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Redresseur comportant un tube à décharges ioniques à cathode froide et atmosphère de gaz ou de vapeur sous faible pression.
La présente invention est relative à un dispositif destiné au redressement de courant alternatif et comportant au moins un tube à décharges ioniques alimenté en courant alternatif et muni d'une cathode froide et d'une atmosphère de gaz ou de vapeur sous faible pression, et dont le tra- jet de décharge est traversé par un champ magnétique.
Par "cathode froide" on entend en l'espèce une cathode qui émet des électrons par voie non-thermolonique.
Un tube à lueur, par exemple, comprend une cathode froide.
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On a déjà proposé, à%fvérfé3 "fins, de prévoir un champ magnétique dans le trajet de décharge d'un tube à dé- charges ioniques : on envisageait, par exemple, de faire suivre à la décharge un trajet déterminé, de régler l'intensité du courant de décharge ou (au moyen d'un champ alternatif magnéti- que) d'exécuter le tube de telle façon que le courant de déchar- ge puisse alternativement passer et non.
La présente invention, par contre, vise à perfection- ner le redressement dans un tube à décharges ioniques à élec- trodes "froides" dans le but d'obtenir un blocage excellent sans augmentation inadmissible de la tension d'amorçage dans le sens de la décharge normale.
Au cours du fonctionnement de tubes redresseurs à électrodes froides, pour une forte tension alternative ano- dique et des pressions du gaz ou de la vapeur de 1 mm de mercure ou davantage, on se heurte souvent en pratique à des difficultés telles que la production de courants de décharge exagérés dans le sens d'arrêt. Ces courants acquièrent parfois des valeurs telles qu'il se produit même des décharges en retour dans ces tubes.
De plus la chute de potentiel dans les tubes connus constitue toujours une partie assez considérable de la ten- sion à redresser, de sorte que le rendement n'est pas satis- faisant.
En outre, il n'y a jamais qu'une faible différence entre les tensions d'amorçage dans les deux sens. Dans la construction de tubes pour des tensions élevées on n'a pas réussi jusqu'ici à éviter complètement ces inconvénients en réduisant la pression du gaz ou de la vapeur, car cette mesure provoque une très grande augmentation des pertes de
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tension et de la tension d'amorçage dans le sens de la décharge normale.
La présente invention a pour but de surmonter ces difficultés en abaissant la forte tension d'amorçage dans le sens de passage qui s'allie en d'autres cas aux faibles pressions, sans abaissement inadmissible de la forte tension d'amorçage dans le sens d'arrêt.
Conformément à l'invention, dans les tubes à déchar- ges ioniques qui font partie du dispositif et comportent une cathode froide et une atmosphère sous faible pression, on produit à cet effet un champ magnétique par rapport aux élec- trodes de telle façon que des lignes de force magnétiques traversent une partie de la cathode tant à leur entrée dans le trajet de décharge entre l'anode et la cathode que lors- qu'elles en sortent, tandis que l'anode n'est traversée que par une faible partie des lignes de force traversant deux fois la-cathode.
Par "faible" on entend en l'espèce le rapport subsistant entre ces lignes de force lorsqu'environ 10 % au plus de ces lignes traversent l'anode.
On a constaté que dans un dispositif de ce genre on atteint parfaitement ce but et, en outre, que par suite de l'utilisation du champ magnétique la densité du courant est augmentée considérablement. On pourrait s'expliquer ce phé- nomène par le fait qu'en ce faisant, les électrons dans le trajet de décharge sont sollicités, sous l'action d'un champ magnétique suffisant, de passer le long des lignes de force magnétiques ou autour de ces lignes suivant des trajectoires hélicoïdales. Dans ce mouvement ils s'approchent d'une partie de la cathode traversée par les lignes de force magnétiques, puis ils sont repoussés par son champ électrostatique négatif,
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ils retournent et s'approchent de la partie de la cathode située de l'autre côté.
Ce jeu se répète alors de sorte que les électrons ne sont attirés par le champ électrostatique de l'anode qu'après avoir reçu un mouvement d'aller et de retour répété.
Cet allongement de la trajectoire des électrons implique une augmentation correspondante du nombre de colli- sions avec des molécules ou atomes de gaz neutres, de sorte qu'un même nombre de molécules et d'atomes permet d'obtenir un plus grand effet d'ionisation et, partant, une plus grande perméabilité du tube au courant pour la même chute de poten- tiel, ou une chute de potentiel moindre pour le même courant du tube dans le sens de la décharge normale.
