Brevet FR2465314A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne une lampe à rayonnement incandescent fonctionnant dans la gamme du proche infrarouge à l'infrarouge et, plus particulièrement, une lampe de construction perfectionnée qui concentre et renvoie l'énergie rayonnante délivrée par le filament de l'ampoule pour former un faisceau rayonnant de plus grande intensité. Les lampes dont le rayonnement se situe dans le proche infrarouge ou dans l'infrarouge trouve de larges applications dans beaucoup d'ap- pareils d'analyse comme des spectrophotomètres, des spectrophotomètres à réflexion totale atténuée (ATR) ou des spectromètres à réflexion diffu- Io se dans le prochain infrarouge, du type présenté dans le brevet demandé aux Etats-Unis d'Amérique le 26 Février 1979 sous le No 15.017. Les appareils analytiques à réflexion de ce type emploient le plus souvent des lampes à filament de tungstène comme source de rayonnement dans le proche infrarouge. Le principal inconvénient de l'emploi de ces lampes à incandescence, c'estque le filament de tungstène a une émissivi- té très faible dans la gamme du proche infrarouge. Par conséquent, les lampes de ce type délivrent une énergie rayonnée faible. En plus, leur émission dans le domaine du visible est importante, ce qui contribue à former une lumière parasite indésirable, tout en augmentant la consomma- tion d'énergie et la charge thermique de la lampe. Pour compenser ces dé- fauts, on fait habituellement fonctionner la lampe à une température plus faible du filament. Mais, la température abaissée du filament entraîne encore une perte de l'énergie rayonnée par la lampe. Pour former un faisceau de radiation monochromatique destiné au spectromètre à réflectance diffuse dans le proche infrarouge, l'énergie délivrée par la lampe doit encore être filtrée et collimatée, ce qui ré- duit encore davantage l'intensité de la radiation. Il serait donc souhaitable de produire une lampe destinée auxspectro- photomètreset autres appareils du meme type qui soit capable d'émettre un faisceau de radiation ayant une radiance supérieure à celle des lampes actuellement disponibles,pour une consommation d'énergie égale ou infé- rieure. On a récemment développé une lampe économisant l'énergie qui est capable de délivrer la même énergie lumineuse en consommant 30% d'énergie électrique en moins. Cette lampe se caractérise par une nouvelle construc- tion comprenant une couche réfléchissante dichroique déposée sur la surface intérieure de l'ampoule. La surface réfléchissante laisse passer la lumière à travers l'ampoule en verre, mais concentre la chaleur (radiation infra- rouge) en la renvoyant vers le filament. Dans la gamme de la lumière visi- ble, le filament de tungstène est un bon émetteur. Mais, la caractéristi- que du rayonnement d'un filament incandescent est telle que la lumière visible ne représente que 10% du rayonnement émis alors que le reste de l'énergie émise est principalement dans l'infrarouge. Cette énergie infra- rouge est réfléchie vers le filament o l'énergie calorifique concentrée est largement absorbée par le filament. Cette chaleur absorbée réduit la quantité d'énergie extérieure nécessaire pour maintenir le filament à lin- candescenceet-donc, améliore le rendement thermique et énergétique de la lampe. Cette lampe est décrite dans le brevet délivré aux Etats- Unis d'Amérique le 10 Juillet 1979 sous le numéro 4.160.929. Si l'on utilise maintenant une lampe à incandescence de construction classique pour une lampe devant fonctionner dans la gamme du proche infra- rouge à l'infrarouge, le filament de tungstène ne sera plus un bon émetteur et constituera, donc, une source de radiation moins efficace qu'un corps noir porté à une température équivalente. Mais, on a découvert que le fai- bic pouvoir émissif du filament de tungstène dans la gamme du proche infra- rouge, ce qui implique une bonne réflectance, pouvait être mise à profit en liaison avec un réflecteur placé autour pour constituer une lampe capable d'émettre un rayonnement d'intensité