(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されているショートアーク型水銀ランプにおいて、該突起部の径方向の任意断面における概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の個数が０．５個／ｍｍ以上１００個／ｍｍ以下である事を特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
【請求項２】
発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されており、該コーン部および陰極胴部の少なくとも一部に炭化処理が施されているショートアーク型水銀ランプにおいて、該突起部の径方向の任意断面における概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の個数が１００個／ｍｍ以下である事を特徴とするショートアーク型水銀ランプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用するショートアーク型水銀ランプに関し、特にその電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ショートアーク型ランプに関し、放電の揺らぎを抑えるため陰極頂部に突起部を設ける技術があった。例えば特開昭５６−１３４４６５号に記載されている。
この公報においてはキセノンランプについて説明がされている。
「揺らぎ」がおこる原因は、ランプの使用初期においては尖端であった陰極コーン部の先端が、使用時間の経過に従い、タングステン及び電子放射性物質が溶融蒸発するようになる為、大径球面状になると共に、先端部分の組織が変化してタングステンの単結晶が形成されて成長するようになり、尖端性が失われることと、単結晶の形成により先端部に対する電子放射性物質の拡散による注入が阻害されることにある。前記公報においては、単結晶進行化区域を突起部に限定することで、陰極アーク発生点は、コーン部の先端部より突出する突起部に限定されることが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光化学産業分野、半導体デバイスの製造分野などで使用するショートアーク型水銀ランプでは、発光管内に希ガスと水銀が封入されている。ところで、放電ランプに使用される封入物の熱伝導度の大きさは、Ａｒ＞Ｋｒ＞Ｈｇ＞Ｘｅの順となっていて、封入ガスがＸｅのみであるキセノンランプの場合が、熱伝導度が一番低い。
【０００４】
放電空間で放電アークを長時間安定に維持する為には、ある程度の温度が必要であり、通常、陰極先端部の温度が２７００℃くらいで動作するのが適正と言われている。ここで、封入ガスの着目すると、熱伝導が悪い場合にはアークが広がりやすく、熱伝導が良い場合はアークが絞られやすい。アークが絞られると、電流密度が上がる。当然、陰極先端での電流密度も上がる。電流密度が上がると陰極へのダメージが大きくなる。陰極先端の温度も当然上がる。陰極先端を突起形状にすることで従来のテーパー形状などに比べて陰極先端部の温度が上昇しやすい。そのうえに、封入物の効果で、キセノンランプに比べて水銀ランプは陰極先端部がより高温になってしまう。
【０００５】
アークは中央が高温であり、熱伝導などによってその熱が周囲に伝わる。熱伝導が良いと高温領域から熱が早く伝わり、熱が周囲に逃げてしまう。その為、アークが形成される領域（高温領域）は、狭くなってしまう。よって、Ｘｅに比べてＡｒなどのガスの方が絞られているように見える。
【０００６】
一方、アーク内はガスや水銀が電離したプラズマ状態となっている。このプラズマ内での電子やイオンの移動によって電流が流れている。アークが絞られているという事は、電流の通る道が狭いということである。よって、Ｘｅに比べてＡｒなどのガスの方が、電流密度が高くなっている。
【０００７】
電流密度が上がるとより高温の中央領域ができる。よって、中央に位置する陰極先端はより高温にさらされていることになり、温度が上昇する方向にある。
【０００８】
結果、水銀ランプでは電子放射物質であるトリウム（Ｔｈ）の蒸発がキセノンランプに比べてより激しく生じ、トリウムが枯渇してくる。また、スポットモード（点状輝点となる形態）と呼ばれるアークの輝点の収縮がキセノンランプに比べてより起こりやすい。すなわち照度変動を引き起こすものである。
【０００９】
さらに、水銀ランプにおいては、陰極先端への負荷が高くなるために、すなわち、陰極先端部の温度がより高くなり易いために、陰極先端の変形を引き起こすことがしばしば見られた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、所望の電子を放出でき、アーク輝点の収縮やその移動を押さえ、長時間点灯でも陰極形状の変形しにくい、照度変動を抑制したショートアーク型水銀ランプを提供することにある。
【００１１】
陰極内部の粒界から電子放射性物質のトリウムが析出してきて、そのトリウムは陰極先端でタングステンよりも低温で電子放出を可能にし、電子放出動作をしている。炭化処理を施した場合、その炭化面から多量のトリウムが析出し、先端へ表面拡散などによって供給される。
