Brevet FR2122579A1 — publié le 19720901

La présente invention concerne d'une manière générale les lampes à décharge électrique par arc à haute intensité et plus particulièrement une structure perfectionnée pour une lampe à décharge électrique par arc au zénon à impulsion de courte durée. 5 Les lampes à décharge électrique par arc au zénon à haute intensité or.- utilisées pendant quelque temps dans diverses applications industrielles et coxa-merciales. Plus récemment il y a eu une demande toujours croissante pour des lampes à déchargé qui peuvent engendrer des impulsions à fort courant avec une durée d'impulsion extrêmement courte et des cadences de répétition relativement ^0 élevées. On connaît déjà un exemple de réalisation d'une lampe semblable par le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 15^ T13 délivré le 27 octobre 196U. On' a trouvé que les lampes à décharge par arc au zénon de ce type, ayant des chambres gazeuses sphériques allongées et sphériques d'une manière générale, avec des électrodes disposées à l'intérieur, ont plusieurs défauts. Ainsi, par ^5 exemple, les tentatives pour faire fonctionner ces lampes à décharge par arc pour une durée d'impulsion extrêmement courte et une haute intensité ont été satisfaites avec une tendance, pour la surface de formation d'arcs des électrodes de décharge, à se pulvériser de manière néfaste au cours de l'ionisation du gaz et en conséquence à épuiser plus rapidement l'alimentation en gaz 20 autour de l'intervalle d'arc. Ceci tend à diminuer la durée de vie des électrodes. Ce défaut est plus critique pour des lampes à durée d'impulsion courte à haute intensité où, pour diminuer la durée des impulsions et la durée de montée et de descente, la zone et le volume de l'intervalle (ou espace) d'arc sont généralement rendus plus faibles. 25 Le faible volume dans l'espace déchargé pour un courant élevé, à courte durée, à cadence de répétition rapide, provoque un problème d'expansion et de dilatation du gaz. Pour une faible cadence de répétition, la gaz a le temps de se refroidir entre les cycles d'impulsion successifs. Toutefois, quand l'intensité et la cadence de répétition augmentent, la période de refroidisse-30 ment est réduite de manière non négligeable et l'expansion rapide du gaz entraîne une pression extrêmement élevée contre la paroi du tube, ce qui peut engendrer une explosion et pose de sérieux risques pour la sécurité. La présente invention a en conséquence pour objet de proposer une lampe à décharge à arc court, à courant élevé, à haute intensité, ayant une durée de vie 35 et une fiabilité améliorées et une puissance accrue. Selon l'invention il est proposé une lampe à décharge par arc qui comporte un tube allongé,transparent à la lumière, et une paire d'électrodes disposées le long de l'axe longitudinal du tube. Le tube comporte un alésage axial central étroit et un réservoir de gaz relativement large disposé à chaque extrémité de »»0 l'alésage. Les deux extrémités des électrodes en regard sont disposées dans 72 02052 2 2122579 l'alésage axial central et espacées l'une de l'autre pour réaliser un intervalle (espace) de décharge d'arc court. Les électrodes sont dimensionnées pour s'ajuster de manière serrée dans l'alésage et chacune des électrodes du tube en quartz entourant les électrodes comporte des canaux ou des rainures pour permet-5 tre un écoulement relativement libre du gaz entre les réservoirs et l'intervalle (ou espace) de décharge par arc. La lampe de décharge par arc de la présente invention comporte ainsi une portion tubulaire centrale forte et relativement épaisse autour de l'intervalle de décharge par arc de telle sorte que le tube en quartz peut mieux supporter les 10 pressions élevées créées par le gaz de décharge. La pression dans l'intervalle de décharge par arc est encore accrue car le gaz dilaté s'échappe vers les réservoirs à travers les conduites. De même, avantageusement, les réservoirs de gaz prolongent la durée de vie des lampes à décharge en remplissant à nouveau le gaz dans l'intervalle de décharge par arc car il s'épuise par suite de l'ioni-15 sation du gaz et minimise la pulvérisation à partir des surfaces de formation d'arcs des électrodes. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. 20 La figure 1 représente en coupe longitudinale un exemple de réalisation d'une lampe à décharge par arc selon la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale de l'électrode et du tube en quartz environnant au niveau de l'intervalle d'arc, prise selon les lignes 2-2 de la figure 1. 