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Dispositifs à décharge électronique.
L'invention se rapporte aux dispositifs à décharge élec- tronique, et plus spécialement aux tubes amplificateurs pour très hautes fréquences et grands débits de puissance.
La construction d'un tube capable de fonctionner aux très hautes fréquences et de débiter beaucoup de puissance dune manière ininterrompue sur une largeur de bande et avec des gains de puissance raisonnables, présente de sérieux problèmes que l'on ne peut résoudre par les moyens usuels.
C'est la dissipation de la chaleur qui constitue l'un des problèmes les plus importants et que l'on doit réaliser de manière à protéger les scellements et les électrodes et à empêcher une émission indésirable d'électrons; cette dissipation de chaleur exige une construction qui, lorsqu'elle est établie de la manière
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usuelle, influence défavorablement les caractéristiques électri- ques du dispositif dans le sens de l'accroissement des inductances et des capacitances ainsi que l'accroissement de la durée du tra- jet des électrons. Ceci limite le fonctionnement aux fréquences élevées, particulièrement quand la largeur de bande désirée est celle exigée pour la télévision.
La chaleur provoque la dilatation et la contraction des éléments du tube, agissant ainsi sur les écartements, sur les alignements et sur la stabilité du fonction- nement. La nécessité de dissiper la chaleur de toutes les élec- trodes et de tous les éléments entraîne de nouveaux problèmes de refroidissement, puisque, dans le fonctionnement à haute fréquence, les petites dimensions et les faibles écartements sont de rigueur.
D'autre part, le fonctionnement aux hautes fréquences exige des électrodes et des conducteurs de dimensions réduites ainsi que de faibles écartements en vue de réduire la capacitance et l'inductance entre les électrodes et entre les conducteurs et en vue de restreindre la durée du trajet des électrons entre les électrodes à une valeur telle que cette durée n'arrive pas à cons- tituer un pourcentage appréciable de la période d'oscillation.
Autrement dit, l'angle du trajet doit être petit. Toutefois, le faible écartement augmente les capacitances entre les électrodes; par consequent, on doit réduire la surface des électrodes et, de cette manière, pour une puissance de sortie élevée, il devient difficile d'effectuer le refroidissement avèc une construction aussi compacte.
Aux fréquences élevées, on ne peut obtenir un fonction- nement stable et efficace qu'à la condition d'isoler convenable- ment les circuits et les électrodes d'entrée et de sortie.
En vue d'obtenir des puissances de sortie élevees pour des tensions d'anode raisonnables et de favoriser la réduction des angles de trajet, de fortes densités de courant sont requises.
Ceci nécessite un champ convenable ainsi que des formes appropriées d'électrodes.
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De plus, lorsqu'on ne peut raccourcir les durées de trajet de tous les électrons simultanément émis, il est désirable que les durées de trajet des électrons simultanément émis par les diverses parties de la surface de la cathode soient sensiblement égales de manière telle que ne soit pas abaissée la limite supé- rieure de la fréquence¯de fonctionnement, à laquelle on peut ob-, tenir des rendements électroniques normaux. En outre, le courant doit être formé en faisceaux de manière à réduire l'absorption d'électrons par les grilles de commande et les grilles-écrans; cette absorption par les grilles accroîtrait le chauffage des grilles ainsi que l'émission indésirable des grilles et elle diminuerait la quantité de courant utilisable aux anodes.
Toute- fois, les électrodes conventionnelles de formation de faisceaux compliquent la construction du tube; amènent des capacitances et des inductances que l'on ne désire pas et aggravent les problèmes du refroidissement.
Dans le fonctionnement en push-pull, aux fréquences élevées, la neutrodynation en vue d'éviter les oscillations pa- rasites constitue un problème puisqu'il faut utiliser des con- ducteurs courts de manière à réduire le déphasage au minimum.
Quand deux tubes du type tétrode fonctionnent côte à côte, en push-pull, les grilles-écran, les conducteurs et les connexions externes de grille, que l'on utilise, forment un circuit oscillant et imposent aux tubes des conditions de résonance indésirables.
D'autres petites différences dans la construction des tubes con- duisent à des circuits amplificateurs push-pull non équilibrés.
Les moyens usuels de refroidir une anode ne sont pas toujours efficaces quand le tube est destiné à débiter une puis- sance élevée à des fréquences élevées, à cause de leur inaptitude à dissiper les grandes quantités de chaleur engendrées rapidement par les petites électrodes à faible écartement.
La fabrication d'un tube du type décrit est également compliquée par la nécessité d'avoir de faibles écartements et des
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alignements précis.
Cela étant, l'invention a notamment pour buts de créer: en ordre principal, un dispositif à décharge électroni- que perfectionné, spécialement intéressant connue amplificateur à grand débit de puissance aux ultra-hautes fréquences; un dispositif convenant spécialement comme amplifica- teur push-pull, d'une stabilité parfaite du point de vue électri- que et exempt d'oscillations; un dispositif présentant un faible courant moyen de grille, ce qui lui permet de fonctionner comme amplificateur de puissance modulé par la grille sur 300 mégacycles et plus; un dispositif du type décrit, présentant de très fortes densités d'émission cathodique d'électrons;
un dispositif du type décrit, présentant de très fortes densités d'émission cathodique d'électrons, densités qui peuvent être commandées à l'aide des courants de grille de commande cons- tituant un faible pourcentage du courant anodique; un dispositif présentant des formes de champ et d'élec- trodes assurant de petits angles de trajet des électrons; un dispositif dont le montage cathodique assurant la formation de faisceaux réduit au minimum L'absorption d'électrons par les grilles de commande et par les grilles-écran;
un dispositif à décharge électronique présentant de petites dimensions d'électrodes, des conducteurs courts et de fai- bles écartements, mais capable cependant de donner des puissances de sortie élevées et continues aux hautes fréquences, qui est doté d'un refroidissement efficace et dans lequel les capaci- tances et les inductances entre les électrodes et les conducteurs sont maintenues à des valeurs très faibles ; un nouveau mode de refroidissement efficace de tous les scellements et de toutes les électrodes, ayant pour effet d'augmenter les capacités de rendement des petites électrodes et petits conducteurs, ce qui est indispensable dans le fonctionnement
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a haute fréquence; ,.un procédé et des moyens perfectionnés de refroidir l'électrode de sortie ou anode;
un dispositif comportant des pièces de précision se prêtant à être aisément assemblées et alignées avec exactitude, dans lequel l'alignement et l'espacement sont maintenus rigoureu- sement au cours du fonctionnement, ce qui a pour effet de réduire au minimum les variations des caractéristiques électriques; un dispositif à décharge électronique propre au mon- tage en push-pull et présentant des moyens de neutrodynation interne perfectionnés; un dispositif à décharge électronique propre au mon- tage en push-pull, qui assure un fonctionnement push-pull équi- libré; des moyens perfectionnés de protéger les uns des autres les circuits et les électrodes d'entrée et de sortie; des moyens perfectionnés de refroidissement par fluide du support de la cathode, de la grille de commande et de la grille- écran ;
une constructipn nouvelle et perfectionnée des élec- trodes de cathode, de grille de commande, de grille-écran et d'anode, améliorant les caractéristiques et les rendements.
L'invention sera décrite 'ci-après avec référence aux dessins annexés, dans'lesquels :
Figure 1 est un schéma d'un dispositif à décharge électronique conforme à l'invention; Figures 2 à 6, inclus, sont des coupes transversales schématiques de dispositifs de concentra- trion qui peuvent être utilisées suivant l'invention; Figure 7 est une coupe en perspective indiquant les formes et les posi- .tions relatives des électrodes utilisées suivant'l'invention;
Figure.3 est une vue en élévation de côte, partiellement en coupe, d'un dispositif à décharge électronique conforme à l'in- vention; Figure 9 est une coupe suivant la ligne 9-9 de la Figure 8;
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Figure 10 est une coupe suivant la ligne 10-10 de la Figure 8; Figure 11 est une coupe partielle suivant la ligne 11-11 de la Figure 10;
Figure 12 est une vue en bout de la figure 8, avec des parties en coupe montrant des détails de construction, et Figure 13-est une vue en perspective déployée des électrodes du dispositif à décharge électronique montré sur les Figures 8 à 12 inclus.
