Brevet FR2140236A1 — publié le 19730112

La présente invention concerne les électrodes émissives d'électrons en forme de grain fondu et un procédé de fabrication de ce type d'électrodes et,plus particulièrement,les électrodes en grain fondu ayant une structure d'une seule pièce. Les électrodes émissives d'électrons sont utilisées dans les lampes fluorescentes pour engendrer des électrons libres, ce qui permet un écoulement de courant dans le tube fluorescent, et peuvent en conséquence être appelées cathodes. Les cathodes comportent normalement un ou plusieurs métaux alcalino-terreux et leurs composés, car ces matériaux ont des fonctions de travail relativement basses et,en conséquence,ils sont capables d'engendrer des électrons libres sans nécessiter la dépense ou la consommation de grandes quantités d'énergie.La formation d'électrons libres par le matériau émissif alcalino-terreux consomme naturel liment l'électrode et quand le matériau de ltélectrode est épuisé au point où il ne peut plus engendrer suffisamment d'électrons pour le fonctionnement de la lampe en appliquant à celle-ci des tensions standard pour lampes fluorescentes, la lampe devient défectueuse et doit être mise au rebus. I1 est,en conséquence,clair qu'il est avantageux de réaliser des électrodes émissives comportant la plus grande quantité possible de matériau émissif.Les électrodes actuellement utilisées dans ce domaine font habituellement partie de l'un des deux types qui,pour fonctionner,doivent être chauffés jusqu'à ce que l'on appelle la "température d'émis- sion thermoionique" c'est-à-dire la température à laquelle ils émettent des électrons. La première de ces cathodes est chauffée à sa température d'mission par un filament chauffé et est,en conséquence,appelée, dans la suite de la présente description, cathode "chaude" tandis que l'autre type de cathode est chauffe à sa température d'émission par bombardement ionique et est,en eonséquence,appelé, dans la suite de la présente description, cathode "froide".La cathode chaude qui est du type conunement utilisé, par exemple dans les lampes fluorescentes à 40 watts du type à "démarrage rapide" ainsi que dans les lampes du type "HO" et NYLON qui sont disponibles à différentes valeurs de nattage, est la première considérée ici, et va ttre explicitée brièvement. Les cathodes chaudes d'un type bien connu dans la technique sont normalement fabriques à partir d'une hélice de fil de tungstène peinte ou enduite, éventuellement par immersion, au moyen d'un carbonate triple coprécipité comprenant couramment du carbonate de strontium, du carbonate de calcium et du carbonate de baryum. On active ensuite cette cathode,pour augmenter ses propriétés émissives d'lectrons,par des méthodes bien connues de l'homme de l'art, puis on l'utilise comme électrode émissive dans une lampe fluorescente. Ce type de cathode est appele cathode chaude car elle fonctionne, en mode d'émission thermoionique, par application directe de la chaleur au corps de la cathode.L'énergie électrique de de l'ordre de 3,6 volts est fournie,par un circuit externe associé à la lampe, au bobinage à faible résistance du fil de tungstène et, plus précisement le bal last de la lampe, ce bobinage ayant une résistance d'environ 9 ohms. La tension appliquée chauffe l'hélice de tungstène et I'hélice chauffée chauffe directement le matériau de la cathode jusqu'à une température suffisante pour déclencher i'émission des électrons. On a trouvé que la cathode chaude, bien que largement utilisée, était limitée k s sa durée de vie de 10 000 à 20 000 heures, cette durée dépendant principalement de la puissance de la lampe.Cette durée de vie limitée tient au fait qu'on ne peut enduirelthélice de tungstène que d'une quantité limitée de matériau alcalino-terreux,émetteur d'électrons, cette quantité étant en relation directe avec la durée de vie. Dans ltétat actuel de la technologie, on ne peut placer que six à sept milligrammes de matériau émissif sur un filament de tungstène utilisé, par exemple, dans la famille des lampes à démarrage rapide mentionnées ci-dessus.Bien qu'on ait fait de nombreuses tentatives pour placer une plus grande