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ELECTRODES BLINDEES POUR L'AMORCAGE D'ARCS DANS LES IGNITRONS A METAUX
ALCALINS
La présente invention concerne les ignitrons à métaux alcalins du type utilisant des dispositifs d'amorçage d'arc ou igniteurs chauds.
Un ignitron est un dispositif à arc dans une atmosphère de vapeur au tube redresseur à conduction asymétrique, contenant une seule anode principale et un bain cathodique, et se caractérise en ce que sa chute de tension interne due à 1'arc est beaucoup plus faible, et par conséquent son rendement beaucoup plus élevé, que dans un tube redresseur à anodes multiples.
Quand la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer est du césium, ou un méalnge de métaux contenant du césium ou un des autres métaux du groupe des métaux alcalins composé du césium, du rubidium et du potassium.., la chute de tension interne est habituellement inférieure à la moitié de la chute de tension dans un tube à bain de mercure de type correspondante ce qui signifie des rendements encore plus élevéso
Les trois métaux alcalins césium, rubidium et potassium constituent. une classe plus ou moins distincte en eux-mèmes, qui peut être définie comme celle des métaux alcalins ayant une structure atomique à quatre, cinq et six orbites respectivement, ou encore la classe des métaux alcalins stables ayant plus de trois orbites.
En pratique, le développement des tubes à bain cathodique à métaux alcalins a rencontré de nombreuses difficultés, dont une importante, la difficulté de trouver un dispositif d'amorçage d'arc ou igniteur convenable.
La présente invention est un perfectionnement du principe général d'utiliser une électrode d'amorçage d'arc à filament chauffé dont une extrémité est plongée dans un bain cathodique à métal alcalin.
La présente invention a pour but principal de procurer un écran placé dans le voisinage de la cathode chaude d'amorçage d'arc, cet écran étant,
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de préférence, pourvu d'un bord situé près de la partie du bain cathodique entourant immédiatement le point d'immersion de la cathode chaude. Cet écran sert à transférer la tache d'arc de l'électrode d'amorçage à une partie de la surface du bain cathodique qui ne se trouve plus sous l'influence de 1, écran, de manière à empêcher que la tache cathodique ne se fixe sur 1,électrode d'amorçage ou même sur le point d'immersion de celle-ci, ce qui était un des inconvénients des amorceurs d'arcs à cathode chaude pour ignitrons à métaux alcalins.
La figure unique du dessin annexé est une vue très simplifiée et un peu schématique des circuits et appareils constituant une forme d'exécution, donnée à titre d'exemple, du tube lui-même et de circuits extérieurs pouvant être utilisés avec lui.
Le dessin représente un dispositif à arc dans une atmosphère de vapeur à conduction asymétrique ou ignitron, comprenant un récipient sous vide 1 contenant deux, et uniquement deux électrodes principales, une anode principale 2 et un bain cathodique 3. Ce dernier est représenté au fond d'une partie d'enveloppe 4 de cathode ayant la-forme d'une cuvette métallique qui peut être faite en acier ou une autre matière, refroidie par air par exposition directe à l'atmosphère ambiante ou par tout autre moyen convenable L'anode 2 est représentée sous la forme d'une cuvette en acier 5, dont le fond constitue la partie active de l'anode 20 L'extrémité supérieure de la cuvette anodique 5 est réunie de façon isolante et hermétique à l'extrémité supérieure de la cuvette cathodique 4,
au moyen d'un scellement isolant 6 comprenant un isolateur tubulaire 7, qui peut être en verre, et des joints métalliques flexibles 8 et 9; ceci constitue l'ensemble du récipient sous vide 1.
Le bain cathodique 3 peut consister en un bain réel ou en une éponge poreuse en une matière en substance non vaporisable, retenant en elle au moins la partie active de la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer. Le tout ou la partie active de la matière cathodique vaporis a- ble propre à se reconstituer utilisée dans le tube perfectionné de la présen- te invention, est un métal choisi dans le groupe précité des métaux alcalins césium, rubidium et potassium.
