JP2017512365A - ショートアーク高圧ランプのための電極 - Google Patents

Abstract

イオン注入によってもたらされる電子放出材料のドーパントが注入される先端領域５と側部領域４とを有する（例えば放電ランプのカソードといった）放電装置の電極１が開示される。イオン注入の間に電極１の側部領域４がマスク３されるか、又はイオン注入の後に側部領域４上に拡散バリア層７が追加されてもよい。

Description

［０００１］ 本発明は、ショートアークランプのための電極、詳細には、トリア（酸化トリウム）が含まれていないタングステン材料から作られるカソードであって、当該カソードの先端の表面の近くに、注入される電子放出ドーパントの層を有するカソードに関する。

［０００２］ 従来のショートアークランプは、高圧でイオン化気体（例えばキセノン（Ｘｅ）又は水銀の蒸気）に電気を通すことによって、電気光を生成するガス放電ランプの一タイプである。生成される明るい白色光は、自然光にかなり似ている。キセノンアークランプは例えば、劇場内の映画プロジェクタ、サーチライトで用いられ、また、産業での特別の用途や、日光をシミュレートする研究のために用いられる。

［０００３］ ショートアークランプのアノードとカソードとの間のアーク領域は非常に小さいので、ショートアークランプは、多くの目的のために効果的な点光源である。アノード及びカソードは、通常タングステンで作られる。カソードの先端が効率的な電子放出のために高温に達することを保証するように、カソードは小さく、先が尖っている。アノードは、電子衝撃に耐え、生成された熱を効率的に放散させるために、より大きい。

［０００４］ ショートアーク高圧Ｘｅランプでは、カソードは通常、トリエーテッドタングステン材料から作られる。トリエーテッドタングステン材料は、斯様なショートアーク高圧Ｘｅランプにおける電子放出ドーパントとしてトリエーテッドタングステン材料を理想的なものとする特別な特徴（全ての酸化物のうちで最も高い融点であるＴ_ｍｅｌｔ＝３３９０°Ｃ、及び低い仕事関数φ＝２．５ｅＶ）を有する。しかしながら、トリエーテッドタングステン（すなわちＴｈＯ_２がドープされた材料）を用いることの欠点は、トリエーテッドタングステンがα粒子を放出する放射性物質であることである。

［０００５］ ショートアーク高圧Ｘｅランプで用いられるＴｈＯ_２がドープされたカソード材料に対する非放射性の代替品を見つけるために、いくつかの試みがなされている。例えば、ＵＶランプでの使用のために、２％ドープされたＮｂＯやＳｍＯのタングステン材料を用いた研究が行われている。（ランプからＴｈを完全に取り除くのではなく）Ｔｈ濃度を低減させる代替のアプローチも試みられている。溶接アーク用に、Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３がドープされたタングステン、及びこれら３つのドーパントのＷにおける様々な組合せを利用した、Ｔｈが含まれていないカソードも用いられている。

［０００６］ 溶接の場合のこれらの様々なドーパントを用いたカソードの電子放出のメカニズムは、従来技術の図１に示される概略図に要約される。図１に示されるように、Ｌａ_２Ｏ_３材料及びＣｅＯ_２材料の両方に対する溶融ゾーンは、カソードの円筒部分で（先端から５ｍｍ以上離れて）生じている。ＣｅＯ_２材料の場合、大量のドーパントがカソードの先端に達する前にカソードの側部から枯渇されている。Ｌａ_２Ｏ_３材料の場合、カソードの先端の近くに電子放出材料の溶融した「プール」が形成される。Ｌａ_２Ｏ_３で覆われたこの表面領域は、カソードへの拡散したプラズマ付着が望ましい溶接アークに対しては有益である。しかしながら、ショートアーク高圧ランプの場合、次いでリフレクタによって効率的に集束される点光源を作り出すために、狭窄されたカソードの場所のアーク付着が必要である。

