Brevet FR2354630A1 — publié le 19780106

La présente invention concerne des dispositifs convertisseurs à vide poussé, et notamment un dispositif convertisseur à faisceau électronique, lequel peut entre utilisé dans les sous-stations puissantes des lignes de transport d'énergie à courant continu, ou bien comme commutateur commandé dans les circuits commutateurs, de protection et onduleurs puissants. On connaît un dispositif convertisseur à faisceau électronique comprenant, en plus d'une cathode et d'une anode, une électrode d'accdlération. L'électrode d'accélération reçoit un potentiel positif par rapport à la cathode, le potentiel de l'anode est lui aussi positif, mais sensiblement inférieur à celui de l'électrode d'accélération. Toutes ces électrodes servent à former un faisceau électronique de manière que soit presque exclu l'impact des électrons à l'électrode d'accélération. En vue de réduire le nombre d'électrons réfléchis, l'anode est faite sous forme d'un volume creux ayant une ouverture pour la pénétration des électrons. De ce fait, un accroissement de la puissance du dispositif impose une augmentation brusque de l'encombrement de celui-ci. La présente invention vise à perfectionner le dispositif convertisseur à faisceau électronique qui vient d'entre décrit. Le but de l'invention est de créer un dispositif convertisseur à faisceau électronique qui permettrait de réduire son encombrement tout en conservant une grande valeur du courant à commuter, de supprimer l'émission secondaire de l'anode et d'améliorer le rendement, de diminuer la charge thermique que subit l'anode et d'obtenir des avantages constructifs au point de vue du montage du dispositif. Ce problème est résolu gracie au fait que dans le dispositif convertisseur à faisceau électronique proposé, du type comprenant une cathode, une anode et une électrode d'accélération, ces trois éléments constituant un système dleetrxFcptfique au moyen duqùel un flux d'électron est mis en forme d'un faisceau électronique, selon l'invention ledit faisceau électronique consiste en un flux d'électrons curviligne allant en s'élargissant à mesure qu'il se rapproche de l'anode, que dans ce but l'angle constitué par les normales abaissées sur les surfaces de la cathode et de l'anode est différent de 0, mais inférieur à 1800, alors que l'anode a une forme de surface orthogonale au flux d'électrons incident, la distance entre l'électrode d'accélération et l'anode étant considérablement supérieure à celle séparant la cathode de l'électrode d'accélération. Un tel faisceau électronique formé permet de réduire les dimensions du dispositif, en conservant une grande valeur du courant à commuter. Il est avantageux de placer à proximité immédiate de l'anode une grille ayant un potentiel égal ou inférieur à celui de l'anode, mais supérieur au potentiel de la cathode. Ceci assure la suppression de l'émission secondaire de 11 anode et une amélioration du rendement du dispositif. Il est aussi avantageux de donner à toutes les électrodes précitées une forme allongée permettant de former un faisceau électronique en forme de ruban curviligne. Il est aussi avantageux de réaliser annulaires lesdites électrodes, en les disposant concentriquement à l'axe de symétrie cofncidant avec l'axe de la cathode, ces électrodes formant un flux d'électron annulaire curviligne. Cela permet d'augmenter le courant à commuter, sans changer les dimensions du dispositif. La cathode peut Btre cylindrique, et les électrodes d'accélération et de commande peuvent être annulaires, le système électrono-optique formant alors un flux d'électrons curviligne en forme de disque, perpendiculaire à l'axe de symétrie du dispositif et divergeant en deux faisceaux dans la zone adjacente à l'anode. Un tel système assure l'obtention d'une grande valeur du courant et une amélioration du rendement du dispositif. Le dispositif convertisseur à faisceau électronique proposé peut comporter plusieurs systèmes électrono-optiques identiques, qui forment des faisceaux électroniques curvilignes. Cela permet d'augmenter le courant à commuter dans le dispositif, de diminuer la charge thermique que subit l'anode, et procure des avantages constructifs au point de vue du motitage du dispositif. Dans les dispositifs à faisceau électronique qu'on va décrire ci-dessous, on utilise un système électrono-optique à formation centrifuge - électrostatique du flux électronique. Le flux d'électrons, dans un tel système, se propage suivant des trajectoires curvilignes. Au cours de cette propagation suivant des trajectoires curvilignes, l'électron subit l'action de la composante normale de l'intensité d'un champ électrique, de la force d'une charge spatiale et d'une force centrifuge. L'action