Brevet FR2004900A1 — publié le 19691205

i 2004900 La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux dispositifs dans lesquels se produit une émission d'électrons et concerne plus particulièrement des cathodes non-chauffées électriquement, dites "cathodes froides", destinées à produire des 5 flux d'électrons prédéterminés. Bien que l'une des applications les plus intéressantes de 1' invention se situe dans le domaine des lasers à gaz, et bien que l'invention soit décrite ci-après , pour abréger et pour plus de clarté, dans le contexte de tels appareils, il convient de souli-10 gner, avec insistance, que les avantages de l'invention se manifestent également dans d'autres dispositifs électroniques, tels que les accélérateurs de particules, les tubes à ondes progressives, les appareils à rayons X, etc. Au cours de ces dernières années, un grand nombre d'appa-15 reils lasers ont été développés afin d'utiliser les possibilités, maintenant bien connues, de ces appareils dans divers domaines et dans diverses applications. L'expansion de la technique des lasers à certains domaines, par exemple, industriels et militaires, a nécessité de rendre ces appareils portatifs, au moins 20 dans une certaine mesure ; et leur véritable utilisation pratique a été empêchée dans certaines applications importantes par les limitations imposées par la technique antérieure à leur portabilité dues, par exemple, à leur grande consommation de courant et aux problèmes qui s'y rattachent. C'est ainsi, par exem-25 pie, que, pour tirer profit des possibilités d'un laser à l'argon classique, un courant électronique de plusieurs centaines d'ampères est nécessaire. Selon les techniques antérieures les plus perfectionnées, ce courant électrique est produit par une cathode thermoionique. XI est bien évident qu'une telle cathode doit être 30 alimentée avec de grandes quantités d'énergie thermique et que son rendement en énergie électronique est généralement faible par rapport à l'énergie thermique (électrique) d'entrée. Or, ce faible rendement, généralement de l'ordre de 1 %, représente non seulement un gaspillage considérable d'énergie, mais représente aussi, 35 en termes absolus, une grande quantité d'énergie qui, dans un système portatif, doit être fourni à grands frais par des batteries ou par d'autres convertisseurs d'énergie avant d'être intentionnellement dissipée par rayonnement ou par conduction à partir de la cathode. De plus, les moyens utilisés pour assurer la dissipa-tion nécessaire de l'énergie dégradée peuvent soulever de nouveaux 69 07990 2 2004900 problèmes de poids et d'encombrement dans un appareil portatif.Il est également à noter que les avantages des courts cycles actifs d'un laser puisé ne profitent pas à la conservation de l'énergie de chauffage de la cathode, à cause de l'inertie thermique inhé-5 rente à une cathode thërmoioniqùe réelle. En plus des considérations d'encombrement et de poids, l'alimentation nécessaire pour ces cathodes thermoioniques crée des problèmes supplémentaires de coût, de fiabilité, de maintenance et de remplacement. En plus des défauts plus ou moins mécaniques qui résultent 10 de l'alimentation des cathodes thermoioniques, il est à noter que les cathodes chaudes sont relativement compliquées et coûteuses du point de vue de leur composition physique et de leur construction, ainsi qu'en ce qui concerne leurs traitements d'activation et, lorsqu'elles sont exposées à une contamination atmosphérique 15 ou autre, doivent être réactivées par des traitements longs, coûteux et compliqués. Dans le meilleur cas, les cathodes thermoioniques à forte émission ont des durées relativement courtes et des caractéristiques d'émission inconstantes dues à des causes inhérentes, telles que la détérioration par bombardement ionique, la 20 contamination chimique, etc. Les tentatives de la technique antérieure,pour résoudre ces problèmes sans avoir recours aux complexités et aux défauts généraux qui s'attachent aux pompages optiques ou de haute fréquence,ont généralement été orientées vers la réalisation d'une émis-25 sion électronique à haute densité, par exemple, au moyen de cathodes à bain de mercure ou de cathodes froides de tungstène, d' acier inoxydable, d'aluminium ou de tantale* Toutefois, les cathodes à bain de mercure sont non