Brevet FR2003641A1 — publié le 19691114

Le lampe à ûéehî.rge à vapeur de rercure du type dit à additifs renfermait des composés 'hulogénures métalliques est devenue uns importance source lumineuse co>:merei:\le. l'usage d1 additif s halogénures de métaux de terre 3 rires a été particuliè-5 rement efficace pour lf a:'léoration -Je la couleur le la lumière produite. Reste cependant le problorae posé par la nature réactive des halo^-mires de s'taux de terres rares par rapport à la matière d'émission cathodique aux températures de fonctionnement des lam-pes. En outre, les matières normalisées dsémission électronique 10 utilisées dans les lampes à décharge à vapeur de mercure à faible et à moyenne pression, telles rue les o:cydes et les tungsta-tes aiealino-terreux, montrent une certaine tendance à se dété- . riorer dans l'atmosphère réactive dshalogénures de métaux de terres rares. Pour cette raison# on a parfois utilisé des élec-15 trodes simplement de tungstène spirale » Bien que ces électrodes de tungstène soient relativement stables chimiquement, on a constaté que le travail de sortie du tungstène augmente dans une atmosphère de fonctionnement d'halogénures de métaux de terres rares. 20 l'usage d'éclats d'oxyde de thorium, retenus par les spires de l'électrode, afin d'accroître l'énissivité de cette dernière, est bien connu des techniciens. On a trouvé une certaine utilisation pour les oxydes de métaux de terres rares lorsqu'on les ajoute en petites quantités aux oxydes alcalino-25 -terreux usuels, dais les lampes à décharge fluorescentes à basse pression. l'une des lampes du type à additifs qui a rencontré le plus de succès utilise 1*iodure de dysprosium comme additif halojénure métallique principal, les lampes à vapeur de mercure-30 -iodure de thallium — iodure de dysprosium présentent, une émission de couleur supérieure qui étend davantage l'utilité de ces lampeo pour de nouvelles applications d'éclairage* I/'invention a pour objet de réaliser une lamine à décharge a additif halogénure de métal comprenant une matière 35 à*émission électronique qui résiste à l'attaque de l'halogénure et assure un fonctionnement efficace de longue durée. BAD ORIGINAL 69 06665 2 200364■ A. cette fin, l'invention réside dans un dispositif à décharge en arc, à additif halogénure de métal, dont une partie au moins de la matière d'émission électronique est constituée au moins dtune terre rare. 5 La présente invention ressortira ::iieux de la descrip tion qui va suivre donnée à titre d'exenpie en référence au dessin annexé sur lequel : - la fig. 1 est une élévation de côté, dont une partie de l'enveloppe interne est interrompue, d'une lampe à décharge 10 construite selon la présente invention ; et ~ la fig. 2 est une coupe d,une électrode en cours de fabrication. La lampe désignée par la référence générale 10,fig. 1, comprend une enveloppe extérieure étanche 12, transmettant le 15 rayonnement, en matière transparente telle que le verre, et à laquelle est fixé un culot goliath normalisé 14. A l'intérieur de l'enveloppe 12 est montée, espacée de cette dernière, une enveloppe intérieure ou tube à arc 16 en matière telle que le quartz, ou autre matière transparente à la lumière résistant aux 20 hautes températures, telle que l'alumine polycristalline. Le volume compris entre l'enveloppe extérieure 12 et le tube à arc 16 est de préférence vidé, ou il peut être rempli d*un gaz inerte tel que l'azote. Le tube à arc 16 est monté à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 12 au moyen du cadre 18 et des barrettes 25 20 usuelles. Aux extrémités opposées du tube à arc 16 sont scellées les électrodes 22 et 24. Ces électrodes sont connectées respectivement aux entrées de courent 32 et 40 qui sont scellées dans les pincements des extrémités opposées du tube à arc 16 au moyen des scellements plats classiques 26. TJn filament spiralé 30 auxiliaire d'amorçage 