Brevet FR2013329A1 — publié le 19700403

-1- 2013329 la présente invention concerne des dispositifs à décharge à cathode froide qui constituent des dispositifs générateurs de faisceaux électroniques ou de faisceaux ioniques. Selon la présente invention, un dispositif à décharge à 5 cathode froide comprend une enceinte, un dispositif pour maintenir un gaz dans l'enceinte à une pression prédéterminée, une anode montée à l'intérieur de l'enceinte ou faisant partie de cette dernière, une cathode dont une surface est dirigée vers une zone de traitement et qui présente une ouverture, une seconde électrode 10 placée dans ou au voisinage de l'ouverture et un dispositif pour appliquer à l'anode, à la cathode et à la seconde électrode, des potentiels de fonctionnement appropriés. De préférence, la surface est une surface curviligne et peut être partiellement sphérique, si on le désire. la cathode 15 peut avoir la forme d'un segment d'une sphère creuse et la zone de traitement est alors au centre du ségment de la sphère, mais, si on le désire, le profil de la cathode peut avoir n'importe quelle forme, par exemple une plaque curviligne allongée ou une forme elliptique, incurvée ou annulaire, lorsqu'on la regarde en plan. 20 Une telle disposition est appropriée pour produire un faisceau d'électrons ou d'ions en forme de nappe, qui peut s'étendre linéairement suivant une ligne droite ou incurvée, ou sous forme annulaire. Si on le désire, une troisième électrode peut entourer une 25 partie de la cathode et, pour permettre de produire un faisceau électronique concentré, la troisième électrode est maintenue positive par rapport à la cathode et sert à réduire au minimum l'émission électronique indésirable depuis la cathode, la cathode et les électrodes peuvent être en tôle, qui peut être perforée ou 30 non, ou peuvent être construites en toile métallique. Selon une variante, pour permettre de produire un faisceau ionique concentré, la troisième électrode est en une matière en feuille et la cathode est en tôle perforée ou en toile métallique. Une partie des ions positifs bombardant la cathode pendant le fonctionnement 35 du dispositif passe à travers les perforations ou la toile et sont concentrés par les potentiels appliqués à l'anode, la cathode et lesdites électrodes et par la pression du gaz régnant dans l'enceinte. 69 18266 -2- 201 3329: le potentiel de fonctionnement appliqué à la seconde électrode peut être identique à celui appliqué à la cathode ou il peut être positif ou négatif par rapport à ce dernier. La seconde électrode peut être massive ou creuse et, si on le désire, 5 elle peut être mobile ou fixe par rapport à la cathode. La seconde électrode peut être placée dans l'ouverture ou d'un côté du plan de l'ouverture. De préférence, elle est placée du côté de l'ouverture adjacent au côté concave de la surface incurvée de la cathode. La cathode peut être,en un métal approprié quel-10 conque, comme par exemple le tantale ou l'aluminium. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre^ faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation de l'invention. 15 Sur ces dessins : la figure 1 est une coupe schématique d'une forme de réalisation d'un dispositif à cathode froide selon la présente invention ; la figure 2 montre schématiquement une variante de l'ensem-20 ble des électrodes du dispositif de la figure 1 ; la figure 3 montre schématiquement une autre variante de l'ensemble des électrodes de la figure 2 ; la figure 4 montre schématiquement l'ensemble des électrodes de la figure 3, qui est modifié pour- permettre de chauffer des 25 tubes ou tiges dans une zone située entre leurs extrémités.; En se référant à la figure 1, on a représenté un dispositif à décharge, à cathode froide comprenant un tube 1 en verre résistant à la chaleur et des plaques d'extrémité 2 et 3. Ces dernières sont en métal et sont mises à la masse, de façon, à former;;des ano-30 des pendant le fonctionnement du dispositifDes bagues toriques (non représentées) sont prévues entre, les, surfaces.; en contact des plaques 2 et 3 et du tube en verre 1 pour former un joint: étanche au gaz, et les plaques d'extrémité 2 et 3.sont fixées d'une façon appropriée aux extrémité du tube. Une cathode 4- en tantale ou en 35 aluminium, sous la forme d'un segment 69 18266 -3- 2013329 isolateur 29. La borne d'alimentation 6 présente un alésage 7, destiné au passage d'un réfrigérant, et est fixée à une