短弧高压放电灯的制作方法
短弧高压放电灯的制作方法
【专利摘要】本发明提供提高了阳极的形状稳定性、耐蒸发性和加工性的短弧高压放电灯。一种短弧高压放电灯，其特征在于，具备放电容器(2)、由包含钾的钨系材料形成的阳极(4)、和阴极(3)，前述阳极(4)包含前述阳极(4)与电弧相互作用的功能面区域(4a)、和与前述功能面区域(4a)邻接的主体区域(4b)，其中，在与前述阳极(4)的纵轴线(Z)平行的方向的前述功能面区域(4a)与前述主体区域(4b)之间，前述阳极(4)的前述钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
【专利说明】短弧高压放电灯【技术领域】
[0001]本发明涉及大于IkW的标称功率下点売的短弧闻压放电灯。
【背景技术】
[0002]这种灯通常用于电影院的放映机(投影仪)，或者用于半导体和液晶显示器的制造中的光刻技术。这样的短弧高压放电灯包含设置于放电容器内的阳极和阴极。该放电容器中通常封装有包含稀有气体、或者稀有气体的混合气、通常为氩气(Ar)、氪气(Kr)、和/或氣气(Xe)的装填物。多数情况下，该装填物通常还包含lmg/cm3~8 lmg/cm3量的萊(Hg)。这样的短弧高压放电灯内的阳极通常由钨系材料形成。
[0003]短弧高压放电灯中，通过电子与阳极撞击，阳极被加热至高温(通常2000°C~3000°C之间)。结果，阳极材料蒸发，会沉积于放电容器的内壁。该沉积了的阳极材料使放电容器浑浊或者发黑，进而，由此来自该放电灯的光束的一部分被吸收，实用光束会被减弱。这样的影响通常在放电灯的耐用期间中变得越来越显著。因此，随着该放电灯的工作时间增加，阳极材料蒸发，由此实用光束会被减弱。
[0004]在上述影响基础上，该短弧高压放电灯的总耐用时间缩短并且还存在可能减弱其实用光束的进一步的影响。例如，阴极的品质随着工作期间不断劣化。特别是，阴极逐渐磨薄，而且阴极的前部前端进一步变宽。然而，特别是具有包含汞的装填物的短弧高压放电灯中，阳极材料的蒸发对该放电灯的总耐用期间而言是决定性的因素。
[0005]特别是封装压力高 于3bar的情况下，该阳极的材料的蒸发随着封装压力增加而变得更加显著。这样高的稀有气体或者稀有气体混合气体(通常包含Ar和/或Kr和/或Xe)的封装压力用于缩短电弧的宽度。这样，该放电灯用于光学系统时，实用辐射光增强，该放电灯具有更高的亮度(高亮度灯)。结果，由于阳极材料带来的高的热负荷，由热产生的应力有时也变大，进而，由此功能面区域(functional surface region)有时也局部地变形。
[0006]通常上述种类的短弧高压放电灯在直流电以及恒定功率(瓦特)下工作。然而，某些用途中，周期地调制其功率是有利的。即便这样调制功率而使其工作，有时也会增加阳极材料的蒸发。
[0007]为了解决上述问题，特别是为了减少阳极材料的蒸发，减少阳极的功能面区域的局部变形的出现，进行了不同的尝试。特别是为了利用热辐射在远离阳极的位置增加热通量而增大了阳极的直径。进而，提出了对阳极进行涂布和/或将阳极结构化的不同的方法。例如，作为阳极的功能面区域用的涂布材料，使用粗粒钨或者树枝状铼。然而，具有低温封装压力超过某值这样的高封装压力的短弧高压放电灯中，这些对策不能充分地预先将阳极材料的蒸发抑制在允许值以下。
[0008]进而，由包含钾作为添加剂的钨系材料形成阳极的放电灯如下所述。不溶性钾颗粒对于在非常高的温度下进行的位错(dislocation)赋予充分的耐久力，由此带来优异的形状稳定性。发现不仅形状稳定性优异，而且掺杂了钾的钨材料在超过2500°C的高温下使用时，有时也表现出沿着晶界过渡的晶体生长。这样的晶体生长带来高的孔隙率，降低导热率。
[0009]专利文献I中记载了大于1.5kff的标称功率下的DC点亮用高压汞放电灯(包含阳极)。该阳极的至少一部分区域由至少含有若干钨的材料形成。该材料具有多于每Imm2中200粒的晶粒数、和大于19.05g/cm3的密度。该材料中掺杂有钾。该情况下，钾的量少于 50ppmo
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:国际公开第2008/077832A1号小册子
【发明内容】
[0013]发明要解决的问题
[0014]本发明的目的在于提供大于IkW的标称功率下的直流点亮用的短弧高压放电灯，所述短弧高压放电灯能提高阳极的形状稳定性和耐蒸发性，同时，即便在制造中阳极材料受到高温加工之后也能提供阳极的优异的加工性。
[0015]本发明的目的通过权利要求1所述的大于IkW的标称功率下的直流点亮用的短弧高压放电灯来解决。从属权利要求中定义了进一步的展开。
[0016]该短弧高压放电灯包含:放电容器，低温封装压力为0.5bar以上并且封装有包含至少一种稀有气体和任意的萊的装填物；阳极，由包含5ppm?80ppm的钾的鹤系材料形成；以及阴极。该阳极和阴极设置于放电容器内。阳极具有直径d(其中，10mm〈d〈70mm)，并且包含阳极与电弧相互作用的功能面区域、和与该功能面区域邻接的主体区域。该功能面区域包含在与阳极的纵轴线垂直的平面内测定的晶粒区域比2mm2宽的、至少I粒的晶粒。上述主体区域内的钨系材料的晶粒数多于每Imm2中100粒。该情况下，该晶粒数在与阳极的纵轴线垂直的第2平面内测定，并且，该第2平面具有至上述功能面区域的表面为止的轴向的距离s(其中，s大于d)。在与阳极的纵轴线平行的方向的功能面区域与主体区域之间，阳极的钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
