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APPAREIL A DECHARGE DANS UNE VAPEUR,. AVEC DISPOSITIF D'AMORCAGE,
La présente invention concerne les appareils à décharge à arc dans une vapeur, à bain cathodique et anode unique, et elle se rapporte plus spé- cialement à un nouveau dispositif d'amorçage et un nouveau procédé pour amor- cer la tache cathodique d'un arc au début de chaque période de conduction de 1-'appareil.
Il a été proposé des appareils à décharge à arc dans une vapeur qui se caractérisent par un écartement relativement grand entre l'anode d'a- morçage et la cathode, comparativement à L'écartement entre anode et catho- de, et par une protection convenable qui assure que la décharge de l'anode d'amorçage aboutisse toujours sur la cathode, plutôt que sur l'anode princi- paleo Dans un tel appareil, c9est par le grand écartement ou distance d entre anode d'amorçage et cathode que l'on réduit la tension de rupture en- tre l'anode d'amorçage et la cathode, en donnant au produit pression-dis- tance pd une valeur relativement grande pour l'anode d'amorçage, la même tension de vapeur p comptant évidemment pour l'anode principale .et l'anode d'amorçage.
Suivant la présente invention, on peut se dispenser d'écarter'for- tement l'anode d'amorçage de la cathode, grâce à ce qu'on utilise au lieu de cela un champ magnétique qui donne aux électrons un mouvement oscillatoire ou en spirale qui allonge beaucoup la trajectoire des électrons et augmente fortement les chances de collision, ce qui donne à l'anode d'amorçage une tension de rupture relativement basse, quoiqu'elle soit peu écartée de la cathode,
L'invention- est utile, en remplacement de l'igniteur immergé à haute résistance, dans les appareils à décharge à arc dans une'vapeur à conduction asymétrique dont la cathode consiste en un bain de mercure et connus sous le nom d'ignitrons.
L'invention trouvera cependant un champ 'd'application probablement plus important dans les tubes à métal alcalin du
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type à bain cathodique et anode unique, le métal de décharge étant choisi dans le groupe des trois métaux légers stables les plus lourds de la clas- se des métaux alcalins, césium, rubidium et potassium.
Dans les redresseurs à métal alcalin du type à bain cathodique et anode unique, il faut disposer d'une anode d'amorçage espacée,parce que les igniteurs en matières semi-con- ductrices connus n'ont pu être utilisés en contact avec les métaux alcalins chimiquement extrêmement actifs que sont le césium, le rubidium et le potas- sium qui humectent pratiquement tout et son absorbés par les pores de l'i- gniteuro
L'invention peut être utilisée avec de nombreux métaux de dé- charge différents qui constituent la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, y compris tout métal capable de constituer un bain li- quide à une température raisonnable et -ayant la faible chute de tension d'arc demandée... Les métaux de décharge le mieux connus de ce genre comprennent le mercure, le cadmium, le césium,
le rubidium et le potassium. Le nouveau système d'amorçage est particulièrement intéressant pour les tubes à métal alcalin, d'un type utilisant comme matière de bain cathodique vaporisable propre à se reconstituer, du césium, du rubidium ou du potassium. On entend par tube ou valve du type à bain cathodique, tout tube ou valve où la matière cathodique active peut à la fois être vaporisée et se reconstituer.
La ma- tière peut être rassemblée en un bain liquide ou absorbée dans une matière spongieuse consistant en une matière poreuse pratiquement non vaporisable qui retient au moins la partie active de la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, ou encore maintenue en un bain liquide dans lequel sont plongées de multiples cloisons verticales espacées de distances plus grandes que les dimensions capillaires d'une matière spongieuse.
Différentes formes d'exécution de l'invention sont représentées, à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels ;
Les figures 1 et 2 sont des vues de face un peu schématiques et très simplifiées, non à l'échelle, de deux formes différentes d'appareils à décharge à arc dans une vapeur.
La figure 3 représente, sous forme schématique et simplifiée, non à l'échelle, une troisième forme d'appareil à décharge à arc dans une vapeur, avec les circuits et connexions schématisés y relatifs et pouvant être utilisés avec toute forme d'exécution de l'invention.
La figure 1 représente un appareil ou tube redresseur à déchar- ge à arc dans une!vapeur à conduction asymétrique comprenant un récipient à vide 6 contenant deux, et uniquement deux électrodes principales 7 et 8.
Les parties métalliques principales de l'enveloppe à vide 6 (par opposition aux parties isolantes ou scellements, décrits plus loin), sont de préféren- ce en fer ou en acier, quoique d'autres métaux puissent être utilisés. Cha- que tube est un redresseur monophasé qui transfère de l'énergie d'un circuit à un autre, par exemple d'un circuit à courant alternatif à un circuit à courant continu. Le circuit à courant alternatif de la figure 3 est un ré- seau triphasé 10 et le circuit à courant continu est représenté par un cir- cuit de charge à courant continu 11. Un tube redresseur 6 différent est uti- lisé pour chacunè. des trois phases du réseau 10.
Chaque tube 6 comporte aussi une anode d'amorçage auxiliaire 12 servant à allumer le tube au début de chaque période conductrice entre les deux électrodes principales 7 et 8. Suivant la présente invention, la catho- de 8 est constituée par un bain qui se trouve nécessairement ou préférable- ment plus bas que l'anode principale 7 et consiste donc dans la plus basse des deux électrodes principales 7 et 8. Le bain cathodique 13 est constitué par une matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, choisie de pré- férence, dans le groupe mercure, cadmium, césium, rubidium et potassium et, ce qui est encore préférable, dans le groupe césium, rubidium et potassium, avec une prédilection pour le césium comme matière cathodique vaporisable pro- pre à se reconstituer.
