの組合せからなる。一実施例では、稀 ガス充填混合物はヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンを含 みそしてカソード電圧降下は、ヘリウムについては２０Ｖ以下、ネオンについて は１７Ｖ以下、アルゴンについては１２Ｖ以下、クリプトンについては１０■以 下そしてキセノンについては９■以下である。

本発明の別の様相に従えば、関係Ｒｄ／Ｓ、は約７．５に等しい。

本発明のさらに別の教示にしたがえば、外囲器は水銀をも包含しそして励起の際 に紫外放射を投射する。外囲器の内面に被着されるけい光層は紫外放射の吸収で 可視光を投射するのが好ましい。

本発明のさらに別の目的、利益および新規な特長は以下の説明で明らかにされ、 当業者であれば以下の説明の考察にしたがって部分的に明瞭となりさらにはまた 本発明の実施によって教示されるであろう。本発明の上述の目的および利益は特 許請求の範囲に記載された手段および組合せによって実現および達成される。

・・　の　蛍なで日 本発明は添付図面との関係において以下の実施例の説明から容易に理解されよう 、ここに、 第１図は本発明の原理に従って構成されたグロー放電ランプの好ましい実施例の 前方断面図である。

第２Ａ図および第２Ｂ図は好ましいアノード構成の前方および側方拡大正面図で ある。

第３図はアノードおよびカソード構成ならびにそれらの間の相対的な位置関係を 図示する拡大詳細区である。

第４区は、ランプ効率（ＬＰＷ）を、１３■（曲線１）および１５■（曲！１２ ）のカソード電圧を有するグロー放電ランプのアノード電圧の関数として図示す るグラフ図である。

日を　、するための　も　な態 本発明の他の目的、利益および能力を含め本発明をよりよく理解するために、添 付図面を参照しつつ以下の説明および請求の範囲を参照されたい。

図面を参照すると、第１図は、球形状あるいは球体形状の帯域１２および首部帯 域１４とを有する光透過性外囲器１０を具備する負グロー放電ランプを図示して いる。外囲器１０の帯域１２はたとえば３．５　ｃｍのような内径Ｒを有する。

外囲器１０の球形状帯域１２内にはカソード電極１６およびアノード電極１８な どの一対の電極が配置されている。電極は標準的には約１〜３ｃｍ離間されてい る。カソード電極１６は、通常は、ここに被着される炭酸ストロンチウム、炭酸 カルシウムおよび炭酸バリウムから成る共沈三種炭酸塩懸濁物を有するタングス テン励起コイルとし得る。カソード電極は、必要とされる始動特性、予想される 寿命および電流搬送能力に応じて、寸法、質量および幾何学的配！を変化するこ とができる。ランプの製造中において、電流が所定時間カソードに通電されるよ く知られるブレークダウンあるいは賦活プロセスの間に炭酸塩は酸化物へ変換さ れる。導入線２０および２２はカソード電極１６を支持しそしてここに電力を供 給する。アノード電極１８は、単一の導入綿２６によって支持された耐熱金属製 ストリップ２４を具備する。導入線２０．２２．２６は、第１図に図示されてい るように、ランプ外囲器底部の首部帯域１４を閉成するウェハ状のステム組立体 ３０などによって審封封止されている。導入線はたとえば２０〜３０＋ｏｉｌ径 の柱状形状とし得る。

第１図に図示のように、導入線２０．２６はそれぞれ直流電鼻の負端子と正端子 に接続されている。ランプを始動するために、予熱電流が、導入線２２および２ ６を互いに瞬間的に接続することによりカソード電極１６へ供給される。従来の グロー放電スタータは予熱および始動を促進するよう導入線２２．２６へ固定可 能である。

起動の際に、グロー放電がカソード電極１６およびアノード電極１８間に発生さ れる。

外囲器は励起で紫外放射を投射するイオン化可能な媒体を包摂する。このイオン 化可能な媒体は水銀と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノ ンなどの稀ガスあるいは稀ガス混合物を包摂可能である。一実施例では、ランプ は３トルの貴ガス混合物で満たされる。この混合物は９９．５％のネオンおよび ０．５％のアルゴンおよび約３０ミリグラムの水銀とすることができる。

ランプ外囲器１０の内面は紫外放射の吸収で可視光を投射するけい光層１５を有 する。

アメリカ合衆国特許第０７／３７７、７８１号の教示内容に従えば、アノード電 極１８は、第２Ａ図、第２Ｂ図および第３図に最も良好に図示されているように モリブデン箔の廉価なストリップ部材から成る。一実施例において、モリブデン 箔は幅が４．５ｍｍ　、長さが１６．５ｍｍ（第２Ａ図参照）そして厚さが０． ０１ａ＋ｍであり（第２Ｂ図参照）、７４．４６ａａ＋”の有効アノード面積Ｓ １を有する。Ｓ、の値はアノードの幾何表面積の二分の−に等しく定められる。

