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BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY S.A., résidant à ANVERS.
TUBE A DECHARGE GAZEUSE.
La présente invention est relative aux systèmes pour la trans- mission de l'énergie haute fréquence, et plus particulièrement aux systèmes utilisant un tube à décharge en atmosphère gazeuse comme élément de la li- gne de transmission pour haute fréquence.
Il a été proposé jusqu'ici d'utiliser un plasma de décharge ga- zeuse provoqué dans un tube à décharge en atmosphère gazeuse pour transmet- tre l'énergie d'ondes haute fréquence entre deux électrodes immergées dans le gaz. Après l'ionisation d'un gaz rare provoquée par l'application d'un potentiel de décharge entre les électrodes immergées dans le gaz, il existe une condition de quasi-stabilité entre le nombre des électrodes libérés dans la décharge et le nombre des électrons se diffusant jusqu'aux parois du tu- be à décharge en plus des électrons qui sont perdus pour la décharge par suite d'autres phénomènes, par exemple le captage électro-négatif.
Après l'extinction de la décharge un temps déterminé est nécessaire pour que les électrons résiduels se dispersent hors de l'espace compris entre les élec- trodes jusqu'aux parois du tube, ou disparaissent en raison de la recombi- naison. Si la nature du gaz, sa pression et la densité initiale des élec- trons sont maintenus constants la densité des électrons dans l'espace com- pris entre les électrodes est fonction du temps et va en décroissant depuis la valeur atteinte durant la décharge jusqu'à zéro.
Du fait que la conduc- tibilité haute fréquence d'un tel plasma à décharge gazeuse est fonction de la densité des électrons dans l'espace conducteur et que l'existence d'un plasma de décharge est seulement incidente aux phénomènes de conduction de haute fréquence (nécessaire en premier lieu comme base pour une charge d'es- pace électronique importante et comme moyen pour la production continuelle du nombre important d'électrons nécessaires) il est possible qu'un tube à
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décharge en atmosphère gazeuse soit conducteur de l'énergle-haute-fréquen- ce après l'extinction de la décharge provoquant l'ionisation, à condition qu'il existe encore dans l'espace une charge électronique suffisamment im- portante.
Lorsqu'on désire moduler par impulsions l'énergie haute fréquen- ce d'entrée en fonction de l'ionisation du milieu gazeux dans un tube à dé- charge en atmosphère gazeuse, la conductivité résiduelle du plasma gazeux provoque pour les impulsions de sortie une durée plus longue que celle des impulsions de modulation provoquant l'ionisation. De plus, le temps défini nécessaire pour la diffusion ou la disparition des électrons résiduels ré- duit le caractère abrupt du front arrière de l'impulsion de sortie.
L'un des objets de la présente invention est de prévoir un dis- positif à décharge et atmosphère gazeuse pour la modulation des impulsions haute fréquence, capable de réduire de façon substantielle la durée du temps résiduel des impulsions haute fréquence de sortie observée jusqu'ici dans les dispositifs à décharge en atmosphère gazeuse.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispo- sitif à décharge-en-atmosphère gazeuse pour la modulation de l'énergie hau- te fréquence, capable de produire des impulsions de sortie présentant un front arrière abrupt.
Un autre objet de la présente invention est encore de prévoir une méthode et des moyens permettant de commander la durée du temps résiduel et la forme des impulsions de sortie haute fréquence de l'énergie haute fré- quence traversant un dispositif à décharge en atmosphère gazeuse auquel est appliqué un potentiel d'ionisation puisé.
L'une des caractéristiques de la présente invention réside dans l'utilisation d'un tube à décharge en atmosphère gazeuse comme élément d'une ligne pour la transmission d'énergie haute fréquence, auquel est appliqué un potentiel d'ionisation pulsé et qui est capable de modifier la forme et/ou la durée du temps résiduel des impulsions haute fréquence de sortie, lorsque l'énergie haute fréquence est couplée à la ligne de transmission, grâce à l'utilisation comme milieu ionisable contenu dans le tube de divers mélan - ges de gaz, ce qui permet de modifier les caractéristiques du plasma de dé- charge gazeuse en désintégration résultant de l'ionisation.
