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Étude expérimentale d’un convertisseur a plasma de
césium
E. Dieulesaint, Ph. Defranould
To cite this version:
95 A.
ÉTUDE
EXPÉRIMENTALE
D’UN CONVERTISSEUR A PLASMA DECÉSIUM
Par E. DIEULESAINT et PH.
DEFRANOULD,
Laboratoire de Recherches Générales de la Division « Tubes
Électroniques
»,Compagnie Française Thomson-Houston.
Résumé. 2014 Nous avons dans
un article précédent [1] exposé le
principe
de fonctionnement etdécrit quelques réalisations de convertisseurs à plasma de césium.
Nous rapportons ici les résultats d’une suite d’essais effectués sur un de ces convertisseurs chauffés par bombardement électronique. Nous convenons de distinguer trois régimes de fonctionnement suivant la valeur de la température du césium.
Abstract. 2014
In a previous paper, we demonstrated the operating
principle
of thermionic caesiumplasma
converters and described a few of the models we built.We set forth here the results of a series of tests conducted on one of these models heated by electric bombardment. We are able to distinguish three operating modes depending on the caesium
pres-sure.
1,1 JOURNAL DE PHYSIQUE SUPPLÉME NT AU No 6.
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 25, JUIN 1964, PAGE 95 A.
Cette étude
expérimentale
a pour but dedéter-miner l’influence des différents
paramètres
inter-venant dans le fonctionnement d’un convertisseur
à
plasma
naturel de césium. Cesparamètres
sont :les
températures
de cathode et d’anode :Tc, Ta. ;
lespotentiels
de sortie de cathode et d’anode : rpc,cpa ; la
température
de césium :Tes;
la distance interélectrodes :d ;
la nature des matériauxuti-lisés.
Nous nous sommes intéressés
plus
particuliè-rement à la
température
du césium. Eneffet,
lapression
decésium,
déterminée par latempérature
du réservoir contenant le césiumliquide,
a un rôledéterminant
[2
et3].
Nous avons aussi examinél’influence de la distance interélectrodes sur le
courant et la
puissance
de sortie du convertisseur :son influence est
beaucoup
plus marquée
que lathéorie ne le laisse
prévoir.
I . Les convertisseurs utilisés. - 1.1. DESCRIP-TION. -
Le convertisseur à
géométrie
cylindrique
[1
à3]
estreprésenté schématiquement
sur lafigure
1. Ilcomprend
deux enceintes : une enceinte à bombardement(A)
formée par l’intérieur ducylindre
constituant lacathode ;
; une enceinte à césium(B)
constituant lapartie
« convertisseur »est formée par
l’espace
annulairecompris
entre la cathode et l’anodequi
lui estconcentrique.
La cathode
(C)
estportée
à latempérature
de? fonctionnement par bombardementélectronique :
:la source d’électrons est un filament de
tungstène
(D)
chauffé par effet Joule. Lecylindre
de la cathode est constitué par un métal réfractaire(molybdène
outantale).
Sapartie supérieure
estamincie de
façon
à constituer unsupport
(E)
àgrande
résistancethermique.
La surface émissivede la
cathode
est de11,4
cm2. Un anneau decéra-FIG. 1. - Schéma d’un convertisseur
thermoélectronique
chauffé par bombardement électronique.
PHOTOGRAPHIE 1. - Sous-ensembles du convertisseur :
Anode brasée sur anneau de céramique. Cathode brasée sur son support. Filament de bombardement.
mique (F)
assure l’isolementélectrique
cathode-anode
(Photographie
1).
L’anode
(G)
en nickel est munie d’ailettes derefroidissement en cuivre
(H)
defaçon
à maintenirnaturellement sa
température
autour de 500 °C.Trois distances interélectrodes ont été étudiées :
0,3
mm ;0,5
mm et 1 mm.Le réservoir de césium est constitué par un
queusot
en cuivre(J)
brasé à l’extrémité inférieurede l’anode par l’intermédiaire d’un tube en nickel
dont la résistance
thermique plus importante
quecelle du cuivre diminue le
couplage
entre latempé-rature d’anode et la
température
de césium. Le tube en nickel est suffisammentlong
pour que leréservoir à césium soit le
point
leplus
froid duconvertisseur.
Les convertisseurs étant destinés à travailler à
l’air,
aux environs de 700 °Cpour
l’anode et entre300 et 400 °C pour les autres
parties,
sontprotégés
par un revêtement à base
d’argent
et de rhodium.Quatre thermocouples
chromel-alumel ont étébrasés sur le convertisseur : m sur le réservoir de .
césium ;
un surl’anode ;
un sur l’extrémité dusupport
decathode ;
un sur le haut de l’enceinte du convertisseur.1.2. CHOIX DES MATÉRIAUX. - Les
performances
d’un convertisseur sont fonctions des travaux de sortie et des
températures
des électrodes. En cequi
concernel’anode,
leproblème
estrapidement
résolu
puisque,
quel
que soit le matériau que l’onutilise,
son travail de sortie est trèsproche
de celuidu césium
(1,89
V)
pourvu que satempérature
soit suffisamment basse. Pour l’émetteur ou cathode
il faut utiliser
un’matériau
réfractaireayant
unebonne émission
thermoélectrique,
c’est-à-dire uny/T
leplus petit
possible.
Eneffet,
le rendement et lapuissance augmentent
avec latempérature
et avec la diminution du travail de sortie de lacathode. La
température
de l’émetteur est limitée par la vitessed’évaporation
du matériauqui
estune fonction
exponentielle
de latempérature
[4].
La diminution du travail de sortie est aussi limité :
il est
nécessaire
que y,,>- VI
pour que l’ionisationdu césium par contact soit
importante.
