EP1876633B1

EP1876633B1 - Lampe à plasma avec des moyens pour générer dans son bulbe une onde resonante ultrasonore

Info

Publication number: EP1876633B1
Application number: EP07405189A
Authority: EP
Inventors: Andreas Meyer; Gilles Courret; Mirko Croci
Original assignee: Solaronix SA
Current assignee: Lumartix SA
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: ATE480867T1; CH699540B1; EP1876633A1; DE602007008984D1; ES2353658T3

Description

Domaine technique

La présente invention concerne une lampe à plasma comportant un bulbe en quartz contenant au moins un élément de la colonne du soufre du tableau de classification périodique des éléments chimiques et des moyens agencés pour générer et entretenir un plasma dans ce bulbe en envoyant des ondes électromagnétiques hyperfréquences dans ledit bulbe.

Technique antérieure

Parmi les lampes ayant un bon rendu des couleurs, les lampes à décharge, fluorescentes, à halogènes ou encore à halogénures métalliques, ont toutes une efficacité lumineuse bien supérieure à celle des lampes à incandescence. C'est pourquoi elles ont pris une grande partie du marché bien qu'elles contiennent des substances toxiques, notamment du mercure dans la plupart des cas. Le risque de rejet toxique à large échelle qui en résulte est reconnu pour être un danger environnemental de première importance. Dans la Communauté européenne, les appareils contenant du mercure font l'objet d'une réglementation stricte visant à les limiter, voire à les interdire, à compter du 1^er juillet 2006 (Directive 2002/95/CE du parlement européen et du conseil du 27 janvier 2003, Décision de la commission du 18 août 2005, Décision de la commission du 13 octobre 2005). En ce qui concerne les systèmes d'éclairage, leur retrait progressif du marché se fait à condition qu'une technologie de substitution exempte de toxique émerge. Cette disposition légale génère donc un marché potentiel de taille considérable.
Une nouvelle technologie d'éclairage, exempte de polluant, basée sur l'émission lumineuse de vapeurs diatomiques de certains éléments de ia colonne dite VIA du tableau de Mendeleïev, c'est-à-dire du tableau périodique des éléments chimiques, est en développement dans divers pays tels que l'Allemagne, la Corée du Sud, le Japon, les Pays-Bas, la Russie, la Suisse, les USA. La relaxation des molécules recomposées après dissociation produit un rayonnement lumineux important. A la pression de plusieurs bars, le spectre de l'émission s'étale de façon continue de 370 à 900 térahertzs et son maximum se trouve dans le domaine visible. L'énergie est apportée par induction électromagnétique, généralement avec un magnétron rayonnant aux environs de 2,45 gigahertzs, afin d'éviter le contact avec des électrodes et ainsi de prolonger la durée de vie du bulbe. La dissociation moléculaire étant ainsi obtenue par chauffage, on constate en plus l'émission d'un rayonnement de Planck dans l'infrarouge. La substance active, qui est condensée à froid, est placée dans un bulbe rempli d'un gaz neutre. A la résonance, une décharge électrique se forme, ce qui permet d'évaporer la substance active. Le plasma moléculaire luminescent se forme alors. Plus haute est sa température, meilleure est son efficacité lumineuse. La tenue en température du bulbe détermine donc l'efficacité du système. C'est pourquoi le bulbe est en quartz fondu. La première lampe commercialisée, appelée SOLAR-1000 (brevet US 5'404'076 ), est pourvue de surcroît d'un dispositif qui maintient son bulbe en rotation à environ 2500 t/min. La substance active employée est du soufre ou du sélénium. L'efficacité lumineuse de cette lampe dépasse 110 Lm/W à pleine puissance (1400 W). Mais si la rotation du bulbe est arrêtée, son efficacité lumineuse diminue nettement. En l'absence de ventilation, la puissance injectée doit de plus être réduite de moitié dans le cas du soufre, faute de quoi le bulbe fond. L'observation indique que la faculté qu'a le plasma à absorber les micro-ondes croît avec la température, en tout cas jusqu'à une certaine limite. Cette rétroaction positive entraîne un risque d'avalanche thermique. Il peut se former une poche de surchauffe qui en venant au contact du bulbe entraîne sa rupture. La rotation du bulbe permet d'éviter cela en brassant le plasma par convection thermique, l'accélération centripète développée étant en effet largement supérieure à la gravitation dans la majeure partie du bulbe, pour la lampe SOLAR-1000.
