FR2815172A1 - LAMP WITHOUT MERCURY WITH COLD HOLLOW CATHODS WITH FLUORESCENCE LUMINESCENCE FOR DECORATIVE COLORED LIGHTING OR LUMINOUS SIGNS - Google Patents

LAMP WITHOUT MERCURY WITH COLD HOLLOW CATHODS WITH FLUORESCENCE LUMINESCENCE FOR DECORATIVE COLORED LIGHTING OR LUMINOUS SIGNS Download PDF

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Abstract

L'invention a trait à une lampe sans mercure à cathodes creuses froides (4) activées comportant un corps creux tubulaire (2) en verre dont l'intérieur est recouvert d'une poudre fluorescente, qui comporte à ses deux extrémités des électrodes à cathodes creuses froides (4) activées et qui est rempli d'un mélange de gaz rares, caractérisée en ce que le mélange de gaz rares comporte de 90 % à 99 % de néon et jusqu'à 1 % d'un gaz rare ou d'un mélange de gaz rares de blocage ou de complément, le reste étant constitué par du xénon, et les cathodes creuses froides (4) activées ont une couche active (6) comportant du fluorure de baryum (BaF2 ) ou un composé contenant un élément du groupe III B de la Classification Périodique des Eléments.Application : éclairage coloré décoratif et enseignes lumineuses.The invention relates to a mercury-free lamp with activated cold hollow cathodes (4) comprising a tubular hollow body (2) made of glass, the interior of which is covered with a fluorescent powder, which comprises cathode electrodes at both ends. cold hollow (4) activated and which is filled with a rare gas mixture, characterized in that the rare gas mixture comprises 90% to 99% neon and up to 1% of a rare gas or a mixture of rare gases of blocking or complement, the remainder being constituted by xenon, and the activated cold hollow cathodes (4) have an active layer (6) comprising barium fluoride (BaF2) or a compound containing an element of Group III B of the Periodic Table of the Elements.Application: decorative colored lighting and illuminated signs.

Description

L'invention a trait aux lampes à cathodes creuses froides àThe invention relates to cold hollow cathode lamps with

luminescence/fluorescence, en particulier pour éclairage coloré décoratif et  luminescence / fluorescence, in particular for decorative colored lighting and

enseignes lumineuses.illuminated signs.

Ces lampes sont réalisées dans un corps creux tubulaire en verre dont l'intérieur est recouvert d'une poudre fluorescente. Le tube ainsi poudré est scellé à ses deux extrémités par des électrodes et rempli d'un gaz rare pur ou  These lamps are produced in a hollow tubular glass body whose interior is covered with a fluorescent powder. The tube thus powdered is sealed at its two ends by electrodes and filled with a pure rare gas or

d'un mélange de gaz rares. Du mercure est également ajouté.  of a mixture of rare gases. Mercury is also added.

Ces électrodes fonctionnent en cathodes émissives pendant une demialternance sur deux d'une source alternative et passivement en anode  These electrodes operate as emissive cathodes for half of two alternations from an alternative source and passively as an anode.

pendant l'autre demi-alternance.during the other half-cycle.

Elles sont appelées "cathodes creuses froides" ou "cathodes creuses émissives à froid" car l'émission d'électrons par la cathode est principalement obtenue par une émission secondaire sous les impacts ioniques  They are called "cold hollow cathodes" or "cold cold emitting cathodes" because the emission of electrons by the cathode is mainly obtained by a secondary emission under ionic impacts

alors que l'émission thermionique joue un rôle marginal.  while thermionic emission plays a marginal role.

Ces cathodes froides comportent généralement un cylindre  These cold cathodes generally have a cylinder

métallique activé.metallic activated.

Ainsi, suite à une décharge électrique dans le milieu gazeux du tube, entre les deux électrodes, le mercure à l'état de vapeur métallique émet un rayonnement UV invisible qui est transformé en rayonnement visible par la  Thus, following an electrical discharge in the gaseous medium of the tube, between the two electrodes, the mercury in the state of metallic vapor emits invisible UV radiation which is transformed into visible radiation by the

poudre fluorescente.fluorescent powder.