[0017]该功能面区域内的至少I粒晶粒的晶粒区域可以通过光学显微镜在例如该功能面区域的研磨面上确定，上述主体区域内的钨系材料的晶粒数按照ASTM E112来定义。阳极的直径d定为阳极的最大直径。阳极包含圆筒形部分和邻接圆锥部分的代表性的例子中，该圆筒形部分的直径定为阳极的直径d。低温封装压力这一术语被理解为室温下的放电容器的封装压力。进而，对于5ppm?SOppm的钾含量，阳极的钨系材料有时还可以包含能以氧化物的形式添加的另外的添加剂，特别是硅(Si)和铝(Al)。阳极的纵轴线对应于电弧展开的轴线。上述功能面区域例如优选由钨系材料的仅I粒的晶粒形成，或者也有时由2粒以上的被限定的量的晶粒形成。优选的是，功能面区域包含2粒以上的晶粒的情况下，该功能面区域内的钨系材料的所有晶粒具有比2mm2宽的晶粒区域。上述主体区域内的晶粒数多于每Imm2中100粒，S卩，该主体区域由微粒结构形成，另外，该功能面区域内的晶粒区域比2_2宽，其对应于相较而言极大的晶粒度，所以在晶粒度这一点上，该功能面区域与主体区域之间存在极端的差异。该主体区域与功能面区域邻接，因此，在该功能面区域和主体区域之间，晶粒度存在急剧变化。可知特别是将这样的晶粒度的急剧变化(这是二次重结晶中的、不连续的晶粒生长的征兆)、阳极的钨系材料中确定量的钾、该功能面区域内的较大的晶粒度、以及微晶粒度组合时，能够实现特别高水准的形状稳定性和不优选的晶体生长的低风险。由此，在短弧高压放电灯的耐用期间，该短弧高压放电灯的光束增多。特别是，能够极有效地减小起因于阳极材料的蒸发的实用光束的减少。主体区域与功能面区域邻接，所以在功能面区域和主体区域之间，完全不存在包含中间晶粒度的区域。该适用于直流工作短弧高压放电灯能够特别适合于例如恒定功率下的直流工作，或者适合于调制了的功率下的直流工作。该阳极也有时具有例如大致圆筒形的形状(例如，在功能面区域内或者功能面区域附近包含圆的形状或者圆锥形状)。该情况下，纵轴线与该圆柱中心线一致。
[0018]用于解决问题的方案
[0019]根据一个实施例，上述主体区域内的钨系材料具有实质上不依赖于位置的晶粒数。换言之，这样的情况下，晶粒数在主体区域的容积内几乎为一定。该情况下，整个主体区域具有微晶粒度，而且在主体区域与功能面区域之间，对晶粒度赋予特别急剧的变化。该情况下，该主体区域具有格外优异的加工性。
[0020]根据一个实施例，该阳极的钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。该情况下，该阳极用极其致密的制作方法来实现，使得阳极存在高的导热率。这样一来，该短弧高压放电灯的工作中，能够有效地抑制阳极中由热产生的应力。
[0021]根据一个实施例，上述功能面区域在与纵轴线平行的方向上具有厚度t。该情况下，d/20〈t〈d/5,特别是d/10〈t〈d/5。可知，由该功能面区域的上述厚度带来该短弧高压放电灯的特别有利的性质。
[0022]根据一个实施例，上述功能面区域包含具有比5mm2宽，特别是比IOmm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。功能面区域包含2粒以上的晶粒的情况下，优选该功能面区域的所有晶粒具有这样宽的晶粒区域。特别是，通过这样宽的晶粒区域，阳极材料的蒸发被有效地抑制，所以，该放电灯的耐用期间变长。
[0023]根据一个实施例，上述功能面区域由仅I粒的晶粒形成。这样的情况下，晶界从该功能面区域被排除，因此，无论何种晶界，均不与电弧相互作用。由此，能够特别稳定地实现阳极。
[0024]根据一个实施例，上述主体区域内的阳极的钨系材料具有多于每Imm2中200粒的、特别是每Imm2中350粒以上的晶粒数。这样的情况下，主体区域内的晶粒度进一步变细，因此，阳极的加工性进一步提高。进而，在主体区域和功能面区域之间，晶粒度的急剧变化变得更加显著。这样一来，形状稳定性和耐蒸发性进一步提高。
[0025]根据一个实施例，阳极的鹤系材料中的钾的量少于50ppm,特别为8ppm?45ppm,尤其为IOppm?40ppm。这些钾量的数值极有效地防止由位错的进行所导致的阳极的变形。这样的情况下，充满钾的晶体使位错受到吸引性的相互作用，因此该阳极材料具有高的蠕变抗力。
[0026]根据一个实施例，阳极的钨系材料还包含Al和/或Si。Al和/或Si例如可以通过在阳极的粉末冶金制造工艺中添加对应的氧化物而提供。Al和Si能够有利地在阳极的粉末冶金制造工艺中使阳极的钨系材料中的钾含量稳定，实现阳极的高稳定性，并且有效地防止位错的进行。
[0027]根据一个实施例，该短弧高压放电灯具有大于4kW的标称功率,优选具有大于5kW的标称功率。根据一个实施例，该装填物包含lmg/cm3?50mg/cm3的萊。特别是这些情况下，阳极材料的蒸发往往更多地发生，必须有效地防止。
[0028]根据一个实施例，该低温封装压力为0.5bar以上，特别为1.5bar以上，另外，该短弧高压放电灯适合于恒定功率下的工作。根据其他的实施例，该低温封装压力为0.5bar以上，特别为1.5bar以上，另外，该短弧高压放电灯适合于调制了的功率下的工作。特别是，使该短弧高压放电灯适合于这样的工作方式的情况下，需要有效地抑制阳极材料的蒸发。
[0029]参照下面的附图由一个实施方式的下述说明可知进一步的展开和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1以示意图表示短弧高压放电灯。
[0031]图2示出一个实施方式的短弧高压放电灯的阳极的显微镜照片。
[0032]图3为对于该实施方式的短弧高压放电灯、以及对于2个比较例，以工作时间的函数的形式示出相对流明(Iumina)维持率的图表。
[0033]图4以示意图示出由图2的显微镜照片确定的主体区域与功能面区域之间的晶粒度的差。
【具体实施方式】
[0034]接着，参照这些【专利附图】
【附图说明】一个实施方式。图1示出短弧高压放电灯I。短弧高压放电灯I包含放电容器2。在放电容器2的内部设有阴极3和阳极4。如图1所示，阳极4的面向阴极3的一侧呈现出具有带有锥体的边缘的大致圆筒形的形状。阴极3包含圆锥形的前端部分。短弧高压放电灯I的工作中，在阴极3的圆锥形前端部分和阳极4之间形成有电弧。该电弧在与阳极4的纵轴线Z大致平行的方向上展开。图示的实施方式中，阳极4的纵轴线Z与阳极4的圆筒形部分的圆柱中心线一致。
