Brevet FR2545272A1 — publié le 19841102

-1 - "Lampe à décharge " L'invention concerne une lampe à décharge à haute pression présentant une enceinte à décharge contenant un remplissage ionisa- ble et deux électrodes principales entre lesquelles s'étend un tra- jet à décharge, enceinte à décharge qui présente une paroi en maté- riau céramique perméable à la lumière, constituée essentiellement par du grenat d'aluminium-yttrium polycristallin fritté dense, ainsi qu'un procédé pour la réalisation d'une lampe à décharge à haute pression munie d'une enceinte à décharge présentant une paroi réali- sée en un tel matériau. Du brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 767 745 est connue lune lampe à décharge à haute pression munie d'une enceinte à déchar- ge présentant une paroi en grenat d'yttrium aluminium polycristallin fritté dense permeable à la lumière Dans la lampe connue, le maté- riau de la paroi de l'enceinte à décharge s'est obtenu par pressage chaud Pour ce procédé, le matériau de départ est fritté à tempéra- ture élevée et sous pression élevée Ce procédé présente l'inconvé- nient de requérir un appareillage compliqué Un très grand inconvé- nient est qu'il s'est avéré que le procédé connu ne permet d'obtenir que des corps tubulaires, commne des enceintes à décharge, dont la densité est notablement inférieure à 100 %, comparativement à la den- sité théorique Ia perméabilité à la lumière est fortement détermi- née par la densité et sera optimale dans le cas d'une densité de % Des densités inférieures à 98 % aboutissent en pratique à une perméabilité à la lumière tellement faible que l'utilisation comme matériau pour la paroi de l'enceinte à décharge est pratiquement exclue. L'invention vise à fournir une lampe à décharge présentant un matériau céramique perméable à la lumière qui ne présente pas les inconvénients des lampes connues ' Conformément à l'invention, la lampe mentionnée dans le préambule est caractérisée en ce que le matériau de la paroi de l'enceinte à décharge présente au moins l'une des substances Mg O et Si O 2 dans une quantité totale d'au 545272 -2- moins 50 ppn en poids, la valeur absolue de la difference en prn en poids de Si O 2 et en ppm en poids de Mg O étant d'au moins 50 et unm excès de t O étant d'au maximum 1000 ppa en poids. Dans la lampe conforme à l'invention, il s'est avéré que sans pression externe, le matériau fritté de la paroi de l'enceinte à décharge est complètement étanche au gaz et présenrte une bonne perméabilité à la lumière En effet, la perméabilité à la lumière du matériau de la paroi de l'enceinte à décharge de la lampe conforme à l'invention peut être comparée avec, voire dépasse celle de l'oxyde d'alumiinium fritté dense polycristallin utilisé généralement connu canme matériau pour la paroi de l'enceinte à décharge De plus, le matériau de la paroi de l'enceinte à décharge résiste très bien à l'influence corrosive de vapeur de sodium par exemple On suppose que, lors du frittage du matériau, le Si O 2 ou 1 OW influe sur la croissance cristalline, de sorte que le matériau conforme à l'inven- tion présente une grosseur de cristaux uniforme Dzns le cas d'une différence en valeur absolue en ppu en poids de Si O 2 et en g O inf 5 érieure à 50, il se produit en pratique notablement le risque que la grosseur des cristaux soit irréglière, ce qui affecte la perméa- bilité à la lumière De plus, il est possible que la densité d'un tel matériau soit inférieture à la valeur requise au minimum de 98 %. Un excès en Mg O supérieur à 1000 ppm en poids se traduit par le phé- nomène de l'apparition d'une deuxième phase, de sorte que tant la perméabilité à la lumière, la résistance mécanique que la résistance à l'influence corrosive sont affectées La résistance à l'influence corrosive importe notamment du