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Perfectionnements aux procédés de stabilisation de fréquence et systèmes utilisant l'effet Stark
La présente invention concerne la stabilisation des oscillateurs à micro-ondes et se rapporte particulièrement à l'ut lisation, dans ce but, des effets de champs magnétiques ou élec- triques intenses sur la résonance moléculaire présentée par cer- tains gaz.
Les buts de l'invention sont :
Créer des procédés et dispositifs perfectionnés pour stabiliser la fréquence d'énergie micro-ondulatoire en liaison avec les phénomènes de résonance moléculaire présentés par les ga absorbant les micro-ondes.
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Utiliser "lffet Stark" pour stabiliser la fréquence d'u source d'énergie micro-ondulatoire.
Créer des procédés et dispositifs perfectionnés pour la production de micro-ondes ayant une stabilité de fréquence élevée.
D'autres buts ressortiront clairement de la description de formes d'exécution préférées de l'invention, donnée ci-après à titre d'exemple.
Aux basses pressions, les spectres micro-ondulatoires de certains gaz,dont l'ammoniac, le sulfure carbonylique et les halogénures méthyliques, comprennent des "bandes" de fréquences réparties distinctement et différemment pour les divers gaz.
Le terme "résonance moléculaire", tel qu'il est employé ici, défi les caractéristiques ou propriétés d'un aggrégat de molécules de gaz, donnant lieu à une absorption sélective d'ondes électromagné tiques d'une ou plusieurs fréquences déterminées.
Conformément à la présente invention, un oscillateur à micro-ondeseet stabilisé en appliquant de son énergie débitée sur une ou plusieurs cellules à gaz contenant un gaz qui présente de la résonance moléculaire sur ou près de la fréquence de travai désirée de l'oscillateur et dont la résonance moléculaire est dé- placée ou décalée par un champ de commande produit dans la cellu- le à gaz par l'application d'un potentiel à une électrode Stark qui s'y trouve.
Conformément à certaines formes de l'invention, le potentiel appliqué à l'électrode Stark, est alternatif, à une fr@ quence ui est basse comparée à la fréquence de l'oscillateur, de manière à moduler en amplitude l'énergie de l'oscillateur pas- sant dans la cellule à gaz, le pourcentage de modulation dépendai du rapport existant entre la fréquence de l'oscillateur et la fr.
quence normale ou non déplacée de la résonance moléculaire du ga La sortie de la cellule à gaz est utilisée pour varier une tensi continue appliquée à une électrode de l'oscillateur, dans un sen @ fréquence de l'oscillateur est ramenée vers sa fré-
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Dans d'autres formes de l'invention, de l'énergie de sortie de l'oscillateur est envoyée à travers deux cellules à résonances moléculaires ayant des fréquences différentes, l'une ou les deux étant déterminées par le potentiel d'une électrode Stark, et étant l'une légèrement supérieure et l'autre légèrement inférieure à la fréquence de travail désirée de l'oscillateur.
Suivant le genre de circuit de commande associé, les potentiels appliqués aux électrodes Stark seront continus ou alternatifs, mais de préférence alternatifs. Dans les deux cas, la sortie diff' rentielle de deux redresseurs associés aux cellules à gaz respectives sert à stabiliser la fréquence de l'oscillateur.
Dans d'autres formes encore de l'invention, la cellule à gaz est utilisée comme une charge réactive élevée qui exerce une forte "attraction" sur l'oscillateur, pour le stabiliser à une fréquence de travail déterminée par un potentiel continu appliqué à l'électrode de Stark.
Dans une forme différente de l'invention, la cellule à gaz fait partie d'un circuit extérieur de réaction reliant des électrodes du tube oscillateur, de manière à varier la phase de la réaction en compensation d'un écart de fréquence des oscilla- tions produites par rapport à une fréquence de résonance molécu- laire du gaz choisie par l'amplitude donnée au potentiel continu appliqué à l'électrode Stark.
L'invention consiste, en outre, en procédés et systèmes ayant des caractéristiques décrites et revendiquées ci-après.
