Brevet FR2558987A1 — publié le 19850802

D 24,948 2588 PROCEDE DE REALISATION DE CAPSULES CONTENANT UNE QUANTITE PRECISE D'UN MATERIAU La présente invention concerne des dispositifs dans lesquels un matériau doit être disposé et, plus particulièrement, de tels dispositifs contenant une quantité précise d'un matériau particulier. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de réalisation de capsules contenant une quantité précise de matériau. Certains dispositifs requièrent, pour fonctionner, qu'ils contiennent diverses quantités de matériaux vaporisables. Ces dispositifs sont, par exemple, des tubes à vide, des filtres optiques ou des lampes à décharge en arc. Puisque la présente invention est tout à fait appropriée pour les lampes à décharge, elle sera décrite ci-après en relation avec celles-ci. Il g a de nombreux tupes de lampes à décharge en arc: les lampes fluorescentes, les lampes à vapeur de mercure, à halogènure de métal, au sodium, etc...En pratique, toutes ces lampes utilisent du mercure en tant que l'un des composants vaporisables. Dans les lampes classiques, comme par exemple les lampes fluorescentes, il est habituel de disposer mécaniquement une goutte de mercure dans la lampe. Pour les lampes au sodium, on dépose une goutte d'un mélange avec du sodium. Cette pratique consistant à déposer mécaniquement du mercure ou un autre matériau fonctionne très bien, car le mercure à l'état naturel est très peu coteux. Dans le brevet américain US 3 913 999, il est suggéré de disposer la goutte de mercure dans une petite capsule qui est mise en place dans la lampe et ouverte après scellement de la lampe. On a constaté récemment que le rendement de telles lampes, par exemple des lampes à décharge contenant un mélange gaz rare mercure sous basse pression, peut être amélioré si la composition isotopique du mercure est modifiée par rapport à celle qu'il présente à l'état naturel. On peut voir à ce sujet 'Electric Discharge Lamps' de J.Waymouth, paru en 1971 au MIT Press, et concernant les principes de base de ce type de lampes, et également le brevet américain US 4 379 252. Ce dernier montre que l'on augmente le rendement des lampes fluorescentes en augmentant à 3% le taux des isotopes 196Hg qui est normalement de l'ordre de 0,14%. Le coot est le principal inconvénient de l'utilisation de composants modifies de mercure. De ce fait, dans ce cas, il y a lieu de contrôler très strictement la quantité du mercure modifié utilisée. En outre, les quantités nécessaires sont inférieures au milligramme. On ne connait pas de procédé permettant de disposer ou de contrôler des quantités si précises de matériau. L'invention a pour but d'obvier aux inconvénients précités. Elle a également pour but d'améliorer la distribution de matériaux coteux. Elle a pour objet un procédé permettant de contrôler et de conditionner des matériaux coàteux. Selon un de ses aspects, elle concerne un procédé de réalisation de capsules scellées contenant une quantité précise d'un matériau particulier, selon lequel, on réalise d'abord un tube de forme allongée scellé à une extrémité. On dépose dans le tube une goutte du matériau particulier en un point éloigné de l'extrémité scellée, puis on fait le vide dans le tube par son extrémité ouverte. Ensuite, cette extrémité ouverte est scellée et la goutte de matériau est chauffée jusqu'à ce qu'elle se vaporise et remplisse le tube. Lorsque le matériau vaporisé remplit le tube, ce dernier est découpé en différentes capsules scellées contenant chacune une quantité precise du matériau particulier. