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DISPOSITIF A ARC , DAN S UNE ATAiOSP:HER,E DE VAPEUR.
'La présente invention concerne les dispositifs à décharge à arc dans une atmosphère de vapeur, du type à'bain et à anode unique, et spécia-- lement un procédé et un moyen d'amorçage de la tache cathodique d'un arc au début de chaque période conductrice du dispositif.
Il existe des courbes donnant la relation entre la tension de rupture et'le produit pression-distance pd pour diverses vapeurs de métaux de décharge, p signifiant la pression de la vapeur,en toute unité convenable comme des microns de mercure, et d désignant la distance ou espacement entre les électrodes en toute unité convenable, des centimètres par exemple.
Quoi- que ses courbes rupture-pression-distance soient différentes pour des vapeurs de décharge différentes, elles ont toutes une caractéristique commune en ce qu'elles donnent une tension de rupture extrêmement élevée pour des petites
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valeurs, .de'd, la tension de rupture tombant-rapidement quand le produit pd augmente jusqu'à atteindre une.valeur minimum, habituellement de l'ordre.de 200 à 500 volts, pour une certaine valeur déterminée du produit, pression- distance pd, àprès quoi la tension-de rupture remonte pour de nouvelles aug-
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me,ntations,,du produ t.J29., mais beaucoup plus lentement.
¯.# A moins d'utiliser dès-moyens de suppression d'arc qui consom- ment des volts et abaissent le rendementk, un dispositif de décharge à arc dans une atmosphère de vapeur doit travailleravec un produit'pression dis- tance pd assez faible pour maintenir la tension de rupture suffisamment grande de façon à éviter,des arcs de retour pendant les périodes de non con- duction du dispositifs Habituellement, cette tension de rupture doit être au moins égalé à 2,5 fois la tension continue du.redresseur, plus ou moins, suivant'le genre de. circuit, et on utilise souvent des tensions de rupture beaucoup plus élevées, pour avoir une plus grande sécurité contre les retours d'arc.
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Suivant une forme d'exécution préférée de la présente invention; l'anode principale du dispositif à décharge est placée très près de la surface du bain cathodique, de manière à obtenir un petit espacement ou distance d et, par conséquent, un petit produit pression-distance pd. L'appareil a son point de fonctionnement sur la partie initiale très raide de la courbe rupture -pd, de manière que les deux électrodes principales puissent tenir ou résister à une tension élevée, sans rupture ni formation d'arc dans l'espace les sépa- rant.
Dans la forme d'exécution.préférée de l'invention, une anode auxiliaire ou d'amorçage est prévue placée à une beaucoup plus grande distance de la cathode, de sorte que le produit pression-distance pd de l'électrode auxiliaire d'amorçage se rapproche plus de la tension de ruptute minimum et que le grand espacement entre l'électrode auxiliaire d'amorçage et la cathode principale ait une tension de rupture relativement basse, afin qu'il soit facile d'y produire un arc par une impulsion de tension momentanée de longueur voulue.
Il est parfois nécessaire de ,prévoir une protection de l'un ou l'autre genre pour l'électrode auxiliaire d'amorçage afin d'éviter des arcs entre celle-ei et l'anode principale, et cette protection suffit parfois sans devoir augmenter 1 écartement de l'anode d'amorçage.
Des essais ont montré que le nouveau dispositif d'amorgage pour un dispositif à décharge à arc dans une atmosphère de vapeur du type à élec- trode d'allumage est préférable, à plusieurs points de vue, à l'igniteur clas- sique qui consiste en un corps à haute résistance ou semi-conducteur plon- geant dans le bain de mercure et qui demande ordinairement, pour bien fonc- tionner, un courant d'excitation relativement considérable.
L'invention peut être réalisée avec l'un quelconque de plusieurs métaux de décharge comme matière cathodique vaporisable propre à se recons- tituer, y compris tout métal capable de former un bain liquide à une tempé- rature raisonnable et ayant aussi les caractéristiques nécessaires de faible chute de tension d'arc. Les métaux de décharge de ce genre les mieux connus comprennent le mercure, le cadmium, et les trois métaux légers stables les plus lourds du groupe dès-métaux alcalins, comprenant le césium, le rubidium et le 'potassium.
Le nouveau procédé d'excitation est;particulièrement intéressant dans les tubes à métal alcalin du type utilisant une matière cathodique vapo- risàble propre à se reconstituer, formant un bain, consistant en césium, ru- bidium ou potassium. Par tube ou valve du type à bain, on entend tout tube ou valve dont la matière cathodique est vaporisable et se reconstitue.
Ce peùt être un bain visible ou un bain humectant une matière spongieuse, dans ce dernier cas une matière poreuse pratiquement non vaporisable emprisonnant àu moins la partie active de la matière cathodique vaporisable propre à se . reconstituer, ou encore un bain visible dans lequel plongent de nombreuses cloisons disposées verticalement et espacées à des distances plus grandes que les dimensions capillaires d'une matière spongieuse.
Avec le nouveau procédé d'excitation il est pratiquement possible, pour la première fois, de construire un tube à bain et à anode unique avec un métal, alcalin, parce que les matières semi-conductrices des igniteurs précédents ne pouvaient pas être mises en contact avec les métaux alcalins chimiquement très actifs, cé- sium,..rubidium ou potassium, qui imprègnent tout et sont aspirés par les po- res de l'igniteur.
' Jusqu'ici les tubes redresseurs à métal alcalin étaient du type à cathode chaude. 'Ces tubes sont non seulement de construction relativement coûteuse et longs à s'échauffer au début d'une mise en marche, à cause de la température relativement élevée de la cathode, mais leur débit est nette- ment limité, à cause de la nécessité de l'entretien continuel d'une couche mono-atomique de métal de décharge sur la cathode chauffée, à l'aide de la vapeur du métal de 'décharge.
