(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
含浸型陰極と、該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石英管と、該石英管内に封入される高圧不活性ガスとからなり、前記石英管の内壁にフッ化カルシウム薄膜またはフッ化バリウム薄膜からなる保護膜がコーティングされてなる放電管。
【請求項２】
前記保護膜の厚さが１００〜１０００Åである請求項１に記載の放電管。
【請求項３】
（ａ）アルカリ土類金属をアルコールに溶解させてアルカリ土類金属のアルコキシド溶液を調製し、（ｂ）放電管の外囲器を構成する石英管の内壁にアルカリ土類金属のアルコキシドの被膜を形成し、（ｃ）前記アルカリ土類金属のアルコキシド被膜をフッ化処理し、（ｄ）該フッ化処理された前記石英管を不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、（ｅ）該石英管により含浸型陰極と陽極を対向させて封止し、不活性ガスを封入することを特徴とする放電管の製造方法。
【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が用いられ、高電圧で動作するアークランプなどの放電管およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、陰極のバリウムが蒸発しても、そのバリウムによりガラス管の内壁が黒くなっ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およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の含浸型陰極を用いた放電管は、図４にショートアークランプ放電管の一例の概念図が示されるような構造になっている。すなわち、図４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を支持するモリブデン製の陰極リード、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モリブデン製のリボンである。
【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、まず陽極１に正、陰極３に負の十数ｋＶから２０ｋＶ程度の高電圧を印加すると、電極間で放電が生じ、陰極３から放出された電子が気体原子と衝突して、原子をイオン化させ、プラズマが形成される。放電管の動作中は、プラズマ中のイオンの一部が陰極にエネルギーをもって衝突するため、陰極表面の温度が上昇する。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３の全体の表面にしみ出し、バリウムと陰極基材である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、電子の放出が容易となり、電子放出能力の高い陰極となる。
【０００５】
表面に到達したバリウム原子は、やがて蒸発してしまうが、さらに陰極内部から、酸化バリウムから分離したバリウムが供給されるため、表面の仕事関数は常に低く維持される。そのため、このような含浸型陰極は、タングステン陰極に比べて電子放射能力が高く、低温での動作が可能になり、イオン衝撃による劣化を受けにくく、陰極の形状変化による起点の移動が少なく、長寿命であるという特徴を備えている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、含浸型陰極を使用した放電管では、陰極表面から蒸発したバリウムが、管内を対流するキセノンガスと共に、石英管内に広がり、次第に石英管の内壁に付着し、あるいは付着したＢａが石英と反応して結晶化し失透するため、光の透過率が低下し、陰極に電子放射能力が残っていても輝度の低下による放電管の寿命となり、放電管の寿命が短いという問題がある。
【０００７】
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石英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およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、陰極からの蒸発物が石英管の内壁に付着して透過率が低下するのを防止するため、鋭意検討を重ねた結果、陰極から蒸発したバリウムが石英管の内壁に付着するだけでは輝度が大幅に低下するほど黒くはならないが、バリウムが石英管の内壁に付着すると、バリウムと石英とが反応して結晶化し、失透するために光の透過率が低下することに原因があることを見出した。そして、アルカリ土類金属などのフッ化膜を石英管の内壁に被膜（コーティング）することにより、バリウムが付着しても輝度を低下させることなく、放電管の寿命を大幅に向上させることができることを見出した。
【０００９】
本発明の放電管は、含浸型陰極と、該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石英管と、該石英管内に封入される高圧不活性ガスとからなり、前記石英管の内壁にアルカリ土類金属とフッ素との化合物からなる保護膜がコーティングされている。