quantité de matériau émissif sur le filament de ltélectrode pour allonger la durée de vie de la lampe, on n'a rencontré que des échecs car le ma tériau supplémentaire enduit par peinture ou immersion se détache en feuille, principalement pour les raisons suivantes. Le matériau émissif qui comprend,coine on l'a dit, des carbonates d'alcalino-terreux, adhère au substrat de l' hélice au moyen d'un liant adhésif temporaire tel que le nitrate de cellulose. Ce liant est éliminé par décomposition thermique et la cathode est ensuite chauffée à une température suffisamment élevée pour décomposer les carbonates en leurs oxydes respectifs, ce qui constitue ce qu'on a appelé plus haut le processus d'activation. La seule force de liaison restante après ltélimination du nitrate de cellulose et l'activation de la cathode est due à un léger frittage des particules d'oxydes qui enferment la cathode obtenue pendant le processus d'activation. Si la masse de matériau émissif enduit sur le filament augmente, les forces de liaison deviennent insuffisantes pour maintenir les particules entre elles et contre le filament car la cathode est soumise à des chocs et des vibrations pendant la'fabrication et au cours de l'utilisation. En conséquence Ja présente invention a essentiellement pour objet de proposer une cathode chaude ayant une durée de vie sensiblement plus longue que celle des cathodes chaudes actuellement connues. La présente-invention a encore pour objet de proposer une cathode mettant en oeuvre sensiblement Plus de matériau émissif que les cathodes chaudes actuellement connues dans ce domaine de la technique. L'invention a encore pour objet de proposer une cathode de ce genre qui ne nécessite pas de filament de chauffage bobiné et dans laquelle le courant de chauffage de la cathode s'coule dans le corps de la cathode. La présente invention a encore pour objet de proposer un procédé de fabrication d'une cathode de ce genre. Selon l'invention, il est proposé une électrode émissive d'électronsscarecté- risée en ce qu'elle comporte - un corps fondu contenant un mélange fondu d'un matériau émissif d'électrons et d'un métal - un premier fil conducteur noyé dans le corps et en sortant - un second fil conducteur noyé dans le corps et en sortant, les premier et second fils étant séparés l'un de l'autre le corps ayant une structure à gradient de densité en masse dans lequel la portion intérieure présente une densité de masse élevée par rapport à sa portion ex intérieure ; le courant prévu pour le chauffage de ltélectrode traverse le corps en séparant les premier et second fils conducteurs. Selon une autre caractéristique de la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une électrode émissive d'électrons,caractérisé en ce qutil comporte les opérations suivantes - on place un mélange de poudre comprenant une poudre métallique et une poudre de matériau émissif d'électrons dans un moule - on insère les premier et second fils conducteurs dans le moule, les conducteurs étant séparés l'un de l'autre par le mélange de poudre et étant partiellement distants ; - on chauffe le mélange de poudre à une température supérieure au point de fusion du matériau émissif jusqu'à ce qu' une réaction exothermique commence, la réaction continuant jusqu'à auto-extinction, à la suite de quoi un corps fondu ayant une structure à gradient de densité en masse est forme. Selon une autre caractéristique de la présente invention, ltélectrode émissive fondue réalisée selon le procédé ci-dessus est relativement stable dans l'air,c'est-a-dire qu'elle peut etre exposée à de l'air raisonnablement sec, ce qui signifie de l'air contenant moins de 1% d'humidité pendant au moins une heure après activation, pour être ainsi disponible pour un processus d'activation par paquets. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'a titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 illustre un moule utilisé pour fabriquer l'électrode selon l'invention. La figure 2 illustre un exemple de réalisation d'une électrode émissive d'une seule pièce. La figure 3 est une vue en coupe de ltélectrode selon l'invention. Un exemple du procédé et de l'appareil utilisé pour la fabrication d'une électrode émissive d'une seule pièce est maintenant décrit. Pour la fabrication de la présente électrode, on prépare un mélange en poudre d'un métal ayant un point de fusion élevé, supérieur à 1400 et une faible tension de vapeur, comme par exemple un métal réfractaire ou bien un métal à élément de transition appelé également ci-après métal de transition, et d' une source de matériau émissif d'électrons. Dans l'exemple considéré ci-dessous, quelques grammes de tantale en poudre, qui est un métal réfractaire, approximativement pur à 99,8%, sont mélangés avec de la poudre de peroxyde de baryum de qualité réactive, le mélange se faisant dans les proportions en poids de 67% de tantale pour 33% de peroxyde.On peut naturellement utiliser des poudres d'autres métaux réfractaires, tels que le tungstène, le molybdène, le thorium, le titane, le zirconium ou des me langes de ces mentaux à la place du tantale et, de même, on peut utiliser à la place du peroxyde de baryum d'autres matériaux émissifs comme ,par exemple,des compositions de métaux alcalino-terreux tels que des oxydes, des peroxydes et des nitrates de baryum, des oxydes, des peroxydes et des nitrates de baryum en combinaison avec un oxyde de calcium, un oxyde de strontium et du bioxyde de zirconium, ou des composés de mentaux alcalins, tels que des composés de lithium, de césium, de sodium et de potassium.On ajoute généralement des mélanges de composés de calcium, de strontium et de zirconium aux composés de baryum pour retarder l'émission des électrons de l'électrode terminée forme d'une seule pièce. Cependant, il faut noter également que l'augmentation en quantité des composés de calcium, de strontium et de zirconium tend à élever la fonction de travail de sortie de l'électrode fondue résultante. il faut noter ici que pour former ltélectrode fondue considérée, il est nécessaire de contrôler la vitesse de la réaction exothermique qui est utilisée pour former l'électrode. Ladite réaction sera explicitée en détail dans la suite du texte car,si la vitesse de la réaction est trop grande,la région de surface est trop dense, ce qui entrave l'émission des électrons. Si,d'autre part, la vitesse de la réaction est trop lente, le gradient de densité de ltélectrode résultante est trop petit et la structure de l'électrode tend vers lthomogénéité. Une structure homogène de ce genre entraîne une cathode moins efficace que celle obtenue autrement. il faut aussi noter tout de suite que, bien qu'on puisse utiliser d'autres poudres de métaux réfractaires tels que le thorium et le titane pour fabriquer ltélectrode fondue considérée, ces poudres ont un plus grand effet exothermique que, par exemple, le tantale. Alors, bien qu'on puisse aussi utiliser comme matériau émissif du peroxyde de baryum, il peut etre avantageux d'utiliser une plus grande quantité en poids de poudre de zirconium et une quantité plus faible de peroxyde de baryum ou d'un autre matériau alcalino-terreux ou alcalin que si l'on prend pour matériau réfractaire du tantale.On obtient aussi une vitesse de réaction satisfaisante, en utilisant la même quantité en poids de poudre de zirconium que de poudre de tantale, si l'on utilise l'oxyde moins réactif du baryum ou d'un autre alcalino-terreux à le place du peroxyde plus réactif du même alcalino-terreux. De la même façon, on a trouvé que les mentaux de transition tels que le nickel et le fer qui ont un pouvoir exothermique plus faible que celui du tantale, peuvent également être utilisés pour former une cathode froide. Dans ce dernier cas, on peut utiliser soit une plus grande quantité de peroxyde de baryum ou d'un autre alcalino-terreux qu'avec du tantale, ou bien un corps plus actif que le peroxyde comme, par exemple, le nitrate de baryum à rapport de poids constant. En genéral, bien qu'on ait indiqué plus particulièrement des proportions en poids de 67% pour le métal réfractaire et de 33% pour le composé alcalino-terreux, l'expérience a montré que des proportions allant de zou à 80J pour la poudre de métal réfractaire et de 50% à 20% pour le composé alcalino-terreux convenaient bien pour des