Brevet FR2680601A1 — publié le 19930226

i L'invention concerne une lampe à décharge sous basse pression, sans électrode, dans l'ampoule de laquelle un plasma est formé par application d'un champ électromagnétique à haute fréquence et le rayonnement produit par le plasma sort de l'ampoule. Par le brevet européen 74 690, on connaît une lampe à décharge dans un gaz, dépourvue d'électrode, comportant une ampoule fermée avec étanchéité au vide, laquelle est remplie de vapeur métallique et d'un gaz rare, l'ampoule comportant un noyau en matière magnétique en forme de barreau, dans lequel un champ magnétique à haute fréquence peut être induit à l'aide d'une unité d'alimentation en courant électrique, ce qui a pour effet de produire un champ électrique dans l'ampoule. En outre, la demande de brevet allemaqnd DE-OS 39 18 839 décrit une lampe à décharge à forte intensité, opérant sans électrode et comportant une ampoule l'intérieur d'une bobine d'excitation Un plasma de décharge est formé au moyen de la bobine d'excitation, des impulsions à haute tension entre une paire d'électrodes d'allumage se trouvant à l'extérieur de l'ampoule sont appliquées par couplage afin de provoquer, dans la matière à l'intérieur de l'ampoule, la formation d'au moins un canal d'amorçage d'étincelle dans lequel le plasma est produit par le champ créé par la bobine d'excitation. La stabilité de la décharge et le spectre constitué uniquement de raies ou d'un continuum avec superposition de raies se sont avérés être problématiques dans le cas des lampes sans électrodes, à décharge dans un gaz à haute pression, cela même si leur densité de rayonnement et leur flux de rayonnement atteignent des valeurs relativement élevées Inversement, les lampes à décharge dans un gaz à basse pression, sans électrodes, possèdent certes une stabilité suffisante, mais leurs densités de rayonnement ou flux de rayonnement sont relativement faibles. De plus, par le brevet allemand DE-PS 39 08 553, on connaît une lampe à décharge en milieu gazeux, remplie de deutérium ou d'hydrogène, comportant, agencée dans l'ampoule, une enceinte qui présente un diaphragme en matière à point de fusion élevé, disposé sur le trajet de décharge entre cathode et anode, la décharge d'arc provoquée entre les électrodes étant "pincée" au moyen de l'ouverture du diaphragme. L'invention a pour but d'obtenir, par pincement du plasma de décharge, un accroissement de la densité de rayonnement dans le cas des lampes à décharge à basse pression avec excitation en haute fréquence Ce résultat doit être obtenu avec une structure aussi simple que possible. En outre, lors de l'utilisation de la lampe pour des mesures d'absorption, le réglage d'égalisation entre un rayonnement de mesure et un rayonnement de référence devra être réalisable de manière relativement simple, et la superposition des différents spectres de plusieurs lampes émettant sur le même axe optique devra également être possible. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'un corps- diaphragme en matière thermiquement réfractaire, comportant une ouverture, est agencé dans la région du plasma, cela afin de restreindre le domaine du plasma, ledit corps-diaphragme présentant un axe optique qui passe par l'ouverture, et le long duquel le rayonnement sort. Dans une forme de réalisation préférée, le corps-diaphragme est en nitrure de bore ou en nitrure d'au moins un métal Il est toutefois également possible de réaliser des corps-diaphragmes en verre quartzeux ou en une céramique it&actaire d'ox Zia S N 1 Oliques telle qu'oxyde d'aluminium, oxyde de thorium, oxyde de bérylium, ainsi qu'en nitrure d'aluminium En outre, de manière surprenante, il est possible de réaliser des corps-diaphragmes en métal réfractaire, par exemple en molybdène Le corps-diaphragme peut également être en diamant ou en graphite. Dans une autre forme de réalisation préférée, le corps- diaphragme est constitué par une partie d'ampoule rétrécie dans la région du plasma, ladite ampoule étant en verre quartzeux et s'évasant en cône des deux côtés de la partie rétrécie On peut dire que la paroi de l'ampoule forme alors un trou traversant dans la région du plasma. Un avantage de l'invention apparaît dans le fait qu'elle permet d'obtenir, en plus d'une grande stabilité de décharge, une intensification de la densité de rayonnement ou encore du flux de rayonnement. Dans une forme de réalisation préférée, le corps-diaphragme est au moins partiellement entouré par une bobine d'excitation parcourue par du courant, cette bobine étant cylindrique ou annulaire et