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DISPOSITIF ELECTRIQUE A ATMOSPHERE DE VAPEUR.
La présente invention concerne les dispositifsou tubes électri- ques à atmosphère de vapeur, et plus spécialement les dispositifs à déchar- ge à arc, à cathode chaude, à faible chute d'arc, pour courants intenses et faible tension utilisant un métal de décharge vaporisable choisi dans le sous- groupe des métaux alcalins comprenant le césium, le rubidium et le potassium.
Il est connu que la tension de rupture d'un dispositif à électro- des sous vide ou sous faible pression est une fonction du produit pd, p étant la pression et d la distance entre électrodes. Pour des valeurs très faibles de ce produit, la tension de rupture est très élevée,, jusqu'à des milliers de volts, mais quand ce produit augmente, la tension de rupture tombe rapide- ment jusqu'à atteindre un minimum, après quoi pour toute augmentation supplé- mentaire du produit, la tension de rupture remonte, lentement d'abord puis plus rapidement.
La tension de rupture minimum est de l'ordre de quelque 200 à 500 volts, suivant le gaz présent entre les' électrodes, et le produit pd pour lequel on atteint cette tension de rupture minimum est aussi variable, dépendant du gaz employée Quand le milieu gazeux consiste sensiblement entiè- rement en vapeur d'un métal cathodique vaporisable apte à se reconstituer, ou métal de décharge, la pression p, dans le produit pd, est la tension de vapeur du métal à la température intérieure la plus froide du tube, en fonc- tionnement, ou la température de condensation du métal de décharge. La courbe donnant la tension de vapeur de différents métaux en fonction de la température est une courbe caractéristique du métal, différente pour chaque métal.
Avant l'apparition intéressante des redresseurs à métaux alcalins, tous les redresseurs à cathode vaporisable avaient une chute d'arc tellement élevée, que leur rendement était bien faible sous des tensions continues in- férieures à environ 600 volts. Parmi les nombreuses caractéristiques spécia- les des redresseurs à métaux alcalins, il faut citer leur chute d'arc extrê- mement faible qui augmente leur rendement, et les températures anormalement
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élevées auxquelles leur tension de vapeur se maintient dans la gamme utile des tensions de vapeur bonnes pour le redressement, ce qui permet le re- froidissement par air, sans exiger de chemises d'eau.
Jusqu'ici, les redresseurs à métaux alcalins ont été étudiés de façon à opérer très loin sur la branche faible pression de la courbe pd de rupture, de manière à travailler avec les tensions de redressement ha- bituelles pour les tubes à arc dans une atmosphère de vapeur, de l'ordre de 600 volts ou plus. Il fallait pour cela un produit pd inférieur au pro- duit correspondant à la tension de rupture minimum. La tension de sortie nominale admissible d'un redresseur n'est qu'environ la moitié (ou moins) de la tension de rupture dans les conditions de fonctionnement classiques du redresseur. Pour rendre le produit pd petit, il faut ou bien réduire au plus la distance d entre électrodes, ou avoir une faible tension de va- peur p, ou les deux.
On a eu l'habitude jusqu'ici de calculer les tubes à métaux alcalins pour des tensions inverses de 600 à 1000 volts, de maniè- re à avoir la plus petite distance pratique possible entre électrodes, d'une valeur d'environ 1/4 pouce (6,3 mm), et il a donc fallu utiliser des pressions de vapeur de l'ordre de 70 microns de mercureo
Le nouveau tube redresseur à métal alcalin à faible tension est prévu pour des tensions inverses de 100 à 200 volts, ou parfois 250 volts,ou moins, ce qui permet de laisser monter la température intérieu- re minimum ou température de condensation du tube à des niveaux qui don- neront un produit pd supérieur à celui qui correspond à la tension de rupture minimum du dispositif.
Une caractéristique du nouveau tube redresseur à faible ten- sion est, par conséquent, la valeur élevée du produit pd correspondant au fonctionnement du tube, ce qui présente les trois avantages suivants : el- le libère le fabricant de la nécessité de choisir toujours l'espace mini- mum possible entre anode et cathode, ce qui supprime une sérieuse diffi- culté de réalisation ; permet l'emploi de températures de condensation plus élevées, correspondant à une plus forte pression de vapeur et facilite le refroidissement par air du tube ; tube peut laisser passer des courants plus élevés par unité de surface cathodique, ce qui permet un courant nomi- nal plus grand pour une dimension de tube donnée..