Comme il sera expliqué à propos de la figure 2, le bain cathodi-
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que 13 peut être un bain liquide ouvert, ou, ce qui est préférable pour de nombreuses raisons, le métal de décharge vaporisable propre à se reconstituer est maintenu dans une matière poreuse, en substance non vaporisable, ayant la forme soit d'une éponge, soit d'un cloisonnement à multiples cloisons es- pacées de distances de dimension capillaire, comme indiqué en 14, à la figure 1. Cette matière poreuse.peu% être constituée par un des conducteurs à haute température, le molybdène, le tungstène, le tantale, le ruthénium ou le car- bone.
Le métal de décharge 13 sature la.cathode spongieuse 14, mais s'il n'y a un léger excès, celui-ci peut se rassemblér dans l'espace entourant le bord de l'éponge, ou en tout endroit convenable possible.
Il faut que le métal de décharge 13 humecte l'éponge, de'façon à circuler facilement dans les espaces capillaires. Quand la cathode vapo- risable est constituée par du mercure, l'éponge doit être traitée préala- blement à l'hydrogène à haute température, pour que le mercure puisse facile- ment humecter l'éponge, mais avec du césium, du rubidium 'ou du potassium, ce traitement préliminaire de l'éponge est inutile, les métaux alcalins hu- mectant facilement n'importe quelle matière.
L'anode principale 7 et l'anode d'amorçage auxiliaire 13 doivent être montées écartées et isolées l'une de l'autre et de la cathode 8. Sur la figure 1, les supports isolants des deux anodes font partie de l'envelop- pe à vide 6. L'anode principale 7 est séparée de la cathode principale par un scellement verre-métal 18, 19,20 avec de minces tronçons métalliques 18 et 20 scellés d'une part dans un cylindre en verre 19 et d'autre part sur l'anode principale 7 et la cathode 8 respectivement.
Quand un métal de dé- charge chimiquement actif, comme le césium, le rubidium et le potassium; est utilisé,les .parties métalliques 18 et 20 du scellement doivent être revêtues intérieurement de titane ou de zirconium, ou peut être de béryllium ou même de chrome, pour éviter la réduction des oxydes du verre par le métal de dé- charge chimiquement actif, quand le tube se trouve à sa température correcte de travailG
L'électrode d'amorçage 12 est placée dans l'espace entre l'anode principale 7 et la cathode 13, et est représentée montée sur une tige rigide 22 passant dans une partie tubulaire ressortante inclinée 23, d'un coté du dispositif, piquée sur la paroi latérale de la cathode 8,
un rien au-dessus du bain cathodique 13. Cette saillie latérale 23 comporte un scellement ver- re-métal d'anode d'amorçage 25, 26, 27 qui sort'de la saillie tubulaire métal- lique 23. Les minces parties métalliques 25 et 27 sont scelléès d'une part au tube de verre 26 et d'autre part à la tige support d'anode 22 et la sail- lie tubulaire métallique 23 respectivement, d'une manière déjà décrite à pro- pos du scellement verre-métal principal 18,19, 20.
L'électrode principale supérieure ou anode 7 a une partie rentran- te creuse ou tubulaire 31 qui pénètre à l'intérieur de la partie supérieure du récipient. La partie active de l'anode principale 7 est une pièce métal- lique plate 7' fixée au bas de la partie rentrante 31. L'anode principale 7 ést refroidie à l'aide d'une cloison cylindrique 34 qui pénètre dans le creux de l'anode rentrante, un fluide de .refroidissement (gaz ou liquide) pouvant entrer par le dessus du récipient du redresseur 6, suivant la flèche 35,pour descendre dans le cylindre constitué par l'anode et la cloison 34 de manière à lécher la partie active de l'anode principale 7' au bas de l'a- node, après quoi le fluide réfrigérateur ressort vers le haut du récipient du redresseur.
Pour faciliter l'échange de chaleur, la partie .'supérieure de la partie active anodique ou plaque d'anode 7' peut être en bon contact thermi- que avec une pièce d'échange de chaleur en cuivre massif 36 pourvue d'ailet- tes37 qui aident à transférer la chaleur de la pla-que de cuivre 36 au fluide de réfrigération.
Le bain cathodique 13 sera de préférence la partie la plus froi- de de l'appareil, de manière que sa température soit la température de con- densation de la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, qui détermine la pression de vapeur 12 dans le tube.
Le refroidissement de la cathode peut se faire au moyen d'une épaisse plaque de cuivre 38 attachée,
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en bon contact thermique, au fond de la cathode 8' sous le bain cathodique 13, Le fond de la forte plaque de cuivre 38 est, à son tour, en bon contact thermique avec une plaque de cuivre amovible 39 pourvue d'ailettes de re- froidissement 39' servant à maintenir la cathode à la température de tra- vail voulue déterminée par la pression de vapeur p nécessaire dans 1?appareil.
Suivant la présente invention, on utilise un genre d'aimant pour établir un champ magnétique dans le voisinage de l'anode d'amorçage 12, de manière à faciliter la rupture de l'espace isolant entre cette anode d'amor- çage et le bain cathodique 13 et à provoquer un'arc entre l'anode principale 7 et la cathode 13 au début de chaque période conductrice de l'appareil.
