用于短弧高压灯的电极的制作方法

常规短弧灯是通过经由高压的电离气体（例如，氙（Xe）或汞蒸气）传导电力而制造电光的一类气体放电灯。被制造的明亮白光高度模仿自然日光。氙弧灯例如在电影院内的电影放映机中、在探照灯中使用，并且在工业和研究中用于特殊用途以模拟日光。短弧灯的阳极和阴极之间的弧区如此小，使得为了许多目的，短弧灯实际上是点光源。阳极和阴极一般由钨制造。阴极是小的和尖的，以确保它的尖端达到用于高效电子发射的高温。阳极更厚重以经受电子轰击并且高效地发散产生的热量。在短弧高压Xe灯中，阴极一般由含钍钨材料制造。该含钍钨材料具有卓越的特性（所有氧化物的最高熔化温度，Tmelt=3390℃，以及低功函数φ=2.5eV），这使它理想地作为这样的短弧高压Xe灯中的发射性掺杂物。然而，使用含钍钨（即ThO2掺杂的材料）的一个缺点为它是发射α粒子的放射性材料。已经做出一些尝试以寻找在短弧高压灯中使用的ThO2掺杂的阴极材料的非放射性取代物。例如已进行这样的工作，使用了2%NbO和SmO掺杂的钨材料用于UV灯。也已尝试减少Th浓度（而不是从灯完全移除Th）的替代方法。对于焊弧，也已使用了利用La2O3掺杂、CeO2掺杂、Y2O3掺杂的钨以及W中这三种掺杂物的各种组合的无Th阴极。现有技术图1所示示意图中概述了焊弧情况下这些各种掺杂物的阴极发射的机制。如图1所示，La2O3和CeO2材料两者的熔化带发生在阴极的圆柱形部分（距离尖端5mm或更远）。在CeO2材料的情况下，大量的该掺杂物在达到阴极尖端之前从阴极的侧面耗尽。在La2O3材料的情况下，发射性材料的熔“池”在阴极尖端附近形成。以La2O3覆盖的表面区域对于焊弧可以是有益的，其中与阴极的扩散等离子体连接是期望的。然而在短弧高压灯的情况下，被限制的阴极炽点弧连接是必要的以便创建之后可以被反射器高效地聚焦的点光源。在弧连接的此机制中，含钍钨电极在尖端附近具有19000K的最大等离子体温度，其比La2O3和CeO2掺杂的电极所获得的17000K更高。这是因为，ThO2掺杂的阴极的尖端上的电流连接由于它更高的熔点被ThO2的液体区域的中央位置限制（如现有技术图2所示）。然而对于La2O3和CeO2掺杂的电极来说，扩散弧连接是不可避免的，这减少了它们对于短弧灯应用的可用性。注意，此陈述只在钨基体中均匀分布掺杂物的情况下是对的，如同样在图2中所示。作为在短弧灯中使用的阴极的掺杂物材料，Y2O3掺杂的钨在阴极尖端附近具有与ThO2掺杂的钨的熔化带相似的熔化带。然而，伴随着Y2O3掺杂的材料的问题是其具有“非常低的迁移率”。这意味着，位于阴极尖端的掺杂物的补充不能足够快速地发生，这导致尖端相比于ThO2掺杂的钨在更高温度下操作（即，Y2O3掺杂的钨阴极的尖端温度是4000K，相比之下ThO2掺杂的阴极是3600K）。本领域技术人员应理解，4000K高于钨熔点3695K，这意味着对于常规的Y2O3掺杂的阴极，尖端将熔化，并且发射性材料的扩散将被进一步抑制（扩散主要沿着晶界发生，熔化导致晶粒的快速生长/融合）。因此，本领域中存在对于解决上述常规电极的缺陷的设备的需要。本发明的一方面利用靠近阴极尖端放置Y2O3材料以帮助克服上面提到的此低迁移率限制。本发明的另一方面利用Y2O3材料的“低汽化率”，其使得此掺杂物和掺杂方法对于短弧Xe灯的阴极可行。本发明的另一方面是，为了在阴极尖端附近引入发射性材料掺杂物而使用离子注入。任何下述材料可以单独地或与其它下述材料组合地用作掺杂物材料：Y（或Y2O3）、Ba（或BaO）、Zr（或ZrO）、La（或La2O3）、Ce（或CeO2）。衬底阴极材料可以或者是纯钨或者是以低功函数材料掺杂的钨，该低功函数材料例如为La2O3、CeO2、Y2O3、NbO、SmO、ZrO、BaO（或它们的组合）。就这点而言，可以采用或者传统射束离子注入或者等离子体诱变离子注入（PIII或PLAD），用于在尖端表面下（和附近）制作掺杂物层。本发明的一个实施例指向一种包括阳极和阴极的放电灯。该阴极具有侧面区域和具有通过离子注入诱变的发射性材料掺杂物的尖端区域。该阴极由不包括含钍钨的材料制造。本发明的另一实施例指向用于放电设备的电极，其通过包括下述步骤的过程制备：掩蔽该电极的侧壁部分但留下该电极的尖端区域不被掩蔽，以及将发射性材料掺杂物注入该电极的尖端区域。