TWI445042B - Short arc discharge lamp - Google Patents

Description

短弧型放電燈

本發明係有關於短弧型放電燈，尤其是有關於，在陰極設置含有氧化釷的射極部的短弧型放電燈。

先前，封入汞的短弧型放電燈，在發光管內對向配置的一對電極的尖端間距離較短、點光源較近，因此藉由與光學系組合就可成為聚光效率高的曝光裝置之光源來利用。又，封入氙的短弧型放電燈，係可在投影機等中當作可見光光源來使用，近年來在作為數位劇院用光源而被重用。

而且，在所述的短弧型放電燈中，在陰極設置有射極材以提高電子放射特性，係為人所知。

但是在最近，站在節約稀有資源的觀點來看，作為射極材的釷的使用上係被設限，逐漸要求避免大量使用之。再加上該釷係為放射性物質，有時候也會因法規而限制其使用。

有鑑於此種事情，僅在陰極的尖端部含有射極材之構造的放電燈，係有數種正被開發。

專利文獻1(日本特表2010-33825號公報)中係揭露了所述之先前的短弧型放電燈的陰極構造。

圖4中係圖示了此先前技術，圖4(A)係短弧型放電燈的全體圖，圖4(B)係圖示其陰極構造。

如圖4(A)所示，短弧型放電燈1的發光管10內，係有由鎢所成的陽極11與陰極12做對向配置。該發光管10內係封入有汞或氙等之發光物質。此外，在同圖中，短弧型放電燈1係圖示為被垂直點燈的樣態，但隨著其用途不同，也會有被水平點燈者。

然後，該燈中的陰極構造係示於圖4(B)，陰極12係由，由高純度鎢所成之陰極本體部12b、和與其一體形成的射極部12a所構成。此射極部12a，係在鎢中含有例如氧化釷等之射極物質而成。

此種在燈中使用釷作為射極物質，係在陰極的尖端部分的釷鎢中所含有的氧化釷，在陰極表面因燈點燈中的高溫而被還原，變成釷原子而在陰極的外表面擴散而移動往溫度高的尖端側。藉此，就可縮小功函數而使電子放射特性變得良好。

然而，在上記先前技術中，實際在燈點燈時對電子放射特性之改善有所貢獻的射極物質，係僅限於從陰極尖端的外表面起的極淺區域中所含有的射極物質。

原本射極物質就會在陰極尖端的外表面因熱而蒸發消耗，但藉由來自陰極內部的濃度擴散，而期待該射極物質能被繼續供給。

然而，相較於該溫度最高之外表面上的消耗量，從溫度較低的陰極內部的濃度擴散所致之供給並不夠充足，會發生其供給量趕不上上記消耗量的現象。

其結果為，即使陰極內部含有豐富的射極物質，在陰極表面仍會出現射極物質枯竭的現象。

如此，在上記先前技術中，即使在陰極尖端含有射極物質，仍無法充分活用該射極物質，一旦陰極尖端表面的射極物質枯竭，則電子放射特性會降低而導致發生閃爍之問題。

〔先前技術文獻〕

〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2010-33825號公報

本發明係有鑑於上記先前技術的問題點，在發光管的內部，陰極與陽極是被對向配置，前記陰極是由以鎢為主成分的本體部、和被接合在該本體部之尖端的釷鎢所成之射極部所構成的此種短弧型放電燈中，藉由達成陰極尖端之內部所含有之射極物質的有效利用，防止陰極表面的射極物質之枯竭，即使減少射極材的使用量仍可藉由充分活用射極物質來補充之，藉此而提供一種可長時間維持電子放射機能，達成燈閃爍壽命長期化的構造。

為了解決上記課題，本發明的特徵係為，前記陰極是由以鎢為主成分的本體部、和被接合在其上釷鎢所成之射極部所構成，本體部係含氧濃度低於射極部，在射極部的 與前記陽極相向之尖端面，形成有條紋狀的鎢碳化物。

又，其特徵在於，在前記陰極的側面，形成有碳化物層。

又，其特徵在於，前記陰極的本體部與射極部，係被擴散接合。

又，其特徵在於，本體部係由純鎢所成。

若依據本發明，則由於在含有氧化釷的射極部的尖端面，形成有鎢碳化物，因此碳(C)會從該碳化物的相往陰極內部、亦即射極部的內部擴散，促進射極部中的氧化釷的還原反應，使得陰極內部中所含之氧化釷被有效利用。

