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11 PERFECTI01:ilIEMENTS AUX TUBES A DECHARGE D'ELECTRONS*
Cette invention est relative particulière- ment aux tubes de décharge d'électrons du type contenant du gaz, une cathode creuse et une anode plus petite tournée vers la, surface interne de la cathode et employant des électrodes à basse température, par opposition aux tubes thermioniques employant des électrodes incandescentes, mais certaines carac- téristiques de l'invention sont applicables aux tubes ther- mioniques.
Plus particulièrement, L'invention est relative aux tubes du type décrit dans le brevet'français n 539 ..673 en date du 24 Août 1921 dans lequel des surfaces juxtaposées de la cathode et de l'anode sont placées suffisamment près l'une de l'autre pour empêcher l'amorçage de la conduction
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gazeuse aux potentiels normaux et dans lequel des moyens sont prévus pour que. la conduction gazeuse puisse se produire suivant des trajets plus long$entre l'anode et l'intérieur de la cathode creuse.
Dans les tubes du type à cathode à basse température les potentiels de travail sont beaucoup plus élevés que' dans le cas des tubes à émission thermioniques, et la surface de la cathode, de même que d'autres surfaces exposées telles que la surface interne du tube, sont soumises à un bombardement relativement intense d'ions positifs, ce' qui donne lieu à des difficultés dont les principales sont l) l'occlusion ou rétention.permanente du gaz dans la matière de la cathode si celle-ci est faite des matières usuelles telles que le tungstène, le molybdène et d'autres métaux réfringents, ce qui abaisse la pression de gaz dans le tube, et 2) la. projection.ou crachement de particules métalliques sur la surface interne du tube et sur d'autres surfaces ex- posées, ce qui détermine spuvent des courts-circuits.
Ainsi qu'il est bien connu, la décharge d'un arc possède des caractéristiques qui la distinguent d'une décharge luminescente. Elle possède notamment, entre la cathode et l'anode, une chute de potentiel inférieure à celle nécessaire pour maintenir une décharge luminescente, elle ne possède pas d'espace sombre de cathode, elle ne pos- sède pas de chute de potentiel dite cathodique, etc..... Dans le but de produire une décharge ayant les caractéristiques de l'arc, on avait, jusqu'ici, considéré comme essentiel d'employer une cathode incandescente ou une cathode de mercure comportant un point incandescent, c'est-à-dire une cathode, chauffée à une température élevée et telle que son émission thermionique soit, en raison de la température éle- vée, suffisamment rapide pour produire un arc.
De telles
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températures élevées provoquent une détérioration rapide et diminue considérablementla durée du fonctionnement normal.
Suivant l'invention, un arc est produit indéperidamment de telles températures' élevées, quoique, dans certains cas, la cathode puisse accessoirement devenir suffi- sa.mmen t chaude pour contribuer notablement aux caractéristi- ques de l'arc. En d'autres fermes, cett.e invention constitue un perfectionnement radical apporté à cet,.art en ce sens qu' elle offre,une décharge d'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 therminique.Ce résultat remarquable est obtenu en ionisant le gaz dans la zone de la surface active de ' la cathode et en faisant suffisamment obstacle à la dissipa- tion ou échappement de l'ionisation de la dite zone pour que la décharge qui se produit entre les électrodes non thermioni- ques possède les caractéristiques de l'arc. A l'aide du rayon- nement de lumière et ( ou ) de chaleur, cette inonisation est rendue suffisamment intense pour produire des ions'et des élec- trons capables de transporter le courant de décharge.
Suivant l'invention,, les électrodes sont conformées et disposées de façon que le bombardement d'ions soit limité en substance: à la surface de la cathode, et cette surface est formée d'une matière qui ne retient pas d'une façon permanente le gaz qui y est chassé par le bombardement d'ions. Le carbone, qui est suffisamment poreux pour abandonner le gaz chassé à l'intérieur de sa masse, convient pour consti- tuer la surface de la cathode, mais d'autres matières possè- dent aussi la propriété désirée. Par exemple, une couche d'é- tàin sur une cathode de tungstène ou autre métal est appro- priée au but visé, l'étain fondant en service et permettant
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ainsi au gaz qui a été projeté dans sa masse de s'en échapper.
