Dispositif à décharge en atmosphère de gaz et de vapeur de mercure La présente invention a pour objet un dis positif à décharge en atmosphère de gaz et de vapeur de mercure comprenant au moins une électrode froide et de forme creuse.
On sait que les électrodes froides sont gé néralement constituées par un cylindre creux de métal, ouvert à une extrémité, fixé à une ou plusieurs arrivées de courant, et dont le rebord de l'ouverture est, le plus souvent, garni d'une pièce isolante qui protège ce rebord du bom bardement ionique et qui empêche l'électrode de toucher la paroi du dispositif à décharge. Ces électrodes ont une longue durée de vie mais provoquent une chute de tension impor tante : en courant alternatif, la chute de ten sion pour les deux électrodes, c'est-à-dire la somme des chutes cathodique et anodique, est de l'ordre de 200 volts efficaces.
On peut di minuer cette chute de tension en activant l'électrode, c'est-à-dire en munissant sa paroi interne d'un dépôt émissif, émettant facilement des électrons à la température relativement basse de fonctionnement de l'électrode, tem pérature qui est de l'ordre de 150o C ; mais ce dépôt, généralement composé d'oxydes alca lino-terreux, perd son efficacité au bout d'un temps de fonctionnement inférieur à la durée moyenne de vie d'une électrode froide non ac tivée et provoque souvent l'apparition de taches dans les tubes munis de ces électrodes.
Le dispositif selon l'invention présente une chute de tension inférieure à celle d'un tube comprenant des électrodes froides non acti vées, et cette chute de tension se maintient fai ble pendant une très longue durée.
Ce dispositif est caractérisé en ce que cette électrode comprend, fixée à sa paroi interne, au moins une petite pièce se composant, au moins principalement, d'au moins un métal des terres rares à l'état métallique dont la superfi cie totale est inférieure au dixième de celle de la paroi interne de l'électrode, et en ce que cette électrode est agencée de façon que la superficie totale de métal des terres rares reste inférieure au dixième de la superficie de la dite paroi au moins pendant la presque totalité de la durée de vie de l'électrode.
De préférence, les conditions dans lesquel les l'électrode a été formée et celles dans les quelles elle fonctionne en service normal doi vent être telles que du métal des terres rares ne soit sensiblement, ni vaporisé par la cha leur, ni pulvérisé par le bombardement ioni que, car ces phénomènes augmenteraient beau coup la superficie de la pièce ou des pièces à la surface originelle il faudrait ajouter la sur face du voile de métal des terres rares qui se serait déposé sur la surface interne de l'élec trode et sur l'enveloppe de l'appareil à dé charge comportant cette électrode.
Une grande surface de métal des terres rares raccourcit considérablement la vie de l'appareil à dé charge, comme- il sera expliqué plus loin.
Une forme d'exécution de l'objet de la pré sente invention est décrite ci-après, à titre d'exemple, en se référant au dessin ci-joint dans lequel "la fig. 1 représente une électrode consti tuant une partie de ladite forme d'exécution ; la fig. 2 indique comment varie, en fonc tion du courant de décharge, la chute de ten sion aux deux électrodes d'un appareil à dé charge muni soit d'électrodes identiques à celle de la fig. 1, soit de telles électrodes ne com portant pas de métal ou alliage de terres rares.
La fig. 1 représente en coupe longitudinale une électrode avant son montage dans l'enve loppe de l'appareil à décharge dont elle fera partie.
Cette électrode comporte un cylindre 1 en tôle, par exemple en tôle de fer nickelée, aux extrémités duquel se trouvent deux pièces en stéatite 2, 7. La pièce 2 est percée d'un orifice 3 permettant à la décharge électrique d'accé der à l'intérieur de l'électrode ; elle comporte une collerette 5 qui empêche la décharge de se produire sur la tranche 4 du cylindre 1 et de provoquer une forte pulvérisation de la tôle en cet endroit.
L'autre pièce, 7, ferme l'extrémité du cy lindre 1 opposée à celle par laquelle passe 1a décharge ; cette fermeture peut ne pas être étanche.
Un fil 8, soudé au cylindre 1, soutient l'électrode et lui amène le courant électrique. Un certain nombre de petits morceaux 6 de métal ou d'alliage de métaux des terres rares sont fixés à la paroi interne du cylindre 1. Sur la figure, on a représenté deux mor ceaux 6 ; ce sont des tronçons de fil de lan thane soudés par leur milieu au cylindre 1 ; il n'est pas nécessaire que le lanthane soit ex trêmement pur, il suffit que celles de ses impu retés qui peuvent être nuisibles, par exemple des oxydes ou des nitrures, n'existent pas en quantité gênante. On peut remplacer le lanthane par du cé rium ou par un alliage de métaux des terres rares.
