Procédé pour faciliter suie décharge cathodique à travers un milieu gazeux raréfié et dispositif pour sa mise en #uvre. Cette invention est relative aux disposi tifs à décharge électronique ayant une ca thode et une anode, avec ou sans une troi sième électrode servant à régler le passage du courant entre la cathode et l'anode, dis positifs destinés à être utilisés comme re dresseurs, oscillateurs, amplificateurs, détec teurs, modulateurs, etc.
Par certains de leurs caractères, les décharges auxquelles se rap porte l'invention sont analogues à celles ayant lieu dans les dispositifs à décharge à vide poussé, où l'effet du gaz résiduel est négli geable, tandis que par d'autres caractères elles sont analogues aux décharges se pro duisant dans les dispositifs oiz le gaz contenu dans le récipient joue un rôle essentiel.
Dans les dispositifs antérieurs à vide poussé, la valeur du courant était limitée principalement par la charge d'espace et par la valeur relativement faible de l'émission électronique de la cathode, tandis que, dans les dispositifs à remplissage de gaz ou de vapeurs, la commande du courant (par des électrodes auxiliaires, des champs magnéti ques, etc.) était entravée en raison de l'ioni sation par la décharge électronique, surtout lorsque cette ionisation était intense, même dans la zone de l'anode et de la grille.
La présente invention permet d'éviter toutes ces limitations et d'obtenir lés avantages princi paux de ces deux types de tubes; elle permet de faire passer du courant à une faible diffé- rence de potentiel entre la cathode et l'anode, d'éviter un échauffement exagéré des élec trodes et des pièces qui s'y rattachent par le courant cathodique-anodique, de rendre le courant sensiblement indépendant de l'ionisa tion par le courant cathodique-anodique cri tous les points de l'échelle des valeurs de ce courant, de produire une ample émission élec tronique de la cathode, d'éviter l'emploi de grandes quantités de matière engendrant de la vapeur en vue de la conduction de courants relativement puissants, d'empêcher la conduc tion électronique de l'anode à la.
cathode sous l'influence d'un potentiel inverse dans des dispositifs redresseurs et, dans certains cas, d'éliminer la charge d'espace dans la
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Fig. 12 montre une partie d: un dispositif électronique comportant une grille.
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inférieure ouverte. Le diamètre de l'ouverture de l'anode est préférablement un peu plus grand que le diamètre de l'ouverture du col de la cathode. L'anode est aussi préférable ment placée très près de la cathode et avec son ouverture suivant l'axe de l'ouverture de la cathode.
L'écran 4 reçoit une forme propre à en velopper étroitement la cathode et l'anode pour localiser la chaleur développée dans la cathode par la source 14. Cet écran peut être monté de toute manière convenable. Dans la fig. 1, il est monté sur le fil de l'anode au quel cas ce. fil serait bien entendu relative ment rigide. La surface interne de l'écran est préférablement brillante pour réfléchir la chaleur.
Quand on chauffe l'intérieur de la cathode 2 (par exemple au-dessus de 1200 C), la vapeur que renferme la cathode, et particu lièrement celle voisine du col 11, est forte ment ionisée et, par suite de la chute de po tentiel existant le long du col 11, la vapeur est aspirée par la cathode et pénètre dans celle-ci, jusqu'au moment où il y règne une pression relativement élevée. La théorie de cette action d'aspiration est probablement en substance la suivante: Comme résultat du mouvement molécu laire de la- vapeur dans le tube, des molé cules neutres (c'est-à-dire non ionisées) pénè trent dans le col de la cathode où elles de viennent ionisées par la chaleur intense régnant dans cette zone.
Ces ions sont ainsi empri sonnés dans le col et sollicités vers l'intérieur de la cathode par la chute de potentiel exis tant le long du col 11, l'extrémité supérieure du col ayant une polarité positive. On aug mente cette action d'emprisonnement en don nant au diamètre du col 11 une valeur moindre qu'au chemin libre moyen des mo lécules de vapeur à l'extérieur de la cathode, parce que la. totalité, sensiblement, des mo lécules tendant à pénétrer dans la cathode viennent heurter la paroi du col et s'ionisent par l'effet de la température élevée de cette paroi, de sorte que la totalité, sensiblement, de toutes les molécules neutres qui sont ca pables de s'échapper se convertissent en ions qui peuvent être emprisonnés.
La différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la cathode peut être réglée en faisant varier le voltage de la source 14. Une pression in terne plus élevée peut aussi être obtenue en diminuant le diamètre du col 11.
La cathode 2 étant pleine de vapeur al caline extrêmement ionisée sous une pression assez grande, on peut obtenir aisément une décharge électronique de l'intérieur de la ca thode à l'intérieur de l'anode par l'intermé diaire du col 11 à l'aide d'un potentiel rela tivement faible appliqué entre l'anode et la cathode, le courant inverse étant empêché de passer lorsque le potentiel change de sens parce que l'anode ne contient pas de vapeur extrêmement ionisée et sous pression.
La charge d'espace est annulée près de la surface interne de l'anode 3 par les ions positifs qui prennent naissance par suite de la température élevée de la cathode juxta posée, ces deux électrodes étant enveloppées par un écran commun. La pression de va peur à l'intérieur .de l'anode est préférable- ment trop faible pour produire une ionisation appréciable par collision, de sorte que l'ioni sation n'est pas sensiblement influencée par la décharge électronique.
Ainsi, la propriété de redressement du tube n'est-pas une fonc tion de la charge comme dans les redresseurs antérieurs du type à gaz ou à vapeur; par conséquent des charges élevées ne diminuent pas considérablement le voltage que le dis positif est capable de redresser convenable ment.
Le champ magnétique longitudinal pro duit par la bobine 5 réagit sur le courant électronique et tend à diriger ce courant sui vant l'axe du col 11 et à l'empêcher d'entrer en contact avec les parois de ce col.
Dans la forme d'exécution de la fig. 2, la cathode 15 est constituée par un cylindre emboîté sur les extrémités de conducteurs 16 et présentant une ouverture 17 à sa partie supérieure. La cathode est entourée par un écran cylindrique 18 présentant une ouver ture 19 placée dans l'axe de l'ouverture 17 et plus grande que celle-ci. Les anodes 20 et 20'<B>sont</B> constituées par des plaques dis posées dans des plans perpendiculaires à l'axe de la cathode et à des distances égales, de part et d'autres, de l'axe des ouvertures 17 et 19.
La cathode 15 est chauffée par du cou rant induit dans la bobine secondaire 21 par la bobine primaire 22, et les anodes sont re liées aux extrémités opposées du secondaire d'un transformateur 23. Le point médian de ce secondaire est relié au point médian du secondaire 21 par l'intermédiaire d'une indue- tance 24 et d'une charge convenable 25.
Dans le présent exemple, les anodes 20 et 2L délivrent le potentiel positif près de l'orifice de la cathode, ce qui a pour effet que la va- petit- est aspirée par la cathode creuse et pé nètre dans cette cathode jusqu'au moment où il s'y établit une pression convenable. La dé charge électronique émanant de l'intérieur de la cathode creuse traverse les ouvertures 17 et 19, puis passe pendant deux derni-cycles successifs à l'anode 20 et à l'anode 20', al ternativement, la bobine de soutien 24 as surant unie polarité négative continue de la cathode 15.
Dans la variante de la fis. 8, les anodes 30 et 30' correspondant à 20 et 20' de la fis. 2 sont constituées par des anneaux con centriques à la cathode 15' (correspondant à 15, fis. 2) et disposées, de part et d*autre, de l'ouverture 17' de la cathode. Dans cette variante, l'écran 18 est supprimé en ce sens que les anodes 30 et 30' peuvent être éta blies pour se comporter aussi à la façon d'écrans de chaleur.
Le tube de la fis. 3 comprend une cathode cylindrique 31 qui s'emboîte sur tin support d'amenée de courant 32 et qui porte à sort extrémité supérieure titi rebord 33 relié à sa périphérie à un autre conducteur d'amenée 34. L'anode est constituée par un fil métal lique 35 pénétrant dans l'ouverture de la cathode. En reliant respectivement les con- ducteurs 32 et 34 aux extrémités négative et positive d'une source convenable de potentiel 36, on peut chauffer la cathode de façon in tense et maintenir son orifice à titi potentiel positif plus élevé que soit extrémité inférieure.
