Brevet FR2175641A1 — publié le 19731026

La présente invention,due à Evgeny Aramovich ABRAMIAN et Vasily Alexandrovich GAPONOV, concerne les tubes à vide électroniques et plus précisément les tubes électroniques en usage dans des dispositifs convertisseurs électrotechniques et électroniques, et elle peut être utilisée, par exemple, dans des sous-stations des lignes d'énergie à courant continu et des modulateurs à haute tension. On connaît des tubes comprenant une cathode, une anode et une électrode interposée entre elles et capables de commuter des tensions d'au moins une centaine de kilovolts à des courants d'au moins une centaine d'ampères, tubes dans lesquels les électrons sont d'abord accélérés jusqu'à une énergie qui correspond approximativement à la valeur de la tension de service nominale du tube, puis ralentis jusqu'à une basse énergie ; par conséquent, la dif férence de potentiel entre la cathode et l'anode, c'est-à-dire la chute de tension dans le tube, n'a pas une valeur importante. Ainsi, par exemple, la tension redressée étant de 1 MV, la différence de potentiel entre la cathode et l'anode peut valoir plusieurs kilovolts. Les électrons sont alors accélérés dans la première moitié du tube jusqu'à une énergie de 1 MV pour être ensuite ralentis jusqu'à quelques keV dans la deuxième moitié. Un tel tube doit avoir une longueur calculée pour une double tension de service, car les parties d'accélération et de ralentissement reçoivent chacune une tension de service complète. Les électrons sont à accélérer dans le tube jusqu'à la tension nomi nale de service, ce qui provoque de grandes pertes thermiques en cas d'impact des électrons rapides sur des pièces d'un tube, un échauffement local, une détérioration du vide, ainsi qu'une radiation notable. En outre, l'obtention d'une rigidité diélectrique de l'espace vide dans lequel est appliquée une tension de l'ordre de 1 million de volts et qui est parcouru, en même temps, par un faisceau électronique d'au moins une centaine d'ampères pose des problèmes physiques et techniques assez complexes.La solution de ces problèmes est d'autant plus difficile que la tension, le courant et la durée d'une impulsion de travail sont plus grands. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Le but de l'invention est de mettre au point un tube électronique complètement commandé qui soit apte à laisser passer de forts courants (des centaines d'ampères) pour une basse tension au tube, à supporter des tensions inverses dont la valeur peut atteindre des centaines et même des milliers de kilovolts et qui présente simultanément des dimensions réduites ainsi qu'une conception plus simple et moins dangereuse du point de vue des radiations. Le tube contenant une cathode, une anode,et une électrode interposée entre elles et destinée à accélérér un faisceau électronique, est muni, selon l'invention, d'une deuxième électrode placée entre la première électrode et l'anode et destinée à créer an espace approximativement équipotentiel dans l'intervalle séparant la première et la deuxième électrodes. I1 est avantageux de munir le tube électronique d'un système de lentilles pour focaliser le faisceau électronique entre la première et la deuxième électrodes. La cathode du tube électronique peut être réalisée sous la forme d'une série d'anneaux situés les uns au-dessous des autres ayant un profil extérieur concave ; la première électrode peut présenter une série d'anneaux placés les uns au-dessous des autres autour de la cathode et séparés les uns des autres.par des intervalles annulaires continus pour le passage des faisceaux électroniques ; l'anode peut être réalisée sous la forme d'une série (suivant le nombre d'anneaux de cathode) de chambres annulaires se trouvant les unes au-dessous des autres et ayant des fentes annulaires continues pour recevoir des faisceaux électroniques ; la deuxième électrode peut être réalisée sous la forme d'une série d'anneaux situés les unes au-dessous des autres à proximité des chambres annulaires d'anode et séparés les uns des autres par des intervalles annulaires continus correspondant aux fentes des chambres en anneaux, les sections des intervalles annulaires séparant les anneaux de la deuxième électrode devant être considérablement plus grandl5que celles séparant les anneaux de la première électrode afin d'assurer une densité minimale du faisceau électronique au voisinage de l'anode. Il est également possible