(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリウム化合物を含浸した含浸型陰極と、該含浸型陰極を支持する陰極リードと、前記含浸型陰極と一端部が対向して設けられる陽極と、前記含浸型陰極および陽極の一端部を気密封止するガラス管と、該ガラス管内に封入される高圧不活性ガスと、前記ガラス管内の不活性ガスの対流の流速を遅くすると共に、該対流する不活性ガスとの接触面積が大きくなるような構造で前記陽極および／または陰極リードの少なくとも一部の側壁に設けられる前記含浸型陰極から蒸発するバリウムを吸着し得るバリウム吸着手段とからなる放電管において、前記バリウム吸着手段が、煙着法により形成された微細網目状構造の高融点金属酸化物層または該高融点金属酸化物層が水素還元された微細網目状構造の高融点金属層からなることを特徴とする放電管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陰極にバリウム化合物などを含浸させた含浸型陰極を用いた高圧アークランプなどの放電管に関する。さらに詳しくは、陰極のバリウムが蒸発しても、そのバリウムがガラス管の内壁に付着して輝度が低下するのを防止し、長寿命化することができる放電管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の含浸型陰極を用いた放電管は、図３に示されるような構造になっている。すなわち、図３において、棒状の一端部が平坦にされた陽極１と、先端が尖鋭化された陰極３が、その平らな部分と尖鋭化した部分とを対向させて一定の間隔を有するように石英などのガラス管により封止され、その内部にキセノンなどの不活性ガスが１０〜９０気圧程度の高圧で封入されている。なお、４は陰極２を支持する陰極リード、２、５はそれぞれ陽極１および陰極３を支持する陰極リード４に電気的に接続されるリボンである。
【０００３】
この陰極３は、多孔質タングステンの空孔に、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 などを混合した酸化物を１７００℃程度の水素ガス雰囲気下でしみ込ませることにより製造される含浸型陰極が用いられている。そして、陽極１は、モリブデン棒やタングステン棒などの高融点金属が用いられている。
【０００４】
このようなバリウム化合物含浸型陰極が用いられるアークランプにおいて、まず十数ｋＶ程度の高電圧を印加すると、陰極３の先端に放電の起点が集中し、放電によって生じるガスイオンに絶えず叩かれるため、陰極３が高エネルギーで加熱される。陰極３が加熱されると、内部に含浸されているＢａＯを主とする化合物が溶けて陰極先端の表面にしみ出し、バリウムとタングステンとの間で、Ｂａ−Ｏ−Ｗの形で電気二重層が形成される。この電気二重層により陰極表面の仕事関数が下がるために、バリウム化合物含浸型陰極を用いたアークランプでは、高い電子放出率が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
含浸型陰極を用いたアークランプなどの放電管は、前述のように、高い電子放出率が得られるため、高輝度の放電管が得られる。この含浸型陰極は、前述のように高温により内部に含浸されたＢａＯなどの酸化物が陰極の表面にしみ出して電子放出に寄与している。そのため、これらの酸化物が消耗してしまうと電子を放出することができず、寿命となる。しかし、実際には陰極内に含浸されたＢａＯなどの酸化物が消耗してしまわなくても、放電管の輝度が低下して使用できなくなる。これは、陰極から蒸発したＢａなどがガラス管の内表面に付着して、発光する光の透過率が低下することにある。一般的に、この種のアークランプは、陰極を下側にして陽極を上側にした垂直の状態で配置することが最も高い輝度が得られ、そのような配置で使用される。この場合、前述のように、陰極が非常に加熱されて高温になるため、放電管内に封入されたガスが図３に矢印Ａで示されるように対流し、陰極から蒸発するＢａなどもその対流に乗って還流する。この際、ガラス管に触れると温度が下がるためそのガラス管の内表面にＢａなどが付着して黒くなる。この付着は、陽極側のガラス管内面から順次陰極側に下がって付着する。