專利名稱：放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作發(fā)光器或液晶顯示器的背光的放電燈。更具體地，本發(fā)明涉及使用熱陰極或冷陰極的放電燈。
背景技術(shù)：
放電燈占當(dāng)前分布的發(fā)光光源的約一半，并且放電燈對(duì)于工業(yè)和日常生活十分重要。放電燈的基本結(jié)構(gòu)包括填充了稀有氣體和少量汞并具有由磷光體涂敷的內(nèi)表面的放電管、和設(shè)置在放電管的兩端以互相對(duì)置的陰極。當(dāng)在陰極之間施加電壓時(shí)，從陰極發(fā)射電子并產(chǎn)生放電。汞原子從電子或受激稀有氣體原子的撞擊中得到能量，由此輻射紫外光。輻射的紫外光激發(fā)磷光體以產(chǎn)生可見(jiàn)光。發(fā)光顏色例如為白色、白晝光平均色或藍(lán)色根據(jù)磷光體的種類而變化。
一般將放電燈分為使用熱陰極的放電燈和使用冷陰極的放電燈。熱陰極由用稱為“發(fā)射體”的電子發(fā)射物質(zhì)涂敷的盤(pán)繞燈絲構(gòu)成。在使用熱陰極的放電燈中，當(dāng)放電燈通過(guò)放電電流時(shí)，燈絲的溫度達(dá)到1000度以上，使得部分在燈絲上涂敷的發(fā)射體蒸發(fā)。另外，通過(guò)離子的碰撞或電子的碰撞，濺射并消耗在燈絲上涂敷的發(fā)射體。作為蒸發(fā)或?yàn)R射的結(jié)果，發(fā)射體擴(kuò)散進(jìn)入放電管。擴(kuò)散的發(fā)射體粘附在放電管的內(nèi)表面上并與汞發(fā)生反應(yīng)，由此形成汞合金并變黑。這種現(xiàn)象不僅有損放電燈的外觀，而且減少放電燈的發(fā)光量。
作為謀求防止發(fā)射體的消耗的放電燈，例如，已知有將金剛石粒子用作發(fā)射體的熱陰極放電燈(參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.H10-69868和No.2000-106130)。由于金剛石的電子發(fā)射效率和濺射抗力較高，因此可以確保使用金剛石粒子的放電燈具有較高的發(fā)光效率和較長(zhǎng)的壽命。例如，為了在各燈絲上涂敷或附著金剛石粒子，在金剛石粒子和有機(jī)溶劑的溶液混合物中浸漬并超聲波清洗構(gòu)成燈絲的電極材料。
并且，通過(guò)將氫氣引入放電燈中，由此降低金剛石粒子的濺射頻率并提高放電燈的發(fā)光效率。但是，本發(fā)明的發(fā)明人的研究表明，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間用燈時(shí)，即使將金剛石用作發(fā)射體的放電燈也不可避免地會(huì)降低發(fā)光效率。
同時(shí)，冷陰極放電燈是這樣一種結(jié)構(gòu)，即，在放電管內(nèi)配置相互對(duì)置的一對(duì)冷陰極，并在放電管內(nèi)填充稀有氣體和微量的汞。在構(gòu)成稱為“冷陰極放電燈”的冷陰極放電燈時(shí)，使得在放電管的外部設(shè)置電極。換句話說(shuō)，在冷陰極放電燈中，陰極不與放電表面接觸。
與熱陰極放電燈相比，冷陰極放電燈具有下列特性燈絲發(fā)生破壞的可能性較低，發(fā)射體的消耗較低，且壽命較長(zhǎng)。但是，冷陰極放電燈的缺點(diǎn)在于，發(fā)光效率比熱陰極放電燈低。已知有將金剛石粒子用作發(fā)射體以提高發(fā)光效率的冷陰極放電燈(參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2002-298777和No.2003-132850)。但是，本發(fā)明的發(fā)明人的研究表明，與熱陰極放電燈相似，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間用燈時(shí)，即使將金剛石用作發(fā)射體的冷陰極放電燈也不可避免地會(huì)降低發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是至少解決常規(guī)技術(shù)中的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼內(nèi)設(shè)置并導(dǎo)致在外殼內(nèi)產(chǎn)生放電的電極；在各電極的表面上設(shè)置的金剛石構(gòu)件。在該放電燈中，放電氣體中所含的氧氣的比率不低于0.002％且不高于12.5％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼的外表面上設(shè)置并導(dǎo)致在外殼內(nèi)產(chǎn)生放電的電極；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置以與各電極對(duì)置的金剛石構(gòu)件。在該放電燈中，放電氣體中所含的氧氣的比率不低于0.002％且不高于12.5％。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面的放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼內(nèi)設(shè)置并導(dǎo)致在外殼內(nèi)產(chǎn)生放電的電極；在各電極的表面上設(shè)置的金剛石構(gòu)件；包含吸氫合金并在外殼內(nèi)設(shè)置的構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼的外表面上設(shè)置并導(dǎo)致在外殼內(nèi)產(chǎn)生放電的電極；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置以與各電極對(duì)置的金剛石構(gòu)件；包含吸氫合金并在外殼內(nèi)設(shè)置的構(gòu)件。
當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，通過(guò)本發(fā)明的下述詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)得以具體闡明或變得更加明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在放電管中填充有氧氣的冷陰極放電燈的斷面圖；圖2是在放電管中填充的氧氣的分壓與放電啟動(dòng)電壓之間的關(guān)系的特性圖；圖3是形成金剛石膜的微波等離子化學(xué)汽相淀積(CVD)系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，在放電管中填充有氧氣的外部電極放電燈的斷面圖；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，在放電管中填充有氧氣的熱陰極放電燈的斷面圖；圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，包含吸氫合金的熱陰極放電燈的斷面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，包含吸氫合金的熱陰極放電燈的斷面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例，包含吸氫合金的冷陰極放電燈的斷面圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例，包含吸氫合金的冷陰極放電燈的斷面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例，放電燈中的用n型摻雜物摻雜的金剛石的能帶圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例，放電燈中的陰極的斷面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例，放電燈中的陰極的斷面圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的第十一實(shí)施例，包含吸氫合金的外部電極放電燈的斷面圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示例性的實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在放電管中填充有氧氣的冷陰極放電燈的斷面圖。