Les objets et caractéristiques de la présente invention appar- rattront plus clairement en se référant à la description suivante d'exem- les de réalisation ladite description étant faite en relation avec les des- sins ci-annexés dans lesquels ;
La fig. 1 montre sous une forme schématique un exemple de réali- sation de la présente invention.
Les figs. 2 et 3 montrent des graphiques aidant à comprendre l'invention.
On sait que lorsqu'un milieu ionisable, tel qu'un gaz, contenu dans une ampoule ou enveloppe est soumis à un potentiel ionisant approprié, il se produit à l'intérieur dudit milieu un plasma ou zone qui contient pra- tiquement un nombre égal d'ions positifs et d'électrons en plus des molécu- les de gaz. La présente invention est particulièrement utile lorsque ce plasma de décharge gazeuse forme une partie du conducteur central d'une li- gne de transmission coaxiale, bien que sous son aspect général, le champ d'application de la présente invention n'est pas nécessairement limité à cette propriété. Par conséquent, la fig. 1 montre, uniquement à titre d'il- lustration, une ligne coaxiale pour la transmission des ondes mettant en oeuvre la présente invention.
Sur cette figure le bloc 1 représente une source quelconque d'énergie d'ondes haute fréquence ainsi que le montre la courbe A, et le bloc 2 représente un dispositif quelconque d'équipement ter- minal de charge haute fréquence auquel l'énergie haute fréquence doit être transmise depuis la source 1. La source 1 est connectée à l'équipement 2
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par une ligne coaxiale de transmission présentant un conducteur extérieur ou tube creux 3 et un conducteur central ou intérieur 4; de préférence, et bien que cela ne soit pas nécessaire, le conducteur intérieur 4 se présente également sous la forme d'un tube creux. Le conducteur intérieur 4 présen- te entre ses extrémités un espace qui est occupé par un tube à décharge en atmosphère gazeuse 5.
Le tube 5 est constitué par une enveloppe de verre et son diamètre intérieur est approximativement le même que le diamètre exté- rieur du conducteur.intérieur 4. Un conducteur d'entrée 6 auquel est fixéeune cathode en forme de coupelle 7 est scelléaune extrémité du tube 5 qu'il traverse.
L'extrémité opposée du tube 5 est scellée à une anode 8 constituée par un culot métallique. On fait le vide dans le tube 5 au moyen d'une pompe à vide 9 reliée à celui-ci par une couverture 10 ménagée dans sa paroi au moyen d'un conduit 11 et d'un robinet lla. Un milieu gazeux approprié est introduit dans le tube 5 évacué, par un conduit 12 venant du réservoir 13. L'introduc- tion du milieu gazeux et commandée par le robinet 14. Habituellement ce milieu gazeux est constitué par un gaz rare tel que le néon, l'argon, le crypton ou l'hélium, ou un mélange de ceux-ci, introduit sous une pression prédéterminée et appropriée, par exemple égale à 1 m/m de mercure.
L'extré- mité de la cathode du tube 5 est pourvue sur sa surface extérieure d'un re- vêtement métallique ou autre revêtement conducteur 15 encerclant la zone de la cathode 7. L'extrémité de la cathode du tube 5 est conçue de manière à pouvoir pénétrer télescopiquement dans l'extrémité ouverte du conducteur intérieur 4, et si on le désire le conducteur 4 peut être un conducteur flexible à parois minces comme indiqué en 16 de manière à produire un bon contact électrique avec le dit tube. De même le culot 8 peut pénétrer té- lescopiquement dans la section correspondante du conducteur intérieur 4 afin de produire un bon contact électrique avec celui-ci.