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est donnée à titre non limitatif, et à laquelle- trois planches de dessins sont annexées. La Figure 1 illustre un premier mode de mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention; La Figure 2 en illustre un deuxième mode; La Figure 3 représente l'une des étapes finales du procédé conforme à l'invention et appliquable aussi bien au mode illustré Figure 1 qu'à celui illustré Figure 2; La Figure 4 est un graphe donnant la pression de vapeur en Torr en fonction de la température en degrés Celsius; La Figure 5 représente un autre mode de réalisation du tube de verre initialement mis en forme; La Figure 6 est une vue partielle agrandie de la section d'un tube et mettant e, relief d'autres détails du découpage du tube et de la bobine de chauffage associée; et La Figure 7 est une vue agrandie en coupe illustrant la manière par laquelle des parties du tube sont transformées en capsules scellées; En référence maintenant aux Figures, la Figure 1 représente un tube de verre ayant une extrémité scellée 11 et une extrémité ouverte 12. Le tube 10 comporte trois coudes à angle droit 14. On peut considérer qu'il comporte une section formant réservoir 16 et une section 18 pour les capsules. -4- On connecte une pompe à vide 20 à l'extrémité ouverte 12 du tube 10. Un circuit d'alimentation extérieur 22 est relié à un fil de chauffage 24 par l'intermédiaire d'un interrupteur 25. Ce fil de chauffage 24 est constitué par une pluralité de bobines 26 espacées les unes des autres. Avant de connecter la pompe à vide, on dépose, dans la section formant réservoir 16 du tube 10, par son extrémité ouverte 12, une goutte importante d'un matériau précis tel que du mercure présentant un pourcentage élevé d'isotopes 196Hg. L'extrémité ouverte 12 du tube de verre est alors connectée à la pompe à vide 20. Bien que non représenté Figure 1, la pompe à vide 20 est associée aux jauges, tubulures, etc... nécessaires à son fonctionnement. La pompe à vide 20 fait le vide dans le tube excepté en ce qui concerne la goutte de mercure 28 qui est maintenue dans la section 16 du tube. Le tube de verre est alors scellé, par exemple au point référencé 30 Figure 1, en faisant fondre une partie extérieure, par exemple au moyen d'un chalumeau, de mani4re à déformer la paroi interne et ainsi à sceller parfaitement le tube 10. L'étape suivante consiste à chauffer les sections 16 et 18 du tube de verre 10. La goutte 28 et la section formant réservoir 16 sont chauffées à une température T1. La section 18 est maintenue à une température différente T2, la température T1 étant inférieure ou égale à la température T2. Cette différence des températures assure que le point froid se situe dans la section formant réservoir et dans laquelle est déposée la goutte 28. Le mode de mise en oeuvre du procédé, tel qu'illutré Figure 2, présente de grandes similitudes avec le mode qui vient d'être décrit en référence à la Figure 1. 255898 7 -5- Cependant, selon le mode illustré Figure 2, au lieu de déposer une goutte relativement importante on dépose une quantité déterminée du matériau 50 dans le tube 32 au voisinage de la section 38. L'extrémité ouverte 34 du tube est alors reliée à la pompe à vide 36 de façon à faire le vide dans le tube, sauf en ce qui concerne la goutte 50 qui est maintenue dans le tube. Ce dernier est ensuite scellé, par exemple en 52, en faisant fondre la paroi externe du tube au moaen d'un chalumeau ou équivalent, ce qui assure la déformation interne en ce point. La section scellée contenant la goutte est alors chauffée de manière à la vaporiser et lui faire remplir la section 38 avec une densité élevée de matériau. En mettant en oeuvre le mode illustré Figure 2, au lieu des deux températures contrôlées du mode illustré Figure 1, on n'utilise qu'une seule température T2. Cette température doit âtre suffisamment élevée pour que tout le matériau soit vaporisé; elle est maintenue à son niveau élevé de manière que la pression ambiante soit plus grande que la pression de vapeur interne, comme décrit précédemment, pour que le tube puisse se déformer au cours des étapes ultérieures. On constate donc que le mode de mise en ouvre illustré Figure 1 fonctionne en mode saturé, tandis que celui illustré Figure 2 fonctionne en mode non-saturé. Selon le mode illustré Figure 2, le fonctionnement du circuit extérieur de chauffage 40 est identique à celui illutré Figure 1; ce circuit a pour but de chauffer de façon sélective les éléments bobinés 46 de manière à assurer la déformation du tube, puis la découpe du tube en plusieurs capsules différentes. On se référera également à la Figure 3 qui représente les capsules 54 après sectionnement selon l'un ou l'autre des modes illustrés Figures 1 et 2. Les références utilisées Figure 3 correspondent à celles de la Figure 2. Le pont de verre 55 se forme durant l'étape de chauffage. Ce pont est aisément brisé pour séparer les capsules. 