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11 PERFECTI01:ilIEMENTS AUX TUBES A DECHARGE D'ELECTRONS*
Cette invention est relative particulière- ment aux tubes de décharge d'électrons du type contenant du gaz, une cathode creuse et une anode plus petite tournée vers la, surface interne de la cathode et employant des électrodes à basse température, par opposition aux tubes thermioniques employant des électrodes incandescentes, mais certaines carac- téristiques de l'invention sont applicables aux tubes ther- mioniques.
Plus particulièrement, L'invention est relative aux tubes du type décrit dans le brevet'français n 539 ..673 en date du 24 Août 1921 dans lequel des surfaces juxtaposées de la cathode et de l'anode sont placées suffisamment près l'une de l'autre pour empêcher l'amorçage de la conduction
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gazeuse aux potentiels normaux et dans lequel des moyens sont prévus pour que. la conduction gazeuse puisse se produire suivant des trajets plus long$entre l'anode et l'intérieur de la cathode creuse.
Dans les tubes du type à cathode à basse température les potentiels de travail sont beaucoup plus élevés que' dans le cas des tubes à émission thermioniques, et la surface de la cathode, de même que d'autres surfaces exposées telles que la surface interne du tube, sont soumises à un bombardement relativement intense d'ions positifs, ce' qui donne lieu à des difficultés dont les principales sont l) l'occlusion ou rétention.permanente du gaz dans la matière de la cathode si celle-ci est faite des matières usuelles telles que le tungstène, le molybdène et d'autres métaux réfringents, ce qui abaisse la pression de gaz dans le tube, et 2) la. projection.ou crachement de particules métalliques sur la surface interne du tube et sur d'autres surfaces ex- posées, ce qui détermine spuvent des courts-circuits.
Ainsi qu'il est bien connu, la décharge d'un arc possède des caractéristiques qui la distinguent d'une décharge luminescente. Elle possède notamment, entre la cathode et l'anode, une chute de potentiel inférieure à celle nécessaire pour maintenir une décharge luminescente, elle ne possède pas d'espace sombre de cathode, elle ne pos- sède pas de chute de potentiel dite cathodique, etc..... Dans le but de produire une décharge ayant les caractéristiques de l'arc, on avait, jusqu'ici, considéré comme essentiel d'employer une cathode incandescente ou une cathode de mercure comportant un point incandescent, c'est-à-dire une cathode, chauffée à une température élevée et telle que son émission thermionique soit, en raison de la température éle- vée, suffisamment rapide pour produire un arc.
De telles
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températures élevées provoquent une détérioration rapide et diminue considérablementla durée du fonctionnement normal.
Suivant l'invention, un arc est produit indéperidamment de telles températures' élevées, quoique, dans certains cas, la cathode puisse accessoirement devenir suffi- sa.mmen t chaude pour contribuer notablement aux caractéristi- ques de l'arc. En d'autres fermes, cett.e invention constitue un perfectionnement radical apporté à cet,.art en ce sens qu' elle offre,une décharge d'arc entre des électrodes qui ne sont pas thermioniques,
c'est-à-dire entre des électrodes qui ne sont pas assez chaudes pour maintenir un arc !par le phénomène usuel de l'émission therminique.Ce résultat remarquable est obtenu en ionisant le gaz dans la zone de la surface active de ' la cathode et en faisant suffisamment obstacle à la dissipa- tion ou échappement de l'ionisation de la dite zone pour que la décharge qui se produit entre les électrodes non thermioni- ques possède les caractéristiques de l'arc. A l'aide du rayon- nement de lumière et ( ou ) de chaleur, cette inonisation est rendue suffisamment intense pour produire des ions'et des élec- trons capables de transporter le courant de décharge.
Suivant l'invention,, les électrodes sont conformées et disposées de façon que le bombardement d'ions soit limité en substance: à la surface de la cathode, et cette surface est formée d'une matière qui ne retient pas d'une façon permanente le gaz qui y est chassé par le bombardement d'ions. Le carbone, qui est suffisamment poreux pour abandonner le gaz chassé à l'intérieur de sa masse, convient pour consti- tuer la surface de la cathode, mais d'autres matières possè- dent aussi la propriété désirée. Par exemple, une couche d'é- tàin sur une cathode de tungstène ou autre métal est appro- priée au but visé, l'étain fondant en service et permettant
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ainsi au gaz qui a été projeté dans sa masse de s'en échapper.
