Brevet FR2373866A1 — publié le 19780707

L'invention concerne une cathode thermo-electronique à chauS- fage indirect, et son application à un tube électronique, et notamment des perfectionnements à l'isolement filament-cathode des cathodes thermo-electroniques des tubes électroniques à chauffage indirect. De telles cathodes comportent généralement un bottier portant une couche émissive, et contenant le conducteur ou filament destiné à porter ce bottier, et par conséquent cette couche, à la température requise pour obtenir le débit d'électrons desiré. L'isolement entre filament et bottier est généralement réalisé en intercalant entre les deux une matière isolante, soit que celle- ci soit déposée contre la surface interne du bottier, soit qu'elle enrobc directement le filament, soit enfin qu'elle remplisse tout l'espace compris entre filament et boitier. Ces trois modes de réalisation sont représentés sur les figures 1, 2, 3 et 4 qui sont des coupes de cathode et la vue d'un élément de filament. Sur ces figures on voit en 1 le boiter, en 2 le conducteur, ou filament, et en 3 la couche émissive. Dans le mode illustré figure 1 les isolateurs sont des plaquettes 4, planes ou cyl:iiidriques, qui poussent 1 forme des faces internes du boiter contre lesquelles elles sont appliquées. Cette forme de réalisation présente l'inconvénient d'être onéreuse car l'usinage des isolateurs en céramique est d'un prix de revient élevé en raison des formes à obtenir et de la fragilité de la matière. De plus la transmission de la chaleur entre filament et boîtier s'effectue uni quement par rayonnement, et l'inertie thermique est plus grande que dans la solution suivante. Dans celle-ci, -illustrée figures 2 et 3, le filament 2 est directement enrobé dans une couche isolante 5. Cet enrobage isolant s'effectue aisément en mettant en suspension dans un liquide le produit isolant utilisé, sous forme de poudre, afin d'obtenir une sorte de peinture qui est alors enduite en épaisseur réguliere sur le conducteur. te chauffage du conducteur ainsi enduit, dans un four à atmosphère non oxydante, fritte les grains de la poudre entre eux en formant une gaine isolante dure. Ces opérations sont moins onéreuses que celles qui sont nécessaires pour obtenir les isolateurs en céramique de la solution précédente. De plus l'inertie thermique étant moins grande, la mise en température de cette dernière réalisation est plus rapide. Malheureusement ltenrobage présente le défaut grave de se fissurer et de se détacher du conducteur qui le porte. La figure 5 illustre quelques formes prises souvent par les fissures. On voit en 2 le filament, en 5 l'enrobage constituant l'isolant et en 6 et 7 des fissures longitudinales et transversales. Celles-ci apparaissent au bout d'un temps plus ou moins long, dépendant de la température de fonctionnement, de la forme et des dimensions du filament, ainsi que du nombre de cycles de chauffes et de refroidissements subis. De plus les bords des fissures se recouvrent de dépits partiellement conducteurs de l'électricité, évaporés depuis le conducteur sousjacent, ce qui diminue considérablement l'isolement et la tenue. aux claquages de l'isolant.Enfin si le diamètre du filament dépasse quelques dixièmes de millimètre, les fissures s'amplifient jusqu'à former des écailles 8 qui se détachent, en laissant la possibilité de court-circuit entre filament et boîtier, et en risquant de provoquer des pannes graves par leurs déplacements dans le tube. On voit que cette solution est moins onéreuse et permet une mise en température plus rapide que la précédente, mais qu'elle présente une grande fragilité. Dans la solution illustrée figure 4, l'espace compris entre filament et boîtier est entièrement rempli par un matériau 9 isolant. Le filament est ainsi fixé en position, lui permettant de mieux résister aux chocs et vibrations, de plus le transfert de chaleur, se faisant par conduction vers le boîtier, est ici facilité. Mais là encore, la température élevée, et surtout ses variations nombreuses, provoque dans le matériau 9 des fissures qui ont pour effet de diminuer considérablement la transmission de la chaleur entre filament et boîtier, et de former, comme dans la réalisation précédente, des écailles vagabondes Un objet de l'invention est une cathode thermo-électronique à chauffage indirect, qui ne présente pas ces inconvénients Pour y parvenir, on donne à la matière isolante un coefficient de dilatation aussi rapproché que possible de celui du conducteur. Ceci peut s'obtenir en ajoutant à la poudre utilisée habituellement pour l'enrobage une autre poudre réfractaire et bon isolant électrique, mais donnant au produit de frittage un coeff cient de dilatation thermique tel qu'il rapproche le coefficient de dilatation du produit de frittage du mélange des deux poudres du coefficient de dilatation du filament. La cathode -shermo-électronique selon l'invention est composée d'un boîtier