partie amovible 8 de la plaque 2 par un cylindre isolant 9. Une ouverture centrale, communiquant avec l'alésage du tube 5, est ménagée 5 dans la cathode 4. Une seconde électrode 10, qui peut avoir la forme d'une plaque, comme représenté sur la figure 1, est supportée au voisinage de l'ouverture de la cathode 4 par une tige de liaison 11, qui est fixée à un cylindre isolant 12 assujetti à la borne d'alimentation 6. Une troisième électrode 13 forme un écran 10 qui entoure la surface externe incurvée de la cathode 4 et qui est supporté dans l'enceinte par un tube 14, s'étendant coaxia-lement autour du tube 5. Le tube 14 est fixé à la partie amovible 8 de la plaque 2 et, avec l'écran 13, il forme une anode au cours du fonctionnement du dispositif. Les espaces compris entre les tu-15 bes 5 et 14 et entre l'écran 13 et la cathode 4 sont petits, pour réduire au minimum une émission électronique parasite entre eux. La cathode 4 est en une tôle réfractaire et, si on le désire, elle peut être perforée. Selon une variante, la cathode peut être en toile métallique réfractaire, comme par exemple en tantale. 20 Un creuset 16 est monté sur un arbre 17 fixé à une partie amovible 18 de la plaque 3. Au cours du fonctionnement du dispositif, le creuset 16 peut former une anode, si on le désire. L'enceinte présente un orifice de sortie 19 par lequel l'intérieur de l'enceinte est mis partiellement sous vide par une pom-25 pe 20, et un orifice d'entrée 21 par lequel un gaz provenant d'une source de gaz 22 est admis par l'intermédiaire d'une vanne 23 à l'intérieur de l'enceinte. De petits trous 28 établissent une communication entre l^intérieur de l'enceinte 1 et l'espace compris entre l'isolateur 9 et le tube 14. 30 Au cours du fonctionnement du dispositif, il est alimenté par line source 24 de courant continu à haute tension. Un potentiel négatif approprié est appliqué à la borne 6 par l'intermédiaire d'une résistance fixe 25 et d'une résistance variable 26, qui sont montées en série. La jonction entre les résistances 25 et 26 est 35 connectée à l'électrode supplémentaire 10 par l'intermédiaire de la tige 11. Un potentiel approprié est appliqué aux plaques 2 et 3 et au creuset 16. Un voltmètre et un ampèremètre (non représentés) 69 18266 -4- 2013329 sont prévus dans le circuit d'alimentation. le dispositif fonctionne de la façon suivante : On met l'enceinte sous vide jusqu'à une pression d'environ 5x10 torr et la remplit ensuite avec de l'hélium jusqu'à une _p 5 pression de 4,5 x 10 torr. La résistance 26 est réglée de manière à appliquer un potentiel négatif égal d'environ 2,75 kilovolts à la cathode et à l'autre électrode 10. Lorsque le dégazage de la cathode est effectué, on laisse augmenter lentement la pression d'hélium et on le réalise en réglant la vanne 23. Il se produit 10 une décharge luminescente, les ions positifs bombardent la cathode et des électrons sont émis par la cathode et dirigés par cette dernière et les lignes de champ au voisinage de la cathode pour constituer un faisceau en forme de cône renversé. La forme de la cathode 4 concentre le faisceau sur l'axe de la cathode 4, sensi-15 blement au centre de la sphère dont la surface curviligne de la cathode 4 fait partie. Le degré de concentration dépend de la pression de l'hélium et du potoitiel de la seconde électrode. Lorsque la cathode 4 est à 2,75 kilovolts, le faisceau 27 est \ * -2 concentré, de manière à former un petit point, à environ 15 x 10 20 torr, mais si l'énergie du faisceau 27 est accrue en rendant le potentiel de la cathode plus négatif, le faisceau 27 est concentré, de manière à former un point,à une plus faible pression d'hélium. Lorsque la cathode est à 4,0 kilovolts, le faisceau est concentré, de manière à former un point, à une plus faible pression de l'hé- 25 lium. Lorsque la cathode est à 4,0 kilovolts, le faisceau est con- —2 centré,de manière à former un point, à environ 8x10 torr. La seconde électrode peut être fixe par rapport à la cathode, ou bien, si on le désire, elle peut être mobile dans une direction parallèle à l'axe longitudinal de la tige 11. Ceci a pour 30 effet de modifier la position du foyer du faisceau 27. Si on le désire, la seconde électrode 10 peut être connectée h. une source d'énergie qui est séparée de celle destinée à la cathode 4, de manière à permettre d'appliquer à la seconde électrode 10 un potentiel positif ou négatif par rapport à la cathode. 