FR2980912A1 - Lampe a decharge gazeuse sans mercure - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une lampe à décharge gazeuse, comprenant : - une enveloppe (1) transparente au rayonnement ultraviolet ou visible, contenant un gaz plasmagène, - un dispositif (2) d'application d'un champ électrique adapté pour générer une décharge dans ledit gaz plasmagène, ladite lampe étant caractérisée en ce que : - ledit gaz plasmagène comprend de l'azote, - l'enveloppe (1) contient en outre un gaz actif comprenant du dioxygène et/ou un oxyde d'azote, de sorte que sous l'effet d'une décharge, le mélange (10) dudit gaz plasmagène et du gaz actif émet un rayonnement ultraviolet ou visible, et - la teneur en mercure dans l'enveloppe est nulle.

Description

LAMPE A DECHARGE GAZEUSE SANS MERCURE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les lampes à décharge gazeuse sans mercure, produisant une lumière dans le domaine visible ou dans le domaine ultra-violet (UV). ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Dans le cadre des économies d'énergie pour la lutte contre le réchauffement climatique, différents types de lampes dites à basse consommation ont été développées afin de remplacer les lampes à incandescence, dont plus de 90% de l'énergie consommée n'est pas convertie en lumière. Parmi ces nouveaux types de lampes à basse consommation se trouvent les lampes à décharge gazeuse, comprenant notamment les lampes à fluorescence.

Une lampe à décharge gazeuse comprend typiquement une enveloppe (tube, ampoule, etc.) en un matériau transparent au rayonnement (UV ou visible) à émettre, contenant un gaz plasmagène, dans lequel on génère une décharge par l'application d'un champ électrique. Pour l'émission de lumière visible à partir de photons UV, la paroi intérieure de l'enveloppe est tapissée d'une couche de luminophores aptes à convertir les photons UV émis lors de la décharge en lumière visible. Un plasma est généré par un dispositif d'application d'un champ électrique (ou applicateur) apte à produire une décharge dans le gaz plasmagène. Dans le cas des "tubes néon" et des lampes fluorescentes compactes à électrodes, ledit champ électrique est généré par un courant alternatif (CA) basse fréquence (généralement 50 ou 60 Hz) appliqué entre les deux extrémités du tube contenant le gaz plasmagène. Parmi les autres applicateurs connus dans le domaine de l'éclairage, on peut citer les applicateurs radiofréquence (RF) et, plus généralement, les applicateurs HF, qui incluent les applicateurs RF et les applicateurs micro-onde. Le gaz plasmagène est généralement un gaz rare, principalement de l'argon, à une pression de quelques torrs (1 torr = 133 pascals (Pa)), auquel est ajoutée une faible teneur (quelques mtorr) de mercure. La décharge a pour effet d'exciter et d'ioniser les atomes du gaz contenu dans l'enveloppe, et en particulier d'exciter les atomes de mercure qui émettent un rayonnement ultra-violet (UV), qui, le cas échéant, est transformé en rayonnement visible par des luminophores qui tapissent l'intérieur de l'enveloppe.

Le mercure présente l'avantage d'être, comme l'argon, un gaz atomique, de posséder un potentiel d'ionisation faible (10,44 eV contre 15,76 eV pour l'argon) et d'émettre de nombreuses raies dans le domaine UV. En effet, les principales raies d'émission UV du mercure se situent à 254 nm, 297 nm, 313 nm et 365 nm (liste non exhaustive), qui sont des longueurs d'onde pour lesquelles les rendements de fluorescence, c'est-à-dire de conversion des photons UV en lumière visible sur les luminophores qui recouvrent la paroi intérieure de l'enveloppe, sont les plus élevés. Cependant, le mercure présente un inconvénient majeur qui est d'être extrêmement nuisible à l'environnement et toxique pour l'homme lorsqu'il est libéré dans l'atmosphère. Or, malgré la faible quantité de mercure utilisée dans chaque lampe (typiquement, de 1 à 25 mg par lampe), le volume de production mondial de ces lampes est tel qu'il implique la mise en oeuvre de 300 à 400 tonnes de mercure par an dans le monde. Dans le domaine de l'éclairage par décharge gazeuse, une avancée cruciale passe donc par l'élimination totale du mercure dans les lampes et son remplacement par des solutions alternatives ne présentant pas de danger pour l'homme et son environnement. Parmi les solutions permettant d'éviter l'utilisation du mercure, l'emploi du xénon pourrait être envisagé. Ainsi, le document US 5,866,984 propose de supprimer le mercure dans les lampes 20 fluorescentes en provoquant une décharge de plasma dans un tube contenant du xénon et/ou du krypton. Cependant, outre le coût très élevé du xénon, le rayonnement VUV (c'est-à-dire correspondant à des photons UV de longueur d'onde inférieure à 180 nm, qui sont fortement absorbés dans un milieu tel que l'air mais pas sous vide) émis par le xénon 25 (longueur d'onde : 147 nm) ne procure pas de rendements de fluorescence élevés et entraîne la dégradation des luminophores. Il a également été envisagé d'utiliser un plasma à base de vapeur d'eau [1]. En effet, dans un tel plasma, une intense émission UV obtenue par la décharge plasma intervient à une longueur d'onde principale de l'ordre de 306 nm et au-dessus, qui 30 est située dans une plage dans laquelle le rendement de conversion des luminophores est optimum. Cependant, en raison de la réactivité de la vapeur d'eau vis-à-vis des électrodes des dispositifs d'application du champ électrique alternatif (CA à 50 ou 60 Hz), l'utilisation de mélanges de gaz contenant de la vapeur d'eau comme molécule active pose de 35 nombreux problèmes (allumage, durée de vie). Par ailleurs, la vapeur d'eau réagit avec les luminophores et les dégrade rapidement.

