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DISPOSITIF A DECHARGE ELECTRIQUE.
La présente invention est relative à des dispositifs à décharge électrique, et plus particulièrement à des tubes à cathode froide et à remplis- sage gazeux du type à décharge électrique connus généralement sous le nom de tubes à déclenchement ou tubes relais. Dans de tels tubes un intervalle de dé- charge principal et un intervalle auxiliaire ayant un potentiel d'amorçage plus faible que celui de l'intervalle principal sont généralement prévus, si bien qu'un voltage appliqué sur l'intervalle auxiliaire ou de déclenchement peut provoquer une décharge dans l'intervalle principal.
La présente invention concerne plus particulièrement la construc- tion de tels tubes convenant pour des vitesses d'impulsion élevées, c.à.d. des vitesses de fonctionnement à un taux de répétition d'impulsion dans la région de 100 kilopériodes par seconde.
Les tubes à cathode froide et à déclenchement, antérieurement con- nus, convenaient pour des vitesses de répétition dont la fréquence étant dans la gamme de 50 à 1000 périodes par seconde, ce dernier chiffre étant considéré comme un taux de fonctionnement élevé. Un type connu de tube à déclenchement comportait une seule cathode dont la, surface était grande comparée à celle des anodes, la surface étant usuellement revêtue pour réduire la fonction de tra- vail, et une pluralité d'anodes en forme de tiges étaient prévues, la, sépara- tion entre anodes et cathodes pour l'intervalle de décharge principal étant plus grande que celle des intervalles auxiliaires restants et étaient placés d'un côté de l'intervalle principal.
On doit cependant mentionner ici des tu- bes bien connus à déclenchement particulier, destinés à fonctionner à des fré- quences de répétition de l'ordre de 100 kilopériodes par seconde. Dans ces tu- bes,l'ensemble du dispositif à décharges comprend une paire de plaques élec- trodes opposées l'une à l'autre et définissant l'intervalle de décharge prin- cipal, ainsi qu'une électrode de déclenchement montée de fagon à définir un intervalle de décharge auxiliaire pour l'une ou l'autre des dites plaques, l'intervalle auxiliaire de déclenchement ainsi formé fournissant un cherain de
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décharge sensiblement à angle droit par rapport au chemin existant entre les ,éléments de l'intervalle principal.
Les électrodes de l'intervalle principal comportent des surfaces planes opposées, le champ électrique entre elles ten- dant à être uniforme et ainsi à aider à l'enlèvement des produits d'ionisa- tion suivant une décharge, et ce à un degré plus élevé que si le champ était concentré comme par exemple dans le cas d'une pointe et d'une électrode pla- ne. Ainsi, un temps court de déionisation peut être obtenu. En raison du fait que les chemins des décharges auxiliaires et principales sont voisins les uns des autres, et que les électrodes de l'intervalle principal tendent à former écran pour l'électrode de déclenchement, les produits d'ionisation de la décharge auxiliaire se trouvent concentrés dans le voisinage du chemin de décharge principale et un transfert rapide de décharge de l'intervalle auxiliaire à l'intervalle principal se trouve favorisé .
Suivant une caractéristique de la présente invention, on prévoit un tube à décharge électrique à cathode froide et à remplissage gazeux com- portant une première et une seconde électrodes définissant un intervalle de décharge principal, et une troisième électrode de déclenchement définissant, avec la dite première électrode, un intervalle de décharge auxiliaire dont le potentiel d'amorçage est plus faible que celui de la décharge principale, le chemin de décharge dans l'intervalle auxiliaire faisant partie du chemin de décharge de l'intervalle principal.
Un fonctionnement amélioré, à des vi- tesses élevées de répétition, est facilité par une autre caractéristique de la présente invention suivant laquelle, dans un tel dispositif à décharges, une électrode de déclenchement est placée à une distance sensiblement égale mais pas moindre que la longueur de la chute de potentiel de la cathode pour une lueur de décharge normale au-delà de la dite électrode.
Avant de décrire des exemples de réalisation de l'invention, quelques considérations des conditions à remplir par un tube à déclenchement à haute vitesse en relation avec les phénomènes de décharge gazeuse et lumi- neuse peuvent être utiles pour la compréhension de l'invention. On doit indi- quer ici que comme il s'agit de décharges luminescentes à des pressions au- dessous de la pression atmosphérique, les phénomènes en cause sont en général radicalement différents de ceux qui se produisent dans le cas d'arcs ou d'é- tincelles à la pression atmosphérique ou à des pressions plus élevées.
Dans la description suivante, on se référera aux dessins ci-joints dans lesquels :
Les figures 1, 2 et 3 représentent des courbes relatives à des phénomènes de décharge luminescente.
La figure 4 représente partiellement en coupe, mais non pas à 1' échelle, un exemple de réalisation de l'invention.
La figure 5 représente schématiquement une vue en perspective d' un système d'électrodes utilisé dans la figure 4, et
La figure 6 montre une variante de la disposition des électrodes par rapport à celle montrée dans les figures 4 et 5.
Il est bien connu que le voltage nécessaire pour établir une dé- charge luminescente entre deux électrodes dans une atmosphère gazeuse dépend de la fonction travail de l'électrode cathode, de la séparation entre l'ano- de et la cathode, et des constituants chimiques, ainsi que de la pression du gaz. La relation entre la longueur de l'intervalle, la pression du gaz et le voltage d'amorçage est donnée par la loi de Paschen : la courbe relative au voltage d'amorçage en relation avec le produit de la pression gazeuse et la longueur de l'intervalle de décharge montre un minimum marqué pour une valeur critique du produit. Cette valeur critique du produit correspond à une lon- gueur d'intervalle égale à la longueur de l'espace sombre de cathode dans la colonne de décharge entre la cathode et l'anode.
Une courbe typique de Paschen est montrée en 1 dans la figure 1, et dans cette courbe le voltage V est re- présenté en ordonnées et le produit pd de la pression p et de la longueur d' intervalle d est représenté en abscisses. Lorsqu'une décharge a été établie sur un intervalle, la différence de potentiel diminue sur les électrodes de
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l'intervalle. Pour une gamme de courants de décharge,qui dépend de la. suxfa- ce de cathode disponible, la différence de potentiel d'intervalle demeure constante à une valeur appelée potentiel d'entretien; en dehors de cette gam- me pour des décharges laissant passer un courant supérieur à une certaine va- leur, le potentiel d'intervalle s'élève, comme cela est le cas pour des va- leurs de courant faibles.
