JPH11111215A - 放電ランプ用陰極とその製造方法 - Google Patents

放電ランプ用陰極とその製造方法

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JPH11111215A
JPH11111215A JP29057297A JP29057297A JPH11111215A JP H11111215 A JPH11111215 A JP H11111215A JP 29057297 A JP29057297 A JP 29057297A JP 29057297 A JP29057297 A JP 29057297A JP H11111215 A JPH11111215 A JP H11111215A
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JP
Japan
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cathode
tungsten
sintered layer
discharge
arc
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JP29057297A
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English (en)
Inventor
Yasuo Onishi
安夫 大西
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ショートアーク型放電ランプにおいて、長時
間の点灯後もアークの安定性を維持するための構造を有
する陰極とその製造方法を提供すること。 【解決手段】 陰極の放電有効先端領域を除いた外表面
にタングステン微粒子の焼結層が形成されており、焼結
層のタングステン微粒子間に酸化トリウムが分散されて
いる放電ランプ用陰極とする。その陰極の製造方法は
(1)所定の形状に加工された陰極の先端領域にあらか
じめ微粒子タングステンの焼結層を形成し、(2)タン
グステン焼結層の形成された陰極先端領域に硝酸トリウ
ムの溶液を塗布し、(3)還元雰囲気中で陰極を熱処理
することにより酸化トリウムの粉末をタングステン焼結
層のタングステン微粒子間に分散させ、(4)陰極の放
電有効先端領域を除いた陰極のタングステン焼結層を除
去するものとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光化学産業分野、
半導体デバイスの製造分野、などで使用されるショート
アーク型放電ランプの陰極とその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】ショートアーク型放電ランプは、図1に示
すように、石英ガラス製の発光管1の中に陽極2と陰極
3が対向配置されており、前記陽極2と陰極3はそれぞ
れ気密封止部分4を通り電流供給用金属ベース5につな
がっている。発光管1内には水銀、キセノン、アルゴン
などが必要に応じて封入されており、陽極2と陰極3の
間に生じるアーク放電によって発光する。
【0003】図2は陰極3と陽極2との間のアーク放電
を示す拡大図である。Aはアークをあらわしている。ア
ークは陰極先端31を起点として陽極2に向かって拡開
して形成される。
【0004】ショートアーク型放電ランプにおいて、陰
極は、一般には、タングステンの中に陰極からの電子放
出をさせやすくする電子放射性物質として数%の酸化ト
リウム(ThO2)を含有したトリエーテッドタングス
テンが用いられる。この酸化トリウム含有型の電極は、
ランプ製作後の新品のときはアーク放出部分である陰極
先端31近傍に酸化トリウムが十分に存在しているた
め、この陰極先端31からアークは放出される。
【0005】しかし、数十時間ないし数100時間ラン
プ点灯後経過すると、図3に示すように、アーク放電に
よって2500℃程度の高温下に陰極先端はさらされる
ので、さらされた陰極先端部分のタングステンの再結晶
化が進み、結晶構造が変化してしまい、陰極の先方の円
錐状に加工されたテーパー部分の陰極先端に続く酸化ト
リウムの高濃度部分32から陰極先端31への電子放射
性物質(酸化トリウム)の供給が不十分となり、陰極先
端31の酸化トリウム濃度が低下してアーク起点が酸化
トリウムの高濃度部分32に移動し、放電アークは全体
として太くなってしまう。
【0006】すると、陰極先端付近の高温領域が広がる
ことによって、陰極の円錐状に加工されたテーパー部分
の陰極先端に続く酸化トリウムの高濃度部分32の酸化
トリウムが陰極先端31に拡散してくるので再びアーク
放電は陰極先端31から放出される。このアーク起点の
移動現象の繰り返しがアークの不安定(ちらつき)現象
として認識される。そして、図6に示すように光出力が
一定しない。図6で縦軸は光出力、横軸は放電ランプ点
灯(動作)時間である。このアーク不安定が生じると、
半導体デバイスの製造工程の露光プロセスのような集光
光学系に使用される放電ランプの場合などは、レチクル
面での照度の変動という形で影響してくるので非常に問
題となる。
【0007】この問題を解決するため、図4に示すよう
