Brevet FR2034947A1 — publié le 19701218

t 2034947 La présente invention concerne et a essentiellement pour objet des cathodes susceptibles de s'appliquer à des tubes électroniques, et plus particulièrement des cathodes d'émission de champ de grande intensité utilisées comme sources ponctuelles d'un faisceau d'élec-5 trons. Si on applique un champ électrique positif de forte intensité, à la surface d'un conducteur, il est possible d'extraire directement des électrons de la substance, à des températures ordinaires. L'émission des électrons de la surface d'un conduc'teur, sous vide, 10 et sous l'influence d'un champ électrique de grande intensité, est un effet élémentaire comparable à l'émission thermoionique, l'émission photoélectrique, ou l'émission secondaire. Dans ce cas, si on considère que le but d'une cathode, est d'émettre le plus possible d'électrons, à partir d'un conducteur ou d'un métal, un émetteur 15 de champ de grande intensité surpasse toutes les autres cathodes, car on peut aisément obtenir des densités de courant de l'ordre de plusieurs millions d'ampères par cm . Aussi loin qu'on ait pu pousser les recherches expérimentales sur l'émission de champ de grande intensité, les résultats ont 20 montré et prouvé que le rendement de l'émission est très sensible aux conditions de surface de la substance utilisée comme émetteur. Plus particulièrement, la barrière de potentiel de la surface dépend considérablement des conditions de surface. Par exemple, la netteté de la surface, et le fait que la 25 surface est recouverte d'un autre métal, ou d'atomes de gaz d'ad- sorption, représentent deux des facteurs importants pour déterminer la hauteur de la barrière de potentiel de la surface. Par conséquent, / d'extraction ou un faible travail de sortie, et une stabilité a haute temperature, sont des caractéristiques souhaitables pour les cathodes d'émission 30 de champ de grande intensité . Ces cathodes nécessitent un faible travail de sortie, afin d'abaisser la tension de mise en oeuvre nécessaire, pour une émission électronique donnée, et qui sera expliquée plus en détail dans la suite de la description. Les substances qui ont été employées pour les cathodes d'émis-35 sion de champ de grande intensité classiques, en général, présentent des caractéristiques telles qu'une résistance mécanique- satisfaisante, 70 09158 2 2034947 la possibilité de pouvoir constituer un fil mince présentant un bout pointu en son extrémité, une inertie chimique vis à vis des gaz y compris l'oxygène, et une stabilité à température élevée. Ces caractéristiques limitent le type de substances habituelles utilisées 5 pour les cathodes. par exemple, des métaux rigides tels que le tungstène (¥), le molybdène (Mo), le tantale (Ta) et le rhénium (Re) et des trichites -teHes-que ]_e carbure de silicium (SiC), qui sont tous caractérisés par leur travail de sortie relativement élevé. Ceci entraîne le fait non souhaitable qu'une tension de mise 10 en oeuvre considérablees+ nécessaire pour provoquer l'extraction d'un courant électrique suffisant à partir des cathodes. Afin ' d'obtenir une quantité désirée de courant, avec une tension appliquée faible, on a proposé et mis en pratique une cathode basée sur les substances définies précédemment, comme fil substrat, mais recouvert 15 d'autres métaux ou de leurs oxydes. Ces métaux ou leurs oxydes, sont de préférence du type présentant un faible travail de sortie, permettant ainsi la réduction de la tension de mise en oeuvre. Cette constitution de couche a été effectuée d'une manière classique, dans les applications prati-20 ques, par la méthode d'évaporation sous vide. Selon une méthode d'évaporation sous vide donnée à titre d' exemple, on évapore une substance et -faible travail de sortie, teUsqçe le baryum, sous vide, qui se dépose sur un mince fil de tungstène, comportant une „ La liaison du 25 tur.gô tène et du baryum, est mauvaise, sa.uf dans la couche à plusieurs • atomes. La pointe de tungstène recouverte de bariuxa, est alors retirée du. vide, et exposée à 1 *air arr:oi^.nt, avant d'être aiont-?e wii jatnocifc dan3 un tuba élocIronique. 3n o^tro, lors de son exposition à j-'air, la couche de baryum est soumise à l'action des atomes :-.-i d'oxygène gazeux existant dans l'air, oe ^ui se traduit par la formation d'une couche d'oxyde à la surface de la pointe. Afin de aésoxyder partiellement et de désorber l'oxygène et les autres gaz adsorbés, respectivement, de la couche d'oxyde de baryum, et d'amener partiellement le baryum à se distribuer uniformément sur 55 le substrat de tungstène, par diffusion partielle à l'intérieur de ce dernier, le composé métallique de recouvrement et le fil de tungstène, sont soumis à un traitement thermique à température fCOPY^ 70 09158 3 20349kl élevée. Lors de la fabrication pratique d'un tube électronique, il est souhaitable que la cathode constituée du fil, soit montée dans le tube, et soumise à un traitement thermique subséquent pour dégazer le tube lui-même,. De cette façon, on obtient une cathode 5 d'émission de champ de forte intensité, susceptible d'être utilisée suivant une faible tension de mise en oeuvre, et ce, grâce à cette-méthode de l'art antérieur. Cependant, on se heurte à quelques inconvénients, concernant la cathode d'émission de champ de forte intensité ainsi obtenue. 