又，因氧化釷的還原反應而在射極部中產生的氧，係迅速往與該射極部接合之氧濃度低的陰極本體部中擴散，因此與上記碳的擴散作用複合作用，更進一步促進射極部中的前記氧化釷之還原反應。

其結果為，可避免陰極射極部之表面的氧化釷發生枯竭之事態，即使限制射極物質的使用，仍可實現閃爍壽命長的燈，達成如此效果。

圖1係圖示本發明的短弧型放電燈中所採用的陰極構造，陰極2係由：以鎢為主成分的本體部3、和與其尖端接合的射極部4所成。

前記本體部3與射極部的接合方法係可採用，例如融接、硬焊接、摩擦壓接或是擴散接合等。

然而，這些接合方法當中，採用擴散接合最為理想。此處，所謂擴散接合，係將金屬彼此的面予以重合，加溫至該當金屬的未達熔點的固相狀態且不發生塑性變形的程度並加壓之，使接合部的原子發生擴散而進行固相接著。

在該擴散接合中，加熱溫度係為2000℃左右，不需要像是熔融接合那樣加熱到鎢的熔點(約3400℃)，因此可維持本體部3或射極部4的金屬組織，所以不會對陰極性能造成不良影響。甚至，由於陰極的金屬組織不會變化，因此還有本體部3與射極部4接合後仍可進行切削加工之優點。

前記本體部3係由例如純度99.99重量%以上的純鎢所構成，另一方面，射極部4係由，在主成分的鎢中含有作為射極物質的氧化釷(ThO₂ )、亦即所謂含釷鎢(以下簡稱釷鎢)所構成，氧化釷的含有量係為例如2wt%。

通常，構成該射極部4的釷鎢中所含有的氧化釷，係因燈點燈中的高溫而被還原，變成釷原子而在陰極外表面擴散，往溫度高的尖端側移動。藉此，就可縮小功函數而使電子放射特性變得良好。

然後，前記本體部3係形成有，越靠近尖端側直徑越小的推拔狀的縮徑部3a，其尖端係接合有圓錐台狀的射極部4。藉此，陰極2的尖端整體而言係成為由推拔形狀所成的圓錐台形狀。

然而，前記本體部3的縮徑部3a之形狀係不限於該推拔形狀，亦可為圓弧形狀，或是射極部4也是其尖端係為所謂的砲彈型的圓弧形狀。

甚至，雖然圖示了射極部4係在本體部3的縮徑部3a被接合，但隨著陰極全體的形狀不同，亦可於本體部3的圓柱部分做接合。

然後，如圖2詳細圖示，前記陰極2的射極部4的尖端面中的表層上，係在鎢(W)的相中，形成有條紋狀的鎢碳化物5、5。

又，在前記陰極本體部3的縮徑部3a的側面，係形成有碳化物層6。

使用圖3來說明其作用。在燈的點燈中，構成射極部4的釷鎢中的氧化釷(ThO₂ )之表面，係與鎢(W)中固溶的碳原子(C)之間，發生還原反應，生成釷(Th)的同時，產生一氧化碳(CO)。

該還原反應所產生的一氧化碳，係固溶在周圍的鎢中。

其中，[C]w係表示固溶於鎢中的碳，[O]w係表示固溶於鎢中的氧。

亦即，為了促進上記還原反應，在氧化釷的周圍需要有碳(C)存在，又，必須要去除已產生的一氧化碳(CO)。

此處，若在陰極2的尖端面形成有鎢碳化物(W₂ C)5，則燈的點燈中由於陰極尖端部變成高溫，所以碳(C)會高濃度地固溶在鎢中，從表層部往陰極射極部4的內部擴散，被供給至氧化釷表面。

如此一來，往氧化釷表面的碳供給量會增大，上記式(1)所示的前記氧化釷的還原反應會被促進。

除此以外，在本發明中，由於是對以鎢為主成分的本體部3，接合上由釷鎢所成的射極部4，因此認為，藉由下述的機制，可更加促進氧化釷的還原反應。

如式(2)所示，因氧化釷的還原反應(1)而產生的CO係分解成C和O然後固溶於鎢中，從氧化釷的周圍藉由濃度擴散而往鎢中散逸。其結果為，氧化釷之表面的CO之壓力會降低，相應於此就會促進前記還原反應。