L'invention sera décrite en se référant aux dessins annexés, dont :
La figure 1 est un schéma d'un oscillateur à micro-ondes stabilisé utilisant une seule cellule à gaz.
La figure 2 est une table qui donne les fréquences de résonance moléculaire de divers gaz dans une partie du spectre de! micro- ondes. Les fréquences des différentes bandes sont indiquée
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en kilomégacycles et portées en abscisses.
La figure 3 représente des courbes de réponse se rappor- tant aux figures 1 et 4.
La figure 4 représente le système de la figure 1 appli- qué à un autre type de tube oscillateur à micro-ondes.
La figure 5 est un schéma d'un système oscillateur à micro-ondes stabilisé utilisant deux cellules à gaz.
La figure 6 est une figure explicative se rapportant à la figure 5.
La figure 7 donne le schéma d'un autre système oscilla- teur à micro-ondes stabilisé utilisant deux cellules à gaz.
La figure 8 est une figure explicative se rapportant à 1 figure 7. Les figures 9 et 10 sont des schémas de deux autres for- mes de systèmes oscillateurs à micro-ondes stabilisés.
Les phénomènes utilisés pour stabiliser la fréquence con formément à la présente invention, sont basés sur le fait qu'un certain nombre de gaz, comprenant NH3, COS, CH30H, CH3NH2 et S02, ont la caractéristique d'absorber sélectivement les ondes dans la région micro-ondulatoire du spectre des fréquences. Des mesures faites sur la fréquence de résonance d'un tel gaz ont mont que la grandeur du coefficient d'absorption est tout-à-fait indépendant de la pression du gaz; mais que l'étendue de la région absorbante se retrécit pratiquement linéairement avec la dimi- nution de pression : plus précisément à une longueur d'onde de 1,25 cm (24,0 kilomégacycles), le Q de la bande du gaz ammoniac vaut environ 10 avec une pression de gaz d'un dixième d'atmosphère il vaut 100, à une pression d'un centième d'atmosphère, etc.
Cependant, si on réduit de plus en plus la pression, par exemple, jusqu'à quelques millimètres de mercure, la bande d'absorption se subdivise en plusieurs bandes très étroites, chacune de ces bandes
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correspondant exactement à une fréquence particulière. Comme indiqué à la figure 2, quelques gaz seulement suffisent pour donner une quantité notable de bandes de fréquences précises, dans la région des micro-ondes comprise entre 20,5 et 25 kilomégacycles.
Quand un tel gaz est soumis à un champ électrique ou magnétique intense, beaucoup de ces bandes se décalent d'une quantité directement proportionnelle à l'intensité du champ. Cet effet, connu sous le nom d'effet Stark, est utilisé ici de dif- férentes manières pour stabiliser la fréquence d'oscillateurs à micro-ondes.
En se reportant à la figure 1, la cellule à gaz 10 qui peut être une partie d'un guide d'onde adapté ayant des fenêtres 11, 11 pour permettre le passage d'énergie micro-ondulatoire, esi remplie d'un gaz, de préférence à pression réduite de l'ordre de 0,02 millimètre de mercure, présentant de la résonance moléculai: sur uu très près de la fréquence de travail désirée d'un tube oscillateur à micro-ondes 12 couplé, au moyen d'un guide d'onde 13 par exemple, ou une ligne de transmission équivalente, à la cellule 10.
De façon précise, le tube oscillateur 12 est du type klystron réflex comprenant un canon électronique, une cavité de sortie 14, et une anode réflectrice 15 dont le potentiel peut êt varié pour changer la fréquence des oscillations produites par le tube. Au moins une partie de la sortie de l'oscillateur est en- voyée dans et à travers la cellule à gaz 10, vers le redresseur à cristal 9 ou un détecteur équivalent.
La cellule à gaz 10 contient une électrode Stark 16, qui peut être une tige ou une plaque, isolée électriquement des parois du guide et connectée à une source 17 de tension alter- native dont la fréquence (F1) est basse comparée à la fréquence
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de l'oscillateur. Dans ce cas, l'énergie micro-ondulatoire de l'oscillateur qui traverse le cellule 10 est modulée en ampJitud au double de la fréquence F1 appliquée à l'électrode-Stark, si l'effet Stark est du second ordre, l'écart de fréquence étant proportionnel au carré de l'intensité du champ appliqué au gaz.
