Brevet FR2485260A1 — publié le 19811224

L'invention concerne des revêtements émetteurs d'élec- trons ou matériaux activateurs pour les électrodes de lampes à arc à halogénures métalliques. Dans les lampes à décharge électrique, les cathodes se composent généralement d'un élément de base ou support en mé- tal réfractaire, le plus souvent du tungstène, supportant un matériau émetteur d'électrons plus actif que le métal de la base. Mais, dans les lampes à halogénures métalliques, la char- ge vaporisée crée une atmosphère fortement réactive, et l'uti- lisation de matériaux de cathode émetteurs d'électrons dans de telles lampes est sévèrement limitée par une telle atmosphère. Dans les lampes à halogénures métalliques actuellement mises sur le marché, la charge la plus couramment utilisée comporte de l'iodure de sodium et de l'iodure de scandium. Les oxydes alcalino-terreux, tels que BaO.SrO couramment utilisés dans les lampes fluorescentes, ou la combinaison d'oxydes alcalino- terreux-métal réfractaire, Ba2CaWO6, couramment utilisée dans les lampes à vapeur de sodium sous pression élevée, réagissent avec les halogénures, entraînant la dévitrification ou le noir- cissement des parois de la lampe. En conséquence, pour ces lam- pes à halogénures métalliques, l'industrie a eu recours à des cathodes répondant à l'un des critères suivants 1. Electrodes nues en tungstène. 2. Tungstène en combinaison quelconque avec du thorium. 3. Revêtements de ThO2OY203. De telles cathodes éliminent les problèmes de dévitrifi- catiôn et de noircissement, mais elles n'ont pas la qualité des cathodes utilisées dans les autres lampes à décharge et imposent une charge plus importante. L'invention a pour objectif de fournir des matériaux et revêtements émetteurs d'électrons, nouveaux et améliorés, uti- lisables dans les lampes à halogénures métalliques, et notam- ment dans les lampes dont la charge comporte de l'iodure de sodium et de l'iodure de scandium. On a déterminé que les oxydes de scandium et de dyspro- sium et les borures de thorium scandium et lanthane donnent des performances supérieures aux lampes à arc à halogénures métalliques du type précité. Les performances sont notamment améliorées en ce qui concerne la réduction de la tension de lu- minescence et la réduction de la durée de la luminescence. La tension de luminescence est établie immédiatement après amor- çage de la décharge et est caractérisée par une valeur plus élevée que celle de la tension de fonctionnement normale de la lampe. Cette tension élevée accélère les ions, bombardant la cathode et la détruisant par pulvérisation. Il est en conséquen- ce souhaitable que la tension de luminescence soit aussi fai- ble que possible et que la durée de la luminescence soit aussi courte que possible. Les émetteurs perfectionnés conformes à l'invention sont notamment utilisables dans les lampes à halogénures métalliques de faible puissance et d'efficacité améliorée décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4.161.672. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: - - Figure 1, une lampe à arc à halogénures métalliques mi- niature dans laquelle l'invention peut être mise en oeuvre, - Figures 2 à 6, des courbes tension-temps et courant- temps relevés sur des lampes identiques à celle de la figure 1. Pour les figures 2 et 3, il s'agit de lampes équipées de catho- des classiques; pour les figures 4 à 6, il s'agit de lampes dans lesquelles sont utilisés divers revêtements émetteurs d'électrons conformes à l'invention. On a donc représenté figure 1, un tube à arc miniature 1 dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre et qui peut être du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4.161.672. L'ampoule est en silice fondue et se compose d'un bulbe central 2 à parois minces et de deux parties de col opposées. Les scellements des amenées de courant sont ef- fectués en déformant, par ramollissement sous l'effet de la chaleur, le quartz des cols 3, 4, sur les parties 5, 6, faites d'une feuille de molybdène, des ensembles amenée de courant- électrode. Les conducteurs 7, 8 soudés aux feuilles sortent à l'extérieur des cols, et les corps d'électrode en tungstène 9, , soudés sur la partie opposée des feuilles se prolongent dans le col et dans le bulbe. La lampe est à fonctionnement unidirectionnel, et le corps 10 se-termine par une bille 11 pour former une anode. La cathode est constituée par une