En bref, un dispositif à décharge électronique construit conformément à l'invention comprend une ampoule évacuée qui con- tient un assemblage monté comprenant 2 cathodes émettrices d'é- lectrons, premières grilles ou grilles de commande, 2 secondes grilles ou grilles-ccran et 2 anodes à éléments de neutrodynation, le tout étant combiné et disposé de manière à former une double tétrode à neutrodynation interne. Les éléments de neutrodynation peuvent être attachés soit à la grille soit à l'anode d'une sec- tion tétrode et ils remplissent cette fonction au moyen d'une capacitance directe placée entre l'élément de neutrodynation et la grille ou l'anode de l'autre section tétrode quand le tube fonctionne comme amplificateur push-pull.
La disposition schématique d'un tel tube est représen- tée sur la figure 1 où les grilles de commande 11 et 12, les grilles écran 13-14 et les anodes 16-17 sont montées de part et d'autre de la double cathode 10, les capacitances de neutrody- nation étant indiquées en 18 et 19 et la capacitance by-pass entre l'électrode-écran et la cathode étant indiquée en 20, toutes les électrodes étant montées dans une ampoule commune 21. La cathode est mise à la masse par l'ampoule, et les grilles-écran sont combinées de manière à former un élément de construction. Le blin- dage 22 est relié à cet élément de grille-écran et constitue une protection entre les circuits d'anodes et les circuits de grille de commande.
Afin de produire des faisceaux commandés à fortes den-
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sites de courant et de permettre un faible écartement entre les grilles de commande et les grilles-écran, comme'l'exige un fonc- tionnement efficace à grande puissance et à haute fréquence, les formes du champ électrique et celles des électrodes sont inpor- tantes.
Dans la mise en pratique de l'invention, le champ élec- trique sur et au voisinage de la cathode est d'une forme telle que les électrons émis sont concentrés de manière à former un faisceau passant entre les éléments de grille, la forme du champ électrique étant obtenue au moyen d'éléments de concentration cannelés ou plans se trouvant au potentiel zéro ou négatif par rapport aux éléments cathodiques plans ou cannelés.
Les Figures 2 à 6 inclus montrent un certain nombre de ces éléments ; est la cathode et F sont les éléments de con- centration. Les lignes brisées indiquent les trajectoires d'élec- trons. Le champ électrique au voisinage de la surface d'émission d'électrons est tel que les électrons qui quittent cette surface' sont soumis à une force qui possède une composante dirigée vers un axe qui passe par le centre de la surface d'émission et qui est perpendiculaire à cette surface, cette composante de force étant la plus grande dans la région des bords des bandes émettri- ces d'électrons. De tels champs électriques sont produits par les formes d'électrodes représentées, les électrodes de concentra- tion F se trouvant au potentiel de la cathode ou à un potentiel négatif par rapport à celle-ci.
L'invention permet l'utilisation de l'un quelconque de ces systèmes.
Néanmoins, il vaut mieux utiliser le système montré en perspective sur la Figure 7. Dans ce système, l'électrode de concentration peut être constituée par un bloc plan 27 présentant un grand nombre de cannelures ou d'encoches 26 dans lesquelles sont logés les filaments cathodiques 25 en forme de bandes pla- tes ou analogues à des rubans. Au-dessus et en regard des parties de l'électrode de concentration qui se trouvent entre les encoches
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26 sont montés les barreaux 28 de la grille de commande dont la section transversale est, de préférence, rectangulaire ou rectan- gulaire à pans coupés, et en regard de ces barreaux 28 se trou- vent les eléments de grille-écran 29.
Le but de la surface con- cave 31 des' parties saillantes de l'électrode de concentration 27 est de réduire la capacité entre les éléments 28 de la grille de commande et ces parties de l'électrode 27. Une anode 30 re- cueille les électrons issus du filament cathodique 25.
Les éléments de concentration construits et disposés comme c'est montré produisent, sur ou près de la surface cathodi- que, un champ électrique de concentration adéquat sans que les électrodes elles-mêmes soient en saillie d'une manière appré- ciable vers l'anode, ce qui permet aux grilles de commande d'être placées très près du plan de la cathode, comme c'est désirable et essentiel pour obtenir un fonctionnement efficace à haute fréquen- ce et pour assurer une diminution de la durée du trajet par une réduction des écartements.
Les éléments de 1'électrode de grille, de section trans- versale rectangulaire ou rectangulaire à pans coupés, montés de manière que leur surface la plus grande soit dirigée vers la catho- de et les éléments de concentration, commandent efficacement le faisceau électronique et se comportent en éléments minces absor- ba.nt très peu d'électrons du faisceau, mais, néanmoins, ils pré- sentent une section transversale importante, ce qui leur permet de véhiculer la chaleur vers le tube de montage servant de support à ces éléments et de conserver leur rigidité et leur stabilité mécani- que. Ces éléments d'électrode offrent, avec des espaces libres comparables, la possibilité d'un plus faible écartement effectif que ne le permettent les profils circulaires des éléments usuels.
Des essais effectués avec des grilles de commande ayant le nouveau profil prouvent qu'à l'aide de courants de grille moindres on peut commander des densités plus fortes du courant du fiasceau.
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Les surfaces émettrices d'électrons planes ou concaves des éléments cathodiques en forme de bandes assurent des durées de trajet sensiblement égales pour des électrons simultanément émis de diverses parties de la surface de la cathode. Comme les électrons dont les durées de trajet diffèrent sensiblement de la moyenne, ainsi que cela peut se rencontrer dans les constructions usuelles en cage d'écureuil, présenteront nécessairement des durées de trajet plus longues, ce fait tend à modifier la fréquence supé- rieure de fonctionnement à laquelle on peut obtenir des rendements électroniques normaux.
Ces cathodes en forme de bandes débitent également de fortes densités de courant d'émission électronique avec un minimum de modulation magnétique des trajectoires d'élec- trons, et, à cet égard, elles sont supérieures aux éléments catho- diques de section transversale circulaire.
' Du fait de l'accroissement des densités du courant d'électrons que l'on peut utiliser (dans la pratique on a obtenu et utilisé avec succès 3,5 ampères par centimètre carré de sur- face cathodique) et du fait de la diminution des écartements effectifs entre électrodes, il se produit une diminution sensi= ble de l'angle de trajet des tubes amplificateurs à commande par grille, construits suivant l'invention. On peut démontrer que, pour des électrodes planes parallèles,
EMI9.1
S 1/3 e=K ( - ) J formule dans laquelle 0 représente l'angle du trajet du plan de la cathode au plan de la grille, J est la densité du courant du faisceau d'électrons et S est l'écartement effectif entre la ca- thode et la grille, où se trouve l'endroit opportun pour l'étude des angles de trajet.
Comme ces formes de champ et d'électrode permettent l'accroissement des densités du courant d'électrons et la diminution des angles de trajet, il devient possible de cons- truire de nouveaux tubes amplificateurs de puissance à large ban-
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de de haute fréquence, fonctionnant sur 300 mégacycles avec un débit de 5 kilowatts et une largeur totale de bande dépassant
10 mégacycles.
Les Figures 8 à 13, inclus, montrent un dispositif à décharge electronique construit suivant l'invention et comportant les principes ci-dessus décrits.
En substance, l'assemblage cathode et électrode de con- centration comprend des blocs de concentration et de montage métalliques refroidis par liquide, qu'entoure une cathode en forme de U à plusieurs filaments fixés à ces blocs. Les surfaces émet- trices d'électrons de la cathode peuvent être en métal pur, tel que le tantale, ou bien elles peuvent être constituées d'une couche d'oxyde appliquée sur une bande métallique. Les éléments de concentration font partie intégrante des blocs montage de la cathode. La cathode allongée en forme de U comprend un certain nombre de bandes émettrices d'électrons parallèles les unes aux autres et logées dans des rainures ou des encoches de concentra- tion parallèles du bloc de cathode.
Tel qu'il est représenté sur les Figures 10, 11 et 13, l'assemblage cathode et électrode de concentration comprend les blocs d'électrode de concentration 35 et 36 isolés l'un de l'au- tre par un "séparateur"ou pièce d'écartement 38 en mica et munis d'un certain nombre d'encoches rectangulaires parallèles 37 dans lesquelles sont logés les éléments émetteurs de la cathode. Ces blocs sont assemblés par des vis 35' et 56' isolées de l'un des blocs de concentration. Ils sont supportés par les blocs cQllec- teurs 39 et 40, refroidis par liquide et isolés l'un de l'autre au moyen d'un séparateur en mica 41'. Un des blocs est muni d'un prolongement 41 permettant d'attacher l'assemblage à la plaque de tête, de.la manière décrite plus loin.