10 Le composé métallique déposé, est disposé en couche de baryum directement à la surface du substrat de la cathode, si bien qu'il est facilement affecté par les molécules gazeuses environ-naites, -lors de son exposition. De plus le composé métallique tend à s'évaporer dans le vide ambiant lors des traitements thermiques. 15 Même si le composé pénètre partiellement dans la cathode, c'est-à-dire, dans la couche à plusieurs atomes, du composé métallique déposé la profondeur de pénétration, n'est pas assez grande. Ceci provient de la probabilité de diffusion et de migration des atomes métalliques à la surface, lorsque le composé métallique 20 est chauffé pour être activé, ce qui entraîne ainsi une réduction de la durée de mise en service des cathodes existantes. Par conséquent, un premier objet de la présente invention est de créer une cathode d'émission de champ et de grande intensité pouvant fonctionner avec une faible tension appliquée. 25 Un autre objet de la présente invention, consiste à créer une cathode d'émission de champ de grande intensité, stable à une température élevée, et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses telles que l'oxygène. Encore un autre objet de la présente invention, consiste à 30 créer une cathode d'émission de champ de grande intensité, qui soit à activation reproductible, pour créer une stabilité de fonctionnement, pendant une durée ^e temps prolongée. Encore un autre objet de la présente invention, consiste à créer un dispositif électronique dans lequel on a prévu la cathode 35 de la présente invention. Selon encore un autre objet de la présente invention, on réalise une méthode de fabrication de la cathode de l'invention, par COPV^ 4 70 09158 2034947 10 15 20 25 30 implantation d'ions métalliques de faible travail de sortie, dans une pointe effilée d'une cathode formée, qui est stable à haute température, et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses: y compris l'oxygène. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clai- . . rement au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique illustrant le concept de fonctionnement d'une cathode d'émission de champ de grande intensité, selon l'invention; - la figure 2a montre d'une manière explicative, le niveau d'énergie du tungstène placé sous vide; . - la figure 2b est une vue analogue à la figure 2a, mais montre le niveau d'énergie avec un champ électrique de forte intensité crée; - la figure 3a montre également d'une manière explicative, le niveau d'énergie du tungstène recouvert de baryum et placé sous vide; - la figure 3b est une vue analogue à la figure 3a, mais montre le niveau d'énergie, avec un champ électrique de forte intensité crée; et - la figure 4 est une représentation graphique de la distribution des atomes métalliques de faible travail de sortie implantés . sous forme d'ions, dans le substrat de la cathode. Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, une cathode d'émission de champ de forte intensité, donnée à titre d'exemple, et référencée par 10 , est munie d'un bout pointu, produit par exemple par attaque électrochimique ou par production d'un arc dans une décharge de rupture disruptive. Dans la surface de cette pointe effilée, sont implantés des ions métalliques de faible travail d'extraction, par création d'un champ électrique d'accélération. La cathode initiale 10, et les ions métalliques peuvent être en tungstène et en baryum respectivement, à titre d'exemple. On a placé une électrode 11, jouant le rôle d'une anode, en regard de 70 09158 5 2034947 la cathode 10. On applique une tension convenable, fournie par une source de puissance 12 entre les deux électrodes 10 et 11. lors du fonctionnement, lorsqu'on crée un champ électrique de grande intensité entre les électrodes 10 et 11, avec la tension appliquée, 5 ce champ sert à abaisser la barrière de potentiel de surface, et extrait des électrons de la surface. Dans cet exemple, le champ électrique nécessaire pour vaincre la barrière de surface, est si élevée , que les électrons s'échappent difficilement de la surface, tant que la cathode 10 n'est pas recouverte d'un métal -|0 de faible travail de sortie. D'autre part, lorsque le métal y est implanté, le travail de sortie de la cathode toute entière est abaissé. Le champ électrique entraîne à présent les électrons à s'échapper au travers de la barrière de potentiel, à la surface, constituant ainsi un flux d'électrons, désigné par la lettre _e,_ -j 5 à partir de la surface, sous l'influence du champ. Ces phénomènes-seront discutés lors de la description qui va suivre, se reportant aux figures 2a à 3b. Sur la figure 2a, le niveau d'énergie du tungstène sous vide-, en abrégé V.L.; est horizontal, et la barrière de potentiel, 20 est, dans son ensemble, en forme d'escalier, le travail de sortie, dont la valeur correspond à 4,5 eV dans cet exemple, est défini comme la différence entre le niveau de vide V.L. et ce que l'on appelle le niveau de Eermi, en abrégé E.L. En d'autres termes, le travail de sortie représente l'énergie nécessaire pour qu'un 25 électron du niveau de Eermi F.L., soit libéré de la surface du tungstène. Lorsqu'on crée un champ électrique au voisinage de la surface, le niveau de vide V.L. chute suivant une certaine pente, et la barrière de potentiel apparaît alors sous forme d'une courbe triangulaire, comme l'illustre la figure 2b. La courbe triangulaire 30 ievient plus aiguë c-.u fur et à mesure que l'intensité du champ électrique crée croît. Le travail de sortie de 4,5 eY reste malgré tout substantiellement inchangé. En réalité, en c"_~re, le trsva.il d1 extracUcn. décroît de quelques dixièmes do eY, d'après l'effet Shottky. 