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PERFECTIONNENENTS AUX TUBES A ARC A VAPEUR DE MERCURE ET SIMILAIRES ET A LEURS
PROCEDES DE FABRICATION.
La présente invention a plus spécialement pour objet un tube à arc à vapeur amorçant facilement la décharge, ayant une longue durée utile et of- frant d'autres avantages généraux qu'on mentionnera plus loin.
Pour amorcer les tubes à vapeur à basse tension du genre Cooper Hewitt, par exemple, on applique une oscillation de haut voltage sur la cathode mercurielle pour déprimer son potentiel électrostatique au point où les électrons sont attirés hors du mercure dans l'espace adjacente et ces électrons ionisent par collision les particules mercurielles avec lesquelles ils viennent en contact en passant à travers la vapeur du tube. Cette ionisation permet l'établissement d'une /
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d'une décharge disruptive entre cathode et anode, qui rend conducteur le passa- ge de l'arc et permet d'amorcer la décharge principale.
L'expérience commerciale a montré que le ménisque convexe, carac- téristique du mercure en contact avec le verre, rend plutôt difficile la pro- duction de la décharge disruptive ci-dessus, et qu'il faut un certain nombre d'essais successifs pour modifier le ménisque naturel du mercure et faciliter l'amorçage de la décharge. Tous les expédients jusqu'ici employés offrent des inconvénients. : avant tout, ils sont relativement inefficaces et certains d'en- tre eux affectant la durée utile du tube. On a donc cherché activement des moyens meilleurs de modifier le ménisque mercuriel.
La Société demanderesse a découvert que, si un métal avec lequel le mercure peut s'amalgamer (aluminium, cuivre ou analogue par exemple) est mis à l'état de division assez grand et incorporé dans la paroi de l'ampoule, au voisinage de la cathode, de manière à être en contact avec le ménisque de mercure, ce dernier s'amalgame biatôt avec toutes parties exposées des dites particules métalliques, spécialement après que la surface de ces particules a été nettoyée par l'arc, ce qui établit une surface à laquelle le mercure adhère facilement' En même tampc, le métal enrobé est si finement divisé qu'il ne peut pas se dissoudre aisément en grandes proportions dans le mercure, ce qui évite toute contamination appréciable de la cathode morcurielle.
La pellicule mince d'oxyde qui se forme rapidement sur des métaux tels que le cuivre et l'aluminium exposés à l'air, et qui se présente aussi sur les particules introduites dans le dispositif, tend en outre à s'opposer à l'amalgamation et par conséquent aida sensiblement à maintenir le mercure dans l'état de pureté désirable. Le mins- que concave, résultant du mouillage du métal incorporé dans la paroiw assure une forte concentration du champ électrostatique aux bords de la cathode mercu- rielle, ce qui facilite grandement la production d'une décharge disruptive à partir de cette cathode. Ea conséquence, il est très facile d'amorcer dans le nouveau dispositif une décharge initiale.
On a trouvé effectivement que la pro- babilité de l'amorçage, dès la première application d'une onde de tension à la cathode d'un dispositif établi suivant l'invention, est égale à plusieurs fois la probabilité d'amorçage constatée dans les dispositifs utilisés jusqu'ici.
En outre, le nouveau dispositif à décharge offre une durée utile se comparant très favorablement à celle des meilleurs dispositifs obtenus jusqu'ici. La nouvelles construction permet donc d'obtenir les résultats désirés, sans entrai- .
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ner aucun des inconvénients qui résultaient jusqu'ici de la transformation du ménisque mercuriel.
Pour incruster la poudre métallique dans la paroi interne du tube ou de l'ampoule, on pourra utiliser l'un des procédés déjà employés pour fixer du verre d'une enveloppe quelconque une substance pulvérulente ou granulaire, par exemple du sulfure de ginc , de l'orthosilicate de zinc ou willémite, du carborundum ,etc...
Toutefois ces procédés ne donnent pas des résultats en- tièrement satisfaisants et il sera préférable d'utiliser un procédé perfection- né qui sera décrit ci-après en détail et qui, en principe, comporte l'utilisa- tion d'une couche mince de matière vitreuse ayant une température d'amollisse- ment ou de fusion beaucoup plus basse que celle du corps lui-marne de l'envelop- pe, cette couche mince étant produite, de manière appropriée, sur la partie du corps de l'enveloppe à laquelle on doit appliquer la matière pulvérulente.
