<Desc/Clms Page number 1>
"Perfectionnements aux dispositifs électroniques"
Cette Invention est relative aux dispositifs décharge électronique ayant une cathode et une anode., avec ou sans une troisième électrode servant à régler le passage du courant entre la cathode et l'anode, dispositifs destinés à être utilisés commeredresseurs, oscillateurs amplifica- teurs, détecteurs, modulateurs, etc., Certaines caractéristi- ques de l'invention ont trait aux dispositifs à décharge dans lesquels le vide est si poussé que l'effet du gaz résiduel " est négligeable, tandis que d'autres caractéristiques ont trait à des dispositifs dans lesquels le.gaz confiné est un facteur très important.
<Desc/Clms Page number 2>
Dans les dispositifs antérieurs à vide poussé, le courant était limite,, -principalement par une charge d'es- pace et une faible émission électronique de la cathode, tandis que, dans les dispositifs à remplissage de gaz, la com- mande du courant (par des électrodes auxiliaires, des champs magnétiques, etc. ) était limitée en raison de l'ionisation par la décharge électronique, ionisation qui, dans certains cas, était intense, même dans la zone de l'anode et'de la gril- le. Le but.principal de la présente invention est d'éviter toutes ces limitations et d'obtenir les avantages principaux de.ces deux types de tubes.
Les buts particuliers de l'invention- consistent à permettre de faire passer du courant à une faible différen- ce de potentiel entre la cathode et l'anode, à éviter un é- chauffement exagéré des électrodes et des pièces qui s'y rattachent par le courant cathodique-anodique, à rendre le courant sensiblement indépendantde l'ionisation par le cou- rant cathodique-anodique en tous les points de l'échelle des valeurs de ce courant, à produire une ample émission électro- nique de la cathode, à diriger la décharge électronique vers l'anode avec le minimum de résistance, à éviter lanécessité d'employer de grandes quantités de matière engendrant de la vapeur, à empêcher la conduction, électronique de l'anode à la cathode sous l'influence d'un potentiel inverse'comme dans le redressement et? dans certains cas,
à éliminer la charge d' espace dans la zone de l'anode*
Suivant une des caractéristiques de l'invention, le dispositif comprend un tube à basse pression ou à vide poussé (de l'ordre de, par exemple, 0,01 millimètre) contenant
<Desc/Clms Page number 3>
une cathode ayant une pression beaucoup plus élevée (de l'ordre de 0,1 millimètre, par exemple) maintenue dans la zone de sa surface de décharge par des forces électriques (électrostati- ques et (ou) magnétiques) dans le but d'assurer une ample é- mission électronique.
Cette différence de pression est assu- rée par une obstruction disposée entre la source d'électrons et la surface recevant les électrons* cette obstruction pré- sentant à travers elle, pour le passage des' électrons une ou- verture qui est limitée de telle sorte qu'une différence de pression Çou d'état d'ionisation} peut être maintenue de part et d'autre de l'obstruction. Comme il ressortira de ce qui suit, l'obstruction fait préférablement partie intégrante de la cathode. Dans des conditions de travail constantes, la pression régnant dans la cathode est préférablement statique, par opposition à la pression résultant d'une introduction continue dans la cathode et d'un échappement restreint hors de la cathode.
Ceci est commodément effectué en emprisonnant le gaz dans la cathode creuse avec un champ électrique, le champ étant disposé, par rapport à l'ouverture de décharge des élec- trons de. lacathode, de tellé sorte que les molécules de gaz et (ou) les ions peuvent pénétrer dans la cathode mais sont empêchés de s'en échapper, tout au moins tant que la pression régnant dans la cathode n"a pas atteint une valeur relative- ment élevée. Cette action de "pompage" électrique est préfé- rablement produite, au moins en partie, par l'ionisation ther- mique des molécules dans la zone de l'ouverture de la cathode, à l'aide d'une chaleur dérivée de la cathode ou d'une autre source convenable.
L'ouverture par laquelle le;', .gaz entre dans la cathode est préférablement la..même que celle présentée à l'anode pour la décharge électronique. Ce champ peut être pro-
<Desc/Clms Page number 4>
duit de nombreuses façons. par exemple par une ou plusieurs électrodes auxiliaires, une ou plusieurs anodes placées près de l'orifice de la cathode,. etc.; mais on le produit de pré- férence en donnant à la cathode une embouchure allongée et en produisant une rampe ou chute de potentiel le long de cette embouchure, l'extrémité externe de l'embouchure é- tant positive par rapport à l'extrémité interne.
Cette ac- tion de pompage et d'emprisonnement est très efficace quand le diamètre de l'ouverture de la cathode est approximative- ment dans les limites du trajet libre moyen des molécules de gaz à l'extérieur de la cathode; et, par suite de la faible pression régnant à l'extérieur de la cathode, ce chemin li- bre moyen est long, ce qui permet une ouverture de cathode assez grande.
Suivant une autre caractéristique, l'invention consiste à chauffer une cathode creuse indépendamment du courant passant entre la cathode et l'anode, dans le but d'io- niser le gaz que renferme la cathode indépendamment du cou- rant cathodique-anodique (c'est-à-dire thermiquement, au lieu que ce soit par collision ou en addition à une collision) et d'augmenter l'émission et la conduction des électrons de l'intérieur de la cathode. La cathode est préférablement chauf- fée suffisamment pour ioniser la vapeur qu'elle renferme (au-dessus ;de 1200 C. quand on emploie de la vapeur de cé- sium par 'exemple) par une source auxiliaire de courant y reliée.