Toutefois, cette solution est trop contraignante car la partie mécanique abaisse le rapport durée de vie surcoût. De nombreuses publications décrivent des inventions visant à pallier ce défaut. Tous les lancements commerciaux à grande échelle ont cependant échoué jusqu'à présent. Ces avancées technologiques ne sont pas encore suffisantes car, soit le dispositif comporte encore un mouvement, par exemple pour forcer le passage de l'air autour du bulbe, soit le bulbe contient des adjuvants polluants (brevets US 6'157'141 , DE 101'27'961 A1 ), soit le bulbe est statique et le champ électrique tournant (brevets US 5'227'698 , US 6'476'557 B2 , US 6'476'557 B1 , US 6'873'119 B2 , US 5'36T226 ) mais ce champ polarisé est obtenu au prix d'un accroissement de la complexité de la structure de la cavité résonante et l'impossibilité de placer le bulbe à l'extérieur de ladite cavité via un couplage électromagnétique. En outre, dans les lampes à décharge connues, des moyens sont prévus pour éviter les phénomènes de résonance qui ont tendance à contraintes préjudiciables à la durée de vie de ces lampes.
On connaît, par la publication internationale WO 01/82332 , un dispositif d'allumage à filament pour une lampe sans électrodes. La présente invention, quoique fondée sur le même type de lampe sans électrodes que celle décrite dans cette publication, diffère en ce que cette lampe ne fait pas l'usage d'une onde ultrasonore résonnante pour influencer les caractéristiques du plasma, permettant ainsi d'éviter la rotation du bulbe.
Une lampe sans électrodes est également décrite par la publication européenne EP 0 897 190 . Toutefois cette lampe, bien qu'ayant une composition du milieu actif de même nature ou de nature différente que celle de la présente invention, présente la particularité que son bulbe est refroidi par un jet d'air et que le plasma est également stabilisé par une astuce géométrique. Dans la lampe de notre invention le bulbe, qui est de forme sphérique ou de forme oblongue avec un rétrécissement au milieu, fait appel à une résonance acoustique pour le maintien de la stabilité de la décharge électrique, l'alimentation en énergie étant couplée par une source haute fréquence modulée.
Le brevet US 4 170 746 décrit une lampe à électrodes ayant des domines de fonctionnement en dehors des bandes de résonance acoustique du plasma de vapeurs de mercure et halogénures métalliques. La présente invention diffère de la lampe objet de ce brevet en ce qu'elle est sans électrodes et qu'elle fonctionne dans le domaine de résonance acoustique, domaine où cette autre lampe est instable. Cette instabilité peut mener à la destruction du bulbe, si celui-ci est conçu selon les caractéristiques énoncées dans ce brevet.
Le brevet US 5 136 170 fait appel à une lampe ou source UV excitée par des électrodes situées à l'extérieur du bulbe et utilisant le principe de la décharge silencieuse. Une tension alternative pouvant avoir une fréquence élevée est appliquée pour permettre la transmission d'énergie à travers les couches diélectriques. La présente invention ne fait pas appel à ce type de décharge silencieuse, le mode de couplage est différent par l'usage d'une cavité micro-ondes et, en outre, dans ce brevet, il n'est pas fait mention de l'usage d'une résonance acoustique qui, elle, est favorable à la stabilisation du plasma de ia décharge électrique.
L'invention objet de la publication internationale WO 02/101790 concerne une lampe munie d'électrodes qui reçoivent une tension alternative ayant une fréquence inférieure ou égale à 50Mhz et qui fait appel à une antenne à couplage capacitif située à proximité de la zone de décharge. Cette antenne permet de stabiliser la décharge lumineuse, mais des matériaux ayant une résistance à la haute température sont exigés, car la décharge est en contact avec ladite antenne diélectrique. La lampe de la présente invention fait appel à une antenne de couplage éloignée, car il n'y a pas de dispositif à proximité de la zone de décharge favorisant ainsi la stabilité de l'arc électrique. Cette antenne peut être distante du bulbe et il n'y a donc pas de problèmes de résistance à la chaleur. Par ailleurs, dans cette publication, une source haute fréquence située dans les mégahertzs est utilisée pour exciter la décharge et la résonance acoustique décrite par la présente demande n'est pas illustrée.