如圖1所示，分別在玻璃管1的內(nèi)部的兩端設(shè)置一對(duì)電極(冷陰極)12a和12b。電極12a和12b分別包含包含鎢(W)或鉬(Mo)的陰極支撐構(gòu)件15a和15b、以及在陰極支撐構(gòu)件15a和15b的表面上形成的金剛石膜14a和14b。陰極支撐構(gòu)件15a和15b分別通過(guò)引線16a和16b與外部電源連接。在玻璃管1中填充放電氣體。以60百帕的壓力在玻璃管1中填充作為放電氣體的稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體與氫氣，以促進(jìn)放電。氫氣的分壓對(duì)總壓的比率為1％。并且，在玻璃管1中填充若干毫克的微量的汞。根據(jù)第一實(shí)施例，進(jìn)一步以1％的分壓比在玻璃管1中填充微量的氧氣11。
在該放電燈中，通過(guò)與外部電源連接的引線16a和16b，在電極12a和12b之間施加諸如500伏特的高電壓。一般在電極12a和12b之間施加交流電壓。當(dāng)電極12a和12b之一作為發(fā)射體(陰極)時(shí)，另一電極作為陽(yáng)極。
在施加電壓前，玻璃管1的內(nèi)部處于絕緣狀態(tài)。當(dāng)在電極12a和12b之間施加電壓時(shí)，保留在玻璃管1中的電子受到向陽(yáng)極的吸引力，并快速移動(dòng)，與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體的原子發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生新的電子和稀有氣體離子。通過(guò)重復(fù)這種碰撞，離子13a得以增殖，并且增殖的離子13a入射到電極(陰極)12a(或12b)上。結(jié)果，從金剛石膜14a(或14b)上發(fā)射二次電子17，從而開(kāi)始放電。
二次電子17也與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體的原子發(fā)生碰撞。碰撞的原子轉(zhuǎn)變?yōu)殛?yáng)離子13a并入射到電極(陰極)12a(或12b)上。離子13a的入射導(dǎo)致從金剛石膜14a(或14b)再發(fā)射二次電子17，由此保持放電電流。保持放電電流所需的電壓(以下稱為“放電保持電壓”)低于啟動(dòng)放出電流所需的電壓(以下稱為“放電啟動(dòng)電壓”)。
由于使用了二次電子發(fā)射效率較高的金剛石，所以根據(jù)本實(shí)施例的放電燈的放電啟動(dòng)電壓和放電保持電壓都遠(yuǎn)低于使用鎳(Ni)等的金屬作為冷陰極的常規(guī)放電燈。另外，由于在金剛石膜14a和14b的表面上終止放電氣體中所含的氫。因此，可以高效率地將二次電子17發(fā)射到放電空間2中，并可以進(jìn)一步降低放電啟動(dòng)電壓和放電保持電壓。
作為放電的結(jié)果，部分二次電子17與玻璃管1中的汞原子10和稀有氣體或稀有氣體的混合氣體原子13b碰撞，由此激發(fā)原子10和13b，并導(dǎo)致受激的稀有氣體原子13b與汞原子10碰撞。汞原子10通過(guò)與稀有氣體原子13b碰撞而獲得能量，由此從汞原子10發(fā)射紫外線18。紫外線18激發(fā)磷光體4，從而從燈中輻射取決于磷光體4的發(fā)射顏色(如白色、白晝光平均色或藍(lán)色)的可見(jiàn)光線19。
通過(guò)將金剛石膜14a和14b用作發(fā)射體，可以有利地將放電啟動(dòng)電壓和放電保持電壓設(shè)置得較低，并可以有利地提供功率消耗低的放電燈。根據(jù)第一實(shí)施例的放電燈不但具有這些優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在放電氣體中添加微量的氧氣11，它還可以具有以下優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)通過(guò)電離放電氣體中的原子而產(chǎn)生的離子13a與金剛石膜14a和14b的表面(放電表面)碰撞時(shí)，發(fā)射保持放電所需的二次電子17，并通過(guò)濺射發(fā)射作為中性原子的構(gòu)成金剛石的碳原子。發(fā)射的中性原子與稀有氣體原子13b和汞原子10等原子碰撞，并部分重新粘附到金剛石膜14a和14b的表面(放電表面)上。
金剛石的同位素石墨的生成能量比金剛石低。由于這種原因，通過(guò)重新粘附碳，在各金剛石膜14a和14b的表面上形成主要包含石墨成分的薄層或包含含有石墨成分的無(wú)定形碳的薄層。
該重新粘附層的二次電子發(fā)射效率較低。這會(huì)有損電極12a和12b的電子發(fā)射效率，并降低通過(guò)使用金剛石而得到的高發(fā)光效率的效果。此外，當(dāng)由含有非金剛石成分的重新粘附層覆蓋各金剛石膜14a和14b的放電表面的狀態(tài)連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，使用金剛石作為陰極的冷陰極放電燈較低頻率地放出電流(對(duì)應(yīng)于放電啟動(dòng)電壓增加)，并相當(dāng)程度地縮短放電燈的壽命。
根據(jù)第一實(shí)施例的放電燈在放電氣體中包含微量的氧氣11。因此，可以通過(guò)放電氣體中所含的氧氣選擇性地去除重新粘附層。在含氧的等離子體中，蝕刻石墨或無(wú)定形碳等非金剛石成分的蝕刻速率高于蝕刻金剛石的蝕刻速率。因此，相對(duì)于金剛石膜14a和14b，可以通過(guò)氧氣選擇性地去除包含非金剛石成分的重新粘附層。因此，可以實(shí)現(xiàn)可保持使用金剛石的陰極的良好二次電子發(fā)射性能、并可保證實(shí)際上長(zhǎng)壽命和高效率的冷陰極放電燈。
下面，解釋根據(jù)第一實(shí)施例的放電燈中的玻璃管1中填充的氧氣11的分壓的優(yōu)選范圍。圖2是表示玻璃管中填充的氧氣11的分壓與放電啟動(dòng)電壓之間的關(guān)系的特性圖。
在圖2中，橫軸表示玻璃管1的內(nèi)部的總壓(p[Pa])與金剛石膜14a和14b之間的最短距離(d[cm])的乘積(p×d[Pa·cm])?？v軸表示放電啟動(dòng)電壓(Vf[V])。為了比較，還給出了表示在陰極中使用金屬(本實(shí)施例中為Mo)時(shí)的曲線。通常地，如果乘積p×d較大，則放電啟動(dòng)電壓(Vf)較高。如圖2所示，如果氧氣的比率(氧氣的分壓對(duì)總壓的比率，以百分比(％)表示)較高，則放電啟動(dòng)電壓(Vf)較高。這是因?yàn)?，?dāng)難以電離的氧氣的比率增加時(shí)，就難以放出電流。如果氧氣比不大于12.5％，放電啟動(dòng)電壓Vf就足以低于使用金屬的情況。但是，如果氧氣比大于15％，放電啟動(dòng)電壓Vf就會(huì)高于使用金屬的情況。因此，要將氧氣的分壓的比率設(shè)置為不大于12.5％，優(yōu)選不大于10％，更優(yōu)選不大于5％。
如果氧氣比為0％，即，放電氣體中不含氧氣，放電啟動(dòng)電壓Vf會(huì)非常低。該放電啟動(dòng)電壓Vf對(duì)應(yīng)于放電持續(xù)時(shí)間為零，即，放電燈首次放出電流時(shí)的電壓。如果不含氧氣，當(dāng)放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，放電啟動(dòng)電壓Vf就較高，并且放電燈經(jīng)常不能放出電流。下表給出了氧氣的比率(氧氣的分壓對(duì)總壓的比率，以％表示)、放電持續(xù)時(shí)間和放電啟動(dòng)電壓Vf之間的關(guān)系。