35 L'application d'un potentiel positif à la seconde électrode 10, par rapport à la cathode, a tendance à déplacer le foyer du faisceau électronique 28 vers la cathode 4, tandis quiun potentiel 69 18266 -5- 2013329 négatif, par rapport à la cathode, a tendance à éloigner le foyer de la cathode 4. l'application d'un potentiel positif à la seconde électrode 10 a également pour effet d'augmenter la puissance du fais-5 ceau électronique, en augmentant l'intensité du faisceau. Par exemple, avec de l'hélium dans l'enceinte à une pression de 2 x 10"1 torr et l'application d'une tension de polarisation nulle à la seconde électrode 10 (c'est-à-dire que la seconde électrode 10 est au même potentiel que la cathode), on constate 10 que l'intensité du faisceau est d'environ 80 milliampères, lorsqu'une différence de potentiel de 5 kY est maintenue entre les anodes 2 et 3 et la cathode 4. Cependant, lorsqu'un potentiel positif de 800 volts, par rapport à la cathode, est appliqué à la seconde électrode 10, en maintenant le potentiel appliqué entre 15 la cathode et les anodes 2 et 3 et la pression de l'hélium comme précédemment, l'intensité du faisceau est portée à environ 140 milliampères. En d'autres termes, la puissance du faisceau est augmentée de 400 watts à 700 watts. Pour utiliser le dispositif, un échantillon à chauffer est 20 disposé dans l'enceinte, à l'intérieur du creuset 16, au foyer du faisceau électronique 27. Il est bien entendu qu'on peut supprimer le creuset 16 dans certaines applications dans lesquelles il n'est pas nécessaire que la matière à chauffer soit supportée par un creuset. 25 le dispositif peut fonctionner avec d'autres gaz, par exem ple de l'oxygène ou de l'argon, et il peut être utilisé à diverses fins, par exemple le traitement thermique dé matières, le soudage par fusion et le raffinage par zones par exemple de tiges ou de tubes. Si l'on utilise l'oxygène, il est souhaitable que la ca-30 thode 4 soit en un matériau résistant à l'oxydation. Bien que l'enceinte ait été décrite ci-dessus comme faisant partie d'un tube cylindrique en verre résistant à la-chaleur, il est bien entendu que le tube peut être en n'importe quel matériau approprié. Si on le désire, le tube peut être en métal, auquel cas 35 le tube et les plaques d'extrémité 2 et 3 forment une anode au cours du fonctionnement du dispositif„ Il est également bien entendu .que l'enceinte peut avoir n'importe quelle forme voulue. i 69 18266 -e- 2013329 En se référant à la figure 2, on voit que la troisième électrode ou écran 13 a été prolongé, de façon à entourer le "bord externe de la cathode 4. En prolongeant l'écran 13 et en le repliant, de façon à recouvrir une partie de la surface con-5 cave de la cathode 4, l'écran a pour rôle dé définir la limite externe du faisceau 27 en délimitant ie bord du faisceau. Ainsi, l'écran 13 peut être utilisé pour réduire au minimum la surface d'émission électronique de la cathode, comme voulu. la partie replie vers l'intérieur de l'écran 13 peut également former une len-10 tille, en modifiant les ligne de champ électrique au voisinage de la cathode. En se référant à la figure 3, l'ensemble des électrodes du dispositif représenté sur la figure 2 peut être encore modifié, en donnant à la tige 11 une forme creuse et en évasant vers l'exté-15 rieur l'extrémité inférieure du.tube ainsi formé, auquel cas la plaque 10, représentée sur les figures 1 et 2, peut être supprimée ou peut avoir la forme d'une plaque annulaire (non représentée) fixée à l'extrémité de la tige creuse 11 de la figure 3. En donnant à la tige 11 une forme creuse, comme on le voit sur la figure 20 3, il est possible de chauffer des objets longs," comme des tiges ou tubes, en faisant monter les objets le long de l'alésage de la tige creuse 11 et en chauffant une zone annulaire sur l'objet. Une telle disposition est utile pour souder ensemble des tiges ou tubes . lia courbure de la cathode représentée sur les figures 1, 2 25 et 3 peut être telle qu'en fonctionnement, le faisceau électronique ainsi obtenu soit amené à former soit un seul spot ou foyer punctiforme par les potentiels appliqués aux électrodes et par la pression du gaz, soit, en variante, un foyer linéaire, par exemple un foyer annulaire. 