L’émetteur doit être constitué de matériaux tels que letung-stène,
letantale,
lemolybdène,
le niobium. Onpeut
penser à utiliser des cathodesinhomogènes
[1,
5 et6]
dont lepotentiel
de sortie moyen estinférieur à Y; : les
parties
à hautpotentiel
de sortie étantresponsables
de l’ionisation du césiumet les
parties
à baspotentiel
de sortie étantchargées
de l’émissionthermoélectronique.
Des cathodes dutype
«imprégné »
à matrice detungstène
poreuxont été utilisées dans ce sens et ont donné des
résul-tats satisfaisants
[1].
Nous avons d’abord utilisé comme émetteur le
molybdène
dont l’émissionthermoélectronique
estrelativement bonne
(103 y/T
=1,5),
mais saporo-sité au-dessus de 1 800 OC diminue
considérable-ment la durée de vie des convertisseurs. Des coupes
micrographiques
ont révélé des failles de l’ordre du micron dans la cathode.Nous avons alors
remplacé
lemolybdène
par dutantale dont la tension de vapeur est très inférieure
à la même
température ;
leurs travaux d’extrac-tion sont très voisins(-
4,2
V).
Aucuneporosité
n’a été constatée sur les cathodes en tantale cequi
nous apermis
deporter
la durée de vie duconver-tisseur de
quelques
dizaines d’heures à une centained’heures.
Une autre diniculté est la
présence
de césium. Engénéral
les métaux secomportent
bien ;
par contrel’utilisation de cathodes à
oxydes
semble exclue. D’autrepart,
le césiumattaque
la silice à chaud(200
à300 °C)
les enceintes en verre nepeuvent
donc être
employées.
Lacéramique
utilisée commeisolant
électrique
entre la cathode et l’anode n’a pas été altérée par le césium. Parcontre,
il semble que le scellementcéramique-métal
à based’oxydes
deviennefragile
après
plusieurs’heures
defonction-nement à haute
température
(5
à600 °C).
1.3. FORMATION. - Les deux enceintes du
con-vertisseur sont
pompées
sirnultanérnentjusqu’à
> 10-7,miri
H g.
La cathode est chauffée vers 1800 °C et le reste
déga-zage. On vérifie l’émission
thermoélectronique
enappliquant
une tension dequelques
centaines de volts entre les électrodes du convertisseur. Lecon-vertisseur est alors
séparé
du bâti de pompage, levide étant maintenu à l’intérieur. Le césium
con-tenu dans une
petite ampoule
a étépréalablement
introduit
[1]
dars une canalisation de verreplacée
dans le
prolongement
duqueusot.
Après
pompage,l’ampoule
de césium est brisée par unepetite
mas-selote de fer. Cette masmas-selote enrobée de verre, de
façon
à éviter le contact du fer avec lecésium,
estmanoeuvrée de l’extérieur par un aimant. Le
césium est introduit dans le convertisseur par
éva-poration (chauffage
auchalumeau) ;
la fermeture se fait parpincement
duqueusot
cuivrequi
cons-titue alors le réservoir de césium.
2. Mesures et stabilisation des
températures.
-L,a détermination de la
caractéristique
I =f(V)
estla
principale
information que l’onpeut
déduire directement : on l’obtient en faisant varier larésis-tance de
charge
branchée aux bornes duconver-tisseur. Les
paramètres : puissance
d’entrée(tempé
rature de la
cathode) ; température d’anode ;
tem-pérature
decésium ;
distanceinterélectrodes,
sontmaintenus constants.
Un
enregistreur
(X, Y)
l trace lacaractéristique
V ==/(7) lorsqu’on
fait varier R. Lacaractéristique
peut
aussi être obtenue sur l’écran d’unoscil-loscope,
en utilisant un transformateur alimenté entension alternative
(50 Hz)
dont le secondaire estplacé
en série dans le circuit decharge.
La mesure des différentes
températures
est effec-tuée à l’aide dethermocouples.
Seule latempé-rature de cathode n’est pas connue exactement en
fonctionnement. Toutes les courbes sont relevées à
« puissance
d’entrée constante ». Nous avonsstabi-lisé la
puissance
de bombardement en introduisant en série dans le circuit une résistance decontre-réaction limitant l’intensité du courant de bombar-dement. LTn ordre de
grandeur
de latempérature
de cathode est obtenu « à vide » c’est-à-direlorsque
leconvertisseur ne contient pas de césium. La mesure
est effectuée en fonction de la
puissance
debombar-dement par
pyrométrie optique
à travers unefenêtre
placée
à l’extrémité duqueusot
de pompage, à laplace
du réservoir de césium.L’anode est munie d’un
système
derefroidis-sement à air constitué par un anneau creux
percé
de trous sur sa circonférence. Ce
système
est pourvud’un manomètre détendeur
permettant
leréglage
de la
pression d’air,
et d’une électrovannecom-mandée par un
régulateur
detempérature
àtran-sistor. Ce
système
permet
une stabilisation de latempérature
d’anodeà -L F)
°C sur nnelarge plage
(,15()
°C-R()()OQ.
1 fI réservoir de césium est
i>laré
à l’intérieurd’une étuve à double écran réflecteur en acier
inoxy-dable
qui
assure lechauffage
du césiumliquide
etla stabilisation de sa
température ;
lechauffage
de l’étuve est assurée par l’intermédiaire d’unauto-transformateur et d’un
régulateur
detempérature.
Ce
système
permet
la stabilisation de latempé-rature du césium
à +
2 °C sur uneplage
allant de 140 °C à 400 °C(Photographie
2).
PUOTO(;nAPIIIE 2. -- Détails de
montage : Connexion
eipc-triques, thermocouples, anneau de refroidissement, four
à césium (ouvert).
D’autres
thermocouples
sontdisposés
surl’en-semble du convertisseur de
façon
à vérifier que latempérature
du réservoir de césium est bien le«
point
froid » de l’enceinte du convertisseurpro-prement
dit. Lafigure
2représente
un blocdia-gramme des circuits accessoires du convertisseur.
3.
RÉSULTATS
EXPÉRIMENTAUX.