Le mercure est cependant un produit toxique, dangereux pour l'homme et pour l'environnement. Par ailleurs, il génère des phénomènes de pollution lumineuse condamnés par les astronomes amateurs ainsi que les protecteurs d'espèces volatiles et d'insectes rares. En outre, il provoque  Mercury is however a toxic product, dangerous for humans and the environment. In addition, it generates phenomena of light pollution condemned by amateur astronomers as well as the protectors of volatile species and rare insects. In addition, it causes

également des zones d'ombres dans le tube lors de périodes froides.  also shadow areas in the tube during cold periods.

L'invention vise notamment à pallier ces inconvénients.  The invention aims in particular to overcome these drawbacks.

A cet effet, elle propose une lampe sans mercure à cathodes creuses froides activées, comportant un corps creux tubulaire en verre dont l'intérieur est recouvert d'une poudre fluorescente, qui comporte à ses deux extrémités des électrodes à cathodes creuses froides activées et qui est rempli d'un mélange de gaz rares, caractérisée en ce que le mélange de gaz rares comporte de 90 % à 99% de néon et jusqu'à 1 % d'un gaz rare ou d'un mélange de gaz rares de blocage ou de complément, le reste étant constitué par du xénon, et les cathodes creuses froides activées ont une couche active comportant du fluorure de baryum (BaF2) ou un composé contenant un élément  To this end, it offers a mercury-free lamp with activated cold hollow cathodes, comprising a tubular hollow glass body the interior of which is covered with a fluorescent powder, which has at its two ends electrodes with activated cold hollow cathodes and which is filled with a mixture of rare gases, characterized in that the mixture of rare gases comprises from 90% to 99% of neon and up to 1% of a rare gas or a mixture of blocking rare gases or in addition, the rest being xenon, and the activated cold hollow cathodes have an active layer comprising barium fluoride (BaF2) or a compound containing an element

du groupe III B de la Classification Périodique des Eléments.  of group III B of the Periodic Table of the Elements.

Grâce à ces dispositions, il est réalisé une lampe tubulaire ou tube  Thanks to these arrangements, a tubular lamp or tube is produced

à décharge permettant d'obtenir la fluorescence sans le rayonnement U.V.  discharge allowing fluorescence to be obtained without UV radiation

spécifique du mercure. En effet, celle-ci est obtenue grâce à des rayonnements  specific for mercury. Indeed, this is obtained thanks to radiation

ultraviolets et ultraviolet lointains générés par le mélange néon-xénon.  far ultraviolet and ultraviolet generated by the neon-xenon mixture.

La durée de vie d'un tel tube est supérieure à celle d'un tube à mercure car aucun amalgame ne vient tacher la poudre fluorescente, suite à l'absence de mercure. Cette absence de mercure autorise également un fonctionnement jusqu'à une température ambiante d'environ -30 C et permet un fonctionnement avec une tension très régulière et inférieure à celle d'un tube  The lifetime of such a tube is longer than that of a mercury tube because no amalgam stains the fluorescent powder, due to the absence of mercury. This absence of mercury also allows operation up to an ambient temperature of around -30 C and allows operation with a very regular voltage and lower than that of a tube.

classique à mercure. En pratique, le gain en tension est supérieur à 10 %.  classic mercury. In practice, the voltage gain is greater than 10%.

Par ailleurs, les couleurs obtenues sont très saturées et  In addition, the colors obtained are very saturated and

fournissent un excellent contraste.provide excellent contrast.

L'élément du groupe III B de la Classification Périodique des Eléments est, de préférence, pris parmi le scandium, I'yttrium et le lanthane, c'est à dire un lanthanide, le scandium et l'yttrium étant rattachés à la famille  The element of group III B of the Periodic Table of the Elements is preferably chosen from scandium, yttrium and lanthanum, ie a lanthanide, scandium and yttrium being attached to the family

des lanthanides.lanthanides.