exercée sur les électrons, transversalement aux trajectoires, non seulement par les forces de la charge spatiale, mais aussi par les champs extérieurs considérables et la force centrifuge, contribue à une stabilité supplémentair du faisceau électronique, car les variations du niveau de la charge spatiale dans le faisceau n'influencent pas de façon senotble les trajectoires du faisceau. La présence de champs électrostatiques considérables, transversaux aux trajectoires des électrons, permet d'éliminer du flux d'électrons les ions positifs, ee qui est essentiel dans les régimes qui précèdent l'apparition d'oscillations en cas de ralentissement poussé du faisceau électronique. Il est -videt que la stabilité supplémentaire de la mist en forme et l'élimination des ions du flux d'électrons sont déterminées par la courbure des trajectoires. Ainsi, plus le faisceau électronique, est curviligne, plus complète est l'utilisation des avantages procurés par le système. Dans le dispositif électrono-optique proposé, l'anode a une forme telle, que sa surface est orthogonale au flux d'électrons incident. Ce fait assure une dispersion minimale det vitesses des électrons à l'anode, et on peut donc obtenir un potentiel suffisamment bas de l'anode, c' est-à-dire réaliser un freinage poussé du flux d'électrons. La possibilité de former dans le système électronooptique un flux d'électrons allant en s'élargissant empêche la formation d'un flux virtuel dans la zone adjacente à l'anode. Il s'ensuit de considérations générales qu'en disposant l'électrode d'accélération de manière que la distance entre celle-ci et l'anode soit sensiblement supérieure à la distance entre la cathode et l'électrode d'accélération, il devient possible de diminuer, à l'électrode d'accélération, le potentiel nécessaire pour le prélèvement d'un courant de valeur prédéterminée pour une tension à commuter de valeur donnée. Il en résulte une amélioration du rendement du dispositif. Le dispositif électrono-optique proposé permet d'utiliser des électrodes de forme allongée, ce qui permet une augmentation du courant à commuter. L'ensemble des avantages énumerés peut étre obtenu en résolvant le problème de la formation d'un flux électronique curviligne. L'invention sera mieux expliquée à l'aide de la description détaillée, qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation du dispositif convertisseur à faisceau électronique selon l'invention, en se référant aux dessins sur lesquels s - la figure i est une représentation schématique du dispositif proposé - la figure 2 illustre le dispositif proposé, dans lequel une grille est placée dans l'espace adjacents l'anode - la figure 3 illustre le dispositif proposé, à cathode annulaire - la figure 4 illustre le dispositif proposé, pourvu d'une cathodecylindriqueet d'électrodes en forme de disque ; ; - la figure 5 illustre un dispositif dans lequel plusieurs systèmes électrono-optiques ayant une forme allongée et divisant le flux d'électrons en deux sont disposés par rapport à un axe commun. Le dispositif convertisseur à faisceau électronique qui va maintenant être décrit à titre d'exemple comporte une cathode 1 (figure 1), une anode 2, une électrode d'accélération 3 et des électrodes de commande 4 et 4', toutes ces électrodes ayant une forme allongée. L'anode 2 a une forme de surface orthogonale au flux d'électrons qui va en s'élargissant, et elle est placée de telle façon, par rapport à la cahode 1, que l'angle ct constitué par les normales abaissées sur les surfaces de ces électrodes soit différent de O mais inférieur à 1800 ; l'ouverture de cet angle renferme l'électrode d'accélération 3, la distance entre l'électrode d'accélération 3 et l'anode 2 dépassant notablement celle entre la cathode 1 et l'électrode d'accélération 3 ; dans la zone adjacente à la cathode 1, des deux côtés du flux d'électrons, sont situées les électrodes de commande 4, 4' ; du coté de la cathode i opposé à l'électrode d'accélération 3, après l'électrode de commande 4', se trouve une électrode de focalisation 5 appartenant à la cathode, et entre l'anode 2 et l'électrode d'accélération 3 se trouve une électrode de focalisation 6 appartenant à l'anode. Les potentiels sont répartis sur les électrodes de manière que l'électrode d'accélération 3 reçoive un potentiel positif par rapport à la cathode 1 et de valeur suffisante pour prélever le courant nécessaire, l'anode 2 ayant un potentiel positif par rapport à la cathode 1 mais sensiblement inférieur à celui de l'électrode d'accélération 3. Toutes les électrodes énumérées constituent un système électrono-optique avec formation centrifuge-électrostatique d'un flux d'électronssous forme d'un faisceau La figure 2 illustre un