発明者の鋭意研究の結果、陰極に突起部を備えた水銀ランプの場合、突起内部の粒界の様子、具体的には突起部の径方向の任意断面における概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の個数によって、スポットモードなどの照度変動や陰極先端の変形が起こることを突き止めた。
【００１２】
また、突起部を先端に具備した陰極を持つ水銀ランプでは、従来からの突起部を具備しない陰極を持つ水銀ランプやキセノンランプよりも陰極温度が高温になりやすい為に、陰極の変形が顕著に起こる場合があった。この原因を調査したところ、突起内部の粒界数が非常に多い場合に起こることがわかった。
【００１３】
粒界個数が多くなると空隙が拡がったことと等価になり、熱伝導が悪くなったことに相当する。これにより、陰極先端から陰極胴部へのエネルギーの流れが遮られ、先端部の異常な温度上昇を生じる。結果として、陰極先端部が変形するものと推測される。
【００１４】
【課題を解決する為の手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されているショートアーク型水銀ランプにおいて、該突起部の径方向の任意断面における概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の個数が０．５個／ｍｍ以上１００個／ｍｍ以下である事を特徴とするショートアーク型水銀ランプとするものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されており、該コーン部および陰極胴部の少なくとも一部に炭化処理が施されているショートアーク型水銀ランプにおいて、該突起部の径方向の任意断面における概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の個数が１００個／ｍｍ以下である事を特徴とするショートアーク型水銀ランプとするものである。
【００１６】
【作用】
陰極先端の突起部の径方向の任意断面における概略中心をとおる直線に交わる結晶粒界の個数を単位長さあたり０．５個／ｍｍ以上と規定することによって、照度変動が抑制された放電ランプとすることができる。
【００１７】
また、陰極先端の突起部の径方向の任意断面における概略中心をとおる直線に交わる結晶粒界の個数を単位長さあたり１００個／ｍｍ以下と規定することによって陰極温度がより高温になりやすい陰極先端に突起部を有する水銀ランプでも、陰極の変形が少なく、照度変動が抑制された放電ランプが提供できる。
【００１８】
上記条件で、円滑にトリウムを供給する為に、コーン部側面などに炭化を施すと、陰極側面から陰極先端へ十分な量のトリウムの供給が容易になる。炭化を行うことによって供給できる。トリウムはタングステンよりもより低温で熱電子放出が可能である。よって、炭化の無い場合に比べて広い範囲で熱電子放出が可能となり、陰極への負荷を軽減できる。したがって、炭化しない場合において照度変動を起こしていた、陰極先端突起部の径方向における任意断面において概略中心を通る直線に交わる結晶粒界の単位長さあたりの個数が０．５個／ｍｍ以下の場合でも正常な陰極動作が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実験例を示して発明の実施の形態について以下に説明する。
【００２０】
＜実施例1＞
図１に本発明に係るショートアーク型水銀ランプ１０の概略図を示す。
石英ガラスより成る発光管１の外径が５５ｍｍであり、この発光管１の両端は気密に封止されている。発光管１の内部には、陰極２と陽極３とが対向して配置され、その陰極２と陽極３との間の距離(電極間距離)は４．５ｍｍである。この発光管１の内部には、発光管内容積当り４ｍｇ／ｃｍ３の水銀と室温で０．１５ＭＰａのクリプトンガスが封入されている。このランプ１０は、定電力電源を用いて、２．５ｋＷの定電力で点灯すると、ランプ電圧２３Ｖ×電流１０８．７Ａ＝電力２５００Ｗであった。
【００２１】
このランプ１０の陰極２の形状のパラメーターを図２（ａ）、図２（ｂ）に示す。陰極胴部２１にコーン部２２が続き、コーン部２２の先端に陰極突起部２３がある。陰極先端部のコーン角２θが６０°、電極胴部の直径Ｄを６ｍｍ、陰極突出長ｈを１ｍｍとし、図３（ａ）の表に示すＡ１〜Ｋ１の突起部径方向の任意の断面における概略中心をとおる直線上での単位長さあたりの結晶粒界の個数が異なる１２種類の陰極を準備して点灯させ、照度変動や陰極先端の変形度合いを調べる実験を行った。トリエーテッドタングステンの製造方法や熱処理方法を変えることによって、突起径ｄと断面Ｓでの粒界数を変え、断面Ｓでの概略中心を通る直線Ｌでの単位長さあたりの粒界数を変化させた。
【００２２】
ここで、突起部の形状は、コーン部から続く円筒状とし、初期においては先端径と断面長は一致している。粒界数のチェックは、突起部先端を研磨し、結晶面を露出させ、写真に撮り、写真上で断面での概略中心を通る直線を引いて、直線と外周が交わる２点間の距離である断面長と、直線と交わっている粒界数を数えた。粒界数を断面長で割った値を単位長さあたりの粒界数と定義した。結晶面の写真から粒界数を数える例を図５に示す。
【００２３】
