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Lampes à vapeur de mercure à teinte corrigée, matièresfluorescentes au germanate pour ces lanpes et procédé de fabrication.
La présente invention se rapporte à la modification de la teinte des sources lumineuses, spécialement des appareils à vapeur de mercure, et aux matières fluorescentes utilisées pour réaliser cette modification.
La caractéristique principale de l'invention consiste en la réalisation d'une lampe à vapeur de mercure sous haute pression, ou d'une autre source lumineuse émettant des rayons visibles et ultra-violets, avec une matière fluorescente produi- sant des rayons rouges venant s'ajouter à et/ou corriger les ra- diations de la source même.
Plusieurs formes d'exécution préférées de l'invention sont représentées à titre d'exemple aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue de profil, avec des parties en coupe longitudinale, d'une lampe conforme à l'invention.
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Les figures 2, 3 et 4 sont des vues analogues à celle de la figure 1, représentant d'autres formes d'exécution de l'invention.
La figure 5 est un graphique montrant comment la lu- minescence de diverses matières fluorescentes varie avec la tem- pérature à laquelle elles sont employées. L'axe des ordonnées est graduée en " % de fluorescence maximum", et l'abscisse indique la température en degrés centigrades.
La figure 6 est un graphique semblable à celui de la figure 5, l'axe des ordonnées donnant l'éclat relatif des diver- ses matières fluorescentes.
La figure 7 est un graphique donnant en degrés d'éner- gie relative, par opposition à la clarté, une courbe typique ou approximative, de distribution spectrale d'une des lampes à teinte corrigée. L'abscisse donne les longueurs d'onde en microns.
Les lampes du type faisant l'objet de la présente in- vention sont déjà exploitées commercialement d'une façon limi- tée, principalement à cause de leur rendement élevé et de leur longue vie. Ces lampes ne peuvent cependant pas être utilisées, quand la teinte doit comprendre la gamme du rouge, parce que la radiation émise est particulièrement déficiente dans cette gamme.
Il a été proposé antérieurement plusieurs procédés pour améliorer la qualité de la lumière donnée par les lampes à va- peur de mercure à haute pression, mais aucun.ne s'est avéré sa- tisfaisant commercialement et ils diminuent tous fortement le ren- dement lumineux tout en n'améliorant que faiblement la qualité de la lumière. On combine par exemple souvent des lumières incandes- centes et des lampes à vapeur de mercure à haute pression, pour améliorer la teinte. Une telle combinaison qui donne à peine une amélioration perceptible de la teinte, a un rendement d'environ 37 lumens par watt (lpw) avec approximativement 3 % des lumens totaux dans la gamme rouge du spectre.
La meilleure correction de
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teinte recommandée avec des sources incandescentes est obtenue avec 40 % de lumens Hg et 60 % de lumens d'incandescence en combinaison. Le rendement d'une telle combinaison est d'envi- ron 25 lpw, avec approximativement 12 % des lumens totaux dans le rouge.
Un autre procédé de correction des lampes à vapeur de mercure à haute pression consiste dans l'utilisation de la radia- tion ultra-violette normalement produite par l'arc dans le quartz, pour exciter une matière fluorescente de manière à ob- tenir une émission dans la-gamme désirée du spectre. Ce procédé est digne d'attention, puisque environ un tiers de la radiation totale émise sous 26.000 angstroms par une lampe à vapeur de mercure à haute pression (par exemple le type H-l dans le quartz; voir l'article de E.W. Beggs, commençant page 430, volume 42, n 4, Transactions of the illuminating Engineering Society, 1947) se trouve dans l'ultra-violet et convient donc pour exciter une matière fluorescente.
Cependant jusqu'ici aucune matière fluores- cente connue ne convenait, à cause des conditions rigoureuses d'emploi d'une matière fluorescente dans la correction de la teinte d'une lumière produite par des sources de radiations ultra-violettes à haute température déficientes dans le rouge, comme c'est le cas des lampes à quartz. Il n'existe donc jusqu' ici aucune lampe de ce type à teinte corrigée au moyen de matiè- res fluorescentes. Les propriétés qu'une telle matière fluores- cente devrait avoir peuvent être définies de la manière sui- vante:
1. Elle devra être excitée par les rayons ultra-vio- lets courts et longs du spectre mercurique.
2. La bande spectrale de la lumière fluorescente émise devra être comprise entre 6.000 AU et 7.000 AU.
3. - Elle devra avoir un rendement de lumière élevé aux hautes températures, de préférence entre 400 C et 500 C.