L’analyse
théorique
dufonctionnement
ducon-vertisseur
à vapeur de césiumpermet
deprévoir
troisrégimes
de fonctionnements différents[2
et3]’
suivant la valeur de la tension de vapeur du césium dans
l’espace
interélectrodes :Prentier
l’éginze
cc à bassepression
de césirzrn » :rc. 200 OC.
infé-98 A
Fie. 2. - Bloc
diagramme des circuits accessoires d’un convertisseur thermoélectronique.
A : Anode ; B : bombardement ; C : cathode ; D :
Déten-deur ; E : étuve; F : refroidissement par air; G : chauffage;
H : autotransformateur ; R : régulateur ; S : relais ; T :
thermocouple ; V : électrovanne.
rieure à 200 OC
environ,
les libres parcours moyens des ions Ai et des électrons Àe sontgrands
devant la distance cathode-anode(d
=0,3 mm)
car laden-sité des atomes de césium est alors faible. Par
exemple
pourTC.
= 110’OC,
.Pcs
= 10-3 mm demercure, on trouve
>,i = 2 0 mm X, == 10 mm.
Nous admettons que les ions
Cs+,
les électronset les atomes neutres de césium constituent un gaz
de
particules
libres sans choc. L’étudethéorique,
conduite à
partir
del’équation
dePoisson,
ensup-posant
une distribution maxwellienne des vitessesà
l’émission, permet
de calculer unecaractéristique
ayant
l’allure de celle d’unediode,
à la différenceprès,
que laprésence
d’ions diminuant lacharge
d’espace,
le courant de saturation estplus
viteatteint. ’
Deuxième
régime
« à hautepression
de césium» : :200 OC
Te.
280 °C. ’La
température
critique
du césium est atteintelorsque
les libres parcours moyens sont de l’ordre des dimensions interélectrodes.Lorsque
latempé-rature du césium est
supérieure
à latempérature
critique,
parexemple
pourTc.
=260 pC,
Pca =
0,5
mm de mercure, on aLes chocs sont alors assez nombreux pour donner
naissance à un
plasma
neutre et isotherme dansl’espace
interélectrodes. Les électrodes ont poureffet de créer des
gaines
dontl’épaisseur
est de l’ordre degrandeur
de lalongueur
deDebye,
soit environ 1 03BC dans les conditions de fonctionnement. Leséquations
de continuitéélectrique,
écrites auxfrontières du
plasma
pour les différentes distri-butions depotentiel,
permettent
de calculer les différences depotentiel
dans lesgaines
et d’en déduire lescaractéristiques
I =f(Vs).
On supposele
plasma équipotentiel,
cequi
revient ànégliger
sarésistance. Cette théorie conduit à une
caracté-ristique
dont la concavité est tournée vers le bas.L’expérience
confirme cefait,
seulementlorsque
le courant n’est pastrop
élevé.Troisième
régime
cc àdécharge » :
: Tcs > 280°C.Lorsque
l’intensité du courantaugmente,
onconstate,
sauf aux très faiblespressions
de césiumcorrespondant
aupremier régime,
une cassure surla
caractéristique qui
se relèvebrusquement.
Cephénomène
s’amplifie
si l’on élève encore latempé-rature du césium et le relèvement se manifeste sur
la totalité de la
caractéristique.
Nous attribuons cet effet à la naissance d’une ionisation dans le volume duplasma,
cequi
correspond
à unfonc-tionnement en
régime
dedécharge.
Lepotentiel
d’ionisation du césium étant de
3,89
V,
il estpos-sible d’attribuer cette
ionisation,
soit aux électronsrapides
de la queue de la distribution desvitesses,
soit
plus
vraisemblablement à des chocs cumulatifsportant
l’atome dans un état excité. Lafigure
3représente
un réseau decaractéristiques
I =f(V)
mettant en évidence ces trois
régimes
pour unconvertisseur à cathode en tantale. La
figure
499 A
FIG. 3. - Réseau de
caractéristiques I =
f( V)
en fonction de la température du césium. Cathode-tantale. Anode-nickel. Distance
cathode-anode : 0,3 mm. Température anode = 600 OC.
Tempé-rature cathode N 1 950 OC. Puissance d’entrée == 480
watts.
représente
un réseau semblable d’un convertisseurà cathode eu
molybdène.
Des réseaux de courbesanalogues
ont été tracés parHatsopoulos [7]
etBlue
[8].
Seule lapression
de césium(température)
varie,
tous les autresparamètres
sont maintenus constants ;Fp.. 4. - Réseau de
caractéristiques I = f( 6’)
en fonction de la température de césium. Cathod e- molybdène, Anode nickel. Distance
cathode-anode = 0,3 mm. Température anode = 600 °C.
Nous remarquons une distinction très nette des trois
régimes,
cette distinction se manifestantsurtout par :
- L’allure des
caractéristiques qui
passe d’unecaractéristique
classique
de diode à vide avec unpalier
de saturation trèsmarqué,
à unecaractéris-tique
de« décharge
gazeuse »qui
estpratiquement
une droite
oblique
depente
très accentuée(impé-dance
faible).
- Le courant de court-circuit
qui
passe dequelques ampères
àplus
de 60ampères.
- Lapuissance
de sortie(10
à 40watts).
-
L’impédance d’adaptation (quelques
ohms àquelques
centièmed’ohms).
Chaque régime
de fonctionnementpeut
êtreconsidéré
séparément
et nous avons étudiél’in-fluence de la
puissance
d’entrée(température
decathode),
de latempérature
de césium(pression
decésium)
de latempérature
d’anode et de la distanceinterélectrodes.
3.1. Premier
régime :
« à bassepression
decésium ». - 3.1.1.
CARACTÉRISTIQUES.