D'autre part, la vapeur d'eau ne permet pas de fonctionner dans une gamme étendue de conditions opératoires. En effet, au-dessous de 0°C, la pression partielle de l'eau diminue rapidement et la densité de molécules disponibles ne permet plus d'allumer la décharge ou d'obtenir une densité de plasma suffisante pour générer un flux important de photons UV. Un but de l'invention est donc de proposer pour les lampes à décharge gazeuse des mélanges de gaz ne contenant pas de mercure ni d'autre élément potentiellement dangereux pour l'homme et/ou l'environnement, mais qui présentent un rendement lumineux au moins équivalent à celui des lampes existantes.

Lesdits mélanges doivent également pouvoir être utilisés dans toutes les technologies de lampes, c'est-à-dire quel que soit le dispositif d'application du champ électrique. Notamment, lesdits mélanges gazeux ne doivent pas dégrader, le cas échéant, les électrodes de l'applicateur de champ électrique ni les luminophores. Un autre but de l'invention est de proposer des mélanges de gaz présentant des spectres d'émission optimaux en fonction du domaine (visible ou UV) que la lampe doit émettre. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Conformément à l'invention, il est proposé une lampe à décharge gazeuse, 20 comprenant - une enveloppe transparente au rayonnement ultraviolet ou visible, contenant un gaz plasmagène, - un dispositif d'application d'un champ électrique adapté pour générer une décharge dans ledit gaz plasmagène, 25 ladite lampe étant caractérisée en ce que : - ledit gaz plasmagène comprend de l'azote, - l'enveloppe contient en outre un gaz actif comprenant du dioxygène et/ou un oxyde d'azote, de sorte que sous l'effet d'une décharge, le mélange dudit gaz plasmagène et du gaz actif émet un rayonnement ultraviolet ou visible, et 30 - la teneur en mercure dans l'enveloppe est nulle. Selon un mode de réalisation de l'invention, le gaz plasmagène comprend en outre un gaz rare, tel que de l'argon. Dans une forme particulière d'exécution de l'invention, l'enveloppe transparente comprend une chambre de décharge et une chambre de post-décharge séparée de la 35 chambre de décharge par une cloison perforée. Selon un mode de réalisation de l'invention, le pourcentage en oxygène dans la décharge en termes de pression partielle de dioxygène est compris entre 0,002% et 5% de la pression d'azote, de préférence entre 0,005% et 3%, de sorte que sous l'effet de la décharge le mélange de gaz produise un rayonnement contenu dans le spectre ultraviolet s'étendant entre 200 et 400 nm. Au moins une partie de la paroi intérieure de l'enveloppe peut être couverte d'une couche de luminophores aptes à émettre un rayonnement visible lorsqu'ils sont excités par un rayonnement ultraviolet du mélange de gaz. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le pourcentage du gaz actif en termes de pression partielle de dioxygène ajouté au gaz plasmagène est supérieur à 10 % de sorte que sous l'effet de la décharge le mélange de gaz produise un rayonnement contenu dans le spectre visible.

