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APPAREIL ELECTRIQUE A DECHARGE EMPLOYANT DU CAESIUM OU DU
RUBIDIUM COMME SUBSTANCE IONISABLE.
La présente invention est relative aux appareils électriques à décharge du type utilisant un milieu ionisable et particulièrement aux appareils perfectionnés de ce type employant du caesium ou rubidium comme substance ionisable.
.Des appareils électriques à décharge à vapeur de mercure ont été largement utilisés pour le contrôle du courant électrique traversant une décharge spatiale. Plusieurs essais de substitution du caesium au mercure, ont été tentés, car le caesium possède beaucoup de propriétés plus avantageuses que les propriétés correspondantes du mercure. Des difficultés pratiques furent
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rencontrées lors de ces essais, résultant de certaines caracté- ristiques du caesium. Par exemple, le caesium est très actif et attaque beaucoup de substances, particulièrement les isolants tels que les verres habituellement employés pour la construction de l'enveloppe hermétiquement scellée.
De même, la facilité avec laquelle le caesium est ionisé pour produire une conduction dans une direction déterminée avec une faible chute dans l'arc est un désavantage par rapport aux décharges indésirables dans la direction opposée.
L'invention présente un appareil à décharge perfectionné employant du caesium comme milieu ionisable, dont la durée est suffisante pour pouvoir en envisager une exmploitation commerciale et dans lequel les décharges indésirables sont fortement diminuées.
Un système perfectionné de contrôle de la température est prévu dans ces appareils pour assurer un contrôle convenable de l'ioni- sation du caesium.
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent donnés simplement à titre d'exemple et dans lesquels: la fig. 1 est une coupe en élévation d'un appareil à décharge électrique tel que présenté par l'invention; la fig. 2 est une coupe faite par la ligne 2-2 de la fig. 1 ; la fig. 3 est une coupe en élévation d'une modification de l'invention.
En se référant aux dessins, on voit que l'appareil à décharge comprend une enveloppe hermétiquement scellée constituée d'un cylindre métallique 1 dont la surface intérieure est aussi l'anode de l'appareil. L'extrémité inférieure du cylindre 1 est fermée par un fond 2 dans lequel une ouverture centrale est prévue pour le passage de la tubulure 3. Une extension 4 de
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cette tubulure est scellée comme indiqué en 5, après production du vide dans l'appareil, et constitue un petit réservoir dans lequel est reçu le caesium employé dans le tube comme substance émissive pour la cathode et comme milieu ionisable. Le caesium est représenté en 6.
L'extrémité inférieure du cylindre 1 est fermée par un couvercle 7 dans lequel une ouverture est prévue, de dimensions supérieures à celles de l'ouverture pratiquée dans le fond 2 ; travers cette ouverture sont scellés le support cathodique et les conducteurs d'alimentation. Comme représenté sur le dessin, la cathode comprend plusieurs ailettes 8 s'éten- dant radialement à partir du cylindre métallique 9. Le cylindre et les ailettes sont en nickel de préférence et la surface active de la cathode peut être augmentée,si on le désire, en recouvrant les ailettes par une grille 10 en nickel. La cathode est supportée à partir du couvercle 7 par un scellement isolant comprenant un cylindre allongé 11 en une céramique non atta- quable par le caesium telle que un silicate d'aluminium ou de magnésie.
Comme représenté sur le dessin, le cylindre métallique 9 de l'assemblage cathodique est entouré d'un collier métallique 12 lequel est relié à l'extrémité extérieure du cylindre 11 en céramique par l'intermédiaire d'une bague métallique 13.
Le scellement entre la bague 13 et le cylindre 11 en céramique est réalisé de préférence suivant l'une des nouvelles méthodes de scellement étanche des céramiques à du métal, par exemple suivant la méthode manganèse - molybdène décrite dans le brevet 483141 déposé par la Société Demanderesse le 15 juin 1948, comme second perfectionnement au brevet 475846 du 5 septembre 1947.
En un autre point de la surface extérieure du cylindre 11, sensiblement espacé de l'extrémité intérieure du cylindre, une bague métallique 14 est scellée de la même manière que la bague 13. Cette bague 14 est soudée d'autre part à une bague 15
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laquelle est à son tour soudée au couvercle 7 dans la région voisine de l'ouverture centrale.
Comme représenté sur le dessin, le cylindre 11 en céramique se prolonge jusqu'à la surface intérieure du couvercle 7 et est espacé des bagues 14 et 15. Il apparaît qu'une telle construction donne lieu à un chemin très long de décharge super- ficielle sur l'isolateur en céramique et, comme décrit en détail plus loin, facilite le contrôle désiré de la température de fonctionnement de cet isolateur cathodique, ce qui constitue un aspect important de l'invention.
