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Procédé pour la production de lumière.
La présente invention est relative à la transforma- tion d'énergie électrique en lumière.
On a déjà souvent essayé d'utiliser la luminescence de gaz ou de vapeurs pour l'éclairage ou pour la production de rayons ultraviolets. Tous ces essais ont ceci de commun qu'on provoque la radiation dés gaz ou des vapeurs au moyen de décharges électriques. Ces décharges sont des courants électriques produits dans les gaz ou vapeurs par des champs électriques. L'énergie du champ électrique est transformée, dans l'espace où se produit la décharge, partie en chaleur et partie en radiation visible ou invisible. Toutes les lampes à
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décharges à remplissage de gaz employées jusqu'ici, par exemple les lampes à arc, les lampes à arc incandescent, les lampes à décharges incandescentes de toute espèce, les lampes à éclateurs et les lampes à induction sans électrodes fonc- tionnent de cette manière.
Suivant la présente invention, on emploie un nouveau procédé de transformation d'énergie électrique en radiation, qui comprend deux phases de conversion d'énergie. Pendant . la première phase l'énergie électrique se convertit en énergie cinétique d'électrons et est introduite sous cette forme dans l'enveloppe ou espace éclairant. Dans cet espace qui contient un ou plusieurs gaz ou des vapeurs l'énergie cinétique est transformée en radiation pendant une seconde phase, par un processus décrit ci-dessous en détail. Aussi le processus de fonctionnement suivant l'invention diffère-t-il totalement, en principe, de celui de la lampe à décharges à remplissage de gaz, étant basé sur des phénomènes physiques nouveaux décrits ci-après.
En physique expérimentale moderne il- existe un grand nombre de procédés pour examiner l'excitation et l'ionisation au moyen de tubes électroniques à collisions.
Dans ces dispositifs on envoie un faible jet d'électrons dans un espace de collision, contenant des gaz ou des vapeurs à basse pression, pour examiner et étudier les effets des collisions. Pour construire et faire fonctionner ces disposi- tifs il faut observer soigneusement deux conditions; primo, le courant d'électrons primaires doit être très faible pour obvier aux effets de charge spaciale et à une distribution non homogène des vitesses; seconde, le nombre de collisions entre les Electrons et les atomes doit être si petit que
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chaque électron ne subisse que rarement plus de deux colli- sions, et pour qu'il en soit ainsi il faut maintenir une pression de gaz très réduite, sinon il est impossible de commander correctement les phénomènes qui se produisent.
Toutefois, dans ces conditions, les phénomènes particuliers sur lesquels est basée l'invention ne se manifestent pas.
Pour assurer tout degré voulu d'efficacité lumineuse il faut prendre les mesures suivantes:
Dans un champ d'accélération on imprime à des électrons-appelés ci-après électrons primaires - une vitesse, correspondant de préférence à un voltage de 50 à 300 volts., appelée vitesse moyenne des électrons. Ces électrons à vites- se moyenne portent l'énergie dans l'espace éclairant. Sui- vant l'invention, on choisit une intensité de courant de ces électrons primaires suffisamment grande pour ioniser à fond les gaz et les vapeurs de l'espace éclairant. On indiquera plus loin des données plus détaillées concernant' le degré d'ionisation nécessaire pour exécuter le procédé.
A cet effet il faut avoir un courant relativement intense, dépassant de préférence plusieurs centaines de milliampères, qui excède évidemment très notablement les intensités employées dans les dispositifs antérieurs à collision d'électrons.
En outre il faut régler la pression des gaz et vapeurs de manière qu'elle corresponde aux dimensions du récipient et à la vitesse des électrons primaires afin que les électrons primaires subissent plusieurs collisions avec les molécules gazeuses pendant leur trajet moyen entre la source d'électrons et les parois, car les trajets en zig-zag constituent un détour considérable.
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Quand on prend ces mesures, dont on indiquera plus loin des exemples d'exécution numériques, il se produit des phénomènes nouveaux. Primo, les électrons très nombreux pro- duits dans l'espace éclairant par suite de l'ionisation réagissent les uns sur les autres si vigoureusement qu'ils forment eux-mêmes un gaz ayant sa température propre ou température d'électrons. Ceci veut dire qu'ils se répartis- sent entre eux l'énergie totale de la même manière que les molécules d'un gaz. Ce phénomène a été découvert pour la première fois par Langmuir dans les arcs produits dans la. vapeur de mercure à basse pression et il a été expliqué théoriquement par Gabor.