La décharge ne peut être maintenue si le courant tombe au-dessous d'un certain minimum, tandis que si la densité de courant de cathode devient trop grande, la lueur de décharge arrive finalement à se transformer en un arc de décharge. Le voltage d'entretien, tel que défini ci- dessus, est une fonction de la pression du gaz et de la longueur d'interval- le, et varie avec le produit pd suivant la manière représentée par la courbe 2 dans la figure 1.
Les deux courbes 1 et 2 concernent le même intervalle et le même mélange de gaz ; pour une pression de gaz donnée, l'amorçage et le voltage d'entretien varient rapidement avec la longueur de l'intervalle pour des longueurs d'intervalle moindres que la distance critique donnant les va- leurs minima de ces voltages ; avecdes longueurs d'intervalle croissantes, le voltage d'entretien s'élève beaucoup moins rapidement que ne le fait le vol- tage d'amorçage; les valeurs minima des voltages d'entretien et de maintien sont très voisines et pour la plupart des buts pratiques elles peuvent être confondues. Lorsqu'une décharge est entretenue entre deux électrodes, le po- tentiel V le long d'une ligne de force entre la cathode K et l'anode- A varie avec la distance d d'une manière analogue à celle représentée par la courbe de la figure 2.
Il s'élève de la cathode jusqu'à un maximum à une distance do qui est la même que la longueur d'intervalle pour le voltage d'amorçage minimum. Si l'intervalle est plus grand que do le potentiel tombe légèrement, puis s'élève pratiquement linéairement pour atteindre le potentiel de l'anode.
La distance do marque la position de la lueur de cathode. Aux pressions bas- ses, plusieurs régions distinctes de lueurs lumineuses peuvent être distingué- es dans la colonne de décharge. Dans des régions particulières, les lueurs connues parfois sous le nom de lueurs d'Aston et désignées par certains sous le nom de lueurs de cathode, ainsi que la lueur négative séparées par l'espa- ce sombre de Crooke, se trouvent placées au voisinage de la cathode. A des pressions plus élevées la lueur d'Aston est à peine observable, et dans tous les cas l'intensité lumineuse de la lueur négative est beaucoup plus forte que celle de la lueur d'Aston; dans la présente description on n'a pas tenu compte de la lueur d'Aston.
La lueur de cathode (c.à.d. la lueur négative) est suivie par l'espace sombre de Faraday qui, dans les tubes considérés ici, s'étend pour tous les buts pratiques à la lueur d'anode au. voisinage de cel- le-ci. La région, s'étendant de la cathode jusqu'à une distance do de celle- ci, est désignée généralement ici sous le nom d'espace sombre de cathode, tandis que la distance critique do est définie comme la longueur de la chute de potentiel de cathode pour une décharge lumineuse ou luminescente normale.
La chute de potentiel de cathode est indépendante du courent de décharge pourvu que la cathode ne soit pas complètement recouverte par la lueur.
.Ainsi se trouve défini le régime des décharges luminescentes correspondant au régime normal. Lorsque la cathode est complètement recouverte par la lueur et que le courant de décharge est accru, la décharge entre dans le régime des lueurs anormales, la chute de potentiel de cathode augmente et l'espace sombre de cathode se réduit.
La lueur de cathode est due à l'émission de spectres de lignes à partir des atomes du remplissage gazeux des tubes à décharges et définit une région de charge spatiale positive fondée par une accumulation d'ions posi- tifs. Pendant l'entretien de la décharge, les ions positifs de cetts région de la charge d'espace sont accélérés vers la cathode par la chute de poten- tiel de cathode, et ceci libère des électrons qui sont accélérés vers l'anode et ionisent le gaz par collision, fournissant ainsi continuellement la charge d'espace positive dans et au voisinage de la lueur de cathode.
Le mécanisme par lequel des ions positifs provoquent l'émission d'électrons de la surface cathodique est toujours l'objet de recherches et d'investigations, mais il n' y pas de doute que l'établissement d'une charge spatiale associée avec la
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lueur de cathode est essentiel pour le maintien d'un état de décharge conti- nu. Lorsque cette condition de charge d'espace a été établie et pas avant cela, l'intervalle de décharge est dit avoir été amorcé. Il est évident qu' un intervalle de temps fini est nécessaire pour amorcer un'intervalle de décharge, et maintenant l'amorçage d'une décharge doit être examiné.
Etant donné que les tubes suivant la présente invention sont destinés à fonctionner par impulsions, il sera des plus utile de considérer leur fonctionnement lorsque des impulsions de voltage rectangulaire sont appliquées aux électrodes. En supposant que le gaz dans un tube soit complè- tement dé-ionisé suivant l'état actuel des connaissances, les caractéristi- ques saillantes du phénomène qui se produit lorsqu'une impulsion rectangulai- re de voltage positif est appliquée à l'anode'd'un intervalle de décharge peuvent être résumées comme suit. Au début aucun courant ne passe entre la cathode ét l'anode jusqu'à ce que quelques atomes au hasard arrivent à libé- rer un électron dans le champ cathode-anode, et cet électron est accéléré le long du gradient de potentiel vérs l'anode pour ioniser des molécules de gaz dans son chemin.
Le temps qui s'écoule avant qu'un tel événement se produise est appelé le temps de retard statistique et dépend du degré d'illumination ambiante, de l'intensité des radiations cosmiques, etc.. ainsi que de l'his- toire antérieure du tube. L'ion ou les ions positifs produits par ce premier électron sont attirés par le champ électrique vers la cathode où ils libè- rent d'autres électrons pour produire les conditions de charge d'espace re- quises dans l'intervalle de décharge. Le temps requis pour que l'intervalle s'amorce après le retard statistique est appelé le retard de formation et est une fonction de la différence de potentiel anode-cathode.
