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PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR LA GENERATION d'OSCILLATIONS.
La présente invention se rapporte à un procédé et aux dispositifs pour la génération d'oscillations à haute fréquence, basées sur le phénomène de la décharge électrique dans un milieu ionisable. Jusqu'alors, on a proposé l'en- ploi de nombreux dispositifs utilisant des tubes à décharge pour engendrer les oscillations de haute fréquence, applicables aux rado-communications par exem- ple, parmi lesquels le plus connu est le tube à décharge électronique pure dans un vide très poussé.
Dans un oscillateur de ce genre, l'accroissement instan- taud de la décharge varie dans le marne noua que la valeur instantanée du poten- tiel de grille, de telle sorte que le couplage du circuit de grille et du air- cuit de sortie engendre des oscillations dont la fréquence dépend de l'accord d'un des circuits* Cet oscillateur est très stable, mais son rendement est
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relativement bas par suite des pertes élevées, consécutives à la résistance in- terne du tube, et c'est pour cela qu'il a été difficile de construire des oscil- lateurs de ce genre offrant un bon rendement à une puissance de débit relative- ment élevée.
On a également utilisé des oscillateurs à cathode froide dans
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un milieu isaiaable, ainsi que des dispositifs connus sous le non d* onduleurs.
Dans les premiers, il est difficile de régler avec précision la fréquence des oscillations, et les applications camnerciale8 du second sont limitées par le fait que la durée de diiaaisation du dispositif à décharge est trop importante et que de ce fait, on n'obtient pas de fréquences suffisamment élevées.
La Société demanderesse a constaté qu'on pouvait faire'appel à des dispositifs à décharges électriques dont l'enveloppe comporte un milieu
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ionisable à une pression suffisante pour permettre 1t ionisation d'un degré tel qu'un "plasma" eat :tome, mais pas assez forbapour gêner sérieusement le parcours libre des électrons-
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Par "plasma" on entend généralement un corps électriquement neutre constitué par un milieu ionisé qui peut être de la vapeur de mercure à une pression relativement faible, de préférenoehentre z1 et 2 microns, eu bien un des gaz rares, tel que l'argon, l'hélium ou le néon.
Dans mn tube à décharge comprenant une enveloppe munie, à une de ses extrémités, d'une anode et d'un* cathode et portant, à l'extrémité opposée, une anode et une autre cathode, ainsi
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qu'une grille située entre les deux groupes d'anodes et de cathodes, l'introdno- tien d'un milieu ionisable à une pression appropriée permet de faire apparaître plusieurs plasmas.
Si l'on suppose que ces plasmas ont été formés autour de chaque groupe d'anodes et de cathodes, et si la grille est suffisamment grande pour séparer l'enveloppe en deux compartiments, une charge négative placée sur la grille provoque l'apparition sur celle-ci d'une couche d'ions positifs qui iso- lent complètement les plasmas les uns des autres. L'épaisseur de cette couche d'ions positifs de chaque coté de la grille dépend de la température de la ca- thode, de la tension d'anode et de la tension de grille. Si cette dernière va- rie rapidement, l'épaisseur de la couche d'ions positifs suit ces variations quasi instantanément.
Si la tension de grille varie suffisamment, l'épaisseur de la couche d'ions positifs peut être réduite à une valeur telle qu'il puisse
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Conformément à l'invention, on utilise le phénomène ci-dessus dans la construction et le fonctionnement d'un oscillateur comportant un dis- positif à décharge à double plasma. Dans la forme préférée de l'invention, ce dispositif comprend une enveloppe munie demie anode, d'une cathode, d'une gril- le et d'un milieu ionisable tel qu'un gaz rare approprié ou de la vapeur de mercure à une pression relativement faible.
La grille, située entre l'anode et la cathode, a des dimensions suffisantes et une tonna telle qu'elle sépare complètement le plasma d'anode du plasma de cathode; ce que l'on peut réaliser d'un certain nombre de façons dont l'une peut consister à construire la grille suivant un maillage uniforme atteignant les parois de l'enveloppe et la sépa- rant en deux parties.