Le cylindre métallique 9 non seulement supporte les ailettes cathodiques mais constitue une enceinte hermétiquement scellée pour l'assemblage de chauffage de la cathode comprenant un support central et conducteur d'alimentation 16 supporté à l'extrémité extérieure du cylindre 9 par la calotte 17 en un alliage convenant au scellement au verre, tel qu'un alliage fer-nickel-cobalt. La calotte 17 peut être renforcée par un anneau métallique 18. Son extrémité inférieure est scellée à un cylindre en verre 19, dont le bord inférieur est à son tour scellé à une tubulure 20.
Cette dernière est soudée à l'extré- mité supérieure du cylindre 9. Dans la région correspondant au logement des ailettes 8, le conducteur central présente une section réduite et est entouré d'un tube 22 en céramique. L'élé- ment chauffant sous la forme d'un filament de tungstène 23, entoure le tube 22 en céramique et est soudé à son extrémité supérieure au conducteur central 16 d'alimentation. Cet élément chauffant est soudé à son extrémité inférieure à un goujon terminal 24 maintenu par un bouchon 25 qui scelle l'extrémité inférieure du cylindre métallique 9. Le conducteur central peut, si on le désire, être maintenu espacé du cylindre métallique 9 en un point intermédiaire, par un anneau d'espacement 26 en céramique.
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L'assemblage cathodique est complété par un écran conservateur de la chaleur 27 supporté par le cylindre métallique 9 et entourant le dispositif d'ailettes. Comme représenté sur le dessin, cet écran est un cylindre métallique constitué de plusieurs feuilles métalliques minces 28 placées à l'intérieur de la paroi cylindrique extérieure 29. A la paroi extérieure de l'écran est prévu un grand nombre d'ouvertures 30 à travers lesquelles a lieu la décharge entre l'anode et la cathode.
Si on le désire, un isolateur d'espacement peut être prévu à l'extrémité inférieure de la cathode pour éviter tout mouvement latéral de la cathode. Cet isolateur peut être un disque en une substance céramique convenable supporté centralement par un prolon- gement du tube cathodique 9 et s'engageant contre la paroi intérieure de l'enveloppe à sa périphérie extérieure. Ce disque est percé d'ouvertures de communication entre l'espace de décharge et le réservoir 3 de caesium. Il est essentiel comme dans le cas de l'isolateur 11, que ce disque soit suffisamment proche de la cathode de manière à être maintenu à une température supérieure à celle du caesium liquide dans le réservoir 3.
De manière à obtenir un contrôle convenable de la température de fonctionnement des différentes parties de l'appareil à décharge, la présente invention prévoit une nouvelle disposition des parties actives de l'appareil par rapport aux sources de chaleur dans l'appareil et au chemin emprunté par le fluide de contrôle de la température à travers une chambre de circulation. Comme représenté sur le dessin, l'enveloppe de l'appareil est entourée d'une chambre d'eau de circulation comprenant un cylindre extérieur 31 entourant le cylindre 1 dont il est espacé. L'espace existant entre les cylindres 1 et 31 est transformé en un passage spiral par une chicane 32 soudée aux cylindres 1 et 31. Comme représenté sur le dessin, le cylindre 31 est maintenu directement au cylindre
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1 à ses extrémités opposées.
Le couvercle 7 et le fond 2 sont aussi recouverts de chambres d'eau de circulation constituées par les éléments 33 et 34 maintenus à la surface intérieure aux extrémités opposées du cylindre 1, à une certaine distance de la surface extérieure du couvercle 7 et du fond 2. Les espaces existant entre le couvercle et le fond et les éléments respectifs 34 et 33, sont transformés en passages spiraux par des chicanes convenables 36 et 35, respectivement. L'élément inférieur 33 est muni d'une ouverture centrale de dimensions sensiblement plus élevées que celles du réservoir 3 et un conduit 37 est fixé à l'ouverture de l'élément 33 de manière à constituer une chambre de circulation d'eau pour le réservoir.
L'extrémité inférieure du passage spiral de refroidissement du couvercle communique avec une chambre d'eau de circulation constituée par un cylindre métallique 38 relié à l'élément 34 par un soufflet 39 et à une bague métallique 12' par une bague isolante 40 et un collier 41. Des chicanes convenables 42 sont prévues pour assurer un certain mouvement rotationnel du fluide de refroidissement. Comme représenté sur le dessin, le fluide de refroidissement pénètre dans l'appareil par le conduit inférieur 37 , traverse le passage spiral constitué dans la construction du fond et de là, au travers de l'ouverture 43, passe dans le passage spiral constitué entre les cylindres 1 et 31.