2558 987 On a représenté Figure 5 un autre mode de réalisation du tube de verre que l'on peut utiliser pour mettre en oeuvre le procédé conforme à la présente invention. Sur cette Figure 5, le tube de verre 60 a des extrémités 61 et 62 fermées et une extrémité ouverte 63 prévue pour être connectée à une pompe à vide. La section de forme allongée 64 du tube de verre comporte, sur toute sa longueur, de petits rétrécissements annulaires 65 séparés les uns des autres. La distance entre deux rétrécissements peut être, par exemple, égale à 12 mm. Le tube représenté Figure 5, comme d'ailleurs les tubes représentés Figures 1 et 2, est, de préférence, réalisé dans un verre absorbant les infrarouges, tel que le verre Corning N 9362. L'extrémité ouverte 63 est prévue pour permettre l'introduction d'une goutte du matériau qui va tomber dans l'extrémité fermée 62 du tube. Après avoir fait le vide, l'extrémité ouverte 63 est scellée, par exemple comme précédemment indiqué en référence aux Figures 1 et 2. Le tube entier est alors porté à une température déterminée T. Après une attente permettant un équilibre de la température et la diffusion du matériau, les rétrécissements 65 sont fondus, ce qui détermine une pluralité de chambres isolées et séparées pour constituer les capsules. Bien que l'on ne l'ait pas représenté Figure 5, on peut utiliser le circuit de chauffage par fil illustré Figures 1 à 3, pour faire fondre le verre et constituer des capsules séparées. On peut déterminer la masse de matériau inclus dans chaque capsule par la loi du gaz idéal. Dans l'analgse suivante, V sera le volume de la capsule, P la pression de vapeur du matériau, et T la température de la capsule. De façon correspondante, associés à l'extrémité fermée 62 faisant réservoir Figure 5, on appellera V0 le volume, P0 la pression du matériau, et T0 la température. A l'état stable, P = Po même si T n'est pas égal à T0. -7- Ceci est vrai car le flux des atomes du matériau est constant en tout point à l'intérieur du volumfe à l'état stable. En relation avec la masse de matériau capturé dans chaque capsule, on appelera V le volume en cïw-3 dans lequel le matériau est capturé avant scellement, P la pression du matériau à l'intérieur de ce volume, T la température du matériau dans ce volume, k la constante de Boltzmann qui est égale à l,38x10-16 erg, F le poids moléculaire du matériau {par exemple Hg=200 g/mole), N0 le nombre d'Avogadro qui est égal à 6,02x1023 atomes/mole, m la masse du matériau dans le volume, et n la densité en atomes/cm3. Pour la suite, on prendra pour hypothèse que le matériau est du mercure. En prenant une certaine densité de particules (atomes de mercure) par volume, la masse de mercure contenue dans le volume est donnée par la relation: M(g) = VnF/No (1) o Vn est le nombre d'atomes dans le volume V et F/N0 la masse par atome. On prend comme loi du gaz idéal pour la vapeur de mercure n = p/kT (2) o p est la pression de mercure déterminée par la relation entre la température et la pression de vapeur et T la température de la vapeur de mercure dans le volume V. Il faut noter que la température TO, qui détermine p, peut être ou non égale à T, c'est à dire que T et T0 peuvent être des variables expérimentales indépendantes. En combinant les équations (1) et (2), on trouve: m(g) = VpF/TkNo (3) avec m en grammes, V en cm3, p en Torr et T en degrés Kelvin. L'équation (3) peut alors s'écrire m = 3,17 x 10-3 Vp / T (4) -8L'équation (4) donne une formule permettant de calculer la masse de mercure dans chacune des capsules. Le premier mode décrit en relation avec la Figure 1 permet de mettre une masse comprise dans une large gamme, dans chaque capsule sans avoir à déterminer initialement la masse de mercure. Toutefois, il