La cathode est creuse et présente une ouver- ture. L'anode est plus petite que la cathode et tournée vers la dite ouverture. Le tube est caractérisé par une obstruction s'étendant d'une zone entourant l'ouverture à une zone environ- nant l'anode pour limiter le bombardement d'ions en substance à l'intérieur de la cathode, de sorte que la paroi du tube n' est pas soumise à un bombardement importante L'obstruction peut être constituée par du métal, auquel cas elle serait préféra- blement espacée de chaque électrode d'une distance comparable' au trajet libre moyen des électrons, mais il est préférable de la faire en matière isolante (;telle que la lave), auquel cas elle peut entrer en contact avec l'une ou chacune des élec- trodes.
Dans l'un et l'autre cas, l'obstruction présente de pré- férence une pa.rtie s'étendant à peu près parallèlement à la partie .juxtaposée d'une ou de chacune des électrodes de façon à ne provoqueraucune tendance au passage du courant le long de sa surface d'une électrode à l'autre.
L'ionisation sus-mentionnée qui a lieu dans la zone de la surface active de la cathode peut être effectuée par le rayonnement d'un filament ou tige incandescent qui est maintenu à l'état incandescent par un courant auxiliaire indé- pendant de la. décharge entre la cathodeet l' a.node. Toutefois, lorsqu'on fait usage d'une cathode creuse avec' une ouverture de déchaxge restreinte, l'ionisation peut être maintenue par le rayonnement de la décharge entre la cathode et l'anode en raison du fait que la perte à travers l'ouverture restreinte est faible.
Lorsqu'on n'emploie pas de moyen de rayonnement auxiliaire, il faut un potentiel plus (,levé pour amorcer la décharge, notamment un potentiel assez élevé pour'produire une'
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/ tombant décharge luminescente, le oltagefaussitôt que l'ionisation lU dévient suffisamment intense pour assurer les sus-dites carac:- téristiques de l'arc.
L'invention est, en particulier avantageuse- ment applicable aux tubes [du type faisant l'objet du brevet antérieur précité pour. cette raison qu'elle permet à la pres- sion de gaz d'être maintenue approximativement constante, alors que si la pression jetait initialement trop.- élevée, le court intervalle séparant les sur:races juxtaposées des élec- trodes n'empêcherait pas- le courant de passer directement à
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/ de po-ten-travers cet intervalle à.chacun des deux demi-cycles/( dans - tiel z et ' -si pression devient trop f// , le cas d'un redresseur' }'*, et que;
si la pression devient trop / faible en raîgorpu gaz:, occlus, il ne' passera pas de courant le long des trajets plus longs, tout au moins au potentiel normale
Une autre caractéristique de l'invention réside dans Inapplication d'un gaz mono atomique tel que l'hé- lium ou' d'un'autre gaz dont le'trajet libre moyen ionisant est long, c'est-à-dire dont les caractéristiques sont telles que-les électrons- se mouvront plus loin à travers lui sans exercer de choc ionisant ( quoique,
peut-être* en exerçant un choc élastique ] sur les molécules gazeuses de telle sorte que les surfaces juxtaposées des électrodes peuvent être éloignées d'une distance plus grande tout en restant' isolées l'une de l'autre aux potentiels normaux.
Dans les dessins annexés :
Fig. 1 montre une forme de réalisation de l'invention appliquée à un tube redresseur monté sur un circuit redresseur simple;
Fig.2 et 3 sont deux variantes; Fig 4 est une vue de côté partiellement
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brisée d'un redresseur double agencé pour utiliser les deux demi-cycles d'un courant alternatif;.
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Fig 5 est une coupe suivant 2-2, fig. 4;.
Fig. 6 est une coupe suivant 3-3, fig. 5;
Fig. 7 est une coupe -longitudinale d'un redresseur- double modifie et, montre un circuit convenant pour chacun des deux redresseurs doubles représentés;
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Fîg. 8 est une coupe suivant 5-5e fig,. 7; La forme de réalisation de la fig. 1 comprerd un récipient en verre 2,* rempli de gaz. et muni d'une.tige rentrante ou interne 4"-.,L"extrémÎtê supérieure de la tige porte une anode, préférablement. en carbone, laquelle anode-
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comporte un élément, de base va rebord .8et une saillie cen- trale :1¯ s'étendant, vers le haut. Une cuvette 12"en matière diélectrique est emboîtée au-dessus de l'anode, cette cuvette te présentant une ouverture centrale pour recevoir la sail- lie ,10Jr et une partie longue 1411- s'étendant vers le bas et s'adaptant exactement autour de la tige 411.