【００１０】
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。
【００１１】
この構成にすることにより、陰極から蒸発するバリウムが、放電管内に生じる封入ガスの対流に乗って石英管の内壁に付着しても、その内壁にバリウムに対して非常に安定なアルカリ土類金属のフッ化物の薄膜がコーティングされているため、Ｂａと反応して結晶化するのを防ぎ、その表面が荒されることがなく、光の損失が生じない。一方、アルカリ土類金属のフッ化物やバリウムそのものは、薄ければ光の損失がなく透過するため、長時間使用しても非常に輝度の低下が生じない放電管が得られる。
【００１２】
前記保護膜が、フッ化カルシウム薄膜またはフッ化バリウム薄膜であれば、とくに安価に製造しやすく、高い光透過率を維持することができる。
【００１３】
また、前記保護膜は１００〜１０００Åの厚さに設けられることにより、光の透過率を低下させないと共に、バリウムの付着に対して石英管を安定に保護することができる。これは、放電管内の圧力が高いため、放電により生じた高エネルギー粒子も平均自由行程が小さくなり、高エネルギーのまま管壁に到達することはない。そのため、ごく薄い保護膜で充分に反応を防ぐことができる。一方、厚くし過ぎると膨脹係数の差で剥離しやすくなり、１００〜１０００Åの範囲が好ましい。
【００１４】
本発明の放電管の製造方法は、（ａ）アルカリ土類金属をアルコールに溶解させてアルカリ土類金属のアルコキシド溶液を調製し、（ｂ）放電管の外囲器を構成する石英管の内壁にアルカリ土類金属のアルコキシドの被膜を形成し、（ｃ）前記アルカリ土類金属のアルコキシド被膜をフッ化処理し、（ｄ）該フッ化処理された前記石英管を不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、（ｅ）該石英管により含浸型陰極と陽極を対向させて封止し、不活性ガスを封入することを特徴とする。
【００１５】
この方法によれば、管状に形成された石英管の内壁にアルカリ土類金属とフッ素との化合物薄膜を均一にコーティングすることができる。
【００１６】
【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およびその製造方法について説明をする。
【００１７】
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、陰極３に、陽極１の一端部が対向するように、石英管６により陰極３と陽極１とが固定されて封止されている。その石英管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。本発明では、石英管６の内壁にアルカリ土類金属などとフッ素との化合物からなる保護膜７がコーティングされていることに特徴がある。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。
【００１８】
アルカリ土類金属などとフッ素との化合物からなる保護膜７は、石英管６の内壁に、たとえば１００〜１０００Å程度の厚さに形成されている。あまり厚すぎると光の透過が落ちると共に、熱膨脹係数の差によるヒビ割れ、剥離などの膜の欠陥が生じ易くなり、光透過率が低下する。また、これより薄すぎると付着するバリウムと石英ガラスとの反応を完全に阻止することができないからである。金属としては、とくにカルシウムまたはバリウムがイオン結合からなり、結合力が大きく化学的に安定であると共に、良質の結晶は透明度が非常に良好であるため好ましい。しかし、他のストロンチウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属の他、カドミウム、セリウムなどの金属を使用することもできる。
【００１９】
これらのフッ化物薄膜は、通常真空蒸着などにより形成される。しかし、本発明のように放電管に使用する球状に近い石英管の内壁には、真空蒸着やスパッタ法では薄膜を形成することができない。そこで、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、アルカリ土類金属などの薄膜をゾル・ゲル法を用いて成膜し、フッ化処理を施すことにより、アルカリ土類金属などのフッ素化合物の薄膜を生成することができることを見出した。つぎに、放電管とする石英管内にフッ化カルシウムの薄膜を形成する方法について、図２のフローチャートを参照しながら詳細に説明をする。
【００２０】
まず、カルシウムのアルコキシドとアルコールとを混合して、カルシウムアルコキシド溶液を調製する（Ｓ（ａ））。アルコキシドは、アルコール類の水酸基の水素をカルシウムなどの金属で置換した化合物で、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシドなどを使用することができるが、現在ではアルコキシドとして市販されている。また、アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチルセロソルブなどのいずれをも使用することができる。このアルコールは、溶媒となるもので、アルコール１に対して、アルコキシドを０.００１〜０.２程度の重量割合で混合する。
【００２１】
