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AUX LALIPES à LUMINDI,-301-UiCE-¯
La présente invention vise des perfectionnements aux lampes à luminescence. Elle concerne notamment les dispositifs à décharge électrique dans un gaz avec ou sans colonne positive.
Lorsqu'unedécharge électrique est produite dans un gaz à basse pression, dans des conditions produisant une luminosité dans une colonne de gaz entre les électrodes de la décharge, la chute de potentiel à la cathode dépend ,dans une grande mesure, de la production d'électrons sur elle. Si des électrons sont produits seulement par la décharge entre les électrodes princi- pales, une chute de potentiel relativement élevée se produit sur la cathode.
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Dans des lampes à décharge lumineuse munies de cathodes non thermioniques. telles que celles qui sont utilisées couramment pour l'éclai- rage d'étalages, la chute de potentiel à la cathode atteint plusieurs centai- nes de volts' Une chute de potentiel si élevée entraîna des pertes d'énergie et rand las lampes inutilisables aux tensions d'éclairage courantes-
L'invention offre des dispositifs à décharge gazeuse dans les- quels une création abondante d'électrons à une cathode, pour une décharge à colonne positive, est produite par une décharge auxiliaire à courant peu inten- se qui provient d'un ou plusieurs cratères ménagés dans la cathode servant à la décharge à colonne positive principale rendant de telles lampes utilisables avec une chute de potentiel de cathode d'environ 90 volts.
Des lampée à colon- ne positive, conformes à l'invention, pouvant fonctionner aux tensions de dis- tribution usuelles sans les dispositifs d'amorçage utilisés jusqu'ici* L'in- vention prévoit aussi le refroidissement perfectionné.de la cathode.
Le refroidissement de la cathode s'appliqua non ssulement aux lampes à colonne positive, mais aussi aux lampes à luminescence, dans lesquel- les la lumière est fournie principalement par une luminescence formée dans des conditions appropriées, au voisinage immédiat de la cathode et connue, en consé- quence, sous le nom de luminescence Négative ou luminescence cathodique.Cette variante de l'invention concerne plus particulièrement les lsmpes à luminescen- ce négative, comportant une cavité en forme de cratère dans laquelle est pro- duite, au cours du fonctionnement de la lampe, une tiche brillante dont l'in- tensité varie en fonction des variations de la tension appliquée*
Lorsque de telles lampes sontemployées en télévision, trans- mission d'images,
de fac-similés ou d'autres applications de signalisation, il est désirable d'utiliser un courant opératif aussi intense que possible, pour augmenter l'intensité ou la brillance de la lueur négative* Mais on a trouvé que, lorsque le courant augmente, le chauffage des électrodes augmente aussi;
or, l'élévation da température provoque d'une part la détérioration de l'isolement électrique et la vaporisation de la matière d'électrode, ce qui est particulièrement sensible en cas d'une cathode en forme da cratère et d'autre part ce qui est inattendu la décharge denvient moins sensible aux va- riations de tension étant transforméeen une décharge à halo ne se prêtant pas à la comme ou au réglage, ou même en une décharge à arc destructive*
Dans le cas d'un dispositif à cratère, la décharge lumineuse
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quitte le cratère lorsque le courant est accru au-delà d'une valeur maximum et devient entièrement une décharge en halo.
On a découvert que, par un refroidissemetn artificiel de la ca- thode, la portée ou gamme opérative de la décharge à lueur négative peut être accrue dans la proportion du centuple ou davantage, suivant l'efficacité du re- froidissement, comme décrit ci-après.
Conformément à l'invention, on a prévu des lampes à luminescence ou à lueur négative pouvant fonctionner à des niveaux d'énergie beaucoup plus élevés, et en conséquence avec une lueur beaucoup plus brillante, tout en étant fidèlement sensibles aux variations de tension des fréquences rer.contrées en télévision et transmission d'images.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avanta- ges de l'invention en se référant à la description suivant et aux dessins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif, et dans les- quels 1
La Fig.l représente en élévation avec parties en coupe longitudi- nale, une lampe à courant alternatif conforme à l'invention.
La Fig.2 est une vue en bout de la structure d'électrodes pour une borne de la lampe représentéeFig.1.
La Fig.3 est une vue similaire d'une lampe à courant continu.
Les Fig.4 et 4A montrent une variante, respectivement en éléva- tion latérale et en vue en bout.
La Fig.5 est une coupe longitudinale relative à une variante de la structure de cathode canportant un refroidissement par eau.
La Fig.6 est une coupe longitudinale d'un dispositif analogue à celui de la Fig.5 mais appliqué à une lampe sans colonne positive, refroidie par l'air ambiant.
La Fig.7 montre en coupe longitudinale une variante avec refroi dissement à l'eau*
La Fig'8 est une coupe longitudinale d'une autre variante pour un refroidissement plus direct de la cathode.
Les Fig. 9 et 10 enfin sont des variantes employant des arrange- ments réfrigérants extérieurs similaires à celui de la Fig.6.
La lampe représentée Fig.l est constituée par une ampoule allon- gée 1 confectionnée en verre ou matière similaire.
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Elle est représentée comme étant interrompue car généralement elle est d'une longueur trop grande pour pouvoir être représentée dans les limites du dessin avec l'échelle choisie; l'invention est toutefois applicable aussi aux lampes comportant une colonne positive courte.
L'anpoule contient un remplissage gazeux approprié ou un mélange gazeux dans lequel peut âtre produite une décharge lumineuse désirée. Par exemple, le gaz peut être constitue par du néon, de préférence mélangé avec 3/8% d'argon environ, et le gaz se trouve de préférence à une pression de 1' ordre de 10 à 20 mm. de mercure. Dans la fabrication de la lampe, l'ampoule et les électrodes doivent être débarrassées des gaz dangereux ou nuisibles, suivant la technique courante. En général, la préparation et la nature du ren- plissage gazeux doivent être conformes à la pratique usuelle.
