Procédé pour produire une décharge entre des électrodes d'un tube à décharge élec trique et tube à décharge électrique pour la mise en oeuvre du procédé. Cette invention est relative aux tubes à dé charge électrique du type contenant du gaz et employant des électrodes à basse tempéra ture, par opposition aux tubes thermioniques employant des électrodes incandescentes, c'est-à-dire employant des électrodes fonc tionnant au-dessous de la température à la quelle la décharge est produite primitivement par émission thermionique et plus particu lièrement aux tubes comportant une cathode creuse et une anode plus petite tournée vers la surface interne de la cathode.
Dans les tubes du type à cathode à basse température, les potentiels de travail sont généralement beaucoup plus élevés que dans le cas des tubes à émission thermioniques, et la surface de la cathode, de même que d'au tres surfaces exposées telles que la surface interne du tube, sont soumises à un bombar dement relativement intense d'ions positifs, ce .qui donne lieu à des difficultés dont les principales sont le l'occlusion ou rétention permanente du gaz dans la matière de la ca thode, si celle-ci est faite des matières usuel- les telles que le tungstène, le molybdène et d'autres métaux réfractaires, ce qui abaisse la pression de gaz dans le tube,
et 20 la pro- jeetion ou crachement de particules métalli ques sur la surface interne du tube et sur, d'autres surfaces exposées, ce qui détermine souvent des courts-circuits.
Ainsi qu'il est bien connu, la décharge en arc possède des caractéristiques qui la dis tinguent d'une décharge luminescente. Elle possède notamment, entre la cathode et l'a node, une chute de potentiel inférieure à celle nécessaire pour maintenir une décharge luminescente, elle ne possède pas d'espace sombre de cathode, etc. Dans le but de pro duire une décharge ayant ces caractéristiques de l'arc, on avait, jusqu'ici, considéré comme essentiel d'employer une cathode incandes cente ou une cathode de mercure comportant un point incandescent, c'est-à-dire une ca thode chauffée à une température élevée et telle que son émission thermionique soit, en raison de la température élevée, suffÎsam- ment rapide pour produire un arc.
De telles températures élevées peuvent provoquer des détériorations rapides et diminuer par là considérablement la durée du fonctionnement normal des dispositifs en question.
Les inconvénients provenant soit de ten sions, soit de températures élevées d'électro des doivent être éliminés par le procédé sui vant l'invention, en ce qu'on produit une ionisation dans le gaz situé dans la zone près de la surface active de la cathode et qu'on oppose un obstacle suffisant à la dispersion des ions produits dans cette zone pour que la décharge qui a lieu entre les électrodes pos sède les caractéristiques de l'arc, c'est-à-dire une chute de tension inférieure à. celle néces saire pour une décharge luminescente et pra tiquement l'absence d'un espace sombre de cathode.
Le tube à. décharge électronique suivant l'invention comporte un obstacle situé entre la zone entourant cette ouverture et la sur face de l'anode pour limiter le bombardement des ions en substance à l'intérieur de la ca thode, afin que la paroi du tube ne soit pas soumise à un bombardement appréciable.
Le susdit procédé offre la possibilité d'obtenir une décharge avec la faible chute de potentiel d'un arc entre des électrodes qui ne sont pas thermioniques, c'est-à-dire entre des électrodes qui ne sont pas assez chaudes pour maintenir un arc par le phénomène usuel de l'émission thermionique.
Les électrodes sont de préférence confor mées et .disposées de façon que le bombarde ment d'ions est limité pratiquement à la sur face de la cathode, et cette surface est de pré férence formée d'une matière qui ne retient pas d'une façon permanente le gaz qui y est chassé par le bombardement d'ions. Le car bone, qui est suffisamment poreux pour abandonner le gaz chassé à l'intérieur de sa masse, convient pour constituer la surface de la cathode, mais d'autres matières possèdent aussi la propriété désirée. Par exemple, une couche d'étain sur une cathode de tungstène ou autre métal est appropriée au but visé, l'étain fondant en service et permettant ainsi au gaz qui a été projeté dans sa. masse de s'en échapper.
L'obstacle mentionné. peut être constitué par du métal, auquel cas il serait préférable- ment espacée de chaque électrode d'une dis- .fanée comparable au trajet libre moyen des électrons, mais il est préférable de le faire en matière isolante (telle que la lave), au quel cas il peut entrer en contact avec l'une ou chacune des électrodes.
Dans l'un et l'au tre cas, l'obstacle présente de préférence une partie s'étendant à peu près parallèlement à la partie juxtaposée d'une ou de chacune des électrodes de façon à ne provoquer aucune tendance au passâge du courant le long de sa surface d'une électrode à l'autre.
