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TUBES A FAISCEAUX ELECTRONIQUES DIRIGES.
La présente invention porte sur les tubes à faisceaux électroniques dirigés, plus spécialement sur ceux produisant des va- riations de vitesse des électrons, dans lesquels le faisceau par- court sur une distance relativement considérable un espace dans le- quel ne règne aucun champ électrique.
Dans les tubes ou lampes de ce genre, on se rappelle, il est souhaitable de produire un faisceau d'électrons de grande densi- té, c'est-à-dire un faisceau dont l'ouverture est aussi faible que possible, d'une manière qui ne laisse pas d'être un peu comparable à celle que l'on emploie pour obtenir un faisceau lumineux fortement concentré en vue de la projection à distance. Ces tubes s'emploient beaucoup dans la technique électronique et apparaissent sous la for- me de lampes à variation de vitesse des électrons, de tubes ou lam- pes d'émission ou de réception à faisceau dirigé, de lampes de pro- jeotion pour la télévision, de tubes à rayons-X à grande intensité et
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ce divers appareils ou dispositifs analogues.
Le rendement et la souplesse de fonctionnement de ces tu- bes dépendent entre autres de la production d'un faisceau d'élec- trons de section aussi faible que possible assurant l'e passage, au potentiel le plus bas qui soit possible, d'un courant d'intensité maxima, autrement dit de la réalisation d'un faisceau d'impédance relativement faible. Dans ces lampes, la production d'un faisceau présentant ces Qualités se heurte à. divers obstacles, tout particuliè- rement à la tendance que présente le faisceau à s'ouvrir à mesure au'il s'éloigne de son électrode d'émission et avance dans la lampe en question. Cette ouverture résulte des répulsions mutuelles qui se manifestent entre les électrons cui composent le faisceau sous l'action de la charge spatiale.
La technique employée pour corriger ce défaut reposait ,jusqu'8 présentdans une large mesure sur l'ionisation des moléou- les de gaz restent dans le tube, les ions positifs produits par la collision des électrons du faisceuu avec ces molécules tendant à neutraliser les charges nsgatives des dits électrons et, par consé- quent, à s'opposer à leur répulsion mutuelle. lais le problème se complique par le question du degré etc vide à l'intérieur du tube, le nombre d'ions positifs produits dépendant lui-même directement du nombre des molécules résiduelles.
Diverses considérations ont con- tribué à la tendance vers des tubes dans lesquels le vide est de plus en plus poussé, d'où. réduction du nombre des ions positifs produits par le phénomène signalé plus haut et perte de valeur de ce remède à l'ouverture du faisceau.
L'apparition des tubes comportant une zone libre de champ électrique- telle par exemple que celle définie par le manchon gui- de (dens lequel il n'y a pas de variation de potentiel) des lampes à variations de vitesse des électrons - avait fait supposer que les ions ositifs provenant des molécules résiduelles s'accumuleraient à l'intérieur de cette électrode, exerceraient une action corrective et plus prolongée sur le faisceau, éliminant dens une certaine mesu- re sa tendance à l'ouverture.
Or, l'expérience a prouvé, avec des
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tubes à rayons cathodiques contenant des manchons guides de lon- gueur appréciable, que le faisceau continue à s'ouvrir d'une maniè- re trop marquée et que les ions positifs n'exercent pas sur les électrons l'effet correctif que la théorie esquissée ci-dessus envi- sageait.
Cette ouverture exagérée du faisceau d'électrons dans les tubes ou lampes de ce type est arrivée à constituer un élément nui- sible dont l'importance à augmenté avec l'emploi de vides de plus en plus poussés et de courants plus intenses. Plus particulière- ment, il existe des formules bien connues qui donnent le degré d'ionisation devant se manifester dans un tube à variations de vi- que tesse des électrons de puissance moyenne, formules qui indiquentêle nombre des ions produits doit être suffisant pour neutraliser les charges des électrons du faisceau à condition que la pression du gaz ne tombe pas au-dessous de 10-7 mm./Hg., degré de vide auquel il est normal de s'attendre à voir fonctionner les tubes produits par les entreprises commerciales.