- Avec leconvertisseur utilisé ce
régime
s’établit très nette-ment pour destempératures
inférieures à 160 ou180 °C. Les
caractéristiques
1 =/(F)
sontiden-tiques
[9]
à celles d’une diode normale àvide,
ellescomprennent
deuxparties principales :
- Une
partie
qui
peut-être appelée
« àcharge
d’espace »
où le courant croîtexponentiellement
avec la diminution de la tension aux bornes du
convertisseur. Cette
partie
estcomprise
entre les limites V,, =Y,,,
et V,, =cpc -
pa ; c’est la
partie
ascendante de la courbe.
V,,,
est la tension à vide. - Unepartie
pratiquement
horizontale entre 1/s =cpa -
cpc et Ys = 0
qui
est lerégime
desaturation.,
le courant ne variant paslorsque
l’on diminue la tension. Le coude raccordant les deuxparties
étantplus
ou moinsprononcé
selon lacom-pensation
de lacharge
d’espace.
3.1.1.1.
Influence
de latelnpérature
du césium.-l’Tous avons tracé sur la
figure
5 un réseau decarac-téristiques
en fonction de latempérature
decésium
Tcs,
tous les autresparamètres
restant constants. Latempérature
de césium varie de 85 °C 160 °C defaçon
à rester dans lepremier
régime.
Nous remarquons
qu’une
pression
de césium trèsbasse
(10-4
mmHg)
suffit pour compenser lacharge
d’espace
électronique ;
il semble bien alors que l’ionisation totale du césium sur la cathode detantale se
produise
comme il estprévu
puisque :
Dans ces
conditions,
pour unetempérature
decésium de 85°C le flux
ionique
est suffisant[2]
pour neutraliser Liii courant
électronique
de2,5
A/e-r-ii2.
Ici pour toutes lescaractéristiques
tracées sur la
figure
5 il y a excès d’ions. Tous lesautres
paramètres
étant maintenusconstants,
laFi(;. 5. - Réseau de
courbes relevées pour différentes valeurs de la température de césium (premier régime).
Caractéristiques 1 =
f( V) ; - -- -
Puis-sance = VI.
Cathode-tantale. Anode-nickel. d = 0,3 mm.
Puis-sance d’entrée = 470 watts. Ta = 550°C.
T«; - variable : 1 : 85
oC ; 2 : 100 OC ; 3 : 110 0(,’
120 OC.
caractéristique
devrait resteridentique lorsque
l’on fait varier Tcs. Les courbesexpérimentales
relevéessont en bon accord avec ces
hypothèses ;
nousremarquons toutefois une
légère
augmentation
ducourant de saturation
lorsque
l’onaugmente
latempérature
du césium. Cette variation du courantde saturation
provient
d’unepetite
variation du travail de sortie du tantale due à unléger
recou-vrement par le césium.
3.1.1.2
Température
électronique.
--- Nous-
pou-vons déduire la
température
moyenne desélec-trons Te à
partir
descaractéristiques
de lafigure f)
tracées en coordonnéessemi-logarithmiques :
eneffet dans la
partie
ascendante de la courbe lecourant est donné par la formule
et la
pente
en coordonnéessemi-logarithmique
estinversement
proportionnelle
à latempérature
élec-tronique :
Dans le cas des courbes de la
figure
5 nous avonstrouvé :
3.1.1.3.
Influence
de latempérature
de l’anode.-Nous avons tracé sur la
figure
6 un réseau decarac-téristiques
en faisant varier latempérature
d’anodeles autres
paramètres
étant constants. Nousremar-quons un
déplacement
de lacaractéristiques
versFIG. 6. - Réseau de
courbes relevées pour plusieurs valeurs de la température d’anode en régime « basse pression
de césium »..
Caractéristiques 1 = f ( V ) ; - - - Puissance P = V I.
Po = 470
w ; T, - 1 950 °C ; Tes = 140 °C.
Cathode = tantale. Anode = nickel. Espace cathode-anode = 0,3 mm.
Ta = variable : 1 : 11a = 450 OC ; 2 : Ta # 500 °C ; 3 : 7’«, = 550°C; 4 : T«, 600 °C ; 5 : T,, = 650 °C ;
6 : Ta = 700 °C ; 7 : Ta = 750 °C.
de 450°C à 750 °C. Ce
glissement
est trèsimpor-tant
puisqu’il
est de l’ordre du volt. Nousremar-quons surtout un
déplacement
du coude et de la tension en circuit ouvertVso.
Nous avonsrepré-senté sur la
figure
7 la variation deVso
(force
électromotrice)
en fonction de latempérature
FIG. 7. - Variation de la force électromotrice et de la
position du maximum de puissance (Fsi =
çc -
pa)
en fonction de la température d’anode. Cathode = tantale ; d = 0,3
mm ; Po = 470 watts ;
Te - 1 950°C; T’es = 140 °C. ’
d’anode ;
sa diminution est d’environ 1 voltlorsque
latempérature
monte de 450 à 750 °C. Sur la mêmefigure
la courbe 2représente
la variation de l’abscisse du coude de lacaractéristique
donnée par la formuleVs!
=y -
ya. Ces deux courbes
V.0
=f(Ta)
etVs! ===
1’(T,,)
sont à peuprès
paral-lèles et leur
amplitude
de variation est de l’ordre du volt(légèrement
inférieure pourVsi).
Onpeut
donc déduire que cette variation de la force électro-motrice est due essentiellement à lavariation du
potentiel
d’extraction de l’anode y,,. Cepotentiel
varie avec le taux de recouvrement de césium. A bassetempérature
de césium la variation de cpa estimportante
dans l’intervalle detempérature
450-750 °C . Si nous admettons que ye ^-’ Y Tantale Ci
4,2V
la variation de
V.,
nous donne alors les différentevaleurs de (pa
lorsque
Ta
varie :Pour
Par
contre,
la variation de Tcs(dans
la gamme 85-160OC)
n’influepratiquement
pas(quelques
dixièmes devolts)
sur la force électromotrice. Ces résultats sont concordantspuisque
d’unepart
Vsi
et pc varient peu avec la
température
du césium etd’autre
part
le flux de neutres Jadépendant
direc-tement de
Tes
n’intervient que sous forme delogarithme [2].