L'ionisation susmentionnée qui a lieu dans la zone de la surface active de la ca thode peut être effectuée par le rayonnement d'un filament ou tige incandescent qui est maintenu à l'état incandescent par un cou rant auxiliaire indépendant de la décharge entre la cathode et l'anode. Grâce à, ce rayon nement de lumière et à. la. chaleur dégagée, cette ionisation est rendue suffisamment in tense pour produire des ions et des électrons capables de transporter le courant de dé charge. Toutefois, lorsqu'on fait usage d'une cathode creuse avec une ouverture de dé charge restreinte, l'ionisation peut être main tenue par le rayonnement de la. décharge en tre la cathode et l'anode en raison du fait que la perte à travers l'ouverture restreinte est faible.
Lorsqu'on n'emploie pas de moyen de rayonnement auxiliaire, il faut un poten tiel plus élevé pour amorcer la décharge, no tamment un potentiel assez élevé pour pro duire une décharge luminescente, le voltage tombant aussitôt que l'ionisation devient suf fisamment intense pour assurer les susdites caractéristiques de l'are.
On peut en outre appliquer un gaz mono atomique tel chie l'hélium ou un autre gaz dont le trajet libre moyen ionisant est Ion" c'est-à-dire dont les caractéristiques sont tel les que les électrons se mouvront plus loin à travers lui sans exercer de choc ionisant sur les molécules gazeuses, de telle sorte que les surfaces juxtaposées des électrodes peuvent être éloignées d'une distance plus grande tout en restant isolées l'une de l'autre aux potentiels normaux.
Des formes d'exécution de tubes pour l'exécution du procédé sont représentées, à titre d'exemple, au dessin annexé, dans le quel Fig. 1 montre comme première .forme d'exécution un tube redresseur monté sur un circuit redresseur simple; Fig. 2 et 3 sont deux variantes; Fig. 4 est une vue de côté partiellement brisée d'un redresseur double agencé pour utiliser les deux demi-cycles d'un courant alternatif; Fig. 5 est une coupe suivant 2-2, fig. 4; Fig. 6 est une coupe suivant 3-3, fig. 5;
Fig. 7 est une coupe longitudinale d'un redresseur double modifié et montre un cir cuit convenant pour chacun des deux redres seurs doubles représentés; Fig. 8 est une coupe suivant 5-5, fig. 7. La forme d'exécution de la fig. 1 com prend un récipient en verre 2" rempli de gaz et muni d'une tige rentrante ou interne 1". L'extrémité supérieure de la tige porte une anode, préférablement en carbone, laquelle anode comporte un élément de base à rebord 8" et une saillie centrale 10" s'étendant vers le haut.
Une cuvette 12" en matière diélec trique est emboîtée au-dessus de l'anode, cette cuvette présentant une ouverture centrale pour recevoir la saillie 10" et une partie lon gue 14" s'étendant vers le bas et s'adaptant exactement autour de la tige 4". La cuvette 12" peut être faite de tout diélectrique de qualités d'isolement suffisamment élevées, mais on a trouvé préférable, pour une raison qui n'a pas. été bien expliquée, d'employer la lave ou un autre diélectrique possédant aussi des propriétés réfractaires et poreuses élevées. La cuvette 12" est élargie en 13" pour sup porter une cathode creuse 16", laquelle ca thode est aussi préférablement en carbone.
La cathode 16" comprend une base 18" re posant sur un épaulement annulaire 20" de la cuvette et un couvercle 22" s'adaptant exactement. autour de la base. Le couvercle 22" s'emboîte dans un rebord cylindrique 24" de la cuvette. La partie centrale de la base 18" présente une ouverture centrale qui est entourée par un rebord cylindrique 26" qui enveloppe ainsi un passage central 28" dans lequel pénètre la saillie cylindrique 10" de l'anode. Les surfaces de la saillie 10" et du rebord 26" sont pratiquement parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance dont l'ordre de grandeur est le trajet libre moyen des corpuscules du gaz, de sorte qu'aucune conduction ne peut se produire directement entre ces surfaces.
Par suite de l'épaulement 20", il reste un petit intervalle 30" immé diatement au-dessous de la base de la ca thode. Il convient que cet intervalle soit aussi approximativement de l'ordre de gran deur du trajet libre moyen des corpuscules du gaz, de telle sorte qu'on obtient un inter valle de grande résistance entre les surfaces opposées de la cathode et de la cuvette. La cathode est maintenue en position par un fil métallique 32" qui l'embrasse et qui est fixé par une ligature 34" enveloppant la cuvette au-dessous de l'élargissement 13". Le fil mé tallique' 32" sert aussi de fil d'amenée de courant pour l'électrode, une connexion étant établie entre ce fil et l'enveloppe d'un culot 38" de forme usuelle par un conducteur 36".
