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Perfectionnements aux lampes à décharge électrique dans une valeur métallique sous haute pression.
L'invention concerne les lampes à décharge électrique dans une vapeur métallique sous haute pression, dans lesquelles la vapeur métallique de remplissage est entièrement ou principale- ment constituée de mercure. Le terme "haute pression" signifie que la pression de la vapeur métallique de remplissage n'est ' pas inférieure à une atmosphère, et de préférence de trois at- moschères et plus, quand la lampe est en fonctionnement normal.
L'expression "principalement de mercure" signie que, pendant le fonctionnement normal de la lampe, la pression partielle de la vapeur de mercure est au moins égale à la oression totale de la vapeur métallicue en fonctionnement normal. D'autres métaux qui peuvent être présents et former, séparément ou ensemble, des constituants majeurs de la vapeur de remplissage sont le cadmium et le zinc, tandis qu'il peut y avoir parfois des consti-
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tuants mineurs tels que le thallium et le tellure. Les lampes du type auxquel la présente invention s'applique contiennent aussi d'ordinaire une petite quantité d'un gaz permanent tel que l'argon, dans le but de faciliter l'allumage.
Il est parfois intéressant de modifier la couleur de la lumière émise par une lampe du type décrit, et l'on sait que cela peut se faire en introduisant dans la lampe divers ingré- dients supplémentaires de façon que leurs spectres soient excités en même temps que le spectre du remplissage original. Ainsi, pour certaines applications, la lumière d'une décharge de vapeur de mercure (aux pressions facilement atteintes) manque de rouge, et l'on a proposé de corriger ce défaut en ajoutant au mercure du cadmium ou du zinc. La décharge dans la lampe excite alors le spectre du cadmium ou du zinc au moment où il excite le spectre du mercure, et l'on admet que le mode d'excitation est le même pour chaque vapeur, c'est-à-dire que les lois physiques du pro- cédé de décharge sont les mêmes pour chaque spectre.
L'invention a pour but de créer une nouvelle forme de lampe du type décrit, dans laquelle la couleur de la lumière émise, quand la lampe est en fonctionnement, est modifiée par l'excitation d'au moins une substance supplémentaire à l'inté- rieur de la lampe. Il est supposé que, dans la nouvelle lampe, le mécanisme physique qui produit le nouveau phénomène est différent du mécanisme qui produit la radiation dans la colonne po sitive.
Il a été découvert que si une petite quantité appropriée de vapeur d'un ou plusieurs des métaux lithium, sodium, baryum, strontium, est présente sur la trajectoire de la décharge sous haute pression, à condition que la lampe fonctionne en courant continu à une charge suffisamment élevée en watts, la vapeur est fortement excitée de manière à produire un éclat lumineux (émanant principalement du voisinage de la cathode) qui émet le
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ou les spectres caractéristiques da ou des métaux.
Suivant les expériences faites, la charge en watts requise n'est jamais inférieure à 200 watts par centimètre de longueur de la trajectoire de décharge, et elle est souvent beaucoup plus élevée, par exemple 500 watts par centimètre et plus.
Conformément à l'invention, une lampe à décharge élec- trique à vapeur métallique du type spécifié contient, à l'inté- rieur de son enveloppe, une réserve de matière de nature telle et disposée de telle façon que, pendant le fonctionnement de la lampe, cette matière est ou peut être échauffée de manière à provoquer un dégagement de la vapeur d'un ou de plusieurs des métaux lithium, sodium, baryàm, strontium, cette vapeur étant développée sur ou amenée à passer sur la trajectoire de la dé- charge sous haute pression, et la manière de chauffer la matière en réserve est telle ou est réglable de telle façon que, lorsque la lampe est alimentée en courant continu avec un wattage élevé approprié, pour une telle opération où le wattage pour lequel la lampe est étudiée convient, il se produit,
sur la trajectoire de la décharge sous haute pression, un éclat lumineux émanant principalement du voisinage de la cathode, et qui émet une quantité appréciable de lumière ayant une caractéristique d'au moins un spectre des métaux lithium, sodium, baryum, strontium.
Afin de distinguer ci-après le métal vaporisé dans le but de produire l'éclat lumineux, du métal servant à donner le remplissage sous haute pression pour le passage de la décharge sous haute pression, le premier métal (c'est-à-dire lithium, sodium, baryum, strontium) sera dénommé le métal supplémentaire.
Il apparaît que la vitesse de dégagement de la vapeur du métal supplémentaire peut n'être que très faible, la pression de vapeur étant probablement toujours une petite fraction d'un millimètre de mercure. La raison pour laquelle une si petite quantité de vapeur produit l'éclat lumineux caractéristique de l'invention n'est pas entièrement connue, mais l'on croit que la
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vapeur est soumise à une excitation extraordinairement intense dans la décharge sous haute pression. Les métaux lithium, sodium, baryum, et strontium qui se sont avérés convenir aux fins de l'invention, ont tous des potentiels d'ionisation faibles com- parés à celui du mercure, et ceci est probablement une explica- tion.
Mais ceci n'est pas une démonstration convaincante, car il n'est pas exact que tous les métaux qui ont des potentiels d'ionisation faibles comparés à celui du mercure conviennent pour produire l'éclat lumineux caractéristique de l'invention.
Des essais entrepris avec le calcium et le thallium ont échoué.
Si la réserve contient plusieurs métaux vaporisables, la lumière produite par l'éclat lumineux peut contenir leurs spec- tres respectifs, et on oeuf ainsi obtenir différentes combi- naisons de couleurs.
