Brevet FR2132845A1 — publié le 19721124

la présente invëntion concerne un appareil destiné à être utilisé pôuî" la génération d'un faisceau électronique. Plus particulièrement, l'invention vise un appareil permettant d'obtenir tin faisceau d'électrons intense, focalisé et collimaté. 5 Divers dispositifs- capables d'engendrer tin faisceau électroni que et qui sont parfois désignés 'sous îe nom de canons à électrons ont été proposés et mis au point dans' le passé: Gés dispositifs comprennent généralement une électrode d'émission thermo-ionique ou cathode, chauffée directement ou indirectement et des moyens d'attrac-10 tion électrostatique des électrons, moyens qui se présentent sous la forme d'un extracteur d'électrons défini plus loin ou d'une anode, l'électrode d'émission thermo-ionique et/oU l'extracteur ou l'anode sont enfermés dans une enveloppe vidée d'air. En fonctionnement, une forte différence de potentiel est maintenue entre l'électrode d'émis-15 sion thermo-ionique et l'extracteur ou l'anode. le faisceau électronique est projeté le long d'un axe défini par l'électrode d'émission thermo-ionique et par l'extracteur ou l'anode. En conséquence,1.'électrode d'émission thermo-ionique constitue le point d'origine du faisceau électronique et, par suite, sa durée de vie est relativement 20 brève du fait que les ions positifs qui se forment dans l'enveloppe vidée d'air refluent vers l'électrode d'émission thermo-ionique .et provoquent son endommagement. En outre, dans les canons à électrons de ce type, l'électrode d'émission thermo-ionique, qu'elle soit chauffée directement ou indirectement, doit avoir son axe géométrique con-25 venablement aligné avec l'axe du faisceau. Cet alignement est rendu assez compliqué par la déformation de l'électrode lorsqu'elle s'échauf fe. Le désalignement entre l'axe géométrique et l'axe du faisceau provoque un basculement de ce dernier qui peut entraîner une réduction du courant traversant une ouverture de délimitation du faisceau si-50 tuée plus en aVal ou analogues. - L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus. Un appareil générateur de faisceau électronique suivant 1' invention comprend une série d'électrodes d'émission thermo-ionique chauffées directement ou indirectement, disposées à l'intérieur d'une 35 enveloppe vidée d'air. Celle-ci contient en outre un extracteur ou une anode. En fonctionnement, on applique à l'extracteur d'électrons ou à l'anode un potentiel électrique positif par rapport aux électrodes d'émission thermo-ionique. Des moyens sont prévus pour créer un 72 12594 2 2132845 champ magnétique à l'intérieur de-l'envëlôppe dans la région située entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'extracteur ou 1' anode. Ainsi, "-les électrons émis par les électrodes sont soumis à une attraction électrostatique vers l'extracteur ou l'anode, mais 5 cës électrons suivent une trajectôirë sensiblement hélicoïdale, en raison des forces magnétiques exercées sur eux par suite de leur passage à travers le champ magnétique. " - Des moyens sont prévus-à 1-'intérieur de lrenveloppe vidée d'air pour réfléchir lès électrons émis par les électrodes d'émission 10 thermo-ionique-ët pour attiré? les ions positifs qui peuvent -être présents à l' intérieur dé l1enveloppe. Ùn-axe imaginaire définit, à l'intérieur de l'enveloppe vidée d'air, la-direction générale de propagation des électrons au sein du faisceau électronique. Les électrodes d'émission thermo-ionique sont espacées de cet axe, sont-dispo-15 sées à une certaine distance'les unes des autres et sont espacées axialement des moyens de réflexion des électrons et d'attraction des ions positifs, lesdites électrodès d'émission thermo-ionique occupant une position intermédiaire entre lesdits moyens et l'extracteur ou l'anode. 20 De préférence, le champ magnétique entre les électrodes d'émis sion thermo-ionique et l'extracteur électronique ou l'anode varie en densité de flux afin d'intensifier, de focaliser et de collimater le faisceau électronique, cependant qu'il se propage vers l'extracteur d'électrons ou'l'anode. On peut utiliser à cet effet une série de 25 bobines magnétiques. Ces-bobines magnétiques peuvent être disposées àu voisinage immédiat les unes des autres, dans la région comprise entre les électrodes d'émission thermo-ionique et.l'extracteur d' électrons ou l'anode et ces bobines magnétiques peuvent présenter des nombres de spires différents". • 30 ' D'autres' caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description* qui va: suivre. ~ . Au dessin annexé uniquement à titre "d'exemple : la Fig. t est une vue en coupe- schématique d'un appareil destiné à être utilisé pour la génération d'un-faisceau électronique, ledit "35 appareil étant construit suivant ^lîiavention.;, *la 'Fig.-2 est une'Vue. en coupe -suivant la ligne 2-2 de. la Pig. 1. En examinant1 les-vues en coupe schématique... des Pig*. 