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4. Elle sera aussi blanche que possible.
On a découvert qu'une matière fluorescente possède tou- tes ces propriétés jusqu'à un certain degré; c'est le germanate de magnésium activé au manganèse et ayant un rapport magnésium/ germanium d'environ 4/1. Une composition typique peut contenir: 4MgO. Ge02 . 0,01 Mn. L'expérience a montré qu'une telle matiè- re est légèrement jaune et que si elle est excitée par toutes les bandes ultra-violettes du mercure, elle donne une lumines- cence rouge pure et claire. On a constaté aussi que l'on ob- tient un pouvoir lumineux optimum à une température inférieure à celle qui règne dans une lampe à vapeur de mercure à haute pression, quoique cette matière soit nettement supérieure à ce point de vue à la plupart des matières fluorescentes courantes, comme la figure 5 l'indique.
Les enveloppes extérieures des lampes à vapeur de mer- cure à haute pression du type standard (par exemple H-4, H-5, H-l, H-12, voir l'article de Beggs précité) sont portées à une tempé- rature voisine de 400 C. Il est clair qu'il faut donc utiliser un globe plus grand pour que sa température s'adapte à la condi- tion de rendement maximum de la matière fluorescente,de manière à produire la meilleure lampe comprenant cette matière fluores- cente. On a constaté qu'en remplaçant une partie du magnésium et/ou de l'oxygène par une autre matière, il est possible de rendre la matière fluorescente plus indépendante de la température et d'aug- menter sa brillance.
Une composition typique (les proportions étant données en moles) d'une matière fluorescente conforme à l'invention est la suivante: 3, 5 MgO
0,5 BeO
1,0 GeO2
0,01 Mn
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Une telle matière fluorescente a été utilisée pour fabriquer une lampe à teinte corrigée, que l'on a utiliséepour établir le graphique de la figure 7. Ce graphique montre com- ment la lumière rouge produite dans la bande 0,62 à 0,68 mi- crons complète les bandes du mercure entre 0,40 et 0,58 microns, pour former ce qui se présente sous la forme d'une lumière blanche. En comparant entre elles les courbes représentées à la figure 5, on remarquera. que cette matière a un rendement @ bien meilleur aux températures élevées qu'une matière au ger- manate seul.
La quantité d'oxyde de magnésium peut varier entre 2 et 4,5 et on peut remplacer du magnésium par de 0,1 à 1,9 mole de béryllium, sans affecter sérieusement le rendement à tem- pérature ambiante de la matière fluorescente excitée par les radiations ultra-violettes du mercure. Cependant il semble inu- tile de substituer plus de 0,3 mole de béryllium, au point de vue de l'effet de la température. Un échantillon contenant 1,5 mole de béryllium a donné la même caractéristique de température qu' un échantillon à 0,3 mole.
Comme la figure 5 le montre clairement aussi, l'ajoute de fluor , ou le remplacement d'oxygène par.de petites quantités de fluor a un effet sur la stabilité de température semblable à celui de l'ajoute de béryllium seul, et cet avantage s'ajoute à son action de flux dans la préparation de la matière fluorescen- te. L'emploi de fluor est spécialement intéressant pour la toxici- té des compositions au béryllium. L'ajoute de 0,1 à 2 moles de fluor s'est avérée utile.
Les meilleurs résultats ont été obtenus en remplaçant de l'oxygène par du fluor, la matière fluorescente ayant la for- mule 2MgO . 2MgF2 . Ge02 . 0,01 Mn et présentant à température ambiante une luminosité approximativement double de celle d'un produit au germanate de magnésium pur. La quantité de fluor peut .