On a, par exemple, obtenu de bons ré sultats avec un alliage répondant à la spécifi cation ci-dessous
EMI0002.0022
lanthane <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 22 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> 0/0
<tb> cérium <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>......</B> <SEP> 54 <SEP> à <SEP> 60 <SEP> %
<tb> néodyme <SEP> ...... <SEP> 10,5 <SEP> à <SEP> 13 <SEP> %
<tb> praséodyme <SEP> <B>....</B> <SEP> 4,5 <SEP> à <SEP> 6,5 <SEP> %
<tb> samarium <SEP> ...... <SEP> 1 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> 0/0
<tb> yttrium, <SEP> terbium, <SEP> et
<tb> groupe <SEP> de <SEP> l'illi nium <SEP> . <SEP> ..... <SEP> .. <SEP> 1 <SEP> à <SEP> 1,5 <SEP> %
<tb> fer <SEP> ............ <SEP> 0,4 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> 0/0
<tb> divers <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 0,2 <SEP> 0/0 L'électrode, une fois munie des morceaux 6 de lanthane et de son arrivée de courant 8, ou de ses arrivées si elle est munie de plusieurs arrivées de courant, est montée dans un tron çon de tube de verre terminé par un fond son arrivée (ou ses arrivées) de courant est scellée de façon étanche dans ce fond. On soude ensuite à chacune des extrémités d'un tube de verre, éventuellement revêtu intérieu rement d'une couche de matière fluorescente, un tronçon ainsi muni d'une électrode.
Le tube à décharge ainsi obtenu est soumis alors à un certain nombre de traitements qui forment ses électrodes et qui le mettent en état de fonctionner. On peut, par exemple, après avoir introduit une goutte de mercure dans le tube, dégazer celui-ci, y compris ses électro des, en le raccordant par son queusot à une pompe à vide et en y faisant passer une dé charge ayant une intensité notablement plus forte que celle du fonctionnement normal du tube. Lorsque, pendant un temps suffisant, les électrodes ont été chauffées au rouge vif et le verre du tube est resté à une température con venable, on arrête la décharge et l'on continue le pompage jusqu'à l'obtention d'un bon vide.
La présence de traces d'oxygène et d'azote pendant ces traitements freine considérable ment la vaporisation et la pulvérisation des métaux des terres rares, notamment lors du bombardement des électrodes. On diminue en- core la vaporisation et la pulvérisation en di minuant la durée de ces opérations. On peut aussi chauffer le tube et ses électrodes pendant ce dégazage, non pas par une forte décharge, mais en plaçant le tube, ne contenant pas de mercure, dans un four tout en chauffant ses électrodes par un champ à haute fréquence. Ces deux façons d'opérer sont usuelles dans la fabrication des tubes à cathodes froides.
Avec la cathode décrite, il n'est pas néces saire de pousser aussi loin le dégazage par chauffage et un simple chauffage au four, sans décharge ni haute fréquence, peut suffire ; la pression résiduelle au moment où l'on arrête le pompage n'a pas à être aussi basse que lors qu'on utilise des électrodes froides usuelles car les pièces 6 en métaux des terres rares absor beront la petite quantité des gaz non rares qui n'auront pas été éliminés par le dégazage. Ceci constitue un avantage -supplémentaire de l'élec trode décrite.
Comme connu, une fois le dégazage achevé, on remplit le tube avec un gaz permanent sous une pression de quelques millimètres de mer cure ; ce gaz est, par exemple, de l'argon, tech niquement pur ou contenant un peu d'azote, ou bien un mélange d'argon et de néon. Après ce remplissage, on sépare le tube du dispositif de pompage, on introduit le mercure s'il ne l'a pas été préalablement, on ferme et coupe le queusot, puis on fait fonctionner quelque temps le tube pour faire se diffuser une partie du mercure.
Le chauffage de l'électrode pendant son dégazage peut faire fondre, au moins partielle ment, les morceaux 6 de lanthane ou de métal ou alliage analogue. Cette fusion peut faire s'étaler un peu ces morceaux, dont la surface s'accroît ainsi, mais il ne faut pas que la ma tière de ces morceaux s'étale sur une portion importante de la surface interne de l'électrode.
Il faut éviter que du métal des terres rares quitte, en quantité sensible, les pièces 6 et se dépose sur l'enveloppe de la lampe et sur la surface de l'électrode, par exemple parce que l'électrode a été portée à une température à laquelle ce métal se vaporise sensiblement, ou bien parce qu'un bombardement ionique trop intense a pulvérisé et projeté une partie de ces pièces. En effet, l'expérience montre que le métal ainsi déposé absorberait le mercure et les gaz au cours du fonctionnement de la lampe, ce qui mettrait celle-ci prématurément hors d'usage.
On ne peut pas mettre dans la lampe notablement plus de mercure qu'il n'est usuel, pour compenser l'effet d'une grande sur face de métal des terres rares, parce que les gouttes de mercure liquide détérioreraient trop le revêtement fluorescent lorsque la lampe est manipulée. On ne peut pas non plus mettre un excès de gaz, parce que les tensions néces saires à l'amorçage et au fonctionnement de la lampe seraient notablement augmentées, d'autant plus qu'il en faudrait un gros excès.
