JPH11213948A

JPH11213948A - 放電管用陰極およびアークランプ

Info

Publication number: JPH11213948A
Application number: JP10033674A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 高佐藤; Fumio Takamura; 高村文雄; Atsushi Inoue; 淳井上; Hiroyuki Miyamoto; 宮本洋之; Manabu Arai; 学新井
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】アークランプの高出力時においても安定した
動作ができる放電管用陰極及びアークランプを提供す
る。【解決手段】高融点金属と電子放射材料からなる陰極
基材を具備する放電管用陰極において、前記陰極基材１
１の先端角を３０°〜１８０°としたことと、前記陰極
基材の少なくとも陰極輝点となる表面を除く表面に炭化
または炭化物コーティングにより選択的に炭化層１４を
形成した

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧にて動作させ
る放電管用陰極およびアークランプに関し、特に高出力
時においても安定した動作を行う放電管用陰極およびア
ークランプに関する。

【０００２】

【従来技術】従来の放電管用陰極は、先端が鋭利化され
た形状をしており、その材料には、大別して、トリア入
りタングステン陰極、タングステン陰極、含浸型陰極の
３種類が使用されてきた。

【０００３】トリア入りタングステン陰極は、１〜５％
程度の二酸化トリウムをタングステン中に含有させた材
料を機械加工により、図３（ａ）に示すような先端角θ
が鋭利な形状の陰極基材１を形成し、図４（ａ）に示す
ように、この陰極基材１をモリブデン製リボン２にロウ
付け、カシメ、または溶接などで固着して形成してい
る。

【０００４】タングステン陰極は、９９％以上の純度を
持つタングステン材料を使用したもので、その形状は上
記と同様である。

【０００５】含浸型陰極は、多孔質タングステンを図３
（ｂ）に示すように、先端角θを上記の２種類のものよ
りやや緩い勾配で尖らせた形状に整形し、空孔に電子放
射材料としＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃を混合した酸化物
を水素ガス中、１７００℃程度の高温下でしみこませて
陰極基材３を形成し、図４（ｂ）に示すように、陰極基
材３をモリブデン製のリード４で支持し、リード４にモ
リブデン製リボン２を接続して形成したものである。

【０００６】これらの陰極は、図５に示すように、陽極
５とともに放電ガスが充填されたガラス管６内に封止さ
れ、アークランプ７となる。

【０００７】アークランプにおいて、放電は上記３種類
の陰極のいずれかにより行われる。高圧点灯を行うと、
陰極における放電の輝点は、陰極の鋭利化された先端に
集中する。陰極の先端は、放電によって生じるガスイオ
ンにたえず叩かれ、陰極先端が高エネルギーで加熱され
る。この温度上昇は、放電電流を一定に制御して安定し
た放電をさせ、発光させるとき、その放電の陰極降下電
圧により変化する。この陰極降下電圧は、陰極の電子放
射能力により異なりその能力が高いと陰極降下電圧は低
くなる。すなわち、電子放射能力が高いと、陰極におけ
る温度上昇は緩和され、陰極への負荷が小さくなる。

【０００８】従来のタングステン陰極では、電子放射能
力が低いため、高温に加熱され、先端が溶解し、タング
ステンの単結晶が成長して粗大化し、アーク発生点が後
方に下がり、かつ不安定に動き回る。その結果、アーク
の「ゆらぎ」が大きくなり、精密な点光源として不適当
になる。そして、さらに進んで、先端が溶解すると、放
電が停止してしまう。トリア入りタングステンにおいて
も、その程度は、緩やかではあるが、同じ現象を生じ
る。

【０００９】含浸型陰極では、その高電子放射能力によ
り溶解まではいかないが、内部に含浸しているＢａＯを
主とする化合物が溶けて陰極全体の表面に噴出し、放電
位置が不安定となる。また、蒸発したそれら化合物がラ
ンプのガラス管内壁に付着して透光率を低下させてしま
う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、アークランプの高出力時においても安定した
動作ができる放電管用陰極およびアークランプを提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の放電管用陰極は、高融点金属と電子放射材
料からなる陰極基材を具備する放電管用陰極において、
前記陰極基材の先端角を３０°〜１８０°としたこと
と、前記陰極基材の少なくとも陰極輝点となる表面を除
く表面に炭化または炭化物コーティングにより選択的に
炭化層を形成したことを特徴とする。

【００１２】また、前記陰極基材の前記陰極輝点となる
表面に白金族元素からなる金属をコーティングしたこと
を特徴とする。

【００１３】また、これら陰極の陰極基材をバリウム化
合物含浸タングステンとすることで良好な結果をもたら
す。

【００１４】また、これら陰極の前記炭化層が周期律表
のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族元素の炭化物のいずれか
若しくは組み合わせからなる構成としてよく、特に炭化
タンタル、炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニ
オブ、炭化チタン、炭化タングステンのいずれか若しく
は組み合わせとして好適である。