en matériau réfractaire portant une couche émissive, et contenant un conducteur de chauffage enrobé dans une matière isolante constituée par le produit de frittage d'un mélange d'au moins deux constituants isolants frittables, le coef- ficient de dilatation du produit de frittage d'au moins un constituant étant supérieur au coefficient de dilatation du conducteur, et le coefficient de dilatation du produit de frittage d'au moins un autre constituant, étant inférieur au coefficient de dilatation du conducteur. D'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description donnée ci-après de réalisations particulières. Les figures représentent - la figure 1, la coupe d'une cathode du type où le filament est isolé du boîtier par un revtement isolant recouvrant la surface interne du boîtier ; - la figure 2, la coupe d'une cathode du type où le revêtement isolant entoure le filament - la figure 3, une portion agrandie du filament de la figure précédente ; - la figure 4, la coupe d'une cathode du type où l'isolant remplit l'espace entre filament et boîtier, et - la figure 5, le schéma d'un tube électronique à chauffage indirect, ici un magnétron, équipé d'une cathode selon le type de la figure 2. Les figures 1 à 4 ont été explicitées plus haut. Les cathodes selon l'invention sont conformes aux modèles décrits aux figures 2 et 4, c'est-à-dire que le filament 2 est enrobé dans une substance isolante frittée 5, cette dernière pouvant remplir l'espace entre filament et boîtier, comme il est indiqué figure 4. Après de nombreuses expérimentations, on a constaté qu'en mélangeant deux substances frittables on obtenait un produit fritté dont le coefficient de dilatation se rapprochait de la moyenne des coefficients de dilatation des deux produits obtenus par le frittage de chaque constituant du mélange. Le conducteur en tungstène a un coefficient de dilatation voisin de 4,6 x 10-6/o C. L'isolant, selon l'art antérieur, étant constitué par le produit du frittage de l'un quelconque ou d'un mélange de matériaux isolants réfractaires tels que l'alumine, la glucine ou la magnésie. Le coefficient de dilatation de ce produit fritté est nettement supérieur à celui du conducteur, par exemple pour l'alumine dont le coefficient de dilatation est 8,6 x 10 6/g C. L'enrobage s'effectue en trempant le conducteur dans un liquide portant en suspension une poudre des matériaux ci-dessus, et en chauffant le conducteur ainsi enduit dans un four à atmosphère non oxydante. Zes grains de poudre sont ainsi frittés et forment une gaine isolante dure. Selon l'invention, pour diminuer le coefficient de dilatation du produit fritté, on ajoute au liquide contenant la poudre des matériaux isolants en suspension, une poudre d'un matériau dont le produit fritté possède un coefficient de dilatation plus faible. Plusieurs matériaux peuvent convenir (silice, nitrure de silicium), mais, selon une réalisation préférée, on utilise du pentoxyde de tantale (Ta205) dont le coefficient de dilatation de la poudre -6 frittée est de 1,8 x 10 /o C seulement. Pour obtenir un coefficient de dilatation bien adapté à celui du tungstène, il faut ajouter 58 % en poids de poudre de pentoxyde de tantale à la poudre d'alumine. Dans le cas ou on utiliserait un conducteur en molybdène, la proportion de poudre de Ta205 serait de 43 ffi seulement. Il faut noter que l'adjonction de Ga205 abaisse la rigidl-é diélectrique de l'enrobage par rapport à l'alumine pure ; par exemple, une adjonction de 40 % de a205 diminue de 20 ffi environ la rigidité diélectrique de l'alumine. Cet inconvénient est toutefois de peu d'importance pour les deux raisons suivantes. D'abord l'expérience montre Que pour supprimer la formation des fissures, il n'est pas nécessaire d'obtenir pour l'isolant un coefficient de dilatation rigoureu ment égal à celui du matériau constituant le conducteur. C'est ainsi que pour un conducteur constitué par un fil de tungstène de 0,5 millimètre de diamètre on a obtenu un isolant fritté, où la formation de fissures est supprimée, en ajoutant dans le liquide de trempage 20 % seulement de poudre de Ta205 à la poudre d'alumine, au lieu des 58 , qui seraient nécessaires pour réaliser l'égalité des coefficients de dilatation isolant-tungstène.Ensuite, cette diminution de la rigidité diélectrique est de toute façon inférieure à celle qui existe après quelque temps d'usage, dans les cathodes selon l'art antérieur, où les fissures se recouvrent de dépôts conducteurs. La cathode selon l'invention présente une nette supériorité sur celle de l'art antérieur car si la rigidité diélectrique initiale est un peu inférieure à celle obtenue lorsque l'on utilise de l'alumine pure, la dégradation rapide de cette dernière donne au mélange Ea205 - Al203 une supériorité considérable en évitant la formation de fissures dans l'isolant enrobant le conducteur. En outre, le risque de court-circuit franc filament-cathode, par extension