Brevet FR3065111A1 — publié le 20181012

SOURCE DE LUMIERE ULTRAVIOLETTE DOMAINE TECHNIQUE La présente demande concerne d'une façon générale, le domaine des sources de lumière ultraviolette utilisées notamment pour la purification de l'eau. Plus particulièrement, la présente demande concerne le domaine des sources de lumière ultraviolette (UV) dans le domaine de longueur d'onde de 280 nm à 100 nm dit des «UV-C». En pratique, les longueurs d'ondes utilisées dans ce domaine pour la stérilisation de l'eau sont dans un domaine centré sur 250 nm à plus ou moins 30 nm. ARRIERE PLAN L'art antérieur connaît classiquement dans ce domaine des lampes à vapeur de mercure (Hg) qui émettent des raies dans le visible et dans les UV-C. L'art antérieur connaît aussi des sources lumineuses UV-C cathodoluminescentes, comprenant un matériau qui émet de la lumière UV-C en réponse à l'action des électrons. Un tel matériau est désigné en pratique et dans la présente demande par le terme générique de « Phosphore(s) ». Un exemple d'une émission dans l'UV-C par une source cathodoluminescente est décrit dans la publication « Luminescent property and mechanism of ZnAl2O4 ultraviolet emitting phosphor » (ISHIGANA), Phys. Status Solidi C12, N° 6, 797_800(2015). On distingue le dispositif complet ou lampe qui est une source ultraviolette et la source d'électrons qui est un composant de la lampe. Dans cette publication, une source d'électrons ou cathode est reliée à la borne négative d'une source haute tension et une couche d'aluminium ou anode est reliée à la borne positive de cette source ou à la masse lorsque cette borne positive est reliée à la masse. Une grille (« gate » en anglais) est disposée entre l'anode et la cathode et reliée à un potentiel intermédiaire ce qui permet de régler le profil du champ électrique entre la cathode et l'anode. La cathode, l'anode et la grille sont disposées dans des plans parallèles. La grille possède des orifices permettant le passage des électrons attirés vers elle. Cette structure à trois électrodes (anode, cathode et grille) nécessitant deux sources électriques, elle bloque un pourcentage non-négligeable des électrons émis par la source, réduisant ainsi l'efficacité du dispositif. De plus la grille étant sujette à une montée en température, elle conduit à une augmentation de la pression du gaz dans le dispositif 3065111 2 L'art antérieur connaît aussi, dans le domaine des sources lumineuses en général, des sources émettant dans le visible par cathodoluminescence, utilisant des sources d'électrons comme des nano-tubes de carbone ou sources « CNT » (acronyme anglais de « Carbon 5 Nano Tubes »). Un exemple de source lumineuse visible, utilisant une source électronique à CNT, est décrit dans le brevet US 6,873,095 (LINDMARK). Dans ce document la structure de la source lumineuse émettant dans le visible est composée d'une source électronique CNT en forme de barreau et d'une chambre optique en matériau transparent à la lumière visible, chambre concentrique au barreau, et d'une couche de Phosphore 10 disposée entre le barreau et cette chambre. Toutefois, les Phosphores utilisés émettent dans le visible et ne sont pas connus pour émettre dans les UV-C; la réalisation d'une source UV-C reste donc un problème au vu de l'art antérieur. PRESENTATION GENERALE Dans ce contexte, la présente invention concerne un dispositif pour émettre de la lumière 15 ultraviolette comprenant : - un barreau muni de nanotubes de carbone ou équivalents, - une première couche composée d'un premier matériau cathodoluminescent dans le domaine des radiations lumineuses ultraviolettes UV-C pour une excitation de ce premier matériau par des électrons d'énergie comprise entre 1 keV (kilo-électron-volt) et 8 keV, 20 - une seconde couche, composée d'un second matériau métallique, conducteur pour l'électricité, et - une chambre composée d'un troisième matériau, transparent pour les radiations lumineuses ultraviolettes UV-C, dans lequel la première couche est disposée en contact mécanique avec la