WO2014009414A1 - Lampe a decharge luminescente - Google Patents

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WO2014009414A1
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cathode
plasma
envelope
source
magnetic field
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PCT/EP2013/064583
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Ana Lacoste
Jacques Pelletier
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Joseph Fourier - Grenoble 1
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    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/4652—Radiofrequency discharges using inductive coupling means, e.g. coils

Definitions

  • the present invention relates to a glow discharge lamp and a lighting method that can be implemented in such a lamp.
  • glow discharge lamps the two main embodiments of which are commonly called “neon” tubes and compact fluorescent bulbs.
  • fluorescent lamps with electrodes are based on the emission of ultraviolet (UV) radiation generated in a linear tube (neon tube) or folded back on itself (fluorescent bulb) by a periodic discharge low frequency (by example 50 or 60 Hz), the UV being transformed into visible light by phosphors covering the inside of the tube.
  • UV ultraviolet
  • the gas mixtures generally used are mixtures of noble gases (mainly argon) inoculated with mercury, the active element whose main UV emission lines are at 254 nm (the largest line), 297 nm, 313 nm and 365 nm (UVA) (non-exhaustive list), wavelengths where the fluorescence yields, that is to say of conversion of the UV photons in visible light on the phosphors lining the inside of the lamps, are the highest.
  • noble gases mainly argon
  • UVA UVA
  • the plasma is obtained by applying a voltage between the two electrodes.
  • the most energetically efficient plasma production zone is constituted by the so-called positive column region R2 along which the axial electric field adjusts so that the average power transferred by the Electron electric field e for maintaining the plasma allows for exactly compensate the radial losses of the plasma on the walls along the positive column, so as to keep the discharge lit.
  • cathode region R1 In the region of the cathode (called cathode region R1), however, there is a very large voltage drop (more than two or three hundred volts) which accelerates the ions i of the discharge to the cathode, thus creating secondary electrons e 2 which, in turn, are injected into the high energy gas, thus allowing the ionization of the gas mixture.
  • anodic sheath the region R4 located in the vicinity of the anode, where the electrons at the edge of the positive column R2 are accelerated towards the anode.
  • the electrodes are inverted at each alternation.
  • the cathode region where the electrode is polarized very negatively relative to the anode, corresponds to a region where there is a great loss of energy, not usable for effective lighting.
  • the positive ions are accelerated with an energy of several hundred electron volts (eV) on the cathode, thus allowing the emission of secondary electrons, accelerated in opposite directions, which allow the ignition and the maintenance of the glow discharge and its positive column.
  • eV electron volts
  • the cathode region allows the ignition and then the maintenance of a glow discharge, it constitutes a region of high energy loss dissipated in the ion bombardment of the cathode.
  • glow discharge lamps have several drawbacks, among which a capricious ignition (especially at low temperature) of current lamps based on mixtures of rare gases ; the difficulty, if not the impossibility, of lighting discharges containing plasma gases other than rare gas mixtures; the degradation of the electrodes related to their ion bombardment (cathodic drop); reduced life expectancy, especially during frequently repeated extinguishing and lighting; the impossibility of controlling the lighting by a dimmer; the presence of mercury in the gas mixture, which poses a problem of toxicity and recycling.
  • An object of the invention is to provide a glow discharge lamp to prevent the loss of energy due to intense bombardment of the cathode (or more generally the electrodes in the case of the application of a periodic voltage).
  • Another object of the invention is to provide a glow discharge lamp which makes it possible to remedy, as far as possible, the other disadvantages and defects mentioned above.
  • a glow discharge lamp comprising:
  • a device for applying an electric field suitable for maintaining a plasma in the region of the so-called positive column envelope comprising two electrodes constituting an anode and a cathode located in the envelope, at each end of said envelope,
  • a source of microwave or radiofrequency cathode plasma arranged in the envelope relative to the electrode constituting the cathode so as to generate a high frequency discharge (that is to say, depending on the nature of the source, micro or radio frequency) located on the surface of said electrode to generate said plasma.
  • This source of cathodic plasma makes it possible to generate plasma without having to resort to a high cathodic drop to produce secondary electrons.
  • the lamp may be powered by a periodic voltage at 50 or 60 Hz, so that each electrode alternately constitutes the cathode and the anode according to the polarity of the applied voltage; the lamp may then comprise two alternating plasma sources located in the envelope with respect to each of the two electrodes so as to generate a high frequency discharge (radiofrequency or microwave depending on the nature of the source) located on the surface of each of said electrodes.
  • each source of cathodic plasma is an inductive radiofrequency source and the lamp further comprises a device for applying a static axial magnetic field at said plasma source;
  • each cathode plasma source is a microwave source and the lamp further comprises a device for applying a static magnetic field whose intensity is equal to the electron cyclotron resonance intensity (i.e. say the intensity for which the frequency of the microwave electric field is equal to the frequency of gyration of the electrons in the magnetic field) at said plasma source;
  • the lamp further comprises a device for applying a static axial magnetic field of decreasing intensity from the cathode to the positive column, said device for applying the axial magnetic field possibly comprising, for example, a solenoid wound around the source of cathodic plasma or permanent magnets delivering an axial magnetic field (at least on the axis of the tube);
  • the lamp further comprises a device for applying a static axial magnetic field along the positive column, said device for applying the static axial magnetic field may be a solenoid wound around the envelope.
  • the envelope is in the form of a straight tube.
  • the envelope is in the form of a spirally wound tube or any other geometric shape such as a circle or an oval.
  • Another object of the invention relates to a method of illumination by a glow discharge lamp, said lamp comprising an elongated envelope, transparent to illumination radiation and containing a plasmagenic gas, and two electrodes constituting an anode and a cathode located in the envelope, at each end of the envelope, said method being characterized in that it comprises:
  • microwave or radiofrequency cathodic plasma by means of a high frequency discharge (microwave or radiofrequency) located at the surface of the electrode constituting the cathode,
  • the voltage applied between the electrodes is advantageously a DC voltage or an AC voltage at 50 Hz or 60 Hz.
  • the applied voltage is an alternating voltage at 50 or 60 Hz; the cathodic plasma can then be alternately generated in the region of the one and the other electrode, namely the electrode constituting the cathode according to the polarity of the applied voltage.
  • the plasma is a radiofrequency plasma, that is to say generated at a frequency between 1 MHz and 100 MHz.
  • the plasma is a microwave plasma, that is to say generated at a frequency between 100 MHz and 5.8 GHz.
  • the pressure in the envelope does not exceed a few torr (i.e., less than 10 torr) and is preferably less than or equal to 1 torr (133 Pa).
  • FIG. 1 is a diagram of the distribution of the electric field in a neon tube lamp with conventional glow discharge
  • FIGS. 2A and 2B illustrate two embodiments of the envelope, forming part of a neon tube and a compact fluorescent bulb, respectively;
  • FIG. 3 is a diagram of the distribution of the electric field in a glow discharge neon tube type lamp according to the invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a glow discharge lamp according to a first embodiment of the invention, in which the cathodic plasma is excited by radiofrequency
  • FIG. 5 is a block diagram of a glow discharge lamp according to a second embodiment of the invention, in which the cathode plasma is excited by microwaves
  • FIG. 6 schematically illustrates an embodiment in which, in the region where the radiofrequency cathodic plasma is generated, a static axial magnetic field is provided for providing a helical coupling mode
  • FIG. 7 schematically illustrates an applicator. a microwave cathode plasma which furthermore makes it possible to apply a static magnetic field providing a mode of coupling to the electronic cyclotron resonance
  • FIG. 8 schematically illustrates an embodiment in which, in the region where the cathode plasma is generated, a decreasing static magnetic field gradient from the cathode to the positive column is applied,
  • Figure 9 schematically illustrates an embodiment in which a conductive solenoid is wound all along the positive column to apply a static axial magnetic field thereon.