Les composés préférés correspondants sont choisis dans le groupe comprenant l'oxyde de lanthane (La203), I'hexaborure de lanthane (LaB6), I'oxyde de scandium (Sc203), un mélange d'oxyde de lanthane et d'oxyde de titane (La203. 2TiO3), un mélange d'oxyde mixte de baryum et de  The corresponding preferred compounds are chosen from the group comprising lanthanum oxide (La203), lanthanum hexaboride (LaB6), scandium oxide (Sc203), a mixture of lanthanum oxide and titanium oxide (La203. 2TiO3), a mixture of mixed barium oxide and

titane et d'oxyde d'yttrium (BaTiO3. Y203) et leurs associations.  titanium and yttrium oxide (BaTiO3. Y203) and their associations.

Les produits ayant donné les meilleurs résultats sont le fluorure de baryum (BaF2) et le mélange BaTiO3. Y203 en des proportions allant de % à 30 % pour l'un et de 30 % à 70 % pour l'autre. En effet, ils permettent  The products that have given the best results are barium fluoride (BaF2) and the BaTiO3 mixture. Y203 in proportions ranging from% to 30% for one and from 30% to 70% for the other. Indeed, they allow

d'obtenir une chute cathodique minimale et, partant, un gain en tension.  to obtain a minimum cathodic drop and, consequently, a gain in voltage.

De préférence également, la pression du mélange de gaz rares  Also preferably, the pressure of the mixture of rare gases

est comprise entre 1 et 10 mbars (1bar = 105 Pa).  is between 1 and 10 mbar (1bar = 105 Pa).

Le ou les gaz rare(s) de blocage ou de complément sont, quant à  The rare or blocking or complementary gas (s) are, as for

eux, choisis dans le groupe comprenant l'argon, le krypton, et l'hélium.  them, chosen from the group comprising argon, krypton, and helium.

Selon un mode de réalisation préféré, chaque cathode comporte un cylindre métallique dont la face interne est recouverte de la couche active, tandis qu'une gaine tubulaire en céramique recouvre la face externe de ce cylindre. La céramique peut être de la silice, de l'alumine (oxyde  According to a preferred embodiment, each cathode comprises a metal cylinder whose internal face is covered with the active layer, while a tubular ceramic sheath covers the external face of this cylinder. The ceramic may be silica, alumina (oxide

d'aluminium), ou un mélange de ces oxydes entre eux ou avec d'autres oxydes.  aluminum), or a mixture of these oxides with each other or with other oxides.

L'invention vise également, sous un deuxième aspect, I'utilisation d'une lampe telle que définie ci-dessus pour un éclairage coloré décoratif ou  The invention also relates, in a second aspect, to the use of a lamp as defined above for decorative colored lighting or

dans une enseigne lumineuse.in a luminous sign.

Des caractéristiques secondaires et des avantages de l'invention  Secondary characteristics and advantages of the invention

pourront ressortir d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en  may emerge from the description which follows by way of example, in

référence à la figure unique annexée qui représente, en coupe longitudinale,  reference to the single appended figure which represents, in longitudinal section,

une extrémité d'un tube à décharge, munie d'une électrode à cathode creuse.  one end of a discharge tube, provided with a hollow cathode electrode.

Selon la forme de réalisation choisie et représentée, la lampe 1 sans mercure à luminescence/fluorescence comporte un corps creux tubulaire 2 en verre, rectiligne ou non. Ce verre est choisi parmi les verres classiquement utilisés pour les tubes fluorescents, à savoir les verres durs à base de borosilicate, les verres tendres au plomb ou sans plomb ou encore les verres tendres sodocalciques. En pratique, le diamètre interne de ce corps creux tubulaire 2 est compris entre 4 et 36 mm, pour une épaisseur de paroi comprise  According to the embodiment chosen and shown, the mercury-free luminescence / fluorescence lamp 1 comprises a tubular hollow body 2 made of glass, whether straight or not. This glass is chosen from the glasses conventionally used for fluorescent tubes, namely hard glasses based on borosilicate, soft lead or lead-free glasses or soft soda-lime glasses. In practice, the internal diameter of this tubular hollow body 2 is between 4 and 36 mm, for a wall thickness included

entre 1 et 1,3 mm.between 1 and 1.3 mm.

