JPH11154487A

JPH11154487A - 放電管用陰極

Info

Publication number: JPH11154487A
Application number: JP10020343A
Authority: JP
Inventors: Chikao Kimura; 親夫木村; Fumio Takamura; 文雄高村; Atsushi Inoue; 淳井上
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1997-09-20
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力下で蒸発を抑制し、長寿命化した放電
管用陰極を提供する。【解決手段】高融点金属粉末２に電子放射材である高
融点金属粉末１を５〜５０重量％混合し加圧・焼結して
陰極を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線発生等の放
電管用陰極に関し、特に長寿命の放電管用陰極に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から放電管用陰極として、含浸型陰
極が使用されていた。一般に含浸型陰極は、多孔質タン
グステン焼結体に電子放射材としてバリウムを含む酸化
物を浸み込ませて得たものである。

【０００３】放電管の光源は陰極と陽極間に電圧を印加
しガスを電離して発生させたプラズマである。放電管内
にある陰極はその動作中、プラズマによる電離で発生し
たイオンに表面を叩かれて加熱され、所定の温度になっ
た時点で熱電子を放射し、以降、放電が持続される。こ
れを自己加熱と呼び、自動的に目的の電流量を取り出す
のに十分な温度にまで昇温する現象である。

【０００４】多孔質タングステン焼結体は高融点金属の
中では比較的仕事関数が高いので、これのみでは自己加
熱による昇温が激しくなり先端部が破壊されてしまう。
さらには陰極降下電圧が高くなることから動作電圧が高
くなってしまい、単独で陰極としては使用できない。し
かしながら、バリウムの酸化物を含浸していると、それ
が還元されて遊離バリウムとなり、多孔質タングステン
表面に滲みだし、そこへバリウムの単原子層が形成され
て仕事関数が低くなるので、自己加熱による昇温が低く
なり、さらには動作電圧が低下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た放電管用陰極は低出力動作時では良好だが、高出力動
作時では電子放射材であるアルカリ金属の蒸発が著しく
なり、放電管の投光部を曇らせ放電管の寿命を短くして
しまうという問題があった。

【０００６】陰極母材である多孔質タングステン焼結体
は、多孔質であるがゆえに熱伝導が悪く、イオンに叩か
れる先端部が局部的に昇温し、先端部から陰極に含浸し
てあるバリウム酸化物を含む化合物が蒸発して放電管内
壁に付着し、動作時間の経過と共に堆積してゆくので光
の透過率が減少してゆく。この温度上昇は、先端部７の
鋭利角を鈍角にすることで若干緩和されるが、その結果
アークの輝点が広がり、ランプの輝度が低下し芳しくな
い。

【０００７】電子放射材の蒸発が少ないものにＴｈ−Ｗ
陰極等の合金素材を加工して形成したものがあるが、仕
事関数が高いので、自己加熱による昇温も激しく、最も
温度が上昇する陰極先端部が経時的に再結晶してゆき、
最終的にはアークゆらぎが発生してしまう。しかもこの
アークゆらぎは上記含浸型陰極における光の透過率の低
下よりも早い時期に発生してしまう。

【０００８】上記光の透過率の低下は通常の出力でも生
じるが、これが数百から数ｋＷの直流点灯の高出力管に
なると顕著に現れる。そしてこのような現象が発生した
時には、分析器やリソグラフ等のコヒーレントな光を要
する機器の光源は言うまでもなく、照明用としても使用
に耐えなくなる。本発明は以上のような問題を解決する
ため、長寿命化した放電管用陰極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】上記目的を達成するた
め、本発明の放電管用陰極は、高融点金属粉末に電子放
射材である高融点粉末を５〜５０重量％混合し加圧・焼
結してなることを特徴としており、特に、前記電子放射
材の濃度が陰極先端部に密で、先端部から離れるに従っ
て疎になる構成とすると良好な結果をもたらす。

【００１０】また、前記陰極の表面を炭化し、該陰極の
先端部の炭化層を該陰極の輝点の範囲にわたって除去す
る構成としても良い。

【００１１】前記電子放射材である高融点粉末は高融点
硼化物粉末として好適である。

【００１２】また、前記電子放射材である高融点粉末は
高融点炭化物粉末としても良い。この際、前記高融点炭
化物粉末は周期律表ＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の
炭化物単体もしくは複数の混合物とすることができ、特
にＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＴａＣを採用して
好適である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の実施の形態を示す断面図で
ある。本図において１は高融点硼化物（以降、硼化物と
略称する）としての硼化タングステン、２は高融点金属
としてのタングステン、３は陰極支持部を示す。

【００１４】硼化タングステン１と高融点金属２は１：
４で均一に混合され、静水圧プレスにて加圧成形後、２
０００〜２６００℃の炉で焼結して形成している。陰極
支持部３は硼化タングステン１とタングステン２からな
る陰極末端にロウ付けまたは陰極焼結時の体積縮小を利
用したカシメにより固着されており、モリブデンやタン
グステン等の高融点金属からなる。この陰極支持部３は
陰極へ給電するリードの役割もしている。