seulement trop sensibles à 1* orientation pour être portatives, mais, ce qui est plus grave 30 encore, ont des pressions de vapeur élevées qui provoquent un empoisonnement très rapide du gaz actif du laser. D'autre part, les métaux non-liquides mentionnés ci-dessus exigent des intensités de champ extrêmement élevées et, de ce fait,, des sources électriques compliquées, pour obtenir des flux électroniques ac-35 ceptables et, de surcroît, ont une vie extrêmement courte en partie du fait de leur détérioration rapide par bombardement -ionique En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un laser à cathode froide : qui ne présente pas les défautss et les limitations inhérentes 40 à la technique antérieure ; 69 07990 3 2004900 qui est vraiment portatif ; qui a un meilleur rendement global ; dont le rendement est, en première approximation, pratiquement indépendant du cycle actif de 1■appareil ; 5 qui n'exige aucune dissipation importante d'énergie de chauffage de la cathode et ne nécessite aucune alimentation de chauffage de celle-ci ; qui a une durée de vie très longue ; dont la cathode ne provoque pas de contamination du gaz du la-10 ser, ni de condensation voilant les fenêtres ou d'autres éléments de 1'appareil ; dont la fabrication , l'entretien et l'utilisation sont très simples et peu coûteux ; qui n'est pas sensible à l'orientation ; et , 15 qui ne nécessite pas de traitement d'activation ou de réactivation de sa cathode . L'invention atteint les buts visés en utilisant une cathode qui se présente sous la forme d'un segment solide d'un métal à bas point de fusion ayant une faible pression de vapeur à l'état 20 fondu. Quand un potentiel de l'ordre de quelques centaines de volts est appliqué entre l'anode et la cathode, une décharge s' amorce à certaines légères irrégularités de la surface de la cathode et peut être entretenue indéfiniment par des intensités de courant de quelques centaines d'ampères. L'émission, selon un mo-25 de puisé, provoque un échauffement local et line fusion microscopique associés à un mouvement latéral d'un petit point d'émission à un autre au-dessus de la surface de la cathode. La cathode ne s'échauffe que légèrement, même après des périodes de fonctionnement prolongées,et on ne constate pratiquement aucune contamina-30 tion gazeuse ou détérioration de la surface émissive, même après des milliers d'heures de fonctionnement sous des puissances élevées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à 35 titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin an- ■ nexé, dans lequel : - la fig. 1 est une représentation schématique, partiellement par blocs, d'un appareil de laser équipé d'une cathode froide conforme à la présente invention ; 40 - la fig. 2 est une représentation schématique d'une partie du 69 07990 4 2004900 circuit cathode-anode illustrant une partie fortement agrandie de la surface de la cathode, immédiatement avant le commencement de l'émission électronique ; - la fig. 3 est une vue analogue à la fig. 2 montrant la surfa-5 ce de la cathode pendant l'émission électronique ; - les fig. 4, 5 et 6 sont des graphiques séparés, le long d'une abscisse de temps commune, illustrant divers paramètres électriques de l'appareil des figures précédentes pendant un cycle de fonctionnement de celui-ci ; et, 10 - la fig. 7 est une vue générale d'un laser portatif conforme à l'invention. En se référant à la fig. 1, on voit un laser portable qui comprend une enveloppe hermétique 10 ayant un corps allongé 12 qui, dans le présent exemple, comporte un appendice cathodique 14 15 communiquant avec une extrémité 15 et un appendice de collecteur 16 qui peut communiquer de la même façon avec l'extrémité opposée 18 du corps 12. Un réservoir de gaz 20 est branché en dérivation entre les extrémités 15 et 18 du corps 12 de 1'enveloppe. Une anode collectrice 22 est supportée dans l'appendice 16 ; tandis 20 que la cathode non thermoionique 24 est disposée dans l'appendice 14 de l'enveloppe. L'électrode collectrice 22 peut être consti-. tuée par un simple fil métallique, en indium,.de préférence, ce métal ayant donné des résultats satisfaisants du point de vue du "crachotement" anodique et en raison de ses autres propriétés 25 physiques et chimiques. La cathode 24, bien qu'ayant été représentée schématiquement