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EMI1.1
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¯La présente invention concerne un oscillateur électronique pour la mesure des champs électriques et magnétiques. Elle concerne plus spécialement un appareil qui utilise l'action de champs de ce genre sur des électrons à faible énergie pour dériver une tension alternative dont la fréquence indique l'intensité de ces champs.
La plupart des procédés de mesure de champs électriques et magnétiques, y compris ceux utilisant des magnétrons cylindriques, présentent l'inconvénient d'exiger un appareil de mesure du courant ou de la tension d'une très grande sensibilité pour indiquer un courant ou un potentiel fonction du champ. Par exemple, dans
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des procédés de ce genre utilisant des magnétrons, il est connu de mesurer le potentiel du point de cut-off du magnétron et de lier ce potentiel à l'intensité du champ magnétique appliqué.
Le sens de l'expression "cut-off" est brièvement expliqué ci-après : des électrons sont émis par une cathode chauffée, dispo- sée axialement à l'intérieur d'une construction cylindrique qui, dans sa forme la plus simple, peut se présenter comme un cylindre lisse ; un potentiel positif est appliqué à ce cylindre par rapport à la cathode et, de ce fait, les électrons subissent une accélé- ration radiale vers le cylindre dénommé anode. (dans la présente demande, les expressions utilisées de préférence pour la cathode et l'anode sont : émetteur et collecteur). Les électrons émis sont recueillis par le cylindre et un courant circule dans un cir- cuit extérieur connecté entre le collecteur et l'émetteur.
En pré- sence d'un champ magnétique perpendiculaire à la direction du champ électrique, c'est-à-dire un champ axial parallèle à l'axe de l'émetteur et du collecteur,les électrons ont tendance à se mouvoir suivant une trajectoire circulaire dans le plan du champ électrique, et le rayon de l'orbite décrit par les électrons dimi- nue quand l'intensité du champ magnétique augmente; pour une in- tensité de champ magnétique donnée, fonction du potentiel électrique appliqué et du rayon du cylindre collecteur, les orbites décrits par les électrons se réduisent au point que les électrons, au lieu d'atteindre le collecteur, ne font que raser la surface intérieure de celui-ci, ce qui a pour résultat d'interrompre la circulation du courant dans le circuit extérieur;
des champs magnétiques encore plus intenses réduisent encore davantage les rayons des orbites électroniques et l'espace entre les électrodes retient les électrodes en mouvement jusqu'au moment où l'intensité du champ magnétique de- vient si élevée que la plus grande partie des électrons thermo- ioniques sont incapables de quitter la surface de l'émetteur.
En théorie, le point de eut-off devrait être extrêmement net, consistant en un arrêt brusque du courant collecteur ; en pratique cependant, la
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relation entre le eut-off et les champs électrique et magnétique dans un magnétron n'est pas une donnée précise, à cause de l'existence de facteurs de perturbation comme, par exemple, un mauvais alignement des éléments, soit l'aimant soit la concentricié de l'anode et de la cathode ; ou la forme non circu- laire de la section transversale de l'anode; le manque d'homogénéité du champ magnétique, et les effets d'extrémité ou d'iridenscence.
Ce genre de mesure présente une autre difficulté du fait que, lorsque le magnétron arrive au cut-off, ayant travaillé jusque là à l'état statique, il tend à osciller suivant un mode connu sous le nom d'oscillation cyclotronique ou d'oscillation par résonance électronique. Ce phénomène produit une fréquence dont la valeur est approximativement de 2,85 mégacycles par Gauss, et entraîne un étalement général du point de cut-off. Il s'ensuit qu'au lieu de passer brusquement d'une valeur constante à une valeur nulle au cut-off, le courant anodique se présente suivant une courbe ayant une pente nettement définie, dont les extrémités supérieure et in- férieure sont arrondies.
Il est donc rare de pouvoir déterminer expérimentalement le point de cut-off avec précision, à moins de ,prendre des précautions excessives qui ne peuvent être admises que dans un laboratoire de haute qualité. Il est donc impossible d'obtenin des mesures de champ p récises.
Les procédés basés sur la mesure de variations du courant d'un magnétron :provoquées par la variation de champs magnétiques ou électriques extérieurs, présentent encore l'inconvénient d'exi- ger que le champ électrique appliqué soit d'une constance absolue (le champ magnétique propre du magnétron étant supposé constant du fait de l'utilisation d'aimants permanents de haute qualité ac- tuellement disponibles).
En outre, comme la précision d'un dispositif de ce genre dépend de la précision de lecture de l'appareil de mesure final, ou de la constance du facteur d'amplification dans le cas d'utilisa- tion d'amplificateurs de tension continue pour augmenter la sensi- bilité, il serait plus intéressant de mesurer une quantité autre
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qu'un niveau de signal.
La présente invention propose.. pour supprimer ces diffi- cultes, de détecter des variations dans la fréquence d'une oscil- lation présente dans un magnétron en substance en l'absence de tension anodique, ces variations de fréquence étant, en général, uniquement liées à l'intensité du champ magnétique appliqué, quand le magnétron travaille dans des conditions d'application de champ électrique et/ou de potentiel de collecteur zéro, et à condition que d'autres paramètres, comme la température de l'émetteur, soient maintenus constants. Ce procédé a l'avantage de présenter une extrême sensibilité et de donner une indication sous la forme d'une fréquence, c'est-à-dire le paramètre électrique le plus facilement mesurable.
Différents types d'oscillations connues peuvent être pro- duits dans des appareils du genre magnétron. Jusqu'ici, la produc- tion de ces oscillations a toujours exigé un potentiel d'accélération généralement de l'ordre de plusieurs centaines ou milliers de volts, que l'on applique entre les collecteurs et l'émetteur. Un type d'oscillation est celui lié au phénomène de cut-off, notamment l'oscillation cyclotronique par électrons. Un autre type d'oscilla- tion a été noté par L. Posthumous et dénommé "Oscillation de ré- sonance"; cette oscillation se produit dans un magnétron au cut-off et est relativement indépendante des paramètres des circuits exté- rieurs.
La formule empirique approximative donnant la longueur d'onde ( @)de l'oscillation est : # =20H/V. où ( À ) est la longueur d'onde en centimètres ( H ) est le champ magnétique en Gauss.
( V ) est le potentiel anodique appliqué en volts.
On voit donc que la fréquence produite est inversement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique et proportionnelle au potentiel appliqué, puisque : f =c/# où (f) est la fréquence (c) est la vitesse de la lumière.
Ceci montre que des procédés possibles de mesure d'un
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champ magnétique consistent à utiliser soit l'oscillation cyclotronique soit l'oscillation de Posthumous, mais des calculs numériques démontrent clairement que la stabilité de l'alimentation du collecteur devient un facteur d'une énorme importance et rend ce procédé peu praticable pour des appareils portatifs ou sur avions. Dans le cas de l'oscillation de Posithumous, en prenant., pour la vitesse de la lumière, 2,99776 x 1010 centimètres par seconde, et en supposant un champ magnétique fixe de 400 Gauss et un potentiel de collecteur fixe de 200 volts, on peut démontrer que la fréquence de l'oscillation est de 74.931.500 périodes par seconde.
Une variation d'un volt positif dans le potentiel de collecteur augmente la fréquence de 389.230 périodes par seconde, tandis qu'une augmentation d'un Gauss dans l'intensité du champ magnétique diminue la fréquence de 174.400 périodes par seconde. Comme il faut mesurer des variations de l'ordre de 0,001 Gauss ou moins, on peut constater qu'à moins de prendre des précautions extraordinaires dans la stabilisation du potentiel de collecteur, les variations de tension d'alimentation suppriment toute possibilité de mesure. Des conclusions semblables peuvent être tirées dans le cas de l'oscillation cyclotronique.
Des expériences faites récemment par le présent inventeur ont démontré l'existence d'encore un autre type d'oscillation dans un appareil du genre magnétron dans le cas de champs magnétiques bien au-dessus du eut-off et un potentiel collecteur zéro, ce qui supprime les difficultés relatives aux tensions d'alimentation précitées. Ces ocillations produisent une fréquence qui est inversement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique et directement proportionnelle à la température de l'émetteur,, dans la gamme normale de fonctionnement.
Quoique ce type d'oscillation ait été détecté dans divers appareils du genre magnétron de formes géométriques différentes, dans certains tubes électroniques connus, et dans d'autres tubes spécialement étudiés pour produire ce type d'oscillation, la présence de cette- oscillation a été observée pour la première fois
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dans un tube "coulutateur à faisceau du type magnétron", ou type 6700 de la Burroughs Corporation, dans le cas d'un potentiel appliqué zéro et d'un champ magnétique bien au-dessus du cut-off. Une description du "commutateur à faisceau du type magnétron" est donnée dans l'article de John Bethke dans "Electronis", Avril 1956, et dans un article de S. P. Fan dans le "Journal of the British Institution of Radio Engineers", Vol.
XV, n 7, juillet 1955.
L'oscillation a été détectée en utilisant une des dix électrodes dénommées "spade" comme sonde, alors que toutes les autres "spades", "grilles" et "cibles" se trouvaient au potentiel émetteur.
La sonde était aussi reliée à l'émetteur par une résistance de charge aux bornes de laquelle le signal oscillant était prélevé ; les poten- tiels alternatifs prélevés par la sonde étaient envoyés à un amplificateur à haut gain et à large bande et étudiés soit sous la forme d'une onde apparaissant sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques soit sous la forme d'un son provenant d'un récepteur radio-électrique utilisant un oscillateur à fréquence de battement. Il a été constaté que n'importe laquelle des dix électrodes "spade" peut être utilisée comme sonde, et que le signal peut aussi être obtenu sur n'importe laquelle des cibles, mais à un niveau bien moindre; le niveau du signal "spade" est généralement compris entre 500 et 1000 microvolts pointe à pointe..
Les travaux de l'inventeur sont décrits plus en détail ciaprès avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue perspective d'un tube Burroughs type 6700 placé au centre d'un aimant permanent cylindrique.
La figure 2 représente le schéma d'un circuit pour la recherche d'oscillations dans un tube du type 6700.
La figure 3 représente le schéma d'un autre circuit pour la recherche d'oscillations dans un tube du type 6700.
Les figures 4, 5 et 6 sont des graphiques donnant les résultats des recherches mentionnées en dernier lieu.
La figure 7 est un schéma simplifié montrant l'utilisation
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d'une charge résomnaute avec le tube du type 6700.
La figure 8 représente schématiquement un tube commutateur à faisceau de Burroughs modifié.
La figure 9 est semblable à la figure 8 mais représente une autre façon de connecter le tube.
La figure 10 représente un magnétron à cavité.
La figure 11 est une coupe transversale schématique d'un tube à collecteurs extérieurs.
La figure 12 représente un magnétron du type à segments.
La figure 13 représente la disposition des électrodes d'un magnétron carré.
La figure 14 représente la disposition des électrodes d'un tube redresseur à double alternance 6X5.