Cette matière est projetée sur la surface à l'état ramolli et est partiellement incorporée, ou bien elle est mélangée avec la couche de matière vitreuse, si on le préfère! après quoi on chauffe suffisamment le corps d'enveloppe pour cuire ou fritter la masse. Au cas où la matière vitreuse à bas point de fusion a pratiquement le même coefficient de dilatation que le corps en question, il est évident qu'on peut continuer le chauffage jusqu'à fusion complète, si on le désire.
Comme ce procédé peut être appliqué à température plus basse que celle qui serait nécessaire pour incorporer directement les matières étrangè- res dans la masse vitreuse superficiellement fondue, la distorsion de cette masse (qui a été pratiquement inévitable jusqu'ici) se trouva complètement éliminée lorsqu'on applique le présent procédé*
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avanta- ges de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif, et dans les- quels
La Fig.l est unevue en élévation de l'ampoule cathodique d'une lampe à arc à mercure du genre Cooper Hewitt, dans laquelle on a retiré la bague ordinaire d'amorçage extérieure à l'ampoule cathodique,
pour laisser voir les particules métalliques incorporées dans la paroi.
L La Fig.2 est une vue en coupe d'un fragment de ladite ampoule cathodique largement amplifiée pour montrer le moyen préféré d'introduction des particules métalliques dans la zone superficielle*
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La Fig.3 est une vue en coupe de l'ampoule cathodique, suivant la ligne 3-3 de la Fig.1, montrant la répartition des particules métalliques à l'intérieur de l'ampoule.
La Fig4 est une vue en élévation d'une lampe établie suivant l'invention telle qu'elle apparait avant la mise en place de la bague ordinai- re d'amorçage extérieure à l'ampoule.
La Fig.5 est une vue en élévation des appareils utilisés pour pro- duire une couche mince de matière vitreuse à point de fusion relativement bas, sur la surface intérieure d'un corps vitreux.
La Fig.6 est une élévation de l'appareil utilisé pour incorporér partiellement la substance étrangère dans cette couche mince.
La Fig.7 est une vue en élévation, partie en coupe, de l'appareil servant à fondre ou fritter le revêtement vitreux sur le corps en verre*
Dans ces figures, l'ampoule 1 de la lampe Cooper Hewitt est re- présentée comme comportant un certain nombre de petites particules 2 d'un mé- tal formant amalgame avec le mercure (aluminium, cuivre ou métal analogue) par tiellement incorporé à la paroi intérieure, dans une position telle qu'il se trouve en contact avec le ménisque de la cathode mercurielle 3, quand la lam- pe est dans la position de fonctionnement, comme représenté Fig.4.
Ces parti- cules métalliques peuvent être introduites dans la paroi du verre de l'ampoule 1, de toute manière appropriée, par exemple par chauffage de cette ampoule jus qu'à amollissement assez complet pour permettra aux particules de pénétrer dais la zone superficielle. On préfère cependant mélanger la poudre métallique 2 avec une fine poudre de verre 4, puis fritter le mélange ou le fondre pour le fixer à la paroi intérieure de l'ampoule 1, comme raprésenté Fig.2, ce qui permet d'arriver à une répartition meilleure des particules métalliques* Pour obtenir de bons résultats, il est simplement nécessaire d'utiliser une faible quantité de métal en poudre, par exemple 1 gr. d'alumimium pour 200 gr. de verre en poudre.
La Société demanderesse préfère utiliser, pour la poudre de verre 4, un verre à point de fusion plus bas que celui du verre utilisé pour l'ampoule 1, ce qui évite la distorsion de cette ampoule au cours du frittage.
Quand l'ampoule cathodique est en verre au plomb, par exemple, on obtient d'eu cellents résultats avec un verre spécial de scellement de fabrication Corning portant la désignation commerciale G858V, ce verre n'ayant pas seulement une température de fusion sensiblement inférieure à celle du verre au plomb, mais
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aussi offrant le même coefficient de dilatation que ce verre, ce qui permet de réduire au minimum les efforts internes.