En raison du retard de formation, l'impulsion de voltage minimum requise pour amorcer un intervalle est une fonction de la largeur de l'impul- sion. Ainsi, pour un voltage d'impulsion donnée, la durée d'impulsion doit au moins être égale à l'intervalle de temps de formation approprié au voltage interélectrodes total. Une impulsion de durée plus courte n'amorcera pas l' intervalle, la charge d'espace formée étant insuffisante pour produire le mé- canisme de cathode qui rend la lueur auto-entretenue. Après.que l'intervalle a été amorcé, un intervalle de temps complémentaire, qui est appelé ici le temps d'établissement, est nécessaire pour que le courant de décharge s'élè- ve à sa valeur continue maximum déterminée par la charge à courant continu.
Le temps d'établissement est déterminé par les constantes de temps du cir- cuit extérieur et par le potentiel apparaissant sur l'anode. Il est usuel, dans le fonctionnement d'un tube à décharge, de superposer les impulsions d'amorçage sur un voltage continu de polarisation qui peut maintenir la dé- charge après l'amorçage. Pour éteindre la décharge, la différence de poten- tiel anode-cathode doit être rendue moindre que le voltage d'entretien; dans ce but, il est désirable de superposer une impulsion négative d'extinction sur le voltage de polarisation continu.
De façon que les ions positifs et les électrons puissent se recombiner aussi rapidement que possible, on a trouvé que l'impulsion négative doit être limitée en amplitude, car autrement elle produit un champ insuffisant pour aider à enlever la charge d'espace des ions positifs; les ions peuvent être seulement enlevés par un processus com- parativement lent de diffusion. Du point de vue de la diffusion ionique et de la recombinaison,une dé-ionisation rapide est favorisée par la présence d'un champ uniforme sur l'intervalle; les surfaces d'électrodes planes sont en conséquence désirables lorsque des temps courts de dé-ionisation sont néces- saires.
Considérons maintenant le fonctionnement d'un tube à déclenchement lorsqu'un intervalle auxiliaire de décharge a été amorcé, des produits d'io- nisation de la décharge-auxiliaire amorcent l'intervalle principal et rédai- ,sent le potentiel d'amorçage de celui-ci à une valeur égale ou moindre que le potentiel continu appliqué entre les électrodes de l'intervalle principal.
Il est évidemment nécessaire que des ions soient produits à un taux suffisam- ment rapide pour être efficients dans ce but. Il y a en conséquence, pour n' importe quel assemblage d'électrodes et de circuits associés, une valeur mini- mum du courant d'électrodes de déclenchement nécessaire; ce courant minimum
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est désigné ici sous le nom de courant de transfert. Par analogie avec le délai ou retard de formation mentionné ci-dessus, il y a dans le cas des tubes à déclenchement un temps de transfert lequel est le temps nécessaire pour que l'intervalle principal s'amorce après qu'un courant de décharge égal au courant de transfert a été établi sur l'intervalle de déclenchement.
Le temps de transfert est constitué par le temps requis pour que des parti- cules chargées émigrent dans l'intervalle principal, par le délai de forma- tion de l'intervalle principal, et par le temps d'établissement dans l'in- tervalle principal,
On peut maintenant indiquer les conditions générales à remplir par un tube à déclenchement à haute vitesse. En ce qui concerne l'interval- le de déclenchement, celui-ci doit être construit de telle façon que le re- tard de formation et le temps de dé-ionisation soient minimum, tandis qu'il est aussi désirable que le courant de transfert soit faible de fagon à empê- cher une haute impédance pour le circuit d'actionnement. Dans l'établisse- ment de circuits, on a besoin presque invariablement que le voltage d'amor- çage du tube à déclenchement soit aussi faible que possible.
L'intervalle de déclenchement doit être placé par rapport à l'intervalle principal de façon que le temps de transfert puisse être aussi petit que possible, tandis qu'au point de vue du temps minimum d'établissement dans l'intervalle principal, l'électrode à déclenchement doit provoquer une distorsion du champ dans l'in- tervalle principal aussi faible que possible lorsque l'intervalle principal est à l'état de décharge.
En pratique, la considérationla plus importante au point de vue de la réduction du temps de transfert est que la charge d'espace et la con- figuration du champ électrique établi sur l'intervalle principal par la dé- charge auxiliaire soient autant que possible les mêmes que celles qui exis- tent lorsque l'intervalle principal est amorcé. S'ils peuvent, en fait, être identiques,alors, pourvu que la polarisation soit convenable, l'intervalle principal s'amorcera aussitôt que l'intervalle auxiliaire a été amorcé, c.à. dire que le temps de transfert est alors nul. Il est évident que dans un tube suivant la présente invention et dans lequel le chemin de décharge au- xiliaire se trouve dans le chemin de décharge principal, la nouvelle orienta- tion du champ électrique et le changement de position de la charge d'espace sont réduits à un minimum.
De plus, lorsque l'électrode de déclenchement est placée à la distance critique do (figures 1 et 2) de la cathode de l'in- tervalle principal, et est elle-même actionnée comme électrode auxiliaire étant donné que le voltage d'entretien du dispositif à déclenchement est pratiquement le même que son voltage d'amorçage, la distribution de champ sur l'intervalle principal, lorsqu'une décharge est entretenue sur l'inter- valle auxiliaire, est exactement comme décrit en se référant à la figure 2, en supposant évidemment que le potentiel de l'anode principale est maintenu au meme voltage d'entretien que celui de l'intervalle principal par rapport à la cathode.
De plus, si l'électrode de déclenchement a la forme d'une gril- le ou d'une plaque munie d'ouvertures, la lueur de la cathode à la fois pour la décharge principale et pour la décharge auxiliaire se trouve dans la même position, etl'intervalle principal s'amorcera simultanément avec l'interval- le auxiliaire. De plus, si toutes ces électrodes sont planes, les temps de dé-ionisation à la fois pour les intervalles auxiliaires et principaux sont réduits à un minimum pour les gaz employés.
Dans l'exposé qui précède, l'électrode de déclenchement est sup- posée être une anode auxiliaire coopérant avec la cathode de l'intervalle principal. Pour certaines applications de circuits,, on désire amorcer un tube relais par une impulsion se développant dans la région négative appliquée à l'électrode de déclenchement. Dans un tel cas, il est usuel d'employer une anode commune à la fois pour les intervalles auxiliaires et principaux plutôt que d'employer la cathode de l'intervalle principal comme anode de l'interval- le auxiliaire. Si on agissait ainsi une décharge serait probablement aussi établie entre l'anode principale et l'électrode de déclenchement.