［０００７］ このアーク付着のメカニズムでは、トリエーテッドタングステン電極は、先端の近くで１９０００Ｋの最大プラズマ温度を有し、Ｌａ_２Ｏ_３ドープ電極及びＣｅＯ_２ドープ電極に対して得られる１７０００Ｋよりも高い。これは、（従来技術の図２に示されるように）ＴｈＯ_２ドープカソードの先端での電流付着は、ＴｈＯ_２の高い融点のために、ＴｈＯ_２の集中した液体領域の位置によって狭窄されるからである。Ｌａ_２Ｏ_３ドープ電極及びＣｅＯ_２ドープ電極に対しては、拡散したアーク付着が回避できず、これら電極のショートアークランプのアプリケーションのための有用性を低減させる。この記述は、やはり図２に示されるようにタングステンマトリクスに均一に分布するドーパントの場合にだけ当てはまることに留意されたい。

［０００８］ ショートアークランプで用いられるカソードのためのドーパント材料としてＹ_２Ｏ_３がドープされたタングステンは、ＴｈＯ_２ドープタングステンの溶融ゾーンに類似した、カソードの先端の近くの溶融ゾーンを有する。しかしながら、Ｙ_２Ｏ_３ドープ材料の問題点は、当該材料が「非常に低い移動速度」を有することである。これは、カソードの先端でのドーパントの補充が十分速く起こることができないことを意味し、ＴｈＯ_２ドープタングステンと比較して高い温度で先端が動作する（すなわち、ＴｈＯ_２ドープカソードに対する３６００Ｋに対し、Ｙ_２Ｏ_３ドープタングステンカソードの先端温度は４０００Ｋである）ことを引き起こす。４０００Ｋはタングステンの融点である３６９５Ｋよりも高く、従来のＹ_２Ｏ_３ドープカソードに対し、先端は溶融し、電子放出材料の拡散は更に抑制される（拡散は主に粒界に沿って起こり、溶融は粒子の急速な成長／融着をもたらす）ことが当業者によって理解されるべきである。

［０００９］ したがって、上述の従来の電極の欠点に対処する装置のための技術の必要性がある。

［００１０］ 本発明の一態様は、この低い移動速度という上述の制限を克服するのに役立つように、Ｙ_２Ｏ_３材料をカソードの先端の近くに配置することを利用する。

［００１１］ 本発明の別の態様は、Ｙ_２Ｏ_３材料の「低い蒸発速度」を利用し、このドーパント及びドープ方法をショートアークＸｅランプのカソードのために実現可能にする。

［００１２］ 本発明の別の態様は、電子放出材料のドーパントをカソード先端の近くに導入するためのイオン注入の利用である。ドーパント材料として、任意の次の材料：Ｙ（又はＹ_２Ｏ_３）、Ｂａ（又はＢａＯ）、Ｚｒ（又はＺｒＯ）、Ｌａ（又はＬａ_２Ｏ_３）、Ｃｅ（又はＣｅＯ_２）が単独で又は他との組合せで用いられる。基板カソード材料は、純タングステンであるか、又はＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｂＯ、ＳｍＯ、ＺｒＯ、ＢａＯ（又はこれらの組合せ）等の仕事関数の低い材料でドープされたタングステンであってもよい。この点で、先端表面の下（及び近く）にドーパント層を作製するために、従来のビームイオン注入、又はプラズマ誘起イオン注入（ＰＩＩＩ又はＰＬＡＤ）のいずれが使用されてもよい。

［００１３］ 本発明の一実施形態は、アノードとカソードとを含む放電ランプを対象とする。カソードは、イオン注入によってもたらされる電子放出材料のドーパントを有する先端領域と側部領域とを有する。カソードは、トリエーテッドタングステンを含まない材料から作られる。

［００１４］ 本発明の別の実施形態は、放電装置のための電極であって、電極の側壁部をマスクするが電極の先端領域はマスクしない状態のままにするステップと、電極の先端領域に電子放出材料のドーパントを注入するステップとを含む工程によって作成される電極を対象とする。電極は、トリエーテッドタングステンを含まない材料から形成される。

