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DISPOSITIFS POUR L'AMPLIFICATION DES ONDES ELECTRO-
MAGNETIQUES.
L'invention se rapporte d'une part à des dispositifs amplificateurs pour ondes électromagnétiques, et d'autre part à des systèmes électriques de communication utilisant de tels amplificateurs.
Suivant un des faits caractéristiques de l'invention, un amplificateur thermoionique pour ondes électromagnétiques comprend une série d'électrodes s'étendant dans la direction de la propagation des ondes.
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Suivant un autre fait caractéristique de l'invention, un am- plificateur thermoionique pour ondes à hautes fréquences possède des électrodes ayant chacune une longueur considérable, comparativement à la longueur des ondes devant être amplifiées.
On a aussi prévu un système de communication qui comprend un amplificateur thermoionique formé en partie d'un système de conducteurs concentriques, et dont les électrodes s'étendent ooaxia- lement avec les dits conducteurs du système.
Suivant encore un autre fait caractéristique de l'invention, un système électrique de communication comprend un tube à vide ayant trois électrodes coaxiales, une paire de conducteurs concentriques ooaxiaux avec le tube et connectés à une des extrémités du tube à une paire de dites électrodes, et une paire de conducteurs ooncentriques semblables, aussi coaxiaux avec le tube, et connectés à 1' autre paire des dites électrodes.
L'invention est mieux comprise de la description suivante basée sur les dessins ci-joints. Sur ceux-ci :
La figure 1 montre une section longitudinale d'un tube à vide à trois électrodes intercalé dans un système à conducteurs concentriques et établi conformément à l'invention.
La figure 2 est une section transversale faite suivant la ligne 2 de la figure 1.
Les figures 3 et 4 sont des diagrammes vectoriels qui servent à l'exposé des principes sur lesquels repose l'invention.
Les figures 5 et 6 représentent des sections longitudinales très schématiques de l'appareil des figures 1 et 2 donnant les formes des ondes, et qui servent à expliquer le fonctionnement du système.
La figure 7 donne une section longitudinale délai, liée, montrant certains changements permettant l'emploi d'une oathode chauffée indirectement au lieu d'une cathode chauffée directement comme dans le cas de la figure 1.
Suivant la figure 1, le système à conducteurs ooncentriques,comprenant le conducteur axial 12 et le conducteur extérieur ou enveloppe
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11, sert à transmettre des courants à hautes fréquences de gauche à droite. Les dispositifs émetteurs de ce système sont indiqués en 11' et 12'à la droite de la figure. Un tube à vide à trois électrodes comprend une enveloppe métallique extérieure ou anode 13 fermée à gauche par la glace scellée 14 et à droite par une gla -ce soellée 14' ainsi que par la paroi d'extrémité 16'. Une grille 15, pourvue de rainures longitudinales très rapprochées et relativement longues, est disposée coaxialement par rapport à l'enveloppe,et se termine à gauche par un rebord annulaire plan 16 opposé à un rebord semblable 17 prévu à l'extrémité de l'enveloppe ou conducteur extérieur 11.
Ces deux rebords 16 et 17 peuvent être considérés com -me constituant les plaques d'un condensateur, de telle sorte qu'en vertu des courants de déplacement entre eux, il y a continuité éleo -trique entre l'enveloppe 11 et la grille 15.
Près de l'axe du tube: s'étend un filament-cathode 18 en forme d' épingle à cheveu, dont les deux extrémités libres sont situées à gauche, tandis que l'extrémité recourbée est placée à droite en 12'.
A l'extrémité de droite du dispositif, la grille 15 s'étend au delà de la paroi en verre 14' sur une partie 15' non perforée qui se termine par la paroi 16'. Un disque 19 est placé parallèlement à cette paroi 16' et de son bord part une partie conique 30 du conducteur extérieur qui se termina- en un conducteur axial 12' faisant partie du système à conducteurs concentriques s'étendant à droite de la figure.
La paroi 16' et le disque 19 constituent les plaques d'un condensateur, offrant une continuité électrique réelle de la grille vers le conducteur axial 12'.