Les électrodes placées aux extrémités de la lampe sont à peu près symétriques et en conséquence la structure sera décrite pour une seule extré- mité, les mêems numéros de références étant appliqués aux éléments de la stre ture à l'extrémité opposée. La structure d'électrodes, aux extrémités opposées comprend une cathode 2 confectionnée en tungstène, fer, aluminium, cuivre , magnésium ou autre métal approprié, et elle enveloppe une anode 3 de longueur un peu plus grande, qui peut aussi être confectionnée en aluminium, cuivre, tungstène, magnésium, etc....
Les deux électrodes sont séparées par une couche 4 d'isolement électrique, par exemple de l'isolantite, du mica, de l'alumine, etc... Les extrémités exposées des électrode)* 2 et 3 sont de niveau l'une avec l'autre.
Le rebord 5 de la cathode 2 faisant saillie vers l'intérieur, est séparé de l'anode 3 par une rainure qui est de préférence si étroite qu'aucune décharge visible ne s'y produit. De préférence, la largeur de cet intervalle est can- prise dans les limites des dimensions de l'espace obscur de croches* Les deux électrodes sont munies de cratères en forme d'entonnoir, c'est-à-dire conique* Bien que deux cratères seulement soient représentés sur la coupe de la Fig.l, dans l'électrode 2, il y a généralement huit cratères de ce genre dans un cercle, comme visible Fig.2., ou encore quatre cratères dans chaque électro- de, comme visible Fig.4 A en 6a, 6b, 6c, etc....
Les cratères peuvent être ménagés soit dans le corps de l'électre de, soit dans des pièces insérées confectionnées en une matière à émissivité électronique plus élevée que la partie principale de l'électrode- Par exemple
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pour faciliter des tensions faibles d'amorçage et une émission électronique intense, une telle pièce d'insertion peut être constituée par les corps sui- vants, qui peuvent aussi servir à revêtir les parois du cratère: un métal al- calino-terreux, tel que le magnésium, le baryum, l'acide de baryum N6 Ba, le césium, ou un métal terreux rare tel que le thorium, le cérium, ou encore un alliage tel que le ferro-oérium, ou bien l'alliage dit "mischmetal".
Mais lorsque les pièces 2 et 3 sont confectionnées entièrement avec un tel métal spécialement choisi, on obtient l'avantage supplémentaire que la matière des parois opposées de la rainure ou de l'intervalle électro- nique facilite le passage du courant aux potentiels minima. Four de nombreuses applications, les cratères peuvent avoir un diamètre d'ouverture d'environ 1 à 1.5mm. et une profondeur d'environ 10 mm.
Les cathodes 2 et 2' aux extrémités opposées de l'ampoule tubu- laire 1 sont reliées, par des conducteurs 9 et 10, à une source appropriée de courant alternatif, à travers une résistance série 11. un interrupteur 12 est prévu dans le circuit. Les électrodes 3 et 3' sont reliées l'une à l'autre par un conducteur 13 contenant une résistance 14 ou une autre impédance appro- priée, et un interrupteur 15. Les deux intervalles antre les électrodes 2 - 3 et 2' - 3' respectivement, sont reliés par le circuit 13 en série sur la li- gne, lorsque l'interrupteur 15 est fermé, déterminant ainsi le passage d'un courant de faible intensité sur les deux intervalles électroniques en série l'un avec l'autre.
Les lampas représentées au dessin sont données à simple titre d'exemple. En général, on peut direque le rendement lumineux de telles lampes dépend, dans une grande mesure, du rapport de la longueur au diamètre de la colonne positive formée dans le tube à décharge relié à deux ampoules d'éleo- trodes- La production lumineuse et le rendement varient en général directe- ment avec ce rapport. Par exemple, avec une tension appliquée de 220 volts, le rendement maximum est obtenu en utilisant un tube à décharge qui est aussi long que possible et qui possède un diamètre aussi faible que possible pour l'amorçage et le fonctionnement à cette tension.
On donnera ci-après un exemple d'une telle lampe fonctionnant à 220 volts. Une telle lampe, pour le courant alternatif, peut 'être construite comme le représente la Fig.l, la distance antre les groupes opposés d'élec- trodes étant d'environ 30 cm. et le tube à décharge en verre antre elles ayant
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un diamètre d'environ 15 mm le diamètre de l'électrode duplex, dans l'ampou- le d'électrodes à chaque extrémité de la lampe, est d'environ 30 mm. et le diamètre de l'électrode intérieure est d'environ 6 mm.
Aucun courant ne traverse la lampe de la Fig.l lorsque l'inter- rupteur 12 est fermé, jusqu'à ce que l'interrupteur 16, dans le circuit auxi- liaire 13, soit aussi fermé. Les courants traversant alors les intervalles entre les électrodes par paires, aux extrémités opposées de la lampe, produi- sent une émission électronique suffisante pour l'amorçage et pour l'amené de la décharge principale dans le tube à décharge dont le diamètre peut être de 15 mm par exmple bien que le courant traversant ce circuit auxiliaire 13 n'ait qu'une intensité d'environ 0,013 ampère, la résistance 14 étant relati- vement élevée, par exempled'environ 1.000 ohms.
En supposant que la résis- tance de ligne en aérie 11 possède une résistance de 45 ohms Environ, le cou- rant traversant la colonne positive à une intensité d'environ 0,8 ampère, aven un remplissage gazeux comprenant principalement du néon , et la décharge ré- sultante de colonne positive fournit une lumière brillanta.
L'intensité du courant traversant la colonne positive de longueur et de diamètre déterminée, peut être réglée par variation, soit de la valeur de la résistance série 11 en circuit akec les électrodes principales, soit de la valeur de la résistance 14 en série avec les intervalles d'émission élec- tronique aux électrodes.