Dans un tube à métal alcalin à cathode chaude, il faut, de plus, intercaler des écrans thermiques entre la cathode relativement chaude et l'a- node très voisine relativement froide, ces écrans étant non seulement une , .cause de-frais et de difficultés considérables mais aussi une cause d'augmen'-
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talion de la Chute' 'de tension d'arc, Ces tubes à métal alcalin à cathode chaude ont aussi'''une'chute d'arc ou perte'de tension interne très variable suivant les conditions de charge.
Un tube à bain cathodique d'autre part est capable de laisser passer des courants extrêmement intenses pratiquement illimités par une surface de cathode relativement réduite, de sorte que les dimensions et le prix d'un tube'd'un débit donné quelconque sont très infé- rieurs à ceux d'un tube à cathode chaude, et, en outre, la chute d'arc 'd'un tube à bain est pratiquement indépendante des conditions de charge.
L'invention se. caractérise encore par divers détails de construc- tion, des détails de commande de la température et d'autres, ' comme la possibilité du béryllium ou du ti- tane comme revêtement d'anode et de-grille, si une grille est utilisée, ou sur la grille'seulement, afin de permettre à ces parties d'être'portées à des températures plus élevées sans émission sensible d'électrons.
Différentes formes d'exécution préférées de l'invention sont représentées, à titre d'exemple, dans les dessins annexés.
La figure 1 est une coupe verticale d'une forme de tube préférée comprenant certaines caractéristiques de la présente invention.
La figure 2 est une vue schématique des circuits et appareils constituant une installation complète à trois tubes du nouveau type pour l'alimentation en courant continu d'une charge à partir d'une source tripha- sée, avec les caractéristiques nécessaires de commande d'excitation et de température ; et
Les figures 3, 4 et 5 sont des coupes plus ou moins schématiques d'autres'formes'de tubes comprenant différentes caractéristiques de l'invention.
Comme la figure 1,le montre, le nouveau, tube redresseur est un dispositif à arc dans une atmosphère de vapeur à conduction asymétrique com- prenant un récipient sous vide 6-contenant deux et uniquement deux électro- des principales 7 et 8. Les parties métalliques principales du récipient sous vide 6 (à distinguer des parties isolantes de scellement décrites ulté- rieurement) sont de préférence en fer ou en acier, quoique d'autres métaux puissent être utilisés. Chaque tube constitue donc un redresseur monophasé servant à échanger de l'énergie entre deux circuits, comme entre un circuit à Courant alternatif et un circuit à courant .continu.
A la figure 2, le cir- cuit à courant alternatif est représenté sous la forme d'un circuit d'alimen- tation triphasé 10, et le circuit à courant continu est indiqué comme étant un circuit de charge à courant continu 11, et on utilise un tube redresseur 6' 'différent pour chacune des trois phases du circuit d'alimentation 10.
Chaque tube 6 comporte aussi une anode auxiliaire d'amorçage 12 servant à. exciter le tube au début de chaque période de conduction des deux électrodes principales 7 et 8. Suivant la présente invention la cathode 8 est du type à bain cathodique et elle se trouve donc nécessairement sous l'anode principale 7, de sorte qu'elle est la plus basse des deux électrodes principales 7 et 8. Le bain cathodique 13 est en une matière cathodique va- porisable propre à se reconstituer, choisie de préférence dans le groupe mer- cure, cadmium, césium, rubidium et potassium et choisie plus avantageusement encore dans le groupe césium, rubidiumet potassium, avec une préférence par- ticulière pour le césium comme matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer.
Gomme on le décrira plus loin avec référenceà la figure 4, ce bain cathodique 13 peut êtrr un bain nu visible, mais il ést préférable, pour différents motifs, que le bain ou métal de décharge vaporisable propre à se reconstituer soit emprisonné par une matière poreuse sensiblement non vapo- risable consistant en une éponge ou un cloisonnement à multiples cloisons espacées de distances correspondant:aux dimensions capillaires comme indiqué en 14 à la figure 1. Cette matière.poreuse peut être un conducteur à haute température, comme le.molybdène, le.tungstène, le tantale, le ruthénium et le carbone.
Le métal de décharge:13 sature l'éponge de cathode 14, mais s'il
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y en a un peu plus que nécessaire il peut se rassembler dans l'espace sur le pourtour de l'éponge, ou'en tout autre endroit convenaole qui peut être amé- nagé. Dans certains cas, comme le montre la figure 1, il peut être bon de retenir l'éponge de cathode 14 au mcyen de pinces 15 qui maintiennent l'éponge en place un.rien au-dessus du fond de la partie cathodique du récipient 5, de façon que le m"tal de décharge liquide 13 puisse passer sous l'éponge et se répartir plus facilement dans toute la masse de l'éponge.
Il faut que le métal de décharge 13 humecte l'éponge de manière à circuler facilement dans les tuyaux capillaires. Quand la cathode vapori- sable est constituée par du mercure, l'éponge doit subir un traitement pré- liminaire à l'hydrogène à haute température, pour que le mercure humecte bien la matière spongieuse, tandis qu'avec le césium, le rubidium ou le potassium ce traitement préliminaire est inutile, les métaux alcalins humectant faci- lement les autres matières.
Comme la figure 1 le montre, il peut aussi être parfois utile d'entourer le bord supérieur de l'éponge de cathode 14 par une rondelle iso- lante 16 qui peut être maintenue par des pinces 17 afin d'empêcher que les ta- ches cathodiques ne quittent l'éponge.
L'anode principale 7 et l'anode auxiliaire d'amorçage 12 doivent être isolées séparément de façon à être isolées et espacées entre elles aussi et par rapport à la cathode 8. Dans la forme d'exécution de l'invention re- présentée à la figure 1, les deux supports isolants des anodes font partie du récipient sous vide 6. L'anode principale 7 est séparée de la cathode principale 8 par un scellement verre-métal 18, 19,20 comprenant des minces feuilles métalliques 18 et 20 scellées dans une pièce tubulaire en verre 19 d'une part et l'anode 7 et la cathode 8 respectivement d'autre part.