En connectant convenablement la source auxiliaire, cette source peut aussi servir à produire la chute de po- tentiel susmentionnés le long de l'embouchure de la cathode.
Quoique la cathode entière puisse être chauffée de la façon précédemment décrite* la chaleur est particulièrement ef- ficace dans la zone de l'ouverture de la cathode et dans le
<Desc/Clms Page number 5>
cas d'un grand nombre d'applications, d'autres zones de la' cathode, peuvent être à une température plus basse.
Suivant une autre caractéristique, l'invention consiste à appliquer un champ électrique pour diriger la décharge électronique de ! l'intérieur de la cathode vers l'anode à travers le'embouchure de la cathode, ce champ étant préférablement combine'avec un champ magnétique s'étendant le long de l'ouverture pour empêcher les électrons de heur- ter les parois de la cathode.
L'invention consiste en outre dans l'application d'une vapeur d'alcali, de préférence de la vapeur de cé- sium, pour le susdit gaz dans la cathode creuse. Ce gaz est facile à ioniser par des moyens thermiques, et le volume confiné dans la cathode devient ionisé d'une façon intense, ce qui augmente considérablement sa propriété de transporter du courant. Il est en outre probable que le'rayonnement, qui en résulte, de ce volume de gaz extrêmement ionisé est avantageux en ce sens qu'il libère les électrons da molé- cules neutres et ce, plus ou moins indépendamment de champs électriques ou magnétiques superposés.
L'application de vapeur de césium ou agent ana- logue se distingue nettement de l'application d'une couche de césium sur une cathode.puisquela cathode travaille pré- férablement à une température supérieure à celle à laquelle une telle couche peut adhérer. La mise en liberté d'élec- trons par la cathode résulte du volume extrêmement ionisé de vapeur qu'elle.renferme et, en addition, dans une mesure plus ou moins grande, d'une faible émission thermionique.
En raison du fait que l'action de la vapeur est sensiblement limitée au volume relativement petit que renferme la catho- de dans laquelle la majeure partie de la vapeur est emprison- née sous une pression relativement élevée, la quantité requise
<Desc/Clms Page number 6>
d'alcali est très faible.
L'invention a en outre pour objet de diminuer ou d'éliminer la charge d'espace dans la zone de l'anode, afin qu'on n'ait besoin que d'une très faible différence de potentiel entre la cathode et l'anode, même dans le cas du passage d'un courant intense et. que la perte anodique soit réduite au minimum. Ceci est préférablement réalisé en majeure partie en ionisant'thermiquement le gaz dans la zone de l'anode par de la chaleur engendrée indépendamment du courant d'électrons;, la ( décharge électronique ayant peu-d'effet sur l'ionisation quand la pression régnant à l'extérieur Ide la, cathode es't faible .comme dans les formes de réalisation préférées.
Pour .'certaines applications telles que le redressement, cette ionisation thermique per- met aussi de faire varier le courant sur, une grande échelle sans mettre le dispositif hors d'état de fonctionner L'io- nisation thermique dans la zone de l'anode peut être effec- tuée par la même source de chaleur que celle qui chauffe la cathode, ce qui s'obtient par exemple en enveloppant la cathode et l'anode par un écran de chaleur commun. Cette ionisation thermique est aussi facilitée en donnant à la sur- face de l'anode qui reçoit les électrons une forme rentran- te ou évidée ou en enveloppant partiellement de quelque au- tre manière la surface recevant les- électrons.
Pour mieux faire comprendre l'invention, on en décrira ci-après plusieurs formes de réalisation typiques en se référant au dessin annexé dans lequel : fig. 1, 2, 3 et 4 sont des coupes centrales lon- gitudinales de dispositifs électroniques et montrent sché- matiquement lescircuits quis'y rattachent? Fig. 5 est une coupe suivant 5-5, fig. 1;
Fig. 6'est une coupe suivant 6-6, figo 2;
<Desc/Clms Page number 7>
Fig. 7 est une coupe suivant 7-7, fig. 3 ;
Fig. 8est un détail en coupe d'une variante d'une partie de la figo 2;
Fig. 9 est un détail en coupe d'une variante d'une partie de la fig. 4;
Fig. 10 est un plan de la fig. 9;
Fig. 11 est une variante de la fig. 3;
Fig. 12 montre lune application de l'invention a un dispositif électronique comportant une grille.
La forme particulière des figs.1 et 5 comprend un tube à vide 1 contenant une cathode 2. une anode 3 et un écran de chaleur 4 Le tube 1, est préférablement complè- tement raréfié à l'exception d'une faible-quantité de cé- sium ou autre alcali - Cet, alcali peut être sous.une forme solide ou vaporeuse mais, ordinairement. il est au moins partiellement solide. '5 est une bobine électromagnétique en- tourant le tube et dont le rôle est de créer un champ magné- tique le long du tube. Ce tube est susceptible de recevoir beaucoup d'applications. mais on a supposé, dans le présent exemple, qu'il est destiné à être utilisé comme redresseur recevant'du courant par l'entremise d'un transformateur 6 et redressant ce courant pour une charge convenable 7.