Si aucune résistance n'est prévue dans le circuit auxiliaire 13 et si les surfaces des électrodes exposées dans les intervalles sont trop grandes, dans ce cas, un courant trop intense traverse alors les in- tervalles, en déviant ainsi des quantités d'énergie excessives par rapport à la colonne positive*
D'une manière générale, on peut dire que le courant passant par le circuit auxiliaire, les dimensions et la forme des électrodes, et le nom- pre des cratères dans les cathodes, doivent être choisis de faço que le cou- rant principal traversant la colonne positive soit maintenu à une valeur ap- propriée-
La lampe à courant continu, représentée Fig.3, diffère de la lam- pe représentée Fig.l et 2 par la disposition d'une anode ordinaire 16 confec- tionnée en nickel, carbone,
tungstène'ou autre matière conductrice appropriée non pourvue de cratère ou autres moyens pour émettre des électrons de manière indépendante. Les électrodes de cette lampe sont reliées à une source à cou-
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rant continu par le conducteur 17 et le conducteur 18 en série avec lesquels est montée une résistance 14.
Dans la lampe à courant alternatif représentée Fig.4. le tube à décharge dans lequel est produite la décharge de la colonne positive, est cintré en forme de U et est monté à l'intérieur d'une enveloppe extérieure 20
Les cratères ménagés dans les électrodes, sont visibles en plan sur la Fig.4A au-dessus de la Fig.41 quatre cratères sont indiqués en 21 dans l'électrode extérieure 2 mais un nombre différent de cratères peut être utilisé, suivant les circonstances.
Le circuit auxiliaire 13 entre los électrodes et la résistance 14 sont placés à l'intérieur de la structure de lampe. Si les intervalles com- pris entre les deux groupes d'électrodes sont proportionnés de manière appro- priée au restant de la lampe, la résistance 14 peut être réduite ou peut âtre marne supprimée entièrement. Les électrodes 3 et 3' de la Fig.4 peuvent 'être reliées à un circuit d'alimentation approprié à courant alternatif, par les conducteurs 9 et 10 qui sont reliés à un culot de lampe établi suivant les principes usuels.
La Fig.5 montre une structure d'électrodes d'une lampe possédant une plus grande puissance, et qui est munie de moyens pour ref@@ idir artifi- ciellement les électrodes à cratères. Le tube à décharge n'est pas représenté Les particularités de construction de la cathode de la Fig.5 sont, à de nom- breux points de vue, similaires à celles déjà décrites en regard des autres figures. Mais il consent d'observer que l'extrémité inférieure de la catho- de 22 se termine par un bord mince qui est ocellé directement sur l'enveloppe tubulaire de verre 23.
Autour de la chambre d'électrodes est prévue une che- mise ou jaquette extérieure 24 à travers laquelle le fluide réfrigérant, tel que l'eau, est mis en circulation en passant par le tuyau d'admission 26 et le tuyau d'échappement 25a.
Une connexion électrique avec la cathode 22 est réalisée par le conducteur 26 qui se termine par un ressort compressible 27, dont l'extrémi- té extérieure forme un contact électrique avec l'électrode 22. Le contact ave l'anode 28 est réalisé par un bras latéral 29 au moyen du conducteur d'anode 30. La chambra ou ampoule d'électrodes an verre 23 est reliée à son extrémité droite, à un tube qui,n'est pas représenté et à travers lequel se produit la décharge de colonne positive brillante- Une structure similaire peut être pré-
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vue aux extrémités opposées de la colonne positive lorsqu'on désire un fonctionnement avec du courant alternatif, et les connexions électriques correspondant à celles de la Fig.1.
A part cela, une anode ordinaire, telle que celle qui est re- présenttés en 16 sur la Fig.3, est utilisée en combinaison avec une cathode à refroidissement par l'eau sur un circuit à courant continu, et les conne- xions électriques correspondant à celles de la Fig.3.
La dispositif représenté Fig.6 fonctionne sans colonne positive: 11 produit, avec une lueur négative lumineuse, une tâcha (ou spot) lumineu- se à bords dépourvue de halo et possédant une brillance intrinsèque beaucoup plus grande que les dispositifs de modèle connu, et en conséquence donne une banne modulation lorsqu'il est utilisé comme a ouroe lumineuse pour la télé- vision et la transmission d'images. Il comprend une ampoule 32 contenant un gaz raréfié de bonne conductibilité et comportant un pied 33 avec un con- ducteur de cathode 34, se terminant de préférence par une tige ou saillie pour placer et centrer la cathode sur le pied de lampa,
et deux conducteurs d'anode 35 et 35' qui sont de préférence revêtus de manchons Isolants vi- traux 36 et 36' sur la plus grande partie de leur longueur, à l'intérieur de l'ampoules
La partie antérieure de la cathode 37 est de préférence confec- tionnée en un métal (tel que le tungstène, les alliages de fer et de tungs- tène, l'acier laminé à froid) qui se vaporisa très peu même aux tempérantu- res élevées. Dans la cathode est ménagé un cratère 38, de préférence à pa- rois inclinées ou en forme d'entonnoir qui, dans la plupart des cas, possè- de un diamètre de 1 à 1,5 mm. environ et une profondeur de 6 mm. environ.
La cathode peut être constituée entièrement en tungstène ou similaire, et alla peut 'être montée à demeura, de préférence par un contact mécanique serré, ou bien encore par brasure ou soudure sur l'extrémité d'un pied de cathode 40 en un métal tel que le cuivre, qui est un bon conducteur de la chaleur.
La cathode 37 est ancrée dans un isolateur tubulaire 41 cons.. truit de préférence an matière céramique et isolante, résistante à la cha- leur* cet isolateur tubulaire présents la forme générale d'une coupe rela- tivement profonde avec un fond muni d'un trou oentral et des parois relati- vement épaisses; son diamètre est réduit à l'extrémité Intérieure pour for-
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mer un épaulement 43.