Ce dernier trouve que les électrons se comportent de cette manière quand on satisfait l'inégalité
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où R exprime en centimètres le rayon d'un récipient sphérique ou cylindrique, ou une dimension équivalente d'un récipient conformé autrement, où T est la température des électrons exprimée en volts, 1-volt correspondant à 7,733 degrés Kelvin, et où n est la concentration de particules chargées de même signe, c'est-à-dire le nombre d'électrons par centi- mètre cube. D'après Langmuir on appelle "plasma" ce gaz électriquement neutre, très ionisé, dans lequel les électrons ont leur température propre.
EXEMPLE
Un récipient sphérique de 3cm. de rayon contient par centimètre cube 1010 électrons et autant d'ions. On fournit aux électrons, de toute façon voulue, une énergie moyenne de T = 2 volts. Dans ce cas le premier membre de l'inégalité (1) devient égal à 7.106. Ce chiffre excède 2.106.,
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de sorte qu'il se forme un plasma ayant une température d'électrons.
Pour utiliser efficacement l'énergie des électrons primaires on emploie, en plus des mesures mentionnées ci- dessus, un procédé spécial permettant d'allonger le trajet des électrons à l'intérieur du récipient par collision des molécules de gaz ou de vapeur. Cette seconde caractéristique de l'invention est basée sur la constatation nouvelle qu'un gaz électronique très concentré est propre à prendre beaucoup d'énergie aux électrons à vitesse moyenne. On emploiera ce procédé autant que possible, car l'utilisation pour la produc- tion de lumière de l'énergie des électrons de plasma lents, dont l'énergie moyenne est de 1 à 10 volts, a un meilleur rendement que la collision immédiate des électrons primaires avec les molécules.
On peut démontrer que le transfert de l'énergie primaire aux électrons de plasma n'a un bon rendement que lorsque
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Dans cette formule R et T ont la même signification que ci-dessus. E est l'énergie des Electrons primaires expri- mée en volts, tandis que V, exprimé en volts, est la perte moyenne due à la collision d'un ,électron primaire avec une molécule de gaz. Par exemple, pour le mercure et pour des électrons ayant une vitesse de 100 à 200 volts, V est d'en- viron 5 volts.
Le rendement de ce,transfert d'énergie, c'est-à- dire le rapport p entre l'énergie transmise directement aux électrons de plasma et la perte d'énergie totale des ,électrons primaires dépend essentiellement de Ó et augmente d'abord rapidement et ensuite moins rapidement avec l'acerois-
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sement de Ó. L'allure appochée de /1 p en fonction de Ó est représentée sur la Fig. 1.
Pour obtenir ce rendement, il faut choisir conve- nablement la pression des gaz ou vapeurs. Le trajet libre moyen /\ des électrons primaires doit avoir la valeur approchée suivante:
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Les symboles ont la signification définie ci-dessus. m p désigne le rendement du transfert entre les électrons primaires et le plasma et est indiqué approximativement sur la Fig. 1.
EXEMPLE
R = 3 cm. L'énergie primaire est E = 200 volts, la concentration d'électrons est n = 4.1012/cm2 et leur température est T -2 volts. Le gaz de remplissage est la vapeur de mercure dont V = 5 volts. Il résulte de l'équation (2) que
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Ce chiffre est plus grand que 2.106 et satisfait par conséquent l'inégalité (2). Sur la courbe de la Fig. 1 on choisit pour Ó une valeur m p = 30 5. Pour cette valeur l'équation (3) donne # = 0,84 cm. Le trajet libre moyen des molécules de mercure dans la vapeur de mercure à 1 mm. de pression et 0 C est égal à 1,65. 10 -3 cm; celui des électrons vaut 4.2 fois plus, c'est-à-dire 9,35. 10-3 cm.