[0035]如图1所示，阳极4也有时优选在面向阴极3—侧包含带有锥体的形状。在面向阴极3的一侧，阳极4包含电弧与阳极4相互作用的功能面区域4a。阳极4在远离阴极3的方向、在功能面区域4a的紧邻处包含主体区域4b。功能面区域4a和主体区域4b两者均由包含5ppm?80ppm的钾作为添加剂的鹤系材料形成。钾的量优选少于50ppm,进而优选为8ppm?45ppm,最优选为IOppm?40ppm。功能面区域4a和主体区域4b两者均由同一材料形成，几乎具有相同密度。然而，如以下更详细的说明那样，功能面区域4a内的晶粒度与主体区域4b内的晶粒度显著地不同。例如，阳极4的材料也可以为赋予了上述量的钾作为添加剂的钨。然而，有时还进一步赋予了其他的添加剂。例如，有时进一步添加了少量的铝(Al)和/或硅(Si)作为其他的添加剂。例如，这些添加剂有时以氧化物的形式添加。优选上述少量的铝和/或硅与钾的量为相同水平。
[0036]上述圆筒形部分中，阳极4具有IOmm?70mm范围内的直径。进而，阳极的钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。这样一来，在短弧高压放电灯I的工作中，通过热传递和热辐射，能够有效地将热量从功能面区域4a传输出去。
[0037]主体区域4b中，该钨系材料包含具有多于每Imm2中100粒的晶粒数、优选多于每Imm2中200粒的晶粒数、进一步优选多于每Imm2中350粒的晶粒数的微晶粒度。该晶粒数根据ASTM E112，在垂直于阳极4的纵轴线的平面内测定。例如，该晶粒数在距功能面区域4a的表面仅隔距离s的位置测定。其中，距离s比上述确定的直径d大。该晶粒数在阳极4的整个主体区域4b内几乎为一定。换言之，该晶粒数实质上在主体区域4b内不依赖于位置。
[0038]功能面区域4a由阳极4中面向阴极3的面扩展至主体区域4b。即，在功能面区域4a与主体区域4b之间，完全没有夹设其他的区域(具有中间晶粒度/晶粒数)。功能面区域4a具有与主体区域4b内的晶粒度极其不同的晶粒度。功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成，或者有时包含少数的晶粒。优选功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成。功能面区域4a包含具有比2mm2宽的晶粒区域、优选比5mm2宽的晶粒区域、进一步优选比IOmm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。该晶粒区域由功能面区域4a的显微镜照片测定。在功能面区域4a内包含多个晶粒的情况下，这些所有的晶粒优选具有如上确定的宽的晶粒区域。在半径方向上，功能面区域4a至少形成于阳极4中与纵轴线Z交叉的表面部分。在与纵轴线Z平行的方向上，功能面区域4a具有d/20?d/5的厚度t，优选具有d/ΙΟ?d/5的厚度t。此处，d为如上确定的阳极4的直径。
[0039]功能面区域4a内的晶粒区域宽，另外，主体区域4b (位于功能面区域4a的紧邻处)内的晶粒数多，所以在功能面区域4a与主体区域4b间的界面处，晶粒度存在显著的急剧变化。特别是可知这样的晶粒度的急剧变化、即不存在中间晶粒度的区域对于阳极4的特性带来有利的影响。可以认为功能面区域4a与主体区域4b之间的这种晶粒度的急剧变化是由功能面区域4a内的不连续的晶粒生长所导致的。
[0040]上述阳极4的特性可以如下实现:由采取微粉形式的钨系材料形成阳极4，对于这样形成的大变形前的阳极材料，在稍微低的温度(例如，低于1300°C )下施加大变形(例如，具体而言，变形度高变形度的能量被该大变形前的阳极吸取。其结果，能够得到重结晶中产生的较大的力，带来高速的晶界的生长，此外钾晶体被引入到这些晶粒的内部。由此，沿着这些晶界的不期望的晶体生长受到抑制。
[0041]实施例
[0042]将一个实施方式的短弧高压放电灯I与2个比较样品进行比较。将该比较的结果示于图3中。图3中，对于该实施方式的短弧高压放电灯1，以及对于2个比较样品，以工作时间(用时间表示)的函数的形式绘制了相对流明维持率(用百分率表示)。该相对流明维持率给出与初始光束相比较的光束的变化。对于该实施方式的测定值用圆绘制，对于第I比较例的测定值用黑色的三角形绘制，另外，对于第2比较例的测定值用黑色的正方形绘制。
[0043]该实施方式与这些比较例中，各自的阳极由添加了钾⑷、招(Al)、硅(Si)的钨形成。该阳极材料的密度在所有的3个例子中均为19.lg/cm3。
[0044]该实施方式中，钾的量为25ppm,另外，招的量为18ppm,进而,娃的量为6ppm。
[0045]第I比较例中，钾的量为26ppm,另外，招的量为18ppm,进而,娃的量为7ppm。
[0046]第2比较例中，钾的量为24ppm,另外，招的量为17ppm,进而,娃的量为7ppm。
[0047]本实施方式中，主体区域4b包含约350粒的晶粒数/mm2,另外，功能面区域4a由具有约12_2的晶粒度的仅I粒的晶粒形成。图2中示出该实施方式的短弧高压放电灯的阳极的一部分的显微镜照片。图2中，明确可知:功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成，主体区域4b包含微粒。因此，在功能面区域4a与主体区域4b之间的界面处，晶粒度存在急剧变化。其在图4中用示意图示出。该实施方式的阳极4的结构通过由具有期望的组成、并且平均晶粒度为3.5 μ m的钨系粉末形成阳极材料从而得到。“大变形前的(粗制)”阳极在约2000bar下受到冷等静压，在高于2200°C的温度下烧结。阳极4 (或者，更确切而言，该阶段中为阳极材料)在低于1300°C的温度下变形至高于66%的具体的变形度ΛΑ/Α。这样形成的阳极4在2200°C下进行180分钟退火处理。在短弧高压放电灯I上安装阳极4之后，将阳极4加热至约3000°C的最高工作温度。该情况下，加热以约60分的时间间隔连续地进行。
