CH119317A - Electronic discharge device. - Google Patents

Electronic discharge device.

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CH119317A
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cathode
gas
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mercury
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French (fr)
Inventor
Company Raytheon Manufacturing
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Raytheon Mfg Co
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  • Gas-Filled Discharge Tubes (AREA)

Description

  

  Dispositif à décharge     électronique.       Cette invention est relative aux dispositifs  à décharge électronique ayant une cathode  et une anode, avec ou sans une troisième  électrode servant à régler le passage du  courant entre la cathode et l'anode, dispositifs  destinés à être utilisés comme redresseurs,  oscillateurs, amplificateurs, détecteurs, modu  lateurs, etc.  



       L'invention    peut servir à faire passer du  courant à une faible     différence    de 'potentiel  entre la cathode et l'anode, à éviter un  échauffement exagéré des électrodes et des  pièces qui s'y rattachent par le courant     ca-          thodique-anodique    tout en produisant une  ample émission électronique de la cathode,  à éviter la nécessité d'employer de grandes  quantités de matière engendrant de la vapeur,  à empêcher la conduction électronique de  l'anode à la cathode sous l'influence d'un  potentiel inverse comme dans le redressement;  dans certains cas, les effets de la charge  d'espace dans la zone de l'anode peuvent  aussi être éliminées.

      En vue de la réalisation de ces buts, le  dispositif suivant l'invention contient deux  gaz dont l'un est plus facilement     ionisable     que l'autre, et des moyens pour maintenir la  pression du gaz le plus     ionisable    à une va  leur plus élevée à l'intérieur d'une chambre,  par une ouverture de laquelle sortent les  électrons, qu'à l'extérieur de cette chambre.  



  Le dispositif comprend de préférence un  tube à basse pression ou à vide poussé (de  l'ordre de, par exemple, 0,01 mm de mercure)  contenant une chambre-cathode dans laquelle  règne une pression     beaucoup    plus élevée (de  l'ordre de 0,1 min de mercure, par exemple)  maintenue dans la zone de sa surface de  décharge par des forces dues à un champ  électromagnétique;

   électrostatiques ou ma  gnétiques ou les deux en même temps, dans  le but d'assurer une ample émission élec  tronique, par exemple à l'aide d'une action  centrifuge, préférablement produite par un  champ magnétique s'étendant longitudinale  ment par rapport à l'axe de l'ouverture de      décharge et réagissant avec la décharge élec  trique pour faire tourbillonner le gaz et  établir une pression plus élevée près de la  périphérie interne de la     chambre-cathode.     



  On peut. aussi prévoir le maintien d'une  proportion plus élevée du gaz plus     ionisable     dans la zone de la source d'électrons, à l'in  térieur de la cathode creuse, que dans la zone  de l'anode ou autre zone recevant les élec  trons. De préférence, ceci est accompli à  l'aide d'une paroi ou membrane poreuse ou  semi-perméable, constituée par exemple par  du carbone ou du quartz ou par une feuille  de métal percée de trous suffisamment petits  pour restreindre le transfert de gaz à ce  qu'on appelle une diffusion pure, paroi ou  membrane à travers laquelle le gaz le moins       ionisable    peut s'échapper de la cathode (de  préférence uniquement par le phénomène de       diffusion)

      en rie permettant pas au gaz le  plus     ionisable    de s'échapper aussi facilement  ou en l'empêchant de s'échapper. Par exem  ple, par l'application combinée d'un mélange  d'hélium et de     cfiuin    ou de vapeur de mer  cure avec une paroi de quartz, l'hélium  s'échappe, tandis que la vapeur de     mercure,     plus     ionisable,    ne     petit        pas-passer    à travers  la paroi de quartz et s'accumule par consé  quent dans la cathode.

   Comme la vitesse de       diffusion    de l'hélium est à peu près sept fois  plus grande que celle de la vapeur de mer  cure, on peut faire en sorte que la pression  de la vapeur de mercure à l'intérieur de la  cathode prédomine considérablement sur la  pression de cette vapeur à l'extérieur de la  cathode, même dans le cas où l'on fait usage  d'une paroi poreuse, en carbone par exemple  qui laisse passer la vapeur de mercure dans       une    certaine mesure.