ayant ses bornes électriques reliées à la sortie d'un générateur à haute fréquence. Il s'agit ici d'une forme de réalisation particulièrement avantageuse car le corps-diaphragme doté d'une ouverture traversante forme un axe optique, ce qui permet au rayonnement de sortir par les deux extrémités du corps-diaphragme (autrement dit, le rayonnement sort par l'ouverture dans deux directions opposées), et permet de diriger l'un des côtés rayonnants vers un capteur pour commander ou réguler le processus de décharge de manière à permettre une décharge contrôlée En formant un dépôt totalement ou partiellement réfléchissant sur l'ampoule de la lampe, à l'exception des deux ouvertures de sortie, on peut alors obtenir un accroissement d'intensité du rayonnement sortant En outre, on peut obtenir un accroissement d'intensité du rayonnement de travail sortant si l'on forme un dépôt partiellement réfléchissant sur la face extrême de l'ampoule, du côté capteur. Il est en outre possible que la lampe soit munie d'un premier et d'un deuxième volume de décharge pour produire du plasma par application d'un champ électromagnétique à haute fréquence, chaque volume de décharge présentant un corps-diaphragme avec un axe optique passant par l'ouverture, et les axes optiques s'étendant le long d'une droite commune Ainsi, les spectres des deux volumes de décharge sont superposés en un seul rayon. Parmi les différentes formes de réalisation possibles, l'invention prévoit notamment que: le long de l'axe optique, le corps-diaphragme est entouré, des deux côtés, par des plaques de condensateur dont au moins une présente une ouverture de sortie le long de l'axe optique, et ces plaques de condensateur sont électriquement reliées chacune à une sortie d'un générateur à haute fréquence; le corps-diaphragme est disposé à l'intérieur d'un résonateur électromagnétique présentant, pour l'excitation, une antenne qui est électriquement reliée à la sortie d'un générateur à haute fréquence; le corps-diaphragme présente, le long de l'axe optique, un trou qui est soit ouvert d'un côté, soit traversant, et ce trou présente, en au moins une extrémité, un évasement conique; l'ampoule contient de l'hydrogène en tant que gaz de remplissage; l'ampoule contient un gaz rare en tant que gaz de remplissage. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement en considérant les dessins annexés et la description non limitative s'y rapportant, présentée ci-après à titre d'exemple Sur les dessins, les figures représentent: la figure 1, schématiquement, en coupe longitudinale, une lampe à décharge sans électrode, associée à un générateur à haute fréquence; la figure 2, la même lampe partiellement coupée, vue en perspective; les figures 3 a, 3 b et 3 c, en coupe, diverses formes de réalisation du diaphragme; la figure 4, un diagramme montrant la répartition, en degrés d'angle, de l'intensité de rayonnement dans le domaine de la sortie; la figure 5, schématiquement, une lampe à décharge avec rayonnement sortant dans des directions opposées, une partie du rayonnement allant à un capteur de rayonnement afin de mesurer la valeur effective de l'intensité du rayonnement aux fins de régulation du générateur HF; et la figure 6, un agencement avec deux volumes de décharge dont les axes optiques sont orientés sur un axe commun. Selon la figure 1, la lampe présente une ampoule cylindrique 1 en verre quartzeux, laquelle contient, dans la région médiane de son volume intérieur, un corps-diaphragme 2, également cylindrique, qui est muni d'une ouverture traversante 3 s'étendant entre ses deux faces extrêmes ("faces en bout"), le long de l'axe du cylindre En direction radiale, ce corps-diaphragme s'étend jusqu'à la surface périphérique intérieure de l'ampoule de la lampe Correspondant à l'axe du cylindre, l'axe optique du rayonnement sortant de l'ouverture 3 est désigné par la référence 4 Dans la région de sa périphérie cylindrique 5, l'ampoule 1 de la lampe est entourée par une bobine d'excitation 6, également cylindrique, laquelle présente un conducteur en cuivre revêtu d'or Par ses deux bornes 11 et 12, et par des conducteurs 13 et 14, la bobine d'excitation 6 est reliée à un générateur à haute fréquence, 16, produisant une tension alternative à fréquence comprise dans la plage de 10 à 800 M Hz Le remplissage de la lampe comporte du deutérium avec une pression de remplissage à froid de 15 mbar L'ouverture 3 au sein du corps- diaphragme 2 présente une longueur comprise dans la plage de 0,1 à mm, cette ouverture réalisée sous la forme d'un perçage comportant un diamètre dans