【００１５】本実施の形態はこのような構成であるた
め、電子放射材（硼化物）の蒸気圧が従来の含浸型陰極
における電子放射材（バリウム酸化物等）よりも低いの
で、従来よりも蒸発を抑えることができ、陰極寿命を延
ばすことが可能である。

【００１６】また、陰極先端部に存在する硼化タングス
テンは高融点金属の中では比較的低仕事関数を持つこと
から、陰極先端部へのイオン衝撃が先端を局部加熱によ
る溶融・再結晶に至らしめるほど強くはならず、アーク
ゆらぎが陰極寿命の原因とならない。

【００１７】図２は本発明の他の実施の形態を示す図で
あり、図１と同一の符号は同一または相当するものを示
す。本実施の形態では、硼化タングステン１の濃度を先
端で密に、末端で粗になるよう徐々に変え、陰極先端へ
の遊離硼素の供給を十分にし、電子放射に寄与しない部
分では省いている。そのため、電子放射に寄与しない部
分からの余分な電子放射材の蒸発を無くしている。但
し、硼化タングステン１の濃度を徐々に変えるのは、先
端部とその他で極端に濃度を異ならせると熱膨張係数の
極端な違いから、動作中に界面剥離を誘発してしまうか
らである。

【００１８】なお、本発明の放電管用陰極は、硼化物粉
末と高融点金属粉末を混合し、加圧し、焼結することに
よって形成する。以下に図２に示した陰極の形成方法を
述べる。

【００１９】まず静水圧プレスに陰極を型取ったダイを
セットし、その中にタングステン：硼化タングステン＝
１：４となる重量比で混合した粉末を充填する。次に静
水圧プレスのパンチを下降させ、陰極先端部を加圧成形
する。続いてタングステン：硼化タングステン＝３：２
となる重量比で混合した粉末を同様に充填・加圧し、さ
らに、タングステン：硼化タングステン＝４：１となる
重量比で混合した粉末を充填・加圧し、最後に、タング
ステン１００％の金属を充填・加圧する。このように、
徐々に硼化タングステンの割合を下げて行き、陰極支持
部３付近ではタングステン２の割合がほぼ１００％とな
るよう充填・加圧を重ね、加圧成形された陰極を２００
０〜２６００℃の炉で焼結する。

【００２０】このような構成であるため、陰極末端では
濡れ性のよいタングステン同士の結合が主となり、比較
的接触角の小さい緻密な構造となる。従って、陰極支持
部３が強固に固着され、陰極の脱落を確実に防止でき
る。

【００２１】しかも、本実施の形態では輝点が狭まり、
電子ビームが先端に集中して高電流密度で発生し、高輝
度が得られた。本実施の形態の陰極は従来の含浸型陰極
よりも仕事関数が若干高くなっており、一方で陰極はそ
の先端を最高温度とする極端な温度勾配が発生してい
る。従って、高温となった先端に集中して遊離硼素が発
生し、かつ、硼化タングステンが先端において高濃度と
なっているため、それら遊離硼素が十分に供給されたた
めと考えられる。

【００２２】図３はさらなる高安定な放電管用陰極を実
現するため、陰極全体を炭化して炭化層４を形成し、放
電輝点となる陰極先端部（φ０．１ｍｍ程度）を研磨
し、開口５を形成して非炭化部を露出させたものであ
る。本実施の形態では、マイクロ波グロー放電による炭
化法を実施した。

【００２３】なお、マイクロ波グロー放電による炭化
は、以下の手順で行われる。まず、矩形導波管（２４５
０ＭＨｚ）の幅広面に外径５０ｍｍの石英管を挿入す
る。石英管内部を真空ポンプにて、１０^ー3Ｔｏｒｒ程度
に排気した後、水素とメタンの混合ガス（水素：メタン
＝９９：１の体積比）を石英管内に導入し、石英管内圧
力を４０Ｔｏｒｒ程度に調整する。圧力が調整された
後、マイクロ波（出力：３００〜５００Ｗ）を導波管内
に投入し、石英管内に混合ガスプラズマを発生させる。
このプラズマ内に、陰極を１時間程度保持することによ
り、炭化が行われる。

【００２４】上記方法で、実現された炭化層４の厚さ
は、１０μｍであった。この炭化層４は図４に示すよう
に、通常の電子放射材粉末や高融点金属粉末の粒度１〜
１０μｍよりも大きいバルクとして存在するため、陰極
表面６の空孔率を実質的に下げ、放電に寄与しない部分
からの硼化物の蒸発が防止され、図５のグラフに示すよ
うに、さらに長寿命動作が可能である。