25 La figure 3 est une vue en coupe transversale du tube de quartz et de l'électrode semblable à celle de la figure 2 mais avec une rainure prévue dans l'alésage axial du tube en quartz. Tel que cela est représenté sur la figure 1, la lampe à décharge par arc, selon la présente invention, comporte un tube de quartz allongé 1 ayant un 30 alésage axial 3 disposé de manière centrale et une paire de chambres longitudinales k et 5 formant réservoir de gaz, disposées aux extrémités opposées de l'alésage. Comme cela est représenté sur les figures 2 et 3, l'alésage axial est, d'une manière générale, de section transversale circulaire comme le sont les réservoirs de gaz. La section transversale de l'alésage est simplement 35 plus étroite que celle des réservoirs de gaz. Une paire d'électrodes T et 8, dont une peut être une cathode et l'autre une anode, sont disposées simplement le long de l'axe longitudinal du tube de quartz une de leurs extrémités s'étendant vers l'extérieur à travers une extrémité du tube pour être connectée à une source (non représentée) d'impulsions à 1*0 haute intensité et leub autres extrémités 10, 11 étant disposées dans l'alésage 72 02052 3 2122579 pour former l'intervalle 9 de décharge par arc. Chacune des électrodes peut être constituée par un barreau de tungstène pur avec des extrémités d'arc arrondies 10 et 11. En variante,la cathode ou bien la cathode et l'anode peuvent - être formées de deux sections dont les sections 12 et 13 sont constituées par 5 du tungstène pur ou bien par tout autre matériau agissant essentiellement comme un conducteur à courant élevé, et dont les autres sections 1 î+ et 15 réalisent des sections de formation d'arc brasées sur les sections d'extrémité 12 et 13, respectivement,et sont constituées par des matériaux qui réalisent de bonnes surfaces de formation d'arc. Ainsi, par exemple, la section de formation d'arc 10 peut comporter un petit pourcentage de thorine, dans la proportion de 1 à 3% pour la cathode. La surface d'extrémité de formation d'arc des électrodes peut également être recouverte par du verre et par une couche de céramique vaporisée à la flamme pour limiter la pulvérisation. Pour le matériau de brasage des sections de jonction 16 et 17» tin matériau 15 tel que du platine qui est compatible avec la caractéristique thermique et électrique des deux autres sections d'électrodes, est utilisé. De la manière mentionnée ci-dessus, un premier trajet de conduction de chaleur est réalisé par les sections de conducteur à courant élevé 12 et 13 à travers les scellements d'extrémité conducteur-quartz 18 et 19, ce qui permet un grand trajet métalli-20 que continu à partir des électrodes externes vers les capuchons d'extrémité interne. Un réservoir de chaleur externe (non représenté) peut également être utilisé. Les sections de décharge par arc 1U et 15 des électrodes sont disposées simplement au centre de l'alésage axial longitudinal 3 comme le sont les jonc-25 tions de brasage 16, 17 entre les sections de décharge par arc 1^ et 15 et les barreaux conducteurs 12, 13. Comme cela est illustré sur le dessin, les sections de décharge par arc 1U, 15 sont assemblées de manière serrée dans l'alésage axial. L'assemblage serré permet une liberté de mouvement suffisante des électrodes se dilatant et se contractant au cours du fonctionnement. 30 Comme cela est représenté sur la figure 2, la section de décharge par arc 1U et la section 15 (non représentée), sont prévues avec une ou plusieurs rainures 20 disposées le long de la surface périphérique de 1'électrode,parallèlement à l'axe longitudinal. En variante, la surface de quartz interne de l'alésage axial peut être prévue avec une rainure ou une encoche 21, comme cela est 35 représenté sur la figure 3. Les rainures ou encoches forment des passages pour le gaz de décharge, tel que le zénon, entre l'intervalle de décharge par arc 9 et les réservoirs de gaz !+ et 5 respectivement. De préférence, le diamètre interne de l'alésage pour l'intervalle d'arc 9 doit être dimensionné de manière aussi étroite que possible et l'espace de U0 formation d'arc doit être aussi faible que possible pour engendrer des impulsions 72 02052 v 2122579 de décharge de haute intensité, de courte durée et de cadence de répétition rapide. Par exemple, la section transversale de l'intervalle de décharge par arc peut avoir sensiblement la même dimension que la section transversale des électrodes qui sont représentées sur la figure 1, avec me certaine tolérance pour la dilata-5 tion thermique au cours du fonctionnement. Le diamètre extérieur du tube de quartz étant uniforme, l'alésage axial étroit au centre du tube laisse une paroi tubulaire épaisse dans la section centrale. L'épaisseur exacte de l'alésage résulte, toutefois,d'un compromis entre une force mécanique adéquate et me atténuation minimale du signal de sortie de rayonnement lumineux, qui s'accroît avec 10 l'épaisseur du quartz. De préférence, l'alésage doit former un tube de précision qui, en plus de la protection contre l'explosion, doit présenter d'autres avantages tels qu'une excellente reproductibilité et un autoalignement des électrodes. Le réservoir peut être constitué par une réalisation appropriée ayant un volume suffisant pour contenir le gaz de décharge, comme cela est nécessaire 15 pour l'intervalle de décharge par arc. Le tube de quartz peut être construit d'une manière classique avec un alésage axial central de précision et deux réservoirs communiquant l'un avec