在該表中，如果施加交流電壓，放電啟動(dòng)電壓Vf對(duì)應(yīng)放電燈啟動(dòng)放出電流時(shí)的電壓，并且放電燈按半循環(huán)反復(fù)開(kāi)始和停止這種放電。在該表中，表示出了放電啟動(dòng)電壓Vf是如果隨放電持續(xù)時(shí)間的變化而變化的。
如該表所示，如果氧氣比為0％，即，放電氣體中不含氧氣，那么當(dāng)放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，放電啟動(dòng)電壓Vf就較高，并使放電燈最終不能放出電流。同樣地，如果氧氣比為0.001％和0.0015％，那么當(dāng)放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，放電啟動(dòng)電壓Vf就較高，并且放電燈最終不能放出電流。原因如下。由于氧氣不存在或基本不存在，就不能抑制在各金剛石膜14a和14b的放電表面上形成包含非金剛石成分的重新粘附層。
如果氧氣比為0.002％、0.005％和1％，那么放電啟動(dòng)電壓Vf不增加或基本不增加。這是因?yàn)檠鯕獬浞执嬖?，可以抑制在各金剛石?4a和14b的放電表面上形成包含非金剛石成分的重新粘附層。因此，將氧氣的分壓的比率設(shè)置為不低于0.002％，優(yōu)選不低于0.005％。
下面，將解釋根據(jù)第一實(shí)施例的放電燈的制造方法。制備分別包含W或Mo的陰極支撐部件15a和15b，并分別在陰極支撐部件15a和15b的表面上形成厚度各為約10微米的多晶金剛石膜14a和14b。用硼(B)摻雜金剛石膜14a和14b。使用微波等離子CVD方法形成金剛石膜14a和14b。
圖3是說(shuō)明微波等離子CVD系統(tǒng)的斷面圖。如圖3所示，通過(guò)微波波導(dǎo)62b和微波引入石英窗64，將微波從微波頭62a引入反應(yīng)室63中。
將反應(yīng)氣從反應(yīng)氣入口65引入反應(yīng)室63中。在加熱臺(tái)61上安裝樣品60(種植了金剛石籽晶的陰極支撐部件15a和15b)。可以調(diào)整用于加熱臺(tái)61的支撐座的垂直位置，并提供可以將其垂直位置調(diào)整到最優(yōu)位置的機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)未示出的壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)反應(yīng)室63中的壓力，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)式泵排空反應(yīng)室63中的空氣。另外，通過(guò)由旋轉(zhuǎn)式泵(RP)66a和66c和渦輪分子泵(TMP)66b構(gòu)成的排空系統(tǒng)66抽空反應(yīng)室63。
將氧化硼(B2O3)溶入2.68毫升的甲醇中，并將所得到的溶液與137毫升的丙酮混合，由此生成溶液混合物。將該溶液混合物送入反應(yīng)室63中，在該反應(yīng)室63中，通過(guò)微波等離子CVD方法，并將氫用作運(yùn)載氣體，形成金剛石膜14a和14b。即，將溶液混合物用作碳(金剛石)源和B(硼)源。此時(shí)的膜形成條件是，襯底溫度為850度，反應(yīng)室63的內(nèi)部壓力為80托，運(yùn)載氣體的流速為200標(biāo)準(zhǔn)毫升每分鐘(sccm)，微波功率為2千瓦，膜形成時(shí)間為3小時(shí)。從而完成電極12a和12b，并分別將引線16a和16b固定到電極12a和12b上。
制備用磷光體4涂敷的玻璃管1。對(duì)于磷光體4，可以使用含鹵素的磷酸鈣(calcium-halophosphate)磷光體等，并可以在玻璃管1的內(nèi)表面上涂敷漿狀的磷光體4。分別在玻璃管1的兩端配置連接引線16a和16b的電極12a和12b。將放電氣體引入玻璃管1中，并用設(shè)置在玻璃管1的兩端的密封部件密封玻璃管1。例如，通過(guò)在800度的溫度下加熱處理玻璃管1兩端的密封部件，軟化并流動(dòng)化密封部件，由此可以密封玻璃管1。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，在放電管中填充有氧氣的外部電極放電燈的斷面圖。分別用相同的附圖標(biāo)記表示與圖1中所示的第一實(shí)施例相同的構(gòu)成部件。該放電燈是所謂的外部電極放電燈，它具有在放電燈的外面設(shè)置的電極。通過(guò)在電極間施加電壓，在放電管中引起放電，由此發(fā)光。
如圖4所示，該放電燈包括玻璃管21；在玻璃管21的內(nèi)表面上形成并在用紫外線照射時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)光的磷光體26；分別固定于玻璃管21兩端的內(nèi)表面上的成對(duì)圓筒狀金剛石層24a和24b；以隔著玻璃管21分別與成對(duì)金剛石層24a和24b相對(duì)的方式，固定于玻璃管21兩端的外表面上的成對(duì)外部電極23a和23b。例如，成對(duì)外部電極23a和23b包含鎢(W)或鉬(Mo)。
與第一實(shí)施例相似，在玻璃管21的內(nèi)部25中填充放電氣體。即，在玻璃管21中填充作為放電氣體的稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體、氫氣和微量的汞。另外，按照氧氣11的分壓對(duì)總壓的比率為1％，在玻璃管21中填充微量的氧氣11。
下面，解釋該外部電極放電燈的操作。為了啟動(dòng)放電，在成對(duì)外部電極23a和23b之間施加頻率為40千赫的1000伏的高頻電壓。當(dāng)將一對(duì)金剛石層24a和24b用作發(fā)射體(陰極)時(shí)，將另一對(duì)用作對(duì)極(陽(yáng)極)。當(dāng)在電極23a和23b之間施加該高頻電壓時(shí)，保留在玻璃管21中的電子受到向陽(yáng)極的吸引力，并快速移動(dòng)，與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體的原子13b發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生新的電子和新的稀有氣體離子。通過(guò)重復(fù)這種碰撞，使離子13a增殖，并且增殖的離子13a入射到陰極24a或24b上。結(jié)果，從成對(duì)金剛石層24a(或24b)上發(fā)射二次電子17，從而開(kāi)始放電。由于在金剛石層24a和24b的表面上特別終止了放電氣體中所含的氫，所以可以有效地將二次電子17發(fā)射到放電空間25中。
使用這種機(jī)構(gòu)，與第一實(shí)施例相似，間歇地產(chǎn)生放電，并通過(guò)放電產(chǎn)生的紫外線18激發(fā)磷光體26，由此產(chǎn)生可見(jiàn)光線19。在該外部電子放電燈中，不將外部電極23a和23b暴露于放電空間25。因此，在玻璃管21中不必存在汞，以抑制外部電極23a和23b的消耗。因此，只能將氫氣和稀有氣體用作在玻璃管21中填充的氣體。
該外部電極放電燈使用二次電子發(fā)射效率較高的金剛石。因此，外部電極放電燈的放電啟動(dòng)電壓遠(yuǎn)低于將玻璃用作發(fā)射體的常規(guī)外部電極放電燈的放電啟動(dòng)電壓。另外，在金剛石層24a和24b的表面上終止了放電氣體中所含的氫。由此，可以將二次電極17有效地發(fā)射到放電空間25中，并可以降低放電啟動(dòng)電壓。
從而，通過(guò)將金剛石層24a和24b用作電子發(fā)射源，可以提供可以在低電壓下開(kāi)始放電并可以保證低功率消耗的放電燈。根據(jù)第二實(shí)施例的放電燈不僅可以表現(xiàn)出這些優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在放電氣體中包含微量的氧氣11，它還可以具有與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