Le récipient sous vide 1 contient aussi une électrode d'amorçage auxiliaire Il. La partie active de cette électrode d'amorçage est un filament allongé ou fil 12 pouvant être utilisé comme cathode chaude de surface limitée. L'extrémité inférieure du filament 12 est plongée dans le bain cathodique 3. La partie non immergée ou supérieure du filament est portée par une tige ou un fil rigide de connexion de filament 13 maintenu par un bras ou goulot latéral isolé 14 sortant latéralement de la cuvette cathodique 4.
Le tube de la présente invention, dans sa forme la plus commerciale, comprend aussi une grille représentée schématiquement en 15 par un grillage rigide ou équivalent, qui s'étend pratiquement en travers de toute la cuvette cathodique 4, à un niveau intermédiaire entre le dessus du filament 12 et le bas de l'anode 2. Comme le dessin le montre, la grille 15 est soutenue par un fil ou tige rigide 16 de connexion de grille, fixé lui-même à un bras ou goulot isolé 17 qui sort latéralement de la cuvette cathodique 4.
Suivant la présente invention, le filament 12 est pourvu d'un écran représenté sous la forme d'une cloche 18 rigidement fixée, à sa partie supérieure, entre l'extrémité supérieure du filament 12 et le fil ou tige support de filament 13. La cloche-écran 18 est donc placée dans le voisinage de la cathode chaude ou filament 12. Dans la forme d'exécution représentée, le bord inférieur de la cloche 18 vient tout près de la surface de la partie du bain cathodique 3 qui entoure immédiatement le point d'immersion du fi- - lament 12. La cloche-écran 18 peut être faite en métal ou en une matière isolante.
Quoique l'écran 18 soit représenté relié mécaniquement et électriquement à la tige-support 13 du filament 12, il va de soi que l'écran peut être fixé séparément, et être pourvu de sa propre borne de connexion (non
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représentée), isolée du filament. Il va de soi aussi que la présente inven- tion n'est pas limitée à un écran en forme de cloche, comme représenté au dessin . comme la matière cathodique active est l'un des trois métaux al- calins césium, potassium et rubidium, il faut veiller avec attention à la nature de toutes les parties métalliques ou surfaces intérieures du tube portées à haute température, qui sera différente suivant que ces surfaces doivent ou non émettre des électrons.
Les cuvettes anodique 5 et cathodi- que 4 refroidies à l'air, ne sont pas portées à des températures suffisantes pour entrer dans cette catégorie.
Le filament chauffé 12 aura, de préférence, une bonne émissivité électronique sous faible énergie, à cause de la présence de la vapeur du métal cathodique particulièrement actif utilisé. Cette caractéristique spéciale d'émissivité est attribuée à une couche mono-atomique de métal cathodique, du césium par exemple, qui adhère à la surface du filament chauffé et permet à celui-ci d'émettre des électrons sous faible énergie d'excitation, à des températures bien inférieures à la température d'émissionthermionique du métal de la surface propre du filament, sans la présence de la couche active de césium.
Pour que cette couche supposée monoatomique de métal alcalin puisse se former sur la surface chaude du filament, il faut qu'au moins la surface du filament soit en un métal qui a une fonction de travail supérieure au potentiel d'ionisation du métal alcalin utilisé.
Il est d'autre part souhaitable que les autres surfaces métalliques portées à haute température à l'intérieur du tube, à l'exclusion du filament 12, n'émettent pas d'électrons, et le métal de ces surfaces doit être choisi dans les métaux à faible tension de vapeur et haut point de fusion disponibles ayant une fonction de travail inférieure au potentiel d'ionisation du métal alcalin utilisé. Gomme parties métalliques non émissives chaudes, on peut citer le fil ou tige de connexion de filament 13, la grille 15, habituellement au moins le bout intérieur du fil ou tige de connexion de grille 16 et l'écran 18, s'il est fait en métal.
Le tableau suivant donne les fonctions de travail des métaux disponibles à haut point de fusion et faible tension de vapeur, comparées aux potentiels d'ionisation des trois métaux alcalins, césium, rubidium et po- tassium.
