Brevet FR3013894A1 — publié le 20150529

Domaine de l'invention L'invention concerne une lampe éclair avec un remplissage de gaz pour empêcher un autoallumage, comprenant un tube à décharge allongé avec deux électrodes disposées dans le tube à décharge à des extrémités opposées l'une à l'autre du tube à décharge, dans laquelle une électrode d'allumage pouvant être alimentée avec une tension d'allumage est disposée à l'extérieur du tube à décharge et dans laquelle le tube à décharge présente une longueur d'au moins 1000 mm et est rempli avec un remplissage de gaz. Etat de la technique Pour l'allumage d'une lampe éclair axiale, dont la longueur est de plusieurs ordres de grandeur supérieure au diamètre, se composant d'un tube à décharge avec deux électrodes (cathode et anode), on utilise habituellement trois procédés différents, à savoir un allumage en série, en parallèle ou externe. Dans un allumage en série ou en parallèle, un transformateur est connecté en série ou en parallèle avec les électrodes de la lampe éclair et une impulsion à haute tension ou une tension d'allumage est appliquée aux électrodes. Le champ électrique d'allumage provoque l'ionisation du gaz dans la lampe éclair. Il se produit ainsi, selon l'intensité du champ, une multiplication en avalanche des porteurs de charge libres dans la lampe éclair. Etant donné que la tension d'allumage nécessaire pour l'allumage en série ou en parallèle augmente avec la longueur de la lampe, il faut pour des lampes éclair longues une très haute tension d'allumage ou un transformateur très puissant et plus coûteux. Pour éviter un tel transformateur puissant, on pratique typiquement pour une lampe éclair longue l'allumage externe, c'est-à-dire que l'on dispose sur le côté extérieur de la lampe éclair une électrode d'allumage, qui est alimentée avec une tension d'allumage. Après l'allumage, la décharge gazeuse est entretenue avec une tension de service aux électrodes. Dans la pratique, il peut cependant se produire un autoallumage de la lampe éclair, c'est-à-dire que l'allumage de la lampe éclair n'est pas provoqué au moyen de la tension d'allumage mais par exemple par un champ électrique parasite indésirable. Cet autoallumage est incontrôlable et doit être empêché dans différentes applications, parce qu'il modifie par exemple des processus d'exposition à la lumière. Par exemple, la distance entre la cathode et l'anode dans une lampe éclair refroidie à l'eau d'une longueur de 4000 mm par exemple sous une pression de remplissage par exemple de 400 mbar est suffisamment grande, de sorte que la tension nécessaire pour l'autoallumage se situe largement au-dessus de la tension de service de 10-45 kV. Même des différences de tension de 70 kV entre la cathode et l'anode ne suffisent pas, pour provoquer un autoallumage. Cependant, si l'on place des surfaces électriquement conductrices à proximité de la lampe éclair, par exemple une électrode d'allumage sous la forme d'un fil d'allumage, qui est utilisé pour l'allumage externe contrôlé de la lampe éclair, la tension d'autoallumage chute à des valeurs inférieures à 20 kV. Plus le fil d'allumage se trouve près de la lampe éclair, plus sûr est l'allumage contrôlé désiré de la lampe éclair, mais aussi la tension d'autoallumage diminue avec la distance. Ce dernier effet s'explique par l'accélération des électrons naturels dans la lampe éclair en direction du fil d'allumage, qui libèrent des électrons secondaires à la paroi de verre de la lampe éclair et entraînent un effet d'avalanche. Même avec un fil d'allumage sans potentiel, par exemple le raccordement du fil d'allumage via un condensateur avec le potentiel de la terre, un effet d'avalanche est provoqué par la proximité spatiale en combinaison avec des charges glissantes ou des courants de fuite. Exposé et avantages de l'invention Le but de l'invention est dès lors de proposer une lampe éclair avec un remplissage de gaz déterminé, avec lequel la tension d'autoallumage peut être augmentée dans une lampe éclair longue refroidie et un autoallumage indésirable peut être évité. Ce but est atteint selon l'invention par une lampe éclair présentant les caractéristiques décrites ci-dessous et une utilisation d'un remplissage de gaz présentant les caractéristiques décrites ci-dessous. Des modes de réalisation avantageux de l'invention sont présentés