   Pour certaines applica  tions, le tube à vide     petit    être rempli d'hélium  sous     (nie    pression de l'ordre d'un     denii-cen-          timètre    de mercure, et une petite quantité de  mercure (réduite par exemple à une seule  goutte dans le cas de. petits tubes) peut être  placée dans le tube pour engendrer et fournir  la vapeur de mercure. Les voltages d'ionisa  tion du mercure et de l'hélium sont 10,5  volts et 25 volts, respectivement.    De cette façon, le gaz que renferme la  cathode peut être ionisé à un degré plus  élevé et donner ainsi lieu à une chute de  potentiel plus faible entre les électrode.

         L'effet    peut être accentué en portant à une  température très élevée le gaz que renferme  la .cathode (par exemple â,<B>2,8000</B> 0 ou     au-          dessus).    Lorsque le gaz que renferme la ca  thode a été porté à une température élevée,  un grand nombre des atomes sont à un état  excité, c'est-à-dire que leurs électrons sont  déplacés de leurs orbites voisines des noyaux  atomiques vers des orbites plus éloignées,     sans     être entièrement amenés hors de portée     d'in-          fluetice    des noyaux et, par conséquent,

   des  électrons émis par la surface     interne    de la  cathode peuvent facilement ioniser le gaz que  renferme cette cathode. De cette     façon,    la  chute de potentiel est réduite à une faible  valeur.    Quoique les     mêmes    avantages généraux  puissent être obtenus à l'aide d'autres gaz  ayant des caractéristiques d'ionisation et de       diffusion        différentes        (oit        petit    par exemple  remplacer l'hélium par de l'hydrogène et la  vapeur de mercure par de la vapeur de     cxsium,     par du krypton ou par du xénon,

   la combi  naison de gaz susmentionnés     offre    des avan  tages spéciaux. Par exemple, l'hélium     offre          titi    long trajet libre moyen, et le mercure  peut être incorporé à l'état liquide, ce qui  assure une réserve de vapeur pratiquement  inépuisable.  



  L'invention     permet    aussi de protéger  l'anode contre le bombardement d'ions posi  tifs lorsque l'électrode constituant normale  ment l'anode est portée à un potentiel négatif,  de sorte que la décharge gazeuse qui se  produit entre les électrodes est limitée de  faon plus efficace     à,    l'un des sens, par  exemple lors de la mise en marche d'un dis  positif avec la cathode froide, par suite de  la raréfaction du gaz plus     ionisable    dans  la région de l'anode, le gaz moins     ionisable     contribuant à la protection de l'anode.  



  L'invention est     particulièrement    applicable  au redressement du courant alternatif, et des.      redresseurs suivant     l'iuventioii    peuvent pré  senter une faible chute de potentiel, ce  qui joue un rôle important lorsqu'on redresse  un courant de voltage modérément élevé (par  exemple de l'ordre de grandeur du millier de  volts).  



  Le dessin annexé montre, à titre d'exemple  d'exécution, une coupe axiale     schématique    d'un  dispositif redresseur comprenant une anode     g,          une    cathode     C',    un écran S, un tube T et une bo  bine     1L1        entourant    le tube. Ces pièces ont       préférablement    la forme de corps de révolu  tion coaxiaux.

   Le tube T peut être fait de  verre dur ou extrêmement réfractaire et les  électrodes     .A    et C et l'écran S peuvent être  faits de tungstène ou d'une autre matière  convenable et peuvent être supportés dans le  tube par tous moyens convenables; par exem  ple à l'aide de tiges a c et     s,        comice    repré  senté. D représente une goutte de mercure ou       autre    matière engendrant de la vapeur, soit  spontanément, soit par l'application     d'unesource     de chaleur     extérieure(par    exemple à l'aide d'une  bobine de     chauffage        H).    Cette vapeur constitue  l'un des deux gaz employés dans le dispositif.

    Une goutte de mercure suffit pour des petits  tubes. Comme deuxième gaz, l'on peut em  ployer de l'hélium, sous une pression d'en  viron un     demi-centimètre    de colonne de mer  cure. P désigne une membrane ou paroi po  reuse ou semi-perméable. Quand on fait usage  d'hélium et de mercure, cette paroi est     pré-          férablement    faite de quartz, qui permet la       diffusion    de l'hélium sans laisser     pssser    la  vapeur de mercure. Ladite paroi peut être  fixée au bord inférieur de la partie cylindrique  de la cathode creuse     Cde    toute manière conve  nable.  



