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Tube à décharges à arc électrique pour hautes tensions.
La tension d'amorçage des tubes à cathode à incandes- cence remplis de gaz, de construction connue, pour hautes tensions, par exemple ceux utilisés en radiologie, est très élevée. Le tube ne fonctionne qu'après que la tension a at- teint une valeur constituant une plus grande partie de la va- leur maximum que celle de la tension d'amorçage de tubes re- dresseurs à plus basse tension dans lesquels l'atmosphère ga- zeuse a une pression supérieure.
Souvent, par exemple si l'on utilise des tubes à atmosphère gazeuse dans des installations à rayons X, une tension d'amorçage élevée ne constitue pas un inconvénient.
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Toutefois, l'irrégularité de l'amorçage peut être gênante, de sorte qu'il convient, pour éviter cet inconvénient, de répar- tir la tension sur une série de redresseurs. De la sorte on évite en même temps le risque de retours d'arc. En cas de be- soin on peut obtenir la répartition précise de la tension sur les divers tubes en montant des impédances en parallèle avec les tubes/
Toutefois un tel montage en série est plus encom- brant qu'un seul tube et présente l'inconvénient que chaque tube nécessite son propre support et son propre dispositif producteur d'électrons (transformateur de chauffage).
La présente invention permet la fabrication d'un tube à décharges à arc convenant pour des tensions supérieures à celles utilisées jusqu'à présent, de sorte que dans le cas où l'on avait besoin de deux ou plusieurs tubes à décharges, un seul tube suffira. On a déjà proposé de disposer une pièce métallique facilitant l'amorçage dans un conduit de décharge reliant une cha.mbre cathodique à une chambre anodique d'un tube à décharges à cathode à incandescence rempli de gaz.
Dans le tube faisant l'objet de l'invention deux ou plusieurs pièces conductrices de l'électricité successives sont dispo- sées axialement et isolées l'une par rapport à l'autre dans un canal de décharge reliant la chambre cathodique à la cham- bre anodique. Ces pièces conductrices présentent dans un mode d'exécution très simple, la forme de cylindre et entourent le trajet de décharge. Elles subdivisent la distance entre les électrodes de façon à former une série de trajets libres ayant une longueur faible telle qu'ils ne puissent être pontés par une décharge dans les moitiés d'onde négatives de la ten- sion entre les électrodes.
Le diamètre intérieur de ces .par- ties est aussi faible que possible, ce qui dépend de la densi-
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téde courant,tandis que le diamètre de la chambre conte- nant l'électrode est supérieur à celui du conduit de déchar- ge.
Ces parties métalliques sont reliées les unes aux autres par des pièces isolantes, éventuellement par des par- ties de la paroi, qui sont écartées du trajet de décharge de telle façon que leur potentiel se produisant pendant le fonc- tionnement du tube n'agit pas effectivement sur le trajet de décharge, ce qui a pour effet de faciliter grandement l'amor- çage. L'amorçage difficile des tubes dans les constructions connues est probablement dû à l'action des charges électriques des parties isolantes de la paroi. Ces charges se produisent facilement en présence des pressions de la vapeur entrant en jeu pour les hautes tensions et modifiant le champ électrique engendré dans le trajet de décharge de telle façon que l'al- lumage ne puisse s'amorcer irrégulièrement et à une tension très élevée.
Dans le tube faisant l'objet de l'invention le trajet de décharge est à l'abri de l'action de ces charges de la paroi, ce qui a pour effet d'éviter l'action retardant l'amorçage.
Dans cet agencement la distance entre les pièces conductrices doit être faible. Cette distance doit être faible aussi eu égard à la haute tension entre les pièces métalliques et elle sera d'autant plus faible que la tension est plus forte, afin d'éviter un percement disruptif. D'autre part, ce- pendant, une tension supérieure implique une longueur supé- rieure des pièces d'assemblage isolantes. Ces conditions con- traires empêchaient jusqu'ici de dépasser une tension déter- minée.