Exposé de l'invention

La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients des systèmes connus. Plus précisément, elle concerne une lampe sans électrodes qui permet d'éviter de faire appel à un mouvement mécanique sans pour autant nécessiter de quelconques adjuvants, ni de placer le bulbe à l'intérieur d'une cavité résonante.
A cet effet, la lampe à plasma selon l'invention, telle que définie en préambule, est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens agencés pour engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe à partir d'une vibration ultrasonore générée dans le plasma, selon la revendication 1
De façon avantageuse, lesdits moyens agencés pour générer des ondes électromagnétiques et entretenir le plasma comportent un magnétron.
De préférence, le magnéton est alimenté par une alimentation haute tension continue raccordée au secteur électrique.
Dans une première forme préférée de réalisation de la lampe selon l'invention, les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe peuvent comportent un circuit électrique passif résonant branché entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron, ledit circuit passif résonant ayant au moins une fréquence de résonance comprise entre 15 kilohertz et 200 mégahertz.
Selon une variante de cette forme de réalisation, les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe peuvent comportent un modulateur actif agencé pour injecter une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertz et 200 mégahertz, entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron.
Ledit modulateur peut être alimenté par l'alimentation haute tension continue du magnétron par l'intermédiaire d'un pont diviseur à résistances, ou être alimenté directement par le secteur électrique.
De préférence, ledit modulateur est couplé à la haute tension entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron par l'intermédiaire d'un transformateur à haute isolation. II peut également être couplé par l'intermédiaire d'une dérivation capacitive à haute isolation.
Selon une autre variante de réalisation, les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe peuvent comportent un commutateur optocouplé agencé pour introduire une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertz et 200 mégahertz, entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron.
De préférence, le commutateur optocouplé est placé en série dans une dérivation résonante branchée entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron.
Selon encore une autre variante de réalisation, les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe comportent un élévateur de fréquence agencé pour produire une onde radiofréquence, raccordé au secteur électrique, et disposé entre ledit secteur électrique et un transformateur radiofréquence élévateur de tension qui alimente ledit magnétron.
Selon une autre forme de réalisation préférée de la lampe à plasma, les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe de ladite lampe comportent une source stroboscopique dont la fréquence de battement se trouve entre 15 kilohertz et 200 mégahertz.
Ladite source stroboscopique est avantageusement munie d'une optique de collimation réflective ou réfractive pour focaliser son flux à l'intérieur dudit bulbe, ladite optique de collimation réflective ou réfractive étant de préférence intégrée au réflecteur de la lampe.
Dans une forme de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention, ledit bulbe est enfermé dans une cage de Faraday, ladite cage de Faraday étant formée d'un réflecteur fermé par un conducteur électrique, et le conducteur électrique comporte au moins une fenêtre constituée d'une feuille de matière transparente recouverte d'une mince couche de matériau électriquement conducteur.

Description sommaire des dessins

La présente invention sera mieux comprise en référence à la description de divers modes de réalisation et aux dessins annexés dans lesquels:

la figure 1 représente une vue schématique d'un premier mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention,
la figure 2 représente une vue schématique d'une première variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 3 représente une vue schématique d'une deuxième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 4 représente une vue schématique d'une troisième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 5 représente une vue schématique d'une quatrième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 6 représente une vue schématique d'une cinquième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 7 représente une vue schématique d'une sixième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la figure 1,
la figure 8 représente, en perspective coupée, un deuxième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention,
les figures 9, 10 et 11 représentent respectivement en coupe et en projection le bulbe d'une à plasma et
la figure 12 représente sur un graphique des mesures de la puissance spectrale du rayonnement d'une lampe micro-onde à plasma de soufre, divisée par la puissance absorbée par le magnétron, pour la lampe selon le mode de réalisation de la figure 3, et dans le cas où le plasma n'est pas modulé.