De manière avantageuse, le mélange de gaz contenu dans l'enveloppe comprend en outre un émetteur atomique ou moléculaire choisi pour ajuster l'indice de rendu des couleurs. Ledit émetteur contenu dans le mélange de gaz est avantageusement le soufre. Par exemple, le soufre contenu dans le mélange de gaz se présente sous forme d'oxyde de soufre gazeux. Par ailleurs, le dispositif d'application du champ électrique peut comprendre : - un dispositif d'application d'un champ électrique alternatif à une fréquence de 50 ou 60 Hz, - un applicateur radiofréquence, la fréquence du champ électrique étant comprise entre 1 et 100 MHz, - un applicateur micro-onde, la fréquence du champ électrique étant comprise entre 100 MHz et 2,45 GHz. Dans ces deux derniers cas, le dispositif d'application du champ électrique peut être un applicateur de type coaxial.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1A présente un schéma d'un mode de réalisation d'une lampe à décharge gazeuse, dans laquelle on applique au mélange gazeux un champ électrique entre deux électrodes situées dans l'enveloppe, - la figure 1B présente un schéma d'un mode de réalisation d'une lampe à décharge gazeuse, dans lequel on applique extérieurement (à travers une enveloppe diélectrique transparente) un champ électrique radiofréquence (RF), - la figure 1C présente un schéma d'un mode de réalisation d'une lampe à décharge gazeuse, dans lequel on applique un champ électrique radiofréquence (RF) dans une autre configuration que celle illustrée à la figure 1B, - la figure 1D présente un schéma d'un mode de réalisation d'une lampe à décharge gazeuse, dans lequel on applique un champ électrique HF ou micro-onde, par exemple à partir d'une structure coaxiale, - la figure 2 présente un spectre d'émission d'un plasma de post-décharge N2- 5 02, - la figure 3 est un graphe présentant l'intensité de l'émission UV par les molécules NO formées dans un plasma à base d'azote en fonction de la concentration d'oxygène introduite dans l'azote, à différentes pressions, - les figures 4A à 4C présentent des spectres d'émission de plasmas différés 10 d'azote produits par décharge micro-onde à 915 MHz avec différentes teneurs en oxygène, - la figure 5 est un graphe illustrant la concentration en atomes d'azote dans une décharge d'azote en fonction de la puissance absorbée, à différentes fréquences du champ électrique HF, 15 - la figure 6 illustre de manière schématique une forme d'exécution de la lampe dans laquelle le volume de l'enveloppe est cloisonné intérieurement. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On décrira, dans les exemples non limitatifs qui vont suivre, des mélanges de gaz 20 pour lampes à décharge gazeuse telles que celles illustrées sur les figures 1A à 1D. La structure des enveloppes et celle des dispositifs d'application du champ électrique sont connues en elles-mêmes. Les figures 1A à 1D illustrent donc des représentations schématiques simplifiées de lampes dans lesquelles le mélange de gaz décrit plus bas peut être employé. 25 Comme illustré aux figures 1 A à 1D, la lampe comprend une enveloppe 1, qui est en un matériau transparent au rayonnement lumineux à émettre (visible ou UV). Ainsi, l'enveloppe 1 peut être en verre, en quartz, en silice (fondue), etc. L'enveloppe 1 peut présenter toute forme appropriée en fonction de la destination de la lampe. 30 Ainsi, l'enveloppe peut présenter une forme de tube (par exemple tube néon linéaire ou recourbé), une forme d'ampoule (bulbe), etc. L'enveloppe 1 est remplie d'un mélange de gaz 10 dont la teneur en mercure est nulle. L'enveloppe 1 est scellée après son remplissage, de sorte que le mélange de gaz 35 10 y est confiné et ne peut s'en échapper. Dans certains modes de réalisation, la paroi intérieure de l'enveloppe 1 peut éventuellement être recouverte, dans sa partie utile, d'une couche de luminophores (non illustrée ici).

Par « partie utile » on entend dans le présent texte la partie de l'enveloppe entourant les régions dans lesquelles la décharge et la post-décharge de plasma - qui sont les plus fortement émettrices de photons - se produisent. Par ailleurs, la lampe comprend également un dispositif 2 d'application du champ électrique permettant de générer la décharge dans le domaine de fréquence souhaité. Le champ électrique appliqué peut être à une fréquence CA (courant alternatif) de 50 ou 60 Hz, radiofréquence, micro-onde ou une combinaison de tels champs. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1A, le dispositif 2 comprend deux électrodes 20 et 21 placées chacune à une extrémité de l'enveloppe, en contact avec le mélange de gaz 10, alimentées par un courant alternatif (CA à 50 ou 60 Hz). Un exemple d'un tel dispositif est décrit dans le document US 5,866,984. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 B, le dispositif 2 est un applicateur RF de type inductif alimenté par une source RF, elle-même alimentée par une source CA ou continue, et entourant une partie de l'enveloppe 1, définissant la région dans laquelle la décharge est produite par le champ électrique appliqué. La post-décharge se situe généralement dans la région complémentaire de l'enveloppe où règne un champ électrique négligeable et où diffusent les espèces (espèces ionisées et excitées) produites dans la région de la décharge. Le domaine RF est ici défini comme s'étendant entre 1 et 100 MHz.

Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1C, le dispositif 2 comprend aussi un applicateur RF de type inductif alimenté par une source RF, elle-même alimentée par une source CA ou continue. Dans cette configuration, le mélange gazeux 10 contenu dans l'enveloppe 1 entoure l'applicateur, ce qui présente l'avantage, par rapport au mode de réalisation illustré à la figure 1B, que le rayonnement électromagnétique est absorbé par le plasma. Un exemple d'un tel dispositif est décrit dans le document US 2,030,957. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1D, le dispositif 2 est un applicateur micro-onde coaxial alimenté à partir d'une source micro-onde, elle-même alimentée à partir d'une source CA ou continue Le domaine micro-onde est ici défini comme s'étendant de préférence entre 100 MHz et 2,45 GHz. Des exemples de ce type de dispositif sont décrits dans les documents FR 2 840 451 et FR 2 938 150. De manière particulièrement avantageuse, le mélange de gaz 10 comprend un gaz plasmagène et un gaz actif. Le gaz plasmagène comprend de l'azote (N2), éventuellement mélangé à un gaz rare, tel que de l'argon et/ou du krypton.

Le gaz actif comprend quant à lui de l'oxygène (02 ou dioxygène) et/ou un oxyde d'azote (tel que du protoxyde d'azote N20 par exemple, mais aussi NO, N20, N204, NO2, etc.). Naturellement, le pourcentage d'oxyde d'azote équivalent à celui du dioxygène doit tenir compte de la stoechiométrie de l'oxyde d'azote. Ainsi, il faut un pourcentage en protoxyde d'azote N20 double de celui de l'oxygène pour obtenir un même pourcentage d'oxygène dans la décharge. Le gaz actif ne contient en revanche pas d'eau, qui serait susceptible d'endommager les électrodes et, le cas échéant, le luminophore recouvrant la paroi intérieure de l'enveloppe. Sous l'effet de la décharge, il se produit une dissociation des molécules, ainsi qu'une excitation et ionisation des atomes et molécules issues du mélange de gaz contenu dans l'enveloppe et, dans certaines conditions opératoires, une réaction entre l'azote atomique du gaz plasmagène et l'oxygène du gaz actif, qui produit des molécules de monoxyde d'azote (NO) dans des états excités. En se désexcitant, les atomes et les molécules émettent un rayonnement UV ou visible, ce qui est le cas des molécules et atomes d'azote et/ou d'oxygène (cf. spectres des figures 4A et 4C décrites plus bas) où les spectres d'azote pur et de mélanges N2-02 se situent principalement dans le domaine visible.