Un tube sui- vant des caractéristiques de la présente invention peut être utilise comme tu-
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be à déclenchement à haute vitesse en utilisant le déclenchement comme catho- de auxiliaire, ce qui n'entraîne qu'un changement imperceptible dans la vites- se de fonctionnement. Les connexions avec les électrodes principales sont ren- versées, si bien que l'électrode de déclenchement est maintenant au voisinage de l'anode de l'intervalle principal. A première vue il peut apparaître que dans un tube comportant une électrode de déclenchement espacée d'une distance do de l'anode, le temps de transfert serait beaucoup plus long que lorsque 1' on utilise un dispositif de déclenchement anodique.
La lueur de cathode de la décharge auxiliaire tendrait à coïncider en'position avec l'anode et devrait être transférée sur la plus grande partie de la longueur de l'intervalle de décharge principal avant que ce dernier ne soit amorcé. En fait, on a trouvé qu'avec un choix convenable des potentiels de polarisation dans de tels tu- bes, le temps de transfert est trop faible pour être mesuré, soit qu'un cir- cuit de déclenchement anodique ou cathodique soit utilisé, bien qu'un inter- valle de temps d'un quart de microseconde pouvait être détecté dans les expé- riences faiteso Ce résultat apparemment normal peut être expliqué à l'aide des courbes représentées dans les figures 2 et 3.
Dans la figure 2, les positions de la cathode, de l'électrode de déclenchement et de l'anode pour une action de déclenchement anodique, précé- demment décrite sont indiquées par K, T et A respectivement, et le graphique montre la distribution du potentiel le long d'une ligne de force entre ces électrodes lorsque l'intervalle principal est amorcé. Dans la figure 3, les positions de A et de K ont été échangées et la courbe en trait plein 3 indi- que la variation de champ désirée lorsque l'intervalle principal est amorcé.
De façon que l'électrode à déclenchement ne produise pas indûment de distor- sion du champa elle doit être polarisée positivement jusqu'au voltage VT Dans ces conditions le courant de décharge passera par l'électrode à déclen- chement ainsi que par l'anode. Le courant de décharge peut être rendu négli- geable en connectant une résistance de haute valeur en série avec l'électrode à déclenchement. De façon à amorcer l'intervalle auxiliaire, une impulsion de voltage négatif doit être appliquée à l'électrode de déclenchement, par exem- ple à travers un condensateur et en opposition à ses voltages de polarisation.
Lorsque l'intervalle auxiliaire est amorcé, la distribution des potentiels est modifiée comme il est indiqué par la courbe pointillée. Lorsque l'impul- sion négative est enlevée, le bord arrière de l'impulsion peut être considéré comme une impulsion positive appliquée au dispositif à déclenchement. Le po- tentiel de l'électrode de déclenchement est immédiatement rétabli (ou même excède momentanément) son voltage de polarisation, et les ions positifs de la décharge auxiliaire sont accélérés le long du gradian important de potentiels vers la cathode de l'intervalle principal, changeant ainsi le temps de retard des formations pour amorcer l'intervalle de décharge T - K.
Le résultat net est que le transfert de la lueur de décharge de l'électrode à déclenchement à la cathode d'intervalle principal est pratiquement instantané, Dans le cas de déclenchement anodique ou cathodique, la largeur minimum de l'impulsion néces- saire pour amorcer l'intervalle auxiliaire est telle qu'elle est égale au re- tard de formation pour cet intervalle.
Si des impulsions de déclenchement de largeur minimum sont utilisées, l'intervalle auxiliaire s'amorcera sur le bord arrière de l'impulsion, et l'ensemble du temps nécessaire pour amorcer l'in- tervalle principal est le même dans l'un ou l'autre cas, dans la limite de pré- cision des mesures précédentes, Ainsi un tube, suivant la présente invention, est également convenable pour des vitesses élevées de fonctionnement, que le dispositif à déclenchement soit utilisé comme anode auxiliaire ou comme catho- de auxiliaire.
La figure 4 montre un exemple de réalisation de l'invention. Comme autrement les caractéristiques de construction pourraient être confondues en raison des petites dimensions, le dessin n'a pas été établi à l'échelle. L'as- semblage d'électrodes est monté au moyen de feuilles de mica et des tiges de support sont scellées dans un pied pressé 1 faisant partie d'une enveloppe or- dinaire 2. Les électrodes sont faites en nickel, et les électrodes de l'inter- valle principal sont de petites plaques 3 et 4 (dont les surfaces ne sont pas activées) montées sur des tiges respectives 5 et 6. Les tiges 5 et 6 sont sou-
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dées à des oeillets 7 et 8 pressés respectivement sur des feuilles de mica supérieures et inférieures 9 et 10.
Les tiges 5 et 6 passent respectivement à travers des pièces de mica. de mise en place 11 et 12. Dans la construction même, les feuilles 11 et 12 sont espacées de l'arrière des plaques respecti- ves 3 et 4 à une distance de celles-ci moindre que la largeur de l'espace sombre de cathode de façon à fonctionner comme plaques de contrôle de champ.
La lueur de cathode est par suite confinée aux faces et bords avants de celle des plaques qui est utilisée comme cathode. Si on le désire les plaques métal- liques de contrôle de champ peuvent être montées dans les mêmes plans que ceux des plaques 3 et 4, comme indiqué en 13 et 14 dans la figure 6. L'électrode à déclenchement 15 comprend une plaque munie d'ouvertures séparées de l'électro- de 4 par une distance sensiblement égale à la longueur de l'espace sombre de cathode. Dans la construction montrée dans la figure 4, l'électrode 15 est montée de façon convenable sur une feuille de mica 12 au moyen de portions re- courbées 16 et 17 rivetées sur la feuille.
