Brevet FR2005579A1 — publié le 19691212

L'invention concerne une lampe à décharge dans le gaz à basse pression comportant une électrode àémission thermique, ainsi qu'une électrode destinée à une telle lampe • 5 Des électrodes destinées aux lampes à décharge dans le gaz à basse pression sont connues sous plusieurs formes de réalisation. D'une façon générale, on part d'un filament en tungstène, qui est recouvert d"une substance à émission thermique, par exemple un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux. Les 10 couches à oxyde doivent être frittées dense, sinon une trop grande quantité du matériau émissif se pulvériserait par suite du bombardement par ions se produisant dans une lampe à décharge dans le gaz. D'un tel frittage dense des oxydes il résulte un travail d'extraction trop élevé de la couche émissive, de sorte 15 que les électrodes doivent présenter une température de fonctionnement élevée (environ 1100 à 1200° C), afin de fournir une émission satisfaisante. Un inconvénient inhérent à une telle température de fonctionnement élevée des électrodes consiste dans une évaporation du métal alcalino-terreux, évaporation qui 20 se produit malgré le frittage dense et qui a pour effet une diffusion de métal par l'intermédiaire de l'enceinte à décharge et pratiquement sans entraves, vers la paroi de la lampe où ce métal provoque un noircissement non désiré. Un autre inconvénient important de ces électrodes réside dans la résistance 25 électrique élevée de la couche à oxyde, ce qui se traduit par une émission réduite et par de grandes pertes d'électrode. C'est que dans cette résistance une partie de l'énergie amenée à la lampe est dissipée. Bien que la cha3air absorbée de cette façon par les électrodes soit nécessaire pour maintenir la températu— 30 re d'émission requise desdites électrodes, le rendement de la lampe en est affecté. De plus, il existe des lampes à décharge dans le gaz à basse pression, dont les électrodes sont creuses et tubulaires. C'est ainsi que le brevet américain n° 2.433*218 montre une lam-35 pe à décharge dans le gaz à basse pression comportant une électrode cylindrique creuse, par exemple en fer, dont la surface intérieure est revêtue de matériau émissif et qui n'est chauffé que par la décharge. Même pendant l'amorçage de la lampe, l'électrode n'est pas pré-chauffée. La couche émissive s'étend sur ko toute la surface intérieure de l'électrode } le brevet ne révèle 69 10593 2 2005579 pas clairement la façon dont est réalisée cette couche.. Si la couche émissive est frittée dense, il se présente les inconvénients d'un travail d'extraction élevé et d'une résistance élevée de la couche. Par suite du travail d'extraction élsré, l'électro-5 de doit être portée à une température de fonctionnement élevée, afin de pouvoir fournir une émission suffisante d'électrons. D' une façon générale, une couche émissive frittée dense n'adhère pas convenablement à une surface métallique, étant donné la gran«* de différence en coefficients de dilatation. De plus, il faut 10 beaucoup de temps pour porter l'électrode à la températrue d'émission, par suite de la capacité thermique élevée que présentent ces électrodes, qui sont constituées par des cylindres creux à paroi assez épaisse. Si la couche émissive n'est pas frittée dense, la durée de vie des lampes réalisées suivant le brevet améri-15 cain sera courte, du fait que les ions frappant l'électrode font fortement pulvériser le matériau émissif recouvrant toute la surface intérieure. Comme matériau à utiliser pour l'électrode, ledit brevet ne mentionne que le fer qui est revêtu d'une couche émissive. Comme on le sait, le fer constitue un élément non 20 désiré dans les lampes à décharge dans le gaz, étant donné son développement de gaz. De plus, le fer ne peut pas servir de support à une couche émissive, étant donné les impuretés présentes dans cet élément. Le fer peut être utilisé qu'à l'état pur, ce qui est évidemment trop coûteux. 