28 est connecté à l'électrode 24 pour faciliter l'amorçage de l'appareil. Le dispositif est pourvu d'un mécanisme bilame interrupteur d'amorçage 30 qui assure le fonctionnement du filament spiralé 28 d'amorçage. Le mécanisme 30 est particulièrement décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amé-35 rique il0 3 307 069. Une paire de conducteurs d'entrée de courant 34, 36 traverse le pied rentrant 38 pour connecter la lampe au culot 14» Le conducteur d'entrée de courant 34 assure la connexion , par l'intermédiaire du cadre 18, avec le mécanisme intsr- BAD ORIGINAL 066 6 3 3 2003641 rupteur de d■i'zaxrego 30, alors ;ue 3-e coriluctsur d'entrée de courent 36 assure, par le conducteur 40, la connexion directe avec l'électrode 24» Un revêtement de retenue de chaleur 42 de cio;;yde de :jircoîiiun-bio:;yde de siliciun adhère à l'extérieur des parties terminales du tube à arc 16. Ce revêtement 42 empêche l'occurrence d'un gradient excessif de tenp-.'rature dans la région des électrodes du tube à arc 16. Dans le cs.s d'un tube à arc 16 renfermant un volume de 14 en , une charge de dosage convenable consiste en un gas inerte ionisable d'smcrçage, tel que l'argon sous une pression d'environ 20 à 25 torrs, une quantité de ;.îercure comprise entre 32 et 40 Kg, une charge de 5 vjq d'iodure thallieux, environ 3 îJg de métal dysprosium et environ 12 mg d'iodure mereurique» - \- Au moment du fonctionnement initial, le nétal dyspro-siun se convertit en iodure. les électrodes 22, 24 sont des éléments de tungstène à double spiralage comprenant un spiralase interne et un spiralage externe entonr-mit une baguette de support en tungstène. La partie spiralée des électrodes 22, 24 est constituée de fil de tungstène d'environ 0,38 sua, Ces parties spiralées sont enroulées, autour d'une baguette de support constituée d'un fil de tungstène d'environ 0,76 mm, sur une distance d'environ 5 rn. Les électrodes sont espacées à l'inté- r rc rieur du tube à arc de .manière à assurer une longueur/d'environ 5 cm. Selon la présente invention, on a constaté qu'il était particulièrement avantageux d'appliquer un revêtement particulier d'émission électron!oue 44, au moins à l'une des électrodes vur- ge tiellenent fabriquées» A la fig. 2, le spirala/intérieur 46 de tungstène à spires espacées est enroulé autour de la baguette de support 48 , également de tungstène» L'extrémité de la baguette de support portant ce spiralage est alors enc-.aite du revêtement d*émission 44, lequel dans le cas de la lampe contenant de 1'iolure de s'^ro si un, est de :r ofér er.ee de l'oxyde de dyspro— sium. Pour 2.' anplij lion du revetement 44* 1 ' oxyde le àysp^or/i'in est réd'tit à 1' 'tat finement divisé et .'2.angé à une quamfcit: suffisante d'acétone ou d'alcool pour former un îpaio couli-?. On plonge dans ce coulis la partie "impl;- ; lmala~e de m' électrode, et aprvs son on petit ch -.nffor xrV'r.'ment cette BAD ORIGINAL 06665 4. 2003641 partie pour accélérer le séchage et éliminer l'acétone ou l'alcool. A titre d'exemple, l'électrode des dimensions susdites ainsi obtenue sera pourvu d'un revêtement d'oxyde de dysprosium d'environ 20 mg. le revêtement 44 d'osyde de dysprosiun constitue une source efficace d'électrons pour l'entretien de la. décharge, tout en présentant une résistance particulière à l'attaque des iodures métalliques contenus dans la lampe. Après enroulement du spiralage extérieur 50 pour compléter l'électrode, 11 est préférable de chauffer celle-ci au four sous vide, par exemple à environ 1000°G, préalablement à son incorporation dans le tube à arc, ou pendant son montage dans celui-ci, avant l'introduction de la charge et scellement. Ce chauffage au four aide à prévenir la contamination du tube à arc durant le fonctionnement. Bien eue l'on ait décrit un procédé très simple d'incorporation de 3.'oxyde de dysprosium comme matière d'émission d'électrode, ce