supérieure. Ceci s'obtient en utili- sant le filament pour renvoyer,par réflexion, le rayonnement infrarouge concentré à travers une ouvertureménagée dans l'écran réfléchissant placé autour du filament. Le rayonnement réfléchi émergera de la lampe sous la forme d'un faisceau plus intense. En outre, le rendement thermique de la lampe sera également amélioré dans la mesure o une certaine énergie in- frarouge sera absorbée par le filament, ce qui réduira la consommation d'énergie et la formation de lumière visible indésirable. L'invention concerne une lampe émettant un meilleur rayonnement et un procédé d'augmentation du rayonnement émis par la lampe. I.a lampe fonctionne dans la gamme allant du proche infrarouge à l'infrarouge. I.a lampe est constituée d'une source incandescente de rayonnement qui est lampe est constituée d'une source incandescente de rayonnement qui est pratiquement entourée par un dispositif réfléchissant. Le dispositif ré- fléchissant reçoit le rayonnement émis par la source incandescente et re- flète ce rayonnement vers sa source. Le dispositif réfléchissant présente une ouverture au travers de laquelle une partie du rayonnement produit et réfléchi peut passer. La source est disposée (elle est généralement concen- trique') à l'intérieur du dispositif réflecteur de façon à recevoir et à renvoyer le rayonnement réfléchi en direction et au travers de l'ouverture de sorte qu'un faisceau rayonnant d'intensité supérieure traverse l'ouver- ture. Les caractéristiques d'émission de la lampe s'en trouveront perfec- tionnées. L'invention a pour objets - de proposer une lampe produisant un rayonnement perfectionné et fonctionnant dans la gamme allant du proche infrarouge à l'infrarouge. Pour des question de définition, cette gamme concerne l'énergie rayonnée sur des longueurs d'onde allant de 700 nm à 5000 nm environ; - de proposer un procédé et un appareil capablesd'augmenter la raz7 diance du rayonnement émis par un dispositif générateur de rayonnement fonctionnant dans la gamme définie; - de proposer une lampe fonctionnant dans la gamme définie et capa- ble d'émettre un faisceau de radiation d'intensité plus élevée en émettant moins de lumière visible parasite et en consommant moins d'énergie. Ces objets ainsi que d'autres objets de l'invention se comprendront mieux d'après la description détaillée qui suit en se référant aux dessins annexés dans lesquels: La figure I est une vue schématique en coupe d'une réalisation de l'invention et La figure 2 est une vue schématique en coupe d'une seconde réalisa- tion de l'invention. En se reportant à la figure 1, on peut voir une première réalisation de l'invention. La lampe génératrice de radiation de l'invention est-gé- néralement désignée sur la vue schématique en coupe par une flgche 10. La lampe 10 est constituée d'une ampoule à incandescence 11de préférence en verre mince transparent 12 de façon à rendre minimales les pertes de transmission à travers le verre. Au centre de l'ampoule Il se trouve un filament,de préférence en tungstène. L'ampoule Il a de préférence une forme sphérique et concentri- que avec un écran réflecteur servant de miroir (13). L'écran réflecteur 13 est de préférence sphérique et constitué par une coque de laiton 14, recouverte sur sa surface intérieure d'une couche 15 d'argent ou d'or, au poli spéculaire. L'écran 13 présente sur le côté une ouverture 16. L'ouverture 16 peut être une découpe circulaire dans la coque de laiton 14. L'ampoule Il peut être une ampoule classique du type à incandescence comprenant un filament de tungstène et un culot à vis 18 qui se monte sur une douille correspondante 19. La douille 19 peut faire partie d'un culot plus grand 20 qui se prolonge au travers de l'écran 13 et qui peut être branché à une source d'énergie (non-représentée). La lampe à radiation 10 a pour but d'augmenter la radiance du filament source. Le terme radiance désigne ici l'émission d'énergie rayonnée par unité de surface projetée de la source, dans une direction angulaire définie par rapport à la surface de la source et