La figure 15 représente la disposition des électrodes d'un tube électromètre.
La figure 16 représente les deux diodes d'un tube 6AV6.
Les figures 17 à 22 représentent diverses connexions d'un magnétron à anode fendue.
La figure 23 est une vue perspective d'un collecteur à fente.
Les figures 24 et 25 sont des vues schématiques de formes de collecteur proposées.
Les figures 26 à 32 représentent divers ensembles d'électrodes qui ont été expérimentés, et
Les figures 33, 34 et 3.5 sont des schémas de circuit de formes d'exécution dans lesquelles la fréquence de sortie est compensée au point de vue des variations dans l'émission électronique.
Durant les expériences précitées, le magnétron 51 était monté axialement à l'intérieur d'un aimant permanent cylindrique enveloppant 52, comme la figure 1 le montre. Les électrodes du magnétron consistaient'(voir figure 2) en un émetteur équipotentiel 53 à. chauffage indirect, une série de plaques cibles 54, une série de "spade" ou coupelles 55 et une série de grilles 56 le tout à µ'intérieur d'une enveloppe 1. Une des coupelles (portant la réfé-
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rence 55') servait de sondé et était reliée, par la résistance de charge 58 d'une valeur de 3300 ohms, à l'émetteur 53 qui était aussi connecté à la borne extérieure 61. Les coupelles restantes 55., les cibles 54 et les grilles 56 étaient toutes réunies entre elles et à la borne extérieure 60.
Le signal était prélevé aux 'bornes de la résistance 58 et envoyé à un amplificateur 59 à haut gain et à large bande et, de là, à la fois à un tube à rayons catho- diques 62 et à un récepteur radio-électrique 63 capable de détecter des signaux entre 300 kilocycles par seconde et 30 mégacycles par se- conde, et contenant un oscillateur à fréquence de battement de façon que le haut-parleur 64 puisse donner une fréquence de battement au- dible. Le circuit de chauffage n'est pas représenté, mais la prati- que a montré qu'il est préférable de relier un côté du chauffage à l'émetteur et de mettre ce côté à la terre ; en outre., quoique ceci ne constitue pas une partie essentielle de la présente invention, il est préférable que le filament de chauffage soit alimenté par une source de courant continu.
Durant la première expérience faite, les bornes 60 et 61 étaient réunies. Un aimant permanent cylindrique de 390 Gauss, polarisé suivant l'axe du cylindre, entourait le tube et une onde sinusoïdale apparaissait sur l'écran du tube à rayons cathodiques; en accordant le récepteur, on obtenait un battement zéro à la fréquence de 420 kilocycles par seconde. Le signal était légère- ment modulé en fréquence, puisqu'on entendait une certaine modulation et que la trace sur l'écran du tube à rayons cathodiques était floue.
L'analyse a montré que cette modulation se produisait à la fréquence du réseau et était communiquée aux champs par les appareils associés, ce qui montrait que le dispositif était très sensible aux variations du champ magnétique. Comme autre exemple de la sensibilité de l'os- cillateur aux variations du champ magnétique, on peut citer qu'une variation considérable de la fréquence a été observée quand l'ensemble) de l'appareil a été incliné dans le champ magnétique terrestre.
Dans une second expérience, une source de tension varia- gle à faible impédance a été reliée aux bornes 60 et 61, et il
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a été constaté que, lorsque l'émetteur est rendu plus négatif par rapport à l'ensemble collecteur, la fréquence de l'oscillation augmente, la relation suivant une loi linéaire dans une gamme d'environ 1,5 volts, après quoi l'oscillation cesse.
Il a aussi été observé que l'appareil est photosensible et répond aux champs électriques extérieurs comme ceux pouvant être produits en déplaçant un corps chargé dans le voisinage. Le tube,la résistance de charge etl'aimant ont donc été enfermés dans un bottier en aluminium plein, pour les soustraire à ces influences. Mais on peut donc constater que l'appareil peut être utilisé comme détecteur de champ électrique ou d'intensité de lumière, la sortie du détecteur se présentant sous la forme d'une fréquence. L'effet photoélectrique s'explique par le dépôt de la matière photosensible du getter que le tube contient; quand le tube est éclairé, il émet des photoélectrons, chargeant ainsi positivement la surface émettrice et créant un champ électrique ayant la polarité voulue pour augmenter la fréquence d'oscillation.
Une expérience a donc été faite comme représenté à la figure 3. Le tube de Burroughs type 6700 portant la référence 51 est placé au centre d'un solénolde 65 qui produit un champ en substan" ce parallèle à l'axe du tube. Une source de tension continue 68 alimente le solénoïde par l'intermédiaire.d'un ampèremètre 67 et d'un inverseur 66. Une résistance de charge RL d'une valeur de 4000 ohms est connectée entre la coupelle 55' et l'émetteur 53, cette résistance étant mise en série avec un potentiomètre alimenté par batterie, de façon à pouvoir appliquer à l'émetteur 53 un potentiel par rapport à la coupelle 55'. A cet effet, le potentiomètre 69 est relié à une batterie 70 par un inverseur 71.
La valeur du potentiel est donnée par le voltmètre 72 et le courant émetteur par l'ampèremètre 73. La tension apparaissant aux bornes de la résistance de charge RL est appliquée, par le câble coaxial 74, à un amplificateur 75 et, de là, à un oscilloscope 76. La sortie de l'amplificateur 75 est aussi envoyée, par des câbles coaxiaux 77,
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à un comparateur de fréquences 79. En pratique, ce comparateur de fréquences est l'oscillateur à fréquence de battement d'un récepteur de trafic permettant une détermination précise de la fréquence du signal de sortie. La référence 78 désigne un condensateur différen- tiel utilisé uniquement pour réduire le niveau du signal appliqué à ce récepteur.
Ces expériences ont montré que, dans le cas d'un tube du type 6700 utilisé de cette manière, la fréquence d'oscillation, pour un potentiel collecteur appliqué zéro, est inversement pro- portionnelle à l'intensité du champ magnétique et directement. proportionnelle à la température de l'émetteur. Pour une intensité de champ magnétique et une température d'émetteur constantes, la ..fréquence est directement proportionnelle au potentiel collecteur positif appliqué. Ainsi : (1) f = k/H, pour une température d'émetteur constante et un potentiel collecteur zéro.
(2) f = a+bEc,pour un champ magnétique et une température d'émetteur constants.
(3) f =p+qTe ,pour un champ magnétique constant et un potentiel collecteur zéro, où H est l'intensité du champ magnétique,
Ec le potentiel collecteur (positif).
Te la température d'émetteur dans la gamme normale de fonctionnement, f est la fréquence de l'oscillation, et a, b, k, p et q sont des constantes.
Des résultats pratiques des expériences sont donnés à la figure 4, où le logarithme de la fréquence est porté en fonction du logarithme de l'intensité du champ magnétique, une courbe avec une pente de -1 étant représentée ; surla figure 5, la fréquence est portée en fonction des potentiels collecteurs positifs et néga- tifs; et sur la figure b, la fréquence est donnée en fonction des potentiels de chauffage qui, dans la gamme désirée, ont une relation linéaire avec la température de l'émetteur. La formule peut s'ex- primer numériquement comme suit :
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(1) f = 2.6 x 105/H où f est en kilocycles, et H en gauss.
H Ceci est la formule pratique pour la mesure.de champs magnétiques, puisque le tube doit être utilisé avec zéro volt sur le collecteur et un potentiel de chauffage constant.
(2) f varie de 600 kcs par volt Ec, (3) f varie de 80 kcs par volt Eh.
On peut donc constater que ce type d'oscillation peut être utilisé non seulement pour la mesure d'intensités de champs magnétiques, mais aussi pour la mesure de potentiels très faibles appliqués entre émetteur et ensemble collecteur. Comme un fréquence-mètre moderne est capable de mesurer une fréquence avec une précision de 1/10-6 ou mieux, il est donc possible de mesurer des champs magnétiques de l'ordre d'un gamma(1/100.000 ème de Gauss), ou des potentiels électriques de l'ordre d'un microvolt.
Il est à noter cependant que l'impédance de la source de potentiel à mesurer ne peut pas dépasser environ deux mégohms du fait que, quoique le tube se trouve au cut-off sans courant continu apparent dans la résistance de charge extérieure, il y a un courant très faible dû à la présence d'électrons thermioniques ayant une énergie exagérée et suffisante pour atteindre les collecteurs malgré le champ magnétique. Il y a aussi des courants de fuite qui, en traversant une résistance de charge extérieure d'une valeur très élevée, rendent les collecteurs suffisamment négatifs par rapport à l'émetteur pour arrêter les oscillations; cette valeur est d'environ -0,25 volts, comme la figure 5 le montre.
Ce type d'oscillation possède deux caractéristiques qui le distinguent des autres types d'oscillations électroniques et à résistance négative dans un magnétron, notamment l'impédance de source trs faible qui, dans un type 6700, est de l'ordre de 500 ohms à 1 Mcs, et le fait qu'un type de résonance électronique se produit quand une oscillation à très haute fréquence est injectée dans le tube.
On a constaté que, dans ce dernier cas, quand on
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injecte une oscillation à une fréquence approxim@tivemtn égale à 2,85 x H.Mcs et à un niveau de quelques millivolts, de l'énergie est délivrée par le dispositif et la nouvelle forme d'oscillation, qui fait l'objet de la présente demande de brevet, peut être utilisée pour détecter cette résonance soit par glissement de fréquence, si le niveau du signal injecté est très bas, soit par cessation des oscillations, à des niveaux plus élevés.
Il est significatif que malgré l'absence d'oscillations cyclotfoniques, puisque l'éner- gie apparente des électrons émis thermioniquement est beaucoup trop faible pour les intensités de champ magnétique utilisées, la fréquence de résonance est celle de la fréquence cyclotronique et ne dépend uniquement que de l'intensité du champ magnétique appliqué, sans avoir aucune relation avec la fréquence des oscilla- tions faisant l'objet de la présente demande.
Si, dans les circuits décrits jusqu'ici, on a utilisé une charge résistive, il est possible d'augmenter fortement l'amplitude du signal en remplaçant cette résistance par une charge résonnante à Q élevé, de préférence un bobinage accordé avec ferrite. Il a été constaté qu'un dispositif de ce genre produit une oscillation dont l'amplitude pointe à pointe est de l'ordre de 30 millivolts et dont la fréquence est indépendante du circuit extérieur, de sorte que la '- charge est simplement résonnante et ne détermine pas la fréquence, comme cela se produit avec l'oscillation de magnétron du type à résistance négative. La figure 7 représente un dispositif de ce genre.
Cette figure a été simplifiée en omettant les cibles et grilles du tube type 6700 portant la référence 51 ainsi que le dispositif servant à établir le champ magnétique axial H. Toutes les cibles et grilles sont réunies entre elles et, par la connexion 81, à l'émetteur 53. Tous les collecteurs, sauf le collecteur 55', sont reliés directement à la ligne commune 2 et de là à l'émetteur
53 et à la terre. Le collecteur 55', qui est utilisé comme sonde, est connecté à la ligne 2 par l'intermédiaire d'une charge résonnante 82 à Q élevé, et la sortie 80 est prélevée aux bornes de cette
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charge.