Le mélange de poudre de verre 4 et de poudre de métal 2 s'emploie préférablement de la manière suivante :agiter le mélange indiqué ci-dessus avec une quantité suffisante d'un fluide volatil, par exemple l'alcool éthyli- que, pour produire une masse semi-fluide; couler cette masse sur la surface de l'ampoule 1 qu'on désire recouvrir; laisser sécher cette surface; nettoyer en- suite toutes les parties qu'on ne désire pas recouvrir , et appliquer la chaleur pour fritter la masse.
Les particules métalliques 2 sont de préférence localisées sur une surface de l'ampoule 1 telle que le ménisque mercuriel traverse le bord de cette surface plusieurs fois, étant donné qu'on a trouvé que les points aux quels le ménisque mercuriel passe de la forme convexe à la forme concave sont les plus efficaces pour l'amorçage de la décharge.
Suivant une disposition pré- férée, représentée Fig.3, les particules métalliques sont incorporées dans une surface en forme d'anneau autour de la chambre négative 5, l'anneau étant cou- pé en divers endroits de sorte que le ménisque mercuriel traverse le bord de la surface, dans laquelle les particules métalliques sont incorporées, quatre fois pour toute position possible de fonctionnement de la lampe*
Dans l'utilisation et le fonctionnement de la nouvelle lampe, la cathode mercurielle 3 s'amalgame avec toute partie exposée des particules mé- talliques 2 et produit une surface que mouille cette cathode.
Le ménisque con- cave résultant facilite beaucoup l'amorçage de l'arc, puisque l'effort électro- statique appliqué sur la cathode 3, lorsqu'on amorce la lampe à la manière ha- bituelle, est concentré sur le bord relevé du mercure, ce qui accorit la puis- sance du champ et assure, dans la vapeur adjacente, le départ d'un nombre re- lativement grand d'électrons qui entraînent la formation d'une décharge disrup. tive au moyen de laquelle est amorcé l'arc principal.
Du fait qu'une partie relativement réduite de la surface des particules métalliques est exposée, des particules ne sont pas dissoutes en grandes proportions par le mercure et la pureté de celui-ci n'en est pas grandement affectée, comme elle l'était dans les dispositifs jusqu'ici essayée dans le but de changer la forme du ménisque mercuriel, dispositifs dont la durée utile était très courte. Les métaux qui s'oxydent facilement à leur surface dans l'air, tels que l'aluminium et le cuivre, offrent des avantages particuliers dans l'application ci-dessus, puis-
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que la pellicule d'oxyde a'oppose très efficacement à toute amalgamation, sauf à la surface du mercure où les particules sont en contact avec l.are.
Si on examine une lampe comportant par exemple de l'aluminium incorporé dans l'ampoule, on voit que, marne après une durée considérable de fonctionnement, il ne s'est pas produit d'amalgamation entre les particules métalliques et le mercure, sauf au point du ménisque où l'arc a eu l'occasion de nettoyer les particules métalliques, soit par réduction de l'oxyde, soit par élimina- tion de cet oxyde. En conséquence, on peut produire un effet maximum sur le ménisque avec le minimum possible de contamination du mercure, en utilisant ces métaux dans une lampe à arc au mercure. L'effet obtenu est maximum avec l'aluminium, métal qui mérite la préférence pour l'utilisation dans ces lam- pes, parce qu'il semble donner des résultats meilleurs.
De plus, on a décrit ci-dessus un mode d'application de la ma- tière pulvérulente, par exemple de l'aluminium, sur la paroi interne de l'am- poule, cette matière étant mélangée avec de la poudre d'un verre approprié et le mélange étant délayé avec de l'alcool. Il doit être entendu que l'inven- tion n'est pas limitée à cet exemple, et comprend l'utilisation du même pro- cécé pour déposer ou incruster d'autres matières pulvérulentes sur des enve- loppes en verre ou similaires destinées à des usages quelconques.
A titre d'exemple, on va décrire, en référence aux Fig. 5 à 7, une application du procédé suivant l'invention au dépôt de carborundum en poudre sur la paroi interne d'une lampe à arc à vapeur de mercure :
Lorsqu'on applique ce procédé pour fixer le carborundum à la surface intérieure de l'ampoule cathodique 11 d'une lampe à mercure à arc du type Cooper-Liveth, on utilise d'abord l'appareil de la Fig.5 pour revêtir la partie désirée de la surface intérieure de cette ampoule au moyen d'un verre à bas point de fusion* Cet appareil comporte une bouteille 12 avec bou- chan approprié 13 traversé par un tube de verre 14.
