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置的陰極。當(dāng)在陰極之間施加電壓時，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)生可見光。發(fā)光顏色例如為白色、白晝光平均色或藍色根據(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)涂敷的盤繞燈絲構(gòu)成。在使用熱陰極的放電燈中，當(dāng)放電燈通過放電電流時，燈絲的溫度達到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)或濺射的結(jié)果，發(fā)射體擴散進入放電管。擴散的發(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(參見日本專利申請公開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)長時間用燈時，即使將金剛石用作發(fā)射體的放電燈也不可避免地會降低發(fā)光效率。
同時，冷陰極放電燈是這樣一種結(jié)構(gòu)，即，在放電管內(nèi)配置相互對置的一對冷陰極，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，使得在放電管的外部設(shè)置電極。換句話說，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。但是，冷陰極放電燈的缺點在于，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(參見日本專利申請公開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)長時間用燈時，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)中的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個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)合附圖進行閱讀時，通過本發(fā)明的下述詳細說明，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點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)明的第十一實施例，包含吸氫合金的外部電極放電燈的斷面圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明的示例性的實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，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，以促進放電。氫氣的分壓對總壓的比率為1％。并且，在玻璃管1中填充若干毫克的微量的汞。根據(jù)第一實施例，進一步以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，另一電極作為陽極。
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，保留在玻璃管1中的電子受到向陽極的吸引力，并快速移動，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)殛栯x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”)低于啟動放出電流所需的電壓(以下稱為“放電啟動電壓”)。
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)本實施例的放電燈的放電啟動電壓和放電保持電壓都遠低于使用鎳(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，并可以進一步降低放電啟動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、白晝光平均色或藍色)的可見光線19。
通過將金剛石膜14a和14b用作發(fā)射體，可以有利地將放電啟動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)第一實施例的放電燈不但具有這些優(yōu)點，通過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。
當(dāng)通過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，發(fā)射保持放電所需的二次電子17，并通過濺射發(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。這會有損電極12a和12b的電子發(fā)射效率，并降低通過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，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(對應(yīng)于放電啟動電壓增加)，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，相對于金剛石膜14a和14b，可以通過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、并可保證實際上長壽命和高效率的冷陰極放電燈。
下面，解釋根據(jù)第一實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軸表示放電啟動電壓(Vf[V])。為了比較，還給出了表示在陰極中使用金屬(本實施例中為Mo)時的曲線。通常地，如果乘積p×d較大，則放電啟動電壓(Vf)較高。如圖2所示，如果氧氣的比率(氧氣的分壓對總壓的比率，以百分比(％)表示)較高，則放電啟動電壓(Vf)較高。這是因為，當(dāng)難以電離的氧氣的比率增加時，就難以放出電流。如果氧氣比不大于12.5％，放電啟動電壓Vf就足以低于使用金屬的情況。但是，如果氧氣比大于15％，放電啟動電壓Vf就會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，放電啟動電壓Vf會非常低。該放電啟動電壓Vf對應(yīng)于放電持續(xù)時間為零，即，放電燈首次放出電流時的電壓。如果不含氧氣，當(dāng)放電持續(xù)時間較長時，放電啟動電壓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(氧氣的分壓對總壓的比率，以％表示)、放電持續(xù)時間和放電啟動電壓Vf之間的關(guān)系。

在該表中，如果施加交流電壓，放電啟動電壓Vf對應(yīng)放電燈啟動放出電流時的電壓，并且放電燈按半循環(huán)反復(fù)開始和停止這種放電。在該表中，表示出了放電啟動電壓Vf是如果隨放電持續(xù)時間的變化而變化的。
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)時間較長時，放電啟動電壓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)時間較長時，放電啟動電壓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％，那么放電啟動電壓Vf不增加或基本不增加。這是因為氧氣充分存在，可以抑制在各金剛石膜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。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是說明微波等離子CVD系統(tǒng)的斷面圖。如圖3所示，通過微波波導(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)?？梢哉{(diào)整用于加熱臺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)位置的機構(gòu)。可以通過未示出的壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)反應(yīng)室63中的壓力，并通過旋轉(zhuǎn)式泵排空反應(yīng)室63中的空氣。另外，通過由旋轉(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，通過微波等離子CVD方法，并將氫用作運載氣體，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，膜形成時間為3小時。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產(chǎn)生可見光的磷光體26；分別固定于玻璃管21兩端的內(nèi)表面上的成對圓筒狀金剛石層24a和24b；以隔著玻璃管21分別與成對金剛石層24a和24b相對的方式，固定于玻璃管21兩端的外表面上的成對外部電極23a和23b。例如，成對外部電極23a和23b包含鎢(W)或鉬(Mo)。
