sujet

TP PLASMA 1:
ETUDE DU REGIME TRANSITOIRE CORRESPONDANT A LA PHASE DE
LA MISE EN REGIME DES DECHARGES HG ET NA HAUTE PRESSION.
Objectifs du Tp
L'objectif de cette manipulation est la compréhension du comportement transitoire
des décharges électriques pendant la mise en régime et son influence sur la forme de la
tension. L'étude de la phase de mise en régime des lampes haute pression présente tout
d'abord un intérêt pratique pour l'étude des systèmes lampe/réseau. En particulier, elle
est indispensable pour la recherche des circuits les mieux à même d'assurer dans les
meilleures conditions les différents régimes de la lampe : amorçage, mise en régime,
régime nominal, régime à puissance réduite. Elle demande par ailleurs une analyse très
systématique des mécanismes physiques dans la décharge : population et dépopulation
des niveaux, phénomènes de transport, etc… Ces phénomènes, qui régissent les
propriétés radiatives du milieu, influent sur les possibilités d'application des sources en
régime permanent, et conditionnent directement les différentes phases de la mise en
régime. Pour la plupart des lampes d'éclairage, la mise en route s'effectue dans un
mélange de gaz rare et d'un ou plusieurs additifs (métaux ou iodures métalliques) sous
forme de vapeurs. Le mercure est l'un des éléments actifs le plus répandu. A l'amorçage
la pression de vapeur de ces additifs est très faible.
Bien que nous utilisions un ballast ferromagnétique au cours de ce Tp1, son
fonctionnement ainsi que ses avantages et ses inconvénients seront étudiés au cours du
Tp2. Par contre, nous nous intéresserons au rayonnement de la lampe par son analyse à
l’aide d’un spectroscope. A la fin de ce Tp, l’étudiant devra être en en mesure de :
- Différencier les deux types de décharges Mercure (Hg) et Sodium (Na)
- Identifier la phase transitoire et le régime permanent de ces décharges
- Analyser avec un spectromètre le rayonnement de la décharge
Rappels sur ce type de décharges
Pour ces décharges la mise en régime n'est pas instantanée. La décharge s'établit
initialement dans un mélange gazeux à faible pression (10 à 20 Torr* de gaz rare et
quelques mTorr* de mercure). Le courant à l'amorçage (régime de court-circuit) est
supérieur d'environ 50% au courant nominal. Une fois la décharge amorcée, les
processus collisionnels et radiatifs assurent le chauffage de l'enveloppe et la
vaporisation du mercure qui va assurer l'ionisation et émettre le rayonnement recherché.
Dans ces conditions, la lampe peut être initialement assimilée à une décharge basse
pression (Hg)-gaz rare. Ce n'est qu'après quelques minutes que la décharge peut être
identifiée à un système haute pression. Ces deux systèmes sont fondamentalement
différents.
Une décharge mercure haute pression, est, à priori, dans un état très proche de
l'équilibre thermodynamique local (E.T.L.) et dans ce cas la seule connaissance du
profil de température conduira à une connaissance acceptable de l'état de la colonne
positive. Au contraire, une décharge mercure-gaz rare basse pression est un milieu
* 1 Torr = 1 cm Hg = 1/760 atm