25 L'invention fournit une lampe à décharge dans le gaz à bas se pression comportant une électrode ne présentant pas ou guère lesdits inconvénients. Une lampe à décharge dans le gaz à basse pression conforme à l'invention est munie d'une électrode à émission thermique, tubulaire, oblongue dont au moins une extrémité présente une ouverture et dont la face intérieure est recouverte de matériau émettant des électrons, cette lampe étant notamment telle que l'électrode est constituée par un corps support métallique, dont la surface intérieure est revêtue d'une couche constituée par 35 des particules métalliques qui sont fixées par frittage au métal du support et entre lesquelles se trouve du matériau émissif, dont le travail d'extraction est inférieur à 2eV, alors que les particules métalliques présentent une forme telle qu'elles entourent en majeure partie le matériau émissif. 4'0 Une électrode conforme à l'invention comporte un corps support métallique. De bons résultats s'obtiennent avec le 69 10593 3 2005579 molybdène, le fer nickelé, le nickel et le nickel dit à cathodes (du nickel contenant de très petites quantités d'un ou de plusieurs éléments activants, tels que le magnésium, l'aluminium, le silicium ou le zirconium) comme matériau à utiliser pour la 5 réalisation du support. Toutefois, on préfère utiliser le nickel et notamment le nickel à cathodes, étant donné que ces matériaux sont moins chers et ne contiennent pas d'impuretés indésirables. De plus, ces matériaux sont faciles à façonner. L'épaisseur de la paroi du corps support est de préférence 10 comprise entre 20 et 100^u. Les particules métalliques fixées par frittage au support peuvent être constituées par le titane, le vanadium, le molybène, le fer, le cobalt ou le nickel, du fait que ces métaux peuvent convenablement être frittés sur une couche métallique sous-ja-15 cente. On préfère utiliser, ici aussi, le nickel, entre autres parce qu'il est bon marché et qu'il peut facilement être appliqué dans la forme requise sur le support. Bien que le nickel soit fréquemment utilisé comme matériau d'électrodes dans les tubes à vide, jusqu'à présent on s'est 20 vainement efforcé d'utiliser ce matériau peu cher dans les lampes à décharge dans le gaz, du fait que le nickel s'évère fortement sujet à pulvérisation dans le cas d'un bombardement par ions se produisant pendant une décharge dans le gaz. De plus, 1'évaporation du nickel se produisant aux températures usuelles 25 jusqu'à présent pour des électrodes à émission thermique est notable. Une électrode conforme à l'invention est -de préférence réalisée à partir d'un ruban en nickel à cathodes, muni d'une couche émissive. Cette couche peut être appliquée sur le ruban, 30 par exemple suivant un procédé comme décrit dans le brevet britanique n° 9^0.003. A cet effet, on applique des particules en nickel sur le ruban à partir d'un récipient magnétique. Le champ magnétique du récipient dirige les particules de façon qu'elles forment des agglomérations dans une direction perpendi-35 culaire au ruban, les agglomérations ainsi formées étant séparées par des interstices. Ensuite, le ruban comportant les particules en nickel est introduit dans un four dans lequel les particules en nickel sont agglomérées par frittage et fixées au ruban en nickel de façon à former des poils relevés en nickel sur 40 ledit ruban. Ensuite, on applique dans l'interstice compris 69 10593 4 2005579 entre lesdits poils relevés du matériau qui, après activation, présente un travail d'extraction inférieur à 2 eV, après quoi la couche ainsi formée est comprimée, par exemple à l'aide de rouleaux compresseurs en acier, de façon que les poils relevés 5 en nickel soient déformés dans une direction parallèle au ruban et enveloppent en majeure partie le matériau émissif comprimé* Une électrode conformé à l'invention peut s'obtenir à partir du ruban en nickel comportant une couche émissive, obtenu de la façon décrite ci-dessus, en lui donnant la forme tubulaire 10 requise, la couche émissive se trouvant à l'intérieur. C'est ainsi qu'une section de l'électrode perpendiculaire à l'axe géométrique peut être ovale ou circulaire. De préférence, la longueur de l'électrode est plusieurs fois supérieure aux dimensions de la section mentionnée ci-dessus. Les deux extrémités d'une élec-15 trode conforme à l'invention peuvent être ouvertes, bien qu'il soit également possible de fermer l'une des deux* Cela se fait par exemple en serrant l'extrémité en question de l'électrode autour d'une entrée de courant ou d'un fil support. Une électrode conforme