procédé n'a été cité qu'à titre d'exemple, d'autres procédés connus pouvant être utilisés à cette fin» De plus, bien que l'on ait spécifié dans l'exemple cité un support de tungstène spiralé, d'autres métaux et alliages non réactifs, connus des techniciens, tel que le rhénium, pourraient être utilisés comme support du revêtement d'oxyde de métal de terre rare. La configuration spiralisée de 3J électrode peut être modifiée, et d Vautres constructions peuvent etre appliquées. L'oxyde de dj^sprosium, bien qu'appliqué en revêtement sur le support de tungstène selon la précédente description, peut prendre la forme de granules, avec ou sans un j.iant, ou de faibles quantités de métaux choisis, puis être disposé entre le support d'électrode de la partie de spiralage extérieur, d'une manière assez analogue à la technique antérieure d'incorporation des éclats d'oxyde de thorium. Selon line autre forme de réa3_isation de l'invention, la construction fondamentale de la 3-ampe est celle représentée à la fig. 1 et que l'on vient de décrire, sauf que cette forme utilise un tube à arc de plus grand volume, un remplissaga différent d'entretien de décharge, et que la matière préférée d'émission consiste en oxyde d'yttriun. Plus particulièrement, le tube à arc 16 a un volume d'environ 28,8 cm , et le remplis- BAD ORIGINAL 69 06665 5 2003641 s--.v?e d'entrcïtisn de dScharge est constitué d'environ 117 mg de uercure, environ 24 mg d'ioàure de sodium, 5 ras d'iodure thnl-liou::, 20 ng de métal thulliurt, le tube, à arc étant rempli d ' 0x30:1 sous une pression d'environ 20 torrs. Cette lampe est décrite plus 5 en détail dnns le Brevet des Etats-Unis d'Amérique 11° 3 398 312» On a constaté que l'oxyde d'yttrium d'émission assure une émission de longue durée dans ce dispositif à décharge à halogénure de métal réactif, l'oxyde d'yttrium est incorporé dans la lampe de la même manière que l'oxyde de uysprosium dans le précédent 10 exemple. On réduit l'oxyde d'yttrium à l'état fine rient divisé et on le mélange à l'acétone ou à l'alcool pour en former un .coulis épais dans lequel on plonge le spiralage intérieur 46 enroulé autour de la baguette de support 48. On applique de préférence environ 20 rag d'oxyde d'yttrium sur le support de 15 tungstène. On soumet encore de-préférence l'électrode à un dégazage par passage au four sous vide préalablement à son incorporation dans le tube à arc. On peut remplacer l'oxyde d'yttrium en totalité ou en partie par d'autres oxydes de métaux de terres rares. la technique antérieure a suggéré de nombreux autres 20 dispositifs à décharge en arc renfermant des halogénures métalliques, et les oxydes de terres rares d'émission de la présente invention peuvent être utilisés avec succès comme source d'électrons de longue durée dans ces dispositifs. Dans toute lampe à décharge à halogénure métallique particulière, l'oxyde de terre 25 rare à sélectionner particulièrement est déterminé par le tra-vail de sortie, la réactivité de l'oxyde avec l'halogénure, la volatilité de 1'oxyde et le désir de la présence d'un métal de terre rare particulier comme réserve de ce métal. les oxydes de terres rares d'une importance psrticu-30 lière comme matière d'émission en raison de leur travail de sortie relativement faible sont 11yttrium, le dysprosiun, le gadolinium et le terbium. les oxydes de terres rares selon leur résistance décroissante approximative à le, réactivité avec l'iode sont : 1'yttrium, le néodyme, le praséodyrae, le cérium. et le lanthane. 