Ce dernier avantage de plus forte densité de courant provient de la nature particulière de l'émission électronique dans les tubes à métaux alcalins, dans lesquels les électrons sont émis par une couche mono-atomique du métal de décharge qui constitue la surface de la cathode de chauffée, fai- te elle-même en un autre métal (du nickel habituellement) ayant une fonction de travail supérieure au potentiel d'ionisation du métal alcalin utilisé. On croit que ceci est la raison fondamentale des chutes d'arc phénoménalement petites des tubes à métaux alcalins, de l'ordre de 4 volts, comparativement à un tube redresseur à vapeur de mercure par exemple, dans lequel la chute d'arc est de l'ordre de 10,4 volts.
Cependant, pour entretenir cette couche monoatomique de métal de décharge sur la cathode, il est nécessaire qu'un nombre voulu d'atomes de métal de décharge atteignent la cathode de nickel chauffée et y maintien- nent la couche superficielle monoatomique. Dans le présent tube à faible tension, qui fonctionne à un produit ]± élevé, on peut utiliser une pres- sion de vapeur plus élevée qu'il n'était possible jusqu'ici, et cette pres- sion de vapeur plus élevée rend disponible un plus grand nombre d'atomes de métal de décharge dans la vapeur qui baigne la surface de la cathode en nic- kel,remplissant ainsi à une cadence élevée la couche monoatomique de métal de décharge sur la cathode, ce qui permet de faire travailler le tube avec une plus grande densité de courant sur la cathode,
et d'augmenter le débit de tout tube de dimension donnéeo
Le nouveau tube fonctionne, par conséquent, de préférence à une température de condensation suffisante pour obtenir une tension de vapeur du métal de décharge d'au moins 1.000 microns de mercure, en opposition avec les pressions antérieures de l'ordre de 70 microns. Avec une pression de vapeur
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aussi élevée, le tube peut avoir une très grande émissivité sur la partie active de la cathode, environ 5 ampères par pouce carré.(0,775 A. par cm2) comme déterminé par le débit maximum de courant du dispositif.
Et ceci est obtenu sans augmenter la température de travail de la cathode chaude au-de- là de la limite de sécurité d'environ 750 C observée dans un grand nombre des meilleures études de tubes à métaux alcalins antérieuisà la présente invention.
Les trois métaux alcalins préférés, césium, rubidium et potas- sium utilisables comme métal de décharge, constituent une classe plus ou moins distincte par eux-mêmes, qui peut être définie comme groupant les métaux al- calins à quatre, cinq et six orbites dans leur structure atomique, ou les mé- taux alcalins stables à plus de trois orbites. Le groupe entier des métaux alcalins comprend six éléments, dont les deux premiers et le dernier se dis- tinguent facilement des trois autres, ceux-ci concernant plus spécialement l'invention.
Les deux métaux alcalins les plus légers, le lithium (Li) et le sodium (Na) sont séparés, dans certaines tables périodiques, des métaux lé- gers plus lourds du groupe des métaux alcalins (lA), parce qu'ils se distin- guent par le groupement de leurs électrons. Les caractéristiques physiques et chimiques de ces deux métaux alcalins les plus légers sont aussi nettement différentes de celles du groupe césium, rubidium et potassium. Le sodium est chimiquement trop actif. Le lithium a une tension de vapeur beaucoup trop faible pour l'application considérée, cette tension exigeant une températu- re trop élevée pour obtenir une pression de vapeur pratiquement utilisable et assez haute pour avoir une densité de courant suffisante aux fins de l'in- vention.
Le sixième métal alcalin et le plus lourd, le n 87 de la table périodique, était appelé anciennement virginium, mais il est prouvé mainte- nant qu'il s'agit d'un élément dénommé francium (Fa), un produit instable de la pile atomique qui est très radio-actif, et qui a une demi-vie extrê- mement courte de quelques minutes seulement, de sorte qu'il ne convient pas dans le présent cas.