即，通過(guò)在放電氣體中包含微量的氧氣11，可以通過(guò)放電氣體中所含的氧選擇性地去除重新粘附層。因此，可以一直將金剛石暴露于放電表面。因此，可以實(shí)現(xiàn)高效率、可以確保實(shí)際長(zhǎng)壽命并可以保持使用金剛石的陰極的二次電子發(fā)射性能的外部電極放電燈。
與第一實(shí)施例相同，考察放電燈中的玻璃管21中填充的氧氣的分壓。結(jié)果，氧氣的分壓的優(yōu)選范圍與第一實(shí)施例相同。將氧氣的分壓的比率設(shè)置為不低于0.002％，優(yōu)選不低于0.005％，并設(shè)置為低于12.5％，優(yōu)選不高于10％，更優(yōu)選不高于5％。
下面，解釋根據(jù)第二實(shí)施例的放電燈的制造方法。通過(guò)使用掩模等，僅分別在玻璃管21的兩端的內(nèi)表面上形成成對(duì)金剛石層24a和24b，并在玻璃管21的內(nèi)表面上涂敷和形成磷光體26。在形成成對(duì)金剛石層24a和24b時(shí)，不需要它具有導(dǎo)電性。因此，除了不添加硼酸(B2O3)外，該形成方法與根據(jù)第一實(shí)施例的形成方法相同。另外，磷光體26的材料和形成方法與第一實(shí)施例相同。通過(guò)使用掩模等，從而不會(huì)在設(shè)置了金剛石層24a和24b的玻璃管21的兩端的內(nèi)表面上形成磷光體26。
將放電氣體引入玻璃管21中，并用在玻璃管21的兩端設(shè)置的密封部件密封玻璃管21。例如，通過(guò)在800度的溫度下加熱處理在玻璃管21兩端設(shè)置的密封部件，軟化并流動(dòng)化密封部件，由此可以密封玻璃管21。最終，在玻璃管21的外表面的兩端上分別形成外部電極23a和23b。由此完成根據(jù)第二實(shí)施例的放電燈。
圖5A和圖5B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的熱陰極放電燈的斷面圖。分別用相同的附圖標(biāo)記表示與圖1中的第一實(shí)施例相同的構(gòu)成部件。根據(jù)本實(shí)施例的放電燈是使用熱陰極的放電燈，它包括玻璃管30、電極35a和35b、電極構(gòu)件31a和31b、引線31c和31d，以及配件34a和34b。玻璃管30透明且細(xì)長(zhǎng)，并具有在內(nèi)表面上涂敷的磷光體32(例如，含鹵素的磷酸鈣磷光體)。分別在玻璃管30的兩端固定電極35a和35b。引線31c支撐電極構(gòu)件31a，并將在放電燈外面設(shè)置的配件34a電連接到電極構(gòu)件31a。同樣，引線31d支撐電極構(gòu)件31b，并將在放電燈的外面設(shè)置的配件34b電連接到電極構(gòu)件31b。如圖5B所示，由兩圈或三圈燈絲39a(例如，鎢)制成各電極構(gòu)件31a和31b。在燈絲39a上涂敷發(fā)射體39b。該發(fā)射體39b包含單晶或多晶金剛石。
在玻璃管30中填充放電氣體，以便于放出電流。放電氣體包含稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體、微量的汞和氫氣，并按照氧氣11的分壓對(duì)總壓的比率為1％，在玻璃管30中填充微量的氧氣11。
當(dāng)在電極構(gòu)件31a和31b之間施加電流以進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，從發(fā)射體39b中發(fā)射出電子。所發(fā)射的電子移動(dòng)到對(duì)極(陽(yáng)極)，從而開(kāi)始放電。通常地，在電極構(gòu)件31a和31b之間施加交流電壓以開(kāi)始放電。如果這樣，電極構(gòu)件31a和31b交替作為發(fā)射極和對(duì)極(陽(yáng)極)。這種放電使得電子與在玻璃管30內(nèi)填充的汞原子10碰撞，或與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生新的電子和新的稀有氣體離子。新的電子和稀有氣體離子又與汞原子10碰撞。通過(guò)這種碰撞，汞原子10得到能量并發(fā)射紫外線18。紫外線18激發(fā)磷光體32，由此根據(jù)磷光體32的不同而從燈中輻射出具有發(fā)射顏色(例如，白色、白晝光平均色或藍(lán)色)的可見(jiàn)光線19。
下面，將解釋根據(jù)第三實(shí)施例的熱陰極放電燈中所用的熱陰極的制造方法。首先解釋在盤(pán)繞燈絲39a的表面上種植金剛石籽晶。
將金剛石粒子與乙醇等的有機(jī)溶劑混合，并將所得到的溶劑涂敷到燈絲39a的表面上。與有機(jī)溶劑混合的金剛石粒子的粒子直徑大于0.1微米并小于1微米。為了涂敷溶劑，將燈絲39a浸入與金剛石粒子混合的有機(jī)溶劑中，并對(duì)其進(jìn)行超聲波清洗。將超聲波清洗的處理時(shí)間設(shè)定為30分鐘。通過(guò)進(jìn)行超聲波清洗，使金剛石粒子均勻地粘附在燈絲39a的表面上。然后，例如，如需要，在氮?dú)鈿夥罩校?00度的溫度下將燈絲39a加熱60分鐘，由此去除有機(jī)溶劑和雜質(zhì)。
將已種植了金剛石籽晶的燈絲39a置于圖3中所示的微波等離子CVD系統(tǒng)中，在該微波等離子CVD系統(tǒng)中，在燈絲39a的盤(pán)繞電極的表面上形成金剛石構(gòu)件。
如上所述，由于放電氣體中包含微量的氧氣11，根據(jù)第三實(shí)施例的熱陰極放電燈可以表現(xiàn)出與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
圖6A和圖6B是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的放電燈的斷面圖。如圖6A所示，該放電燈使用熱陰極，并包括玻璃管110、電極115a和115b、電極構(gòu)件111a和111b、引線111c和111d以及配件114a和114b。玻璃管110透明且細(xì)長(zhǎng)，并具有在內(nèi)表面上涂敷的磷光體112(例如，含鹵素的磷酸鈣)。分別在玻璃管110的兩端固定電極115a和115b。引線111c支撐電極構(gòu)件111a，并將在放電燈外面設(shè)置的配件114a電連接到電極構(gòu)件111a。同樣，引線111d支撐電極構(gòu)件111b，并將在放電燈的外面設(shè)置的配件114b電連接到電極構(gòu)件111b。如圖6B所示，由兩圈或三圈燈絲101a(例如，鎢)制成各電極構(gòu)件111a和111b。在燈絲101a上涂敷包含單晶或多晶金剛石的金剛石薄膜(發(fā)射體)101b。
在玻璃管110中填充放電氣體113，以便于放出電流。放電氣體113包含稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體、微量的汞和氫氣。在約700帕的壓力下在玻璃管110中填充稀有氣體和汞，并在約7帕的分壓下在其中填充氫氣。并且，在玻璃管110中設(shè)置包含例如鎂基CeMg2合金的吸氫合金的吸氫合金構(gòu)件116，以保持玻璃管110中的氫氣的分壓。吸氫合金116是顆粒狀的，并通過(guò)玻璃料與玻璃管110的內(nèi)壁熔接。
當(dāng)在電極構(gòu)件111a和111b之間施加電流以進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，從熱的金剛石薄膜101b中發(fā)射出電子。所發(fā)射的電子移動(dòng)到對(duì)極(陽(yáng)極)，從而開(kāi)始放電。通常地，在電極構(gòu)件111a和111b之間施加交流電壓以開(kāi)始放電。如果這樣，電極構(gòu)件111a和111b交替作為發(fā)射極和對(duì)極(陽(yáng)極)。這種放電使得電子與在玻璃管110內(nèi)填充的汞原子碰撞，或與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體發(fā)生碰撞，由此產(chǎn)生新的電子和新的稀有氣體離子。新的電子和稀有氣體離子又與汞原子碰撞。通過(guò)這種碰撞，汞原子得到能量并從汞原子發(fā)射紫外線。紫外線激發(fā)磷光體112，由此根據(jù)磷光體112的不同而從燈中輻射出具有發(fā)射顏色(例如，白色、白晝光平均色或藍(lán)色)的可見(jiàn)光。