complètement hors d'équilibre où chaque mécanisme doit être pris en compte
séparément.
A pression élevée comme à basse pression, l'analyse théorique des phénomènes
qui régissent le comportement d'un plasma de décharge électrique nécessite la
connaissance des interactions entre les divers constituants du mélange. Ces interactions,
ou collisions, peuvent être décrites à partir de la connaissance des sections efficaces qui
les caractérisent. Ce sont encore les collisions qui gouvernent les mécanismes de
transport de matière ou de rayonnement dans le milieu et fixent la composition du
plasma.
La présence de gradients de températures, les modifications de la composition, la
présence de différences de potentiel électrique sont à l'origine des transports de matière
ou d'énergie. Ces différences sont inhérentes au fonctionnement de la décharge et,
compte tenu des dimensions de l'enceinte qui contient le plasma, les gradients et les flux
qui leur correspondent peuvent être très élevés.
La prise en compte simultanée de ces différents mécanismes est quelquefois
difficile voire impossible à réaliser. Il faudra alors évaluer séparément leurs effets pour
ne conserver dans un même modèle que les mécanismes qui sont prépondérants dans les
conditions expérimentales traitées.
Rappels sur la sphère intégrante
Une sphère intégrante, (aussi dénommée sphère d'intégration) est un composant
optique consistant en une cavité creuse dont l'intérieur est revêtu d'une peinture
possédant un facteur de réflexion diffuse élevé et possédant des ports d'entrée et de
sortie relativement petits. Pour les applications dans le domaine visible, le revêtement le
plus utilisé est le sulfate de baryum (BaSO4) blanc. Dans le domaine infrarouge, le
revêtement usuel est l'or. La forme de la cavité est généralement une sphère. Les
faisceaux lumineux provenant de n'importe quel point de la surface interne de la sphère,
sont distribués, en raison des multiples réflexions diffuses, de façon égale à tous les
autres points de la sphère et ceci indépendamment de la direction originale de la
lumière. Une sphère intégrante peut être considérée comme un diffuseur qui conserve la
puissance mais détruit l'information spatiale. Les sphères intégrantes sont typiquement
utilisées comme source lumineuse et comme système de mesure de la puissance
optique. On les trouve dans un grand nombre de mesures optiques, photométriques ou
radiométriques telles que:
- quantification de la puissance lumineuse totale émise par une lampe dans toutes
les directions.
- mesure du facteur de réflexion (réflectance) de surfaces en moyennant
correctement selon tous les angles d'illumination et d'observation,
- création d'une source lumineuse avec une intensité lumineuse apparente
uniforme dans toutes les directions à l'intérieur de son ouverture circulaire, et
indépendante de la direction excepté la fonction cosinus inhérente à une surface
radiante diffuse idéale (surface Lambertienne).
- mesure précise de la somme de toute la lumière ambiante incidente sur une
petite ouverture circulaire.
- mesure de la puissance d'un faisceau laser, indépendamment de la structure du
faisceau, de sa forme de sa position et direction incidente.

La plupart des sphères intégrantes commercialisées ont des diamètres de 20cm à
50cm. Il existe des sphères intégrantes beaucoup plus grandes, jusqu'à plusieurs mètres
de diamètre pour mesurer des lampes d'éclairage public ou pour produire une source
lumineuse uniforme très large.
Liste du matériel
- une lampe étalon OSRAM 200W
- une lampe à mercure OSRAM HQL (MBF-U) 50W
- une lampe à sodium OSRAM VIALOX NAV(SOV)-E 50W
- un ballast ferromagnétique PHILIPS BHL 50L 11 HPL (50W)
- un voltmètre pour Vin, un voltmètre pour Vrécepteur, un ampèremètre pour Ain
- un oscilloscope et un wattmètre ferromagnétique
- un boitier pédagogique et un spectromètre
- une sphère intégratrice et un détecteur de photons
Manipulation sur la lampe à Mercure (Hg) 50W
Nous utiliserons ici une sphère intégrante pour caractériser des lampes à vapeur
de mercure et de sodium haute pression de petite puissance (50-70W). Ces lampes sont
du même type que celles utilisées par exemple en éclairage urbain ou en éclairage
industriel, les puissances mises en jeu sont alors plutôt comprises entre 250 et 1000W.
• Mesures du flux lumineux sur lampe à mercure (Hg) 50W.
La mesure du flux lumineux est effectuée avec une sphère intégratrice (fig. 1). On
montre que si la lumière directe de la source est éliminée, l'éclairement d'un point A de
la sphère, par l'ensemble des autres points de la sphère, est proportionnel au flux émis
par la source.
Figure 1 : montage sur la sphère intégratrice
Afin de mesurer l'éclairement en A, alors qu'un écran est disposé pour masquer le
rayonnement direct de la source, on place en ce point un détecteur dont la réponse en
fonction de la longueur d'onde correspond à la sensibilité photopique (en vision diurne)
V(λ) de l'œil humain moyen. La réponse R de ce détecteur se mesure en mV. Dans ces
conditions on mesure directement un flux en lumen égal à :
)()/()( mVRmVmCmF e
×
=ll (1)
où Ce est une constante permettant la conversion de cette tension en flux lumineux. Plus
il y a de photons qui arrivent sur le détecteur, plus la tension est élevée, plus le
rayonnement est important.

