Brevet FR2272484A1 — publié le 19751219

La présente invention a pour objet un tube électronique, ctest-à-dire un dispositif à vide ou contenant un gaz à faible pression dans lequel les électrons libres sont émis par une cathode et effectuent certaines fonctions utiles tout en étant finalement collectés par une anode. Dans les variétés thermoioniques de tubes électroniques, la cathode d'émission est chauffée de façon à fournir une énergie cinétique suffisante aux électrons de conduction pour leur permettre de quitter la cathode. Dans les tubes photo-émissifs, les électrons acquièrent une énergie de sortie par interaction avec des photons tombant sur la cathode. Il y a d'autres sortes de tubes électroniques dans lesquels les électrons sont soumis à un champ électrique fort ou à un bombardement ionique, mais la présente invention concerne essentiellement des tubes thermo-ioniques et photo-émissifs. Dans ces tubes, il y a fréquemment, en plus de la cathode émissive souhaitée, d'au tres surfaces qui sont à un potentiel électique tel que les électrons émis par ces surfaces soient extraits sous forme d'électrons libres. Ces électrons parasites peuvent nuire au fonctionnement du dispositif en dissipant de énergie ou en produisant des signaux qui interfèrent avec le signal désiré. Dans les tubes thermoioniques, les électrons parasites ont une mailvaise trajectoire dynamique qui les empêche d'avoir une interaction correcte avec les tensions des signaux. Dans les tubes photo-émissifs, le problème principal concerne les électrons provenant d'une émission de champ ou d'une émission thermo-ionique à la température ambiante qui viennent rencontrer les photo-électrons désirés. Les courants parasites apparaissent dans le tube électronique à image sous forme de taches provoquant une distorsion de l'image ou sous forme d'un fond uniforme réduisant son contraste.Dans les photocellules, les électrons parasites ajoutent un courant de bruit fluctuant au courant du signal, ce dernier ntétantplus alors proportionnel au flux de la lumière d'entree. Le problème des émissions parasites devient délicat quand des matériaux d'actívation sont introduits dans le but de diminuer la fonction de travail de la cathode. Des matériaux tels que le baryum sont largement utilisés dans les tubes thermo-ioniques. Dans les tubes photo-émissifs, le caesium est un matériau d'activation habituel. Ces matériaux d'activation ne restent pas confines à la surface de cathode désirée. Du fait de leur vola tilité, ils recouvrent beaucoup d'autres surfaces où ils diminuent alors les fonctions de travail et engendrent des émissions parasites. Dans les tubes électroniques thermo-ioniques, le problème de l'émission provenant des zones indésirables a été sensiblement résolu an rendant ces zones plus froides que la surface de cathode émettrice. Le procéda est efficace parce que l'émission thermoionique décroît exponentiellement avec la température. Il v a cependant certaines parties de certains tubes, par exemple les fils fins de grille, qui ne peuvent pas être refroidis suffisamment bien pour empêcher une émission. Suivant la température, un grand nombre de matériaux différents ont été utilises sur ces surfaces. Parmi ces matériaux se trouvent l'or, le titane, le carbone, le zirconium, le carbure de molybdène, le nitrure de titane et le platine. Les principaux matérieux d'activation des cathodes thermoioniques sont le baryum, le strontium, le calcium, le thorium et leurs oxydes. Certains des revêtements bloquant l'émission, par exemple l'or et le platine, travaillent probablement en dissolvant le baryum métallique et en l'éliminant de la surface. D'autres produits, tels que le titane et le zirconium métalliques actifs et les matériaux contenant du carbone, décomposent probablement chimienement les oxydes des métaux d'activation et éliminent les métaux eux-m8mes par évaporation ou solution.Tous les motaux ci-dessus mentionnés demandent une temz('rature élevée Les photocathodes opèrent généralement au voisinage de la température ambiante et elles sont activées par des matériaux plus volatils que celui des cathodes thermo-ioniques, par exemple par des métaux alcalins, ces matériaux aussi produisant des fonctions de travail plus basses. Dans les cathodes répondant à un rayonnement infra-rouge et visible, les meilleures cathodes connues à ce jour sont activées par du caesium, souvent associe à de l'oxygène. Le caesium est introduit sous forme de vapeur et forme une couche mono-atomique sur pratiquement toutes les parties de la structure du tube.Les parties métalliques ainsi recouvertes par du caesium ont une fonction de travail assez basse en sorte que de légères quantités d'émission therrzo-ionique se produisent, même à la température ambiante. Les dispositifs connus ne fournissent pas de moyens pratinues pour éliminer l'émission parasite dans les tubes contenant des métaux alcalins. Des moyens électro-optiques ont été essayés pour diriger les électrons parasites de façon à ce qu'ils ne se mélangent pas avec les photo-électrons constituant le signal désire. Par exemple, dans des tubes électroniques à image tels que les intensifieurs image pour de faibles niveaux de lumière, les électrons provenant d'une cathode éclairée par l'image optique d'entrée sont engendrés par une lentille électronique de façon à former une image électronique sur l'écran fluorescent de sortie. Les électrons provenant de