  Avec un potentiel convenable imprimé  entre la cathode C et l'anode     9.,    un courant  d'électrons passe de l'intérieur de la cathode  creuse à l'anode à travers des ouvertures     E     et L, l'écran S ayant pour rôle de localiser  la chaleur produite dans la cathode par le  passage du courant et d'augmenter ainsi  l'ionisation à l'intérieur de la cathode. L'écran  sert aussi à localiser le passage du cou  rant le long du chemin le plus direct. Quand    la bobine     M    est excitée, le champ produit  par cette bobine,- en agissant sur. la compo  sante radiale du courant dirigé vers l'ouver  ture, fait tourner le gaz à l'intérieur de la  cathode.

   Cette rotation du gaz produit une  pression plus élevée     près    de la     paroi    interne  de la cathode; le nombre de     ibns    près -de la  surface active de la cathode est augmenté et  l'émission électronique par cette surface est  facilitée. En prolongeant la tige c à travers  le centre de la cathode jusqu'à un point  voisin de l'ouverture     E,    on empêche une  sortie directe du gaz de la cathode, suivant  l'axe de celle-ci.

   Les moyens décrits ont  comme résultat que<B>du</B> gaz pénètre dans     la,     cathode par l'ouverture     E,        jusqu'à    ce que la  pression moyenne relativement élevée que la  rotation du gaz tend à produire dans la ca  thode y soit établie.  



  Un faible courant gazeux persiste après ce  moment, en raison du fait que le gaz le  moins     ionisable    (par exemple l'hélium), tra  verse par diffusion la paroi P. Le gaz plus       ionisable,    à diffusion faible ou nulle, prédo  mine ainsi dans la cathode creuse;

   sur le gaz  moins     ionisable,    ce qui augmente encore, et  d'une manière très importante, le nombre de  ions près de la surface active et l'émission  électronique de celle-ci.     Quand    le gaz le plus       ionisable    est aussi plus lourd que le gaz le  moins     ionisable    (comme c'est le cas de la  vapeur de mercure qui est plus lourde que       l'héliutn),-    la prépondérance du gaz le plus       ionisable    près de la paroi interne de la ca  thode creuse est en outre favorisée par l'ac  tion centrifuge.  



       L'effet        combiné    des susdits facteurs, effet  conduisant à un état d'ionisation élevé à  l'intérieur de la cathode, est que l'intérieur  de la cathode creuse devient une source  efficace d'électrons. Cet effet peut être encore  augmenté, soit en chauffant la cathode indé  pendamment du passage de courant entre la  cathode et l'anode, soit en revêtant la sur  face interne de la cathode d'une matière  éminemment émettrice d'électrons telle que  le     c#sium,    soit en combinant ces deux moyens.      On peut aussi, en vue de maintenir la ca  thode à une température plus élevée, donner  à sa surface externe ou à la surface interne  de l'écran     S    ou à ces deux surfaces un pou  voir réfléchissant élevé.

   En polissant brillam  ment la surface interne de la cathode, celle-ci  absorbera moins de lumière et l'ionisation  sera encore augmentée à l'intérieur de la  cathode.  



       Pour    .certaines applications, on peut avan  tageusement limiter la distance entre la ca  thode C et l'écran     S    ou celle entre ce dernier  et l'anode     .1,    ou ces deux distances, à la  valeur du libre parcours moyen des électrons  dans le gaz que     renferment    ces espaces,  c'est-à-dire à la distance moyenne parcourue  par un électron à la vitesse ionisante sans  choc ionisant avec une molécule de gaz, ce  qui contribue à éliminer les     effets    de ionisa  tion indésirables.



  Electronic discharge device. This invention relates to electronic discharge devices having a cathode and an anode, with or without a third electrode for controlling the flow of current between the cathode and the anode, devices for use as rectifiers, oscillators, amplifiers, detectors , modulators, etc.



       The invention can be used to pass current at a low potential difference between the cathode and the anode, to avoid excessive heating of the electrodes and parts attached thereto by the cathode-anode current while at the same time. producing a large electron emission from the cathode, avoiding the need to use large amounts of vapor-generating material, preventing electronic conduction from the anode to the cathode under the influence of a reverse potential as in the recovery; in some cases, the effects of space charge in the anode area can also be eliminated.

      With a view to achieving these aims, the device according to the invention contains two gases, one of which is more easily ionizable than the other, and means for maintaining the pressure of the most ionizable gas at a value greater than inside a chamber, through an opening from which electrons exit, than outside this chamber.