Si des potentiels positifs sont appliqués à la grille et à l'a- node, la cathode étant excitée, l'ionisation apparaît. Lorsqu'une charge néga- tive est fournie pendant un temps très court à la oathode, le milieu ionisé se divisera en plasmas anodique et cathodique par suite de la formation de la cou- che d'ions positifs autour de la grille un compartiment contient alors le plasma d'anode et l'autre le plassma de cathode.
Cette couche d'ions positifs est pratiquement continue et capable d'empêcher'.ou d'interrompre le courant d'électrons entre les deux plasmas sans qu'il soit nécessaire de déioniser le milieu*
Si cette charge négative, momentanément appliquée à la grille est suivie d'une variation périodique qui tend à rendre la grille plus positive, les surfaces extérieures de la couche d'ions positifs se déplacent dans un sens et dans l'autre pendant chaque variation du potentiel de grille, de telle sorte que durant une partie de chaque alternance, l'une de ces surfaces se déplace vers le haut en se rapprochant beaucoup de la grille.
A cet instant, les électrons de l'un des plasmas peuvent passer vers l'autre plasma en traversant la grille. L'effet de commande de la grille ne modifie pas le courant électronique conformément à la variation instantanée du potentiel de grille, comme dans les tubes à vide poussé, mais il se produit plutôt une commande par tout ou rien, de sorte que la totalité du flux d'éleo- trons existe ou est supprimée, selon que la grille est portée à une tension su- périeure ou Inférieure à une certaine valeur. Cette valeur critiqua de la gril- le dépend de la nature du milieu ionisable- Dans certains cas, la charge cor-
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'Spandant8 de la 11. AAt *4,R4 . ns,. ,.n..,.'w,.a. 9 - ..-.L-- ¯L'
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très cas, négative par rapport à l'anode.
Ce dispositif à double plasma présente t'avantage que les pertes par résistance sont moindres que dans les tubes à vide, ce dispositif fonction- nant aux pointes de potentiel alternatif de la grille, dans des conditions tel- les que le flux électronique n'est limité que par l'émission cathodique.
Dans les tubes à décharge contenant un milieu ionisable et con- nus sous le nom de thyratrons, l'intensité du courant qui traverse le tube est déterminée par la variation de l'ionisation du milieu de remplissage. Dans ces dispositifs, le degré d'ionisation varie depuis l'amorçage jusqu'à la fin de la décharge, et, pendant la période de non conductivité, le tube se trouve déionisé. Dans les tubes à double plasma, par contre, l'ionisation ou la con- centration d'ions reste pratiquement constante, et les variations du courant d'anode, pendant chaque période, résultant des variations de l'épaisseur de la couche d'ions positifs autour de la grille, sont dues au déplacement des élec- trons, mais non à un afflux d'ions ou à une pria%ion d'intensité d'ionisation.
Pour cette raison, le tube à double plasma peut fonctionner à. des fréquences très élevées came les tubes à vide poussé, et son fonctionne- ment n'est pas limité aux fréquences relativement basses auxquelles fonction- nent les tubes connus, à milieu ionisé.
L'invention a particulièrement pour objet un procédé d'utilisa- tion d'un tube à décharge à double plasma coma générateur d'oscillations à très haute fréquence, et elle décrit des oscillateurs à bon rendement ne pos- sédant pas les inconvénients des dispositifs connus.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exemple non limitatif, et dans lesquels:
La figure 1 représente un appareil utilisant un tube conforme à l'invention;
La figure 8 montre une forme préférée de réalisation d'un tube à double plasma fonctionnant en oscillateur;
Les figures 3 et 4 sont des variantes.