fait que dans le cas de lampes à dé- charge à haute pression appliquées à grande échelle, le remplissage ionisable contient des substances comme l'amalgame de sodium et/ou des halogénures métalliques. Le brevet russe 564 290 mentionne la préparation de grenat d'aluminiumyttrium par frittage sous vide pour obtenir du matériau de laser A cet effet, le matériau fritté contient au moins 0,1 % en poids d'oxyde de magnésium Toutefois, une telle quantité d'oxyde de magnésium aboutit en pratique au phénomène de la séparation d'une 2 leme phase dans le produit fini fritté De ce fait, le matériau formé ne convient pas comme matériau de paroi d'une enceinte à dé- charge d'une lampe à décharge à haute pression. De preférence, le matériau céramique de la paroi de l'en- ceinte à décharge d'une forme de réalisation de la lampe conforme à l'invention contient 500 à 1500 ppm en poids de Si O 2 Dans une autre forme de réalisation, le matériau contient de préférence 100 à 500 ppm en poids de Mg O Dans le cas de tenueurs en Si O 2 respecti- vement Mg O d'au moins 500 ppm en poids respectivement 100 ppm en poids, il s'avère en effet en pratique que le matériau contient des cristaux d'une grosseur de cristaux très uniforme, ce qui permet d'obtenir une densité homogène et une perméabilité élevée à la lumiè- re Une grosseur de cristaux uniforme facilite en outre la résistance mécanique du matériau Les teneurs en Si O 2 respectivement Mg O ne sont de préférence pas choisies supérieures à 1500 p Pm en poids, respectivement 500 ppm en poids du fait qu'au-dessus desdites va- leurs, il peut se produire le phénomène d'une séparation d'une iême im 2 i phase Le risque de séparation d'une 2 ieme phase augmente fortement avec une teneur en poids croissante des additions de Si O 2 et/ou de Mg O Des enceintes à décharge de lampes conformes à l'inven- tion présentant une paroi en grenat d'yttrium-aluminium polycristal- lin peuvent s'obtenir par frittage d'un mélange des oxydes de Y et Ai contenant Si O 2 et/ou Mg O, d'oxydes mixtes de ces métaux ou de com- posés pouvant fournir ces oxydes par augmentation de la température. De plus, ces mélanges peuvent contenir un flux ou un sel de fusion. Une enceinte à décharge présentant une paroi en matériau céramique perméable à la lumière d'une lampe conforme à l'invention est de préférence réalisée avec un procédé qui est caractérisé en ce qu'un mélange pulvérulent constitué essentiellement par Y 2 ( 504)3 et A 2 ( 504)3 est préparé par séchage par pulvérisation d'une solution aqueuse desdits sulfates, que le mélange pulvérulent est chauffé dans une atmosphère oxydante à une température comprise entre 1150 et 1400 C, un composé de Si et/ou de Mg étant ajouté avant le séchage par pulvérisation ou après chauffage du mélange pulvérulent et que la poudre de grenat ainsi obtenue est ensuite transformée se- lon le produit façonné requis, de préférence après désagglom 6 ration, -4après quoi ledit produit est fritté sous une pression d'au maximum 0,13 Pa sous vide ou dans de l'hydrogone à une température d'au moins 1700 c. Sous vide, il y a lieu d'entendre, dans cette description, une atmosphère qui est en majeure partie constituée par l'air ou d'un gaz inerte comme de l'azote ou un ou plusieurs gaz rares sous une pression notablement inférieure à la pression atmosphérique. Dans le procédé conforme à l'invention, le Si est de pré- férence ajouté à la solution de sulfate aqueuse acidifiée sous forme de silicate d'ortho 5thyle dans une qantit 8 équivalente d'au moins ppm en poids-de Si O 2, rapporté au grenat d'yttrium-aluminium à former Une telle quantité est nécessaire au minimum pour obtenir le matériau requis pour la paroi de l'enceinte à décharge, du fait qu'il s'est averé que, lors du procédé, le Si O 2 est sujet à évapo- ration Lors du procédé