Brevet FR2395596A1 — publié le 19790119

La présente invention concerne les équipements faisant appel à la technique des faisceaux d'électrons employant en tant qu'outil de travail un faisceau d'électrons de haute énergie, et a notamment pour objet une unité cathodique thermo émissive à chauffage indirect pour canon émetteur d'électrons dans laquelle la cathode en matière hautement émissive est chauffée par une pièce chauffante appropriée. On entend par canon émetteur d'électrons un ensemble d'électrons qui engendrent et forment un faisceau d'électrons et qui peuvent aussi contrer l'intensité de ce faisceau dte'lectrons. Ledit canon émetteur d'électrons est connecté à une source de courant continu de haute tension. L'invention peut-être utilisée pour le soudage, le brasage et d'autres genres de traitement des métaux dans le cadre de la technique des faisceaux d'électrons. Au début, la conception des unités cathodiques de types connus destinés aux canons émetteurs d'électrons était influencée par les principes qui se trouvent depuis très longtemps à la base des dispositifs électroniques à vide tels que les tubes électroniques et les tubes cathodiques. De façon générale lsélément de chauffage de la cathode de ces appareils est constitué d'un fil qui est traversé par un courant électrique en vue d'éffectuer le chauffage de la cathode à sa température de fonctionnement (700-8500C) . Le fil est disposé à l'intérieur de la cathode se présentant sous forme d'une douille métal lique revêtue d'une couche d'oxyde émettant des électrons.Le fil peut avoir diverses formes: en boucle (pour les tensions de chauffage de 2,5 à 4V); pliée avec un grand nombre de branches et spirales (pour les tensions de chauffage de 6,3 à146V) bifilaire. (pour les tensions de 50 V et davantage); ou des formes. L'expérience a montré qu'il y a intérêt à utiliser des cathodes plates en matériaux à pouvoir émissif élevé ayant la forme d'un disque dont un coté est émissif tandis que ltautre est chauffé par le bombardement électronique et le rayonnement produit par l'élement chauffant. Afin d'assurer un chauffage régulier de la cathode on a eu recours à un élément chauffant ayant la forme d'une spirale plate en fil de tungstène. Etant donné que cet élément de chauffage dissipe une puissance importante, même de très faibles écartements de la forme de la spirale par rapport à sa configuration géomdtrique correcte,ou bien des variations des distances entre les spires au cours du montage et de l'utilisation , conduisent, comme en témoigne la pratique, à un chauffage irrégulier de la cathode, à des variations de sa température pendant l'exploitation et à la destruction de sa surface sous l'effet du gradient de température élevé. Les tentatives ayant pour conséquence de compliquer la conception de l'élément chauffant et consistant à utiliser des isolateurs spéciaux soutenant la spirale pour améliorer la stabilité de sa forme n'ont pas réussi à éliminer totalement les inconvénients indiqués ci-dessus et rendent moins bonnes les conditions de refroidissement de l'unité cathodique et plus difficile l'ajustement du filament chauffant par rapport à la cathode lors de son remplacement. Le progrès subséquent des unités cathodiques thermo-émissives à chauffage indirect a été déterminé par l'apparition des éléments chauffants à ruban, qui se distinguent par une meil leure stabilité de forme par rapport aux filaments chauffants. Mais , pour atteindre les températures de chauffage requises , de tels éléments chauffants exigent une puissance élevée et ont une faible durée de vie en raison de la densité importante du courant électrique qui les parcourt. Ces derniers temps, l'activité inventive s'est orientée vers le développement d'un élément chauffant à ruban assurant une importante économie et une bonne stabilité d'alignement par rapport à la surface de la cathode. Dans une certaine mesure ces conditions sont satisfaites'~par les éléments chauffants à ruban en métal réfractaire, dont la forme est destErminée par la construction de la cathode. Avec l'accroissement de la puissance des canons émetteurs d'électrons, l'augmentation