Brevet FR2395597A1 — publié le 19790119

La présente invention concerne les équipements et les techniques utilisant en tant qu'outil de travail un faisceau d'électrons de haute énergie, et a particulièrement pour objet une unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect pour canon électronique, dans laquelle la cathode en matière à haut pouvoir émissif est chauffée par un élément chauffant approprié. On entend par canon électronique un ensemble d'électrodes qui engendrent et mettent en forme un faisceau d'électrons, et qui peuvent en outre contrôler l'intensité de ce faisceau d'électrons. Ledit canon électronique est connecté à une source de courant continu à haute tension. L'invention peut être utilisée avec succès pour le soudage, le brasage et d'autres genres de traitement des métaux entrant dans le cadre de la technologie employant des faisceaux d'électrons. L'expérience a montré que dans les conditions d'exploitation des canons électroniques, c'est-à-dire dans des conditions de variation de la pression des gaz résiduels lors de leur fonctionnement, il est nécessaire d'utiliser des cathodes plates en forme de disque réalisées en matière hautement émissive. En vue d'assurer une émission stable d'électrons, la cathode doit être portée à une température de I 800 à 2 000 OC et la régularité et la stabilité du chauffage doivent être maintenues de façon très précise.Ce régime ne peut etre assuré qu'à condition d'utiliser un élément chauffant de conception rationnelle qui se distingue par des caractéristiques thermiques et économiques élevées : faible puissance consommée, haute stabilité de forme sous l'faction des déformations ou sollicitations thermiques, aptitude à résister à un chauffage excessif pendant une exploitation de longue durée. L'expérience a montré que ces exigences sont satisfaites dans une certaine mesure par les filaments chauffants en spirale à sortie axiale. Cependant, vu l'élévation de la puissance des canons électroniques, une telle conception n'est pas en mesure d'assurer un fonctionnement de longue durée, étant donné les variations des distances entre les spires, le chauffage irrégulier et les courts-circuits entre spires. La puissance des faisceaux électroniques produits par les canons électroniques équipés de tels filaments chauffants étant importante, même des écarts très faibles de la configuration de la spirale et des distances entre ses spires par rapport à la configuration et aux distances correctes, écarts qui se produisent inévitablement lors de la fabrication et du montage de l'unité cathodique, conduisent, comme en témoigne l'expérience, à un chauffage irrégulier de la cathode en forme de disque, à des variations de sa température lors de son fonctionnement et à une évacuation irrégulière de la matière de sa surface chauffée. On connaît des tentatives faites pour utiliser un système d'isolateurs soutenant la spirale en vue d'améliorer la constance de la forme de cette dernière. Mais cette solution ne permet pas de surmonter complètement toutes les difficultés indiquées ci-dessustet de plus, rend moins bonnes les conditions de refroidissement de l'unité cathodique thermo-émissive, de méme que les conditions d'alignement de la spirale par rapport aux électrodes de l'unité. En meme temps, la surface chauffée de la spirale étant importante, il s'avère impossible de concentrer l'énergie thermique dans le centre de la cathode en forme de disque. Ces derniers temps, les chercheurs se sont efforcés de créer des éléments chauffants à ruban dont la partie thermoionique se trouve à proximité du centre de la cathode en forme de disque. La pratique a montré que lors de l'exploitation d'un tel élément chauffant, ayant une forme en U, apparaissent des phénomènes secondaires dus à l'absence de chauffage local et à l'influence du rayonnement de chaleur sur la résistance électrique et la fiabilité de l'ensemble de l'unité cathodique. Etant donné que les dimensions de ladite unité ne permettent pas de se servir d'éléments d'amenée de courant réalisés en un matériau à section transversale importante, on n'arrive pas à améliorer le rendement de l'élément chauffant grace à ses cotes d'encombrement. Le but de la présente invention est d'éliminer les incon vénients des éléments chauffants de conception décrite cidessus et à augmenter la puissance de l'ensemble du canon électronique. L'invention vise à augmenter le rendement de l'élément chauffant, à réduire la température des branches d'amenée de courant et à diminuer les déformations thermiques en modifiant à cet effet la configuration des branches d'amenée de courant. Ce problème est résolu grace à une unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect pour canon électronique, du type comportant une cathode en forme de disque en matière hautement émissive et un élément à ruban en U pour le chauf- fage de cette cathode, ledit élément comportant une partie thermo-émissive et des branches d'amenée de courant disposées parallèlement, ladite unité étant caractérisée, selon l'invention, en ce que celles des extrémités desdites branches qui sont destinées à hêtre fixées à un support sont situées dans un plan perpendiculaire aux extrémités de ces mêmes branches qui sont reliées à ladite partie thermo-émissive. L'avantage essentiel de la présente invention réside dans le fait que le chauffage mutuel des branches parallèles est réduit de 30 96 en raison du fait que suivant toute une moitié de leur longueur ces branches sont tournées l'une vers l'autre par le côté latéral étroit de-leurs sections transversales respectives. D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui va suivre d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif illustré par le dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 représente un schéma de principe d'un canon électronique avec unité de cathode thermo-émissive à chauffage