【００１５】また、これら陰極の前記炭化層の厚さは
０．１〜１００μｍとして好適である。

【００１６】さらに、本発明のアークランプは、上記し
た陰極のいずれかと陽極とを放電ガスを充填したガラス
管内に封入して構成したことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に沿って説明する。

【００１８】図１は、本発明により形成した陰極を断面
で示した図である。本図において、１１は陰極基材、１
２はモリブデン製のリード、１３は白金族の金属薄膜、
１４は陰極基材の炭化層を示す。本図に示すように、陰
極の先端に、先端角θが１８０°に形成され、先端部中
央に白金族の金属薄膜１３がφ０．２ｍｍ〜φ０．５ｍ
ｍの範囲でコーティングされ、それ以外の表面が炭化層
１４で覆われた陰極基材１１が固着されている。陰極基
材１１の下部にはモリブデン製リード１２が装着されて
いる。

【００１９】図２は本発明の放電管用陰極の製造工程を
示し、１５はマスクである。まず、陰極基材１１は、空
孔率１８〜２０％となるようにタングステン粉末からプ
レス加工により図２（ａ）のような形状に形成する。

【００２０】このようにして形成された半製品の陰極基
材１１の穴に、リード１２を嵌合し、水素炉内で仮焼結
を行い、陰極本体として組み上げる。続いて水素炉（炉
内温度：２４００℃）により本焼結を行う（図２
（ｂ））。

【００２１】こうして多孔質タングステン焼結体となっ
た半製品の陰極基材１１に電子放射材料としてのＢａ
Ｏ、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃を６：１：２のｍｏｌ比にした酸
化物粉末の混合物を水素炉で約１７００℃に加熱溶融
し、含浸する。

【００２２】その後、φ０．１〜０．３ｍｍの穴の空い
たマスク１５をかぶせ、スパッタにより白金族の金属薄
膜１３を形成する（図２（ｃ））。なお、マスク１５の
穴中心は、陰極輝点相当部となる陰極基材１１の先端部
中央に位置合わせする。

【００２３】白金族の金属薄膜１３を形成後、陰極本体
を炭化水素雰囲気の電気炉で、１４００℃、１時間程度
保持し炭化処理を行い、例えば５０μｍの厚さの炭化層
１４を形成する（図２（ｄ））。陰極基材１１の炭化
は、白金族の金属薄膜１３が炭化物を形成しないため、
それ以外の陰極基材１１表面にのみ進行する。

【００２４】以上の操作により、安定に陰極輝点発生部
に炭化物の無い陰極先端を形成することができる。

【００２５】以上のように構成された放電管用陰極を陽
極と組み合わせ、ガラス管の中に封入し、放電ガスを充
填してアークランプが出来上がる。このアークランプを
アーク放電動作させると、陰極先端は、仕事関数の低い
（１．２〜２．４ｅＶ）白金族の金属薄膜領域を、仕事
関数の高い（３．４〜４．４ｅＶ）炭化物が取り囲むよ
うな構成なので、炭化物除去領域に放電輝点が集中す
る。

【００２６】陰極基材１１の先端は、輝度が上がるた
め、白金族の金属薄膜１３の領域は高温になるが、陰極
基材１１の先端角θが広角であるため、発生した熱は陰
極基材１１に速やかに熱を逃がし、過加熱しない。した
がって、バリウムの過剰蒸発が生ぜず、バリウムの付着
によってランプの管壁を曇らせるということがない。ま
た、バリウム等の電子放射物質が供給され続けるので、
仕事関数が低くなり、つまりは電子放射能力が高く、タ
ングステン等の高融点金属の単結晶が粗大化する温度に
まで達しない。

【００２７】一方、炭化物が形成された領域は、仕事関
数が高く、高温になっても電子放射能力が低くいため、
放電輝点の拡大が抑止される。したがって、アークの
「ゆらぎ」も起こらない。

【００２８】以上、発明の実施の形態について述べた
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陰極基材を炭化タングステン
に表面改質したが、その他の炭化物をスパッタ、ＣＶＤ
等によりコーティングしてもよい。これらの方法で得ら
れる炭化層の材質としては、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、Ｖ
Ｉａ族元素の炭化物が良く、これらは耐熱性に優れてい
るため高温の陰極輝点付近でも十分機能し得る。中でも
特に炭化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、
炭化チタン、炭化タングステンのいずれかまたはこれら
の混合体が好適である。

