Brevet FR2137695A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne les lampes à décharge électrique, et plus particulièrement une lampe à décharge électrique renfermant, outre la vapeur de mercure, un gaz inerte, conformément à la technique connue, ainsi que du gallium et un halogène 5 tel que l'iode ou le brome. L'invention vise une lampe de ce genre qui se prête plus particulièrement à l'utilisation comme source de lumière utilisée pour des réactions photochimiques, telles que celles intervenant dans l'exposition d'un agent photosensible lors de l'application de procédés de photocopie, photolithographie et 10 analogues. Il est bien connu que les agents photosensibles présentent une sensibilité particulièrement accusée à une lumière dont la longueur d'onde se situe entre 380 et 420 millimicrons, cette sensibilité maximum pouvant toutefois varier selon la nature de 15 l'agent photosensible considéré. Jusqu'ici, on a utilisé couramment les lampes dites "à mercure", et notamment les lampes à mercure à haute pression, pour les applications susmentionnées. Cependant, ces lampes à mercure présentent des caractéristiques telles que leur rendement maximum 20 d'émission lumineuse se situe autour d'une longueur d'onde de 365 millimicrons, en ce qui concerne l'efficacité des réactions photochimiques. En d'autres termes, une partie substantielle de l'énergie rayonnante de ces lampes est perdue. Par conséquent, ces lampes à décharge connues ne présentent pas une efficacité satis-25 faisante lors de leur utilisation pour l'exposition de papiers photosensibles ou analogues. Pour pallier cet inconvénient, on a déjà proposé d'ajouter, au mélange de mercure et de gaz inerte contenus dans l'enveloppe de la lampe, de l'iodure de gallium (GaJ^), afin d'augmenter l'in-3 3 tensité de l'émission lumineuse dans le^ bandes de 403 et 417 milli microns, ces bandes correspondant au spectre particulier du gallium. Ce genre de lampe, mis au point récemment, comportant une cnarge complémentaire de tri-iodure de gallium, est capable d' émettre une lumière riche en rayonnements dans la bande d'environ 35 400 millimicrons, si bien que cette lampe est sans doute d'un rendement lumineux satisfaisant lors de l'exposition de papiers photosensibles pour photocopies, ou analogues. Toutefois, cette lampe n'est pas satisfaisante en raison du fait qu'elle nécessite des voltages relativement élevés pour son allumage et son réallumage, 72 16648 2 2137695 et le voltage requis peut monter pendant l'utilisation de la lampe, quoiqu'il faille constater que ceci est le cas, plus ou moins inévitablement, lorsqu'on emploie un additif sous forme d'halogénure métallique. On a cru comprendre que la cause de cet 5 inconvénient réside dans la présence d'impuretés, telles que de l'eau ou de l'hydrogène, qui sont inévitablement mélangées avec l'halogène ou l'halogénure métallique, lors de l'introduction de ce dernier dans l'enveloppe de la lampe ; une autre cause semble être le dégagement d'halogène libre, dans l'enveloppe. 10 Afin d'éliminer cet inconvénient, on peut envisager la diminution de la quantité d'halogène utilisé, et notamment de l'iode qu'on ajoute à la charge de remplissage de la lampe, mais tous les spécialistes ont toujours considéré comme une nécessité absolue que la quantité d'halogène ajouté doit représenter l'équivalence 15 chimique de la quantité du gallium utilisé. Même lorsque les fabricants tenaient compte d'une erreur possible de pesage, la quantité d'halogène ajouté était, par conséquence, toujours légèrement inférieure à la valeur représentant 1'équivalent chimique sus-mentionné. 20 La Demanderesse a entrepris différents essais et a été con duite à la découverte inattendue du fait qu'il est possible de diminuer considérablement la quantité d'halogène (tel que brome ou iode) par rapport à la quantité chimiquement équivalente de gallium, ce qui permet de pallier efficacement 1'inconvénient 25 sus-mentionné, sans que ceci entraîne une baisse du rendement lumineux dans la bande de 380 à 420 millimicrons. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des figures jointes qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réali-30 sation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est un diagramme représentant le rendement lumineux d'une lampe à mercure,dont la charge de vapeur de mercure et d'argon comporte une addition de gallium et d'iode, ce rende-35 ment étant indiqué, sur l'ordonnée, en valeurs rapportées à 100% de rendement dans la bande de 380 à 420 millimicrons, obtenu par une lampe à mercure similaire, mais sans addition de gallium, ni d'iode, l'abscisse indiquant, le rapport des quantités de gallium et d'iode exprimées en atome-grammes, où les quantités 72 16648 3 2137695 de gallium sont variables par rapport à une quantité constante d1 iode ; et la figure 2 est un diagramme dans lequel l'ordonnée indique le rendement lumineux des deux lampes à mercure comportant des 5 additifs de gallium et d'iode dans des rapports respectifs de 1:3 et de 1:1 (en atome-grammes), la quantité de gallium étant constante, et ce rendement lumineux étant exprimé en pourcentage sur la base de 100% du rendement lumineux dans la bande de 380 à 420 millimicrons d'une lampe à mercure similaire, mais sans l'ad-10 ditif sus-mentionné, cependant l'abscisse indique la.quantité de ga-lium présente dans l'enveloppe de la lampe, en atome-grammes par centimètre cube de la capacité (volume intérieur) de ladite enveloppe. La Demanderesse a fait les expériences qui ont produit les 15 résultats représentés sur la figure 1, en utilisant une lampe à mercure de 2 Kw, comportant une enveloppe d'un diamètre de 15 mm et d'une longueur effective de 200 mm, cette enveloppe étant remplie de 60 mg de mercure, de 15 mg d'argon et d'une quantité — 6 d'iode correspondant à 0,98 x 10 atome-grammes par centimètre 20 cube de la capacité de ladite enveloppe, du gallium étant ajouté en quantités variables. Dans le diagramme de la figure 1, le point A indique le rendement lumineux pour une addition de gallium en quantité correspondant à un rapport de 1:3 (quantité de gailium par rapport à la quantité d'iode), exprimé en atome-grammes, cette 25 addition étant conforme à celle utilisée dans les lampes connues et aux principes généralement acceptés par les spécialistes, jusqu'ici. La figure montre que la lampe à mercure récemment mise au point, qui a été mentionnée plus haut, était capable de doubler le rendement lumineux utile pour les réactions photochimiques, 30 par rapport aux lampes à mercure antérieures contenant, outre le mercure, du gaz inerte, mais ne renfermant pas l'additif susmentionné. Les points B, C et D indiquent, respectivement, le rendement lumineux de lampes comportant un additif de gallium dans des proportions correspondant à des rapports (rapporté à la quan-35 tité d'iode) de 1,5 ; de 3,0 et de 9,0 fois l'équivalent chimique dans le tri-iodure de gallium. Comme indiqué plus haut, on a considéré -quoique ceci aille de soi lorsque l'additif est introduit dans l'enveloppe sous la forme du composé sus-mentionné- qu'on peut accentuer le- perfectionnement recherché en introduisant le 72 16648 4 2137695 gallium et l'iode sous forme d'éléments, en plus d'une addition de tri-iodure de gallium. Si le gallium est avantageux seulement en tant que constituant dudit composé, une addition de quantités excédentaires de gallium, telles qu'elles représentent 1,5 ou 3,0 5 ou 9,0 fois l'équivalent chimique de l'iode, ne pouvait pas, de l'avis des spécialistes,améliorer le rendement lumineux, ou devait même avoir un effet défavorable sur celui-ci. Or, à sa surprise, la Demanderesse a constaté, grâce à ces essais et recherches, que les points B, C et D se situaient à 10 des niveaux sensiblement plus élevés que celui du point A. La lampe à mercure comportant une addition de gallium et d'iode dans le rapport de 1:2 (exprimé en atome-grammes) présente un rendement lumineux correspondant à 2,5 de la lampe à mercure classique, ainsi que l'indique le point B. Lorsque le rapport sus-mentionné est de 15 1:1, le rendement lumineux est égal à 3 fois celui de la lampe classique, résultat tout à fait inattendu qui est indiqué par le point C sur la figure 1. Ce résultat inattendu et extrêmement avantageux est confirmé par le point D qui montre que même pour un rapport gallium/iode de 3:1, on obtient un rendement lumineux 20 analogue à celui indiqué