Un dispositif d'amorçage composé d'une anode d'amorçage et d'un genre d'aimant associé, peut prendre différentes formes et dispositions. Le principe géné- ral 'est de disposer l'anode d'amorçage 12 de façon qu'au moins une partie du champ magnétique 40 produit par l'aimant croise, sous un.certain angle, au moins une partie du champ électrostatique 41 établi entre l'anode d'amorçage 12 et'la cathode 13.
Dans la forme d'exécution de l'invention de la figure 1, l'ai- mant est constitué par deux aimants permanents 43 et 44 en forme de barrettes verticales. L'aimant du dessus 43 est placé centralement dans le creux de l'anode 7, avec un de ses pôles, le pôle Sud par exemple (la polarité n'a pas d'importance), posé sur la face supérieure de la partie anodique plane active 7' de l'anode principale 7. L'aimant inférieur 44 est placé sous le fond 8' de la cathode, présentant à celle-ci un pôle (le pôle Nord par exem- ple) de polarité opposée à celle du pôle que présente l'aimant supérieur 43 à la face supérieure de la partie anodique active 7' de l'anode principale 7.
Quoique l'anode d'amorçage 12 puisse avoir toute forme et être disposée de n'importe quelle façon, à condition d'établir un champ électrosta- tique 41 avec une composante coupée, sous un certain angle, par une partie du champ magnétique 40, l'extrémité active ou point de l'anode d'amorçage 12 aura de préférence la forme d'un anneau ou bague. La partie non active de . la tige suppôrt 22 de l'anode d'amorçage comprise dans l'espace entre l'ano- de principale 7 et le bain cathodique 13, est de préférence blindée par une protection métallique 46 qui peut se trouver sensiblement au potentiel de cathode, pour empêcher une rupture entre la tige 22 et la cathode 13, comme toutes les figures des dessins le montrent.
Sur la figure 1, la partie active de l'anode d'amorçage 12 a la forme d'une pièce annulaire ou bague disposée horizontalement composée en principe de deux parties espacées électriquement reliées 12' et 12" et réunies, par une ou par leurs deux extrémités, par une partie d'extré- mité 12'''. Cette bague est disposée de façon à être traversée par une bonne partie du champ magnétique 40 établi par l'aimant 43-44., entre les deux parties espacées 12' et 1211 de l'anode d'amorçage.
Quand il faut allumer le tube, l'anode d'amorçage 12 est rendue positive par rapport au bain cathodique 13, par une tension d'environ 3.000 volts ou toute tension ou impulsion de tension convenable. Les électrons li- bres passant dans le champ électrique ou électrostatique 41 sont accélérés vers la bague positive par ce champ, le long des lignes de force du champ électrostatique, mais à cause du champ magnétique vertical 40, les électrons sont forcés de suivre une trajectoire inclinée sur les lignes de force élec- trostatiques.' De ce fait, les électrons ont un mouvement oscillatoire ou en spirale, allant d'un côté à l'autre puis retour, avant d'atteindre la ba- gue, et la trajectoire des électrons est ainsi fortement allongée, dans un espace restreint,
ce qui augmente beaucoup les chances de collision et la formation d'électrons supplémentaires et d'ions positifs, Les ions positifs vont vers l'anode 7' et vers la cathode 13, mais la plupart vont à la ca- thode, parce que l'anode est positive par rapport à la cathode,
Le bombardement résultant d'ions positifs, sur l'anode et sur la cathode, .pendant l'induction magnétique anormale, provoque .la formation ra- pide d'une tache cathodique sur la- cathode.
Une tache cathodique pourrait
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se former occasionnellement sur l'anode 7', mais elle ne peut pas se dévelop- per et s'éteint immédiatement, parce que l'anode est positive par rapport à la cathode... Au contraire, une fois la tache cathodique formée sur la sur- face du bain de cathode 13, l'anode principale 7 peut amorcer un arc et laisser passer immédiatement le courant principal ou de charge de l'appareil.
Il est utile de prévoir l'un ou l'autre moyen d'empêcher la.for- mation d'une tache cathodique sur l'anode principale 7' pendant les.pério- des-non conductrices de l'appareil. On remarquera à la figure 1, que le champ magnétique vertical 40 est sensiblement en alignement avec le champ vertical électrostatique (non indiqué) entre la partie active de l'anodé principale 7' et le bain cathodique 13, de sorte que le flux magnétique 40 ne coupe pratiquement pas les lignes de force électrostatiques entre l'ano- de principale et la cathode et ne dévie pas les électrons passant dans ce champ, ne réduisant donc pas la tension de rupture normale dans l'espace entre l'anode principale et la cathode,
de sorte que cette tension de rup- ture est considérablement supérieure à la tension inverse=ou négative appli- quée à l'anode principale 7 pendant les périodes non conductrices de l'appa- reil.
Dans toutes les-formes d'exécution de l'invention, il est inté- ressant, à cause de l'emploi d'un champ magnétique, d'exécuter au moins les parties du récipient qui se trouvent dans le voisinage du champ magnétique 40, en une matière non magnétique, comme l'acier inoxydable. La plaque ac- tive 7' de l'anode principale et le fond de cathode 8' peuvent être faits en acier inoxydable, et il peut en être de même pour toute l'anode principa- le 7 et pour toute la cathode 8.