La cathode est creuse et présente une ouver- ture. L'anode est plus petite que la cathode et tournée vers la dite ouverture. Le tube est caractérisé par une obstruction s'étendant d'une zone entourant l'ouverture à une zone environ- nant l'anode pour limiter le bombardement d'ions en substance à l'intérieur de la cathode, de sorte que la paroi du tube n' est pas soumise à un bombardement importante L'obstruction peut être constituée par du métal, auquel cas elle serait préféra- blement espacée de chaque électrode d'une distance comparable' au trajet libre moyen des électrons, mais il est préférable de la faire en matière isolante (;telle que la lave), auquel cas elle peut entrer en contact avec l'une ou chacune des élec- trodes.
Dans l'un et l'autre cas, l'obstruction présente de pré- férence une pa.rtie s'étendant à peu près parallèlement à la partie .juxtaposée d'une ou de chacune des électrodes de façon à ne provoqueraucune tendance au passage du courant le long de sa surface d'une électrode à l'autre.
L'ionisation sus-mentionnée qui a lieu dans la zone de la surface active de la cathode peut être effectuée par le rayonnement d'un filament ou tige incandescent qui est maintenu à l'état incandescent par un courant auxiliaire indé- pendant de la. décharge entre la cathodeet l' a.node. Toutefois, lorsqu'on fait usage d'une cathode creuse avec' une ouverture de déchaxge restreinte, l'ionisation peut être maintenue par le rayonnement de la décharge entre 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 potentiel plus (,levé pour amorcer la décharge, notamment un potentiel assez élevé pour'produire une'
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/ tombant décharge luminescente, le oltagefaussitôt que l'ionisation lU dévient suffisamment intense pour assurer les sus-dites carac:- téristiques de l'arc.
L'invention est, en particulier avantageuse- ment applicable aux tubes [du type faisant l'objet du brevet antérieur précité pour. cette raison qu'elle permet à la pres- sion de gaz d'être maintenue approximativement constante, alors que si la pression jetait initialement trop.- élevée, le court intervalle séparant les sur:races juxtaposées des élec- trodes n'empêcherait pas- le courant de passer directement à
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/ de po-ten-travers cet intervalle à.chacun des deux demi-cycles/( dans - tiel z et ' -si pression devient trop f// , le cas d'un redresseur' }'*, et que;
si la pression devient trop / faible en raîgorpu gaz:, occlus, il ne' passera pas de courant le long des trajets plus longs, tout au moins au potentiel normale
Une autre caractéristique de l'invention réside dans Inapplication d'un gaz mono atomique tel que l'hé- lium ou' d'un'autre gaz dont le'trajet libre moyen ionisant est long, c'est-à-dire dont les caractéristiques sont telles que-les électrons- se mouvront plus loin à travers lui sans exercer de choc ionisant ( quoique,
peut-être* en exerçant un choc élastique ] 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.
Dans les dessins annexés :
Fig. 1 montre une forme de réalisation de l'invention appliquée à un tube redresseur monté sur un circuit redresseur simple;
Fig.2 et 3 sont deux variantes; Fig 4 est une vue de côté partiellement
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brisée d'un redresseur double agencé pour utiliser les deux demi-cycles d'un courant alternatif;.
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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 modifie et, montre un circuit convenant pour chacun des deux redresseurs doubles représentés;
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Fîg. 8 est une coupe suivant 5-5e fig,. 7; La forme de réalisation de la fig. 1 comprerd un récipient en verre 2,* rempli de gaz. et muni d'une.tige rentrante ou interne 4"-.,L"extrémÎtê supérieure de la tige porte une anode, préférablement. en carbone, laquelle anode-
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comporte un élément, de base va rebord .8et une saillie cen- trale :1¯ s'étendant, vers le haut. Une cuvette 12"en matière diélectrique est emboîtée au-dessus de l'anode, cette cuvette te présentant une ouverture centrale pour recevoir la sail- lie ,10Jr et une partie longue 1411- s'étendant vers le bas et s'adaptant exactement autour de la tige 411.
