TWI573171B - Short arc discharge lamp - Google Patents
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Description
本發明係關於短弧型放電燈者，尤其，關於設置有於陰極含有氧化釷之前端部的短弧型放電燈者。
通常，在作為映像機用的光源所使用之封入氙的短弧型放電燈，或作為半導體曝光、LCD曝光用等的光源所利用之封入水銀的短弧型放電燈中，使用直流點燈方式的燈管。
於圖3揭示該典型的一例。放電燈1具有由發光部3與該兩端的封止部4所成之發光管2，於前述發光部3內，對向配置有陰極5與陽極6，進行直流點燈。
如此，利用使放電燈直流點燈，將電弧的亮點固定於陰極前端，設為點光源，藉此與光學系組合時實現高度光線的利用效率。
然而，此種直流點燈方式的放電燈所用的陰極，係擔任在額定點燈時經常放出電子的作用，為了易於進行電子放射，大多使用於高熔點金屬混入射極材所構成者。
然後，作為此射極材，於要求點光源及高亮度的放電燈中，作為可提高陰極前端的動作溫度者，一般
使用氧化釷。但是，因氧化釷是放射性物質，近來該處理被嚴格規制，即使於陰極不得不使用氧化釷，也被要求將氧化釷含有量減少到極限為止。
根據此種觀點，設為作為射極材而含有氧化釷的陰極構造時，如日本特開2011-154927號公報(專利文獻1)所載，公知陰極本體由鎢材料所構成，於該前端固相接合由含有氧化釷的釷氧鎢所成之前端部的陰極構造。
參照圖4來說明該陰極構造的話，陰極5由後方側之本體部51與接合於該前端之前端部52所成。本體部51係由純鎢所成，前端部52係借由於鎢，作為射極材而含有氧化釷(ThO2)之所謂釷氧鎢(以下也稱為釷鎢)所構成。氧化釷的含有量具體來說來說為0.5~3%，例如為2%。
通常，陰極5是整體為圓筒狀，在前端側，包含前述前端部52而設為錐形狀。
陰極5的前端部52所含有之氧化釷係在燈管點燈中，因陰極成為高溫而還原，成為釷原子。在陰極的內部被還原所產生的釷原子，係主要藉由鎢晶粒之間的粒界擴散而被運送到陰極表面，露出於表面時，會移動至即使在陰極中溫度也更高的前端側而蒸發。藉由釷原子蒸發而獲得較大的放射，並獲得良好的電子放出特性者。
然而，有助於電子放出特性之改善的氧化釷，係實質上僅限於中介存在於陰極前端的表面非常淺的部分者。
其理由係因於陰極前端的表面中釷蒸發而消耗，需要依序供給釷，但是，使燈管連續點燈的話，氧化釷的還原反應會變緩慢，不久就停止，被還原之狀態的釷之供給會來不及。因此，即使於陰極內部含有豐富的氧化釷，在陰極表面事實上會變成枯竭狀態。
而以下所說明之現象關係著此種還原反應的停滯。
亦即，產生氧化釷的還原反應時，存在於發光管的內部(陰極的碳化層等)之C(碳)與O(氧)會鍵結，產生CO(一氧化碳)氣體。還原反應雖然在陰極之前端部的表面或內部中產生，但是，在陰極內部產生並蓄積CO，壓力提高時，會難以產生氧化釷的還原反應，進而不產生還原反應，結果，導致無法將釷原子供給至陰極表面之事態。
圖5係模式揭示陰極前端之剖面組織的圖，圖5(A)揭示點燈初期狀態，圖5(B)揭示產生所定時間點燈後的枯竭狀態時。
如圖5(A)所示，於點燈初期，前端部52與本體部51皆為較小之晶粒的狀態。
經過所定點燈時間後，如圖5(B)所示，雖然於前端部52中介存在有氧化釷，但是，因為電弧而被暴露於高溫下，鎢的晶粒相較於點燈初期，逐漸變大。另一方面，即使在溫度相較於前述前端部52比較低的本體部51中，因為未進行摻雜處理，鎢的再結晶溫度比前端部52的釷氧鎢低，隨著時間經過，鎢的結晶會變大。
如此，隨點燈時間的經過，本體部51、前端部52中鎢晶粒都會粗大化。