On obtient ainsi la chute de potentiel sus mentionnée d'un bout à l'autre de la longueur de la cathode. De cette façon, la vapeur est aspirée par et à l'intérieur de la cathode creuse de la façon décrite. L'écran localisant la chaleur est supprimé dans cette construc tion, de sorte que la quantité de courant qui peut être fournie à la cathode par la source 36 sans surchauffer cette cathode est plus grande, ce qui crée une chute de potentiel plus grande que celle qu'on pourrait obtenir avec une source 36 de potentiel plus faible. Une chute de potëntiel élevée peut être ob tenue sans surchauffer la cathode en faisant celle-ci en carbone ou en une autre matière réfractaire de résistance électrique élevée.
On petit aussi employer dans la fig. 3 un champ magnétique tel que celui de la fig. 1. En prolongeant l'anode dans la zone de haute pression de l'intérieur de la cathode comme représenté fig. 3, on augmente l'ionisation près de l'anode, ce qui diminue la chute de ten sion dans la région de l'anode.
La forme de réalisation de la fis. 4 com prend une cathode 41 fermée aux deux bouts à l'exception d'titi col tubulaire 42 à soir ex trémité supérieure, des anodes 43 constituées par des plaques comme dans la fis. 2, titi anneau 44 disposé entre l'orifice de la ca thode et les anodes et dont le diamètre est plus grand que celui du col 42, titi écran cylindrique 45 entourant les susdites pièces, et titi filament de chauffage 46 relié par soit extrémité supérieure à l'écran 45 et par son extrémité inférieure à tin disque 47, qui est lui-même relié ait fil de la cathode 48.
Les pôles positif et négatif d'une source 49 sont reliés à l'écran 45 et au fil 48, respective ment, cette source établissant titi potentiel positif sur l'anneau 44 et portant le filament 46 à l'incandescence.
Dans le but de produire des oscillations, une source de courant continue 50 est reliée par son pôle négatif au fil 48 et par son pôle positif aux anodes 43 par l'entremise de bobines 51 et 51', respectivement, lesquelles bobines sont associées à des bobines 52 et 5<B>2</B>' montées sur un circuit oscillant 53. Une bobine 54 correspondant à la bobine 5 de la fig. 1 peut être employée pour diriger la dé- chargeélectronique del'intérieurde la cathode à travers le col 42 ; et des bobines à courant alternatif 55 peuvent être employées pour déterminer la fréquence des oscillations.
Dans cette forme de réalisation, le champ électrique employé pour obliger la vapeur à pénétrer dans la cathode par aspiration et y maintenir une pression est produit par l'an neau 44, et la zone de la cathode est chauffée par le filament 46 au lieu de l'être par du courant traversant la cathode, l'écran 45 ser vant à localiser la chaleur du filament 46.
Au lieu d'avoir une seule ouverture de décharge dans la cathode, un seul anneau 44 et une seule paire d'anodes 43, ces pièces peuvent être prévues de façon multiple comme représenté dans les fig. 9 et 10 dans lesquelles la cathode 41' présente quatre petits tubes de sortie 42', une plaque 44' percée de quatre ouvertures remplaçant l'anneau 44, et quatre paires d'anodes 43' sont reliées en parallèle.
Les fig. 9 et 10 montrent aussi un con ducteur hélicoïdal 60 qui entoure la cathode et qui occupe approximativement la même position que l'écran 45 dans la fig. 4. En faisant passer du courant continu dans ce con ducteur, on peut produire le susdit champ magnétique dirigeant les électrons et, à l'aide d'un courant suffisant, ce conducteur peut aussi servir à chauffer la cathode et la zone adjacente.
Dans la fig. 11, qui est une variante pa rallèle de la fig. 3, la cathode 31' et l'anode 35' sont analogues à celle de la fig. 3, excepté que -la première comporte une série de plaques perforées 61 s'étendant en travers de sa cavité interne jusqu'en un point voisin de son orifice, et que l'anode ne pénètre pas dans la cathode. En raison du fait que les plaques 61 sont espacées dans le sens longi tudinal de la cathode, la chute de potentiel est distribuée entre elles dans le sens de la longueur de la cathode, la plaque la plus rapprochée de l'orifice -étant la plus positive, tandis que la plaque la plus basse est la moins positive.