  • the lamp comprises an elongated envelope containing a plasma gas.
  • the envelope is transparent to the illumination radiation, which may be ultraviolet or visible radiation.
  • the inner wall of the envelope may be at least partly covered with phosphors capable of converting the ultraviolet radiation provided by the glow discharge into visible radiation.
  • elongated is meant that the casing has a larger dimension in a direction, said axial direction, than in the two orthogonal directions, which define a radial direction.
  • Two electrodes are disposed in the envelope, at each end of said envelope, said ends being opposite to each other in the axial direction.
  • the electrodes are connected to a continuous or alternating voltage source U at 50 or 60 Hz.
  • the envelope may have a substantially constant section in the axial direction.
  • said envelope may have the general shape of a tube.
  • the envelope may be linear, that is to say it is substantially rectilinear in the axial direction.
  • the envelope may form a turn (to form a circular or oval lamp) or a number of turns, as in the case of so-called "compact fluorescent" bulbs.
  • FIG. 2B An example of such a bulb is shown in Figure 2B.
  • envelope may be arranged in any other form without departing from the scope of the invention.
  • the plasma gas may be any gas or gas mixture used for illumination.
  • the plasma gas may be a mixture of noble gases (mainly argon) seeded with mercury, the active element whose main UV emission lines are at 254 nm (the largest line), 297 nm, 313 nm and 365 nm (UVA) (non-exhaustive list).
  • the choice of gases and active elements is carried out so that the fluorescence yields, that is to say the conversion of UV photons. in visible light on the phosphors lining the inside of the envelope, are the highest.
  • a suitable voltage is applied between the two electrodes to generate a discharge in the plasma gas and thereby generate the plasma.
  • the invention proposes to replace the cathodic drop zone present in the conventional lamps by a cathode plasma source adapted to generate the plasma in a localized manner at the surface of the cathode and to apply between the two electrodes a voltage suitable for apply an axial electric field sufficient to maintain the plasma thus generated in the positive column.
  • the source of cathodic plasma is, like the electrodes, arranged in the envelope.
  • the cathode plasma source may be a source of the microwave type or of the inductive radiofrequency (RF) type.
  • RF radiofrequency
  • each electrode alternately constitutes the cathode or the anode according to the polarity of the applied voltage.
  • the invention proposes, in a preferred embodiment of the invention, to use two sources of cathodic plasma placed at each of the two electrodes so as to alternately generate a high frequency discharge on the surface of the electrode which constitutes the cathode.
  • the invention makes it possible to reduce the power required for discharging and maintaining it with respect to known glow discharges.
  • the cathode plasma source can be a source of low power, namely of the order of a watt, that is to say a fraction of a watt to a few watts (depending on the section of the lamp , for example for 1 cm 2 ).
  • the invention provides a gain of a factor of the order of 2 to 4 on the power required to maintain the discharge compared to current glow discharges.
  • FIG. 3 illustrates the distribution of the electric field E along a DC glow discharge obtained using a cathode plasma source as described above.
  • the cathode drop R1 and the negative glow R3 observed in FIG. 1 are replaced by a source of cathodic plasma R1 having a greatly reduced cathodic drop with respect to the cathode drop R1 of FIG. are the electrons of the cathodic plasma that are injected into the positive column (the generation of the plasma in the positive column therefore no longer requires secondary electrons produced from the cathode drop).
  • the electric field within the cathodic plasma is very small, and, on the other hand, the electric field in the cathode drop of the cathode plasma R1 is decreased by a significant factor (greater than one factor 2 to 4) with respect to the electric field encountered, in this same region, in the case illustrated in FIG.
  • the anode jacket R4 is unchanged.
  • the invention makes it possible in the first place to considerably reduce the energy losses due to the ion bombardment of the cathodes in the current glow discharges.
  • the invention overcomes most of the disadvantages of current glow discharges.
  • the invention provides a very long lifetime of glow discharge lamps, sputtering the electrodes by ion bombardment being avoided.
  • the lamps according to the invention can operate under extended operating conditions, in terms of the frequency of the electromagnetic wave, power, pressure and nature of the gas, in connection with those of the cathode plasma source.
  • the invention also allows operation of the lamp under extreme conditions.
  • the cathode plasma source is able to ignite immediately. It allows an immediate ignition of the glow discharge.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the invention in which the glow discharge is initiated from an inductive RF type plasma produced by a source 3 on the surface of one of the electrodes acting as a cathode (in FIG. the example illustrated, it is the electrode E1).
  • the glow discharge is maintained by the application of a voltage U between the electrodes E1 and E2.
  • the applied voltage may be continuous or periodic (for example at 50 or 60 Hz).
  • inductive RF plasmas are generated at frequencies that can cover the range of the order of the MHz to the hundred MHz, and in particular to ISM frequencies (industrial, scientific, medical) such as 13.56 MHz, 27.12 MHz or 40.68 MHz and with very varied antenna geometries, well known in the state of the art of inductive plasmas.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of the invention, in which the glow discharge is initiated from a microwave plasma produced by a source 3 on the surface of one of the electrodes acting as a cathode ( in the example illustrated, it is the electrode E1).
  • Said source 3 may be a cavity containing an antenna, or a coaxial structure formed of a central conductive core and an outer conductor defining a microwaves propagation volume.
  • the glow discharge is maintained by the application of a voltage U between the electrodes E1 and E2.
  • the applied voltage may be continuous or periodic (for example at 50 or 60 Hz).
  • microwave plasmas can be generated at frequencies ranging from about 100 MHz to a few GHz, and in particular at ISM frequencies of 433 MHz, 2.45 GHz or even 5.80 GHz.
  • a number of improvements according to the invention can be provided by the use of magnetic fields, either at the plasma source or sources, or at the level of the positive column.
  • This helical coupling mode derives from the assumed propagation mode of the wave in the presence of a magnetic field [4].
  • This helical mode makes it possible to achieve higher densities at a given RF power due, on the one hand, to the confinement due to the magnetic field, and, on the other hand, to the very efficient coupling mode of the RF power to the plasma.
  • a static axial magnetic field B is applied to the surface of the inductive RF type plasma source 3 so as to obtain a coupling according to the mode W.
  • the intensity of such a magnetic field is of the order of a hundred gauss.
  • This magnetic field can be obtained, in a manner known per se, from permanent magnets, and / or from magnetic or solenoid coils.
  • the magnetic field is provided by a permanent magnet 4 with axial magnetization placed in the vicinity of the cathode.
  • This embodiment relates to microwave-type plasma sources which, in the presence of a static magnetic field, can operate in a resonant coupling mode called electron cyclotron resonance (ECR).
  • ECR electron cyclotron resonance
  • the intensity of the magnetic field B 0 necessary for the ECR coupling is therefore:
  • m e is the mass of the electron and its charge.
  • a static magnetic field of intensity equal to the resonance value B 0 is applied at the level of the plasma source so as to obtain the ECR coupling mode.