La curette 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
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réfractaires et (ou) poreuses 'élevées. La cuvette 12"est élargie en 13" pour supporter une cathode désignée généra- lement par la' elle cathode est aussi en carbone et pré-
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férablement. creuse. La c,àthode,'6" comprend une base .8"xe-
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posant sur un épaulement annulaire; 20"de la cuvette et un couvercle SJâ.11 s'adaptant exactement autour de la base. Le couvercle bzz" s'emboîte dans un rebord- cylindrique z4" de la cuvette.
La partie centrale de la base 181'- présente une
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ouverture centrale' qui est entourée par un rebord cylindri-"
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que 26'r1qui enveloppe ainsi 'un passage ionisant central z8" dans lequel pénètre la saillie cylindrique 10" .de 'l'anode.. Les surfaces de la saillie 10111 et du rebord 2'6't sont essentiellement parallèles, et espacées l'une de l'autre d'une distance don'l' ordre de grandeur est le trajet. libre moyen des corpuscules du gaz,.! de sorte quaucune conduction ne .peut se produire directement entre ces surfaces. Par suite
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de l'épaulement 20'e il reste un petit intervalle 30" immé- diatement au-dessous de la base de la cathode.
Il convient
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que cet intervalle soit aussi approximativement de ll,-ordre de grandeur du trajet.libre moyen des corpuscules du gaz, de telle sorte qu'on obtient un intervalle de grande résis- tance entre les surfaces- opposées et le 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 liga-
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tu-re 34st- enveloppant la cuvette.au-dessous de l'élargisse- ment 15" # Le fil métallique 52" sert. aussi de fil d'amenée de courant pour-l*éleotrdde, une connexion étant établie entre ce fil et l'envelopp.e d'un culot 3811 de forme usuelle par un conducteur, 3.6* : .. La oo-nnexion à l'anode est effectuée par un ressort 4on 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 lé présent exemple* le tube est- monté sur un circuit redresseur simple.comprenant. un générateur- de courant alternatif 44", un
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transformateur .46'"'' et. une charge a courant, .continu convenable/ rnen I ; ' . ment:
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On voit que la cuvette en lave entoure et enveloppe complètement toutes les surfaces des électrodes à l'exception des surfaces désirées.
Ces surfaces actives sont l'extrémité supérieure de la saillie 10" et l'intérieur de la, cathode creuse 16". La surface périphérique de la saillie 10" est séparée de la surface interne- du rebord 26" par une pellicule annulaire 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 électro- des à l'endroit, desquelles une formation d'étoincelles et des phénomènes de décharge .analogues sont sujets à se pro- duire, et elles se comportent à la façon d'agents d'isole- ment qui s'y opposent..'
Le prolongement inférieur de la cuvette, recouvre et protège aussi la tige de'verre contre le risque de décharge/produisant près de cette tige. Il ressort du dessin que les chemins offerts à la conduction électrique à travers la.cuvette elle-même sont relativement longs de sorte que les efforts électriques s'exerçant dans la cuvette elle-même ne sont pas suffisants pour avoir aucune consé- quence.
L'évidement 30" prévu dans la cuvette pour consti- tuele faible intervalle gazeux de résistance élevée empêche spécialement 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 cathoden'a lieu qu'au bord périphérique, ou près de ce 'bord. Il s'ensuit que les lignesd'efforts électriques 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 gazeuxxrestreint
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30" empêche la production de toute décharge longitudinale entré la loir de l'anode et la surface inférieure de la cathode.
Dans la construction ainsi prévue, la déchar- ge entré la cathode et l'anode est régie, dirigée et,limitée à des, parties prédéterminées de leur surface tandis que les parties restantes de la surface des électrodes et des surfaces adjacentes- des éléments de support sont protégées positivement contreune décharge nuisible, ce qui exclut la possibilité dexposer la surface de la cathode aux effets du "carachement" au désagrégation.