30 En se référant à la figure 4, on a représenté schématiquement l'ensemble des électrodes de la figure 3, qui est modifié en particulier pour permettre de souder bout à bout des tiges ou tubes 36 et 37 • les pièces constituantes représentées sur la figure 4, correspondant aux éléments analogues représentés sur la figure 3, sont 35 désignées par les mêmes numéros de référence. La seconde électrode 10 est fixé© par un® bride 30 et un isolateur 31 boulonnés sur la bride 32 d'une enceinte ou chambre de travail 33 par des boulons 69 18266 -7- 2013329 (non représentés), la paroi inférieure de la chambre 33 est métallique et présente une ouverture 35 suffisamment grande pour permettre à l'ouvrage à chauffer, par exemple des tubes 36 et 37, de passer à travers la paroi de la chambre. la troisième électrode 5 13 est fixée par une bride 39 et un isolateur 40 à une bride 41 d'une chambre inférieure 42 par des boulons (non représentés). la seconde électrode 10 et l'électrode 48 sont maintenues espacées par un isolateur 43, au moyen d'écrous et de boulons 44. l'électrode 48, présentant une lèvre repliée vers l'intérieur, joue un 10 rôle analogue à celui de la lèvre repliée vers l'intérieur de l'électrode 10 de la figure 2. la cathode 4 est supportée dans l'isolateur 43 par des isolateurs faisant saillie radialement vers l'intérieur (non représentés) disposés autour de la périphérie de la cathode 4. la troisiè-15 me électrode 13 est supportée d'une façon analogue par l'isolateur 43. l'énergie est appliquée à la cathode 4 par une tige 51 montée dans un isolateur 52, qui est disposé dans l'alésage du tube 14. le tube 14 présente une bride 53 pour fixer le tube 14 à l'isolateur 43 et garantit ainsi que la cathode 4 et l'électrode-écran 20 13 soient fermement supportés par l'isolateur 43. Un raccord 45 d'admission d'un gaz est prévu dans la paroi de la chambre 33 pour admettre un gaz dans la chambre 33 et un raccord de sortie (non représenté) communique avec l'intérieur de la chambre 42, par lequel le gaz admis dans la chambre 33, passant à travers les ouver-25 tures 35 et 46 ménagées dans les parois 34 et 47. des chambres 33 et 42, respectivement, peut être pompé par une pompe (non représentée). Un orifice de sortie peut être ménagé dans la chambre 33, par lequel la chambre 33 peut être mise sous vide d'une façon indépendante de la chambre 42 par une pompe non représentée. On peut 30 utiliser n'importe"quelle pompe appropriée, par exemple une pompe de vide primaire ou une pompe de diffusion, suivant le vide nécessaire . Des vannes (non représentées) peuvent être utilisées pour fermer efficacement les ouvertures 35^t 46 et permettrai 'enlever 35 l'ensemble des électrodes en bloc depuis les chambres 33 et 42. Dans ce cas, les brides 30 et 39 sont déboulonnées et libérées des brides 32 et 41. Il est préférable de maintenir les chambres 69 18266 -8- 2013329 33 et 42 en position espacée et on peut le réaliser en utilisant une monture provisoire (non représentée) ou en utilisant des éléments permanents réglables (non représentés), qui jouent le rôle d1entretoises pendant l'enlèvement de l'ensemble des électrodes. 5 La cathode 4 et l'écran 13 sont accessibles avec ou sans l'enlèvement de tout l'ensemble des électrodes, en enlevant l'isolateur 43. La cathode, l'écran 13 et l'isolateur 43 peuvent être, si on le désire, sous forme d'un ensemble en deux pièces, qui permet d'enlever les pièces sans déranger les électrodes 10 et 13. 10 Si on le désire, les chambres 33 et 42 peuvent être suppri mées et les ouvertures d'entrée et de sortie sus-mentionnées peuvent communiquer avec les espaces 49 et 50 formés entre les électrodes 10 et 48 et les parois équivalant aux parois 34 et 47, les ouvertures respectives 35 et 46 étant fermées. Dans ce cas, tout 15 le dispositif peut être construit comme un ensemble en deux pièces pour permettre de l'assembler autour de l'objet à chauffer d'une façon étanche au gaz et de le démonter par la suite. Cependant, si on le désire, il n'est pas nécessaire de fermer hermétiquement les ouvertures 35 et 46, auquel cas un joint (non représenté),qui 20 permet un mouvement coulissant relatif entre l'objet à chauffer et le dispositif, tout en maintenant une étanchéité au gaz entre le dispositif et l'objet à chauffer, est introduit dans les ouvertures 35 et 46. Au cours du fonctionnement du dispositif de la figure 4, un 25 gaz, par exemple de l'hélium, est maintenu à une pression prédéterminée dans les chambres 33 et 42 et/ou dans les espaces 49 et 50, et des potentiels sont appliqués à la cathode 4, à l'écran 13, aux électrodes 10 et 48 et aux parois 34 et 47. Un potentiel négatif