comme supportée par un conducteur de traversée 26, épouse de préférence le contour de la surface intérieure de l'appendice 14, ce qui évite qu'elle soit montée en porte à faux par l'intermé-30 diaire du joint de traversée verre-métal. Cette précaution augmente la robustesse et diminue la sensibilité aux accélérations de l'appareil portatif tout entier. La pastille cathodique peut être constituée par du bismuth, du plomb, de l'étain, de l'indiunv du gallium, et par d'autres éléments ou alliages ayarit un bas 35 point de fusion, une basse pression de vapeur, un faible travail de sortie (de l'électron) hors de l'atome et une faible activité chimique. Les extrémités axialement espacées 15, 18 de l'enveloppe délimitent entre elles une voie d'interaction qui se termine, à cha-40 que extrémité , dans le présent exemple, par une fenêtre plane 28, 69 07990 5. 2004900 30, fixée hermétiquement au corps de l'enveloppe suivant une incidence brewsterienne par rapport à la direction de la voie d'interaction axiale. A l'extérieur de l'enveloppe 10 sont disposés en alignement 5 optique avec la voie d'interaction, deux miroirs parallèles 32,34 qui définissent entre eux la longueur de la cavité optique dont fait partie la région d'interaction 36 génératrice de laser située à l'intérieur de la partie 12 du corps de l'enveloppe. Le miroir de sortie 34 peut être un miroir, semi-argenté, de sorte 10 qu'une fraction prédéterminée de l'énergie lumineuse qui le frappe est réfléchie ou renvoyée en résonance à travers la région d' interaction de la cavité, le reste de la lumière étant transmis comme indiqué pour constituer le faisceau de sortie du laser. Le miroir 34 pourrait être réglable axialement, comme indiqué en 37, 15 permettant ainsi d'accorder la cavité en faisant varier sa longueur, par exemple, par un dispositif de réglage micrométrique. Une source de courant d'ionisation 38 est branchée entre la cathode 24 et l'anode 22. De même, une source d'impulsions d'amorçage et de conditionnement 40 est branchée entre la cathode 24 20 et une anode auxiliaire 42. Un circuit de commande 44 est relié aux sources 38 et 40 pour régler les paramètres électriques du laser, tels que, par exemple, le cycle actif, le courant de pointe, la forme des impulsions, etc. Le fonctionnement de ce montage sera discuté plus en détail ci-après en regard des fig. 4, 5 et 6. 25 En se référant aux fig. 2 et 3, le principe de fonctionne ment de la cathode froide, c'est-à-dire non thermoionique selon l'invention est représenté sous la forme d'une vue microscopique d'une partie de la cathode 24 en association avec l'anode 22' et avec une batterie source de courant d'ionisation 38'. 30 A l'instant de la mise en circuit, un champ électrique in tense, indiqué en 46, est créé et se concentre autour de certaines irrégularités aléatoires de la surface de la cathode, par exemple, au point 48. Ce champ électrique peut, par exemple, avoir 6 8 des intensités de l'ordre de 10 à 10 volts/centimètre dans la -4 . - 35 région d'un point ayant un rayon de l'ordre de 10 cm. La fig. 3 illustre l'émission électronique résultante qui produit un courant 49 se traduisant par un échauffement par effet Joule du corps de la cathode provoquant un point microscopique en fusion 50. Dans la pratique, quand des courants intenses, par ex-40 emple, des impulsions de l'ordre de 100 ampères s'établissent, on 69 07990 6 2004900 constate que les points d'émission successifs se déplacent rapidement dans le sens latéral au-dessus de la surface de la cathode, probablement à cause des forces et des effets dus aux champs magnétiques associés au courant émis, à l'augmentation de la ré-5 sistance due à 1'échauffement Joule, et pour d'autres causes. En se référant aux fig. 4, 5 et 6, on va décrire maintenant un mode de fonctionnement typique du laser portatif à cathode froide représentée sur la fig. 1. On suppose que le laser est rempli d'argon, et que l'on a prévu un cycle actif utilisant une 10 impulsion de 0,3 p avec une cadence.de répétition de 60 Hz. Par réglage de la source de courant d'ionisation 38 à l'aide de moyere classiques prévus dans le circuit de commande 44, la durée des impulsions de laser peut être abrégée ou allongée entre des limites extrêmement larges ; et le faisceau lumineux de sortie peut 15 être modifié sur