Selon le fonctionnement bien connu des tubes à décharge en at- mosphère gazeuse un potentiel de décharge provenant de la source 17 peut être appliqué entre les électrodes 7 et 8 de manière à créer un plasma de décharge gazeuse. De préférence une bobine de choc haute fréquence 18 est connectée entre la cathode 7 et la source de potentiel ionisant de manière à ce que l'énergie haute fréquence provenant de la source 1 passe à travers le conducteur intérieur 4 et le revêtement 15 à la cathode 7 par couplage capacitif. Cette énergie haute fréquence traverse le plasma gazeux à l'in- térieur du tube 5 jusqu'à l'anode 8 et de là jusqu'à la charge haute fréq- quence 2.
Si le potentiel d'ionisation appliqué entre les électrodes 7 et 8 est pulsé ainsi que le montre la courbe B, l'énergie haute fréquence d'en- trée est modulée par impulsions. Cependant ainsi qu'il a déjà été expliqué en raison des électrons résiduels présents dans la plasma, les impulsions haute fréquence de sortie sont d'une durée plus longue et ont des fronts arrières plus longs que les impulsions de modulation'montrées par la courbe C.
Si l'on se réfère à la fig. 2 qui montre le graphique de la den- sité d'électrons en fonction du temps, on voit que lorsqu'un potentiel d'io- nisation est appliqué entre la cathode 7 et l'anode 8, il permet à l'énergie haute fréquence de la source 1 de passer à travers le plasma gazeux à l'in- térieur du tube 5 jusqu'à l'anode 8 et de là à la charge 2. Si le potentiel d'ionisation est supprimé des électrodes à l'instant t1, une charge d'espa- ce latente existe qui permet au tube à décharge en atmosphère gazeuse d'ê- tre conducteur de l'énergie haute fréquence après la suppression du poten- tiel de décharge. Après la suppression du potentiel de décharge, la densi- té de la charge d'espace électronique décroît avec le temps ainsi que le montre la courbe D.
Si l'énergie haute fréquence traverse le décharge ga- zeuse, elle continue à être transmise jusqu'à ce que la charge d'espace é- lectronique ne soit plus conductrice de l'énergie haute fréquence d'entrée réprésentée graphiquement par une densité d'électrons 12, qui n'est pas suf- fisante pour transmettre l'énergie haute fréquence d'entrée, celle-ci étant lors mise hors circuit ainsi que le montre la courbe E. L'énergie haute
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fréquence d'entrée présente une amplitude maximum aussi longtemps que la densité d'électrons est suffisante pour la conduction de l'énergie haute fréquence, c'est-à-dire jusqu'à ce que la densité d'électrons se détériore jusqu'au point 12.
Lorsque la densité d'électrons se détériore au temps t2 jusqu'au point de coupure 12 l'amplitude d'impulsions décroît graduelle- ment jusqu'à zéro ce qui fait perdre au front arrière son caractère abrupt.
Dans de nombreuses applications ce front arrière à détérioration graduelle est indésirable.
La demanderesse a découvert que l'addition de quantités prédé- terminées de molécules électro-négatives et/ou d'atomes au milieu ionisable habituel constitué par un gaz rare contenu dans le tube à décharge en atmos- phère gazeuse, provoque un accroissement du caractère abrupt du front arriè- re de l'impulsion haute fréquence d'entrée et réduit de plus la durée de pro- pagation de l'impulsion haute fréquence à travers le plasma après la suppres- sion du potentiel d'ionisation. Ceci est obtenu dans le dispositif montré à, la Fig. 1 en introduisant dans le tube 5 à travers le robinet 20, un gaz électronégatif provenant du réservoir 19. Les robinets 20 et 14 peuvent ê- tre réglés de manière à introduire dans le tube 5 les proportions pré-éta- blies des volumes des gaz provenant des réservoirs 13 et 19.