On peut satisfaire avantageusement à la condition que l'anode ne doit être traversée que par une faible partie des lignes de force traversant deux fois la cathode, en pre- nant soin que la partie de la surface anodique située en regard de la partie active de la surface cathodique, pour autant que cette partie s'étende parallèlement à elle, soit sensiblement inférieure à la partie active de la surface cathodique.
Par la partie active de la surface cathodique, on entend en l'espèce la partie de la surface cathodique qui est traversée deux fois par les lignes de forces magnéti- ques et constitue la démarcation des trajectoires électro- niques qui s'étendent le long des lignes de force.
Cet effet se manifeste d'une manière particulière- ment prononcée lorsque, en l'absence d'un champ magnétique, les probabilités de collision des électrons sont réduites, ce qui est le cas lorsque la distance entre les électrodes est de l'ordre de grandeur du parcours libre des électrons à l'intérieur du tube.
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Pour cette raison on choisit, de préférence,,la pression du gaz ou de la vapeur du tube de telle façon que le parcours libre des électrons soit supérieur à un dixième de la partie du trajet de décharge située entre le point d'entrée et de sortie des lignes de force magnétiques. Dans les cons- tructions appropriées on utilise, par exemple, des tubes dont le gaz ou la vapeur a une pression de 10-4 à 10-2 mm de mercu- re, sans que la tension d'amorçage et la perte de tension dans le sens de la décharge atteignent des valeurs inadmissibles.
Dans un tube utilisé conformément à l'invention, on dispose de préférence la surface anodique active de telle façon qu'elle s'étende dans la direction du champ magnétique.
Cette disposition présente l'avantage que les lignes de force magnétiques ne peuvent guère traverser la surface anodique, ce qui rend plus facile de disposer les électrodes de telle façon que les lignes de force magnétiques traversant la catho- de ne frappent pas l'anode.
De préférence les électrodes du tube sont exécutées de telle manière que deux plaques, constituant ensemble la ca- thode, sont disposées aux deux extrémités d'une anode droite en forme de fil ou de tige et perpendiculairement à cette anode.
De cette manière l'anode s'étend dans l'axe du champ magnétique, les électrons progressent dans la direction des lignes de force magnétiques et c'est seulement après avoir reçu plusieurs fois un mouvement alternatif entre les plaques cathodiques situées entre les deux extrémités de l'anode qu'ils peuvent atteindre l'anode, disposée dans l'axe du champ, donc sensiblement en dehors des lignes de force qui traversent les plaques cathodiques.
L'anode peut aussi recevoir la forme d'un cylindre @
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creux aux deux extrémités duquel, et perpendiculairement à son axe, sont disposées deux plaques qui constituent,ensemble la cathode.
Dans cette disposition le trajet de décharge peut être entouré par les électrodes comme par une botte, ce qui assure un blindage convenable de la décharge et permet aussi de disposer les électrodes dans le champ magnétique de telle façon que les lignes de force magnétiques qui passent d'une plaque cathodique vers l'autre ne frappent pas le cylindre anodique extérieur.
De préférence, on produit le champ magnétique pour le tube décrit plus haut au moyen d'une bobine magnétique de forme cylindrique, disposée à l'intérieur du tube de telle façon que l'axe de l'anode se confond avec l'axe de la bobine et, partant, avec l'axe du champ magnétique. Dans cet agence- ment on obtient, à condition que la distance de l'axe ne soit pas trop grande, un faisceau de lignes de force magnétiques sen- siblement parallèle qui s'étend dans la direction axiale de la bobine magnétique et dont une partie ne frappant sensible- ment pas l'anode en forme de fil, de tige ou de cylindre creux qui s'étend dans la direction du champ, est coupée par les plaques cathodiques.
On peut éviter l'utilisation d'une cathode en plu- sieurs parties en rendant non-homogène le champ magnétique tra- versant le trajet de décharge. De cette manière un seul et même corps cathodique peut être traversé deux fois par les lignes de force alors incurvées, ce qui permet de remplir la condition, imposée par l'invention, que des lignes de force magnétiques doivent traverser une partie de la cathode tant à leur entrée dans le trajet de décharge entre l'anode et la cathode qu'à leur sortie de ce trajet. Dans ce cas les élec-
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trons peuvent également passer le long des lignes de force magnétiques courbes entre deux parties de la'surface cathodi- que, sans que l'anode soit touchée.