與第一實施例相似，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。為了啟動放電，在成對外部電極23a和23b之間施加頻率為40千赫的1000伏的高頻電壓。當(dāng)將一對金剛石層24a和24b用作發(fā)射體(陰極)時，將另一對用作對極(陽極)。當(dāng)在電極23a和23b之間施加該高頻電壓時，保留在玻璃管21中的電子受到向陽極的吸引力，并快速移動，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，從成對金剛石層24a(或24b)上發(fā)射二次電子17，從而開始放電。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。
使用這種機構(gòu)，與第一實施例相似，間歇地產(chǎn)生放電，并通過放電產(chǎn)生的紫外線18激發(fā)磷光體26，由此產(chǎn)生可見光線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電壓遠低于將玻璃用作發(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電壓。
從而，通過將金剛石層24a和24b用作電子發(fā)射源，可以提供可以在低電壓下開始放電并可以保證低功率消耗的放電燈。根據(jù)第二實施例的放電燈不僅可以表現(xiàn)出這些優(yōu)點，通過在放電氣體中包含微量的氧氣11，它還可以具有與第一實施例相同的優(yōu)點。
即，通過在放電氣體中包含微量的氧氣11，可以通過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，可以實現(xiàn)高效率、可以確保實際長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)第二實施例的放電燈的制造方法。通過使用掩模等，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。在形成成對金剛石層24a和24b時，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施例相同。通過使用掩模等，從而不會在設(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)第二實施例的放電燈。
圖5A和圖5B是根據(jù)本發(fā)明的第三實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中的第一實施例相同的構(gòu)成部件。根據(jù)本實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透明且細長，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之間施加電流以進行預(yù)熱時，從發(fā)射體39b中發(fā)射出電子。所發(fā)射的電子移動到對極(陽極)，從而開始放電。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)射極和對極(陽極)。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、白晝光平均色或藍色)的可見光線19。
下面，將解釋根據(jù)第三實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溶劑中，并對其進行超聲波清洗。將超聲波清洗的處理時間設(shè)定為30分鐘。通過進行超聲波清洗，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，在氮氣氣氛中，在200度的溫度下將燈絲39a加熱60分鐘，由此去除有機溶劑和雜質(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)第三實施例的熱陰極放電燈可以表現(xiàn)出與第一實施例相同的優(yōu)點。
圖6A和圖6B是根據(jù)本發(fā)明的第四實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透明且細長，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之間施加電流以進行預(yù)熱時，從熱的金剛石薄膜101b中發(fā)射出電子。所發(fā)射的電子移動到對極(陽極)，從而開始放電。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)射極和對極(陽極)。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、白晝光平均色或藍色)的可見光。
用與第三實施例相同的方法制造根據(jù)第四實施例的熱陰極放電燈中所用的熱陰極。根據(jù)本實施例，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。如果通過將含氫氣體用作運載氣體的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。這種氫終止層對金剛石特性有很大影響，并在表示負電子親合力(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)過一定的時間后，在玻璃管中的氫氣的分壓由于各種原因而降低。另外，在長時間使用燈后，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，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)第四實施例的一個實例中，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度時達到約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。與第四實施例相同，根據(jù)第五實施例的放電燈是使用熱陰極的放電燈，但與根據(jù)第四實施例的放電燈的區(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。分別在成對電極115a和115b的周圍設(shè)置吸氫合金膜126a和126b?？梢酝ㄟ^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)第五實施例，與第四實施例相同，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)明的第六實施例的放電燈的斷面圖。根據(jù)該實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長的玻璃管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，在金剛石薄膜133a和133b的表面上產(chǎn)生強電場。電場使殘余電子快速移動，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的吸引并快速移動時，會與稀有氣體或稀有氣體的混合氣體發(fā)生碰撞。通過碰撞而增殖的陽離子與陰極碰撞，并從陰極發(fā)射二次電子，從而開始放電。通過放電而流動的電子和離子與汞原子碰撞。通過這些碰撞，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、白晝光平均色或藍色)的可見光。
與第四實施例相似，根據(jù)該第六實施例，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，第六實施例表現(xiàn)出與第四實施例相同的優(yōu)點。