vitesses de réaction acceptables et, donc, des électrodes fondues terminées satisfaisantes. Si l'on revient à la fabrication, le me lange indiqué ci-dessus est préparé en écrasant deux parties, en poids, de poudre de tantale pour une partie de peroxyde de baryum au moyen de galets de silice dans un mortier de porcelaine classique, pendant une heure par exemple. En se réfdrsnt maintenant à la figure 1, on a représenté un moule coupé 1 ayant des sections 2 et 3 comportant respectivement des creusets 4 et 5. Le moule 1 présente une cavité 6 constituée par les creusets 4 et 5, la cavité ayant approximativement 3mm de diamètre et 16mm de hauteur.Des trous 7 et 8 s'retendent entre les portions d'extrémité de la cavité 6 et les surfaces du dessous et du dessus du moule, respectivement, les trous ayant chacun approximativement 0,6mm de diamètre. Le moule 1 est rkalisé avec un matériau conducteur auquel ltélectrode émissive d'électrons fondue en une seule pièce qui doit etre réalisée, n'adhère pas et il est fabriqué dans l'exemple considéré en graphite. Le mélange de poudre 9 comprenant approximativement 150 mg de matériau émissif et de métal, constitue ici par du peroxyde de baryum et du tantale, est place dans le creuset 5 de la cavité 6.Lorsque le mélange 9 est placé dans le creuset 5, une pression comprise entre 0,14 et 1,4 kg/cm y est appliquée,par exemple par un noyau en acier chargé, pour compacter le mélange. il est possible de réaliser le même objet sans appliquer de pression en humidifiant légèrement le mélange en poudre avec une petite quantité d'acétone par exemple, cette humidification provoquant le compactage du mélange. Dans le cas od de l'acétone est utilisé pour réaliser le compactage souhaité, l'acétone est évaporé du mélange par exposition à l'air à la température ambiante avant la réaction exothermique qui est explicitée ci-après. Les fils métalliques 10 et 11 ,qui doivent servir de fils conducteurs d'électrode et qui peuvent etre réalisés en un matériau conducteur approprié tel que le nickel, le tantale, le fer et leurs alliages, sont placés ,respectivement ,dans les trous 7 et 8. Le diamètre des conducteurs 10 et 11 est approximativement de 0,5 mm et la longueur de chacun est de 13 mm environ. Chaque fil est placé de manière à pénétrer approximativement de 6 mm dans la cavité 6 et les extrémités adjacentes des fils sont en conséquence approximativement à 3 mm de distance. Le mélange 9 peut maintenant être chauffé pour déclencher la réaction exothermique souhaitée entre le tantale et le peroxyde de baryum. La chaleur nécessaire pour commencer la réaction exothermique peut être fournie de plusieurs manières, par exemple par un four silencieux. Elle peut également être fournie par la structure illustrée ici qui comporte une bobine de travail 12 à fréquence radio entourant le moule 1, la bobine 12 étant connectée à une source d'énergie électrique 13 par les conducteurs 14. Pour commencer la réaction exothermique,il est nécessaire de chauffer le mélange 9 à une température comprise entre 7000 et 10000, cette température étant supérieure à la température de fusion de la poudre de peroxyde de baryum et à la température à laquelle la réaction exothermique commence dans le moule.Pour fournir la chaleur nécessaire, on doit tenir compte de l'impédance du moule et du matériau qui doit être chauffé, et la source d'énergie électrique 13 est choisie pour fonctionner à une fréquence de 450 KHz et pour délivrer un courant d'environ 165 mA. La source 13 reste excitée jusqu'à ce que la réaction exothermique commence, ladite réaction pouvant être observée,si une fenêtre d'inspection est prévue dans le moule 1, comme un éclair de lumière. La réaction exothermique qui se produit provoque l'explosion du matériau 9 dans le creuset 5, en remplissant le creuset 4 et en encastrant les fils 10 et 11 dans le corps de l'électrode fondue qui est maintenant formée. Les gaz expulsés du mélange de poudre 9 par la réaction exothermique sont ventilés à travers les trous 7 et 8 qui, comme cela est représenté, traversent le moule 1 et qui ne sont pas complètement fermés par les fils 10 et 11 respectivement, étant