Le réseau de courbes de la
figure
6 montre enoutre une
légère augmentation
du courant desatu-ration avec
l’augmentation
de latempérature
d’anode ;
cecipeut
êtreinterprété
comme uneaug-mentation de la
température
de cathode(on
102 A
inévitable
(rayonnement)
entre lestempératures
decathode et d’anode. De toute
façon,
si cet effet estassez
net,
il reste très faible.3.1.1.4.
Influence
de lapuissance
d’entrée. - Lafigure
8 montreplusieurs caractéristiques
tracéespour diflérentes valeurs de la
puissance d’entrée,
les
températures
Ta et Tes restant constantes. Le manque desouplesse
de notresystème
dechauffage
Fic. 8. -
Courbes relevées pour différentes valeurs de la puissance d’entrée (premier régime).
Caractéristiques 1 = f ( V ) ; - - -
Puis-sance de sortie = F7.
Cathode-tantale ; d 0,3 mm ; Ta - 600 oc ; 7Bg = 150 °C.
Puissance d’entrée : 1 : 546 watts (Tc = 2 050 °C) ;
2 : 525 watts (Tc = 2 000 °C) ; 3 : 456 watts
3(Tc - 1 900 °C).
ne nous a pas
permis d’explorer
unelarge plage
de la
puissance
d’entrée. Ilexiste,
dans le cas denotre
expérience,
un seuil pour lapuissance
d’entrée en dessousduquel
latempérature
de l’ensemble del’enceinte et en
particulier
des isolants nepermet
pas d’effectuer de mesures, en efiet : le
point
froid donnant latempérature
de césium n’estplus
bienlocalisé ;
les isolants non pourvus dechauffage
auxiliaire sont recouverts d’une mince couche de césium
qui
les court-circuite.Néanmoins les courbes de la
figure
8 nousper-mettent de vérifier que
l’augmentation
de lapuis-sance c’est-à-dire du courant de saturation ne
change
pas la forme de lacaractéristique.
D’autrepart,
nous remarquons que cette variation de latempérature
de cathode n’affectepratiquement
pas laposition
du coude ni la valeur de la force électro-motrice cequi
est en bon accord avec la formule(2)
donnant
Vsn :
une variation de 200°C de Tec provoque une
varia-tion de
8/100
de volt de la. force électromotrice sion admet pc
constant,
cequi
est le caspuisque
laposition
du coude reste fixe.3.1.2. PUISSANCE DE SORTIE. - Nous
avons
tracé en traits
interrompus
sur lesfigures 5,
6 et 8les courbes donnant la
puissance
de sortie enfonc-tion de la tension. Ces courbes
sont,
comme lescaractéristiques,
composées
de deuxparties,
situées depart
et d’autre du maximum : unepartie
recti-ligne
(Vs
= 0 àVsi
=pc
- ya)
puis
unepartie
grossièrement
parabolique
VSl =
([Jc -pa à Vs =
Vso.
Le maximum est obtenu pour
V.,
=cpc -
cpa c’est-à-dire
toujours
aux environs de 2 volts. Cetoptimum
depuissance
est donc directement lié aucoude de la
caractéristique,
il varie comme ce coudeen fonction des différents
paramètres (T CS, Ta, Po) :
- Variation très faible en fonction de la
pression
de
césium ; légère augmentation
due à l’accrois-sement du courant de saturation.- Variation
plus
importante
en fonction de latempérature d’anode ;
l’optimum
depuissance
estobtenu
lorsque
lepotentiel
de sortie de l’anode estminimum c’est-à-dire pour cpa min =
(pics
==1,8
voltce
qui
correspond
à unetempérature
d’anode basse(T. - 400 OC).
- La
puissance
de sortieaugmente
avec lapuis-sance
d’entrée,
c’est-à-dire avecTc,
cequi
est bien conforme à la théorie. Nous remarquonsaussi,
cequi
estplus
important
que le rendement croît avecla
puissance
d’entrée. Nous avonsindiqué
àl’opti-mum
depuissance,
la valeur durendement ;
il passe de0,68 %
pour 456 watts à2,2 °10
pour 545 watts depuissance
d’entrée.3.1.3. CONCLUSION. -
Trois remarques
impor-tantes
peuvent
être faites sur cepremier régime
à« basse
pression
de césium ».- Influence
faible,
sur lapuissance
desortie,
destempératures
d’anode Ta et de césiumTc. ;
il estnéanmoins
préférable
de travailler à cpa == (pica =1,8
volt c’est-à-dire Ta 450 °C.- La
puissance
maximale de sortie est obtenue pour V. pc -cpa, elle est
toujours
égale
àJs( pc - pa).
- Le rendement croît avec la
puissance
d’entrée(température
decathode), légèrement
avec latem-pérature
de césium(pression
decésium).
3.2. Deuxième
régime :
« à hautepression
decésium ». -
3.2.1.
CARACTÉRISTIQUES.
- Nusavons utilisé pour étudier ce deuxième
régime
lesmêmes convertisseurs à cathode de tantale et de
molybdène
dontl’espace
interélectrodes est de0,3
mm. Cerégime
est moinsmarqué
que lepremier
il s’établit pour des tensions de vapeur du césiumcorrespondant
à destempératures comprises
entre200 °C et 280 °C. La
figure
9représente
lescaracté-ristiques
en fonction de latempérature
de césium.Nous voyons que les
caractéristiques correspondant
auxplus
faiblespressions
de césium ressemblent à103 A
FIG. 9. - Réseau de courbes relevées pour différentes
valeurs de la température de césium (deuxième régime).