Dans le but de déterminer les caractéristiques essen- tielles de la forme de tube requise pour produire et détecter les oscillations différentes formes ont été essayées. Dans tous les cas l'oscillation a été détectée et sa fréquence s'est avérée être inversement proportionnelle au champ magnétique appliqué., K f= H K étant la constante de proportionnalité de Inéquation.
Il est supposé que l'oscillation est une oscillation de charge d'espace ou de plasma électronique et est due à une pertur- bation, se propageant d'elle-même autour de la circonférence cylin- drique, d'un nuage de charge d'espace ou plasma électronique bien défini. Il est connu que plus la densité du plasma est grande., plus la fréquence de toute oscillation qui s'y produit est élevée, et l'hypothèse est émise qu'en augmentant l'intensité du champ magnétique, il se produit un effet de sélection de vitesse qui influence nettement la densité du plasma de la manière suivante.
Les vitesses des électrons termiooniques se répartissent de façon que la vitesse baisse très rapidement pour des électrons ayant des énergies élevées. On peut démontrer qu'avec l'ordre de grandeur des champs magnétiques utilisés, le rayon de l'orbite ' décrit par un électron ayant une énergie d'un volt est inférieur au rayon de la cathode émettrice, dans le cas du tube commutateur à faisceau ou type 6700 de Burroughs. Par conséquent., la majorité des électrons normaux est incapable de quitter la cathode et on peut ' constater que plus le champ magnétique est intense, plus les vitesses des électrons quittant la cathode sont élevées puisque le point de eut-off de 1-'émission se déplace d'autant plus vers la région des vitesses élevées.
On peut supposer que ces électrons à énergie éle- vée, ayant des grandes vitesses, produiront des oscillations d'une fréquence plus élevée; mais, à l'opposé de ceci, il faut se rappeler que la quantité d'électrons à énergie élevée diminue rapidement et que, par conséquent, plus l'énergie des électrons est grande, plus
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la densité du plasma, est faible. Il a été supposé que-cette réduction de la densité en électrons influence l'oscillation du plasma de manière à réduire la fréquence et que cet effet surpasse l'effet d'augmentation de la fréquence due à l'émission d'électrons à grande vitesse.
Il est supposé cependant aussi qu'il se produit une cer- taine forme de groupage et que le déplacement d'une particule char- gée, un électron dans le cas considéré, en travers d'une fente est indispensable au mécanisme de l'oscillation. En introduisant une multiplicité d'électrodes séparées par les fentes, une perturbation est produite dans le plasma ayant la propriété de se maintenir d'elle-même et de ne pas s'amortir comme le font la plupart des oscillations de plasma.
Il semblerait d'autre part que l'irrégularité circonfé- rentielle demandée puisse aussi être obtenue par tout genre de solu- tion de continuité dans le cylindre collecteur, ces accidents ne devant pas nécessairement être des fentes ou des rainures, mais pou- vant aussi être des entailles ou des appendices soudés.
Les formes de tubes dans lesquels les oscillations ont été détectées,en plus du tube commutateur à faisceau ou type 6700 de Burroughs, sont décrites ci-après avec référence aux dessins annexes. Quoiqu'on ait décrit ci-avant une expérience dans laquelle on a utilisé un tube type 6700 comprenant, à côté du filament de chauffage et de l' émetteur, dix coupelles, dix cibles et dix grilles, cette multiplicité d'électrodes n'est pas nécessaire, et des résul- tats exactement semblables ont été obtenus dans un tube très simpli- fié ne contenant que dix coupelles à côté de l'émetteur et du fila- ment de chauffage.
Sur toutes les figures 8 à 29 et 33 à 35, le champ magné- tique appliqué H est indiqué par une flèche ou une queue de flèche et est toujours dirigé suivant l'axe de symétrie de l'ensemble des électrodes. Les aimants permanents ou les électro-aimants utilisés pour établir ces champs,, sont omis sur tous les dessins sauf sur la figure 33.
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La figure 8 représente le tube commutateur à faisceau de Burroughs type 6700 dont on a enlevé les grilles et 1 es collec- teurs. La cathode K et toutes les coupelles C, sauf une, sont réunies parle connecteur général 2, la coupelle restante 3 étant réunie au connecteur 2 par une résistance de charge 4. (La cathode K et les coupelles C sont aussi dénommées respectivement émetteur et collecteurs. Les électrodes analogues d'autres tubes sont dénommées de même ). L'oscillation est détectée aux bornes de la résistance 4., cette connexion étant en substance la même que celle décrite précéDemmnet. Il a aussi été constaté qu'il était inutile d'utiliser une électrode séparée pour le sondage, l'oscillation pouvant être détectée entre l'émetteur et le groupe de collecteurs réunis.
Un tel arrangement est représenté à la figure 9. Tous les collecteurs C, y compris le collecteur 3, sont reliés au connecteur comun 2 à l'extérieur de l'enveloppe de verre 1. La résistance de charge 4 est connectée entre l'émetteur K et le connecteur 2.
Un magnétron à cavité "strappé" (4J33) est connecté de la manière'représentée à la figure 10 pour détecter les oscillations.
Le bloc métallique cylindrique d'anode 5 est percé de plusieurs trous 7 dirigés axialement et espacés radialement, chacun de ces trous rejoignant un trou axial 40 par une fente radiale 8. Les collecteurs C sont ainsi formés entre fentes adjacentes 8, et une paire de bagues de "strappage" 38 et 39 servent à connecter entre eux un collecteur sur deux de manière connue. Ce strappage n'est cependant-p as essentiel. Un émetteur cylindrique K, chauffé par des moyens non représentés, est disposé suivant l'axe du bloc d'anode 5 et y est connecté électriquement par une résistance de charge 4. Le champ magnétique appliqué est dirigé parallèlement à l'axe de l'anode comme d'habitude, et les oscillations sont détectées aux bornes de la résistance 4.
En ce qui concerne le magnétron à cavité, il a été constaté que le type d'oscillation requis ne peut être produit que si l'émis-- sion est considérablement réduite-, une émission normale se fait avec un chauffage de cathode de 3 ampères sous 16 volts, tandis que, pour
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produire l'oscillation requise, il faut environ 1.5 ampères sous 4 volts. Ceci semblerait indiquer qu'il faut peut-être atteindre une densité critique du plasma électronique avant que l'oscillation se produise.
Tous les essais faits pour produire ce type particulier d'oscillation dans un dispositif n'ayant pas de fentes dans l'anode ont été entièrement voués à l'échec. On a utilisé des magnétrons cylindriques simples et des triodes cylindri@ues, avec des émetteurs en tungstène et des émetteurs à oxydes, mais aucune trace d'oscillation n'a été détectée. Afin de prouver que les fentes sontnécessai- res et que l'action de la fente pourrait être due au champ produit dans la fente par le passage d'une particule chargée, une expérience a été faite avec un tube à vide ayant une seule cathode axiale et deux anodes semi-cylindriques réunies par une résistance de charge de 4000 ohms. La figure 11 représente en coupe un tube de ce genre..
L'émetteur cylindrique K est enfermé à l'intérieur d'un @ @be en verre sous vide 44, tandis que deux collecteurs C à section se 1circulaire sont mis en contact avec la surface extérieure du tube.
L'émetteur K est chauffé par des moyens non représentés. Les oscillations ont été détectées aux bornes de la résistance 4 reliée entre les collecteurs, mais elles étaient de courte durée. Non seulement l'amplitude des signaux diminuait rapidement, mais la fréquence allait en décroissant et le temps pendant lequel des observations étant possibles ne dépassait généralement pas quelques secondes. Ces oscillations ne pouvaient être reproduites qu'en arrêtant l'émission cathodique pendant une minute au moins pour la reprendre ensuite. Il en fut conclu que les parois intérieures de l'enveloppe du tube 44 se chargaient négativement d'électrons ce qui supprimait tout effet de groupage produit par les fentes dans les anodes extérieures.
Pour démontrer qu'il en était probablement ainsi, le tube fut brillamment éclairé, parce qu'il était considéré que l'effet photo- électrique enlèverait les électrons des parois de verre intérieures .du :tube, augmentant ainsi la période pendant laquelle l'oscillation pouvait être observée. Il faut constaté que, dans ces condi-
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tions, les oscillations couvaient être observées pendant au moins une demi-minute avatn l eur extinction. Ces expériences répétées montrèrent que ;.'amplitude du signal diminuait au fur et à mesure et que finalement il n'était plus possible de détecter des oscillations.
Il semble qu'il peut être conclu de ce qui précède que du baryum, évaporé par la cathode, constituait un dépôt métallique sur les parois intérieures du tube et créait ainsi un écran conducteur qui supprimait tout effet de groupage.
Les oscillations sont détectées de même dans les magnétrons du type à segments, comme la figure 12 le montre; dans ce cas, le bloc métallique cylindrique d'anode 6 comporte plusieurs rainures axiales 9 qui s'étendent radialement d'un trou axial 41 vers l'extérieur, de manière à déterminer entre elles des segments 42 à épaisseur constante. Les segments 42 jouent le rôle de collecteur tandis que l'émetteur est à nouveau de forme cylindrique et situé sur l'axe cetnal du bloc d'anode 6. L'émetteur est relié électriquement au bloc d'anode 6 par une résistance 4 aux bornes de laquelle les oscillations sont détectées.
La figure 13 représente la forme d'un magnétron en quatre parties dont la section est carrée, et dans lequel les oscillations sont détectées. Dans le tube utilisé,l'émetteur cylindrique K est en tungstène pur ; lesdispositifs de chauffage de l'émetteur ne sont pas représentés sur le dessin. Les collecteurs consistent en quatre parties 16 disposées symétriquement autour de l'émetteur K parallèlement à celui-ci. Chaque partie a une section en forme de L dont les branches sont d'égale longueur, les différentes parties étant espacées entre elles de façon à constituer chacune un sommet d'un carré. Des vides 43 séparent les branches adjacentes de deux parties.
Chaque partie est reliée à une ligne commune 2 par une résistance différente R1, R2, R3 et RF4, la sortie étant prélevée aux bornes de R1, quoiqu'elle puisse être prélevée aux bornes de n'importe laquelle des résistances.
La figure 14 représente la forme d'un tube redresseur à
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double alternance 6X5 auquel un champ magnétique est appliqué et dans lequel les oscillations sont détectées. L'émetteur cylindrique K du tube 6X5 est placé entre deux collecteurs espacés C1 et C2 comportant chacun une partie cylindrique 14 pourvue d'une ailette de refroidissement 15 dirigée radialement vers l'extérieur à partir d'un bord de la partie cylindrique. L'oscillation est détectée aux bornes ,d'une résistance 4 connectée entre l'émetteur K et la ligne 2 réunissant les collecteurs C. Ou bien, la résistance 4 peut être connectée entre les deux collecteurs, tandis que l'émetteur K est relié directement à un des collecteurs.