図中、直線上の数字は粒界と直線との交点の位置を示したものであるが、この例では２３個の粒界の個数とカウントする。
【００２４】
また、図３（ａ）の表に示した数種のランプを点灯すると、陰極先端が変形したものもあった。変形の大きいものは、照度維持率も悪く、問題であった。
【００２５】
実験の結果を図３（ａ）の表に示す。これは照度変動の有無と変形の有無を示したものである。表の左からランプサンプル記号、陰極の突起部断面長、突起部内断面の粒界数、突起部の径方向の断面の概略中心を通る粒界数、照度変動の有無、陰極変形の有無、総合評価となっている。
【００２６】
単位長さあたりの粒界数が０．５個／ｍｍ以上のものは、照度変動がないことがわかる。また、１００個／ｍｍを超えるものは、変形が大きいことがわかった。つまり、突起部径方向の任意の断面における概略中心を通る直線上での単位長さあたりの結晶粒界の個数が０．５個／ｍｍ以上かつ１００個／ｍｍ以下であれば、照度変動を起こさず、長時間変形がないことがわかった。
【００２７】
なお、陰極突出部の突出長ｈを０．５ｍｍ、２．０ｍｍとそれぞれ変えた場合をそれぞれ図３（ｂ）および図３（ｃ）の表に示す。図３（ｂ）はｈが０．５ｍｍの5種類のランプサンプル（Ｌ１〜Ｐ１）、図３（ｃ）はｈが２．０ｍｍの５種類のランプサンプル（Ｑ１〜Ｕ１）である。
【００２８】
１．０ｍｍの時と同様に突起部径方向の任意の断面における概略中心を通る直線上での単位長さあたりの結晶粒界の個数が０．５個／ｍｍ以上かつ１００個／ｍｍ以下であれば、照度変動を起こさず、長時間変形がないことが確認された。
【００２９】
＜実施例2＞
それぞれの陰極で炭化処理を行った場合も調査した。結果を図４（ａ）〜図４（ｃ）の表に示す。陰極突出長ｈが１ｍｍの１２種類のランプサンプル（Ａ２〜Ｋ２）について図４（ａ）、同ｈが０．５ｍｍの5種類のランプサンプル（Ｌ２〜Ｐ２）について図４（ｂ）、同ｈが２．０ｍｍの５種類のランプサンプル（Ｑ２〜Ｕ２）について図４（ｃ）である。
【００３０】
この結果をみると、単位長さあたりの粒界数に関係なく照度変動がないことがわかる。このことは、実施例1と比較して、炭化処理を行うことで陰極側面からのトリウムの供給が円滑になり熱電子放出を容易にし、スポットモードを起こしにくくなったと考えられる。
【００３１】
つまり、炭化処理を行った場合、突起部径方向の任意の断面における概略中心をとおる直線上での単位長さあたりの結晶粒界の個数が１００個／ｍｍ以下であれば、照度変動を起こさず、長時間変形がないことがわかった。
【００３２】
図６に本発明に係る陰極先端構造の他の実施例、およびその他の構造を示す。図６の（ト）、（ヌ）に示す陰極構造が本発明のショートアーク型水銀ランプに適用することができ、その他の構造は参考までに示す。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されているショートアーク型水銀ランプにおいて、陰極先端の突起部の径方向の任意断面における概略中心をとおる直線上での単位長さあたりの結晶粒界の個数を０．５個／ｍｍ以上と規定することによって、スポットモードを起こさないランプとすることができる。
【００３４】
また、結晶粒界の個数を１００個／ｍｍ以下と規定することによって陰極温度がより高温になりやすい、先端に突起部を有する水銀ランプでも、陰極の変形が少なく、輝点の変化が少ないランプが提供できる。
【００３５】
また、請求項２の発明によれば、発光管内に陰極と陽極が対向して配置されており、当該発光管内に少なくともクリプトンと水銀が封入され、陰極に酸化トリウムを含み、陰極胴部に続くコーン部が形成され、該コーン部の先端に平坦な面を有しないで該コーン部から連続して円筒状の突起部が形成されているショートアーク型水銀ランプにおいて、円滑にトリウムを供給する為に陰極コーン部側面などの少なくとも一部に炭化を施すと、陰極先端へ陰極側面から十分なトリウムの供給が容易になる。トリウムはタングステンよりもより低温で熱電子放出が可能である。よって、炭化の無い場合に比べて広い範囲で熱電子放出が可能となり、陰極への負荷を軽減できる。その場合、先端が単結晶になっていたとしても問題なかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のショートアーク型水銀ランプの概略図を示す。
【図２】本発明のショートアーク型水銀ランプの陰極の形状パラメーターを示す。
【図３】本発明のショートアーク型水銀ランプの照度変動及び陰極形状の変形を調べた実験結果を示す。
【図４】本発明のショートアーク型水銀ランプの照度変動及び陰極形状の変形を調べた実験結果を示す。
【図５】本発明における陰極先端突起部の任意断面の断面写真のトレース図を示す。
【図６】本発明に係る水銀ランプに供される陰極先端の突起部の形状の種々の例を示す。
【符号の説明】
１    発光管
２    陰極
２１  陰極胴部
２２  陰極コーン部
２３  陰極突出部
３    陽極
１０  ショートアーク型水銀ランプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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