La connexion à l'anode est effectuée par un ressort 40" auquel est fixé un fil conducteur 42" scellé dans la tige de verre et relié à la partie inférieure du culot. La coopération de la cathode creuse avec l'anode produit un effet de redressement par l'accumulation d'une charge d'espace d'ions positifs dans la cathode. Dans le présent exemple, le tube est monté sur un circuit redresseur simple relié à un générateur de courant alternatif 44" par un transformateur 46" et comprenant une charge à courant continu convenable 0.
On voit que la cuvette en lave entoure et enveloppe complètement toutes les surfaces des électrodes à l'exception des surfaces dé sirées. Ces surfaces actives sont l'extrémité supérieure de la saillie 10" et l'intérieur de la cathode creuse 16". La surface périphéri- que de la saillie 10" est séparée de la surface interne du rebord 26" par uni- pellicule annu laire uniforme de gaz, tandis que la surface inférieure de la base 18" est séparée de la surface supérieure de la cuvette 12" par une pellicule de gaz discoïde uniforme indiquée en 30". Ces pellicules de gaz séparent les parties étroitement associées des électrodes à l'endroit desquelles une formation d'étincelles et des phénomènes de décharge analogues sont sujets à se produire, et elles se compor tent à. la façon d'agents d'isolement qui s'y opposent.
Le prolongement inférieur de la cuvette recouvre et protège aussi la tige de verre contre le risque de décharge se produisant près de cette tige. Il ressort du dessin que les chemins offerts à la conduction électri que à travers la cuvette elle-même sont rela tivement longs de sorte que les efforts électri= quel s'exerçant dans la cuvette elle-même ne sont pas suffisants pour avoir aucune con séquence. L'évidement 30" prévu dans la cu vette pour constituer le faible intervalle ga zeux de résistance élevée empêche spéciale ment tous efforts exagérés de se produire soit dans cette partie de l'agent gazeux, soit dans la, partie centrale de la cuvette elle-même, tandis que le contact réel entre la. cuvette et la cathode n'a lieu qu'au bord périphérique, ou près de ce bord.
Il s'ensuit que les lignes d'effort diélectrique les plus courtes possibles existant dans la lave s'étendent entre les angles externes de l'anode et la cathode. On a constaté aussi que l'espace gazeux restreint 30" empêche la production de toute décharge longitudinale entre la saillie 10" de l'anode et la surface inférieure de la cathode.
Dans la construction ainsi prévue, la dé charge entre la cathode et l'anode est régie, dirigée et limitée à des parties prédétermi nées de leur surface, tandis que les parties restantes de la surface des électrodes et des surfaces adjacentes des éléments de support sont protégées efficacement contre une dé charge exposant la surface de la cathode aux effets du "crachement" ou désagrégation.
La variante de la fig. \.2 est analogue à la construction de la fil-. 1 et les pièces ont été désignées d'une façon correspondante. Toute- i'ois, le rebord 26' s'étend vers le bas, c'est- à-dire vers l'extérieur de la cathode et la mince couche de gaz 30' s'étend le long de l'anode au lieu de s'étendre le long de la sur face de la cathode, la longueur axiale de la cuvette isolante l.?' étant, par conséquent, plus grande. Cette construction présente sur celle de la fig. 1. les avantages suivants.
En engageant le rebord 26' dans la cuvette 12', la cathode peut être centrée plus exactement; et montée plus solidement. Un donnant à l'intervalle de gaz 30' une forme cylindri que, il est plus facile de le rendre exactement concentrique à l'anode 10' en perçant ou alé sant la cuvette, ce qui permet de donner à 1'c',paisseur de la pellicule gazeuse 30' une valeur constante et exacte.
' La cathode de la fi-. 3 est égale à celle de fi-. 1 excepté que la partie 18"--26" est supprimée. Cette disposition ne fonctionne pas aussi efficacement, mais peut effectuer un redressement en vertu de la différence de forme et d'aire des surfaces opposées des électrodes.
La chute de potentiel entre la cathode et l'anode peut être diminuée en recouvrant la surface active de la cathode d'une matière à faible affinité électronique, par exemple d'un composé d'un métal alcalino-terreux (baryum, strontium ou calcium), cet enduit ayant aussi. pour effet d'empêcher dan: une grande meure que le gaz contenu dans le tube ne soit emprisonné d'une façon perma.- nente dans la surface de la cathode. Le tube peut avantageusement être rempli d'hélium ou d'un autre gaz inerte monoatomique. Une pression appropriée à. la majorité des emplois, pour du hélium est de 10 à. 15 mm de mer cure.