Manière(s) de réaliser l'invention

En référence à la figure 1, la lampe à plasma 10, selon un premier mode de réalisation de l'invention, comporte un bulbe 11 et une alimentation haute tension continue (H.T.C) 12, raccordée au secteur électrique 13, et qui délivre une tension qui est assez élevée pour alimenter un magnétron 14. Celui-ci est couplé à un résonateur hyperfréquence 15. Le bulbe 11 de la lampe 10 comporte une tige en quartz 16, pour le tenir, qui est montée sur un système de couplage à l'extérieur du résonateur hyperfréquence 15. Le couplage du magnétron 14 au résonateur 15 est réalisé par un iris ou une antenne 17. La lampe 10 comprend un réflecteur 18, notamment un réflecteur métallique, qui entoure le bulbe 11 et qui est fermé par un conducteur électrique 19 laissant passer la lumière sous la forme d'au moins une fenêtre constituée d'une feuille de matière transparente recouverte d'une mince couche de matériau électriquement conducteur tel qu'une céramique dopée, par exemple du ITO ou du FTO. Cette disposition forme une cage de Faraday et a pour fonction d'éviter la fuite du rayonnement micro-ondes.
Un circuit passif résonant radiofréquence 20, type LC par exemple, est inséré entre l'alimentation 12 et le magnétron 14. Ainsi, lorsque le circuit passif résonant radiofréquence 20 est excité par l'instabilité du magnétron 14, il ajoute à la haute tension continue (H.T.C) une onde électrique, dont la puissance spectrale se trouve majoritairement entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, pour former une haute tension modulée (H.T.M). L'anode 14a du magnétron 14 étant liée à la terre, la modulation doit être branchée sur la cathode 14b du magnétron 14, dans la branche haute tension du circuit. Cette disposition oblige à isoler fortement le modulateur, ce qui rend avantageux l'emploi d'un circuit passif au niveau constructif. En contrepartie, cette solution ne permet pas de commander la modulation. La cathode 14b du magnétron 14 est couplée à un circuit de chauffage 21 qui est alimenté par le secteur électrique 13 à travers un premier filtre antiparasite 22. Un second filtre antiparasite 23 est par ailleurs monté entre le secteur électrique 13 et l'alimentation haute tension 12. Une auto-inductance de stabilisation du courant 24 est montée entre l'alimentation haute tension 12 et le circuit passif résonant 20.
En référence à la figure 2, la lampe à plasma représentée 30, qui est une variante de réalisation de celle illustrée par la lampe à plasma 10 de la figure 1, comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de la lampe à plasma 10 et qui portent les mêmes numéros de référence. Un modulateur actif radiofréquence 31 est inséré entre l'alimentation 12 et le magnétron 14 de manière à ajouter à la haute tension continue (H.T.C) une composante ondulante et former ainsi la haute tension modulée (H.T.M). La majeure partie de l'énergie de l'onde produite par le modulateur radiofréquence 31 se situe dans une ou plusieurs bandes situées entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminées par un oscillateur 32, du type Hartley par exemple. Le modulateur 31 est alimenté en basse tension continue. Cette alimentation est prise sur la haute tension par un pont diviseur 34, réalisé avec deux résistances, respectivement R1 et R2. Un régulateur de tension 33 est en outre inséré entre le pont diviseur 34 et le modulateur 31.
La lampe à plasma 40, illustrée par la figure 3, est une variante de réalisation des lampes 10 et 30 illustrées par les figures 1 et 2, et comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de ces lampes et qui portent les mêmes numéros de référence. Dans cette réalisation, le bulbe 11 est disposé à l'intérieur de la cavité du résonateur hyperfréquence 15 couplé au magnétron 14. Dans cette variante, le modulateur radiofréquence 31 n'est pas mis au potentiel de la haute tension continue (H.T.C), il est alimenté par le secteur électrique 13. Le modulateur 31 est couplé à la haute tension continue (H.T.C) par un transformateur de haute isolation 41 ou 42 placé soit directement sur la ligne d'alimentation du magnétron 14, soit sur une dérivation capacitive 43. Dans cette alternative, une résistance de sécurité 44 de valeur élevée peut être ajoutée en parallèle à la dérivation. Que le transformateur soit dans l'une ou l'autre des positions 41 ou 42, il peut être profitable de lui adjoindre un condensateur d'accordage en parallèle, respectivement 45 ou 46.