On a aussi constaté que la position du tube 6X5 dans le champ magnétique est extrêmement critique, et ceci est certainement dû à sa forme allongée; en fait, ce tube est tellement sensible qu' il serait possible d'élaborer un dispositif sismographique avec un tube de ce genre.
Des connexions électriques semblables à celles utilisées pour le tube 6X5 le sont aussi dans le cas du dispositif à électrodes planes d'un tube élecromètre et dans le cas de l'utilisation de la double diode du tube 6AV6. La figure 15 représente le tube électromètre, les collecteurs C étant constitués par des plaques parallèles planes disposées de part et d'autre d'un émetteur K en tungstène thorié ayant la forme d'un V. Le champ magnétique est parallèle aux plaques collectrices. La figure 16 représente la double diode précitée, et sa forme est semblable à celle du tube électromètre; sauf' que l'émetteur consiste en une cathode normale du type à oxydes.
L'oscillation est aussi détectée dans des magnétrons à anode fendue, et les figures 17 à 22 représentent différentes façons de connecter les électrodes d'un dispositif de ce genre pour détecter les oscillations. Le magnétron à anode fendue représenté sur ces figures comprend un émetteur cylindrique K disposé entre deux collecteurs semi-cylindriques C, le champ magnétique étant parallèle à l'émetteur. Sur la figure 17,les collecteurs sont réunis et la résistance de charge est connectée entre l'émetteur et les collecteurs. Cette connexion est semblable à celle représen-
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tée à la figure 9 pour un tube à grand nombre de collecteurs. A la figure 18, la résistance de charge 4 est remplacée par un ,circuit accordé composé d'une self 11 et d'un condensateur 10.
Il va de soi que la fréquence d'oscillation principale du dispositif n'est pas déterminée par un circuit accordé de sortie, un circuit de sortie de ce genre servant simplement de résonateur.
A la figure 19, l'émetteur K et un collecteur C sont réunis et reliés, par la résistance de charge 4, à l'autre collecteur C. Cette connexion est analogue à celle de la figure 8 où tous les collecteurs sont réunis à l'émetteur, sauf le collecteur 3. A la figure 20, la résistance de charge 4 est remplacée par un circuit accordé composé d'une self 11 et d'un condensateur 10.
A la figure 21, la résistance de charge 4 est connectée entre les collecteurs C,tandis que l'émetteur K est relié au point milieu de la résistance de charge. A la figure 22, la résistance de charge de la figure 17 est remplacée par un circuit accordé composé d'une self 11 et d'un condensateur 10. Dans ce dernier cas, l'émetteur K est relié à la prise médiane de la self 11.
Les figures 17 à 22 représentent les circuits de principe nécessaires à détecter l'oscillation dans un magnétron à anode fendue. Ces mêmes circuits de principe sont cependant aussi bien applicables à toutes les autres formes de tube décrites ici.
Dans les différents ensembles d'électrodes qui ont été décrits,le nombre d'électrodes diffère de l'un à l'autre, et il y a aussi bien des charges résistives que des charges accordées. Dans toutes les solutions cependant, la fréquence d'oscillation est inversement proportionnelle au champ magnétique appliqué et est en substance indépendante du nombre de collecteurs utilisé. Inexpérience montre que les tubes à géométrie indéformable et ayant un grand nombre de fentes donnent une amplitude d'oscillation considérablement plus grande que ceux avec quelques fentes;
d'autre part, les tubes avec des fentes relativement larges,, comme le type 6700, la triode électron mètre et la 6AV6 présentent beaucoup moins de sensibilité aux
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variations de champ magnétique que ceux avec des fentes étroites.
La conclusion à tirer est qu'aucun des tubes essayés ne convient réellement pour le but poursuivi, notamment la mesure de champs magnétiques ambiants. Il faut non seulement choisir un cer- tain compromis entre le nombre de fentes et le bruit admissible, mais il faut absolument que le tube utilisé ait une symétrie géométrique indéformable. En outre, comme aucune énergie n'est dissipée dans les conditions de travail requises, il est inutile d'utiliser de grosses cathodes ni des anodes massives. On a constaté, dans le cas du tube commutateur à faisceau de Burroughs, que les broches de la base du tube sont très magnétiques, et il est supposé que ceci présente un inconvénient.
Les figures 23, 24 et 25 représentent trois formes de collecteur qui conviennent à la présente invention, et l'expérience a montré que la solution la plus satisfaisante est celle de la figure 23 qui présente l'avantage d'une grande simplicité, l'amplitude. du signal étant cependant faible. Dans le cas de cette figure, le collecteur consiste simplement en un cylindre métallique à paroi mince 22 pourvu d'une fente axiale 23. Cette forme de collecteur permet de détecter l'oscillation entre l'émetteur et le collecteur.
La forme d'exécution représentée à la figure 24 comprend deux anneaux 17 et 19 réunis par des tiges métalliques non ferromagnétiques 18, de manière à constituer une sorte de cage. Un anneau ou les deux anneaux peuvent être métalliques,de façon que les tiges 18, qui jouent le rôle de collecteur, soient connectées électriquement entre elles. Ce collecteur en forme de cage est rigide et peut être convenablement disposé autour d'un émetteur.
Sur la figure 25, 1 es parois minces d'un cylindre métallique non ferro-magnétique 20 sont pourvues de fentes 21 partant d'une extrémité parallèlement à l'axe du cylindre, tout en ne s'étendant que sur une partie de la longueur de ce dernier. On obtient ainsi plusieurs languettes 45 qui servent de collecteurs quand le cylindre 20 est disposé autour d'un émetteur. Une des languettes 46 est complètement séparée' du cylindre 20 grâce à des fentes 21 qui s'éten-
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dent de part et d'autre sur toute la longueur du cylindre. La languette 46 est cependant maintenue en place à l'aide d'un support isolant 47 fixe au cylindre 20 comme représenté.
Comme la languette 46 est isolée du reste du cylindre, elle peut être connectée comme une sonde, d'une manière analogue à la connexion de la coupelle 3 représentée à la figure 8.
Une des formes d'exécution les plus simples construites jusqu'ici consiste en un émetteur central du type équipotentiel chauffé par un filament boudiné renversé,, la surface émettrice étani constituée par les trois oxydes-classiques de baryum, strontium et calcium. Le diamètre de cet émetteur est de 0,17 cm et le collecteur consiste en un cylindre de molybdène d'une longueur de 1 cm., et d'un diamètre de 0,86 cm. Le cylindre est fait d'une pièce de tôle pliée et soudée, le chevauchement de la soudure W constituant une discontinuité suffisante pour produire la perturbation du plasma Une telle forme d'exécution est représentée à la figure 26, à l'intérieur de l'enveloppe 44.
Deux autres formes d'exécution représentées aux figures 27 et 28 ont aussi fait apparaître cette oscillation particulière, mais comme-les fentes étaient étroites à la figure 27 et larges à la figure 28, le premier dispositif présentait une oscillation de faible amplitude avec une bonne sensibilité aux variations de champ magnétique, tandis que l'autre dispositif oscillait très facile ment, produisait un signal de grande amplitudemais n'était que peu sensible aux variations de champ magnétique. La conclusion à tirer est de nouveau que l'étroitesse des fentessolutions de continuité ou ouvertures, est un facteur primordial si on veut obtenir un tube sensible aux variations de champ magnétique.
Il a été constaté que le type 6700 peut donner une plus grande amplitude d'oscillation, quand ce tube est monté comme représenté à la figure 29 et la sortie prise entre une paire de coupelles-sondes approximativement à angle droit. Le fait que les dix coupelles sont disposées symétriquement montre qu'un arrangement de ce genre est impossible dans le tube du type 6700; on a
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pu démontrer cependant que les signaux sur deux coupelles diamétralement opposées ont la même phase et que le déphasage maximum est obtenu entre les coupelles 2 et 3 ou 7 et 8 quand Vautre extrémité du circuit de sortie est connectée à la coupelle 0 ou 5.
Cette répartition est valable pour toute coupelle fictive et indique qu'un plasma à deux lobes tourne autour du tube ou qu'une perturbation double fait le tour de.la circonférence du plasma. Des tubes ayant les formes représentées aux figures 30 et 31 ont été construite et ont fonctionné de manière satisfaisante comme on pouvait s'y attendre en se basant sur ce qui précède, mais il a été très difficile de faire osciller le tube représenté à la figure 32.
Le circuit représenté à la figure 30 est basé sur le fait précité que la phase de signaux apparaissant sur des collecteurs diamétralement opposés est la même et que le déphasage maximum est détecté entre des collecteurs disposés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Les collecteurs se faisant face sur la figure 30 sont réunis et une résistance à prise médiane RL est connectée entre ces deux paires de collecteurs. L'émetteur K est relié à la prise médiane mise à la terre de la résistance RL et la sortie est prise aux bornes de RL. Un circuit de ce genre donne un signal de sortie puissant et, en outre, des perturbations parasites peuvent être éliminées par opposition. Il va de soi que 1 a charge résistive FIL peut être remplacée par une charge accordée, comme décrit dans des formes d'exécution précédentes.
D'autres formes de dispositifs collecteurs ressortiront clairement de la description précédente. Une forme d'exécution pouvant être spécialement utile est un tube sur la surface duquel on dépose, par schoopinisation de façon bien connue, une couche d'un métal comme l'aluminium, les fentes nécessaires étant pratiquées dans une couche de ce genre par attaque chimique ou par grattage.
L'expérience montre qu'il est indispensable de prendre certaines précautions, quand on fabrique ce type de tube particulier.
Comme le phénomène impliqué est une oscillation du plasma électronique -il faut que le vide soit aussi poussé que possible avec la présence
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d'une quantité minimum d'ions étrangers, parce qué ces derniers provoquent encore d'autres oscillations ne faisant pas l'objet de la présente demande. Il est, en outre, essentiel de réduire au minimum les émissions secondaires sur les surfaces à l'intérieur du tube; tous les getters doivent être blindés afin d'empêcher que du baryum ou des matières d'alliage se déposent sur les électrodes, ces dépôts provoquant des émissions secondaires et photoélectriques. Il faut prendre grand soin d'éviter toute fuite entre les électrodes.
Quoiqu'il soit possible d'utiliser des cathodes activées, l'expérien. ce montre que ces cathodes tendent à devenir instables et à déposer du baryum sur les collecteurs; des cathodes passives avec de longs temps de vieillissement ou des cathodes du type en L seront employées de préférence, parce qu'elles présentent l'avantage d'être entièrement non magnétiques, tandis que la préparation de ces cathodes doit être telle que le courant dénommé d'Edison, c'est-à-dire le courant émis sans potentiel collecteur et sans champ magnétique, soit aussi élevé que possible pour créer le plasma électronique.
