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TUBE ELECTRONIQUE HYPERFREQUENCE.
L'invention concerne des circuits fonctionnant dans la gamme des fréquences micrométriques et plus particulièrement des tubes électroniques et les circuits résonnants associés à ces tubes
Ainsi qu'il est bien connu, les circuits résonnants utilisés dans la gamme des ondes micrométriques, sont habituellement réalisés à l'aide de cavités résonnantes. La forme géométrique et la taille du tube et des cavi- tés associées sont conditionnées par la longueur d'onde de fonctionnement du système.
Lorsque 1?on descend en-dessous de 10 cm de longueur (Ponde, la taille des circuits et des tubes devient très faible, et leur usinage diffi- cile si 1?on veut maintenir un. rendement élevé.
Ainsi quil est bien connu, les éléments résonnants se comportent comme des circuits à rendement maximum et à bande passante maximum lorsqu'ils fonctionnent en quart d'onde Les tolérances mécaniques à respecter sont très sévères dans ces conditions. La présente invention a pour objet les cir- cuits résonnants associés et un tube électronique fonctionnant dans la gam- me des ondes micrométriques de réalisation mécanique simple les dits cir- cuits étant ajustables en fréquence dans une large bande et présentant, dans toute la gamme, un rendement élevé.
Selon 1?une des caractéristiques essentielles de l'invention, le tube électronique est terminé par un petit dôme en matière isolante suppor- tant l'anode du tube. Une partie de cette électrode traverse le dôme isolant de façon à faciliter les connexions. Une pièce conductrice s'étendant à la base du dôme isolant assure la rigidité mécanique et le contact électrique entre un circuit extérieur et une autre électrode du tube.
Cette disposition d'électrode permet de coiffer le dôme à l'aide d'une cavité résonnante de forme cylindrique par exemple$ qui s'engage té lescopiquement autour du tube. La partie inférieure de la. 'cavité est en con tact mobile avec le conducteur solidaire de la deuxième électrode L'autre
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extrémité de la cavité présente un manchon circulaire assurant un bon con- tact mobile avec la fraction de l'anode qui sort du dôme isolant. La fréquen- ce propre de la cavité peut être ainsi modifiée en changeant la position axia- le de l'ensemble résonnant par rapport au tube électronique.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description suivante donnée à titre d'exemple de réalisation non limitatif et dans laquel- le ; - la figure 1 est une vue en coupe d'un tube électronique conforme à l'inven- tion, - la figure 2 est une vue en coupe d'un ensemble résonnant conforme à l'in- vention.-
La figure 1 représente un tube 1 conforme à l'invention, compor- tant une cathode 2, une grille de commande 3, une grille-écran 4 et une ano- de 5 disposées dans l'ordre cité le long d'un axe commun.
Les surfaces de la cathode 2 et de l'anode 5 sont disposées l'u- ne en face de l'autre, de façon que cette dernière électrode capte les élec- trons émis par la cathode. On a représenté en 6 le filament de chauffage de la cathode disposé à l'intérieur du cylindre métallique 7 connecté électri- quement à la cathode et se prolongeant au-delà de l'enveloppe délimitant le tube.
L'une des extrémités du filament est connectée au cylindre catho- dique 7 alors que l'autre extrémité estréunie à une tige 8 disposées selon l'axe du cylindre 7 et isolée de celui-ci par la perle de verre 9. Un second cylindre métallique 10 est disposé concentriquement au cylindre 7. Son extré- mité supérieure présente une collerette 11 dirigée vers l'axe du cylindre et servant de support mécanique à la grille 3. Une collerette isolante 12 en verre., par exemple, assure la position relative des cylindres 7 & 10 et leur isolement relatif.
Un manchon isolant 13, en verre par exemple, est scellé à l'une de ses extrémités, à la partie supérieure du cylindre 10 et à l'autre extré- mité à un disque 14 supportant la grille-écran 4. Cette électrode occupe l'ouverture centrale 15 de la pièce 14. L'anneau 14 est terminé sur sa cir- conférence par des doigts élastiques 16, légèrement coniques, disposés de façon que leur extrémité inférieure s'écarte de l'axe du tube et qu'ils re- couvrent partiellement le manchon isolant 13. En variante, l'anneau 14 peut être terminé par une collerette rigide. Dans ces conditions, il est essen- tiel de disposer les doigts élastiques sur la surface interne du résonateur qui sera décrit plus loin.