La fig. 12 représente une variante partielle de la fig. 1 suivant laquelle le tube possède une grille devant agir de la même manière que celles ordinairement employées dans les tubes amplificateurs, détecteurs, etc. Dans cette figure, 2' est la cathode, 3' l'anode et 65 une électrode de commande ou grille. La cathode est analogue à celle de la fig. 1 et l'anode est constituée par une plaque ou dis que.
De préférence, il n'est pas prévu d'écrans comme l'écran 4 de la fig. 1, et les élec trodes sont placées à des distances plus grandes les unes des autres, de sorte que la zone avoisinant l'anode et la grille n'est pas extrêmement chauffée par la cathode comme dans la fig. 1 puisque, dans un système à grille, des ions positifs ne sont ordinairement pas désirables près de l'anode et de la grille. Un tube de ce genre pourrait être employé avec n'importe quel circuit amplificateur ou détecteur convenable.
Dans les formes de réalisation dans les quelles la cathode présente un col ou ouver ture de sortie rétrécis (comme dans les fig. 1 et 4) et dans lesquelles un champ magnétique est établi dans le sens longitudinal de l'ou verture de décharge, l'action de pompage est amplifiée par l'influence mutuelle du champ magnétique et du champ produit par la dé charge électronique, cette influence mutuelle ayant comme résultat de faire tourbillonner la vapeur autour de l'axe de l'ouverture de décharge et de faire ainsi pénétrer le gaz dans la cathode par une action centrifuge comme décrit dans le brevet n <B>119317.</B>
En donnant aux surfaces de la cathode un grand pouvoir réfléchissant, comme parle polissage de la surface, la quantité de cha leur s'échappant de l'intérieur de la cathode à travers les parois de celle-ci est moindre et une température plus élevée peut être maintenue dans la cathode.
A method of facilitating soot cathodic discharge through a rarefied gaseous medium and apparatus for its implementation. This invention relates to electronic discharge devices having a cathode and an anode, with or without a third electrode for regulating the passage of current between the cathode and the anode, devices intended to be used as rectifiers, oscillators, amplifiers, detectors, modulators, etc.
In some of their characteristics the discharges to which the invention relates are similar to those taking place in high vacuum discharge devices, where the effect of the residual gas is negligible, while in other characteristics they are analogous to discharges occurring in devices where the gas contained in the container plays an essential role.
In earlier high vacuum devices, the value of the current was limited mainly by the space charge and by the relatively low value of electron emission from the cathode, while in gas or vapor filled devices, current control (by auxiliary electrodes, magnetic fields, etc.) was hampered due to ionization by electronic discharge, especially when this ionization was intense, even in the area of the anode and the wire rack.
The present invention makes it possible to avoid all these limitations and to obtain the main advantages of these two types of tubes; it makes it possible to pass current at a small difference in potential between the cathode and the anode, to avoid an exaggerated heating of the electrodes and the parts which are attached to them by the cathode-anode current, to make the current substantially independent of the ionization by the cathodic-anode current, all points of the scale of the values of this current, to produce a large electronic emission from the cathode, to avoid the use of large quantities of material generating steam for the conduction of relatively strong currents, to prevent electronic conduc tion from the anode to the.
cathode under the influence of a reverse potential in rectifier devices and, in some cases, eliminate the space charge in the
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Fig. 12 shows part of an electronic device comprising a grid.
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lower open. The diameter of the opening of the anode is preferably a little larger than the diameter of the opening of the neck of the cathode. The anode is also preferably placed very close to the cathode and with its opening following the axis of the opening of the cathode.
The screen 4 receives a shape suitable for expanding the cathode and the anode tightly in order to locate the heat developed in the cathode by the source 14. This screen can be mounted in any suitable manner. In fig. 1, it is mounted on the anode wire in which case. wire would of course be relatively rigid. The inner surface of the screen is preferably shiny to reflect heat.