[0048]在上述2个比较例中，主体区域4b和功能面区域4a两者具有约350粒的几乎相同的晶粒数/mm2。
[0049]该实施方式和这些比较例的阳极均在粉末冶金制造工艺中形成。其结果，得到的阳极的形状通过锤锻(hammering)、磨削(grinding)、统削(milling)、清洗、回火(tempering)等周知的技法而实现。与该实施方式的阳极4对照地,这些比较例的阳极没有受到在稍微低的温度下的大变形。
[0050]由图3可见，该实施方式的短弧高压放电灯的相对流明持率以工作时间的函数的形式表现出显著地提高的行为。即，该光束与这些比较例相比较，随着时间，衰减程度受到抑制。
[0051]因此，本发明的短弧高压放电灯的阳极的稳定性与现有的实施例相比较，表现出实质上的提高。根据本发明，实质上，可以实现无论何种晶界均不与电弧相互作用。在某种程度上可以认为这是由二次重结晶中的不连续的晶粒生长所带来的。不连续的晶粒生长高速地进行。由此，晶粒实质上不受晶界的影响，能够避免沿着这些晶界由合体而导致的进一步的晶粒的粗大化。充满钾的晶体使位错受到吸引性的相互作用，由此阳极材料具有高的蠕变抗力，所以能够避免由位错的进行所导致的变形。进一步可知，在本发明的短弧高压放电灯的工作中，能够防止主体区域4b内的被制成细的粒状的晶粒的进一步生长。
[0052]稍稍说明了特定的实施方式，但不应视为这些实施方式限定本发明的权利要求书的范围。
[0053]附图标记说明
[0054]I 短弧高压放电灯
[0055]2 放电容器
[0056]3 阴极
[0057]4 阳极
[0058]4a功能面区域
[0059]4b主体区域
[0060]Z 纵轴线
【权利要求】
1.一种短弧高压放电灯，其特征在于，其为适用于大于IkW的标称功率下的直流工作的短弧高压放电灯(1)，具备: 放电容器(2)，低温封装压力为0.5bar以上并且封装有包含至少一种稀有气体和汞的装填物； 阳极⑷，由包含5ppm~80ppm的钾的鹤系材料形成；和 阴极⑶， 所述阳极⑷和所述阴极⑶设置于所述放电容器⑵内，另外，所述阳极⑷具有直径d，其中，10mm〈d〈70mm，并且所述阳极(4)包含:所述阳极(4)与电弧相互作用的功能面区域(4a)、和与所述功能面区域(4a)邻接的主体区域(4b)； 其中，所述功能面区域(4a)包含在与所述阳极(4)的纵轴线(Z)垂直的平面内测定的晶粒区域比2mm2宽的至少I粒的晶粒； 所述主体区域(4b)内的所述钨系材料的晶粒数多于每Imm2中100粒，该情况下，所述晶粒数在所述阳极(4)的与所述纵轴线(Z)垂直的第2平面内测定，并且，所述第2平面具有至所述功能面区域的表面为止的轴向的距离s，其中，s大于d，在与所述纵轴线(Z)平行的方向的所述功能面区域(4a)与所述主体区域(4b)之间，所述阳极(4)的所述钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
2.根据权利要求1所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述主体区域(4b)内的所述钨系材料具有 实质上不依赖于位置的晶粒数。
3.根据权利要求1或2所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)在与所述纵轴线(Z)平行的方向上具有厚度t，该情况下d/20〈t〈d/5。
5.根据权利要求1~4中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)包含具有比5mm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。
6.根据权利要求1~5中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)由仅I粒的晶粒形成。
7.根据权利要求1~6中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述主体区域(4b)内的所述阳极⑷的所述钨系材料具有多于每Imm2中200粒的晶粒数。
8.根据权利要求1~7中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述鹤系材料中的钾的量少于50ppm。
9.根据权利要求1~8中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述钨系材料还包含Al和/或Si。
10.根据权利要求1~9中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，具有大于4kff的标称功率。
11.根据权利要求1~10中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述装填物包含 lmg/cm3 ~50mg/cm3 的萊。
12.根据权利要求1~11中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述低温封装压力为0.5bar以上，并且所述短弧高压放电灯适合用于恒定功率下的工作。
13.根据权利要求1~11中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述低温封装压力为0.5bar以上，并且所述短`弧高压放电灯适合用于调制了的功率下的工作。
【文档编号】H01J61/073GK103733301SQ201280038924
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月6日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】F·波勒, P·阿本桑, T·威尔, I·韦泽曼, 小平宏, 芹泽和泉, 早川壮则, 前岛慎 申请人:普兰西欧洲股份公司, 株式会社奥珂制作所
