JPS6324539A - 光源用放電管 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は光源用放電管、特に水銀と希ガスとが放電発光
に寄与する放電管であって、特に改良された陰極をもつ
光源用放電管に関する。

この放電管は、例えば超ＬＳＩ製造時の紫外露光光源に
好適に利用できる。

（従来の技術） まず、従来の水銀希ガス放電管の問題を図面を参照して
簡単に説明する。

第５図は光源用放電管の一般的な構成を示す図である。

回転楕円体状の石英製の発光管１１の長径方向の両端に
、電極導入枝管１２ａ、１２ｂが設けられている。この
枝管１２ａ、１２ｂ内に、モリブデン箔１３ａ、１３ｂ
を介して外部に外部リード１４ａ、１４ｂおよび内部に
陽極１５、陰極１６が封入されている。

石英製の発光管１１に排気用の管が接続されており、排
気管は排気後適量の水銀と希ガスを封入して排気管跡１
７の示すように封じ切られる。

陰極側には、水銀蒸気圧を高めるための白金保温用反射
膜１８が表面に塗布されている。

陽極１５と陰極１６との間に２０〜３０ＫＶの電圧を印
加すればランプは放電を開始する。

続いて放電電流を一定に制御すると陽極１５と陰極１６
の間には安定な放電が発生し発光する。

このとき陰極１６は放電によって生じる正イオンの衝突
によって加熱され動作中の陰極先端部は、規定のアーク
放電を維持するに必要な電流密度が得られる温度まで上
昇する。

（発明が解決しようとする問題点） 従来から、水銀希ガス放電管の欠点として点灯時間の経
過とともにアークの「ゆらぎ」が大きくなり、超ＬＳＩ
露光用光源等精密な点光源として用いる場合不都合であ
ると言う問題が指摘されている。

これは、通常アーク不安定と呼ばれており、以下のよう
な原因によると考えられている。

第６図は陰極の端部を拡大して示した図であって、同図
（Ａ）は使用開始時の陰極の形状、同図（Ｂ）は使用後
相当時間経過後の形状を示している。

通常酸化トリウムが２重量％程度含有したトリエーテッ
ドタングステン材料が用いられている。陰極１６の先端
１６ａは第６図（Ａ）のように当初は尖っている。

光源用放電管でアーク放電を長時間、継続させると、使
用前または初期においては、尖っていた陰極１６の先端
１６ａは長い間、高温にさらされるために第６図（Ｂ）
に示すように、スパッタリングまたは熔融蒸発により球
面状に変形させられる。

また、頂部の結晶組織も変化し、斜線を付して示すよう
にタングステンの単結晶が成長して１６ｂ。

１６ｃに示すように粗大化する。

このような状態が形成されると、先端部への電子放射物
質の拡散が阻害され、電子の供給が不十分となる。その
結果、アーク発生点が単結晶１６ｂ。

１６ｃ領域の後部、例えば点ｐもしくはｑの示す位置に
後退すると共にｐ、ｑの示す単結晶領域の後部に沿って
不安定に動きまわる。

このようなアーク発生点が移動するのは好ましくないか
ら、酸化トリウムの含有量を増やすなどの対策が検討さ
れているが十分な成果が得られていない。

また、特開昭６０−１３１７５１、発明の名称光源用放
電管）は、尖頭をもつ多孔質の高融点金属基体に易電子
放出物質を含浸させた陰極を用いる放電管を提案してい
る。第７図に前記発明に示されている放電管の導電路を
兼ねる金属棒１１と陰極先端部２１を示す。

これによれば、トリエーテッドタングステンに比べてか
なりの効果は得られてはいるが、光束維持率がよくない
という点で問題になっている。

本発明の目的はアーク発生点の移動が発生しに＜＜、光
束維持率の良い、より改良された光源用放電管を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による光源用放電管
°は、陰極と陽極を水銀と希ガスの雰囲気中に封入して
アーク放電を行わせる光源用光電管において、尖頭を持
つ多孔質の高融点金属基体に易電子放射物質を含浸させ
た陰極先端部を、その尖頭を除く表面に金属コイルを捲
回して、導電路を形成する金属棒の一端に固定して陰極
を形成して構成されている。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