à l'invention offr.e l'avantage que 20 le matériau émissif ne doit être fritte que légèrement, de sorte qu'on obtient un travail d'extraction notablement plus bas que dans le cas d'électrodes comportant des couches émissives frit-tées dense. De ce fait, l'électrode peut fonctionner à une température qui est basse pour les lampes à décharge dans le gaz 25 et qui ne doit pas être supérieure à 900° C. Fait étonnant, on a constaté que dans les électrodes conformes à l'invention, la pulvérisation et 1'évaporation du matériau émissif ainsi que du corps support en nickel sont négligeables. Cela est dû à la bonne émission thermique se produisant à une température basse. 30 C'est qu'à l'endroit de la surface émissive de l'électrode, le courant de décharge de la lampe est constitué par deux composants, notamment un courant d'électrons à émission thermique ainsi qu'un courant d'ions. Or, si l'émission thermique est grande, le courant d'ions sera petit pour un courant de déchar-35 ge déterminé, de sorte que le bombardement par ions et, de ce fait, la pulvérisation, sont limités au minimum. De plus, il ne se présente qu'une faible évaporation, étant donné la température de fonctionnement basse. Un autre avantage réside dans le fait ques les atomes éventuellement libérés par pulvérisation ou kO évaporation ne peuvent pas diffuser sans plus vers la paroi tfe la 69 10593 5 2005579 lampe, mais ne peuvent échapper que par les extrémités ouvertes des électrodes. La plupart des atomes se dépose, ici aussi, sur la paroi intérieure de l'électrode. D'une façon générale, dans une lampe à décharge dans le gaz, 5 les électrodes sont maintenues, sous l'influence de la dissipation d'énergie, à une température telle qu'il se produit une émission d'électrons suffisante. Cette dissipation d'énergie est constituée par deux contributions ; la première est fournie par les pertes ohmiques se produisant dans la résistance électrique 10 constituée par l'électrode, alors que la seconde est constituée par la cession de l'énergie de recombinaison par les ions frappant l'électrode lorsque cette dernière fait office de cathode et par la cession d'énergie cinétique par les électrons incidents, lorsque l'électrode fait office d'anode. Les électrodes 15 conformes à l'invention présentent cependant une couche émissive convenablement conductrice, grâce à la conduction se produisant par l'intermédiaire des pores et aux court-circuits locaux de la surface émissive et du support en nickel à travers les poils relevés. De ce fait, la perte ohmique se produisant dans les 20 électrodes conformes à l'invention (et partant, toute la dissipation d'énergie) est inférieure à celle se produisant dans le cas des électrodes connues. XI en résulte une augmentation du rendement de la lampe. Du fait que les électrodes conformes à l'invention présentent un travail d'extraction, moins élevé elles peu-25 vent fournir une émission d'électrons suffisante pour assurer le fonctionnement de la lampe à une température plus basse. De préférence, on utilise pour une électrode conforme à l'invention un ruban en nickel d'une très faible épaisseur, comprise entre 20 et 100^u par exemple. L'électrode présente 30 alorqùne faible capacité thermique, ce qui a pour effet que, pour une puissance déterminée, le temps nécessaire pour porter l'électrode à la température d'émission est court. Des lampes comportant une telle électrode peuvent facilement être amorcées à l'état froid, ce qui veut dire qu'il ne faut pas de moyens 35 additionnels afin de pré—chauffer l'électrode. Une forme de réalisation particulièrement avantageuse d'une lampe conforme à l'invention est celle dans laquelle l'électrode ne possède qu'un seul fil d'alimentation de courant et la décharge s'amorce sans pré-chauffage des électrodes. 40 Afin d'obtenir une durée de vie satisfaisante de la lampe 69 10593 2005579 l'électrode est de préférence munie d'au moins 1 mg de matériau 2 émissif par cm de la surface intérieure. D'une façon générale, r . 