Bien que diverses raisons aient été mises en avant pour expliouer la différence entre l'effet correctif de l'ionisation des molécules résiduelles envisagé par la théorie et les résultats ob- servés dans la pratique, cette différence n'avait encore jamais été expliquée de façon satisfaisante jusqu'à présent. En l'absence d'une telle explication, il n'avait jamais été trouvé, dans la technique en cause, de méthode satisfaisante pour corriger ou éliminer le phé- nomène indésirable signalé plus haut par des moyens purement électro- statiques :on avait eu recours, au contraire, à des procédés élec- tromagnétiques de concentration du faisceau.
La présente invention a été conçue pour vaincre, par des moyens exclusivement électrostatiques, la difficulté relative à l'ouverture du faisceau qui a été mentionnée plus haut ; lemode de fonctionnement de cette invention est décrit dans la présente deman- de.
Elle a, parmi ses objets, la production d'un faisceau d'électrons de faible impédance et la propagation de ce faisceau sur
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une distance relativement considérable dans un espace libre de tout champ électrique entouré par un écran conducteur,
Un autre objet de cette même invention est l'établissement d'un circuit électrique (et le calcul de ses constantes) qui peut être branché sur une lampe ou tube à faisceau électronique dirigé, de manière à réduire dans une large mesure ou à éliminer de façon pratiquement totale une ouverture indésirable du faisceau d'élec- trons dans l'intérieur de ce tube.
Un but supplémentaire de l'invention est de fournir une méthode et un Doyen d'emprisonner et de retenir dans une région dé- terminée d'avance les ions positifs produits au/sein du gaz qui reste dans une lampe à faisceau électronique dirigé.
Notre invention a également pour but de fournir diverses données quantitatives sur lesquelles on puisse baser le tracé, la construction et les constantes de fonctionnement d'une lampe ou tube électronique de manière à y réduire l'ouverture du faisceau dans une mesure quelconque choisie par avance.
Un autre objet de l'invention est d'améliorer le rendement des tubes à faisceau électronique dirigé et de réduire l'impédance de ce faisceau en le maintenant à un degré de concentration élevé.
Citons encore la production sur l'écran ou l'anticathode d'un tubeà rayons cathodiques d'un point lumineux dont le diamètre est réduit essentiellement une valeur égale à celle qui le carac- térisait à sa source, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des dispositifs électromagnétiques de concentration du faisceau pour arriver à ce résultat.
Un outre objet consiste à fournir le moyen et une méchode de réduire la section d'un faisceau d'électrons à un point quelconque compatible avec l'intensité du courant qu'il transporte, en. ayant recours exclusivement à des procédés électrostaiques.
'un objet supplémentaire consiste à fournir le moyen de main- tenir lui faisceau dense d'électrons dans des vides extrêmement pous- @ ses, tels que 10-9 mm/Hg.
La figure 1 est une représentation schématique de l'une des
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formes d'un tube à rayons cathodiques constituant une réalisation de l'invention, ainsi qu'un graphique indiquant la répartition des potentiels suivant l'axe longitudinal de ce tube, lorsque ses con- nexions sont établies conformément à cette invention.
La figure 2 donne une série de courbes qui servent à il- lustrer l'effet d'ouverture du faisceau électronique observé dans les tubes fabriqués et exploités conformément aux données antérieu- res de la technique.
La figure 3 meten relief l'ouverture due à l'effet des ré- pulsions mutuelles entre électrons - en l'absence de l'action d'ions positifs - dans un faisceau électronique constitué à son origine par des trajectoires parallèles.;
La figure 4 constitue un abaque indiquant l'effet d'ouver- ture qui correspond à un potentiel donné, une intensité totale et une longueur de faisceau quelconques, en partant d'un faisceau ini- tialement parallèle,
Le graphique de la figure 5 illustre les effets d'ouvertu- res observés et calculés conformément à la théorie sur laquelle re- pose le fonctionnement de la présente invention.
Dans l'établissement des données sur lesquelles reposent les conclusions relatives à la cause des difficultés auxquelles on se heurtait antérieurement dans cette technique à propos de l'ouver- ture des faisceaux d'électrons et dans la préparation des formules se prêtant au tracé et au calcul de tubes permettant de vaincre ces difficultés conformément à l'invention, on a commencé par aboutir aux conclusions suivantes à partir de considérations théoriques, conclusions qui furent alors soumises à l'expérience aux fins de vé- rification :
Les caractéristiques du faisceau-type choisi pour le rai- sonnement furent les suivantes :
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Section 1 cm2 ) Intensité ) Faisceau produit dans une du courant 0,05 .1 at-mosphère 10 - Ù.,la pression de ) 10 nra./H.
