Nouvelle technologie de lampe fluorescente à colonne positive hybride, initiée à la cathode par plasma à onde de surface, et émetteurs UV moléculaires S2 et N2/O2 en remplacement du mercure. Caractérisation des performances d'éclairage des prototypes de lampes avec luminophores dédiés

New technology of hybrid positive column fluorescent lamp, initiated by surface wave plasma cathode, and molecular UV emitters S2 and N2 / O2 replacing mercury. Characterization of the lighting performance of lamps prototypes with dedicated luminopho

• Auteur / Autrice : Quentin Gutierrez
• Direction : Ana Lacoste, Lionel Simonot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides energétique, procédés
• Date : Soutenance le 09/07/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Irina Mihalcescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Chadeyron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tiberiu Minea, Thierry Callegari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Micro-ondes

Luminophores

Mots clés libres

Gaz réactif

Luminophores

Plasmas

Colonne positive

Micro-Onde

Fluorescence

Phosphors

Plamas

Fluorescence

Micro-Waves

Reactive gas

Positive column

Résumé

Le travail de cette thèse, financé l’ANR-20-CE05-0012 ADELINE, porte sur l’élaboration d’unenouvelle génération de lampes fluorescentes exemptes de Hg et Ga. Elle s’appuie sur l’émission UV + Visibled’une décharge moléculaire à basse pression et sur la conversion subséquente dans le domaine du Visible par desluminophores adaptés au spectre d’émission de la décharge. L’utilisation d’émetteurs moléculaires, généralementréactifs à haute température, exige le remplacement de la cathode chaude telle qu’utilisée dans les lampesfluorescentes Ar-Hg. L’originalité de ce travail consiste dans sa substitution par un applicateur d’onde de hautefréquence (HF) pour produire un plasma comparable à celui de lueur négative (LN), mais à chute cathodiquefortement réduite (cathode froide sans bombardement ionique). Ce plasma peut être avantageusement complétépar un plasma de colonne positive (CP) obtenu lorsqu’une alimentation hybride HF&DC est appliquée. Dans cetravail, une décharge HF à onde de surface obtenue par un changement de configuration de l’applicateur estégalement proposée et étudiée pour l’application à l’éclairage. L’objectif était la maximisation de l’efficacitélumineuse de la lampe, ce qui passe par l’optimisation à la fois du flux énergétique de la décharge et de laconversion UV-Visible par les luminophores. Une part importante du travail de thèse a été donc consacrée à ladétermination, par différentes approches expérimentales et numériques, des conditions opératoires (géométrie del’applicateur d’onde HF et du tube de décharge, tension DC) en vue de l’optimisation du flux énergétique de ladécharge. L’étude conduite dans l’Ar pur a démontré l’apport énergétique favorable du plasma de CP(rendement énergétique de 6% pour une décharge HF&DC contre 1,5 % pour une décharge HF), apport d’autantplus bénéfique que la longueur de la CP est grande. Toutefois, l’écart important d’émission obtenu dans nosconditions de travail entre les différentes zones de la décharge (LN et CP) rend finalement les décharges HF àonde de surface plus appropriées à l’application visée (rendement énergétique de 12% pour une décharge HF àonde de surface contre 6% pour une décharge HF&DC). L’étude de mélanges réactifs a clairement démontrél’avantage du mélange Ar-S₂ sur le mélange Ar-N₂/O₂. Cet avantage résulte d’une meilleure répartition spectralede l’émission pour Ar-S2 avec un impact avantageux, d’une part, sur le rendement énergétique d’émission de ladécharge dans le domaine UV+Visible (émission IR réduite) et, d’autre part, sur le rendement de conversion parles luminophores. Un mélange approprié de luminophores d’absorption UV a permis l’élaboration d’un dispositifde lampe (décharge HF à onde de surface en tube scellé) des performances visuelles proches de celles deslampes Ar-Hg. Comparativement, l’efficacité lumineuse de la lampe à onde de surface mise en œuvre estnettement inférieure à cause de deux principaux facteurs : rendement électrique de la décharge HF et rendementénergétique d’émission. Le 1er est fortement limité par des contraintes technologiques qui, par exemple, n’ontpas permis d’éradiquer les fuites de rayonnement HF et le 2ème est inhérent à la dépense énergétique requise pourla dissociation de S₈ en S₂.

This thesis, funded by the ANR-20-CE05-0012 ADELINE project, focuses on the development of anew generation of mercury- and gallium-free fluorescent lamps. It is based on the UV + Visible emission from alow-pressure molecular discharge and its conversion into the visible range through phosphors suited to theemission spectrum of the discharge. The use of molecular emitters, typically reactive at high temperatures,requires the replacement of the hot cathode, as used in Ar-Hg fluorescent lamps. This work lies in thesubstitution of the hot cathode with a high-frequency (HF) wave applicator, which generates a plasmacomparable to that of a negative glow (NG) but with a significantly reduced cathode fall. This plasma can beadvantageously used with a positive column (PC) plasma, achieved when a hybrid HF&DC power supply isapplied. Additionally, a surface-wave HF discharge, obtained by modifying the applicator configuration, isproposed and studied for lighting applications. The aim was to maximize the luminous efficiency of the lamp,which involved optimizing both the energy flux of the discharge and the UV-to-visible conversion by thephosphors. A significant part of this work was dedicated to the determination with experimental and numericalapproaches, of the operating conditions (HF wave applicator and discharge tube geometry, DC voltage) thatoptimize the energy flux of the discharge. The study conducted in pure argon demonstrated the beneficial energycontribution of the PC plasma (6% energy efficiency for an HF&DC discharge versus 1.5% for an HFdischarge), a benefit that increases with the length of the PC. However, the significant emission differenceobserved under our working conditions between the various regions of the discharge (NG and PC). This madesurface-wave HF discharges more suitable for the intended application. The study of reactive mixtures clearlyshowed the advantage of the Ar-S₂ mixture over the Ar-N₂/O₂ mixture. This advantage is due to a better spectralemission distribution for Ar-S₂. This has a favorable impact on both the energy efficiency of the dischargeemission in the UV+Visible range (reduced IR emission) and the conversion efficiency by the phosphors. Asuitable combination of UV-absorbing phosphors enabled the development of a lamp device (surface-wave HFdischarge in a sealed tube) with visual performance close to that of Ar-Hg lamps. However, the luminousefficiency of the implemented surface-wave lamp remains significantly lower due to two main factors: theelectrical efficiency of the HF discharge and the energy efficiency of emission. The former is strongly limited bytechnological constraints, such as the inability to eliminate HF radiation leaks, while the latter is inherent to theenergy required for the dissociation of S₈ into S₂.