2 une quantité de matériau émissif supérieure à 10 mg par cm de la surface inférieure n'est pas nécessaire. Comme matériau émis-5 sif, on peut utiliser un ou plusieurs des oxydes de métaux alcalino-terreux. Lors de la fabrication de la lampe, ces oxydes sont généralement formés à partir de carbonates, par exemple un mélange de carbonates de baryum, de strontium et de calcium. Lors de cette formation et également pendant la durée de vie de la lampe, 10 la partie en nickel de la surface intérieure de l'électrode devient plus petite. Il est avantageux de mélanger la matériau émissif avec,en poids, 1 à 10 % d'un ou de plusieurs des éléments titane, zirco-nium, hafnium ou thorium. Lesdits éléments favorisent notablement 15 le processus d'activation du matériau émissif. Comme on le sait, une augmentation du flux lumineux d'une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression peut s'obtenir en augmentant la puissance de la lampe. Toutefois, la température du mélange gazeux contenu dans la lampe augmente 20 alors, ce qui s'accompagne d'une augmentation de la pression de la vapeur de mercure. Ce dernier phénomène affecte le rendement lumineux de la lampe. C'est pour cela qu'on recourt assez souvent à l'utilisation de moyens permettant de réaliser, dans la lampe, un endroit dit froid, ce qui permet de limiter la pres-25 sion de la vapeur de mercure. Dans une lampe conforme à l'invention, un tel endroit peut facilement être réalisé aux extrémités de la lampe, derrière les électrodes. Si une électrode conforme à l'invention est appliquée de façon à être écartée d'une extrémité de la lampe d'une même dis-30 tance qu'une électrode connue, l'extrémité de la lampe sera plus froide, du fait que dans les électrodes conformes à l'invention, une plus petite quantité d'énergie est dissipée. Il en ressort que l'utilisation de moyens additionnels, tels que de longs fils d'alimentation de courant ou d'écrans thermiques, n'est pas néces-35 saire. La description ci-après, en se référant au dessin annexé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, par-kO tie de ladite invention. 69 10593 7 2005579 La figure 1 représente, schématiquement, en section, une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression conforme à l'invention» La figure 2 représente un autre exemple de réalisation d'une 5 lampe conforme à l'invention, notamment une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression» La figure 3 montre en section transversale du ruban en nickel muni d'une couche émissive et destiné à la réalisation d'une électrode conforme à l'invention. 10 Sur la figure 1, le chiffre de référence (l) désigne la pa roi d'une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression consommant, en régime,:une puissance de 40 Watts. La paroi, qui est par exemple en verre, est munie d'une couché luminescente (2) . Les deux extrémités de la".lampe comportent chacune un 15 pincement (4) que traversent les fils d'alimentation de courant (3)» Dans l'enceinte ..là décharge ces fils d'alimentation sont connectés à des électrodes (5) conformes à l'invention. La con» nexion est obtenue par soudage par points, les soudures étant désignées par le chiffre de référence 7» Les électrodes (5) sont 20 constituées par de petits cylindres creux oblongs, qui sont réalisés avec du ruban en nickel et dont la face intérieure comporte une couche émissive. Dans cet exemple de réalisation, les électrodes ont une longueur de 15 mm et un diamètre de 2,5 mm, alors que l'épaisseur de la paroi du cylindre est de 50 yam» 25 Les pertes d'électrode d'une lampe telle que celle représen tée sur la figure 1 sont inférieures de 2 Watts à celles de lampes comportant des électrodes hélicoïdales connues recouvertes d'une couche émissive. Dans le cas d'une lampe de 40 Watts, cela se traduit par une augmentation du rendement de 5 %- La construc» 30 tion de l'électrode est peu coûteuse et ne nécessite pas l'utilisation de moyens permettant de chauffer les électrodes pendant l'amorçage de la lampe. La tension d'amorçage de la lampe s'est avérée suffisamment basse. La figure 2 montre une lampe à décharge dans la vapeur de 35 sodium à basse pression comportant un tube à déciarge en verre en forme de U (l). En pratique, la lampe est généralement disposée dans une enveloppe à vide, cylindrique, en verre, qui n'est pas représentée sur le dessin. L'extrémité „libre de chaque bras du tube à décharge comporte un pincement (2) que traverse un fil d'à-40 limentation de courant (3)» A l'intérieur de l'enceinte à déchar 69 10593 8 2005579 ge, le fil d'alimentation de courant traverse un tube cylindrique creux (4), par exemple en matériau céramique, supporté par le pincement (2). Le tube (4) sert à fixer une électrode cylindrique creux (5) conforme à l'invention dans le tube à décharge. 