35 Les oxydes de terres rares d'après leur volatilité croiss site dans le vide sont : 1'yttrium, le gadolinium, le dysprosium, le terbium, l'erbium, le lanthane, l'holmium, le lutétium, le "craséodyme, le néodyme et le cérium» 8AD ORIGINAL 9 06565 6 2003641 Dans une lampe utilisent des enveloppes d*alumine polycristalline, les oxydes de mi taux de terres rares sont utilisés pour constituer une matière d'étanchéité entre l'enveloppe et les entrées de courrait métalliques, l'oxyde de mitai de terre 5 rare utilisé comme matière d'émission daii3 la lampe doit avoir un travail de sortie inférieur à celui de l'oxyde d'étanchéité afin d'assurer que la décharge est dirigée vers l'électrode et non au scellement. Selon la présente invention, les oxydes de terres rares 10 présentent des caractéristiques de maintien supérieures dans un dispositif à décharge contenant un halogénure de métal de terre rare comme constituant d'entretien de décharge . Dans la lampe préférée que l'on vient de décrire, l'oxyde de dysprosium est la matière préférée d'émission à utiliser avec le dispositif à dé-15 charge contenant de l'iodure de dysprosium. l'oxyde de dysprosium d'émission permet de s'assurer que, en cas de pulvérisation de la matière d'électrode.dans l'arc, celle-ci ne modifie pas préjudi-ciablement l'émission lumineuse spectrale de la lampe. Selon la présente invention, le métal de terre rare 20 particulièrement utilisé dans la décharge est de préférence également utilisé sous forme d'oxyde comme fraction appréciable de la partie émettrice des électrodes. De la sorte, la matière préférée d'émission pour la lampe renfermant de l'halogénure d'yttrium est l'oxyde d'yttrium et l'oxyde de gadolium est celle 25 celle préférée pour la lampe renfermant l'halogénure de gadolinium, etco.o La matière d'entretien de décharge renferme en général une combinaison d'halogénures métalliques, et peut également contenir une combinaison d'halogénures de raétaux de terres rares. La. matière d'émission peut de même comprendre une combi-yo naison d'oxydes de métaux de terres r,ares,et lorsqu'une combinaison d'halogénures de métaux de terres rares constitue la matière d'entretien de décharge, la matière d'émission est de préférence constituée de la même combinaison de métaux de terres rares sous forme d'oxyde. Bien qu'il soit préférable d1apparier l'oxyde de 35 métal de terre rare d'émission à l'halogénure d'entretien de décharge, l'oxyde de métal de terre rare ou des combinaisons de ceux-ci peuvent être utilisés d'une façon générale dans les lampes à décharge à halogénures métalliques» BAD OftfGfNAL 06665 7 2003641 Druis l'exemple particulièrement cita, l'osyde de dysprosiux: et l'osyde d'yttriun d'émission peuvent chacun être remplmci:::, sxi tctrQ.ité ou en partie, par .l'un eu plusieurs des osydea de nétau:: de terre rare ou des nélanges de ceux-ci- la portée de .l'invention englobe l'usage d'une certaine quantité d'oxydes métalliques choisis en combinaison avec l'oxyde Ce r-étal de terre rare, tels que ceux utilisables dans le domaine de décharge sous basse pression en combinaison avec les. oxydes alcalino-terreux. Os g ox;rdes rai talli que s sont l'oxyde de air ce--nium, l'oxyde de sc£?ndiuia et l'oxyde d'aluoiriium. k titre d'exem-ple, l'oxyde d'aluminium peut remplacer jusqu'à la moitié environ de l'oxyde d'yttrium utilisé comme matière d'émission dans le, lampe à 1'iodure de sodium décrite, afin de renforcer la stabilit. de la matière d'émission. De même, dans l'exemple dans lequel l'oxyde de dysprosium constitue la matière d'émission, 1'oxyde de dysprosium peut être remplacé par l'oxyde de airconium en une quantité pouvant atteindre environ 50 c/j en poids de l'oxyde de métal de terre rare• En général, bien que la matière d'émission électronique perfectionnée de 3.'invention scit pratiquement constituée d'oxyde de métal, de terre rare, cet oxyde peut être remplacé par ces oxydes métalliques choisis en uns quantité pouvant atteindre environ 50^a en poids de l'oxyde de né tal de terre rare. D ' autres oxydes métalliques que l'on a trouvés utilisables comme additifs de matière d'émission peuvent remplacer 1'oxyde de terre rare d'émission à des quantités s'élevant à environ 50'fo en poids de l'oxyde de nital de terre rare. En outre, des métaux choisis, en