Brevet FR2003619A1 — publié le 19691114

La présente invention se rapporte à une cathode annulaire sectionnée qui émet un rayon d'électrons sous forme de disque en direction radiale vers un point focal se trouvant à son intérieur, les segments de la cathode étant mécaniquement séparable pour donner un accès facile à la région de travail de la cathode située dans le foyer de celle-ci. Des procédés conventionnels pour produire un rayon d1élec- trons libèrent les électrons par émission thermionique de la surface d'une cathode chauffée. Des rayons d'électrons peuvent aussi être produits par des dispositifs annulaires non-thermioniques, tels qu'une cathode creuse et une cathode contournée. Les rayons d'électrons sont produits par une cathode creuse par libération d'électrons résultant de l'émission d'une surface et collision d'électrons d'une haute énergie avec des molécules de gaz à l'intérieur de la cathode creuse Une cathode creuse annulaire est décrite dans le brevet français 1.445.620 (brevet belge 673.420). Les cathodes contournées opèrent selon le mode de la décharge luminescente à une pression élevée et produisant les rayons d'électrons par des procédés d'émission secondaire tels que fournis par les ions rencontrant sa surface. La focalisation est accomplie en contournant la surface de la cathode. Une cathode contournée annulaire est décrite dans le brevet français 1.506.614. Les cathodes creuses consistent en des anneaux annulaires creux fermés, réalisés en du treillis de fils ou métal perforé avec une ouverture circulaire autour de sa périphérie intérieure. Quand la cathode est polarisée à l'aide d'une haute tension négative par rapport aux environs qui agissent comme anode, une décharge luminescente sera initiée, Pour certaines combinaisons de la géométrie de la cathode et du niveau de pression, un rayon bien collimaté en forme de disque et ayant une haute densité de courant et porteur d'électrons de haute énergie sort de l'ouverture de la cathode creuse et est focalisé au centre de l'anneau. La cathode creuse annulaire et la cathode contournée sont utilisées pour des applications telles que la soudure, le brasage, le traitement par la chaleur, la fusion par zones, l'étirage de fibres et le dépit de vapeur. Dans ces applications utilisant une cathode de structure unitaire, l'accès à la pièce à usiner est seulement obtenu par insertion le long de l'axe. Le but de la présente invention est de fournir une cathode creuse ou contournée segmentée qui est substantiellement annulaire et qu'on peut ouvrir pour donner accès au point de focalisttion du rayon d'électrons. Conformément à la présente invention une cathode creuse segmentée, améliorée est fournie laquelle est constituée d'au moins deux segments qui sont connectés d'une manière mécanique ou magnétique à leurs extrémités pour permettre l'ouverture de la cathode, donnant ainsi un accès rapide au point de focalisation du rayon d'électrons par un chemin autre que l'insertion le long de l'axe, comme p. ex. il est essentiel pour souder un anode circulaire fermé. Les électrons sont émis par la cathode et accélérés radialement vers l'intérieur vers la pièce à usiner se trouvant au point de focalisation. Les énergies obtenues correspondent approximativement à la tension totale appliquée le long de la décharge, qui est normalement dans la grandeur de kilovolts. Dans une exécution préférée de l'invention, la cathode comprend deux segments symétriques reliés mécaniquement à l'aide d'une simule charnière sur leur périphérie extérieure. Les parties qui se touchent du cOté opposé de la cathode, sont munies d'un dispositif de fixation à clavette. Ainsi l'invention fournit une cathode creuse ou contournée segmentée qui offre accès au domaine de travail en son point de focalisation sans la nécessité d'insérer une pièce à usiner le long de son axe. Ce but, ainsi que d'autres buts, avantaqes et caractéristiques de la présente invention apparaitront mieux en considérant la description détaillée qui va suivre de modes d'exécution pré férés de la présente invention illustrés dans les dessins annexés, où la figure 1 est une représentation schématique d'un système à cathode creuse annulaire et montre la cathode comme structure unitaire; la figure 2 est une représentation d'un mode d'exécution préféré d'une cathode creuse annulaire segmentée; la figure 2A est une vue en perspective de la charnière représentée dans la figure 2; la figure 3 est une illustration d'un autre mode d'exécution d'une cathode segmentée connectée au moyen d'un dispositif magnétique; la figure 3A est une coupe à travers la cathode et les moyens de fixation magnétiques illustrés dans la figure 3; et la figure 4 est une vue en perspective d'un système à cathode creuse segmentée dans lequel la chambre à vide comporte un couvercle à charnière. L'invention sera maintenant décrite avec référence à une cathode creuse annulaire, mais il est évident pour l'homme de l'art qu'on peut utiliser une cathode contournée au lieu d'une cathode creuse annulaire. Référence est maintenant faite à la figure 1 qui montre un système de décharge sous forme de rayons à cathode creuse unitaire, et la figure 2 montre la structure de la cathode creuse segmentée selon l'invention. La cathode creuse annulaire illustrée dans la figure 1 est décrite dans le brevet français 1.445.620 brevet belge ex73.420). La