Caractéristiques
I = f( V) ; - --- - Puis-sance = VI. Cathode-tantale ; d = 0,3 mm ; Puissance d’entrée = 550 watts. T,, - 2 100 OC, ; T,,, - 650 °C. T Cs - variable : 1 : 220 °C ; 2 : 230 °C ; 3 : 240 °C ; 4 : 250 °C ; 5 : 260 °C ; 6 : 270 °C.beaucoup
moinsmarqué
et lepalier
est alorslégè-rement ascendant. Les dernières courbes de ce
réseau ont une
partie
à haute densité de courant :on remarque
l’amorçage
durégime
dedécharge [9,
10, 11]
qui
est deplus
enplus
marqué
lorsque
l’onaugmente
latempérature
de césium.Cette «
décharge » qui prend
naissance à hauteintensité de courant est de
plus
enplus
importante
lorsque la
gaine ionique
est deplus
enplus
grande
c’est-à-dire
lorsque
la tension aux bornes ducon-vertisseur est faible.
Lorsque
le courant desatu-ration
augmente,
la densitéélectronique
dans l’es-pace interélectrodesaugmente
cequi
permet
de supposer que lagaine
ionique
à la cathode diminue.Après
avoir traversé lagaine cathodique,
lesélec-trons de la « queue de la distribution de Maxwell »
assez
énergiques
pour exciter ou ioniser les atomesde césium seront moins nombreux et une densité
de courant
plus
importante
sera nécessaire pouramorcer la «
décharge
».C’est ce
phénomène
que l’on semble remarquer sur les courbes de lafigure
9.Lorsque
le courant desaturation
croît,
croissance résultant de l’abais-sement du travail de sortie de la cathode dû àl’aug-mentation du taux de recouvrement
lorsque
latempérature
de césiumaugmente,
l’amorçage
sefait pour des intensités de courants de
plus
enplus
élevées.
Ce même
phénomène
est visible aussi sur lescourbes de la
figure
10lorsque
le courant desatu-ration croît avec la
puissance d’entrée.
NousFIG. 10. -
Courbes relevées pour différentes valeurs de la puissance d’entrée (deuxième régime).
Caractéristiques I =
f( V) ;
- - -Puis-sance = V I.
Cathode-tantale ; d = 0,3
mm ; Ta = 600 °C. T’es =
250 °C ; Puissance d’entrée Po ; 1 : 550 watts ; 2 : 480 watts ; 3 : 460 watts.
voyons ici que, de même
qu’au premier
régime,
la variation depuissance
d’entrée n’a pasd’influence
sur l’allure de la
caractéristique
ni sur la forceélec-tromotrice. Seul le courant de court-circuit est
altéré,
cephénomène
étant d’ailleurscomplexe
àcause de
l’amorçage
de l’arc caractérisant le3e
régime.
Nous avons aussi étudié la variation de la force
électromotrice en fonction de la
température
d’anode. Cette
variation, légèrement
moinsimpor-tante,
(2,9
à2,1
V pour latempérature
d’anodeallant de 450 °C à 750
°C),
estidentique
à celle dupremier
régime.
3.2.2. PUISSANCE DE SORTIE. - Sur les
figures
9et 10 nous avons
portés
les courbes donnant lapuis-sance de sortie du convertisseur en fonction de sa
tension aux bornes. L’examen de ces courbes
per-met de remarquer que la
puissance
de sortie et le rendementsont,
comme pour lepremier régime,
desfonctions croissantes de la
puissance
d’entrée(tem-pérature
decathode)
et de latempérature
de césium(pression
de vapeur ducésium).
Les valeurscomparées,
toutes choseségales
parailleurs,
de lapuissance
et du rendement de ces deuxpremiers
régimes
nouspermettent
d’affirmer que(ces
valeursétant
supérieures
pour le secondrégime :
voirfig. 5
et9,
8 et10)
lapuissance
de sortie et lerende-ment du convertisseur
thermoélectronique
étudiésont des fonctions croissantes de la
température
de cathode et de lapression
de césium.3.3. Troisième
régime :
« àdécharge
». - Nous avons vu que cerégime
s’amorçait
déjà
sur lestrès faible
(quelques
dixièmes devolts),
les courbes de lafigure
4 nous montrent saprogression
lorsque
la
température
du césiumaugmente.
Nous voyons que lapente
descaractéristiques
devient deplus
en
plus
raidelorsque
latempérature
de césiumaug-mente c’est-à-dire que la résistance interne diminue
avec
l’augmentation
de lapression
du césium.Les courbes de la
figure
11 montrent l’influenceimportante
de lapression
du césium sur le courant de court-circuit et sur lapuissance
de sortie. CesFic. 11. -- Réseau de courbes relevées pour différentes
valeurs de la température de césium (régime « à dé-charge »).
-- -
Caractéristiques I = f ( V ) ; - - -
Puis-sance P = F7.
Cathode-tantale ; d = 0,3 mm ; Puissance d’entrée :
546 w ; Ta = 650 °C.
Tc, = variable ; 1 : 320 °C ; 2 : 340 °C ; 3 : 360 °C ;
4 : 380 °C.
courbes ont été tracées à très haute
pression
de césium(5
à 6 mmHg
pour Tcs =350°C).
Lescourbes en traits
interrompus
donnent lapuissance
de sortie
correspondante ;
ellecroit,
ainsi que lerendement,
en fonction de lapression
du césium.Les valeurs obtenues sont
supérieures
à celles du secondrégime,
toutes choseségales
par ailleurs. Cerégime
est donc lerégime
de fonctionnementdon-nant les meilleures
performances
aupoint
de vuepuissance
de sortie.L’optimum
est atteint pour uneimpédance
trèsbasse,
il sedéplace
vers les bassestensions
lorsque
Tcx
croit.L’adaptation
devient alors deplus
enplus
difficile : lacharge adaptée
aumaximum de
puissance
dans le cas de la courbe 4de la
figure
11 est de 22 X 10-3 D. Ceci nous aobligés
à utiliser des connexions de très faiblerésis-tance
ohmique
et à réaliser les meilleurs contactspossibles.