La figure 2 représente une variante de l'invention, utilisant une sorte de montage d'anode et de grille qui se rapproche plus de la forme -classique des ignitrons. Dans cette forme d'exécution de l'invention, la par- tie cathodique 8 du récipient 6 est représentée sous la forme d'un-réservoir métallique 48 formé par un couvercle 49 percé d'un trou ou ouverture centra- le 50. L'anode principale est une pièce massive 52 surmontée d'une tige ver- ticale 53 suspendue à la partie métallique supérieure 18', en forme de chapeau, d'un scellement verre-métal tubulaire vertical 18'-19'-20' posé sur le trou 50 du couvercle 49 du réservoir 48.
L'anode principale 52 de la figure 2 est entourée par une grille métallique espacée 55 suspendue à un anneau de métal 55' fixé sur la face inférieure du couvercle 49 du réservoir 48, ce qui met la grille 55 en sub- stance au potentiel du réservoir, c'est-à-dire le potentiel de cathode de 11 appareil. La matière cathodique active propre à se reconstituer est re- présentée, à la figure 2, par un bain liquide ouvert 13'.
L'aimant de la figure 2 est un aimant permanent 56 immergé hori- zontalement dans le bain cathodique 13, avec ses pôles N et S¯pointant vers le haut et venant presqu'à fleur de la surface du bain. L'anneau d'amorçage 12a ou anode auxiliaire est cette fois dans un plan vertical, de façon que le flux magnétique de l'aimant 56 traverse horizontalement l'anneau et allon- ge la trajectoire des électrons comme cela a déjà été expliqué,
Grâce à la grille 55 qui protége l'anode, l'espace entre l'anode principale 52 et le bain cathodique 13' peut, à la figure 2, être plus grand qu'à la figure 1, et il y a donc assez de place pour mettre l'anneau d'amor- çage 12a vertical, Avec ce montage, une tache cathodique peut se former sur la surface du bain, au-dessus de chacun des pôles de l'aimant-56.
Si on le, désire,¯dans le dispositif de la figure 2, une protec- tion convenable peut être prévue pour empêcher la formation. de taches ca- thodiques hors de la surface centrale ou principale de la cathode. Cette protection peut prendre la forme d'un cylindre isolant 57, plongé dans le bain cathodique 13' et emprisonnant-l'aimant 56. Le cylindre isolant 57 peut sortir du bain et être'coiffé d'une rondelle isolante 58 qui couvre le bain à l'extérieur de sa partiè centrale et empêche la formation d'une tache cathodique dans cette région,..¯,,
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On remarquera qu'à la figure 2, l'anode d'amorçage 12a se trouve dans un plan pratiquement en alignement avec le champ électrostatique entre l'anode principale 52 et la cathode 13',
de sorte que le champ magnétique cou- pe suivant un certain angle, et le champ électrostique entre l'anode princi- pale 52 et la cathode, et le champ électrostatique de l'anode d'amorçage 12a.
De ce fait, des taches cathodiques pourraient se produire sur l'anode princi- pale 52, pendant les périodes non conductrices de l'appareil, quand l'anode principale est négative par rapport à la cathode 13', s'il n'y avait pas la protection de la grille 55 qui se trouve sensiblement au potentiel de catho- de et qui supprime le champ électrostatique entre l'anode principale 52 et le bain cathodique 13. Avec la grille 55 à potentiel de cathode ainsi dis- posée, le. champ électrostatique qui entoure l'anode principale 52 ne va que jusqu'à la grille 55, sans aller,à travers le champ magnétique, jus qu'à la cathode. Un retour d'arc est donc impossible, pendant les périodes non con- ductrices de l'appareil.
La figure 3 montre un autre moyen d'empêcher les arcs de retour pendant les périodes non conductrices de l'appareil, sans devoir recourir, à cet effet, à une grille de blindage, d'anode comme la grille 55 de la fi- gure 2. Sur la figure 3, l'aimant consiste en un électro-aimant en U 61, avec une bobine d'excitation 62 de manière à pouvoir désexciter l'aimant pendant les périodes non conductrices de l'appareil, de sorte que son champ magnéti- que ne soit pas là pour abaisser la tension de rupture de l'anode principale, quand la pleine tension de rupture est nécessaire pour permettre au tube de rester non conducteur pendant les périodes de non conduction, quand une ten- sion négative est appliquée à la plaque.
La construction de la figure 3 est semblable à celle de la figure 1, sauf que les deux aimants. permanents 43 et
44 de la figure 1 sont omis, que l'anode d'amorçage annulaire 12 est mise dans un plan vertical,comme indiqué en 12a à la figure 3 et comme montré à la figure 2, et l'électro-aimant 61 est placé sous le fond 8' de la cathode, de manière à produire un champ magnétique qui traverse horizontalement l'an- neau d'amorçage 12a vertical.
La figure 3 donne aussi une forme de circuit électrique repré- sentée à titre d'exemple seulement, de nombreux circuits électriques diffé- rents pouvant être utilisés avec l'invention. Il est évident que le circuit électrique (à l'exception des connexions de l'électro-aimant) représenté à la figure 3, peut aussi être utilisé pour les formes d'exécution de l'invention représentées aux figures 1 et 2.
La figure 3 représente les parties essentielles d'un système tri- phasé complet, utilisant trois tubes 6 du type qui vient d'être décrit. Le courant du réseau triphasé 10 est envoyé aux trois anodes principales 7 à travers un transformateur principal 63, de toute manière connue. Les trois cathodes 8 sont réunies dans un circuit cathodique commun 64 qui constitue la borne positive du circuit de charge à courant continu 11. La borne néga- tive, de la charge à courant continu est le point neutre du secondaire du transformateur principal 63.