  The device preferably comprises a low pressure or high vacuum tube (of the order of, for example, 0.01 mm of mercury) containing a cathode chamber in which a much higher pressure prevails (of the order of 0.1 min of mercury, for example) maintained in the region of its discharge surface by forces due to an electromagnetic field;

   electrostatic or magnetic or both at the same time, for the purpose of ensuring ample electronic emission, for example by means of centrifugal action, preferably produced by a magnetic field extending longitudinally with respect to the axis of the discharge opening and reacting with the electric discharge to swirl the gas and build up a higher pressure near the inner periphery of the cathode chamber.



  We can. also provide for the maintenance of a higher proportion of the more ionizable gas in the area of the electron source, inside the hollow cathode, than in the area of the anode or other area receiving the electrons. Preferably, this is accomplished with the aid of a porous or semi-permeable wall or membrane, for example constituted by carbon or quartz or by a sheet of metal pierced with holes small enough to restrict the transfer of gas to it. called pure diffusion, wall or membrane through which the least ionizable gas can escape from the cathode (preferably only by the phenomenon of diffusion)

      not allowing the most ionizable gas to escape so easily or preventing it from escaping. For example, by the combined application of a mixture of helium and cfiuin or of sea vapor cure with a quartz wall, the helium escapes, while the mercury vapor, which is more ionizable, does not small. does not pass through the quartz wall and therefore accumulates in the cathode.

   Since the diffusion velocity of helium is about seven times that of curing sea vapor, the pressure of mercury vapor inside the cathode can be made to predominate considerably over the pressure of this vapor outside the cathode, even in the case where use is made of a porous wall, made of carbon for example, which allows mercury vapor to pass to a certain extent.

   For some applica- tions, the small vacuum tube be filled with helium under (nie pressure of the order of a denii-centimeter of mercury, and a small quantity of mercury (reduced for example to a single drop in the (small tubes) can be placed in the tube to generate and supply the mercury vapor. The ionization voltages of mercury and helium are 10.5 volts and 25 volts, respectively. The gas contained in the cathode can be ionized to a greater degree and thus give rise to a lower potential drop between the electrodes.

         The effect can be enhanced by bringing the gas in the cathode to a very high temperature (eg, <B> 2.8000 </B> 0 or above). When the gas in the cathode has been brought to a high temperature, many of the atoms are in an excited state, that is, their electrons are moved from their orbits near atomic nuclei to more orbits. remote, without being entirely brought out of the influence of the nuclei and, consequently,

   electrons emitted by the internal surface of the cathode can easily ionize the gas contained in this cathode. In this way, the potential drop is reduced to a low value. Although the same general advantages can be obtained by using other gases with different ionization and diffusion characteristics (eg, replacing helium with hydrogen and mercury vapor with hydrogen vapor). cxsium, by krypton or by xenon,

   the combination of the aforementioned gases offers special advantages. For example, helium offers a long average free path, and mercury can be incorporated in the liquid state, which provides a virtually inexhaustible supply of vapor.



  The invention also makes it possible to protect the anode against the bombardment of positive ions when the electrode normally constituting the anode is brought to a negative potential, so that the gas discharge which occurs between the electrodes is limited by more efficient way to, one of the directions, for example when starting a positive device with the cold cathode, due to the depletion of the more ionizable gas in the region of the anode, the less ionizable gas contributing to the protection of the anode.



  The invention is particularly applicable to rectifying alternating current, and. Rectifiers according to the invention may have a low drop in potential, which plays an important role when rectifying a moderately high voltage current (for example of the order of magnitude of a thousand volts).



  The accompanying drawing shows, by way of example of execution, a schematic axial section of a rectifier device comprising an anode g, a cathode C ′, a screen S, a tube T and a coil 1L1 surrounding the tube. These parts are preferably in the form of coaxial revolution bodies.

   The tube T can be made of hard or extremely refractory glass and the electrodes .A and C and the screen S can be made of tungsten or other suitable material and can be supported in the tube by any suitable means; for example using rods a c and s, comice shown. D represents a drop of mercury or other vapor-generating material, either spontaneously or by the application of an external heat source (for example using a heating coil H). This vapor constitutes one of the two gases used in the device.

