Procédé de production de lumière de forte intensité et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé La présente invention concerne un procédé pour la production de lumière de forte intensité et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Les sources lumineuses de forte intensité sont utiles dans des applications importantes du com merce, en particulier dans l'appareillage de projection de cinéma. Dans cette application il n'est pas suffisant d'avoir simplement une source de sortie lumineuse totale élevée. Il est souhaitable, pour les caractéris tiques optiques du système de projection, que cette lumière provienne d'une source d'éclairage concentré.
La source lumineuse principale de forte intensité actuellement en service est l'arc au charbon. En pra tique on sait que les arcs dans du gaz xénon four nissent une lumière blanche extrêmement brillante. Par conséquent, on a effectué les recherches pour trouver une source lumineuse provenant d'un arc dans du xénon qui pourrait compléter et même rem placer l'arc au charbon dans certaines applications.
On a décrit récemment un procédé de produc tion d'une sortie d'arc collimaté présentant une inten sité thermique élevée dans lequel un arc formé entre des électrodes de polarité opposée passe, en même temps qu'un courant gazeux, dans un passage étran glé présentant une surface de section transversale qui est plus petite que la section transversale d'un arc ouvert équivalent.
Par suite de l'étranglement, l'arc et le courant gazeux arrivent dans le passage où ils doivent être déchargés sous forme d'un effluent for tement chauffé qui peut ou non porter un courant suivant que les électrodes se trouvent sur le même côté ou sur les côtés opposés du passage restreint. Un chalumeau à arc qui utilise un arc produit entre une électrode en forme de baguette non consommable à l'intérieur d'un bec et une portion de paroi adja- cente du bec, donne un effluent qui ne porte pas de courant vers un corps qu'il heurte et a été désigné par chalumeau à arc non transféré .
D'autre part, un chalumeau à arc qui utilise un arc formé entre cette électrode interne et un corps externe agencé en aval du bec, donne un effluent portant un courant entier vers le corps heurté et est connu sous le nom de chalumeau à arc transféré .
On a constaté maintenant que la colonne d'arc interne ou externe étranglé produite par ces deux types de chalumeaux à arc, dans certaines conditions, peut servir de source lumineuse de forte intensité.
Suivant l'invention, un procédé de production de lumière de forte intensité consistant à faire passer un arc en même temps qu'un courant de gaz inerte d'ans un passage présentant une surface de section trans versale plus petite que celle d'un arc ouvert équiva lent, de façon à produire en aval de l'entrée dudit passage un arc restreint présentant une grande stabi lité axiale et une forte chaleur concentrée, est carac térisé par l'introduction dans ledit passage d'un gaz inerte présentant un poids moléculaire supérieur à 39.
Comme gaz appropriés pouvant être utilisés dans le procédé, on peut citer l'argon (poids moléculaire 39,94), le krypton (poids moléculaire 83,70) et le xénon (poids moléculaire 131,3). En particulier, on préfère le xénon, étant donné qu'il fournit la lumière la plus brillante se rapprochant le plus d'une lumière blanche.
L'invention comprend en outre un appareil pour la mise en aeuvre du procédé susmentionné, compre nant une électrode non consommable en forme de baguette, placée à l'intérieur d'un bec présentant un passage de sortie étranglé, la pointe de ladite élec trode étant au voisinage de l'entrée du passage étran- glé, et une électrode complémentaire placée en aval de l'orifice du bec, ce dernier étant relié à une source de gaz inerte et lesdites électrodes étant reliées à une source de courant continu, l'électrode en forme de baguette servant de cathode et l'électrode com plémentaire d'anode.
Suivant la présente invention, cet appareil est caractérisé en ce qu'une chambre d'observation entourant l'espace compris entre le bec et l'électrode complémentaire par une paroi qui en partie au moins est transparente à la lumière, est agencée pour communiquer avec une conduite des tinée à remettre en circulation le gaz du bec qui a été introduit dans ladite chambre par le bec.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'appareil que com prend le présent brevet.
La fig. 1 est une vue principale fragmentaire en coupe transversale d'un appareil à arc.
La fig. 2 est une vue analogue d'une variante. La fig. 3 est un graphique de brillance en fonc tion de la position axiale de la colonne d'arc.
Les fig. 4 et 5 sont des vues analogues aux fig. 1 et 2 de variantes supplémentaires.