Fonctions de travail des métaux à haut point de fusion et faible tension de vapeur, comparées aux potentiels d'ionisation des césium, rubidium et potassium.
EMI3.1
<tb>
<tb>
Metal <SEP> Fonction <SEP> de <SEP> travail <SEP> Potentiel
<tb> en <SEP> d'ionisation
<tb> électron-volts <SEP> en <SEP> volts
<tb> platinum <SEP> Pt <SEP> 5 <SEP> ,29 <SEP>
<tb> rhénium <SEP> Re <SEP> 5,1
<tb> nickel <SEP> Ni <SEP> 4,84
<tb> palladium <SEP> Pd <SEP> 4,82
<tb> rhodium <SEP> Rh <SEP> 4,65
<tb> iridium <SEP> Is <SEP> 4,57
<tb> osmium <SEP> Os <SEP> 4,55
<tb> ruthenium <SEP> Ru <SEP> 4,52
<tb> tungsten <SEP> W <SEP> 4,50
<tb> fer <SEP> Fe <SEP> 4,36
<tb> potassium <SEP> K <SEP> --- <SEP> 4,32
<tb> -molybdenum <SEP> Mo <SEP> 4,27
<tb> cobalt <SEP> Co <SEP> 4,18
<tb>
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EMI4.1
<tb>
<tb> rubidium <SEP> Rb <SEP> @ <SEP> 4,16
<tb> tantalum <SEP> Ta <SEP> 4,12
<tb> vanadium <SEP> V <SEP> 4,11
<tb> titanium <SEP> Ti <SEP> 4.09
<tb> columbium <SEP> Cb <SEP> 3.99
<tb> cesium <SEP> Co <SEP> --- <SEP> 3.88
<tb> zirconium <SEP> Zr <SEP> 3,
84
<tb> hafnium <SEP> Hf <SEP> 3,53
<tb> thorium <SEP> Th <SEP> 3,41
<tb> béryllium <SEP> Be <SEP> 3,37
<tb>
EMI4.2
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Le dessin représente aussi, à titre d'exemple, un circuit extérieur pouvant être utilisé avec le tube perfectionné de l'invention. Une ligne d'alimentation polyphasée 21 alimente le tube par1'intermédiaire d'un transformateur de puissance triangle-étoile 23 à trois bornes secondaires S1, S2 et S3, La cuvette anodique 5 est reliée à la borne S1 Les bornes S2 et S3 sont reliées aux cuvettes anodiques de deux autres tubes semblables (non représentés). Le point neutre du secondaire du transformateur constitue le négatif ou retour L2 du circuit de charge à courant continu alimenté par le tube redresseur.
Les cuvettes cathodiques 4 des différents tubes sont réunies au positif ou fil aller L1 du circuit de charge à courant continu .
La cathode chaude ou filament 12 est chauffée par du courant de chauffage basse tension provenant de toute source convenable de courant de chauffage continu ou alternatif, et si continu, de l'une ou de l'autre polarité, les deux présentant des avantages et des inconvénients. La source de chauffage de filament représentée est à courant alternatif et se présente sous la forme d'un transformateur de chauffage de filament 24 alimenté par une des phases de la ligne polyphasée 21.
La grille 15, si elle est utilisée, peut être commandée de toute manière convenable. Le circuit représenté est un circuit de commande de grille classique, dans lequel un transformateur triangle-étoile de commande de grille 25 est alimenté par la ligne polyphasée 21, à travers un déphaseur 26. La tige de connexion de grille 16, dans le support 17, est alimentée par une phase secondaire convenable du transformateur de commande de grille 25, par l'intermédiaire d'une résistance de grille 27 et d'une polarisation de grille négative convenable, comme une batterie B.
Aux fins de l'invention, la description suivante du fonctionnement général d'un ignitron à métal alcalin et dispositif d'amorçage d'arc ou igniteur à filament chaud immergé suffira. Le filament 12 est maintenu à une température de travail convenable pendant toute la durée de marche du dispositif. La température de travail du filament est nécessairement supérieure au point d'ébullition de la matière cathodique active utilisée, et la température de travail maximum du point le plus chaud du filament est habituellement inférieure aux températures d'émission électronique incandes-. cente qui caractérisent les émetteurs thermioniques non recouverts de métal alcalin.