La cathode-2 est composée d'un cylindre interne 8 et d'un cylindre externe. 9, le fond du cylindre interne étant fermé et le fond du cylindre externe ,étant ouvert en 10. Les extrémités supérieures des deux cylindres sont fermées à l'exception d'ouvertures axiales dqntles bords sontjoints par un col 11. Le diamètre du col il est préf é- rablement inférieur au trajet libre moyen des- molécules de vapeur à l'extérieur de la cathode..
Des fils 12 et 13 re- lient les extrémités inférieures des cylindres interne et externe aux pôles opposés d'une source de potentiel 14 qui,
<Desc/Clms Page number 8>
sert à chauffer la cathode par l'effet de la résistance des parois de. cette cathode et qui sert aussi à produire la rampe ou chute de potentiel susdite le long du col 11, la àorne positive de la source étant reliée au cylindre ex- terne et, de là, à l'extrémité supérieure du col 11, Com- me 'la section transversale du chemin parcouru par ,le cou- rant à travers la cathode est minimum le long du col 11, la chaleur sera plus ,intense dans cette zone'. La cathode peut eêtre faite de tungstène au d'une autre matière conve- nable.
L'anode 3. est aussi cylindrique,. l'extrémité su- périeure étant fermée et 1''extrémité inférieure ouverte. Le diamètre de l'ouverture de l'anode est préférablement un - peu plus grand que le diamètre de l'ouverture du col de la cathode. L'anode est aussi préférablement placée très près de la cathode' et avec son ouverture suivant l'axe de l'ou- verture de la cathodes..',
L'écran 4 reçoit une forme propre à envelopper étroitement la cathode et l'anode pour localiser la chaleur développée dans la. cathode par la source 14.. ' Cet écran peut être. monté de toute manière convenable Dans la fig. 1, il est monte sur le fil de l'anode,auquel cas ce fil serait bien entendu relativement rigide.
La surface interne de l'écran est préférablement brillant pour réfléchir la cha- leur.
Quand on chauffe l'intérieur de la cathode 2 (par exemple au-dessus de 12000 C.), la vapeur que renferme la cathode, et particulièrement celle voisine du col 11, est fortement ionisée et par suite de la'chute de potentiel existant le long .du col 11, la vapeur'est aspirée par la ca- thode et pénètre dans celles-ci* jusqu'au moment où il y règne une pression relativement élevée.
La théorie de-cette
<Desc/Clms Page number 9>
action d'aspiration est probablement en substance la sui- 'Tante : '
Comme résultat du mouvement moléculaire continu de la vapeur dans la tube, des molécules 'neutres (c'est-à- dire non ionisées) pénètrent dans le col de la,cathode où elles deviennent ionisées par la chaleur intense régnant dans cette zone. Ces ions sont ainsi emprisonnés dans le col et sollicités vers l'intérieur de la cathode par la chute de potentiel existant le long du col 11, l'extrémité supé- rieure du col ayant une polarité positive.
On augmente cette action d'emprisonnement .en donnant au diamètre du col 11 une va,leur moindre qu'au chemin libre-moyen des molécules de va- peur à l'extérieur de la cathode$, parce que la totalité. sen- siblement, des molécules tendent à pénétrer dans la catho- de viennent heurter la paroi du col et s'ionisent par l'ef- fet de la.température élevée de cette paroi, de sorte que la totalité, sensiblement, de toutes les molécules neutres qui sont capables de s'échapper se convertissent en ions qui peuvent être emprisonnée La différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la cathode peut être réglée en faisant varier le voltage de la source 14. Une pression interne plus élevée peut aussi @@@ être obtenue en diminuant le diamètre du col 11.
La cathode 2 étant pleine de vapeur d'alcali extrêmement ionisée sous une pression assez grande, on peut obtenir aisément une décharge électronique de l'intérieur de la cathode à l'intérieur de l'anode par l'intermédiaire du col 11 à l'aide d'un potentiel relativement faible appli- qué entre l'anode et la cathode le courant inverse étant em- pêché de passer lorsque le potentiel change de sens parce que l'anode ne contient .'pas de vapeur extrêmement ionisée et sous pression*
<Desc/Clms Page number 10>
La charge - d'espace est annulée près de la surface interne de l'anode .5 par les ions positifs qui prennent naissance par,suite de la température élevée de la cathode juxtaposée, ces deux électrodes é-tant envelop- pées par un écran commun.
La pression de vapeur à l'in- térieur de l'anode est préférablement trop faible pour pro- duire une ionisation appréciable par collision, de sorte que l'ionisation n'est pas sensiblement influencée par la décharge électronique* Ainsi, la propriété de redressement du tube n'est pas une fonc.tion de la charge comme dans les redresseurs antérieurs du type à gaz ou à vapeur; par conséquent, des charges élevées ne' diminuent pas considé- rablement le voltage que le dispositif est capable de redresser convenablement*
Le champ magnétique longitudinal produit par la bobine 5 réagit sur le courant électronique et tend à di- riger ce courant suivant l'axe du col 11 et à l'empêcher d'entrer en contact avec les 'parois de ce col.
Dans la forme d'exécution de la fig.2, la cathode 15 est constituée par un cylindre emboîté sur les extrémités de conducteurs 16 et présentant une ouverture
17 à sa partie supérieure .La cathode eat entourée par un écran cylindrique 18-présentant une-ouverture 19 placée dans l'axe de l'ouverture 17 et plus. grande que celle-ci.