La fig. 6 est une vue principalement en coupe verticale d'une autre variante.
La fig. 7 est une vue analogue d'une variante. La fig. 8 est un graphique de la brillance relative en fonction de l'écoulement gazeux linéaire par rap port à l'arc pour diverses pressions de la zone d'arc.
Comme représenté sur la fig. 1, une électrode en tungstène 110, présentant un diamètre de 2,4 mm, est disposée coaxialement à l'intérieur d'un bec en cuivre 112 refroidi à l'eau et présentant un diamètre de 4 mm. La pointe de l'électrode est disposée en retrait de la sortie du bec, à 4,8 mm de cette der nière. On fait passer de l'argon gazeux suivant un débit de 566 litres par heure vers le bas autour de l'électrode pour qu'il sorte par le bec. Un arc 114 est alors formé de l'électrode 110 à l'anode en cuivre <B>116</B> refroidie à l'eau et est maintenu sous une tension de courant continu de 40 volts et à 100 ampères.
La brillance de l'arc dans ces conditions a été mesu rée et est de 4380 bougies environ par cm2 en con centrant sur un photomètre la lumière émanant de la portion de l'arc se trouvant juste au-dessous du bec. On fait varier alors le courant de 50 ampères à 200 ampères et la brillance moyenne de l'arc juste au-dessous du bec varie entre 1710 et 6550 bougies par cm2 dans cette gamme de courant.
On a répété ce processus avec le xénon gazeux qu'on a fait passer à un débit de 424 litres par heure à travers le chalumeau à arc transféré. La brillance de la portion de l'arc se trouvant juste au-dessous du bec a augmenté de 17 800 à 30 400 bougies/cm- lorsqu'on a augmenté le courant de 100 à 200 ampères.
Comme représenté sur la fig. 2, un chalumeau à arc 123 comprenant une électrode en tungstène 122 ayant un diamètre de 2,4 mm disposée coaxiale- ment à l'intérieur d'un bec en cuivre 124 refroidi à l'eau et présentant un diamètre de 3,2 mm, réglée en retrait à 3,2 mm de la sortie du bec, a été disposé dans un récipient sous pression 126 présentant une fenêtre en quartz 128. On a rempli le récipient de xénon. On a engendré un arc 130 de 100 ampères et sous une tension continue comprise entre 21 et 38 volts entre l'électrode négative et une anode en cuivre refroidie à l'eau 132.
La brillance de l'arc a été mesurée en dirigeant une portion de l'image de l'arc à travers la fenêtre en quartz sur un photo mètre. La pression du xénon dans le récipient a été progressivement augmentée par des quantités mesu rées de la pression atmosphérique à une pression de 25,3 kg/cm2. La brillance maximum de l'arc a aug menté de 21<B>900</B> bougies/cm2 à 120 000 bougies/cm2 lorsqu'on a augmenté la pression ambiante dans la gamme ci-dessus. Pour obtenir la brillance maximum on remarquera que le présent procédé est mis en #uvre de préférence à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
En particulier, il est préfé rable d'opérer à une pression comprise entre 15 et 50 atmosphères.
L'un des principaux avantages de l'arc transféré en tant que source lumineuse est la brillance relati vement uniforme obtenue le long de la colonne d'arc. La fig. 3 montre une comparaison des résultats pour un arc ouvert non étranglé dans de l'argon 134 et un arc étranglé transféré 136 protégé par de l'argon, dans des conditions de fonctionnement analogues.
On a obtenu l'information ci-dessus en observant l'arc à partir du côté de la façon classique utilisée avec une source lumineuse à arc. Quelquefois, un point lumineux extrêmement brillant est nécessaire, par exemple comme source d'éclairage pour la microscopie ou pour la photographie dite par effet Schlieren. Pour cette application, on peut observer l'arc axialement. On peut le réaliser avec le chalu meau à arc transféré en utilisant une anode présen tant un trou au centre et en observant l'arc à travers ce trou.
L'exemple suivant donne des résultats obtenus pour des gaz d'argon et de xénon dans un chalumeau à arc transféré observé axialement.
