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JP2017111996A - Short arc type discharge lamp - Google Patents

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JP2017111996A
JP2017111996A JP2015246007A JP2015246007A JP2017111996A JP 2017111996 A JP2017111996 A JP 2017111996A JP 2015246007 A JP2015246007 A JP 2015246007A JP 2015246007 A JP2015246007 A JP 2015246007A JP 2017111996 A JP2017111996 A JP 2017111996A
Authority
JP
Japan
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oxide
cathode
tip
thorium
short arc
Prior art date
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Pending
Application number
JP2015246007A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
有本 智良
Tomoyoshi Arimoto
智良 有本
幸治 田川
Koji Tagawa
幸治 田川
充夫 船越
Mitsuo Funakoshi
充夫 船越
雅史 團
Masafumi Dan
雅史 團
和之 森
Kazuyuki Mori
和之 森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ushio Denki KK
Ushio Inc
Original Assignee
Ushio Denki KK
Ushio Inc
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Publication date
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  • Discharge Lamp (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure capable of keeping an operating temperature in a tip of a cathode low and improving the service life of the cathode by suppressing the deformation of the tip in a short arc type discharge lamp.SOLUTION: A cathode 1 and an anode are arranged facing each other inside a luminous tube. The cathode 1 is composed of a body part 2 not containing an emitter material, and a tip part 3 joined to the body part 2 and containing thorium oxide. A second emitter material 5 having electron emission characteristics superior to thorium oxide is embedded inside the body part 2. The second emitter member 5 contains at least one of lanthanum oxide, cerium oxide, gadolinium oxide, samarium oxide, praseodymium oxide, and neodymium oxide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、陰極に電子放射を良好にするためのエミッターを含有してなるショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、エミッターしてトリウムを含有してなるショートアーク型放電ランプに関わるものである。   The present invention relates to a short arc type discharge lamp including an emitter for improving electron emission at a cathode, and particularly to a short arc type discharge lamp including thorium as an emitter. is there.

従来、高入力・高輝度のショートアーク型放電ランプにおいては、陰極にエミッターを含有して、電子放出特性を高めるようにしたものが多用されている。
例えば、特開2012−15008号公報(特許文献1)には、エミッターとして酸化トリウムを含有するショートアーク型放電ランプ用の陰極が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, high-input and high-intensity short arc type discharge lamps are often used in which an emitter is contained in a cathode to enhance electron emission characteristics.
For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-15008 (Patent Document 1) discloses a cathode for a short arc type discharge lamp containing thorium oxide as an emitter.

このようなショートアーク型放電ランプにおける陰極の先端部は、点灯中は、イオンの衝突により、約3400Kという極めて高温状態となる。
このような高温下では、陰極先端部からトリウムが激しく蒸発するため、長時間を経ずして陰極内のトリウムが枯渇してしまう。特に、省トリウムの観点から、陰極先端部にのみ酸化トリウムを含有させた陰極構造を採用するとき、トリウムの保持量が限定されているため、その傾向が顕著である。
このような酸化トリウムの枯渇により、陰極の電子放射特性が低下して安定な放電状態を維持することが困難となるという問題があった。
The tip of the cathode in such a short arc type discharge lamp is in a very high temperature state of about 3400 K due to ion collision during lighting.
Under such a high temperature, thorium evaporates violently from the tip of the cathode, so that thorium in the cathode is exhausted in a long time. In particular, from the viewpoint of thorium saving, when adopting a cathode structure in which thorium oxide is contained only at the cathode tip portion, the tendency of the thorium is limited because the amount of thorium retained is limited.
Due to such depletion of thorium oxide, there has been a problem that it becomes difficult to maintain a stable discharge state due to a decrease in electron emission characteristics of the cathode.