Dans la présente invention, il est préférable d'utiliser du cé- sium ou du rubidium comme métal de décharge, quoiqu'on ait plus d'expérien- ce du césium. Il est supposé que le potassium est utilisable, au.moins dans certains tubes, mais il exige une température de condensation relativement élevée si on veut obtenir un degré d'ionisation plutôt grand sur la surface de la cathode, et cette température de travail élevée augmente l'activité chimique du métal de décharge, ce qui le rend moins intéressant à ce point de vue.
Une forme d'exécution de l'invention est représentée, à titre d'exemple, au dessin annexé.
La Fig. 1 est une coupe en élévation simplifiée d'un type exem- platif de dispositif électrique à atmosphère de vapeur, conforme à l'inven- tion ; et
La Fig. 2 est une coubre donnant la tension de rupture en fonc- tion du produit pd de la pression p par la distance ou espacement entre é- lectrode d, pour le césium.
Le tube représenté a une enveloppe mise sous vide comprenant une partie anodique en métal 4, habituellement en fer ou en acier, et qui, sur le dessin, a la forme d'un récipient comme une cuvette, dont les parois latérales sont munies d'ailettes de refroidissement 5 s'étendant radialement.
Le dessus de l'enveloppe est le dessus d'une cathode 6, isolée de la partie anodique 4 par un scellement isolant-métal 7 Le tube contient une petite quantité, quelques gouttes ou moins qu'une cuillerée, d'un métal de décharge choisi dans le groupe comprenant le césium, le rubidium et le potassium, com- me expliqué ci-dessus.
La partie active de la cathode 6 est constituée par un tube catho- dique rentrant 10 dirigé vers le bas, en nickel de préférence' La partie émis-
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sive réelle du tube cathodique 10 est la partie inférieure du tube enga- gée dans l'anode 4 et pourvue d'un grand nombre d'ailettes 11 faites en la même matière cathodique (le nickel de préférence), pour augmenter la sur- face réellement active de la partie émissive de la cathode. Un dispositif de chauffage convenable, sous la forme d'un filament de chauffage 12, est glissé dans le fond ou partie active du tube cathodique 10, de manière à chauffer la partie émissive active de la cathode, le filament étant alimen- té par l'intermédiaire d'un fil de connexion 13 qui traverse un scellement isolant approprié 14 prévu dans le haut de la cathode 6.
La présente invention concerne la réalisation du dispositif de réfrigération extérieur, comme les ailettes de rayonnement de chaleur 5 ou un autre moyen, pour refroidir le tube par rayonnement direct dans l'atmos- phère ambiante à la température du local. Dans le tube représenté, la tem- pérature intérieure minimum est obtenue sur une partie de l'anode 4 faisant partie du récipient.
Suivant un aspect de la présente invention (quel que soit le point où cette température minimum intérieure du tube est maintenue pendant le fonctionnement du tube), le réfrigérant qui maintient cette par- tie la plus froide de la paroi intérieure à la température voulue, doit a- voir'un pouvoir de refroidissement tel que la température de la surface la plus froide soit au moins égale à la température à laquelle le métal de dé- charge a une tension de vapeur d'environ 1.000 microns de mercure.
Suivant les renseignements les plus récents, cette pression de vapeur de 1.000 microns est obtenue à environ 278 C pour le césium, 297 C pour le rubidium et 344 C pour le potassium. Suivant cet aspect de l'inven-. tion, la température de la surface la plus froide du tube doit être au moins de 270 C pour le césium, 290 C pour le rubidium et 330 C pour le potassium, par exemple. La température de condensation maxima permise n'est pas aussi critique, et elle peut aller jusqu'à une valeur qui donnerait une tension de vapeur de 4.000 microns de mercure, plus ou moins, ce qui équivaudrait à 350 C pour le césium comme métal de décharge.
La température de condensation peut parfois être définie plus avantageusement par la valeur du courant maximum que l'on peut tirer du tube, ce qui constitue un genre de mesure du degré d'émissivité de la partie acti- ve de la cathode du tube, et cette façon de mesurer la température n'exige pas de moyen thermométrique pour estimer la température de la surface inté- rieure de condensation du tube.
