<B>Tube à luminescence.</B> La présente invention a pour objet uu tube à luminescence.
En général, les tubes à luminescence com prennent une cathode et une anode immer gées dans un milieu ionisable, c'est-à-dire un gaz ou un mélange de gaz, sous une pression telle qu'une décharge entre les électrodes peut être entretenue si l'on maintient une différence de potentiel déterminée entre les électrodes. Dans les tubes de construction connue, quand un potentiel continu suffisant pour entretenir une décharge est appliqué entre les électrodes, le courant qui les tra verse présente des variations parasites ou composantes de bruit. Certaines de ces com posantes peuvent être supprimées ou dimi nuées par une construction appropriée du circuit extérieur associé à ces tubes.
Cepen dant, d'autres composantes ne peuvent pas être éliminées de cette manière et diminuent l'efficacité du tube pour la transmission de signaux.
Parmi les composantes du dernier type, on trouve un bruit oscillatoire d'amplitude appréciable qui peut avoir une forme d'onde complexe mais qui n'en est pas moins répé titif. Son spectre de fréquence varie avec le milieu ionisable. Par exemple, dans les tubes à argon, les fréquences de bruit oscillatoire sont des fréquences audibles; plus exactement elles sont comprises entre quelques centaines. et quelques milliers de cycles. Pour des gaz plus légers, ces fréquences sont plus élevées.
Il est évident qu'un tel bruit affecte dés- agréablement le rapport signal/bruit pour un tube à luminescence utilisé dans une voie de transmission de signaux.
Un but de l'invention est d'éliminer sen siblement le bruit, et particulièrement le bruit du type indiqué ci-dessus, dans les tubes à luminescence.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue, partiellement sché matique, d'un tube à -luminescence auquel on se reportera plus loin.
La fig. 2 montre un graphique.
La fig. 3 est une vue en élévation d'un tube à luminescence, constituant une forme d'exécution de l'objet de l'invention, une partie de l'ampoule étant arrachée pour lais ser voir plus clairement la structure inté rieure.
La fig. 4- est une vue des électrodes du tube de la fig. 3, prise suivant le plan 4-4 de cette dernière figure.
La fig. 5 est un graphique montrant les composantes de l'impédance du tube repré senté aux fig. 3 et 4 en fonction de la fré quence.
La fig. 6 est une élévation, en perspec tive, d'une autre forme d'exécution de l'objet de l'invention, une partie de l'ampoule étant arrachée. _ La fig. 7 est une élévation d'une dernière forme d'exécution de l'objet de l'invention, une partie de l'ampoule étant :arrachée, et la fig. 8 est le schéma d'un circuit dans lequel se trouve un tube tel que lîzn des tubes représentés aux fig. 1, 3, 6 et 7.
En se référant maintenant au dessin, le tube à luminescence montré à la fig. 1 com prend une ampoule 10 contenant une atmo- spère ionisable, par exemple un gaz rare, sous une faible pression, par exemple de l'ordre de 50 mm de Hg ou moins. Montée à, une extrémité de l'ampoule se trouve une anode 11 q11! peut être un disque métallique.
A l'autre extrémité de l'ampoule est une cathode 12, par exemple un disque analogue à l'anode, parallèle à cette dernière et dont la face tournée du côté de l'anode est enduite d'une matière fortement émissive d'électrons, par exemple d'un mélange connu d'oxydes de baryum et de strontium.
Un tube de ce type peut être connecté dans un circuit transmettant des paroles ou de ,autres signaux, tel que celui montré à la fig. 8. De façon précise, la cathode 12 et l'anode 11 peuvent être polarisées par des sources de courant continu telles que les batteries 13, les pôles étant choisis comme on le voit au dessin, de façon à produire entre les électrodes un potentiel suffisant pour amorcer et entretenir une décharge. Le dis positif est connecté entre deux stations, par exemple entre des stations d'abonnés, par des transformàteurs appropriés 14.
Les batteries sont shuntées, pour les signaux .à courant alternatif à transmettre, par des condensa teurs 15.
Si un potentiel continu suffisant pour entretenir une décharge est -appliqué entre la cathode et l'anode, on a trouvé qu'en général le courant traversant le dispositif présente plus ou moins de - variations parasites oui composantes de bruit.