Suivant les conditions opératoires et la composition du gaz, les molécules de NO formées dans un mélange de gaz à faible pourcentage d'oxygène émettent un rayonnement ultraviolet (cf. spectre de la figure 4B décrite plus bas). Parmi les états excités, les états NO(A) et NO(B) sont responsables d'une émission importante de photons UV, en particulier dans le domaine UV de 200 à 400 nm.

On pourra à cet égard se référer à la figure 2, qui présente l'intensité du spectre d'émission d'un plasma de post-décharge N2-02 à très faible pourcentage d'oxygène. Le spectre présenté à la figure 2 a été tracé pour un mélange N2-02 sous une pression de 5 torrs, et dont la concentration en oxygène est de 0,3%. Ce spectre permet d'identifier les longueurs d'onde principales des systèmes moléculaires NO dans le domaine compris entre 200 et 400 nm, pour ledit mélange. Les bandes moléculaires du système moléculaire NOp correspondent à l'état excité NO(A) tandis que les bandes moléculaires du système NOy correspondent à l'état excité NO(B). La nature exacte du gaz actif introduit dans l'enveloppe (c'est-à-dire le fait qu'il soit sous forme d'oxygène pur et/ou sous forme d'oxyde d'azote) n'a pas d'implications significatives quant à l'efficacité de l'invention mise en oeuvre. C'est le pourcentage d'oxygène réellement introduit dans le mélange qui compte.

En effet, dans la mesure où l'enveloppe est scellée, le plasma dissocie les molécules initialement présentes pour aboutir à un équilibre qui ne dépend que du nombre respectif d'atomes de chaque espèce introduits dans l'enveloppe lors de sa fabrication.

Ainsi, l'homme du métier détermine, en fonction des conditions dans lesquelles la lampe doit fonctionner, les pressions partielles d'azote et d'oxygène dans le gaz plasmagène et le gaz actif, de sorte à obtenir le spectre désiré, et, pour le spectre UV, une concentration donnée en molécules de NO. Un avantage du mélange gazeux contenu dans l'enveloppe est qu'il ne présente aucun danger pour l'homme et l'environnement, même en cas de bris de l'enveloppe. Par ailleurs, l'azote et l'oxygène sont des gaz disponibles sans limitation, bien entendu recyclables, et peu onéreux, donc sans incidence négative sur le prix de revient des lampes. Un autre avantage du mélange gazeux contenu dans l'enveloppe est qu'il est gazeux sur toute la plage de conditions opératoires envisageables dans le domaine de l'éclairage visible ou UV, c'est-à-dire depuis de basses températures (très inférieures à 0°C) jusqu'à de plus hautes températures, et sur une vaste gamme de pression, c'est-à-dire depuis une fraction de mtorr jusqu'à la pression atmosphérique. Comme indiqué plus haut, le gaz plasmagène peut comprendre, en plus de l'azote, un gaz rare. L'intérêt de l'addition d'un gaz rare est, grâce à sa nature atomique, de faciliter l'allumage du plasma. En particulier, l'argon, qui est en outre peu coûteux, est le principal gaz plasmagène employé dans les lampes à décharge actuelles.

Cependant, les gaz rares présentent l'inconvénient d'émettre des photos UV de très courte longueur d'onde. A titre d'exemple, la longueur d'onde de tels photons est de 147 nm pour le xénon, de 124 nm pour le krypton et de 105 et 107 nm pour l'argon. Or, ces photons ont de mauvais rendements de conversion et sont responsables du vieillissement des luminophores. Par conséquent, il peut être avantageux de minimiser ou annuler la teneur en gaz rare dans le gaz plasmagène, de manière à minimiser ou éviter la production de photons UV de très courte longueur d'onde. Les technologies en cours de développement devraient permettre d'allumer plus facilement les plasmas de gaz moléculaires comme les plasmas à base d'azote pur Selon un mode de réalisation de l'invention, le gaz plasmagène est constitué exclusivement d'azote.

Par ailleurs, les raies d'émission du mélange de gaz contenu dans l'enveloppe dépendent de la composition dudit gaz, et notamment de la concentration en oxygène. Avec une pression donnée et une faible concentration en oxygène, c'est-à-dire à partir de 0,002%, de préférence supérieure ou égale à 0,005%, et inférieure à ou de l'ordre de 3%, de préférence inférieure à ou de l'ordre de 1%, on peut donc produire une émission maximale (figure 3) de photons exclusivement dans le domaine UV, tandis qu'avec une concentration en oxygène élevée, c'est-à-dire de l'ordre de ou supérieure à 10% comme indiqué à la figure 4C, on obtient une émission de photons exclusivement dans le domaine visible.