Dans une lampe conforme à l'invention, l'éclat lumineux ne se répartit pas uniformément sur toute la trajectoire de la décharge sous haute pression (quoiqu'il puisse, dans certains cas, s'étendre de la cathode à l'anode) et il est le plus inten- se dans le voisinage de la cathode. Ce phénomène distingue le procédé d'excitation de la substance additionnelle conforme à l'invention, des procédés connus jusqu'ici, qui donnent tous lieu à une excitation pratiquement uniforme de la substance le long de toute la trajectoire de la décharge sous haute pression.
L'expérience a montré en outre que l'excitation du métal supplémentaire suivant le procédé conforme à l'invention est souvent obtenue sans diminution appréciable du rendement de la lampe, et ceci est en opposition flagrante avec les méthodes d'excitation connues, qui diminuent généralement de façon mar- qu.ante le rendement de la lampe. Cette caractéristique rend le procédé d'excitation conformeà l'invention très intéressant pour corriger la couleur de la lumière émise par une lampe à décharge à vapeur de mercure sous haute pression, et en particulier pour
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corriger le manque de rouge, pour laquelle correction le lithium, le sodium et le baryum sont tous indiqués.
L'expérience a montré que l'effet produit conformément à l'invention s'obtient le mieux avec les lampes du type à sour- ce compacte pouvant travailler sous des pressions de l'ordre de 5 atmosphères, et spécialement quand de telles lampes travail- lent à des charges de plus de 500 watts par centimètre de lon- gueur de la trajectoire de la décharge sous haute pression.
Les lampes à source compacte convenant aux buts de l'invention peuvent être définies comme étant du type dans lequel le rapport entre la surface intérieure de l'enveloppe (mesurée en centimè- tres carrés) et le carré de la distance séparant les électrodes de la décharge sous haute pression (mesurée en centimètres) est supérieur à #. et de préférence supérieure à 5, et dans lequel la quantité de métal présent à l'intérieur de la lampe est suf- fisantepour, en fonctionnement normal, donner une pression de va- peur métallique non inférieure à celle que donnerait la présence d'un milligramme, de préférence pas moins de 3,5 milligrammes, de mercure par centimètre cube de volume intérieur de la lampe.
Le métal sera d'ordinaire du mercure seul, mais il peut y avoir parfois des quantités appréciables d'autres métaux, spécialement du cadmium ou du zinc, qui peuvent, dans certains cas, produire une pression de vapeur partielle égale à celle de la vapeur de mercure.
Comme les lampes convenant aux fins de l'invention sont destinées à fonctionner avec une forte charge en watts sous haute pression, les enveloppes doivent être prévues en conséquence; de telles enveloppes sont bien connues dans la technique des lampes à vapeur de mercure sous haute pression. Une limite supérieure de charge est donnée, comme on le sait, par la résistance de l'en- veloppe aux conditions imposées. Il est bien connu qu'une lampe à décharge à vapeur de mercure sous haute pression avec une en-
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veloppe en quartz (sans réfrigération forcée) peut être chargée jusqu'3 40 watts par centimètre carré de surface d'enveloppe.
Il y a similairement d'autres limites supérieures fixées par des considérations pratiques connues, si l'on utilise la réfrigéra- tion forcée. La construction des électrodes pour le fonctionne- ment en courant continu à hauts lattages, et des scellements pour les fils d'amenée du courant d'alimentation est aussi bien con- nue. Une lampe considérée comme étudiée pour un wattage donné doit avoir une vie, à ce wattage, d'au moins 500 heures, cette vie étant notamment limitée par les dégâts encourus par les scellements, l'enveloppe ou les électrodes, le noircissement de l'enveloppe, ou l'impossibilité de démarrage.
On notera que la "vie" de la lampe considérée ici en rapport avec l'étude de la lampe, signifie la durée de vie normale, c'est-à-dire la vie de la décharge sous haute pression seulement ; la vie de la lampe pendant laquelle se produit l'éclat lumineux conforme à la pré- sente invention, peut être plus courte que la durée de vie normale, si l'on ne prévoit pas une réserve de matière suffisante.
Vu la faible quantité de vapeur de métal supplémentaire nécessaire, l'enveloppe de la lampe ne s'obscurcira pas de façon appréciable par le dépôt de métal supplémentaire, pendant la durée de vie normale de la lampe à la charge requise.
La réserve de matière comprenant le métal supplémentaire vaporisable peut être disposée de façon qu'elle soit chauffée par la décharge sous haute pression même dans la lampe pour que le métal supplémentaire se vaporise automatiquement quand la lampe est en fonctionnement normal. Un chauffage indépendant peut également être prévu. Si la réserve est chauffée par la dé- charge principale dans la lampe, la matière peut être placée -sur ou incorporée dans une électrode de la décharge sous haute pres- sion. Cette électrode sera généralement la cathode, pour des raisons de facilité.
On peut observer, au sujet de cet aspect de l'invention, que l'on connaît des techniques pour placer dans
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ou sur une cathode éloignée de l'extrémité de la trajectoire où la décharge se termine, une réserve de matière émettant des électrons, qui peut consister en un composé de baryum ou de strontium, et servant d'électrode d'allumage, pour faciliter le démarrage de la lampe. Jusqu'ici cependant de tels dépôts n'ont jamais été disposés de telle façon que, en fonctionnement normal de la lampe, ils soient chauffés suffisamment pour provoquer un dégagement de valeur de baryum ou de strontium, de manière à produire et entretenir l'éclat lumineux caractéristique de la présente invention.