La cathode s'ajuste de manière précine dans l'alésage de l'isolateur, avec son extrémité inférieure reposant sur le fond 42 et elle est serrée sur le fond par une vis de fixation dans laquelle est ména- gé un logement pour recevoir une tige 44 prévue à l'extrémité du conducteur de cathode. ûne anode tubulaire 45, qui est de préférence assez massive et qui possède des parois épaisses, entoure la cathode.
L'anode est munie, à l'extrémité supérieure, d'une lèvre ou d'un rebord 46 faisant saillie vers l'intérieur. L'isolateur tubulaire 41 s'ajuste de manière précise dans l'a- lésage de l'anode, avec son extrémité venant contre le rebord 46 et est maintenue en place très fermement par une réelle 47 en matière isolante appropriée, qui engage 1 épaulement 43 sur l'isolateur, et qui est fixée sur l'extrémité postérieure de l'anode par des vis Il est avantageux de pré- voir un intervalle très étroit entre les extrémités voisines de l'anode et de la cathode car la lampe paraît donner une modulation meilleure dans ce cas.
Dans le dispositif représenté Fig.6, l'extrémité .exposée de la cathode cylindrique 37 se trouve de niveau avec l'extrémité de l'anode, et le rebord 46 faisant saillie vers l'intérieur, est muni d'un alésage qui est seulement un peu plus grand que la cathode, en laissant un intervalle étroit entre la cathode et l'anode. Le fond de cet intervalle ou fossé est formé par l'extrémité de l'isolateur tubulaire 41 qui possède une épaisseur de pa- roi beaucoup plus grande que la largeur de ce fossé* Une tâche lumineuse très brillante, avec des bords bien nets, est obtenue en construisant le dis- positif de telle sorte qu'il n'y ait pas do décharge lumineuse entre l'anode et la surface de la cathode, à l'extérieur du cratère.
L'extrémité exposée de la cathode se trouve de niveau avec l'ex- trémité des parois épaisses de l'anode tubulaire, mais elle est couverte par uneplaque 48 formant chapeau cel@@-ci est munie d'un trou central venant au droit du cratère 38 et est montée sur l'anode, de façon qu'elle constitue le fond d'une coupe ranversée@ avec parois épaisses. Cette plaque formant cha- peau est montée sur l'anode par des vis 39 et en est espacée par des rondel- les de métal 40. Elle est reliée électriquement avec l'anode, et sa fenêtre vient en coïncidence'avec le cratère dans la cathode-.
Elle est placée de tel- le sorte que l'intervalle entre elle et l'extrémité exposée de la cathode -
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n'est pas plus grand que l'épaisseur de la décharge non lumineuse de l'espace obscur de Crookes de la décharge à conduction gazeuse qui se produit dans le dispositif.
Etant donné qu'aucune décharge lumineuse ne se produit à l'exté- rieur du cratère,dans ces conditions, une tache lumineuse (ou spot) projetée sur un écran ne comporte pas de halo à sa périphérie et présente des bords bien nets. La forme de cette tache de lumière est déterminée par celle du trou ménagé dans la plaque 48 formant chapeau et, pour des projections d'ima- ges, ce trou peut avantageusement être carré.
Autour de l'ampoule 32 se trou- ve un radiateur à ailettes 52 qui s'ajuste avec précision sur l'ampoule, pour maintenir suffisamment basse la température de la cathode 37 et d'autres or- ganes métalliques à l'intérieur de l'ampoule*
On a obtenu de bons résultats avec un dispositif construit de la manière représenté e Fig.6 et confectionné avec une ampoule ayant un diamètre d'environ 34 mm, une longueur d'environ 15 cm, une anode annulaire ayant une longueur d'environ 62 mm, un diamètre extérieur d'environ 26 mm, et un alésa- ge d'environ 12 mm et un isolateur tubulaire 41 dont les parois ont une épais- seur d'environ 2 à 3 mm, une cathode munie, à son extrémité antérieure, d'un cratère conique ayant une profondeur d'environ 6 mm, et un diamètre maximum .
compris entre 1 et 1,5 mm, le gaz étant à une pression d'environ 30 mm., de mercure et comprenant principalement du néon contenant environ 3/8% d'argon.
Le diamètre de l'ouverture ménagée dans la plaque 48 formant chapeau est d' environ 1 mm, l'espacement entre cette plaque et l'Extrémité exposée de la cathode à cratère est d'environ 1 mm ou moins, et la rainure entre l'anode et la cathode présenta une largeur de 0,25 mm et une profondeur inférieure à 1 mm.
Le dispositif représenté Fig.7, tout en fonctionnant sur le même principe que celui décrit en regard des fig.5 et 6, diffère de ce dernier à divers points de vue, notamment en ceci qu'il comporte un refroidissement a- nalogue à celui de la Fig.5.
La pièce 55 de maintien et de support de cathode est construite creuse et se termine en 56 par un bord mince scellé par fusion sur l'ampou- la 57 en verre dur approprié. La cathode 55 est de pré±érénce en cuivre, et le cratère 58 comprend de préférence du thorium, du ferro-métal, du magné- sium et du tungstène. La profondeur et la largeur de la rainure 59 sont dé-
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terminées par l'épaisseur et le diamètre intérieur de la bague de cuivre 60 attachée, per les vis 61, sur l'anode 62, qui peut être construite en alumi- nium. L'anode 62 est maintenue à frottement par des vis de réglage et de fi- xation 63, qui prennent appui sur l'isolement 64. Des tiges isolantes 65 assu- rant la fixation de l'isolateur 64 sur la cathode 55.