Quand on utilise un métal de décharge chimiquement actif, comme le césium, le rubi- dium ou le potassium, les feuilles métalliques 18 et 20 du scellement doivent être recouvertes intérieurement de titane ou de zirconium , ou peut être de béryllium ou même de chrome, afin d'éviter que les oxydes du verre ne soient réduits par le métal de décharge chimiquement actif quand le tube est porté à la température de travail correcte.
Dans la forme d'exécution préférée de l'invention représentée à la figure 1, l'électrode principale supérieure ou anode 7 comporte une par- tie creuse ou tubulaire rentrante 22 qui va du dessus du récipient vers le bas à l'intérieur du dispositif. La partie rétive de l'anode principale 7 est une pièce métallique plate 7' fixée au bas de la partie rentrante 22.
Cette partie active 7' de l'anode principale est percée d'un trou central 24, autour duquel est scellée une partie de scellement verre-métal d'une ano- de d'amorçage 25, 26, 27 qui s'étend verticalement comme une¯cheminée fermée au-dessus de ce trou central 24 et coiffée, tout en haut, d'une anode auxi- liaire d'amorçage 12.
Les minces feuilles métalliques 25 et 27 peuvent être scellées entre la pièce tubulaire en verre 26 et les parties métalliques 12 et 7' respectivement, comme le scellement verre-métal principal déjà décrit 18, 19, 20. '
Dans tout dispositif électrique à décharge dans une atmosphère de vapeur, la pression de vapeur p est déterminée par la température de con- densation de la vapeur, qui est la température de la partie la plus froide de la paroi intérieure du dispositif ou tube. Dans les tubes à bain, il est habituellement plus aisé de déterminer le point ou la région la plus froide sur la partie cathodique 8 du récipient sous vide 6, c'est-à-dire la partie du récipient sous vide qui porte le bain cathodiqué 13.
Il serait évidemment possible de rendre une certaine partie supérieure du récipient, par exemple la partie d'anode principale 7, le point le plus froid du tube de manière que les vapeurs du métal de décharge s'y.condensent, mais, dans ce cas, il faudrait exécuter la partie isolante 19 de façon que les gouttelettes de condensation ne coulent pas de manière continue sur l'isolant et ne court- circuitent pas ce dernier. A cet effet, aussi bien dans les nouveaux que dans les anciens tubes à bain, il est préférable de rendre l'une ou l'autre partie de la cathode 8 le point le plus froid du tube qui détermine la pres- sion de vapeur dans le tube.
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Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, comme le mon- trent les figures 1 et 2, il est préférable d'aller plus loin et de faire du fond de la partie cathodique 8 le point le plus froid du tube. Plus exac- tement, le bain cathodique 13 est de préférence la partie la plus froide, du tube, excepte'évidemment en ce qui concerne la partie du bain cathodique dans le voisinage de la tache cathodique ou naissance de l'arc. A cet effet, il est utile d'employer une éponge de cathode 14 aussi mince ou fine que possi- ble,de manière à réduire la profondeur du bain cathodique 13 et le gradient de température entre le bord supérieur du bain et le point le plus froid qui est le fond de la partie cathodique 8 du récipient sous vide 6.
De cette manière, on utilise un système de réfrigération dans lequel la chaleur est principalement'évacuée par conduction du bain cathodique vers le bas dans le fond du récipient et ensuite rayonnée sur une surface convenable de la cathode'pour la radiation de la chaleur.
Avec une éponge 14, les pores de l'éponge servent à contenir la matière'cathodique et à se remplir après évaporation dans l'arc, et il est- donc possible d'utiliser un bain cathodique 13 moins profond que ce ne serait possible avec un bain nu. Dans certaines autres formes de tubes ou anciens tubes, le bain cathodique n'est pas-l'endroit le plus froid du tube, de sor- te que la condensation se fait ailleurs, par exemple sur les parois latérales de la partie-cathodique 8 du récipient sous vide 6, et que le refroidissement du bain se fait par évaporation du liquide cathodique, par opposition au re- froidissement par conduction à travers la matière cathodique vers la surface de paroi en-dessous constituant le point le plus froid, comme dans la présen- te construction.-
Quand on utilise comme matière cathodique un métal de décharge coûteux,
comme le césium ou le' rubidium, ou même le potassium, il faut uti- liser une éponge de cathode 14 mince, non seulement pour que le bain catho- dique soit mince ou peu profond mais pour. que l'éponge même remplisse une partie de-l'espace occupé par la bain mince ou peu profond, de façon à n'avoir besoin que d'un minimum de matière cathodique. Quand la demande pour de tel- les matières cathodiques augmentera, le césium par exemple, son prix diminuera fortement en peu de temps, de sorte.qu'on pourra employer des bains plus pro- fonds et par conséquent des éponges plus épaisses et plus profondes.
Dans le cas d'une 'éponge épaisse, quelle que soit la matière cathodique employée, il peut être intéressant d'utiliser des couches spongieuses superposées ayant des porosités différenes et ayant peut être même des points de fusion dif- férents, la matière ayant les pores les plus fins et le point de fusion le plus élevé se trouvant au-dessus là où elle est attaquée par l'arc, comme cela a été suggéré au-paravant pour d''autres constructions.
Dans tous les dispositifs à arc dans une atmosphère de vapeur, il y a une certaine gamme optimum de pressions de vapeur pour laquelle la chute d'arc, est minimum, et la température du point le plus froid est géné- ralement choisie de manière que la pression de vapeur tombe dans cette gamme optima. Quel que soit le métal de décharge, cette pression de vapeur opti- mum se trouve comprise entre 10 et 80 microns de mercure. Par exemple, si le césium est le.métal de décharge, une température de condensation ou de point le plus froid.de 185 C donne une pression de vapeur de 41 microns.