Une pièce isolante en forme de dôme 17, en verre par exemple,est soudée à sa base sur l'anneau 14. Un conducteur longitudinal 18 traverse le dôme en son sommet. Ce conducteur est scellé à l'anode 5 du tube. Le dô- me isolant 17 constitue un support mécanique de la structure anodique et complète l'enveloppe étanche entourant les électrodes du tube 1.
Une taille du tube 1 est définie par la longueur d'onde à laquel- le on désire faire fonctionner ce tube. Par suite des nombreux supports iso- lants disposés entre la cathode 2 et l'anode 5, il est possible de réduire les dimensions globales du tube sans risquer de courtcircuit interélectro- des. Dans la bande des fréquences de 10 centimètres de longueur d'onde, la longueur du tube est de l'ordre de 7 centimètres, le diamètre de base du dôme isolant 17 est de l'ordre de 2 centimètres et sa hauteur de 1,25 cen- timètres. La configuration en marches d'escalier, résultant de l'utilisa- tion de cylindres concentriques de diamètres différents pour supporter les électrodes, convient particulièrement bien à l'introduction du tube dans des cavités résonnantes ainsi qu'il sera précisé plus loin.
La figure 2 représente le tube de la figure 1 associé à un ensem- ble résonnant et fonctionnant en amplificateur.Il est bien évident que cet exemple de réalisation n'est nullement limitatif et que les tubes conformes à l'invention peuvent être associés à des cavités du même type selon un
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schéma électrique correspondante par exemple, à un auto-oscillatuer Les é- léments du tube portant les mêmes numéros de référence que dans la figure précédenteo
Le circuit d'entrée est constitue par la cavité 23 définie par le conducteur cylindrique central 29 et le conducteur cylindrique extérieur 21. Un piston mobile 22 permet d'ajuster la fréquence de résonance de , cet- te cavité.
Le cylindre extérieur 21 est divisé en deux parties par la ron- delle isolante 24.disposée entre les deux collerettes 25 & 25 portées par les extrémités des deux parties 21' & 21du cylindre 21 La rondelle iso lante peut être, par exemple, constituée par du mica argenté. Elle consti- tue, avec les deux collerettes 25 & 25', un petit condensateur destinée d'une part, à isoler la partie 21 du cylindre de la partie 21' au point de vue continu, et à présenter d'autre part, une impédance faible vis-à-vis des courants alternatifs parcourant les deux fractions du cylindre. Une ba- gue 26 isolante est disposée entre un manchon 2511 soudé à 1''extrémité de la collerette 25,et la collerette 25.
La structure constituant le condensa- teur est ainsi maintenue mécaniquement par les vis 26' qui fixent rigide- ment l'anneau 26 au manchon 25 Il .
Le cylindre conducteur 20 est terminé par un ensemble de doigts élastiques 27 assurant un contact électrique de bonne qualité avec l'extré- mité inférieure de la surface extérieure du cylindre cathodique 7. De même l'extrémité supérieure du cylindre 21' est terminée par un ensemble de doigts élastiques 28 qui assurent un contact électrique entre cette struc- ture et le cylindre de grille 10. L'extrémité cathodique du tube 1 peut être introduite dans les cylindres 20 & 21 définissant ainsi le quatrième côté de la cavité résonnante 23 Le conducteur d'alimentation du filament 8 pénètre dans une broche 29 portée par l'extrémité de la tige conductrice 30 disposée suivant l'axe du cylindre 20. La cavité 23 constitue le circuit résonnant grille-cathode.
Elle est excitée, par exemple, ainsi qu'il est connu, par le rayonnement du conducteur central 31 d'une ligne coaxiale transversale 32. La fréquence propre de cette cavité d'entrée est commandée en déplaçant longitudinalement le piston 22. Ce piston est réalisé, ainsi qu'il est bien connu, de façon à éviter toute fuite de l'énergie contenue dans la cavité vers l'espace extérieur.
Le circuit de sortie est constitué par la, cavité 35 définie par le cylindre 36, présentant à sa partie supérieure une collerette 37 et par la plaque terminale, 38 reposant sur la collerette 37 par l'intermédiaire d'une rondelle isolante 39 identique à la rondelle 24 précédemment décrite.