Le fluide de refroidissement passe ensuite au travers de l'ouverture 44 dans le passage spiral constitué dans la construction du couvercle et la chambre d'eau de circulation entourant l'isolateur cathodique 11.
En fonctionnement, le fluide de refroidissement est mis en circula- tion au moyen d'un système convenable de circulation du fluide et de contrôle de la température. Ce système comprend un radiateur 45 , un réservoir d'emmagasinage 46 et une pompe de circulation 47 , reliés en série avec les passages d'eau de circulation du
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,tube de manière à faire circuler le fluide de refroidissement dans un circuit fermé, ce fluide pénétrant dans le tube par le conduit 37 situé à son extrémité inférieure et sortant par la chambre de circulation d'eau entourant l'isolateur cathodique pour être ramené dans le système de circulation.
La Société Demanderesse a trouvé que certaines huiles silicones constituent un liquide de refroidissement pour ce système, donnant pleine satisfaction et supportant facilement les températures prévues.
Durant le fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus, du courant traverse un chemin de décharge entre l'anode et la cathode et un circuit extérieur connecté convenablement aux bornes 48 et 49 d'anode et de cathode. Comme représenté, la borne anodique est directement reliée à l'enveloppe et la borne cathodique est reliée à l'extrémité supérieure du cylindre métallique 9. Le courant de chauffage est fourni à la borne cathodique 49 et au conducteur central 16. Il est évident que l'appareil doit être amené à une température de fonctionnement suffisante pour vaporiser le caesium avant que la conduction puisse être amorcée.
Bien qu'il soit possible d'atteindre entièrement cette condition de fonctionnement par le courant de chauffage fourni à l'élément chauffant de la cathode, il est désirable de prévoir une source additionnelle de chaleur. Cette dernière peut être constituée par un élément chauffant gainé 50 enroulé en spirale autour de l'enveloppe extérieure du tube.
Durant le fonctionnement de l'appareil, la pression de vapeur du caesium est déterminée par la température de la partie la plus froide du tube. Dans la présente invention, cette partie de tube est le réservoir 3 dans lequel le caesium liquide est recueilli.
Le réservoir est maintenu à une température allant de 150 à 190 C , la pression de caesium correspondant à ces températures étant respectivement de 9. 2 microns et 54 microns. L'émission
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électronique dans le redresseur au caesium est thermionique à partir d'une couche monoatomique de caesium sur la surface de nickel, propre et chaude, de la cathode. La surface cathodique est maintenue à 750 C environ dans des conditions optima. Cette température est obtenue par le courant de chauffage de la cathode.
La vapeur de caesium dans le tube, comme indiqué plus haut, agit comme un revêtement émissif et comme gaz qui est ionisé pour conduire le courant avec une chute de tension très faible. La Société Demanderesse croit que ce sont les valeurs peu élevées de la fonction de travail et du potentiel d'ionisation qui donnent cette faible chute de tension dans l'arc du tube.
La vie des appareils précédemment construits employant du caesium n'était pas de durée suffisante, du point de vue commercial, par suite de la nature très active du caesium et de son effet de désintégration sur les isolateurs tels que les verres habituelle- ment utilisés dans la construction des tubes. La Société eman- deresse a constaté que les céramiques comme le silicate de magné- sium ou des oxydes d'aluminium, résistaient au caesium de façon très satisfaisante.
De plus, les constructions antérieures ont échoué dans leurs essais de constitution d'un système de contrôle de la position des différents éléments et de la température, qui maintiendrait à des valeurs convenables les températures absolues et relatives des différentes parties du tube pour permettre la conduction dans une direction et en même temps pour éliminer fortement les conditions tendant à établir la conduction dans la direction inverse. Par exemple, il est nécessaire qu'une certaine partie du chemin d'isolement sur la surface intérieure de l'isola- teur cathodique 11 soit maintenue à une température supérieure à celle du caesium liquide pour éviter la condensation du caesium sur cette surface et la destruction de la capacité d'isolement de l'isolateur.
La Société Demanderesse a trouvé qu'une température supérieure de 50 à 100 C à la température du caesium liquide
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est très satisfaisante. A des températures plus élevées, la résistance de dispersion superficielle de l'isolateur peut diminuer rapidement.