Une façon d'appliquer l'enduit précité consiste à appliquer sur la surface interne de la cathode une solution aqueuse (ou une suspension) d'un nitrate de baryum, de stron tium et (ou) de calcium, par aspersion, trem page ou badigeonnage, à sécher l'enduit, et à chauffer suffisamment pour convertir le nitrate en oxyde. Un enduit plus uniforme et plus durable peut être obtenu en répétant ce procédé plusieurs fois avec une solution diluée plu±ôt qu'une seule fois avec une so lution concentrée. Des oxydes mélangés peu vent être employés avec avantage, un mé lange de parties égales d'oxydes de baryum et de strontium étant particulièrement avan tageux.
Une construction comportant une couche d'oxyde placée à l'intérieur d'une cathode creuse dont l'ouverture est relativement pe tite a l'avantage que les particules de la couche susceptibles d'avoir été délogées par le bombardement des ions, se déposent de nouveau sur la surface interne de la cathode et la quantité de particules délogées s'échap pant par l'ouverture restreinte est très faible, à supposer même qu'il s'en échappe. Ceci non seulement conserve la couche, mais évite les effets nuisibles qui résulteraient d'un nouveau dépôt des particules sur la paroi in terne du récipient en verre ou sur d'autres surfaces situées à l'intérieur du récipient.
La forme d'exécution des fig. 4, 5 et 6 comprend un tube 1 qui peut être en verre, une cathode creuse 2, des anodes 3, un bloc isolant 4 préférablement en lavite, et un cu lot comprenant des douilles métalliques em bouties 5 et 6 fixées l'une à l'autre par une matière isolante 7. Le tube de verre 1 com prend une tige rentrante 8 munie de deux saillies tubulaires 9 qui pénètrent dans des évidements prévus dans la partie inférieure du bloc isolant 4, le bloc 4 étant emboîté sur les saillies 9 et maintenu en position par la cathode 2. Les anodes 3 sont montées dans des ouvertures prévues dans le bloc 4 con centriquement aux saillies 9 et aux ouver tures 10 de la cathode.
La cathode est com posée de deux éléments dont le supérieur comprend une cuvette cylindrique renversée et l'inférieur 11 un couvercle pour l'extré mité ouverte de la cuvette, les ouvertures 10 étant prévues dans le couvercle 11. Le bloc isolant 4 présente des évidements circulaires 12 près des ouvertures 10, la distance entre les parois de ces évidements et les anodes étant préférablement de l'ordre du trajet libre moyen des électrons dans ces évidements. Le bord des ouvertures 10 est replié vers le bas pour s'adapter dans les évidements 12 comme représenté sur la fig. 5.
La cathode peut être supportée uniquement par le bloc 4, mais il est préférable qu'elle soit supportée au moins en partie directement sur la tige 8 à l'aide d'un anneau 13 entourant la tigé et de branches 14 disposées de part et d'autre de la cathode, les extrémités supérieures des branches étant préférablement soudées par points à la cuvette de cathode en 15.
Les anneaux 5 et 6 du culot sont reliés entre eux en raison du fait qu'ils sont moulés dans la matière isolante 7, et le tube 10 est monté dans l'anneau 5 à l'aide d'une matière fusible 16. L'anneau 5 est relié à une des anodes par un fil 17, l'anneau 6 est relié à l'autre anode par un fil 18, et la cathode est reliée au contact central 19 du culot par un fil 20. Grâce à cette disposition, toutes les électrodes sont montées sur l'extrémité infé rieure du tube et tous les fils sont reliés à des éléments de contact séparés faisant partie du culot.
Le dispositif est monté dans une douille ordinaire 21 munie de contacts agen cés pour coopérer avec les contacts 6 et 19 en prévoyant un contact a.dditionnei 22 destiné à coopérer avec l'anneau 5.
La fig. 5 montre un tube de 12 centi mètres de hauteur environ. Ce tube travail lera avec une chute de tension d'environ 120 volts aux bornes du tube lorsqu'on em ploie. une cathode en fer dont la face inté rieure est revêtue d'une couche formée d'un mélange d'oxyde de baryum et d'oxyde de strontium, le tube étant rempli d'hélium- sous une pression de 13 mm. Ce tube délivrera alors un courant permanent jusqu'à 60 milli ampères sans échauffement inadmissible.