Comme représenté sur la fig. 4, on a utilisé un chalumeau à arc constitué par une électrode en tungstène 142 présentant un diamètre de 2,4 mm, disposée coaxialement à l'intérieur d'un bec en cuivre 144 refroidi par de l'eau et ayant un diamètre de 3,2 mm. On a disposé la pointe de l'électrode à 4,76 mm en retrait de la sortie du bec. Une anode 146, en forme de disque, présentant un trou 148 ayant un diamètre de 4,76 mm est disposée à 3,2 mm au-dessous du bec du chalumeau. On fait passer de l'argon à un débit de 566 litres/heure vers le bas à travers le chalumeau, tout en maintenant un arc à 150 ampères et sous une tension continue de 34,5 volts.
La brillance de l'arc telle qu'on l'a obser vée à travers l'orifice de l'anode est de 18 330 bou- gies/cm2. On a répété l'essai ci-dessus en utilisant du gaz xénon à un débit de 84,91/heure et on a fait fonc tionner le chalumeau à 200 ampères et sous une tension continue de 45 volts. La brillance de l'arc telle qu'on l'a observée à travers l'ouverture de l'anode est de 70 600 bougies/cm2.
On peut également utiliser l'arc non transféré comme source lumineuse ponctuelle. Dans ce cas, aucune anode externe n'est nécessaire et on observe l'arc axialement à travers le bec du chalumeau.
Les arcs transférés et non transférés, lorsqu'on les utilise en tant que sources lumineuses ponctuelles, ont l'avantage de fournir une lumière qui est plus stable et plus brillante que les sources lumineuses ponctuelles de la technique antérieure.
Il est souvent avantageux d'utiliser un bec non conducteur transparent pour étrangler une colonne d'arc sur la plus grande partie de sa longueur de manière à permettre d'utiliser une plus grande frac tion du rayonnement provenant de l'arc et d'éliminer le problème de double jaillissement d'étincelles qui se produit souvent avec des becs conducteurs à des degrés élevés d'étranglement. La fig. 5 représente une colonne d'arc 150 établie à l'intérieur d'un canal à tourbillonnement d'eau 152 qui sert à la fois à étran gler l'arc et à refroidir le tube de guidage en quartz environnant à travers lequel la lumière provenant de l'arc est transmise.
On a effectué des déterminations de brillance de côté de cet arc étranglé par une paroi d'eau en utilisant de l'argon et en observant la colonne à tra vers le quartz et la paroi d'eau. La colonne d'arc a été étranglée dans une faible mesure et présente une brillance de 8000 bougies/cm2 à 250 ampères.
Les sources lumineuses à arc enfermées dans du quartz de la technique antérieure ont leur niveau de puissance limité par le fait que la totalité de la cha leur de l'arc doit être dissipée à travers l'enveloppe transparente environnante. Un avantage majeur de l'appareil décrit est obtenu en remettant en circula tion le gaz de l'arc extérieurement à la zone de l'arc.
On peut refroidir le gaz remis en circulation dans un passage formé dans l'anode refroidie par de l'eau, et par des échangeurs de chaleur externes, si on le désire. La charge de transmission de chaleur, que l'enveloppe transparente telle que du quartz doit sup porter, est ainsi fortement diminuée, ce qui augmente la capacité de puissance d'une enveloppe de dimen sion donnée par un facteur estimé à 3, en compa raison de celui des lampes scellées dans du quartz de la technique antérieure.
Comme représenté sur la fig. 6, la lampe 6 est munie d'une cathode droite 10, consistant de pré férence en du tungstène thorié, disposée coaxialement à l'intérieur d'un bec en cuivre 11 refroidi à l'eau. L'anode 12 est creuse et est également constituée en cuivre refroidi par de l'eau. Un arc 13 est engendré entre la cathode 10 et l'anode 12, tout en faisant circuler un gaz inerte dans le même sens que l'arc. Ce gaz pénètre dans la lampe 6 par un passage d'admission 14, monte à travers un espace annulaire 15 autour de la cathode 10 et passe avec l'arc 13 à travers l'orifice du bec 11, puis à travers un espace creux 16 formé dans l'anode 12 et quitte le chalu meau par un passage de sortie 17.
Le passage d'admission 14 et le passage d'évacuation 17 sont reliés par une conduite externe 18 et une soupape 19. La circulation du gaz peut être maintenue par pom page par l'arc et par convection, mais. une pompe externe 20 disposée dans la conduite 1-8 peut être utilisée à cet effet.