dispositif convertisseur à faisceau électronique analogue à celui représenté sur la figure 1,:mais comportant une grille 7 située au voisinage de l'anode 2. En appliquant à la grille 7 un potentiel inférieur à celui de l'anode 2, mais supérieur à celui de la cathode 1, on peut créer près de l'anode 2 une zone à potentiel minimum, cette zone servant à ralentir les électrons secondaires dégagés de 'anode par le flux d'électrons incident.La suppression des électrons secondaires favorise la réduction des pertes aux électrodes et une amélioration du rendement du dispositif lui-mEme. Dans les dispositifs convertisseurs à faisceau électronique selon les figures i et 2, lesdites électrodes, c'est-à-dire la cathode 1, l'anode 2, l'électrode d'accélération 3, les électrodes de commande 4 et 4', l'électrode de focalisation 6 appartenant à l'anode et la grille 7 peuvent Btre de forme allongée Une telle forme des électrodes est favorable à la formation d'un faisceau électronique en forme de ruban curviligne étendu. Le dispositif convertisseur à faisceau électronique selon la figure 3 comprend lui aussi la cathode i, l'anode 2, les électrodes d'accélération 3 et de commande 4, lesquelles constituent un système d'électrodes annulaires disposées concentriquement suivant un axe de symétrie qui coïncide avec l'axe de la cathode i .La cOhode 1 âe présente comme un anneau à surface émettrice plate ; la surface de l'anode 2 est orthogonale au flux d'éleetrons divergent et est placée de telle façon, Rar rapport à la cathode, que l'angle formé par les normales abaissées sur les surfaces soit différent de 0, mais inférieur à 1800 ; l'ouverture de cet angle renferme l'électrode d'accélération annulaire 3, la distance entre l'électrode d'accélération 3 et l'anode 2 étant considérablement supérieure à celle entre la cathode 1 et l'électrode d'accélération 3. L'électrode de commande annulaire 4 se trouve entre le bord extérieur de la cathode 1 et l'électrode d'accélération 3. Pour former le flux d'électrons, on a prévu des électrodes de focalisation : deux électrodes de focalisation 5 et 5' voisine de la cathode et une électrode de focalisation 6 voisine de l'anode. L'électrode 5 voisine de la cathode est en forme d'un cône et se situe au centre de l'anode 2 l'électrode y voisine de la cathode est en forme d'un cylindre ayant un bord taillé en c3ne tronqué, et se situe au centre de la cathode i ; une telle structure du dispositif permet de former un flux électrons annulaire, ainsi que d'augmenter le courant pouvant entre commuté dans le dispositif, et ce, grecs au développement de la surface cathodique. Le dispositif convertisseur à faisceau électronique selon la figure 4 comporte la cathode i, deux anodes 2, 2', deux électrodes d'accélération 3, 3' et deux électrodes de commande 4, 4'. La cathode 1 est en forme de cylindre dont la surface latérale est utilisée en tant que surface émettrice, les anodes annulaires 2, 2', sont placées des deux cotés opposés de la cathode 1 ; l'axe de symétrie des anodes 2, 2' coSncide avec l'axe Fe symétrie de la cathode 1 ; la surface des anodes 2, 2' est orthogonale au flux d'électrons perpendiculaire à l'axe de symétrie du dispositif divergeant suivant les deux sens, et l'angle constitué par les normales abaissées sur la surface de la cathode 1 et la surface de chacune des anodes 2, 2', est différent de 0, mais inférieur à 1800.Dans l'ouverture de cet angle, des deux côtés de la cathode 1, sont disposées les électrodes d'accélération annulaires 3, 3', le distances entre les électrodes d'accélération 3, 3' et les anodes 2, 2' dépassant notablement celles entre la cathode 1 et les électrodes d'accélération 3, 3' Dans la zone avoisinant la cathode entre la cathode i et chacune des électrodes d'accélération 3, 3', sont situées deux électrodes de commande 4, 4' annulaires. Les électrodes de commande 4, 4' et d'accélération 3, 3' sont disposées symétriquement par rapport à la cathode i et placées des deux c6tés de celle-ci. Vis-à-vis la cathode 1 est disposés l'électrode de focalisation 5 appartenant à cette cathode. L'électrode S est annulaire, avec une surface intérieure conique.Dans la zone anodique entre les électrodes d'accélération 3, 3' et les anodes 2, 2' se trouvent les électrodes de focalisation 6, 6' appartenant à l'anode. Un tel système permet une augmentation du courant dans le dispositif grecs à la forme appropriée de la surface émettrice de la cathode, sans changer l'encombrement du dispositif, alors que la forme appropriée de la surface anodique assure une réduction de pertes thermiques, ce qui améliore le rendement du dispositif. Le dispositif convertisseur à faisceau électronique selon la figure 5 est composé de plusieurs systèmes