成為此種狀態時，晶粒之間的粒界會減少，藉由在前端部52之氧化釷的還原反應所產生的CO係因晶粒界的減少，存儲的場所也減少，CO濃度變高，氧化釷的還原停止，釷的供給也中止。又，即使CO濃度較低的本體部51，晶粒也粗大化而存儲的部分會減少，所以，本體部側之CO氣體的存儲也難以進行，結果，CO氣體會被蓄積於陰極內部。
如此一來，前端部52內部之CO的壓力變大時，在該前端部52之氧化釷的還原反應不會進行而停滯，在陰極表面上釷成為枯竭狀態。
[專利文獻1]日本特開2012-154927號公報
本發明係有鑑於前述先前技術的問題點，提供於具有由鎢所成的本體部與由釷氧鎢所成的前端部被固相接合所形成之陰極構造的短弧型放電燈中，不使在由釷氧鎢所成之前端部的內部之氧化釷的還原反應停滯，讓釷
可從陰極內部確實擴散至陰極表面，在陰極表面不會成為枯竭狀態，具有實現可獲得穩定且長期間之電子放射特性之陰極構造的短弧型放電燈。
為了解決前述課題，在本發明中，特徵為於具有於由鎢所成的本體部，固相接合由釷氧鎢所成的前端部所成之陰極的短弧型放電燈中，使前述陰極之前述本體部的鉀濃度(重量ppm)比前述前端部的鉀濃度(重量ppm)還高。
依據本發明，於由鎢所成之本體部固相接合含有氧化釷之前端部的陰極構造中，在陰極的前端部中，被暴露於電弧而成為高溫，鎢晶粒隨著點燈時間的經過而成長且粗大化，但是，此晶粒的粗大化係氧化釷粒伴隨鎢粒界的減少而集中於陰極前端附近，就局部來看，與濃度變高之狀況相同，被還原的釷易於供給至陰極前端。
另一方面，在陰極的本體部中，藉由相較於前端部，含有高濃度的鉀，再結晶溫度變高，所以，可抑制鎢晶粒的成長‧粗大化。藉由抑制晶粒的粗大化，晶粒之間的粒界維持存在多歧‧多數之狀態，該粒界具有作為藉由在陰極前端部之氧化釷的還原反應所產生之CO氣體的存儲目的地的功能。藉此，在前端部中產生之CO氣體被存儲於
本體部側，不會有在該前端部內部之氧化釷的還原反應停滯之狀況，釷可長期間穩定地擴散供給至前端部的前端表面，所以，可謀求燈管的長壽化。
1‧‧‧短弧型放電燈
2‧‧‧發光管
3‧‧‧發光部
4‧‧‧封止部
5‧‧‧陰極
51‧‧‧本體部
52‧‧‧前端部
6‧‧‧陽極
[圖1]本發明之短弧型放電燈的陰極構造剖面圖。
[圖2]圖1的部分放大圖。
[圖3]一般短弧型放電燈的構造。
[圖4]圖3之陰極的放大圖。
[圖5]圖4之陰極構造的剖面圖。
如圖1(A)所示，陰極5是由由鎢所成之本體部51，與由固相接合於其之釷氧鎢所成之前端部52所構成。前述本體部51係例如由純度為99.99%以上的鎢(純鎢)所構成，前述前端部52係由例如含有氧化釷(ThO2)2wt%的鎢(釷氧鎢)所構成。
然後，於前述本體部51，含有比前端部52多量的鉀，該鉀濃度(重量ppm)比前端部52的鉀濃度還高。
在製作此種陰極時，作為本體部51用，製作對鉀進行摻雜處理的鎢(添鉀鎢)，另一方面，作為前端部52用，製作實質上不對鉀進行摻雜處理，僅對氧化釷進行摻雜處理的釷氧鎢。
然後，對合作為該等本體部51用、前端部52用所形成之各鎢，在施加壓力的狀態下維持一定時間的高溫。藉此，於對合的界面中以原子等級產生擴散，兩者被強固地接合，獲得本體部51與前端部52被一體構成的陰極5。
氧化釷及鉀係公知藉由添加於鎢，可具備抑制鎢的結晶之粒成長的作用。
然而，如圖1(B)及其前端放大圖的圖2所示，摻雜氧化釷的陰極前端部52被暴露於電弧而成為非常高溫，並且會產生氧化釷(或釷)的粒界擴散，雖然包含氧化釷，但是伴隨被維持為高溫狀態的時間經過，會產生鎢的粒成長，進而晶粒會粗大化。
氧化釷(或釷)在移動粒界且擴散時，因該晶粒的粗大化，從陰極內部移動到前端為止的路徑會變短，所以，成為有利於該擴散的作用。
