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ELE#ERODES dt.AJi,IOROAGE POUR TUBES A DEaEIàRG2 A OATHODES LIQUIDES.
La présente invention se rapporte aux tubes à décharge dans les- quels l'amorçage est commandé par une électrode plongée dans la cathode de telle façon que sa pointe soit maintenue continuellement au-dessous de la surface de sa substanoe liquide.
'La Société demanderesse a constaté qu'on obtenait des avantages marqués en construisant de telles électrodes avec un corps solide dont la partie active est constituée par des particules de substances semi-conductrices telles que par exemple le carbure de bore complètement dispersé dans une matière non conductrice telle que l'argile par exemple.
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Elle a d'autre part, constaté que la fixation appropriée, décrite dans la suite, de telles électrodes améliorait sensiblement leur fonctionnement que. la forme appropriée de la partie submergée permettait de compenser l'effet nuisible des variations du niveau cathodique et enfin que certains moyens addi- tionnels, relatifs à l'alimentation des dites électrodes, permettaient de réa- liser une commande très précise de la décharge.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avanta- ges de 1'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accoupe@ment, donnes simplement à titre d'exemple non limitatif et dans les- quels :
La Fig.1 représente schématiquement un tube à décharge auquel on a applique l'invention.
La Fig.2 est une élévation, partie en coupe, d'une électrode en cours de mentale.
La Fi.3 représente un stade intermédiaire de la fabrication.
La Fi.4 montre des détails de montage d'une électrode conforme à l'invention et les dispositifsde support de cette électrode.
La Fig.5 représente une variante.
La Fig.6 est une vue schématique d'une autre variante de l'inven- tion.
Les Fig.7, 8 et 9 donnent des courbes mettant en évidence les caractéristiques de l'invention,
Sur la Fig.1, on voit une enveloppe scellée dont l'extrémité in- férieure sert de récipient au liquide constituant la cathode 2. On a désigné en 3 une anode qui peut être en graphite, en molybdène ou en toute autre ma- tière conductrice de l'électricité et résistant à la chaleur. Au-dessus de la cathode liquide, on a représenté une électrode 4 dont la pointe plonge dans le liquide et dont le rôle et la nature seront décrits plus loin. Cette électrode est 'maintenue en place par un conducteur métallique rigide 5 pénétrant dans l'ampoule au travers d'une tubulure transversale 6 qui est rigidement fixéée sur l'électrode d'amorçage par une pièce métallique 7.
Les conducteurs d'amenée 8 et 9, associés à l'anode et à la ca- thode respectivement, sont connectés à la source de courant alternatif. L'élec- trode d'amorçage 4 est reliée à un conducteur.d'amenée 10 et elle reçoit un potentiel réglable qui faitpasser le courant d'amrocage par le corps de l'êle&
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-trode et par le métal de la cathode, le mercure par exemple.
Le fonctionnement de dispositifs de ce type est tel que la dchar- ge puisse n'amorcer uniquement lorsque l'anode 3 est à un potentiel positif par rapport à la cathode 2. Par conséquent, la source destinée à l'amorçage doit être réglée pour n'agir que lorsque cette condition est remplie*
Pour exposer les caractéristiques essentielles d'une électrode immergée, on l'a représentée à plus grande échelle elle est constituée par une pièce cylindrique 4 en matière se?il-conductrice dont la pointe inférieure
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est, conformément à l'invention, concave et de révolution, la partie supLrieu- re étant solidement fixée dans une pièce-support 7 montée sur un conducteur rigide 5.
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On a constaté qu'en utilisant une électrode d'amorçai6 telle que celle décrite et dont la matière semi-conductrice est caractérisée par une résistivité supérieure au moins à cent fois celle de la cathode liquide, en peut obtenir l'amorçage de l'arc entre l'ancde principale et la. cathode par application, d'un sur l'électrode d'amorçage, d'une tension de l'ordre de 100
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volts et même moins, Un avantage très important de ce janre à'z,#tcnça?e est que dans ces conditions fascrables on peut se contenter d'un courant inférieur à 10 ampères dans l'électrode 4, pour amorcer la décharge, La nature de ce phénomène d'amcnçaqe n'est pas co'npiètrment con- nue, mais J, SLEPIAN et .R.