Les anodes 20 et 20' sont constituées par des plaques dis- posées dans des plans perpendiculaires à l'axe de la- cathode et à ,des distances égales de part et d'autre de. l'axe des ouvertures 17 et 19.
La cathode,15 est chauffée par du courant induit dans la bobine secondiare 21 parla bobine primaire 22,et les anodes sont,reliées aux extrémités opposées du secondai- re d'un transformateur 23. Le point médian de ce secondaire, #' @@ est relia au point médian du. secondaire 21 par l'inter-
<Desc/Clms Page number 11>
médiaire d'une inductance de soutien 24 et d'une charge convenable 25.
Bans leprésent exemple* les anodes 20 et 21 délivrent le potentiel positif près de l'orifice de la cathode ce qui a pour effet que la vapeur est aspirée par la cathode creuse et pénètre dans cette cathode jusqu'au moment où il s'y établit une pression convenable* La dé- charge électronique émanant de l'intérieur de la cathode creuse traverse les ouvertures 17 et 19, puis passe pen- dant deux demi-cycles successifs à l'anode 20 et à l'anode 20',alternativment, la bobine de soutien ,24'- assurant une polariténégative relative continue de la cathode 15.
Bans la variante de la fig.8, les anodes 30 et 30' correspondant à 20 et 20' de la fig.2 sont consti- tuées par des anneaux concentriques à la cathode 15' (corres- pondant à. 15, fig.2) et disposées de part et d'autre de l'ouverture 17' de la cathode* Dans cette variante, l'écran 18 est supprimé en ce;sens que les anodes .50 et 30' peuvent être établies pour se comporter aussi à la façon d'écrans de chaleur*
Le tube de la f ig.3 comprend une cathode cylin- drique 31 qui s'emboîte sur un support d'amenée de courant 32 et qui porte à son extrémité supérieure un rebord 33' relié à sapériphérie à un autre conducteur d'amenée 34. L'a- node est constituée par. un fil ou barre'métallique 35 pénétrant dans l'ouverture de-la cathode.
En reliant res- pectivement les conducteurs 32 et 34 aux extrémités négative et positive d'une source convenable de potentiel 36, on peut chauffer la cathode de façon intense et maintenir son orifice à un potentiel positif plus élevé que son extrémité inférieure. On obtient ainsi la chute de potentiel susmen- tionnée d'un bout à l'autre de la'longueur de la cathode.
De cette façon la vapeur est aspirée par et à l'intérieure
<Desc/Clms Page number 12>
de la cathode creuse de la façon décrite. L*écran locali- sant la chaleur est préférablement supprimé dans cette construction de sorte que la quantité de courant qui peut être fournie à la cathode par la source 36 sans sur- chauffer cette cathode est plus grande, ce qui crée une chute de potentiel plus grande que celle qu'on pourrait obtenir avec une source 36 de potentiel plus faible. Une chute de potentiel élevée peut être obtenue sans surchauf- fer la cathode en faisant celle-ci en boron ou carbone ou en une autre matière réfractaire de résistance électri- que élevée.
On peut aussi employer dans la fig.3 un champ magnétique tel que celui de la fig.l En prolongeant l'anode dans la zone de haute pression de l'intérieur de la cathode comme représenté fig.3, on augmente l'ionisation près de l'anode, ce qui donne à lanode une grande capacité de transport de courant par unité de section.
! .La forme de réalisation de la fig.4 comprend une cathode 41 fermée aux deux bouts à l'exception d'un col tubulaire 42 à son extrémité supérieure, des anodes 43 constituées par des plaques comme dans la fig.2, un an- -neàu 44 disposé entre l'orifice de la cathode et les anodes et dont le diamètre est plus grand que celui du col 42, un écran cylindrique 45 entourant ,les susdites pièces, et un filament de chauffage 46 relié par son extrémité supérieure à l'écran 45 et par son extrémité inférieure à un disque 47 qui est lui-même relié au fil d'anade 48.
Les pôles positif et négatif dune source 49 sont reliés à l'écran 45 et à l'anneau 38, respectivement, cette source établissant un potentiel positif sur l'annoau 44 et portant le filament 46 à 1'incandescence*
Dans le but de produire des oscillations, une source de courant continue 50 est reliée par son pôle néga-
<Desc/Clms Page number 13>
tif au fil 48 et'par son pôle positif aux anodes 43 par l'entremise de bobines 51 et 51', respectivement*' lesquelles bobines sont associées à des bobines 52 et 52' montées sur un circuit oscillant 53.
Une bobine 54 correspondant à la bobine 5 de la fig. 1 peut être employée pour diriger la décharge électronique de l'intérieur de la cathode à travers le col 42; et des bobines à courant alternatif 55 ayant leurs axes perpendiculaires au plan des anodes peuvent être employées pour régler la fréquence des oscilla- tions.
Dansi cette forme de réalisation, le champ élec- trique employé. pour obliger la vapeur à pénétrer dans la cathode par aspiration et y maintenir une pression est produit par l'anneau 44, et la zone de la cathode est chauffée par le filament 46 au lieu de l'être par du courant traversant la cathode, l'écran 45, servant à loca- liser la chaleur du filament 46.