de la température de travail de la cathode et la réduction des cotes d'encombrement de l'unité cathodique, les éléments chauffants de ce type provoquent un rayonnement de chaleur intense dans le milieu environnant. Le chauffage conduit à la réduction de la résistance électrique (rigidité diélectrique) de l'unité cathodique et à l'apparition de claquages en haute tension entre les electrodes. Le but de la présente invention est de palier les inconvénients indiqués ci-dessus. L'invention vise à mettre au point un élément chauffant à ruban pour une unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect, capable d'assurer une bonne constance de forme et un chauffage stable de la surface de la cathode pour une faible consommation de puissance. Ceci assure un chauffage localisé et exclut les claquages éventuels , ce qui est---surtout important lors de l'exploitation des canons à électrons dans les conditions industrielles. Selon l'invention , ce problème est résolu du fait que dans l'unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect d'zizi canon émetteur d'électrons, comportant une cathode en forme de disque en matériau hautement émissive et un élément à ruban métallique de chauffage de la cathode, suivant l'invention la partie thermo-émissive dudit élément chauffant est réalisée en forme de W, la distance séparant .'les sommets des deux saillies du W étant de 6/10 à 8/10, et la profondeur de la poche entre lesdites saillies, de 5/10 à 6/10 du diamètre de la cathode émissive en forme de disque. L'avantage le plus appréciable de la présente invention réside dans le fait que l'élément chauffant dont le ruban comporte une partie thermo-émissive en W fonctionne de façon stable pendant 8 heures dans la gamme de t'empératures allant de 18000C à2000OC. Dans ces conditions, la puissance de chauffage ne dépasse pas 75W et la puissance du canon émetteur d''électrons se chiffre à 60 kW. D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui va suivre d'un exemple préféré de mise en oeuvre avec références au dessin unique annéxé dans lequel: - la figure 1 représente un schéma de principe illustrant le canon émetteur d'électrons avec l'unité cathodique thermoémissive à chauffage indirect selon l'invention ainsi que la pièce à souder; - la figure 2 représente une vue axonométrique, à plus grande échelle, de l'élément chauffant à ruban; - la figure 3 représente le revEtement-écran de la surface émissive de la cathode. Le canon émetteur d'électrons agencé dans une instaIS2oL de soudage des métaux (l'installation n'est pas représentée) comprend une unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect (figure 1) et une anode~2 disposée sous ladite unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect , le tout étant destiné à engendrer un faisceau d'électrons 3. En aval(suivant le sens de déplacement des électrons)de l'anode 2 se trauve une lentille magnétique 4. La pièce à souder 5 est placée en aval de lalentil- le magnétique 4 (suivant le sens du flux électronique). L'unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect 1 comporte un élément chauffant 6 constitué par un ruban dont la partie émissive en forme de W estSréalisée en tantale. k proximité de l'élément chauffant à ruban se trouve la cathode 7 en forme de disque en hexaborure de lanthane (La B6); une électrode de commande 8 est placée coaxialement à la cathode 7. L'électrode de commande 8 sert à régler le courant émis par la cathode en forme de disque 7. La forme en W de ladite partie thermo-émissive de l'élé- ment chauffant à ruban 5, qui contribue à la stabilité de forme et à la concentration de l'énergie thermique dana la partie médiane de l'électrode en forme de disque 7, présente les caractéristiques suivantes. Les sommets voisins 9 et 10 (figure 2) des deux saillies de cette partie thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban 6 sont séparés l'un de l'autre par une disimoe "a" comprise entre 6/10 et 8/10 du diamètre de la cathode 7 (figure 1).La profondeur de la poche de la partie thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban,,c'est-à-dire la distance 'rb't du