LUDWIG, dans le Journal de Juin 193S tt.A.':1erican Instituts Eleotrical Engineerstt, l'attribuent d'une part à. la nature du con- tact entre l'électrode d'amorçage et la cathode liquide, et d'autre part à l'établissement d'un .7,radient de tension suffisant sur la surface du corps de l'électrode pour provoquer par l'effet éle6tro6tatique,l'émiBsion aisctronique à partir de la cathode,
On a constaté qu'il était extrêmement difficile de trouver pour
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l'électrode d'amorçage une matière dont les caractéristiques de surface répon- dent aux nécessités ci-dessus, Avant tout, elle ne doit donner lieu à aucune réaction chimique avec le mercure, même en présence de l'arc. D'autre part, elle ne doit pas être mouillée par le mercure et par conséquent offrir une
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résistance de contact appropriée..
On a d6jà s1JTér( l'emploi du carbure de silicium et du graphitée, mais bien qu'on puisse utiliser ces substances, elles ne donnent pas toutefois entière satisfaction du fait qu'elles nécessitent un
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courant d'amorçage trop élevé et qu'elles ont tendance à être nouillecs par le mercure.
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Jonforné.nent à l'invention, en prévoit une électrode d'amorçage dent la partie active est es sentie constituée par des particules de carbure de bore complètement dispersées dans une matière céramique, de l'ar- aile par exemple, le rapport du carbure de bore à l'argile étant choisi de -manière à réaliser une résistivité comprise entre 100 et 100.000 fois celle du mercure.
Pour préparer une électrcde de ce type on peut par exemple procé- der de la façon suivante :une certaine quantité de carbure de bore est pulvé- risée très finement et correctement tamisée dans le tamis africain n 600.
On ajoute alors une certaine quantité d'un diluant approprié non conducteur. en utilisant dans ce but des substances céramiques ou minérales divisées et
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clectriquêtent isolantes telles que le feldspath, le talc, l*argile ou des ccm;binaiscns de ces matières, En général, ces substances doivent de préférence être capables de se vitrifier sous l'action de la chaleur.
Aux matières vitri- fiables, en peut ajouter d'autres substances telles que le quartz ou l'alumine
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afin de diluer davantage le.imatériau semi-aonducteurt
On préfère toutefois employer un diluant constitué essentiellement par de l'argile plastique du fait de sa nature très divisée, de sa faculté
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de se disperser co:npl3te:aent dans l'eau, se sa plasticité au cours de la for- mation de la pièce par écoulement sous pression et de la possibilité de le vitrifier et de le lier à d'autres substances par traitement thermique* La
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cpr:,ntit du diluant à ajouter est déterminée par la résistance spécifique désirée; d'une façon nérale elle ne doit de préférence pas tomber au-dessous de 10%.
Le mélange de carbure et d'argile est ensuite converti en une
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Ù±r.4sicn dans l'eau et ccmplètement malaxe dans un moulin à billes, après quoi il est expose à l'air et ramène par dessication à l'état plastique, la masse ;;;tant transformée par écoulement sous pression en une cylindre allongé représenté en 11 sur la Fig.3. On peut également dessécher complètement la Basse plastique en lui conférant la plasticité voulue pour le meulage par
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addition d'un liant organique tel que 3.fempis d'amidon* Après dessication, la tige obtenue peut être mise en forme par
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usinage ou meulage par exemple et se prêsenteicomne on le voit Fig.2.
Elle est alors cuite dans le vide ou dans une atmosphère d'tydrogènef Bien que la t:;prature de la cuisson ne ?oit pas critique, on a.toutefois obtenu des
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résultats satisfaisants pour des températures comprises entre 900 et 1.100 C. pendant environ une demi-heure , Apres cuisson le corps de l'électrode peut être monté dans l'enveloppe du tube à décharge, comme décrit précédemment ou comme il sera indique dans la suite.
Les corps semi-conducteurs produits suivant la méthode indiquée ci-dessus présentent'certaines qualités qui les rendent particulièrement apprô- priés à la fabrication des électrodes à immersion: elles nécessitent notamment un courant d'amorçage deux à cinq âois moindre qu'avec les électrodes utilisées jusqu'ici;
leur surface n'est nullemtn mouillée par le mercure, même après plu- sieurs centaines d'heures de fonctionnement*
D'autre part, en modifiant les proportions du diluant non conduc- teur dans le mélange avec le carbure de bore, il est possible de faire varier la résistivité des électrodes de manière désirée, et les constantes du circuit d'amorçage suivant l'utilisation. On*-peut facilement dégazer le carbure.de bore et le mélange d'argile; leur mélange est chimiquement stable par rapport au mercure, même dans les plus mauvaises conditions.