Au lieu d'avoir une seule ouverture de décharge dans la cathode, un seul anneau 44 et une seule paire d'a- nodes 43, ces pièces/peuvent être prévues de façon multi- ple comme représenté dans les fig.9 et 10 dans lesquelles la cathode 41' présente quatre petits tubes de sortie 42' les anneaux 44' sont percés de quatre ouverture, et quatre paires d'anodes 43 sont reliées en parallèle,
Les fig.9 et 10 montrent aussi un conducteur hélicoïdal 60 qui entoure la cathode et qui occupe appro- ximativement la même position que l'écran 45 dans la fig.4.
En faisant passer du courant continu dans ce conducteur, on peut produire le susdit champ magnétique dirigeant les électrons et à l'aide d'un courant suffisante ce conduc- teur peut aussi servir à chauffer la cathode et la zone adjacente*
<Desc/Clms Page number 14>
Dans la fig.11 qui est une variante de la fig.3, la cathode 31' et l'anode 35' sont analogues à celles de la fig.3, excepté que la première comporte une série de plaques perforées 61 s'étendant en travers de sa cavité in- terne jusqu'en un paint voisin de son orifice, et que l'anode ne pénètre pas, dans la cathode.
En raison du fait que les plaques 61 sont espacées dans le sens longitudinal de la cathode, la susdite chute de potentiel est distri- buée le long de la cathode, la plaque la plus rapprochée de l'orifice étant la plus positive, tandis que la plaque la plus basse est la moins positive.
La fig.l représente une variante de fig.l rendant le tube agencé pour être utilisé en combinaison avec des moyens de réglage tels que ceux ordinairement employés dans les amplificateurs, détecteurs, etc.. Dans cette figure:, 2' est la cathode, 3',l'anode et 65 une grille ordinaire ou convenable.
La cathode est analogue à celle de la fig.1 et l'anode est constituée par une plaque ou disque. De préférence, il n'est pas prévu d'é- cran comme l'écran 4 de la fig.1, et les électrodes sont placées à des distances plus grandes les unes des autres, de sorte que la zone avoisinant l'anode' et la grille n'est pas extrêmement chauffée par la cathode comme dans la fig.l puisque, dans un système grille, des ions positifs ne sont ordinairement pas désirables près de l'anode et de la grille. Un tube de ce genre pourrait être employé avec n'importe quel circuit amplificateur ou détecteur conve- nable.
Dans chacune des formes de réalisation dans lesquelles la cathode présente un col ou ouverture de sor- tie rétrécie (comme dans les f ig.l et 4) et dans lesquelles un champ magnétique est établi dans le sens longitudianal de l'ouverture de 'déchargea l'action de pompage est ampli-
<Desc/Clms Page number 15>
EMI15.1
fiée par l'influence mutuelle du champ s magné tique et du champ produit par la décharge, électronique, cette influence mutuelle ayant comme résultat de faire tourbillonner la vapeur autour de l'axe de l'ouverture de décharge et de faire ainsi pénétrer le gaz dans la cathode par une ac- tion centrifuge comme décrit dans le brevet de même date que le présent et ayant pour titre: "Dispositif à décharge électronique".
Il est bien entendu que ;Les caractéristiques de construction représentées dans chacune des formes de
EMI15.2
réalisation données à titre d* exemples peuvent être appliquées à chacune des autres formes de réalisation et qu'on peut apporter d'autres modifications et prévoir d'autres adaptations sans sortir de l'esprit de l'invention.
<Desc / Clms Page number 1>
"Improvements to electronic devices"
This invention relates to electronic discharge devices having a cathode and an anode, with or without a third electrode serving to regulate the flow of current between the cathode and the anode, devices intended to be used as rectifiers, amplifying oscillators, detectors , modulators, etc., Some features of the invention relate to discharge devices in which the vacuum is so high that the effect of residual gas "is negligible, while other features relate to devices in which the vacuum is present. which confined gas is a very important factor.
<Desc / Clms Page number 2>
In earlier high vacuum devices, the current was limited, - mainly by space charge and low electron emission from the cathode, while in gas-filled devices the current control. (by auxiliary electrodes, magnetic fields, etc.) was limited due to ionization by electronic discharge, ionization which in some cases was intense even in the area of the anode and the grill. the. The main object of the present invention is to avoid all these limitations and to obtain the main advantages of these two types of tubes.
The particular objects of the invention consist in making it possible to pass current at a low potential difference between the cathode and the anode, in avoiding an exaggerated heating of the electrodes and of the parts attached thereto by the cathode-anode current, to make the current substantially independent of the ionization by the cathode-anode current at all points of the scale of the values of this current, to produce an ample electronic emission from the cathode, to directing the electronic discharge towards the anode with minimum resistance, avoiding the need to use large amounts of vapor-generating material, preventing electronic conduction from anode to cathode under the influence of a reverse potential 'as in the turnaround and? in some cases,
to eliminate the space charge in the anode area *
According to one of the characteristics of the invention, the device comprises a low pressure or high vacuum tube (of the order of, for example, 0.01 millimeter) containing
<Desc / Clms Page number 3>
a cathode having a much higher pressure (of the order of 0.1 millimeter, for example) maintained in the region of its discharge surface by electric forces (electrostatic and (or) magnetic) for the purpose of to ensure a wide electronic transmission.