L'intérieur de ce tube est recouvert d'une poudre fluorescente classique ou d'un mélange de ce genre de poudres fluorescentes, sur une  The inside of this tube is covered with a conventional fluorescent powder or a mixture of this kind of fluorescent powders, on a

épaisseur comprise, en pratique, entre 6 et 12 pm.  thickness, in practice, between 6 and 12 μm.

Un conducteur central d'entrée de courant 3 ou deux conducteurs latéraux passent à travers le verre à chacune des extrémités du corps 2. Il est réalisé à partir d'un alliage à base de nickel et soudé à l'une de ses extrémités à une électrode à cathode creuse froide métallique 4. Le corps creux tubulaire 2 possède bien entendu une deuxième électrode de ce genre à son extrémité opposée. Cette électrode 4 comporte un support métallique 5 en forme de cylindre fermé a l'extrémité soudée au conducteur central 3 et coaxial à l'axe du corps tubulaire 2. En coupe longitudinale, ce support cylindrique 5 a la forme d'un U. De préférence ce support métallique 5 est en fer ultra pur (99,99 % de pureté) du type "Telar Low Carbon" et est protégé par nickelage sans agent de brillantage sur une épaisseur de 4 à 8 pm ou par oxydation  A central current input conductor 3 or two lateral conductors pass through the glass at each of the ends of the body 2. It is produced from a nickel-based alloy and welded at one of its ends to a metallic cold hollow cathode electrode 4. The tubular hollow body 2 naturally has a second electrode of this kind at its opposite end. This electrode 4 comprises a metal support 5 in the form of a cylinder closed at the end welded to the central conductor 3 and coaxial with the axis of the tubular body 2. In longitudinal section, this cylindrical support 5 has the shape of a U. preferably this metal support 5 is made of ultra pure iron (99.99% purity) of the "Telar Low Carbon" type and is protected by nickel plating without a brightening agent over a thickness of 4 to 8 μm or by oxidation

contrôlée afin d'assurer un dépôt d'oxyde bleu/noir magnétite.  controlled to ensure a deposit of blue / black magnetite oxide.

La face interne de ce support métallique 5 est revêtue d'une couche active 6, obtenue par revêtement de cette face par une poudre à base des composés et/ou mélanges définis supra. De préférence, on utilise du BaF2 ou un mélange BaTiO3. Y203 en des proportions allant de 70 à 30 % pour l'un  The internal face of this metallic support 5 is coated with an active layer 6, obtained by coating this face with a powder based on the compounds and / or mixtures defined above. Preferably, BaF2 or a BaTiO3 mixture is used. Y203 in proportions ranging from 70 to 30% for one

et 30 à 70 % pour l'autre.and 30 to 70% for the other.

Typiquement, 4 à 12 mg d'une telle poudre sont appliqués sur la  Typically, 4 to 12 mg of such a powder is applied to the

face interne du support métallique 5.  internal face of the metal support 5.

Une gaine en céramique 7 entoure par ailleurs l'extérieur de ce support métallique 5 afin d'augmenter la longévité de ces électrodes à cathodes creuses 4 et leur résistance à la démétallisation sous l'effet des chocs répétés des ions et des électrons présents à l'intérieur du corps creux tubulaire 2. Cette céramique peut être de la silice, de l'alumine ou un mélange de ces oxydes  A ceramic sheath 7 also surrounds the exterior of this metal support 5 in order to increase the longevity of these hollow cathode electrodes 4 and their resistance to demetallization under the effect of repeated shocks from the ions and electrons present at the l inside the tubular hollow body 2. This ceramic may be silica, alumina or a mixture of these oxides

entre eux ou avec d'autres oxydes.between them or with other oxides.

Un bouclier 8 en stéatite non poreuse et une rondelle en mica 9 de support du cylindre 5 complètent l'électrode 4. Ce bouclier 8 est destiné à éviter  A shield 8 made of non-porous soapstone and a mica washer 9 supporting the cylinder 5 complete the electrode 4. This shield 8 is intended to avoid

l'arrachement du métal de la tranche avant du support métallique cylindrique 5.  tearing of the metal from the front edge of the cylindrical metal support 5.