Avec du rubidium comme métal de décharge, la température de condensation cor- respondante serait de 204 C et avec le potassium 245 C. Cette étude des pres- sions de vapeur optima pour obtenir la-plus faible chute de tension d'arc, c'est-à-dire entre l'anode principale 7' et le dessus du bain cathodique 13, est limitée aux redresseurs du type à bain cathodique, par opposition aux redresseurs à métal alcalin à cathode chaude, dans lesquels la pression de vapeur nécessaire est déterminée par le fait qu'il faut une densité de vapeur suffisante pour maintenir ou rétablir la couche monomoléculaire de métal de décharge sur la surface chaude de la cathode pendant les conditions de courant de charge élevé.
La présente invention a, en commun avec d'autres redresseurs à anode unique, la caractéristique que le tube laisse passer le courant sous la forme d'un arc reliant les deux électrodes principales 7 et 8, ou 7' et
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13, uniquement lorsque l'anode principale 7 est positive par rapport à la cathode 8, et elle se caractérise aussi en ce que l'arc principal condui- sant le courant doit être amorcé par une sorte de dispositif anodique auxi- liaire d'amorçage qui crée la tache cathodique initiale sur le bain de catho- de 13 et permet à l'arc principal de s'établir entre les deux électrodes prin- cipales.
Cet amorçage de l'arc doit se répéter au début de chaque période conductrice du tube et ceci se fait communément par l'application d'une tension d'excitation ou d'amorçage appropriée au moment où il faut amorcer - une période de conduction du tube.
L'anode auxiliaire d'amorçage 12 n'est pas une nouveauté en ce qu'elle applique une impulsion d'excitation appropriée mais elle est une nouveauté en ce qu'elle est initialement écartée du bain cathodique 13. Quand l'impulsion de tension d'activation ou d'excitation est appliquée à l'anode auxiliaire d'amorçage 12, il faut disposer de l'un ou l'autre dispositif ou expédient qui détermine où la rupture se produit et qui assure que cette rup- ture se produise de l'anode auxiliaire d'amorçage vers la matière cathodique vaporisable du bain 13, et non sur l'anode 7 ou sur les parois latérales du récipient sous vide 6, ou en tout autre endroit que le bain cathodique 13.
Les figures 1 et 2 montrent une barrière isolante de protection sous la forme d'un isolateur tubulaire résistant à la chaleur en céramique ou en verre 30 qui entoure le trou 24 pratiqué dans la partie active 7' de l'anode principale. Cet écran tubulaire isolant 30 forme donc un prolongement de la partie tubulaire isolante 26 du scellement verre-métal qùi porte l'anode d'amorçage 12, de sorte que toute décharge qui constitue le début d'une rup- ture entre l'anode d'amorçage 12 et toute autre partie conductrice du dispo- sitif est obligée de descendre par les deux tubes isolants 26 et 30 vers un point si proche de la surface supérieure du bain cathodique 13, qu'elle se terminera forcément sur celui-ci plutôt que n'importe où ailleurs.
Cette décharge de rupture commence habituellement comme une décharge luminescente à cause de la grande distance entre les électrodes, et ceci provoque un bombardement d'ions positifs suffisamment important du bain cathodique 13 de sorte qu'elle se transforme rapidement en une étincelle cathodique en un temps de l'ordre de trois dixièmes, d'une milliseconde, plus ou moins. Une fois l'étincelle cathodique établie, l'anode principale 7 cap- te le courant pratiquement instantanément, en établissant un arc entre elle et le même point de la cathode où jaillit l'étincelle, arc qui s'étend instan- tanément aux autres parties du bain cathodique 13, et l'anode principale 7 commence donc à laisser passer tout le courant exigé par le circuit de charge 11 (fig. 2).
En commun avec d'autres dispositifs à décharge à arc, le nouveau tube a son point de fonctionnement en plein sur la partie raide de la courbe rupture-pd, où la tension de rupture est très élevée et le produit pression- distance pd est beaucoup plus petit que la valeur qui produirait la tension de rupture'minimum entre l'anode principale 7 et la cathode principale 8.
Il faut que le produit pression-distance pd réel relatif à l'anode princi- pale 7 corresponde à une tension qui est supérieure à la tension négative maximum qui-sera appliquée à l'anode principale pendant toute partie de pé- riode non-conductrice du tube, avec habituellement en plus.un certain fac- teur de sécurité.
Dans l'exécution de la présente invention, le produit pression- distance pd relatif à l'anode principale est de préférence rendu exception- nellement petit, de sorte que la distance d entre l'anode principale 7 et la cathode principale 8 sera aussi petite, de façon à réduire la chute d'arc pendant la période de conduction du courant du tube. En fait, comme le mon- tre la figure 1, l'espacement d est de-préférence rendu assez petit pour que, s'il n'y avait pas l'effet de freinage dû à la capillarité des pores de l'é- ponge de cathode 14 utilisée de préférence, des difficultés de fonctionnement soient causées par des gouttelettes de matière cathodique jaillissant et at- teignant la surface active 7' de l'anode en y formant des taches cathodiques.
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On sait que ces-gouttelettes de métal cathodique, venant en con- tact avec 1.'anode d'un tube, provoquent des retours d'arc ou. de la conduction du tube pendant les demi-périodes négatives de la tension anodique, alors qu'à ces moments 'il est désirable que le tube soit non-conducteur. On sait aussi qu'une éponge ou autre matière cathodique poreuse freine le jaillisse- ment vers le haut de ces gouttelettes de matière cathodique, ce qui évite la nécessité d'accroître la distance anodique d ou d'interposer des écrans, barrières et grilles protectrices, connus en soi et qui tous accroissent la chute de tension produite dans le tube en fonctionnement normal.
C'est là une raison de plus pour qu'il.soit désirable d'utiliser une matière poreuse telle que l'éponge cathodique 14, en outre des autres raisons déjà exposées, auxquelles s'ajoute encore celle qui sera exposée ci-après à propos des lon- gueurs relatives des distances ou espacements de l'anode principale 7 et de l'anode d'amorçage 12, par, rapport à la cathode 8.