Potentiel 6.000 V )
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Le premier point à envisager est la pression à laquelle on trouvera assez de molécules résiduelles de gaz pour donner une quan- tité riions positifs telle que ceux-ci neutralisent complètement les charges électroniques du faisceau. Il existe dans la technique élec- tronique des formules classiques qui donnent le nombre d'électrons
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par en de longueur d'un tel faisceau comme étant égal à 6,62 x 10.
1,eîs on trouve ég31ement dans les formulaires de physique une expres- sion qui donne le nombre de molécules de gaz par cm3 à la pression de la -6 hl#: co#iù,;e étant de 5,55 x 10 10. Il ressort à première vue de la comparaison (le ces deux valeurs qu'il faudrait évacuer le gaz, dans un -cube destiné à contenir ce faisceau, jusqu'à ce que sa pression
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tombe & un niveau corxpris entre 10 "ë et 1G -mz/xs, avant que le nombre des riolécules résiduelles soit insuffisant pour fournir assez d'ions positifs pour neutraliser toutes les charges électroniques con tenues dans le faisceau.
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Tout riHturellenent, la question qu'il convient ensuite de se poser est celle :,' ét.:, blir le nombre d'ions positifs qui seront c'f- 2ec.tive,,-,eiit forcés dans les conditions posées plus haut. Cette valeur j;eui 3to'p brouvée en .=yrant recours à le formule établie et présentée pr 1.3..j. ennett dallS uri article i=.uDiié; dans laPhysical review 1'.Tci.,à, :::. 12, li juin 1<;).)<';') sous le titre q'i,u;r2tiCàllß Self Focusinf ntreilnJ31 (pp. cSCI-bS7) (Revue de physique des Rtats-Unis, traduction du titre : Faisceaux a auto uise au point fltuc;nétiql10 ).
Cette formule, qui donne le nombre d'ions formés par secon-
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Z0Qjp1 00 et par centimètre ae lois,.ueuv du. 2:è1iscec1U} peut s'écrire n='"?####
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OJ1ÚS iiiguelle n est la pression en mm. de mercure) i l'intensité du courent, V le potentiel et e la charge d'un électron (toutes les gran-
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deurs clectricaes doivent être exprimées en unités du système électro- statique ).
En appliquant cette formule au cas oui nous intéresse, nous
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obtiendrons 1 chiffre e ï,14 x 10 ions par centiiustre de longueur du ¯'OiSC8:'U et 1?i:.r seconde. Bien nue la QUItte d'existence probable dtimr libres, <l"l1S ces conditions et en ten6r:.G compte de la possibilité de
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recombinaisons éventuelles, soit de l'ordre de la seconde, il res- sort des valeurs données plus haut, établies 4 partir d'une mesure du nombre des/electons et de la vitesse de production des ions, qu' il suffit que chacun de ces derniers ait une duree d'existance li-
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6, 82 x 10'' bre de 3)14 :x: lO+1r = 2,17 x 10 seconde pour assurer la neutralisa' tion complète du faisceau..
La discussion mathématique de cet aspect du problème, qui a été donnée ci-dessus brièvement, prouve que l'ionisation doit être suffisante pour s'opposer à l'ouverture du faisceau tant ruela pression du gaz reste supérieure à 10-8 mm/Hg.,à laquelle, bien en- tendu, il resterait trop peu de molécules pour fournir le nombre d'ions nécessaires à la neutralisation totale du faisceau. Or les lampes ou tubes du commerce, qui fonctionnent généralement à des pressions de l'ordre de 10-7 mm/Hg., n'en manifestent pas moins, dans certains cas, des effets nuisibles d'ouverture du faisceau dès que le vide atteint 10-5 mm/Hg.
On a procédé à des mesures expéri- mentales soignées avec des tubes de ce genre, pourvus d'une région libre de tout champ déterminée par un tube exceptionnellement bien blindé et l'effet d'ouverture du faisceau n'en a pas moins atteint des proportions appréciables dès que la pression est tombée à une v¯aleur comprise entre 10-6 et 10-7mm/Hg.
