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APPAREIL ELECTRIQUE
La présenteuinvention a.. trait à un appareil électri- que et plus particulièrement à un appareil comprenant des circuits électriques dont fait partie un¯ agent gazeux.
La demanderesse a découvert qu'il est possibles par la construction et l'emplacement convenables d'électrodes immergées dans un gaz, d'isoler et de limiter la conduc- tion à travers le gaz même si l'espace séparant les élec- trodes est soumis à une différence de potentiel élevée Ce résultat est obtenu en donnant à la largeur de l'espace séparant les surfaces juxtaposées des électrodes une va- leur assez faible pour empêcher l'amorçage d'une conduc-
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tien appréciable directement à travers du dit espace par des potentiels assez élevés pour amorcer la conduction en travers d'intervalles plus larges et, en même temps,
en empêchant qu'il se produise une conduction apprécia- ble entre les surfaces non opposées ou arrière des élec- trodes, autour de la limite du dit espace. Dans le cas présent, les surfaces des électrodes coopérantes sont espacées l'une de l'autre d'une distance qui est compa- rable au trajet libre moyen des électrons dans le gaz dans lequel les électrodes sont immergées et qui est de l'ordre de grandeur de ce 'trajet* Ce trajet libre moyen peut être défini comme étant la distance moyenne qu'un électron parcourt à la vitesse ionisante avant que se produise le choc ionisant avec une molécule ( ou atome) de gaz. La valeur de ce trajet libre moyen dans tout gaz donné est influencée par la pression à laquelle le gaz est soumise.
Par une construction et une position particulières des électrodes coopérantes 9 constituées dans le présent cas par deux tubes cylindriques de diamè- très différents placés concentriquement , on peut faire en sorte que tous les chemins offerts à la décharge à travers le gaz soient courts et de l'ordre de grandeur des trajets libres moyens des électrons dans le gaz; et, par une construction-convenable dudiélectrique isolant et de support ,on peut faire en sote que tous les chemins of @orts à travers le diélectrique soient suffisamment longs pour empêcher la rupture sous , le voltage appliqué.
Avec une construction de ce genre, il est possible d'empêcher la conduction à travers le gaz entre.les sur- faces juxtaposées des électrodes avec des différences de potentiel relativement élevées et des pressions de gaz correspondant a un centième, de millimètre de mercure ou davantage.
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On voit que cette invention est basée sur des prin- cipes qui n'avaient pas encore été appliqués jusqu'à ce jour aux appareils à décharge gazeuse à basse pression du type usuel. Le dispositif suivant l'invention rend possible d'imprimer des différences de potentiel extrême- ment élevées dans le gaz sans déterminer de conduction entre des surfaces juxtaposées.
L'invention est appliquée d'une façon simple et efficace à un condensateurà vide comportant deux tubes métalliques concentriques de forme cylindrique qui sont mis et maintenus en position par des supports isolants de construction convenable, le tout étant renfermé dans un récipient ou ampoule en matière isolante rempli de gaz. Les tubes, qui sont à des potentiels différents, sont disposés de telle sorte que la distance séparant toutes les surfaces juxtaposées à des potentiels différents à travers le gaz soit suffisamment courte pour empêcher une conduction gazeuse.
Dans cette forme de réalisation particulière, tous les chemins par lesquels la décharge d'électrons est susceptible de se produire à travers l'agent gazeux sont de l'ordre de grandeur du trajet libre moyen des électrons ! et tous les chemins tra- versant la matière isolante sont suffisamment longs pour empêcher la rupture de cette matière et la décharge qui en résulterait à travers la dite matière.
Ledessin annexé représente en coupe un conden- sateur à vide suivant l'invention.
La forme de réalisation, représentée comprend un condensateur à vide comportant une série d'électrodes ou plaques à des potentiels différents, toutes immergées dans un gaz, les plaques' étant établies et placées' de telle manière que.les seuls trajets par lesquels il peut se produire circuit court à travers l'agent gazeux sont trop courts pour permettre l'amorçage d'une déchar#
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ge d'électrons.