conforme à l'invention, avant ou après le séchage par pulvérisation, le Mg est ajouté de préférence sous forme d'acétate de magnésium dans une quantité équivalente présentant au moins 100 et d'au maximum 2000 ppn en poids de Mg PO, rapport& au grenat d'yttrium aluminium à former Ainsi, on atteint que le Si respectivement Mg est réparti de façon homogène dans le mélange pul- v 5 rulent de Y 2 ( 504)3 et A 12 ( 504)3. De préférence, le mélange pulvérulent ainsi formé est transformé en une poudre de grenat par chauffage du mélange pulveru- lent à l'air pendant 2 à 10 heures Par suite du chauffage à l'air, il n'est pas N 6 cesaire de prendre des dispositions pour influer sur l'atmosphère, ce qui simplifie le procèdé Malgré cette simplifica- tion, on obtient une poudre qui n'est constituée que de la phase requise, notamment le grenat d'aluminium-yttrium. Ia poudre de grenat obtenue peut être transformée ensuite selon le produit façonné requis par pressage isostatique Un autre procédé pour réaliser le produit requis de la poudre de grenat con- siste dans l'extrusion d'un mélange de la poudre de grenat avec un liant, après quoi le produit est chauffé à une température comprise entre 1000 et 1400 C à l'air Le pressage isostatique est un procédé connu en soi pour réaliser des pièces façonnées convenant notamment -5- aux pièces façonnées de dimensions relativement grandes En revan- che, l'extrusion est notamment un procédé efficace pour réaliser des pièces façonnées cylindriques en grandes séries. De préférence, le frittage de la pièce façonnée s'effectue sous vide sous une pression d'au maximum 0,13 Pa à une température de 1700 à 1900 C pendant 2 à 12 heures Ainsi, il se forme un pro- duit de grande densité présentant une bonne perméabilité à la lumiè- re et une grosseur de cristaux uniforme. Le vide d'une pression supérieure à 0,13 Pa se traduit par une répartition irrégulière de la grosseur de cristaux et une plus faible densité de la pièce façonnée, ce qui affecte la perméabilité à la lumière et, simultanément, la résistance mécanique. Des essais ont révélé que, lors du frittage de la pièce façonnée pour atteindre la densité requise minimale de 98 %, il faut une température de 1700 C, auquel cas on constate qu'il est avanta- geux que cette température soit maintenue pendant 12 heures Ia du- rée pour réaliser la densité requise peut etre réduite par augmenta- tion de la température du frittage C'est ainsi qu'on a déterminé, par voie empirique, qu'à une température de 1900 C, une densité de 98 % s'obtient déjà après 2 heures Une augmentation poursuivie de la température provoque une croissance cristalline tellement rapide qu'il en résulte une répartition irrégulière de la grosseur des cristaux et, de ce fait, une plus faible perméabilité à la lumière. De plus, l'évaporation du grenat d'aluminium-yttrium commence à jouer un certain rôle. La description ci-après, en se réfèrant aux dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente une lampe conforme à l'invention. La figure 2 une variante de la structure d'une enceinte à décharge convenant à la lampe selon la figure 1. Sur la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne une ampoule extérieure présentant un culot 2 L'ampoule extérieure 1 enferme une enceinte à décharge 3 L'enceinte à décharge est consti- tuée par une partie cylindrique 3 a présentant des deux côtés des 25452 2 -6- capots de fermeture 3 b et 3 d, fixés d'une façon étanche au gaz à l'aide d'un verre de soudure 3 c Ia partie cylindrique 3 a présente une paroi constituée par du grenat d'aluminium-yttrim les capots de fermeture 3 b, 3 d sont constitués par du niobium es sont munis chacun d'une électrode 4, 5 en tungatène fixé à l'aide d'une soudu- re L'électrode 4 est connectée par l'intermédiaire d'un conducteur de courant 