This pressure difference is ensured by an obstruction disposed between the source of electrons and the surface receiving the electrons * this obstruction having through it, for the passage of the electrons an opening which is limited in such a way. that a pressure difference or ionization state} can be maintained on either side of the obstruction. As will be apparent from the following, the obstruction is preferably an integral part of the cathode. Under constant working conditions, the pressure prevailing in the cathode is preferably static, as opposed to the pressure resulting from continuous introduction into the cathode and restricted exhaust from the cathode.
This is conveniently done by trapping the gas in the hollow cathode with an electric field, the field being disposed, with respect to the electron discharge opening of. the cathode, so that the gas molecules and (or) the ions can enter the cathode but are prevented from escaping, at least until the pressure in the cathode has reached a relative value. This electric "pumping" action is preferably produced, at least in part, by the thermal ionization of the molecules in the area of the cathode opening with the aid of derivative heat. from the cathode or other suitable source.
The opening through which the gas enters the cathode is preferably the same as that presented to the anode for electronic discharge. This field can be pro-
<Desc / Clms Page number 4>
in many ways. for example by one or more auxiliary electrodes, one or more anodes placed near the orifice of the cathode ,. etc .; but it is preferably produced by giving the cathode an elongated mouth and by producing a ramp or drop in potential along this mouth, the outer end of the mouth being positive with respect to the inner end. .
This pumping and trapping action is very effective when the diameter of the cathode opening is approximately within the limits of the average free path of gas molecules outside the cathode; and, owing to the low pressure prevailing outside the cathode, this average free path is long, which allows a fairly large cathode opening.
According to another characteristic, the invention consists in heating a hollow cathode independently of the current flowing between the cathode and the anode, with the aim of ionizing the gas contained in the cathode independently of the cathode-anode current (c (i.e. thermally, instead of either by collision or in addition to a collision) and increasing the emission and conduction of electrons from inside the cathode. The cathode is preferably heated sufficiently to ionize the vapor therein (above 1200 ° C. when cesium vapor is employed, for example) by an auxiliary power source connected thereto.
By properly connecting the auxiliary source, this source can also serve to produce the above-mentioned drop in potential along the mouth of the cathode.
Although the entire cathode can be heated in the manner previously described * heat is particularly effective in the area of the cathode opening and in the area of the cathode opening.
<Desc / Clms Page number 5>
with a large number of applications, other areas of the cathode may be at a lower temperature.
According to another characteristic, the invention consists in applying an electric field to direct the electronic discharge of! inside the cathode towards the anode through the mouth of the cathode, this field preferably being combined with a magnetic field extending along the opening to prevent electrons from hitting the walls of the cathode. cathode.
The invention further comprises the application of an alkali vapor, preferably cesum vapor, for the aforesaid gas in the hollow cathode. This gas is easy to ionize by thermal means, and the volume confined in the cathode becomes intensely ionized, which greatly increases its property of carrying current. It is also probable that the resulting radiation of this volume of extremely ionized gas is advantageous in that it releases the electrons from neutral molecules, more or less independently of superimposed electric or magnetic fields. .
The application of cesium vapor or the like is distinctly distinguished from the application of a cesium layer to a cathode, since the cathode preferably operates at a temperature higher than that at which such a layer can adhere. The release of electrons by the cathode results from the extremely ionized volume of vapor which it contains and, in addition, to a greater or lesser extent, from a low thermionic emission.
Because the action of steam is substantially limited to the relatively small volume contained in the cathode in which most of the steam is trapped under relatively high pressure, the amount required
<Desc / Clms Page number 6>
of alkali is very low.
A further object of the invention is to decrease or eliminate the space charge in the anode region, so that only a very small potential difference between the cathode and the cathode is required. anode, even in the case of the passage of an intense current and. that the anode loss is reduced to a minimum. This is preferably accomplished largely by thermally ionizing the gas in the anode region by heat generated independently of the electron current ;, the (electronic discharge having little effect on ionization when the pressure reigning outside the cathode is weak, as in the preferred embodiments.
For certain applications such as rectification, this thermal ionization also allows the current to be varied over a large scale without disabling the device to operate. Thermal ionization in the anode region can be carried out by the same heat source as that which heats the cathode, which is obtained, for example, by enveloping the cathode and the anode by a common heat shield. This thermal ionization is also facilitated by giving the surface of the anode which receives the electrons a recessed or recessed shape or by partially enveloping the surface receiving the electrons in some other way.
To better understand the invention, several typical embodiments will be described below with reference to the appended drawing in which: FIG. 1, 2, 3 and 4 are longitudinal central sections of electronic devices and schematically show the circuits which are attached to them? Fig. 5 is a section on 5-5, fig. 1;
Fig. 6 is a section along 6-6, fig 2;
<Desc / Clms Page number 7>
Fig. 7 is a section along 7-7, fig. 3;
Fig. 8is a sectional detail of a variant of part of Figo 2;
Fig. 9 is a sectional detail of a variant of part of FIG. 4;
Fig. 10 is a plan of FIG. 9;
Fig. 11 is a variant of FIG. 3;
Fig. 12 shows the application of the invention to an electronic device comprising a grid.
The particular form of figs. 1 and 5 comprises a vacuum tube 1 containing a cathode 2. an anode 3 and a heat shield 4 The tube 1 is preferably completely rarefied except for a small quantity of cesium or other alkali - This alkali can be in a solid or vaporous form, but usually. it is at least partially solid. '5 is an electromagnetic coil surrounding the tube, the role of which is to create a magnetic field along the tube. This tube is likely to receive many applications. but it has been assumed, in the present example, that it is intended to be used as a rectifier receiving current through a transformer 6 and rectifying this current for a suitable load 7.