此處，於射極部4的內部，[C]w與[O]w是從分散在鎢中的氧化釷(ThO₂ )的顆粒中散逸出來，鎢中的[C]w及[O]w的濃度係大致相同。其結果為，來自氧化釷之周圍的[C]w及[O]w之濃度擴散，係被抑制。

然而，在本發明的陰極2中，由於是對射極部4接合了由純鎢所成的本體部3，因此該射極部4與本體部3之間可產生[O]w的濃度梯度(本體部3這邊是低濃度)，藉此，藉由濃度擴散，[O]w從射極部4往本體部3的散逸就變得較活躍。

其結果為，射極部4中的氧化釷之周圍的[O]w的濃度會降低，因此如式(2)所示，O的固溶反應會增加，CO的壓力會降低。藉此，就促進了射極部4中的式(1)之氧化釷的還原反應。

此外，射極部4與本體部3的接合部越靠近陰極尖端，換言之，射極部4越短，則接合部附近的溫度越高，[O]w的擴散越活躍，因此上記[O]w往本體部3的散逸會變快，促進了射極部中的氧化釷之還原。

此外，前記本體部3係不限定於純鎢者，亦可含有釷、鈰、錸、鑭、其他金屬的氧化物，亦即所謂的摻雜型鎢，由含氧濃度低於射極部4的材料來構成。此情況下，由於本體部3的氧濃度係低於射極部4，因此可引起氧從射極部4往本體部3的散逸，而且還有本體部3容易機械加工的優點。

如上述，若依據本發明的陰極，則C往射極部4中所含有之氧化釷表面的供給會增加，而且[O]w從該射極部4的散逸會變得活躍，兩者相乘就促進了氧化釷的還原反應(1)。

說明本發明的陰極的作成方法之一例。

準備直徑10mm、厚度5mm的釷鎢，和直徑10mm、厚度20mm的純鎢。接著，將釷鎢與純鎢的接合面對合，在真空中朝軸方向施加2.5kN左右的壓縮力。然後，藉由通電加熱而使接合部的溫度達2000℃，保持5分鐘左右而使釷鎢與純鎢進行擴散接合。

將擴散接合後的材料進行切削加工，就成為尖端是射極部4(釷鎢)、後方是本體部3(純鎢)的陰極2。

接著，在陰極2的尖端部除外的表面，具體而言，係在陰極2的表面、例如從尖端面沿著軸而至少後退2mm程度之位置的表面，藉由浸碳工程，設置厚度約30μm的碳化鎢層6。

此外，此實施例中雖然例示了，碳化鎢層6係被形成在遠離射極部4之位置的例子，但亦可為一部分被射極部4所被覆的位置。該設置位置，係如後述，是根據藉由其溫度而被蒸發的碳量達到何種程度而決定。

然後，在燈的點燈中，從發光管內表面放出的水蒸汽(H2O)或從電極放出的氧(O)與碳化鎢層6的碳(C)，會生成一氧化碳(CO)。該CO，係藉由在發光管內中以氣相狀態擴散，而其一部分會進入電弧中。該CO係由於在電弧之中因為高溫而被分解，生成C+離子。該C+離子係藉由電弧中的電場而被運往陰極尖端面，其一部分在該處固溶於鎢中。或者，在該處與鎢反應，生成W₂ C或WC等之鎢的碳化物5，暴露在陰極尖端面的高溫下而熔融。

此種固溶於鎢中的碳或鎢的碳化物，由於C是來自氣相者，因此極為稀少。其中經歷過熔融狀態的碳化物，在燈消燈時，由於被供給至陰極尖端面的C是少量，因此在鎢的陰極尖端面，成為複數線狀的鎢的碳化物5、5而形成條紋的模樣。

又，燈點燈中固溶於鎢中的C也是，在燈消燈時，隨著溫度降低，固溶限度也變低，因此一部分係變成鎢的碳化物而在陰極尖端面析出，但由於C係為少量，因此和經歷過熔融狀態的碳化物同樣地，形成複數線狀的鎢的碳化物5、5。