Si, en plus, le potentiel de l'électrode Stark comprend une com- posante continue provenant d'une source appropriée de courant co tinu, matérialisée de façon générale par une batterie 18, la fré quence de modulation est F1 au lieu de deux fois F1.
Dans tous les cas, la sortie détectée de la cellule à gaz 10 peut servir à la régulation de fréquence ; peut, par exemple, être employée pour varier le potentiel de l'anode réfle trice 15 dans un sens tel que cette variation compense les écart par rapport à la fréquence de travail désirée.
A titre d'exemple numérique, la cathode 19 du klystron 12, (figure 1) est maintenue, au moyen dela source 20, à une tension négative de 1.600 volts par rapport à la terre, la cavit de sortie 14 étant mise à la terre. L'anode réflectrice 15 est reliée par la résistance 21 à la borne négative d'une source 22 de 1800 volts, de sorte que le réflecteur est négatif d'envir 200 volts par rapport à la cathode, cette tension négative étant variable en fonction du débit du redresseur 9, dans le but de stabiliser la fréquence de l'oscillateur.
La sortie du redresseur est appliquée au récepteur ou amplificateur 23 accordé à la fréquence de modulation F1 ou 2 F1 suivant que l'on utilise ou non la source continue 18, et dont la sortie est redressée par la diode 24, ou élément équivalent, de produire une chute de tension continue dans le circuit résist condensateur 25,26. L'amplitude de cette tension continue E varil avec la fréquence de l'oscillateur, comme indiqué à la figure 3,
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où la tension portée en ordonnées est une fonction de la fréquence portée en abacisses.
A la figure 3, la courbe A représente la courba de résonance du gaz même qui atteint une valeur d'absorp- tion d'énergie maxima, quand la fréquence des micro-ondes appli- quées correspond à la fréquence normale de résonance moléculaire du gaz. La tension E qui apparaît aux bornes du circuit résis- tance-condensateur 25,26 en fonction de la fréquence est représen par la courbe B quand la source continue 18 n'est pas utilisée, et par la courbe C quand la source continue 18 est utilisée. Le point de commande ± n'est donc pas exactement située sur le sommet de la courbe 3A, mais il peut être déplacé vers le côté plus haute fréquence et le côté plus basse fréquence de 3A.
L'oscillateur 12 est réglé de telle façon que lorsqu'on allume la source 22, la fréquence des oscillations produites est un peu inférieure à la fréquence F, la fréquence de travail dési- rée, et augmente ensuite à une vitesse déterminée par la constante de temps du circuit 27,28. Quand la fréquence de l'oscillateur ap- proche de F, la tension de commande E apparaît aux bornes du circuit 25,26 grâce à l'effet Stark produit par la fréquence de -ne dulation F1. L'équilibre est atteint quand les courants qui s'op- posent dans la résistance 27 et qui sont produits respectivement par la diode 24 à travers la résistance 29 et par la source 22 à travers la résistance 21, sont égaux.
Les résistances 21 et 29 sont, de préférence, choisies ou ajustées de telle façon que l'équilibre ou la stabilisation s'obtient dans une partie de la courbe A à grande pente, par exemple, au point de la figure 3.
Quand le klystron 12 tend à osciller à une fréquence plus basse, le modulation de l'entrait oscillatoire traversant la cellule à gaz 10 est moindre ; par conséquent, la tension de commande aux bornes de la résistance 25 diminue et l'anode réflectrice devient plus négative, forçant la fréquence à s'élever.
Inversément, si l@
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klystron tend à osciller à une fréquence supérieure au point c, le pourcentage de modulation de l'énergie oscillatoire due à l'effet Stark est augmenté et la tension de commande aux bornes de la résistance 25 s'accroît, ce qui diminue la polarisation négative de l'anode réflectrice 15 et par conséquent la fréquenc Ainsi, la fréquence de l'oscillateur est constamment réglée à la fréquence de modulation F1 (ou 2 x F1) et maintenue à la fréquence F, entre des limites très étroites.