une vaste gamme d'intensités, de manière à satisfaire aux exigences des applications particulières envisagées, tout en maximisant la durée de vie de la source électrique portative, notamment de la batterie. Au commencement du cycle , une tension d'environ 800 volts 20 est appliquée à l'anode 22, comme l'indique la partie initiale 52 de la courbe de tension 54 de la fig. 5. Immédiatement après le commencement du cycle une impulsion de l'ordre de 10 kV, d'une durée de 0,5 microseconde, est appliquée à l'anode auxiliaire d' amorçage 42. Les champs électriques résultants entre l'anode auxi-25 liaire 42, l'anode collectrice 22 et la cathode émissive 24 provoquent, indépendamment, (1) une pré-ionisation du milieu gazeux de la région 36 et une diminution de son impédance effective, telle qu'elle est vue par la cathode, et (2) une émission d'amorçage de la surface émissive de la cathode. 30 L'émission cathodique résultante est indiquée par la courbe 56 de la fig. 6. Le courant électronique, dont l'intensité est approximativement de 100 A dans le présent exemple, traverse la région d'interaction 36 en provoquant une ionisation cinétique en cascade des atomes d'argon qui produit l'inversion de population 35 désirée, c'est-à-dire le phénomène de "pompage" nécessaire au fonctionnement du laser. La puissance lumineuse de soetie.du laser est sensiblement proportionnelle à l'intensité du courant d' ionisation, comme l'indique la courbe 56. La puissance lumineuse de sortie pratiquement constante re-40 cherchée, indiquée par la courbe 56, est obtenue, dans le présent 69 07990 7 2004900 exemple, en programmant la tension appliquée selon sensiblement la courbe 54 de la fig. 5. Cette courbe montre que l'on applique une tension d'environ 800 volts pendant une période d'environ 0,1-0,2 microseconde, tension qui peut être diminuée à environ 450 volts 5 pendant le reste de la partie active du cycle, pour être finalement abaissée à environ 200 volts, niveau auquel l'émission lumineuse du laser est interrompue ; comme représenté par la ligne verticale en tirets située à 40 microsecondes et tracée parallèlement à l'axe des ordonnées, des courbes des fig. 4, 5 et 6. 10 En se référant à la fig. 7, on voit une vue générale d'un exemple pratique d'un laser portatif à l'argon à cathode froide conforme à l'invention, qui se présente sous la forme d'un corps tubulaire métallique 60 ayant environ 50 mm de diamètre et une longueur totale de 500 mm. L'enveloppe hermétique 62 du laser, 15 contenant le gaz, est portée par ce corps et est supportée à l'intérieur de celui-ci par un coussin de matière plastique cellulaire formé sur place (non représenté). Un miroir d'extrémité 64 est accouplé optiquement à l'enveloppe contenant le gaz, comme il a été décrit à propos des figures précédentes, et est réglable de 20 l'extérieur pour accorder le système par tin mouvement axial produit en agissant sur un bouton 66 couplé au miroir 64. Le faisceau de sortie du laser, indiqué en 68, émerge du système à travers l'ouverture d'extrémité 70 qui, le cas échéant, peut être une fenêtre transparente hermétique. A ce propos, on peut noter 25 que cette unité, qui a les dimensions d'une torche électrique, et qui opère dans la région du verre, avec une longueur d'onde de 5145 A» convient particulièrement bien pour les applications sous-marines. A son extrémité de gauche, selon la figure, le corps tubu-30 laire comporte un capuchon qui donne accès à un certain nombre de piles sèches 72, du type "crayon" qui constituent la source électrique fournissant les impulsions de courant d'ionisation. Entre l'enveloppe 62 du laser et la batterie de piles 72 est supporté, par un amortisseur de mousse, un circuit de commande et 35 d'amorçage 74 comportant des boutons de réglage 76,78 pour déterminer la longueur des impulsions, leur cadence de répétition et/ ou l'intensité lumineuse. Un laser portatif réalisé comme celui de la fig. 7 et qui a été décrit en regard des figures précédentes, est capable de dé-40 livrer une puissance de pointe de plusieurs watts avec des Ion— 69 07990 8 2004900 gueurs d'impulsion variables de 3/10 de microseconde et ayant des cadences de répétition allant de 1 à 1000 Hz. Le faisceau lumineux produit peut facilement avoir un diamètre de quelques millimètres seulement avec une