When the inside of the cathode 2 is heated (for example above 1200 C), the vapor which the cathode contains, and particularly that near the neck 11, is strongly ionized and, as a result of the drop in po tential existing along the neck 11, the vapor is sucked by the cathode and enters the latter, until a relatively high pressure prevails therein. The theory of this suction action is probably in substance as follows: As a result of the molecular movement of the vapor in the tube, neutral (i.e. unionized) molecules enter the neck of the tube. the cathode where they come ionized by the intense heat prevailing in this area.
These ions are thus trapped in the neck and urged towards the interior of the cathode by the drop in potential existing along the neck 11, the upper end of the neck having a positive polarity. This trapping action is increased by giving the diameter of the neck 11 a value less than the average free path of the vapor molecules outside the cathode, because the. substantially all of the molecules tending to penetrate the cathode collide with the wall of the neck and ionize by the effect of the high temperature of this wall, so that all, substantially, of all the neutral molecules which are capable of escaping are converted into ions which can be trapped.
The pressure difference between the inside and the outside of the cathode can be adjusted by varying the voltage of the source 14. A higher internal pressure can also be obtained by decreasing the diameter of the neck 11.
The cathode 2 being full of extremely ionized alkaline vapor under a sufficiently high pressure, an electronic discharge can easily be obtained from the interior of the cathode to the interior of the anode through the intermediary of the neck 11 to the Using a relatively low potential applied between the anode and the cathode, the reverse current being prevented from flowing when the potential changes direction because the anode does not contain highly ionized vapor under pressure.
The space charge is canceled near the internal surface of the anode 3 by the positive ions which arise as a result of the high temperature of the juxta-placed cathode, these two electrodes being enveloped by a common screen. The pressure inside the anode is preferably too low to produce appreciable ionization by collision, so that the ionization is not significantly influenced by the electron discharge.
Thus, the straightening property of the tube is not a function of the load as in previous straighteners of the gas or steam type; therefore high loads do not drastically decrease the voltage which the positive device is able to properly rectify.
The longitudinal magnetic field produced by the coil 5 reacts on the electronic current and tends to direct this current along the axis of the neck 11 and to prevent it from coming into contact with the walls of this neck.
In the embodiment of FIG. 2, the cathode 15 is formed by a cylinder fitted onto the ends of conductors 16 and having an opening 17 at its upper part. The cathode is surrounded by a cylindrical screen 18 having an opening 19 placed in the axis of the opening 17 and larger than the latter. The anodes 20 and 20 '<B> are </B> formed by plates arranged in planes perpendicular to the axis of the cathode and at equal distances, on either side, from the axis of the openings 17 and 19.
The cathode 15 is heated by current induced in the secondary coil 21 by the primary coil 22, and the anodes are connected to the opposite ends of the secondary of a transformer 23. The midpoint of this secondary is connected to the midpoint of the transformer. secondary 21 via an inductance 24 and a suitable load 25.
In the present example, the anodes 20 and 2L deliver the positive potential near the orifice of the cathode, which causes the va- small- to be sucked by the hollow cathode and enter this cathode until the moment. where there is a suitable pressure. The electronic discharge emanating from the inside of the hollow cathode passes through the openings 17 and 19, then passes for two successive last cycles to the anode 20 and to the anode 20 ', alternatively, the support coil 24 as on the continuous negative polarity of the cathode 15.
In the variant of the fis. 8, the anodes 30 and 30 'corresponding to 20 and 20' of the fis. 2 are formed by rings con centric to the cathode 15 '(corresponding to 15, fis. 2) and arranged on either side of the opening 17' of the cathode. In this variant, the screen 18 is omitted in that the anodes 30 and 30 'can be established to also behave like heat screens.
The tube of the fis. 3 comprises a cylindrical cathode 31 which fits on a current supply support 32 and which carries the upper end of the rim 33 connected at its periphery to another supply conductor 34. The anode is formed by a wire lique metal 35 entering the opening of the cathode. By connecting conductors 32 and 34 respectively to the negative and positive ends of a suitable source of potential 36, the cathode can be heated intensely and its orifice maintained at a higher positive potential than its lower end.
The above-mentioned drop in potential is thus obtained from one end of the length of the cathode to the other. In this way, steam is drawn through and into the hollow cathode as described. The heat locating screen is removed in this construction, so that the amount of current that can be supplied to the cathode from source 36 without overheating that cathode is greater, which creates a greater potential drop than that. that could be obtained with a source 36 of lower potential. A high drop in potential can be achieved without overheating the cathode by making it carbon or other refractory material of high electrical resistance.