  • This intensity of the static magnetic field can be obtained from magnetic or solenoid coils and / or from permanent magnets.
  • conventional permanent magnets samarium-cobalt or barium ferrite and strontium can provide the magnetic field strength required for ECR coupling.
  • the intensity of the required resonance magnetic field is lower.
  • B 0 0.0155 tesla at 433 MHz.
  • the applied magnetic field is axial.
  • the plasma source is a coaxial microwave applicator comprising a central core 30 and an outer conductor 31 separated by a microwave propagation volume 32, which further comprises:
  • a cylindrical permanent magnet 33 arranged at the end of the central core 30 and whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator; said magnet 33 preferably has a radius substantially identical to that of the central core (concretely, said magnet may have a radius slightly less than that of the central core and be housed in a cylindrical housing provided at the end of the central soul);
  • An annular magnet 34 arranged at the end of the outer conductor 31 of the coaxial assembly and whose magnetization direction is parallel to the axis of the applicator and in the same direction as that of the cylindrical magnet.
  • the set of magnets arranged at the end of the applicator has the same sense of magnetization.
  • said annular magnet 34 has an inner radius equal to that of the outer conductor 31, which corresponds to the outer radius of the annular volume 32 of propagation of microwaves, noted R (concretely, said magnet 34 may have a slightly greater inner radius to that of the outer conductor and an outer radius slightly less than that of the outer conductor and be housed in an annular housing provided at the end of the outer conductor).
  • the magnets 33, 34 can be made integral with the coaxial assembly by any appropriate means.
  • the magnetization of the cylindrical magnet 33 and the annular magnet 34 is chosen so as to form a magnetic field capable of providing, in a zone distant from the exit plane of the applicator, an electron cyclotron resonance coupling with the Microwave electric field generated by the applicator.
  • the cylindrical magnet 33 and the annular magnet 34 make it possible to generate magnetic field lines which pass through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the axis of the applicator. This effect can be obtained by a judicious choice of the outer radius and the magnetization of the annular magnet 34.
  • the electron cyclotron resonance zone is delimited, in the radial direction, by the zone in which the microwave electric field is the strongest, the use of an annular magnet whose outside radius is much greater than the radius of this zone makes it possible to obtain an ECR zone substantially parallel to the exit plane of the applicator.
  • This zone of strong electric field is considered to extend over a radius of the order of twice the radius R of the applicator.
  • the annular magnet has an outer radius greater than the radius of the strong electric field area, the ECR area is substantially parallel to the exit plane of the applicator over its entire radius 2R range.
  • the field lines starting from the pole located at the exit plane of the applicator to reach the opposite pole remain substantially parallel to the axis of the applicator during their crossing of the ECR area of radius 2R, including the periphery of this zone.
  • the annular magnet has the effect of "straightening" the field lines at the periphery of the ECR area.
  • a static axial magnetic field is applied in the region R1 of the plasma source or sources according to an amplitude which, in the source zone, decreases continuously from the cathode to the column positive.
  • Such a static magnetic field may be generated, for example, by a solenoid 5 whose turns are spaced apart from an increasing pitch from the cathode to the positive column.
  • the current flowing in said solenoid can be, for example, provided by the supply current of the transistors of the plasma source or sources. It is therefore a continuous current.
  • accelerated electrons in the plasma source convert in the magnetic field gradient the rotation speed acquired at the source in translational speed towards the positive column due to the conservation of the magnetic moment of the electron along its trajectory (first adiabatic invariant).
  • the ions are driven by the electrons so that the plasma produced in the plasma source (s) at the cathode is "injected" to the positive column.
  • This embodiment applies to both microwave and RF plasma sources.
  • the solenoid 5 is advantageously placed outside the plasma and surrounding the source 3 of cathode plasma, it also performs the function of electromagnetic shielding vis-à-vis the microwave or RF waves.
  • a source 3 of RF plasma has been placed in the region of each electrode and a solenoid 5 around each of these sources but it goes without saying that this embodiment can be implemented with a single source of cathodic plasma and a single solenoid surrounding it.
  • a static axial magnetic field is applied along the positive column so as to reduce the radial losses along the positive column, and thus improve the overall energy efficiency of the glow discharge.
  • this static magnetic field can be obtained by a direct current flowing in a solenoid-type conductive winding 6 surrounding the glow discharge over its entire length.
  • the solenoid 6 is wound outside the tube 1, inside a tube 7 transparent to the emitted radiation which contains the tube 1.
  • the solenoid 6 is electrically isolated, it can be placed inside the tube 1, in the vicinity of its inner wall.
  • the direct current flowing in the winding can for example be provided by the supply current of the transistors of the plasma sources at the ends of the glow discharge.
  • the conductive winding can also, in addition, if necessary, shield the electromagnetic waves emitted by certain plasma sources.
  • a source 3 of RF plasma has been placed in the region of a single electrode (E1) but it goes without saying that this embodiment can be implemented with two sources of cathode plasma.

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Abstract

L'invention concerne une lampe à décharge luminescente comprenant : -une enveloppe (1) allongée, transparente à un rayonnement d'éclairement et contenant un gaz plasmagène (2), -un dispositif d'application d'un champ électrique propre au maintien d'un plasma dans la région (R2) de l'enveloppe dite colonne positive, comprenant deux électrodes (E1, E2) constituant une anode et une cathode situées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de ladite enveloppe (1), -une source (3) de plasma cathodique micro-onde ou radiofréquence agencée dans l'enveloppe par rapport à l'électrode constituant la cathode desorte à générer une décharge haute fréquence localisée à la surface de ladite électrode pour générer ledit plasma. L'invention concerne également un procédé d'éclairage par une telle lampe à décharge luminescente.

Description

LAMPE A DECHARGE LUMINESCENTE DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une lampe à décharge luminescente et un procédé d'éclairage pouvant être mis en œuvre dans une telle lampe.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Dans le cadre des économies d'énergie pour la lutte contre le réchauffement climatique, différents types de lampes dites à basse consommation ont été développées afin de remplacer les lampes à incandescence dont plus de 90 % de l'énergie consommée n'est pas convertie en lumière.
Parmi les nouveaux types de lampes à basse consommation présentes sur le marché, il faut citer principalement les lampes à décharge luminescente, dont les deux principaux modes de réalisation sont appelés communément tubes "néon" et ampoules fluo-compactes.
De manière générale, les lampes fluorescentes à électrodes sont basées sur l'émission de rayons ultraviolets (UV) générés dans un tube linéaire (tube néon) ou replié sur lui-même (ampoule fluo-compacte) par une décharge périodique basse fréquence (par exemple 50 ou 60 Hz), les UV étant transformés en lumière visible par des luminophores couvrant l'intérieur du tube.
Les mélanges de gaz généralement utilisés sont des mélanges de gaz rares (argon principalement) ensemencés de mercure, élément actif dont les principales raies d'émission UV se situent à 254 nm (raie la plus importante), 297 nm, 313 nm et 365 nm (UVA) (liste non exhaustive), longueurs d'onde où les rendements de fluorescence, c'est- à-dire de conversion des photons UV en lumière visible sur les luminophores qui tapissent l'intérieur des lampes, sont les plus élevés.
Les lampes à décharge luminescente comportent deux électrodes (anode et cathode) situées à l'extrémité d'un tube scellé rempli d'un mélange de gaz (gaz rares et mercure) sous pression réduite, de l'ordre du mbar ou du torr (1 torr = 133 pascal).