Le circuit de la batterie 21 fournit le courant de chauffe voulu à la oathode 18 à travers l'inductance 22. Le conducteur axial 12 venant de gauche est relié conductivement à la cathode-filament 18 en 20. La batterie 24, alimentant le circuit anode, est connectée à la cathode à travers l'inductance 22, et à l'anode en 13'. Il y a aussi une batterie 23 fournissant le potentiel de biais à la grille, et qui est connectée de la manière habituelle.
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L'enveloppe ou anode 13 se termina vers la gauche par une partie ouverte 25 qui contient un cylindre court 26 légèrement espacé de la partie 25. Ce cylindre 26 est connecté à la grille 15 par un anneau 27 de matière formant résistance. Les parties 25 et 26 oonsti -tuent les plaques d'un condensateur, et offrent avec la résistance 27 une connexion capacité-résistance entre la grille 15 et l'anode 13
A droite du dispositif est une tige conductrice axiale 12''' de courte longueur et reliée électriquement avec l'extrémité reoourbée du filament 18 en épingle à cheveu. Une courte enveloppe cylindrique 26', légèrement espacée de l'enveloppe 15', est placée dans celleoi et entoure le conducteur 12''', les enveloppes 15' et 26' constituant les plaques d'un condensateur.
Un anneau 27', de matière formant résistance, relie le conducteur 12''' à la plaque 26'. De cette manière les éléments 15', 26', 27', 12''' constituent un pont capaci -té-résistance entre la grille 15 et la cathode-filament 18.
L'enveloppe anode 13 se termine à droite par un rebord annulaire plan 28 s'étendant extérieurement et placé très près d'un anneau sem -blable 29 qui termine une enveloppe 31 de forme conique, cette enveloppe conique aboutissant à l'enveloppe extérieure 11' du système à conducteurs concentriques se prolongeant vers la droite.
La longueur du tube 13, entre les plaques de verre 14 et 14',est considérable comparée à l'onde la plus grande devant être amplifiée dans le système à conducteurs concentriques. Dans certains cas la longueur du tube peut être de plusieurs longueurs d'onde. L'onde entrant dans le tube par sa partie gauche,peut être supposée représentée par des lignes de force radiales ayant leurs extrémités intérieures sur le conducteur axial 12 et leurs extrémités extérieures sur la face intérieure de l'enveloppe cylindrique 11, ces lignes de force étant alternativement dirigées vers l'extérieur et vers l'intérieur quand elles se déplacent le long du système à un certain moment, mais toutes se meuvent avec la vitesse de transmission de gauche à droite.
II ya virtuellement une connexion électrique continue de l'enveloppe
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11 à la grille 15 à travers le condensateur 17-16, de sorte que les ondes de lignes de force continuent leur progression dans le tube @bide, leurs extrémités intérieures parcourant le filament cathode 18 et leurs extrémités extérieures la grille 15. Une courte longueur quelconque du tube à vide, telle que celle comprise entre les lignes 2 et 2' de la figure 1, peut être regardée comme for -mant un tube à vide ordinaire complet. En l'absence d'ondes reçues, il y aura un flux oonstant d'électrons du filament cathode 18 à la plaque 13 à travers les ouvertures de la grille 15.
Quand des ondes passent à travers le segment 2-2', la densité de ce flux s'accroît ou diminue suivant la direction des lignes de force de ces ondes.
De cette manière, les ondes reçues déterminent des ondes de départ amplifiées dans le système à conducteurs concentriques dont le oonducteur axial est la grille 15 et le conducteur enveloppe est l'ano -de 13. Ces ondes de sortie passent des conducteurs 15, 13 à travers les connexions 16'- 19 et 28-29 vers la paire de conducteurs ooniques 30-31,puis de là au conducteur axial normal 12' et au conduc- teur enveloppe 11' du système à conducteurs concentriques de départ prévu à droite de la figure.