chambre, le long 25 d'une paroi intérieure de la chambre, dans lequel la seconde couche est disposée en contact mécanique avec la première couche, dans lequel le barreau est disposé à l'intérieur de la chambre, en regard de la seconde couche, et dans lequel la seconde couche métallique est d'une épaisseur adaptée à la rendre 30 partiellement transparente pour les électrons d'énergie comprise entre lkeV et 8keV. 3065111 3 Dans des variantes de réalisation : - le premier matériau cathodoluminescent est un Phosphore choisi dans la famille comprenant les Phosphores: YPO4 dopé, YA1O3 dopé et YBO3 dopé, - le premier matériau est du YPO4 dopé avec des ions bismuth, 5 - le premier matériau est dopé avec des ions praséodyme, - le second matériau métallique est de l'aluminium, - l'épaisseur de la seconde couche est inférieure à 100 nanomètres, - le matériau transparent pour les radiations lumineuses ultraviolettes UV-C est du quartz. La présente demande concerne aussi une méthode pour obtenir une source lumineuse dans 10 le domaine des radiations ultraviolettes UV-C comprenant les étapes suivantes: - déposer sur une paroi intérieure d'une chambre optiquement transparente aux radiations ultraviolettes UV-C, une première couche réalisée dans premier matériau cathodoluminescent dans le domaine des radiations lumineuses ultraviolettes UV-C pour une excitation de ce premier matériau par des électrons d'énergie comprise entre 1 keV et 8 15 keV, - déposer une seconde couche métallique conductrice pour l'électricité sur la première couche, - disposer un barreau muni de nanotubes de carbone à l'intérieur de la chambre en regard de la seconde couche, 20 - faire le vide dans la chambre dans la mesure nécessaire à permettre la propagation d'électrons entre les nanotubes de carbone et la seconde couche, - relier le barreau à la cathode d'une source électrique et la seconde couche métallique à l'anode de la source électrique, - émettre entre le barreau et la seconde couche métallique à partir du barreau relié à la 25 source électrique, des électrons suffisamment énergétiques pour traverser la seconde couche métallique et exciter le premier matériau cathodoluminescent de la première couche avec une énergie comprise entre 1 keV et 8 keV. Dans la présente demande, la définition suivante s'applique: 3065111 4 « Cathodoluminescence»: désigne un phénomène optique et électrique que l'on observe lorsqu'un faisceau d'électrons produit par une source ou canon à électrons (par exemple un tube à rayons cathodiques) bombarde un échantillon (par exemple en Phosphore), conduisant à l'émission de lumière. 5 Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et de la méthode proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à 10 illustrer les principes de l'invention. La figure 1 représente un exemple de source lumineuse selon l'invention dans lequel une couche de Phosphore est disposée sur une chambre en quartz, entre un barreau muni de nanotubes de carbone et une couche métallique déposée sur la couche de Phosphore. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE( S) 15 Des exemples de réalisation sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Ces exemples illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. Dans un premier mode de réalisation et en référence à la figure 1 (les numéros de référence entre parenthèses renvoient à cette figure), une chambre (10) cylindrique et creuse, en 20 forme de tube fermé à ses extrémités, réalisée en quartz de façon à être transparente aux radiations ultraviolettes, est munie d'un barreau central (13) sur lequel sont disposés des nanotubes de carbone. Le barreau central (13) sert de source d'électrons. La chambre (10) est soumise en fonctionnement normal à un vide de 10-5 (ou dix puissance moins cinq) torr, soit environ 1,3 x 101 Pa, son épaisseur et ses dimensions étant adaptées 25 à supporter un tel vide. Pour maintenir ce vide durant une période dépassant quelques heures, un piège (en anglais « getter ») est installé dans la chambre (10). Sur la