l'autre. L'air ou tout autre gaz non souhaité doit être évacué du tube et le gaz de décharge par arc souhaité, tel que le zénon, peut le remplir à un niveau requis de pression d'une manière classique par 20 l'intermédiaire d'une pointe 22 dépassant de l'un des réservoirs après quoi la pointe ait été scellée. En fonctionnant, le gaz conducteur est épuisé par l'ionisation. Le gaz épuisé est toutefois régénéré par le gaz provenant des réservoirs. Les réservoirs fonctionnent également comme moyen de réduction de la pression quand le gaz chauffe 25 autour de l'intervalle s'échappe du réservoir, ce qui élimine ainsi le risque d'explosion et minimise la pulvérisation. A titre d'exemple une lampe à arc par impulsion, à cadence de répétition élevée, de durée courte, à fort courant et à forte intensité, selon l'invention, peut être réalisée avec les caractéristiques spécifiques suivantes. Le tube de 30 quartz cylindrique a une longueur d'environ 15 cm et présente un diamètre extérieur d'environ 1,25 cm avec un alésage axial central d'environ 3 mm de diamètre et U cm de longueur. D'autres matériaux appropriés tels que le saphir, ou bien de la céramique telle que l'alumine polycristalline dénommée Lucalox, ou bien de l'oxyde d'yttrium dénomme Yttralex, tous deux fabriqués par la Général 35 Electric Co.,peuvent être utilisés à la place du quartz. De plus, la lampe peut être constituée par un tube central transparent avec des réservoirs métalliques ou en céramique. Chacun des réservoirs présente m diamètre d'environ 12 mm et s'étend sur environ 5 cm sur toute la longueur du tube. L'intervalle par arc peut avoir une largeur d'environ 2,35 à 3,1 mm. Le gaz et l'air non souhaités ^0 sont évacués préalablement de l'intervalle et des réservoirs et sont remplacés COPY 72 02052 5 2122579 par du zénon à un niveau quelque peu inférieur à la pression atmosphérique dont la gamme de valeur est comprise entre î+50 et 550 mm. La lampe peut également êtr remplie avec une vapeur d'alcool ou "bien un mélange d'autres gaz appropriés. La lampe de décharge par arc selon la réalisation ci-dessus quand elle 5 fonctionne avec un potentiel compris entre 20 et 1+0 volts appliqué aux électrodes avec vin courant de 50 à 100 ampères et une cadence de répétition d'environ 100 impulsions par seconde, délivre une puissance de sortie de 0,5 watt en moyen avec une durée d'impulsion d'environ trois microsecondes. La durée de montée et la durée de descente de l'impulsion de sortie sont situées dans la gamme des 10 nanosecondes et sont ainsi négligeables. Une tension continue élevée ou bien une impulsion en fréquence radio est nécessaire pour faire amorcer l'arc. Celle-peut être de l'ordre de 200 volts à 30000 volts en fonction de divers paramètres telles que les dimensions du tube et la pression du gaz. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus 15 en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. COPY 72 02052 e 2122579 REVENDICATIONS 1. Lampe à décharge par arc, caractérisée en ce qu'elle comporte : - une enveloppe transparente à la lumière comprenant un premier et un second réservoirs de gaz à ses extrémités opposées ; 5 - un alésage central disposé entre les réservoirs et les mettant en communication ; - une première et une seconde électrodes s'étendant respectivement à travers les extrémités opposées dans l'alésage selon un assemblage serré, les extrémités internes des électrodes étant écartées l'une de l'autre afin de former un inter- 10 valle de décharge par arc pour le gaz ; - un passage autour des électrodes pour permettre au gaz de s'écouler entre l'intervalle de décharge par arc et les premier et second réservoirs de gaz. 2. Lampe à décharge par arc selon la revendication 1, caractérisée en ce que le passage comporte des rainures longitudinales ménagées sur les surfaces des 15 électrodes. 3. Lampe à décharge par arc selon la revendication 1, caractérisée en ce que le passage comporte des rainures longitudinales ménagées sur la surface de l'alésage. h. Lasipe à décharge par arc selon la revendication 1, caractérisée en ce 20 que les réservoirs sont de diamètre supérieur à celui de l'alésage. 5- Lamçpe à décharge par arc selon la revendication h, caractérisée en ce que la portion centrale de l'enveloppe transparente située autour de l'alésage a une épaisseur supérieure à celle des réservoirs. 6. Lampe à décharge par arc selon la revendication 5, caractérisée en 25 ce que : - l'enveloppe transparente à la lumière est constituée par un tube de quartz a allongé ; - chacune des première et seconde électrodes comporte : - une section d'extrémité extérieure de conduction à courant élevé ; 30 - une section d'extrémité intérieure de décharge par arc ; - un joint disposé entre elles ayant des caractéristiques électriques et thermiques compatibles avec celles des extrémités intérieures et extérieures. - chaque section d'extrémité extérieure est scellée à l'enveloppe de quartz. T. Lampe à décharge par arc selon la revendication 5, caractérisée en ce que le gaz est du zénon.