Pour éviter cet inconvénient on s'arrange pour que les distances les plus faibles entre les parties métalliques soient sensiblement inférieures à la longueur de chaque pièce (.d'assemblageisolante, et correspondent, par exemple, à un
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tiers de cette longueur ou soient encore plus faibles, ce qu'on peut obtenir en utilisant, par exemple, des pièces de forme bombée ou ondulée ou en prenant soin que les pièces d'as- semblage isolantes chevauchent sur les extrémités des pièces conductrices. Dans ce mode d'exécution elles peuvent passer les unes dans les autres. Grâce à cette construction les di- mensions du tube sont plus faibles que dans le cas où l'on prolongerait les tubes de construction connue en rapport avec l'accroissement de la tension.
Par cette mesure qui contribue à la résistance au percement disruptif, on court en apparence le risque de re- tours d'arc suivant des lignes de connexion courbes de lon- gueur suffisante pour produire une ionisation dans l'espace entouré par la pièce d'assemblage ou par cette pièce et les pièces conductrices. Toutefois, on a constaté qu'on peut empécher ces percements disruptifs en rendant cet espace suf- fisamment étroit. Une explication acceptable de ce phénomène va être donnée ci-après avec référence au dessin annexé.
L'atmosphère gazeuse du tube peut se composer d'un gaz utilisé habituellement pour des tubes de ce genre, par exemple, de l'argon, du néon etc. ou d'un mélange de ces gaz.
Par "atmosphère gazeuse" on entend aussi en l'espèce une certaine quantité d'une ou de plusieurs vapeurs ionisables ou un mélange d'une ou de plusieurs vapeurs de ce genre et d'un ou de plusieurs gaz. Si l'on utilise des vapeurs on peut maintenir facilement la pression dans le tube en y introdui- sant une certaine quantité de matière vaporisable, par exemple du mercure, du sodium, du magnésium etc., de sorte qu'on peut se dispenser de moyens spéciaux pour régénérer l'atmosphère gazeuse dans le cas où une quantité de gaz excessive a été absorbée. Pour obtenir une pression suffisante, différentes
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substances de ce genre, par exemple le magnésium, doivent être chauffées à l'aide de moyens spéciaux et à cet effet on peut utiliser éventuellement la cathode à incandescence.
D'autres matières ont déjà une pression de vapeur suffisante à la température ambiante et sont par suite à préférer. Le mercure, avec lequel le tube faisantobjet de l'invention fonctionne bien déjà à une température produisant une pres- sion de vapeur de 0,001 à 0,01 mm, convient particulièrement bien.
On obtient un mode d'exécution particulièrement con- venable au point de vue de la fabrication du tube en consti- tuant la paroi du canal de décharge, d'une manière connue en soi, par des bagues métalliques alternant avec des parties intermédiaires scellées, en verre, chaque bague métallique en- tourant et portant une pièce conductrice de telle façon que les pièces conductrices s'étendent sur une plus grande dis- tance dans la direction longitudinale du tube que les bagues métalliques les entourant, de sorte que la longueur des par- ties en verre de la paroi sont supérieures aux distances entre les pièces conductrices successives.
Les bagues métalliques et les parties conductrices entourées par ces bagues peuvent être en une seule pièce mé- tallique. Toutefois, ceci constitue un inconvénient. Pour le scellement au verre, le bord à sceller du métal est porté au rouge et par suite de ce chauffage le métal se recouvre parfois d'une couche d'oxyde qui s'étend dans une mesure plus ou moins grande sur toute la surface de la pièce. Pendant le fonction- nement du tube, des particules de cette couche se volatili- sent et se déposent sur les parties en verre de la paroi, ce qui a pour effet d'en réduire le pouvoir isolant. Si l'on conçoit les bagues métalliques comme des pièces séparées pri-
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ses en soi, dans lesquelles on dispose les pièces conduc- trices après le scellement, le dépôt d'une telle couche d'oxy- de sur ces pièces est évité.
Il y a encore une autre raison en faveur de cette construction séparée. Si l'on utilise du mercure pour la pro- duction de la vapeur, il est indésirable que des gouttes de cette matière s'assemblent sur la pièce conductrice, ces gout- tes pouvant provoquer un retour d'arc. Par conséquent, on uti- lise dans ce cas pour cette pièce une matière qui n'est pas mouillée par le mercure, par exemple du carbone ou du zirco- nium, ou bien on la garnit d'une couche en une matière de ce genre. Des bagues métalliques et des douilles en carbone disposées folles constituent une bonne combinaison.