用與第三實(shí)施例相同的方法制造根據(jù)第四實(shí)施例的熱陰極放電燈中所用的熱陰極。根據(jù)本實(shí)施例，金剛石薄膜的形成條件如下。微波功率為4千瓦，反應(yīng)氣體壓力為13.3千帕，氫氣的流速為400sccm，甲烷氣的流速為8sccm，原料氣體中的甲烷的濃度為2％，膜形成溫度為850度，膜形成時(shí)間為120分鐘。在這些條件下，在燈絲101a的表面上形成厚度為5微米的多晶金剛石薄膜101b。根據(jù)該實(shí)施例，僅使用氫氣和甲烷氣以形成金剛石薄膜101b。另外，也可以通過(guò)摻雜作為雜質(zhì)的磷、氮或硫等的n型摻雜物或硼等的p型摻雜物，形成金剛石薄膜101b。將在后面詳細(xì)解釋n型摻雜物。金剛石薄膜101b的形成方法不限于微波等離子CVD方法。例如，可以通過(guò)電子回旋共振CVD(ECRCVD)法或射頻CVD法形成金剛石薄膜101b。
下面，解釋吸氫合金的功能。如果通過(guò)將含氫氣體用作運(yùn)載氣體的CVD形成金剛石，那么一般在金剛石薄膜101b的表面上終止氫分子。這種氫終止層對(duì)金剛石特性有很大影響，并在表示負(fù)電子親合力(NEA)特性中起重要作用。這種NEA特性使得可以在低溫下從金剛石中發(fā)射熱電子。
但是，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明者的研究，在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，在玻璃管中的氫氣的分壓由于各種原因而降低。另外，在長(zhǎng)時(shí)間使用燈后，金剛石(發(fā)射體)的電子發(fā)射效率變差，導(dǎo)致燈的放電效率變差。認(rèn)為引起氫氣的分壓降低的原因包括例如玻璃管內(nèi)的氫氣從玻璃管和電子構(gòu)件中存在縫隙或裂紋等有缺陷部件泄漏。
根據(jù)第四實(shí)施例，在玻璃管110中設(shè)置吸氫合金構(gòu)件116。因此，如果如上所述玻璃管110內(nèi)的氫氣的分壓降低，那么就會(huì)從吸氫合金構(gòu)件116中分解氫氣并將氫氣釋放到管110中。由此可以將玻璃管110中的氫氣的分壓保持在最佳的水平。
更具體地，當(dāng)發(fā)生放電時(shí)，玻璃管110的內(nèi)部溫度升高。玻璃管110的內(nèi)部溫度主要與汞的激發(fā)有關(guān)，并且通過(guò)氫等的放電氣體的密封壓力而存在最佳溫度。一般將玻璃管110的內(nèi)部溫度保持在約80度。但是，內(nèi)部溫度隨放電燈的應(yīng)用而改變。在根據(jù)第四實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例中，玻璃管110的內(nèi)部溫度為80度。在室溫下CeMg2合金的氫分解壓力非常低。但是，在玻璃管110的內(nèi)部溫度升高之后，氫分解壓力逐漸升高，并在80度時(shí)達(dá)到約7帕。即，放電燈的玻璃管110內(nèi)的氫氣的分壓保持在7帕。在這種狀態(tài)中，即使玻璃管110中的氫氣量減少，也可以由吸氫合金構(gòu)件116釋放氫氣，以保持分解壓力。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的放電燈的斷面圖。分別用相同的附圖標(biāo)記表示與圖6A相同的構(gòu)成部件。與第四實(shí)施例相同，根據(jù)第五實(shí)施例的放電燈是使用熱陰極的放電燈，但與根據(jù)第四實(shí)施例的放電燈的區(qū)別在于，在玻璃管110的內(nèi)表面上設(shè)置包含諸如鎂基CeMg2合金的吸氫合金的吸氫合金膜126a和126b。分別在成對(duì)電極115a和115b的周?chē)O(shè)置吸氫合金膜126a和126b?？梢酝ㄟ^(guò)在減壓(例如，約5帕)并使用包含氬的CeMg2合金等的濺射目標(biāo)的條件下進(jìn)行傾斜濺射，或在減壓(例如，約10-6帕)使用CeMg2合金的材料的條件下進(jìn)行傾斜蒸發(fā)，形成吸氫合金膜126a和126b。
玻璃管110內(nèi)的電極構(gòu)件111a和111b之間的放電區(qū)域的溫度非常高。因此，優(yōu)選分別以與電極構(gòu)件111a和111b相對(duì)的方式在臨近玻璃管110的端部的位置上設(shè)置吸氫合金膜126a和126b。另外，也可以根據(jù)放電區(qū)域的溫度和位置，將吸氫合金膜126a和126b設(shè)置在更接近玻璃管110的中心的位置上。
根據(jù)第五實(shí)施例，與第四實(shí)施例相同，吸氫合金膜126a和126b可使玻璃管110內(nèi)的氫氣的分壓保持在適宜的水平。特別地，根據(jù)本實(shí)施例，由于以吸氫合金膜126a和126b的形式形成吸氫合金，所以放電燈的表面的溫度分布比較均勻。這樣，可以均勻地釋放氫，得到均勻的氫分壓分布，并穩(wěn)定放電燈的放電特性。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的放電燈的斷面圖。根據(jù)該實(shí)施例的放電燈是使用冷陰極的放電燈。該放電燈包括透明且細(xì)長(zhǎng)的玻璃管130、分別從玻璃管130的兩端嵌入玻璃管130中并由玻璃填充的引線134a和134b。在玻璃管130上涂敷包含與根據(jù)第四實(shí)施例的磷光體112相同的材料的磷光體132。分別在玻璃管130的向內(nèi)突出的引線134a和134b的多個(gè)部分中設(shè)置包含諸如鎳的金屬的陰極支撐構(gòu)件131a和131b。分別在陰極支撐構(gòu)件131a和131b的表面上形成作為發(fā)射體的金剛石薄膜133a和133b。金剛石薄膜133a和133b以及陰極支撐構(gòu)件131a和131b分別構(gòu)成電極(陰極)135a和135b。
在玻璃管130中填充放電氣體137，以便于放出電流。放電氣體137包含稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體、微量的汞和氫氣。在約3.5千帕的壓力下在玻璃管130中填充稀有氣體和汞，并在約35帕的分壓下在其中填充氫氣。并且，在玻璃管130中設(shè)置包含諸如Mg2Ni合金的吸氫合金的吸氫合金構(gòu)件136，以在玻璃管130中保持氫氣的分壓。吸氫合金構(gòu)件136是顆粒狀的，并通過(guò)玻璃料與玻璃管130的內(nèi)壁熔接。
例如，從玻璃管130向外突出的引線134a和134b與交流電源連接。當(dāng)在引線134a和134b之間施加電流時(shí)，在金剛石薄膜133a和133b的表面上產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。電場(chǎng)使殘余電子快速移動(dòng)，并從金剛石薄膜133a和133b的表面發(fā)射。并且，當(dāng)殘余電子受到向?qū)O的吸引并快速移動(dòng)時(shí)，會(huì)與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體發(fā)生碰撞。通過(guò)碰撞而增殖的陽(yáng)離子與陰極碰撞，并從陰極發(fā)射二次電子，從而開(kāi)始放電。通過(guò)放電而流動(dòng)的電子和離子與汞原子碰撞。通過(guò)這些碰撞，汞原子得到能量，并因而從汞原子發(fā)射紫外線。紫外線激發(fā)磷光體132，從而從燈中發(fā)射依賴于磷光體132而具有發(fā)射顏色(白色、白晝光平均色或藍(lán)色)的可見(jiàn)光。