Un changement élémentaire queloonque du courant anode dans le segment 2-2' du tube tend à créer une perturbation se dirigeant à la fois vers la droite et vers la gauche. En un point particulier quelconque sur la droite, les éléments d'onde venant de gauche tendent à s'ajouter comme des veoteurs, ainsi qu'il est montré figure 3. D'autre part, en un point particulier quelconque de gauche, les éléments d'ondes tendent à s'ajouter comme des vecteurs,ainsi qu'il est montré par le diagramme de la figure 4. Cela est en concordance avec la théorie bien connue de la transmission des ondes. Dès lors, en grande partie, sinon entièrement, les ondes reçues venant de gauohe déterminent une perturbation d'onde très faible allant vers la gauche, mais seront amplifiées vers la droite.
La oonnexion capacité 25-26 et la résistance 27 interposées en série l'une à l'autre à gau -che comme un pont, entre les conducteurs 15 et 13, offrent une
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terminaison impédance convenable,de manière que pour autant qu'il se crée une transmission d'onde vers la gauche, celle-ci sera pratiquement absorbée par cette connexion dérivée.
Comme l'onde reçue de gauche passe avec ses lignes de force radiales s'étendant entre le filament-cathode et la grille 15, son énergie est graduellement absorbée dans les réactions qu'il rencontre et par laquelle le courant anode varie pour donner une reproduo- tion amplifiée. Toute l'énergie que l'onde reçue peut retenir quand elle atteint l'extrémité gauche du tube est appliquée sur le pont formé par le condensateur 15' -26' et la résistance 27'. Cela consiste à offrir une terminaison impédance convenable de manière que l'énergie de l'onde résiduelle soit absorbée et non réfléchie.
La figure 5 est une représentation très schématique du disposi -tif de la figure 1, les pièces correspondantes étant désignées par les mêmes chiffres de référence. La grille et l'anode sont seulement représentées d'un o8té de la oathode au lieu de l'être des deux côtés comme sur la figure 1. La ligne sinusoidale 32 tracée sur la ligne 15, représentant la grille et prise comme axe, indique les ondes de force électromotrice reçues entre la cathode 18 et la grille 15. Aux arêtes de ces ondes, dans la ligne 32, le flux d'électrons radial normal de la cathode 18 à travers la grille 15 est accru.
Cela est indiqué par la surface ombrée 33' indiquée sous chaque créte.Com- me l'onde se meut vers la droite, le flux d'électrons se meut radialement de sorte que dans chaque arête sera entraîné un flux incliné 33 d'électrons, les électrons individuels se meuvent radialement ain -si qu'il est indiqué par la fl@che 34, mais la région de densité ao -crue, c. à.d. le flux 33, se meut vers la droite, ainsi qu'il est indiqué par la flèche 35.
Dans l'appareil montré sur les figures 1 et 5,le mouvement des électrons individuels n'est pas purement oscillatoire. Il y a une traction des électrons imposée par la batterie de plaque 24. Ce mouvement radial continu consiste en une intensité constante,déterminée
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par la batterie plaque, et en une intensité oscillatoire superposée déterminée par les ondes reçues. La résultante est une in -tensité à fluctuations, Bien que l'attraotion radiale des électrons n'a pas lieu plus loin, à droite, que la paroi en verre 14', ses fluctuations en ce point produisent des ondes électromagnétiques qui se continuent à droite entre les conducteurs 30 et 31, puis entre les conducteurs 12' et 11'.
Le tube peut fonctionner d'une manière quelquepeu différente, ainsi qu'il est indiqué figure 6. Tandis que dans les figures 1 et 5 la grille est modérément négative et l'anode fortement posi -tive, dans l'arrangement de la figure 6 la grille est fortement positive et -l'anode est modérément négative. A l'extrémité d'entrée de gauche, les conducteurs concentriques sont connectés à la cathode 18 en 20 et à l'anode 13 en 11'', un pont impédance, de capacité 15" - 26' et de résistance 27'', étant prévu entre les extrémités gauches de la cathode 18 et de la grille 15.A l'extrémité droite, la grille 15 est connectée au conducteur concentrique extérieur 11', et la cathode 18 est connectée à travers un conden- sateur 16'' -19'' au conducteur extérieur 12'.