de réaliser la cathode dans un tube électronique sous la forme d'unesérie de plaquettes disposées le long de la génératrice d'un cylindre; la première électrode peut présenter un certain nombre (suivant le nombre desdites plaquettes) de barres entourant la cathode, parallèles aux plaquettes et séparées les unes des autres par des intervalles pour laisser un passage aux faisceaux électroniques ; l'anode peut présenter un certain nombre (suivant le nombre de plaquettes) de chambres disposées suivant une circonférence dont le rayon est plus grand que celui du cylindre, chaque chambre se trouvant en face de sa plaquette de cathode et toutes les chambres étant pourvues d'ouvertures pour permettre aux faisceaux électroniques de pénétrer dans lesdites chambres ; la deuxième électrode peut être réalisée sous la forme d'un certain nombre de barres (conformément au nombre de chambres) placées à proximité des chambres d'anode et séparées les unes des autres par des intervalles correspondant aux ouvertures des chambres, les sections des intervalles entre les barres de la deuxième électrode devant etre considérablement plus grandes que celles des intervalles entre les barres de la première électrode afin d'assurer une densité minimale du faisceau électronique au voisinage de l'anode. De préférence, la deuxième électrode du tube comporte des moyens pour créer un champ magnétique dans ses intervalles afin d'être protégée contre l'impact d'un faisceau électronique. Le tube électronique conforme à la présente invention permet de résoudre les problèmes exposés ci-dessus et peut être utilisé pour le redressement et l'inversion des tensions dans les lignes d'énergie à courant continu de 1 MV et davantage. I1 n'existe aucun problème pour ce tube en ce qui concerne la rigidité diélectrique de l'espace vide recevant, pendant une durée prolongée, une tension de l'ordre de 1 MV et laissant passer en même temps un faisceau électronique d'au moins une centaine d'ampères. Les tubes réalisés conformément à la présente invention permettent aussi d'augmenter les tensions et les puissances moyennes commutées dans des montages d'impulsions électroniques et radiotechniques. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description détaillée des exemples de réalisation, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure la représente, d'une façon schématique, un tube électronique selon l'invention, - la figure lb représente une répartition de potentiel dans le tube électronique représenté sur la figure la, - la figure 2 représente, selon l'invention, un tube électronique muni d'un système de lentilles. - la figure 3a représente une variante de réalisation d'un tube électronique, conforme à l'invention, dont les cathodes sont en anneaux, - la figure 3b représente, à une échelle agrandie, la partie A de la figure 3a et, - la figure 4 représente une variante de réalisation d'un tube électronique, selon l'invention, dont les cathodes sont en forme de plaquettes. Le tube électronique représenté sur les figures la et lb comprend une. cathode 1, une anode 2, une électrode 3 et une électrode 4 interposée entre l'électrode 3 et l'anode 2. La cathode 1, l'anode 2 et les deux électrodes 3 et 4 sont enfermées dans un ballon à vide 5. Les électrodes 3 et 4.reçoivent un potentiel à peu près égal qui est positif par rapport à celui de la cathode 1. Dans l'intervalle 6 entre les électrodes 3 et 4, le gradient du champ électrique défini par ces électrodes est approximativement nul. Le flux d'électrons est accéléré entre la cathode 1 et l'électrode 3, puis, il parcourt par inertie l'intervalle 6 jusqu'à l'électrode 4.Le potentiel d'anode 2 est maintenu à peu près égal à eelui de la cathode 1 et, par conséquent, il existe entre l'électrode 4 et l'anode 2 un champ électrique de ralentissement, où les électrons subissent un ralentissement en délivrant leur énergie cinétique à ce champ électrique. En s'approchant de l'anode 2, les électrons possèdent une énergie voisine de zéro et c'est pourquoi les pertes thermiques à l'anode 2 sont faibles. Une répartition approximative du potentiel le long du tube prévu au régime décrit (régime de conduction) est illustrée, sur la figure lb, par la ligne 7. Le potentiel à l'intérieur du faisceau électronique est représenté en traits interrompus, en tenant compte de la charge d'espace propre du faisceau. Au régime d'application au tube d'une tension de service totale de