La curette 12" peut être faite de tout diélectrique de qualités d'isolement suffisamment élevées, mais on a trouvé, préférable .pour une raison qui n'a pas été bien expliquée,, d'employer la lave ou un autre diélectrique possédant aussi des propriétés
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réfractaires et (ou) poreuses 'élevées. La cuvette 12"est élargie en 13" pour supporter une cathode désignée généra- lement par la' elle cathode est aussi en carbone et pré-
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férablement. creuse. La c,àthode,'6" comprend une base .8"xe-
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posant sur un épaulement annulaire; 20"de la cuvette et un couvercle SJâ.11 s'adaptant exactement autour de la base. Le couvercle bzz" s'emboîte dans un rebord- cylindrique z4" de la cuvette.
La partie centrale de la base 181'- présente une
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ouverture centrale' qui est entourée par un rebord cylindri-"
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que 26'r1qui enveloppe ainsi 'un passage ionisant central z8" dans lequel pénètre la saillie cylindrique 10" .de 'l'anode.. Les surfaces de la saillie 10111 et du rebord 2'6't sont essentiellement parallèles, et espacées l'une de l'autre d'une distance don'l' ordre de grandeur est le trajet. libre moyen des corpuscules du gaz,.! de sorte quaucune conduction ne .peut se produire directement entre ces surfaces. Par suite
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de l'épaulement 20'e il reste un petit intervalle 30" immé- diatement au-dessous de la base de la cathode.
Il convient
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que cet intervalle soit aussi approximativement de ll,-ordre de grandeur du trajet.libre moyen des corpuscules du gaz, de telle sorte qu'on obtient un intervalle de grande résis- tance entre les surfaces- opposées et le cathode et de la cuvette. La cathode est maintenue en position par un fil métallique 32" qui l'embrasse et qui est fixé par une liga-
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tu-re 34st- enveloppant la cuvette.au-dessous de l'élargisse- ment 15" # Le fil métallique 52" sert. aussi de fil d'amenée de courant pour-l*éleotrdde, une connexion étant établie entre ce fil et l'envelopp.e d'un culot 3811 de forme usuelle par un conducteur, 3.6* : .. La oo-nnexion à l'anode est effectuée par un ressort 4on auquel est fixé-un fil conducteur 42" scellé dans la tige de verre et *"relié à la partie inférieure du culot.
La coopération de la cathode creuse avec l'anode produit un effet de redressement. par l'accumulation d'une charge d'espace d'ions- positifs: dans la cathode., Dans lé présent exemple* le tube est- monté sur un circuit redresseur simple.comprenant. un générateur- de courant alternatif 44", un
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transformateur .46'"'' et. une charge a courant, .continu convenable/ rnen I ; ' . ment:
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On voit que la cuvette en lave entoure et enveloppe complètement toutes les surfaces des électrodes à l'exception des surfaces désirées.
Ces surfaces actives sont l'extrémité supérieure de la saillie 10" et l'intérieur de la, cathode creuse 16". La surface périphérique de la saillie 10" est séparée de la surface interne- du rebord 26" par une pellicule annulaire uniforme de gaz, tandis que la surface inférieure, de la base 18" est séparée de la surface supérieure de la cuvette 12" par une pellicule de gaz discoïde uniforme indiquée en 30".
Ces pellicules de gaz séparent. les parties étroitement associées des électro- des à l'endroit, desquelles une formation d'étoincelles et des phénomènes de décharge .analogues sont sujets à se pro- duire, et elles se comportent à la façon d'agents d'isole- ment qui s'y opposent..'
Le prolongement inférieur de la cuvette, recouvre et protège aussi la tige de'verre contre le risque de décharge/produisant près de cette tige. Il ressort du dessin que les chemins offerts à la conduction électrique à travers la.cuvette elle-même sont relativement longs de sorte que les efforts électriques s'exerçant dans la cuvette elle-même ne sont pas suffisants pour avoir aucune consé- quence.
L'évidement 30" prévu dans la cuvette pour consti- tuele faible intervalle gazeux de résistance élevée empêche spécialement tous efforts exagérés de se produire soit dans cette partie de l'agent gazeux, soit dans la partie centrale de la cuvette elle-même, tandis que le contact réel entre la cuvette et la cathoden'a lieu qu'au bord périphérique, ou près de ce 'bord. Il s'ensuit que les lignesd'efforts électriques les plus courtes possibles existant dans la lave s'étendent entre les angles externes de l'anode et la. cathode. On a constaté aussi que l'espace gazeuxxrestreint
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30" empêche la production de toute décharge longitudinale entré la loir de l'anode et la surface inférieure de la cathode.