Une impédance de capacité 13'-26" et de résistance 27''' est branchée à droite en -tre la cathode 18 et l'anode 13. En l'absence d'onde arrivant de gauche,les chemins pour électrons sont ceux indiqués par la flèohe 36, c'est-à-dire que les électrons fournis par la cathode 18 sont accélérés radialement par la grille positive 15,sont projetés à travers les ouvertures de cette grille, mais sont encore soumis à une attraction de retour par la grille positive 15 et à une répulsion coopérante de la plaque négative 13, de sorte qu'ils reviennent, ainsi qu'il est montré par la flèche 36.
Cette action au -ra lieu tout le long du tube quand il n'y a aucune onde reçue,et sera intensifiée automatiquement par les ondes reçues,de sorte qu' elles établissent une onde amplifiée le long du tube de manière à fournir des ondes de départ amplifiées. Quand les crêtes positives de l'onde de grille 32 ont lieu, la densité d'électrons dans 1'
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espace compris entre la grille 15 et l'anode 13 sera plus grande que celle existant à l'état normal où auoune onde n'est reçue,et si les crêtes négatives ont lieu, la densité sera moindre qu'en temps normal.
Les figures 1 à 5 montrent un dispositif à cathode chauffée directement. Dans le cas d'une cathode chauffée indirectement,des modifications convenables, telles que celles indiquées figure 7, doivent être réalisées.
Ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus,une courte section du tube à vide allongé décrit ici,peut être considérée comme l'équiva -lent d'un tube à vide conventionnel à trois éléments. Des grilles ou éléments additionnels utilisés dans la pratique ordinaire dans un but de protection ou autre, peuvent être appliqués au type envisagé.
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DEVICES FOR THE AMPLIFICATION OF ELECTRO- WAVES
MAGNETIC.
The invention relates on the one hand to amplifying devices for electromagnetic waves, and on the other hand to electrical communication systems using such amplifiers.
According to one of the characteristic facts of the invention, a thermionic amplifier for electromagnetic waves comprises a series of electrodes extending in the direction of propagation of the waves.
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According to another characteristic feature of the invention, a thermionic amplifier for high frequency waves has electrodes each having a considerable length, compared to the length of the waves to be amplified.
A communication system has also been provided which comprises a thermionic amplifier formed in part from a system of concentric conductors, and the electrodes of which extend ooaxially with said conductors of the system.
According to yet another characteristic fact of the invention, an electrical communication system comprises a vacuum tube having three electrodes coaxial, a pair of concentric conductors ooaxial with the tube and connected at one end of the tube to a pair of said electrodes, and a pair of similar ooncentric conductors, also coaxial with the tube, and connected to the other pair of said electrodes.
The invention is better understood from the following description based on the accompanying drawings. On these:
Figure 1 shows a longitudinal section of a three-electrode vacuum tube interposed in a concentric conductor system and constructed in accordance with the invention.
Figure 2 is a cross section taken along line 2 of Figure 1.
Figures 3 and 4 are vector diagrams which serve to explain the principles on which the invention is based.
Figures 5 and 6 show very schematic longitudinal sections of the apparatus of Figures 1 and 2 giving the shapes of the waves, and which serve to explain the operation of the system.
Figure 7 gives a linked longitudinal delay section showing some changes allowing the use of an indirectly heated cathode instead of a directly heated cathode as in the case of Figure 1.
According to Figure 1, the ooncentric conductor system, comprising the axial conductor 12 and the outer conductor or casing
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11, is used to transmit currents at high frequencies from left to right. The transmitting devices of this system are indicated at 11 'and 12' to the right of the figure. A three-electrode vacuum tube comprises an outer metal casing or anode 13 closed on the left by the sealed glass 14 and on the right by a sealed ice 14 'as well as by the end wall 16'. A grid 15, provided with very close and relatively long longitudinal grooves, is arranged coaxially with respect to the casing, and ends on the left with a flat annular rim 16 opposite a similar rim 17 provided at the end of the casing or outer conductor 11.