sources situées à l'extérieur de la partie utile de la photocathode sont amenés par l'action d'une lentille de concentration en des points situés en dehors de l'écran de-vision. Dans des tubes tels que les photomultiplicateurs, par ailleurs, la photocathode ne donne pas d'image sur les électrodes de multi Plication , mais des champs de rassemblement sont appliqués de façon à amener tous les photo-électrons disponibles dans la structure de multiplication. Les électrons parasites provenant de l'extérieur de la photocathode sont souvent conduits au multi plicateur. Etant donné le très petit photocourant nécessaire pour commander les multiplicateurs, ces courants parasites peuvent diminuer sérieusement les performances du tube. Le seul remède satisfaisant précédemment connu-consiste à utiliser des structures optiques et électroniques complexes pour détourner le courant parasite. La présente invention se propose donc de fournir - un tube électronique dans lequel ltémision électronique est ou -ies bloque sur les életments autres que la/surfacesde cathode émissive désiréés - un tube électronique dans lequel des matériaux d'activation utilisés pour augmenter l'émission de la surface de la cathode n'activent pas les autres surfaces et créent une omission parasite provenant de ces autres surfaces quand l'émission initiale est indésirable ; - un procédé et une structure destinés à bloquer l'émission électronique sur certaines surfaces. Comme décrit ci-dessus en se référant aux dispositifs connus, l'émission d'électrons provenant de parties indésirables d'un tube à électrons peut avoir des effets néfastes. Dans le cas d'un tube photomultiplicateur en particulier, là Où, du fait du gain élevé, le signal total d'entrée peut etre seulement de l'ordre de quelques photo-électrons par secondez un faible courant d'émission thermo-ionique ayant sa trajectoire dans la section du multiplicateur peut représenter un bruit de fond qui étouffe le signal ou même qui sature le signal de sortie du tube. L'invention est applicable à de nombreuses sortes de dispositifs d'émission électronique, par exemple des tubes à émission thermo-ionique qui engendrent des ondes radio, des convertisseurs d'énergie thermo-ionique et des tubes à image lumineuse. Cependant, du fait de la forte sensibilité mentionnée ci-dessus des photomultiplicateurs, l'invention sera décrite en prenant un tel dispositif comme exemple.La plupart des photomultiplicateurs sont construits à l'intérieur d'une enveloppe à vide, bien que dans l'espace libre ces dispositifs puissent fonctionner dans le vide ambiant. La présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et au dessin annexé sur lequel la figure unique est une vueen coupedu tube photomultiplicateur selon l'invention. Ce tube comprend une enveloppe à vide il construite en grande partie en métal mais contenant une fenêtre 12 transparente au rayonnement électromagnétique tel que la lumière visible ou infra-rouge. Le rayonnement entrant par la fenêtre 12 tombe sur une cathode photo-émissive 13 montée sur un support 14 et connectée électriquement à l'enveloppe 11. Sur les côtés de la cathode 13 se trouvent des ailettes de concentration 15 qui fournissent une certaine direction générale aux photo-électrons émis parla cathode 13, en formant un faisceau illustré par la trajectoire 16 donnée à titre d'exemple. Les électrons sont dirigés vers une première dynode 17 opérant à un potentiel continu de quelques centaines de volts positifs par rapport àcelui de la cathode 13. Ces électrons frappent la paroi intérieure d'une ouverture creuse 18 de la dynode 17. Les électrons secondaires émis par la dynode 17 sont attirés par une deuxième dynode 19 fonctionnant à un potentiel plus positif que celui de la dynode 17. La dynode 19 comporte une grille métallique 20 constituée d'un tamis monté sur un anneau métallique 21 constitué par exemple par un alliage de fer, de nickel et de cobalt et, derrière la grille 20, un réseau de bandes métalliques 22 en forme de persiennes et constitué de cuivre au béryllium est monté sur un anneau métallique analogue 23. Les faces des bandes 22 et la première dynode 17 sont revêtues d'un matériau fournissant une grande quantité d'électrons secon daires, par exemple une couche mince d'oxyde de béryllium. Les électrons du faisceau 16 frappent les bandes 22 en engendrant un nombre croissant d'électrons secondaires. Ces électrons sont à leur tour accélérés vers les dynodes analogues successives 24, chacune ayant des potentiels successivement plus positifs, le courant dlélectrons libres étant multiplié dans chaque étage par le rapport des électrons secondaires et primaires. Finalement, le courant d'espace atteint une anode collectrice non perméable 24 où il est collecté et transporté sous forme d'un courant de conduction vers le circuit extérieur du tube où il est lu par un dispositif de mesure 25, sous forme d'un signal d'infor- mation proportionnel au flux de lumière dtentrée d'origine. L'isolement entre la cathode, les dynodes et le collecteur est fourni par des cylindres diélectriques 26 constitués par une céramique telle que de 1 'oxyde d'aluminium fixée entre des bagues métalliques 21, 23, etc L'assemblage étanche au vide du tube est complété en soudant des paires contigfles de bagues 21, 23, etc. autour de leur périphérie. La puissance électrique du tube est fournie par une alimentation continue 27 de quelques kiknoLbi Un diviseur