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être variée graduellement jusqu'à un rapport 1/1 entre oxyde et fluorure de magnésium, cette dernière valeur donnant la formule de luminosité maximum, l'oxyde de magnésium variant entre 4,5 et 2 inclusivement. La concentration de la matière activante peut varier inclusivement entre 0,001 et 0,1 comme dans les au- tres composés.
Au lieu de remplacer simplement le bérylliumpar du fluor, le fluor peut être ajouté au béryllium de manière à for- mer un fluo germanate de magnésium et béryllium. Un exemple d' une telle matière est donné par la formule 3,7 MgO . 0,1 MgF2 0,2 BeO . GeO2. 0,01 Mn ou en d'autres termes Mg3,8. BeO,2'
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FO , 2 . O5 9 10,01 .L'oxyde de magnésium, l'oxyde de béryl- lium, le fluor, et le manganèse peuvent avoir des valeurs dans les gammes indiquées pour ces matières dans les composés à bé- ryllium et fluor de substitution.
La matière fluorescente à béryllium de substitution peut être préparée avec pratiquement n'importe quels composés de métaux se transformant en oxydes par la chaleur, ou avec les oxydes mêmes. En général, de meilleure résultats ont été obte- nus en utilisant le nitrate ou le sulfate de magnésium, les oxy- des de béryllium et de germanium, et le nitrate ou le chloru- re de manganèse. Quand les oxydes sont utilisés en matières pre- mières, de petites quantités de matière ajoutées au radical sul- fate (S04), tel du H2SO4., (NH4)2 SO4, augmentent grandement le ren- dement du germanate pur ou du germanate à béryllium de substitu- tion. Des quantités aussi faibles que 0,05 mole par mole de ma- tière fluorescente, et aussi élevées que 2 moles par mole de matière ont un effet avantageux.
Toute proportion entre ces deux extrêmes peut être employée.
Le fluor est avantageusement ajouté sous la forme de MgF2 dans les matières à fluor de substitution, où les autres constituants sont ajoutés sous'la forme d'oxydes ou de carbonates.
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Le mélange se fait humide ou sec dans un mortier avec un pilon, ou dans un broyeur à boulets, après quoi le mélange est séché, moulu et tamisé avant chauffe. Les longues chauffes, pendant 12 heures à des températures entre 1000 C et 1250 C, se sont avérées meilleures pour les mélanges à béryllium de substitution. Le rendement est amélioré en chauffant dans une atmosphère de va- peur et d'oxygène. Les mélanges à fluor de substitution deman dent des chauffes plus courtes, de 1,5 à 2 heures, aux mêmes tem- pératures, mais des chauffes plus longues conviennent, parfois avec avantage.
Les matières fluorescentes finies sont déposées sur la paroi intérieure de l'enveloppe extérieure de la lampe à vapeur de mercure à haute pression, sous la forme de suspensions nitro- cellulosiques. L'enveloppe est cuite à environ 500 C dans un cou- rant d'air ou d'oxygène qui enlève le liant, une ampoule intérieu- re en quartz contenant la vapeur de mercure à haute pression est scellée dans l'ampoule extérieure, et l'espace annulaire est vidé d'air. La lampe est cuite à environ 500 C en restant raccordée à la pompe à vide et est scellée, avec un vide meilleur qu'un mi- cron de mercure.
Le rendement d'une telle lampe est augmenté en recouvrant l'intérieur d'une matière réfléchissante, tel de l'oxy- de de magnésium, et en donnant à la partie extérieure de la lam- pe une forme telle que sa température de travail coïncide avec la pointe de la courbe rendement - température de la matière fluores- cente, indiquée à la figure 5.
Le rendement heure zéro d'une lampe conforme à l'in- vention était de 54.1 lumens par watt, avec environ 11,2 % des lumens totaux provenant de la radiation rouge de la matière fluo- rescente à béryllium substitué. Les pertes générales en lumens étaient d'environ 4,9 % ou 2,8 lumens par watt. La même matière fluorescente déposée sur une petite ampoule extérieure avec une lampe de 400 watts avait un rendement heure zéro d'environ 50,4
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lumens par watt, avec 10,8 % des lumens totaux dans le rouge, et les pertes générales en lumens d'environ 10,7 %. Dans une autre lampe isotempérée et à matière fluorescente avec fluorine substituée, le rendement heure zéro était de 58 lpw avec envi- ron Il,5 % des lumens totaux dans le rouge.