Dans un mode de réalisation particulièrement avanta- geux de cette dernière disposition, le tube à décharges ioni- ques comporte une cathode en forme de cylindre creux et une anode en forme de fil' ou de tige qui s'étend coaxialement à la cathode et est disposée au milieu d'un champ magnétique non-homogène, qui présente une symétrie de rotation, de telle façon que l'axe commun des électrodes coincide avec l'axe du champ et que les lignes de force magnétiques traversent les deux extrémités du cylindre cathodique. L'anode est située dans l'axe du champ magnétique et la cathode cylindrique est traversée deux fois par les lignes de force ne frappant pas l'anode de sorte que les conditions imposées sont remplies.
Dans cette construction on produit le champ magné- tique de préférence en disposant une bobine magnétique de forme cylindrique, dont la longueur axiale correspond au plus à la moitié de la longueur axiale du cylindre cathodique, autour de la partie médiane du cylindre cathodique et coaxiale- ment par rapport à ce dernier, et en donnant au diamètre du cylindre cathodique une valeur telle que la majorité des lignes de force magnétiques y soient prises. Dans cette disposition on trouve que le nombre des lignes de force traversant deux fois la cathode est assez élevé par suite de la plus grande longueur du cylindre cathodique et de son assez faible écar- tement radial de la paroi intérieure de la bobine magnétique.
Il est à remarquer au sujet de ceagencements des électrodes qu'on obtient aussi un fonctionnement satisfaisant du tube utilisé en présence de certaines tolérances des con- ditions imposées à la symétrie. Au lieu d'un cylindre ca-
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thodique on peut utiliser, par exemple, des plaques à condi- tion que ces dernières constituent une enceinte sensiblement cylindrique. On peut aussi s'écarter dans une mesure plus ou moins grande de la disposition rigoureusement symétrique des électrodes, notamment de l'anode, dans le champ magné- tique, sans que le tube devienne inutilisable dans l'esprit de la présente invention.
Il est souvent avantageux que le tube fasse un petit angle avec l'axe du champ magnétique, ce qui permet d'abaisser la tension d'amorçace.
Le dispositif faisant l'objet de l'invention peut être utilisé très avantageusement pour l'amorçage de la décharge dans les tubes à décharges comportant une cathode en mercure. Dans ce cas on peut appliquer entre l'anode et les parties cathodiques une tension assez élevée qui suf- fit à faire débuter la décharge entre des électrodes froides, et utiliser les deux parties cathodiques comme électrode solide et liquide pour une décharge séparée ayant une forte intensité du courant et une faible tension, la décharge issue de l'anode amorçant la décharge de faible tension. Un mode de réalisation d'un dispositif de ce genre sera décrit ci-après.
On peut obtenir l'effet conforme à l'invention au moyen d'un champ magnétique constant dont la polarité n'est pas importante pour le fonctionnement. Notamment dans le cas où les dimensions du tube utilisé ne sont pas exagérées on peut engendrer ce champ au moyen d'un aimant permanent. Dans ce cas on peut se dispenser du courant d'excitation de l'ai- mant et grâce à l'absence de la bobine électro-magnétique on économise de la place.
La polarité du champ magnétique étant indifférente,
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on peut souvent utiliser un champ magnétique alternatif dont le courant d'excitation peut être pris d'une manière très sim- ple sur le réseau à courant alternatif, notamment lorsque ce même réseau débite aussi la tension anodique de sorte que l'excitation de l'aimant et la tension anodique sont en synchronisme. Le montage doit alors être exécuté de telle fa- çon que pendant la phase de l'anode où la décharge doit jail- lir, l'électro-aimant soit suffisamment excité et le champ magnétique disparaisse exclusivement aux moments où il est superflu, ce qui évite la complication d'une excitation à cou- rant continu.
On comprendra mieux l'invention en se référant au dessin annexé qui en représente, à titre d'exemple, plusieurs modes de réalisation et des courbes caractéristiques.
La Fig. 1 montre les courbes caractéristiques d'un tube redresseur comportant des électrodes froides avec et sans champ magnétique.
Les Figs. 2, 3, 4 et 5 montrent, en partie schémati- quement, des modes d'exécution du champ magnétique et du tu- be conformes à l'invention.
La Fig. 6 représente schématiquement un dispositif d'amorçage qui fait partie d'un tube redresseur et fonctionne au moyen d'électrodes conformes à la présente invention.
Les courbes caractéristiques représentées sur la Fig. 1 montrent l'influence de la pression p du remplissage sur la tension d'amorçage Vd d'un tube redresseur à électrodes froides pour un dispositif conforme à l'invention, les cour- bes en pointillés représentant la tension d'amorçage sans champ magnétique, tandis que les courbes en lignes pleines re- présentent la tension d'amorçage en présence d'un champ magnéti- que. Les courbes d'amorçage dans le sens de la décharge normale sont désignées par ± et les courbes dans le sens d'arrêt par s.
