<Desc/Clms Page number 1>
IGNITEURS THERMIONIQUES POUR IGNITRONS A METAL ALCALIN.
La présente invention concerne des perfectionnements aux dispositifs à arc en atmosphère de vapeur à conduction asymétrique comprenant une matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer dont une partie active est choisie dans le groupe césium, rubidium et potassium. Les trois métaux cathodiques césium,, rubidium et potassium appartiennent à une classe de métaux alcalins caractérisée par leurs potentiels d'ionisation extrêmement bas et, par conséquent, la chute de tension d'arc' extrêmement faible d'un redresseur à arc dans une atmosphère de vapeur utilisant ces métaux.
Comme les ignitrons à vapeur de mercure ou tubes redresseurs à bain cathodique monoanodiques ont virtuellement remplacé entièrement les tubes redresseurs à vapeur de mercure multi-anodiques anciens, à cause du rendement plus élevé du redresseur monoanodique ou ignitron, l'ignitron à métal alcalin a toutes chances de supplanter l'ignitron à vapeur de mercure pour la même raison de rendement, à condition de vaincre diffé- rentes difficultés techniques. Parmi ces difficultés qui ont empêché le développement du dispositif à arc en atmosphère de vapeur à bain de métal alcalin, le dispositif d'amorçage d'arcou igniteur approprié a longtemps été la pierre d'achoppement.
Les métaux alcalins sont tellement actifs chimiquement, qu'ils "mouillent" pratiquement toute surface avec laquelle ils viennent en contact et court-circuitent donc celle-ci. C'est pour. ce motif que les matériaux d'igniteur courants convenant parfaitement pour des ignitrons à vapeur de mercure, sont exclus dans le cas d'ignitrons à métal alcalin.
Là présente invention a pour but de procurer un ignitron à métal alcalin, ou tube redresseur monoanodique à bain de métal alcalin, avec une cathode chaude ou igniteur thermionique ou filament dont une extrémité
<Desc/Clms Page number 2>
est plongée dans le bain cathodique. La surface émettant les électrons ¯est limitée de façon à ne pas avoir un courant spatial suffisant pour produire une tache, sauf quand l'anode du dispositif est positive par rapport à la cathode ou,plus exactement, sauf quand un gradient de potentiel négatifpositif convenable est établi dans l'espace entourant immédiatement le filament. Le filament n'est chauffé qu'à une température modérée de 650 C à 850 C et il a, à ces températures, une émissivité électronique faible, due à la présence, sur le filament, d'une couche de métal alcalin.
Quand du courant commence à passer dans ce filament d'amorçage, au début de l'amor- çage d'un arc¯ dans l'ignitron, la couche de métal alcalin s'évapore rapidement, diminuant la capacité de conduction de courant spatial du filament, et¯l'arc se transporte du filament à la surface du bain cathodique. Pendant les périodes de non-conduction du tube, la pellicule de métal alcalin se reforme sur le filament qui est ainsi prêt à récidiver au début de la période suivante de conduction du tube.
La présente invention consiste dans les circuits, systèmes, appareils, combinaisons, organes, procédés de fabrication et modes de fonctionnement décrits ci-après avec référence au dessin annexé, dont l'unique figure est une vue très simplifiée et quelque peu schématique des circuits et appareils donnant, à titre d'exemple, une forme d'exécution du tube et des circuits extérieurs pouvant y être associés.
Le dispositif ou tube à conduction asymétrique de l'invention comprend un récipient sous vide 1, ayant deux, et seulement deux électrodes principales, à savoir une'anode principale 2 et un bain cathodique 3, munies des joints voulus 4, suivant la technique classique. Le bain cathodique 3 peut être un bain réel ou un liquide contenu dans une éponge poreuse 5 en substance non vaporisable, qui retient au moins la partie active de la matière cathodique 3. Celle-ci contient nécessairement une matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer, et la présente invention s'applique spécialement à un bain cathodique 3 dont au moins la partie active de la matière cathodique vaporisable propre à se reconstituer est choisie dans le groupe des métaux alcalins; césium, rubidium et potassium.
Le césium est actuellement la matière cathodique la plus importante pour ce genre de tube. Quand la matière vaporisable propre à se reconstituer est du césium, ou un mélange de métaux contenant du césium ou un des autres métaux du groupe des métaux alcalins césium, rubidium, potassium, la chute de tension interne du tube est habituellement inférieure à la moitié de celle obtenue dans un tube à bain de mercure du même type, .ce qui signifie un meilleur rendement.