に、陰極先端31にトリウム(Th)を供給補給すべ
く、陰極先端31を除いた、陰極の円錐状に加工された
テーパー部10に炭化タングステン(WC)層33を形
成し、該炭化タングステン層を通過する酸化トリウムが
金属トリウムに還元され、順次陰極先端31にトリウム
が補給されるという方法が取られることもあった。しか
し、この炭化タングステン層を利用する方法では、炭化
タングステン層の厚みが大きいと、炭素(C)が多く発
生して悪影響を及ぼす。すなわち炭化タングステン層は
ランプの点灯時間とともに脱炭する。陰極から抜け出た
炭素はランプ中をランプ内の対流に乗って浮遊し、一部
が電極にくっつく。また、他の一部はランプ内の残留酸
素と結合して一酸化炭素となり、これがアーク中で酸素
と炭素に分解され、そして電極に付着する。電極先端に
付着した炭素は低融点である炭化タングステンを形成す
る。この層の形成により電極先端の損耗変形や電極物質
の蒸発を生じ、アーク輝度の低下や発光管内面への電極
物質の付着によってランプからの放射光の減衰を生じ
る。
【0008】また逆に炭化タングステン層の厚みが薄い
と放電ランプ製作工程で発生する水分、酸素等の不純ガ
スによって炭化タングステン層の被膜は破壊されてその
機能を失うことになる。この炭化タングステン層形成を
利用した方法は炭化タングステン層を適切な厚みに管理
することが困難であった。
【0009】また、特開平9−115478号公報に
は、陰極の外表面に炭化タンタルと酸化トリウムの混合
物よりなる多孔質層を焼結した陰極構造が提案されてい
る。しかし、炭化タンタルと酸化トリウムの混合物を混
合粉末として溶媒を混ぜて陰極の表面に塗布乾燥後焼結
すると、炭化タンタル粒子間に入り込んで存在する高融
点である酸化トリウム粒子が炭化タンタル粒子の焼結の
進行を阻害して緻密な焼結体とすることができず、焼結
体の強度が低下する。したがって放電ランプ製作工程中
に前記多孔質層(焼結層)が剥離するという不具合も起
こりうる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、ショートアーク型放電ランプにおいて、長時間の点
灯後もアークの安定性を維持するための構造を有する陰
極とその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1の発明は、陰極の放電有効先端領域を除い
た外表面にタングステン微粒子の焼結層が形成されてお
り、該焼結層のタングステン微粒子間に酸化トリウムが
分散されている放電ランプ用陰極とする。
【0012】請求項2の発明は、請求項1に記載の放電ラ
ンプ用陰極の製造方法であって、次の工程からなる製造
方法とする。 (1)所定の形状に加工された陰極の先端領域にあらか
じめ微粒子タングステンの焼結層を形成する第一の工
程。 (2)第一の工程でタングステン焼結層の形成された陰
極先端領域に硝酸トリウムの溶液を塗布する第二の工
程。 (3)第二の工程後、還元雰囲気中で陰極を熱処理する
ことにより、酸化トリウムの粉末を前記タングステン焼
結層のタングステン微粒子間に分散させる第三の工程。 (4)第三の工程後、陰極の放電有効先端領域を除いた
陰極のタングステン焼結層を除去する第四の工程。
【0013】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を説明す
る。図5に示すように、トリエーテッドタングステンか
らなる陰極3の円錐状に加工されたテーパー部10のう
ち側面部分34にタングステン微粉末が焼結された状態
でしかも、その微粉末粒子間に酸化トリウムが分散され
た状態にして放電ランプ用陰極を構成した。この分散さ
れた酸化トリウムはこの放電ランプが動作している際
に、高温度になった陰極表面から微量ではあるが適度に
陰極先端のアーク放出部分31へと拡散していくので、
常に安定なアーク放電を維持することができる。
【0014】陰極の製造方法は次の通りである。 (1)第一の工程:トリエーテッドタングステンからな
るロッド状部材の先端領域を円錐状に切削加工した陰極
を準備し、該円錐状に切削加工した先端領域の表面に微
粒子タングステンの焼結層を形成する。 (2)第二の工程:第一工程でタングステン焼結層を形
成した陰極の先端領域に硝酸トリウムの水溶液に浸すな
どして塗布する。 (3)第三の工程:第二の工程で硝酸トリウムの被膜が
形成された陰極を水素炉中など還元雰囲気にて熱処理
し、硝酸トリウムの中のガス放出を行ない、酸化トリウ
ムのみをタングステン微粒子間に残留させる。 (4)第四の工程:第三の工程を経て、タングステンの
焼結層に万遍なく酸化トリウムが分散存在した状態で、
陰極の放電有効先端領域の前記タングステン焼結層を除
去する。 ここで、放電有効先端領域とは、放電に際して有効に機
能する陰極先端部の領域である。
【0015】
【実施例】図5は本発明の陰極の一実施例を示す。この
陰極の製造方法を具体的に示すと以下のようになる。 (1)酸化トリウムの含有量約2%のトリエーテッドタ
ングステンロッドから切削して先端が円錐状の陰極を準
備する。次に、平均粒径μmが1μm、5μm、10μ
mの3種のタングステン微粉末(純度99.9%)をニ
トロセルロースおよび酢酸ブチルを溶剤にして混合し、
そのタングステン微粒子が分散した溶液を陰極の先端の