par unité d'angle solide. Le terme radiance s'exprime en watt par cm2 par stéradian. La lampe 10 fonctionne dans la gamme allant du proche infrarouge à l'infrarouge (entre 700 nm et 5000 nm). Le principe de la lampe 10 con- siste à concentrer le rayonnement émis par le filament 17 et à le ren- voyer vers le filament. Ceci s'obtient au moyen de l'écran réflecteur ser- vant de miroir 13, qui reçoit une pluralité de rayons infrarouges typiques "3" et une certaine quantité de lumière visible, émis par le filament 17 dans toutes les directions. La couche réfléchissante 15 de la coque 13 réfléchit ces rayons 3" vers le filament 17 comme cela est typiquement représenté. Dans la gamme de l'infrarouge, le filament de tungstène 17 a un fai- ble pouvoir émissif, ce qui signifie aussi que le filament n'absorbe pas facilement l'énergie et inversement, qu'il constituera donc un bon réflec- teur d'énergie. Les rayons "3" qui sont renvoyés vers le filament 17 seront encore réfléchis au moment de leur impact sur le filament. Après des ré- flexions répétées de l'écran 13 vers le filament 17 et dans la direction inverse, certains des rayons 3" pourront s'échapper de la lampe au tra- vers de l'ouverture 16. Autrement dit, l'écran 13 a un effet intégrateur sur les rayons "3". Certains des rayons "2" qui sont émis par le filament 17 vers la portion arrière la plus éloignée 21 de l'écran 13 rebondiront également vers le filament 17 et traverseront les vides ou les espaces qui séparent les spires de la structure du filament. Ces rayons "2" tra- versant le filament sortiront ensuite de la lampe par l'ouverture 16,com- me l'indique la figure. Les rayons "1" qui sont directement émis par le filament 17 en direc- tion de l'ouverture 16, sortiront directement de la lampe 10. L'énergie de renforcement E1 de l'émission due à l'intégration des rayons "3" par l'é- cran 13, peut être représentée par l'équation suivante: E = a(l-E)(1-A) [1-a+a(1-E) (1-A) 3- LI -a+a(I-E) (-A)J 2rt2 o: "a" est le coefficient de remplissage de l'image du filament; "E" est le pouvoir émissif du filament; "A" est la fraction del'angle solide total correspondant à l'ouverture de l'écran à travers laquelle sort le faisceau; les pertes dues au support et aux zones du socle de la lampe ont été considérées comme négligeables dans cette description; "r" est le coefficient de réflexion de l'écran formant miroir et en- tourant le filament; et "t" est le coefficient de transmission de l'ampoule-1l qui entoure le filament. De la même manière, les rayons réfléchis "2" qui traversent l'ouverture 16 produiront également un renforcement "E2"' de l'énergie déli- vrepar la lampe 10 que l'on peut représenter par l'équation suivante: E2 = I + rt (I-a) (2) Par conséquent, l'augmentation totale Et de l'énergie du rayonnement émis produite par l'écran intégrateur 13 est donnée par: Et = E1 + E2 - I ou Et = rt2(1-a) + a(-E)(I-A) (3) [1-a+a(1-E)(I-A)] - [1a+a(1-E)(1-A)]32rt2 La valeur de l'augmentation d'énergie calculêe à partir des valeurs théoriques de: a = 0,5; E = 0,25; A = 0,2; r = 0,95 et t = 0,92 sera de: E =2,45 Et=24 L'augmentation réelle de la radiance sera inférieure à l'augmenta- tion théorique,étant donné qu'une partie du rayonnement réfléchi sera ab- sorbsapar le filament 17. Cependant, l'absorbion de cette énergie renfor- cera le rendement thermique de la lampe 11 en permettant de faire fonc- tionner celle-ci avec une consommation d'énergie inférieure. La réduction de la consonmmation d'énergie a encore l'avantage de réduire la production de lumière visible indésirable. La lumière visible ou énergie sur certai- nes longueurs d'ondes peut également être absorbée ou réfléchie de façon sélective par l'écran 13 grâce,à différents revêtements (non-représentés) venant s'ajouter à la couche formant miroir 15. La vue en coupe de la figure 2 représente une autre réalisation de l'invention. Dans cette invention, la lampe 10' est constituée d'un fila- ment 27/soutenu par un support 29,fixé au culot 39. Le filament 27 est centré dans une ampoule de verre sphérique