sens inverse (le tube est bloqué), la répartition de potentiel est à peu près régulière (ligne 8, figure lb) ce qui est réalisable par des moyens techniques classiques : fractionnement du ballon 5, montage d'un diviseur de tension le long du tube, etc. Au régime de conduction, la différence de potentiel entre la cathode 1 et l'électrode 3 est de plusieurs fois inférieure à la tension commutée par le tube. La tension de service (à commuter) étant, par exemple, de 1 MV, cette différence de potention peut valoir de 10 à 50 KV, et l'énergie maximale des électrons dans le tube une valeur de 10 à 50 keV. En s'approchant de l'anode 2, l'énergie des électrons peut être ramenée à une valeur comprise entre 0,3 et 3 keV, en raison d'un freinage sur leur trajectoire entre l'électrode 4 et l'anode 2. En traversant l'espace équipotentiel 6, le faisceau électronique doit accroitre ses dimensions du fait de sa propre charge d'espace, et il est nécessaire ou bien de maintenir son diamètre constant au moyen de lentilles de focalisation, ou bien de prévoir des trous d'entrée suffisamment grands dans l'électrode 4 et l'anode 2. La figure 2 représente une variante de réalisation du tube dans lequel un système de focalisation magnétique 9 est interposé entre les électrodes 3 et 4. La partie du ballon S comprise entre les électrodes 3 et 4 est fractionnée et munie d'une série de plaquettes 10 intermédiaires auxquelles sont fixées des lentilles Il du système 9 de focalisation magnétique. Les lentilles 11 peuvent être des aimants permanents annulaires placés en opposition et parallèlement les uns aux autres, comme représenté sur la figure 2. Des matériaux magnéthques existants permettent de créer des champs de l'ordre de 1000 gauss, le diamètre du trou central des aimants étant de quelques centimètres. L'utilisation de tels aimants permet de transmettre un faisceau ayant une énergie d'environ 50 keV, une intensité de 50 à 60 A et un diamètre de i à 2 cm. Une amélioration des propriétés de focalisation du système 9 peut également être obtenue en utilisant des lentilles quadripolaires. Dans la variante considérée, le tube électronique est doté en outre d'une électrode 12 auxiliaire entre la cathode et l'électrode 3 destinée à faciliter la commande du courant du tube. Les plaquettes 10 reçoivent un potentiel qui est approximativement égal à celui des électrodes 3 et 4. En vue de maintenir ce potentiel aux plaquettes 10, celles-ci sont reliées les unes aux autres et aux électrodes 3 et 4 par des résistances ohmiques 13 extérieures au ballon 5. Plus la quantité d'électrons qui arrivent en incidence sur des éléments du système 9 est faible, plus la valeur de ces résistances 13 peut être grande. Les mêmes résistances assurent une répartition uniforme de la tension inverse dans le tube. La distance entre les électrodes 3 et 4 est complètement définie par la tension de commutation du tube et, généralement, peut atteindre plusieurs mètres. Une telle distance peut s'avérer nécessaire lorsqu'un tube fonctionne sous une tension d'environ 1 MV et dans une atmosphère ambiante ordinaire. La longueur du tube est alors fonction de la rigidité diélectrique de la surface extérieure du ballon 5. Le tube étant placé dans un meilleur milieu isolant, par exemple dans de l'huile ou du gaz comprimé, c'est la rigidité diélectrique de la surface du ballon 5 en contact avec le vide qui détermine sa longueur ; des gradients éventuels dans ce cas sont de 1 à 2 MV/m. Afin de diminuer l'impact d'électrons sur des éléments du système de focalisation 9, la mise en X rme du faisceau se fait déjà dans la zone de cathode 1 ; dans ce but, on peut, par exemple, utiliser un canon à compression de faisceau. Une réduction du courant inverse issu de l'anode 2 et dû à une émission secondaire est obtenue grâce à la configuration de l'anode, celle-ci présentant une cavité (chambre) profonde, ou par d'autres moyens. De toute façon, l'énergie des électrons frappant l'anode ne devient jamais nulle en raison d'une dispersion des vitesses des électrons dans le faisceau,.des vitesses transversales dues à des aberrations dans les lentilles, etc. Pour les raisons exposées plus haut, le potentiel de la. cathode est constamment inférieur à celui de l'anode. En réalisant le tube proposé, on assure le potentiel minimal de l'anode et, donc, les moindres pertes dans le tube en adoptant une configuration appropriée de l'anode et de l'électrode 4. Un