La variante des fig. 7 et 8 comprend un tube 31, une cathode 32, des anodes 33, un bloc isolant 34 et un fil métallique en U 35 servant à ancrer la cathode sur le bloc iso lant 34, les extrémités du fil 35 étant fixées au bloc par un anneau en fil métallique 36. L'extrémité inférieure de la cathode présente des ouvertures 37 concentriques aux anodes 33, le bord de ces ouvertures étant relevé pour former des rebords. Le bloc isolant 34 présente des creusures 38 entourant les extré mités de l'anode.
Les pièces sont montées sur une tige rentrante 39 d'une manière ana logue à celle montrée dans les fig. 4, 5 et 6, et le tube peut être muni de tout culot appro prié, par exemple du type à baïonnette, ou d'un culot du genre de ceux représentés dans les figures précédentes.
Pour le redressement d'un courant, les anodes peuvent être reliées aux extrémités du secondaire d'un transformateur 40 et le cir cuit à courant continu 41 peut être relié à la. cathode, d'une part, et à un point central du secondaire, comme on le voit sur la fig. 8, d'autre part.
L'intérieur du tube peut être rempli d'un ou plusieurs gaz appropriés, de préférence de gaz monoatomiques sous une pression con venable. Par exemple, le gaz peut être de l'hélium à. 13 millimètres de pression.
La surface interne de la cathode est pré- férablement revêtue d'un oxyde d'un métal alcalino-terreux tel que le calcium, le stron tium ou le baryum pour diminuer la chute de voltage à la cathode.
En fonctionnement, le courant passe entre la cathode et l'une des anodes lorsque la. ca thode est négative et que l'anode envisagée est positive. Comme les anodes sont alterna tivement positives, le courant passe succes sivement entre la cathode et l'une des anodes et entre la cathode et l'autre anode d'une fa çon alternée. Le courant est empêché de pas ser en sens inverse, c'est-à-dire des anodes à la. cathode, en raison du fait qu'on a. fait en sorte que sensiblement toute la décharge élec tronique passe entre les extrémités des anodes et l'intérieur de la cathode.
Le courant est empêché de passer à travers les intervalles compris entre les anodes et le bord des ouver tures de la cathode en raison du fait que ces intervalles reçoivent une largeur si faible que les électrons qui les traversent ne produisent pas une ionisation suffisante pour amorcer une conduction importante. La conduction gazeuse entre les anodes et l'extérieur de la cathode est empêchée par le bloc isolant 4; en outre, en prévoyant des creusures telles que 12 et 38, la tendance du courant à passer en tre la cathode et les anodes le long de la, sur face du bloc isolant est empêchée ou réduite à un facteur négligeable.
On a trouvé que l'appareil fonctionne plus efficacement lors qu'on arrondit les extrémités des anodes comme le montrent les fig. 5 et 8.
A method of producing a discharge between electrodes of an electric discharge tube and an electric discharge tube for carrying out the method. This invention relates to electric discharge tubes of the gas-containing type employing low temperature electrodes, as opposed to thermionic tubes employing incandescent electrodes, i.e. employing electrodes operating below temperature. the temperature at which the discharge is produced primarily by thermionic emission and more particularly in tubes comprising a hollow cathode and a smaller anode facing the internal surface of the cathode.
In low temperature cathode type tubes, the working potentials are generally much higher than in the case of thermionic emission tubes, and the surface of the cathode as well as other exposed surfaces such as the surface. of the tube, are subjected to a relatively intense bombardment of positive ions, which gives rise to difficulties, the main ones of which are the occlusion or permanent retention of gas in the material of the cathode, if the latter is made of common materials such as tungsten, molybdenum and other refractory metals, which lowers the gas pressure in the tube,
and the projection or spitting of metal particles onto the inner surface of the tube and other exposed surfaces, which often causes short circuits.
As is well known, the arc discharge has characteristics which distinguish it from a glow discharge. In particular, it has, between the cathode and the node, a potential drop less than that necessary to maintain a glow discharge, it does not have a dark space of the cathode, etc. In order to produce a discharge having these arc characteristics, it had heretofore been considered essential to employ a central incandescent cathode or a mercury cathode comprising an incandescent point, i.e. a electrode heated to a high temperature and such that its thermionic emission is, due to the high temperature, sufficiently fast to produce an arc.
Such high temperatures can cause rapid deterioration and thereby considerably reduce the period of normal operation of the devices in question.
The drawbacks arising either from voltages or from high electro temperatures must be eliminated by the process according to the invention, in that ionization is produced in the gas situated in the zone near the active surface of the cell. cathode and that a sufficient obstacle is placed on the dispersion of the ions produced in this zone so that the discharge which takes place between the electrodes has the characteristics of the arc, that is to say a voltage drop of less than . that necessary for glow discharge and practically the absence of a dark cathode space.