Les blocs ou éléments de concentration sont fixés aux blocs 39, 40 par des vis 42, 42'.
La cathode comprend un certain nombre d'éléments 47
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allongés en forme de U, attachés par les extrémités de leurs branches au moyen des organes 48, 48', les éléments 47 se trou- vant dans des plans parallèles. Ces éléments émetteurs sont logés dans les encoches 37 des blocs de.concentration, à une profondeur telle qu'ils se trouvent en-dessous d'un plan passant par les sur- des faces externes/nervures séparant les encoches. Comme l'indique la figure 11, la cathode et les blindages de cathode 50 et- 51 sont fixés au bloc de concentration par des vis 51' et 52' de sorte que les extrémités fixées des filaments de la cathode en forme de U sont protégées contre l'émission.
Un blindage 52 de la cathode est attaché à l'extrémité des blocs de concentration de cathode de manière à couvrir l'extrémité fermée des filaments de la cathode en forme de U et à l'empêcher d'émettre, et un autre blindage 53 est placé au sommet des éléments de concentration en vue d'évi- ter l'émission d'électrons de fuite qui n'atteindraient pas les anodes et bombarderaient l'ampoule de verre. Il est clair que, de cette manière, on obtient un ensemble cathode-électrode de concentration refroidi à l'eau, susceptible de produire plusieurs faisceaux parallèles partant des surfaces planes opposées.
La cathode et les éléments de concentration décrits pro- curent des avantages particuliers quand on les incorpore dans des tubes amplificateurs. Leur construction permet le refroidissement par liquide, ce qui réduit la dilatation thermique suffisamment pour que l'alignement des. électrodes en fonctionnement normal reste sensiblement celui établi lors du montage.
L'alignement précis que l'on peut obtenir lors du montage et maintenir au cours d'un fonctionnement normal, et la symétrie mécanique de la construction décrite rendent possible un équilibre de capacitance grille-cathode et grille-grille écran entre les deux sections tétrodes du tube amplificateur à double tétrode en même temps que de faibles écartements et une très faible absorption de courant des faisceaux d'électrons à forte densité par la grille de commande
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et par la grille-écran.
La construction décrite'de la cathode et du dispositif de concentration assure une connexion électrique de faible impé- dance entre la cathode et les éléments de concentration de chaque section du tube et entre les'deux sections de cathode et de concen- tration du tube duplex. Une telle faible impédance est avantageuse dans les amplificateurs push-pull à ultra-haute fréquence.
Le procédé de montage de la cathode et la construction font qu'il est possible d'obtenir un dispositif de dérivation grille-écran/cathode que l'on décrira plus loin, qui est d'une faible impédance électrique et qui présente des connexions d'in- ductance extrêmement faible. Dans ce dispositif on peut utiliser un condensateur efficace et compact du fait qu'il peut être monté à l'intérieur de l'enceinte à vide. De plus,la construction pré- voyant des éléments de concentration façonnés dans le bloc de cathode fournit comme élément de concentration un conducteur mé- tallique refroidi à faible résistance qui sert également à con- duire la plus grande partie des courants de charge induits par la grille d'entrée au cours du fonctionnement du dispositif.
La grille de commande est placée très prés de l'assem- blage cathode-électrode déconcentration de cathode. L'assemblage de la grille se compose d'un tube ou tuyau métallique scellé dans et supporté par un scellement en verre de l'ampoule et dans lequel des fils ou barreaux sont fixés en bon contact thermique et élec- trique, ces barreaux étant montés transversalement par rapport à l'axe du tube-support et servant d'éléments de commande. La lon- gueur de l'élément est choisie en rapport avec la section transver- sale de l'élément de manière à permettre la conduction de toute la puissance dissipée dans les éléments vers un agent réfrigérant circulant dans les tubes-supports.
Le montage et la fixation mé- caniques des éléments sont réalisés au moyen de trous ou fentes usinées dans le tube-support ou dans un bloc ou bande métallique,
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qui peut y être fixé. La structure de neutrodynation dont il a été question plus haut consiste en tenons métalliques fixés au tube-support de la grille et faisant saillie dans l'enceinte cons- tituée par la grille-écran.
Spécifiquement, chaque électrode de commande comprend les tubes 56 et 56' présentant des encoches permettant de recevoir les éléments transversaux parallèles 55, 55' de la grille de com- mande, qui présentent des sections transversales en forme de rec- tangle allongé. Les tubes internes 57, 57', servent à conduire l'agent réfrigérant dans ou hors des tubes 56, 56' qui supportent les éléments de la grille. Pour la neutrodynation, les tubes 56 sont munis'de tenons 58 et 58' en forme de L, portant les éléments 59 et 59' qui servent à réaliser un couplage de capacitance avec les anodes. Chacune de ces grilles est électriquement isolée et séparément supportée par un scellement traversant le collecteur du tube, d'une manière que l'on décrira plus loin.
La construction de grille décrite ci-dessus assure un support mécanique solide ainsi qu'un alignement et un écartement précis des éléments, qui se maintiennent au cours du fonctionnement normal du dispositif dans lequel la grille est montée. Ceci s'ob- tient grâce au refroidissement efficace.des tubes-supports et du scellement d'attache en verre, que l'on décrira ci-après, ce qui supprime le mésalignement des électrodes par dilatation thermique dû à.l'énergie absorbée par les éléments de la grille de commande ou à la puissance dissipée dans le tube-support d'entrée. Ce re- froidissemént efficace du tube-support fournit un moyen de refroi- dir les éléments de la grille de commande et d'empêcher ainsi une émission excessive d'électrons par ces éléments.
Le dispositif de neutrodynation a une longueur minimum et, par conséquent, le déphasage dû-à la longueur du conducteur de neutrodynation est réduit au minimum.
Ce dispositif est particulièrement adaptable aux tubes
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amplificateurs à double tétrode construits conformément à l'in- vention.
L'ensemble de la cathode et des grilles de commande est entouré par une grille-écran qui est refroidie par un fluide et dont la construction forme également un ensemble. Cet ensemble a la forme d'une boîte à côtés ouverts constituant un châssis pour les éléments de grille qui sont espacés et alignes au moyen d'en- coches usinées dans ce châssis, les éléments étant soudés à l'ar- gent ou fixés d'une autre manière au châssis, en bon contact thermique et électrique avec celui-ci.
Toujours avec référence aux Figures 10, 11 et 13, on voit que l'ensemble grille-écran comprend une-paire de pièces 60 et 61 plus ou moins en forme de U. Les pièces 60 et 61 en forme de U sont fixées aux blocs d'extrémité 44 et 45 de manière à for- mer une structure en forme de boî/te ouverte sur les côtés, les éléments de grille-écran étant situés à l'intérieur de ces espaces ouverts.
Les pièces 60 et 61 sont pourvues, à l'extérieur et le long des bords intérieurs des montants, de surfaces obliques 62, 63, 64 et 65, ces pièces 60 et 61 en forme de U étant munies de protubérances internes 66 et 67,68 et 69 pourvues d'encoches dans lesquelles les éléments de la grille écran 71, 72, 71' et 72' en forme de tiges sont maintenus en place et fixés aux.pieces en forme de U. Du fait que les éléments sont situés sur la face in- térieure des pièces en forme de U 60 et 61, une sorte de poche est formée dans les côtés extérieurs de la grille-écran en vue de recevoir les anodes que l'on décrira plus loin. Ainsi que le montre la figure 13, ces grilles-écran sont fixées aux pièces 7 et 73 au moyen de pièces à vis.
Ces pièces 72 et 73 sont à leur tour fixées aux blocs-supports de la cathode mais elles en sont isolées au moyen des séparateurs isolants 76 et 77, en mica de préférence, les boulons 79 étant isolés des éléments, qui sont attachés, au moyen des séparateurs isolants 79'. Les séparateurs
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en mica situent les blocs d'attache 72 et 73 en rapport de capa- cité avec les blocs de refroidissement de la cathode de telle manière que le courant de radio-fréquence en provenance de la grille-écran puisse être dérivé à la terre par l'entremise de l'un des blocs-supports. Les pièces en forme de U 60et 61 sont munies d'ouvertures 60' et 61' à ,travers lesquelles passent les tenons 58, 58' supportant les éléments de neutrodynation 59 et 59'.