Si l'on utilise un moyen de chauffage indépendant, il peut être réalisé sous la forme d'une spirale en matière ré- fractaire, telle que du tungstène, dans laquelle on place la matière à vaporiser, des connexions amenant le courant de chauf- fage à la spirale. En variante, un dispositif peut être prévu pour produire, dans l'enveloppe de la lampe, une décharge auxi- liaire, en plus de la décharge principale dans la lampe, la dé- charge auxiliaire servant à chauffer la réserve de matière. La réserve peut être constituée par le métal supplémentaire, ou com- prendre celui-ci.
Par exemple, une partie de la cathode peut être recouverte de baryum métallique, ou bien un composé de ba- ryum tel que le silicate de baryum peut être prévu sous la forme d'un bâtonnet placé à l'intérieur du filament de chauffage sus- mentionné, ou encore un composé de baryum tel qu'un thorate ou un oxyde peut être déposé dans une rainure ou une alvéole prati- quée dans une des électrodes. De façon semblable, si la matière que l'on veut introduire dans la décharge est le sodium, la ré- serve peut être constituée par du silicate de sodium ou un mince bâtonnet de verre sodé.
Dans tous les cas, la position de la réserve sur l'élec- trode (si l'on utilise cette méthode de chauffage) dépendra de la nature de la matière formant la réserve. Ainsi, une matière relativement réfractaire, comme l'oxyde de baryum, sera placée
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dans une région plus'chaude (c'est-à-dire plus près du bout de l'électrode où la décharge se termine), qu'une matière moins réfractaire telle que le baryum métallique lui-même. Par exemple, de bons résultats ont été obtenus, dans le cas d'une lampe du type à source compacte, avec du thorate de baryum placé dans une pochette dans la cathode et recouvert d'une spirale en fil de tungstène enroulé autour de l'électrode, la pochette se trouvant à quelques millimètres de l'extrémité de l'électrode.
D'une façon générale on veillera à ce que le dégagement de vapeur de cette substance ne soit pas trop rapide, car l'effet caractéristique de l'invention peut disparaître avec une trop grande concentration de vapeur, ou encore la durée de vie de la lampe peut être anormalement raccourcie, par épuisement de la réserve.
Si l'on utilise une décharge auxiliaire pour chauffer la réserve de matière, on utilisera d'habitude avantageusement la cathode comme une des électrodes de décharge auxiliaire et on y ajoutera une électrode auxiliaire supplémentaire. La réser- ve de matière vaporisable est alors, de préférence, placée sur l'électrode auxiliaire et il est,dans ce cas, indéfférent que la décharge auxiliaire se termine sur l'électrode princioale au même point que la décharge principale ou en un autre point. On peut, en variante, employer deux électrodes auxiliaires, entre lesquelles la décharge auxiliaire s'établit alors, et l'une ou l'autre ou les deux électrodes auxiliaires peuvent être garnies de matière de réserve. Cependant jusqu'ici aucun avantage n'a été tiré de l'emploi de deux électrodes auxiliaires.
Celles-ci pré- sentent d'ailleurs le défaut, au point de vue fabrication, qu'il faut prévoir des systèmes de connexions supplémentaires ou plus compliqués.
Le chauffage Indépendant, tel que la spirale de tungstène ou la décharge auxiliaire, présente l'avantage que l'on peut sta- biliser le degré d'échauffement de la matière de réserve, en in-
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troduisant, par exemple, une résistance appropriée de limitation de courant, indépendamment de la décharge principale, de manière à obtenir le degré optimum de dégagement de vapeur pour la pro- duction et l'entretien de l'effet caractéristique de l'invention.
Le dispositif de chauffage indépendant peut être couplé aux électrodes de la lampe, de façon qu'il se mette automatiquement en marche, quand la lampe est allumée.
L'expérience a montré qu'avec une lampe conforme à l'in- vention, spécialement une lampe du type susmentionné à source compacte, l'éclat lumineux est le mieux obtenu avec une pointe de cathode de très petit diamètre; on obtient ainsi un accroisse- ment de l'intensité et de la stabilité de l'éclat lumineux.
Donc, dans une lampe conforme à l'invention, la cathode princi- pale a, de oréférence, la forme d'une pointe relativement fine en matière réfractaire sortant d'une pièce plus grosse en matière réfractaire.
La pointe et le corps métalliques seront fabriqués en tungstène ou en un autre métal réfractaire utilisé pour la fa- brication des cathodes.
Le terme "pointe" ne signifie pas nécessairement que l'extrémité de la cathode doit être effilée. Cette pointe peut être cylindrique, et être terminé par une face plane se présen- tant à la décharge. De préférence la pointe fait corps avec la base plus grosse, étant travaillée hors de celle-ci, par exemple en meulant une partie d'un bâtonnet en tungstène de manière à laisser une queue.
Il faut noter qu'au plus fine et au plus longue la pointe, plus grand sera l'effet d'échauffement dû à un courant de cathode donné quelconque; il ne faut donc pas que la pointe soit trop fine ou trop longue, de peur qu'elle ne soit surchauffée et qu'elle ne s'évapore exagérément en cours de fonctionnement. Elle sera cependant aussi fine que possible et assez longue pour que
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l'on soit assuré que toute la décharge principale se termine sur elle et non sur la base plus grosse d'où la pointe sort. La base métallique plus grosse sert à écouler la chaleur de la cathode, et elle sera donc aussi massive que possible.
On remarquera en plus qu'il est possible que la présence, dans le voisinage de la cathode, de la substance vaporisable qui produit l'éclat lumineux, aide à. tenir la cathode à une température plus faible, en rédui- sant la chute de tension sur la cathode.