该电极由不包括含钍钨的材料形成。本发明的另一实施例指向用于放电设备的电极，其通过包括下述步骤的过程制备：使用离子注入将发射性材料掺杂物注入电极，以及在侧壁上沉积扩散势垒以覆盖经注入电极的部分。该电极由不包括含钍钨的材料形成。一般地，本发明的各种方面和实施例可以以在本发明范围内的任何可能方式组合和耦合。视为本发明的主题在位于本说明书的结论部分的权利要求中特别地指出并且明确地要求保护。根据结合所附附图的下述具体实施方式，本发明前述和其它的特征和优点将是显而易见的。图1（现有技术）示出各种掺杂物的阴极示意图。图2（现有技术）示出由于它的更高熔点而被ThO2的液体区域的中央位置限制的ThO2掺杂的阴极的尖端。图3示出根据本发明的一个实施例的阴极。图4示出根据本发明的另一实施例的阴极。图5示出根据本发明实施例的短弧高压灯的示意图。图6示出根据本发明实施例的阴极与常规阴极的光谱输出的比较。图7示出根据本发明实施例的两个阴极的弧连接。对于射束离子注入，注入物的穿透深度（d）由离子和目标（W）材料的质量以及由射束的能量确定，而被注入的掺杂物的浓度由注入的剂量（电流和时间）确定。如图3所示，因为离子注入2是视线表面处理，主要关注区域是掺杂阴极1的尖端区域5。阴极1的侧面区域4应该在过量掺杂物中保持纯净以阻止侧面区域4上的弧连接。如图3所示，阴极1的侧面区域4在离子注入过程期间可以被掩蔽3。替代地，图4示出在阴极1上注入一经注入轮廓6的离子注入步骤1。步骤1之后是在该侧面区域4上沉积扩散势垒7以覆盖经注入轮廓6的部分。扩散势垒7可以由例如碳化钨、硝酸钨、硝酸钛、钽、碳化钽或可比较的高熔化温度材料制造。这样的高熔化温度材料具有高于4000˚F（2200℃）的熔点。替代地，沉积在经注入阴极1之上的一层纯W也可以充当扩散势垒7。注意，图3和4所示的阴极1可以例如是用于数字电影应用的短弧高压Xe灯。图5示出用于数字电影应用的短弧高压灯9的示意图。灯9包括相对于彼此布置、并且封闭于由石英制造的壳体中的阴极1和阳极8。其中的气体可以或者是Xe或者是Hg/Xe。这样的灯9在1kW到10kW之间的DC功率操作。在一个实施例中，如上面提到的，尖端区域5借助离子注入用发射性材料掺杂。优选的发射性掺杂物是钇（Y或Y2O3）。阴极1（衬底）材料是2%Y2O3掺杂的W。离子注入例如借助具有200keV量级的离子能量、达到1x1015at/cm2的总剂量的等离子体诱变离子注入实现。这相当于在阴极表面处的3.6x1022Y原子/cm3的附加原子密度。为了将通过离子注入引入的过量掺杂物只保持在尖端区域5，样本在离子注入后被渗碳。尖端区域5一般定义为阴极1的点或尖端下1-2mm。如图4所示，尖端区域5被保留为不含扩散势垒7（例如碳化钨）。扩散势垒7阻止Y从阴极1的侧面区域4流失。另外，由于渗碳在升高温度下进行，此过程通过将Y扩散到阴极1中帮助扩大钇注入层的深度。在另一实施例中，可以使用在1750℃下真空渗碳30分钟。真空渗碳的此过程在阴极1上形成具有在～20-50um范围内的厚度的W2C层。使用根据此实施例的阴极1的灯（例如在图5中示出）的寿命测试在额定（100%）功率下执行。在最大光强度点（即，弧炽点）处，在寿命测试的每20小时测量这样的灯的光谱特性。在操作的每二十小时同样记录弧连接的图像。下面的表1示出这样的灯的输出特性，屏幕流明、点火特性和电压变化水平（用于测量这样的灯内的闪烁）都与含钍阴极灯相似。阴极类型屏幕流明点火电压闪烁（V峰-峰，V）功率，W2%-ThO2掺杂的W18900-2200025-35kV<1.2V4000渗碳的，注入Y离子的2%-Y2O3掺杂的W1971426.6kV0.3V4000非渗碳的，注入Y离子的2%-Y2O3掺杂的W1904929.8kV0.3V4000表1。表1示出包括常规含钍阴极灯（ThO2掺杂的W）和根据本发明实施例的两个阴极类型灯的不同阴极类型灯的初始光/电气输出。图6示出了相比于标准（常规）（2%含钍渗碳的阴极）灯，Y离子注入的2%-含钇（渗碳的）阴极灯的光谱输出。如图6所示，根据本发明实施例的灯的光谱特性类似于常规的含钍钨阴极灯。