その結果、陰極自身はまだ電子放出能力を有していても、外に得られる光の輝度は低下して使用できなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、含浸型陰極が用いられる放電管において、陰極からの蒸発物がガラス管の内壁に付着して輝度が低下しないようにし、長寿命とすることができる放電管を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電管は、バリウム化合物を含浸した含浸型陰極と、該含浸型陰極を支持する陰極リードと、前記含浸型陰極と一端部が対向して設けられる陽極と、前記含浸型陰極および陽極の一端部を気密封止するガラス管と、該ガラス管内に封入される高圧不活性ガスと、前記ガラス管内の不活性ガスの対流の流速を遅くすると共に、該対流する不活性ガスとの接触面積が大きくなるような構造で前記陽極および／または陰極リードの少なくとも一部の側壁に設けられる前記含浸型陰極から蒸発するバリウムを吸着し得るバリウム吸着手段とからなる放電管において、前記バリウム吸着手段が、煙着法により形成された微細網目状構造の高融点金属酸化物層または該高融点金属酸化物層が水素還元された微細網目状構造の高融点金属層からなることを特徴とするものである。
【０００８】
ここに放電管とは、キセノンアークランプ、キセノン水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどのアーク放電により発光する高輝度ランプのほか、不活性元素を放電励起させてレーザ発振するエキシマレーザ、エキシマランプなどを含む意味である。また、バリウム吸着手段とは、蒸発したバリウムを含む不活性ガスを接触させることによりバリウムを析出させるようにガス流を遮ると共に、ガス流との接触面積が大きく、かつ、バリウムの蒸発温度より低い場所に設けられるものを意味する。
【０００９】
この構成にすることにより、陰極から蒸発するバリウムは、放電管内に生じる封入ガスの対流に乗って陽極側に流れ、陽極の一端部などに設けられたバリウム吸着手段を通って流れるため、バリウム吸着手段に吸着される。とくに陽極の一端部に設けられることにより、蒸発したバリウムはまずバリウム吸着手段を通過して吸着されるため、内部のガス流がガラス管の方に流れてもバリウムの含有量が減り、それ程ガラス管の内壁にはバリウムなどの蒸発物が付着しない。その結果、ガラス管の内壁が汚れず、輝度が低下することがない。
【００１１】
前記バリウム吸着手段が、煙着法により形成された微細網目構造の高融点金属酸化物層または該高融点金属酸化物層が水素還元された微細網目状構造の高融点金属層であれば、網目内をガス流が流れると共に、水素還元されることにより高融点金属が活性化したり、表面が微粒子化したりするため、バリウムなどをより吸着しやすく好ましい。ここで煙着法とは、数十〜数百Ｔｏｒｒの不活性ガスまたは不活性ガスと酸素の混合ガス中で、物質を蒸発させ、蒸発物質が蒸発源の近傍でガス分子と衝突後、凝縮してクラスタ（微粒子）を形成し基板上に微粒子が成長する気相成長法を意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の放電管について説明をする。
【００１４】
本発明による放電管は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、バリウム化合物を含浸した含浸型陰極３に、陽極１の一端部が対向するように、ガラス管６により含浸型陰極３と陽極１とが固定されて封止されている。そのガラス管６の内部には、たとえばキセノンなどからなる不活性ガスが１０〜９０気圧程度の高圧で気密封止されている。図１（ｂ）は、陽極１の部分の拡大図である。陰極３と対向する陽極１の一端部側の側壁に含浸型陰極３から蒸発するバリウムを吸着し得るバリウム吸着手段８が設けられている。なお、図１において、４は陰極３を支持する陰極リード、２、５はそれぞれ陽極１および陰極リード４に電気的に接続される陽極リボンおよび陰極リボンである。
【００１５】
バリウム吸着手段８は、陰極３の温度の上昇に伴ってその表面から蒸発するバリウムが、陰極３の温度上昇により放電管内に生じるガス流に乗って還流するため、そのガス流を遮り、ガス流の速度を落としてできるだけ多くの面積で接触する構造のもので、バリウムの蒸発温度より低い温度の位置に設けられるものであればよい。すなわち、ガス流の速度を落とすことにより、ガス流との接触時間が大きくなり、よりバリウムが吸着しやすくなる。材料としては、バリウム吸着手段８が取り付けられる陽極１自身も電子の衝撃により温度が上昇するため、その温度上昇によりスパッタしないように高融点材料であることが好ましい。
【００１６】