Suivant cette construction, le conden- sateur ne se rompra pas pari l'effet d'une décharge sous- une différence de potentiel de 10.000 volts, alors même que la pression à laquelle est soumis le gaz dans lequel les électrodes ou plaques sont immergées atteindrait un dixième de millimètre
Si l'on se réfère au dessin annexé, on remarquera que le condensateur comprend deux' cylindres concentriques 10 et 12 en matière conductrice, renfermés dans une ampoule en verre ou autre matière ,isolante 14 remplie de gaz. Les tubes 10 et 12 sont maintenus concentriquement par des supports isolants 16, et 18.
Comme représentée chacun de ces supports est muni d'une embase 20, s'adaptant à l'intérieur du tube externe 12,-et maintenant ce tube et d'une tête plus petite 22 s'adaptant dans le tube inter- ne 10. En outre, les supports, isolants peuvent être ' munis d'un col ou partie rétrécie 24assurant un inter- valle isolant entre l'extrémité du tube ou .cylindre in- terne et le support isolant.
Comme on le remarquera, avec cette construction tous les chemins directs suivant les- quels une décharge d'électrons est susceptible de se pro- duire entre les surfaces des cylindres qui sont à des poten- tiels différents sont courts et, en addition, tous les chemins suivant lesquels une décharge peut se produire entre ces surfaces' à travers le support isolant sont longs.
Comme il ressort d'un examen du dessin, le support infé- rieur isolant 18peut avantageusement être muni d'une se- conde embase 26 s'adaptant étroitement et maintenue en posi- tion de toute manière convenable à l'intérieur de l'ampoule 14. Grâce à cette construction, les cylindres sont main- tenus dans des positions convenables à l'intérieur de l'am- poule. Les conducteurs du circuit peuvent avantageusement être disposés comme représenté sur le dessin dans lequel un des fils conducteurs est assujetti en 28 au bord supé- rieur du tube 12, l'autre étant assujetti en 30 à la sur-
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face interne du tube 10. en un point compris 'entre les deux supports isolants, ce conducteur passant de ce point à l'extérieur à travers le support isolant inférieur et l'extrémité correspondante du tube.
Le condensateur peut évidemment être monté sur toute disposition de circuit désirée*
La théorie sur laquelle est basé le fonctionnement ,de ce dispositif peut être: résumée comme suit. :La conduc- tibilité que possède un gaz à tout instant peut être considérée comme dépendant du nombre datons présents. Ce nombre est usuellement faible, mais il est rapidement aug- menté par une ionisation produite par collision lorsqu'on imprime une différence de potentiel suffisante. En addition, la distribution est telle que la conductibilité du gaz sou- mis à une pression ou à un vide peu poussé est rendue rela- tivement bonne.
La présence de ces ions, qui rendent le gaz conducteur, est due à la collision des électrons ou ions avec des atomes ou molécules, cette collision ayant pour effet de produire d'autres ions qui entrent à leur tour en collision avec d'autres atomes en produi- sant de nouveau d'autres, ions. Si les électrons émis par une électrode n'ont normalement qu'une faible distance: à parcourir avant d'arriver à l'électrode opposée, ils ont peu de chance d'entrer en collision si la distance qui sépare les électrodes est suffisamment, courte.
On a trouvé qu'il est possible de proportionner la distance que les électrons ont à parcourir de telle façon que le nombre de collisions se produisant entre les électrons et les atomes soit si faible que lé nombre d'ions. posi- tifs produits soit insuffisant pour bombarder la cathode et mettre en liberté les électrons en vue de l'amorçage d'une conduction, gazeuse appréciable=.
Quoique, dans la pratique il existe toujours quelques ions positifs dis- Séminés, un,fait certain est que, avec une distance con-
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venablement choisie, comme précédemment indiquée, le nombre de ces ions est insuffisant pour donner naissance à d'autres ions positifs et déterminer la production.d'une conduction gazeuse appréciable
La demanderesse pense que cette théorie est en subs- tance correcte mais, indépendamment, de toute exactitude de l'explication offerte, il est un fait certain que,
en établissant et plaçant les électrodes de telle manière que les chemins directs offerts à la décharge des électrons a travers l'agent gazeux entre des surfaces juxtaposées des électrodes soient relativement courts et de l'ordre de grandeur du trajet libre moyen des électrons{(il est ' possible d'isoler avec un vide relativement pauvre les mêmes différences de potentiel que celles qui exigeaient antérieurement un vide sensiblement-parfait.