L'air sous pression est tourna au tube 14 à partir d'unesource appropriée, à travers le tube 15; une tubulure 16 qui est branchée sur le tube 14 et qui peut être bouchée avec le doigt permet normalement le libre échappement de 1' air. Un ajutage à ori- fice réduit 17 est de préférence adjoint au tube 14, particulièrement quand la pression de cette source est appréciable, pour réduire le taux d'accrois-
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semant de la pression dans la bouteille 12, lorsque la tubulure 16 est fer- mée. Cette bouteille est partiellement remplie d'un-mélange semi-fluide 18 consistant en alcool éthylique. ou autre liquide volatilisable, qui tient en suspension des particules d'un verre, tel que le verre à scellement de Cor- ning connu dans le commerce sous la désignation de G858V.
Ce verre a une tem- pérature de fusion pratiquement inférieure à celle du verre au plomb ordinai- re qui sort à la fabrication de l'ampoule 11, et en marne temps il offre un coefficient de dilatation qui est assez voisin de celui du verre au plomb pour qu'on paisse réunir les deux verres par fusion. Ce mélange semi-fluide 18 se prépare avantageusement par moulage du verre de scellement du genre ci- dessus en poudre impalpable passant à travers un tamis de 200 mailles, poudre qu'on mélange avec de l'alcool éthylique dans la proportion de 500 gr. de verre pour 250 centimètres cubes d'alcool, le mélange étant suffisamment agi- té pour qu'on obtienne une suspension de particules de verre dans l'alcool.
L'alcool éthylique utilisée doit être évidemment dénaturé et, pour l'applica- tion de l'invention, on peut se servi? de tout dénaturant admis par les ré- glements officiais et ne baissant pas de résidus susceptibles d'altérer le fonctionnement de la lampe ou des autres dispositifs à la fabrication desquels on 1 utilisa.
Le tube de verre 19 traverse le bouchon 13,à son extrémité in- férieure plonge dans le mélange 18, et son extrémité supérieure est engagée dans un tube de caoutchouc 20 dont l'élasticité permet d'assurer un joint étanche avec l'ampoule 11, quand cette dernière est maintenue en place de ma- nière ferma, comme l'indique la figues 5, avec l'orifice 21 de l'ampoule 1 concordant exactement avec l'orifice du raccord 20.
L'appareil de la Figo6 convient bien pour l'introduction du car- borundum, ou autre matière en poudre, dans l'ampoule 11. Danscet appareil, le récipient de verre 25 renferme unecertaine quantité de carborundun en poudre ou en grains 26. L'extrémité supérieure de ce récipient présente un tube de verre 27 qui s'étend dans la col de l'ampoule 11.
Un tube de verre 28 va de l'extrémité inférieure du récipient 25, rejoindre une source appropriée d'air sous pression, pra l'intermédiaire d'un tube 29 une tubulure 20 pou- vant être formée avec le doigt permet normalement à l'air de s'échapper à peu près librement du tube, une pression suffisante restant cependant main- tenue dans ce tube 18, pour évitar que le carborundum 26 n'y descende par
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gravité.
Le revêtement en verre pulvérulent peut évidement 'être fritté ou fondu sur l'ampoule 11 de toute manière appropriée. Le mieux est d'utili- õr l'appareil de la Fig.7 que la Société demanderesse a reconnu très effica- ce et susceptible d'entraîner seulement le minimum de ruptures de verre. Cet appareil comporte une table 35 rainurée, aux extrémités opposées de laquelle sont suspendus des rouleaux 36, de telle sorte qu'un convoyeur à courroie sans fin 37, ponté par ces rouleaux, passe sur le dessus de ladite table 35, la courroie étant en%rainée lentement par des appareils appropriés. A ce con- voyeur à courroie sont attachés, à intervalles appropriés, des supports 38 destinés à maintenir les pièces à travailler.