注意，在光谱上没有观察到Y峰，并且色温（CCT）和色坐标（x，y）接近于标准（常规）灯值。高压短弧灯的一个特性是在贯穿操作中保持弧连接尽可能接近于点源。图7示出根据本发明实施例的注入Y的渗碳和非渗碳的2%Y2O3掺杂的阴极的弧连接。图7示出这样的阴极1的寿命测试的起始和终止。在此示例中，注意，阴极弧连接在贯穿寿命测试中是点源。表2示出关于渗碳和非渗碳的注入Y的Y2O3阴极的本发明两个实施例，与其它常规的不含Th阴极材料和常规的2%含钍的W阴极之间的比较。如可以从表2看到的，与仅仅Y2O3掺杂的阴极相比，具有渗碳层的注入Y的阴极的灯的寿命表现出75%的增加（350小时对200小时）。相比于2%含钍灯，此具有渗碳层的注入Y阴极的灯也具有名义寿命的70%。通过改变离子注入参数（剂量和离子能量），可以分别调整表面附近的钇的表面浓度和含钇层的深度。这还可以改进阴极1的寿命表现。在本发明其它的实施例中，发射性掺杂物材料可以包括但不限于单独使用的或与彼此组合使用的下述材料任何一种：Y（或Y2O3）、Hf（或HfO）、Ba（或BaO）、Zr（或ZrO）、La（或La2O3）、Ce（或CeO2）。在本发明的又一其它的实施例中，阴极1的体/衬底材料可以或者由纯钨或者利用下述材料掺杂的钨制造：La2O3、CeO2、Y2O3、NbO、SmO、ZrO、BaO。在本发明另一实施例中，任何的下述技术可以用于将发射性掺杂物材料（上面已提到）注入到阴极衬底材料（上面已提到）中：离子束离子注入、等离子体诱变离子注入（PIII），等离子体掺杂（PLAD），团簇离子注入或离子束混合。而且注意，不同技术使用的离子束的最小能量是30keV，并且对于向阴极1的尖端区域5引入足够量的掺杂物材料来说，1x1012at/cm2的最小剂量是必要的。在本发明又一实施例中，阴极1可以具有在阴极1的侧面上形成的扩散势垒7（例如，WxC、WN、TiN、Ta、TaC），以在阴极1的侧面4上限制被注入的材料的释放，以及阻止弧连接扩大和/或移动。扩散势垒7可以借助CVD、PVD、PECVD、等离子喷涂或烧结被沉积在阴极1上。该扩散势垒的最小厚度是在10um的量级上。在本发明的另一实施例中，阴极1可以具有借助CVD、PVD、PECVD、等离子喷涂或烧结而沉积在被注入的层之上的附加W层。此W层也可以充当扩散势垒7以阻止阴极1的侧面4上的弧连接。替代地，阴极1可以借助使用固体掩蔽的离子注入制作，以阻止或最小化在阴极1的侧面4上的掺杂物注入，并且因此阻止/最小化弧连接扩大和/或移动/闪烁。上面描述的阴极1的各种实施例可以在不同短弧高压灯中使用，该短弧高压灯包括但不限于：用于数字电影应用的Xe和/或Xe/Hg灯，以及陶瓷Xe灯。前述具体实施方式已经陈述了本发明可以采用的许多形式的一些。上述示例仅仅阐释了本发明各种方面的若干可能的实施例，其中本领域其它技术人员在阅读和理解本发明及所附加的附图时将想到等同变形和/或修改。特别地，关于上述部件执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语（包括对“构件”的引用）旨在对应于执行所描述部件的指定功能（即，在功能上等同）的任何部件（除非以其它方式指出对应于任何部件），例如硬件或它们的组合，即使不是在结构上等同于执行本公开内容的所阐释实现方式中的功能的所公开结构。尽管本发明的具体特征可能已经结合若干实现方式中的仅仅一个进行阐释和/或描述，这样的特征可以与其它实现方式的一个或多个其它特征组合，因为这对于任何给出的或具体的应用来说可能是期望的或有利的。而且，除非另作说明，单个部件或项目的引用旨在包含两个或更多个这样的部件或项目。同样的，在术语“包括（including）”、“包括（includes）”、“具有（having）”、“具有（has）”、“含有”或它们的变形在具体实施方式和/或权利要求中使用的范围而言，这样的术语旨在以类似于术语“包含”的方式是包容性的。本发明已经参考优选的实施例而描述。然而，在阅读和理解前述具体实施方式时，其他人将想到修改和变形。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变形。旨在只由包括所有等同物的权利要求定义本发明的范围。当前第1页1 2 3