Il ne faut pas oublier qu'un certain dispositif est nécessaire pour assurer que toute rupture provenant de l'anode auxiliaire d'amorçage 12 se termine toujours sur la cathode plutôt qu'en tout autre endroit du tu- be. Dans la forme d'exécution préférée de l'invention représentée à la fi- gure 1, une partie essentielle de ce dispositif déterminant l'endroit de rup- ture consiste en une disposition.constructive, grâce à laquelle l'espacement d de l'anode auxiliaire d'amorçage 12 par rapport à la cathode est beaucoup plus grand que la distance d entre l'anode principale 7 et la cathode.
De cette manière, le -produit pression-distance pd de l'anode auxiliaire d'amor- çage 12 est plus grand que le produit pd correspondant de l'anode principale 7. Cela,signifie que'l'anode d'amorçage 12 a une tension de rupture beaucoup plus faible que l'anode principale 7. Donc, alors que l'anode principale 7 est étudiée de façon à ne jamais produire de rupture spontanée avec la catho- de-,8 pour sa distance d,l'anode auxiliaire d'amorçage 12 est délibérément conçue dé façon à provoquer facilement une rupture avec la cathode sur sa distance d, quand on lui applique un'e tension positive voulue pour amorcer une décharge entre l'anode d'amorçage et le bain cathodique.
La tension d'amorçage appliquée à l'anode auxiliaire 12 peut être supérieure ou inférieure à la tension maximum appliquée à l'anode prin- qipale 7 en cours de fonctionnement. Le produit pression-distance pd appli- câble à l'anode auxiliaire d'amorçage 12 sera habituellement inférieur à la valeur pd optimum correspondant à la tension de rupture minimum, mais il peut aussi être égal ou supérieur même à cette valeur optimum, aussi longtemps que la. tension de rupture de l'anode auxiliaire d'amorçage 12 est inférieure à la tension d'amorçage appliquée pour amorcer une période de conduction du'dispositif.
Le phénomène décrit en dernier lieu constitue donc une autre raison extrêmement importante d'avoir une distance d anormalement faible en- tre l'anode principale 7 et la cathode,de façon que la distance d qui sépare l'électrode auxiliaire d'amorçage 12 de la cathode puisse être relativement plus grande, afin'que l'anode d'amorçage résiste moins bien aux tensions appliquées sans'rupture. Ainsi la capacité de l'anode d'amorçage de produi- re une décharge pour des valeurs raisonnables de tension appliquée et des pressions de vapeur qui ne sont pas exagérées pour permettre un bon fonction- nement de l'anode principale, est relativement augmentée. En d'autres mots, il faut que l'électrode d'amorçage 12 puisse provoquer une rupture avec la cathode 13, alors que cela ne doit pas se produire avec l'anode principale 7.
L'écartement plus grand de l'anode d'amorçage 12 constitue un écran supplé- mentaire important ajouté à l'effet de protection de l'isolateur tubulaire 30, parce qu'il détermine le chemin de décharge de l'anode auxiliaire d'amor- çage 12 et que ce chemin aboutit toujours sur le bain cathodique, de préfé- rence à tout autre endroit à l'intérieur du tube.
En'fait la construction d'une anode d'amorgage fortement écartée de la cathode est si importante que,'dans'de- nombreux cas, surtout lorsque la tension nominale du tube est relativement faible, ce grand écartement de l'électrode d'amorçage suffit.par lui-même-pour que toute décharge de l'élec- trode d'amorçage aboutisse toujours sur le bain cathodique, sans aucun écran
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supplémentaire à cet effet, pourvu que la géométrie intérieure ou les espace- ments à l'intérieur du tube soient favorables.
Comme le mobtre les figures 1 et 2, il est cependant souvent préférable d'associer la construction d'une électrode d'amorçage à grand écartement à la barrière isolante 30 servant d'écran et, en outre, è un écran du type électrostatique ayant la forme d'un blindage cylindrique conducteur au potentiel de la cathode 31 entourant la partie inférieure du support iso- lant 25-26-27 qui porte l'anode auxiliaire d'amorçage 12. Un tel écran 31 à potentiel de cathode empêche que l'anode auxiliaire d'amorçage 12 reçoive un gradient de potentiel de l'anode principale 7 et évite la production d'une décharge entre l'anode auxiliaire d'amorçage 12 et l'anode principale 7 quand la tension de travail est appliquée entre l'anode principale 7 et la cathode 8.
Les parties essentielles d'un système triphasé complet à trois tubes 6 du type décrit ci-dessus, sont représentées à la figure 2. Le courant du réseau triphasé d'alimentation 10 est envoyé sur les trois anodes princi- pales 7 par l'intermédiaire d'un transformateur 33, suivant l'un ou l'autre des procédés classiques. Les trois cathodes 8 sont reliées à un circuit ca- thodique commun 34 qui constitue la borne positive du circuit à courant con- tinu alimentant une charge 11. La borne négative du circuit à courant conti- nu est constituée par le point neutre des secondaires du transformateur principal 33.
Un exemple de système d'excitation ou d'allumage pour l'anode auxiliaire d'amorçage 12 comprend principalement un transformateur d'allumage 36 alimenté par le réseau polyphasé 10 et chargent trois condensateurs d'al- lumage 37 à travers des redresseurs de charge 38. Les condensateurs d'allu- mage respectifs 37 se déchargent, aux moments -voulus, sur les anodes d'amor- çage respectives 12 à travers des tubes à commande par grille 39 pourvus d'un dispositif de commande de phase 40 qui détermine la partie du cycle pendant laquelle chacun des tubes 6 est amorcé ou allumé, et qui règle ainsi la ten- sion de sortie de l'ensemble redresseur. Cet exemple n'est qu'un parmi dif- férents circuits d'allumage convenables pouvant être utilisés avec des re - dreseurs à anode unique 6.
