La présente invention a pour objet un tube à cathode thermionique rempli de gaz. appelé thyratron, ainsi qu'un procédé pour sa mise en action.
Les thyratrons à hydrogène actuellement connus ne conduisent normalement que dans une seule direction et, si un tel tube est polarisé en sens inverse, il y a de fortes chances que les électrodes soient endommagées par pulvérisation. Cet inconvénient limite les types de circuit dans lesquels on peut utiliser des thyratrons à hydrogéne conventionnels. Ainsi, par exemple, on ne peut pas constituer un interrupteur avec un thyratron à hydrogéne conventionnel unique lorsque l'interrupteur doit pouvoir agir rapidement dans un circuit oscillant, doit pouvoir supporter des tensions positives et doit être en mesure de faire passer le courant dans les deux directions, lorsqu'il est enclenché.
Pour diminuer les difficultés soulevées par les thyratrons connus. le thyratron selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une cathode. une électrode de commande et une anode disposées dans une enveloppe remplie d'un gaz, I'anode comprenant des moyens pour former un plasma qui sont pourvus d'une électrode thermionique et d'au moins une électrode à décharge adjacente, le plasma formé durant le fonctionnement servant de source de particules chargées. Il résulte de cette disposition que, immédiatement après l'inversion de la polarité anode-cathode survenant après l'enclenchement du tube, un courant peut être obtenu avec un bombardement minimal de la cathode par des ions à haute énergie.
L'invention a aussi pour objet un procédé de mise en action du thyratron qui est caractérisé en ce qu'on utilise un circuit de commande qui comprend des moyens pour appliquer un potentiel continu à l'électrode thermionique et à l'électrode de décharge de la cathode et ou de l'anode afin de maintenir un plasma entre celles-ci. des moyens pour appliquer un potentiel de blocage à l'électrode de commande. et des moyens pour permettre à des impulsions d'enclenchement d'être superposées audit potentiel de blocage.
Ainsi. dans le thyratron selon l'invention, au moins l'anode est protégée par un plasma qui est produit par une décharge et qui est capable d'émettre des particules chargées et de neutraliser des particules incidentes chargées. Grâce à cette diminution des collisions entre les particules chargées à haute énergie et l'anode, on réduit considérablement l'endommagement de cette électrode par effet de crépitement.
Dans une forme d'exécution préférée, la cathode peut aussi comprendre des moyens pour former un plasma, moyens qui comprennent une seconde électrode thermionique et au moins une électrode de décharge adjacente. Cette caractéristique évite que la cathode soit soumise à un crépitement bien que celui-ci soit beaucoup moins nocif que pour l'anode. Ce qui est plus important, cette caractéristique permet de prévoir une cathode et une anode construites de la même façon, ce qui simplifie considérablement la fabrication.
De préférence. on peut disposer entre l'électrode de commande et l'anode une ou plusieurs électrodes intermédiaires qui, lors du fonctionnement, sont maintenues à un potentiel intermédiaire entre les potentiels de l'anode et de la cathode, de manière que la tension entre aucune paire d'électrodes adjacentes du tube ne soit suffisante pour provoquer la décharge avant l'enclenchement du tube.
De préférence, la cathode. I'anode et leurs électrodes de décharge associées sont montées sur des plaques terminales correspondantes qui avec un isolateur cylindrique constituent l'enveloppe du tube.
La figure unique du dessin, partiellement en coupe axiale, représente, à titre d'exemple, une forme d'eyécution du thyratron, celui-ci étant représenté dans cette figure avec son circuit de commande.
Dans la description qui suit, les termes anode et cathode sont utilisés pour désigner des électrodes qui au moins avant l'allumage du thyratron sont reliées à des potentiels positifs respectivement négatifs étant entendu que ces deux éléments ne peuvent être distingués constructivement l'un de l'autre de sorte qu'un changement de la polarité du thyratron provoquerait l'inversion des rôles de ces deux électrodes et que ce qui précédemment était l'anode deviendrait la cathode et vice versa.