Si l'on se réfère à la fig. 3 on voit les caractéristiques du front arrière de la même impulsion de décharge traversant les divers milieux ionisables. La courbe F représente la forme du front arrière d'une impul- sion de sortie lorsqu'elle traverse le milieu ionisable habituel composé entièrement d-'un gaz rare, lorsque le potentiel ionisant a cessé à l'instant t1. On voit que la durée minimum de l'impulsion de sortie est plus grande que 100 microsecondes. Cependant l'addition de 5% de molécules électronéga- tives, par exemple O2 provoque pour le front arrière la caractéristique mon- trée à la courbe G. Cette addition de 5% de O2 permet à l'impulsion haute fréquence de sortie d'avoir une durée pratiquement inférieure à 100 micro- secondes.
Naturellement l'impulsion provoquant l'ionisation peut être de n'importe quelle durée choisie, mais les courbes de la fig. 3 sont tracées en supposant que cette impulsion se termine à l'instant t1. Lorsque le vo- lume des molécules électronégatives est augmenté jusqu'à 50%; la forme de l'impulsion d'énergie haute fréquence est pratiquement celle montrée par la courbe H. Ce mélange de gaz permet d'obtenir une impulsion de sortie d'une durée minimum présentant un front arrière exceptionnellement abrupt.
L'addition de molécules électronégatives à un milieu ionisable provoque la dispersion rapide de la charge d'espace latente qui existe après la suppression du potentiel d'ionisation en raison de phénomène bien connu du captage électronégatif, ce qui permet d'atteindre dans un temps beaucoup plus court la densité de coupure de l'énergie d'entrée. Ainsi le mélange de gaz suivant des proportions prédéterminée modifie la charge d'espace a- près l'ionisation et altère les caractéristiques du plasma de décharge ga- zeuse en désintégration.
En plus de la modification des caractéristiques de forme de l'impulsion de l'énergie haute fréquence de sortie, l'addition de molécules électronégatives modifie la durée de l'impulsion de sortie. Lorsqu'on dé- sire obtenir des impulsions de sortie de la plus courte durée possible, l'ad- dition de molécules électronégatives au milieu ionisable amène l'impulsion de sortie à se rapprocher de très près de la durée de l'impulsion d'entrée en fonction naturellement des proportions du mélange. Ceci est virtuelle- ment impossible lorsque le milieu ionisable est constitué par des gaz rares à l'état pur.
Bien que les principes de la présente invention aient été dé- crits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que cette description est faite seulement à titre
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d'exemple et ne limite pas la portée de l' invention.
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BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY S.A., residing in ANTWERP.
GAS DISCHARGE TUBE.
The present invention relates to systems for the transmission of high frequency energy, and more particularly to systems using a gas atmosphere discharge tube as part of the high frequency transmission line.
Heretofore it has been proposed to use a gas discharge plasma induced in a gas atmosphere discharge tube to transmit high frequency wave energy between two electrodes immersed in the gas. After the ionization of a rare gas caused by the application of a discharge potential between the electrodes immersed in the gas, there is a condition of quasi-stability between the number of electrodes released in the discharge and the number of electrons diffusing to the walls of the discharge tube in addition to the electrons which are lost for the discharge as a result of other phenomena, for example electro-negative capture.
After the discharge has been extinguished, a determined time is necessary for the residual electrons to disperse outside the space between the electrodes up to the walls of the tube, or to disappear due to recombination. If the nature of the gas, its pressure and the initial density of the electrons are kept constant, the density of the electrons in the space between the electrodes is a function of time and decreases from the value reached during the discharge to to zero.
Because the high frequency conduc- tivity of such a gas discharge plasma is a function of the density of electrons in the conductive space and the existence of a discharge plasma is only incident to high frequency conduction phenomena (needed primarily as a basis for a large electron space charge and as a means for the continual production of the large number of electrons required) it is possible that a tube with
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discharge in a gas atmosphere is a conductor of high-frequency energy after the discharge causing ionization has been extinguished, provided that there is still a sufficiently large electronic charge in space.
When it is desired to pulse modulate the high-frequency input energy as a function of the ionization of the gaseous medium in a discharge tube in a gaseous atmosphere, the residual conductivity of the gas plasma causes an output pulse for the output pulses. longer than the modulation pulses causing ionization. In addition, the defined time required for the diffusion or disappearance of residual electrons reduces the abrupt character of the trailing edge of the output pulse.