與第四實(shí)施例相似，根據(jù)該第六實(shí)施例，在玻璃管130內(nèi)設(shè)置包含諸如Mg2Ni的吸氫合金的吸氫合金構(gòu)件136。因此，第六實(shí)施例表現(xiàn)出與第四實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
下面，解釋電極135a和135b的制造方法。制備包含鉬的陰極支撐構(gòu)件131a和131b，并與第一實(shí)施例相同，在陰極支撐構(gòu)件131a和131b的表面上種植金剛石籽晶。然后，將已種植了金剛石籽晶的陰極支撐構(gòu)件131a和131b移入圖3中所示的微波等離子CVD系統(tǒng)中，在該微波等離子CVD系統(tǒng)中，分別在陰極支撐構(gòu)件131a和131b的表面上形成金剛石薄膜133a和133b。金剛石薄膜的形成條件如下。微波功率為4千瓦，反應(yīng)氣體壓力為15千帕，氫氣的流速為300sccm，甲烷氣的流速為6sccm，原料氣體的甲烷的濃度為2％，膜形成溫度為800度，膜形成時(shí)間為120分鐘。在這些條件下，形成厚度均為4微米的多晶金剛石薄膜133a和133b。
根據(jù)該實(shí)施例，僅使用氫氣和甲烷氣以形成金剛石薄膜133a和133b。另外，也可以通過(guò)摻雜雜質(zhì)，形成金剛石薄膜133a和133b。對(duì)于金剛石薄膜133a和133b的形成方法，可以用ECRCVD法或射頻CVD法代替微波等離子CVD方法。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的放電燈的斷面圖。分別用相同的附圖標(biāo)記表示與圖8中相同的構(gòu)成部件。與第六實(shí)施例相同，根據(jù)第七實(shí)施例的放電燈是使用冷陰極的放電燈。但與第六實(shí)施例的區(qū)別在于，在玻璃管130的內(nèi)表面上設(shè)置包含諸如Mg2Ni的吸氫合金的吸氫合金膜146a和146b。吸氫合金膜146a和146b的配置以及使用吸氫合金膜146a和146b的優(yōu)點(diǎn)與第五實(shí)施例相同。
下面將解釋作為本發(fā)明的第八實(shí)施例，用n型摻雜物摻雜金剛石薄膜的實(shí)例。圖10是用于解釋第八實(shí)施例的原理并說(shuō)明用n型摻雜物摻雜的金剛石的能帶圖。眾所周知，金剛石具有NEA。即，金剛石的導(dǎo)帶(Ec)的底端的位置比真空能級(jí)(Evac)低。電子親合力是將存在于導(dǎo)帶的底端的電子移動(dòng)到真空中所需要的能量。如果電子親合力為負(fù)值，這意味著發(fā)射該電子的趨勢(shì)增加。
但是，在室溫下n型金剛石的電阻非常大。這是因?yàn)榻o予電子的施主的能級(jí)與導(dǎo)帶(Ec)的底端之間的能差(Ed)是諸如硅(Si)的普通半導(dǎo)體的約10倍，并且在室溫下很難在導(dǎo)帶中存在電子。
已發(fā)現(xiàn)，如果使用n型金剛石作為發(fā)射體，放電燈會(huì)表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電子發(fā)射特性。在第八實(shí)施例中，將解釋通過(guò)使用n型金剛石作為發(fā)射體而表現(xiàn)出優(yōu)異的發(fā)光特性的放電燈。
當(dāng)加熱n型金剛石時(shí)，電子上升到導(dǎo)帶，并可以利用NEA特性發(fā)射電子。即，在具有NEA特性的金剛石中，不存在可以防止導(dǎo)帶中的電子發(fā)射到真空中的障礙。因此，最終發(fā)射電子所需的能量為Ed量級(jí)。在不具有NEA特性的普通發(fā)射體中，真空能級(jí)(Evac)的位置比導(dǎo)帶(Ec)的底端高，并且將電子發(fā)射到真空中所需的能量接近于功函。當(dāng)用磷摻雜金剛石時(shí)，能差(Ed)為約0.6電子伏特。對(duì)于在發(fā)射熱電子的發(fā)射體中常用的BaO，功函為約1.1電子伏特。由于Ed或功函對(duì)熱電子發(fā)射具有指數(shù)影響，所以n型金剛石可以在低溫下發(fā)射熱電子。因此，在熒光燈等的使用n型金剛石作為熱陰極的放電燈中，可以實(shí)現(xiàn)低溫下的均勻熱電子發(fā)射。因此，可以提供發(fā)光特性優(yōu)良并可確保長(zhǎng)壽命的熱陰極放電燈。
并且，功函對(duì)表面狀態(tài)的影響十分敏感，并強(qiáng)烈受制造工藝、氛圍等的影響。因此，在使用不具有NEA特性的普通發(fā)射體的放電燈中，很難在電子發(fā)射表面得到均勻的熱電子發(fā)射。由于功函對(duì)于熱電子發(fā)射具有指數(shù)影響，所以容易增加在熱電子發(fā)射表面中的熱電子發(fā)射的非均勻性。相反，在具有NEA特性的金剛石中，只要電子親合力是負(fù)值，那么即使NEA輕微波動(dòng)，NEA也不會(huì)對(duì)熱電子發(fā)射產(chǎn)生影響。決定熱電子發(fā)射的是施主能級(jí)與導(dǎo)帶(Ec)的底端之間的能差(Ed)。能差(Ed)所對(duì)應(yīng)的不是表面性能，而是由摻雜物決定的塊體的性能。因此，通過(guò)使用n型金剛石，可望在電子發(fā)射表面上得到均勻的熱電子發(fā)射。除此之外，金剛石是具有最高的熱導(dǎo)率的襯底。因此，即使由于焦耳熱、離子和電子的流入或沖擊而加熱金剛石，這種熱量也會(huì)快速向周?chē)鷤鲗?dǎo)，由此使溫度保持均勻。當(dāng)通過(guò)使用n型金剛石可以得到充分的效果時(shí)，在由n型金剛石形成均勻的連續(xù)膜時(shí)這種影響會(huì)更大。
下面，將解釋根據(jù)第八實(shí)施例的熱陰極和放電燈的制造方法的實(shí)例。制備通過(guò)纏繞直徑為30微米的鎢絲而形成的燈絲。該燈絲的處理方法與根據(jù)第四實(shí)施例的燈絲的處理方法相同。例如，通過(guò)微波等離子CVD方法在該燈絲上形成厚度為約5微米的多晶金剛石層。多晶金剛石層的生長(zhǎng)條件如下。微波功率為4千瓦，氫氣的流速為200sccm，甲烷氣的流速為4sccm，原料氣體的甲烷濃度為2％。另外，原料氣體壓力是13.3千帕，膜形成溫度為850度，膜形成時(shí)間為120分鐘。在這些條件下，將磷用作n型摻雜物，并在金剛石的生長(zhǎng)過(guò)程中供給磷化氫氣體。將磷化氫氣體對(duì)甲烷氣的比率設(shè)定為百萬(wàn)分之1000。
然后，在燈絲上設(shè)置引線以支撐燈絲，并在引線上固定配件，將所得到的燈絲固定到玻璃管上，并將放電氣體填充到玻璃管中。這樣就完成了放電燈。
通過(guò)在放電管中設(shè)置包含吸氫合金的構(gòu)件，第八實(shí)施例可以表現(xiàn)出與第四實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的放電燈中所用的陰極的斷面圖。如圖11所示，在包含諸如鎳的金屬的陰極支撐構(gòu)件81的表面上，形成包含諸如Mg2Ni的吸氫合金且厚度為0.5微米的吸氫合金膜82。在吸氫合金膜82的表面上，形成包含多晶金剛石且厚度為2微米的金剛石層83。該金剛石層83包含平均晶粒直徑為0.2微米的晶粒，并且在從吸氫合金膜82到外面(金剛石層83的表面，即，放電燈的放電空間)的金剛石層83內(nèi)存在晶界84。
將該陰極用作放電燈的陰極。如果這樣，當(dāng)降低放電管中的氫氣的分壓時(shí)，從吸氫合金膜82分解出氫氣，并通過(guò)包含多晶金剛石的金剛石層83中的晶界84，將所分解的氫氣釋放到放電燈的放電空間中。由此可以將氫氣的分壓保持在最佳的水平。
例如，如果將根據(jù)第九實(shí)施例的陰極用作根據(jù)第七實(shí)施例的陰極(不具有吸氫合金構(gòu)件136)，在玻璃管130的內(nèi)部溫度增加后，Mg2Ni合金的氫氣分解壓力逐漸增加，并在80度時(shí)達(dá)到約35帕。通過(guò)金剛石層83中的晶界84從吸氫合金膜82發(fā)射分解的氫氣，由此將放電燈的管中的氫氣的分壓保持在35帕。在這種狀態(tài)中，即使降低玻璃管130中的氫氣的量，也會(huì)從吸氫合金釋放氫氣以保持分解壓力。