par le point C. Les faits relatés ci- dessus montrent que la présence de gallium et d'iode dans l'enveloppe de la lampe à mercure agit sur le rendement en radiations phctochimiquement efficaces, non seulement lorsque ces deux éléments sont utilisés sous forme de tri-iodure de gallium, mais 25 également lorsqu'ils sont utilisés sous leur forme élémentaire, avec des quantités d'iode inférieures à la quantité stoechiomé-trique ; on doit noter qu'il n'est pas possible, néanmoins, d' avancer, à présent, une explication satisfaisante de ce phénomène. On a observé un léger fléchissement progressif du rendement lu-30 mineux à partir du point C, vers le point D ; ce fléchissement s'explique peut-être par la quantité excédentaire de gallium qui ne réagit pas avec l'iode et, subsistant sous sa forme élémentaire, absorbe une partie du rayonnement lumineux. Lorsqu'on augmente davantage la quantité excédentaire de gallium, on observe 35 une baisse rapide du rendement lumineux de la lampe. La quantité de gallium introduite dans 1'enveloppe de la lampe à décharge considérée se situe, de préférence, entre 0,4 x 10 ® et 4,Ox 10 ® atome-grammes par centimètre cube de la capacité de l'enveloppe. Ces valeurs limites ne sont évidem 72 16648 5 2137695 ment pas obligatoires ; toutefois, lorsqu'on ajoute une quantité de gallium inférieure à la valeur minimum ci-dessus, le spectre du gallium risque de diminuer considérablement, pendant le fonctionnement ; par contre, lorsqu'on dépasse la valeur limite supé-5 rieure ci-dessus, la lampe risque de fonctionner d'une manière instable. La Demanderesse a effectué d'autres essais pour déterminer le rendement lumineux, par rapport au rendement de la lampe â mercure classique, comme indiqué plus haut, un de ces essais por-10 tant sur une addition de gallium et d'iode dans le rapport 1:3 (en atome-grammes) conforme à l'agencement de la lampe à mercure connue, récemment développée et mentionnée ci-dessus, cependant qu'une autre lampe comportait une addition de gallium et d'iode dans le rapport de 1:1 (en atome-grammes). On a fait varier la 15 quantité de gallium pour obtenir les courbes respectives représentant les caractéristiques de rendement lumineux de ces deux lampes et l'on a constaté que ces courbes coïncidaient sensiblement, ainsi que le montre la figure 2. Ainsi qu'il ressort de cette figure, la lampe à décharge comportant une addition de 20 gallium et d'iode dans le rapport 1:1, conformément à la présente invention, ne présente pas de qualités inférieures à celles de la lampe à décharge classique dans l'enveloppe de laquelle on avait introduit du gallium et de l'iode dans un rapport stoechio-mêtrique correspondant au tri-iodure de gallium. 25 En raison de la quantité relativement plus faible d'iode, le voltage nécessaire pour l'allumage de la lampe selon l'invention est d'environ 700 V, contre 1 400 V qui est la tension d' allumage requise pour la lampe classique. La tension requise pour le réallumage de la lampe selon l'invention est également bien 30 inférieur à celle nécessaire lors de l'utilisation d'une lampe classique. On a constaté que ces voltages ne représentent presque pas d'augmentation, contrairement à ce qui prévaut dans le cas d'une lampe connue renfermant du gallium et de l'iode dans le rapport de 1:3. 35 Des résultats similaires ont été obtenus lorsqu'on a utilisé une lampe dans laquelle l'iode fut remplacé par du brome. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications ventxon. 40 envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'in- 72 16648 6 2137695 REVENDICATIONS 1.- Lampe à décharge électrique comportant une enveloppe étanche et deux électrodes disposées dans ladite enveloppe, celle-ci renfermant du mercure et un gaz inerte, ainsi que du 5 gallium et un halogène constitué par de l'iode ou du brome, caractérisée en ce que le gallium et l'halogène sont présents en quantités correspondant à un rapport gallium/halogène de 0,3 à 3,0 exprimé en atome-grammes. 2.- Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisée 10 en ce que le gallium est présent dans une proportion correspon- _ 6 —g dant à 0,4 x 10 -4,0x10 atome-grammes par centimètre cube de la capacité de ladite enveloppe.