donné que le diamètre des fils est de 0,5 mm tandis que le diamètre des trous est de 0,6 mm. Une fois que la réaction exothermique commence, la source 13 peut être désexcitée étant donné que la réaction exothermique continue jusqu'à auto-extinction, la durée de la réaction étant déterminée par la quantité de mélange présent dans le moule 1. Lorsque la réaction exothermique est terminée et que l'électrode émissive formée en une seule pièce a été refroidie, elle est disponible pour un traitement standard et une utilisation dans une lampe fluorescente du type ayant un circuit associé pour engendrer une tension sur le filament de chauffage. En se référant maintenant à la figure 2, on a représenté l'électrode terminée en une seule pièce qui présente une structure à gradient de densité en masse. L'électrode ou la cathode 15 est de forme cylindrique et présente un diamètre d'environ 3 mm pour une longueur d'environ 16 mm. Les fils 10 et 11 qui sont, comme indiqué précédemment, constitués par un métal conducteur, sont encastrés dans les extrémités de la cathode 15 ,comme cela est représenté ,et s'étendent chacun à l'extérieur de la cathode sur une distance d'environ 6 mm. Comme indiqué précédemment, la cathode 15 a une structure à gradient de densité en masse, ce qui signifie que dans la région périphérique 16, l'électrode comprend-des particules de dimensions comprises entre 25 et 50 microns et 80Z de vide tandis que la portion intérieure 17 de l'électrode fondue 15 comporte des particules dont les dimensions sont de l'ordre du centième de micron avec 10% de vide. En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté en coupe transversale une cathode 15 ,illustrant encore la structure à gradient de densité en masse de la cathode sur laquelle il peut être plus facilement vu que la cathode est moins dense, c'est-à-dire moins poreuse,dans la région périphérique 16 que dans la région intérieure 17. De plus, on voit que la cathode 15 présente un vide central 18 dû à l'expulsion du matériau émissif et du métal, c'est-à-dire ici du peroxyde de baryum et du tantale, provoquée par la réaction exothermique mentionnée i-dessus. La structure à gradient de densité de la cathode 15 facilite le déplacement des électrons à travers le matériau de la cathode vers sa surface, ce facteur aidant à diminuer la tension d'amorçage de la lampe fluorescente dans laquelle la cathode est utilisée. La tension d'amorçage de la cathode considérée a été déterminée expérimentalement comme étant approximativement 195 volts, celle-ci étant approximativement la même que celle nécessaire pour des cathodes chaudes, standard, du type communément utilisé, par exemple dans des lampes fluorescentes à 40 watts du type à "démarrage rapide" qui, comme indiqué ci-dessus, comportent une couche de carbonate alcalino-terreux sur un filament de tungstène bobiné. De plus, la cathode 15 contient approximativement 150 mg de matériau dont approximativement 50 mg sont constitués par des matériaux émissifs d'électrons, c'est-a-dire ici des composés alcalino-terreux. En comparant cette quantité de matériau émissif aux 6 à 7 mg approximativement de matériau émissif que comportent les cathodes chaudes chauffées par filament classique mentionnées ci-dessus, on voit que la cathode émissive fondue d'une seule pièce considérée ici présente une durée de vie beaucoup plus longue que la durée de vie dont jouit la cathode à bobine classique. Corne indiqué précédemment, les cathodes chaudes de type connu dans la technique sont chauffées à leur température d'émission thermoionique par la connexion d'une tension de filament chauffe d'environ 3,6 volts à travers le filament de tungstène bobiné recouvert par les carbonates triplés coprécipités mentionnés ci-dessus. La résistance du filament de tungstène bobiné, dépend naturellement de sa configuration particulière et de sa longueur et est normalement d'environ 90 ohms. L'électrode considérée n'utilise toutefois pas un tel filaient de chauffage.On a découvert que l'impédance à travers l'électrode complète considérée est approximativement de 6 ohms et ainsi la tension standard mentionnée ci-dessus de 3, 6 