La zone de l'arc est entourée par un manchon transparent 21 qui sert à maintenir une chambre sous pression, ainsi qu'à fournir un orifice d'observation de la source lumineuse à arc. Ce manchon est consti tué de préférence en quartz. Un échangeur de cha leur 22 peut être utilisé, si on le désire, dans la canalisation de gaz externe 18 pour éliminer la cha leur de l'arc à partir du gaz remis en circulation.
La fig. 7 représente une variante. L'appareil 8 comprend une cathode 23 consistant de préférence en du tungstène thorié, emboutie sur un support 24 d'électrode en cuivre refroidie à l'eau qui est dis posée à l'intérieur d'un bec en cuivre 27 refroidi à l'eau. L'anode est constituée par un bouton 25, de préférence en tungstène, soudé au support 26 en cuivre refroidi à l'eau. L'anode est entourée par un tube en cuivre 41 refroidi à l'eau et qui agit princi palement en tant qu'écran pour diriger l'écoulement du gaz autour de l'anode 25 et également pour étrangler légèrement et stabiliser l'arc.
Un arc 28 est produit entre la cathode 23 et l'anode 25 tandis qu'un gaz inerte est mis en circulation dans le même sens que l'arc. Ce gaz pénètre dans le chalumeau par une entrée 29, monté à travers un espace annulaire 30 situé autour du support d'électrode 24 et de l'élec trode 23, passe à travers un espace annulaire 31 situé autour du support 26 d'électrode, puis sort par la sortie 32. L'entrée 29 et la sortie 32 sont reliées par une conduite 33 munie d'une pompe 34 pour mettre le gaz en circulation.
La zone de l'arc est entourée par un manchon en quartz transparent 35 qui sert à fournir une chambre sous pression ainsi qu'un orifice d'observation pour la source lumineuse à arc. Le manchon transparent 35 doit être suffisamment épais pour résister aux pressions de fonctionnement internes. Par exemple, un manchon en quartz, ayant une épaisseur de 4,8 mm et un diamètre externe de 3,8 cm a été uti lisé sous des pressions atteignant 50 atmosphères environ. Le manchon en quartz est protégé de la dévitrification provoquée par la chaleur et le rayon nement de l'arc en l'entourant à l'aide d'un manchon transparent protecteur 36 destiné à fournir un espace annulaire 37 à travers lequel on fait circuler de l'eau d'une entrée 38 à une sortie 39.
Le manchon 36 peut être construit en toute matière présentant les carac téristiques de transmission voulues pour la lumière souhaitée, telle que de la silice, du quartz ou du verre de vitre normal fondus. L'appareil 8 est main tenu par des supports 40.
Comme exemple de fonctionnement de l'appareil 8 représenté sur la fig. 7, un arc de 125 ampères et sous une tension continue de 65 volts est produit entre une cathode en tungstène thorié ayant un dia mètre de 2,4 mm disposée coaxialement à l'intérieur d'un bec en cuivre refroidi à l'eau ayant un diamètre de 3,2 mm et une anode en tungstène ayant un dia mètre de 2,4 mm disposée à l'intérieur d'un bec en cuivre refroidi à l'eau ayant un diamètre de 8 mm. La pointe de la cathode est réglée en retrait à une distance comprise entre 0,8 et 1,6 mm.
Un plus grand retrait augmente le manque d'uniformité rela tive de la brillance sur la longueur de l'arc exposée et diminue également le rendement en raison d'une protection partielle. On fait passer de l'argon gazeux à un débit de 2,83 m3/heure (mesuré dans des condi tions normales de température et de pression) dans le même sens que l'arc, et on maintient la chambre à arc sous une pression de 25 atmosphères. La bril lance de l'arc, mesurée par un photomètre dirigé vers la sortie du bec cathodique, est de 128 000 bou- gies/cm2. L'arc est extrêmement stable et a une forme sensiblement cylindrique.
La brillance relative de l'arc est augmentée prin cipalement par trois processus: augmentation du courant, augmentation de la circulation du gaz à tra vers le chalumeau et augmentation de la pression de la chambre à arc. Les effets des deux dernières variables sont indiqués sur la fig. 8. La circulation du gaz représentée est la circulation dans les condi tions de pression indiquées. Toute pression de la chambre supérieure à la pression atmosphérique peut être utilisée, mais il est préférable d'opérer entre 15 et 50 atmosphères.