la plage de 0,1 à 6 mm Le diamètre extérieur de l'ampoule de la lampe est compris dans la plage de 7 à mm, sa longueur étant de l'ordre 30 à 100 mm Afin d'obtenir une convergence du rayonnement émergent, on peut aménager la géométrie du diaphragme en recourant à un corps creux du genre conique, par exemple en forme de tronc de cône Diverses configurations d'ouverture de sortie sont représentées et décrites à l'aide des figures 3 a à 3 c. Dans la condition de marche, le générateur haute fréquence 16 produit un courant à haute fréquence passant entre les bornes 11, 12 de la bobine d'excitation 6 et générant un plasma d'arc de décharge le long de l'axe optique 4 La bobine d'excitation 6 présente de 5 à 7 spires Pendant le fonctionnement, le rayonnement sort aussi bien par la face extrême 9 ("face en bout") que par la face extrême 10 de l'ampoule 1 de la lampe, la partie du rayonnement sortant de la face extrême 9 pouvant être dirigée sur un capteur 18. Sur la figure 2, l'ampoule cylindrique de la lampe est représentée en perspective, le corps-diaphragme 2 étant représenté comme en tant que corps transparent afin de mieux faire apparaître l'ouverture 3 Le plasma de décharge d'arc s'étend à l'intérieur du corps-diaphragme 2, le long de l'axe optique 4, et un rayonnement sort par les deux faces extrêmes 7 et 8 du corps-diaphragme Avec des corps-diaphragmes en nitrure de bore, nitrure d'aluminium, oxyde de bérylium et diamant poli cristallin, on obtient de très grands flux et densités de rayonnement avec des longueurs de diaphragme de 2 à 5 mm. Selon la figure 3 a, le corps-diaphragme 2 présente une ouverture de sortie tronconique 21 qui s'évase vers l'extérieur La surface de l'enveloppe du tronc de cône est ici pourvue d'un revêtement 20, par exemple en aluminium, réfléchissant le rayonnement ultraviolet. Selon la figure 3 b, l'ouverture de sortie 21 s'évasant vers l'extérieur, que comporte le corps-diaphragme 2, présente, vue en coupe, une forme parabolique Là encore, la surface intérieure du paraboloide peut être munie d'un revêtement réfléchissant 20. Selon la figure 3 c, on a rapporté sur le corps-diaphragme 2, dans la région de sa face extrême 8, un élément 22 de forme tronconique, réfléchissant le rayonnement ultraviolet, fait en une matière à bas point de fusion telle que, par exemple, l'aluminium. Selon la figure 4, la lampe au deutérium excitée en haute fréquence émet son rayonnement dans une plage angulaire, plage de l'angle a, correspondant à une directivité sensiblement plus nette qu'avec une lampe classique au deutérium avec électrodes La lampe au deutérium excitée en haute fréquence présente une répartition d'intensité de rayonnement I conforme à la courbe (a), tandis que répartition d'intensité de rayonnement classique avec des lampes au deutérium est représentée par la courbe (b) Selon la courbe (a), la largeur de valeur moyenne de la répartition d'intensité de rayonnement obtenue est de 5 à 8 degrés, tandis que, selon la courbe (b), la largeur de valeur moyenne obtenue est d'environ 36 degrés. Selon la figure 5, pendant le fonctionnement, le rayonnement sort par la face extrême 9 tout aussi bien que par la face extrême de l'ampoule 1 de la lampe, et la partie du rayonnement sortant par la face 9 arrive sur un capteur 18 Par l'intermédiaire d'un régulateur 19, ce capteur 18 est relié au générateur à haute fréquence 16 A l'entrée du régulateur 19, le signal de valeur réelle, X, élaboré par le capteur 18, est comparé à un signal de valeur de consigne prédéterminée, W, et, s'il y a un écart de réglage, un signal de réglage Y apparaissant à la sortie du régulateur 19 est transmis au générateur à haute fréquence Ce signal de réglage Y peut provoquer une modulation de la haute fréquence, ou encore modifier le rapport cyclique pour une fréquence de récurrence d'impulsions donnée, de manière à compenser l'écart de réglage. Il est alors possible, par un dépôt partiellement réfléchissant sur la face extrême 9 tournée vers la capteur, d'obtenir un affaiblissement du rayonnement dirigé vers le capteur et un renforcement du rayonnement de travail sortant par la face extrême 10. La géométrie ouverte des deux côtés de la lampe à décharge selon l'invention permet de l'utiliser en tant que lampe dite à tranmission ou translucidité Cela signifie que la lampe présente deux volumes de décharge dont les remplissages diffèrent, ces volumes constituant chacun un organe rayonnant autonome Un deuxième organe rayonnant, présentant un autre spectre, se trouve sur le même axe optique que le premier organe rayonnant, de