paroi de la chambre (10) est disposée une couche émettrice (11) réalisée avec un Phosphore dopé de façon à le rendre apte à émettre un rayonnement UV aux alentours de 250nm, en réponse à un bombardement électronique d'énergie 1 keV à 8 keV, c'est-à-dire un Phosphore 30 cathodoluminescent dans la gamme des UV-C. 3065111 5 Un tel matériau émetteur ou Phosphore peut être du YPO4:Bi (YPO4 dopé avec des ions bismuth), du YPO4:Pr (YPO4 dopé avec des ions praséodyme) ou du YA1O3:Pr ou du YBO3:Pr. D'une façon plus générale, le Phosphore peut être un matériau dopé choisi dans la famille 5 de matériaux comprenant les matériaux suivants: YPO4, YA1O3 et YBO3 et le dopant du matériau peut être choisi dans la famille de dopants comprenant les ions suivants: bismuth et praséodyme. Une couche métallique (12) ou anode, conductrice pour l'électricité, est aussi présente en contact mécanique avec la couche émettrice de Phosphore (11) et est en regard du barreau 10 (13) muni de nanotubes de carbone à sa surface. L'épaisseur de la couche métallique (12) est choisie dans la mesure nécessaire à rendre la couche métallique (12) optiquement transparente pour des électrons de 1 keV (kiloélectron-volt) à 8 keV. Typiquement, la couche métallique (12) est d'épaisseur nanométrique. En particulier, cette épaisseur peut être inférieure ou égale à 100 nm. 15 Ainsi, dans ce premier mode de réalisation, dans un plan de section de la chambre, en partant du barreau central (13) on rencontre d'abord la couche de métal (12) puis la couche de phosphore (11) puis la chambre en quartz (10). Dans ce mode de réalisation, une pompe à vide, non représentée, est reliée, de façon connue, à la chambre (10) et un vide est établi dans la chambre (10) entre le barreau (13) et 20 la couche métallique (12), jusqu'à atteindre une pression de vide apte à permettre la transmission d'électrons entre le barreau (13) et la couche métallique (12), la valeur de cette pression de vide est typiquement égale ou inférieure à 10-5 torr. Dans ce mode de réalisation, un générateur électrique, non représenté, comprenant une borne positive et une borne négative, est relié, pour sa borne positive, à la couche 25 métallique (12) qui fonctionne alors en anode et, pour sa borne négative, au barreau (13) qui fonctionne en cathode. De plus, la borne positive et la couche métallique (12) en contact électrique entre elles, sont aussi mises en contact avec une masse électrique leur imposant un potentiel électrique nul, alors que le barreau (13), ou cathode, est soumis à la tension nominale du générateur. Cette tension nominale appliquée au barreau (13) est 30 choisie apte à extraire un faisceau d'électrons des nanotubes de carbone disposés sur le barreau (13) et à diriger le faisceau vers la couche métallique (12) à la masse, en imposant 3065111 6 ainsi aux électrons de venir percuter la couche métallique (12), de la traverser et de venir percuter ou exciter la couche de Phosphore (11) avec une énergie comprise entre 1 keV et 8 keV malgré la perte d'énergie des électrons à la traversée de la couche métallique, ce qui impose que la valeur tension du générateur en volt est choisie supérieure ou égale à la 5 valeur de l'énergie des électrons souhaitée après traversée de la couche métallique (12). Sous l'effet de ce bombardement, le Phosphore de la première couche (11) émet une lumière ultraviolette dans la gamme UV-C de façon isotrope, notamment centré en longueur d'onde autour de 250 nm, une partie sortant à l'extérieur de la chambre (10) de façon directe en traversant une fois le phosphore et une autre partie, émise vers la couche 10 d'aluminium (12), étant réfléchie par cette couche et repartant vers l'extérieur de la chambre après avoir traversé deux fois le Phosphore. Le rendement optique est donc approximativement doublé par rapport à une émission isotrope de ce Phosphore. La chambre est, par exemple, en quartz ou en verre borosilicate, ou d'une façon plus générale réalisée avec un matériau choisi pour minimiser l'absorption des radiations UV-C 15 lors de leur émission à l'extérieur de la chambre, via la chambre. L'épaisseur de la chambre entre sa paroi extérieure et sa paroi intérieure, est choisie suffisante pour supporter un vide à l'intérieur de la chambre et induire pour les épaisseurs correspondantes une absorption faible pour les UV-C, notamment autour de 250 nm. On obtient ainsi finalement une source UV pilotée par le générateur électrique. 