本発明による光源用放電管の実施例の外形は第５図に示
したものと変わらない。

前記発光管１１の最大外径を２０ｍｍとして、陽極１５
として直径３．　Ｑ　ｍ　ｍのタングステン捧を用いる
。

第１図にこの実施例の陰極を取り出して示しである。

直径２．４ｍｍの導電路を形成するモリブデン捧２０の
先端に、直径２．０ｍｍ、長さ２．０ｍｍで易電子放射
物質であるアルミン酸アルカリ土類を含浸した多孔質タ
ングステン陰極先端部２１を取り付ける。また多孔質タ
ングステン陰極先端部２１の尖頭部を除く表面には、直
径０．４　ｍ　ｍのタングステン線材よりなる１重コイ
ル２２が捲回されている。

この多孔質の高融点金属基体は平均粒径が２μｍ〜８μ
ｍのタングステン粉末をプレス形成加工し、真空中また
は水素雰囲気中で焼成したものであり、空孔率は５〜３
５％の範囲のものを用いた。

これは５％以下では、含浸剤の充填量が少なく、このた
め含浸剤の供給が十分行われないので、電子放射特性が
不十分でアークが不安定になる可能性があるからである
。

３５％以上では逆に含浸剤は十分充填されるが、空孔が
多いために含浸剤の蒸発が極端に太き（なり、寿命を短
くする可能性があることによる。

この多孔質タングステン基体に、電子放射物質として、
少なくともアルミン酸バリウムを含むアルミン酸アルカ
リ土類からなる易電子放射物質を含浸させることにより
陰極先端部２１が形成される。

この実施例では、 Ｅ３ａ○：　Ｃａ　Ｏ：　Ａ　ｌ　２０３が４：１：１
のものを含浸させた。

陰極先端部２１と金属棒２０は高融点蝋付け、または圧
入等により固定する。

陰極先端部２１を前記のように構成したのは次の理由に
よる。

■　陰極先端部２１を多孔質状にすると、従来の電極で
発生した前記好ましくない結晶の成長を妨げることがで
きる。

■　この陰極の仕事函数は約１．５〜１．８　ｅ　Ｖで
、トリエーテッドタングステンの約２．５ｅＶと比較す
ると十分低い。

このため陰極動作温度をトリニーテンドタングステンの
場合の約１９００°Ｃから約１０００°Ｃと十分下げる
ことができる。

このため陰極先端の単結晶の粗大化が起こりにくい。

■　基体が多孔質状となっているために、電子放射物質
の供給が円滑に行われ、陰極輝点の移動を抑制できる。

また陰極先端部２１の尖頭を除く表面にコイルを捲回し
た構造にしたのは、次の理由による。

■　多孔質の高融点金属基体の表面積を少なくすること
によって、放電点以外の部分からの含浸剤の蒸発を抑え
ることができる。

■　放電開始時、過渡的にこのコイル部からアーク放電
が開始されるので、直接陰極先端部でアーク放電が開始
される場合に比べてダメージが少ない。

次に、第５図に示す形状の放電管に陰極として第７図に
示した陰極を用いた従来の放電管と、第１図に示して実
施例陰極を同様に用いた実施例放電管の特性を以下の３
とおりの条件で比較した。

比較例１ 放電管は、バルブ内容積１ｃｃ当りの封入水銀量５０ｍ
ｇ／ｃｃ（２５℃）とした。またアルゴンガス圧は２０
０トール（２５℃）とした。

比較例２ 放電管は、バルブ内容積１ｃｅ当りの封入水銀量５０ｍ
ｇ／ｃ　ｃ　（２５℃）とした。またアルゴンガス圧は
１．０気圧（２５°Ｃ）とした。

比較例３ 放電管は、バルブ内容積１ｃｃ当りの封入水銀量５０ｍ
ｇ／ｃｃ（２５℃）とした。またアルゴンガス圧は５．
０気圧（２５℃）とした。

前記、放電管の陽極１５と陰極１６の先端間の距離すべ
ては２．５　ｍ　ｍである。

前記構造の放電管を動作電圧５０Ｖ、動作電流４゜ＯＡ
、放電管消費電力２００Ｗで１時間点灯−３０分間消灯
のオン−オフ動作させる。

比較の対象である従来形の放電管は外形寸法、陽極の形
状、電極間隔、封入ガス圧等の条件は全く同じにし、陰
極だけを第７図で示すコイルのないものとして、同じ動
作条件で動作させ、光束維持率と安定度についての比較
をした。