下面，將解釋根據(jù)第九實(shí)施例的陰極的制造方法的實(shí)例。制備包含鉬的陰極支撐構(gòu)件81，并在陰極支撐構(gòu)件81的表面上形成吸氫合金膜82?？梢酝ㄟ^(guò)上述的傾斜濺射或傾斜蒸發(fā)，形成吸氫合金膜82。在吸氫合金膜82上種植金剛石籽晶。用與第四實(shí)施例相同的方式進(jìn)行這種金剛石籽晶的種植。將已經(jīng)過(guò)金剛石籽晶種植的包含吸氫合金膜82的陰極支撐構(gòu)件81移入圖3中所示的微波等離子CVD系統(tǒng)中。在該微波等離子CVD系統(tǒng)中，在吸氫合金膜82的表面上形成包含多晶金剛石的金剛石層83。膜形成條件如下。微波功率為2千瓦，原料氣體壓力為10千帕，氫氣的流速為300sccm，甲烷氣的流速為6sccm，原料氣體的甲烷濃度為2％，膜形成溫度為750度，膜形成時(shí)間為150分鐘。在這些條件下，形成厚度為2微米且包含平均直徑為0.2微米的晶粒的多晶金剛石層83。
在該實(shí)例中，僅使用氫氣和甲烷氣以形成多晶金剛石層83。另外，也可以通過(guò)摻雜雜質(zhì)而形成多晶金剛石層83。另外，在形成多晶金剛石層83時(shí)，可以用ECRCVD法或射頻CVD法代替微波等離子CVD法。
為了確保通過(guò)多晶金剛石層83中的晶界84釋放氫氣，多晶金剛石層83的厚度優(yōu)選不小于1微米且不大于5微米，平均晶粒直徑不小于0.1微米且不大于0.5微米。
并且，可以將圖11中所示的陰極應(yīng)用于熱陰極。但是，由于下述原因，特別優(yōu)選將圖11中所示的陰極應(yīng)用于冷陰極(包括外部電極放電燈中的冷陰極)。如果將該陰極用于熱陰極并通過(guò)燈絲等大幅度地加熱吸氫合金，那么吸氫合金的分壓會(huì)根據(jù)放電燈的應(yīng)用、使用條件等突然增加。這經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致放電燈的放電特性受損，即，放電燈的性能受損。并且，如果吸氫合金的分解壓力突然增加，則常會(huì)損壞吸氫合金的吸氫特性，并常會(huì)損壞放電燈的耐久性。
圖12是根據(jù)第十實(shí)施例的放電燈中所用的陰極的斷面圖。如圖12所示，在包含諸如鎳的金屬的陰極支撐構(gòu)件91的表面上，形成包含諸如Mg2Ni的吸氫合金且厚度為0.5微米的吸氫合金膜92。在吸氫合金膜92的表面上，形成厚度為2微米的金剛石層93。金剛石層93具有預(yù)定圖案(即，條帶圖案或島狀圖案)，并從圖案未形成部分94暴露吸氫合金膜92。該金剛石層93包含平均晶粒直徑為0.2微米的晶粒，并且在從吸氫合金膜92的表面到外面金剛石層93(放電燈的放電空間)內(nèi)存在晶界。
當(dāng)降低放電管中的氫氣的分壓時(shí)，則從吸氫合金膜92中分解出氫氣，并通過(guò)金剛石層中的晶界以及圖案未形成部分94，將所分解的氫氣釋放到放電燈的放電空間中。由此可以將氫氣的分壓保持在適宜的水平。
因此，根據(jù)第十實(shí)施例的陰極可以表現(xiàn)出與根據(jù)第九實(shí)施例的陰極相同的功能和優(yōu)點(diǎn)。除了金剛石層93包含單晶金剛石，以及通過(guò)眾所周知的光刻和蝕刻技術(shù)被加工成設(shè)定的圖案，根據(jù)第十實(shí)施例的陰極的制造方法與第九實(shí)施例中所解釋的方法的實(shí)例基本相同。使用CF4和O2的混合氣體作為蝕刻氣體。由此形成金剛石層93的圖案和圖案未形成部分94。
根據(jù)第十實(shí)施例，僅使用氫氣和甲烷氣以形成多晶金剛石層83。另外，也可以通過(guò)在多晶金剛石層83中摻雜雜質(zhì)而形成金剛石層83。另外，在形成多晶金剛石層83時(shí)，可以用ECRCVD法或射頻CVD法代替微波等離子CVD法。
如果使用多晶金剛石層作為金剛石層93，可以使用第九實(shí)施例的方法作為金剛石薄膜的形成方法。如果這樣，為了保證通過(guò)金剛石層93中的晶界釋放氫氣，多晶金剛石層93的厚度優(yōu)選不小于1微米且不大于5微米，平均晶粒直徑不小于0.1微米且不大于0.5微米。
并且，可以將圖12中所示的陰極應(yīng)用于熱陰極。但是，由于與第九實(shí)施例相同的原因，特別優(yōu)選將圖12中所示的陰極應(yīng)用于冷陰極(包括外部電極放電燈中的冷陰極)。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的第十一實(shí)施例的外部電極放電燈的斷面圖。該外部電極放電燈具有在放電管的外表面上設(shè)置的多個(gè)電極。通過(guò)在電極之間施加電壓，在放電管內(nèi)引起放電，由此而發(fā)光。
如圖13所示，根據(jù)第十一實(shí)施例的放電燈包括玻璃管150、在玻璃管150的表面上形成并在受到紫外線照射時(shí)產(chǎn)生可見(jiàn)光的磷光體152、分別固定在玻璃管150的兩端的內(nèi)表面上的成對(duì)圓筒狀金剛石層153a和153b、分別以隔著玻璃管150與成對(duì)金剛石層153a和153b相對(duì)的方式固定到玻璃管150的兩端的外表面上的成對(duì)外部電極151a和151b。例如，成對(duì)外部電極151a和151b包含鎢(W)或鉬(Mo)。
在玻璃管150的內(nèi)部填充放電氣體157。放電氣體157包含稀有氣體(例如，Ar、Ne或Xe)或稀有氣體Ar、Ne和Xe的混合氣體、微量的汞和氫氣。另外，分別在玻璃管150的兩端的內(nèi)表面上設(shè)置吸氫合金膜156a和156b，以將玻璃管150內(nèi)的氫氣的分壓保持在適宜的水平。
玻璃管150內(nèi)的金剛石層153a和153b之間的放電區(qū)域的溫度非常高。因此，優(yōu)選分別在相對(duì)金剛石層153a和153b臨近玻璃管150兩端的位置上設(shè)置吸氫合金膜156a和156b。另外，可以根據(jù)放電區(qū)域的溫度、位置等，在更臨近玻璃管150的中心的位置上設(shè)置吸氫合金構(gòu)件156a和156b。
下面，解釋該外部電極放電燈的操作。為了啟動(dòng)放電，在一對(duì)外部電極151a和151b之間施加頻率為40千赫的1000伏的高頻電壓。從金剛石層153a(或153b)發(fā)射電子和開(kāi)始放電的步驟與根據(jù)第四實(shí)施例的放電燈相同。另外，吸氫合金膜156a和156b的功能和優(yōu)點(diǎn)與第五實(shí)施例相同。使用這種機(jī)構(gòu)，間歇地進(jìn)行放電，并且通過(guò)由放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)磷光體152。
在該外部電極放電燈中，沒(méi)有將外部電極151a和151b暴露于放電空間中。因此，為了抑制外部電極151a和151b的消耗，不必在玻璃管150中包含汞。因此，只能將氫氣和稀有氣體用作在玻璃管150內(nèi)填充的氣體。
下面，將解釋該外部電極放電燈的制造方法的實(shí)例。制備玻璃管150，并在沒(méi)有形成金剛石層153a和153b的玻璃管150的部分內(nèi)表面上形成掩模等。與第四實(shí)施例相同，在形成金剛石層153a和153b的玻璃管150的部分內(nèi)表面(玻璃管150的兩端的內(nèi)表面上的圓筒狀區(qū)域)上種植金剛石籽晶。在去除掩模等后，與上述各實(shí)施例相同，使用微波等離子CVD法等的膜形成方法，由此，選擇性地在種植了金剛石籽晶的玻璃管150的部分內(nèi)表面上形成金剛石層153a和153b。作為這種膜形成步驟的結(jié)果，僅在玻璃管150的兩端的內(nèi)表面上形成圓筒狀金剛石層153a和153b。由于金剛石層153a和153b是不導(dǎo)電的，所以不必用p型摻雜物或n型摻雜物對(duì)金剛石層153a和153b進(jìn)行摻雜。
分別以與金剛石層153a和153b相對(duì)的方式在臨近玻璃管150的端部的位置上形成吸氫合金膜156a和156b。在玻璃管150的內(nèi)表面上涂敷并形成磷光體152。通過(guò)使用掩模，不在設(shè)置了金剛石層153a和153b的玻璃管150的兩個(gè)端部的內(nèi)表面上形成磷光體152。