est appliqué à la cathode 4 et l'électrode-écran 13 est 30 maintenue positive par rapport à la cathode 4. Les électrodes 10 et 48 sont connectées à une source d'énergie telle qu'elles peuvent êtr^éiaintenues au même potentiel que la cathode. Les électrodes 10 et 48 peuvent être maintenues d'une façon indépendante à un potentiel positif ou négatif par rapport à la cathode 4. En 35 faisant varier le potentiel appliqué aux électrodes 10 et 48, le faisceau 53 peut être encore concentré. Si on le désire, les tubes 36 et 37 peuvent être connectés pour former une anode au cours du 69 18266 -9- 2013329 fonctionnement du dispositif. Il est bien entendu qu'on peut apporter des modifications aux dispositifs décrits plus haut sans sortir du cadre de la présente invention, par exemple, si on le désire, une monture peut 5 être prévue pour maintenir les tubes 36 et 37 (figure 4) à l'état réuni et cette monture peut porter d'autres électrodes de concentration, conformément a l'opération particulière nécessaire. Les dessins annexés montrent des électrodes qui, en fait, sont des segments de sphères, mais il est bien entendu que les élec-10 trodes 4, 10, 13 et 48 peuvent être des électrodes du type en forme de plaque longitudinale et la structure entourant les électrodes, c'est-à-dire les enceintes ou chambres, peut être modifiée pour l'adapter aux électrodes allongées. A cet égard, les figures 1 à 3 peuvent être considérées comme étant des coupes transversales 15 d'électrodes allongées. naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes rentrant dans le cadre et l'esprit de 1'invention. 69 18266 -10- 2013329 - REVENDICATIONS - 1 - Dispositif à décharge à cathode froide, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, un dispositif pour maintenir un gaz dans l'enceinte à une pression prédéterminée, une anode 5 montée à l'intérieur de l'enceinte ou faisant partie de cette dernière, une cathode présentant une surface dirigée vers une zone de traitement, ladite cathode présentant une ouverture, une , seconde électrode placée dans ou au voisinage de ladite ouverture* et un dispositif pour appliquer à l'anode, à la cathode et à la 10 seconde électrode des potentiels de fonctionnement appropriés. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est curviligne. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est sous forme d'un segment de sphère creuse. 15 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est sous forme d'une plaque curviligne. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est un élément annulaire. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'une troisième électrode entoure une partie de la cathode. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cathode est sous forme d'un segment de sphère creuse et en ce que la troisième électrode entqure la face curviligne externe 25 de la cathode. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la troisième électrode présente une partie qui s'étend autour d'un bord de la cathode et qui entoure une partie de la face concave de cette dernière. 30 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde électrode est sous forme d'un tube creux. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tube est évasé vers l'extérieur à son extrémité voisine 35 de la surface curviligne de la cathode. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la partie évasée vers l'extérieur du tube s'étend d'une 69 18266 -11- 2013329 façon sensiblement parallèle à la surface curviligne de la cathode. 12 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu des éléments pour faire varier 5 le potentiel appliqué à la seconde électrode, par rapport à la cathode. 13 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayon de courbure de la surface curviligne est tel qu'au cours du fonctionnement du dispositif, un 10 faisceau électronique ou ionique soit amené à former un foyer annulaire. 14 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif est sous forme d'un ensemble en deux pièces qui peut être assemblé autour de l'objet à chauffer 15 et démonté par la suite. 15 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode est en tôle perforée ou en toile métallique • 16 - Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce 20 que la troisième électrode est en tôle massive. 17 - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que la troisième électrode est en toile métallique ou en tôle perforée .