Trois formes d'exécution de l'invention sont décrites ci- après, . titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dont
La figure 1 montre une lampe pouvant travailler avec une décharge auxiliaire.
La figure 2 montre une lampe pouvant travailler avec une spirale de chauffe auxiliaire, et
La figure 3 montre une lampe dans laquelle la réserve de métal supplémentaire est déposée sur la cathode, de manière à être échauffée uniquement par la décharge sous haute pression.
Chaque figure représente une coupe par l'axe de la lampe, sur lequel sont placées les électrodes principales.
Dans la forme d'exécution de la figure 1, la lampe est pourvue d'une enveloppe en quartz pratiquement sphérique 1, de diamètre extérieur d'environ 40 mm et d'une épaisseur de paroi de 2 mm. Sont scellées dans l'enveloppe, en des points diamétra- lement opposés, une anode 2, constituée par une tige de tunsgtène de 4 mm, de diamètre avec une face d'extrémité chanfreinée, et une cathode 3, consistant en une tige de tungstène de 2,5 mm de diamètre. L'extrémité de celle-ci est meulée de manière à former une pointe cylindrique 4 de 0,2 mm de diamètre et d'une longueur de 1,4 mm, la partie tronconique entre la pointe et la partie pleine de la tige, ayant une longueur axiale de 0,6 mm.
L'extré- mité de la pointe 4 et la face d'extrémité d'anode lui faisant
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face, sont séparées par une distance de 10 mm, chacune se trou- vant à 5 mm de l'enveloppe.
Les tiges d'anode et de cathode sont fixées dans des pincements latéraux scellés 5 et 6 bien connus, par lesquels passent des connexions de sortie.
L'enveloppe comporte aussi un troisième pincement latéral de scellement 7 qui sert à amener le courant à une électrode auxiliaire 8 scellée dans le pincement et ayant la forme d'une tige en tungstène d'un diamètre de 1 mm. L'extrémité de la tige 8 pénètre à l'intérieur de l'enveloppe et est terminée par une spirale 9 en fil de tungstène de 0,5 mm, enroulée sur un mandrin d'un diamètre de 1 mm avec spires jointives. La spirale contient une tige 10 de thorate de baryum d'une longueur de 5 mm et dont le diamètre est juste inférieur à 1 mm. La spirale est obturée, son extrémité proche de la cathode par un bouchon en tungstène 11 de 1 mm de diamètre.
L'électrode auxiliaire (8,9,10,11) est dis- posée pratiquement à angles droits par rapport à l'axe de la tige cathodique 3, l'extrémité adjacente du bouchon en tungstène 9 se trouvant à 1 mm de la surface de la tige 3 et à 6 mm de l'extrémi- té de la pointe 4; le bouchon 11 sort de la spirale 9 d'environ 2 mm.
Quelques spires de tungstène thorié 12, servant d'électro- de d'allumage, sont enroulées sur la tige de cathode 3, entre ,le bout du bouchon 9 et la base de la pointe 4.
La lampe est prévue pour dissiper 500 watts dans la déchar- ge principale et contient assez de mercure (environ 250 milli- grammes), pour établir, entre l'anode 2 et la cathode 3, une tension de 60 volts, quand elle travaille sous ce wattage. L'é- clat lumineux conforme . l'invention se produit avec un courant de décharge auxiliaire de 4 ampères. L'éclat a l'apparence d'un jaillissement rouge en queue de poisson sortant de la pointe 4 et s'étendant presque jusqu'à l'anode, tout en étant cependant le plus intense dans le voisinage immédiat de la pointe 4.
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La connexion en pointillé de la figure 1 montre schémati- quement comment la décharge auxiliaire peut être mise en route automatiquement quand les électrodes de la lampe sont connectées à la source de courant,la connexion venant du scellement 7 étant reliée à la connexion' scellée d'anode 5 par l'intermé- diaire d'une résistance appropriée de limitation de courant 13.
Dans la forme d'exécution de l'invention représentée à la figure 2, la lampe est, de façon générale, semblable à la lampe représentée à la figure 1, l'enveloppe 1, la tige d'anode 2, la tige de cathode 3, la pointe cathodique 4 et les scelle- ments 5 et 6 étant les mêmes et ayant les mêmes dimensions qu'à la figure 1.
L'électrode auxiliaire de la figure 1 est ici remplacée par une spirale 14, dont la longueur axiale est d'environ 5 mm et qui est constituée de fil de tungstène de 0,35 mm de diamètre enroulé, à spires presque jointives, sur un mandrin d'un diamè- tre de 1 mm La spirale contient une tige 15 en thorate de baryum, longue de 5 mm environ et d'un diamètre de 1 mm, main- tenue par les extrémités 16 et 17, venant à l'intérieur de l'enveloppe, de deux connexions scellées en molybdène traversant l'enveloppe, de manière connue, dans un pincement latéral 18.
La spirale est maintenue avec son axe parallèle à l'axe de la tige cathodique 3, avec un espacement d'environ.1 mm. entre les surfaces de la spirale et de la tige, le bout de la spirale ve- nant pratiquement au niveau de la base de la pointe 4.
L'électrode d'allumage 12, constituée de quelques spires de fil de tungstène thorié enroulés autour de la tige de catho- de 3, se trouve entre la spirale 14 et l'enveloppe 1.
La lampe est prévue pour dissiper environ 500 watts dans la décharge anode-cathode et contient 250 milligrammes de mer- cure, la tension établie entre anode et cathode est d'environ 60 volts. L'éclat lumineux caractéristique de l'invention est obtenu quand un courant d'environ 8 ampères parcourt la spirale.