Sur laphoto
no 2 unepartie
descon-nexi6ns est visible : elles sont réalisées en barre
rectangulaire
de cuivre de0,8
cm2 desection,
lescontacts étant assurées par serrage des barres.
Ceci,
évidemment,
a pourconséquence
d’accroître lesfuites
thermiques :
nous avons réalisé uncompro-mis en utilisant des blocs d’acier inox de faible conductivité
thermique
commesupports
duconver-tisseur.
Comme pour les
précédents régimes,
nous avonsétudié la variation de la force électromotrice en
fonction de la
température
de césium et de latem-pérature
d’anode : dans les deux cas, cette varia-tion n’est pas trèsimportante ;
onpeut
notertoute-fois,
parcomparaison
avec les deux autresrégimes,
que la variation de la force électromotrice en fonc-tion de latempérature
du césium Tes estplus
accentuée,
alorsqu’au
contraire elle est moinsim-portante
en fonction de latempérature
d’anode Ta. Lesfigures
12 et 13représentent
plusieurs
carac-téristiques
tracées pour des valeurs différentes de lapuissance d’entrée,
cela nouspermet
decon-clure : dans le domaine
étudié,
iapuissance
desortie et le rendement sont des fonctions croissantes de la
température
de cathode.FIG. 12. - Courbes relevées
pour différentes valeurs de
la puissance d’entrée (régime à décharge).
Caractéristiques 1 =
f(V) - - -
Puis-sance = VI.
Cathode-tantale ; d - 0,3 mm ; Ta - 650 OC
Tes = 320 °C.
Puissance d’entrée : 1 : 550 watts ; 2 : 480 watts.
Ces valeurs sont
supérieures
à celles dupremier
et du deuxième
régime.
FIG. 13. - Courbes relevées
pour différentes valeurs de
la puissance d’entrée (régime à décharge).
Caractéristiques I = f ( V ) ; - -- - Puis-sance P = VI.
Cathode-molybdène ;
Anode-nickel ; d - 0,3 mm. Température anode = 500 OC Température césium = 320 OC.Puissance d’entrée variable : 1 : 355 wat ts ; 2 : 400
watts ; 3 : 480 watts ; 4 : 540 watts.
énoncée à la fin de l’étude du deuxième
régime
etl’appliquer
à l’ensemble du réseau decaractéris-tiques :
le rendement est une fonction croissante dela
température
de cathode et de lapression
de césium dans la gamme étudiée[12].
3.4. Résistance interne. - Nous
avons
essayé
dereprésenter
le convertisseurthermoélectronique
comme un
générateur électrique
classique,
caracté-risé par sa force électromotrice
Vso
et sa résistance interne r. Dans ces conditions onpeut
écrire :sur la
figure
14 nous avonsporté
la valeur de r enfonction de la tension de sortie pour différentes valeurs de la
température
decésium,
valeursqui
vont des basses
températures
durégime
« bassepression »
auxtempératures plus
élevées durégime
« à
décharge
». Ces courbes nous montrent assezbien la différence entre les deux
premiers régimes
et le troisième. Pour les deux
premiers,
il existe unminimum de résistance interne
qui
est atteintlorsque
lapuissance
estmaximale ;
la fonctionFie. 14. - Variation de la résistance interne
en fonction
de la tension de sortie, pour différentes valeurs de la température de césium. Cathode-tantale ; d = 0,3 mm ; Puissance d’entrée = 546 watts ; Ta = 650 °C. Tes - variable : 1 = M 50 °C ; 2 = 200 OC ; 3 = 250 OC; 4 = 300 OC ; 5 = 350 °C.
croît ensuite de
façon pratiquement
linéairejusqu’au
court-circuit.En ce
qui
concerne lerégime
« àdécharge »
lacaractéristique
estpratiquement rectiiigne,
la résis-tance interne varie très peu.Notons
enfin,
cequi
était àprévoir
(Spitzer)
quela résistance interne est une fonction décroissante
de la
température
de césium.3.5. Influence de la distance interélectrodes.
-D’après
l’étudethéorique
des deuxpremiers
régimes [2]
la distance interélectrodes ne doit pasavoir d’effet
important
sur lapuissance
maximalede sortie
lorsque
lacharge
d’espace
est totalementcompensée c’est-à-dire,
dans le cas du convertisseurà cathode tantale
utilisé,
lorsque
latempérature
de césiumdépasse
une centaine dedegrés centigrade.
Il n’en est pas de même en ce
qui
concerne letroi-sième
régime
de fonctionnement- Nous avons tracésur la
figure
15 lescaractéristiques
I =i(V)
pourtrois convertisseurs
identiques
àl’exception
de leur distance interélectrodesqui
étaitrespectivement
de 1 mm,0,5
mm, et0,3
mm. Leurs cathodesétaient en tantale et la
puissance
d’entréeidentique
580 watts ce
qui
donne unetempérature
de cathoded’environ 2 100 OC. Les
températures
de césium etd’anode ont été maintenues constantes
La
puissance
estportée
en traitsinterrompus.
Onremarque alors l’influence
importante
de ladis-tance interélectrodes. Le courant de court-circuit passe de 40 à 50 A et la
puissance
de sortie de 26ren-106 A
Fie. 15. - Réseau de
courbes relevées pour plusieurs valeurs de la distance interélectrodes en régime « à dé-charge ». Caractéristiques I = f (C’) ; - - --- Puis-sance P = F7. Po = 580 w ; T,, - 2 100 OC Ta - 650 ()C TCe = 320 OC. Cathode-tantale ; Anode-nickel. Espace cathode-anode : 1 : d = 0,3 mm ; 2 : d = 0,5 mrn; 3 : d == 1 m m.
dement de
4,7 %
à6,5 0/,,,.’
Ce résultat est eu bonaccord avec les résultats de Hirsch
[13].
Deuxexplications
peuvent
êtreproposées :
- Le courant de sortie
peut-être
limité par lechamp
magnétique
induitqui
courbe lestrajec-toires
électroniques.