La lampe à plasma 50, représentée par la figure 4, qui est une variante de réalisation de celle illustrée par la figure 3, comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de cette lampe et qui portent les mêmes numéros de référence. Dans cette variante, le modulateur 31 est couplé à la haute tension continue (H.T.C) par une auto-inductance de couplage basse tension 51 branchée en série sur la partie basse tension d'un condensateur 52 formant une dérivation capacitive. Entre l'auto-inductance de couplage basse tension 51 et le condensateur 52 est injecté le courant alternatif radiofréquence que débite le modulateur 31. Pour que celui-ci passe dans la ligne haute tension, le produit de la résistance dynamique du magnétron 14 par la capacité du condensateur 52 doit être supérieur à l'inverse de la fréquence de modulation.
Les figures 5 et 6 représentent respectivement deux variantes de lampes à plasma 60 et 70 correspondant à la première forme de réalisation de l'invention. Toutefois certains composants restent identiques à des composants des variantes décrites ci-dessus et portent par conséquent les mêmes numéros de référence. Dans ces réalisations, le modulateur 31 est supprimé, mais la haute tension continue (H.T.C.) est hachée par un commutateur optocouplé 61 commandé par un oscillateur 32. Celui-ci produit une onde électrique dont l'énergie se situe en grande partie entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs.
Dans la variante selon la figure 5, toute la haute tension continue (H.T.C) est hachée, le commutateur optocouplé 61 est placé en série en aval de l'alimentation haute tension continue 12.
Dans la version illustrée par la figure 6, le commutateur optocouplé 61 est placé en série dans une dérivation résonante 71, un circuit LC par exemple, branchée en aval de l'alimentation 12. N'est hachée que la partie de la haute tension continue (H.T.C) qui est prélevée par un pont diviseur capacitif formé de deux capacités, respectivement 72 et 73. De préférence, on branche un éclateur 74 en parallèle avec le condensateur 72 pour le protéger.
Dans les cinq variantes illustrées par les figures 1, 3, 4, 5 et 6, il peut être utile d'insérer en série une auto-inductance de stabilisation du courant 24 à la sortie de l'alimentation haute tension 12 pour stabiliser le courant débité. Dans les six formes de réalisation selon les figures 1 à 6, la haute tension modulée ou hachée (H.T.M) est connectée à la cathode du magnétron 14 pour l'alimenter. L'alimentation haute tension continue 12 peut comporter une régulation à découpage pour contrôler la puissance de la lampe. Dans ce cas, il est préférable d'insérer un filtre antiparasite 23 en amont de l'alimentation 12.
En référence à la figure 7, la lampe à plasma représentée 80 comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux des lampes précédemment décrites et qui portent les mêmes numéros de référence. La lampe 80 comporte notamment un élévateur de fréquence 81 produisant une onde radiofréquence. L'amplificateur de cet élévateur de fréquence 81, qui est alimenté par le secteur électrique monophasé 13, transfère la majeure partie de la puissance électrique absorbée dans une ou plusieurs bandes situées entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminées par l'oscillateur radiofréquence 32. L'onde radiofréquence ainsi produite (R.F.) traverse un transformateur radiofréquence élévateur de tension 82 pour produire une haute tension radiofréquence (H.T.R.F.). Celle-ci est connectée à la cathode du magnétron 14. La tension est assez élevée pour alimenter le magnétron 14 après avoir été semi-redressée par une diode radiofréquence haute tension 83. L'élévateur de fréquence 81 peut comporter une régulation à découpage pour contrôler la puissance de la lampe. Dans ce cas, il est préférable d'insérer un filtre antiparasite 23 en amont de l'élévateur de fréquence 81.
Dans toutes les variantes décrites ci-dessus, le flux électromagnétique micro-onde qu'injecte le magnétron 14 dans le résonateur hyperfréquence 15 est haché ou modulé de manière à générer une vibration ultrasonore du plasma, ce qui engendre une onde résonante ultrasonore dans le bulbe 11. Si la cathode 14b du magnétron 14 nécessite un chauffage 21, un filtre antiparasite 22 est de préférence branché en amont de celui-ci pour éviter de parasiter le secteur électrique 13.