【００２９】また、上記実施の形態では、陰極基材の先
端角θを１８０°としたが、３０°〜１８０°の範囲で
も良好な結果を得ることができる。特に先端角が６０°
〜１８０°のものは、ランプの長寿命化を目的とする場
合に有効である。この先端角範囲にすると、高輝度の陰
極輝点下で基材が加熱されても、陰極下部への熱伝導が
大きいため、陰極輝点下の基材温度は過加熱せず再結晶
することなく安定に放電を維持する。

【００３０】また、先端角が３０°〜６０°のものは、
ランプの高輝度化を目的とする場合に有効である。この
範囲にすると、ランプの寿命は、先端角６０°〜１８０
°に比べ、若干短くなるが、その代わりにランプは高輝
度になる。陰極輝点下の陰極温度は、高輝度の陰極輝点
が発生すると、陰極下部への熱伝導が悪いため、従来よ
り昇温しようとする。しかし、陰極全体の温度が、先端
角が鋭角な分、陰極の熱容量が小さいために、電子放射
材であるＢａを陰極表面に十分供給できる温度に昇温す
る。表面に供給されたＢａは陰極表面付近に十分な電子
雲を形成し、イオン衝撃による陰極輝点下の陰極過加熱
・再結晶化を防止し安定に放電を維持する。

【００３１】但し、先端角範囲が３０°未満になると、
陰極輝点下の陰極基材が過加熱されやすく、従って電子
放射材であるＢａの蒸発が著しくなり、動作が不安定と
なる。

【００３２】さらに、上記実施の形態では、陰極基材表
面に形成した炭化層の厚さを５０μｍとしたが、０．１
μｍ〜１００μｍの範囲で良好な結果を得ることができ
る。０．１μｍ未満では、陰極基材表面全面を炭化層で
覆うことが処理上困難で、低仕事関数の下地が表面に露
出するため十分な高輝度を得られず、１００μｍを超え
ると炭化層と下地の陰極基材との熱膨張率の差で大きな
熱応力が生じ、炭化層の割れや剥離が生じるからであ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
陰極輝点下部に仕事関数の低い未炭化領域を形成し、そ
の周辺を炭化領域にすることにより、輝点の拡大が抑制
されるため、放電管用陰極の高輝度化が実現できるとと
もにアーク揺らぎを抑えることができる。

【００３４】また、陰極基材の陰極輝点となる表面に白
金族元素をコーティングすることにより、炭化物の選択
的な形成を簡単に行うことができる。

【００３５】本発明のアークランプは、このような高輝
度化され、アーク揺らぎの抑制された陰極基材をガラス
管内に封入して形成したため、例えばリソグラフ等の高
出力で安定した光源が必要な光学機器の性能向上に寄与
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電管用陰極の実施の形態を示す断面
図である。

【図２】図１の放電管用陰極の製造方法の説明図であ
る。

【図３】従来の陰極基材を示す図である。

【図４】従来の陰極を示す図である。

【図５】アークランプを示す図である。

【符号の説明】

１１陰極基材１２リード１３白金族の金属薄膜１４炭化層１５マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本洋之埼玉県上福岡市福岡二丁目１番１号新日本無線株式会社川越製作所内 (72)発明者新井学埼玉県上福岡市福岡二丁目１番１号新日本無線株式会社川越製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属と電子放射材料からなる陰極
基材を具備する放電管用陰極において、前記陰極基材の
先端角を３０°〜１８０°としたことと、前記陰極基材
の少なくとも陰極輝点となる表面を除く表面に炭化また
は炭化物コーティングにより選択的に炭化層を形成した
ことを特徴とする放電管用陰極。
【請求項２】前記陰極基材の前記陰極輝点となる表面
に白金族元素からなる金属をコーティングしたことを特
徴とする請求項１に記載の放電管用陰極。
【請求項３】前記陰極基材がバリウム化合物含浸タン
グステンからなることを特徴とする請求項１または２に
記載の放電管用陰極。
【請求項４】前記炭化層が周期律表のＩＶａ族、Ｖａ
族、ＶＩａ族元素の炭化物のいずれか若しくは組み合わ
せからな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】前記炭化層の炭化物が炭化タンタル、炭
化ハフニウム、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化チ
タン、炭化タングステンのいずれか若しくは組み合わせ
からなることを特徴とする請求項４に記載の放電管用陰
極。
【請求項６】前記炭化層の厚さが０．１〜１００μｍ
からなることを特徴とする請求項１乃至５に記載の放電
管用陰極。
【請求項７】陰極と陽極を放電ガスを充填したガラス
管内に封入したアークランプにおいて、前記陰極に請求
項１乃至６のいずれかの放電管用陰極を用いたことを特
徴とするアークランプ。