Le plasma est obtenu en appliquant une tension entre les deux électrodes.
La figure 1 illustre la répartition du champ électrique E le long d'une décharge luminescente à courant continu, l'axe des abscisses s'étendant de la cathode (z = 0) vers l'anode (z = L, longueur du tube).
Dans une telle décharge, la zone de production de plasma la plus efficace du point de vue énergétique est constituée par la région R2 dite colonne positive le long de laquelle le champ électrique axial s'ajuste de manière à ce que la puissance moyenne cédée par le champ électrique aux électrons e pour le maintien du plasma permette de compenser exactement les pertes radiales du plasma sur les parois le long de la colonne positive, et ce, de manière à maintenir la décharge allumée.
Dans la région de la cathode (appelée région cathodique R1 ), il apparaît en revanche une très forte chute de tension (plus de deux ou trois centaines de volts) qui permet d'accélérer les ions i de la décharge vers la cathode, créant ainsi des électrons secondaires e2 qui, à leur tour, sont injectés dans le gaz à forte énergie, permettant ainsi l'ionisation du mélange de gaz.
Une région R3 dite de lueur négative, où le champ électrique est pratiquement nul et qui constitue un espace de diffusion pour le plasma et de glissement pour les électrons secondaires non encore thermalisés, est située entre la région cathodique R1 et la colonne positive R2.
Enfin, la région R4 située au voisinage de l'anode, où les électrons en lisière de la colonne positive R2 sont accélérés vers l'anode, est dite gaine anodique.
Dans le cas d'une tension alternative à 50 ou 60 Hz, les électrodes sont inversées à chaque alternance.
Si l'on considère une décharge luminescente, la région cathodique, où l'électrode est polarisée très négativement par rapport à l'anode, correspond à une région où se produit une grande déperdition d'énergie, non utilisable pour un éclairage efficace.
En effet, dans cette région, les ions positifs sont accélérés avec une énergie de plusieurs centaines d'électronvolts (eV) sur la cathode, permettant ainsi l'émission d'électrons secondaires, accélérés en sens inverse, qui permettent l'allumage et l'entretien de la décharge luminescente et de sa colonne positive.
La conséquence est que la différence de tension entre anode et cathode se retrouve en grande partie dans la région de la cathode (chute cathodique).
En d'autres termes, si la région cathodique permet l'allumage puis l'entretien d'une décharge luminescente, elle constitue une région de forte déperdition d'énergie dissipée dans le bombardement ionique de la cathode.
En dehors de cet inconvénient majeur en termes de rendement énergétique, les lampes à décharge luminescente (néons ou ampoules fluo-compactes) présentent plusieurs inconvénients, parmi lesquels un allumage capricieux (surtout à basse température) des lampes actuelles à base de mélanges de gaz rares ; la difficulté, voire l'impossibilité, d'allumer des décharges contenant des gaz plasmagènes autres que les mélanges de gaz rares ; la dégradation des électrodes liée à leur bombardement ionique (chute cathodique) ; une durée de vie réduite, en particulier lors d'extinctions et d'allumages fréquemment répétés ; l'impossibilité de contrôler l'éclairage par un variateur ; la présence de mercure dans le mélange de gaz, qui pose un problème de toxicité et de recyclage. Un but de l'invention est de proposer une lampe à décharge luminescente permettant d'éviter la déperdition d'énergie liée au bombardement intense de la cathode (ou plus généralement des électrodes dans le cas de l'application d'une tension périodique).
L'amélioration du rendement des lampes à décharge luminescente constitue en effet l'un des défis majeurs à relever afin de réduire de façon significative la consommation électrique mondiale destinée à l'éclairage, et qui correspond à l'heure actuelle à 16 % de la production d'électricité.
Un autre but de l'invention est de procurer une lampe à décharge luminescente qui permette de remédier dans la mesure du possible aux autres inconvénients et défauts mentionnés ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Conformément à l'invention, il est proposé une lampe à décharge luminescente comprenant :
- une enveloppe allongée, transparente à un rayonnement d'éclairement et contenant un gaz plasmagène,
- un dispositif d'application d'un champ électrique propre au maintien d'un plasma dans la région de l'enveloppe dite colonne positive, c'est-à-dire la région dans laquelle le champ électrique axial est constant, comprenant deux électrodes constituant une anode et une cathode situées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de ladite enveloppe,
- une source de plasma cathodique micro-onde ou radiofréquence agencée dans l'enveloppe par rapport à l'électrode constituant la cathode de sorte à générer une décharge haute fréquence (c'est-à-dire, selon la nature de la source, micro-onde ou radiofréquence) localisée à la surface de ladite électrode pour générer ledit plasma.
C'est à partir de ce plasma cathodique, généré à la surface de la cathode, que les électrons sont injectés dans la colonne positive.
Cette source de plasma cathodique permet de générer du plasma sans avoir besoin de recourir à une chute cathodique élevée pour produire des électrons secondaires.
Selon une forme d'exécution, la lampe peut être alimentée par une tension périodique à 50 ou 60 Hz, de sorte que chaque électrode constitue alternativement la cathode et l'anode selon la polarité de la tension appliquée ; la lampe peut alors comprendre deux sources de plasma alternées situées dans l'enveloppe par rapport à chacune des deux électrodes de sorte à générer une décharge haute fréquence (radiofréquence ou micro-onde selon la nature de la source) localisée à la surface de chacune desdites électrodes. Selon certains modes de réalisation, dans lesquels la pression dans l'enveloppe ne dépasse pas quelques torrs (c'est-à-dire inférieure à 10 torrs) et, de préférence, est inférieure ou égale à 1 torr (1 torr = 133 Pa) :
- chaque source de plasma cathodique est une source radiofréquence inductive et la lampe comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique axial statique au niveau de ladite source de plasma ;
- chaque source de plasma cathodique est une source micro-onde et la lampe comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique statique dont l'intensité est égale à l'intensité de résonance cyclotronique électronique (c'est-à-dire l'intensité pour laquelle la fréquence du champ électrique micro-onde est égale à la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique) au niveau de ladite source de plasma ;
- la lampe comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique axial statique d'intensité décroissante de la cathode vers la colonne positive, ledit dispositif d'application du champ magnétique axial pouvant comprendre, par exemple, un solénoïde enroulé autour de la source de plasma cathodique ou des aimants permanents délivrant un champ magnétique axial (au moins sur l'axe du tube) ;
- la lampe comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique axial statique le long de la colonne positive, ledit dispositif d'application du champ magnétique axial statique pouvant être un solénoïde enroulé autour de l'enveloppe.
Selon une forme d'exécution, l'enveloppe se présente sous la forme d'un tube droit. De manière alternative, l'enveloppe se présente sous la forme d'un tube enroulé selon une spirale ou toute autre forme géométrique comme par exemple un cercle ou un ovale.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé d'éclairage par une lampe à décharge luminescente, ladite lampe comprenant une enveloppe allongée, transparente à un rayonnement d'éclairement et contenant un gaz plasmagène, et deux électrodes constituant une anode et une cathode situées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de l'enveloppe, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- la génération d'un plasma cathodique micro-onde ou radiofréquence au moyen d'une décharge haute fréquence (micro-onde ou radiofréquence) localisée à la surface de l'électrode constituant la cathode,
- l'application, entre l'anode et la cathode, d'une tension adaptée pour appliquer un champ électrique axial de maintien du plasma dans la région de l'enveloppe dite colonne positive.