En effet, comme le montre la figure 3, l'intensité UV émise devient négligeable lorsque l'on atteint un pourcentage en oxygène de l'ordre de 5%, et ce, quelle que soit la pression totale du mélange. Le mélange gazeux permet donc de définir un spectre d'émission optimal dans le domaine souhaité, puisque l'ajustement de la pression et/ou de la concentration en oxygène permet de générer un spectre d'émission contenu dans un unique domaine (visible ou UV) et ne s'étalant pas sur plusieurs domaines, étant entendu que le domaine visible s'étend entre 400 et 900 nm et que le domaine UV s'étend entre 200 et 400 nm pour les mélanges N2/02. Un avantage du spectre optimal ainsi obtenu, qu'il soit dans le domaine UV ou dans le domaine visible, est qu'il procure un rendement amélioré puisqu'il ne contient pas de longueurs d'ondes inutilisables pour la production de la lumière recherchée, et qui seraient donc perdues. La figure 3 est un graphe illustrant l'intensité de l'émission UV émise par les molécules NO formée dans un plasma à base d'azote, en fonction du pourcentage d'oxygène (exprimé en ppm) introduit dans l'azote à différentes pressions. Une concentration de 10000 ppm correspond à un pourcentage de 1%. La figure 3 concerne donc essentiellement les mélanges N2-02 à faible teneur en oxygène. Comme on peut le voir sur cette courbe, à une pression donnée, l'intensité d'UV passe par un maximum en fonction du pourcentage d'oxygène dans le plasma, mais ce maximum diminue au fur et à mesure que la pression totale diminue. Par ailleurs, ce pourcentage d'oxygène décroît lorsque la pression du plasma augmente. En revanche, la pression partielle d'oxygène atomique correspondant à ce maximum d'intensité est sensiblement indépendante de la pression totale et est de l'ordre de 20 mtorr (ou 30 mtorr pour une pression totale de 760 torr). Les figures 4A à 4C mettent en évidence l'influence du pourcentage d'oxygène sur les spectres d'émission des plasmas à base d'azote.

Dans les trois cas, le plasma est un plasma différé (post-décharge) issu d'une décharge micro-onde à 915 MHz et la pression d'azote est de 6 torrs. La figure 4A présente un spectre d'émission d'un plasma d'azote pur. Comme on peut le voir, il existe une raie importante à une longueur d'onde légèrement inférieure à 400 nm, la plupart des autres raies étant à des longueurs d'ondes supérieures à 550 nm. La figure 4B présente le spectre d'émission d'un plasma d'azote auquel est ajouté 0,4% d'oxygène. On peut constater que la majorité des raies d'émission se trouve dans le domaine de longueur d'onde allant de 200 à 400 nm. Enfin, la figure 4C présente le spectre d'émission d'un plasma d'azote auquel est ajouté 10% d'oxygène. On constate que la forme du spectre est nettement différente de celui de la figure précédente, avec des raies d'émissions à des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 900 nm, c'est-à-dire essentiellement dans le domaine visible. Il en va de même pour les pourcentages en oxygène supérieurs à 10 %. Par conséquent, en fonction du domaine de longueur d'onde d'émission souhaité (UV ou visible), on ajuste le pourcentage d'oxygène à introduire dans le gaz plasmagène. Les lampes ainsi constituées peuvent permettre différentes applications.

Selon un premier mode de réalisation, la lampe peut être destinée à de l'éclairage UV, par exemple pour des applications destinées au grand public (telles que des lampes à bronzer) ou à des applications industrielles (par exemple des lampes UV destinées à de la polymérisation). Dans ce cas, la paroi de l'enveloppe est adaptée pour laisser passer directement ce rayonnement ultraviolet, et l'on ajoute au gaz plasmagène un faible pourcentage d'oxygène (inférieur à 5% et de manière préférée inférieur à 3%) pour obtenir des raies émettant dans le domaine UV souhaité. Si la lampe est destinée à émettre un rayonnement visible, c'est-à-dire compris principalement entre 400 et 800 nm, une première forme d'exécution consiste à sélectionner un pourcentage en oxygène adapté pour émettre, sous l'effet de la décharge, des raies dans le domaine visible. A cet effet, on ajoute au gaz plasmagène un pourcentage élevé d'oxygène, c'est-à-dire de l'ordre de ou supérieur à 10%. Le matériau de l'enveloppe est alors choisi transparent au rayonnement visible qui est émis directement par le mélange de gaz sous l'effet de la décharge. De manière alternative, on sélectionne un pourcentage en oxygène adapté pour émettre, sous l'effet de la décharge, des raies dans le domaine UV.