1 et 2, on voit'-qu'elles représentent "un'appareil destiné à être utilisé, pour 72 12594 3 2 î 32845 la génération d'un faisceau électronique et qui est construit suivant l'invention, l'appareil comprend une enveloppe vidée d'air 10, de préférence en matériau conducteur. Une série d'électrodes d'émission thermo-ionique 12 sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe 5 vidée d'air 10. Les électrodes 12 sont montées dans la partie cylindrique de l'enveloppe 10 par l'intermédiaire de manchons isolants 14. Des moyens sont prévus pour réfléchir les électrons émis par les électrodes d'émission thermo-ionique 12 et pour attirer les ions positifs qui, lorsque l'appareil est en service, peuvent être pré-10 sents à l'intérieur de l'enveloppe 10. Ces moyens sont représentés sur la Fig. 1 sous la forme d'une tige conductrice 16 qui traverse un élément isolant 18 encastré dans la plaque d'extrémité 20 de l'enveloppe 10. Une surface conductrice se présentant sous, la forme d'une plaque 22 s'étend perpendiculairement à la tige conductrice 16 et est 15 connectée électriquement à cette tige. A l'extrémité opposée de l'enveloppe 10, est disposé un extracteur d'électrons 24. L'extracteur d'électrons 24 est fixé à l'enveloppe 10 au moyen d'un anneau isolant 26. Le terme "extracteur" dans son acception utilisée ici, désigne une électrode qui, lorsqu'elle 20 est en service, est maintenue à un potentiel électrique plus positif que celui qui est appliqué aux électrodes d'émission thermo-ionique et qui est essentiellement destiné à assurer une attraction électrostatique des électrons. L'extracteur d'électrons 24, schématiquement représenté sur la Fig. 1, est de forme cylindrique et présente une 25 ouverture centrale 28 qui permet aux électrons de le traverser. Un axe imaginaire définissable 30 s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe 10 est formé par la ligne joignant le centre de la plaque conductrice 22 au centre de l'ouverture 28 de l'extracteur 24. L'axe 30 définit la direction générale de propagation des électrons. 30 Une anode 32 destinée à recueillir les électrons du faisceau électronique produit par l'appareil est représentée comme étant disposée à l'extérieur de l'enveloppe 10. Dans le cas où l'anode 32 est disposée de cette manière à l'extérieur de 1*enveloppe 10, une fenêtre 34 en un matériau perméable aux électrons, tel qu'une mince feuil— 35 le d'aluminium, est prévuedevant l'anode. Cette fenêtre perméable aux électrons est, bien entendu, nécessaire pour maintenir le vide régnant dans l'enveloppe 10 tout en permettant en même temps au fais?- .• ceau électronique de sortie de celle—ei. Sur la Fig. 1, ladite fenê 72 12594 4 2132845 tre 34 est représentée sous la forme d'une mince feuille métallique, placée transversalement à l'extrémité de l'extracteur d'électrons 24. En fonctionnement, l'anode 32 est maintenue à un potentiel électrique élevé par rapport aux électrodes d'émission thermo-ionique 12 5 de manière à exercer une attraction électrostatique sur les électrons du faisceau électronique. Si le faisceau électronique produit par 1' appareil suivant l'invention est destiné à irradier ou à bombarder une surface ou une substance, alors l'anode 32 peut être constituée par cette surface ou par cette substance. 10 les électrodes d'émission thermo-ionique 12 peuvent être chauf fées directement ou indirectement. Sur la Fig. 1, les électrodes 12 sont représentées sous la.forme d'électrodes du type à filament, chauffées directement, constituées par des supports conducteurs 36 et 38 auxquels est électriquement connecté un filament d'émission ther 15 mo-ionique 40 qui s'étend entre eux. les filaments 40 s'étendent chacun le long d'une ligne parallèle à l'axe imaginaire 30, sont équidistants radialement de cet axe et sont -uniformément espacés. Les électrodes d'émission thermo-ionique sont disposées entre l'extracteur d'électrons 24 et le moyen 22 de réflexion des électrons et 20 d'attraction des ions positifs. Entre les électrodes d'émission thermo-ionique 12, d'une part, et, d'autre part, l'extracteur d'électrons 24 et l'anode 32, sont disposés des moyens capables de produire un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe 10. Ces moyens comprennent une série de bobi-25 nés magnétiques 42, 44, 46 et 48. De préférence, ces bobines magnétiques sont enroulées en hélice, entourent l'enveloppe 10 et sont axialement espacées les unes des autres. En outre, les nombres respectifs de spires de ces bobines magnétiques sont d'autant plus élevés que celles-ci sont plus voisines de l'extracteur d'électrons 24 30 ou de l'anode 32. les bobines magnétiques 42, 44, 46 et 48 peuvent être montées en série ou en parallèle aux bornes d'une source d'énergie électrique ou bien elles peuvent être excitées séparément par une série de sources électriques telles qu'on puisse faire varier à volonté le courant passant dans chacune d'elles. Une excitation sé-35 parée des bobines magnétiques est préférable, car elle permet d'ajuster les forces magnétiques appliquées au faisceau électronique pour assurer m équilibre désirable des forces