Brevet FR2622351A1 — publié le 19890428

PROCEDE POUR LA CREATION D'UN RAYONNEMENT ULTRA-VIOLET A PARTIR D'UNE SOURCE MICRO-ONDES ET DISPOSITIF POUR MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour la création d'un rayonnement intense de radiations lumineuses dans la région de l'ultraviolet, applicable notamment au traitement de produits industriels revêtus d'une couche d'encre ou de vernis ou d'un produit photosensible pour en réaliser le séchage homogène et uniforme, ou encore pour des applications spécifiques dans- les domaines de la photosynthèse industrielle, des traitements de surfaces, des réactions photochimiques, etc. On connait déjà des procédés qui permettent la production d'un rayonnement ultraviolet à partir de lampes à décharge munies d'électrodes réunies -à une source de tension appropriée, créant dans l'atmosphère gazeuse de la lampe une ionisation et une émission de lumière intense. Ces lampes sont toutefois d'un usage peu pratique, exigent des tensions d'amorçage très élevées et ne permettent pas d'obtenir un rayonnement ultraviolet parfaitement homogène selon une surface suffisante pour les applications envisagées. On connait également des systèmes utilisant un tube scellé sous pression convenable d'une atmosphère gazeuse et dépourvu d'électrodes, dans lesquels l'émission d'un rayonnement ultraviolet est réalisée grâce à un champ électrique à haute fréquence, d'amplitude constante, s'établissant selon une direction déterminée à travers la lampe, ce champ étant produit à partir d'une source de micro-ondes convenablement couplée à une cavité ou enceinte adaptée, à l'intérieur de laquelle est disposé le tube. Cependant,-pour obtenir sur une dimension suffisante à l'intérieur du tube une émission homogène de rayons ultraviolets, en particulier selon toute la longueur du tube qui peut atteindre 20 cr. ou plus, de telle sorte que le flux lumineux obtenu rencontre le produit à traiter selon une bande ou une région uniforme dont le déplacement relatif par entraînement du produit, réalise un traitement continu et régulier dans toute la surface de celui-ci, il est indispensable que le champ électrique soit distribué dans le tube au moyen d'une onde progressive à amplitude constante, mais dont l'intensité doit être également suffisante pour induire la décharge nécessaire et la maintenir. Les brevets US n 3,872,349 et n 4,042,850, au nom de la Société Fusion Systems Corporation, illustrent des réalisations de ce genre, à tube sans électrodes excité par un rayonnement hyperfréquence, notamment compris entre un et quelques dizaines de GigaHertz et de préférence égal à 2 450 MHz, 're uence ,-eglemen- taire en matière d'applications industrielles des micro-ondes. Ces brevets décrivent par le détail la théorie physique qui permet la production d'un rayonnement ultraviolet sous l'effet d'un champ électrique d'amplitude constante, dont les électrons entrent en collision avec les ions du gaz confiné dans le tube scellé en produisant, par changement de niveaux énergétiques, une émission lumineuse appropriée. Toutefois, une caractéristique essentielle de l'art antérieur ainsi représenté consiste à mettre en oeuvre exclusivement à travers le tube une onde progressive, en évitant au contraire soigneusement toute onde stationnaire qui résulterait d'un phénomène de résonance dans la propagation de l'onde électromagnétique couplée à la cavité contenant ce tube.En effet dans le cas d'une telle résonance avec succession de noeuds et de ventres s'établissant selon la longueur du tube, celui-ci étant disposé dans la direction du mode fondamental de l'onde créée, on conçoit que l'énergie lumineuse du rayonnement ultraviolet produit va principalement être émise au droit des zones où le champ électrique est maximal, soit donc au niveau des ventres, avec à partir de ceux-ci et selon la dimension longitudinale du tube, d'abord une décroissance jusqu'à un minimum correspondant à un noeud puis une croissance jusqu'au ventre suivant, et ainsi de suite.Le rayonnement ultraviolet émis sera donc essentiellement variable selon ld longueur d tube et ne permettra pas une