Le récipient sous vide 1 a aussi une électrode d'amorçage auxiliaire 6, dont la partie active est une pièce allongée ou filament 7 servant de cathode chaude ou igniteur à surface limitée. Une extrémité du filament ou cathode chaude est plongée dans le bain cathodique 3, comme le dessin le montre.
Dans la forme d'exécution représentée, l'électrode d'amorçage 6 est pourvue d'un conducteur d'amenée de courant 8, dont la section transversale est relativement grande et qui a une conductivité électrique et thermique très supérieure à celle de la partie active servant de cathode chaude ou filament 7, de fagon que le point de jonction 9 de l'extrémité non immergée de la cathode chaude 7 et du conducteur d'entrée 8, soit bien refroidi. La bonne conductivité électrique du conducteur d'entrée 8 fait, en outre,, que la chute de tension dans ce dernier est faible, quand il est traversé par le courant de chauffage du filament 7; cettq chute- de tension sera de l'ordre d'un volt ou, en tous cas, inférieure à la tension minimum nécessaire pour entretenir un arc stable.
Tout arc qui s'accroche à une partie quelconque du conducteur 8 ne sera donc pas stable.
La cathode chaude où filament 7 a, en outre;, une longueur et une section transversale assez faibles, pour que la chute de tension dans cette dernière nécessaire à maintenir la température d'émissivité soit tel-
<Desc/Clms Page number 3>
lement faible qu'un arc qui s'accroche à une partie quelconque du conduc- teur d'entrée 8 soit toujours instable la chute de tension nécessaire est de l'ordre d'un volt.
Dans les tubes à métal alcalin,il faut veiller avec attention aux matières de surface de toutes les parties chaudes. La cathode chaude filamentaire 7 a une émission électronique faible, due à la présence du métal aloalin, à des températures d'émission nettement inférieures à la température d'émission thermionique du métal de suface même de la cathode chaude, en l'absence d'une couche ou recouvrement de métal alcalin. Il faut donc qu'au moins la surface de la cathode chaude 7 soit en un métal ayant .une fonction de travail supérieure au potentiel d'ionisation du métal alcalin déterminé utilisé dans le tube.
Dans ces conditions, la cathode chaude ou la partie chaude du filament 7 suffisamment éloignée de son extrémité relativement froide plongée dans le bain cathodique 3 et de son point de jonction également refroidi 9 avec le conducteur d'entrée relativement massif 8, semble attirer ou se laisser couvrir d'une très mince pellicule ou absorption superficielle de métal alcalin, peut être d'une épaisseur monoatomique, qui donne au filament ses caractéristiques spéciales d'émissivité électronique.
D'autre part, les surfaces chaudes, à l'intérieur du tube, qui ne doivent pas émettre d'électrons, doivent être en'un des rares métaux qui ont une fonction de travail inférieure au potentiel d'ionisation du métal alcalin. Gomme le conducteur d'entrée 8 de l'électrode d'amorçage est assez chaud près de son point de jonction 9 avec le filament 7, au moins cette partie du conducteur d'entrée 8 doit avoir sa surface faite en un des métaux ayant une telle fonction de travail faible.
Pour faciliter la compréhension de l'étude ci-dessus des fonctions de travail et potentiels d'ionisation, le tableau ci-après donne les fonctions de travail des métaux à faible tension de vapeur et haut point de fusion disponibles, par comparaison aux potentiels d'ionisation des césium, rubidium et potassium, conformément aux dernières données sur la matière.
<Desc/Clms Page number 4>
Fonctions de travail des métaux à faible tension de vapeur et haut point de fusion, comparées aux potentiels d'ionisation des césium, rubidium et potassium¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
EMI4.1
<tb>
<tb> Métal <SEP> Fonction <SEP> de <SEP> travail <SEP> Potentiel <SEP> d'ioen <SEP> électrons-volts <SEP> nisation <SEP> en <SEP> volts
<tb> Platine <SEP> Pt <SEP> 5,29
<tb> Rhénium <SEP> Re <SEP> 5,1
<tb> Nickel <SEP> Ni <SEP> 4,84
<tb> Palladium <SEP> Pd <SEP> 4,82
<tb> Rhodium <SEP> Rh <SEP> 4,65
<tb> Iridium <SEP> Ir <SEP> 4,57
<tb> Osmium <SEP> Os <SEP> 4,55
<tb> Ruthénium <SEP> Ru <SEP> 4,52
<tb> Tungstène <SEP> W <SEP> 4,50
<tb> Fer <SEP> Fe <SEP> 4,36
<tb> Potassium <SEP> K <SEP> - <SEP> 4,32
<tb> Molybdène <SEP> Mo <SEP> 4,27
<tb> Cobalt <SEP> Co <SEP> 4,18
<tb> Ribidium <SEP> Rb <SEP> -- <SEP> 4,16
<tb> Tantale <SEP> Ta <SEP> 4,12
<tb> Vanadium <SEP> V <SEP> 4,
11
<tb> Titane <SEP> Ti <SEP> 4,09
<tb> Columbium <SEP> Cb <SEP> 3,99
<tb> Césium <SEP> Co <SEP> - <SEP> 3,88
<tb> Zirconium <SEP> Zr <SEP> 3,84
<tb> Hafnium <SEP> Hf <SEP> 3,53
<tb> Thorium <SEP> Th <SEP> 3,41
<tb> Béryllium <SEP> Be <SEP> 3,37
<tb>
Le récipient sous vide 1 et ses différentes parties constituti- ves peuvent affecter une grande quantité de formes et contours différents.