électrostatiques, centrifuges, de charge d'espace et magnétiques agissant sur le faisceau 72 12594 5 2132845 électronique. Cet équilibre de forces est désirable si l'on désire obtenir un faisceau uniforme (flux de Brillouin) mais il ne peut être réalisé que si le flux magnétique présent dans la région des électrodes d'émission thermo-ionique 12 est maintenu très faible ou 5 est entièrement éliminé. En fonctionnement, le moyen 22 de réflexion des électrons et d'attraction des ions positifs qui peuvent être présents à l'intérieur de l'enveloppe 10 est maintenu à un potentiel électrique négatif par rapport au potentiel le plus bas applique aux électrodes 10 d'émission thermo-ionique 12. De préférence, l'enveloppe 10 se comporte comme un miroir électronique en raison du fait qu'elle est connectée électriquement aux électrodes d'émission thermo-ionique 12. L'extracteur d'électrons 24 est maintenu à un potentiel électrique supérieur à celui qui est appliqué aux électrodes 12. G-énérale-15 ment, m potentiel, encore plus élevé que celui qui est appliqué à l'extracteur d'électrons 24, est appliqué à l'anode 32. Entre l'extracteur d'électrons 24 et l'anode 32, des moyens supplémentaires peuvent être prévus pour accélérer les électrons, cette accélération étant assurée par un effet électrostatique d'une manière bien connue. 20 Dans l'appareil représenté sur les vues "schématiques des Fig. 1 et 2, huit électrodes d'émission thermo-ionique 12 sont prévues. Un nombre d'électrodes supérieur ou inférieur peut également être choisi pour satisfaire aux exigences de chaque construction particulière. Dans les applications où l'appareil suivant l'invention doit 25 être utilisé pour engendrer un faisceau électronique qui irradie une surface ou une substance de façon continue, par exemple sur"une chaîne de production, il peut être désirable d'agencer les électrodes 12 de façon que chacune d'elles soit capable de fournir le courant de faisceau électronique désiré maximal. Ainsi par exemple, les élec-30 trons désirés du faisceau électronique pourraient être obtenus à partir d'une unique électrode. Toutefois, on peut utiliser un plus grand nombre des électrodes 12, ou même toutes ces électrodes, pour engendrer le faisceau électronique. Dans les applications de production où les temps d'arrêt de l'équipement doivent être maintenus 35 minimaux, l'utilisation d'une série d'électrodes est particulièrë-ment avantageuse en ce sens qu'une défaillance de l'une d'elles n' empêche pas le fonctionnemént de l'appareil générateur de faisceau éléctronique. 72 12594 6 2132845 Comme précédemment mentionné, les électrons émis par les électrodes d'émission thermo-ionique' suivent une trajectoire hélicoïdale dans la région comprise entre ces électrodes et l'extracteur d'électrons ou l'anode. Cet effet de déplacement hélicoïdal est dû aux 5 forces électrostatiques, magnétiques, de charge, d'espace et centrifuges agissant sur les électrons du faisceau. L'aire de section droite du faisceau électronique est fonction décroissante de la densité de flux magnétique dans la région comprise entre les électrodes 12 et-l'extracteur 24 ou l'anode 32. Pour comprimer le faisceau 10 électronique hélicoïdal de la manière représentée par la courbe 50 de la Fig.1, afin d'obtenir un faisceau éiectrique intense, focalisé et collimaté, la densité du flux magnétique croît progressivement à mesure que legêlectrons se rapprochent de l'extracteur ou de l'anode. Divers moyens peuvent être utilisés pour faire varier la densité du 15 flux magnétique à l'intérieur de l'enveloppe 10. Par exemple, les bobines magnétiques 42, 44, 46 et 48 qui produisent le champ magnétique peuvent différer les unes des autres par le nombre de spires sur la base duquel elles sont réalisées ou encore par leur diamètre ou leur largeur. Selon une variante, les bobines magnétiques peuvent 20 encore différer par les niveaux de courant qui leur sont "appliqués. Bien entendu, il existe encore d'autres méthodes pour faire varier le champ magnétique affectant les électrons du faisceau. 72 12594 7 2132845 Revendications 1 - Appareil destiné à être utilisé pour engendrer un faisceau électronique, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe sous vide, une série d'électrodes d'émission thermo-ionique, disposées à 5 l'intérieur de cette enveloppet des moyens disposés dans l'enveloppe pour réfléchir des électrons engendrés par les électrodes d'émission thermo-ionique et pour attirer les ions chargés positivement qui peuvent être présents dans l'enveloppe, un extracteur pour attirer des électrons émis par les électrodes d'émission thermo-ionique et 10 des moyens pour produire un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe, de manière à focaliser le faisceau d'électrons engendré par les électrodes d'émission thermo-ionique. 2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe contient un axe imaginaire définissable, chacune des 15 électrodes d'émission thermo-ionique étant décalée radialement par rapport à cet axe, et en ce que l'extracteur est disposé le long du-dit axe et est décalé axialement par rapport aux électrodes d1 émission thermo-ionique. 