Cathode-2 is composed of an inner cylinder 8 and an outer cylinder. 9, the bottom of the inner cylinder being closed and the bottom of the outer cylinder being open at 10. The upper ends of the two cylinders are closed except for axial openings dqnt the edges are joined by a neck 11. The diameter of the neck is is preferably less than the average free path of the vapor molecules outside the cathode.
Wires 12 and 13 connect the lower ends of the inner and outer cylinders to the opposite poles of a potential source 14 which,
<Desc / Clms Page number 8>
serves to heat the cathode by the effect of the resistance of the walls. this cathode and which also serves to produce the aforementioned ramp or drop in potential along the neck 11, the positive end of the source being connected to the external cylinder and, from there, to the upper end of the neck 11, Com- me 'the cross section of the path traveled by, the current through the cathode is minimum along the neck 11, the heat will be more intense in this area'. The cathode may be made of tungsten or of another suitable material.
The anode 3. is also cylindrical ,. the upper end being closed and the lower end open. The diameter of the opening of the anode is preferably a little larger than the diameter of the opening of the neck of the cathode. The anode is also preferably placed very close to the cathode 'and with its opening following the axis of the opening of the cathodes ...',
The screen 4 receives a shape suitable for tightly enveloping the cathode and the anode in order to locate the heat developed in the. cathode by source 14 .. 'This screen can be. mounted in any suitable manner In fig. 1, it is mounted on the wire of the anode, in which case this wire would of course be relatively rigid.
The inner surface of the screen is preferably shiny to reflect heat.
When the inside of the cathode 2 is heated (for example above 12000 C.), the vapor which the cathode contains, and particularly that near the neck 11, is strongly ionized and as a result of the drop in existing potential along throat 11 the vapor is sucked in by the cathode and penetrates therein until a relatively high pressure prevails therein.
The theory of this
<Desc / Clms Page number 9>
suction action is probably in substance the following- 'Aunt:'
As a result of the continuous molecular movement of the vapor in the tube, neutral (ie non-ionized) molecules enter the neck of the cathode where they become ionized by the intense heat prevailing in this area. These ions are thus trapped in the neck and urged towards the interior of the cathode by the drop in potential existing along the neck 11, the upper end of the neck having a positive polarity.
This trapping action is increased by giving the diameter of the neck 11 a value less than the free-average path of the vapor molecules outside the cathode $, because all. Significantly, molecules tend to enter the cathode and strike the wall of the cervix and ionize by the effect of the high temperature of this wall, so that substantially all of the Neutral molecules which are able to escape convert into ions which can be trapped The pressure difference between the inside and the outside of the cathode can be regulated by varying the voltage of the source 14. Higher internal pressure can also be obtained by reducing the diameter of the neck 11.
Since the cathode 2 is full of extremely ionized alkali vapor under a fairly large pressure, an electronic discharge can easily be obtained from the interior of the cathode to the interior of the anode via the neck 11 at the using a relatively low potential applied between the anode and the cathode the reverse current being prevented from flowing when the potential changes direction because the anode does not contain highly ionized vapor under pressure *
<Desc / Clms Page number 10>
The space charge is canceled near the internal surface of the anode .5 by the positive ions which arise as a result of the high temperature of the juxtaposed cathode, these two electrodes being enveloped by a screen. common.
The vapor pressure inside the anode is preferably too low to produce appreciable ionization by collision, so that the ionization is not significantly influenced by the electron discharge. Thus, the property of straightening of the tube is not a function of the load as in the earlier rectifiers of the gas or steam type; therefore, high loads do not significantly decrease the voltage which the device is able to properly rectify *
The longitudinal magnetic field produced by the coil 5 reacts to the electronic current and tends to direct this current along the axis of the neck 11 and to prevent it from coming into contact with the walls of this neck.
In the embodiment of FIG. 2, the cathode 15 consists of a cylinder fitted onto the ends of conductors 16 and having an opening
17 at its upper part. The cathode is surrounded by a cylindrical screen 18 having an opening 19 placed in the axis of the opening 17 and more. bigger than this one.
The anodes 20 and 20 'are formed by plates arranged in planes perpendicular to the axis of the cathode and at equal distances on either side of. the axis of the openings 17 and 19.
The cathode, 15 is heated by current induced in the secondary coil 21 by the primary coil 22, and the anodes are, connected to opposite ends of the secondary of a transformer 23. The midpoint of this secondary, # '@@ is connected to the midpoint of. secondary 21 through
<Desc / Clms Page number 11>
medial of a support inductor 24 and a suitable load 25.
In the present example * the anodes 20 and 21 deliver the positive potential near the orifice of the cathode which has the effect that the vapor is sucked by the hollow cathode and enters this cathode until the moment when it is established there. a suitable pressure * The electronic discharge emanating from the interior of the hollow cathode passes through the openings 17 and 19, then passes for two successive half-cycles to the anode 20 and to the anode 20 ', alternately, the back-up coil, 24'- ensuring a continuous relative negative polarity of the cathode 15.