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Le champ magnétique utilisé pour l'exécution des courbes pleines avait une intensité de champ d'environ 300 oersted. On comprendra facilement que les tensions d'amorçage sans champ magnétique se trouvent très près l'une de l'autre et atteignent une valeur de plusieurs milliers de volts déjà pour une pression d'environ 2.10-2 mm de mercure, tandis que les tensions d'amorçage avec champ magnétique sont bien in- férieures et présentent de fortes différences entre les deux sens.
Au-dessous d'une pression d'environ 5.10-3 mm de mercure il se produit des tensions d'amorçage extrêmement élevées dans le sens d'arrêt, tandis que la tension d'amor- çage dans le sens de la décharge n'atteint la valeur de 500 volts qu'à environ 4.10-4 mm de mercure, une tension d'amor- çage de 1000 volts n'étant atteinte qu'à une pression infé- rieure à 10-5 mm de mercure.
Il va sans dire que les résultats de mesure pour tubes ayant une construction plus ou moins différente peuvent être très différents des résultats précités. Il se peut notam- ment que la forte pente de la tension d'amorçage dans le sens d'arrêt avec champ magnétique se produise à des valeurs de la pression de l'ordre de grandeur de 10-2 mm d'hydrogène ou davantage.
La fig. 2 représente un tube à décharges dont les électrodes sont disposées, conformément à l'invention, dans un champ magnétique constant, qu'on peut engendrer, par exem- ple au moyen d'un aimant permanent 1. Le récipient de déchar- ge sensiblement cylindrique 2 du tube contient 2 plaques ca- thodiques circulaires 3 et 4 qui sont disposées aux extrémi- tés d'une anode filiforme 5 qui les traverse, et perpendicu- lairement à cette anode. A l'extrémité supérieure et inférieu- re du récipient de décharge 1 sont scellés les pieds 6 et 7
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par lesquels passent les conducteurs d'alimentation 8 et 9 des électrodes.
Le tube est disposé dans le champ magnétique de telle façon que la partie de ce dernier qui se trouve à l'intérieur du tube soit sensiblement homogène, que l'anode 5 soit placée dans son axe et que ses lignes de force traver- sent successivement les plaques cathodiques 3 et 4, sensible- ment sans frapper l'anode 5. De la sorte, les électrons sont obligés de passer à plusieurs reprises le long des lignes de force parallèlement à l'anode 5 avant qu'ils puissent l'atteindre.
En cas d'inversion de la polarisation des électrodes cet effet ne pourrait nullement se produire, car les élec- trons seraient alors immédiatement attirés par les plaques cathodiques, qui ont alors une charge positive, et ils n'au- raient pas d'occasion de produire une ionisation par choc suffisante dans des trajectoires très allongées.
Sur la fig. 3, l'anode du tube présente la forme d'un cylindre, tandis que les plaques cathodiques Il et 12 sont disposées à la manière de celles du tube représenté sur la fig. 2. Les autres parties du tube et le système magnéti- que correspondent complètement à celles représentées sur cette figure et portent les mêmes chiffres de référence. Dans ce cas le champ magnétique traverse aussi les plaques cathodi- ques comme le montre la fig. 2, mais l'anode se trouve à l'extérieur et non à l'intérieur du faisceau de lignes de force traversant les plaques cathodiques.
La fig. 4 représente à échelle un tube redresseur utilisé dans le dispositif faisant l'objet de l'invention.
Dans ce tube les électrodes sont disposées de la manière re- présentée sur la fig. 3 et il est traversé par un champ magné- tique produit au moyen d'une bobine cylindrique.
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Le récipient de décharge 13 contient deux plaques cathodiques circulaires 14 dont les conducteurs d'alimenta- tion 16 et 17 passent en sens opposé par les extrémités du récipient de décharge sensiblement cylindrique. Le tube de verre 18 est fixé, de façon parfaitement étanche, dans le pied 17 et dans ce tube est scellé, de manière parfaitement étanche, le conducteur d'alimentation 19 pour l'anode 20.