des fisures jusqu'à provoquer des écaillages, est supprimé. Une autre forme de réalisation d'une cathode à chauffage indirect est celle de la figure 4 déjà décrite. le conducteur est en tungstène ou en- molybdène, le boîtier est en molybdène, dont le coefficient de dilatation est nettement supérieur à celui de l'alu- mine. En introduisant dans le boîtier, après mise en place du con ducteur, le liquide contenant le mélange ci-dessus de Ta205 - Au203, on obtient après frittage une substance isolante dont la rigidité diélectrique est légèrement inférieure à celle obtenue avec de l'alumine pure, mais qui ne présente pas le risque de formation de débris qui se détachent et se déplacent de façon aléatoire dans les tubes électroniques en risquant de provoquer des pannes graves. La figure 5 représente le schéma d'un tube électronique à chauffage indirect équipé d'une cathode selon l1invention. Ce tube, un magnétron de moyenne puissance, se compose essentiellement d'une enceinte étanche constituée de deux pièces polaires, 11 et 12, entourées par un aimant 13 entre lesquelles est placé un bloc anodique 14. La pièce polaire supérieure 1 1 est fermée par un queusot 16, tandis que la pièce polaire 12, sur laquelle est fixée le support de tube 17 solidaire d'un bSti 18, porte, par l'intermédiaire d'un isolant céramique étanche 19,un contact 21. Le bloc anodique 14 est muni d'une ouverture sur laquelle est fixée une pièce de sortie 22 portant une fenêtre en céramique 23.La cathode est formée d'un boîtier allongé 24 de forme tubulaire portant une couche émissive 26 de forme cylindrique constituant la cathode proprement dite. Le bottiçr 24 est relié au contact 21 par un support conducteur 27. Un filament de chauffage 28 s'étend à l'intérieur du boîtier entre ses deux extrémités ; à l'extrémité supérieure il est fixé au boîtier 24 luimême, tandis que l'autre extrémité est reliée à un contact 29 par l'intermédiaire d'un support conducteur 31. Le contact 29 est isolé du contact 21 par un isolateur 32. L'invention est particulièrement avantageuse dans ce modèle d'application. Le boîtier 24 est en forme de fourreau allongé contenant un filament 28 soutenu à ses deux extrémités et il peut y avoir possibilité de contact entre conducteur et boîtier entraînant la mise hors d'usage du magnétron. Il est donc essentiel d'enrober le filament d'un revêtement isolant de bonne tenue, comme celui de l'invention, pour éviter tout contact électrique avec le fourreau. Ce type de magnétron, et les tubes électroniques en général, ont fait des progrès d'endurance considérables, en particulier en ce qui concerne la tenue au vide qui est une des principales causes de leur mis hors d'usage, et il est très important que leur endurance ne soit pas limitée par la tenue du filament. Stinvention permet donc de donner aux tubes électroniques une longévité nettement accrue par rapport à ceux de l'art antérieur. R E V E N D I C A T I O BJ S 1. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect composée d'un boîtier portant une couche émissive, ledit boîtier contenant un conducteur de chauffage, cathode caractérisée en ce que ledit conducteur est enrobé d'une matière isolante constituée par le produit du frittage d'un mélange d'au moins deux constituants isolants frittables, le coefficient de dilatation du produit de frittage d'au moins un des constituants étant supérieur au coefficient de dilatation du conducteur, et le coefficient de dilatation du produit de frittage d'au moins un autre constituant, étant inférieur au coefficient de dilatation du filament. 2. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 1, caractérisée en ce que les constituants du mélange sont au moins un matériau réfractaire et le pentoxyde de tantale. 3. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est de alumine. 4. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conducteur de chauffage est en tungstèllz et en cc que le mélange est constitué par environ 58 parties en poids de pentoxyde de tantale pour 100 d'alumine. 5. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conducteur de chauffage est en molybdène, et en ce que le mélange est constitué par environ 43 parties en poids de pentoxyde de tantale pour 100 d'alumine. 6. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conducteur de chauffage est un fil de tungstène de diamètre inférieur à un millimètre, et en ce que le mélange est constitué par environ 20 parties en poids de pentoxyde de tantale pour 100 d'alumine. 7. Cathode thermo-électronique à chauffage indirect selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière isolante enrobant le conducteur remplit l'espace compris entre le conducteur et le boîtier. 8. Application à un tube électronique à chauffage indirect caractérisée en ce que ledit tube comporte essentiellement une enceinte étanche contenant une anode, et une cathode selon l'une quelconque des revendications précédentes.