- Placer dans la sphère la lampe étalon de 200W.
- A l'aide de l'autotransformateur, régler sa tension d'alimentation à 225V.
- Sachant que le flux nominal de cette lampe sous 225V est de 2800 lm (voir en
Annexe), en déduire la constante d’étalonnage de la sphère Ce(lm/mV). On
mesurera également le taux de modulation du flux de la lampe (∆F/F en %).
• Etude de la phase transitoire sur lampe à mercure (Hg) 50W.
Réaliser le montage de la figure 2 et faire vérifier avant de brancher.
Figure 2 : étude de la phase transitoire.
Le circuit d'alimentation de la lampe étant débranché, régler la tension de sortie
de l'auto transformateur à 225V. Couper le courant, brancher le circuit de la lampe et
placer la lampe haute pression dans la sphère.
Nous allons réaliser les mesures jusqu’à ce que la lampe atteigne son régime permanent,
c'est-à-dire lorsque la tension et le flux ne varieront plus. Les mesures se feront
simultanément. Une fois régime permanent établi, n’éteignez pas la lampe !
- Mettre le système sous tension.
- Relever, à l'instant initial (départ du chronomètre) puis à chaque minute :
• la valeur numérique de la tension d'arc Varc
• la valeur numérique du courant d'arc Iarc
• la puissance active Parc absorbée par la lampe
• la valeur du flux F émis par la lampe
• la forme de la tension d’arc à l’aide de l’oscilloscope, Vmax et la fréquence.
On utilisera la sonde différentielle.
- Noter le temps τHg nécessaire pour que le régime permanent soit atteint.
- Tracer ces valeurs ainsi que la puissance apparente calculée en fonction du
temps.
• Etude du régime permanent sur lampe à mercure (Hg) 50W.
- Pour cette tension de 225V, mesurer le flux F, sa modulation ∆F, ainsi que Varc,
Iarc et Parc. Calculer l'efficacité lumineuse ηHg pour cette tension.
V
Aw
V
Ballas
t
LbRb
Secteur
V
arc
Vin
Arc
Iarc

- Régler la tension à 215V. Laisser la lampe se stabiliser. Mesurer le flux F, sa
modulation ∆F, ainsi que Varc, Iarc et Parc. Calculer l'efficacité lumineuse ηHg
pour cette tension.
- Régler la tension à 200V. Laisser la lampe se stabiliser. Mesurer le flux F, sa
modulation ∆F, ainsi que Varc, Iarc et Parc. Calculer l'efficacité lumineuse ηHg
pour cette tension.
- Comparer vos résultats. Comment varie F, ∆F, Iarc et Parc en fonction de la
tension d’alimentation ?
• Etude du spectre lumineux sur lampe à mercure (Hg) 50W.
- Sortir la lampe de la sphère sans l'éteindre.
- Examiner avec un spectroscope le spectre émis par la lampe et relever les
longueurs d'onde des raies les plus intenses. Normalement, vous devez
remarquer des raies à 404.7nm, 435.8nm, 546.1nm, 577nm, 590nm.
- A quelles espèces correspondent les raies observées?
- Remarquer dans la zone rouge du spectre l'émission de bande du luminophore
excité par le rayonnement ultraviolet du mercure (ici surtout le rayonnement
centré autour de 350nm), en relever la longueur d'onde centrale.
• Etude du rallumage de la lampe à mercure (Hg) 50W.
- Eteindre la lampe.
- Essayer de la rallumer à chaud. Que constatez-vous ?
- Pour vous aider dans votre interprétation, donner la relation des gaz parfaits
reliant la pression, le volume, la température et la densité totale des espèces.
Utilisez l’allure d’une courbe de Paschen U(V)=f(pression*distance inter-
électrode) donnée en Annexe.
- Essayer alors de justifier pourquoi la lampe ne s’est pas rallumée.
Manipulation sur la lampe à Sodium (Na HPS)
- Remplacer la lampe à mercure par une lampe sodium Na de 50W.
- Etudier son régime transitoire, son régime permanent et son spectre lumineux en
suivant les mêmes étapes décrites ci-dessus.
- Etudier le rallumage de la lampe. Quelles sont vos conclusions ?
Comparer les deux décharges. Quelles sont vos remarques ?