On remarquera que la cathode, l'électrode de concentration et l'ensern- ble grille-écran sont supportés par la pièce de tête comme une structure compacte et rigide.
Du fait de la disposition décrite, la grille-écran et les structures de montage présentent des avantages au point de vue circuit, ainsi qu'aux points de vue thermiques et mécaniques.
Plusieurs avantages au point de vue circuit résultent de la com- pacité et des connexions à faible impédance qui existent entre les éléments et les électrodes. De tels parcours de faible impé- dance existent entre les éléments de grile-écran, entre les deux sections de grille-écran de la double tétrode et entre la struc- ture de grille-écran et la cathode. Dans les amplificateurs à ultra-haute fréquence, tout aussi important:.est la très courte longueur des éléments de neutrodynation, ce qui permet la construc- tion de grille-écran décrite.¯ Toutes ces caractéristiques se com- binent pour donner la stabilité électrique dans une double tétrode amplificatrice à ultra-haute fréquence.
La construction de la grille-écran assure'un alignement de précision des éléments, qui n'est pas affecté par la température et les conditions normales de fonctionnement quand on utilise les métaux appropriés. Le mode de montage des éléments permet une réfrigération efficace en faisant circuler un agent réfrigérant de la façon que l'on décrira plus loin.
L'anode consiste en un bloc métallique à plusieurs canaux dans lesquels peut, circuler un agent réfrigérant, celui-ci étant introduit au moyen de conduites-supports d'anode tubulaires.
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Les conduites-supports tubulaires de 1''anode sont disposées et construites de manière à fonctionner en tant qu'éléments du.cir- cuit résonnant d'anode, circuit formé en reliant ensemble les conduites par une barre de court-circuitage.
Sur les Figures 10, 11 et 13, chacune des anodes en deux pièces 80, 81 et 80' et 81' comprend les mêmes éléments, à savoir, la partie réceptrice d'électrons 80 présentant un grand nombre d'ailettes 82 et 83 s'étendant longitudinalement, les ai- . lettes étant déplacées longitudinalement de manière à former, aux extrémités alternées, un espace entre les ailettes et les extrémi- tés de fermeture de la partie 81, qui reçoit la pièce 80. Des ou- vertures 84 y sont pratiquées, à travers lesquelles un agent ré- frigérant peut être introduit, pour circuler à travers le parcours à canaux multiples de l'anode. Les deux parties de l'anode peuvent -être soudées ensemble à l'argent.
A l'arrière de la partie 81 s'é- tend une partie 85 qui est pourvue d'un collier 86 placé à l'inté- rieur d'une pièce tubulaire externe 87 contenant une paire de piè- ces tubulaires internes emboîtées 88, 881. Cette partie 85 est pourvue de canaux 89 et 89', ainsi que le montre la figure 11, ce qui permet de faire passer l'agent réfrigérant à travers l'anode.
L'agent réfrigérant est introduit dans la pièce tubulaire-externe et sort de l'anode par la pièce tubulaire interne 88, dont la sec- tion transversale est plus faible que celle de l'espace qui existe entre les deux tubes, grâce à quoi la pression statique du liquide réfrigérant à l'intérieur de l'anode peut être élevée dans le but d'accroître la dissipation d'énergie de l'anode pour un courant donne du liquide réfrigérant.
En utilisant comme canali.sation d'échappement du liquide réfrigérant, la canalisation de plus forte impédance hydraulique, on obtient une plus grande pression-statique dans les canaux de l'anode avec une pression d'alimentation déterminée. Cette plus grande pression statique permet une température plus élevée du bloc
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métallique de l'anode et, par'conséquente une plus grande dissipa- tion d'énergie avant que ne se forment des bulles de vapeurs ex- cessives.
L'anode, comprenant les parties 80 et 81, est placée du ,côté du montage opposé à l'anode 80', 81' qui présente des par- ties semblables désignées par des chiffres identiques affectés du signe prime. Chacune de ces anodes est supportée et isolée séparé- ment de l'autre par les pièces tubulaires, d'une manière qui sera décrite plus loin.
La construction de l'anode et la disposition des canali- sations de réfrigération décrites fournissent une puissance moyenne de bombardement d'électrons, par unité de surface de la surface bombardée, de plus de 800 watts par centimètre carré avec un,icou- rant d'eau et des pressions raisonnables qui ne dépassent pas 70 livres par pouce carré. Le tube de refroidissement central com- porte, comme indiqué, des joints coulissants, ce qui empêche la déformation du tube et du scellement lors de la cuisson et du traitement connexe du tube.
L'ampoule et la tête d'ampoule conformes à l'invention permettent de monter des parties de tube à vide sur une plaque ou autre pièce rigide, qui fait partie de l'enceinte à vide et qui est ajustable par rapport au restant de l'ampoule à vide et aux électrodes qui y sont attachées.
Comme le montre la figure 10, la tête ou plaque 90 est munie d'ouvertures et de conduites qui passent à travers ces ou- vertures. La plaque de tête 90 est pourvue d'un bloc-support 91 qui y est attaché et auquel la cathode et l'ensemble de grille-écran sont boulonnés au moyen de boulons 92. Ainsi l'écran et la cathode sont supportés directement par la plaque de tête 90. L'ampoule comprend une pièce en forme de collier 93 munie d'une bride et une enceinte 95 en forme de cuvette qui complète l'ampoule., La tête 90 est attachée à la bride 94 au moyen de boulons 98, et une
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paire de joints 99 assurent un joint étanche au vide. L'anneau d'espacement ou joint 100 sert à empêcher la déformation de la plaque de tête quand celle-ci est boulonnée.
Pour l'ajustage de la plaque de tête, celle-ci est pourvue de trous qui sont usinés plus grands que le calibre nécessaire et qui permettent un dé- place:nent latéral des boulons correspondants et du système qu'il-s portent par rapport à la plaque de tête. Un tube d'évacuation 128 est prévu pour permettre de faire le vide dans l'ampoule.
Le procédé de construction et d'assemblage du tube à tête ajustable, conforme à l'invention, convient pour construire des dispositifs à vide nécessitant des éléments très rapprochés.
Une double tétrode constitue un tel dispositif. La cathode, les grilles de commande et les grilles -écrans peuvent être montés, alignés et espacés convenablement grâce à la plaque de tête séparée de l'ampoule. Le mode d'assemblage décrit de la plaque de tête à l'enveloppe donne lieu à un ajustage qui permet un équilibre précis dans l'espacement et la capacitance entre les anodes et les grilles-écran des deux sections tétrodes.
Quand le tube à vide est assemblé comme décrit, on peut le démonter- aisément pour séparer un dispositif avarié, ce qui accroît sa valeur de récupération.
Les conduites de refroidissement formant supports pour les electrodes et les scellements, constituent une partie essentielle d'un dispositif construit conformément à l'invention.
Comme le montrent les figures 8, 9, 10, 11 et 12, les blocs de cathode 39 et 40 sont munis de canaux dans lesquels viennent s'insérer les tuyaux de refroidissement 101 et 102. Les extré- mités du tube 101 passent à travers la plaque de tête 90 et sont scellées dans celle-ci ainsi que 1''indique la figure 12. Les extrémités du tube de refroidissement 102 passent à travers une ouverture pratiquée dans la plaque de tête et à travers le bou- chon 103 dans lequel le tube est hermétiquement scellé et à
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travers lequel passent les extrémités. Le bouchon 103 est scellé dans l'extrémité inférieure de la pièce tubulaire 104 entourée par la pièce tubulaire 105 scellée à son tour dans la tête.
Un joint étanche 106, en verre de préférence, est établi entre les deux pièces tubulaires. Ces tuyaux 101 et 102 ne servent pas seulement qu'à conduire le liquide réfrigérant vers les blocs de la cathode et à l'en ramener, mais ils jouent également le rôle de conducteurs, ce gui permet de fournir du courant à la cathode. Il est évident que l'on pourrait forer les blocs en vue d'y offrir un canal et que l'on pourrait souder les conduites tubulaires aux blocs, en vue de les faire communiquer avec ces canaux.
L'assemblage de la grille-écran est refroidi de la même manière par un liquide, et, comme l'indique la figure 8, chaque pièce en forme de U est pourvue d'un canal en forme de U, tel que 110, qui passe à travers cette pièce. Comme le montrent mieux les figures 8, 9; et 12, une paire de conduites tubulaires 112 et 113 communiquent avec les canaux dans les éléments de la grille-écran en forme de U et sont réunis par la pièce tubulaire de couplage 114. Ces pièces tubulaires passent à travers le bouchon 115 et y sont attachées; le bouchon 115 est supporté par la pièce tubulaire 116 qui est coaxiale à la pièce tubulaire 117e elle-même scellée dans le bloc de tête 90. Un scellement isolant et hermétique 118 est établi entre les pièces tubulaires.