La tension appliquée entre les électrodes est avantageusement une tension continue ou une tension alternative à 50 Hz ou 60 Hz. Selon un mode de réalisation, la tension appliquée est une tension alternative à 50 ou 60 Hz ; on peut alors générer le plasma cathodique alternativement dans la région de l'une et de l'autre électrode, à savoir l'électrode constituant la cathode selon la polarité de la tension appliquée.
Par ailleurs, on peut appliquer en outre au niveau de la cathode, à la surface de laquelle le plasma cathodique est généré, un champ magnétique axial statique dont l'intensité décroît de la cathode vers la colonne positive.
D'autre part, on peut également appliquer le long de la colonne positive un champ magnétique axial statique.
Selon un mode de réalisation, le plasma est un plasma radiofréquence, c'est-à-dire généré à une fréquence comprise entre 1 MHz et 100 MHz.
On peut alors appliquer un champ magnétique axial statique au niveau de la cathode, à la surface de laquelle le plasma cathodique est généré, de sorte à obtenir un couplage selon un mode hélicoïdal.
Selon un autre mode de réalisation, le plasma est un plasma micro-onde, c'est-à- dire généré à une fréquence comprise entre 100 MHz et 5,8 GHz.
On peut alors appliquer en outre un champ magnétique statique dont l'intensité est égale à l'intensité de résonance cyclotronique électronique au niveau de la cathode, à la surface de laquelle le plasma est généré, de sorte à obtenir un couplage à la résonance cyclotronique électronique.
De manière avantageuse, la pression dans l'enveloppe ne dépasse pas quelques torrs (c'est-à-dire inférieure à 10 torrs) et, de préférence, est inférieure ou égale à 1 torr (133 Pa). BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est un schéma de la répartition du champ électrique dans une lampe de type tube néon à décharge luminescente conventionnelle à courant continu,
- les figures 2A et 2B illustrent deux formes d'exécution de l'enveloppe, faisant respectivement partie d'un tube néon et d'une ampoule fluocompacte,
la figure 3 est un schéma de la répartition du champ électrique dans une lampe de type tube néon à décharge luminescente selon l'invention,
la figure 4 est un schéma de principe d'une lampe à décharge luminescente selon un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel le plasma cathodique est excité en radiofréquence, la figure 5 est un schéma de principe d'une lampe à décharge luminescente selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, dans lequel le plasma cathodique est excité par micro-ondes,
la figure 6 illustre de manière schématique un mode de réalisation dans lequel on applique, dans la région où le plasma cathodique radiofréquence est généré, un champ magnétique axial statique destiné à procurer un mode de couplage hélicoïdal, la figure 7 illustre de manière schématique un applicateur plasma cathodique micro-onde permettant en outre d'appliquer un champ magnétique statique procurant un mode de couplage à la résonance cyclotronique électronique,
- la figure 8 illustre de manière schématique un mode de réalisation dans lequel on applique, dans la région où le plasma cathodique est généré, un gradient de champ magnétique statique décroissant de la cathode vers la colonne positive,
la figure 9 illustre de manière schématique un mode de réalisation dans lequel un solénoïde conducteur est enroulé tout le long de la colonne positive pour y appliquer un champ magnétique axial statique.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
D'une manière générale, la lampe comprend une enveloppe allongée contenant un gaz plasmagène.
L'enveloppe est transparente au rayonnement d'éclairement, qui peut être un rayonnement ultraviolet ou visible.
Le cas échéant, la paroi intérieure de l'enveloppe peut être au moins en partie recouverte de luminophores aptes à convertir le rayonnement ultraviolet procuré par la décharge luminescente en rayonnement visible.
L'homme du métier est à même de sélectionner le matériau de l'enveloppe et, le cas échéant, les luminophores, appropriés pour permettre la transmission vers l'extérieur de l'enveloppe du rayonnement d'éclairement que la lampe doit fournir.
Par « allongée » on entend le fait que l'enveloppe présente une dimension plus grande dans une direction, dite direction axiale, que dans les deux directions orthogonales, qui définissent une direction radiale.
Deux électrodes sont disposées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de ladite enveloppe, lesdites extrémités étant opposées l'une par rapport à l'autre selon la direction axiale.
Lesdites électrodes sont reliées à une source de tension U continue ou alternative à 50 ou 60 Hz.
L'enveloppe peut présenter une section sensiblement constante selon la direction axiale.
Ainsi, ladite enveloppe peut présenter la forme générale d'un tube. L'enveloppe peut être linéaire, c'est-à-dire qu'elle est sensiblement rectiligne selon la direction axiale.
Tel est le cas des lampes qualifiées dans le langage courant de « tubes néon ».
Un exemple d'une telle enveloppe est illustré à la figure 2A.
De manière alternative, l'enveloppe peut former une spire (pour former une lampe circulaire ou ovale) ou un certain nombre de spires, comme dans le cas des ampoules dites « fluocompactes ».
Un exemple d'une telle ampoule est illustré à la figure 2B.
Naturellement, l'enveloppe pourra être agencée selon toute autre forme sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Dans le cas où l'enveloppe n'est pas linéaire, lorsque l'on parle de « direction axiale » on entend la direction de la courbe moyenne de l'enveloppe.
Le gaz plasmagène peut être tout gaz ou mélange de gaz utilisé pour l'éclairage. Ainsi, de manière connue en elle-même, le gaz plasmagène peut être un mélange de gaz rares (argon principalement) ensemencés de mercure, élément actif dont les principales raies d'émission UV se situent à 254 nm (raie la plus importante), 297 nm, 313 nm et 365 nm (UVA) (liste non exhaustive).
Le choix du ou des gaz et des éventuels éléments actifs est effectué par l'homme du métier en fonction des longueurs d'onde où l'émission est la plus importante selon le rayonnement d'éclairement (UV ou visible) recherché.
Notamment, pour optimiser la transmission d'un rayonnement visible à partir de l'émission de photons UV, le choix des gaz et éléments actifs est effectué de sorte que les rendements de fluorescence, c'est-à-dire de conversion des photons UV en lumière visible sur les luminophores qui tapissent l'intérieur de l'enveloppe, sont les plus élevés.
Dans les lampes conventionnelles, on applique entre les deux électrodes une tension appropriée pour générer une décharge dans le gaz plasmagène et ainsi générer le plasma.
L'invention propose de remplacer la zone de chute cathodique présente dans les lampes conventionnelles par une source de plasma cathodique adaptée pour générer le plasma de manière localisée au niveau de la surface de la cathode et d'appliquer entre les deux électrodes une tension appropriée pour appliquer un champ électrique axial suffisant pour entretenir le plasma ainsi généré dans la colonne positive.
La source de plasma cathodique est, tout comme les électrodes, agencée dans l'enveloppe.
La source de plasma cathodique peut être une source de type micro-onde ou de type radiofréquence (RF) inductif. Dans le cas d'une lampe alimentée par une tension périodique (50 ou 60 Hz par exemple), chaque électrode constitue alternativement la cathode ou l'anode selon la polarité de la tension appliquée.
Dans ce cas, l'invention propose, dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, d'employer deux sources de plasma cathodique placées au niveau de chacune des deux électrodes de sorte à générer alternativement une décharge haute fréquence à la surface de l'électrode qui constitue la cathode.