［００１５］ 本発明の別の実施形態は、放電装置のための電極であって、イオン注入を用いて電極に電子放出材料のドーパントを注入するステップと、注入された電極の一部分を覆うために側壁上に拡散バリアを堆積するステップとを含む工程によって作成される。電極は、トリエーテッドタングステンを含まない材料から形成される。

［００１５］ 一般的に、本発明の様々な態様及び実施形態は、本発明の範囲内で可能な任意の態様で組み合わされ、結合されてよい。本発明としてみなされる主題は、本明細書の末尾の請求項において具体的に指摘され、明瞭に特許請求される。

［００１７］ 本発明の前述の特徴や利点、及び他の特徴や利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

［００１８］図１（従来技術）は、様々なドーパントを用いたカソードの概略図を示す。 ［００１９］図２（従来技術）は、ＴｈＯ_２の高い融点のために、ＴｈＯ_２の集中した液体領域の位置によって狭窄された、ＴｈＯ_２ドープカソードの先端を示す。 ［００２０］図３は、本発明の一実施形態によるカソードを示す。 ［００２１］図４は、本発明の別の実施形態によるカソードを示す。 ［００２２］図５は、本発明の実施形態によるショートアーク高圧ランプの概略図を示す。 ［００２３］図６は、本発明の実施形態によるカソードと、従来のカソードとのスペクトル出力の比較を示す。 ［００２４］図７は、本発明の実施形態による２つのカソードのアーク付着を示す。

［００２５］ ビームイオン注入に対し、注入の浸入深さ（ｄ）は、イオン及びターゲット材料（Ｗ）の質量によって、並びにビームのエネルギによって決定され、注入されるドーパントの濃度は、注入の量（電流及び時間）によって決定される。図３に示されるように、イオン注入２は照準線面の処理なので、関心が持たれる主な領域は、カソード１の先端領域５をドープすることである。カソード１の側部領域４は、当該側部領域４上へのアーク付着を防止するために、余剰のドーパントを含まない状態に保たれるべきである。カソード１の側部領域４は、イオン注入工程の間、図３に示されるようにマスク３される。

［００２６］ 代替的に図４は、カソード１上に注入されるプロファイル６を注入するためのイオン注入ステップ１を示す。ステップ１の次に、注入されたプロファイル６の一部を覆うための、側部領域４上への拡散バリア７の堆積が続く。拡散バリア７は例えば、炭化タングステン、硝酸タングステン、硝酸チタン、タンタル、炭化タンタル、又は同等の高溶融温度の材料で作られる。斯様な高溶融温度の材料は、４，０００°Ｆ（２，２００°Ｃ）を超える融点を有する。代替的に、注入されたカソード１の上に堆積される純Ｗの層が拡散バリア７の機能を果たしてもよい。

［００２７］ 図３及び図４に示されるカソード１は、例えばデジタルシネマのアプリケーションのためのショートアーク高圧Ｘｅランプであることが留意される。図５は、デジタルシネマのアプリケーションのためのショートアーク高圧ランプ９の概略図を示す。ランプ９は、互いに対向して配置され、石英で作られた筐体に封入されるカソード１とアノード８とを含む。内部のガスは、Ｘｅ又はＨｇ／Ｘｅのいずれであってもよい。斯様なランプ９は、１ｋＷ〜１０ｋＷの間のＤＣ電力で動作する。