Dans la forme d'exécution représentée, le bain cathodique 3 est maintenu dans une partie enveloppe de cathode 11 en forme de cuvette refroidie par air, pouvant être faite en acier. L'anode principale 2 peut être constituée par une partie en acier 12 en forme de cuvette,, dont le fond est la partie active de l'anode principale 2 et se trouve à une distance suffisante au- dessus de la face supérieure du bain cathodique 3. Le joint isolant 4 en- tre anode et cathode consiste à titre d'exemple, en un tube de verre 13 qui entoure, sans la toucher, une partie intermédiaire de la paroi la- térale de la cuvette anodique 12, et est réuni, par des scellements verre- métal convenables 14 et 15, aux parties supérieures des cuvettes anodique
12 et cathodique 11.
Comme dans tout dispositif électronique à arc en atmosphère de vapeur, il est habituellement bon de prévoir, dans un tube à bain de métal alcalin, un ensemble d'écrans métalliques de forme et disposition telles qu'il protège toute tache cathodique possible sur le bain cathodique 3 con- tre un arc direct venant de la surface active de l'anode principale du dispositif. L'ensemble représenté se compose de trois écrans 17, 18 et 19.
<Desc/Clms Page number 5>
L'écran inférieur 17 a la forme d'une rondelle supportée avec isolement au-dessus de la surface du bain cathodique 3,par exemple au moyen de fils supports 21 qui pendent de l'écran suivant 18.Cet écran 18 a la forme d'un entonnoirs, tandis que le troisième écran 19 a la forme d'un épaulement an- nulaire rentrant solidaire de la paroi latérale de la cuvette cathodique
11.
La forme de récipient choisie est connue ; l'électrode d'amor- çage 6 est disposée au centre du tube, dans son axe de symétrie. 1 cet ef- fet, la cuvette anodique 12 est pourvue,dans le fond, d'un trou 22 et un ensemble tubulaire vertical en matière isolante 23 est posé sur le fond de la cuvette anodique 12, au-dessus du trou. Cet ensemble tubulaire iso- lant 23 se compose d'un premier tube en verre 24 scellé au fond de la cuvet- te anodique 12, comme représenté en 25Au-dessus du tube de verre 24, un tu- be métallique 26, dont le bas est scellé au tube 24, a sa partie supérieure scellée au bas d'un second tube de verre 27 supérieur. Le sommet du tube de verre supérieur 27 est fermé par un capot métallique de scellement 28 qui complète la fermeture hermétique du récipient sous vide 1.
Dans la forme d'exécution représentée, l'électrode d'amorçage
6 a son conducteur d'entrée 8 pendu au capot métallique de scellement 28. Ce conducteur 8 sera, de préférence une barre de zirconium, ce dernier métal étant, de loin, le meilleur des métaux à faible fonction de travail. L'ex- trémité inférieure du conducteur d'amenée en zirconium 8 est fixée au filament 7 en tungstène ou autre matière à fonction de travail élevée, par un fil plus court intermédiaire 29 en zirconium.
L'écran entonnoir 18 est placé avec sa grande ouverture vers le bas, et son ouverture étroite est attachée à un tube support 31 concentrique au conducteur d'entrée 8 et au tube de verre 24. Le sommet du tube support d'écran 31 est fixé au tube métallique isolé 26, qui peut servir de borne électrique pour l'ensemble d'écrans isolés comprenant le tube support 31, le tube entonnoir 18, les fils supports 21, et la rondelle écran 17, éléments qui peuvent jouer le rôle d'une grille commandant la répartition du champ électrostatique dans le tube au moins avant le début d'une période de conduction du dispositif qui est marqué par la formation d'un arc entre anode et cathode.