Néanmoins, en fonction d'un compromis coût/efficacité à respecter, il est possible de ne placer une source de plasma qu'au niveau d'une seule électrode.
L'invention permet de diminuer la puissance nécessaire à la décharge et au maintien de celle-ci par rapport aux décharges luminescentes connues.
En effet, la source de plasma cathodique peut être une source de faible puissance, à savoir de l'ordre du watt, c'est-à-dire d'une fraction de watt à quelques watts (en fonction de la section de la lampe, par exemple pour 1 cm2).
Par ailleurs, en utilisant une source de plasma cathodique au niveau de la cathode, on évite le bombardement de la cathode et la déperdition énergétique associée.
Ainsi, on peut estimer que l'invention procure un gain d'un facteur de l'ordre de 2 à 4 sur la puissance nécessaire au maintien de la décharge par rapport aux décharges luminescentes actuelles.
A titre de comparaison avec la figure 1 , la figure 3 illustre la répartition du champ électrique E le long d'une décharge luminescente à courant continu obtenue en utilisant une source de plasma cathodique telle que décrite ci-dessus.
L'axe des abscisses s'étend de la cathode (z = 0) vers l'anode (z = L, longueur du tube) ; l'axe des ordonnées est à la même échelle que celui de la figure 1 .
Dans cette configuration selon l'invention, la chute cathodique R1 et la lueur négative R3 observées sur la figure 1 sont remplacées par une source de plasma cathodique R1 présentant une chute cathodique fortement réduite par rapport à la chute cathodique R1 de la figure 1 puisque ce sont les électrons du plasma cathodique qui sont injectés dans la colonne positive (la génération du plasma dans la colonne positive ne nécessite donc plus d'électrons secondaires produits à partir de la chute cathodique).
Dans ce cas, d'une part, le champ électrique au sein du plasma cathodique est très faible, et, d'autre part, le champ électrique dans la chute cathodique du plasma cathodique R1 est diminué d'un facteur important (supérieur à un facteur 2 à 4) par rapport au champ électrique rencontré, dans cette même région, dans le cas illustré à la figure 1 .
Par ailleurs, la région de lueur négative (R3 sur la figure 1 ) n'apparaît plus, la colonne positive R2 s'étendant jusqu'à la source de plasma cathodique R1 (en effet, sur la figure 3, on n'observe pas de discontinuité apparente entre la source de plasma cathodique et la colonne positive comme c'est le cas en présence d'une lueur négative).
La gaine anodique R4 est quant à elle inchangée.
L'invention permet en premier lieu de réduire considérablement les pertes en énergie dues au bombardement ionique des cathodes dans les décharges luminescentes actuelles.
En outre, l'invention permet de remédier à la plupart des inconvénients des décharges luminescentes actuelles.
En effet, l'invention procure une durée de vie très grande des lampes à décharge luminescente, la pulvérisation des électrodes par bombardement ionique étant évitée.
Par ailleurs, les lampes selon l'invention peuvent fonctionner dans des conditions opératoires étendues, en termes de fréquence de l'onde électromagnétique, de puissance, de pression et de nature du gaz, en lien avec celles de la source de plasma cathodique.
II devient alors possible d'utiliser un gaz plasmagène dépourvu de mercure, ce qui élimine sa nocivité et facilite le recyclage de la lampe.
L'invention permet également un fonctionnement de la lampe dans des conditions extrêmes.
D'autre part, grâce à la vaste gamme de modes de couplage possibles et la possibilité de modulation par impulsions, la source de plasma cathodique est apte à s'allumer immédiatement. Elle permet donc un allumage immédiat de la décharge luminescente.
Par ailleurs, l'utilisation d'un variateur de puissance est possible avec une lampe selon l'invention.
Enfin, certaines sources de plasma micro-onde permettent de limiter le rayonnement, l'absorption des micro-ondes ayant lieu à la sortie immédiate de l'applicateur et l'allumage étant immédiat. Sinon, il est impératif d'utiliser un blindage électromagnétique.
La figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel la décharge luminescente est initiée à partir d'un plasma de type RF inductif produit par une source 3 à la surface de l'une des électrodes jouant le rôle de cathode (dans l'exemple illustré, il s'agit de l'électrode E1 ).
Par ailleurs, la décharge luminescente est entretenue par l'application d'une tension U entre les électrodes E1 et E2.
Comme indiqué plus haut, la tension appliquée peut être continue ou périodique (par exemple à 50 ou 60 Hz).
Typiquement, les plasmas RF dits "inductifs" sont générés à des fréquences pouvant couvrir le domaine de l'ordre du MHz à la centaine de MHz, et en particulier aux fréquences ISM (industriel, scientifique, médical) comme 13,56 MHz, 27,12 MHz ou 40,68 MHz et avec des géométries d'antenne très variées, bien connues dans l'état de l'art des plasmas inductifs.
La figure 5 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel la décharge luminescente est initiée à partir d'un plasma micro-onde produit par une source 3 à la surface de l'une des électrodes jouant le rôle de cathode (dans l'exemple illustré, il s'agit de l'électrode E1 ).
Ladite source 3 peut être une cavité contenant une antenne, ou encore une structure coaxiale formée d'une âme conductrice centrale et d'un conducteur externe délimitant un volume de propagation des micro-ondes.
Par ailleurs, la décharge luminescente est entretenue par l'application d'une tension U entre les électrodes E1 et E2.
Comme indiqué plus haut, la tension appliquée peut être continue ou périodique (par exemple à 50 ou 60 Hz).
Les plasmas dits "micro-onde" peuvent être générés à des fréquences pouvant aller de la centaine de MHz à quelques GHz, et en particulier aux fréquences ISM de 433 MHz, 2,45 GHz, voire 5,80 GHz.
Dans l'exemple illustré à la figure 5, où le plasma est généré dans une cavité λ/4 de type Evenson [1], la miniaturisation de la source impose d'opérer à des fréquences élevées (2,45 ou 5,80 GHz).
Par contre, aux fréquences micro-onde plus basses, il est possible d'opérer avec des sources de type applicateur coaxial (voir par exemple références [2]-[3]) où la puissance micro-onde est absorbée en sortie immédiate de l'applicateur, ou encore avec des sources de plasma à onde de surface.
Un certain nombre de perfectionnements selon l'invention peuvent être apportés par l'utilisation de champs magnétiques, soit au niveau de la ou des sources de plasma, soit au niveau de la colonne positive.
Ces perfectionnements impliquent d'opérer à des pressions qui ne dépassent pas quelques torrs (c'est-à-dire inférieures à 10 torrs), et, de préférence, inférieures au torr (1 torr = 133 pascal), domaine de pression où la fréquence v de collision électronique dans le plasma devient inférieure à la fréquence cyclotronique ooce des électrons dans le champ magnétique (v < ooCe).
En effet, dans le cas contraire, l'effet du champ magnétique serait très amorti par les collisions.
Source RF en mode de couplage hélicoïdal
Ce mode de réalisation concerne les sources de plasma de type RF inductif qui peuvent opérer selon différents modes de couplage appelés respectivement :
- le mode E ou mode électrostatique à basse densité ; - le mode H ou mode inductif à haute densité, et
- le mode W ou mode hélicoïdal en présence d'un champ magnétique axial appliqué à la décharge.