このようなバリウム吸着手段８としては、たとえばタングステンなどの高融点金属の酸化物を煙着法により陽極１の周囲に付着させ、その後水素などにより還元することにより、微粒子として付着しており、接触する表面積が大きくなると共に、高融点金属の表面が活性化し、より一層吸着しやすくなる。このバリウム吸着手段８を設ける範囲は、ガス流の起る範囲でできるだけ広い範囲に設けられることが好ましいが、ガラス管とは接触しない方が良いため、その厚さｔは放電管の種類にもよるが、０．１〜０．５ｍｍ程度である。なお、陽極１より出っ張ることにより、ガス流を遮ることになるので、陽極１の周囲に溝を設けるだけでは十分なバリウム吸着手段８を構成しないが、帯状の突出部が設けられればガス流を遮り、バリウム吸着手段８として寄与する。
【００１７】
図１（ａ）に示される例は、たとえば出力が１５０Ｗのショートアーク放電管の例で、図１（ｂ）に陽極１部の拡大図が示されるように、太さが直径２ｍｍ程度で、管内の長さが３ｍｍ程度の陽極１の一端部側に、たとえば煙着法により０.１〜０.５ｍｍ程度の厚さｔで、０.２〜２.５ｍｍ程度の長さＬの微細網目状構造のタングステン層として形成されている。このような煙着法により微細網目状構造のタングステン層（以下、煙着還元タングステン層８という）を設ける方法について、図２を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、真空チャンバー１１内に煙着源１２と煙着をする陽極１が対向するようにセッティングする。真空チャンバー１１は、図示しない排気装置を有し内部を排気できるようになっていると共に、ガス導入口１１ａおよびガス排出口１１ｂとを有している。煙着源１２は、たとえば０.３ｍｍφで１００ｍｍの長さのタングステン細線が３本並べて煙着源固定台１３に固定され、その両端に電源１４により電圧が印加されて電流Ａにより加熱される構造になっている。陽極１は、試料台１５に固定され、その先端部および根元部で煙着しない部分は、キャップ１６および試料台１５により被覆されている。
【００１９】
この煙着源１２と陽極１とが対向して配置された状態で、真空チャンバー１１内をロータリーポンプで到達可能な１×１０-2Ｔｏｒｒ程度にして、反応ガスを導入する。反応ガスは、たとえば煙着源１２の燃焼を起こすＯ2 ガスと燃焼の割合を調節するＡｒガスの混合ガスで、その混合ガスは、たとえばＡｒ：Ｏ2 ＝７：３程度とし、真空チャンバー内の真空度を約１００Ｔｏｒｒとした。なお、酸素の割合（分圧）を高くしたり、真空度の圧力を高くして煙着の生成速度を早くすることができるし、酸素の割合を小さくしたり、真空度を良くすることにより、煙着の生成速度を遅くすることができ、目的とする煙着タングステンの膜厚や生成速度に応じて条件を設定することができる。
【００２０】
ついで、電源１４により煙着源１２に電流を流して加熱し、煙着源１２と反応ガスとの間で燃焼反応を起させ、酸化タングステンの微粒子となった燃焼煙を発生させる。この燃焼煙が前述の煙着源１２と対向して配置されている陽極１と接触し、その周囲に酸化タングステンの微粒子が付着する。たとえば、前述のタングステン細線を煙着源１２として、４５Ａの電流を３秒間流して煙着を行うと、約２０μｍの厚さの煙着還元タングステン層８が得られた。この状態のままバリウム吸着手段として用いても表面がザラザラになっているため、バリウムの吸着作用はあるが、蒸気圧が高く、基材との密着性は低い。これを還元して酸化タングステンの酸素を除去することにより、空孔ができてさらに表面積が大きくなると共に、還元によりタングステンの表面が活性化してより一層バリウムを吸着する作用が強くなる。さらに、酸素がなくなるため、陽極１の基材との密着性の向上、煙着タングステン層の融点の向上、煙着タングステン層より発生するガス不純物の削減などの効果が得られる。この還元は、たとえば前述の煙着した状態の陽極１を、水素雰囲気中で５００℃程度に上げ、２０分程度の熱処理をすることにより、完全に還元される。この還元は、水素炉による還元でなくても、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を使用し、水素雰囲気でマイクロ波により加熱する方法でもよい。
【００２１】
陽極１は、前述のようにモリブデン棒、タングステン棒などの高融点金属棒が用いられる。また、陰極３は、たとえばタングステン粉末をその一端部が図１（ａ）に示されるように尖鋭化して焼結した多孔質体内に、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 などを混合した酸化物を水素ガス中で１７００℃程度の高温で溶融含浸させた含浸型陰極が用いられる。また、ガラス管６は、たとえば石英ガラスなどの光の透過率がよいガラスが用いられ、陽極１と陰極３とを一定の間隙で対向させて直接ガラス管により封着し、内部を真空にしてからキセノンなどの所定のガスを１０〜９０気圧程度に封入することにより、図１（ａ）に示されるようなキセノンアークランプが得られる。