Pour maintenir une bonne distribution de la tension les pièces conductrices peuvent être reliées les unes aux au- tres à l'extérieur du tube par des impédances, de préférence, des condensateurs. Toutefois, on peut remplacer des impédances entièrement ou partiellement par la capacité mutuelle des piè- ces. Pour agrandir la capacité à cet effet on peut concevoir et disposer les pièces conductrices de telle façon qu'elles se chevauchent, le cas échéant deux ou plusieurs fois.
On a constaté que dans le cas où le diamètre inté- rieur des pièces conductrices varie sur leur longueur, l'amor- çage dans le bon sens a lieu plus facilement, si le côté le plus étroit se trouve face à la chambre anodique.
L'invention va être décrite plus en détail avec réfé- rence au dessin annexé qui en représente, à titre d'exemple, plusieurs modes d'exécution.
La figure 1 représente un tube à décharges conforme à l'invention.
La figure 2 est une coupe d'une partie de ce tube.
Les figs.3, 4 et 5 représentent des tubes d'autres .construction conçus suivant le même principe.
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Les figs. 6 et 7 représentent un mode d'assemblage de parties du tube.
La figure 8 montre une des électrodes du tube re- présenté sur la fig. 1.
Les figs. 9, 10 et 11 représentent des détails de modes de réalisation dans' lesquels les pièces conductrices se chevauchent.
Sur la fig. 1 une chambre cathodique est désignée par 1 et une chambre anodique par 2. Ces chambres ont une pa- roi en verre et communiquent l'une avec l'autre par un con- duit dans lequel sont disposées successivement, dans une direction axiale, quatre pièces métalliques 3. La chambre ca- thodique contient la cathode à incandescence 4 montrée sur la fig. 8 et constituée par un fil formant noyau 5 en forme d'hélice fait en une matière très réfractaire et ayant une résistance relativement élevée, par exemple du tungstène.
Sur ce fil noyau est enroulé en forme d'hélice un fil auxi- liaire 6, par exemple en nickel. La surface 7 de ce fil est garnie d'une couche à pouvoir émissif élevé, par exemple de l'oxyde de baryum. Les conducteurs d'alimentation 8 et 9 aux extrémités desquels est fixé le fil formant noyau 5 sont en- tourés par des tubes isolants 10 et 11 en une matière résis- tant à la chaleur, par exemple de la terre à pipes. Ces tubes sont disposés dans le pied 12 qui est muni d'un pincement.
Les fils d'alimentation sont scellés hermétiquement dans ce pied de la manière usuelle. De façon analogue le fil d'ali- mentation 13 de l'anode 14 scellé dans le pied 15 traverse la paroi de façon étanche. De préférence, l'anode est faite en carbone ou en une autre matière peu volatilisable, ou est recouverte d'une telle matière. Le fil d'alimentation peut
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également être entouré par un tube protecteur 16 qui sert à porter l'anode.
Par les pièces métalliques 3 en forme de douilles la tension produite entre les électrodes 4 et 14 pendant le fonctionnement du tube est répartie uniformément sur le trajet de décharge.
Les pièces métalliques 3 sont écartées les unes des autres par les pièces d'assemblage 17 constituant la paroi du canal de décharge. L'assemblage s'effectue par l'inter- médiaire de bagues métalliques 18 entourant les pièces 3.
Dans le mode d'exécution représenté sur la fig. 2 ces bagues font corps avec les pièces métalliques 3. Les pièces d'as- semblage 17 sont scellées hermétiquement aux bords des bagues métalliques. Un alliage convenant à cet effet est le ferro- chrome qui se prête à être scellé au verre.
Le tube, où l'on a fait un vide poussé, contient une goutte de mercure 19. Par conséquent, l'espace de déchar- ge est rempli de vapeur de mercure dont la pression est fonc- tion de la température de l'endroit le plus froid. Cette température suffit déjà à la température ambiante, à amorcer la décharge.
En raison de l'écartement des pièces d'assemblage 17 du trajet de décharge le potentiel produit à cette paroi par des charges électriques ne peut pas agir effectivement sur le champ électrique créé dans les espaces entre les pié- ces conductrices 3.