Dans la construction ainsi prévue, la déchar- ge entré la cathode et l'anode est régie, dirigée et,limitée à des, parties prédéterminées de leur surface tandis que les parties restantes de la surface des électrodes et des surfaces adjacentes- des éléments de support sont protégées positivement contreune décharge nuisible, ce qui exclut la possibilité dexposer la surface de la cathode aux effets du "carachement" au désagrégation.
La variante, de la fig.2 est analogue à la construction de la fig. 1 et les pièces ont été désignées d'une façon correspondante.Toutefois, le rebord 26' s'étend vers le bas ou vers l'extérieur et la mince -couche de gaz - 30' s'étend le long de l'anode au lieu de s'étendre le long de la surface de la cathode, la. longueur axiale,de la cuvet- te isolante 12' étant par conséquent plus grande. Cette construction présente sur celle de la fig. 1 les avantages suivants.
En engageant le rebord 26'dans la cuvette 12', la cathode peut être Çentrée plus exactement et montée plus solidement.. En donnant à l'intervalle de gaz 30' une forme cylindrique il est plus facile de le rendre exactement concentrique à l'anode 10' en.-perçant ou alésant la cuvette, ce qui permet de donner. à l'épaisseur de la pellicule gazeuse 50' une valeur constante et exacte.
Certaines caractéristiques de l'invention peuvent être utilisées sans le principe du' trajet libre moyen comme représenté dans la fig. 3 qui est la même que la fig. 1 excepte que la partie 18"- 26" est supprima Cette disposition ne fonctionne pas aussi efficacement mais effec- , tue le redressement en vertu de la différence de forme et de section des surfaces opposées des électrodes et offre
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divers avantages résidant dans le fait que l'intérieur ,de la cathode est isolé de l'extérieur de cette cathode et dans l'assemblage des pièces..
La chute de potentiel entre la cathode et l'anode peut être diminuée et (ou) l'émission d'électrons par la cathode peut être augmentée en recouvrant la surface active de la cathode d'aune composition d'un métal alcalino- terreux ( baryum, strontium ou calcium ) cet enduit- ayant aussi pour effet' d'empêcher dansune grande mesure'que le gaz contenu dans le tube ne soit emprisonné d'une, façon per- manente dans la surface de la cathode.. Le tube peut aussi être rempli d'hélium. ou d'une autre gaz inerte monoatomique.
Une pression appropriée à la. majorité des emplois est de 10 à 15 m/m de mercure!.
Une façon d'appliquer l'enduit précité consiste à appliquer sur la surface interne de la cathode une solution aqueuse ( ouune suspension ) d'un nitrate de baryum, de strontium et (ou) de calcium, par aspersion, trempage ou badigeonnage$ à sécher l'enduit, et à chauffer suffisamment pour convertir le nitrate en un oxyde. Un enduit plus uniforme et plus, durable peut être.obtenu en répétant ce procédé plusieurs fois avec une solution claire plutôt qu'une seule fois avec une solution 'épaisse. Bas oxydes mélangés peuvent .être employés avec avantage, un mélange de parties égales d'oxydes de baryum et de strontium étant particulièrement avantageux.
En raison du fait que la couche d'oxyde est'placée à l'intérieur de la cathode creuse'dont l'ouver- ture, est limitée, les particules de la couche susceptibles d'avoir, été délogées par le bombardementdes ions, se dépo- ',gent de nouveau sur la surface interne de la cathode et la qua.ntité de particules (délogées s'échappant par l'ouverture
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restreinte est. très 'faible, à supposer même qu'il s'en - ' échappe. Ceci non seulement conserve la couche, mais évite -les effets nuisibles, qui résulteraient d'une nouveau dépôt des particules -sur la 'paroi interne du récipient en verre ou sur d'autres surfaces situées à l'inférieur du récipient.
- La forme de réalisation des fig. 4, 5 et comprend un tube 1, qui peut être en verre, une cathode creuser, des anodes .,3* un bloc isolant ¯4. préférablement en lavite, et un culot comprenant.des douilles métalliques embouties 5 et 6 fixées l'une à l'autre par une matière isolante 7. Le tube 'de verre comprend une tige rentrante
8 munie de. deux saillies tubulaires, 3 qui pénètrent dans des évidements prévus. dans la. partie inférieure du bloc isolant 4, le bloc 4 étant emboîté sur las saillies 9 et maintenuen position par lecathode 2.