Du fait que les matériaux utilisés à la fabrication des électro- des d'amorçage sont semi-conducteurs, il est extrêmement difficile d'effectuer un joint convenable sur le conducteur d'amenée, étant donné les différences de coefficients de dilatation de ces deux cotps. Par suite de l'imperfection du joint, il peut apparaître dans le montage de la Fig.2 de petits arcs qui peu- vent devenir la cause d'un fonctionnement défectueux après une courte période d'utilisation,
Conformément à, l'invention, on surmonte ces difficultés en em- ployant suivant la Fi.4 une pièce intermédiaire qui consiste en un bloc de graphitue 26 par exemple monté sur l'électrode 24 et autour du conducteur d'a- menée 25.
Une partie de ce blcc de graphite est fileté et se monte sur l'élec- trode d'amorçage* L'ensemble est chauffé dans un four à hvdrogène ou à, vide à environ 1.000 C., cette opération assurant une contraction de la matière 24 et un contact parfait entre les deux pièces. L'extrémité du conducteur 25 (en fer ou autre métal) peut être vissée dans le bloc de graphite.
Par suite de l'analogie des coefficients de dilatation de la matière constituant les électrodes et du graphita, le joint entre ces deux subs- tances ne peut être détruit par les Alternatives de chauffage et de refr@odis- sement. De plus, il n'y a pas dens ce monta-le du métal susceptible de s'amalga- @
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-mar avec le mercure ou de se volatiliser à la température de fonctionnement du
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t;:bt, Une aAtre cractgristiqa très importante consiste en ce fait que la pièce 6 qui, pendant la période dtamora3e,, fonctionne temporairement comme anode, reste relativeùwnt froide par suite du ?rand coefficient d'émission thermique du graphite.
De cette manire, le conducteur 25 est protégé contre les tempéra- t@res excessives susceptibles de provoquer sa fusion ou simplement sa déforma- ticn.
Dans la variante de la Fig.5, l'électrode d'amorçage 28 est étroi-
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texent T.aintenue dans un logement prévu dans le bloc de graphitée 29. La liai- scn pernanente est assurée entre les deux pièces par un ciment représenté en 30 qui consiste par exemple en un mélange de fer et de carbone dont les proportions scnt telles que le mélange soit au voisinage du point eutectique du fer. Gomme cette condition implique que le fer conserve environ 4,3 % de carbone, de telle scrte que sen point de fusion soit aussi bas que possible (environ 1.140 C.@), l'absorption ultérieure d'une certaine quantité de carbone provenant, soit de
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r'.icctrcde, soit du bloc 9, accroît nÉCessairement le point de fusion du ci- ont.
Pc-zr cette raison, dès que l'ensemble a subi la cuisson, le seul effet sw:,pl2entaire consécutif au chauffage au cours de l'utilisation du tube, pro- duit une au Tientation de la résistance à la chaleur du ciment disposé entre la partie charbonneuse de la monture et l'électrode 28.
On décrira maintenant les propriétés d'un tube à décharge compor- tant une électrode du type indiqué ci-dessus, et on insistera sur ce fait qu'on a constaté que, si la partie de l'électrode qui plonge dans le mercure a une forme conique convenable, les variations de niveau du mercure consécutives à des vibrations ou aux effets de la décharge ne produisent aucun effet sur la tension
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dtaorÇae, alors que dans les dispositifs antérieurement connus ces variations de niveau peuvent, CC!!1.'))e on le sait, apporter des modifications Importantes des caractéristiques d'a.orça;e, Avec les électrodes conformes à l'invention, le tube peut fonc- tionner par exemple suivant la Fig.6.
On a représenté sur cette figure en 57 un conducteur relis d'une part à une source de courant alternatif et au conduc- teur d'amenée 45 en connexion avec le mercure. L'autre conducteur de la ligne d'alimentation est relié, par un conducteur'58, à l'anode en série avec une résistance d'utilisation 59. Cette derni-ère est représentée sous forme d'une résistance, mais elle peut être constituée par un-appareil d'utilisation quel- @
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-conque, On a prévu un condensateur de filtrage 60 en dérivation sur la résis- tance 59, de façon à réduire les ondulations du courant.
L'électrode d'amorçage 50 est connectée à la 'borne d'anode par l'intermédiaire d'une résistance 62 et par un dispositif 63 à conductibilité unidirectionnelle, par exemple un tube à, deux électrodes ou un redresseur à oxyde, ou tout autre élément équivalent susceptible de laisser passer seulement le courant lorsque la cathode de mercure du tube principal est négative par rap- port à l'anode.