A l'extérieur de l'ampoule est prévu un contenant 66 qui est fixé sur l'anpoule par une bague de caoutchouc 67. Une circulation d'un fluide're- froidisseur approprié, par exemple de l'eau, est prévue dans l'espace compris entre l'ampoule 57 et le contenant 66 par un tube d'admission 68 et un tube d'épnappement ou de sortie 69. Un contact électrique avec la cathode 55 est ré- alisé par un conducteur 70 qui se termine par une hélice élastique 71. Le con- ducteur 70 est de préférence entouré par un tube de verre 72.
Le contact est réalisé avec l'anode 62 par un conducteur 73 qui est scellé dans le pied 74 d'un bras latéral 75 de l'ampoule principale! un refroidissement efficace et énergique est obtenu, dans le dispositif de la Fig.7, car le liquide réfrigé- rant se trouve en relation thermique directe avec la cathode.
Dans la variante représentée Fig.8, l'ampoule 76 est munie d'un renflement 77 long et creux par lequel le fluide réfrigérant, dans l'espace compris entre l'ampoule 76 et la jaquette extérieure 78, peut pénétrer jusqu'à un point voisin de la face active de la cathode. Une connexion électrique avec l'anode 79 est réalisée par le conducteur 80 scellé à travers le bras latéral de verre 81 et une connexion électrique avec la cathode est réalisée par le conducteur 82 traversant l'ampoule 76 et'qui est noyé directement dans la ca- thode 83.Dans la variante représentée Fig.9 , le fluide réfrigérant ne par- vient pas aux électrodes elles-mèmes. la dissipation de la chaleur se produi- sant à travers la paroi de l'ampoule de verre 96.
La construction des électro- des est, à de nombreux points de vue, similaire à la construction décrite ci= dessus en détail à propos des Fig.5, 6 et 7. Mais il convient d'observer qu'il y a certaines différences, par exemple la fait que le conducteur de ca- thode 82, est fixé sur la cathode 88 par une tige filetée 85 et un écrou 86 qui traverse le cylindre isolant 87 dans le corps de cathode 88.
Le conducteur d'anode 89 est fixé sur l'anode 90 par une tige 91 qui est entourée par un tube 94 confectionné en verre ou autre matière isolan- te appropriée. Ce procédé de construction réduit la possibilité d'amorçages de sens inverse antre les électrodes. La lampe représentée Fig.9 est munie aussi
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d'une jaquette extérieure 95 entre laquelle et l'ampoule 96, la circulation du fluide réfrigérant peut être produite par le tube d'admission 97 et la tube d'échappement ou de sortie 98*
Dans la dernière variente représentée Fig.10, la cathode 99 est munie, sur sa surface supérieure exposée, d'un disque de nickel dépoli ou très lisse 100.
Au cours du fonctionnement, la surface exposée entière du disque 100 est recouverte de l'effluve ou luminescence lumineuse de cathode, au lieu que celle-ci soit limitée à un cratère, comme dans le cas des variantes des Fig.6, 7 et 8. D'autres particularités dans les variantes des Fig.9 et 10, sont si- milaires à celles déjà décrites ci-dessus, et pour cette raison il paratt su- perflu de les rappeler.
Par les divers moyens réfrigérants artificiels qui ont été décrit en regard des différentes figures, la densité de courant opératif de la lumi- nescence de cathode peut être accrue très sensiblement, sans perte de la facul- té de commande et de réglage* Dans le cas d'un dispositif à joint de métal et à refroidissement par l'eau, tel que représenté Fig.7, un courant de plusieurs ampères peut 'être maintenu, étant capable de modulation.
Dans le cas d'un refroidissement moins direct, par exemple dans le cas de la construction représentée sur la Fig.6, la valeur du courant opé- ratif admissible, sans sacrifice de la commande, n'est pas si grande que dans le cas d'un dispositif refroidi de manière plus efficace, comme représenté Fig.
7, mais est encore un multiple de ce qu'il est dans le cas d'un dispositif dans lequel la température de cathode peut s'élever en raison de l'absence d'un refroidissement artificiel.
Les dispositions et les applications données ci-dessus à titre d'e- exemple ne limitent aucunement le domaine de la présente invention.
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The present invention is aimed at improvements to luminescence lamps. It relates in particular to electrical discharge devices in a gas with or without a positive column.
When an electric discharge is produced in a low pressure gas, under conditions producing luminosity in a column of gas between the electrodes of the discharge, the potential drop at the cathode depends, to a large extent, on the production of electrons on it. If electrons are produced only by the discharge between the main electrodes, a relatively high potential drop occurs at the cathode.
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In light discharge lamps fitted with non-thermionic cathodes. such as those commonly used for display illumination, the potential drop at the cathode reaches several hundred volts. Such a high potential drop resulted in energy losses and unusable lamps at the same time. current lighting voltages
The invention provides gas discharge devices in which an abundant creation of electrons at a cathode for positive column discharge is produced by a low current auxiliary discharge which originates from one or more craters. formed in the cathode serving for the main positive column discharge making such lamps usable with a drop in cathode potential of about 90 volts.
Positive column lamps, according to the invention, capable of operating at the usual distribution voltages without the starting devices used heretofore. The invention also provides for improved cooling of the cathode.
Cathode cooling applied not only to positive column lamps, but also to luminescence lamps, in which the light is provided mainly by luminescence formed under suitable conditions in the immediate vicinity of the cathode and known, consequently, under the name of negative luminescence or cathodic luminescence. This variant of the invention relates more particularly to negative luminescence lsmpes, comprising a crater-shaped cavity in which is produced, during operation. of the lamp, a shiny speck whose intensity varies according to variations in the applied voltage *
When such lamps are used in television, transmission of images,
of facsimiles or other signaling applications, it is desirable to use as strong an operating current as possible, to increase the intensity or brightness of the negative glow * But it has been found that as the current increases, the heating of the electrodes also increases;
however, the rise in temperature causes on the one hand the deterioration of the electrical insulation and the vaporization of the electrode material, which is particularly sensitive in the case of a crater-shaped cathode and on the other hand this which is unexpected the discharge becomes less sensitive to changes in voltage being transformed into a halo discharge not suitable for like or adjustment, or even into a destructive arc discharge *
In the case of a crater device, the light discharge
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leaves the crater when the current is increased beyond a maximum value and entirely becomes a halo discharge.