Ces tuyaux et ces conduites de refroidissement servent également de conducteurs permettant d'appliquer la tension positive à l'électrode de grille-écran.
Ainsi que le montrent les figures 8, 9 et 12, les grilles de commande sont supportées chacune séparément par les conducteurs creux 57 et 57' qui passent à travers le collier 120 auquel est scellée une pièce isolante 121 en forme de coupole
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dans laquelle et à laquelle les pièces tubulaires 57 et 57' sont scellées de manière étanche au vide. Les tubes internes et externes 56, 57 et 56' et 57' communiquent avec les tubulures 122, 123, 122' et 123', servant à l'entrée et la sortie d'un liquide réfrigé- rant destiné à,maintenir la grille froide.
Les anodes sont supportées par la cuvette isolante de l'ampoule et y sont scellées comme l'indiquent les figures 8, 10 et 12, un scellement étant établi en 125 et 126 de façon à maintenir les anodes à l'écartement voulu des autres électrodes qui se trouvent à l'intérieur du tube.
Un blindage 127 en forme de jupe, relié à l'électrode- écran, s'étend entre l'électrode-écran et la plaque de tête et protège complètement vis-à-vis des anodes et des conducteurs d'anode les grilles de commande et les conducteurs de grille de commande.
L'invention procure une double tétrode comportant une structure de cathode et de concentration formant bloc, mise électriquement à la masse d'une enveloppe métallique; une grille- écran formant bloc électriquement dérivée à la cathode mise à la terre, par l'entremise d'une capactiance contenue dans la chambre à vide et servant de support à la grille-écran; deux grilles de commande séparées et indépendantes à éléments de neutrodynation y fixés; et des anodes supportées depuis l'extrémité opposée de l'ampoule par les autres électrodes.
Quand on utilise le fonction- nement en push-pull, les deux conducteurs d'anodes fonctionnent avec les anodes en tant qu'éléments du circuit résonnant d'anode qui est formé en appliquant directement sur ces conducteurs une barre de court-circuitage. Toutes les électrodes, excepté les anodes, sont montées sur une tête ajustable par rapport à l'autre partie de l'ampoule à vicle, sur laquelle sont montées les anodes.
La fermeture définitive étanche au vide est assurée par un joint à compression.
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Par rapport aux amplificateurs push-pull usuels, l'invention réalise divers progrès et avantages au point de vue du circuit et au point de vue électronique. Parmi ces avantages on citera les suivants : a) faible impédance de grille-écran à grille-écran et, partant,; faible différence de potentiel de radio- fréquence; b) faible impédance entre les cathodes des deux sections tétrodes, obtenue au moyen d'une cathode commune de petites dimensions ; c) faible impédance entre 1'assemblage de la grille- écran et une cathode mise à la terre, obtenue grâce à des dimen- sions réduites et à une capacitance shunt entre grille-écran et cathode, contenue dans 1'.ampoule à vide; d) refroidissement efficace par liquide de toutes les électrodes, avec de petites dimensions et une construction com- pacte;
e) meilleur équilibrage de l'amplificateur push-pull du fait que les deux sections tétrodes peuvent être équilibrées l'une par rapport à l'autre avec une plus grande précision de fabrication que si l'on utilisait deux tétrodes individuelles; f) neutrodynation directe des capacités entre anodes et grilles de commande, dans un amplificateur push-pull, à l'aide d'éléments de très faible longueur; g) commande efficace de faisceaux d'électrons de forte densité à l'aide de faibles courants de grille de commande et de grille-écran; h) réduction de la durée de trajet des électrons, aux fréquences élevées, grâce à des formes d'électrodes qui permettent l'utilisation de faisceaux d'électrons de forte densité en même temps que de faibles écartements effectifs entre électrodes;
le\
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i) accroissement de la largeur de bande grâce à des formes d'électrodes assurant des faisceaux d'électrons commandés de forte densité et permettant une grande dissipation de puis- sance par unité de surface aux électrodes collectrices.
L'invention procure un amplificateur à haute fréquence à neutrodynation interne, susceptible de fournir une puissance de sortie et¯- une fréquence qui sont considérablement supérieu- res à celles des tubes amplificateurs usuels. Dans un exemple d'exécution de l'invention, le dispositif, fonctionnant en tant qu'amplificateur push-pull, débite une puissance ininterrompue de 5,000 watts à 300 mégacycles avec une largeur de bande de plus ae 10 -mégacycles et un gain de puissance de 10. Ce dispositif peut,fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 600 mégacycles.
Le courant moyen de grille est suffisamment faible pour permettre avec succès le fonctionnement comme amplificateur de télévision modulé par la grille à 300 mégacycles. Les constructions de ca- thode et de grille utilisées permettent, à l'aide de courants de grille inférieurs à cinq pour cent du courant d'anode, de commander avec succès des densités électroniques à la cathode de 3,5 ampères par centimètre carré. Quand le tube est utilisé comme amplificateur push-pull, on obtient une stabilité électri- que totale et exempte d'oscillations.
Quoiqu'on ait décrit diverses formes d'exécution préférées de l'invention ainsi qu'une application spécifique de celle-ci, il est clair que l'invention n'est limitée en aucune façon aux formes précises représentées et aux usages indiqués, et que diverses modifications peuvent être apportées à la construction ainsi qu'à l'utilisation sans sortir du cadre de l'invention.
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Electronic discharge devices.
The invention relates to electronic discharge devices, and more especially to amplifier tubes for very high frequencies and large power flows.
The construction of a tube capable of operating at very high frequencies and of delivering a great deal of power uninterruptedly over a bandwidth and with reasonable power gains presents serious problems which cannot be solved by usual means. .
It is heat dissipation which is one of the most important problems and which must be achieved in order to protect the seals and the electrodes and to prevent unwanted emission of electrons; this heat dissipation requires a construction which, when established in the manner
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usual, unfavorably influences the electrical characteristics of the device in the direction of the increase of the inductances and the capacitances as well as the increase of the duration of the electron travel. This limits operation at high frequencies, particularly when the desired bandwidth is that required for television.
The heat causes the elements of the tube to expand and contract, thus affecting the gaps, alignments and stability of operation. The need to dissipate the heat from all the electrodes and all the elements gives rise to new cooling problems, since in high frequency operation small dimensions and small spacings are a must.
On the other hand, operation at high frequencies requires electrodes and conductors of reduced dimensions as well as small spacings in order to reduce the capacitance and inductance between the electrodes and between the conductors and in order to restrict the travel time. electrons between the electrodes to a value such that this duration does not constitute an appreciable percentage of the period of oscillation.
In other words, the angle of the path must be small. However, the small spacing increases the capacitances between the electrodes; therefore, the area of the electrodes has to be reduced, and in this way, for high output power, it becomes difficult to effect cooling with such a compact construction.
At high frequencies, stable and efficient operation can only be achieved if the circuits and input and output electrodes and circuits are properly insulated.
In order to obtain high output powers at reasonable anode voltages and to promote reduction in path angles, high current densities are required.
This requires a suitable field as well as suitable shapes of electrodes.
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In addition, when the travel times of all simultaneously emitted electrons cannot be shortened, it is desirable that the travel times of the electrons simultaneously emitted from the various parts of the cathode surface are substantially equal such that no the upper limit of the operating frequency, at which normal electronic efficiency can be obtained, is not lowered. In addition, the current must be formed into beams so as to reduce the absorption of electrons by the control gates and the screen gates; this absorption by the grids would increase the heating of the grids as well as the unwanted emission from the grids and it would decrease the amount of current usable at the anodes.
However, conventional beamforming electrodes complicate tube construction; bring unwanted capacitances and inductances and worsen cooling problems.
In push-pull operation, at high frequencies, neutrodynation in order to avoid parasitic oscillations is a problem since it is necessary to use short conductors in order to reduce the phase shift to a minimum.
When two tetrode-type tubes operate side by side in push-pull, the screen gates, conductors and external gate connections, which are used, form an oscillating circuit and impose undesirable resonance conditions on the tubes.