de tension 28 comporte des prises successives 29 fournissant des potentiels aux dynodes 17, 20, 22, etc. et au collecteur 24. Dans le but de produire une forte émission de photo-électrons, la cathode 13 est activée de façon à réduire sa fonction de travail jusqu'à un ordre de 1 volt ou moins. Un procédé caractéristique pour effectuer cette opération consiste à chauffer et à vider le tube de façon à adsorber et absorber les gaz et à produire un vide -11 élevé de 10 11 Torr ou moins. Ensuite, du gaz oxygène pur est envoyé et forme une couche adsorbée,et l'oxygène restant est éliminé par pompage. Enfin de la vapeur de caesium est admise et forme- une couche extérieure de caesium adsorbé. Les vapeurs d'activation telles que l'oxygène et le caesium tendent à-revetir toutes les surfaces du tube en plus de la photocathode elle-même. Pour la plupart des métaux, par exemple, le nickel, le cuivre, l'alliage fer-nickel-cobalt, ou l'acier inoxydable austénitique, qui sont communément utilisés dans la construction des tubes, la fonction. de travail résultante est si faible que certaines émissions thermo-ioniques des électrons se produisent à la température ambiante. Dans le photomultiplica- teur de la Fig. 1 par exemple, les électrons émis à partir des points tels que 30 sur l'enveloppe sont conduits par l'anode d'accélération sur une trajectoire 31 de façon à les mélanger avec les photo-électrons de signaux provenant de la cathode 13. Selon la présente invention, on a trouvé qu'une surface d'oxyde de béryllium n'absorbe pas le caesiUia de la vapeur et donc n'ac- quiért pas une fonction de travail suffisamment faible pour permettre une émission thermo-ionique à la température ambiante. En accord avec l'invention, les parties du tube à partir desquelles l'émission est indésirable sont constituées d'oxyde de béryllium ou recouvertes d'oxyde de béryllium. Dans le multiplicateur représenté sur la figure par exemple, les parties revêtues comprennent l'enveloppe il entourant l'émetteur 13 et les ailettes de concentration 15.L'efficacité de l'invention est attestée par le courant "noir" du tube, c'est-à-dire le courant de sortie en l'absence de lumière d'entrée. Avec les parties revêtues selon l'invention, le courant est égal à 10 7 ampères tandis que les tubes non rev8tus connus ont des courants noirs compris entre 10-6 et 10 5 ampères. Un moyen pratique de produire cette surface d'oxyde de béryllium consiste à constituer les parties métalliques ci-dessus indiquées en un alliage de cuivre avec 2 ou 3 % de béryllium métallique. Ces parties sont chauffées à 6000C dans le vide, puis dans des atmosphères d'oxygène et de vapeur d'eau. Une partie du béryllium se diffuse à la surface où elle réagit avec l'oxygène ou l'eau pour produire une couche de surface solide d'oxyde de béryllium qui ne peut pas se rediffuser dans la plaque métallique. Le procédé dcrit a été donné à titre d'exemple seulement et beaucoup d'autres procédés permettent de produire une surface d'oxyde de béryllium, par exemple 12 peinture ou le dép8t de béryllium métallique en poudre ou d'oxyde de béryllium en poudre ou le dépôt de béryllium métallique sous vide par évaporation ou pulvérisation suivi d'une phase d'oxydation; REVENDICATIONS 1 - Appareil à décharge électronique comprenant une série d'électrodes disposées de façon à avoir une interaction avec des électrons libres, une première surface émissive de l'une de ces électrodes émettant des électrons libres et une deuxième surface de l'une de ces électrodes n'effectuant pas une telle émission, cet appareil étant caractérisé en ce que ladite deuxième surface est constituée principalement d'oxyde de béryllium. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce-que ladite deuxième surface est portée à un certain potentiel par rapport auxdites électrodes, en sorte que les électrons émis par la deuxième surface de l'électrode en question peuvent se diriger vers une autre électrode. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il renferme une enveloppe contenant une atmosphère raréfiée entourant ladite surface émissive, cette enveloppe comprenant des pièces conductrices et au moins une pièce diélectrique. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une desdites électrodes comporte au moins une partie d'au moins une desdites pièces conductrices. 5 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit potentiel est environ le potentiel de ladite surface émissive. 6 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface émissive et ladité deuxième surface sont des zones de la même électrode. 7 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface émissive contient au moins un des éléments du groupe eomprenant le baryum, le strontium, le calcium, le caesium, le sodium, le potassium et le thorium. 8 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de béryllium est formé à la surface de ladite électrode en chauffant un alliage contenant du béryllium métallique dans une atmosphère contenant de l'oxygène. 9 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de béryllium est fixé dans ladite électrode sous--forme de grains finement divisés. 10 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que oxyde de béryllium a la forme d'un corps solide constitué principalement d'oxyde de béryllium. 11 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de béryllium est formé en oxydant une couche de béryllium métallique.