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Dans la forme d'exécution de l'invention représentée à la figure 3, l'enveloppe 19 de la lampe est de forme ovoïde; elle comprend d'une part une partie pratiquement hémi-sphérique 20 d'un diamètre intérieur de 50 mm, terminée d'autre part par une partie conique 21. La longueur axiale intérieure de la lampe est de 66 mm et l'épaisseur de paroi est de 2 mm.
L'extrémité conique 21 de l'enveloppe porte, y scellée, une tige d'anode 22 en tungstène de 6 mm de diamètre, tandis que dans la partie hémisphérique 20 est scellée une tige de cathode 23 en tungstène de 3,5 mm de diamètre. L'anode et la cathode se trouvent sur l'axe de la lampe et sont montées sur des connexions scellées dans des pincements latéraux 24,25 de type connu. La tige d'anode 22 pénètre à l'intérieur de l'enveloppe d'environ 11 mm et la tige de cathode d'environ 30 mm, de façon à former un intervalle de décharge de 25 mm. L'extrémité de l'anode est arrondie de façon à avoir une forme pratiquement hémisphérique, tandis que l'extrémité de la cathode est meulée de façon à terminer par une pointe conique de 8 mm de longueur axiale.
Juste au-dessus de la base du bout conique, la cathode est évidée sur une profondeur de 2 mm et une longueur axiale d'envi- ron 4 mm suivant un plan parallèle à l'axe, et dans la cavité 26 ainsi formée, on place une tige 27 de thorate de baryum, longue d'environ 4 mm et d'un diamètre juste inférieur à 2 mm, enveloppée d'une spirale 28 de fil de tungstène très mince.
Cette tige est maintenue par une spirale 29 en fil de tungstène de 0,4 mm, enroulée autour de la tige de cathode 23, de façon que ses spires jointives recouvrent complètement la cavité.
La lampe est prévue pour dissiper 2.500 watts dans la décharge et contient suffisamment de mercure (environ 650 milli- grammes) pour établir une tension de 150 volts entre électrodes.
Dans ces conditions, l'éclat lumineux caractéristique de l'in- vention se produit, émanant principalement de la cathode.
A
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Dans chacune des trois formes d'exécution qui viennent d'être décrites, l'enveloppe de la lampe contient en outre une petite quantité d'argon, prévue de manière connue, pour facili- ter l'allumage, et toutes les lampes peuvent travailler sans réfrigération forcée.
REVENDICATIONS
1) Lampe à décharge électrique dans une valeur métallique à haute pression du type spécifié, comprenant à l'intérieur de l'enveloppe de la lampe une réserve de matière de nature telle et disposée de telle façon que, autours du fonctionnement de la lampe,- elle est ou peut être chauffée de manière à produire un dégagement de vapeur d'un ou de plusieurs des métaux lithium, sodium, baryum, strontium, la vapeur étant dégagée sur ou de manière à passer sur la trajectoire de la décharge sous haute pression, la manière de chauffer la réserve de matière étant telle ou réglable de telle façon que, lorsque la lampe est ali- mentée de courant continu à un wattage élevé approprié, pour un tel fonctionnement où le wattage pour lequel la lampe est étudiée convient, il se produit ,
sur la trajectoire de la décharge sous haute pression, un éclat lumineux émanant principalement du voisinage de la cathode, et qui émet une quantité appréciable de lumière ayant une caractéristique d'au moins un spectre des mé- taux lithium, sodium, baryum, strontium.
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Improvements to electric discharge lamps in a metallic value under high pressure.
The invention relates to electric discharge lamps in high pressure metallic vapor, in which the metallic filling vapor consists entirely or mainly of mercury. The term "high pressure" means that the pressure of the filling metal vapor is not less than one atmosphere, and preferably three and more atmospheres, when the lamp is in normal operation.
The expression "predominantly mercury" means that during normal operation of the lamp the partial pressure of the mercury vapor is at least equal to the total loss of metal vapor during normal operation. Other metals which may be present and form, separately or together, major constituents of the filler vapor are cadmium and zinc, while there may sometimes be constituents.
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minor killers such as thallium and tellurium. Lamps of the type to which the present invention applies usually also contain a small amount of a permanent gas such as argon, in order to facilitate ignition.
It is sometimes advantageous to modify the color of the light emitted by a lamp of the type described, and it is known that this can be done by introducing into the lamp various additional ingredients so that their spectra are excited at the same time as the spectrum of the original filling. Thus, for certain applications, the light of a mercury vapor discharge (at easily attained pressures) lacks red, and it has been proposed to correct this defect by adding cadmium or zinc to the mercury. The discharge in the lamp then excites the spectrum of cadmium or zinc at the moment when it excites the spectrum of mercury, and it is assumed that the mode of excitation is the same for each vapor, that is to say that the physical laws of the discharge process are the same for each spectrum.
The object of the invention is to create a new form of lamp of the type described, in which the color of the light emitted, when the lamp is in operation, is modified by the excitation of at least one additional substance inside. - laughter of the lamp. It is assumed that, in the new lamp, the physical mechanism which produces the new phenomenon is different from the mechanism which produces the radiation in the positive column.
It has been discovered that if a suitable small amount of vapor of one or more of the metals lithium, sodium, barium, strontium, is present in the path of the high pressure discharge, provided that the lamp is operating in direct current at a sufficiently high load in watts, the vapor is strongly excited so as to produce a luminous burst (emanating mainly from the vicinity of the cathode) which emits the
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or the characteristic spectra of or metals.