Other small differences in tube construction lead to unbalanced push-pull amplifier circuits.
The usual means of cooling an anode are not always effective when the tube is intended to deliver high power at high frequencies, because of their inability to dissipate the large quantities of heat generated rapidly by the small, narrow-gap electrodes. .
The manufacture of a tube of the type described is also complicated by the need to have small spacings and
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precise alignments.
This being the case, the objects of the invention are in particular to create: in the main order, an improved electronic discharge device, especially interesting known as a high power output amplifier at ultra-high frequencies; a device especially suitable as a push-pull amplifier, electrically perfectly stable and free from oscillations; a device having a low average gate current, which allows it to function as a power amplifier modulated by the gate over 300 megacycles and more; a device of the type described, having very high densities of cathodic emission of electrons;
a device of the type described, having very high densities of cathodic emission of electrons, densities which can be controlled by means of the control gate currents constituting a small percentage of the anode current; a device with field and electrode shapes providing small angles of electron path; a device whose cathodic assembly ensuring the formation of beams reduces to a minimum the absorption of electrons by the control gates and by the screen gates;
an electronic discharge device having small electrode dimensions, short conductors and narrow spacings, yet capable of giving high and continuous output powers at high frequencies, which is provided with efficient cooling and in which the capacitors and inductances between the electrodes and the conductors are kept at very low values; a new mode of efficient cooling of all seals and all electrodes, having the effect of increasing the efficiency capacities of small electrodes and small conductors, which is essential in the operation
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high frequency; ,. an improved method and means for cooling the output electrode or anode;
a device with precision parts that can be easily assembled and accurately aligned, in which alignment and spacing are strictly maintained during operation, thereby minimizing variations in characteristics electric; an electronic discharge device suitable for push-pull assembly and having improved internal neutrodynation means; an electronic discharge device suitable for push-pull assembly, which ensures balanced push-pull operation; improved means of protecting the circuits and the input and output electrodes from each other; improved fluid cooling means for the cathode support, the control grid and the screen grid;
a new and improved construction of the cathode, control grid, screen grid and anode electrodes, improving characteristics and efficiency.
The invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a diagram of an electronic discharge device according to the invention; Figures 2 to 6, inclusive, are schematic cross sections of concentrating devices which may be used in accordance with the invention; Figure 7 is a perspective section showing the shapes and relative positions of the electrodes used according to the invention;
Figure 3 is a side elevational view, partially in section, of an electronic discharge device according to the invention; Figure 9 is a section taken on line 9-9 of Figure 8;
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Figure 10 is a section taken on line 10-10 of Figure 8; Figure 11 is a partial section taken on line 11-11 of Figure 10;
Figure 12 is an end view of Figure 8, with parts in section showing construction details, and Figure 13- is an expanded perspective view of the electrodes of the electronic discharge device shown in Figures 8 to 12 inclusive.
Briefly, an electronic discharge device constructed in accordance with the invention comprises an evacuated bulb which contains a mounted assembly comprising 2 electron emitting cathodes, first gates or control gates, 2 second gates or screen gates and 2 anodes with neutrodynation elements, the whole being combined and arranged so as to form a double tetrode with internal neutrodynation. Neutrodynation elements can be attached either to the grid or to the anode of a tetrode section and they perform this function by means of a direct capacitance placed between the neutrodynation element and the grid or anode. the other tetrode section when the tube works as a push-pull amplifier.
The schematic arrangement of such a tube is shown in FIG. 1 where the control grids 11 and 12, the screen grids 13-14 and the anodes 16-17 are mounted on either side of the double cathode 10. , the neutrody- nation capacitances being indicated at 18 and 19 and the bypass capacitance between the screen electrode and the cathode being indicated at 20, all the electrodes being mounted in a common bulb 21. The cathode is brought to the ground. mass by the bulb, and the screen grids are combined to form a building element. The shield 22 is connected to this screen grid element and constitutes a protection between the anode circuits and the control grid circuits.
In order to produce controlled beams at high density
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current sites and to allow a small gap between control gates and screen gates, as efficient high-power, high-frequency operation requires, the shapes of the electric field and those of the electrodes are important. aunts.
In the practice of the invention, the electric field on and in the vicinity of the cathode is of a shape such that the emitted electrons are concentrated so as to form a beam passing between the grid elements, the shape of the electric field being obtained by means of splined or planar focusing elements at zero or negative potential with respect to the planar or splined cathode elements.
Figures 2 to 6 inclusive show a number of these elements; is the cathode and F are the focusing elements. The broken lines indicate the electron trajectories. The electric field in the vicinity of the electron-emitting surface is such that the electrons leaving this surface are subjected to a force which has a component directed towards an axis which passes through the center of the emission surface and which is perpendicular to this surface, this force component being greatest in the region of the edges of the electron-emitting bands. Such electric fields are produced by the shapes of electrodes shown, the electrodes of concentration F being at the potential of the cathode or at a negative potential with respect to the latter.
The invention allows the use of any of these systems.
Nevertheless, it is better to use the system shown in perspective in FIG. 7. In this system, the concentration electrode can be constituted by a flat block 27 having a large number of grooves or notches 26 in which the filaments are housed. Cathode 25 in the form of flat strips or the like of ribbons. Above and opposite the parts of the concentration electrode which are between the notches
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26 are mounted the bars 28 of the control grid, the cross section of which is preferably rectangular or rectangular with cut sides, and opposite these bars 28 are the screen grid elements 29.
The purpose of the concave surface 31 of the protrusions of the concentration electrode 27 is to reduce the capacitance between the elements 28 of the control grid and these parts of the electrode 27. An anode 30 collects the results. electrons from the cathode filament 25.
The concentrating elements constructed and arranged as shown produce, on or near the cathode surface, an electric field of adequate concentration without the electrodes themselves projecting appreciably towards the surface. anode, which allows the control gates to be placed very close to the plane of the cathode, as is desirable and essential to obtain efficient high frequency operation and to ensure a reduction in travel time by reduction of gaps.
The elements of the grid electrode, of rectangular or rectangular cross-section with cut sides, mounted so that their largest surface is directed towards the cathode and the concentrating elements, effectively control the electron beam and interlock. consist of thin elements absorbing very few electrons from the beam, but, nevertheless, they have a large cross section, which allows them to convey heat to the mounting tube which supports these elements and to retain their rigidity and mechanical stability. These electrode elements offer, with comparable free spaces, the possibility of a smaller effective spacing than the circular profiles of the usual elements allow.
Tests carried out with control gates having the new profile prove that, using lower gate currents, higher densities of the beam current can be controlled.
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The planar or concave electron emitting surfaces of the stripe-shaped cathode elements provide substantially equal travel times for electrons simultaneously emitted from various parts of the cathode surface. Since electrons whose travel times differ appreciably from the average, as can be found in usual squirrel cage constructions, will necessarily exhibit longer travel times, this fact tends to modify the higher frequency of operation at which normal electronic yields can be obtained.
These stripe-shaped cathodes also deliver high electron emission current densities with minimal magnetic modulation of the electron paths, and in this regard they are superior to cathodic elements of circular cross section.
'Due to the increase in the densities of the electron current which can be used (in practice 3.5 amperes per square centimeter of cathode surface have been obtained and used with success) and due to the decrease effective spacings between electrodes, there is a significant decrease in the path angle of the grid-controlled amplifier tubes, constructed according to the invention. It can be shown that, for parallel plane electrodes,
EMI9.1
S 1/3 e = K (-) J formula in which 0 represents the angle of the path from the plane of the cathode to the plane of the grid, J is the current density of the electron beam and S is the effective spacing between the cathode and the grid, where there is the opportune place for the study of the travel angles.
As these field and electrode shapes allow the densities of the electron current to increase and the path angles to decrease, it becomes possible to construct new large-band power amplifier tubes.
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of high frequency, operating on 300 megacycles with a flow rate of 5 kilowatts and a total bandwidth exceeding
10 megacycles.
Figures 8 to 13, inclusive, show an electronic discharge device constructed in accordance with the invention and incorporating the principles described above.
In essence, the cathode and concentrating electrode assembly comprises liquid cooled metal concentrating and mounting blocks, surrounded by a U-shaped cathode with several filaments attached to these blocks. The electron emitting surfaces of the cathode can be pure metal, such as tantalum, or they can consist of an oxide layer applied to a metal strip. The concentration elements are an integral part of the cathode mounting blocks. The elongated U-shaped cathode comprises a number of electron emitting bands parallel to one another and housed in parallel concentrating grooves or notches in the cathode block.