5 L'électrode (5) a une longueur d'environ 15 mm et un diamètre d'environ 2,5 mm et entoure partiellement ledit tube (4). Le fil d'alimentation de courant quitte le tube (4) par une ouverture (6) et est fixé à la face extérieure de l'électrode à l'aide d'wi point de soudure (7)« 10 , Des essais de mesure ont prouvé que les tensions d'amorçage obtenues dans les lampes à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression sont inférieures à celles se. produisant dans les lampes connues. Les lampes connues comportent des électrodes constituées par des supports hélicoïdaux assez lourds sur lesquels 15 est appliquée une grande quantité de matériau émissif. L'activa— tion se fait ici à l'aide d'un courant de chauffage traversant le support et le temps pendant lequel ce courant de chauffage doit être utilisé diffère suivant les électrodes par suite du fait que la résistance électrique des supports et les propriétés des cou— 20 ches émissives ne sont pas reproductibles. De ce fait, il n'est guère possible de réaliser ces lampes par un procédé automatique. De plus, pendant les premières heures de fonctionnement, les lampes connues contiennent du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone, ce qui est indésirable et révèle une activation non corn-25 plète. Les électrodes conformes à l'invention ne présentent pas ces inconvénients et sont notablement moins coûteuses. L'activa— tion s'effectue à 1 'aide d'un champ à haute fréquence par exemple. La figure 3 représente .'.en section transversale le matériau à partir duquel peuvent être réalisées les électrodes conformes 30 à l'invention. Le chiffre de référence (1) désigne un ruban en nickel servant de support à une couche émissive Dans ce cas, le ruban en nickel a une épaisseur d'environ 50 yum. La couche émissive (2,3) a une épaisseur d'environ 10 ^ïm et comporte des filaments relevés en nickel (2), dont les extrémités libres sont 35 recourbées. Le matériau émissif (3) est en majeure partie enfermé- par lesdits filaments en nickel et le ruban en nickel. La surface (4) est donc en majeure partie constituée par du nickel. 69 10593 9 2005579 REVENDICATIONS 1. Lampe à décharge dans le gaz à basse pression comportant une électrode à émission thermique, tubulaire, oblongue, dont au moins une extrémité comporte une ouverture et dont la face intérieure est recouverte de 5 matériau émettant des électrons, caractérisée en ce que l'électrode est constituée par un corps support métallique, dont la surface intérieure est munie d'une couche constituée par des particules métalliques, qui sont fixées par frittage audit support métallique et entre lesquelles se trouve du matériau émissif présentant un travail d'extraction inférieur à 2eV et 10 que les particules métalliques présentent une forme telle qu'elles enferment en majeure partie le matériau émissif. 2. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que le corps support métallique est en nickel ou en nickel à cathodes. 3. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que les 15 particules métalliques sont en nickel. 4. Lampe à décharge salon la revendication 1 caractérisée en ce que la paroi du corps support a une épaisseur comprise entre 20 et lOO^um. 5. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que 2 l'électrode contient au moins 1 mg de matériau émissif par cm de la sur» 20 face intérieure. 6. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau émissif est constitué par un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux. 7. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que le 25 matériau émissif est mélangé avec, en poids, 1 à 10% d'au moins un des éléments titane, zirconium, hafnium ou thorium. 8. Lampe à décharge selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'électrode ne comporte qu'un fil d'alimentation de courant et n'est chauffée que par la décharge. 30 9. Electrode destinée à être utilisée dans une lampe à décharge dans le gaz à basse pression, telle que caractérisée ci-dessus.