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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.