第２図、第３図および第４図に実施例１．実施例２、お
よび実施例３の光束維持率の経時的変化を対比して示し
である。

光束維持率とは、使用開始時の光束を１００として経時
的な光束の変化を示すものである。

第２図、第３図、および第４図は本発明による放電管の
実施例の方が従来管よりも、光束維持率が良いことを示
している。

発明の詳細な説明の末尾に別表１として前記実施例と従
来管のアーク安定度Ｓを比較して示しである。

アーク安定度Ｓは以下の通り定義される。

アーク安定度Ｓはアークを投影し、細いスリットをアー
ク投影像の中心部に入れ、スリットを通過する光強度の
ゆらぎを測定する。

Ｓ（％）　−Ｃ（Ｉｍａｘ−１ｍｉｎ）／Ｉｍａｘ）ｘ
ｌｏｏ（％） ここでｒｍａｘは最大光強度、Ｉ　ｍ　ｉ　ｎは最小光
強度である。

別表１から明らかなように、本発明による光源用放電管
の実施例では１０００時間点灯後においても、アーク安
定性は初期値とほとんど変化が見られない。

（変形例） 以上、放電管中に封入する希ガスはアルゴンを用いた例
について示したが、他のネオン、クリプトン、キセノン
などにおいても同様の結果が得られた。

また、多孔質の高融点金属の基体を支持する棒は、モリ
ブデンについて示したが、他の高融点金属であるタング
ステン、タンタルを用いても同様の結果が得られた。

また、多孔性物質の高融点金属の基体にタングステンを
用いた例について詳細に説明した。

同様な範囲の粒径の素材を用い空孔率を同様にすれば、
Ｍｏ、Ｒｅ、’ｌ’ａを素材にしても略同様な結果が得
られることをｉ認することができた。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明による光源用放電管
は、多孔質の高融点金属の基体に易電子放射物質を含浸
させた陰極先端部をその尖頭を除く表面に金属コイルを
捲回して導電路を形成する金属棒の一端に固定して陰極
を形成しである。

したがって、陰極先端部の変形変質を防止でき、また、
含浸剤の蒸発による光束維持率の劣化を抑えることがで
きる。

その結果光束維持率が良く、また、金属コイルの形状を
適当に選択することにより、ゆらぎが少なく充分な寿命
を持つ光源用放電管を提供することができる。

（以下余白） 別表１　　安定度Ｓ 点灯時間１００ｈ　２５０ｈ　５００ｈ　７５０ｈ　１
０００ｈロツト 比較例１　従来例　１．２　２．５　６．１　９．５　
１５．１実施例　０．３　０．４　０．４　０．６　０
．６比較例２　従来例　０．９　１．１　１．５　２．
７　６．１実施例　０．３　０．３　０．４　０．４　
０．５比較例３　従来例　０．７　１．０　１．２　’
　１．５　１．８実施例　０．３　０．３　０．３　０
．４　０．４

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により光源用放電管の陰極の実施例を示
す拡大図である。 第２図、第３図、および第４図は従来管と実施例の光束
維持率を比較して示したグラフである。 第５図は従来の光源用放電管の典型的な構成例を示す図
であって、中央部を破断して示しである。 第６図は従来の光源用放電管の陰極に原因するゆらぎの
原因を説明するための陰極先端部の拡大図であって、同
図（Ａ）は当初の状態、同図（Ｂ）は相当時間経過後の
状態を示している。 １１・・・・・・・・・石英製発光管 １２ａ、１２ｂ・・・・・・・・・電極導入枝管１３ａ
、１３ｂ・・・・・・・・・モリブデン箔１４ａ、１４
ｂ・・・・・・・・・引出し線１５・・・・・・・・・
陽極 １６・・・・・・・・・陰極 １７・・・・・・・・・排気管跡 １８・・・・・・・・・反射膜 ２０・・・・・・・・・導電路を兼ねる金属棒２１・・
・・・・・・・陰極先端部 ２２・・・・・・・・・タングステンコイル特許出願人
　浜松ホトニクス株式会社 代理人　　弁理士　井　ノ　ロ　　　壽才１図 ｔＵ 才２図 、ｌ灯Ｐｒｌ１／１（Ａ）− ２３図 々３丈Ｊｌ！ｒＭｔ＆＋− １ζ　ｔゴーＨ（ｋ）→ 手続ネ１１１正書彷力 昭和６２年　７月３１日 ロ訓６１年特　許　願第４６５８３号 ２、発明の名称 光ｔｍ方支１改キ督 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代　埋入 ７、　　？Ｉｌｉ正の内容

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 陰極と陽極を水銀と希ガスの雰囲気中に封入してアーク
   放電を行わせる光源用放電管において、尖頭をもつ多孔
   質の高融点金属基体に易電子放出物質を含浸させた陰極
   先端部をその尖頭を除く表面に金属コイルを捲回して、
   導電路を形成する金属棒の一端に固定して陰極を形成し
   て構成したことを特徴とする光源用放電管。