cathode creuse annulaire 20 dans la figure 1 est fabriqué par exemple en un treillis en acier inoxydable ou une substance similaire, présentant un diamètre de 254 microns et des ouvertures de 0,42 mm de cOté. Les cathodes fabriquées jusqu'ici ont un diamètre extérieur Do, typiquement égal à 1,3 jusqu'à 4 fois le diamètre intérieur Di, mais elles ne sont naturellement pas limitées à ces dimensions. La hauteur H de la cathode semble ne pas être un facteur critique, cependant la grandeur de l'ouverture A peut être critique, ainsi qu'expliqué dans le brevet français 1.445.620 (brevet blege 673.420). L'épaisseur de la paroi ou la grandeur des ouvertures n'ont pas un effet appréciable sur le rayon d'électrons produits.Aussi, la cathode creuse à paroi solide montrée dans les figuresl à 4, peut être une cathode à paroi perforée telle que la cathode illustrée dans le brevet cité ci-dessus. Dans la figure 1, la cathode 20, la pièce à usiner 22 et les supports associés sont enfermés dans une enceinte hermétique 24 qui peut être du verre ou un matériel approprié. La cathode est supportée par un bras 26 qui est aussi le conducteur pour le potentiel négatif de la cathode. Le bras 26 peut être recouvert d'un matériau isolant non montré. La pièce à usiner- 22 est maintenue en place par un bras métallique 30, sur lequel sont positionnés deux dispositifs de serrage 28 et 28'. Si la pièce à usiner 22 est métallique, elle est mise à la terre pour agir comme anode. Si la pièce à usiner 22 est un matériau non conducteur, les supports 28, 28' et 30 pour la pièce à usiner agissent comme anode. L'enveloppe 24 est initialement évacuée à l'aide d'une pompe & vide 36. Après l'évacuation au niveau de pression appro- prié, une source de gaz 38 est utilisée pour produire une atmosphère gazeuse à l'intérieur de l'enveloppe. Le qaz peut entre de l'air, de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote ou de l'argon, ou tout autre gaz approprié pour la pièce à usiner. La théorie dtopération de la cathode creuse, telle que connue jusqu'à présent, est expliquée d'une manière très détaillée dans le brevet français 1.445.620 (brevet belge 673.420). En général, l'opération peut être comparée avec l'opération de déchar qes luminescentes conventionnelles. Dans une décharge luminescente conventionnelle pratiquement toute la chute de tension le long de la décharge a lieu dans une région très proche de la cathode, cette chute de tension étant connue sous le nom de chute cathodique. L'étendue caractéristique de la chute cathodique dépend de la pres- sion du gaz, du type de gaz, du matériau de la cathode et de la tension appliquée. L'extrémité de haut potentiel de cette région peut entre identifiée visuellement par une démarcation tranchante entre une portion sombre de la décharge voisinant la cathode, nommée espace sombre cathodique, et une région brillante, appelée lueur cathodique. Les lignes équipotentielles pour cette distribution sont parallèles à la cathode. Tel que expliqué en détail dans le brevet français 1.445.620 (brevet belge 673.420), la distributiondu potentiel perturbé à proximité de l'ouverture A ressemble à une lentille concave. Les lignes du champs électrique normales aux lignes équipotentielles converqent à proximité de l'ouverture. Des électrons produits à l'intérieur de la cavité se déplacent vers l'ou- verture dans le champs électrique relativement faible à l'intérieur de la cavité. Aux environs de l'ouverture ils sont accélérés par la chute cathodique totale et acquièrent ainsi une vitesse hautement directionnelle, approximativement le long des lignes du champs.De cette manière la cathode creuse à paroi perforée forme un rayon d'électrons énersétique, hautement collimaté. La figure 2 est une illustration d'une cathode creuse annulaire segmentée selon l'invention. La cathode-20 est divisée en deux segments symétriques 30 et 31. Un dispositif de fixation à clavette est prévu dans lequel des clavettes 34 -à une extrémité du segment 30 peuvent etre introduits dans des trous 36 à l'-extré- mité correspondante du segment de cathode 32. A leurs extrémités opposées, les segments de cathode 30 et 32 ont respectivement des charnières 38, 40. Ces charnières, connectées au moyen d'une clavette 42, permettent aux segments de la cathode 30, 32 d'être pivotés, permettant de cette manière accès au point de focalisation du rayon d'électrons. La figure 2A est une vue du dispositif à charnière illustrée dans la figure 2 et elle représente seulement un dispositif d'un grand nombre de dispositifs possibles pour fixer mécaniquement les segments. En plus, il n'est pas essentiel de diviser la cathode en deux sections égales. Plus de deux sections de différentes grandeurs sont possibles Tel qu'on peut le voir dans la figure 2, le pivotage des sections de cathode 30 et 32 autour de leur point de rotation donnée par les charnières 38, 40, permet à la cathode de s'ouvrir, permettant ainsi de placer aisément la pièce à usiner 22 dans son intérieur, Naturellement, les segments 30 et 32-peuvent entre connectés au moyen de clavettes 34 et de trous 36 de chaque cOté des segments, éliminant ainsi la charnière Avec ce dispositif il est nécessaire de seulement démontrer les deux segments pour avoir accès à la région de travail de la cathode. Le mode d'éxécution des figures 3 et 3A montre une autre possibilité du grand