électronooptiques dont chacun comprend la cathode 1, deux anodes 2, 2', deux électrodes d'accélération 3, 3' et deux électrodes de commande 4, 4'. Par rapport à l'axe commun du dispositif, les systèmes d'électrodes sont montés de telle façon qu'en section transversale du dispositif les anodes 2, 2' représentent les arcs d'une circonférence commune, et toutes les électrodes faisant partie de chaque système électrono-optique sont de forme allongée.Les anodes 2, 2' sont situées de part et d'autre de la cathode 1, la surface des anodes 2, 2' est orthogonale au flux d' électrons divergeant dans deux directions, alors cue l'angle formé par les normales abaissées sur la surface de la cathode i et la surface de chacune des anodes 2, 2' est différent de 0, mais inférieur à 1800. Dans l'ouverture de cet angle, des deux cOtés de la cathode 1, sont placées les électrodes d'accélération 3, 3'. La distance entre les électrodes d'accélération 3, 3' et les anodes 2, 2', dépasse considérablement celle entre la cathode i et les électrodes d'accélération 3, 3'. Entre la cathode 1 et chaque électrode d'accélération 3, 3' sont placées deux électrodes de commande 4, 4'.L'électrode de focalisation 5 appartenant à la cathode a une surface intérieure conique et est située en face de la cathode i ; les électrodes de focalisation 6, 6' appartenant à l'anode sont placées dans la zone anodique entre les électrodes d'accélération 3, 3' et les anodes 2, 2'. Dans le cas d'un assemblage de systèmes électrono-optiques distincts, les électrodes d'accélération 3, 3' les électrodes de commande 4, 4' et les électrodes 6, 6' appartenant à l'anode peuvent entre communes à deux systèmes électrono-optiques voisins. La solution constructive décrite ci-dessus permet d'élever le courant à commuter dans le dispositif gracie au développement de la surface émettricide cathode et assure un emplacement commode des systèmes électrono-optiques individuels. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif convertisseur à faisceau électronique, du type comprenant une cathode, une anode et une électrode d'accélération qui constituent un système électrono-optique destiné à conférer à un flux d'électrons la forme d'un faisceau électronique afin d'empêcher les électrons d'atteindre l'électrode d'accélération, les potentiels aux électrodes étant répartis de telle façon qu'à ltélectrode d'accélération soit appliqué un potentiel qui est positif par rapport à la cathode et dont la valeur est suffisante pour le prélèvement du courant nécessaire, tandis que l'anode a un potentiel positif par rapport à la cathode mais sensiblement inférieur à celui de l'électrode d'accélération, caractérisé en ce que la cathode et l'anode sont placées de telle manière, l'une par rapport à l'autre, que l'angle entre les normales abaissées sur les surfaces de la cathode et de l'anode soit différent de 0 mais inférieur à 1800, et en ce que l'anode a une forme de surface orthogonale au flux d'électrons incident, la distance entre l'électrode d'accélération et l'anode étant considérablement supérieure à celle entre la cathode et l'électrode d'accélération, de sorte que le faisceau électronique formé soit constitué d'un flux d'électrons curviligne allant en s'élargissant à mesure qu'on se rapproche de l'anode. 2. Dispositif convertisseur à faisceau électronique selon la revendication 1, caractérisé qu'à proximité immédiate de l'anode est montée une grille dont le potentiel est égal ou inférieur à celui de l'anode mais supérieur au potentiel de la cathode. 3. Dispositif convertisseur à faisceau électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que toutes les électrodes précitées sont de forme allongée et permettent d'obtenir un faisceau électronique en forme de ruban curviligne. 4. Dispositif convertisseur à faisceau électronique selon l'une des revendications i et 2, caractérisé en ce que toutes les électrodes précitées sont de forme annulaire, placées concentriquement suivant un axe de symétrie coïncidant avec l'axe de la cathode, et forment un faisceau électronique annulaire curviligne. 5. Dispositif convertisseur à faisceau électronique selon l'une des revendications i et 2, caractérisé en ce que la cathode est cylindrique, alors que l'électrode d'accélération est annulaire, le flux d'électronsen résultant étant curviligne, perpendiculaire à l'axe de symétrie du aispositif, divergeant en deux faisceaux dans la zone adjacente à l'anode. 6. Dispositif convertisseur à faisceau électronique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux ou plusieurs systèmes électrono-optiques identiques choisis parmi ceux faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 5 et formant des flux électroniques curvilignes.