【００２５】ところで、電子放射材として含浸型陰極に
おけるバリウム酸化物等よりも蒸気圧の低い物質とし
て、高融点炭化物（以下炭化物と略称する）がある。こ
れも上記硼化物と同様、高融点金属においては比較的低
い仕事関数を持つので、例えば上記実施の形態において
硼化タングステンを、炭化タングステンに代えることが
できる。

【００２６】なお、この炭化物の仕事関数は硼化物より
も若干高く、輝点の範囲がより狭くなり、より高い輝度
を示した。

【００２７】以上、本発明の実施の形態について詳述し
たが、本発明はこれに限らず種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、硼化物を硼化タングステ
ンとしたが、その他の硼化モリブデン等の硼化物として
もよい。また、高融点金属をタングステンとしたが、そ
の他の融点が２５００℃近辺となるタンタルやモリブデ
ン等の高融点金属を使用することができる。

【００２８】また、上記実施の形態において高融点金属
と硼化物や炭化物の混合比は放電管の用途により任意に
設定されるべきであるが、発明者らの研究によれば、高
融点金属への硼化物や炭化物の混合割合は５〜５０重量
％の範囲で好適な値を求められる。なお、これら高融点
の電子放射材は上記実施例のように１元系でなくとも、
２元、３元またはそれ以上の化合物の形態をとることも
ある。

【００２９】また、上記実施の形態では、マイクロ波グ
ロー放電により炭化処理を施したが、その他の炭化水素
雰囲気でのグロー放電またはアーク放電処理でも可能で
あることは言うまでもない。

【００３０】さらに、上記実施の形態では、電子放射材
として炭化タングステンを例に挙げたが、その他の炭化
物でもよい。高融点の炭化物は周期律表のＩＶａ族、Ｖ
ａ族、ＶＩａ族元素を炭化したものが熱的にも機械的に
も安定しており、これら元素の炭化物を単体でまたは組
み合わて使用してもよい。特に融点の高さから炭化チタ
ン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフ
ニウム（ＨｆＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタ
ル（ＴａＣ）の組み合わせまたはいずれかとして好適で
ある。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の放電管用
陰極は、高融点・低仕事関数の電子放射材を使用するこ
とで、高出力動作時の放電管においても長寿命・高安定
を実現できる。

【００３２】また、電子放射材の濃度を陰極先端で密
に、陰極末端で粗となるよう徐々に変えることで、電子
放射に寄与しない部分からの蒸発を無くし、陰極支持部
の固着を確実にでき、高輝度とすることができた。

【００３３】また、陰極表面を炭化し、陰極の先端部の
炭化層を輝点の範囲にわたって除去することによって、
より蒸発の少ない長寿命・高安定の陰極を提供すること
ができる。

【００３４】また、電子放射材を高融点硼化物粉末とす
ることで、高出力下において、従来の含浸形陰極よりも
蒸発を少なく、しかも高輝度とすることができる。

【００３５】また、電子放射材を高融点硼化物粉末に代
え高融点炭化物粉末とすることで、より高い輝度を得る
ことができる。この高融点炭化物粉末は周期律表ＩＶａ
族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭化物単体もしくは複数の
混合物として良く、特にＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｎｂ
Ｃ、ＴａＣを採用して良好な結果を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図である。

【図２】本発明の他の実施の形態を示す図である。

【図３】本発明のさらに他の実施の形態を示す図であ
る。

【図４】図３の陰極表面の部分拡大図である。

【図５】本発明の効果を説明するグラフである。

【符号の説明】

１硼化タングステン２タングステン３陰極支持部４炭化層５開口６陰極表面７本発明の陰極８従来の含浸型陰極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属粉末に電子放射材である高融
点粉末を５〜５０重量％混合し加圧・焼結してなること
を特徴とする放電管用陰極。
【請求項２】前記電子放射材の濃度が陰極先端部に密
で、先端部から離れるに従って疎になることを特徴とす
る請求項１に記載の放電管用陰極。
【請求項３】前記陰極の表面を炭化し、該陰極の先端
部の炭化層を該陰極の輝点の範囲にわたって除去したこ
とを特徴とする請求項１乃至２に記載の放電管用陰極。
【請求項４】前記電子放射材である高融点粉末は高融
点硼化物粉末であることを特徴とする請求項１乃至３に
記載の放電管用陰極。
【請求項５】前記電子放射材である高融点粉末は高融
点炭化物粉末であることを特徴とする請求項１乃至３に
記載の放電管用陰極。
【請求項６】前記高融点炭化物粉末は周期律表ＩＶａ
族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭化物単体もしくは複数の
混合物であることを特徴とする請求項５に記載の放電管
用陰極。
【請求項７】前記炭化物がＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、
ＮｂＣ、ＴａＣであることを特徴とする請求項６に記載
の放電管用陰極。