Il est souhaitable, lors de la fabrication d'un tube spécial destiné au but poursuivi par la présente invention, d'in- corporel' un moyen pour compenser les variations de l'émission cathodique, puisque l'augmentation de la densité du plasma électronique, provoquée par l'augmentation delà température de la ca.thode, a pour résultat un accroissement de la fréquence. Trois formes d' exécution de ce genre sont représentées schématiquement aux figures 33, 34 et 35.
Dans la forme d'exécution de la figure 33, un émetteur cylindrique de grande longueur K est maintenu à l'intérieur d'un tube sous vide non représenté, ensemble avec deux collecteurs à plusieurs segments C1 et C2 du type représenté à la figure 23, les collecteurs entourant l'émetteur à ses deux extrémités. Deux aimants annulaires opposés en matière céramique 24 et 25 sont disposés extérieurement au tube sous vide, l'aimant 24 servant à établir un champ magnétique axial H1 dans le voisinage du collecteur CI et l'aimant 25 servant à établir un champ magnétique
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axial H2 dans la région du collecteur C1,ces deux champs étant dirigés en sens opposés.
Un signal de sortie est produit aux bornes de la résistance 27 connectée entre l'émetteur A et le collecteur C1; tandis qu'un second signal de sortie est produit aux bornes de la résistance 28 connectée entre 1-*émetteur ± et le collecteur C2.
Ces sorties sont envoyées à tout mélangeur convenable 29 dont la sortie 30 consiste en une fréquence de battement fonction de la différence entre les fréquences des deux oscillations qui dépendent elles-mêmes des intensités des champs magnétiques à l'intérieur des collecteurs C1 et C2. Cependant, des variations dans les caractéristiques de l'émetteur influencent la fréquence des deux sorties dans le même sens et, par conséquent, ces variations s'éliminent par opposition lors du mélange des sorties. En outre, les aimants céramiques subissent des variations d'intensité de champ à cause de leur coefficient de température, mais ces variations s'éliminent pourvu que les deux aimants soient suffisamment proches l'un de l'autre et se trouvent dans une chambre fermée et isolée.
De cette manière, la sortie 30 est indépendante de l'émission du tube et des variations d'intensité du champ de polarisation.
Un résultat semblable pourrait être obtenu en utilisant deux tubes paires avec des champs magnétiques en opposition. En outre, la sensibilité du dispositif à des variations du champ magnétique axial ambiant est augmentée, puisqu'une telle variation augmente la fréquence d'une sortie et diminue l'autre fréquence d'une même quantité. La sortie du mélangeur indique ainsi deux fois la variation expérimentée par chaque sortie. On peut démontrer que la sortie d'un dispositif de ce genre ne suit plus une relation dans le genre de f = k/H, mais que,à condition que les champs de polarisation soient grands comparativement au champ à mesurer, la fréquence de battement F suit la relation F = K1Hm, où K1 est une nouvelle constante et Hm le champ à mesurer.
Comme précité, la fréquence d'oscillation du type d'appa reil suivant la présente invention augmente linéairement avec l'aug- mentation d'une tension continue appliquée entre émetteur et
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collecteur entre zéro et environ trois volts positifs sur le collec- - leur. La fréquence diminue aussi linéairement avec la tension de collecteur jusqu'à environ - 0,5 volt. Toutes les formes de tube décrites ici possèdent cette caractéristique d'accord de tension, et il en est fait délibérément usage dans les formes d'exécution des figures 34 et 35.
Le dispositif représenté à la figure 34 est semblable au magnétron à anode fendue déjà décrit ci-avant., avec cette différence que l'émetteur K est prolongé en dehors du champ magnétique axial appliqué au magnétron. S'il faut pour cela allonger exagérément l'émetteur, on peut utiliser un aimant de compensation pour annuler le champ s'étendant au delà de la région du collecteur. -Une anode cylindrique à paroi mince 31 entoure l'extrémité prolongée de l'émetteur et est reliée à l'émetteur K par un potentiomètre 32 dont la résistance dépasse 100.000 ohms. Comme il n'y a en substance pas de champ magnétique traversant l'anode, les électrons émis par l'émetteur sont recueillis sur l'anode 31 et donnent à celle-ci un potentiel négatif directement proportionnel à l'émission électronique.
On peut, à l'aide du potentiomètre 32, appliquer toute fraction de ce potentiel négatif entre le collecteur C2 et l'émetteur. Comme la fré- quence des oscillations augmente avec l'émission électronique comme le montre un accroissement linéaire de la fréquence avec l'augmen- tation de la température de chauffage, l'augmentation du potentiel négatif de l'anode 31 provoqué par une augmentation de l'émission a le sens voulu pour compenser les variations de fréquence dues aux variations de l'émission électronique. Dans le cas représenté, l'os- cillation est détectée aux bornes de la résistance 33 connectée entre les collecteurs C1 et C2, Il va de soi cependant qu'on peut utiliser n'importe quelle forme de collecteur décrite ci-avant.
La figure 35 représente un magnétron à anode fendue dont l'émetteur K est chauffé indirectement par les conducteurs 37 ve- nant d'une source de courant continu 35. Un potentiomètre 36 est mis directement aux bornes de la source de courant continu 35, son
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curseur étant relié au collecteur C2 et son extrémité positive étant reliée à l'émetteur K parle conducteur 34, Grâce à cette connexion,un potentiel négatif est appliqué au collecteur C2 relativement à l'émetteur,ce potentiel subissant les mêmes variations de potentiel de la source de courant continu affectant l'émission électronique. Par conséquent, comme dans la forme d'exécution de la figure 34, la fréquence d'oscillation est compensée en ce qui concerne les' variations de l'émission électronique.
La présente invention est caractérisée en ce qu'elle consiste en un oscillateur électronique comprenant une enveloppe à vide poussé contenant un émetteur axial d'électrons à faible énergies un collecteur ou plusieurs collecteurs ayant au moins une fente, ouverture ou discontinuité dans le sens axial, et de préférence plusieurs de ces fentes, ouvertures ou discontinuités, le ou les dits collecteurs étant groupés autour de l'émetteur dans un plan de symétrie, et un champ magnétique, perpendiculaire au dit plan, d'une intensité telle que le dispositif travaille à l'état de cutoff et avec une différence de potentiel nulle ou quasi nulle appliquée entre l'émetteur et le ou les dits collecteurs.
Quoique, dans la description précédente, il ait été question d'une cathode thermionique, il va de soi qu'un dispositif de ce genre pourrait utiliser une cathode photoélectrique ou radioactive, dans laquelle l'émission électronique provient, dans le premier cas, de l'énergie des photons, et dans le second cas de phénomènes d'émission secondaire associés à une radb-activité primaire de faible énergie, comme des rayons alpha ou bêta.
REVENDICATIONS.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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EMI1.1
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¯The present invention relates to an electronic oscillator for measuring electric and magnetic fields. More particularly, it relates to an apparatus which uses the action of such fields on low energy electrons to derive an alternating voltage whose frequency indicates the strength of these fields.
Most methods of measuring electric and magnetic fields, including those using cylindrical magnetrons, have the disadvantage of requiring a very sensitive current or voltage measuring device to indicate current or potential. depending on the field. For example, in
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methods of this type using magnetrons, it is known to measure the potential of the cut-off point of the magnetron and to link this potential to the intensity of the applied magnetic field.
The meaning of the expression "cut-off" is briefly explained below: electrons are emitted by a heated cathode, arranged axially within a cylindrical construction which, in its simplest form, can present itself as a smooth cylinder; a positive potential is applied to this cylinder with respect to the cathode and, as a result, the electrons undergo a radial acceleration towards the cylinder called anode. (in the present application, the expressions preferably used for the cathode and the anode are: emitter and collector). The emitted electrons are collected by the cylinder and a current circulates in an external circuit connected between the collector and the emitter.
In the presence of a magnetic field perpendicular to the direction of the electric field, that is to say an axial field parallel to the axis of the emitter and the collector, the electrons tend to move along a trajectory. circular in the plane of the electric field, and the radius of the orbit described by the electrons decreases as the intensity of the magnetic field increases; for a given magnetic field strength, a function of the applied electric potential and the radius of the collector cylinder, the orbits described by the electrons are reduced to the point that the electrons, instead of reaching the collector, only shave the surface interior thereof, which results in interrupting the flow of current in the exterior circuit;
even stronger magnetic fields further reduce the radii of the electronic orbits and the space between the electrodes retains the moving electrodes until the intensity of the magnetic field becomes so high that most of the thermo electrons - ionics are unable to leave the surface of the emitter.
In theory, the eut-off point should be extremely sharp, consisting of a sudden stop of the collector current; in practice, however,
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relationship between the eut-off and the electric and magnetic fields in a magnetron is not a precise given, because of the existence of disturbing factors such as, for example, a misalignment of the elements, either the magnet or the concentricity of the anode and the cathode; or the non-circular shape of the cross section of the anode; the lack of homogeneity of the magnetic field, and the effects of extremity or iridenscence.
This kind of measurement presents another difficulty because, when the magnetron arrives at the cut-off, having worked until then in the static state, it tends to oscillate according to a mode known under the name of cyclotronic oscillation or oscillation. by electronic resonance. This phenomenon produces a frequency whose value is approximately 2.85 megacycles per Gauss, and results in general spreading of the cut-off point. It follows that instead of suddenly passing from a constant value to a zero value at the cut-off, the anode current presents itself in a curve having a clearly defined slope, the upper and lower ends of which are rounded.
It is therefore rare to be able to experimentally determine the cut-off point with precision, unless excessive precautions are taken which can only be admitted in a high quality laboratory. It is therefore impossible to obtain precise field measurements.
The methods based on the measurement of variations in the current of a magnetron: caused by the variation of external magnetic or electric fields, still have the drawback of requiring that the applied electric field be of absolute constancy (the field magnetron's own magnetic field being assumed to be constant due to the use of high quality permanent magnets currently available).
Furthermore, since the accuracy of such a device depends on the readability of the final measuring instrument, or on the constancy of the amplification factor in the case of the use of direct voltage amplifiers. to increase the sensitivity, it would be more interesting to measure another quantity
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than a signal level.
The present invention proposes, in order to overcome these difficulties, to detect variations in the frequency of an oscillation present in a magnetron substantially in the absence of anode voltage, these frequency variations being, in general, only. related to the intensity of the applied magnetic field, when the magnetron works under conditions of application of electric field and / or zero collector potential, and provided that other parameters, such as the temperature of the emitter, are kept constant. This method has the advantage of exhibiting extreme sensitivity and of giving an indication in the form of a frequency, that is to say the most easily measurable electrical parameter.
Different types of known oscillations can be produced in apparatus of the magnetron type. Until now, the production of these oscillations has always required an acceleration potential generally of the order of several hundred or thousands of volts, which is applied between the collectors and the emitter. One type of oscillation is that linked to the cut-off phenomenon, in particular cyclotronic oscillation by electrons. Another type of oscillation has been noted by L. Posthumous and termed "Resonance oscillation"; this oscillation occurs in a magnetron at the cut-off and is relatively independent of the parameters of the external circuits.