divergence angulaire de quelques micro-5 radians. La durée de vie effective de 1'appareil varie avec la capacité du réservoir de gaz, l'intensité des impulsions, la cadence de répétition de celles-ci et avèc d'autres paramètres de fonctionnement ; toutefois, des appareils tels que ceux décrits ci-10 dessus, utilisant de l'argon et une cathode d'indium, ont fonc- 7 tionné réellement plus de 400 heures en fournissant plus de 10 impulsions de haute intensité sans dégradation et sans contamination du gaz ou obscurcissement des fenêtres. On considère que ceci est dû, au moins en partie, au fait que la température de 15 surface de l'indium reste, à tout moment, très inférieure à sa température d'émission thermoionique et que la pression de vapeur résultante de l'indium émetteur, ainsi que son activité chimique, sont négligeables. A ce propos, il est à noter que des lasers au néon réalisés selon l'invention ont fonctionné avec des courants 20 d'ionisation de pointe ayant une intensité supérieure à 1000 A, sans que l'on constate de saturation du courant d'émission. Il convient tout particulièrement d'attirer l'attention sur le fait qu'un appareil complet de ce genre peut peser de l'ordre de 2 kg et qu'il n'exige qu'une énergie d'alimentation de quelques watts, 25 alors que, auparavant, la cathode thermoionique exigeait, à elle seule, pour son chauffage, environ 80 watts. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 69 07990 9 2004900 REVENDICATIONS 1. Dispositif, notamment du type appareil laser, qui comprend un milieu gazeux ayant des populations d'atomes, dont les niveaux d'énergie peuvent être pompés jusqu'à l'état d'inversion de popula- 5 tion par interaction avec des électrons, et des moyens pour produire un flux d'électrons relativement dense à travers ledit milieu gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend en outre en série ; une cathode solide non chauffée ayant une surface émissive orientée vers ledit milieu gazeux, ladite cathode comprenant un corps fait d'une 10 matière métallique présentant une basse température de fusion, une faible pression de vapeur à l'état fondu et un faible travail de sortie hors de l'atome, notamment un corps en une composition comprenant un métal tel que l'indium, le gallium, le bismuth et l'étain; une anode collectrice disposée sur la trajectoire du flux d'élec-15 trons avec interposition d'une partie au moins dudit milieu gazeux ; et une source électrique de courant d'ionisation branchée entre ladite anode et ladite cathode afin de créer un champ électrique entretenant l'émission d'électrons entre elles. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ee qu'il 20 comprend, en outre, au moins deux miroirs espacés afin de limiter entre eux une cavité génératrice d'effet laser, et une enveloppe allongée contenant au moins une partie dudit milieu gazeux et comportant une partie d'interaction et des parties d'extrémité opposées contiguës à ladite cavité, ladite enveloppe comportant, à proximité 25 de l'une au moins de ses extrémités, une fenêtre transparente ayant une surface inclinée par rapport à la direction de l'axe de la cavité suivant une incidence brewstérienne par rapport au milieu constituant ladite fenêtre et à l'espace libre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu* 30 il comporte en outre des moyens associés à l'un au moins desdits miroirs pour régler son espacement axial par rapport à l'autre miroir et modifier ainsi la longueur de ladite cavité. 4. Dispositif selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir en dérivation branché entre 35 les extrémités de l'enveloppe de façon à permettre la circulation du milieu gazeux à travers la partie d'interaction de cette enveloppe. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé 69 07990 10 2004900 dentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une souree d'impulsions d'amorçage couplée électromagnétiquement à la cathode à travers une partie au moins du milieu gazeux. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un corps tabulaire allongé dans lequel sont supportés ses divers éléments constitutifs et qui renferme, de plus, des moyens de support et de protection formés sur place et interposés, de façon à constituer des a-mortisseurs, entre ledit corps et certains au moins desdits éléments.