Les ouvertures 18 sont disposées de telle façon et ont des dimensions telles que la plaque 15 n'offre que peu d' obstruction à la décharge entre les plaques 3 et 4. Les bords de la plaque 15 au voisinage des ouvertures 18 sont préférablement laissés de forme aigue pen- dent la fabrication pour aider à réduire le retard de formation de l'interval- le de déclenchement par concentration du champ sur ces bords avant que l'inter- valle de déclenchement ne s'amorce. Après que l'intervalle de déclenchement a été amorcé, la décharge tend à s'étendre sur la. surface de la plaque, et un champ sensiblement uniforme est établi. L'arrangement des électrodes dans la figure 4 est aussi montré sous forme très agrandie dans la graphique de la fi- gure 5.
Les connexions de la plaque 3 et de l'électrode 15 jusqu'aux broches 19 d'un culot de tube à vide 20 peuvent être établies au moyen de tiges de support convenables 21 et 22, et de fils 23 et 24.
Lorsqu'on utilise des électrodes en nickel avec un mélange de gaz comportant 92% de néon, 1% d'argon et 7% d'hydrogène à une pression de 100 mm. de mercure, la longueur de la chute de potentiel de cathode est de 0,165 mm. Dans une construction particulière disposée, comme représenté sur les Figu- res 4 et 5, les plaques 3 èt 4 sont séparées par une distance de 1,2 mm pour donner un voltage d'intervalle principal d'amorçage de 290 volts (sans amorça- ge) et pour présenter une surface telle qu'un courant de décharge "normal" de 20 milliampères maximum avec une densité de 1 milliampère par mm. est permis.
La plaque 4 est espacée de 0,1 mm au-dessus de la feuille de mica 12, et 1' électrode de déclenchement se trouve à 0,2 mm au-dessus de la plaque 4. De façon que l'électrode de déclenchement 15 n'obstrue pas indûment l'intervalle de décharge principal, on a trouvé que la dimension des ouvertures 18 doit être choisie de façon que lorsqu'une décharge au taux maximum existe avec la plaque 4 comme cathode, la. lueur de cathode sur la surface de la plaque 4 soit uniforme au jugement de l'oeil. Si les ouvertures sont trop petites on a obser- vé que la lueur est marquée par des surfaces de plus grande intensité lumineuse correspondant aux ouvertures. L'uniformité de la lueur de cathode est considé- rée dans la présente description comme le critère du chemin de décharge sens obstruction dans l'intervalle principal de décharge.
Avec d'autres dimensions et d'autres taux de décharge cités ci-dessus, on a trouvé que des ouvertures de lmm. de diamètre fournissent une décharge sans obstruction entre les plaques 3 et 4.
Dans un tube ayant lesdimensions d'électrodes citées ci-dessus, les voltages d'entretien pour les intervalles de déclenchement et principaux sont respectivement de 140 et 160 volts; le couran t ce transfert est de 50 microampères; le temps de transfert pour le déclenchement anodique ou cathodi- que tel que décrit est moindre que 1/4 de microseconde;
le temps de dé-ionisa- tion de l'intervalle de déclenchement pour une décharge de 500 microampères est inferieur à 5 microsecondes, alors que le temps de dé-ionisatin de l'inter- valle principal est compr is entre 15 et 20 microsecondes, (le temps de dé-ioni- sation est défini ici comme étant la durée minimum d'une impulsion d'extinction pour que les intervalles ne s'amorcent pas de nouveau lorsque le potentiel de fonctionnement est rétabli). Une impulsion rectangulaire de 80 volts avec une polarisation de 120 volts etune durée de 4 microsecondes est nécessaire pour amorcer l'intervalle auxiliaire et pour déclencher l'intervalle principal lors-
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que l'intervalle principal est polarisé par une source constante de 200 volts.
Comme indiqué au début de cette description, la présente inven- tion concerne principalement un tube à déclenchement capable de fonctionner à des taux de répétition d'impulsions élevés. On doit noter, pour empêcher tout malentendu, qu'en l'absence de radiations ionisantes ou de quelque au- tre moyen de raccourcissement du tempe de retard statistique, lorsque l'on opère à des vitesses basses ou suivant le hasard, que la dé-ionisation dans de tels tubes est si rapide et si complète que le court retard de formation et de temps de transfert peut être plus que dépassé par des retards statis- tiques prolongés et incertains.
Pour les vitesses élevées de répétition aux- quelles les tubes doivent fonctionner, la dé-ionisation n'est pas terminée avant l'arrivée du signal suivant., sauf pour l'amorçage initial de la pre- mière impulsion d'un train de signaux et l'effet du retard statistique ne se produit pas.
Bien que les caractéristiques principales de l'invention aient été décrites en relation avec des exemples particuliers de réalisation et certaines modifications de ceux-ci, il doit être bien compris que cette des- cription est donnée simplement à titre d'exemple et non pas comme une limi- tation de la portée de la présente invention.
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ELECTRICAL DISCHARGE DEVICE.
The present invention relates to electric discharge devices, and more particularly to cold cathode and gas filling tubes of the electric discharge type generally known under the name of trigger tubes or relay tubes. In such tubes a main discharge interval and an auxiliary interval having a starting potential lower than that of the main interval are generally provided, so that a voltage applied to the auxiliary or tripping interval can be provided. cause discharge in the main gap.
The present invention relates more particularly to the construction of such tubes suitable for high pulse velocities, ie. operating speeds at a pulse repetition rate in the region of 100 kiloperiods per second.
The previously known cold cathode and trigger tubes were suitable for repetition rates the frequency of which was in the range of 50 to 1000 periods per second, the latter figure being considered a high operating rate. One known type of trigger tube had a single cathode with a large surface area compared to that of the anodes, the surface usually being coated to reduce the working function, and a plurality of rod-shaped anodes were provided, the separation between anodes and cathodes for the main discharge gap being greater than that of the remaining auxiliary gaps and were placed on one side of the main gap.
However, well-known tubes with particular triggering, intended to operate at repetition frequencies of the order of 100 kiloperiods per second, should be mentioned here. In these tubes, the entire discharge device comprises a pair of electrode plates opposing each other and defining the main discharge interval, as well as a trigger electrode mounted in such a manner. defining an auxiliary discharge interval for one or other of said plates, the auxiliary tripping interval thus formed providing a range of
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discharge substantially at right angles to the path between the elements of the main gap.