La partie active de la surface émissive de la cathode est évidemment connue, et le débit maximum de courant du tube se me- sure aisément, le quotient de la division du courant par la surface donnant l'émissivité de la partie active émissive de la cathode qui, suivant un aspect de l'invention, est d'environ 5 ampères par pouce carré-(0,775 A/cm2), calcu- lé par ce procédé, quand la température de la partie active du tube cathodi- que 10 est environ 750 C.
Comme il a été dit, il n'est plus nécessaire de chercher à avoir le minimum d'espace entre électrodes dans le nouveau tube, et c'est ainsi qu'à la Fig. 1 l'espace anode-cathode d, entre la paroi cylindrique intérieu- re de l'anode 4 et les bords extérieurs des ailettes de cathode 11 est d'en- viron un pouce (2,5 cm) ou plus, suivant le compromis adopté entre un espace- ment d mécaniquement grand pour obtenir un produit pd élevé, et un espacement plus petit qui donne un arc plus court et donc une plus petite perte de ten- sion dans le tube.
Suivant un aspect important de l'invention, le tube redresseur à fort courant et faible tension se caractérise par l'emploi d'un produit pd (pression par distance) élevé, obtenu en multipliant l'espacement anode-catho- de d par la pression de vapeur obtenue avec le métal de décharge utilisé.
Suivant cet aspect de l'invention, ce produit pd (pression par distance) est notablement supérieur au produit pression par distance pour lequel la tension de rupture minimum se produit.
La Fige 2 donne la courbe rupture-pd pour le césium. Elle a une tension de rupture minimum d'environ 260 volts comme indiqué en 16, pour un produit pd d'environ 1.300, quand la pression p est mesurée en microns de mer-
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C'Ll:'0; ia distance ou espacement d en centimètres. Pour des produits pd 1<i'é--ieii="s, soit entre 50 et 400 ou 500, la courbe de tension de rupture Y,ï:zon:. quasi verticalement jusqu'à 6.000 volts pour un pd de 50. Pour des .''''-cr.'"s 2d de l'ordre de 1.300 ou plus, la courbe de rupture est bien pJ.B.'-:::, La tension de rupture remontant à 500 volts pour un pd de 4.500. - Suivant l'invention, le tube fonctionne de préférence avec un J?2 1: - . :¯'":IE-nt supérieur à celui qui correspond à la tension de rupture mini- mura..
Avec le césium comme métal de décharge, le produit 12.9: (pression par :.3,=. - =:::1 doit être de préférence au moins égal, par exemple, à 2.000, 1#'=;rt-à-,J.i>e que le césium travaille à une température de condensation cor- rcspondant à une tension de vapeur , en microns de mercure, au moins éga- de an quotient obtenu en divisant 2.000 par la distance d anode-cathode en centime tres.
Les courbes caractéristiques tension-pd pour le rubidium et le
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}J(Jtë,.,.t>slVIi1 diffèrent un peu de la courbe de la Fig. 20 Pour le rubidium, le llivilleur enseignement dit que la partie verticale de la courbe se trouve un rien à gauche de la partie verticale de la courbe du césium, tandis que la 'cession de rupture minimum est un peu plus élevée pour le rubidium que pour le césium et se produit probablement à une valeur légèrement inférieure du produit pression-distance pd. Avec le rubidium comme métal de décharge, le produit pd doit être maintenu au moins égal à 2.000, la pression ]2 et la distance d étant mesurées avec les unités précitées.
Dans le cas du potassium, le meilleur enseignement dit que la partie verticale de la. courbe de tension de rupture est assez bien à droite de la partie verticale de la courbe du césium, et qu'elle n'est d'ailleurs pas aussi verticale. La tension de rupture minimum du potassium se produit apparemment pour une valeur pd beaucoup plus élevée que dans le cas du cé- sium, et avec le potassium comme métal de décharge, le produit pd doit ê- tre au moins égal à 10. 000, mesuré avec les dites unités.
Il faut admettre que les mesures qui ont donné ces courbes rup- ture-pd ont été obtenues avec de grandes difficultés expérimentales et qu'el- les peuvent changer considérablement suivant les circonstances exactes des expériences C'est pourquoi de telles courbes doivent être interprétées en tenant compte qu'il est possible que des erreurs expérimentales anormalement grandes ont été commises lors de leur établissement précis, ce qui doit inci- ter à prendre une marge de sécurité considérable lors de l'établissement de projets.