Par suite # = 0,84 à 0 C correspond à une pression de
9,35. 10-3/0,84 = 1;1, 10-2 mm de Hg. Si la température de l'espaee éclairant était de 200 C la pression réelle serait 200/273 + 273/273 fois plus grande, c'est-à-dire de 1,9.10-2 mm de Hg. Ceci correspond à une température de saturation
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d'environ 57 C. Les formules et les calculs ci-.dessus sont basés sur T'hypothèse d'une distribution angulaire uniforme des électrons éparpillés. Toutefois on constate que dans la pratique les électrons ne s'éparpillent généralement que sous un petit angle. Il en résulterait un allongement apparent du trajet libre moyen.
Toutefois cet effet est contrebalancé par une déviation du trajet libre produite dans la pratique sous l'action des particules chargées. Aussi les formules simplifiées indiquées ci-dessus sont-elles valables dans les conditions de fonctionnement pratiques.
La pression calculée ci-dessusconvient le mieux pour le transfert d'énergie au plasma par action directe. A une pression moindre les électrons primaires heurtent les parois avec une fraction considérable de leur énergie qui s'y perd sous forme de chaleur mais qui peut être récupérée partiellement si on ajoute à la paroi des matières fluorescen- tes. A une plus grande pression une plus grande partie de l'énergie primaire est utilisée pour la collision avec les molécules de gaz ou de vapeur. Toutefois cette partie n'est pas non plus perdue pour la production de lumière étant donné la création directe de lumière au cours de la collision, le terme "lumiére" étant choisi pour la brièveté pour désigner une radiation de toute longueur d'onde.
Aussi convient-il généralement mieux de choisir un trajet libre moyen plus petit que celui donné par l'équation (3), c'est-à-dire de choisir une pression plus élevée que la pression correspondan- te.
Toutefois il peut être avantageux de choisir une pression moindre et de tolérer à dessein, jusqu'à un certain degré, des pertes par collision des électrons primaires avec la paroi. Ceci est notamment avantageux quand on emploie une tension alternative pour accélérer la vitesse des électrons.
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Suivant l'invention, dans le cas d'un courant alternatif, on choisit de préférence une pression telle que près du voltage maximum une partie considérable de l'énergie primaire soit déjà perdue sur les parois. Il en résulte l'avantage que la courbe de l'émission de lumière tracée en fonction du temps se trouve aplatie, et on arrive par ce moyen à réduire considérablement le clignotement qui est souvent un défaut des lampes à décharge à remplissage gazeux.
Sur la Fig. 2 les intensités d'émission sont tracées en fonction du voltage instantanée I' correspondant au cas où on n'emploie pas le moyen décrit et I correspondant au cas où on l'emploie. La tension optimum Eo est choisie comme unité de voltage. mv est le rapport entre l'énergie fournie par les électrons primaires à l'espace éclairant et l'énergie totale. Fig. 5 donne les courbes des intensités d'émission en fonction du temps qui montrent le résultat avantageux obtenu par ce moyen. L'allure aplatie de la courbe de lumière
I assure un clignotement beaucoup moindre que celle de la courbe I'.
Lorsqu'on exécute l'invention delà manière décrite, il se produit des phénomènes optiques qui, pour les raisons citées plus haut, n'ont pu être obtenus dans les dispositifs électroniques à collision. Le spectre des gaz et des vapeurs de l'espace éclairant correspond au spectre d'une décharge à arc bien que, comme on l'a dit plus haut, le mécanisme du processus soit radicalement différent dans les deux cas.
Ceci est aussi prouvé par le fait que le spectre présente tant au point de vue de la qualité qu'à celui de l'intensité des caractéristiques qui ne peuvent être observées dans les décharges gazeuses qu'à des pressions notablement supérieures ou dans des décharges obligées de traverser des tubes, des ouvertures ou des fentes étroits. Le procédé suivant l'inven-
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tion procure ces effets sans pressions de gaz ou de vapeur élevées et sans exiger l'emploi d'ampoules éclairantes de dimensions incommodes. En outre il est à souligner qu'on n'a pas besoin de prendre aux lignes d'alimentation un cou- rant intense tel que requis pour les arcs ordinaires à basse pression.