It has been found that, by artificial cooling of the cathode, the operating range or range of the negative glow discharge can be increased in the proportion of one hundredfold or more, depending on the efficiency of the cooling, as described above. after.
In accordance with the invention, luminescence or negative glow lamps have been provided which can operate at much higher energy levels, and therefore with a much brighter glow, while being faithfully sensitive to voltage variations of frequencies. rer. encountered in television and transmission of images.
The new features and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example, and in which 1
Fig. 1 shows in elevation with parts in longitudinal section an AC lamp according to the invention.
Fig. 2 is an end view of the electrode structure for one terminal of the lamp shown in Fig. 1.
Fig. 3 is a similar view of a direct current lamp.
Figs. 4 and 4A show a variant, respectively in side elevation and in end view.
FIG. 5 is a longitudinal section relating to a variant of the cathode structure carrying water cooling.
Fig.6 is a longitudinal section of a device similar to that of Fig.5 but applied to a lamp without positive column, cooled by ambient air.
Fig. 7 shows in longitudinal section a variant with water cooling *
Fig'8 is a longitudinal section of another variant for more direct cooling of the cathode.
Figs. 9 and 10 finally are variants employing external cooling arrangements similar to that of FIG. 6.
The lamp shown in Fig.l consists of an elongated bulb 1 made of glass or similar material.
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It is represented as being interrupted because generally it is too long to be able to be represented within the limits of the drawing with the chosen scale; the invention is however also applicable to lamps comprising a short positive column.
The anpoule contains a suitable gas filling or gas mixture in which a desired light discharge can be produced. For example, the gas may consist of neon, preferably mixed with about 3/8% argon, and the gas is preferably at a pressure of the order of 10 to 20 mm. of mercury. In the manufacture of the lamp, the bulb and the electrodes must be free of dangerous or noxious gases, according to current technique. In general, the preparation and nature of the gas filling should be in accordance with usual practice.
The electrodes placed at the ends of the lamp are roughly symmetrical and therefore the structure will be described for one end only, the same reference numerals being applied to the elements of the strip at the opposite end. The electrode structure, at opposite ends, comprises a cathode 2 made of tungsten, iron, aluminum, copper, magnesium or other suitable metal, and it envelops an anode 3 of slightly longer length, which can also be made of aluminum, copper, tungsten, magnesium, etc ...
The two electrodes are separated by a layer 4 of electrical insulation, for example isolantite, mica, alumina, etc. The exposed ends of the electrodes) * 2 and 3 are level with each other. the other.
The inwardly projecting rim 5 of the cathode 2 is separated from the anode 3 by a groove which is preferably so narrow that no visible discharge occurs therein. Preferably, the width of this gap is within the limits of the dimensions of the dark space of eighth notes * Both electrodes are provided with funnel-shaped, i.e. conical, craters * Although two only craters are shown in the section of Fig. 1, in electrode 2 there are generally eight such craters in a circle, as visible in Fig. 2., or alternatively four craters in each electro- de, as visible Fig. 4 A in 6a, 6b, 6c, etc ....
The craters can be formed either in the body of the electrode, or in inserted parts made of a material with higher electronic emissivity than the main part of the electrode - For example
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to facilitate low ignition voltages and intense electronic emission, such an insert can be formed by the following bodies, which can also be used to coat the walls of the crater: an alkaline earth metal, such as that magnesium, barium, barium acid N6 Ba, cesium, or a rare earth metal such as thorium, cerium, or an alloy such as ferro-oerium, or the alloy known as "mischmetal ".
However, when parts 2 and 3 are made entirely of such a specially chosen metal, the additional advantage is obtained that the material of the opposing walls of the groove or electronic gap facilitates the passage of current at minimum potentials. For many applications, the craters can have an opening diameter of about 1 to 1.5mm. and a depth of about 10 mm.
The cathodes 2 and 2 'at the opposite ends of the tubular bulb 1 are connected, by conductors 9 and 10, to a suitable source of alternating current, through a series resistor 11. a switch 12 is provided in the circuit. . Electrodes 3 and 3 'are connected to each other by a conductor 13 containing a resistor 14 or other suitable impedance, and a switch 15. The two gaps between electrodes 2 - 3 and 2' - 3 'respectively, are connected by the circuit 13 in series on the line, when the switch 15 is closed, thus determining the passage of a current of low intensity on the two electronic intervals in series with each other .
The lampas shown in the drawing are given as an example. In general, it can be said that the light output of such lamps depends, to a great extent, on the ratio of the length to the diameter of the positive column formed in the discharge tube connected to two electrodes bulbs. the yield generally varies directly with this ratio. For example, with an applied voltage of 220 volts, maximum efficiency is achieved by using a discharge tube which is as long as possible and which has as small a diameter as possible for starting and operating at that voltage.
An example of such a lamp operating at 220 volts will be given below. Such a lamp, for alternating current, can be constructed as shown in Fig. 1, the distance between the opposing groups of electrodes being about 30 cm. and the other glass discharge tube having
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a diameter of about 15 mm The diameter of the duplex electrode, in the electrode bulb at each end of the lamp, is about 30 mm. and the diameter of the inner electrode is about 6mm.
No current flows through the lamp of Fig. 1 when the switch 12 is closed, until the switch 16, in the auxiliary circuit 13, is also closed. The currents then passing through the gaps between the paired electrodes at the opposite ends of the lamp produce an electronic emission sufficient for the initiation and for the supply of the main discharge into the discharge tube, the diameter of which may be 15 mm, for example, although the current flowing through this auxiliary circuit 13 is only about 0.013 amps in intensity, the resistance 14 being relatively high, for example about 1,000 ohms.