The tube at. electronic discharge according to the invention comprises an obstacle located between the zone surrounding this opening and the surface of the anode to limit the bombardment of the ions in substance inside the cathode, so that the wall of the tube is not subjected to appreciable bombardment.
The aforesaid method offers the possibility of obtaining a discharge with the low drop in potential of an arc between electrodes which are not thermionic, that is to say between electrodes which are not hot enough to maintain an arc. by the usual phenomenon of thermionic emission.
The electrodes are preferably shaped and arranged so that ion bombardment is limited substantially to the surface of the cathode, and this surface is preferably formed of a material which does not retain in any way. permanent gas which is driven out by ion bombardment. Carbon, which is porous enough to give up the gas expelled within its mass, is suitable for constituting the surface of the cathode, but other materials also have the desired property. For example, a layer of tin on a cathode of tungsten or other metal is suitable for the intended purpose, the tin melting in use and thus allowing the gas which has been projected into its. mass to escape.
The obstacle mentioned. can be made of metal, in which case it would preferably be spaced apart from each electrode by a dis- .fan comparable to the average free path of electrons, but it is preferable to do this in insulating material (such as lava), in which case it may come into contact with one or each of the electrodes.
In either case, the obstacle preferably has a part extending approximately parallel to the juxtaposed part of one or each of the electrodes so as not to cause any tendency for the current to pass through. along its surface from one electrode to another.
The aforementioned ionization which takes place in the area of the active surface of the cathode can be effected by the radiation of an incandescent filament or rod which is maintained in the incandescent state by an auxiliary current independent of the discharge between the cathode and anode. Thanks to this ray of light and to. the. heat released, this ionization is made sufficiently intense to produce ions and electrons capable of carrying the discharge current. However, when using a hollow cathode with a restricted discharge opening, ionization can be maintained by the radiation. discharges between the cathode and the anode due to the fact that the loss through the restricted opening is low.
When no auxiliary means of radiation are employed, a higher potential is required to initiate the discharge, in particular a potential high enough to produce a glow discharge, the voltage falling as soon as the ionization becomes sufficiently intense. to ensure the aforesaid characteristics of the are.
We can also apply a mono atomic gas such as helium or another gas whose average free ionizing path is Ion "that is to say whose characteristics are such that the electrons will move further through it. without exerting an ionizing shock on the gas molecules, so that the juxtaposed surfaces of the electrodes can be moved a greater distance away while remaining isolated from each other at normal potentials.
Embodiments of tubes for carrying out the method are shown, by way of example, in the accompanying drawing, in which FIG. 1 shows as a first embodiment a rectifier tube mounted on a simple rectifier circuit; Fig. 2 and 3 are two variants; Fig. 4 is a partially broken side view of a double rectifier arranged to use the two half cycles of an alternating current; Fig. 5 is a section on 2-2, fig. 4; Fig. 6 is a section on 3-3, fig. 5;
Fig. 7 is a longitudinal section of a modified double straightener and shows a circuit suitable for each of the two double straighteners shown; Fig. 8 is a section on 5-5, fig. 7. The embodiment of FIG. 1 com takes a 2 "glass container filled with gas and fitted with a 1" re-entrant or internal rod. The upper end of the rod carries an anode, preferably carbon, which anode has a rimmed base member 8 "and a central projection 10" extending upward.
A cup 12 "of dielectric material is nested above the anode, this cup having a central opening to receive the projection 10" and a long part 14 "extending downwards and fitting exactly around it. the 4 "rod. The cuvette 12 "can be made of any dielectric of sufficiently high insulation qualities, but it has been found preferable, for a reason which has not been well explained, to employ lava or other dielectric also possessing properties. High refractory and porous. The cup 12 "is widened to 13" to support a 16 "hollow cathode, which is also preferably carbon.
Cathode 16 "includes a base 18" resting on an annular shoulder 20 "of the cuvette and a cover 22" that fits exactly. around the base. The cover 22 "fits into a cylindrical rim 24" of the bowl. The central part of the base 18 "has a central opening which is surrounded by a cylindrical rim 26" which thus surrounds a central passage 28 "into which the cylindrical projection 10" of the anode penetrates. The surfaces of the protrusion 10 "and the flange 26" are substantially parallel and spaced from each other by a distance of the order of magnitude of the mean free path of the particles of the gas, so that no conduction cannot occur directly between these surfaces.