【专利摘要】本发明提供提高了阳极的形状稳定性、耐蒸发性和加工性的短弧高压放电灯。一种短弧高压放电灯，其特征在于，具备放电容器(2)、由包含钾的钨系材料形成的阳极(4)、和阴极(3)，前述阳极(4)包含前述阳极(4)与电弧相互作用的功能面区域(4a)、和与前述功能面区域(4a)邻接的主体区域(4b)，其中，在与前述阳极(4)的纵轴线(Z)平行的方向的前述功能面区域(4a)与前述主体区域(4b)之间，前述阳极(4)的前述钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
【专利说明】短弧高压放电灯【技术领域】
[0001]本发明涉及大于IkW的标称功率下点売的短弧闻压放电灯。
【背景技术】
[0002]这种灯通常用于电影院的放映机(投影仪)，或者用于半导体和液晶显示器的制造中的光刻技术。这样的短弧高压放电灯包含设置于放电容器内的阳极和阴极。该放电容器中通常封装有包含稀有气体、或者稀有气体的混合气、通常为氩气(Ar)、氪气(Kr)、和/或氣气(Xe)的装填物。多数情况下，该装填物通常还包含lmg/cm3~8 lmg/cm3量的萊(Hg)。这样的短弧高压放电灯内的阳极通常由钨系材料形成。
[0003]短弧高压放电灯中，通过电子与阳极撞击，阳极被加热至高温(通常2000°C~3000°C之间)。结果，阳极材料蒸发，会沉积于放电容器的内壁。该沉积了的阳极材料使放电容器浑浊或者发黑，进而，由此来自该放电灯的光束的一部分被吸收，实用光束会被减弱。这样的影响通常在放电灯的耐用期间中变得越来越显著。因此，随着该放电灯的工作时间增加，阳极材料蒸发，由此实用光束会被减弱。
[0004]在上述影响基础上，该短弧高压放电灯的总耐用时间缩短并且还存在可能减弱其实用光束的进一步的影响。例如，阴极的品质随着工作期间不断劣化。特别是，阴极逐渐磨薄，而且阴极的前部前端进一步变宽。然而，特别是具有包含汞的装填物的短弧高压放电灯中，阳极材料的蒸发对该放电灯的总耐用期间而言是决定性的因素。
[0005]特别是封装压力高 于3bar的情况下，该阳极的材料的蒸发随着封装压力增加而变得更加显著。这样高的稀有气体或者稀有气体混合气体(通常包含Ar和/或Kr和/或Xe)的封装压力用于缩短电弧的宽度。这样，该放电灯用于光学系统时，实用辐射光增强，该放电灯具有更高的亮度(高亮度灯)。结果，由于阳极材料带来的高的热负荷，由热产生的应力有时也变大，进而，由此功能面区域(functional surface region)有时也局部地变形。
[0006]通常上述种类的短弧高压放电灯在直流电以及恒定功率(瓦特)下工作。然而，某些用途中，周期地调制其功率是有利的。即便这样调制功率而使其工作，有时也会增加阳极材料的蒸发。
[0007]为了解决上述问题，特别是为了减少阳极材料的蒸发，减少阳极的功能面区域的局部变形的出现，进行了不同的尝试。特别是为了利用热辐射在远离阳极的位置增加热通量而增大了阳极的直径。进而，提出了对阳极进行涂布和/或将阳极结构化的不同的方法。例如，作为阳极的功能面区域用的涂布材料，使用粗粒钨或者树枝状铼。然而，具有低温封装压力超过某值这样的高封装压力的短弧高压放电灯中，这些对策不能充分地预先将阳极材料的蒸发抑制在允许值以下。
[0008]进而，由包含钾作为添加剂的钨系材料形成阳极的放电灯如下所述。不溶性钾颗粒对于在非常高的温度下进行的位错(dislocation)赋予充分的耐久力，由此带来优异的形状稳定性。发现不仅形状稳定性优异，而且掺杂了钾的钨材料在超过2500°C的高温下使用时，有时也表现出沿着晶界过渡的晶体生长。这样的晶体生长带来高的孔隙率，降低导热率。
[0009]专利文献I中记载了大于1.5kff的标称功率下的DC点亮用高压汞放电灯(包含阳极)。该阳极的至少一部分区域由至少含有若干钨的材料形成。该材料具有多于每Imm2中200粒的晶粒数、和大于19.05g/cm3的密度。该材料中掺杂有钾。该情况下，钾的量少于 50ppmo
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:国际公开第2008/077832A1号小册子
【发明内容】
[0013]发明要解决的问题
[0014]本发明的目的在于提供大于IkW的标称功率下的直流点亮用的短弧高压放电灯，所述短弧高压放电灯能提高阳极的形状稳定性和耐蒸发性，同时，即便在制造中阳极材料受到高温加工之后也能提供阳极的优异的加工性。
[0015]本发明的目的通过权利要求1所述的大于IkW的标称功率下的直流点亮用的短弧高压放电灯来解决。从属权利要求中定义了进一步的展开。
[0016]该短弧高压放电灯包含:放电容器，低温封装压力为0.5bar以上并且封装有包含至少一种稀有气体和任意的萊的装填物；阳极，由包含5ppm?80ppm的钾的鹤系材料形成；以及阴极。该阳极和阴极设置于放电容器内。阳极具有直径d(其中，10mm〈d〈70mm)，并且包含阳极与电弧相互作用的功能面区域、和与该功能面区域邻接的主体区域。该功能面区域包含在与阳极的纵轴线垂直的平面内测定的晶粒区域比2mm2宽的、至少I粒的晶粒。上述主体区域内的钨系材料的晶粒数多于每Imm2中100粒。该情况下，该晶粒数在与阳极的纵轴线垂直的第2平面内测定，并且，该第2平面具有至上述功能面区域的表面为止的轴向的距离s(其中，s大于d)。在与阳极的纵轴线平行的方向的功能面区域与主体区域之间，阳极的钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