Assuming that the air line resistor 11 has a resistance of approx. 45 ohms, the current passing through the positive column at an intensity of about 0.8 amperes, with a gas fill comprising mainly neon, and the The resulting positive column discharge provides a brilliant light.
The intensity of the current passing through the positive column of determined length and diameter can be adjusted by varying either the value of the series resistor 11 in circuit with the main electrodes, or the value of the resistor 14 in series with the intervals of electronic emission at the electrodes.
If no resistance is provided in the auxiliary circuit 13 and if the surfaces of the electrodes exposed in the gaps are too large, in this case too high a current flows through the intervals, thereby deflecting excessive amounts of energy. relative to the positive column *
In general, it can be said that the current flowing through the auxiliary circuit, the size and shape of the electrodes, and the number of craters in the cathodes, must be chosen so that the main current flowing through the positive column is kept at an appropriate value
The direct current lamp, shown in Fig. 3, differs from the lamp shown in Figs. 1 and 2 by the arrangement of an ordinary anode 16 made of nickel, carbon,
tungsten or other suitable conductive material not provided with a crater or other means for independently emitting electrons. The electrodes of this lamp are connected to a power source.
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continuous flow by conductor 17 and conductor 18 in series with which a resistor 14 is mounted.
In the AC lamp shown in Fig. 4. the discharge tube in which the discharge of the positive column is produced, is bent in the shape of a U and is mounted inside an outer casing 20
The craters formed in the electrodes are visible in plan in Fig.4A above Fig.41 four craters are indicated at 21 in the outer electrode 2 but a different number of craters can be used, depending on the circumstances.
The auxiliary circuit 13 between the electrodes and the resistor 14 are placed inside the lamp structure. If the intervals between the two groups of electrodes are appropriately proportioned to the remainder of the lamp, resistance 14 may be reduced or may be removed entirely. The electrodes 3 and 3 'of Fig. 4 can be connected to a suitable AC power supply circuit, by the conductors 9 and 10 which are connected to a lamp base established according to the usual principles.
Fig. 5 shows an electrode structure of a lamp having a greater power, and which is provided with means for artificially reflecting the crater electrodes. The discharge tube is not shown. The construction features of the cathode of Fig. 5 are in many ways similar to those already described with reference to the other figures. But he agrees to observe that the lower end of cathode 22 terminates in a thin edge which is ocellated directly on the tubular glass envelope 23.
Around the electrode chamber is provided an outer jacket or jacket 24 through which the coolant, such as water, is circulated through the inlet pipe 26 and the exhaust pipe 25a. .
An electrical connection with the cathode 22 is made by the conductor 26 which terminates in a compressible spring 27, the outer end of which forms an electrical contact with the electrode 22. The contact with the anode 28 is made by a side arm 29 by means of the anode conductor 30. The chamber or bulb of glass electrodes 23 is connected at its right end to a tube which is not shown and through which the positive column discharge occurs shiny- A similar structure can be pre-
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view at opposite ends of the positive column when operation with alternating current is desired, and the electrical connections corresponding to those of Fig.1.
Apart from this, an ordinary anode, such as the one shown at 16 in Fig. 3, is used in combination with a water-cooled cathode on a direct current circuit, and the electrical connections. corresponding to those in Fig. 3.
The device shown in Fig. 6 operates without a positive column: 11 produces, with a luminous negative glow, a luminous spot (or spot) with edges devoid of halo and having an intrinsic brightness much greater than the devices of known model, and as a result, it gives a modulating boom when used as a light beam for television and image transmission. It comprises an ampoule 32 containing a rarefied gas of good conductivity and comprising a foot 33 with a cathode conductor 34, preferably terminating in a rod or projection to place and center the cathode on the lampa foot,
and two anode conductors 35 and 35 'which are preferably coated with glass insulating sleeves 36 and 36' for most of their length, inside the bulb
The anterior portion of cathode 37 is preferably made of a metal (such as tungsten, iron and tungsten alloys, cold rolled steel) which vaporizes very little even at high temperatures. . In the cathode is formed a crater 38, preferably with inclined or funnel-shaped walls which, in most cases, has a diameter of 1 to 1.5 mm. approximately and a depth of 6 mm. about.
The cathode may be made entirely of tungsten or the like, and alla may be fixedly mounted, preferably by tight mechanical contact, or alternatively by soldering or soldering to the end of a cathode foot 40 of such metal. than copper, which is a good conductor of heat.
Cathode 37 is anchored in a tubular insulator 41 preferably constructed of ceramic and insulating, heat-resistant material. This tubular insulator has the general shape of a relatively deep cup with a bottom provided with a central hole and relatively thick walls; its diameter is reduced at the Inner end to for-
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sea a shoulder 43.
The cathode fits snugly into the bore of the insulator, with its lower end resting on the bottom 42 and is clamped to the bottom by a set screw in which a housing is provided to receive a rod. 44 provided at the end of the cathode conductor. A tubular anode 45, which is preferably quite massive and has thick walls, surrounds the cathode.
The anode is provided, at the upper end, with a lip or a rim 46 projecting inwardly. The tubular insulator 41 fits snugly into the anode lesion, with its end coming against the flange 46 and is held in place very firmly by a real 47 of suitable insulating material, which engages the shoulder. 43 on the insulator, and which is fixed on the posterior end of the anode by screws It is advantageous to provide a very narrow gap between the neighboring ends of the anode and the cathode because the lamp appears to give better modulation in this case.
In the device shown in Fig. 6, the exposed end of the cylindrical cathode 37 is flush with the end of the anode, and the inwardly projecting rim 46 is provided with a bore which is only a little larger than the cathode, leaving a narrow gap between the cathode and the anode. The bottom of this gap or ditch is formed by the end of the tubular insulator 41 which has a wall thickness much greater than the width of this ditch * A very bright light spot, with sharp edges, is obtained by constructing the device such that there is no luminous discharge between the anode and the surface of the cathode, outside the crater.