Sur la figure 1, on a représenté un oscillateur employant un tube établi suivant l'invention et comprenant une ampoule 10 remplie d'un mi- lieu ionisable à une pression juste suffisante pour permettre l'ionisation né-
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le libre parcours des électrons. La milieu ionisable peut étre constitué par exemple par de la vapeur de mercure sous une pression relativement faible, ou par un ou plusieurs gaz rares, tels que l'argon, l'hélium ou le néon.
L'enveloppe contient l'anode principale 11, l'anode auxiliaire 11', une cathode la et une grille 13 dont les dimensions et la forme sont telles qu'elle sépara d'une manière adéquate, le plasma d'anode du plasma de cathode et qui, dans l'exemple actuel est constituée par un maillage uniforme. La ca- thode 12 est alimentée par une source 14 et la tension anodique est fournie par la source 15. L'anode 11 est connectée à cette dernière par un conducteur com- prenant une bobine de réactance 16 qui barre le passage à la haute fréquence vers les sources 14 et 15. Le circuit d'anode à cathode comporte les éléments suivants : capacité 17, bobine de réactance 18, conducteur 19, capacité 20, conducteur 21 et capacité 22.
Le circuit grille-cathode comporte les éléments suivants : bobine 23 couplée à la bobine 18, conducteur 19, capacité 20, conduc- teur 21 et capacité 22. Un condensateur variable 24 est connecté aux bornes des bobines 18 et 23 et il permet d'accorder le circuit de grille et l'anode à une fréquence déterminée. En vue d'assurer la formation du plasma cathodique, l'anode 11* est connectée à la source 15 par le conducteur 21 et une prise ré- glable 25*
Du fait que la capacité 20 est reliée à une partie de la source 15 de potentiel positif, par l'intermédiaire de la prise 25, l'armature infé- rieure de la capacité 20 est chargée positivement et par conséquent la plaque supérieure de la capacité est négative.
Cette charge négative appliquée à la grille 13 produit autour de celle-ci une accumulation d'ions positifs qui entourent chacun des fils des mailles de la grille, et si le potentiel de cette demi ère c'est-à-dire celui de ses fils,est correctement proportionné, cette charge d'ions positifs cons- titua une couche continue normalement imperméable au flux d'électrons provenant du plasma cathodique et se dirigeant vers le plasma anodique.
Une partie de l'énergie du circuit à haute fréquence est trans- férée au circuit de grille, par le couplage des bobines 18 et 23@ ce qui fait varier la charge négative de la grille 13. Quant cette charge varie, les sur- face$ extérieures de la couche d'ions positifs se déplacent alternativement pendant chaque période, de telle aorte que durant une faible partie de chaque période, la surface de l'un des cotés de la couche se meut dans le voisinage
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immédiat de la grille 13. A cet instant, les électrons de l'un des plasmas pas- sent à travers la grills'vars l'autre plasma.
Il existe donc =flux d'électrons passant d'un plasma à l'autre aux environs de chaque, maxime de la tension de grille 13, ce flux d'électrons étant principalement limité par l'émission ca- thodique.
' Cette théorie n'a évidemment rien d'absolu et constitue pure- ment et simplement une explication de fonctionnement d'un oscillateur à haute fréquence dans lequel on admet la présence d'un double plasma.
Sur la figure 2, on voit une tonne de réalisation d'un tube conforme à l'invention* La figure représente le montage d'une grille disposée dans l'enveloppe de telle sorte qu'elle sépare le plasma anodique du plasma cathodique* Ce tube est constitué par une ampoule cylindrique 10 portent, à une extrémité,'l'anode 11 et, à l'autre extrémité, la cathode 12. La grille a une forme telle qutelle sépare le plasma cathodique du plasma anodique par la cou- che d'ions positifs constituée autour d'elle. La grille peut titre cylindrique à un diamètre légèrement inférieur à celui de !.'ampoule, fennec à une extrémité et placée de manière à entourer pratiquement soit l'anode, soit la cathode.