One of the objects of the present invention is to provide a gas atmosphere and discharge device for the modulation of high frequency pulses, capable of substantially reducing the duration of the residual time of high frequency output pulses observed so far. in gas discharge devices.
Another object of the present invention is to provide a gas atmosphere discharge device for modulating high frequency energy capable of producing output pulses having a steep trailing edge.
Yet another object of the present invention is to provide a method and means for controlling the duration of the residual time and the shape of the high frequency output pulses of the high frequency energy passing through a gas discharge device at which a pulsed ionization potential is applied.
One of the features of the present invention is the use of a gas atmosphere discharge tube as part of a line for the transmission of high frequency energy, to which a pulsed ionization potential is applied and which is capable of changing the shape and / or duration of the residual time of the output high frequency pulses, when the high frequency energy is coupled to the transmission line, through the use as an ionizable medium contained in the tube of various melan - ges, which makes it possible to modify the characteristics of the decaying gas discharge plasma resulting from ionization.
The objects and characteristics of the present invention will emerge more clearly by referring to the following description of exemplary embodiments, said description being given in relation to the accompanying drawings in which;
Fig. 1 shows in schematic form an exemplary embodiment of the present invention.
Figs. 2 and 3 show graphics to help understand the invention.
It is known that when an ionizable medium, such as a gas, contained in an ampoule or envelope is subjected to an appropriate ionizing potential, there is produced inside said medium a plasma or zone which contains practically an equal number. positive ions and electrons in addition to gas molecules. The present invention is particularly useful when this gas discharge plasma forms part of the center conductor of a coaxial transmission line, although in its general aspect the scope of the present invention is not necessarily limited. to this property. Therefore, fig. 1 shows, by way of illustration only, a coaxial line for the transmission of waves embodying the present invention.
In this figure block 1 represents any source of high frequency wave energy as shown by curve A, and block 2 represents any device of high frequency load terminal equipment to which the high frequency energy must be transmitted from source 1. Source 1 is connected to device 2
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by a coaxial transmission line having an outer conductor or hollow tube 3 and a central or inner conductor 4; preferably, and although this is not necessary, the inner conductor 4 is also in the form of a hollow tube. The inner conductor 4 has between its ends a space which is occupied by a gas atmosphere discharge tube 5.
Tube 5 is made of a glass casing and its inner diameter is approximately the same as the outer diameter of the inner conductor 4. An input conductor 6 to which a cup-shaped cathode 7 is attached is sealed at one end of the tube. 5 it crosses.
The opposite end of tube 5 is sealed to an anode 8 formed by a metal base. A vacuum is created in the tube 5 by means of a vacuum pump 9 connected to the latter by a cover 10 formed in its wall by means of a conduit 11 and a valve 11a. An appropriate gaseous medium is introduced into the evacuated tube 5, via a conduit 12 coming from the reservoir 13. The introduction of the gaseous medium and controlled by the valve 14. Usually this gaseous medium consists of a rare gas such as neon. , argon, crypton or helium, or a mixture of these, introduced under a predetermined and appropriate pressure, for example equal to 1 m / m of mercury.
The cathode end of tube 5 is provided on its outer surface with a metallic coating or other conductive coating 15 encircling the area of cathode 7. The cathode end of tube 5 is so designed. to be able to telescopically penetrate the open end of the inner conductor 4, and if desired the conductor 4 may be a thin-walled flexible conductor as indicated at 16 so as to produce good electrical contact with said tube. Likewise, the base 8 can telescopically penetrate the corresponding section of the inner conductor 4 in order to produce good electrical contact therewith.
According to the well known operation of gas atmosphere discharge tubes, a discharge potential from source 17 can be applied between electrodes 7 and 8 so as to create a gas discharge plasma. Preferably a high frequency shock coil 18 is connected between the cathode 7 and the source of ionizing potential so that the high frequency energy from the source 1 passes through the inner conductor 4 and the coating 15 at the cathode. 7 by capacitive coupling. This high frequency energy passes through the gas plasma inside tube 5 to anode 8 and thence to high frequency load 2.