6 à un contact de connexion 2 a du culot 2 L'électrode 5 est connectée par l'intermédiaire du conducteur de courant 7 au con- tact de connexion 2 b du culot 2. Le remplissage de l'enceinte à décharge contient 15 mg d'amalgame contenant en poids 22 % de Na et 78 % de Hg De plus, le remplissage contient du xénon sous une pression de 10,5 k Pa à 3000 K Ia lampe fonctionne sous une tension de 220 V, 50 Hz par l'intermédiaire d'un ballast de stabilisation à impédance de 135 Ohms Ia puissance totale dissipée par la lampe est de 77 W à rende- ment lumineux d'environ 70 lm/W Le diamètre interne de l'enceinte à décharge est de 3,3 mm et l'espacement d'électrode est de 32 min. Ia partie cylindrique 3 a de la lampe décrite est formée de la façon suivante Une quantité de A 12 ( 504)3 1620 fut dis- soute dans de l'eau désionisée jusqu'à une teneur de 28 mg de A/g de solution Ensuite, Y 203 est ajouté à cette solution avec di- lution poursuivie à l'aide d'eau de façon à atteindre un rapport stoechiométrique de Al et de Y Le p H de la solution fut maintenu entre 2,5 et 3,0 par addition de H 504. Ensuite, ce mélange fut additionné de silicate d'orthoé- thyle dissous dans H 2504, la quantité de Si étant déterminée à l'aide du grenat d'aluminium-yttrium à former, correspondant à 2000 ppm en poids de Si 02 La solution ainsi obtenue fut ensuite sé- chée par pulvérisation, après quoi le mélange pulvérulent obtenu fut chauffé à l'air jusqu'à une température d'environ 1300 C pendant 6 heures On obtint une poudre constituée par une seule phase, notam- ment du grenat d'aluminium-yttrium, à surface spécifique d'environ 5 m 2/g La désagglomération de la poudre fut ensuite effectuée pen- dant environ 8 heures. Une pièce façonnée tubulaire fut obtenue par extrusion 7- d'une masse petrissable contenant la poudre de grenat obtenue de la façon décrite cidessus dans un système de liant de tylose, stéarate de butyle et d'eau Ia pièce façonnée fut séchée -à l'air et sciée sur mesure Ensuite, le liant fut séché par chauffage pendant 4 heu- res à l'air à une température de 1250 C Après le chauffage, la pié- ce façonnée fut frittée sous un vide de 1,3 1073 Pa Ia températu- re fut portée à 1400 C dans une période de 7 heures, ensuite mainte- nue constante pendant 9 heures, puis portée à 1800 C dans une pério- de de 1,5 heure et maintenue constante pendant 4 heures, après quoi on procéda à un refroidissement de 200 C/h Le tube cylindrique ain- si formé était constitué par des cristaux présentant une grosseur moyenne d'environ 10/um et contenait environ 1000 ppm en poids de Si O 2. Une autre pièce façonnée tubulaire d'une même composition que celle dans ce qui précède fut soumise à un autre processus de frittage Dans ce cas, les variations de température comprenaient une augmentation de température continue pendant environ 12 heures à 1800 C, valeur qui fut maintenue pendant environ 5 heures, puis une diminution continue de la température pendant 6, 5 heures Le tube cylindrique ainsi formé contenait également environ 1000 ppm en poids de Si 02 et était constitué par des cristaux d'une grosseur de cristaux d'environ 10/um Ies propriétés optiques des deux tubes étaient égales. Dans le cas d'une autre lampe conforme à l'invention, cel- le-ci était munie d'une enceinte à décharge présentant une variante de la structure selon la figure 2 Les extrémités de la partie cy- lindrique 3 a de l'enceinte à décharge 3 étaient munies de bouchons de fermeture 30, 31, qui étaient fixés d'une façon étanche au gaz à l'aide d'un verre de soudure 3 c à la partie cylindrique 3 a Chacun des bouchons de fermeture 30, 31 présentent un conducteur de traver- sée en forme de broche en niobium 40, 50 qui est relié d'une façon étanche au gaz à l'aide d'un verre de soudure 3 c Aux conducteurs de traversée 40, 