On peut aussi, comme l'indique la figure 2, supporter la grille par une cou- ronne en verre 26, placée de telle sorte que les mailles uniformes seules de la grille 13 soient exposées au milieu ionisable de l'ampoule 10. L'avantage réalisé par cette forme de construction consiste en ce qu'aucun support métal- lique de la grille n'est sujet au bombardement ionique. En appliquant une ten- sion appropriée à la grille 13, une couche d'ions positifs d'épaisseur prati- quement uniforme se forme autour d'elle et sépare le milieu ionisable en plas- mas anodique et cathodique. Il y a lieu de noter que le tube de la figure 2 peut ne pas posséder d'anode 11', comme dans la figure 1, car on a constaté que, dans certaines conditions, on peut supprimer cette anode auxiliaire.
Bien que l'élément qui fournit à la grille 13 une charge néga- tive soit représenté dans la figure 1 par une capacité, on peut évidemment y substituer une batterie de polarisation par exemple. On peut aussi employer tout autre dispositif de couplage du circuit anodique au circuit de grille, tel qu'un couplage par capacité. De plus, le dispositif décrit n'est donné qu'à titre d'exemple et l' on conçoit'qu'on puisse utiliser d'autres montages en- ployant un double plasma pour engendrer et reproduire des oscillations de très
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L'oscillateur représenté peut engendrer des oscillations à la fréquence de 300.000 kilocycles par exemple et marna darantage.
Du fait que la courant passe d'un plasma à l'autre à chaque maximum des variations de ten- sions de grille, le rendement est très élevé du fait de faiblesse des pertes par résistance. L'appareil présente l'avantage de pouvoir fonctionner comme un oscillateur* de grande puissance à des fréquences extrêmement élevées.
On peut perfectionner les couplages électrostatiques entre les différentes parties des circuits extérieurs en faisant appel à des électrodes additionnelles qui peuvent avoir la forme de gaines métalliques par exemple.
Cette disposition permet d'établir des couplages directs entre les plasmas et d'obtenir ainsi de meilleurs résultats.
Dans la variante de la figure 3, on voit une enveloppe 60 oom- prenant une anode 61, une cathode 62 et une grille 63, le tout dans un milieu ionisable défini plus haut. La grille 63, de préférence très fine,peut ne pas s'étendre jusqu'aux parois de l'ampoule, si la tonne générale est appropriée pour séparer le plasma anodique du plasma cathodique.
A la partie extérieure de l'enveloppe qui contient le plasma anodique, on a prévu une pièce conductrice 64 utilisée comme organe de eau- plage capacitif pour le plasma qui entoure l'anode. Cette pièce de couplage peut 'être constituée par des bandes métalliques enveloppant partiellement ou totalement l'ampoule du tube et non nécessairement contigües à celle-ci- On a disposa une pièce analogue 65 à l'extérieur de la partie de l'ampoule qui enveloppe le plasma cathodique, et cette pièce conductrice sert également de couplage capacitif pour le plasma qui entoure la cathode.
Bien que la grille 63 atteigne, comme représenté, les parois de l'enveloppe, on peut utiliser toute autre tonne de grille, sous réserve qu'elle sépare, d'une manière appropriée, le plasma anodique du plasma catho- dique- Une source appropriée 66 est utilisée pour alimenter la cathode. Le circuit d'anode à cathode comporte une source 67 et une bobine de réactance 68 qui évite la dissipation des courants haute fréquence dans ce circuit.
Le circuit grille@@plasma cathodique comporte une partie de la bobine 69 et un conducteur 70 connecté à la pièce de couplage capacitif 65.
Le circuit plasma d'anode à plasma de cathode comporte l'autre partie de la bobiae 69 et le conducteur 70 qui est de préférence connecté à la pièce de couplage 65. Une capacité variable 71 est placée entre la grille et la pièce
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l'oscillateur doit fonctionner* En vue de maintenir la grille à un potentiel approprie, on connecte, entre la cathode et un point du circuit de grille, un circuit comprenant une source 72, une bobine de réactance 73 et une résis- tance 74. La bobine 73 évite la dissipation des courants de haute fréquence dans ce circuit* La résistance 74 a pour but d'amorcer automatiquement les oscillations consécutivement à la fenneture du courant de chauffage de la ca- thode 62 par la source 66.