Enfin, le corps creux tubulaire 2 est rempli du mélange de gaz rares de pureté 40 à 55 N, comportant au moins 90 % de néon et jusqu'à 1 % d'un gaz ou d'un mélange de gaz de blocage ou de complément choisis dans le groupe constitué de l'argon, du krypton et de l'hélium, le reste étant constitué  Finally, the tubular hollow body 2 is filled with the mixture of rare gases of purity 40 to 55 N, comprising at least 90% of neon and up to 1% of a gas or a mixture of blocking or complement gases. chosen from the group consisting of argon, krypton and helium, the rest being

par du xénon.with xenon.

Suivant le diamètre du corps creux tubulaire 2, les pressions de  Depending on the diameter of the tubular hollow body 2, the pressures of

remplissage varient, en pratique, de I à 10 mbars.  filling varies, in practice, from I to 10 mbar.

En ce qui concerne la fabrication d'une telle lampe 1, on notera que l'intérieur du corps tubulaire 2 peut être poudré par voie sèche ou humide à l'acétate d'éthyle ou à l'eau déminéralisée avec additifs, avant d'être soumis à un recuit au four afin d'obtenir un dépôt parfaitement homogène de poudre(s) fluorescente(s). Les électrodes à cathodes creuses froides 4 sont ensuite mises en place et le tube est scellé à ses deux extrémités. L'enceinte ainsi constituée est alors bombardée par décharge électrique à l'intérieur de l'enceinte sous vide partiel (environ 10-3 mbars). Puis on dégaze l'enceinte pour descendre à une pression inférieure à 10-3 mbars, typiquement jusqu'à 10-6 mbars, avant de remplir cette enceinte avec le mélange de néon, xénon et de gaz de blocage ou de complément, sous une  As regards the manufacture of such a lamp 1, it will be noted that the interior of the tubular body 2 can be powdered dry or wet with ethyl acetate or with demineralized water with additives, before be subjected to annealing in the oven in order to obtain a perfectly homogeneous deposit of fluorescent powder (s). The cold hollow cathode electrodes 4 are then put in place and the tube is sealed at both ends. The enclosure thus formed is then bombarded by electric discharge inside the enclosure under partial vacuum (approximately 10-3 mbar). Then the enclosure is degassed to descend to a pressure below 10-3 mbar, typically up to 10-6 mbar, before filling this enclosure with the mixture of neon, xenon and blocking or additional gas, under a

pression très faible de remplissage comprise entre 1 et 10 mbars.  very low filling pressure between 1 and 10 mbar.

Typiquement, il a été constaté qu'avec une pression de remplissage de 3 mbars pour un mélange de gaz rares à 1% de xénon, un optimum de luminance est obtenu avec une intensité de fonctionnement très faible, de l'ordre de 25 mA, au moyen d'une poudre fluorescente ayant son maximum d'émission à 525 nm. La chute cathodique et la tension du tube sont alors à leur minimum, le gain en tension obtenu par rapport à un tube à mercure  Typically, it has been found that with a filling pressure of 3 mbar for a mixture of rare gases at 1% xenon, an optimum luminance is obtained with a very low operating intensity, of the order of 25 mA, by means of a fluorescent powder having its maximum emission at 525 nm. The cathodic drop and the tube voltage are then at their minimum, the voltage gain obtained compared to a mercury tube

étant de 10 %.being 10%.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-  Of course, the invention is not limited to the example described above.

dessus, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution à la portée de  above, but embraces all the variants of execution within the reach of

l'homme du métier.the skilled person.