Pour avoir une stabilité optima, ce système exige que la source de tension 22 soit stable ou stabilisée et que les ré- sistances 21,25, 27 et 29 soient stables. Les constantes de tem des circuits 25,26 et 27, 28 sont prises suffisamment grandes q pour stabiliser le système contre des perturbations transientes, qui affecteraient autrement la fréquence de l'oscillateur.
La pente de la courbe A et les amplitudes des courbes et C peuvent être réglées en choisissant ou ajustant l'amplitude de la tension de modulation. A titre d'exemple, pour la bande 3, de l'ammoniac, en appliquant un champ alternatif ayant une à crête amplitude de crête/de 1. 000 volts par centimètre, la bande balayera une largeur d'environ 12 mégacycles, autour d'une valeu moyenne de 23. 870,1 mégacycles, ce qui permet une plage de ré- glage de 6 mégacycles dans laquelle la fréquence de 1'oscillâtes peut être maintenue constante.
Les mêmes procédé et système peuvent être employés pou stabiliser la fréquence d'un magnétron, particulièrement et le plus avantageusement un magnétron du type représenté à la figure 4, contenant dans une des cavités d'anode une électrode 3 dont le potentiel peut être varié dans le but de changer la fré- quence des oscillations produites par le magnétron.
Comme ce type de magnétron est bien connu, son mode de fonctionnement ne doit pas être décrit : il suffit de rappeler
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que le potentiel de l'électrode 30 varie automatiquement, sui- vant le processus général décrit lors de l'étude de la figure 1, de façon à maintenir la fréquence de travail du magnétron très proche d'une fréquence à laquelle le gaz dans la cellule 10 présente de la résonance moléculaire. Il est clair que l'on peut utiliser l'une ou l'autre pente de la courbe A de la figure 3, à fin de commande, suivant les caractéristiques du type parti- culier de tube oscillateur employé et le sens dans lequel la tension de commande devra varier pour compenser les écarts de fréquence de l'oscillateur.
Dans le système représenté à la figure 5, de l'énergie micro-ondulatoire venant de la cavité de sortie du klystron 12 est appliquée à une paire de cellules à gaz 10A, 10B contenant des volumes de gaz présentant de la résonance moléculaire à des fréquences micro-ondulatoires légèrement différentes F. et FB (voir figure 6), respectivement inférieure et supérieure à la fréquence de travail désirée du klystron 12 ou autre oscillateur à micro-ondes à stabiliser. Ceci peut être réalisé en ayant le même gaz dans les deux cellules et en ajustant le potentiel de l'électrode de Stark d'une ou des deux cellules.
Le fait de pou- voir utiliser des gaz différents dans les cellules à gaz diffé- rentes et de pouvoir déplacer la courbe d'absorption de l'une ou des deux, augmente fortement le nombre de fréquences auxquell peut réaliser la stabilisation, grâce à l'emploi de résonances m léculaires de gaz qui se chevauchent partiellement. A ce sujet, on remarquera, à titre d'exemple, que pour l'ammoniac, la fré- quence d'une bande est déplacée vers les fréquences plus élevées si on applique un champ de Stark, quelle que soit la polarité de ce champ, et pour la bande 3,3, la fréquence est augmentée d' viron 12 mégacycles, pour un potentiel d'électrode Stark d'envir 1. 000 volts par centimètre.
En général, l'écart de fréquence (f)
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peut être exprimée par : f=fo+ss e2 où f est la fréquence normale ou non décalée et e est le po- tentiel de l'électrode Stark.
A titre d'exemple, la ligne 3,3 de l'ammoniac se trou vant dans les cellules 10A et 10B peut être déplacée, en choisi sant ou ajustant le potentiel continu appliqué aux électrodes Stark 16A, 16B, de façon que le gaz dans la cellule 16A présent de la résonance moléculaire à 23,875 mégacycles (FA) et le gaz dans la cellule 10B à 23.874,5 mégacycles (FB). Par conséquent, quand la fréquence de l'oscillateur se trouve au point de com- mande c, figure 6, la tension différentielle de sortie provenani des deux redresseurs de polarités opposées 9A et 9B est égale à zéro, et la tension de l'anode réflectrice 15 du klystron est uniquement définie par la source 22A.
