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"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.
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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
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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-
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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
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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
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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;
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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,
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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
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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*
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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-
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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
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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-
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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*
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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-
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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
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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.