As a result of the shoulder 20 ", a small gap 30" remains immediately below the base of the cathode. This interval should also be approximately of the order of the magnitude of the mean free path of the gas corpuscles, so that a high resistance interval is obtained between the opposing surfaces of the cathode and the cuvette. The cathode is held in position by a wire 32 "which embraces it and which is secured by a ligature 34" enveloping the cup below the enlargement 13 ". The metal wire '32" also serves as the wire. current supply for the electrode, a connection being established between this wire and the envelope of a base 38 "of usual shape by a conductor 36".
The connection to the anode is made by a spring 40 "to which is fixed a conductive wire 42" sealed in the glass rod and connected to the lower part of the base. The cooperation of the hollow cathode with the anode produces a straightening effect by the accumulation of a space charge of positive ions in the cathode. In the present example, the tube is mounted on a simple rectifier circuit connected to an AC generator 44 "by a transformer 46" and including a suitable DC load 0.
It can be seen that the lava cuvette completely surrounds and envelops all the surfaces of the electrodes except the desired surfaces. These active surfaces are the upper end of the protrusion 10 "and the interior of the hollow cathode 16". The peripheral surface of the projection 10 "is separated from the inner surface of the rim 26" by a uniform annular film of gas, while the lower surface of the base 18 "is separated from the upper surface of the bowl 12. "by a uniform discoid gas film indicated at 30". These gas films separate the closely associated parts of the electrodes at which sparking and similar discharge phenomena are liable to occur, and they behave tempt in the manner of isolation officers who oppose it.
The lower extension of the cuvette also covers and protects the glass rod against the risk of discharge occurring near this rod. It emerges from the drawing that the paths offered to the electric conduction through the cuvette itself are relatively long so that the electric forces exerted in the cuvette itself are not sufficient to have any con sequence. . The recess 30 "provided in the bowl to constitute the small gas gap of high strength specially prevents any exaggerated efforts to occur either in this part of the gaseous agent or in the central part of the bowl itself. Likewise, while the actual contact between the cuvette and the cathode occurs only at or near the peripheral edge.
It follows that the shortest possible dielectric stress lines existing in the lava extend between the outer angles of the anode and the cathode. It has also been found that the restricted gas space 30 "prevents the production of any longitudinal discharge between the protrusion 10" of the anode and the lower surface of the cathode.
In the construction thus provided, the discharge between the cathode and the anode is controlled, directed and limited to predetermined parts of their surface, while the remaining parts of the surface of the electrodes and the adjacent surfaces of the support members are effectively protected against discharge exposing the cathode surface to the effects of "spitting" or disintegration.
The variant of FIG. \ .2 is analogous to the construction of the fil-. 1 and the parts have been designated correspondingly. However, the flange 26 'extends downward, i.e. outwardly, of the cathode and the thin gas layer 30' extends along the anode instead. to extend along the surface of the cathode, the axial length of the insulating cup l.? ' being, therefore, larger. This construction shown on that of FIG. 1. the following advantages.
By engaging the rim 26 'in the cup 12', the cathode can be centered more exactly; and climb more solidly. By giving the gas gap 30 'a cylindrical shape, it is easier to make it exactly concentric with the anode 10' by piercing or randomizing the cuvette, which allows the thickness to be formed. of the gas film 30 'a constant and exact value.
'The cathode of the fi-. 3 is equal to that of fi-. 1 except that part 18 "- 26" is deleted. This arrangement does not work as efficiently, but can rectify by virtue of the difference in shape and area of the opposing surfaces of the electrodes.
The potential drop between the cathode and the anode can be reduced by covering the active surface of the cathode with a material with low electronic affinity, for example a compound of an alkaline earth metal (barium, strontium or calcium ), this plaster also having. the effect of preventing dan: a large death that the gas contained in the tube is permanently trapped in the surface of the cathode. The tube can advantageously be filled with helium or another inert monoatomic gas. Appropriate pressure to. the majority of jobs, for helium is 10 to. 15 mm sea cure.
One way of applying the aforementioned coating consists in applying to the internal surface of the cathode an aqueous solution (or a suspension) of a nitrate of barium, of stron tium and (or) of calcium, by sprinkling, soaking or brushing, drying the plaster, and heating enough to convert the nitrate to oxide. A more uniform and durable coating can be obtained by repeating this process several times with a dilute solution rather than once with a concentrated solution. Mixed oxides can be employed with advantage, a mixture of equal parts of barium and strontium oxides being particularly advantageous.
A construction comprising an oxide layer placed inside a hollow cathode with a relatively small opening has the advantage that the particles of the layer which may have been dislodged by the bombardment of the ions are deposited. again on the inner surface of the cathode and the amount of dislodged particles escaping through the restricted opening is very small, even assuming that it escapes. This not only preserves the layer, but avoids the deleterious effects which would result from re-deposition of the particles on the internal wall of the glass container or on other surfaces within the container.