Claims (8)

REVENDICATIONS 1. Lampe sans mercure à cathodes creuses froides (4) activées comportant un corps creux tubulaire (2) en verre dont l'intérieur est recouvert d'une poudre fluorescente, qui comporte à ses deux extrémités des électrodes à cathodes creuses froides (4) activées et qui est rempli d'un mélange de gaz rares, caractérisée en ce que le mélange de gaz rares comporte de 90 % à 99 % de néon et jusqu'à 1 % d'un gaz rare ou d'un mélange de gaz rares de blocage ou de complément, le reste étant constitué par du xénon, et les cathodes creuses froides (4) activées ont une couche active (6) comportant du fluorure de baryum (BaF2) ou un composé contenant un élément du groupe III B  1. Mercury-free lamp with activated cold hollow cathodes (4) comprising a tubular hollow body (2) made of glass, the interior of which is covered with a fluorescent powder, which has at its two ends electrodes with cold hollow cathodes (4) activated and which is filled with a mixture of rare gases, characterized in that the mixture of rare gases contains from 90% to 99% of neon and up to 1% of a rare gas or a mixture of rare gases blocking or complement, the remainder consisting of xenon, and the activated cold hollow cathodes (4) have an active layer (6) comprising barium fluoride (BaF2) or a compound containing an element of group III B de la Classification Périodique des Eléments.  of the Periodic Classification of the Elements. 2. Lampe sans mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément du groupe III B de la Classification Périodique des Eléments  2. mercury-free lamp according to claim 1, characterized in that the element of group III B of the Periodic Table of the Elements est pris parmi le scandium, I'yttrium et le lanthane.  is taken from scandium, yttrium and lanthanum. 3. Lampe sans mercure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le composé est choisi dans le groupe comprenant l'oxyde de lanthane (La203), I'hexaborure de lanthane (LaB6), I'oxyde de scandium (Sc203), un mélange d'oxyde de lanthane et d'oxyde de titane (La203. 2TiO3), un mélange d'oxyde mixte de baryum et de titane et d'oxyde d'yttrium (BaTiO3. Y203) et  3. Mercury-free lamp according to claim 1 or 2, characterized in that the compound is chosen from the group comprising lanthanum oxide (La203), lanthanum hexaboride (LaB6), scandium oxide (Sc203) , a mixture of lanthanum oxide and titanium oxide (La203. 2TiO3), a mixture of mixed barium oxide and titanium and yttrium oxide (BaTiO3. Y203) and leurs associations.their associations. 4. Lampe sans mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche active (6) comprend du fluorure de baryum (BaF2) ou un  4. mercury-free lamp according to claim 1, characterized in that the active layer (6) comprises barium fluoride (BaF2) or a mélange d'oxyde mixte de baryum et de titane et d'oxyde d'yttrium (BaTiO3.  mixture of mixed barium and titanium oxide and yttrium oxide (BaTiO3. Y203) en des proportions allant de 70 % à 30 % pour l'un et de 30 % à 70 %  Y203) in proportions ranging from 70% to 30% for one and from 30% to 70% pour l'autre.for the other. 5. Lampe sans mercure selon l'une quelconque des revendications  5. Mercury-free lamp according to any one of claims précédentes, caractérisée en ce que la pression du mélange de gaz rares est  previous, characterized in that the pressure of the mixture of rare gases is comprise entre 1 et 10 mbars.between 1 and 10 mbar. 6. Lampe sans mercure selon l'une quelconque des revendications  6. Mercury-free lamp according to any one of claims précédentes, caractérisée en ce que le ou les gaz rare(s) de blocage ou de complément sont choisis dans le groupe comprenant l'argon, le krypton, et  above, characterized in that the rare blocking or complement gas (s) are chosen from the group comprising argon, krypton, and l'hélium.  helium. 7. Lampe sans mercure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque cathode comporte un cylindre7. Mercury-free lamp according to any one of the preceding claims, characterized in that each cathode comprises a cylinder métallique (5) dont la face interne est recouverte de la couche active (6) , tandis qu'une gaine (7) tubulaire en céramique recouvre la face externe de ce cylindre.  metal (5) whose internal face is covered with the active layer (6), while a tubular sheath (7) in ceramic covers the external face of this cylinder. 8. Utilisation d'une lampe telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour un éclairage coloré décoratif ou dans une  8. Use of a lamp as defined in any one of claims 1 to 7, for decorative colored lighting or in a enseigne lumineuse.neon sign.
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