Quand, au contraire, la fréquence de l'oscillateur monte au-dessus et descend en-dessus du point de commande, la tension différentielle de sortie pro- venant des deux redresseurs 9A, 9B est différente de zéro et a une polarité et une valeur qui sont fonction du sens et de l'im- portance de l'écart de fréquence. Dans un tel cas, la tension du réflecteur est la somme algébrique de la tension de la source 22A et de la tension différentielle provenant des redresseurs 9A, 9B. Les polarités des redresseurs sont évidemment choisies d telle façon que leur sortie différentielle varie dans le bon sen de manière à 'rapprocher la fréquence de l'oscillateur du point d commande.
La sensibilité de la commande peut être accentuée, en intercalant un amplificateur continu entre les redresseurs 9A, 9B et le circuit de l'anode réflectrice mais Il est, en général, préférable d'utiliser dans ce but des amplificateurs alternatifs (voir figure 7), et cela dans un système modifié où l'effet Star
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est produit au moyen d'une tension alternative F1.
Dans ce système de la figure 7, on applique des tensions alternatives différentes de même fréquence, 100 kilocycles, aux électrodes Stark 16A et 16B. Pour faciliter l'exposé, on suppose que l'on applique la tension la plus élevée à l'électrode l6A, de sorte que la fréquence de résonance de la cellule 10A est ramenée en arrière et en avant sur une étendue de fréquences plus grande q la fréquence de résonance de la cellule 10B.
Dans la figure 8 qui se rapporte au système de la figure la courbe A représente la courbe de résonance du gaz même et attei le maximum d'absorption d'énergie quand la fréquence des micro- ondes appliquées correspond à la fréquence normale de résonance mo Séculaire fgdu gaz. La courbe B représente l'amplitude de tension fonction de la fréquence des bandes latérales produites à la suite de l'application simultanée au gaz de la chambre 10A d'un champ à fréquence micro-ondulatoire et d'un champ de Start de 100 kc, dans le voisinage de la fréquence fg, tandis que la courbe C repré sente l'amplitude de bande latérale. correspondante pour la chambre 10B à la fréquence déplacée par l'électrode 16B. Ces deux courbes d'amplitude de bande latérale se croisent à hauteur de la fréquenc fo, qui est la fréquence de fonctionnement du système stabilisé.
D. filtres tels que les cavités résonnantes 31A et 31B servent à laisser passer de l'énergie à des fréquences voisines de fo aux détecteurs d'entrée 9A et 9B et à isoler les détecteurs de l'éner- gie de fréquence fg. Les sorties des redresseurs peuvent être am- plifiées par les amplificateurs à courant alternatif 32A et 32B.
Après amplification, les sorties sont appliquées aux grilles de commande des tubes V1 et V2. On applique aux grilles-écrans des tu' V1 et V2 la tension de sortie d'un doubleur de fréquence 33 relié à la source 17 d'une fréquence de modulation F1.
EMI11.1
Les circuits internes cathode-anode des tubes V1 et V2 'C S>lknt0S respectivement par les résistances 34, 35. Celles-ci
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se trouvent en série aux bornes de la source de tension 22A pour l'anode réflectrice 15 du klystron 11, ou pour l'électrode équi- valente de commande de fréquence de l'oscillateur à micro-ondes particulier à stabiliser. Les tubes V1, V2 et les résistances 34, 35 forment un circuit diviseur de tension pour donner à l'électrode oscillatrice 15 une tension correspondant à la chute de tension IR aux bornes de la résistance 35.
Dans une forme d'exécution préférée, à résistances 34, 35 égales, l'accord de la cavité et les potentiels d'électrode fixes sont ajustés de telle façon que les courants passant dans les tubes V1 et V2 sont égaux, quand l'oscillateur fonctionne à une fréquence fo, figure 8, à mi-chemin entre les fréquences f1 et f2, fréquences d'absorption des gaz qui se trouvent dans les deux branches sous la commande des champs de Stark. Si la fréquei de *1-9 oscillateur s'écarte de la fréquence C, la sortie de l'un ou l'autre des redresseurs 9A, 9B augmente et l'autre diminue et les différences s'ajoutent pour faire varier le courant passant dans la résistance 35 dans un vens tel à ramener la fré- quence de l'oscillateur à la valeur désirée.