La figure 1 représente un exemple de l'une des réalisa- tions de la présente invention. Dans cette lampe ou tube électroni- que, la cathode est constituée par une électrode ayant une structure telle que celle schématisée en 10, une première électrode accéléra- trice 11 dont le potentiel est maintenu à. 1.000 volts plus haut que celui de la cathode, une deuxième électrode accélératrice 12, dont le potentiel est supérieur de 5.000 volts à celui de la première, obturée par un disque 13, percé d'une ouverture appropriée, un tube ou manchon guide 14 définissant une zone équipotentielle, polarisé négativement à-15 volts par rapport à l'électrode 12 et finalement une anticathode ou électrode d'accumulation 15, maintenue au même potentiel que 12.
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Le graphique reproduit sous le schéma de la lampe indique consent le potentiel, nul au point 16, monte en atteignant l'élec- trode 11 ainsi que l'indique la branche 17 du tracé, augmente plus rapidement encore suivant la branche 18 jusqu'au point correspon- dant au disque 13, où il atteint son maximum, indiqué par la crête 19. Si on continue alors à porter les potentiels en ordonnées en suivant l'axe longitudinal du tube (axe des abscisses) on note une décroissance jusqu'au niveau 20, qui reste constant sur toute la longueur du manchon guide 14, et une remontée jusqu'au 21, dont le potentiel correspond à celui de l'anticathode ou écren 15 et est égal celui auquel est portée l'électrode 12.
On comprendra mieux le mode de fonctionnement du disposi- tif représenté à la figure 1 en se reportant à la figure 2 sur la- ouelle sont illustrés les effets d'ouverture du faisceau déterminés par l'expérience avec un tube entièrement analogue à celui de la fi- bure 1 dans lequel, toutefois, le manchon guide est maintenu au po- tentiel des électrodes entre lesquelles il est compris, mode de con- ne;ion usuel dans la technique antérieure.
Il ressort des graphiques de la figure 2, que, par une di- minution de la pression du gaz à potentiel constant, on peut faire augmenter l'effet d'ouverture du faisceau suivant une loi qui indi- que que la dérivée de cette ouverture dépend du potentiel choisi.
Cr. a fait varier, pour l'établissement de cegraphique, le potentiel auquel est porté le manchon-guide de la figure 1. Aux potentiels relativement faibles, l'effet d'ouverture: du faisceau est à peine appréciable jusqu'à ce que le vide atteigne environ 10-6mm de mer- cure, point à partir duquel il augmente relativement lentement si on pousse plus avant l'évacuation du tube. Aux potentiels plus élevés, l'effet d'ouverture commence à se manifester à peu près au même de- gré de vide, mais il augmente à une vitesse relativement considéra- ble jusqu'à sa limite, qui est de l'ordre de R/Ro = 3 pour un fai- sceau de 100 milliampèrea sous 6.100 volts, avant que la pression ait été divisée par 10.
Ces effets d'ouverture du faisceau peuvent partiellement s'interpréter à l'aide de la constatation que, sur
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cette gamme de tensions, la probabilité d'ionisation des molécules résiduelles est une fonction inverse du potentiel, à laquelle il convient d'ajouter qu'il ne fait pas de doute que cette ouverture atteindrait un maximum plus élevé encore si on poussait plus loin l'évacuation de l'enveloppe.
Lorsque la tension est portée à un ni- veau supérieur à 6.100 volts, l'ouverture du faisceau tend à attein- dre sa valeur limite rapidement et cette dernière est notablement inférieure à celle qui correspond à un potentiel de l'ordre de 6.100 volts, phénomène qu'il est normal d'attendre en se basant sur des considérations relatives aux effets des charges spatiales sur l'ouverture du faisceau, indépendamment de toute intervention des effets d'ionisation positive,
Comme il a été observé plus haut, l'étude mathématique des phénomènes aboutit à la conclusion que l'ouverture du faisceau devrait être essentiellement nulle jusqu'aux pressions inférieures à 10-8 mm/Hg, à cause de la formation d'ions positifs dans les condi- tions qui ont été discutées dans la présente demande, Or,
les ré- sultats empiriques résumés par le graphique de la figure 2 indiquent que, pour une raison quelconque, l'action des ions/positifs n'est pas entièrement conforme à celle que l'hypotèse justifiée par les consi- dérations sur lesquelles cette technique a reposé jusqutà présent permettait d'attendre.