faut connaîitre T1 et T2 et également maintenir T2 supérieure à T1. Cette condition rend le premier mode plus délicat a utiliser que le deuxième. Ce deuxième mode, qui a été décrit en relation avec la Figure 2 permet de prendre une quantité déterminée de mercure et de la diviser en petites quantités sans avoir a maintenir deux zones de températures différentes. Ceci présente l'avantage de simplifier le contrôle de la température, mais nécessite une mesure initiale de la quantité de mercure déposée dans le tube. Selon les modes décrits en référence aux Figure 1 et 2, la quantité de mercure déposée dans chaque capsule est limitée par l'équation (4). Dans ce cadre, on se référera maintenant à la Figure 4 qui donne la pression et la densité (lg/cm3) de vapeur de mercure en fonction de la température T, en prenant pour hypothèbse que T1 = T2. Sur la Figure 4, on doit noter que la densité du mercure est limitée par la pression maximale que l'on peut atteindre et qui autorise encore le scellement et la découpe des capsules, et est également limitée par la température maximale que le verre et le mécanisme de scellement peuvent supporter. On a calculé des valeurs numériques de la masse de mercure. Dans un exemple, le tube avait un diamètre interne de 2,5 mm et les capsules une longueur de - 10 mm. Les autres paramètres ont été mesurés: T = T0 = 350oC, V = 0,490 cm3, p = 675 Torr, et m = 1700 pg. -9- On a réalisé dans ces conditions des capsules contenant entre 0,1 mg et 0,2 mg de mercure sous une pression ambiante d'une atmosphère et une densité massique de 3 mg/cm3 environ avec un tube de verre. La pression dans le tube, après vide, est, de préférence, égale ou inférieure 10-3 Torr. En relation avec la partie du tube o seront déterminées les capsules, on a constaté que certains paramètres affectaient le fonctionnement. Par exemple, des paramètres tels que l'épaisseur du fil de chauffage, les dimensions et la géométrie du tube de verre, la puissance appliquée au tube par le circuit de chauffage, affectent les étapes de scellement et de découpe. On a utilisé ici un fil au nickel-chrome de 0,25 mm de diamètre. Pour faciliter le scellement, on préfère utiliser le tube représenté Figure 5 et présentant des rétrécissements. Comme indiqué précédemment, on fait le vide dans le tube, puis on le scelle. On peut disposer le fil de nickelchrome en quatre ou six enroulements autour de chaque rétrécissement. Ensuite, on fait circuler un courant alternatif relativement important, par exemple de 4 à 5 Ampères pour provoquer le ramollissement du verre. On peut également estimer le temps nécessaire pour atteindre un état stable par rapport à l'obtention de la vapeur de mercure. Pour obtenir le temps maximal de remplissage, on peut faire une approximation du flux moléculaire, La Figure 6 représente une partie d'un tube de verre 70 présentant un rétrécissement 72 sur lequel on a disposé une bobine 74 de plusieurs enroulements. Il y a de quatre à six bobines comme représenté Figure 6. Ces bobines présentent une longueur de 4 mm environ, mais peuvent être plus ou moins longues. En outre, on peut disposer un nombre différent de bobines. -10- 255898 7 -10- La Figure 7 représente l'aspect du tube après avoir été soumis au chauffage au moyen des enroulements. Le tube 80 s'est déformé en 82, laissant un pont relativement fin de verre (voir aussi Figure 3) entre deux éléments scellés. S'il n'est pas brisé au chauffage, il peut l'être manuellement pour la séparation finale des capsules. Selon un exemple du procédé illustré Figure 2, il faut noter que la taille de la goutte de mercure utilisée est adaptée pour pouvoir être contrôlée de manière que l'on obtienne une vaporisation complète lorsque la température l'équilibre est atteinte; en d'autres mots, la vapeur n'est pas saturée. Dans un exemple, on a réalisé sept capsules avec initialement 1,1 mg de mercure. Le tube avait une longueur de 11,25 cm et présentait un volume de 0,552 cm3, avec un ragon interne de 0,125 cm. On a calculé que la température critique pour vaporiser 1,1 mg était égale à 3200C, ce qui