As shown in Figures 10, 11 and 13, the cathode and concentration electrode assembly comprises the concentration electrode blocks 35 and 36 isolated from each other by a "separator" or spacer 38 made of mica and provided with a number of parallel rectangular notches 37 in which the emitting elements of the cathode are housed. These blocks are assembled by screws 35 'and 56' isolated from one of the concentration blocks. They are supported by the illuminator blocks 39 and 40, cooled by liquid and isolated from each other by means of a mica separator 41 '. One of the blocks is provided with an extension 41 for attaching the assembly to the head plate in the manner described later.
The blocks or concentration elements are fixed to the blocks 39, 40 by screws 42, 42 '.
The cathode comprises a number of elements 47
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elongated in the shape of a U, attached by the ends of their branches by means of the members 48, 48 ', the elements 47 being in parallel planes. These emitting elements are housed in the notches 37 of the concentration blocks, at a depth such that they lie below a plane passing through the outer surfaces / ribs separating the notches. As shown in Figure 11, the cathode and cathode shields 50 and 51 are attached to the concentration block by screws 51 'and 52' so that the attached ends of the U-shaped cathode filaments are protected. against the show.
A cathode shield 52 is attached to the end of the cathode concentration blocks so as to cover the closed end of the U-shaped cathode filaments and prevent it from emitting, and another shield 53 is placed at the top of the concentrating elements in order to avoid the emission of leaking electrons which would not reach the anodes and would bombard the glass bulb. It is clear that, in this way, a water-cooled concentration cathode-electrode assembly is obtained, capable of producing several parallel beams originating from opposite flat surfaces.
The cathode and concentrating elements described provide particular advantages when incorporated into amplifier tubes. Their construction allows for liquid cooling, which reduces thermal expansion enough for that alignment. electrodes in normal operation remains substantially that established during assembly.
The precise alignment that can be achieved during assembly and maintained during normal operation, and the mechanical symmetry of the construction described make possible a grid-cathode and screen-grid-grid capacitance balance between the two tetrode sections. of the double tetrode amplifier tube together with small spacings and very low current absorption of high density electron beams by the control gate
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and by the screen grid.
The disclosed construction of the cathode and concentrator provides a low impedance electrical connection between the cathode and the concentrating elements of each section of the tube and between the two cathode and concentrator sections of the duplex tube. . Such low impedance is advantageous in ultra-high frequency push-pull amplifiers.
The cathode mounting method and construction make it possible to obtain a grid-screen / cathode shunt device, which will be described later, which is of low electrical impedance and has high-voltage connections. extremely low inductance. In this device, an efficient and compact capacitor can be used because it can be mounted inside the vacuum chamber. In addition, the construction for concentrating elements shaped in the cathode block provides as a concentrating element a low resistance cooled metallic conductor which also serves to conduct the majority of the charge currents induced by the cathode. inlet gate during device operation.
The control grid is placed very close to the cathode-cathode deconcentration electrode assembly. The grid assembly consists of a metal tube or pipe sealed in and supported by a glass seal of the bulb and in which wires or bars are attached in good thermal and electrical contact, these bars being mounted transversely to the axis of the support tube and serving as control elements. The length of the element is chosen in relation to the cross section of the element so as to allow the conduction of all the power dissipated in the elements towards a refrigerant circulating in the support tubes.
The mechanical assembly and fixing of the elements are carried out by means of holes or slots machined in the support tube or in a metal block or strip,
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which can be attached to it. The neutrodynation structure referred to above consists of metal studs fixed to the support tube of the grid and projecting into the enclosure constituted by the screen grid.
Specifically, each control electrode comprises tubes 56 and 56 'having notches for receiving parallel cross members 55, 55' of the control grid, which have cross sections in the form of an elongated rectangle. The inner tubes 57, 57 ', serve to conduct the refrigerant in or out of the tubes 56, 56' which support the elements of the grid. For neutrodynation, the tubes 56 are provided with L-shaped tenons 58 and 58 ', carrying the elements 59 and 59' which serve to achieve a capacitance coupling with the anodes. Each of these grids is electrically isolated and separately supported by a seal passing through the collector of the tube, in a manner which will be described later.
The grid construction described above provides strong mechanical support as well as precise alignment and spacing of the elements, which are maintained during normal operation of the device in which the grid is mounted. This is achieved by the efficient cooling of the support tubes and the glass tie seal, which will be described below, which eliminates the misalignment of the electrodes by thermal expansion due to the energy absorbed. by the elements of the control grid or to the power dissipated in the input support tube. This efficient cooling of the support tube provides a means of cooling the elements of the control grid and thus preventing excessive emission of electrons from these elements.
The neutrodynation device has a minimum length and, therefore, the phase shift due to the length of the neutrodynation conductor is minimized.
This device is particularly adaptable to tubes
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Double tetrode amplifiers constructed in accordance with the invention.
The assembly of the cathode and the control grids is surrounded by a screen grid which is cooled by a fluid and whose construction also forms an assembly. This assembly is in the form of an open-sided box constituting a frame for the grid elements which are spaced and aligned by means of notches machined in this frame, the elements being silver welded or fixed in place. 'another way to the chassis, in good thermal and electrical contact with it.
Still with reference to Figures 10, 11 and 13, it can be seen that the grid-screen assembly comprises a pair of parts 60 and 61 more or less U-shaped. The U-shaped parts 60 and 61 are fixed to the blocks end 44 and 45 so as to form a box-like structure open at the sides, the screen grid elements being located within these open spaces.
The parts 60 and 61 are provided, on the outside and along the inner edges of the uprights, with oblique surfaces 62, 63, 64 and 65, these U-shaped parts 60 and 61 being provided with internal protuberances 66 and 67, 68 and 69 provided with notches in which the rod-shaped elements of the screen grille 71, 72, 71 'and 72' are held in place and fixed to the U-shaped pieces. Because the elements are located on the inner face of the U-shaped pieces 60 and 61, a sort of pocket is formed in the outer sides of the screen grid in order to receive the anodes which will be described later. As shown in Figure 13, these screen grids are fixed to parts 7 and 73 by means of screw parts.
These parts 72 and 73 are in turn attached to the cathode support blocks but they are isolated therefrom by means of the insulating separators 76 and 77, preferably of mica, the bolts 79 being isolated from the elements, which are attached, by means. insulating separators 79 '. Separators
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mica locate the tie blocks 72 and 73 in capacitance relation to the cathode cooling blocks such that the radio frequency current from the screen grid can be shunted to earth through the mica. 'through one of the support blocks. The U-shaped pieces 60 and 61 are provided with openings 60 'and 61' through which pass the pins 58, 58 'supporting the neutralization elements 59 and 59'.
It will be noted that the cathode, the concentration electrode and the screen-grid assembly are supported by the head piece as a compact and rigid structure.
Due to the arrangement described, the screen grid and the mounting structures have advantages from the circuit point of view, as well as from the thermal and mechanical points of view.
Several circuit advantages result from the compactness and low impedance connections which exist between the elements and the electrodes. Such low impedance paths exist between the screen grid elements, between the two screen grid sections of the double tetrode, and between the screen grid structure and the cathode. Equally important in ultra-high frequency amplifiers:. Is the very short length of the neutrodynation elements, which enables the screen-grid construction described. All of these characteristics combine to give electrical stability in an ultra-high frequency amplifying double tetrode.
The construction of the screen grid assures precision alignment of the elements, which is not affected by temperature and normal operating conditions when using the appropriate metals. The method of mounting the elements allows efficient refrigeration by circulating a refrigerant in the manner which will be described later.
The anode consists of a metal block with several channels in which a coolant can circulate, the latter being introduced by means of tubular anode support pipes.
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The tubular anode support conduits are arranged and constructed to function as part of the anode resonant circuit, which circuit is formed by connecting the conduits together by a shorting bar.
In Figures 10, 11 and 13, each of the two piece anodes 80, 81 and 80 'and 81' comprises the same elements, namely, the electron receiving part 80 having a large number of fins 82 and 83 s. 'extending longitudinally, the ai-. blades being displaced longitudinally so as to form, at the alternate ends, a space between the fins and the closing ends of the part 81, which receives the part 80. Openings 84 are made therein, through which an agent refrigerant can be introduced, to flow through the multi-channel path of the anode. The two parts of the anode can be silver welded together.