A cet effet, on introduit dans le gaz plasmagène un faible pourcentage d'oxygène, inférieur à ou de l'ordre de 1% (dans tous les cas inférieur à 5%, de préférence inférieur à 3%). Par ailleurs, la paroi intérieure de l'enveloppe est recouverte dans sa partie utile par une couche de luminophores qui sont destinés à convertir un photon UV (généré par la décharge plasma) qui le frappe en lumière visible. Parmi les luminophores préférés, à base de terres rares, on peut citer, de manière non limitative : Y203 :Eu3+ (rouge), (La,Ce)PO4 : Tb3+ (vert), BaMgAI10O17: Eu2+ (bleu). L'oxygène ajouté au gaz plasmagène présente en outre l'avantage de compenser la photo-désorption de l'oxygène des luminophores par les photons UV et donc de maintenir leur stoechiométrie, ce qui permet de maintenir leur rendement de conversion des photons UV en photons visibles et d'augmenter leur durée de vie. De même, pour les lampes contenant des cathodes à oxydes, lesdites cathodes conservent aussi leur stoechiométrie malgré l'effet du bombardement ionique, ce qui permet de prolonger la durée de vie et l'efficacité des cathodes. Le pourcentage d'oxygène à ajouter au gaz plasmagène est choisi de manière à optimiser, c'est-à-dire rendre maximum, la production de photons UV ou visibles dans le domaine spectral visé. Dans le cas d'une lampe destinée à procurer un rayonnement visible par l'intermédiaire de luminophores, le domaine spectral visé est celui qui correspond à une conversion optimale des photons UV en photons visibles par les luminophores tapissant la paroi intérieure de l'enveloppe. Pour réaliser cette optimisation de l'intensité d'émission UV, on peut, par exemple, favoriser le domaine spectral de l'un ou l'autre des systèmes moléculaires NOy et NOp en ajustant la pression totale du gaz plasmagène dans la décharge, dans les conditions de fonctionnement standard de la lampe. De manière générale, les densités des états excités NO(A) et NO(B) émettrices d'UV sont contrôlées par la concentration en atomes de carbone d'azote N et d'oxygène 0 dans la décharge [4].

Par ailleurs, la densité relative des états excités NO(B) par rapport aux états excités NO(A) augmente lorsque la pression augmente au-delà de 2 torrs [3]. En revanche, les états excités NO(B) ne sont plus présents à la pression atmosphérique [4]. Ainsi, pour maximiser l'intensité d'émission UV des têtes de bande du système N0p, on opère à 2 torrs [5], pression à laquelle la densité des molécules NO(A) est grande devant la densité des molécules NO(B). En revanche, pour maximiser l'émission des têtes de bande du système N0y, on opère à une pression de 5 torrs.

Pour obtenir de la lumière visible, l'optimisation passe par l'ajustement de la pression totale en fonction de la technologie du système d'éclairage. En effet, la gamme de pourcentage appropriée - supérieure à 10 % d'oxygène - est très large, beaucoup moins critique que pour le cas de la production d'UV à partir des molécules NO. Ce pourcentage peut ainsi dépasser, sans limitation, les 10% d'oxygène dans le mélange N2/02. Ainsi, le pourcentage d'oxygène peut être choisi en fonction de l'indice de rendu des couleurs (IRC) souhaité : couleur plus rose à faible pourcentage d'oxygène et plus blanche à fort pourcentage d'oxygène.

L'indice IRC de rendu des couleurs peut aussi être modifié par l'ajout dans le mélange N2/02 d'émetteurs atomiques ou moléculaires. Par « émetteurs atomiques ou moléculaires », on entend des atomes ou molécules émetteurs de photons. A titre d'exemple, l'ajout de soufre dans le mélange, soit sous forme solide, soit sous forme de composé gazeux contenant de l'oxygène (à prendre en compte dans le pourcentage d'oxygène) comme SO2, permet un ajustement de l'indice de rendu des couleurs de la lampe. En effet, le soufre est connu pour émettre une lumière blanche présentant un bon indice de rendu des couleurs. La figure 5 est un graphe illustrant la concentration en atomes d'azote dans une décharge d'azote à une pression de 4 torr, en fonction de la puissance absorbée PA, pour différentes fréquences du champ électrique, respectivement de 2,45 GHz (courbe (a)), 440 MHz (courbe (b)), 40,68 MHz (courbe (c)) et 13,56 MHz (courbe (d)). On observe sur ce graphe que, pour une puissance absorbée donnée, la concentration d'azote atomique dans une décharge d'azote augmente de manière significative avec la fréquence d'excitation de la décharge. Par conséquent, une excitation dans le domaine micro-onde, par exemple à 433 MHz, 915 MHz ou encore 2,45 GHz est particulièrement avantageuse, notamment lorsque l'on travaille à faible puissance. On notera que la génération d'une décharge dans un gaz plasmagène constitué d'azote (N2) et de protoxyde d'azote (N20) dans des applications de stérilisation a déjà été décrite [1] [2]. Cependant, il s'agit là d'une application totalement différente de celle de l'éclairage. En particulier, dans l'enveloppe d'une lampe, les flux de gaz sont nuls puisqu'ils sont enfermés dans une enveloppe scellée, ce qui constitue des conditions expérimentales différentes de celles de la post-décharge utilisée dans les procédés de stérilisation. D'autre part, dans le procédé de stérilisation, on met en oeuvre une réaction chimique (c'est-à-dire une situation dynamique) en faisant réagir de l'oxygène atomique actif, et en produisant des produits de réaction (tels que CO, 002) qui doivent être évacués. Dans l'application à l'éclairage qui fait l'objet de la présente invention, on ne cherche pas à produire de l'oxygène atomique, mais soit des photons UV (à partir des molécules de NO) soit des photons de lumière visible. Par ailleurs, il s'agit d'une mise en oeuvre statique puisqu'il n'existe aucun flux de gaz. Enfin, la figure 6 illustre un mode de réalisation d'une lampe, dans laquelle le dispositif d'application du champ électromagnétique est similaire à celui de la figure 1C.