[0017]该功能面区域内的至少I粒晶粒的晶粒区域可以通过光学显微镜在例如该功能面区域的研磨面上确定，上述主体区域内的钨系材料的晶粒数按照ASTM E112来定义。阳极的直径d定为阳极的最大直径。阳极包含圆筒形部分和邻接圆锥部分的代表性的例子中，该圆筒形部分的直径定为阳极的直径d。低温封装压力这一术语被理解为室温下的放电容器的封装压力。进而，对于5ppm?SOppm的钾含量，阳极的钨系材料有时还可以包含能以氧化物的形式添加的另外的添加剂，特别是硅(Si)和铝(Al)。阳极的纵轴线对应于电弧展开的轴线。上述功能面区域例如优选由钨系材料的仅I粒的晶粒形成，或者也有时由2粒以上的被限定的量的晶粒形成。优选的是，功能面区域包含2粒以上的晶粒的情况下，该功能面区域内的钨系材料的所有晶粒具有比2mm2宽的晶粒区域。上述主体区域内的晶粒数多于每Imm2中100粒，S卩，该主体区域由微粒结构形成，另外，该功能面区域内的晶粒区域比2_2宽，其对应于相较而言极大的晶粒度，所以在晶粒度这一点上，该功能面区域与主体区域之间存在极端的差异。该主体区域与功能面区域邻接，因此，在该功能面区域和主体区域之间，晶粒度存在急剧变化。可知特别是将这样的晶粒度的急剧变化(这是二次重结晶中的、不连续的晶粒生长的征兆)、阳极的钨系材料中确定量的钾、该功能面区域内的较大的晶粒度、以及微晶粒度组合时，能够实现特别高水准的形状稳定性和不优选的晶体生长的低风险。由此，在短弧高压放电灯的耐用期间，该短弧高压放电灯的光束增多。特别是，能够极有效地减小起因于阳极材料的蒸发的实用光束的减少。主体区域与功能面区域邻接，所以在功能面区域和主体区域之间，完全不存在包含中间晶粒度的区域。该适用于直流工作短弧高压放电灯能够特别适合于例如恒定功率下的直流工作，或者适合于调制了的功率下的直流工作。该阳极也有时具有例如大致圆筒形的形状(例如，在功能面区域内或者功能面区域附近包含圆的形状或者圆锥形状)。该情况下，纵轴线与该圆柱中心线一致。
[0018]用于解决问题的方案
[0019]根据一个实施例，上述主体区域内的钨系材料具有实质上不依赖于位置的晶粒数。换言之，这样的情况下，晶粒数在主体区域的容积内几乎为一定。该情况下，整个主体区域具有微晶粒度，而且在主体区域与功能面区域之间，对晶粒度赋予特别急剧的变化。该情况下，该主体区域具有格外优异的加工性。
[0020]根据一个实施例，该阳极的钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。该情况下，该阳极用极其致密的制作方法来实现，使得阳极存在高的导热率。这样一来，该短弧高压放电灯的工作中，能够有效地抑制阳极中由热产生的应力。
[0021]根据一个实施例，上述功能面区域在与纵轴线平行的方向上具有厚度t。该情况下，d/20〈t〈d/5,特别是d/10〈t〈d/5。可知，由该功能面区域的上述厚度带来该短弧高压放电灯的特别有利的性质。
[0022]根据一个实施例，上述功能面区域包含具有比5mm2宽，特别是比IOmm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。功能面区域包含2粒以上的晶粒的情况下，优选该功能面区域的所有晶粒具有这样宽的晶粒区域。特别是，通过这样宽的晶粒区域，阳极材料的蒸发被有效地抑制，所以，该放电灯的耐用期间变长。
[0023]根据一个实施例，上述功能面区域由仅I粒的晶粒形成。这样的情况下，晶界从该功能面区域被排除，因此，无论何种晶界，均不与电弧相互作用。由此，能够特别稳定地实现阳极。
[0024]根据一个实施例，上述主体区域内的阳极的钨系材料具有多于每Imm2中200粒的、特别是每Imm2中350粒以上的晶粒数。这样的情况下，主体区域内的晶粒度进一步变细，因此，阳极的加工性进一步提高。进而，在主体区域和功能面区域之间，晶粒度的急剧变化变得更加显著。这样一来，形状稳定性和耐蒸发性进一步提高。
[0025]根据一个实施例，阳极的鹤系材料中的钾的量少于50ppm,特别为8ppm?45ppm,尤其为IOppm?40ppm。这些钾量的数值极有效地防止由位错的进行所导致的阳极的变形。这样的情况下，充满钾的晶体使位错受到吸引性的相互作用，因此该阳极材料具有高的蠕变抗力。
[0026]根据一个实施例，阳极的钨系材料还包含Al和/或Si。Al和/或Si例如可以通过在阳极的粉末冶金制造工艺中添加对应的氧化物而提供。Al和Si能够有利地在阳极的粉末冶金制造工艺中使阳极的钨系材料中的钾含量稳定，实现阳极的高稳定性，并且有效地防止位错的进行。
[0027]根据一个实施例，该短弧高压放电灯具有大于4kW的标称功率,优选具有大于5kW的标称功率。根据一个实施例，该装填物包含lmg/cm3?50mg/cm3的萊。特别是这些情况下，阳极材料的蒸发往往更多地发生，必须有效地防止。
[0028]根据一个实施例，该低温封装压力为0.5bar以上，特别为1.5bar以上，另外，该短弧高压放电灯适合于恒定功率下的工作。根据其他的实施例，该低温封装压力为0.5bar以上，特别为1.5bar以上，另外，该短弧高压放电灯适合于调制了的功率下的工作。特别是，使该短弧高压放电灯适合于这样的工作方式的情况下，需要有效地抑制阳极材料的蒸发。
[0029]参照下面的附图由一个实施方式的下述说明可知进一步的展开和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1以示意图表示短弧高压放电灯。
[0031]图2示出一个实施方式的短弧高压放电灯的阳极的显微镜照片。
[0032]图3为对于该实施方式的短弧高压放电灯、以及对于2个比较例，以工作时间的函数的形式示出相对流明(Iumina)维持率的图表。
[0033]图4以示意图示出由图2的显微镜照片确定的主体区域与功能面区域之间的晶粒度的差。
【具体实施方式】
[0034]接着，参照这些【专利附图】
【附图说明】一个实施方式。图1示出短弧高压放电灯I。短弧高压放电灯I包含放电容器2。在放电容器2的内部设有阴极3和阳极4。如图1所示，阳极4的面向阴极3的一侧呈现出具有带有锥体的边缘的大致圆筒形的形状。阴极3包含圆锥形的前端部分。短弧高压放电灯I的工作中，在阴极3的圆锥形前端部分和阳极4之间形成有电弧。该电弧在与阳极4的纵轴线Z大致平行的方向上展开。图示的实施方式中，阳极4的纵轴线Z与阳极4的圆筒形部分的圆柱中心线一致。