The approximate empirical formula giving the wavelength (@) of the oscillation is: # = 20H / V. where (À) is the wavelength in centimeters (H) is the magnetic field in Gauss.
(V) is the applied anode potential in volts.
We therefore see that the frequency produced is inversely proportional to the intensity of the magnetic field and proportional to the applied potential, since: f = c / # where (f) is the frequency (c) is the speed of light.
This shows that possible methods of measuring a
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magnetic field consist in using either cyclotronic oscillation or Posthumous oscillation, but numerical calculations clearly demonstrate that the stability of the collector power supply becomes a factor of enormous importance and makes this process impractical for portable devices. or on planes. In the case of the Posithumous oscillation, taking., For the speed of light, 2.99776 x 1010 centimeters per second, and assuming a fixed magnetic field of 400 Gauss and a fixed collector potential of 200 volts, it can be shown that the frequency of the oscillation is 74,931,500 periods per second.
A change of one positive volt in the collector potential increases the frequency by 389,230 periods per second, while an increase of one Gauss in the strength of the magnetic field decreases the frequency by 174,400 periods per second. Since it is necessary to measure variations of the order of 0.001 Gauss or less, it can be seen that unless extraordinary precautions are taken in the stabilization of the collector potential, the variations in the supply voltage eliminate any possibility of measurement. Similar conclusions can be drawn in the case of cyclotronic oscillation.
Recent experiments by the present inventor have demonstrated the existence of yet another type of oscillation in a magnetron-like apparatus in the case of magnetic fields well above the eut-off and zero collector potential, which eliminates the difficulties relating to the aforementioned supply voltages. These ocillations produce a frequency which is inversely proportional to the strength of the magnetic field and directly proportional to the temperature of the emitter, within the normal operating range.
Although this type of oscillation has been detected in various magnetron-type apparatus of different geometric shapes, in certain known electron tubes, and in other tubes specially designed to produce this type of oscillation, the presence of this oscillation has been observed for the first time
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in a "magnetron-type beam couluter" tube, or type 6700 from the Burroughs Corporation, in the case of zero applied potential and a magnetic field well above the cut-off. A description of the "magnetron-type beam switch" is given in the article by John Bethke in "Electronis", April 1956, and in an article by S. P. Fan in the "Journal of the British Institution of Radio Engineers", Vol.
XV, n 7, July 1955.
The oscillation was detected using one of the ten electrodes labeled "spade" as a probe, while all the other "spades", "grids" and "targets" were at the emitting potential.
The probe was also connected to the transmitter by a load resistor across which the oscillating signal was taken; the alternate potentials picked up by the probe were sent to a high gain, broadband amplifier and studied either as a wave appearing on the screen of a cathode ray tube or as a sound from a radio receiver using a beat frequency oscillator. It has been found that any of the ten "spade" electrodes can be used as a probe, and that the signal can also be obtained on any of the targets, but at a much lower level; the level of the "spade" signal is generally between 500 and 1000 microvolts point to point.
The work of the inventor is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a perspective view of a Type 6700 Burroughs tube placed in the center of a cylindrical permanent magnet.
FIG. 2 represents the diagram of a circuit for the search for oscillations in a tube of the type 6700.
FIG. 3 represents the diagram of another circuit for the search for oscillations in a tube of the type 6700.
Figures 4, 5 and 6 are graphs showing the results of the last mentioned research.
Figure 7 is a schematic diagram showing the use
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of a load resomnaute with the tube type 6700.
Figure 8 shows schematically a modified Burroughs beam switch tube.
Figure 9 is similar to Figure 8 but shows another way of connecting the tube.
Figure 10 shows a cavity magnetron.
Figure 11 is a schematic cross section of an outer header tube.
Fig. 12 shows a segment type magnetron.
Figure 13 shows the arrangement of the electrodes of a square magnetron.
FIG. 14 represents the arrangement of the electrodes of a 6X5 half-wave rectifier tube.
FIG. 15 represents the arrangement of the electrodes of an electrometer tube.
Figure 16 shows the two diodes of a 6AV6 tube.
Figures 17 to 22 show various connections of a split anode magnetron.
Figure 23 is a perspective view of a slot manifold.
Figures 24 and 25 are schematic views of proposed manifold shapes.
Figures 26 to 32 show various sets of electrodes which have been tested, and
Figures 33, 34 and 3.5 are circuit diagrams of embodiments in which the output frequency is compensated for variations in electronic emission.
During the above experiments, the magnetron 51 was mounted axially inside a cylindrical enveloping permanent magnet 52, as shown in Figure 1. The electrodes of the magnetron consisted (see figure 2) of an equipotential emitter 53 to. indirect heating, a series of target plates 54, a series of "spades" or cups 55 and a series of grids 56 all inside an envelope 1. One of the cups (bearing the reference
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rence 55 ') served as a probe and was connected, by load resistor 58 with a value of 3300 ohms, to the emitter 53 which was also connected to the external terminal 61. The remaining cups 55., the targets 54 and the grids 56 were all joined together and at the outer terminal 60.
The signal was taken across resistor 58 and sent to a high gain, broadband amplifier 59 and thence to both a cathode ray tube 62 and a capable radio receiver 63. detecting signals between 300 kilocycles per second and 30 megacycles per second, and containing a beat frequency oscillator so that the speaker 64 can give an audible beat frequency. The heating circuit is not shown, but practice has shown that it is preferable to connect one side of the heater to the emitter and to earth this side; further., although this is not an essential part of the present invention, it is preferable that the heating filament is supplied by a direct current source.
During the first experiment carried out, terminals 60 and 61 were combined. A 390 Gauss cylindrical permanent magnet, polarized along the axis of the cylinder, surrounded the tube and a sine wave appeared on the screen of the cathode ray tube; by tuning the receiver, a zero beat was obtained at the frequency of 420 kilocycles per second. The signal was modulated slightly in frequency, as some modulation could be heard and the trace on the CRT screen was blurred.
The analysis showed that this modulation occurred at the frequency of the network and was communicated to the fields by the associated devices, which showed that the device was very sensitive to variations in the magnetic field. As another example of the sensitivity of the oscillator to variations in the magnetic field, it may be mentioned that a considerable variation in frequency was observed when the whole apparatus was tilted in the earth's magnetic field.
In a second experiment, a low impedance variable voltage source was connected to terminals 60 and 61, and it
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It was found that when the emitter is made more negative with respect to the collector assembly, the frequency of the oscillation increases, the relation following a linear law in a range of about 1.5 volts, after which the oscillation ceases.
It has also been observed that the device is photosensitive and responds to external electric fields such as those which can be produced by moving a charged body in the vicinity. The tube, the load resistor and the magnet were therefore enclosed in a solid aluminum casing, to shield them from these influences. But it can therefore be seen that the device can be used as an electric field or light intensity detector, the output of the detector being in the form of a frequency. The photoelectric effect is explained by the deposit of the photosensitive material of the getter that the tube contains; when the tube is illuminated, it emits photoelectrons, thereby positively charging the emitting surface and creating an electric field with the desired polarity to increase the oscillation frequency.
An experiment was therefore carried out as represented in FIG. 3. The Burroughs tube type 6700 bearing the reference 51 is placed in the center of a solenoid 65 which produces a field in substan "this parallel to the axis of the tube. of direct voltage 68 supplies the solenoid via an ammeter 67 and an inverter 66. A load resistor RL with a value of 4000 ohms is connected between the cup 55 'and the emitter 53, this resistor being placed in series with a battery-powered potentiometer, so as to be able to apply to the transmitter 53 a potential with respect to the cup 55 '. To this end, the potentiometer 69 is connected to a battery 70 by an inverter 71.
The value of the potential is given by the voltmeter 72 and the emitting current by the ammeter 73. The voltage appearing at the terminals of the load resistor RL is applied, by the coaxial cable 74, to an amplifier 75 and, from there, to an oscilloscope 76. The output of the amplifier 75 is also sent, by coaxial cables 77,
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to a frequency comparator 79. In practice, this frequency comparator is the beat frequency oscillator of a traffic receiver allowing precise determination of the frequency of the output signal. Reference 78 denotes a differential capacitor used only to reduce the level of the signal applied to this receiver.
These experiments have shown that, in the case of a tube of type 6700 used in this way, the oscillation frequency, for a zero applied collecting potential, is inversely proportional to the intensity of the magnetic field and directly. proportional to the temperature of the transmitter. For constant magnetic field strength and emitter temperature, the frequency is directly proportional to the applied positive collector potential. Thus: (1) f = k / H, for a constant emitter temperature and a zero collector potential.
(2) f = a + bEc, for a constant magnetic field and emitter temperature.
(3) f = p + qTe, for a constant magnetic field and a zero collector potential, where H is the intensity of the magnetic field,
Ec the collector potential (positive).
Te the emitter temperature in the normal operating range, f is the frequency of the oscillation, and a, b, k, p and q are constants.
Practical results of the experiments are given in Fig. 4, where the logarithm of the frequency is plotted against the logarithm of the magnetic field strength, a curve with a slope of -1 being shown; in FIG. 5, the frequency is plotted as a function of the positive and negative collecting potentials; and in figure b the frequency is given as a function of the heating potentials which, in the desired range, have a linear relationship with the temperature of the emitter. The formula can be expressed numerically as follows:
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(1) f = 2.6 x 105 / H where f is in kilocycles, and H in gauss.
H This is the practical formula for measuring magnetic fields, since the tube should be used with zero volts on the collector and constant heating potential.
(2) f varies by 600 kcs per volt Ec, (3) f varies by 80 kcs per volt Eh.
It can therefore be seen that this type of oscillation can be used not only for measuring the intensities of magnetic fields, but also for measuring very low potentials applied between the emitter and the collector assembly. Since a modern frequency meter is capable of measuring a frequency with an accuracy of 1 / 10-6 or better, it is therefore possible to measure magnetic fields of the order of one gamma (1 / 100,000 th of Gauss), or electrical potentials of the order of a microvolt.
It should be noted, however, that the impedance of the potential source to be measured cannot exceed about two megohms because, although the tube is at the cut-off with no apparent direct current in the external load resistor, there is a very weak current due to the presence of thermionic electrons having an exaggerated energy and sufficient to reach the collectors despite the magnetic field. There are also leakage currents which, crossing an external load resistance of a very high value, make the collectors sufficiently negative with respect to the emitter to stop the oscillations; this value is approximately -0.25 volts, as Figure 5 shows.
This type of oscillation has two characteristics that distinguish it from other types of electronic and negative resistance oscillations in a magnetron, notably the very low source impedance which, in a type 6700, is in the range of 500 ohms at 1 Mcs, and the fact that a type of electronic resonance occurs when a very high frequency oscillation is injected into the tube.
It has been observed that, in the latter case, when we
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injects an oscillation at a frequency approximately equal to 2.85 x H.Mcs and at a level of a few millivolts, energy is delivered by the device and the new form of oscillation, which is the subject of the present patent application, can be used to detect this resonance either by frequency slip, if the level of the injected signal is very low, or by cessation of oscillations, at higher levels.