accroissement du courant dans le tube peut, en particuliert être obtenu en prévoyant dans son ballon plusieurs trajets autonomes ayant chacun ses propres cathodes, système de focalisation et anode. La figure 3a illustre une version de réalisation du tube électronique dont la cathode 1 a la forme d'une série d'anneaux 14 disposés les uns au-dessous des autres, l'électrodes 3 présentant une série d'anneaux 15 en nombre correspondant à celui des anneaux 14 et concentriques à ces derniers. Les anneaux 15 sont réunis les uns aux autres par l'intermédiaire de pièces 16 entourées par les forces intérieures des anneaux 14, ce qui permet de séparer les anneaux 15 les uns des autres par des intervalles annulaires continus 17 pour le passage sans perte des faisceaux électroniques en disques. Chaque anneau de cathode 14 est entouré d'une chambre annulaire 18, d'anode 2, concentrique avec cet anneau, cette chambre étant pourvue d'une fente 19 pour recevoir un faisceau électronique.Le diamètre de la chambre annulaire 18 est considérablement supérieur à celui de l'anneau 14. L1électro- de 4 est également réalisée sous la forme d'une série d'anneaux 20 concentriques aux chambres annulaires 18 et ayant un diamètre un peu plus petit que ces dernières. Les anneaux 20 sont séparés les uns des autres par des intervalles annulaires continus 21 correspondant aux fentes annulaires 19. Les sections des intervalles 21 sont alors de 5 à 50 fois supérieures à celles des intervalles annulaires 17. La construction annulaire décrite est enfermée en entier dans le ballon à vide 5 doté d'un isolateur 22. Les anneaux 14 de la cathode 1 ont une surface d'émission concave (extérieure) ; de ce fait, un faisceau électronique se trouve d'abord relativement réduit dans la direction de l'axe 23 du tube. Les électrons accélérés sur leur trajectoire entre la cathode 1 et l'électrode 3 se dirigent ensuite, dans l'espace approximativement équipotentiel 6, vers l'électrode 4. La section du faisceau devient alors plus grande et la densité diminue. Une faible densité du faisceau sur la trajectoire entre l'électrode 4 et l'anode 2 (zone de freinage) rend plus facile un ralentissement des électrons jusqu'aulx basses énergies. En vue de protéger l'électrode 4 contre l'incidence des électrons non ralentis, on utilise un champ magnétique, créé dans les intervalles 21, qui diminue quelque peu la dimension du faisceau dans la zone de l'électrode 4. Un tel champ magnétique peut être induit en faisant circuler un courant en provenance d'une source (non représentée sur la figure 3a) dans les anneaux 20. La figure 3b représente des lignes de forces 24 d'un tel champmagnétique. La tension commutée par le tube dépend de la rigidité diélectrique de l'espace entre les électrodes 3 et 4 et peut atteindre 200 à 400 kV. Pour une tension plus importante, l'obtention de la rigidité diélectrique de cet espace peut s'avérer difficile bien que, au moment où une tension élevée s'applique à cet espace, il n'y ait pas de faisceau électronique. Un accroissement du courant dans le tube peut être obtenu en augmentant le nombre de couches dans la construction annulaire. I1 est alors indispensa ble de tenir compte d'une interaction des faisceaux électroniques, cette interaction influençant surtout les trajectoires des électrons des deux faisceaux extrêmes. La figure 4 illustre une autre variante de réalisation du tube électronique où la cathode 1 est réalisée sous la forme d'une série de plaquettes 25 parallèles à l'axe 23 du tube et disposées le long de la génératrice d'un cylindre ; la première électrode 3 est composée d'une série de barres 26 parallèles aux plaquettes 25 et séparées les unes des autres par des intervalles 27 laissant passer des faisceaux électroniques ; l'anode 2 est réalisée sous forme de chambres 28 en nombre correspondant à celui des plaquettes 25 et placées suivant une circonférence ayant un rayon supérieur au rayon dudit cylindre, chaque chambre 28 se trouvant vis-à-vis de sa plaquette 25 respective et étant pourvue d'une ouverture 29 pour recevoir un faisceau électronique. La deuxième électrode 4 est constituée par une série de barres 30 en nombre équivalent à celui des chambres 28, ces barres étant disposées au voisinage des chambres 28 et séparées les unes des autres par des intervalles 31 correspondant aux ouvertures 29. I1 est à remarquer que les sections des intervalles 31 sont prévues 5 à 50 fois supérieures