La variante, de la fig.2 est analogue à la construction de la fig. 1 et les pièces ont été désignées d'une façon correspondante.Toutefois, le rebord 26' s'étend vers le bas ou vers l'extérieur et la mince -couche de gaz - 30' s'étend le long de l'anode au lieu de s'étendre le long de la surface de la cathode, la. longueur axiale,de la cuvet- te isolante 12' 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 Çentrée plus exactement et montée plus solidement.. En donnant à l'intervalle de gaz 30' une forme cylindrique il est plus facile de le rendre exactement concentrique à l'anode 10' en.-perçant ou alésant la cuvette, ce qui permet de donner. à l'épaisseur de la pellicule gazeuse 50' une valeur constante et exacte.
Certaines caractéristiques de l'invention peuvent être utilisées sans le principe du' trajet libre moyen comme représenté dans la fig. 3 qui est la même que la fig. 1 excepte que la partie 18"- 26" est supprima Cette disposition ne fonctionne pas aussi efficacement mais effec- , tue le redressement en vertu de la différence de forme et de section des surfaces opposées des électrodes et offre
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divers avantages résidant dans le fait que l'intérieur ,de la cathode est isolé de l'extérieur de cette cathode et dans l'assemblage des pièces..
La chute de potentiel entre la cathode et l'anode peut être diminuée et (ou) l'émission d'électrons par la cathode peut être augmentée en recouvrant la surface active de la cathode d'aune composition d'un métal alcalino- terreux ( baryum, strontium ou calcium ) cet enduit- ayant aussi pour effet' d'empêcher dansune grande mesure'que le gaz contenu dans le tube ne soit emprisonné d'une, façon per- manente dans la surface de la cathode.. Le tube peut aussi être rempli d'hélium. ou d'une autre gaz inerte monoatomique.
Une pression appropriée à la. majorité des emplois est de 10 à 15 m/m de mercure!.
Une façon d'appliquer l'enduit précité consiste à appliquer sur la surface interne de la cathode une solution aqueuse ( ouune suspension ) d'un nitrate de baryum, de strontium et (ou) de calcium, par aspersion, trempage ou badigeonnage$ à sécher l'enduit, et à chauffer suffisamment pour convertir le nitrate en un oxyde. Un enduit plus uniforme et plus, durable peut être.obtenu en répétant ce procédé plusieurs fois avec une solution claire plutôt qu'une seule fois avec une solution 'épaisse. Bas oxydes mélangés peuvent .être employés avec avantage, un mélange de parties égales d'oxydes de baryum et de strontium étant particulièrement avantageux.
En raison du fait que la couche d'oxyde est'placée à l'intérieur de la cathode creuse'dont l'ouver- ture, est limitée, les particules de la couche susceptibles d'avoir, été délogées par le bombardementdes ions, se dépo- ',gent de nouveau sur la surface interne de la cathode et la qua.ntité de particules (délogées s'échappant par l'ouverture
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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'une nouveau dépôt des particules -sur la 'paroi interne du récipient en verre ou sur d'autres surfaces situées à l'inférieur du récipient.
- La forme de réalisation des fig. 4, 5 et comprend un tube 1, qui peut être en verre, une cathode creuser, des anodes .,3* un bloc isolant ¯4. préférablement en lavite, et un culot comprenant.des douilles métalliques embouties 5 et 6 fixées l'une à l'autre par une matière isolante 7. Le tube 'de verre comprend une tige rentrante
8 munie de. deux saillies tubulaires, 3 qui pénètrent dans des évidements prévus. dans la. partie inférieure du bloc isolant 4, le bloc 4 étant emboîté sur las saillies 9 et maintenuen position par lecathode 2.
Les anodes 3 'sont montées dans des ouvertures prévues dans le bloc 4 concen- trique'ment aux saillies 9 et.aux ouvertures 10 -de la catho- de., La cathode est préférablement composée de deux éléments dont le supérieur comprend une cuvette cylindrique renver- sée et l'inférieur 11 un couvercle s'emboîtant sur l'extré- mité ouverte de la ouvette, les ouvertures 10 étant prévues 'dans le couvercle 11. Le bloc isolant-4 présente des évi- dements circula-ires lèpres des ouvertures la*. 1¯ la distance entre les parois de ces évidements et les anodes étant pré- férablement de l'ordre du trajet libre moyens des élec- trons dans ces évidements.