If the ionization potential applied between electrodes 7 and 8 is pulsed as shown in curve B, the input high frequency energy is pulse modulated. However as already explained due to the residual electrons present in the plasma, the high frequency output pulses are of longer duration and have longer trailing edges than the modulating pulses shown by curve C. .
Referring to fig. 2 which shows the graph of the electron density as a function of time, it is seen that when an ionization potential is applied between cathode 7 and anode 8, it allows high frequency energy from source 1 to pass through the gas plasma inside tube 5 to anode 8 and from there to charge 2. If the ionization potential is removed from the electrodes at time t1 , a latent space charge exists which allows the gas discharge tube to conduct high frequency energy after removal of the discharge potential. After removal of the discharge potential, the density of the electronic space charge decreases with time as shown by curve D.
If high frequency energy passes through the gas discharge, it continues to be transmitted until the charge of electronic space is no longer conductive of the high frequency input energy graphically represented by a density d 'electrons 12, which is not sufficient to transmit the input high frequency energy, this being when switched off as shown by the curve E. The high energy
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input frequency has a maximum amplitude as long as the electron density is sufficient for the conduction of high frequency energy, that is, until the electron density deteriorates up to point 12.
When the electron density deteriorates at time t2 up to the cut-off point 12, the pulse amplitude gradually decreases to zero which causes the trailing edge to lose its abrupt character.
In many applications this gradually deteriorating trailing edge is undesirable.
The Applicant has discovered that the addition of predetermined quantities of electro-negative molecules and / or atoms to the usual ionizable medium consisting of a rare gas contained in the discharge tube in a gaseous atmosphere, causes an increase in the character. steeper of the trailing edge of the input high frequency pulse and further shortens the duration of propagation of the high frequency pulse through the plasma after removal of the ionization potential. This is obtained in the device shown in, FIG. 1 by introducing into the tube 5 through the tap 20, an electronegative gas coming from the reservoir 19. The taps 20 and 14 can be adjusted so as to introduce into the tube 5 the pre-established proportions of the gas volumes. from tanks 13 and 19.
Referring to fig. 3 shows the characteristics of the trailing front of the same discharge pulse passing through the various ionizable media. Curve F represents the shape of the trailing edge of an output pulse as it passes through the usual ionizable medium composed entirely of rare gas, when the ionizing potential has ceased at time t1. It can be seen that the minimum duration of the output pulse is greater than 100 microseconds. However, the addition of 5% of electronegative molecules, for example O2 causes for the trailing edge the characteristic shown in curve G. This addition of 5% of O2 allows the high frequency output pulse to have a duration practically less than 100 microseconds.
Of course the pulse causing ionization can be of any chosen duration, but the curves in fig. 3 are plotted assuming that this pulse ends at time t1. When the volume of electronegative molecules is increased up to 50%; the shape of the high frequency energy pulse is practically that shown by curve H. This gas mixture provides an output pulse of minimum duration with an exceptionally steep trailing edge.
The addition of electronegative molecules to an ionizable medium causes the rapid dispersion of the latent space charge that exists after the removal of the ionization potential due to the well-known phenomenon of electronegative capture, which allows to achieve in a time the cut-off density of the input energy is much shorter. Thus the mixture of gases in predetermined proportions modifies the space charge after ionization and alters the characteristics of the decaying gas discharge plasma.
In addition to changing the pulse shape characteristics of the output high frequency energy, the addition of electronegative molecules changes the duration of the output pulse. When it is desired to obtain output pulses of the shortest duration possible, the addition of electronegative molecules to the ionizable medium causes the output pulse to come very close to the duration of the pulse. naturally depending on the proportions of the mixture. This is virtually impossible when the ionizable medium consists of rare gases in the pure state.
Although the principles of the present invention have been described above in connection with a particular exemplary embodiment, it will be clearly understood that this description is made only by way of illustration.
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example and does not limit the scope of the invention.