すなわちＳ、＝Ｓ／２である。モリブデン箔状ストリップ４５は、導入線２６の まさにその端部に折返し端部４９を設けることにより導入線２６へ固定し得る。

これは端部４９がスェージ加工されてモリブデン箔ストリップをその間のちょう ど上側端部に固定するのを可能にする。さらに、導入線２６と箔状ストリップ４ ５との間にはんだ、接着剤または溶接封止を提供することも可能である。

アノードは第１図、第２Ａ図、第２Ｂ図および篤３図に図示のものとは異なる構 成を有することも可能である。たとえば、アノードは通常カソードで見出される 共沈三種炭酸塩懸濁物のないタングステン励起コイルでもよい。

第３図に図示されているように、アノードおよびカソード電極間の好ましい間隔 ｄは約１．５ｃｍである。カソードおよびアノード電極は、第３図にも図示され ているようにお互いにほぼ中心が合わされことが好ましい。

この点に関し第３図の表示中心線４７に注意されたい。

モリブデン箔状ストリップの使用に加えてタングステンまたはタンタル製のスト リップを使用してもよい。

上述のように、本発明は、球形状部分を有する外囲器の放電を取り扱う。したが って、負グローの最大長は常に放電容器の内径と近接し、実用的なバルブ内径値 の場合には、何らの陽光柱帯域も形成されない、こうして、かかるランプにおけ る放電電圧Ｕ６ば、Ｕａ　＝Ｕｃ　＋Ｕ、としてカソードおよびアノード電位降 下の和によってほぼ表すことができる。ＵｅおよびＵ、の値の両方がランプの効 率に影響を与える事がわかった。水銀蒸気および稀ガス混合物の場合に、Ｕｅの 値は、良好なランプ効率のためには、稀ガスの励起電位よりも小さくすべきであ る。もしＵｅ値が励起電位よりも大きければ、相当な量のエネルギーが稀ガス励 起に消費されてしまいそれゆえ効率は大幅に減ぜられてしまう。こうして、水銀 蒸気および稀ガスの混合物により満たされた負グロー放電ランプの最適効率は、 ヘリウムについては２０Ｖ以下の、ネオンについては１７Ｖ以下の、アルゴンに ついては１２Ｖ以下の、クリプトンについてはＩＯＶ以下のそしてキセノンにつ いては９■以下のカソード電圧降下を有するべきである。

放電効率に対するアノード電圧値の効果がランプの計算モデルにおいて考察でき る。計算は以下の形式％式％（１） の電子エネルギー平衡の容積平均化式に基づき遂行できる。ここで、 Ｉｅｅはカソードからの電子電流に等しく、Ｕｅはカソード電圧降下に等しく、 ■はカソード、アノードおよび壁シース間のプラズマの容積に等しく、 ｐ、、　ｐ、、Ｐｗ、Ｐ＊＋は、それぞれ、励起、イオン化、壁への電子脱出お よび弾性衝突によるエネルギー損失に等しく、そして Ｐ、はアノードへの電子脱出によるエネルギー損失に等しい。

この最後の項は以下の形式、 Ｐａ　”　Ｉｅａ　ｅａ　ｉｅｖ　（ｚ）で表現できる。ここで、 Ｉ’１１はアノードへの電子電流に等しく、ｅ、はプラズマからアノードへの電 子脱出の平均エネルギーに等しく、そして、 ｅは電子の電荷の絶対値に等しい。

ｅ、についての表現はアノード電圧降下Ｕ、の符号に依存した２つの異なる形式 を有する。たとえば、Ｕ、≧０の場合には、 ｅａ　＝　２ｋＴ、　（３） である。ここでｋはボルツマン定数であり、Ｔ、は電子ｒａ度である。

Ｕ、く０の場合には、 ｅａ　＝　２ｋＴ＠　−ｅｒａ　（４）である。

光束出力しは式１〜４から計算できる。単位ワラ下当たりのルーメン（ＬＰＷ） として表現される放電効率は以下の式、 ＬＰＷ　＝　Ｌ／ＩＵ、　（５） により見出される。ここで、 ■はランプ電流であり、 Ｕａは放電電圧（すなわちＵ　ｃ　＋　Ｕ　−）に等しいと仮定される。

式２．３および５によれば、カソード電圧降下の固定値を仮定すると、もしアノ ードシースにおけるわずかな励起を無視すれば、正のアノード電圧降下がより低 いランプ効率を招（であろう。