The exposed end of the cathode is flush with the thick-walled end of the tubular anode, but is covered by a cap plate 48 which is provided with a central hole coming from the right. of crater 38 and is mounted on the anode, so that it forms the bottom of a cross section @ with thick walls. This cap plate is mounted on the anode by screws 39 and is spaced therefrom by metal washers 40. It is electrically connected with the anode, and its window coincides with the crater in the chamber. cathode-.
It is placed such that the gap between it and the exposed end of the cathode -
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is not greater than the thickness of the non-luminous discharge of the Crookes dark space of the gas conduction discharge which occurs in the device.
Since no light discharge occurs outside the crater, under these conditions, a light spot (or spot) projected onto a screen does not have a halo at its periphery and has very clear edges. The shape of this spot of light is determined by that of the hole made in the cap plate 48 and, for image projections, this hole can advantageously be square.
Surrounding the bulb 32 is a finned radiator 52 which fits precisely over the bulb, to keep the temperature of cathode 37 and other metallic organs within the bulb sufficiently low. 'bulb*
Good results have been obtained with a device constructed as shown in Fig. 6 and made with an ampoule having a diameter of about 34 mm, a length of about 15 cm, an annular anode having a length of about 62 mm, an outer diameter of about 26 mm, and a bore of about 12 mm and a tubular insulator 41, the walls of which have a thickness of about 2 to 3 mm, a cathode provided at its anterior end , a conical crater having a depth of about 6 mm, and a maximum diameter.
between 1 and 1.5 mm, the gas being at a pressure of about 30 mm., of mercury and mainly comprising neon containing about 3/8% argon.
The diameter of the opening in the cap plate 48 is about 1 mm, the spacing between this plate and the exposed end of the crater cathode is about 1 mm or less, and the groove between The anode and the cathode had a width of 0.25 mm and a depth of less than 1 mm.
The device shown in Fig. 7, while operating on the same principle as that described with reference to Figs. 5 and 6, differs from the latter in various points of view, in particular in that it comprises a cooling similar to that of Fig. 5.
The cathode holder and support piece 55 is hollow constructed and terminates at 56 with a thin edge fused to the appropriate hard glass bulb 57. Cathode 55 is preferably copper, and crater 58 preferably comprises thorium, ferro-metal, magnesium and tungsten. The depth and width of the groove 59 are determined
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terminated with the thickness and inside diameter of the copper ring 60 attached, through the screws 61, to the anode 62, which may be constructed of aluminum. The anode 62 is held in friction by adjustment and fixing screws 63, which bear on the insulation 64. Insulating rods 65 ensuring the fixing of the insulator 64 on the cathode 55.
On the outside of the bulb is a container 66 which is fixed to the bulb by a rubber ring 67. Circulation of a suitable cooler fluid, for example water, is provided in the bulb. The space between the bulb 57 and the container 66 by an inlet tube 68 and a stripping or outlet tube 69. Electrical contact with the cathode 55 is made by a conductor 70 which terminates in a elastic helix 71. The conductor 70 is preferably surrounded by a glass tube 72.
Contact is made with the anode 62 by a conductor 73 which is sealed in the foot 74 of a side arm 75 of the main bulb! efficient and vigorous cooling is obtained in the device of Fig. 7, since the coolant is in a direct thermal relationship with the cathode.
In the variant shown in Fig. 8, the bulb 76 is provided with a long and hollow bulge 77 through which the refrigerant, in the space between the bulb 76 and the outer jacket 78, can penetrate up to a point close to the active face of the cathode. An electrical connection with the anode 79 is made by the conductor 80 sealed through the side glass arm 81 and an electrical connection with the cathode is made by the conductor 82 passing through the bulb 76 and which is embedded directly in the ca. - Method 83. In the variant shown in Fig. 9, the refrigerant does not reach the electrodes themselves. the heat dissipation occurring through the wall of the glass bulb 96.
The construction of the electrodes is in many respects similar to the construction described above in detail in connection with Figs. 5, 6 and 7. But it should be observed that there are some differences, for example the fact that the cathode conductor 82 is fixed to the cathode 88 by a threaded rod 85 and a nut 86 which passes through the insulating cylinder 87 in the cathode body 88.
The anode conductor 89 is fixed to the anode 90 by a rod 91 which is surrounded by a tube 94 made of glass or other suitable insulating material. This method of construction reduces the possibility of reverse strikes between the electrodes. The lamp shown in Fig. 9 is also provided
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an outer jacket 95 between which and the bulb 96, the circulation of the refrigerant fluid can be produced by the inlet tube 97 and the exhaust or outlet tube 98 *
In the last variant shown in Fig. 10, the cathode 99 is provided, on its exposed upper surface, with a frosted or very smooth nickel disc 100.
In operation, the entire exposed surface of disc 100 is covered with the cathode luminous effluvium or luminescence, instead of this being limited to a crater, as in the case of the variants of Figs. 6, 7 and 8. Other features in the variants of Figs. 9 and 10 are similar to those already described above, and for this reason it seems superfluous to recall them.
By the various artificial cooling means which have been described with reference to the various figures, the operating current density of the cathode luminescence can be increased very appreciably, without loss of the facility of control and adjustment. of a water-cooled, metal-sealed device as shown in Fig. 7, a current of several amps can be maintained, being capable of modulation.
In the case of less direct cooling, for example in the case of the construction shown in Fig. 6, the value of the permissible operating current, without sacrificing the control, is not so great as in the case of a more efficiently cooled device, as shown in Fig.
7, but is still a multiple of what it is in the case of a device in which the cathode temperature can rise due to the absence of artificial cooling.
The arrangements and applications given above by way of e-example in no way limit the scope of the present invention.