在玻璃管150內(nèi)填充放電氣體，并通過(guò)設(shè)置在玻璃管150的兩端的密封部件密封玻璃管150。例如，通過(guò)在750度的溫度下加熱處理玻璃管150兩端的密封部件，軟化并流動(dòng)化密封部件，由此可以密封玻璃管150。最終，在玻璃管150的外表面的兩端形成外部電極151a和151b。由此完成根據(jù)第十一實(shí)施例的放電燈。
根據(jù)上述實(shí)施例，吸氫合金的類型不限于CeMg2和Mg2Ni合金。可以使用任何滿足放電管中的氫氣的分壓的要求的吸氫合金。吸氫合金構(gòu)件的形狀可以為丸狀或膜狀以外的板狀、棒狀或針狀等。包含吸氫合金的構(gòu)件可以為僅包含吸氫合金的構(gòu)件，也可以為僅包含吸氫合金的構(gòu)件與包含吸氫合金以外的其它材料的構(gòu)件的組合。例如，包含其它材料的構(gòu)件是用于將吸氫合金構(gòu)件安裝到放電管的內(nèi)壁上的構(gòu)件或磷光體的組成構(gòu)件。
在上述各實(shí)施例中，放電燈的外殼不限于玻璃管，而是可以使放電燈在外殼內(nèi)放出電流并可以將光線從內(nèi)部釋放到外部的殼體。放電燈的外殼的形狀可以為平板、曲面板、球狀等以及管狀。電極材料不限于鎢或鉬，而是可以為諸如鈦的其它材料。例如，除了上述所解釋的形狀外，電極的形狀還可以為棒狀或線狀。
在外部電極放電燈中，例如，在設(shè)置磷光體和各金剛石構(gòu)件時(shí)，可使得金剛石構(gòu)件與熒光膜交疊。即，可以在外部電極的內(nèi)表面上設(shè)置熒光膜，并可以在熒光膜上設(shè)置金剛石構(gòu)件。
其它優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。因此，從更寬的方面說(shuō)，本發(fā)明不限于這里表示和說(shuō)明的具體細(xì)節(jié)和代表性的實(shí)施例。因此，在不背離由附加的權(quán)利要求及其等同物限定的總的發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的前提下，可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種放電燈，該放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼內(nèi)設(shè)置并使得外殼內(nèi)發(fā)生放電的電極；以及在各電極的表面上設(shè)置的金剛石構(gòu)件，其中，放電氣體中包含比率不少于0.002％且不多于12.5％的氧氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，氧氣抑制在金剛石構(gòu)件的表面上粘附包含非金剛石成分的碳層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，金剛石構(gòu)件是覆蓋各電極的至少部分表面的金剛石膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，金剛石構(gòu)件包括含有施主雜質(zhì)的金剛石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，放電氣體包含主發(fā)光峰值不大于200納米的元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，放電氣體包含稀有氣體和汞。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氫氣。
9.一種放電燈，該放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼的外表面上設(shè)置并使得外殼內(nèi)發(fā)生放電的電極；以及在外殼的內(nèi)表面上與各電極對(duì)置地設(shè)置的金剛石構(gòu)件，其中，放電氣體中包含比率不少于0.002％且不多于12.5％的氧氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的放電燈，其特征在于，金剛石構(gòu)件是覆蓋各電極的至少部分表面的金剛石膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的放電燈，其特征在于，放電氣體包含主發(fā)光峰值不大于200納米的元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的放電燈，其特征在于，放電氣體包含稀有氣體和汞。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氙。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氫氣。
15.一種放電燈，該放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼內(nèi)設(shè)置并使得在外殼內(nèi)發(fā)生放電的電極；在各電極的表面上設(shè)置的金剛石構(gòu)件；以及包含吸氫合金并在外殼內(nèi)設(shè)置的構(gòu)件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氫氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的放電燈，其特征在于，在金剛石構(gòu)件的周?chē)O(shè)置包含吸氫合金的構(gòu)件。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的放電燈，其特征在于，包含吸氫合金的構(gòu)件是在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的放電燈，其特征在于，在金剛石構(gòu)件和各電極之間設(shè)置包含吸氫合金的構(gòu)件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的放電燈，其特征在于，金剛石構(gòu)件覆蓋包含吸氫合金的構(gòu)件的表面的一部分，并暴露該表面的其它部分。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的放電燈，其特征在于，包含吸氫合金的構(gòu)件具有多晶的晶體狀態(tài)。
22.一種放電燈，該放電燈包括用放電氣體填充的外殼；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜；在外殼的外表面上設(shè)置并使得外殼內(nèi)發(fā)生放電的電極；在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置以與各電極對(duì)置的金剛石構(gòu)件；以及包含吸氫合金并在外殼內(nèi)設(shè)置的構(gòu)件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的放電燈，其特征在于，放電氣體包含氫氣。
全文摘要
提供一種放電燈，在該放電燈中，將二次電子發(fā)射效率較高且濺射率比較低的金剛石用作冷陰極。該放電燈包括用放電氣體填充的外殼、在外殼的內(nèi)表面上設(shè)置的熒光膜和使得外殼內(nèi)發(fā)生放電的一對(duì)電極。在各電極的表面上設(shè)置金剛石構(gòu)件，并且，放電氣體中包含比率不少于0.002％且不多于12.5％的氧氣。
文檔編號(hào)H01J17/04GK1577718SQ200410071388
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者小野富男, 佐久間尚志, 酒井忠司, 鈴木真理子, 吉田博昭 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