The embodiment of FIGS. 4, 5 and 6 comprises a tube 1 which may be made of glass, a hollow cathode 2, anodes 3, an insulating block 4 preferably of lavite, and a set comprising metal bushings 5 and 6 attached to each other. the other by an insulating material 7. The glass tube 1 com takes a re-entrant rod 8 provided with two tubular projections 9 which penetrate into the recesses provided in the lower part of the insulating block 4, the block 4 being fitted onto the projections 9 and held in position by the cathode 2. The anodes 3 are mounted in openings provided in the block 4 centrally to the projections 9 and to the openings 10 of the cathode.
The cathode is made up of two elements, the upper of which comprises an inverted cylindrical cuvette and the lower 11 a cover for the open end of the cuvette, the openings 10 being provided in the cover 11. The insulating block 4 has recesses. circular 12 near the openings 10, the distance between the walls of these recesses and the anodes preferably being of the order of the average free path of the electrons in these recesses. The edge of the openings 10 is folded down to fit into the recesses 12 as shown in FIG. 5.
The cathode can be supported only by the block 4, but it is preferable that it is supported at least in part directly on the rod 8 using a ring 13 surrounding the rod and branches 14 arranged on either side. the other of the cathode, the upper ends of the legs preferably being spot welded to the cathode cup at 15.
The rings 5 and 6 of the base are interconnected due to the fact that they are molded in the insulating material 7, and the tube 10 is mounted in the ring 5 using a fusible material 16. The ring 5 is connected to one of the anodes by a wire 17, the ring 6 is connected to the other anode by a wire 18, and the cathode is connected to the central contact 19 of the base by a wire 20. Thanks to this arrangement, all the electrodes are mounted on the lower end of the tube and all the wires are connected to separate contact elements forming part of the base.
The device is mounted in an ordinary socket 21 provided with contacts arranged to cooperate with the contacts 6 and 19 by providing an a.dditionnei contact 22 intended to cooperate with the ring 5.
Fig. 5 shows a tube about 12 hundred meters high. This tube will work with a voltage drop of approximately 120 volts across the tube when in use. an iron cathode, the inside face of which is coated with a layer formed from a mixture of barium oxide and strontium oxide, the tube being filled with helium at a pressure of 13 mm. This tube will then deliver a permanent current up to 60 milli amps without inadmissible heating.
The variant of fig. 7 and 8 comprises a tube 31, a cathode 32, anodes 33, an insulating block 34 and a U-shaped metal wire 35 serving to anchor the cathode to the insulating block 34, the ends of the wire 35 being fixed to the block by a wire ring 36. The lower end of the cathode has openings 37 concentric with the anodes 33, the edge of these openings being raised to form rims. The insulating block 34 has recesses 38 surrounding the ends of the anode.
The parts are mounted on a re-entrant rod 39 in a manner analogous to that shown in FIGS. 4, 5 and 6, and the tube may be provided with any suitable base, for example of the bayonet type, or with a base of the type shown in the preceding figures.
For rectifying a current, the anodes can be connected to the ends of the secondary of a transformer 40 and the DC circuit 41 can be connected to the. cathode, on the one hand, and at a central point of the secondary, as seen in fig. 8, on the other hand.
The interior of the tube can be filled with one or more suitable gases, preferably monoatomic gases under suitable pressure. For example, the gas can be helium. 13 millimeters of pressure.
The inner surface of the cathode is preferably coated with an oxide of an alkaline earth metal such as calcium, stron tium or barium to decrease the voltage drop at the cathode.
In operation, current flows between the cathode and one of the anodes when the. ca thode is negative and the considered anode is positive. As the anodes are alternately positive, the current passes successively between the cathode and one of the anodes and between the cathode and the other anode in an alternating fashion. The current is prevented from going in the opposite direction, i.e. from the anodes to the. cathode, due to the fact that one has. causes substantially all of the electronic discharge to pass between the ends of the anodes and the interior of the cathode.
Current is prevented from passing through the gaps between the anodes and the edge of the openings of the cathode due to the fact that these gaps are so narrow in width that the electrons passing through them do not produce sufficient ionization to initiate a significant conduction. Gas conduction between the anodes and the outside of the cathode is prevented by the insulating block 4; furthermore, by providing recesses such as 12 and 38, the tendency of the current to pass between the cathode and the anodes along the face of the insulating block is prevented or reduced to a negligible factor.
The apparatus has been found to work more efficiently when the ends of the anodes are rounded off as shown in Figs. 5 and 8.