distribution homogène sur le matériau en feuille ou autre à traiter, défilant généralement parallèlement au tube. Pour éviter une semblable résonance, les brevets cités plus haut prévoient donc des installations à ondes progressives, où l'énergie hyperfréquence provenant d'émetteurs appropriés est couplée à la cavité et au tube qu'elle contient par des fentes décalées axialement et latéralement, en opposition l'une de l'autre vis-à-vis de la direction du tube à décharge et des extrémités de la cavité le contenant. En outre, on met généralement en oeuvre deux émetteurs, couplés respectivement à deux fentes ainsi décalées et dont les fréquences sont elles-mêmes séparées par un écart d'environ 15 MHz, de part et d'autre de la fréquence moyenne de 2 450 MHz. Ces systèmes connus et à ce jour largement commercialisés, présentent des avantages vis-à-vis de ceux utilisant des lampes à électrodes sous tension grâce notamment à une mise en température rapide et à des possibilités d'allumage et d'extinction successives quasi instantanées, ce qui est particulièrement utile pour des traitements où la maitrise du rayonnement ultraviolet doit être très précise. Le tube utilisé, du fait de l'absence d'électrodes, est plus lumineux et peut être plus largement exploité sur toute sa dimension longitudinale pour la production du rayonnement utilisé. En outre, l'émission simultanée d'infrarouges est réduite, limitant d'autant le dégagement calorifique du tube et accroissant sensiblement sa durée de vie. En revanche, subsistent d'autres inconvénients : en effet, ces systèmes sont limités en taille et en puissance puisque l'énergie fournie à la cavité et au tube contenu dans celle-ci est répartie selon toute la longueur de ce tube par l'onde progressive créée avec, au total, des pertes sensibles. De plus, le couplage de l'énergie micro-ondes au tube est parfois difficile à assurer pour permettre de maintenir une amplitude du champ électrique parfaitement constante sur toute la longueur du tube où se propage l'onde progressive. On sait, par ailleurs, que, dans d'autres réalisations connues à structure résonante, la propagation d'une onde électromagnétique, notamment à 2 450 MHz, s'effectue habituellement en mode fondamental dans un guide standard à section rectangulaire et dont le petit côté est égal dans ce cas à environ 4,3 cm. Si le tube sans électrodes est placé dans l'axe du guide et au centre de celui-ci et si la structure est amenée à la résonance, la succession des noeuds et des ventres dans la distribution du champ électrique va donc créer, au droit des ventres, des régions de champ maximal où l'émission du rayonnement ultraviolet sera la plus intense. Or, dans celles-ci, la composante du champ électrique est dirigée dans un plan diamétral du tube, perpendiculairement aux grands côtés du guide et donc parallèlement à ses petits côtés. Il en résulte que, dans ce cas, le rayonnement ultraviolet issu du tube sera émis sur une longueur de 4,3 cm seulement avec, en outre, comme déjà dit, une succession, selon la longueur du tube, de zones d'émission et d'extinction tout à fait préjudiciables si l'on veut finalement obtenir une répartition homogène sur une distance acceptable. Par le brevet FR n 82.04398, du 16 mars 1982, au nom du Centre National de la Recherche Scientifique, on connait enfin .un procédé et un dispositif pour le traitement direct par micro-ondes de produits en feuille, qui consistent à mettre en oeuvre des applicateurs micro-ondes en forme de cavités résonantes allongées où est réalisée une répartition du champ électrique avec une succession de noeuds et de ventres selon l'axe principal de chaque applicateur.Ceux-ci présentant une f-m- prismatique, notamment à section rectangulaire où la dimension de cette section parallèle au champ électrique est ajustée pour approcher les conditions de la résonance du mode TE012 et présente à cet effet une dimension au moins supérieure au double de l'autre côté de la même section. Selon les enseignements de ce brevet français, on apprend ainsi que, par rapport à un guide standard à section rectangulaire où le côté perpendiculaire à la direction du champ électrique est voisin de 8,6 cm et le côté parallèle égal à 4,3 cm r on peut donner à cette dernière dimension une valeur très sensiblement plus grande, pouvant être comprise entre 8 et 10 cm, et de préférence égale à 9,1 cm. Or, on a constaté depuis que cette même dimension pouvait être amenée jusqu'à 20, voire jusqu'à 25 cm, sans modifier les conditions de résonance dans le guide pour le mode considéré. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif qui, en mettant en oeuvre les dispositions ci-dessus, évitent les limitations des systèmes à ondes progressives du genre précédemment rappelé, en permettant, pour une même énergie appliquée à la cavité contenant le tube sans électrodes, de fournir une puissance de rayonnement ultraviolet plus élevée, ceci en utilisant des ondes stationnaires dans une structure résonnante conforme aux enseignements du brevet français précité, avec une adaptation de ceux-ci à l'application nouvelle plus spécialement envisagée. L'invention vise, par ailleurs, à fournir un ensemble où le couplage du champ hyperfréquence au tube sans électrodes soit plus efficace, tout en faisant appel à une technique de fabrication plus simple, ne nécessitant, dans la cavité recevant le tube, qu'un moyen d'accord de la fréquence de résonance et en conduisant au total à un dispositif plus sûr, moins encombrant, et surtout moins coûteux qu'avec les solutions antérieures, notamment à ondes progressives. A cet effet, le procédé selon l'invention, mettant en jeu un tube sans électrodes, disposé dans une cavité excitée par au moins un générateur micro-ondes et amenée à la résonance selon un mode approprié, se caractérise en ce qu'il consiste à orienter le champ électrique stationnaire polarisé, d'amplitude constante, parallèlement à l'axe du tube à décharge et à surdimensionner la cavité de telle sorte que ce tube présente sa dimension longitudinale selon un ventre de résonance du mode excité dans la cavité. L'invention consiste, en d'autres termes, en une application nouvelle du processus connu par le brevet français précité en adaptant à celui-ci le moyen connu constitué pas un tube sans électrodes contenant un plasma et à faire agir sur celui-ci un flux d'électrons polarisés, définissant la composante du champ électrique d'un rayonnement hyperfréquence fourni par un générateur micro-ondes. Les chocs sur les atomes ions du gaz dans le tube provoquent l'émission de radiations lumineuses, en particulier dans le domaine de l'ultraviolet. L'application envisagée met en jeu une structure résonante surdimensionnée, telle que le tube s'étende selon un ventre de résonance et soit ainsi excité sur la totalité de sa dimension longitudinale r en permettant ainsi un accroissement notable du rendement énergétique global de la structure. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé se caractérise en ce qu'il comporte une cavité résonanter au moins un émetteur micro-ondes, débitant dans cette cavité, un moyen de couplage entre la cavité et l'émetteur, un organe pour ajuster l'accord en fréquence de la cavité et un tube sans électrodes contenant un gaz sous une pression donnée, placé dans la cavité selon la direction de la composante du champ électrique pour le mode excité, la cavité étant surdimensionnée de telle sorte que ladite composante présente un ventre de résonance selon la longueur du tube. Dans une première variante de réalisation du dispositif considéré, la cavité est prismatique et présente une section rectangulaire pour permettre l'excitation du mode TE012 du rayonnement hyperfréquence, le tube étant disposé selon la direction d'ordre zéro du mode. Dans une autre variante r la cavité est cylindrique, à section partiellement elliptique, le tube étant disposé selon l'un des foyers de la cavité. De préférence, celle-ci comporte une paroi réfléchissante polie r permettant de focaliser le rayonnement ultraviolet émis par le tube à l'autre foyer de la cavité, excité sur le mode TMO10 du rayonnement hyperfréquence. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la cavité comporte un côté ouvert, parallèle au tube et constitué par un grillage fin, transparent au rayonnement ultraviolet émis par le tube et opaque aux rayonnements hyperfréquences. Avantageusement, le dispositif comporte deux émetteurs micro-ondes de fréquence identique ou très voisine, l'écart de fréquences étant inférieur à la bande passante de la cavité résonante, de telle sorte que les effets de chaque émetteur soient additifs. De préférence également, la fréquence du rayonnement micro-ondes est choisie égale à 2 450 MHz, le tube monté dans la cavité présentant une longueur de 20 cm au moins. Dans une autre variante encore, les émetteurs micro-ondes peuvent être à puissance variable et excitent la cavité résonante par l'intermédiaire d'un isolateur qui absorbe l'onde réfléchie par la cavité en protègeant les émetteurs. L'onde réfléchie par la cavité résonante, notamment pendant les régimes transitoires d'excitation, est avantageusement absorbée par une charge à eau classique. D'autres caractéristiques du procédé et du dispositif selon l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit de deux exemples de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues en perspective de deux variantes respectives de réalisation de la cavité résonante contenant le tube sans électrodes, pour l'émission d'un rayonnement ultraviolet. Sur le schéma de la figure 1, la référence 1 désigne un générateur micro-ondes de puissance appropriée, mais qui est généralement choisi égale à 1 200 watts en régime nominal. Ce générateur est excité par un modulateur 2 et délivre un rayonnement hyperfréquence dans un guide adapté 3, réuni à un isolateur 4, lui-même couplé par un autre guide 5 à une charge à eau 6. Le rayonnement présente usuellement une fréquence de 2.450 MHz. L'isolateur est également réuni par un troisième guide 7 à un moyen de couplage approprié (du genre iris ou antennes espacées d'une demie longueur d'onde) à une cavité résonante 8. Celle-ci contient sur sa plus grande partie, voire entièrement, un tube sans électrodes 9, enfermant un gaz sous pression et tel que l'effet de la composante 10 du champ électrique E créé dans la cavité 8 par le rayonnement de l'émetteur produise une émission d'un rayonnement ultraviolet, schématisée sur le dessin par les flèches ondulées, s'étendant dans un plan passant par l'axe du tube et perpendiculaire au petit côté de la cavité.Un organe d'accord 11 permet d'ajuster si nécessaire la fréquence dans la cavité 8 et en particulier d'amener celle-ci à la résonance selon un mode approprié, tel. qu'un ventre de champ électrique s'établisse selon la dimension longitudinale du tube 9 qui est égale à 20, voire 25 cm, en permettant ainsi l'émission homogène et régulièrement répartie du rayonnement ultraviolet. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, la cavité résonante 8 contenant le tube 9 présente une forme prismatique à section rectangulaire, dont le grand côté "a", correspond à l'ordre 0 du mode TE012, parallèle à la composante 10 du champ électrique E, les côtés "b" et "c" de la section correspondant aux ordres 1 et 2 du mode précédent. Le guide 7 par lequel le rayonnement micro-ondes est relié à la cavité 8 comporte une fente de couplage 12 appropriée.. En outre, la cavité 8, à l'opposé du guide 7, comporte une face ouverte 13 dans le plan de laquelle s'étend un fin grillage 14, permettant le passage selon les flèches 15 du rayonnement ultraviolet issu du tube 9 avec une faible altération, mais en s'opposant à la sortie du rayonnement hyperfréquence hors de la cavité où il reste donc confiné. Le rayonnement ultraviolet ainsi produit de manière homogène, selon toute la longueur du tube 9, délimite une bande continue 16 de même dimension, sur un matériau 17 à traiter, qui peut être amené à défiler selon le sens de la flèche 18 par tout moyen approprié (non représenté) pour permettre un traitement complet de l'ensemble de sa surface, par exemple pour le séchage d'une couche d'encre ou de vernis recouvrant celle-ci. La figure 3 illustre une autre variante de la cavité 8, où celle-ci se présente sous la forme d'une enceinte dont la section est partiellement elliptique. La