Ces variations peuvent être classées, en se basant sur ries analyses oscillographiques, 1 en bruits de fluctua tion, 2 en impulsions saccadées de courant et 3 en lin. type oscillatoire de bruit. Le bruit de fluctuation, comme on le sait, est<B>dû</B> à la collision de particules chargées, c'est-à-dire d'électrons ou d'ions, avec d'autres particules chargées ou avec des particules non chargées telles que des molécules gazeuses,
et à l'arrivée ou à l'émission de particules chargées aux élec trodes. Son amplitude est relativement faible, de sorte que ce type de bruit est négligeable dans beaucoup d'applications pratiques des tubes à luminescence. Par exemple, dans un tube de construction connue, on a déterminé que ce bruit -est de l'ordre de 45 décibels au- dessous du niveau de bruit admissible dans un circuit de transmission de téléphonie locale.
Le deuxième type de bruit, comme on le sait, est en relation avec des changements dans la position de différentes parties de la décharge, changements qui seront décrits plus loin de façon détaillée. Un exemple de ces changements est le déplacement dans la posi tion de la luminescence négative par rapport à. la cathode quand toute la surface active de la cathode n'est pas utilisée, et le déplace ment de la colonne positive ou de la lumines- cence d'anode. Ce type de bruit a une ampli tude appréciable.
On a trouvé .que des im pulsions de courant saccadées dues au dé placement de la luminescence négative peuvent être éliminées en faisant fonctionner le dispositif dans des conditions telles que le courant continu traversant le dispositif soit suffisant pour faire travailler toute la sur face active de la cathode.
Le troisième type de bruit ou type oscilla toire a une amplitude relativement grande. Il peut avoir la forme d'une onde complexe. Ce pendant, il est nettement répétitif. Il paraît impossible d'éliminer ce bruit par des moyens prévus dans le circuit associé avec le tube.* Des bruits des deuxième et troisième types, comme on l'a indiqué, ont un niveau assez important et, par suite, produisent une sé rieuse distorsion des signaux à courant alter natif qui sont superposés au potentiel- continu appliqué au tube pour amorcer et entretenir une décharge.
Par exemple, si un dispositif du type décrit est branché dans un circuit de tgéphonie dé telle manière que clés signaux acoustiques (ni d'autres fréquences audibles le traversent, le bruit mentionné produit un rapport signal/bruit intolérable.
Le brait du troisième type et aussi le bruit du deuxième type, particulièrement celui correspondant au déplacement de la co lonne positive ou de la luminescence d'anode peuvent être éliminés. De façon précise, ceci est effectué par un choix déterminé du gaz, de la pression du gaz et de la distance entre la cathode et l'anode.
On a découvert que, pour un gaz donné, pour chaque pression dti gaz, il y a une valeur :critique maximum de la distance de la cathode à l'anode au-dessous de laquelle les bruits du troisième type et .du deuxième type correspondant au déplace- rnent de la luminescence d'anode ou de la colonne positive ne se produisent pas, et que, inversement, pour un gaz donné, pour chaque distance entre la cathode et l'anode, il y a une pression de gaz maximum au-dessous de laquelle ce bruit n'a pas lieu.
Les relations pour deux gaz-types dans un tube du genre montré :à la fig. 1 sont repré sentées à la fig. 2, la courbe .Y correspondant à un remplissage gazeux formé de 100 %0 d'argon, la courbe Y correspondant .à un rem plissage gazeux formé de 95 0/a de néon et de 5 0l0 d'argon. Chaque .courbe est basée sur un grand nombre de mesures de bruit dans des tubes du genre de celui montré à la fig. 1, mais dans lesquels l'anode était mobile en vue de faire varier la distance entre la cathode et l'anode.
On a porté en abscisse la pression du gaz en mm de Hg et en ordonnée, la distance correspondante maximum en mm. entre élec trodes en dessous de laquelle le bruit du troi sième type ne se produit pas. Comme on le voit, plus la pression du gaz .augmente, -plus l'anode doit être rapprochée .de la cathode pour obtenir la :suppression du bruit. In versement, plus la distance entre électrodes est petite, plus est élevée la pression du gaz qui peut être employée sans produire de bruit.
Si l'on choisit la pression du gaz et la distance entre les électrodes en tenant compte du graphique de la fig. 2, :on élimine non seulement le bruit du troisième type mais aussi le bruit du deuxième type correspon dant au ,déplacement de la colonne positive ou de la luminescence ,l'anode. Le produit<B>de</B> la pression et de la distance maximum entre les électrodes pour -empêcher le bruit .est ap proximativement constant pour un gaz donné.