fcibles quantités, mélangés sou3 forme de poudre aux oxydes de métaux de terres rares, peuvent présenter des avantages. On peut citer comme métaux que l'on peut ajouter sous forme de poudre en faibles ."nantites à l'oxyde de métal de terre rare : le tungstène , le tantale, le molybdène, et le niobiam, ainsi que les m'tau: de terres rares. Il est préférable que' le métal ajouté ne défasse pas une quantité d'environ 10 c,î en poids de l'oxyde de terre rare. 8AD ORIGINAL 06665 8 2003641 Dans une lampe renfermant un halogénure de métal de terre rare, lorsque le mène oxvde de netsQ. de terre rare, avec ou sens de faibles quantités du mène métal de terre rare, constitue la natibre d'émission, cette dernière peut aussi agir comme une source possible de métal de terre rare au ces où ce métal se trouve "dégagé" durait le fonctionnement prolongé de la lampe. Dans les exemples particulièrement cités, l'halogénure de métal de terre rare est formé au cours de la fabrication par vaporisation de l'iodure raercurique et réaction du. métal de terre rare avec l'iode contenu dans la lampe. Bien que l'on puisse incorporer directement l'iodure de raétal de terre rare dans la lampe, le procédé spécifié est plus pratique d'une façon générale. Bien que les exemples cités se réfèrent aux iodures métalliques comme matière d'entretien de décharge, ils peuvent être remplacés par les bromures et chlorures de métaux selon la technique connue* BAD ORIGINAL 69 06oû5 2003641 IG7SlDigi?IOir5. 1. - Dispositif à décharge en arc à additif halogénure de — étal,caractérisé T>ar le fait qu'une partie au moins de la matière d* émission électronique consiste en une terre rare au moins. 5 2„ - Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'additif et la terre rare sont respectivement constitués par des halogénures et des oxydes des Hior.es métaux. 3. - Dispositif selon revendication 2, caractérisé pa.!-le fait que ce métal consiste au moins en l'un des métaux du groupe 10 compren-aafc l'yttrium, le dysprosiun, le. gadolinium et le terbium. 4- Dispositif selon revendication 3, caractérisé par le fait que cet additif est -l'iodure thallieux. 5. - Dispositif selon l'une ou 1' autre des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'additif est 1'iodure 15 de sodium. 6. - Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que J.a matière d'émission conprend un oxyde d'au moins un métal réfraetaire mélangé à cette terre rare, en particulier les oxydes de sirconium, de scandium 20 et d'aluminium. 7. - Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait -ue la matière d'émission comprend au moins un métal pulvérisé mélangé à cette terre rare. 8o - Dispositif selon revendication 7, caractérisé par 25 le fait que ce métal est au moins l'un des métaux de terres rares suivants : tungstène, tantale, molybdène et niobium. 9. - Dispositif selon revendication 7, caractérisé par le fait que ce m'-tal est le métal de terre rare* 10. - Dispositif à décharge à additif halogénure de mé-30 tal selon l'une ou l'autre des précédentes revendications, caractérisé par le fait qu'il comprend des électrodes espacées pour leur fonctionnement à l'intérieur d'une enveloppe é* tanche transmettant la lumière, renfermant un remplissage d'entretien de décharge comprenant un additif îielogé-nure de m'toi, une de ces électrodes 35 au moins r. or tant un revêtement de matière d'émission électronique- bad original S 69 06ôo5 10 2003641 11, - Dispositif selon revendication 10, caractérisé par le fait que cette électrode est composée d'un, a:-tal réfraetaire • 12» - Dispositif selon revendication 11, caractérisé 5 par le fait que ce notai est le tungstène. 13» - Dispositif selon revendication 11, caractérisé par le fait ous ce nétal est le rhénium. 14- - Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 10 à 13, caractérisé par 1s fait que cette électrode est 10 de forme sniralée- bad original