En choisissant ou ajustant l'amplitude de la tension d modulation produisant l'effet Stark, on peut obtenir un fonction nement stabilisé à une quelconque de plusieurs fréquences décalé par rapport à une fréquence normale de résonance moléculaire d'u gaz. En général, l'effet Stark sera suffisamment étendu pour pou voir choisir facilement les fréquences f1 et f2 au moyen des fil tres 31A et 31B.
Dans le système représenté à la figure 9, la cellule à gaz 10C est une cavité qui résonne, en un mode d'excitation fondamental ou supérieur, à la fréquence de travail désirée du magnétron 12B, et qui contient un gaz à résonance moléculaire sur la fréquence de travail désirée, à cause de l'effet Stark obtenu, par exemple, en appliquant une tension continue à l'éle
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trode 16C placée à l'intérieur de la cellule à gaz. Comme indiqué à la figure, la cellule à gaz est couplée à un guide d'onde dans lequel une cavité du magnétron est couplée, et on peut aussi cou- pler au guide d'onde, une charge (non représentée).
Lorsqu'on place dans une cavité un gaz absorbant, la transmission à travers le gaz est réduite. A une pression assez réduite pour que le Q du gaz soit de l'ordre de 100. 000, Q déterminé par la largeur de bande d'absorption du gaz, la réduc- tion de transmission ne se produit que dans une bande de fréquenc extrêmement étroite.
Dans ce cas, comme cela est expliqua en détail dans le brevet belge n 486.661 du 6 Janvier 1949 au nom de la demanderes la cavité contenant le gaz peut être convenablement couplée à un magnétron, afin d'exercer uh effet de forte "attraction" sur la fréquence, de sorte que l'oscillateur fonctionne à la fréquence désirée. Suivant les dispositions décrites dans ce brevet, on peut obtenir la stabilisation sur quelques fréquences bien précis correspondant aux fréquences de résonance normales d'un gaz. En utilisant l'effet Stark dans une quelconque des formes d'exécu- tjon y décrites, on peut, grâce à ce type de commande réactive, conformément à la présente invention, étendre la stabilisation à des bandes de fréquences relativement larges.
Sauf en ce qui concerne l'utilisation de l'effet Stark, le système représenté à la figure 10 est semblable à et typique des commandes de fréquence réactives décrites dans la demande de brevet déposée le 25 janvier 1949 au nom de la demanderesse pour "Perfectionnements aux procédés et systèmes de stabilisation d'oscillations à micro-ondes".
En bref, la cellule à gaz 10D est une cavité résonnante insérée dans le circuit de réaction reliant les cavités 14A et 14B du klystron à cavités multiples 12A et contient un gaz à résonance moléculaire aiguë, cette
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fréquence de résonance étant, comme décrit dans la demande susmentionnée, égale à la fréquence de travail désirée des klyst@ Comme cela e été discuté plus en détail dans cette demande sus- mentionnée, un écart de fréquence du klystrjn fait que la cavité 10 D à Q élevé change la phase de la réaction dans un sens tel qt l'on corrige l'écart de fréquence.
Conformément à la présente in- vention, la cellule à gaz 10D dans le circuit de réaction est mur d'une électrode Stark 16D à laquelle on applique un potentiel cor tinu, pour déplacer une fréquence de résonance moléculaire du gaz et l'amener sur une fréquence de travail désirée de l'oscillateur qui ne correspond à aucune fréquence normale de résonance de gaz utilisables.
Dans tous les systèmes précédents, la fréquence de l'os cillateur peut être modulée à des audio-ou vidéo-fréquences, mais dans un tel cas, la fréquence de modulation Stark F1 des figures 1, 4, 5 et 7 sera basse en comparaison de la plus basse audio-ou vidéo-fréquence.
La description précédente montre que l'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution précises décrites et que de nombreux changements et variantes peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
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