La collerette 37, la plaque terminale 38 et la rondelle isolante. 39 constitu- ant un petit condensateur isolant, du point de vue continu, l'anode 5 de la grille-écran 4 et présentant une impédance faible aux fréquences de fonction- nement. Un cylindre isolant 40 est soudé d'une part, à la plaque terminale 38, d'autre part, à la collerette 37 du conducteur 36, de façon à constituer un ensemble mécanique rigide de ces deux pièces.
L'électrode de sortie cap- tant l'énergie contenue dans la cavité peut être constituée, par exemple, par une boucle de couplage 41 disposée à l'intérieur de la cavité 35 et en contact électrique avec le conducteur central 42 et le conducteur extérieur 43 d'une ligne de transmission coaxiale. La gaine 43 est maintenue mécani- quement dans une ouverture ménagée dans la, collerette 37.
La plaque terminale 38 présente une ouverture centrale, entourée par le manchon métallique 46, et dont le diamètre est légèrement supérieur à celui du conducteur longitudinal 18. Le manchon 46 est terminé par des doigts élastiques 47 frottant sur le conducteur 18. De même, les doigts é- lastiques 16 du support de grille 14 sont maintenus serrés sur, la surface interne du cylindre conducteur 36 Les doigts 16 & 17, assurent un contact électrique par pression, permettent de déplacer 1'ensemble de la cavité ano- dique parallèlement à l'axe de la structure. Ainsi qu'on l'a dit tout à l'heure, les doigts élastiques 16 peuvent être portés soit par la structure de grille, soit par la face interne du conducteur 36.
Etant données les fréquences élevées de fonctionnement, un très
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faible déplacement longitudinal de la structure définissant la cavité de sortie perturbe gravement le comportement électrique de celle-ci. Il est donc -préférable de prévoir une commande mécanique démultipliée du déplace- ment de la structure définissant la cavité anodique. A cet effet, on dispo- se d'un bouton moleté 48 solidaire d'une axe fileté 49 traversante fou, un support rigide 50. La base du bouton moleté 48 est portée par un épaulement annulaire 51 maintenu solidaire du collier 52 fixé au support 50. Lorsqu'on tourne le bouton 48,1'axe 49 se déplace long tudinalement L'extrémité infé- rieure de cet axe est solidaire d'une plaque transversale 53 scellée à l'ex- trémité supérieure du cylindre isolant 40.
Il est bon de souligner que la longueur du cylindre isolant 40 doit être suffisante pour supprimer tout risque de décharge entre l'anode 5, portée à un potentiel positif élevé, et la plaque métallique 53.
L'ensemble de la structure résonnante est maintenu mécaniquement par les pièces polaires isolantes 54 & 55. 55 est soudée à la surface exté- rieure du cylindre 21. Le diamètre de l'ouverture 56, prévue dans le sup- port 54, est légèrement supérieur au diamètre du cylindre isolant 40, de façon à permettre le libre déplacement de la cavité anodique par rapport au tube.
Ainsi qu'il apparaît, les tensions d'alimentation peuvent être facilement appliquées aux différentes électrodes du tube 1. Le courant de chauffage est appliqué, par l'intermédiaire du transformateur 57, entre le conducteur 30 et le cylindre 21. S'il est nécessaire, la cathode 2 peut être maintenue au potentiel de la masse en réunissant le cylindre 21 à la masse ainsi qu'il est représenté sur la figure, le contact électrique en- tre la partie 21' et la cathode étant assuré par l'intermédiaire du piston 22 et du cylindre intérieur 20. On a représenté, sous la forme d'une pile 58, la source de tension-de polarisation de la grille 3.
La borne positive de cette source est réunie à la masse et sa borne négative est réunie, par l'intermédiaire de la résistance 59, au cylindre 21". La tension de polari- sation de la grille-écran est appliquée, par l'intermédiaire du conducteur 60, au cylindre 36 de la structure de sortie. L'anode est maintenue à un potentiel positif convenable par l'intermédiaire du conducteur 60' traver- sant une ouverture 61 prévue à cet effet dans le cylindre isolant 40 et a- boutissant à la plaque terminale 38.