此處，在陰極尖端面必須要形成碳化鎢的條紋狀的相的原因是，由於陰極尖端面會到達2900℃如此高溫，因此熔點低的碳化鎢若越覆蓋尖端面而多量存在，則陰極會耗損、或是發光管黑化而降低放射光的強度等等，會使燈的壽命提前結束。又，將碳化鎢層6設在陰極尖端部除外的表面，也是基於同樣理由。

此外，被形成在陰極尖端面的碳化物的條紋狀的相5、5，係可藉由碳化鎢層6的設置位置而控制。亦即，碳化鎢層6的設置位置的溫度越高(越靠近陰極尖端)，則CO的生成越活躍因此C的輸送量係增大，若過多時，則不是條紋狀而是在陰極尖端面的全域形成，導致鎢碳化合物的熔融而造成非預期的陰極尖端之變形。

此外，C透過氣相而供給至陰極尖端面所需的碳源，係不限於陰極表面的碳化鎢層，亦可在陽極的表面設置碳化鎢層，也可在發光管內設置碳的固體構件。

又，隨著燈不同，亦可不設置如上記的特別之碳源，而是把構成陰極的鎢中所含的碳當作碳源，此情況下，是利用從陰極表面變成CO而供給至氣相的碳。

如此形成的條紋狀的鎢碳化物之細節係示於圖2，圖2(a)係尖端部的放大斜視圖，圖2(b)係為其再放大圖。

具體而言，如同圖所示，鎢的碳化物，係在陰極尖端部之主成分亦即鎢(W)相之上，以多數線狀並排的方式而被生成，形成條紋狀的相。該條紋狀的鎢的碳化物的相5、5，寬度係為約0.1～0.5μm，多數的相是以約0.5～3μm之間隔而被形成。

在陰極尖端中，碳佔有的比率係為約1wt%左右，碳的比率係為陰極尖端的表層最大，從尖端越後退之位置則越小。這亦即證明了，碳是在氣相中被運往陰極的尖端。

如以上所述，若依據本發明，則由於在陰極的尖端面形成有鎢的碳化物，因此碳往陰極的射極部內部的氧化釷之供給量會增大，促進射極部中的氧化釷的還原反應，可使射極部內部存在的氧化釷也能有效發揮機能。因此，可以不只是使用射極部表面部的氧化釷，可防止射極物質的枯竭而造成壽命減短。

又，由前記還原反應所生成的固溶氧係從射極部往本體部進行濃度擴散，因此與前記碳的供給相輔相成而更加促進該當還原反應。

藉此，可實現符合限制射極物質使用量之社會要求的陰極構造，即使作為其具體的構造是於陰極本體部的縮徑部上接合了射極部之構造，仍可發揮其足夠長期的閃爍防止機能。

1．．．短弧型放電燈

2．．．陰極

3．．．陰極本體部

4．．．陰極射極部

5．．．條紋狀的鎢碳化物

6．．．碳化物層

[圖1]本發明所述之放電燈的陰極構造之全體圖。

[圖2]圖1的陰極的上部部分斜視圖。

[圖3]本發明的陰極中的作用說明圖。

[圖4](A)先前的放電燈的全體圖、(B)其陰極構造。

2．．．陰極

3．．．陰極本體部

3a．．．縮徑部

4．．．陰極射極部

5．．．條紋狀的鎢碳化物

6．．．碳化物層

Claims (4)

1. 一種短弧型放電燈，係屬於在發光管的內部，陰極與陽極是被對向配置，前記陰極是由以鎢為主成分的本體部、和被接合在該本體部之尖端的釷鎢所成之射極部所成的短弧型放電燈，其特徵為，前記陰極的本體部，係含氧濃度低於射極部，並且在前記陰極的射極部的與前記陽極相向之尖端面，形成有條紋狀的鎢碳化物。
2. 如請求項1所記載之短弧型放電燈，其中，在前記陰極的側面，形成有碳化物層。
3. 如請求項1所記載之短弧型放電燈，其中，前記陰極的本體部與射極部，係被擴散接合。
4. 如請求項1所記載之短弧型放電燈，其中，前記本體部係由純鎢所構成。