特開2012−15008号号公報JP 2012-15008 A

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置され、前記陰極の少なくとも先端部に酸化トリウムが含有されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、点灯時の陰極先端の動作温度を低く抑えることで、酸化トリウムの消耗を抑えるとともに、先端の変形を抑制して、その寿命を改善することができる構造を提供しようとするものである。   In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a short arc type discharge lamp in which a cathode and an anode are opposed to each other inside an arc tube, and at least a tip portion of the cathode contains thorium oxide. It is intended to provide a structure capable of suppressing the consumption of thorium oxide by suppressing the operating temperature of the cathode tip at the time, and suppressing the deformation of the tip to improve its life.

上記課題を解決するために、この発明では、陰極は、少なくとも先端側の一部に酸化トリウムが含有されており、前記陰極の内部には、酸化トリウムよりも電子放射特性が優れた第2のエミッター材が埋設されていることを特徴とする。
また、前記第2のエミッター材は、酸化ランタン(La)、酸化セリウム(CeO)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化プラセオジム(Pr11)、酸化ネオジム(Nd)の少なくとも一つを含有していることを特徴とする。
また、前記陰極は、エミッター材を含まない本体部と、この本体部に接合された、酸化トリウムを含有する先端部とからなり、前記第2のエミッター材は、前記本体部および/または前記先端部内に埋設されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, in the present invention, the cathode contains thorium oxide at least at a part on the tip side, and the cathode has a second electron emission characteristic superior to thorium oxide. Emitter material is embedded.
The second emitter material is lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 6 O). 11 ) and at least one of neodymium oxide (Nd 2 O 3 ).
The cathode includes a main body portion not including an emitter material and a tip portion containing thorium oxide joined to the main body portion, and the second emitter material includes the main body portion and / or the tip end. It is embedded in the department.

本発明によれば、先端側に酸化トリウムが含有された陰極の内部に、該酸化トリウムよりも電子放射特性が優れた第2のエミッター材が埋設されていることにより、点灯により先端部の酸化トリウムが還元されてトリウムとして先端面に供給されてくるとともに、前記第2のエミッター材からも陰極の先端面にエミッターが拡散供給されてくる。
このように、陰極先端面では、酸化トリウムによるトリウムの単原子層と、第2エミッター材のエミッターの単原子層が共存するように形成されて、トリウム単独の場合よりも電子放射特性が向上するとともに、陰極先端面の動作温度を低く抑えることができる。
この動作温度の低下により、トリウムの消耗を抑えることができるとともに、陰極先端の変形が抑制されて、陰極の寿命が改善される。
According to the present invention, since the second emitter material having electron emission characteristics superior to that of thorium oxide is embedded in the cathode containing thorium oxide on the tip side, the tip portion is oxidized by lighting. Thorium is reduced and supplied as thorium to the tip surface, and the emitter is also diffused and supplied from the second emitter material to the tip surface of the cathode.
In this way, the cathode front end surface is formed so that the monoatomic layer of thorium by thorium oxide and the monoatomic layer of the emitter of the second emitter material coexist, and the electron emission characteristics are improved as compared with the case of using only thorium. At the same time, the operating temperature of the cathode tip surface can be kept low.
This decrease in operating temperature can suppress thorium consumption, suppress deformation of the cathode tip, and improve the life of the cathode.

本発明の放電ランプの陰極構造の断面図。Sectional drawing of the cathode structure of the discharge lamp of this invention. 本発明の作用説明図。FIG. 2種類のエミッターの電子放射特性比較図。Comparison of electron emission characteristics of two types of emitters.