sorte que l'on peut obtenir un domaine spectral utile élargi sans qu'un remplacement de lampe(s) soit nécessaire Un tel agencement est représenté schématiquement sur la figure 6. Selon la figure 6, on produit dans l'ampoule 1 un rayonnement qui sort de la face 10 de l'ampoule 1, le long de l'axe optique 4 et entre dans l'ampoule 1 ' par la face 9 ' Cette dernière ampoule 1 ' présente un remplissage différent de celui de l'ampoule 1 Le rayonnement produit dans l'ampoule 1 ' sort de la face 10 ' de l'ampoule 1 ', le long de l'axe optique 4 Ici, les rayons sortant dans des sens inverses, par les faces 9 ' et 9, le long de l'axe optique 4, peuvent être envoyés à un capteur 18, sensible à un spectre prédéterminé, capteur auquel est raccordé un régulateur 19 dont le signal de réglage Y est envoyé aux générateurs à haute fréquence 16 et 16 ', ou à un générateur à haute fréquence pour les deux ampoules de lampe Cet agencement convient particulièrement bien pour la photospectrométrie ou pour la chromatographie en phase liquide à haute pression (CPLHP). Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple(s) non limitatif(s) sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Lampe à décharge sous basse pression, sans électrode, dans l'ampoule ( 1) de laquelle un plasma est formé par application d'un champ électromagnétique à haute fréquence et le rayonnement produit par le plasma sort de l'ampoule, caractérisée par le fait qu'un corps- diaphragme ( 2) en matière thermiquement réfractaire, comportant une ouverture ( 3), est agencé dans la région du plasma, cela afin de restreindre le domaine du plasma, ledit corps- diaphragme présentant un axe optique ( 4) qui passe par l'ouverture ( 3), et le long duquel le rayonnement sort. 2 Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme ( 2) présente une ouverture ( 3) par laquelle le rayonnement sort dans deux directions opposées. 3 Lampe à décharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme ( 2) est au moins partiellement entouré par une bobine d'excitation parcourue par du courant, les bornes électriques ( 11, 12) de la bobine étant reliées à la sortie d'un générateur à haute fréquence ( 16). 4 Lampe à décharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que, le long de l'axe optique, le corps- diaphragme est entouré, des deux côtés, par des plaques de condensateur, l'une au moins des plaques de condensateur présentant une ouverture de sortie le long de l'axe optique, et les plaques de condensateur étant électriquement reliées chacune à une sortie d'un générateur à haute fréquence. Lampe à décharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme est disposé à l'intérieur d'un résonateur électromagnétique présentant, pour l'excitation, une antenne qui est électriquement reliée à la sortie d'un générateur à haute fréquence. 6 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme ( 2) présente, le long de l'axe optique ( 4), un trou ouvert d'un côté. 7 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme ( 2) présente, le long de l'axe optique, un trou traversant. 8 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme est constitué par une partie d'ampoule rétrécie dans la région du plasma, la paroi de l'ampoule formant un trou traversant dans cette région. 9 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait que le trou présente, en au moins une extrémité, un évasement conique. 10 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que la lampe présente un premier et un deuxième volume de décharge pour produire du plasma par application d'un champ électromagnétique à haute fréquence, chaque volume de décharge présentant un corps- diaphragme ( 2, 2 ') avec un axe optique passant par l'ouverture ( 3, 3 '), les axes optiques s'étendant le long d'une droite commune. 11 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait que le corps- diaphragme ( 2) est en verre quartzeux ou en céramique d'oxydes métalliques. 12 Lampe à décharge selon la revendication 6 ou 7, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme est en nitrure d'au moins un métal. 13 Lampe à décharge selon la revendication 6 ou 7, catsie_ par le fait qe le corps-dii est en ntal Dffctair. 14 Lampe à décharge selon la revendication 6 ou 7, caractérisée par le fait que le corps-diaphragme est en diamant ou en graphite. Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisée par la présence d'hydrogène en tant que gaz de remplissage. 16 Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée par la présence d'un gaz rare en tant que gaz de remplissage. a