Habituellement il faut aussi prévoir l'un ou l'autre type de dis- positif d'entretien de l'allumage pour maintenir les redresseurs princi- paux 6 conducteurs lorsque:la charge du circuit à courant continu 11 est très faible. Un dispositif convenable de ce genre peut comprendre un transforma- teur basse tension 43 alimenté par le réseau, dont les bornes du secondaire sont reliées aux trois anodes d'amorçage 12 par l'intermédiaire de redresseurs d'isolement 44.
Quoique l'invention ne soit pas limitée à des conditions de ten- sion ni à d'autres détails quantitatifs, on peut mentionner que, si les tubes redresseurs principaux 6 sont prévus avec un écartement d'anode princi- pale d compris entre 1 et 1,3 cm, et si l'écartement d de l'anode d'amorgage est de l'ordre de 13 à 25 cm, il est bon que le transformateur d'allumage 36 ait une tension de sortie de l'ordre de 3.000 volts, ce qui donne une marge de sécurité très confortable et un allumage prompt et sûr, tandis que le trans- formateur de tension d'entretien 43, s'il est utilisé, peut avoir une tension de sortie de l'ordre de 55 volts par exemple.
La tension continue nominale du système redresseur peut avoir une valeur quelconque, inférieure ou supé- rieure aux 3.000 volts du circuit d'allumage, étant simplement limitée par la tension de rupture des anodes principales 7 qui est très'élevée à cause du faible écartement d de l'anode principale. Ces chiffres sont donnés à titre d'exemple seulement.
Le dispositif de commande de température des tubes redresseurs 6 est représenté à titre d'exemple à la figure 2 sous la forme d'une enceinte isolée 50 qui contient les trois redresseurs 6, ainsi qu'un ventilateur 51 et un passage de ventilation 52 avec des portes d'entrée et de sortie 53 et 54 respectivement et des soupapes de régulation 55 et 56, la soupape 55 ser-
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vaut à fermer la 'parte de sortie 54 et la soupape 56 servant à fermer le pas- sage de ventilation, de la prise d'air du ventilateur 51 vers le dessus des redresseurs 6.
Le fond de la cathode principale 8 de chacun des redresseurs 6 est refroidi par un radiateur de .cathode.60 boulonne contre la cathode 8 et pourvu d'ailettes de rayonnement de chaleur 62.
'L'anode principale 7 de chaque'redresseur 6 est refroidie par une paroi.. cylindrique 64 qui descend- dans la partie rentrante de l'anode, de sorte, que., le fluide réfrigérant qui peut être un gaz ou un liquide, entre par le-dessus de .chaque-récipient redresseur 6, et descend, dirigé par l'écran cylindrique d'anode 64, vers la partie active 7' au bas de l'anode 7, après quoi le fluide réfrigérant ressort du récipient redresseur en remontant.
Comme la figure 1 le..montre le mieux, la surface supérieure de la partie.active 7' de l'anode principale, faite en acier, est mise, par brasage par exemple,.en contact thermique intime avec le fond d'une plaque ou rondelle en cuivre massif 67 qui est aussi percée d'un trou 68 correspon- dant au trou d'anode 24. Une cheminée ou écran cylindrique vertical 69 mon- tée dans le trou 68, sert de guide au fluide de réfrigération remontant hors . du redresseur après avoir refroidi la partie active d'anode 7'. Cette che- minée ou écran cylindrique 69 tient aussi le fluide réfrigérateur écarté du scellement verre-métal de l'anode auxiliaire d'amorçage 25, 26, 27, comme cela sera expliqué ci-dessous.
L'écran d'anode cylindrique intermédiaire 64 déjà. décrit est aussi en cuivre et pourvu d'ailettes de rayonnement de cha- leur en cuivre. 74 (fig. 1). Les bas des ailettes 74 font corps avec une pla- que ou rondelle de fond 75 en cuivre massif fixée de façon amovible par plu- sieurs boulons de cuivre 76 (pour avoir un bon transfert de chaleur) au des- sus de la rondelle de cuivre 67 constituant une partie supérieure faisant corps avec la partie active 7' de l'arode.-,
Le ventilateur 51, comme le montre la figure 2, souffle.de.l'air (ou un autre .fluide réfrigérant) par une ouverture 77 dans une plaque de paroi horizontale 78 et de là dans un-espace sous les fonds de chacun des'récipients de redresseur 6.
Chacun de ces récipients 6 est maintenu concentriquement dans une cheminée cylindrique extérieure individuelle 79 qui ne touche pas les parois latérales des récipients respectifs 6, de façon que chaque chemi- née cylindrique extérieure 79 guide le fluide de ventilation vers le haut jusqu'à la partie supérieure du récipient redresseur, après que celui-ci ait passé sur les ailettes de refroidissement 62 de la cathode et ait fait du fond de la cathode 8 le point le plus froid à l'intérieur du tube.
Les des- sus des pièces cylindriques 79 et 64 de chaque redresseur sont réunis par un écran en forme de rondelle 81, de façon à forcer le fluide réfrigérant à descendre dans'l'anode entre les cylindres 64 et 22, et à refroidir la partie active 7'-de l'anode, après quoi lé fluide réfrigérant ressort en remontant hors du récipient redresseur et en passant entre les pièces cylindriques 64 et 69; comme le montrent les flèéhes à la: figure 2.
-Le fluide réfrigérant envoyé sur les récipients des redresseurs 6 par le ventilateur 51 repasse par le passage de ventilation 52 ou bien in- troduit par l'entrée: de ventilation 53 et évacué par la sortie 54 de l'encein- te 50, suivant les positions des clapets de régulation 55 et 56. Ces clapets sont représentés schématiquement comme étant reliés entre eux et à un moteur de commande 83,de façon que lorsqu'un clapet est ouvert, l'autre soit fermé.
Quand le clapet d'évacuation 55 est ouvert, l'effet de réfrigération est maxi- mum, parce que le ventilateur 51 introduit de l'air extérieur par la bouche d'entrée-53. Quand., au contraire, le clapet d'évacuation 55 est fermé, une circulation intérieure du fluide réfrigérant s'établit et il n'y a pratique- ment pas d'effet de réfrigération. Pour des'positions intermédiaires des clapets, bn obtient évidemment des effets de refroidissement entre les deux extrêmes.