55 Par conséquent, les électrons à l'intérieur de la masse de tungstène, ne peuvent pas quitter la surface, à moins que les 70 09158 2034947 10 15 20 25 30 électrons respectifs reçoivent une énergie de 4,5 eV. Si le tungstène est recouvert, ou est implanté d'un, métal de faible travail de sortie, tel que du baryum, le niveau de vide V.L» est abaissé si bien que la valeur du travail de sortie se déplace de 4,5 eV jusqu'à 1,5 eV, comme lrillustre la figure 3a. Il s'ensuit que les électrons à l'intérieur de la masse de tungstène, sont expulsés ou dépassent la barrière plus facilement, à partir de la surface, si le champ électrique drafcfcraction est relativement intense. Si. l'on se réfère en plus à la figure 31l, la barrière de potentiel adopte à son tour une configuration aiguë de courbe triangulaire, abaissée par rapport au niveau de Fermi F.L», lorsqu'il se développe un champ de grande intensité. Le niveau de vide Y.L. présente également une pente négative, qui devient plus raide, en raison du champ électrique supérieur crée dans cet exemple, même les électrons d'énergie inférieure au niveau de Fermi, peuvent traverser la portion étroite de la barrière de potentiel. Ce phénomène est bien connu sous le nom d'effet tunnel et est utilisé dans la cathode d'émission de champ de forte intensité de la présente invention. Dans une méthode préférée de la présente invention, le métal de faible travail de sortie est accéléré sous la forme d'ions, par un champ électrique intense, qui par la suite s'implantai en profondeur à l'intérieur d'une cathode simple classique, comme substrat. Après cette implantation, la cathode obtenue est placée à l'air libre. Puis, la cathode est soumise à un traitement thermique sous vide, de préférence dans un tube électronique, pour éliminer partiellement une couche d'oxyde et des gaz absorbés dans la couche surfacique, si c'est le cas. Durant le traitement, thermique, le tube est dégazé, et la surface de la cathode est activée par diffusion des ions métalliques de la masse du substrat vers la surface. L'implantation des ions est dans cet exemple, réalisée de la manière suivante : les ions de baryum sont obtenus à partir d'un plasma,dais lequel le baryum est au moins partiellement ionisé à température élevée. Pratiquement, lorsqu'on crée une tension d'accélération intense,, par exemple d'environ 40 kY, les 8AD ORIGINAL Ùi à 70 09158 7 2034947 ions baiy.um s'orientent dans une même direction, pour constituer un faisceau. Ce faisceau d'ions baryum est implanté en profondeur à l'intérieur du substrat constitué par la cathode de tungstène. La distribution des ions baryum implantées est illustrée 5 sur la figure 4, en terme de profondeur de pénétration à partir de la surface du 3ubstrat. On pourra reconnaître d'après la figure 4, que le maximum de la distribution est placé à une certaine distance très proche de la surface, c'est-à-dire, pas exactement à la surfacp, et les ions baryum pénètrent à des profondeurs 10 telles que 1000 à 3000 angstroms dans la masse du substrat. Cette pénétration en profondeur sert à maintenir la surface du tungstène implantés d'ions,non altérée par les molécules gazeuses environnantes. Par conséquent la surface du tungstène fabriquée par la 15 méthode de la présente invention se comporte comme une simple substance. Par conséquent, la cathode d'émission du champ de grande intensité conforme à la présente invention offre les avantages suivants : la cathode demeure stable si bien qu'elle est exempte 20 d'évaporation à température élevée, et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses, et, la cathode peut fonctionner d'une manière stable, avec une tension de fonctionnement réduite, pendant une durée de temps prolongée. On peut citer des exemples de composés métalliques pouvant 25 être utilisés dans l'invention, pour être implantés dans le substrat, jouant le rôle d'une cathode classique. Ce sont : des métaux alcalins tels que le lithium (Li), le sodium (Ua), le potassium (K) et le césium (Cs); des alcalino-terreux tels que le baiyum (Ba), le strontium (Sr), et le calcium (Ca), et d'autres 30 métaux tels que le thorium (îh), et le zirconium (Zr). Comme il a été décrit en détail, ces métaux ont un faible travail de sortie, et sont facilement ionisés à température élevée. Selon une autre méthode préférée de l'invention, la cathode de substance simple et classique, est recouverte à la fois d'un 35 composé moins dur' que le substrat, pour faciliter l'implantation des métaux de faible travail de sortie, c'est-à-dire, pour permettre qu'une quantité de métal pénètre plus profondément dans le substrat. 