Il apparaît facilement que la cavité de sortie peut être accor- dée sur une fréquence propre très élevée tout en fonctionnant d'une façon comparable à un tronçon quart d'onde de ligne de transmission, court-circuité à l'une de ses extrémités et présentant une charge capacitive à l'autre ex- trémité. La limite supérieure de la fréquence à laquelle on peut accorder le résonateur de sortie est définie par la course de la structure du circuit de sortie. Celle-ci se trouve limitée lorsque la plaque terminale 38 entre en contact avec le dôme isolant 17. La fréquence la plus longue est définie par les dimensions du conducteur cylindrique 36 et du manchon 46.
Dans ce qui précède, le diamètre du conducteur anodique 18 est faible par rapport au diamètre du cylindre 36. On obtient ainsi une cavité résonnante présentant une bande passante importante. Il est bien évident que les dimensions du conducteur 18 ainsi que celles de l'anode 5 peuvent être choisies différentes, de façon à obtenir les caractéristiques désirées pour la cavité 35.
Il n'est pas nécessaire d'insister sur le fait que la structure qui vient d'être décrite s'applique également à des tubes du type triode ou à des tubes comportant plus de deux grilles. Il est essentiel, selon l'in vention, que l'une au moins des grilles porte des doigts élastiques ou un anneau de diamètre supérieur à la structure du tube, tel 14, de façon à per- mettre le déplacement longitudinal de la cavité de sortie. La cavité de sor- tie, réalisée selon l'invention, présente deux groupes de contact élastiques mobiles, alors que les cavités ajustables telles que la cavité cathodique, en présentent habituellement quatre. Il résulte de cette caractéristique que les pertes d'énergie sont diminuées, les discontinuités du conducteur défi- nissant les cavités étant réduites.
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HYPERFREQUENCY ELECTRONIC TUBE.
The invention relates to circuits operating in the range of micrometric frequencies and more particularly to electron tubes and the resonant circuits associated with these tubes.
As is well known, the resonant circuits used in the micrometric wave range are usually made using resonant cavities. The geometric shape and size of the tube and associated cavities are conditioned by the operating wavelength of the system.
When dropping below 10 cm in length, the size of circuits and tubes becomes very small, and their machining is difficult if high efficiency is to be maintained.
As is well known, the resonant elements behave like circuits with maximum efficiency and maximum bandwidth when they operate in quarter-wave. The mechanical tolerances to be observed are very severe under these conditions. The present invention relates to associated resonant circuits and an electron tube operating in the micrometric wave range of simple mechanical production, said circuits being adjustable in frequency in a wide band and exhibiting, in the whole range, high efficiency.
According to one of the essential characteristics of the invention, the electron tube is terminated by a small dome of insulating material supporting the anode of the tube. Part of this electrode passes through the insulating dome so as to facilitate connections. A conductive piece extending from the base of the insulating dome provides mechanical rigidity and electrical contact between an external circuit and another electrode of the tube.
This electrode arrangement makes it possible to cap the dome with the aid of a resonant cavity of cylindrical shape, for example $ which engages lescopically around the tube. The lower part of the. the cavity is in mobile contact with the conductor integral with the second electrode The other
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end of the cavity has a circular sleeve ensuring good movable contact with the fraction of the anode which comes out of the insulating dome. The specific frequency of the cavity can thus be modified by changing the axial position of the resonant assembly with respect to the electron tube.
The invention will be better understood by referring to the following description given by way of nonlimiting exemplary embodiment and in which; - Figure 1 is a sectional view of an electron tube according to the invention, - Figure 2 is a sectional view of a resonant assembly according to the invention.
Figure 1 shows a tube 1 according to the invention, comprising a cathode 2, a control grid 3, a screen grid 4 and an anode 5 arranged in the order cited along a common axis. .
The surfaces of the cathode 2 and of the anode 5 are arranged one against the other, so that the latter electrode collects the electrons emitted by the cathode. 6 shows the cathode heating filament disposed inside the metal cylinder 7 electrically connected to the cathode and extending beyond the envelope delimiting the tube.
One end of the filament is connected to cathodic cylinder 7 while the other end is joined to a rod 8 arranged along the axis of cylinder 7 and isolated from the latter by the glass bead 9. A second cylinder metal 10 is arranged concentrically with cylinder 7. Its upper end has a collar 11 directed towards the axis of the cylinder and serving as a mechanical support for the grid 3. An insulating glass collar 12, for example, ensures the relative position. cylinders 7 & 10 and their relative isolation.