[0035]如图1所示，阳极4也有时优选在面向阴极3—侧包含带有锥体的形状。在面向阴极3的一侧，阳极4包含电弧与阳极4相互作用的功能面区域4a。阳极4在远离阴极3的方向、在功能面区域4a的紧邻处包含主体区域4b。功能面区域4a和主体区域4b两者均由包含5ppm?80ppm的钾作为添加剂的鹤系材料形成。钾的量优选少于50ppm,进而优选为8ppm?45ppm,最优选为IOppm?40ppm。功能面区域4a和主体区域4b两者均由同一材料形成，几乎具有相同密度。然而，如以下更详细的说明那样，功能面区域4a内的晶粒度与主体区域4b内的晶粒度显著地不同。例如，阳极4的材料也可以为赋予了上述量的钾作为添加剂的钨。然而，有时还进一步赋予了其他的添加剂。例如，有时进一步添加了少量的铝(Al)和/或硅(Si)作为其他的添加剂。例如，这些添加剂有时以氧化物的形式添加。优选上述少量的铝和/或硅与钾的量为相同水平。
[0036]上述圆筒形部分中，阳极4具有IOmm?70mm范围内的直径。进而，阳极的钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。这样一来，在短弧高压放电灯I的工作中，通过热传递和热辐射，能够有效地将热量从功能面区域4a传输出去。
[0037]主体区域4b中，该钨系材料包含具有多于每Imm2中100粒的晶粒数、优选多于每Imm2中200粒的晶粒数、进一步优选多于每Imm2中350粒的晶粒数的微晶粒度。该晶粒数根据ASTM E112，在垂直于阳极4的纵轴线的平面内测定。例如，该晶粒数在距功能面区域4a的表面仅隔距离s的位置测定。其中，距离s比上述确定的直径d大。该晶粒数在阳极4的整个主体区域4b内几乎为一定。换言之，该晶粒数实质上在主体区域4b内不依赖于位置。
[0038]功能面区域4a由阳极4中面向阴极3的面扩展至主体区域4b。即，在功能面区域4a与主体区域4b之间，完全没有夹设其他的区域(具有中间晶粒度/晶粒数)。功能面区域4a具有与主体区域4b内的晶粒度极其不同的晶粒度。功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成，或者有时包含少数的晶粒。优选功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成。功能面区域4a包含具有比2mm2宽的晶粒区域、优选比5mm2宽的晶粒区域、进一步优选比IOmm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。该晶粒区域由功能面区域4a的显微镜照片测定。在功能面区域4a内包含多个晶粒的情况下，这些所有的晶粒优选具有如上确定的宽的晶粒区域。在半径方向上，功能面区域4a至少形成于阳极4中与纵轴线Z交叉的表面部分。在与纵轴线Z平行的方向上，功能面区域4a具有d/20?d/5的厚度t，优选具有d/ΙΟ?d/5的厚度t。此处，d为如上确定的阳极4的直径。
[0039]功能面区域4a内的晶粒区域宽，另外，主体区域4b (位于功能面区域4a的紧邻处)内的晶粒数多，所以在功能面区域4a与主体区域4b间的界面处，晶粒度存在显著的急剧变化。特别是可知这样的晶粒度的急剧变化、即不存在中间晶粒度的区域对于阳极4的特性带来有利的影响。可以认为功能面区域4a与主体区域4b之间的这种晶粒度的急剧变化是由功能面区域4a内的不连续的晶粒生长所导致的。
[0040]上述阳极4的特性可以如下实现:由采取微粉形式的钨系材料形成阳极4，对于这样形成的大变形前的阳极材料，在稍微低的温度(例如，低于1300°C )下施加大变形(例如，具体而言，变形度高变形度的能量被该大变形前的阳极吸取。其结果，能够得到重结晶中产生的较大的力，带来高速的晶界的生长，此外钾晶体被引入到这些晶粒的内部。由此，沿着这些晶界的不期望的晶体生长受到抑制。
[0041]实施例
[0042]将一个实施方式的短弧高压放电灯I与2个比较样品进行比较。将该比较的结果示于图3中。图3中，对于该实施方式的短弧高压放电灯1，以及对于2个比较样品，以工作时间(用时间表示)的函数的形式绘制了相对流明维持率(用百分率表示)。该相对流明维持率给出与初始光束相比较的光束的变化。对于该实施方式的测定值用圆绘制，对于第I比较例的测定值用黑色的三角形绘制，另外，对于第2比较例的测定值用黑色的正方形绘制。
[0043]该实施方式与这些比较例中，各自的阳极由添加了钾⑷、招(Al)、硅(Si)的钨形成。该阳极材料的密度在所有的3个例子中均为19.lg/cm3。
[0044]该实施方式中，钾的量为25ppm,另外，招的量为18ppm,进而,娃的量为6ppm。
[0045]第I比较例中，钾的量为26ppm,另外，招的量为18ppm,进而,娃的量为7ppm。
[0046]第2比较例中，钾的量为24ppm,另外，招的量为17ppm,进而,娃的量为7ppm。
[0047]本实施方式中，主体区域4b包含约350粒的晶粒数/mm2,另外，功能面区域4a由具有约12_2的晶粒度的仅I粒的晶粒形成。图2中示出该实施方式的短弧高压放电灯的阳极的一部分的显微镜照片。图2中，明确可知:功能面区域4a由仅I粒的晶粒形成，主体区域4b包含微粒。因此，在功能面区域4a与主体区域4b之间的界面处，晶粒度存在急剧变化。其在图4中用示意图示出。该实施方式的阳极4的结构通过由具有期望的组成、并且平均晶粒度为3.5 μ m的钨系粉末形成阳极材料从而得到。“大变形前的(粗制)”阳极在约2000bar下受到冷等静压，在高于2200°C的温度下烧结。阳极4 (或者，更确切而言，该阶段中为阳极材料)在低于1300°C的温度下变形至高于66%的具体的变形度ΛΑ/Α。这样形成的阳极4在2200°C下进行180分钟退火处理。在短弧高压放电灯I上安装阳极4之后，将阳极4加热至约3000°C的最高工作温度。该情况下，加热以约60分的时间间隔连续地进行。
[0048]在上述2个比较例中，主体区域4b和功能面区域4a两者具有约350粒的几乎相同的晶粒数/mm2。