図1はこの発明のショートアーク型放電ランプに用いられる陰極構造を示し、陰極1は、純タングステンからなる本体部2と、タングステン中に酸化トリウム(ThO)が含有されたトリエーテッドタングステン(いわゆる、トリタン)からなる先端部3とから構成され、これら本体部2と先端部3とは、拡散接合などの手段により接合されている。
そして、陰極1の内部には密閉空間4が形成されていて、この密閉空間4内には、酸化トリウムよりも電子放射特性の優れた第2のエミッター材5が封入されている。
この実施例では、密閉空間4は、本体部2に上端に開口する有底孔を形成して、この本体部2に先端部3を接合することで形成される。
FIG. 1 shows a cathode structure used in a short arc type discharge lamp according to the present invention. A cathode 1 includes a main body portion 2 made of pure tungsten, and triated tungsten (so-called thorium oxide (ThO 2 ) contained in tungsten). , Tritan), and the main body 2 and the tip 3 are joined by means such as diffusion bonding.
A sealed space 4 is formed inside the cathode 1, and a second emitter material 5 having an electron emission characteristic superior to that of thorium oxide is enclosed in the sealed space 4.
In this embodiment, the sealed space 4 is formed by forming a bottomed hole that opens at the upper end of the main body 2 and joining the front end 3 to the main body 2.

そして、密閉空間4内に封入される第2のエミッター材5は、酸化ランタン(La)、酸化セリウム(CeO)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化プラセオジム(Pr11)、酸化ネオジム(Nd)等であって、いずれも先端部3に含まれる酸化トリウムよりも電子放射特性が優れている材料である。
密閉空間4内には、これらのエミッター材の1種もしくは2種以上が封入される。
第2のエミッター材5は、例えば、タングステンと前記酸化物の1種もしくは2種以上とのの焼結体として形成して密閉空間4内に封入することができる。
The second emitter material 5 enclosed in the sealed space 4 includes lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), and samarium oxide (Sm 2 O 3). ), Praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), etc., all of which are materials that have better electron emission characteristics than thorium oxide contained in the tip 3.
One or two or more of these emitter materials are enclosed in the sealed space 4.
The second emitter material 5 can be formed, for example, as a sintered body of tungsten and one or more of the oxides and enclosed in the sealed space 4.

また、陰極1の全体構造として、純タングステンの本体部2と、トリエーテッドタングステンの先端部3の接合構造を示したが、本体部2もトリエーテッドタングステンから構成して、陰極1全体に酸化トリウムを含有した構造としたものであってもよい。
更には、陰極1内部に形成される密閉空間4は、本体部2内に形成するものを示したが、これに限られず、先端部3内に形成するものであってもよいし、あるいは、本体部2と先端部3とに跨って形成するものであってもよい。
つまり、本体部および/または先端部の内部に形成するものであればよい。
更には、陰極(本体部)の後端側に開口する有底孔を形成して、この有底孔内に陰極芯線を挿入固定することによって形成することもできる。
In addition, as a whole structure of the cathode 1, a joining structure of a pure tungsten main body 2 and a tritium tungsten tip 3 is shown. However, the main body 2 is also made of triated tungsten, and thorium oxide is formed on the entire cathode 1. It may have a structure containing
Furthermore, although the sealed space 4 formed in the cathode 1 has been shown to be formed in the main body 2, it is not limited thereto, and may be formed in the tip 3, or It may be formed across the main body 2 and the tip 3.
That is, what is necessary is just to form in the inside of a main-body part and / or a front-end | tip part.
Furthermore, it is also possible to form a bottomed hole that opens on the rear end side of the cathode (main body part) and insert and fix the cathode core wire into the bottomed hole.

陰極の電子放射特性は、陰極先端温度と放出電子電流密度の関係によって比較することができる。すなわち、同等の放出電子電流密度を得るための陰極先端温度が低いほど、電子放射特性が優れていることになる。
図3に、エミッターであるTh(トリウム)とCe(セリウム)の電子放射特性の比較図を示す。図に示す通り、ThよりもCeの方が、同等の電子電流密度を得るために必要な温度が低い。つまり、エミッターとしてCe(セリウム)を用いることで、トリウムよりも低い温度で、所望の電子電流密度が達せられることになる。
本願発明では、陰極先端部にトリウムが含有されていると共に、陰極内部にトリウムよりも電子放射特性の優れた第2のエミッター材(例えば希土類系のエミッター材)を備えている。
The electron emission characteristics of the cathode can be compared by the relationship between the cathode tip temperature and the emission electron current density. That is, the lower the cathode tip temperature for obtaining the same emission electron current density, the better the electron emission characteristics.
FIG. 3 shows a comparative view of electron emission characteristics of emitters Th (thorium) and Ce (cerium). As shown in the figure, Ce requires a lower temperature than Th to obtain an equivalent electron current density. That is, by using Ce (cerium) as an emitter, a desired electron current density can be achieved at a temperature lower than that of thorium.
In the present invention, the cathode tip portion contains thorium, and the cathode is provided with a second emitter material (for example, a rare earth emitter material) having electron emission characteristics superior to that of thorium.