In the variant of fig. 8, the anodes 30 and 30 'corresponding to 20 and 20' of fig. 2 are constituted by rings concentric with the cathode 15 '(corresponding to. 15, fig. 2 ) and arranged on either side of the opening 17 'of the cathode * In this variant, the screen 18 is omitted in that the anodes .50 and 30' can be established to also behave at the heat shields way *
The tube of fig. 3 comprises a cylindrical cathode 31 which fits on a current supply support 32 and which carries at its upper end a rim 33 'connected at the periphery to another supply conductor 34 The anode is constituted by. a wire or bar 35 penetrating the opening of the cathode.
By connecting conductors 32 and 34 respectively to the negative and positive ends of a suitable source of potential 36, the cathode can be heated intensely and its orifice maintained at a higher positive potential than its lower end. This gives the above-mentioned drop in potential throughout the length of the cathode.
In this way the steam is sucked through and inside
<Desc / Clms Page number 12>
of the hollow cathode as described. The heat-localizing shield is preferably omitted in this construction so that the amount of current which can be supplied to the cathode from source 36 without overheating that cathode is greater, which creates a greater potential drop. larger than that which could be obtained with a source 36 of lower potential. A high potential drop can be obtained without overheating the cathode by making it of boron or carbon or other refractory material of high electrical resistance.
One can also use in fig. 3 a magnetic field such as that of fig. L By extending the anode in the high pressure zone from inside the cathode as shown in fig. 3, the ionization is increased by of the anode, which gives the anode a high current carrying capacity per unit of section.
! .The embodiment of fig.4 comprises a cathode 41 closed at both ends with the exception of a tubular neck 42 at its upper end, anodes 43 formed by plates as in fig.2, a year- -neàu 44 disposed between the orifice of the cathode and the anodes and whose diameter is greater than that of the neck 42, a cylindrical screen 45 surrounding the aforesaid parts, and a heating filament 46 connected by its upper end to the screen 45 and by its lower end to a disc 47 which is itself connected to the anad wire 48.
The positive and negative poles of a source 49 are connected to the screen 45 and to the ring 38, respectively, this source establishing a positive potential on the ring 44 and carrying the filament 46 to the incandescence *
In order to produce oscillations, a direct current source 50 is connected by its negative pole.
<Desc / Clms Page number 13>
tif the wire 48 and 'by its positive pole to the anodes 43 by means of coils 51 and 51', respectively * 'which coils are associated with coils 52 and 52' mounted on an oscillating circuit 53.
A coil 54 corresponding to the coil 5 of FIG. 1 can be used to direct the electronic discharge from inside the cathode through the neck 42; and AC coils 55 having their axes perpendicular to the plane of the anodes can be employed to control the frequency of the oscillations.
In this embodiment, the electric field employed. to force the vapor to enter the cathode by suction and maintain a pressure there is produced by the ring 44, and the cathode area is heated by the filament 46 instead of by current passing through the cathode, l screen 45, serving to localize the heat of the filament 46.
Instead of having a single discharge opening in the cathode, a single ring 44 and a single pair of nodes 43, these parts / can be provided in multiple fashion as shown in Figs. 9 and 10 in in which the cathode 41 'has four small output tubes 42' the rings 44 'are pierced with four openings, and four pairs of anodes 43 are connected in parallel,
Figs. 9 and 10 also show a helical conductor 60 which surrounds the cathode and which occupies approximately the same position as the screen 45 in fig.4.
By passing direct current through this conductor, the aforesaid magnetic field directing the electrons can be produced and with the aid of sufficient current this conductor can also be used to heat the cathode and the adjacent area *
<Desc / Clms Page number 14>
In Fig. 11 which is a variant of Fig. 3, the cathode 31 'and the anode 35' are similar to those of Fig. 3, except that the first comprises a series of perforated plates 61 extending in through its internal cavity to a paint near its orifice, and which the anode does not penetrate, into the cathode.
Due to the fact that the plates 61 are spaced longitudinally of the cathode, the aforesaid drop in potential is distributed along the cathode, the plate closest to the orifice being the most positive, while the drop in potential is distributed along the cathode. the lowest plate is the least positive.
The fig.l shows a variant of fig.l making the tube arranged for use in combination with adjustment means such as those ordinarily employed in amplifiers, detectors, etc. In this figure :, 2 'is the cathode, 3 ', the anode and 65 an ordinary or suitable grid.
The cathode is similar to that of fig.1 and the anode consists of a plate or disc. Preferably, a screen is not provided like the screen 4 of Fig. 1, and the electrodes are placed at greater distances from each other, so that the area surrounding the anode ' and the grid is not extremely heated by the cathode as in Fig. 1 since, in a grid system, positive ions are ordinarily not desirable near the anode and the grid. Such a tube could be used with any suitable amplifier or detector circuit.
In each of the embodiments in which the cathode has a narrowed neck or outlet opening (as in Figs. 1 and 4) and in which a magnetic field is established in the longitudinal direction of the discharge opening. the pumping action is amplified
<Desc / Clms Page number 15>
EMI15.1
trusted by the mutual influence of the magnetic field and the field produced by the electronic discharge, this mutual influence having the result of swirling the vapor around the axis of the discharge opening and thus making the gas penetrate in the cathode by a centrifugal action as described in the patent of the same date as the present and entitled: "Electronic discharge device".
It is understood that; The construction characteristics represented in each of the forms of
EMI15.2
This exemplary embodiment can be applied to each of the other embodiments and other modifications and adaptations can be made without departing from the spirit of the invention.