Dans l'extrémité supérieure de chaque support s'ajuste librement le bras tubulaire de l'ampoule 11. Un four 39 dont le fond est convenablement fendu est monté au-dessus de la table 35 en position telle que les ampoules 11, portées par les supports 38, le tra- versent lorsque se déplace le convoyeur 37. Le four est chauffé de façonlap- propriée par un élément de résistance 40 placé près de son centre, de sorte qu'il existe une température croissante à partir de chacune des extrémités dudit four jusqu'à un point voisin de cet élément chauffant 40 Les supports 38 sont guidés latéralement par des pièces de guidage 41 qui sont montées au-dessus de la table 35 et s'étendent longitudinalement de chaque côté du chemin suivi par lesdits supports 38.
Ces éléments-guides 41 protègent aussi le convoyeur à courroie 37 contre les effets de la chaleur qui s'échappe du four 39 à tratere la fente ménagée dans le fond de celui-ci*
Four l'utilisation de l'appareil suivapt la Fig.l, on place d'abord une ampoule 11 de verre, de quartz ou tout matière appropriée, sur les raccords de caoutchouc 20 avec l'orifice 21, auquel la chambre d'entrée négative est scellée à un moment approprié au cours de la fabrication de la lampe à mercure dont l'ampoule 11 constitue partie, en coïncidence avec l'o- rifica dudit raccord* La tubulure 16 est alors fermée par l'opérateur, de sorte que la pression d'air augmente à l'intérieur de la bouteille 12.
Le mélange 18 est ainsi refoulé vers le haut, à travers le tube 19 dans Item- poule 11 jusqu'à ce qu'il se forme dans celle-ci un bain 18' de ce mélange ayant la profondeur désirée. L'opérateur laisse alors la pression retomber en ouvrant la tubulure 16 et le mélange descend ainsi par gravité dans la bouteille 12, en laissant une couche de mélange 22 de verre en poudre et
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d'alcool à l'état pâteux sur la paroi de l'ampoule 11. On laisse alors le mélange vitreux en excès s'écouler de l'ampoule.
Pendant que le revêtement
22 de verre en poudre est encore humide, l'opérateur engage la partie tubu- laire de l'ampoule 11 sur l'extrémité du tube de verre 27, en fermant de pré- férence l'orifice 21 de l'ampoule, par exemple au moyen du doigt de l'opéra- teur. La tubulure 30 est momentanément fermée, ce qui force l'air comprimé à passer de bas en haut à travers la masse de carborundum en grains 26 , et une partie de ce carborundum est entraïnéea travers le tube 27 dans l'ampoule
11 où elle adhède au revêtement humide 22 de verre en poudre, certains des granules étant partiellement Enrobées dans ce revêtement . On laisse ensuite le revêtement sécher.
Quand il est parfaitement sac, le revêtement 22 adhère encore à la paroi de l'ampoule de verre 11 assez fortement pour permettre toute manipulation ordinaire de la dite ampoule, bien que toute partie non désirée de ce revêtement puisse être retiras aisément par brossage ou par frottement.
En pratique, on a trouvé avantageux de retirer le verre en pou- dre et le carborundum des surfaces avoisinant immédiatement l'ouverture 21, auxquelles la chambre d'entrée négative doit être plus tard scellée, car la présence du carborundum et du verre en poudre en ces points tend à rendre difficile la fusion parfaite des parties. On préfère aussi retirer assez du revêtement 22 en un ou plusieurs points destinés à venir en contact avec le ménisque du mercure; pour diviser l'anneau laissé autour de l'orifice 21, puisque le carborundum paraît être plus efficace quand il y a des disconti- nuités dans sa ligne de contact avec le mercure.
On introduit alors l'ampoule 11 dans un des éléments de support 38 qu'on amène lentement vers le four 30 au moyen du convoyeur à courroie 37.
Au cours de l'avancement du convoyeur l'ampoule 11 est engagée dans le four 39 où elle est progressivement chauffée à mesure qu'elle approche de l'élé- ment chauffant central 40, ce four étant maintenu à une température telle que le verre de scellement fond partiellement lorsque l'ampoule 11 dépasse ledit élément. Le carborundum et le verre spécial de scellement frittés ensemble et au verre de l'ampoule 11 assurent la fixation ferme et permanente du car- borundum à la surface de l'ampoule. La fusion complète du verre spécial de scellement avec le verre de l'ampoule 11 peut s'obtenir si on le désire,
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mais la Société demanderesse ne le juge pas absolument nécessaire.