［００２８］ 一実施形態では上述のように、先端領域５がイオン注入によって電子放出材料でドープされる。好ましい電子放出ドーパントは、イットリウム（Ｙ又はＹ_２Ｏ_３）である。カソード１（基板）材料は、２％Ｙ_２Ｏ_３がドープされたＷである。イオン注入は例えば、１×１０^１５ａｔ／ｃｍ^２の総注入量に対して２００ｋｅＶのオーダのイオンエネルギを用いるプラズマ誘起イオン注入によって実施される。これは、カソード表面における３．６×１０^２２Ｙａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の追加の原子密度に相当する。イオン注入によってもたらされる余剰のドーパントを先端領域５だけに保つために、イオン注入の後に、試料は浸炭される。先端領域５は通常、カソード１の頂点すなわち先端の下部１ｍｍ〜２ｍｍとして規定される。先端領域５は、図４に示されるように拡散バリア７（例えば炭化タングステン）を含まない状態のままにされる。拡散バリア７は、カソード１の側部領域４からのＹの散逸を防止する。更に、浸炭は高温でなされるので、この工程は、カソード１内へとＹを拡散させることによって、イットリウム注入層の深さを拡張するのに役立つ。

［００２９］ 別の実施形態では、１７５０°Ｃでの３０分間の真空浸炭が用いられる。この真空浸炭の工程は、カソード１上に２０μｍ〜５０μｍの範囲の厚さを有するＷ_２Ｃ層を形成する。この実施形態によるカソード１を用いた（例えば図５に示されるような）ランプの寿命試験が、定格電力（１００％）で実行された。斯様なランプのスペクトル特性が寿命試験の２０時間毎に最大光強度のポイント（すなわちアークスポット）で測定された。アーク付着の画像も動作の２０時間毎に記録された。

［００３０］ 下記の表１に、全てがトリエーテッドカソードランプに匹敵する、スクリーンルーメン、点弧特性、及び電圧変動レベル（斯様なランプでのフリッカを測定するのに用いられる）を有する斯様なランプの出力特性が示される。

［００３１］ 表１は、従来のトリエーテッドカソードランプ（ＴｈＯ_２ドープＷ）、及び本発明の実施形態による２つのカソードのタイプのランプを含む、様々なカソードのタイプのランプに対する初期の光／電気出力を示す。

［００３２］ 図６は、標準の（従来の）（２％トリエーテッド、浸炭カソード）ランプと比較した、Ｙイオン注入の２％イットリエーテッド（浸炭）カソードランプのスペクトル出力を示す。図６に示されるように、本発明の実施形態によるランプのスペクトル特性は、従来のトリエーテッドタングステンカソードランプと類似する。スペクトル上でＹピークは観察されず、色温度（ＣＣＴ）及び色座標（ｘ、ｙ）は標準の（従来の）ランプの値に近いことが留意される。

［００３３］ 高圧ショートアークランプの１つの特徴は、動作全体にわたり、アーク付着を点光源にできるだけ近い状態に保つことである。図７は、本発明の実施形態によるＹ注入の浸炭及び非浸炭の２％Ｙ_２Ｏ_３ドープカソードのアーク付着を示す。図７は、斯様なカソード１に対する寿命試験の始まり及び終わりを示す。この実施形態では、カソードのアーク付着は寿命試験全体にわたり点光源であることが留意される。

［００３４］ 表２は、Ｙ注入の浸炭及び非浸炭のＹ_２Ｏ_３カソードに関する本発明の２つの実施形態と、他の従来のＴｈが含まれないカソード材料及び従来の２％トリエーテッドＷカソードとの間の比較を示す。表２から分かるように、浸炭層を有するＹ注入のカソードランプの寿命は、剥き出しのＹ_２Ｏ_３ドープカソードと比較して７５％の増大を示す（３５０時間対２００時間）。また、この浸炭層を有するＹ注入のカソードランプは、２％トリエーテッドランプと比較して７０％の公称寿命を有する。イオン注入のパラメータ（注入量及びイオンエネルギ）を変えることによって、それぞれイットリウムの表面濃度及び表面近くのイットリエーテッド層の深さが調節され得る。これはカソード１の寿命性能を更に改善する。

［００３５］ 本発明の他の実施形態では、電子放出ドーパント材料は、単独で又は互いに組合せで用いられる任意の次の材料：Ｙ（又はＹ_２Ｏ_３）、Ｈｆ（又はＨｆＯ）、Ｂａ（又はＢａＯ）、Ｚｒ（又はＺｒＯ）、Ｌａ（又はＬａ_２Ｏ_３）、Ｃｅ（又はＣｅＯ_２）を含むがこれらに限定されない。