correspond à p = 376 Torr, comme représenté Figure 4. Il faut noter que même à 626 C, p n'est égal qu'à 570 Torr, ce qui donne une large gamme des températures permises. Tout au long de cette description, on s'est référé à l'utilisation d'une goutte de mercure introduite dans le tube de gaz pour créer de la vapeur de mercure. Toutefois, il est évident que le procédé décrit ici peut être appliqué à d'autres matériaux, par exemple pour les lampes à halogènure de métal ou les lampes au mercure sous haute pression, pour lesquelles on peut ajouter de faibles quantités de matériaux à haute pression de vapeur pour la décharge. En d'autres mots, la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation du mercure, mais bien d'autres matériaux peuvent être utilisés. Bien que seuls certains modes de réalisation de.l'invention aient été décrits, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention telle que définie par les revendications suivantes. -11- > E V E N D I C A T I 0 N S 1- Procédé de réalisation de capsules scellées contenant une quantité précise d'un matériau particulier en phase vapeur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on réalise au moins en partie avec un matériau vitreux dans lequel les capsules doivent être faites, un tube (10) de forme allongée scellé à une extrmité (11), - on dépose dans le tube (10) une goutte (28) du matériau particulier, - on fait le vide dans le tube, - on scelle le tube, - on chauffe le tube à l'endroit o se trouve la goutte de manière à la vaporiser au moins partiellement, et ainsi remplir tout le tube, et - on découpe le tube en différentes capsules scellées en le chauffant à des endroits espacés les uns des autres, de manière à le faire fondre et assurer la séparation des-capsules. 2-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dite goutte comprend du mercure. 3-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dite goutte est déposée dans une première section (16) du tube séparée d'une deuxième section (18) qui est destinée à constituer les capsules. 4-Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la deuxième section (18) du tube est chauffée à une température supérieure que celle à laquelle est chauffé la première section (16) pendant l'étape de vaporisation. -12- -Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le scellement du tube est réalisé à la flamme. 6-Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que le chauffage pour la découpe des capsules est effectué au moyen de bobines chauffantes de fil. 7-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de chauffage pour la vaporisation est contrôlée de manière a maintenir la pression de vapeur inférieure à la pression ambiante pour permettre la découpe ultérieure du tube. 8-Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on dépose une i0 quantité déterminée du matériau. 9-Procédé de réalisation de capsules scellées adaptées pour contenir une dose inférieure au milligramme d'au moins un matériau en phase vapeur, la dite capsule étant réalisée à partir d'un tube en matériau vitreux, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on introduit le matériau en phase vapeur dans le tube, - on scelle le tube avec une pression de vapeur interne inférieure à la pression ambiante, et - on découpe le tube en différentes capsules scellées en le chauffant en différents points espacés les uns des autres de manière aà-le faire fondre et à assurer la découpe des différentes capsules. l1-Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que, pour l'introduction du matériau en phase vapeur, on prend un tube allonge, on place une goutte du matériau dans le tube, et on fait le vide. 11-Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la dite goutte est déposée dans une première section du tube distante d'une deuxième section qui est destinée à la réalisation des capsules. 12-Procédé Selon la revendication il caractérisé en ce que 'a dLuxiie section du tube et laU ae a une tempratmp ure...'-uP Eure à celle d iaqUelle est chauffée la première secticon pendant l'étape d- vaporisation *