Le bord des ouvertures 10 est préférablement 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 direc- tement sur la tige 8- à l'aide d'un anneau 13 entourant la tige et de branches 14 disposées de part et d'autre de la cathode, les extrémités supérieures des branches étant pré-
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férablement 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 ma- tière 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 une des anodes ! par un fil17, l'anneau 6 estrelié à l'autre anode par un fil 18 et la cathode est reliée au contact, central 19 du culot par un fil 20 Grâce cette disposi- tion, toutes les électrodes sont montées sur l'extrémité inférieure du tube et tous les fils sont reliés à des élé- ments de contact séparés faisant partie du culot.
Le dispo- sitif peut être monté dans une douille ordinaire 21 munie de contacts agencés pour coopérer avec les contacts 6 et 19 en prévoyant un contact additionnel 22 destiné à coopérer avec l'anneau 5.
- La variante des fig.-7 et 8 comprend un tube SI 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 isolant 34, les extrémités du fil 55 étant fixées, au bloc par un 'anneau en fil métallique 36. L'extrémité in- férieure.de la cathode-présente des ouvertures 37 concen- triques aux anodes 33, le bord de ces ouvertures étant relevé pour. former des rebords. Le bloc isolant 34présente des creusures 38 entourant.'- les extrémités de l'anode.
Les pièces sont montées sur une tige rentrante 39 d'une manière analogue à celle décrite dans les fig. 1,2 et 3, et le tube peut être muni de tout culot appropriée par exemple du type, à baïonnette, aud'un culot du genre de ceux repré- sentés dans les figures précédentes.
Pour le redressement d'un courant les anodes peuvent être reliées aux extrémités opposées' du secondaire d'un transformateur40 et le circuit à courant continu'41
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peut être relié à la cathode, d'une part, et à un point cen- tral du secondaire, comme on le voit sur la ig. 8, d'autre part.
L'intérieur du tube peut être rempli d'un ou plusieurs gaz appropriés, de préférence de gaz,monoato- miques sous une pression convenable. Par exemple, le gaz peut comprendre de,l'hélium à 13 -millimètres de pression.
La¯ surface interne de la cathode est préfé- rablement revêtue d'un oxyde d'un métal alca,lino-terreux tel que le calcium, le strontium au 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,cathode est négative -et que l'anode envisagée est positive. Comme les anodes sont alternativement positives, le courant passe successivement entre la cathode et-l'une des anodes et entre la cathode et l'autre anode d'une façon alternée. La courant est empêché de passer en sens-inversée en raison du fait qu'on a' fait. en sorte 'que sensiblement toute'la décharge électronique 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 enraison du fait que ces intervalles reçoivent une largeur si faible -que les électrons, .qui le's 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 entre la cathode et les anodes le long de la surface du bloc,iso- lant est empêchée ouréduite à un facteur négligeable. On a trouvé que l'appareil fonctionne plus* efficacement lorsqu'on ' arrondit les extrémités des'anodes comme le montrent les
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11 PERFECTI01: ELEMENTS TO ELECTRON DISCHARGE TUBES *
This invention relates particularly to electron discharge tubes of the gas-containing type having a hollow cathode and a smaller anode facing the inner surface of the cathode and employing low temperature electrodes, as opposed to thermionic tubes. employing glowing electrodes, but certain features of the invention are applicable to heat tubes.
More particularly, the invention relates to tubes of the type described in French patent no.539.673 dated August 24, 1921 in which juxtaposed surfaces of the cathode and the anode are placed sufficiently close to one of the other to prevent the initiation of conduction
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gas at normal potentials and in which means are provided so that. gas conduction can occur along longer paths between the anode and the interior of the hollow cathode.
In low temperature cathode type tubes the working potentials are 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 inner surface of the tube. tube, are subjected to a relatively intense bombardment of positive ions, which gives rise to difficulties, the main ones of which are l) the permanent occlusion or retention of gas in the material of the cathode if the latter is made of common materials such as tungsten, molybdenum and other refractive metals, which lowers the gas pressure in the tube, and 2) la. projection or spitting of metal particles on the internal surface of the tube and on other exposed surfaces, which can cause short circuits.