ci-dessous. L'invention part d'une lampe éclair, qui se compose d'un tube à décharge allongé rempli avec un remplissage de gaz, avec deux électrodes (cathode, anode), qui sont disposées dans le tube à décharge à des extrémités opposées l'une à l'autre du tube de décharge, dans laquelle une électrode d'allumage destinée à l'application d'une tension d'allumage est disposée à l'extérieur du tube à décharge. Le tube à décharge est de préférence allongé et s'étend parallèlement à l'axe de la lampe éclair. Le tube à décharge présente typiquement une longueur d'au moins 1000 mm, de préférence une longueur d'au moins 2000 mm. Le tube à décharge est entouré extérieurement par un tube enveloppe espacé du tube à décharge, destiné à contenir un fluide de refroidissement. En l'occurrence, on utilise par exemple de l'eau de refroidissement déminéralisée comme fluide de refroidissement pour le refroidissement du tube à décharge. L'espace intermédiaire entre le tube à décharge et le tube enveloppe est rempli avec l'eau de refroidissement. L'eau de refroidissement s'écoule en l'occurrence à travers l'espace intermédiaire entre le tube à décharge et le tube enveloppe. Le tube enveloppe peut être fabriqué avec une section transversale circulaire, rectangulaire, ovale ou autre. Une telle lampe éclair longue est typiquement utilisée pour l'exposition de substrats à la lumière dans une chambre de traitement, en particulier dans une chambre sous vide, et elle peut par exemple être dotée d'un réflecteur. La tension de service de la lampe éclair se situe typiquement dans la plage de plusieurs kilovolts, la tension de service augmentant en première approximation de façon linéaire avec la longueur de la lampe. Typiquement, la tension de service de la lampe éclair avec une longueur d'au moins 1000 mm se situe au-dessus de 10 kV. Pour des lampes éclair avec une longueur de lampe d'environ 4000 mm, la tension de service peut valoir par exemple 10 kV à 50 kV. Lors de l'application d'une tension de service ou d'une tension de charge élevée à une électrode, il se produit, en raison d'une grande différence de potentiel entre l'électrode recevant la tension de service élevée et l'environnement immédiat, électriquement conducteur, de l'électrode, par exemple une paroi de la chambre, une augmentation du champ électrique sur le côté extérieur du tube à décharge, en particulier sur le côté extérieur du tube à décharge dans la région de l'électrode. Cette augmentation du champ peut conduire à une avalanche d'électrons entre l'électrode et l'environnement et ainsi à un autoallumage de la lampe éclair. Cette augmentation du champ électrique peut être appelée la tension d'autoallumage. Si on utilise entre le tube à décharge et le tube enveloppe de l'eau au lieu d'air comme fluide de refroidissement, la tension d'autoallumage diminue fortement en raison de la permittivité plus élevée de l'eau, d'environ 81, par rapport à l'air, d'environ 1. Selon l'invention, pour empêcher cet autoallumage indésirable, le tube à décharge est rempli avec un mélange de gaz, qui contient au moins un gaz rare et au moins un gaz empêchant l'autoallumage. La lampe éclair peut être remplie avec du xénon ou du krypton ou un mélange de ceux-ci comme gaz rare. Le gaz empêchant l'autoallumage présente, par rapport au gaz rare, une plus petite section transversale active pour l'ionisation par choc. La section transversale active représente la mesure de la probabilité d'ionisation par choc d'électrons, c'est-à-dire la probabilité de chocs entre des électrons et des atomes ou des molécules. Par suite de l'interaction de l'électron avec l'atome ou la molécule, une quantité suffisante d'énergie peut être transmise pour ioniser un(e) ou plusieurs atomes ou molécules. Par exemple, de l'azote peut être ajouté au gaz rare pour empêcher un autoallumage. Du fait de la section transversale active plus petite de la molécule d'azote par comparaison avec le gaz rare atomique, la probabilité d'une avalanche d'électrons entre l'électrode et l'environnement électriquement conducteur diminue. Cette diminution conduit alors à une augmentation de la tension d'autoallumage. Pour empêcher un autoallumage de la lampe éclair, on peut en variante ajouter de l'oxygène ou de l'hydrogène au gaz rare. Une autre alternative visant à empêcher un autoallumage consiste à ajouter au gaz rare