Les anodes 3 'sont montées dans des ouvertures prévues dans le bloc 4 concen- trique'ment aux saillies 9 et.aux ouvertures 10 -de la catho- de., La cathode est préférablement composée de deux éléments dont le supérieur comprend une cuvette cylindrique renver- sée et l'inférieur 11 un couvercle s'emboîtant sur l'extré- mité ouverte de la ouvette, les ouvertures 10 étant prévues 'dans le couvercle 11. Le bloc isolant-4 présente des évi- dements circula-ires lèpres des ouvertures la*. 1¯ la distance entre les parois de ces évidements et les anodes étant pré- férablement de l'ordre du trajet libre moyens des élec- trons dans ces évidements.
Le bord des ouvertures 10 est préférablement replié vers le bas pour s'adapter dans les évidements 12 comme représenté sur la fig.5. La cathode peut être supportée uniquement. par le bloc .4 'mais il est préférable qu'elle soit supportée au moins en partie direc- tement sur la tige 8- à l'aide d'un anneau 13 entourant la tige et de branches 14 disposées de part et d'autre de la cathode, les extrémités supérieures des branches étant pré-
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férablement soudées par points à la cuvette de cathode en
15.
Les anneaux 5 et 6 du culot sont reliés entre eux en raison du fait qu'ils sont moulés dans la ma- tière isolante 7., et le tube 10 est monté dans l'anneau 5 à l'aide d'une matière fusible 16. L'anneau 5 est relié une des anodes ! par un fil17, l'anneau 6 estrelié à l'autre anode par un fil 18 et la cathode est reliée au contact, central 19 du culot par un fil 20 Grâce cette disposi- tion, toutes les électrodes sont montées sur l'extrémité inférieure du tube et tous les fils sont reliés à des élé- ments de contact séparés faisant partie du culot.
Le dispo- sitif peut être monté dans une douille ordinaire 21 munie de contacts agencés pour coopérer avec les contacts 6 et 19 en prévoyant un contact additionnel 22 destiné à coopérer avec l'anneau 5.
- La variante des fig.-7 et 8 comprend un tube SI une Cathode 32, des anodes 33, un bloc isolant 34 et un fil métallique en U 35 servant à ancrer la cathode sur le .bloc isolant 34, les extrémités du fil 55 étant fixées, au bloc par un 'anneau en fil métallique 36. L'extrémité in- férieure.de la cathode-présente des ouvertures 37 concen- triques aux anodes 33, le bord de ces ouvertures étant relevé pour. former des rebords. Le bloc isolant 34présente des creusures 38 entourant.'- les extrémités de l'anode.
Les pièces sont montées sur une tige rentrante 39 d'une manière analogue à celle décrite dans les fig. 1,2 et 3, et le tube peut être muni de tout culot appropriée par exemple du type, à baïonnette, aud'un culot du genre de ceux repré- sentés dans les figures précédentes.
Pour le redressement d'un courant les anodes peuvent être reliées aux extrémités opposées' du secondaire d'un transformateur40 et le circuit à courant continu'41
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peut être relié à la cathode, d'une part, et à un point cen- tral du secondaire, comme on le voit sur la ig. 8, d'autre part.
L'intérieur du tube peut être rempli d'un ou plusieurs gaz appropriés, de préférence de gaz,monoato- miques sous une pression convenable. Par exemple, le gaz peut comprendre de,l'hélium à 13 -millimètres de pression.
La¯ surface interne de la cathode est préfé- rablement revêtue d'un oxyde d'un métal alca,lino-terreux tel que le calcium, le strontium au le baryum pour diminuer la chute de voltage à la cathode.
En fonctionnement, le courant passe entre la cathode et l'une des anodes lorsque la,cathode est négative -et que l'anode envisagée est positive. Comme les anodes sont alternativement positives, le courant passe successivement entre la cathode et-l'une des anodes et entre la cathode et l'autre anode d'une façon alternée. La courant est empêché de passer en sens-inversée en raison du fait qu'on a' fait. en sorte 'que sensiblement toute'la décharge électronique passe entre les extrémités des anodes et l'intérieur de,la cathode.
Le courant est empêché de passer à travers les intervalles compris entre les anodes et le bord des ouver- tures de la. cathode enraison du fait que ces intervalles reçoivent une largeur si faible -que les électrons, .qui le's traversent-ne produisent pas une ionisation suffisante pour amorcer une conduction importante,. La conduction gazeuse entre les anodes et l'extérieur de la cathode est empêchée par le bloc isolant 4; en outre, en prévoyant, des creusures telles que 12 et 38, la tendance du. courant à passer entre la cathode et les anodes le long de la surface du bloc,iso- lant est empêchée ouréduite à un facteur négligeable. On a trouvé que l'appareil fonctionne plus* efficacement lorsqu'on ' arrondit les extrémités des'anodes comme le montrent les
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