Unepartie
desélectrons,
lesplus
lents, peuvent
alors avoir un rayon de courbureinférieur à la distance interélectrodes. Il est bien
évident, alors,
qu’une
diminution de la distanceinterélectrodes diminue le nombre des « électrons
perdus
».- Dans certaines conditions
une
importante
ionisation en « volume »
peut
seproduire
à la limitegaine
cathodique-plasma
c’est-à-dire dans larégion
où les électrons
possèdent
le maximumd’énergie.
De même que l’onpeut
prévoir
unphénomène
d’ionisation on
peut
prévoir
unphénomène
derecombinaison
en volume. Le nombre derecom-binaisons est évidemment
proportionnel
à ladis-tance parcourue,
l’augmentation
de la distanceinterélectrodes
peut
donc avoir pour effet de limiterle courant de sortie.
3.3.6. COMPARAISON DE DEUX ÉMETTEURS. -Nous avons utilisé dans les convertisseurs décrits
deux sortes de matériaux comme cathode : le
molybdène,
le tantale.La
figure
16 montre unexemple
de courbesrele-vées pour
chaque
convertisseur enrégime
« àdé-charge
». L’allure des deux courbes est à peuprès
identique
mais nous avons par contre unepuis-sance de sortie
beaucoup
plus
importante
pour leFIG. 16. -
Caractéristiques et puissance de sortie de deux deux convertisseurs à matériaux émissifs différents (tantale et molybdène).
-
Caractéristiques I = i(V) - - -
Puis-sance = VI. Po = 480
watts ; 7’, - 1 900 OC ; Tcs = 330
rra, = 600 oC,
Cathode : 1 : Tantale ; 2 : Molybdène ; Anode-nickel ;
Espace cathode-anode = 0,3 mm.
convertisseur à cathode en
molybdène.
Cettediffé-rence est difficilement
explicable,
les deux maté-riauxayant
des travaux de sortie à peuprès
iden-tiques,
celui du tantale étantplutôt légèrement
plus
faible. D’autrepart,
leur conductibilitéther-mique
estcomparable
(1,4
pour lemolybdène
et0,6
W/cm2-cm
degré
pour letantale),
et il est vraisemblablequ’à
puissance
de bombardementégale
lestempératures
des émetteurs sont sensi-blementégales.
Cette différence est surtoutsen-sible pour le troisième
régime,
onpeut
alors penserque l’effet
Schottky
estplus important
pour lemolybdène
ou que laporosité
dumolybdène
favo-rise
l’adsorption
de césium cequi
a pour effet dediminuer son travail de sortie dans des
proportions
plus
importantes
queprévues.
Ces deuxsuggestions
ne sont que des
hypothèses,
elles nécessiteraient des mesuresplus
nombreuses etplus précises
pourêtre
justifiées.
Conclusion. -chauffée par bombardement
électronique.
l’in-fluence desparamètres
principaux :
température
de cathode(T,), température
d’anode( Ta),
pres-sion de
césium,
distance cathode-anode(d),
sur la.caractéristique
V ==i(l).
L’étude
théorique
permet
deprévoir
unepression
critique
de césium définissant en réalité deuxrégimes
de fonctionnement : l’un à bassepression
de césium pourlequel
les libres parcours moyens des électrons(xe)
et des ions(Ai)
sontgrands
devant la distance émetteur-collecteur
d,
l’autre àhaute
pression
de césium pourlequel
ae et Xi sontpetits
devant d. Nous avonsconstruit,
pourcon-trôler les différents
paramètres,
enparticulier
lapression
decésium,
un banc de mesureéquipé
derégulateurs
detempératures
defaçon
à relever la fonction V =f (I )
pour des valeurs connues desparamètres
(la
température
du césium est parexemple
régulée
à -L
20 et latempérature
d’anodeà -- 1- 50).
Les courbes relevées ont
permis
d’évaluer lesvariations des
grandeurs
remarquables
telles que lapuissance,
lerendement,
la forceélectromotrice,
la résistanceinterne,
et dans certains cas, lestra-vaux de sortie des électrodes et la
température
des électrons. Latempérature
de césium est apparuecomme le
paramètre prépondérant
et nous acon-duits à
distinguer,
enplus
desrégimes
à basse ethaute
pression
de césiumprévus,
un troisièmerégime
(régime
« àdécharge
»).
Lareproductibilité
des courbes nous a
suggéré
uneexplication
quali-tative de ce
régime
« àdécharge
». Les résultats montrent que cerégime
fournit lapuissance
de sortie laplus grande :
tension de sortie de l’ordre du volt pour des intensités de courant de l’ordre de 50ampères
avec un rendement voisin de 10%.
Pour ne pas
abréger
la durée de vie duconver-tisseur nous n’avons pas cherché à obtenir la
puis-sance de sortie la
plus
élevée. Toutefoisquelques
essais de courte durée
[14]
ont fourni un rendementnet voisin de 15
%
pour une tension de sortie de0,8
volt et une intensité de courant de 100ampères.
Le convertisseur que nous avons étudié(photo-graphie
3)
a été construit sous forme de « module »destiné à être introduit dans un réacteur nucléaire. La structure et les
supports
de la cathode ont étéprévus
pour êtreremplacés
par un émetteurcompo-site
comprenant
un combustiblesusceptible
deporter,
parénergie
defission,
lapartie
émissive à latempérature
de fonctionnement. Cescontingences
ont soulevé des difficultés d’ordre
technologique
s’ajoutant
à cellesprovenant
destempératures
très élevées atteintes normalement et des distances interélectrodes nécessairement faibles. Cette struc-ture non
adaptée
à l’étude duphénomène
decon-version
proprement
dit a rendu difficile enfonction-nement la détermination de certains
paramètres
(par exemple
latempérature
decathode).
Manuscrit reçu le 22 novembre 1963,
BIBLIOGRAPHIE °
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