The main gap electrodes have opposing planar surfaces, the electric field between them tending to be uniform and thus to aid in the removal of ionization products following discharge to a greater degree. only if the field was concentrated, for example in the case of a tip and a flat electrode. Thus, a short deionization time can be obtained. Due to the fact that the paths of the auxiliary and main discharges are adjacent to each other, and the electrodes of the main gap tend to form a screen for the trigger electrode, the ionization products of the auxiliary discharge are found concentrated in the vicinity of the main discharge path and rapid transfer of discharge from the auxiliary gap to the main gap is favored.
According to a characteristic of the present invention, there is provided a gas-filled cold cathode electric discharge tube comprising a first and a second electrode defining a main discharge interval, and a third trigger electrode defining, with said first electrode, an auxiliary discharge gap having an ignition potential lower than that of the main discharge, the discharge path in the auxiliary gap being part of the discharge path of the main gap.
Improved operation at high repetition rates is facilitated by another feature of the present invention that in such a discharge device a trigger electrode is placed at a distance substantially equal to but not less than the length. of the potential drop of the cathode for a normal discharge glow beyond said electrode.
Before describing exemplary embodiments of the invention, some considerations of the conditions to be fulfilled by a high speed trigger tube in relation to the gas and light discharge phenomena may be useful for understanding the invention. It should be pointed out here that since these are glow discharges at pressures below atmospheric pressure, the phenomena involved are in general radically different from those which occur in the case of arcs or e. - sparks at atmospheric pressure or at higher pressures.
In the following description, reference will be made to the accompanying drawings in which:
FIGS. 1, 2 and 3 represent curves relating to the phenomena of glow discharge.
FIG. 4 shows partially in section, but not to scale, an exemplary embodiment of the invention.
Figure 5 schematically shows a perspective view of an electrode system used in Figure 4, and
Figure 6 shows a variant of the arrangement of the electrodes with respect to that shown in Figures 4 and 5.
It is well known that the voltage required to establish a glow discharge between two electrodes in a gas atmosphere depends on the working function of the cathode electrode, the separation between the anode and the cathode, and the chemical constituents. , as well as the gas pressure. The relation between the length of the gap, the gas pressure and the starting voltage is given by Paschen's law: the curve relating to the starting voltage in relation to the product of the gas pressure and the length of l The discharge interval shows a marked minimum for a critical value of the product. This critical product value corresponds to an interval length equal to the length of the cathode dark space in the discharge column between the cathode and the anode.
A typical Paschen curve is shown at 1 in Figure 1, and in this curve the voltage V is shown on the ordinate and the product pd of the pressure p and the gap length d is shown on the abscissa. When a discharge has been established over an interval, the potential difference decreases on the electrodes of
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the interval. For a range of discharge currents, which depends on the. enough cathode available, the gap potential difference remains constant at a value called the sustaining potential; outside of this range for discharges letting a current flow greater than a certain value, the gap potential rises, as is the case for low current values.
The discharge cannot be sustained if the current drops below a certain minimum, while if the cathode current density becomes too large, the discharge glow eventually turns into a discharge arc. The float voltage, as defined above, is a function of gas pressure and gap length, and varies with product pd as shown by curve 2 in figure 1.
The two curves 1 and 2 relate to the same interval and the same mixture of gases; for a given gas pressure, the initiation and the sustaining voltage vary rapidly with the length of the interval for interval lengths less than the critical distance giving the minimum values of these voltages; with increasing interval lengths, the float voltage rises much less rapidly than does the ignition voltage; the minimum values of the sustaining and sustaining voltages are very similar and for most practical purposes they can be confused. When a discharge is maintained between two electrodes, the potential V along a line of force between the cathode K and the anode- A varies with the distance d in a manner analogous to that represented by the curve of figure 2.
It rises from the cathode to a maximum at a distance do which is the same as the gap length for the minimum starting voltage. If the gap is greater than do the potential drops slightly, then rises almost linearly to reach the potential of the anode.
The distance do marks the position of the cathode glow. At low pressures, several distinct regions of luminous glow can be distinguished in the discharge column. In particular regions, the glows sometimes known as the Aston glow and referred to by some as the cathode glow, as well as the negative glow separated by the dark Crooke space, are found in the vicinity. of the cathode. At higher pressures the Aston glow is barely observable, and in all cases the luminous intensity of the negative glow is much stronger than that of the Aston glow; in the present description, the Aston glow has not been taken into account.
The cathode glow (i.e. negative glow) is followed by the Faraday dark space which, in the tubes considered here, extends for all practical purposes to the anode glow at. neighborhood of this one. The region, extending from the cathode to a distance do from it, is generally referred to herein as the cathode dark space, while the critical distance do is defined as the length of the potential drop. cathode for normal light or glow discharge.
The cathode potential drop is independent of the discharge current provided the cathode is not completely covered by the glow.
Thus is defined the regime of the luminescent discharges corresponding to the normal regime. When the cathode is completely covered by the glow and the discharge current is increased, the discharge enters the abnormal glow regime, the cathode potential drop increases, and the cathode dark space is reduced.
Cathode glow is due to the emission of line spectra from the atoms in the gas filling of the discharge tubes and defines a region of positive spatial charge founded by an accumulation of positive ions. During discharge maintenance, positive ions from this region of the space charge are accelerated towards the cathode by the drop in cathode potential, and this releases electrons which are accelerated towards the anode and ionize the cathode. gas by collision, thus continuously providing the positive space charge in and in the vicinity of the cathode glow.
The mechanism by which positive ions cause the emission of electrons from the cathode surface is still the subject of research and investigation, but there is no doubt that the establishment of a spatial charge associated with the
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Cathode glow is essential for maintaining a state of continuous discharge. When this space charge condition has been established and not before that, the discharge interval is said to have been initiated. Obviously, a finite time interval is required to initiate a discharge interval, and now the initiation of a discharge must be considered.
Since the tubes according to the present invention are intended to operate in pulses, it will be most useful to consider their operation when pulses of rectangular voltage are applied to the electrodes. Assuming that the gas in a tube is completely deionized according to the present state of knowledge, the salient features of the phenomenon which occurs when a rectangular pulse of positive voltage is applied to the anode ' of a discharge interval can be summarized as follows. At the beginning no current passes between the cathode and the anode until a few random atoms manage to release an electron in the cathode-anode field, and this electron is accelerated along the potential gradient towards the anode to ionize gas molecules in its path.