La demanderesse pensé qu'il conviendrait, en vue de l'obtention des meilleurs'résultats, que la longueur des dits chemins directs à travers le gaz entre des surfaces juxtaposées des électrodes à des potentiels différents soit plus courte que le trajet libre moyen.des électrons; toutefois, en raison de la difficulté d'estimer exactement la longueur du trajet libre moyen, on sait seulement d'une façon absolue que la longueur des 'chemins utilisables .doit être comparable au trajet libre moyen des électrons ;
il peut être possible de construire un intervalle isolant suivant la présente invention alors même que la longueur des chemins utilisables serait aussi grande ou plus grande que celle du trajet libre moyen, et ce, sans sortir de l'es- prit de la présente invention, pourvu que ces chemins soient suffisamment courts pour empêcher une ionisation appréciable.
Il ressort de ce qui précède que chacun'des blocs iso- lants 16 et 18, constitue l'une des limites de l'espace compris entre les surfaces juxtaposées des électrodes,une obstruction qui empêche qu'il se produise entre,les surfaces
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des électrodes une conduction, appréciable autour et à l'extérieur de la dite limite.
Dans la forme d'exécution représentée, cette limite peut être considérée comme étant un anneau imaginaire allant, d'une des extrémités de l'électrode 10 à 1,' électrode 12 dans le plan radial de l'extrémité de l'électrode 10.
Cette''obstruction peut être espacée de l'électrode comme en 24 ou, lorsqu'elle est faite de matière isolante, être en contact avec l'électrode, comme en 20. Cette obstruction est 'conformée et disposée de façon qu'il ne soit offert entre les deux électrodes;* le long: de ses surfaces, aucun. chemin qui soit aussi court que la distance la plus cour- te entre les surfaces juxtaposées des électrodes; et, dans le présent exemple, le chemin le plus court entre les élec- trodes le long. de la surface de l'obstruction -est plus de dix fois la distance la plus courte entre les d'eux électro- des.
Une caractéristique importante de la présente inven- tion réside dans le fait qu'une des électrodes est creuse et que l'autre possède une paroi tournée vers la paroi in- terne de l'électrode'creuse, les surfaces des deux parois étant inégales.
Les surfaces des deux électrodes étant inégales, la résistance de l'intervalle d'air est plus grande dans un sens que dans l'autre. Cafte caractéristique est avantageuse dans beaucoup d'applications de l'invention. Par exemple, le condensateur représenté est particulièrement applicable dans les circuits à courant continu pulsatoire dans les- quels un condensateur à plus tendance à se rompre dans un sens que dans le sens opposé.
Il est bien. entendu que-les applications de la pré- sente invention ne sont pas limitées à la forme de réali- sation particulière représentée et que l'invention est
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susceptible d'être appliquée à une grande variété de circuits électriques comportant gazeux.
RESUMA
Un appareil électrique comportant des électrodes séparées par un acent gazeux, l'une d'elles présentant une surface tournée vers l'autre électrode, cet appareil étant caractérisé par des moyens espacés-mais assez rapprochés de la première électrode pour empêcher la décharge vers des surfaces autres que la dite surface, la largeur de cet espace étant limitée en substance au trajet libre moyen des électrons dans le gaz; cet appareil pouvant en outre être caractérisé par le points suivants, ensemble ou séparément:
a ) Les électrodes sont plongées dans le gaz et présen- tent des surfaces qui sont séparées d'une distance courte comparable au trajet libre moyen des électrons dans le gaz, ces électrodes étant supportées dans le gaz par un diélec- trique.agencé pour recouvrir les extrémités ou.bords des électrodes ou empêcher de quelque autre manière qu'il se produise une ionisation gazeuse autour des dites extrémités- ou bords*. b) Les électrodes sont munies de surfaces* courbes c onc entr i que s . c ) les chemins- offerts à la conduction électrique à travers le diélectrique des supports sont suffisamment longs pour empêcher la rupture du électriques
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ELECTRICAL APPLIANCE
The present invention relates to an electrical apparatus and more particularly to an apparatus comprising electric circuits of which a gaseous agent is part.