50 étaient soudées des électrodes en tungptène 4, 5. Le remplissage de l'enceinte à décharge contenait 25 mg d'amalgame contenant en poids 22 % de Na et 78 % de Hg De plus, -8- le remplissage contenait du xénon sous une pression de 2,5 k Pa à 300 K La lampe fonctionnait sous une tension de 220 V, 50 Hz Ia puissance absorbée par la lampe était de 50 W et le flux lumineux spécifique était de 80 lm/W De diamètre interne de l'enceinte à décharge était de 3,5 mm et l'espacement d'électrode était de 29 min. Tant la paroi de la partie cylindrique 3 a que les bouchons de fermeture 30 et 31 étaient formés en grenat d'aluminium-yttrium contenant du Mg O. la réalisation des pièces façonnées avec le Mg O s'effec- tuait d'une façon essentiellement analogue à celle décrite ci-dessus pour le Si O 2 Dans un premier cas, le g frut ajouté sous forme d'acétate de Mg et dissous dans la solution de sulfate à rapport stoechiom 5 trique de Ai et de Y Ia quantité de Mg fut choisie de façon à correspondre à 500 prp en poids de Mg O par rapport au gre- nat d'aluminium-yttrium à former Avec le mélange ainsi obtenu, on obtint ensuite un tube et des bouchons de fermeture frittés selon le procédé décrit ci-dessus Iors du frittage, les pièces façonnées sont maintenues pendant 2 heures à une temperature de 1730 C L'aug- mentation de la température d'effectuait de façon continue dans une période de 4 heures Ensuite, un refroidissement fut effectué jus- qu'à 1000 C en 30 min, après quoi un refroidissement fut effectué par voie naturelle Lors du frittage, la pression était de 1,3 103 Pa Le grenat d'aluminiua-yttrium du tube et des bouchons de ferme- ture obtenus contenaient 250 ppm en poids de Mg W et la grosseur moyenne des cristaux était de 20/um. Dans un deuxième cas, pour la réalisation d'une pièce fa- çonnée tubulaire, après séchage par pulvérisation, le Mg fut ajouté, sous forme d'acétate de Mg à une bouillie de grenat d'aluminium-yt- trium stoechim 6 trique dans de l'éthanol, également dans une quantité correspondant à 500 ppn en poids de Mgo par rapport au grenat d'a- luminium-yttrium Puis, la bouillie formée fut séchée et portée à 550 C, température à laquelle se décomposa l'acétate de Mg Ensuite, le matériau sec fut désagglom 6 r& de la façon décrite ci-dessus et le traitement pour obtenir une pièce façonnée frittée fut effectué de façon analogue Les variations de la température pendant le frittage 25452 > 2 -9 étaient comme suit; la pièce façonnée à fritter fut portée en 6 heu- res à une température de 1700 C, ensuite en 45 minutes à 1775 C, température qui fut maintenue pendant 4 heures Puis, on procéda à un refroidissement à une vitesse d'environ 250 C par heure Lors du frittage la pression était de 1,3 1073 Pa Dans le cas d'un tube ainsi formé, le grenat d'aluminium-yttrium contenait 250 ppm en poids de Mg O et la grosseur moyenne des cristaux était environ /um Ides qualités optiques des tubes contenant Mg O correspon- daient à celles des tubes contenant Si O 2. Pour illustrer la bonne perméabilité à la lumière du gre- nat d'aluminium-yttrium conforme à l'invention, la transmission "en ligne" relative est mesurée et comparée avec celle de l'oxyde d'alu- minium fritté dense polycristallin Ie coefficient d'absorption selon la formule I/Io = exp (-o( d) dans laquelle: I est l'intensité du faisceau de rayons après la transmission Io l'intensité du faisceau de rayons pour la transmission et d l'épaisseur dans laquelle s'effectue la transmission, est déterminé pour un faisceau de rayons d'une longueur d'onde de 589 m dans le cas d'un angle d'ouverture 0,14 rad Pour le grenat d'aluminium-yttrium contenant 1000 ppm en poids de Si O 2, la va- leur de c(est de 1,6 mm-1 et dans le cas de grenat d'aluminium- yttrium à 250 ppm en poids de Mg O, elle est de 0,7 mm 1 Pour de