At the rear of part 81 extends a part 85 which is provided with a collar 86 placed inside an outer tubular part 87 containing a pair of nested inner tubular parts 88, 881. This part 85 is provided with channels 89 and 89 ', as shown in FIG. 11, which allows the refrigerant to pass through the anode.
The coolant is introduced into the tubular-outer part and leaves the anode through the inner tubular part 88, the cross section of which is smaller than that of the space which exists between the two tubes, whereby the static pressure of the refrigerant liquid inside the anode can be raised in order to increase the energy dissipation of the anode for a current of the refrigerant liquid.
By using the pipe with the highest hydraulic impedance as the refrigerant liquid exhaust channel, a greater static pressure is obtained in the anode channels with a determined supply pressure. This greater static pressure allows a higher temperature of the block
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metal of the anode and therefore greater energy dissipation before excessive vapor bubbles form.
The anode, comprising the parts 80 and 81, is placed on the side of the assembly opposite the anode 80 ', 81' which has similar parts designated by identical numerals with the sign prime. Each of these anodes is supported and isolated separately from the other by the tubular pieces, in a manner which will be described later.
The construction of the anode and the arrangement of the refrigeration piping described provide an average electron bombardment power, per unit area of the bombarded area, of more than 800 watts per square centimeter with a current of water and reasonable pressures not to exceed 70 pounds per square inch. The central cooling tube has, as shown, slip joints, which prevents deformation of the tube and seal during baking and related processing of the tube.
The bulb and bulb head according to the invention allow parts of the vacuum tube to be mounted on a plate or other rigid part, which is part of the vacuum chamber and which is adjustable with respect to the remainder of the tube. vacuum interrupter and the electrodes attached to it.
As shown in Figure 10, the head or plate 90 is provided with openings and conduits which pass through these openings. The headplate 90 is provided with a support block 91 attached thereto and to which the cathode and the screen grid assembly are bolted by means of bolts 92. Thus the screen and the cathode are supported directly by the head plate. head plate 90. The bulb comprises a collar-shaped piece 93 with a flange and a cup-shaped enclosure 95 which completes the bulb., The head 90 is attached to the flange 94 by means of bolts 98 , and an
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pair of gaskets 99 provide a vacuum tight seal. The spacer ring or gasket 100 serves to prevent deformation of the head plate when the latter is bolted.
For the adjustment of the head plate, this one is provided with holes which are machined larger than the necessary gauge and which allow a lateral displacement of the corresponding bolts and of the system which they carry in relation to the head plate. An evacuation tube 128 is provided to allow a vacuum to be created in the ampoule.
The method of construction and assembly of the tube with an adjustable head, according to the invention, is suitable for constructing vacuum devices requiring closely spaced elements.
A double tetrode constitutes such a device. The cathode, control grids, and screen grids can be mounted, aligned and spaced conveniently with the head plate separate from the bulb. The described method of assembly of the head plate to the casing results in an adjustment which allows a precise balance in the spacing and the capacitance between the anodes and the screen grids of the two tetrode sections.
When the vacuum tube is assembled as described, it can be easily disassembled to separate a damaged device, which increases its salvage value.
The cooling pipes forming supports for the electrodes and the seals, constitute an essential part of a device constructed in accordance with the invention.
As shown in Figures 8, 9, 10, 11 and 12, the cathode blocks 39 and 40 are provided with channels into which the cooling pipes 101 and 102 are inserted. The ends of the tube 101 pass through. head plate 90 and are sealed therein as shown in Figure 12. The ends of cooling tube 102 pass through an opening in the head plate and through plug 103 in which the tube is hermetically sealed and
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through which pass the ends. The plug 103 is sealed in the lower end of the tubular piece 104 surrounded by the tubular piece 105 sealed in turn in the head.
A tight seal 106, preferably made of glass, is established between the two tubular parts. These pipes 101 and 102 are not only used to conduct the refrigerant liquid to the blocks of the cathode and to bring it back, but they also play the role of conductors, this mistletoe makes it possible to supply current to the cathode. It is obvious that the blocks could be drilled in order to provide a channel therein and that the tubular conduits could be welded to the blocks in order to make them communicate with these channels.
The screen grid assembly is similarly cooled by liquid, and as shown in Figure 8, each U-shaped part is provided with a U-shaped channel, such as 110, which pass through this room. As best shown in Figures 8, 9; and 12, a pair of tubular conduits 112 and 113 communicate with the channels in the elements of the U-shaped screen grid and are joined by the tubular coupling piece 114. These tubular pieces pass through the plug 115 and are there. attached; the plug 115 is supported by the tubular part 116 which is coaxial with the tubular part 117e itself sealed in the head block 90. An insulating and hermetic seal 118 is established between the tubular parts.
These pipes and cooling lines also serve as conductors for applying the positive voltage to the screen grid electrode.
As shown in Figures 8, 9 and 12, the control gates are each separately supported by the hollow conductors 57 and 57 'which pass through the collar 120 to which is sealed an insulating piece 121 in the form of a cupola.
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in which and to which the tubular pieces 57 and 57 'are sealed in a vacuum-tight manner. The internal and external tubes 56, 57 and 56 'and 57' communicate with the pipes 122, 123, 122 'and 123', serving for the entry and exit of a refrigerant intended to keep the grid cold. .
The anodes are supported by the insulating bowl of the ampoule and are sealed therein as shown in Figures 8, 10 and 12, a seal being established at 125 and 126 so as to keep the anodes at the desired spacing from the other electrodes. which are inside the tube.
A skirt-shaped shield 127, connected to the screen electrode, extends between the screen electrode and the head plate and completely protects the control gates from the anodes and the anode conductors. and the control gate conductors.
The invention provides a double tetrode comprising a block-forming cathode and concentration structure electrically grounded to a metal shell; a screen grid forming a block electrically derived from the earthed cathode, through a capacitor contained in the vacuum chamber and serving as a support for the screen grid; two separate and independent control grids with neutrodynation elements attached thereto; and anodes supported from the opposite end of the bulb by the other electrodes.
When using push-pull operation, the two anode conductors work with the anodes as part of the anode resonant circuit which is formed by directly applying a shorting bar to these conductors. All the electrodes except the anodes are mounted on a head adjustable relative to the other part of the vicle bulb, on which the anodes are mounted.
The final vacuum-tight closure is ensured by a compression seal.
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Compared with conventional push-pull amplifiers, the invention achieves various advances and advantages from the circuit point of view and from the electronic point of view. Among these advantages are the following: a) low impedance from gate-screen to gate-screen and hence; low difference in radio frequency potential; b) low impedance between the cathodes of the two tetrode sections, obtained by means of a common cathode of small dimensions; c) low impedance between the screen grid assembly and a grounded cathode, achieved by reduced dimensions and a shunt capacitance between screen grid and cathode, contained in the vacuum interrupter; d) efficient liquid cooling of all electrodes, with small dimensions and compact construction;
e) better balancing of the push-pull amplifier since the two tetrode sections can be balanced with respect to each other with greater manufacturing precision than if two individual tetrodes were used; f) direct neutrodynation of capacitors between anodes and control gates, in a push-pull amplifier, using elements of very short length; g) efficient control of high density electron beams using low control gate and screen gate currents; h) reduction of the travel time of electrons, at high frequencies, by means of electrode shapes which allow the use of high density electron beams at the same time as small effective spacings between electrodes;
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i) increasing the bandwidth by means of electrode shapes providing high density controlled electron beams and allowing a large power dissipation per unit area at the collecting electrodes.
The invention provides a high frequency amplifier with internal neutralization capable of providing an output power and a frequency which are considerably higher than that of conventional amplifier tubes. In an exemplary embodiment of the invention, the device, operating as a push-pull amplifier, outputs an uninterrupted power of 5,000 watts at 300 megacycles with a bandwidth of more than 10-megacycles and a power gain. of 10. This device can operate at frequencies up to 600 megacycles.
The average gate current is low enough to successfully operate as a 300 megacycle gate modulated television amplifier. The cathode and gate constructions used allow, using gate currents of less than five percent of the anode current, to successfully control cathode electron densities of 3.5 amps per square centimeter. When the tube is used as a push-pull amplifier, complete electrical stability is achieved without oscillations.
Although various preferred embodiments of the invention have been described as well as a specific application thereof, it is clear that the invention is in no way limited to the precise forms shown and the uses indicated, and that various modifications can be made to the construction as well as to the use without departing from the scope of the invention.
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