La figure 3, dans laquelle Z représente la longueur du faisceau, mesurée suivant l'axe longitudinal du tube, est constituée par un graphique illustrant l'effet théorique d'ouverture du faisceau en ]!absence d'ionisation positive des molécules gazeuses. On démon- tre par la théorie que, pour ramener la courbe représentative de l'ouverture du faisceau à la forme donnée par ce graphique, il suffit de procéder à un changement d'échelle convenable en abscisses et en ordonnées. Au surplus, dans un appareil quelconque, si on multiplie le potentiel par un facteur donné, l'intensité du courant - si celui- ci provient d'une source soumise aux limitations dues à la charge spatiale - sera elle-même modifiée de telle sorte que la forme du faisceau ne souffre aucune modification.
On a donné, à cette conclu-
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sion qui ne laisse pas d'être surprenante, une vérification expéri- mentale. Le graphique de la figure 3 reste également valable pour des faiscesaux initialement convergents, à condition toutefois que les électrons de ces faisceaux soient initialement dirigés de telle sorte qu'ils convergent en un ;;.oint donné en l'absence de toute ré- pulsion électrostatique, puisque les faisceaux de ce genre devien- nent parallèle en un crt@in point, puis finissent par diverger.
La fig.e 4 est un abaque qui permet de calculer l'effet d'ouverture du faisceau à partir de la tension (ou potentiel), de l'intensité totale du courant et de la longeur du faisceau. Les lois illustrées aux figures .3 et4 servent évidemment à expliquer certains deb effets d'ouverture du faisceau mis en relief par le graphique de la figure 2 mais n'en laissent pas moins sans explica- tion l'ouverture très appréciable qui se manifeste aux pressions comprises entre la -6et 10-7 mm.
de mercure, puisque les considéra- tions qui ont été passées en revue plus haut indiquent que, dans cet- te garnie de pressions, le manchon guide contient un nombre d'ions positifssuffisant pour neutraliser complètement la charge négative des électrons qui constituent le faisceau. En d'autres termes, ces considérations, dont la technique antérieure avait admis l'exactitu- de, indiquent comment la neutralisation relativement complète de l'effet de charge spatiale dans le faisceau d'électrons doit normale- ment empêcher l'apparition d'une ouverture appréciable du faisceau aux pressions voisines de 10-7 mm. de mercure.
On se trouve donc en présence de différences sérieuses en- tre les hypothèses sur lesquelles reposait la fabrication des appa- reils dans la technique antérieure, ainsi que leur mode de connexion etles résultats effectivement obtenus dans la pratique, résultats qui comportent .).'ouverture extrêmement nuisible et indésirable du faisceau électronique à un point très considérable, phénomène qui rend impossible la réalisation des fortes denstiés électroniques et des faibles impédances recherchées pour le faisceau.
Après avoir étudié un certain nombre d'explications provi- soires, lesquelles donnèrent toutes des résultats négatifs, on a
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abouti à la conclusion suivante : les ions positifs sont enlevés axialement des régions du faisceau électronique qui se trouvent près de l'extrémité d'entrée du manchon guide et, au fur et à mesure de l'élimination de ces ions positifs, d'autres ions provenant de la région voisine du centre du dit faisceau sont poussés axialement le long de celui-ci de manière à atteindre ses éléments voisins du bout du manchon, position dans laquelle ils sont à leur tour chassés par un processus de "balayage".
Le phénomène qui vient d'être décrit revient donc à une fuite continue des ions positifs le long de l'axe du faisceau d'électrons juqu'au point où ils se trouvent à l'exté- rieur du manchon guide. Ceci veut dire que la neutralisation com- plète des effets de charge spatiale tendant à causer la divergence de la partie du faisceau qui est à l'intérieur du manchon guide ne se produit pas dans les conditions indiquées par les conclusions auxquelles avait mené l'étude mathématique passée en revue plus haut puis,que le nombre d'ions restant ainsi disponibles aux pressions in- férieures à 10-6 mm/Hg. est insuffisant pour compenser cette fuite axiale continue des ions qui se trouvent dans le manchon.