Comme ces écrans isolés, ou au moins leurs parties inférieuresse trouvent dans la trajectoire de l'arc et sont portés à haute température, ils doivent être faits ou recouverts de zirconium ou de tout autre métal à faible fonction de travail mentionné au tableau ci dessus.
Pour compléter la description de la forme d'exécution représentée, on peut noter que le fond de la cuvette anodique 12 est renforcé par une rondelle massive en cuivre 32 qui le recouvre et est munie d'ailettes de refroidissement 35 et 36 pouvant être associées à des chicanes tubulaires 38 et 39, par où de l'air peut être soufflée sur les ailettes de refroidissement d'anode 35 et 36, par un ventilateur convenable (non représenté).
Des circuits extérieurs pour le tube sont représentés à titre d'exempleUne ligne d'alimentation triphasée 41 fournit de l'énergie à 1' anode 2 du tube reliée à une des bornes secondaires Sl d'un transformateur de puissance triangle-étoile 42 dontle neute constitue la bomenégative du conducteur de retour L2 d'un circuit de charge à courant continu. Il va de soi que les autres bornes secondaires S2 et S3 doivent être connectées à d'autres tubes redresseurs (non représentés) Les cuvettes cathodiques 11 de tous les tubes doivent être réunies au conducteur positif de sortie Ll qui constitue le conducteur positif du circuit de charge à courant continu.
La borne de grille 26 est alimentée, à travers une résistance de grille 43 et une batterie de polarisation négative B, par une phase secondaire d'un transformateur triangle-étoile de commande de grille 44, qui est alimenté, à son tour, par la ligne d'alimentation polyphasée 41, à travers un déphaseur 45, au moyen duquel le moment de l'amorçage de l'arc peut être commandé ou réglé.
<Desc/Clms Page number 6>
L'électrode d'amorçage filamentaire 7 peut être chauffée par toute source basse tension convenable, comme l'enroulement secondaire d'un transformateur de chauffage de filament 46 alimenté par une phase de la ligne d'alimentation 41. Il va de soi qu'on pourrait utiliser une source de chauffage de filament à courant continu (non représentée), au lieu du transformateur de chauffage de filament 46, qu'on connecterait, de préférence, de façon que l'extrémité non immergée du filament 7 soit la plus positive, quoiqu'on puisse aussi faire l'inverse.
En fonctionnement, quand le dispositif doit être mis en service, la source de chauffage de filament 46 alimente d'abord le filament 7 et, un peu plus tard, quand le filament est assez chaud, le dispositif commence à fonctionner. Le premier à-coup de courant de chauffage de filament est habituellement fort, parce que la surface entière du filament 7, quand il était froide était "mouillée" ou recouverte d'une pellicule de sésium ou autre métal alcalin liquide. Si la température ambiante initiale du tube est assez basse, cette pellicule de césium peut même être soli- difiéea Le premier à-coup de courant de chauffage dans ce chemin relativement peu résistant constitué par la pellicule recouvrant le filament, peut être limité par une résistance de circuit filament 47 convenable.
La pellicule de césium ou autre métal alcalin est rapidement évaporée par le courant de chauffage, après quoi la résistance plus élevée du filament ou cathode chaude 7 intervient pour limiter la valeur du courant de chauffage de filament, de façon que la température de la partie la plus chaude du filament 7 soit la bonne, à n'importe quelle température de régime. Cette température du filament est toujours supérieure au point d'ébullition du métal alcalin utilisé, et aussi probablement inférieure à la température du chauffage à blanc nécessaire à l'émission électronique du tungstène ou autre matière de filament en l'absence de la pellicule,
supposée monoatomique du métal alcalin qui reste accrochée à la surface du filamentà cause de la fonction de travail relativement élevée de la matière filamentaire.
L'émission électronique du filament 7 n'est pas suffisante pour preduire, dans le tube, un courant spatial, à moins qu'on ait le gradient de potentiel voulu près de la surface du filament, le filament se trouvant à l'extrémité négative de ce gradient de potentiel. Il est donc impossible qu'un arc ou décharge de courant spatial se produise entre le filament 7 et 1?anode principale 2 ou 12, avant que celle-ci soit positive par rapport à la cathode 3. Et même avec l'anode positive, un courant spatial important ne peut s'amorcer du filament chauffé 7, aussi longtemps que les éléments de grille 17 et 18 sont négatifs à cause de la source de polarisation négative B, parce qu'une grille négative est maître de la charge spatiale, avant l'amorçage d'un arc.