Le tube représenté sur la fig. 1 et les tubes de construction connue dans lesquels on subdivise la chute de potentiel entre les électrodes le long de la paroi à l'aide de pièces métalliques scellées ou portant contre la paroi, se
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différencient essentiellement en ce que dans le premier tube la longueur des pièces d'assemblage en verre est beaucoup plus grande que la distance a entre les pièces métalliques, ce qui a pour effet de mieux remplir la condition d'une faible dis- tance entre les parties soumises à une tension qui sont dis- posées dans l'espace de décharge et d'une longueur d'isole- ment suffisante.
Une faible distance, prise en soi, entre les pièces soumises à une tension ne suffit pas, car, comme on le -'sait, un percement disruptif fait souvent un détour lorsque la distance la plus courte est insuffisante à cet effet. Malgré la possibilité de tels détours dans l'espace formé par la paroi en verre 17 et les douilles métalliques 3, il ne se présente pas de décharges inversées dans le tube faisant l'objet de la présente invention, (bien que la tension soit suffisante pour qu'il s'en produise), à condition que la lar- geur de cet espace soit maintenue suffisamment faible.
Il en est de même pour le mode de réalisation repré- senté sur la fig. 3, où les bagues métalliques 20 portant les pièces métalliques 3 ne sont pas situées à la surface mais sont très étroites et garnies de verre, tandis que les piè- ces d'assemblage passent les unes dans les autres.
La fig. 4 représente un mode d'exécution qui diffè- re des modes d'exécution décrits plus haut en ce que les pièces d'assemblage 22 ne chevauchent pas les bords des piè- ces métalliques 21, mais sont courbées latéralement. Sur la fig. 5 ces pièces d'assemblage présentent, en outre, une par- tie rentrante 23 qui augmente l'isolement et est recommanda- ble pour les tensions les plus hautes.
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Dans les modes de réalisation représentés sur les Fig. 4 et 5, un percement disruptif suivant un détour entre les pièces métalliques avoisinantes est aussi évité en rendant suffisamment étroit l'espace formépar les pièces d'assemblage en verre. Toutefois, ces constructions présentent par rapport aux modes de réalisation représentés sur les Figs.
2 et 3 l'inconvénient d'être plus encombrantes.
Le trajet des lignes de force permet d'expliquer qu'on peut empêcher une décharge inversée en rendant étroits la partie d'assemblage isolante ou l'espace entouré par cette dernière conjointement avec les pièces métalliques. Bien que les électrons ne suivent pas les lignes de force lors de l'io- nisation du gaz, ces lignes agissent dans une mesure plus ou moins grande sur les parcours des électrons.
Sur les Figs. 2, 3 et 4 on a indiqué quelques lignes de force. Sur la Fig. 2 et 3 la ligne médiane des trois lignes de force indiquées en pointillés est environ la ligne la plus longue passant à l'intérieur du tube dans l'espace rempli de vapeur ou de gaz. En admettant qu'un électron suive cette ligne de force sans qu'il puisse ioniser un atome, d'autres électrons ne produiront pas non plus une ionisation par choc spontanée, étant donné que toute autre ligne de force dans l'espace de décharge est plus courte. Des lignes de force plus longues traversent la paroi en verre. De la même manière la Fig. S indique le comportement des lignes de force, dans le cas où une partie rentrante de la paroi de verre permet de réduire encore la longueur des lignes de force à l'intérieur du tube.
Dans le tube représenté sur la Fig. 4 les lignes de force traversent en substance transversalement l'espace entre les parties s'étendant radialement de la paroi d'assemblage.
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Si dans ce mode d'exécution la largeur de l'espace dans la direction longitudinale du tube est suffisamment faible il ne s'y produit pas d'ionisation.
Sur la Fig. 1 des condensateurs représentés sché- matiquement sont désignés par 31. Pour assurer une bonne répartition de la tension on peut monter ces condensateurs en parallèle avec les différents trajets du parcours de dé- charge. On peut aussi augmenter la capacité mutuelle des piè- ces conductrices intermédiaires, comme le montrent les Figs.
9 et 10. Dans ces modes d'exécution les parties 32 et 33 se chevauchent, ce qui a pour effet non seulement d'augmenter la capacité mais encore d'assurer un bon blindage des pièces en verre 34 et 35 du trajet de décharge et en outre de réduire le risque d'une décharge inversée. Sur la Fig. 10, ces parties se chevauchent deux fois mais en cas de besoin on peut aller encore plus loin.