It is significant that despite the absence of cyclotfonic oscillations, since the apparent energy of the thermionically emitted electrons is much too low for the magnetic field intensities used, the resonance frequency is that of the cyclotron frequency and does not depend solely on than the intensity of the applied magnetic field, without having any relation to the frequency of the oscillations which are the subject of the present application.
If, in the circuits described so far, a resistive load has been used, it is possible to greatly increase the amplitude of the signal by replacing this resistance with a resonant load at high Q, preferably a coil tuned with ferrite. It has been found that a device of this kind produces an oscillation of which the amplitude point to point is of the order of 30 millivolts and the frequency of which is independent of the external circuit, so that the load is simply resonant and does not determine the frequency, as happens with negative resistance type magnetron oscillation. FIG. 7 represents a device of this kind.
This figure has been simplified by omitting the targets and grids of the 6700 type tube bearing the reference 51 as well as the device used to establish the axial magnetic field H. All the targets and grids are joined together and, by connection 81, to the 'emitter 53. All collectors, except collector 55', are connected directly to common line 2 and from there to the emitter
53 and to the earth. The collector 55 ', which is used as a probe, is connected to line 2 via a resonant load 82 at high Q, and the output 80 is taken across this terminal.
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charge.
In order to determine the essential characteristics of the tube shape required to produce and detect oscillations various shapes have been tried. In all cases the oscillation was detected and its frequency was found to be inversely proportional to the applied magnetic field., K f = H K being the constant of proportionality of Inequality.
It is assumed that the oscillation is an oscillation of a charge of space or of electron plasma and is due to a disturbance, propagating itself around the cylindrical circumference, of a charge cloud d well-defined electron space or plasma. It is known that the greater the density of the plasma, the higher the frequency of any oscillation that occurs in it, and the hypothesis is made that by increasing the intensity of the magnetic field, there is an effect of speed selection which clearly influences the density of the plasma as follows.
The velocities of termioonic electrons are distributed so that the velocity drops very rapidly for electrons with high energies. It can be shown that with the order of magnitude of the magnetic fields used, the radius of the orbit described by an electron having an energy of one volt is less than the radius of the emitting cathode, in the case of the switching tube at beam or Burroughs Type 6700. Therefore, the majority of normal electrons are unable to leave the cathode and it can be seen that the stronger the magnetic field, the higher the velocities of the electrons leaving the cathode since the cut-off point of 1-emission. moves all the more towards the high speed region.
It can be assumed that these high energy electrons, having high speeds, will produce oscillations of a higher frequency; but, in contrast to this, it must be remembered that the amount of high energy electrons decreases rapidly and therefore the greater the energy of the electrons the more
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the density of the plasma is low. It has been assumed that -this reduction in electron density influences the oscillation of the plasma so as to reduce the frequency and that this effect outweighs the effect of increasing the frequency due to the emission of electrons at high speed. .
It is also supposed, however, that some form of grouping occurs and that the displacement of a charged particle, an electron in this case, across a slit is essential to the mechanism of the oscillation. . By introducing a multiplicity of electrodes separated by the slits, a disturbance is produced in the plasma having the property of maintaining itself and not being damped as most plasma oscillations do.
On the other hand, it would seem that the required circumferential irregularity can also be obtained by any kind of solution of continuity in the collector cylinder, these accidents not necessarily having to be slots or grooves, but can also be notches or welded appendages.
The tube shapes in which oscillations have been detected, in addition to the Burroughs type 6700 or beam switch tube, are described below with reference to the accompanying drawings. Although an experiment has been described above in which a 6700 type tube was used comprising, besides the heating filament and the emitter, ten cups, ten targets and ten grids, this multiplicity of electrodes is not not necessary, and exactly similar results were obtained in a very simplified tube containing only ten cups next to the emitter and the heating wire.
In all FIGS. 8 to 29 and 33 to 35, the applied magnetic field H is indicated by an arrow or the tail of an arrow and is always directed along the axis of symmetry of all the electrodes. The permanent magnets or electromagnets used to establish these fields, are omitted in all drawings except in figure 33.
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Figure 8 shows the Type 6700 Burroughs beam switch tube with the grids and manifolds removed. The cathode K and all the cups C, except one, are joined by the general connector 2, the remaining cup 3 being joined to the connector 2 by a load resistor 4. (The cathode K and the cups C are also respectively called emitter and collectors Similar electrodes of other tubes are referred to similarly). The oscillation is detected across resistor 4, this connection being in substance the same as that described above. It was also found that it was unnecessary to use a separate electrode for probing, as oscillation could be detected between the emitter and the group of collectors together.
Such an arrangement is shown in figure 9. All the collectors C, including the collector 3, are connected to the common connector 2 outside the glass casing 1. The load resistor 4 is connected between the emitter. K and connector 2.
A "strapped" cavity magnetron (4J33) is connected as shown in Figure 10 to detect the oscillations.
The cylindrical metal block of anode 5 is pierced with several holes 7 directed axially and spaced apart radially, each of these holes joining an axial hole 40 through a radial slot 8. The collectors C are thus formed between adjacent slots 8, and a pair of "strapping" rings 38 and 39 are used to connect every other collector to one another in a known manner. However, this strapping is not essential. A cylindrical emitter K, heated by means not shown, is arranged along the axis of the anode block 5 and is electrically connected thereto by a load resistor 4. The applied magnetic field is directed parallel to the axis of the. anode as usual, and oscillations are detected at the terminals of resistor 4.
With regard to the cavity magnetron, it was found that the required type of oscillation can only be produced if the emission is drastically reduced - normal emission occurs with a 3 amp cathode heating. at 16 volts, while, for
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to produce the required oscillation, it takes about 1.5 amps at 4 volts. This would seem to indicate that it may be necessary to reach a critical density of the electron plasma before the oscillation occurs.
All attempts to produce this particular type of oscillation in a device without slots in the anode have been completely unsuccessful. Simple cylindrical magnetrons and cylindrical triodes were used, with tungsten emitters and oxide emitters, but no evidence of oscillation was detected. In order to prove that slits are necessary and that slit action could be due to the field produced in the slit by the passage of a charged particle, an experiment was made with a vacuum tube having a single axial cathode. and two semi-cylindrical anodes joined by a load resistor of 4000 ohms. Figure 11 shows in section a tube of this kind.
The cylindrical emitter K is enclosed within a vacuum glass bead 44, while two circular section collectors C are brought into contact with the outer surface of the tube.
The emitter K is heated by means not shown. The oscillations were detected at the terminals of resistor 4 connected between the collectors, but they were of short duration. Not only did the amplitude of the signals decrease rapidly, but the frequency was decreasing and the time during which observations were possible did not generally exceed a few seconds. These oscillations could only be reproduced by stopping the cathode emission for at least one minute and then resuming it. It was concluded that the inner walls of the casing of the tube 44 were negatively charged with electrons which suppressed any bunching effect produced by the slits in the outer anodes.
To demonstrate that this was probably so, the tube was brightly lit, because it was believed that the photoelectric effect would remove electrons from the inner glass walls of the tube, thereby increasing the period during which the oscillation could be observed. It should be noted that, under these conditions
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The oscillations were to be observed for at least half a minute before extinction. These repeated experiments showed that the amplitude of the signal gradually decreased and that finally it was no longer possible to detect oscillations.
It seems that it can be concluded from the above that barium, evaporated by the cathode, formed a metallic deposit on the inner walls of the tube and thus created a conductive screen which suppressed any bulking effect.
Oscillations are also detected in segment type magnetrons, as shown in Fig. 12; in this case, the cylindrical metal anode block 6 comprises several axial grooves 9 which extend radially from an axial hole 41 towards the outside, so as to determine between them segments 42 of constant thickness. The segments 42 act as a collector while the emitter is again cylindrical in shape and located on the cetnal axis of the anode block 6. The emitter is electrically connected to the anode block 6 by a resistor 4. bounds from which the oscillations are detected.
FIG. 13 shows the shape of a four-part magnetron, the cross section of which is square, and in which the oscillations are detected. In the tube used, the cylindrical emitter K is made of pure tungsten; the transmitter heating devices are not shown in the drawing. The collectors consist of four parts 16 arranged symmetrically around the emitter K parallel to the latter. Each part has an L-shaped section whose branches are of equal length, the different parts being spaced apart so as to each constitute a vertex of a square. Voids 43 separate the adjacent branches of two parts.
Each part is connected to a common line 2 by a different resistor R1, R2, R3 and RF4, the output being taken across R1, although it can be taken across any of the resistors.
Figure 14 shows the shape of a straightening tube
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6X5 full wave to which a magnetic field is applied and in which the oscillations are detected. The cylindrical emitter K of the 6X5 tube is placed between two spaced collectors C1 and C2 each comprising a cylindrical part 14 provided with a cooling fin 15 directed radially outward from an edge of the cylindrical part. The oscillation is detected at the terminals of a resistor 4 connected between the emitter K and the line 2 joining the collectors C. Or, the resistor 4 can be connected between the two collectors, while the emitter K is connected directly to one of the collectors.
It has also been found that the position of the 6X5 tube in the magnetic field is extremely critical, and this is certainly due to its elongated shape; in fact, this tube is so sensitive that it would be possible to construct a seismographic device with such a tube.
Electrical connections similar to those used for the 6X5 tube are also used in the case of the flat electrode device of an electrometer tube and in the case of the use of the double diode of the 6AV6 tube. FIG. 15 represents the electrometer tube, the collectors C being constituted by flat parallel plates arranged on either side of a thoriated tungsten emitter K having the shape of a V. The magnetic field is parallel to the collector plates. FIG. 16 represents the aforementioned double diode, and its shape is similar to that of the electrometer tube; except that the emitter consists of a normal oxide type cathode.
Oscillation is also detected in split anode magnetrons, and Figures 17-22 show different ways of connecting the electrodes of such a device to detect oscillations. The split anode magnetron shown in these figures comprises a cylindrical emitter K disposed between two semi-cylindrical collectors C, the magnetic field being parallel to the emitter. In Figure 17, the collectors are joined together and the load resistor is connected between the emitter and the collectors. This connection is similar to the one shown
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shown in Figure 9 for a tube with a large number of collectors. In Figure 18, the load resistor 4 is replaced by a tuned circuit consisting of an inductor 11 and a capacitor 10.
It goes without saying that the main oscillation frequency of the device is not determined by a tuned output circuit, such an output circuit merely serving as a resonator.
In figure 19, the emitter K and a collector C are joined together and connected, by the load resistor 4, to the other collector C. This connection is analogous to that of figure 8 where all the collectors are joined together at the 'emitter, except the collector 3. In Figure 20, the load resistor 4 is replaced by a tuned circuit composed of a choke 11 and a capacitor 10.
In Figure 21, the load resistor 4 is connected between the collectors C, while the emitter K is connected to the midpoint of the load resistor. In figure 22, the load resistor in figure 17 is replaced by a tuned circuit composed of a choke 11 and a capacitor 10. In the latter case, the emitter K is connected to the middle tap of the choke 11.