【００２２】
なお、前述の例では、陽極１にのみバリウム吸着手段が設けられたが、陰極３を支持する陰極リード４の周囲にも設けることにより、さらに管内を還流するバリウムを吸着する効果がある。また、陰極リード４のみに設けてもガス流は循環するためバリウムを捕獲してガラス管６内部への付着を抑制する効果がある。
【００２３】
放電管はその輝度の点から陰極３を下にして陽極１を上にする垂直の状態で通常使用されるが、本発明によれば、放電管内の陰極３は非常に高温になり管内で温度差が生じてガス流が生じ、そのガス流は高温になる陰極３から陽極１の方に上昇し、ついでガラス管６の内壁に沿って陰極３側に流れる点に着目して、そのガス流の通路にバリウム吸着手段が設けられている。とくにガス流の温度が比較的高い状態で通過する陽極１にバリウム吸着手段８が設けられることにより、高温になって陰極３から蒸発するバリウムは、内部のガス流に乗って陽極１の方に流れ、その陽極１に出っ張って設けられるバリウム吸着手段８と衝突し、そのガス流が弱められてバリウム吸着手段８の表面またはその内部を通過し温度が下がるため蒸発したバリウムが吸着される。その後、内部のガス流はガラス管６の内壁側に流れるが、付着しやすいバリウムは、バリウム吸着手段８により捕獲されているため、ガラス管６の内壁には余り付着せず、対流を繰り返す。そして、陰極３で再度高温になって活性化したり新たに蒸発したバリウムは再び陽極１に設けられたバリウム吸着手段８を通過し、付着しやすくなっているバリウムはバリウム吸着手段８により捕獲される。そのため、ガラス管６の内壁に付着するバリウムは減少し、ガラス管６の内壁の汚れは大幅に減少し、ガラス管６の内壁の汚れによる輝度の低下が防止され、寿命が大幅に上昇する。
【００２４】
前述の例では、煙着源１２として、タングステン細線を３本並べて使用したが、タングステン細線の太さ、長さ、本数などについては、煙着する陽極１の大きさや、本数や、生成する煙着タングステン層の厚さ、供給電流量などの諸条件により変更し得ることはいうまでもない。また、前述の例では、煙着法として、真空チャンバー内でタングステン細線を加熱したが、大気中でタングステン細線をトーチにより燃焼させ、その燃焼煙中に陽極を晒すことにより煙着することもできる。この場合、煙着タングステン層の厚さをコントロールすることは難しいが、十分に厚い煙着タングステン層が得られる。さらに、煙着する材料もタングステンに限らず、モリブデンなど他の高融点金属でもよく、煙着させる陽極１などの基体金属との密着性を考慮して選択することができる。
【００２６】
また、前述の煙着タングステン層などの高融点金属の表面にＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔなどの白金族金属をコーティングすることにより、煙着高融点金属層の陽極への密着性が向上するため好ましい。このコーティングは、真空蒸着、スパッタリングなどにより３０００Å程度の厚さに設けることが好ましい。この程度のコーティング被膜が設けられても、表面の空孔がなくなることはなく白金族金属はバリウムを吸着しやすいため陽極との密着性の向上にとどまらず、一層好ましい。
【００２７】
なお、前述の例では、バリウムの吸着のみについて述べているが、バリウムがとくに黒くなり輝度の低下に結びつきやすいためバリウムの例で述べているもので、バリウム以外のカルシウムなど他の蒸発物もガラス管の内壁に付着させないでバリウム吸着手段により吸着することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、バリウム化合物含浸型陰極表面より蒸発するバリウムが、バリウム吸着手段により捕獲されて放電管のガラス管の内壁に付着しないため、使用時間が長くなっても、ガラス管の内壁が汚れて輝度が低下することがない。そのため、陰極が寿命になるまで使用することができ、信頼性が向上すると共に、長寿命の放電管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電管の一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１のバリウム吸着手段を煙着法により形成する例の説明図である。
【図３】従来の放電管の一例の断面説明図である。
【符号の説明】
１    陽極
３    陰極
４    陰極リード
６    ガラス管
８    バリウム吸着手段
【図１】
0003953675.tif 000002
【図２】
0003953675.tif 000003
【図３】
0003953675.tif 000004