Un des avantages les plus importants de ce procédé est que la gamme de courants et de voltages requis est beaucoup plus pratique que celle des lampes à décharge à remplissage de gaz ordinaires. On sait par exemple que les décharges à arc exigent des courants d'au moins 1 ampère et ont une chute de tension qui dans la plupart des cas n'est que de 10 à 50 volts. Pour l'amorçage ces arcs exigent toutefois des voltages notablement plus élevés et la diffé- rence appréciable entre le voltage d'amorçage et le voltage de régime doit être absorbée par des éléments intercalés dans le circuit tels que des résistances ou des éléments analogues. Par contre, suivant la présente invention, le voltage le plus approprié pour les électrons primaires est d'environ 100 à 200 volts, ce qui correspond à la gamme des tensions des systèmes d'éclairage usuels.
La description ci-dessus et notamment les équations (2) et (3) fournissent aux gens de métier toutes les données nécessaires pour l'exécution pratique de l'invention. On se rendra compte qu'une concentration d'électrous élevée est toujours avantageuse et de ce fait il convient de l'augmenter par des moyens autres que celui, décrit ci-dessus, consistant à choisir un courant intense. Il est préférable de choisir un gaz ou une vapeur facilement ionisable, ayant un poids atomique élevé, et d'avoir un espace Éclairant dont la surface est petite pour un volume donné, par exemple une sphère ou
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une ampoule en forme de poire.
Toutes les surfaces sur lesquelles des électrons ou des ions pourraient se perdre, par exemple les surfaces de la source d'électrons contigués à l'espace éclairant, doivent être les plus petites possible.
En outre il est préférable de porter les électrons de plasma à une température assez élevée qu'on peut obtenir au moyen d'une pression correspondant à l'équation (3) ou à une grandeur un peu moindre.
Quand on exécute le procédé en employant plus d'un gaz ou d'une vapeur de même nature, il se produit un autre phénomène surprenant. On sait qu'il est impossible d'obtenir dans une lampe à décharge à remplissage gazeux la radiation simultanée de deux substances aussi différentes que par exemple le sodium et le néon. Le spectre du sodium supplante complètement le spectre du néon. On a proposé de surmonter cette difficulté en groupant étroitement deux tubes d'éclai- rage, de faire fonctionner les lampes par impulsions brusques, de n'employer que de faibles traces de la substance plus excitable ou de produire une distribution non homogène d'in- tensités de courant et de champ au moyen d'obstacles tels que des étranglements ou en recourant à de petits parcours électro- niques dans de grands récipients.
Contrairement à ce qui se passe pour les lampes à décharges à remplissage de gaz, le procédé suivant l'invention permet cependant d'obtenir l'excitation simultanée de spectres présentant des propriétés d'excitation très différentes si on veille qu'aucune des substances à exciter ne prédomine outre mesure. Ainsi, par exemple, en combinant le sodium, le néon et le mercure, on peut obtenir une lumière blanche ou sensiblement blanche.
Une explication de ce phénomène peut être fournie par la Fig. 4. Sur le diagramme supérieur la fonction ss o d'excitation optique de la raie violette 4017A du mercure,
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indiquée par Sîeberitz, est tracée avec la fonction corres- pondante de la raie rouge 6402# du néon, ondiquée par Hanle, ces courbes étant tracées en fonction de la vitesse E des électrons exprimée en volts, Sur le diagramme inférieur on a représenté la fonction de répartition W (E) des électrons de plasma, correspondant à une énergie moyenne de 3 volts, ainsi que la fonction correspondante pour le groupe II, celui des électrons primaires dont l'énergie moyenne semble être de 50 volts.
On voit immédiatement que les deux raies sont excitées simultanément, les électrons primaires contribuant seuls à l'excitation de la lumière du néon. Il en résulte pour le nouveau procédé l'avantage extraordinaire de produire une lumière de toute composition voulue.-
REVENDICATIONS ---------------------------
1) Procédé pour la production de lumière, consistant à produire des radiations dans une enveloppe ou ampoule par excitation ou ionisation d'atomes provoquée par la collision d'électrons, les =électrons recevant une énergie favorable à l'excitation ou ionisation par suite d'une transformation d'énergie opérée entre un jet d'électrons primaires et un plasma, ou gaz ionisé sensiblement exempt de champ, dans lequel on envoie les électrons, la pression de gaz,
les di- mensions de l'ampoule et la vitesse des électrons étant réglées de façon à assurer un rendement de transformation maximum et le courant d'électrons primaires étant suffisam- ment intense pour constituer un plasma, de manière à assurer la transformation d'énergie par l'intermédiaire des forces électrostatiques agissant entre les particules chargées.