つぎに、放電管の外囲器とする形状に形成した石英管６の内壁にカルシウムアルコキシドをコーティングする（Ｓ（ｂ））。このコーティングをするには、まず、図３（ａ）に示されるように、石英管６の陽極と陰極のリードが封着される部分にカルシウムアルコキシド溶液が付着しないようにレジスト膜８を塗布する。そして、放電管６の一端側をフッ素ゴム９により閉塞し、カルシウムアルコキシド溶液を石英管６の他方の開口部から注ぎ込む。石英管６の内面が完全に濡れた状態になったら、溶液を石英管６の外に排出する。そして、乾燥させるとカルシウムアルコキシドの被膜が石英管６の内壁に形成される。
【００２２】
つぎに、カルシウムアルコキシドが空気中の水分と加水分解反応をする前にフッ素ゴム９を取り外し、フッ化水素ガスを石英管６内に導入して化学反応をさせることによりフッ化物であるフッ化カルシウムを形成する（Ｓ（ｃ））。元のカルシウムアルコキシドが膜状であるため、フッ化カルシウムも膜状に形成される。なお、このフッ化反応は、フッ素気体の導入でなくても、濃度の薄いフッ化アンモニウム水溶液、テフロンなどのフッ素系樹脂をアルコールに溶かした溶液などのフッ素が溶け込んだ溶液を石英管６内に注いで直接反応させてからフッ素を含む溶液を排出する方法によってもよい。
【００２３】
ついで、石英管６の両端側にマスク用として設けたレジスト膜をアセトンで除去する。そして、アルゴンガス雰囲気下で、４００〜７００℃程度の温度で熱処理を３０分程度施すことにより、不要となった溶媒が除去され、緻密な膜となり、１００〜１０００Å程度のフッ化カルシウム膜となる（Ｓ（ｄ））。なお、雰囲気ガス中に酸素を混入すると、石英管６内に残存する余分の炭素を燃焼させて気化させる働きをする。
【００２４】
前述のカルシウムアルコキシドをコーティングする方法は、１個の石英管６にカルシウムアルコキシド溶液を注ぎ込んで形成する方法であったが、図３（ｂ）に示されるように、複数個の石英管６をフッ素ゴム１０でつなぎ、同時に複数個の石英管６内にコーティングすることもできる。また、石英管６の両端部の封止部にレジスト膜を塗布するだけでなく、石英管６の外側の全体にもレジスト膜を塗布し、石英管６全体をカルシウムアルコキシド溶液内に浸漬して内面のみにコーティングをすることもできる。この場合、フッ化反応もそのまま石英管の全体をフッ化アンモニウム水溶液中に浸漬することにより反応させることができる。
【００２５】
このようにして、フッ化カルシウムからなる保護膜７が内面に被膜された石英管６を用いて、陽極１と陰極３が一定の間隔を有して対向するように石英管６の両端部で封着する。そして、石英管６内部にキセノンガスを１０気圧程度になるように封入することにより、図１に示される構造のショートアークランプ（放電管）が形成される。
【００２６】
この放電管を動作させるには、前述のように、陽極１に正、陰極３に負の十数ｋＶから２０ｋＶ程度の高電圧を印加することにより、電極間で放電が生じ、プラズマが発生し、プラズマ中のイオンの一部が陰極にエネルギーをもって衝突するため、陰極表面の温度が上昇して、陰極・陽極間の電圧を十数Ｖに下げても電子放出が起り発光を続ける。そのため、含浸型陰極３からバリウム原子が蒸発して対流するキセノンガスと共に石英管６内を還流するが、本発明の放電管によれば、石英管の内部にバリウムに対して非常に安定なアルカリ土類金属などのフッ化物からなる保護膜７がコーティングされているため、陰極からバリウムなどが蒸発して石英管６の内面に付着しても、石英管６が腐食されて内面に凹凸が形成される（失透する）ことがない。その結果、光の透過率がさほど低下せず、放電管の長寿命化を達成することができる。
【００２７】
前述の例では、アルカリ土類金属として、カルシウムを用いたが、バリウムなどの他のアルカリ土類金属やカドミウム、セリウム元素などでも同様に安定なフッ化物保護膜７を石英管６の内面に形成することができる。また、放電管としては、ショートアークランプに限らず、ナトリウム灯放電管、エキシマレーザ管などの含浸型陰極を使用し、種々の放電を利用するランプに適用することができる。
【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、石英管の内面に付着しても、化学的に安定な保護膜により石英管の内面が保護されているため、石英管が腐食されて失透することがない。その結果、使用につれて陰極からバリウムなどが蒸発しても、光の透過率が余り低下せず、明るい輝度を維持して寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電管の一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１の石英管の内面に保護膜を形成する方法のフローチャートである。
【図３】石英管の内面に保護膜を形成する際のカルシウムアルコキシド被膜を形成する方法の説明図である。
【図４】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    石英管
７    保護膜
【図１】
0003910305.tif 000002
【図２】
0003910305.tif 000003
【図３】
0003910305.tif 000004
【図４】
0003910305.tif 000005