Il est avantageux, de ce point de vue, que l'atmosphère de décharge de la lampe munie d'une électrode telle que celle décrite contienne une proportion notable d'azote lors de la mise en service de cette lampe, de préférence au moins 0,1 % en volume;
en effet, l'azote di- minue fortement la pulvérisation des électrodes sous l'action du bombardement par les ions. A vrai dire, l'azote sera ensuite absorbé pendant le fonctionnement normal de la lampe; mais cette disparition est très lente parce que le métal des terres rares ne présente qu'une fai ble surface et l'effet de l'azote se fera sentir pendant une durée importante.
La fig. 2 représente comment varie, en fonction de l'intensité du courant de décharge, la chute de tension aux deux électrodes de tu bes contenant, outre une goutte de mercure, un mélange à 80 % d'argon et 20% de néon, sous une pression de 6 mm de mercure ;
l'ar- gon utilisé contient environ 0,3 % d'azote, en volume.
La courbe 10 se rapporte à une paire d'électrodes froides, non activées, chacune constituée comme représenté sur la fig. 1, sauf qu'elle ne comporte pas de pièces 6, et ayant 60 mm de long et 12 mm de diamètre ; ces électrodes sont industriellement utilisées pour des intensités de 50 à 100 milliampères. La courbe 11 se rapporte à une paire d'électrodes semblables aux précédentes, mais munies de quatre tronçons 6 de fil de lanthane, de 5 mm de long et 1,2 mm de diamètre.
Les points ayant servi à tracer ces courbes ont été calcu lés à partir de résultats de mesures effectuées sur des tubes ayant des longueurs différentes, de façon à connaître quelle part de la chute de tension dans le tube se produit aux élec trodes. L'axe des abcisses est gradué en milli ampères, celui des ordonnées en volts.
L'étude des électrodes non activées n'a été poussée que jusqu'à 125 milliampères parce qu'au-delà l'électrode est détruite par le bom bardement ionique. Par contre, les électrodes telles que celle décrite, de mêmes dimensions, résistent très bien à un courant de 250 milli ampères. Une électrode froide et non activée, prévue pour ce dernier courant, devrait avoir une surface deux fois plus grande que celle des électrodes sur lesquelles ont été faites les mesures.
Comme, pour les électrodes non acti vées, le rapport de la longueur au diamètre ne doit pas dépasser une certaine valeur (qui dé pend notamment de la pression et de la nature du gaz de remplissage) il faudrait augmenter le diamètre de l'électrode, ce qui obligerait à la loger dans une chambre d'électrode de dia mètre plus grand que celui de la partie cou rante du tube. Cet inconvénient est évité par l'électrode décrite. Inversement, pour l'élec trode décrite, on peut adopter des dimensions plus petites si elle ne doit fonctionner qu'à 100 milliampères.
Un avantage de cette dernière électrode, avantage immédiatement visible sur la fig. 2, est l'abaissement de la chute de tension aux électrodes : dans le cas représenté, les électro des telles que celle décrite ci-dessus font ga gner environ 30 volts pour un courant de 50 milliampères, et 70 volts pour 100 milliampè res. Cette particularité est assez surprenante, étant donné que les pièces activantes 6 n'ont qu'une faible surface et ne sont pas portées à haute température.
Un autre avantage de ces électrodes, dû probablement à l'absorption des gaz nuisibles par les pièces 6, est l'abaissement de la chute de tension dans la colonne de décharge ; cet abaissement est très variable selon les cas. La décharge ne se produit presque pas sur la surface externe de l'électrode, à cause de la présence de matière émissive à l'intérieur ; ceci stabilise la lueur cathodique et diminue consi dérablement la pulvérisation cathodique à l'ex térieur de l'électrode.
On peut alors souvent simplifier la constitution de l'électrode en sup primant les pièces isolantes telles que celles représentées en 2 et 7, et en n'entourant pas l'électrode d'une feuille de mica, feuille sou vent utilisée pour améliorer l'isolement entre l'électrode et le verre du tube à décharge. Cette diminution des pulvérisations augmente la du rée de vie de l'électrode ; elle permet de con server à celle-ci une durée normale tout en diminuant la pression du gaz permanent de remplissage ; il est connu que cette diminution de pression améliore le rendement de la dé charge en radiations lumineuses et ultraviolet tes, au détriment de la durée des électrodes.
Des modifications peuvent être apportées à l'électrode décrite : par exemple, les pièces 6 peuvent présenter d'autres formes et d'autres dimensions que celles représentées ; elles peu vent être en nombre très variable et l'on peut les fixer à divers endroits de la paroi interne de l'électrode. La pièce 1 en tôle peut être fer mée par un fond métallique au lieu de la pièce 7 en céramique ; la pièce 1 peut, également, être conique.