On supposera d'abbord que la cathode 62 ne soit par alimentée : Dans ce cas, un potentiel positif est appliqué sur l'anode 61 par la source 67, et un autre potentiel positif est aussi appliqué sur la grille 63 par la sour- ce 72. Ce potentiel est le maximum que peut fournir la source quand aucun cou- rant ne traverse le circuit grille-cathode. Il en résulte que la résistance 74 e produit aucune Chute de tension.
Dès que la cathode 62 est alimentée, elle libère des électrons qui cheminent vers les autres éléments du tube à décharge .l'ionisation ap- paraît alors et provoque la formation d'un plasma un courant traverse le circuit grille-cathode. Ce courant produit une chute de tension aux bornes de la résistance 74, avec! ce résultat que la grille 63 devient suffisamment né- gative, par rapport à l'anode 61 pour produire une couche d'ions positifs au- tour de la dite grille.
Cette couche divise le plasma en plasmas modique et cathodique et coupe le'flux électronique entre la cathode et l'anode* L'amor- çage et l'interruption du flux électronique antre la cathode et les autres éléments du tube engendrent des courants d'induction dans le circuit 69-71, ce qui entraîne des variations consécutives de la tension de grille à une fréquence déterminée par la caractéristique de la bobine 69 et de la capacité 71, ainsi que des capacités entre les éléments 63, 64 et 65 du tube à décharge.
Au cours de chaque partie de la pariade de la tension alternative appliquée à. ' la grille 63, partie pendant laquelle sur celle-ci apparaît un potentiel suf- fisant pour faire varier la charge ionique autour de la grille, il se produit un flux d'électrons entre l'anode et la cathode.
Par conséquent, en ce qui concerne l'alimentation de cette dernière, la résistance 74 fonctionne coma un dispositif d'amorçage automatique des oscillations*
On conçoit qu'on puisse substituer tout autre dispositif au circuit comprenant les éléments 72. 73 et 74@ il est seulement nécessaire de
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du fonctionnement, une tension suffisante pour produire la couche d'ions po- sitifs, ainsi que des dispositifs additionnels pour faire varier le potentiel de grille consécutivement à l'alimentation initiale de la cathode, de manière à engendrer des oscillations.
Il est évidemment possible d'apporter toutes modifications appropriées, de faqon à assimiler le circuit grille-plasma ca- thodique à un circuit d'entrée, et le circuit anode-plasma cathodique à un circuit de sortie* Ce dispositif fournit un excellant rondement et son fonc- tionnement est trio stable :il permet de séparer les éléments oscillants des éléments non oscillants du circuit.
Dans la variante de ia figure 4, on a représenté une ampoule 110 comportant une anode 111, une cathode 112 et une grille 113 dans une enveloppé 114 qui contient un milieu ionisable.
Le circuit allant de la cathode 112 vers l'anode 111 comporte une source 115 de tension anodique et une bobine de réactance 116 pour éviter la dissipation des courants de haute fréquence dans ce circuit. Le circuit allant de la grille Ils à la cathode 112 comporte une bobine de réactance 117 et une bobine 118 pour éviter le passage des courants de haute fréquence , ainsi qu'un dispositif qui permet de charger la grille 113 négativement par rapport à l'anode. Dans le cas actuel, ce dispositif est représenté par la source 119. La charge négative de la grille 113 fournie par la source 119 provoque une charge d'ions positifs autour de la grille 113 qui sépare le milieu ionisable en plasma anodique et plasma cathodique.
Par suite de la pré- nonce de la couche d'ions positifs autour de la grille, cet élément du tube peut commander ou interrompre le flux d'électrons entre les plasmas anodique et cathodique.