Le tube fonctionne mieux s'il occupe la position verticale, de préférence avec la cathode en bas. Dans ce cas il se produit un courant d'air montant qui passe le long de la paroi du tube et la refroidit.
Sur la Fig. 2 une ouverture 24 est ménagée dans le barrage entre la douille 3 et la bague 18, cette ouverture permettant au mercure se condensant éventuellement dans les espaces intermédiaires de couler dans la chambre cathodique.
Si dans le tube représenté sur la Fig. 1, les bagues et les douilles forment des parties séparées, on les peut relier mécaniquement les unes aux autres d'une manière quelconque, par exemple à l'aide d'un joint à filetage ou à baïonnette ou en prenant soin qu'elles s'adaptent avec préci- sion les unes dans les autres.
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Un mode de fixation convenable est indiqué sur les Figs. 6 et 7, où une bague élastique 25, qui est représentée séparément sur la Fig. 7, est disposée partiellement dans une rainure 26 ménagée dans la surface extérieure de la pièce con- ductrice 3 et partiellement dans un évidement correspondant d'une fourure 27 prévue à l'intérieur de la bague 18. Pour assembler facilement les pièces cette fourure est munie d'un évidement axial 28, dans laquelle est placée l'extrémité 29 de la bague élastique. Cette extrémité est légèrement rabattue axialement vers l'extérieur.
L'autre extrémité 30 porte, de façon à être immobile dans une direction tangentielle, contrE la pièce conductrice, de préférence de telle façon qu'elle soit légèrement rabattue vers l'intérieur et logée dans une petite ,, forure pratiquée dans le fond de la rainure. On peut alors saisir la pièce conductrice 3 avec un outil quelconque et la placer dans la bague métallique tout en prenant soin que l'extrémité rabattue 29 du ressort annulaire soit devant et soit glissée dans 1'évidement axial 28 de la bague métallique.
Ensuite on fait tourner la pièce conductrice autour de l'axe dans la direction de l'autre extrémité du ressort (direction de la flèche indiquée sur la. Fig. 7), ce qui a pour effet de tendre le ressort, de sorte qu'il s'enfonce dans la rainure et ne fait plus saillie du bord de la bague métallique, ce qui fait que la pièce peut être poussée plus loin dans la bague.
Ensuite on retourne la pièce et on la pousse vers l'intérieur jusqu'à ce que le ressort glisse dans 1'évidement annulaire de la bague métallique de façon à fixer la pièce,
On indiquera., à titre d'exemple, quelques données numérique permettant de se faire une idée du bon fonctionne- ment (et des dimensions réduites du tube faisant l'objet de µ'invention.
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Le tube représenté sur la Fig. 1 permettant de re- dresser du courant alternatif dont l'intensité est de l'ordre de grandeur de 1000 milliampères et la tension de 125 kv dans les demi-périodes inactives, ne dépassera pas une longueur totale 1 de 350 millimètres. La distance a entre les pièces métalliques 3 est, par exemple, de Q mm et le diamètre des pièces d'assemblage est de 30 mm. Le diamètre intérieur des douilles 3 peut sensiblement correspondre à la distance a et la longueur d'isolement des pièces d'assemblage 17 peut corres- pondre environ au diamètre de ces pièces.
Un tube de ce genre convient particulièrement comme soupape dans des installations à rayons X, plus particulière- ment grâce à la faible chute de potentiel qui ne dépend que faiblement de la charge et a la faible valeur de 40 volts environ.
Les tubes conformes à l'invention s'appliquent naturellement aussi à d'autres usages et peuvent être ùtilisés., par exemple, en T.S.F. et pour la transmission d'énergie en général.
La Fig. 11 représente un mode d'exécution où les parties conductrices intermédiaires 36 présentent la forme d'entonnoir s'engageant l'un dans l'autre, aux bords desquels est scellée la paroi en verre 37.
On a constaté que la tension que le tube peut sup- porter à l'anode négative est plus grande si l'extrémité étroi- te des pièces conductrices est tournée vers l'anode et en ou- tre que la chute de potentiel est plus faible que dans le cas où cette extrémité est détournée de l'anode. Il en est de même lorsque dans un mode d'exécution où les pièces intermédiaires ne se chevauchant pas, le diamètre intérieur d'un côté est inférieur à celui de l'autre coté, comme le montre la Fig. 6.