Le thyratron est, du point de vue constructif, symétrique autour d'un plan central 1-1 perpendiculaire au faisceau d'électrons circulant dans le tyhratron. Le thyratron comprend une enveloppe 10, constituée de plusieurs sections cylindriques, par exemple lOa et lob, qui est remplie d'hydrogéne, ce terme comprenant les isotopes deutérium et tritium. Les sections adjacentes sont séparées l'une de l'autre par des brides annulaires 12 et 14 qui sont reliées à des électrodes ménagées à l'intérieur de l'enveloppe et qui constituent des moyens de contact électrique avec ces électrodes. Chaque section terminale de l'enveloppe 10 est fermée par une plaque terminale 16 portant une anode ou une cathode 18 suivant le cas.
L'anode et la cathode 18 sont montées chacune sur une plateforme 20 supportée par une des plaques terminales 16 de l'enveloppe. La plate-forme 20 inférieure porte une électrode thermionique 22 qui entoure un élément de chauffe 24 et est chauffée par cet élément. L'électrode thermionique 22 est elle-même entourée par un écran thermique 26 qui est au même potentiel que l'électrode 22. Une électrode de décharge 28 est située sur l'axe de l'électrode 22, cette électrode de décharge étant isolée de la cathode et supportée mécaniquement par l'écran thermique 26 à l'aide de tiges non représentées au dessin. Le contact électrique est établi avec l'électrode de décharge 28 par un fil séparé 30 passant à travers la plaque terminale 16.
Une électrode de commande 32 est ménagée au voisinage de l'électrode de décharge 28, cette électrode de commande étant constituée par une bride annulaire 12 qui, comme mentionné plus haut, s'étend à l'extérieur de l'enveloppe, une section cylindrique 34 et une paire de plaques radiales 36 et 38 venues d'une pièce avec la partie cylindrique 34, ceci à son extrémité opposée à la bride annulaire 12. Les plaques 36 et 38 présentent une ouverture circulaire et une capsule cylindrique 40 occupe cette ouverture en étant fixée à la plaque 38 par trois bandes espacées circonférentiellement et qui établissent le contact électrique entre la cap sule 40 et les autres parties de l'électrode de commande. Ainsi l'électrode de commande 32 dans son ensemble comporte deux plaques espacées axialement présentant chacune une ouverture annulaire de diamétre différent.
Cette construction des électrodes a pour effet de diminuer la tendance aux décharges disruptives.
Les électrodes intermédiaires 84 et 90 du thyratron sont semblables à l'électrode de commande sauf que chacune de celles-ci est munie d'une partie cylindrique centrale 42 supportée par trois tiges de support 44 s'étendant radialement entre les parties cylindriques 42 et les sections cylindriques 46 des électrodes. Le but principal des parties cylindriques 42 est d'augmenter le refroidissement des capsules 40 des électrodes intermédiaires.
Chacune des plates-formes 20 porte un réservoir à hydrogène 50 connu des hommes du métier et qui est destiné à fournir de l'hydrogène lorsqu'une tension est appliquée au réservoir. Des conducteurs séparés pour le réservoir d'hydrogène 50 traversent la plaque terminale 16 pour aboutir à l'extérieur de l'enveloppe du thyratron.
En ce qui concerne le circuit d'utilisation du thyratron,
I'anode A et la cathode K peuvent être reliées en série avec n'importe quelle charge que l'on désire commander, par exemple avec un circuit résonnant. Une source de tension 60 de 6,8 volts est reliée entre la cathode et l'élément de chauffe afin de fournir le courant nécessaire, et une source à tension variable 62 est reliée aux réservoirs, ceci aux deux extrémités du thyratron, afin de permettre à la pression du gaz renfermé dans le tube d'être maintenue à la valeur voulue. Une source de tension positive par rapport à la cathode, représentée en + DCI au dessin, est reliée, par une résistance, à l'électrode de décharge 28, cette tension étant suffisante pour maintenir une décharge constante entre l'électrode 28 et la cathode 22, de manière à former un plasma dans l'espace intermédiaire.