An insulating sleeve 13, made of glass for example, is sealed at one of its ends, at the upper part of the cylinder 10 and at the other end to a disc 14 supporting the screen grid 4. This electrode occupies the center of the cylinder. 'central opening 15 of the part 14. The ring 14 is terminated on its circumference by elastic fingers 16, slightly conical, arranged so that their lower end deviates from the axis of the tube and that they re - partially cover the insulating sleeve 13. As a variant, the ring 14 may be terminated by a rigid collar. Under these conditions, it is essential to place the resilient fingers on the internal surface of the resonator which will be described later.
A dome-shaped insulating part 17, made of glass for example, is welded at its base to the ring 14. A longitudinal conductor 18 passes through the dome at its top. This conductor is sealed to the anode 5 of the tube. The insulating dome 17 constitutes a mechanical support for the anode structure and completes the sealed envelope surrounding the electrodes of the tube 1.
A size of tube 1 is defined by the wavelength at which it is desired to operate that tube. As a result of the numerous insulating supports arranged between cathode 2 and anode 5, it is possible to reduce the overall dimensions of the tube without risking an interelectrode short-circuit. In the frequency band of 10 centimeters in wavelength, the length of the tube is of the order of 7 centimeters, the base diameter of the insulating dome 17 is of the order of 2 centimeters and its height of 1.25 centimeters. The staircase configuration, resulting from the use of concentric cylinders of different diameters to support the electrodes, is particularly suitable for the introduction of the tube into resonant cavities, as will be specified later.
FIG. 2 represents the tube of FIG. 1 associated with a resonant assembly and functioning as an amplifier. It is obvious that this exemplary embodiment is in no way limiting and that the tubes in accordance with the invention can be associated with cavities of the same type according to a
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electrical diagram corresponding for example to a self-oscillator The elements of the tube bearing the same reference numbers as in the previous figure o
The input circuit is formed by the cavity 23 defined by the central cylindrical conductor 29 and the external cylindrical conductor 21. A movable piston 22 makes it possible to adjust the resonant frequency of this cavity.
The outer cylinder 21 is divided into two parts by the insulating washer 24 disposed between the two flanges 25 & 25 carried by the ends of the two parts 21 '& 21 of the cylinder 21 The insulating washer may be, for example, constituted by silver mica. It constitutes, with the two flanges 25 & 25 ', a small capacitor intended on the one hand to isolate part 21 of the cylinder from part 21' from a continuous point of view, and on the other hand to present a low impedance vis-à-vis the alternating currents flowing through the two fractions of the cylinder. An insulating ring 26 is disposed between a sleeve 2511 welded to the end of the flange 25, and the flange 25.
The structure constituting the capacitor is thus maintained mechanically by the screws 26 'which rigidly fix the ring 26 to the sleeve 25 II.
The conductive cylinder 20 is terminated by a set of resilient fingers 27 ensuring good quality electrical contact with the lower end of the outer surface of the cathode cylinder 7. Likewise the upper end of the cylinder 21 'is terminated by a set of resilient fingers 28 which provide electrical contact between this structure and the grid cylinder 10. The cathode end of the tube 1 can be inserted into the cylinders 20 & 21 thus defining the fourth side of the resonant cavity 23 The conductor supplying the filament 8 enters a pin 29 carried by the end of the conductive rod 30 disposed along the axis of the cylinder 20. The cavity 23 constitutes the grid-cathode resonant circuit.
It is excited, for example, as is known, by the radiation of the central conductor 31 of a transverse coaxial line 32. The natural frequency of this inlet cavity is controlled by moving the piston 22 longitudinally. This piston is carried out, as is well known, so as to avoid any leakage of the energy contained in the cavity towards the external space.
The output circuit is formed by the cavity 35 defined by the cylinder 36, having at its upper part a collar 37 and by the end plate, 38 resting on the collar 37 by means of an insulating washer 39 identical to the washer 24 previously described.