sommet il (figure 2) aux sommets 9 et 10 des deux saillies, est de 5/10 et 6/10 du diamètre de la cathode 7. Le section transversale des extrémités 12 et 13 de l'élément chauffant à ruban 6 sont en forme de V afin de maintenir encore davantage la stabilité de sa forme. La surface émissive de la cathode en forme de disque 7 porte un revêtement-écran 14 (figure 1) réalisé en tantale, qui est un matériau pour lequel le travail d'extraction électronique est plus élevé que celui de lthexaborure de lanthane dont est constituée la cathode 7. L'écran 14 peut etre obtenu par vaporisation sous vide du tantale sur la cathode 7. A cet effet, on peut aussi- faire appel à un film de tantale de 0,01 - 0,1 mm d'épaisseur. L'écran 14 a@@la forme d'un anneau plat (figure 3) dont le diamètre intérieur est égal à 6/10 de la distance a (figure 2) séparant les sommets voisins 9 et 10 de la partie thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban 6. Le principe de fonctionnement d'un canon émetteur d'électrons équipé de l'unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect consiste à diriger sur les pièces à souder destinées à former le produit 5 (figure 1) et placées dans une chambre à vide (non représentée) un faisceau électronique focalisé 3 de faible ouverture dont les électrons se meuvent à grande vitesse. L'intéraction du faisceau électronique de haute énergie et des pièces à souder provoque le chauffage et la fusion du matériau de ces dernières. La source d'électrons libres est constituée par la cathode en forme de disque 7, chauffée à la suite du bombardement de sa surface par le flux d'électrons provenant de la partie thermo-émissive en W de l'élément chauffant à ruban 6. La température de chauffage atteint 22000C.On applique à la cathode 7 un potentiel positif de 1,2 kW par rapport à l'élément chauffant à ruban 6, ce qui favorise l'augmentation de la vitesse des électrons et de l'intensité du bombardement électronique subi par la cathode 7. Le chauffage de la cathode en forme de disque 7 est d tant au rayonnement thermique de l'élément chauffant à ruban 6 qu'à l'impact du flux d'électrons sur la cathode 7. Sous l'action de la température de rayonnement élevée et du bombardement électronique, le matériau de la cathode 7 commence à se vaporiser et, enateignant la partie thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban 6, provoque l'activation de celle-ci, ce qui réduit le travail d'extraction des électrons de sa surface. Les -meilleurs résultats ont été obtenus avec les dimensions précitées de la partie thermo-émissive en W de l'élément chauffant à ruban 6s La surface en W activée dépasse de beaucoup la surface de cette même partie thermoémissive de la cathode à ruban en V du type connu. La densité la plus élevée du flux électronique est constatée dans l'espace entre les sommets voisins 9 et 10 de ladite partie en W. Ainsi, on arrive à assurer un chauffage régulier de la partie centrale de la cathode 7. Le fait que le sommet 11 soit disposé à une distance "b" des sommets 9 et 10 de la forme en W de ladite partie thermo-émissive à la distance "b", s'explique par la nécessité d'augmenter la surface de la partie thermo-émissive de l'élément chauffant à ruban 6 et de maintenir le bilan thermique de la cathode 7. La réduction de la distance "b" n'est pas souhaitable, car la diminution de cette distance peut conduire à la destruction de la cathode en forme de disque 7 à la suite d'un chauffage excessif de sa partie centrale L'augmentation de la distance "b" entraîne une réduction im portante du rendement de l'unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect 1. La conception de l'élément chauffant à ruban 6 permet de réduire de 30 % la puissance consommée par cet élément, par rapport à ltélément chauffant à ruban en V du type connu.La couche dthexaborure de lanthane déposée sur la partie thermo-émissive en W assure 1' émission nécessaire à T = 1800 C, tandis que le tantale non activé ne permet la mame émission qu'à la température de 22000C. La diminution de la température de l'élément chauffant à ruban 6 accroît sa durée de vie de 10 fois par rapport à