Lorsque la température de la surface anodique est supérieure à 400 C, l'anode présente une tendance marquée à devenir émissive et la possibilité d'un retour d'arc est accrue. Conformément à la présente invention, les différents éléments sont placés l'un par rapport à l'autre dans une position convenable telle que, durant le fonctionnement normal de l'appareil, la chaleur dispo- nible soit presque entièrement utilisée. Cette disposition, en même temps qu'un nouveau système de contrôle de la température, assure le maintien des températures relatives et absolues indiquées ci-dessus, dans des conditions optima de fonctionnement. Le réservoir 3 de caesium est également placé en dehors de la région du champ électrique existant entre l'anode et la cathode.
Il en résulte que le caesium liquide n'est pas sujet au bombarde- ment ionique durant le cycle inverse de tension et la possibilité d'un arc en retour est sensiblement réduite. Durant le fonctionne- ment d'un appareil identique à celui qui vient d'être décrit mais de dimensions approximativement doubles, la chaleur engendrée avec une charge moyenne de 200 ampères dans le circuit anode-cathode et avec un chauffage cathodique de 200 watts, était juste suffisante pour maintenir à sa valeur optimum la température des différentes parties de l'appareil. Autrement dit, la chaleur perdue par le liquide de refroidissement était justement égale aux pertes dans le redresseur. Le rendement à 200 ampères et 250 volts était approximativement de 98% et la chute dans l'arc d'environ trois volts.
La fig. 3 représente une construction à refroidissement par air constituant une modification de l'invention, particulièrement appropriée aux tubes de plus petite puissance, par exemple ceux
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-de 100 ampères de pointe ou moins. Comme représenté à la fig. 3, l'enveloppe est constituée d'une paire de cylindres métalliques 51 et 52 en un alliage fer-nickel par exemple. Le cylindre 51 est fermé à son extrémité inférieure par un fond 53 supportant un assemblage cathodique très similaire à l'assemblage cathodique de la fig. 1 et comprenant plusieurs ailettes 54 en nickel supportées par un tube 55 lequel est aussi en nickel de préfé- rence. Un élément chauffant 56 est supporté à l'intérieur du tube 55 dont il est isolé et est muni d'un conducteur d'alimen- tation 57 accessible de l'extérieur.
Les cylindres 51 et 52 sont reliés hermétiquement à leurs extrémités intérieures par un isolateur cylindrique 58 en une substance céramique convenable.
L'extrémité supérieure de l'enveloppe est fermée par un disque 59, en cuivre de préférence, constituant l'anode de l'appareil. La cathode est munie d'un écran cylindrique 60 ouvert à son extrémité supérieure de manière à constituer des ouvertures de décharge entre les ailettes adjacentes qui font face à la surface active de l'anode. Une connection anodique convenable est munie d'une borne 61 supportée par un goujon 62 qui supporte également un radiateur 63 de refroidissement de l'anode.
Un réservoir pour recevoir le caesium est constitué par une tubulure 64 maintenue au fond 53 de l'enveloppe. Comme repré- senté, un tube plus petit 65 est placé à l'intérieur de la tubu- lure 64 de manière à constituer un orifice rentrant qui élimine toute fuite de caesium liquide lors du déplacement ou de l'in- clinaison du tube. L'extrémité inférieure du tube cathodique 55 se prolonge à travers le fond 53 de l'enveloppe et est herméti- quement scellée par une calotte 66 reliée au tube 55 par une bague 67 en verre et une bague métallique 68. Une borne convenable 69 pour le circuit cathodique est relié à l'extrémité inférieure du tube 55. L'enveloppe est entourée d'une autre
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-enveloppe plus.grande 70 ; l'espace séparant ces deux enveloppes est rempli d'une substance isolante convenable 71, de la laine de verre, par exemple.
Comme représenté, l'enveloppe 70 est reliée à la bague 68 et au goujon anodique 62. Un anneau de verre 72 est interposé à l'extrémité supérieure de l'enveloppe pour maintenir l'isolement entre les circuits d'anode et cathode.
La quantité de laine de verre employée dans les différentes parties de la chambre isolante est proportionnée de manière à maintenir les températures relatives désirées des parties utiles, comme décrit à propos de la fig. 1. Comme représenté, on voit que l'isolateur 58 reçoit beaucoup de chaleur de la cathode et sera maintenu à une température plus élevée que celle du réservoir 64 pour le caesium, de manière que le caesium ne se condense pas sur l'isolateur. Le radiateur anodique est également proportionné de manière à maintenir la température de l'anode à 400 C ou moins.
Un ventilateur peut être adjoint au radiateur, si on le désire.
L'invention a été décrite dans ce qui précède, en se rappor- tant à un appareil employant du caesium mais il est évident que du rubidium peut être employé en lieu et place de ce dernier.
Bien que l'on n'ait décrit et représenté que deux formes de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les disposi- tions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.