[0049]该实施方式和这些比较例的阳极均在粉末冶金制造工艺中形成。其结果，得到的阳极的形状通过锤锻(hammering)、磨削(grinding)、统削(milling)、清洗、回火(tempering)等周知的技法而实现。与该实施方式的阳极4对照地,这些比较例的阳极没有受到在稍微低的温度下的大变形。
[0050]由图3可见，该实施方式的短弧高压放电灯的相对流明持率以工作时间的函数的形式表现出显著地提高的行为。即，该光束与这些比较例相比较，随着时间，衰减程度受到抑制。
[0051]因此，本发明的短弧高压放电灯的阳极的稳定性与现有的实施例相比较，表现出实质上的提高。根据本发明，实质上，可以实现无论何种晶界均不与电弧相互作用。在某种程度上可以认为这是由二次重结晶中的不连续的晶粒生长所带来的。不连续的晶粒生长高速地进行。由此，晶粒实质上不受晶界的影响，能够避免沿着这些晶界由合体而导致的进一步的晶粒的粗大化。充满钾的晶体使位错受到吸引性的相互作用，由此阳极材料具有高的蠕变抗力，所以能够避免由位错的进行所导致的变形。进一步可知，在本发明的短弧高压放电灯的工作中，能够防止主体区域4b内的被制成细的粒状的晶粒的进一步生长。
[0052]稍稍说明了特定的实施方式，但不应视为这些实施方式限定本发明的权利要求书的范围。
[0053]附图标记说明
[0054]I 短弧高压放电灯
[0055]2 放电容器
[0056]3 阴极
[0057]4 阳极
[0058]4a功能面区域
[0059]4b主体区域
[0060]Z 纵轴线
【权利要求】
1.一种短弧高压放电灯，其特征在于，其为适用于大于IkW的标称功率下的直流工作的短弧高压放电灯(1)，具备: 放电容器(2)，低温封装压力为0.5bar以上并且封装有包含至少一种稀有气体和汞的装填物； 阳极⑷，由包含5ppm~80ppm的钾的鹤系材料形成；和 阴极⑶， 所述阳极⑷和所述阴极⑶设置于所述放电容器⑵内，另外，所述阳极⑷具有直径d，其中，10mm〈d〈70mm，并且所述阳极(4)包含:所述阳极(4)与电弧相互作用的功能面区域(4a)、和与所述功能面区域(4a)邻接的主体区域(4b)； 其中，所述功能面区域(4a)包含在与所述阳极(4)的纵轴线(Z)垂直的平面内测定的晶粒区域比2mm2宽的至少I粒的晶粒； 所述主体区域(4b)内的所述钨系材料的晶粒数多于每Imm2中100粒，该情况下，所述晶粒数在所述阳极(4)的与所述纵轴线(Z)垂直的第2平面内测定，并且，所述第2平面具有至所述功能面区域的表面为止的轴向的距离s，其中，s大于d，在与所述纵轴线(Z)平行的方向的所述功能面区域(4a)与所述主体区域(4b)之间，所述阳极(4)的所述钨系材料的晶粒度存在急剧变化。
2.根据权利要求1所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述主体区域(4b)内的所述钨系材料具有 实质上不依赖于位置的晶粒数。
3.根据权利要求1或2所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述钨系材料具有大于19.05g/cm3的密度。
4.根据权利要求1~3中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)在与所述纵轴线(Z)平行的方向上具有厚度t，该情况下d/20〈t〈d/5。
5.根据权利要求1~4中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)包含具有比5mm2宽的晶粒区域的至少I粒的晶粒。
6.根据权利要求1~5中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述功能面区域(4a)由仅I粒的晶粒形成。
7.根据权利要求1~6中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述主体区域(4b)内的所述阳极⑷的所述钨系材料具有多于每Imm2中200粒的晶粒数。
8.根据权利要求1~7中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述鹤系材料中的钾的量少于50ppm。
9.根据权利要求1~8中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述阳极(4)的所述钨系材料还包含Al和/或Si。
10.根据权利要求1~9中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，具有大于4kff的标称功率。
11.根据权利要求1~10中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述装填物包含 lmg/cm3 ~50mg/cm3 的萊。
12.根据权利要求1~11中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述低温封装压力为0.5bar以上，并且所述短弧高压放电灯适合用于恒定功率下的工作。
13.根据权利要求1~11中的任一项所述的短弧高压放电灯，其特征在于，所述低温封装压力为0.5bar以上，并且所述短`弧高压放电灯适合用于调制了的功率下的工作。
【文档编号】H01J61/073GK103733301SQ201280038924
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月6日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】F·波勒, P·阿本桑, T·威尔, I·韦泽曼, 小平宏, 芹泽和泉, 早川壮则, 前岛慎 申请人:普兰西欧洲股份公司, 株式会社奥珂制作所
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