3 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 20 les moyens de réflexion d'électrons et d'attraction d'ions chargés positivement comprennent un élément, présentant une surface conductrice, l'axe précité traversant cette surface, et en ce que les électrodes d'émission thermo-ionique sont disposées axialement entre ledit élement et l'extracteur. 25 4 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens prévus pour engendrer un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe comprennent au moins line bobine magnétique disposée axialement entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'extracteur . 30 5 - Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des électrodes d'émission thermo-ionique comprend un filament disposé à l'intérieur de l'enveloppe et s'étendant le long d'une trajectoire sensiblement parallèle à l'axe précité. 6 - Appareil suivant la revendication 3» caractérisé en ce que 35 les moyens assurant la production d'un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe comprennent une série de bobines magnétiques axialement adjacentes et disposées entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'extracteur. 72 12594 8 2132845 7 - Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les filaments sont disposés à égale distance de l'axe et l'un par rapport à l'autre. 8 - Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que 5 les bobines magnétiques diffèrent entre elles par le nombre de spires dont elles sont constituées. 9 - Appareil destiné à être utilisé pourengendrer un faisceau électronique, étant caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe sous vide contenant un axe imaginaire qui définit la direction géné- 10 raie de propagation des électrons au sein dudit faisceau électronique, line série d'électrodes d'émission thermo-ionique disposées autour dudit axe imaginaire et à 1'intérieur de ladite enveloppe, un extracteur disposé le long de l'axe imaginaire de l'enveloppe et décalé axialement par rapport aux électrodes d'émission thermo-ionique, 15 des moyens pour produire un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe, ces moyens étant disposés axialement entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'extracteur et des moyens disposés dans l'enveloppe pour réfléchir des électrons par effet électrostatique et pour attirer les ions positifs présents dans l'enveloppe. 20 10 - Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de réflexion électrostatique d'électrons et d'attraction d'ions positifs comprennent un élément présentant une surface conductrice, l'axe imaginaire précité traversant cette surface et en ce que les électrodes d'émission thermo-ionique sont disposées axia- 25 lement entre ladite surface conductrice et l'extracteur. 11 - Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens destinés à produire un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe comprennent une série de bobines magnétiques disposées axialement entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'ex- 30 tracteur. 12 - Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que chacune des électrodes d'émission thermo-ionique comprend un filament s'étendant le long d'une ligne décalée par rapport à l'axe imaginaire et sensiblement parallèle à celui-ci. 35 13 - Appareil destiné à être utilisé pour engendrer un faisceau électronique, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe sous vide présentant un axe imaginaire qui définit la direction générale de propagation des électrons au sein du faisceau électronique, une 72 12594 9 2132845 série d'électrodes d'émission thermo-ionique disposées autour dudit axe imaginaire et à l'intérieur de ladite enveloppe, une anode pour recueillir des électrons émis par les électrodes d'émission thermoionique, ladite anode étant décalée axialement par rapport aux dites 5 électrodes et étant disposée sur ledit axe imaginaire, des moyens pour produire un champ magnétique à l'intérieur de l'enveloppe entre les électrodes d'émission thermo-ionique et l'anode et des moyens également disposés à l'intérieur de l'enveloppe pour réfléchir des électrons par effet électrostatique et pour attirer.les ions posi- 10 tifs présents dans ladite enveloppe. 14 - Appareil suivant la revendication 13 caractérisé en ce que les moyens de réflexion électrostatique d'électrons et d'-attrac-tion d'ions positifs comprennent un élément présentant une surface conductrice, l'axe imaginaire précité traversant cette surface, et 15 en ce que les électrodes d'émission thermo-ionique sont disposées axialement entre ladite surface conductrice et l'anode. : 15 - Appareil suivant la revendication 14, caractérisé en ce que chacune des électrodes d'émission thermo-ionique comprend un filament s'étendant le long d'une ligne décalée par rapport à l'axe 20 imaginaire et sensiblement parallèle à celui-ci.