indirect, selon l'invention, et des pièces à souder. - la figure 2 représente une vue en perspective, à plus grande échelle, de l'élément chauffant à ruban. Un canon électronique, monté dans une machine à souder les métaux (la machine n'est pas représentée), comporte une unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect 1 et une anode 2 (figure 1) destinées à engendrer un faisceau électronique 3. Ensuite, sur le traJet de ce faisceau élec tronique, sont montés successivement une lentille électromagnétique focalisatrice 4, un système de centrage 5 et enfin les éléments à souder destinés à constituer la pièce 6. L'unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect 1 comprend un élément chauffant 7 à ruban en U réalisé en tantale et placé à proximité d'une cathode 8 en forme de disque, réalisée en hexaborure de lanthane, une électrode de commande 9 étant disposée coaxialement à ladite cathode. L'électrode de commande 9 est prévue pour réguler l'intensi- té du faisceau électronique. Chacune des branches mutuellement parallèles d'amenée de courant 10 et Il faisant partie de l'élément chauffant à ruban 7 est tordue dans sa partie médiane de telle façon que les sections transversales de ses deux moitiés forment un angle droit l'une par rapport à l'autre. La partie thermo-émissive 12 de l'élément chauffant à ruban 7 se raccorde perpendiculairement aux extrémités desdites branches parallèles 10 et Il et est disposée parallèlement à la cathode en forme de disque 8, les autres extrémités des branches 10 et 11 étant raccordées à un support (non représenté). Le principe de fonctionnement de l'unité cathodique conforme à l'invention consiste à placer les éléments à souder destinés à constituer la pièce soudée 6, dans une chambre à vide (non représentée), et à diriger sur eux le faisceau électronique 3 focalisé de faible ouverture (mince) dont les électrons se déplacent à une vitesse voisine de la vitesse de la lumière. L'interaction du faisceau électronique et des éléments à souder 6 provoque le chauffage et la fusion du matériau traité. La source d'électrons libres est constituée par la cathode 8 chauffée par ltélement chauffant à ruban 7. Le chauffage de la cathode en forme de disque 8 s'effectue à la suite de son bombardement électronique par le flux d'électrons provenant de la partie thermo-émissive 12 de l'élément chauffant 7. La température de chauffage atteint 22000C. La cathode 8 est portée à un potentiel positif par rapport à l'élément chauffant à ruban 7, ce qui permet d'augmenter la vitesse des électrons et l'intensité du bombardement électronique de la cathode 8. Le chauffage de la cathode 8 est dA tant au rayonnement thermique de l'élément chauffant à ruban 7 qu'à l'impact des électrons sur le corps de la cathode 8.Sous l'action de la température de rayonnement élevée et du bombardement électronique, le matériau de la cathode 8 commence à se vaporiser et, en atteignant la zone thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban 7, provoque l'activation de cette zone thermo-émissive, ce qui réduit le travail d'extraction d'électrons de sa surface. Vu le fait que la section transversale d'une moitié de chacune des branches 10 et 11 de l'élément chauffant forme un angle droit avec la section transversale de l'autre moitié de la meme branche, l'échauffement réciproque des branches 10 et Il devient moins important, car suivant environ la moitié de leur longueur ces branches ont leurs sections transversales respectives tournées l'une vers l'autre par leurs côtés étroits.La surface du côté étroit de ladite section transversale transmet à la branche voisine un flux d'énergie thermi que notablement moins important que le côté large de la meme section transversale. La pratique témoigne que 1'échan- ge thermique total entre les branches 10 et Il accuse une baisse de 30 %. Le côté large de ladite section transversale se refroidit librement avec évacuation à l'atmosphère environnante de l'énergie radiée. Avec la réduction du réchauffage de l'unité cathodique 1, s'améliore la constance de la forme de l'élément chauffant à ruban 7 de meme que la stabilité de chauffage de la cathode en forme de disque 8. La haute énergie des électrons est obtenue grace à l'accélération de ces électrons par le champ d'intensité élevée créé par l'anode 2. L' énergie est fournie par impulsions dont la durée est de 10 4 à 10 6 seconde. Quand le faisceau d'électrons entre en contact avec la surface de la pièce à souder 6, l'énergie des électrons se transforme en chaleur. Dans la zone de contact du faisceau électronique avec la pièce à souder (tache de contact) la température atteint 3 000 à 4 0000C. La présente invention a permis d'augmenter la durée de vie de l'élement chauffant à ruban jusqu'à 12 heures, tout en réduisant à 70 W l'énergie consommée par l'élément chauf fant. La diminution du niveau de transfert mutuel de chaleur grace au rayonnement des branches d'amenée de courant de l'élément chauffant a permis de réduire de 3 fois le niveau des déformations thermiques subies par l'élément chauffant en cours d'utilisation. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné 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 suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATION Unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect pour canon électronique, du type comportant une cathode en forme de disque en matière hautement émissive et un élément à ruban en U pour le chauffage de ladite cathode, ledit élément comportant une partie thermo-émissive et des branches d'amenée de courant disposées parallèlement l'une à l'autre, caractérisée en ce que celles des extrémités des brancheslPéciteescui sont destinées à être raccordées à un support sont situées dans un plan perpendiculaire aux extrémités de ces mêmes branches qui sont reliées à ladite partie thermo-émissive de l'élément de chauffage à ruban.