Après que l'ampoule 11 a dépassé l'élément chauffant 40, sa température s'abaisse assez graduellement pour qu'il ne se produise dans 1'ampoule de verre 11 aucun effort , dû à des contractions inégales. Après être sortie du four 39, l'ampoule 11 se refroidit tout-afait et on la retire du support 38 prête à servir à la fabri- cation d'une lampe à arc à mercure par exemple.
Bien qu'on ait exposé un procédé pratique pour la fixation du carborundum ou d'une autre substance, à une surface de verre, il est possible d'utiliser d'autres procédés analogues tombant par suite dans le domaine de l'invention. Par exemple, on peut, dans certains cas, mélanger les substances étrangères avec le mélange de verre 18 et l'appliquer à la surface vitreuse.
Cette méthode offre des avantages, par exemple quand on applique les substances telles que la willémite, aux parois d'un oscillographe cathodique, car elle assure une distribution uniforme des substances sur la surface du verre. Sui- vant une autre variante, on peut produire le verre à bas point de fusion en traitant chimiquement ou physiquement la surface du corps de verre auquel cet- te substance étrangère doit être fixée. Par exemple, si on recouvre d'un d'oxyde de plomb une surface de verre au plomb et qu'on applique la chaleur à celles-ci, ,on peut obtenir un revêtement superficiel plus riche en plomb et offrant un point de fusion plus bas que le reste du verre de l'ampoule.
Ce ra- vêtement peut évidemment servir à fixer des matières, étrangères à la paroi de verre de l'ampoule, de la même manière que le revêtement de verre ci-dessus dé- crit an détail. On doit comprendre en outre qu'il est possible d'apporter cer- tains perfectionnements., changements et additions sans sortir du domaine de l'invention. A cet égard, on ne doit pas considérer que les formas de réalisa- tions données comme exemple ont un caractère limitatif, car l'invention couvre également toutes les variantes ayant même principe et marne obet.
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Les perfectionnements faisant l'objet de l'invontion, apportés à la fabrication des tubes ou ampoules à arc à vapeur de mercure ou similaires, consistent dans les principaux points suivants
1.- L'incorporation à la paroi interne de l'ampoule, notamment dans la zone en contact avec la surface libre du mercure, d'une matière pulvé- rulente ou granuleuse propre à modifier la forme du bord de cette -surface , en
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vue de faciliter l'amorçage de l'arc-
2 - L'utilisation d'un métal susceptible d'être mouillé par le mercure pour être incorporé à la paroi interne de l'ampoule, à l'état de parti..
cules partiellement encastrées dans cette parois
3 - L'application sur la paroi interne de l'ampoule en matière vitreuse ou transparente d'une couche d'une autre matière vitreuse ou transpa- rente plus facilement fusible, à laquelle la matière pulvérulente ou granuleuse est incorporée soit avant son application sur la paroi de l'ampoule, soit après cette application*
4 - La mise en suspension du mélange de matière pulvérulente ou granuleuse et de matière facilement fusible dans un liquide volatil,
ce qui permet d'en appliquer aisément une couche mince et régulière sur la paroi de l'ampoule*
5 - L'union de cette couche à la paroi de l'ampoule par fusion et frittage ou cuisson- 6*- La disposition de la matière pulvérulente ou granuleuse sur des portions de la paroi de l'ampoule telles que leur ligne de contact avec la surface libre du mercure présente des solutions de continuité*
7 - Des appareils prévus pour appliquer sur la paroi interne de l'ampoule une couche de matière vitreuse facilement fusible additionnée ou non de la matière pulvérulente ou granuleuse précitée et en suspension dans un li- quide volatil.
8 .- Un dispositif servant à projeter la matière pulvérulante sur la paroi de l'ampoule préalablement enduite d'une couche de matière vitreuse délayée dans un liquide volatil.
9 - Une installation agencée pour effectuer automatiquement les opérations d'applications de la couche vitreuse facilement fusible, de projec- tion de matière pulvérulente sur cette couche, de léchage, fusion et frittage de cette couche, et enfin de refroidissement de l'ampoule.