nombre illimité de possibilités de fixation des segments de cathode 30, 32. Dans ce mode d'exécution de petits aimants permanents 43 sont fixés d'une manière permanente aux extrémités de chacun des segments symétriques et ces segments sont alors alignés, les aimants 43 tenant d'une manière store les segments 30, 32 de façon qu'ils se touchent. Naturellement il est possible que des champs magnétiques parasites agissent sur le rayon d'électrons. Aussi le dispositif de fixation magnétique pourrait entre sensible à la température, La figure 4 montre un système typique à cathode creuse segmentée et, en général, comprend une chambre à vide 44 sectionnée, une cathode segmentée 20 et une pièce à usiner 22.Dans ce mode d'exécution la chambre à vide 44 a un. couvercle 46 à charnière, le couvercle s'ouvrant pour donner accès l'intérieur de la chambre, de sorte que la pièce à usiner 22 peut etre logée aisément à l'intérieur de celle-ci. La cathode segmentée 20 est divisée en deux segments, ainsi que décrit plus haut en relation avec la figure 2o La cathode 20 est supportée par un bras 46, qui est aussi le conducteur de potentiel négatif. La pièce à usiner 22 repose dans des creux semi circulaires 502 50' dans la chambre 44 et le couvercle 46 se ferme et est fixé à l'aide de dispositif de serrage 52, 52'. Des joints en caoutchouc 54, 56 et 56' assurent que la chambre 44 est fermée hermétiauement après que le couvercle 46 ait été fermé et fixé.Des joints 45 et 46 aux ex trématés de la pièce à usiner 22 assurent que la pièce à usiner est bouchée hermétiquement. La chambre est évacuée à travers la conduite de pompage 60 et la conduite d'aduction de gaz 62 permet d'introduire du gaz dans la chambre, tel que décrit en relation avec le brevet français 1.445.620 (brevet belge 673.420). Ainsi qu'on vient de le dire plus haut, la cathode contournée décrite dans le brevet français 1.506.614 peut aussi entre segmentée de la manière décrite ici sans dépasser le cadre de la présente invention. En outre il est évident que la cathode segmentée ne doit pnécessairement entre complètement annulaire, mais peut avoir toute forme fermée ou-partiellement fermée. Il est évident que que les configurations de cathodes creuses annulaires à masque, telles que décrites dans le modèle d'utilité allemand Gbm 1.955.985 peuvent aussi etre adaptées à la segmentation.Dans cette configuration la cathode est entourée par un masque conducteur ou isolat espacé d'une petite distance de la cathode, afin d'éliminer la formation d'un plasme adjacent aux parois de la cathode. La cathode peut avoir des parois perforés ou solides0 Avec les configurations à masque il est désirable de placer la charnière sur le masque et de fixer le segment de cathode au masque de manière connue. Cette manière d'agir est efficace pour maintenir la cathode libre de protubérances. Bien que la présente invention ait été décrite avec rence à des modes d'exécution préférés de celle-ci, il est à noter par les hommes versés dans l'art que des changements et des omissions peuvent entre faits vis-à-vis de la description détaillée sans dépasser le cadre de la présente invention. Bien entendu le mode d'exécution décrit n'a été choisi qu'à titre d'exemple et non limitatif. REVENDICATIONS 1. Un dispositif cathode pour produire un rayon d'électrons caractérisé par une structure de cathode segmentée ayant un périmètre substantiellement fermé, chacun des segments comprenant un élément cathode adapté à émettre des électrons vers un point de focalisation et un dispositif de fixation pour mettre en relation les segments de cathode de manière qu'ils se touchent, le dispositif étant adaPté pour couplage et découplage pour donner un accès au point de focalisation du rayon d'électrons. 2. Le dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de couplage est magnétique, 3. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend une charnière et une clavette couplant d'une manière pivotable des segments de cathode adjacent sur leur périphérie extérieure de sorte qu'ils peuvent être pivotés. 4. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce sue le dispositif de couplasse comprend une clavette s'étendant d'une extrémité d'un premier segment de cathode et un trou de fixation dans l'extrémité adjacente d'un second segment de cathode formés de sorte que les premier et second segments peuvent etre couplés par insertion de la clavette dans le trou de fixation. 5. Le dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cathode est une cathode creuse. 6. Le dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un masque segmenté entourant la cathode, le dispositif de couplage réunissant les segments du masque de manière qu'ils se touchent. 7. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est une cathode contournée. 8. Un appareil pour produire un rayon d'électrons, caractérisé par une structure de cathode segmentée selon une des revendications 1 à 7, une enveloppe entourant la structure de cathode, cette enveloppe permettant un accès à la structuresde cathode et ayant des dispositifs de fermeture hermétique pour donner une fermeture hermétique autour de l'enveloppe; un dispositif pour produire le vide à l'intérieur de l'enveloppe et un dispositif pour faire émettre des électrons par la structure de cathode en forme de feuille d'électrons ininterrompue et collimatéeQ