Applicants have found that it is possible by the suitable construction and location of gas-immersed electrodes to isolate and limit the conduction through the gas even though the space between the electrodes is limited. subjected to a high potential difference This result is obtained by giving the width of the space separating the juxtaposed surfaces of the electrodes a value low enough to prevent the ignition of a conduc-
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yours appreciable directly through said space by potentials high enough to initiate conduction across larger intervals and, at the same time,
by preventing appreciable conduction from occurring between the non-opposing or back surfaces of the electrodes around the boundary of said space. In the present case, the surfaces of the cooperating electrodes are spaced from each other by a distance which is comparable to the average free path of the electrons in the gas in which the electrodes are immersed and which is of the order of of magnitude of this' path * This average free path can be defined as being the average distance that an electron travels at ionizing speed before the ionizing shock occurs with a molecule (or atom) of gas. The value of this mean free path in any given gas is influenced by the pressure to which the gas is subjected.
By a particular construction and position of the cooperating electrodes 9, which in this case consist of two cylindrical tubes of very different diameters placed concentrically, it is possible to ensure that all the paths offered to the discharge through the gas are short and order of magnitude of the mean free paths of electrons in gas; and, by proper construction of the insulating and supporting dielectric, it can be ensured that all of the paths of @orts through the dielectric are sufficiently long to prevent breaking under the applied voltage.
With such a construction, it is possible to prevent conduction through gas between the juxtaposed surfaces of the electrodes with relatively high potential differences and gas pressures corresponding to one hundredth of a millimeter of mercury or more.
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It will be seen that this invention is based on principles which have not hitherto been applied to low pressure gas discharge apparatus of the conventional type. The device according to the invention makes it possible to print extremely high potential differences in the gas without determining conduction between juxtaposed surfaces.
The invention is applied in a simple and efficient manner to a vacuum capacitor comprising two concentric metal tubes of cylindrical shape which are placed and held in position by insulating supports of suitable construction, the whole being enclosed in a container or bulb made of material. insulator filled with gas. The tubes, which are at different potentials, are arranged such that the distance between all the juxtaposed surfaces at different potentials through the gas is short enough to prevent gas conduction.
In this particular embodiment, all of the paths by which the electron discharge is likely to occur through the gaseous agent are of the order of magnitude of the average free path of the electrons! and all of the paths through the insulating material are long enough to prevent the rupture of that material and the resulting discharge through said material.
The accompanying drawing shows in section a vacuum condenser according to the invention.
The illustrated embodiment comprises a vacuum capacitor comprising a series of electrodes or plates at different potentials, all immersed in a gas, the plates 'being established and placed' such that the only paths by which it can occur short circuit through the gaseous agent are too short to allow the initiation of a discharge #
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ge of electrons.
According to this construction, the capacitor will not break under the effect of a discharge under a potential difference of 10,000 volts, even though the pressure to which the gas in which the electrodes or plates are immersed would reach. a tenth of a millimeter
Referring to the accompanying drawing, it will be appreciated that the capacitor comprises two concentric cylinders 10 and 12 of conductive material enclosed in a glass bulb or other insulating material 14 filled with gas. The tubes 10 and 12 are held concentrically by insulating supports 16, and 18.
As shown each of these supports is provided with a base 20, fitting inside the outer tube 12, - and now this tube, and a smaller head 22 fitting into the inner tube 10. Further, the insulating supports may be provided with a neck or narrowed portion 24 providing an insulating gap between the end of the inner tube or cylinder and the insulating support.
As will be noticed, with this construction all the direct paths along which an electron discharge is likely to occur between the surfaces of the cylinders which are at different potentials are short and, in addition, all the The paths along which a discharge can occur between these surfaces through the insulating support are long.
As can be seen from an examination of the drawing, the insulating lower support 18 may advantageously be provided with a second base 26 which will fit tightly and be held in position in any suitable manner within the bulb. 14. By virtue of this construction, the cylinders are maintained in suitable positions within the bulb. The conductors of the circuit may advantageously be arranged as shown in the drawing in which one of the conductor wires is secured at 28 to the upper edge of the tube 12, the other being secured at 30 to the overhang.
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internal face of the tube 10 at a point between the two insulating supports, this conductor passing from this point to the outside through the lower insulating support and the corresponding end of the tube.