Il va de soi que les deux extrémités du filament 12 sont plus froides que la partie milieu, l'extrémité immergée étant refroidie par le bain cathodique 3 et l'extrémité non immergée étant refroidie par la conduction thermique du fil ou tige de connexion de filament 13 relativement massif.
Chaque période de conduction du tube commence au moment où la grille 15 devient assez positive, quand l'anode 2 est elle-même positive par rapport à la cathode 3. Avant ce moment, le filament chaud 12, en l'absence d' un gradient de potentiel négatif-positif suffisant dans le champ électrostatique entourant immédiatement le filament, perd trop peu d'électrons que pour former une tache cathodique. Quand la grille 15 devient positive, au contraire, du courant électronique est pris au filament. Le courant maximum
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pouvant être tiré du filament par émission thermionique, ou par une émis- sion thermionique renforcée par un gradient de potentiel, est très faible comparé au courant de charge demandé par le circuit extérieur.
Une diffé- rence de potentiel importante apparaît rapidement entre l'espace entourant de près le filament et le filament même. Le gradient de potentiel élevé et le bombardement de la cathode par des ions positifs qui en résultent, pro- duisent une tache cathodique d'un arc à haute densité de courant, sur le fi- lament
Il peut se faire, à cause de la surface et de l'émissivité élec- tronique limitées du filament, que 1'émission électronique puissante tirée du filament évapore ou dissipe pratiquement instantanément la pellicule supposée monoatomique de matière cathodique qui s'était déposée sur le fi- lament,pendant la période précédente de non-conduction du tube.
Quand la pellicule de métal alcalin se dissipe, le bord de la pellicule peut reculer vers le point d'immersion du filament, et la tache caonodique peut être transférée ainsi du filament au bain cathodique 3, ce transfert se faisant quasi instantanément au début de la période de conduction décrite. Ou bien la tache cathodique peut même atteindre le bain, en devançant le bord limite de la pellicule de métal alcalin.
Il est habituellement essentiel, dans ce genre de tube, de prévoir une protection qui empêche le filament de garder, sur lui, la tache cathodique après le début de l'amorçage et pendant la période de conduction qui suit. Il est de même très souhaitable, d'empêcher la tache cathodique de se fixer sur le bain, au point d'immersion du filament. A cet effet, l'écran 18 prévu est considéré comme une partie nécessaire, ou très importante, de tout tube satisfaisant utilisant une cathode chaude allongée ou filament 12 immergé et un bain cathodique 3 à matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, dont une partie active est un métal choisi dans le groupe comprenant le césium, le potassium et le rubidium.
La présence de la chicane ou écran 18 dans le voisinage immédiat de l'électrode d'amorçage d'arc 12 relève la chute de tension totale du courant allant de l'anode principale 2 à une tache cathodique se trouvant en toute région protégée par la chicane ou écran 18, de sorte qu'une telle chute de tension soit supérieure à la chute de tension totale dans le cas d'une tache cathodique mieux située en d'autres points du bain cathodique 3, et la tache cathodique a tendance de s'y transférer, s'écartant par le fait même de l'électrode d'amorçage 12. Il va de soi qu'il se forme, sur la surface libre ou non protégée du bain cathodique, autant de taches cathodiques qu' il en est demandé, par le courant continu total de charge, comme dans le cas des autres redresseurs à bain.
Quoiqu'une seule forme d'exécution de tube et de circuit extérieur ait été décrite à titre d'exemple, et quoique cette représentation soit très simplifiée, des détails ayant été omis, comme les commutateurs, les dispositifs de réfrigération, les réglages de température, les blindages et bien d'autres éléments normalement utilisés et connus, il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la présente invention relatives à ces détails ainsi qu'à d'autres points de vue, comme la substitution d'éléments équivalents et l'ajoute ou l'omission de diverses parties.
EMI5.1
R V E N i I A T I 0 N S
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.