According to the experiments made, the required wattage load is never less than 200 watts per centimeter of the length of the discharge path, and it is often much higher, for example 500 watts per centimeter and more.
In accordance with the invention, a metal vapor electric discharge lamp of the type specified contains, within its casing, a reserve of material of such nature and arranged such that, during operation of the lamp. lamp, this material is or can be heated so as to cause a release of vapor from one or more of the metals lithium, sodium, baryam, strontium, this vapor being developed on or caused to pass on the path of the de- load under high pressure, and the manner of heating the reserve material is such or is adjustable such that, when the lamp is supplied with direct current with a high wattage suitable, for such an operation where the wattage for which the lamp is studied is appropriate, it occurs,
on the trajectory of the high pressure discharge, a luminous burst emanating mainly from the vicinity of the cathode, and which emits an appreciable quantity of light having a characteristic of at least one spectrum of the metals lithium, sodium, barium, strontium.
In order to distinguish hereinafter the metal vaporized for the purpose of producing the luminous shine, from the metal used to give the high pressure filling for the passage of the high pressure discharge, the first metal (i.e. lithium, sodium, barium, strontium) will be referred to as the additional metal.
It appears that the rate of vapor evolution of the additional metal may be only very low, the vapor pressure probably still being a small fraction of a millimeter of mercury. The reason why such a small amount of vapor produces the luminous glow characteristic of the invention is not fully known, but it is believed that the
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steam is subjected to an extraordinarily intense excitation in the high pressure discharge. The metals lithium, sodium, barium, and strontium which have been found to be suitable for the purposes of the invention all have low ionization potentials compared to that of mercury, and this is probably an explanation.
But this is not a convincing demonstration, since it is not correct that all metals which have low ionization potentials compared to that of mercury are suitable for producing the luminous glow characteristic of the invention.
Trials undertaken with calcium and thallium have failed.
If the resist contains several vaporizable metals, the light produced by the luminous glare may contain their respective spectra, and thus different combinations of colors can be obtained.
In a lamp according to the invention, the luminous glare is not distributed uniformly over the entire path of the high pressure discharge (although it may, in certain cases, extend from the cathode to the anode) and it is most intense in the vicinity of the cathode. This phenomenon distinguishes the method of excitation of the additional substance according to the invention from methods known hitherto, which all give rise to a practically uniform excitation of the substance along the entire trajectory of the high pressure discharge.
Experience has further shown that the excitation of the additional metal according to the process according to the invention is often obtained without appreciable reduction in the efficiency of the lamp, and this is in flagrant opposition to the known excitation methods, which decrease generally the output of the lamp is noticeable. This characteristic makes the excitation method according to the invention very interesting for correcting the color of the light emitted by a high pressure mercury vapor discharge lamp, and in particular for
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correcting the lack of red, for which correction lithium, sodium and barium are all indicated.
Experience has shown that the effect produced in accordance with the invention is best obtained with lamps of the compact source type which can work under pressures of the order of 5 atmospheres, and especially when such lamps work. - slow at loads of over 500 watts per centimeter of high pressure discharge path length.
Compact source lamps suitable for the purposes of the invention can be defined as being of the type in which the ratio between the interior surface of the casing (measured in square centimeters) and the square of the distance between the electrodes of the cell. high pressure discharge (measured in centimeters) is greater than #. and preferably greater than 5, and in which the quantity of metal present inside the lamp is sufficient to, in normal operation, give a metal vapor pressure not less than that which would result from the presence of a milligram, preferably not less than 3.5 milligrams, of mercury per cubic centimeter of interior volume of the lamp.
The metal will usually be mercury alone, but there may sometimes be appreciable amounts of other metals, especially cadmium or zinc, which may in some cases produce a partial vapor pressure equal to that of the vapor. of mercury.
As lamps suitable for the purposes of the invention are intended to operate with a high wattage load under high pressure, the enclosures should be planned accordingly; such shells are well known in the art of high pressure mercury vapor lamps. An upper load limit is given, as is known, by the resistance of the casing to the imposed conditions. It is well known that a high pressure mercury vapor discharge lamp with an in-
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quartz casing (without forced refrigeration) can be charged up to 40 watts per square centimeter of casing surface.
There are similarly other upper limits fixed by known practical considerations, if forced refrigeration is used. The construction of the electrodes for high lathing direct current operation, and of the seals for the power supply leads is also well known. A lamp considered to be studied for a given wattage must have a life, at this wattage, of at least 500 hours, this life being limited in particular by the damage incurred by the seals, the casing or the electrodes, the blackening of the envelope, or the inability to start.
It will be noted that the "life" of the lamp considered here in connection with the study of the lamp, means the normal life, that is to say the life of the discharge under high pressure only; the life of the lamp during which the luminous glow in accordance with the present invention occurs may be shorter than the normal life, if a sufficient reserve of material is not provided.
Due to the small amount of additional metal vapor required, the lamp shell will not become appreciably darkened by additional metal deposition, during the normal life of the lamp at the required load.
The supply of material comprising the additional vaporizable metal can be arranged so that it is heated by the high pressure discharge even in the lamp so that the additional metal vaporizes automatically when the lamp is in normal operation. Independent heating can also be provided. If the reserve is heated by the main discharge in the lamp, the material can be placed on or incorporated into an electrode of the high pressure discharge. This electrode will generally be the cathode, for reasons of convenience.