formant miroir 23 qui est as- semblée de façon étanche avec un culot 30. Une couche réfléchissante polie d'argent ou d'or recouvre la surface intérieure de l'ampoule 23 de fa- çon à réfléchir le rayonnement vers le filament 27, de la même manière que dans la lampe 10 représentée sur la figure 1. D'autres couches (non repré- sentées) peuvent être ajoutées dans le but d'absorber ou de réfléchir sé- lectivement l'énergie sur certaines longueurs d'ondes. L'ampoule 23 comprend une partie transparente 24 qui sert d'ouvertura pour le rayonnement réfléchi et produit par le filament 27. Dans cette réalisation, il n'y a pas de perte de transmisson due - l'ampoule intérieutel! cornmme sur la figure 1, et "t" est -ainanana -ga I dans l'équation (3) et l'augmentation résultante est gcnz -crn par l'équation: E = r(l-a) + a(-E) [I-a+a(l-E)(1-A) rl-.a,:-E -Ar Dans cette équation, les valeurs t'?.criu e -:. -:._ -:: Et = 3,05 Ei Y-PLF Une lamripe tun;:stC ne t hal: -ne (-tne ral 'e.: - X;. i - ete dlans une sphere de 76 r.:m t. i a.1: t re l,!t: ''.' '" r,:- splh're t ait coL 'rtpOSée (Ide d(Ieux::lt itits, t la:it e -.tt-rt-::- ', tV.' être enlevée sans perturber la lampe. La sph.ru contenalit ites.; cverturts d'entrée et de sortie diamétralement opposées de façon à ce que l'augmen- tation d'énergie Et n'englobe pas l'énergie due à une réflexion arrière (énergie E2). L'image du filament de la lampe a été transférée par une lentille SF6 sur un masque d'observation et l'énergie a encore été recueillie et mesurée par une pile thermoélectrique de Eppley. Pour normaliser la température dela lampe, la tension de la lampe a été réglée jusqu'à ce que le rapport tension-courant indique une résistance uniforme du filament. Le tableau I ci-dessous indique les mesures effectuées à l'aide de l'appareil ci-dessuslorsque la moitié avant de la sphère est ou non en place: 1. Avant de la sphère Tension Sans mise au 5,9 V point du réflecteur TABLEAU 1 enlevé: Courant Résistance 3,22 A 1,83 ohms Puissance 19 W Sortie de la pile'thermo- électrique 1,7 mV Réflecteur mis au point 2. Avant de la sphère Tension , 25 mis en place: Courant Résistance Puissance 2,86 1,836 Sortie de la pile thermo- - électrique 2,3 En réfléchissant l'énergie de lhémisphère arrière vers la lampe, on a observé une augmentation de 5,8% de l'énergie émise qui s'accompagnait d'une réduction de 4,7% de la puissance appliquée. Ceci correspond à une augmentation de 11% du rendement de la lampe,avec le premier montage. En réfléchissant l'énergie vers la lampe dans toute la sphère (second montage), on a observé une augmentation d'énergie émise de 35% accompagnée ,75 3,14 1,83 18,1 1,8 d'une réduction de 21% de la puissance appliquée. Ceci implique une amé- lioration de 71% du rendement de la lampe avec ce second montage. Le gain que l'on pouvait obtenir au cours de cet essai était limité par la piètre qualité du verre de la lampe G.E. 1974, par la grande sur- face sous-tendue par le culot de la lampe et aussi par le fait que le segment de la sphère se trouvant directement derrière le filament n'était pas disponible pour augmenter le gain. Naturellement, chacune des lampes des figures I et 2 doit avoir son filament placé dans le vide ou entouré d'un gaz inerte pour éviter qu'il s'oxyde. Donc, le vide doit 9tre fait dans l'ampoule Il de la figure 1 et dans l'ampoule 23 de la figure 2. Les matériaux indiqués ici sont donnés à titre d'exemple et utilisés uniquement pour définir l'invention. Un-professionnel spécialisé pourra envisager,naturellement, d' autres matériaux. REVENDICATIONS 1. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement dans la gamme du proche infrarouge à l'infrarouge, constituée par Une source incandescente de rayonnement 11; et Un dispositif réflecteur 13 qui reçoit les rayons émis par ladite source et réfléchit ces rayons reçus vers la source, ce dispositif réflecteur présentant une ouverture 16, la source étant disposée de façon à recevoir les rayons ré- fléchis par le dispositif réflecteur et à les renvoyer en di- rection et à travers l'ouverture, de sorte qu'un faisceau rayonnant de plus grande intensité traverse ladite ouverture et améliore les caractéristiques d'émission de la lampe. 2. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source incandescen- te de rayonnement 11 est constituée par un filament de lampe 17 et en ce que le dispositif réflecteur 13 est constitué d' un écran dont la surface intérieure est recouverte d'une cou- che 15 formant miroir à l'exception de l'ouverture, cet écran entourant sensiblement le filament de tungstène. 3. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend encore un dispositif entourant le filament dans le but d'absorber de façon sélective l'énergie comprise dans une gamme donnée de longueurs d'ondes. 4-.--Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend encore un dispositif entourant le filament et réfléchissant de fa- çon sélective l'énergie située dans une certaine gamme de longueurs d'ondes. 5. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 2, caractérisée en ceAue l'ampoule entourant le filament incandescent est constituée d'une ampoule sensi- blemént sphérique et sensiblement concentrique à l'intérieur d'un écran réfléchissant sensiblement sphérique. 6. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source incandescen- te du rayonnement est constituée par un filament 27, et en ce que le dispositif réflecteur est constitué d'une ampoule 23 dont la face interne 25 forme un miroir sauf à l'endroit de l'ouverture, l'ampoule entourant sensiblement le filament. 7. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'ampoule constitue un moyen d'absorber l'énergie de façon sélective dans une gam- me donnée de longueurs d'ondes. 8. Lampe perfectionnée émettant un rayonnement selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'ampoule constitue un moyen de réfléchir l'énergie de façon sélective dans une gamme donnée de longueurs d'ondes. 9. Dans une lampe émettant un rayonnement et comprenant un filament placé à l'intérieur d'un réflecteur présentant une ouverture pour la sortie du rayonnement, procédé d'augmen- tation de la radiance du rayonnement émis par la lampe émet- tant un rayonnement-, cette lampe fonctionnant dans la gamme du proche infrarouge à l'infrarouge, comprenant les opérations suivantes (a) Production d'un rayonnement au moyen du filament de la lampe (b) Réflexion d'une partie au moins du rayonnement pro- duit vers le filament; et (c) Renvoi du rayonnement réfléchi, du filament vers et à travers une ouverture ménagée dans une partie du réflecteur. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'augmentation totale d'énergie Et du rayonnement traver- sant l'ouverture est donnée par l'équation E = rt2 (1-a) + a(l-E) (1-A) t Él-a+a(I-E)(1-A)j -El-a+a) (1-E) (1-A3 rt2 o "r" est le coefficient de réflexion d'un réflecteur entou- rant le filament; "t" est le coefficient de transmission d'une ampoule en- tourant le filament; "A" est la fraction de l'angle solide total intercepté par la fenêtre à travers laquelle sort le faisceau; "a" est le coefficient de remplissage du filament; et "E" est le pouvoir émissif du filament. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ampoule dans laquelle est logé le filament fait partie du réflecteur, en ce que "t" est égal à "1" et en ce que l'énergie totale Et s'exprime par Et = r(l-a) + a(l-E) (1-A) [1-a+a(1-E) (1-A)] - [l-a+a(l-E) (l-A32r 12. Lampe à filament métallique incandescent à utiliser dans la gamme du proche infrarouge à l'infrarouge, cette lam- pe ayant un réflecteur 13,23 entourant sensiblement le fila- ment de façon à réfléchir le rayonnement émis par le filament vers ledit filament, ce filament étant constitué d'un matériau capable de réfléchir au moins une portion du rayonnement inci- dent dans la gamme du proche infrarouge à l'infrarouge et une ouverture ménagée 16,24 dans ce réflecteur dans le but de re- cevoir et de laisser passer le rayonnement émis et réfléchi par ledit filament, le filament de ladite lampe se présentant comme s'il avait un pouvoir émissif augmenté.