Un gain de 1,7 lpw avait été obtenu grâce à la matière fluorescente. Cela donne 28 % de l'énergie rayonnée visible sous le forme de lumière rouge. En d'autres mots, pour une lampe à quartz de 400 watts (type EH-l), la matière fluorescente ajoute environ 20 watts d'énergie sous la forme de lumière rouge.
En se reportant en détail au dessin, et premièrement à la forme d'exécution de l'invention représentée à la figure 1, celle-ci montre une lampe à vapeur de mercure à haute pression à teinte corrigée 11, comprenant une enveloppe intérieure en quai'! 12 dont les extrémités sont supportées par des plaquettes de mica 13 et 14 dans lesquelles passent des fils de fixation 15 et 16, soudés à un conducteur 17 sortant d'un queusot 19, près de la base 21 de l'ampoule extérieure 22.
Un disque en mica 23 glissé, dans la partie du col, sur les conducteurs de liaison 17 et 18, sert à protéger le queu- sot contre la chaleur. La lampe 11 a une électrode principale 25 dont l'extrémité avant est reliée par un conducteur 26 à des fils supports 15 et 16, et une électrode 27 dont l'extrémité arrière est reliée par un fil flexible 28 à un conducteur 18. Une élec- trode d'amorçage 29 est reliée par une résistance 31 à un con- ducteur 17. L'enveloppe 12 contient une quantité de mercure et de gaz inerte à une pression supérieure à l'atmosphère, comme il est usuel dans les lampes de ce genre.
L'enveloppe extérieure, dans le cas considéré, est pré- vue pour une lampe fonctionnant en position horizontale, et a une forme générale ellipsoïdale, son axe se confondant avec le long axe de la lampe 11, de manière à être aussi isothermique que @
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possible. L'extrémité 33 opposée à la base 21 et le col 32 ont la forme générale de cylindres dont l'axe se confond avec l'axe de l'enveloppe 12 et ont un diamètre relativement petit, de fa- çon à venir en contact avec des ressorts 24 montés sur les fils supports 15 et 16 et servant à centrer l'enveloppe 12 dans l'en- veloppe extérieure 22. L'espace entre les enveloppes 12 et 22 est vidé d'air. La paroi intérieure de l'enveloppe extérieure 22 est recouverte avec une matière fluorescente choisie pour la correction de la teinte.
Pour obtenir environ la température de travail optimum pour la matière fluorescente 34, supposée être le fluo-germanate de magnésium préféré, la longueur de la partie ellipsoïdale de l'ampoule 22, quand elle contient une lampe de 400 watts, est approximativement 8 pouces (environ 20 cm), et sa plus grande dimension transversale approximativement 6 pou- ces (environ 15 cm).
La figure 2 représente une lampe lla avec une envelop- pe extérieure 22a. La construction et la fixation de l'enveloppe 12a et ce qu'elle contient sont semblables à celles de la lampe 11 de la première forme d'exécution. L'enveloppe 22a est prévue pour une lampe placée verticalement avec le culot vers le bas.
Elle a une forme générale en forme de poire, avec la partie lar- ge vers le haut, afin que les courants d'air léchant l'enveloppe extérieure la refroidissent 'et la maintiennentapproximativement isothermique. La grandeur de l'enveloppe est calculée de préfé- rence de façon que la matière fluorescente 34a garnissant sa paroi intérieure soit maintenue à la température optimum pour la production de lumière fluorescente, comme dans la forme d'exécu- tion précédente.
La figure 3 représente une autre forme d'exécution sembleble à celle de la figure 2, sauf que la lampe est prévue pour fonctionnement avec culot vers le haut; la partie large de
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la partie 22b également en forme de paire qui contient l'ampou- le intérieure 12b, est voisine de la base 21b, à l'opposé du cas précédent.