図2に示すように、点灯時には、陰極1の先端部3に含まれる酸化トリウム(ThO)が還元されてトリウム(Th)が生成され、これが拡散作用により陰極先端面に移送されて先端面ではトリウムの単原子層(Th on W)が形成される。
これとともに、電子放射特性の優れた第2のエミッター材である酸化セリウム(CeO)が還元されてセリウム(Ce)が生成され、先端部3内を拡散移送されて、先端面でセリウムの単原子層(Ce on W)が形成される。
このように、電子放射特性の高い第2のエミッター材であるセリウムが陰極先端面に供給されることにより、トリウム単独の場合よりも陰極の動作温度は低くなる。
そのため、エミッターとしてセリウムが作用している間は、電極先端部の温度は低い状態に維持されるので、その間はトリウムの消耗が抑えられる。またセリウムが枯渇し始めた段階ではじめて、温存されていたトリウムが主として動作し始めるようになるため、より長時間に亘って安定した放電状態を得ることができる。
As shown in FIG. 2, at the time of lighting, thorium oxide (ThO 2 ) contained in the tip portion 3 of the cathode 1 is reduced to generate thorium (Th), which is transferred to the cathode tip surface by a diffusion action and is transferred to the tip surface. Then, a monoatomic layer (Th on W) of thorium is formed.
At the same time, cerium oxide (CeO 2 ), which is a second emitter material with excellent electron emission characteristics, is reduced to produce cerium (Ce), which is diffused and transported within the tip portion 3, and the cerium single substance on the tip surface. An atomic layer (Ce on W) is formed.
As described above, the cerium, which is the second emitter material having high electron emission characteristics, is supplied to the tip surface of the cathode, so that the operating temperature of the cathode becomes lower than that of the case of using only thorium.
Therefore, while cerium is acting as an emitter, the temperature at the tip of the electrode is kept low, so that thorium consumption is suppressed during that time. Also, since the thorium that has been preserved starts to operate mainly when cerium begins to be depleted, a stable discharge state can be obtained for a longer time.

図1、2の実施例に基づく陰極構造の一数値例を挙げると以下のとおりである。
<陰極全体>
全長:17mm
胴径:φ10mm
<先端部>
材料:2wt%トリア(ThO)ドープタングステン、密度18.8g/cm
先端径:φ0.6mm
先端テーパー角:40°
先端部の全長:3mm
<本体部>
材料:カリウム(K)ドープタングステン、密度19.2g/cm
本体部の全長:14mm
<第2のエミッター材>
材料:酸化セリウム(CeO)、タングステン(W)を重量比1:2で混合、成形、焼結した焼結体、 密度9.5g/cm
寸法:φ1.4mm 、軸方向長さ2mm、
<密閉空間>
形成領域:陰極先端からの距離が3mmから5mmの範囲に形成
寸法:φ1.4mm、軸方向長さ2mm
<ランプの構成>
ランプ:4kW、Xeショートアークランプ(デジタルプロジェクター用光源)
電気特性:115A−35V−4kW
One numerical example of the cathode structure based on the embodiment of FIGS. 1 and 2 is as follows.
<Whole cathode>
Total length: 17mm
Body diameter: φ10mm
<Tip>
Material: 2 wt% tria (ThO 2 ) doped tungsten, density 18.8 g / cm 3
Tip diameter: φ0.6mm
Tip taper angle: 40 °
Total length of tip: 3 mm
<Main body>
Material: Potassium (K) doped tungsten, density 19.2 g / cm 3 ,
Total length of main body: 14mm
<Second emitter material>
Material: A sintered body obtained by mixing, molding, and sintering cerium oxide (CeO 2 ) and tungsten (W) at a weight ratio of 1: 2, density: 9.5 g / cm 3
Dimensions: φ1.4mm, axial length 2mm,
<Sealed space>
Formation area: The distance from the cathode tip is 3 mm to 5 mm. Dimensions: φ1.4 mm, axial length 2 mm
<Lamp configuration>
Lamp: 4kW, Xe short arc lamp (light source for digital projector)
Electrical characteristics: 115A-35V-4kW