These two flanges 16 and 17 can be considered com -me constituting the plates of a capacitor, so that by virtue of the displacement currents between them, there is éléo -trique continuity between the casing 11 and the grid 15 .
Near the axis of the tube: extends a filament-cathode 18 in the form of a hairpin, the two free ends of which are located on the left, while the curved end is placed on the right at 12 '.
At the right-hand end of the device, the grid 15 extends beyond the glass wall 14 'on a non-perforated part 15' which ends in the wall 16 '. A disc 19 is placed parallel to this wall 16 'and from its edge a conical portion 30 of the outer conductor terminates in an axial conductor 12' forming part of the concentric conductor system extending to the right of the figure.
The wall 16 'and the disc 19 constitute the plates of a capacitor, providing real electrical continuity from the grid to the axial conductor 12'.
The circuit of the battery 21 supplies the desired heating current to the oathode 18 through the inductor 22. The axial conductor 12 coming from the left is conductively connected to the cathode-filament 18 at 20. The battery 24, supplying the anode circuit , is connected to the cathode through inductor 22, and to the anode at 13 '. There is also a battery 23 providing the bias potential to the gate, and which is connected in the usual way.
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The casing or anode 13 terminates to the left with an open part 25 which contains a short cylinder 26 slightly spaced from part 25. This cylinder 26 is connected to the grid 15 by a ring 27 of resistance material. Parts 25 and 26 oonsti -tute the plates of a capacitor, and provide with resistor 27 a capacitance-resistance connection between gate 15 and anode 13
To the right of the device is a 12 '' axial conductive rod of short length and electrically connected with the curved end of the hairpin filament 18. A short cylindrical casing 26 ', slightly spaced from the casing 15', is placed in it and surrounds the conductor 12 '' ', the casings 15' and 26 'constituting the plates of a capacitor.
A ring 27 ', of material forming resistance, connects the conductor 12' '' to the plate 26 '. In this way the elements 15 ', 26', 27 ', 12' '' constitute a capacit -té-resistance bridge between the grid 15 and the cathode-filament 18.
The anode casing 13 ends on the right with a flat annular rim 28 extending outwardly and placed very close to a sem -blable ring 29 which ends a casing 31 of conical shape, this conical casing leading to the outer casing 11 'of the concentric conductor system extending to the right.
The length of tube 13, between glass plates 14 and 14 ', is considerable compared to the largest wave to be amplified in the concentric conductor system. In some cases the length of the tube may be several wavelengths. The wave entering the tube via its left part can be assumed to be represented by radial lines of force having their inner ends on the axial conductor 12 and their outer ends on the inner face of the cylindrical casing 11, these lines of force being alternately directed outward and inward as they move along the system at a certain time, but all move with transmission speed from left to right.
There is virtually a continuous electrical connection of the enclosure
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11 to grid 15 through capacitor 17-16, so that the line-of-force waves continue to advance through the bide tube, their inner ends running through cathode filament 18 and their outer ends through grid 15. A short length Any one of the vacuum tube, such as that between lines 2 and 2 'of Figure 1, can be viewed as forming a complete ordinary vacuum tube. In the absence of received waves, there will be an oonstant flow of electrons from the cathode filament 18 to the plate 13 through the openings of the grid 15.
When waves pass through segment 2-2 ', the density of this flux increases or decreases depending on the direction of the lines of force of these waves.
In this way, the received waves determine starting waves amplified in the system with concentric conductors whose axial conductor is the grid 15 and the envelope conductor is the anode 13. These output waves pass from the conductors 15, 13 to through connections 16'- 19 and 28-29 to the pair of oonic conductors 30-31, then from there to the normal axial conductor 12 'and to the envelope conductor 11' of the starting concentric conductor system provided to the right of the figure.
