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.