Figures 17 to 22 show the basic circuitry necessary to detect oscillation in a split anode magnetron. These same basic circuits are however equally applicable to all the other forms of tube described here.
In the different sets of electrodes which have been described, the number of electrodes differs from one to the other, and there are both resistive loads and matched loads. In all solutions however, the oscillation frequency is inversely proportional to the applied magnetic field and is substantially independent of the number of collectors used. Inexperience shows that tubes with undeformable geometry and having a large number of slots give an amplitude of oscillation considerably greater than those with a few slots;
on the other hand, tubes with relatively wide slits, such as the type 6700, the triode electron meter and the 6AV6 have much less sensitivity to
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magnetic field variations than those with narrow slits.
The conclusion to be drawn is that none of the tubes tested is really suitable for the purpose pursued, in particular the measurement of ambient magnetic fields. It is not only necessary to choose a certain compromise between the number of slots and the admissible noise, but it is absolutely necessary that the tube used has an indeformable geometric symmetry. In addition, since no energy is dissipated under the required working conditions, there is no need to use large cathodes or massive anodes. It has been found in the case of the Burroughs beam switch tube that the pins in the base of the tube are very magnetic, and this is believed to have a drawback.
Figures 23, 24 and 25 show three forms of collector which are suitable for the present invention, and experience has shown that the most satisfactory solution is that of Figure 23 which has the advantage of great simplicity, the amplitude. signal being weak. In the case of this figure, the collector simply consists of a thin-walled metal cylinder 22 provided with an axial slot 23. This form of collector makes it possible to detect the oscillation between the emitter and the collector.
The embodiment shown in Figure 24 comprises two rings 17 and 19 joined by non-ferromagnetic metal rods 18, so as to form a kind of cage. One or both rings may be metallic, so that the rods 18, which act as a collector, are electrically connected to each other. This cage-shaped collector is rigid and can be conveniently arranged around an emitter.
In Figure 25, the thin walls of a non-ferromagnetic metal cylinder 20 are provided with slots 21 extending from one end parallel to the axis of the cylinder, while extending only a part of the length. of the last. Several tabs 45 are thus obtained which serve as collectors when the cylinder 20 is placed around an emitter. One of the tabs 46 is completely separated from the cylinder 20 by slits 21 which extend.
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tooth on either side over the entire length of the cylinder. The tongue 46 is however held in place with the aid of an insulating support 47 fixed to the cylinder 20 as shown.
As the tab 46 is isolated from the rest of the cylinder, it can be connected like a probe, in a manner analogous to the connection of the cup 3 shown in Figure 8.
One of the simplest embodiments constructed so far consists of a central emitter of the equipotential type heated by an inverted coiled filament, the etanic emitting surface constituted by the three conventional oxides of barium, strontium and calcium. The diameter of this emitter is 0.17 cm and the collector consists of a molybdenum cylinder with a length of 1 cm., And a diameter of 0.86 cm. The cylinder is made of a folded and welded piece of sheet metal, the overlap of the weld W constituting a sufficient discontinuity to produce the disturbance of the plasma Such an embodiment is shown in figure 26, inside the envelope 44.
Two other embodiments shown in Figures 27 and 28 also showed this particular oscillation, but as the slots were narrow in Figure 27 and wide in Figure 28, the first device exhibited low amplitude oscillation with good sensitivity to magnetic field variations, while the other device oscillated very easily, produced a large amplitude signal but was only insensitive to magnetic field variations. The conclusion to be drawn is once again that the narrowness of the continuity slots or openings is an essential factor if we want to obtain a tube sensitive to variations in the magnetic field.
It has been found that the Type 6700 can give a greater amplitude of oscillation, when this tube is mounted as shown in Figure 29 and the outlet taken between a pair of probe cups at approximately right angles. The fact that the ten cups are arranged symmetrically shows that an arrangement of this kind is impossible in the tube of type 6700; we have
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was able to demonstrate, however, that the signals on two diametrically opposed cups have the same phase and that the maximum phase shift is obtained between cups 2 and 3 or 7 and 8 when the other end of the output circuit is connected to cup 0 or 5.
This distribution is valid for any fictitious cup and indicates that a two-lobed plasma revolves around the tube or that a double disturbance goes around the circumference of the plasma. Tubes having the shapes shown in Figures 30 and 31 were constructed and functioned satisfactorily as might be expected from the above, but it was very difficult to oscillate the tube shown in Figure 32.
The circuit shown in Figure 30 is based on the aforementioned fact that the phase of signals appearing on diametrically opposed collectors is the same and that the maximum phase shift is detected between collectors arranged at right angles to each other. . The facing collectors in Fig. 30 are brought together and a center tap resistor RL is connected between these two pairs of collectors. Emitter K is connected to the grounded middle tap of resistor RL and the output is taken across RL. A circuit of this kind gives a powerful output signal and, moreover, parasitic disturbances can be eliminated in opposition. It goes without saying that the resistive load FIL can be replaced by a tuned load, as described in previous embodiments.
Other forms of collecting devices will emerge clearly from the preceding description. One embodiment which may be especially useful is a tube on the surface of which is deposited, by schoopinization in a well-known manner, a layer of a metal such as aluminum, the necessary slots being made in such a layer by etching. chemical or scraping.
Experience shows that it is essential to take certain precautions when making this particular type of tube.
As the phenomenon involved is an oscillation of the electronic plasma - the vacuum must be as high as possible with the presence
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of a minimum quantity of foreign ions, because the latter still cause other oscillations which are not the subject of the present application. It is further essential to minimize secondary emissions to surfaces inside the tube; all getters must be shielded to prevent barium or alloying materials from depositing on the electrodes, which deposits cause secondary and photoelectric emissions. Great care must be taken to avoid any leakage between the electrodes.
Although it is possible to use activated cathodes, the experiential. this shows that these cathodes tend to become unstable and to deposit barium on the collectors; passive cathodes with long aging times or L-type cathodes will preferably be employed, because they have the advantage of being entirely non-magnetic, while the preparation of these cathodes should be such that the so-called current Edison, that is to say the current emitted without a collector potential and without a magnetic field, is as high as possible to create the electron plasma.
It is desirable in the manufacture of a special tube for the purpose of the present invention to incorporate a means for compensating for variations in cathodic emission, since the increase in the density of the electron plasma , caused by the increase in temperature of the method, results in an increase in frequency. Three such embodiments are shown schematically in Figures 33, 34 and 35.
In the embodiment of figure 33, a cylindrical emitter of great length K is held inside a vacuum tube not shown, together with two manifolds with several segments C1 and C2 of the type shown in figure 23 , the collectors surrounding the emitter at both ends. Two opposed ceramic annular magnets 24 and 25 are disposed externally to the vacuum tube, the magnet 24 serving to establish an axial magnetic field H1 in the vicinity of the collector CI and the magnet 25 serving to establish a magnetic field.
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axial H2 in the region of collector C1, these two fields being directed in opposite directions.
An output signal is produced across resistor 27 connected between emitter A and collector C1; while a second output signal is produced across resistor 28 connected between 1- * emitter ± and collector C2.
These outputs are sent to any suitable mixer 29 whose output 30 consists of a beat frequency which is a function of the difference between the frequencies of the two oscillations which themselves depend on the intensities of the magnetic fields inside the collectors C1 and C2. However, variations in the characteristics of the transmitter influence the frequency of the two outputs in the same direction and, therefore, these variations are eliminated in opposition when mixing the outputs. In addition, ceramic magnets undergo variations in field strength due to their temperature coefficient, but these variations are eliminated provided that the two magnets are sufficiently close to each other and are in a closed chamber. and isolated.
In this way, the output 30 is independent of the emission from the tube and of the variations in the intensity of the polarization field.
A similar result could be obtained by using two even tubes with opposing magnetic fields. Further, the sensitivity of the device to variations in the ambient axial magnetic field is increased, since such variation increases the frequency of one output and decreases the other frequency by the same amount. The output of the mixer thus indicates twice the variation experienced by each output. It can be shown that the output of a device of this kind no longer follows a relation in the kind of f = k / H, but that, provided that the polarization fields are large compared to the field to be measured, the beat frequency F follows the relation F = K1Hm, where K1 is a new constant and Hm the field to be measured.
As mentioned above, the oscillation frequency of the type of apparatus according to the present invention increases linearly with the increase of a direct voltage applied between emitter and emitter.
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collector between zero and about three positive volts on collector. The frequency also decreases linearly with the collector voltage down to about - 0.5 volts. All of the tube shapes described herein possess this feature of tension tuning, and this is deliberately used in the embodiments of Figures 34 and 35.
The device shown in FIG. 34 is similar to the split anode magnetron already described above, with the difference that the emitter K is extended outside the axial magnetic field applied to the magnetron. If this requires excessively lengthening the emitter, a compensating magnet can be used to cancel the field extending beyond the collector region. A thin-walled cylindrical anode 31 surrounds the extended end of the emitter and is connected to the emitter K by a potentiometer 32 whose resistance exceeds 100,000 ohms. Since there is essentially no magnetic field passing through the anode, the electrons emitted by the emitter are collected on the anode 31 and give the latter a negative potential directly proportional to the electron emission.
It is possible, using the potentiometer 32, to apply any fraction of this negative potential between the collector C2 and the emitter. As the frequency of the oscillations increases with electron emission as shown by a linear increase in frequency with increasing heating temperature, the increase in the negative potential of the anode 31 caused by an increase in the emission has the desired direction to compensate for the variations in frequency due to variations in the electronic emission. In the case shown, the oscillation is detected at the terminals of the resistor 33 connected between the collectors C1 and C2. It goes without saying, however, that any form of collector described above can be used.
FIG. 35 shows a split anode magnetron, the emitter K of which is heated indirectly by the conductors 37 coming from a direct current source 35. A potentiometer 36 is placed directly across the terminals of the direct current source 35, its
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cursor being connected to the collector C2 and its positive end being connected to the emitter K by the conductor 34, Thanks to this connection, a negative potential is applied to the collector C2 relative to the emitter, this potential undergoing the same variations of potential of the source of direct current affecting electronic emission. Therefore, as in the embodiment of Fig. 34, the oscillation frequency is compensated for changes in electronic emission.
The present invention is characterized in that it consists of an electronic oscillator comprising a high vacuum envelope containing an axial emitter of low energy electrons, a collector or several collectors having at least one slot, opening or discontinuity in the axial direction, and preferably several of these slits, openings or discontinuities, the said collector (s) being grouped around the emitter in a plane of symmetry, and a magnetic field, perpendicular to said plane, of an intensity such that the device works at the cutoff state and with a zero or almost zero potential difference applied between the emitter and said collector (s).
Although, in the preceding description, reference was made to a thermionic cathode, it goes without saying that a device of this kind could use a photoelectric or radioactive cathode, in which the electronic emission comes, in the first case, from the energy of the photons, and in the second case of secondary emission phenomena associated with a primary radb-activity of low energy, such as alpha or beta rays.
CLAIMS.
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