volts peut être appliquée aux fils 10 et 11 et la cathode 15 sera chauffée à une température suffisante pour déclencher l'émission électronique par le courant traversant l'électrode elle-meme, le courant traversant toutes ses parties. La cathode 15 fonctionne de la même manière que les cathodes chaudes mentionnées ci-dessus,connues dans la technique,et on peut l'appeler "auto-chauffante" étant donné qu'elle n'utilise pas de filament de chauffage. On voit ainsi qu'on a réalisé une cathode émissive,fondue en une seule pièce, appropriée pour être utilisée dans des lampes fluorescentes, qui est supérieure aux cathodes chaudes actuellement connues. il est bon de noter ici que la structure de cathode considérée a été reconnue comme étant relativement stable à l'air après son activation, c'est-à-dire qu'elle reste activée pendant une période d'au moins une heure quand elle est maintenue, après l'activation, dans de l'air raisonnablement sec, ce qui signifie de l'air contenant moins de 14 d'humidité. Ainsi, la cathode décrite ici,bien qu'étant largement améliorée par rapport aux cathodes chaudes connues pour la raison indiqué précédemment, est, de plus, appropriée pour un traitement par paquets, ce qui donne ainsi un avantage supplémentaire intéressant. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Electrode émissive d'électrons caractérisée en ce qu'elle comporte - un corps fondu contenant un mélange fondu d'un matériau émissif d'électrons et d'un métal - un premier fil conducteur noyé dans le corps et en sortant ; - un second fil conducteur noyé dans le corps et en sortant - les premier et second fils étant séparés l'un de l'autre le corps ayant une structure à gradient de densité en masse à la suite de quoi sa partie intérieure présente une densité de masse élevée par rapport à sa partie extérieure ; le courant prévu pour le chauffage de l'électrode traverse le corps séparant les premier et second fils conducteurs. 2. Electrode émissive d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que - le corps est de forme cylindrique ; - les conducteurs sortent aux extrémités opposées du cylindre. 3. Electrode émissive d'électrons selon la révendication 1, caractérisée en ce que le métal est constitué par un métal réfractaire ou un métal de transition. 4. Electrode émissive d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau émissif d'électrons comporte un composé alcalino-terreux ou un composé alcalin. 5. Electrode émissive d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps fondu provient d'une réaction exothermique dans un mélange de poudres comprenant une poudre du métal et une poudre du matériau émissif d'électrons. 6. Electrode émissive d'électrons selon la revendication 5, caractérisée en ce que la poudre métallique est constituée par de la poudre de tantale et le matériau émissif d'électrons est constitué par de la poudre de peroxyde de baryum, la poudre de tantale et la poudre de peroxyde de baryum étant respectivement dans les proportions en poids de 60 à 702 et de 30 à 40%. 7. Procédé de fabrication d'une électrode émissive selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes - on place un mélange de poudre comprenant un métal et une poudre de matériau émissif d'électrons dans un moule - on insère des premier et second fils conducteurs dans le moule, les conducteurs étant séparés l'un de l'autre par le mélange de poudre et étant distants partiellement ; - on chauffe le mélange de poudre à une température supérieure au point de fusion du mélange émissif jusqu'à ce qu'une réaction exothermique commence, la réaction continuant jusqu'a auto-extinction, à la suite de quoi un corps fondu ayant une structure à gradient de densité en masse est formé. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mélange de poudre est placé dans une cavité dans le moule. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une opération de compactage du mélange de poudre dans la cavité,de telle sorte que la cavité est à moitié remplie. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la réaction exothermique formant le mélange fondu fait exploser ce mélange afin de remplir la cavité