Les constantes du tube 41 et du circuit d'amorça ':8 sont telles que, lorsque le potentiel alternatif atteint une certaine valeur limite, l'anode étant positive, le courant qui traverse l'électrode d'amorçage 50 provoque l'a- morçage de la de charge
L'intensité du courant nécessaire à l'établissement de cette dé- charge varie dans les conditions exposées plus loin. Cette variation n'a cepen- dant pas une importance critique, car des variations considérables dans l'in- tensité du courant d'amorçage le provoquent aucune conséquence fâcheuse.
Le potentiel nécessaire pour provoquer doit âtre main- tenu dans certains cas pratiquement constant, par exemple lcrsque le circuit d'utilisation est une machine à souder. Il est alors extrêmement important que la décharge s'amorce seulement lorsque le potentiel de la li;ne à courant alter- natif et par conséquent le potentiel d'amorçge, ont atteint une certaine valeur positive prédéterminée. Dans ce cas seulement, on peut régler de manière précise la durée de l'impulsion transmise à la machine à souder. @ote variation autour de cette valeur provoque des défauts dans la soudure qui devient alcrs trop chaude ou insuffisamment chaude.
Du fait que l'électrode 50 est faiblement conductrice, elle se comporte comme une résistance en s4rie avec le circuit d'emcrçage, la valeur de cette résistance variant avec la longueurd'électrode au-dessus de la surface du mercure, Par conséquent, si on utilise des électrodes d'amerçage de diamètre constant, les variations du niveau du mercure font varier le pctntiel d'amor- çage de façon correspondante* Ce phénomène est représenté graphiquement par la courbe A de la Fi.7 qui montre les variations de potentiel d'amorçage obtenues avec une électrode à section constante,
en fonction des variations du niveau du mercure à partir d'une origine erbitrairement choisie* 3..tant drnné que les variations du potentiel d'amerçme provoquent des irrégularités du fonctionne- ment signalées plus haut, il y a lieu de les éliminer autant que possible.
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On a constaté que la valeur du courant d'amorçage nécessaire pour amcrcer la décharge entre les électrodes principales d'un tube à cathode liquide dépend 'beaucoup du diamètre de l'électrode d'amorçage au niveau de la surface du mercure. L'expérience a montre qu'une diminution ou une augmentation de ce dia- mètre provoque une réduction ou une aumgementation correspondante de la valeur du corrant d'amcréage. Sur la Fig.8, on a représenta une courbe relevée avec la même matière que pour la caractéristique de la Fig.7. Cette courbe B montre les variations du courant d'anorqage avec le diamètre de l'électrode au niveau du mercure, d'autres variables étant oonstantes.
On peut de ce fait calculer la forme de la pointe de l'électrode d'amerçage, de telle scrte que l'effet des variations du niveau du mercure soit atte @atiquement compensé. En d'autres termes, un accroissement ou une diminution du courant d'eemorçage peuvent être équilibres par une variation correspondante de la résistance en série, de manière que la chute totale de tension reste cons- tante.
La forme de l'électrode fournissant de tels résultats peut être fonction non seulement de la caractéristique du courant d'amorçage, mais aussi des constantes du circuit extérieur&de la résistance spécifique de la matière ccnstituant l'électrode. Elle peut être en outre déterminée empiriquement pour un matériau donné. On peut d'autre part exprimer mathématiquement la relation entre le courant d'amorçage et le diamètre de l'électrode au niveau du mercure, et il en résulte que la section de l'électrode correspondante peut être déter- minée exactement par la solution des équations définissant les conditions vou- lues.
Pour les sabstances décrites plus haut, on adopte de préférence la forme d'une surface conique concave de révolution,
Sur la Fig.9, on a donné à titre d'exemple la courbe préférée pour la pointe d'une électrode dont la caractéristique d'amorçage est représentée Fig.8. L'électrode a été choisie de façon à avoir une résistance spécifique égale à. celle de l'électrode utilisée pour relever la courbe A de la Fig.7. Si on cas:pare les Fig. 8 et 9, on voit qu'un accroissement du niveau du mercure produit à la surface dudit mercure une augmentation du diamètre de l'électrode dans des conditions telles qu'un plus grand courant d'amorçage est nécessaire.
D'autre part, la résistance ohmique de l'électrode 50 diminue obligatoirement en conformité avec la variation des dimensions de la décharge. Ces deux effets
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se compensent de telle sorte que le potentiel d'amorçage reste constant. La courbe 0 de la Fig.7 représente ces résultats et fournit une comparaison avec la caractéristique tension-niveau¯du mercure obtenue avec une électrode recti- ligne,
Ltinvention est particulièrement applicable aux tubes à cathode liquide, et on peut évidemment utiliser, au lieu du mercure, du gallium par exemple ainsi que d'autres substances appropriées.