La figure 8 illustre un deuxième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention qui est indépendant de l'alimentation électrique du générateur des ondes électromagnétiques. Dans ce cas, la lampe à plasma 90 comporte une source auxiliaire stroboscopique de rayonnement optique 91 visant le bulbe 11. Le magnétron 14 peut alors être alimenté par une simple alimentation haute tension continue 12, la vibration ultrasonore du plasma étant obtenue par absorption du rayonnement issu de la source stroboscopique 91. Celle-ci est constituée d'un bulbe à décharge ou d'une ou plusieurs diodes LED ou LASER alimentées par une alimentation à impulsion 92, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande approximativement entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminée par l'oscillateur 32. De préférence, la source stroboscopique 91 est munie d'une optique de collimation réflective 93 ou réfractive 94 qui focalise son flux à l'intérieur du bulbe 11. De préférence, cette optique est intégrée au réflecteur du luminaire 18.
Les figures 9, 10 et 11 illustrent le bulbe 11 d'une lampe à plasma qui est, comme celle décrite en référence à la figure 8, indépendante de l'alimentation électrique du générateur des ondes électromagnétiques. Dans cette variante, le plasma est auto-oscillant et il n'est pas nécessaire de moduler le flux d'énergie qui permet de l'entretenir. La vibration ultrasonore du plasma est obtenue en employant un bulbe 11 à deux volumes communicants 11 a et 11 b identiques de rayon R. Ce bulbe en quartz 11 est disposé au bout de la tige en quartz 16. Une collerette 110 en quartz est soudée autour du col de passage ou canal 112 ménagé entre les deux volumes 11a et 11b, ledit col ayant de préférence une largeur inférieure ou égale aux trois quarts du rayon R des volumes 11 a et 11 b. La collerette 110 est recouverte d'une couche mince de céramique, par exemple de l'oxyde d'aluminium, permettant de réduire le couplage optique entre les deux volumes 11a et 11b. Ceux-ci sont de préférence symétriques l'un par rapport à l'autre et la longueur du canal 112 de passage d'un volume à l'autre est choisie un peu inférieure à leur rayon moyen (R) de façon à ce qu'il y ait interférence constructive entre les vibrations acoustiques qui se développent dans l'un et dans l'autre des volumes 11a et 11 b en résonance. Avec des volumes 11a et 11 b d'un centimètre de diamètre moyen, la fréquence de résonance s'établit aux environs de 50 kilohertzs dans le cas où la substance active est du soufre.
La figure 12 est un graphique qui représente la puissance spectrale du rayonnement d'une lampe micro-onde à plasma de soufre, divisée par la puissance absorbée par le magnétron. Pour ces essais, un magnétron modèle Panasonic 2M244-M1 a été utilisé. Les mesures ont été faites en régime stationnaire pour une puissance absorbée de 660 W y compris le chauffage de la cathode. Le bulbe utilisé est sphérique, son volume intérieur est de 11 cm³ et il est rempli avec du soufre à 1,47 mg/cm³. De plus, il est statique et fonctionne en absence de tout refroidissement forcé. Le spectre 121 est obtenu sans forcer de vibration ultrasonore du plasma. Sa puissance spectrale est maximum à environ 680 THz (longueur d'onde dans l'air à 440 nm), la lumière est donc bleutée. Le spectre 122 est obtenu avec le dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention décrit en référence à la figure 3, donc avec le même bulbe. Sa puissance spectrale est maximum à 581 THz (longueur d'onde dans l'air à 516 nm), la lumière est blanche. La courbe 123 représente la fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale en vision photopique, telle que définie par la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), multipliée par le maximum du spectre obtenu avec le dispositif selon l'invention 122. On observe que le décalage spectral approche le maximum de l'émission de celui de la sensibilité de l'oeil. Le dispositif selon l'invention augmente l'efficacité lumineuse de 41 à 84 Lm/W, la consommation d'énergie étant comptée aux bornes du magnétron. L'indice de rendu de couleur défini par la CIE passe de 89 à 81. La lampe est donc apte aux emplois les plus divers, en intérieur comme en extérieur.
Quel que soit le mode de réalisation de la lampe selon l'invention, la vibration ultrasonore du plasma engendre une onde résonante ultrasonore dans le bulbe, ce qui génère les phénomènes suivants:

Expansion du plasma. La gravitation n'imprime pratiquement plus aucun effet sur la forme du plasma et celui-ci s'étend à la majeure partie du volume du bulbe. Ainsi l'excitance du bulbe est uniformisée, ce qui est favorable à l'efficacité du luminaire.
Brassage du plasma. Par ce biais, l'onde acoustique élève le seuil de température à partir duquel apparaît l'avalanche thermique.
Décalage spectral de l'émission optique. Le décalage spectral provient de ce que l'émission optique est due au retour des molécules diatomiques d'un certain état électronique excité au niveau électronique fondamental et que chaque niveau d'énergie électronique est une fonction distincte de la distance inter-atomique. Dans le cas présent, l'écart entre les deux niveaux électroniques est une fonction décroissante de l'énergie vibratoire des molécules diatomiques. Selon le principe de Franck-Condon, l'énergie vibratoire ne change pas au cours d'une transition. L'énergie du photon, qui est égale au saut d'énergie électronique, diminue donc avec l'énergie vibratoire des molécules. Or l'absorption de l'onde acoustique dans un gaz est le fait de l'excitation des vibrations dans les molécules polyatomiques. Donc en vertu de ce qui précède, l'absorption de l'onde acoustique décale l'émission optique dans le sens décroissant de l'énergie des photons, c'est-à-dire dans le sens décroissant de la fréquence.
Accroissement du rendement thermodynamique du plasma, qui est le rapport du rayonnement optique sur le flux d'énergie micro-onde absorbée, et, par conséquent, accroissement aussi de l'efficacité lumineuse de la lampe. L'effet de ce phénomène est visible sur les mesures représentées sur la figure 12. Sachant que le rendement du magnétron était de 70%, on constate que le rendement thermodynamique passe de 41% à 63% grâce au dispositif selon l'invention. Ce phénomène est lié au fait que la relaxation des vibrations dans une molécule polyatomique est nettement plus lente que la relaxation des autres modes d'énergie interne, la rotation et la translation. Le temps de relaxation vibrationnelle est de l'ordre 10 microsecondes. Donc, lorsque la période de l'onde résonante acoustique est proche de cette valeur, l'absorption acoustique introduit un déphasage important de l'énergie vibratoire des molécules, c'est-à-dire un écart entre leur niveau d'énergie effectif et celui qu'elles auraient à l'équilibre thermodynamique local. L'absorption acoustique est maximale à l'opposition de phase, de même que la vitesse de variation de l'énergie interne des molécules diatomiques dans le bulbe. Il s'ensuit une augmentation de la dissociation moléculaire, du peuplement de l'état électronique excité et donc également de la production de photons optiques.
Confinement acoustique du plasma. Une mise en résonance acoustique du bulbe peut engendrer des impulsions de température plus fortes au coeur du plasma qu'en périphérie, dans les couches en contact avec le bulbe. L'énergie réfléchie sur les parois converge en effet au centre du bulbe. Ainsi la résonance accentue la modulation thermique du plasma en son coeur.