Any elementary change in the anode current in segment 2-2 'of the tube tends to create a disturbance moving both to the right and to the left. At any particular point on the right, the wave elements coming from the left tend to be added like veotors, as shown in figure 3. On the other hand, at any particular point on the left, the elements waves tend to add up as vectors, as shown by the diagram in Fig. 4. This is in agreement with the well known theory of wave transmission. Therefore, for the most part, if not entirely, the waves received from gauohe determine a very weak wave disturbance going to the left, but will be amplified to the right.
The capacitance connection 25-26 and resistor 27 interposed in series to one another on the left like a bridge, between conductors 15 and 13, offer a
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suitable termination impedance, so that as long as a left-hand wave transmission is created, this will be practically absorbed by this branch connection.
As the received wave from the left passes with its radial lines of force extending between the cathode filament and the grid 15, its energy is gradually absorbed in the reactions it encounters and through which the anode current varies to give a reproduo - amplified tion. All the energy that the received wave can hold when it reaches the left end of the tube is applied to the bridge formed by the capacitor 15 '-26' and the resistor 27 '. This consists of providing a suitable impedance termination so that the energy of the residual wave is absorbed and not reflected.
Figure 5 is a very schematic representation of the device -tif of Figure 1, the corresponding parts being designated by the same reference numerals. The grid and the anode are only shown one side of the oathode instead of both sides as in Figure 1. The sinusoidal line 32 drawn on line 15, representing the grid and taken as the axis, indicates the electromotive force waves received between cathode 18 and grid 15. At the edges of these waves, in line 32, the normal radial electron flow from cathode 18 through grid 15 is increased.
This is indicated by the shaded area 33 'indicated under each ridge. As the wave moves to the right, the electron flow moves radially so that in each ridge will be driven an inclined flow 33 of electrons, the individual electrons move radially as indicated by arrow 34, but the increased density region, ie. to.d. the flow 33, moves to the right, as indicated by the arrow 35.
In the apparatus shown in Figures 1 and 5, the movement of individual electrons is not purely oscillatory. There is a traction of the electrons imposed by the plate battery 24. This continuous radial movement consists of a constant intensity, determined
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by the plate battery, and in a superimposed oscillatory intensity determined by the received waves. The result is a fluctuating intensity. Although the radial attraction of the electrons does not take place further, to the right, than the glass wall 14 ', its fluctuations at this point produce electromagnetic waves which continue at straight line between conductors 30 and 31, then between conductors 12 'and 11'.
The tube may operate in a somewhat different manner, as shown in figure 6. While in figures 1 and 5 the grid is moderately negative and the anode strongly positive, in the arrangement of figure 6 the grid is strongly positive and the anode is moderately negative. At the left input end, the concentric conductors are connected to the cathode 18 in 20 and to the anode 13 in 11 '', an impedance bridge, with capacity 15 "- 26 'and resistance 27", being provided between the left ends of cathode 18 and grid 15. At the right end, grid 15 is connected to outer concentric conductor 11 ', and cathode 18 is connected through capacitor 16' '- 19 '' to the outside conductor 12 '.
An impedance of capacitance 13'-26 "and resistance 27" is connected on the right between the cathode 18 and the anode 13. In the absence of a wave coming from the left, the electron paths are those indicated. by the arrow 36, that is to say that the electrons supplied by the cathode 18 are accelerated radially by the positive grid 15, are projected through the openings of this grid, but are still subjected to a return attraction by the positive grid 15 and a cooperating repulsion of the negative plate 13, so that they return, as shown by arrow 36.
This action will take place all along the tube when there is no wave received, and will be intensified automatically by the waves received, so that they establish an amplified wave along the tube so as to provide waves of amplified departure. When the positive peaks of gate wave 32 take place, the electron density in 1 '
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space between the gate 15 and the anode 13 will be greater than that existing in the normal state where auoune wave is received, and if the negative peaks occur, the density will be less than in normal times.
Figures 1 to 5 show a directly heated cathode device. In the case of an indirectly heated cathode, suitable modifications, such as those shown in Figure 7, must be made.
As mentioned above, a short section of the elongated vacuum tube described herein can be considered the equivalent of a conventional three-element vacuum tube. Grids or additional elements used in ordinary practice for protective or other purpose may be applied to the type contemplated.