En/se reportant de nouveau à la figure 1, on observera que l'invention établit, aux extrémités du manchon, des différences de potentiel caractérisées par des pentes de signes opposés. On a éte- bli que ces pentes relativement faibles servent à emprisonner les ions positifs à l'intérieur du manchon et s'opposent donc dans une très ,large mesure à l'évacuation des ions positifs de l'intérieur de ce manchon par le processus de fuite axiale le long du faisceau qui a été décrit ci-dessus et, par là même, à l'ouverture du fai- sceau aux vides communément employés, par exemple 10-7mm de mercure,
Bien que l'on puisse estimer que l'explication théorique qui vient d'être donnée au sujet de l'effet de "piège à ions" des pentes de potentiel de signes opposés doive être considérée comme essentiellement correcte,
on n'entend nullement s'y limiter. Tou- tefois, on a mené' avec succès des expériences qui ont établi qu'un tube à rayons cathodiques ayant la disposition intérieure et les connexions illustrées à la figure 1 élimine ae raçon pour ainsi aire
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complète les effets indésirables d'ouverture du faisceau auxquels on se heurtait dans la technique antérieure.
L'emploi de la présen- te invention élimine la nécessité d'avoir recours, ainsi que c'était le cas auparavant, aux champs magnétiques qui servaient alors à main- tenir la forte intensité garantissant la faible impédance du faisceau
En se plaçant à un autre point de vue, on peut donner une explication au phénomène d'élimination des ions positifs (en partie tout au moins) de l'intérieur de la zone libre de champ constituée par le manchon guide en tenant compte du fait qu'il existe, près de l'ouverture ménagée à l'une des extrémités de ce manchon pour le faisceau d'électrons, un champ extérieur qu'étend à l'intérieur de ce manchon sur une petite longueur et a continuellement tendance à enlever des ions de la zone du faisceau voisine de ce point.
Lors- que ce champ élimine des ions du centre du faisceau, le potentiel de ce centre devient plus négatif, d'où affluence vers lui d'ions provenant des autres couches de ce même faisceau. En d'autres ter- mes, on peut également considérer le mécanisme d'élimination des ions sous la forme d'une dépression vers laquelle se dirigent d'autres ions provenant de toutes les couches ou régions du faisceau. électro- nique.
Il ressort immédiatement de ces considérations que le "sou- tirage" des ions du faisceau électronique peut se produire sur des longueurs beaucoup plus grandes que la distance sur laquelle le champ extérieur pénètre effectivement dans le manchon. on a déterminé mathématiquement, à partir aes données que la théorie donnée ci-dessus permet d'établir, la valeur approchée de l'ouverture du faisceau d'électrons (de caractéristiques données) par un tel mécanisme. On trouvera à la figure 5 des graphiques illus- trant l'effet d'ouverture : dans certains cas, cet effet a été mesuré directement; dans d'autres, il a été calculé par la méthode mathéma- tique à laquelle il a été fait allusion plus haut.
On observera l'étroit accord entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées, ce qui tend à prouver la validité de notre théorie sur une dépression du degré d'ionisation.
Les conclusions auxquelles on arrive mathématiquement per-
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mettent de prédire la forme' générale et d'assigner des valeurs ap- prochées aux'points intéressants des courbes de la figure 2. Avec du potentiel la réduction, on observe non seulement un effet qui est génénlement le même que celui d'une augmentation de pression en ce qui concerne la réduction de l'ouverture du faisceau mais, au surplus, que la pente du potentiel à l'ouverture du manchon est diminuée en raison direote de la baisse du dit potentiel, ce qui accentue encore l'ef- fet observé. De la sorte, au début, cet effet sera presque fonc- tion du carré de la tension, ce qui cadre avec les résultats mesu- rés et résumés par le graphique de la figure 2.
Dans les gammes de tensions plus élevées, l'ouverture maximum dans un vide parfait devient de plus en plus faible au fur et à mesure que le potentiel augmente. Pris ensemble, ces deux effets expliquent pourquoi les faisceaux à haute tension atteignent plus rapidement que les autres leur ouverture maximum avec l'augmentation du vide et comment les valeurs de cette ouverture maximum finale diminuent lorsque le po- tentiel augmente.