It is also small to use in fig. 3 a magnetic field such as that of FIG. 1. By extending the anode into the high pressure zone from inside the cathode as shown in fig. 3, ionization is increased near the anode, which decreases the voltage drop in the region of the anode.
The embodiment of the fis. 4 com takes a cathode 41 closed at both ends with the exception of titi tubular neck 42 at evening ex upper end, anodes 43 formed by plates as in the fis. 2, titi ring 44 disposed between the orifice of the cathode and the anodes and whose diameter is greater than that of the neck 42, titi cylindrical screen 45 surrounding the aforesaid parts, and titi heating filament 46 connected by either upper end to the screen 45 and by its lower end to a disc 47, which is itself connected to the wire of the cathode 48.
The positive and negative poles of a source 49 are connected to the screen 45 and to the wire 48, respectively, this source establishing a positive potential on the ring 44 and carrying the filament 46 to incandescence.
In order to produce oscillations, a direct current source 50 is connected by its negative pole to the wire 48 and by its positive pole to the anodes 43 through coils 51 and 51 ', respectively, which coils are associated with coils 52 and 5 <B> 2 </B> 'mounted on an oscillating circuit 53. A coil 54 corresponding to coil 5 of FIG. 1 can be used to direct the electronic discharge from the interior of the cathode through throat 42; and AC coils 55 can be used to determine the frequency of the oscillations.
In this embodiment, the electric field employed to cause vapor to enter the cathode by suction and maintain pressure therein is produced by ring 44, and the area of the cathode is heated by filament 46 instead of being by the current passing through the cathode, the screen 45 serving to locate the heat of the filament 46.
Instead of having a single discharge opening in the cathode, a single ring 44 and a single pair of anodes 43, these parts can be multiplely provided as shown in Figs. 9 and 10 in which the cathode 41 'has four small outlet tubes 42', a plate 44 'pierced with four openings replacing the ring 44, and four pairs of anodes 43' are connected in parallel.
Figs. 9 and 10 also show a helical conductor 60 which surrounds the cathode and which occupies approximately the same position as the screen 45 in FIG. 4. By passing direct current through this conductor, the aforesaid magnetic field directing electrons can be produced and, with sufficient current, this conductor can also be used to heat the cathode and the adjacent area.
In fig. 11, which is a parallel variant of FIG. 3, the cathode 31 'and the anode 35' are similar to that of FIG. 3, except that -the first comprises a series of perforated plates 61 extending across its internal cavity to a point close to its orifice, and that the anode does not enter the cathode. Due to the fact that the plates 61 are spaced longitudinally of the cathode, the potential drop is distributed between them lengthwise of the cathode, the plate closest to the orifice being the most positive, while the lower plate is the least positive.
Fig. 12 represents a partial variant of FIG. 1 according to which the tube has a grid which must act in the same manner as those ordinarily employed in tubes amplifiers, detectors, etc. In this figure, 2 'is the cathode, 3' is the anode and 65 is a control electrode or grid. The cathode is similar to that of FIG. 1 and the anode is formed by a plate or say that.
Preferably, no screens like the screen 4 of FIG. 1, and the electrodes are placed at greater distances from each other, so that the area surrounding the anode and the grid is not extremely heated by the cathode as in fig. 1 since, in a grid system, positive ions are not ordinarily desirable near the anode and the grid. Such a tube could be used with any suitable amplifier or detector circuit.
In embodiments in which the cathode has a narrowed outlet neck or opening (as in Figs. 1 and 4) and in which a magnetic field is established in the longitudinal direction of the discharge opening, the The pumping action is amplified by the mutual influence of the magnetic field and the field produced by the electronic discharge, this mutual influence having the result of swirling the vapor around the axis of the discharge opening and thus causing penetrating gas into the cathode by centrifugal action as described in patent no <B> 119317. </B>
By giving the surfaces of the cathode high reflectivity, such as by polishing the surface, the amount of heat escaping from the inside of the cathode through the walls thereof is less and a higher temperature can be maintained in the cathode.