Une tension continue de -150 volts est appliquée à l'électrode de commande 32 par l'intermédiaire du secondaire 64 d'un transformateur 63 et d'une résistance 66. La tension de -150 volts agit comme tension de blocage et empêche l'allumage du thyratron. L'extrémité de l'enroulement secondaire 64 du transformateur auquel la tension de - 150 volts est appliquée est reliée à la borne de la cathode par l'intermédiaire d'une capacité de découplage 68, son autre extrémité étant reliée à l'électrode de décharge 28 par l'intermédiaire d'une capacité 70 et d'une résistance 72 montées en série. Le primaire du transformateur peut être relié à un générateur d'impulsions destiné à fournir les impulsions de commande qui, lorsqu'elles sont appliquées, ont pour effet de rendre l'électrode de commande 32 positive relativement à la cathode afin de déclencher le thyratron.
Un diviseur de potentiel comprenant trois résistances 80 de valeur élevée, par exemple de 20 MQ, est branché entre l'anode et la cathode, les prises intermédiaires de ce diviseur de potentiel étant reliées aux électrodes intermédiaires du thyratron. Ainsi, la prise 82 est reliée directement à la bride 12 de l'électrode 84 et, par une résistance 86 et une capacité 88 en parallèle, à l'électrode adjacente 90. N'importe quel nombre de sections renfermant chacune une électrode semblable à l'électrode 84 et une électrode semblable à l'électrode 90 peuvent être prévues, chacune de ces sections comprenant une résistance chuteuse de tension dans le diviseur de potentiel relié entre l'anode et la cathode.
L'effet des électrodes intermédiaires est d'assurer que la tension appliquée entre toute paire d'électrodes adjacentes n'est suffisante pour provoquer une décharge avant le déclenchement du tube.
Du côté de l'extrémité d'anode du thyratron il est prévu une source de tension pour le réservoir et l'élément de chauffe, et ici aussi une tension continue positive (cette fois relativement à l'anode) est appliquée à l'électrode de décharge par une source + DC2. Contrairement à la disposition prévue pour l'extrémité de cathode, il est préférable de relier cette même source d'alimentation continue + DC2, par l'intermédiaire d'une seconde résistance, à l'électrode, ceci du côté de l'extrémité d'anode du tube correspondant à la grille de commande 32.
Le thyratron et son circuit de commande décrits ci-dessus fonctionnent de la façon suivante:
Le segment anode-cathode du thyratron est relié en série avec le circuit à commander qui, dans ce cas, peut être constitué par un circuit oscillant. L'application des tensions continues à l'extrémité d'anode du tube provoque des décharges à l'intérieur de l'anode et de la cathode de sorte que même avant l'allumage des plasmas localisés sont formés à l'intérieur du tube. Toutefois, tout le gaz renfermé dans le tube n'est pas ionisé étant donné la polarisation inverse appliquée à l'électrode de commande 32 par la source de tension des150 volts.
Lorsque l'impulsion de déclenchement est appliquée au primaire du transformateur 63, une impulsion apparaît à l'enroulement secondaire 64, laquelle augmente le potentiel de la grille de commande 32 ainsi que celle de l'électrode de décharge 28 à laquelle elle est appliquée par l'intermédiaire de la capacité 70 et de la résistance 72. La polarisation positive de l'électrode de commande 32 attire maintenant les électrons du plasma, ces électrons venant heurter en cours de route les atomes d'hydrogène en ionisant le gaz et en provoquant la formation de nouvelles particules chargées. Le plasma formé pénètre dans l'espace délimité entre les plaques 36 et 38 de l'électrode de commande et ces électrons sont attirés vers l'électrode adjacente intermédiaire en provoquant une nouvelle ionisation.
Etant donné que le potentiel appliqué à l'électrode intermédiaire est prélevé d'un diviseur à haute impédance, le passage du courant vers l'électrode intermédiaire provoque une diminution du potentiel vers la valeur de celui appliqué à la grille 32. Ainsi un potentiel est appliqué à la capacité 88 et tant que la charge emmagasinée s'écoule à travers la résistance 86, un potentiel d'accélération est appliqué entre les deux électrodes intermédiaires adjacentes reliées à la même prise du diviseur de potentiel de sorte que le plasma est prolongé en direction de l'anode. Ce processus se répète jusqu'à ce que les électrons parviennent à l'anode.