La relation entre pression et distance, montrée à la fg. 2, qui doit être réalisée pour supprimer les bruits des types indiqués, est valable pour beaucoup de :gaz. La table sui vante donne des valeurs-types montrant la re lation entre la pression et la distance pour quelques mélanges argon néon utilisés dans un tube tel que celui de la fig. 1 et ayant des disques parallèles formant .électrodes. La dis tance donnée est la .distance maximum ad missible entre les électrodes, sous une cer taine pression donnée, pour assurer l'absence de bruit :oscillatoire.
EMI0003.0053
Gaz <SEP> Pression <SEP> Distance
<tb> 10/0 <SEP> argon <SEP> - <SEP> 99 <SEP> % <SEP> néon <SEP> 60 <SEP> mm <SEP> de <SEP> Tag <SEP> 0,7112 <SEP> cm
<tb> <B>1.00/a</B> <SEP> argon <SEP> - <SEP> 90 <SEP> % <SEP> néon <SEP> 60 <SEP> mm <SEP> de <SEP> Hg <SEP> 0;4572 <SEP> cm
<tb> <B>301)/@</B> <SEP> argon-70% <SEP> néon <SEP> 40 <SEP> mm <SEP> de <SEP> Hg <SEP> 0,3$10 <SEP> cm
<tb> <B>501/o</B> <SEP> argon <SEP> - <SEP> 50 <SEP> % <SEP> néon <SEP> 30 <SEP> mm <SEP> de <SEP> Hg <SEP> 0,3810 <SEP> cm On a établi que, pour un gaz et une pres sion donnés, la condition nécessaire pour éli miner les types de bruits indiqués plus haut est que l'anode soit placée dans l'espace obscur de Faraday et assez près de la cathode pour qu'une luminescence de l'anode ne se produise pas.
Autrement dit, si, dans un tube à luminescence tel que celui montré à la fig. 1, l'anode est déplacée vers la cathode, la position de l'anode pour laquelle le bruit oscillatoire disparaît se trouve dans l'espace obscur de Faraday et le début de l'absence de bruit côincide avec la disparition de la luminescence d'anode, L'explication de ce fait, croit-on, réside - dans l'analyse suivante des conditions de fonctionnement d'un tube à luminescence.
On considérera maintenant la fig. 1; si l'anode est passablement distante de la cathode et que les électrodes sont excitées pour amorcer entre elles une décharge, le tra jet de la décharge comprend plusieurs ré gions distinctes. De façon précise, tout près de la cathode est situé l'espace obscur de cathode C (de Crookes), suivi, quand on se dirige vers l'anode,
de la région de lumines- cence négative N, .de l'espace obscur de Faraday F et de la colonne positive P.
Dans l'espace obscur de cathode, où se produit la plus grande partie de :la chute de potentiel dans le tube, des ions positifs sont produits qui bombardent la cathode et la font émettre des électrons.
Chaque électron ainsi émis, sous l'action du gradiant de po tentiel qui le conduit vers l'anode, traverse l'espace obscur de cathode .et entre dans la région de :
luminescence négative en provo quant un certain nombre d'ionisations. Au moins quelques-uns des ions ainsi produits re- broussent chemin et bombardent la .cathode, qui émet alors de nouveaux électrons. Ce pro cessus se répète de sorte que la décharge est entretenue.
Dans la région de luminescence négative, il y a une ionisation :considérable, elle .est due aux électrons venant de l'espace obscur de cathode. Les concentrations d'ions et d'élec trons sont sensiblement égales si bien que la chute -de potentiel est petite.
Lorsque les électrons atteignent l'espace obscur de Faraday, leur énergie est presque nulle. Par suite, il n'y a qu'une ionisation limitée -dans cette région. Les ions et les élec trons de cet espace sont fournis .principale ment -par diffusion à partir de la lumines cence négative. Leur concentration décroît quand augmente la distance qui les sépare de la luminescence négative.
De même, des ions et des électrons sont absorbés par la paroi de l'ampoule. Par suite, le :champ dans cette région augmente . quand augmente la dis tance qui la sépare de la cathode, et depuis une certaine distance, les électrons ont assez d'énergie pour provoquer une ionisation ap préciable. Cette distance marque le début de la colonne positive.
Dans la colonne positive, il. y a -des con centrations à peu près égales d'électrons et d'ions positifs. Un gradient relativement petit dans cette région est suffisant pour causer une ionisation, ce qui produit des ions et des électrons pour remplacer ceux qui se sont perdus contre l'ampoule.