La figure 4 représente une forme d'exécution corres- pondant à celle de la figure 1, mais avec une enveloppe extérieu- re 22c de forme générale cylindrique et plus petite que celles de toutes les formes d'exécution précédentes. En d'autres mots, la présente forme d'exécution est un compromis permettant l'em- ploi d'une enveloppe extérieure de forme courante dont la paroi intérieure est garnie de la matière fluorescente choisie et pré- sentant certains des avanttages de l'invention, en corrigeant la teinte de la lumière émise par l'ampoule intérieure 12c., tout en sacrifiant certains de ces avantages xxxxxxxxxxxxxxxxx en travail- lant à une température plus élevée que la température optimum pour la production de lumière par une matière fluorescente confor- me à l'invention.
La figure 5 est un graphique donnant les débits rela- tifs à différentes températures de matières fluorescentes acti- vées au manganèse conformes à l'invention, telles que le fluo germanate de magnésium, le fluo germanate de magnésium et béryl- lium, et le germanate de magnésium et béryllium, avec d'autres matières fluorescentes activées au manganèse, telles que le ger- manate de magnésium sans matière de substitution, l'ortho germa- nate de zinc et le silicate de zinc et de béryllium. Les courbes sont identifiées, sans donner la quantité de manganèse qui a été communiquée déjà.
En étudiant ce graphique, on peut constater que le ger- manate de béryllium et de magnésium a comme température de pro- duction optimum de lumière la température maxima de travail d' environ 220 C, le germanate de magnésium venant ensuite avec une température de production optimum de lumière d'environ 150 C, tan- dis que le fluo germanate de magnésium a une température de pro-
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duction optimum de lumière d'environ 175 C. On remarque aussi que le silicate de zinc et béryllium est inférieur en qualité, puis- que son débit de lumière tombe rapidement quand la température monte à partir de températures notablement inférieures à zéro. En ce qui concerne l'orthogermanate de zinc, sa température opti- mum se situe un rien en-dessous de zéro, et son débit tombe rapidement avec l'augmentation de la température.
On pourrait conclure de ce qui précède que le germa- nate de béryllium et de magnésium activé au manganèse est la meilleure de toutes les matières fluorescentes représentées. Mais il ne s'agissait que d'une comparaison de températures de tra- vail pour chaque matière. Au contraire, la stabilité de tempéra- ture de la luminescence d'une matière fluorescente au germanate est nettement améliorée en remplaçant une partie du magnésium par du béryllium, mais les meilleurs résultats ont été obtenus en remplaçant de l'oxygène par du fluor dans la matière fluorescen- te au germanate. Une matière ayant la formule 2MgC . 2MgF2 .
GeO2. 0,01 Mn, a une luminosité à température ambiante double de celle du germanate de magnésium sans substitution et activé au manganèse, et la quantité de fluor peut être variée progres- sivement jusqu'à 1 pour 1 d'oxyde et de fluorure de magnésium, la concentration de matière activante variant comme dans le ger- manate de magnésium , c'est-à-dire entre 0,001 et 0,01.
Ce perfectionnement ressort clairement de l'examen de la figure 6, qui montre que la courbe du fluo germanate de magné- sium, tout en ayant une température de production optimum inférieu re à celle du germanate de magnésium pur, a une intensité telle- ment plus élevée au départ,qu'aux températures élevée.s correspon- dantes, le débit de lumière du fluo-germanate de magnésium est supérieur à celui des matières fluorescentes aux germanates purs ou à béryllium substitué.
Quoique plusieurs formes d'exécution préférées de l'in- vention aient été décrites, il est évident que des modifications
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peuvent être réalisées telles que, par exemple, dans toutes les matières fluorescentes proposées le rapport de cation à anion, c'est-à-dire des matières plus positives telles que le magné- sium et/ou le béryllium par rapport au germanium, peut varier de 4,6 à la valeur ortho de 2.
REVENDICATIONS
1.- Appareil pour produire de la lumière à teinte modifiée comprenant une source de radiations visibles et ultra- violettes,une enveloppe entourant la source, et un dépôt d'une matière fluorescente au germanate de magnésium activé au man- ganèse sur la paroi interne de l'enveloppe, grâce à laquelle, quand la source est allumée, la couleur des radiations produi- tes est modifiée par l'ajoute de lumière rouge produite par la matière fluorescente.