Le déphaseur 45 peut être réglé de façon que la grille 17-18 devienne positive en tout point quelconque de la période du courant alternatif., après que l'anode est devenue positive par rapport à la cathode, ce qui constitue un moyen de commande du retard à l'allumage du tube ou du moment d'amorçage d'un arc.
Quand le courant commence à circuler à partir du filament chaud 7, cette possibilité de conduction est extrêmement limitée à cause de la très petite surface émissive du filament. Les exigences de la charge en courant continu sont considérablement supérieures à la possibilité en électrons du mince filament, de sorte que la pellicule monoatomique de césium s'évapore et disparaît, en substance instantanément, de la surface du filament ;il est supposé que l'extrémité cathode de l'arc suit le bord fuyant de la pellicule de césium jusqu'à ce qu'elle atteigne un point proche du point d'immersion ou même le point de jonction du filament avec le bain de-césium, où une source abondante d'électrons est disponible de sorte que l'arc se reporte sur le bain cathodique 3.
Habituellement, les exigences en courant de charge sont suffisantes pour que plusieurs extrémités cathodiques d'arc ou taches cathodiques soient néces-
<Desc/Clms Page number 7>
saires pour porter le courant de charge totale de sorte que la surface en- tière du bain cathodique 3 soit disponible pour le passage du courant de charge.
Afin d'empêcher la formation d'une tache cathodique à l'extrémité non immergée du filament 7, il est souhaitable que le fil court en zirconium
29, porté à haute température n9émette pas de ce côté ;c'est pourquoi ce fil de liaison est fait en zirconium ou autre métal à faible fonction de travail. Il est en outre souhaitable que cette extrémité non immergée du filament soit refroidie autant que possible ; à cet effet, le conducteur d'amenée 8 est assez massif de façon à avoir une bonne conduction ther- mique, afin que son extrémité inférieure, qui est le point de jonction
9 du filament, soit refroidie par 1-'extrémité supérieure froide du conduc- teur d'amenée 8 relié lui-même au capot métallique de scellement 28 refroi- di par air.
Il est bon aussi que la chute de tension nécessaire pour faire passer le courant de chauffage dans le filament 7, soit de l'ordre d'un volt, plus ou moins, ou soit en tous cas très inférieure à la tension mini- mum d'amorçage d'are nécessaire pour maintenir un arc stable dans de la vapeur de césium, par exemple, tension de l'ordre 3,9 volts, de façon que jamais un arc stable ne puisse s'amorcer entre le haut ou extrémité non immergée du filament 7 et le bain cathodique 3. Comme on veut aussi éviter qu'un arc stable ne puisse s'accrocher à un point quelconque du conduc- teur d'amenée 8, il est intéressant que la chute de tension totale dans le conducteur d'amenée soit inférieure à un volt ou environ .
Il faut noter que le filament 7 reste chaud pendant toute la durée de fonctionnement du tube; c'est-à-dire aussi bien pendant les périodes de non-conduction que pendant celles de conduction. Ces dernières durent de l'amorçage de l'arc, comme,expliqué ci-dessus, jusqu'au moment où l'anode du tube devient négative par rapport à la cathode, moment où les périodes de non-conduction commencent. Pendant la non-conduction du tube, une couche suffisante, supposée monoatomique, de césium, ou d'un autre métal alcalin, se reforme sur le filament chaud 7, qui se prépare ainsi à une nouvelle opération d'amorçage d'arc.
Comme le zirconium, ou autre métal à faible fonction de travail,utilisé dans le tube est sujet à une certaine évaporation, et donc à une condensation sur des parties plus froides du tube, il faut que le filament chauffé 7 reste toujours plus chaud que toute autre partie de l'intérieur du tubesauf les arcs eux-mêmes.
On évite que du zirconium, ou autre métal à faible fonction de travail, se dépose sur la surface du filament 7 et détériore les qualités émissives de cette dernière. Il est enfin souhaité que la température d'émissivité de régime du filament 7 et la géométrie de l'espace de décharge qui l'entoure soient telles qu'il y ait un bombardement suffisant d'ions positifs pour nettoyer la surface du filament de tout dépôt indésirable qui se ferait pendant le fonctionnement du dispositif.
Quoiqu'on n'ait décrit et représenté qu'une forme d'exécution de tube et de circuits extérieurs, sous une forme très simplifiée, en omettant des détails comme les interrupteurs, refroidissements, régulations de température, faradisations et de nombreux autres éléments classiques connus, il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention, par substitution d'équivalents et addition ou omission de différentes parties.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.