It can be seen from this aspect of the invention that techniques are known for placing in
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or on a cathode remote from the end of the path where the discharge ends, a reserve of electron-emitting material, which may consist of a barium or strontium compound, and serving as an ignition electrode, to facilitate the lamp start-up. Hitherto, however, such deposits have never been so arranged that, in normal lamp operation, they are heated sufficiently to cause a release of value of barium or strontium, so as to produce and maintain the brightness. luminous characteristic of the present invention.
If an independent heating means is used, it can be made in the form of a spiral of refractory material, such as tungsten, in which the material to be vaporized is placed, with connections bringing in the heating current. spiral fage. Alternatively, a device may be provided for producing an auxiliary discharge in the lamp envelope, in addition to the main discharge in the lamp, the auxiliary discharge serving to heat the reserve of material. The reserve can consist of the additional metal, or include it.
For example, part of the cathode can be coated with metallic barium, or a barium compound such as barium silicate can be provided in the form of a rod placed inside the suspended heating filament. mentioned, or a barium compound such as a thorate or an oxide may be deposited in a groove or a cell made in one of the electrodes. Similarly, if the material to be introduced into the landfill is sodium, the reserve may be sodium silicate or a thin rod of soda glass.
In all cases, the position of the reserve on the electrode (if this heating method is used) will depend on the nature of the material forming the reserve. Thus, a relatively refractory material, such as barium oxide, will be placed
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in a warmer region (i.e., closer to the tip of the electrode where the discharge ends), than a less refractory material such as metallic barium itself. For example, good results have been obtained, in the case of a lamp of the compact source type, with barium thorate placed in a pocket in the cathode and covered with a spiral of tungsten wire wound around the tube. electrode, the pouch being a few millimeters from the end of the electrode.
In general, care should be taken to ensure that the release of vapor from this substance is not too rapid, because the characteristic effect of the invention can disappear with too great a concentration of vapor, or even the service life of the lamp may be abnormally shortened by exhaustion of the reserve.
If an auxiliary discharge is used to heat the stock of material, the cathode will usually advantageously be used as one of the auxiliary discharge electrodes and an additional auxiliary electrode will be added thereto. The reserve of vaporizable material is then preferably placed on the auxiliary electrode and it is, in this case, irrelevant whether the auxiliary discharge ends on the main electrode at the same point as the main discharge or at another point. point. As a variant, two auxiliary electrodes can be employed, between which the auxiliary discharge is then established, and one or the other or both auxiliary electrodes can be packed with reserve material. However, so far no advantage has been derived from the use of two auxiliary electrodes.
These also have the defect, from a manufacturing point of view, that it is necessary to provide additional or more complicated connection systems.
Independent heating, such as the tungsten coil or auxiliary discharge, has the advantage that the degree of heating of the resist material can be stabilized, by
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providing, for example, an appropriate current limiting resistor, independent of the main discharge, so as to obtain the optimum degree of vapor development for the production and maintenance of the characteristic effect of the invention.
The independent heater can be coupled to the electrodes of the lamp, so that it turns on automatically when the lamp is on.
Experience has shown that with a lamp according to the invention, especially a lamp of the above-mentioned type with a compact source, the luminous brightness is best obtained with a cathode tip of very small diameter; this results in an increase in the intensity and stability of the luminous glare.
Thus, in a lamp according to the invention, the main cathode preferably has the shape of a relatively fine tip of refractory material protruding from a larger piece of refractory material.
The metal tip and body will be made of tungsten or another refractory metal used in the manufacture of the cathodes.
The term "tip" does not necessarily mean that the end of the cathode must be tapered. This point may be cylindrical, and be terminated by a planar face presenting itself to the discharge. Preferably the point is integral with the larger base, being worked out of it, for example by grinding part of a tungsten stick so as to leave a tail.
It should be noted that the finer and longer the tip, the greater the heating effect due to any given cathode current; the tip should therefore not be too fine or too long, lest it be overheated and evaporate excessively during operation. However, it will be as thin as possible and long enough so that
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one can be sure that all the main discharge ends on it and not on the larger base from which the point emerges. The larger metal base serves to drain heat from the cathode, so it will be as massive as possible.
It will also be noted that it is possible that the presence, in the vicinity of the cathode, of the vaporizable substance which produces the luminous glow, helps. keep the cathode at a lower temperature, reducing the voltage drop across the cathode.
Three embodiments of the invention are described below,. by way of example, with reference to the accompanying drawings, of which
Figure 1 shows a lamp that can work with an auxiliary discharge.
Figure 2 shows a lamp that can work with an auxiliary heating spiral, and
Figure 3 shows a lamp in which the additional metal reserve is deposited on the cathode, so as to be heated only by the high pressure discharge.
Each figure represents a section through the axis of the lamp, on which the main electrodes are placed.
In the embodiment of Figure 1, the lamp is provided with a substantially spherical quartz shell 1, with an outside diameter of about 40 mm and a wall thickness of 2 mm. Are sealed in the envelope, at diametrically opposed points, an anode 2, consisting of a rod of tunsgtene 4 mm in diameter with a chamfered end face, and a cathode 3, consisting of a tungsten rod. 2.5 mm in diameter. The end of the latter is ground so as to form a cylindrical tip 4 with a diameter of 0.2 mm and a length of 1.4 mm, the frustoconical part between the tip and the solid part of the rod, having an axial length of 0.6 mm.
The end of the tip 4 and the anode end face making it
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face, are separated by a distance of 10 mm, each being 5 mm from the envelope.
The anode and cathode rods are secured in well-known sealed side clamps 5 and 6, through which output connections pass.