Un circuit d'excitation ou d'allumage exempta tif pour les ano- des d'amorçage 12 ou 12a consiste essentiellement en un transformateur d'al- lumage 66 alimenté par la ligne polyphasée 10, qui charge trois condensa- teurs d'allumage 67 par l'intermédiaire de redresseurs de charge 68. Les différents condensateurs d'allumage 67 se déchargent, à des moments voulus, sur les anodes d'amorçage correspondantes 12 ou 12a, par l'intermédiaire de tubes à grille de commande 69 avec des déphaseurs convenables 70 qui déter- minent la partie du cycle dans laquelle chaque tube$ est amorcé ou allumé, réglant ainsi la tension de sortie de l'ensemble redresseur.
Ce circuit n'est qu'un exemple parmi de nombreux circuits d'allumage différents pouvant être utilisés avec les redresseurs à anode unique 60
Habituellement, il est bon de prévoir un système d'entretien de llionisation pour empêcher que les redresseurs principaux 6 ne s'éteignent dans le cas de charges très faible's dans le circuit à courant continu 11.
Un moyen convenable à cet effet peut consister en un transformateur réseau -
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à basse tension 73 dont les bornes secondaires sont connectées aux trois ano- des d'amorçage 12 ou 12a, par l'intermédiaire de redresseurs d'isolement ap- propriés 74.
Quand on utilise des électro-aimants 61, comme à la figure 3, les trois bobines.d'excitation 62 peuvent être alimentées de.préférence pendant 'des demi-périodes seulement, ou même pendant des parties plus brèves que la. moitié d'une période, par un transformateur abaisseur convenable .76 dont les enroulements primaires sont-alimentés par le réseau 10, et dont les enroule- ments secondaires sont connectés aux bobines d'électro-aimant correspondantes 62 dès trois tubes 6, à travers des redresseurs 78.
De préférence, comme in- diqué, les enroulements secondaires du transformateur d'alimentation des élec- tro-aimants 76 sont déphasés légèrement en avant sur les anodes principales correspondantes 7 des tubes respectifs, pour donner aux électro-aimants 61 le temps de produire leur flux magnétique au début de la demi-période.positi- ve de la tension appliquée aux anodes principales respectives,-
REVENDICATIONS.
1.- Appareil à décharge à arc dans une vapeur à conduction asymé- trique, comprenant un récipient sous vide contenant deux électrodes principa- les et une anode d'amorçage auxiliaire, la partie active d'une de ces électro- des principales comportant une matière cathodique vaporisable propre à se re- constituer, la partie active de l'autre électrode principale comportant une face active constituant l'anode active principale de l'appareil, et un moyen pour supporter séparément, isolées l'une de l'autre et par rapport à la catho- de, l'anode principale et l'anode d'amorçage, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'allumage à aimant pour établir un champ magnétique en substan- ce non en alignement avec au moins une partie notable du champ électrostatique entre l'anode d'amorçage et la cathode,
de manière à faciliter une rupture d'isolement entre l'anode d'amorçage et la cathode, pour amorcer un arc entre l'anode principale et la cathode.
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STEAM DISCHARGE APPARATUS ,. WITH PRIMING DEVICE,
The present invention relates to vapor arc discharge, cathode bath, and single anode apparatus, and more specifically relates to a novel initiating device and method for initiating the cathode spot of a cathode ray. arc at the start of each conduction period of the apparatus.
Vapor arc discharge devices have been proposed which are characterized by a relatively large gap between the initiating anode and the cathode, compared to the gap between anode and cathode, and by protection. which ensures that the discharge from the initiating anode always ends at the cathode, rather than the main anode. In such an apparatus, it is by the large gap or distance d between the initiating anode and the cathode that the the rupture voltage between the starting anode and the cathode is reduced, giving the pressure-distance product pd a relatively large value for the starting anode, the same vapor pressure p obviously counting. for the main anode. and the starting anode.
In accordance with the present invention, it is possible to dispense with the separation of the firing anode from the cathode widely, by instead using a magnetic field which gives the electrons an oscillatory or spiral motion. which greatly lengthens the trajectory of the electrons and greatly increases the chances of collision, which gives the starting anode a relatively low breakdown voltage, although it is not very far from the cathode,
The invention is useful, as a replacement for high resistance submerged igniter, in asymmetric conduction vapor arc discharge apparatus whose cathode consists of a mercury bath and known as ignitrons.
The invention will however find a field of application probably more important in the tubes with alkali metal of the.
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single anode cathode bath type, the discharge metal being selected from the group of the three heaviest stable light metals of the alkali metal class, cesium, rubidium and potassium.
In alkali metal rectifiers of the cathode bath and single anode type, a spaced starting anode is required, because the known semiconductor ignitors could not be used in contact with metals. chemically extremely active alkalis such as cesium, rubidium and potassium which moisten practically everything and are absorbed by the pores of the ingitoro
The invention can be used with many different discharge metals which constitute the vaporizable cathode material suitable for reconstitution, including any metal capable of constituting a liquid bath at a reasonable temperature and having the low voltage drop. arc requested ... The best known discharge metals of this kind include mercury, cadmium, cesium,
rubidium and potassium. The new initiation system is particularly interesting for alkali metal tubes, of a type using as the vaporizable cathode bath material capable of being reconstituted, cesium, rubidium or potassium. The term “cathode bath type tube or valve” means any tube or valve where the active cathode material can both be vaporized and be reconstituted.