The time that elapses before such an event occurs is called the statistical delay time and depends on the degree of ambient illumination, the intensity of cosmic radiation, etc., as well as on previous history. of the tube. The positive ion or ions produced by this first electron are attracted by the electric field to the cathode where they release other electrons to produce the required space charge conditions in the discharge gap. The time required for the interval to start after the statistical delay is called the formation delay and is a function of the anode-cathode potential difference.
Due to the delay in formation, the minimum voltage pulse required to initiate an interval is a function of the pulse width. Thus, for a given pulse voltage, the pulse duration should at least be equal to the formation time interval appropriate to the total interelectrode voltage. A pulse of shorter duration will not initiate the gap, the space charge formed being insufficient to produce the cathode mechanism which renders the glow self-sustaining. After the interval has been initiated, an additional time interval, which is referred to here as the settling time, is required for the discharge current to rise to its maximum continuous value determined by the current charge. continued.
The settling time is determined by the time constants of the external circuit and by the potential appearing on the anode. It is usual in the operation of a discharge tube to superimpose the firing pulses on a DC bias voltage which can maintain the discharge after firing. To quench the discharge, the difference in anode-cathode potential must be made less than the float voltage; for this purpose, it is desirable to superimpose a negative quenching pulse on the DC bias voltage.
In order for the positive ions and the electrons to recombine as quickly as possible, it has been found that the negative pulse must be limited in amplitude, as otherwise it produces an insufficient field to help remove the space charge from the positive ions. ; ions can only be removed by a comparatively slow diffusion process. From the point of view of ion diffusion and recombination, rapid deionization is favored by the presence of a uniform field over the gap; flat electrode surfaces are therefore desirable when short deionization times are required.
Now consider the operation of a trigger tube when an auxiliary discharge interval has been initiated, ionization products from the auxiliary discharge initiate the main interval and reduce the initiation potential of that. here at a value equal to or less than the direct potential applied between the electrodes of the main gap.
It is of course necessary that ions be produced at a sufficiently rapid rate to be efficient for this purpose. There is therefore, for any assembly of electrodes and associated circuits, a minimum value of the necessary trigger electrode current; this minimum current
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is referred to herein as the transfer current. By analogy with the formation delay or delay mentioned above, there is in the case of trigger tubes a transfer time which is the time required for the main interval to start after an equal discharge current transfer current has been set over the trip interval.
The transfer time consists of the time required for charged particles to migrate into the main interval, the delay in forming the main interval, and the settling time in the interval. main,
We can now indicate the general conditions to be fulfilled by a high speed trigger tube. With regard to the trigger interval, this should be constructed in such a way that the delay in formation and the deionization time are minimum, while it is as desirable as the transfer current. be low so as to prevent high impedance for the actuator circuit. In circuit making, it is almost invariably required that the trigger tube ignition voltage be as low as possible.
The trigger interval should be placed relative to the main interval so that the transfer time can be as small as possible, while from the point of view of the minimum settling time in the main interval the The trigger electrode should distort the field in the main interval as low as possible when the main interval is in the discharge state.
In practice, the most important consideration from the point of view of the reduction of the transfer time is that the space charge and the configuration of the electric field established on the main interval by the auxiliary discharge be as much as possible. same as those which exist when the main interval is started. If they can, in fact, be the same, then, provided the polarization is correct, the main interval will initiate as soon as the auxiliary interval has been initiated, i.e. say that the transfer time is then zero. It is evident that in a tube according to the present invention and in which the auxiliary discharge path is in the main discharge path, the new orientation of the electric field and the change in position of the space charge are. reduced to a minimum.
Moreover, when the trigger electrode is placed at the critical distance do (figures 1 and 2) from the cathode of the main interval, and is itself actuated as an auxiliary electrode since the maintenance voltage of the triggering device is practically the same as its starting voltage, the field distribution over the main interval, when a discharge is maintained over the auxiliary interval, is exactly as described with reference to figure 2 , obviously assuming that the potential of the main anode is maintained at the same float voltage as that of the main gap with respect to the cathode.
In addition, if the trigger electrode is in the form of a grill or a plate with apertures, the cathode glow for both the main discharge and the auxiliary discharge is in the same. position, and the main interval will start simultaneously with the auxiliary interval. In addition, if all of these electrodes are planar, the deionization times for both the auxiliary and main intervals are reduced to a minimum for the gases employed.
In the foregoing discussion, the trigger electrode is assumed to be an auxiliary anode co-operating with the cathode of the main gap. For some circuit applications, it is desired to start a relay tube by a pulse developing in the negative region applied to the trigger electrode. In such a case, it is customary to employ a common anode for both the auxiliary and main gaps rather than using the main gap cathode as the anode of the auxiliary gap. If this were done a discharge would probably also be established between the main anode and the trigger electrode.
A tube following features of the present invention can be used as a tube.
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be triggered at high speed using the trigger as an auxiliary cathode, which results in only an imperceptible change in operating speed. The connections with the main electrodes are reversed so that the trigger electrode is now in the vicinity of the anode of the main gap. At first glance it may appear that in a tube having a trigger electrode spaced a distance d from the anode, the transfer time would be much longer than when using an anode trigger device.
The cathode glow from the auxiliary discharge would tend to coincide in position with the anode and should be transferred along most of the length of the main discharge gap before the latter is initiated. In fact, it has been found that with a suitable choice of bias potentials in such tubes, the transfer time is too low to be measured, either an anodic or a cathode trigger circuit is used, well. that a quarter-microsecond time interval could be detected in the experiments carried out. This apparently normal result can be explained with the aid of the curves shown in Figures 2 and 3.
In Figure 2, the positions of the cathode, the trigger electrode and the anode for anodic trigger action, previously described are indicated by K, T and A respectively, and the graph shows the distribution of. potential along a line of force between these electrodes when the main gap is initiated. In Figure 3 the positions of A and K have been swapped and the solid line curve 3 indicates the desired field change when the main interval is initiated.