A l'intérieur de l'enveloppe 1 on peut distinguer deux principales régions concernées par la décharge. Une première région est celle où le champ électrique est appliqué et où se produit la décharge. Cette région (à l'intérieur de la ligne en pointillés) est repérée par le signe R1 sur la figure 6. Les espèces ionisées et les nouvelles espèces produites dans cette région R1 diffusent alors depuis cette région vers une région adjacente à la première région qui est dite de « post-décharge ou de plasma différé (afterglow) » et qui est celle dans laquelle les molécules NO dans un état excité sont principalement produites et où le rayonnement UV sera le plus intense. Cette région de post-décharge (à l'extérieur de la ligne en pointillés susmentionnée) est repérée par le signe R2. Dans certains types de décharges, par exemple les décharges micro-onde, la région R1 est souvent limitée par la décroissance exponentielle du champ électrique sur une profondeur de pénétration appelée épaisseur de peau. Dans ce cas, la région R2 ne comporte que les espèces issues de la région R1 et qui diffusent dans la région R2. Mais, dans les cas où l'épaisseur de peau est plus grande que les dimensions de l'enveloppe, il peut être avantageux de cloisonner le volume intérieur de l'enveloppe 1 par une cloison perforée ou une grille séparant la région R1 de la décharge proprement dite de la région R2 de « post-décharge ». On matérialise ainsi dans l'enveloppe une chambre de décharge R1 et une chambre de post-décharge R2. Dans l'exemple illustré à la figure 6, la cloison est une grille 11 de grande transparence, par exemple supérieure à 95% de sorte à ne pas occulter le rayonnement émis, agencée autour de la région R1 qui entoure l'applicateur du champ électromagnétique RF.

Eventuellement, la paroi de l'enveloppe 1 peut être couverte intérieurement d'une couche de luminophores (non illustrée ici), pour convertir les photons UV émis par le mélange de gaz en lumière visible. Ainsi, la source de plasma est séparée de la paroi de l'enveloppe qui est recouverte des luminophores. La ou les perforations de la cloison 11 peuvent prendre la forme d'un orifice de petites dimensions, d'un cône de restriction ou de tout autre moyen confinant les espèces chargées créées dans la région R1 de la région R2 de plasma différé. Ceci permet de faire disparaître lesdites espèces chargées qui sont de nature à dissocier les molécules de NO et endommager les luminophores. Naturellement, on pourra choisir toute autre forme de cloison en fonction de la géométrie de l'enveloppe et de la technologie d'application du champ électrique. Par ailleurs, on pourra choisir de ne pas cloisonner le volume intérieur de l'enveloppe sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.

EXEMPLES D'APPLICATIONS On donne ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, trois exemples d'application dans lesquels les conditions opératoires sont très variées, notamment en termes de fréquences d'excitation, de pressions et de composition des décharges.

Exemple n°1 La lampe est une lampe à décharge luminescente de type « tube néon », contenant un mélange d'azote, d'argon et de krypton à une pression de 2 torr. Ledit mélange contient 20 mtorr d'oxygène. Le gaz plasmagène est excité par une tension alternative de 50 ou 60 Hz.

La paroi intérieure de l'enveloppe est tapissée au moins en partie de luminophores pour convertir les photons UV générés par la décharge en lumière visible. Exemple n°2 La lampe est une lampe basse consommation de type inductif, contenant de l'azote avec un pourcentage d'oxygène de 0,5%.

Le gaz plasmagène est excité par une fréquence de quelques MHz, par exemple de l'ordre de 2 MHz. La paroi intérieure de l'enveloppe est tapissée au moins en partie de luminophores pour convertir les photons UV générés par la décharge en lumière visible. Exemple n°3 La lampe est une lampe basse consommation dans laquelle le gaz de décharge à la pression de 4 torr est un mélange de gaz contenant de l'azote et un pourcentage d'oxygène de 40% (soit 1,6 torr). Le gaz est excité par un dispositif à micro-ondes à 433 MHz, 915 MHz ou 2,45 GHz.