The material may be collected in a liquid bath or absorbed in a spongy material consisting of a substantially non-vaporizable porous material which retains at least the active part of the vaporizable cathode material suitable for reconstitution, or alternatively maintained in a liquid bath in. which are immersed in multiple vertical partitions spaced at distances greater than the capillary dimensions of a spongy material.
Different embodiments of the invention are shown, by way of example, in the accompanying drawings, in which;
Figures 1 and 2 are somewhat schematic and greatly simplified front views, not to scale, of two different forms of vapor arc discharge apparatus.
FIG. 3 shows, in schematic and simplified form, not to scale, a third form of vapor arc discharge apparatus, with the circuits and connections diagrammatically relating thereto and which can be used with any embodiment of invention.
Figure 1 shows an asymmetrically conduction vapor arc discharge apparatus or rectifier tube comprising a vacuum vessel 6 containing two, and only two, main electrodes 7 and 8.
The main metal parts of the vacuum casing 6 (as opposed to the insulating parts or seals, described later), are preferably iron or steel, although other metals can be used. Each tube is a single phase rectifier which transfers energy from one circuit to another, for example from an alternating current circuit to a direct current circuit. The AC circuit of FIG. 3 is a three-phase network 10 and the DC circuit is represented by a DC load circuit 11. A different rectifier tube 6 is used for each. of the three phases of the network 10.
Each tube 6 also comprises an auxiliary starting anode 12 serving to ignite the tube at the start of each conductive period between the two main electrodes 7 and 8. According to the present invention, the cathode 8 is formed by a bath which is located. necessarily or preferably lower than the main anode 7 and therefore consists of the lower of the two main electrodes 7 and 8. The cathode bath 13 consists of a vaporizable cathode material suitable for reconstitution, preferably chosen, in the mercury, cadmium, cesium, rubidium and potassium group and, more preferably, in the cesium, rubidium and potassium group, with a predilection for cesium as a vaporizable cathodic material suitable for reconstitution.
As will be explained in connection with FIG. 2, the cathode bath
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that 13 may be an open liquid bath, or, which is preferable for many reasons, the recoverable vaporizable discharge metal is held in a porous, substantially non-vaporizable material in the form of either a sponge, or a partitioning with multiple partitions spaced at distances of capillary dimension, as indicated at 14, in FIG. 1. This porous material may be constituted by one of the high temperature conductors, molybdenum, tungsten, tantalum, ruthenium or carbon.
The discharge metal 13 saturates the spongy cathode 14, but if there is not a slight excess, it may collect in the space around the edge of the sponge, or any convenient location possible.
The discharge metal 13 must moisten the sponge, so as to flow easily through the capillary spaces. When the vaporizable cathode is formed by mercury, the sponge must be pre-treated with hydrogen at high temperature, so that the mercury can easily moisten the sponge, but with cesium, rubidium. or potassium, this pretreatment of the sponge is unnecessary, the alkali metals easily moistening any material.
The main anode 7 and the auxiliary starting anode 13 must be mounted apart and isolated from each other and from the cathode 8. In figure 1, the insulating supports of the two anodes form part of the envelope. - eg vacuum 6. The main anode 7 is separated from the main cathode by a glass-metal seal 18, 19, 20 with thin metal sections 18 and 20 sealed on the one hand in a glass cylinder 19 and on the other hand. on the other hand on the main anode 7 and the cathode 8 respectively.
When a chemically active scavenging metal, such as cesium, rubidium and potassium; is used, the metal parts 18 and 20 of the sealant should be internally coated with titanium or zirconium, or may be beryllium or even chromium, to avoid reduction of the oxides of the glass by the chemically active scavenging metal, when the tube is at its correct working temperature G
The starting electrode 12 is placed in the space between the main anode 7 and the cathode 13, and is shown mounted on a rigid rod 22 passing through an inclined springing tubular part 23, on one side of the device, stitched on the side wall of cathode 8,
a little above the cathode bath 13. This side projection 23 has a glass-to-metal initiating anode seal 25, 26, 27 which protrudes from the tubular metal projection 23. The thin metal parts 25 and 27 are sealed on the one hand to the glass tube 26 and on the other hand to the anode support rod 22 and the tubular metal projection 23 respectively, in a manner already described with regard to the glass seal. main metal 18,19,20.
The upper main electrode or anode 7 has a hollow or tubular part 31 which penetrates inside the upper part of the container. The active part of the main anode 7 is a flat metal part 7 'fixed to the bottom of the re-entrant part 31. The main anode 7 is cooled by means of a cylindrical partition 34 which penetrates into the hollow of the tube. the re-entrant anode, a cooling fluid (gas or liquid) which can enter through the top of the vessel of the rectifier 6, following arrow 35, to descend into the cylinder formed by the anode and the partition 34 so as to lick the active part of the main anode 7 'at the bottom of the anode, after which the refrigerating fluid comes out to the top of the rectifier container.
To facilitate heat exchange, the upper part of the anode active part or anode plate 7 'can be in good thermal contact with a solid copper heat exchange part 36 provided with a fin. tes37 which help to transfer heat from the copper plate 36 to the refrigeration fluid.
The cathode bath 13 will preferably be the coldest part of the apparatus, so that its temperature is the condensation temperature of the vaporizable cathode material capable of being reconstituted, which determines the vapor pressure 12 in the vessel. tube.
The cooling of the cathode can be done by means of a thick copper plate 38 attached,
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in good thermal contact, at the bottom of the cathode 8 'under the cathode bath 13, The bottom of the strong copper plate 38 is, in turn, in good thermal contact with a removable copper plate 39 provided with fins of re - cooling 39 'serving to maintain the cathode at the desired working temperature determined by the vapor pressure p required in the apparatus.