Le nom de ce mode de couplage hélicoïdal dérive du mode de propagation supposé de l'onde en présence de champ magnétique [4].
Ce mode hélicoïdal permet d'atteindre des densités plus élevées à puissance RF donnée en raison, d'une part, du confinement dû au champ magnétique, et, d'autre part, du mode de couplage très efficace de la puissance RF au plasma.
Selon ce mode de réalisation, illustré à la figure 6, on applique un champ magnétique axial statique B à la surface de la source 3 de plasma de type RF inductif de manière à obtenir un couplage selon le mode W.
L'intensité d'un tel champ magnétique est de l'ordre d'une centaine de gauss.
Ce champ magnétique peut être obtenu, de manière connue en elle-même, à partir d'aimants permanents, et/ou à partir de bobines magnétiques ou solénoïdes.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, le champ magnétique est procuré par un aimant permanent 4 à aimantation axiale placé au voisinage de la cathode.
Source micro-onde en mode de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique)
Ce mode de réalisation concerne les sources de plasma de type micro-onde qui, en présence d'un champ magnétique statique, peuvent opérer selon un mode de couplage résonnant appelé résonance cyclotronique électronique (RCE).
La résonance cyclotronique électronique est obtenue lorsque la fréquence f0 = ω0 / 2π du champ électrique micro-onde appliqué est égale à la fréquence fce = u)ce / 2π de giration des électrons dans le champ magnétique, soit ω0 = ooce.
Pour une fréquence micro-onde donnée, l'intensité du champ magnétique B0 nécessaire au couplage RCE est donc :
B0 = f0 2 π me / e (1 )
où me est la masse de l'électron et -e sa charge.
Selon ce mode de réalisation, on applique un champ magnétique statique d'intensité égale à la valeur de résonance B0 au niveau de la source de plasma de façon à obtenir le mode de couplage RCE.
Pour une excitation du plasma à la RCE par des micro-ondes à 2,45 GHz, l'intensité du champ magnétique est B0 = 0,0875 tesla.
Cette intensité du champ magnétique statique peut être obtenue à partir de bobines magnétiques ou solénoïdes et/ou à partir d'aimants permanents.
Notamment, les aimants permanents conventionnels en samarium-cobalt ou en ferrite de baryum et de strontium permettent de procurer l'intensité de champ magnétique requise pour un couplage RCE. Dans le cas de micro-ondes à plus basse fréquence, l'intensité du champ magnétique de résonance requis est plus faible. Ainsi, B0 = 0,0155 tesla à 433 MHz.
De préférence, le champ magnétique appliqué est axial.
Selon un mode de réalisation particulier illustré à la figure 7, la source de plasma est un applicateur micro-onde coaxial comprenant une âme centrale 30 et un conducteur externe 31 séparés par un volume 32 de propagation des micro-ondes, qui comprend en outre :
- un aimant permanent cylindrique 33, agencé à l'extrémité de l'âme centrale 30 et dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur ; ledit aimant 33 présente de préférence un rayon sensiblement identique à celui de l'âme centrale (concrètement, ledit aimant peut présenter un rayon légèrement inférieur à celui de l'âme centrale et être logé dans un logement cylindrique prévu à l'extrémité de l'âme centrale) ;
- un aimant annulaire 34, agencé à l'extrémité du conducteur externe 31 de l'ensemble coaxial et dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur et de même sens que celle de l'aimant cylindrique.
L'ensemble des aimants agencés à l'extrémité de l'applicateur présente le même sens d'aimantation.
De préférence, ledit aimant annulaire 34 présente un rayon intérieur égal à celui du conducteur externe 31 , qui correspond au rayon extérieur du volume annulaire 32 de propagation des micro-ondes, noté R (concrètement, ledit aimant 34 peut présenter un rayon intérieur légèrement supérieur à celui du conducteur externe et un rayon extérieur légèrement inférieur à celui du conducteur externe et être logé dans un logement annulaire prévu à l'extrémité du conducteur externe).
Les aimants 33, 34 peuvent être rendus solidaires de l'ensemble coaxial par tout moyen approprié.
L'aimantation de l'aimant cylindrique 33 et de l'aimant annulaire 34 est choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone distante du plan de sortie de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par l'applicateur.
Ceci suppose que l'aimantation desdits aimants 33, 34 soit suffisante pour générer, à distance du plan de sortie de l'applicateur, un champ magnétique présentant l'intensité B0 permettant la résonance cyclotronique électronique en fonction de la fréquence microonde prévue, selon la formule (1 ) ci-dessus.
D'autre part, l'aimant cylindrique 33 et l'aimant annulaire 34 permettent de générer des lignes de champ magnétique qui traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur. Cet effet peut être obtenu par un choix judicieux du rayon extérieur et de l'aimantation de l'aimant annulaire 34.
En effet, plus l'aimant annulaire 34 présente un rayon extérieur important, plus les lignes d'iso-intensité du champ magnétique généré à distance de l'applicateur restent parallèles au plan de sortie de l'applicateur sur un rayon important.
La zone de résonance cyclotronique électronique étant délimitée, dans la direction radiale, par la zone dans laquelle le champ électrique micro-onde est le plus fort, l'utilisation d'un aimant annulaire dont le rayon extérieur est bien supérieur au rayon de cette zone permet l'obtention d'une zone de RCE sensiblement parallèle au plan de sortie de l'applicateur.
On considère que cette zone de champ électrique fort s'étend sur un rayon de l'ordre du double du rayon R de l'applicateur.
Par conséquent, si l'aimant annulaire présente un rayon extérieur supérieur au rayon de la zone de champ électrique fort, la zone de RCE est sensiblement parallèle au plan de sortie de l'applicateur sur toute son étendue de rayon 2R.
D'autre part, du fait de la présence de l'aimant annulaire ayant un rayon extérieur supérieur à 2R, les lignes de champ qui partent du pôle situé au niveau du plan de sortie de l'applicateur pour rejoindre le pôle opposé, restent sensiblement parallèles à l'axe de l'applicateur pendant leur traversée de la zone de RCE de rayon 2R, y compris à la périphérie de cette zone.
En d'autres termes, l'aimant annulaire a pour effet de « redresser » les lignes de champ à la périphérie de la zone de RCE.
Application d'un gradient de champ magnétique statique de l'électrode vers la colonne positive
Selon un mode de réalisation, illustré à la figure 8, on applique un champ magnétique axial statique dans la région R1 de la ou les sources de plasma selon une amplitude qui, dans la zone source, décroît de façon continue depuis la cathode vers la colonne positive.
Un tel champ magnétique statique peut être généré, par exemple, par un solénoïde 5 dont les spires sont distantes d'un pas croissant de la cathode vers la colonne positive.
Le courant circulant dans ledit solénoïde peut être, par exemple, fourni par le courant d'alimentation des transistors de la ou des sources de plasma. Il s'agit donc d'un courant continu.
Grâce à ce gradient décroissant de champ magnétique, les électrons accélérés dans la source de plasma convertissent dans le gradient de champ magnétique la vitesse de rotation acquise au niveau de la source en vitesse de translation en direction de la colonne positive en raison de la conservation du moment magnétique de l'électron le long de sa trajectoire (premier invariant adiabatique). Par charge d'espace électrique, les ions sont entraînés par les électrons de telle sorte que le plasma produit dans la ou les sources de plasma au niveau de la cathode est "injecté" vers la colonne positive.