l'oxyde d'aluminium fritté dense polycristallin, d'une qualité fré- quemment utilisée en pratique, ce présente une valeur de 2,1 mm-1. La perméabilité à la lumière du grenat d'aluminium-yttrium conforme à l'invention est par conséquent meilleure que celle de l'oxyde d'a- luminium fritté dense polycristallin y comparé. -10- REVENDICATIONS: 1 Lampe à décharge à haute pression présentant une enceinte à décharge ( 3) contenant un remplissage ionisable et deux électrodes princpales ( 4,5) entre lesquelles s'étend un trajet à décharge, en- ceinte à décharge ( 3) qui présente une paroi ( 3 a) en matériau céra- mnique perméable à la lumière, constituée essentiellement par du gre- nat d'aluintiumyttrium polycristallin fritté dense, caractérisée en ce que le matériau de la paroi de l'enceinte à décharge présente au moins l'une des substances Mg O et Si O 2 dans une quantité totale d'au moins 50 ppi en poids, la valeur absolue de la différence en pum de Si O 2 et en ppm en poids de Mg O étant d'au moins 50 et un excès de Mg O étant d'au maximum 1000 ppm. 2 Lampe selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau céramique de la paroi ( 3 a) de l'enceinte à décharge ( 2) contient une quantité de 500 à 1500 pp M en poids de Si 02. 3 Tampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau céramique de la paroi ( 3 a) de l'enceinte à décha Drge ( 3) contient une quantité de 100 à 500 ppm en poids de Mg O. 4 Procédé pour la réalisation d'une lampe à décharge à haute pression présentant une enceinte à décharge contenant un remplissage ionisable et deux électrodes principales entre lesquelles s'étend un trajet à décharge, enceinte à décharge qui présente une paroi en matériau céramique perméable à la lumière selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un mélange pulvérulent constitué essentiellement par Y 2 ( 504)3 et A 12 ( 504)3 est préparé par sécha- ge par pulvérisation d'une solution aqueuse desdits sulfates, que le mélange pulvérulent est chauffée dans une atmosphère oxydante à une température comprise entre 1150 et 1400 C, un composé de Si et/ou de Mg étant ajouté avant le séchage par pulvérisation ou après chauffa- ge du mélange pulvérulent et que la poudre de grenat ainsi obtenue est ensuite transformée en un produit façonné requis, après désag- glomération, après quoi ledit produit façonné est fritté sous une pression d'au moins 0,13 Pa sous vide dans de l'hydrogène à une tem- pérature d'au moins 1700 C. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la -11- solution de sulfate aqueuse est additionnée de silicate d'ortho- éthyle dans une quantité qui est équivalente à au moins 100 ppm en poids de Si O 2, rapports au grenat d'aluminium-yttrium à former. 6 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que de l'acétate de magnésium est ajouté avant ou après le séchage par pul- vérisation dans une quantité qui est équivalente à au moins 100 ppm. au poids de Mg O, rapporté au grenat d'aluminium-yttrium à former. 7 Procédé selon la revendicaton 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le chauffage du mélange pulvérulent s'effectue à l'air pendant 2 à 10 heures. 8 Procédé selon la revendication 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la poudre de grenat est mise dans la forme requise par pressage isostatique. 9 Procédé selon la revendication 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la poudre de grenat est mise dans la forme requise par extrusion d'un mélange de poudre de grenat avec un liant, après quoi la pièce façonnée est préfrittée à une température de 1000 à 1400 C à l'air. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caratérise en ce que le frittage s'effectue sous une pression d'au maximum 0,13 Pa sous vide à une température comprise entre 1700 et 1900 C pendant 2 à 12 heures.