According to the present invention, a kind of magnet is used to establish a magnetic field in the vicinity of the starting anode 12, so as to facilitate the breaking of the insulating space between this starting anode and the starting anode. cathode bath 13 and to cause an arc between the main anode 7 and the cathode 13 at the start of each conductive period of the apparatus.
A starting device composed of a starting anode and an associated type of magnet can take different forms and arrangements. The general principle is to arrange the starting anode 12 so that at least a part of the magnetic field 40 produced by the magnet crosses, at a certain angle, at least a part of the electrostatic field 41 established. between the ignition anode 12 and the cathode 13.
In the embodiment of the invention of FIG. 1, the magnet consists of two permanent magnets 43 and 44 in the form of vertical bars. The top magnet 43 is placed centrally in the hollow of the anode 7, with one of its poles, the South pole for example (the polarity does not matter), placed on the upper face of the anode part active plane 7 'of the main anode 7. The lower magnet 44 is placed under the bottom 8' of the cathode, presenting to the latter a pole (the North pole for example) of polarity opposite to that of the pole that the upper magnet 43 presents to the upper face of the active anode part 7 'of the main anode 7.
Although the starting anode 12 can have any shape and be arranged in any way, provided that an electrostatic field 41 is established with a component cut off, at a certain angle, by part of the magnetic field 40 , the active end or point of the starting anode 12 will preferably have the shape of a ring or ring. The inactive part of. the rod supporting 22 of the starting anode included in the space between the main anode 7 and the cathode bath 13, is preferably shielded by a metallic protection 46 which may be located substantially at the cathode potential, in order to prevent a break between the rod 22 and the cathode 13, as all the figures of the drawings show.
In FIG. 1, the active part of the starting anode 12 has the form of an annular part or ring arranged horizontally composed in principle of two spaced parts electrically connected 12 'and 12 "and joined, by one or by their two ends, by an end portion 12 ". This ring is arranged so as to be traversed by a good part of the magnetic field 40 established by the magnet 43-44., between the two spaced parts 12 ' and 1211 of the ignition anode.
When the tube is to be ignited, the firing anode 12 is made positive with respect to the cathode bath 13 by a voltage of about 3,000 volts or any suitable voltage or voltage pulse. The free electrons passing through the electric or electrostatic field 41 are accelerated towards the positive ring by this field, along the lines of force of the electrostatic field, but because of the vertical magnetic field 40, the electrons are forced to follow a trajectory. inclined on the electrostatic lines of force. ' As a result, the electrons have an oscillatory or spiral movement, going from one side to the other then back, before reaching the ring, and the trajectory of the electrons is thus greatly lengthened, in a restricted space,
which greatly increases the chances of collision and the formation of additional electrons and positive ions, Positive ions go to the anode 7 'and to the cathode 13, but most of them go to the cathode, because the the anode is positive with respect to the cathode,
The resulting bombardment of positive ions, on the anode and on the cathode, during the abnormal magnetic induction, causes the rapid formation of a cathode spot on the cathode.
A cathode spot could
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occasionally form on the anode 7 ', but it cannot develop and extinguishes immediately, because the anode is positive with respect to the cathode ... On the contrary, once the cathode spot formed on The surface of the cathode bath 13, the main anode 7 can initiate an arc and immediately pass the main or load current of the apparatus.
It is useful to provide one or the other means of preventing the formation of a cathode spot on the main anode 7 'during the non-conductive periods of the apparatus. It will be noted in Figure 1, that the vertical magnetic field 40 is substantially in alignment with the vertical electrostatic field (not shown) between the active part of the main anode 7 'and the cathode bath 13, so that the magnetic flux 40 practically does not intersect the lines of electrostatic force between the main anode and the cathode and does not deflect electrons passing through this field, thus not reducing the normal breakdown voltage in the space between the main anode and the cathode. cathode,
so that this breaking voltage is considerably greater than the reverse = or negative voltage applied to the main anode 7 during the non-conductive periods of the apparatus.
In all the embodiments of the invention, it is advantageous, because of the use of a magnetic field, to perform at least those parts of the container which are in the vicinity of the magnetic field 40. , in a non-magnetic material, such as stainless steel. The active plate 7 'of the main anode and the cathode bottom 8' can be made of stainless steel, and the same can be done for the whole of the main anode 7 and for the whole of the cathode 8.
FIG. 2 represents a variant of the invention, using a sort of anode and grid assembly which more closely approximates the classic form of ignitrons. In this embodiment of the invention, the cathode part 8 of the container 6 is shown in the form of a metal reservoir 48 formed by a cover 49 pierced with a central hole or opening 50. L The main anode is a massive part 52 surmounted by a vertical rod 53 suspended from the upper metal part 18 ', in the form of a hat, of a vertical tubular glass-metal seal 18'-19'-20' placed on the hole 50 of the cover 49 of the reservoir 48.
The main anode 52 of FIG. 2 is surrounded by a spaced metal grid 55 suspended from a metal ring 55 'attached to the underside of the cover 49 of the reservoir 48, thereby raising the grid 55 to the potential of the tank. reservoir, i.e. the cathode potential of the apparatus. The active cathode material capable of being reconstituted is represented, in FIG. 2, by an open liquid bath 13 '.