The capacitor can of course be mounted on any desired circuit layout *
The theory on which the operation of this device is based can be: summarized as follows. : The conduc- tivity that a gas possesses at any time can be considered to depend on the number of datons present. This number is usually low, but it is rapidly increased by ionization produced by collision when a sufficient potential difference is imparted. In addition, the distribution is such that the conductivity of the gas subjected to a pressure or a low vacuum is made relatively good.
The presence of these ions, which make the gas conductive, is due to the collision of electrons or ions with atoms or molecules, this collision having the effect of producing other ions which in turn collide with other atoms. by producing other ions again. If the electrons emitted by an electrode normally only have a short distance: to travel before arriving at the opposite electrode, they have little chance of colliding if the distance between the electrodes is sufficiently short .
It has been found that it is possible to proportion the distance that the electrons have to travel such that the number of collisions occurring between electrons and atoms is so small that the number of ions. positive products is insufficient to bombard the cathode and set the electrons free for the initiation of a conduction, appreciable gaseous =.
Although in practice there are always some positive dispersed ions, a certain fact is that with a distance con-
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Venely chosen, as previously indicated, the number of these ions is insufficient to give rise to other positive ions and to determine the production of appreciable gas conduction.
The Applicant believes this theory to be substantially correct, but regardless of any correctness of the explanation offered, it is a fact that,
by establishing and placing the electrodes in such a way that the direct paths offered to the discharge of electrons through the gaseous agent between juxtaposed surfaces of the electrodes are relatively short and of the order of magnitude of the mean free path of the electrons {(it It is possible to isolate with a relatively lean vacuum the same potential differences as those which previously required a substantially perfect vacuum.
Applicants believe that in order to obtain the best results, the length of said direct paths through the gas between juxtaposed surfaces of electrodes at different potentials should be shorter than the average free path. electrons; however, because of the difficulty of accurately estimating the length of the mean free path, it is only known in absolute terms that the length of the usable paths must be comparable to the mean free path of electrons;
it may be possible to construct an insulating gap according to the present invention even though the length of the usable paths would be as great or greater than that of the average free path, and this, without departing from the spirit of the present invention, provided that these paths are short enough to prevent appreciable ionization.
It emerges from the foregoing that each of the insulating blocks 16 and 18 constitutes one of the limits of the space comprised between the juxtaposed surfaces of the electrodes, an obstruction which prevents the occurrence between the surfaces.
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of the electrodes conduction, appreciable around and outside the said limit.
In the embodiment shown, this limit can be considered as being an imaginary ring going, from one of the ends of the electrode 10 to 1, to the electrode 12 in the radial plane of the end of the electrode 10.
This obstruction may be spaced from the electrode as at 24 or, when made of insulating material, contact the electrode, as at 20. This obstruction is shaped and arranged so that it does not. is offered between the two electrodes; * along: its surfaces, none. path which is as short as the shortest distance between the juxtaposed surfaces of the electrodes; and, in the present example, the shortest path between the electrodes along. of the surface of the obstruction - is more than ten times the shortest distance between them electrodes.
An important feature of the present invention is that one of the electrodes is hollow and the other has a wall facing the inner wall of the hollow electrode, the surfaces of the two walls being unequal.
Since the surfaces of the two electrodes are unequal, the resistance of the air gap is greater in one direction than in the other. Typical coffee is advantageous in many applications of the invention. For example, the capacitor shown is particularly applicable in pulsating direct current circuits in which a capacitor has a greater tendency to break in one direction than in the opposite direction.
It is well. understood that the applications of the present invention are not limited to the particular embodiment shown and that the invention is
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capable of being applied to a wide variety of electric circuits comprising gas.
SUMMARY
An electrical apparatus comprising electrodes separated by a gaseous acent, one of them having a surface facing the other electrode, this apparatus being characterized by means spaced-but sufficiently close to the first electrode to prevent discharge to surfaces other than said surface, the width of this space being limited in substance to the average free path of the electrons in the gas; this apparatus may further be characterized by the following points, together or separately:
a) The electrodes are immersed in the gas and have surfaces which are separated by a short distance comparable to the average free path of electrons in the gas, these electrodes being supported in the gas by a dielectric arranged to cover ends or edges of the electrodes or otherwise prevent gas ionization from occurring around said ends or edges *. b) The electrodes are provided with curved surfaces * c onc between s. c) the paths offered to electrical conduction through the dielectric of the supports are long enough to prevent the breaking of the electrical
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