un mélange d'azote et d'oxygène ou un mélange d'azote et d'hydrogène. La part du gaz empêchant l'autoallumage dans le mélange de gaz vaut 1 à 10 pour cent en volume (`)/0 en vol.) sous une pression de remplissage globale de 50 à 1000 mbar. De préférence, la part dans le mélange de gaz vaut 2 à 5 % en vol. L'ajout de quelques pour cent d'azote ou d'oxygène ou d'hydrogène au remplissage de gaz peut empêcher fortement l'autoallumage de la lampe éclair. Toutefois, l'ajout doit rester limité à quelques pour cent, de telle manière que l'allumage normal de la lampe éclair, c'est-à-dire l'allumage au moyen d'une tension d'allumage prédéterminée, ne soit pas fortement affecté. Le but de l'invention est également atteint par l'utilisation d'un mélange de gaz comme remplissage de la lampe éclair, qui contient au moins un gaz rare et au moins un gaz empêchant un autoallumage, lequel présente, par rapport au gaz rare, une section transversale active plus petite pour une ionisation par choc. L'utilisation selon l'invention du mélange de gaz dans une lampe éclair, comprenant un tube à décharge allongé avec deux électrodes disposées dans le tube à décharge et une électrode d'allumage disposée à l'extérieur du tube à décharge, dans laquelle le tube à décharge est entouré extérieurement par un tube enveloppe espacé du tube à décharge, destiné à contenir un fluide de refroidissement, dans laquelle le tube à décharge présente une longueur d'au moins 1000 mm, montre que l'on peut ainsi empêcher un autoallumage. Par exemple, avec un mélange de gaz contenant 97 % en vol. de xénon et un complément de 3 `)/0 en vol. d'azote sous une pression de remplissage globale de 50 à 1000 mbar, la tension nécessaire pour l'autoallumage ou la tension d'autoallumage peut être accrue d'environ 1,5 fois, en raison de la section transversale active plus petite de la molécule d'azote. Par exemple, avec un mélange de gaz contenant 95 `)/0 en vol. de xénon et un complément de 5% en vol. d'azote, la tension nécessaire pour l'autoallumage peut être accrue d'au moins 2 fois. Dessin L'invention sera expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide d'exemples de réalisation et d'un dessin correspondant. Dans celui-ci: - la figure 1 est une représentation schématique d'une lampe éclair selon l'invention. Description de modes de réalisation Dans la Figure 1, on a représenté une lampe éclair 1, qui se compose d'un tube à décharge 2 rempli de gaz avec deux électrodes 3. Le tube à décharge 2 est typiquement fabriqué en verre de quartz et les électrodes 3 en tungstène. La distance entre les électrodes 3 est typiquement supérieure à 2000 mm. Le tube à décharge 2 est entouré extérieurement par un tube enveloppe 5 destiné à contenir de l'eau de refroidissement ou de l'air de refroidissement. L'eau de refroidissement ou l'air de refroidissement s'écoule à travers l'espace intermédiaire 6 entre le tube à décharge 2 et le tube enveloppe 5. Les électrodes 3 sont respectivement connectées à un câble de raccordement 4, qui se trouve dans l'eau de refroidissement. A l'extérieur du tube à décharge 2, il se trouve une électrode d'allumage 7, par exemple un fil d'allumage 7, destiné à l'application d'une tension d'allumage. Dans le cas où l'électrode 3 est alimentée avec une tension de service, mais où l'électrode d'allumage 7 n'est cependant pas alimentée par une tension d'allumage mais se trouve par exemple au potentiel de la terre, la lampe éclair 1 peut s'allumer spontanément à cause d'une avalanche d'électrons entre l'électrode 3 et l'électrode d'allumage 7, parce qu'il apparaît une augmentation parasite de champ électrique entre l'électrode 3 et l'électrode d'allumage 7. Pour réduire cet autoallumage, le tube à décharge est rempli, dans un premier exemple de réalisation, avec 95 % en vol. de xénon avec un complément de 5% en vol. d'azote sous une pression de remplissage globale de 400 mbar. Ce complément a montré, par expérience, que la tension nécessaire pour l'autoallumage augmente de moins de 20 kV à plus de 48 kV. L'azote présente, par rapport au xénon, une section transversale active plus petite, de sorte que, grâce à l'azote, la probabilité d'une avalanche d'électrons entre l'électrode 3 et l'environnement ou l'électrode d'allumage 7 est réduite. La tension d'autoallumage peut aussi être fortement réduite par des champs électriques qui varient rapidement - même faiblement - par exemple provoqués par de petites décharges entre des câbles d'alimentation à haute tension via l'air sur des composants mis à la terre. De ce fait, dans un autre exemple de réalisation, un filtre passe-bas peut être raccordé à l'électrode, de telle manière que la tension d'autoallumage ne soit pas influencée par les décharges. 