The magnet of FIG. 2 is a permanent magnet 56 immersed horizontally in the cathode bath 13, with its N and S poles pointing upwards and coming almost flush with the surface of the bath. The starting ring 12a or auxiliary anode is this time in a vertical plane, so that the magnetic flux of the magnet 56 crosses the ring horizontally and lengthens the trajectory of the electrons as has already been explained,
Thanks to the grid 55 which protects the anode, the space between the main anode 52 and the cathode bath 13 'can, in figure 2, be larger than in figure 1, and there is therefore enough place to put the priming ring 12a vertical. With this arrangement, a cathode spot can form on the surface of the bath, above each of the poles of the magnet-56.
If desired, in the device of Figure 2, suitable protection may be provided to prevent formation. cathodic spots outside the central or main surface of the cathode. This protection can take the form of an insulating cylinder 57, immersed in the cathode bath 13 'and trapping the magnet 56. The insulating cylinder 57 can come out of the bath and be covered with an insulating washer 58 which covers the bath. outside its central part and prevents the formation of a cathode spot in this region, .. ¯ ,,
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It will be noted that in FIG. 2, the starting anode 12a is located in a plane practically in alignment with the electrostatic field between the main anode 52 and the cathode 13 ',
so that the magnetic field cuts at an angle, and the electrostic field between the main anode 52 and the cathode, and the electrostatic field of the firing anode 12a.
Therefore, cathode spots could occur on the main anode 52, during the non-conductive periods of the apparatus, when the main anode is negative with respect to the cathode 13 ', if there is no had not the protection of the grid 55 which is located substantially at the cathode potential and which suppresses the electrostatic field between the main anode 52 and the cathode bath 13. With the grid 55 at cathode potential thus disposed, the . electrostatic field which surrounds the main anode 52 only goes up to the grid 55, without going, through the magnetic field, to the cathode. An arc return is therefore impossible, during the non-conducting periods of the device.
Figure 3 shows another means of preventing return arcs during the non-conductive periods of the apparatus, without having to resort, for this purpose, to a shielding grid, anode such as grid 55 of figure 2. In figure 3, the magnet consists of a U-shaped electromagnet 61, with an excitation coil 62 so as to be able to de-energize the magnet during the non-conductive periods of the apparatus, so that its field magnet is not there to lower the breakdown voltage of the main anode, when the full breakdown voltage is needed to allow the tube to remain non-conductive during periods of non-conduction, when a negative voltage is applied to the plate.
The construction of Figure 3 is similar to that of Figure 1, except that the two magnets. permanent 43 and
44 of figure 1 are omitted, that the annular firing anode 12 is placed in a vertical plane, as indicated at 12a in figure 3 and as shown in figure 2, and the electromagnet 61 is placed under the bottom 8 'of the cathode, so as to produce a magnetic field which crosses horizontally the vertical firing ring 12a.
FIG. 3 also gives one form of electrical circuit shown by way of example only, many different electrical circuits being suitable for use with the invention. It is obvious that the electric circuit (with the exception of the connections of the electromagnet) shown in Figure 3, can also be used for the embodiments of the invention shown in Figures 1 and 2.
Figure 3 shows the essential parts of a complete three-phase system, using three tubes 6 of the type just described. The current of the three-phase network 10 is sent to the three main anodes 7 through a main transformer 63, in any known manner. The three cathodes 8 are united in a common cathode circuit 64 which constitutes the positive terminal of the direct current load circuit 11. The negative terminal of the direct current load is the neutral point of the secondary of the main transformer 63.
An excitation or ignition circuit which is exempt from starting anodes 12 or 12a consists essentially of an ignition transformer 66 supplied by the polyphase line 10, which charges three ignition capacitors 67 via charge rectifiers 68. The different ignition capacitors 67 discharge, at desired times, on the corresponding starting anodes 12 or 12a, via control grid tubes 69 with phase shifters 70 which determine the part of the cycle in which each tube $ is fired or ignited, thereby adjusting the output voltage of the rectifier assembly.
This circuit is just one of many different ignition circuits that can be used with 60 single anode rectifiers
Usually, it is a good idea to provide an ionization maintenance system to prevent the main rectifiers 6 from turning off in the event of very low loads in the DC circuit 11.
A suitable means for this may be a network transformer -
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low voltage 73, the secondary terminals of which are connected to the three starting anodes 12 or 12a, by means of suitable isolation rectifiers 74.
When using electromagnets 61, as in FIG. 3, the three excitation coils 62 may preferably be energized for only half periods, or even for parts shorter than 1. half of a period, by a suitable step-down transformer .76 whose primary windings are fed by the network 10, and whose secondary windings are connected to the corresponding electromagnet coils 62 from three tubes 6, through rectifiers 78.
Preferably, as indicated, the secondary windings of the power transformer of the electromagnets 76 are phase shifted slightly forward on the corresponding main anodes 7 of the respective tubes, to give the electromagnets 61 time to produce their. magnetic flux at the start of the half-period. positive of the voltage applied to the respective main anodes, -
CLAIMS.
1.- An arc discharge apparatus in an asymmetric conduction vapor, comprising a vacuum vessel containing two main electrodes and an auxiliary starting anode, the active part of one of these main electrodes comprising a vaporizable cathode material suitable for reconstitution, the active part of the other main electrode comprising an active face constituting the main active anode of the device, and means for supporting separately, isolated from each other and with respect to the cathode, the main anode and the firing anode, characterized in that it comprises a magnet ignition device for establishing a magnetic field in substance not in alignment with at least one significant part of the electrostatic field between the starting anode and the cathode,
so as to facilitate an insulation rupture between the starting anode and the cathode, to start an arc between the main anode and the cathode.