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，也可以通過摻雜雜質(zhì)，形成金剛石薄膜133a和133b。對于金剛石薄膜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。與第六實施例相同，根據(jù)第七實施例的放電燈是使用冷陰極的放電燈。但與第六實施例的區(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)點與第五實施例相同。
下面將解釋作為本發(fā)明的第八實施例，用n型摻雜物摻雜金剛石薄膜的實例。圖10是用于解釋第八實施例的原理并說明用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(Evac)低。電子親合力是將存在于導(dǎo)帶的底端的電子移動到真空中所需要的能量。如果電子親合力為負值，這意味著發(fā)射該電子的趨勢增加。
但是，在室溫下n型金剛石的電阻非常大。這是因為給予電子的施主的能級與導(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，放電燈會表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電子發(fā)射特性。在第八實施例中，將解釋通過使用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，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。在不具有NEA特性的普通發(fā)射體中，真空能級(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，能差(Ed)為約0.6電子伏特。對于在發(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)良并可確保長壽命的熱陰極放電燈。
并且，功函對表面狀態(tài)的影響十分敏感，并強烈受制造工藝、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值，那么即使NEA輕微波動，NEA也不會對熱電子發(fā)射產(chǎn)生影響。決定熱電子發(fā)射的是施主能級與導(dǎo)帶(Ec)的底端之間的能差(Ed)。能差(Ed)所對應(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，這種熱量也會快速向周圍傳導(dǎo)，由此使溫度保持均勻。當(dāng)通過使用n型金剛石可以得到充分的效果時，在由n型金剛石形成均勻的連續(xù)膜時這種影響會更大。
下面，將解釋根據(jù)第八實施例的熱陰極和放電燈的制造方法的實例。制備通過纏繞直徑為30微米的鎢絲而形成的燈絲。該燈絲的處理方法與根據(jù)第四實施例的燈絲的處理方法相同。例如，通過微波等離子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，并在金剛石的生長過程中供給磷化氫氣體。將磷化氫氣體對甲烷氣的比率設(shè)定為百萬分之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。
通過在放電管中設(shè)置包含吸氫合金的構(gòu)件，第八實施例可以表現(xiàn)出與第四實施例相同的優(yōu)點。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的第九實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，從吸氫合金膜82分解出氫氣，并通過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)第九實施例的陰極用作根據(jù)第七實施例的陰極(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度時達到約35帕。通過金剛石層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)第九實施例的陰極的制造方法的實例。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^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。用與第四實施例相同的方式進行這種金剛石籽晶的種植。將已經(jīng)過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，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燈絲等大幅度地加熱吸氫合金，那么吸氫合金的分壓會根據(jù)放電燈的應(yīng)用、使用條件等突然增加。這經(jīng)常會導(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，則常會損壞吸氫合金的吸氫特性，并常會損壞放電燈的耐久性。
圖12是根據(jù)第十實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，則從吸氫合金膜92中分解出氫氣，并通過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)第十實施例的陰極可以表現(xiàn)出與根據(jù)第九實施例的陰極相同的功能和優(yōu)點。除了金剛石層93包含單晶金剛石，以及通過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)第十實施例的陰極的制造方法與第九實施例中所解釋的方法的實例基本相同。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，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)置的多個電極。通過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產(chǎn)生可見光的磷光體152、分別固定在玻璃管150的兩端的內(nèi)表面上的成對圓筒狀金剛石層153a和153b、分別以隔著玻璃管150與成對金剛石層153a和153b相對的方式固定到玻璃管150的兩端的外表面上的成對外部電極151a和151b。例如，成對外部電極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。為了啟動放電，在一對外部電極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)射電子和開始放電的步驟與根據(jù)第四實施例的放電燈相同。另外，吸氫合金膜156a和156b的功能和優(yōu)點與第五實施例相同。使用這種機構(gòu)，間歇地進行放電，并且通過由放電產(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例。制備玻璃管150，并在沒有形成金剛石層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型摻雜物對金剛石層153a和153b進行摻雜。
分別以與金剛石層153a和153b相對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)第十一實施例的放電燈。
根據(jù)上述實施例，吸氫合金的類型不限于CeMg2和Mg2Ni合金?？梢允褂萌魏螡M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，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)點和修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。因此，從更寬的方面說，本發(fā)明不限于這里表示和說明的具體細節(jié)和代表性的實施例。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)件的周圍設(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H01J17/04GK1577718SQ200410071388
公開日2005年2月9日 申請日期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 申請人:株式會社東芝