負のアノード電圧降下の場合、事態はそれほど明瞭ではない。式４によれば、負 のアノード電圧はプラズマ電子の追加の冷却を招く。これは光束出力を減少させ る。

また、式５の分母の放電電圧の減少による逆向きの傾向が存在する。正味の結果 は計算によって得られる。

計算はアノード電圧を可変パラメータとして遂行できる。単位ワット当たりのル ーメン（ＬＰＷ）として表現されるランプ効率が、７．０ミクロンの水銀蒸気圧 力で３．０トルの圧力の１００％のネオンを包摂するグロー放電ランプの標準条 件について、アノード電圧の関数としてプロットされている（第４図）、外囲器 の球形部分は３．５ｃｍの内径を宵していた。ランプは２．０アンペアの動作電 流を有していた。第４図の曲線１および２はそれぞれ１３ボルトおよび１５ボル トのカソード電圧を指示する。第４図からのデータは最適効率がＵ、＝０で達成 される事を示している。アノード電位降下の符号は、アノードへのランダムな電 子電流工、およびランプ電流工の値に依存する。

アノードへのランダムな電子電流は。

Ｌ　”　ｅＮ＊ｖｅｓａ／４（６） に等しい、ここで、■、およびＮ、はそれぞれアノードシースの始めでの電子の ランダムな速度および数密度に等しく、そして Ｓ、はアノードの有効表面積（すなわちアノードの幾何表面積の半分）に等しい 。

ランダムな電子電流１．の値が放電電流Ｉよりも大きければ、アノード電圧降下 Ｕ、は負である。なぜなら、いくつかの電子はアノードから反発されねばならな いからである。ランダム電流の値が放電電流よりも小さければ、アノード電圧降 下は正である。なぜなら、追加の電子がアノードへのプラズマから差し引かれね ばならないからである。

第４図によれば、ランダムな電子電流Ｉ、が放電電流工に等しくそしてアノード 電圧降下がゼロに等しいときに、最適効率が生ずることがわかる。式６からアノ ード電圧降下の符号および値は、電子の数審度を介してアノードおよびカソード 間の距離に依存する。もし距離が増大すれば、アノードの電子密度は減少しそし てアノード電圧降下は増大する（その逆も成り立つ）。

ゼロ近傍のアノード電圧に対応する最適距離が存在する。モデルに基づ（と式６ の電子密度は、Ｎ、　＝ａＩ／Ｒｄ　（７） として表現できる。ここで、ａは定数であり、Ｒは内部バルブ径であり、モして ｄは電極間距離に等しい。

こうして、最適効率は、内部バルブ径Ｒ１電極間距離および有効アノード表面積 ８．間の以下に示す関係に対応づけられる。

Ｒｄ／Ｓ、　＝一定　（８） 我々の実験結果によれば、式８の定数は７．５に等しい。最適効率からの落下は 滑らかに進行するので、もし式８の定数が約５．０〜１１．０の範囲にあれば、 状況は最適状態近傍にとどまることが分かった。

改善されたグロー放電ランプについて開示した。本発明は従来技術に優るランプ 効率の改善を提供する。

本発明の好ましい実施例であると現在考えられるものを開示したけれども、当業 者であれば本発明の技術思想から逸脱することな（種々の変更および修正が可能 であることは明らかであろう。明細書および添付図面に開示した実施例は本発明 の原理およびその具体的な応用を最も良好に説明するために企図されたものであ り、当業者であれば、種々の実施例に示された本発明を、企図する特定の使用目 的に適う種々の変更を加えて最も好ましく使用できるであろう。

ＦＩＧ、　２Ａ　ＦＩＧ、２　Ｂ ＦＩＧ、４ 国際調査報告 １＋＋　ｉｌ＋７１＋ｉ＋ｊｌ＋　ＰＣＴ／ＩＩｓ　Ｑｌ’ｌ／Ｉ’ｌｌ；Ｑ＆ １国際調査報告 、ＰＣｒＡＪＳ　９０１０６９６１

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）稀ガス充填物を包摂しており、所定の内径Ｒを有する球形形状の帯域を具 備する光透過性外囲器と、当該外囲器の内面に被着されたけい光層と、当該外囲 器内に配置されておりかつ所定の距離ｄだけ離間されているアノード電極および カソード電極にして、当該カソード電極の電圧降下は前記稀ガスの励起電位より も小さくかつ前記アノード電極は、関係Ｒｄ／Ｓａが約５．０〜１１．０の範囲 にあるよう所定の有効表面積Ｓａを有するようになされた前記アノード電極およ びカソード電極と、 を具備したグロー放電ランプ。
2. （２）前記稀ガス充填混合物はヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたは キセノンおよびそれらの組合せからなる請求項１のグロー放電ランプ。
3. （３）前記稀ガス充填混合物はヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンまたは キセノンを含み、そして前記カソード電圧降下は、ヘリウムについては２０Ｖ以 下、ネオンについては１７Ｖ以下、アルゴンについては１２Ｖ以下、クリプトン については１０Ｖ以下そしてキセノンについては９Ｖ以下である請求項２のグロ ー放電ランプ。
4. （４）前記関係は約７．５に等しい請求項１のグロー放電ランプ。
5. （５）前記外囲器は水銀をも含みそして励起で紫外放射を投射する請求項１のク ロー放電ランプ。
6. （６）前記外囲器の内面の前記けい光層は紫外放射の吸収で可視光を投射する請 求項５のグロー放電ランプ。