As is well known, the discharge of an arc has characteristics which distinguish it from a glow discharge. It has in particular, between the cathode and the anode, a drop in potential less than that necessary to maintain a glow discharge, it has no dark cathode space, it does not have a so-called cathodic drop in potential, etc ..... In order to produce a discharge having the characteristics of the arc, it had, until now, been considered essential to use an incandescent cathode or a mercury cathode comprising an incandescent point, it is that is to say a cathode, heated to a high temperature and such that its thermionic emission is, due to the high temperature, sufficiently rapid to produce an arc.
Such
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high temperatures cause rapid deterioration and considerably shorten the duration of normal operation.
According to the invention, an arc is produced independently of such high temperatures, although in some cases the cathode may incidentally become hot enough to contribute significantly to the characteristics of the arc. In other words, this invention constitutes a radical improvement in this art in that it offers an arc discharge 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 thermal emission. This remarkable result is obtained by ionizing the gas in the zone of the active surface of the cathode and by sufficiently obstructing the dissipation or escape of ionization from said zone so that the discharge which occurs between the non-thermionic electrodes has the characteristics of the arc. With the aid of the radiation of light and / or heat, this inonization is made sufficiently intense to produce ions and electrons capable of carrying the discharge current.
According to the invention, the electrodes are shaped and arranged so that the ion bombardment is limited in substance: to the surface of the cathode, and this surface is formed of a material which does not permanently retain the gas which is driven there by the ion bombardment. Carbon, which is porous enough to give up the driven gas within its mass, is suitable as 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 service and allowing
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thus to the gas which was projected in its mass to escape from it.
The cathode is hollow and has an opening. The anode is smaller than the cathode and facing the said opening. The tube is characterized by an obstruction extending from an area surrounding the opening to an area surrounding the anode to limit ion bombardment substantially within the cathode such that the wall of the The tube is not subjected to significant bombardment. The obstruction may be metal, in which case it would preferably be spaced from each electrode by a distance comparable to the mean free path of the electrons, but it is preferable to keep it apart from each electrode. be made of an insulating material (; such as lava), in which case it may come into contact with one or each of the electrodes.
In either case, the obstruction preferably has a portion extending approximately parallel to the juxtaposed portion of one or each of the electrodes so as not to cause any tendency to pass. of current along its surface from one electrode to another.
The above-mentioned ionization which takes place in the region 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 the a.node. However, when using a hollow cathode with a restricted discharge opening, ionization can be maintained by radiation from the discharge between the cathode and the anode due to the loss through the anode. restricted opening is low.
When no auxiliary radiation means are employed, a potential plus (, raised to initiate the discharge, in particular a potential high enough to 'produce a'
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/ falling luminescent discharge, the oltage as soon as the ionization lU deviates sufficiently intense to ensure the above-mentioned characteristics: - arc characteristics.
The invention is particularly advantageously applicable to tubes [of the type which is the subject of the aforementioned prior patent for. for this reason it allows the gas pressure to be kept approximately constant, whereas if the pressure were initially too high, the short interval between the sur: juxtaposed races of the electrodes would not prevent- the current to pass directly to
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/ from po-ten-through this interval to each of the two half-cycles / (in-tiel z and '-if pressure becomes too f //, the case of a rectifier'} '*, and that;
if the pressure becomes too / weak in gas :, occluded, no current will flow along longer paths, at least at normal potential
Another characteristic of the invention lies in the application of a mono-atomic gas such as helium or of another gas whose average ionizing free path is long, that is to say whose characteristics are such that the electrons will move further through it without exerting an ionizing shock (although,
perhaps * by exerting an elastic 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.
In the accompanying drawings:
Fig. 1 shows an embodiment of the invention applied to a rectifier tube mounted on a simple rectifier circuit;
Fig.2 and 3 are two variants; Fig 4 is a partially side view
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broken of a double rectifier arranged to use the two half-cycles of an alternating current ;.