円錐状部分に筆等を用いて塗布する。この粒径は電極表
面の表面積をかせぎしかも確実に焼結させるために選定
された。そして、塗布面が乾燥した後、2×10-4Pa
の真空雰囲気中で2200℃の温度にて2時間保持する
熱処理を行なった。微粒子状タングステンの焼結層の厚
みは特に限定されないが、例えば5乃至15μm程度で
ある。 (2)次に濃度20〜30%の硝酸トリウム溶液を準備
し、その溶液の中へ前記陰極の焼結層形成部分を直接浸
し、あるいは筆等で塗布する。 (3)塗布後、大気中で乾燥後水素炉中で約400℃、
10分間の処理をして、硝酸ナトリウムから分解発生す
るガスを放散させる。このときに、酸化トリウムの分散
層が形成される。そして、さらに、約1000℃まで昇
温し、10分間保持する。これは、前記分解発生する放
出ガスによる陰極表面の酸化層を還元除去するためであ
る。さらに、真空中で約2000℃まで昇温し10分間
の保持をする。これは、電極を発光管に入れ放電ランプ
を製作するときに電極が晒される温度域でのガス放出を
事前に電極作製するときに行なっておくものである。 (4)次に、タングステンの焼結層に万遍なく酸化トリ
ウムが分散存在した状態で、陰極の放電有効先端領域の
前記タングステン焼結層を除去する。
【0016】本発明の陰極を使用してショートアーク型
水銀ランプを作製した。ランプの仕様は次の通りであ
る。 陰極直径 :6.0mm 焼結層の幅:3〜5mm(陰極先端から陰極表面に沿っ
て3.0mmの幅で焼結層を削除) アーク長 :4.0mm 封入ガス :Ar 1〜2気圧 水銀量 :5〜10μl 電流値 :約70A 定格電圧 :20V
【0017】上記の仕様のショートアーク水銀ランプを
点灯したところ、図7に示すように、放電末期である保
証寿命の点灯(動作)時間である1500時間以上まで
安定なアーク放電を維持することを確認した。なお、上
記では陰極先端から陰極表面に沿って3.0mmの幅で
焼結層を削除したものを示したが、発明者は1.0、
2.0、4.0、5.0mmの幅で焼結層を除去したラ
ンプにおいても安定なアーク放電を維持することを確認
している。
【0018】
【発明の効果】本発明の陰極においては、陰極の放電有
効先端領域を除いた外表面にタングステン微粒子の焼結
層を形成し、焼結層のタングステン微粒子間に酸化トリ
ウムが分散している。したがって、酸化トリウムはタン
グステン微粒子の焼結層の隙間およびタングステン微粒
子の表面に保持されており、タングステン微粒子の焼結
層や酸化トリウムが剥離落下することなく、放電動作中
に充分な量の酸化トリウムが陰極に存在し、放電動作中
にに陰極先端のアーク領域に酸化トリウムが適宜過不足
なく供給されるので、長時間の点灯後もアークの安定性
を維持することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の適用される放電ランプの概略を示す断
面図である。
【図2】陰極と陽極との間のアーク放電を示す図であ
る。
【図3】陰極と陽極との間のアーク放電を示す図であ
る。
【図4】従来の炭化タングステン被膜を塗布した陰極の
概観図を示す。
【図5】本発明の陰極先端部の断面図を示す。
【図6】アークの不安定な状況を示す図である。
【図7】本発明の陰極使用によりアークが安定した状況
を示す図である。
【符号の説明】
1 発光管 2 陽極 3 陰極 31 陰極先端 32 高濃度部分 33 炭化タングステン層 34 タングステン焼結層 4 気密封止部分 5 電流供給用金属ベース 10 テーパー部 A アーク

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 陰極の放電有効先端領域を除いた外表面
    にタングステン微粒子の焼結層が形成されており、該焼
    結層のタングステン微粒子間に酸化トリウムが分散して
    いることを特徴とする放電ランプ用陰極。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の放電ランプ用陰極の製
    造方法であって、次の工程からなる製造方法。 (1)所定の形状に加工された陰極の先端領域に微粒子
    タングステンの焼結層を形成する第一の工程。 (2)第一の工程でタングステン焼結層の形成された陰
    極先端領域に硝酸トリウムの溶液を塗布する第二の工
    程。 (3)第二の工程後、還元雰囲気中で陰極を熱処理する
    ことにより、酸化トリウムの粉末を前記タングステン焼
    結層のタングステン粒子間に分散させる第三の工程。 (4)第三の工程後、陰極の放電有効先端領域を除いた
    陰極のタングステン焼結層を除去する第四の工程。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009526366A (ja) * 2006-02-08 2009-07-16 ヴァリアン メディカル システムズ インコーポレイテッド X線管のための改良型陰極構造
JP2010153292A (ja) * 2008-12-26 2010-07-08 Ushio Inc 放電ランプ
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