The flange 37, the end plate 38 and the insulating washer. 39 constituting a small capacitor insulating, from the continuous point of view, the anode 5 of the screen grid 4 and having a low impedance at the operating frequencies. An insulating cylinder 40 is welded on the one hand, to the end plate 38, on the other hand, to the collar 37 of the conductor 36, so as to constitute a rigid mechanical assembly of these two parts.
The output electrode capturing the energy contained in the cavity can be constituted, for example, by a coupling loop 41 disposed inside the cavity 35 and in electrical contact with the central conductor 42 and the outer conductor. 43 of a coaxial transmission line. The sheath 43 is held mechanically in an opening made in the collar 37.
The end plate 38 has a central opening, surrounded by the metal sleeve 46, and the diameter of which is slightly greater than that of the longitudinal conductor 18. The sleeve 46 is terminated by elastic fingers 47 rubbing against the conductor 18. Likewise, the elastic fingers 16 of the grid support 14 are held tight on the inner surface of the conductive cylinder 36 The fingers 16 & 17, provide electrical contact by pressure, allow the entire anodic cavity to be moved parallel to the axis of the structure. As was said earlier, the elastic fingers 16 can be carried either by the grid structure or by the internal face of the conductor 36.
Given the high operating frequencies, a very
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small longitudinal displacement of the structure defining the outlet cavity seriously disturbs the electrical behavior of the latter. It is therefore preferable to provide a geared mechanical control of the movement of the structure defining the anode cavity. For this purpose, a knurled knob 48 integral with a threaded pin 49 passing through idle, a rigid support 50 is available. The base of the knurled knob 48 is carried by an annular shoulder 51 held integral with the collar 52 fixed to the support. 50. When the knob 48 is turned, the axis 49 moves long tudinally. The lower end of this axis is integral with a transverse plate 53 sealed to the upper end of the insulating cylinder 40.
It should be noted that the length of the insulating cylinder 40 must be sufficient to eliminate any risk of discharge between the anode 5, brought to a high positive potential, and the metal plate 53.
The whole of the resonant structure is mechanically held by the insulating pole pieces 54 & 55. 55 is welded to the outer surface of the cylinder 21. The diameter of the opening 56, provided in the support 54, is slightly. greater than the diameter of the insulating cylinder 40, so as to allow free movement of the anode cavity relative to the tube.
As it appears, the supply voltages can be easily applied to the different electrodes of the tube 1. The heating current is applied, through the transformer 57, between the conductor 30 and the cylinder 21. If it is necessary, the cathode 2 can be maintained at ground potential by connecting the cylinder 21 to ground as shown in the figure, the electrical contact between the part 21 'and the cathode being ensured through piston 22 and inner cylinder 20. There is shown, in the form of a battery 58, the voltage-bias source of grid 3.
The positive terminal of this source is joined to ground and its negative terminal is joined, through resistor 59, to cylinder 21 ". The polarization voltage of the screen grid is applied, through from conductor 60 to cylinder 36 of the output structure The anode is maintained at a suitable positive potential by means of conductor 60 'passing through an opening 61 provided for this purpose in insulating cylinder 40 and buttressing at end plate 38.
It easily appears that the output cavity can be tuned to a very high natural frequency while operating in a manner comparable to a quarter-wave section of a transmission line, short-circuited at one of its ends and having a capacitive load at the other end. The upper limit of the frequency to which the output resonator can be tuned is defined by the stroke of the output circuit structure. This is limited when the end plate 38 comes into contact with the insulating dome 17. The longest frequency is defined by the dimensions of the cylindrical conductor 36 and of the sleeve 46.
In the foregoing, the diameter of the anode conductor 18 is small compared to the diameter of the cylinder 36. A resonant cavity is thus obtained having a large pass band. It is obvious that the dimensions of the conductor 18 as well as those of the anode 5 can be chosen to be different, so as to obtain the desired characteristics for the cavity 35.
It is not necessary to insist on the fact that the structure which has just been described also applies to tubes of the triode type or to tubes comprising more than two grids. It is essential, according to the invention, that at least one of the grids carries elastic fingers or a ring of greater diameter than the structure of the tube, such as 14, so as to allow the longitudinal displacement of the cavity of the tube. exit. The outlet cavity, produced according to the invention, has two movable elastic contact groups, while the adjustable cavities such as the cathode cavity usually have four. The result of this characteristic is that the energy losses are reduced, the discontinuities of the conductor defining the cavities being reduced.
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