, Il est généralement utile de pouvoir régler automatiquement leffet de réfrigération, -de manière à maintenir les cathodes 8 respect!---
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ves à la température de travail voulue, ou dans une gamme, de températures déterminée. A oet effet, à titre d'exemple, chacun des radiateurs de catho- de 60 peut être muni d'un élément thermique comme un bimétal 85 qui se dépla- ce vers la droite ou vers la gauche de manière à faire tourner le moteur de commande des soupapes 83 dans un sens ou dans l'autre, suivant les nécessités de réglage de la température des cathodes.
Avant la mise en service initiale de l'installation de redresse- . ment, les différentes parties doivent d'abord être portées aux températures voulues, ces températures étant supérieures aux températures habituelles du local. A cet effet, trois jeux de résistances chauffantes électriques sont représentées ; elles peuvent toutes être alimentées par une ou plusieurs pha- ses convenables du transformateur basse tension 43, ou par toute autre source appropriée.
Il y a, en premier lieu, des résistances chauffantes 86 servant à chauffer le fluide de réfrigération pendant la période initiale d'échauf- fement et éventuellement aussi pendant des périodes de faible charge. Ces résistances 86 peuvent se trouver en tout point convenable du trajet de l'air, mais elles sont représentées comme étant placées entre les récipients des redresseurs 6 et leurs cheminées extérieures respectives 79. A titre d'exem- ple, un relais de courant de surcharge 87 est prévu pour déconnecter-les ré- sistances chauffant l'air 86 en réponse à une valeur déterminée du courant continu du circuit de charge 11.
Les deuxième et troisième types de résistances chauffantes servent à maintenir une température suffisamment élevée sur chacun des scellements isolants 19 et 26. Un groupe de résistances 88 pour le chauffage du scelle- ment principal sont disposées autour des isolateurs 19 de scellement des tu- bes redresseurs respectifs, à très courte distance, tandis qu'une résistance chauffante hélicoïdale 89 est glissée sur chaque anode d'amorçage, de manière à se trouver très près de l'isolateur de scellement 26 de chaque dispositif d'amorçage. Il faut remarquer que les résistances 89 chauffant le scellement d'amorçage sont isolées des courants d'air de refroidissement par les -cheminées intérieures d'anode 69. Les deux types de résistances'88 et 89;peuvent rester en service de façon permanente, si on le désire, chaque fois que les redresseurs fonctionnent.
Ils assurent la non-condensation du métal de décharge sur les scellements isolants 19 et 26. Dans la forme d'exécution représentée de l'in- vention, comme le montre la figure 2, les résistances 88 chauffant les scel- lements principaux sont entourées par un écran isolant 90 qui les empêche d'être refroidies par le courant d'air.
Le système de réfrigération décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante : l'air de réfrigération passe d'abord sur les ailettes de refroidissement de la cathode 62 de façon que les cathodes 8 constituent la partie la plus froide des tubes repectifs. Les ailettes de cathode,62 ré - chauffent un peu le fluide réfrigérateur, de sorte que les courants d'air qui refroidissent les anodes principales 7 maintiennent celles-ci à une tem- pérature légèrement supérieure à celle des fonds des cathodes 8 de manière que la vapeur de métal de décharge ne se condense pas sur les anodes.
En ce qui concerne le système électrique, comme la figure 2 le montre à titre d'exemple, il faut remarquer que le point neutre du secondaire du transformateur d'amorçage 36 est relié en 92 au point: neutre du secondaire du transformateur basse tension 43, et ce point est lui-même relié, par un conducteur 93, à un circuit de retour 94 des résistances chauffant les scel- lements 88 et 89, réuni, en 95, au circuit cathodique commun 34. Il faut noter que les écrans conducteurs électrostatiques 31 voisins du bas des ano- des d'amorçage respectives 25,26, 27 sont aussi reliés au circuit de retour des résistances de chauffage des scellements 94, de manière à se - -trouver au potentiel de cathode.
Les autres circuits et le fonctionnement électrique de l'installation entière ressortent clairement des schémas de la figure 2 et des explications déjà données.
Les descriptions précédentes d'une construction et d'une dispo-
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sition préférées sont données attitré d'exemple seulement, l'invention n'étant pas limitée aux détails donnés. 'Différentes variantes sont représentées, é- galement à titre d'exemple, aux figures 3, 4 et 5.
La figure 3 représente l'invention appliquée à un tube à comman- de par grille, dans lequel .une grille 96 est intercalée-entre l'anode princi- pale 7 et la. cathode principale 8, l'écartement d de l'anode principale étant .nécessairement un peu plus grand que dans le tube sans grille de la figure 1.
La grille 96 se trouve de préférence en bon contact thermique avec une partie de paroi métallique séparée portant la grille-97 et faisant partie du réci- pient 6, cette partie de paroi étant placée entre le scellement verre-métal principal.,.le, 19, 20 et un scellement.grille-cathode 97, 98, 99.
¯ Sur la figure 3,'-l'écran isolant séparé 30 déjà décrit qui force la décharge de l'anode d'amorçage à aboutir sur le bain cathodique 13; plutôt qu'en tout autre endroit du redresseur, est représenté, à titre d'exemple, comme étant un prolongement vers le bas de l'isolateur en'verre 26 portant l'anode d'a- morçage, comme indiqué en 30'. Ce prolongement traverse la grille 96 sans la toucher, par un trou 100.
Les surfaces intérieures de'la grille 96 de la figure 3 et des anodes 7 et 12 de la forme d'exécution de la figure 3 ou de toute autre forme d'exécution de l'invention, et en fait toute surface métallique à l'intérieur du dispositif, à l'exception de la partie active du bain cathodique, peuvent parfois-être avantageusement munies d'un revêtement métallique approprié à -faible émissivité électronique, les seuls très bons exemples de tels métaux étant le béryllium et le titane. Une telle surface ou revêtement permet de faire travailler ces parties à une'température plus élevée, sans produire assèz d'électrons pour qu'il y ait des retours d'arc.