So that the trigger electrode does not produce undue field distortion, it must be positively polarized up to voltage VT Under these conditions the discharge current will flow through the trigger electrode as well as through the anode . The discharge current can be made negligible by connecting a high value resistor in series with the trigger electrode. In order to initiate the auxiliary interval, a negative voltage pulse must be applied to the trigger electrode, eg, through a capacitor and in opposition to its bias voltages.
When the auxiliary interval is initiated, the distribution of potentials is changed as indicated by the dotted curve. When the negative pulse is removed, the trailing edge of the pulse can be viewed as a positive pulse applied to the trigger device. The potential of the trigger electrode is immediately restored (or even momentarily exceeds) its bias voltage, and the positive ions from the auxiliary discharge are accelerated along the large gradian of potentials towards the cathode of the main gap, thus changing the delay time of formations to initiate the T - K discharge interval.
The net result is that the transfer of the discharge glow from the trigger electrode to the main gap cathode is virtually instantaneous, in the case of anodic or cathodic triggering, the minimum pulse width necessary to initiate the auxiliary interval is such that it is equal to the training delay for that interval.
If minimum width trigger pulses are used, the auxiliary interval will initiate on the trailing edge of the pulse, and the overall time required to initiate the primary interval is the same in either or the other case, within the limits of precision of the preceding measurements. Thus a tube, according to the present invention, is also suitable for high operating speeds, whether the trigger device is used as an auxiliary anode or as a cathode. auxiliary.
FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the invention. As otherwise the construction characteristics could be confused due to the small dimensions, the drawing was not drawn to scale. The electrode assembly is mounted by means of mica sheets and support rods are sealed in a pressed foot 1 forming part of an ordinary casing 2. The electrodes are made of nickel, and the electrodes are made of nickel. the main interval are small plates 3 and 4 (the surfaces of which are not activated) mounted on respective rods 5 and 6. Rods 5 and 6 are supported.
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eyelets 7 and 8 pressed on top and bottom mica sheets 9 and 10 respectively.
Rods 5 and 6 pass respectively through pieces of mica. 11 and 12. In the construction itself, the sheets 11 and 12 are spaced from the rear of the respective plates 3 and 4 at a distance therefrom less than the width of the dark cathode space. so as to function as field control plates.
The cathode glow is therefore confined to the front faces and edges of that of the plates which is used as the cathode. If desired the metal field control plates can be mounted in the same planes as those of plates 3 and 4, as indicated at 13 and 14 in figure 6. The trigger electrode 15 comprises a plate provided with The apertures separated from the electrode 4 by a distance substantially equal to the length of the dark cathode space. In the construction shown in Figure 4, electrode 15 is suitably mounted on a mica sheet 12 by means of curved portions 16 and 17 riveted to the sheet.
The openings 18 are arranged in such a way and have such dimensions that the plate 15 affords little obstruction to the discharge between the plates 3 and 4. The edges of the plate 15 in the vicinity of the openings 18 are preferably left unobstructed. sharp shape during fabrication to help reduce the delay in the formation of the trigger interval by concentrating the field on these edges before the trigger interval begins. After the trigger interval has been initiated, the discharge tends to extend over the. surface of the plate, and a substantially uniform field is established. The arrangement of the electrodes in Figure 4 is also shown in greatly enlarged form in the graph of Figure 5.
Connections from plate 3 and electrode 15 to pins 19 of a vacuum tube base 20 can be made by means of suitable support rods 21 and 22, and wires 23 and 24.
When using nickel electrodes with a gas mixture comprising 92% neon, 1% argon and 7% hydrogen at a pressure of 100 mm. of mercury, the length of the cathode potential drop is 0.165 mm. In a particular construction arranged, as shown in Figures 4 and 5, the plates 3 and 4 are separated by a distance of 1.2 mm to give a main starting gap voltage of 290 volts (without starting. ge) and to present an area such as a "normal" discharge current of 20 milliamps maximum with a density of 1 milliampere per mm. is allowed.
The plate 4 is spaced 0.1 mm above the mica sheet 12, and the trigger electrode is 0.2 mm above the plate 4. So that the trigger electrode 15 does not unduly obstruct the main discharge gap, it has been found that the size of the apertures 18 should be chosen such that when maximum rate discharge exists with the plate 4 as the cathode, 1a. Cathode glow on the surface of plate 4 is uniform to the judgment of the eye. If the openings are too small, it has been observed that the glow is marked by surfaces of greater luminous intensity corresponding to the openings. The uniformity of the cathode glow is considered in this specification as the criterion of the obstruction-direction discharge path in the main discharge gap.
With other dimensions and other discharge rates cited above, it was found that openings of 1mm. diameter provide unobstructed discharge between plates 3 and 4.
In a tube having the above electrode dimensions, the float voltages for the trip and main intervals are 140 and 160 volts, respectively; the current for this transfer is 50 microamperes; the transfer time for anodic or cathodic triggering as described is less than 1/4 of a microsecond;
the trigger interval deionization time for a 500 microampere discharge is less than 5 microseconds, while the main interval deionization time is between 15 and 20 microseconds, (the deionization time is defined here as the minimum duration of an extinguishing pulse so that the intervals do not start again when the operating potential is restored). An 80 volt rectangular pulse with a 120 volt bias and a duration of 4 microseconds is required to initiate the auxiliary interval and to trigger the primary interval when
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that the main interval is biased by a constant source of 200 volts.
As indicated at the beginning of this description, the present invention is primarily concerned with a gating tube capable of operating at high pulse repetition rates. It should be noted, to avoid any misunderstanding, that in the absence of ionizing radiation or some other means of shortening the statistic delay temple, when operating at low speeds or by chance, the Ionization in such tubes is so rapid and complete that the short delay in formation and transfer time can be more than exceeded by prolonged and uncertain statistical delays.
For the high repetition rates at which the tubes are to operate, deionization is not complete until the next signal arrives, except for the initial firing of the first pulse of a signal train. and the effect of the statistical delay does not occur.
Although the main characteristics of the invention have been described in relation to particular embodiments and certain modifications thereof, it should be understood that this description is given merely by way of example and not as an example. a limitation on the scope of the present invention.