paroi interne 19 de la cavité 8 est de préférence réalisée en un matériau réfléchissant pour le rayonnement ultraviolet produit, le tube 9 étant ici disposé parallèlement à une génératrice de l'enceinte à l'un des foyers de l'ellipse correspondante. La bande 16 délimitée sur le matériau en feuille 17, dans la région où se concentre le rayonnement ultraviolet est placée au second foyer de la même ellipse. On retrouve, dans cette variante, l'ouverture 13 fermée par le grillage 14 pour permettre comme dans le précédent exemple le confinement du rayonnement hyperfréquence mais la sortie des rayons ultraviolets. On obtient ainsi une source de rayonnement parfaitement adaptée aux traitements envisagés, de conception simple et d'un prix de revient sensiblement inférieur à celui des solutions connues dans la technique, nécessitant pour une même puissance fournie, une énergie micro-ondes largement plus réduite. Toutefois, il doit être entendu que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la création d'un rayonnement ultraviolet à partir d'une so-urce micro-ondes et d'un tube sans électrodes (91, disposé dans une cavité (8) excitée par au moins un générateur micro-ondes (1) et amenée à la résonance selon un mode approprié, caractérisé en ce qu'il consiste à orienter le champ électrique stationnaire polarisé (E), d'amplitude constante, parallèlement à l'axe du tube (9) à décharge et à surdimensionner la cavité de telle sorte que ce tube présente sa dimension longitudinale selon un ventre de résonance du mode excité dans la cavité. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonante (8), au moins un émetteur micro-ondes (1) débitant dans cette cavité, un moyen de couplage (7) entre la cavité et l'émetteur, un organe (11) pour ajuster l'accord en fréquence de la cavité et un tube allongé (9) sans électrodes contenant un gaz sous une pression donnée, placé dans la cavité selon la direction de la composante du champ électrique (E) pour le mode excité, la cavité (8) étant surdimensionnée de telle sorte que ladite composante présente un ventre de résonance selon la longueur du tube. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité (8) est prismatique et présente une section rectangulaire pour permettre l'exci- tation du mode TE012 du rayonnement hyperfréquence, le tube (9) étant disposé selon la direction d'ordre zéro du mode. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité (8) est cylindrique, à section partiellement elliptique, le tube (9) étant disposé selon l'un des foyers de la cavité. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cavité (8) comporte une paroi réfléchissante polie (19), permettant de ft.caliser le rayonnement ultraviolet émis par le tube (9) à l'autre foyer de la cavité, excité sur le mode Tu010 du rayonnement hyperfréquence. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la cavité (8) comporte un côté ouvert (13), parallèle au tube (9) et constitué par un grillage fin (1A', transparent au rayonnement ultraviolet émis par le tube et opaque au rayonnement hyperfréquence. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux émetteurs micro-ondes de fréquence identique ou très voisine, l'écart de fréquences étant inférieur à la bande passante de la cavité résonante (8), de telle sorte que les effets de chaque émetteur soient additifs. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la fréquence du rayonnement mlcro-ondes est choisie égale à 2 450 MHz, le tube monté dans la cavité présentant une longueur de 20 cm au moins. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le ou les émetteurs micro-ondes sont à puissance variable et excitent la cavité résonante (8) par l'intermédiaire d'un isolateur (2) qui absorbe l'onde réfléchie par la cavité en protègeant le ou les émetteurs. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'onde réfléchie par la cavité résonante (8), pendant les régimes transitoires d'excitation, est absorbée par une charge à eau (6). 11. Application du procédé selon la revendication 1 au traitement de matériaux, en déplacement relatif vis-à-vis du rayonnement ultra-violet produit.