［００３６］ 本発明の更に他の実施形態では、カソード１のためのバルク／基板材料は、純タングステン、又は次の材料：Ｌａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｂＯ、ＳｍＯ、ＺｒＯ、ＢａＯでドープされたタングステンのいずれかで作られてよい。

［００３７］本発明の別の実施形態では、（上述の）電子放出ドーパント材料を（上述の）カソード基板材料内へと注入するために、任意の次の技術：イオンビームイオン注入、プラズマ誘起イオン注入（ＰＩＩＩ）、プラズマドーピング（ＰＬＡＤ）、クラスタイオン注入、又はイオンビーム混合が用いられる。更に、様々な技術で用いられるイオンビームの最小エネルギは３０ｋｅＶであり、カソード１の先端領域５に十分な量のドーパント材料を導入するために１×１０^１２ａｔ／ｃｍ^２の最小量が必要であることが留意される。

［００３８］ 本発明の更に別の実施形態では、カソード１は、注入された材料がカソード１の側部４上に放出されるのを限定し、アーク付着の拡大及び／又は動きを防止するために、カソード１の側部上に形成される（例えばＷxＣ、ＷＮ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＣといった）拡散バリア７を有する。拡散バリア７は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、プラズマスプレー、又は焼結によってカソード１上に堆積される。拡散バリアの最小厚さは、１０μｍのオーダである。

［００３９］本発明の別の実施形態では、カソード１は、注入された層の上に、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＰＥＣＶＤ、プラズマスプレー、又は焼結によって堆積される追加のＷの層を有してもよい。このＷ層も、カソード１の側部４上へのアーク付着を防止するための拡散バリア７としての機能を果たす。代替的に、カソード１は、カソード１の側部４上のドーパント注入を防止又は最小化し、ひいてはアーク付着の拡大、動き、及び／又はフリッカを防止／最小化するための立体マスキングを用いたイオン注入によって作製されてもよい。

［００４０］上述のカソード１の様々な実施形態は、デジタルシネマのアプリケーションのためのＸｅ及び／又はＸｅ／Ｈｇランプ、並びにセラミックＸｅランプを含むがこれらに限定されない様々なショートアーク高圧ランプで用いられる。

［００４１］ 前述の詳細な説明は、本発明が取ることのできる多くの形式のうちの幾つかを記載している。上記の実施例は、本発明の様々な態様のうちのいくつかの可能な実施形態の単なる例示にすぎず、当業者にとって、本発明及び添付の図面を読み、理解することによって、等価の変更及び／又は修正が想起されるであろう。特に、上述の構成要素（装置、システム等）によって実行される様々な機能に関し、こうした構成要素を説明するために用いられる表現（「手段」への言及を含む）は、別段に示されない限り、たとえ本開示の例示された実施形態における機能を実行する開示された構造と構造的に等価でなくても、説明された構成要素の特定の機能を実行する（すなわち機能的に等価な）ハードウェア又はハードウェアの組合せ等の、任意の構成要素に相当することが意図される。

［００４３］ 本発明の特定の特徴は、いくつかの実施形態のうちの１つだけに関して例示され、及び／又は説明されたが、こうした特徴は、任意の所与の又は特定のアプリケーションのために望ましく、有利であるように、他の実施形態の他の１以上の特徴と組み合わされてもよい。更に、単数の構成要素又は項目への言及は、別段に特定されない限り、２以上のこうした構成要素又は項目を含むことが意図される。また、明細書及び／又は請求項において、「含む」、「有する」、「具備する」、又はこれらの変化形の表現が用いられる限りでは、こうした表現は、「包含する」との表現と同様に両立的であることが意図される。