Dans l'exécution des expériences qui ont servi à établir la validité de la théorie et qui constituent la base sur laquelle repose la réalisation pratique de l'invention, on a fait usage d'un appareil disposé comme celui de la figure 1. Les brefs éléments (dirigés vers le haut)
19 et 21 de la courbe représentant la varia- tion du potentiel le long de l'axe du tubeont été obtenus en donnant au manchon guide une polarisation négative par rapport tant à la écran deuxième électrode d'accélération qu'à l'électrode ou anticathode d'une valeur numérique légèrement supérieure à la différence de po- tentiel entre les couches externes et la région centrale du faisceau lorsque ce dernier n'est constitué que par des électrons non neutra- lisés* Etant donné que le manchon guide recueille un courant d'élec- trons vagabonds, on obtient la chute de potentiel recherchée en in- tercalant purement et simplement une résistance dans un circuit ex- térieur allant de l'ouverture d'entrée (13) au corps du manchon (14).
Si le courant dû aux électrons vagabonds s'avérait insuffisant à cet- te fin, on pourrait avoir recours à une source indépendante d'électri-
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cité. cité. Dans ur essai fait à la pression de 5 x 10-7mm de mercure avec un faisceau de 130 milliampères présentant une ouverture telle que son diamètre, à 36 cm de son origine soit double de son diamètre initial sous une tension de ? 7.300 volts, on a mis fin immédiatement su phénomène nuisible (ouverture du faisceau) avec une polarisation du manchon guide (dans le sens convenable pour donner les renverse- ments de pente du potentiel recherchés) ne dépassant pas 15 volts par rapport aux électrodes voisines de ce manchon.
Etant donné qu' un écart de 15 volts sur '7.300 ne saurait guère constituer une "len- tille électronique" ou avoir un effet de mise au point en soi, on est en droit de considérer ce résultat comme constituant une démon- stration expérimentale de la; théorie. La table L, qui suit, donne les variations de l'ouverture du faisceau en fonction de la tension de concentration ou de fixation des ions :
Table I: Valeurs illustrant l'effet de la tension de fixation des ions sur l'ouverture du faisceau.
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<tb> ïression <SEP> V <SEP> V <SEP> Intensité <SEP> V <SEP> final <SEP> - <SEP> ouverture
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<tb> 1 <SEP> .ni <SEP> de <SEP> Hg <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> I <SEP> V <SEP> manchon <SEP> R/R
<tb>
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5 x 10:; 1.500 v. .5*loo v. 1SO ma. o v. z,o 5x IG-7 1.500 v. 5.
GO v. 10 ma. 7,5 v. 1,2 a x 10¯7 1.500 v, 5.0C,-, v. 130 ma. 15,0 v. l,1 5 x 1G 1.500 v. ::;.t,(\0 v. 10 ma. 30,0 v. 1,0 A titre de vérification auxiliaire, il fut observé que
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l'auEentation de la pression jusou'à 5 x 10-6 mm de wRroure permet él,ale;,,2nt a'éliminer l'ouverture du faisceau, ainsi;u'i1 ressort de la table II, ci-dessous : Tu blé II :
Donné es uumérioues sur l'ouverture du faisceau.
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<tb> pression <SEP> V <SEP> V <SEP> Intensité <SEP> V <SEP> final <SEP> - <SEP> ouverture
<tb>
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.lL cie r:é, l 2 l V rnunchon J;'/Ho - 1.,. r.& 1¯¯¯ 2 - 1¯¯¯ mon. oh on R/Ro 1,1x10* 1.500 v. 5.00 v. 1.0 ma. 0 v. 1,7 xl-6 1.500 v. 5. 00 v. iio lli. 0 v. 1,1 5 ,lC 1.-:vO v. -I.bco v. 10 M2 . 0 v. 1,0
Bien entendu, l'augmentation de la pression n'est pas pra- tique dans les conditions normales d'emploi de ces appareils puisque
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les tubes ou lampes sont généralement des dispositifs hermétique- ment clos.
La table II ne sert donc qu'à établir avec plus de force encore que l'effet d'ouverture du faisceau dûs aux évacuations extrêmement poussées peut être éliminé par l'emploi, d'un "piège à ions" tel que celui dont la présente description fait mention.