Puisque le nouveau tube travaille avec un produit pd (pression par distance) plus élevé que le produit correspondant à la tension de rupture minimum, il s'ensuit que le tube fonctionne à une température de condensation à l'état d'équilibre final qui est plus élevée que la température correspondant au pointde tension de rupture minimum de la courbe- La tension continue de sortie du tube est habituellement environ la moitié de la tension qu'il subit bendant les périodes de non-conduction, et par conséquent la tension continue nominale admissible est environ la moitié de la tension de rupture minimum, plus ou moins;. suivant les connexions du transformateur et la forme de l'onde.
A ce point de vue, le rubidium a probablement un avantage sur le césium, puis- que sa tension de rupture minimum est plus élevée, si le tube doit être prévu pour la tension continue de sortie la plus haute possible. '
La description ci-dessus montre que le nouveau tube redresseur à métal alcalin est intéressant dans la gamme des basses tensions de l'ordre de 100 volts ou moins, ou avec des tensions inverses de pointe de l'ordre de 100 à 200 volts.
Le tube a un point de fonctionnement correspondant à un produit pd qui est supérieur au produit correspondant à la tension de rupture minimum, cette condition étant réalisée en utilisant un réfrigérateur extérieur pour le le peint le plus froid qui possède le pouvoir de transmission de chaleur appro- prié de façon à permettre au tube de fonctionner assez chaud, afin de produire une tension de vapeur p suffisante pour amener la valeur pd à la hauteur vou- 1 ,le.
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La température de condensation élevée et, par conséquent, la tension de vapeur élevée dans le tube augmentent très sérieusement la ca- pacité du tube en courant, ou l'émissivité de la cathode exprimée en courant par unité de surface, ce qui donne un quintuplage du courant nominal du tu- be, comparé aux tubes travaillant à des températures de condensation plus basses qui placent le produit pd dans la partie verticale initiale de la cour- be rupture-pd. Comme la température de condensation (et donc la tension de va- peur) est augmentée pour obtenir des d"bits plus élevés, la chute de tension d'arc dans le tube augmente, mais beaucoup plus lentement, et l'augmentation de débit importante est donc obtenue au prix d'une légère baisse du rendement.
En général, le courant nominal ne doit pas être augmenté au delà de la valeur correspondant à une tension de vapeur de 4.000 microns de mercure, et un tube avec un rendement légèrement meilleur peut être obtenu si la tension de vapeur est maintenue aux environs de 1.000 microns de mercure, comme il a été dit.
Puisque le nouveau tube à fort courant et pression élevée tra- vaille à une température plus haute qu'auparavant, il est plus facile de le refroidir, sans devoir recourir à des réfrigérateurs extérieurs compliqués, et le tube convient donc bien à des installations légères dans lesquelles tout refroidissement doit se faire par conduction avec l'atmosphère ambian- te.
L'emploi d'un métal de décharge à chute d'arc faible, choisi dans le groupe césium, rubidium et potassium permet au tube d'avoir un bon rende- ment, même s'il est utilisé aux tensions relativement basses pour lesquelles le nouveau tube est prévu, ces tubes pouvant concurrencer les redresseurs mé- caniques utilisés dans le domaine de la basse tension.
REVENDICATIONS.
1. Dispositif électrique à atmosphère de vapeur, à fort courant et faible tension, comprenant une enveloppe évacuée comportant une partie cathodique, et un scellement isolant-métal entre les deux parties, une quan- tité d'un métal de décharge choisi dans le groupe césium, rubidium et potas- sium, un moyen de chauffage pour chauffer la partie émissive active de la ca- thode, et un réfrigérateur de la partie la plus froide de la surface servant à refroidir une partie interne du dispositif à une température inférieure à celle de toute autre partie interne du dispositif pendant le fonctionnement de celui-ci, de manière à établir une surface de condensation pour le métal de décharge et pour régler la tension de vapeur de régime du métal de décharge,
caractérisé en ce que le réfrigérateur de la surface la plus froide a un pou- voir de réfrigération tel que la température de la dite surface la plus froi- de soit au moins égale à la température à laquelle la tension de vapeur du mé- tal de décharge est d'environ 1.000 microns de mercure.