Claims

Lampe à plasma comportant un bulbe en quartz (11) rempli d'au moins un élément de la colonne du soufre du tableau de classification périodique des éléments chimiques et des moyens agencés pour générer et entretenir un plasma dans ce bulbe en envoyant des ondes électromagnétiques hyperfréquences dans ledit bulbe (11), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens agencés pour engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe à partir d'une vibration ultrasonore générée dans le plasma, où les dits moyens destinés à la création d'une onde résonante ultrasonore dans le dit bulbe (11) ne comportent pas un bulbe (11) pourvu de deux volumes identiques communiquants (11a,11b) reliés par un canal.
Lampe à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens agencés pour générer des ondes électromagnétiques et entretenir le plasma comportent un magnétron (14).
Lampe à plasma selon la revendication 2, caractérisée en ce que le magnéton (14) est alimenté par une alimentation haute tension continue (12) raccordée au secteur électrique (13).
Lampe à plasma selon les revendications 2 à 3, caractérisée en ce que les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe comportent un circuit électrique passif résonant (20) branché entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron (14).
Lampe à plasma selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit circuit passif résonant (20) a au moins une fréquence de résonance comprise entre 15 kilohertz et 200 mégahertz.
Lampe à plasma selon les revendications 2 à 3, caractérisée en ce que les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe comportent un modulateur actif (31) agencé pour injecter une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertz et 200 mégahertz, entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron (14).
Lampe à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit modulateur (31) est alimenté par l'alimentation haute tension continue (12) du magnétron (14) par l'intermédiaire d'un pont diviseur à résistances (34).
Lampe à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit modulateur (31) est alimenté directement par le secteur électrique (13).
Lampe à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit modulateur (31) est couplé à la haute tension entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron par l'intermédiaire d'un transformateur à haute isolation (41).
Lampe à plasma selon la revendication 6, caractérisée en ce que le modulateur (31) est couplé à la haute tension entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron par l'intermédiaire d'une dérivation capacitive à haute isolation (52).
Lampe à plasma selon les revendications 2 à 3, caractérisée en ce que les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe comportent un commutateur optocouplé (61) agencé pour introduire une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertz et 200 mégahertz, entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron (14).
Lampe à plasma selon la revendication 11, caractérisée en ce que le commutateur optocouplé (61) est placé en série dans une dérivation résonante (71) branchée entre le magnétron (14) et l'alimentation haute tension continue (12) dudit magnétron.
Lampe à plasma selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe comportent un élévateur de fréquence (81) agencé pour produire une onde radiofréquence, raccordé au secteur électrique (13), et disposé entre ledit secteur électrique (13) et un transformateur radiofréquence élévateur de tension (82) qui alimente ledit magnétron (14).
Lampe à plasma selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens agencés pour générer une vibration ultrasonore dans le plasma et engendrer une onde résonante ultrasonore dans le bulbe (11) de ladite lampe comportent une source stroboscopique (91) dont la fréquence de battement se trouve entre 15 kilohertz et 200 mégahertz.
Lampe à plasma selon la revendication 14, caractérisée en ce que ladite source stroboscopique (91) est munie d'une optique de collimation réflective (93) ou réfractive (94) pour focaliser son flux à l'intérieur dudit, bulbe (11).
Lampe à plasma selon la revendication 15, caractérisée en ce que ladite optique de collimation réflective (93) ou réfractive (94) est intégrée au réflecteur (18) de la lampe.
Lampe à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit bulbe (11) est enfermé dans une cage de Faraday, ladite cage de Faraday étant formée d'un réflecteur (18) fermé par un conducteur électrique (19), et en ce que le conducteur électrique (19) comporte au moins une fenêtre constituée d'une feuille de matière transparente recouverte d'une mince couche de matériau électriquement conducteur.