Tant les conducteurs d'alimentation 15 des plaques cathodi- ques 14 que le conducteur d'alimentation 19 pour l'anode 20 sont munis d'écrans métalliques 21 et 22, de sorte que des parties des trajets isolants subsistant entre les électrodes sont blindées contre les électrodes de telle façon qu'à partir de ces dernières il ne puisse pas se former sur ces parties un dépôt conducteur de l'électricité. De la sorte, un fort isolement des électrodes à l'intérieur du tube est assuré en toutes circonstances. Le tube est disposé coaxia- lement dans une bobine magnétique cylindrique 23 qui pro- duit entre les électrodes le champ magnétique homogène néces- saire.
Dans un mode de réalisation convenable le tube comporte une atmosphère d'argon sous une pression d'environ 10-3 mm d'hydrogène et il peut arrêter avec une sûreté par- faite des tensions alternatives anodiques ayant une valeur de plusieurs milliers de volts effectifs, la tension d'amor- çage dans le sens de la décharge ayant une valeur de l'ordre de grandeur de 400 volts. Dans ce cas le tube peut débiter un courant redressé en monophasé de l'ordre de grandeur de 10 milliampères. Le récipient de décharge a une longueur de 280 mm, un diamètre de 70 mm, valeurs qui permettent de cal- culer facilement les mesures des autres parties du tube.
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Dans des modes de réalisation pratique, on a uti- lisé un remplissage de gaz rare. Toutefois, il est préféra- ble d'utiliser de la vapeur de mercure, parce que cette der- nière permet de maintenir constante la pression pendant toute la durée du tube, à condition que le tube contienne une faible réserve de mercure liquide et qu'on prenne soin de maintenir la température de cette réserve de mercure entre les limites de température correspondant aux valeurs admissibles de la pression de vapeur. Il est également possible de réaliser la cathode elle-même en un métal à bas point de fusion, de pré- férence inférieur à par exemple en césium ou en mercu- re, parce que dans ce cas la matière désagrégée se rassemble à la cathode.
Pour des mesures extérieures correspondantes des électrodes, ainsi que dans le cas où l'on utilise une catho- de en mercure qui assure la présence d'une atmosphère de va- peur métallique, on peut utiliser des valeurs du courant bien supérieures à celles utilisées pour le tube représenté sur la fig. 4, par exemple un courant de l'ordre de grandeur de 1 ampère ou davantage. En premier lieu cela revient au fait qu'une cathode de mercure permet d'obtenir avantageuse- ment une décharge ayant le caractère d'un arc lumineux.
La fig. 5 représente un dispositif comportant un tube redresseur dont la cathode 24 présente la forme d'un cy- lindre creux qui, de même que l'anode filiforme 25, est dispo- sé coaxialement à l'intérieur du récipient de décharge 26.
La bobine magnétique 27 dont la longueur axiale est un cinquiè,, me de la longueur axiale du cylindre cathodique constitue un champ magnétique non-homogène qui présente une symétrie de rotation et un grand nombre de lignes de force qui, par suite de leur forte courbure, traversent le cylindre cathodique à
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ses deux extrémités, sans frapper l'anode. Cette allure est représentée schématiquement et confère au tube l'effet redres- seur conforme à l'invention.
La figure 6 représente un tube redresseur comportant une cathode de mercure 28 et une anode 29 et dont le trajet de décharge est traversé dans le sens longitudinal par un champ magnétique produit au moyen de la. bobine magnétique 30 qui présente une forme cylindrique. L'électrode annulaire 31 est disposée de telle façon qu'elle ne soit sensiblement pas frap- pée par les lignes de force magnétiques traversant la cathode 28 et l'anode 29. Elle est reliée au circuit électrique 32 re- présenté schématiquement sur le dessin.
Ce circuit est relié à son tour au circuit 33 qui constitue, avec les électrodes 28, 29 et le trajet de décharge entre ces dernières, un montage redresseur quelconque ayant une tension bien infé- rieure, de sorte que ces deux électrodes sont négatives par rapport à la tension supérieure du circuit 32 et présen- tent sensiblement le même potentiel. De cette manière la dé- charge jaillissant entre la cathode de mercure 28 et l'anode 29 peut être amorcée à partir de la tache cathodique formée au moyen de l'électrode 31.
Dans cette construction, les électrodes 28, 29 et 31 sont disposées conformément à la construction représentée sur la fig. 4, mais une électrode liquide est substituée à une des plaques cathodiques 14.
Il va sans dire qu'on peut aussi faire en sorte qu'un champ magnétique traversant le trajet de décharge entre et sorte aux électrodes 28 et 29, comme pour les électrodes 11 et 12 sur la fig. 3, ce qui peut s'effectuer au moyen d'un aimant permanent ou d'un électro-aimant, par exemple en forme d'U, qui comprend un noyau de fer et des pièces polaires.