héli- ce 12 en fil de tungstène (environ 6 tours) bobinée à spires jointives sur le corps 9 jusqu'au niveau de la bille 13 à l'ex- trémité de ce corps. La bille 13 peut être formée à partir d'un corps initialement plus long que celui représenté et par fusion de l'extrémité de ce corps. Les matériaux émetteurs d'électrons que concerne l'invention sont appliqués sur les spires de l'hélice 12 ou remplissent les interstices entre les spires et le corps. Un tube à arc miniature à halogénures métalliques, pour lampe de 35 W, peut comporter un bulbe ellipsoldal d'environ 7 mm de diamètre extérieur; le diamètre intérieur est d'envi- ron 6 mm, et la longueur intérieure, sans tenir compte des ir- régularités, est d'environ 7 mm, ce qui donne un volume de dé- charge de 0,1 à 0,15 cm3. Comme remplissage du bulbe, on peut utiliser de l'argon ou tout autre gaz inerte sous une pression de quelques dizaines de torrs comme gaz d'amorçage, et une charge constituée par du mercure et les halogénures métalli- ques NaI et ScI3. La charge peut être introduite dans l'en- ceinte par l'un des cols avant qu'y soit scellée la deuxième électrode. Pour que la lampe soit complète, le tube à arc re- présenté est généralement monté dans une ampoule de protection extérieure (non représentée) qui est soit sous vide, soit rem- plie d'un gaz inerte, et qui est pourvue d'un culot avec bor- nes de contact auxquelles sont raccordées les amenées de cou- rant 7, 8. Sur les figures 2 à 6, les courbes supérieurs représen- tent la tension dé luminescence et les tracés inférieurs repré- sentent le courant d'électrode, les valeurs étant relevées en fonction du temps pour diverses cathodes de tube à arc tel que celui représenté figure 1. On a obtenu les courbes en photo- graphiant l'écran d'un oscilloscope pourvu d'un tube à rayons cathodiques à longue persistance et monté dans le circuit du tube à arc de la manière décrite dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N0 3.249.859. Sur chaque photographie, une deuxième courbe est superposée à la première et a été obtenue par un second amorçage du tube à arc préalablement refroidi à la tem- pérature ambiante. Les coïncidences ou manques de coïncidences des courbes sont significatifs d'un caractère de reproductibi- lité ou de performances aléatoires. Les principes ayant conduit les mesures sont décrits dans le brevet préalablement mentionné et peuvent être résumés com- me suit. Lorsqu'on relève les courbes de tension en fonction du temps de la décharge dans une lampe aux bornes de laquelle est appliquée une surtension relativement faible, suffisante pour l'amorçage, on peut observer trois niveaux de tension distincts et de durée variable. Le premier niveau, dit "pla- teau A" dans le brevet, correspond à un retard formatif de rupture dit parfois "temps mort émissif". Il est généralement court et disparait pratiquement lorsque la tension en circuit ouvert appliquée devient sensiblement supérieure à la tension de rupture de la lampe. Le premier niveau n'est pas représenté sur les figures 2 à 6, et le deuxième niveau qui commence sur le bord gauche est le-premier observé. Ce niveau est dit "pla- teau B" dans le brevet précité et correspond à une période d'émission généralisée à partir de la cathode souvent dénom- mée "phase de luminescence". Le troisième niveau, qui est le deuxième observé sur les figures 2 à 6, est dit "plateau C" dans le brevet précité. Il est caractérisé par un étranglement de la décharge en un point chaud de la cathode et est souvent dénommé "phase d'arc". La durée de la phase d'arc n'est pas définie puisqu'il-s'agit du mode normal de fonctionnement de la lampe qui se poursuit aussi longtemps que cette lampe est sous tension. La phase de luminescence qui suit immédiatement l'amorçage est caractérisée par une tension plus-élevée que la tension de fonctionnement normal de la lampe. Cette tension élevée de luminescence accélère les ions, bombardant la catho- de qui est détruite par pulvérisation. Il est en conséquence souhaitable que la durée de la phase de luminescence et la tension de luminescence soient réduites autant que possible. Les courbes de la figure 2 sont caractéristiques d'une cathode constituée par une bobine en fil de tungstène à spi- res resserrées, sans revêtement. La tension de luminescence observée est supérieure à 190 V et la durée de la phase de luminescence atteint presque 300 ms. On peut considérer qu'une telle