    A drop of mercury is sufficient for small tubes. As the second gas, helium can be used, under a pressure of about half a centimeter of a column of sea cure. P denotes a porous or semi-permeable membrane or wall. When helium and mercury are used, this wall is preferably made of quartz, which allows the diffusion of the helium without allowing mercury vapor to escape. Said wall may be fixed to the lower edge of the cylindrical part of the hollow cathode C in any suitable manner.



  With a suitable potential printed between the cathode C and the anode 9, a current of electrons passes from the interior of the hollow cathode to the anode through openings E and L, the screen S having the role of locate the heat produced in the cathode by the passage of current and thereby increase the ionization inside the cathode. The screen is also used to locate the passage of the current along the most direct path. When the coil M is excited, the field produced by this coil, - by acting on. the radial component of the current directed towards the opening causes the gas to turn inside the cathode.

   This rotation of the gas produces a higher pressure near the inner wall of the cathode; the number of ibns near the active surface of the cathode is increased and the electronic emission by this surface is facilitated. By extending the rod c through the center of the cathode to a point close to the opening E, a direct exit of gas from the cathode is prevented along the axis of the latter.

   The means described result in <B> gas </B> entering the cathode through opening E, until the relatively high average pressure which the rotation of the gas tends to produce in the cathode y is established.



  A weak gas current persists after this moment, due to the fact that the less ionizable gas (for example helium), diffuses through the wall P. The more ionizable gas, with little or no diffusion, thus predominates in the wall. the hollow cathode;

   on the less ionizable gas, which further increases, and in a very important way, the number of ions near the active surface and the electron emission thereof. When the most ionizable gas is also heavier than the less ionizable gas (as is the case with mercury vapor which is heavier than heliutn), - the preponderance of the most ionizable gas near the wall internal hollow cathode is further promoted by centrifugal action.



       The combined effect of the above factors, which results in a high ionization state inside the cathode, is that the inside of the hollow cathode becomes an efficient source of electrons. This effect can be further increased, either by heating the cathode independently of the current flow between the cathode and the anode, or by coating the inner surface of the cathode with a highly electron-emitting material such as c #. sium, or by combining these two means. It is also possible, with a view to maintaining the cathode at a higher temperature, to give its external surface or the internal surface of the screen S or both surfaces a high reflective power.

   By brilliantly polishing the inner surface of the cathode, it will absorb less light and the ionization will be further increased inside the cathode.



       For certain applications, it is advantageously possible to limit the distance between the cathode C and the screen S or that between the latter and the anode .1, or these two distances, to the value of the mean free path of the electrons in the screen. gas contained in these spaces, that is to say the average distance traveled by an electron at ionizing speed without ionizing shock with a gas molecule, which helps to eliminate undesirable ionization effects.

 

Claims (1)

REVENDICATION Dispositif à décharge électronique du type dans lequel la surface active de la cathode se trouve à l'intérieur d'une chambre qui présente une ouverture de décharge de di- mensions relativement faibles pour le passage de la décharge à l'anode ou aux anodes, ce dispo sitif étant caractérisé par le fait qu'il contient deux gaz dont l'un est plus facilement ioni- sable que l'autre, et des moyens pour main tenir la pression du gaz le plus ionisable à une valeur plus élevée à l'intérieur de la chambre qu'à l'extérieur. CLAIM Electronic discharge device of the type in which the active surface of the cathode is inside a chamber which has a relatively small-sized discharge opening for the passage of the discharge to the anode or anodes , this device being characterized by the fact that it contains two gases, one of which is more easily ionizable than the other, and means for maintaining the pressure of the most ionizable gas at a value higher than the other. inside the room and outside. SOUS-REVENDICATIONS 1 Dispositif suivant la revendication, carac térisé par des moyens pour amener le mé lange gazeux à pénétrer dans la chambre et par une membrane perméable à travers laquelle passe par diffusion le gaz le moins ionisable, dont le pouvoir de diffusion est plus grand que celui du gaz le plus ionisable. 2 Dispositif suivant la sous-revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens amenant le mélange gazeux à pénétrer dans la chambre comprennent une bobine entourant l'axe de l'ouverture. SUB-CLAIMS 1 Device according to claim, characterized by means for causing the gaseous mixture to enter the chamber and by a permeable membrane through which passes by diffusion the less ionizable gas, the diffusing power of which is greater than that of the most ionizable gas. 2 Device according to sub-claim 1, characterized in that the means causing the gas mixture to enter the chamber comprise a coil surrounding the axis of the opening.
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