Il a été observé, au cours des essais relatifs à la ten- sion de polarisation à employer pour assurer la fixation des ions dans le manchon,que 15 volts suffisaient - dans le cas du faisceau utilisé - pour éliminer à peu près totalement l'ouverture et que les polarisations négatives plus considérables ne donnaient que des ré- sultats à peine améliorés, sans toutefois présenter d'inconvénients (effets indésirables). On observera que cette polarisation négative n'est que légèrement supérieure à la différence de potentiel entre la région périphérique et la partie centrale du faisceau lorsque ce dernier est composé exclusivement d'électrons non neutralisés.
Cet- te différence de potentiel, pour un élément quelconque du faisceau,
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serait : # qA'Tr" 10":6 expression dans laquelle n- représente le nombre d'électrons non neutralisés par centimètre de faisceau en cet élément. Dans le cas du faisceau utilisé, on obtient 10 volts.
Les valeurs obtenues s'expliquent par le fait que, du côté cathode de l'ouverture par laquelle passent les électrons, les ions sont toujours enlevés si rapidement que le faisceau est essentielle- ment libre de neutralisation de ses charges électroniques. Dans ces conditions, le potentiel de son centre est inférieur de dix volts à celui de sa périphérie, si bien qu'il existe une pente négative que les ions peuvent descendre tant que le potentiel de la région com- prise dans le manchon guide n'est pas réduit de 10 volts plus en ex- cès convenable, suffisant pour changer le signe de la pente introdui- te dans le potentiel par la pénétation du champ extérieur au. dit. manchon.
Comme il ressort de la table I, la différence de tension entre le corps du manchon et ses extrémités (plaque de fermeture et plaque 13) nécessaire pour que cette pièce constitue un piège dans
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lequel sont retenus les ions doit dépasser légèrement 10 volts pour un faisceau dont l'intensité de courant est de 50 milliampères sous 6.000 volts. Jette polarisation négative augmenterait en raison directe de l'intensité mais serait inversement proportionelle à le racine carrée de la tension ou du potentiel de ce faisceau.
De la sorte, avec un faisceau à 3.000 volts et une inten-
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site de 500 ruilîiax pèxes, la tension de polarisation du manchon sui- 500 o.OC de serait égale à 10 x bzz x#""') soit 10 x 10 x V2' ou 141,4 v. , 0 ()Co soit pour les fins de la pratique, 144 volts. D' une manière ana- logue, avec un faisceau de 5 ampères sous 6.000 volts, cette tension
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B.UUU de polarisation deviendrait : 10 x 5C) 1.000 volts.
Avec des faisceaux de cette importance, le rapport entre les rayons respectifs du faisceau et du manchon guide qui l'entoure doit être pris en considération et joue un rôle appréciable.
L'emploi des pièges à ions pour empêcher les faisceaux de s'ouvrir aux vides p[oussés/augmente dans une lsrge mesure les limites entre lesquelles on peut travailler. En feit, il est possible de maintenir une densité arbitraire au moyen de noyaux ionisés (ou plus exactement constitués par des ions), même aux vides extrêment, poussés (par exemple 10-9 mm/Hg), à condition toutefois que le volu- me Intérieur total de la lampe ou tube soit suffisant pour fournir le mombre d'ions nécessaire.
Etant donné Que les ions, une fois in- corporés dans le faisceau non neutralisé, ne peuvent pas le quitter et que, d'autre part, les recombinaisons sont à peu près impossibles, toutes les molécules de gaz qui restent dans un tube quelconque à très basse pression se retrouvent bientôt sous forme d'ions dans le faisceau. Le reste du volume intérieur de la lampe ou du tube est pour ainsi dire vide de toute particule matérielle. Les relations qui suivent donnent la mesure du volume nécessaire à la fourniture des ions pour un faisceau à 6.000 volts de tension :
Soit N cm2 le volume total disponible.
On aura N cm3 =S cm x
A cm2
Soit s cm la longueur du faisceau N -8 i On peut donc écrire : s = A = 3,75 x 10-8 X P
Formule dans laquelle i doit être exprimé en ampères et ±
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en millimètres de mercure. Bien entendu, lorsque le volume utilisé a même longueur que le faisceau, A est égal à la section minimum acceptable.
De la sorte, il ressort à première vue de la figure qu'un faisceau donnant un courant d'une intensité de 1 ampère sous la$ mm de meroure impose une lampe ou tube ayant même longueur que lui et une section de 3,75 cm2. Pour les tensions différentes de 6.000
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volts, il faudra multiplier ce volume par le quotient 6.00 .
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