électrode à spires resserrées et sans revêtement entrai- ne les plus mauvaises conditions de fonctionnement. Les cour- bes de la figure 3 correspondent à la même électrode revêtue classiquement du matériau émissif ThO2.Y203. Le premier avan- tage par rapport à la cathode précédente est que la durée de la phase de luminescence est réduite à environ 250 ms, l'une des courbes dénonçant une petite réduction à 175 V de la ten- sion de luminescence. La figure 3 illustre les meilleures per- formances pouvant être obtenues avec les cathodes de type con- nu. Les résultats sont quelque peu aléatoires comme le démon- tre le manque de coïncidence dans les tracés. Les figures 4 à 6 démontrent qu'on peut réduire fortement la tension de luminescence et/ou la durée de la phase de lumi- nescence en utilisant des oxydes et des borures conformément à l'invention. La figure 4 correspond à une électrode consti- tuée par une bobine en fil de tungstène à spires resserrées avec revêtement en matériau émissif Dy203. La tension de lu- minescence descend à 120 V. La durée de la phase de lumines- cence d'environ 260 ms est pratiquement inchangée. La figure 5 correspond à une électrode constituée par une bobine en fil de tungstène à spires resserrées avec, comme revêtement, le matériau émissif ThB4 (tétraborure de thorium). La tension de luminescence est réduite à environ 115 V et la durée de la phase de luminescence est-de l'ordre de 210 ms. Des essais faits avec de l'hexaborure de thorium, de l'hexabo- rure de lanthane et du diborure de scandium démontrent les mê- mes améliorations en ce qui concerne la tension de luminescen- ce et la durée de la phase de luminescence. Les courbes de la figure 6 correspondent à une bobine de tungstène à spires resserrées revêtue du matériau émissif Sc203; la tension de luminescence est réduite à environ 105 V, et la durée de la phase de luminescence est ramenée à environ ms. Dans les exemples qui précèdent, les matériaux activateurs ont été préparés sous forme de poudre et mis en suspension dans une solution-de nitrocellulose dans de l'acétate d'amyle. Les électrodes ont été revêtues en les plongeant dans la suspen- sion, en les traitant ensuite thermiquement dans l'air, à 1000C et pendant une heure environ, puis en les traitant dans l'ar- gon, à 740'C et pendant 10 mn. Aucune précaution particulière n'a été prise après ce dernier traitement, les électrodes ayant été exposées à l'atmosphère et les lampes, fabriquées selon les techniques de fabrication classiques. La réduction de la tension de luminescence et de la du- rée de la phase de luminescence obtenue avec les cathodes conformes à l'invention permettent d'espérer de fortes amélio- rations au point de vue entretien, notamment dans le cas de lampes miniatures soumises à de fréquents amorçages, et les premiers essais de durée de vie confirment cette hypothèse. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Lampe à décharge d'arc, à halogénures métalliques sous pression élevée, du type comportant - une enveloppe (2) en matériau réfractaire transmetteur de lumière, contenant une charge de mercure et d'halogénures métalliques destinée à être vaporisée en cours de fonctionne- ment, ainsi qu'un gaz inerte sous pression plus faible pour faciliter l'amorçage, - et deux électrodes opposées (10, 12) pour l'entretien de l'arc qui sont scellées dans l'enveloppe, au moins l'une de ces électrodes (12) étant utilisée comme cathode et se composant d'un élément de base en tungstène revêtu d'un maté- riau émetteur d'électrons, caractérisée en ce que le matériau émetteur d'électrons est choisi dans le groupe constitué par les oxydes de scandium, les oxydes de dysprosium, les borures de thorium, les borures de scandium et les borures de lanthane. 2 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de base de la cathode est constitué par une bo- bine en fil de tungstène (12) bobinée autour d'un corps en tungstène (9), le matériau émissif formant un revêtement sur la bobine ou étant situé dans les interstices entre spires de la bobine et entre la bobine et le corps. 3 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les halogénures métalliques de la charge sont NaI et ScI3. 4 - Lampe selon la revendication 1 à fonctionnement uni- directionnel, caractérisée en ce que l'enveloppe (2) est en silice fondue, le volume de l'enveloppe n'étant pas supérieur à 1 cm3, et la charge étant constituée par NaI et ScI3.