Si l'anode est amenée suffisamment près de la :cathode, la colonne positive peut dis paraître; l'anode se trouve alors dans l'espace obscur de Faraday. Les effets ou conditions anodiques varient avec la position de .l'anode dans cet ,espace.
Si l'anode qui se trouve dans l'espace obscur de Faraday est relative ment éloignée de la .luminescence négative, le nombre d'ions positifs qui lui sont adjacents est petit, @de sorte qu'une charge spatiale élec tronique se produit .ainsi qu'une chute de po tentiel à l'anode.
Si :cette chute est assez élevée et qu'elle augmente avec la distance à partir de la cathode, l'excitation ou la luminescence d'anode commence. Puis vient l'ionisation. Les ions produits réduisent la charge spatiale de sorte que la chute de po. tentiel est sensiblement réduite ou éliminée et que l'ionisation cesse.
Alors la charge spa tiale commence à se former à nouveau et 1e cycle se répète. Manifestement, les conditions sont telles qu'elles produisent des oscilla tions; c'est ce qui donne lieu au bruit du troi sième type déjà mentionné.
,Si maintenant l'anode est amenée encore plus près,de la cathode, elle atteint une posi- tion :
dans Z'espace obscur de Faraday où les concentrations d'ions et d'électrons sont éle vées. Dans cette position, à cause des ions, il ne se forme pas de charge spatiale appré ciable près de l'anode quand les électrons sont réunis pour produire le courant dans le cir cuit extérieur entre l'anode et la cathode. E n'y a par suite pas d'ionisation appréciable, ni de luminescence d'anode.
En l'absence d'ex citation et d'ionisation, il ne se produit pas de bruit oscillatoire. 1:1 ressort de l'analyse précédente, et il a été vérifié par des essais sur des tubes réa- lisés, qu'il y a une ligne de démarcation .pré cise, dans l'espace obscur de Faraday de part et d'autre de laquelle l'oscillation se produit ou non. Quand l'anode est déplacée vers la cathode le bruit oscillatoire et la lumines cence d'anode disparaissent simultanément.
La condition nécessaire pour empêcher le bruit oscillatoire est que l'anode se trouve dans l'espace obscur de Faraday et assez près de la cathode pour qu'il ne se produise pas de luminescence d'anode.
On peut insister sur le fait -qu'il y a une nette différence entre les distances anode- cathode pour lesquelles la luminescence d'anode et la colonne positive commencent. Les positions de l'anode correspondant à ces deux cas sont indiquées en PG et Pr respec tivement, à la fig. 1.
La luminescence d'anode est affectée par plusieurs facteurs tels qué la forme géomé trique des électrodes et l'aire de l'anode. En général, si l'on réduit l'aire de l'anode, la den sité de la charge spatiale d'électrons qui lui est adjacente augmente et la luminescence d'anode et le bruit oscillatoire apparaissent pour une distance cathode-anode plus petite.
Plusieurs formes géométriques d'électrodes sont montrées aux fig. 3, 4 et 6.
Le tube à luminescence montré aux fig. i et 4 comprend une cathode cylindrique 112, par exemple un cylindre de nickel présentant sur sa surface extérieure un revêtement formé d'un mélange d'oxydes de baryum et de stron tium, et une anode comprenant une pluralité de fils 111 (ou tiges) parallèles équidistants, en fer, disposés suivant un cylindre coaxial à la cathode.
Les fils 111 sont montés et maintenus en position à la distance relative voulue Des conducteurs par une paire rigides d'anneaux 17, noyés métalliques dans l'em- 16 * base 18 de l'ampoule 10, supportent la cathode et l'anode en relation coaxiale.
Les paramètres importants pour un tube-type de cette cons truction, exempt de bruits des deuxième et troisième types indiqués ci-dessus, sont: Diamètre de la cathode (extérieur)<B>:</B> 1,9 cm; distance cathode-anode: 0,025 à 0,050 cm; gaz: 99 % néon, 1 0_/o argon; pression du gaz: 47 mm de mercure; potentiel de maintien: 53 volts.
Une autre caractéristique particulière du tube à luminescence représenté aux fig. 3 et 4 est sa basse impédance. On a trouvé, en général, que, dans les tubes à luminescence à ,cathode froide, pour un courant continu ré gulier passant dans le tube, l'impédance du tube comprend des composantes ohmique et inductive. On a encore trouvé qu'en général l'impédance du tube augmente quand le cou rant diminue.