Lorsque l'anode a été atteinte, les électrons sont attirés par le plasma formé par la décharge et un courant est formé dans le circuit extérieur anode-cathode du thyratron, ceci avec un minimum de collisions entre les particules à haute énergie et la structure.
Si le circuit auquel le thyratron est branché est un circuit oscillant, la tension s'inversera ensuite de sorte qu'un potentiel négatif sera appliqué à l'anode et un potentiel positif à la cathode. Etant donné qu'un plasma est toujours présent dans le tube, les ions et les électrons se déplaceront en sens inverse de la direction précédente, les électrons se dirigeant vers ce qui était précédemment la cathode et les ions vers ce qui était précédemment l'anode. Les électrons nécessaires pour alimenter le courant inverse proviennent en premier lieu du plasma formé par la décharge et en second lieu de l'électrode chauffée qui agit comme cathode thermionique, les rôles des électrodes situées aux extrémités du tube étant maintenant inversés.
Si on utilisait une seule électrode chauffée comme anode, cette électrode serait gravement endommagée par les chocs avec les particules à haute énergie. D'autre part, si l'on utilisait une électrode froide, les électrons nécessaires pour le courant inverse ne pourraient provenir que du bombardement par les ions à haute énergie, ce qui de nouveau provoquerait un endommagement permanent. Cette difficulté ne se présente toutefois pas dans le tube décrit dans lequel une anode chauffée fournit suffisamment d'électrons pour alimenter le courant inverse tandis que la présence d'un plasma à cette électrode amortit l'effet des particules incidentes à haute énergie.
The present invention relates to a thermionic cathode tube filled with gas. called a thyratron, as well as a process for putting it into action.
Currently known hydrogen thyratrons normally only drive in one direction, and if such a tube is reverse biased, there is a good chance that the electrodes will be damaged by sputtering. This drawback limits the types of circuit in which conventional hydrogen thyratrons can be used. So, for example, one cannot make a switch with a single conventional hydrogen thyratron when the switch must be able to act quickly in an oscillating circuit, must be able to withstand positive voltages, and must be able to pass current through them. two directions, when engaged.
To reduce the difficulties raised by known thyratrons. the thyratron according to the invention is characterized in that it comprises a cathode. a control electrode and an anode arranged in a casing filled with a gas, the anode comprising means for forming a plasma which are provided with a thermionic electrode and at least one adjacent discharge electrode, the plasma formed during the operation serving as a source of charged particles. As a result of this arrangement, immediately after the reversal of the anode-cathode polarity occurring after switching on the tube, a current can be obtained with minimal bombardment of the cathode by high energy ions.
The subject of the invention is also a method for activating the thyratron which is characterized in that a control circuit is used which comprises means for applying a direct potential to the thermionic electrode and to the discharge electrode of the cathode and / or the anode in order to maintain a plasma between them. means for applying a blocking potential to the control electrode. and means for allowing interlocking pulses to be superimposed on said blocking potential.
So. in the thyratron according to the invention, at least the anode is protected by a plasma which is produced by a discharge and which is capable of emitting charged particles and of neutralizing charged incident particles. Thanks to this reduction in collisions between the high-energy charged particles and the anode, the damage to this electrode by crackling effect is considerably reduced.
In a preferred embodiment, the cathode may also include means for forming a plasma, which means comprises a second thermionic electrode and at least one adjacent discharge electrode. This feature prevents the cathode from being subjected to crackling although this is much less harmful than for the anode. More importantly, this feature allows for a cathode and an anode constructed in the same way, which greatly simplifies the manufacture.
Preferably. one or more intermediate electrodes can be placed between the control electrode and the anode which, during operation, are maintained at an intermediate potential between the potentials of the anode and of the cathode, so that the voltage between any pair of adjacent electrodes of the tube is sufficient to cause the discharge before the engagement of the tube.