20 Dans cette configuration, les électrons émis sont choisis, par sélection de la tension nominale du générateur, pour avoir une énergie comprise entre lkeV (kilo-électron-volt) et 8keV au niveau de la couche de Phosphore. Cette caractéristique permet d'éviter la production, dans le Phosphore et la couche d'aluminium, par ces électrons, de rayons X supplémentairement aux radiations ultraviolettes ou UV-C. La tension nominale ou 25 différence de potentiel du générateur sera ainsi adaptée de façon connue aux dimensions de l'intervalle entre le barreau cathode et la couche métallique anode pour obtenir cette gamme d'énergie des électrons émis par le barreau, au niveau de la couche de Phosphore, après traversée de la couche métallique. En pratique, on augmentera la tension du générateur jusqu'à détecter une émission dans les UV-C à l'extérieur de la chambre. 3065111 7 La chambre peut être en forme de tube cylindrique creux fermé à ses extrémités de façon étanche et supportant la mise sous vide et réalisée en quartz. Le barreau peut être cylindrique plein et concentrique à la chambre, à l'intérieur de celle-ci. La couche métallique (12) peut être choisie d'épaisseur inférieure à cent nanomètres, les 5 électrons émis traversant dans ces conditions la couche métallique et étant suffisamment énergétiques à leur sortie du barreau pour parvenir à exciter le Phosphore dans la gamme d'énergie de 1 keV à 8 keV. La tension électrique de la source ou du générateur électrique est, par exemple, plus élevée que 8 keV afin d'obtenir des électrons d'énergie proche de 8 keV, au niveau de la couche métallique, sans dépasser cette valeur pour éviter la production 10 de rayons X. Il est ainsi possible d'obtenir de façon compacte et avec un rendement optique proche d'une lampe à mercure, une source UV-C autour de 250 nm, apte à être utilisée pour des opérations de stérilisation, notamment de l'eau, afin de la rendre potable. L'utilisation de YPO4 dopé permet notamment par utilisation d'un dopage aux ions 15 bismuth (YPO4:Bi) ou aux ions praséodyme (YPO4:Pr) d'obtenir un rendement optique comparable à celui des lampes à mercure. En variante, pour obtenir ce résultat, on peut aussi utiliser comme matériau du YA1O3 dopé au praséodyme (YA103:Pr) ou du YBO3 dopé au praséodyme (YB03:Pr). La couche métallique utilisée peut être de l'aluminium ou un métal compatible avec le 20 Phosphore utilisé. Le métal sera choisi avec un pouvoir réflecteur élevé pour les UV-C tout en étant transparent pour les électrons de 1 keV à 8 keV. Le critère de choix du matériau de la chambre est la transparence aux UV-C. Le choix du matériau de la chambre peut se porter sur de la silice amorphe (en anglais « fused quartz ») couramment appelée quartz. Un verre borosilicate est aussi adapté dans la mesure où il 25 s'agit d'un verre borosilicate transparent aux UV-C c'est-à-dire un verre borosilicate spécial, comme par exemple les verres nommés 8337B et 8405 (références SCHOTT). Du quartz cristallin peut aussi être envisagé comme matériau de la chambre ou un autre matériau transparent aux UV-C, tous les matériaux transparents aux UV-C pouvant être envisagés pour réaliser la chambre. 30 Le Phosphore utilisé peut être un Phosphore cathodoluminescent qui émet à 250nm +/- 20nm et présente un recouvrement important entre son spectre d'émission UV-C et la 3065111 8 courbe germicide (donc efficace pour la stérilisation d'eau). Tout Phosphore réalisé par dopage de YPO4, YA1O3 ou YBO3 et présentant ces qualités est adapté. Dans l'exemple précédemment décrit, la source d'électrons est une source à nanotubes de carbone mais l'invention ne se limite pas à cet exemple et d'autres sources d'électrons 5 comme les fibres de carbone, les nano-fils ou le carbone vitreux, qui constituent des équivalents aux nanotubes de carbone, entrent dans le cadre de l'invention. L'invention est susceptible d'application industrielle dans le domaine de la stérilisation de l' eau. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre 10 illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention telle que définie dans les revendications annexées. Enfin, les différentes caractéristiques des modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé peuvent être considérées isolément ou être combinées entre elles. 15 Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques précédemment décrites. En particulier, sauf précision contraire ou incompatibilité technique, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif pour émettre de la lumière ultraviolette comprenant : - un barreau (13) muni de nanotubes de carbone ou équivalents, - une première couche (11) composée d'un premier matériau cathodoluminescent dans le domaine des radiations lumineuses ultraviolettes UV-C pour une excitation de ce premier matériau par des électrons d'énergie comprise entre 1 keV (kilo-électron-volt) et 8 keV, - une seconde couche (12) composée d'un second matériau métallique, conducteur pour l'électricité, et - une chambre (10) composée d'un troisième matériau, transparent pour les radiations lumineuses ultraviolettes UV-C dans lequel la première couche (11) est disposée en contact mécanique avec la chambre (10), le long d'une paroi intérieure de la chambre, dans lequel la seconde couche (12) est disposée en contact mécanique avec la première couche (11), dans lequel le barreau (13) est disposé à l'intérieur de la chambre (10), en regard de la seconde couche (12), et dans lequel la seconde couche métallique (12) est d'une épaisseur adaptée à la rendre partiellement transparente pour les électrons d'énergie comprise entre lkeV et 8keV. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau cathodoluminescent est un Phosphore choisi dans la famille comprenant les Phosphores: YPO4 dopé, YA1O3 dopé et YBO3 dopé. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau est du YPO4 dopé avec des ions bismuth. 3065111 10 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau est dopé avec des ions praséodyme. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le second matériau métallique est de 5 l' aluminium. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la seconde couche est inférieure à 100 nanomètres. 10 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau transparent pour les radiations lumineuses ultraviolettes UV-C est du quartz. 8. Méthode pour obtenir une source lumineuse dans le domaine des radiations ultraviolettes UV-C comprenant les étapes suivantes: 15 - déposer sur une paroi intérieure d'une chambre optiquement transparente aux radiations ultraviolettes UV-C, une première couche réalisée dans un premier matériau cathodoluminescent dans le domaine des radiations lumineuses ultraviolettes UV-C pour une excitation de ce premier matériau par des électrons d'énergie comprise entre 1 keV et 8 keV, 20 - déposer une seconde couche métallique conductrice pour l'électricité sur la première couche, - disposer un barreau muni de nanotubes de carbone ou équivalents à l'intérieur de la chambre, en regard de la seconde couche, - faire le vide dans la chambre dans la mesure nécessaire à permettre la propagation 25 d'électrons entre les nanotubes de carbone ou équivalents et la seconde couche, - relier le barreau à la cathode d'une source électrique et la seconde couche métallique à l'anode de la source électrique, et - émettre entre le barreau et la seconde couche métallique à partir du barreau relié à la source électrique, des électrons suffisamment énergétiques pour traverser la seconde 3065111 11 couche métallique et exciter le premier matériau cathodoluminescent de la première couche avec une énergie comprise entre 1 keV et 8 keV.