70 09158 8 2034947 L'implantation des ions s'effectue alors sur le substrat recouvert. Le composé moins dur peut être de préférence choisi parmi les /de. la substance oxydes ou les carbures au substrat, teUfîÇLueie tungstene (¥), le molybdène (Mo), le tantale(Ta) ou le rhénium (Re), et doit 5 être également stable aux températures élevées, chimiquement inerte vis à vis des gaz y compris l'oxygène, et convenable pour . être déposé à la surface du substrat. On utilise en général les cathodes d'émission de champ de grande intensité de la présente invention, comme source ponctuelle 10 de faisceaux d'électrons avec des tensions de fonctionnement moins grandes. De plus, les cathodes trouveront une large variété d'applications notamment un émetteur d'un tube électronique, et particulièrement, une cathode d'un canon à électrons. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes 15 de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. COPV , 70 09158 9 2034947 REVENDICATIONS 1. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité comprenant un substrat stable aux températures élevées, et chimiquement inerte vls à vis des molécules gazeuses y compris --l'oxygène, caractérisée en ce qu'on implante en profondeur dudit 5 substrat, des ions métalliques de faible travail de sortie, à partir d'un'plasma d'ions métalliques précitées sous l'influence d'une forte tension d'accélération. 2. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 1, caractérisés en ce que ledit subs- 10 trat est une partie en forme de bout pointu d'une cathode formée, et en ce que lesdits ions métalliques sont implantés directement dans ledit substrat. 3. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit 15 substrat est moins dur que la partie en forme de bout pointu d'une cathode formée, et déposé sur cette dernière, lesdits ions métalliques étant implantés dans ledit substrat. 4. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cathode 20 formée est stable aux températures élevées, et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses y compris l'oxygène. 5. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite cathode formée est en un métal jirgide choisi parmi le tungstène, 25 le molybdène, le tantaîe et le rhénium. 6. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cathode formée est en une faichite y compris le carbure de silicium. 7- Cathode d'émission de champ électrique de grande inten- 30 sité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les métaux fournissant lesdits ions métalliques, présentent un faible travail de sortie, et sont ionisés à une température prédéterminée. 8. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité seloû la revendication 7, ""ractérisée en ce que lesdits 70 09158 10 2034947 ions métalliques sont choisis parmi les ions de métaux alcalins c'est-à-dire les ions lithium, les ions sodium, les ions potassium, et les ions c ésium. 9- Cathode d'émission de champ électrique de grande inten-5 site selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits ions métalliques sont choisis parmi les ions de métaux alcalino-terreux c'est-à-dire les ions baryum,, les ions strontium et les ions calcium. 10. Cathode d'émission de champ électrique de grande inten-10 site selon la revendication 7, caractérisée en ce que leslits- ions métalliques sont des ions thorium. 11. Cathode d'émission de champ électrique de grande intensité selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits ions métalliques sont des ions zirconium. 15 12. Cathode d'émission de champ électrique de grande inten sité selon la revendication 3, caractérisée en- ce que ledit substrat est en un des oxydes de métaux rigides comprenant le tungstène, le molybdène, le tantaHe et le rhénium. 13. Cathode d'émission de champ électrique de grande inten-20 site selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit substrat est en un des carbures de métaux rigides comprenant le tungstène., le molybdène, le tantale et le rhénium, 14. Méthode de préparation d'une cathode d'émission de champ de grande intensité comportant rus substrat stable aux 25 températures élevées, et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses y compris l'oxygène, caractérisée en ce qu'on implante dans ce substrat, des ions métalliques de faible travail de sortie, en profondeur, à partir d''un plasma d'ions métalliques précités sous l'influence d'un grand potentiel d'accélération. 30 15. Tube électronique muni d'une cathode d'émission de champ de grande intensité comportant un substrat stable aux températures élevées,- et chimiquement inerte vis à vis des molécules gazeuses y compris l'oxygène, caractérisé en ce qu'on a implanté à l'intérieur dudit substrat,-des ions métalliques de faible 35 travail de sortie, en profondeur, à partir d'un plasma d'ions métalliques précités sous 1'influence d'un grand potentiel d'accélération.