Preferably, the cathode. The anode and their associated discharge electrodes are mounted on corresponding end plates which together with a cylindrical insulator constitute the casing of the tube.
The single figure of the drawing, partially in axial section, represents, by way of example, a form of execution of the thyratron, the latter being represented in this figure with its control circuit.
In the following description, the terms anode and cathode are used to designate electrodes which at least before the ignition of the thyratron are connected to positive and negative potentials, it being understood that these two elements cannot be constructively distinguished from one of 'other so that a change in the polarity of the thyratron would cause the roles of these two electrodes to be reversed and what previously was the anode would become the cathode and vice versa.
The thyratron is constructively symmetrical around a central plane 1-1 perpendicular to the electron beam circulating in the tyhratron. The thyratron comprises an envelope 10, made up of several cylindrical sections, for example 10a and lob, which is filled with hydrogen, this term comprising the isotopes of deuterium and tritium. The adjacent sections are separated from each other by annular flanges 12 and 14 which are connected to electrodes formed inside the casing and which constitute means of electrical contact with these electrodes. Each end section of the casing 10 is closed by an end plate 16 carrying an anode or a cathode 18 as appropriate.
The anode and the cathode 18 are each mounted on a platform 20 supported by one of the end plates 16 of the casing. The lower platform 20 carries a thermionic electrode 22 which surrounds a heating element 24 and is heated by this element. The thermionic electrode 22 is itself surrounded by a heat shield 26 which is at the same potential as the electrode 22. A discharge electrode 28 is located on the axis of the electrode 22, this discharge electrode being isolated from the cathode and mechanically supported by the heat shield 26 using rods not shown in the drawing. Electrical contact is made with the discharge electrode 28 by a separate wire 30 passing through the end plate 16.
A control electrode 32 is provided in the vicinity of the discharge electrode 28, this control electrode being constituted by an annular flange 12 which, as mentioned above, extends outside the casing, a cylindrical section 34 and a pair of radial plates 36 and 38 integral with the cylindrical part 34, this at its end opposite to the annular flange 12. The plates 36 and 38 have a circular opening and a cylindrical capsule 40 occupies this opening in being attached to the plate 38 by three circumferentially spaced bands which establish electrical contact between the cap 40 and the other parts of the control electrode. Thus, the control electrode 32 as a whole comprises two axially spaced plates each having an annular opening of different diameter.
This construction of the electrodes has the effect of reducing the tendency to disruptive discharges.
Intermediate electrodes 84 and 90 of the thyratron are similar to the control electrode except that each of these is provided with a central cylindrical portion 42 supported by three support rods 44 extending radially between the cylindrical portions 42 and the legs. cylindrical sections 46 of the electrodes. The main purpose of the cylindrical parts 42 is to increase the cooling of the capsules 40 of the intermediate electrodes.
Each of the platforms 20 carries a hydrogen tank 50 known to those skilled in the art and which is intended to supply hydrogen when a voltage is applied to the tank. Separate conductors for the hydrogen tank 50 pass through the end plate 16 to terminate outside the thyratron shell.
Regarding the thyratron utilization circuit,
The anode A and the cathode K can be connected in series with any load which it is desired to control, for example with a resonant circuit. A voltage source 60 of 6.8 volts is connected between the cathode and the heating element in order to provide the necessary current, and a variable voltage source 62 is connected to the reservoirs, this at both ends of the thyratron, in order to allow the pressure of the gas contained in the tube to be maintained at the desired value. A source of positive voltage with respect to the cathode, represented in + DCI in the drawing, is connected, by a resistance, to the discharge electrode 28, this voltage being sufficient to maintain a constant discharge between the electrode 28 and the cathode 22, so as to form a plasma in the intermediate space.