［００４４］ 本発明は、好ましい実施形態を参照して説明された。しかしながら、当業者にとって、前述の詳細な説明を読み、理解することによって、修正及び変更が想起されるであろう。本発明は、全てのこうした修正及び変更を含むものとして解釈されることが意図される。本発明の範囲を規定することが意図されるのは、全ての均等物を含む、請求項だけである。

Claims (16)

1. アノードと、
   イオン注入によってもたらされる電子放出材料のドーパントを有する先端領域と側部領域とを含むカソードと、
   を含み、
   前記カソードは、トリエーテッドタングステンを含まない材料から作られる、放電ランプ。
2. 前記電子放出材料のドーパントは、Ｙ若しくはＹ_２Ｏ_３、Ｂａ若しくはＢａＯ、Ｚｒ若しくはＺｒＯ、Ｌａ若しくはＬａ_２Ｏ_３、又はＣｅ若しくはＣｅＯ_２を含むグループから選択される１以上の材料である、請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記カソードの基板材料は、タングステン、又はＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｂＯ、ＳｍＯ、ＺｒＯ、ＢａＯのうちの１以上でドープされたタングステンである、請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記側部領域は、前記先端領域と比較して、より少ない前記電子放出材料を含むか、又は前記電子放出材料を含まない、請求項１に記載の放電ランプ。
5. 前記カソードは、前記側部領域を覆う拡散バリアを更に含む、請求項１に記載の放電ランプ。
6. 前記拡散バリアは、炭化タングステン、硝酸タングステン、硝酸チタン、タンタル、又は炭化タンタルから形成される、請求項５に記載の放電ランプ。
7. 前記先端領域は、前記カソードの先端の下の少なくとも１ｍｍの領域を覆う、請求項１に記載の放電ランプ。
8. 放電装置のための電極であって、
   前記電極の側壁部をマスクするが前記電極の先端領域はマスクしない状態のままにするステップと、
   前記電極の前記先端領域に電子放出材料のドーパントを注入するステップと、
   を含む工程によって作成され、
   前記電極は、トリエーテッドタングステンを含まない材料から形成される、電極。
9. 前記電子放出材料のドーパントは、Ｙ若しくはＹ_２Ｏ_３、Ｂａ若しくはＢａＯ、Ｚｒ若しくはＺｒＯ、Ｌａ若しくはＬａ_２Ｏ_３、又はＣｅ若しくはＣｅＯ_２を含むグループから選択される１以上の材料である、請求項８に記載の電極。
10. 前記電極は、タングステン、又はＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｂＯ、ＳｍＯ、ＺｒＯ、ＢａＯのうちの１以上でドープされたタングステンである基板材料を含む、請求項８に記載の電極。
11. 放電装置のための電極であって、
    イオン注入を用いて前記電極に電子放出材料のドーパントを注入するステップと、
    注入された前記電極の一部分を覆うために側壁上に拡散バリアを堆積するステップと、
    を含む工程によって作成され、
    前記電極は、トリエーテッドタングステンを含まない材料から形成される、電極。
12. 前記電子放出材料のドーパントは、Ｙ若しくはＹ_２Ｏ_３、Ｂａ若しくはＢａＯ、Ｚｒ若しくはＺｒＯ、Ｌａ若しくはＬａ_２Ｏ_３、又はＣｅ若しくはＣｅＯ_２を含むグループから選択される１以上の材料である、請求項１１に記載の電極。
13. 前記電極は、タングステン、又はＬａ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＮｂＯ、ＳｍＯ、ＺｒＯ、ＢａＯのうちの１以上でドープされたタングステンである基板材料を含む、請求項１１に記載の電極。
14. 前記拡散バリアは、ＷｘＣ、ＷＮ、ＴｉＮ、Ｔａ又はＴａＣの層である、請求項１１に記載の電極。
15. 前記拡散バリアは、少なくとも１０μｍの厚さである、請求項１４に記載の電極。
16. 前記放電装置は、ショートアーク高圧ランプである、請求項１２に記載の電極。