以上のように、本発明によれば、少なくとも先端部に酸化トリウムを含有する陰極の内部に、酸化トリウムよりも電子放射特性の高い第2のエミッター材を埋設して、電子放射特性の異なる2種のエミッターを用いたことにより、第2のエミッター材が機能して陰極先端面に供給されることで陰極動作温度を低く保つことができ、トリウムの消耗を抑制することができる。
そして、このトリウムの消耗抑制効果はこの第2のエミッターが消耗されるまで継続し、その後トリウムがエミッターとして機能するようになるので、その枯渇時期を遅らせることができて、より長時間に亘って安定した放電状態を得ることができるという効果を奏するものである。
加えて、動作温度が低く抑えられるため、陰極先端部の熱変形が抑制されてアークの安定度が図られるという利点もある。
As described above, according to the present invention, the second emitter material having an electron emission characteristic higher than that of thorium oxide is embedded in the cathode containing at least the thorium oxide at the tip portion, so that the electron emission characteristics are different. By using the emitter of the seed, the cathode operating temperature can be kept low by the second emitter material functioning and being supplied to the cathode tip surface, and thorium consumption can be suppressed.
The thorium consumption suppression effect continues until the second emitter is consumed, and then thorium functions as an emitter, so that the depletion period can be delayed, and for a longer time. There is an effect that a stable discharge state can be obtained.
In addition, since the operating temperature is kept low, there is an advantage that the thermal stability of the tip of the cathode is suppressed and the stability of the arc is achieved.

1 陰極
2 本体部
3 先端部(酸化トリウム含有)
4 密閉空間
5 第2のエミッター材


1 Cathode 2 Body 3 Tip (containing thorium oxide)
4 Sealed space 5 Second emitter material


Claims (3)

発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置されたショートアーク型ショートアーク型放電ランプにおいて、
前記陰極の少なくとも先端部に酸化トリウムが含まれており、該陰極の内部には酸化トリウムよりも電子放射特性が優れた第2のエミッター材が埋設されていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
In the short arc type short arc type discharge lamp in which the cathode and the anode are arranged opposite to each other inside the arc tube,
A short arc type discharge characterized in that thorium oxide is contained at least at the tip of the cathode, and a second emitter material having electron emission characteristics superior to that of thorium oxide is embedded in the cathode. lamp.
前記第2のエミッター材は、酸化ランタン(La)、酸化セリウム(CeO)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化サマリウム(Sm)、酸化プラセオジム(Pr11)、酸化ネオジム(Nd)の少なくとも一つを含有していることを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型放電ランプ。 The second emitter material is lanthanum oxide (La 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), praseodymium oxide (Pr 6 O 11 ). 2. The short arc discharge lamp according to claim 1, comprising at least one of neodymium oxide (Nd 2 O 3 ). 前記陰極は、エミッター材を含まない本体部と、この本体部に接合された、酸化トリウムを含有する先端部とからなり、
前記第2のエミッター材は、前記本体部および/または前記先端部内に埋設されていることを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型放電ランプ。


The cathode comprises a main body portion that does not include an emitter material, and a tip portion that contains thorium oxide bonded to the main body portion,
2. The short arc discharge lamp according to claim 1, wherein the second emitter material is embedded in the main body part and / or the tip part. 3.


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