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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 rectifier and shows a circuit suitable for each of the two double rectifiers shown;
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Fig. 8 is a section on 5-5e fig ,. 7; The embodiment of FIG. 1 includes a glass container 2, * filled with gas. and provided with a re-entrant or internal rod 4 "-., The upper end of the rod carries an anode, preferably. in carbon, which anode-
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has one element, base has flange .8 and a central protrusion: 1¯ extending, upwards. A 12 "cup of dielectric material is fitted above the anode, this cup having a central opening to receive the projection, 10Jr and a long part 1411- extending downwards and fitting exactly around it. of rod 411.
The curette 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 having properties
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high refractory and / or porous. The cup 12 "is widened at 13" to support a cathode generally referred to as the cathode. It is also carbon and pre-.
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ferociously. dig. The c, method, '6 "includes a base .8" xe-
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resting on an annular shoulder; 20 "of the cuvette and an SJâ.11 cover that fits exactly around the base. The bzz cover" fits into a cylindrical rim z4 "of the cuvette.
The central part of the base 181'- has a
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central opening which is surrounded by a cylindrical rim "
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26'r1 which thus envelops a central ionizing passage z8 "into which the cylindrical protrusion 10" of the anode penetrates. The surfaces of the protrusion 10111 and the flange 2'6't are substantially parallel, and spaced apart. 'one from the other by a distance whose order of magnitude is the path. free mean of gas corpuscles,.! so that no conduction can occur directly between these surfaces. As a result
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of the shoulder 20'e a small gap 30 "remains immediately below the base of the cathode.
It suits
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let this gap also be approximately 11, -order of magnitude of the average free path of the gas corpuscles, so that a gap of high resistance is obtained between the opposing surfaces and the cathode and the cuvette. The cathode is held in position by a metal wire 32 "which embraces it and which is fixed by a liga-
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tu-re 34st- wrapping the cuvette. below the widening 15 "# The wire 52" serves. also of current lead wire for-l * éleotrdde, a connection being established between this wire and the envelop.e of a base 3811 of usual shape by a conductor, 3.6 *: .. The oo-nnexion to the The anode is effected by a spring 4on 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 comprising. an alternating current generator 44 ", a
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.46 '"' 'transformer and. a suitable continuous current load / rnen I;'. ment:
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It is seen that the lava cuvette completely surrounds and envelops all 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 prone to occur, and they behave like insulators which oppose it .. '
The lower extension of the bowl, also covers and protects the glass rod from the risk of discharge / producing near this rod. It can be seen from the drawing that the paths offered to electrical conduction through the cuvette itself are relatively long so that the electrical forces exerted in the cuvette itself are not sufficient to have any consequences.
The recess 30 "provided in the cuvette for constituting the low gas gap of high resistance especially prevents any undue strain from occurring either in this part of the gaseous agent or in the central part of the cuvette itself, while that the actual contact between the cuvette and the cathode takes place only at or near the peripheral edge. It follows that the shortest possible lines of electric force existing in the lava extend between the angles. of the anode and the cathode. It has also been observed that the gas space is restricted
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30 "prevents the production of any longitudinal discharge between the dormouse of the anode and the undersurface 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 elements of the electrode. support are positively protected against harmful discharge, which precludes the possibility of exposing the surface of the cathode to the effects of "stripping" to disintegration.
The variant of fig.2 is similar to the construction of fig. 1 and parts have been designated correspondingly. However, the flange 26 'extends downward or outward and the thin gas layer - 30' extends along the anode at the bottom. instead of extending along the surface of the cathode, the. axial length of the insulating cup 12 'therefore being greater. This construction shown on that of FIG. 1 the following advantages.
By engaging the rim 26 'in the cuvette 12', the cathode can be more accurately entered and mounted more securely. By giving the gas gap 30 'a cylindrical shape it is easier to make it exactly concentric with the tube. 10 'anode by.-drilling or reaming the cuvette, which allows to give. at the thickness of the gas film 50 'a constant and exact value.
Certain features of the invention can be used without the principle of the average free path as shown in FIG. 3 which is the same as FIG. 1 except that the 18 "- 26" part is deleted This arrangement does not work as efficiently but performs the straightening by virtue of the difference in shape and section of the opposing surfaces of the electrodes and offers
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various advantages residing in the fact that the inside of the cathode is isolated from the outside of this cathode and in the assembly of the parts.