A ce point de vue , tube à. bain cathodique est différent d'un tube à métal alcalin à cathode 'chaude, parce que, dans un tube à bain, même si un peu de béryllium ou de titane'se' volatiliser avec le temps, à la température élevée de tràvail de l'anode ou de la grille, du béryllium ou peut-être aussi du -'titane recondensé sur un bain cathodique à métal alcalin ferait peu ou pas de dégâts, parée qu'il s'évaporerait par ébullition à l'endroit de la tache cathodique, alors que dans un tube l cathode chaude tout béryllium et peut être aussi tout titane' qui se déposerait sur la cathode chaude diminuerait encore lémissivité électronique faible qui est le défaut du tube à cathode chaude, 'comparé' au tube à bain cathodique;
De ces deux métaux servant à réduire l'émissivité électronique, notamment le béryllium-et le titane, le titane présente un avantage à cause du grand danger auquel sont exposées les personnes qui manipulent le béryl- lium.
La figure 4 représente une forme d'exécution de l'invention à- ''bain cathodique nu 'ou ouvert 13', c'est-à-dire un bain sans l'éponge de ca- thode 14 des -figures :1, 2 et 3. Avec un bain ouvert, il faut prévoir un chicanage Convenable pour empêcher que les gouttelettes de matière cathodi- que n'atteignent l'anode 7; l'écartement d de l'anode principale doit de nou- veau être plus--,grand que -sur les figures 1 et 2. Le dispositif de la figure
4 utilise- trois chicanes;, notamment une chicane supérieure en forme de ron- delle .métallique 102 portée par les parois latérales de la partie cathodique
8 du récipient'6, très près de l'anode principale 7 sous celle-ci.
Sous la chicane métallique 102 se trouve une chicane isolante 103 constituant un pro- longement en forme'd'anneau de la partie isolante 30' dirigée vers le bas.
La troisième chicane!, 'l'inférieure, représentée à, la figure 4, est une ron- delle isolante 104 maintenue par les parois latérales de la' partie cathodi- que , très 'près au-dessus du bain cathodique 13'. Il est évident qu'on peut utiliser tout 'chicanage ou dispositif d'écrans approprié pour protéger l'ano- de principale de la figure 4 contre les gouttelettes de matière cathodique.
La figure 5 montre une forme d'exécution modifiée de l'invention dans laquelle' l'anode auxiliaire d'amorçage 12 précitée est prévue sous le bain cathodique 13' comme indiqué en 12', au lieu de se trouver au-dessus de la surface active du bain cathodique, comme dans les formes d'exécution
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précédentes. Dans la figure 5, une éponge de cathode 14' repose à plat sur le fond 8' de la partie cathodique 8.
L'éponge 14' et le fond 8' sont pour- vus d'un trou central 105, 106, respectivement, le dernier trou étant plus grand que le premier, et le support, à scellement verre-métal 25', 26', 27', de-l'anode d'amorçage passe sous le fond de la cathode 8' en partant du trou 106,- de manière que l'anode auxiliaire d'amorçage 12' se trouve à l'extrémité tout-à-fait inférieure du dispositif.
Les pores capillaires de l'éponge de cathode 14' de la figure 5, empêchent toute fuite sensible de métal cathodi- que fondu par' le trou 106 du fond de cathode 8', niais s'il y avait quand même une fuite de gouttelettes, celles-ci seraient rapidement évaporées, parce que le scellement d'anode d'amorçage 25', 26', 27' doit être maintenu à une température de travail suffisamment élevée pour qu'aucune matière cathodique fondue ou condensée ne puisse s'y accrocher, comme décrit ci-dessus.
Quoique le dispositif de la figure 5 ait le défaut de comporter un tube redresseur relativement long, il présente l'avantage d'une construction d'anode beaucoup plus simple dans laquelle la cheminée centrale d'anode 69 des autres figures peut être omise et l'anode peut être mieux réglée en refroidissement et tem- pérature.
REVENDICATIONS.
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1. Dispositif à décharge électrique à arc dans une atmosphère à vapeur à conduction asymétrique comprenant un récipient sous vide contenant deux, et uniquement deux, électrodes principales et une anode d'amorçage auxi- liaire, la partie active d'une des électrodes principales comprenant une ma- tière cathodique'vaporisable se reconstituant, la .partie active de l'autre électrode principale comprenant une partie de surface active consistant en l'anode principale active du dispositif, et un dispositif pour maintenir sé- parément de façon isolante l'anode principale et l'anode d'amorçage de maniè- re que ces deux électrodes soient espacées et isolées l'une de l'autre et de la cathode,
caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détermina- tion de décharge pour assurer qu'une décharge de l'anode d'amorçage aboutisse toujours sur la matière de cathode vaporisable, le dit dispositif de déter- mination de décharge comprenant une construction par laquelle le support iso- lant de l'anode principale rend l'écartement d entre l'anode principale et la partie active de la matière cathodique vaporisable assez petit pour que le produit pression-distance pd soit très inférieur au produit pd correspon- dant à la tension de rupture minimum de la matière cathodique vaporisable se reconstituant, p étant la pression de vapeur dans le dispositif en fonc- tionnement, et aussi assez petit pour empêcher un retour d'arc entre les deux électrodes principales pendant les périodes de repos du dispositif,
et le support isolant de l'anode d'amorçage est tel que l'écartement de l'anode d'amorçage par rapport à la partie active de la matière cathodique vaporisa- ble soit considérablement plus grand que l'écartement d de l'anode principale, et que l'anode d'amorçage ait une tension de rupture considérablement plus faible vis-à-vis de la cathode que la tension de rupture entre les deux élec- trodes principales.