Ce mode de réalisation s'applique à la fois aux sources de plasma micro-onde et RF.
Le solénoïde 5 étant avantageusement placé à l'extérieur du plasma et entourant la source 3 de plasma cathodique, il remplit également la fonction de blindage électromagnétique vis-à-vis des ondes micro-onde ou RF.
Dans l'exemple illustré ici, on a placé une source 3 de plasma RF dans la région de chaque électrode et un solénoïde 5 autour de chacune de ces sources mais il va de soi que ce mode de réalisation peut être mis en œuvre avec une unique source de plasma cathodique et un unique solénoïde entourant celle-ci.
Application d'un champ magnétique axial statique le long de la colonne positive
Selon un mode de réalisation, un champ magnétique axial statique est appliqué le long de la colonne positive de manière à diminuer les pertes radiales le long de la colonne positive, et donc à améliorer l'efficacité énergétique globale de la décharge luminescente.
Comme illustré à la figure 9, ce champ magnétique statique peut être obtenu par un courant continu circulant dans un enroulement conducteur de type solénoïde 6 entourant la décharge luminescente sur toute sa longueur.
Dans l'exemple illustré ici, le solénoïde 6 est enroulé à l'extérieur du tube 1 , à l'intérieur d'un tube 7 transparent au rayonnement émis qui contient le tube 1.
Néanmoins, si le solénoïde 6 est isolé électriquement, il peut être placé à l'intérieur du tube 1 , au voisinage de sa paroi interne.
L'espace entre chaque tour de l'enroulement doit être bien entendu suffisant pour permettre le passage de la lumière vers l'extérieur.
Le courant continu circulant dans l'enroulement peut par exemple être fourni par le courant d'alimentation des transistors des sources de plasma aux extrémités de la décharge luminescente.
Outre l'effet de confinement, l'enroulement conducteur peut aussi, en outre, si nécessaire, assurer un blindage aux ondes électromagnétiques émises par certaines sources de plasma.
Ce mode de réalisation s'applique à la fois aux sources de plasma micro-onde et
RF.
Dans l'exemple illustré ici, on a placé une source 3 de plasma RF dans la région d'une seule électrode (E1 ) mais il va de soi que ce mode de réalisation peut être mis en œuvre avec deux sources de plasma cathodique.
Par ailleurs, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent éventuellement être combinés. Notamment, il est possible de combiner les modes de réalisation illustrés aux figures 8 et 9 en disposant le long de la décharge luminescente un solénoïde dont le pas des spires est croissant de la cathode vers la colonne positive, et constant le long de la colonne positive.
Grâce à un tel solénoïde, on génère donc à la fois un gradient de champ magnétique dans la région cathodique et un champ magnétique d'intensité constante dans la colonne positive.
REFERENCES
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Claims

REVENDICATIONS
1. Lampe à décharge luminescente, comprenant :
- une enveloppe (1 ) allongée, transparente à un rayonnement d'éclairement et contenant un gaz plasmagène (2),
- un dispositif d'application d'un champ électrique propre au maintien d'un plasma dans la région (R2) de l'enveloppe dite colonne positive, comprenant deux électrodes (E1 , E2) constituant une anode et une cathode situées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de ladite enveloppe (1 ),
- une source (3) de plasma cathodique micro-onde ou radiofréquence agencée dans l'enveloppe par rapport à l'électrode constituant la cathode de sorte à générer une décharge haute fréquence localisée à la surface de ladite électrode pour générer ledit plasma.
2. Lampe selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle peut être alimentée par une tension périodique à 50 Hz ou 60 Hz et en ce qu'elle comprend deux sources de plasma cathodique situées dans l'enveloppe par rapport à chacune des deux électrodes (E1 , E2) de sorte à générer une décharge radiofréquence ou micro-onde localisée à la surface de chacune desdites électrodes.
3. Lampe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque source (3) de plasma cathodique est une source radiofréquence inductive.
4. Lampe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque source (3) de plasma cathodique est une source micro-onde.
5. Lampe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la pression dans l'enveloppe (1 ) est inférieure à 10 torr (1330 Pa), de préférence inférieure ou égale à 1 torr (133 Pa).
6. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque source (3) de plasma cathodique est une source radiofréquence inductive et en ce que la lampe comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique axial statique au niveau de ladite source de plasma.
7. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque source (3) de plasma cathodique est une source micro-onde et en ce que la lampe comprend en outre un dispositif (4) d'application d'un champ magnétique statique dont l'intensité est égale à l'intensité (B0) de résonance cyclotronique électronique au niveau de ladite source (3) de plasma.
8. Lampe selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif d'application, au niveau de la cathode, d'un champ magnétique axial statique d'intensité décroissante de la cathode vers la colonne positive (R2).
9. Lampe selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif d'application d'un champ magnétique axial statique le long de la colonne positive (R2).
10. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit dispositif d'application du champ magnétique axial statique est un solénoïde enroulé autour de l'enveloppe (1 ).
11. Lampe selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'enveloppe (1 ) se présente sous la forme d'un tube droit.
12. Lampe selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'enveloppe (1 ) se présente sous la forme d'un tube enroulé selon une spirale.
13. Procédé d'éclairage par une lampe à décharge luminescente, ladite lampe comprenant une enveloppe (1 ) allongée, transparente à un rayonnement d'éclairement et contenant un gaz plasmagène (2), et deux électrodes (E1 , E2) constituant une anode et une cathode situées dans l'enveloppe, à chaque extrémité de ladite enveloppe (1 ), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- la génération d'un plasma cathodique micro-onde ou radiofréquence au moyen d'une décharge haute fréquence localisée à la surface de l'électrode constituant la cathode,
- l'application, entre l'anode et la cathode, d'une tension adaptée pour appliquer un champ électrique axial de maintien du plasma dans la région (R2) de l'enveloppe (1 ) dite colonne positive.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la tension appliquée est une tension alternative à 50 ou 60 Hz et en ce que l'on génère le plasma cathodique alternativement à la surface de l'une et de l'autre électrode, à savoir l'électrode constituant la cathode selon la polarité de la tension appliquée.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que l'on applique en outre au niveau de la cathode à la surface de laquelle le plasma cathodique est généré un champ magnétique axial statique dont l'intensité décroît de la cathode vers la colonne positive.
16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que l'on applique en outre le long de la colonne positive (R2) un champ magnétique axial statique.
17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le plasma cathodique est généré à une fréquence comprise entre 1 MHz et 100 MHz.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'on applique en outre un champ magnétique axial statique au niveau de la cathode à la surface de laquelle le plasma cathodique est généré, de sorte à obtenir un couplage selon un mode hélicoïdal.
19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le plasma cathodique est généré à une fréquence comprise entre 100 MHz et 5,8 GHz.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'on applique en outre un champ magnétique statique dont l'intensité est égale à l'intensité (B0) de résonance cyclotronique électronique au niveau de la cathode à la surface de laquelle le plasma cathodique est généré, de sorte à obtenir un couplage de résonance cyclotronique électronique.
21. Procédé selon l'une des revendications 13 à 20, caractérisé en ce que la pression dans l'enveloppe (1 ) est inférieure à 10 torr (1330 Pa).
22. Procédé selon l'une des revendications 13 à 21 , caractérisé en ce que la tension appliquée entre les électrodes est une tension continue ou une tension alternative à 50 Hz ou 60 Hz.
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