Théoriquement, l'impédance d'un tube<B>à</B> luminescence peut être diminuée en augmen tant le courant qui le traverse. Cependant, la durée d'existence des types communs de tubes à cathode froide avec des cathodes activées décroît rapidement quand on augmente ainsi le courant. L'impédance peut être quelque peu diminuée également en augmentant la pression du gaz. Toutefois, il en résulte non seulement une augmentation de la densité du courant mais aussi une difficulté accrue d'ob tenir une surface de cathode uniformément active.
On a constaté que la construction montrée aux fig. 3 et 4 permet d'obtenir une basse im pédance tout en évitant les effets indésirables et les désavantages pratiques notés ci-dessus. En raison de la grande surface de la cathode et de la juxtaposition près d'elle des éléments de l'anode, la cathode peut travailler avec une densité de courant relativement basse, juste assez grande pour que toute 1a surface émis sive de la cathode soit utilisée.
Les compo santes ohmique et inductive de l'impédance d'un tube tel que celui des fig. 3 et 4 et ayant les paramètres indiqués plus haut, sont représentées, dans une gamme de basses fré quences allant de 400 à 3000 cycles par se conde, par les courbes R et Lco respective ment, à la fig. 5.
Dans le tube représenté à la fig. 6, une anode 211 en forme de tige s'étend axialement à l'intérieur d'une cathode cylindrique 212, par exemple en feuille de nickel, présentant un revêtement formé d'un mélange d'oxydes de baryum et -de strontium sur sa surface intérieure et ayant sa surface extérieure calo- risée. Dans une forme d'exécution particu lière, la cathode avait un diamètre intérieur d'environ 0,48 cm et l'anode était une tige de nickel d'environ 0,077 cm de diamètre.
Dans cette construction, les pressions de gaz qui pouvaient être employées sans que du bruit oscillatoire se produise, étaient les suivantes
EMI0006.0007
Pression <SEP> du <SEP> gaz
<tb> Gaz <SEP> en <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure
<tb> Argon <SEP> 10 <SEP> à <SEP> 24 <SEP> mm
<tb> Krypton <SEP> 10 <SEP> à <SEP> 32 <SEP> mm
<tb> Argon <SEP> (5 <SEP> Il/u) <SEP> -Néon <SEP> (95 <SEP> @/o) <SEP> 30 <SEP> à <SEP> 50 <SEP> mm
<tb> Argon <SEP> -I- <SEP> vapeur <SEP> de <SEP> mercure <SEP> 10 <SEP> à <SEP> 23 <SEP> mm
<tb> correspondant <SEP> à <SEP> une <SEP> tempé rature <SEP> de <SEP> mercure <SEP> condensé
<tb> de <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 80 <SEP> C
<tb> Argon <SEP> (96 <SEP> ')/m) <SEP> - <SEP> Hydro gène <SEP> (4 <SEP> lo)
<SEP> 10 <SEP> à <SEP> 23 <SEP> mm Dans la forme d'exécution de la fig. 7, la cathode 312 et l'anode 311 sont des disques parallèles montés rigidement sur l'embase 18 par des conducteurs 19. Egalement montées sur l'embase 18 par des conducteurs 20 en tourés de manchons isolants 21, se trouvent deux électrodes auxiliaires 22 et 23 très voi sines l'une de l'autre. Ces électrodes, qui servent respectivement de cathode de com mande et d'anode de commande, définissent un intervalle d'amorçage; la tension de com mande entre ces électrodes auxiliaires pro voque l'apparition d'une décharge entre les électrodes principales 37.1 et 312.
Dans un tube-type du genre représenté à la fig. 7 et exempt de bruit oscillatoire dans l'intervalle de décharge entre les électrodes principales 311 et 312, ces électrodes étaient, des disques d'environ 1,5 cm de diamètre, la face de la cathode tournée vers l'anode était enduite d'un mélange formé d'oxydes de ba ryum et de strontium, ces électrodes étaient distantes d'environ 0,6 cm et le gaz était de l'argon sous une pression de 15 mm, de mer cure. Le potentiel d'amorçage de l'intervalle principal était de 224 volts.
En variante, on pourrait choisir d'autres pressions, par exemple des pressions com prises entre 5 et 35 mm de Hg, la distance maximum admissible des électrodes pouvant être prise dans le graphique de la fig. 2 pour chaque pression particulière choisie.