The casing also has a third lateral sealing pinch 7 which serves to supply current to an auxiliary electrode 8 sealed in the pinch and having the shape of a tungsten rod with a diameter of 1 mm. The end of the rod 8 penetrates inside the casing and is terminated by a spiral 9 of 0.5 mm tungsten wire, wound on a mandrel with a diameter of 1 mm with contiguous turns. The spiral contains a rod 10 of barium thorate with a length of 5 mm and the diameter of which is just less than 1 mm. The spiral is closed, its end close to the cathode by a tungsten plug 11 of 1 mm in diameter.
The auxiliary electrode (8,9,10,11) is arranged practically at right angles to the axis of the cathode rod 3, the adjacent end of the tungsten plug 9 being 1 mm from the surface. from rod 3 and 6 mm from the end of tip 4; the stopper 11 comes out of the spiral 9 by approximately 2 mm.
A few turns of thoriated tungsten 12, serving as an ignition electrode, are wound on the cathode rod 3, between the end of the plug 9 and the base of the point 4.
The lamp is designed to dissipate 500 watts in the main discharge and contains enough mercury (about 250 milligrams), to establish, between anode 2 and cathode 3, a voltage of 60 volts, when it is working under this wattage. The corresponding luminous brightness. the invention occurs with an auxiliary discharge current of 4 amps. The glow has the appearance of a red fishtail burst coming out of tip 4 and extending almost to the anode, yet being most intense in the immediate vicinity of tip 4.
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The dotted connection in figure 1 shows schematically how the auxiliary discharge can be started automatically when the electrodes of the lamp are connected to the current source, the connection coming from the seal 7 being connected to the sealed connection of anode 5 via a suitable current limiting resistor 13.
In the embodiment of the invention shown in Figure 2, the lamp is generally similar to the lamp shown in Figure 1, the casing 1, the anode rod 2, the cathode rod 3, the cathode tip 4 and the seals 5 and 6 being the same and having the same dimensions as in figure 1.
The auxiliary electrode of FIG. 1 is here replaced by a spiral 14, the axial length of which is approximately 5 mm and which consists of tungsten wire 0.35 mm in diameter wound, with almost contiguous turns, on a mandrel with a diameter of 1 mm The spiral contains a rod 15 in barium thorate, about 5 mm long and with a diameter of 1 mm, held by the ends 16 and 17, coming inside of the casing, two sealed molybdenum connections passing through the casing, in a known manner, in a lateral nip 18.
The spiral is maintained with its axis parallel to the axis of the cathode rod 3, with a spacing of approximately 1 mm. between the surfaces of the spiral and the shank, the end of the spiral almost level with the base of the tip 4.
The ignition electrode 12, made up of a few turns of thoriated tungsten wire wound around the cathode rod 3, is located between the spiral 14 and the casing 1.
The lamp is designed to dissipate approximately 500 watts in the anode-cathode discharge and contains 250 milligrams of mercury, the voltage established between anode and cathode is approximately 60 volts. The characteristic luminous glow of the invention is obtained when a current of approximately 8 amperes passes through the spiral.
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In the embodiment of the invention shown in Figure 3, the envelope 19 of the lamp is ovoid in shape; it comprises on the one hand a practically hemispherical part 20 with an internal diameter of 50 mm, terminated on the other hand by a conical part 21. The internal axial length of the lamp is 66 mm and the wall thickness is 2 mm.
The conical end 21 of the casing carries, sealed therein, a tungsten anode rod 22 of 6 mm in diameter, while in the hemispherical part 20 is sealed a tungsten cathode rod 23 of 3.5 mm in diameter. diameter. The anode and cathode lie on the axis of the lamp and are mounted on connections sealed in side clamps 24,25 of known type. The anode rod 22 penetrates inside the casing by about 11 mm and the cathode rod by about 30 mm, so as to form a discharge gap of 25 mm. The end of the anode is rounded so as to have a practically hemispherical shape, while the end of the cathode is ground so as to end with a conical tip 8 mm in axial length.
Just above the base of the conical end, the cathode is hollowed out to a depth of 2 mm and an axial length of about 4 mm in a plane parallel to the axis, and in the cavity 26 thus formed, one Place a rod 27 of barium thorate, about 4 mm long and of a diameter just less than 2 mm, wrapped in a spiral 28 of very thin tungsten wire.
This rod is maintained by a spiral 29 of 0.4 mm tungsten wire, wound around the cathode rod 23, so that its contiguous turns completely cover the cavity.
The lamp is designed to dissipate 2,500 watts in the discharge and contains enough mercury (about 650 milligrams) to establish a voltage of 150 volts between the electrodes.
Under these conditions, the characteristic luminous glow of the invention occurs, emanating mainly from the cathode.
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In each of the three embodiments which have just been described, the envelope of the lamp further contains a small quantity of argon, provided in a known manner, to facilitate the ignition, and all the lamps can work. without forced refrigeration.
CLAIMS
1) Electric discharge lamp in a high pressure metal value of the type specified, comprising inside the lamp casing a reserve of material of such nature and arranged in such a way that, around the operation of the lamp, - it is or can be heated so as to produce a release of vapor of one or more of the metals lithium, sodium, barium, strontium, the vapor being released on or in such a way as to pass on the path of the high pressure discharge , the manner of heating the reserve of material being such or adjustable so that, when the lamp is supplied with direct current at a high wattage suitable, for such operation where the wattage for which the lamp is designed is suitable, it occurs ,
on the path of the high pressure discharge, a luminous burst emanating mainly from the vicinity of the cathode, and which emits an appreciable quantity of light having a characteristic of at least one spectrum of the metals lithium, sodium, barium, strontium.