The potential drop between the cathode and the anode can be reduced and / or the emission of electrons from the cathode can be increased by coating the active surface of the cathode with an alkaline earth metal composition ( barium, strontium or calcium) this coating also having the effect of 'preventing to a great extent' that the gas contained in the tube is permanently trapped in the surface of the cathode. also be filled with helium. or another inert monoatomic gas.
Appropriate pressure at the. majority of jobs is 10 to 15 m / m of mercury !.
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 strontium and (or) of calcium, by sprinkling, dipping or brushing $ at dry the coating, and heat enough to convert the nitrate to an oxide. A more uniform and longer lasting coating can be obtained by repeating this process several times with a clear solution rather than once with a thick solution. Mixed low oxides can be employed with advantage, a mixture of equal parts of barium and strontium oxides being particularly advantageous.
Due to the fact that the oxide layer is placed inside the hollow cathode, the opening of which is limited, the particles of the layer liable to have been dislodged by the bombardment of the ions. again deposited on the internal surface of the cathode and the quantity of particles (dislodged escaping through the opening
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restricted is. very weak, even supposing 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 inner wall of the glass container or on other surfaces located on the underside of the container.
- The embodiment of fig. 4, 5 and includes a tube 1, which can be glass, a digging cathode, anodes., 3 * an insulating block ¯4. preferably lavite, and a base comprising pressed metal sockets 5 and 6 fixed to each other by an insulating material 7. The glass tube comprises a re-entrant rod
8 provided with. two tubular projections, 3 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 concentrated at the protrusions 9 and at the openings 10 of the cathode. The cathode is preferably composed of two elements, the upper of which comprises a cylindrical cuvette. upturned and the lower 11 a cover which fits over the open end of the opener, the openings 10 being provided in the cover 11. The insulating block-4 has circular recesses on the legs. openings the *. 1¯ the distance between the walls of these recesses and the anodes being preferably of the order of the average free path of the electrons in these recesses.
The edge of the openings 10 is preferably 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 by means of a ring 13 surrounding the rod and branches 14 arranged on either side. of the cathode, the upper ends of the branches being pre-
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tightly spot-welded to the cathode cup in
15.
The rings 5 and 6 of the base are interconnected by virtue of the fact that they are molded in the insulating material 7., and the tube 10 is mounted in the ring 5 by means of a fusible material 16. 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 can be mounted in an ordinary socket 21 provided with contacts arranged to cooperate with the contacts 6 and 19 by providing an additional contact 22 intended to cooperate with the ring 5.
- The variant of fig.-7 and 8 comprises a tube SI a Cathode 32, anodes 33, an insulating block 34 and a U-shaped metal wire 35 serving to anchor the cathode on the insulating .block 34, the ends of the wire 55 being attached to the block by a wire ring 36. The lower end of the cathode has openings 37 centered at the anodes 33, the edge of these openings being raised to. form ledges. 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 described in FIGS. 1, 2 and 3, and the tube may be provided with any suitable base, for example of the bayonet type, with a base of the type shown in the preceding figures.
For the rectification of a current the anodes can be connected to the opposite ends' of the secondary of a transformer40 and the direct current circuit'41
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can be connected to the cathode, on the one hand, and to a central point of the secondary, as seen in ig. 8, on the other hand.
The interior of the tube may be filled with one or more suitable gases, preferably gases, monoatomic under suitable pressure. For example, the gas may include helium at 13-millimeters pressure.
The inner surface of the cathode is preferably coated with an oxide of an alkaline earth metal such as calcium, strontium or barium to decrease the voltage drop at the cathode.
In operation, the current passes between the cathode and one of the anodes when the cathode is negative - and the envisaged 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 passing in the reverse direction due to the fact that one has' done. so that substantially all of the electronic discharge passes 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 intervals receive such a narrow width - that the electrons, which pass through them - do not produce sufficient ionization to initiate significant conduction. Gas conduction between the anodes and the outside of the cathode is prevented by the insulating block 4; in addition, by providing, recesses such as 12 and 38, the tendency of. Current to flow between the cathode and the anodes along the surface of the block, insulation 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 the
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