15 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Lampe éclair 2 Tube à décharge 5 3 Electrode 4 Câble de raccordement Tube enveloppe 6 Espace intermédiaire 7 Electrode d'allumage10 REVENDICATIONS1°) Lampe éclair (1), comprenant un tube à décharge allongé (2) avec deux électrodes (3) pouvant être alimentées avec une tension de service, qui sont disposées dans le tube à décharge (2) à des extrémités opposées l'une à l'autre du tube à décharge (2), et avec une électrode d'allumage (7) pouvant être alimentée avec une tension d'allumage, qui est disposée à l'extérieur du tube à décharge (2), dans laquelle le tube à décharge (2) est entouré extérieurement par un tube enveloppe (5) espacé du tube à décharge (2) destiné à contenir un fluide de refroidissement, dans laquelle le tube à décharge (2) présente une longueur d'au moins 1000 mm et est rempli avec un remplissage de gaz, caractérisée en ce que le remplissage de gaz est un mélange de gaz, qui contient au moins un gaz rare et au moins un gaz empêchant un autoallumage, qui présente par rapport au gaz rare une plus petite section transversale active pour l'ionisation par choc. 2°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz empêchant l'autoallumage est l'azote. 3°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz empêchant l'autoallumage est l'hydrogène. 4°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz empêchant l'autoallumage est un mélange d'azote et d'hydrogène. 5°) Lampe éclair (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la part du gaz empêchant l'autoallumage dans le mélange de gaz s'élève à 1 à 10 pour cent en volume (% en vol.).356°) Lampe éclair (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la part du gaz empêchant l'autoallumage dans le mélange de gaz s'élève à2 à5 `)/0 en vol. 7°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'espace intermédiaire (6) entre le tube enveloppe (5) et le tube à décharge (2) est rempli d'eau de refroidissement. 8°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'espace intermédiaire (6) entre le tube enveloppe (5) et le tube à décharge (2) est rempli d'air de refroidissement. 9°) Lampe éclair (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tension de service se situe dans la plage de plusieurs kilovolts. 10°) Utilisation d'un remplissage de gaz pour augmenter une tension d'autoallumage et ainsi empêcher un autoallumage d'une lampe éclair (1), comprenant un tube à décharge allongé (2) avec deux électrodes (3) disposées dans le tube à décharge (2) et une électrode d'allumage (7) disposée à l'extérieur du tube à décharge (2), dans laquelle le tube à décharge (2) est entouré extérieurement par un tube enveloppe (5) espacé du tube à décharge (2) destiné à contenir un fluide de refroidissement, dans laquelle le tube à décharge (2) présente une longueur d'au moins 1000 mm et est rempli avec un mélange de gaz comme remplissage de gaz, qui contient au moins un gaz rare et au moins un gaz empêchant un autoallumage, qui présente par rapport au gaz rare une plus petite section transversale active pour l'ionisation par choc. 11°) Utilisation d'un remplissage de gaz selon la revendication 10, caractérisée en ce quele gaz empêchant l'autoallumage est l'azote ou l'hydrogène ou un mélange de ceux-ci. 12°) Utilisation d'un remplissage de gaz selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la part du gaz empêchant l'autoallumage dans le mélange de gaz s'élève à 1 à 10 pour cent en volume (% en vol.). 13°) Utilisation d'un remplissage de gaz selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la part du gaz empêchant l'autoallumage dans le mélange de gaz s'élève à 2 à 5 pour cent en volume (% en vol.). 14°) Utilisation d'un remplissage de gaz selon la revendication 10, caractérisée en ce que le tube à décharge (2) est rempli avec 95 % en vol. de xénon et un complément de 5 `)/0 en vol. d'azote, augmentant ainsi la tension d'autoallumage de moins de 20 kV à plus de 48 kV. 25