La lumière visible est directement émise et l'enveloppe ne contient pas de luminophores. Il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Par ailleurs, il convient de noter que les exemples numériques cités sont issus de travaux réalisés dans des conditions expérimentales très variées en termes de flux de gaz, de vitesse de pompage, de forme et dimension de la décharge, de nature des parois en contact avec le plasma, etc. Par conséquent, les valeurs mentionnées ne constituent que des ordres de 10 grandeur. En particulier, la nature des parois peut influer fortement sur la recombinaison dite de surface des atomes ou la désexcitation des espèces excitées (par exemple, les espèces NO(A) et NO(B)). La composition optimale du mélange de gaz doit donc être déterminée 15 expérimentalement, au cas par cas, en appliquant les principes décrits plus hauts. La lampe décrite ci-dessus présente une efficacité énergétique au moins égale à celle d'une lampe à mercure conventionnelle. En effet, même si, après l'allumage du plasma, le maintien d'un plasma d'azote nécessite une puissance électrique plus élevée qu'un plasma d'argon et mercure, la 20 production d'UV est au moins égale à celle du mercure. D'autre part, l'ajustement du spectre UV au moyen de la concentration en oxygène permet une optimisation de la conversion des photons UV en photons visibles par les luminophores. Cette efficacité énergétique peut encore être améliorée grâce au développement 25 des lampes HF (hautes fréquences supérieures à 100 MHz, incluant donc les domaines radiofréquences et micro-onde) en raison de l'augmentation de la dissociation de l'azote avec la fréquence du champ électrique [6] - l'azote atomique étant un précurseur de la formation de NO. Par ailleurs, un autre avantage du mélange de gaz contenu dans l'enveloppe est qu'il 30 permet également, selon la concentration en oxygène, de produire directement une lumière visible, ce qui permet d'éviter la perte de rendement due à la conversion des UV en lumière visible par les luminophores. REFERENCES 35 [1] J.-S. Oh, K. Kawamura, B. K. Pramanik et A. Hatta, Investigation of Water-Vapor Plasma Excited by Microwaves as Ultraviolet Light Source, vol. 37, 2009, pp. 107-112. [2] K. Kutasi, V. Guerra, P. Sa et J. Loueiro, «UV radiation in Ar-02, N2-02 and Ar-02-N2 microwave discharges and post-discharges,» chez 29th ICPIG, Cancun, Mexico, July 12-17, 2009. [3] P. Levif, J. Séguin, M. Moisan, A. Soum-Glaude et J. Barbeau, Packaging materials for plasma sterilization with the flowing afterglow of an N2-02 discharge: damage assessment and inactivation efficiency of enclosed bacterial spores, vol. 44, 2011. [4] M. Boudam, M. Moisan, B. Saoudi, C. Popovici, N. Gherardi et F. Massines, Bacterial spore inactivation by atmospheric-pressure plasma in the presence or absence of UV photons as obtained with the same gas mixture, vol. 39, 2006, pp. 3494-3507. [5] K. Boudam, B. Saoudi, M. Moisan et A. Ricard, «Characterization of the flowing afterglows of an N2-02 reduced-pressure discharge: setting the operating conditions to achieve a dominant late-afterglow and correlating the NOb UV intensity variation with the N and O atom densities,» J. Phys. D, vol. 40, pp. 1694-1711, 2007. [6] P. Mérel, M. Tabbal, M. Chaker, M. Moisan et A. Ricard, «Influence of the field frequency on the nitrogen atom yield in the remote plasma of an N2 high frequency discharge,» Plasma Sources Sci. Technol., vol. 7, pp. 550-556, 1998.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Lampe à décharge gazeuse, comprenant : - une enveloppe (1) transparente au rayonnement ultraviolet ou visible, contenant un gaz plasmagène, - un dispositif (2) d'application d'un champ électrique adapté pour générer une décharge dans ledit gaz plasmagène, ladite lampe étant caractérisée en ce que : - ledit gaz plasmagène comprend de l'azote, - l'enveloppe (1) contient en outre un gaz actif comprenant du dioxygène et/ou un oxyde d'azote, de sorte que sous l'effet d'une décharge, le mélange (10) dudit gaz plasmagène et du gaz actif émet un rayonnement ultraviolet ou visible, et - la teneur en mercure dans l'enveloppe est nulle.
2. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz plasmagène comprend en outre un gaz rare, tel que de l'argon.
3. 3. Lampe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'enveloppe (1) comprend une chambre (R1) de décharge et une chambre (R2) de post-20 décharge séparée de la chambre de décharge (R1) par une cloison perforée (11).
4. 4. Lampe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le pourcentage en oxygène dans la décharge en termes de pression partielle de dioxygène est compris entre 0,002% et 5% de la pression d'azote, de préférence compris entre 25 0,005% et 3%, de sorte que sous l'effet de la décharge le mélange de gaz produise un rayonnement contenu dans le spectre ultra-violet s'étendant entre 200 et 400 nm.
5. 5. Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins une partie de la paroi intérieure de l'enveloppe (1) est couverte d'une couche (12) de luminophores 30 aptes à émettre un rayonnement visible lorsqu'ils sont excités par un rayonnement ultraviolet du mélange de gaz.
6. 6. Lampe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le pourcentage du gaz actif en termes de pression partielle de dioxygène ajouté au gaz 35 plasmagène est supérieur à 10 % de sorte que sous l'effet de la décharge le mélange de gaz produise un rayonnement contenu dans le spectre visible.
7. 7. Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le mélange de gaz contenu dans l'enveloppe (1) comprend en outre un émetteur atomique ou moléculaire choisi pour ajuster l'indice de rendu des couleurs.
8. 8. Lampe selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'émetteur contenu dans le mélange de gaz est le soufre.
9. 9. Lampe selon la revendication 8, caractérisée en ce que le soufre contenu dans le mélange de gaz se présente sous forme d'oxyde de soufre gazeux.
10. 10. Lampe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif (2) d'application du champ électrique est un dispositif d'application d'un champ électrique alternatif à une fréquence de 50 ou 60 Hz.
11. 11. Lampe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif (2) d'application du champ électrique est un applicateur radiofréquence, la fréquence du champ électrique étant comprise entre 1 et 100 MHz.
12. 12. Lampe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif (2) d'application du champ électrique est un applicateur micro-onde, la fréquence du champ électrique étant comprise entre 100 MHz et 2,45 GHz.
13. 13. Lampe selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le dispositif (2) d'application du champ électrique est un applicateur de type coaxial.25