換句話說，於陰極前端部中並不希望添加具有妨礙粒成長之作用的鉀等之摻雜材。
另一方面，於陰極本體部51中，藉由相較於前端部52，包含更高濃度的鉀，來抑制晶粒的成長，再結晶溫度(相較於沒有摻雜材的鎢)也會變高，所以，可抑制鎢結晶的粗大化。
換句話說，本體部51之鎢的晶粒被控制為比前端部52之鎢的晶粒還小，結果，藉由較小的晶粒，粒界維持多歧‧多數。
於陰極前端部52中因氧化釷的還原作用，無法避免
產生CO氣體，但是，該CO氣體會朝向CO濃度較低的陰極本體部51，透過多歧‧多數的粒界而擴散，擴散路徑較長的該本體部51會發揮充分該CO氣體的存儲作用。因此，於陰極前端部52不會成為蓄積CO之狀態，不會妨礙氧化釷的還原作用，可長期間穩定地將釷供給給前端部。
如此，依據本發明的陰極，因為使本體部51的鉀濃度(重量ppm)高於前端部52的鉀濃度(重量ppm)，所以，於本體部51中可抑制鎢之晶粒的粗大化，維持形成多數粒界之狀態，具有作為在前端部52中產生CO氣體的存儲目的地的作用。
然後，於陰極前端部52中，因為可抑制CO氣體之壓力的升高，氧化釷的還原作用不會變緩或停止，會持續進行還原反應，可穩定地將釷原子提供給陰極前端。
結果，依據本發明，可提供可良好地進行作為射極材之釷的供給，且可穩定維持電弧的短弧型放電燈。
以下，說明本發明之短弧型放電燈的陰極的製造方法之一例。
將陰極前端部用的釷氧鎢(W-2%ThO2)以例如成為直徑15mm，厚度7mm之方式藉由旋盤進行加工。又，將陰極本體部用的鎢(純鎢99.99%)以例如成為直徑15mm，厚度38mm之方式同樣地藉由旋盤進行加工。
包含於釷氧鎢的鉀濃度例如為5wtppm以下，純鎢的鉀濃度例如被調整為30wtppm~40wtppm。
針對該等前端部用的釷氧鎢與本體部用的鎢，關於接合面的至少一方，將表面粗度設為中心線平均粗度0.05μm~1.5μm的範圍，接合面的平面度設為0.1μm~1.5μm。
接下來，對前端部用的釷氧鎢與本體部用的鎢之接合面進行抵接，在真空中對軸方向施加50MPa程度的壓縮力之狀態下，進行通電加熱，將接合部的溫度升高至約2000℃，維持5分鐘程度。藉此，釷氧鎢與純鎢的界面固相擴散接合，完成一體化的陰極材料。
藉由對固相接合後的材料進行切削加工，獲得前端徑 1.6mm，前端角度60度，前端部長度7mm，電極長度45mm之前端為射極部(釷氧鎢)，後方為包含鉀30wtppm~40wtppm之本體部(純鎢)的陰極。
如以上所述，依據本發明，於由鎢所成之本體部與由釷氧鎢所成之前端部被固相接合所形成的陰極中，藉由將前述本體部的鉀濃度(重量ppm)提高到前述前端部的鉀濃度(重量ppm)還高，伴隨點燈時間的經過，於前端部中，鎢晶粒成長而粗大化，內部的釷易於擴散而移動至陰極表面，在本體部中，抑制晶粒的粗大化，該結晶粒界多歧存在多數個，因在前端部之氧化釷的還原反應所產生之CO氣體會擴散移動至該本體部側，所以，CO氣體不會滯留於前端部。因此，在前端部之氧化釷的還原反應不會停滯，會長期間確實反應，所以，可良好地進行陰極前端表面之釷的供給，發揮穩定電弧的效果。
5‧‧‧陰極
51‧‧‧本體部
52‧‧‧前端部
Claims (1)
- 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部，對向配置有陰極與陽極；前述陰極是由鎢所成之本體部與由釷氧鎢所成之前端部被固相接合所形成，並且於前述陰極的表面形成碳化層所成的短弧型放電燈，其特徵為：前述陰極係前述本體部的鉀濃度(重量ppm)比前述前端部的鉀濃度(重量ppm)還高。
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