Le circuit grille-plasma cathodique est constitué par une con- nexion qui part de la grille 113 et une partie de la bobine 117, tandis qu'une connexion allant de cette dernière vers une gaine métallique 120, sert de dis- positif de couplage au plasma cathodique* Un second circuit reliant le plasma cathodique au plasma anodique comporte une connexion qui part de la pièce 120, l'autre portion de la bobine 117 et une connexion à la borne métallique 122.
Pour accorder au moins l'un des circuits, on a prévu une capacité variable 121 aux bornes de la bobine 117.
Une certaine quantité d'énergie à haute fréquence qui apparaît
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a.,.... 1 - - --....-.:11 ¯¯¯¯¯, --..L...L...
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une partie de la grille 113, une portion de la bobine 117 et tme connexion à la borne métallique 120. Dans le cas représenté, le transfert d'énergie est obtenu par une connexion établie eaitre les deux parties de la bobine 117. On conçoit cependant que ce circuit puisse être entièrement séparé et couple, soit
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induativement, soit par capacité, pour effectuer le transfert de l'énergie en- tre ces deux circuits. Ce transfert engendre des oscillations dont la,fréquen- oe est déterminée par'la résonance du circuit comportant la bobine 117 et la capacité 121.
. On a prévu une troisième gatne métallique 123 à l'extrémité su- périeure du compartiment réservé au plasma anodique. Les pièces métalliques 120 122 et 123 servent de capacités couplant les plasmas anodique et cathodique
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et peuvent n'être pas contigus à 1ampoule et titre constituées par des bandée métalliques qui entourant partiellement ou totalement l'ampoule 114 du tube il().
'Un troisième circuit est connecté entre les plaques 122 et 123
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et il comporte une bobine 124 et une capacité variable 125, La circuit éons- titué par les bobines 124 et 125 est de préférence accordé* sur le second har- manique ou sur un multiple de la fréquence du circuit de résonance comprenant la bobine 117 et la capacité 121. Afin d'utiliser l'énergie haute fréquence
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du circuit 124-lab, on prévoit à circuit de sortie ecupld à la bobine 124 et comportant une bobine 126 reliée à un dipble ou à tout autre circuit d'utili- sation.
Pour provoquer la formation du plasma et amorcer les oscillation! il est généralement nécessaire de prévoir des dispositifs fonctionnant sélea-
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tiitemant et qui permettent d'ann'aler momentanément l'effet de la tension aéga- tive de grille fournie par la source 119. Ce dispositif peut titre constitue par le circuit cathode 112- grille 113 comportant une source de potentiel 127 qui sert à appliquer une charge positive à la grille 113, ainsi que l'inter-
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rupteur 128.
Quimd ce dernier est fermé, une tension positive est appliquée à la grille'113, ce qui réduit ou neutralise l'effet de la charge d'ions positif* sur la grille, avec ce résultat que les électrons pouvant passer du
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plasma cathodique au plasma anodique. gand 7.' iaterruptsur 118 est de nouveau ouvert, une certaine quantité d'énergie, 8111U1gasin'e dans la circuit 117-181 fait varier la charge d'ions positifs sur la grille 113 et il en résulte 111 of'1nT A$41#%atlçnna du plasma cathodique vers le plasma anodique. Ce flux maman-
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tend est suivi par d'autres flux consécutivement aux variations de charge de la grille 113 dont la fréquence est déterminée par la fréquence de résonance du circuit 117-121.
Bien qu'on n'ait pas établi une théorie complète du fonctionne- ment du circuit, on a toutefois constaté que, par l'accord du circuit 124-125 sur un harmonique de la fréquence de résonance du circuit 117-121, on obtient des oscillations de fréquence beaucoup plus élevée*
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réali- sation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucune caractère restrictif, et que par conséquent toutes les variantes ayant marne principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.