l'élément chauffant à ruban en V du type connu L'écran 14 de forme indiquée ci-dessus qui se trouve sur la surface émissive de la cathode en forme de disque 7, contribune à la diminution du gradient de température dans tout le volume de cette cathode 7, ce qui réduit l'éventualité de modifications structurales et de fissuration du métal cpxi sert à la fabrication de la cathode 7. Par ailleurs, l'émission des électrons devient plus homogène et le faisceau formé pré sente une répartition prédéterminée de la densité des électrons dans la section transversale grâce au fait que les électrons périphériques dispersés, possédant une faible réserve d'énergie, sont éliminés du faisceau0 Les variations de la largeur de la pénétration du métal chauffé par le faisceau dtélectrons diminuent de 10 fois par rapport aux variations obtenues sans l'écran 14. La haute énergie des électrons émis par le canon est due à l'éccélération de ces électrons par le champ à tension élevée créé par l'anode 2 Les électrons se dirigent vers les pièces à souder 5 à une vitesse voisine de la vitesse de la lumière Le diamètre du faisceau électronique 3 ayant'passé à travers le système de centrage (non représenté) et la lentille magnétique 4 peut être réduit à des centièmes et même des millièmes de millimètre, et, par conséquent, la puissance unitaire peut atteindre plusieurs milliers de kilowatts par millimètre carré. L'énergie est fournie par impulsions d'une durée à 10'6 seconde. Lorsque le flux d'électrons entre en contact avec la surface deipièces à souder 5, l'énergie des électrons se transforme en chaleur. Cela assure un chauffage très localisé. Si la température dans la zone de contact direct entre le faisceau et les pièces à souder (tache de contact) atteint 3000 à 40000C, elle ne dépasse pas 3000C à une distance de seulement 1 micron de cette zone de contact. De telles conditions de transfert de la chaleur au métal à souder, la puissance du faisceau électronique étant très élevée, permettent d'accélérer sensiblement le processus de soudage. Les régimes de fonctionnement du canon émetteur d'électrons équipé d'un élément chauffant thermionique pour l'unité cathodique 1 selon l'invention, sont'résumés dans le tableau ci-après. Tableau de régimes Distance mul- Gradient des Puissance Tension de Courant de Température Durée du tiple du dia- températures consommée bombarde- bombardement du support régime, mètre de la sur la surfa- par l'élé- ment de la de la cathode de l'unité cathode en for- ce émissive ment chauf- cathode en en forme de cathodique me de disque de la cathode fant à ru- forme de disque, en forme de bant à disque, disque 2200 C degrés/mm Dans la Dans partie la parnon pro- tie a b tégée proté- W V MA C h par le par le revête- revêtement ment 0,6 0,5 20 150 70,00 1000 30 200 24 0,7 0,55 25 160 72 1100 25 230 23 0,8 0,6 30 180 75 1200 20 260 22 0,85 0,3 80 240 120 1300 40 350 3 L'élévation importante de la puissance du faisceau dtélectrons permet d'utiliser une installation sans chambre à vide, dont l'emploi est parfois imposé par les conditions de soudage de certaines pièces directement pendant leur montage. Une telle utilisation est favorisée par les très faibles cotes d'encombrement du canon émetteur d'électrons car, par rapport aux installations du type connu, ce canon de dimensions deux fois moins élevées fournit un faisceau d'électrons de même intensité. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nra 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 cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND I CAT IONS Unité cathodique thermo-émissive à chauffage indirect pour canon émetteur d'électrons, du type comportant une cathode en forme de disque en matériau hautement émissive et un élément chauffant constitué par un ruban métallique comportant une partie thermo-émissive, caractérisé en ce que ladite partie thermo-émissive est en forme de W, la valeur de la distance séparant les sommets des deux saillies du W étant de 6/10 à 8/10 de celui du diamètre de la cathode en forme de disque, et la profondeur de la poche entre lesdites saillies, de 5/10 à 6/10 dudit diamètre.