à celles des intervalles 27 afin de réaliser une densité minimale du faisceau électronique au voisinage de l'anode 2. Les barres 30 de l'électrode 4 du tube selon cette variante peuvent être parcourues par un courant électrique pour créer un champ magnétique protecteur en conformité avec ce qui a été décrit plus haut. Le fonctionnement du tube selon la version sus-mentionnée est analogue à celui du tube illustré par les figures 3a et 3b. Une telle conception du tube ainsi que la version des figures 3a et 3b assurent une densité réduite du faisceau dans la zone de freinage. Le tube conforme aux figures 3e, 3b et 4 est capable de fonctionner dans la gamme des paramètres ci-après - courants : centaines et milliers d'ampères, - tension de service : 200 à 400 kV, - chute de tension dans le tube au régime de conduction dizaines et centaines de volts. Les sonstructions des tubes conformément aux figures 3a, 3b et 4 peuvent, au régime de conduction, assurer des courants plus forts et des chutes de tension moins grandes qu'avec la variante de la figure 2, mais elles s'utilisent pour de tensions de commutation plus basses. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Tube électronique comprenant une cathode, une anode et une électrode interposée entre lesdites cathode et anode et destinée à accélérer un faisceau d'électrons, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième électrode placée entre la première électrode et l'anode et destinée à créer un espace approximativement équipotentiel dans l'intervalle séparant la première et la deuxième électrodes. 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de focalisation du faisceau d'électrons, ledit système étant disposé entre la première et la deuxième électrodes. 3. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est réalisée sous forme d'une série d'anneaux se trouvant les uns au-dessous des autres, le profil extérieur de chacun de ces anneaux étant concave la première électrode comporte une série d'anneaux situés les uns au-dessous des autres autour de la cathode, ces anneaux étant séparés par des intervalles annulaires continus pour permettre le passage des faisceaux électroniques l'anode comporteune série de chambres annulaires, en nombre correspondant à celui des anneaux de cathode, situées les unes au-dessous des autres et pourvues de fentes annulaires continues pour recevoir des faisceaux électronique la deuxième électrode comporte une série d'anneaux se trouvant les uns au-dessous des autres au voisinage des chambres annulaires de l'anode et séparés les uns des autres par des intervalles annulaires continus correspondant aux fentes des chambres annulaires; les sections des intervalles annulaires entre les anneaux de la deuxième électrode étant sensiblement plus importants que celles des intervalles annulaires séparant les anneaux de la première électrode, ce qui assure une densité minimale du faisceau électronique au voisinage de l'anode. 4. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est réalisée sous forme d'une série de plaquettes disposées suivant la génératrice d'un cylindre la première électrode comporte une série de barres, en nom bre correspondant à celui des plaquettes, placées autour de la cathode, ces barres étant parallèles aux plaquettes et séparées les unes des autres par des intervalles pour le passage des faisceaux électronique l'anode comporte une série de chambres en nombre correspondant à celui des plaquettes et disposées suivant une circonférence dont le rayon est supérieur au rayon dudit cylindre, chaque chambre se trouvant vis-à-vis de la plaquette de cathode respective et toutes les chambres comprenant des ouvertures pour recevoir les faisceaux électroniques la deuxième électrode comporte une série de barres, en nombre correspondant à celui des chambres d'anode, placées au voisinage des chambres d'anode et séparées les unes des autres par des intervalles correspondant aux ouvertures des chambres, les sections des intervalles entre les barres de la deuxième électrode étant notablement supérieures à celles des intervalles séparant les barres de la première électrode, ce qui assure une densité minimale du faisceau électronique au voisinage de l'anode. 5. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode est dotée de moyens permettant de créer un champ magnétique dans ses intervalles en vue de protéger ladite électrode contre l'incidence du faisceau d'électrons.