A DC voltage of -150 volts is applied to the control electrode 32 through the secondary 64 of a transformer 63 and a resistor 66. The voltage of -150 volts acts as a blocking voltage and prevents the ignition of the thyratron. The end of the secondary winding 64 of the transformer to which the voltage of - 150 volts is applied is connected to the terminal of the cathode via a decoupling capacitor 68, its other end being connected to the electrode of discharge 28 through a capacitor 70 and a resistor 72 connected in series. The primary of the transformer may be connected to a pulse generator for providing the control pulses which, when applied, have the effect of making the control electrode 32 positive relative to the cathode in order to trigger the thyratron.
A potential divider comprising three resistors 80 of high value, for example 20 MΩ, is connected between the anode and the cathode, the intermediate taps of this potential divider being connected to the intermediate electrodes of the thyratron. Thus, the plug 82 is connected directly to the flange 12 of the electrode 84 and, by a resistor 86 and a capacitor 88 in parallel, to the adjacent electrode 90. Any number of sections each enclosing an electrode similar to electrode 84 and an electrode similar to electrode 90 may be provided, each of these sections including a voltage drop resistor in the potential divider connected between the anode and the cathode.
The effect of the intermediate electrodes is to ensure that the voltage applied between any pair of adjacent electrodes is not sufficient to cause a discharge before the tube fires.
On the side of the anode end of the thyratron there is provided a voltage source for the reservoir and the heating element, and here too a positive direct voltage (this time relative to the anode) is applied to the electrode discharge by a + DC2 source. Unlike the arrangement provided for the cathode end, it is preferable to connect this same DC power source + DC2, via a second resistor, to the electrode, this on the side of the end d anode of the tube corresponding to the control grid 32.
The thyratron and its control circuit described above operate as follows:
The anode-cathode segment of the thyratron is connected in series with the circuit to be controlled which, in this case, can be constituted by an oscillating circuit. The application of DC voltages to the anode end of the tube causes discharges inside the anode and the cathode so that even before ignition localized plasmas are formed inside the tube. However, not all of the gas in the tube is ionized due to the reverse bias applied to the control electrode 32 by the 150 volt voltage source.
When the trigger pulse is applied to the primary of transformer 63, a pulse appears at secondary winding 64 which increases the potential of control gate 32 as well as that of discharge electrode 28 to which it is applied by through capacitor 70 and resistor 72. The positive polarization of control electrode 32 now attracts electrons from the plasma, these electrons colliding with the hydrogen atoms along the way, ionizing the gas and causing the formation of new charged particles. The plasma formed enters the space delimited between the plates 36 and 38 of the control electrode and these electrons are attracted to the adjacent intermediate electrode, causing a new ionization.
Since the potential applied to the intermediate electrode is taken from a high impedance divider, the passage of the current to the intermediate electrode causes a decrease in the potential towards the value of that applied to the gate 32. Thus a potential is applied to capacitor 88 and as long as the stored charge flows through resistor 86, an acceleration potential is applied between the two adjacent intermediate electrodes connected to the same tap of the potential divider so that the plasma is extended into direction of the anode. This process is repeated until the electrons reach the anode.
When the anode has been reached, the electrons are attracted by the plasma formed by the discharge and a current is formed in the external anode-cathode circuit of the thyratron, this with a minimum of collisions between the high energy particles and the structure.
If the circuit to which the thyratron is connected is an oscillating circuit, then the voltage will reverse so that a negative potential will be applied to the anode and a positive potential to the cathode. Since a plasma is still present in the tube, the ions and electrons will move in the opposite direction of the previous direction, with the electrons going to what was previously the cathode and the ions to what was previously the anode. . The electrons necessary to supply the reverse current come first from the plasma formed by the discharge and secondly from the heated electrode which acts as a thermionic cathode, the roles of the electrodes located at the ends of the tube being now reversed.
If a single heated electrode were used as an anode, that electrode would be severely damaged by impact with the high energy particles. On the other hand, if a cold electrode were used, the electrons needed for the reverse current could only come from the bombardment by the high energy ions, which again would cause permanent damage. This difficulty does not arise, however, in the tube described in which a heated anode supplies enough electrons to supply the reverse current while the presence of a plasma at this electrode dampens the effect of the incident particles at high energy.